由可再生资源制备燃料组合物的方法和相关系统的制作方法
【专利说明】由可再生资源制备燃料组合物的方法和相关系统
[00011 本申请是分案申请，母案的申请号为201110221670.2,申请日为2011年7月28日， 发明名称为"由可再生资源制备燃料组合物的方法和相关系统"。
[0002] 发明背景
[0003] 本发明总体上涉及燃料组合物。本发明的一些具体实施方案涉及由生物质或者城 市固体废物(municipal solid waste)材料制备液态燃料的方法。
[0004] 鉴于对优质矿物燃料利用度的突出、长期的不足，人们对燃料可再生资源的研发 有浓厚的兴趣。这样的燃料最具有吸引力的来源之一就是生物质，这些生物质可用于制备 多种不同类型的燃料，其中一些称为"生物燃料"或"生物柴油"。另一种潜在的资源是城市 固体废物(MSW)，其通常主要包括家庭废物但是也可包括商业废物。
[0005] 由生物质材料生产液体燃料有两种主要途径。间接途径包括生物质气化。在这样 的方法中，原材料在部分燃烧条件下气化，产生基于一氧化碳和氢气的合成气。空气鼓风循 环流化床（CFB)气化器通常适用于小规模生物质气化。然后合成气可以通过费-托 (Fi scher-Tropsch，FT)合成转化为液体燃料。
[0006] 这种间接方法虽然在很多情况下有用，但是它常需要非常高的温度，例如800°C-1，700°C，取决于气化器的类型。向加压气化器里安全地加入原材料也可能有困难。而且，对 于CFB过程来说，氮气的稀释也可能存在问题。同时，产物气中的高焦油浓度通常会使随后 的气体清洁步骤成为必要，这些步骤会增加资本成本。
[0007] 热解是由生物质生产液体燃料的另一种方法，这种方法可认为是"直接方法"。该 方法本身在本技术领域是公知的，它包括生物质或其他含碳物质的热分解。与传统燃烧处 理相比，该方法在无氧或者在氧水平显著减少的条件下进行。涉及的温度远低于气化涉及 的温度，例如约400°C-600°C。热解的主要产物是油、轻气体和炭。如在下面进一步的描述， 热解的蒸气产物能凝结成液体产物，即"生物油"，例如通过冷凝。
[0008]生物油（"热解油"）是有价值的燃料前体，但是它们也与基于烃类的石油燃料相去 甚远。热解油的高氧含量，例如高达约50%重量，将使这种材料置于烃类的传统定义之外。 这些相对高水平的氧含量限制了这些组合物在例如作为运输燃料(汽油和柴油）的应用中 的用途。在多数情况下，氧含量必须大量减少，从而得以进行另外的提质步骤以形成传统燃 料。
[0009] 鉴于这些考虑事项，从生物质或者MSW材料制备燃料(例如液体燃料）的新方法将 会在本领域里受到欢迎。对于很多最终使用应用来说，这些方法应部分基于热解反应。而 且，它们还应使一种或多种热解产物中得到的氧含量的量最小化。新方法还应该能够经济 地实施，并且应该与其它过程相容，例如热解产物的燃料提质过程。
[0010] 发明简述
[0011] 本发明的一个实施方案涉及从包含生物质、城市固体废物(MSW)或它们的组合的 给料生产燃料组合物的方法。该方法包括利用微波能量在过渡金属的存在下热解给料的步 骤，以便减少至少一种热解产物中的氧水平。
[0012]由给料材料生产燃料组合物的综合方法构成本发明的另一个实施方案，其中所述 给料材料包括生物质和城市固体废物中的至少一种。该方法包括以下步骤：
[0013] a)在过渡金属的存在下利用微波能量热解给料，以便使至少一种热解产物中的氧 水平减少;同时氧化过渡金属;其中热解产物包括生物油、轻质烃以及炭；
[0014] b)通过将氧化的过渡金属进行还原反应而使过渡金属再生，其中还原反应至少部 分由燃烧一部分轻质烃而提供能量;和
[0015] c)通过提质过程将生物油产物提质成液体燃料，该提质过程包括加氢处理、加氢 异构化和异构化产物的分离。
[0016] 本发明的一个另外的实施方案涉及由给料材料生产燃料组合物的系统，其中所述 给料材料包含生物质和城市固体废物(MSW)中的至少一种。该系统包含：
[0017] (i)热解反应器，所述反应器适于接受具有生物质或者MSW或它们的组合的给料； 并且将给料转化为热解产物；
[0018] (ii)适于给热解反应器提供微波能量的微波源；
[0019] (iii)与热解反应器连通的过渡金属的供应装置，所述供应装置在热解期间供应 选定量的过渡金属;和
[0020] (iv)与热解反应器连通的至少一个提质装置，所述提质装置将至少一种热解产物 转化成液体燃料组合物。
[0021] 附图简述
[0022]图1是示例性方法的步骤的工艺块流程图，该方法在微波辅助的热解处理中将给 料转化为燃料。
[0023]图2是在平衡条件下生物质热解反应的过渡金属水平作为温度函数的图。
[0024]发明详述
[0025]本文公开的组成范围是包括性和可组合的（例如，"至高约25%重量"的范围或者 更具体的"约5%重量至约20%重量"包含端点以及范围内的所有中间值）。提供的重量水平 基于整体组合物的重量，除非另有规定；比率也是基于重量而提供的。另外，术语"组合"包 括共混物、混合物、合金、反应产物等。
[0026] 另外，术语"第一"、"第二"等在本文中并不特指任何顺序、量或者重要性，而是用 以区分一种要素和另一种要素。术语"一"和"一个"在本文中并不特指量的限制，而是指存 在至少一种述及物。和量相关使用的修饰语"约"包括所述值，并且有上下文所规定的意思， (例如包括与具体量的检测相关的误差程度）。
[0027] 另外，在本说明书中，后缀"(s)"通常旨在包含它修饰术语的单数和复数，因而包 含该术语的一个或更多（例如，"化合物"可以包含一种或更多化合物，除非另有指定）。贯穿 本说明书述及的"一个实施方案"、"另一个实施方案"等是指与该实施方案相关描述的具体 要素(例如特征、结构和/或表征)包含在至少一个本文描述的实施方案中，并且可能或可能 不存在于其它实施方案中。另外，应该理解的是，所描述的发明特征可以任何适当方式组合 于各种实施方案中。
[0028] 本文所用的术语"生物质"可包括多种可再生能源。通常（虽然不总是)生物质是指 由植物衍生的材料。总体来讲，生物质可包括例如基于木材和树的材料、森林残余物、农业 残余物和能源作物的材料。木材或树材料和森林残余物可包括木材、木片、锯末、树皮或者 其它来自树、麦杆、草等的这种产品。农业残余物和能源作物可进一步包括短期轮作的草本 种类、壳(例如水稻壳、咖啡壳等）、玉米、谷物秸杆、含油种子、含油种子提取物残留物等。含 油种子可以是典型的包含油的种子像大豆、camolina、低芥酸菜籽、油菜籽、玉米、棉籽、向 日葵、红花、橄榄、花生等。
[0029] 术语"城市固体废物"（MSW)可包括在指定地区被市政当局收集的家庭废物和商业 废物。MSW可包括以纤维素材料、金属(铁和非铁）、塑料、玻璃、食物及其它形式存在的无机 和有机成分。MSW可来源于包装材料，例如混合纤维纸板包装材料、波纹纸板、塑料包装、塑 料瓶、钢罐、铝罐、其它塑料或金属包装材料、玻璃瓶和容器废物。这样的废物可以是塑料、 金属和纸的任意组合。可用作燃料生产给料或者