用于整合穩(wěn)定水解產(chǎn)物的具有單容器水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化 ...的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容大體涉及纖維素類生物質(zhì)固體的消化，和更具體地涉及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，它允許使用包括流體偶聯(lián)的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置的加壓容器將含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物催化轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
【背景技術(shù)】
[0002]具有商業(yè)重要性的多種物質(zhì)可以產(chǎn)自于天然資源，特別是生物質(zhì)。由于在其中發(fā)現(xiàn)了各種形式的多種豐富的碳水化合物，纖維素類生物質(zhì)在這方面可能特別有利。如這里所應(yīng)用的，術(shù)語“纖維素類生物質(zhì)”指包含纖維素的存活或者最近存活的生物材料。在高級植物的細(xì)胞壁中發(fā)現(xiàn)的木質(zhì)纖維素材料是世界上最豐富的碳水化合物來源。通常由纖維素類生物質(zhì)生產(chǎn)的材料可以包括例如經(jīng)部分消化產(chǎn)生的紙和紙漿和經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生的生物乙醇。
[0003]植物細(xì)胞壁被分為兩部分，即初生細(xì)胞壁和次生細(xì)胞壁。初生細(xì)胞壁提供用于細(xì)胞膨脹的結(jié)構(gòu)支撐和由三種主要的多糖(纖維素、膠質(zhì)和半纖維素)和一組糖蛋白組成。次生細(xì)胞壁在細(xì)胞完成生長后產(chǎn)生，還包含多糖和通過與半纖維素共價交聯(lián)的聚合性木質(zhì)素強(qiáng)化。半纖維素和膠質(zhì)通常含量豐富，但纖維素是主要的多糖和最豐富的碳水化合物來源。正如下文所討論，與纖維素共存在的各組分的復(fù)雜混合物可能會使其處理起來比較困難。
[0004]已經(jīng)有大量的注意力放在了開發(fā)由可再生來源獲得的化石燃料替代物上。在這方面，纖維素類生物質(zhì)由于其存量豐富且在其中發(fā)現(xiàn)了大量不同組分(特別是纖維素和其它碳水化合物)而引起了特別的注意。盡管很有希望且引起了人們極大的興趣，但生物基燃料技術(shù)的開發(fā)和實(shí)施仍非常緩慢。直到今天，現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生的燃料仍具有低的能量密度(例如生物乙醇)和/或不能與現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)設(shè)計和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施完全相容(例如甲醇、生物柴油、費(fèi)-托柴油、氫氣和甲烷)。應(yīng)對前述和其它問題，用于將纖維素類生物質(zhì)處理為具有類似化石燃料組成的燃料混合物的能量和成本有效的方法將是特別希望的。
[0005]當(dāng)轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物和其它物質(zhì)時，可以提取其中存在的纖維素和其它復(fù)雜的碳水化合物，和將其轉(zhuǎn)化為更簡單的有機(jī)分子，后者隨后可以進(jìn)一步重整。發(fā)酵是可以將來自纖維素類生物質(zhì)的復(fù)雜碳水化合物轉(zhuǎn)化為更有用形式的一種方法。但發(fā)酵方法通常很慢、需要大體積的反應(yīng)器、高的稀釋條件和產(chǎn)生具有較低能量密度的初始反應(yīng)產(chǎn)物(乙醇)。消化是可將纖維素和其它復(fù)雜碳水化合物轉(zhuǎn)化為更有用形式的另一種方法。消化方法可以將纖維素類生物質(zhì)內(nèi)的纖維素和其它復(fù)雜的碳水化合物分解為更簡單的可溶性碳水化合物，后者適合于通過下游的重整反應(yīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。如這里所應(yīng)用的，術(shù)語“可溶性碳水化合物”指在消化過程中變得可溶解的單糖或多糖。雖然據(jù)理解基礎(chǔ)化學(xué)支持消化纖維素和其它復(fù)雜碳水化合物和進(jìn)一步轉(zhuǎn)化簡單碳水化合物為與化石燃料中存在的那些類似的有機(jī)化合物，但尚未開發(fā)出適合于轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物的高收率和能量有效的消化方法。在這方面，與應(yīng)用消化和其它方法轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物相關(guān)的最基本需求是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化需要的能量輸入不應(yīng)大于產(chǎn)物燃料混合物可獲得的能量輸出。這種基本需求導(dǎo)致多個次級問題，而這些問題總體提出了到目前為至還沒有解決的極大的工程挑戰(zhàn)。
[0006]與以能量和費(fèi)用有效的方式應(yīng)用消化將纖維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為燃料混合物相關(guān)的問題不僅復(fù)雜，而且它們完全不同于在造紙和紙漿工業(yè)中通常應(yīng)用的消化過程中遇到的那些問題。因?yàn)樵谠旒埡图垵{工業(yè)中纖維素類生物質(zhì)消化的目的是保留固體物質(zhì)(例如紙漿)，通常在低溫下(例如小于約100°C)實(shí)施不完全消化相當(dāng)短的時間。與之相對，適合轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物和其它物質(zhì)的消化過程理想地構(gòu)造為以高通量方式通過溶解盡可能多的初始纖維素類生物質(zhì)進(jìn)料來使收率最大化。
[0007]因?yàn)槎鄠€原因通過常規(guī)調(diào)整造紙和紙漿消化過程而生產(chǎn)用于燃料混合物和其它物質(zhì)的可溶性碳水化合物是不可行的。簡單地通過運(yùn)行造紙和紙漿工業(yè)的消化過程更長時間來產(chǎn)生更多可溶性碳水化合物從通量角度來看是不希望的。應(yīng)用消化促進(jìn)劑如強(qiáng)堿、堿酸或亞硫酸鹽來使消化速度加快可能會由于后處理的分離步驟和可能需要保護(hù)下游組件不受這些試劑損害而增加工藝成本和復(fù)雜性。通過提高消化溫度而使消化速度加快由于在高的消化溫度下可能會發(fā)生可溶性碳水化合物的熱降解而實(shí)際上降低了收率，特別是經(jīng)延長的時間時。一旦通過消化產(chǎn)生，可溶性碳水化合物非常有活性且可能快速降解以產(chǎn)生焦糖烷和其它重質(zhì)降解產(chǎn)物，特別是在高溫條件如大于150°C下。從能量效率角度來看，應(yīng)用較高的消化溫度也是不希望的。這些困難的任何一個均可以挫敗從纖維素類生物質(zhì)獲得燃料混合物的經(jīng)濟(jì)可行性。
[0008]可以保護(hù)可溶性碳水化合物不熱降解的一種方法是使它們經(jīng)受一種或多種催化還原反應(yīng)，所述反應(yīng)可以包括加氫和/或氫解反應(yīng)。通過實(shí)施一種或多種催化還原反應(yīng)來穩(wěn)定可溶性碳水化合物可以允許纖維素類生物質(zhì)的消化在比可能的更高的溫度下實(shí)施，而不會過度犧牲收率。另外，催化還原反應(yīng)過程的產(chǎn)物通過下游的重整反應(yīng)可以很容易地轉(zhuǎn)化為燃料混合物和其它物質(zhì)。取決于使用的反應(yīng)條件和催化劑，由于對可溶性碳水化合物進(jìn)行一種或多種催化還原反應(yīng)而形成的反應(yīng)產(chǎn)物可能包括三醇、二醇、一元醇或它們的任意組合，其中的一些也可能包括殘余的羰基官能度(例如醛或酮)。這些反應(yīng)產(chǎn)物比可溶性碳水化合物更加熱穩(wěn)定和容易通過進(jìn)行一種或多種下游重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化為燃料混合物和其它物質(zhì)。此外，上述類型的反應(yīng)產(chǎn)物是其中可進(jìn)行水熱消化的良好溶劑，由此促進(jìn)可溶性碳水化合物如它們的反應(yīng)產(chǎn)物和纖維素類生物質(zhì)組分如木質(zhì)素的溶解。
[0009]與處理纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物和其它物質(zhì)相關(guān)的另一個問題來自于需要纖維素類生物質(zhì)進(jìn)料變?yōu)榭扇苄蕴妓衔锏母咿D(zhuǎn)化百分比。具體地，當(dāng)纖維素類生物質(zhì)固體消化時，它們的尺寸逐漸減小至它們可以變得流體流動的點(diǎn)。正如這里應(yīng)用的，可流體流動的纖維素類生物質(zhì)固體，特別是尺寸約3_或更小的纖維素類生物質(zhì)固體將被稱為“纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆?！?。纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆?？梢詮挠糜谵D(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)的系統(tǒng)的消化區(qū)輸送出來，和進(jìn)入一個或多個不需要固體和固體可能會有害的區(qū)域。例如，纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆粒有可能會堵塞催化劑床層、輸送管線等。另外，雖然尺寸小，但纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆粒可能代表纖維素類生物質(zhì)進(jìn)料的重要部分，和如果它們不能進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可溶性碳水化合物，獲得令人滿意的轉(zhuǎn)化百分比的能力可能就會受到影響。因?yàn)樵旒埡图垵{工業(yè)的消化過程在相當(dāng)?shù)偷睦w維素類生物質(zhì)轉(zhuǎn)化百分比下運(yùn)行，相信產(chǎn)生了少量的纖維素類生物質(zhì)細(xì)顆粒和這對這些消化過程具有較小的影響。
[0010]除了想要的碳水化合物外，在纖維素類生物質(zhì)中可能存在其它物質(zhì)，這些物質(zhì)可能對以能量和費(fèi)用有效的方式進(jìn)行處理特別成問題。含硫和/或含氮的氨基酸或其它催化劑毒物可能在纖維素類生物質(zhì)中存在。如果不脫除，這些催化劑毒物可能會影響用于穩(wěn)定可溶性碳水化合物的催化還原反應(yīng)，從而造成用于催化劑再生和/或替換的過程停車，和當(dāng)重新啟動過程時降低總的能量效率。另一方面，在過程中脫除這些催化劑毒物也可能影響生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的能量效率，因?yàn)閷?shí)施脫除通常需要的離子交換過程經(jīng)常在低于消化產(chǎn)生可溶性碳水化合物的溫度下實(shí)施，從而引入熱交換操作，這將增加設(shè)計的復(fù)雜性和可能會增加操作成本。除了催化劑毒物外，木質(zhì)素(非纖維素類生物聚合物)可能伴隨產(chǎn)生可溶性碳水化合物而被溶解。如果不能以某種方式解決，在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中木質(zhì)素濃度可能變得足夠高以至于最終發(fā)生沉降，由此導(dǎo)致昂貴的系統(tǒng)停工期。替代地，一些木質(zhì)素可能保持不溶解，和可能最終需要昂貴的系統(tǒng)停工期以將它脫除。
[0011]正如前述所證明的，有效轉(zhuǎn)化纖維素類生物質(zhì)為燃料混合物是具有極大工程挑戰(zhàn)的復(fù)雜問題。本發(fā)明應(yīng)對這些挑戰(zhàn)和提供了相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本公開內(nèi)容大體涉及纖維素類生物質(zhì)固體的消化，和更具體地涉及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，它允許使用包括流體偶聯(lián)的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置的加壓容器將含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物催化轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
[0013]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供了一種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，包括:包括第一段和第二段的壓力容器，所述第一段包括水熱消化裝置和所述第二段包括含能夠活化分子氫的第一催化劑的第一催化還原反應(yīng)器裝置，其中水熱消化裝置和第一催化還原反應(yīng)器裝置彼此流體連通；與壓力容器操作相連的生物質(zhì)進(jìn)料機(jī)構(gòu)，所述生物質(zhì)進(jìn)料機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒗w維素類生物質(zhì)固體引入壓力容器和也能夠從第一催化還原反應(yīng)器裝置抽出反應(yīng)產(chǎn)物；和與第一催化還原反應(yīng)器裝置操作相連的氫進(jìn)料管線。
[0014]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，包括:
[0015]提供包括第一段和第二段的壓力容器，所述第一段包括水熱消化裝置和第二段包括含能夠活化分子氫的第一催化劑的第一催化還原反應(yīng)器裝置，其中水熱消化裝置和第一催化還原反應(yīng)器裝置彼此流體連通；與壓力容器操作相連的生物質(zhì)進(jìn)料機(jī)構(gòu)，所述生物質(zhì)進(jìn)料機(jī)構(gòu)能夠在壓力容器保持加壓態(tài)時將纖維素類生物質(zhì)固體引入壓力容器；與第一催化還原反應(yīng)器裝置操作相連的氫進(jìn)料管線；和包括壓力容器和含能夠活化分子氫的第二催化劑的第二催化還原反應(yīng)器裝置的流體循環(huán)回路。
[0016]在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明提供一種方法，包括:提供包括第一段和第二段的壓力容器，所述第一段包括水熱消化裝置和第二段包括含能夠活化分子氫的第一催化劑(第一加氫催化催化劑)的第一催化還原反應(yīng)器裝置，其中水熱消化裝置和第一催化還原反應(yīng)器裝置彼此流體連通；向壓力容器中加入纖維素類生物質(zhì)固體；加熱壓力容器的水熱消化裝置中的纖維素類生物質(zhì)固體，由此形成在液相內(nèi)包含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物；在分子氫存在下輸送液相通過第一催化還原反應(yīng)器裝置，從而將所述可溶性碳水化合物至少部分轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物；和將至少部分所述液相從壓力容器輸送至含能夠活化分子氫的第二催化劑(第二加氫催化催化劑)的第二催化還原反應(yīng)器裝置，從而將可溶性碳水化合物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物。
[0017]在閱讀了如下對優(yōu)選實(shí)施方案的描述后，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。
【附圖說明】
[0018]包括如下附圖來描述本發(fā)明的某些方面，和不應(yīng)將它們看作是排它性實(shí)施方案。所公開的主題能夠在形式和功能方面進(jìn)行相當(dāng)大程度的調(diào)整、改變、組合和等價替換，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員在受益于本公開內(nèi)容后是很明顯的。
[0019]圖1示意性給出了描述性的環(huán)狀壓力容器，所述環(huán)狀壓力容器包括在外部壓力殼體內(nèi)容納的內(nèi)部催化還原反應(yīng)器裝置和外部水熱消化裝置。
[0020]圖2示意性給出了描述性的壓力容器中，其中水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置彼此并排在外部壓力殼體內(nèi)。
[0021]圖3示意性給出了描述性的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有在壓力容器內(nèi)容納的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置。
[0022]圖4示意性給出了描述性的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有在壓力容器內(nèi)容納的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置，其中流體循環(huán)回路在壓力容器的流體入口和流體出口間建立直接流體連通。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本公開內(nèi)容大體涉及纖維素類生物質(zhì)固體的消化，和更具體地涉及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)及其應(yīng)用方法，它允許使用包括流體偶聯(lián)的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置的加壓容器將含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物催化轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。
[0024]在這里描述的實(shí)施方案中，在高溫和高壓下在消化溶劑存在下纖維素類生物質(zhì)的消化速度可以加快，所述高壓使得消化溶劑在高于其正常沸點(diǎn)下為液態(tài)。雖然從通量的角度來看，更快的消化速度可能是希望的，但在這些條件下可溶性碳水化合物可能易于降解，如下文更詳細(xì)討論的。在各種實(shí)施方案中，消化溶劑可能包含有機(jī)溶劑，特別是原位產(chǎn)生的有機(jī)溶劑，該有機(jī)溶劑可提供某些優(yōu)點(diǎn)，如下文所描述的。
[0025]本公開內(nèi)容提供了系統(tǒng)和方法，其允許纖維素類生物質(zhì)固體有效地消化以形成可溶性碳水化合物，該碳水化合物隨后可通過一種或多種催化還原反應(yīng)(例如氫解和/或加氫)轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的包含含氧中間體的反應(yīng)產(chǎn)物，該反應(yīng)產(chǎn)物可進(jìn)一步處理為高級烴。高級烴可用于形成工業(yè)化學(xué)品和運(yùn)輸燃料(即生物燃料)，包括如合成汽油、柴油燃料、噴氣燃料等。如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“生物燃料”指的是由生物源形成的任何運(yùn)輸燃料。這里這種生物燃料可稱為“燃料混合物”。特別地，構(gòu)造這里所述的系統(tǒng)和方法使得纖維素類生物質(zhì)固體可以被消化來產(chǎn)生含可溶性碳水化合物的水解產(chǎn)物，其中水解產(chǎn)物中的至少部分可溶性碳水化合物在消化之后在可能發(fā)生降解之前通過催化還原反應(yīng)可快速轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。在這里所述的實(shí)施方案中，上述通過在壓力容器中將水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置流體偶聯(lián)在一起完成。流體偶聯(lián)的水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置的各種構(gòu)造是可能的，如下文所描述。能夠活化分子氫的多種類型催化劑(也稱為“氫活化催化劑”或“加氫催化催化劑”)可以用于調(diào)節(jié)催化還原反應(yīng)。有利地，纖維素類生物質(zhì)固體可以用于促進(jìn)催化劑保留在壓力容器內(nèi)，如下文所描述的。將可溶性碳水化合物接近它們的起點(diǎn)轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物可降低水熱消化后發(fā)生的熱分解的量，由此提高了所希望反應(yīng)產(chǎn)物的收率和有利于高的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率。通過在單一壓力容器內(nèi)進(jìn)行水熱消化和催化還原也可以實(shí)現(xiàn)其它優(yōu)點(diǎn)，如下文所討論的。
[0026]如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“含氧中間體”指的是從可溶性碳水化合物的催化還原反應(yīng)(例如氫解和/或加氫)產(chǎn)生的醇、多元醇、酮、醛及它們的混合物。如本文所應(yīng)用的，術(shù)語“高級烴”指的是氧與碳的比小于產(chǎn)生它們的生物質(zhì)源的至少一種組分的烴。如本文所用的，術(shù)語“烴”指的是主要包含氫和碳的有機(jī)化合物，盡管雜原子如氧、氮、硫和/或磷可能存在于一些實(shí)施方案中。因此，術(shù)語“烴”也包括如含碳、氫和氧的雜原子取代的化合物。
[0027]當(dāng)在水熱消化中在高溫和高壓下使用消化溶劑時，消化過程可能變得相當(dāng)耗能。如果消耗過程的能量輸入要求變得太大，可能危害纖維素類生物質(zhì)作為原料物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)可行性。也就是說，如果消化纖維素類生物質(zhì)需要的能量輸入變得太大，處理成本可能高于產(chǎn)生產(chǎn)物的實(shí)際價值。為了保持處理成本低，希望外部加入消化過程的熱量輸入量保持盡可能低，同時實(shí)現(xiàn)纖維素類生物質(zhì)向可溶性碳水化合物盡可能高的轉(zhuǎn)化率，所述可溶性碳水化合物隨后可以轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物。在下文中將更詳細(xì)描述可溶性碳水化合物向更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。
[0028]在這里所描述的實(shí)施方案中，可通過在其中發(fā)生水熱消化的相同壓力容器中發(fā)生的催化還原反應(yīng)至少部分穩(wěn)定可溶性碳水化合物。一旦可溶性碳水化合物已經(jīng)至少部分轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的反應(yīng)產(chǎn)物，可以在不包括在壓力容器中的單獨(dú)的催化還原反應(yīng)器裝置中發(fā)生可溶性碳水化合物向反應(yīng)產(chǎn)物的完全轉(zhuǎn)化，其中所述催化還原反應(yīng)器裝置也采用能夠活化分子氫的漿液催化劑或不同的催化劑。所描述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的特征可以允許大量最初溶解的碳水化合物轉(zhuǎn)化為合適于隨后處理為生物燃料的形式，同時在水熱消化裝置中或其附近形成盡可能少的焦糖烷和其它分解產(chǎn)物。
[0029]如在這里所描述的實(shí)施方案中，通過在相同的壓力容器內(nèi)進(jìn)行水熱消化和催化還原可實(shí)現(xiàn)許多優(yōu)點(diǎn)。如以上所討論的，這里所描述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的重要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造系統(tǒng)以迅速穩(wěn)定在水熱消化裝置中產(chǎn)生的大部分水解產(chǎn)物。通過在與水熱消化裝置流體偶聯(lián)的催化還原反應(yīng)器裝置中發(fā)生的催化還原反應(yīng)將水解產(chǎn)物中的可溶性碳水化合物至少部分轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物來完成水解產(chǎn)物的穩(wěn)定。通過在單一壓力容器中將水熱消化裝置和催化還原反應(yīng)器裝置流體偶聯(lián)在一起，可降低水解產(chǎn)物到催化還原反應(yīng)器裝置的輸送次數(shù)，由此降低了可溶性碳水化合物降解的可能性。
[0030]本發(fā)明所描述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的另一個重要優(yōu)點(diǎn)是在單一壓力容器中進(jìn)行水熱消化和催化還原可允許實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的熱整合和熱管理。如下文所描述的，水熱消化是吸熱過程，而催化還原是放熱過程。因?yàn)檫@兩個過程發(fā)生在這里所描述的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的相同壓力容器中，由催化還原反應(yīng)產(chǎn)生的過量熱量可以用于驅(qū)動水熱消化過程。這可以通過限制需要輸入以驅(qū)動水熱消化的外部能量的量改進(jìn)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程的總能量效率。
[0031]如以上所討論的，可將壓力容器中產(chǎn)生的初始反應(yīng)產(chǎn)物輸送至第二催化還原反應(yīng)器裝置用于進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物，該反應(yīng)產(chǎn)物更易于轉(zhuǎn)化為生物燃料或其它物質(zhì)。其中發(fā)生進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的第二催化還原反應(yīng)器裝置可與其中發(fā)生初始催化還原反應(yīng)的壓力容器分開。發(fā)生的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化可包括進(jìn)一步降低初始反應(yīng)產(chǎn)物的氧化程度、增加可溶性碳水化合物至含氧中間體的轉(zhuǎn)化率或這兩者。由第二催化還原反應(yīng)器裝置獲得的反應(yīng)產(chǎn)物可以被循環(huán)至壓力容器中，在其中它可以用作消化溶劑，和/或它可以從第二催化還原反應(yīng)器裝置抽出用于隨后轉(zhuǎn)化為生物燃料或其它物質(zhì)。在水解產(chǎn)物到達(dá)第二催化還原反應(yīng)器裝置之前通過至少部分將可溶性碳水化合物轉(zhuǎn)化為反應(yīng)產(chǎn)物，可以減少對第二催化還原反應(yīng)器裝置的要求，和也可能實(shí)現(xiàn)可溶性碳水化合物向反應(yīng)產(chǎn)物的更高轉(zhuǎn)化率。另外，有可能應(yīng)用比另外可行的更小的第二催化還原反應(yīng)器裝置，因?yàn)樵诘竭_(dá)第二催化還原反應(yīng)器裝置之前，至少部分可溶性碳水化合物已經(jīng)被轉(zhuǎn)化。進(jìn)一步，因?yàn)橥ㄟ^在相同的壓力容器中實(shí)施水熱消化和初始催化還原反應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)大的熱整合效率，可能減少為了維持能量有效過程而從第二催化還原反應(yīng)器裝置循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)物至水熱消化裝置的需求。因此，可應(yīng)用更低的反應(yīng)產(chǎn)物循環(huán)比，和可抽出更大部分的反應(yīng)產(chǎn)物用于隨后轉(zhuǎn)化為生物燃料。前述因素也可減少與生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相關(guān)的投資和操作成本。
[0032]在熱整合效率的另一個方面，本發(fā)明的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)也可能特別有利，因?yàn)樵谝恍?shí)施方案中系統(tǒng)的壓力容器可連續(xù)維持在高溫和高壓下。因此，只要新鮮的纖維素類生物質(zhì)固體可以連續(xù)或半連續(xù)供應(yīng)至壓力容器中而沒有發(fā)生泄壓，水熱消化就可連續(xù)發(fā)生。如果沒有能力在維持加壓態(tài)時為壓力容器引入新鮮纖維素類生物質(zhì)固體，在生物質(zhì)添加過程中可能會發(fā)生泄壓和冷卻，明顯地降低了轉(zhuǎn)化過程的能量和成本效率。如這里所應(yīng)用的，術(shù)語“連續(xù)加入”及其語法等價用語指在不發(fā)生完全泄壓的情況下