專利名稱：用于使用生物質(zhì)原料生產(chǎn)尿素的模塊化系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及通過所述生物氣化工藝來轉(zhuǎn)化生物質(zhì)和生物質(zhì)廢物流，更具體地說，本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)化生物質(zhì)和生物質(zhì)廢物流來生產(chǎn)較高階的化學(xué)制品，諸如尿素。
背景技術(shù)：
雖然在過去已經(jīng)在不同程度的效果和效率上實(shí)現(xiàn)了通過生物氣化(合成氣)工藝來轉(zhuǎn)化生物質(zhì)和生物質(zhì)廢物流以生產(chǎn)可用的產(chǎn)物，但是尚未開發(fā)用于生產(chǎn)尿素的生物質(zhì)氣化。由美國能源部引述的利用生物質(zhì)類合成氣來生產(chǎn)諸如尿素的較高階化學(xué)制品的主要技術(shù)障礙是⑴進(jìn)料加工和處理；⑵氣化/轉(zhuǎn)化；(3)除氣和催化調(diào)控；⑷合成氣的利用； (5)工藝整合和(6)工藝控制、傳感器和最優(yōu)化。
使用生物質(zhì)作為原料的現(xiàn)有技術(shù)氣化系統(tǒng)止步于合成氣的形成。因?yàn)楹铣蓺馄焚|(zhì)低，所以其不能直接用來生產(chǎn)較高階化學(xué)制品，諸如尿素。更確切而言，合成氣用于向發(fā)電機(jī)提供動力或與正在轉(zhuǎn)化為尿素的天然氣流混合(參見上述技術(shù)障礙3)。另外，現(xiàn)有技術(shù)需要大型生產(chǎn)裝置或大規(guī)模的工廠。鑒于這些工廠所需要的高容量生產(chǎn)，所以在合成氣可轉(zhuǎn)化為氨之前輸入材料必須流動穿過順序的加工裝置。因?yàn)楣S的大小之故，所以工廠傾向于遠(yuǎn)離所有生物質(zhì)原料的現(xiàn)成資源和可利用資源來定位，從而增加了運(yùn)送成本或如果定位工廠或?qū)⑸镔|(zhì)運(yùn)送到工廠不是在經(jīng)濟(jì)上不可行，則(在遙遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村區(qū)域或地理上具有挑戰(zhàn)性的區(qū)域的情況下)使運(yùn)輸極其艱難。生物質(zhì)原料通常骯臟、貯存密度較低且難以處理(參見技術(shù)障礙1)，在其被運(yùn)送到工廠且經(jīng)加工之前傾向于貯存在野外。另外，生物質(zhì)原料的加工特性既在多種類型的生物質(zhì)之間顯著變化也在多種類型的生物質(zhì)內(nèi)部顯著變化。 此變化使工廠難以控制(更難以最優(yōu)化)轉(zhuǎn)化工藝和維持高水平的轉(zhuǎn)化效率(參見上述技術(shù)障礙2和技術(shù)障礙4至6)。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于由生物質(zhì)生產(chǎn)尿素的模塊化系統(tǒng)和方法，所述模塊化系統(tǒng)和方法包括以下步驟清潔生物質(zhì)原料以去除大體上所有非有機(jī)物；摻合所述經(jīng)清潔的生物質(zhì)原料以獲得大體上均質(zhì)的摻合物；使所述經(jīng)摻合的生物質(zhì)原料丸粒化至大體上均一的尺寸；在氣化器中氣化所述丸粒；和使來自氣化器的所得的CO2流與NH3化合以形成尿素。清潔步驟清潔生物質(zhì)原料以便生物質(zhì)優(yōu)選地包括不超過15重量百分比的非有機(jī)物。清潔步驟還可包括以下子步驟分選生物質(zhì)原料至約0. 75cm至1. 25cm(l/4in.至l/2in.)的預(yù)定尺寸和將生物質(zhì)原料的體積尺寸減小約80%。
生物質(zhì)原料可包括具有不同加工特性的單種生物質(zhì)材料或具有不同加工特性 (諸如密度或熱燃燒值)的兩種或兩種以上生物質(zhì)材料，所述生物質(zhì)原料優(yōu)選地具有低于 15重量百分比的含濕量。丸?；襟E使經(jīng)清潔的生物質(zhì)原料丸粒化且提供具有大體上相同加工特性的丸粒。類似地，由一種類型的生物質(zhì)原料或一種品質(zhì)的生物質(zhì)原料生成的丸粒可與由另一種類型的生物質(zhì)原料或另一種品質(zhì)的生物質(zhì)原料生成的丸?；锨覔胶?，以生成兩種丸粒流的摻合物，所述兩種丸粒流的加工特性可經(jīng)調(diào)節(jié)以維持溫度和燃燒品質(zhì)的一致性以達(dá)到改進(jìn)的氣化或最優(yōu)的氣化。
氣化步驟優(yōu)選地包括以下子步驟將丸粒粉碎為約Imm的細(xì)粒徑。該細(xì)粒徑提供了更有效的燃燒和生物質(zhì)向經(jīng)氣化的生物質(zhì)(合成氣)轉(zhuǎn)化的更高轉(zhuǎn)化率。為了進(jìn)一步改進(jìn)氣化器的效率和轉(zhuǎn)化性能，氣化步驟還可包括以下子步驟將有機(jī)油注入輸入生物質(zhì)原料流或生物質(zhì)原料霧中。可控制向氣化器進(jìn)料的進(jìn)料速度以便可在600°C至850°C范圍內(nèi)的氣化器燃燒溫度變化不超過士25°C。通過控制進(jìn)入的生物質(zhì)的品質(zhì)、將生物質(zhì)粉碎為細(xì)粒徑和響應(yīng)于關(guān)鍵的加工參數(shù)來調(diào)整進(jìn)料速度，氣化器有效達(dá)到約98%或更高的轉(zhuǎn)化效率。
清潔來自氣化器的所得的合成氣流且隨后將其壓縮為約6，OOOpsi至7，OOOpsi的高壓。此壓力比現(xiàn)有技術(shù)工廠中所使用的壓力大致高兩倍。以30%的轉(zhuǎn)化率在約6，OOOpsi 至7，OOOpsi的高壓下，在旁路再循環(huán)環(huán)形系統(tǒng)中加工氨流。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法允許生物質(zhì)到諸如尿素的較高階化學(xué)制品的小規(guī)模、具成本效益的轉(zhuǎn)化。例如，與各種工藝步驟的各個步驟相關(guān)聯(lián)的設(shè)備可能是橇裝式或包含于標(biāo)準(zhǔn)的48-英尺平板拖車的占據(jù)面積內(nèi)。模塊可在單個地點(diǎn)互連，或者清潔模塊、丸?；K和氣化模塊(和與各個模塊相關(guān)的工藝步驟)可各自出現(xiàn)在不同的地理位置。模塊性還允許系統(tǒng)移動到可就地實(shí)施此方法的生物質(zhì)來源的地點(diǎn)，諸如位于遙遠(yuǎn)鄉(xiāng)村區(qū)域的農(nóng)業(yè)村莊。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供尿素生產(chǎn)工廠，其具有比常規(guī)設(shè)計(jì)小的占據(jù)面積，在結(jié)構(gòu)上是模塊的且可易于運(yùn)送、組裝使用、更新、修改、使用后拆卸和再使用。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供具成本效益的、低容量的生產(chǎn)工廠。本發(fā)明的又一個目標(biāo)是提供一種工廠，其可容納通常在大多數(shù)鄉(xiāng)村區(qū)域找到的生物質(zhì)原料——也就是說，類型、尺寸和加工特性各不相同的生物質(zhì)原料——還可以在將不均質(zhì)的生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為用于生成其他產(chǎn)物的合成氣時實(shí)現(xiàn)高水平轉(zhuǎn)化性能。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供易于處理的生物質(zhì)原料且提供增加的密度、降低的貯存要求、增加的貯存壽命和減小的火險(xiǎn)可能性。本發(fā)明的又一個目標(biāo)是向氣化工藝提供比當(dāng)前工藝所提供的生物質(zhì)原料更干凈且更均一的生物質(zhì)原料。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種生物質(zhì)原料，其燃燒更均勻且可減少生成諸如焦油的副產(chǎn)物。本發(fā)明的又一個目標(biāo)是向所述尿素/氨轉(zhuǎn)化裝置提供干凈的合成氣。本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供在超高壓下運(yùn)行的旁路再循環(huán)環(huán)形系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)幾乎為100%的轉(zhuǎn)化率。本發(fā)明的最后一個目標(biāo)是提供一種工藝，其同時解決了使用生物質(zhì)來生產(chǎn)諸如尿素的較高階化學(xué)制品的所有六個技術(shù)障礙。


圖1為尿素生產(chǎn)工藝的工藝流程圖，所述尿素生產(chǎn)工藝是將農(nóng)業(yè)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為尿素。農(nóng)業(yè)生物質(zhì)在被加料到氣化裝置中之前經(jīng)丸?；癁橐恢碌拿芏?。
圖2為配置在標(biāo)準(zhǔn)的48-英尺平板拖車上的原料制備模塊的方塊圖。
圖3為配置在標(biāo)準(zhǔn)的48-英尺平板拖車上的丸?；K的方塊圖。丸?；K可為橇裝式。
圖4為配置在標(biāo)準(zhǔn)的48-英尺平板拖車上的氣化系統(tǒng)模塊的方塊圖。
圖5為配置在標(biāo)準(zhǔn)的48-英尺平板拖車上的尿素轉(zhuǎn)化模塊的方塊圖。
圖6為尿素轉(zhuǎn)化模塊的二氧化碳壓縮組件、冷凝器/反應(yīng)器組件和水提取和干燥組件與合成氣流之間的相互關(guān)系的示意圖。
圖7為尿素轉(zhuǎn)化模塊的二氧化碳壓縮組件的示意圖。
圖8為尿素轉(zhuǎn)化模塊的池式冷凝器/反應(yīng)器組件的示意圖。
圖9為尿素轉(zhuǎn)化模塊的水提取和干燥組件的示意圖。
具體實(shí)施例方式在以下用于通過氣化工藝轉(zhuǎn)化生物質(zhì)以生產(chǎn)尿素的技術(shù)說明中解決了列于背景技術(shù)中的所有六個技術(shù)障礙。所述工藝向氣化器提供干凈且一致的生物質(zhì)原料，此工藝經(jīng)設(shè)計(jì)用于具成本效益的低容量生產(chǎn)(例如，每小時1噸至每小時5噸的進(jìn)料速度)且經(jīng)模塊化以獲得改進(jìn)的工藝控制和輕便性。使用按需有機(jī)油噴油器來向氣化裝置中補(bǔ)充生物質(zhì)霧以維持生物質(zhì)恒定且低波動的燃燒。所述氣化工藝還具有用作生物質(zhì)進(jìn)料調(diào)節(jié)器的進(jìn)料控制系統(tǒng)。隨后，在向氨/尿素形成裝置中注入合成氣前，通過合成氣流動穿過一組旋風(fēng)分離器(氣體清潔系統(tǒng)——洗滌器)來清潔經(jīng)氣化的生物質(zhì)(合成氣)。
與現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)不同，所述工藝包括轉(zhuǎn)化率30%的旁路環(huán)形再循環(huán)系統(tǒng)，其在引起幾乎100%轉(zhuǎn)化率的超高壓(約6，OOOpsi至7，OOOpsi)下以運(yùn)行。在產(chǎn)生氨期間， 高壓允許更好地分離化學(xué)損壞。通過當(dāng)今工業(yè)中常用的高容量且低壓的工藝，不能實(shí)現(xiàn)具有相同水平生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化性能。在這些現(xiàn)有技術(shù)的工藝中所運(yùn)行的壓力大約是本文所描述工藝的壓力的二分之一。
使用所述工藝的生物質(zhì)氣化還可通過改造來使用，以產(chǎn)生其他可用的產(chǎn)物。一并解決所有六個技術(shù)障礙構(gòu)成了本發(fā)明獨(dú)特特征中的一個。與現(xiàn)有技術(shù)中的工藝不同，根據(jù)本發(fā)明的工藝納入了由美國學(xué)者兼研究員Dr. W.Edwards Deming開發(fā)的系統(tǒng)“次優(yōu)化”概念，而現(xiàn)有技術(shù)中的工藝企圖最優(yōu)化工藝的各個步驟和每個步驟。次優(yōu)化的概念陳述了，整個工藝(系統(tǒng))通過最優(yōu)化各個單獨(dú)子工藝(子系統(tǒng))可導(dǎo)致次優(yōu)化的性能。在必要時， 通過次優(yōu)化子系統(tǒng)性能來獲得真正的系統(tǒng)最優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)整個或完整系統(tǒng)的最優(yōu)化。向根據(jù)本文所描述的工藝中輸入材料將經(jīng)歷額外的加工，也就是說，從粗磨到細(xì)磨和與附加的丸粒化步驟相混合的八個工藝步驟。雖然該額外的加工構(gòu)成了準(zhǔn)備工藝的次優(yōu)化，但是額外的工藝可引起完整工藝的整體最優(yōu)化。對附加的工藝內(nèi)設(shè)備、資本支出和在制備原料中的加工時間和加工精力的需要最優(yōu)化了氣化和氨/尿素生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝，從而解決了所有六個技術(shù)障礙。
本發(fā)明的另一個獨(dú)特特征是，根據(jù)此工藝建造的尿素生產(chǎn)工廠優(yōu)選地納入模塊構(gòu)造。所述工廠是基于五模塊配置，設(shè)計(jì)此配置為了使立即安裝和啟動時間/成本降至最低。 總包裝設(shè)計(jì)改進(jìn)了整體的可靠性和靈活性。模塊結(jié)構(gòu)使生產(chǎn)裝置的占據(jù)面積降至最低，同時維持了操作和維護(hù)的容易性。模塊結(jié)構(gòu)使容易性增加，使用模塊結(jié)構(gòu)既可以實(shí)施更新和改造還可以允許裝置建于中心位置且被運(yùn)輸?shù)饺澜绲娜魏蔚胤交蛟试S使用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)劃和規(guī)格在操作國來制造裝置。模塊構(gòu)造還允許將要移動到生物質(zhì)原料來源的某些模塊，諸如原料制備模塊。另外，模塊化允許當(dāng)上述模塊的技術(shù)進(jìn)步得以發(fā)展時，可通過替換特定的模塊來升級生產(chǎn)工廠，而不影響包含整個系統(tǒng)(工廠)的其他模塊。模塊化還允許縮短工藝升級和維護(hù)的停工期。
I.工藝說明 用于通過氣化生物質(zhì)來生產(chǎn)尿素的工藝(以下稱為“尿素工廠”)包括20個不同的工藝步驟，如圖1所示。本文描述了各個工藝步驟，并且指定了儀器(器械)、加工程序、 技術(shù)要求、與現(xiàn)有技術(shù)相比的設(shè)計(jì)獨(dú)特性和相關(guān)技術(shù)和工藝。
工藝步驟1-原材料(生物質(zhì))的進(jìn)入 尿素工廠具有高度的生物質(zhì)原料靈活性。一旦已知原料的重量、密度和BTU/熱值，那么可調(diào)節(jié)工藝參數(shù)(計(jì)算機(jī)數(shù)字控制)以獲得生物質(zhì)的最優(yōu)氣化。這解決了上文所列的技術(shù)障礙5和技術(shù)障礙6?？捎糜诖斯に嚨纳镔|(zhì)原料包括(但不限于)軋棉機(jī)廢料、 玉米稿稈、稻殼、甘蔗渣、紙制物品(報(bào)紙、辦公室用紙、硬紙板等)、木材(木材磨屑(wood mills)、城市廢棄木材等)、咖啡豆粕、堅(jiān)果殼、稻草、牧草、畜肥、牧豆樹、其他作物殘余物、 非洲棕櫚樹(棕櫚油)和其他生物質(zhì)材料。經(jīng)干燥為低于15%的含濕量，經(jīng)清潔以去除非有機(jī)物并且經(jīng)碾磨為一致尺寸(通過下文的工藝步驟2至工藝步驟幻的任何生物質(zhì)均為可能的原材料，原材料可單獨(dú)貯藏或者和用于使用此工藝來生產(chǎn)尿素的其他經(jīng)干燥的生物質(zhì)組合貯藏。例如，經(jīng)加料于工藝的生物質(zhì)可包括軋棉機(jī)廢料、田地收獲的棉花莖、玉米稿稈和稻草的混合物。只要存在經(jīng)高度摻合的一致原料，那么系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高水平的效率、生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)性。
在過去，用于氣化工藝的原料的一致性一直是限制生物質(zhì)使用的關(guān)鍵阻礙。原材料的制備(圖1中的步驟2至步驟1 解決了用于氣化的若干關(guān)鍵性的生物質(zhì)進(jìn)料問題 (即，上述技術(shù)障礙1至技術(shù)障礙幻，并且改進(jìn)了整體工藝的可信性、生產(chǎn)量效率和生產(chǎn)力。
工藝步驟2-開口和清潔 為了獲得氣化系統(tǒng)的效率和生產(chǎn)力，原材料(生物質(zhì))必須作為均質(zhì)摻合物(微粒尺寸、摻合物和BTU值)來供給以便維持高操作標(biāo)準(zhǔn)并且減少副產(chǎn)物的堆積，副產(chǎn)物的堆積會降低工藝效率和增加維護(hù)成本。這可以可通過一系列操作來實(shí)現(xiàn)去除非有機(jī)材料并且摻合、減少且濃縮原生物質(zhì)原料。原材料的制備從開放和清潔工藝開始，在開放和清潔工藝中向尿素工廠輸送的生物質(zhì)被倒入開口的螺旋式運(yùn)輸機(jī)，螺旋式運(yùn)輸機(jī)將原材料運(yùn)送到過篩和分離工藝步驟。
工藝步驟3-過篩和分離 在過篩和分離中，當(dāng)通過螺旋式運(yùn)輸機(jī)運(yùn)載材料時，在細(xì)網(wǎng)眼底部的上進(jìn)行運(yùn)載， 以通過去除堆積在大多數(shù)生物質(zhì)上的小的非有機(jī)顆粒物(尤其是沙)來獲得對原材料的第一級清潔，所述生物質(zhì)通常貯存于現(xiàn)場并且經(jīng)受風(fēng)吹雨打。
工藝步驟4-振動篩運(yùn)載 在所述工藝中的下一步驟是通過具有網(wǎng)狀底部的經(jīng)提升的振動運(yùn)輸機(jī)來運(yùn)載生物質(zhì)。還進(jìn)行下一步驟來去除非有機(jī)顆粒物。振動運(yùn)輸機(jī)是較主動的去除系統(tǒng)。還要求此運(yùn)輸機(jī)提升生物質(zhì)以將生物質(zhì)重力進(jìn)料到下一加工步驟(粗磨)。在材料參與非有機(jī)物去除同時對其的運(yùn)載還可通過以下設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，如螺絲鉆或氣動運(yùn)輸機(jī)，所述設(shè)備具有用于從原材料輸入中去除不理想材料的某種形式的篩分。
工藝步驟5-粗磨 粗磨是原材料制備的第一個步驟，在此步驟中可實(shí)現(xiàn)尺寸的均一性，所述尺寸優(yōu)選地在約0. 75cm至1.25Cm(l/4in.至l/2in.)范圍內(nèi)。大多數(shù)生物質(zhì)(且尤其從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得的生物質(zhì))是不同生物質(zhì)組份的組合(諸如外殼、種子、莖、葉子等之類的事物)。 在重力進(jìn)料桶式研磨機(jī)中粗糙碾磨在尺寸和形狀上不斷變化的所到達(dá)的生物質(zhì)。尺寸的減小不僅可實(shí)現(xiàn)第一級的材料分選而且是原材料清潔加工中的另一步驟，并且使原材料的體積尺寸實(shí)現(xiàn)約80 %的減小。體積尺寸的減小增加了運(yùn)送和貯存用于加工的生物質(zhì)原材料的能力。對位于將生產(chǎn)足夠用于全年尿素生產(chǎn)(或其他產(chǎn)物)的生物質(zhì)的區(qū)域的工廠而言， 這尤其關(guān)鍵，但是在全年(在收獲期間)中循環(huán)產(chǎn)生作為農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物(即，廢物流)的生物質(zhì)。以濃縮方式來進(jìn)行有效率的貯存對有效處理和運(yùn)送輸入原料而言很關(guān)鍵，另外，還減少了貯存成本。在優(yōu)選具體實(shí)例中，在系統(tǒng)中，通過此步驟每小時可加工大約9，600磅。還可以通過諸如錘磨機(jī)的構(gòu)件或其他形式的材料碾磨來實(shí)現(xiàn)此步驟。
工藝步驟6-摻合/貯存加工中的第一個步驟 所述工藝中的下一步驟使用了具有振蕩式散布機(jī)的活底摻合料斗。此工藝實(shí)現(xiàn)了增加不同類型的生物質(zhì)材料的摻合，從而實(shí)現(xiàn)更高水平的材料均一性。此步驟允許通過實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)混合物的均質(zhì)性來增加原材料的品質(zhì)。經(jīng)帶入尿素工廠最初階段的類型不斷變化的生物質(zhì)不僅材料尺寸和材料類型不均一，而且加工特性也不均一，諸如含水量、BTU (熱) 燃燒值、密度、重量和質(zhì)量。振蕩式散布機(jī)允許較好地混合生物質(zhì)材料并且活底摻合料斗的機(jī)械作用進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)的尺寸和混合均一性。還可以通過搖動器和混合器來實(shí)現(xiàn)此工藝。
工藝步驟7-摻合/貯存加工中的第二個步驟 在下一步驟中，使用提升運(yùn)輸機(jī)來運(yùn)送材料，所述提升運(yùn)輸機(jī)將生物質(zhì)重力進(jìn)料到具有振蕩式散布機(jī)的第二活底摻合料斗中(參見步驟6)。在步驟7中重復(fù)步驟6中所進(jìn)行的相同加工。
工藝步驟8-摻合鉆 步驟8使用逆向旋轉(zhuǎn)式螺旋摻合鉆來運(yùn)載并且進(jìn)一步摻合生物質(zhì)原材料。此步驟實(shí)現(xiàn)材料更精細(xì)的混合并且實(shí)現(xiàn)對可能仍存在的非有機(jī)材料的篩分。此篩分是通過位于摻合鉆底部上的篩網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的。還可以通過振動篩運(yùn)輸機(jī)或其他形式的摻合和運(yùn)輸機(jī)的組合來實(shí)現(xiàn)此工藝。
工藝步驟9-丸粒研磨進(jìn)料貯存 在工藝步驟9中，摻合鉆(步驟8)將材料提升到具有振蕩式進(jìn)料器的活底摻合料斗。該步驟用作丸粒研磨的進(jìn)料貯存并且對非有機(jī)材料進(jìn)一步過濾工藝，同時參與控制原材料(生物質(zhì))的尺寸和一致性。隨后，將材料重力進(jìn)料到下一步驟(即丸粒研磨步驟—— 步驟10)。還可以通過搖動器和混合器來實(shí)現(xiàn)此工藝。
工藝步驟10-丸粒研磨(丸?；? 所述工藝中的下一步驟是使生物質(zhì)丸?；？赏ㄟ^使用標(biāo)準(zhǔn)制粒機(jī)來實(shí)現(xiàn)此步驟。生成的丸粒尺寸可在5/32英寸至1/2英寸范圍內(nèi)，優(yōu)選在3/8英寸至1/2英寸范圍內(nèi)。 在優(yōu)選具體實(shí)例中，丸粒尺寸范圍在5/32英寸到1/4英寸，并且生成了在每立方英尺35磅至每立方英尺45磅范圍內(nèi)的經(jīng)丸?；?。在另一優(yōu)選具體實(shí)例中，丸粒尺寸范圍在3/8 英寸變動到1/2英寸，以生成如上所述在相同密度范圍中的經(jīng)丸?；?。其他密度可能也適用，這取決于正在摻合的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)。
進(jìn)行丸?；詼p小生物質(zhì)的尺寸，從而增加體積密度、降低生物質(zhì)貯存可能的火險(xiǎn)、減小貯存容量、改進(jìn)材料處理和增加貯存壽命(因?yàn)槟承┥镔|(zhì)是季節(jié)性的，所以其需要大量堆積和貯存以供整年使用)。還可以通過支撐或建造生物質(zhì)原材料的塊狀物來實(shí)現(xiàn)此工藝。
工藝步驟11-丸粒貯存工藝中 隨后，將經(jīng)丸?；纳镔|(zhì)傳送到氣化進(jìn)料裝置(步驟1 或到倉庫(步驟11)。 總之，使用網(wǎng)狀運(yùn)輸機(jī)來運(yùn)載丸粒，網(wǎng)狀運(yùn)輸機(jī)具有位于運(yùn)輸機(jī)下方的冷卻風(fēng)扇以減少丸粒的熱量(從丸?；に囍械玫?。丸粒的此冷卻可預(yù)防丸粒析水和積累熱量和濕度吸收。 這有助于維持氣化工藝所需要的生物質(zhì)的品質(zhì)。還可以通過允許材料冷卻的任何其他運(yùn)載構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)此工藝，諸如氣動運(yùn)輸機(jī)。
工藝步驟12-氣化進(jìn)料裝置 為了實(shí)現(xiàn)可能最好的氣化系統(tǒng)，必須向氣化器供應(yīng)原材料(生物質(zhì))的均質(zhì)摻合物以便維持高的操作標(biāo)準(zhǔn)。此均質(zhì)的摻合物主要通過工藝步驟6至工藝步驟8來實(shí)現(xiàn)。在步驟12中，氣化進(jìn)料裝置由順序進(jìn)料的、六腔室的活底摻合器組成。通過分散丸粒的物理性質(zhì)和日復(fù)一日地減小原材料的變化性來實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的精細(xì)摻合。還可以通過多層混合的任何其他構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)此精細(xì)的摻合。
工藝步驟13-氣化器(生物質(zhì)的氣化) 生物質(zhì)的氣化具有若干子級別的工藝步驟。首先，經(jīng)丸?；纳镔|(zhì)流動穿過精細(xì)階段的破碎機(jī)和粉碎機(jī)。此步驟十分關(guān)鍵，因?yàn)榉鬯榻?jīng)丸粒化的生物質(zhì)會使得小于約Imm 的生物質(zhì)粒度的均一尺寸減小。這些精細(xì)混合且經(jīng)摻合的生物質(zhì)的均一微粒子向氣化器提供以細(xì)霧來進(jìn)料的材料，所述材料由于均一性和尺寸和增加的表面面積之故燃燒更平和。 提高的燃燒能力可減少生成諸如焦油等副產(chǎn)物的機(jī)率。還可以通過錘磨機(jī)或任何其他形式的細(xì)磨來實(shí)現(xiàn)此粉碎步驟。隨后，將生物質(zhì)進(jìn)料到氣化器，優(yōu)選地氣化器是向上通風(fēng)的TRME 氣化器。
氣化設(shè)備具有有助于維持產(chǎn)物的高水平效率和品質(zhì)控制的若干控制小面。首先， 存在按需的有機(jī)油噴油器，其用于在氣化中補(bǔ)充生物質(zhì)霧以維持生物質(zhì)恒定且低波動的燃燒。氣化器上的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制監(jiān)視氣化的BTU值并且進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整以維持均一的燃燒輪廓。計(jì)算機(jī)數(shù)字傳感用來觸發(fā)按需的有機(jī)油噴油器。其次，氣化工藝還具有用作生物質(zhì)進(jìn)料調(diào)節(jié)器的進(jìn)料控制系統(tǒng)(也是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的)，生物質(zhì)進(jìn)料調(diào)節(jié)器含有與氣化傳感器有關(guān)系的速度調(diào)整以將燃燒溫度維持在+/_25°C。速度控制加快或減慢向氣化器中進(jìn)料生物質(zhì)的速度，從而用作調(diào)控氣化溫度。通過其他形式的氣化(諸如流化床、起泡流化床、 攜帶式流化床或向下通風(fēng)氣化裝置)可實(shí)現(xiàn)此工藝。所生成合成氣的品質(zhì)解決了上文所引述的技術(shù)障礙4。
工藝步驟14-再循環(huán)的可燃物 氣化裝置的另一子組件是再循環(huán)由氣化生物質(zhì)而生成的焦油。通過操縱含氣體量來處理焦油以獲得2比1的氫-碳比率。實(shí)現(xiàn)焦油的熱裂解(使長的碳鏈斷裂)可允許再次將此工藝副產(chǎn)物(焦油)引入氣化腔室以生成有用的合成氣。此整個工藝的產(chǎn)物是合成氣、CO2和灰渣。在此工藝說明的步驟15中解決了灰渣的問題。在此工藝說明的步驟16中解決了(X)2的問題。
通過氣化裝置生成的氣體(合成氣)通過流動穿過制冷循環(huán)來冷卻，且溫度下降到低于約175°C。氣體流動穿過多階段壓縮工藝以將氣體壓力增加為約6，OOOpsi至 7，000psi。此方式可制備將向氨裝置(步驟17)加料的氣體。此冷卻和加壓是工藝要求， 因?yàn)槿绻麤]有此冷卻和加壓則將導(dǎo)致不完全的氨反應(yīng)。此工藝還可以通過氣體冷卻和加壓的任何其他構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)。
工藝步驟15-灰渣清除 在工藝步驟13中，以超過98%的轉(zhuǎn)化效率有效率氣化了經(jīng)丸?；脑希瑑H留下以進(jìn)料材料的重量為基準(zhǔn)的6%至9%的飛灰。在此工藝中生成的灰渣不包含重金屬且經(jīng)去除，并且灰渣可作為有用產(chǎn)物(肥料或用于生產(chǎn)波特蘭水泥(Portland cement))出售。
工藝步驟16-0)2加工 CO2從所述工藝中去除(剝除)(參見步驟1 且和合成氣一樣流動穿過多階段壓縮工藝以實(shí)現(xiàn)約6，OOOpsi至7，OOOpsi的壓力。隨后，將經(jīng)壓縮的CO2加料到尿素生產(chǎn)裝置(參見步驟18)。
工藝步驟17-氨裝置(生產(chǎn)中間產(chǎn)物氨) 此步驟是已知的技術(shù)并且可使用Haber-Bosch氨裝置來將合成氣轉(zhuǎn)化為氨。在此工藝中生成的氨是生產(chǎn)尿素所需要的(所含有的)中間產(chǎn)物并且直接地加料到步驟18。加工合成氣以生產(chǎn)氨的其他方法包括使用Fischer-Tropes或任何其他的氨生產(chǎn)裝置。
工藝步驟18-尿素形成 使用池式冷凝器反應(yīng)器裝置來實(shí)現(xiàn)尿素的生產(chǎn)，池式冷凝器反應(yīng)器裝置既接收步驟17中生成的氨還接收生物質(zhì)氣化(參見步驟16)中產(chǎn)生的C02。通過此裝置生成的尿素含有46重量百分比的含氮量。在工藝的此步驟中可使用將氨轉(zhuǎn)化為尿素的任何其他設(shè)備。
工藝步驟19-薄膜干燥劑或造粒(干燥液態(tài)尿素) 在步驟18中生成的尿素是液體形式。雖然尿素可以此方式出售，但是通過干燥尿素提高了貯存和運(yùn)送的容易性。通過薄膜干燥或造粒來實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)生干燥尿素。此舉使產(chǎn)物穩(wěn)定。選擇使用薄膜干燥機(jī)或造粒機(jī)純粹基于顧客的需要。
工藝步驟20-成品貯存 干燥尿素是十分穩(wěn)定且相對惰性的產(chǎn)物?？梢栽S多方式來處理貯存并且可引起某種形式的濕度控制的任何形式的貯存均為大量貯存產(chǎn)物可接受的方法。
II.模塊配置 現(xiàn)參照圖2至圖5，尿素的生產(chǎn)工藝可以是模塊化工藝，其中工藝步驟1至工藝步驟5包含原料制備模塊100，步驟6至步驟11包含丸?；K200，步驟12至步驟15包含氣化模塊300且步驟16至步驟19包含尿素轉(zhuǎn)化模塊400。與各個模塊相關(guān)的工藝設(shè)備的各種零件已映射到圖1中相應(yīng)的工藝步驟。
可為了成套操作而優(yōu)選地在標(biāo)準(zhǔn)的48-英尺平板拖車T上分別配置原料制備模塊 100、丸?；K200、氣化模塊300和尿素轉(zhuǎn)化模塊400。如果使用較小尺寸的平板拖車， 那么可能必須將模塊100、模塊200、模塊300或模塊400的單獨(dú)部件分配到具備適當(dāng)連接的兩個或兩個以上平板拖車中。
優(yōu)選地，模塊100、模塊200、模塊300和模塊400各自為橇裝式，以便到遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)卸載。提供可移動的動力工廠P來向模塊100、模塊200、模塊300和模塊400中的一個或多個模塊提供動力。模塊100、模塊200、模塊300和模塊400可運(yùn)送到相同的地理位置、可位于相同的地理位置且可在相同的地理位置進(jìn)行操作，或可分別位于不同的地理位置。雖然圖2至圖5并未圖示工藝流程和各種部件之間的互連，但是所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)者將可以識別此流程圖和各種工藝組件所需要的多種連接。
現(xiàn)參照圖6至圖9，圖示了尿素轉(zhuǎn)化模塊400的替代優(yōu)選具體實(shí)例，可配置所述尿素轉(zhuǎn)化模塊400以便能夠適合裝于標(biāo)準(zhǔn)的48-英尺平板拖車T的占據(jù)面積內(nèi)。類似于上述圖2至圖5，與尿素轉(zhuǎn)化模塊400相關(guān)的設(shè)備的各種零件已經(jīng)映射到圖1中相應(yīng)的工藝步馬聚ο 雖然已經(jīng)以某種具體程度描述了使用生物質(zhì)原料來生產(chǎn)尿素的模塊化系統(tǒng)和方法，但是在不脫離本公開的精神和范圍的情況下，構(gòu)造的細(xì)節(jié)與組件和步驟的配置的可有許多變化。因此，根據(jù)本公開的系統(tǒng)和方法僅受所附權(quán)利要求書的范圍限制，包括其要素享有的全部同等權(quán)利范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于由生物質(zhì)生產(chǎn)尿素的方法，所述方法包含以下步驟 清潔生物質(zhì)原料以去除大體上所有非有機(jī)物；摻合所述經(jīng)清潔的生物質(zhì)原料以獲得大體上均質(zhì)的摻合物； 使所述經(jīng)摻合的生物質(zhì)原料丸粒化至大體上均一的尺寸； 在氣化器中氣化所述丸粒；和使來自所述氣化器的所得的(X)2流與NH3化合以形成尿素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物質(zhì)原料包括至少兩種生物質(zhì)原料，所述兩種生物質(zhì)原料各具有至少一種不同的加工特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟混合來自各具有至少一種不同加工特性的至少兩種生物質(zhì)原料的丸粒，以生成單個大體上均質(zhì)的丸粒摻合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述生物質(zhì)原料具有低于約15重量百分比的含濕量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述經(jīng)清潔的生物質(zhì)原料包括不超過1重量百分比的非有機(jī)物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含所述丸?；襟E，其導(dǎo)致密度大體上相同的丸粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含所述丸?；襟E，其導(dǎo)致熱燃燒值大體上相同的丸粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含所述清潔步驟，其包括分選所述生物質(zhì)原料至預(yù)定尺寸的子步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含所述氣化步驟，其包括將所述丸粒粉碎為細(xì)粒徑的所述子步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述細(xì)粒徑為約1mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含所述氣化步驟，其包括以下子步驟中的至少一個子步驟將有機(jī)油注入輸入生物質(zhì)原料流中和改變向所述氣化器進(jìn)料的進(jìn)料速度以維持大體上恒定的燃燒溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)氣化所述丸粒時所述氣化器的燃燒溫度變化不超過約士 25°C。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含在600°C至850°C范圍內(nèi)的所述氣化器的燃燒溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣化器有效達(dá)到約98%的轉(zhuǎn)化效率有。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟清潔來自所述氣化器的所得的合成氣流。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟將來自所述氣化器的所得的合成氣流壓縮為約6，OOOpsi至7，OOOpsi的高壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包含以下步驟以30%的轉(zhuǎn)化率在約 6，OOOpsi至7，OOOpsi的高壓下，在旁路再循環(huán)環(huán)形中加工所述NH3。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述清潔步驟、丸?；襟E和氣化步驟中的至少一個步驟發(fā)生的地理位置與所述其他步驟中的至少一個步驟發(fā)生的地理位置不同。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中與所述清潔步驟、丸粒化步驟和氣化步驟的至少一個步驟相關(guān)的所有設(shè)備均包含于標(biāo)準(zhǔn)的平板卡車拖車的占據(jù)面積內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中與所述清潔步驟、丸?；襟E和氣化步驟的至少一個步驟相關(guān)的所有設(shè)備均是橇裝式。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于從生物質(zhì)生產(chǎn)尿素的一種模塊化系統(tǒng)和方法，所述模塊化系統(tǒng)和方法包括清潔生物質(zhì)原料以大體上去除所有非有機(jī)物；摻合經(jīng)清潔的生物質(zhì)以獲得大體上均質(zhì)的摻合物；使經(jīng)摻合的生物質(zhì)丸粒化；和在氣化器中氣化丸粒。生物質(zhì)原料可包括具有不同加工特性的生物質(zhì)材料。氣化步驟優(yōu)選地包括將丸粒粉碎為細(xì)粒徑；必要時將有機(jī)油注入輸入生物質(zhì)霧中；和控制進(jìn)料速度以維持大體上恒定的燃燒溫度。清潔所得的合成氣流且將其壓縮為約6,000psi至7,000psi的高壓。以30％的轉(zhuǎn)化率在約6,000psi至7,000psi的高壓下，在旁路再循環(huán)環(huán)形系統(tǒng)中加工所得的氨流。
文檔編號C10L5/40GK102186957SQ200980135104
公開日2011年9月14日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月12日
發(fā)明者T·R·柯林斯, J·L·西蒙敦, M·G·貝魯威德斯, J·洛扎德 申請人:4A技術(shù)有限公司