選礦的含有機碳原料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明一般涉及從含有至少一些植物材料的含有機碳生物質(zhì)去除鹽和水。
【背景技術(shù)】
[0002]生物質(zhì)是含有植物細胞并且已經(jīng)顯示出作為燃料的經(jīng)濟來源的前景的可再生的含有機碳原料。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、石油或天然氣的燃料的常見來源的經(jīng)濟替代物。
[0003]在歷史上，經(jīng)由傳統(tǒng)的機械/化學(xué)工藝，植物將失去少量的小于25重量％的其水分。并且，即使植物經(jīng)過日曬或窯內(nèi)干燥，保留于植物細胞中的天然和人造化學(xué)物質(zhì)也在爐中組合形成破壞性釉。而且，剩余的水分降低原料的產(chǎn)熱MMBTU/噸的能量密度，由此中斷爐的效率。經(jīng)由使用無數(shù)種類的生物質(zhì)材料的實驗獲得的數(shù)百年來的數(shù)據(jù)全部支持以下結(jié)論:需要越來越大的能量增量來達成越來越小的堆積密度增量的改善。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(shè)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(shù)語內(nèi)的農(nóng)業(yè)廢料所需的能量在沒有某種政府補貼下不是商業(yè)的并且一般含有水或水溶性鹽中的任一者或兩者的不令人滿意的水平。商業(yè)上成功的以足夠大的體積適當(dāng)?shù)刂苽溥@類原料的成本是昂貴的并且當(dāng)前是不經(jīng)濟的。而且，商業(yè)上適用的以足夠的體積可用的適合的含植物細胞的原料一般具有在常規(guī)工藝下導(dǎo)致不利的結(jié)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(jīng)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，通常在干燥的基礎(chǔ)上超過4000mg/kg的地方發(fā)現(xiàn)。
[0004]持續(xù)需要一種可以經(jīng)濟地形成具有在干燥的基礎(chǔ)上從輸入的含有機碳原料減少至少60%的水溶性鹽含量和小于20重量％ (wt%)的水含量的經(jīng)過加工的含有機碳原料的操作系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施方案是針對用于從含有機碳原料去除水和水溶性鹽的一種系統(tǒng)和兩種方法。這種系統(tǒng)包括至少三個元件，傳動裝置、至少一個反應(yīng)室、以及收集裝置。第一元件，即傳動裝置，被配置成向反應(yīng)室中輸送包含自由水、胞間水、胞內(nèi)水、胞內(nèi)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(zhì)素、半纖維素、以及纖絲內(nèi)的微纖絲的細胞壁。第二元件，即反應(yīng)室，包括至少一個入口通道、至少一個用于流體的出口通道、至少一個用于經(jīng)過加工的含有機碳原料的通道，以及至少三個區(qū)段，濕纖絲破壞區(qū)段、蒸氣爆炸區(qū)段和壓實區(qū)段。第一區(qū)段，即濕纖絲破壞區(qū)段，被配置成與纖絲之間的木質(zhì)素和半纖維素中的至少一些相互作用以使得細胞壁的至少一些區(qū)域更易發(fā)生水溶性鹽外流。第二區(qū)段，即蒸氣爆炸區(qū)段，與濕纖絲破壞區(qū)段連通并且至少被配置成使植物纖絲可滲透流體經(jīng)由快速減壓而揮發(fā)以穿透細胞壁的更易感區(qū)域以形成具有植物壁通道的多孔含有機碳原料，這些植物壁通道用于胞內(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽從植物細胞通過。第三區(qū)段，即壓實區(qū)段，與蒸氣爆炸區(qū)段連通并且至少被配置成在壓力板之間壓縮多孔含有機碳原料，這些壓力板被配置成使不透水氈的形成減至最小以使至少一個反應(yīng)室流體出口通道保持開放，這至少一個通道被配置成允許胞內(nèi)和胞間水以及胞內(nèi)和胞間水溶性鹽從反應(yīng)室逸出并且形成可以通過其反應(yīng)室出口通道的經(jīng)過加工的含有機碳原料。第三元件，即收集裝置，與反應(yīng)室連通并且被配置成聚集具有小于20wt%的水含量和在干燥的基礎(chǔ)上從未加工的含有機碳原料減少至少60%的水溶性鹽含量的經(jīng)過加工的含有機碳原料。
[0006]—種方法包括四個步驟。第一個步驟向反應(yīng)室中輸入包含自由水、胞間水、胞內(nèi)水、胞內(nèi)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(zhì)素、半纖維素、以及纖絲內(nèi)的微纖絲的細胞壁。第二個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(xù)一定時間以使得包含結(jié)晶纖維素纖絲、木質(zhì)素以及半纖維素的細胞壁的一些區(qū)域更加能夠被水溶性鹽可穿透而不會溶解大于25%的木質(zhì)素和半纖維素。第三個步驟是去除壓力以穿透更加可穿透的區(qū)域以形成在植物細胞壁中具有開放孔隙的多孔原料。第四個步驟是在包括可調(diào)整的壓實壓力對時間型態(tài)和壓實持續(xù)時間的條件下并且在壓力板之間壓制多孔原料，這些壓力板被配置成防止氈形成并阻斷胞內(nèi)和胞間水以及胞內(nèi)水溶性鹽從反應(yīng)室逸出，并且形成具有小于20wt%的水含量和在干燥的基礎(chǔ)上從未加工的含有機碳原料減少至少60%的水溶性鹽含量的經(jīng)過加工的含有機碳原料。
[0007]另一種方法包括四個步驟。第一個步驟向反應(yīng)室中輸入包含自由水、胞間水、胞內(nèi)水、胞內(nèi)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(zhì)素、半纖維素、以及纖絲內(nèi)的微纖絲的細胞壁。第二個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(xù)一定時間以使得包含結(jié)晶纖維素纖絲、木質(zhì)素以及半纖維素的細胞壁的一些區(qū)域更加能夠被水溶性鹽可穿透而不會溶解大于25%的木質(zhì)素和半纖維素。第三個步驟是去除壓力以穿透更加可穿透的區(qū)域以形成在植物細胞壁中具有開放孔隙的多孔原料。第四個步驟是在包括可調(diào)整的壓實壓力對時間型態(tài)和壓實持續(xù)時間的條件下并且在壓力板之間壓制多孔原料，這些壓力板被配置成防止氈形成并阻斷胞內(nèi)和胞間水以及胞內(nèi)水溶性鹽從反應(yīng)室逸出，并且形成具有小于20^%的水含量、在干燥的基礎(chǔ)上從未加工的含有機碳原料減少至少50%的水溶性鹽含量、以及減至小于從已知的機械、物理化學(xué)或熱工藝類似去除水的單位重量成本的60%的去除水和水溶性鹽的單位重量成本的經(jīng)過加工的含有機碳原料。
[0008]本發(fā)明允許含纖維素的含有機碳原料更有益于后續(xù)用作生產(chǎn)燃料中的原料。水溶性鹽的實質(zhì)性降低減少了伴隨經(jīng)過加工的含有機碳原料的后續(xù)使用所發(fā)生的不利結(jié)果。另夕卜，使用本發(fā)明從上文所描述的未加工的含有機碳原料去除水至低于20wt%的含量并且去除實質(zhì)量的水溶性鹽所需的能量顯著小于用于常規(guī)工藝的能量。在一些實施方案中，單位重量總成本比使用已知的機械、物理化學(xué)或熱工藝進行類似任務(wù)的成本減少至少60%。
[0009]以上概述并不意圖描述本發(fā)明的每個實施方案或每個實施。本發(fā)明的優(yōu)點和成就連同更加全面的理解將變得顯而易見并且通過結(jié)合隨附圖式參考以下詳細描述和權(quán)利要求書而了解。
【附圖說明】
[0010]圖1是典型植物細胞的圖解，其細胞壁的區(qū)域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。
[0011]圖2是次生植物細胞壁中的兩個纖絲的一部分的透視側(cè)視圖的圖解，其示出了含有微纖絲并且由半纖維素和木質(zhì)素股連接的纖絲。
[0012]圖3是蔗渣纖維區(qū)段的剖視圖的圖解，其示出了水和水溶性鹽在植物細胞內(nèi)部和外部駐留之處。
[0013]圖4是反應(yīng)室的一個實施方案的側(cè)視圖的圖解。
[0014]圖5A是壓力板的各種實施方案的正視圖的圖解。
[0015]圖5B是圖5A中所示的壓力板的一個實施方案的特寫的透視圖。
[0016]圖5C是示出具有流體矢量和暴露于流體矢量的木髓粒子的壓力板中心向下的剖視圖的圖解。
[0017]圖6A是木質(zhì)纖維素纖絲的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線的圖解說明。
[0018]圖6B是降低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。
[0019]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。
[0020]圖6D是使用針對特定的含有機碳原料作調(diào)整的本發(fā)明的一個實施方案降低含有機碳原料中的水含量的壓力周期的一個實例的圖解說明。
[0021]圖7是說明與已知的工藝相比使用本發(fā)明的實施方案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 %所需的估算能量消耗的表格。
[0022]圖8是具有并聯(lián)的四個反應(yīng)室、預(yù)處理室以及蒸氣冷凝室的系統(tǒng)的一個實施方案的側(cè)視圖的圖解。
[0023]圖9是用于制造具有小于60%的水溶性鹽和小于20wt%的水的含纖維素的含有機碳原料的工藝的方塊圖。
[0024]圖10是用于制造具有小于60%的水溶性鹽、小于20wt%的水以及低成本的含纖維素的含有機碳原料的工藝的方塊圖。
[0025]圖11是示出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。
[0026]雖然本發(fā)明可接受各種修改和替代形式，但細節(jié)已經(jīng)在圖式中經(jīng)由實例示出并且將在下文詳細描述。然而，應(yīng)了解，并不意圖將本發(fā)明限于所描述的特定實施方案。相反地，本發(fā)明意圖涵蓋處于如隨附權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明范圍內(nèi)的所有修改、等效物以及替代物。
【具體實施方式】
[0027]由半纖維素和木質(zhì)素聚合物股交織而成的纖維素束是使植物茁壯的填塞料并且精于保留水分。纖維素已經(jīng)經(jīng)過數(shù)十億年的演化以抵抗熱、化學(xué)物質(zhì)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(dāng)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持的能力。但在生物系統(tǒng)中，纖維素骨架嵌入充當(dāng)防水和加強材料的果膠、半纖維素以及木質(zhì)素的基質(zhì)中。這使得難以足夠快地、足夠便宜地或在取得經(jīng)濟意義的足夠大的規(guī)模上從可再生的含纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)燃料。如本文所用的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(nèi)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(nóng)業(yè)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。
[0028]含有機碳材料，也稱作可再生的生物質(zhì)，涵蓋一系列廣泛的如上文所陳述的有機材料。據(jù)估計，單獨在美國每年產(chǎn)生數(shù)十億噸的含有機碳材料。如本文獻中所用，選礦的含有機碳原料是已經(jīng)減少水分含量，已經(jīng)去除大量的溶解鹽，并且已經(jīng)增加材料的能量密度的經(jīng)過加工的含有機碳原料。這種經(jīng)過加工的原料可以用作制造幾種產(chǎn)能產(chǎn)品的工藝的輸入，這些產(chǎn)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。
[0029]在提起制造含有機碳原料的行業(yè)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并且因此那種能量的成本必須首先由通過選礦工藝實現(xiàn)的總體改善來實質(zhì)上抵消。舉例來說，耗費1000BTU以使經(jīng)過加工的含有機碳原料的熱含量得到1000BTU的改善，所有其它事物都是同等的，并未取得經(jīng)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。
[0030]如本文所用的含有機碳原料包含自由水、胞間水、胞內(nèi)水、胞內(nèi)水-