實(shí)施方案中，反應(yīng)室被配置成在針對每種未加工的含有機(jī)碳原料作調(diào)整的條件下操作并且對系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行工程設(shè)計(jì)以再捕集和再使用熱以使得到一組特定的經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料特性所消耗的能量減至最低。反應(yīng)室區(qū)段如下進(jìn)一步配置。濕纖絲破壞區(qū)段進(jìn)一步被配置成使用針對每種含有機(jī)碳原料作調(diào)整并且至少包括用于每種含有機(jī)碳原料的溶劑介質(zhì)、持續(xù)時間、溫度型態(tài)以及壓力型態(tài)的纖絲破壞條件。第二區(qū)段，即蒸氣爆炸區(qū)段，被配置成使用針對每種含有機(jī)碳原料作調(diào)整并且至少包括壓降、溫度型態(tài)以及爆炸持續(xù)時間的爆炸條件以在植物細(xì)胞內(nèi)形成揮發(fā)性植物纖絲可滲透流體爆炸。第三區(qū)段，即壓實(shí)區(qū)段，被配置成使用針對每種含有機(jī)碳原料作調(diào)整并且包括壓力、壓力板配置、停留時間以及壓力對時間型態(tài)的壓實(shí)條件。
[0067]針對每種含有機(jī)碳原料調(diào)整工藝條件的重要性通過以下關(guān)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(dāng)中其細(xì)胞壁構(gòu)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(jī)碳材料展示彈性與塑性特性，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(dǎo)粘彈性/粘塑性材料的特性/塑性關(guān)系的物理學(xué)是相當(dāng)復(fù)雜的。不同于純彈性物質(zhì)，粘彈性物質(zhì)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(zhì)的速度給予物質(zhì)一定的應(yīng)變率對時間的依賴性直至達(dá)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(jīng)歷塑性(即，永久)變形。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。由于粘性，即粘彈性與粘塑性的關(guān)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(shí)周期中損失能量。如通過纖絲本身無法恢復(fù)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(dāng)將應(yīng)力施加于粘彈性材料，諸如特定的含有機(jī)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(qiáng)調(diào)的是，材料損失至其環(huán)境中的能量是從壓實(shí)機(jī)接收的能量并且因此是工藝所消耗的能量。當(dāng)超出材料的彈性極限施加額外應(yīng)力時，纖絲本身改變形狀而不僅僅是位置?！罢承浴蔽镔|(zhì)按照定義將以熱的形式損失能量至其環(huán)境中。
[0068]如何針對一種含有機(jī)碳原料優(yōu)化壓實(shí)周期以使達(dá)成目標(biāo)產(chǎn)品價(jià)值的能量消耗減至最低的一個實(shí)例如下。經(jīng)由實(shí)驗(yàn)，在所消耗的能量與所達(dá)成的能量密度之間取得平衡。圖6B是降低典型含有機(jī)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(guān)，較高堆積密度等同于較低水含量。含有機(jī)碳原料壓實(shí)工藝將在影響生產(chǎn)率的周期時間、凈水分?jǐn)D出連同相關(guān)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(yīng)的永久堆積密度改善、以及能量消耗之間達(dá)到最佳平衡。
[0069]圖6C是達(dá)成堆積密度倍增所需的能量需求倍增的源自實(shí)驗(yàn)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(jī)碳原料的每個種類和狀況進(jìn)一步優(yōu)化壓實(shí)周期以在更小的壓力，即能量消耗下達(dá)成所需結(jié)果。圖6D是使用針對特定的含有機(jī)碳原料作調(diào)整的本發(fā)明的一個實(shí)施方案降低含有機(jī)碳原料中的水含量的壓力周期的一個實(shí)例的圖解說明。
[0070]以類似方式，在系統(tǒng)的濕纖絲破壞和蒸氣爆炸部分中可以優(yōu)化能量消耗。在壓實(shí)之前的化學(xué)預(yù)處理將進(jìn)一步改善產(chǎn)品的質(zhì)量并且還降低凈能量消耗。出于比較的目的，在圖6C中達(dá)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(jīng)濟(jì)的高成本資本設(shè)備和不令人滿意的高能量成本以使含有機(jī)碳原料減壓。
[0071]圖7是說明與已知的工藝相比使用本發(fā)明的實(shí)施方案從含有機(jī)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。具有50wt %的初始水含量的廢木材用于估算以說明本發(fā)明的這些實(shí)施方案與已知的機(jī)械、物理化學(xué)以及熱工藝的并列比較。所選系統(tǒng)的實(shí)施方案使用纖絲膨脹流體，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(chǎn)生碳酸H2C03。如表格中所見并且如上文所論述，已知的機(jī)械工藝不能使水含量降至12wt%，已知的物理化學(xué)工藝不能使水溶性鹽含量降低超過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(fā)明的三個實(shí)施方案的每噸總能量需求分別是0.28MMBTU/噸(0.33GJ/MT)、0.31MMBTU/噸(0.36GJ/MT)以及0.42MMBTU/噸(0.49GJ/MT)。這分別與已知的機(jī)械、已知的物理化學(xué)以及已知的熱工藝的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%的含量并且使水溶性鹽在干燥的基礎(chǔ)上降低75wt%的估算能量需求對于本發(fā)明系統(tǒng)的實(shí)施方案來說小于能夠去除很多水和水溶性鹽的已知的物理化學(xué)和已知的熱工藝的60%。另外，本發(fā)明系統(tǒng)能夠去除比使用能夠去除很多水的已知的物理化學(xué)和已知的熱工藝可能去除的多得多的水溶性鹽。
[0072]多個反應(yīng)室可以并聯(lián)使用以模擬連續(xù)工藝。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(shí)施方案的側(cè)視圖的圖解。系統(tǒng)(800)包括遞送含有機(jī)碳原料至系統(tǒng)800的輸入?yún)^(qū)段(802)。原料在進(jìn)入含有機(jī)碳原料漏斗(806)之前通過粉碎室(804)，從這個漏斗將原料傳送至預(yù)處理室(810)。污染物經(jīng)由液體流出管線(812)至分離裝置(814)中去除，這個分離裝置諸如離心機(jī)并且具有污染物的出口流(815)、將液體移至過濾介質(zhì)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(jī)碳原料中的固體排放管線(820)。將來自過濾介質(zhì)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(yù)處理室810。含有機(jī)碳原料傳送至包括三個區(qū)段的四個反應(yīng)室(840)之一。每個反應(yīng)室的第一區(qū)段，濕纖絲破壞區(qū)段(842)，繼之以第二區(qū)段，蒸氣爆炸區(qū)段(844)，和清洗子區(qū)段(846)。高壓蒸汽鍋爐(848)由補(bǔ)充水管線(850)送料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(yù)處理室810供應(yīng)蒸汽并且經(jīng)由高壓蒸汽管線(856)向反應(yīng)室840供應(yīng)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(qū)段以使氣體冷凝。揮發(fā)性有機(jī)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中的蒸氣通過熱交換器(870)以捕集熱用于在反應(yīng)室840中再使用?，F(xiàn)在的多孔含有機(jī)碳原料此刻通過反應(yīng)室840的第三區(qū)段，壓實(shí)區(qū)段(880)。液體流體通過液體流體出口通道(884)返回流體分離裝置(814)并且固體經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料在(886)處退出。
[0073]第一個方法方面
[0074]本發(fā)明的第一個方法方面可以使用上文所公開的系統(tǒng)方面。這個方法方面包括四個步驟。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(xì)胞的未加工的含有機(jī)碳原料，這些植物細(xì)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(xì)胞壁。一些實(shí)施方案具有包含具有在干燥的基礎(chǔ)上至少4000mg/kg的含量的水溶性鹽的未加工的含有機(jī)碳原料。
[0075]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(xì)胞壁的至少一些區(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。如上文所提及，這是通過以下一者或多者來實(shí)現(xiàn):解開至少一些纖絲的區(qū)域，使木質(zhì)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。
[0076]第三個步驟是快速去除高壓以使胞內(nèi)逸出氣體穿透更加可穿透的區(qū)域以形成在至少一些植物細(xì)胞壁中具有開放孔隙的多孔原料。在一些實(shí)施方案中，在小于500毫秒(ms)、小于300ms、小于200ms、小于100ms或小于50ms內(nèi)去除壓力達(dá)到約大氣壓。
[0077]第四個步驟是在包括可調(diào)整的壓實(shí)壓力對時間型態(tài)和壓實(shí)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(jī)碳原料減少至少60被％的水溶性鹽含量的經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料。在一些實(shí)施方案中，在后續(xù)空氣干燥以去除剩余的表面水之后測量水含量。在一些實(shí)施方案中，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(jī)碳原料的圖案。在一些實(shí)施方案中，選擇壓力量和壓力板配置以達(dá)到特定未加工的含有機(jī)碳原料的目標(biāo)經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料的目的。在一些實(shí)施方案中，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(zhì)輸入以允許按更加能量有效的方式使纖維松弛并且更多水溶性鹽被壓出。在一些實(shí)施方案中，將清潔水作為清洗劑再引入生物質(zhì)中并且再次壓制生物質(zhì)。
[0078]這種工藝可以進(jìn)一步包括第五個步驟，即針對每種含有機(jī)碳原料使用一組特定的條件預(yù)先洗滌進(jìn)入反應(yīng)室之前的未加工的含有機(jī)碳原料，這些條件包括持續(xù)時間、溫度型態(tài)以及預(yù)處理溶液的化學(xué)含量以至少起始污染物的溶解，這些污染物阻礙用于胞內(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽從植物細(xì)胞的內(nèi)部向外通過的細(xì)胞壁通道的形成。
[0079]這種工藝可以進(jìn)一步包括第六個步驟，即粉碎。將未加工的含有機(jī)碳原料在進(jìn)入反應(yīng)室之前粉碎成具有小于1英寸(2.5厘米)的最長尺寸的粒子。
[0080]這種工藝可以進(jìn)一步包括第七個步驟，即分離出污染物。這個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(fā)性有機(jī)化合物。
[0081 ]與系統(tǒng)方面一樣，未加工的含有機(jī)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(lián)反應(yīng)室中或在獨(dú)立的平行反應(yīng)室中加工。另外，在一些實(shí)施方案中，經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料中每種植物材料的能量密度可以實(shí)質(zhì)上相同。在一些實(shí)施方案中，含有機(jī)碳原料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，并且其中經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料中每種植物材料的能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)。
[0082]圖9是用于制造具有在干燥的基礎(chǔ)上比未加工形式少60%的水溶性鹽并且具有小于20wt%的水的經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料的工藝的方塊圖。
[0083]第二個方法方面
[0084]除了步驟具有效率特征并且所得經(jīng)過加工的含有機(jī)碳原料具有成本特征以外，第二個方法方面類似于第一個。第二個方法方面也包括四個步驟。第一個步驟是向反應(yīng)室中輸入包含自