[发明专利]热转化过程中沉积物以及副反应的减轻

说明书

技术领域

本发明涉及热解过程以及其它热转化过程，更具体地，涉及用于在热解过程以及其它热转化过程中减少沉积物并且减轻副反应的系统和方法。

背景技术

生物质在大部分的人类历史上是主要能源。在19世纪和20世纪期间，由于出现矿物燃料的经济性开发以及煤和石油产品的市场占有，世界上源于生物质的能量的比例急剧下降。然而，世界上能量的约15％仍继续源于生物质，并且在发展中世界中，生物质对能量供应的贡献接近38％。

固体生物质(通常为木材或木材残渣)通过热的施加而被转化为例如燃料或化学品的有用产物。最常见的热转化示例是燃烧，其中加入空气并且点燃全部生物质供给材料，从而提供热的燃烧气体以便产生热以及蒸汽。第二个示例是气化，其中，小部分的生物质给料利用空气而燃烧，以便将其余的生物质转化为可燃燃料气体。已知被称为发生炉气体的可燃气体的作用如同天然气一样，但是通常其能量含量为天然气的10％至30％之间。热转化的最后一个示例是热解，其中固体生物质在基本上没有空气的情况下转化为液体和木炭连同气态副产物。

在一般意义上，热解或热裂解指的是生物质、矿物燃料以及其它含碳给料通常在转化单元中在不使用直接燃烧的情况下、在热作用下转化为液体和/或木炭。少量的可燃气体也是典型的副产物。历史上，热解是相对缓慢的过程，在该过程中所产生的液体产物是粘性焦油以及“热解”液。在将产物蒸气冷凝为液体产物的单元操作之前，传统的缓慢热解通常在低于400℃的温度下并且以若干秒至若干分范围的处理时间进行。对于一些用于木炭生产的缓慢热解过程，处理时间能够为若干小时。来自木材的缓慢热解的三种主要产物以重量计的分布大约是：30％-33％的液体、33％-35％的木炭以及33％-35％的气体。

被称作快速热解的更现代的热解形式在二十世纪70年代后期被发现，当时研究人员注意到从生物质获得极其高产量的相对非粘性液体(即易于在室温下流动的液体)是可能的。实际上，如果适度提高热解温度并且允许在通常小于5秒的非常短的时间段中进行转化，则获得输入木材生物质材料的重量的大约80％的液体产量是可能的。一般而言，满足用于快速热解的条件的两个主要处理要求是：供给生物质的非常高的热通量连同对应的生物质材料的高加热率；以及跟随着产物蒸气的迅速骤冷的短的转化时间。在木材的快速热解的条件下，三种主要产物的产量大约是：70％-75％的液体，12％-14％的木炭以及12％-14％的气体。具有浓咖啡外观的来自快速热解的均质液体产物从那时起即公知为生物油。生物油适合于作为燃料，用于在锅炉中进行清洁且受控的燃烧，以及用在柴油机和固定式涡轮机中。这与以非常低的产量生产出稠厚、低质量、两相木炭-水混合物的缓慢热解形成鲜明对比。

在实践中，固体生物质的快速热解造成其大部分固体有机材料瞬时转变为蒸气相。这种蒸气相包含不可冷凝的气体(包括甲烷、氢、一氧化碳、二氧化碳和石蜡)以及可冷凝蒸气。正是可冷凝蒸气在冷凝时构成最终的液体生物油产物，并且该生物油产物的产量和值受到下游采集和回收系统的方法和效率的很大影响。只要其仍在升高的温度下保持于蒸气相，则快速热解期间产生的可冷凝蒸气就将继续反应，因此必须在下游过程中进行快速冷却或“骤冷”。如果所需的蒸气产物没有在产生之后立即进行快速骤冷，一些成分将裂化，从而形成较小分子量的馏分，例如不可冷凝的气态产物，以及固体木炭，而其它成分将重组或聚合为不需要的高分子量的粘性材料以及半固体。

通常，在高于400℃的温度下，蒸气相成分将以可观的速率继续反应并且热降解将是明显的。因此，如果要使得快速热解过程在商业上是可行的，则极其重要的是，在合适的反应时间之后使蒸气流瞬时骤冷至低于大约400℃的温度，优选地低于200℃并且更优选地低于50℃。在规模扩大的商业性快速热解系统中，这种对热蒸气流进行迅速冷却的要求是不易实现的。当执行迅速冷却时，蒸气流中的某些组分(尤其是重馏分)易于在较冷的表面(即通至冷凝器的传输线和管道)上快速凝结，从而造成设备的沉积和结垢，并且还导致大量暖液体的反应，其中额外的副聚合和热降解会发生。因此，在这些在热反应温度与较低的冷凝器温度之间存在温度梯度的区域中，关键的是，减轻冷凝蒸气沉积以及所伴随的不期望的热反应的发生。上述的冷凝和沉积现象也能够适用于石油、矿物燃料以及其它含碳给料的热转化(例如重油和柏油的热改质)。

因此，存在对减少这种沉积以及减轻副反应的系统和方法的需要。

发明内容

本发明描述了用于在热解和其它热转化过程中减少累积性沉积以及不期望的副热反应的系统和方法。