煤與經過選礦的含有機碳原料的聚集體的制作方法

本發明大體上涉及生物質與煤聚集體的生產。

背景技術：

絕大多數燃料從有限的地下儲備泵抽的原油蒸餾出或天然氣獲得，或從煤開采得到。隨著收集地球上的原油供應變得更加困難并昂貴，并且關于除清潔的無煙煤之外的煤的環境影響的問題越來越多，全世界對能量的需求同時增長。在接下來的十年里，剩余的世界上容易得到的原油儲備、天然氣儲備和低硫煙煤儲備的耗竭將導致從原油、天然氣和煤獲得燃料的成本顯著增加。

發現可以有效地使生物質轉化成燃料和適合于運輸和/或加熱的副產品的工藝的研究是滿足不斷增長的能量需求的重要因素。另外，得到具有改善的效用的固體副產品的工藝在需求上也日益增加。

生物質是含有植物細胞的可再生的含有機碳原料，并且已經顯示出作為燃料經濟來源的前景。然而，這種原料通常含有過多的水和污染物，諸如水溶性鹽，使其無法成為諸如煤、石油或天然氣的常見燃料來源的經濟替代物。

在歷史上，經由傳統的機械/化學工藝，植物將失去其中略小于25重量％的水分。并且，即使植物經過日曬或窯內干燥，保留于植物細胞中的天然和人造化學物質和水溶性鹽也在爐中組合形成腐蝕和破壞性釉。并且，剩余水分降低原料的每噸百萬英熱單位產熱(MMBTU/噸)的能量密度，由此限制了爐的效率。BTU是使一磅水的溫度升高一華氏度所需的熱量，并且1MM BTU/噸等效于11.63億焦耳/每公噸(GJ/MT)。數百年來經由使用許多生物質材料的實驗獲得的數據全部支持以下結論：需要越來越大的能量增量來達成越來越小的堆積密度改善增量。因此，加工含有機碳原料，一類較廣泛的包括含有植物細胞的材料的原料的城市廢料設施一般以花費市政資金的能量匱乏的方式操作。類似地，對于作為煤或石油的有效替代品的廢料，加工也包括在含有機碳原料的一般術語內的農業廢料所需的能量在沒有某種政府補貼下不能盈利，并且一般含有不令人滿意的水平的水或水溶性鹽中的任一者或兩者。以足以在商業上成功的大體積適當地運輸和/或制備這類原料的成本是昂貴的并且當前是不經濟的。而且，足以在商業上適用的體積可用的適合的含植物細胞的原料一般具有在常規工藝下導致不利的結垢和污染情況的水溶性鹽含量。適合于生長足量的能量作物以取得經濟意義的土地通常在得到植物細胞中的高水溶性鹽含量，即，通常以干物質計超過4000mg/kg的地方發現。

已經嘗試制備含有機碳原料作為固體可再生燃料、煤替代品或用于從煤碎屑制造煤聚集體的粘合劑，但這些尚未在經濟上可行，因為其一般含有可能在燃燒設備中造成腐蝕、結垢以及成渣的水溶性鹽，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遠低于煤能量密度的高水含量。然而，仍然需要生物質或生物炭，因為如果其可以在其水和水溶性鹽含量有更大減少的情況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劑，那么其是固體燃料的清潔的可再生來源。

具有改善的有益特性的固體副產品是滿足不斷增長的能量需求的重要因素。本發明滿足這些需要并且提供優于現有技術的各種優點。

技術實現要素：

本發明的實施例是針對一種部分地來自可再生的、未加工的含有機碳原料的組合物聚集體和一種工藝。組合物是一種經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體，其包含至少10wt％的能量密度小于21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含經過加工的含有機碳原料的經過加工的生物質，所述經過加工的含有機碳原料所具有的特征包括能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)并且相對于作為經過加工的含有機碳原料來源的未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量以干物質計減少超過60wt％。經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體通過以下來制造：用選礦子系統將未加工的含有機碳原料轉化成經過加工的含有機碳原料，并在摻合子系統中將其與煤摻合成摻合的緊密聚集體。

制造經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體(其包含至少10wt％的能量密度小于21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的經過加工的生物質)的工藝包含三個步驟。第一步驟是向包含第一、第二和第三子系統的系統中輸入包含煤和可再生的、未加工的含有機碳原料的組分，所述含有機碳原料包括自由水、胞間水、胞內水、胞內水溶性鹽以及至少一些植物細胞，所述植物細胞包含包括木質素、半纖維素和纖絲內微纖絲的細胞壁。第二步驟是使未加工的含有機碳原料通過選礦子系統工藝，以得到水含量小于20wt％并且相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量以干物質計減少超過60wt％的經過加工的生物質。第三步驟是使經過加工的生物質通過摻合子系統工藝，以與煤結合而得到經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體，其包含至少10wt％的能量密度為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含經過加工的含有機碳原料的經過加工的生物質，所述經過加工的含有機碳原料所具有的特征包括能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)并且相對于作為經過加工的含有機碳原料來源的未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量以干物質計減少超過60wt％。

本發明是一種先前無法得到的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體。已知的低能量煤與生物質的摻合物包含小于30wt％的能量密度顯著較低的生物質，所述生物質使摻合聚集體的能量密度降至小于低能量煤的能量密度并且添加來自生物質的鹽雜質。另外，本發明允許生產性使用煤碎屑，所述煤碎屑包含至多50wt％的煤礦開采輸出并且目前進行存放，而因為其潛在爆炸性性質，幾乎不可能運輸煤碎屑。本發明現允許得到以下聚集體：其具有10wt％至90wt％的能量密度小于21MMBTU/噸(24GJ/MT)的低能量煤碎屑和10wt％至90wt％的能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)的經過加工的生物質。經過加工的生物質的低水溶性胞內鹽含量大量減少不利的腐蝕性磨損并且維持現今典型的裝置的清潔。用于制造低能量煤/經過加工的生物質聚集體的經過選礦的含有機碳原料的均勻的低水含量和均勻的高能量密度允許在所述工藝的加熱子系統中以成本有效的方式使用廣泛多種可再生的含有機碳原料。在所述工藝的選礦區段期間，水溶性鹽的大量減少會減少伴隨經過加工的含有機碳原料的后續使用所出現的不利結果。另外，使用本發明從上文所描述的未加工的含有機碳原料去除水至含量低于20wt％并且去除大量水溶性鹽所需的能量顯著小于用于常規工藝的能量。在一些實施例中，經過選礦的原料的單位重量總成本比使用已知機械、物理化學或熱工藝進行類似任務以制備用于后續燃料制造操作中的可再生的含有機碳原料的成本減少至少60％，所述后續燃料制造操作諸如制造低能量煤與經過加工的生物質的聚集體的加熱子系統(諸如缺氧型熱子系統或缺氧型微波子系統)和摻合子系統。

上文概述并不意圖描述本發明的每個實施例或每個實施方案。本發明的優點和成就以及更加全面的理解將通過結合附圖參考以下詳細描述和權利要求書而變得顯而易見并且得到了解。

附圖說明

圖1是典型植物細胞的圖解，其細胞壁區的分解圖示出了細胞壁中的纖絲、微纖絲以及纖維素的布置。

圖2是次生植物細胞壁中的兩個纖絲的一部分的透視側視圖的圖解，其示出了含有微纖絲并且由半纖維素和木質素股連接的纖絲。

圖3是蔗渣纖維區段的剖視圖的圖解，其示出了水和水溶性鹽在植物細胞內部和外部駐留之處。

圖4是選礦子系統中反應室實施例的側視圖的圖解。

圖5A是選礦子系統中壓力板的各種實施例的正視圖的圖解。

圖5B是圖5A中所示的壓力板的一個實施例的特寫的透視圖。

圖5C是示出沿著具有流體矢量和暴露于流體矢量中的木髓粒子的壓力板中心向下的剖視圖的圖解。

圖6A是木質纖維素纖絲的典型應力-應變曲線的圖解說明。

圖6B是減少典型含有機碳原料的水含量并且增加其堆積密度所需的壓力和能量的圖解說明。

圖6C是達成堆積密度倍增所需的能量需求倍增的圖解說明。

圖6D是使用針對特定含有機碳原料作調整的本發明的一個實施例來減少含有機碳原料中水含量的壓力周期的一個實例的圖解說明。

圖7是說明與已知工藝相比，使用本發明的選礦子系統的實施例從含有機碳原料去除至少75wt％的水溶性鹽并且使水含量從50wt％降至12wt％所需的能量消耗估算值的表格。

圖8是具有并聯的四個反應室、預處理室以及蒸氣冷凝室的選礦子系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖9是使用具有一個通道的反應器室的水平升華缺氧型熱子系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖10是使用具有兩個通道、柔性軸封和高溫可調節軸蓋板的反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖11A是其中繩索密封件壓縮在適當位置處的柔性軸封套管的一個實施例的側視圖的圖解。

圖11B是圖11A實施例的元件的視圖圖解，其示出了固持雙繩索密封件的框架的背視圖。

圖11C是圖11A實施例的元件的視圖圖解，其示出了固持單繩索密封件的框架的背視圖。

圖11D是圖11A實施例的元件的正視圖和側視圖的圖解，其示出了壓縮圖11B雙重繩索密封件的蓋子。

圖11E是圖11A實施例的元件的正視圖和側視圖的圖解，其示出了壓縮圖11C單一繩索密封件的蓋子。

圖12A是示出上半部的高溫可調節蓋板的一個實施例的正視圖和側視圖的圖解。

圖12B是示出下半部的圖12A高溫可調節蓋板的實施例的正視圖和側視圖的圖解。

圖12C是圖12A高溫可調節蓋板的實施例的正視圖的圖解，其示出了圖12A上半部和圖12B下半部結合。

圖12D是經過裝配的高溫可調節蓋板處于低溫位置的正視圖的圖解。

圖12E是經過裝配的高溫可調節蓋板處于高溫位置的正視圖的圖解。

圖13是使用具有兩個通道、柔性軸封、高溫可調節軸蓋板和高溫豎直支撐支架的反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖14A是豎直支架的一個實施例的正視圖，其示出了彎曲底座和用于通過冷卻劑的水平環。

圖14B是圖14A實施例的俯視圖，其示出了冷卻環。

圖14C是豎直支架的一個實施例的正視圖，其示出了彎曲底座和豎直支架豎直軸內豎直向上和向下的冷卻通道。

圖15是使用具有兩個通道和一個四通旁路歧管(其附接至反應室外部以增加滯留時間)的反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖16是使用具有兩個通道、壓縮室和干燥室的基本上水平反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖17是具有基本上豎直反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖17A是圖17中所示實施例的反應管陣列的圖解。

圖18A和18B分別說明被配置成將含有機碳材料轉化成生物炭的微波子系統的一個實施例的反應室的側視圖和剖視圖。

圖18C是微波子系統的一個實施例的傾斜反應室的圖解。

圖18D是微波子系統的一個實施例的側視圖的圖解。

圖19A是使用圖9A和9B中所說明的反應室用于水/空氣提取和反應工藝的微波子系統的一個實施例的方塊圖。

圖19B說明包括反饋控制的微波子系統的一個實施例。

圖20A示出了包括在安置于具有一個或多個透微波壁的圓柱形反應室外部的圓筒上布置的多個固定磁控管的微波子系統。

圖20B說明具有支撐可以圍繞反應室縱軸旋轉而反應室同時繞其縱軸旋轉的磁控管的圓筒的微波子系統的一個實施例。

圖20C示出了具有包含導流片的原料運輸機構的微波子系統反應室的一個實施例。

圖21說明除二級熱源以外具有旋轉磁控管的系統。

圖22描繪微波子系統，其中磁電管沿著反應室的縱軸移動并且圍繞反應室的縱軸旋轉。

圖23是從未加工的含有機碳原料制造低能量煤與經過加工的生物質的聚集體的工藝的圖解。

圖24是用于使未加工的含有機碳原料穿過選礦子系統以形成經過加工的含有機碳原料的工藝的一個實施例的方塊圖，所述經過加工的含有機碳原料的水含量小于20wt％并且相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽含量以干物質計減少超過60wt％。

圖25是用于使未加工的含有機碳原料穿過選礦子系統以形成經過加工的含有機碳原料的工藝的一個實施例的方塊圖，所述經過加工的含有機碳原料的水含量小于20wt％，相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽含量以干物質計減少超過60wt％，并且去除水溶性鹽和水的能量成本減至小于從已知的機械、已知物理化學或已知熱工藝類似去除的單位重量成本的60％。

圖26是示出選礦子系統中所用的三種類型的含有機碳原料的相對工藝條件范圍以及水和水溶性鹽含量的表格。

圖27是用于使經過加工的含有機碳原料穿過水平升華缺氧型熱子系統以形成經過加工的生物炭的工藝的一個實施例的方塊圖，所述經過加工的生物炭的能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，水含量小于10wt％，并且相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性鹽，經過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽以干物質計減少超過60wt％。

圖28是用于使經過加工的含有機碳原料穿過豎直升華缺氧型熱子系統以形成經過加工的生物炭的工藝的一個實施例的方塊圖，所述經過加工的生物炭的能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，水含量小于10wt％，并且相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性鹽，經過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽以干物質計減少超過60wt％。

圖29是用于使經過加工的含有機碳原料穿過微波子系統以形成固體可再生燃料(經過加工的生物炭)的工藝的一個實施例的方塊圖，所述經過加工的生物炭的能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，水含量小于10wt％，相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性鹽，經過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽以干物質計減少超過60wt％，并且孔隙的孔隙大小變化小于10％。

雖然本發明可接受各種修改和替代形式，但細節已經在圖式中通過實例示出并且將在下文詳細描述。然而，應理解，并不意圖將本發明限于所描述的特定實施例。相反地，本發明意圖涵蓋處于如所附權利要求書所界定的本發明范圍內的所有修改、等效物以及替代物。

具體實施方式

經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體，其包含至少10wt％的能量密度為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含經過加工的含有機碳原料的經過加工的生物質，所述經過加工的含有機碳原料所具有的特征包括能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)并且相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量以干物質計減少超過60wt％。經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體通過以下來制造：用選礦子系統將未加工的含有機碳原料轉化成經過加工的含有機碳原料，并在摻合子系統中將其與煤摻合成摻合的緊密聚集體。在一些實施例中，經過加工的生物質是能量密度為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的經過加工的生物炭，以使得摻合聚集體的能量密度比煤組分更高。本發明的經過加工的生物質具有比煤更清潔并且來自可再生來源(即，農業和植物材料)的優點，而沒有目前生物質工藝的低效并且去除較少的在未加工的可再生生物質中所發現的鹽(如果有的話)的負擔。將論述本發明的幾個方面：煤、經過加工的生物質、經過加工的生物炭、摻合的聚集體、未加工的可再生的含有機碳原料、選礦子系統、加熱子系統、摻合子系統、選礦子系統工藝、加熱子系統工藝以及摻合子系統工藝。

經過加工的生物質

從可再生的含有機碳原料制造的生物質在本文獻中被稱作經過加工的生物質。本發明的經過加工的生物質包含以下固體碳燃料，其包含小于20wt％水和相對于作為經過加工的含有機碳原料來源的未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽，以干物質計小于經過加工的含有機碳原料的60wt％的水溶性胞內鹽。經過加工的生物質通過在選礦子系統中將未加工的含有機碳原料轉化成經過加工的含有機碳原料來制造。如在本文獻中所用，經過加工的生物質球粒是經過選礦的含有機碳原料隨后粒化的固體產品。用于制造本發明經過加工的生物質的含有機碳原料可以含有超過一種可再生原料的混合物。

經過加工的生物炭

從可再生的含有機碳原料制造的炭在本文獻中被稱作經過加工的生物炭。本發明的經過加工的生物炭包含以下固體碳燃料，其包含小于10wt％水和相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽，以干物質計小于經過加工的含有機碳原料的60wt％的水溶性胞內鹽。水溶性胞內鹽含量減少是基于比較穿過加熱子系統之前的經過加工的含有機碳原料與未加工的含有機碳原料，因為隨著生物油和生物氣得到去除，加熱過程可能降低以干物質計的生物質重量百分比。經過加工的生物質通過以下來制造：在選礦子系統中將未加工的含有機碳原料轉化成經過加工的含有機碳原料，和然后使其穿過缺氧型熱子系統。如在本文獻中所用，經過加工的生物炭是經過選礦的含有機碳原料脫除揮發份的固體產品。用于制造本發明經過加工的生物炭的含有機碳原料可以含有超過一種可再生原料的混合物。

煤

術語“煤”用于描述多種化石化的植物材料，但沒有兩種煤完全類似。當用具體煤匹配特定應用時，必須考慮熱值、灰分熔融溫度、硫和其它雜質、機械強度以及許多其它化學和物理特性。煤分類成四個一般類別或“等級”。其介于褐煤到次煙煤和煙煤到無煙煤的范圍內，反映個別煤礦對增加的熱量和壓力的漸變響應。煤的碳含量供應其大部分熱值，但其它因素也影響其每單位重量所含能量的量。煤中能量的量以每噸或每2000磅的英熱單位表示。BTU是使一磅水的溫度升高一華氏度所需的熱量。本國約90％的煤屬于煙煤和次煙煤類別，其等級低于無煙煤并且在大部分情況下，每單位重量含有較少能量。煙煤在大陸東部的中部煤田中占絕大多數，而次煙煤一般發現于西部各州和阿拉斯加(Alaska)。褐煤等級最低，并且是煤中形成時間最短的。大多數褐煤在德克薩斯州(Texas)開采，但也在蒙大拿州(Montana)、北達科他州(North Dakota)和墨西哥灣(Gulf Coast)一些州發現較大礦藏。

煤的能量密度隨其類型而變化，其中具有一定重疊。無煙煤是具有最高碳含量的煤，其碳含量介于86％與98％之間，并且能量密度或熱值超過30MMBTU/噸(35GJ/MT)。最常與家庭供暖相關，無煙煤是美國煤市場的極小部分。在美國中存在73億噸無煙煤儲備，大多發現于賓夕法尼亞州東北部的11個郡。在美國最豐富的煤形式(煙煤)主要用于發電和制造用于鋼鐵工業的焦炭。最快增長的煤市場(但仍是較小市場)是為工業工藝供應熱量。煙煤的碳含量介于45％至86％碳范圍內，并且能量密度或熱值為21MMBTU/噸至31MMBTU/噸(24GJ/MT至36GJ/MT)。評級低于煙煤的是次煙煤，其具有35％-45％碳含量并且能量密度或熱值介于16.6MMBTU/噸至26MMBU/噸(19GJ/MT至30GJ/MT)之間。儲備主要位于六個西部州和阿拉斯加。盡管其熱值較低，但這種煤的硫含量一般比其它類型低，這使其由于更清潔燃燒而具有使用吸引力。褐煤是地質學上形成時間較短的煤，其具有最低碳含量(25％-35％)，并且能量密度或熱值介于8MMBTU/噸至16.6MMBTU/噸(9GJ/MT to 19GJ/MT)之間。其有時被稱作棕煤，主要用于電力產生。如在本文獻中所用，任何類型的能量密度為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤將被稱作高能量煤，并且任何類型的能量密度小于21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤將被稱作低能量煤。

煤具有與其在地下經過數百萬年形成相關的無機雜質。無機雜質是不可燃的，在諸如鍋爐的情形下進行煤燃燒之后出現在灰分中，并且當在燃燒后將飛灰顆粒材料排入大氣中之后造成空氣污染。無機雜質主要由在最終埋藏之前沖入腐爛生物質中的粘土礦物和痕量無機雜質產生。一組重要的沉淀雜質是碳酸鹽礦物。在煤形成的早期，諸如碳酸鐵的碳酸鹽礦物作為固結物(大小至多數十厘米的硬橢圓形礦瘤)或作為煤中裂縫的填補物沉淀。諸如硫的雜質和痕量元素(包括汞、鍺、砷和鈾)在煤形成期間化學還原并且并入。大多數硫以礦物黃鐵礦(FeS₂)、硫酸鹽礦物(CaSO₄和FeSO₄)或有機復合物形式存在，并且其可以占煤體積的至多幾個百分點。燃燒煤使這些化合物氧化，釋放硫的氧化物(SO、SO₂、SO₃、S₇O₂、S₆O₂、S₂O₂等)，其為臭名昭著的酸雨促成因素。痕量元素(包括汞、鍺、砷以及鈾)顯著地存在于煤中，也通過燃燒其而釋放，造成大氣污染。

經過加工的生物質

從可再生的含有機碳原料制造的生物質在本文獻中被稱作經過加工的生物質。本發明的經過加工的生物質包含以下固體碳燃料，其包含小于20wt％水和以干物質計小于未加工的含有機碳原料的60wt％的水溶性胞內鹽。經過加工的生物質通過在選礦子系統中將未加工的含有機碳原料轉化成經過加工的含有機碳原料來制造。如在本文獻中所用，經過加工的生物質球粒是經過選礦的含有機碳原料隨后粒化的固體產品。用于制造本發明經過加工的生物質的含有機碳原料可以含有超過一種可再生原料的混合物。

本發明高能量聚集體的經過加工的生物質組分比煤更清潔。上文所論述的雜質不以任何顯著量存在。確切地說，經過加工的生物質基本上不含硫。一些實施例具有小于1000mg/kg(0.1wt％)或小于百萬分之1000(1000ppm)的硫含量，一些小于100mg/kg(100ppm)，一些小于10mg/kg(10ppm)。相比之下，煤具有顯著更多的硫。煤中的硫含量在4000mg/kg(0.4wt％)至40,000mg/kg(4wt％)范圍內并且隨著煤的類型而變化。無煙煤中的典型硫含量是6000mg/kg(0.6wt％)至7700mg/kg(0.77wt％)。煙煤中的典型硫含量是7000mg/kg(0.7wt％)至40,000mg/kg(4wt％)。褐煤中的典型硫含量是約4000mg/kg(0.4wt％)。無煙煤對于在燃燒中廣泛使用來說太過昂貴。褐煤是具有低能量密度或BTU/wt的劣質煤。

另外，經過加工的生物質基本上不具有硝酸鹽、砷、汞或鈾。對比煤中通常超過20,000mg/kg(2wt％)的硝酸鹽含量，一些實施例的硝酸鹽含量小于500mg/kg(500ppm)，一些小于150mg/kg(150ppm)。對比煤中超過1mg/kg至超過70mg/kg(1ppm至70ppm)的砷含量，一些實施例的砷含量小于2mg/kg(2ppm)，一些小于1mg/kg(1ppm)，一些小于0.1mg/kg或十億分之100(100ppb)，并且一些小于0.01mg/kg(10ppb)。對比煤中0.02mg/kg(20ppb)至0.3mg/kg(300ppb)的汞含量，一些實施例的汞含量可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)。類似地，對比煤中20mg/kg(20ppm)至315mg/kg(315ppm)，平均為約65mg/kg(ppm)的鈾含量，一些實施例的鈾含量也可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)，并且來自煤的灰分中的鈾含量平均為約210mg/kg(210ppm)。

經過加工的生物炭

從可再生的含有機碳原料制造的炭在本文獻中被稱作經過加工的生物炭。本發明的經過加工的生物炭包含以下固體碳燃料，其包含小于10wt％水和相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽，以干物質計小于經過加工的含有機碳原料的60wt％的水溶性胞內鹽。水溶性胞內鹽含量減少是基于比較穿過加熱子系統之前的經過加工的含有機碳原料與未加工的含有機碳原料，因為隨著一些轉化成生物油和生物氣并且如下文所論述在加熱子系統區段得到去除，加熱過程可能降低以干物質計的固體生物質重量百分比。經過加工的生物質通過以下來制造：在選礦子系統中將未加工的含有機碳原料轉化成經過加工的含有機碳原料，和然后使其穿過缺氧型熱子系統。如在本文獻中所用，經過加工的生物炭是經過選礦的含有機碳原料脫除揮發份的固體產品。用于制造本發明經過加工的生物炭的含有機碳原料可以含有超過一種可再生原料的混合物。

其它形式的炭也是已知的。這些炭中的一些包括例如通過生物質的熱解制造炭，也稱為木炭。木炭的能量密度為約26MMBTU/噸(30GJ/MT)，并且含有在用于制造所述木炭的起始生物質中所發現的所有水溶性鹽殘留物。木炭具有各種用途，包括例如用于產生用于蒸煮和加熱的熱量的可燃燃料，以及為用于生長農業和園藝產品的施肥土壤提供礦物的土壤改良劑。炭也通過使生物質穿過與熏肉蒸煮器類似的暴露于外部含氧氣大氣的開放式微波爐來制造，并且含有變化與通過具有液相的熱工藝制造的炭類似的孔隙。

相比之下，本發明高能量聚集體的經過加工的生物質組分比煤更清潔。上文所論述的雜質不以任何顯著量存在。確切地說，經過加工的生物質基本上不含硫。一些實施例具有小于1000mg/kg(0.1wt％)或小于百萬分之1000(1000ppm)的硫含量，一些小于100mg/kg(100ppm)，一些小于10mg/kg(10ppm)。相比之下，煤具有顯著更多的硫。煤中的硫含量在4000mg/kg(0.4wt％)至40,000mg/kg(4wt％)范圍內并且隨著煤的類型而變化。無煙煤中的典型硫含量是6000mg/kg(0.6wt％)至7700mg/kg(0.77wt％)。煙煤中的典型硫含量是7000mg/kg(0.7wt％)至40,000mg/kg(4wt％)。褐煤中的典型硫含量是約4000mg/kg(0.4wt％)。無煙煤對于在燃燒中廣泛使用來說太過昂貴。褐煤是具有低能量密度或BTU/wt的劣質煤。

另外，經過加工的生物質基本上不具有硝酸鹽、砷、汞或鈾。對比煤中通常超過20,000mg/kg(2wt％)的硝酸鹽含量，一些實施例的硝酸鹽含量小于500mg/kg(500ppm)，一些小于150mg/kg(150ppm)。對比煤中超過1mg/kg至超過70mg/kg(1ppm至70ppm)的砷含量，一些實施例的砷含量小于2mg/kg(2ppm)，一些小于1mg/kg(1ppm)，一些小于0.1mg/kg或十億分之100(100ppb)，并且一些小于0.01mg/kg(10ppb)。對比煤中0.02mg/kg(20ppb)至0.3mg/kg(300ppb)的汞含量，一些實施例的汞含量可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)。類似地，對比煤中20mg/kg(20ppm)至315mg/kg(315ppm)，平均為約65mg/kg(ppm)的鈾含量，一些實施例的鈾含量也可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)，并且來自煤的灰分中的鈾含量平均為約210mg/kg(210ppm)。

其它形式的炭也是已知的。這些炭中的一些包括例如通過生物質的熱解制造炭，也稱為木炭。木炭的能量密度為約26MMBTU/噸(30GJ/MT)，并且含有在用于制造所述木炭的起始生物質中所發現的所有水溶性鹽殘留物。木炭具有各種用途，包括例如用于產生用于蒸煮和加熱的熱量的可燃燃料，以及為用于生長農業和園藝產品的施肥土壤提供礦物的土壤改良劑。炭也通過使生物質穿過與熏肉蒸煮器類似的暴露于外部含氧氣大氣的開放式微波爐來制造，并且含有變化與通過具有液相的熱工藝制造的炭類似的孔隙。

在通過熱量加熱或紅外輻射制造的生物炭中，熱被吸收在任何含有機碳原料的表面上并且然后在較低溫度下再輻射至下一級。再次反復重復這種工藝直至熱輻射穿透至原料的最內部分。原料中的所有材料在其表面處吸收熱輻射，并且構成原料的不同材料以不同速率吸收IR。在原料的表面與最內層或區之間可以存在幾個數量級的Δ溫度。因此，固體含有機碳原料在揮發之前的局部經過液相。這種溫度變化可以在縱向方向以及徑向方向上出現，這取決于原料的特征、加熱的速率以及熱源的定位。從原料的表面向內部的這種可變熱傳遞可以產生冷點和熱點、熱沖擊、不平坦表面和內部膨脹裂痕、碎裂，噴射表面材料并且形成氣溶膠。這全部可能產生引起副反應并且形成許多不同的最終產品的微環境。這些副反應不僅在原料中而且在揮發物中發生，這些揮發物從原料中蒸發并且在收集之前占據內部反應器環境中的蒸氣空間。

常用熱工藝，即熱解，通過在低/無氧環境中加熱生物質而從生物質產生生物炭、液體和氣體。氧氣的缺乏防止燃燒。典型產率為60％生物油、20％生物炭以及20％揮發性有機氣體。在化學計量的氧氣存在下的高溫熱解也被稱為氣化，并且主要產生合成氣。比較起來，緩慢熱解可以產生明顯更多的炭，約50％左右。

另一種熱工藝是升華工藝熱解，其在低/無氧環境中從生物質產生生物炭和氣體。氧氣的缺乏也防止燃燒。典型產率為70％燃料氣和30％生物炭。升華可以適用于較重/較致密生物質原料(諸如木材)的豎直方式和適用于較輕/較不致密生物質原料(諸如麥秸)的水平水平進行。

作為熱工藝的替代物，通過微波輻射制造炭的工藝使用在整個含有機碳原料中吸收的熱量。所述工藝使用來自貧氧微波工藝系統的微波輻射。在微波輻射下，原料的固體部分對微波輻射幾乎透明并且大部分微波輻射正好穿過。與固體原料的小吸收截面成對比，氣態和液態水強烈吸收微波輻射，從而增加水分子的旋轉和扭轉振動能。因此，所存在的氣態和液態水通過微波加熱，并且這些水分子隨后間接地加熱固體原料。因此，使經受微波輻射場的任何原料的內部至外部均勻地暴露于輻射，而無論原料的物理尺寸和含量如何。在微波下，輻射優先被加熱升溫的水分子吸收。這種熱然后傳遞至周圍的環境，使得原料均勻并充分地被加熱。

在所有上述工藝中，并未去除所有可再生的含有機碳原料中的水溶性鹽。這具有增加燃燒的炭中的灰分含量并且因腐蝕和成渣，即在燃燒期間雜質的粘性殘留物的沉積而增加磨損和維護成本的不利影響。相比之下，本發明的制造經過加工的生物炭的工藝使用選礦子系統來加工未加工的含有機碳原料以去除大部分水和水溶性鹽，并且使用缺氧型熱子系統來將經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物炭。

相比之下，本發明的一個實施例的經過加工的生物炭所含有的水溶性鹽比目前已知生物炭的水溶性鹽少得多。本發明的缺氧型熱子系統與上文所論述的那些子系統類似，但使用經過加工的含有機碳原料而非上文所提及的由上述缺氧型熱工藝使用的未加工的含有機碳原料。

摻合的聚集體

摻合的聚集體提供用于諸如鍋爐的工藝中的顯著更清潔的燃料，而無常見相關的能量密度降低。

本發明的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體當與用未加工的含有機碳原料制造的生物質/煤摻合的緊密聚集體相比較時具有若干改善的特征。首先，經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體所含有的鹽顯著少于由目前使用類似未加工的含有機碳原料的工藝所產生的鹽。相對于未加工的含有機碳原料中的鹽含量，對于經過加工的含有機碳原料，處于經過加工的含有機碳原料中并且因此處于所得經過加工的生物質中的鹽以干物質計減少至少60wt％。鹽含量減少是基于以干物質計的經過加工的含有機碳原料與以干物質計的未加工的含有機碳原料之間的比較。在將經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物炭的后續加熱步驟之后，鹽含量不進一步變化，但因為經過加工的含有機碳原料中的一些固體轉化成液體或氣體相，故以干物質計的總固體減少一定百分比。經過加工與未加工的含有機碳原料之間鹽減少的另一個作用是一些實施例的所得經過加工的生物炭中的固定碳較高并且灰分含量較低，這是因為在鍋爐中后續燃燒所述生物炭期間形成灰分的鹽較少。此外，鹽在鍋爐中的不利作用減少，磨損減緩，并且設備的維護性清潔較不頻繁并且不太費力。

第二，高能量的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體具有高能量密度，接近高能量煤組分至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的能量密度。經過加工的生物質的能量密度是至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，其中一些實施例為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)。一些實施例的能量密度為至少23MMBTU/噸(27GJ/MT)，一些至少26MMBTU/噸(30GJ/MT)，一些至少28MMBTU/噸(33GJ/MT)，一些至少30MMBTU/噸(35GJ/MT)，并且一些至少31MMBTU/噸(36GJ/MT)。相比之下，通過對未加工的含有機碳原料進行缺氧型加熱而制造的未加工的生物炭的能量密度常常在10MMBTU/噸(12GJ/MT)與12MMBTU/噸(14GJ/MT)之間。

第三，取決于在聚集體中所用的經過加工的生物質的含量，經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體可以含有顯著較少的與煤自身相關的污染物。這種經過加工的聚集體含有極少(如果有的話)通常與煤相關的污染物。當燃燒煤時，與煤相關的這些污染物包括例如汞(神經毒素)、砷(致癌物)和SxOy。經過加工的生物質含有少于0.1wt％的任何上述雜質，一些實施例含有少于0.01wt％，一些少于0.001wt％，一些少于0.0001wt％。

第四，取決于所要目標，可以將較高水平的經過加工的生物質與煤碎屑摻合以允許用于多種情況。因為經過加工的生物質的較低鹽含量和較高能量密度，含有至少10wt％生物質的煤生物質摻合物現在可能具有接近或超出煤組分能量密度的能量密度和比生物質組分低得多的胞內鹽水平。在一些實施例中，生物質含量是至少20wt％，在一些實施例中至少30wt％，在一些實施例中至少40wt％，在一些實施例中至少50wt％，在一些實施例中至少60wt％，在一些實施例中至少70wt％，并且在一些實施例中至少80wt％。類似地，因為經過加工的生物質的低鹽含量和高能量密度，現在可能安全地以含有至少10wt％煤的摻合物形式運輸煤碎屑。在一些實施例中，煤含量是至少20wt％，在一些實施例中至少30wt％，在一些實施例中至少40wt％，在一些實施例中至少50wt％，在一些實施例中至少60wt％，在一些實施例中至少70wt％，并且在一些實施例中至少80wt％。這允許在商業中安全地使用煤碎屑作為用于諸如加熱鍋爐的工藝的燃料來源。其也允許摻合物的大部分是可再生固體燃料，而不需要犧牲與目前未加工的生物質和煤摻合物相關的材料清潔度或能量密度。

本發明的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體當與用未加工的含有機碳原料制造的生物質/煤摻合的緊密聚集體相比較時具有若干改善的特征。首先，經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體所含有的鹽顯著少于由目前使用類似未加工的含有機碳原料的工藝所產生的鹽。相對于未加工的含有機碳原料中的鹽含量，對于經過加工的含有機碳原料，處于經過加工的含有機碳原料中并且因此處于所得經過加工的生物炭中的鹽以干物質計減少至少60wt％。因此，所得經過加工的生物炭中的固定碳較高并且灰分含量較低，這是因為在燃燒期間形成灰分的鹽較少。另外，鹽在鍋爐中的不利作用減少，磨損減緩，并且設備的維護性清潔較不頻繁并且不太費力。

第二，取決于特定應用或用途的具體需求，經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體的能量密度通常接近低能量煤組分小于21MMBTU/噸(24GJ/MT)的能量密度或超過所述能量密度。經過加工的生物質的能量密度是至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，其中一些實施例為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)。一些實施例的能量密度為至少23MMBTU/噸(27GJ/MT)，一些至少26MMBTU/噸(30GJ/MT)，一些至少28MMBTU/噸(33GJ/MT)，一些至少30MMBTU/噸(35GJ/MT)，并且一些至少31MMBTU/噸(36GJ/MT)。相比之下，通過對未加工的含有機碳原料進行缺氧型加熱而制造的未加工的生物炭的能量密度常常在10MMBTU/噸(12GJ/MT)與12MMBTU/噸(14GJ/MT)之間并且一般在26MMBTU/噸(30GJ/MT)下，并且仍具有從未加工的生物質保留的鹽。

第三，取決于在聚集體中所用的經過加工的生物質的含量，經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體可以含有顯著較少量的與煤自身相關的污染物。這種經過加工的聚集體含有極少(如果有的話)通常與煤相關的污染物。當燃燒煤時，與煤相關的這些污染物包括例如汞(神經毒素)、砷(致癌物)和SxOy。經過加工的生物質含有少于0.1wt％的任何上述雜質，一些實施例含有少于0.01wt％，一些少于0.001wt％，一些少于0.0001wt％。

第四，如果使用經過加工的生物質粘合劑輔助形成球粒，那么經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體相對于煤含有甚至更少(如果有的話)的能量密度降低。經過加工的生物質粘合劑包含經過加工的含有機碳原料的清潔微粒和來自選礦子系統的木質素流出物，并且其干式能量密度為超過17MMBTU/噸(20GJ/MT)，在一些情況下至少19MMBTU/噸(22GJ/MT)，在一些情況下至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)，并且在一些情況下至少23MMBTU/噸(27GJ/MT)。

在本發明的一些實施例中，當不論所用含有機碳原料的類型，將經過加工的含有機碳原料制造為具有基本上均勻的能量密度時，用于制造本發明的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體的含有機碳原料可以含有超過一種可再生原料的混合物。

未加工的含有機碳原料

由半纖維素和木質素聚合物股交織而成的纖維素束是使植物茁壯并且精于保留水分的填塞料。纖維素已經經過數十億年的演化以抵抗熱、化學物質或微生物的破壞。在植物細胞壁中，微纖絲中的纖維素分子束提供具有抗拉強度的壁。纖維素微纖絲的抗拉強度高達110kg/mm²，或為在實驗室條件中最強的鋼的約2.5倍。當潤濕纖維素時，如在細胞壁中，其抗拉強度迅速下降，從而顯著降低其提供機械支撐的能力。但在生物系統中，纖維素骨架嵌入充當防水和加強材料的果膠、半纖維素以及木質素的基質中。這使得難以足夠快地、足夠便宜地或在取得經濟意義的足夠大的規模上從可再生的含纖維素生物質生產燃料。如本文所用，含有機碳材料意指可再生的含植物材料，其可以在小于50年內再生并且包括植物材料，諸如草本材料，諸如草、能量作物以及農業植物廢料；木本材料，諸如樹的部分、其它木本廢料，以及從木材制造的廢棄項目，諸如破爛家具和鐵路枕木；以及含有未消化的植物細胞的動物材料，諸如動物糞肥。在工藝中用作原料的含有機碳材料被稱為含有機碳原料。

未加工的含有機碳材料，也稱作可再生的生物質，涵蓋一系列廣泛的如上文所陳述的有機材料。據估計，單獨在美國每年產生數十億噸的含有機碳材料。如本文獻中所用，經過選礦的含有機碳原料是經過加工的含有機碳原料，其中已經減少水分含量，已經去除大量的溶解鹽，并且已經增加材料的能量密度。這種經過加工的原料可以用作制造幾種產能產品的工藝的輸入，這些產品包括例如液體烴燃料、取代煤的固體燃料、以及合成天然氣。

在提起制造含有機碳原料的行業中的每樣事物時，能量平衡是最重要的指標。用于對含有機碳原料進行選礦的能量的量以及因此所述能量的成本必須首先由通過選礦工藝實現的總體改善來基本上抵消。舉例來說，耗費1000BTU以使經過加工的含有機碳原料的熱含量得到1000BTU的改善，在所有其它事物都是同等的情況下，并未取得經濟意義，除非同時去除大量的水溶性鹽促使先前不可用的含有機碳原料可用作用于一些工藝(諸如鍋爐)的燃料替代品。

如本文所用，含有機碳原料包含自由水、胞間水、胞內水、胞內水-鹽以及至少一些植物細胞，所述植物細胞包含包括木質素、半纖維素和纖絲內纖維素微纖絲的細胞壁。在一些實施例中，未加工的含有機碳原料的水溶性鹽含量以干物質計為至少4000mg/kg。在其它實施例中，鹽含量可以超過1000mg/kg、2000mg/kg或3000mg/kg。含量在很大程度上取決于含有機碳材料所生長的土壤。土地肥沃并且更加能夠允許土地用于以商業量生長能量作物的地區通常具有得到水溶性鹽含量超過4000mg/kg的含有機碳原料的堿性土壤。

水溶性鹽在使用含有機碳原料以形成燃料的工藝中是不合需要的。所述鹽傾向于經由腐蝕、結垢或燃燒時成渣而縮短設備的操作壽命。一些鍋爐具有限制燃料中的鹽濃度小于1500mg/kg的標準。這是用以在用于鍋爐的燃料的可獲得性與清潔設備和替換部件的頻率的花費之間找到平衡。如果經濟的話，那么較少的鹽將是優選的。事實上，經由選礦使鹽減少是用于在鍋爐中使用含鹽生物質(例如，碎木燃料、牧豆樹以及松檜)的使能技術。鹽還常常在用于形成有益燃料的工藝中使催化劑中毒并且抑制細菌或酶的使用。雖然可耐受一定鹽濃度，但理想地，鹽的水平應低至經濟上可行的。

水溶性鹽和各種形式的水位于植物細胞中的各種區中。如本文所用，植物細胞由包括纖絲內微纖絲束的細胞壁組成并且包括胞內水和胞內水溶性鹽。圖1是典型植物細胞的圖解，其細胞壁區的分解圖示出了細胞壁中的纖絲、微纖絲以及纖維素的布置。示出了植物細胞(100)，其具有被放大以顯示纖絲(130)的細胞壁(120)區段。每個纖絲由包括纖維素(150)股的微纖絲(140)組成。纖維素股促成一定程度的有序性并且因此促成結晶性。

植物細胞具有初生細胞壁和次生細胞壁。次生細胞壁的厚度隨著植物類型而變化并且提供植物材料的大部分強度。圖2是次生植物細胞壁中一起成束的兩個纖絲的一部分的透視側視圖的圖解，其示出了含有微纖絲并且由半纖維素和木質素股連接的纖絲。植物細胞壁(200)的區段由許多纖絲(210)組成。每個纖絲210包括圍繞纖維素微纖絲(230)的聚集體的外鞘(220)。纖絲210由半纖維素(240)和木質素(250)交織而成的股束縛在一起。為了去除胞內水和胞內水溶性鹽，細胞壁200的區段必須通過以下至少一者而刺穿：從半纖維素240和木質素250的股的網狀物解開纖絲，使股的一部分解晶，或使股的一部分解聚。

植物細胞由胞間水彼此隔開。植物細胞的聚集體在植物纖維中集合在一起，每個植物纖維具有纖維素壁，其外部被自由水(也稱為表面水分)潤濕。分布在特定含有機碳原料內的水量隨著材料而變化。作為一個實例，水在來自草本植物的新鮮蔗渣中如下分布：約50wt％的胞內水、約30wt％的胞間水以及約20wt％的自由水。蔗渣是在壓碎甘蔗或高粱稈以提取其汁液之后保留的纖維物質。

圖3是蔗渣的纖維區段的剖視圖的圖解，其示出了水和水溶性鹽在植物細胞內部和外部駐留之處。示出了具有植物細胞的聚集體的纖維(300)，其具有在纖維素外壁(320)上的表面水分(310)。在纖維300內鋪設由胞間水(340)隔開的個別植物細胞(330)。在每個個別植物細胞330內鋪設胞內水(350)和胞內水溶性鹽(360)。

用以對含有機碳原料進行選礦的常規方法包括熱工藝、機械工藝以及物理化學工藝。熱方法包括涉及熱解和烘烤的熱處理。熱方法并不有效地去除夾帶的鹽并且僅用來使其濃縮。因此，熱工藝對于形成許多產能產品是不可接受的，所述產品諸如用作煤和石油類物質的燃料替代品的含有機碳原料。另外，所有常規熱方法都是能量密集的，導致不利的總體能量平衡，并且因此在經濟上限制含有機碳原料作為可再生能源的商業用途。

機械方法(也稱為加壓擠出或致密化)可以分成兩種不連續的工藝，其中強制性地從含有機碳材料中擠出水和水溶性鹽。這兩種工藝是胞間和胞內擠出。胞間水和胞間水溶性鹽的擠出在中等壓力下發生，這取決于含有機碳材料的新鮮度、粒度、初始水分含量以及含有機碳材料的種類。因此，水分含量介于50wt％與60wt％之間的新伐的草本含有機碳原料的適當大小的粒子將在低至1,000psi的壓力下開始擠出胞間水分，并且將持續直至過度的壓力迫使水分進入植物細胞中(基本上變成胞內水分)。

隨著致密化的進行，需要更高的壓力并且因此需要更高的能量成本以試圖擠出胞內水和胞內水溶性鹽。然而，堅硬的細胞壁為生物質材料提供機械強度，并且能夠經受住高壓而不會損失結構完整性。另外，在高于臨界壓力下壓實不同草本生物質材料期間已經觀測到在較薄弱細胞壁的草本材料中更為普遍的不透性氈的形成。這種方法是能量密集的。另外，其僅可以去除以干物質計至多50％的水溶性鹽(胞內鹽保留)并且不能使殘余總水含量減少至低于30wt％。

當長纖維形成織物并且由極小的木髓粒子束縛在一起時形成氈。木髓是在植物中發現的組織并且由軟的海綿狀薄壁組織細胞組成，所述細胞在整個植物中儲存和運輸水溶性養分。木髓粒子可以在水中固持其自身重量的50倍。隨著在壓實期間施加的壓縮力迫使水進入成形氈中，夾帶的木髓粒子收集水分直至其容量為止。因此，任何氈的水分含量都可以接近90％。當氈在壓實期間形成時，與所施加的力無關，壓實的生物質的總體水分含量將明顯高于在未形成氈的其它情況下可能的總體水分含量。氈阻塞壓實裝置的出口孔以及垂直于所施加的力的片段，并且阻斷水從壓實裝置排出。氈還阻斷水穿過植物纖維和植物細胞，使得一些水穿過細胞壁的孔隙回到一些植物細胞中。另外，其僅可以去除以干物質計至多50％的水溶性鹽，并且不能減少更多的水含量至低于30wt％。

物理化學方法涉及在壓實之前對含有機碳原料的化學預處理和壓力減壓以大量改善致密生物質的品質，同時還減少在壓實期間達成所需堆積密度所需要的能量的量。在化學方面，生物質主要包含位于相關植物材料的次生細胞壁中的纖維素、半纖維素以及木質素。纖維素和半纖維素股由木質素交聯，形成木質素-碳水化合物復合體(LCC)。LCC產生疏水屏障以消除胞內水。除了溶解過多的含有機碳材料的紙制漿工藝以外，常規預處理包括酸水解、蒸汽爆炸、AFEX、堿性濕法氧化以及臭氧處理。如果不小心地進行工程設計的話，所有這些工藝的單位產品重量的成本可能很昂貴并且并未被設計成去除以干重計超過25％的水溶性鹽。

另外，一般可從含有機碳材料獲得的能量密度取決于其類型，即，草本、軟木本以及硬木本。另外，在諸如用于發電廠的燃料的后續使用中的混合類型一般是不合需要的，這是因為目前經過加工的含有機碳原料的能量密度隨著植物材料的類型有很大變化。

如上文所陳述，植物材料可以進一步細分成三個子類，草本、軟木本以及硬木本，各自具有特定的保水機構。所有植物細胞都具有初生細胞壁和次生細胞壁。如早先所陳述，材料的強度主要來自于次生細胞壁，而不是初生細胞壁。即使軟木本材料的次生細胞壁也比草本材料更厚。

草本植物是相對薄弱壁的植物，包括玉米，并且最大高度小于約10至15英尺(約3至5米(M))的。雖然所有植物都含有木髓粒子，但草本植物經由植物細胞內如球囊一般固持水的高濃度的木髓粒子而保留其大部分水分，這是因為這些植物具有相對薄弱的細胞壁。壓力僅使球囊變形并且不會導致植物失去其水。草本植物中約50％的其水呈胞內水形式，并且未加工材料的能量密度為約520萬BTU/噸(5.2MMBTU/噸)或60億焦耳/公噸(6GJ/MT)。

軟木本材料是比草本植物更堅實的植物。軟木本材料包括松樹，并且最大高度通常介于50與60英尺(約15與18M)之間。其植物細胞具有更堅硬的壁并且因此需要更少的木髓粒子來保留水分。軟木本材料中約50％的其水呈胞內水形式，并且能量密度為約13-14MMBTU/噸(15-16GJ/MT)。

硬木本材料是最堅實的植物，包括橡樹，并且最大高度通常具有介于60與90英尺(18與27M)之間。其具有含最厚的次生細胞壁的纖維素植物細胞并且因此需要最少量的木髓粒子來保留水分。硬木本材料中約50％的其水呈胞內水形式，并且能量密度為約15MMBTU/噸(17GJ/MT)。

在能量工業中需要一種允許能量工業使用含有機碳材料作為商業替代物或輔助燃料來源的系統和方法。可供用于在商業規模上生長可再生的含有機碳材料的許多土地還得到具有高于所需水溶性鹽含量的含有機碳材料，所述含量通常在至少4000mg/kg的水平下。在太平洋西北地區的森林產品通常經由近岸內航道運輸，使生物質暴露于來自海洋的鹽。因此，這類系統和方法必須能夠去除足夠水平的水溶性鹽以提供合適的燃料替代品。作為一個實例，鍋爐一般需要小于1500mg/kg的鹽含量以避免與燃料中的高鹽相關的高成本維護。另外，用以去除足夠的水以達成可接受的能量密度的能量和所產生的成本必須足夠低以使含有機碳材料原料成為制造煤或烴燃料替代品的工藝中的合適替代物。

還需要一種可以處理各種類型的植物并且得到具有類似能量密度的經過加工的含有機碳原料的工藝。

所公開的本發明允許能量工業使用經過加工的含有機碳材料作為商業替代性燃料來源。本發明的一些實施例去除幾乎所有的人造或天然化學污染，并且使總水含量降至介于5wt％至15wt％范圍內的水平。這允許諸如電力公用工業的工業以至多50wt％經過加工的含有機碳原料與50wt％煤的比率在使水溶性鹽的量大量減少的情況下摻合含有機碳原料，并且在與煤有競爭力的價格下享有與煤相同的MMBTU/噸(GJ/MT)效率。文獻已經描述了至多30％的含有機碳原料與煤比率。最近的專利申請公布EP2580307A2已經描述了在加熱下通過機械壓實得到的至多50％的比率，但含有機碳原料中的水溶性鹽含量沒有明確減少。本文所公開的本發明明確包含經由處于針對所使用的每種特定未加工的含有機碳原料作調整的條件下的反應室的實質性水溶性鹽減少。如下文所論述，額外計劃的清洗子區段和在反應室的壓實區段中的后續壓制算法可以有益于加工具有特別高的水溶性鹽含量的含有機碳原料，以使得其可以用于與在其它情況下將不可用于在煤鍋爐中燃燒的煤摻合。這還包括例如碎木燃料、牧豆樹以及東方紅柏。

另外，所公開的本發明允許各自在經過調整的條件下加工不同類型的含有機碳原料，以得到具有預選的能量密度的經過加工的輸出。在本發明之一些實施例中，可以將具有介于5.2至14MMBTU/噸(6至16GJ/MT)范圍內的不同能量密度的超過一種類型的原料饋送至串聯的反應室中或穿過并聯的不同反應室。因為每種類型的含有機碳原料都是在預選的經過調整的條件下加工，所以本發明系統的一些實施例的所得經過加工的含有機碳原料可以具有基本上類似的能量密度。在一些實施例中，能量密度為約17MMBTU/噸(20GJ/MT)。在其它實施例中，其為約18、19或20MMBTU/噸(21、22或23GJ/MT)。這為下游工藝提供以下極大優勢：能夠與具有類似能量密度的經過加工的含有機碳原料一起作業，而與所用類型以及大量減少的水溶性含量無關。

本發明的工藝使用選礦子系統以形成經過加工的含有機碳原料，所述經過加工的含有機碳原料為用于從可再生的生物質形成令人滿意的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體的清潔的經濟材料，并且使用摻合子系統用于使經過加工的含有機碳原料和煤轉化成本發明的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體。現在將論述第一子系統。

選礦子系統

用于制造經過加工的含有機碳原料的選礦子系統包含至少三種元件，一個傳動裝置、至少一個反應室以及一個收集裝置。如本文獻中所用，選礦子系統是指用于將未加工的含有機碳原料轉化成經過加工的含有機碳原料的系統。

第一元件，即傳動裝置，被配置成向反應室中輸送包含自由水、胞間水、胞內水、胞內水溶性鹽以及至少一些植物細胞的未加工的含有機碳原料，所述植物細胞包含包括木質素、半纖維素和纖絲內纖維素微纖絲的細胞壁。傳動裝置可以是適合于將固體未加工的含有機碳原料輸送至反應室中以獲得原料在反應室中一致的滯留時間的任何裝置。傳動裝置包括化學工業中所熟知的諸如螺旋輸送器的裝置。

未加工的含有機碳原料的粒度應充分小以允許當使未加工的含有機碳原料穿過系統以形成經過加工的含有機碳原料時獲得令人滿意的能量平衡。在一些實施例中，未加工的含有機碳原料達到一定的標稱大小。草本材料(諸如能量作物和農業廢料)應具有最長尺寸小于1英寸(2.5cm)的粒度。優選地，新伐的大部分木材和木材廢料的最長長度應小于0.5英寸(1.3cm)。優選地，陳舊的木材廢料，尤其樹脂型木材(諸如松樹)具有最長尺寸小于0.25英寸(約0.6cm)的粒度以獲得最佳經濟成果，其中生產量和能量/化學消耗加權在一起。

系統的一些實施例還可以包括在反應室之前的粉碎室。這個粉碎室被配置成使含有機碳原料的粒度減至小于1英寸(2.5cm)作為最長尺寸。這允許含有機碳原料帶有最長尺寸大于1英寸(2.5cm)的粒度。在一些實施例中，最長尺寸小于0.75英寸(1.9cm)，并且在一些實施例中小于0.5英寸(1.3cm)。

系統的一些實施例還可以包括預處理室以去除阻礙用于胞內水和水溶性鹽從纖維素纖絲束通過的通道形成的污染物。所述室被配置成針對每種含有機碳原料使用一組特定的條件，包括持續時間、溫度概況以及預處理溶液的化學含量以至少起始污染物的溶解。污染物包括樹脂、松香、膠以及木餾油。可以收集固體漿料(包括任何初生氈)以在作為主要最終產品的經過加工的含有機碳原料中用作粘合劑。可以收集分離的油作為獨立的產品，諸如香柏油。

第二元件，即反應室，包括至少一個入口通道、至少一個出口通道以及至少三個區段，即濕纖絲破壞區段、蒸氣爆炸區段和壓實區段。第一區段，即濕纖絲破壞區段，被配置成松開纖絲束中纖維素微纖絲之間的木質素和半纖維素中的至少一些以使細胞壁的至少一些區更加可穿透。這是通過幾種方式中的至少一者來實現。將含有機碳原料與適當的化學物質混合以滲透植物纖絲并且破壞木質素、半纖維素以及LCC屏障。另外，化學處理還可以解開纖維素纖絲和/或微纖絲的一部分、使其解晶和/或解聚。優選地，化學物質針對特定的含有機碳原料作調整。在一些實施例中，化學處理包含含有可混揮發性氣體的水溶液。可混氣體可以包括氨、碳酸氫鹽/碳酸鹽或氧氣中的一者或多者。一些實施例可以包括甲醇、碳酸銨或碳酸的水溶液。舉例來說，甲醇的使用可能是具有較高木本含量的含有機碳原料所需要的，以溶解木本含有機碳原料中所含的樹脂，從而允許選礦化學物質更好地與纖絲接觸。在混合的預定滯留時間之后，含有機碳原料可以通過蒸汽驅動，或通過諸如活塞的另一種方式輸送至反應室的下一個區段中。在一些實施例中，應選擇工藝條件以不溶解超過25wt％的木質素或半纖維素，因為這些是經過加工的含有機碳原料的能量密度的重要促成因素。取決于所使用的特定含有機碳原料，系統的一些實施例可以具有至少135℃、至少165℃或至少180℃的溫度；至少260psig、至少280psig、至少375psig或至少640psig的壓力；以及至少15分鐘(min)、20min或30min的滯留時間。

在一些實施例中，從反應室抽取懸浮于流出物中的微觀粒子和富含木質素的碎片以用于后續使用。按需要，微觀粒子和木質素不含水溶性鹽和其它雜質。所得漿料(通常為白色)充當高能量生物質粘合劑，然后在粒化步驟之前將所述粘合劑與經過加工的含有機碳原料混合。這減少在粒化期間對熱量的需要。

第二區段，即蒸氣爆炸區段，與濕纖絲破壞區段連通。其至少被配置成使植物纖絲可滲透流體經由快速減壓而揮發以穿透細胞壁的更易感區以便形成具有纖維素通道的多孔含有機碳原料，所述纖維素通道用于胞內水和水溶性鹽從纖維素纖絲束通過。將含有機碳原料分離，加熱，用包含蒸汽的揮發性流體加壓。所施加的揮發性化學物質和蒸汽由于高溫和高壓而穿透至蒸氣爆炸區段內的植物纖絲中。在所用特定含有機碳原料指定的預定滯留時間之后，通過打開快開閥使壓力從反應室迅速釋放至膨脹室中，所述膨脹室可以被設計成保留氣體，分離氣體，并且在工藝中再使用氣體中的至少一些用于增加能量/化學效率。在不需要保留氣體的情況下，一些實施例可能不具有膨脹室。取決于所使用的特定含有機碳原料，系統的一些實施例可以具有至少230、至少250、至少345或至少600psig的比壓降；以及小于500毫秒(ms)、小于300ms、小于200ms、小于100ms或小于50ms的爆炸持續時間。

一些實施例可以包括進入反應室的濕纖絲破壞區段中的氣體入口以遞送壓縮空氣或其它壓縮氣體，諸如氧氣。在遞送達到所需壓力之后，將封閉入口孔并且將進行反應加熱。注意到，這可以允許三個事件中的至少一者：第一，總壓力的增加將使后續爆炸更加強力。第二，氧含量的增加在需要時將增加經過加工的含有機碳原料的氧化潛力。第三，將提供用于經由穿過反應室底部穿孔管的氣體鼓泡作用來混合含有機碳原料、水以及潛在的其它化學物質(諸如有機溶劑)的措施。

穿過濕纖絲破壞區段和蒸氣爆炸區段對于含有機碳原料的凈效應是以物理方式經由壓力爆破并且以化學方式經由選擇性和最小的纖絲纖維素解除連接、纖維素解聚和/或纖維素解晶來破壞纖絲細胞壁。還可以發生化學效應，諸如纖維素、木質素以及半纖維素的水解。所得含有機碳原料粒子展現其纖絲和細胞壁中微孔的大小和數目的增加，并且因此展現增加的表面積。現在的多孔含有機碳原料從蒸氣爆炸區段排出進入下一個區段中。

第三區段，即壓實區段，與蒸氣爆炸區段連通。壓縮區段至少被配置成在壓力板之間壓縮多孔含有機碳原料，所述壓力板被配置成使將閉合所制造的反應室出口通道的氈的形成減至最小以允許胞內和胞間水以及胞內和胞間可溶性鹽逸出。在這個區段中，每種含有機碳原料的原則工藝條件是壓力板上凸起圖案的存在或不存在、初始水含量、經過加工的水含量以及最終水含量。本發明系統的壓實區段需要壓力板上的凸起圖案化表面用于包含草本植物材料原料的原料。然而，取決于所用特定材料和收獲其的新鮮度，所述區段可能需要或可能不需要凸起圖案表面用于加工軟木本或硬木本植物材料原料。取決于所使用的特定含有機碳原料，系統的一些實施例可以具有介于70至80wt％、45至55wt％或40至50wt％的范圍內的初始水含量；以及4至15wt％的經過加工的水含量，這取決于所期望的實際目標。

第三元件，即收集裝置，與反應室連通。收集室至少被配置成分離非燃料組分與燃料組分并且形成經過加工的含有機碳原料。這種原料的水含量小于20wt％，并且水溶性鹽含量以干物質計減少至少60％。一些實施例在允許表面水分經空氣干燥之后的水含量小于20wt％。一些實施例具有水含量小于15wt％的經過加工的含有機碳原料。其它實施例具有水含量小于12wt％、小于10wt％、小于8wt％或小于5wt％的經過加工的含有機碳原料。一些實施例的水溶性鹽含量以干物質計減少至少65％。其它實施例的水溶性鹽含量以干物質計減少至少70％、以干物質計75％、以干物質計至少80％、以干物質計至少85％、以干物質計至少90％或以干物質計至少95％。

系統的一些實施例可以進一步包括至少一個清洗子區段。這個子區段被配置成在傳送至壓實區段之前從多孔含有機碳原料沖洗水溶性鹽中的至少一些。在鹽含量特別高，諸如鹽水浸泡的碎木燃料(木屑、刨花，或來自用于形成其并且也稱為“錘碎機(hammerhog)”的鋸木機或研磨機的殘留物)的一些實施例中，所述系統被配置成具有超過一個清洗子區段，繼之以另一個壓實區段。可以收集分離的水連同溶解的水溶性鹽并且加以處理以供釋放至周圍環境中或甚至在用于生長可再生的含有機碳原料的田地中再使用。這種水中的鹽可能包括有目的地向作物中添加的成分，諸如肥料和殺蟲劑。

本發明的選礦子系統可以經由幾個圖的描繪而更好地理解。圖4是與用以保留從減壓的含碳原料放出的氣體的膨脹室連通的反應室的一個實施例的側視圖的圖解。示出了反應室(400)，其具有濕纖絲破壞區段(410)。將溶劑(412)和已切削至小于0.5英寸(1.3cm)的未加工的含有機碳原料(414)分別經由閥(416)和(418)饋送至濕纖絲破壞區段410中以準備用于下一個區段。然后將經過預處理的含有機碳原料經由閥(422)傳送至蒸氣爆炸區段(420)。閥在室之間使用并且用于輸入材料以允許在每個室中獲得指定的目標條件。將揮發性膨脹流體(諸如水或基于水的揮發性混合物)經由閥(424)饋送至蒸氣膨脹室420中。將在減壓期間形成的從多孔含有機碳原料釋放的氣體經由快速釋放閥(428)饋送至膨脹室(未示出)中以保留氣體以供可能再使用。壓實區段(430)經由閥(432)接收多孔含有機碳原料，其中水和水溶性鹽基本上從多孔含有機碳原料去除并且其現在是經過加工的含有機碳原料。

如上文所陳述，壓實區段中的壓力板被配置成使氈的形成減至最小。氈是交織形成不透性屏障的交織纖維的集聚，所述屏障阻止水和夾帶于所述水中的水溶性鹽穿過壓實區段的出口孔。另外，在反應室的前兩個區段中留存于選礦工藝中的任何木髓粒子都可能夾帶于氈中以吸收水，從而防止水在壓制期間排出。因此，氈的形成截留很大部分的水和鹽免于從被壓縮的生物質的內部擠出。圖5A、5B以及5C示出了壓力板的實施例以及其如何作業以使氈的形成減至最小以使得水和水溶性鹽能夠從壓實區段自由流動。圖5A是壓力板的各種實施例的正視圖的圖解。示出了與多孔含有機碳原料的順流相抵地壓制的壓力板的表面。圖5B是圖5A中所示的壓力板的一個實施例的特寫的透視圖。圖5C是示出沿著具有力矢量和暴露于力矢量中的氈的壓力板中心向下的剖視圖的圖解。反應室的前兩個區段中的上游選礦工藝使生物質中的纖維嚴重削弱，從而也促成氈形成的最小化。

一些實施例在小于來自已知機械、已知物理化學或已知熱工藝的經過加工的含有機碳原料的單位重量成本的60％的成本下達成經過加工的含有機碳原料相對于未加工的含有機碳原料的水含量和水溶性鹽減少。在這些實施例中，反應室被配置成在針對每種未加工的含有機碳原料作調整的條件下操作，并且對系統進一步進行工程設計以再捕集和再使用熱以使得到一組特定的經過加工的含有機碳原料特性所消耗的能量減至最低。反應室區段如下進一步配置。濕纖絲破壞區段進一步被配置成使用針對每種含有機碳原料作調整并且至少包含用于每種含有機碳原料的溶劑介質、持續時間、溫度概況以及壓力概況的纖絲破壞條件。第二區段，即蒸氣爆炸區段，被配置成使用針對每種含有機碳原料作調整并且至少包含壓降、溫度概況以及爆炸持續時間的爆炸條件以在植物細胞內形成揮發性植物纖絲可滲透流體爆炸。第三區段，即壓實區段，被配置成使用針對每種含有機碳原料以及壓力、壓力板配置、滯留時間和壓力對時間概況作調整的壓實條件。

針對每種含有機碳原料調整工藝條件的重要性通過以下關于植物纖絲的粘彈性/粘塑性特性的論述來說明。除了在植物當中其細胞壁構造的差異之外，取決于這些植物是草本、軟木本還是硬木本，植物不同程度地展示一些令人感興趣的物理特性。含有機碳材料展示彈性與塑性特性，其程度取決于植物的特定種類和其狀況，諸如其為新鮮的還是陳舊的。主導粘彈性/粘塑性材料的特性/塑性關系的物理學是相當復雜的。不同于純彈性物質，粘彈性物質具有彈性組分和粘性組分。類似地，粘塑性材料具有塑性組分和粘性組分。壓制粘彈性物質的速度給予物質一定的應變率對時間的依賴性直至達到材料的彈性極限。一旦超過彈性極限，材料中的纖絲開始經歷塑性(即，永久)變形。圖6A是木質纖維素纖絲的典型應力-應變曲線的圖解說明。由于粘性，即粘彈性與粘塑性的關鍵方面，是對熱激活變形的抗性，因此粘性材料將在整個壓實周期中損失能量。如通過纖絲本身無法恢復其原始形狀所觀測，塑性變形也造成能量損失。重要的是，粘彈性/粘塑性引起分子重排。當將應力施加于粘彈性材料，諸如特定的含有機碳原料時，其成分纖絲和夾帶的水分子中的一些改變位置，并且在此過程中由于摩擦而以熱的形式損失能量。著重強調的是，材料損失至其環境中的能量是從壓實機接收的能量并且因此是工藝所消耗的能量。當超出材料的彈性極限施加額外應力時，纖絲本身改變形狀而不僅僅是位置。“粘性”物質按照定義將以熱的形式損失能量至其環境中。

如何針對一種含有機碳原料優化壓實周期以使達成目標產品價值的能量消耗減至最低的一個實例如下。經由實驗，在所消耗的能量與所達成的能量密度之間取得平衡。圖6B是減少典型含有機碳原料的水含量并且增加其堆積密度所需的壓力和能量的圖解說明。堆積密度與水含量相關，較高堆積密度等同于較低水含量。含有機碳原料壓實工藝將在影響生產率的周期時間、凈水分擠出連同相關的水溶性鹽和礦物、扣除因原料的粘彈性/粘塑性特性所致的回彈效應的永久堆積密度改善、以及能量消耗之間達到最佳平衡。

圖6C是達成堆積密度倍增所需的能量需求倍增的源自實驗的圖解說明。通過將短暫的暫停并入周期中，可以針對含有機碳原料的每個種類和狀況進一步優化壓實周期以在更小的壓力，即能量消耗下達成所需結果。圖6D是使用針對特定的含有機碳原料作調整的本發明的一個實施例來減少含有機碳原料中水含量的壓力周期的一個實例的圖解說明。

以類似方式，在系統的濕纖絲破壞和蒸氣爆炸部分中可以優化能量消耗。在壓實之前的化學預處理將進一步改善產品的質量并且還降低凈能量消耗。出于比較的目的，在圖6C中達成“10”的堆積密度倍增所施加的壓力為10,000psi左右，這需要不經濟的高成本資本設備和不令人滿意的高能量成本以使含有機碳原料減壓。

圖7是說明與已知的工藝相比，使用本發明的實施例從含有機碳原料去除至少75wt％的水溶性鹽并且使水含量從50wt％降至12wt％所需的能量消耗估算值的表格。具有50wt％的初始水含量的廢木材用于估算以說明本發明的三個實施例與已知的機械、物理化學以及熱工藝的并列比較。所選系統的實施例使用纖絲膨脹流體，其包含水；水與甲醇；水與二氧化碳，其中二氧化碳鼓泡至水中產生碳酸H₂CO₃。如表格中所見并且如上文所論述，已知的機械工藝不能使水含量降至12wt％，已知的物理化學工藝不能使水溶性鹽含量減少超過25wt％，并且已知的熱工藝不能去除任何水溶性鹽。使用甲醇和水、二氧化碳和水以及僅使用水的本發明三個實施例的每噸總能量需求分別是0.28MMBTU/噸(0.313，0.31MMBTU/噸(0.36GJ/MT)以及0.42MMBTU/噸(.49GJ/MT)。這分別與已知機械、已知物理化學以及已知熱工藝的0.41MMBTU/噸(0.48GJ/MT)、0.90MMBTU/噸(1.05GJ/MT)以及0.78MMBTU/噸(0.91GJ/MT)相比較。因此，去除水以降至小于20wt％的含量并且將水溶性鹽以干物質計去除75wt％的能量需求估算值對于系統發明的實施例來說小于能夠去除那么多水和水溶性鹽的已知物理化學和已知的熱工藝的60％。另外，系統發明能夠去除的水溶性鹽比使用能夠去除那么多水的已知物理化學和已知熱工藝可能去除的多得多。

多個反應室可以并聯使用以模擬連續工藝。圖8是具有并聯的四個反應室、預處理室以及蒸氣冷凝室的選礦子系統的一個實施例的側視圖的圖解。系統(800)包括將含有機碳原料遞送至系統800的輸入區段(802)。原料在進入含有機碳原料漏斗(806)之前穿過粉碎室(804)，從所述漏斗將原料傳送至預處理室(810)。污染物經由液體流出管線(812)進入分離裝置(814)中以加以去除，所述分離裝置諸如離心機并且具有污染物的出口流(815)、將液體移至過濾介質槽(818)并且移出以供再使用的液體排放管線(816)、以及將固體放回多孔含有機碳原料中的固體排放管線(820)。將來自過濾介質槽818的液體傳送至混合槽(822)，并且然后傳送至熱交換器(824)或第二混合槽(830)和預處理室810。含有機碳原料傳送至包含三個區段的四個反應室(840)之一。每個反應室的第一區段，濕纖絲破壞區段(842)，繼之以第二區段，蒸氣爆炸區段(844)，和清洗子區段(846)。高壓蒸汽鍋爐(848)由補充水管線(850)饋送并且使用來自燃燒空氣管線(852)的燃料額外加熱熱源(未示出)。主蒸汽管線(854)向預處理室810供應蒸汽并且經由高壓蒸汽管線(856)向反應室840供應蒸汽。含有蒸氣冷凝回路的蒸氣膨脹室(860)使用蒸氣爆炸歧管(862)附接至每個蒸氣爆炸區段以使氣體冷凝。揮發性有機組分和溶劑蒸氣管線(864)將蒸氣傳回燃燒空氣管線(852)并且蒸氣膨脹室860中的蒸氣穿過熱交換器(870)以捕集熱用于在反應室840中再使用。現在的多孔含有機碳原料此刻穿過反應室840的第三區段，壓實區段(880)。液體流體穿過液體流體出口通道(884)返回流體分離裝置(814)并且固體經過加工的含有機碳原料在(886)處離開。

加熱子系統

任選的加熱子系統用于將經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物炭以用于與煤后續摻合。在其最廣泛理解中，加熱子系統包含被配置成在缺氧型氛圍中加熱經過加工的含有機碳原料的反應室。加熱子系統包含至少兩種形式，一種為缺氧型熱子系統并且一種為微波子系統。其它形式是可能的，只要其在缺氧型環境中提供熱量即可。

缺氧型熱子系統

缺氧型熱子系統用于將來自選礦子系統的經過加工的含有機碳原料轉化成本發明的清潔的多孔經過加工的生物炭。在其最廣泛理解中，缺氧型熱子系統包含以下反應室，其被配置成在含有少于4％氧氣的氛圍中將經過加工的含有機碳原料加熱至足以將至少一些經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物氣和經過加工的生物炭的溫度。在一些實施例中，所述氛圍含有少于3％氧氣，并且在一些實施例中少于2％氧氣。子系統進一步包含至少兩個適合于本發明的方面，常規的熱解缺氧型熱系統和升華缺氧型熱子系統。

熱解缺氧型熱子系統

常見熱解缺氧型熱子系統通過在低/無氧環境中加熱生物質而從生物質產生生物炭、液體和氣體。氧氣的缺乏防止燃燒。來自熱解的產品的相對產率隨著溫度而變化。400℃-500℃(752°F-932°F)的溫度產生更多的炭，而高于700℃(1,292°F)的溫度對液體和氣態燃料組分的產率有利。熱解在更高溫度下更快速地發生，通常需要數秒而不是數小時。典型產率為60％生物油、20％生物炭以及20％揮發性氣體。在化學計量的氧氣存在下，高溫熱解也被稱為氣化，并且主要產生合成氣。比較起來，緩慢熱解可以產生明顯更多的炭，約50％左右。本發明的主要益處是用經過加工的含有機碳原料制造的所得經過加工的生物炭的水溶性鹽含量相對于用類似的未加工的含有機碳原料制造的經過加工的生物炭的水溶性鹽含量減少至少60wt％。在一些實施例中，水溶性鹽含量減少至少65wt％；在一些實施例中至少70wt％；在一些實施例中至少80wt％；在一些實施例中至少85wt％；在一些實施例中至少90wt％。

升華缺氧型熱子系統

另一種缺氧型熱子系統是升華缺氧型熱子系統。不同于熱解子系統，升華子系統中的原料不經過液相，并且產品僅是燃料氣體和經過加工的生物炭。

以下描述涉及用于通過升華子系統將含有機碳原料加工成氣態燃料和經過加工的生物炭燃料的方法。取決于含有機碳原料的性質和在升華工藝期間采用的滯留時間，氣態燃料主要是甲烷，但還可以包括乙烷、丙烷和丁烷。經過加工的生物炭燃料是在升華溫度下不能轉化成氣態燃料的固體碳基殘留物。或者，可以調節系統條件以優先形成超過最小值的經過加工的生物炭。

升華子系統是高溫子系統，其被配置成在不經過液體狀態的情況下清潔地將固體可再生生物質轉化成氣態燃料和經過加工的生物炭，所述經過液體狀態在氣化下可能引起上文所論述的許多副反應。升華的關鍵是在無自由水存在下并且在基本上無氧氣的氛圍中將固體暴露于高溫中。在升華下，甲烷分子和高碳數基團(諸如乙烷、丙烷和丁烷)在從原料中的碳鏈中解構之后重新結合，而不分解成二氧化碳和水。

在升華子系統中制造的經過加工的生物炭相對于在上文所論述熱解子系統中制造的經過加工的生物炭的低水溶性鹽含量具有若干優點。首先，經過加工的生物炭基本上不含有可能保留在熱解子系統中的揮發物。在解聚溫度下存在的揮發物與碳發生不利反應以形成除所需的經過加工的生物氣燃料和本發明的經過加工的生物炭之外的化合物。另外，經過加工的生物炭中的揮發物通過減少所得生物炭中的固定碳來降低經過加工的生物炭的熱含量。在本發明中，經過加工的生物炭是基本上脫除揮發份而不含可冷凝和不可冷凝的氣體和蒸氣。在一些實施例中，對比在熱解子系統中從未加工的含有機碳原料制造的揮發物含量為至少10重量％的炭，氣體和蒸氣的含量減少至少95重量％，在一些實施例中減少至少97重量％，并且在一些實施例中減少至少99重量％。這在經過加工的生物炭應用中是合乎需要的，諸如用于制鋼、氣化以及燃燒應用(諸如鍋爐)的焦炭替代物，這是因為本發明的經過加工的生物炭中不利腐蝕性化合物的含量比從相同原料但使用熱解工藝加工的生物炭更低。

第二，經過加工的生物炭的熱值比通過熱解工藝使用相同原料制造的經過加工的生物炭的熱值更高。因為更好的脫除揮發份，所以在涉及燃燒經過加工的生物炭作為燃料的后期使用期間與揮發物和碳的副反應較少。因此，與在熱解子系統中從類似原料加工的生物炭相比，在本發明的經過加工的生物炭中可以保留更大程度的固定碳。固定碳含量在一些實施例中增加至少5重量％，在一些實施例中至少10重量％，在一些實施例中至少15重量％，并且在一些實施例中至少20重量％。固定碳的這種增加可以使得本發明的經過加工的生物炭的一些實施例的熱含量相比在熱解子系統中從相同原料加工的生物炭的熱含量增加。與在熱解子系統中制造的類似含有機碳原料的小于12MMBTU/噸(14GJ/MT)至小于20MMBTU/噸(23GJ/MT)相比較，熱含量受所用含有機碳原料的類型影響并且一般在至少20MMBTU/噸(23GJ/MT)至超過28MMBTU/噸(33GJ/MT)的范圍內。在一些實施例中，經過加工的生物炭的熱含量比通過熱解子系統加工的生物炭增加至少20％，在一些實施例中至少30％，在一些實施例中至少40％，在一些實施例中至少50％，在一些實施例中至少60％，并且在一些實施例中至少70％。另外，因為揮發物的量減少，所以本發明的經過加工的生物炭可以燃燒而沒有可見的煙霧，并且其火焰比在熱解子系統中由類似原料制造的生物炭所見火焰更小。對于一些實施例，火焰可以至少小5％，對于一些實施例至少小10％，對于一些實施例至少小15％，對于一些實施例至少小20％，對于一些實施例至少小25％，對于一些實施例至少小30％，對于一些實施例至少小35％，并且對于一些實施例至少小40％。

升華系統可以由水平升華系統和豎直升華系統進一步說明。可以涵蓋其它取向。

水平升華缺氧型熱子系統

水平升華缺氧型熱子系統包含四種元件。第一種是熱箱，其被配置成能夠(1)從環境溫度加熱至操作升華溫度，(2)維持在小于±10℃內穩定的初始操作升華溫度和最終操作升華溫度，以及(3)從操作升華溫度冷卻至環境溫度。全部無任何氧氣泄漏至熱箱中并且具有至少一個與熱箱內部連通的熱源以按需要提供熱量。第二種元件是至少一個基本上水平的反應室，其大部分位于熱箱內并且具有表面。反應室被配置成在無外部催化劑或額外水的情況下，在短至足以使經過加工的含有機碳原料的至少一部分升華而基本上不產生任何液體的時間范圍中將經過加工的含有機碳原料加熱至操作升華溫度。反應室還被配置成從環境溫度加熱至操作升華溫度、在升華溫度下操作以及從操作升華溫度冷卻至環境溫度，而不將任何產品氣體燃料泄漏至周圍熱箱中，并且包含位于熱箱外部的輸入端。反應室進一步被配置成經由輸入線接收經過壓縮的原料，并且具有位于熱箱外部并且被配置成經由排放管線排放產品氣體并經由輸出線排放固體炭燃料的輸出端。第三種元件是第一供電運輸機構，其位于反應室內并且被配置成隨著經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物氣和經過加工的生物炭，使經過加工的含有機碳原料的升華產品輸送通過反應室。第四種元件是氣密元件，其位于輸入線和輸出線兩者上并且被配置成防止熱生物氣不利地從反應室中逸出。

現將對于使用基本上水平的升華器將經過加工的含碳原料高效地轉化成產品生物氣燃料和固體經過加工的生物炭燃料論述整個工藝。將對需要經過加工的含有機碳原料制備、干燥和壓縮并且使用具有兩個反應室和燃燒器以遞送升華熱的設備的實施例簡單論述所述工藝。在一些實施例中，選礦子系統直接附接至水平升華缺氧型熱子系統，并且經過加工的含有機碳原料需要極少(如果有的話)制備、干燥和壓縮。在一些實施例中，經過加工的含有機碳原料的所需特性使得至少一些額外制備、干燥和或壓縮是合乎需要的。簡言之，本發明這個實施例的升華子系統被配置成能夠進行制備步驟、干燥步驟、壓縮步驟、升華步驟以及分離步驟。經過加工的含有機碳原料制備將由考慮用于加T/轉化的經過加工的含有機碳原料的物理特征(諸如其水含量)以及諸如大小和厚度的物理特征來指定。含碳原料的大小減小將增強經過加工的含有機碳原料的可壓縮性以允許在反應室中的最大生產量。在一些實施例中，大小是體積小于側面約2cm(約0.75英寸)的立方體的等效物并且任一方向的長度不超過約5cm(約2英寸)。

在恰當地制備經過加工的含有機碳原料之后，其然后將穿過輸入線上的氣密元件進入具有內部螺旋輸送器的基本上水平的干燥室中并且用來自下游工藝的再循環熱量處理以驅除盡可能多的自由水。減少自由水含量將增加經過加工的含有機碳原料的熱吸收，并且減少升華反應室內部的水以及成品生物氣燃料和經過加工的生物炭中存在的氧氣量。減少自由水和氧氣將在產品生物氣燃料中產生較少二氧化碳和一氧化碳。因為CO2和CO副產品增加經過加工的生物炭和所生產的生物氣的能量含量，所以較少的所述副產品是合乎需要的。

在干燥室之后，經過加工的含有機碳原料將傳送進入含有壓縮螺桿的壓縮室中，其被設計成將含碳原料壓縮至所需密度。這種壓縮進一步減少任何殘余自由水。其還移除夾帶于經過加工的含有機碳原料中的空氣，這也將使升華反應室中存在的氧氣減到最少。這種經過脫水、脫空氣和致密化的含碳原料將進入反應室。

壓縮室在其進入反應室的出口處發展出原料塞。這個塞充當部分屏障或密封件，因此最少量的在反應室中產生的氣體回流和逸出。輸入線上的氣密元件防止其余氣體從系統逸出。

在所論述的實施例中，升華子系統具有三維物理設備、具有沿著頂部行進的內部基本上水平反應室的矩形箱、下降通道以及然后與頂部反應室方向相反的第二基本上水平反應室。每個反應室含有其自身的用于運輸原料的螺旋輸送器，是連續的，并且針對任何熱產品氣體燃料的逸出是完全密封的。

在這個實施例中，燃燒器處于加熱箱外部但附接至所述加熱箱，并且將加熱位于加熱箱內壁與反應室配置外壁之間的空間以使得在進行升華的反應室中將不存在加熱反應室外表面的熱傳遞空氣與經過加工的含有機碳原料的內含物之間的摻混。加熱箱的所有內表面都內襯有高隔熱材料，以便使熱量損耗減至最低并且使內部反應器空氣空間減至最少。

在壓縮螺桿之后，經過加工的含有機碳原料塞現在進入反應室。反應室在其內部含有螺旋輸送器，該螺旋輸送器可位于與管上方頂部空間通氣的管內部并且處于用于聚集所產生氣體的反應室內。螺旋輸送器推進并旋轉經過加工的含有機碳原料以使得其均勻暴露于管或反應室的側壁以用于高效熱交換和‘翻轉’所述原料用于均勻加熱。反應室從反應室的外表面加熱，因此熱傳遞加熱空氣，并且來自燃燒器的任何燃燒產品不與經過加工的含有機碳原料和/或產品氣體燃料或生物氣摻混。反應室被構造成防止任何熱氣體泄漏出。

然后，經過加工的含有機碳原料沿著反應室的長度向下螺旋輸送。在反應室末端處，含碳原料向下掉落至設計與第一反應器管相同的第二螺旋輸送反應室中。包括連接通道的三個室的配置看起來像向左旋轉90度的U形。

經過加工的含有機碳原料現在已經縮減為脫除揮發份的碳和揮發性氣體。揮發性氣體通過熱碳表面并與其混合，并且與其反應以形成解離的熱產品氣體燃料。在兩個反應室中的滯留時間允許使在升華期間形成的揮發性氣體解構為接近并包括甲烷結構的若干不同結構，并且與產品生物氣燃料沿著反應室向下移動。

在第二反應器室末端處是兩個出口。一個出口用于脫除揮發份的碳穿過氣密機構并且以固體生物炭燃料形式收集，并且第二個出口用于待捕集的產品生物氣。過濾產品氣體并且在其以最終產品生物氣燃料的形式離開反應室之后使其冷卻，并且然后儲存。

更具體來說，本發明的設備方面包含以下系統，其包括熱箱、至少一個反應室、第一供電運輸機構以及氣密元件。熱箱被配置成能夠從環境溫度加熱至操作升華溫度，維持在小于±10℃內穩定的初始操作升華溫度和最終操作升華溫度以及從操作升華溫度冷卻至環境溫度，而不將任何氧氣泄漏至熱箱中，并且具有至少一個與熱箱內部連通的熱源以按需要供應熱量。

使經過加工的含有機碳原料升華所需的溫度取決于個別原料。如果操作溫度過低，那么在從固體至氣體的相變期間形成液體，并且伴隨有上文所論述并與氣化工藝相關的不利反應。如果溫度過高，那么在已吸熱反應中浪費能量。操作升華溫度通常在600℃與850℃之間。更常見的低密度經過加工的含有機碳原料的操作升華溫度在650℃與750℃之間。

出于以上原因，反應室中的操作溫度在設備操作期間應合理地穩定。在其中反應室長度較短并且經過加工的含有機碳原料的流動速率較小的一些實施例中，操作溫度可以基本上恒定在小于±10℃內。在具有較長滯留時間和較大的經過加工的含有機碳原料生產量的其它實施例中，反應室可以不恒定，而是相反地形成穿過反應室從開始處至末端下降的溫度概況。在這些實施例中，出于能效原因，穿過反應室的溫度概況的個別溫度應在操作期間穩定在小于±10℃內。

熱源必須能夠將熱箱內部加熱至穩定操作升華溫度并且在設備操作期間維持所述溫度。熱源可以包括任何可以提供足夠熱量的熱源，并且包括例如紅外源、激光源和燃燒源。使用燃燒源的實施例的額外優點在于，其可以用產品生物氣燃料中的一些作為燃料以使得其不需要來自外部來源的額外能量。此類實施例在操作期間可以是自給自足的，其中在設備中形成少至10％的產品氣體燃料。一些實施例可以是自給自足的，其中產品氣體燃料少至7％，并且一些實施例少至5％。這是因為產品氣體燃料的高能量含量和加工不同原料所需的能量的可變量。

所述至少一個反應室基本上水平，大部分位于熱箱內，具有表面，并且被配置成在無外部催化劑或額外水的情況下，在短至足以使經過加工的含有機碳原料的至少一部分升華而基本上不產生任何液體的時間范圍中將經過加工的含有機碳原料加熱至操作升華溫度。另外，其被配置成從環境溫度加熱至操作升華溫度，在升華溫度下操作以及從操作升華溫度冷卻至環境溫度，而不將任何產品生物氣燃料泄漏至周圍熱箱中，此外，其包含位于熱箱外部并且被配置成經由輸入線接收經過壓縮的原料的輸入端，和位于熱箱外部并且被配置成經由壓力隔離元件排放產品生物氣燃料并經由輸出線排放經過加工的生物炭燃料的輸出端。

升華是從有機碳基原料，并且更確切地說在本發明的情況下從經過加工的有機碳基原料解構出較小氣態烴的反應。在本發明中，由于氣體與經過加工的生物炭固體燃料殘留物相互作用，故其以經過加工的生物氣燃料形式收集。因此，不需要昂貴的外部催化劑和后續復雜的重組操作以形成經過加工的生物氣燃料。另外，本發明的升華在最少氧存在下進行，這是因為任何氧都會反應而產生非燃料反應產品，諸如二氧化碳和一氧化碳。因此。需要不使用過熱蒸汽與經過加工的含有機碳原料接觸而達成操作升華溫度。間質性鎖定在細胞中一些氧可能處于經過加工的含有機碳原料中。另外，一些氧可能因為在需要干燥步驟時可能不完全的干燥而進入反應室。這些來源的潛在氧源應通過選礦預加工(使細胞壁破壞而暴露間質水并且釋放氧)以及良好預干燥工藝而減低。因此，取決于所用特定經過加工的含有機碳原料，這些氧源包含小部分并且促成小于5％并且常常小于3％或2％的氣態產品。

為了避免經過液相，經過加工的含有機碳原料的固體表面應立即達到升華溫度。在一些實施例中，這在1毫秒內。在一些實施例中，時間在小于0.1毫秒內。在再其它實施例中，其在小于0.01毫秒內。

一些實施例具有單個反應室。構造這些實施例以承受與在啟動操作期間從環境溫度達到操作升華溫度相關的溫度變化以及在關閉操作期間逆向的溫度變化。特征可以包括較厚的壁和/或使用支撐元件(諸如角撐)，其中反應室壁的轉化部分與熱箱的側面連通。

第一供電運輸機構位于反應室內，并且被配置成在將經過加工的含有機碳原料轉化成產品氣體燃料和固體炭燃料時將經過加工的含有機碳原料的升華產品輸送通過反應室。一些實施例具有包含含有第一供電運輸機構的管的反應室。反應室還具有與管連通的頂部空間以用于在形成產品生物氣燃料時對其進行收集。第一供電運輸機構被配置成推進經過加工的含有機碳原料的固體部分，尤其低密度形式的經過加工的含有機碳原料。其還被配置成輔助與反應室表面熱量的互混以有助于在持續從原料固體部分中去除產品生物氣燃料時維持與原料固體部分接觸的穩定操作升華溫度。第一運輸機構是能夠在升華溫度下有效操作并且在操作啟動和冷卻期期間不由熱膨脹和收縮而不利地削弱的運輸機構。有效第一運輸機構的一個實例是螺旋輸送器。

氣密元件位于輸入線和輸出線兩者上并且被配置成防止熱產品燃料生物氣不利地從反應室中逸出。允許產品生物氣燃料以不受調控的方式離開反應室的泄漏可能引起嚴重安全問題。可燃產品生物氣燃料在熱表面存在下可能導致起火和爆炸。在所論述的溫度下有效用于這個目的的氣密元件的實例是旋轉閥、旋轉真空閥和致動雙閘閥。或者，更昂貴的配置可以包括周圍升華子系統熱箱的箱，在所述箱中在正壓下吹掃氮氣以保持任何逸出的氣體無法造成危險。

可以通過使產品氣體燃料穿過壓力隔離元件來保護反應室中的操作壓力不受離開其排放管線的產品生物氣燃料的不利不穩定性影響。這有助于維持反應室內的穩定升華條件。壓力隔離元件包括例如維持反應室中壓力的起泡器和旋流器。或者，反應室中的壓力可以用過排放至氣密固持槽中的產品生物氣燃料來控制。

系統的一些實施例具有至少兩個彼此串聯連通的基本上水平反應室，并且第一供電運輸機構的軸的一部分延伸到每個反應室和熱箱外部。具有超過一個串聯反應室的實施例提供能夠在占據面積與具有單個反應室的一些系統類似的情況下加工更高量的含碳原料的系統。這些實施例進一步包含位于熱箱外部的可調節密封元件，其位于圍繞第一供電運輸機構延伸部分的環管周圍的熱箱區處。可調節密封元件被配置成防止外部氧在啟動和關閉操作改變溫度期間以及在穩態升華操作期間從熱箱外部進入熱箱的不利進入。允許氧氣從外部進入熱箱或產品氣體燃料從反應室進入熱箱的泄漏可能不合需要地引起操作升華溫度的較大波動。其表示在其燃燒時的額外且不受控的熱源。

每個密封元件包含可調節板和可調節密封件以允許令人滿意地排出經由在啟動和關閉操作期間系統元件的熱膨脹和收縮期間形成的非所需泄漏點而泄漏至熱箱或反應室中的額外非所需氧氣。可調節板包含基本上豎直的板，其可調節地附接至熱箱并且被配置成圍繞第一供電運輸機構軸的延伸部分豎直移動環管以防止環管與軸之間的不利接觸。可調節密封件與調節板連通，位于圍繞第一供電運輸機構的軸的延伸部分處，并且包含被設計成在其從熱箱延伸出時維持圍繞第一供電運輸機構軸的氣密密封的錐體與繩索配置。

反應室中的滯留時間隨著經過加工的含有機碳原料的性質和所加工的量而變化。通常，介于至少50重量％與超過90重量％之間的經過加工的含有機碳原料可以轉化成產品氣體燃料，其中其余部分為能量密度與煤類似的固體炭燃料。較長滯留時間允許更多甲烷單元從解離氣體中再締合，并且可能導致接近超過70重量％至超過90重量％的更高的轉化成產品氣體燃料的轉化率。滯留時間可以介于在一些實施例中小于10分鐘至在一些實施例中小于5分鐘至在一些實施例中小于2分鐘的范圍內。一旦基本上達成理論轉化率，過長滯留時間對轉化率無不利作用。

在一些實施例中，反應器室進一步包含附接至熱箱反應室外部的歧管。反應室表面和歧管被配置成允許解離的氣體在反應室與歧管之間傳送以增加解離氣體暴露于升華溫度下的時間。在一些情況下，這種額外時間可能導致具有更長碳-碳結構化鏈的解離氣體(諸如乙烷、丙烷和丁烷)進一步解離成甲烷。

本發明系統的一些實施例進一步包含處于熱箱內并且進一步低于底部基本上水平反應室的豎直支撐物，以在啟動、關閉和操作條件期間支撐其重量，其中厚反應室壁和支撐元件(諸如角撐)不是提供恰當支撐所需的或不是可行的。一般來說，相對于在基本上水平反應室的啟動、操作和關閉期間可能發生的在環境溫度與約850℃之間的溫度變化，豎直支撐物被配置成在豎直方向上在尺寸上穩定在約2.5cm(約一英寸)內。

通過使用隔熱與除使用隔熱以外使用流動通過支撐物的冷卻材料組合來達成豎直尺寸穩定性。冷卻材料是常與冷卻相關的材料，并且包括例如水；制冷劑，諸如鹵代氣體、四氯化碳、氯氟碳化合物、氫氯氟碳化合物、氨、二氧化碳、乙烷、丙烷、醚和二甲醚；氣態冷卻劑，諸如空氣、氫氣、惰性氣體和六氟化硫；液體冷卻劑，諸如水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇和杜邦公司(DuPont)的以及固體冷卻劑，諸如干冰。

冷卻材料可以維持所需豎直尺寸穩定性的任何方式穿過或圍繞豎直支撐物。當豎直支撐物未經冷卻時，熱膨脹可能導致若干英寸的豎直膨脹。這足以導致所支撐的反應室中的焊接點破壞并且將產品氣體燃料泄漏至熱箱中或外泄至環境中。如上文所論述，這可能導致安全問題，并且可能不利地使反應室中的操作溫度概況不穩定。一些實施例可以具有沿著豎直支撐物壁接近所支撐的熱反應室水平傳送的冷卻材料。一些實施例可以具有豎直向上流動至豎直支撐物軸中的冷卻材料。其它配置也是可能的，只要其充分限制豎直熱膨脹而不在反應室中的焊接點中引起泄漏即可。

系統的一些實施例可以進一步包含熱箱外部的制備室。這在在中以干燥和壓縮方式供應含碳原料時適用。制備室與基本上水平反應室連通，被配置成從經過加工的含有機碳原料中去除一些自由水和氧氣，并且被配置成在經過加工的含有機碳原料進入基本上水平反應室之前將其壓縮成塞。

制備室還包含第二供電運輸機構，其部分地位于制備室內并且一部分延伸至制備室外部。制備室被配置成進行以下中的一或多者：將經過加工的含有機碳原料移動通過制備室，和在使經過加工的含有機碳原料干燥除去更多自由水時在制備室內對其進行壓縮。

可以內部供應熱量用于干燥功能。在一些實施例中，用于干燥經過加工的含有機碳原料的熱量來自熱箱中的燃燒氣體。在一些實施例中，熱量可以來自經由熱輸送裝置(諸如熱交換器)的熱產品氣體燃料和固體炭燃料中的至少一者。

在一些實施例中，制備室可以細分成干燥室和壓縮室，在所述壓縮室中可以進行額外干燥。壓縮室可以配備有其自身的第二供電運輸機構。干燥室可以配備有其自身的第三供電運輸機構。在這個實施例中，干燥室或預制備室與壓縮室或制備室連通，并且被配置成將低密度經過加工的含有機碳原料的粒度減小至一定大小并且去除大體積的初始水和截留的空氣以允許經過加工的含有機碳原料更容易地輸送通過系統的制備室，更容易地在其中壓縮而不夾帶氧氣或水，并且更容易地在其中加熱至不允許形成液相的升華溫度。在這個實施例中，之前所述并且與預制備室連通的第三供電運輸機構的一部分延伸至預制備室外部。所述機構被配置成進行以下中的一或多者：將經過加工的含有機碳原料移動通過預制備室，和在預制備室內將經過加工的含有機碳原料壓縮成大小更可控的粒子。

在兩種情況下，個別個體運輸機構都向前推進經過加工的含有機碳原料進入用于升華的條件。運輸機構的一個實例是螺旋輸送器，但其它運輸機構在其實現所需功能的情況下也是合適的。

本發明的系統可以進一步包含將經過加工的含有機碳原料制備成待由本發明系統使用的條件的各種單元。各種原料的大小必須如上文所論述減小至可以適時方式干燥、壓縮并升華的尺寸。以說明方式，輪胎必須減小為輪胎碎屑，并且秸或稈必須減小為更容易地輸送通過系統的制備室，更容易地在其中壓縮而不夾帶氧氣或水，并且更容易地在其中加熱至不允許形成液相的升華溫度的形狀。單元可以包括例如研磨、切碎、切片或切割的裝置。

圖9至17說明上文所描述的升華缺氧型熱系統的各種實施例。即使實施例不同，相同數字仍用于類似功能元件。圖9是使用具有一個通道的單個基本上水平反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。系統(900)由圍繞反應室(920)的含有通氣口(912)的熱箱(910)描繪。當用形成燃燒產品的燃燒器加熱熱箱時需要通氣口。當由其他熱源產生熱量時，可能不產生需要通氣的過量氣體。反應室920具有表面(921)，并且含有具有軸(924)的第一運輸機構(922)，螺旋輸送器。處于反應室920的一個末端處并且延伸至熱箱910外部的是前端(930)，經過加工的含有機碳原料通過具有旋轉真空閥(934)以隔離反應室內任何升華氣體的輸入線(932)進入所述前端。處于反應室的另一個末端處并且延伸至熱箱910外部的是后端(940)，其中產品氣體燃料從具有定位成隔離反應室內任何升華的經過加工的生物氣的壓力隔離元件(944)的排放管線(942)離開，并且固體經過加工的生物炭燃料從具有定位成隔離反應室內任何升華的經過加工的生物氣的旋轉真空閥(948)的排放管線(946)離開。

圖10是使用具有兩個通道、柔性軸封和高溫可調節軸蓋板的反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。系統900由圍繞反應室920并且處于底部(914)上的含有通氣口912的熱箱910描繪。具有表面921的反應室920被配置成如同在其側面打開的「U」形，其中兩個水平通道在右端與豎直通道連接。每個水平通道都含有具有軸924的第一運輸機構922，螺旋輸送器。每個軸都延伸出反應室920和熱箱910的水平通道。對于每個軸末端，高溫可調節軸封板(926)包封每個軸環管(927)并且可調節地緊固至熱箱。對于每個軸末端，可調節高溫密封件(928)緊固在軸環管927上的一個末端處，并且包涵軸環管927的一部分和軸924延伸軸末端的一部分。處于第一反應室920的末端處并且延伸至熱箱910外部的是前端930，經過加工的含有機碳原料通過具有定位成隔離反應室內任何升華的工藝生物氣的旋轉真空閥934的輸入線932進入所述前端。處于第二反應室920的末端處并且延伸至熱箱910外部的是后端940，其中經過加工的生物氣燃料從具有定位成隔離反應室內任何升華的工藝生物氣的冷卻元件944的排放管線942離開，并且固體炭燃料從具有定位成隔離反應室內任何升華的經過加工的生物氣的旋轉真空閥(948)的排放管線(946)離開。

圖10中所示的高溫可調節密封件和板可以具有各種形式，只要實現功能即可。在圖11A至11E和圖12A至12E可調節軸封板926中說明一個實施例。圖11A是其中繩索密封件壓縮在適當位置處的高溫可調節軸封套管的一個實施例的側視圖的圖解。密封件928包含在其面向軸1024末端的前端含有雙繩索密封件底板(1010)的套管(1000)。底部1010連接至兩個繩索密封件(1020)以形成雙繩索密封件。在圖11B中進一步說明這種構造。套管1000面向熱箱910的后端含有被配置成緊鄰單繩索密封件底板(1050)上的單繩索密封件1020而貼附軸環管927的可栓接環管(1040)，所述單繩索密封件在圖11C中進一步說明。

圖11B是圖11A實施例的元件的視圖圖解，其示出了固持雙繩索密封件的框架的背視圖。視圖是通過套管1000從軸924的末端查看的視圖。描繪栓接孔洞(1060A)。

圖11C是圖11A實施例的元件的視圖圖解，其示出了固持單繩索密封件的框架的背視圖。視圖是通過套管1000從熱箱910查看的視圖。描繪栓接孔洞(1060B)。

圖11D是實施例但未示出于圖11A中的元件的正視圖和側視圖的圖解，其示出了壓縮圖11B雙繩索密封件的蓋子。正視圖是面向繩索密封件的側面的正視圖。蓋子(1070)包含凸起內部壓縮環(1072)，其具有附接至具有栓接孔洞1060A之外部支撐環(1074)的傾斜截面邊緣。當栓接至圖11B的孔洞時，凸起內部壓縮環1072針對軸向內推動繩索密封件以消除含有氧氣的空氣在啟動和關閉溫度膨脹和收縮周期期間進入熱箱的不利泄漏。

圖11E是實施例但未示出于圖11A中的元件的正視圖和側視圖的圖解，其示出了壓縮圖11C單繩索密封件的蓋子。正視圖是面向繩索密封件的側面的正視圖。蓋子(1080)包含凸起內部壓縮環(1082)，其具有附接至具有栓接孔洞1060B之外部支撐環(1084)的正方形截面邊緣。當栓接至圖11C的孔洞時，凸起內部壓縮環1082針對密封件環管1040向下推動繩索密封件以消除含有氧氣的空氣在啟動和關閉溫度膨脹和收縮周期期間進入熱箱的不利泄漏。

圖12A是示出上半部的高溫可調節蓋板的一個實施例的正視圖和側視圖的圖解。高溫可調節密封板926的上半部(1110)包含兩個可調節孔洞(1112)、連接孔洞(1114)和被設計成擬合軸環管927半圈的半圓形開口(1116)。橫截面(1118)是直式的。

圖12B是示出下半部的圖12A高溫可調節蓋板的實施例的正視圖和側視圖的圖解。高溫可調節密封板926的下半部(1120)包含兩個可調節孔洞(1122)、連接孔洞(1124)、被設計成擬合軸環管927半圈的半圓形開口(1126)以及含有連接孔洞1124以在裝配時允許光滑表面接觸熱箱的步驟板(1125)。橫截面(1128)是階梯式的。

圖12C是圖12A高溫可調節蓋板的實施例的正視圖的圖解，其示出了圖12A上半部和圖12B下半部結合。

圖12D是經過裝配的高溫可調節蓋板處于低溫位置的正視圖的圖解。正如所見，因為熱箱910尚未經歷熱膨脹，所以軸924經由處于較低位置的環管927離開熱箱910以避免在操作期間環管927不利地接觸軸924。

圖12E是經過裝配的高溫可調節蓋板處于高溫位置的正視圖的圖解。正如所見，因為熱箱910已經在啟動加熱操作期間以向上方式進行熱膨脹，所以環管927必須向上移動以避免在操作期間不利地接觸軸924。可調節孔洞1112和1122允許這類調節。一些實施例使用手動調節。一些實施例使用自動調節。

圖13是使用具有兩個通道、柔性軸封、高溫可調節軸蓋板和豎直支撐支架的反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。這一實施例類似于圖10中所示的實施例，不同之處在于高溫豎直支撐物(1200)用于支撐熱箱910內的反應室920。豎直支撐物1200包含豎直軸(1210)和底座(1220)以固持反應室920。使用將軸1210附接至底座1220以及將軸1210附接至系統底部914的角撐(1230)強化豎直軸和底座配置的穩定性。

只要實現所述功能，圖13中所示的高溫豎直支撐支架可具有各種形式。一個實施例說明于圖14A和14B中。所述實施例的變體說明于圖14C中。圖14A是豎直支架的一個實施例的正視圖，其示出了彎曲底座和用于通過冷卻劑的水平環。底座被設計成符合反應室920的底部。在其中反應室920的底部不是彎曲的系統的實施例中，將使用不同的符合底座的形狀。軸1210圍繞有隔熱材料(未示出)。然而，熱量從反應室920通過底座1220到達支架1210可能不利地導致如上文所論述的軸1210的大量豎直熱膨脹。在軸1210上部內經過水平移置的冷卻環(1240)可以用于使軸1210的熱膨脹降至最低，低至涵蓋如上文所論述的設備所使用的溫度范圍的令人滿意的長度。

圖14B是圖14A實施例的俯視圖，其示出了冷卻環1240。

圖14C是豎直支架的一個實施例的正視圖，其示出了彎曲底座和豎直支架豎直軸內豎直向上和向下的冷卻通道。

圖15是使用具有兩個通道和一個四通旁路歧管(其附接至反應室外部以增加滯留時間)的反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。系統(1300)包含旁路歧管(1310)，其經由反應室表面(921)的孔隙(未示出)和其連接的歧管與反應室內經過加工的生物氣連通。這允許解構的氣體產品經歷較長滯留時間，所述時間適于經過加工的含有機碳原料向氣體燃料和固體炭燃料產品的所要轉化。

圖16是使用具有兩個通道、壓縮室和干燥室的反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。這一系統類似于圖14中所示的的系統，其具有額外加工室。從材料進入并行進通過系統直到其作為產品燃料離開，其傳遞由粗線示出。系統1500包含制備室(1510)，其用于在含碳原料進入反應室的前端930之前將其壓縮成塞。第二供電運輸機構(1520)處于腔室內部以實現壓縮。某種額外干燥也可能出現在這里。預制備室(1530)與具有第三供電運輸機構(1540)的制備室1510連通，以在加熱環境中輸送經過加工的含有機碳原料來干燥所述原料。管道(1550)用于使熱燃燒氣體從熱箱流入至預制備室中，以輔助這種干燥的部分或整體。

本發明的另一實施例包括用于將含碳化合物轉化成產品氣體燃料和固體炭燃料的工藝。所述工藝包含至少四個步驟。第一步驟是將經過加工的含有機碳原料輸入至基本上水平的升華反應室中，所述反應室大部分包含于熱箱內并且被配置成能夠從環境溫度加熱至操作升華溫度、在升華溫度下操作以及從操作升華溫度冷卻至環境溫度，而不將任何熱產品氣體燃料從反應室泄漏至熱箱或大氣中，或不使任何氧氣從熱箱外部泄漏至熱箱中。第二步驟是在經過加工的含有機碳原料能夠形成液相之前，將其加熱至升華溫度。第三步驟是使溫度維持在升華溫度，持續與將含碳原料轉化成產品氣體燃料和固體炭燃料所需要的時間同樣長的滯留時間。第四步驟是從固體炭燃料中分離產品氣體燃料。

由所述工藝產生的熱量可以各種方式得到使用。一些實施例可能在經過加工的含有機碳原料進入用于壓縮的制備室和升華室(如果需要)之前，使用從熱箱到預制備室的直接加熱的燃燒氣體來對其進行干燥。一些實施例可能出于其它目的，諸如加熱建筑物而使用熱量。

用于升華原料的熱量可以通過燃燒部分產品燃料氣體來供應。如上文所論述，將小部分產品氣體燃料用作燃燒器燃料可以維持升華溫度。

豎直升華缺氧型熱子系統

豎直升華缺氧型熱子系統包含三種元件：豎直反應室、第一供電運輸機構和自調節密封件。第一種至少一個基本上豎直的反應室被配置成在無外部催化劑或額外水、二氧化碳或一氧化碳的情況下，在短至足以使經過加工的含有機碳原料的至少一部分升華而基本上不產生任何液體的時間范圍內，將經過加工的含有機碳原料加熱至操作升華溫度。第二種第一供電運輸機構部分位于反應室內，其具有延伸到反應室外部的延伸部分，并且被配置成隨著經過加工的含有機碳原料轉化成生物氣和經過加工的生物炭，將經過加工的含有機碳原料的升華產品輸送通過反應室。第三種自調節密封件被配置成在啟動和關閉操作的改變溫度期間，以及在操作期間的穩態升華溫度期間，不斷將反應室內的經過加工的生物氣限制在圍繞供電運輸機構延伸部分的區域處。

為了更好地理解這種子系統，將不時參考一個或多個特定實施例來論述豎直升華子系統。然而，應理解只要進行所要升華，那么可能使用其它實施例。

豎直升華缺氧型熱子系統被設計成用于加工高密度原料，如輪胎、塑料、木頭和煤。高密度意指原料每單位體積重量較高。原料制備將由經過加工的含有機碳原料的特征，諸如來自選礦子系統的經過加工的含有機碳原料的大小或厚度以及密度來指定。一般來說，以粒子的最長尺寸計，理想大小或厚度為約小于0.5英寸(13mm)。因為較致密材料從粒子表面充分加熱到其內部中點花費較長時間，所以粒度在豎直子系統中至關重要。揮發性氣體形成于粒子的中點或中心處并且必須移動至粒子表面，在表面其被釋放至反應室環境中。應盡快形成升華氣體并使其始終保持為氣相，以用于經過加工的含有機碳原料向經過加工的生物氣和經過加工的生物炭的最佳轉化。高密度原料使粒子下落通過反應室并到達底部，在底部其最終分離成氣體和固體形式。有時，經過加工的含有機碳原料可能必須經過進一步壓縮以獲得所要密度，并且進一步經過操作以獲得所要粒度。

在恰當地制備經過加工的含有機碳原料之后，通過諸如螺旋輸送器或某種其它材料送裝置將其輸送至豎直子系統的頂部。在運輸原料期間，可以從下游工藝再循環熱量以使任何自由水的去除達到最大。隨后將原料沉積于壓縮螺旋輸送器的漏斗中。壓縮螺旋輸送器減少自由水和夾帶的空氣含量。這將增加原料的熱吸收并減少氧氣的存在量。減少來自水和空氣的氧氣含量將導致所產生的生物氣中的較少二氧化碳和一氧化碳以及經過加工的生物炭中的較少污染物。原料塞或密封件形成于反應室入口點處的壓縮螺桿的末端。因此，當原料進入反應室時，所形成的產品生物氣不會返回并排出而引起有害情況。

隨著原料進入反應室，緊接著使原料經受使揮發物從原料中升華的過熱氣體流。隨著現縮減為碳的揮發的氣體和脫除揮發份的原料沿反應室管的長度下落，揮發的氣體與碳固體進行摻混、反應并獲得動量。在共用反應室管的底部，脫除揮發份的碳降落至向下收集漏斗中，并且氣流分成兩股流，其側向地移動通過并移上共用底端管兩側上的兩個反應室管。反應室看起來像從中間連接的兩個字母“O”。反應室的兩個向上管現向上運載熱氣體并由渦輪風扇輔助。上行經過兩個向上管中的每一個的路徑的三分之二是使氣體溫度升高的過熱器。相較于加熱引入的原料，僅僅對氣體進行過熱處理是較為經濟的。現過熱氣體到達上反應室管頂部并經過引導從每個向上管頂部側向地到達共用底端管頂部，即引入原料的位置。過熱氣體隨后用于使引入的原料升華，并且在底端管中所有事物在封閉回路周期內自身進行重復。當反應室管處于穩態和平衡時，將所產生的生物氣從向上反應管之一的頂部出口處引出，冷卻并儲存為經過加工的生物氣。碳離開共用中間管底部，并且通過螺旋輸送器運輸，冷卻并收集以儲存為經過加工的生物炭。

子系統中的反應室是最長側垂直于地面的三維、矩形箱。頂側上是壓縮螺桿和原料入口。底側上是在錐體底部具有引出螺旋輸送器的用于所產生的生物炭的收集錐體。

反應室加熱箱內部是三個連接和連續管，其在兩個外部管之間具有共用的中間管以使三個管道充當一個管道。中間管充當向下管，而兩個外部管充當向上管。在這種配置中，原料從中間管頂部進入，并且隨著原料沿管道的長度穿過而自由下落。這是進行原料升華的位置。中間管底部存在接合點，在此處管道形成兩條側向分路。在每條側向分路的末端，管道在中間管兩側向上延續。因此，所有三個反應室管是連續的并且經過密封以使反應室保持與外部污染物隔離并且僅含有待加工的原料。不引入外部空氣、蒸汽或催化劑。

在反應室外部但與其連接的是兩個燃燒器，其加熱外箱壁的內部與內部管配置內壁的外部之間的空間。這一空間很大程度上是隔熱的并且使反應室環境保持在最低溫度下。

在操作中，處于反應室中間向下管底部的經過升華的原料已經分離成脫除揮發份的碳和經過加工的生物氣。經過加工的生物氣流分開并側向地移動至外部向上反應室管。脫除揮發份的碳沉降在收集錐體中并通過螺旋輸送器去除。脫除揮發份的碳仍存在于熱反應室環境中，因此這充當一個精制步驟以確保所有可以形成的揮發性氣體將得到采集并經由反應室向上管繼續升華工藝。經過一定滯留時間后，可以使碳穿過螺旋輸送器至冷卻室中，且隨后儲存為經過加工的生物炭。滯留時間視經過加工的含有機碳原料的性質和體積而定。在一些實施例中滯留時間小于10分鐘，在一些實施例中小于7分鐘，在一些實施例中小于5分鐘，在一些實施例中小于3分鐘，并且在一些實施例中小于2分鐘。

在中間向下管底部的分路處，碳落出并且只有經過加工的生物氣繼續側向地移動至反應室的外部向上管。產品經過加工的生物氣由穿過向下管時其自身的慣性所運載，在由放置在向上管頂部的渦輪風扇的某種任選的幫助下沿向上管上移。附接在兩個向上管外壁上但仍位于反應室箱外壁內部的是系牢在每個外部管上的一個過熱器。在啟動期間，隨著經過加工的生物氣穿過向上管回到反應室管頂部部分的頂部，其穿過過熱器并且反應室內的溫度提高至預選的溫度，即所要穩態溫度。相較于加熱輸入的經過加工的含有機碳原料，僅僅對經過加工的生物氣進行過熱處理是較為經濟的。當經過加工的生物氣與向下管中脫除揮發份的碳接觸時，過熱處理有助于進一步解離經過加工的生物氣。

隨著兩種經過加工的過熱生物氣流到達兩個外部管的頂部，當原料進入中間向下管時，將所述兩種經過加工的過熱生物氣流與新鮮引入的原料共混并使所述原料升華。新鮮原料進入反應室、新鮮原料與經過加工的過熱生物氣混合以及混合物進入反應室管的周期使反應加工周期完整。當反應達到穩態和平衡時，添加更多原料，并且根據預定制造比率去除經過加工的生物炭和經過加工的生物氣。

圖17是具有基本上豎直反應室的系統的一個實施例的側視圖的圖解。這一系統(1600)具有與壓縮螺旋輸送器(1620)連通的壓縮進料系統(1610)。經過加工的含有機碳原料遵循具有經過加工的循環生物氣(1640)的雙重圓形路徑(1630)，即較清楚地說明于圖17A中的反應室(1632)。反應室1632在熱箱(1665)中。旁路(1645)引導一些來自熱箱1665的溢出熱量以在壓縮進料系統1610中預熱引入的經過加工的含有機碳原料。熱箱1665內的熱交換器1650對經過加工的循環生物氣1640進行過熱處理以達成并維持目標升華溫度。碳螺旋輸送器(1660)去除經過加工的生物炭。其余溢出熱氣體經由加熱器排氣出口(1670)離開熱箱1665，并且經過加工的生物氣穿過經過加工的生物氣排氣出口(1680)。

圖17A是圖17中所示實施例的管道陣列的圖解。反應室(1632)被描繪成具有管道陣列，所述管道陣列包含中間向下反應管(1634)，其由熱箱1665內的兩個外部向上反應管(1636)所涵括。熱交換器1650在交叉T形下方加熱外部向上反應管1636并且在交叉T形上方加熱輸入向下管1634。多余熱氣體經由排氣出口1670離開，并且經過加工的生物氣經由反應室1632中的出口1680離開。

微波子系統

微波子系統是加熱子系統的另一種形式，所述加熱子系統用于將來自選礦子系統的經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物炭，所述經過加工的生物炭隨后制成本發明的經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體。子系統包含一種由穿過微波工藝子系統的經過加工的含有機碳原料制造的經過加工的生物炭組合物。子系統包括至少一個反應室，其在微波反射罩內并且包含至少一個透微波室壁和被配置成在外部供應的無氧氣的氛圍中保持經過加工的含有機碳原料的反應腔。微波子系統包括至少一個被配置成當供能時發射微波的裝置。微波裝置相對于反應室安置以便引導微波穿過透微波室壁并且進入反應腔中。所述子系統還包括提供微波裝置與反應室之間的相對運動的機構。經過加工的生物炭組合物基本上不包括自由水。而且，經過加工的生物炭組合物包括比使用相同原料但使用在工藝期間形成液相的熱工藝制造的炭多至少10％的單位體積孔隙數。原料和所得經過加工的生物炭的特征已經在上文論述。現論述用于制造本發明的經過加工的生物炭的微波工藝。

在所說明的實施例的以下描述中，參考隨附圖式，其幫助說明用于制造本發明的經過加工的生物炭的微波工藝的各種實施例。應理解，在不脫離本發明的范圍的情況下可以利用工藝的其它實施例并且可以作出結構和功能改變。

以下描述涉及通過微波增強反應解構工藝將固體和/或液體含有機碳原料加工成燃料，例如柴油燃料、汽油、煤油等的方法。

解構，也稱作“裂化”，是使用熱量以使烴分子分解(或“裂化”)成適用作燃料的較短烴鏈的精煉工藝。解構可以通過將催化劑添加至原料中來增強，所述催化劑提高反應的速度和/或降低工藝所需的溫度和/或輻射暴露。此外，諸如沸石的催化劑具有納米結構，其僅允許一定大小的分子進入晶柵或激活催化劑的表面區域并且與催化劑相互作用。因此，催化劑有利地在控制通過反應工藝生產的產品方面非常有效，這是因為只有具有指定鏈長的物質可以使用催化工藝產生。催化解構特別適用于使生物質和其它含有機碳原料轉化成可用作運輸或加熱燃料的燃料。

有效解構的一個方面是基本上均勻地加熱并照射原料至足以引起解構以及激活催化劑的溫度的能力。在解構時，長烴鏈“裂化”成較短鏈。已經顯示微波加熱特別適用于加熱系統以用于熱解構。諸如火焰、蒸汽和/或電阻加熱的加熱系統通過熱傳導穿過反應室壁來加熱原料。這些加熱系統進行操作以從反應室壁的外部至原料的內部加熱原料，而微波在反應室的整個寬度上均勻地加熱。使用非微波加熱源，熱量從熱源外壁傳遞至與原料混合物直接接觸的容器壁內部。熱量隨后傳遞至原料的表面并且隨后再次傳遞通過原料直至原料的內部區域處于接近反應室壁溫度的溫度下。

關于這種類型的外部加熱的一個問題是在容器壁溫度傳輸與升高容器中心以及原料基質的內部區域中所含的原料溫度之間存在時間滯后。混合原料有助于減輕這些狀況。盡管如此，數百萬個微環境存在于反應器容器環境和原料粒子本身中。這導致反應室內不同程度的不均勻熱分布。這些變化的溫度梯度引發不可控的副反應以及早期轉化產品的降解，所述早期轉化產品由于轉化反應時間性的延遲而變得過度反應。需要在整個原料和反應產品中產生并保持一致的加熱以達成良好轉化經濟學并且其是可控的。微波加熱是有效的加熱方法并且其也用于激活催化部位。

本發明的實施例是針對一種反應室系統，其可以用于加工任何含有機碳原料(無論是固體和/或液體)以在將產生液體運輸燃料的溫度范圍內提取原料中的揮發性有機化合物。

微波被由微波照射的材料中的水分子吸收。當水分子吸收微波時，分子增加其振動旋轉運動，其通過摩擦生熱，并且使熱量對流傳遞至周圍材料。微波被水分子吸收的原因特定針對水分子中氫與氧連接的共價鍵。水中的氧原子具有與其相關的大電負性。元素的電負性是其傾向于收集額外電子，完全在離子鍵中或經由使共價鍵的電子云朝向那個元素偏移。驅動力是來自量子化學，即，通過添加2個電子填充氧的2p殼層。由填充外電子殼層的穩定性驅動的電負性標度從最具電負性的元素開始為F＞O＞N＞Cl＞Br＞S＞C＞H。因此，水中的價電子朝向氧偏移，形成具有朝向氧的負極和介于兩個氫原子之間的正極的永久電偶極矩。吸引來自兩個氫原子的電子更接近氧原子。這向分子的這一端提供稍帶負性的電荷并且兩個氫原子則具有稍帶正性的電荷。這種扭曲的結果是水分子具有永久電偶極。水分子的偶極特征允許分子吸收微波輻射并且提高氣態水分子的旋轉速度和/或增加與液態水的擴展結構的受阻旋轉相關的低頻振動運動。水分子的運動增加引起摩擦，其轉變成熱量且隨后對流傳遞出至所照射的材料中。

為了利用微波輻射的這種特征，本文所描述的反應室系統利用微波照射和加熱來加工含有碳并且可以轉化成運輸燃料的原料。反應器可以由基本上透微波的物質制成，諸如石英，其為基本上透微波輻射的結晶材料。因為石英可以被調節成許多形狀，所以其提供了用于使反應室成形的設計自由性，但在一個實例中，反應室以管狀或圓柱狀進行配置。圓柱形形狀允許原料在一端進料并且在相對端離開。適合反應室的實例將為約四英尺(1.2米)長和約3/16英寸(4.8mm)壁厚的石英管。

微波反應室由微波反射罩包圍。這使得微波輻射反復穿過反應室并且在水(如果存在的話)蒸發并脫離之后使含有機碳原料脫除揮發份。微波反射罩反射微波的任何罩。材料包括例如組裝成本領域中已知的法拉第籠(Faraday cage)的金屬薄片。

微波輻射由磁控管或其它適合裝置產生。一個或多個微波產生裝置，例如磁控管，可以安裝在石英管壁外部。磁控管處于不同功率范圍內并且可以由計算機控制以使用適當功率照射加工原料以在給定反應器中的滯留時間下使原料有效地轉化成最理想的燃料產品。在一種應用中，磁控管可以安裝在籠上，所述籠將圍繞反應器管的外部旋轉以及沿著反應器管的長度移動。穿過管內部的長度移動的原料將在柱塞流配置中移動并且可以由固定和/或旋轉磁控管照射。計算機可以用于控制微波輻射的功率和/或其它參數以使具有不同大小和密度的不同原料可以在特定針對原料的不同參數設置下照射并且因此更有效地轉化原料。

反應器的這些配置將允許原料的有效加工，從相對純的原料流至包括不同密度、水分含量以及化學組成的原料的混合原料流。可以產生效率，因為燃料產品在其從原料中蒸發時即從反應器室中提取，但直至不同燃料產品蒸發并提取時才進行剩余原料的進一步加工。舉例來說，致密的原料(諸如塑料)比較不致密的原料(諸如泡沫或木屑)花費更長時間來加工成可用燃料。本文所描述的微波子系統繼續加工致密的原料而不會過度加工來自較不致密的原料的較早轉化的產品。這通過使用固定與旋轉微波發生器來實現。

混合原料的一個實例將是未分選的城市固體廢料。在一些實施方案中，可以將催化劑添加至原料中，其有助于原料的轉化以及可以進行轉化的速度。催化劑可以被設計成在反應器內部的預設加工溫度下反應或與沖擊微波輻射反應。在一些實施例中，不需要催化劑。在其它實施例中，催化劑可以是針對特定原料合理設計的催化劑。

具有本文所描述的反應器的柱塞流配置將允許針對原料駐留于反應器芯內的滯留時間進行調整用于更有效地暴露于微波的熱量和輻射以產生所要最終產品。

入口和/或出口，例如石英入口和/或出口，可以沿著反應室壁放置以允許壓力和/或真空控制。入口和出口可以允許引入惰性氣體、反應氣體和/或提取產品氣體。

因此，在使用或不使用催化劑的情況下透微波反應室的設計、作為具有固定和/或旋轉磁控管的加熱和輻射源的微波的使用、柱塞流加工控制將允許加工任何含有機碳原料。對含有機碳原料進行選礦的優點是其在很大程度上已經達到可接受的水分水平并且已經相當均質。對于在宏觀層面上的均質性，來自不同含有機碳原料輸入的輸出具有大體上類似的特征(例如，能量密度、一致性、水分含量)，并且這些特征延伸遍及整個材料。在分子層面上，在存在較少鹽的情況下，存在較少的微環境，其中微波沉積能量的方式將與含有機碳原料的主體有所不同。因此，從選礦的含有機碳原料的加熱將比從原始未加工的含有機碳原料輸入更均勻。

根據本發明的實施例的微波子系統包括具有一個或多個基本上透微波壁和微波加熱/輻射系統的反應室。微波加熱/輻射系統經過布置以引導由加熱/輻射系統產生的微波穿過反應室的基本上透微波壁并且進入反應腔中，其中在不實質上加熱反應室壁的情況下使原料材料反應。為了提高原料的溫度均勻性，反應室和加熱/輻射系統可以相對運動，例如，相對旋轉和/或平移運動。在一些實施方案中，加熱系統可以圍繞固定反應室旋轉。在一些實施方案中，反應室內的原料可以通過使用螺旋片而旋轉并且加熱/輻射系統保持固定。在一些實施方案中，反應室可以旋轉并且加熱系統保持固定。在又其它實施方案中，反應室和加熱/輻射系統都可以旋轉，例如，沿著逆向的相反方向。為了進一步增加溫度均勻性，系統可以包括用于攪拌和/或混合反應室內的原料材料的機構。反應室在反應工藝期間可以傾斜，例如，以迫使原料通過催化床。

圖18A和18B分別說明了用于使含有機碳原料轉化成液體燃料和根據本發明的實施例的經過加工的生物炭燃料的微波子系統(1800)的側視圖和剖視圖。盡管反應室(1810)可以是任何適合的形狀，但反應室1810在圖18A和18B中以具有圓柱形壁(1811)的圓柱體說明，所述圓柱形壁在用于反應工藝的頻率范圍和能量下基本上透微波。反應室1810包括由圓柱形壁1811封閉的反應腔(1812)。微波子系統1800包括被配置成移動原料穿過反應室的運輸機構(1818)。關于在反應室1810內發生的反應的微波子系統900的操作可以類似于柱塞流反應器來模式化。

如圖18A中所說明，微波子系統包括用于移動原料材料穿過反應室1810的運輸機構1818。運輸機構1818以螺旋輸送器來說明，不過也可以使用其它適合機制，例如，輸送器。運輸機構1818可以進一步準備在反應室內混合原料。在一些實施例中，反應室壁1811的厚度可以是約3/16英寸(4.8毫米)。反應室壁1811的平滑度有助于原料移動穿過反應室1810。

加熱/輻射子系統(1815)可以包括任何類型的加熱和/或輻射源，但優選地包括微波發生器(1816)，諸如磁控管，其被配置成發射具有足以加熱含有機碳原料至足以促進原料的所要反應的溫度的頻率和能量的微波(1813)，例如，對于原料的解構，可以使用在約0.3GHz至約300GHz的頻率范圍內的微波。舉例來說，磁控管的操作功率可以在約1瓦至500千瓦范圍內。磁控管1816相對于反應室1810安置以便引導微波1813穿過反應室1810的壁1811并且進入反應腔1812中以加熱并照射其中的材料。機構(1817)提供磁控管1816與反應室1810之間沿著和/或圍繞反應室1810的縱軸1820的相對運動。在一些實施例中，舉例來說，機構1817可以有助于以角度θ傾斜反應室1810和/或磁控管1816(參見圖18C)以促進原料的反應和/或氣體的提取。在圖18A-C中所說明的實施例中，磁控管916安置于旋轉機構1817上，諸如使磁控管1816圍繞固定反應室1810旋轉的可旋轉籠或圓筒。在一些實施方案中，圍繞室的旋轉可能不完整，但旋轉途徑可以界定圍繞反應室圓周的圓弧。旋轉可以沿著圓弧的路徑往復進行。如先前所提及，在一些實施例中，反應室1810可以是旋轉組件，或磁控管1816(也稱為加熱/輻射子系統)和反應室1810都可以旋轉，例如，沿著相對的逆向方向。反應室與磁控管之間的旋轉提供了反應腔1812內原料的更均勻加熱和更均勻微波暴露，因此增強原料的有效反應化學和/或其它溫度/輻射依賴性工藝，諸如從原料中去除水。旋轉減小溫度梯度和/或維護在反應室內部跨越柱塞的更恒定的微波通量。

反應室1810可以包括一個或多個進入孔(1820)，例如石英進入孔，其被配置成允許將物質注射入或提取出反應腔1812。反應室1810還被微波反射罩(1822)包圍。在一個實施方案中，石英孔可以用于從反應腔提取空氣和/或氧氣。空氣和/或氧氣的提取可以用于抑制一些工藝所需要的燃燒。

舉例來說，在某些實施例中，微波子系統1800可以用于經由壓縮和/或去除空氣和/或水來預加工原料。在這種應用中，可以經由一個或多個孔1820注射諸如氫氣和/或氮氣的氣體以使原料氫化和/或抑制原料的燃燒。反應室1810還可以包括一個或多個出口孔(1821)，例如石英出口孔，其被配置成允許水、水蒸汽、空氣、氧氣和/或其它物質和/或副產品從反應室1810通過。在其它實施例中，經過加工的含有機碳原料的空氣和水已經經過充分壓縮并減少以直接引入反應室中。

圖18D是說明用于從根據本發明的實施例的含有機碳原料產生燃料的微波子系統(1850)的圖解。微波子系統1850包括輸入漏斗(也稱為裝料漏斗)18951)，其被配置成允許將原料材料引入微波子系統1850中。齒輪馬達螺旋輸送器驅動器(1852)提供了用于運輸原料穿過微波子系統1850的螺旋輸送器(1853)的驅動系統。當在裝料漏斗951中壓縮原料時，經由大氣出口(1854)提取空氣。密封件(1855)隔離裝料漏斗1851與反應室(1856)以維持一定的真空度。反應室1856包括透微波材料的壁。一個或多個固定微波頭1857安置于反應室1856的壁處。另外，微波子系統1850包括一個或多個旋轉微波頭(1858)。在一個實施方案中，每個旋轉微波頭關于反應室1856的縱軸(1860)位于固定位置處。旋轉微波頭安裝在滑環軸承(1859)上，其允許微波頭958圍繞反應室1856旋轉。微波反射罩(1862)環繞反應室1856。在一些實施方案中，旋轉微波頭958可以圍繞反應室1856的縱軸1860旋轉以及沿著縱軸1860往復移動。微波子系統950包括在反應室1856的出口處的密封件以維持反應室的真空。在一些實施例中，在含有機碳原料進入微波子系統之前，在早前所論述的子選礦系統中對其進行壓縮，并且需要極少(如果有的話)的空氣提取。

圖19A是使用圖18A和18B中所說明的反應室中的一者或多者的微波子系統1900的方塊圖。反應室1920、1930可以串聯或以并聯配置來布置和/或操作。圖19A和10B中所描繪的提取工藝(1920)和反應工藝(1930)以在例如不同溫度下操作的兩個獨立反應室中所發生的來說明。或者，提取工藝和反應工藝可以在具有兩個獨立區，例如兩個獨立溫度區的單個反應室中實施。

在圖19的微波子系統1900中，水/空氣提取區段1920和反應區段1930中的一者或兩者可以類似于圖18A和18B的微波子系統1800中的反應室。含有機碳原料，諸如含有植物細胞的糞肥、木屑以及基于植物的纖維素中的一者或多者，經由漏斗(1911)進入微波子系統，并且穿過氣鎖(1912)以進入原料制備模塊(1913)。如果需要，可以將諸如沸石的催化劑和/或增強反應工藝，例如以調整pH的其它添加劑經由輸入漏斗1911和/或進入孔(圖18B中所示)引入微波子系統1000中。在原料制備模塊1913中，可以將原料材料切碎至預定粒度，其可以取決于原料的特性，諸如原料的純度、密度和/或化學組成。如果使用的話，那么可以在正在制備原料的時候添加催化劑以使催化劑均勻地分散于進入反應室(1931)之前的原料材料內。一般來說，原料的均勻度越小，提供有效反應所需的粒度越小。

在初始原料制備階段之后，將切碎和混合的原料通過運輸機構1915運輸至工藝的下一個階段的提取室1921中。在反應工藝之前進行水和/或空氣提取的任選工藝的空氣/水提取子系統(1920)包括加熱/輻射模塊(1922)，其至少包含被配置成產生微波(1926)并且可以安裝在旋轉或固定機構(1927)上的磁控管(1923)。如果安裝在旋轉機構上，那么當引導微波1926穿過提取室1921的壁(1924)并且進入提取腔(1925)中以沖擊并加熱其中的原料時，所述機構使磁控管1923部分地或完整地圍繞提取室1921旋轉。在一些實施例中，加熱模塊1922可以利用僅一個磁控管1923或僅兩個或更多個磁控管而不使用其它熱量/輻射源。

在一些實施例中，加熱/輻射模塊1922可以利用磁控管1923外加其它熱源，諸如依靠熱傳導穿過提取室壁的熱源，例如火焰、蒸汽、電阻加熱、來自工藝的再循環熱量和/或其它熱源。在空氣和/或水提取工藝期間，可以將原料加熱至至少100℃，即水的沸點，以從原料去除過量的水。過量的水(例如，呈蒸汽形式)和/或其它物質可以經由一個或多個出口孔離開提取室1921。原料的添加劑，諸如包括氫氣和/或氮氣的惰性和/或反應氣體，可以經由個一或多個輸入孔引入至水/空氣提取工藝的提取室1921中。除了由微波加熱和照射之外，原料也可以經受加壓氛圍和/或真空氛圍和/或可以機械地壓縮以從提取室1921去除空氣。

在任選的空氣和/或水提取工藝之后，運輸機構1915將原料移至下一個加工階段，即反應區段(1930)，其涉及原料的反應工藝，例如熱解構。在原料/催化劑混合物進入由微波反射罩(1938)包圍的反應室(1931)之后，將混合物加熱至足以促進所要反應的溫度。舉例來說，在約200℃至約350℃范圍內的溫度用于使原料中的烴裂化成較短鏈以通過解構產生液體燃料。除了加熱之外，原料也可以經受加壓氛圍或真空氛圍和/或可以在反應室1931中機械地壓縮。

在一些實施例中，反應室1031中的加熱/輻射使用發射微波(1936)的磁控管(1933)而實現。磁控管1033可以相對于反應室1031旋轉。如先前結合水提取區段1920所描述，旋轉磁控管(1933)可以由旋轉機構(1937)，諸如籠或圓筒來支撐。旋轉機構1937允許磁控管1933與反應室1931之間的相對旋轉運動。舉例來說，磁控管1933可以完整地圍繞反應室1931旋轉或磁控管1933的旋轉可以沿著遵循反應室1931的圓周的圓弧往復進行。旋轉磁控管加熱系統1933可以使用固定磁控管和/或其它常規熱源，諸如火焰或電阻加熱來補充。旋轉磁控管1933提供反應腔(1935)內原料材料和催化劑的更均勻加熱/輻射并且增強優于固定熱源的加熱特性。

裂化的烴蒸發并且收集在冷凝器(1041)中并且液化，且隨后送至蒸餾器(1940)以產生柴油燃料，而較重、較長的鏈烴分子可以再循環回到反應室。在一些實施方案中，蒸餾可能不是必需的，并且燃料產品僅需要加以過濾。

在一些配置中，需要控制反應的工藝以允許燃料從原料提取的較高效率。圖19B是微波子系統(1905)的方塊圖，其包括結合圖19A所描述的子系統組件以及反饋控制系統(1950)。所說明的反饋控制系統1950包括控制器(1951)和一個或多個傳感器(1952)、(1953)、(1954)，其可以被配置成感應在工藝期間的各個階段的參數。反饋控制系統1950可以包括原料制備階段的傳感器1952，其被配置成感應原料和/或原料制備工藝的參數。舉例來說，傳感器1952可以感應原料的化學組成、密度、水分含量、粒度、能量含量或其它原料參數。傳感器1952可以另外或替代地感應原料制備室內的狀況，例如流量、壓力、溫度、濕度、存在于室中的氣體組成，等等。傳感器1952產生信號(1955a)，將其輸入控制器電子裝置1951，在此分析所述信號以確定原料和/或原料制備工藝的狀況。響應感應的信號1955a，控制器1951產生反饋信號(1955b)，其控制原料制備模塊(1913)的操作。舉例來說，在一些實施方案中，控制器1951可以控制原料制備模塊1913以繼續切碎和/或研磨原料材料直至檢測到預定粒度和/或預定粒度變化。在另一實例中，基于感應的原料化學組成，控制器1951可以促使較大或較小量的催化劑與原料混合或可以促使不同類型的催化劑與原料混合。

控制系統(1950)也可以產生反饋信號(1956b)、(1957b)以基于感應的信號1956a、1957a分別控制水提取模塊1920和/或反應模塊1930的操作。舉例來說，傳感器(1953)、(1954)可以感應水提取和/或反應工藝的溫度并且控制器1951可以產生反饋信號1956b、1957b以控制加熱/輻射系統1922、1932的操作，例如磁控管1923、1933中的一者或兩者的功率、頻率、脈沖寬度、旋轉或平移速度，等等。控制器1051可以對磁控管產生反饋信號以控制沖擊原料的輻射量以使原料將不會蒸煮過度或蒸煮不足，并且將避免熱點的顯現。控制器系統1950可以控制各種物質經由進入孔注射至提取室1921和/或反應室1931中的一者或兩者中以控制在室1921、1931內進行的工藝。生物炭，即耗竭的原料的殘留物，被送至儲存單元。在一些實施例中，控制器系統1950可以用于控制有利地影響經過加工的生物炭的特性的條件，其中需要超越僅從原料選擇所得的特定特性。在蒸餾階段之后，可以使重烴再循環返回至反應室中并且可以將較輕烴送至聚合階段。

反應室可以由石英、玻璃、陶瓷、塑料和/或在反應工藝的頻率和能量范圍內基本上透微波的任何其他適合材料制成。在一些配置中，本文所描述的加熱/輻射系統可以包括相對于反應室旋轉的一個或多個磁控管。在一些實施例中，磁控管可以是多個和/或可以是固定的。圖20A說明了反應系統(2000)，其包括在充當法拉第籠并且安置于具有一個或多個透微波壁的圓柱形反應室(2013)外部的圓筒(2012)上布置的多個固定磁控管(2011)。在反應系統2000中，圓筒由不透微波的材料(諸如金屬)制成，以促使反應室2013中的微波往復反射穿過原料，因此更有效地用于使原料轉化成液體可再生燃料和固體可再生燃料生物炭。磁控管的操作可以是連續的，或可以例如以多路復用模式脈沖。在一些實施例(圖20B)中，支撐磁控管2011的圓筒2013可以圍繞反應室2012的縱軸(2050)旋轉(2030)和/或反應室2012可以圍繞其縱軸2050旋轉(2020)。

原料運輸機構可以安置于反應室內。舉例來說，如圖20C中所說明，原料運輸機構可以包含一個或多個導流片(2061)，其被配置成當反應室旋轉時移動原料穿過反應室(2060)。導流片361可以安裝至反應室2060的壁和/或可以按其它方式安設于反應室內以提供原料在反應室2060內和穿過反應室2060，例如縱向穿過反應室的移動。

在一些實施例中，如圖21中所說明，可以使用一個或多個二級熱源(2150)，諸如火焰、蒸汽和/或電阻加熱或再循環熱量，外加磁控管(2116)，其為固定的，或支撐于圍繞封閉于微波反射法拉第籠(2121)中的反應室(2120)的圓周旋轉的機構(2117)上。在一些配置中，磁控管2116可以不圍繞反應室2120整轉，但可以沿著遵循反應室2120的圓周的圓弧往復旋轉(2119)。各種配置都是可能的，只要使原料在整塊原料粒子上暴露于基本上均勻的熱量以形成具有如上文針對本發明的經過加工的生物炭所描述的孔隙密度、分布以及大小和分布變化的經過加工的生物炭即可。

如圖22中所說明，一個或多個磁控管相對于反應室的移動還可以包括使磁控管沿著反應室的縱軸移動的運動。說明了支撐磁控管(2230)的反應室(2210)和籠(2220)。籠2220和磁控管1330可以沿著反應室2210的縱軸(2250)并且在封閉反應室2210的金屬微波反射法拉第籠(2215)上往復移動(2240)。在一些實施方案中，除了籠2220和磁控管2230沿著縱軸2250的運動(2240)之外和/或與所述運動同時，籠22320和磁控管2230可以圍繞縱軸2250旋轉(2260)。

摻合子系統

摻合子系統用于確定煤粒子大小、使煤粒子與經過加工的生物質混合、粉碎摻合物以及將摻合物壓實為例如適用于發電廠的高能量經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體。摻合子系統首先包含一個或多個確定大小的腔室，以分別或共同將煤與經過加工的生物質的大小確定為用于后續摻合的大小適合的粒子。因為煤和生物質粉末具有潛在爆炸性，對其進行處理的腔室可以具有缺氧型氛圍。視需要在缺氧型氛圍中將任何煤塊減小成碎屑大小，以防止任何爆炸危險。相似大小的煤粒子和經過加工的生物質較易于混合成基本上均勻的后續聚集體。在一些實施例中，利用損失煤來平衡煤清潔度的適合大小近似為粒子能夠穿過具有0.097英寸(2.380mm)方孔的8目徑的大小。一些實施例具有能夠穿過較精細篩網的粒子，諸如在一側上具有0.0469英寸(1.190mm)方孔的16目篩網。類似地，視需要在摻合系統中使用缺氧型氛圍，以防止因高濃度經過加工的生物質和煤塵或碎屑導致的爆炸。隨后，大小確定的煤粒子與經過加工的生物質在摻合室中組合，所述摻合室被配置成使大小恰當的高能量煤粒子與經過加工的生物質組合成預定比率的高能量煤與經過加工的生物質的摻合粉末。隨后將摻合物傳送至壓實室，所述壓實室被配置成將摻合的粉末壓縮成高能量摻合的緊密聚集體。最后，在收集室中收集高能量經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體。在一些實施例中，經過加工的生物質與煤在裝置中混合，并且同時確定大小，并且摻合，例如摻合和粉碎單元中的高速渦流，隨后視需要與高能量生物質粘合劑再混合。

在一些實施例中，粒化子系統進一步包含加熱室，其被配置成向經過加工的含有機碳原料施加足夠熱量以使其水含量減少至小于10重量％并且形成經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體。在一些實施例中，壓縮室和加熱室是同一腔室。

在一些實施例中，選礦子系統的蒸汽爆炸區段進一步包含洗滌元件，其被配置成從蒸汽爆炸區段去除并凈化未加工的含有機碳原料的微粒子、木質素碎片和半纖維素碎片，使其成為具有高木質素含量的精細、粘性生物質塊，即高能量經過加工的生物質粘合劑。在這個實施例中，摻合子區段的摻合室被進一步配置成接收高能量粘合劑以在形成摻合的緊密聚集體期間在在壓實室形成中允許較低溫度或較低額外高能量經過加工的生物質粘合劑含量(如果有的話)中的至少一種。在另一實施例中，可以用另一種粘合劑，諸如玉米淀粉代替來自蒸汽爆炸區段的高木質素微粒子或與其組合添加至壓縮室中，以降低產生可用顆粒所需的溫度。

圖23是利用添加微粒子和任選的木質素漿料從未加工的含有機碳原料制造經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體的系統的圖解。在這個實施例中，確定未加工的含有機碳原料、未處理的生物質輸入物的大小(2310)，隨后使其穿過選礦反應室，在反應室中纖維遭到破壞(2320)，溶解鹽且隨后洗滌原料(2330)。在這一步驟期間，去除含有微粒子和木質素的流出物(2340)，洗滌并在再混合步驟中將其引入至經過加工的含有機碳原料中(2360)，在此之前其已經歷脫水和去溶劑化步驟(2350)。類似地確定煤以及煤塵或碎屑(2352)的大小(2354)，在摻合和粉碎單元中將其與經過加工的生物質摻合(2356)，并且視需要與高能量生物質粘合劑進行再混合(2360)。隨后將混合物壓實成聚集體或煤球(2370)并收集(2380)。使用經過洗滌的高能量生物質的流出物流也可能用來降低形成摻合的聚集體的熱量需求，不過熱量仍可能有利于去除額外水。

本發明還包含一種用于制造經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體的工藝，所述經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體包含至少10wt％的能量密度為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的經過加工的生物質，所述工藝包含三個步驟。第一步驟是向包含第一、第二和第三子系統的系統中輸入包含煤和可再生的、未加工的含有機碳原料的組分，所述含有機碳原料包括自由水、胞間水、胞內水、胞內水溶性鹽以及至少一些植物細胞，所述植物細胞包含包括木質素、半纖維素和纖絲內微纖絲的細胞壁。第二步驟是使未加工的含有機碳原料通過選礦子系統工藝，以得到水含量小于20wt％并且相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量以干物質計減少至少60wt％的經過加工的生物質。第三步驟是使經過加工的生物質通過摻合子系統工藝，以與煤結合而得到經過加工的生物質/煤摻合的緊密聚集體，其包含至少10wt％的能量密度為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含經過加工的含有機碳原料的經過加工的生物質，所述經過加工的含有機碳原料所具有的特征包括能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)并且相對于作為經過加工的含有機碳原料來源的未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量，經過加工的含有機碳原料中的水溶性胞內鹽含量以干物質計減少超過60wt％。一些實施例通過使用加熱子系統工藝來制造經過加工的生物質，即能量密度為至少21MMBTU/噸(24GJ/MT)的經過加工的生物炭，來加強工藝。

工藝包括選礦工藝的兩個方面，所述選礦工藝用于使用上文所論述的選礦子系統來制造經過加工的含碳原料，以及加熱子系統的四個方面；缺氧型熱工藝的三個方面，其用于將經過加工的含碳原料轉化成經過加工的生物炭；以及微波工藝的一個方面，其用于將經過加工的含碳原料轉化成經過加工的生物炭。

選礦子系統工藝

選礦工藝步驟包含以下步驟：使未加工的含有機碳原料通過選礦子系統工藝以得到經過加工的含有機碳原料，其水含量小于20wt％，并且相對于作為經過加工的含有機碳原料來源的未加工的含有機碳原料的鹽含量，經過加工的含有機碳原料的鹽含量以干物質計減少至少60wt％。存在選礦子系統工藝的兩個方面。第一方面關注經過加工的含有機碳原料的特性，并且第二方面關注本發明的工藝優于當前已知的用于將未加工的含有機碳原料轉化成適合用于下游燃料生產系統的經過加工的含有機碳原料的工藝的能量效率。兩者都使用上文所公開的選礦子系統。

第一方面

本發明的選礦工藝步驟的第一方面包含四個步驟。第一步驟是向反應室中輸入包含自由水、胞間水、胞內水、胞內水溶性鹽以及至少一些植物細胞的未加工的含有機碳原料，這些植物細胞包含包括木質素、半纖維素、以及纖絲內微纖絲的細胞壁。一些實施例具有包含以干物質計含量為至少4000mg/kg的水溶性鹽的未加工的含有機碳原料。

第二步驟是使原料在特定針對這種原料的條件下在壓力下暴露于熱溶劑持續一定時間以使得包含結晶纖維素纖絲、木質素以及半纖維素的細胞壁的至少一些區域更加能夠被水溶性鹽穿透而不會溶解超過25％的木質素和半纖維素。如上文所提及，這是通過以下一者或多者來實現：解開至少一些纖絲的區域，使木質素和/或半纖維素的至少一些股解聚，或使其從纖維素纖絲脫離，從而破壞其纖絲的交織。另外，纖維素纖絲和微纖絲可以部分解聚和/或解晶。

第三步驟是快速去除高壓以使胞內逸出氣體穿透更加可穿透的區域以形成在至少一些植物細胞壁中具有開放孔隙的多孔原料。在一些實施例中，在小于500毫秒(ms)、小于300ms、小于200ms、小于100ms或小于50ms內去除壓力達到約大氣壓。

第四步驟是在包括可調節的壓實壓力對時間概況和壓實持續時間的條件下并且在壓力板之間壓制多孔原料，所述壓力板被配置成防止氈形成并阻斷胞內和胞間水以及胞內水溶性鹽從反應室逸出，并且形成經過加工的含有機碳原料，其水含量小于20wt％，并且相對于未加工的含有機碳原料的水溶性鹽含量，其水溶性鹽含量以干物質計減少至少60wt％。在一些實施例中，在后續空氣干燥以去除剩余的表面水之后測量水含量。在一些實施例中，壓力板基于其形成如上文所論述的氈和木髓含量的偏好具有適于特定含有機碳原料的圖案。在一些實施例中，選擇壓力量和壓力板配置以達到特定未加工的含有機碳原料的針對性經過加工的含有機碳原料的目標。在一些實施例中，在增加壓力的步驟中施加壓力，其中各種長度的時間增量取決于生物質輸入以允許以更加能量有效的方式使纖維松弛并且使更多水溶性鹽被壓出。在一些實施例中，將清潔水作為清洗劑再引入生物質中并且在第四步驟開始前溶解水溶性板條。

工藝可以進一步包含第五步驟，即針對每種含有機碳原料使用一組特定的條件預洗滌進入反應室之前的未加工的含有機碳原料，所述條件包括持續時間、溫度概況以及至少引發污染物的溶解的預處理溶液的化學含量，所述污染物阻礙用于胞內水和胞內水溶性鹽從植物細胞內部向外通過的細胞壁通道的形成。

工藝可以進一步包含第六步驟，即粉碎。將未加工的含有機碳原料在進入反應室之前粉碎成最長尺寸小于1英寸(2.5厘米)的粒子。

工藝可以進一步包含第七步驟，即分離出污染物。這一步驟涉及使用極性小于水的溶劑從多孔原料至少分離出油、蠟以及揮發性有機化合物。

與系統方面一樣，未加工的含有機碳原料可以包含來自由草本植物材料、軟木本植物材料以及硬木本植物材料組成的群組的至少兩者，其在串聯反應室中或在獨立的平行反應室中加工。另外，在一些實施例中，經過加工的含有機碳原料中每種植物材料的能量密度可以大體上相同。在一些實施例中，含有機碳原料包含選自由以下組成的群組的至少兩者：草本植物材料、軟木本植物材料以及硬木本植物材料，且其中經過加工的含有機碳原料中每種植物材料的能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)。

圖24是用于制造經過加工的含有機碳原料的工藝的方塊圖，所述經過加工的含有機碳原料的水溶性鹽以干物質計比其未加工的形式的水溶性鹽少60％，并且具有小于20wt％的水。步驟2410涉及將具有至少一些植物細胞的未加工的含有機碳原料輸入至反應室中，所述植物細胞包括胞內水溶性鹽和包含木質素的細胞壁。步驟2420涉及使原料在壓力下暴露于熱溶劑持續一定時間以使包含結晶纖維素纖絲、木質素以及半纖維素的細胞壁的一些區域更加能夠被水溶性鹽穿透而不會溶解超過25％的木質素和半纖維素。步驟2430涉及去除壓力以穿透至少一些細胞壁從而形成在其植物細胞壁中具有開放孔隙的多孔原料。步驟2440涉及使用被配置成防止氈阻斷胞內水和胞內水溶性鹽從反應室中逸出的板來壓制多孔原料，以形成經過加工的含有機碳原料，其水含量小于20wt％，并且相對于作為經過加工的含有機碳原料來源的未加工的含有機碳原料的水溶性鹽含量，經過加工的含有機碳原料的水溶性鹽含量以干物質計減少了至少60wt％。

第二方面

除了步驟具有效率特征并且所得經過加工的含有機碳原料具有成本特征以外，第二方面類似于第一方面。第二方面也包含四個步驟。第一步驟是向反應室中輸入包含自由水、胞間水、胞內水、胞內水-鹽以及至少一些植物細胞的含有機碳原料，所述植物細胞包含木質素、半纖維素、以及纖絲束內的纖絲。每個步驟強調了針對能量和材料守恒的更特定條件。第二步驟是使原料在特定針對這種原料的條件下在壓力下暴露于熱溶劑持續一定時間，以膨脹并解開包含部分結晶纖維素纖絲束、木質素、半纖維素以及水溶性鹽的細胞室而不會溶解超過25％的木質素并且使纖維素束中的至少一些解晶。第三步驟是去除壓力以形成在其纖維素室中具有開放孔隙的多孔原料。在可能與淡水混合來清洗材料并溶解水溶性鹽之后，第四步驟是在可調節的壓實壓力對時間概況和壓實持續時間下在壓力板之間壓制多孔原料，所述壓力板被配置成防止氈形成并阻斷胞內和胞間水以及胞內水溶性鹽從反應室逸出，并且形成經過加工的含有機碳原料，其水含量小于20wt％，其水溶性鹽含量以干物質計減少了至少60wt％，并且其去除水和水溶性鹽的單位重量成本減少至小于使用已知機械、已知物理化學或已知熱工藝進行的類似水去除的單位重量成本的60％。

圖25是用于制造經過加工的含有機碳原料的工藝的方塊圖，所述經過加工的含有機碳原料具有比未加工的含有機碳原料的水溶性鹽以干物質計少50wt％的水溶性鹽以及小于20wt％的水，并且其可以去除類似水量和水溶性鹽量的單位重量成本為小于使用已知機械、已知物理化學或已知熱工藝進行的類似水去除的單位重量成本的60％。步驟2510涉及將至少具有植物細胞的未加工的含有機碳原料輸入至反應室中，所述植物細胞包含胞內水溶性鹽和包括木質素的植物細胞壁。步驟2520涉及使原料在壓力下暴露于熱溶劑持續一定時間以使包含結晶纖維素纖絲、木質素以及半纖維素的細胞壁的一些區域更加能夠被水溶性鹽穿透而不會溶解超過25％的木質素和半纖維素。步驟2530涉及去除壓力以穿透至少一些細胞壁從而形成在其植物細胞壁中具有開放孔隙的多孔原料。步驟2540涉及使用被配置成防止氈阻斷胞內水和胞內水溶性鹽從反應室中逸出的板來壓制多孔原料，以形成經過加工的含有機碳原料，其水含量小于20wt％，以干物質計其水溶性鹽含量比未加工的含有機碳原料的水溶性鹽含量減少了至少60wt％，并且其去除水和水溶性鹽的單位重量成本減少至小于使用已知機械、物理化學或熱工藝進行的類似水去除的單位重量成本的60％。

能量效率部分通過如上文所論述針對特定含有機碳原料調整工藝條件而達成。一些實施例使用經過工程設計的系統以再采集和再使用熱量以進一步降低每噸經過加工的含有機碳原料的成本。一些實施例去除使用空氣干燥加工含有機碳原料留下的表面或自由水，空氣干燥是花費時間但沒有額外能量成本的工藝。圖26是示出用于三種類型的含有機碳原料的一些工藝變化以及所達到的所得水含量和水溶性鹽含量的表格。應理解，工藝條件和加工步驟的變化可以用于升高或降低水含量和水溶性鹽含量所達到的值以及用以達成目標產品價值的能量成本。一些實施例已經達到低至小于5wt％的水含量和以干物質計從其未加工的原料形式減少多達超過95wt％的水溶性鹽含量。

缺氧型熱子系統工藝

缺氧型熱子系統工藝步驟包含使經過加工的含有機碳原料穿過缺氧型子系統工藝以得到固體燃料組合物，其能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，其水含量小于10wt％，并且相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性鹽，經過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽以干物質計減少至少60wt％。

在最廣泛的觀點中，所述工藝包含三個步驟。第一步驟是向包含第一和第二子系統的系統中輸入包括自由水、胞間水、胞內水、胞內水溶性鹽以及至少一些植物細胞的未加工的含有機碳原料，所述植物細胞包含包括木質素、半纖維素和纖絲內微纖絲的細胞壁。第二步驟是使未加工的含有機碳原料穿過第一子系統，即選礦子系統工藝，以得到經過加工的含有機碳原料，其水含量小于20wt％，并且相對于未加工的含有機碳原料的鹽含量，經過加工的含有機碳原料的鹽含量以干物質計減少至少60wt％。第三步驟是使經過加工的含有機碳原料穿過第二子系統，即缺氧型熱子系統工藝，以得到固體燃料組合物，其能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，其水含量小于10wt％，并且相對于未加工的含有機碳原料的水溶性鹽，經過加工的含有機碳原料的水溶性鹽以干物質計減少至少60wt％。

使用水平缺氧型熱子系統的工藝涉及四個步驟。第一步驟是將經過加工的含有機碳原料輸入到大部分包含于熱箱內的基本上水平的升華反應室中。反應室被配置成能夠(1)從環境溫度加熱至操作升華溫度，(2)在升華溫度下操作，和(3)從操作升華溫度冷卻至環境溫度。這在不將任何熱產品氣體燃料從反應室泄漏至熱箱或大氣中，或者不將任何氧氣從熱箱外部泄漏至熱箱中的情況下進行。第二步驟是在經過加工的含有機碳原料能夠形成液相之前，將其加熱至升華溫度。第三步驟是使溫度維持在升華溫度，持續與將經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物氣和經過加工的生物炭所需要的時間同樣長的滯留時間。第四步驟是從經過加工的生物炭中分離經過加工的生物氣。

這些步驟描繪于圖27中，即根據本發明的實施例用于從經過加工的含有機碳原料產生經過加工的生物炭的工藝的流程圖。在2710中，將經過加工的含有機碳原料輸入到包含在熱箱內的水平升華反應室中而不會將任何熱產品氣體燃料從反應室泄漏至熱箱或大氣中，或者不會將任何氧氣從熱箱外部泄漏至熱箱中。隨后在步驟2720中，在經過加工的含有機碳原料能夠形成液相之前，將其加熱至升華溫度。在步驟2730中，使溫度維持在升華溫度，持續與將經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物氣燃料和經過加工的生物炭燃料所需要的時間同樣長的滯留時間。最后在步驟2740中，產品氣體燃料和經過加工的生物炭燃料彼此分離。

在一些實施例中，取決于其大小，工藝可使用水平升華子系統，其中基本上水平的升華反應室由豎直支撐物支撐。其位于基本上水平的反應室底下。其也被配置成在溫度從環境溫度變化至約850℃期間沿豎直方向在尺寸上穩定，所述溫度可在基本上水平的反應室的啟動、操作和關閉操作期間出現。

使用豎直缺氧型熱子系統的工藝涉及四個步驟。這描繪于圖28中。在2810中，第一步驟是將經過加工的含有機碳原料輸入至基本上豎直的升華反應室中。在2820中，第二步驟是在經過加工的含有機碳原料能夠形成液相之前，將其加熱至升華溫度。在2830中，第三步驟是使溫度維持在升華溫度，持續與將經過加工的含有機碳原料轉化成經過加工的生物氣和經過加工的生物炭所需要的時間同樣長的滯留時間。在2840中，第四步驟是從經過加工的生物炭中分離經過加工的生物氣。

微波子系統工藝

微波子系統工藝步驟包含使經過加工的含有機碳原料穿過微波子系統工藝以得到固體可再生燃料組合物，其能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)，其水含量小于10wt％，相對于未加工的含有機碳原料的水溶性鹽，經過加工的含有機碳原料的水溶性鹽以干物質計減少至少60wt％，并且其孔隙的孔隙大小變化小于10％。

圖29是用于使經過加工的含有機碳原料穿過微波子系統以形成本發明的固體可再生燃料的經過加工的生物炭的工藝的一個實施例的方塊圖。將經過加工的含有機碳原料輸入(2910)至反應室中，所述反應室具有用于加熱和/或照射原料的基本上透微波的壁。加熱和/或輻射通過引導(2920)微波能量穿過反應室的壁以沖擊安置于反應室內的原料而進行。任選地在催化劑存在下，通過微波加熱/照射(2930)原料，直至進行含有機碳分子的反應以產生理想的最終燃料產品。收集(2940)通過反應工藝形成的燃料產品。

摻合子系統工藝

摻合子系統工藝步驟包含三個步驟。當處理煤塵、碎屑或粉末時，可以使用缺氧型氛圍以使爆炸的發生率降至最低。

第一步驟是確定大小步驟以使煤粒子和經過加工的生物質的大小減小至允許簡易后續混合的大小。存在的任何煤塊都縮小至煤塵或煤碎屑大小以用于將其輕松運輸至摻合工藝中。在一些實施例中，混合經過加工的生物質和煤，并且同時確定其大小，并且在摻合和粉碎單元中在高速渦流中進行摻合。在一些實施例中，適合大小是粒子近似能夠穿過具有0.097英寸(2.380mm)方孔的8目徑的大小。一些實施例具有能夠穿過較精細篩網的粒子，諸如在一側上具有0.0469英寸(1.190mm)方孔的16目篩網。在一些研究使用磁場的情況下，針對大小為穿過16目網篩的煤，從煤中去除一半雜質，其中去除煤中小于5wt％的碳。

第二步驟是組合步驟，其使煤與經過加工的生物質兩者組合成預定比率的煤與經過加工的生物質的摻合粉末。在一些實施例中，添加高能量生物質粘合劑。高能量生物質粘合劑形成于上文所論述的選礦子系統工藝中，其中從蒸汽爆炸區段中去除并清潔未加工的含有機碳原料的微粒子、木質素碎片以及半纖維素碎片。隨后將高能量生物質粘合劑、具有高木質素含量的精細、粘性生物質塊添加至摻合的粉末中，以在形成摻合的緊密聚集體期間允許壓縮步驟中的低溫或更高粘聚性中的至少一種。

第三步驟是將摻合的粉末壓縮成安全運輸的多種摻合的緊密聚集體。在一些實施例中，在加熱下進行壓縮以至少輔助聚集體的形成或使水含量減小至小于10重量％。在一些實施例中，同時進行壓縮和加熱步驟。

在不脫離本發明的范圍的情況下可以對上文所論述的優選實施例作出各種修改和添加。因此，本發明的范圍不應受上文所描述的特定實施例的限制，而應僅由下文所闡述的權利要求書和其等效物界定。