使用可燃液体制备焙烧的生物质材料的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及赔烧的生物质和/或生物固体，且特别地，设及一种包含可燃液体的赔 烧的密实化的生物质和/或赔烧的密实化的生物固体W及使用可燃液体制备该赔烧的密实 化的生物质和/或生物固体的方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石燃料供应的减少，生物质和生物固体正变成重要的能量来源。石油、煤炭 和其它化石燃料的燃烧也导致污染物和溫室气体被释放到空气和水中。生物质和生物固体 是可再生的，产生比化石燃料显著少的溫室气体并且广泛易得。然而，天然生物质和生物固 体通常具有低的密度，导致低效的储存和运输。天然生物质和生物固体的低能量密度W及 较高含水率也阻碍了天然生物质和生物固体作为热能来源或作为煤炭替代品的广泛使用。
[0003] 近来，已经开发的天然生物质和生物固体的赔烧是通过将所述生物质和生物固体 在无氧或低氧环境中缓慢加热到约300°c的最大溫度W将所述生物质和生物固体转化为一 种木炭样态。缺氧使得所述生物质和/或生物固体免于燃烧，而是，使得所述材料被赔烧。缓 慢加热生物质和生物固体也导致质量的损失，运是由于天然生物质和生物固体中的挥发性 有机化合物(V0C)被汽化。赔烧也引起该材料的细胞结构的化学改变，导致质量的部分损失 W及机械强度和弹性丧失。因此，赔烧也产生出具有增强的易碎性和可磨性的产品。此外， 赔烧的材料是疏水的，因此，保持干燥并且对大气湿度不敏感。运降低了材料在保存时腐 烂、过热和自燃的风险。
[0004] 现有的赔烧方法通常需要热处理方法中的高压蒸汽、高溫惰性气体或过热蒸汽中 的一种。也可W使用采用气体或压力或真空方法的其它赔烧工艺。然而，大多数运些现有技 术不能W-种简单、容易、快速、实用、安全、统一且经济的方式有效地且实用地将生物质转 化成赔烧的木材。特别是，采用任何种类的惰性气体或蒸汽都需要具有大量的表面积的大 的容载系统，设备成本高，能量成本高，处理速度缓慢，W及总操作效能低下因而生产成本 高。为容纳惰性气体或蒸汽传热介质，运些系统和设备复杂而又庞大，且考虑到伴随蒸汽所 需要的高操作压力，经常需要重型材料。此外，运些系统常需要超过一小时来赔烧生物质。 因此，现有技术在可扩展性方面仍然存在挑战。
[0005] 最近的赔烧方法也采用了生物液体（如，植物油、大豆油、介花油（canola oil)或 动物脂），石蜡族控、油、烙盐或石蜡，W加热和赔烧生物质。然而，运些技术中的一些需要设 计复杂的用于容纳液体和赔烧生物质的外壳，且在赔烧过程中，需要生物质通过多个容纳 液体的池、河或液体隔室。因此，运些工艺可能需要额外的工程计划，复杂的设计W及大体 积的赔烧液体。而且，运些方法在赔烧处理前经常需要预热阶段和/或干燥阶段，因此，操作 昂贵且耗时。
【发明内容】
[0006] 本发明的示例性实施例大体设及一种包含可燃液体的赔烧的密实化的生物质和/ 或生物固体w及使用可燃液体制备该赔烧的密实化的生物质和/或生物固体的方法，所述 可燃液体W控为例，如植物源的油、海洋源的油、动物源的油、石油产品和基于渐青的产品。
[0007] 在此公开本发明的用于制备赔烧的密实化的生物质和/或赔烧的密实化的生物固 体的示例性方法，其中使用可燃液体来赔烧密实化的生物质材料和/或密实化的生物固体 材料。该示例性方法可W包括两种起始材料中的一种：（i)开始的起始材料可W是天然生物 质和/或生物固体，其在可燃液体中在加热前经历密实化;或（ii)开始的起始材料可W是在 市场上现成的密实化的生物质和/或密实化的生物固体。
[0008] 本发明的示例性方法大体包括W下步骤:密实化天然生物质和/或生物固体;将密 实化的材料浸没在加热到约160°c至约320°C范围内的溫度的可燃液体中；W及在该加热的 可燃液体中赔烧该密实化的材料约2分钟至约120分钟W产生赔烧的密实化的生物质和/或 生物固体。得到的赔烧的密实化的材料包含约2%至约25%重量/重量的可燃液体。可将密 实化的生物质和/或生物固体从所述密实化工序直接转移至可燃液体中W使在生物质/生 物固体密实化中获得的任何热损失最小化。由于加热的密实化的生物质和/或密实化的生 物固体在可燃液体中将需要较少加热，运样可W提高该方法的效能。
[0009] 在密实化后或将密实化的材料转移至可燃液体中之前，所述方法可进一步包括干 燥步骤。干燥可W与密实化共同完成。
[0010] 起始原料也可包括可商购的密实化的生物质和/或生物固体。采用运些原料，不需 要在此公开的开始的密实化步骤。
[0011] 待赔烧的生物质材料可W包括任何种类的源自存活的或新近存活的生物的材料， 且W植物生物质为例，如甘薦薦渣、玉米杆、稻草、麦賴、竹子、柳枝稷和大麻。生物质材料也 可W包括木质生物质，如软木材、硬木材、银末、薪材化Og fue 1)和木材副产品。生物固体可 W是从污水处理过程中的污水或废水回收的，可选地是从市政污水处理过程中获得的，可 选地是从W水果和蔬菜处理厂和纤维处理厂为例的工业废流中获得的，或可选地，可为来 自家畜和家禽生产的农业废弃物。运些生物质和/或生物固体也可W是在此所述的原料的 任意组合。
[0012] 在此公开的示例性方法也可W是连续过程、半连续过程或批量过程。在运些过程 中，将生物质材料供料到制粒机或压块机可W是连续的或半连续的或批量的。可选地，如果 使用可商购的密实化的生物质和/或密实化的生物固体，那么将运些密实化的材料供料到 可燃液体可W是连续的或半连续的或批量的。
[0013] 可燃液体优选地包含控，其W可加热至高至约320°C的溫度的植物源的油、海洋源 的油、动物源的油、石油产品和基于渐青的产品为例。可燃液体可源自任意来源如，例如，源 自植物来源、海洋来源、动物来源、石油产品和基于渐青的产品的油。例如，可燃液体可W是 介花油、亚麻巧油、葵花油、红花油、玉米油、花生油、栋桐油、大豆油、油菜巧油、棉巧油、栋 桐核油、挪子油、芝麻巧油、橄揽油、动物脂、鱼油、肝油及其混合物。可选地，可燃液体可W 是基于石油的油或基于渐青的油，如，例如，合成机油或W5W-30和10W-30发动机油为例的 发动机油；链银条油(a chainsaw bar oil);链油；W自动传动装置液体(ATF)为例的传动 装置液体油和液体;液压液;齿轮油;柴油燃料;石蜡;石蜡油;煤油;炉用油;及其混合物。
[0014] 在此公开W及由在此所述的方法获得的赔烧的密实化的生物质和/或生物固体在 赔烧过程中可W吸收在约2%和25%重量/重量之间的可燃液体，且可具有W全干基计约6， OOOBTU/磅至W全干基计约13,000BTU/磅的热能值，或它们之间的任意量。热能值也可W用 吉焦/公吨(GJ/t)来表示，由在此所述的方法获得的赔烧的密实化的生物质和/或生物固体 具有W全干基计约22GJA至W全干基计约27GJA的热能值，或它们之间的任意量。
[0015] 在此公开W及由在此所述的方法获得的赔烧的密实化的生物质和/或生物固体也 可W包含W全干基计约50碳％至^全干基计约65碳％的碳含量，且性质上也可W是疏水 的。
[0016] 在此公开的示例性方法也可W包括用于收集和分离在密实化、干燥和赔烧过程中 排出和/或生成的V0C、水汽和蒸汽的气体收集和冷凝器系统，用于冷凝和分离出可重复使 用的能源。
【附图说明】
[0017] 将结合参照W下附图描述本发明，其中：
[0018] 图1是显示用于制备赔烧的密实化的生物质材料和/或赔烧的密实化的生物固体 材料的一个示例性方法的示意性流程图；
[0019] 图2是显示用于制备赔烧的密实化的生物质材料和/或赔烧的密实化的生物固体 材料的第二个示例性方法的示意性流程图；
[0020] 图3是显示用于生物质原料的密实化和赔烧的一个示例性方法的示意性流程图； [0021 ]图4是显示用于薪材原料的密实化和赔烧的一个示例性方法的示意性流程图；
[0022] 图5(A)是用于本发明的连续、半连续或批量生产赔烧方法的赔烧反应器的示例性 实施方式的上侧透视图，其显示赔烧的颗粒从可燃液体中输出；图5(B)是用于本发明的连 续、半连续或批量生产赔烧方法的赔烧反应器的示例性的可选的实施方式的上侧透视图， 密实化的生物质和/或生物固体被装载在密实化的生物质/生物固体配量箱中；
[0023] 图6(A)是图5(B)中所示的赔烧反应器的上侧透视图，显示赔烧的颗粒从可燃溶液 中输出；W及图6(B)是图5(B)中所示的赔烧反应器的上侧透视图，其显示当密实化的生物 质和/或密实化的生物固体进行本发明的连续、半连续或批量生产赔烧方法时，赔烧反应器 的传送装置的转动方向；
[0024] 图7是显示采用在此公开的示例性赔烧方法处理期间的一段时间内在生物质原料 中发生的物理化学变化的图；
[0025] 图8是显示已用在此公开的示例性赔烧方法处理的生物质原料的热值的曲线图， 其中生物质原料已在不同的溫度下被处理不同的时间段；
[00%]图9是显示已用在此公开的示例性赔烧方法处理的生物质原料的热值的曲线图， 其中生物质原料已在不同的溫度下被处理不同的时间段；
[0027] 图10是显示已用在此公开的示例性赔烧方法处理的生物质原料的碳含量的曲线 图，其中生物质原料已在不同的溫度下被处理不同的时间段；
[0028] 图11是显示生物质原料的质量W及使用介花油作为可燃液体已被处理不同的时 间段的生物质原料的油吸收的曲线图；
[0029] 图12是显示生物质原料的质量W及使用石蜡作为可燃液体已被处理不同的时间 段的生物质原料的油吸收的曲线图；
[0030] 图13是显示在根据本发明的示例性赔烧方法中可燃液体介花油和石蜡的总损失 之间的对比的图；
[0031] 图14是显示在根据本发明的示例性赔烧方法中使用介花油或石蜡作为可燃液体 时生物质原料的重量减少（W %计)之间的对比的图；
[0032] 图15是显示在根据本发明的示例性赔烧方法中在不同的溫度下已被处理不同的 时间段的生物质原料的水吸收的对比的图；
[0033] 图16是显示采用本发明的示例性赔烧方法已被处理渐增的时间段和在渐增的时 间段中生物质原料的水吸收的对比的图；
[0034] 图17是显示采用本发明的示例性赔烧方法用不同种类的油作为可燃液体处理的 生物质原料的总的油吸收的图；
[0035] 图18是显示采用本发明的示例性赔烧方法用不同种类的油作为可燃液体处理的 生物质原料的总的油吸收的图；W及
[0036] 图19适于在某些在此公开的示例性赔烧方法中使用的小规模赔烧反应器的侧面 透视图。
【具体实施方式】
[0037] 本发明的示例性实施方式设及包含W控为例的可燃液体的赔烧的密实化的生物 质和/或赔烧的密实化的生物固体。一些示例性实施方式设及用于制备包含可燃液体的赔 烧的密实化的生物质和/或赔烧的密实化的生物固体的方法。合适的可燃液体W植物源的 油、海洋源的油、动物源的油、基于石油的产品和基于渐青的产品为例。
[0038] 在此公开的示例性赔烧方法与现有技术方法相比在提高方法效能和原料产出的 同时减少能耗。在生产过程中产生的WV0C和蒸汽为例的能量，可W经由系统回收用于加热 可燃液体，和/或用于制造用于赔烧的颗粒，和/或用于赔烧密实化的生物质。惊奇地发现， 在本赔烧方法期间密实化的生物质实际吸收极少的油。因此，在赔烧的步骤中使用的可燃 液体可W重复回收并再利用W处理另外的生物质原料，由此减少投入成本。此外，可W使用 任何种类的油用于运些方法，包括可能含有高含量不饱和脂肪的价值较低和更廉价的油， 由此更进一步减少投入成本。注意到的是，使用密实化的材料作为生物质原料将减少赔烧 处理时间，如在此提供的实例得W证实。
[0039] 在此公开的赔烧方法也不需要大的空间操作且可W轻易组装和使用，特别是考虑 到此方法的各步骤不需要在一个完全连接的系统内发生。用于赔烧的干燥器、增密器和接 收容器，W及冷却系统都可W分开存放并且在不同的地点组装。
[0040] 而且，在此公开的赔烧方法提供了一种质量改进的赔烧的密实化的生物质，运是 由于在赔烧的密实化的生物质的表面上残留的油降低生物质表面上的灰尘W及其它可燃 材料的量。由示例性方法生产的赔烧的密实化的生物质因此是疏水的。因此，由于不产生爆 炸风险，示例性方法生产出易于运输和装运的赔烧的密实化的产品。赔烧的密实化的产品 可易于作为生物燃料使用。
[0041 ]用于示例性方法和在此公开的产品的合适的生物质原料包括收获的植物材料，W 下列为例：阔叶树和针叶树，其可W已被加工成碎片和/或银末和/或颗粒(pellets),包括 煤饼(briquettes )，和/或来自木材加工操作中的残渣和木头废弃物，纤维性的一年生或多 年生作物，如柳属、柳枝稷、玉米賴、从收割谷物和/或油巧作物产生的稻草;或由产自水果 加工厂或蔬菜加工厂或谷物加工厂或油巧加工厂的废物流获得的，或从甘薦的甘薦渣中获 得的材料。生物固体材料也是合适的。在此使用的"生物固体"是指在污水处理过程中从市 政污水处理过程中获得的污水或废水中回收的任何固体或半固体有机材料，或者可选地， 可W是来自家畜和家禽生产的农业废物。
[0042] 由于相比于传统的化石燃料，生物质通常具有较低的能量含量和较低的能量密 度，生物质材料的使用受到限制。本发明设及一种密实化或颗粒化的生物质材料，其包括密 实化成煤饼的生物质，作为起始材料进行赔烧W增加天然生物质材料的起始能量(例如，与 8化s/cu ft的松散的生物质材料相比，颗粒化或其他密实化的生物质，如煤饼，W干基计， 可W具有高至4(Ubs/cu ft的能量值）。如本领域所了解，密实化是用于增加生物质的密度 的方法，且很多形式的密实化的生物质是现成的，如木质颗粒和煤饼。而且，用于密实化生 物质的各种程序在本领域是已知的且可W在本发明方法中采用，如，但不限制为，挤出、压 块、粒化和团聚。
[0043] 在此使用的术语"密实化的"是指已被压缩W增加其密度的生物质材料。该密实化 的生物质材料将被理解为各种形状模量的生物质，单个小块具有均一的形状或非非均一 (non-non-uni form)形状。
[0044] 在此使用的术语"颗粒化的"是指已被压实或浓缩成颗粒、或压成煤饼的生物质材 料。该颗粒可W是任何形状，如W立方体、颗粒、冰球形(pucks)、煤饼和合成木料为例，其中 单个小块具有均一的形状或非非均一形状。该煤饼也可W是任意形状，如，W下列为例：正 方形、矩形、Ξ角形、四边形或任意规则的多边形(如，诸如，五边形、屯边形、八边形等等)或 可选地不规则多边形。单个小块可W具有均一的形状或非均一形状、不对称形状或对称形 状。
[0045] 下文中，术语"密实化的"将意指整体上密实化的和颗粒化的材料，包括，但不限 于，颗粒和煤饼，其保留一些水分含量，如，诸如，在该密实化的生物质和/或生物固体材料 中初始含水率为至少约1 %。该密实化的生物质和/或生物固体材料也可W具有至少约 1.5%，至少约2%，至少约2.5%，至少约3%，至少约3.5%，至少约4%，至少约4.5%，至少 约5%，至少约5.5%，至少约6%，至少约6.5%，至少约7%，至少约7.5%，至少约8%，至少 约8.5%，至少约9%，至少约9.5%，至少约10%，至少约11 %，至少约12%，至少约13%，至 少约14%，至少约15%，至少约16%，至少约17 %，至少约18%，至少约19%，至少约20%的 初始含水率，或它们之间的任意含水率。
[0046] 在此使用的术语"密实化"将意指密实化、颗粒化和压块方法。此外，该密实化的生 物质材料也可W意指为在此的"颗粒"、"立方体"或"煤饼"。然而，应当理解为在此提及的密 实化的生物质不包括已经赔烧的且因此不可W再赔烧的木炭煤球。
[0047] 如在此使用的，术语"湿基"或"收到堂'意指由样品的分析中得到的，密实化的生 物质材料样品或赔烧的密实化的生物质样品的实际值或化学量值，并且包括，但不限于，含 水率，％灰分、％挥发物、％固定碳、％硫、％碳、％氮、％氧和发热值，如用化u/lb、GJ/t和 Kca 1 /kg表示的热能值。
[0048] 如在此使用的，术语"干基"意指由"湿基"或"收到基"计算的理论值W提供就像样 品中没有水分一样，密实化的生物质材料样品或赔烧的密实化的生物质样品的结果（即，如 果其是全干;好像干的总热值）。因此，如在此使用的，术语"全干基"意指具有零可检测含水 率的密实化的生物质材料样品或赔烧的密实化的生物质样品的理论值。
[0049] 本发明的赔烧方法主要设及将密实化的生物质材料材料浸没在保持在约160°C至 约320°C的范围内的溫度的可燃液体中约2分钟至约120分钟，约5分钟至约120分钟，约8分 钟至约90分钟，约10分钟至约60分钟，约12分钟至约45分钟，或约15分钟至约30分钟的范围 内的时间段。
[0050] 如在此使用的，术语"可燃液体"是指用于在其中接触和浸没该密实化的生物质材 料而后在该可燃液体中赔烧该密实化的生物质材料的液体。术语"可燃液体"可W包括基于 控的油，W植物源的油、海洋源的油、动物源的油、石油产品和基于渐青的产品为例，且也可 W包括合成燃料或合成油。合适的植物源的油W介花油、亚麻巧油、葵花油、红花油、玉米 油、花生油、栋桐油、大豆油、油菜巧油、棉巧油、栋桐核油、挪子油、芝麻巧油、橄揽油和植物 源的油的混合物为例。合适的动物源的油W动物脂、油炸油脂、和除其他W外的肝油及其混 合物为例。合适的海洋源的油W嫁油、海豹油、鱼油、海藻油和海洋源的油的混合物为例。合 适的石油产品W下列为例:合成机油和如W 5W-30和10W-30发动机油为例的发动机油、链银 条油(a chainsaw bar oil)、链油、传动装置液体油和液体(如自动传动装置液体(ATF))、 液压液、齿轮油、柴油燃料、石蜡、石蜡油、煤油、炉用油、及其他(among others)，及其混合 物。合适的合成燃料或合成油可W通过费希尔-特罗普希转化法生产且W热解油等为例。该 可燃液体也可是植物源的油、海洋源的油、动物源的油、石油产品和合成燃料或油的任意组 合。在本发明中使用的可燃液体可W进一步可加热至高达320°C的溫度，如在此所用的，可 燃液体用于在无氧环境中加热密实化的生物质材料W赔烧而不点燃密实化的材料，而不是 用可燃液体浸泡密实化的生物质材料，或可选地，而不造成密实化的生物质材料对可燃液 体的吸收显著增加。
[0051] 在此公开的赔烧方法的产品