生物质转化系统及其应用方法技术方案

本发明专利技术的实施方案提供了用于生物质转化的系统和方法。生物质转化系统可以包括：水热消化装置；第一催化还原反应器装置，所述第一催化还原反应器装置沿着水热消化装置的高度通过两个或更多个流体入口管线和两个或更多个流体返回管线流体偶联至水热消化装置，所述第一催化还原反应器装置包含能够活化分子氢的催化剂；和流体循环回路，所述流体循环回路包括水热消化装置和包含能够活化分子氢的催化剂的第二催化还原反应器装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容大体涉及纤维素类生物质固体的消化，和更具体地涉及生物质转化系统及其应用方法，它允许在水热消化之后将包含可溶性碳水化合物的水解产物快速转化为更稳定的反应产物。
技术介绍
该部分旨在介绍本领域中可能与本专利技术的示例性实施方案有关的各个方面。相信该讨论有助于提供一个框架以促进更好地理解本专利技术的特定方面。因此，应该理解该部分应从这个角度阅读，和不作为对任何现有技术的认可。具有商业重要性的多种物质可以产自于天然资源，特别是生物质。由于在其中发现了各种形式的多种丰富的碳水化合物，纤维素类生物质在这方面可能特别有利。如这里所应用的，术语“纤维素类生物质”指包含纤维素的存活或者最近存活的生物材料。在高级植物的细胞壁中发现的木质纤维素材料是世界上最丰富的碳水化合物来源。通常由纤维素类生物质生产的材料可以包括例如经部分消化产生的纸和纸浆和经发酵产生的生物乙醇。植物细胞壁被分为两部分，即初生细胞壁和次生细胞壁。初生细胞壁提供用于细胞膨胀的结构支撑和由三种主要的多糖(纤维素、胶质和半纤维素)和一组糖蛋白组成。次生细胞壁在细胞完成生长后产生，还包含多糖和通过与半纤维素共价交联的聚合性木质素强化。半纤维素和胶质通常含量丰富，但纤维素是主要的多糖和最丰富的碳水化合物来源。正如下文所讨论，与纤维素共存在的各组分的复杂混合物可能会使其处理起来比较困难。已经有大量的注意力放在了开发由可再生来源获得的化石燃料替代物上。在这方面，纤维素类生物质由于其存量丰富且在其中发现了大量不同组分(特别是纤维素和其它碳水化合物)而引起了特别的注意。尽管很有希望且引起了人们极大的兴趣，但生物基燃料技术的开发和实施仍非常缓慢。直到今天，现有技术产生的燃料仍具有低的能量密度(例如生物乙醇)和/或不能与现有的发动机设计和运输基础设施完全相容(例如甲醇、生物柴油、费-托柴油、氢气和甲烷)。应对前述和其它问题，用于将纤维素类生物质处理为具有类似化石燃料组成的燃料混合物的能量和成本有效的方法将是特别希望的。当转化纤维素类生物质为燃料混合物和其它物质时，可以提取其中存在的纤维素和其它复杂的碳水化合物，和将其转化为更简单的有机分子，后者随后可以进一步重整。发酵是可以将来自纤维素类生物质的复杂碳水化合物转化为更有用形式的一种方法。但发酵方法通常很慢、需要大体积的反应器、高的稀释条件和产生具有较低能量密度的初始反应产物(乙醇)。消化是可将纤维素和其它复杂碳水化合物转化为更有用形式的另一种方法。消化方法可以将纤维素类生物质内的纤维素和其它复杂的碳水化合物分解为更简单的可溶性碳水化合物，后者适合于通过下游的重整反应进一步转化。如这里所应用的，术语“可溶性碳水化合物”指在消化过程中变得可溶解的单糖或多糖。虽然据理解基础化学支持消化纤维素和其它复杂碳水化合物和进一步转化简单碳水化合物为与化石燃料中存在的那些类似的有机化合物，但尚未开发出适合于转化纤维素类生物质为燃料混合物的高收率和能量有效的消化方法。在这方面，与应用消化和其它方法转化纤维素类生物质为燃料混合物相关的最基本需求是实现转化需要的能量输入不应大于产物燃料混合物可获得的能量输出。这种基本需求导致多个次级问题，而这些问题总体提出了到目前为至还没有解决的极大的工程挑战。与以能量和费用有效的方式应用消化将纤维素类生物质转化为燃料混合物相关的问题不仅复杂，而且它们完全不同于在造纸和纸浆工业中通常应用的消化过程中遇到的那些问题。因为在造纸和纸浆工业中纤维素类生物质消化的目的是保留固体物质(例如纸浆)，通常在低温下(例如小于约100℃)实施不完全消化相当短的时间。与之相对，适合转化纤维素类生物质为燃料混合物和其它物质的消化过程理想地构造为以高通量方式通过溶解尽可能多的初始纤维素类生物质进料来使收率最大化。因为多个原因通过常规调整造纸和纸浆消化过程而生产用于燃料混合物和其它物质的可溶性碳水化合物是不可行的。简单地通过运行造纸和纸浆工业的消化过程更长时间来产生更多可溶性碳水化合物从通量角度来看是不希望的。应用消化促进剂如强碱、碱酸或亚硫酸盐来使消化速度加快可能会由于后处理的分离步骤和可能需要保护下游组件不受这些试剂损害而增加工艺成本和复杂性。通过提高消化温度而使消化速度加快由于在高的消化温度下可能会发生可溶性碳水化合物的热降解而实际上降低了收率，特别是经延长的时间时。一旦通过消化产生，可溶性碳水化合物非常有活性且可能快速降解以产生焦糖烷和其它重质降解产物，特别是在高温条件如大于150℃下。从能量效率角度来看，应用较高的消化温度也是不希望的。这些困难的任何一个均可以挫败从纤维素类生物质获得燃料混合物的经济可行性。可以保护可溶性碳水化合物不热降解的一种方法是使它们经受一个或多个催化还原反应，所述反应可以包括加氢和/或氢解反应。通过实施一个或多个催化还原反应来稳定可溶性碳水化合物可以允许纤维素类生物质的消化在比可能的更高的温度下实施，而不会过度牺牲收率。取决于使用的反应条件和催化剂，由于对可溶性碳水化合物进行一个或多个催化还原反应而形成的反应产物可能包括三醇、二醇、一元醇或它们的任意组合，其中的一些也可能包括残余的羰基官能度(例如醛或酮)。这些反应产物比可溶性碳水化合物更加热稳定和容易通过进行一个或多个下游重整反应转化为燃料混合物和其它物质。此外，上述类型的反应产物是其中可进行水热消化的良好溶剂，由此促进可溶性碳水化合物如它们的反应产物和纤维素类生物质组分如木质素的溶解。与处理纤维素类生物质为燃料混合物和其它物质相关的另一个问题来自于需要纤维素类生物质进料变为可溶性碳水化合物的高转化百分比。具体地，当纤维素类生物质固体消化时，它们的尺寸逐渐减小至它们可以变得流体流动的点。正如这里应用的，可流体流动的纤维素类生物质固体，特别是尺寸3mm或更小的纤维素类生物质固体将被称为“纤维素类生物质细颗粒”。纤维素类生物质细颗粒可以从用于转化纤维素类生物质的系统的消化区输送出来，和进入一个或多个不需要固体和固体可能会有害的区域。例如，纤维素类生物质细颗粒有可能会堵塞催化剂床层、输送管线等。另外，虽然尺寸小，但纤维素类生物质细颗粒可能代表纤维素类生物质进料的重要部分，和如果它们不能进一步转化为可溶性碳水化合物，获得令人满意的转化百分比的能力可能就会受到影响。因为造纸和纸浆工业的消化过程在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物质转化系统，包括：水热消化装置；第一催化还原反应器装置，所述第一催化还原反应器装置沿着水热消化装置的高度通过两个或更多个流体入口管线和两个或更多个流体返回管线流体偶联至水热消化装置，所述第一催化还原反应器装置包含能够活化分子氢的催化剂；和流体循环回路，所述流体循环回路包括水热消化装置和包含能够活化分子氢的催化剂的第二催化还原反应器装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.08 US 61/710,9161.一种生物质转化系统，包括：
水热消化装置；
第一催化还原反应器装置，所述第一催化还原反应器装置沿着水
热消化装置的高度通过两个或更多个流体入口管线和两个或更多个流
体返回管线流体偶联至水热消化装置，所述第一催化还原反应器装置
包含能够活化分子氢的催化剂；和
流体循环回路，所述流体循环回路包括水热消化装置和包含能够
活化分子氢的催化剂的第二催化还原反应器装置。
2.权利要求1的生物质转化系统，还包括至少另一第一催化还原
反应器装置，所述另一第一催化还原反应器装置沿着水热消化装置的
高度通过流体入口管线和流体返回管线流体偶联至水热消化装置。
3.前述权利要求任一项的生物质转化系统，其中构造流体循环回
路以在水热消化装置中建立逆流流动。
4.前述权利要求任一项的生物质转化系统，其中存在相等数量的
流体入口管线和流体返回管线。
5.前述权利要求任一项的生物质转化系统，其中存在3-10对流体
入口管线和流体返回管线。
6.前述权利要求任一项的生物质转化系统，其中流体入口管线和
流体返回管线沿着水热消化装置的高度不均匀分布。
7.前述权利要求任一项的生物质转化系统，还包括:
固体分离机构，所述固体分离机构与水热消化装置和第一催化还
原反应器装置之间的至少一些流体入口管线流体连通。
8.前述权利要求任一项的生物质转化系统，还包括:
固体分离机构，所述固体分离机构与水热消化装置出口和第二催
化还原反应器装置入口之间的流体循...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·B·鲍威尔，G·C·康普林，
申请(专利权)人：国际壳牌研究有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL