以基本上不間斷方式向容器中加入生物質的過程。如這里所應用的，術語“半連續加入”及其語法等價用語指在不發生完全泄壓的情況下不連續但按需向容器中加入生物質。可向加壓容器中提供生物質的生物質進料機構的進一步描述在下文中更為詳細地給出。
[0033]在這里所描述的實施方案中，能夠活化分子氫的各種類型流體流動催化劑均可用于存在于壓力容器內的催化還原反應器裝置中。如下文所描述的，至少一些纖維素類生物質固體也可以存在于壓力容器的催化還原反應器裝置中。因此，在固體存在下易于堵塞的催化劑如固定床催化劑通常不應用于這個位置中。可用于壓力容器的催化還原反應器裝置中的描述性催化劑類型包括如漿液催化劑、沸騰床催化劑和流化床催化劑等。相同催化劑或不同催化劑可存在于不位于壓力容器內的第二催化還原反應器裝置中。
[0034]與流體流動催化劑的使用相關的常見問題是通常需要適合的容納機構(例如催化劑篩網、過濾器等)以使催化劑保持在所希望的位置。但在這里所描述的實施方案中，已經發現可有利地使用纖維素類生物質固體以幫助流體流動催化劑保持在壓力容器內和/或提供在向其中添加生物質過程中可使催化劑容易地返回壓力容器的機構。具體地，已經發現纖維素類生物質固體的團聚可有效分隔催化劑固體以限制催化劑的自由移動。因此，纖維素類生物質固體不僅在壓力容器中消化，而且還可以在壓力容器和/或用于將纖維素類生物質固體引入壓力容器的生物質進料機構中有效作為催化劑篩網。在一些實施方案中，如果希望，在加入壓力容器中之前可將纖維素類生物質固體處理為對于篩分催化劑更有效的尺寸。此外，流體流動催化劑自由移動通過纖維素類生物質固體有利于促進催化劑的分布，由此導致更容易穩定的可溶性碳水化合物。
[0035]如以上所描述的，以類似于發生催化劑分隔的方式，這里所描述的生物質轉化系統可有助于降低由壓力容器輸送至第二催化還原反應器裝置的纖維素類生物質細顆粒的量。纖維素類生物質細顆粒可以自然存在于引入壓力容器的生物質中或在生物質經歷水熱消化的過程中產生。因此，在一些實施方案中，流體流動催化劑可以用于第二催化還原反應器裝置，或在其它實施方案中，固定床催化劑可以用于第二催化還原反應器裝置。任選地，固體分離機構也可以用于分隔輸送至第二催化還原反應器裝置的液相中的任何催化劑和/或纖維素類生物質細顆粒從而對其提供額外的保護。
[0036]這里所描述的生物質轉化系統和相關方法進一步不同于造紙和紙漿工業中的那些，后者的目的是收獲部分消化的木漿，而不是獲得盡可能大量的可溶性碳水化合物，該碳水化合物可以隨后轉化成包含含氧中間體的反應產物。由于造紙和紙漿處理的目的是獲得粗木漿，可在較低的溫度和壓力下進行這種消化過程以從生物質中脫除較少量的可以在較低溫度下脫除的可溶性碳水化合物和非纖維素類組分。在這里所描述的一些實施方案中，按干基計，可將至少60%的纖維素類生物質消化以產生包含可溶性碳水化合物的水解產物。在這里所描述的其它實施方案中，按干基計，可將至少90%的纖維素類生物質消化以產生包含可溶性碳水化合物的水解產物。考慮到造紙和紙漿處理的目的，預期在這些過程中產生少得多的可溶性碳水化合物。本發明生物質轉化系統的設計可以通過在處理纖維素類生物質的過程中最小化降解產物形成同時在水熱消化過程中保持長的停留時間來實現這種高轉化率。
[0037]盡管從穩定可溶性碳水化合物和實現優異的熱整合的角度來看，在單一壓力容器中進行組合的纖維素類生物質固體的水熱消化和可溶性碳水化合物的催化還原反應可能是有利的，但實行這種構造的生物質轉化系統可能存在若干挑戰，如以上所討論的。催化劑中毒也可能是一些催化劑的問題，因為當在與水熱消化相同的壓力容器中進行催化還原時，幾乎沒有機會從水解產物中脫除催化劑毒物。可以避免該問題的一種方法是使用耐毒催化劑，其中的一些在下面進行了討論。另一個替代方案是使用當暴露于可以在壓力容器中設立的條件下再生的催化劑。例如，在一些實施方案中，漿液催化劑可以通過暴露于至少300 °C溫度的水再生。
[0038]解決催化劑中毒問題的另一個替代方案是使用獨立的消化裝置分階段地進行纖維素類生物質固體的消化。可以使催化劑失效的許多毒物源自粗纖維素類生物質固體中的含硫化合物和含氮化合物。在比纖維素產生可溶性碳水化合物的溫度更低的消化溫度下，這些化合物可以與至少一些半纖維素和木質素一起從纖維素類生物質固體中至少部分脫除。通過控制消化溫度，可以產生富含纖維素但貧含催化劑毒物、半纖維素和/或木質素的生物質漿料，所述催化劑毒物、半纖維素和/或木質素均不希望存在于用于產生可溶性碳水化合物或由可溶性碳水化合物衍生的反應產物的過程中。有利地，在加入壓力容器和處理以產生反應產物之前，可以從生物質漿料中至少部分脫除催化劑毒物、半纖維素和/或木質素，如在這里所描述的實施方案中。也就是說，在一些實施方案中，可將至少部分貧含催化劑毒物、半纖維素和/或木質素的生物質漿料引入這里所描述的壓力容器中。
[0039]使用多個消化裝置不僅可以降低催化劑中毒的可能性，而且該使用還可以有利地降低木質素從液相中沉降和在生物質轉化系統中(例如在輸送管線等中)形成不希望的堵塞的可能性。在一些實施方案中，這里所描述的生物質轉化系統可以進一步包括木質素分離機構。通過在發生水熱消化之前從纖維素類生物質固體中脫除至少一些木質素，從液相中分離木質素可以比另外可能的分離更不頻繁地進行。
[0040]如果不在這里另外指出，應理解的是在這里的說明書中應用術語“生物質”或“纖維素類生物質”指“纖維素類生物質固體”。所述固體可以為任何尺寸、形狀或形式。纖維素類生物質固體可以以這些固體尺寸、形狀或形式的任何一種自然存在，或者它們在這里所描述實施方案中在消化前可以進一步處理。在這里所描述的實施方案中，纖維素類生物質固體也可以以漿液形式存在。
[0041 ] 在實施本發明的實施方案中，可以應用任何類型的合適生物質來源。合適的纖維素類生物質來源可以包括例如林業殘余物、農業殘余物、草本物料、市政固體廢物、廢棄和回收的紙、紙漿和造紙廠殘余物、以及它們的任意組合。因此，在一些實施方案中，合適的纖維素類生物質可以包括例如玉米秸桿、稻草、甘蔗渣、芒草、蜀黍殘余物、柳枝稷、竹子、水葫蘆、硬木、硬木肩、硬紙漿、軟木、軟木肩、軟紙漿和/或它們的任意組合。葉子、根、種子、莖、殼等可以用作纖維素類生物質的來源。纖維素類生物質的通用來源可以包括例如農業廢物(如玉米秸桿、稻草、種子殼、甘蔗渣、堅果殼等)、木材(如木頭或樹皮、鋸肩、木材削砍物、伐木場碎渣等)、市政廢物(如廢紙、草坪修剪物或殘渣等)、和能源作物(如白楊、柳樹、柳枝稷、苜蓿、草原須芒草、玉米、黃豆等)。可以基于如下考慮例如纖維素和/或半纖維素含量、木質素含量、生長時間/季節、生長地點/運輸成本、種植成本、收割成本等選擇纖維素類生物質。
[0042]可以在纖維素類生物質中存在的示例性的碳水化合物可以包括例如糖、糖醇、纖維素、木質纖維素、半纖維素和它們的任意組合。一旦按這里描述的實施方案通過消化過程從生物質基質中脫除了可溶性碳水化合物，可溶性碳水化合物可以通過催化還原反應被轉化為包含含氧中間體的反應產物。在一些實施方案中，包含含氧中間體的反應產物可以應用進一步的氫解反應、加氫反應、縮合反應、異構化反應、低聚反應、加氫處理反應、燒基化反應等的組合進一步轉化為生物燃料。在一些實施方案中，可以將至少一部分含氧中間體再循環至水熱消化裝置以包括至少一部分消化溶劑。從熱整合和過程效率角度來看，再循環至少一部分含氧中間體至水熱消化裝置也可能是特別有利的。
[0043]在一些實施方案中，這里所描述的生物質轉化系統可以包括: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器裝置，其中水熱消化裝置和第一催化還原反應器裝置彼此流體連通；與壓力容器操作相連的生物質進料機構，所述生物質進料機構能夠將纖維素類生物質固體引入壓力容器和也能夠從第一催化還原反應器裝置抽出反應產物；和與第一催化還原反應器裝置操作相連的氫進料管線。
[0044]在一些實施方案中，生物質轉化系統可以進一步包括在壓力容器的流體入口和生物質進料機構的流體出口間建立流體連通的流體循環回路。也就是說，在這種實施方案中，可構造生物質轉化系統使得可將液相輸送通過生物質進料機構和隨后返回壓力容器。在其它實施方案中，流體循環回路可在壓力容器的流體入口和流體出口之間直接建立流體通信。也就是說，在這種實施方案中，液相不必穿過生物質進料機構。一旦返回壓力容器，液相中的反應產物可作為水熱消化裝置中的消化溶劑和/或其中未反應的可溶性碳水化合物可經歷進一步催化還原以產生反應產物。此外，如以上所描述的，返回壓力容器的液相可有助于維持它的熱分布。
[0045]在一些實施方案中，流體循環回路可以進一步包括含能夠活化分子氫的第二催化劑的第二催化還原反應器裝置。如以上所描述的，第二催化還原反應器裝置可以用于使液相內的可溶性碳水化合物進一步轉化為反應產物。在一些實施方案中，第一催化劑和第二催化劑可為相同的。在其它實施方案中，第一催化劑和第二催化劑可為不同的。以下進一步描述用于催化還原反應器裝置的適合催化劑。
[0046]在一些實施方案中，這里所描述的生物質轉化系統可以包括: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器裝置，其中水熱消化裝置和第一催化還原反應器裝置彼此流體連通；與壓力容器操作相連的生物質進料機構，生物質進料機構能夠在壓力容器保持加壓態時將纖維素類生物質固體引入壓力容器；與第一催化還原反應器裝置操作相連的氫進料管線；和流體循環回路，所述流體循環回路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器裝置。
[0047]具有獨立的水熱消化裝置和催化還原反應器裝置的壓力容器的各種構造是可能的。在一些實施方案中，壓力容器可包括環狀結構，所述第一段構成環狀結構的外部部分，和所述第二段構成環狀結構的內部部分。也就是說，在這種實施方案中，生物質轉化系統可包括內部第一催化還原反應器裝置和外部水熱消化裝置，二者均保持在外部壓力殼體內。在其它實施方案中，所述第一段和第二段可彼此并排在壓力容器中。壓力容器的其它構造也是可能的，通常流體相連但彼此分開的具有水熱消化裝置和催化還原反應器裝置的任何壓力容器均可用于本實施方案中。
[0048]圖1和2示意性給出了描述性的壓力容器，所述壓力容器包括水熱消化裝置和催化還原反應器裝置，二者流體相連但彼此分開。圖1示意性給出了描述性的環狀壓力容器I，所述環狀壓力容器I包括容納在外部壓力殼體4內的內部催化還原反應器裝置2和外部水熱消化裝置3。圖2示意性給出了描述性的壓力容器5，其中水熱消化裝置6和催化還原反應器裝置7彼此并排在外部壓力殼體8內。盡管圖1和2描述了基本上圓筒狀構造的壓力容器，但應該認識到可以使用任何的形狀。圖1和2中的箭頭代表在消化過程中水解產物和主體生物質的流向和當在轉化為反應產物的過程中通過催化還原反應器裝置時液相的流向。如圖1和2所描述的，催化還原反應器裝置2和7作為氣流提升、漿液或沸騰床反應器操作。但也可以使用其它反應器構造。上述壓力容器可與這里所描述的生物質轉化系統結合使用。圖3和4，將在下文進行更詳細地討論，其中給出了描述性的生物質轉化系統，所述生物質轉化系統具有容納在壓力容器內的水熱消化裝置和催化還原反應器裝置。
[0049]在一些實施方案中，生物質轉化系統可包括與壓力容器操作相連的生物質進料機構。在一些實施方案中，生物質進料機構能夠在壓力容器保持加壓態時將纖維素類生物質固體引入壓力容器。在一些實施方案中，生物質進料機構也可以從壓力容器抽出反應產物。在各種實施方案中，生物質進料機構可包括在低壓態(例如常壓)和高壓態間轉換的壓力過渡區。在一些另外的實施方案中，生物質進料機構可以進一步包括常壓區。可將纖維素類生物質固體引入壓力過渡區中，和可將它們的壓力增加至適合于引入壓力容器的水平。
[0050]當存在時，生物質進料機構的適合的常壓區可以包括如輸送帶、振動管輸送器、螺桿進料器或輸送器、儲罐、緩沖罐和倉式分配器等。可操作用于向壓力容器連續或半連續加入纖維素類生物質固體的適合的壓力過渡區可以包括如共同擁有的美國專利申請公開US2013/0152457和US 2013/0152458中所述的加壓螺桿進料器、壓力轉換室等。
[0051]在一些實施方案中，生物質進料機構可允許纖維素類生物質固體在壓力容器不完全泄壓的情況下被引入壓力容器。在引入壓力容器前使纖維素類生物質固體加壓可以允許水熱消化裝置保持加壓狀態和連續操作。如上面所描述的，加壓可以有助于維持生物質消化過程的熱整合和能量效率。使纖維素類生物質固體加壓的更多好處也在下文中進行討論。
[0052]在一些實施方案中，通過將壓力容器中的至少部分液相引入壓力過渡區可以至少部分使生物質進料機構內的纖維素類生物質固體加壓。在一些或其它實施方案中，通過向壓力過渡區引入氣體可以至少部分使壓力過渡區加壓。在一些實施方案中，所述液相可以包括作為催化還原反應的反應產物產生的有機溶劑。在其它實施方案中，可以應用外部溶劑使壓力過渡區加壓。
[0053]使用來自消化裝置的液相使纖維素類生物質固體加壓可以實現至少兩個好處。首先，在液相存在下使生物質固體加壓可能會使消化溶劑滲入生物質固體，一旦引入壓力容器中，這可能使生物質固體浸泡在消化溶劑中。另外，通過在壓力過渡區中向生物質固體中加入熱的液相，一旦引入壓力容器中，可能需要較少的能量輸入使生物質固體升溫。這些特征均可以提高消化過程的效率。
[0054]圖3示意性給出了描述性的生物質轉化系統，所述生物質轉化系統具有容納在壓力容器內的水熱消化裝置和催化還原反應器裝置。為了簡明，圖3描述了圖1中描述的環狀壓力容器構造。但應該認識到其它壓力容器構造也可用于這里所描述的實施方案中。此夕卜，容納在壓力容器內的催化還原反應器裝置以剖視圖的形式給出，從而其中的纖維素類生物質固體和催化劑顆粒可更清楚地進行描述。
[0055]如圖3所示，生物質轉化系統10包括壓力容器12，它包括外部壓力殼體18內的水熱消化裝置14和第一催化還原反應器裝置16。水熱消化裝置14和第一催化還原反應器裝置16通過流體導管區26彼此流體偶聯。流體導管區26允許在水熱消化裝置14內產生的水解產物在重力作用下向下流動和之后在分子氫存在下在第一催化還原反應器裝置16內被向上輸送。如圖3所描述的，通過氣流提升至少部分操作第一催化還原反應器裝置16。
[0056]可通過生物質引入機構20將纖維素類生物質固體引入壓力容器12，所示生物質引入機構20包括常壓區22和壓力過渡區24。纖維素類生物質固體可容納在常壓區22中和根據需要加入壓力過渡區24。加入壓力過渡區24的纖維素類生物質固體可從常壓轉換至加壓態使得它們可引入壓力容器12。可有存在于常壓區22和壓力過渡區24間及壓力過渡區24和壓力容器12間的各種閥門或其它壓力隔離機構，為了簡明的目的沒有對它們進行描述。本領域技術人員熟悉適合的壓力隔離機構及其用途。可將纖維素類生物質固體供應至加壓容器的適合的生物質進料機構在上文進行了詳細描述。
[0057]在操作生物質轉化系統10的過程中，可以連續或半連續基準向壓力容器12加入纖維素類生物質固體。如以上所描述的，可將纖維素類生物質固體加入生物質進料機構20和提高至加壓態。之后，纖維素類生物質固體可引入壓力容器12。當引入壓力容器12后，纖維素類生物質固體可進入水熱消化裝置14和至少部分轉化為可溶性碳水化合物。在一些實施方案中，至少部分纖維素類生物質固體也可以進入第一催化還原反應器裝置16。如下文所描述的，將纖維素類生物質固體引入第一催化還原反應器裝置16可能特別有利。
[0058]水熱消化裝置14中產生的水解產物可排入流體導管區26，隨后它可進入第一催化還原反應器裝置16和在轉化為反應產物的過程中向上流過其中。可通過氫進料管線28將分子氫引入第一催化還原反應器裝置16。第一催化還原反應器裝置16包括催化劑顆粒30和任選的纖維素類生物質固體32ο如以上所描述的，纖維素類生物質固體32可有助于將催化劑顆粒30保留在第一催化還原反應器裝置16內。第一催化還原反應器裝置16不能保留的一些催化劑顆粒可通過水熱消化裝置14內向下流動的生物質和水解產物輸送。如上面所描述的，可將這些催化劑顆粒在水解產物流向其中的過程中返回第一催化還原反應器裝置16。
[0059]如圖3所描述的，流體循環回路40在壓力容器12的流體入口 42和生物質進料機構20的流體出口 44間建立流體連通。任選地，流體循環回路可以在壓力容器12的流體出口和流體入口間建立直接流體連通。例如，在一些實施方案中，流體循環回路40可在壓力容器12的流體出口 46和流體入口 42間建立直接流體連通(見圖4)。如圖3所描述的，流體循環回路40還包括第二催化還原反應器裝置50，其中可發生水解產物的進一步轉化。可構造流體循環回路40從而當其中的液相再循環至壓力容器12時在水熱消化裝置14中建立逆流流動。其它流動方式(包括并流流動)也是可能的。沒有返回壓力容器12的反應產物可通過反應產物抽出管線64從流體循環回路40中抽出用于進一步處理。
[0060]在操作生物質轉化系統10的過程中，可有在壓力容器12和生物質進料機構20間的開放流體連通，使得液相可流過壓力過渡區24。第一催化還原反應器裝置16中產生的反應產物可通過生物質進料機構20流出壓力容器12 (即通過流體循環回路40，該流體循環回路40操作連接至壓力過渡區24)。沒有保留在第一催化還原反應器裝置16中或通過主體生物質和水解產物流返回其中的催化劑顆粒30可分隔在容納在壓力過渡區24內的纖維素類生物質固體內。一旦將這些纖維素類生物質固體引入壓力容器12中，催化劑顆粒也可以返回其中。因此，通過使液相從壓力容器12流過壓力過渡區24中的纖維素類生物質固體，可甚至更有效地保留催化劑。
[0061]在一些實施方案中，可希望使液相至少臨時不