CN103221545A - 生产生物燃料的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据一种实施方式，公开了用于处理有机原料的方法。包含可转化组分的有机原料被预处理以提高该可转化组分的浓度。该有机原料被处理以将该可转化组分的至少一部分转化为燃料并且从该有机原料中提取该燃料。

Description

生产生物燃料的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年5月7日提交的名称为“SYSTEMAND PROCESS FORPRODUCTION OF BIOFUELS FROM ALGAE(由藻类生产生物燃料的系统和方法)”的美国临时申请No.61/332,334的权益，其全部内容在此通过引用而被明确地引入本文。

技术领域

本发明涉及用于处理有机原料以生产有用的燃料的系统和方法以及从污染的原材料中去除污染物的系统和方法。

背景技术

传统燃料来源的可持续性和环境适应性已经成为关注的焦点。由于越来越多的与烃类燃烧有关的环境关切以及可变的石油成本，替代性燃料的适应性正在被研究并且得到认可。使用诸如藻类的原材料来生产烃类是一个有前景的替代方案。

在生物物质(biomatter)转化为烃类的反应过程中需要一定量的水。因此，任何可被有效去除的过剩的水应当及早地被分离以提高超临界反应设备的效率和生产率。

机械浓缩方法如压滤、离心或浮选能够很好地达到一直到大约11％的浓度。当超过这个浓度水平时，藻类料泥在细胞膜内或者在保持每个细胞远离相邻细胞的毛发状螺旋臂内含有更加显著量的水。这种水难以机械去除，并且通常需要其它更为能量密集型的方法如蒸发。在蒸发过程中，细胞变得更加紧密地结合在一起，并且在水从藻类中蒸发之后，所产生的泥料快速地变得过硬而不能泵送。典型地，由于残留水的大部分被包含在藻类细胞壁内，因此藻类的进一步浓缩无法实现。

其它用于浓缩藻类和其它有机原料的已知方法(如无线电波和超声波)是低效率、能量密集型的，并且不可能通过再生获得能量。

发明内容

这里公开了用于处理有机原料以生产有用燃料的改进的系统、工艺、方法和组合物。

根据一种实施方式，公开了一种用于处理有机原料的方法。包含可转化组分的有机原料被预处理以提高该可转化组分的浓度。该有机原料被处理以将该可转化组分的至少一部分转化为燃料并且从该有机原料中提取该燃料。

本发明前述的和其它的目标、特征和益处通过本文公开的示例性实施方式的以下详细描述而变得更加明显。

附图说明

下面的附图构成了本说明书的一部分，并被包含以进一步显示本发明的某些方面。通过参考一个或多个附图并结合文中对特定实施方式的详细描述，可以更好地理解公开的内容。

图1是根据一种实施方式的用于预处理废料和/或有机材料的示例性系统的示意图；

图2是根据一种实施方式的用于处理废料和/或有机材料的示例性方法的流程图；

图3是根据一种实施方式的用于从有机原料中提取燃料的示例性系统的示意图；

图4是根据另一种实施方式的用于处理废料和/或有机材料的示例性系统的示意图；并且

图5是根据一种实施方式的用于处理废料和/或有机材料的示例性系统的示意图。

具体实施方式

本公开涉及用于处理有机原料以生产有用烃类和替代性燃料的系统和方法，以及用于从污染的原材料中去除污染物的系统和方法。为了说明的简化和清楚，当认为合适时，附图标记在附图中可被重复以指代相应或类似的元件。另外，大量的特定细节被阐明以提供对在本文描述的示例性实施方式的彻底理解。不过，对于本领域技术人员而言可理解的是，在此描述的示例性实施方式可以在没有这些特定细节的情况下实施。在其它情况下，方法、程序和组成部分没有进行详细的描述，以便不会模糊在此描述的实施方式。

本公开提供用于从有机原料如藻类产生替代性燃料和去除污染物的示例性系统、过程和方法。在燃料生产过程中，可利用藻类作为起始生物质处理废水。在藻类浓缩过程中从藻类中去除的水是淡水性质的。高速藻类池提供比氧化池更有效的营养物去除和消毒，并且比机械废水处理系统更为成本有效。藻类作为生物修复剂的能力使其在产生生物原料的同时能够处理废水。藻类还吸收CO2。因此，藻类对于本文公开的系统、过程和方法是有用的有机原料。

为了清楚起见，在本说明书和权利要求书中使用的术语“高压”是指大于100巴的压力。

在本说明书和权利要求书中使用的术语“负荷(charge )”是指原料的预定体积。

在本说明书和权利要求书中使用的术语“含溶质的溶剂(pregnant solvent)”是指含有在其中溶解的另一种物质的溶剂。

图1是根据一种实施方式的用于预处理废料和/或有机材料的示例性系统76的示意图。在一种示例性实施方式中，有机材料是藻类原料。去褐煤化(delignitized)木料可以与其它原材料一起用在原料中，它们需要一些机械/热或化学处理以将它们破碎成可泵送形式的原料或浆料，而其它材料仅需要添加水。可用于破碎原材料的方法可包括研磨、切碎、碾碎、液化、加热、化学或热分解或其它措施中的一种或多种。机械和/或非机械设备可被用来破坏藻类细胞膜、提取细胞间预定量的水并且将有机原料中藻类的浓度提高到规定的水平。

在一种示例性实施方式中，用于预处理和浓缩有机原料中的藻类的设备可包括逆流换热器，用于以已知/最佳水平在其中实现合适/受控停留时间的加热器，以及用于去除从有机原料内剩余藻类生物质分离的水的滗析器。

源池中的藻类浓度通常是大约0.01％。藻类可以通过简单重力沉降以浓度1-10％收集。藻类通常聚集(生物絮凝)，这使得其可以通过重力沉降收集。在一种示例性实施方式中，原料中藻类的浓度在初始收集后且在预处理前是3％。通常，由于剩余水的大部分被包含在藻类细胞壁内，因此阻碍了超过3-10％藻类含量的藻类的进一步浓缩。

为了浓缩藻类到35-50％，作为连续过程的一部分藻类被泵送到浓缩器，其在换热器70中预热藻类，最好达到大约55℃，然后在加热器71中在一定的时间周期使藻类达到希望的温度(例如，经过大约90秒达到75℃以上)。换热器70可以是高单程壳和管换热器或其它现有技术已知的换热器。该加热器可以配备加热套72，用于对加热器71进行加热和/或隔热。通过使用热来改变细胞壁的蛋白质结构可以有效地裂解细胞壁。

在一种示例性实施方式中，换热器70的估计传热系数为30W/m²K，膨胀面积为25m²，并且能够处理多达10L/分钟的包括藻类的有机原料。有机原料经过大约90秒可被加热到高于70℃。

有机原料在进入滗析器73之前被冷却并且在温度30℃下被排出。有机原料可以通过使其向后经过换热器70而被冷却。然后有机原料被传送进入滗析器73并被浓缩至30-50％。浓缩的藻类在藻类回收罐74中回收，并且从藻类去除的水可以在水回收罐75中回收。在滗析过程中去除的水可以返回藻类池。有机原料的藻类浓度可被提高至大约50％，具有有效的泵送特性。

在一种示例性实施方式中，高剪切和/或高速离心描施(未示出)可被用于将有机原料中的生物固体与残留水分离。可以实现在水中30-50％藻类的收率，以产生有效泵送的浓缩的有机原料。也可通过滤饼压滤机(未示出)实现分离。

一旦细胞壁被裂解并且过量的水被去除，则在细胞中存在的少量的脂质开始起到滑润剂的作用并且泥料表现得象粘性物质(slime)，这样就相对容易被泵送。按照图1的系统预处理废料和/或有机材料的产物是浓缩的可泵送的有机原料。可泵送的浓缩的有机原料可在本文公开的一个或多个示例性系统过程中进一步处理以去除污染物，改变颗粒尺寸和/或产生含有原油和/或烃类的产品。

图2是根据一种实施方式的用于处理废料和/或有机材料的示例性方法的流程图。浓缩的可泵送有机原料可以根据图1的系统通过预处理废料和/或有机材料制备。该浓缩的可泵送有机原料可被泵入加压室并且压力可被提高到100至350巴。加压的藻类原料可被引入处理设施或反应室(在该处温度被升高到250至400℃)，在从系统释放粗产品流之前被冷却至环境温度或接近环境温度，并被减压。在从系统中释放之前，粗产品流被冷却至低于80℃的温度，更优选低于50℃。可使用气体分离器将气体与粗产品流分离。

另外地或者替代地，其它材料可被引入以实现浓缩的可泵送有机原料的颗粒尺寸的变化。在有机原料中，当原材料代表最小颗粒时，其它材料则代表较大颗粒(反之亦然)。但是，其它材料或添加剂(如碳酸钙)向浓缩的可泵送有机原料中的添加也可对热处理过程的产物具有有益的影响。

在加压前，添加剂可被添加到藻类中。添加剂包括但不限于催化剂如碳酸钠、氢氧化钠或钙盐。添加剂可另外选自碳酸盐、氢氧化物、碳酸氢盐和类似的碱。在一种示例性实施方式中，大约5％的碳酸钠在加压之前与浓缩的可泵送藻类原料混合。在另一示例性实施方式中，大于5％的碳酸钠在加压之前与浓缩的可泵送藻类原料混合。例如，浓缩的可泵送藻类原料可以与碳酸钠和碳酸钙的混合物合并-由此所述催化剂能够有利地改善产物的收率或组成。在该过程中，优选地如WO2009/064204中所描述的，通过改变pH值，优选地为pH 7-9，则可有利地应对腐蚀。浓缩的可泵送有机原料和任选的催化剂可被输入到反应器，在其中在处理设施或反应室中的反应将该原料内的藻类转化为原油。来自图2的系统的粗产品可以在本文公开的示例性系统处理中进行进一步的处理。

图3是根据一种实施方式的用于从有机原料中提取燃料的示例性系统的示意图。粗产品(包括但不限于藻类、原油、烃类和/或水)可以根据图2的处理产生。这种粗产品可被用作图3系统的有机原料。所述有机原料可包括但不限于原油、烃类、藻类和水。原油和/或烃类可从所述有机原料中提取或分离。这种提取过程是有用的，其中需要在溶剂中浸泡该原料，并且溶剂和有机原料的分离不能通过过滤或粗滤(straining)来实现。在提取原油之前有机原料可被冷却。

通过使用溶剂，结合了一系列相等间隔的低阻塞完全流通球阀、闸式阀和/或刀阀的立式塔80可被用来从有机原料中提取或分离原油和/或烃类。有机原料优选地具有比被引入以从该原料中提取原油的溶剂更高的比重。这可以通过制备有机原料具有更大的比重或者通过制备溶剂具有更低的比重来实现。在一种示例性实施方式中，溶剂的比重小于0.80。

轻质烃溶剂如己烷可被用于从有机原料中分离或提取原油。可以使用的其它溶剂包括但不限于汽油、煤油、乙烯、丙烯或1-丁烯；支化或直链的脂族烃如乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、己烷、庚烷、辛烷、2，2-二甲基丁烷、2，3-二甲基丁烷、2，2-二甲基庚烷、2，5-二甲基己烷、2，2-二甲基戊烷、2，3-二甲基戊烷、2，4-二甲基戊烷、3，3-二甲基戊烷、3-乙基戊烷、六甲基乙烷、2-甲基丁烷、2-甲基己烷、2-甲基戊烷和3-甲基戊烷；脂环烃如环己烷、甲基环戊烷和1，2，3，4-四氢化萘；液体α-烯烃如1-己烯、1-庚烯、1-辛烯、1-壬烯、1-癸烯和4-甲基-1-戊烯；以及芳族烃衍生物如苯、甲苯或二甲苯。在一种示例性实施方式中，使用沸点等于或小于120℃的轻质烃从有机原料中分离原油。

立式塔80中的特定阀配置可被用来从有机原料中提取原油和/或烃类。当在阀两侧存在压力差时，阀快速地磨损并且密封失效。当在阀打开之前使阀两侧的压力相等(例如借助于辅助阀如针形阀，其包含移进移出孔的小直径针)时，则可以避免这些影响。但是，当加压流体含有硬颗粒如硅酸盐时，所述阀也会被侵蚀。此外，在针形阀的两侧上从动缸的引入降低了侵蚀并维持密封的完整性。实际上，该阀然后仅需要处理清洁液体，并且压力通过从动活塞仅传递到“脏”液体或含有颗粒的液体。

塔80包括一系列可相等间隔的集成阀。将包含藻类、原油和/或烃类的有机原料引入(优选泵入)到具有为了相分离而引入的阀的塔80的顶部。藻类通常小于1微米，因此通过利用待分离成分的比重或重量的差异来进行分离。将溶剂引入(优选泵入)到塔80的底部。这些阀的同时排序影响了溶剂的上升和原料的下降。这种运动可以通过打开每隔一个阀(最高和最低阀除外)来实现。阀的这种排序产生一系列的双倍尺寸的室，这使得原料通过打开的阀空间下降至每个双室的下端。

当溶剂由于原料的运动而移动时，溶剂向上移动至每个双室的上端，通常穿过下落的原料。经过一定的合并周期(这可以是例如十分钟，但取决于材料特性可以更长或更短)，关闭打开的阀门，并且打开每两个阀门中的另一个，以产生一个新系列的双室以重复该过程。

这些阀的依序打开和关闭实现了有机原料在塔80中向下穿过溶剂介质/媒介的逐步顺序运动。溶剂和原料的逆流流动在塔80的顶部产生富含溶质的溶剂，并且在塔80的底部产生清洁(clean)原料。在塔80的底部产生的清洁的原料可被用作肥料。

在最佳处理周期之后，在该循环中的最低阀可被打开，以将用过的原料从塔80的底部沉淀下来，并且腾出的空间以新鲜溶剂填充。也是在最佳周期时，顶部阀可被打开以允许收集富含溶质的溶剂。腾出的空间随后被装填新鲜的有机原料。所述塔的连续性质比分批处理更为经济。

富含溶质的溶剂可以包括原油、水和/或烃类，它们可通过蒸馏设施81被分离为馏分并且回收。在一种示例性实施方式中，在120℃下进行蒸馏以产生原油和水。分离设施82如蒸馏可被用来将原油分离成有用的馏分如汽油、柴油、沥青、压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)和蜡。

下游过程包括在分离塔中分离燃料气体和酸气体，其中所述塔被设计为转移在升高的压力下不溶于水中的气体(典型地为燃料气体)。这些气体在被用于气体网络中之前被转移至气体清洁和纯化设备。所述气体中的一种或多种，硫化氢、氨和/或二氧化碳，被独立地引回到高速藻类生长池以作为基本原料。多余的气体可被用来向燃气轮机供燃料并且发电。燃气轮机排出的气体可达到400℃及更高温度，并且可用于本文公开的过程中的一个或多个阶段中的过程加热。

应当指出，本文公开的系统和方法可用于从原料中去除污染物或者用于生产可适合用作燃料的含有烃类或原油的产品。

图4是根据另一种实施方式的用于处理废料和/或有机材料的示例性系统的示意图。该系统可包括制备阶段50、处理阶段51和分离阶段52。制备阶段50可以将要处理的原材料55转化为可泵送的有机原料53或浆料。

原材料55可以是根据图1的系统通过预处理废料和/或有机材料制备的在水中的浓缩藻类。原材料55可以是任意的有机或污染的材料。当使用藻类作为原材料时，浓度1％-50％的藻类原材料可以用于生产可泵送原料53。去褐煤化木料可以与其它原材料55一起用在原料53中，它们需要一些机械/热或化学处理以将它们破碎成可泵送形式的原料53或浆料，而其它材料仅需要添加水。可用于破碎原材料55的方法可包括研磨、切碎、碾碎、液化、加热、化学或热分解或其它措施中的一种或多种。

在一种示例性实施方式中，来自添加剂罐64的一种或多种添加剂64a可在制备阶段50通过添加剂泵59加入到原材料55中以形成有机原料53。

处理阶段51将有机原料53加压和加热到预定的最佳温度和压力，以在原料53中引起反应。通过在处理阶段将原料53加热和加压而产生粗产品54。该处理阶段可包括加压部分56、处理部分57和输出部分58。加压部分56使有机原料53加压。处理部分57加热加压的有机原料53并冷却得到的粗产品流。输出部分58减压并输出粗产品54。粗产品54可以在受控方式下被冷却和减压。粗产品可包含在处理部分57中生产的希望的产品，或者可以是不含或具有低水平的要去除的污染物的材料。

在分离阶段52中，气体可与粗产品54分离。排出的粗产品流54经过产品分离器以被分离成一种或多种产品子流60、61和62。这可通过如针时图3描述的溶剂提取、蒸馏、沉降、膜过滤、离心处理、滗析、离子交换、干燥、蒸发、真空蒸馏或者本领域技术人员显见的其它任何合适的分离方法或方法的组合来实现。

在一种示例性实施方式中，生产包括烃油富集流的产品子流60、61、62。烃油富集流可被用于代替原油或类似的产品，用于生产诸如柴油、航空燃料、润滑油、汽油或类似产品的材料。

图5是根据一种实施方式的用于高压、高温处理废料和/或有机材料的示例性系统1的示意图。用于图5中系统1的原料7可以是根据图1的系统通过预处理废料和/或有机原料制备的浓缩的藻类原料。原料7可以是藻类或任意有机或污染的原料。其它材料如去褐煤化木料可被用作原料7。可用作原料的许多原材料需要一些机械/热或化学处理以将它们破碎成可泵送形式的原料或浆料，而其它材料仅需要添加水。可用于破碎原材料的方法可包括研磨、切碎、碾碎、液化、加热、化学或热分解或类似措施中的一种或多种。

系统1包括加压部分2，在其中原料7进入系统并且在由处理部分3处理之前被加压。加压部分2包括通过管道连接到第一泵11的进料罐10，在该管道上设置有止逆阀。

第一泵11包括第一柱塞12，其在缸内上下运动并被任何合适的设施驱动。不过，如果使用另选形式的泵，则柱塞可用其它如本领域技术人员已知的合适的泵送设施来替代。其它泵送设施可包括现今可用于在高压下传送固体-液体混合物的高压泵或者挤出螺杆可用于处理原料7中的较大尺寸的颗粒。

第一泵11被配置成从进料罐10汲取原料7，并提供初始的低加压。例如，原料7可通过柱塞12的运动产生真空而被从进料罐10汲取。这导致原料7从进料罐10通过管道和止逆阀13移动到第一泵11。止逆阀13阻止原料7回到进料罐10。

加压部分2还任选地包括添加剂罐14，适合于容纳添加剂14a。添加剂罐14连接有添加剂泵15，其通过连接添加剂罐14到第一泵11的管道来泵送一种或多种添加剂14a到第一泵11。这在第一泵11内产生了原料7和添加剂14a的混合物。

第一阀16位于连接第一泵11和连接第二泵17形式的加压设施的管道上。第一阀16可被关闭以允许第一泵11在第一泵11内部混合原料7和添加剂14a，并且所述阀16可被打开以允许原料/混合物被从第一泵11通过管道泵送到第二泵17。

第二泵17为高压泵，其包括气缸形式的泵室，在其内部设置有第二浮式活塞或柱塞18。第二柱塞18能沿气缸以常规方式前后滑动。如果使用另选形式的泵，所述柱塞可用其它泵送设施取代，如挤出螺杆或如本领域技术人员已知的其它装置。

第二泵17被配置为对原料7加压。特别地，泵17被配置成使得柱塞18的一侧适于与已经独立地由与第二泵17连接的常规的独立泵送系统(未示出)加压的纯流体如纯水接触。柱塞18的另一侧适于与保持在气缸或泵室中的原料7或原料7和添加剂混合物14a接触。

系统1如下运行：通过打开第一阀16和开动第一泵11，泵送原料7进入第二泵17的气缸。当原料/混合物进入第二泵17，第二柱塞18被引发沿气缸运动，并推动纯流体经打开的释放阀(未示出)从气缸的另一端排出并且进入贮罐(未示出)。

第二泵17还连接第二阀19。在原料7被第一泵11泵入第二泵17后，第一和第二阀16和19被关闭。

保持在第二泵17内的纯流体然后被独立的泵(未示出)加压。这引起柱塞18通过推动原料/混合物传递流体的压力，从而以间接的方式对原料/混合物加压。然后第二阀19可被打开以允许加压的原料/混合物从第二泵17移动到处理部分3。第一和第二阀16、19；第一和第二泵11、17；以及第一和第二柱塞12、18，均形成了加压部分2的一部分。

尽管在此已经针对其中带浮式柱塞的气缸的泵描述了间接加压，但也可替代使用其它形式的泵，正如本领域技术人员可理解的。

任选地，通过沿着管道的一部分或者在其它合适的位置包括加热设施(未示出)，可使该系统适合于允许原料7在加压部分被适度预热。

处理部分3包括用于将加压的原料7加热到超临界温度的处理设施。典型地，原料7被加热到250℃到400℃的温度。不过可以想见，系统1也可用于处理在此范围之外的温度下的原料7。

原料7典型地在加压部分2中被加压，但也可另选地或者附加地在处理部分3中加压或者进一步加压。

处理部分3中的处理设施可包括处理或压力容器20，其具有第一级21和第二级22，以及第一端30和与第一端30大致相对的第二端31。开口位于或接近于压力容器20的第一端30，并连接到第二阀19的出口。

压力容器20的第一级21是具有第一端27的第一管，所述第一端27与该开口连接形成压力容器20的进口28。该第一管同心地位于形成压力容器20的套管的第二管内。在第一管的外围表面和第二管的内表面之间提供空间26(优选为环形空间)。此空间限定了处理容器20内的第二级22，并通向出口24。

第一管比处理容器20短，并包括在处理容器20的第二端31之前终止的远端32。在第一管的远端32和处理容器20的第二端31之间提供了空间。这个空间形成了反应区或反应室23，在该处，加压的高温原料7反应形成粗产品流。进口28、第一级21、反应区23、第二级22和出口24形成流体路径，原料7和随后的粗产品流沿着该路径流经压力容器20。第一和第二管二者的内和外表面均为传热表面。

处理容器20的每一端30、31均被密封，除了进入容器20的进口28和离开容器的出口24处。这种布置允许处理容器20被用作其中在容器内保持相同压力的压力容器。

在使用时，原料7(如本文公开的浓缩的藻类原料)通过进口28进入第一级。原料7移动通过由第一级21限定的流体流动路径，并且在到达反应区23之前被加热，在该反应区处，原料7被加热设施25进一步加热到希望的温度，这引起原料7反应形成粗产品流。

加热设施25被配置成在反应室23中加热加压的原料7到250℃和400℃之间。加热设施25可以是元件的形式或其它合适的加热设施的形式。加热设施25可被直接插入反应室23中以加热原料7，或者可使其适应于位于反应室23外部以加热位于或接近于反应室23的位置处的处理容器20的壁。

加热设施25可在反应室23中通过辐射、对流、传导、电磁辐射，包括微波和超声波辐射，或这些加热方法的任意组合或通过类似的加热方法来加热加压的藻类原料7。

粗产品流和任何未反应的原料7然后沿着由第二级22限定的流体流动路径移动，在其中，在从处理部分3通过出口24被排放之前，粗产品流被冷却到环境温度或者接近环境温度，优选为80℃或者低于80℃。

实际上，第一和第二管21、22形成逆流换热器，其中第一管由高导热性材料制成，如薄壁金属管，以确保高传热系数。另外，改善传热的翅片或其它表面部件可被引入到处理容器20、管或反应室23的传热表面上或中。

压力容器20的出口24位于处理容器20的外周上，靠近进口28。不过，取决于该容器的内部布置，可以想到出口24可位于处理容器20上的其它合适位置处，这对本领域技术人员而言是显而易见的。

在一种形式中，处理容器20的体积为第二泵17的活塞排量体积的至少六倍。此体积差使得原料7能在泵17开动时在间歇阶段中移动通过处理容器20。也就是说，泵17的一个循环将引起原料7的单次负荷移动经过处理容器20的路径的六分之一，与相同负荷的原料7在泵17的作用下被推入处理容器20中并在泵17的下一个连续作用下排出处理容器20的情况相比，由此允许原料7在处理容器20内更长的停留时间。通过允许更长的停留时间，原料7能被容易地加热到希望的温度，并被赋予足够的时间以在处理容器20内经历希望的反应。

如上所述，处理容器20的第一和第二管优选是同心的，其中第一管位于第二管内并在其间限定了环形空间26。不过，可以想到的是，处理容器20的第一和第二级21、22可以具有不同的形状和布置，这对于本领域技术人员是显而易见的。例如，处理容器20可包括具有进口和出口的室和位于其间的逆流换热系统。这种布置允许输入的原料7被加热设施或被流出的已被加热的原料7加热。类似地，流出的原料7被输入的原料7冷却，并与加热设施分离或隔开。

可选地，处理容器20可包括其它任何合适的布置，由此使原料7在被加热和随后冷却时可被保持在压力下，正如本领域技术人员所显见的。处理容器20可以具有不同的长度以适应所使用的特定原材料或原料7并且适应处理容器20中的希望的停留时间和该方法的希望的结果。例如，在一种实施方式中，可包括六个或更多个处理容器，每一个均为图5中所示实施方式的处理容器长度的两倍并且彼此并联。这些处理容器中的每一个可配备有与各个进口28串联的额外进口阀，以允许顺序加载任选地具有催化剂的原料7。

在该系统的输出部分4中，出口24通过管道将处理容器20连接到输出部分4。排出的粗产品流沿着此管道移动到输出部分4。

输出部分4任选地包括用于从粗产品流分离出气体的高压气体分离器40。在其中使用气体分离器的实施方式中，处理容器20的出口24与高压气体分离器40的进口连接，这可以是已知类型的，以使得粗产品流从处理容器20通过管道移动到气体分离器40。任何在处理容器20中形成或夹带并保持在原料7内的气体能够通过与气体分离器40连接的放气(purge)阀48从气体分离器被清除而离开该系统。

输出部分4还包括第三阀41，所述第三阀41与处理容器20的出口24相连，或者与气体分离器的出口42相连，如果气体分离器被包含在系统1中的话。第三阀41还与第三泵44相连。

第三泵44为高压泵，其既起到减压设施又起到排出泵的作用。特别地，第三泵44可包括气缸形式的泵室，在其内部设置有第三浮式柱塞45。柱塞45的一侧与进入第三泵44的粗产品流接触。该柱塞的另一侧与连接第三泵44的独立的常规泵送系统(未示出)加压输出的纯流体如水接触。当粗产品流通过打开的第三阀41进入气缸时，柱塞45挤压气缸另一端的纯流体，并且该流体通过气缸纯流体端的打开的释放阀被挤出而进入储器(未示出)中。

第三阀41被控制以与加压部分2中的第一阀16在同一时间打开。这使得通过第一阀16允许离开处理部分3的产品的负荷与进入处理部分3的原料7的负荷在同一时间进行，而处理部分3中的压力水平没有显著的变化。释放阀47用于自动保持第三泵44内的压力处于与处理部分3中的压力大致相同，并且通过在第二泵将该原料的负荷传送到处理部分3时通过第二泵17的泵作用产生。当新的原料7的负荷的传送完成并且最新的产品负荷的传送完成时，第二阀19和第三阀41二者均被关闭。继续第三柱塞45的进一步的打开运动。这引起气缸的原料端的容量增加，由此使原料7减压。优选地，粗产品流被减压到环境水平或接近环境水平。

任何溶于粗产品流并且未在气体分离级中被清除的气体然后可通过释放阀47排出，所述释放阀47与第三泵44连接并且也可用于使粗产品流减压。

第三泵44还与出口阀46形式的第五阀连接。这允许减压的粗产品流通过第三泵44的作用而通过出口阀46泵出，所述出口阀46是打开的以允许粗产品流从该系统中排出。

由于粗产品流处于环境压力或接近环境压力，因此出口阀46经受的磨损较少，并且因而比粗产品流在高压下通过出口阀46排放的情况更可靠。

在第三阀41关闭之后但在出口阀46打开之前，释放阀47帮助降低第三泵44中的粗产品流的压力，使得当出口阀46打开时避免快速磨损。

本公开的系统和方法可与任何合适的泵送系统一起使用，这对于本领域技术人员是显而易见的。可使泵送系统的形式适应于通过使用间接加压措施使原料7或粗产品流加压和减压。所述泵能够以精确的方式将原料7加压到高压并且将产物减压到低压。

使用这种形式的泵送系统的一个特别的优势是，阀和间接泵的敏感组成部件与清洁的流体或水接触而不与原料7接触。泵的组成部件很少有可能被原材料和原料7内的化学品(其可能是粘性的、腐蚀性的、脏的或者具有能够损害阀和泵的组成部件的特性)阻塞和磨损。

通过使纯流体如纯水加压，间接泵能以精确的方式对流体加压和减压，而不是直接对不纯的原料7或粗产品加压。实际上，本公开的系统的泵可以可靠地操作以便升高和降低流体到精确的压力，因为具有已知性能的清洁流体被加压，因此加压水平可将该流体的已知性能考虑在内。因而，相比于使原料和粗产品流直接加压的已知系统和方法，本公开的系统和方法可被更精确地控制。

尽管纯水形式的纯流体优选在本公开的系统中的泵内，但可以想到其它合适的流体(即使不纯，但相对清洁的流体)也可以代替使用。

当粗产品通过产品出口24离开处理容器20时，粗产品流的温度已被降低到环境温度或接近环境温度，优选低于80℃，更优选低于50℃。输出部分4中的第三泵44和阀41、46和47因而能够在接近环境温度下操作，具有下述优势：组件增强的性能；组件上的低磨损；以及延长的设备寿命。尤其是，这导致下述的优势：所述设备、阀、泵组件和材料可由于它们的高密封性和泵送可靠性而被选择，而不单单是因为它们耐受高温的能力(这是现有技术的系统和方法中选择阀和泵组成部件的局限)。

实际上，在本公开的系统中压力被具有相关阀的第二泵17升高的区域以及在该系统中压力被降到环境水平的区域不用为了提供良好的密封性能而使用高效的材料和组件，从而没有将这些材料和组件置于高温下带来的效率上的风险。所述阀和泵因而可以是能够耐受高压和腐蚀性化学品的任何规格的，无需还耐受高温。因此，本公开的系统在高温区域中避免了使用耐热性阀。

此外，其中温度被分别升高和降低的处理设施的第一和第二级21、22以及反应区23被保持在恒压下，并且可由能应付这些高温的合适的材料和组件制成，而无需使用可移动的密封件，而所述密封件是需要改变压力且易受高温侵害的。

任选地，在粗产品流从出口阀46排出之后可以进行进一步的分离。尤其是，通过如针对图3描述的溶剂提取、蒸馏、沉降、膜过滤、离心处理、离子交换、干燥、蒸发、真空蒸馏/分离或者本领域技术人员显见的其它任何合适的分离方法或方法的组合，该粗产品流可被分离以形成一种或多种产品子流。

实施例

下面的实施例被包括以用于说明本发明的示例性实施方式。不过，本领域技术人员根据本发明公开的内容应当能够理解，在不背离本发明精神或范围的情况下，在所公开的特定实施方式中可以进行很多变化并且仍然获得相同或相似的结果。下面的实施例并非意在限制本发明的范围并且它们不应被如此解释。

实施例1

在换热器中装载新鲜的藻类。在开始泵送之前，换热器被预热直到80℃的温度。从1.05L/min一直到10.8L/min，试验了各种流速。换热器所稳定到的温度被记录在表1中。在表1中提供了全套的温度值。

表1：来自换热器试验的经验温度和计算的数值

表1提供了宽范围的U值。这与在计算中进行的大量假设有关，包括：将两个单独的换热器视为一个单元，假设液体表现得象水一样，并且忽略与连接管工作相关的面积和热损失。

在表1中，U值随着流速的提高而提高。这归因于与高流速相关的更高的速率，其去除来自边界的热。

还注意到，在一种情况下，Q_E，计算的热输入，超出了加热器的9kW的额定功率。流速测量技术有限并且因而导致计算结果可能的不准确性。

预先试验(换热器试运报告(Heat Exchanger Commissioning Report).doc，08-09-09)表明能够成功换热的流速为1.7-3.3L/min。

对于U值现有的假设是200W/m²K。落入上述流速范围内的表1中的U值为大约20-35W/m²K。根据经验结果，30的数值因而被选作传热系数。

处理10L/min的流速所需的扩展换热器的尺寸是25m²。计算过程如下所示。这些计算基于藻类与水表现类似的假设。将构建扩展的换热器，其是由多个单程管构成的高气缸。扩展的换热器将符合1m长x0.55m深x2.4m高的区域。

假设：质量流速(假定是水)＝10kg/min

                        ＝0.167kg/s

Cp(假定30℃的水)        ＝4.179kJ/kgK

在流速10L/min时，来自加热器的7kW将温度提高x度。

ΔT＝Q/mCp

   ＝7/(0.167x4.179)

   ＝10.03

如果希望的加热器输出温度(T3)是100℃，则

T2＝100-10

  ＝90℃

冷的藻类在15℃进入加热器并且被提高到T2，其在10L/min的流速下需要7kW。

Q＝mCpΔT1     ΔT₁＝90-15＝75

 ＝0.167x 4.179x 75

 ＝52kW

因而新的换热器区域处理52kW(U＝30kJ/kgK)

Q＝UAΔT1

A＝Q/UΔT1

 ＝52,000/(30x75)

 ＝23.1m²

要符合安全因数，要使用25m²的扩展的换热器。

实施例2

在本实施例中，藻类通过本公开的系统和方法处理。50％-98％的水留在藻类中以形成可泵送的原料。

加入5％Na₂CO₃添加剂，并且原料和添加剂的混合物在大约340℃下和在大约200巴下进行处理，装料之间的间隔为800秒。

粗产品流含有油原(kerogen)，其含有37％收率的轻质原油，并且还含有包含Na₂CO₃的废料。因而，本公开的系统和方法被用来生产由其可以生产与矿物原油类似的替代性燃烧的材料。

实施例3

使用两种方法处理废水处理厂的生物固体，一种是在250℃下没有添加剂，而另一种使用碳酸钠作为添加剂，在300℃下。两种方法都在150巴的压力下以1500秒的装载时间进行。

不用添加剂时收率是非常差的0.9％油回收。使用碳酸钠添加剂时实现1.8％的油回收率。

实施例4

海藻(kelp seaweed)的样品以湿的新鲜收集的形式获得并且被用作要处理的原材料。在排出所有的游离海水之后，海藻在Blackfriars磨机中被磨成可泵送浆液。在此阶段的干质量分析为18％的干物质，剩余部分是海水。

随后将这种浆状原料与碳酸钙添加剂混合，并且在320℃下在200巴的压力下并且以1500秒的装载时间处理。

粗产品流是典型的浆料，其在利用溶剂提取之后产生原油。

实施例5

在具有根据本公开的一种实施方式的水热反应器系统的设备中，该设备使用压力升高和压力降低的技术以及使用六个并联布置的反应容器的组件，每个处理容器与图5中显示的处理容器/压力容器20相同。

使用藻类作为干物质原料，使用藻类原料的试验产生了具有平均18％油含量的粗产品流。操作条件使用大约320℃的温度，150巴的压力以及700秒的循环时间。大约5％碳酸钠添加剂与藻类原料在处理之前混合。

在一种实施方式中，碳酸钠或碳酸钙被添加到原料中以形成含有至少5％添加剂的原料和添加剂的混合物。

对于这里描述的本发明的优选实施方式的变化和改变对于本领域提术人员而言是显而易见的。要指出的是，这些变化和改变可在不偏离本发明的范围并且不降低其附带的优势的情况下进行。

这里公开和要求保护的所有系统、工艺、方法和组合物可以按照本发明公开的内容进行和实行，不需要过度的试验。尽管本发明的系统、工艺、方法和组合物以优选实施方式的形式进行了描述，但本领域技术人员显然知晓，在不背离本发明的概念、精神和范围的情况下可以对所述系统、工艺、方法和组合物以及在此描述的方法的步骤或者步骤的顺序进行变化。所有这些对于本领域技术人员来说显而易见的相似替代或改变被认为是在由所附权利要求限定的本公开的精神、范围和概念之内。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种连续方法，包括：

通过在两级加热法中加热包含藻类的有机原料来预处理该有机原料，以将藻类的浓度提高到大于或等于该有机原料的重量的35％；

添加至少一种添加剂到预处理的有机原料中；

通过使预处理的有机原料加压和加热来处理预处理的有机原料以将该藻类的至少一部分转化为燃料；并且

从预处理的且处理的有机原料中提取该燃料。

2.根据权利要求1所述的连续方法，其中加热该有机原料包括在换热器和加热器中加热该有机原料。

3.根据权利要求2所述的连续方法，其中该换热器加热该有机原料到55℃的温度，并且该加热器加热该有机原料到75℃的温度。

4.根据权利要求1所述的连续方法，其中预处理的有机原料被加压到100-350巴的压力，并被加热到250-400℃的温度。

5.根据权利要求1所述的连续方法，其中从该有机原料中提取该燃料包括将预处理的且处理的有机原料与溶剂接触。

6.根据权利要求5所述的连续方法，其中该溶剂是至少一种选自以下的溶剂：己烷、煤油、乙烯、丙烯、1-丁烯、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、庚烷、辛烷、2，2-二甲基丁烷、2，3-二甲基丁烷、2，2-二甲基庚烷、2，5-二甲基己烷、2，2-二甲基戊烷、2，3-二甲基戊烷、2，4-二甲基戊烷、3，3-二甲基戊烷、3-乙基戊烷、六甲基乙烷、2-甲基丁烷、2-甲基己烷、2-甲基戊烷、3-甲基戊烷、环己烷、甲基环戊烷、1，2，3，4-四氢化萘、1-己烯、1-庚烯、1-辛烯、1-壬烯、1-癸烯、4-甲基-1-戊烯、苯、甲苯和二甲苯。

7.根据权利要求6所述的连续方法，其中使预处理的且处理的有机原料与溶剂接触包括使预处理的且处理的有机原料与该溶剂在促进预处理的且处理的有机原料与溶剂之间的逆流流动的塔中接触。

8.根据权利要求1所述的连续方法，其中从预处理的且处理的有机原料中提取该燃料包括至少一种分离方法，选自：蒸馏、沉降、膜过滤、滗析、离心、离子交换、干燥、蒸发和真空蒸馏。

9.根据权利要求1所述的连续方法，其中该添加剂是至少一种选自以下的添加剂：碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠、钙盐、氢氧化物和碳酸氢盐。

Claims (15)

1.一种方法，包括：

预处理包含可转化组分的有机原料以提高该可转化组分的浓度；

处理该有机原料以将该可转化组分的至少一部分转化为燃料；并且

从该有机原料中提取该燃料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法是连续的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述可转化组分是藻类。

4.根据权利要求3所述的方法，其中藻类的浓度被提高到大于或等于该有机原料重量的30％。

5.根据权利要求1所述的方法，其中预处理包括加热该有机原料。

6.根据权利要求5所述的方法，其中加热该有机原料包括在换热器和加热器中加热该有机原料。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该换热器加热该有机原料到55℃的温度，并且该加热器加热该有机原料到75℃的温度。

8.根据权利要求1所述的方法，其中处理该有机原料包括对该有机原料加压和加热。

9.根据权利要求8所述的方法，其中该有机原料被加压到100-350巴的压力，并被加热到250-400℃的温度。

10.根据权利要求1所述的方法，其中从该有机原料中提取该燃料包括将该有机原料与溶剂接触。

11.根据权利要求10所述的方法，其中该溶剂是至少一种选自以下的溶剂：己烷、煤油、乙烯、丙烯、1-丁烯、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、戊烷、庚烷、辛烷、2，2-二甲基丁烷、2，3-二甲基丁烷、2，2-二甲基庚烷、2，5-二甲基己烷、2，2-二甲基戊烷、2，3-二甲基戊烷、2，4-二甲基戊烷、3，3-二甲基戊烷、3-乙基戊烷、六甲基乙烷、2-甲基丁烷、2-甲基己烷、2-甲基戊烷、3-甲基戊烷、环己烷、甲基环戊烷、1，2，3，4-四氢化萘、1-己烯、1-庚烯、1-辛烯、1-壬烯、1-癸烯、4-甲基-1-戊烯、苯、甲苯和二甲苯。

12.根据权利要求10所述的方法，其中使该有机原料与溶剂接触包括使该有机原料与该溶剂在促进有机原料与溶剂之间的逆流流动的塔中接触。

13.根据权利要求1所述的方法，其中从该有机原料中提取该燃料包括至少一种分离方法，选自：蒸馏、沉降、膜过滤、滗析、离心、离子交换、干燥、蒸发和真空蒸馏。

14.根据权利要求1所述的方法，还包括向该原料中添加至少一种添加剂。

15.根据权利要求14所述的方法，其中该添加剂是至少一种选自以下的添加剂：碳酸钙、碳酸钠、氢氧化钠、钙盐、氢氧化物和碳酸氢盐。

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