用于通过水热液化将生物质转化为生物原油的系统和方法与流程

用于通过水热液化将生物质转化为生物原油的系统和方法
1.本技术是申请号为201480062723.2(国际申请号为pct/us2014/055054)、申请日为2014年9月11日且发明名称为“用于通过水热液化将生物质转化为生物原油的系统和方法”的中国专利申请的分案申请。
2.相关申请
3.本技术要求于2013年10月3日提交且标题为“用于通过水热液化将生物质转化为生物原油的系统和方法(systems and methods for converting biomass to biocrude via hydrothermal liquefaction)”的美国临时专利申请号no.61/886,463的优先权，此申请的全部内容以引用的方式并入本文。
4.背景
5.2007年能源独立与安全法案(eisa)建立了强制性可再生燃料标准(rfs)：要求到2022年，在美国销售的运输燃料中混合的可再生燃料从2008年的90亿加仑增加至最低360亿加仑。现今，我们面临要满足这些强制要求的挑战，部分上归因于产生先进生物燃料的能量需求和寻求可靠原料的充分供应。
6.至今，微藻至可再生燃料途径专注于在微藻内产生脂类，随后提取并且将这些脂类转化为生物柴油。所述方法依赖微藻产生大浓度脂类以便使方法具有有利的能源投资收益率(eroi)。由于选择了特定的高脂类产出微藻进行养殖，仅诸如其他种类藻类的污染物和捕食者就减少了预期的脂类产量。因此，实际上，脂类产量因为这些因素而一贯地低于预计水平。
7.生物质至生物原油水热液化(htl)的人工方法摹拟在地壳中向腐烂生物质施加热量和压力以在几千年的过程中形成化石燃料原油的天然过程。在此过程中，原料的几乎全部有机组分(脂类、碳水化合物、蛋白质和核酸)可转化为生物原油，得到高得多的生物质至生物原油产量。图1示出各种类型的可用来通过htl方法产生生物原油的生物质原料，包括栽培的藻类、海洋生物质、食物废物、木材废料和动物粪便。生物质原料还可包括城市生物固体废物和油脂废物。已报道生物质至生物原油转化率为在40％
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50％的范围内，而一些转化率高达65％。
8.然而，阻止广泛采用htl技术生产可再生燃料的主要障碍之一是驱动htl反应器的高能量需求，其需要约400℃的温度和约20mpa的压力。传统上，htl方法需要非常大的能量输入，这转而致使所述方法具有负eroi。此外，当前的htl方法以批次处理方式进行。
9.简述
10.本文描述的是提供用于水热液化(htl)反应器的新型热能源的系统和方法。根据各种实施方式，系统和方法利用来自聚焦高能束的集中太阳热能以提供用于驱动htl生物质至生物原油工艺的足够能量。此外，其他实施方式利用厌氧消化器将生物废弃物(诸如城市生物固体和油脂及食物废物)转化为生物原油，并且消化器产生的一部分生物气被用来产生在htl反应器中使用的用于生物质至生物原油工艺的热能和/或电能。此外，替代的实施方式可包括利用生物气和太阳辐射以提供用于htl反应器的足够热能的混合系统。
11.根据某些实施方式，用于将生物质转化为生物原油的系统包括被配置用于将生物
质浆料转化为生物原油的水热液化反应器，和被配置用于将集中太阳热能提供给水热液化反应器以加热生物质浆料的太阳热能收集系统。太阳热能收集系统可包括太阳热能集中机构和接收器。太阳热能集中机构可选自包括例如凹面反射盘、抛物面反射镜和菲涅耳透镜的组。接收器被配置用于接收来自太阳热能集中机构的集中太阳热能，并且可邻近太阳热能集中机构被操作地定位。水热液化反应器可邻近接收器布置。例如，在一种实施方式中，水热液化反应器包括布置在接收器外壳内的螺旋导管。在水热液化反应器远离接收器布置的另一种实施方式中，系统可包括被配置用于将来自接收器的至少一部分集中热能转移至水热液化反应器的热传递流体。
12.系统还可包括用于将生物质浆料连续泵送通过水热液化反应器的泵。例如，所述泵可被配置用于在约20mpa压力下泵送生物质浆料。此外，太阳热能收集系统可被配置用于将生物质浆料加热至约400℃。
13.根据一些实施方式，系统还可包括邻近水热液化反应器出口布置的被配置用于迅速冷却生物原油的骤冷器，和/或位于水热液化反应器下游的被配置用于收获来自生物质浆料热能的热交换器。此外，在某些实施方式中，系统可包括被配置用于为一个或多个生物浆料泵和一个或多个电子部件中的至少一者产生电能的发电机，其中来自热交换器的热能用于驱动发电机。此外，系统的一些实施方式还可包括两个水热液化反应器
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第一水热液化反应器和第二水热液化反应器。第二水热液化反应器布置在第一水热液化反应器和热交换器的下游，并且来自热交换器的热能转移至第二水热液化反应器。
14.其他实施方式包括将生物质转化为生物原油的方法，所述方法包括：(1)收集来自太阳热能集中机构的热能；(2)将生物质浆料泵送通过水热液化反应器；以及(3)利用收集自太阳热能集中机构的热能，在水热液化反应器中加热生物质浆料。加热生物质浆料可产生生物原油、生物气和生物炭。方法还可包括：(1)在生物质浆料离开水热液化反应器后，骤冷生物质浆料，和/或(2)收获来自所产生的生物原油、生物气和生物炭中的一者或多者燃烧的热能。收获的热能可用来为至少一个发电机提供动力，所述发电机可被配置用于将电能供应到至少一个用于将生物质浆料泵送通过水热液化反应器的泵，和/或向水热液化反应器供应额外的热能。根据某些实施方式，可通过热交换器进行热能的收获。
15.此外，在生物质浆料包括微藻的实施方式中，方法还可包括：(1)养殖微藻；(2)将养殖的微藻传递通过脉冲电场；(3)在传递通过脉冲电场之后，将养殖的微藻传递通过藻类生长设施；(4)在传递通过藻类生长设施之后，将养殖的微藻传递通过ph驱动的絮凝浓缩工艺；以及(5)将生物原油传递通过错流过滤机构以基本除去磷和极性成分。
16.在生物质包括城市生物废弃物的其他实施方式中，方法还可包括：(1)将城市生物废弃物供给到厌氧消化器；(2)收获来自厌氧消化器产生的生物气燃烧的热能；以及(3)将一部分收获的热能供给到被配置用于产生电能以运转至少一个泵的发电机。
17.其他各种实施方式包括用于将生物质转化为生物原油的系统，所述系统包括：被配置用于将生物质浆料转化为生物原油的水热液化反应器，和被配置用于利用来自燃烧生物气的至少一部分热能以产生电能的发电机。产生的电能和来自生物气燃烧的任何残余的热能被提供给水热液化反应器以加热生物质浆料。在某些实施方式中，系统还可包括至少一个厌氧消化器，其被配置用于消化生物固体废物并且产生生物气。此外，在一些实施方式中，系统还可包括浓缩机构，其被配置用于接收来自厌氧消化器的生物固体并且在生物固
体通过水热液化反应器转化为生物原油之前浓缩生物固体。根据一些实施方式，此系统可至少部分安装在生物固体处理设施内。并且，根据某些实施方式，生物气可自系统或远距离地自系统收获。
18.其他各种实施方式包括用于将生物质转化为生物原油的系统，所述系统包括：被配置用于将生物质浆料转化为生物原油的水热液化反应器，和被配置用于利用来自燃烧生物气的第一部分热能和太阳热能收集系统捕获的第一部分热能以产生电能的发电机。所产生电能的至少一部分与来自生物气燃烧和太阳热能收集系统的第二部分热能被提供给水热液化反应器以加热生物质浆料。
19.根据各种实施方式，将生物质转化为生物原油的方法包括：(1)收集来自生物气燃烧的热能；(2)将生物质浆料泵送通过水热液化反应器；以及(3)利用收集的热能，在水热液化反应器中加热生物质浆料。例如，生物气可通过生物固体处理设施中的至少一个厌氧消化器产生。方法还可包括：(1)收集来自天然气燃烧的热能；以及(2)在水热液化反应器中利用来自天然气燃烧的收集的热能加热生物质浆料。
20.将生物质转化为生物原油的另一种方法包括：(1)将城市污泥供给到至少一个厌氧消化器，城市污泥包含生物废弃物；(2)收集来自产生自生物废弃物部分消化的第一部分生物气燃烧的热能；(3)将来自第一部分生物气燃烧的热能提供给发电机；(4)收集来自产生自生物废弃物部分消化产生的第二部分生物气燃烧的热能；(5)将来自第二部分生物气燃烧的热能、发电机产生的废热、发电机产生的至少一部分电能和来自厌氧消化器的部分消化的生物废弃物固体流出物提供给水热液化系统；(6)将水热液化系统产生的废热再循环到厌氧消化器；以及(7)收获来自水热液化系统的生物炭和生物原油。根据某些实施方式，水热液化系统可包括预处理器和反应器。此外，方法还可包括：(1)在向水热液化系统供给生物固体之前浓缩供给自厌氧消化器的生物固体；以及(2)将来自水热液化系统的水相和来自生物固体浓缩的洗去物(washoff)供给到生物固体处理设备的二级和三级处理流。
21.附图简述
22.图1示出htl方法的高级流程图。
23.图2示出根据某些实施方式利用太阳辐射将热能提供给htl反应器的htl系统的示意图。
24.图3示出根据一种实施方式可与图2的系统一起使用的示例性太阳能集中机构。
25.图4示出图3中所示的太阳能集中机构的透视图。
26.图5示出图4中所示的太阳能集中机构的侧视图。
27.图6示出图4中所示的太阳能集中机构的后视图。
28.图7示出根据一种实施方式图2的系统与生物固体处理设施一起使用的示意图。
29.图8示出根据另一种实施方式利用图2的系统将藻类转化为生物原油的方法。
30.图9示出根据某些实施方式利用生物气将热能提供给htl反应器的htl系统的示意图。
31.图10示出根据一种实施方式图9的系统与生物固体处理设施一起使用的示意图。
32.图11示出根据一种实施方式利用图10的系统将生物固体转化为生物原油的方法。
33.图12示出根据某些实施方式利用生物气和太阳辐射集中机构的组合将热能提供给htl反应器的htl系统的示意图。
34.图13示出根据一种实施方式图12的系统与生物固体处理设施一起使用的示意图。
35.详述
36.本文描述的是提供用于水热液化(htl)反应器的新型热能源的系统和方法。例如，各种实施方式包括以新颖的方式利用太阳热能集中技术使得消除了htl方法能量势垒的新型水热液化(htl)反应器。根据各种实施方式，系统和方法利用来自聚焦高能束的集中太阳热能以提供用于驱动htl生物质至生物原油工艺的足够能量。集中的太阳热能可通过各种太阳热能集中机构收集，所述机构包括例如凹面反射盘、抛物面反射镜和菲涅耳透镜，并且太阳热能可被htl反应器直接或间接(诸如通过热交换流体)利用。
37.此外，其他实施方式利用厌氧消化器将生物废弃物(诸如城市生物固体和油脂及食物废物)转化为生物原油，并且消化器产生的一部分生物气被用来产生在htl反应器中使用的用于生物质至生物原油工艺的热能和/或电能。此外，替代的实施方式可包括利用生物气和太阳辐射以提供用于htl反应器的足够热能的混合系统。以下详细描述这些实施方式。
38.图2示出根据某些实施方式，利用太阳辐射集中机构将热能提供给htl系统的用于将生物质转化为生物原油的系统的示意图。
39.具体地，系统10包括水热液化(htl)系统12，和被配置用于将热能提供给水热液化(htl)系统12以加热生物质浆料的太阳热能集中机构14。系统10还包括用于产生电力的发电机17。太阳热能集中机构14可为凹面反射盘，如图3
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6所示，但是在其他实施方式中，太阳热能集中机构14可以为，例如抛物面反射镜或菲涅耳透镜。太阳热能集中机构可被配置用于将生物质浆料加热至约400℃。
40.图3示出的示例性太阳辐射集中机构14包括相对于凹面反射盘14被操作地定位以用于接收集中的太阳热能的接收器16，并且htl系统12的htl反应器12a布置在接收器16的外壳内。具体地，如图3至5所示，htl反应器12a包括布置在接收器16外壳内的螺旋导管。因此，在这种实施方式中，来自集中的太阳辐射的热能被直接提供给htl反应器12a。如图3所示，接收器16的外壳可通过一个或多个支架邻近凹面反射盘14的表面得以支撑。如图5所示，支架可包括包括用于接合反射盘14中心部分的螺纹的柱杆。然而，在其他实施方式中，htl反应器12a可远离凹面反射盘14布置，并且集中的太阳热能可通过热交换器和热传递流体转移至htl反应器12a。htl系统12也可包括预处理器(未示出)。
41.系统10还包括被配置用于将生物质浆料连续泵送通过htl系统12的泵(未示出)。所述泵可被配置用于在约20mpa压力下泵送生物质浆料。
42.根据各种实施方式，将湿性生物质浆料在高压下连续泵送通过htl系统12。生物质浆料通过利用太阳热能集中机构14聚焦的高能束进行加热(直接或间接)。在一种实施方式中，光束可达约1000℃。光束加热的亚临界水充当将有机物质转化为生物原油的反应溶剂。如图2和3所示，生物质的有机部分转化为生物原油和生物气，而无机部分转化为生物炭。此外，水相离开htl系统12，所述水相可通过城市生物固体处理设施的二级处理单元或其他适合的处理方法处理。
43.因此，系统10利用来自太阳集中机构14的热能作为用于驱动htl工艺的主要热能源，但是二级或备用热能源可包括生物气和/或天然气燃烧。例如，生物气可从htl工艺捕获或者在别处产生并且存储以供系统10使用。例如，生物气和/或天然气燃烧可用来在次最优太阳日产生热能。此外，来自太阳辐射集中机构12和/或来自生物气和/或天然气燃烧的至
少一部分热能可被发电机利用以产生电力。再者，电力还可通过利用太阳能光伏器件产生。
44.来自生物气和/或天然气燃烧的或来自存储太阳能的热能可直接或通过热传递流体和热交换器间接递送至htl系统12。
45.系统10还可包括邻近htl系统12出口布置的骤冷器(未示出)。骤冷器迅速冷却生物原油以防止降解。
46.此外，系统10可包括位于htl系统12下游的被配置用于收获来自生物质浆料的热能的热交换器(未示出)。例如，发电机17可被配置用于利用此收获的热能以产生用于一个或多个生物质浆料泵和一个或多个电气部件中的至少一者的电力。此外，系统10还可包括布置在htl系统12下游的第二htl系统(未示出)。来自热交换器的热能可转移至第二htl系统。此外，系统10可包括能够经受住htl工艺温度和压力的热和压力额定零件。
47.图7示出根据一种实施方式图2的系统10与新的或现有的城市生物固体处理设施20一起使用的示例性实施方式。系统10还包括接收来自设施20的未消化的生物固体并且浓缩所述固体的生物固体浓缩器22。浓缩的生物固体然后被htl系统12接收进行如以上关于图2所描述的处理。来自浓缩器22的洗去物供给到二级处理单元。生物固体可包括城市生物固体，诸如食物废物和油脂废物(例如，黄色和/或棕色油脂废物)。
48.图8示出产生藻类生物固体原料并且利用图2的系统将藻类原料转化为生物原油的示例性方法。具体地，在步骤1中，利用富营养的废物流养殖微藻。例如，可在生物反应器设施(例如，50,000l立式生物反应器设施)中养殖微藻。在步骤2中，将微藻传递通过脉冲电场，这终止了微生物污染物。然后，在步骤3中，将微藻传递通过藻类生长设施，并且将澄清水再循环回到生长设施。然后在步骤4中将微藻传递通过ph驱动的絮凝浓缩机构40，其中naoh将稠密的藻类生物质浓缩100倍而不经进一步干燥。在步骤5中，将浓缩的湿性生物质传递通过htl反应器12。当湿性生物质被传递通过htl系统12的热集中器14时，naoh在htl工艺中充当催化剂。在步骤6中，通过过滤机构60使生物原油经受错流过滤，从而将磷和极性成分从生物原油中除去，增加了所述生物原油的稳定性。此工艺的效率可为大于95％。在步骤7中，回收无磷生物原油。
49.根据某些实施方式，太阳能驱动系统，诸如以上关于图2
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8所描述的系统10，提供将生物质转化为生物原油的较大生产能力。此外，在使生物质经受htl工艺之前，可能不必要将生物质供给通过厌氧消化器。
50.根据其他各种实施方式，利用来自厌氧消化器的生物气作为燃料用于供应产生生物原油所需的电能和热能，可将城市生物固体、油脂废物和食物废物转化为可再生生物原油。城市生物固体、油脂废物和食物废物为了其适当处理、排放和消除而给水务造成了严重的问题。目前，处理设施厌氧消化部分生物固体、油脂和食物废物，但是设施不能将其消除。剩余部分被送到垃圾填埋场或喷洒到大量田地上。此外，设施燃烧多于一半的产生自其厌氧消化器的生物气，这导致了浪费。因此，这些实施方式着手解决至少两个关于人口增长的全球重要问题，即为：(i)减少/利用生物废弃物以及(ii)产生可再生先进生物燃料。此外，工艺是能量自给自足的并且利用可靠的原料用于连贯地生产可靠的生物原油源，这对于采用其他技术生产生物原油是主要障碍。
51.图9示出根据一种实施方式用于利用来自燃烧生物气的热能将生物固体以及油脂和食物废物转化为生物原油的系统30的示例性示意图。具体地，系统包括htl系统32和利用
来自燃烧生物气和/或天然气的热能以产生电力的发电机34。生物气(或作为备用的天然气)燃烧，并且热能被发电机34利用以产生用于htl系统32和系统30其他电气部分的电力。来自生物气燃烧的热能还转移至htl系统32以帮助生产生物原油。如以上所指出，htl系统32可包括预处理器和反应器。浓缩的生物固体、油脂或食物废物或者其他类型的生物质原料被供给到htl系统32并且通过htl系统32转化为生物原油、生物炭和水相。此外，产生自htl工艺的任何生物气可绕行回到发电机34或htl系统32用于燃烧或回收生物气携带的废热。生物固体和生物气可在与系统30同样的地点供应或可在别处产生并转移至系统32。例如，当系统在新的或现有的生物固体处理设施处实施时，诸如以上关于图10所描述的，生物气和生物固体就地提供。此外，天然气可作为二级或备用热能源提供。
52.图10示出系统30在新的或现有的城市生物固体处理设施40中的示例性实施方式。设施40包括至少一个厌氧消化器36和至少一个生物固体浓缩器38。至少一部分生物固体可供给到厌氧消化器36，并且消化的(和任何未消化的)生物固体被供给到浓缩器38。浓缩的生物固体然后被供给到htl系统32并转化为如以上关于图9所描述的生物原油、生物炭和水相。水相可被供给到生物固体处理设施的二级或三级处理单元用于进一步处理。厌氧消化器36产生的生物气被燃烧，并且所得的热能被发电机34用于产生电力和被htl系统32用于生物固体至生物原油转化工艺。此外，来自htl系统32的废热能可转移至厌氧消化器36以帮助消化过程或发电机34。
53.在一些实施方式中，厌氧消化器36可被配置来产生更多的氢气，所述氢气可与生物气分离。此外，生物原油可在htl系统32的上游被供给到改质单元(未示出)以从生物原油中除去氮和硫。
54.图11示出根据图10中所示的实施方式，将生物固体以及油脂和食物废物转化为生物原油的示例性连续流工艺700。起始于步骤701，将城市生物固体流供给到厌氧消化器36。消化器36自生物固体部分消化产生生物气。在步骤702，将此生物气的一部分供给到电能发电机34。在步骤703，将剩余的生物气、部分产生的电力和来自消化器36的部分消化的生物固体流出物供给到htl系统32。htl系统32特征在于预处理器和反应器。然后，在步骤704，将来自htl系统34的废热再循环到厌氧消化器36。在步骤705，将来自htl系统36的生物炭和生物原油作为主要产品收获。在步骤706，将来自htl系统36的水相和来自生物固体预浓缩的洗去物供给到生物固体处理设备40的二级和/或三级处理流。此外，来自发电机34的废热(其可为约450℃至650℃)用于供应htl的热能需要，并且利用来自htl的废热以供应厌氧消化器的热能需要。
55.根据某些实施方式，由于高温和高压环境，在系统中使用高压和高温额定零件。此外，根据一些实施方式，水相可被进一步处理以形成第三产品流，例如肥料增补物。此外，根据一些实施方式，可在工艺700中使用其他生物废弃物来源，诸如棕色或黄色油脂和食物废物。
56.根据某些实施方式，其他热能和/或电能源可用于htl系统，诸如来自光伏板的能量、来自垃圾填埋场的生物气、廉价的天然气、聚光型太阳能热系统(诸如以上关于图2
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8所描述的太阳能热系统)或其组合。例如，图12示出利用来自生物气(和/或天然气)燃烧和来自太阳辐射的热能的混合系统41的示意图。根据某些实施方式，在此系统41中，任一种热能源可用作主要源而另一源用作次要源，或者每个过程可产生的热能基本相等的部分可被用
来驱动htl工艺。系统41包括htl系统42、聚光型太阳能热系统45(如光伏板、抛物面反射镜、菲涅耳透镜或凹面反射盘(例如，图3
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6示出的反射盘))，和接收来自生物气(和/或天然气)燃烧和太阳能热系统45的热能的电力发电机44。如以上关于图2
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8所描述的，来自发电机44的废热可通过热交换器和热传递流体被转移至太阳能热系统45，并且来自太阳能热系统45的热能可被直接或间接提供给htl系统42。来自发电机44的电能也被htl系统42利用。浓缩的和/或未浓缩的生物固体和/或食物或油脂废物被供给到htl系统42，并且在处理后，由htl系统42产生生物原油、生物炭和水相。如以上所指出，htl系统42可包括预处理器和反应器。
57.图13示出图12中所示的混合系统41如在新的或现有的城市生物固体处理设施50中使用的示例性实施方式。设施50包括至少一个厌氧消化器46和至少一个浓缩器48。生物固体被供给到厌氧消化器46，并且由消化过程得到的生物气被燃烧和/或存储。消化的生物固体被供给到浓缩器48，并且浓缩的生物固体然后被供给到htl系统42。来自htl系统42的废热能可被转移至厌氧消化器46。此外，来自浓缩器48的水相和洗去物可被供给到二级和/或三级处理单元用于进一步处理。
58.城市生物固体具有用于生产生物原油的高有机物含量，在处理设备处预收集和浓缩，不需要用于收集的额外能量或作业，并且随着时间推移当人口增长时有可能是连贯且日益可用的。在厌氧消化器中自生物固体产生的生物气是极好的燃料源，其可就地产生以供应生产生物原油所需的电能和热能。此外，以上描述的方法和生产系统容易融入现有的生物固体处理设施，提供了低成本生物原油生产的途径。
59.如以上所指出，广泛应用htl方法的一个主要障碍是产生亚临界水环境(高温、高压)以驱动生物质至生物原油转化工艺所需的能量超过生物原油产品中可用的能量，产生了负eroi。以上描述的系统和方法的太阳能集中机构收集的热能和/或生物气和/或天然气燃烧提供了超过产生亚临界水状态所需热能的热能。此外，本文描述的系统和方法提供有助于驱动htl反应向前(将生物质转化为生物原油)所需的高热、高压条件的工程连续流。这种相结合的方法，不同于其他htl方法，在任何规模上产生了正eroi并由此产生了低成本生物质至生物原油生产的途径。
60.在过程中，系统允许使用多种生物质和/或生物废弃物原料，包括：城市生物固体、食物废物、动物粪便、油脂废物、纤维素废料以及微藻。这有助于否则会在垃圾填埋场经受处置的废弃材料的再循环。
61.本文描述的系统和方法的一个或多个实施方式的优点包括：(1)连续流；(2)相当高的生物质至生物原油产率；(3)几乎无能量输入，能够为工艺产生正eroi；(4)有机废弃材料至可再生生物原油的再循环；(4)能量自给自足；(5)价格低廉并且随着时间推移当人口增长时有可能在数量上增加的可靠生物废弃物原料的使用；(6)在发达和不发达国家实施系统的能力；(7)多种多样生物质原料的适用性；以及(8)容易扩大规模。