将生物质转化为喷气燃料制造技术

本发明专利技术涉及用于由生物质材料形成烃原料的方法和系统，以及由其形成的烃原料。本发明专利技术还涉及用于由烃原料形成生物来源喷气燃料的方法和系统，以及由其形成的生物来源喷气燃料，以及在该方法期间形成的中间经处理烃原料。料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】将生物质转化为喷气燃料


[0001]本专利技术涉及用于由生物质材料形成烃原料的方法和系统，以及由其形成的烃原料。本专利技术还涉及用于由烃原料形成生物来源喷气燃料的方法和系统，以及由其形成的生物来源喷气燃料，以及在该方法期间形成的中间经处理烃原料。

技术介绍

[0002]能源需求多年来由于在个人和商业能力方面对技术的更大依赖性、增长的全球人口和发展中国家完成的所需技术进步而增大。能源通常主要来源于化石燃料，但是，随着这类资源供应下降，寻找提供能量的替代方法的研究受到更多重视。另外，对燃烧化石燃料的环境影响的认识的提高以及对减少温室气体排放的承诺显著增加了对更加绿色的能源的需求。
[0003]生物燃料被认为是一种有前景的更加环境友好的化石燃料(特别地，柴油、石脑油、汽油和喷气燃料)的替代物。目前，这类材料仅通过共混而部分地被生物来源燃料替代。由于与一些生物燃料的形成相关的成本，制造完全来源于生物质材料的燃料尚不是商业可行的。即使在生物来源燃料与化石燃料组合的情况下，共混一些生物来源燃料的困难可能导致延长的处理时间和更高的成本。
[0004]术语生物质通常用于由植物系来源(比如玉米、大豆、亚麻籽、油菜籽、甘蔗和棕榈油)形成的材料，但是该术语涵盖由任何近期存活的生物或其代谢副产物形成的材料。生物质材料与化石燃料相比包含更少量的氮和硫，并且不产生净的大气CO2水平增加，因此经济上可行的生物来源燃料的形成会是对环境有益的。
[0005]高品质的化石燃料(比如柴油和喷气燃料)通过精炼原油来形成。由炼油厂生产的喷气燃料可以包含直馏或经加氢处理的产物或其共混物。直馏煤油一般需要通过硫醇氧化、粘土处理或加氢处理的进一步处理，并且任选地与其他物流共混，以产生满足喷气燃料产品的所有必要的化学、物理、经济和库存要求的燃料。
[0006]对于被视为可替代原油系喷气燃料的生物燃料来说，其还必需满足这些材料的标准化的化学和物理性质，如在“含合成烃的航空涡轮燃料的标准规格(Standard Specification for Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons)”ASTM D7566中所定义。替代喷气燃料所需的标准分析和性质以四个测试层级列出，以确保替代燃料被认为符合目的并且实际上可与化石燃料系材料互换。特别地，层级1定义了所需的燃料规格性质(在表1中示出)。虽然这些规格性质被认为不足以确定替代喷气燃料是否符合目的，但是它们代表了用于确定新型转化途径是否可以产生可行的喷气燃料的良好起点。
[0007]表1
[0008][0009][0010]任何喷气燃料(或用于形成喷气燃料的烃原料)的特别重要的要求是：i)硫的存在量，和ii)材料的冰点。含硫烃的燃烧导致形成硫氧化物。硫氧化物被认为有助于形成气溶胶和颗粒物(碳烟)，其可能导致流动降低或燃烧机的过滤器和构件中的阻塞。此外，已知硫氧化物造成涡轮叶片的腐蚀，因此燃料中的高硫含量是非常不期望的。然而，喷气燃料中包含至少一些硫系化合物可以是有益的。已知含硫组分吸附到燃烧机的金属部件的表面上，为这些部件提供润滑作用，由此减少发动机磨损。防御标准(Defence Standard)91
‑
91和ASTM D1655记载了喷气燃料可以含有最多300ppm的硫，但是许多国家规定了要求更低的水
平。
[0011]任何替代喷气燃料的另一个必要性质是材料在较低温度的流动性。对喷气燃料的低冰点(例如
‑
40℃)的要求是因为在对流层中环境空气的温度随着纬度升高而降低，并且其中空气温度以大约6.5K/km降低，因此在整个飞行中发生飞机油箱逐步降温。根据飞行的持续时间，不同等级的喷气燃料可以被认为是可接受的。喷气A(Jet A)和喷气A
‑
1(Jet A
‑
1)都是煤油级喷气燃料，但是喷气A级燃料的冰点(
‑
40℃)高于喷气A
‑
1级燃料的冰点(
‑
47℃)，因此喷气A
‑
1燃料被认为可用于长的飞行时间。
[0012]喷气燃料包含各自具有其自己的冰点的不同烃化合物的混合物，并且与水不同，不在特定温度变成固体。当燃料冷却时，具有最高冰点的烃组分首先凝固，从而形成蜡晶体。进一步冷却使具有较低冰点的烃随后凝固。因此，随着燃料冷却，其从均质液体变成含有一些烃(蜡)晶体的液体，变成液体燃料和烃晶体的混合物，并且最后变成接近固体的烃蜡。冰点被定义为最后的蜡晶体熔化的温度，因此燃料的冰点可以稍微高于其完全凝固时的温度。虽然该性质是对喷气燃料或替代喷气燃料的要求，但是可能难以仅基于该特征来预测这类材料在燃烧机中的性能。因此，通常提供喷气燃料或替代喷气燃料的倾点作为一种替代的测量结果。液体的倾点被定义为油能够从烧杯中倾倒出的最低温度。
[0013]标准化分析的层级2涉及来源于石油的喷气燃料固有的性质。特别地，化学组成、体相物理和性能性质、电学性质、地面处理性质和安全性、与批准的添加剂的相容性以及与发动机和机身密封件、涂层和金属的相容性。
[0014]本领域中充分了解，喷气燃料的物理性质(比如冰点、倾点和粘度)以及因此的燃料在涡轮发动机中的性能与所存在的不同烃化合物的分子量或碳数以及比率均相关。典型地，喷气燃料主要由链烷烃(碳数为C8、C
12
和C
16
)、环烷烃(碳数为C8和C
10
)或芳烃(碳数为C8、C
10
、C
12
和C
16
)系烃组成。例如，煤油型喷气燃料的碳数分布为约8至16个碳原子，而宽馏分喷气燃料(喷气B级燃料，在非常冷的气候中最常用)的碳数分布为约5至15。
[0015]然而，多种先前已知的生产生物来源燃料的方法得到各种各样的烃化合物，因此无法满足替代喷气燃料材料的要求，或者需要额外的精炼步骤，这导致制造这类材料的时间和成本增加。
[0016]溴值或溴指数是用于评估材料中存在的不饱和烃基的量的参数。生物来源喷气燃料内的不饱和烃键可能不利于该材料的物理性质和性能。不饱和碳键可以交联或与氧反应而形成环氧化物。交联使烃化合物聚合，从而形成胶质或清漆。胶质和清漆可能在燃料系统或发动机内形成沉积物，阻塞过滤器和/或将燃料供应至内燃机的管道。降低的燃料流动导致发动机功率降低，并且甚至可能阻止发动机启动。虽然特定的溴指数范围不是喷气燃料的标准要求，但是在这类材料中较低的溴指数值明显是有益的。
[0017]对于被认为适合于目标喷气燃料的生物来源燃料来说，其必须满足上述标准化要求。然而，已知的生产生物来源油的方法一般需要更加重要且昂贵的精炼步骤以使该油达到可接受的规格。因此，这类方法不能提供经济上有竞争力的化石燃料替代物。
[0018]本领域中的研究先前集中于形成生物燃料的间接方法，其包括例如：i)分馏生物质和将纤维素和半纤维素馏分发酵成乙醇，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于由生物质原料形成烃原料的方法，所述方法包括以下步骤：a.提供生物质原料；b.确保所述生物质原料的水分含量为所述生物质原料的10重量％以下；c.将低水分生物质原料在至少950℃的温度热解以形成生物炭、烃原料、不凝性轻气体比如氢气、一氧化碳、二氧化碳和甲烷以及水的混合物；以及d.从步骤c所形成的所述混合物中分离所述烃原料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质原料包括纤维素、半纤维素或木质素系原料。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述生物质原料是非食物作物生物质原料。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述非作物生物质原料选自：芒草属植物、柳枝稷、花园修剪物、秸秆比如水稻秸秆或小麦秸秆、轧棉机废弃物、城市固体废物、棕榈叶/空果串(EFB)、棕榈壳、甘蔗渣、木材比如山胡桃木、松树皮、弗吉尼亚松、红橡木、白橡木、云杉、杨木和雪松木、干草、豆科灌木、木粉、尼龙、棉绒、竹子、纸、玉米秸秆或它们的组合。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述生物质原料是球团、碎屑、颗粒或粉末的形式。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述球团、碎屑、颗粒或粉末的直径为5μm至10cm，比如5μm至25mm，优选地50μm至18mm，更优选地100μm至10mm。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述球团、碎屑、颗粒或粉末的直径为至少1mm，比如1mm至25mm、1mm至18mm或1mm至10mm。8.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中所述生物质原料的初始水分含量为所述生物质原料的至多50重量％，比如所述生物质原料的至多45重量％，或例如所述生物质原料的至多30重量％。9.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中步骤b中的所述生物质原料的水分含量为所述生物质原料的7重量％以下，比如5重量％以下。10.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中确保所述生物质原料的水分含量为所述生物质原料的10重量％以下的步骤包括降低所述生物质原料的水分含量。11.根据权利要求10所述的方法，其中通过真空烘箱、旋转干燥器、气流干燥器或换热器比如连续带式干燥器来降低所述生物质原料的水分含量。12.根据权利要求10或11所述的方法，其中通过使用间接加热，例如通过使用间接加热带式干燥器、间接加热流化床或间接加热接触旋转蒸汽管干燥器来降低所述生物质原料的水分含量。13.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中将低水分生物质原料在至少1000℃的温度、更优选地在至少1100℃的温度热解。14.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中通过对流加热、微波加热、电加热或超临界加热向热解步骤提供热量。15.根据权利要求14所述的方法，其中热源包括微波辅助加热、加热套、固体热载体、管式炉或电加热器，优选地所述热源是管式炉。16.根据权利要求14所述的方法，其中热源位于反应器的内部。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述热源包括一个或多个电螺旋加热器，比如多个电螺旋加热器。18.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中将所述低水分生物质原料在大气压下热解。19.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中将所述低水分生物质原料在850至1000Pa、优选地900至950Pa的压力下热解，并且任选地，其中通过蒸馏来分离所形成的热解气体。20.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中将低水分生物质原料热解10秒至2小时、优选地30秒至1小时、更优选地60秒至30分钟、比如100秒至10分钟的时间。21.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中步骤d包括至少部分地将生物炭与烃原料产物分离。22.根据权利要求21所述的方法，其中通过过滤(比如通过使用陶瓷过滤器)、离心、旋风分离器或重力分离来至少部分地将所述生物炭与所述烃原料产物分离。23.根据权利要求21所述的方法，其中热解反应器被布置为使得所述低水分生物质原料在所形成的任何热解气体的逆流方向上输送，并且任选地，其中由于热解步骤形成的生物炭与所述热解气体分开地离开热解反应器。24.根据权利要求23所述的方法，其中随后将所述热解气体冷却，例如通过使用文丘里管冷却，以使烃原料产物冷凝。25.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中步骤d包括至少部分地将水与烃原料产物分离，优选地，至少部分地与所述烃原料产物分离的水还包含有机污染物，更优选地，至少部分地与所述烃原料分离的水是焦木酸。26.根据权利要求25所述的方法，其中通过重力油分离、离心、旋风分离器或微泡分离来至少部分地将水与所述烃原料产物分离。27.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中步骤d包括至少部分地将不凝性轻气体与烃原料产物分离。28.根据权利要求27所述的方法，其中通过使用闪蒸蒸馏或分馏来至少部分地将不凝性轻气体与所述烃原料产物分离。29.根据权利要求27或28所述的方法，其中将分离的不凝性轻气体再循环并且任选地与步骤c中的所述低水分生物质原料合并。30.根据任一项前述权利要求所述的方法，所述方法还包括以下步骤：过滤烃原料产物以至少部分地除去其中含有的污染物，比如碳、石墨烯、多环芳烃化合物和/或焦油。31.根据权利要求30所述的方法，其中过滤步骤包括使用膜过滤器来除去较大的污染物。32.根据权利要求30或31所述的方法，其中过滤步骤包括精滤以除去较小的污染物，例如通过使用Nutsche过滤器进行精滤。33.根据权利要求30至32中任一项所述的方法，其中过滤步骤包括：使所述烃原料产物与活性炭化合物和/或交联的有机烃树脂接触，随后通过过滤将所述烃原料产物与所述活性炭和/或交联的有机烃树脂化合物分离。34.根据权利要求33所述的方法，其中在环境条件下使所述活性炭化合物和/或交联的
有机烃树脂与所述烃原料产物接触；和/或其中在分离之前使所述活性炭化合物和/或交联的有机烃树脂与所述烃原料产物接触至少15分钟，优选地至少20分钟，更优选地至少25分钟；和/或其中过滤所述烃原料产物的步骤进行一次，或者重复进行一次或更多次。35.根据权利要求30至34中任一项所述的方法，其中将从所述烃原料除去的所述焦油再循环并且任选地与步骤c中的所述低水分生物质原料合并。36.一种通过根据权利要求1至35中任一项所述的方法形成的生物质来源烃原料。37.根据权利要求36所述的烃原料，其中所述烃原料包含至少0.1重量％的一种或多种C8化合物、至少1重量％的一种或多种C
10
化合物、至少5重量％的一种或多种C
12
化合物、至少5重量％的一种或多种C
16
化合物和至少30重量％的至少一种或多种C
18
化合物。38.根据权利要求37所述的烃原料，其中所述烃原料包含至少0.5重量％的一种或多种C8化合物、至少2重量％的一种或多种C
10
化合物、至少6重量％的一种或多种C
12
化合物、至少6重量％的一种或多种C
16
化合物和/或至少33重量％的一种或多种C
18
化合物。39.根据权利要求36至38中任一项所述的烃原料，其中所述烃原料的倾点为
‑
10℃以下，优选地
‑
15℃以下，比如
‑
16℃以下。40.根据权利要求36至39中任一项所述的烃原料，其中所述烃原料包含70ppmw以下的硫。41.一种形成生物来源喷气燃料的方法，所述方法包括以下步骤：A.提供生物质来源烃原料，所述生物质来源烃原料包含至少0.1重量％的一种或多种C8化合物、至少1重量％的一种或多种C
10
化合物、至少5重量％的一种或多种C
12
化合物、至少5重量％的一种或多种C
16
化合物和至少30重量％的一种或多种C
18
化合物；B.处理所述烃原料以产生精制生物油，其中所述处理包括以下步骤：i.至少部分地从所述烃原料除去含硫组分；ii.对所述烃原料进行加氢处理；和iii.对所述烃原料进行加氢异构化；以及C.分馏所得精制生物油以得到生物来源喷气燃料馏分。42.根据权利要求41所述的方法，其中所述烃原料包含至少0.5重量％的一种或多种C8化合物、至少2重量％的一种或多种C
10
化合物、至少6重量％的一种或多种C
12
化合物、至少6重量％的一种或多种C
16
化合物和至少33重量％的一种或多种C
18
化合物。43.根据权利要求41或42所述的方法，其中除硫步骤包括催化加氢脱硫步骤。44.根据权利要求43所述的方法，其中催化剂是固定床或滴流床反应器的一部分。45.根据权利要求43或44所述的方法，其中所述催化剂选自：硫化镍钼(NiMoS)、钼、二硫化钼(MoS2)、钴/钼、硫化钴钼(CoMoS)和/或镍/钼系催化剂，并且优选地，其中所述催化剂选自硫化镍钼(NiMoS)系催化剂。46.根据权利要求43至45中任一项所述的方法，其中所述催化剂是负载型催化剂，比如通过选自以下的载体负载的负载型催化剂：活性炭、二氧化硅、氧化铝、二氧化硅
‑
氧化铝、分子筛和/或沸石。47.根据权利要求43至46中任一项所述的方法，其中所述加氢脱硫步骤在从250℃至400℃、优选地从300℃和350℃的温度进行；和/或其中所述加氢脱硫步骤在4至6MPaG、优选
地4.5至5.5MPaG、更优选地约5MPaG的反应压力下进行。48.根据权利要求41至47中任一项所述的方法，其中经脱硫的烃原料包含至少0.5重量％的一种或多种C8化合物、至少2重量％的一种或多种C
10
化合物、至少4重量％的一种或多种C
12
化合物、至少10重量％的一种或多种C
16
化合物和至少25重量％的一种或多种C
18
化合物。49.根据权利要求48所述的方法，其中所述经脱硫的烃原料包含至少1重量％的一种或多种C8化合物、至少3重量％的一种或多种C
10
化合物、至少5重量％的一种或多种C
12
化合物、至少12重量％的一种或多种C
16
化合物和/或至少27重量％的一种或多种C
18
化合物。50.根据权利要求41至49中任一项所述的方法，其中所述催化加氢脱硫过程还包括以下步骤：对经减硫的烃原料进行脱气以除去二硫化二氢气体，比如通过将所述经减硫的烃原料冷却到60至120℃、优选地80至100℃的温度，并且任选地施加低于6KPaA、优选地低于5KPaA、更优选地低于4KPaA的真空压力。51.根据权利要求50所述的方法，其中脱气步骤除去在所述催化加氢脱硫过程期间形成的氢气，并且任选地，其中将所述氢气再循环到步骤A的所述烃原料中。52.根据权利要求41至51中任一项所述的方法，其中所述加氢处理步骤在250℃至350℃、优选地270℃至330℃、更优选地280℃至320℃的温度进行；和/或其中所述加氢处理步...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁，
申请(专利权)人：阿奔迪亚生物质制油有限公司，
类型：发明
国别省市：