选矿的含有机碳原料的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明一般涉及从含有至少一些植物材料的含有机碳生物质去除盐和水。
【背景技术】
[0002]生物质是含有植物细胞并且已经显示出作为燃料的经济来源的前景的可再生的含有机碳原料。然而，这种原料通常含有过多的水和污染物，诸如水溶性盐，使其无法成为诸如煤、石油或天然气的燃料的常见来源的经济替代物。
[0003]在历史上，经由传统的机械/化学工艺，植物将失去少量的小于25重量％的其水分。并且，即使植物经过日晒或窑内干燥，保留于植物细胞中的天然和人造化学物质也在炉中组合形成破坏性釉。而且，剩余的水分降低原料的产热MMBTU/吨的能量密度，由此中断炉的效率。经由使用无数种类的生物质材料的实验获得的数百年来的数据全部支持以下结论:需要越来越大的能量增量来达成越来越小的堆积密度增量的改善。因此，加工含有机碳原料，一类较广泛的包括含有植物细胞的材料的原料的城市废料设施一般以花费市政资金的能量匮乏的方式操作。类似地，对于作为煤或石油的有效替代品的废料，加工也包括在含有机碳原料的一般术语内的农业废料所需的能量在没有某种政府补贴下不是商业的并且一般含有水或水溶性盐中的任一者或两者的不令人满意的水平。商业上成功的以足够大的体积适当地制备这类原料的成本是昂贵的并且当前是不经济的。而且，商业上适用的以足够的体积可用的适合的含植物细胞的原料一般具有在常规工艺下导致不利的结垢和污染情况的水溶性盐含量。适合于生长足量的能量作物以取得经济意义的土地通常在得到植物细胞中的高水溶性盐含量，即，通常在干燥的基础上超过4000mg/kg的地方发现。
[0004]持续需要一种可以经济地形成具有在干燥的基础上从输入的含有机碳原料减少至少60%的水溶性盐含量和小于20重量％ (wt%)的水含量的经过加工的含有机碳原料的操作系统和方法。
【发明内容】
[0005]本发明的实施方案是针对用于从含有机碳原料去除水和水溶性盐的一种系统和两种方法。这种系统包括至少三个元件，传动装置、至少一个反应室、以及收集装置。第一元件，即传动装置，被配置成向反应室中输送包含自由水、胞间水、胞内水、胞内水溶性盐以及至少一些植物细胞的未加工的含有机碳原料，这些植物细胞包含包括木质素、半纤维素、以及纤丝内的微纤丝的细胞壁。第二元件，即反应室，包括至少一个入口通道、至少一个用于流体的出口通道、至少一个用于经过加工的含有机碳原料的通道，以及至少三个区段，湿纤丝破坏区段、蒸气爆炸区段和压实区段。第一区段，即湿纤丝破坏区段，被配置成与纤丝之间的木质素和半纤维素中的至少一些相互作用以使得细胞壁的至少一些区域更易发生水溶性盐外流。第二区段，即蒸气爆炸区段，与湿纤丝破坏区段连通并且至少被配置成使植物纤丝可渗透流体经由快速减压而挥发以穿透细胞壁的更易感区域以形成具有植物壁通道的多孔含有机碳原料，这些植物壁通道用于胞内水和胞内水溶性盐从植物细胞通过。第三区段，即压实区段，与蒸气爆炸区段连通并且至少被配置成在压力板之间压缩多孔含有机碳原料，这些压力板被配置成使不透水毡的形成减至最小以使至少一个反应室流体出口通道保持开放，这至少一个通道被配置成允许胞内和胞间水以及胞内和胞间水溶性盐从反应室逸出并且形成可以通过其反应室出口通道的经过加工的含有机碳原料。第三元件，即收集装置，与反应室连通并且被配置成聚集具有小于20wt%的水含量和在干燥的基础上从未加工的含有机碳原料减少至少60%的水溶性盐含量的经过加工的含有机碳原料。
[0006]—种方法包括四个步骤。第一个步骤向反应室中输入包含自由水、胞间水、胞内水、胞内水溶性盐以及至少一些植物细胞的未加工的含有机碳原料，这些植物细胞包含包括木质素、半纤维素、以及纤丝内的微纤丝的细胞壁。第二个步骤是使原料在特定针对这种原料的条件下在压力下暴露于热溶剂持续一定时间以使得包含结晶纤维素纤丝、木质素以及半纤维素的细胞壁的一些区域更加能够被水溶性盐可穿透而不会溶解大于25%的木质素和半纤维素。第三个步骤是去除压力以穿透更加可穿透的区域以形成在植物细胞壁中具有开放孔隙的多孔原料。第四个步骤是在包括可调整的压实压力对时间型态和压实持续时间的条件下并且在压力板之间压制多孔原料，这些压力板被配置成防止毡形成并阻断胞内和胞间水以及胞内水溶性盐从反应室逸出，并且形成具有小于20wt%的水含量和在干燥的基础上从未加工的含有机碳原料减少至少60%的水溶性盐含量的经过加工的含有机碳原料。
[0007]另一种方法包括四个步骤。第一个步骤向反应室中输入包含自由水、胞间水、胞内水、胞内水溶性盐以及至少一些植物细胞的未加工的含有机碳原料，这些植物细胞包含包括木质素、半纤维素、以及纤丝内的微纤丝的细胞壁。第二个步骤是使原料在特定针对这种原料的条件下在压力下暴露于热溶剂持续一定时间以使得包含结晶纤维素纤丝、木质素以及半纤维素的细胞壁的一些区域更加能够被水溶性盐可穿透而不会溶解大于25%的木质素和半纤维素。第三个步骤是去除压力以穿透更加可穿透的区域以形成在植物细胞壁中具有开放孔隙的多孔原料。第四个步骤是在包括可调整的压实压力对时间型态和压实持续时间的条件下并且在压力板之间压制多孔原料，这些压力板被配置成防止毡形成并阻断胞内和胞间水以及胞内水溶性盐从反应室逸出，并且形成具有小于20^%的水含量、在干燥的基础上从未加工的含有机碳原料减少至少50%的水溶性盐含量、以及减至小于从已知的机械、物理化学或热工艺类似去除水的单位重量成本的60%的去除水和水溶性盐的单位重量成本的经过加工的含有机碳原料。
[0008]本发明允许含纤维素的含有机碳原料更有益于后续用作生产燃料中的原料。水溶性盐的实质性降低减少了伴随经过加工的含有机碳原料的后续使用所发生的不利结果。另夕卜，使用本发明从上文所描述的未加工的含有机碳原料去除水至低于20wt%的含量并且去除实质量的水溶性盐所需的能量显著小于用于常规工艺的能量。在一些实施方案中，单位重量总成本比使用已知的机械、物理化学或热工艺进行类似任务的成本减少至少60%。
[0009]以上概述并不意图描述本发明的每个实施方案或每个实施。本发明的优点和成就连同更加全面的理解将变得显而易见并且通过结合随附图式参考以下详细描述和权利要求书而了解。
【附图说明】
[0010]图1是典型植物细胞的图解，其细胞壁的区域的分解图示出了细胞壁中的纤丝、微纤丝以及纤维素的布置。
[0011]图2是次生植物细胞壁中的两个纤丝的一部分的透视侧视图的图解，其示出了含有微纤丝并且由半纤维素和木质素股连接的纤丝。
[0012]图3是蔗渣纤维区段的剖视图的图解，其示出了水和水溶性盐在植物细胞内部和外部驻留之处。
[0013]图4是反应室的一个实施方案的侧视图的图解。
[0014]图5A是压力板的各种实施方案的正视图的图解。
[0015]图5B是图5A中所示的压力板的一个实施方案的特写的透视图。
[0016]图5C是示出具有流体矢量和暴露于流体矢量的木髓粒子的压力板中心向下的剖视图的图解。
[0017]图6A是木质纤维素纤丝的典型应力应变曲线的图解说明。
[0018]图6B是降低典型含有机碳原料的水含量并且增加其堆积密度所需的压力和能量的图解说明。
[0019]图6C是达成堆积密度倍增所需的能量需求倍增的图解说明。
[0020]图6D是使用针对特定的含有机碳原料作调整的本发明的一个实施方案降低含有机碳原料中的水含量的压力周期的一个实例的图解说明。
[0021]图7是说明与已知的工艺相比使用本发明的实施方案从含有机碳原料去除至少75wt %的水溶性盐并且使水含量从50wt %降至12wt %所需的估算能量消耗的表格。
[0022]图8是具有并联的四个反应室、预处理室以及蒸气冷凝室的系统的一个实施方案的侧视图的图解。
[0023]图9是用于制造具有小于60%的水溶性盐和小于20wt%的水的含纤维素的含有机碳原料的工艺的方块图。
[0024]图10是用于制造具有小于60%的水溶性盐、小于20wt%的水以及低成本的含纤维素的含有机碳原料的工艺的方块图。
[0025]图11是示出三种类型的含有机碳原料的相对工艺条件范围以及水和水溶性盐含量的表格。
[0026]虽然本发明可接受各种修改和替代形式，但细节已经在图式中经由实例示出并且将在下文详细描述。然而，应了解，并不意图将本发明限于所描述的特定实施方案。相反地，本发明意图涵盖处于如随附权利要求书所界定的本发明范围内的所有修改、等效物以及替代物。
【具体实施方式】
[0027]由半纤维素和木质素聚合物股交织而成的纤维素束是使植物茁壮的填塞料并且精于保留水分。纤维素已经经过数十亿年的演化以抵抗热、化学物质或微生物的破坏。在植物细胞壁中，微纤丝中的纤维素分子束提供具有抗拉强度的壁。纤维素微纤丝的抗拉强度高达110kg/mm2，或为在实验室条件中最强的钢的约2.5倍。当润湿纤维素时，如在细胞壁中，其抗拉强度迅速下降，从而显著降低其提供机械支持的能力。但在生物系统中，纤维素骨架嵌入充当防水和加强材料的果胶、半纤维素以及木质素的基质中。这使得难以足够快地、足够便宜地或在取得经济意义的足够大的规模上从可再生的含纤维素生物质生产燃料。如本文所用的含有机碳材料意指可再生的含植物材料，其可以在小于50年内再生并且包括植物材料，诸如草本材料，诸如草、能量作物以及农业植物废料;木本材料，诸如树的部分、其它木本废料，以及从木材制造的废弃项目，诸如破烂家具和铁路枕木；以及含有未消化的植物细胞的动物材料，诸如动物粪肥。在工艺中用作原料的含有机碳材料被称为含有机碳原料。
[0028]含有机碳材料，也称作可再生的生物质，涵盖一系列广泛的如上文所陈述的有机材料。据估计，单独在美国每年产生数十亿吨的含有机碳材料。如本文献中所用，选矿的含有机碳原料是已经减少水分含量，已经去除大量的溶解盐，并且已经增加材料的能量密度的经过加工的含有机碳原料。这种经过加工的原料可以用作制造几种产能产品的工艺的输入，这些产品包括例如液体烃燃料、取代煤的固体燃料、以及合成天然气。
[0029]在提起制造含有机碳原料的行业中的每样事物时，能量平衡是最重要的指标。用于对含有机碳原料进行选矿的能量的量并且因此那种能量的成本必须首先由通过选矿工艺实现的总体改善来实质上抵消。举例来说，耗费1000BTU以使经过加工的含有机碳原料的热含量得到1000BTU的改善，所有其它事物都是同等的，并未取得经济意义，除非同时去除大量的水溶性盐促使先前不可用的含有机碳原料可用作用于一些工艺(诸如锅炉)的燃料替代品。
[0030]如本文所用的含有机碳原料包含自由水、胞间水、胞内水、胞内水-