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技术方案

本文描述了提供用于水热液化(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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请本申请要求于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。背景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。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。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％-50％的范围内，而一些转化率高达65％。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。简述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。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。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℃。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上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-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。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。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。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。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。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。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)在水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将生物质转化为生物原油的系统，其包括：水热液化反应器，其被配置用于将生物质浆料转化为生物原油；以及太阳热能收集系统，其被配置用于将集中的太阳热能提供给所述水热液化反应器以加热生物质浆料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.03 US 61/886,4631.一种用于将生物质转化为生物原油的系统，其包括：水热液化反应器，其被配置用于将生物质浆料转化为生物原油；以及太阳热能收集系统，其被配置用于将集中的太阳热能提供给所述水热液化反应器以加热生物质浆料。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述太阳热能收集系统包括太阳热能集中机构，所述太阳热能集中机构选自包括凹面反射盘、抛物面反射镜和菲涅耳透镜的组。3.根据权利要求1所述的系统，其中：所述太阳热能收集系统还包括邻近所述太阳热能集中机构被操作地定位的接收器，所述接收器被配置用于接收来自所述太阳热能集中机构的集中的太阳热能，并且所述水热液化反应器邻近所述接收器布置。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述水热液化反应器包括布置在所述接收器的外壳内的螺旋导管。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述太阳热能收集系统包括接收器和太阳热能集中机构，所述接收器邻近所述太阳热能集中机构被操作地定位并且被配置用于接收来自所述太阳热能集中机构的集中的太阳热能，并且热传递流体被配置用于将来自所述接收器的至少一部分集中的热能传递至所述水热液化反应器，所述水热液化反应器远离所述接收器布置。6.根据权利要求1所述的系统，其还包括被配置用于将所述生物质浆料连续泵送通过所述水热液化反应器的泵。7.根据权利要求6所述的系统，其中所述泵被配置用于在约20MPa压力下泵送所述生物质浆料。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述太阳热能收集系统被配置用于将所述生物质浆料加热至约400℃。9.根据权利要求1所述的系统，其还包括邻近所述水热液化反应器出口布置的骤冷器，所述骤冷器被配置用于迅速冷却所述生物原油。10.根据权利要求1所述的系统，其还包括位于所述水热液化反应器上游的热交换器，所述热交换器被配置用于收获来自所述生物质浆料的热能。11.根据权利要求10所述的系统，其还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，其中来自所述热交换器的热能用于驱动所述发电机。12.根据权利要求10所述的系统，其中所述水热液化反应器包括第一水热液化反应器，所述系统还包括第二水热液化反应器，所述第二水热液化反应器布置在所述第一水热液化反应器的下游，并且来自所述热交换器的热能被传递至所述第二水热液化反应器。13.根据权利要求1所述的系统，其还包括布置在所述水热液化反应器下游的pH驱动的絮凝浓缩机构。14.根据权利要求1所述的系统，其还包括布置在所述水热液化反应器上游的过滤机构，所述过滤机构被配置用于从所述生物原油中基本除去磷和极性成分。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述过滤机构的效率为至少约95％。16.一种将生物质转化为生物原油的方法，其包括：收集来自太阳热能集中机构的热能；将生物质浆料泵送通过水热液化反应器；以及利用收集自所述太阳热能集中机构的热能，在所述水热液化反应器中加热所述生物质浆料。17.根据权利要求16所述的方法，其还包括在所述生物质浆料离开所述水热液化反应器后，骤冷所述生物质浆料。18.根据权利要求16所述的方法，其中加热所述生物质浆料产生生物原油、生物气和生物炭。19.根据权利要求18所述的方法，其还包括收获来自所述产生的生物气燃烧的热能以便为至少一个发电机提供动力，所述至少一个发电机被配置用于将电能供应到至少一个用于将所述生物质浆料泵送通过所述水热液化反应器的泵。20.根据权利要求18所述的方法，其还包括收获来自所述产生的生物气燃烧的热能以将额外的热能供应到所述水热液化反应器。21.根据权利要求16所述的方法，其还包括收获来自天然气燃烧的热能以将额外的热能供应到所述水热液化...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·贝尔贝奥卢，R·L·康奈利，J·安东尼，C·邦德，
申请(专利权)人：得克萨斯大学体系董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US