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技术方案

一种固体碳质材料的改质方法，包括在催化剂存在下和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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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/US2015/032252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。
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)。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。在至少一个实施方式中，将起始碳质材料与催化剂一起引入热解反应器中，所述催化剂可在进入反应器之前或在反应器内与碳质材料进行混合。离开反应器的固体流包括废催化剂和改质固体产物。然后将固体流分离成主要含有改质固体产物的第一固体流，其可以作为改质固体燃料送去进一步处理或燃烧，以及主要含有废催化剂的第二固体流，其可以送至再生反应器，然后再循环返回到热解反应器。例如，改质碳质材料和催化剂的粒度分布可以有意地不同，这允许通过适当的分级技术根据粒度、重量和/或密度的差异来分离两种固体。其他技术可以替代分级器或者与分级器结合使用，其包括但不限于其他分级器技术、静电分离、电动分离、摩擦电分离和/或磁分离。本申请的系统可以使用高梯度磁性分离器，其使用高磁梯度吸引弱顺磁性颗粒或非常细的铁磁性颗粒。本文所述的系统可以使用开放式梯度磁性分离器，其根据其磁特性在下落流中分离落下的颗粒。本文所述的系统可以使用电动分离器，其中进料颗粒从离子轰击中带电并固定于旋转鼓上。在这种电动分离器中，具有较高导电性的颗粒倾向于更快地失去其电荷，而具有较小导电性的那些颗粒(即更绝缘的颗粒)趋于保持附着，导致颗粒的分离。摩擦电分离器通过摩擦使颗粒带电，然后使颗粒通过电场以根据其电荷的符号和大小而偏转。根据另一个实施方式，固体(例如催化剂和碳质材料)可以在热解反应器内保持分离。一个实施例是：催化剂固定在反应器中，例如其中催化剂通过电镀固定在反应器的壁上，而碳质材料进入和离开热解反应器。在这样的系统中，基本上不需要在反应器外部将催化剂与改质固体产物进行固体-固体分离，因为这些固体在反应器内保持分离。根据另一个实施方式，将固体混合，然后在反应器内分离。一个这样的实施例是：反应器为流化床的形式，其中将催化剂和起始碳质材料在反应器内部(或在进入反应器之前)进行混合(例如，掺杂)。在碳质材料与催化剂紧密相互作用之后，混合的固体产物流通过位于反应器内部的固体-固体分离器(例如内部分级器)以分离催化剂和碳质材料。在这样的系统中，基本上不需要在反应器外部将催化剂从固体产物中进行固体-固体分离，因为它们已经在反应器内发生分离。气体产物流可以转移到一个或多个分离单元，例如冷凝液体产物流并将产物分离成所需的馏分。分离单元的一个这样的实施例是：酸性气体去除系统，其中将含硫化学品和大部分二氧化碳除去，各自变成高纯度(例如浓缩)流。可以使用其他分离器，并且可以除去其他化合物，例如氰化氢(HCN)或氨(NH3)。可以俘获高度浓缩的二氧化碳流用于螯合或者用于设备中或管道输送以外部使用，例如用于提高采收率法采油。高度浓缩的含硫化合物流可以被处理用于填埋，以产生可用的固体硫，或者产生可用的含硫化合物，例如硫酸。气体产物流可以包括：一种或多种不可冷凝气体或化学品，例如甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、二氧化碳和/或氢气。不可冷凝物流还可以进一步加工以产生用于生产其他化学产物(例如但不限于甲醇、混合醇和/或费托(FischerTropsch)产物)的合成气。这种不可冷凝物流可以用作过程中的燃料，例如为过程或者设备的其它操作单元提供热量。例如，将气体产物(例如甲烷、乙烯、乙烷、氢气等)作为循环气体或第二通过流穿过热解器可以是有益的。再本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固体碳质材料的改质方法，包括：在催化剂存在下和在部分热解条件下加热固体碳质材料，以及获得改质固体碳质产物、气体产物和废催化剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.23 US 62/002,6741.一种固体碳质材料的改质方法，包括：在催化剂存在下和在部分热解条件下加热固体碳质材料，以及获得改质固体碳质产物、气体产物和废催化剂。2.如权利要求1所述的方法，其中所述固体碳质材料是煤，并且所述改质固体碳质产物是改质煤产物。3.如权利要求1所述的方法，其中保留在所述改质固体碳质产物中的固定碳重量为所述固体碳质材料中固定碳重量的至少50％。4.如权利要求1所述的方法，其中保留在所述改质固体碳质产物中的灰分重量为所述固体碳质材料中灰分重量的至少60％。5.如权利要求2所述的方法，其中保留在所述改质煤产物中的灰分重量为煤中灰分重量的至少60％。6.如权利要求1所述的方法，其中保留在所述改质固体碳质产物中的挥发性物质的重量为所述固体碳质材料中挥发性物质重量的约10％至约90％。7.如权利要求2所述的方法，其中保留在所述改质煤产物中的挥发性物质的重量为煤中挥发性物质重量的约10％至约90％。8.如权利要求1所述的方法，还包括：在部分热解条件下进行加热之前，使用干燥器、脱灰机和洗涤器中的至少一种对起始固体碳质材料进行预处理。9.如权利要求1所述的方法，还包括：获得CO2，其量大于起始固体碳质材料中挥发性物质的约10wt％。10.如权利要求1所述的方法，还包括：将气体产物与所述改质固体碳质产物进行分离。11.如权利要求11所述的方法，还包括：将分离的气体产物冷凝成气体流和液体流。12.如权利要求11所述的方法，还包括：将分离的气体产物压缩，形成气体流和液体流。13.如权利要求1所述的方法，还包括：获得不可冷凝燃料气体，其量是起始固体碳质材料中挥发性物质的约1wt％至约40wt％。14.如权利要求2所述的方法，还包括：获得不可冷凝燃料气体，其量是起始煤中挥发性物质的约1wt％至约40wt％。15.如权利要求1所述的方法，还包括：获得LPG，其量大于起始固体碳质材料中挥发性物质的约1wt％至约40wt％。16.如权利要求2所述的方法，还包括：获得LPG，其量大于起始煤中挥发性物质的约1wt％至约40wt％。17.如权利要求1所述的方法，还包括：获得BTEX，其量是起始固体碳质材料中挥发性物质的约0.5wt％至约40wt％。18.如权利要求2所述的方法，还包括：获得BTEX，其量是起始煤中挥发性物质的约0.5wt％至约40wt％。19.如权利要求1所述的方法，还包括：获得高级烃，其量是起始固体碳质材料中挥发性物质的约0.3wt％至约20wt％。20.如权利要求2所述的方法，还包括：获得高级烃，其量是起始煤中挥发性物质的约0.3wt％至约20wt％。21.如权利要求1所述的方法，还包括：获得含杂原子的有机物，其量不大于起始固体碳质材料中挥发性物质的5wt％。22.如权利要求2所述的方法，还包括：获得含杂原子的有机物，其量不大于起始固体碳质材料中挥发性物质的5wt％。23.如权利要求1所述的方法，其中所述废催化剂和所述改质固体碳质产物作为混合物回收。24.如权利要求2所述的方法，其中所述废催化剂和所述改质固体煤作为混合物回收。25.如权利要求1所述的方法，其中所述废催化剂和所述改质固体碳质产物分别回收。26.如权利要求26所述的方法，还包括：通过使所述废催化剂与含有至少一种氧化气体的气体混合物接触以形成再生催化剂而再生所述废催化剂。27.如权利要求27所述的方法，其中至少一部分所述再生催化剂在另外的固体碳质材料的存在下在随后的部分热解反应中被加热。28.如权利要求26所述的方法，还包括：通过用酸性溶液酸洗所述废催化剂以形成再生催化剂而再生所述废催化剂。29.如权利要求29所述的方法，其中至少一部分所述再生催化剂在另外的固体碳质材料的存在下在随后的部分热解反应中被加热。30.如权利要求1所述的方法，其中保留在所述改质固体碳质产物中的总硫的重量不超过起始固体碳质材料中的总硫重量的80％。31.如权利要求1所述的方法，其中保留在所述改质固体碳质产物中的有机硫的重量不超过起始固体碳质材料中的有机硫的重量的50％。32.如权利要求1所述的方法，其中保留在所述改质固体碳质产物中的硫酸盐的重量不超过起始固体碳质材料中的硫酸盐的重量的50％。33.一种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，所述方法包括：将固体碳质材料和催化剂引入到热解反应器中以产生气体产物流和固体产物流，其中所述固体产物流包含所述改质固体碳质产物；从所述反应器中回收所述气体产物流；和从所述反应器中回收所述固体产物流。34.如权利要求34所述的方法，其中所述固体碳质材料是煤，并且所述改质固体碳质产物是改质煤产物。35.如权利要求34所述的方法，其中所述催化剂固定在所述热解反应器中；并且所述方法还包括：从所述热解反应器内的所述催化剂中分离所述改质固体碳质产物。36.如权利要求36所述的方法，还包括：从所述热解反应器中回收分离的废催化剂；将所述废催化剂转移到再生器；和在所述再生器中再生所述废催化剂，其中除去废催化剂中的未热解的煤、焦炭和碳质材料。37.如权利要求36所述的方法，还包括：将所述气体产物流转移到分离器；和在所述分离器中至少部分地冷凝所述气体产物流，产生精制气流、烃液体流和水性液体相流。38.如权利要求34所述的方法，其中所述固体产物流还包含废催化剂，所述方法还包括：从所述热解反应器回收所述固体产物流之后，将所述固体产物流分离成所述改质固体碳质产物和所述废催化剂，其中该分离的废催化剂包含所述催化剂以及未热解的煤、焦炭和碳质材料中的至少一种。39.如权利要求39所述的方法，还包括：将分离的催化剂转移到再生器中，其中除去催化剂中至少一部分的未热解的煤、焦炭和碳质材料中的至少一种；和将所述气体产物流转移到分离器中，其中在分离器中将所述气体产物流至少部分地冷凝，产生精制气流、烃液体流和水性液体相流。40.如权利要求40所述的方法，其中通过燃烧、蒸汽和...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·拉塔，M·塔吉特，H·加达拿，W·威廉斯，J·阿斯曼，R·贝林豪森，L·姆莱奇科，
申请(专利权)人：LP雅米纳有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US