[发明专利]具有联合热管理的生物质转化系统及其使用方法

说明书

技术领域

本公开一般涉及纤维素生物质至生物燃料的加工，更具体地涉及使用用于过程控制的联合热管理而加工生物质固体的系统和方法。

背景技术

显著关注开发化石燃料的替代能源。具有显著潜力的一种化石燃料替代品为生物质，特别是纤维素生物质，例如植物生物质。如本文所用，术语“生物质”指存活的或近期存活的生物材料。可提取生物质内的复杂有机分子，并将其分解为更简单的有机分子，随后可通过已知的化学转变将所述更简单的有机分子加工成工业化学品或燃料共混物（即生物燃料）。尽管生物质，特别是植物生物质就此而言具有潜力，但仍然需要实现能够将生物质转化为这种材料的能量有效且成本有效的方法。

由于位于高等植物的细胞壁内的木质纤维素材料，因此纤维素生物质为世界上最丰富的碳水化合物来源。植物细胞壁分为两个部分：初生细胞壁和次生细胞壁。初生细胞壁提供用于扩大细胞的结构支撑，并含有三种主要的多糖（纤维素、果胶和半纤维素）和一组糖蛋白。在细胞结束生长之后产生的次生细胞壁也含有多糖，并通过共价交联至半纤维素的聚合木质素加强。半纤维素和果胶通常大量存在，但纤维素为主要的多糖和最丰富的碳水化合物来源。这些材料在本文全体称为“纤维素生物质”。

植物可储存例如糖、淀粉、纤维素、木质纤维素和/或半纤维素形式的碳水化合物。任何这些材料可代表用于转化成工业化学品或燃料共混物的原料。碳水化合物可包括单糖和/或多糖。如本文所用，术语“单糖”指不能进一步水解成更简单的碳水化合物的羟基醛或羟基酮。单糖的例子可包括，例如，右旋糖、葡萄糖、果糖和半乳糖。如本文所用，术语“多糖”指包含由糖苷键键合在一起的两个或更多个单糖的糖类。多糖的例子可包括，例如，蔗糖、麦芽糖、纤维二糖和乳糖。碳水化合物在光合成过程中产生，所述光合成为其中二氧化碳被转化为有机化合物而作为储存能量的方式的过程。当碳水化合物被氧化以产生二氧化碳和水时，可释放该能量。

尽管具有前景，但生物基燃料技术的发展和实施较缓慢。该缓慢发展存在多种原因。理想地，生物燃料将与现有的发动机技术可相容，并具有通过现有运输基本设施进行分配的能力。用于生物燃料形成的现有的工业过程局限于糖和淀粉发酵成乙醇，所述乙醇与作为食物来源的这些材料竞争。另外，当用作燃料时，乙醇具有低能量密度。尽管具有用作燃料的潜力的一些化合物可由生物质资源（例如，乙醇、甲醇、生物柴油、费-托柴油和气态燃料，如氢气和甲烷）制得，这些燃料一般需要新的分配基本设施和/或发动机技术以适应它们的物理特性。如上所述，仍需要发展一种可工业放大的方法，其能以成本有效且能量有效的方式将生物质转化为类似于化石燃料的燃料共混物。

发明内容

本公开一般涉及纤维素生物质至生物燃料的加工，更具体地涉及使用用于过程控制的联合热管理而加工生物质固体的系统和方法。

在一些实施方案中，本发明提供了一种生物质转化系统，其包括：第一流体循环回路，所述第一流体循环回路包括：水热煮解(digestion)单元和与所述水热煮解单元的入口和出口流体连通的第一催化还原反应器单元；其中所述第一催化还原反应器单元含有能够活化分子氢的至少一种第一催化剂；以及第二流体循环回路，所述第二流体循环回路包括：与所述第一流体循环回路流体连通的反应产物取出管线、与所述反应产物取出管线流体连通的第二催化还原反应器单元，其中所述第二催化还原反应器单元含有能够活化分子氢的至少一种第二催化剂，和在所述第一流体循环回路与所述第二催化还原反应器单元的出口之间建立流体连通的循环管线。