[发明专利]通过煤的催化温和温度热解制造烃和改质煤的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2015年5月22日提交的国际(PCT)申请序列号PCT/US 2015/032252的中国国家阶段申请，该PCT申请要求2014年5月23日提交的美国临时专利申请序列号62/002,674的权益和优先权。前述申请通过引用以其全文结合于此。

技术领域

本技术一般地涉及一种系统和方法，其可用于将固体碳质材料转化为一组有用的产物。更具体地，本技术涉及一种系统和方法，其利用催化剂来将固体碳质材料转化成气体产物、液体产物、和/或改质固体产物(例如，改质固体碳质产物)。

背景技术

鉴于原油储量的全球分布不均匀和公众关注的原油储量的有限性质，对基于可替代原料(例如：煤、生物质等)来开发替代生产技术的需求不断增长。在过去的数十年中，煤制油(CTL)技术已经取得了一些进展。技术上最佳确定的生产烃液体的途径包括气化，其一般包括较高温度的蒸汽和氧共进料产生合成气。在进一步转化为甲醇中间体或用于直接合成之前，需要对所得合成气进行显著清洁，并且因此通常包括一种集成的多步骤途径的基于气化的设备，其典型地建造以及操作昂贵。另一种从煤生产烃液体的途径是所谓的直接煤液化(DCL)途径，其包括通过将煤固体与纯氢气进行高压处理来将其直接液化。即使该DCL方法典型地会利用催化剂，但是从催化反应器出来的所需烃产物流的选择性低并且需要进一步处理。换言之，该DCL方法不能被调节以产生特定烃产物，并且特别是产生较低分子量的烃。因此，该DCL产物流需要显著的另外的化学改质步骤，这导致设施的构建和操作需要花费大量成本。另一种从煤生产烃液体的常规途径是通过温和温度气化或热解。通过常规的热解得到的液体产物流包含相对较高浓度的高分子量焦油，其需要大幅度改质，典型地通过催化加氢进行。相对于含非杂原子的C₁-C₁₂烃产物的总热解产物的选择性相对较低。

发明内容

在一个方面，提供了一种固体碳质材料的改质方法。该方法包括在催化剂存在下、在部分热解条件下加热固体碳质材料，并获得改质固体碳质产物、气体产物和废催化剂。固体碳质材料的一种非限制性实例是煤，因此，一种改质固体碳质产物的实例是改质煤产物。

在另一方面，提供了将选矿系统中的固体碳质材料转化为改质固体碳质产物的方法。该方法包括将固体碳质材料和催化剂引入热解反应器中，产生气体产物流和固体产物流，其中该固体产物流包括改质固体碳质产物。该方法还包括：从该反应器中回收该气体产物流，并且从该反应器中回收该固体产物流。固体碳质材料的一种非限制性实例是煤，因此，改质固体碳质产物的一种实例是改质煤产物。

在另一方面，提供了将选矿系统中的生物质转化为改质固体产物的方法。该方法包括将生物质和催化剂引入热解反应器中，产生气体产物流和改质固体产物，其中固体产物流包括废催化剂和该改质固体产物。该方法还包括：分离该改质固体产物和废催化剂，以及将该分离的废催化剂转移到再生器，该再生器除去废催化剂中的至少一部分的任何未热解的煤、焦炭和其他的碳质材料。保留在改质固体产物中灰分的重量为引入到热解反应器中的生物质的灰分重量的至少60％。该方法还包括：将气体产物流转移到分离器，其产生液体产物和气体产物。

热解反应器可以在约300℃至约1100℃下操作。在一些实施方式中，这可以包括约350℃至约850℃、或约400℃至约700℃。碳质材料可以具有约0.01秒至约5小时的停留时间。在一些实施方式中，停留时间为约0.1秒至约1分钟。热解反应器的催化剂装载量可以是从约0(零)至约100g催化剂/g碳质进料材料。在一些实施方式中，催化剂装载量可为从大约0.05g催化剂/g进料材料至约10g催化剂/g进料材料。反应器中碳质材料的加热速率可以为约0.1℃/秒至约1000℃/秒。

在至少一个实施方式中，起始碳质材料直接进入热解反应器。在其他实施方式中，进入该热解反应器之前，可以通过如粉碎机、干燥器、和/或任何下文讨论的其他合适的预处理器及预处理方法对碳质材料进行预处理。