CN101198673B - 用于转化有机材料的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过将所述材料转化为烃和其相应的产物来增加有机物材料的能含量的方法和设备。公开了一种用于将有机材料转化为烃燃料的方法。该方法包括如下步骤：将流体中的所述有机材料加压至高于225巴的压力，在存在包括元素周期表I A族的至少一种元素的化合物的均相催化剂下，将所述流体中的所述有机材料加热至高于200℃的温度。该公开的方法进一步包括将所述流体中的所述有机材料与包括元素周期IVB族的至少一种元素的化合物和/或α-氧化铝的多相催化剂进行接触的步骤，确保所述流体最初具有高于7的pH值。

Description

用于转化有机材料的方法和设备
技术领域
本发明涉及通过将有机材料转化成烃及其相应产物来强化该有机材料的能含量的方法和设备。 
背景技术
世界能源需求正在增加，而矿物燃料资源不断被消耗，导致可获得能源的竞争日益增加，由此高昂的能源价格阻碍了经济增长。为了克服这种状况，必须开始开发可再生能源。具有足够满足大部分能源需求的能力的唯一可再生能源是生物质转化。生物质通过现有技术被有效地转化为热量和电，但是占总能源消耗三分之一的运输燃料必须以高能量密度的流体形式，优选可以与矿物燃料如柴油和汽油相兼容。因此就需要有转化和强化生物质的能含量的技术。 
同时，世界各地的工厂、家庭等产生各种各样的废弃物，其结果是最近十多年来，废弃物处理已经增加到难以克服的废弃物量。废弃物堆积已经成为日益困难的难题，由此廉价有效的废弃物处理已经变得愈加重要。 
已知的废弃物处理方法是垃圾焚化。但是大量废弃物由于高水含量并不适于焚化，例如污泥和工业废水处理残渣。这种废弃物的焚化需要额外的能量输入，即总的过程能量是负数。 
鉴于此情况，已经开发出用于处理这种废弃物的方法。但是，对于可以在相同设备中处理的废弃物的种类，以及对于有多少转化的废弃物变成可回收的产物来说，这些已知方法仍然是非常有限的。另外，与加入到该方法中的能量的量相比，被转化为可循环产物的有机材料的能量仍然非常低。因此，为了使有机材料的转化具有商业价值，仍然需要更加节省能量的方法。 
而且，已知的方法已经显示出，焦碳和烟灰以如下量沉积在装置内，使得需要进行定期清理。这种清理操作是耗时的，因此也是昂贵的。 
用于制备转化有机材料的装置的材料的腐蚀在已知方法中存在这样的问题，用于这些部件的材料不得不选择更昂贵的材料类。腐蚀问题已经增加了用于转化的设备的成本，由此降低了使用废弃物转化代替垃圾焚化的动力。 
发明内容
本发明的目的是提供一种用于将有机材料如废弃物、污泥、生物质等转化为可再生产物如烃燃料的改进方法和改进装置，该方法至少部分克服或至少减轻上述问题和缺点。 
本发明的另一目的是由有机材料的转化提供一种改进的可再生产物，其中所述改进的产物作为某些类的能源是可再使用的。这些目的和几个其它目的将在以下将变得清楚，它们是由本发明第一方面通过提供一种用于将有机材料转化为烃燃料的方法来获得的，所述方法包括步骤： 
-将流体中所述有机材料加压至225-600巴范围内的压力；和 
-第一加热步骤：在存在包括元素周期表I A族的至少一种元素的化合物的均相催化剂的条件下，将所述流体中的所述有机材料加热至高于200℃的温度， 
其中，该方法进一步包括步骤： 
-将所述流体中的所述有机材料与包括元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物和/或α-氧化铝的多相催化剂进行接触；以及 
-确保所述流体最初具有高于7的pH值，并且，将含有所述有机材料的所述流体的pH值保持在7-14的范围内。 
由此获得用于将有机材料转化为可再生产物的改进方法。通过将有机材料与包括周期表IVB族的至少一种元素的化合物和/或α-氧化铝的多相催化剂进行接触，所述催化剂可以重新使用，连续地转化有机材料是可能的。由此用于转化一定量的有机材料所消耗的催化剂的量降低，从而用于转化该材料的成本极大地降低。另外，由于将催化过程分成两个单独的过程提高了转化的速率，处理时间已经极大地降低。 
而且，通过调节流体至pH值高于7，用于设备中的相关部件的材料的腐蚀也被极大地降低。这些材料的腐蚀已经降低至这样的量，使得便宜的标准材料就可以用于构建该装置。 
将含有所述有机材料的所述流体的pH值保持在7-14的范围内，例如7-12；优选在7-10的范围内，例如在7-9.5的范围内。由此可得到，当将有机材料转化成烃燃料时，用于该设备的相关部件的材料的腐蚀基本上降低到至少可忽略的腐蚀量。 
此外，根据本发明的方面，该方法可以包括以下步骤：将有机材料在4-15巴的压力下和在100-170℃的温度下预处理0.5-2小时。通过在此压力下预处理该有机材料，所述有机材料被预处理，由此随后的转化可以比没有预处理进行得更快。 
随后，根据本发明的另一方面，该预处理步骤可以包括减小该材料尺寸的步骤，例如切割、碾碎、研磨或者筛分的步骤或者它们的组合。通过这种尺寸减小，有机材料的转化过程甚至比没有尺寸减小进行得更快。 
另外，该预处理步骤可以包括将添加剂加入到本发明的流体中，由此，该转化过程甚至在转化时间速度方面和在由有机材料转化为烃燃料的转化中所得到的产物方面进一步改进。由有机材料的转化所得到的产物可以通过加入这些添加剂来调节，使得所获得的产物可以具有油、甲醇、水、水溶性有机物、水溶性盐等各种组成。然后可能在该可再生产物的所希望的随后应用方面调节该产物。 
在本发明的一个方面，该预处理步骤可以包括将含有所述有机材料的所述流体的pH值调节到高于7。由此得到，在转化过程的早期调节包含有机材料的流体的pH值，从而减少用于转化的过程时间。 
通过预处理包含有机材料的流体的步骤，可能增加流体中的固态材料的量，这再次导致更高的转化率，从而获得更高的生产能力。这使得转化有机材料更有效和更加节约成本。 
在本发明的另一方面，该方法可以进一步包括从包含有机材料的流体中分离颗粒的步骤。通过在包含有机材料的流体与多相催化剂接触之前分离颗粒，然后，由该转化过程所得到的产物如油基本上不受这些颗粒的限制，由此在转化过程之后更可直接重新使用。因此另一过程如精炼是不必要的。 
在本发明的另一方面，该方法可以进一步包括加热流体的第二步骤。由此，刚与多相催化剂接触之前，包括有机材料的流体的温度是可调节的，因此该过程是优选的，这会减小过程时间。而且，通过在所述早期将颗粒分离出流体，节省了显著量的用于输送被分离的颗粒的能量，这再次降低了转化过程中的总能量消耗量。 
另外，根据本发明，该方法可以包括第二颗粒分离步骤，该步骤相对于分 离颗粒的第一步骤来说仅仅为了安全的原因。与分离颗粒的第一步骤相同的原因，该步骤降低了转化过程所消耗的能量的总量。 
此外，根据本发明，该方法可以包括冷却所述流体的步骤。通过冷却所述流体，由转化有机材料所得到的产物可以在该产物的组成方面进行优化。 
有利地，根据本发明，所述冷却步骤可以通过与第一加热步骤的流体和/或在预加热步骤中的预加热步骤的流体进行热交换来进行。由此，在将流体与多相催化剂进行接触之前，在第一部分转化过程的流体中，重新利用来自该流体的热量，该流体在所述转化成可再生产物的第二部分转化之前需要冷却下来。用于转化有机材料的总能量由此保持在最小。 
根据本发明的一个方面，所述方法可以进一步包括将气体如燃料气体分离出流体的步骤。通过分离该气体，获得一种可循环的产物，这是本发明的目的。 
根据本发明的一个方面，该方法可以进一步包括如下步骤：燃料气体在第二加热步骤中用于加热流体。通过使用该分离的气体，它可被再次使用于转化有机材料，由此是可再使用的。 
此外，根据本发明，该方法可以进一步包括在第一膜过滤器中从油和水溶性盐中过滤水和水溶性有机物的步骤。通过该分离，获得可回收的产物，进一步转化为可回收产物是可能的。 
在本发明的一个方面，水和水溶性有机物在直接甲醇燃料电池中被转化为电。这是使用本发明的可回收产物之一的一种方式。它也可以被看作将可回收产物转化为以电能形式的可使用产物的随后步骤。 
根据本发明的另一方面，该方法还可以包括从水中过滤水溶性有机物的第二步骤，例如在第二膜过滤器中提纯甲醇。通过该转化步骤，获得一种可回收的产物。 
随后，所述一种或多种膜过滤器可以选自包括以下的膜滤法：超滤、纳滤、反渗透或渗透蒸发或者它们的组合。通过该选择，可获得不同种类的再生产物。 
根据本发明的一个方面，在第二过滤步骤后的水和水溶性有机物可以在反渗透过程中被转化为可饮用水。通过包括反渗透过程的方法，获得一种非常有用的可回收产物。 
根据本发明的一个方面，包括提浓的甲醇的水溶性有机物可以被循环至预 处理步骤。由此获得转化方法的进一步优化，提浓的甲醇的转化产物被再次使用。 
另外，根据本发明的一个方面，该方法可以包括相分离器，由此可获得作为产物的油的分离。 
根据本发明的一个方面，温度基本上保持不变的同时，可以进行将流体中的有机材料与多相催化剂接触的步骤。通过将接触步骤中的温度保持不变，流体与多相催化剂的接触步骤保持在相同的条件下，因此该转化在整个接触步骤期间是不变的。另外的优点是，该转化中所涉及的化学反应的平衡和反应速率在整个接触步骤期间保持不变，由此确保通过转化所形成的产物的一致性。 
在本发明的另一方面，接触步骤中的温度可以在200-650℃范围内，例如在200-450℃范围内，优选在200-374℃范围内，甚至更优选在250-374℃范围内，例如在275-350℃范围内。通过保持这些低温，与较高的温度相比，该转化过程在转化相同量的有机材料中使用更少的能量。低温与高于7的pH值共同降低了执行本发明方法的设备所使用的材料的腐蚀。 
接触步骤中的低温增加了被转化为烃燃料的有机材料的部分，由此增加了接触步骤的产油量。在所述低温下，盐的溶解度高，可比得上较高温度下的盐溶解度。由于在设备内几乎没有发生盐沉积，因此该转化过程是有利的。此外，在所述低温下，有机材料更少转化为烟灰和焦油，烟灰和焦油产物是非常不可循环的。最后，所述低温允许由更小抗腐蚀性材料来构建设备，进一步改进其竞争力。 
根据本发明的另一方面，用于所述转化的压力可以在225-600巴的范围内，例如在225-400巴的范围内，优选在225-350巴的范围内，例如在240-300巴的范围内。通过使用在这些范围内的压力，使得标准部件和设备可以用于本发明方法，由此该转化过程和设备的成本与在较高压力下的成本相比实质上被降低。 
此外，根据本发明，该方法可以进一步包括如下步骤：在小于30分钟内完成接触，例如小于20分钟，优选小于10分钟，例如小于7.5分钟，甚至更优选在0.5-6分钟的范围内，例如在1-5分钟的范围内。通过在短时间内接触流体，该转化过程时间被缩短，而没有实质上降低有机材料的转化处理。 
另外，根据本发明的另一方面，所述的元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物可以包括锆和/或钛。通过将锆和/钛用作多相催化剂，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
在本发明的另一方面，所述的元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物可以是氧化物和/或氢氧化物形式、或者两者的组合。通过使用以氧化物和/或氢氧化物形式的多相催化剂，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
有利地，根据本发明的另一个方面，所述的元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物至少部分是硫酸盐或硫化物的形式。通过使用硫酸盐或者硫化物形式的多相催化剂，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
根据本发明的一个方面，所述多相催化剂可以进一步包括选自以下组成的组的至少一种元素：Fe、Ni、Co、Cu、Cr、W、Mn、Mo、V、Sn、Zn、Si，其量最高达20wt％，例如最高达10wt％，优选最高达5wt％，例如最高达2.5wt％。通过将前述的多相催化剂与一种或多种该组的元素一起使用，转化过程时间实质上被降低，而没有降低有机材料的转化处理。 
此外，根据本发明的另一个方面，这些元素可以是氧化物和/或氢氧化物的形式，由此，转化过程时间进一步被降低，而没有降低有机材料的转化处理。 
在本发明的另一个方面，所述多相催化剂可以是悬浮颗粒、片、丸、环、圆柱体、蜂窝结构体、纤维状结构的形式和/或这些形式的组合。所述多相催化剂结构体的优点是控制与所述催化剂接触的有机材料流的流动分布，同时确保合理的压降以及与所有催化剂表面的接触。 
另外，根据本发明的另一方面，所述多相催化剂至少部分地包含在反应器中。因此可能重新使用在反应器中的部分催化剂。 
有利地，根据本发明的另一个方面，所述反应器是固定床反应器。通过使用固定床反应器，由此可能甚至更容易重新使用在反应器中的部分催化剂。 
根据本发明的一个方面，所述多相催化剂可以具有至少10m2/g的BET表面积，例如25m2/g，优选至少50m2/g，例如100m2/g，甚至更优选至少150m2/g，例如至少200m2/g。通过使用该BET表面积，转化过程时间进一步被降低，而没有降低转化过程的质量，因为确保了足够的催化剂活性表面积。 
根据本发明的另一个方面，所述多相催化剂可以包括选自以下组成的组的至少一种表面积稳定剂：Si、La、Y或Ce、或者它们的组合。通过具有该表面稳定剂，催化剂的工作寿命进一步延长，而没有降低转化过程的质量。 
有利地，根据本发明的一个方面，所述多相催化剂可以包括所述至少一种表面积稳定剂，其有效量最高达20wt％，例如有效量最高达10wt％，优选所述表面积稳定剂的有效量最高达7.5wt％，例如表面稳定剂的有效量最高达5wt％，更优选所述表面稳定剂是以0.5-5wt％，例如1-3wt％的有效量存在的。通过具有最高达20wt％的表面稳定剂，催化剂的工作寿命进一步延长，而没有降低转化过程的质量。 
在本发明的另一方面，所述多相催化剂可以在使用1000小时后具有至少10m2/g的BET表面积，例如在使用1000小时后具有至少25m2/g的BET表面积，优选在使用1000小时后具有至少50m2/g的BET表面积，例如在使用1000小时后具有100m2/g的BET表面积，甚至更优选在使用1000小时后具有至少150m2/g的BET表面积，例如在使用1000小时后具有至少200m2/g的BET表面积。通过在使用1000小时之后具有至少10m2/g的BET表面积，转化过程时间进一步被降低，而没有降低转化过程的质量，因为确保了足够的催化剂活性表面积。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述多相催化剂由红泥来生产。由此使得在转化有机材料中使用废弃物产物，其也是废弃物产物。 
另外，根据本发明，该方法可以进一步包括再循环碳酸盐和/或碳酸氢盐的步骤。通过再循环碳酸盐和/或碳酸氢盐，该方法重新使用由该转化方法所获得的产物，由此获得该方法的优化。 
根据本发明的方面，所述碳酸盐和/或碳酸氢盐的浓度可以为至少0.5wt％，例如至少1wt％，优选至少2wt％，例如至少3wt％，更优选至少4wt％，例如至少5wt％。在由均相催化剂进行的催化转化中，该碳酸盐和碳酸氢盐是重要的活化剂。 
此外，根据本发明，该方法可以进一步包括再循环至少一种醇的步骤。通过再循环至少一种醇，该方法重新使用由该转化方法所获得的产物，由此得到该方法的优化。 
根据本发明的另一个方面，所述至少一种醇可以包括甲醇，由此，非常有用的可回收产物被重新应用于优化该方法。 
根据本发明的另一个方面，所述流体中的甲醇含量可以为至少0.05wt％，例如至少0.1wt％，优选至少0.2wt％，例如至少0.3wt％，甚至更优选至少0.5wt％的甲醇，例如至少1wt％。甲醇参与在生产油产物的化学反应中，以及参与在消灭用于有机材料的分解期间形成煤烟和焦油的自由基的化学反应中。 
有利地，根据本发明的另一个方面，该方法可以包括再循环含有氢的流体。通过再循环含有氢的流体，该方法重新使用由该转化方法所获得的产物，由此得到该方法的优化。 
在本发明的另一方面，所述流体的氢含量相当于待处理的所述有机材料的量的至少0.001wt％，例如为待处理的所述有机材料的量的至少0.01wt％，优选为待处理的所述有机材料的量的0.1wt％，例如为待处理的所述有机材料的量的至少0.2wt％，甚至更优选地，所述流体的氢含量为待处理的所述有机材料的量的至少0.5wt％，例如为待处理的所述有机材料的量的至少1wt％。在转化过程中，氢参与生产饱和油化合物的化学反应中，以及参与在消灭自由基的反应，否则导致在有机材料的热分解期间形成煤烟和焦油。 
此外，根据本发明，该方法进一步包括再循环至少一种羧酸的步骤。通过再循环至少一种羧酸，该方法重新使用由该转化方法所得到的产物，由此得到该方法的优化。 
另外，根据本发明的另一个方面，所述至少一种羧酸可以包括具有相应于1-4个碳原子的链长的至少一种羧酸。所述的相应于1-4个碳原子的至少一种羧酸参与在生产油产物的化学链形成反应中。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述至少一种羧酸可以包括甲酸和/或乙酸。所述的相应于1-4个碳原子的至少一种羧酸参与在生产油产物的化学链形成反应中。 
有利地，根据本发明，在所述流体中所述羧酸的浓度可以为以重量计至少100ppm，例如以重量计至少250ppm，优选以重量计至少400ppm，例如以重量计500ppm。在该浓度水平，生产油产物的化学反应速率是足够保证将有机材料转化为所述油产物。 
在本发明的一个方面，该方法可以包括再循环至少一种醛和/或至少一种酮的步骤。通过再循环至少一种醛和/或至少一种酮，该方法重新使用由该转化方法所得到的产物，由此得到该方法的优化。 
在本发明的另一个方面，所述至少一种醛和/或至少一种酮包括具有相应于1-4个碳原子的至少一种醛和/或至少一种酮。所述相应于1-4个碳原子的至少一种醛或者酮参与在生产油产物的化学链形成反应中。 
在本发明的另一个方面，所述至少一种醛和/或至少一种酮包括甲醛和/或者乙醛。所述的相应于1-4个碳原子的至少一种醛或酮参与在生产油产物的化学链形成反应中。 
根据本发明，在所述流体中所述至少一种醛和/或至少一种酮的浓度可以为以重量计至少100ppm，例如以重量计至少250ppm，优选以重量计至少400ppm，例如以重量计至少500ppm。在该浓度水平，生产油产物的化学反应速率是足以保证将有机材料转化为所述油产物。 
有利地，根据本发明的一个方面，均相催化剂包括钾和/或钠。通过使用钾和/或钠作为均相催化剂，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理，在油产物形成中所涉及的化学反应速率增加，以有利于生产所述油产物。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述均相催化剂可以包括选自以下组成的组的一种或者多种水溶性盐：KOH、K2CO3、KHCO3、NaOH、Na2CO3或NaHCO3或者它们的组合。通过与该有机材料转化部分所形成的二氧化碳结合，所述盐被转化为碳酸盐，该碳酸盐被作为活性剂参与到该化学反应中。 
在本发明的另一个方面，所述均相催化剂的浓度可以为至少0.5wt％，例如至少1wt％，优选至少1.5wt％，例如至少2.0wt％，甚至更优选高于2.5wt％，例如至少4wt％。在该浓度水平，生产油产物的化学反应速率是足够保证将有机材料转化为所述油产物。 
另外，根据本发明的另一个方面，所述流体包括水。水是便宜并且很常用的流体，因此通过使用水，转化有机材料的方法的成本被保持最小，该方法可以使用于全世界的所有地方。 
根据本发明的一个方面，所述水可以具有至少5wt％的浓度，例如至少 10wt％，优选至少20wt％，例如至少30wt％，甚至更优选至少40wt％。待处理的所述有机材料必须是可用泵送的。 
根据本发明的另一个方面，在所述流体中所述水的浓度可以最高达99.5wt％，例如最高达98wt％，优选最高达95wt％，例如最高达90wt％，甚至更优选最高达85wt％，例如最高达80wt％。通过降低水含量，进料的热值增加，在不变的处理成本下达到增加的产油量，而没有牺牲待处理的有机材料的可用泵送性。 
在本发明的一个方面，通过转化所述有机材料，可以至少部分生产所述至少一种碳酸盐和/或者至少一种碳酸氢盐和/或至少一种醇和/或至少一种羧酸和/或者至少一种醛和/或至少一种酮。通过使用由转化过程所获得的产物，该转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。而且，节约了处理排出物流的开支。 
在本发明的另一个方面，所述至少一种碳酸盐和/或至少一种碳酸氢盐和/或至少一种醇和/或者至少一种羧酸和/或者至少一种醛和/或至少一种酮可以在接触步骤之后被再循环。由此得到，一些由转化过程所获得的产物被重新使用，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述再循环的至少部分物流可以在进入催化反应器之前以一定比例与所述流体的原料流进行混合，其中所述流体包括所述均相催化剂和待转化的有机材料。由此使一些由转化过程所获得的产物被重新使用，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
另外，根据本发明的另一个方面，再循环的物流与所述流体的原料流的比例可以在1-20的范围内，例如1-10，优选在1.5-7.5的范围内，例如在2-6的范围内，更优选在2.5-5的范围内。由此使一些由该转化过程所获得的产物被重新使用，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
有利地，根据本发明的另一个方面，所述有机材料的转化率可以为至少90％，例如至少95％，优选高于97.5％，例如高于99％，甚至更优选高于99.5％，例如高于99.9％。高转化率导致产油量的最大化，使得在油产物和矿物产物中未转化的有机材料的含量最小化或者完全消除，由此消除对提纯步骤的需求。 
根据本发明的一个方面，含有多相催化剂的所述反应器可以用热压水在预 选择的间隔进行处理。 
根据本发明的另一个方面，所述用热压水处理可以持续小于12小时，例如持续小于6小时，优选持续小于3小时，例如持续小于1小时。 
在本发明的另一个方面，在所述用热压水处理之间的间隔可以为至少6小时，例如至少12小时，优选所述用热压水处理之间的间隔可以为至少24小时，优选为至少一周。 
通过用热压水处理或者冲洗所述反应器，反应器的寿命增加，由此该方法的成本实质性降低。 
在本发明的另一个方面，所述有机材料可以选自以下组成的组：污泥，例如下水道污泥、液体肥料、玉米青贮料、沉淀池污泥、黑液、发酵的残余物、汁液生产的残余物、食用油生产的残余物、水果和蔬菜加工的残余物、食品和饮料生产的残余物、浸出液、或者渗流水或者它们的组合。 
根据本发明的一个方面，所述有机材料可以包括木质素纤维素材料(lignocelulotic materials)，其选自以下组成的组：生物质、麦秆、草、茎、木材、甘蔗渣、酒渣(wine trash)、锯屑、木片、或者能源作物或者它们的组合。 
根据本发明的另一个方面，所述有机材料可以包括废弃物，例如家庭废弃物、城市固态废弃物、废纸、自动粉碎机废料(auto shredder waste)、塑料、聚合物、橡胶、废轮胎、废电缆、CCA处理的木材、卤代机化合物、含PCB的变压器油(PCB bearing transformer oil)、电解电容、哈龙(halon)、医疗废弃物、来自肉加工的危险材料(risk material from meat processing)、肉和骨粉、液流，例如含有溶解和/或悬浮的有机材料的加工或废水流。 
有利地，根据本发明的另一方面，所述污泥可以是来自于生物处理过程的污泥。 
根据本发明的一个方面，所述有机材料可以是来自于废水处理过程的污泥。 
在本发明的另一个方面，所述生物处理过程可以是部分废水处理过程。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述生物水处理过程可以是好氧过程。 
另外，根据本发明的另一个方面，所述生物水处理过程可以是厌氧过程。 
该方法能够转化许多种上述的有机材料。即使该方法在相对低的温度和相 对低的压力下进行，所述温度和压力仍然足够消毒所得到的产物。这意味着不管什么有机材料，所得到的产物可以使用而没有感染风险，例如来源于食品生产的残余物，例如如母牛或小牛的肉将不会导致疾病BSE的传播。同样地来源于有机材料的病毒、细菌等不会在所得到产物的随后应用中进行传播。 
有利地，根据本发明的另一方面，所述有机材料可以已经进行机械脱水。通过使有机材料脱水，进料的热量值增加，导致在不变的加工成本下增加产油量，而没有牺牲待转化的有机材料的可泵送性。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述机械脱水的有机材料可以具有至少10wt％的干固体量，优选至少15wt％，更优选至少20wt％，最优选至少25wt％。 
通过该方法的预处理步骤，得到增加干固体量，这再次降低了转化过程时间。 
另外，根据本发明的另一个方面，所述有机材料可以包括污泥、木质素纤维素材料或者废弃物的混合物。 
在本发明的另一个方面，在所述流体中所述有机材料的浓度可以为至少5wt％，例如至少10wt％，优选所述有机材料的浓度为至少15wt％，例如至少200wt％，更优选所述有机材料的浓度为至少30wt％，例如至少50wt％。 
有利地，根据本发明的另一个方面，元素周期表IA族的元素可以是由燃烧生物质所获得的灰烬，或者由烧煤所获得的灰烬。 
通过将不同的有机材料混合，得到的是，在进一步的加工中使用更少的催化剂和/或加工时间的速率增加。 
本发明进一步涉及通过上述方法所获得的产物。根据本发明，所述产物可以包括油形式的烃。由此获得非常有用的产物，因为油是目前全世界非常急需的产物。在非常低的温度下操作的该方法中，可能获得诸如油的产物。 
在本发明的另一个方面，所述流体可以具有原料碳含量和原料烃含量，其中烃油产物包括至少20％的原料碳含量，如至少35％的原料烃含量，优选所述烃油产物包括至少50％的原料碳含量，如至少65％的原料碳含量，更优选地，所述烃油产物包括至少80％的原料碳含量。 
在本发明的另一个方面，在原料流中至少20％的能含量可以被回收在所述烃油产物中，例如至少35％的能含量，优选地，在原料中至少50％的能含量 被回收在所述烃油产物中，例如至少65％的原料能含量，甚至更优选至少80％的所述原料能含量被回收在所述烃油产物中。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述烃油产物包括12-16个碳原子的烃。 
有利地，根据本发明的另一个方面，所述烃油产物可以基本上不含硫。 
另外，根据本发明的另一个方面，所述烃油产物可以基本上没有卤素。 
通过本发明的方法，由此获得所述无硫和/或无卤素的烃油产物。这种无硫和/或无卤素的油产物很容易再生为新形式的能源，而没有由于硫和/或卤素引起的反应的环境污染。 
根据本发明的一个方面，所述烃油产物可以包括脂肪酸酯和/或脂肪酸甲基酯。已知所述脂肪酸酯和脂肪酸甲基酯的氧含量可以改进作为运输原料的烃油的性能，因为减少了燃料燃烧的颗粒排放物。 
根据本发明的另一个方面，所述烃油产物可以具有类似柴油的性能。该类似柴油烃燃料可以直接混入传统的柴油中，由此节约了精练油产物的成本。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述烃油产物可以具有0.1-30％范围内的氧含量。已知所述烃燃料的氧含量可以改进作为运输燃料的性能，这是因为减少了燃料燃烧的颗粒排放物。 
另外，根据本发明的另一个方面，所述烃油产物可以被吸收在矿物产物的表面。含有矿物产物的油是熔融矿物加工工艺的改进原料。 
根据本发明的另一个方面，所述烃产物还可以包括甲醇。通过进一步提纯，可以获得提纯的甲醇产物，它是燃料电池的优选燃料，或者是作为汽油的添加剂，用于生产可持续的运输原料。 
在本发明的另一个方面，包含甲醇的所述烃产物可以包括至少20％的原料碳含量，例如至少35％的原料碳含量，优选所述甲醇产物包括至少50％的原料碳含量，例如至少65％的原料碳含量，更优选所述甲醇产物包括至少80％的原料碳含量。通过进一步提纯，可以获得提纯的甲醇产物，它是燃料电池的优选燃料，或者是汽油的添加剂，用于生产可持续的运输燃料。 
在本发明的另一个方面，在原料中至少20％的能含量可以被回收在所述包括甲醇的烃产物中，例如在原料中至少35％的能含量被回收在所述包括甲醇的烃产物中，优选在原料中至少50％的能含量被回收在所述包括甲醇的烃产物 中，例如至少65％的原料能含量被回收在所述包括甲醇的烃产物中，更优选地至少80％的所述原料能含量被回收在所述包括甲醇的烃产物中。通过进一步提纯，可以获得提纯的甲醇产物，它是燃料电池的优选燃料，或者是汽油的添加剂，用于生产可持续的运输燃料。 
本发明进一步涉及使用前述的产物来驱动发动机或者发电机，用于在烧油的发电厂中生产电力，用于过程加热和家用加热。这些均是由可持续的资源生产能量的方式，然而不需要替换或更新用于从矿物燃料中生产能量所建设的硬件设施或者基础结构。 
此外，本发明涉及使用上述的产物作为石油柴油或汽油中或者悬浮燃烧系统中或在用于熔融矿物加工的方法中的混合成分。这些均是由可持续的资源生产能量的方式，然而不需要替换或更新用于从化石原料中生产能量所建立的硬件设施或者基础结构。 
另外，本发明涉及用于生产肥料产物或用于生产清洁水流的前述产物的应用。所述清洁的水流可以进一步具有可饮用水质量。 
本发明还涉及用于将有机材料转化为烃的装置，其包括： 
预转化系统和产物回收系统，所述预转化系统包括 
-用于加热包括有机材料的流体原料的第一加热单元， 
-用于接触包括有机材料的流体原料的催化反应器，和 
-用于调节所述流体至pH值高于7的调节单元， 
以及所述产物回收系统包括 
-用于将油和水溶性盐的第一物流与水和水溶性有机物的第二物流相分离的膜过滤器。 
根据本发明的一个方面，所述预转化系统可以进一步包括用于将有机材料沿着进料方向送入流体中的储罐。 
此外，根据本发明的另一个方面，所述预转化系统可以进一步包括预处理单元，其位于进料方向上的进料之后和第一加热单元之前。通过预处理包括有机材料的流体，可能增加流体中的固态材料的量，这再次产生更高的转化速率和由此更高的生产量。这导致更高的效率和节约转化有机材料的成本。 
另外，根据本发明，所述预处理系统可以进一步包括第一颗粒分离单元， 其位于进料方向上的第一加热单元之后。通过将包含有机材料的流体与多相催化剂接触之前分离颗粒，然后由转化过程所得到的产物如油基本上不受限于这些颗粒，因此，在该转化过程之后，更加可直接使用。由此可以省略另一过程如精炼。 
根据本发明，所述预转化系统可以进一步包括第二加热单元，其位于进料方向上的第一颗粒分离单元之后和催化剂反应器之前。因此可能在将流体送入反应器之前优化温度，由此优化该转化过程。 
在本发明的另一个方面，预处理系统可以进一步包括第二颗粒分离单元，其位于进料方向上的催化反应器之后。该颗粒分离单元基于相同的原因具有上述优点。 
在本发明的另一方面，预转化系统可以进一步包括用于在进料方向上将催化剂反应器之后的部分流体原料再循环到第二加热单元之前的流体原料中的设备。因此得到，一些由该转化过程所得到的产物被再使用，转化过程时间被缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
此外，根据本发明，第一加热单元可以包括第一热交换器，除了加热之外，它在来自预转化系统的流体进入产物回收系统之前使其冷却。因此获得在装置内再使用能量，并且获得与转化有机材料中所使用的总能量相同的能量。 
另外，根据本发明，所述预处理单元可以进一步包括热交换器，除了加热预加热系统中的流体之外，它在来自预转化系统的流体进入产物回收系统之前使其冷却。该热交换器基于相同的原因具有上述优点。 
根据本发明的一个方面，所述预处理单元可以进一步包括第一膨胀单元(expansion unit)，其位于第一热交换器和第二热交换器之间。因此产生气体，例如燃料气体。 
在本发明的一个方面，所述产物回收系统可以进一步包括用于分离气体例如燃料气体的气体分离单元，该气体分离单元位于进料方向上的第二热交换器之后和第一膜过滤器之前，因此将上述气体如燃料气体从剩余流体中分离。 
在本发明的另一个方面，所述产物回收系统可以进一步包括用于再循环所述气体如燃料气体以在第二加热单元中加热流体的设备。因此使一些由该转化方法所得到的产物被重新使用，该转化过程时间降低，而没有降低有机材料的转化处理。 
在本发明的另一个方面，所述产物回收系统可以进一步包括第二膨胀单元，其位于进料方向上的第一膜分离器之后。由此从流体中生产油。 
此外，根据本发明的一个方面，所述产物回收系统可以进一步包括用于将油从第一物流中分离的相分离器单元，所述相分离器单元位于进料方向上的膜过滤器之后。由此获得从流体中分离油。 
另外，根据本发明的另一方面，所述产物回收系统可以进一步包括用于将部分第一物流再循环到所述预转化系统的预处理单元中的设备。由此使一些由该转化方法所获得的产物被重新使用，该转化过程时间缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
有利地，根据本发明的另一个方面，所述产物回收系统可以进一步包括用于由第二物流发电的直接燃料电池。 
根据本发明的另一个方面，所述产物回收系统可以进一步包括一种或者多种膜过滤器，其可以选自以下组成的组的膜滤法：超滤、纳滤、反渗透、或渗透蒸发或者它们的组合。 
此外，根据本发明的一个方面，所述产物回收系统进一步包括用于从第二物流中分离提纯的甲醇化合物的第二膜过滤器。 
在本发明的另一个方面，所述产物回收系统可以进一步包括用于将来自第二物流的提纯的甲醇化合物再循环到所述预转化系统的预处理单元中的设备。由此使一些由该转化方法所得到的产物被重新使用，该转化过程时间缩短，而没有降低有机材料的转化处理。 
本发明进一步涉及包括上述设备、通过使用上述方法生产上述产物的整套装置。 
在本发明的一个方面，所述整套装置可以包括用于将有机材料供应到所述设备的装置，和用于从所述设备中移除产物的设备。 
在本发明的另一个方面，所述整套装置可以进一步包括精炼厂。 
本发明进一步涉及在将有机材料转化为烃的方法中所使用的多相催化剂，其包括元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物和/或α-氧化铝。 
另外，根据本发明的方面，所述的元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物可以包括锆和/或钛。 
此外，根据本发明的方面，所述的元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物可以是氧化物和/或者氢氧化物的形式，或者两者的组合。 
有利地，根据本发明的方面，所述的元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物可以至少部分为硫酸盐或者硫化物的形式。 
在本发明的另一个方面，所述多相催化剂可以进一步包括选自以下组成的组的至少一种元素：Fe、Ni、Co、Cu、Cr、W、Mn、Mo、V、Sn、Zn、Si，其量最高达20wt％，例如最高达10wt％，优选其量最高达5wt％，例如最高达2.5wt％。 
此外，根据本发明的另一个方面，这些元素是以氧化物和/或氢氧化物的形式。 
另外，根据本发明的另一个方面，所述多相催化剂是悬浮颗粒、片、丸、环、圆柱体、蜂窝结构体的形式和/或者这些的组合。 
在本发明的另一个方面，所述多相催化剂具有至少10m2/g的BET表面积，例如25m2/g，优选至少50m2/g，例如100m2/g，甚至更优选至少150m2/g，例如至少200m2/g。 
有利地，根据本发明的一个方面，所述多相催化剂进一步包括选自以下组成的组的至少一种表面积稳定剂：Si、La、Y和/或Ce。 
随后，根据本发明的方面，所述多相催化剂可以包括所述至少一种表面积稳定剂，其有效量最高达20wt％，例如有效量最高达10wt％，优选所述表面积稳定剂的有效量最高达7.5wt％，例如表面积稳定剂的有效量最高达5wt％，更优选所述表面积稳定剂以0.5-5wt％，例如1-3wt％的有效量存在。 
在本发明的另一个方面，所述多相催化剂可以在使用1000小时之后具有至少10m2/g的BET表面积，例如在使用1000小时之后具有至少25m2/g的BET表面积，优选在使用1000小时之后具有至少50m2/g的BET表面积，例如在使用1000小时之后具有至少100m2/g的BET表面积，甚至更优选在使用1000小时之后具有至少150m2/g的BET表面积，例如在使用1000小时之后具有至少200m2/g的BET表面积。 
最后，根据本发明的一个方面，所述多相催化剂可以由红泥生产。 
具体实施方式
如下将参考附图来描述本发明，其中： 
图1所示的是实验室规模装置的简图； 
图2所示的是总工艺流程图； 
图3所示的是本发明的产物回收的一种方案； 
图4所示的是本发明的产物回收的另一种方案； 
图5所示的是本发明的产物回收的另一种方案； 
图6所示的是本发明的产物回收的另一种方案。 
附图简要图示，是用于解释目的。图1是用于实施例中所给出的测试的实验室规模装置的简图。含有均相催化剂和待转化的有机材料的预处理流体在位置A被供应系统中。所述流体通过泵1加压，并且在加热器2中加热到大约230℃，该加热器包括热交换器和温度控制器TIC的。第二流体在位置B供应给系统。该流体通过泵3加压，并且在加热器4中将其加热到需要的温度，以获得位置4的混合流体的所希望的转化温度，所述加热器4包括热交换器和温度控制器TIC。多相催化剂位于管式催化反应器5中。在与所述多相催化剂接触之后，在冷却器6中将含有被转化的有机材料的流体冷却到环境温度，并且在过滤器7中过滤以分离和收集悬浮的颗粒。随后，通过阀8将该流体膨胀到环境压力。通过使用压力控制器PIC，控制通过8的流体来维持系统的压力。用热电偶9测量膨胀的流体的温度。将物流的液体馏分收集在集液器10中，气体在位置G从集液器中排出。通过放置在H的气体流量计(未显示)连续测量所产生的气体的流速。通过由I取出的小样品的气相色谱(未显示)测试，来分析该气体的组成，所述小样品是在由流量控制阀和压力控制器(PIC)11所建立的受控压力下取出的。 
图2所示的是本发明方法的优选方案的简图。用于转化的有机材料被装载在原料储罐(图中未显示)中。所述有机材料可以包括广泛范围的生物质和废弃物，也可以包括矿物燃料，如煤、页岩、乳化沥青油、原油的重馏分等。本发明的许多方面涉及处理来自上述的不同材料源的混合物的有机材料。 
原料储罐通常具有整套装置运转三天所需要的量。该原料储罐优选是隐藏和搅拌的筒仓，如搅拌的混凝土筒仓。包括有机材料的流体在位置A被泵送 到预处理步骤1。 
在该方案中，第一部分预处理包括减小原料尺寸，例如通过切割、碾碎、研磨和/或筛分所述材料。该尺寸减小可以是进料泵(未显示)的整体部分。在对预处理的进料操作期间，含有待处理的有机材料的流体的压力增加到4-15巴的压力。在预处理的第二部分，含有所述有机材料的流体通常被保留在预处理容器中0.5-2小时。该预处理容器优选是搅拌的容器，它被保持在100-170℃的温度，优选在110-140℃的温度范围。用于预热包括所述待处理的有机材料的所述流体的能量，优选通过回收来自要被冷却的过程物流之一的热量来提供。在该图中，这通过整合容器中的热交换器2用来回收过程物流D的热量来进行说明。 
将预处理容器中的pH值调整到高于7，优选在8-10的范围内。在本发明的许多方案中，pH值调整是通过将添加剂直接加入预处理容器中和/或通过其入口，例如通过加入碱来操作的，所述碱也可以包括元素周期表IA族的元素。所述添加剂的非限制性例子是KOH、NaOH、K2CO3、Na2CO3、来自生物质或煤燃烧的灰烬。所述添加剂可以通过物流S流入物流A或者直接流入容器1中来添加到容器中。物流S的进料可以通过进料泵(未显示)来提供。 
在停留在预处理容器期间，较大分子例如纤维素、半纤维素和木质素被水解，打开添加生物质的细胞，有利于释放细胞内含物如盐。对于大量的潜在进料，该细胞打开包括释放催化剂如来自原料本身的钾，由此得到非常有效的方法。许多其它的添加剂也可以增加有机材料的预转化，并且进一步有利于随后的加工。所述其它添加剂包括醇，例如甲醇、羧酸、醛和/或酮。在本发明优选的方案中，在预处理中所使用的许多所述添加剂在该方法中现场生成，并且通过所显示的物流E和F再循环到预处理步骤中。这些再循环物流的典型组成进一步结合图3-5来描述。 
通过进料泵3将含有预转化的有机材料的物流抽出，并且加压到操作压力如250巴。所述进料泵可以包括活塞泵。 
在加压后，对含有预转化的有机材料、均相催化剂和其它的添加剂的流体在第一加热步骤4中进行加热，其通过与来自于催化反应器的热转化产物物流进行热交换来加热。在本发明的许多应用领域中，含有预转化的有机材料的流 体的温度为低于催化反应器的操作温度20-30℃数量级。在第一加热步骤期间，进料中的有机材料进一步被热分解。在该热分解期间，可能发生许多不希望的副反应，例如烟灰和焦质物的形成。除了降低整个过程效率外，这可能导致操作问题如堵塞或者降低热交换器效率，以及在下游设备中沉积。上述添加剂减少了这些不希望的副反应，进一步增加了将有机材料转化为所希望的产物。 
由热交换器4，含有所述预转化的有机材料的流体可以通过第一颗粒分离装置5，用于收集悬浮颗粒，所述悬浮颗粒可能在加热期间的所述预转化过程中形成。该颗粒分离装置5可以包括用于颗粒分离的任何传统设备，例如旋风分离器、过滤器、重力沉降室等。所收集的颗粒由所示物流B从过程中排出。 
在第一颗粒分离装置5之后，含有所述预转化的有机材料的流体与来自于催化反应器的再循环物流进行混合。该混合通常将所混合的流体的温度增加10-20℃，该再循环进而将用于进一步转化的所希望的化合物引入原料。在与再循环的物流混合之后，该混合流体流经调温加热器(trimheater)(第二加热单元)6，其中温度升高到催化反应器7的操作温度。在本发明的许多方面，调温加热器6可以是烧气或油的加热器，优选至少部分通过再循环该方法中所生产的气体和/或其它燃料产物来提供燃料。在优选的方案中，该调温加热器通过再循环图3中I所示的生产气体来提供燃料。所述的生产气体I的再循环可以包括提纯步骤。 
在催化反应器7中，含有均相催化剂、添加剂和预转化的有机材料的流体与多相催化剂接触。所述多相催化剂通常包含在管式固定床中，并且催化反应器可以包括多管固定床。在转化期间，通常生产溶解的燃料气体、水溶性有机物和油。产物的分布可以在所得产物浓度的很大范围内调整，如以下实施例所示的，并且可以通过选择停留时间、再循环流量、反应温度、和均相催化剂以及添加剂的浓度的合适的组合来控制。 
通过泵8再循环来自于催化反应器的部分产物物流，并且与含有如上述的预转化有机材料的流体进行混合。与含预转化有机材料的流体的质量流量相对应的剩余部分，在与再循环的物流相混合之前，被抽出到该第二颗粒分离装置9。与第一颗粒分离装置相似，该第二颗粒分离装置可以包括用于颗粒分离的任何传统设备，例如旋风分离器、过滤器、重力沉降室等。主要特点是在冷却 和膨胀之前提供产油的潜在悬浮颗粒的热分离，以避免将油吸附在悬浮的颗粒上。然而，在本发明的许多应用(例如低灰含量的进料)中，该颗粒分离装置可以是任选的。在第二颗粒分离装置中所收集的颗粒通过所示的物流C从过程中抽出。 
经过第二颗粒分离装置之后，流体物流与热交换器4和热交换器2中的原料物流进行热交换而被冷却，并且通过膨胀阀10来膨胀至75-225巴的压力，在产物回收系统11中被分离。一些从产物回收系统11中分离的物流(例如物流F和/或E)可以再循环到预处理步骤(如上所述的)。产物回收系统11进一步在图3-6中进行解释和描述。 
该分离系统(图3中所示)包括气-液分离器12，将物流I中的气体产物和物流J中的液体产物分离。在一方面，气体产物被内部用于给调温加热器6提供燃料。在第一膜过滤器13中进一步分离该液体产物。该膜过滤分离是压力驱动的，在许多应用中，应用纳滤或者超滤膜。在物流L中的滤余物包括部分原料水、油产物和溶解的无机化合物，例如来自于进料和均相催化剂的盐。在大气条件下操作的油分离器(相分离单元)14中，将油产物从物流L中分离，形成油产物物流H。剩余的水和溶解的无机化合物形成物流O。物流O的主要部分循环到物流E中的预转化1和2，由此循环均相催化剂，而洗净的物流P被排放以平衡进料中的无机化合物输入量。 
进一步膜过滤渗透过程(由物流K表示)示于图4-6。物流K含有较小量的水溶性有机物，例如C1-4的醇和羧酸。 
在一种如图4所示的方案中，物流K被送入分离单元(膜过滤器)15，在物流G中生产饮用水质量的纯水，以及在物流F中的水溶性有机物物流。在本发明的方案中，该分离单元15是反渗透膜单元，其包括多个膜模块。在物流F中所保留的水溶性有机物被循环到预转化步骤1和2中。 
在如图5所示的另外方案中，物流K被分成浓缩的水溶性有机物流F和有机物耗尽的水流Q。在许多应用中，所涉及的分离单元16是由温度或浓度梯度驱动的膜分离，象膜蒸馏或者渗透蒸发。水流Q在精加工步骤17中进一步提纯，生产纯水流G。精加工步骤17优选是活性碳过滤或者用于从水流中吸收非常低浓度的杂质的设备。 
在图6中所说明的方案中，水溶性有机物流K被送入直接甲醇燃料电池18，产生电和过程水流R。直接甲醇燃料电池18可能包括进料流和流出物调整步骤。 
实施例 
说明性实施例1：下水道污泥的转化 
根据本发明的方面，在如图1中所示的实验室规模的设备中转化以下厌氧性消化的污泥。该污泥的干物含量为5％。干物质的主要成分以重量％计为： 
C＝28.3％ 
H＝4.33％ 
N＝3.55％ 
O＝28.4％ 
P＝4.49％ 
Al＝7.77％ 
Si＝7.44％ 
Ca＝6.95％ 
Fe＝3.17％ 
K＝1.62％ 
污泥干物质的元素分析是通过电感应合等离子体(ICP)来进一步分析的，其结果显示出如下的组成： 
C[％] O[％]  Al[％]     H[％]     Ca[％]     Si[％]     N[％]     P[％]     K[％]
30.9  30.5  6.15     5.2     5.03     4.98     4.66     4.62     2.36
 Cl[％]      S[％]     Fe[％]   Na[％]   Mg[％]   Zn[％]   Ti[％]   Ba[％]   Mn[％]
 1.13     1.09     1.04   0.938   0.875   0.226   0.195   0.0652   0.0375
所得到的下水道污泥中，可燃烧的馏分达到干物质含量的58％，其热值为22.2MJ/kg，转换成卡路里值为476KJ/kg。 
在测试之前，通过如下方式将其尺寸减小至1mm来预处理污泥：用西派克(Seepex)切碎机(型号25/15-I-I-F12-2)将较长的颗粒切碎、和用胶体研磨机(Probst und Class，型号N100/E)进行研磨，并用筛篮过滤器(筛孔宽 1mm)过滤。 
随后将1.5wt％的钾以碳酸钾形式被添加到所得到的浆料中。该浆料的pH值为9.0。 
用2.2原子摩尔％的Si来稳定125ml的ZrO2多相催化剂。将以长为3mm和直径为3mm的圆柱体颗粒形式的催化剂添加到管式反应器中。 
将63g/h的预处理污泥加压至250巴，并在预加热步骤中加热到230℃。该物流与393g/h的加压水混合，所述加压水被加热到如下温度，使得在混合之后获得基本上不变的温度360±5℃。 
该混合物流随后在反应器中与多相催化剂进行接触。原料与水的比例转化为水与原料的比例为6∶1，456g/h的总流量转化为大约4分钟的接触时间。 
在与多相催化剂接触之后，含有转化的有机材料的流体被冷却至环境温度，通过颗粒过滤器来过滤以收集悬浮的颗粒，膨胀至环境压力。在该物流中的液体馏分被收集在集液器中，将气体排放。 
该实验获得三股产物物流：气体、含水产物和固体沉淀物。收集用于分析的样品15.5小时。 
气体分析
通过带取样的气体流量计，连续测量所产生的气体的流量和组成。通过气相色谱法测量其组成。 
气相分析显示出如下的结果： 
    气相分析  
    氢[体积％]     55.13
    二氧化碳[体积％]     31.92
    一氧化碳[体积％]     0.00
    甲烷[体积％]     12.87
    乙烯[体积％]     0.00
    乙烷[体积％]     0.00
    丙稀[体积％]     0.00
    丙烷[体积％]     0.00
    C4-化合物[体积％]     0.00
    总量[体积％]     99.92
    总碳量，g     0.91
[0211]  液相分析
液体产物包含悬浮颗粒。通过离子色谱法、电感等离子体发射(ICP)和高温总碳分析器和质谱法，分析所过滤的液体。液相分析显示出如下结果： 
  液相分析  
  pH     8.32
  总有机碳量(TOC)，[以重量计，ppm]     726.8
  总无机碳量(TIC)，[以重量计，ppm]     361.5
  总碳量，[以重量计，ppm]     1088.3
  甲醇[以重量计，ppm]     600
  乙醇[以重量计，ppm]     300
  乙酸[以重量计，ppm]     332.7
  甲酸[以重量计，ppm]     10.3
  乙醛[以重量计，ppm]     104.9
  液相中的总碳量     9.30g
在流体中发现无机碳内含物，主要是由于存在碳酸盐。 
固相分析
通过总碳量分析器和通过由电感耦合等离子体分析器(ICP)的元素分析，分析固体部分。在所使用的实验条件下，发现有机相被吸附在无机物颗粒上。 
在固体分析之前，用CH2Cl2萃取有机相。发现可萃取的有机碳部分是油相，主要由链长为12-16个碳原子的饱和烃组成，可与燃料或者柴油相容。该油含有2-十六烷酮、十七烷、6，10-二甲基-2-十一烷酮、十六烷、3-甲基-吲哚、2-十三烷酮和其它的化合物。在萃取的油中所进行的硫和卤素分析显示出，该油基本上不含硫和卤素化合物。从固体中提取的油的总量为3.86g，在油相中发现的总碳量等于3.28g。 
在萃取被吸附的油以后，在固相产物中没有检测到碳，这显示出原料中的有机材料的100％转化率。由以下的碳平衡可以推断出相同的结果。 
碳平衡
输入C 输出C  
下水道污泥：13.81g 0.91g的气体C→ 4.97％
K2CO3：4.51g 4.34g的TIC液体→ 23.68％
  9.3g的TOC液体→ 50.74％
  0.0g的TOC固体→ 0.00％
  3.28g的油中C→ 17.9％
∑18.33g ∑17.83g  转化→ 97.3％
能量平衡
    组分     热量值[kJ/kg]     数量[g]   能量比例   [％原料的能量输入]
    原料污泥     476     976.5  
       
    甲烷     50,400     0.25     2.71
    氢     240,103     0.21     10.8
    甲醇     19,918     13.67     58.6
    油     41,900     3.86     34.8
    总量         107.0
说明性实施例2：下水道污泥的转化 
使用相同的催化剂和实验装置，预处理和转化厌氧性消化的污泥(具有在实施例中给出的上述特征)。 
将140g/h的被预处理的下水道污泥加压到250巴，在预加热步骤中，加热到230℃。该物流与414g/h的加压水进行混合，所述加压水加热到如下温度，使得在混合后获得基本上不变的温度：300±5℃。 
随后，所混合的物流在反应器中与多相催化剂进行接触。原料与水的比例换算成水与原料的比例为3∶1，545g/h的总流量换算为3.3分钟的接触时间。 
在与多相催化剂接触后，将含有被转化的有机材料的流体冷却到环境温度，通过用于收集悬浮颗粒的颗粒过滤器进行过滤，并且膨胀到环境温度。物流中的液体馏分被收集在集液器中，将气体排出。 
该实验获得三种产物物流：气体、含水产物和固相沉淀物。收集用于分析的样品10.5小时。 
气相分析
气相分析显示出如下结果： 
    气相分析  
    氢[体积％]     31.36
    二氧化碳[体积％]     41.17
    一氧化碳[体积％]     2.25
    甲烷[体积％]     24.22
    乙烯[体积％]     0.00
    乙烷[体积％]     0.00
    丙稀[体积％]     0.00
    丙烷[体积％]     0.00
    C4-化合物[体积％]     0.00
    总量[体积％]     99.00
    总碳量，g     0.54
液相分析 
液相分析显示出如下结果： 
液体分析  
pH     7.42
总有机碳量(TOC)，[以重量计ppm]     985.1
总无机碳量(TIC)，[以重量计ppm]     439.3
总碳量，[以重量计ppm]     1424.4
甲醇[以重量计ppm]     800
乙醇[以重量计ppm]     0
乙酸[以重量计ppm]     347.2
甲酸[以重量计ppm]     43.2
乙醛[以重量计ppm份]     156.5
液体中的总碳量     13.33g
[0235] 在液相中发现无机碳内含物，主要是由于存在碳酸盐。 
固相分析
通过总碳量分析器分析固体部分。在所使用的实验条件下，发现有机相被吸附在无机物颗粒上。 
在固相分析之前，用CH2Cl2萃取有机相。发现可萃取的有机碳馏分是油相，主要由链长为12-16个碳原子的饱和烃组成，由此可以与燃料油或者柴油相容。该油含有2-十六烷酮、十七烷、6，10-二甲基-2-十一烷酮、十六烷、3-甲基-吲哚、2-十三烷酮和其它的化合物。由固体中所萃取的油的总量为12.73g，在油相中所发现的总碳量等于10.83g。 
在萃取被吸附的油之后，固相产物中没有检测到碳，这显示出原料中的有机材料的100％转化率。 
碳平衡
输入C 输出C  
下水道污泥：20.58g 0.54g的气体C→ 1.97％
K2CO3：6.78g 6.43g的TIC液体→ 23.5％
  6.3g的TOC液体→ 23.02％
  0.0g的TOC固体→ 0.00％
  10.83g的油中C→ 39.58％
∑27.36g ∑24.1g转化→ 88.1％
能量平衡
    组分   热量值[kJ/kg]   数量[g]     能量分数     [％原料的能量输入]
  原料污泥     476     1470  
       
  甲烷     50,400     0.25     2.01
  氢     240,103     0.07     2.40
  甲醇相当物     19,918     9.30     26.37
  油     41,900     12.73     76.2
  总量         107.0
[0244] 说明性实施例3：玉米青贮料的转化 
使用与实施例1和2中所述的相同催化剂和实验装置，预处理和转化玉米青贮料。 
在测试之前，通过如下方式将其尺寸减小至1mm来预处理污泥：用西派克(Seepex)切碎机(型号25/15-I-I-F12-2)将较长的颗粒切碎，和用胶体磨(Probst und Class，型号N100/E)进行研磨，以及用筛网篮过滤器(筛孔宽度1mm)进行过滤。 
随后，将1.5wt％的钾以碳酸钾形式被添加到所得到的浆料中。该浆料的pH值为9.6。 
在预处理之后该玉米青贮料的特征如下： 
    玉米青贮料进料  
    干物质含量[wt％]     11.29
    干物质的无机部分[wt％]     29.4
    密度[kg/m3]     1.0099
    pH     9.6
    燃烧的热量1[kJ/kg]     1435
1基于干物质的有机部分的燃烧热18MJ/kg。 
干物质的无机内含物主要是添加的碳酸钾，约占干物质无机化合物的3/4。玉米青贮料进料的GC-MS分析显示出有许多的化合物，但是所有化合物的存在浓度太低以致不能鉴定。特别是，没有发现任何显著量的类似酚的芳香族化合物。 
分析玉米青贮料的内含物的干物质，显示出如下组成： 
玉米青贮料干物质      
    TC[mg/kg]     325000  Mo[mg/kg]     7.82
    TOC[mg/kg]     315000  N[mg/kg]     6960
    Al[mg/kg]     233  Na[mg/kg]     825
    Ca[mg/kg]     2023  Ni[mg/kg]     11.1
    Cl[mg/kg]     1682  S[mg/kg]     ＜0.1
    Cr[mg/kg]     28  Si[mg/kg]     2090
    Fe[mg/kg]     4571  Zr[mg/kg]     2.24
    K[mg/kg]     112350    
[0254] 将140g/h的预处理污泥加压到250ba，并在预加热步骤中，加热到230℃。将该物流与377g/h的加压水进行混合，所述加压水被加热到如下温度，使得在混合后获得基本上不变的温度350±5℃。 
随后，在反应器中将该混合物流与多相催化剂进行接触。原料与水的比例换算成水与原料的比例为3.75∶1，517g/h的总流量换算为3.3分钟的接触时间。 
在与多相催化剂接触之后，含有被转化的有机材料的流体被冷却到环境温度，通过用于收集悬浮颗粒的颗粒过滤器进行过滤，并膨胀至环境压力。将该物流上的液体馏分收集在集液器中，将气体排出。 
该实验获得四股产物物流：气体、含水产物、无油相和固体沉淀物。收集分析样品16小时。 
气相分析
气相的分析显示出如下结果： 
    气相分析  
    氢[体积％]     7.5
    二氧化碳[体积％]     88.74
    一氧化碳[体积％]     0.00
    甲烷[体积％]     0.33
    乙烯[体积％]     0.06
    乙烷[体积％]     0.06
    丙稀[体积％]     0.25
    丙烷[体积％]     0.05
    C4-化合物[体积％]     0.00
    总量[体积％]  
    总碳量，g     15.2
[0261]  液相分析
该液相分析显示出如下结果： 
液体分析  
pH     8.30
总有机碳量(TOC)，[以重量计ppm]     2105
总无机碳量(TIC)，[以重量计ppm]     201
总碳量，[以重量计ppm]     2305
甲醇[以重量计ppm]     1.64
乙醇[以重量计ppm]     0.27
乙酸[以重量计ppm]     5185
甲酸[以重量计ppm]     2206
羟基乙酸(glycol acid)     10470
乙醛[以重量计ppm]     115,0
液体中的总碳量     40.1g
在液相中发现无机碳内含物，主要是由于碳酸盐的存在。 
固相分析
通过总碳量分析器分析固体部分。在所使用的实验条件下，发现有机相被吸附在无机物颗粒上。 
在固相分析前，用CH2Cl2萃取有机相。发现可萃取的有机碳部分是油相，主要由链长为12-16个碳原子的饱和烃组成，由此可以与燃料油或者柴油相容。该油含有苯酚、甲苯、4-乙基-苯酚、4-乙基-3-甲基苯酚、环戊-2-烯-1-酮-2，3，4-三甲基、2-甲基-1-戊-3-炔和其它的化合物。油相的硫分析显示出，该油相基本上不含硫。类似的卤素化合物分析显示出，该油相基本上没有卤素。由固相中萃取的油的总量为14.76g，在油相中所发现的总碳量等于12.55g。 
在萃取被吸附的油之后，没有在固相产物中检测到碳，这显示出原料中的有机材料的100％转化率。由以下的碳平衡可以推导出相同的结果： 
碳平衡
输入C 输出C  
玉米青贮料：82.19g 15.2g的气体C→ 18.5％
K2CO3：6.78g 40.1g的TOC液体→ 48.8％
  0.0g的TOC液体→ 0.0％
  28.35g的油中C→ 34.5％
∑82.19g ∑83.62g转化→ 101.8％
能量平衡
    组分   热量值[kJ/kg]   数量[g]   能量分数   [％原料的能量输入]
  原料污泥     476     2240  
       
  氢     240,103     0.07     1.6
  甲醇     19,918     28.9     17.9
  乙醇     28,200     4.20     4.2
  甘醇酸     14,400     0.41     10.4
  乙酸     18,200     1.23     6.5
  油     41,900     14.76     45.1
       
  总量         85.7
另外，以下是在描述本发明中所使用的定义。 
本发明中的术语烃燃料是打算限定所有烃基燃料，它可以或者不可以包括除碳和氢以外的其它元素，如一些所述烃可以包括氧和其它元素，例如以醇、醛、酮、羧酸、酯、醚等以及其反应产物。 
本发明的膜过程是在本技术领域中众所周知的(例如W.S.HO等人，“膜手册(Membrane Handbook)”，Van Nordstrand Reinhold，第103-132页、第263-446页，1992，ISBN 0-442-23747-2；K.Scott，“工业薄膜手册(HandbookofIndustrial Membranes)”，Elsevier Science Publishers，1995，第3-163页、第 331-355页、第575-630页，ISBN 1856172333)。 
在整个说明书和权利要求书中所述的表面积是由以下文献中所描述的方法来测定的氮BET表面积：Brunauer，P.Emmett和E.Teller，J.Am.Chem.Soc，第60期，第309页(1938年)。该方法基于将氮向到孔洞的凝集，该方法对于测量孔径为10
Figure 2006800187859_0
-600
Figure 2006800187859_1
的孔是有效的。所吸附的氮的体积相应于每单位重量载体的表面积。 
在现有技术中众所周知的是，催化剂的活性是与表面积(BET)成比例的，当进行例如热水条件(正如本发明所使用的)时，催化剂可能显示出随时间的显著活性下降。为了使这种潜在的活性损失最小化，将表面积稳定剂引入多相催化剂中。 
红泥是用拜耳法加工矾土的废弃物产物。它包括主要是铝、铁、硅和钠的氧化物和氢氧化物。 

Claims (41)

1.一种用于将有机材料转化为烃燃料的方法，包括步骤：
-将流体中的所述有机材料加压至225-600巴范围内的压力；
-第一加热步骤：在包括元素周期表IA族的至少一种元素的化合物的均相催化剂存在下，将所述流体中的所述有机材料加热至高于200℃的温度；
其中，所述方法进一步包括步骤：
-在所述加热和加压步骤之后，将所述流体中的所述有机材料与多相催化剂接触，该多相催化剂包括元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物和/或α-氧化铝；
-确保所述流体最初具有高于7的pH值；并且，将含有所述有机材料的所述流体的pH值保持在7-14的范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述烃燃料包括油形式的烃，所述有机材料中至少50％的能含量被回收在所述油形式的烃中。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括以下步骤：在4-15巴的压力下和在100-170℃的温度的预加热下预处理所述有机材料0.5-2小时，其中所述预处理步骤包括将添加剂加入流体中的步骤，以及，其中所述预处理步骤包括调节包括所述有机材料的所述流体的pH值至高于7。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法进一步包括所述流体的第二加热步骤，所述的第二加热步骤在与多相催化剂接触之前进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括从包含有机材料的流体中分离颗粒的步骤，所述分离颗粒的步骤在包含有机材料的流体与多相催化剂接触之前进行。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法进一步包括第二分离颗粒步骤。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法进一步包括流体的第一冷却步骤，所述第一冷却步骤通过与第一加热步骤的流体和/或在预加热步骤中的预加热步骤的流体进行热交换来进行。
8.根据权利要求4所述方法，其中，所述方法进一步包括从所述流体中分离燃料气体的步骤，并且其中，所述燃料气体被用于第二加热步骤中来加热流体。
9.根据权利要求1所述方法，其中，所述方法进一步包括在第一膜过滤器中过滤流体，使水和水溶性有机物与油和水溶性盐分离的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法进一步包括第二过滤步骤，使水与水溶性有机物分离。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二过滤步骤是在第二膜过滤器中提纯甲醇。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一膜过滤器选自包括以下的膜滤法：超滤、纳滤、反渗透、或渗透蒸发或者它们的组合。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第二膜过滤器选自包括以下的膜滤法：超滤、纳滤、反渗透、或渗透蒸发或者它们的组合。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，在第二过滤步骤之后的水和水溶性有机物在反渗透的过程中被转化为可饮用水。
15.根据权利要求3所述的方法，其中，包含提纯的甲醇的水溶性有机物被再循环到预处理步骤。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，执行将流体中的有机材料与多相催化剂的接触步骤，同时保持温度实质上不变，并且
其中，所述接触步骤中的温度是在250-374℃的范围内，并且其中，压力在225-350巴的范围内。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接触步骤是在小于10分钟的时间内完成的。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物包括锆和/或钛，以氧化物和/或氢氧化物的形式，或者它们两者的组合。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，元素周期表IVB族的至少一种元素的化合物中的至少一部分是硫酸盐或硫化物的形式。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多相催化剂进一步包括选自以下组成的组的至少一种元素：Fe、Ni、Co、Cu、Cr、W、Mn、Mo、V、Sn、Zn、Si，其量最高达20wt％，并且其中，这些元素是氧化物和/或氢氧化物形式。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多相催化剂至少部分包含在反应器中，其中，所述反应器是固定床反应器。
22.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多相催化剂包括至少一种表面积稳定剂，其选自由下组成的组：Si、La、Y或Ce或者它们的组合，并且其中，所述表面积稳定剂的有效量最高达20wt％。
23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多相催化剂在使用1000小时之后具有至少10m2/g的BET表面积。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括再循环碳酸盐和/或碳酸氢盐的步骤，其中，所述碳酸盐和/或者碳酸氢盐的浓度为至少0.5wt％。
25.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括再循环至少一种醇的步骤，其中，所述至少一种醇包括甲醇。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，在所述流体中的甲醇的含量为至少0.05wt％。
27.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括再循环含有氢的流体的步骤，其中，所述流体的氢含量相当于待处理的所述有机材料的量的至少0.001wt％。
28.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法包括下述步骤：
-再循环至少一种羧酸到预处理的步骤；其中，所述至少一种羧酸包括具有相应于1-4个碳原子链长的至少一种羧酸；
并且所述至少一种羧酸包括甲酸和/或乙酸；和/或
-再循环至少一种醛和/或至少一种酮到预处理步骤，其中，所述至少一种醛和/或至少一种酮包括具有相应于1-4个碳原子链长的至少一种醛和/或者至少一种酮，并且所述至少一种醛和/或至少一种酮包括甲醛和/或乙醛。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述均相催化剂包括钾和/或钠，其中，所述均相催化剂包括选自以下组成的组的一种或者多种水溶性盐：KOH、K2CO3、KHCO3、NaOH、Na2CO3或NaHCO3或者它们的组合，并且其中，所述均相催化剂的浓度为至少0.5wt％。
30.根据权利要求1所述的方法，其中，所述流体包括浓度为至少30wt％的水。
31.根据权利要求24所述的方法，其中，所述至少一种碳酸盐和/或至少一种碳酸氢盐是至少部分通过转化所述有机材料来生产，并且其中，在接触步骤之后，再循环所述至少一种碳酸盐和/或至少一种碳酸氢盐。
32.根据权利要求25所述的方法，其中，所述至少一种醇是至少部分通过转化所述有机材料来生产，并且其中，在接触步骤之后，再循环所述至少一种醇。
33.根据权利要求28所述的方法，其中，所述至少一种羧酸和/或者至少一种醛和/或者至少一种酮是至少部分通过转化所述有机材料来生产，并且其中，在接触步骤之后，再循环所述至少一种羧酸和/或至少一种醛和/或至少一种酮。
34.根据权利要求31～33中任意一项所述的方法，其中，至少部分所述再循环物流与进行催化反应前的所述流体的进料物流成比例地混合，所述流体包括所述均相催化剂和待转化的有机材料。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，再循环物流与所述流体的进料物流的体积比例是在1-20的范围内。
36.根据权利要求21所述的方法，其中，具有多相催化剂的所述反应器以预选择的时间间隔用热压水进行处理。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述用热压水处理持续小于12小时，并且其中，在所述用热压水处理之间的时间间隔为至少6小时。
38.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机材料选自以下组成的组：污泥、玉米青贮料、黑液、汁液生产的残余物、食用油生产的残余物、水果和蔬菜加工的残余物、或者它们的组合；其中，所述污泥是来自于生物处理过程的污泥。
39.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机材料是来自于废水处理过程的污泥。
40.根据权利要求38所述的方法，其中，所述生物处理过程是废水处理过程的一部分。
41.根据权利要求1所述的方法，其中，所述有机材料包括木质素纤维素材料或者废弃物的混合物。
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