生物质和其它含碳材料超级压紧成高内能燃料的制作方法

专利名称：生物质和其它含碳材料超级压紧成高内能燃料的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及将生物质转变成燃料和超级压紧技术的领域，更具体地说，涉及 使用生物质发电、制造用于酒精生产和气化的原料的领域。
背景技术：
生物质(biomass)通常定义为活着和最近死亡的生物材料，它能够作为可恢复燃 料来用于能量生产目的。通常，生物质是指生长用作生物燃料的植物物质，但是它也包括用 于产生纤维、化学物质或热量的植物或动物物质。生物质还可以包括可生物降解的垃圾，该 垃圾可以作为燃料来燃烧。它不包括已经通过地质过程而转变成物质例如煤或石油的有机 材料。尽管化石燃料来源于远古生物质，但是它们不能认为是通常定义的生物质，因为它们 包含的碳已经长时间“离开”碳循环。因此，它们的燃烧扰乱了大气中的二氧化碳含量。生物质由多种植物来生长，包括芒属、柳枝稷、大麻、玉米、白杨、柳树、甘蔗和油椰 (棕榈油)。使用的特殊植物通常对于最终产品并不重要，但是它确实影响原材料的处理。 生物质的生产是成长行业，因为对可维持的燃料源的兴趣不断增长。不过，生物质材料的特 性对于大规模商业使用生物质来进行能量生产有多种障碍。一个障碍是基于生物质通常有非常高的水含量，大约50%至80%，或者甚至更 高，这导致每单位重量生物质的BTU值低。(术语“BTU”用于说明燃料的热值或内能。)低 热值又防碍燃烧，这使得从生物质进行能量生产是低效率的处理。因此，对于商业能量生 产，生物质燃烧设备的资金投资通常成本过高和不实际。商业使用生物质来进行能量生产的另一障碍是生物质通常比传统的化石燃料更 轻和更稀松(即生物质更蓬松)。生物质的低密度可归因于生物质材料的通常大的空隙空 间。目前，与由传统化石燃料产生能量相关的每美元成本BTU相比，生物质的每美元成本释 放的BTU在经济上并不利。由于生物质材料的大空隙空间和低密度而引起的、生物质至能 量转变的不利经济性使得运送大量生物质BTU将对于能量生产非常昂贵和不实际。还一障碍是很难储存生物质。生物质将很快腐烂或降解，它的储存期限相对较短。 因此快速处理生物质的随之发生的需求将限制处理选择，并破坏商业使用生物质的经济可 行性。还一障碍是一些生物质(特别是草本生物质)在有水时的碱性非常高，这可能损害 传统的炉和锅炉。这种碱性使得草本生物质不能作为能量生产的燃料源。因此，迫切需要提高每单位重量生物质的能量。还迫切需要经济和实际地将生物 质转变成固体燃料。还迫切需要提高由生物质生产电能的效率。

发明内容
为了满足这些和其它需要，考虑到它的用途，本发明提供了一种超级压紧机，该超 级压紧机接收含碳材料，并提供适合作为发电燃料的砖块以及产生用于酒精生产和气化的 原料。压紧腔室接收含碳材料，并有(a) —个或多个压头，每个压头沿运行路径往复运动， 并在含碳材料上施加预定量压力；(b)末端执行器板或活动滑门，含碳材料压缩抵靠该末 端执行器板或活动滑门，从而促使水分从含碳材料中除去；以及(C) 一个或多个脱水孔或 隔膜，该脱水孔或隔膜允许水分通过，但是阻挡含碳材料。收集器捕获通过脱水孔或隔膜的 水分。动力单元向一个或多个压头提供动力。加热挤压腔室从压紧腔室接收含碳材料，并 加热和压紧含碳材料，以便将含碳材料粘接成砖块形式。本发明还提供了一种从含碳材料产生适合作为燃料的砖块的方法，用于发电、用 于产生酒精生产和气化的原料。该方法包括多个步骤(a)收集含碳材料；(b)将含碳材料预 处理至合适尺寸和水含量；(C)将含碳材料供给超级压紧机；(d)驱动该超级压紧机，以便在 含碳材料上施加在大约2. 7 X IO7至1. 4 X IO9Pa之间的预定量压力，从而将水挤压和压垮在含 碳材料中的空隙；(e)收集从含碳材料中挤压的水；以及(f)加热含碳材料以便形成砖块。本发明还提供了一种固体燃料合成物。固体燃料合成物由具有第一水分含量、第 一体积和第一碱度的生物质原材料形成。固体燃料合成物包括至少一种压缩生物质材料， 该压缩生物质材料具有第二水分含量，该第二水分含量为第一水分含量的大约50%或更 小；以及第二体积，该第二体积相对于第一体积的减小系数为大约10 1或更大。压缩生 物质材料还有第二碱度，该第二碱度相对于第一碱度每MMBTU减小超过50%。本发明的多个方面涉及用于生物质超级压紧和从生物质中除去液体的超级压紧 方法和系统。在该文献中所述的方法和系统减轻了上述水分和空隙空间的问题。所述方法 和系统产生了新颖形式的生物质，它明显减少了水分含量和空隙空间特征。由所述压紧和 干燥方法和系统产生的这种新颖形式生物质有利于生物质具有成本效益地运输和燃烧，以 便用于能量产生，例如发电。应当知道，前述总体说明和下面的详细说明是本发明的示例，而不是限制。


通过结合附图阅读下面的详细说明，将更好地理解本发明。应当强调，根据惯例， 附图的各个特征并不按比例。相反，各特征的尺寸为了清楚而任意放大或减小。附图中图1表示了本发明的生物质超级压紧和干燥系统的实施例；图2A表示了本发明实施例的工作台规模的生物质压紧机，它有水平相对的压头；图2B是图2A中所示的生物质压紧机的侧视图；图2C是图2A中所示的生物质压紧机的端视图；图3A是本发明另一实施例的全规模生物质压紧机的侧视图；图;3B是图3A中所示的生物质压紧机的正视图；图3C是图3A中所示的生物质压紧机的后视图；图4是末端执行器板的正视图，该末端执行器板具有这样的表面型面，它有凸出 的菱形和穿过该板延伸的孔；图4A是图4中所示的末端执行器板的剖视图5是末端执行器板的正视图，该末端执行器板具有凹形盘型面，它有穿过该板 延伸的孔；图5A是图5中所示的末端执行器板的剖视图；图6是末端执行器板的正视图，该末端执行器板具有星爆式表面型面，它有穿过 该板延伸的孔；图6A是图6中所示的末端执行器板的剖视图；图7是本发明另一实施例的多级生物质压紧机的平面图；图8是图7中所示的生物质压紧机的正视图；图8A是沿图8中的线8A-8A的剖视图；图9是图7、8和8A中所示的生物质压紧机的另一平面图，突出了压紧机的几个部 件；图1OA表示了操作顺序的8个步骤中的第一步骤，通过该第一步骤图7、8、8A和图 9中所示的压紧机压缩生物质原材料；图1OB表示了开始于图1OA的操作顺序的第二步骤；图1OC表示了开始于图1OA和1OB的操作顺序的第三步骤；图1OD表示了开始于图10AU0B和1OC的操作顺序的第四步骤；图1OE表示了开始于图10A、10BU0C和1OD的操作顺序的第五步骤；图1OF表示了开始于图10A、10B、10CU0D和1OE的操作顺序的第六步骤；图1OG表示了开始于图10A、10B、10C、10DU0E和1OF的操作顺序的第七步骤；图1OH表示了开始于图10A、10B、10C、10D、10EU0F和1OG的操作顺序的第八步 骤；以及图11表示了包括一个或多个本发明的压紧机的总体系统的概括图。
具体实施例方式通过下面结合附图和实例的详细说明，可以更容易理解本发明，该附图和实例形 成本发明的一部分。应当知道，本发明并不局限于所述和所示的特定装置、方法、条件或 参数，且采用的术语只是用于通过实例介绍特殊实施例，而不是进行限制。还有，在说明书 (包括所附权利要求)中使用的单数形式“一”、“一个、该”和“所述”等包括多个，对特殊数 字值的提及至少包括该特殊值，除非在上下文中另外清楚规定。当表示值的范围时，另一实施例包括从一个特殊值至另一特殊值。全部范围是包 含和可组合的。而且，所提及的在范围中的值包括在该范围中的每一个值。类似的，当值通过使用先行词“大约”来表示为近似值时，应当知道，该特殊值形成 另一实施例。应当知道，为了清楚而在单独实施例中介绍的本发明特定特征也可以组合在 单个实施例中。相反，为了清楚而在单个实施例中介绍的多个本发明特征也可以单独或以 任意子组合来提供。A.发明概述在本发明的多个方面中，在所述方法中使用的生物质原料可以包括任意各种生物 质源以及这些源的组合，它们包含不可压缩的液体。合适的生物质原料源包括植物物质、动 物物质、海洋物质(例如鱼、海藻、海洋植物、海草等)、有机垃圾以及其它生物来源材料。植CN 102149537 A
说明书
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物物质的实例包括木头、叶、草、能量作物、树的剪枝物、在食品生产中废弃的植物物质，例 如农作物废弃物(例如玉米杆、小麦谷壳等)、甘蔗(例如蔗渣)、水果和蔬菜垃圾(例如香 蕉皮、桔子皮、柠檬皮、酸橙皮、马铃薯皮、甜瓜皮、种子、核等)、以及整个水果、整个蔬菜、整 个谷物、整个草等。蔗渣是高糖含量的切碎的茎，糖处理的副产品，它还有大约45%至大约65%重量 的水。蔗渣的内能在大约每磅3500和4500BTU之间。除去水将提高每蔗渣重量的内能。在 本发明的多个实施例中，超级压紧处理除去超过一半的剩余水，以便产生甘蔗的超级压紧 固体物质(例如蔗渣生物砖块(biobrick))。在制造生物砖块时的超级压紧处理中，大部分 的水从蔗渣中除去。例如，在生物砖块中的水含量低至25% (基于生物砖块的重量)，或者 甚至低至20% (基于生物砖块的重量)，或者甚至低至15% (基于生物砖块的重量)，或者 甚至低至10% (基于生物砖块的重量)，或者甚至低至5% (基于生物砖块的重量)，或者 甚至低至2% (基于生物砖块的重量)，或者甚至低至(基于生物砖块的重量)，或者甚 至更低，接近基本零水分。当生物砖块的水含量降低至大约10%时，基于重量的生物砖块内 能提高大约100%。当甘蔗或蔗渣用作制造生物砖块的生物质时，挤压的水可以包含大量的糖。因此， 根据超级压紧处理而从生物质中挤压的流体自身是可能有潜在价值的产品流。从蔗渣的生 物质挤压的糖水可以用于例如制造酒精，或者可以用于生产糖或甘蔗汁。优选是，在用于产生生物砖块的处理的最后阶段可以施加热量。该热量使得生物 砖块粘合(由于植物木质素的熔化)。植物木质素的这种熔化也能够产生包围生物砖块的 保护屏障涂层。木头可以利用本发明的超级压紧技术来进行处理。对于木头，施加预定量压力和 热量，以便使得木头内的木质素(即白木质)在增压处理过程中在整个生物砖块中移动，并 密封表面和产生保护屏障涂层。“预定”的意思是预先确定，这样，预定特征(例如压力或温 度)必须在施加之前确定，即选择或者至少已知。对于某些生物燃料，生物质可以包含混合至生物质中的附加粘接剂，例如石蜡或 淀粉。在某些实施例中，优选是使得更硬类型的生物质与更软或更粘性类型的生物质混合。 例如，可以使得锯屑与蔗渣混合(由于它的粘接特性)。除了除去水和其它流体，超级压紧处理还大大减小生物质的体积。生物质的体积 减小系数为至少10比1、20比1、30比1或者甚至40比1。体积减小的这种改进又提高了 生物质燃料的运输和处理的经济性。生物质超级压紧和干燥的示例方法进行如下。不管是未处理的生物质还是部分处 理的生物质，生物质在液压动力超级压紧机中进行超级压紧，该超级压紧机能够施加在大 约4000和大约200000psi (2. 76 X IO7至1. 4X IO9Pa)的力(从磅力每平方英寸转变成帕斯 卡1 (相应国际单位)时乘以6. 9 X IO3)，或者至少大约IOOOOpsi，或者至少大约20000psi， 或者至少大约30000psi，或者至少大约40000psi，或者至少大约50000psi，或者至少大约 75000psi，或者至少大约lOOOOOpsi，或者至少大约200000psi。甚至更高压力可能用于本 发明的所述方法的多个方面。并不受到任何特殊的操作原理的限制，这样的较大压力使得 包含在生物质中的不可压缩流体从生物质中挤压，并压垮在大部分生物质源中固有的空隙 (例如空气囊)。
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通常，长度尺寸小于大约61cm英寸)的任意生物质材料都可以用于本发明。更 大的生物质材料可以通过例如切割、剁、切碎等来预处理，以便产生更小尺寸。动物产品和副产品(例如肥料)也可以根据本发明的超级压紧方法来进行处理。 动物产品和肥料通常具有很高的水含量，通常大于50 %，或者甚至大于60 %，或者甚至大 于70%，或者甚至大于80%。因此，包含过多水的生物质可以进行预处理，以便降低水含量 至60 %或更小，或者甚至50 %或更小。用于除去水的合适预处理方法包括离心法以及本领 域已知的其它类型固体干燥技术。超级压紧处理可以与整个市政的回收和垃圾运输基础设施结合实施，以便产生生 物质砖块。因此，本发明的一个方面属于这样的系统，其中，生物质和回收物质通过垃圾运 输工来收集。收集的生物质和回收物质输送给超级压紧站。在该站中，生物砖块和其它高 密度能量砖块(包含生物质、回收物质等的组合)由收集的生物质和回收物质来制造。通常，生物砖块的水含量将高于周围环境中的环境湿度(concentration of water)。因此，优选是保持干燥环境，以便在生物砖块内保持低水含量。用于降低环境湿度 的方法包括使用干燥空气、使用氮气以及使用升高的温度，以便减少水含量。超级压紧和加 热烘烤的生物砖块的有利特征是它由于环境湿度而不易于重新吸收水气。适用于进行超级压紧处理的设备可以通过改变市场上可购得的、具有模具的超级 压紧机来获得，该超级压紧机用于使得生物质在超级压紧压力下形成合适的砖块或其它形 状物体，并能够除去水、气体和其它流体。超级压紧设备和处理的商业来源在核废料处理 行业中公知。制造这种设备的公司例如包括美国北卡罗来纳州威尔明顿市的Container Products Corp. (http://www. c-p-c. com/)禾口荷兰的 FontijneGrotnes BV(http://www. fonti jne. nl)。合适的液压压机为本领域已知，并能够提供沿一个方向、两个方向或者甚至三个 方向的压制。合适的超级压紧设备可以包括一个或多个腔室，例如一腔室压机、两腔室压 机、或者甚至三腔室压机。在一个实施例中，具有预定数目腔室的压机设计成每小时超级压 紧25吨生物质。在该实施例中，1000000吨的甘蔗蔗渣用作原料，大约400000吨糖水从甘 蔗蔗渣中压出，从而留下大约600000吨超级压紧生物砖块。在一个实施例中，合适变化的模具包括多孔隔膜，该隔膜能够在超级压紧处理中 承受所需压力，同时很能够使气体和液体(流体)例如水逸出。合适的可透过隔膜可以由 金属、塑料和其它材料例如化合物来制造。例如，高压力可以通过在合适变化的模具中在超 过50000psi的压力下液压压缩生物质而获得，且流体通过多孔隔膜而除去，例如通过使用 具有低压源的导管，用于吸气或者以其它方式抽吸已经渗透通过隔膜的流体。合适的可透 过隔膜阻挡固体物质，并允许水透过。水可以在压制时除去，或者水可以在压制步骤完成后 除去。合适的隔膜可以由保持就位的连续多孔金属网来构成。隔膜可以在需要时更换，例 如当它们变得堵塞时。在某些实施例中，处理可以通过增加压力以便压制生物质和使得水从生物质透过 多孔隔膜来进行。处理还包括降低压力、除去水和重复循环的附加步骤。增压、减压和除去 水的处理步骤可以有多种组合，并在需要时重复进行，以便降低生物质内的水(或其它流 体)含量，从而产生合适的生物砖块。下面将参考图1的单级生物质超级压紧和干燥系统10来介绍用于甘蔗蔗渣的示例超级压紧程序。生物质原材料12 (例如甘蔗蔗渣)由合适的输送装置(例如沿方向箭头 16朝着超级压紧机20运行的传送器14)提供给超级压紧机20。生物质原材料12置于超 级压紧机20内的模具中。生物质原材料12在模具内压缩，压力在大约一分钟时间后增加 至从大约10000至大约20000psi范围内的压力。模具包括脱水孔，水透过该脱水孔。从而 形成尺寸为12英寸乘以12英寸乘以6英寸(沿挤压方向)、质量为大约40磅的生物砖块 50。生物砖块50可以通过沿方向箭头56离开超级压紧机20运行的合适输送装置(例 如传送器54)而从超级压紧机20上除去。传送器M将生物砖块50传送至合适储存位置， 例如箱60。压紧和干燥的生物砖块50可以用于能量生产。该实例的总增压时间将在大约1至2分钟的范围内。可以有不同的增压时间，例 如小于一分钟和直到几十分钟。通过在超级压紧后施加热量来熔化在植物物质中的木质素，可以产生保护屏障涂 层。木质素存在于大部分植物材料中。保护屏障涂层禁止或防止水和空气(即氧)透过。 因此，生物砖块50特别有利，因为它们可以有屏障涂层，该屏障涂层将有助于保持该生物 砖块50的储存期限。当置于潮湿环境中时，合适的屏障涂层能够防止生物砖块50重新吸 收水。其它的非生物质材料可以与生物质混合。根据材料的类型，这些其它材料的量可 以等于 5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%，或
者甚至等于75%。生物砖块50可以由各种任意材料超级压紧成多种任意形状和尺寸。例如，小的生 物砖块物体小于1立方英寸，或者小于1英寸直径，它可以根据本发明的方法而很容易地压 制。较大的生物砖块物体设计为具有沿一个方向大至24英寸的尺寸，例如MXMX6英寸 的生物砖块。已经经受超级压紧处理的多种不同类型材料能够产生柴油类型燃料。例如，桔子 皮的超级压紧产生桔子油，它可以用作生物燃料。其它生物质也产生柴油类型燃料。超级 压紧处理也能够用于其它含碳和含烃材料。例如，水和油可以从煤和各种烃材料中除去，各 种烃材料包括生煤、泥炭沼和低等级煤。从生物质中挤压的液体30可以利用合适的流体除去或抽取系统32 (例如真空泵 或其它吸气机构)而从超级压紧机20中除去。一旦除去，不可压缩流体30可以储存在收 集容器40中。然后，抽取的液体进一步精炼，以便生产可利用的副产品，包括但不局限于 酒精、生物柴油、松节油以及其它类似的液体燃料产品。这种压紧和干燥方法形成新颖形式的生物质，同时明显减少了初始原料的空隙空 间，压紧率在从10比1至1000比1的范围内，这等于类似地减小空隙空间。而且，通过这种 压紧和干燥方法产生的新颖形式生物质具有小于30%的夹带水含量。相对于生物质原料， 压紧和干燥的生物质明显增加了每磅的BTU值，并适合有成本效益地用作在某些商业能量 生产设备中的燃料。这种压紧和干燥方法能量效率高，因为与蒸发从材料中除去的水分所需的热量相 比，执行这样的方法所需的能量明显更少。根据本发明制造的生物砖块50可以供给烧煤的电厂或各种工业锅炉，用作燃料以及用作酒精和生物柴油生产的原料。通常的三种锅炉为循环流化床(CFB)锅炉、气旋锅 炉和加煤机级别锅炉。在各种锅炉中，生物砖块50可以作为立方体供给炉中，或者粉碎和 作为粉末或颗粒供给炉中。也可选择，生物砖块50可以供给合适浸渍机或研磨机中，以便 制造生物砖块粉末，该生物砖块粉末再利用任意合适的气动输送器而吹入炉中。在烧煤的电厂和工业炉中使用生物砖块50有多个优点。一个优点是减少排放物。 另一优点是(对于燃烧)生物砖块50构成二氧化碳(CO2)中性燃料；生物砖块50认为是零 排放温室气体燃料。生物砖块50包含非常少的硫，且实际上不含汞或其它重金属。因此， 从一千万年(例如煤)至9个月的碳循环将实现碳循环的缩短。用于制造生物砖块50的 超级压紧技术的环境优点看上去很大。使用由生物质垃圾制造的生物砖块50将产生碳信 贷(credit)，该碳信贷可以回收，用于并不由腐烂生物质制造沼气以及产生CO2信贷用于燃 烧生物质(代替煤)。使用生物砖块50来代替使用煤发电、产生热量和蒸汽所带来的其它 环境优点包括产生低得多的NOj^nSOy因此，净化中的吸收剂要求更低，这降低了电厂的 资金成本和工作成本。生物砖块50还可以与煤进行某种程度的混合，并供给烧煤电厂和工业锅炉。成果 包括电和蒸汽，它们又可以用于炼钢和用于精炼厂。石油焦和煤也可以与生物砖块50混合。B.工作台规模的生物质压紧机图2A表示了工作台规模的示例非限定单级生物质压紧机100的构造。表示于压 紧机100的一端处的液压动力单元101向与液压动力单元连接的压缩压头提供压缩力。一 个或多个附加液压动力单元(未标记)可以适当提供于压紧机100的相对端处，以便向第 二压缩压头提供动力。用于向压缩压头提供动力的其它机构为本领域普通技术人员已知。图2B表示了图2A中所示的压紧机100的详细侧视图。在该非限定实施例中，原 材料在压紧之前进行预热。加热可以通过本领域已知的加热方法来实现，包括但不局限于 蒸汽加热或干加热。市场上可购得的设备(例如高压釜、烤炉等)可以用于预热原材料。预 热还可以通过利用由处理单元(例如压缩机或发动机)产生的废热来合适实现，以便减小 或者甚至最小化该压紧机100的净能量消耗。这样的实施例包括用于回收由装置的操作放 出的至少一部分废热的系统。原料材料通过舱口门111装入压紧腔室117中。腔室117优选是过度充满，然后， 舱口门111通过舱口门致动器125来关闭，以便将材料预压缩至腔室117中。合适的致动 器125包括液压缸，例如图2A和2B中所示的缸。尽管腔室117并不必须过度充满，但优选 是使得在单个压缩循环中处理的原材料的量最大。在工作时，在第一批原材料预压缩至腔室117中之后，舱口门111打开，装入附加 材料。舱口门111再次将材料预压缩至腔室117中。然后根据需要或者根据原材料类型最 佳地重复该阶段。舱口门111基本可以为任意形状，并可以通过铰链、螺栓、插销等固定。在装载后，作为压紧机压头组件129的一部分的压紧缸119(由液压动力单元101 提供动力)将材料压向腔室117的中心。抽取的液体通过压紧腔室117的脱水孔127而从 腔室117排出，然后收集在脱水槽113和盘115中。抽取的液体可以在收集之前或之后进 一步过滤或以其它方式进行处理，例如，移除或消除可能在液体中的杂质或其它物质。抽取 的液体还可以用于冷却压紧机100的部件，从而进一步降低净使用消耗量。
在压紧阶段中使用来自空气压缩机103的压缩空气，以便促使水从腔室117排出。 用于促使水排出的其它机构(例如施加降低压力)也可以合适使用。当完成该阶段时，收 集盘115的内容物泵送或流向储罐(未示出)。压缩空气用于使压紧的材料从末端执行器 板121移出，该末端执行器板121可以拆卸，如图4、5和6中另外详细所述。压紧的材料还 可以从末端执行器板121机械取出。压紧机100的操作将部分由动力分配面板105和控制面板109来控制。安全灯幕 107合适设置成向用户和压紧机100附近的其它人提供警告功能。操作还由仪表面板123 来监测，该面板合适提供关于压紧机100状态的信息。这些信息可以在人机界面(HMI)显示 器130上看见。缸和压头的压力和位置通过位于图2B中的控制面板109后面的可编程控 制系统来恒定监测，压紧腔室117中的材料温度、每个动力单元101的动力使用以及盘115 中的液面高度也是这样监测。控制系统进行编程，以便使得装载/压紧循环的每个阶段连 续，直到达到时间、压力、距离和液面的限制值。C.机动的全规模生物质压紧机图3AJB和3C中表示了本发明另一实施例的机动、全规模两级压紧机200。在图 3A中，原料装入在滑板后面的箱214中，并通过装载传送器208传送给预热腔室207的进口 203。在进口 203中的大的压头202(它由柴油动力单元201提供动力)将材料压入预热腔 室207中，迫使材料通过换热器206，该换热器206使用来自动力单元201的排气来负荷，该 排气由排气回收系统216来回收和输送。在预热腔室207的出口 211处，材料通过喷嘴挤 压至高压压紧腔室210中。进口门205可以沿预热腔室207设置，以便能够进入预热腔室207，用于清洁和其 它维护功能。舷窗和其它开口可以用于代替进口门205，或者除了进口门205外还可以使用 舷窗和其它开口。如图3A中所示，高压压紧腔室210可以定向成与预热腔室207垂直，这样，高压压 紧腔室210合适定向成作用在通过预热腔室压头202的动作而推入腔室210中的材料上。 也可以为其它结构(其中，高压压紧腔室210定向成与预热腔室207平行或以其它方式定 向)。图3A JB和3C中所示的本发明实施例的缺点是生物质材料在它压缩之前预热。本发 明的一个重要方面是发现在加热生物质材料的步骤之前压缩生物质材料并因此除去水通 常将提高处理的效率。图;3B是图3A中所示的压紧机200的正视图。图3C是相同压紧机200的后视图。 图3C在它的顶部表示了两个高压压紧腔室210，所述腔室210彼此相对。设置在图:3B的 顶部处的两个腔室210之间的压头218以交替方式作用在每个腔室210上。当压头218从 右向左运动时，它作用在存在于左手侧腔室210内的材料上，当压头218从左向右运动时， 它作用在存在于右手侧腔室210内的材料上。在图:3B所示的实施例中，压头218与静止壁 220相对。在其它实施例中，压头218与另一压头相对。压紧腔室210压缩材料和除去水分。抽取的液体排出至下面的储罐204中。滑门 板212将压缩的材料从压紧腔室210传送至传送器上，该传送器使得最终的产品离开滑板 通向储存车辆。D.示例末端执行器板如前所述，末端执行器板可以有多种结构。图4和4A表示了末端执行器板400具有锥状表面型面。多个锥体402各自包括孔404，所述孔404穿过细孔和端板延伸，以便允 许在压缩原料时从原料中释放的水分和其它材料通过。在一些实施例中，只有一部分(或 者没有)锥体402具有这些细孔。端部执行器板400还可以包括设置在表面上并在两个相 邻锥体402之间的细孔。锥体402可以为多边形横截面，如图所示，但是也可以有任意横截 面。根据生物质材料的特征，锥体402可以都为相同高度或不同高度。锥体402还可以有 扁平顶部，或者甚至为平顶山型面，也可以终止于尖点；扁平顶部和尖点的锥体的混合也在 本发明的范围内。图5和5A表示了凹形盘端部执行器板410。板410包括凹形型面412和孔414， 该孔414穿过板410延伸，以便允许在压缩时从原料中释放的流体和其它材料通过。需要 时，板410还可以有凸形型面，还可以包括表面特征，例如槽道、锥体、平顶山等。图6和6A表示了星爆式端部执行器板420，该端部执行器板420有沿表面延伸的 槽道422。这些槽道422用于将在材料压紧时从原材料中释放的流体或其它材料从板420 的中心向外运送。还可以有在槽道422中的细孔或开口，该细孔或开口穿过端部执行器板 420延伸，以便使得流体或其它材料能够穿过该板420通过。图4、4A、5、5A、6和6A中所示的各种特征可以相互组合，以便形成定制的端部执行 器板。作为一个非限定实例，板可以包括如图6A中所示的槽道422以及如图4A中所示的 锥体402和孔404。表面型面和表面特征的最佳组合将由特殊用途来确定，本领域技术人员 知道组合某些特征以便达到最佳结构。如其它部分中所述，端部执行器板可以有多种结构和表面型面。同样地，与活塞相 对的壁或其它结构也可以为许多的任意结构。例如，相对壁可以包括孔，以便能够除去由 于原材料的压紧而释放的液体；槽道，用于帮助输送这些释放的液体；凹形或凸形型面等。 相对壁或结构可以有与相对活塞的端部执行器板相同或不同的表面型面。E.多级生物质压紧机图7、8、8A、9和10A-10H表示了本发明的另一实施例，即多级生物质压紧机500。 如图所示，压紧机500有三个分开的压缩级和一个加热挤压级。优选是，三个压缩级各自沿 三个垂直方向中的一个方向压缩生物质。因此，例如第一压缩级(Cl)沿χ方向作用，第二 压缩级(C2)沿y方向作用；第三压缩级(C3)沿ζ方向作用。存在于生物质中的流体(例如水)通过压缩和挤压而除去，而不是通过施加热量 来焙烤。这样的顺序不必克服水的蒸发潜热，因此使得压紧机500能够从生物质获得净能 量增益。当热量施加给生物质时，它的大量水分(例如60-80%)已经除去。然后，热量施 加给生物质，以便熔化或液化存在于生物质中的木质素。木质素用作胶水，从而将生物质保 持在一起作为生物砖块50，并可以提供保护涂层。然而，因为大部分水分在施加热量之前除 去，因此需要更小的能量来熔化木质素。图7是多级生物质压紧机500的平面图。液压动力单元501通过液压流体循环管 509来向与它连接的三个压紧缸514(C1)、511(C2)和507 (C3)提供压缩力。用于向压紧缸 提供动力的其它机构为本领域普通技术人员已知。换热器502利用来自动力单元501的排 气来负荷，该排气通过排气管道510来回收和传送。来自动力单元501排气的热量提供给 加热挤压腔室512，以便加热生物质(在三个压缩级后面)和促进木质素运动。形成动力产 生系统的一部分的其它部件包括排气口 503、备用油储罐504、油泵505和油循环管路506。
压紧机500装入压紧机框架组件508中。可编程的逻辑控制器516 (或PLC)用于 接收来自压紧机500各部件的信息，并控制四个级中的每级的操作。PLC 516沿控制布线 515接收和发出信号。例如，加热挤压腔室512可以有一个或多个热电偶513，该热电偶513 测量腔室512中的温度，并向PLC 516发送相应信号。当生物质由压紧机500进行处理时从生物质除去的液体收集在液体收集储罐517 中。如图8中所示，液体收集盘519可以有利于液体的收集和该液体向液体收集储罐517 的传送。如上所述，收集的液体有利地作为商业上的合适副产品。最终产品生物砖块50收 集在产品收集箱518中。加热挤压腔室512在图9中进一步表示。图9也突出表示了原材料装载箱520，未 经处理的生物质送入该原材料装载箱520中用于进行处理。未经处理的生物质首先从原材 料装载箱520装入在第一级压紧缸514(Cl)的第一压头521前面的腔室内。未经处理的生 物质可以通过人工或自动机构来装入腔室中；传送器、斜槽或其它材料输送装置有利地用 于将生物质引入压缩腔室中。当驱动时，第一压头521将生物质压靠在第二级压紧缸511(以)的侧壁522上(图 9中表示打开)。第一压头521沿χ方向作用，并在生物质上施加大约IOOOpsi的示例压力。 该作用获得大约3 1的压紧，并从生物质中除去空气(尽管没有很多水气，当有水气时)。随后，通过使滑门530处于关闭位置(它在图9中打开)，第二级压紧缸511 (C2) 的第二压头523压紧生物质。第二压头523沿y方向作用，并在生物质上施加大约5000psi 的示例压力。该作用获得大约4 1的压紧(与第一级组合获得大约12 1的总体压紧)， 并从生物质中除去大量水分(例如大约25% )。作为最后的压缩步骤，第三级压紧缸507 (C3)的第三压头(未示出)压紧生物质。 第三压头沿ζ方向作用，并在生物质上施加大约20000psi或更大的示例压力。该作用获得 大约1.5 1的压紧(与第一和第二级组合获得大约18 1的总体压紧)，并从生物质中 除去大部分水分(例如只留下大约10-20% )。如图9中所示，滑门530有三个分开和明显不同的区域。它的开口区域允许材料 无障碍地通过滑门530。它的狭槽区域允许水通过滑门530，但是防止生物质通过。最后， 它的实心区域防止材料通过，并提供这样的表面，压头可以对着该表面施加压力。滑门530 沿布置于基板524中的槽道来滑动。压紧机500有顶板525，该顶板525设置成与基板5M 相对。滑门530的狭槽区域中的狭槽的方位很重要。具体地说，狭槽应当与压紧力的方 向垂直(即相对于压紧力方向成90度角度)。这样的方位最小化了压缩的材料对狭槽的阻
O图10A-10H表示了压紧机500压缩生物质原材料12的操作顺序的八个步骤。这 些步骤以循环方式重复，以便连续处理生物质原材料12。图IOA表示了第一步骤，在第一步 骤中，批量1的生物质原材料12从原材料装载箱520装入在第一级压紧缸514 (Cl)的第一 压头521前面的腔室内。应当知道，第二级压紧缸511 (C2)的侧壁522在图IOA中关闭，这 样，生物质原材料12保留在第一压头521和侧壁522之间。在操作顺序的第二步骤中驱动第一压头521。驱动将生物质原材料12压缩抵靠第 二级压紧缸511(C2)的侧壁522，如图IOB中所示。在图IOC所示的第三步骤中，第二级压紧缸511 (以)的侧壁522缩回。这样缩回使得第一压头521能够将生物质原材料12推入 在第二级压紧缸511 (以)前面的主腔室中。在操作顺序的第四步骤中，如图IOD中所示，第一压头521保持它的位置，以便限 制在第二级压紧缸511 (以)前面的主腔室的宽度。对于前三个步骤的每个都关闭的滑门 530在整个第四步骤都保持关闭。第二级压紧缸511 (C2)的第二压头523进行驱动。驱动 将生物质原材料12压缩抵靠关闭的滑门530。在图IOE所示的第五步骤中，滑门530运动至它的狭槽位置，同时第二级压紧缸 511 (C2)的第二压头523保持它的位置。第一级压紧缸514(C1)的第一压头521缩回，这 样，另外的装载(批量2的生物质原材料12a)能够供给在第一压头521前面的腔室。同 时，第三级压紧缸507 (C3)的第三压头(未示出)压紧生物质原材料12。这样压紧将迫使 水分从生物质12通过滑门530的狭槽。在操作顺序的第六步骤中，如图IOF中所示，第三压头缩回，滑门530运动至它的 打开位置。打开的滑门530使得第二压头523能够将生物质原材料12推入加热挤压腔室 512中。同时，第一压头521进行驱动，这样，它将批量2的生物质原材料1 压缩抵靠第二 级压紧缸511 (C2)的侧壁522 (与图IOB所示的第二步骤中相同)。在操作顺序的第七步骤中，如图IOG中所示，滑门530返回它的关闭位置。第二级 压紧缸511 (C2)的侧壁522缩回，从而使得第一压头52能够将批量2的生物质原材料1 推入在第二级压紧缸511 (以)前面的主腔室中。最后，在操作顺序的第八步骤中，如图IOH中所示，第一压头521保持它的位置，与 它在图IOD所示的第四步骤中相同，以便限制在第二级压紧缸511 (以)前面的主腔室的宽 度。滑门530保持关闭。第二级压紧缸511(以)的第二压头523进行驱动。驱动将生物质 原材料1 压缩抵靠关闭的滑门530。当到达加热挤压腔室512时，压紧的生物质材料12包含明显减少的水含量。来自 动力单元501的废热用于将压紧的生物质材料12在加热挤压腔室512中加热至合适的生 物质挤压温度。典型的示例温度为大约350° F或更高，这足以使得生物质材料12中的木 质素运动和产生“胶水”，该胶水将生物砖块50保持在一起。加热挤压腔室512斜向下，以 便进一步压缩生物质。因为水分在生物质材料12进行加热之前从生物质材料12中除去，因此营养物质 保留在水中，并提高了作为副产品而从压紧机500中除去的水的可取性。处理还产生了具 有低氮含量和低碱度(碱度可以减小超过50%每MM BTU)的生物砖块50。生物砖块50还 有大约30%或更少的水含量。生物砖块50的密度可以相对于未经处理的生物质增加超过 11倍(从大约71bs/ft3至大约801bs/ft3，或者从大约0. llg/ml至大约1.3g/ml)。生物砖 块50的净能量值增加超过50%每磅。总而言之，根据本发明生产的生物砖块50可以成功 和经济地取代普通燃料例如煤。输送成本降低系数为22，生物砖块50的储存期限为几年， 而不是对于未经处理的生物质的几周。F.系统概述图11表示了用于管理和集成多个功能的整个系统的概述，这些功能为布置和聚 集生物质原材料12 ；如上述在压紧机中处理生物质材料12 ；以及向能量产生厂提供处理的 生物砖块50，以便用作燃料。整个系统600利用卫星技术，该卫星技术能够与遥远区域通信，在该遥远区域中不可用其它的传统通信方法。例如，卫星602可以与一个或多个机动野 外实验室604通信。机动野外实验室604与一个或多个机动压紧机500a结合操作。机动 压紧机500a用于在现场处理生物质材料12。监测器606布置在每个机动压紧机500a的中 心处，优选是，监测器606是接触屏并且是防风雨的。卫星602还与生物质升级数据算法或“BUDA” 610通信。BUDA610有电子部件614 以及生物质处理数据和算法的库612，用于分析材料特性和处理结果。BUDA 610在处理开 始时将处理方案发送给现场单元，从机动和静止处理单元收集处理性能数据用于分析，并 方便对于新材料和状态搜索和发展处理方案。静止的压紧机500b与静止的野外实验室6M —起可以位于产生生物质作为副产 品的工厂附近或工厂内。这些工厂例如包括土豆工厂和酿酒厂。BUDA 610可以沿通信箭头 626的方向向静止压紧机500b和静止野外实验室拟4提供信息例如生物质处理方案。静止 压紧机500b和静止野外实验室6 将信息例如局部方案调整、全球定位系统坐标和生产数 据沿通信箭头628的方向返回BUDA 610。这些信息交换可以利用广域网(WAN)来实现。BUDA 610还与研究与开发实验室630通信。在研究与开发实验室630，科学家使 用材料和处理数据进行工作，以便开发和精制处理“公式”。这些公式例如包括压紧率、压紧 速度(该速度影响水的抽取)，以及加热时间和温度。BUDA 610还与有利于整个系统600的操作的各种附加模块进行通信。示例模块在 图11中表示，并包括管理模块640、操作模块650和货物模块660。管理模块640处理金融 数据，并执行功能例如策略计划和人力资源管理。操作模块650有助于功能例如野外单元 定位、处理效率、部署计划和成本收集。货物模块660处理与原料交易、产品交易和二氧化 碳信贷交易相关的数据。如图11中所示，货物模块660可以通过WAN 662而与货物交易设备670通信。因 为BUDA 610与货物市场联系，因此BUDA 610知道哪种产品混合最好。例如，具有30%水含 量的生物砖块50可能有市场，这使得不需要将生物砖块50处理至更低水含量。根据本发明生产的生物质解决了至少三个限制问题，这些限制问题防止生物质广 泛用作燃料。首先，普通的生物质有较低的能量密度；本发明的生物砖块50具有高得多的 能量密度。第二，输送成本阻碍了普通生物质；生物砖块50可以象煤一样输送。最后，传统 生物质的不希望化学性质(包括高氮含量和碱度)由生物砖块50避免。尽管上面已经参考某些特定实施例和实例进行了图示和介绍，不过本发明并不局 限于所示细节。而是，在权利要求的等效范围内和在不脱离本发明的精神的情况下，可以对 细节进行各种变化。特别是，例如在文献中广泛介绍的所有范围都包含在落在更广范围内 的所有更小范围。还应当知道，除非另外特别说明，根据本发明实施的步骤和方法并不局限 于任意特殊顺序。
权利要求
1.一种超级压紧机，该超级压紧机接收含碳材料，并提供适合作为发电用燃料的砖块， 超级压紧机包括进口，该进口用于从外部源接收含碳材料；压紧腔室，该压紧腔室从进口接收含碳材料，并有(a)至少一个压头，该压头沿运行路径往复运动，并在含碳材料上施加预定量压力；(b)末端执行器板或活动滑门，含碳材料压缩抵靠该末端执行器板或活动滑门，从而促 使水分从含碳材料中除去；以及(c)一个或多个脱水孔或隔膜，该脱水孔或隔膜允许水分通过，但是阻挡含碳材料；水分收集器，该水分收集器捕获通过脱水孔或隔膜的水分；动力单元，该动力单元向至少一个压头提供动力；以及加热挤压腔室，该挤压腔室从压紧腔室接收含碳材料，并加热和压紧含碳材料，以便将 含碳材料粘接成砖块形式。
2.根据权利要求1所述的超级压紧机，其中由该至少一个压头施加在含碳材料上的 预定量压力使得含碳材料的体积减小系数为大约10 1或更大。
3.根据权利要求1所述的超级压紧机，其中由该至少一个压头施加在含碳材料上的 预定量压力使得含碳材料中的水分减小至大约30 %或更少。
4.根据权利要求1所述的超级压紧机，其中压紧腔室以这样的速度操作，使得超级压 紧机能够每小时处理大约25吨含碳材料。
5.根据权利要求1所述的超级压紧机，其中动力单元产生热量，超级压紧机还包括换 热器，该换热器将由动力单元产生的热量提供给加热挤压腔室。
6.根据权利要求1所述的超级压紧机，其中压紧腔室有三个单独的压头，每个压头有 沿三个垂直方向中的一个设置的单独运行路径。
7.根据权利要求1所述的超级压紧机，还包括可编程逻辑控制器，该逻辑控制器从压 紧机的多个部件接收信息，并控制部件的操作。
8.一种从含碳材料产生适合作为用于发电用燃料的砖块的方法，该方法包括(a)收集含碳材料；(b)将含碳材料预处理至合适尺寸和水含量；(c)将含碳材料供给超级压紧机；(d)驱动该超级压紧机，以便在含碳材料上施加在大约2.7xl07至1. 4xl09Pa之间的预 定量压力，从而将水挤压和压垮在含碳材料中的空隙；(e)收集从含碳材料中挤压的水；以及(f)加热含碳材料以便形成砖块。
9.根据权利要求8所述的方法，其中加热的步骤还形成在砖块上的保护涂层。
10.根据权利要求8所述的方法，其中由超级压紧机施加在含碳材料上的预定量压力 使得含碳材料的体积减小系数为大约10 1或更大。
11.根据权利要求8所述的方法，其中由超级压紧机施加在含碳材料上的预定量压力 使得含碳材料中的水减小至大约30%或更少。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括通过模具挤压含碳材料以便形成预定形状砖 块的步骤。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括将砖块输送给发电厂以便用作燃料的步骤。
14.一种固体燃料合成物，由具有第一水分含量、第一体积和第一碱度的生物质原材料 形成，固体燃料合成物包括至少一种压缩生物质材料，该压缩生物质材料具有第二水分含 量，该第二水分含量为第一水分含量的大约50%或更小；以及第二体积，该第二体积相对 于第一体积的减小系数为大约10 1或更大。
15.根据权利要求14所述的固体燃料合成物，还包括涂层，该涂层阻止液体或气体进 入合成物中。
16.根据权利要求15所述的固体燃料合成物，其中涂层包括木质素、糖、淀粉或它们 的任意组合。
17.根据权利要求14所述的固体燃料合成物，还包括粘接剂。
18.根据权利要求14所述的固体燃料合成物，还包括至少一种压缩生物质材料和至 少一种其它材料的混合物。
19.根据权利要求14所述的固体燃料合成物，其中该至少一种压缩生物质材料的密 度为大约1.3g/ml或更大。
20.根据权利要求14所述的固体燃料合成物，其中该至少一种压缩生物质材料有第 二碱度，该第二碱度相对于第一碱度减小超过50%每MM BTU0
全文摘要
本发明公开了一种超级压紧机，接收含碳材料，并提供适合作为发电用燃料的砖块。压紧腔室接收含碳材料，并有至少一个压头，该压头沿运行路径往复运动，并在含碳材料上施加预定量压力。压缩腔室还有末端执行器板或活动滑门，含碳材料压缩抵靠该末端执行器板或活动滑门，从而促使水分从含碳材料中除去；以及一个或多个脱水孔或隔膜，该脱水孔或隔膜允许水分通过，但是阻挡含碳材料。收集器捕获通过脱水孔或隔膜的水分。动力单元向至少一个压头提供动力。加热挤压腔室从压紧腔室接收含碳材料，并加热和压紧含碳材料，以便将含碳材料粘接成砖块形式。
文档编号B30B9/02GK102149537SQ200880106492
公开日2011年8月10日 申请日期2008年7月18日 优先权日2007年7月18日
发明者D·B·谢弗 申请人:E3生物能源有限责任公司