[发明专利]用于制造柴油燃料范围内的热解液体的水热分解方法和设备

说明书

本发明涉及一种用于由生物质或其他有机物生产柴油燃料范围内的有机液体的水热分解方法和设备。更具体而言，本发明涉及一种催化辅助的快速水热分解方法，其包括用于制备原料的系统和用于将能量传递至反应混合物的创新方法。

技术领域

本发明涉及一种用于由生物质或其他有机物生产柴油燃料范围内的有机液体的水热分解方法和设备。更具体而言，本发明涉及一种催化辅助的快速水热分解方法，其包括用于制备原料的系统和用于将能量传递至反应混合物的创新方法。

背景技术

水热分解处理可以用于将生物质转化为液体产物。在水热分解(还称为水热液化或有水热解)中，将生物质或有机物与一定量的水的混合物在10MPa～25MPa的压力下加热至280℃～370℃的范围。在这些亚临界条件下，水的物理和化学性质剧烈改变，使其不仅起到溶剂的作用，还起到反应物和催化剂的作用，因此原料可以直接转化为原油，该原油在条件返回环境温度和压力时可自动与过量的水分离[A]。

水热分解很适于处理高含水量和中等含水量(含水量>20％)的生物质或其他有机物，这是因为水用作反应介质因而有机原料可以直接进行处理，避免了最初消耗能量的干燥步骤，而该干燥步骤在常规或快速热解的情况下是必需的。

归因于水在亚临界条件下对有机物进行缩合、裂解和水解反应的能力，与热解油相比，可观察到液体产物品质的显著改善，如碳含量提高、氧含量降低和粘度下降。另外，催化剂已经显示出对水热分解过程有积极的作用，并且可以增大液体产物的收率并改善其品质。

即使与由快速热解获得的热解液体相比通常表现出更好的热稳定性、品质和特性，由水热分解获得的原油还需要进行精炼并提质(upgrade)以生产发动机用柴油燃料的等同物。

现有技术

水热分解通常为本领域已知，本领域内的研究已经相当广泛[B,C]，并且当前对生物质水热处理以获得商业价值的液体燃料存在越来越多的关注。尽管存在此种关注，从1970年代晚期至今开发出的所有水热技术具有未取得成功或成功有限，通常实现了稠密、高度氧化且热不稳定的液体产物的生产，而此种液体产物需要昂贵的精炼和提质处理才能获得柴油燃料范围内的产品。该问题与在苛刻条件下操作所固有的问题、与实现连续过程相关的困难、较低的液体收率(由于原料中有限的干物质含量和较低的转化率)一起，已经阻碍了这些技术的商业化和经济可行工艺和商业规模设施的开发。由于这些困难，大量开发项目已经终止而未商业化。

例如，最初对液化的研究之一于1970年代在匹兹堡能量研究中心(PERC)进行，其结果于1977年在俄勒冈州的奥尔巴尼建立了试验设施。若干技术问题和所生产液体的较低品质使得试验单元在1981年后不再运行[D,E]。

此外，1982年壳牌公司启动了旨在开发HTU(水热提质)工艺的研究，不过在1980年代后期该研究被停止，并在1997年由壳牌公司领导的荷兰财团恢复并得到了荷兰政府的支持。对HTU工艺启动的研发计划目标在于设计和实现试验设施(于2004年建成)，以获得用于设计商用设施的数据。在HTU试验设施中，具有不同水分含量的不同生物质在温度和压力分别为300℃～350℃和12MPa～18MPa下液化，并且滞留时间为5分钟～20分钟[F,G]。对每年能够转化25,000吨生活废物的湿有机部分(干重)的商用示范设施进行了技术和经济可行性研究，不过据我们所知其还未建成。

在1980年代，EPA的水工程研究实验室(辛辛那提，俄亥俄州，美国)开发出能够以30L/h的速率处理具有20％固体的未经熟化(undigested)城市污水污泥的原型式污泥变油反应器系统(STORS)[H]。

STORS工艺于1990年代在日本以能够每日处理5吨脱水污泥的连续设施实现，该设施在300℃的温度和10MPa的压力下工作[I]。