将有机废物或者低值物质转化成有用产物的方法

专利名称：将有机废物或者低值物质转化成有用产物的方法
技术领域：
本发明一般涉及处理废物或者低值产物以形成有用的原材料。更具体地，本发明涉及用于将农业和其它废物或者低值物质，这些物质中包含以碳为基础的(carbon-based)化合物，转化成商业上有用的产物，比如燃料油、肥料和专用有机化学品的设备和方法。本发明减少可能由无机废物流产生的环境污染。
背景技术：
很久以来人们就认识到，人类社会产生的很多废产物最终能够被分解成少量的具有自己内在价值的简单的有机物质。如果这种转化能以高能效的方式在足够大的规模实现，那么可能对社会有巨大的益处。
大多数活质(living material)以及家庭和商业应用中使用的大多数合成有机物，包含多种组合物的以碳为基础的聚合物。在适当的条件下，大多数这样的物质(包括木材、煤、塑料、轮胎和动物废物)将分解成气态产物、油和碳的混合物。物质，如农业废物，可能还包含分解成矿产的无机物。几乎所有这些产物，无机的或者有机的，可以在有益的宿主中和通常可获利的应用过程中获得新生。
从其它无用的废物中制造有用材料的原理不仅仅是要呼吁废物的循环利用对于不断增长的人口应对21世纪的主要挑战的进程非常重要。人类面对的两个主要挑战是应对地球资源的有限供给和减少全球变暖对环境日益增加的威胁。事实上，很快得到普遍接受的想法是，全球变暖可以通过循环利用生物圈中以碳为基础的物质来减缓，而不是从油类、天然气和煤的地下沉积物中引入新的碳源。
然而，到今天，生产大量主要包括有机物质的废产物的工业，在处理和储存这些废物以及最大限度地利用这些废物方面，面临着巨大的挑战。
一个恰当的案例是，全世界的食品加工工业每年都产生几十亿磅的富含有机物的废物。这些废物与动物和植物产品的加工有关，并且包括火鸡、鱼、鸡、猪和牛的加工废物和饲养废物(husbandry waste)。食品加工工业继续增长，其成员在利用它们的废产物进行某些生产时面临着巨大的经济和环境压力。这些废产物产生了很多严重的问题。这些问题之一是通过填埋(landfilling)、土地利用或者消化食品废物产生温室气体，如二氧化碳和甲烷，没有任何其它的益处。理想情况下，食品工业必须采取有效而且经济的方法处理它们的废物，不排放有气味或者有害的污染物。
最近，很多领域中无用副产物的仓储成本正在显著增长。可以用来饲养农业牲畜的废产物的种类越来越受到控制。例如，在欧洲的BSE/CJD(疯牛病/雅各布病)的恐慌之后，很多废产物仅仅被储存起来，等待合适的结局。很明显，有额外紧急的需要，以找到清洁处理和使用这些物质的可接受的方法。优选地，需要发现将食品加工废物转化成有用的、高价值产物的方法。
寻找处理替代方法的另外的驱动力是废水处理法规的联合强制执行和污水超量罚款(sewage surcharge)的增加。食品加工工业必须寻找有成本效益的(cost-effective)技术，以提供它们的废水和固体(湿)废物的预处理或者完全处理。在历史上，位于城市设施中或者毗邻城市设施的食品加工设备依赖于用于废水处理和处置的本地公有的处理工厂(POTW)。渐渐地，因为更加严格的强制执行，这种方法变得越来越不可行。遵守废水排放规定的压力增大。建立新POTWs和升级POTWs的财政资助的减少也表明这种方法的吸引力减弱。因此，食品加工工业在如何有效地处理其不可食用的产物方面的压力越来越大。
耐久性化学物(persistent chemical)，比如二英(dioxin)的生物积累，和威胁生命的疾病，比如疯牛病(BSE)传播的可能性，是对食品加工者和同样对食品消费者的另一个威胁。通过将食品加工残余物重新喂养家畜(farmanimal)，这种威胁被大大加剧。食品加工工业需要经济的解决方法来打破此循环。
此外，城市和地区下水道管理机构(sewer authority)正在要求行业降低它们的有机生化需氧量(biochemical oxygen demand)(BOD)，化学需氧量(COD)和下水道上的固体负载。由于含有大量的悬浮固体、氨和蛋白质化合物的高强度的食品加工废水中通常存在高BOD浓度，所以食品加工工业正受到额外的严格审查。食品加工设备需要有成本效益而且是专用的处理技术，来有效地处理它们的废水和固体废物。
在其它工业，相似的问题以很多不同的方式增加、扩大和放大。例如，与将动物废物通过加热转化成脂肪和蛋白质的炼制厂(rendering plant)有关的臭气散发的产生是所述的问题之一。另一个例子是包含高浓度的病原体的城市生物固体的土地利用。
已经开发了多种方法来处理使用过的和废弃的轮胎，如来自卡车和客运交通工具的轮胎，将其转化成包括燃料、石油、碳、燃料气体的有用的产物，以及用于生产轮胎和其它橡胶产物的原料。这些方案通常包含加热和将轮胎溶解在溶剂中。一些方案尝试对轮胎橡胶脱硫，也就是说，打破沿聚合物的长度连接组分聚合物的硫键。其它方案尝试将橡胶材料解聚。解聚可以将长链聚合物分解成较短的，其更易流动，因此可更容易地用作产物，比如燃料油。一些方案涉及在水的临界点(～3200psi和～370℃)附近或者临界点之上的条件下使用水，这时的水对于轮胎材料是非常好的溶剂，也是与轮胎材料发生反应的好的反应物。然而，因为要实现超临界条件需要的能量，这样的方案在能量上是低效率的。此外，在超临界条件进行处理也需要更昂贵的超合金(super-alloy)操作设备。
好氧和厌氧的消化设备(digester)都在污水处理厂中用来处理城市污水污泥(municipal sewage sludge)。有很多与它们的使用相关的问题。它们操作的基本原理是将富含生物质的物质(biologically rich material)导入大的存储容器，所述容器中包含消化生物质的细菌。通常，将溶解的固体导入好氧消化设备，并将悬浮固体导入厌氧消化设备。一旦营养原料物质(nutritional feedmaterial)耗尽，细菌就不再能够维持它们自己的生存而死亡。消化阶段的终产物是包含死亡细菌的污泥，并且它必须用某种方式处理。所得物质的一个问题是它仍然含有病原体。通常，整个过程中的其它问题包括消化容器中的保持时间(holding time)可长达17天，而且操作条件难以维持。例如，相对大的容器(典型的直径为20-30英尺)通常保持在85以上，并在一些情况下为122以上。
工业上，特别是食品加工工业上目前可以使用的所有处理技术，都具有明显的局限性和不足，这为寻找替代方法提供了动机。这适用于除使用现有的POTW之外的技术。具体来说，四类方法，地面处理(land disposal)(填埋、堆肥、土地利用)、生物处理、传统热氧化处理，如焚化/燃烧，以及热解(pyrolysis)/气化，都有各自的不足。
地面处理的不足包括搬运(haulage)或者运输成本高、极可能因泄露而污染地下水，和与地面物质接触会产生高浓度的危险污染物(例如土地利用中的病原体)。填埋产生可能带来空气污染问题的气体，包括产生温室气体。
废物的生物处理的缺点包括难以控制，而且因为难以确定进入土壤的气流是否足够，所以不能确定性能。如果使用好氧细菌，必须保持气流量以提供氧气。例如，可以开发出细菌来消耗特定化合物，当把这些细菌置于土壤中时，它们活化替代的酶系统以消耗最容易获得的化合物。
进行焚化或燃烧的比较陈旧的设备(unit)的不足包括需要增加设备来满足政府不断制定的更加严格的空气污染排放标准。而且也可花费比其它技术更长的时间来获得用于焚化装置的空气排放许可，因为重要的社会团体(community)关注焚化问题。另外，处理排气装置的废物意味着处理大体积的气体，从而需要非常大的工厂设备。原料的热值也很低。有些焚化炉与固体燃料或者固体废物不兼容，因为这些物质将在炉内太高的位置开始氧化(startto oxidize too high up in the furnace)。相反，原料中的高湿含量也是问题，因为在焚化或者燃烧过程中，水被汽化并去除，这个过程中水被汽化需要大约1000Btu/lb。这表示大量的热量/能量在系统中丢失。
所采用的技术的最后一个类别热解/汽化是吸引人的，因为与提到的其它方法不同，它试图将废物转化成可以利用的材料，比如油和碳。在寻找分解废产物的最优方法时，主要的考量是如何调整所得物质的组成，同时将实现分解所需的能量最小化。过去，所采用的主要热解和汽化方法试图在单一阶段的过程中分解废产物，但是已发现单一的阶段不能对终产物的纯度和组成提供足够的控制。
已将热解炉用于将有机物质分解成气体、油和焦油，以及含碳的物质。热解炉允许将有机物质加热到高温，～400-500℃，但是能量效率差，而且几乎无法控制所得物质的组成。具体来说，大多数废产物，特别是那些来自农业的废产物含有多达50％的水。热解炉需要蒸去水分，这个过程非常需要能量。另外，热解室需要比较大，以将处理量最大化，但是这会带来热解室中显著的温度梯度。因此，热解过程涉及对废产物的不均匀加热，并使得到的终产物的质量较差，或者其中含有不纯的焦油和油。
已将汽化器用于实现废产物的部分燃烧。大体来说，将气体(通常是空气、氧气或者蒸汽)以不足以氧化所有的可燃物质的量通入废产物。因此，生成了一些燃烧产物，比如CO2、H2O、CO、H2和轻的烃类，而产生的热量将剩余的废产物转化成油、气体和含碳的物质。产生的气体将包含一些输入的气体，但是生成的任何气体的体积都太大以至于不能储存，且必须立刻使用或者通过管路运送到能利用它们的地方。汽化器还受到与热解炉相同的一些不足的困扰例如，含水的废产物将在汽化水分的过程中消耗大量能量。
热解和汽化方法都另外存在问题，就是得到的物质含有含量不可接受的杂质。具体地说，废产物中含硫和含氯的物质在得到的终产物中分别产生含硫的化合物，比如硫醇(mercaptan)和有机氯化物。通常，烃油中可以容许1-2ppm水平的氯化烃类，但是汽化或热解方法都不能保证可靠地达到这样低的水平。
此外，热解和汽化方法具有低的效率，通常大约30％。之所以如此的一个原因是产物在热含量(calorific content)方面并不是最佳的。进一步的原因是，在单一阶段的过程中，物质并不是以容易允许它们的能量在过程中有效地重新使用的方式产生。例如，难以收集(capture)所产生的固体产物中的热能，并将其重新定向以有助于加热反应容器。
总的来说，热解/汽化方法受到几个方面的困扰。油产物通常富含不合需要的高粘度组分，如焦油和沥青(asphalt)。热解和汽化过程都有差的传热性能，因此不能均匀受热。所以，终产物的数量相差很大，很少有足够用于经济性回收的数量或质量。湿的原料需要大量能量来汽化，代表系统因为水作为排气管(stack)中气体离开而带来大量的能量损失。因此，总而言之，热解/汽化的缺点是总体操作成本高，方法耗费资金而且一些副产物可能价值有限或者没有价值。
尽管有热解和汽化方法很多变体，但是所有这些方法都受大体类似的不足所困扰，用两阶段过程代替先前方法中的单一阶段过程的系统，参见例如美国专利号5,269,947、5,360,553和5,543,061能够增加处理效率。在第一阶段(通常被称为“湿”阶段)，废产物被加热至大约200-250℃，加压至大约20-120个大气压。在这样的条件下，废物质中的水分使可存在的许多生物聚合物，比如脂肪和蛋白质发生水解以生成油的混合物。在第二阶段(经常被称为“干”阶段)，混合物迅速降至低压，在这期间，大约一半的水作为蒸汽被分离出来(drive off)。仍将混合物加热以进一步蒸发掉残余的水分，同时将混合物最终分解成气态产物、油和碳。
这些两阶段方法中主要的进步是能够比任何先前的单一阶段过程产生质量更高、更有用的油混合物。然而，需要汽化大部分的水仍然带来大量的能源损失，而且这种方法的产物仍然受到来自材料，比如含硫和含氯化合物的污染问题的困扰。此外，需要获得的烃产物的产生效率有所提高。迄今为止，反应混合物内存在的复合物化学还未被充分理解，而且一些副产物已经以多余的量产生。因此，这些两阶段方法还难以成为商业上可行的。
因此，需要处理废物和低价值产物的方法，以可接受的基建(capital)和操作成本来产生纯度和组成可靠的有用材料。

发明内容
本发明的目的是处理废物和低值产物，从而以可靠的纯度和组成，以可接受的成本，不产生恶臭气体，而且高能效地产生有用材料。具体地说，本发明包含多阶段方法，其将另外具有较少商业价值或用途的多种原料转化成有用的材料，其包括气体、油、专用化学品(specialty chmical)(比如脂肪酸)、肥料和碳固体。本发明还包含设备，该设备用于实施将废产物转化成有用材料的多阶段方法，和由所述方法产生的至少一种油产品。本发明的设备和方法可具体应用于处理有机和无机废物，包括来自家禽(如火鸡、鸡和鸵鸟)、牛、猪、鱼的下脚料(offal)，以及其它废产品，如动物粪肥(manure)、油脂、植物油和城市污水污泥。
总的来说，本发明所述方法对合适制备的物料加热和加压，分离出所得物料的多种组分，然后对这些组分中的一种或多种进一步加热和加压。本发明所述方法中的不同点生成的多种物质可以循环利用，并用来在本发明所述方法中起其它作用。
本发明包括将原料转化成至少一种有用的物质的方法，其包括从原料制得浆液；在第一反应中使浆液反应以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水；从反应后的物料中分离至少一种反应后的固体产物、水，和至少一种反应后的液体产物；在第二反应中将至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用物质。第一反应的条件优选地包括加入一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离以释放氨。
本发明还包括将原料转化成至少一种有用的物质的设备，其包括预处理单元，进行配置以从原料生成加热的浆液；与容器相连的第一阶段反应器，接收加热的浆液，配置第一阶段反应器以使加热的浆液经受第一高温和第一高压，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水；至少一个与第一阶段反应器相连的分离单元，用于接收至少一种固体产物、至少一种液体产物，和水，配置所述单元以分离出至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；与分离单元相连的第三阶段反应器，接收至少一种反应后的液体产物，配置第三阶段反应器以使至少一种反应后的液体产物经受第二高压和第二高温，从而将至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用材料。在优选实施方案中，预处理单元包含制备单元，其包括从原料制得原料浆液的制浆设备；与原料制备单元相连的容器以接收来自原料制备单元的原料浆液，以及附加设备，比如泵和热交换器，对其进行配置以对浆液加压和加热，从而产生加热的浆液。在另一个优选实施方案中，配置第一阶段反应器以接受一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离以释放氨。
本发明还包括将原料转化成至少一种有用的物质的方法，其包括从原料制备浆液；使浆液通过热交换器，其中通有一种或多种气体，以生成调节的浆液；在第一反应中使调节的浆液发生反应，其中释放出蒸汽和气体，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水，其中反应后的固体产物包括至少一种矿物质；降低反应后的物料的温度和压力，以生成中间物料；从中间物料中分离至少一种矿物质，从而生成混合物，其包含至少一种反应后的液体产物和水；将所述水转移到存储装置(storage)；将所述至少一种反应后的液体产物进行第二反应，其中生成碳固体和烃蒸气与气体混合物。第一反应的条件优选地包括加入一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离以释放氨。
本发明还包括将城市污水污泥转化成至少一种有用材料的方法，其包括从城市污水污泥制得浆液；在第一反应中使浆液发生反应，以制备反应后的物料，其包括至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水；其中第一反应还包括使用一种或多种试剂，其抑制碳水化合物的水解并促进胺解离以释放氨。从该反应后的物料中分离所述至少一种反应后的固体产物、水和所述至少一种反应后的液体产物；将所述至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用材料；和在第二反应中，将所述至少一种固体产物转化成烃油混合物、燃料气体，以及矿物质和碳的混合物。
本发明还包括将火鸡下水转化成至少一种有用的物质的方法，其包括从火鸡下水制得浆液；在第一反应中使浆液发生反应，以制备反应后的物料，其包括至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水，其中第一反应附加地包括使用一种或多种试剂，其抑制碳水化合物的水解并促进胺解离以释放氨；从反应后的物料中分离至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；在第二反应中，将至少一种反应后的液体产物转化成烃油混合物、燃料气体和碳。
本发明还进一步包括通过方法产生的燃料油，所述方法包括从含碳原料制得浆液；在第一反应中使浆液发生反应，以制备反应后的物料，其包括至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水，所述第一反应附加地包括使用一种或多种试剂，其抑制碳水化合物的水解并促进胺解离以释放氨；从所述反应后的物料中分离所述至少一种反应后的固体产物、水和所述至少一种反应后的液体产物；在第二反应中，将所述至少一种反应后的液体产物转化成燃料油。


图1显示本发明所述总体方法的流程图；图2A显示实施本发明所述方法的设备；图2B显示实施第一反应的设备的实施方案，其中，配置所述设备以接收一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离。
图3显示本发明所述方法的制备和第一阶段反应的流程图；图4显示本发明所述方法的第二、分离阶段的流程图；图5显示本发明所述方法的第三阶段反应的流程图；图6显示实施本发明所述方法的第三阶段的设备；
图7显示从流体中分离精细的悬浮固体的设备；和图8A和8B分别显示本发明所述方法的第三阶段反应器和冷却器/冷凝器的使用。
发明详述本发明所述方法主要用来从社会普遍产生的、或者从普通家用过程中产生的、或者从商业操作中产生的低值或者废产物中，生产一种或多种有用材料。通常将本发明所述方法用于废产物，或者其他低值产物，例如油脂，其包含的有机物质占主要成分。然而，本发明也可用于将其他产物，不是通常认为的低价值产物，转化成高价值产物。
此处使用的有机物质是按照本领域中普通技术人员通常理解的有机物质。具体地，使用本发明时，有机物质是那些其组成元素包括碳和一种或多种其它元素相结合的物质，所述其它元素例如氢、氧、氮、硫和磷，以及卤素，具体来说是氟、氯、溴和碘。就本发明的目的而言，有机物质也包括化合物，其包含碳结合例如砷、硒和硅等元素、以及有机分子盐，和有机分子与金属的化合物，所述金属包括镁、汞、铁、锌、铬、铜、铅、铝和锡，但不仅限于此。本发明使用的很多有机物质都来自生物来源，并且包含蛋白质、脂质、淀粉、核酸、碳水化合物、纤维素、木质素和几丁质，以及全细胞。本发明使用的其他有机物质具有人造或者合成的来源，比如塑料和其它石油衍生产物。
在本发明所述方法中，原料被加热和加压至需要的程度，以分解原料的有机组分的长分子链。因此，原料在分子水平被分解成一种或多种组成材料。在本方法中，将原料从成本或者低价值转化成利润，或者显著降低成本，或者提高价值。重要的是，本方法能够破坏病原体。
本发明的基本方法计划用来潜在地处理任何废物或者低值产物，包括食品制造和销售业的副产物，比如火鸡下水、煎炸用油、玉米杆、大米壳、废料、压榨食用油(last-press edible oil)，比如卡诺拉(canola)、大豆、棕榈、椰子、油菜籽、棉籽、玉米或者橄榄油，以及其他油，食物加工废弃物和海鲜工业废弃物；造纸和其他木材工业制造的副产物，比如纤维素和木质素副产物，以及纸浆废液；院落垃圾，比如叶子和草剪切物；海港挖掘沉积物(harbor-dredged sediment)；消耗后的塑料和电子产物，比如旧电脑；市政固体垃圾；炼油残余物；工业污泥；甘蔗渣；海藻；研磨废弃物；黑液；炼煤垃圾；沥青砂；页岩油；钻探浆液；废棉；农业加工废弃物，比如动物粪便；传染性医疗废物；生物病原体；和甚至材料，比如可以用来制造生物武器的炭疽孢子。可以这样理解，上述材料列表并不是没有遗漏的列表。在上述列表中，甘蔗渣是甘蔗加工的副产物，而黑液是化学木质纸浆的副产物，化学木质纸浆是由溶解木屑，释放木质素，以及去掉纤维而形成的木质素和半纤维素溶液产生。
本发明使用的废产物通常是其他工业过程、商业制备和家用或者市政使用的副产物或者最终产物，它们通常不具有其它直接的用途和/或一般将它们清除。低值产物与其他工业过程、商业制备和家用或者市政用途的副产物或者最终产物可能相似，但通常是具有低的转售价值的材料，并且/或者其需要一些进一步的处理以转化成有用物质。
在使用本发明所述方法时，将废物和低值产物通常指作原料或者原材料。也可以这样理解，本发明所述方法使用的原材料可以包含来自多种来源的和多种不同类型的废物和/或低值产物。例如，如果方便，食品加工废物可以和农业加工废物结合在一起，同时进行处理。
本发明使用的其他典型原材料包括城市污水污泥和可能来自市政再生仓库(recycling depot)的混合塑料。
本发明的实施方案处理的废物和低值材料通常可以转化成三种类型的有用材料，所有这些材料都是有价值的，并且对环境是本质上无害的高品质油；完全燃烧气体；以及纯化的固体，包括矿物质和能够用做燃料、肥料或者制造业原材料的碳固体。此外，在本发明所述处理的过程中会产生多种侧流(side stream)，其包括某些情况下类似“浓鱼汁(fish soluble)”的浓缩物。通常，有用的材料被认为是那些具有比废弃、低价值或者其它作为原料使用的材料更高的经济价值的材料。例如，这些有用的材料可能有更高的热容量，或者比衍生它们的原料有更广泛的应用。
本发明所述方法包含多个阶段，如图1和2所示。图1概括表明了本发明所述方法的实施方案的主要特点。图2显示用以实施根据本发明中方法的范例设备200。
图1中所示的新进料100可能潜在地是任何废产物或者低值的有机和/或无机物流。优选地，所述新进料包含的含碳材料占主要量。
原材料100进入制备阶段110。制备阶段的方面是用制浆和其他研磨技术减小新进料的尺寸，使其达到适合用泵抽吸的大小。制备阶段可能包含一个或多个步骤，并且可能包含向新进料中加入材料，或者从新进料中去除材料，并且得到浆液112，将浆液112被传送至第一阶段120。制浆过程可能包括向新进料100中加水(或者其他合适的流体)，视它的起始含水量而定。使用浆液是有益的，因为在制备阶段110中的湿磨减小摩擦和能量消耗，并且因为浆液可以容易地通过泵在容器之间转移。合适的制浆设备包括碎浆机、直线型磨具或者浸泡容器(maserator)。蒸汽和气体的混合物121从制备阶段110中释放。所述制备阶段的其它方面，其可以有益地应用于包含动物身体部分的原材料，在同时送审的序号为10/954,691的申请中有描述，该申请2004年9月29日送审，标题为“从有附着物的不溶固体中分离有机材料，并转化成有用产物的设备与方法(Apparatus And Process For Separation of OrganicMaterials From Attached Insoluble Solids，and Conversion Into UsefulProducts)”，中请人为Adams等，这两篇专利作为参考文献完整并入本文。
在第一阶段120中，浆液经过加热和升压，其中浆液经过第一反应，也称作第一阶段反应。这样的热和压力条件导致浆液生物组分的细胞结构分解，以释放组成分子，比如蛋白质、脂肪、核酸和碳水化合物。另外，很多聚合的有机物质被浆液中的水水解，成为较简单的有机产物的混合物。具体地，脂肪可能部分分裂生成可浮起的有机物质，比如脂肪酸(包含羧酸基团)和水溶性的丙三醇(即，包含3个羟基基团的分子)。蛋白质通常被分解成更简单的多肽、肽和组成氨基酸。碳水化合物主要分解成更简单的、水溶性的糖。此外，第一阶段中水的存在是优势，因为它帮助将热量传递给原料。
可以这样理解，在与本发明的实施方案一起使用时，术语起反应(react)、发生反应的(reacting)和反应(reaction)可以涵盖很多不同类型的化学变化。具体地，术语反应涵盖了两个或者更多种类相结合或者联合，生成一种或多种产物的化学变化，也可以涵盖通过温度、压力条件或者电磁辐射影响诱导的，包括将单一物质分解(breakdown)或者转化(transformation)在内的其他类型的分解(decomposition)和转化(conversion)，还可以进一步涵盖包括溶剂的转化，比如水解。还可以进一步这样理解，当本文使用术语“反应”或者“起反应”来描述方法，或者方法中的阶段时，可能同时在发生多于一种化学变化。因此，举例来说，反应能够同时包括水解和分解。
第一反应中的化学环境是复杂的，并且涵盖材料的离解和同时地从所得组分重整其他材料。正如本文进一步讨论的，在第一反应使用的条件下，脂肪(主要是甘油三酸酯)通常将水解。蛋白质将变性，成为其组成氨基酸和小肽，这些都是胺类。混合物中胺的存是有问题的，因为胺促进乳状液的形成，并帮助稳定乳状液。因此，小颗粒的不溶的——通常是无机的——材料被留在悬浮液中，该事实阻碍混合物中各种组分的分离。理想情况下，随后，应该将胺尽快分解。碳水化合物也将水解以形成糖，但是所述糖随后还要进行叫做Maillard反应的反应，在其中，糖与胺反应以形成葡基胺和其他产物，很多产物是不溶的，而且是聚合的。最终的结果是存在进一步提高形成乳状液的倾向的化合物。
此外，许多有机材料，其将通过本发明所述方法被转化成有用产物，比如油，该材料具有高氧含量——例如碳水化合物。这类材料倾向于放出许多CO2，并且最终放出碳，两者都是不希望的。或者，如果尽可能多的碳进入烃更好。为此目标，最好向系统中引入氧清除剂来从新进料中带走氧，并且转向更有用的副产物(即除了CO2)，从而允许更多的碳含量被转化成烃。
因此，为了释放氨——从而阻止乳状液的形成，并抑制去羧基反应——向第一阶段反应中加入一种或多种反应物，这与本发明是一致的。在优选实施方案中，将元素硫和元素钠引入第一阶段反应中。
蒸汽和气体产物的混合物126通常在第一阶段120从浆液中释放。来自第一阶段的反应后的物料122通常包含反应后的固体产物的混合物，和反应后得到的液体产物的混合物。通常将这些不同的产物区分为油相、水相和湿矿物质相。水相和油相通常包含各种溶解的有机材料。在第一阶段120产生的蒸汽和气体混合物126优选地由冷凝器分离，并且将蒸汽用来预热引入的浆液。
然后将反应后的物料122经过分离阶段130，其中进一步将蒸汽和气体混合物132分离出去，并且将矿物质混合物134或者其他固体材料分离出来。优选地，本阶段获得的固体材料不包含碳固体，除非碳固体存在于输入的原料中。分离阶段130可能包含多余一个的单独分离过程。
来自分离阶段130的残余材料由液体产物的混合物组成，该液体产物包括生成水138(带有可溶物的水)和有机液体500。有机液体500通常是液体，其包含含碳种类的混合物，比如来自第一反应的反应液体产物。优选地，大多数生成水138被分离出来，并且将液体产物，比如有机液体500送至第三阶段140。因此，有机液体优选地包含反应后的液体产物，这种液体产物从水分离，并且大多数情况下也从反应后的固体产物中分离而来。生成水138包含大量化合物，其包括含硫和含氯的材料，并且优选地转移至浓缩139。期望分离出这些化合物，并且在优选实施方案中，浓缩产生冷凝物151(其纯度通常好于市政强度废水)和浓缩物153(很多情况下，其能够用做液体肥料，与鱼汁相似)。
某些有机液体500可以被转移至可选的分离137，以形成专用有机化学品143，比如脂肪酸或者氨基酸，例如通过有机液体的分馏。残余馏分，分馏液体145，经常被称为“重液体”，其包含不像专用化学品有用的馏分，可以重新送至第三阶段140。
当原料是城市污水污泥时，来自第一阶段反应的反应后的物料122通常包含生成水、有机固体基质(matrix)和无机材料，和少量的有机液体。之后将来自城市污水污泥的生成水转移至浓缩以形成作为肥料应用的产物。
在第三阶段140，向有机液体500施加条件，使它进行第二反应。有机液体还可能含有一定数量的反应后的固体产物，将该固体产物也传送到第三阶段。可以佳果那有机液体和反应后的固体产物一起作为固体基质。在第二反应中，将有机液体转化成有用材料的混合物，其通常包括碳固体142和烃混合物，所述烃混合物通常作为烃蒸汽和气体148释放。这样的转化可能包含有机液体中的一种或多种材料的分解。第三阶段中合适的条件使用高于第一阶段的温度，并且使用低于第一阶段的压力。第三阶段通常不包括添加水的使用。
碳固体142通常与焦炭相似，即通常是坚硬的含碳材料，具有高热值，适合用做燃料。碳固体142优选地含有很少的，如果有的话，不可燃的矿物质，其通常是由在缺氧气氛中焚烧含碳材料得到。碳固体142中的矿物质含量优选地少于10重量％，更优选少于5重量％，还更优选少于2重量％，并且最优选少于1重量％。碳固体142包含矿物质时，它们还可能被当作碳-矿物质基质描述。
只要本发明所述方法中的原料是生物材料，烃蒸汽和气体148就被称作“生物衍生烃”。如果原材料包含轮胎、橡胶或者塑料，烃蒸汽和气体可分别被称作“轮胎衍生的”、“橡胶衍生的”或者“塑料衍生的”。烃蒸汽和气体148通常包含烃气体，可能有一些痕量的非烃气体杂质。烃气体包括气体，比如燃料气体146；烃蒸汽可以容易地冷凝成液体或者油144，比如#2柴油中较轻的组分。本领域中的一个普通技术人员将#2柴油理解为粘度或者浓度相对较低的油。
当原料是城市污水污泥时，第三阶段产生的固体产物通常包含烃油混合物、燃料气体和以固体形式存在的矿物质和碳的混合物。
可以这样理解，本发明所述方法的操作参数可以在一种或多种情况下进行调整，以适应不同类型的新进材料。例如，在新进料是如火鸡下水的情况下，主要组分是动物脂肪、蛋白质、碳水化合物和矿物质。因此，对主要组分的权衡可以确定本发明中操作条件的某些方面。此外，第一和第三阶段反应器的温度范围能够控制，以生产特定的产物，从而能够从多种产物的产量中获得的经济价值最大化。
实施本发明所述方法的设备200如图2A所示。根据本发明的指导，设备200中各个部件的组装在过程工程或者化学工程领域内普通技术人员的能力之内。因此，普通技术人员都熟悉的这样的技术细节在本发明详述中将省去。
原料制备和制浆可以在原料制备设备210中进行。在物料制备和物料制浆之后，将浆液传送至低压排气容器220(low pressure vented vessel 220)中，其被称作物料储存罐。优选地，该物料在物料储存罐中或者之前经加热，以生成热浆液，热浆液可以有选择地加压，在进入第一阶段反应器之前。这样的加热和加压通常发生在如下设备中，该设备包含保留浆液的容器、为浆液加压的泵和加热浆液的热交换器。通常应用的条件为大约140和大约1PSI，以保持物料浆液处于液体状态，并限制生物活性。在优选实施方案中，物料储存罐包含第一罐和第二罐。在这样的优选实施方案中，将第一罐加热到大约140(大约60℃)的温度，并且施加大约1p.s.i.的压力。第一罐中这样的条件有效地终止生物活性。在示例实施方案中，这样的第一罐可能有大约1000000美国加仑的容量；因此，对于100-150加仑/分钟的流量，在这样的罐中的有效停留时间大约是700分钟。在这样的实施方案中的第二罐可以维持在大约280的温度，并向内容物施加大约至多100p.s.i.的压力。压力通常略高于指定温度下该混合物的饱和压力。例如，混合物在大约300(大约150℃)时的饱和压力是66p.s.i.。第二罐中的条件通常是足够严格，以分解浆液中的类蛋白材料，使浆液松散，并去除氨。第二罐的容量通常小于第一罐，并且可能像2500美国加仑一样小。因此，在实施方案中，大约40加仑每分钟的流速产生的第二罐内的停留时间大约为1小时。对特定的原料，较长的优选停留时间，比如在第二罐中停留几小时，可以通过使用较低的流速来实现。
本发明的第一阶段在第一阶段反应器230中进行，其优选实施方案如图2B所示。根据图2B中所示的实施方案，第一阶段反应器230包含容器239，其优选多室的容器，这样浆液234的组成材料在其中的停留时间分布较窄。优选地，该容器装有挡板232和复叶电动搅拌器231，该搅拌器能够同时搅拌每个室中的浆液。在优选实施方案中，这样的容器有四个室。在另外的优选实施方案中，浆液的加热发生在该容器前面的几个阶段中。第一阶段反应器230还优选地装有放气口233，输入管237，浆液由此输入，和排放管238，反应后的物料由此被排出容器。第一阶段反应器还另外有第一管235，反应物，比如熔融钠可以由此被输入到反应混合物中，和第二管236，其他反应物，比如熔融硫可以由此输入。尽管图2B显示安排在容器239的不同高度和不同侧面的输入和排放管，但是本领域内的普通技术人员能够认识到图2B纯粹是示意图，而且输入和排放管的其他设置与本发明的实际使用一致。在替代的实施方案中，第一阶段反应器还可能是螺旋反应器(augured reactor)。
为了抑制反应混合物中存在的胺的量，最好将其他反应物引入第一阶段反应中。正如这里深入讨论的一样，这样的反应物优选地包括元素硫和元素钠。因为它们有低熔点(分别是大约120℃和98℃)，这些材料可以被测量和可控制地加入到反应混合物中。优选地，随后第一阶段反应的容器是垂直方向的容器，用来促进有控制的气体排气，这些气体包括氨、一氧化碳或者二氧化碳，含硫气体，比如H2S，或者含氯化合物。
在第一反应后，经过反应的物料在有放气口的闪燃容器240中(“第二阶段分离器”)闪燃。优选地，闪燃容器240中的压力比第一阶段反应器230中的压力低得多。在实施方案中，闪燃容器中的压力为大约300psi，而第一阶段反应器中的压力为大约600psi。
可以使用多种设备来实现对来自第一阶段反应器230的物料的多种第二阶段分离。优选地，这样的分离提供蒸汽和气体的混合物132、有机液体500、矿物质134和带有可溶物的生成水138。蒸汽和气体132优选地被送回制备阶段以辅助物料加热。
从有机液体和水中分离矿物质可以用离心机、水力旋流器或者静力塔(static tank)实现。矿物质134的干燥可以通过例如干燥炉或者其他矿物质干燥器，比如“环形”干燥器(图2A中未显示)来实现。(在替代实施方案中，分离可以通过添加化学物质以破坏乳状液推动。)含有可溶物的生成水138，其得自从水中分离有机液体，可以在蒸发器250中浓缩，这种蒸发器是工业中通常可以获得的类型。从矿物质和水中分离得到的有机液体500可能被装包含在有机液体储存容器252中，在送至第三阶段反应器260之前。这样的储存容器可以是工业上通常使用的普通储存容器。
有机液体500的一些组分可以被转移以生成一种或多种专用化学品。这过程通常包含将有机液体进行分馏。进行分馏的有机液体通常在分馏塔254中分馏。有机溶液可以进行酸洗以在送至蒸馏塔之前分离出痕量氨基酸。有机液体中更多的挥发性物质，比如脂肪酸，被蒸馏出去并收集。任何较重的材料，比如在分馏塔底发现的非挥发性的脂肪和脂肪衍生物，将其送至第三阶段反应器260。
将来自第二阶段分离的有机液体也送至第三阶段反应器260，其中发生第二反应，其中将有机液体转化成一种或多种有用材料，比如油和碳固体142。第三阶段反应器出来的油可以在分离器270中进一步分离，以产生油144和燃料气体146。分离可能包含在各个步骤冷凝油，并且将其送至储存容器中的油储存280。将来自第三阶段反应器的碳固体142冷却，并且也可以将其储存，或者继续加热，然后处理以活化它们，根据本领域普通技术人员已知的方法。例如，碳固体可以在另外的反应器中加热，并通过注入过热蒸汽活化。
如本文之前所述，典型的新进材料包括来自农业和食品加工业的废产物。这些废产物可能包含动物部分，比如翅膀、骨头、羽毛、器官、皮肤、头、血液和脖子、软组织、爪和毛发。典型的动物部分是那些来自屠宰场的火鸡下水和残余的畜体。通常，来自任何种类的动物的身体部分可以使用本发明。例如，这些动物包括，但不仅限于火鸡、其他家禽包括鸡、鸭、鹅、猪、马、牛、羊、鱼、鲸、骆驼、美洲鳄鱼、袋鼠和麋鹿。其他来自食品加工业、适合使用本发明所述方法处理的废产物包括来自快餐公司，比如汉堡专营店的未使用的油脂，和材料比如来自食品加工工厂的溶气浮选(DAF)污泥。农业废产物可能包括来自羊、猪和母牛的动物粪便，还有其他材料比如鸡窝和作物残余物。图3-5说明了作为范例的实施方案，新进料100是食品加工副产物，比如火鸡下水。
如图3所示，首先将新进料100经过制备和制浆110以生成物料浆液112，伴随蒸汽和气体121。浆液112通过热交换器114被送至物料储存罐(“FST”或者匀浆器)中的物料储存320。在FST中，将内容物预热，通常达到温度大约60℃-大约150℃，以降低粘度，使浆液生物性失活，并帮助混合。将内容物在FST中混合以生成调节的物料浆液322，这是适合传送至第一阶段反应器的相对均匀的物料。在物料存储中，蒸汽和气态杂质338优选地被排出336。因此，本发明的一个优点是在FST中进行了脱气，使得不想要的气体杂质在本发明所述总体方法中的早期阶段就被除去。物料浆液112可以在无聊储存320中停留任何适当的时间，直到要由本发明所述方法进行进一步的处理为止。优选地，FST向高压的浆液泵提供持续的物料蒸汽，该泵加压物料并且将其转移至第一阶段反应器。
对于包含大量氨(NH3)的新进材料，比如火鸡下水，最好在制备110期间去除自由氨，在此情况下它是蒸汽和气体121的一个组分，或者在储存320期间去除自由氨，其中将氨与蒸汽和气态杂质338一起排放。氨的一个来源是分解残留量的尿中的尿酸，该尿经常存在于动物身体部分的团聚体(aggregate)中。除去氨的方法在本领域普通技术人员的知识范围内，并且包括但不仅限于，在制浆之前分离尿组分、使用酶降解和加热。此外，氨可以通过酸化生成盐，比如硫酸铵或者磷酸铵。在优选实施方案中，FST包含两种维持不同条件的容器。第一种这样的容器执行储存的任务；第二种容器实现分解蛋白质并释放氨。
调节的物料浆液322来自物料储存320，向其施加第一反应330，其中调节的物料浆液322中的水含量导致存在的很多生物聚合物水解。提供足够的搅动(由混合器和/或循环设备提供)，使固体保持悬浮状态。第一反应通常持续大约5到大约60分钟。第一反应的输出物料是反应后的物料122。蒸汽和气体339通常也从第一反应释放。
在第一反应330中发生一些脱气，其中部分去除氮和硫化合物被部分去除，并且发生去氨基和去羧基反应，其中大量的蛋白质也离解成产物例如氨和可能的二氧化碳。实际上，对于本发明所述方法，去羧基反应是不希望发生的，因为除了二氧化碳之外的产物是水溶的而且挥发性的胺。此外，这一阶段中任何由碳到CO2的损失潜在地使过程最后从碳限额产生的烃丧失。因此，去氨基反应通常优于去羧基反应，并且当原料包括材料例如蛋白质和脂肪时，从第一阶段得到的反应后的液体产物通常包括羧酸。因此，由于去羧基反应通常发生在高于去氨基反应的温度，第一反应优选地在可能分解脂肪分子的最低温度进行。作为替代方案，第一阶段的pH可以通过加酸来改变，从而阻碍发生去羧基反应。
因为从第一阶段反应中的蛋白质分解产生的胺维持乳状液，并且因为来自进行Maillard反应的碳水化合物的水解产物产生不溶的残余物质，所以优选地，还要加入反应物来分解胺。优选的反应物包括元素硫和元素钠，如本文进一步讨论的。
从胺，比如氨(NH3)中去除氨基的有效的方法是加酸。尽管硫酸，H2SO4，将通常是对这一目的有效的酸，但是其也是脱水剂，而且在第一阶段反应器的条件下，其还将与糖发生反应以生成不期望的黑焦块。因此，除了直接加入H2SO4之外的其他去除氨基的某些方法是优选的。
然而元素硫可以相对容易地处理，而且因为它的熔点是120℃左右，所以它可以非常具有实际操作性地注入反应物流中。元素硫由具有结构通式S8的环形分子组成。当加热到第一阶段反应中所用的温度时，S8分子打开，并与反应混合物中包含氧的分子反应，以形成SO2和SO3。一旦硫发生反应生成了二氧化硫和三氧化硫，需要有另外的反应物来推动原位反应以生成H2SO3和H2SO4。
在原位实现进一步更希望发生的反应的一个方法是引入钠金属。钠作为强大的还原剂作用，并有两种主要的作用它将与存在的任何水发生放热反应，生成氢气(H2)和氢氧化钠。然而，它还将从反应混合物中的各种组分——比如碳水化合物中提取出额外的氧，这些氧将与任何的H2SO3和残余的硫氧化物结合以得到H2SO4，H2SO4将主要留在混合物的水相中。酸会引起蛋白质和氨基酸脱去氨基，而通过钠金属释放的氢将与自由氨基结合以生成氨气。这些反应的其他副产物包括硫酸盐——比如硫酸铵，(NH4)2SO4——这是希望得到的，因为它们可以用于肥料中。
使用钠是经济的，尽管其已知的活动性，它还能够安全地使用，由它在其他大规模工业过程中的使用证明。具体地，还可以将其储存在油下面，并且在略高于它的熔点的易于实现的温度下通过管路进入反应器。它还可以相对容易地得到，并且可以由钠盐的电解生成，其中氯化钠是最丰富的。
最后，两种反应物，硫和钠的存在，创造还原的环境。这样的环境是期望得到的，因为本发明所述方法的优选终产物是烃。这样的产物必须通过去除结合在原始原料中的含碳分子上的氧而生成，并且没有碳通过CO2排放而造成的损失。
在这一阶段和之前的预热阶段去除氮和硫化合物，防止形成不希望产生的额外的有机氮化合物、更多的氨和各种硫化合物，如果这些化合物进入第三阶段反应器处理，就可能成为生成的生物衍生烃中不希望的组分。
在这个例子中进行第一反应的典型条件是在150℃到300℃之间，尽管优选250℃左右，大约50大气压，或者大约600psi，如第一阶段反应器中可以获得的条件。通常来说，第一阶段反应器中的压力在20-120个大气压的范围。总的预热和第一阶段加热时间是至多大约120分钟。这样的条件可能根据使用的物料而变化。在本发明的一个方面，比如应用于包含大量含氯物质的物料时，第一阶段的操作温度足够高，并且接着是清洗步骤，以使可以去除含氯产物。
第一反应进行的温度范围通常为大约150℃到大约300℃，以使下述三种转化中至少一种能够进行。第一，将蛋白质转化成单独的组成该蛋白质的氨基酸残基。这可以通过在大约150-220℃之间的温度将蛋白质骨架上每对氨基酸残基之间的肽氨基键水解而实现。第二，脂肪分子可以分解成脂肪酸分子，这个过程能够发生在200-290℃之间。特别地，将脂肪水解以分解甘油三酸酯形成自由脂肪酸和甘油。第三，氨基酸的去氨基和去羧基能够在第一阶段中发生。如果容许进行至第三阶段反应器，仍然附着于各自氨基酸部分的羧酸基团能够在相对温和的操作条件下，最终被转化成烃。另外，可能还有一些去氨基的氨基酸，通常这是在温度210-320℃之间发生的过程。因此，仅仅在第一阶段中，浆液中实际存在的所有蛋白质都将在相对较低的第一阶段操作温度下，被转化成氨基酸。此外，氨基酸去氨基的程度能够通过理智地选择第一阶段操作温度来控制，并且如前所述，也可以添加反应物比如钠和硫。
如同本领域内普通技术人员将理解的一样，第一阶段反应器运行的实际条件将根据使用的原料而变化。例如，动物下水通常使用大约200℃到大约250℃之间的第一反应温度。城市污水污泥通常使用大约170℃到大约250℃之间的第一反应温度。
第一阶段反应器中的压力通常被选择为接近其操作温度中水的饱和压力。饱和压力是需在指定温度下施与以保持水不沸腾的压力，也与纯化后的物料浆液中存在的其他气体和气体的量有关。反应器中的总压力大于浆液混合物中水的蒸汽压，以使水不蒸发。压力优选在45-55个大气压之间，可以在40-60个大气压之间，也可以在30-70个大气压之间。通常将压力调整到至多饱和压力之上的0-100psi范围之内，这样不希望存在的气体可从物料制备、物料储存或者第一阶段反应器中336排放出去。
本发明的一个优点是在物料制备110、物料储存320和第一反应中的排气可以去除气态杂质，比如氨、二氧化碳和含硫气体。第一反应330通常通过分解各种生物物质中的含硫组分，得到含硫气体。硫的主要来源是蛋白质分子，其中许多都在半胱氨酸残基之间有硫桥。含硫气体通常有硫化氢(H2S)和硫醇(烷基硫化物)，比如甲基硫醇。另外，可能生成一些盐，比如硫化钙(CaS)，并且通常将这些在后面的阶段分离。
在第一反应后，反应后的物料122，其通常包含至少一种反应后的液体产物和至少一种反应后的固体产物和水，被闪燃340达到较低的压力，并且释放多余的热量回到第一反应前面的加热阶段。闪燃通常通过多次降压过程实现，优选两个到三个步骤。闪燃的作用是排放剩余的、与反应后的物料有关的蒸汽和气体132。通过减压的脱水是有效的，因为除去水分不需要加热。有效地使用多余的热量被称作热量回收，代表了本发明所述方法的进一步进步。第一反应使用水的事实，水可以以蒸汽的形式，和其他气体339一起排放出去，使水能够实现自身的有效的能量回收。水和蒸汽在热交换中是有效的，并且可以用一种或多种冷凝器重新返回到第一反应之前的加热阶段。
冷凝器非常紧密(compact)并且提高效率。因此，从反应后的物料122中排放的蒸汽和气体132也优选地用于辅助加热流入的物料和维持第一反应的温度，从而减少本发明所述方法的能量损失。还可以将蒸汽和气体339送至一种或多种热交换器，该交换器放置在物料储存320之前，或者放置在其后。有些情况下，还可以将蒸汽直接回注到进料100中。优选地，来自第一反应330的蒸汽和气体339与蒸汽和气体132结合，在送至热交换器114之前。
在热交换器114中，蒸汽和气体相互分离。大多数蒸汽冷凝以得到冷凝物151。优选地，将该冷凝物重新定向，以与本发明所述方法中后面阶段产生的“生成水”相结合，下面将详细描述。剩余的少量的蒸汽伴随气体116排放。优选地，这些排放出的气体与本发明所述方法中后面阶段产生的其他气体结合，得到燃料气体。
在反应后的物料经过闪燃340，而且热量被恢复后，中间物料440通常包含至少一种反应后的液体产物、至少一种反应后的固体产物和水。所述至少一种反应后的液体产物通常是有机液体的组分；所述至少一种反应后的固体产物通常包含矿物质。中间物料优选地基本上不含气态产物。
图4显示应用于中间物料上的一系列分离。它是本发明所述方法的另外优点，即第一反应得到的中间物料进入一种或多种分离阶段处理，在第三阶段反应处理之前去除矿物质和水。分离阶段使用诸如离心机、水力旋流器、分馏塔、过滤设备和筛子的分离设备，还可能使用蒸馏来从中间物料400中去除非常精细的碳固体。通常来说，进一步降压可以恢复更多的蒸汽，而且推动固/液分离，以恢复矿物质和其他固体。
中间物料400通常包含有机液体、水和矿物质，优选地使其经过第一分离410，在其中除去大多数矿物质412，并且生成有机液体和水的混合物414，其为低灰份。这样的分离被看作是固/液分离，并且可以用第一离心机或者通过固/液分离设备，例如通过机械或者非机械的方法，比如重力沉降来实现。分离出来的矿物质412通常是湿的，并且因此在进入干燥矿物质储存430之前先经过干燥阶段420。干燥阶段通常在正常的大气条件下进行。所得干燥矿物质可以找到相当可观的商业应用，用作土壤改善或者其他工业前体。
将有机液体/水混合物414经过第二分离440以去除水，并且留下有机液体500。这样的第二分离可以用第二液/液离心机(或者其他分离设备)实现。重力的差异允许生成的水和有机液体能够离心分离。被去除的生成水138中包含少量的溶解的小有机分子，比如甘油和一些源自蛋白质分解的水溶性氨基酸。生成水通常还包含氯杂质。在第三阶段反应之前分离出这些杂质代表本发明的另益处，因为由此后面的产物不被污染。
生成水138可以经过浓缩139，比如利用蒸发，生成水浓缩物151，其可以在本发明所述方法中循环使用，以及浓缩物153，将其定向至浓缩储存460。蒸发通常通过应用轻微的真空实现。浓缩物中主要包含氨基酸浆液、甘油，有可能有铵盐，比如硫酸铵或者磷酸铵，浓缩物将通常有商业价值，比如作为被称作“浓鱼汁”的肥料，在家用园艺商店中销售。
可以这样理解，本发明并不仅限于包含两个步骤的分离阶段。本发明也不受任何分离步骤的执行顺序的限制。因此，如果将中间物料400分离成产物，如有机液体、矿物质和水在单一步骤或者在两个以上步骤中发生，则与本发明是一致的。此外，在有些情况下，矿物质可以按照设计留在有机物料中，它们的分离由此不需要在第三阶段处理之前发生。
图5为本发明所述方法中的阶段，其中使从图4的分离阶段得到的有机液体500经过第三阶段140，以产生一种或多种有用产物。有机液体500通常在进行进一步处理之前进入保存容器。
有机液体500的一部分或者全部可以选择性地在进入第三阶段140之前进行处理，以得到一种或多种专用化学品143。根据这样的可选过程，有机液体500中的某些需要的部分通常经历分离过程，比如分馏510，或者与化合物，比如酒精发生反应，以生成另外的化合物，如同本领域的普通技术人员理解的。这样的分离过程产生专用化学品143，并且留下分馏液体145，这种液体经常被称作“重液体”，其包含更高分子量的有机分子，比如甘油三酸酯油。分馏液体145可以被重新定向至第三阶段140，以和有机液体500以相似的方式处理。
专用化学品143通常是有机化合物，比如脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪酸氨基化合物，或者一些氨基酸。优选地，专用化学品143是脂肪酸。更优选地，专用化学品143是C12-C20之间的脂肪酸。甚至更优选地，专用化学品143是C16-C20之间的脂肪酸。当专用化学品143是脂肪酸氨基化合物和脂肪酸酯时，它们通常通过与脂肪酸的反应形成。从诸如火鸡下水的原料得到的专用化学品143可以用作润滑剂、涂布剂和染料。
在第三阶段140中，有机液体500的水含量几乎为0，这样第三阶段的条件是将剩余的有机分子通过施用高温基本上分解，而不是用过量的、或者添加的水或者蒸汽水解。进行第三阶段的条件通常为大约400℃，如第三阶段反应器可以获得的。第三阶段通常持续大约5分钟到大约120分钟。实际上，液体的各个相在第三阶段反应器中消耗时间量各不相同。例如，蒸汽通过的相对较快，液体则要更久。第三阶段的输出分别包含烃蒸气和气体混合物148，比如二氧化碳、CO和氮和含硫的化合物，还有碳固体142。碳固体142优选地类似高品质焦碳。烃蒸气和气体混合物148通常包含油蒸气。第三阶段的条件优选被选择以优化碳固体142的纯度和烃蒸气和气体混合物148。快速冷淬热蒸气，比如烃蒸气和气体混合物148，停止反应，并在第三阶段后减少碳焦的形成。在优选实施方案中，快速冷淬蒸气可以通过将蒸气分配至充满水的室中，或者通过使用热流体和冷却介质的多个冷淬步骤实现。在使用这种多个冷淬步骤时，优点在于从油中取出多种馏分(柴油和汽油等)，这样能将各种馏分分配至单独的商业应用。或者，在另外的实施方案中，油蒸气可以在输入的有机液体存在的情况下被快速冷淬，由此同样促进能量回收。
通常来说，第三阶段在大约310℃到大约510℃之间进行，这样下述两种转化中至少一种能够完成。第一，将脂肪酸分解成烃。这可以通过在大约316-400℃之间从每个脂肪酸分子中去除羧基实现。第二，烃分子本身被“打碎”以形成较低分子量的分子分布，这个过程能够在大约450-510℃之间完成。然而，烃通常在480℃以上的温度发生“打碎”。优选地，第三阶段在高于第一阶段的温度进行。可以理解为，这里描述的可用于第三阶段的温度可以在不显著背离本发明原理的基础上变化。例如，第三阶段能够在大约300-525℃之间有效完成，400-600℃之间也可以。在一些实施方案中，第三阶段反应器的温度在大约400℃和大约510℃之间。
此外，在至少一个实施方案中，第三阶段反应器被轻微加压，以达到大约15psig和大约70psig之间的压力，即从大约高于大气压15psi，到高于大气压大约70psi。优选地，第三阶段反应器中的压力低于第一阶段反应器中的压力。
产生自第三阶段的碳固体142通常先进入碳固体冷却器630，其中碳可以失去它的剩余热。在冷却后，将碳固体142送至碳储存540，并且可以出售用做多种用途。例如，碳可以作为“土壤改善剂”出售，在家用园艺中使用，因为土壤中的很多细菌需要碳源。具体地，生成的碳的品质与很多形式的“活化碳”相似，并且因此还可以作为吸收汽车排放蒸气的材料应用，或者用于家用水过滤器中。另外，因为不同的纯度水平，碳可能作为固体燃料比如煤，但是不具备煤产物中通常存在的从污染物燃烧产生有害排放物的缺点。还有能够将很多环境有毒物质中和，通过在土壤基质中使用本发明所述方法生成的碳固体这样的碳添加剂。
除了碳固体142之外，或者在不是碳固体142时，本发明所述方法生成的有用的产物可以是清洁煤。当新进料是原煤时生成清洁煤。已经发现由本发明所述方法生成的煤粉比通常可获得的原煤有更少的含硫和含氯污染物，这是优点。本发明所述方法生成的煤的这些性质使它们特别具有作为清洁燃烧燃料的来源的吸引力。
由第三阶段反应器生成的烃蒸气和气体混合物148通常被定向至冷却器/冷凝器850，其将混合物分成燃料气体146和烃油144。燃料气体146具有热值，并且本身可以在本发明的过程内部被重新分配，以提供不同阶段加热的能量，或者能够用来发电或产生其他形式的能量，用于外部或者内部。油144通常包含碳链为20或者更少的碳原子的烃。在这方面，混合物与燃油，比如#2级柴油中的轻组分类似。这样的产物也是商业上适合销售的。然而，可以这样理解，油144的精确组成取决于原料。因此当原料由轮胎组成时，得到的油的组成与原料是火鸡下水时不同。已经发现，从脂肪含量高的原料中得到的油富含烯烃和二烯烃。如果不需要，这些烯烃可以通过再饱和或者分离方法从油中去除。
当新进料是城市污水污泥时，优选地促进从无机材料中分离有机的材料。因此，在优选实施方案中，在这种生物衍生烃的情况中，将一些烃油144重新定向到新进料或者第一反应的产物中，以辅助材料的上浮。在其他的实施方案中，可以使用例如从快餐出口得到的材料，如捕油器油脂(trap grease)。材料上浮的原理是比水轻的材料被引入新进料中，或者引入第一反应的产物中，以辅助比水重的有机材料的上浮，从而促进从无机材料中分离有机材料。结果得到比不辅助上浮时更易于离心的浆液。
本发明所述方法进一步的优点是所有产物都不含DNA和病原体。即，它们不含有来自动物细胞、细菌、病毒或者朊病毒的病理材料。这样的物质不在本发明所述方法中完整存活。这是重要的结果，因为在农业应用中使用本发明所述方法的任何产物没有风险，这些应用中的这些分子可能重新进入食品链是危险的。
将来自分离阶段的反应后的液体产物，比如有机液体转化成烃混合物和碳固体的设备，是适合的用于本发明中的第三阶段反应器。如图6所示，本发明的实施方案中的第三阶段反应器600包含加热器610，用于加热有机液体，从而产生液体和汽化油的混合物；反应器620，用于将液体和汽化油的混合物转化成碳固体142，和烃蒸气和气体混合物148；第一冷却器630，用于接收碳固体142；还有第二冷却器640，用于接收烃蒸气和气体。第三阶段反应器600还可以包含与反应器620相连的流体/固体分离器624，用来从碳固体142中分离烃蒸气和气体148。
优选地，加热器610有效而紧密，包含大量的内管，其产生很大的热交换表面积。加热器610通常是“火焰加热器(fired heater)”。加热器610通常具有用于接收有机液体和蒸汽602的入口，和用于将加热的有机液体/蒸汽混合物定向至反应器620的出口。在进入加热器610时，大约2-5重量％的蒸汽602伴随有机液体。这样的蒸汽量帮助均衡加热并防止加热器内积累残余物。在优选实施方案中，使用一个或多个预热器来加热有机液体500，然后与蒸汽混合，和/或传递至加热器610。第三阶段的压力由储存500后面的泵系统施加。
反应器620优选地包含至少一个加热的螺旋(auger)，并分别设置有入口和出口，用于接收来自加热器610的液体和汽化油的加热的混合物，以及将烃和气体的混合物和碳固体定向至流体-固体分离器。将加热的液体和含蒸汽的汽化油的混合物经过反应器620，在其中分解成碳固体，以及烃气体的混合物，其优选包含油和燃料气体的组分。通常，产生的碳固体的量为液体和汽化油的混合物的大约10重量％。在其它实施方案中，视原材料的组成而定，产生的碳固体为液体和汽化油混合物的大约5重量％到20重量％之间。在本发明的一些实施方案中，为了避免在反应器620中生成过量的碳固体，将处理的原料量进行了调整。
螺旋适合用来产生烃混合物和碳固体，因为它允许控制输入的有机液体的停留时间和温度，而且因为它允许对碳固体和挥发性产物进行有效的分离。优选地，选择螺旋的尺寸使所得到的烃混合物和碳固体的纯度得到优化。例如，螺旋的横截面直径(cross-sectional diameter)主要决定了蒸气通过它的流速。优选地，流速不那么高，使得用蒸气携带灰尘通过，以产生不纯的烃混合物。有机液体、蒸气(vapor)和蒸汽(steam)的加热的混合物在其反应时，其停留时间也决定了螺旋的尺寸。
优选地，第三阶段反应器600包含与反应器620的出口相连的流体-固体分离器。流体-固体分离器优选具有用于烃和气体的第一出口，和用于碳固体的第二出口。将来自烃和气体的混合物的一些燃料气体优选地重新定向回加热器610，并燃烧以帮助维持加热器内的温度，从而提升本发明的方法的总效率。
将经常处于高达大约500℃的温度的碳固体定向至第一冷却器，即碳固体冷却器630中，其优选为冷却螺旋，该螺旋通过气塞设备(air lock device)与反应器相连，或者任选的流体-固体分离器。在本发明的一些实施方案中，可以使用多于一个冷却螺旋630。优选的是将水632引入碳固体冷却器630以辅助冷却过程。将碳固体任选地通过输送螺旋(transfer auger)或一些其它的运输设备，如链斗升降机(bucket elevator)654转移至成品储存系统650，或者转移至另一个加热器/反应器以活化碳固体。
用于接收烃蒸气和气体的混合物的第二冷却器640优选地包含碳颗粒分离器，用于分离出任何残留的碳固体，并将其送回反应器620。
本发明的方法的修正形式可以用来将蒸汽注入地下沥青砂(tar-sand)沉积物中，然后将沉积物在表面精制成轻油，使这种大量、难获取的资源更易获得。实验也说明本发明的方法可以从煤中提取硫、汞、石脑油(naptha)和烯烃(olefins)——所有可销售的商品，从而使煤燃烧得更热更清洁。通过本发明的方法进行预处理也会使一些煤更易碎，因此在发电厂燃烧之前需要较少能量将它们粉碎。
对于某些原料，本发明的方法使用设备用于从流体中分离精细的悬浮固体，作为物料制备阶段的一部分。例如，城市污水污泥通常包含300ppm固体，因此太稀薄以至于若没有在先的浓缩，用本发明的方法不能有效地处理。因此，优选使用分离器以通过过滤出颗粒从软浆液(weak slurry)，如MSS中去除水。这些颗粒然后在更浓缩的浆液(具有10,000ppm到500,000ppm范围内的颗粒浓度)中伴随一些水被捕获，并排出多余的水。浓缩的浆液于是成为本发明的方法使用的原料。
另外，很多其它工业和商业应用要求悬浮固体从液体中分离。图7说明了本发明的优选实施方案的分离设备700，该设备可用于这样的分离。要求分离固体悬浮物的应用的另一个实例是从全血中分离红细胞和白细胞。当悬浮固体颗粒的尺寸较大，或者它们的密度与流体的密度明显不同时，有很多不同类型的可以分离它们的设备。例如，其开口小于悬浮固体颗粒的很多不同构型(configuration)的过滤器，可以用于在应力下不明显变形的固体物质。当固体颗粒和流体之间存在明显的密度差异时，可以有效使用澄清器(clarifier)、沉降室(settling chamber)和简单的旋风器(simple cyclone)。当尺寸或者密度差异变小时，使用离心力的有源设备(active device)比较有效。然而，对于非常小的颗粒尺寸，其含有可变形的物质，所述物质的密度与悬浮流体的密度只有轻微差别时，所有这些分离设备的效率显著降低。
关于本发明的优选方法，当悬浮固体小、可变形、而且密度差异小时，一个应用是城市污水污泥(MSS)。MSS中的悬浮物质主要包括来自细菌的细胞物质和细胞碎片，而且通常具有大约1微米的尺寸。这种材料能够变形，而且有效密度不超过(within)悬浮的水介质有效密度的10％。在制备MSS作为本发明的方法的原料时，从水中分离这种固体物质是优选步骤。这种分离可以通过使用离心机实现；然而，在优选实施方案中，使用了分离设备700。
根据本发明的优选实施方案，优选使用分离设备700，如图7所示，用于分离原材料，如MSS的固体和液体组分，然后通过本发明的方法进行进一步处理。这样的设备还可以用于其它工业或者商业废水污泥，其固体颗粒可变形，或者其有效密度不超过液相有效密度的约10％。
设备700优选地包含托架(housing)702，所述托架包括安装在内室706中的旋转配件704，所述内室706具有截头圆锥体的形状(frusto-conical shape)。内室706的形状通常包含具有锥度的截头圆锥的部分，及截头体(frustum)的基部和/或顶部的额外部分，其罩住(house)旋转配件704的其它部分。托架702优选地包含旋转箱底(spinner case bottom)714和旋转箱顶(spinner case top)716，其彼此相连，围住(enclose)旋转配件704。分离设备700进一步包括入口710和与内室相连的第一出口730，以及第二出口750。入口710允许向内室的固定内壁720和旋转配件之间的环形空间712内引入含有悬浮固体的流体。
旋转配件包含截头圆锥型的内空的圆柱体，其优选地由旋转器底722组成，所述旋转器底与锥形的(tapered)圆柱壁724相连，而724本身与旋转器顶718相连。旋转配件同心地安装在空心轴726的纵轴736上，所述空心轴726以通常在大约1,000r.p.m到50,000r.p.m范围内的速度旋转。在分离MSS的优选实施方案中，旋转速度为大约10,000r.p.m。优选地，选择旋转速度，使得混杂流动(chaotic flow)最小化。旋转配件是锥形的，使得有效的横截面随着宽度的变窄而减小。圆锥的角度通常在大约1°到大约10°之间。在优选实施方案中，圆锥的角度为大约2°到大约2.5°之间，甚至更优选为大约2.25°。旋转配件的空心内部与第二出口750相连。
优选地，出口710和分离器设备700内部之间有压差。通常，压差为大约3-150p.s.i.之间，并通过两个泵(图7中未显示)控制。
不同尺寸的分离器的流速将与旋转圆柱体的表面积成比例(scale with)。优选地，设置出口和环形间隙以提供大约1到大约200加仑每分钟的流速。更优选地，流速为大约1到大约20加仑每分钟。甚至更优选用于处理MSS时，流速为大约10加仑每分钟。
将旋转配件的壁724穿孔(perforate)。壁724上孔的大小通常为大约1到大约200微米。优选地，孔大小为大约50微米。壁724优选由塑料材料制成，所述塑料材料如HDPE，或者不吸湿的任何其它材料，以避免操作过程中孔的闭塞(closure)。
流体和悬浮物质以通常的轴向沿着环形通道712流动，而流体中的一部分流过被穿孔的旋转壁724进入圆柱体的空心内部728。空心内部728通过轴入口732与空心轴726相连。因为处于旋转圆柱体表面的剪切力和离心力，大多数悬浮颗粒不能与流体一起流过穿孔的圆柱体。圆柱体的旋转速度有效地决定了悬浮颗粒上的剪切力和离心力，而这可用于控制无法和流体一起流过穿孔圆柱体的颗粒的最小尺寸。流入圆柱体728的内部的水和颗粒随后流过轴入口732进入空心轴726的中心，并在通过第二出口750被排放之前流向轴出口734。
环形通道712中的物质随着旋转圆柱体的运动而沿着狭窄的螺旋形流路流动。优选地，环形通道712的厚度沿其长度是恒定的。对于一些应用，这个环形空间可能从顶部到底部变化。环形空间的变化能赋予穿孔的旋转器表面附近的流动条件。用于排放此时浓缩的流体物流的第一出口730在环形通道远离入口的一端提供。
图7的设备的操作优选不依赖于方向。在优选的实施方案中，锥形圆柱体的轴与底部的第一出口730成垂直方向。
图7中设备相对于本领域已知的其它分离设备的优点是，它能处理具有广泛颗粒特性的污泥，具体包括具有尺寸范围低于1微米的可变形悬浮固体的那些，或者其密度在悬浮流体密度的10％之内的那些。在优选实施方案中，设置壁724中的环形间隙和孔尺寸用于分离城市污水污泥的悬浮物。在本发明的方法的一些实施方案中，平行使用了很多这样的分离器，以实现原材料的高通量分离。
可以理解的是，图7中表示的分离器700没有准确地按比例(to scale)绘制，尽管各个元件彼此大约成比例。因此，分离器700可以根据机械工程和设计领域的一名普通技术人员熟悉的普通原理来构建。
在优选实施方案中，旋转器底722的外直径为大约2”，而旋转器顶718的外直径为大约2.2”。旋转箱底714的优选长度在大约7”和大约8”之间。旋转器壁724的优选长度在大约4”和大约6”之间，而且它的优选厚度优选沿其长度恒定，且为大约1.5”。与这样的旋转器相连的出口730的优选直径为大约0.8”，且旋转箱底的外直径优选为大约3”。那么旋转箱顶的外直径优选为大约4”。轴726是中空的，并优选具有大约0.25”的内直径。轴726的外直径可沿其长度变化，并可为大约0.5”和大约0.75”之间。在这样的实施方案中，轴入口732和轴出口734之间的距离可为大约6”。环形通道712的厚度优选为大约0.05到大约0.5英寸。
本文提供的优选尺寸将只被看作一个例子，而且根据设计选择和期望的通量，本领域的普通技术的机械工程师将能够放大或者缩小分离器700的各元件的尺寸，以达到操作效率。
实施本发明的方法的全部设备优选地伴有计算机化的控制系统，其包含简单控制器用于阀、泵和温度。开发这样的系统在计算机过程控制工程领域的一名普通技术人员的能力之内。
本发明的设备可以根据需要调整。例如，可预见每天处理几千吨废物的设备(plant)，同时也可以建立移动式设备，其能够在平板载货车的后背上运输而且可以每天只处理一吨废物。
实施例实施例1中试装置(pilot plant)已经利用本发明的设备和方法建立了中试装置。这个中试装置每天可以处理大约7吨废物。
根据该中试装置的一个例示性应用，实验原料是火鸡加工设备的废物羽毛、骨、皮肤、血、脂肪、内脏。将10,044磅的这种物质投入设备的第一阶段350马力的磨具(grinder)，其可将物质变成灰褐色浆液。从此，物质流入一系列加热和转化(reform)混合物的罐子和管路。
两小时后，产生了蒸汽精细油(steaming fine oil)的浅褐色物流。通过此方法产生的油非常轻。最长的碳链是C20。产生的油与一半燃料油、一半汽油的混合物类似。
已证明本发明的方法对于复杂原料如火鸡下水的能量效率为85％。这意味着对于进入装置的原料中每100B.t.u.(英国热量单位)，只有15B.t.u.用于实施方法。对于相对干的材料，如碳含量大(carbon-heavy)或者湿含量小(miosture-light)的原材料，如塑料，效率甚至会更好。
第一阶段反应器，包含大约20英尺高、3英尺宽，且绝对绝缘，并用电热线圈包覆的罐。在第一阶段反应器中，原料通过加热和加压的方式水解。温度和压力都不是非常极端或者大量消耗能量而产生的，因为水帮助将热传递到原料中。中试装置中其通常只花大约15分钟用于进行此过程。
有机物质在反应器容器中被加热和部分解聚后，第二阶段开始。在这个阶段，浆液被降至较低的压力。快速的降压立即释放浆液大约一半的自由水。通过降压来脱水远远比加热并使水沸腾更有效，具体是因为没有热量浪费。“闪蒸出物质(flashed-off)”是水，其被送上管路，所述管路通回到本过程的一开始，以加热进入的过程物流。
在此第二阶段中，将矿物质沉淀出来，并分流到储存罐。在火鸡废物中，这些矿物质大部分来自骨。矿物质作为富含钙和磷的干燥褐色粉末出现。它可以被用作肥料，因为在微量营养物(micro-nutrient)方面平衡得很好。具体地，它具有微量营养物和大量营养物(macro-nutrient)的有用范围。矿物质包含适当量的元素，如健康植物生长和发育所需的钙和磷。
在中试装置中，残余的浓缩有机物质流入第三阶段反应器中，并进行第三阶段处理，如上所述。将处理产生的气体现场(on-site)用于装置，以加热本发明的过程。油和碳作为有用的更高价值产物流入储存设备。
依赖于原料和第一与第三阶段的处理时间，本发明的方法可以制造其它的专用化学品，所述化学品在本方法的不同部分被提取。例如，火鸡下水能够制备脂肪酸，用于肥皂、轮胎、涂料和润滑剂中。
实施例2操作装置正在进行完全尺寸的商业规模的安装，意图每天处理超过200吨的火鸡废物。这个装置被设计来生产每天大约10吨气体，将所述气体返回系统以产生热量来为系统提供动力。这个装置将产生大约21,000加仑水，所述的水足够清洁以排放到城市污水系统中，而且也不含有病原性的载体。这个装置还将产生大约25吨的矿物质、浓缩物和碳，和大约500桶与#2取暖用油(heatingoil)同级的高品质油。
实施例3废产物的例示性转化表1显示当使用本发明的方法将100lbs的每种下述废产物转化成有用材料时，它们的终产品及其比例城市污水废物(包含75％的污水污泥和25％的油脂分离器(grease trap)废物)；禽类加工废物(包含器官、骨、血、羽毛和脂肪)；纸和重油(比如真空精制的(refinery-vacuum)残留物和沥青砂)。表1中的量以磅表示。
表1

对于纸，数字是基于纯纤维素的；据估计特殊纸原料，如新闻纸或者办公室废纸的产量在这些数字的10％之内。
来自城市污水污泥的固体输出物还可能包含重金属。
值得注意的是，来自牛(cattle)和猪肉(pork)加工废物的产量与来自家禽加工废物的产量相似。
实施例4生物衍生的油(bio-derived oil)使用本发明的方法，可以从广泛的有机物质中产生生物衍生的油。来自火鸡下水的一种这样的生物衍生的油，包含C-20和较短碳链的组分，并且当用作燃料时实际上消除颗粒排放(particulate emission)。这种油为精炼厂或混合器(blender)提供窄范围的40+的美国石油协会(American Petroleum Institute)(API)可再生油，其可以用作替代燃料，或用于可燃燃料的混合组分。这种油的显著特性示于表2中，其中的规范方法(specification method)通过ASTM(美国试验材料学会(American Society for Testing Material))代码给出。
表2


在表2中，烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃的重量百分比指含有至多13个碳原子并包括13个碳原子的分子。
实施例5第三阶段反应器和冷却器/冷凝器的实施方案图8A和8B显示了用于本发明方法的设备的实施方案。一些元件也显示在图6中。
图8A显示了本发明的方法中第三阶段使用的设备。有机液体500进入储存罐812。任选地，可将有机液体和油定向至液/液分离器814中，并分成分馏液体/油的第一部分820和残留的分馏液体/油的第二部分822。可将分馏液体/油的第一部分定向至成品储存818，并作为可以被回收或者出售的分馏液体/油820来分销。将分馏液体/油的第二部分822重新定向至一个或者多个预热器830。
被加热后，将分馏液体/油822或未被分离的液体/油500送至加热器610，优选伴有蒸汽602。将得到的液体和汽化液体/油836送至反应器620，如螺旋，并分离成烃蒸气和气体148，以及碳固体142。将烃蒸气和气体148送至冷却器/冷凝器850，其在图8B中进一步描述。将油蒸气和气体中任何残余的颗粒，如残余的碳固体844除去，并返回到反应器620。
将碳固体142通过气塞846定向进入碳固体冷却器630，其中它们与水632混合。将得到的水和碳固体的混合物通过另一个气塞854送入成品储存系统650中。可将最终产物碳固体142分配到一个或多个商业应用中。
用于与图8A中所示的设备800一起使用的是图8B中所示的冷却器/冷凝器850。冷却器/冷凝器850使很多分离循环更容易进行，在所述分离循环中，油蒸气和气体的混合物，其中可能还包含水和颗粒，进行多个不同的分离步骤。将来自反应器620的烃蒸气和气体148进入碳颗粒分离器842，其分离出残余的固体颗粒，如残余碳固体844，并将这些固体重新定向回反应器620。
从碳颗粒分离器中产生的烃蒸气和气体进入蒸汽淬火系统(vaporquenching system)860，按照本领域一个普通技术人员理解的一般原理进行处理。由蒸汽淬火系统，油和气体870进入油/水/气分离器872，其进一步分离各种组分，如油862、废油876、气体和LPG(液化石油气体)874，以及油/碳浆液881。
油862进入热交换器864，并此后进入成品储存系统866，并作为油144出售。
气体和液化石油气体(“LPG”)874进入冷凝器890，其中从其它气态组分中分离LPG 898。将气体894送至过热器(super heater)892以得到燃料气体146，其可以作为能源传送至一个或多个设备。LPG 898以下述方式回收。首先，将LPG 898通过液/固分离器884，并去除任何残余碳固体886。然后，将分离过的LPG，与从油/碳浆液881中分离的油混合，返回到油/水/气分离器872，进行进一步的分离。气体和LPG混合物被分离和冷凝的循环可以按照期望重复多次。
还可将油/固体混合物，通常为油/碳浆液881，从油/水/气分离器872定向至液/固分离器884中，以去除残余碳固体886。将分离的油，与LPG混合，优选地返回到油/水/气分离器，适当地用于进一步的重新定向。
来自油/水/气分离器872的废油(slop oil)876进入油/水分离器878中，并将水880释放或者回收。将来自油/水分离器的油882送回到油/水/气分离器中，用于分离循环的进一步重复。
前面的描述意图说明本发明的各个方面。无意用本文提供的实例限制本发明的范围。本发明现在被充分地描述，对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不背离所附权利要求书的精神或范围的情况下，可对其进行多种变化和修正。
权利要求
1.用于将原料转化成至少一种有用的材料的方法，其中所述原料包含碳水化合物和蛋白质，该方法包括从原料制备浆液；在第一反应中使浆液发生反应，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水；其中所述第一反应包括加入一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离；从该反应后的物料中分离所述至少一种反应后的固体产物，水和至少一种反应后的液体产物；和在第二反应中将所述至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用的材料。
2.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料是碳固体。
3.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料包含烃混合物。
4.权利要求3所述的方法，其中所述烃混合物包含燃料气体和油。
5.权利要求1所述的方法，其中所述制备包含从所述原料中去除氨。
6.权利要求1所述的方法，其中所述第一反应在约20-120个大气压的压力进行。
7.权利要求6所述的方法，其中所述压力为约50个大气压。
8.权利要求1所述的方法，其中所述第一反应在大约150℃到大约330℃的温度范围进行。
9.权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种试剂是钠。
10.权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种试剂是硫。
11.权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种试剂产生适合释放氨的还原条件。
12.权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种试剂在原位生成H2SO4。
13.权利要求1所述的方法，其中所述反应分离出至少一种污染物。
14.权利要求13所述的方法，其中所述至少一种污染物是含硫物质。
15.权利要求13所述的方法，其中所述至少一种污染物是含汞物质。
16.权利要求13所述的方法，其中所述至少一种污染物是含卤素的化合物。
17.权利要求1所述的方法，其中所述反应分离出蒸汽。
18.权利要求17所述的方法，其中所述蒸汽被重新定向，以在所述制备的过程中加热所述浆液。
19.权利要求1所述的方法，其中所述分离包含第一分离和第二分离。
20.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种液体产物包含至少一种脂肪衍生物或者脂肪酸。
21.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种固体产物包含至少一种无机化合物。
22.权利要求1所述的方法，其进一步包含在进行所述转化之前，将所述至少一种液体产物中的一部分转移，并单独地将所述部分转化成至少一种专用化学品。
23.权利要求22所述的方法，其中所述至少一种专用化学品包含脂肪酸。
24.权利要求1所述的方法，其中所述第二反应在大约400℃到大约600℃的温度范围进行。
25.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料不含病原体。
26.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含城市污水污泥。
27.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含食品加工废物。
28.权利要求27所述的方法，其中所述食品加工废物包含火鸡下水。
29.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含动物粪便。
30.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含一种或多种选自下组的食品制造和分配的副产物火鸡下水、煎炸用油、玉米秸、稻壳、废料和最后压榨的食用油。
31.权利要求30所述的方法，其中所述最后压榨的食用油选自下组卡诺拉油、大豆油、棕榈油、椰子油、油菜籽油、棉籽油、玉米油和橄榄油。
32.权利要求1所述的方法，其中所述原料选自下组纸和其它木材工业制造的副产物、纸浆流出物和黑液。
33.权利要求32所述的方法，其中所述纸制造的副产物包含含有纤维素或者木质素的物质。
34.权利要求1所述的方法，其中所述原料选自下组叶、草剪切物、甘蔗渣、海生植物、废棉和动物废物。
35.权利要求1所述的方法，其中所述原料选自下组油精制残余物质、页岩油和钻探泥浆。
36.权利要求1所述的方法，其中所述原料选自下组海港中挖出的沉积物、工业污泥、研磨废物、煤精制废物和沥青砂。
37.权利要求1所述的方法，其中所述原料选自下组炭疽孢子、传染性医疗废物和生物病原体。
38.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料是含碳物质。
39.权利要求38所述的方法，其中所述含碳物质中去除了含汞污染物。
40.权利要求38所述的方法，其中所述含碳物质中去除了含硫污染物。
41.由权利要求1所述的方法制造的燃料油。
42.权利要求41所述的燃料油，其中所述燃料油是#2取暖用油。
43.权利要求41所述的燃料油，其组分按照重量计约22％的链烷烃、约14％的烯烃、约3％的环烷烃、大约6％的芳香烃和大约55％的C14/C14+。
44.权利要求41所述的燃料油，其具有下述性质浊点大约-10℃；倾点大约-20℃；十六烷指数大约40；热含量大约18800BTU/lb。
45.通过方法制造的燃料油，所述方法包括从含碳原料制备浆液，其中所述原料包含碳水化合物和蛋白质；在第一反应中使所述浆液发生反应，以制备反应后的物料，其中包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水，其中所述第一反应包括加入一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离；从该反应后的物料中分离所述至少一种反应后的固体产物，水和至少一种反应后的液体产物；在第二反应中将所述至少一种反应后的液体产物转化成燃料油。
46.将原料转化成至少一种有用材料的方法，其中所述原料包含碳水化合物和蛋白质，该方法包括从原料制备浆液；使浆液通过热交换器以产生调节的浆液，在所述热交换器中排出一种或多种气体；在第一反应中使调节的浆液发生反应，其中释放蒸汽和气体，生成反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水，其中反应后的固体产物包含至少一种矿物质，而其中所述第一反应包括加入一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离；降低反应后的物料的温度和压力，生成中间物料；从中间物料中分离所述至少一种矿物质，从而产生包含至少一种反应后的液体产物和水的混合物；将所述水转移至存储装置；使所述至少一种反应后的液体产物进行第二反应，其中生成烃蒸气和气体的混合物和碳固体。
47.将原料转化成至少一种有用的材料的设备，其中所述原料包含碳水化合物和蛋白质，该设备包括预处理单元，用于从原料生成加热的浆液；与所述容器相连的第一阶段反应器，用于接收所述加热的浆液，设置所述第一阶段反应器以使所述加热的浆液经受第一高温和第一高压，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水，而且其中也设置所述第一阶段反应器以接收一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离；至少一个与第一阶段反应器相连的第二阶段分离单元，用于接收至少一种固体产物、至少一种液体产物和水，设置所述单元以分离出所述至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；和与分离单元相连的第三阶段反应器，以接收所述至少一种反应后的液体产物，设置所述第三阶段反应器以使至少一种反应后的液体产物经受第二高压和第二高温，从而将至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用的材料。
48.权利要求47所述的设备，其中所述预处理单元包含原料制备单元，其包括制浆设备，用于从原料制造原料浆液；与原料制备单元相连的容器，用于接收来自所述原料制备单元的原料浆液，进行配置以给所述浆液加压的泵，和进行配置以加热所述浆液的热交换器，以产生加热的浆液。
49.权利要求47所述的设备，其中所述第一高压为大约20-120个大气压。
50.权利要求47所述的设备，其中所述压力为大约50个大气压。
51.权利要求47所述的设备，其中所述第一反应在大约150℃到大约330℃范围内的温度进行。
52.权利要求47所述的设备，其中所述第一阶段反应器额外分离出被重新定向至原料制备单元的蒸汽。
53.权利要求47所述的设备，其中所述一种或多种试剂是钠。
54.权利要求47所述的设备，其中所述一种或多种试剂是硫。
55.权利要求47所述的设备，其中所述一种或多种试剂产生适合氨释放的还原条件。
56.权利要求47所述的方法，其中所述一种或多种试剂在原位生成H2SO4。
57.权利要求47所述的设备，其进一步包含单元，用于接收至少一种反应后的液体产物中的一部分，并将该部分转化成至少一种专用化学品。
58.权利要求47所述的设备，其中所述第二高温在大约400℃到大约600℃之间，而第二高压为大气压以上大约15到大约50psi。
59.权利要求47所述的设备，设置所述设备以接收包含橡胶材料的原料。
60.权利要求47所述的设备，其中所述原料包含一种或多种轮胎。
61.权利要求47所述的设备，设置所述设备以接收包含食品加工废物的原料。
62.权利要求47所述的设备，设置所述设备以接收包含混合塑料的原料。
63.权利要求47所述的设备，设置所述设备以接收包含城市污水污泥的原料。
64.权利要求47所述的设备，其进一步包含用于储存至少一种有用的材料的储存单元。
65.权利要求47所述的设备，其中所述至少一种有用的材料包含碳固体。
66.权利要求47所述的设备，其中所述至少一种有用的材料包含烃混合物。
67.用于将城市污水污泥转化成至少一种有用材料的方法，其中所述城市污水污泥包含碳水化合物和蛋白质，该方法包含从城市污水污泥制备浆液；在第一反应中使浆液发生反应，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水，其中所述第一反应包括加入一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离；从该反应后的物料中分离所述至少一种反应后的固体产物，水和至少一种反应后的液体产物；将所述至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用的材料；和在第二反应中，将所述至少一种固体产物转化成烃油混合物、燃料气体以及矿物质和碳的混合物。
68.权利要求67所述的方法，其中所述第一反应在大约170℃到大约250℃之间的温度进行。
69.权利要求67所述的方法，其中所述第二反应在大约300℃到大约525℃之间的温度进行。
70.权利要求67所述的方法，其中所述一种或多种试剂是钠。
71.权利要求67所述的方法，其中所述一种或多种试剂是硫。
72.权利要求67所述的设备，其中所述一种或多种试剂产生适合氨释放的还原条件。
73.权利要求67所述的方法，其中所述一种或多种试剂在原位生成H2SO4。
74.将火鸡下水转化成至少一种有用材料的方法，其中所述火鸡下水包含碳水化合物和蛋白质，该方法包含从火鸡下水制备浆液；在第一反应中使浆液发生反应，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水，其中所述第一反应包括加入一种或多种试剂，其抑制碳水化合物水解并促进胺解离；从反应后的物料中分离至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；和在第二反应中，将至少一种反应后的液体产物转化成烃油的混合物、燃料气和碳。
75.权利要求74所述的方法，其中所述第一反应在大约150℃和大约330℃之间的温度进行。
76.权利要求74所述的方法，其中所述第二反应在大约300℃和大约525℃之间的温度进行。
77.权利要求74所述的方法，其中所述第一反应在大约250℃进行。
78.权利要求74所述的方法，其中所述第一反应在20-120个大气压之间的压力下进行。
79.权利要求74所述的方法，其中所述第一反应在大约50个大气压的压力下进行。
80.权利要求74所述的方法，其中所述一种或多种试剂是钠。
81.权利要求74所述的方法，其中所述一种或多种试剂是硫。
82.权利要求74所述的设备，其中所述一种或多种试剂产生适合氨释放的还原条件。
83.权利要求74所述的方法，其中所述一种或多种试剂在原位生成H2SO4。
全文摘要
本发明涉及处理废物和低值产物，以可接受的成本和高的能量效率制造纯度和组成可靠的有用材料。具体地，本发明包含多阶段方法，所述方法将多种原料(100)，比如下水、动物粪便、城市污水污泥和其它具有较小商业价值的物质，转化成包括气体(146)、油(144)、专用化学品(143)和碳固体(142)的有用的材料。所述方法将原料(100)在还原性环境中加热和加压，所述还原性环境通过可控地添加硫和钠来实现，分离出(130)各种组分，然后对这些组分中的一种或多种进一步加热和加压。本发明进一步包含用于实施将废产物转化成有用材料的多阶段方法的设备，以及由所述方法产生的至少一种油产物。
文档编号C10L1/04GK101068906SQ200580041172
公开日2007年11月7日 申请日期2005年9月22日 优先权日2004年9月30日
发明者布赖恩·S·阿佩尔, 詹姆斯·H·弗赖斯, 威廉·F·兰格 申请人:Ab-Cwt公司