在超热水中使煤、生物质和其它有机固体增溶的方法技术

本发明专利技术涉及增溶有机固体的方法，包括在超热水中使有机固体与氧化剂反应，以形成至少一种增溶有机溶质。优选的是，有机固体选自由煤、褐炭、油母岩质、生物质、固体有机废物和它们的混合物所组成的组中。氧化剂优选为分子氧。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及增溶有机固体。更具体而言，本专利技术涉及通过在超热水中将诸如煤或生物质等有机固体与氧化剂反应而使有机固体增溶的方法。
技术介绍
随着能源独立变得越来越重要，需要用其它的能源代替石油。这些能源可以包括 (例如)太阳能、风能、核能、煤和生物质。地球上的煤资源多于且在地理学上分布明显更均勻。然而，常规的煤利用技术通常导致不利的环境影响。煤是基于不溶性大分子结构的复杂非均质材料。从煤原料提取有价值的化学产品是困难的，这很大程度上是因为煤结构的非勻质性和复杂性，还因为其普遍认可的不溶性质，这限制了可供用于其它原料的潜在加工和“精制”选择方案。最常规的煤利用策略是基于直接以热量的形式提取能量，或者更通常在商业规模上以电力形式提取能量。煤被开采、 清洁以除去其实际那么多的无机材料，并且在各种燃烧系统之一中作为燃料，以产生用于产生蒸气的热量，所述蒸气被用于发电。气化涉及将煤转化为合成气(CCHH2)，随后利用该合成气来发电(IGCC)或者生产合成液体(Fischer-Tropsch/间接液化)。还可以通过高温分解由煤来生产液体产品，其通常与捣固炼焦(metallurgical coke production)结合进行。煤焦油行业曾经是化学原料的主要来源，但是对焦炭的需要减少、煤焦油的质量低(对于精炼目的而言)以及目前石油来源燃料的低成本已经减少了在商业规模上由煤焦油生产化学原料。直接液化技术已经得到广泛采用。该利用策略主要针对生产运输用燃料用的合成石油替代品。该方法所基于的思路是通过还原键断裂而有限地破坏煤的大分子结构，从而将煤转化为液态产物。这通常在高压和中等高温下用压处理煤来实现，其通常与载体溶剂结合进行，并且还通常与催化材料结合进行。尚未成功地证明这种技术是将煤转化为可用产物的经济可行的途径，并且许多尝试都被放弃。除了将煤转化为上述的有用能量的技术之外，还存在涉及用于破坏废物的超临界水氧化的方法。超临界流体是处于温度和压力高于其热动力学临界点的条件下的任何流体。超临界水氧化被设计为完全氧化有机材料，并且通常用于破坏有害废物。除了煤之外，研究已经证明使用次临界水可以将柳枝稗部分地转化为低分子产物。在235°C下，发现柳枝稗中存在的超过51. 1重量％的碳能够被转化。Kumar等， Biocrude Production from Switchgrass Using Subcritical Water, Energy Fuels 23 5151-5159(2009)。此外，在间歇式反应器中可以使得柳枝稗在250°C下转化其初始质量的达到8重量％，并且在300°C下转化达到78. 9重量％。Cheng等，hvestigation of Rapid Conversion of Switchgrass in Subcritical Water, Fuel Process Tech. 90 301-311(2009)。在能源独立越来越重要的时期，煤是重要的地球资源。地球的煤资源超出石油资源大于10倍，并且煤比石油在地理上分布更均勻。然而，利用煤和其它有机固体受限于以下情况它们是固体，并且与大量的环境问题有关。现有技术不能解决这些问题。因此，以环境有利的方式将诸如煤等有机固体转化为可泵送、蒸馏或通过常规的液体处理技术以其它方式处理的液体是长期存在的技术目标。专利技术概述本专利技术公开了增溶有机固体的方法，包括在超热水中将有机固体与氧化剂反应， 从而形成至少一种增溶有机溶质。本专利技术还公开了由所公开的方法获得的增溶有机溶质。 优选的是，有机固体选自由煤、褐炭(lignite)、油母岩质、生物质、固体有机废物和它们的混合物组成的组中。优选的是，生物质选自由木材、草类、谷物和它们的混合物组成的组。有机固体优选具有较小的粒度，以为用氧化剂反应有机固体提供更大的表面积。氧化剂可以是能够氧化有机固体的任何氧化剂，如分子氧(O2)。分子氧优选来自过氧化氢。超热水的温度优选高于100°C至约374°C，优选为约200°C至约350°C。反应器中的压力应当足以保持水的液态。例如，压力优选为约100 至约22MPa，更有选为约1. 5MPa 至约17MPa，最优选为约12MPa至约16MPa。所述方法还包括在超热水上方没有顶部空间的反应器中将有机固体与氧化剂反应。所述方法还包括将增溶有机溶质冷却。增溶的有机固体优选被冷却至约20°C。所述方法优选进行到完全，从而使得氧化反应后只有极少量或没有固体煤或生物质存在。优选的是，超过50%的有机固体可以以增溶有机溶质的形式回收；例如，超过 70%、超过90%或超过95%的有机固体可以以增溶有机溶质的形式回收。增溶有机溶质的 PH值为约1至约5。在结合附图、例子以及所附权利要求阅览下面的专利技术详述之后，本专利技术的其它特征对于本领域内的技术人员而言是显而易见的。附图简要说明为了更彻底地理解本专利技术公开的内容，应当参照下面的详述以及附图，其中附图说明图1是氧化过程的大体示意图；图2是小型热水反应系统的详细示意图；图3是可以连续操作的热水反应系统的另外一种示意图；图4是通过本专利技术公开的方法在不同的氧化剂负载量下获得的增溶有机溶质随时间变化的吸收光谱；图5包括新鲜煤和未反应的残余煤的高温分解-气相色谱分析；图6是所公开的方法在各种流速和氧化剂浓度下的浓度研究；图7是含有增溶有机溶质的水溶液的气相色谱-质谱分析；图8是增溶有机溶质的激光解析质谱分析；图9-11是增溶有机溶质的电喷雾离子化质谱分析；图12是小型反应系统性能测试的检测器反应；以及图13是使用超热水在各种温度、存在氧化剂和不存在氧化剂的条件下生物质转化率的比较。虽然所公开的增溶有机固体的方法适于各种形式的实施方案，但是附图(以及下述的内容)示出的是本专利技术的具体实施方案，并且应当理解所公开的内容是示意性的，而无意于将本专利技术限制为本文所述并且所示意的具体实施方案。专利技术详述本专利技术一般涉及由有机固体(优选为煤)产生水溶性产物的方法。该方法包括在含有超热水的反应器中将有机固体与氧化剂反应，从而形成至少一种增溶有机溶质。反应将有机固体的大分子结构分解为小分子量片段，否则，该有机固体不溶于水中。这些小分子量片段溶解于水中。这些水溶性片段被称为增溶有机固体、增溶有机物或增溶有机溶质。然后，增溶片段可以用作化学原料或液态燃料。一些有机固体包括(例如)煤、褐炭、油母岩质、生物质和固体有机废物。生物质是源自生命有机体的生物材料，并且包括(例如)植物系材料，如木材、草类和谷类。例如，有机废物可以是废塑料。煤具有(例如)负载的高分子量大分子结构，该结构由大量的交联芳香族和脂肪族亚结构组成。据信，煤不溶于水中主要是因为在其结构的不同部分之间存在的交程度。破坏有机固体中的交联结构元件将该结构分解为较小的亚结构单元。例如， 根据所公开的方法，可以将煤转化为具有更改物理性质的新产物。此外，发现所公开的方法对于生物质也是有效的；可以容易地实现将生物质快速并且完全地转化为可溶有机物。氧化剂可以是能够氧化有机固体的任何氧化剂，并且优选为分子氧(O2)。使用分子氧作为氧化剂避免了使用外来氧化剂，如金属氧化物(如高锰酸盐或铬酸氧化物)以及有机过氧化物。这些外来氧化物对环境有害，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种增溶有机固体的方法，该方法包括在超热水中使有机固体与氧化剂反应，以形成至少一种增溶有机溶质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·B·安德森，
申请(专利权)人：南伊利诺斯州立大学，
类型：发明
国别省市：US