[发明专利]催化剂组合物及其在催化生物质热解中的用途

说明书

相关申请的交叉引用

特此要求于2012年12月4日提交的以David C.Dayton，MaruthiPavani，John R.Carpenter III，和Matthew Von Holle的名义的“Catalyst Compositions and Use Thereof in Catalytic Biomass Pyrolysis”的美国临时专利申请61/733,142的根据35USC§119的优先权权益。该美国临时专利申请61/733,142的公开内容特此通过引用以其整体并入本文用于所有目的。于2012年3月7日提交的美国临时专利申请61/607,866的公开内容也通过引用以其整体并入本文用于所有目的。

在本发明中的政府权利

在以由U.S.Department of Energy/Advanced Research Projects Agency-Energy(DOE/ARPA-E)授予的批准号DE-AR0000021的美国政府支持下进行本发明。美国政府在本发明中具有某些权利。

领域

本公开内容涉及对将生物质热化学转化以产生可以被升级为烃产物例如运输燃料的液体生物原油有用的催化剂组合物，并且涉及利用这样的催化剂组合物的催化生物质热解系统和方法。

相关技术的描述

在努力补充并且最终替换来源于减小的石油供应的常规燃料中，增加的焦点涉及来自可再生来源的燃料，包括生物来源，即生物燃料。目前，主要用谷物生产生物燃料比如乙醇，但大量未开发的植物生物质来源以作为对生物能和生物产品生产潜在地有用的原料的木质纤维素材料的形式存在。

如与用于将谷物淀粉含量转化成糖类用于随后转化成乙醇的良好开发的方法相比，将木质纤维素转化成生物燃料是远远较困难的。热解是对从生物质起始物料生产液体运输燃料保持潜力的热化学方法。传统的生物质闪速热解方法已经示出大致70％的液体产物收率，但在没有另外的升级或提炼的情况下，这样的方法的热解油产物具有有限的用途。目前，商业生物质热解方法主要用于生产用于食物产品工业的商品化学品。未加工的热解油的燃料使用已经被证明用于在锅炉、柴油机、和涡轮机(具有有限的成功)中的电功率产生。

生物质的热解包括在适度的温度下在不存在添加的氧气下使生物质热解聚，和产生固体、液体和气体产物的混合物，这取决于方法中利用的特定的热解温度和停留时间条件。可以通过在低温、高压、和长的停留时间下缓慢热解实现多达35％的木炭收率。利用闪速热解以优化包括水和油的液体的生产。闪速热解产物通常被称为生物原油。可以例如通过相分离从其中除去水来进一步加工生物原油以产生生物油。在闪速热解中，高的加热速率和短的停留时间促进迅速的生物质热解同时最小化蒸气裂化，以产生具有在重量基础上的多达约70％效率的最佳化的液体产物收率。

可以在完全生产之前在来源处、或在形成液体产物之后升级生物油。目前，在生产后升级中最流行的方法是在固体酸催化剂上的油裂化、或在高压氢和加氢脱硫(HDS)催化剂的存在下的加氢处理。虽然油裂化和加氢处理方法两者皆对实现减少的氧含量保持潜力，这样的升级方法中的两者都伴随以水的形式的氢损失和以一氧化碳和/或二氧化碳的形式的碳损失。

在升高温度例如约200-450℃的温度下和在HDO催化剂比如硫化的CoMo或NiMo催化剂的存在下进行加氢脱氧(HDO)。在加氢处理期间以水的形式的氧损失和增加氢/碳(H/C)比率的饱和度导致高的氢需求。通常在高压例如约3-12MPa的压力下在此过程期间添加外部供应的氢。氢需求可以是大量的，例如，理论上约41kg每吨生物质，即致使HDO通常不经济的因素。概念上可以通过以下的等式表征HDO：

C₆H₈O₄+6H₂→6CH₂+4H₂O

C₆H₈O₄+4.5H₂→6CH_1.5+4H₂O