[发明专利]生物质的热化学转化

说明书

技术领域

本发明涉及将生物质和生物来源的废料处理成为原料油的方法。

背景技术

所谓生物质表示包括生物来源的废料和污泥中所含物质在内的全部有机物质。

植物性生物质基本上由纤维素、半纤维素(也称作多糖)和木质素这三种生物聚合物构成，其含量在温带木材中通常占到木材物质的97至99％，其中30至35％是纤维素，15至35％是半纤维素，20至35％是木质素。很少部分具有1至3％萃取物以及0.1至0.5％无机成分(灰分)。针叶木材中的木质素含量通常高于阔叶木材，阔叶木材中的半纤维含量略微高一些。

最为简单的方式是通过直接液化法将生物质转化为含氧的原料油作为液态中间产物。直接液化法是在250至550℃范围内进行的单步低温转化法，主要产生以下产物：

●液态冷凝物相，含有作为目标产物的原料油以及反应水，

●作为副产物的可燃气相，以及

●作为副产物的固体残余物。

在有利的情况下可形成疏水性原料油，这意味着原料油不会与水混合，也就是与水接触将会形成至少两种不可混合的液相，一个是油相，一个是水相。

通过热值确定原料油的品质。热值是燃烧过程中相对于燃料用量的最大可利用热量，这时废气中所含的水蒸汽不会发生液化。燃料中较高的氧含量不利于热值(Hi)，从以下公式即可看出：

H_i＝(34.0·m(C)+101.6·m(H)+6.3·m(N)+19.1·m(S)

-9.8·m(O)-2.5·m(H₂O))MJ/kg

式中m(C)、m(H)、m(N)、m(S)、m(O)和m(H₂O)是除以100之后碳、氢、氮、硫、氧和水的质量百分含量。

Frank Behrendt教授在生物质直接液化研究文章《反应机理和产物分布》(114-50-10-0337/05-B)中非常全面地描述了所有现有的直接液化方法。

匹兹堡能源研究中心曾经采用的PERC法需要大约200bar极高的压力下利用水介质、溶解催化剂、循环油和一氧化碳-氢混合气进行工作。劳伦斯伯克利实验室曾经采用的LBL法不使用循环油，但是与PERC法一样也要在同样复杂的条件下执行该方法。由于这两种方法极其复杂，出于技术和生态方面的原因已不再采用。

SHELL公司曾经采用的HTU法(Hydrothermal Upgrading)可以在大约180bar极高的压力下液化许多不同的生物质(也包括水分含量很高的生物质)，产生一种焦油状的含氧产物，需要将其继续处理成液态油。

按照BFH方法，需要在很高的氢压力并且使用昂贵贵金属催化剂的条件下直接催化加压液化。

按照Willner的加压氢化法/DoS(直接液化有机物质)，同样也是在氢压力下执行该方法，但不使用催化剂。

迄今为止所提及的直接液化方法包括曾经使用过的方法均需要在压力下工作，因此非常复杂。从已进入到反应器之中的生物质的稠度以及工艺过程的可行性、可靠性和经济性来看，将固体生物质加入到压力反应器之中始终是个问题。此外压力设备总体上比较昂贵，并且在运行过程中比大气压设备更容易受到影响。

此外还有以下在大气压下工作的直接液化方法：

Alphakat公司的KDV法(催化无压裂解油化)以及Willner所述的变型方法均需要源于石油的不含氧的重油相作为反应介质，需要使用粉末化固体催化剂在大气压下执行这些方法。后者牵扯到经济性问题，因为催化剂很昂贵，而且在反应器中很快就会因为结焦而失去活性。此外KDV法还必须连续供应新的重油，因为加入生物质时不会自身再生反应器塔底油相。KDV法还要利用内部重油循环进行工作，通过循环泵维持重油循环。一个根本性问题是循环油具有反应温度，泵会因此而承受很高的热负荷及腐蚀负荷，并且有经常失效的倾向。此外如果采用KDV法，循环油中的催化剂负荷以及生物矿物质负荷尤其会大大增加固体物质负荷，因此泵将会遭受很高的磨损负荷，从而导致过高的磨损，需要使用特别昂贵的材料。如果采用KDV法，当加入生物质的时候，无论是否使用催化剂，均不会形成稳定的、可以自身再生的塔底相，因此必须从外部连续供应新的重油。此外采用KDV法还会获得极多的固体残余物，作为目标产物的原料油则比较少。此外如果采用KDV法，还要观察冷凝物中多达四种不可混合的液相，因此很难实现技术可行的应用。