来自经过选矿的含有机碳原料的经过加工的生物质球粒制造技术

本发明专利技术描述一种可再生的经过加工的生物质球粒组合物，其使用粒化子系统由经过加工的含有机碳原料制成，所述经过加工的含有机碳原料使用选矿子系统制成。使可再生的生物质原料穿过选矿子系统，以使水含量减小至低于至少20wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐，使其水溶性胞内盐以干物质计减少至少60％。将所述经过加工的原料引入至粒化子系统中，以得到可再生经过加工的生物质球粒，其能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，其水含量小于20wt％，并且相对于所述未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量，所述经过加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量以干物质计减少至少60wt％，并且制造所述生物质球粒的能量比制造当前生物质球粒所消耗的能量少40％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体上涉及从含有机碳原料产生固体生物质燃料。
技术介绍
绝大多数燃料从有限的地下储备泵抽的原油蒸馏出或天然气获得，或从煤开采得到。随着收集地球上的原油供应变得更加困难并昂贵，并且关于除清洁的无烟煤之外的煤的环境影响的问题越来越多，全世界对能量的需求同时增长。在接下来的十年里，剩余的世界上容易得到的原油储备、天然气储备和低硫烟煤储备的耗竭将导致从原油、天然气和煤获得燃料的成本显著增加。发现可以有效地使生物质转化成燃料和适合于运输和/或加热的副产品的工艺的研究是满足不断增长的能量需求的重要因素。另外，得到具有改善的效用的固体副产品的工艺在需求上也日益增加。生物质是含有植物细胞的可再生的含有机碳原料，并且已经显示出作为燃料经济来源的前景。然而，这种原料通常含有过多的水和污染物，诸如水溶性盐，使其无法成为诸如煤、石油或天然气的常见燃料来源的经济替代物。在历史上，经由传统的机械/化学工艺，植物将失去其中略小于25重量％的水分。并且，即使植物经过日晒或窑内干燥，保留于植物细胞中的天然和人造化学物质和水溶性盐也在炉中组合形成腐蚀和破坏性釉。并且，剩余水分降低原料的每吨百万英热单位产热(MMBTU/吨)的能量密度，由此限制了炉的效率。BTU是使一磅水的温度升高一华氏度所需的热量，并且1MMBTU/吨等效于11.63亿焦耳/每公吨(GJ/MT)。数百年来经由使用许多生物质材料的实验获得的数据全部支持以下结论：需要越来越大的能量增量来达成越来越小的堆积密度改善增量。因此，加工含有机碳原料，一类较广泛的包括含有植物细胞的材料的原料的城市废料设施一般以花费市政资金的能量匮乏的方式操作。类似地，对于作为煤或石油的有效替代品的废料，加工也包括在含有机碳原料的一般术语内的农业废料所需的能量在没有某种政府补贴下不能盈利，并且一般含有不令人满意的水平的水或水溶性盐中的任一者或两者。以足以在商业上成功的大体积适当地运输和/或制备这类原料的成本是昂贵的并且当前是不经济的。而且，足以在商业上适用的体积可用的适合的含植物细胞的原料一般具有在常规工艺下导致不利的结垢和污染情况的水溶性盐含量。适合于生长足量的能量作物以取得经济意义的土地通常在得到植物细胞中的高水溶性盐含量，即，通常以干物质计超过4000mg/kg的地方发现。已经尝试制备含有机碳原料作为固体可再生燃料、煤替代品或用于从煤碎屑制造煤聚集体的粘合剂，但这些尚未在经济上可行，因为其一般含有可能在燃烧设备中造成腐蚀、结垢以及成渣的水溶性盐，并且具有在很大部分中由于保留的水分而使能量密度降至远低于煤能量密度的高水含量。然而，仍然需要生物质或生物炭，因为如果其可以在其水和水溶性盐含量有更大减少的情况下以成本有效的方式制造以用作煤替代品或用作煤碎屑的高能量粘合剂，那么其是固体燃料的清洁的可再生来源。具有改善的有益特性的固体副产品是满足不断增长的能量需求的重要因素。本专利技术满足这些需要并且提供优于现有技术的各种优点。
技术实现思路
本专利技术的实施例是针对一种来自可再生的、未加工的含有机碳原料的组合物和一种工艺。组合物是包含经过加工的含有机碳原料的经过加工的生物质球粒组合物，所述经过加工的含有机碳原料具有的特征包括能量密度至少为17MMBTU/吨(20GJ/MT)，水含量小于20wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％。使用一种系统来制造经过加工的生物质球粒，所述系统被配置成使用选矿子系统将可再生未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料，并且使用粒化子系统将其转化成经过加工的生物质球粒，制造所述球粒的能量比制造未加工的生物质球粒所消耗的能量少40％。制造经过加工的生物质球粒组合物的工艺包含三个步骤。第一步骤是向包含第一和第二子系统的系统中输入可再生未加工的含有机碳原料，所述原料包括自由水、胞间水、胞内水、胞内水溶性盐以及至少一些植物细胞，所述植物细胞包含包括木质素、半纤维素和纤丝内微纤丝的细胞壁。第二步骤是使未加工的含有机碳原料穿过第一子系统，即选矿子系统工艺，以得到经过加工的含有机碳原料，其水含量小于20wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量以干物质计减少至少60wt％。第三步骤是使经过加工的含有机碳原料穿过第二子系统，即粒化子系统工艺，以得到经过加工的生物质球粒，即固体可再生燃料组合物，其能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，其水含量小于10wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐，经过加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐减少至少60wt％，并且制造所述球粒的能量比制造当前未加工的生物质球粒所消耗的能量少40％。本专利技术是一种经过加工的生物质球粒，即适用于用煤装置的清洁煤替代品，其作为原料以产生热量，诸如用于制造电力的煤燃烧沸剂。经过加工的生物质球粒的低盐含量大体上降低不利的腐蚀性磨损并且维持现今典型的装置的清洁。用于制造经过加工的生物质球粒的经过选矿的含有机碳原料的均匀的低水含量以及均匀的高能量密度允许广泛多种可再生含有机碳原料以成本有效的方式用于工艺的粒化区段。在工艺的选矿区段期间，水溶性盐的大量减少会减少伴随经过加工的含有机碳原料的后续使用所出现的不利结果。另外，使用本专利技术从上文所描述的未加工的含有机碳原料去除水至含量低于20wt％并且去除大量水溶性盐所需的能量显著小于用于常规工艺的能量。在一些实施例中，相对于使用已知机械、物理化学或热工艺来进行类似任务以制备用于后续燃料制造操作(诸如缺氧型热子系统)的可再生含有机碳原料的成本，经过选矿的原料的单位重量总成本减少至少60％。另外，制造经过加工的生物质球粒的能量可以比制造当前未加工的生物质球粒所消耗的能量少40％。上文概述并不意图描述本专利技术的每个实施例或每个实施方案。本专利技术的优点和成就以及更加全面的理解将通过结合附图参考以下详细描述和权利要求书而变得显而易见并且得到了解。附图说明图1是典型植物细胞的图解，其细胞壁区的分解图示出了细胞壁中的纤丝、微纤丝以及纤维素的布置。图2是次生植物细胞壁中的两个纤丝的一部分的透视侧视图的图解，其示出了含有微纤丝并且由半纤维素和木质素股连接的纤丝。图3是蔗渣纤维区段的剖视图的图解，其示出了水和水溶性盐在植物细胞内部和外部驻留之处。图4是选矿子系统中反应室实施例的侧视图的图解。图5A是选矿子系统中压力板的各种实施例的正视图的图解。图5B是图5A中所示的压力板的一个实施例的特写的透视图。图5C是示出沿着具有流体矢量和暴露于流体矢量中的木髓粒子的压力板中心向下的剖视图的图解。图6A是木质纤维素纤丝的典型应力-应变曲线的图解说明。图6B是减少典型含有机碳原料的水含量并且增加其堆积密度所需的压力和能量的图解说明。图6C是达成堆积密度倍增所需的能量需求倍增的图解说明。图6D是使用针对特定含有机碳原料作调整的本专利技术的一个实施例来减少含有机碳原料中水含量的压力周期的一个实例的图解说明。图7是说明与已知工艺相比，使用本专利技术的选矿子系统的实施例从含有机碳原料去除至少75wt％的水溶性盐并且使水含量从50wt％降至12wt％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组合物，其包含：包含经过加工的含有机碳原料的经过加工的生物质球粒组合物，所述经过加工的含有机碳原料具有的特征包括能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，水含量小于20wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量，所述经过加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％，和所述经过加工的生物质球粒由未加工的含有机碳原料制成，所述未加工的含有机碳原料使用选矿子系统转化成所述经过加工的含有机碳原料，并且使用粒化子系统转化成所述经过加工的生物质球粒，制造所述生物质球粒的能量比制造未加工的生物质球粒所消耗的能量少40％。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.16 US 14/305,143;2015.02.16 US 14/623,4301.一种组合物，其包含：包含经过加工的含有机碳原料的经过加工的生物质球粒组合物，所述经过加工的含有机碳原料具有的特征包括能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，水含量小于20wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量，所述经过加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％，和所述经过加工的生物质球粒由未加工的含有机碳原料制成，所述未加工的含有机碳原料使用选矿子系统转化成所述经过加工的含有机碳原料，并且使用粒化子系统转化成所述经过加工的生物质球粒，制造所述生物质球粒的能量比制造未加工的生物质球粒所消耗的能量少40％。2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述选矿子系统包含：a.传动装置，其被配置成向反应室中输送未加工的含有机碳原料，所述未加工的含有机碳原料包含自由水、胞间水、胞内水、胞内水溶性盐和至少一些植物细胞，所述植物细胞包含包括木质素、半纤维素和纤丝内微纤丝的细胞壁；b.至少一个反应室，其包含至少一个入口通道、至少一个用于流体的出口通道、至少一个用于经过加工的含有机碳原料的出口通道、以及至少三个区段，所述区段包含：i.湿纤丝破坏区段，其被配置成与所述纤丝之间的所述木质素和半纤维素中的至少一些相互作用，以使所述细胞壁的至少一些区域更加容易被水溶性盐穿透，ii.蒸汽爆炸区段，其与所述湿纤丝破坏区段连通并且至少被配置成使植物纤丝可渗透流体经由快速减压而挥发，以穿透所述细胞壁的所述更易感区域，从而形成具有植物细胞壁通道的多孔含有机碳原料，所述植物细胞壁通道用于使胞内水和胞内水溶性盐从所述植物细胞通过，和iii.压实区段，其与所述蒸汽爆炸区段连通并且被配置成在压力板之间压缩所述多孔含有机碳原料，所述压力板被配置成使水不透性毡的形成减至最小，从而允许胞内水和胞内水溶性盐从所述反应室流体出口通道逸出，并且形成经由其反应室出口通道传送出的经过加工的含有机碳原料；和c.收集装置，其与所述反应室连通并且被配置成聚集所述经过加工的含有机碳原料，所述经过加工的含有机碳原料的水含量小于20重量％，并且水溶性胞内盐含量相对于所述未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量以干物质计减少至少60％。3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述粒化子系统包含：压缩室，其被配置成将所述经过加工的含有机碳原料分离成最长长度为至少0.16英寸(4.0cm)并且密度为至少37.5磅/立方英尺(0.60克/立方厘米)的离散块单元以形成经过加工的生物质球粒，和收集室，其被配置成聚集经过加工的生物质球粒的聚集体。4.根据权利要求3所述的组合物，其中所述粒化子系统进一步包含：加热室，其被配置成向所述经过加工的含有机碳原料施加足够热量以使其水含量减小至小于10重量％。5.根据权利要求4所述的组合物，其中所述压缩室和所述加热室为同一腔室。6.根据权利要求1所述的组合物，其中所述水溶性胞内盐含量减少超过70wt％。7.根据权利要求1所述的组合物，其中所述经过加工的含有机碳原料包含小于5wt％的水。8.根据权利要求1所述的组合物，其中所述经过加工的含有机碳原料包含小于5wt％的挥发物。9.根据权利要求1所述的组合物，其中所述未加工的含有机碳原料包含来自由以下组成的群组的至少两者：草本植物材料、软木本植物材料以及硬木本植物材料，其中每种类型以串联形式穿过所述至少一个反应室，且其中所述经过加工的含有机碳原料中的每种植物材料的能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)。10.根据权利要求1所述的组合物，其中所述未加工的含有机碳原料的水溶性盐含量以干物质计为至少4000mg/kg。11.根据权利要求1所述的组合物，其中所述经过加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量相对于未加工的含有机碳原料的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过75wt％，并且所述选矿子系统的所述压实区段被配置成提供至少一个冲洗步骤。12.根据权利要求2所述的组合物，其中所述选矿系统进一步包含：预处理室，其被配置成针对每种未加工的含有机碳原料，使用包括持续时间、温度概况和预处理溶液的化学物质含量的一组特定条件，以至少引发污染物的溶解，所述污染物将阻碍允许胞内水和胞内水溶性盐从所述植物细胞向外部穿过的所述植物细胞壁通道的形成。13.根据权利要求2所述的组合物，其中所述压实区段进一步包含：至少一个冲洗子区段，其被配置成冲洗更多来自所述多孔含有机碳原料的所述水溶性盐再将其传送至所述压实区段。14.根据权利要求2所述的组合物，其中所述选矿子系统的所述蒸汽爆炸区段进一步包含：洗涤元件，其被配置成从所述蒸汽爆炸区段去除并清洁未加工的含有机碳原料的粒子、木质素碎片和半纤维素碎片，使其成为具有高木质...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·泰特，D·万索恩，M·卡托，P·斯卡尔佐，
申请(专利权)人：生物质能增强有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US