生物质气化反应器和接收器构造的系统和方法技术方案

太阳能驱动的化学装置的方法、设备和系统可以包括太阳热接收器，以从定日镜阵列吸收会聚的太阳能。此外，一些实施方式可以包括具有多个反应器管的太阳能驱动的化学反应器。会聚的太阳能驱动流经反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应。一些实施方式也可以包括现场的燃料合成反应器，其在地理上位于与化学反应器相同的地点，并且结合在一起以从气化反应接收氢和一氧化碳产物。

【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2009年10月2日提交的题目为“Various Methods and Apparatuses for Sun Driven Processes(太阳能驱动过程的各种方法和设备)”的美国临时专利申请序列号61/248,282和2009年6月9日提交的题目为“VARIOUS METHODS AND APPARATUSES FOR SOLAR-THERMAL GASIFICATION OF BIOMASS TO PRODUCE SYNTHESIS GAS(太阳热气化生物质以产生合成气的各种方法和设备)”的美国临时专利申请序列号61/185,492的权益。版权声明本专利文件的一部分公开内容包含受版权保护的材料。如同其出现在专利和商标局专利文件或者档案中，版权所有人对通过软件引擎及其模块的任一个进行传真复制没有异议，但是无论如何在另外情况下保留所有的版权。专利
本专利技术的实施方式一般地涉及精炼生物质和其他材料的系统、方法和设备。更具体地，本专利技术的实施方式的一方面涉及精炼生物质和其他材料的太阳能驱动的系统、方法和设备。专利技术背景最初包括在化学反应中的物质/多个物质通常被称为反应物。化学反应的特征通常在于反应物中的化学变化，然后生成一种或者多种产物。生物质气化是产生合成气的吸热过程；必须向该过程中输入能量以驱动化学反应进行。典型地，这通过部分地氧化(燃烧)生物质本身进r>行。必须消耗30％和40％之间的生物质以驱动该过程，并且在通常地限制(由于效率的原因)该过程的温度下，转化通常是有限的，产生更加较低的产率并且产生焦油。还有，通常地设计这种传统的生物精制装置中的化学反应器以在不变的条件下昼夜不停地操作。相反地，提出的太阳能驱动的生物精制装置使用外部能量来源(太阳能)以提供反应所需的能量，因此不需要消耗生物质以实现转化。这比先前的技术得到每吨生物质加仑汽油的显著更高的产率。因此，用于驱动转化的能量来源是再生性的并且无碳。专利技术概述一些实施方式涉及用于太阳能驱动化学装置的方法、设备和系统，其可以包括太阳热接收器以从定日镜阵列吸收会聚的太阳能。此外，一些实施方式可以包括太阳能驱动的化学反应器，其具有多个反应器管。这些管可以是位于太阳热接收器内的下行式几何形状。此外，在多个反应器管内，可以在载气的存在下气化生物质的颗粒。该气化过程是吸热的，并且可以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物。在一些实施方式中，一个或者多个孔1)向地球的大气开放或者2)被窗玻璃(window)覆盖，可用于使会聚的太阳能经过进入太阳热接收器。该能量可射在接收器的多个反应器管和内腔壁上。因此，反应器管可以起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与地球的大气，以及2)通过太阳辐射吸收和热辐射、对流以及传导传递能量至反应的颗粒。这可以驱动流经反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应。此外，制成腔壁和反应器管的材料的高传热速率可以允许颗粒生物质达到足够高的温度，该足够高的温度是在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，充分的焦油破坏和颗粒的高于90％的碳含量完全气化为反应产物所必需的，反应产物包括氢和一氧化碳气体。一些实施方式也可以包括现场的燃料合成反应器，其可被地理上置于与太阳能化学反应器相同的地点上，并且结合在一起以从气化反应接收氢和一氧化碳产物。可以配置现场的燃料合成反应器，以在烃燃料合成过程中使用氢和一氧化碳产物产生液态烃燃料。附图简述附图指本专利技术的实施方式，其中：图1阐明示例工艺流程的一个实施方式的方框图；图2阐明示例多管反应器的一个实施方式的图；图3阐明具有接收器和定日镜区域的示例太阳能塔的一个实施方式的图；图4阐明代表性生物质材料的颗粒大小分布的一个实施方式的图表；图5阐明具有气化器管的太阳热接收器的一个实施方式的图；图6a和6b阐明夹带流生物质供给系统的一个实施方式的方框图；图7阐明太阳能驱动的生物精制装置的一个实施方式的图；和图8阐明系统的一个实施方式的流程图。虽然本专利技术可有各种改型和可选形式，但已通过附图中的示例说明了其具体实施方式，并且在本文中详细描述其具体实施方式。应理解本专利技术不限于公开的具体形式，而是相反地，本专利技术覆盖落入本发明的精神和范围内的所有的改型、等价物和替代物。专利技术详述在下列描述中，阐明了许多具体细节，诸如特定数据信号的实例、命名的部件、连接、反应器管的数量等等，以便于提供本专利技术的全面理解。但是，对本领域普通技术人员明显的是不用这些具体细节可以实践本专利技术。在其他情况下，未详细描述众所周知的部件或者方法，而是在方框图中描述，以避免不必要地使本专利技术不清楚。可以进行进一步的具体数字指代，诸如第一反应器管。但是，具体数字指代不应被解释为字面顺序，而是被理解为第一反应器管与第二反应器管不同。因此，阐明的具体细节仅仅是示例性的。具体细节可以变化，并且仍被认为在本专利技术的精神和范围内。在一个实施方式中发现的特征一般地可用于另一实施方式中。术语连接被定义为意味着直接连接至部件或者通过另一部件间接地连接至部件。一般地，太阳能驱动的化学装置包括供给化学反应器的夹带流生物质供给系统，至少通过生物质的颗粒大小控制，该反应器被灵活给料。一个示例系统包括供给现场的燃料合成反应器的化学反应器。化学反应器可以从定日镜阵列接收会聚的太阳热能，并且该能量可用于驱动包括生物质气化反应的化学反应。也可以对准太阳热接收器以从定日镜阵列吸收会聚的太阳能。太阳能驱动的化学反应器可以具有多个反应器管。这些管可以是位于太阳热接收器内的下行式几何形状。此外，在多个反应器管内，可以在载气的存在下气化生物质的颗粒。这可以在吸热气化反应中进行，以在超过1000℃的管出口温度下产生氢和一氧化碳产物。会聚的太阳能可射在接收器的多个反应器管上和内腔壁上。因此，反应器管可以起双重功能1)隔离生物质气化反应环境与太阳热接收器的大气，以及2)通过太阳辐射吸收和热辐射、对流以及传导传递能量至反应的颗粒。这可以驱动流经反应器管的生物质颗粒的吸热气化反应。此外，制成腔壁和反应器管的材料的高传热速率可以允许颗粒生物质达到足够高的温度，该足够高的温度在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内，充分的焦油破坏和高于90％的颗粒完全气化为反应产物所必需的，该反应产物包括氢和一氧化碳气体。在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.06.09 US 61/185,492;2009.10.02 US 61/248,282;1.太阳能驱动的化学装置，其包括：
太阳热接收器，其被对准以从一个或者多个太阳能会聚区域吸收
会聚的太阳能，所述会聚区域包括1)定日镜阵列，2)太阳能集中盘，
以及3)二者的任何结合，其中所述太阳热接收器具有腔壁；
太阳能驱动的化学反应器，其具有位于所述太阳热接收器内的下
行式构造的多个反应器管，其中在所述多个反应器管中，在载气的存
在下在吸热气化反应中使生物质的颗粒气化，以在超过1000℃的管出
口温度下产生氢和一氧化碳产物；和
孔，其1)面向地球的大气开放或者2)被透明的窗玻璃覆盖，以使
所述会聚的太阳能通过进入所述太阳热接收器，射在所述接收器的所
述多个反应器管和腔壁上，其中所述反应器管起双重功能1)隔离生物
质气化反应环境与所述太阳热接收器的大气，和2)通过吸收和再辐射、
对流以及传导传递太阳能至反应的颗粒，以驱动流经所述反应器管的
生物质颗粒的吸热气化反应，并且其中制成所述腔壁和所述反应器管
的材料的高传热速率允许颗粒生物质达到足够高的温度，所述足够高
的温度是在0.01和5秒之间范围的非常短停留时间内充分的焦油破坏
至低于200mg/m3以及优选地低于50mg/m3和所述颗粒的高于90％的
碳含量气化为反应产物所必需的，所述反应产物包括氢和一氧化碳气
体。
2.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
现场的燃料合成反应器，其在地理上位于与所述化学反应器相同
的地点，并且结合在一起以从所述气化反应接收氢和一氧化碳产物，
其中该现场的化学合成反应器具有输入端以接收所述氢和一氧化碳产
物，并且在烃合成过程中利用它们产生液态烃或者其他烃，包括甲醇；
和
所述多个反应器管的顶部，其中在所述太阳能接收器腔中垂直地
定向所述管，并且所述生物质颗粒在所述反应器管的所述顶部引入，
其被包括蒸汽的所述载气夹带，并且通过重力和压力被引导经过所述
反应器管的气化反应区域，其中以1000℃和1600℃之间的接收器腔壁
温度清楚地描绘操作温度，并且所述反应器管的所述气化反应区域的
出口的气体温度超过1000℃但是不高于1600℃。
3.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，其中所述反应器管的内
径的尺寸为允许从所述管的边缘至中心所述生物质颗粒基本均匀气
化，并且具有设定为在1400℃下在内部管壁上经受至少75psig压力的
壁厚度。
4.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，其中一个或者多个孔是
至少部分地包围所述多个反应器管的接收器外壳的一部分，其中所述
接收器内壁吸收或者高度地反射来自定日镜阵列的所述会聚的太阳
能，以引起辐射热，并且然后通常辐射地传送该热至所述太阳能驱动
的化学反应器的所述管中的所述生物质颗粒，并且所述接收器腔的内
壁由允许所述接收器腔在高——＞1200℃——的壁温下操作的材料制
成，以能够产生所述高的传热速率、所述非常短停留时间的快速反应
动力学、以及由所述气化反应产生的合成气的一氧化碳和氢的高度选
择性，并且
所述反应器管由透明的或者半透明的材料——包括蓝宝石——
构造成，允许辐射直接经过所述反应器管并且射在所述管中的任何反
应颗粒上。
5.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
每一个所述反应器管的不透明外壁；
所述接收器的内壁，其中所述内壁和所述反应器管主要通过辐射
交换能量，而不是通过对流或者传导，允许所述反应器管达到相当均
匀的温度分布，即使来自所述定日镜阵列的所述会聚的太阳能仅从一
个方向直接射在所述反应器管上，并且其中来自所述内壁和所述反应
器管的辐射传热是驱动所述气化反应的能量的主要来源，在该气化反
应中小的生物质颗粒用作来自所述内壁和所述管的辐射热能的微小吸
收表面；并且
其中每一个反应器管的形状是圆柱形的管，至少30个反应器管存
在于所述太阳热接收器的腔中，所述多个反应器管相对于彼此的几何
布置是弧形图案。
6.权利要求2所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
制成所述接收器腔的壁的材料具有机械和化学性质以在1000-1600
℃之间的高温下经受其强度，对于所述接收器腔，具有非常高的发射
率(ε＞0.8)或者高的反射率(ε＜0.2)以及高的热容(＞200J/kg-K)和低的热导
率(＜1W/m-K)，并且
制成所述反应器管的材料具有高的发射率——包括0.7发射率系
数或者更好、高的热导率——包括30瓦特每米开尔文或者更好、8焦
耳每摩尔-开氏度或者更好的至少中等的热容，并且抵抗所述接收器的
腔中的氧化空气环境以及所述管的内部上的还原环境，以允许在所述
管内分散下降的生物质颗粒迅速气化，获得稳定的灰形成，减少焦油
至低于50毫克每标准立方米毫米，以及在1000-1600℃之间的在所述
管中的操作温度下产生氢和一氧化碳产物。
7.权利要求6所述的太阳能驱动的化学装置，其中所述接收器腔的所
述内壁由耐火的氧化铝片构造成，该耐火的氧化铝片层的外面是氧化
铝纤维绝热层，该绝热层被第一结构性碳钢壳容纳，其中在该第一碳
钢壳之外具有空气缝隙，接着是第二碳钢壳，并且其中所述绝热层、
空气缝隙和钢壳的厚度已被设计，以限制腔的传导损失至低于从所述
定日镜阵列入射到所述太阳热接收器的所述孔上的会聚太阳能的5％。
8.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
多个管的第一和第二反应器管，其在材料上由耐火陶瓷或者金属
制成，其中选择的材料必须具有在1100-1600℃之间的高温下良好的化
学稳定性以及高的强度、对所述生物质的颗粒大小和蒸汽浓度高的抗
腐蚀性和抗磨损性级别、对太阳能通量引起的脆性良好的抗性、由可
用太阳能的迅速变化产生的良好的抗热冲击性、如果所述接收器腔充
满包括空气的非惰性气体在高温下的高抗氧化性、擅长吸收太阳能、
凭借辐射发射率(ε＞0.8)高的再辐射性质以及高的热导率(＞1W/m-K)，并
且
其中为管构造选择的材料单独地或者结合地选自包括下述的材料：
碳化硅、碳化硅涂层的石墨、钨、钼、富铝红柱石、氧化锆、具有硫
化铝的钼、烧结的亚微碳化硅粉末、透明的蓝宝石、高铝含量镍基合
金和包括氧化铝(Al2O3)的耐火陶瓷。
9.权利要求8所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
其中所述反应器管由涂层的石墨制成；并且
其中所述窗玻璃由蓝宝石制成并且使所述接收器的所述腔是封闭
的，以及惰性气体供给以引起所述接收器腔内的容积充满惰性气体，
排除氧气使之不影响由所述涂层的石墨制成的所述反应器管。
10.权利要求8所述的太阳能驱动的化学装置，其中通过在0.001″和
0.020″厚之间的碳化硅涂层可以提供在高温下的高抗氧化性，通过化学
气相沉积或者通过所述石墨和所述反应器管的直接硅化将该碳化硅涂
层置于所述反应器管上，在1000℃和1600℃之间的壁温下操作反应器
管，并且其中所述接收器中所述多个反应器管相对于彼此的几何学构
造为圆柱形或矩形图案。
11.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，其中每一个所述反应器
管的气化反应区域的长度和直径大小的尺寸做成在气化温度下产生
0.01秒至5秒的所述非常短停留时间，并且所述多个管的第一个比所
述多个管的第二个具有更大的直径，以及每一个管的形状是圆柱形的
管或者矩形的管。
12.权利要求1所述的太阳能驱动的化学装置，还包括：
夹带流生物质供给系统，其具有一个或者多个进给线以供给所述
生物质颗粒进入所述多个反应器...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·普尔金斯，Z·约凡诺维克，S·R·斯特兰德，D·凯利，A·民登，R·里德里，
申请(专利权)人：三照普燃料公司，
类型：发明
国别省市：