与金属矿石的生物还原、氢生产和/或活性炭生产集成的生物质热解制造技术

本发明专利技术公开了用于生产适用于还原金属矿石的可再生氢以及用于生产活性炭的改进方法和系统。一些变型形式提供了一种方法，该方法包括：热解生物质以产生包含碳的生物源试剂和热解废气；将该热解废气转化为另外的还原气体和/或热；使至少一些该生物源试剂与反应物反应以产生还原气体；以及在该还原气体的存在下化学还原金属氧化物。一些变型形式提供了一种用于通过以下方式生产可再生氢的方法：生物质热解以产生生物源试剂，将该生物源试剂转化为还原气体，以及从该还原气体中分离和回收氢。本发明专利技术提供了用于还原金属氧化物的还原气体组合物，根据氢同位素分析，该还原气体组合物包含可再生氢。反应的生物源试剂也可被回收为活性炭产物。本发明专利技术公开了许多变型形式。本发明专利技术公开了许多变型形式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】与金属矿石的生物还原、氢生产和/或活性炭生产集成的生物质热解
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年11月20日提交的美国临时专利申请号63/116,403和2020年12月24日提交的美国临时专利申请号63/130,460的权益，这两个申请均全文以引用方式并入本文。


[0003]本公开涉及用于使用含碳试剂加工金属矿石以生产金属的方法、系统和设备，以及用于由含碳试剂生产氢和生产活性炭的方法、系统和设备。

技术介绍

[0004]碳基试剂传统上由化石燃料生产。含碳材料包括化石资源(诸如天然气、石油、煤和褐煤)或可再生资源(诸如木质纤维素生物质和各种富碳废料)。将可再生资源转化为碳基试剂带来了源于原料变化、操作困难和资本密集度的技术和经济挑战。与化石资源相关的日益增加的经济、环境和社会成本使得在碳基试剂的生产中可再生资源成为有吸引力的化石资源替代品。
[0005]历史上，木材的缓慢热解以大堆形式和简单的分批方法进行，没有排放控制。传统的木炭制造技术是低能效的以及高度污染的。扩大这种方法以用于商业规模连续生产高质量碳，同时管理能量平衡和控制排放存在经济和实际的挑战。

技术实现思路

[0006]本文公开了方法。在本文所公开的方法中，该方法可包括：
[0007]提供生物质原料；
[0008]热解该生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中该生物源试剂包含碳；
[0009]使生物源试剂与选定反应物反应，从而产生还原气体；以及
[0010]在还原气体的存在下化学还原选定金属氧化物，从而产生选定金属氧化物的还原形式。
[0011]可氧化该热解废气，从而产生热。在一些实施方案中，该方法还可包括在该反应期间或最终在该反应之后连续地或周期性地回收生物源试剂，从而产生回收的生物源试剂，其中该回收的生物源试剂是活性炭。
[0012]该热解可在约250℃至约1250℃范围内或之间的任何数值、在约300℃至约700℃范围内或之间的任何数值的热解温度下进行。该热解可进行约10秒至约24小时范围内或之间的任何数值的热解时间。
[0013]该反应可在约300℃至约1200℃范围内或之间的任何数值(诸如在约400℃至约1000℃范围内或之间的任何数值)的反应温度下进行。该反应可进行约1秒至约1小时范围内或之间的任何数值的反应时间。
[0014]该化学还原可在约500℃至约2000℃范围内或之间的任何数值(诸如在约700℃至约1800℃范围内或之间的任何数值)的还原温度下进行。该化学还原可进行约30分钟至约48小时范围内或之间的任何数值的还原时间。
[0015]在一些实施方案中，生物质原料可以是软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、铁路轨枕、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。
[0016]生物源试剂可包含约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％或95重量％范围内或之间的任何数值的碳。此类碳是总碳，即固定碳加上挥发性碳。生物源试剂可包含约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％或95重量％范围内或之间的任何数值的固定碳。
[0017]选定金属氧化物可以是氧化铁、氧化铜、氧化镍、氧化镁、氧化锰、氧化铝、氧化锡、氧化锌、氧化钴、氧化铬、氧化钨、氧化钼或它们的组合或衍生物。选定金属氧化物可以是铁矿石，该铁矿石可以是赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合或衍生物。
[0018]选定金属氧化物的还原形式可以是完全还原的金属。选定金属氧化物的还原形式可以是具有比选定金属氧化物低的氧化态的第二金属氧化物。也可由起始金属氧化物生产完全还原的金属与第二金属氧化物的混合物。
[0019]在一些实施方案中，该方法还包括氧化该热解废气，从而产生热，并且该热用于该热解中的加热。另选地或除此之外，该热可用于该反应中的加热。另选地或除此之外，该热可用于该化学还原中的加热。
[0020]在一些实施方案中，还原气体包含约10摩尔％至约25摩尔％范围内或之间的任何数值的氢。在某些实施方案中，还原气体包含至少25摩尔％的氢。
[0021]在一些实施方案中，还原气体包含约10摩尔％至约25摩尔％范围内或之间的任何数值的一氧化碳。在某些实施方案中，还原气体包含至少25摩尔％的一氧化碳。
[0022]在一些实施方案中，所产生的生物源试剂内的约50重量％至约90重量％的范围内或之间的任何数值的挥发性碳被引导至还原气体。在一些实施方案中，生物源试剂内的基本上所有挥发性碳被引导至还原气体。
[0023]该方法还可包括使用水煤气变换反应增加还原气体的氢含量。在一些实施方案中，无论是否进行水煤气变换，该方法都还可包括从还原气体分离氢并回收氢。可使用分离技术从还原气体分离氢。在一些实施方案中，分离技术可包括变压吸附、分子筛膜分离或低温蒸馏。
[0024]在一些实施方案中，生物源试剂反应中的选定反应物是水。在其它实施方案中，该反应中的选定反应物是氧，其中氧以包含在空气、纯氧、富氧、臭氧或它们的组合内的形式存在。在一些实施方案中，该反应中的选定反应物是或包含水(例如蒸汽)与氧的组合。
[0025]在一些实施方案中，该反应利用固定床反应器或回转窑。在一些实施方案中，该反
应利用流化床反应器。
[0026]可部分地氧化该热解废气，从而产生另外的还原气体和热。在一些实施方案中，该化学还原还包括在另外的还原气体的存在下化学还原选定金属氧化物。当将热解废气转化为另外的还原气体时，另外的还原气体可包含约20摩尔％至约40摩尔％范围内或之间的任何数值的氢。另外的还原气体可包含约20摩尔％至约40摩尔％范围内或之间的任何数值的一氧化碳。
[0027]在一些实施方案中，该方法还包括回收选定金属氧化物的还原形式。
[0028]该方法可协同定位于金属氧化物矿场处或金属氧化物加工厂处，例如钢铁厂、铁燧岩厂或直接还原铁厂。
[0029]在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉中进行。在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉的上游进行。金属矿石炉可以是鼓风炉、直接还原金属炉、炉顶气再循环鼓风炉、竖炉、反射炉、坩埚炉、马弗炉、有罐炉、闪速炉、Tecnored炉、Ausmelt炉、ISASMELT炉、搅炼炉、台车式炉、连续链式炉、推送式炉、转底式炉、步进式炉、电弧炉、感应电炉、碱性氧气炉、搅炼炉、酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种系统，包括：第一反应器，所述第一反应器被构造成用于热解生物质原料并产生生物源试剂和热解废气，其中所述生物源试剂包含碳；第二反应器，所述第二反应器被构造成用于使所述生物源试剂与选定反应物反应，从而产生还原气体，其中所述第二反应器任选地被构造成用于连续地、周期性地或最终从所述第二反应器中去除活性炭；以及第三反应器，所述第三反应器被构造成用于在所述还原气体的存在下化学还原选定金属氧化物，从而产生所述选定金属氧化物的还原形式，其中任选地所述系统还包括与所述第一反应器、所述第二反应器或所述第三反应器热连通的加热单元，并且其中所述加热单元被构造成用于氧化所述热解废气，从而产生热。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一反应器被构造成用于在至少250℃至至多1250℃的热解温度下操作。3.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述热解温度为至少300℃至至多700℃。4.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一反应器被构造成用于以至少10秒至至多24小时的热解时间操作。5.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第二反应器被构造成用于在至少300℃至至多1200℃的反应温度下操作。6.根据权利要求5所述的系统，其中所述反应温度为至少400℃至至多1000℃。7.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第二反应器被构造成用于以至少1秒至至多1小时的反应时间操作。8.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第三反应器被构造成用于在至少500℃至至多2000℃的还原温度下操作。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述还原温度为至少700℃至至多1800℃。10.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第三反应器被构造成用于以至少30分钟至至多48小时的反应时间操作。11.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述生物质原料包括软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑废料或拆建废料、铁路轨枕、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。12.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述金属氧化物包括氧化铁、氧化铜、氧化镍、氧化镁、氧化锰、氧化铝、氧化锡、氧化锌、氧化钴、氧化铬、氧化钨、氧化钼或它们的组合。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述金属氧化物是选自赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合的铁矿石。14.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述选定金属氧化物的所述还原形
式是完全还原的金属。15.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述选定金属氧化物的所述还原形式是具有比所述选定金属氧化物低的氧化态的第二金属氧化物。16.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统包括与所述第一反应器热连通的加热单元。17.根据上述权利要求中任一项所述的系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：卡本科技控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：