本發(fā)明大體上涉及從含有機碳原料產(chǎn)生固體生物質(zhì)燃料。

背景技術(shù)：

絕大多數(shù)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(guān)于除清潔的無煙煤之外的煤的環(huán)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(fā)現(xiàn)可以有效地使生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成燃料和適合于運輸和/或加熱的副產(chǎn)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(chǎn)品的工藝在需求上也日益增加。

生物質(zhì)是含有植物細胞的可再生的含有機碳原料，并且已經(jīng)顯示出作為燃料經(jīng)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(jīng)濟替代物。

在歷史上，經(jīng)由傳統(tǒng)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(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物質(zhì)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(chǎn)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(shù)百年來經(jīng)由使用許多生物質(zhì)材料的實驗獲得的數(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(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(yè)上成功的大體積適當?shù)剡\輸和/或制備這類原料的成本是昂貴的并且當前是不經(jīng)濟的。而且，足以在商業(yè)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(guī)工藝下導致不利的結(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，通常以干物質(zhì)計超過4000mg/kg的地方發(fā)現(xiàn)。

已經(jīng)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(jīng)濟上可行，因為其一般含有可能在燃燒設備中造成腐蝕、結(jié)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(zhì)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(chǎn)品是滿足不斷增長的能量需求的重要因素。本發(fā)明滿足這些需要并且提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的各種優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例是針對一種來自可再生的、未加工的含有機碳原料的組合物和一種工藝。組合物是包含經(jīng)過加工的含有機碳原料的經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒組合物，所述經(jīng)過加工的含有機碳原料具有的特征包括能量密度至少為17MMBTU/噸(20GJ/MT)，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胞內(nèi)鹽含量，經(jīng)過加工的含有機碳原料的水溶性胞內(nèi)鹽含量以干物質(zhì)計減少超過60wt％。使用一種系統(tǒng)來制造經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒，所述系統(tǒng)被配置成使用選礦子系統(tǒng)將可再生未加工的含有機碳原料轉(zhuǎn)化成經(jīng)過加工的含有機碳原料，并且使用?；酉到y(tǒng)將其轉(zhuǎn)化成經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒，制造所述球粒的能量比制造未加工的生物質(zhì)球粒所消耗的能量少40％。

制造經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒組合物的工藝包含三個步驟。第一步驟是向包含第一和第二子系統(tǒng)的系統(tǒng)中輸入可再生未加工的含有機碳原料，所述原料包括自由水、胞間水、胞內(nèi)水、胞內(nèi)水溶性鹽以及至少一些植物細胞，所述植物細胞包含包括木質(zhì)素、半纖維素和纖絲內(nèi)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(tǒng)，即選礦子系統(tǒng)工藝，以得到經(jīng)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胞內(nèi)鹽含量，經(jīng)過加工的含有機碳原料的水溶性胞內(nèi)鹽含量以干物質(zhì)計減少至少60wt％。第三步驟是使經(jīng)過加工的含有機碳原料穿過第二子系統(tǒng)，即?；酉到y(tǒng)工藝，以得到經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒，即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％，并且相對于未加工的含有機碳原料的水溶性胞內(nèi)鹽，經(jīng)過加工的含有機碳原料的水溶性胞內(nèi)鹽減少至少60wt％，并且制造所述球粒的能量比制造當前未加工的生物質(zhì)球粒所消耗的能量少40％。

本發(fā)明是一種經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒，即適用于用煤裝置的清潔煤替代品，其作為原料以產(chǎn)生熱量，諸如用于制造電力的煤燃燒沸劑。經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒的低鹽含量大體上降低不利的腐蝕性磨損并且維持現(xiàn)今典型的裝置的清潔。用于制造經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒的經(jīng)過選礦的含有機碳原料的均勻的低水含量以及均勻的高能量密度允許廣泛多種可再生含有機碳原料以成本有效的方式用于工藝的粒化區(qū)段。在工藝的選礦區(qū)段期間，水溶性鹽的大量減少會減少伴隨經(jīng)過加工的含有機碳原料的后續(xù)使用所出現(xiàn)的不利結(jié)果。另外，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(guī)工藝的能量。在一些實施例中，相對于使用已知機械、物理化學或熱工藝來進行類似任務以制備用于后續(xù)燃料制造操作(諸如缺氧型熱子系統(tǒng))的可再生含有機碳原料的成本，經(jīng)過選礦的原料的單位重量總成本減少至少60％。另外，制造經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒的能量可以比制造當前未加工的生物質(zhì)球粒所消耗的能量少40％。

上文概述并不意圖描述本發(fā)明的每個實施例或每個實施方案。本發(fā)明的優(yōu)點和成就以及更加全面的理解將通過結(jié)合附圖參考以下詳細描述和權(quán)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(qū)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(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。

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。

圖4是選礦子系統(tǒng)中反應室實施例的側(cè)視圖的圖解。

圖5A是選礦子系統(tǒng)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(zhì)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(diào)整的本發(fā)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(fā)明的選礦子系統(tǒng)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(lián)的四個反應室、預處理室以及蒸氣冷凝室的選礦子系統(tǒng)的一個實施例的側(cè)視圖的圖解。

圖9是從未加工的含有機碳原料制造球粒的工藝的圖解。

圖10是用于使未加工的含有機碳原料穿過選礦子系統(tǒng)以形成經(jīng)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(jīng)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(jīng)過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽含量以干物質(zhì)計減少超過60wt％。

圖11是用于使未加工的含有機碳原料穿過選礦子系統(tǒng)以形成經(jīng)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(jīng)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(jīng)過加工的含有機碳原料中的水溶性鹽含量以干物質(zhì)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12是示出選礦子系統(tǒng)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。

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(fā)明限于所描述的特定實施例。相反地，本發(fā)明意圖涵蓋處于如所附權(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

本發(fā)明的經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒是可再生固體燃料，其由使經(jīng)過選礦的經(jīng)過加工的含有機碳原料穿過?；到y(tǒng)而制備。經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒的能量密度類似于子煙煤的能量密度。本發(fā)明的經(jīng)過加工的生物質(zhì)具有來自可再生來源(即，農(nóng)業(yè)和植物材料)的優(yōu)點，而沒有目前生物質(zhì)工藝的低效并且去除較少的在未加工的可再生生物質(zhì)中所發(fā)現(xiàn)的鹽(如果有的話)的負擔。將論述本發(fā)明的幾個方面：經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒、未加工的可再生含有機碳原料、選礦子系統(tǒng)、粒化子系統(tǒng)、選礦子系統(tǒng)工藝以及?；酉到y(tǒng)工藝。

經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒

從可再生的含有機碳原料制造的生物質(zhì)球粒在本文獻中被稱作經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒。本發(fā)明的經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒包含以下固體碳燃料，其包含小于20wt％水和相對于未加工的含有機碳原料中的水溶性胞內(nèi)鹽，以干物質(zhì)計小于60wt％的水溶性胞內(nèi)鹽。經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒通過在選礦子系統(tǒng)中將未加工的含有機碳原料轉(zhuǎn)化成經(jīng)過加工的含有機碳原料來制造，并且隨后使其穿過?；酉到y(tǒng)。如在本文獻中所用，經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒是經(jīng)過選礦的含有機碳原料隨后粒化的固體產(chǎn)品。用于制造本發(fā)明經(jīng)過加工的生物質(zhì)的含有機碳原料可以含有超過一種可再生原料的混合物。

煤具有與其在地下經(jīng)過數(shù)百萬年形成相關(guān)的無機雜質(zhì)。無機雜質(zhì)是不可燃的，在諸如鍋爐的情形下進行煤燃燒之后出現(xiàn)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(zhì)主要由在最終埋藏之前沖入腐爛生物質(zhì)中的粘土礦物和痕量無機雜質(zhì)產(chǎn)生。一組重要的沉淀雜質(zhì)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(jié)物(大小至多數(shù)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(zhì)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(shù)硫以礦物黃鐵礦(FeS2)形式存在，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、砷和鈾)顯著地富含于煤中，也通過燃燒其而釋放，造成大氣污染。

相比之下，本發(fā)明的經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒比煤干凈。上文所論述的雜質(zhì)不以任何顯著量存在。確切地說，經(jīng)過加工的生物炭基本上不含硫。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(nèi)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(zhì)煤。

另外，經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒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(zhì)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(zhì)中所發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生用于蒸煮和加熱的熱量的可燃燃料，以及為用于生長農(nóng)業(yè)和園藝產(chǎn)品的施肥土壤提供礦物的土壤改良劑。炭也通過使生物質(zhì)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(nèi)部分。原料中的所有材料在其表面處吸收熱輻射，并且構(gòu)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(nèi)層或區(qū)之間可以存在幾個數(shù)量級的Δ溫度。因此，固體含有機碳原料在揮發(fā)之前的局部經(jīng)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(xiàn)，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(nèi)部的這種可變熱傳遞可以產(chǎn)生冷點和熱點、熱沖擊、不平坦表面和內(nèi)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(chǎn)生引起副反應并且形成許多不同的最終產(chǎn)品的微環(huán)境。這些副反應不僅在原料中而且在揮發(fā)物中發(fā)生，這些揮發(fā)物從原料中蒸發(fā)并且在收集之前占據(jù)內(nèi)部反應器環(huán)境中的蒸氣空間。

常用熱工藝，即熱解，通過在低/無氧環(huán)境中加熱生物質(zhì)而從生物質(zhì)產(chǎn)生生物炭、液體和氣體。氧氣的缺乏防止燃燒。典型產(chǎn)率為60％生物油、20％生物炭以及20％揮發(fā)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(chǎn)生合成氣。比較起來，緩慢熱解可以產(chǎn)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(huán)境中從生物質(zhì)產(chǎn)生生物炭和氣體。氧氣的缺乏也防止燃燒。典型產(chǎn)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(zhì)原料(諸如木材)的豎直方式和適用于較輕/較不致密生物質(zhì)原料(諸如麥秸)的水平水平進行。

作為相較于熱工藝，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(tǒng)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(tài)和液態(tài)水強烈吸收微波輻射，從而增加水分子的旋轉(zhuǎn)和扭轉(zhuǎn)振動能。因此，所存在的氣態(tài)和液態(tài)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(jīng)受微波輻射場的任何原料的內(nèi)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(yōu)先被加熱升溫的水分子吸收。這種熱然后傳遞至周圍的環(huán)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(zhì)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(fā)明的制造經(jīng)過加工的生物炭的工藝使用選礦子系統(tǒng)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(tǒng)來將經(jīng)過加工的含有機碳原料轉(zhuǎn)化成經(jīng)過加工的生物炭。

相比之下，本發(fā)明的經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒含有的水溶性鹽比當前已知生物質(zhì)球粒和已知生物炭的水溶性鹽少得多。使用經(jīng)過加工的含有機碳原料而非由上文已知生物質(zhì)和生物炭所使用的未加工的含有機碳原料導致顯著改良，同時煤和目前生物質(zhì)中的雜質(zhì)受到負面關(guān)注。

本發(fā)明的經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒當與用未加工的含有機碳原料制造的生物質(zhì)球粒相比較時具有若干改善的特征。首先，經(jīng)過加工的生物炭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(chǎn)生的鹽。相對于未加工的含有機碳原料中的鹽含量，對于經(jīng)過加工的含有機碳原料，處于經(jīng)過加工的含有機碳原料中并且因此處于所得經(jīng)過加工的生物炭中的鹽以干物質(zhì)計減少至少60wt％。因此，所得經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒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，經(jīng)過加工的生物炭具有接近子煙煤的能量密度的高能量密度。能量密度為至少17MMBTU/噸(20GJ/MT)。相比之下，來自未加工的含有機碳原料的生物質(zhì)球粒的能量密度至多在10MMBTU/噸(12GJ/MT)與12MMBTU/噸(14GJ/MT)之間。

第三，經(jīng)過加工的生物炭幾乎不含通常與煤有關(guān)的污染物(如果存在的話)。當燃燒煤時，這些污染物包括例如汞(神經(jīng)毒素)、砷(致癌物)和SxOy。經(jīng)過加工的生物炭含有少于0.1wt％的任何上述雜質(zhì)，一些實施例含有少于0.01wt％，一些少于0.001wt％，一些少于0.0001wt％。

在本發(fā)明的一些實施例中，當不論所用含有機碳原料的類型，將經(jīng)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(fā)明的經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒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(zhì)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(jīng)經(jīng)過數(shù)十億年的演化以抵抗熱、化學物質(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(tǒng)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(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，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。

未加工的含有機碳材料，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，經(jīng)過選礦的含有機碳原料是經(jīng)過加工的含有機碳原料，其中已經(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。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。

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以及因此所述能量的成本必須首先由通過選礦工藝實現(xiàn)的總體改善來基本上抵消。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，在所有其它事物都是同等的情況下，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。

如本文所用，含有機碳原料包含自由水、胞間水、胞內(nèi)水、胞內(nèi)水-鹽以及至少一些植物細胞，所述植物細胞包含包括木質(zhì)素、半纖維素和纖絲內(nèi)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(zhì)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、收集材料的方式以及加工材料的方式。土地肥沃并且更加能夠允許土地用于以商業(yè)量生長能量作物的地區(qū)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(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。這是用以在用于鍋爐的燃料的可獲得性與頻繁清潔設備和替換部件的花費之間找到平衡。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(shù)。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。

水溶性鹽和各種形式的水位于植物細胞中的各種區(qū)中。如本文所用，植物細胞由包括纖絲內(nèi)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，其細胞壁區(qū)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(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。

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)的聚集體的外鞘(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。

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。蔗渣是在壓碎甘蔗或高粱稈以提取其汁液之后保留的纖維物質(zhì)。

圖3是蔗渣的纖維區(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)。

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，所述產(chǎn)品諸如用作煤和石油類物質(zhì)的燃料替代品的含有機碳原料。另外，所有常規(guī)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(jīng)濟上限制含有機碳原料作為可再生能源的商業(yè)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(xù)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(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在低至1，000psi的壓力下開始擠出胞間水分，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)。

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，堅硬的細胞壁為生物質(zhì)材料提供機械強度，并且能夠經(jīng)受住高壓而不會損失結(jié)構(gòu)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，其僅可以去除以干物質(zhì)計至多50％的水溶性鹽(胞內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(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，任何氈的水分含量都可以接近90％。當氈在壓實期間形成時，與所施加的力無關(guān)，壓實的生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)的品質(zhì)，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(guān)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)。LCC產(chǎn)生疏水屏障以消除胞內(nèi)水。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。如果不小心地進行工程設計的話，所有這些工藝的單位產(chǎn)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(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，這是因為目前經(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。

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(gòu)。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(jīng)由植物細胞內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)水形式，并且能量密度為約15MMBTU/噸(17GJ/MT)。

在能量工業(yè)中需要一種允許能量工業(yè)使用含有機碳材料作為商業(yè)替代物或輔助燃料來源的系統(tǒng)和方法?？晒┯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(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，這類系統(tǒng)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(guān)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(jīng)過加工的含有機碳原料的工藝。

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(nèi)的水平。這允許諸如電力公用工業(yè)的工業(yè)以至多50wt％經(jīng)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?lián)胶虾袡C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(jīng)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確減少。本文所公開的本發(fā)明明確包含經(jīng)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(diào)整的條件下的反應室的實質(zhì)性水溶性鹽減少。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(fā)明允許各自在經(jīng)過調(diào)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(jīng)過加工的輸出。在本發(fā)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(nèi)的不同能量密度的超過一種類型的原料饋送至串聯(lián)的反應室中或穿過并聯(lián)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(jīng)過調(diào)整的條件下加工，所以本發(fā)明系統(tǒng)的一些實施例的所得經(jīng)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(yōu)勢：能夠與具有類似能量密度的經(jīng)過加工的含有機碳原料一起作業(yè)，而與所用類型以及大量減少的水溶性含量無關(guān)。

本發(fā)明的工藝使用選礦子系統(tǒng)以形成經(jīng)過加工的含有機碳原料，其為用于從可再生生物質(zhì)形成令人滿意的煤替代品固體燃料的清潔的經(jīng)濟材料，并且使用?；酉到y(tǒng)以用于將經(jīng)過加工的含有機碳原料轉(zhuǎn)化成本發(fā)明的固體經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒?，F(xiàn)在將論述第一子系統(tǒng)。

選礦子系統(tǒng)

用于制造經(jīng)過加工的含有機碳原料的選礦子系統(tǒng)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(tǒng)是指用于將未加工的含有機碳原料轉(zhuǎn)化成經(jīng)過加工的含有機碳原料的系統(tǒng)。

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(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，所述植物細胞包含包括木質(zhì)素、半纖維素和纖絲內(nèi)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(yè)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(tǒng)以形成經(jīng)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(nóng)業(yè)廢料)應具有最長尺寸小于1英寸(2.5cm)的粒度。優(yōu)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(yōu)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(jīng)濟成果，其中生產(chǎn)量和能量/化學消耗加權(quán)在一起。

系統(tǒng)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(tǒng)的一些實施例還可以包括預處理室以去除阻礙用于胞內(nèi)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(xù)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?？梢允占腆w漿料(包括任何初生氈)以在作為主要最終產(chǎn)品的經(jīng)過加工的含有機碳原料中用作粘合劑。可以收集分離油作為獨立的產(chǎn)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(qū)段，即濕纖絲破壞區(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，被配置成松開纖絲束中纖維素微纖絲之間的木質(zhì)素和半纖維素中的至少一些以使細胞壁的至少一些區(qū)更加可穿透。這是通過幾種方式中的至少一者來實現(xiàn)。將含有機碳原料與適當?shù)幕瘜W物質(zhì)混合以滲透植物纖絲并且破壞木質(zhì)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(yōu)選地，化學物質(zhì)針對特定的含有機碳原料作調(diào)整。在一些實施例中，化學處理包含含有可混揮發(fā)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(zhì)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(qū)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(qū)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(zhì)素或半纖維素，因為這些是經(jīng)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(tǒng)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(zhì)素的碎片以用于后續(xù)使用。按需要，微觀粒子和木質(zhì)素不含水溶性鹽和其它雜質(zhì)。所得漿料(通常為白色)充當高能量生物質(zhì)粘合劑，然后在?；襟E之前將所述粘合劑與經(jīng)過加工的含有機碳原料混合。這減少在?；陂g對熱量的需要。

第二區(qū)段，即蒸氣爆炸區(qū)段，與濕纖絲破壞區(qū)段連通。其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)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(nèi)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(fā)性流體加壓。所施加的揮發(fā)性化學物質(zhì)和蒸汽由于高溫和高壓而穿透至蒸氣爆炸區(qū)段內(nèi)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(tǒng)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(xù)時間。

一些實施例可以包括進入反應室的濕纖絲破壞區(qū)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(xù)爆炸更加強力。第二，氧含量的增加在需要時將增加經(jīng)過加工的含有機碳原料的氧化潛力。第三，將提供用于經(jīng)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(zhì)(諸如有機溶劑)的措施。

穿過濕纖絲破壞區(qū)段和蒸氣爆炸區(qū)段對于含有機碳原料的凈效應是以物理方式經(jīng)由壓力爆破并且以化學方式經(jīng)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(fā)生化學效應，諸如纖維素、木質(zhì)素以及半纖維素的水解。所得含有機碳原料粒子展現(xiàn)其纖絲和細胞壁中微孔的大小和數(shù)目的增加，并且因此展現(xiàn)增加的表面積?，F(xiàn)在的多孔含有機碳原料從蒸氣爆炸區(qū)段排出進入下一個區(qū)段中。

第三區(qū)段，即壓實區(qū)段，與蒸氣爆炸區(qū)段連通。壓縮區(qū)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(nèi)和胞間水以及胞內(nèi)和胞間可溶性鹽逸出。在這個區(qū)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(jīng)過加工的水含量以及最終水含量。本發(fā)明系統(tǒng)的壓實區(qū)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(qū)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(tǒng)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(nèi)的初始水含量；以及4至15wt％的經(jīng)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(jīng)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(zhì)計減少至少60％。一些實施例在允許表面水分經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(zhì)計減少至少65％。其它實施例的水溶性鹽含量以干物質(zhì)計減少至少70％、以干物質(zhì)計75％、以干物質(zhì)計至少80％、以干物質(zhì)計至少85％、以干物質(zhì)計至少90％或以干物質(zhì)計至少95％。

系統(tǒng)的一些實施例可以進一步包括至少一個清洗子區(qū)段。這個子區(qū)段被配置成在傳送至壓實區(qū)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(hammer hog)”的鋸木機或研磨機的殘留物)的一些實施例中，所述系統(tǒng)被配置成具有超過一個清洗子區(qū)段，繼之以另一個壓實區(qū)段?？梢允占蛛x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(huán)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(fā)明的選礦子系統(tǒng)可以經(jīng)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(cè)視圖的圖解。示出了反應室(400)，其具有濕纖絲破壞區(qū)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(jīng)由閥(416)和(418)饋送至濕纖絲破壞區(qū)段410中以準備用于下一個區(qū)段。然后將經(jīng)過預處理的含有機碳原料經(jīng)由閥(422)傳送至蒸氣爆炸區(qū)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(fā)性膨脹流體(諸如水或基于水的揮發(fā)性混合物)經(jīng)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(jīng)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(qū)段(430)經(jīng)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(xiàn)在是經(jīng)過加工的含有機碳原料。

如上文所陳述，壓實區(qū)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(qū)段的出口孔。另外，在反應室的前兩個區(qū)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(zhì)的內(nèi)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(yè)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(qū)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(qū)段中的上游選礦工藝使生物質(zhì)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(jīng)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(jīng)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(diào)整的條件下操作，并且對系統(tǒng)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(jīng)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(qū)段如下進一步配置。濕纖絲破壞區(qū)段進一步被配置成使用針對每種含有機碳原料作調(diào)整并且至少包含用于每種含有機碳原料的溶劑介質(zhì)、持續(xù)時間、溫度概況以及壓力概況的纖絲破壞條件。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碳原料作調(diào)整并且至少包含壓降、溫度概況以及爆炸持續(xù)時間的爆炸條件以在植物細胞內(nèi)形成揮發(fā)性植物纖絲可滲透流體爆炸。第三區(qū)段，即壓實區(qū)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(diào)整的壓實條件。

針對每種含有機碳原料調(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。除了在植物當中其細胞壁構(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(guān)系的物理學是相當復雜的。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(jīng)歷塑性(即，永久)變形。圖6A是木質(zhì)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(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(diào)的是，材料損失至其環(huán)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(zhì)按照定義將以熱的形式損失能量至其環(huán)境中。

如何針對一種含有機碳原料優(yōu)化壓實周期以使達成目標產(chǎn)品價值的能量消耗減至最低的一個實例如下。經(jīng)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(guān)，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(chǎn)率的周期時間、凈水分擠出連同相關(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(yōu)化壓實周期以在更小的壓力，即能量消耗下達成所需結(jié)果。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(tǒng)的濕纖絲破壞和蒸氣爆炸部分中可以優(yōu)化能量消耗。在壓實之前的化學預處理將進一步改善產(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(fā)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(fā)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(tǒng)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(chǎn)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(fā)明三個實施例的每噸總能量需求分別是0.28MMBTU/噸(0.33GJ/MT)，0.31MMBTU/噸(0.35GJ/6T)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(0.93GJ/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(zhì)計去除75wt％的能量需求估算值對于系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)發(fā)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(lián)使用以模擬連續(xù)工藝。圖8是具有并聯(lián)的四個反應室、預處理室以及蒸氣冷凝室的選礦子系統(tǒng)的一個實施例的側(cè)視圖的圖解。系統(tǒng)(800)包括將含有機碳原料遞送至系統(tǒng)800的輸入?yún)^(qū)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(jīng)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(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)和預處理室810。含有機碳原料傳送至包含三個區(qū)段的四個反應室(840)之一。每個反應室的第一區(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(jīng)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(qū)段以使氣體冷凝。揮發(fā)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?，F(xiàn)在的多孔含有機碳原料此刻穿過反應室840的第三區(qū)段，壓實區(qū)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(jīng)過加工的含有機碳原料在(886)處離開。

?；酉到y(tǒng)

粒化子系統(tǒng)用于將來自選礦子系統(tǒng)的經(jīng)過加工的含有機碳原料轉(zhuǎn)化成適合在發(fā)電廠中使用的球粒。?；酉到y(tǒng)包含壓縮室和收集室。壓縮室被配置成將經(jīng)過加工的含有機碳原料分離成最長長度為至少0.16英寸(4.0cm)并且密度為至少37.5磅/立方英尺(0.60克/立方厘米)的離散塊單元以形成經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒。在一些實施例中，在加熱下進行壓縮。在其它實施例中，將來自上文所論述的選礦子系統(tǒng)反應器的微粒子和木質(zhì)素的漿料與經(jīng)過加工的含有機碳原料混合再進行壓縮。這使得幾乎不需要(如果有的話)熱量或高能量生物質(zhì)粘合劑以形成經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒。收集室被配置成收集經(jīng)過加工的生物質(zhì)球粒的聚集體。

在一些實施例中，?；酉到y(tǒng)進一步包含加熱室，其被配置成向經(jīng)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％并且形成球粒。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(tǒng)的蒸汽爆炸區(qū)段進一步包含洗滌元件，其被配置成將來自蒸汽爆炸區(qū)段的未加工的含有機碳原料的微粒子、木質(zhì)素碎片和半纖維素碎片去除并清潔成具有高木質(zhì)素含量的精細、粘性生物質(zhì)塊。在這個實施例中，下文論述的摻合子區(qū)段的摻合室被進一步配置成接收精細、粘性生物質(zhì)塊以在形成摻合的緊密聚集體期間在壓實室形成中允許較低溫度或較低額外高能量生物質(zhì)粘合劑含量(如果有的話)中的至少一種。

圖9是利用添加微粒子和任選的木質(zhì)素漿料從未加工的含有機碳原料制造球粒的工藝的圖解。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(zhì)輸入物的大小(910)，隨后使其穿過選礦反應室，在反應室中纖維遭到破壞(920)，溶解鹽且隨后洗滌原料(930)。在這一步驟期間，去除含有微粒子和木質(zhì)素的流出物(940)，洗滌并在再混合步驟中將其引入至經(jīng)過加工的含有機碳原料中(960)，在此之前其已經(jīng)歷脫水和去溶劑化步驟(950)。隨后?；?970)并收集(980)混合物。使用經(jīng)過洗滌的流出物流用于減小形成球粒的加熱需求，不過加熱仍可對去除額外水有利。

選礦子系統(tǒng)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穿過選礦子系統(tǒng)工藝以得到經(jīng)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(jīng)過加工的含有機碳原料的鹽含量以干物質(zhì)計減少至少60wt％。存在選礦子系統(tǒng)工藝的兩個方面。第一方面關(guān)注經(jīng)過加工的含有機碳原料的特性，并且第二方面關(guān)注本發(fā)明的工藝優(yōu)于當前已知的用于將未加工的含有機碳原料轉(zhuǎn)化成適合用于下游燃料生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)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(tǒng)。

第一方面

本發(fā)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(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)微纖絲的細胞壁。一些實施例具有包含以干物質(zhì)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(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至少一些區(qū)域更加能夠被水溶性鹽穿透而不會溶解超過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。在一些實施例中，在流出物流中去除的微粒子和木質(zhì)素按需要進一步清除水溶性鹽和其它雜質(zhì)，隨后使其與經(jīng)過加工的含有機碳原料混合再?；?。

第三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(nèi)去除壓力達到約大氣壓。

第四步驟是在包括可調(diào)節(jié)的壓實壓力對時間概況和壓實持續(xù)時間的條件下并且在壓力板之間壓制多孔原料，所述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)水溶性鹽從反應室逸出，并且形成經(jīng)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(zhì)計減少至少60wt％。在一些實施例中，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(jīng)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(zhì)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(zhì)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(xù)時間、溫度概況以及至少引發(fā)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(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽從植物細胞內(nèi)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(fā)性有機化合物。

與系統(tǒng)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(lián)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(jīng)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(jīng)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10是用于制造經(jīng)過加工的含有機碳原料的工藝的方塊圖，所述經(jīng)過加工的含有機碳原料的水溶性鹽以干物質(zhì)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1710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(nèi)水溶性鹽和包含木質(zhì)素的細胞壁。步驟1720涉及使原料在壓力下暴露于熱溶劑持續(xù)一定時間以使包含結(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穿透而不會溶解超過25％的木質(zhì)素和半纖維素。步驟1730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1740涉及使用被配置成防止氈阻斷胞內(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽從反應室中逸出的板來壓制多孔原料，以形成經(jīng)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，經(jīng)過加工的含有機碳原料的水溶性鹽含量以干物質(zhì)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(jīng)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(nèi)水、胞內(nèi)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(zhì)素、半纖維素、以及纖絲束內(nèi)的纖絲。每個步驟強調(diào)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(xù)一定時間，以膨脹并解開包含部分結(jié)晶纖維素纖絲束、木質(zhì)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(zhì)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(diào)節(jié)的壓實壓力對時間概況和壓實持續(xù)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(nèi)和胞間水以及胞內(nèi)水溶性鹽從反應室逸出，并且形成經(jīng)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(zhì)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11是用于制造經(jīng)過加工的含有機碳原料的工藝的方塊圖，所述經(jīng)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(zhì)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1810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(nèi)水溶性鹽和包括木質(zhì)素的植物細胞壁。步驟1820涉及使原料在壓力下暴露于熱溶劑持續(xù)一定時間以使包含結(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穿透而不會溶解超過25％的木質(zhì)素和半纖維素。步驟1830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1840涉及使用被配置成防止氈阻斷胞內(nèi)水和胞內(nèi)水溶性鹽從反應室中逸出的板來壓制多孔原料，以形成經(jīng)過加工的含有機碳原料，其水含量小于20wt％，以干物質(zhì)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已知機械、物理化學或熱工藝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(diào)整工藝條件而達成。一些實施例使用經(jīng)過工程設計的系統(tǒng)以再采集和再使用熱量以進一步降低每噸經(jīng)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12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(chǎn)品價值的能量成本。一些實施例已經(jīng)達到低至小于5wt％的水含量和以干物質(zhì)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。

粒化子系統(tǒng)工藝

?；酉到y(tǒng)工藝步驟包含兩個步驟。第一步驟是壓縮經(jīng)過加工的含有機碳原料以使其分離成具有離散塊單元的球粒，所述離散塊單元的最長長度為至少0.16英寸(4.0cm)，直徑小于.25英寸(6mm)，并且密度為至少37.5磅/立方英尺(0.60克/立方厘米)。第二步驟是收集球粒的聚集體。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。在一些實施例中，選礦子系統(tǒng)工藝進一步包含在去除壓力步驟中從蒸汽爆炸區(qū)段將未加工的含有機碳原料的微粒子、木質(zhì)素碎片和半纖維素碎片去除并清潔成具有高木質(zhì)素含量的精細、粘性生物質(zhì)塊，并且摻合子系統(tǒng)進一步包含將精細、粘性生物質(zhì)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較低溫度。

在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以對上文所論述的優(yōu)選實施例作出各種修改和添加。因此，本發(fā)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(quán)利要求書和其等效物界定。