鹽以及至少一些植物細胞,這些植物細胞包含包括木質(zhì)素、半纖維素、以及纖絲內(nèi)的纖維素微纖絲的細胞壁。在一些實施方案中,未加工的含有機碳原料的水溶性鹽含量在干燥的基礎上為至少4000mg/kg。在其它實施方案中,鹽含量可以大于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(yè)量生長能量作物的區(qū)域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。
[0031]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。這種鹽傾向于經(jīng)由腐蝕、結(jié)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,并且一些鍋爐限制燃料中的鹽濃度小于500mg/kg。當前,在每種情況下必須找到燃料用于鍋爐的可用性與清潔設備和替換部件的頻率的花費之間的平衡。如果經(jīng)濟的話,那么較少的鹽將是優(yōu)選的。事實上,經(jīng)由選礦使鹽減少是很大量的,使得其為甚至用于在鍋爐中使用含鹽生物質(zhì)(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(jīng)濟上可行的。
[0032]水溶性鹽和各種形式的水位于植物細胞中的各種區(qū)域中。如本文所用的植物細胞由包括纖絲內(nèi)的微纖絲束的細胞壁組成并且包括胞內(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽。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。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)的區(qū)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(jié)晶性。
[0033]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(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。植物細胞壁(200)的區(qū)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)的聚集體的葉鞘(220)。纖絲210由半纖維素(240)和木質(zhì)素(250)交織而成的股束縛在一起。為了去除胞內(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽,細胞壁200的區(qū)段必須通過以下至少一者而刺穿:從半纖維素240和木質(zhì)素250的股的網(wǎng)狀物解開纖絲,使股的一部分解晶,或使股的一部分解聚。
[0034]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(nèi)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(nèi)水、約30wt %的胞間水、以及約20wt %的自由水。蔗渣是在粉碎甘蔗或高粱桿以提取其汁液之后保留的纖維物質(zhì)。
[0035]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。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(nèi)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(nèi)鋪設胞內(nèi)水(350)和胞內(nèi)水溶性鹽(360)。
[0036]用以對含有機碳原料進行選礦的常規(guī)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(chǎn)能產(chǎn)品是不可接受的,這些產(chǎn)品諸如用作如同煤和石油一樣的燃料替代品的含有機碳原料。另外,所有常規(guī)熱方法是能量密集的,導致不利的總體能量平衡,并且因此在經(jīng)濟上限制含有機碳原料作為可再生能源的商業(yè)用途。
[0037]機械方法,也稱為加壓擠出或致密化,可以分成兩種不連續(xù)的工藝,其中水和水溶性鹽迫使從含有機碳材料中擠出。這兩種工藝是胞間和胞內(nèi)擠出。胞間水和胞間水溶性鹽的擠出在中等壓力下發(fā)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開始在低至l,000psi的壓力下擠出胞間水分并且將持續(xù)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(nèi)水分)。
[0038]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(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽。然而,堅硬的細胞壁提供具有機械強度的生物質(zhì)材料并且能夠經(jīng)受住高壓而不會損失結(jié)構完整性。另外,在高于臨界壓力下壓實不同草本生物質(zhì)材料期間已經(jīng)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,其僅可以去除在干燥的基礎上至多50%的水溶性鹽,這是因為胞內(nèi)鹽保留并且這種方法不能使水含量降至低于30wt%。
[0039]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(fā)現(xiàn)的組織并且由軟的海綿狀實質(zhì)細胞組成,這些細胞在整個植物中儲存和運輸水溶性養(yǎng)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(zhì)的總體水分含量將實質(zhì)上高于以其它方式未形成氈的情況。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。氈還阻斷水通過植物纖維和植物細胞,使得一些水通過細胞壁的孔隙傳回一些植物細胞中。另外,其僅可以去除在干燥的基礎上至多50 %的水溶性鹽并且不能減少更多的水含量至低于30wt%。
[0040]物理化學方法涉及在壓實之前含有機碳原料的化學預處理和壓力減壓以實質(zhì)上改善致密的生物質(zhì)的質(zhì)量,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(zhì)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(zhì)素。纖維素和半纖維素股由木質(zhì)素交聯(lián),形成木質(zhì)素-碳水化合物復合體(LCC) ICC產(chǎn)生消除胞內(nèi)水的疏水屏障。除了溶解過多的含有機碳材料的紙制漿工藝以外,常規(guī)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。所有這些工藝如果不小心地進行工程設計的話,單位產(chǎn)品重量的成本可能很昂貴并且并未經(jīng)過設計以去除在干重的基礎上大于25%的水溶性鹽。
[0041]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,S卩,草本、軟木本以及硬木本。而且,在諸如用于發(fā)電廠的燃料的后續(xù)使用中的混合類型一般是不合需要的,這是因為當前經(jīng)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。
[0042]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。甚至軟木本材料的次生細胞壁也比草本材料更厚。
[0043]草本植物是相對薄弱壁的植物,包括玉米,并且具有小于約10至15英尺(約3至5米(M))的最大高度。雖然所有植物都含有木髓粒子,但草本植物經(jīng)由植物細胞內(nèi)固持水的高濃度的木髓粒子(如球囊)而保留大部分的其水分,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。草本植物具有其水的約50%作為胞內(nèi)水并且具有約5.2百萬BTU/噸(MMBTU/噸)或6吉焦耳/公噸(GJ/MT)的未加工材料的能量密度。比較起來,呈石墨形式的純碳具有28麗BTU/噸(33GJ/MT)的能量密度,并且無煙煤具有約21MMBTU/噸(25GJ/MT)的能量密度。
[0044]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通常具有介于50與60英尺(約15與18M)之間的最大高度。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。軟木本材料具有其水的約50%作為胞內(nèi)水并且具有約13-14MMBTU/噸(15-16G J/MT)的能量密度。
[0045]硬木本材料是最堅實的植物,包括橡樹,并且通常具有介于60與90英尺(18與27M)之間的最大高度。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。硬木本材料具有其水的約5 0 %作為胞內(nèi)水并且具有約15 Μ Μ B T U /噸(18GJ/MT)的能量密度。
[0046]在能量工業(yè)中需要一種系統(tǒng)和方法以允許能量工業(yè)使用含有機碳材料作為商業(yè)替代物或輔助燃料來源??捎糜谠谏虡I(yè)規(guī)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的水溶性鹽含量的含有機碳材料,這種含量通常在至少4000mg/kg的水平下。在太平洋西北地區(qū)的森林產(chǎn)品通常經(jīng)由近岸內(nèi)航道運輸,使生物質(zhì)暴露于來自海洋的鹽。因此,這樣的系統(tǒng)和方法必須能夠去除足夠水平的水溶性鹽以提供適合的燃料替代品。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(chǎn)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適合替代物。
[0047]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(jīng)過加工的含有機碳原料的工藝。
[0048]所公開的本發(fā)明允許能量工業(yè)使用經(jīng)過加工的含有機碳材料作為商業(yè)替代性燃料來源。本發(fā)明的一些實施方案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5界1:%至15¥1:%的范圍內(nèi)的水平。這允許諸如電力公用工業(yè)的工業(yè)摻合至多5(^1:%經(jīng)過加工的含有機碳原料與50^%煤的比率并且水溶性鹽的量實質(zhì)性降低的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麗BTU/噸(GJ/MT)效率。文獻已經(jīng)描述了至多30%的含有機碳原料與煤的比率。最近的專利申請公布EP2580307 A2已經(jīng)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顯降低。本文所公開的本發(fā)明明確包括在針對所使用的每種特定未加工的含有機碳原料作調(diào)整的條件下穿過反應室的實質(zhì)性水溶性鹽降低。如下文所論述,額外計劃的清洗子區(qū)段和在反應室的壓實區(qū)段中的后續(xù)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以其它方式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。
[0049]另外,所公開的本發(fā)明允許加工不同類型的含有機碳原料,各自在經(jīng)過調(diào)整的條件下,以得到具有預選的能量密度的經(jīng)過加工的輸出。在本發(fā)明的一些實施方案中,可以將具有在5.2至14MMBTU/噸(6至16GJ/MT)的范圍內(nèi)的不同能量密度的多于