來(lái)自生物質(zhì)廢物離解的用于運(yùn)輸和貯存的碳基耐用物品和可再生燃料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于在封存碳的同時(shí)從生物質(zhì)廢物生成可再生能量的技術(shù)、系統(tǒng)、設(shè)備和材料。在一個(gè)方面，通過(guò)反應(yīng)器進(jìn)行的使天然生物質(zhì)廢物離解成可再生源能量或碳副產(chǎn)物或二者的方法包括接收在厭氧反應(yīng)下離解的天然生物質(zhì)廢物，所述天然生物質(zhì)廢物包含碳、氫和氧。從外部熱源回收廢熱以加熱所接收的天然生物質(zhì)廢物。使經(jīng)加熱的天然生物質(zhì)廢物離解以產(chǎn)生可再生燃料、碳副產(chǎn)物或二者。所述離解包括壓實(shí)經(jīng)加熱的天然生物質(zhì)廢物、自內(nèi)部熱源生成熱，和將所產(chǎn)生的熱在壓強(qiáng)下應(yīng)用到經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物中。
【專利說(shuō)明】來(lái)自生物質(zhì)廢物離解的用于運(yùn)輸和貯存的碳基耐用物品和可再生燃料
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年8月13日提交的標(biāo)題為來(lái)自生物質(zhì)廢物離解的用于運(yùn)輸和貯存的碳基耐用物品和可再生燃料(CARBON-BASED DURABLE GOODS AND RENEWABLE FUELFROM BIOMASS WASTE DISSOCIATION FOR TRANSPORTATION AND STORAGE)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)61 / 523，280的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)通過(guò)全文引用的方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003]本申請(qǐng)涉及與來(lái)自生物質(zhì)廢物的碳封存(carbon sequestration)以及可再生能量生產(chǎn)有關(guān)的裝置、技術(shù)和材料。
[0004]水生植物和植物性地被物，特別是農(nóng)場(chǎng)和森林是重要的二氧化碳收集器、無(wú)數(shù)野生生物的天然棲息地，以及從紙產(chǎn)品到建筑材料應(yīng)用的纖維來(lái)源。因?yàn)榉潜就梁οx(chóng)的引入和溫室氣體加重的氣候變化，已經(jīng)使得森林對(duì)于瘟疫、火災(zāi)、風(fēng)、洪水和干旱災(zāi)害敏感，因而幾乎所有大陸上都已經(jīng)發(fā)生森林的破壞。
[0005]整個(gè)南美、中美和北美的森林火災(zāi)已經(jīng)破壞了已被干旱和病害消弱或殺死的許多株樹(shù)木。這表現(xiàn)出紙漿和建筑材料的巨大損失?；馂?zāi)和腐爛還產(chǎn)生溫室氣體如二氧化碳和進(jìn)一步危害全球大氣的甲烷。最重要的是，在這些材料由于火災(zāi)、腐蝕、洪水和侵蝕而損失之前提供能夠?qū)⒅参镄陨?物質(zhì)快速轉(zhuǎn)化成燃料、電和有價(jià)值材料的可再生供應(yīng)的實(shí)用解決方案。必然的目標(biāo)是促進(jìn)健康森林、作物和其他地被物的快速重新發(fā)展以及促進(jìn)自預(yù)定稀化和灌木叢移除來(lái)生產(chǎn)燃料和封存的碳值從而改善森林狀況并且防止有害火災(zāi)的傳播。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006]圖1示出用于將含碳和氫的生物質(zhì)廢物快速轉(zhuǎn)化成可用來(lái)生產(chǎn)碳基耐用物品和可再生燃料的碳和氫的有用可再生源的工藝的工藝流程圖。
[0007]圖2示出用于將生物質(zhì)廢物離解成載有氫和碳的中間體的示例性系統(tǒng)。
[0008]圖3示出用于將生物質(zhì)廢物快速轉(zhuǎn)化成可再生燃料和碳產(chǎn)品的系統(tǒng)。
[0009]圖4示出用于使烴和醇離解以獲得碳和氫的工藝的工藝流程圖。
[0010]圖5示出用于自甲醇生產(chǎn)DME的示例性工藝。
[0011]圖6為用于自生物質(zhì)廢物生產(chǎn)的烴和醇產(chǎn)生碳基耐用物品的系統(tǒng)的方塊圖。
[0012]圖7示出通過(guò)變壓或溫度吸收將產(chǎn)品氣體如二氧化碳和一氧化碳的混合物與甲烷和/或氫氣分離的系統(tǒng)。
[0013]圖8為用于分離甲醇和一氧化碳并且將所分離的甲醇通過(guò)遞送泵運(yùn)送到市場(chǎng)的系統(tǒng)。
[0014]圖9圖示了用于提供生物質(zhì)廢料輸送和壓實(shí)的另一系統(tǒng)。
[0015]圖10為示出用于將來(lái)自垃圾填埋區(qū)、污水處理廠、廢物處置操作以及其他甲烷源的甲烷轉(zhuǎn)化成氫和碳的工藝的工藝流程圖。[0016]圖11為示出利用碳再利用或再循環(huán)促進(jìn)氫產(chǎn)生的另一高效系統(tǒng)的圖。
[0017]圖12為示出利用光合作用將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成可再生燃料并且封存碳的總的工藝的方塊圖。
[0018]圖13為示出利用光合作用來(lái)引發(fā)由生物質(zhì)產(chǎn)生有價(jià)值的燃料、溶劑、化學(xué)前體和各種各樣的經(jīng)封存的碳產(chǎn)品的另一工藝的方塊圖。
[0019]圖14A和14B為示出利用太陽(yáng)能向生物質(zhì)轉(zhuǎn)化工藝提供熱的太陽(yáng)能集中器的圖。
[0020]圖15為示出用于運(yùn)送自生物質(zhì)廢物產(chǎn)生的可再生能量的工藝的工藝流程圖，所述生物質(zhì)廢物包括市政、農(nóng)場(chǎng)和森林廢物如森林砍掉的和病死的和/或死去的樹(shù)。
[0021]圖16A為用于由有機(jī)給料(Organic Feedstock)生產(chǎn)可被忙存和運(yùn)輸?shù)奶蓟募捌渌陀闷泛涂稍偕剂系墓に嚨墓に嚵鞒虉D。
[0022]圖16B為示出用于由有機(jī)給料生產(chǎn)碳基的及其他耐用品和可再生燃料的濕法(wet-process)的替代工藝流程圖。
[0023]圖17A為示出用于由有機(jī)給料生產(chǎn)可被貯存和運(yùn)輸?shù)奶蓟募捌渌陀闷泛涂稍偕剂系墓に嚨墓に嚵鞒虉D。
[0024]圖17B為示出用于由有機(jī)給料生產(chǎn)碳基的及其他耐用品和可再生燃料的包括在線過(guò)濾器的工藝的替代工藝流程圖。
[0025]圖18為示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例的全球變暖解決方案的工藝流程圖。
[0026]圖19為示出根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例的全球變暖解決方案的工藝流程圖。
[0027]相同附圖標(biāo)記和名稱在不同附圖中指代相同的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0028]描述了用于再利用存在于生物質(zhì)廢物中的碳和氫來(lái)生產(chǎn)耐用物品和可再生燃料的技術(shù)、材料、設(shè)備和系統(tǒng)。所述技術(shù)、材料、設(shè)備和系統(tǒng)可以減少或消除有害的碳釋放到環(huán)境中。例如，所述技術(shù)、設(shè)備、系統(tǒng)和材料可以用來(lái)由具體包括能量作物和廢物的有機(jī)給料生產(chǎn)碳基耐用物品、可再生燃料、電、有價(jià)值的化學(xué)品、土壤營(yíng)養(yǎng)素和材料。所述技術(shù)還可以用來(lái)重新開(kāi)發(fā)已被疾病、火災(zāi)和其它有害事件破壞的森林和其他植物性地被物。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]披露了在封存碳的同時(shí)用于從生物質(zhì)產(chǎn)生可再生能量如生物燃料的技術(shù)、結(jié)構(gòu)、設(shè)備和材料。描述了用于有效加壓的、精制的且方便遞送的給料和產(chǎn)品如氫氣、甲烷和碳以及來(lái)自生物質(zhì)廢物的土壤營(yíng)養(yǎng)素的厭氧(例如熱化學(xué))生產(chǎn)的方法和系統(tǒng)，所述生物質(zhì)廢物包括極大量的農(nóng)業(yè)和森林廢物。
[0030]在一個(gè)方面，通過(guò)反應(yīng)器所進(jìn)行的使天然生物質(zhì)廢物離解成可再生的能源或碳副產(chǎn)物或二者的方法包括接收在厭氧反應(yīng)下待離解的天然生物質(zhì)廢物，所述天然生物質(zhì)廢物包含碳、氫和氧。從外部熱源回收廢熱以加熱所接收的天然生物質(zhì)廢物。使經(jīng)加熱的天然生物質(zhì)廢物離解以 產(chǎn)生可再生燃料、碳副產(chǎn)物或二者。所述離解包括壓實(shí)經(jīng)加熱的天然生物質(zhì)廢物、自內(nèi)部熱源生成熱，并且將所產(chǎn)生的熱在壓強(qiáng)下施加到經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物。
[0031]實(shí)施方式可以任選地包括一個(gè)或多個(gè)以下特征?；厥諒U熱可以包括回收自發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池排出的熱和自可再生能量發(fā)生器生成熱中的至少之一，所述可再生能量發(fā)生器包括風(fēng)能發(fā)生器、太陽(yáng)能發(fā)生器、來(lái)自流水的能量發(fā)生器和地?zé)崮馨l(fā)生器中的至少之一。所述方法可以包括朝著用于使經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物離解的離解區(qū)推進(jìn)經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物；以及從推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物中移除水分和空氣。移除水分和空氣可以包括通過(guò)受限的空間擠出經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物從而將水分和空氣以物理方式擠出來(lái)。所述方法可以包括迫使所產(chǎn)生的可再生燃料、碳副產(chǎn)物或二者與推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物在逆流方向上；并且自所產(chǎn)生的以逆流方向行進(jìn)的可再生能量或碳副產(chǎn)物或二者傳遞熱?？稍偕剂峡梢园N、醇、氨和氫中的至少一種。碳副產(chǎn)物可以包括二氧化碳、一氧化碳和碳中的至少一種。所述方法可以包括使用自生物質(zhì)廢物產(chǎn)生的碳來(lái)生產(chǎn)耐用物品。所述烴可以包括甲烷、丙烷、乙烷和丁烷中的至少一種。所述醇可以包括甲醇、丙醇、乙醇和丁醇中的至少一種。所述方法可以包括將所述烴分離成氫和碳。而且，所述方法可以包括使用自生物質(zhì)廢物產(chǎn)生的碳來(lái)生產(chǎn)耐用物品。所述天然生物質(zhì)廢物可以包括響應(yīng)于光合作用而獲得的含有碳和氫的有機(jī)材料。所述方法可以包括施加催化劑以促進(jìn)包含烴的可再生能量的形成。所述催化劑可以包括鉻、具有稀土成分的陶瓷、鉬金屬組、貴金屬化(nobleized)的鎳和過(guò)渡金屬的金屬間化合物中的至少一種。生物質(zhì)廢物可以包括果糖、脂類、碳水化合物、蛋白質(zhì)、葡萄糖、木質(zhì)素和纖維質(zhì)給料中的至少一種。
[0032]在另一方面，所述方法可以利用用于自生物質(zhì)廢料生產(chǎn)燃料混合物的系統(tǒng)來(lái)實(shí)施，所述系統(tǒng) 包括料斗以接收待轉(zhuǎn)化成含烴的燃料混合物的天然生物質(zhì)廢料。逆流熱交換器耦接到料斗以回收來(lái)自熱源的廢熱并且將所回收的熱提供給料斗以加熱天然生物質(zhì)廢料。經(jīng)加壓且加熱的反應(yīng)器耦接到料斗以接收經(jīng)加熱的天然生物質(zhì)廢料并且進(jìn)行不同的操作。例如，反應(yīng)器包括輸送機(jī)從而對(duì)經(jīng)加熱的天然生物質(zhì)廢料施加擠出作用以獲得經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢料。而且，反應(yīng)器包括燃燒器從而向經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢料傳遞熱以利用熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生含烴的燃料混合物。
[0033]實(shí)施方式可以任選地包括以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。外部熱源可以包括用于產(chǎn)生可再生能量的裝置，所述裝置包括風(fēng)能發(fā)生器、太陽(yáng)能發(fā)生器、來(lái)自流水的能量發(fā)生器和地?zé)崮馨l(fā)生器中的至少之一。輸送機(jī)可以配置為朝著用于使經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物離解的離解區(qū)推進(jìn)經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物；以及從推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物中移除水分和空氣。所述輸送機(jī)可以包括在輸送機(jī)的外表面上的旋轉(zhuǎn)管的螺旋刮板的遞減斜度以促進(jìn)水分和空氣的移除。所述經(jīng)加壓且加熱的反應(yīng)器可以成形為降低反應(yīng)器內(nèi)的截面積，用于在促進(jìn)水分和空氣移除的同時(shí)推進(jìn)經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢料。所述系統(tǒng)可以包括耦接至反應(yīng)器的逆流熱交換器從而自所產(chǎn)生的可再生燃料、碳副產(chǎn)物或二者向經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物傳遞熱，所述經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物與推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物以逆流方向行進(jìn)?？稍偕剂峡梢园N、醇、氨和氫中的至少一種。碳副產(chǎn)物可以包括二氧化碳、一氧化碳和碳中的至少一種。所述烴可以包括甲烷和乙烷中的至少一種。所述醇可以包括甲醇和乙醇中的至少一種。所述系統(tǒng)可以包括烴轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述烴轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括耦接到反應(yīng)器以接收烴以及另外耦接到熱源以接收用來(lái)使烴分離成氫和碳的熱的一個(gè)或多個(gè)熱交換器。天然生物質(zhì)廢物可以包括響應(yīng)于光合作用而獲得的含有碳、氫和氧的有機(jī)材料。所述系統(tǒng)可以包括用于接收催化劑的催化反應(yīng)區(qū)以促進(jìn)含烴的可再生燃料的形成。所述催化劑可以包括鉻、具有稀土成分的陶瓷、鉬金屬組、貴金屬化(nobleized)的鎳和過(guò)渡金屬的金屬間化合物中的至少一種。生物質(zhì)廢物可以包括葡萄糖、木質(zhì)素和纖維質(zhì)給料中的至少一種。[0034]本說(shuō)明書(shū)中所述的主題潛在地可以提供以下優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。例如，所述技術(shù)、系統(tǒng)和材料可以將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量，同時(shí)再循環(huán)和再利用對(duì)環(huán)境有害的溫室氣體，例如二氧化碳。而且，所述技術(shù)、系統(tǒng)和材料可以用來(lái)以高的能量轉(zhuǎn)化效率以及對(duì)資本設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施改善而言的中等成本將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量。所述技術(shù)還可以按比例放大以應(yīng)付大的生物質(zhì)來(lái)源例如森林轉(zhuǎn)化，同時(shí)降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本。此外，所述技術(shù)可以使二氧化碳的排放最小化或消除。
[0035]生物質(zhì)廢物離解
[0036]圖1示出用于將含碳和氫的生物質(zhì)廢物快速轉(zhuǎn)化成可用來(lái)生產(chǎn)碳基耐用物品和可再生燃料的碳和氫的有用可再生源的工藝100的工藝流程圖。
[0037]系統(tǒng)(例如，下文的生物質(zhì)離解系統(tǒng)200)可以將生物質(zhì)廢物細(xì)化為給料如各種纖維質(zhì)材料和木質(zhì)纖維素組織(110)。經(jīng)細(xì)化的給料可以被壓實(shí)以移除空氣和水分(120)。經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物給料可被加熱以釋放包括碳、氫、烴、醇、氨(銨)和碳的氧化物在內(nèi)的碳和/或氫的各種有用的可再生源(130)。而且，整體反應(yīng)環(huán)境的水分含量可以基于可再生的碳和/或氫的期望的量和/或比例加以控制(140)。為了控制水分含量，已經(jīng)干燥且脫氣的經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物給料例如可以用作干燥劑。氫和碳的可再生源可以用來(lái)產(chǎn)生可再生燃料和/或碳基耐用物品(150)。
[0038]例如，如方程式I所示，生物質(zhì)廢物可以在厭氧環(huán)境中被充分地加熱以釋放期望的氣體、碳和固體殘余 物如礦物氧化物和其他化合物。對(duì)于任何特定類型、量或比例的木質(zhì)素、纖維素或其他生物質(zhì)給料而言，方程式I中概述的自生物質(zhì)廢物的碳的氧化物以及氫氣和/或烴的共產(chǎn)生的厭氧過(guò)程并未配平。
[0039]CxHyOz+熱量一C+H2+CH4+H2+C02+C0 方程式 I
[0040]利用方程式I中所述的過(guò)程，實(shí)際上任何有機(jī)材料均可以大部分地轉(zhuǎn)化成在現(xiàn)有天然氣基礎(chǔ)設(shè)施中分配和儲(chǔ)存的烴燃料如甲烷(CH4)。以下方程式2說(shuō)明用于自典型的生物質(zhì)廢物如葡萄糖、木質(zhì)素和纖維質(zhì)給料生產(chǎn)烴例如甲烷的總反應(yīng)的一般概述。
[0041]C6H12O6+熱量一3CH4+3C02 方程式 2
[0042]在一些實(shí)施方式中，生物質(zhì)離解反應(yīng)可以產(chǎn)生醇如甲醇、乙醇或丁醇作為可易于儲(chǔ)存和可易于運(yùn)輸?shù)囊后w燃料和化學(xué)前體。甲醇或“木精”可以通過(guò)加熱木質(zhì)纖維素廢物經(jīng)由部分燃燒或者通過(guò)厭氧加熱過(guò)程來(lái)提取。方程式3和4概述了通過(guò)選擇不同的厭氧操作溫度、壓強(qiáng)和催化劑可以實(shí)現(xiàn)的甲醇的輸出。
[0043]C6H12O6+ 熱量一6C0+6H2 方程式 3
[0044]6C0+6H2 — 3CH30H+3C0 方程式 4
[0045]在反應(yīng)器中較高的進(jìn)給速率和/或較低的釋熱速率下，載料不會(huì)達(dá)到產(chǎn)生方程式I中所示氣體的較高溫度，并且因而離解過(guò)程產(chǎn)生醇如甲醇。通過(guò)冷卻甲醇蒸氣可以將一氧化碳與甲醇進(jìn)行分離從而形成液體甲醇并且利用所分離的一氧化碳來(lái)給燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)加燃料、通過(guò)燃燒室組配經(jīng)由燃燒來(lái)釋放熱，以及通過(guò)與水的反應(yīng)形成氫氣，如方程式5所概述。通過(guò)方程式5所概述的反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣可以用來(lái)產(chǎn)生如方程式4中所示的甲醇、改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、改進(jìn)甲烷和/或乙烷在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中和/或作為加熱燃料的產(chǎn)率。
[0046]CCHH2O — H2+C02 方程式 5
[0047]圖2示出用于將生物質(zhì)廢物202離解成載氫和碳的中間體的示例性系統(tǒng)200。所述系統(tǒng)200包括接收天然形式的生物質(zhì)廢物202的生物質(zhì)廢物202吸入組件如料斗210并且將天然材料粉碎(例如切碎、砍碎、磨碎等)成細(xì)化的給料如各種纖維素和木質(zhì)纖維素材料。料斗210可以包括加熱機(jī)構(gòu)如熱交換器212以預(yù)熱經(jīng)細(xì)化的給料。熱交換器可以重新捕獲并且再循環(huán)來(lái)自外部熱源(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和/或可再生熱，如風(fēng)、太陽(yáng)、流水、地?zé)岬?或來(lái)自反應(yīng)器220的廢熱。
[0048]經(jīng)細(xì)化的(并且在一些實(shí)施方式中，經(jīng)預(yù)熱的)給料214前進(jìn)至反應(yīng)器220從而使生物質(zhì)廢物給料214離解成碳和氫的有用可再生源，例如各種烴、醇、氨，和碳的氧化物。反應(yīng)器可以包括干燥機(jī)構(gòu)222以從給料中排出水分和空氣。干燥機(jī)構(gòu)222可以包括擠出裝置從而以物理方式從給料中“擠出”水分和空氣。擠出裝置的實(shí)例包括螺旋狀螺桿輸送機(jī)和壓頭(ram)活塞式輸送機(jī)。而且，干燥機(jī)構(gòu)222可以包括一個(gè)或多個(gè)加熱機(jī)構(gòu)如熱交換器，所述熱交換器捕獲由反應(yīng)器220產(chǎn)生的熱并且將所捕獲的熱再循環(huán)以干燥給料。熱交換器還可以重新捕獲和再循環(huán)來(lái)自外部熱源(例如，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和/或可再生熱，如風(fēng)、太陽(yáng)、流水、地?zé)岬?的廢熱。
[0049]反應(yīng)器220還可以包括加熱機(jī)構(gòu)224用于產(chǎn)生厭氧反應(yīng)中所用的足夠的熱以使生物質(zhì)廢物給料214離解成碳和氫的有用可再生源216，如烴、醇、氨，以及碳的氧化物。所產(chǎn)生的碳和氫的有用可再生源216可以前進(jìn)至儲(chǔ)存和/或運(yùn)送機(jī)構(gòu)230以用于另外的反應(yīng)從而在如下述工藝(400和500)以及系統(tǒng)(600和700)中所述的各自反應(yīng)中產(chǎn)生可再生燃料和/或碳基耐用物品。此外，儲(chǔ)存和/或運(yùn)送機(jī)構(gòu)230允許將碳和氫的有用可再生源216高效地運(yùn)送至遙遠(yuǎn)的位置用于進(jìn)一步處理。
[0050]反應(yīng)器220可以配置成提高生物質(zhì)廢物202轉(zhuǎn)化過(guò)程的熱效率，同時(shí)減少或消除二氧化碳的形成。例如，反應(yīng)器220可以包括在提取碳、烴如甲烷，和/或氫氣之前進(jìn)行各種逆流式干燥(例如，再循環(huán)熱)以及消除空氣、水分和其他氧供體的機(jī)構(gòu)。
[0051]圖3示出生物質(zhì)廢物離解系統(tǒng)300，其采用螺旋式螺桿機(jī)構(gòu)以從生物質(zhì)廢物給料中排出水分和空氣。在操作中，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和/或排氣的廢熱可以通過(guò)螺旋狀熱交換器管道344和345的逆流旋轉(zhuǎn)被傳遞到料斗350中的天然生物質(zhì)材料，所述熱交換器管道344和345在得到最大量的來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)302的熱回收的各個(gè)區(qū)處連接至料斗350。經(jīng)加熱的天然生物質(zhì)材料前行至經(jīng)加壓且加熱的反應(yīng)器311用于離解成包括烴、氫和碳產(chǎn)物的混合物。經(jīng)加熱的反應(yīng)器311包括在靜態(tài)內(nèi)含管(stationary containment tube) 336內(nèi)的生物質(zhì)壓實(shí)機(jī)314如旋轉(zhuǎn)式管狀螺旋輸送機(jī)，所述靜態(tài)內(nèi)含管336將天然生物質(zhì)廢物壓實(shí)為致密態(tài)并且使經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物朝著燃燒室組配320附近的離解或反應(yīng)區(qū)前行。旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)可以包括在旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314的外表面上的螺旋刮板(flight)管318以提供對(duì)經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物上的擠出作用。
[0052]旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314可以經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)302通過(guò)合適的減速系統(tǒng)304和306來(lái)驅(qū)動(dòng)?；谙到y(tǒng)300的尺寸和期望的生產(chǎn)量，發(fā)動(dòng)機(jī)302可以作為具有適合的排出/吸入系統(tǒng)328的旋轉(zhuǎn)式、往復(fù)活塞式或渦輪式發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)施。通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)302連接的合適發(fā)生器如交流發(fā)動(dòng)機(jī)380，系統(tǒng)300可以獲得總體發(fā)電效率的改善。而且，發(fā)動(dòng)機(jī)302可以通過(guò)如美國(guó)專利6，155，212 (律師案卷號(hào)69545-9301.US4)中所披露的燃料調(diào)節(jié)、注射和點(diǎn)火系統(tǒng)來(lái)加燃料，該美國(guó)專利的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文中。
[0053] 取決于實(shí)施以將生物質(zhì)廢物轉(zhuǎn)化成可再生能量的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)300的尺寸，減速部件如鏈輪和鏈或驅(qū)動(dòng)齒輪306和軸承支座總成308和312可以通過(guò)包括312、310和326的轉(zhuǎn)矩輸送隔熱器與旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314和外罩342熱隔離。旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314通過(guò)如所示的隔熱軸承和支座總成324和326在相反端類似地支撐和隔熱。隔熱包330提供隔熱以防止通過(guò)軸承312和期望防熱的其他區(qū)域獲得輻射和傳導(dǎo)熱。
[0054]為了連續(xù)地壓實(shí)夾帶在靜態(tài)管336中的天然固體生物質(zhì)材料，所述系統(tǒng)300可以包括干燥機(jī)構(gòu)以從生物質(zhì)材料中移除水分和/或空氣。干燥機(jī)構(gòu)可以包括在旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314的外部上的螺旋刮板管318的遞減斜度和/或在旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314和靜態(tài)管336之間的減小的截面積。干燥機(jī)構(gòu)可以提供夾帶的空氣和/或水分從生物質(zhì)材料中排出，所述生物質(zhì)材料通過(guò)迫使夾帶的空氣和水分與經(jīng)由受熱料斗350和由合適的牽引馬達(dá)352或來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)302的合適驅(qū)動(dòng)列車驅(qū)動(dòng)的進(jìn)料螺桿356獲取的材料以逆流方向行進(jìn)的工藝進(jìn)行加熱。降低旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314的斜度或減小經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)廢物經(jīng)由其行進(jìn)的截面可以進(jìn)一步提供壓緊封條從而減少或防止通過(guò)進(jìn)一步加熱有機(jī)材料(包括與添加的反應(yīng)性氣體反應(yīng))所產(chǎn)生的氣體的泄漏。
[0055]在空氣和水分相繼排出之后，利用從燃燒裝置320傳遞的熱，經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)材料在離解或反應(yīng)區(qū)離解成方程式I中所示的碳和氫和/或產(chǎn)物烴氣體。燃燒裝置320的熱產(chǎn)物如水蒸汽、氮?dú)?、氧氣和二氧化碳循環(huán)通過(guò)在管314內(nèi)的螺旋式熱交換器管316從而向經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)材料傳遞熱，所述經(jīng)壓實(shí)的生物質(zhì)材料通過(guò)位于所示的旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314的外表面上的螺旋 狀刮板管318的擠出作用而以逆流方向行進(jìn)。
[0056]離解反應(yīng)還產(chǎn)生體積低得多的固體殘余物。固體殘余物的量可以為有機(jī)廢物的初始質(zhì)量的約2~10%。這類殘余物為痕量礦物的重要來(lái)源，所示礦物可用來(lái)活化土壤并確保興旺的森林、花園、水產(chǎn)業(yè)和/或其他地被物的替代株(stand)的快速生長(zhǎng)。這可以加快溫室氣體減少、碳和氫的封存，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。而且，重新造林的區(qū)域可以充當(dāng)用于持續(xù)產(chǎn)生可再生甲烷、氫氣和封存的碳的木質(zhì)纖維素的可持續(xù)來(lái)源。
[0057]如方程式I所概述而產(chǎn)生的相對(duì)較小部分的烴(例如甲烷)和/或氫氣和/或一氧化碳被遞送到發(fā)動(dòng)機(jī)302并且經(jīng)由如圖3所示的控制閥322被遞送到燃燒室組配320的燃燒器噴嘴。提供足量的空氣以確保在所有應(yīng)用中所存在的燃料值的完全燃燒，同時(shí)令人討厭的排放物最少。
[0058]所述系統(tǒng)300可以作為較大的單元和高生產(chǎn)量變型來(lái)實(shí)施，其中來(lái)自燃燒室或燃燒組配320的燃燒氣體可以在管狀刮板(例如，螺旋狀熱交換管)316內(nèi)循環(huán)，所述管狀刮板316構(gòu)建為經(jīng)由在旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314內(nèi)的孔與螺旋狀刮板管318連接以提供自燃燒室320向沿著內(nèi)含管336內(nèi)的螺旋狀刮板管318的外部前進(jìn)的給料的更快熱傳遞。使得通過(guò)熱離解過(guò)程從經(jīng)加熱的生物質(zhì)給料釋放的氣體如甲烷、氫氣和二氧化碳通入螺旋狀散熱片或螺旋狀刮板管338和隔熱管341之間的環(huán)形空間從而以逆流方向流向正通過(guò)旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314加熱中的給料流。這提供進(jìn)一步的熱量保存，因?yàn)闊嵩偕缘丶尤氲絻?nèi)含管336內(nèi)的給料，所述給料逐漸被壓實(shí)并且通過(guò)熱傳遞離解，從而提高如所示的壓強(qiáng)產(chǎn)生。
[0059]通過(guò)行進(jìn)穿過(guò)旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314和/或管狀散熱片或管狀刮板316和/或螺旋狀刮板管318的內(nèi)部而到達(dá)料斗區(qū)350的燃燒氣體如水蒸汽、氮?dú)?、氧氣和二氧化碳進(jìn)入螺旋狀傳熱管道346從而向如所示前進(jìn)穿過(guò)料斗350的給料提供進(jìn)一步的逆流能量增加。通過(guò)孔330(未示出)以及包容(containment)管336和絕緣管341之間的環(huán)形區(qū)和/或空心散熱片338而達(dá)到料斗區(qū)350的所產(chǎn)生的諸如甲烷、氫氣和二氧化碳和/或一氧化碳的氣體經(jīng)由管道348循環(huán)，所述管道348臨近螺旋狀傳熱管道346纏繞，用于向前進(jìn)至如所示的旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314的材料的有效逆流熱傳遞。隔熱管342和360防止向外界的熱損失。
[0060]通過(guò)控制旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314的旋轉(zhuǎn)速度以及由此遞送到熱離解段的固體的壓實(shí)，在期望的壓強(qiáng)之上在適合的邊緣處提供這種產(chǎn)物氣體的混合物。這提供熱能向壓強(qiáng)能量的高效轉(zhuǎn)化，因?yàn)槠谕臍怏w以比初始固體體積大得多的體積形成。在操作中，壓強(qiáng)傳感器370將壓強(qiáng)數(shù)據(jù)送至工藝控制器372，用于維持進(jìn)給輸送機(jī)356、旋轉(zhuǎn)式管狀螺桿輸送機(jī)314的速度和燃燒室組配320的熱效率以實(shí)現(xiàn)期望的生產(chǎn)量、轉(zhuǎn)化溫度和所遞送的產(chǎn)物氣體的壓強(qiáng)。壓強(qiáng)調(diào)節(jié)器374可以提供對(duì)經(jīng)由管道376從再生轉(zhuǎn)換器遞送的產(chǎn)物氣體的最終調(diào)節(jié)。
[0061]通過(guò)在大約1，000PSI和1025。F (69個(gè)大氣壓，550°C )下操作系統(tǒng)300產(chǎn)生的氣體混合物可以如表1中所示隨著被轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)廢物的類型、停留時(shí)間和相關(guān)操作參數(shù)而變。新的配置提供壓縮點(diǎn)火來(lái)代替柴油燃料并且包括在甲醇中的活性炭懸浮體內(nèi)所吸附的氫氣。
[0062]表1
[0063]
【權(quán)利要求】
1.一種通過(guò)反應(yīng)器進(jìn)行的使廢物離解成可再生源能量或碳副產(chǎn)物或二者的方法，所述方法包括: 接收在厭氧反應(yīng)下離解的廢物，所述廢物包含碳、氫和氧； 從外部熱源回收廢熱以加熱所接收的廢物；以及 使經(jīng)加熱的廢物離解以產(chǎn)生可再生燃料、碳副產(chǎn)物或二者，所述離解包括: 壓實(shí)經(jīng)加熱的廢物， 自內(nèi)部熱源生成熱，和 將所生成的熱在壓強(qiáng)下應(yīng)用到經(jīng)壓實(shí)的廢物中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中回收所述廢熱包括以下中的至少之一: 回收自發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱，和 自可再生能量發(fā)生器生成熱，所述能量發(fā)生器包括風(fēng)能發(fā)生器、太陽(yáng)能發(fā)生器、來(lái)自流水的能量發(fā)生器和地?zé)崮馨l(fā)生器中的至少之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 朝著用于使經(jīng)壓實(shí)的 廢物離解的離解區(qū)推進(jìn)所述經(jīng)壓實(shí)的廢物；以及 從所述推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的廢物中移除水分和空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中移除所述水分和空氣包括: 通過(guò)受限的空間擠出所述經(jīng)壓實(shí)的廢物從而將所述水分和空氣以物理方式擠出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 迫使所述產(chǎn)生的可再生燃料或碳副產(chǎn)物或二者與推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的廢物呈逆流方向；和 自所述產(chǎn)生的以逆流方向行進(jìn)的可再生能量或碳副產(chǎn)物或二者傳遞熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述可再生燃料包括烴、醇、氨和氫中的至少一種，并且 其中所述碳副產(chǎn)物包括二氧化碳、一氧化碳和碳中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括: 利用由所述廢物產(chǎn)生的碳來(lái)生成耐用物品。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述烴包括甲烷和乙烷中的至少一種；并且 其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括: 使所述烴分離成氫和碳。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括: 利用從所述廢物產(chǎn)生的所述碳來(lái)生成耐用物品。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述廢物包括響應(yīng)于光合作用獲得的含有碳、氫和氧的有機(jī)材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括施加催化劑以促進(jìn)含烴的所述可再生能量的形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述催化劑包括鉻、具有稀土成分的陶瓷、鉬金屬組、貴金屬化的鎳和過(guò)渡金屬的金屬間化合物中的至少一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述廢物包括葡萄糖、木質(zhì)素和纖維質(zhì)給料中的至少一種。
15.一種用于使廢物離解成可再生燃料或碳副產(chǎn)物或二者的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 接收在厭氧反應(yīng)下離解的廢物的料斗，所述廢物包含碳、氫和氧； 廢熱交換器，其耦接到所述料斗以回收來(lái)自外部熱源的廢熱并且將所回收的熱傳遞給所述料斗以加熱所述廢物；和 經(jīng)加壓且加熱的反應(yīng)器，其耦接到所述料斗以接收所述經(jīng)加熱的廢物，所述反應(yīng)器包括: 輸送機(jī)，其壓實(shí)所述經(jīng)加熱的廢物，和 燃燒室，其生成熱以用于在所述厭氧反應(yīng)中使所述經(jīng)壓實(shí)的廢物離解而產(chǎn)生所述可再生燃料、碳副產(chǎn)物或二者。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述外部熱源包括用于產(chǎn)生可再生能量的裝置，所述裝置包括風(fēng)能發(fā)生器、太陽(yáng)能發(fā)生器、來(lái)自流水的能量發(fā)生器和地?zé)崮馨l(fā)生器中的至少一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述輸送機(jī)配置為: 朝著用于使所述經(jīng)壓實(shí)的廢物離解的離解區(qū)推進(jìn)所述經(jīng)壓實(shí)的廢物；并且 從所述推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的廢物中移除水分和空氣。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述輸送機(jī)包括: 在所述輸送機(jī)的外表面上的旋轉(zhuǎn)管的螺旋刮板的遞減斜度以促進(jìn)水分和空氣的所述移除。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述經(jīng)加壓且加熱的反應(yīng)器成形為降低所述反應(yīng)器內(nèi)的截面積，用于在促進(jìn)水分和空氣的所述移除的同時(shí)推進(jìn)所述經(jīng)壓實(shí)的廢料。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括: 逆流熱交換器，其耦接到所述反應(yīng)器以從與所述推進(jìn)中的經(jīng)壓實(shí)的廢物呈逆流方向行進(jìn)的所述的產(chǎn)生的可再生燃料或碳副產(chǎn)物或二者向所述經(jīng)壓實(shí)的廢物傳遞熱。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述可再生燃料包括烴、醇、氨和氫中的至少一種，并且 其中所述碳副產(chǎn)物包括二氧化碳、一氧化碳和碳中的至少一種。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述烴包括甲烷和乙烷中的至少一種；并且 其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一種。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，還包括: 烴轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，其包括耦接到所述反應(yīng)器以接收所述烴并且還耦接到所述熱源以接收用來(lái)使所述烴分離成氫和碳的熱的一個(gè)或多個(gè)熱交換器。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述廢物包括響應(yīng)于光合作用而獲得的含有碳、氫和氧的有機(jī)材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，還包括用于接收催化劑以促進(jìn)所述含烴的可再生燃料形成的催化反應(yīng)區(qū)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述催化劑包括鉻、具有稀土成分的陶瓷、鉬金屬組、貴金屬化的鎳和過(guò)渡金屬的金屬間化合物中的至少一種。
27.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述廢物包括葡萄糖、木質(zhì)素和纖維質(zhì)給料中的至少一種。
【文檔編號(hào)】B09B3/00GK103987814SQ201280050343
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月13日
【發(fā)明者】羅伊·E·麥卡利斯特 申請(qǐng)人:麥卡利斯特技術(shù)有限責(zé)任公司