用于生物質的水熱轉化的系統和方法
【專利說明】用于生物質的水熱轉化的系統和方法
[0001]相關串請的交叉引用
[0002]本申請涉及于3月14日提交的名稱為“Dewatering Systems and Methods forB1mass Concentrat1n”的美國非臨時專利申請第13828, 143號，其要求于2012年6月26 日提交的名稱為 “Dewatering Systems and Methods for Algae Concentrat1n” 的美國臨時專利申請第61/664532號的利益，這兩者都通過引用并入本文。
技術領域
[0003]本發明總體涉及可再生能源的領域，更具體涉及用于由藻類(algae)產生燃料的系統和方法。
【背景技術】
[0004]藻類是作為生物質(b1mass)產生生物燃料的極好選擇，因為除其它特性外，藻類能夠非常快速地生長并且能夠在不適合于如水體和非耕地上的其它用途的區域中生長。藻類生物質生長在水中，因此需要大量的能量以使其充分干燥。水熱液化(Hydrothermalliquefact1n, HTL)是產生藻類衍生的生物油的方便的熱化學途徑，因為水熱液化不需要生物質充分干燥。然而，由于藻類的高蛋白含量，通過水熱液化產生的所得生物油富含氮，通常摻入(incorporate)到芳族化合物中。這樣的生物油不適合通過催化脫氧方法精制，那些通常用于從石油衍生的油產生運輸燃料，因為這種類型的氮難以除去，并且可能對催化劑有毒。通過水熱液化產生藻類生物燃料還缺乏碳效率，表現在一些有價值的含碳分子不能從水相中有效地除去，并且除非通過不同的路線進行處理否則會丟失。
[0005]Savage等人(USPGP 2012/0055077)公開了一種用于將藻類轉化為生物油的兩步水熱液化方法。在Savage等人的方法中，在亞臨界(subcritical)條件下進行第一水熱處理，而在超臨界條件下進行第二水熱處理。
[0006]Gupta等人(USPGP 2011/0179703)公開了亞臨界水熱處理生物質以形成生物炭的方法。生物油是該方法的副產物，并且由于該生物油被認為是不希望的，而僅僅是廢棄碳，將生物油回收返回至亞臨界水熱處理，用于提高生物炭產率。雖然可以使用Gupta等人的方法，其中藻類用作生物質，但Gupta等人沒有描述使用藻類，而是列出了產生更顯著量的生物炭的生物質的示例，諸如“林業或農業廢產品，木材原木，木材板，木肩，樹皮，玉米類產品，麥秸，堅果殼，和甘蔗”。不同于藻類，這些來源一般都是高木質素。

【發明內容】

[0007]本發明的示例性方法包括:第一水熱液化處理，接著進行分離步驟。在第一水熱處理中，在包括約150°C至約350°C之間的第一處理溫度和約500psi至約3000psi之間的壓力的第一亞臨界水熱條件下，一起處理諸如藻類的生物質的含水懸浮液(suspens1n)和第一有機溶劑，以產生第一多相混合物，該第一多相混合物包括氣相、有機液相、含水液相和固相。該有機溶劑的特征在于在室溫下與水不混溶，并且可包含例如烴。在各種實施方案中，生物質的含水懸浮液包括約5重量％至約30重量％之間的生物質。在各種實施方案中，在亞臨界處理步驟中所用的水與第一有機溶劑的體積比為約1:1至約10:1之間。任選地，諸如催化劑的添加劑可以添加到第一水熱處理。
[0008]分離步驟用于分離多相混合物的有機相和水相，并任選地還產生氣相和/或固相。在各種實施方案中，示例性方法包括從由分離步驟產生的水相回收碳。在一些實施方案中，氣相與水相一起處理。回收碳作為二氧化碳例如可循環回到藻類培養，可轉化為液態烴產物，可轉化為甲烷，可被捕獲和濃縮，或可再循環回到水熱處理。在各種實施方案中，將水相提供至蒸煉器以生成生物氣(b1gas)，并在這些實施方案中，然后使生物氣進行蒸汽甲燒轉化(stream methane reforming)以將其甲燒部分轉化為氫和二氧化碳，或使生物氣進行蒸汽氣化(stream gasficat1n)以將其甲燒部分轉化為合成氣(syngas)。在這些后面的實施方案中，任選地進一步處理合成氣以產生液態烴。
[0009]示例性方法還可以包括第一水熱處理前和第一分離步驟后的步驟。因此，在一些實施方案中，該方法還包括在第一水熱處理前產生生物質的含水懸浮液，其中產生生物質的含水懸浮液包括培養藻類和對藻類脫水(dewater)。在其它實施方案中，該方法還包括將有機相轉化為燃料，并且在一些這些實施方案中，該方法還包括將一些燃料作為至少一部分第一有機溶劑供給回到第一水熱處理中。
[0010]在該示例性方法的其它實施方案中，第一溫度不超過約200°C。在這些實施方案的一些實施方案中，第一多相混合物還包括固相，并且分離步驟還包括將固相與有機相和水相分離。在這些實施方案中，該方法還還包括第二水熱處理，該第二水熱處理包括在第二水熱條件下處理該固相，任選地與第二溶劑一起，其中第二水熱條件包括高于第一處理溫度的第二處理溫度和約200psi至約3000psi的壓力，以產生有機相和水相的第二多相混合物，并將第二多相混合物的有機相和水相分離。第二水熱條件可選地是亞臨界或超臨界的。在這些實施方案的其它實施方案中，該方法附加地包括將從分離第一和第二多相混合物回收的有機相轉化為燃料。任選地，該方法可以附加地包括通過已描述的方法從分離自第二多相混合物中的水相回收碳和營養物(nutrient)。
[0011]本發明還提供了通過本文公開的方法的產品。特別是，當生物質包含藻類或微藻(microalgae)時通過這些方法產生的產品包括適合于精煉的低氮濃度有機相。
【附圖說明】
[0012]圖1是根據本發明示例性實施方案的一種方法的流程圖表示。
[0013]圖2是根據本發明另一示例性實施方案的一種方法的流程圖表示。
【具體實施方式】
[0014]本發明提供了用于由生物質合成低氮濃度有機產物的系統和方法，有機產物適于精煉成烴，諸如運輸燃料。該方法使生物質與溶劑一起進行亞臨界水熱處理，其將生物質分為幾個相，包括有機相和水相。該方法的產物有機相包括生物油，也稱為生物原油，衍生自生物質中的脂質(lipid)，而水相包括來自生物質的生物分子(如蛋白質)和烴的水解(hydrolysis)產物的水溶液，通過這些產物的反應形成水溶性分子。固體由不溶性蛋白質和烴組成。溶劑用于提取非極性分子，而水相溶解含氮分子，留下低氮有機相，其包含溶解在溶劑中的生物油。其它實施方案采用兩個階段，在第一階段第一亞臨界水熱處理接著是第一分離步驟，之后進行第二水熱處理和第二分離步驟，其中第二水熱處理的溫度高于第一水熱處理的溫度。在這些兩階段方法中，在第二水熱處理中處理回收自第一分離的固相，其任選可以是亞臨界的或超臨界的(supercritical)。如果第一步驟是在溫和條件下進行，則水相中的含氮分子不反應，以形成可以摻入到有機相中的較大聚合物。相反，含氮分子留在水相中。
[0015]圖1用于說明本發明的各種示例性實施方案。示出的方法100開始于獲得生物質的可選步驟110。接著，在步驟120中使生物質與溶劑一起經受亞臨界水熱液化處理，得到多相混合物。在步驟130執行相分離，以分離有機相和水相，并任選地分離出固相和氣相。在步驟140中任選地精煉有機相。在步驟160中任選地進一步處理水相。下面進一步詳述這些步驟的每個步驟。可分批(batch)或連續操作來任選地執行方法100的各個步驟。
[0016]步驟110包括獲得生物質。這一步驟可以例如通過培養生物質(諸如藻類或柳枝稷(switchgrass))，或通過回收廢產品(諸如農業廢物，如玉米稻桿，或來自木材和造紙工業的廢物)來執行。生物質的產生消耗碳，其然后通過方法100轉化為有用的產品。步驟110是可選的，本發明的一些方法可以在不執行培養、廢物回收或類似步驟的情況下實施，并且在這些實施方案中該方法開始于接收的生物質。在各種實施方案中，生物質的C:N比小于約10，或在10至20之間的范圍內，或大于20，而由生物質產生的有機相的C:N比(r