用于集成的太阳能驱动的化学装置的系统和方法制造方法及图纸

公开了处理太阳能变化的集成的太阳能驱动的化学装置的方法、设备和系统。在一些实施方式中，包括生物质颗粒的化学反应物在太阳能驱动的化学反应器中使用驱动化学反应物转化的会聚太阳能转化为包括一氧化碳和氢的合成气。提供该合成气，在甲醇合成装置中将该合成气催化转化为甲醇。根据在太阳能驱动的化学反应器中生成的合成气的量，在甲醇合成装置中的许多甲醇机组在操作状态和闲置状态之间循环。化学反应器的控制系统发送控制信号到甲醇合成装置的控制系统并从甲醇合成装置的控制系统接收反馈。

【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化学反应的系统、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。
技术介绍
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。生物质气化是吸热过程。必须向该吸热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。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。因为用于驱动转化的能量来源是再生性的并且无碳。同样地，通常设计化学反应器以在不变的条件下昼夜不停地操作，而不是在周期性的基础上操作。专利技术概述公开了处理太阳能变化的太阳能驱动的化学装置的方法、设备和系统。一些实施方式包括用于协调集成的太阳能驱动的化学装置的方法。可在具有多个反应器管的太阳能驱动的化学反应器中使用会聚的太阳能进行化学反应，以驱动化学反应物转化。利用会聚太阳能的热在反应器管中进行吸热化学反应。化学反应包括使用来自会聚的太阳能区域的太阳热能的下列的一种或多种：生物质气化、蒸汽甲烷重整、甲烷裂化、蒸汽乙烷裂化以生产乙烯、或二氧化碳裂解。在化学合成装置中，供应来自化学反应的产物，用于使来自化学反应的产物催化转化成烃燃料或其他化学品。燃料合成装置的操作取决于在太阳能驱动的化学反应器中生成的合成气的量。燃料合成装置的控制系统发送控制信号到化学反应器的控制系统并从化学反应器的控制系统接收反馈。化学反应器的控制系统至少指示在太阳能驱动的化学反应器中生成的产物的量。附图简述附图参考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阐明具有接收器和太阳能会聚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阐明太阳能驱动的化学装置的一个实施方式的图；图8阐明集成的化学装置的启动顺序；和图9阐明系统的一个实施方式的流程图；和图10阐明合成气和甲醇缓冲和再循环过程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并且在一个实施方式中的特征可在另一个实施方式中使用。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。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。总的来说，描述了处理太阳能变化的集成的太阳能驱动的化学装置的方法、设备和系统。存在许多制造该集成的太阳能驱动的化学装置的设计机制。第一设计机制是制造为集成装置建立的储存、缓冲和闲置过程，以消除第一工艺步骤的响应速率与第二工艺步骤的响应速率之间的相互影响。为集成装置建立的储存、缓冲和闲置过程还消除了第一工艺步骤的直接生产速率与第二工艺步骤的供应需求之间的相互影响。第二设计机制是使每个工艺步骤具有单独的控制系统，连同分级控制系统，以基于其他工艺步骤的预期的或反馈的变化，相对于另一工艺步骤的操作协调每个工艺步骤的操作。第三设计机制是构成集成装置的组件的启动顺序和次序。因此，为太阳能驱动的化学装置进行全面系统调节以作为整体工作而不是作为独立的具体组件/工艺步骤操作。在实施方式中，包括生物质颗粒的化学反应物在太阳能驱动的化学反应器中使用驱动化学反应物转化的会聚太阳能转化成包含一氧化碳和氢的合成气。供应合成气，用于在甲醇合成装置中使合成气催化转化成为甲醇。取决于在太阳能驱动的化学反应器中生成的合成气的量，在甲醇合成装置中，许多甲醇机组在操作状态和闲置状态之间进行循环。化学反应器的控制系统发送控制信号到甲醇合成装置的控制系统并从甲醇合成装置的控制系统接收反馈。与上游太阳能驱动的反应器集成的示例化学合成装置是甲醇合成装置，且也可以集成其他化学合成装置。图1阐明示例工艺流程的方框图。一些实施方式包括太阳能驱动的生物质气化至液态燃料/电的过程。该过程也可能包括发电，太阳能生成的合成气衍生产物的化学处理、或者生物焦化(bio-char)。在特定的示例实施方式中，所述过程是太阳能驱动的生物质气化至‘绿色’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.用于集成的太阳能驱动的化学装置的方法，所述方法包括：
将包括生物质颗粒的化学反应物，在太阳能驱动的化学反应器中，
使用驱动所述化学反应物转化的会聚太阳能，转化为包括一氧化碳和
氢的合成气；
供应所述合成气，用于在甲醇合成装置中使所述合成气催化转化
为甲醇；
根据在所述太阳能驱动的化学反应器中生成的合成气的量，使在
所述甲醇合成装置中的许多甲醇机组在操作状态和闲置状态之间循
环；和
其中所述化学反应器的控制系统发送控制信号到所述甲醇合成装
置的控制系统并从所述甲醇合成装置的控制系统接收反馈。
2.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，其中所述化学装置是集成的生物精制装置，其在所述集成太阳能
驱动的化学装置中进行所述生物质颗粒到汽油的转化，其中来自所述
甲醇合成装置的甲醇在甲醇到气体过程中被转化为汽油。
3.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，还包括：
形成所述合成气的储存容量以及所述甲醇机组的闲置，以消除所
述甲醇合成装置的响应速率与所述太阳能驱动的化学反应器的响应速
率之间的相互影响，并且其中为所述集成的太阳能驱动的化学装置建
立的所述储存容量和闲置过程还消除了在所述太阳能驱动的化学反应
器中生成的合成气的直接生产速率与所述甲醇合成装置的供应需求之
间的相互影响。
4.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，还包括：
使在所述太阳能驱动的化学反应器中的包括生物质气化反应、蒸
气重整反应、干法重整反应和这些反应的各种组合的化学反应类型，
与引向包括所述化学反应器的太阳热接收器的可利用的会聚太阳能的
量平衡，以便使太阳能化学反应器保持在如此温度，在该温度下所述
化学反应器操作足够高，以维持生成的合成气的H2和CO比率在期望
的2.1∶1到2.8∶1摩尔比之内，基本上不含焦油，焦油少于200mg/m3，
且在所述生成的合成气中按体积计具有少于15％的CO2，和
控制流入所述化学反应器的反应器管中的蒸汽、天然气和生物质
颗粒的量以保持所述生成的合成气在上面设定的阈值之内。
5.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，还包括：
在所述集成的化学装置启动期间，使所述化学反应器升高以达到
至少800℃的操作温度，以便来自所述化学反应器的流出反应物产物具
有用于甲醇合成的合适的气体组成和品质；和
在所述化学反应器升至所述操作温度的时间之后，控制下列之一：
1)参与所述反应过程的反应器管的可变的量，2)从供给系统供应入所述
化学反应器的反应器管中的生物质颗粒的供给速率，或3)二者，以便
控制进入所述太阳能驱动的化学反应器的物质的流速和化学组成，达
到1)可利用的量和2)预测的可利用的会聚太阳能的量以驱动在化学反
应器中发生的化学反应同时保持所述化学反应器的温度在800-1600℃
之间。
6.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，还包括：
在当所述化学反应器停止合成气反应产物的商业水平生产的时间
段期间，并在当所述化学反应器恢复合成气反应产物的商业水平生产
之前，使位于太阳热接收器中的所述太阳能驱动的化学反应器保持在
比周围更高的温度。
7.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，还包括：
当1)所述太阳能会聚区域对准包括所述太阳能驱动的化学反应器
的所述太阳热接收器的开口处，和2)所述太阳能驱动的化学反应器至
少在800℃的最低操作温度和优选地大于1000℃时，使生物质颗粒的
夹带流开始进入所述化学反应器。
8.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，还包括：
为作为最终产物或另一种烃燃料比如汽油的中间化合物的每天的
甲醇产物建造具有超大储存容量的甲醇储存罐，当以100％的容量操作
时，其中所述甲醇合成装置比甲醇到气体合成装置具有大得多的容量，
以及由于在罐中建有更大的容量，过量的甲醇被储存用于整夜使用，
而剩余的甲醇在从接近日出到接近日落的正常时间期间用于供应甲醇
到气体的合成装置，并当在关闭期间，所述甲醇到气体的合成装置具
有容量以继续从建造的甲醇储存罐中缓冲和储存的甲醇以峰值生产力
的减少百分数运行。
9.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的方
法，其中所述集成的太阳能驱动的化学装置包括数个工艺步骤，包括
用于制造生物质颗粒的研磨系统和根据需要运行的其他化学供给准备
过程；当所述太阳能驱动的化学反应器在至少它的最低操作温度时，
供应包括生物质颗粒的化学反应物的化学反应物供给系统；当不使用
时收起并且被对准以在至少接近日出时将所述会聚的太阳能聚焦在所
述太阳能驱动的化学反应器的太阳能会聚区域过程，其中所述太阳能
驱动的化学反应器过程在停止生产期间保持在或接近操作温度；一天
24小时在压缩和闲置之间转换压缩机阶段的压缩机过程；合成气清洁
过程；和所述甲醇合成装置。
10.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的
方法，还包括：
在所述化学反应器的多个反应器管中，在管中存在一种或多种下
列化学反应物情况下，使所述生物质颗粒气化：(i)生物质颗粒和蒸汽(ii)
生物质颗粒、甲烷和蒸汽(iii)甲烷和蒸汽(SMR)，其中在相同接收器中
的不同反应器管是由操作不同化学反应物的材料构成的，且所述反应
器管的内壁由具有良好到优异耐蒸汽性等级的抗腐蚀材料制成。
11.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的
方法，其中设定包括所述化学反应器的太阳热接收器周围的绝热厚层，
以限制通过自所述接收器的腔传导的热损失，连同设定覆盖接收器孔
的可移动绝热门，以限制在不操作期间——包括恶劣的天气或者夜间
——的辐射、传导和对流引起的离开腔的热损失，以便当没有会聚的
太阳能被引向腔孔时，在12小时期间内所述腔内的温度降低少于400
℃，其中所述绝热层和门保持热能以减小1)停工之后加热所述接收器
和反应器管所需的时间的量，和2)施加给构造的所述接收器和反应器
材料的热冲击和应力。
12.根据权利要求1所述的用于集成的太阳能驱动的化学装置的
方法，还包括：
将焠火区域放置在所述化学反应器中反应器管的气化反应区域的
出口附近，在那里在所述焠火区域中的一个或多个注射管将由1)低温
水(H2O)、2)具有低温水的甲烷(CH4)、3)低温甲醇(CH3OH)和4)各种组
合的至少一种组成的冷却化合物直接注入合成气管和/或携带所述反应
器管的流出物流的歧管，以同时1)使...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·普尔金斯，Z·约凡诺维克，C·海尔顿，W·西蒙斯，A·民登，
申请(专利权)人：三照普燃料公司，
类型：发明
国别省市：