專利名稱：用于超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的各種方法和裝置的制作方法
用于超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的各種方法和裝置相關(guān)串請本申請要求(1)2010年6月8日提交的名稱為“SYSTEMS ANDMETHODS FOR ANINDIRECT RADIATION DRIVEN GASIFIERREACTOR & RECEIVER CONFIGURATION” 的專利申請No. 12/795947 和(2)2010 年 9 月 3 日提交的名稱為 “HIGH HEAT FLUXCHEMICAL REACTOR”的美國臨時專利申請No. 61/380116的權(quán)益，其中申請(I)要求2009年10月2日提交的名稱為“Various Methodsand Apparatuses for Sun Driven Processes”的美國臨時專利申請 No. 61/248，282 和 2009 年 6 月 9 日提交的名稱為 “VARIOUS METH0DSAND APPARATUSESFOR SOLAR-THERMAL GASIFICATION OFBIOMASS TO PRODUCE SYNTHESIS GAS”的美國臨時專利申請No. 61/185，492的權(quán)益。
背景技術(shù)：
超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器能用于驅(qū)動包括生成合成氣的工藝的大量工藝。

發(fā)明內(nèi)容
超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器能用于驅(qū)動包括生成合成氣的工藝的大量工藝。在一個實施例中，超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的多個反應(yīng)管位于容置器容器內(nèi)部。由高度反射材料制成的腔散發(fā)輻射能。反應(yīng)管配置為使(I)甲烷、(2)天然氣、(3)蒸汽、(4)生物質(zhì)顆粒、(5)以上四項的任意組合通過傳熱輔助，以使用來自輻射能的熱能導(dǎo)致蒸汽甲烷反應(yīng)和生物質(zhì)顆粒的氣化同時發(fā)生。傳熱輔助用于加熱反應(yīng)物氣體。傳熱輔助是位于各反應(yīng)管內(nèi)部的以下各項中的一個或多個生物質(zhì)顆粒的流化床或夾帶流，化學(xué)惰性顆粒的流化床或夾帶流，網(wǎng)狀多孔陶瓷(RPC)泡沫，陶瓷整料，陶瓷管或氣凝膠，包括由耐高溫材料構(gòu)成的拉西環(huán)、絲網(wǎng)或線的開放式規(guī)整填料環(huán)，以及上述的任意組合。輻射是從反應(yīng)管壁到傳熱輔助和化學(xué)反應(yīng)物的主要傳熱方式，而傳導(dǎo)、對流或這兩項的某種組合是從腔壁和反應(yīng)管的次要傳熱方式。設(shè)置各反應(yīng)管的氣化反應(yīng)區(qū)的長度和直徑尺寸的大小，以在至少900°C的氣化溫度下給出0. 01秒至5秒的非常短的停留時間。反應(yīng)產(chǎn)物具有來自氣化區(qū)出口的等于或超過900°C的溫度。此化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計中的多個反應(yīng)管增加了到生物質(zhì)顆粒的輻射交換以及管間輻射交換的可用反應(yīng)器表面積。輻射熱源可以為太陽能、燃?xì)庑顭崾饺紵?、核能、電熱器及其任意組合中的一個或多個。


多個附圖參照本發(fā)明的示例實施例。圖I示出使用蓄熱式天然氣燃燒器作為熱源來實施用于生物質(zhì)氣化的高通量化學(xué)反應(yīng)器的實施例的流程示意圖。圖2示出針對容置器-反應(yīng)器設(shè)計的實施例的各種溫度下輻射熱通量與對流熱通量之比的圖表，示出了在高通量化學(xué)反應(yīng)器的高工作溫度下輻射是主要傳熱機制。
圖3示出包圍偏置和交錯反應(yīng)管的容置器腔的實施例的剖視圖。圖4和圖5示出將載氣中的生物質(zhì)顆粒供應(yīng)給化學(xué)反應(yīng)器的夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)的實施例。圖6示出具有彼此交互的多個控制系統(tǒng)的高熱通量驅(qū)動生物煉制的實施例的圖。圖7示出用于反應(yīng)器及其相關(guān)工廠的示例集成工藝流的實施例的框圖。圖8示出太陽能驅(qū)動生物煉制的實施例的圖。盡管本發(fā)明存在各種修改和備選形式，但已通過示例在附圖中示出了其具體實施例，在此將進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明應(yīng)理解為不限于公開的特定形式，而是意圖涵蓋落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有修改、等同實施例和備選實施例。
具體實施例方式在以下描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，例如具體化學(xué)品的示例、命名的組件、連接、熱源類型等，以提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很明顯，可能無需這些具體細(xì)節(jié)而實現(xiàn)本發(fā)明。在其它例子中，沒有詳細(xì)描述公知組件或方法，而是用框圖進(jìn)行描述，以避免不必要地使本發(fā)明晦澀。因此，闡述的具體細(xì)節(jié)僅是示例性的。這些具體細(xì)節(jié)可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)變化且仍在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。描述了用于超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器及其相關(guān)集成化工廠的大量示例工藝和與它們相關(guān)的裝置。以下附圖和文本描述了設(shè)計的各種示例實現(xiàn)。因此，描述了一些生成化學(xué)產(chǎn)物的示例高輻射熱通量化學(xué)反應(yīng)器，還討論了一些示例化學(xué)反應(yīng)。例如，輻射熱源可以為(I)太陽能、(2)燃?xì)庑顭崾饺紵鳌?3)核能、(4)電熱器和(5)上述四項的任意組合中的一個或多個。例如，反應(yīng)管中進(jìn)行的吸熱化學(xué)反應(yīng)包括主要使用輻射熱能在該化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行的以下各項中的一個或多個生物質(zhì)氣化、蒸汽甲烷重整、甲烷裂解、干重整反應(yīng)、產(chǎn)生乙烯的蒸汽甲烷裂解、金屬提煉、C02或H20分解、以及這些反應(yīng)的各種組合。該設(shè)計包含生成化學(xué)產(chǎn)物(例如，合成氣產(chǎn)物)的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本示例性文獻(xiàn)內(nèi)下面討論的許多設(shè)計的部分和方面可以用作獨立的概念，或者可以彼此組
口 ο圖I示出使用蓄熱式天然氣燃燒器作為熱源來實施用于生物質(zhì)氣化的高通量化學(xué)反應(yīng)器的實施例的流程示意圖。高熱通量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器102具有下向通風(fēng)幾何形狀，其中多個反應(yīng)管在垂直方向上位于熱容置器106的腔的內(nèi)部。在多個反應(yīng)管內(nèi)發(fā)生輻射熱驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)。腔由散發(fā)輻射能的高反射材料制成，容置器106包圍超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器102的多個反應(yīng)管。反應(yīng)管配置為使包括(I)甲烷、⑵天然氣、⑶蒸汽、⑷生物質(zhì)顆粒、(5)以上四項的任意組合的多個化學(xué)反應(yīng)物通過該管，以使用來自輻射能的熱能引起蒸汽甲烷反應(yīng)和生物質(zhì)顆粒的氣化。超高熱通量/高溫夾帶流化學(xué)反應(yīng)器102主要由輻射傳熱而非對流或傳導(dǎo)驅(qū)動。因此，輻射傳熱驅(qū)動高熱通量。一般氣體化學(xué)反應(yīng)器使用對流或傳導(dǎo)來傳遞能量，它們具有在20W/nT2和100W/nT2之間的有效傳熱系數(shù)，給出了 10kW/nT2之下的有效傳熱通量(針對高達(dá)100°C的驅(qū)動溫差)。使用高溫(> 1000°C壁溫)輻射，能實現(xiàn)高得多的通量(100-250kff/m~2)。對于有限傳熱反應(yīng)，資本設(shè)備的大小與通量成線性地下降，并且資本成本極大降低。一般化學(xué)反應(yīng)器(全部由對流和/或傳導(dǎo)驅(qū)動)根本不能實現(xiàn)這些通量率或工藝設(shè)備的大小。燃?xì)庑顭崾饺紵?10向化學(xué)反應(yīng)器102供應(yīng)熱能。容置器106的內(nèi)側(cè)壁吸收或高度反射來自沿著容置器106腔壁定位的蓄熱式燃燒器110所匯聚的能量以引起因熱輻射和反射的能量傳輸，從而廣泛地將熱通量傳達(dá)到反應(yīng)管壁內(nèi)部的生物質(zhì)顆粒。容置器106內(nèi)壁吸收或高度反射蓄熱式燃燒器110，以引起輻射熱，然后廣泛地將該熱以輻射方式傳送到太陽能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器102的管中的生物質(zhì)顆粒。容置器106腔的內(nèi)壁可由允許容置器106腔在高(> 1200°C )壁溫下工作的材料制成，以實現(xiàn)高傳熱率、非常短的停留時間的快速反應(yīng)動力、以及從針對合成氣的氣化反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳和氫氣的高選擇性。在一個實施例中，使用從內(nèi)壁輻射然后進(jìn)入多個反應(yīng)管的超高熱通量熱能，生物質(zhì)顆粒在同時發(fā)生的蒸汽重整和蒸汽生物質(zhì)氣化反應(yīng)中存在蒸汽(H20)載氣和甲烷(CH4)的情況下氣化，產(chǎn)生包括氫氣和一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)產(chǎn)物。蒸汽與生物質(zhì)和甲烷發(fā)生反應(yīng)，但是生物質(zhì)與甲烷彼此不發(fā)生反應(yīng)。蒸汽(H20)與碳的摩爾比的范圍為I : I至I : 4，并且溫度足夠高以使在不存在催化劑的情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。一個或多個傳熱輔助可以用于加熱化學(xué)反應(yīng)氣體。傳熱輔助可以是位于各反應(yīng)管內(nèi)部的以下各項(流動的微粒和/或規(guī)整填料)中的一個或多個生物質(zhì)顆粒的流化床或夾帶流，化學(xué)惰性顆粒的流化床或夾帶流，網(wǎng)狀多孔陶瓷(RPC)泡沫，陶瓷整體料，陶瓷管或氣凝膠，包括由耐高溫材料構(gòu)成的拉西環(huán)(Raschig rings)、絲網(wǎng)或線的開放式規(guī)整填料環(huán)，以及上述的任意組合。這些熱輻射吸收材料充當(dāng)能用在反應(yīng)管中的傳熱輔助，以增加到反應(yīng)氣體和其它材料(以常規(guī)氣相化學(xué)反應(yīng)器的熱通量的20-50倍工作)的傳熱。輻射是從反應(yīng)管壁到傳熱輔助的主要傳熱方式，而傳導(dǎo)、對流或這兩項的某種組合是從腔壁和反應(yīng)管的次要傳熱方式。反應(yīng)器并不使用用于增大對流表面積的復(fù)雜構(gòu)造(微通道、非常小的直徑管等)，而是可以使用非常大的管，并允許在管內(nèi)流動的顆粒的大的表面積-體積比，以提高到氣相反應(yīng)物的對流傳熱。顆粒充當(dāng)直接吸收體，有效地增大了帶粒氣流的發(fā)射率。輻射傳熱隨著溫度的四次方而增加，所以吸收顆粒能以非常小的溫差從壁吸收非常高的通量。于是它們的高表面積允許以氣體和微粒之間的低溫差有效傳遞到氣體。具有非常開放式結(jié)構(gòu)(使得結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳熱主要由輻射驅(qū)動)的規(guī)整填料以類似的方式工作。利用此方法，反應(yīng)器可以為簡單的大型管，與競爭的化學(xué)反應(yīng)器的對流優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比，具有低制造成本，容易理解的流體動力學(xué)，以及更簡單的比例關(guān)系。在一些實施例中，化學(xué)反應(yīng)器102的高溫可用于將氣流中夾帶的顆粒加熱到足夠的溫度以化學(xué)地改變該顆粒。例如，如果顆粒涂覆有金屬鐵氧體化合物，則高通量反應(yīng)器可用于改變金屬鐵氧體涂層的氧化態(tài)。在化學(xué)反應(yīng)器中的反應(yīng)發(fā)生之后，發(fā)生快速冷卻以捕獲反應(yīng)產(chǎn)物。淬火區(qū)緊接化學(xué)反應(yīng)器102出口的下游而定位，以經(jīng)由離開化學(xué)反應(yīng)器102的反應(yīng)產(chǎn)物的至少氫氣和一氧化碳的快速冷卻來立即淬火。這在800°C或更低的淬火之后10秒內(nèi)實現(xiàn)了低于一水平的溫度，以減少生物質(zhì)顆粒的灰殘留物的聚結(jié)。冷卻通常發(fā)生在離開化學(xué)反應(yīng)器102后10秒內(nèi)，優(yōu)選地等于或低于400°C。在化學(xué)反應(yīng)器102的反應(yīng)管中的氣化反應(yīng)區(qū)的出口處，多個反應(yīng)管中的兩個或更多個在出口處形成一組，該組將它們的來自生物質(zhì)氣化的反應(yīng)產(chǎn)物和未反應(yīng)顆粒組合為形成淬火區(qū)的一部分的每組更大管道。更大管道內(nèi)部的一個或多個噴霧器將冷卻液直接注入反應(yīng)產(chǎn)物合成氣流，以在O. 1-10秒內(nèi)進(jìn)行從至少900°C的出口溫度到低于400°C的溫度轉(zhuǎn)變，從而防止管壁的金屬塵化腐蝕。生物質(zhì)氣化工藝中存在或在淬火區(qū)中初始引入的脫硫吸附劑減少了離開淬火區(qū)的合成氣流中存在的硫的量。一個或多個熱顆粒過濾以從離開淬火區(qū)的合成氣流去除微粒，微粒被送至儲灰容器。來自化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物被供應(yīng)到下游的化學(xué)合成工廠。注意反應(yīng)管用作以下雙重功能(I)隔離生物質(zhì)氣化反應(yīng)環(huán)境與容置器腔的大氣，和(2)通過輻射吸收以及熱輻射、對流和傳導(dǎo)向生物質(zhì)的反應(yīng)顆粒傳遞能量，以驅(qū)動流過反應(yīng)管的生物質(zhì)顆粒的吸熱氣化反應(yīng)。反應(yīng)管和腔壁的高傳熱率允許生物質(zhì)顆粒在O. 01秒至5秒范圍之間的非常短的停留時間內(nèi)獲得大量焦油裂解和大于90%的生物質(zhì)顆粒到包括氫氣和一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)產(chǎn)物的氣化所需的足夠高的溫度。各組蓄熱式燃燒器110可如下工作。蓄熱(regeneration)使用一對燃燒器110,其循環(huán)以交替加熱助燃空氣或回收且儲存來自爐廢氣的熱。當(dāng)一個蓄熱式燃燒器燃燒時，另一個排出爐內(nèi)氣體。排出氣體通過蓄熱式燃燒器主體，進(jìn)入包含耐火材料的媒介盒。耐火媒介被排出氣體加熱，因此從廢氣產(chǎn)物回收并儲存能量。當(dāng)媒介床被充分加熱時，當(dāng)前燃燒的蓄熱式燃燒器被關(guān)閉，并開始排出廢氣產(chǎn)物。具有熱媒介床的蓄熱式燃燒器開始燃燒。助燃空氣通過媒介床并且被熱耐火材料加熱。實現(xiàn)了 300 0F -500 °F的爐溫內(nèi)的空氣預(yù)熱溫度，導(dǎo)致極高的熱效率。實現(xiàn)了高溫并且為這些需要溫度的平衡反應(yīng)維持高溫。化學(xué)反應(yīng)器102的設(shè)計在這些高溫下將化學(xué)物質(zhì)驅(qū)動為期望產(chǎn)物。因此，在吸熱反應(yīng)的情況下，這產(chǎn)生了從化學(xué)反應(yīng)到產(chǎn)物的更高的轉(zhuǎn)化率(并且在示例情況下導(dǎo)致更高質(zhì)量的合成氣)。這包括生物質(zhì)氣化(焦油去除、以及副產(chǎn)物CH4到CO和H2的二次重整反應(yīng))、蒸汽甲烷重整、通過蒸汽乙烷重整的乙烯生產(chǎn)、用于碳黑和氫氣形成的甲烷裂解、以及其它高溫化學(xué)反應(yīng)。由高工作溫度驅(qū)動的超高熱通量可適于驅(qū)動各種商業(yè)上期望的反應(yīng)，包括生物質(zhì)氣化；煤氣化；蒸汽甲烷重整；干甲烷重整；乙烯熱解、二氯乙烯裂解(熱解)；石腦油裂解、乙烷裂解；經(jīng)由甲烷裂解的碳黑生產(chǎn)；經(jīng)由金屬鐵氧體氧化還原周期的氫氣生產(chǎn)；以及其它類似反應(yīng)。注意生物質(zhì)氣化是吸熱工藝。工藝中必須投入能量以驅(qū)動其前進(jìn)。通常，這通過部分氧化(燃燒)生物質(zhì)自身而執(zhí)行。必須消耗30%與40%之間的生物質(zhì)以驅(qū)動工藝，并且在工藝通常所限于(出于效率原因)的溫度處，轉(zhuǎn)化通常受限，導(dǎo)致更低的產(chǎn)量。標(biāo)準(zhǔn)氣化工藝的一般理論汽油產(chǎn)量為50加侖汽油/每噸生物質(zhì)。超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器102工藝使用外部能量源(例如匯聚的太陽能)以提供反應(yīng)所需的能量，所以不需要消耗生物質(zhì)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。這導(dǎo)致顯著更高的產(chǎn)量(每噸100加侖汽油)。由于用于驅(qū)動轉(zhuǎn)化的能量源是可再生的且不含碳(在匯聚太陽能量的情況下)，其符合碳信用和/或?qū)聿粫艿教紤土P的不利影響。這些反應(yīng)的競爭反應(yīng)器不能在這些高溫下工作，因為它們具有以下兩點的組合催化劑-催化體系通常用于動力學(xué)有限的反應(yīng)，并且必須保持在特定溫度之下以避免將降低反應(yīng)器的產(chǎn)量和生產(chǎn)率的催化位點的燒結(jié)。該設(shè)計允許不使用催化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。
材料-反應(yīng)器構(gòu)造的材料不可兼容高溫，或者不具有有效地將熱傳送到化學(xué)反應(yīng)所需的高導(dǎo)熱性。這些反應(yīng)器的配置通常是復(fù)雜的以提高用于傳熱/催化的接觸面積，這并不適用于由用于此實施的高溫陶瓷材料來制造。因此，高反應(yīng)器溫度允許以高吞吐量且無需借助催化劑來發(fā)生諸如蒸汽甲烷重整(SMR)等特定的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致了比需要使用必須定期更換的昂貴催化劑的低溫系統(tǒng)更低的生產(chǎn)成本。圖2示出針對容置器-反應(yīng)器設(shè)計的實施例的各種溫度下輻射熱通量與對流熱通量之比的圖表，示出了在高通量化學(xué)反應(yīng)器的高工作溫度下輻射是主要傳熱機制。圖表220示出在大約700度的反應(yīng)管溫度下，輻射熱通量與對流熱通量之比約為7 I。隨著反應(yīng)管溫度增加到大約1400度，輻射熱通量與對流熱通量之比約為60 I。隨著反應(yīng)管溫度增加到大約1600度，輻射熱通量與對流熱通量之比約為100 I。在該容置器-反應(yīng)器設(shè)計中，在這些高溫下輻射熱通量與對流熱通量之比同樣存在很大差異。通常，高熱通量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器的工作溫度維持在大于900°C并且在大多數(shù)情況下高達(dá)1100°C以上。在此設(shè)計中，這些工作溫度下具有高的熱通量值。例如，在等于或大于1000°C壁溫的高溫下，通過利用所選的反應(yīng)器管壁的材料的輻射傳熱實現(xiàn)了 100-250kW/m~2的高熱通量。當(dāng)超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器處于至少750°C的最低工作溫度、優(yōu)選地大于1000°C時，可開始化學(xué)反應(yīng)物的夾帶流進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)器。化學(xué)反應(yīng)器通過利用蒸汽、天然氣和任意組合的受控量，在700-1600°C的高溫下，使生物質(zhì)材料的原始顆粒與蒸汽反應(yīng)以用于生物質(zhì)氣化、蒸汽與補充甲烷反應(yīng)以用于蒸汽重整，從而將含碳生物質(zhì)材料轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣，這然后導(dǎo)致合成氣的氣體混合物。在提高的反應(yīng)管溫度下與氣相傳熱輔助相結(jié)合進(jìn)行工作的能力，驅(qū)動吸熱、傳熱受限(與動力學(xué)受限相對)的化學(xué)反應(yīng)在更短的停留時間且在顯著降低(20-50倍)傳熱表面所需面積的情形下發(fā)生，導(dǎo)致更高的轉(zhuǎn)化率且減少了不期望副產(chǎn)物(例如在不完全生物質(zhì)氣化的情況下的焦油)的形成，產(chǎn)生更高質(zhì)量和數(shù)量的產(chǎn)物氣體(例如在生物質(zhì)氣化的情況下的合成氣)。由于高工作溫度、更短的停留時間和多個反應(yīng)管，該設(shè)計提供了大吞吐量。由于高熱通量和更高反應(yīng)溫度的組合，在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間相同或更少的情況下，該設(shè)計增加了轉(zhuǎn)化效率，因此以更低的設(shè)備資本成本增加了總體工廠的轉(zhuǎn)化效率和產(chǎn)量。該設(shè)計將所需的反應(yīng)管的表面積減小了 20-50倍，因此降低了反應(yīng)管和歧管(SiC或超合金)的材料成本。該設(shè)計減少了不需要的二級副產(chǎn)物的產(chǎn)生(例如，生物質(zhì)氣化中的焦油)。因此該設(shè)計降低了后續(xù)單元操作之前氣體凈化系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性；并且降低了成本、復(fù)雜性和作為可銷售的副產(chǎn)物的潛在污染或作為廢物處置問題的惰性固體副產(chǎn)物(如，灰)的處理/處置要求，因為沒有產(chǎn)生焦油來污染灰。減少所需表面積的附加優(yōu)點是可以延緩關(guān)鍵組件的腐蝕，因為腐蝕速率是表面積特定的。如所討論的，超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器由高通量和高溫驅(qū)動，構(gòu)建反應(yīng)器和腔壁的材料和相應(yīng)的多個管設(shè)計，以耐受并實現(xiàn)該高通量和高溫。高通量提供了更低的資本成本，減少了最終產(chǎn)物(如石油)的生產(chǎn)成本并提高了投資收益率。更高溫度使得能夠在沒有催化的情況下實現(xiàn)更好的化學(xué)反應(yīng)單程轉(zhuǎn)化率，提高了給定資本投資的生產(chǎn)率，降低了總運營成本(更少的回收/浪費原料)。另外，高溫允許在不產(chǎn)生不需要副產(chǎn)物(例如，生物質(zhì)氣化中的焦油)的狀況下操作，降低了必要資本投資和附加工藝步驟的運行成本。而且，用于驅(qū)動吸熱化學(xué)反應(yīng)的能量源來自輻射熱源，而不是通過燃燒生物質(zhì)自身，其中多個反應(yīng)管以及容置器的腔壁主要通過輻射吸收和再輻射而非通過對流或傳導(dǎo)向化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物傳遞能量，以驅(qū)動反應(yīng)管中流動的吸熱化學(xué)反應(yīng)。圖3示出包圍偏置且交錯的反應(yīng)管的容置器腔的實施例的剖視圖。熱容置器306具有腔，腔具有內(nèi)壁。熱容置器306的腔壁相對于反應(yīng)管302的輻射驅(qū)動幾何形狀將化學(xué)反應(yīng)器的多個管302定位為偏置，并且以交錯布置定位在容置器306內(nèi)部。腔壁的表面區(qū)域大于反應(yīng)管302占據(jù)的區(qū)域，以允許輻射從多個角度到達(dá)管302上的區(qū)域。容置器306腔的內(nèi)壁和反應(yīng)管302主要通過輻射交換能量，壁和管302充當(dāng)輻射的重發(fā)射器，以實現(xiàn)到達(dá)所有管302的高輻射熱通量，因此，避免了屏蔽和阻擋輻射到達(dá)管302，允許反應(yīng)管302從反應(yīng)管302中的反應(yīng)區(qū)的起始到結(jié)尾實現(xiàn)相當(dāng)均勻的溫度輪廓。因此，反應(yīng)管302和腔壁的幾何形狀利用下述的特征對入射的輻射形成散發(fā)，下述的特征即這些(I)交錯和偏置的管302、該管302結(jié)合(2)相比于包圍的管302所占據(jù)的面積而言的大直徑腔壁、并且另外(3)結(jié)合相對于彼此的多個反應(yīng)管幾何排布之間的管間輻射交換。壁由高度反射輻射或吸收且重發(fā)射輻射的材料制成。入射輻射散發(fā)的成形利用容置器306的腔內(nèi)的輻射的反射和吸收。因此，熱容置器306的內(nèi)壁對準(zhǔn)，并通過(I)吸收和重發(fā)射輻射能、(2)將入射輻射高度反射到管302、或(3)上述的任意組合充當(dāng)輻射散發(fā)器，以維持包圍的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的工作溫度。來自(I)腔壁、(2)直接來自蓄熱式燃燒器、(3)來自充當(dāng)輻射的重發(fā)射器的其它管的外壁的輻射被反應(yīng)管302吸收，然后熱通過傳導(dǎo)傳遞到反應(yīng)管302的內(nèi)壁，其中熱以在900°C至1600°C之間、優(yōu)選地在1100°C以上的溫度輻射到反應(yīng)的顆粒和氣體。如所討論的，容置器306的腔的內(nèi)壁和反應(yīng)管302彼此之間主要通過輻射而非對流或傳導(dǎo)交換能量，允許反應(yīng)管302實現(xiàn)相當(dāng)均勻的溫度輪廓，盡管通常更低溫度生物質(zhì)顆粒和夾帶氣體在反應(yīng)區(qū)中從第一入口點進(jìn)入反應(yīng)管302、橫穿加熱的腔在第二出口點處離開反應(yīng)區(qū)。來自內(nèi)壁和反應(yīng)管302的該輻射傳熱驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)物的溫度快速上升到接近離開反應(yīng)器出口的產(chǎn)物和其它流出材料的溫度。設(shè)置每個反應(yīng)管302的氣化反應(yīng)區(qū)的長度和直徑尺寸的大小，以在至少900°C的氣化溫度下給出O. 01秒至5秒的非常短的停留時間，以及多個反應(yīng)管302中的氣化區(qū)的出口。反應(yīng)產(chǎn)物具有來自氣化區(qū)出口的等于或超過900°C的溫度，并且該化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計的多個反應(yīng)管302增加了用于到生物質(zhì)顆粒的輻射交換以及管間輻射交換的可用反應(yīng)器表面積。具有最終穩(wěn)定灰形成的分散的落入的生物質(zhì)微粒的快速氣化在少于5秒的停留時間內(nèi)在反應(yīng)管302中的反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生，導(dǎo)致焦油完全改善到低于每標(biāo)準(zhǔn)立方米500毫克、以及至少90%的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化到氫氣和一氧化碳產(chǎn)物的生產(chǎn)。該設(shè)計減小了反應(yīng)管302和爐內(nèi)部所需的表面積，因此降低了爐室的大小、重量和成本(大小和重量對于塔上安裝的太陽能應(yīng)用以及其它應(yīng)用是重要的)。為了實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化和選擇性，生物質(zhì)氣化需要超出1000°C的溫度。在標(biāo)準(zhǔn)流化床氣化器中這很難實現(xiàn)，因為更高溫度需要生物質(zhì)自身的更大部分的燃燒。結(jié)果，間接和流化床氣化一般限于800°C的溫度。在這些溫度下，不需要的更高烴(焦油)的生產(chǎn)很明顯。這些焦油填塞下游設(shè)備并使催化劑表面阻塞/失活，從而需要焦油脫除設(shè)備的重大資本投資(總工廠成本的10-30%)。高熱通量熱系統(tǒng)能夠非常高效地實現(xiàn)高溫。更重要地，處理效率能控制為濃度和期望溫度的函數(shù)，并且不再與為實現(xiàn)高溫所損耗的生物質(zhì)的小部分有關(guān)聯(lián)。結(jié)果，能實現(xiàn)焦油裂解狀況中的溫度(1000-1300°C)，而不損失任何來自生物質(zhì)的燃料產(chǎn)量或總處理效率。這去除了通常與生物質(zhì)氣化系統(tǒng)相關(guān)的焦油裂解設(shè)備的復(fù)雜鏈。另外，高溫工作提高了傳熱并且減少了所需停留時間，減少了化學(xué)反應(yīng)器的大小及其資本成本。明確用1200°C至1450°C之間的壁溫和超出900°C但不高于硅熔化溫度(1600°C )的出口氣體溫度描述的工作溫度在氣化中通?？床坏剑⑶以陂g接(循環(huán)流化床)氣化中肯定看不到?？梢栽诔邿嵬炕瘜W(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行的生物質(zhì)和天然氣的蒸汽重整共氣化的可能性在部分氧化氣化器中不能進(jìn)行(因為甲烷將優(yōu)先燃燒)。工藝的供料靈活性源自簡單的管狀設(shè)計，由于這里討論的原因，大多數(shù)氣化器不能處理各種范圍的燃料。制成容置器306腔的內(nèi)壁的材料具有在1100_1600°C之間的高溫下保持其結(jié)構(gòu)強度的機械和化學(xué)特性，對于容置器306腔具有ε > O. 8的非常高發(fā)射率或ε < O. 2的高 反射率、以及高熱容量(> 200J/kg-K)和低導(dǎo)熱性(< lW/m-K)。制成反應(yīng)管302的材料具有高發(fā)射率(ε > O. 8)、高導(dǎo)熱性(> lW/m-K)、中高熱容量(> 150J/kg_K)。圖4和圖5示出將載氣中的生物質(zhì)顆粒供應(yīng)給化學(xué)反應(yīng)器的夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)的實施例。夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)620可包括加壓鎖式料斗對624，將生物質(zhì)饋送到旋轉(zhuǎn)計量供料螺桿622，然后在鎖式料斗對的出口 626處進(jìn)入夾帶氣體管道。生物質(zhì)顆粒通過分流器627散發(fā)到多個夾帶氣體管線，以向構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)器的兩個或更多個反應(yīng)管供料。在一個實施例中，高熱通量反應(yīng)器和相關(guān)集成系統(tǒng)還可包括夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)620，該系統(tǒng)620具有配備有單個多出口供料分流器627的一個或多個鎖式料斗對624，該分流器627將加壓夾帶氣體管線中的生物質(zhì)顆粒同時饋送入化學(xué)反應(yīng)器的兩個或更多個管。管可被控制為離散管組，每組具有兩個或更多個管。氣體源611還可供應(yīng)來自烴燃料合成工藝中的氨基酸氣體去除步驟的回收的二氧化碳形式的加壓夾帶氣體、蒸汽、或其它一些載氣。多出口供料分流器627提供并控制一個或多個加壓夾帶氣體管線中的生物質(zhì)顆粒的配給量，該一個或多個加壓夾帶氣體管線通過允許流過或不流過一組反應(yīng)管向化學(xué)反應(yīng)器中的兩個或更多個反應(yīng)管供料。因此，生物質(zhì)供料系統(tǒng)的各供料容器624向供料分流器627供料，而供料分流器627向化學(xué)反應(yīng)器中的例如多達(dá)12個反應(yīng)管供料。各供料容器624具有一個或多個出口 626，該一個或多個出口 626配置為在向兩個或更多個反應(yīng)管散發(fā)生物質(zhì)顆粒時的需求信號量的10%內(nèi)供應(yīng)一致容積量的生物質(zhì)顆粒。高通量反應(yīng)器和相關(guān)集成系統(tǒng)還可包括研磨系統(tǒng)623。研磨系統(tǒng)623具有切斷生物質(zhì)的研磨裝置以及在夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)中的一系列多孔過濾器，研磨裝置是至少下述之一 (1)機械切割裝置、(2)剪切裝置、(3)粉碎裝置、以及(4)以上各項的任意組合。研磨裝置和多孔過濾器研磨來自干燥單元628的部分熱解生物質(zhì)，以控制生物質(zhì)的顆粒大小在50um至IOOOum之間。夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)具有供料靈活性，能夠經(jīng)由至少對生物質(zhì)的顆粒大小控制來供應(yīng)多種不同類型的生物質(zhì)，而不改變供料或反應(yīng)器工藝，以及用于化學(xué)反應(yīng)的能量源來自外部源，而非燃燒生物質(zhì)自身。干燥單元628在地理上位于與超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器相同的地點，并配置為使生物質(zhì)在高達(dá)300°C的溫度范圍中經(jīng)受利用從化學(xué)反應(yīng)回收的廢熱的部分熱解，以使生物質(zhì)(I)易碎且更易研磨、(2)更干、更少粘性且更易在輸送系統(tǒng)中饋送、(3)作為干燥的生物質(zhì)在儲存中經(jīng)受更少的變質(zhì)問題、以及(4)從干燥工藝產(chǎn)生廢氣。干燥單元628向研磨系統(tǒng)623供應(yīng)部分熱解生物質(zhì)。部分熱解生物質(zhì)的干燥降低了研磨裝置將生物質(zhì)研磨為50um至IOOOum之間的受控顆粒大小所需的能量。來自生物質(zhì)干燥的廢氣能用于(I)夾帶載氣、(2)用于蒸汽生成的能量源、或(3)用于燃?xì)庑顭崾饺紵鞯臍怏w中的一個或多個。能夠使用多種類型生物質(zhì)而無需重新設(shè)計供料和反應(yīng)器工藝的供料靈活性相比于限于一個或一些可用原料的工藝明顯具有經(jīng)濟優(yōu)點。通過用輻射能(重輻射到顆粒)加熱反應(yīng)管，消除了生成用于反應(yīng)的熱以及設(shè)計反應(yīng)器以進(jìn)行反應(yīng)的問題(主要是吸熱/放熱均衡問題)。包括散料處理(bulkmatology)流增強器或多孔壁管的流增強器還可用在供料系統(tǒng)中，通過響應(yīng)于反饋信號去除通過流增強器的載氣的受控部分而降低反應(yīng)管的氣化反應(yīng)區(qū)入口之前的載氣的速度，來控制進(jìn)入反應(yīng)管的氣化反應(yīng)區(qū)的攜帶生物質(zhì)顆粒的夾帶載氣的量。圖6示出具有彼此交互的多個控制系統(tǒng)的高熱通量驅(qū)動生物煉制的實施例的圖。在這種系統(tǒng)中，可將輻射熱能提供給反應(yīng)器702。超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的化學(xué)反應(yīng)器/爐能用各種手段加熱以確保24/7操作(單獨地或組合地)，包括匯聚太陽能；電阻加熱；電感應(yīng)加熱；直接或間接氣體(或其它常規(guī)燃料)燃燒器加熱；核反應(yīng)器(直接的，或通過廢熱的收集)；作為廢熱回收系統(tǒng)的一部分的蒸汽加熱；作為廢熱回收系統(tǒng)的一部分的鍋爐。在一個實施例中，蒸汽可在驅(qū)動足夠用于所需內(nèi)部輻射通量率的外部對流/輻射通量所必須的溫度下傳送；以及其它類似輻射熱源。在此示例中，可通過兩組或更多組燃?xì)庑顭崾饺紵?10加熱化學(xué)反應(yīng)器。夾帶載氣系統(tǒng)向化學(xué)反應(yīng)器供應(yīng)用于供料系統(tǒng)中的生物質(zhì)顆粒的載氣。其它化學(xué)反應(yīng)物和/或蒸汽也可傳送到反應(yīng)管。如所示出的，包括生物質(zhì)顆粒的化學(xué)反應(yīng)物可流入化學(xué)反應(yīng)器702，并且合成氣流出712。淬火單元708可用于快速冷卻反應(yīng)產(chǎn)物并防止逆反應(yīng)為更大分子。計算機化控制系統(tǒng)可以是彼此交互的多個控制系統(tǒng)。計算機化控制系統(tǒng)配置為向供料系統(tǒng)發(fā)送供料需求信號，以基于控制信號和針對化學(xué)反應(yīng)器測量的溫度控制下述各項的量(1)化學(xué)反應(yīng)器中要被饋送生物質(zhì)顆粒的反應(yīng)管組、(2)供熱的燃?xì)庑顭崾饺紵鞯牧俊?3)特定燃?xì)庑顭崾饺紵鞴岬乃俾省?4)以上各項的任意組合?？刂葡到y(tǒng)可依賴包括反應(yīng)器溫度的反饋參數(shù)以及前饋參數(shù)，該前饋參數(shù)包括從燃燒器進(jìn)入的熱和通過反應(yīng)管702的化學(xué)反應(yīng)物和載氣的量的變化而出去的熱的預(yù)期變化。用于集成工廠的控制系統(tǒng)向用于超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號，并接收來自該控制系統(tǒng)的反饋。用于超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的控制系統(tǒng)至少指示在超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器中生成的產(chǎn)物的量、溫度、當(dāng)前活躍的熱量和其它類似參數(shù)。控制系統(tǒng)可均衡在化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)類型，包括生物質(zhì)氣化反應(yīng)、蒸汽重整反應(yīng)、干重整反應(yīng)和這些反應(yīng)的各種組合，以將生成的合成氣維持在基本不含焦油(具有低于200mg/nT3的焦油)的期望的2. I I至2. 8 I的H2與CO摩爾比內(nèi)，并且在生成的合成氣中具有體積低于15%的C02。通常，由控制系統(tǒng)維持的反應(yīng)管和腔壁的高傳熱率允許生物質(zhì)顆粒在O. 01秒至5秒范圍之間的非常短的停留時間內(nèi)實現(xiàn)用于將大量焦油裂解和大于90%的生物質(zhì)顆粒氣化為包括氫氣和一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)產(chǎn)物所需的足夠高的溫度?？刂葡到y(tǒng)可經(jīng)由將多個反應(yīng)管分為兩組或更多組管的子組的操作來控制多個反應(yīng)管。既然控制系統(tǒng)具有通過(I)控制在給定組的蓄熱式燃燒器中流動的燃料氣體的量、
(2)啟動熱容置器內(nèi)部的附加組的蓄熱式燃燒器、或上述各項的任意組合來經(jīng)由增大或減少在給定組的反應(yīng)管中流動的載氣和反應(yīng)物的量控制流出能量/熱的量、以及控制熱進(jìn)入反應(yīng)器，控制系統(tǒng)能針對集成工廠進(jìn)行(I)控制供料以匹配能量的量、以及控制輻射能以匹配供料量。反應(yīng)器和液體燃料廠的控制系統(tǒng)可具有化學(xué)反應(yīng)器和液體燃料廠(例如，甲醇廠)之間的雙向通信。例如，當(dāng)為了維護或由于故障需要調(diào)整管的子組時，集成工廠能夠增加通過化學(xué)反應(yīng)器的生物質(zhì)和夾帶氣體流繼續(xù)工作，以保持用于轉(zhuǎn)化為液體燃料的合成氣的穩(wěn)定生產(chǎn)。改變反應(yīng)管中的夾帶氣壓還能用于增大/減少通過管的生物質(zhì)和氣體的散熱效應(yīng)。
集成化工廠如下將供應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)物(例如，生物質(zhì)顆粒)轉(zhuǎn)化為集成化工廠中的石油。來自化學(xué)反應(yīng)器的氫氣和一氧化碳產(chǎn)物在現(xiàn)場甲醇合成工廠中被轉(zhuǎn)化為甲醇，來自甲醇合成工廠的甲醇在甲醇-氣體工藝中被轉(zhuǎn)化為汽油?，F(xiàn)場化學(xué)合成反應(yīng)器(例如甲醇合成工廠)在地理上位于與化學(xué)反應(yīng)器相同的地點，并且集成以接收合成氣形式的氫氣和一氧化碳產(chǎn)物?，F(xiàn)場化學(xué)合成反應(yīng)器具有從化學(xué)反應(yīng)器接收包含氫氣和一氧化碳產(chǎn)物的合成氣的輸入，并且配置為在烴合成工藝中使用合成氣來產(chǎn)生液體烴燃料或其它化學(xué)品。通過儲存過量合成氣、供應(yīng)補充合成氣或使甲醇反應(yīng)器空閑，來自合成氣生產(chǎn)的甲醇生產(chǎn)不與合成氣產(chǎn)物的瞬時速率直接掛鉤。含碳原料的移動床可位于反應(yīng)器中，氣化劑在并流或逆流配置中通過床流動以實現(xiàn)氣化，并且利用熱能加熱床。構(gòu)成高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的多個反應(yīng)管可由在大于950°C且高達(dá)1600°C的溫度下保持結(jié)構(gòu)完整性的材料(包括SiC或包覆石墨)制成。由于反應(yīng)器中的這些高工作溫度，輻射現(xiàn)在是(爐/容置器)腔壁和反應(yīng)管之間的主要傳熱方式。還存在經(jīng)由輻射和重吸收的顯著管間和管內(nèi)傳熱，導(dǎo)致反應(yīng)管溫度的高程度周向和軸向均勻性；由此，該均勻溫度輪廓允許在管的整個容積內(nèi)一致地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。沿著反應(yīng)管的溫度輪廓基本為常量，但是與溫度變化相比熱通量經(jīng)受大梯度。反應(yīng)管在材料上由耐火陶瓷或金屬制成，所選擇的材料必須具有在1100-1600°C之間的高溫下的高化學(xué)穩(wěn)定性和高強度、對于生物質(zhì)的顆粒大小和蒸汽濃度的高抗腐蝕和高抗磨損率、高溫下的高抗氧化性(如果容置器腔填充有包括空氣的非惰性氣體)，擅長吸收太陽能，經(jīng)由輻射發(fā)射率的高重輻射特性(ε > O. 8)，以及高導(dǎo)熱性(> lW/m-K)。所選擇的用于管構(gòu)造的材料可單獨地或組合地選自包括以下各項的示例材料組碳化硅、包覆碳化硅的石墨、鎢、鑰、莫來石、氧化鋯、具有硫化鋁的鑰、燒結(jié)的亞微米碳化硅粉末、透明藍(lán)寶石、高鋁含量的鎳基合金、以及包括氧化鋁(A1203)的耐火陶瓷。使用外部能量源的高通量反應(yīng)器的附加優(yōu)點是由外部能量源(例如，天然氣燃燒器)產(chǎn)生的任何二氧化碳與反應(yīng)管中產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體隔離。例如，在常規(guī)氣化器中，30-40%的生物質(zhì)被氧化以驅(qū)動氣化工藝，得到的二氧化碳包含在產(chǎn)物合成氣中，從而需要合成氣的進(jìn)一步凈化并因此增加了成本。
而且，甲烷與包含在天然氣內(nèi)或作為單獨原料饋送的C02的干重整發(fā)生在化學(xué)反應(yīng)器中，使得即使一些C02存在于主要由甲烷構(gòu)成的天然氣中，C02和CH4也會利用高熱經(jīng)
由干重整發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。I、允許在超高熱通量所需的高溫下高效工作的各種重要反應(yīng)器或爐的設(shè)計概念包括如下 反應(yīng)器的設(shè)計具有多個反應(yīng)管。容置器或爐包圍反應(yīng)管，而非如流體壁反應(yīng)器情況下一樣包圍每個反應(yīng)管的封閉和加壓容器。 反應(yīng)器的設(shè)計能夠使用生物質(zhì)作為原料來產(chǎn)生合成氣。
該設(shè)計可具有在化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)同時發(fā)生的多個獨特化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)或者在同一管內(nèi)發(fā)生，或者在使化學(xué)反應(yīng)物同時通過容置器腔的不同管組內(nèi)發(fā)生。 反應(yīng)器的設(shè)計具有從外部到內(nèi)部的通過反應(yīng)管的能量流的方向，因為它們從外部加熱(而非如同生物質(zhì)氣化的一些變型中通過內(nèi)部反應(yīng))。反應(yīng)器的設(shè)計在外壁處具有非常高的溫度，并且能量通過管傳導(dǎo)以在另一側(cè)重輻射。 反應(yīng)器構(gòu)造的材料可以使用高溫單片單相陶瓷作為構(gòu)造的材料。相比之下，幾乎所有氣化和氣體重整化學(xué)反應(yīng)器由金屬或耐火材料襯里的金屬構(gòu)成。反應(yīng)器的設(shè)計可在單腔反應(yīng)器爐中具有多個陶瓷(如SiC)傳熱/反應(yīng)管。 配置反應(yīng)管是簡單管，或黑體腔中具有至少3. 5”內(nèi)部直徑的其它形狀。競爭化學(xué)反應(yīng)器嘗試給出更大表面積用于對流傳遞。 反應(yīng)管為非多孔的(因此在流體壁配置中不工作)，因為高工作溫度不需要保持反應(yīng)管內(nèi)部清潔的流體壁?；n在(I)燃?xì)庑顭崾饺紵鞣磻?yīng)器、復(fù)原助燃空氣預(yù)熱器、干燥單元、用于蒸汽的廢熱鍋爐以及由廢氣加熱的其它工藝的情況下來自高溫廢氣的廢熱的回收和重用。 反應(yīng)器的設(shè)計具有可能利用為爐或太陽能容置器的外壁加襯的高發(fā)射率涂層的耐火材料。這些襯里反射以及吸收和重輻射來自原始能量源(可能是匯聚太陽能或燃?xì)馊紵?的輻射能，并使?fàn)t腔隔絕以減少能量損失。 實現(xiàn)太陽能/非太陽能混合操作時的門/百葉窗/風(fēng)幕。 超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器使用傳熱媒介。工藝使用吸收顆?；蛞?guī)整填料以從反應(yīng)器壁吸收輻射并對流地將輻射傳遞至氣體。吸收顆?？砂ǚ磻?yīng)物自身(如在生物質(zhì)氣化中的情況中一樣)，或惰性顆粒(如支撐劑)。規(guī)整填料例如包括網(wǎng)狀多孔陶瓷(RPC)形式。常規(guī)反應(yīng)器僅單獨使用來自反應(yīng)器壁的對流，而不需還輔助該傳熱工藝的附加吸收顆粒。 作為傳熱輔助的惰性顆粒的使用可在夾帶流配置中實現(xiàn)，例如，其中顆粒與反應(yīng)物并流。在另一示例中，惰性顆?？稍诹骰才渲弥袑崿F(xiàn)。 超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器使用高通量輻射作為主要傳熱方法(如上所述)。 超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器在超出1200°C的壁溫下工作，允許快速轉(zhuǎn)化、更高均衡轉(zhuǎn)化以及不期望副產(chǎn)物的毀滅。 在簡單多管狀反應(yīng)器設(shè)計中，超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器具有顆粒和氣體的向下、重力/夾帶氣體驅(qū)動流。 超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器可使用具有間接輻射驅(qū)動設(shè)計的容置器/爐，其中從爐和反應(yīng)管它們自身的內(nèi)側(cè)壁上的耐火材料輻射能量，而非從熱源自身輻射能量。
超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器可使用非多孔反應(yīng)管，該非多孔反應(yīng)管允許使用利用爐內(nèi)部的廢氣的(可能具有蓄熱式廢熱回收或復(fù)原助燃空氣預(yù)熱器的)氣體燃燒器，因為反應(yīng)管內(nèi)部的反應(yīng)物和產(chǎn)物材料/氣體與爐內(nèi)部的環(huán)境隔離。 超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器可具有合成氣生產(chǎn)，作為經(jīng)由反應(yīng)器內(nèi)部的生物質(zhì)氣化反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物。生物質(zhì)氣化反應(yīng)可與反應(yīng)器中的其它反應(yīng)發(fā)生。 超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器可具有經(jīng)由金屬鐵氧體氧化還原周期的氫氣生產(chǎn)?；n超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器可具有包括用于高強度輻射傳熱的一個或多個熱源的反應(yīng)器爐。熱源可包括耐火襯里的爐內(nèi)的地板或墻壁安裝的燃料燃燒式燃燒器、通過側(cè)壁中的開口進(jìn)入耐火襯里的爐的匯聚太陽熱能、超高溫燃燒器、直燃型蓄熱式或輻射沖擊壁型燃燒器，從而將商業(yè)燃料(如天然氣)或下游反應(yīng)器廢/副產(chǎn)物氣體或液體作為燃料燃燒，利用富含氧或不富含氧的預(yù)熱的助燃空氣，在高達(dá)1600°C的耐火壁溫下工作的隔熱爐內(nèi)燃燒，導(dǎo)致向在高達(dá)1600°C的壁溫下工作的多個陶瓷反應(yīng)管內(nèi)包含的氣體/氣溶膠反應(yīng) 物的間接輻射傳熱。 與用于傳熱有限(非動力學(xué)有限)吸熱反應(yīng)器的常規(guī)高溫工藝爐I)相比，反應(yīng)器爐以傳熱率增加20-50倍地工作，其中，將高輻射傳熱傳遞到在比基于常規(guī)合金的反應(yīng)管的更高壁溫(高達(dá)1400°C)下工作的不透水固體管內(nèi)流動的氣體/氣溶膠夾帶流反應(yīng)物。超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器能由這樣的材料制成，該材料支持向反應(yīng)器壁/管內(nèi)落入的反應(yīng)物顆?；蜷_放式規(guī)整填料輻射傳熱而驅(qū)動的高熱通量。在反應(yīng)管壁界面處生成的熱通量可以是一般化學(xué)反應(yīng)器中的10倍或更多倍(例如100-250kw/m2)。高工作溫度允許輻射而非傳導(dǎo)或?qū)α骷訜崾球?qū)動化學(xué)反應(yīng)的主要能量驅(qū)動器。注意化學(xué)反應(yīng)器是在其中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的容器?；瘜W(xué)反應(yīng)器可以是單個反應(yīng)管，或一組反應(yīng)管。因此，化學(xué)反應(yīng)器可以是具有多個反應(yīng)管的單個反應(yīng)器、或每個均為單個反應(yīng)管的多個反應(yīng)器、或其它一些類似組合。另外，在高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的不同反應(yīng)管中可發(fā)生不同化學(xué)反應(yīng)。例如，蒸汽甲烷重整可在第一組反應(yīng)管中發(fā)生，生物質(zhì)氣化可在構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)器的另一組反應(yīng)管中發(fā)生，該化學(xué)反應(yīng)器至少部分包含在熱容置器中。同樣，在化學(xué)反應(yīng)器的相同反應(yīng)管中可同時發(fā)生不同化學(xué)反應(yīng)。而且，控制系統(tǒng)可經(jīng)由大量機制控制在反應(yīng)管內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。例如，化學(xué)反應(yīng)物(例如生物質(zhì)顆粒和載氣)流入反應(yīng)管和流過反應(yīng)管的流速與流過反應(yīng)管的各反應(yīng)物的濃度一起受控?？刂葡到y(tǒng)可單獨控制各個反應(yīng)管，或以例如18個管的簇等的集/組控制，或控制全部所有管。反應(yīng)管的形狀、方向和其它特征可改變。多個管中的第一個可具有與多個管中的第二個不同的直徑。例如，暴露于更高輻射通量的管在直徑上可能更小，暴露于更低輻射通量的管在直徑上可能更大，從而以可變輻射通量傳送相同顆粒加熱速率。另外，每個管的形狀可能是圓柱形狀管道、矩形形狀管道或某個其它形狀的管道。在一個實施例中，存在于熱容置器的腔中的反應(yīng)管的量可以具有少則包含30個，多則數(shù)百個反應(yīng)管的范圍，優(yōu)選范圍為120-150個反應(yīng)管。每個反應(yīng)管將與其它反應(yīng)管具有相同大小直徑。多個反應(yīng)管相對彼此的幾何排布可以是弧圖案或者可能具有多于一行的某種其它幾何排布。反應(yīng)管中的氣化反應(yīng)區(qū)的長度和直徑尺寸是管的內(nèi)徑將為3. 5英寸，并且延伸了管的全長，例如7米長。
在具有多個反應(yīng)管的化學(xué)反應(yīng)器中，單獨的夾帶管線可用于化學(xué)反應(yīng)器中的各個氣化器反應(yīng)管。如所討論的，這可允許獨立溫度控制和在各個反應(yīng)管中流動的化學(xué)反應(yīng)物和惰性傳熱顆粒的量的均衡。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)物為生物質(zhì)時，生物質(zhì)顆粒供料能通過鎖式料斗旋轉(zhuǎn)供料系統(tǒng)(例如，鎖式料斗旋轉(zhuǎn)供料系統(tǒng))散發(fā)到反應(yīng)管。這種系統(tǒng)能允許向各個反應(yīng)管均衡供料，并以各種方式控制顆粒供料速率。間接簡單管狀反應(yīng)器設(shè)計不僅設(shè)計上不困難，而且在工作期間較不可能出現(xiàn)故障。圖7示出用于反應(yīng)器及其相關(guān)工廠的示例集成工藝流的實施例的框圖。在一個實施例中，利用超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的集成工藝具有包括以下的幾個主要工藝步驟發(fā)生化學(xué)反應(yīng)物制備，隨后饋送入超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器。例如，這可包括生物質(zhì)研磨或增濃、運輸和卸載860、儲存862和供料864。通常用于研磨生物質(zhì)的設(shè)備包括沖擊式粉碎機(如錘式粉碎機)、磨碎機和動力脫落式粉碎機-KDS (如連枷粉碎機)。錘式粉碎機系統(tǒng)、KDS或類似系統(tǒng)可用于將包(由輸送機裝載)研磨成顆粒，顆粒將被饋送至輻射熱通量熱氣化器。研磨后的顆粒在直徑上具有在500微米(um)至IOOOum之間的平均篩大小，并利用標(biāo)準(zhǔn)帶式輸送機或利用正壓或負(fù)壓氣動輸送系統(tǒng)裝載入筒倉。研磨后的顆粒還可具有在50微米(um)和1000um、50微米(um)和200um、50微米(um)和2000um以及各種組合之間的平均篩大小。然后可現(xiàn)場儲存862包括生物質(zhì)的用于反應(yīng)的各種化學(xué)反應(yīng)物和惰性顆粒。需要時，化學(xué)反應(yīng)物和惰性顆粒將經(jīng)由供料系統(tǒng)饋送864入示例輻射熱通量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器。例如，在將生物質(zhì)研磨粉碎為顆粒之后，鎖式料斗供料系統(tǒng)將生物質(zhì)顆粒饋送入輻射熱通量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器以進(jìn)行氣化。供料系統(tǒng)能供應(yīng)各種種類和類型的生物質(zhì)。輻射熱通量容置器和氣化器866可用于熱分解生物質(zhì)。在太陽能實施例中，各種定日鏡場設(shè)計和操作驅(qū)動生物質(zhì)氣化器。一些示例設(shè)計可包括太陽能匯聚器、二次匯聚器、聚焦鏡陣列等，以驅(qū)動生物質(zhì)氣化器870?？蓮纳镔|(zhì)氣化器868提供淬火、氣體凈化和除灰。一些非試驗合成氣可離開系統(tǒng)872。一些氣體可能為廢品，而另一些氣體能在儲存878或例如甲醇合成876之前被壓縮874。甲醇然后可被儲存880以便后續(xù)的甲醇-汽油轉(zhuǎn)化882。在各種實施例中，合成氣可饋送至另一技術(shù)應(yīng)用。示例包括合成氣到其它化學(xué)品轉(zhuǎn)化工藝。所產(chǎn)生化學(xué)品的其它化學(xué)品可包括諸如運輸液化燃料的液化燃料。一些運輸液化燃料包括噴氣燃料、DME、汽油、柴油、以及混合醇、具有高固存碳量的生物碳；化工生產(chǎn)、發(fā)電、合成天然氣生產(chǎn)、取暖油生成、以及基于其它類似合成氣的技術(shù)應(yīng)用。在一示例中，可從合成氣形成基于烴的燃料(例如甲醇)876。甲醇可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為汽油或其它燃料882，并且可從汽油884或合成氣分離出各種產(chǎn)物。這些產(chǎn)物(例如汽油)然后可儲存以便之后用作能源。如果從超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器產(chǎn)生中間化學(xué)品，則可將得到的產(chǎn)物饋送至集成工廠中的其它工藝。例如，可將合成氣饋送至技術(shù)應(yīng)用。這些技術(shù)應(yīng)用包括合成氣-運輸液化燃料，例如噴氣燃料、DME、汽油、柴油、甲醇、以及混合醇、具有高固存碳量的生物碳；化工生產(chǎn)、發(fā)電、合成天然氣生產(chǎn)、取暖油生成、以及其它類似的基于合成氣的技術(shù)應(yīng)用。圖8示出太陽能驅(qū)動生物煉制的實施例的圖。在這種系統(tǒng)中，可通過窗口或開口954向太陽能加熱的容置器和反應(yīng)器956提供太陽能952。淬火器908可用于防止逆反應(yīng)。如圖所示，包括生物質(zhì)顆粒、蒸汽和其它化學(xué)品以及惰性顆粒的化學(xué)反應(yīng)物可流入系統(tǒng)，并且合成氣流出912。高通量反應(yīng)器能高效地使用固有地具有高通量的匯聚太陽能。超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器是太陽能驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器，化學(xué)反應(yīng)物是載氣中夾帶的生物質(zhì)顆粒。超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器具有顯著技術(shù)優(yōu)點。這些技術(shù)優(yōu)點包括 簡單間接反應(yīng)器設(shè)計允許供料靈活性并消除了放熱/吸熱反應(yīng)均衡需求，因為反應(yīng)物的部分氧化不提供為驅(qū)動反應(yīng)而供應(yīng)的能量。 下降顆粒設(shè)計最大化從反應(yīng)器壁的傳熱并去除固有反應(yīng)限制。 吸收、隔熱容置器腔設(shè)計使太陽能通量分散，提高了均勻性，增大了總系統(tǒng)效 率。 容置器設(shè)計中的多個反應(yīng)管增加了用于向顆粒的輻射交換以及管間輻射交換的可用反應(yīng)器表面積。 容置器對吸收具有多個管狀下向通風(fēng)顆粒反應(yīng)器的腔容置器間接輻射的使用完全獨特于太陽能熱加工世界(以及生物質(zhì)氣化世界)。 接下來，下降顆粒反應(yīng)器是使熱能進(jìn)入反應(yīng)固體微粒(或氣體)的高效方式。從反應(yīng)管到反應(yīng)和/或非反應(yīng)顆粒的傳熱能通過傳導(dǎo)、對流或輻射發(fā)生。甚至加熱的非反應(yīng)顆粒能用于此文獻(xiàn)中討論的許多目的。在中等溫度，當(dāng)向液體傳遞能量時，對流和傳導(dǎo)占主要地位，但是這些要求大量表面積是有效的。結(jié)果，傳熱表面上的太陽能通量必定小，必然導(dǎo)致低溫。為了解決該問題，需要輻射傳熱，輻射傳熱需要1000°c以上(優(yōu)選地，1200°C以上)的溫度。然而，如果被輻射的表面積很小，則局部溫度將變高，效率將很低。分散式顆粒反應(yīng)器通過極大地增加接收表面積(主要是顆粒表面積)解決了該問題。顆粒傾向在容積負(fù)荷下平均它們本身之間的能量，給出了均勻徑向反應(yīng)輪廓。如果是期望被加熱的氣體(例如，用于甲烷蒸汽重整或甲烷裂解)，惰性顆粒能用作輻射接收器，對流能用于將能量從顆粒驅(qū)動到氣體。因為顆粒表面積如此之大(相比于管表面積)，所以對流傳熱不再是限制。 另外，使用小顆粒增加了用于反應(yīng)的表面積。由于具有氣相成分(如蒸汽、C02)的反應(yīng)是表面積特定的，所以增大的表面積極大地增加了反應(yīng)速率。相比于直視容置器、填料床或旋轉(zhuǎn)窯，反應(yīng)速率可以高至多個數(shù)量級。相比流化床，傳熱率類似，但是不存在可沉淀在下游和淤塞關(guān)鍵系統(tǒng)組件的揮發(fā)灰成分(堿質(zhì))的脫離。 在使用匯聚太陽能的實現(xiàn)中，該設(shè)計利用在開口處具有高通量密度的腔容置器以及腔中央的多個(或甚至單個)反應(yīng)管，其內(nèi)部大氣與腔的大氣密封分隔。該后一點使反應(yīng)環(huán)境(該反應(yīng)環(huán)境不耐氧)與腔環(huán)境分離，允許腔向大氣開放。這消除了對于窗口(以及保持窗口干凈)的需要、對于標(biāo)準(zhǔn)直視(這里，“直視”指其中太陽能直接入射化學(xué)反應(yīng)物上的任何容置器)化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計的主要成本和大小限制。隔熱腔方法主要是黑體腔。可通過改變隔熱厚度來控制傳導(dǎo)損失，并可通過開口設(shè)計、方向和腔工作液(浮力)控制對流損失。黑體腔的關(guān)鍵優(yōu)點是控制完全由腔溫和開口處的平均濃度確定的輻射損失。腔像烤箱一樣工作，通過輻射散發(fā)熱通量，并且給出了比入射太陽能輻射所具有的更均勻的反應(yīng)管上通量輪廓(在方位和軸向上)。這是太陽能場的主要優(yōu)點，其中移動的太陽在每天的過程中使光束從西向東移位加權(quán)地穿過開口。 使用太陽熱能使得能夠高效地(即，不耗用大量生物質(zhì))實現(xiàn)非常高的溫度(> IOOO0C )。在這些高溫下，統(tǒng)稱為焦油的更大烴和芳香族化合物分解為一氧化碳、氫氣和甲烷。焦油去除是標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)氣化工廠中的資本密集部分，并且增加了運營成本；當(dāng)基本未產(chǎn)生焦油時，如在超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器工藝中一樣，能避免這些。 如上所述，被間接加熱的下向通風(fēng)氣化器很少用于標(biāo)準(zhǔn)氣化。更重要地，該設(shè)計不限于生物質(zhì)氣化。可使用太陽熱能在該反應(yīng)器中進(jìn)行多種化學(xué)過程(蒸汽甲烷重整、甲烷裂解、產(chǎn)生乙烯的蒸汽乙烷裂解、金屬提煉、C02捕獲) 。 當(dāng)實現(xiàn)為太陽能驅(qū)動高熱通量反應(yīng)器時，對于合成氣-甲醇工藝(作為示例生成的液體燃料)出現(xiàn)一些變型。利用控制系統(tǒng)和儲存之間的關(guān)系對設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，以用于可變量的合成氣饋送入工藝中。甚至沒有合成氣流動時，也進(jìn)行保持高壓合成氣儲存和甲醇反應(yīng)器的并行鏈，該反應(yīng)器24-7維持它們的完全反應(yīng)溫度和壓力?？刂葡到y(tǒng)具有確立用于容忍合成氣操作的瞬時流的算法和工作例程。由于白天的太陽能源，在甲醇合成工廠中設(shè)計了執(zhí)行化學(xué)反應(yīng)器的例行循環(huán)和生產(chǎn)率的能力。而且，添加了氣體原料緩沖區(qū)和白天太陽能生產(chǎn)以用于太陽能實現(xiàn)。接下來，可在由計算機運行的諸如程序模塊的計算機可運行指令的一般背景下描述用于控制系統(tǒng)的各種算法和過程。通常，程序模塊包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)特定抽象數(shù)據(jù)類型的例程、程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。本領(lǐng)域技術(shù)人員能將這里的描述和/或圖實現(xiàn)為計算機可運行指令，計算機可運行指令能以下面討論的計算機可讀介質(zhì)的任意形式實施。通常，程序模塊可實現(xiàn)為軟件指令、電子硬件邏輯塊和上述二者的組合。軟件部分可存儲在計算機可讀介質(zhì)上，且以諸如Java、C++、C等的任意數(shù)量的編程語言編寫。機器可讀介質(zhì)可以是硬件驅(qū)動器、外部驅(qū)動器、DRAM、磁帶驅(qū)動器、記憶棒等。因此，諸如事務(wù)管理器的組件部分可排他地由硬件邏輯、由與軟件交互的硬件邏輯或單獨由軟件制造。以上詳細(xì)描述的一些部分在對計算機存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)比特的操作的算法和符號表示方面進(jìn)行了呈現(xiàn)。這些算法描述和表示是數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域技術(shù)人員為了最有效地將他們工作的實質(zhì)傳達(dá)給本領(lǐng)域其它技術(shù)人員而使用的手段。這里并且通常將算法認(rèn)為是導(dǎo)致期望結(jié)果的步驟的自洽序列。步驟是需要物理操作物理量的步驟。通常(盡管不是必要的)，這些量采取能被存儲、傳送、組合、比較和操作的電或磁信號形式。已經(jīng)證明有時(主要是為了公共使用的原因)將這些信號稱為比特、值、元素、符號、字符、術(shù)語、數(shù)字等是很方便的。這些算法可用大量不同軟件編程語言進(jìn)行編寫。而且，可用軟件中的代碼行、軟件中的配置邏輯門或上述二者的組合來實現(xiàn)算法。然而，應(yīng)記住所有這些和類似術(shù)語要與合適的物理量關(guān)聯(lián)，并且僅是應(yīng)用于這些量的方便標(biāo)簽。根據(jù)以上討論，很明顯，除非另外特別指出，否則應(yīng)理解為在通篇描述中，利用諸如“處理”或“計算”或“確定”或“顯示”等術(shù)語的討論指的是計算機系統(tǒng)或類似電子計算設(shè)備的動作和處理，該計算機系統(tǒng)或類似電子計算設(shè)備將計算機系統(tǒng)的寄存器和存儲器內(nèi)用物理(電子)量表示的數(shù)據(jù)操作或變換為類似地表示為計算機系統(tǒng)存儲器或寄存器、或其它這種信息存儲、傳輸或顯示設(shè)備內(nèi)的物理量的其它數(shù)據(jù)。能利用包括定日鏡的太陽能收集器和/或來自工廠工藝的廢熱以驅(qū)動在生物質(zhì)上的干燥工藝的使用。在生物質(zhì)氣化技術(shù)上使用干燥的一些優(yōu)點包括
供料系統(tǒng)氣化工藝的生物質(zhì)饋送的標(biāo)準(zhǔn)化允許供料系統(tǒng)利用更廣泛的生物質(zhì)原料。 干燥的生物質(zhì)原料抑制了生物質(zhì)氣化工藝中甲烷的形成，該甲烷污染從高通量化學(xué)反應(yīng)器生成的合成氣產(chǎn)物并且不利地影響下游液體燃料加工廠。 干燥的生物質(zhì)原料允許研磨機更容易地獲得具有更均勻的大小分布的更精細(xì)生物質(zhì)顆粒，提高了高通量化學(xué)反應(yīng)器氣化工藝的性能。 干燥的生物質(zhì)原料從干燥工藝中得到的揮發(fā)物用作氣體燃燒器中的燃料，以輔助高通量化學(xué)反應(yīng)器中用于氣化反應(yīng)的熱生成。 干燥的原料允許■從未加工原料中去除會污染來自氣化器的合成氣產(chǎn)物的潛在污染物(易揮發(fā) 物)，并使用這些向氣體燃燒器供燃料，從而向SDF氣化器供熱；其中，當(dāng)未加工生物質(zhì)暴露在350度以上的溫度時，生成焦油和碳；然而，這些現(xiàn)在在干燥工藝中生成，并且研磨機將干燥的生物質(zhì)粉碎和研磨為精細(xì)顆粒。當(dāng)熱蒸汽載氣攜帶干燥的生物質(zhì)的顆粒時，焦油和碳的大部分已從該生物質(zhì)去除，因此不會存在并堵塞供料管；而且，更高溫度干蒸汽能用作干燥的生物質(zhì)的顆粒的載氣，將防止蒸汽中的濕氣在供料系統(tǒng)組件中冷凝；■減少了關(guān)于燃料合成的回收清除，因此提高了 SDF工藝的總體生產(chǎn)率；以及■減少了用于SDF工藝的灰處理裝載和處理。 供料系統(tǒng)能夠降低生物質(zhì)工藝運營成本(OpEx)，從而提高氣化工藝的成本效益(用于實現(xiàn)目標(biāo)顆粒大小減小的更低的能量消耗)。 供料系統(tǒng)能夠降低/減少與饋送至SDF氣化工藝的生物質(zhì)相關(guān)的資本設(shè)備(CapEx)(由于容積密度增大所致的固體處理設(shè)備的大小，更少的更高容量大小縮減單元)O 供料系統(tǒng)能夠通過使用干燥的生物質(zhì)提高總系統(tǒng)和氣化器的性能。盡管示出了本發(fā)明的一些具體實施例，但本發(fā)明不限于這些實施例。例如，來自各種工廠工藝的回收廢熱能用于預(yù)熱助燃空氣，或者能用于其它類似加熱裝置。蓄熱式氣體燃燒器或常規(guī)燃燒器可用作爐的熱源。在這里所討論的化學(xué)工業(yè)的任意方面中，高通量反應(yīng)器可用于任意類型的吸熱反應(yīng)。本發(fā)明應(yīng)理解為不受這里所描述的具體實施例限制，而僅受所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器，包括 具有腔的熱容置器，腔具有內(nèi)壁，其中所述熱容置器對準(zhǔn)以(I)吸收和重發(fā)射輻射能、(2)高度反射輻射能、(3)上述兩項的任意組合，從而維持所述包圍的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的工作溫度；以及 其中，所述高熱通量化學(xué)反應(yīng)器具有位于所述熱容置器的所述腔的內(nèi)部的多個反應(yīng)管，其中在所述多個反應(yīng)管內(nèi)發(fā)生由輻射熱驅(qū)動的化學(xué)反應(yīng)，并且其中生物質(zhì)顆粒在同時發(fā)生的蒸汽重整和蒸汽生物質(zhì)氣化反應(yīng)中存在蒸汽(H20)載氣和甲烷(CH4)的情況下氣化，以使用從所述內(nèi)壁輻射然后進(jìn)入所述多個反應(yīng)管的超高熱通量熱能產(chǎn)生包括氫氣和一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)產(chǎn)物，其中所述高熱通量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器的工作溫度維持在大于900°C，其中輻射熱源為下述各項中的一個或多個(1)太陽能、(2)燃?xì)庑顭崾饺紵鳌?3)核能、(4)電熱器和(5)上述四項的任意組合，并且其中用于驅(qū)動吸熱化學(xué)反應(yīng)的能量源來自所述輻射熱源，而非通過燃燒生物質(zhì)自身，并且所述多個反應(yīng)管以及所述容置器的腔壁主要通過輻射吸收和再輻射而非通過對流或傳導(dǎo)向所述化學(xué)反應(yīng)中的所述反應(yīng)物傳遞能量，以驅(qū)動所述反應(yīng)管中流動的所述吸熱化學(xué)反應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器，其中，所述高熱通量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器具有下向通風(fēng)幾何形狀，所述多個反應(yīng)管在垂直方向上位于所述熱容置器內(nèi)部，并且其中所述化學(xué)反應(yīng)器由兩組或更多組所述燃?xì)庑顭崾饺紵骷訜?，以及所述熱容置器的腔壁相對于所述反?yīng)管的輻射驅(qū)動幾何形狀將所述化學(xué)反應(yīng)器的所述多個管定位為偏置且以交錯結(jié)構(gòu)定位在所述容置器內(nèi)部，其中所述腔壁的表面區(qū)域大于所述反應(yīng)管占據(jù)的區(qū)域，以允許輻射從多個角度到達(dá)所述管上的區(qū)域，所述容置器腔的所述內(nèi)壁和所述反應(yīng)管主要通過輻射交換能量，所述壁和管充當(dāng)輻射的重發(fā)射器，以實現(xiàn)到達(dá)所有管的高輻射熱通量，因此避免了屏蔽和阻擋所述輻射到達(dá)所述管，從而允許所述反應(yīng)管從所述反應(yīng)管中的反應(yīng)區(qū)的起始到結(jié)尾實現(xiàn)相當(dāng)均勻的溫度輪廓。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器，其中，在等于或大于1000°C壁溫的高溫下，通過所選的所述反應(yīng)管壁的材料的輻射傳熱和所述反應(yīng)管和腔壁的幾何形狀實現(xiàn)了 100-250kW/nT2的高熱通量，其中所述反應(yīng)管和腔壁的幾何形狀利用(I)交錯且偏置的管、結(jié)合(2)相比于包圍的管占據(jù)的面積而言的大直徑腔壁、和另外(3)結(jié)合所述多個反應(yīng)管幾何排布彼此之間的管間輻射交換，使入射輻射散發(fā)成形，所述幾何形狀用于經(jīng)由所述容置器腔內(nèi)的反射或吸收使入射輻射散發(fā)成形。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器，其中所述化學(xué)反應(yīng)器由兩組或更多組所述燃?xì)庑顭崾饺紵骷訜?，其中?gòu)成所述高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的所述多個反應(yīng)管由在大于950°C且高達(dá)1600°C的溫度下保持結(jié)構(gòu)完整性的材料制成，所述材料包括SiC或包覆石墨，由于反應(yīng)器中的高工作溫度，輻射是所述(爐/容置器)腔壁和所述反應(yīng)管之間的主要傳熱方式，并且還存在經(jīng)由輻射和重吸收的顯著管間和管內(nèi)傳熱，導(dǎo)致所述反應(yīng)管溫度的高程度周向和軸向均勻性；由此，這一均勻溫度輪廓允許在所述管的整個容積內(nèi)一致地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且其中沿著所述反應(yīng)管的所述溫度輪廓基本為常量，但是與所述溫度變化相比所述熱通量經(jīng)受大梯度；以及 夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)，經(jīng)由至少所述生物質(zhì)的顆粒大小控制而具有供料靈活性，并且用于所述化學(xué)反應(yīng)的所述能量源來自外部源，而非燃燒生物質(zhì)自身，其中所述夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)將載氣中的所述生物質(zhì)顆粒供應(yīng)至所述化學(xué)反應(yīng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器，其中所述容置器的內(nèi)側(cè)壁吸收或高度反射來自沿著所述容置器腔壁定位的所述蓄熱式燃燒器所匯聚的能量，以導(dǎo)致通過熱輻射和反射的能量傳輸，從而廣泛地將該熱通量傳達(dá)到所述反應(yīng)管壁內(nèi)部的所述生物質(zhì)顆粒; 制成所述容置器腔的所述內(nèi)壁的材料具有在1100-1600°C之間的高溫下保持其結(jié)構(gòu)強度的機械和化學(xué)特性，對所述容置器腔而言具有ε >0.8的非常高的發(fā)射率或ε <0.2的高反射率、以及高熱容量(> 200J/kg-K)和低導(dǎo)熱性(< lW/m-K)； 制成所述反應(yīng)管的材料具有高發(fā)射率(ε > O. 8)、高導(dǎo)熱性(> lW/m-K)、中高熱容量(> 150J/kg-K)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器，其中所述蒸汽與所述生物質(zhì)和所述甲烷發(fā)生反應(yīng)，但是生物質(zhì)與甲烷彼此不發(fā)生反應(yīng)，并且其中蒸汽(H20)與碳的摩爾比的范圍為I : I至I : 4，并且溫度足夠高以使在不存在催化劑的情況下發(fā)生所述化學(xué)反應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器，其中，所述甲烷與包含在所述天然氣內(nèi)或作為單獨原料饋送的C02的干重整發(fā)生在所述化學(xué)反應(yīng)器中，使得即使一些C02存在于主要由甲烷構(gòu)成的所述天然氣中，具有高熱的所述C02和CH4也會經(jīng)由干重整發(fā)生反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。
8.一種具有位于容置器內(nèi)部的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的集成化工廠，包括 由散發(fā)輻射能的高度反射材料制成的腔，所述容置器包圍所述超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的多個反應(yīng)管，所述反應(yīng)管配置為使包括(I)甲烷、(2)天然氣、(3)蒸汽、(4)生物質(zhì)顆粒、和(5)以上四項的任意組合的化學(xué)反應(yīng)物通過傳熱輔助，以使用來自所述輻射能的熱能導(dǎo)致蒸汽甲烷反應(yīng)和所述生物質(zhì)顆粒的氣化； 其中所述傳熱輔助用于加熱反應(yīng)物氣體，所述傳熱輔助是位于各反應(yīng)管內(nèi)部的以下各項中的一個或多個生物質(zhì)顆粒的流化床或夾帶流，化學(xué)惰性顆粒的流化床或夾帶流，網(wǎng)狀多孔陶瓷(RPC)泡沫，陶瓷整料，陶瓷管或氣凝膠，包括由耐高溫材料構(gòu)成的拉西環(huán)、絲網(wǎng)或線的開放式規(guī)整填料環(huán)，以及上述的任意組合； 其中輻射是從所述反應(yīng)管壁到所述傳熱輔助的主要傳熱方式，并且傳導(dǎo)、對流或這兩項的某組合是從所述腔壁和所述反應(yīng)管的次要傳熱方式； 設(shè)置各個所述反應(yīng)管的氣化反應(yīng)區(qū)的長度和直徑尺寸的大小，以在至少900°C的氣化溫度下、和所述多個反應(yīng)管中的所述氣化區(qū)的出口處給出O. 01秒至5秒的非常短的停留時間，其中反應(yīng)產(chǎn)物具有來自所述氣化區(qū)出口的等于或超過900°C的溫度，并且此化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計中的所述多個反應(yīng)管增加了用于到所述生物質(zhì)顆粒的輻射交換以及管間輻射交換的可用反應(yīng)器表面積，其中所述輻射熱源為太陽能、燃?xì)庑顭崾饺紵鳌⒑四?、電熱器及上述各項的任意組合中的一個或多個；以及 其中所述高熱通量驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)器的工作溫度維持在高于900°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的集成化工廠，還包括 所述腔的所述內(nèi)壁通過(I)吸收輻射且重輻射到所述反應(yīng)管、(2)將所述入射輻射反射到所述管、以及⑶上述各項的任意組合來充當(dāng)輻射散發(fā)器，其中來自⑴所述內(nèi)壁、(2)直接來自一組蓄熱式燃燒器、以及(3)來自充當(dāng)輻射的重發(fā)射器的其它管的外壁的輻射被所述反應(yīng)管吸收，并且然后熱通過傳導(dǎo)傳遞到所述反應(yīng)管的內(nèi)壁，其中所述熱在900°C至1600°C之間、優(yōu)選地在1100°C以上的溫度輻射到所述反應(yīng)顆粒和氣體； 所述輻射熱源是所述燃?xì)庑顭崾饺紵?，并且所述燃燒器使用回收廢熱預(yù)熱用于所述燃燒器的助燃空氣； 其中導(dǎo)致穩(wěn)定灰形成的分散下降生物質(zhì)微粒的快速氣化在少于5秒的停留時間內(nèi)在所述反應(yīng)管中的所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生，導(dǎo)致焦油完全改善到低于每標(biāo)準(zhǔn)立方米500毫克、以及至少90 %的所述生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)生所述氫氣和一氧化碳產(chǎn)物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成化工廠，還包括 多端口鎖式料斗，配置為從單個鎖式料斗同時饋送多個供料氣體夾帶管線，其中所述供料氣體夾帶管線向所述多個反應(yīng)管供應(yīng)生物質(zhì)顆粒。
干燥單元，在地理上位于與所述超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器相同的地點，并配置為使所述生物質(zhì)在高達(dá)300°C的溫度范圍中利用從所述化學(xué)反應(yīng)回收的廢熱經(jīng)受部分熱解，以使所述生物質(zhì)(I)易碎且更易研磨、(2)更干、具有更少粘性且更易在輸送系統(tǒng)中饋送、(3)作為干燥的生物質(zhì)在儲存中經(jīng)受更少的變質(zhì)問題、以及(4)從所述干燥工藝產(chǎn)生廢氣，并且來自所述生物質(zhì)的所述干燥的所述廢氣用于(I)夾帶載氣、(2)用于蒸汽生成的能量源、或(3)用于所述燃?xì)庑顭崾饺紵鞯臍怏w中的一個或多個；以及 淬火區(qū)，緊接所述化學(xué)反應(yīng)器出口的下游而定位，以經(jīng)由所述反應(yīng)產(chǎn)物的至少所述氫氣和一氧化碳在離開所述化學(xué)反應(yīng)器的10秒之內(nèi)快速冷卻來立即淬火，從而在800°C或更低的淬火之后實現(xiàn)了低于一水平的溫度，以減少所述生物質(zhì)顆粒的灰殘留物的聚結(jié)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的集成化工廠，還包括 具有研磨裝置以及所述夾帶流生物質(zhì)供料系統(tǒng)中的一系列多孔過濾器的研磨系統(tǒng)，所述研磨裝置是分裂所述生物質(zhì)的(I)機械切割裝置、(2)剪切裝置、(3)粉碎裝置、以及(4)以上各項的任意組合中的至少一個，其中所述研磨裝置和所述多孔過濾器研磨來自所述干燥單元的所述部分熱解生物質(zhì)，以將所述生物質(zhì)的顆粒大小控制在50um至IOOOum之間,所述干燥單元向所述研磨系統(tǒng)供應(yīng)部分熱解生物質(zhì)，并且所述部分熱解生物質(zhì)的干燥降低了所述研磨裝置將所述生物質(zhì)研磨為50um至IOOOum之間的受控顆粒大小所需的能量；以及 其中所述集成化工廠按照下述方式將所述生物質(zhì)顆粒轉(zhuǎn)化為所述集成化工廠中的石油，其中來自所述化學(xué)反應(yīng)器的所述氫氣和一氧化碳產(chǎn)物在現(xiàn)場甲醇合成工廠中被轉(zhuǎn)化為甲醇，并且來自所述甲醇合成工廠的所述甲醇在甲醇-氣體工藝中被轉(zhuǎn)化為汽油。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成化工廠，還包括 所述生物質(zhì)供料系統(tǒng)的供料容器，供應(yīng)所述化學(xué)反應(yīng)器中的兩個或更多個反應(yīng)管的管子組，其中所述供料容器具有一個或多個出口，所述出口配置為在向所述兩個或更多個反應(yīng)管散發(fā)生物質(zhì)顆粒時的需求信號量的10%內(nèi)供應(yīng)一致容積量的生物質(zhì)顆粒； 計算機化控制系統(tǒng)，向供料系統(tǒng)發(fā)送供料需求信號，以基于控制信號和針對所述化學(xué)反應(yīng)器測量的溫度來控制以下的量(I)所述化學(xué)反應(yīng)器中要被饋送生物質(zhì)顆粒的反應(yīng)管組、(2)供熱的燃?xì)庑顭崾饺紵鞯牧俊?3)特定燃?xì)庑顭崾饺紵鞴岬乃俾?、以?4)以上各項的任意組合； 夾帶載氣系統(tǒng)，向所述化學(xué)反應(yīng)器供應(yīng)用于所述供料系統(tǒng)中的所述生物質(zhì)顆粒的載氣;包括散料處理流增強器或多孔壁管的流增強器，其在供料系統(tǒng)中通過響應(yīng)于反饋信號去除通過所述流增強器的所述載氣的受控部分而降低所述反應(yīng)管的氣化反應(yīng)區(qū)入口之前的所述載氣的速度，來控制進(jìn)入所述反應(yīng)管的所述氣化反應(yīng)區(qū)的攜帶所述生物質(zhì)顆粒的夾帶載氣的量；以及 現(xiàn)場化學(xué)合成反應(yīng)器，在地理上位于與所述化學(xué)反應(yīng)器相同的地點，并且集成以接收合成氣形式的所述氫氣和一氧化碳產(chǎn)物，其中所述現(xiàn)場化學(xué)合成反應(yīng)器具有接收包含來自所述化學(xué)反應(yīng)器的所述氫氣和一氧化碳產(chǎn)物的所述合成氣的輸入，并且然后配置為在烴合成工藝中使用所述合成氣來產(chǎn)生液體烴燃料或其它化學(xué)品。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成化工廠，還包括 所述化學(xué)反應(yīng)器的所述反應(yīng)管中的氣化反應(yīng)區(qū)的出口，其中所述多個反應(yīng)管中的兩個或更多個在出口處形成一組，并且該組將它們的反應(yīng)產(chǎn)物和來自所述生物質(zhì)氣化的未反應(yīng)顆粒組合為形成所述淬火區(qū)的一部分的每組更大管道； 所述更大管道內(nèi)部的一個或多個噴霧器，將冷卻液直接注入反應(yīng)產(chǎn)物合成氣流中，以在O. 1-10秒內(nèi)進(jìn)行從至少900°C到低于500°C的溫度轉(zhuǎn)變，從而防止所述管壁的金屬塵化腐蝕； 所述生物質(zhì)氣化工藝中存在或在所述淬火區(qū)中初始引入的脫硫劑，減少離開所述淬火區(qū)的合成氣流中存在的硫的量；以及 一個或多個熱顆粒過濾器，從離開所述淬火區(qū)的所述合成氣流去除微粒，其中所述微粒被送至儲灰容器。
14.一種用于集成化工廠的方法，包括 使用輻射熱能在具有多個反應(yīng)管的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化，其中在所述反應(yīng)管中進(jìn)行的吸熱化學(xué)反應(yīng)包括待在該化學(xué)反應(yīng)器中使用所述輻射熱能進(jìn)行的以下各項中的一個或多個生物質(zhì)氣化、蒸汽甲烷重整、甲烷裂解、干重整反應(yīng)、產(chǎn)生乙烯的蒸汽甲烷裂解、金屬提煉、C02或H20分解以及這些反應(yīng)的各種組合； 將來自所述化學(xué)反應(yīng)的所述產(chǎn)物供應(yīng)至下游化學(xué)合成工廠；以及 使用燃?xì)庑顭崾饺紵飨蛩龌瘜W(xué)反應(yīng)器供應(yīng)熱能； 當(dāng)所述超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器處于至少800°C、優(yōu)選地大于1000°C的最小工作溫度時，開始使化學(xué)反應(yīng)物的夾帶流進(jìn)入所述化學(xué)反應(yīng)器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于集成化工廠的方法，其中用于所述集成工廠的控制系統(tǒng)向用于所述超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的控制系統(tǒng)發(fā)送控制信號和從用于所述超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的控制系統(tǒng)接收反饋，并且用于所述超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的所述控制系統(tǒng)至少指示在所述超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器中生成的產(chǎn)物的量； 均衡化學(xué)反應(yīng)類型，包括生物質(zhì)氣化反應(yīng)、蒸汽重整反應(yīng)、干重整反應(yīng)和所述化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的這些反應(yīng)的各種組合，以將所述生成的合成氣維持在基本不含焦油的期望的,2.1 I至2. 8 I的H2與CO摩爾比內(nèi)，其中具有低于200mg/nT3的焦油，并且在所述生成的合成氣中具有體積低于15%的C02，其中所述反應(yīng)管和腔壁的高傳熱率允許所述生物質(zhì)顆粒在O. 01秒至5秒范圍之間的非常短的停留時間內(nèi)實現(xiàn)大量焦油裂解和大于90%的所述生物質(zhì)顆粒到包括所述氫氣和一氧化碳?xì)怏w的反應(yīng)產(chǎn)物的氣化所需的足夠高的溫度，其中所述多個反應(yīng)管的控制被分成兩個或更多個組的管子組；以及主要通過輻射、而非通過對流或傳導(dǎo)在所述容置器的所述腔的內(nèi)壁和所述反應(yīng)管之間交換能量，從而允許所述反應(yīng)管實現(xiàn)相當(dāng)均勻的溫度輪廓，即便大體上更低溫度生物質(zhì)顆粒和夾帶氣體在所述反應(yīng)區(qū)中從第一入口點進(jìn)入所述反應(yīng)管并且穿過所述加熱的腔以在 第二出口點處離開所述反應(yīng)區(qū)。
全文摘要
討論了用于超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的各種工藝和裝置。熱容置器和反應(yīng)管被對準(zhǔn)以(1)吸收和重發(fā)射輻射能、(2)高度反射輻射能以及(3)上述各項的任意組合，從而維持包圍的超高熱通量化學(xué)反應(yīng)器的工作溫度。生物質(zhì)顆粒在同時發(fā)生的蒸汽重整和蒸汽生物質(zhì)氣化反應(yīng)中蒸汽載氣和甲烷存在的情況下氣化，以使用從內(nèi)壁輻射然后進(jìn)入多個反應(yīng)管的超高熱通量熱能產(chǎn)生包括氫氣和一氧化碳的反應(yīng)產(chǎn)物。多個反應(yīng)管和容置器的腔壁主要通過輻射吸收和再輻射而非通過對流或傳導(dǎo)向化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物傳遞能量，以驅(qū)動反應(yīng)管中流動的吸熱化學(xué)反應(yīng)。
文檔編號B21D53/02GK102985195SQ201080067327
公開日2013年3月20日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月8日
發(fā)明者W·W·西蒙斯, C·伯金斯, Z·喬范奧維克, C·M·希爾頓, P·波普, B·J·施拉姆, J·T·圖納 申請人:三照普燃料公司