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水热液化系统的制作方法

水热液化系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年1月10日提交的美国专利申请号16/740,339的较早申请日的权益。美国专利申请号16/740,339的全部公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开涉及将有机物或生物质转化为生物原油和气体的水热液化系统和方法。
4.感谢政府支持
5.根据美国能源部授予的合同de-ac05-76rl01830，在政府支持下做出了本发明。政府拥有本发明的某些权利。

技术实现要素：

6.本公开的某些实施例涉及水热液化系统，其包括在一系列步骤中将生物质浆料流加压和加热至指定的反应器温度和压力的多个泵和热交换器。在代表性实施例中，一种系统包括：生物质浆料源；以及第一泵，该第一泵与生物质浆料源流体连通并且被配置为将来自生物质浆料源的生物质浆料流加压至第一压力。该系统还包括第一热交换器，该第一热交换器与第一泵流体连通并且被配置为将从第一泵接收的处于第一压力下的生物质浆料流加热至第一温度。该系统还包括第二泵，该第二泵与第一热交换器流体连通并且被配置为将从第一热交换器接收的生物质浆料流加压至高于第一压力的第二压力。该系统还包括第二热交换器，该第二热交换器与第二泵流体连通并且被配置为将从第二泵接收的处于第二压力下的生物质浆料流加热至高于第一温度的第二温度。该系统还包括水热液化(htl)反应器，该htl反应器与第二热交换器流体连通并且被配置为通过从第二热交换器接收的生物质浆料流来生产生物原油。
7.在任何或所有公开的实施例中，第一压力为35巴至103巴，第一温度为149℃至316℃。
8.在任何或所有公开的实施例中，第一热交换器包括壳体和被设置在壳体中的多个管，管的内径为1.25cm至5cm，且从第一泵接收的生物质浆料流的粘度为0.3pa
·
s至20pa
·
s，使得管中的生物质浆料的流动是层流。
9.在任何或所有公开的实施例中，第一泵是浆料泵，该浆料泵被配置为泵送在水中包含15％至30％的固体的生物质浆料混合物。
10.在任何或所有公开的实施例中，第二压力为172巴至242巴，第二温度为204℃至372℃。
11.在任何或所有公开的实施例中，第二热交换器包括壳体和被设置在壳体中的多个管，管的内径为0.6cm至1.3cm，且从第二泵接收的生物质浆料流的粘度为0.2pa
·
s或更低，使得管中的生物质浆料的流动是湍流。
12.在任何或所有公开的实施例中，第二泵被配置为泵送处于93℃或更高温度下的研磨浆料。
13.在任何或所有公开的实施例中，第二热交换器被配置为从htl反应器接收产物混合物流，以在第二热交换器中加热从第二泵接收的生物质浆料流，且第一热交换器被配置为从第二热交换器接收产物混合物流，以在第一热交换器中加热从第一泵接收的生物质浆料流。
14.在任何或所有公开的实施例中，第二热交换器被配置为从htl反应器接收处于204℃至372℃的温度下的产物混合物流，且第一热交换器被配置为从第二热交换器接收处于149℃至316℃的温度下的产物混合物流。
15.在任何或所有公开的实施例中，该系统还包括第三热交换器，该第三热交换器被配置为从htl反应器接收产物混合物流以加热传热液体，第二热交换器与第三热交换器流体连通并且被配置为从所述第三热交换器接收传热液体流以加热从第二泵接收的生物质浆料流，且第一热交换器与第二热交换器流体连通并且被配置为从第二热交换器接收传热液体流以加热从第一泵接收的生物质浆料流。
16.在另一代表性实施例中，一种方法包括：将来自生物质浆料源的生物质浆料流加压至第一压力；以及在第一热交换器中，将处于第一压力下的生物质浆料流加热至第一温度。该方法还包括：将处于第一温度下的生物质浆料流加压至大于第一压力的第二压力；以及在第二热交换器中，将处于第二压力下的生物质浆料流加热至高于第一温度的第二温度。该方法还包括从生物质浆料流生产生物原油。
17.在任何或所有公开的实施例中，将生物质浆料流加压至第一压力还包括利用浆料泵将生物质浆料流加压至35巴至103巴的第一压力。
18.在任何或所有公开的实施例中，将生物质浆料流加热至第一温度还包括使生物质浆料流在第一压力下流过第一热交换器，以将生物质浆料流加热至149℃至316℃的温度。
19.在任何或所有公开的实施例中，第一热交换器包括壳体和被设置在壳体中的多个管，管的内径为1.25cm至5cm，且使生物质浆料流流过第一热交换器还包括使生物质浆料流以0.3pa
·
s至20pa
·
s的粘度流动，使得管中的生物质浆料流的流动是层流。
20.在任何或所有公开的实施例中，将处于第一温度下的生物质浆料流加压至第二压力还包括将生物质浆料流加压至172巴至242巴的第二压力。
21.在任何或所有公开的实施例中，将生物质浆料流加热至第二温度还包括使生物质浆料流在第二压力下流过第二热交换器，以将生物质浆料流加热至204℃至372℃的第二温度。
22.在任何或所有公开的实施例中，第二热交换器包括壳体和被设置在壳体中的多个管，管的内径为0.6cm至1.3cm，且使生物质浆料流流过第二热交换器还包括使生物质浆料流以0.2pa
·
s或更低的粘度流动，使得管中的生物质浆料流的流动是湍流。
23.在任何或所有公开的实施例中，从生物质浆料流生产生物原油还包括利用水热液化(htl)反应器生产生物原油；将处于第二压力下的生物质浆料流加热至第二温度还包括使产物混合物流从htl反应器流过第二热交换器；以及将处于第一压力下的生物质浆料流加热至第一温度还包括使产物混合物流从第二热交换器流过第一热交换器。
24.在任何或所有公开的实施例中，从生物质浆料流生产生物原油还包括利用水热液化(htl)反应器生产生物原油，且该方法还包括：使产物混合物流从htl反应器流过被配置为加热传热液体的第三热交换器；使传热液体从第三热交换器流过第二热交换器，以将生
物质浆料加热至第二温度；以及使传热液体从第二热交换器流过第一热交换器，以将生物质浆料流加热至第一温度。
25.在另一代表性实施例中，一种水热液化系统包括：第一液体回路，其包括：生物质浆料源；第一泵，该第一泵与生物质浆料源流体连通并且被配置为将来自浆料源的生物质浆料流加压至第一压力；第一热交换器，该第一热交换器与第一泵流体连通并且被配置为将从第一泵接收的处于第一压力下的生物质浆料流加热至第一温度；第二泵，该第二泵与第一热交换器流体连通并且被配置为将从第一热交换器接收的生物质浆料流加压至高于第一压力的第二压力；第二热交换器，该第二热交换器与第二泵流体连通并且被配置为将从第二泵接收的处于第二压力下的生物质浆料流加热至高于第一温度的第二温度；以及水热液化(htl)反应器，该htl反应器与第二热交换器流体连通并且被配置为通过从第二热交换器接收的生物质浆料流来生产生物原油。该水热液化系统还包括第二液体回路，该第二液体回路包括第三热交换器，该第三热交换器被配置为从htl反应器接收产物混合物流以加热传热液体，该第三热交换器与第二热交换器和第一热交换器串联流体连通，以利用传热液体加热第一液体回路中的生物质浆料流。
26.通过参考附图进行的以下详细描述，所公开技术的前述及其他目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
27.图1是根据一个实施例的水热液化系统的示意图，其中生物质浆料流在多个步骤中被加压和加热；
28.图2是根据一个实施例的热交换器的示意图；
29.图3是根据一个实施例的图2的热交换器的管的剖视图；
30.图4是根据另一实施例的热交换器的示意图；
31.图5是根据一个实施例的图4的热交换器的管的剖视图；
32.图6是根据一个实施例的水热液化系统的示意性框图，其中产物混合物流被用于加热单独的液体回路中的传热液体；
33.图7是示出根据一个实施例的在水热液化反应器系统中生产生物原油的方法的工艺流程图。
具体实施方式
34.水热液化(htl)是一种在反应器中利用加压的热水反应环境将含有有机材料和/或生物质的原料热化学转化为生物原油和气体的工艺。在现有系统中，生物质原料通常以浆料的形式提供，必须将其加热和加压至发生htl反应的相对较高的温度和压力。因此，现有系统首先将生物质浆料加压至反应器所需的压力，然后在一个或多个热交换器中加热加压的浆料。在典型的系统中，这可能需要在环境温度下将粘性浆料加压至3,000psi(207巴)或更高，然后在一个或多个热交换器中将加压的浆料加热至600
°
f(315℃)或更高。这种系统需要强劲的泵，该泵能够将粘性的研磨浆料泵送至高压。此外，能够适应如此高压力和粘度的研磨浆料并将其加热到如此高温度的热交换器制造困难且昂贵，热效率低，并导致产生高压降。因此，需要用于生物原油的htl生产的改进系统和方法。
35.本公开的某些实施例涉及将生物质或有机物转化为生物原油和气体的水热液化(htl)系统和相关方法。具体地，某些实施例涉及流动回路配置，其中生物质浆料原料在多个步骤中加压和加热至指定的反应器温度和压力，以导致生物质浆料粘度的变化。当生物质浆料流被加压和加热时，其粘度会显著变化。例如，在某些实施例中，生物质浆料在环境温度下的粘度可能相对较高(例如，300cp至20,000cp)(0.3pa
·
s至20pa
·
s)，使得泵送困难，并导致流体回路部件(例如，热交换器)上有相对较高的压降。然而，一旦被加热和加压到指定的反应器温度和压力(例如，在某些实施例中为630
°
f(332℃)和3,100psi(214巴))，生物质浆料可以表现出显著更低的粘度，这可以与水的粘度相比(例如，0.9cp(0.0009pa
·
s))。这可以显著降低的泵送需求，降低流路下游部件上的压降，并提高传热效率。
36.本文所述的htl系统和流动回路在多个分立的步骤中对生物质浆料进行加压和加热。例如，并非在加热之前将冷的生物质浆料加压至指定的反应器压力(或超过)，本文所述系统的某些实施例将生物质浆料加压至中间压力，然后将加压的生物质浆料加热至中间温度，该中间温度可对应于生物质浆料的指定粘度。由于更易于泵送，加热的、加压的、粘度降低的生物质浆料然后可以在一个或一系列附加步骤中被进一步加压和/或加热至指定的反应器温度和压力。与现有系统相比，分立的加压和加热可以允许系统的每个泵和热交换器被配置为用于在指定的、更窄的温度、压力和/或粘度范围内处理生物质浆料，从而导致泵送和热效率增加，并且成本显著降低。
37.图1示出了根据一个实施例的htl反应器系统10的代表性实施例。系统10可包括液体回路11，液体回路11包括与第一泵14流体连通的生物质浆料源12。生物质浆料源12可以是例如包含液体原料的罐、贮存器或其他储存装置，液体原料包含悬浮在水性液体(例如，水)中的有机物颗粒。生物质原料的代表性示例可包括植物、藻类(例如，大型藻类和微型藻类)、光合蓝藻、动物废物、食品和液体加工废物(例如，肉类固体和/或乳制品液体)、纤维素材料(例如，木材)、污水流出物(例如，城市废水)、包含任何上述材料的浆料、糊剂或污泥或任何其它有机物。在某些实施例中，液体原料可包含15质量％至30质量％的有机材料固体或颗粒以及70质量％至85质量％的水。在某些实施例中，生物质浆料源12可包括搅拌器或搅动器，以使有机物在液体中保持呈悬浮状态。在某些实施例中，通过添加水和/或有机物，可以将固液比调节或维持在指定的水平。
38.在某些实施例中，泵14可以是浆料泵，该浆料泵适于泵送含有悬浮的固体颗粒的液体。例如，在某些实施例中，泵14可以是各种动力泵中的任一种(例如，离心泵)或者各种正排量泵中的任一种，例如，活塞泵、蠕动泵、隔膜泵或齿轮泵，仅举几例。在具体实施例中，泵14可以是旋转式凸轮泵或隔膜泵。泵14可被配置为将从生物质浆料源12接收的生物质浆料流16从环境压力泵送或加压至大于环境压力的第一压力或中间压力p1。例如，在某些实施例中，第一压力p1可以是从400psi(28巴)至1,500psi(103巴)，例如，从500psi(35巴)至1,500psi(103巴)、从700psi(48巴)至1,200psi(83巴)或者从800psi(55巴)至1,100psi(76巴)。在具体实施例中，泵14可将生物质浆料流加压至1,500psi(103巴)的第一压力p1。
39.泵14可以与位于泵14下游的热交换器18流体连通。热交换器18可被配置为各种热交换器类型中的任一种，例如，平行流热交换器、逆流热交换器、壳管式热交换器或交叉流式热交换器，仅举几例。参考图2，在某些实施例中，热交换器18可被配置为壳管式热交换器，其包括位于壳体22中的多个管20。在图示的实施例中，管20可包括相应的入口24和出口
26，且壳体22可包括入口28和出口30。管20被示为从入口24沿着壳体的长度延伸，并弯曲回到出口26，出口与入口在壳体的同一端，使得管延伸穿过壳体两个“管程(pass)”。然而，管可包括任意数量的管程，并且管的入口和出口不需要位于壳体的同一侧。通过管20的流动可以沿着箭头23所示的方向，且通过壳体的流动可以沿着箭头25所示的方向，但流动方向可以颠倒。管20可包括各种金属合金中的任一种，例如，不锈钢(例如，ss316、ss316l等)、碳钢或其他钢或钛合金。
40.在某些实施例中，管20可以是热交换器的“冷侧”，并且被配置为接收待加热的液体。因此，回到图1，在某些实施例中，管20可被配置为从浆料泵14接收加压的生物质浆料流32。壳体22可以是热交换器的“热侧”，并且可被配置为接收处于升高的温度下的传热液体，以加热管20中的生物质浆料流，如下所述。
41.图3示出了代表性的管20的横截面。管20可具有内径d1和外径d2。可以选择管的内径和外径以及长度，以允许生物质浆料流过管20，同时将压力损失限制在指定的阈值或低于指定的阈值，并且使得生物质浆料被加热至指定的温度。例如，在某些实施例中，管20的内径d1可以是从0.5英寸至3英寸(1.25cm至7.5cm)，例如，0.5英寸至2英寸(1.25cm至5cm)或者0.75英寸至1.5英寸(1.875cm至3.75cm)。在具体实施例中，管20的内径d1可以是1英寸(2.5cm)。外径d2可以是0.7英寸至3.5英寸(1.78cm至8.9cm)，例如，1英寸至2.5英寸(2.5cm至6.4cm)或者1.2英寸至1.75英寸(3cm至4.5cm)。在具体实施例中，管20的外径d2可以是1.2英寸(3cm)。
42.热交换器18可被配置为在管20的入口24和出口26之间将生物质浆料的温度从环境温度(或泵14的出口处的温度)(例如，60
°
f(15℃))升高至第一温度或中间温度t1。在某些实施例中，热交换器18可被配置为将生物质浆料流加热至200
°
f至700
°
f(93℃至371℃)的第一温度t1，例如，300
°
f至600
°
f(149℃至316℃)或350
°
f至550
°
f(177℃至288℃)。在具体实施例中，热交换器18可被配置为将生物质浆料流加热至500
°
f(260℃)的第一温度t1。
43.生物质浆料流的温度升高可导致相关的粘度降低。例如，在管20的入口24处，生物质浆料流的粘度可以是200cp至30,000cp(0.2pa
·
s至30pa
·
s)，例如，300cp至20,000cp(0.3pa
·
s至20pa
·
s)或500cp至15,000cp(0.5pa
·
s至15pa
·
s)，这取决于浆料中的有机物的类型、粒度、水含量和/或其他非有机固体的存在和数量。在离开热交换器18时，生物质浆料流的粘度可以是300cp(0.3pa
·
s)或更低，例如，200cp(0.2pa
·
s)或更低、0.5cp至200cp(0.0005pa
·
s至0.2pa
·
s)或0.5cp至100cp(0.0005pa
·
s至0.1pa
·
s)。因此，离开热交换器18的经加热、加压的生物质浆料流的粘度可以显著低于入口处的粘度。
44.在某些实施例中，在以上给出的温度、压力和/或粘度范围下，并且在具有以上给出的直径范围的管20中，生物质浆料流通过第一热交换器18的至少初始部分的流动可以是层流，或者基本上是层流。也就是说，管20中的生物质浆料流的雷诺数为2300或更小，其中可以使用下面给出的公式来确定雷诺数，其中，ρ是流体的密度，u是管20中的流体的平均速度，l是特征线性尺寸(例如，管程的长度)，μ是流体的动态粘度，v是流体的运动粘度。
[0045][0046]
随着生物质浆料流被加热且粘度降低，雷诺数可增加，使得在管20的出口26处，流动可以是层流、处于过渡流态(例如，呈现出2,300至2,900的雷诺数)或湍流(例如，雷诺数
大于2,900)。
[0047]
回到图1，热交换器18的管20可以与位于热交换器18下游的第二泵34流体连通。根据反应器系统的指定流速、温度和压力，泵34可以是例如各种动力泵中的任一种(例如，离心泵)或各种正排量泵中的任一种，例如，活塞泵、蠕动泵、隔膜泵或齿轮泵，如上所述。泵34可被配置为从热交换器18接收经加压加热的生物质浆料流36，并将该流加压至高于第一压力p1的第二压力p2。例如，在某些实施例中，泵34可被配置为接收处于200
°
f(93℃)或更高(例如，300
°
f(150℃)或更高)的温度下的生物质浆料流，并且将该流加压至2,000psi至4,000psi(138巴至275巴)的第二压力p2，例如，2,500psi至3,500psi(172巴至242巴)或3,000psi至3,500psi(207巴至242巴)。在具体实施例中，泵34可被配置为将该流加压至3,100psi(214巴)的第二压力p2。在某些实施例中，离开泵34的生物质浆料流可具有与离开热交换器18时相同或相似的粘度。
[0048]
在jt实施例中，泵34可被配置为处理处于升高的温度下的研磨液体。例如，在某些实施例中，泵34可以是沸腾床循环泵或类似构造/性能的泵。
[0049]
泵34可以与位于泵34下游的第二热交换器38流体连通。在某些实施例中，热交换器38可以是被配置为类似于热交换器18的壳管式热交换器，但是可以根据系统的具体要求被配置为本文描述的任何类型的热交换器。参考图4，与热交换器18类似，热交换器38可包括被设置在壳体42中的多个管40。管40可在相应的入口58和出口60之间延伸。壳体42可包括入口62和出口64。
[0050]
参考图5，管40可具有内径d3和外径d4。在某些实施例中，管40的内径可小于第一热交换器18的管20，并且管壁可以更厚，以适应增加的压力。因此，在某些实施例中，管40的内径d3可以是0.25英寸至0.75英寸(0.6cm至2cm)，例如，0.25英寸至0.5英寸(0.6cm至1.3cm)。外径d4可以是0.33英寸至1英寸(0.8cm至2.5cm)，例如，0.5英寸至1英寸(1.3cm至2.5cm)。在具体实施例中，内径d3可以是0.35英寸(0.9cm)，外径d4可以是0.75英寸(2cm)。管40可包括不锈钢、碳钢或本文列出的任何其他金属或金属合金。
[0051]
回到图1，热交换器38可被配置为将从泵34接收的生物质浆料流44的温度从第一温度t1(或泵34的出口处的温度)(例如，513
°
f)(267℃)升高至第二温度t2。在某些实施例中，热交换器38可被配置为将生物质浆料流加热至400
°
f至900
°
f(204℃至482℃)的第二温度t2，例如，500
°
f至800
°
f(260℃至427℃)、400
°
f至700
°
f(204℃至372℃)或500
°
f至700
°
f(260℃至372℃)。在具体实施例中，热交换器38可被配置为将生物质浆料流加热至630
°
f(332℃)的第二温度t2。
[0052]
在某些实施例中，在上文针对t2给出的温度范围、上文针对p2给出的压力范围和/或上文给出的在离开泵34时的粘度范围下，在具有上文给出的直径范围的管40中，生物质浆料流通过第二热交换器38的流动可以是湍流或基本上是湍流。也就是说，根据上述公式，管40中的生物质浆料流的雷诺数可以是2,900或更大。随着生物质浆料流被加热，粘度可进一步降低，从而导致产生沿着管40的整个长度或几乎整个长度的湍流状态，且从壳体中的传热液体到生物质浆料流的热传递相关联地增加。
[0053]
在某些实施例中，该系统还可包括加热器，该加热器被配置为调整加热器46，其位于热交换器38的下游，并与热交换器38流体连通。根据系统的性能要求，调整加热器46可以是例如电阻加热器、气体加热器或任何其它类型的加热器，并且可被配置为将从热交换器
38接收的生物质浆料流48加热至第三温度t3。在某些实施例中，温度t3可以是从640
°
f至750
°
f(338℃至400℃)。然后，生物质浆料流50可以从调整加热器46流入在52处示意性地示出的htl反应器，在该反应器中，生物质浆料中的有机物可被转化成生物原油、气体和其他反应产物。
[0054]
htl反应器52可以是各种htl反应器中的任一种，例如，活塞流反应器、连续搅拌罐反应器(cstr)或湍流诱导反应器，其中有机生物质浆料流被以过热(例如，亚临界)的状态提供，并且有机物在存在各种催化剂(例如，硫化钌)的情况下被转化为生物原油、气体和其它反应产物。关于反应器配置、化学过程和可以在反应器52中使用的催化剂的进一步细节见美国专利号10,167,430和美国专利号9,758,728，这些专利通过引用并入本文。
[0055]
在某些实施例中，反应器52可与热交换器38和/或热交换器18流体连通，使得来自反应器的高温产物流或产物混合物流可被提供给热交换器的热侧或壳体侧，以加热生物质浆料流。例如，再次参考图1，包含例如生物原油、水、气体和/或其他成分的产物混合物流54可以离开反应器52，并流经过滤器56，以从产物混合物流中除去剩余的固体。在某些实施例中，固体可以被发送以供进一步处理，例如，营养物回收。然后可以将过滤的产物混合物流提供给热交换器38的壳体侧(例如，经由入口62)，在此处可以加热管40中的生物质流44。在某些实施例中，可以在400
°
f至900
°
f(200℃至485℃或204℃至482℃)的温度下，例如，400
°
f至700
°
f(204℃至372℃)的温度下，将产物混合物流提供给第二热交换器38。产物混合物流流经热交换器38可以将产物混合物流的温度从900
°
f降低至400
°
f(485℃至200℃或482℃至204℃)，例如，750
°
f至500
°
f(400℃至260℃)或600
°
f至500
°
f(315℃至260℃)。
[0056]
热交换器18的壳体和热交换器38的壳体可串联连接，使得在离开热交换器38时，产物混合物流然后可以经由入口28(图2)流入热交换器18的壳体22，在此处可以加热管20中的生物质浆料流32。在某些实施例中，产物混合物流可以在300
°
f至600
°
f(149℃至316℃)的温度下流入热交换器18。在离开热交换器18时，产物混合物流然后可以流过一个或一系列附加的热交换器或冷却器进行冷却。例如，在图示的实施例中，产物混合物流可以流过被配置为空气-液体(例如，散热片和管)热交换器66的热交换器，并从此处流到水冷壳管式热交换器68。
[0057]
产物混合物流可从热交换器68流至多相(例如，三相)分离器设备70，该设备可将产物混合物流分离成其组成成分。从产物混合物流中分离出的气体可以被提供给燃烧器72。可以将产物混合物流的水性液体提供给废水处理系统74，且可以将从产物混合物流中分离出的生物原油提供给改质器系统76，以供进一步处理。关于分离器70的更多细节见美国专利号9,404,063，该专利通过引用并入本文。
[0058]
图6示出了htl反应器系统10的另一种配置，其中提供给热交换器18和38的热侧的传热液体是除了来自反应器52的产物混合物流54之外的液体。可以在单独的液体回路78中提供该液体，该单独的液体回路包括泵80、热交换器82和可选的加热器84。热交换器38的壳体和热交换器18的壳体可以是液体回路78的一部分，并且被分别串联连接。根据系统的具体要求，液体回路78中的传热液体可以是水性液体、油、液态金属或另一种液体。泵80可以对传热液体加压，传热液体可以流至热交换器82(例如，流至管侧)，在此处可以被加热。在图示的实施例中，热交换器82(例如，热交换器的壳体侧)可以与反应器52流体连通，并且可以从反应器接收处于升高的温度(例如，400
°
f至900
°
f)(204℃至482℃)下的产物混合物流
54。高温的产物混合物流54可以加热热交换器82中的传热液体，然后可以流至热交换器66和68，以用于冷却和进一步处理，如上所述。在某些实施例中，传热液体可以在热交换器82中被加热至600
°
f至750
°
f(315℃至400℃)的温度，例如，625
°
f至725
°
f(330℃至385℃)。被加热的传热液体然后可以流到加热器84，在此处在流到热交换器38的壳体侧之前可以被进一步加热到700
°
f至800
°
f(370℃至430℃)的温度。传热液体可以加热热交换器38中的生物质浆料流，然后可以在返回到泵80之前流到热交换器18的壳侧。在某些实施例中，根据系统的具体要求，液体回路11可包括与热交换器38和反应器52之间的加热器46类似的加热器。
[0059]
本文所述的一个或多个htl反应器系统可提供优于已知系统的显著优势。例如，在现有的htl反应器系统中，用于加热生物质浆料的热交换器的资本成本(例如，设计、材料、建造、安装等)通常是整个项目中最大的费用。与直觉相反，与具有传统的单步骤泵送和加热配置的现有htl反应器系统相比，使用交替地串联布置的多个泵和热交换器在多个步骤中加压和加热生物质浆料可将这种设备的资本成本降低75％或更多，如通常在流体化学处理和高压污泥工艺(例如，超临界水氧化和湿空气氧化)中实施的那样。在某些实施例中，这可能是由于设备的降低的压力和温度操作范围使得泵和热交换器的尺寸、设计和材料发生变化。在多个阶段中对生物质浆料进行加压和加热也可导致显著的效率增益。
[0060]
例如，通过将生物质浆料加压至低于发生htl反应的压力的中间压力(例如，反应器压力的50％或更低)，第一热交换器18仅需要被配置为处理处于这些相对较低的温度和压力下的生物质浆料。与现有系统相比，这可显著降低所需的管和壳体的厚度，从而使管和壳体的材料量减少70％至95％。例如，在包括单个泵和单个热交换器的传统系统中，热交换器可能需要607ft3的金属材料，而如参考图1所述配置的两个热交换器可以实现相同或几乎相同的性能，并且总共可包括161ft3的金属材料，为传统系统中热交换器的金属材料的26％。
[0061]
与可比的现有系统相比，使用除产物混合物流以外的液体作为传热介质的系统(例如，图6的系统)可实现更大程度的材料减少。例如，传统热油系统的单个热交换器可能需要838ft3的金属材料，而包括如参考图6所述配置的两个热交换器的系统使用总共148ft3的金属材料，或者少于传统系统的热交换器所需的金属体积的20％，可以实现类似的性能。
[0062]
此外，由于第一泵送步骤中的较低的中间泵压，与现有系统相比，高性能的浆料泵14的尺寸可以减小。这可以导致显著的成本节约并提高泵送效率。此外，尽管生物质浆料在其进入第一热交换器18时相对较粘，但是浆料的相对较低的压力允许在层流状态下使用相对较大的管直径，这有助于显著降低上述的材料和建造成本。
[0063]
第二泵34还可提供额外的成本节约和效率增益。因为生物质浆料的粘度在离开热交换器18时显著降低，所以第二泵34仅需要被配置为处理高温、低粘度的液体(例如，牛顿液体)，而不是高温、高粘度的液体。此外，达到指定的反应器压力所需的压力增益更适中，从而导致与泵构造相关的额外的成本节约，并提高泵送效率。此外，由于生物质浆料的粘度在离开热交换器18和/或第二泵34时可能相对较低，所以第二热交换器38可以被配置为处理高压、低粘度的介质，这可有助于降低构造上述第二热交换器所需的材料量。热交换器38的管中的生物质浆料可实现的湍流状态也可导致传热递的显著改善。
[0064]
参考图7，一种使用多个加压和加热步骤来生产生物原油的方法可包括在方框100处将来自生物质浆料源的生物质浆料流加压至第一压力，并且在方框102处在第一热交换
器中将处于第一压力下的生物质浆料流加热至第一温度。该方法还可包括在方框104处将处于第一温度下的生物质浆料流加压至大于第一压力的第二压力，并且在方框106处在第二热交换器中将处于第二压力下的生物质浆料流加热至大于第一温度的第二温度。该方法还可包括在方框108处从生物质浆料流生产生物原油。
[0065]
尽管热交换器18和38在本文中被显示和描述为单独的结构，但实际上，根据系统的具体要求，这些热交换器可以与插置在合适位置处的泵34一起被包含在单台机器中，或者可以是单独的。
[0066]
在某些实施例中，根据系统的流速，泵14、热交换器18、泵34、热交换器38和/或反应器52中的任何一个或全部可包括并联布置的多个单元。本文描述的任何系统也可包括多于两个的泵送步骤(例如，三个泵送步骤、四个泵送步骤、五个泵送步骤等)和/或多于两个的加热步骤(例如，三个加热步骤、四个加热步骤、五个加热步骤等)，并且这些泵送步骤和加热步骤可以如上所述交替进行，或者以任何其他的顺序来提供。
[0067]
术语解释
[0068]
出于本说明书的目的，本文描述了本公开的实施例的某些方面、优点和新颖特征。所公开的方法、设备和系统不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开单独地以及以彼此的各种组合和子组合的方式针对各种公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面。这些方法、设备和系统不限于任何特定的方面或特征或其组合，所公开的实施例也不要求存在任何一个或多个特定的优点或待解决的问题。
[0069]
尽管为便于展示，以特定的顺序描述了本公开的实施例中的一些的操作，但应理解，这种描述方式包括重新排列，除非下文所述的特定语言要求特定的顺序。例如，依次描述的操作在某些情况下可以被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所公开的方法可以结合其他方法使用的各种方式。
[0070]
如本说明书和权利要求书中所用，单数形式“一”、“一个”和“该(所述)”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。此外，术语“包括”意味着“包含”。此外，术语“联接(耦合)”和“关联”通常意味着电、电磁和/或物理(例如，机械或化学)联接(耦合)或链接，并且不排除在没有具体相反语言的情况下，在联接(耦合)或关联的项之间存在中间元件。
[0071]
在一些示例中，值、程序或设备可称为“最低”、“最佳”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表明可以在许多替代方案中进行选择，并且这样的选择不需要比其他选择更好、更小或更优选。
[0072]
在描述中，可使用某些术语，例如，“上”、“下”、“上部”、“下部”、“水平”、“竖直”、“左”、“右”等。当处理相对关系时，在适用的情况下使用这些术语来提供某种清晰的描述。然而，这些术语并不意味着绝对的关系、位置和/或取向。例如，对于一个物体，“上”表面可以简单地通过翻转该物体而变成“下”表面。尽管如此，这仍然是同一个物体。
[0073]
除非另有说明，否则说明书或权利要求中使用的表示组分数量、力、力矩、分子量、百分比、温度、时间等的所有数字应理解为由术语“约”来修饰。因此，除非另外指明，否则隐含地或明确地，阐述的数值参数是近似值，其可以取决于所寻求的预期特性和/或在本领域普通技术人员熟悉的测试条件/方法下的检测极限。当直接和明确地将实施例与所讨论的现有技术区分时，实施例编号不是近似值，除非列出了词语“大约”。此外，并不是本文列举的所有替代方案都是等同的。
[0074]
鉴于可应用所公开的技术原理的许多可能实施例，应认识到所示的实施例仅为优选示例，不应被视为限制本公开的范围。相反，本公开的范围至少与下面的权利要求一样宽。因此，我们要求这些权利要求的范围和精神内的所有内容。

技术特征：

1.一种系统，包括：生物质浆料源；第一泵，所述第一泵与所述生物质浆料源流体连通并且被配置为将来自所述生物质浆料源的生物质浆料流加压至第一压力；第一热交换器，所述第一热交换器与所述第一泵流体连通并且被配置为将从所述第一泵接收的处于所述第一压力下的生物质浆料流加热至第一温度；第二泵，所述第二泵与所述第一热交换器流体连通并且被配置为将从所述第一热交换器接收的生物质浆料流加压至高于所述第一压力的第二压力；第二热交换器，所述第二热交换器与所述第二泵流体连通并且被配置为将从所述第二泵接收的处于所述第二压力下的生物质浆料流加热至高于所述第一温度的第二温度；以及水热液化(htl)反应器，所述htl反应器与所述第二热交换器流体连通并且被配置为通过从所述第二热交换器接收的生物质浆料流来生产生物原油。2.根据权利要求1所述的系统，其中：所述第一压力为35巴至103巴；以及所述第一温度为149℃至316℃。3.根据权利要求2所述的系统，其中：所述第一热交换器包括壳体和被设置在所述壳体中的多个管；所述管的内径为1.25cm至5cm；以及从所述第一泵接收的所述生物质浆料流的粘度为0.3pa
·
s至20pa
·
s，使得所述管中的所述生物质浆料的流动是层流。4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一泵是浆料泵，所述浆料泵被配置为泵送在水中包含15％至30％的固体的生物质浆料混合物。5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中：所述第二压力为172巴至242巴；以及所述第二温度为204℃至372℃。6.根据权利要求5所述的系统，其中：所述第二热交换器包括壳体和被设置在所述壳体中的多个管；所述管的内径为0.6cm至1.3cm；以及从所述第二泵接收的所述生物质浆料流的粘度为0.2pa
·
s或更低，使得所述管中的生物质浆料的流动是湍流。7.根据权利要求5或6所述的系统，其中，所述第二泵被配置为泵送处于93℃或更高的温度下的研磨浆料。8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中：所述第二热交换器被配置为从所述htl反应器接收产物混合物流，以在所述第二热交换器中加热从所述第二泵接收的所述生物质浆料流；以及所述第一热交换器被配置为从所述第二热交换器接收所述产物混合物流，以在所述第一热交换器中加热从所述第一泵接收的所述生物质浆料流。9.根据权利要求8所述的系统，其中：所述第二热交换器被配置为从所述htl反应器接收处于204℃至372℃的温度下的所述
产物混合物流；以及所述第一热交换器被配置为从所述第二热交换器接收处于149℃至316℃的温度下的所述产物混合物流。10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中：所述系统还包括第三热交换器，所述第三热交换器被配置为从所述htl反应器接收产物混合物流，以加热传热液体；所述第二热交换器与所述第三热交换器流体连通并且被配置为从所述第三热交换器接收传热液体流，以加热从所述第二泵接收的所述生物质浆料流；以及所述第一热交换器与所述第二热交换器流体连通并且被配置为从所述第二热交换器接收传热液体流，以加热从所述第一泵接收的所述生物质浆料流。11.一种方法，包括：将来自生物质浆料源的生物质浆料流加压至第一压力；在第一热交换器中，将处于所述第一压力下的所述生物质浆料流加热至第一温度；将处于所述第一温度下的所述生物质浆料流加压至大于所述第一压力的第二压力；在第二热交换器中，将处于所述第二压力下的所述生物质浆料流加热至高于所述第一温度的第二温度；以及从所述生物质浆料流生产生物原油。12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述生物质浆料流加压至所述第一压力还包括利用浆料泵将所述生物质浆料流加压至35巴至103巴的第一压力。13.根据权利要求12所述的方法，其中，将所述生物质浆料流加热至所述第一温度还包括使所述生物质浆料流在所述第一压力下流过所述第一热交换器，以将所述生物质浆料流加热至149℃至316℃的温度。14.根据权利要求13所述的方法，其中：所述第一热交换器包括壳体和被设置在所述壳体中的多个管；所述管的内径为1.25cm至5cm；以及使所述生物质浆料流流过所述第一热交换器还包括使所述生物质浆料流以0.3pa
·
s至20pa
·
s的粘度流动，使得所述管中的所述生物质浆料流的流动是层流。15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，其中，将处于所述第一温度下的所述生物质浆料流加压至所述第二压力还包括将所述生物质浆料流加压至172巴至242巴的第二压力。16.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述生物质浆料流加热至所述第二温度还包括使所述生物质浆料流在所述第二压力下流过所述第二热交换器，以将所述生物质浆料流加热至204℃至372℃的第二温度。17.根据权利要求16所述的方法，其中：所述第二热交换器包括壳体和被设置在所述壳体中的多个管；所述管的内径为0.6cm至1.3cm；以及使所述生物质浆料流流过所述第二热交换器还包括使所述生物质浆料流以0.2pa
·
s或更低的粘度流动，使得所述管中的所述生物质浆料流的流动是湍流。18.根据权利要求11至17中的任一项所述的方法，其中：
从所述生物质浆料流生产生物原油还包括利用水热液化(htl)反应器生产生物原油；将处于所述第二压力下的所述生物质浆料流加热至所述第二温度还包括使产物混合物流从所述htl反应器流过所述第二热交换器；以及将处于所述第一压力下的所述生物质浆料流加热至所述第一温度还包括使产物混合物流从所述第二热交换器流过所述第一热交换器。19.根据权利要求11至17中的任一项所述的方法，其中：从所述生物质浆料流生产生物原油还包括利用水热液化(htl)反应器生产生物原油；以及所述方法还包括：使产物混合物流从所述htl反应器流过被配置为加热传热液体的第三热交换器；使所述传热液体从所述第三热交换器流过所述第二热交换器，以将所述生物质浆料加热至所述第二温度；以及使所述传热液体从所述第二热交换器流过所述第一热交换器，以将所述生物质浆料流加热至所述第一温度。20.一种水热液化系统，包括：第一液体回路，包括：生物质浆料源；第一泵，所述第一泵与所述生物质浆料源流体连通并且被配置为将来自所述生物质浆料源的生物质浆料流加压至第一压力；第一热交换器，所述第一热交换器与所述第一泵流体连通并且被配置为将从所述第一泵接收的处于所述第一压力下的生物质浆料流加热至第一温度；第二泵，所述第二泵与所述第一热交换器流体连通并且被配置为将从所述第一热交换器接收的生物质浆料流加压至高于所述第一压力的第二压力；第二热交换器，所述第二热交换器与所述第二泵流体连通并且被配置为将从所述第二泵接收的处于所述第二压力下的生物质浆料流加热至高于所述第一温度的第二温度；以及水热液化(htl)反应器，所述htl反应器与所述第二热交换器流体连通并且被配置为通过从所述第二热交换器接收的所述生物质浆料流来生产生物原油；以及第二液体回路，所述第二液体回路包括第三热交换器，所述第三热交换器被配置为从所述htl反应器接收产物混合物流，以加热传热液体，所述第三热交换器与所述第二热交换器和所述第一热交换器串联流体连通，以利用所述传热液体加热所述第一液体回路中的所述生物质浆料流。

技术总结

一种水热液化(HTL)系统可包括：生物质浆料源；第一泵，其与浆料源流体连通并且被配置为将来自浆料源的生物质浆料流加压至第一压力；第一热交换器，其与第一泵流体连通并且被配置为将从第一泵接收的浆料流加热至第一温度；第二泵，其与第一热交换器流体连通并且被配置为将从第一热交换器接收的浆料流加压至高于第一压力的第二压力；第二热交换器，其与第二泵流体连通并且被配置为将从第二泵接收的浆料流加热至高于第一温度的第二温度；以及HTL反应器，其被配置为通过从第二热交换器接收的浆料流来生产生物原油。收的浆料流来生产生物原油。收的浆料流来生产生物原油。