[发明专利]用于转化固体生物质材料的两段式反应器和方法

说明书

技术领域

本发明一般性涉及用于将固体颗粒状生物质材料转化为气态和液体产品的改进的方法和设备。更具体而言，本发明的一些方面涉及两步法。

技术背景

生物质，尤其是植物来源的生物质，被认为是一种燃料和专用化学品充足的潜在来源。精制生物质原料(如植物油、淀粉和糖)基本能被转化为液体燃料，所述液体燃料包括生物柴油（如脂肪酸的甲基酯或乙基酯）和乙醇。然而，将精制的生物质原料用于燃料和专用化学品会从动物和人消费中分流食物资源，从而产生经济和道德问题。

或者，不可食用的生物质能够用于生产液体燃料和专用化学品。不可食用的生物质例子包括农业废料（如甘蔗渣、秸秆、玉米秸、玉米壳等）和专门种植的能源作物（像柳枝稷（switch grasses）和锯齿草）。其它例子包括树木、林业废料(如采伐作业产生的木屑和锯屑)、或来自纸和/或造纸厂的废料。另外，生物质的水产养殖来源(如藻类)也是生产燃料和化学品的潜在原料。不可食用的生物质通常包括三种主要成分：木质素、无定形半纤维素和结晶纤维素。某些成分（如木质素）能降低生物质的化学和物理可及性，从而降低化学和/或酶转化的易感性（susceptibility）。

由生物质生产燃料和专用化学品的尝试能得到低价值的产品（如不饱和的、含氧的、和/或环状烃）。虽然这些低价值产品能被升级为较高价值产品（如，常规汽油、航空燃料），但是升级需要专门的和/或昂贵的转化方法和/或精炼装置，这与常规基于石油的转化方法和精炼装置不同而且不兼容。由于大规模的生产设施并非广泛可得并且其造价可能十分昂贵，因此生物质的广泛使用和实施以生产燃料和专用化学品面临很多挑战。另外，现有方法可能需要极端条件（如，高温和/或高压、昂贵的工艺气体如氢气，这增加了投资和操作成本）、需要昂贵的催化剂、转化效率低下（如，不完全转化或无法转化木质素-纤维素和半纤维素材料），和/或产物选择性差。

因此，人们一直需要转化固体生物质材料用以生产燃料和专用化学品的新颖的且改良的方法。

发明内容

本发明的一些方面一般性涉及用于转化固体颗粒状生物质的方法和设备。

本发明的一个方面涉及一种用于转化固体微粒状生物质材料的两段式(two-stage)反应器，该反应器包括：(i)第一段反应器，在该反应器中对至少部分的微粒状固体生物质材料进行热裂解，以形成初级反应产物；和(ii)第二段反应器，在该反应器中将至少部分的初级反应产物催化转化为二级反应产物。第一段反应器和第二段反应器流体连通。优选地，所述第二段反应器的内径显著小于所述第一段反应器的内径。在一些实施方式中，第一段反应器具有内径d₁，第二段反应器具有内径d₂，其中d₁:d₂比为1.3:1至15:1，2:1至10:1，或3.5:1至7:1。

在一些实施方式中，所述两段式反应器包括一种将运送气体(lift gas)注入至第一段反应器的装置，其中所述运送气体将初级反应产物从第一段反应器运输至第二段反应器。在一些实施方式中，第一反应器包含惰性颗粒状材料。在一些情况中，所述惰性颗粒状材料是失活的颗粒状催化剂材料、惰性颗粒状固体热载体材料或其混合物。在一些实施方式中，所述惰性颗粒状材料是砂。

在一些实施方式中，所述反应器是循环流化床反应器、沸腾床反应器或携带流化床反应器(entrained fluid bed reactor)。在一些实施方式中，将所述失活的颗粒状催化剂材料从第一段反应器携带至第二段反应器。

在一些实施方式中，所述第二段反应器设置有用于注入颗粒状固体催化剂的装置。

在一些实施方式中，所述两段式反应器还包括一种用于从二级反应产物中除去固体颗粒(例如失活的催化剂颗粒)的装置。

在一些实施方式中，所述两段式反应器还包括用于从失活的催化剂颗粒中汽提挥发性材料的汽提塔。

在一些实施方式中，所述两段式反应器还包括一种用于将至少部分的失活催化剂颗粒从汽提塔注入至第一段反应器的装置。

在一些实施方式中，所述两段式反应器还包括一种用于在注入第一段反应器之前对来自汽提塔的失活催化剂颗粒进行加热或冷却的热交换器。

在一些实施方式中，所述两段式反应器还包括一种用于使来自汽提塔的至少部分的失活催化剂颗粒再生的再生器。

在一些实施方式中，所述两段式反应器还包括用于将再生的催化剂颗粒从再生器注入至第二段反应器的装置。