煤与经过选矿的含有机碳原料的聚集体的制作方法

本发明大体上涉及生物质与煤聚集体的生产。

背景技术：

绝大多数燃料从有限的地下储备泵抽的原油蒸馏出或天然气获得，或从煤开采得到。随着收集地球上的原油供应变得更加困难并昂贵，并且关于除清洁的无烟煤之外的煤的环境影响的问题越来越多，全世界对能量的需求同时增长。在接下来的十年里，剩余的世界上容易得到的原油储备、天然气储备和低硫烟煤储备的耗竭将导致从原油、天然气和煤获得燃料的成本显著增加。

发现可以有效地使生物质转化成燃料和适合于运输和/或加热的副产品的工艺的研究是满足不断增长的能量需求的重要因素。另外，得到具有改善的效用的固体副产品的工艺在需求上也日益增加。

生物质是含有植物细胞的可再生的含有机碳原料，并且已经显示出作为燃料经济来源的前景。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、石油或天然气的常见燃料来源的经济替代物。

在历史上，经由传统的机械/化学工艺，植物将失去其中略小于25重量％的水分。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和水溶性盐也在炉中组合形成腐蚀和破坏性釉。并且，剩余水分降低原料的每吨百万英热单位产热(MMBTU/吨)的能量密度，由此限制了炉的效率。BTU是使一磅水的温度升高一华氏度所需的热量，并且1MM BTU/吨等效于11.63亿焦耳/每公吨(GJ/MT)。数百年来经由使用许多生物质材料的实验获得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改善增量。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能盈利，并且一般含有不令人满意的水平的水或水溶性盐中的任一者或两者。以足以在商业上成功的大体积适当地运输和/或制备这类原料的成本是昂贵的并且当前是不经济的。而且，足以在商业上适用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，通常以干物质计超过4000mg/kg的地方发现。

已经尝试制备含有机碳原料作为固体可再生燃料、煤替代品或用于从煤碎屑制造煤聚集体的粘合剂，但这些尚未在经济上可行，因为其一般含有可能在燃烧设备中造成腐蚀、结垢以及成渣的水溶性盐，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远低于煤能量密度的高水含量。然而，仍然需要生物质或生物炭，因为如果其可以在其水和水溶性盐含量有更大减少的情况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剂，那么其是固体燃料的清洁的可再生来源。

具有改善的有益特性的固体副产品是满足不断增长的能量需求的重要因素。本发明满足这些需要并且提供优于现有技术的各种优点。

技术实现要素：

本发明的实施例是针对一种部分地来自可再生的、未加工的含有机碳原料的组合物聚集体和一种工艺。组合物是一种经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体，其包含至少10wt％的能量密度小于21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含经过加工的含有机碳原料的经过加工的生物质，所述经过加工的含有机碳原料所具有的特征包括能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)并且相对于作为经过加工的含有机碳原料来源的未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％。经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体通过以下来制造：用选矿子系统将未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料，并在掺合子系统中将其与煤掺合成掺合的紧密聚集体。

制造经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体(其包含至少10wt％的能量密度小于21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的经过加工的生物质)的工艺包含三个步骤。第一步骤是向包含第一、第二和第三子系统的系统中输入包含煤和可再生的、未加工的含有机碳原料的组分，所述含有机碳原料包括自由水、胞间水、胞内水、胞内水溶性盐以及至少一些植物细胞，所述植物细胞包含包括木质素、半纤维素和纤丝内微纤丝的细胞壁。第二步骤是使未加工的含有机碳原料通过选矿子系统工艺，以得到水含量小于20wt％并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％的经过加工的生物质。第三步骤是使经过加工的生物质通过掺合子系统工艺，以与煤结合而得到经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体，其包含至少10wt％的能量密度为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含经过加工的含有机碳原料的经过加工的生物质，所述经过加工的含有机碳原料所具有的特征包括能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)并且相对于作为经过加工的含有机碳原料来源的未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％。

本发明是一种先前无法得到的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体。已知的低能量煤与生物质的掺合物包含小于30wt％的能量密度显著较低的生物质，所述生物质使掺合聚集体的能量密度降至小于低能量煤的能量密度并且添加来自生物质的盐杂质。另外，本发明允许生产性使用煤碎屑，所述煤碎屑包含至多50wt％的煤矿开采输出并且目前进行存放，而因为其潜在爆炸性性质，几乎不可能运输煤碎屑。本发明现允许得到以下聚集体：其具有10wt％至90wt％的能量密度小于21MMBTU/吨(24GJ/MT)的低能量煤碎屑和10wt％至90wt％的能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)的经过加工的生物质。经过加工的生物质的低水溶性胞内盐含量大量减少不利的腐蚀性磨损并且维持现今典型的装置的清洁。用于制造低能量煤/经过加工的生物质聚集体的经过选矿的含有机碳原料的均匀的低水含量和均匀的高能量密度允许在所述工艺的加热子系统中以成本有效的方式使用广泛多种可再生的含有机碳原料。在所述工艺的选矿区段期间，水溶性盐的大量减少会减少伴随经过加工的含有机碳原料的后续使用所出现的不利结果。另外，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含量低于20wt％并且去除大量水溶性盐所需的能量显著小于用于常规工艺的能量。在一些实施例中，经过选矿的原料的单位重量总成本比使用已知机械、物理化学或热工艺进行类似任务以制备用于后续燃料制造操作中的可再生的含有机碳原料的成本减少至少60％，所述后续燃料制造操作诸如制造低能量煤与经过加工的生物质的聚集体的加热子系统(诸如缺氧型热子系统或缺氧型微波子系统)和掺合子系统。

上文概述并不意图描述本发明的每个实施例或每个实施方案。本发明的优点和成就以及更加全面的理解将通过结合附图参考以下详细描述和权利要求书而变得显而易见并且得到了解。

附图说明

图1是典型植物细胞的图解，其细胞壁区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。

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。

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。

图4是选矿子系统中反应室实施例的侧视图的图解。

图5A是选矿子系统中压力板的各种实施例的正视图的图解。

图5B是图5A中所示的压力板的一个实施例的特写的透视图。

图5C是示出沿着具有流体矢量和暴露于流体矢量中的木髓粒子的压力板中心向下的剖视图的图解。

图6A是木质纤维素纤丝的典型应力-应变曲线的图解说明。

图6B是减少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。

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。

图6D是使用针对特定含有机碳原料作调整的本发明的一个实施例来减少含有机碳原料中水含量的压力周期的一个实例的图解说明。

图7是说明与已知工艺相比，使用本发明的选矿子系统的实施例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％所需的能量消耗估算值的表格。

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选矿子系统的一个实施例的侧视图的图解。

图9是使用具有一个通道的反应器室的水平升华缺氧型热子系统的一个实施例的侧视图的图解。

图10是使用具有两个通道、柔性轴封和高温可调节轴盖板的反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。

图11A是其中绳索密封件压缩在适当位置处的柔性轴封套管的一个实施例的侧视图的图解。

图11B是图11A实施例的元件的视图图解，其示出了固持双绳索密封件的框架的背视图。

图11C是图11A实施例的元件的视图图解，其示出了固持单绳索密封件的框架的背视图。

图11D是图11A实施例的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图11B双重绳索密封件的盖子。

图11E是图11A实施例的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图11C单一绳索密封件的盖子。

图12A是示出上半部的高温可调节盖板的一个实施例的正视图和侧视图的图解。

图12B是示出下半部的图12A高温可调节盖板的实施例的正视图和侧视图的图解。

图12C是图12A高温可调节盖板的实施例的正视图的图解，其示出了图12A上半部和图12B下半部结合。

图12D是经过装配的高温可调节盖板处于低温位置的正视图的图解。

图12E是经过装配的高温可调节盖板处于高温位置的正视图的图解。

图13是使用具有两个通道、柔性轴封、高温可调节轴盖板和高温竖直支撑支架的反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。

图14A是竖直支架的一个实施例的正视图，其示出了弯曲底座和用于通过冷却剂的水平环。

图14B是图14A实施例的俯视图，其示出了冷却环。

图14C是竖直支架的一个实施例的正视图，其示出了弯曲底座和竖直支架竖直轴内竖直向上和向下的冷却通道。

图15是使用具有两个通道和一个四通旁路歧管(其附接至反应室外部以增加滞留时间)的反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。

图16是使用具有两个通道、压缩室和干燥室的基本上水平反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。

图17是具有基本上竖直反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。

图17A是图17中所示实施例的反应管阵列的图解。

图18A和18B分别说明被配置成将含有机碳材料转化成生物炭的微波子系统的一个实施例的反应室的侧视图和剖视图。

图18C是微波子系统的一个实施例的倾斜反应室的图解。

图18D是微波子系统的一个实施例的侧视图的图解。

图19A是使用图9A和9B中所说明的反应室用于水/空气提取和反应工艺的微波子系统的一个实施例的方块图。

图19B说明包括反馈控制的微波子系统的一个实施例。

图20A示出了包括在安置于具有一个或多个透微波壁的圆柱形反应室外部的圆筒上布置的多个固定磁控管的微波子系统。

图20B说明具有支撐可以围绕反应室纵轴旋转而反应室同时绕其纵轴旋转的磁控管的圆筒的微波子系统的一个实施例。

图20C示出了具有包含导流片的原料运输机构的微波子系统反应室的一个实施例。

图21说明除二级热源以外具有旋转磁控管的系统。

图22描绘微波子系统，其中磁电管沿着反应室的纵轴移动并且围绕反应室的纵轴旋转。

图23是从未加工的含有机碳原料制造低能量煤与经过加工的生物质的聚集体的工艺的图解。

图24是用于使未加工的含有机碳原料穿过选矿子系统以形成经过加工的含有机碳原料的工艺的一个实施例的方块图，所述经过加工的含有机碳原料的水含量小于20wt％并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性盐含量以干物质计减少超过60wt％。

图25是用于使未加工的含有机碳原料穿过选矿子系统以形成经过加工的含有机碳原料的工艺的一个实施例的方块图，所述经过加工的含有机碳原料的水含量小于20wt％，相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性盐含量以干物质计减少超过60wt％，并且去除水溶性盐和水的能量成本减至小于从已知的机械、已知物理化学或已知热工艺类似去除的单位重量成本的60％。

图26是示出选矿子系统中所用的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。

图27是用于使经过加工的含有机碳原料穿过水平升华缺氧型热子系统以形成经过加工的生物炭的工艺的一个实施例的方块图，所述经过加工的生物炭的能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，水含量小于10wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性盐，经过加工的含有机碳原料中的水溶性盐以干物质计减少超过60wt％。

图28是用于使经过加工的含有机碳原料穿过竖直升华缺氧型热子系统以形成经过加工的生物炭的工艺的一个实施例的方块图，所述经过加工的生物炭的能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，水含量小于10wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性盐，经过加工的含有机碳原料中的水溶性盐以干物质计减少超过60wt％。

图29是用于使经过加工的含有机碳原料穿过微波子系统以形成固体可再生燃料(经过加工的生物炭)的工艺的一个实施例的方块图，所述经过加工的生物炭的能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，水含量小于10wt％，相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性盐，经过加工的含有机碳原料中的水溶性盐以干物质计减少超过60wt％，并且孔隙的孔隙大小变化小于10％。

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通过实例示出并且将在下文详细描述。然而，应理解，并不意图将本发明限于所描述的特定实施例。相反地，本发明意图涵盖处于如所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

经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体，其包含至少10wt％的能量密度为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含经过加工的含有机碳原料的经过加工的生物质，所述经过加工的含有机碳原料所具有的特征包括能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％。经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体通过以下来制造：用选矿子系统将未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料，并在掺合子系统中将其与煤掺合成掺合的紧密聚集体。在一些实施例中，经过加工的生物质是能量密度为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的经过加工的生物炭，以使得掺合聚集体的能量密度比煤组分更高。本发明的经过加工的生物质具有比煤更清洁并且来自可再生来源(即，农业和植物材料)的优点，而没有目前生物质工艺的低效并且去除较少的在未加工的可再生生物质中所发现的盐(如果有的话)的负担。将论述本发明的几个方面：煤、经过加工的生物质、经过加工的生物炭、掺合的聚集体、未加工的可再生的含有机碳原料、选矿子系统、加热子系统、掺合子系统、选矿子系统工艺、加热子系统工艺以及掺合子系统工艺。

经过加工的生物质

从可再生的含有机碳原料制造的生物质在本文献中被称作经过加工的生物质。本发明的经过加工的生物质包含以下固体碳燃料，其包含小于20wt％水和相对于作为经过加工的含有机碳原料来源的未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐，以干物质计小于经过加工的含有机碳原料的60wt％的水溶性胞内盐。经过加工的生物质通过在选矿子系统中将未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料来制造。如在本文献中所用，经过加工的生物质球粒是经过选矿的含有机碳原料随后粒化的固体产品。用于制造本发明经过加工的生物质的含有机碳原料可以含有超过一种可再生原料的混合物。

经过加工的生物炭

从可再生的含有机碳原料制造的炭在本文献中被称作经过加工的生物炭。本发明的经过加工的生物炭包含以下固体碳燃料，其包含小于10wt％水和相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐，以干物质计小于经过加工的含有机碳原料的60wt％的水溶性胞内盐。水溶性胞内盐含量减少是基于比较穿过加热子系统之前的经过加工的含有机碳原料与未加工的含有机碳原料，因为随着生物油和生物气得到去除，加热过程可能降低以干物质计的生物质重量百分比。经过加工的生物质通过以下来制造：在选矿子系统中将未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料，和然后使其穿过缺氧型热子系统。如在本文献中所用，经过加工的生物炭是经过选矿的含有机碳原料脱除挥发份的固体产品。用于制造本发明经过加工的生物炭的含有机碳原料可以含有超过一种可再生原料的混合物。

煤

术语“煤”用于描述多种化石化的植物材料，但没有两种煤完全类似。当用具体煤匹配特定应用时，必须考虑热值、灰分熔融温度、硫和其它杂质、机械强度以及许多其它化学和物理特性。煤分类成四个一般类别或“等级”。其介于褐煤到次烟煤和烟煤到无烟煤的范围内，反映个别煤矿对增加的热量和压力的渐变响应。煤的碳含量供应其大部分热值，但其它因素也影响其每单位重量所含能量的量。煤中能量的量以每吨或每2000磅的英热单位表示。BTU是使一磅水的温度升高一华氏度所需的热量。本国约90％的煤属于烟煤和次烟煤类别，其等级低于无烟煤并且在大部分情况下，每单位重量含有较少能量。烟煤在大陆东部的中部煤田中占绝大多数，而次烟煤一般发现于西部各州和阿拉斯加(Alaska)。褐煤等级最低，并且是煤中形成时间最短的。大多数褐煤在德克萨斯州(Texas)开采，但也在蒙大拿州(Montana)、北达科他州(North Dakota)和墨西哥湾(Gulf Coast)一些州发现较大矿藏。

煤的能量密度随其类型而变化，其中具有一定重叠。无烟煤是具有最高碳含量的煤，其碳含量介于86％与98％之间，并且能量密度或热值超过30MMBTU/吨(35GJ/MT)。最常与家庭供暖相关，无烟煤是美国煤市场的极小部分。在美国中存在73亿吨无烟煤储备，大多发现于宾夕法尼亚州东北部的11个郡。在美国最丰富的煤形式(烟煤)主要用于发电和制造用于钢铁工业的焦炭。最快增长的煤市场(但仍是较小市场)是为工业工艺供应热量。烟煤的碳含量介于45％至86％碳范围内，并且能量密度或热值为21MMBTU/吨至31MMBTU/吨(24GJ/MT至36GJ/MT)。评级低于烟煤的是次烟煤，其具有35％-45％碳含量并且能量密度或热值介于16.6MMBTU/吨至26MMBU/吨(19GJ/MT至30GJ/MT)之间。储备主要位于六个西部州和阿拉斯加。尽管其热值较低，但这种煤的硫含量一般比其它类型低，这使其由于更清洁燃烧而具有使用吸引力。褐煤是地质学上形成时间较短的煤，其具有最低碳含量(25％-35％)，并且能量密度或热值介于8MMBTU/吨至16.6MMBTU/吨(9GJ/MT to 19GJ/MT)之间。其有时被称作棕煤，主要用于电力产生。如在本文献中所用，任何类型的能量密度为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤将被称作高能量煤，并且任何类型的能量密度小于21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤将被称作低能量煤。

煤具有与其在地下经过数百万年形成相关的无机杂质。无机杂质是不可燃的，在诸如锅炉的情形下进行煤燃烧之后出现在灰分中，并且当在燃烧后将飞灰颗粒材料排入大气中之后造成空气污染。无机杂质主要由在最终埋藏之前冲入腐烂生物质中的粘土矿物和痕量无机杂质产生。一组重要的沉淀杂质是碳酸盐矿物。在煤形成的早期，诸如碳酸铁的碳酸盐矿物作为固结物(大小至多数十厘米的硬椭圆形矿瘤)或作为煤中裂缝的填补物沉淀。诸如硫的杂质和痕量元素(包括汞、锗、砷和铀)在煤形成期间化学还原并且并入。大多数硫以矿物黄铁矿(FeS₂)、硫酸盐矿物(CaSO₄和FeSO₄)或有机复合物形式存在，并且其可以占煤体积的至多几个百分点。燃烧煤使这些化合物氧化，释放硫的氧化物(SO、SO₂、SO₃、S₇O₂、S₆O₂、S₂O₂等)，其为臭名昭著的酸雨促成因素。痕量元素(包括汞、锗、砷以及铀)显著地存在于煤中，也通过燃烧其而释放，造成大气污染。

经过加工的生物质

从可再生的含有机碳原料制造的生物质在本文献中被称作经过加工的生物质。本发明的经过加工的生物质包含以下固体碳燃料，其包含小于20wt％水和以干物质计小于未加工的含有机碳原料的60wt％的水溶性胞内盐。经过加工的生物质通过在选矿子系统中将未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料来制造。如在本文献中所用，经过加工的生物质球粒是经过选矿的含有机碳原料随后粒化的固体产品。用于制造本发明经过加工的生物质的含有机碳原料可以含有超过一种可再生原料的混合物。

本发明高能量聚集体的经过加工的生物质组分比煤更清洁。上文所论述的杂质不以任何显著量存在。确切地说，经过加工的生物质基本上不含硫。一些实施例具有小于1000mg/kg(0.1wt％)或小于百万分之1000(1000ppm)的硫含量，一些小于100mg/kg(100ppm)，一些小于10mg/kg(10ppm)。相比之下，煤具有显著更多的硫。煤中的硫含量在4000mg/kg(0.4wt％)至40,000mg/kg(4wt％)范围内并且随着煤的类型而变化。无烟煤中的典型硫含量是6000mg/kg(0.6wt％)至7700mg/kg(0.77wt％)。烟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约4000mg/kg(0.4wt％)。无烟煤对于在燃烧中广泛使用来说太过昂贵。褐煤是具有低能量密度或BTU/wt的劣质煤。

另外，经过加工的生物质基本上不具有硝酸盐、砷、汞或铀。对比煤中通常超过20,000mg/kg(2wt％)的硝酸盐含量，一些实施例的硝酸盐含量小于500mg/kg(500ppm)，一些小于150mg/kg(150ppm)。对比煤中超过1mg/kg至超过70mg/kg(1ppm至70ppm)的砷含量，一些实施例的砷含量小于2mg/kg(2ppm)，一些小于1mg/kg(1ppm)，一些小于0.1mg/kg或十亿分之100(100ppb)，并且一些小于0.01mg/kg(10ppb)。对比煤中0.02mg/kg(20ppb)至0.3mg/kg(300ppb)的汞含量，一些实施例的汞含量可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)。类似地，对比煤中20mg/kg(20ppm)至315mg/kg(315ppm)，平均为约65mg/kg(ppm)的铀含量，一些实施例的铀含量也可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)，并且来自煤的灰分中的铀含量平均为约210mg/kg(210ppm)。

经过加工的生物炭

从可再生的含有机碳原料制造的炭在本文献中被称作经过加工的生物炭。本发明的经过加工的生物炭包含以下固体碳燃料，其包含小于10wt％水和相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐，以干物质计小于经过加工的含有机碳原料的60wt％的水溶性胞内盐。水溶性胞内盐含量减少是基于比较穿过加热子系统之前的经过加工的含有机碳原料与未加工的含有机碳原料，因为随着一些转化成生物油和生物气并且如下文所论述在加热子系统区段得到去除，加热过程可能降低以干物质计的固体生物质重量百分比。经过加工的生物质通过以下来制造：在选矿子系统中将未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料，和然后使其穿过缺氧型热子系统。如在本文献中所用，经过加工的生物炭是经过选矿的含有机碳原料脱除挥发份的固体产品。用于制造本发明经过加工的生物炭的含有机碳原料可以含有超过一种可再生原料的混合物。

其它形式的炭也是已知的。这些炭中的一些包括例如通过生物质的热解制造炭，也称为木炭。木炭的能量密度为约26MMBTU/吨(30GJ/MT)，并且含有在用于制造所述木炭的起始生物质中所发现的所有水溶性盐残留物。木炭具有各种用途，包括例如用于产生用于蒸煮和加热的热量的可燃燃料，以及为用于生长农业和园艺产品的施肥土壤提供矿物的土壤改良剂。炭也通过使生物质穿过与熏肉蒸煮器类似的暴露于外部含氧气大气的开放式微波炉来制造，并且含有变化与通过具有液相的热工艺制造的炭类似的孔隙。

相比之下，本发明高能量聚集体的经过加工的生物质组分比煤更清洁。上文所论述的杂质不以任何显著量存在。确切地说，经过加工的生物质基本上不含硫。一些实施例具有小于1000mg/kg(0.1wt％)或小于百万分之1000(1000ppm)的硫含量，一些小于100mg/kg(100ppm)，一些小于10mg/kg(10ppm)。相比之下，煤具有显著更多的硫。煤中的硫含量在4000mg/kg(0.4wt％)至40,000mg/kg(4wt％)范围内并且随着煤的类型而变化。无烟煤中的典型硫含量是6000mg/kg(0.6wt％)至7700mg/kg(0.77wt％)。烟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约4000mg/kg(0.4wt％)。无烟煤对于在燃烧中广泛使用来说太过昂贵。褐煤是具有低能量密度或BTU/wt的劣质煤。

另外，经过加工的生物质基本上不具有硝酸盐、砷、汞或铀。对比煤中通常超过20,000mg/kg(2wt％)的硝酸盐含量，一些实施例的硝酸盐含量小于500mg/kg(500ppm)，一些小于150mg/kg(150ppm)。对比煤中超过1mg/kg至超过70mg/kg(1ppm至70ppm)的砷含量，一些实施例的砷含量小于2mg/kg(2ppm)，一些小于1mg/kg(1ppm)，一些小于0.1mg/kg或十亿分之100(100ppb)，并且一些小于0.01mg/kg(10ppb)。对比煤中0.02mg/kg(20ppb)至0.3mg/kg(300ppb)的汞含量，一些实施例的汞含量可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)。类似地，对比煤中20mg/kg(20ppm)至315mg/kg(315ppm)，平均为约65mg/kg(ppm)的铀含量，一些实施例的铀含量也可忽略，即，小于1微克/千克(1ppb)，并且来自煤的灰分中的铀含量平均为约210mg/kg(210ppm)。

其它形式的炭也是已知的。这些炭中的一些包括例如通过生物质的热解制造炭，也称为木炭。木炭的能量密度为约26MMBTU/吨(30GJ/MT)，并且含有在用于制造所述木炭的起始生物质中所发现的所有水溶性盐残留物。木炭具有各种用途，包括例如用于产生用于蒸煮和加热的热量的可燃燃料，以及为用于生长农业和园艺产品的施肥土壤提供矿物的土壤改良剂。炭也通过使生物质穿过与熏肉蒸煮器类似的暴露于外部含氧气大气的开放式微波炉来制造，并且含有变化与通过具有液相的热工艺制造的炭类似的孔隙。

在通过热量加热或红外辐射制造的生物炭中，热被吸收在任何含有机碳原料的表面上并且然后在较低温度下再辐射至下一级。再次反复重复这种工艺直至热辐射穿透至原料的最内部分。原料中的所有材料在其表面处吸收热辐射，并且构成原料的不同材料以不同速率吸收IR。在原料的表面与最内层或区之间可以存在几个数量级的Δ温度。因此，固体含有机碳原料在挥发之前的局部经过液相。这种温度变化可以在纵向方向以及径向方向上出现，这取决于原料的特征、加热的速率以及热源的定位。从原料的表面向内部的这种可变热传递可以产生冷点和热点、热冲击、不平坦表面和内部膨胀裂痕、碎裂，喷射表面材料并且形成气溶胶。这全部可能产生引起副反应并且形成许多不同的最终产品的微环境。这些副反应不仅在原料中而且在挥发物中发生，这些挥发物从原料中蒸发并且在收集之前占据内部反应器环境中的蒸气空间。

常用热工艺，即热解，通过在低/无氧环境中加热生物质而从生物质产生生物炭、液体和气体。氧气的缺乏防止燃烧。典型产率为60％生物油、20％生物炭以及20％挥发性有机气体。在化学计量的氧气存在下的高温热解也被称为气化，并且主要产生合成气。比较起来，缓慢热解可以产生明显更多的炭，约50％左右。

另一种热工艺是升华工艺热解，其在低/无氧环境中从生物质产生生物炭和气体。氧气的缺乏也防止燃烧。典型产率为70％燃料气和30％生物炭。升华可以适用于较重/较致密生物质原料(诸如木材)的竖直方式和适用于较轻/较不致密生物质原料(诸如麦秸)的水平水平进行。

作为热工艺的替代物，通过微波辐射制造炭的工艺使用在整个含有机碳原料中吸收的热量。所述工艺使用来自贫氧微波工艺系统的微波辐射。在微波辐射下，原料的固体部分对微波辐射几乎透明并且大部分微波辐射正好穿过。与固体原料的小吸收截面成对比，气态和液态水强烈吸收微波辐射，从而增加水分子的旋转和扭转振动能。因此，所存在的气态和液态水通过微波加热，并且这些水分子随后间接地加热固体原料。因此，使经受微波辐射场的任何原料的内部至外部均匀地暴露于辐射，而无论原料的物理尺寸和含量如何。在微波下，辐射优先被加热升温的水分子吸收。这种热然后传递至周围的环境，使得原料均匀并充分地被加热。

在所有上述工艺中，并未去除所有可再生的含有机碳原料中的水溶性盐。这具有增加燃烧的炭中的灰分含量并且因腐蚀和成渣，即在燃烧期间杂质的粘性残留物的沉积而增加磨损和维护成本的不利影响。相比之下，本发明的制造经过加工的生物炭的工艺使用选矿子系统来加工未加工的含有机碳原料以去除大部分水和水溶性盐，并且使用缺氧型热子系统来将经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物炭。

相比之下，本发明的一个实施例的经过加工的生物炭所含有的水溶性盐比目前已知生物炭的水溶性盐少得多。本发明的缺氧型热子系统与上文所论述的那些子系统类似，但使用经过加工的含有机碳原料而非上文所提及的由上述缺氧型热工艺使用的未加工的含有机碳原料。

掺合的聚集体

掺合的聚集体提供用于诸如锅炉的工艺中的显著更清洁的燃料，而无常见相关的能量密度降低。

本发明的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体当与用未加工的含有机碳原料制造的生物质/煤掺合的紧密聚集体相比较时具有若干改善的特征。首先，经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体所含有的盐显著少于由目前使用类似未加工的含有机碳原料的工艺所产生的盐。相对于未加工的含有机碳原料中的盐含量，对于经过加工的含有机碳原料，处于经过加工的含有机碳原料中并且因此处于所得经过加工的生物质中的盐以干物质计减少至少60wt％。盐含量减少是基于以干物质计的经过加工的含有机碳原料与以干物质计的未加工的含有机碳原料之间的比较。在将经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物炭的后续加热步骤之后，盐含量不进一步变化，但因为经过加工的含有机碳原料中的一些固体转化成液体或气体相，故以干物质计的总固体减少一定百分比。经过加工与未加工的含有机碳原料之间盐减少的另一个作用是一些实施例的所得经过加工的生物炭中的固定碳较高并且灰分含量较低，这是因为在锅炉中后续燃烧所述生物炭期间形成灰分的盐较少。此外，盐在锅炉中的不利作用减少，磨损减缓，并且设备的维护性清洁较不频繁并且不太费力。

第二，高能量的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体具有高能量密度，接近高能量煤组分至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的能量密度。经过加工的生物质的能量密度是至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，其中一些实施例为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)。一些实施例的能量密度为至少23MMBTU/吨(27GJ/MT)，一些至少26MMBTU/吨(30GJ/MT)，一些至少28MMBTU/吨(33GJ/MT)，一些至少30MMBTU/吨(35GJ/MT)，并且一些至少31MMBTU/吨(36GJ/MT)。相比之下，通过对未加工的含有机碳原料进行缺氧型加热而制造的未加工的生物炭的能量密度常常在10MMBTU/吨(12GJ/MT)与12MMBTU/吨(14GJ/MT)之间。

第三，取决于在聚集体中所用的经过加工的生物质的含量，经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体可以含有显著较少的与煤自身相关的污染物。这种经过加工的聚集体含有极少(如果有的话)通常与煤相关的污染物。当燃烧煤时，与煤相关的这些污染物包括例如汞(神经毒素)、砷(致癌物)和SxOy。经过加工的生物质含有少于0.1wt％的任何上述杂质，一些实施例含有少于0.01wt％，一些少于0.001wt％，一些少于0.0001wt％。

第四，取决于所要目标，可以将较高水平的经过加工的生物质与煤碎屑掺合以允许用于多种情况。因为经过加工的生物质的较低盐含量和较高能量密度，含有至少10wt％生物质的煤生物质掺合物现在可能具有接近或超出煤组分能量密度的能量密度和比生物质组分低得多的胞内盐水平。在一些实施例中，生物质含量是至少20wt％，在一些实施例中至少30wt％，在一些实施例中至少40wt％，在一些实施例中至少50wt％，在一些实施例中至少60wt％，在一些实施例中至少70wt％，并且在一些实施例中至少80wt％。类似地，因为经过加工的生物质的低盐含量和高能量密度，现在可能安全地以含有至少10wt％煤的掺合物形式运输煤碎屑。在一些实施例中，煤含量是至少20wt％，在一些实施例中至少30wt％，在一些实施例中至少40wt％，在一些实施例中至少50wt％，在一些实施例中至少60wt％，在一些实施例中至少70wt％，并且在一些实施例中至少80wt％。这允许在商业中安全地使用煤碎屑作为用于诸如加热锅炉的工艺的燃料来源。其也允许掺合物的大部分是可再生固体燃料，而不需要牺牲与目前未加工的生物质和煤掺合物相关的材料清洁度或能量密度。

本发明的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体当与用未加工的含有机碳原料制造的生物质/煤掺合的紧密聚集体相比较时具有若干改善的特征。首先，经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体所含有的盐显著少于由目前使用类似未加工的含有机碳原料的工艺所产生的盐。相对于未加工的含有机碳原料中的盐含量，对于经过加工的含有机碳原料，处于经过加工的含有机碳原料中并且因此处于所得经过加工的生物炭中的盐以干物质计减少至少60wt％。因此，所得经过加工的生物炭中的固定碳较高并且灰分含量较低，这是因为在燃烧期间形成灰分的盐较少。另外，盐在锅炉中的不利作用减少，磨损减缓，并且设备的维护性清洁较不频繁并且不太费力。

第二，取决于特定应用或用途的具体需求，经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体的能量密度通常接近低能量煤组分小于21MMBTU/吨(24GJ/MT)的能量密度或超过所述能量密度。经过加工的生物质的能量密度是至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，其中一些实施例为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)。一些实施例的能量密度为至少23MMBTU/吨(27GJ/MT)，一些至少26MMBTU/吨(30GJ/MT)，一些至少28MMBTU/吨(33GJ/MT)，一些至少30MMBTU/吨(35GJ/MT)，并且一些至少31MMBTU/吨(36GJ/MT)。相比之下，通过对未加工的含有机碳原料进行缺氧型加热而制造的未加工的生物炭的能量密度常常在10MMBTU/吨(12GJ/MT)与12MMBTU/吨(14GJ/MT)之间并且一般在26MMBTU/吨(30GJ/MT)下，并且仍具有从未加工的生物质保留的盐。

第三，取决于在聚集体中所用的经过加工的生物质的含量，经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体可以含有显著较少量的与煤自身相关的污染物。这种经过加工的聚集体含有极少(如果有的话)通常与煤相关的污染物。当燃烧煤时，与煤相关的这些污染物包括例如汞(神经毒素)、砷(致癌物)和SxOy。经过加工的生物质含有少于0.1wt％的任何上述杂质，一些实施例含有少于0.01wt％，一些少于0.001wt％，一些少于0.0001wt％。

第四，如果使用经过加工的生物质粘合剂辅助形成球粒，那么经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体相对于煤含有甚至更少(如果有的话)的能量密度降低。经过加工的生物质粘合剂包含经过加工的含有机碳原料的清洁微粒和来自选矿子系统的木质素流出物，并且其干式能量密度为超过17MMBTU/吨(20GJ/MT)，在一些情况下至少19MMBTU/吨(22GJ/MT)，在一些情况下至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)，并且在一些情况下至少23MMBTU/吨(27GJ/MT)。

在本发明的一些实施例中，当不论所用含有机碳原料的类型，将经过加工的含有机碳原料制造为具有基本上均匀的能量密度时，用于制造本发明的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体的含有机碳原料可以含有超过一种可再生原料的混合物。

未加工的含有机碳原料

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并且精于保留水分的填塞料。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撑的能力。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，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。

未加工的含有机碳材料，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，经过选矿的含有机碳原料是经过加工的含有机碳原料，其中已经减少水分含量，已经去除大量的溶解盐，并且已经增加材料的能量密度。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。

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以及因此所述能量的成本必须首先由通过选矿工艺实现的总体改善来基本上抵消。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，在所有其它事物都是同等的情况下，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。

如本文所用，含有机碳原料包含自由水、胞间水、胞内水、胞内水-盐以及至少一些植物细胞，所述植物细胞包含包括木质素、半纤维素和纤丝内纤维素微纤丝的细胞壁。在一些实施例中，未加工的含有机碳原料的水溶性盐含量以干物质计为至少4000mg/kg。在其它实施例中，盐含量可以超过1000mg/kg、2000mg/kg或3000mg/kg。含量在很大程度上取决于含有机碳材料所生长的土壤。土地肥沃并且更加能够允许土地用于以商业量生长能量作物的地区通常具有得到水溶性盐含量超过4000mg/kg的含有机碳原料的碱性土壤。

水溶性盐在使用含有机碳原料以形成燃料的工艺中是不合需要的。所述盐倾向于经由腐蚀、结垢或燃烧时成渣而缩短设备的操作寿命。一些锅炉具有限制燃料中的盐浓度小于1500mg/kg的标准。这是用以在用于锅炉的燃料的可获得性与清洁设备和替换部件的频率的花费之间找到平衡。如果经济的话，那么较少的盐将是优选的。事实上，经由选矿使盐减少是用于在锅炉中使用含盐生物质(例如，碎木燃料、牧豆树以及松桧)的使能技术。盐还常常在用于形成有益燃料的工艺中使催化剂中毒并且抑制细菌或酶的使用。虽然可耐受一定盐浓度，但理想地，盐的水平应低至经济上可行的。

水溶性盐和各种形式的水位于植物细胞中的各种区中。如本文所用，植物细胞由包括纤丝内微纤丝束的细胞壁组成并且包括胞内水和胞内水溶性盐。图1是典型植物细胞的图解，其细胞壁区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。示出了植物细胞(100)，其具有被放大以显示纤丝(130)的细胞壁(120)区段。每个纤丝由包括纤维素(150)股的微纤丝(140)组成。纤维素股促成一定程度的有序性并且因此促成结晶性。

植物细胞具有初生细胞壁和次生细胞壁。次生细胞壁的厚度随着植物类型而变化并且提供植物材料的大部分强度。图2是次生植物细胞壁中一起成束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。植物细胞壁(200)的区段由许多纤丝(210)组成。每个纤丝210包括围绕纤维素微纤丝(230)的聚集体的外鞘(220)。纤丝210由半纤维素(240)和木质素(250)交织而成的股束缚在一起。为了去除胞内水和胞内水溶性盐，细胞壁200的区段必须通过以下至少一者而刺穿：从半纤维素240和木质素250的股的网状物解开纤丝，使股的一部分解晶，或使股的一部分解聚。

植物细胞由胞间水彼此隔开。植物细胞的聚集体在植物纤维中集合在一起，每个植物纤维具有纤维素壁，其外部被自由水(也称为表面水分)润湿。分布在特定含有机碳原料内的水量随着材料而变化。作为一个实例，水在来自草本植物的新鲜蔗渣中如下分布：约50wt％的胞内水、约30wt％的胞间水以及约20wt％的自由水。蔗渣是在压碎甘蔗或高粱秆以提取其汁液之后保留的纤维物质。

图3是蔗渣的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。示出了具有植物细胞的聚集体的纤维(300)，其具有在纤维素外壁(320)上的表面水分(310)。在纤维300内铺设由胞间水(340)隔开的个别植物细胞(330)。在每个个别植物细胞330内铺设胞内水(350)和胞内水溶性盐(360)。

用以对含有机碳原料进行选矿的常规方法包括热工艺、机械工艺以及物理化学工艺。热方法包括涉及热解和烘烤的热处理。热方法并不有效地去除夹带的盐并且仅用来使其浓缩。因此，热工艺对于形成许多产能产品是不可接受的，所述产品诸如用作煤和石油类物质的燃料替代品的含有机碳原料。另外，所有常规热方法都是能量密集的，导致不利的总体能量平衡，并且因此在经济上限制含有机碳原料作为可再生能源的商业用途。

机械方法(也称为加压挤出或致密化)可以分成两种不连续的工艺，其中强制性地从含有机碳材料中挤出水和水溶性盐。这两种工艺是胞间和胞内挤出。胞间水和胞间水溶性盐的挤出在中等压力下发生，这取决于含有机碳材料的新鲜度、粒度、初始水分含量以及含有机碳材料的种类。因此，水分含量介于50wt％与60wt％之间的新伐的草本含有机碳原料的适当大小的粒子将在低至1,000psi的压力下开始挤出胞间水分，并且将持续直至过度的压力迫使水分进入植物细胞中(基本上变成胞内水分)。

随着致密化的进行，需要更高的压力并且因此需要更高的能量成本以试图挤出胞内水和胞内水溶性盐。然而，坚硬的细胞壁为生物质材料提供机械强度，并且能够经受住高压而不会损失结构完整性。另外，在高于临界压力下压实不同草本生物质材料期间已经观测到在较薄弱细胞壁的草本材料中更为普遍的不透性毡的形成。这种方法是能量密集的。另外，其仅可以去除以干物质计至多50％的水溶性盐(胞内盐保留)并且不能使残余总水含量减少至低于30wt％。

当长纤维形成织物并且由极小的木髓粒子束缚在一起时形成毡。木髓是在植物中发现的组织并且由软的海绵状薄壁组织细胞组成，所述细胞在整个植物中储存和运输水溶性养分。木髓粒子可以在水中固持其自身重量的50倍。随着在压实期间施加的压缩力迫使水进入成形毡中，夹带的木髓粒子收集水分直至其容量为止。因此，任何毡的水分含量都可以接近90％。当毡在压实期间形成时，与所施加的力无关，压实的生物质的总体水分含量将明显高于在未形成毡的其它情况下可能的总体水分含量。毡阻塞压实装置的出口孔以及垂直于所施加的力的片段，并且阻断水从压实装置排出。毡还阻断水穿过植物纤维和植物细胞，使得一些水穿过细胞壁的孔隙回到一些植物细胞中。另外，其仅可以去除以干物质计至多50％的水溶性盐，并且不能减少更多的水含量至低于30wt％。

物理化学方法涉及在压实之前对含有机碳原料的化学预处理和压力减压以大量改善致密生物质的品质，同时还减少在压实期间达成所需堆积密度所需要的能量的量。在化学方面，生物质主要包含位于相关植物材料的次生细胞壁中的纤维素、半纤维素以及木质素。纤维素和半纤维素股由木质素交联，形成木质素-碳水化合物复合体(LCC)。LCC产生疏水屏障以消除胞内水。除了溶解过多的含有机碳材料的纸制浆工艺以外，常规预处理包括酸水解、蒸汽爆炸、AFEX、碱性湿法氧化以及臭氧处理。如果不小心地进行工程设计的话，所有这些工艺的单位产品重量的成本可能很昂贵并且并未被设计成去除以干重计超过25％的水溶性盐。

另外，一般可从含有机碳材料获得的能量密度取决于其类型，即，草本、软木本以及硬木本。另外，在诸如用于发电厂的燃料的后续使用中的混合类型一般是不合需要的，这是因为目前经过加工的含有机碳原料的能量密度随着植物材料的类型有很大变化。

如上文所陈述，植物材料可以进一步细分成三个子类，草本、软木本以及硬木本，各自具有特定的保水机构。所有植物细胞都具有初生细胞壁和次生细胞壁。如早先所陈述，材料的强度主要来自于次生细胞壁，而不是初生细胞壁。即使软木本材料的次生细胞壁也比草本材料更厚。

草本植物是相对薄弱壁的植物，包括玉米，并且最大高度小于约10至15英尺(约3至5米(M))的。虽然所有植物都含有木髓粒子，但草本植物经由植物细胞内如球囊一般固持水的高浓度的木髓粒子而保留其大部分水分，这是因为这些植物具有相对薄弱的细胞壁。压力仅使球囊变形并且不会导致植物失去其水。草本植物中约50％的其水呈胞内水形式，并且未加工材料的能量密度为约520万BTU/吨(5.2MMBTU/吨)或60亿焦耳/公吨(6GJ/MT)。

软木本材料是比草本植物更坚实的植物。软木本材料包括松树，并且最大高度通常介于50与60英尺(约15与18M)之间。其植物细胞具有更坚硬的壁并且因此需要更少的木髓粒子来保留水分。软木本材料中约50％的其水呈胞内水形式，并且能量密度为约13-14MMBTU/吨(15-16GJ/MT)。

硬木本材料是最坚实的植物，包括橡树，并且最大高度通常具有介于60与90英尺(18与27M)之间。其具有含最厚的次生细胞壁的纤维素植物细胞并且因此需要最少量的木髓粒子来保留水分。硬木本材料中约50％的其水呈胞内水形式，并且能量密度为约15MMBTU/吨(17GJ/MT)。

在能量工业中需要一种允许能量工业使用含有机碳材料作为商业替代物或辅助燃料来源的系统和方法。可供用于在商业规模上生长可再生的含有机碳材料的许多土地还得到具有高于所需水溶性盐含量的含有机碳材料，所述含量通常在至少4000mg/kg的水平下。在太平洋西北地区的森林产品通常经由近岸内航道运输，使生物质暴露于来自海洋的盐。因此，这类系统和方法必须能够去除足够水平的水溶性盐以提供合适的燃料替代品。作为一个实例，锅炉一般需要小于1500mg/kg的盐含量以避免与燃料中的高盐相关的高成本维护。另外，用以去除足够的水以达成可接受的能量密度的能量和所产生的成本必须足够低以使含有机碳材料原料成为制造煤或烃燃料替代品的工艺中的合适替代物。

还需要一种可以处理各种类型的植物并且得到具有类似能量密度的经过加工的含有机碳原料的工艺。

所公开的本发明允许能量工业使用经过加工的含有机碳材料作为商业替代性燃料来源。本发明的一些实施例去除几乎所有的人造或天然化学污染，并且使总水含量降至介于5wt％至15wt％范围内的水平。这允许诸如电力公用工业的工业以至多50wt％经过加工的含有机碳原料与50wt％煤的比率在使水溶性盐的量大量减少的情况下掺合含有机碳原料，并且在与煤有竞争力的价格下享有与煤相同的MMBTU/吨(GJ/MT)效率。文献已经描述了至多30％的含有机碳原料与煤比率。最近的专利申请公布EP2580307A2已经描述了在加热下通过机械压实得到的至多50％的比率，但含有机碳原料中的水溶性盐含量没有明确减少。本文所公开的本发明明确包含经由处于针对所使用的每种特定未加工的含有机碳原料作调整的条件下的反应室的实质性水溶性盐减少。如下文所论述，额外计划的清洗子区段和在反应室的压实区段中的后续压制算法可以有益于加工具有特别高的水溶性盐含量的含有机碳原料，以使得其可以用于与在其它情况下将不可用于在煤锅炉中燃烧的煤掺合。这还包括例如碎木燃料、牧豆树以及东方红柏。

另外，所公开的本发明允许各自在经过调整的条件下加工不同类型的含有机碳原料，以得到具有预选的能量密度的经过加工的输出。在本发明之一些实施例中，可以将具有介于5.2至14MMBTU/吨(6至16GJ/MT)范围内的不同能量密度的超过一种类型的原料馈送至串联的反应室中或穿过并联的不同反应室。因为每种类型的含有机碳原料都是在预选的经过调整的条件下加工，所以本发明系统的一些实施例的所得经过加工的含有机碳原料可以具有基本上类似的能量密度。在一些实施例中，能量密度为约17MMBTU/吨(20GJ/MT)。在其它实施例中，其为约18、19或20MMBTU/吨(21、22或23GJ/MT)。这为下游工艺提供以下极大优势：能够与具有类似能量密度的经过加工的含有机碳原料一起作业，而与所用类型以及大量减少的水溶性含量无关。

本发明的工艺使用选矿子系统以形成经过加工的含有机碳原料，所述经过加工的含有机碳原料为用于从可再生的生物质形成令人满意的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体的清洁的经济材料，并且使用掺合子系统用于使经过加工的含有机碳原料和煤转化成本发明的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体。现在将论述第一子系统。

选矿子系统

用于制造经过加工的含有机碳原料的选矿子系统包含至少三种元件，一个传动装置、至少一个反应室以及一个收集装置。如本文献中所用，选矿子系统是指用于将未加工的含有机碳原料转化成经过加工的含有机碳原料的系统。

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，所述植物细胞包含包括木质素、半纤维素和纤丝内纤维素微纤丝的细胞壁。传动装置可以是适合于将固体未加工的含有机碳原料输送至反应室中以获得原料在反应室中一致的滞留时间的任何装置。传动装置包括化学工业中所熟知的诸如螺旋输送器的装置。

未加工的含有机碳原料的粒度应充分小以允许当使未加工的含有机碳原料穿过系统以形成经过加工的含有机碳原料时获得令人满意的能量平衡。在一些实施例中，未加工的含有机碳原料达到一定的标称大小。草本材料(诸如能量作物和农业废料)应具有最长尺寸小于1英寸(2.5cm)的粒度。优选地，新伐的大部分木材和木材废料的最长长度应小于0.5英寸(1.3cm)。优选地，陈旧的木材废料，尤其树脂型木材(诸如松树)具有最长尺寸小于0.25英寸(约0.6cm)的粒度以获得最佳经济成果，其中生产量和能量/化学消耗加权在一起。

系统的一些实施例还可以包括在反应室之前的粉碎室。这个粉碎室被配置成使含有机碳原料的粒度减至小于1英寸(2.5cm)作为最长尺寸。这允许含有机碳原料带有最长尺寸大于1英寸(2.5cm)的粒度。在一些实施例中，最长尺寸小于0.75英寸(1.9cm)，并且在一些实施例中小于0.5英寸(1.3cm)。

系统的一些实施例还可以包括预处理室以去除阻碍用于胞内水和水溶性盐从纤维素纤丝束通过的通道形成的污染物。所述室被配置成针对每种含有机碳原料使用一组特定的条件，包括持续时间、温度概况以及预处理溶液的化学含量以至少起始污染物的溶解。污染物包括树脂、松香、胶以及木馏油。可以收集固体浆料(包括任何初生毡)以在作为主要最终产品的经过加工的含有机碳原料中用作粘合剂。可以收集分离的油作为独立的产品，诸如香柏油。

第二元件，即反应室，包括至少一个入口通道、至少一个出口通道以及至少三个区段，即湿纤丝破坏区段、蒸气爆炸区段和压实区段。第一区段，即湿纤丝破坏区段，被配置成松开纤丝束中纤维素微纤丝之间的木质素和半纤维素中的至少一些以使细胞壁的至少一些区更加可穿透。这是通过几种方式中的至少一者来实现。将含有机碳原料与适当的化学物质混合以渗透植物纤丝并且破坏木质素、半纤维素以及LCC屏障。另外，化学处理还可以解开纤维素纤丝和/或微纤丝的一部分、使其解晶和/或解聚。优选地，化学物质针对特定的含有机碳原料作调整。在一些实施例中，化学处理包含含有可混挥发性气体的水溶液。可混气体可以包括氨、碳酸氢盐/碳酸盐或氧气中的一者或多者。一些实施例可以包括甲醇、碳酸铵或碳酸的水溶液。举例来说，甲醇的使用可能是具有较高木本含量的含有机碳原料所需要的，以溶解木本含有机碳原料中所含的树脂，从而允许选矿化学物质更好地与纤丝接触。在混合的预定滞留时间之后，含有机碳原料可以通过蒸汽驱动，或通过诸如活塞的另一种方式输送至反应室的下一个区段中。在一些实施例中，应选择工艺条件以不溶解超过25wt％的木质素或半纤维素，因为这些是经过加工的含有机碳原料的能量密度的重要促成因素。取决于所使用的特定含有机碳原料，系统的一些实施例可以具有至少135℃、至少165℃或至少180℃的温度；至少260psig、至少280psig、至少375psig或至少640psig的压力；以及至少15分钟(min)、20min或30min的滞留时间。

在一些实施例中，从反应室抽取悬浮于流出物中的微观粒子和富含木质素的碎片以用于后续使用。按需要，微观粒子和木质素不含水溶性盐和其它杂质。所得浆料(通常为白色)充当高能量生物质粘合剂，然后在粒化步骤之前将所述粘合剂与经过加工的含有机碳原料混合。这减少在粒化期间对热量的需要。

第二区段，即蒸气爆炸区段，与湿纤丝破坏区段连通。其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以便形成具有纤维素通道的多孔含有机碳原料，所述纤维素通道用于胞内水和水溶性盐从纤维素纤丝束通过。将含有机碳原料分离，加热，用包含蒸汽的挥发性流体加压。所施加的挥发性化学物质和蒸汽由于高温和高压而穿透至蒸气爆炸区段内的植物纤丝中。在所用特定含有机碳原料指定的预定滞留时间之后，通过打开快开阀使压力从反应室迅速释放至膨胀室中，所述膨胀室可以被设计成保留气体，分离气体，并且在工艺中再使用气体中的至少一些用于增加能量/化学效率。在不需要保留气体的情况下，一些实施例可能不具有膨胀室。取决于所使用的特定含有机碳原料，系统的一些实施例可以具有至少230、至少250、至少345或至少600psig的比压降；以及小于500毫秒(ms)、小于300ms、小于200ms、小于100ms或小于50ms的爆炸持续时间。

一些实施例可以包括进入反应室的湿纤丝破坏区段中的气体入口以递送压缩空气或其它压缩气体，诸如氧气。在递送达到所需压力之后，将封闭入口孔并且将进行反应加热。注意到，这可以允许三个事件中的至少一者：第一，总压力的增加将使后续爆炸更加强力。第二，氧含量的增加在需要时将增加经过加工的含有机碳原料的氧化潜力。第三，将提供用于经由穿过反应室底部穿孔管的气体鼓泡作用来混合含有机碳原料、水以及潜在的其它化学物质(诸如有机溶剂)的措施。

穿过湿纤丝破坏区段和蒸气爆炸区段对于含有机碳原料的净效应是以物理方式经由压力爆破并且以化学方式经由选择性和最小的纤丝纤维素解除连接、纤维素解聚和/或纤维素解晶来破坏纤丝细胞壁。还可以发生化学效应，诸如纤维素、木质素以及半纤维素的水解。所得含有机碳原料粒子展现其纤丝和细胞壁中微孔的大小和数目的增加，并且因此展现增加的表面积。现在的多孔含有机碳原料从蒸气爆炸区段排出进入下一个区段中。

第三区段，即压实区段，与蒸气爆炸区段连通。压缩区段至少被配置成在压力板之间压缩多孔含有机碳原料，所述压力板被配置成使将闭合所制造的反应室出口通道的毡的形成减至最小以允许胞内和胞间水以及胞内和胞间可溶性盐逸出。在这个区段中，每种含有机碳原料的原则工艺条件是压力板上凸起图案的存在或不存在、初始水含量、经过加工的水含量以及最终水含量。本发明系统的压实区段需要压力板上的凸起图案化表面用于包含草本植物材料原料的原料。然而，取决于所用特定材料和收获其的新鲜度，所述区段可能需要或可能不需要凸起图案表面用于加工软木本或硬木本植物材料原料。取决于所使用的特定含有机碳原料，系统的一些实施例可以具有介于70至80wt％、45至55wt％或40至50wt％的范围内的初始水含量；以及4至15wt％的经过加工的水含量，这取决于所期望的实际目标。

第三元件，即收集装置，与反应室连通。收集室至少被配置成分离非燃料组分与燃料组分并且形成经过加工的含有机碳原料。这种原料的水含量小于20wt％，并且水溶性盐含量以干物质计减少至少60％。一些实施例在允许表面水分经空气干燥之后的水含量小于20wt％。一些实施例具有水含量小于15wt％的经过加工的含有机碳原料。其它实施例具有水含量小于12wt％、小于10wt％、小于8wt％或小于5wt％的经过加工的含有机碳原料。一些实施例的水溶性盐含量以干物质计减少至少65％。其它实施例的水溶性盐含量以干物质计减少至少70％、以干物质计75％、以干物质计至少80％、以干物质计至少85％、以干物质计至少90％或以干物质计至少95％。

系统的一些实施例可以进一步包括至少一个清洗子区段。这个子区段被配置成在传送至压实区段之前从多孔含有机碳原料冲洗水溶性盐中的至少一些。在盐含量特别高，诸如盐水浸泡的碎木燃料(木屑、刨花，或来自用于形成其并且也称为“锤碎机(hammerhog)”的锯木机或研磨机的残留物)的一些实施例中，所述系统被配置成具有超过一个清洗子区段，继之以另一个压实区段。可以收集分离的水连同溶解的水溶性盐并且加以处理以供释放至周围环境中或甚至在用于生长可再生的含有机碳原料的田地中再使用。这种水中的盐可能包括有目的地向作物中添加的成分，诸如肥料和杀虫剂。

本发明的选矿子系统可以经由几个图的描绘而更好地理解。图4是与用以保留从减压的含碳原料放出的气体的膨胀室连通的反应室的一个实施例的侧视图的图解。示出了反应室(400)，其具有湿纤丝破坏区段(410)。将溶剂(412)和已切削至小于0.5英寸(1.3cm)的未加工的含有机碳原料(414)分别经由阀(416)和(418)馈送至湿纤丝破坏区段410中以准备用于下一个区段。然后将经过预处理的含有机碳原料经由阀(422)传送至蒸气爆炸区段(420)。阀在室之间使用并且用于输入材料以允许在每个室中获得指定的目标条件。将挥发性膨胀流体(诸如水或基于水的挥发性混合物)经由阀(424)馈送至蒸气膨胀室420中。将在减压期间形成的从多孔含有机碳原料释放的气体经由快速释放阀(428)馈送至膨胀室(未示出)中以保留气体以供可能再使用。压实区段(430)经由阀(432)接收多孔含有机碳原料，其中水和水溶性盐基本上从多孔含有机碳原料去除并且其现在是经过加工的含有机碳原料。

如上文所陈述，压实区段中的压力板被配置成使毡的形成减至最小。毡是交织形成不透性屏障的交织纤维的集聚，所述屏障阻止水和夹带于所述水中的水溶性盐穿过压实区段的出口孔。另外，在反应室的前两个区段中留存于选矿工艺中的任何木髓粒子都可能夹带于毡中以吸收水，从而防止水在压制期间排出。因此，毡的形成截留很大部分的水和盐免于从被压缩的生物质的内部挤出。图5A、5B以及5C示出了压力板的实施例以及其如何作业以使毡的形成减至最小以使得水和水溶性盐能够从压实区段自由流动。图5A是压力板的各种实施例的正视图的图解。示出了与多孔含有机碳原料的顺流相抵地压制的压力板的表面。图5B是图5A中所示的压力板的一个实施例的特写的透视图。图5C是示出沿着具有力矢量和暴露于力矢量中的毡的压力板中心向下的剖视图的图解。反应室的前两个区段中的上游选矿工艺使生物质中的纤维严重削弱，从而也促成毡形成的最小化。

一些实施例在小于来自已知机械、已知物理化学或已知热工艺的经过加工的含有机碳原料的单位重量成本的60％的成本下达成经过加工的含有机碳原料相对于未加工的含有机碳原料的水含量和水溶性盐减少。在这些实施例中，反应室被配置成在针对每种未加工的含有机碳原料作调整的条件下操作，并且对系统进一步进行工程设计以再捕集和再使用热以使得到一组特定的经过加工的含有机碳原料特性所消耗的能量减至最低。反应室区段如下进一步配置。湿纤丝破坏区段进一步被配置成使用针对每种含有机碳原料作调整并且至少包含用于每种含有机碳原料的溶剂介质、持续时间、温度概况以及压力概况的纤丝破坏条件。第二区段，即蒸气爆炸区段，被配置成使用针对每种含有机碳原料作调整并且至少包含压降、温度概况以及爆炸持续时间的爆炸条件以在植物细胞内形成挥发性植物纤丝可渗透流体爆炸。第三区段，即压实区段，被配置成使用针对每种含有机碳原料以及压力、压力板配置、滞留时间和压力对时间概况作调整的压实条件。

针对每种含有机碳原料调整工艺条件的重要性通过以下关于植物纤丝的粘弹性/粘塑性特性的论述来说明。除了在植物当中其细胞壁构造的差异之外，取决于这些植物是草本、软木本还是硬木本，植物不同程度地展示一些令人感兴趣的物理特性。含有机碳材料展示弹性与塑性特性，其程度取决于植物的特定种类和其状况，诸如其为新鲜的还是陈旧的。主导粘弹性/粘塑性材料的特性/塑性关系的物理学是相当复杂的。不同于纯弹性物质，粘弹性物质具有弹性组分和粘性组分。类似地，粘塑性材料具有塑性组分和粘性组分。压制粘弹性物质的速度给予物质一定的应变率对时间的依赖性直至达到材料的弹性极限。一旦超过弹性极限，材料中的纤丝开始经历塑性(即，永久)变形。图6A是木质纤维素纤丝的典型应力-应变曲线的图解说明。由于粘性，即粘弹性与粘塑性的关键方面，是对热激活变形的抗性，因此粘性材料将在整个压实周期中损失能量。如通过纤丝本身无法恢复其原始形状所观测，塑性变形也造成能量损失。重要的是，粘弹性/粘塑性引起分子重排。当将应力施加于粘弹性材料，诸如特定的含有机碳原料时，其成分纤丝和夹带的水分子中的一些改变位置，并且在此过程中由于摩擦而以热的形式损失能量。着重强调的是，材料损失至其环境中的能量是从压实机接收的能量并且因此是工艺所消耗的能量。当超出材料的弹性极限施加额外应力时，纤丝本身改变形状而不仅仅是位置。“粘性”物质按照定义将以热的形式损失能量至其环境中。

如何针对一种含有机碳原料优化压实周期以使达成目标产品价值的能量消耗减至最低的一个实例如下。经由实验，在所消耗的能量与所达成的能量密度之间取得平衡。图6B是减少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。堆积密度与水含量相关，较高堆积密度等同于较低水含量。含有机碳原料压实工艺将在影响生产率的周期时间、净水分挤出连同相关的水溶性盐和矿物、扣除因原料的粘弹性/粘塑性特性所致的回弹效应的永久堆积密度改善、以及能量消耗之间达到最佳平衡。

图6C是达成堆积密度倍增所需的能量需求倍增的源自实验的图解说明。通过将短暂的暂停并入周期中，可以针对含有机碳原料的每个种类和状况进一步优化压实周期以在更小的压力，即能量消耗下达成所需结果。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例来减少含有机碳原料中水含量的压力周期的一个实例的图解说明。

以类似方式，在系统的湿纤丝破坏和蒸气爆炸部分中可以优化能量消耗。在压实之前的化学预处理将进一步改善产品的质量并且还降低净能量消耗。出于比较的目的，在图6C中达成“10”的堆积密度倍增所施加的压力为10,000psi左右，这需要不经济的高成本资本设备和不令人满意的高能量成本以使含有机碳原料减压。

图7是说明与已知的工艺相比，使用本发明的实施例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％所需的能量消耗估算值的表格。具有50wt％的初始水含量的废木材用于估算以说明本发明的三个实施例与已知的机械、物理化学以及热工艺的并列比较。所选系统的实施例使用纤丝膨胀流体，其包含水；水与甲醇；水与二氧化碳，其中二氧化碳鼓泡至水中产生碳酸H₂CO₃。如表格中所见并且如上文所论述，已知的机械工艺不能使水含量降至12wt％，已知的物理化学工艺不能使水溶性盐含量减少超过25wt％，并且已知的热工艺不能去除任何水溶性盐。使用甲醇和水、二氧化碳和水以及仅使用水的本发明三个实施例的每吨总能量需求分别是0.28MMBTU/吨(0.313，0.31MMBTU/吨(0.36GJ/MT)以及0.42MMBTU/吨(.49GJ/MT)。这分别与已知机械、已知物理化学以及已知热工艺的0.41MMBTU/吨(0.48GJ/MT)、0.90MMBTU/吨(1.05GJ/MT)以及0.78MMBTU/吨(0.91GJ/MT)相比较。因此，去除水以降至小于20wt％的含量并且将水溶性盐以干物质计去除75wt％的能量需求估算值对于系统发明的实施例来说小于能够去除那么多水和水溶性盐的已知物理化学和已知的热工艺的60％。另外，系统发明能够去除的水溶性盐比使用能够去除那么多水的已知物理化学和已知热工艺可能去除的多得多。

多个反应室可以并联使用以模拟连续工艺。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选矿子系统的一个实施例的侧视图的图解。系统(800)包括将含有机碳原料递送至系统800的输入区段(802)。原料在进入含有机碳原料漏斗(806)之前穿过粉碎室(804)，从所述漏斗将原料传送至预处理室(810)。污染物经由液体流出管线(812)进入分离装置(814)中以加以去除，所述分离装置诸如离心机并且具有污染物的出口流(815)、将液体移至过滤介质槽(818)并且移出以供再使用的液体排放管线(816)、以及将固体放回多孔含有机碳原料中的固体排放管线(820)。将来自过滤介质槽818的液体传送至混合槽(822)，并且然后传送至热交换器(824)或第二混合槽(830)和预处理室810。含有机碳原料传送至包含三个区段的四个反应室(840)之一。每个反应室的第一区段，湿纤丝破坏区段(842)，继之以第二区段，蒸气爆炸区段(844)，和清洗子区段(846)。高压蒸汽锅炉(848)由补充水管线(850)馈送并且使用来自燃烧空气管线(852)的燃料额外加热热源(未示出)。主蒸汽管线(854)向预处理室810供应蒸汽并且经由高压蒸汽管线(856)向反应室840供应蒸汽。含有蒸气冷凝回路的蒸气膨胀室(860)使用蒸气爆炸歧管(862)附接至每个蒸气爆炸区段以使气体冷凝。挥发性有机组分和溶剂蒸气管线(864)将蒸气传回燃烧空气管线(852)并且蒸气膨胀室860中的蒸气穿过热交换器(870)以捕集热用于在反应室840中再使用。现在的多孔含有机碳原料此刻穿过反应室840的第三区段，压实区段(880)。液体流体穿过液体流体出口通道(884)返回流体分离装置(814)并且固体经过加工的含有机碳原料在(886)处离开。

加热子系统

任选的加热子系统用于将经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物炭以用于与煤后续掺合。在其最广泛理解中，加热子系统包含被配置成在缺氧型氛围中加热经过加工的含有机碳原料的反应室。加热子系统包含至少两种形式，一种为缺氧型热子系统并且一种为微波子系统。其它形式是可能的，只要其在缺氧型环境中提供热量即可。

缺氧型热子系统

缺氧型热子系统用于将来自选矿子系统的经过加工的含有机碳原料转化成本发明的清洁的多孔经过加工的生物炭。在其最广泛理解中，缺氧型热子系统包含以下反应室，其被配置成在含有少于4％氧气的氛围中将经过加工的含有机碳原料加热至足以将至少一些经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物气和经过加工的生物炭的温度。在一些实施例中，所述氛围含有少于3％氧气，并且在一些实施例中少于2％氧气。子系统进一步包含至少两个适合于本发明的方面，常规的热解缺氧型热系统和升华缺氧型热子系统。

热解缺氧型热子系统

常见热解缺氧型热子系统通过在低/无氧环境中加热生物质而从生物质产生生物炭、液体和气体。氧气的缺乏防止燃烧。来自热解的产品的相对产率随着温度而变化。400℃-500℃(752°F-932°F)的温度产生更多的炭，而高于700℃(1,292°F)的温度对液体和气态燃料组分的产率有利。热解在更高温度下更快速地发生，通常需要数秒而不是数小时。典型产率为60％生物油、20％生物炭以及20％挥发性气体。在化学计量的氧气存在下，高温热解也被称为气化，并且主要产生合成气。比较起来，缓慢热解可以产生明显更多的炭，约50％左右。本发明的主要益处是用经过加工的含有机碳原料制造的所得经过加工的生物炭的水溶性盐含量相对于用类似的未加工的含有机碳原料制造的经过加工的生物炭的水溶性盐含量减少至少60wt％。在一些实施例中，水溶性盐含量减少至少65wt％；在一些实施例中至少70wt％；在一些实施例中至少80wt％；在一些实施例中至少85wt％；在一些实施例中至少90wt％。

升华缺氧型热子系统

另一种缺氧型热子系统是升华缺氧型热子系统。不同于热解子系统，升华子系统中的原料不经过液相，并且产品仅是燃料气体和经过加工的生物炭。

以下描述涉及用于通过升华子系统将含有机碳原料加工成气态燃料和经过加工的生物炭燃料的方法。取决于含有机碳原料的性质和在升华工艺期间采用的滞留时间，气态燃料主要是甲烷，但还可以包括乙烷、丙烷和丁烷。经过加工的生物炭燃料是在升华温度下不能转化成气态燃料的固体碳基残留物。或者，可以调节系统条件以优先形成超过最小值的经过加工的生物炭。

升华子系统是高温子系统，其被配置成在不经过液体状态的情况下清洁地将固体可再生生物质转化成气态燃料和经过加工的生物炭，所述经过液体状态在气化下可能引起上文所论述的许多副反应。升华的关键是在无自由水存在下并且在基本上无氧气的氛围中将固体暴露于高温中。在升华下，甲烷分子和高碳数基团(诸如乙烷、丙烷和丁烷)在从原料中的碳链中解构之后重新结合，而不分解成二氧化碳和水。

在升华子系统中制造的经过加工的生物炭相对于在上文所论述热解子系统中制造的经过加工的生物炭的低水溶性盐含量具有若干优点。首先，经过加工的生物炭基本上不含有可能保留在热解子系统中的挥发物。在解聚温度下存在的挥发物与碳发生不利反应以形成除所需的经过加工的生物气燃料和本发明的经过加工的生物炭之外的化合物。另外，经过加工的生物炭中的挥发物通过减少所得生物炭中的固定碳来降低经过加工的生物炭的热含量。在本发明中，经过加工的生物炭是基本上脱除挥发份而不含可冷凝和不可冷凝的气体和蒸气。在一些实施例中，对比在热解子系统中从未加工的含有机碳原料制造的挥发物含量为至少10重量％的炭，气体和蒸气的含量减少至少95重量％，在一些实施例中减少至少97重量％，并且在一些实施例中减少至少99重量％。这在经过加工的生物炭应用中是合乎需要的，诸如用于制钢、气化以及燃烧应用(诸如锅炉)的焦炭替代物，这是因为本发明的经过加工的生物炭中不利腐蚀性化合物的含量比从相同原料但使用热解工艺加工的生物炭更低。

第二，经过加工的生物炭的热值比通过热解工艺使用相同原料制造的经过加工的生物炭的热值更高。因为更好的脱除挥发份，所以在涉及燃烧经过加工的生物炭作为燃料的后期使用期间与挥发物和碳的副反应较少。因此，与在热解子系统中从类似原料加工的生物炭相比，在本发明的经过加工的生物炭中可以保留更大程度的固定碳。固定碳含量在一些实施例中增加至少5重量％，在一些实施例中至少10重量％，在一些实施例中至少15重量％，并且在一些实施例中至少20重量％。固定碳的这种增加可以使得本发明的经过加工的生物炭的一些实施例的热含量相比在热解子系统中从相同原料加工的生物炭的热含量增加。与在热解子系统中制造的类似含有机碳原料的小于12MMBTU/吨(14GJ/MT)至小于20MMBTU/吨(23GJ/MT)相比较，热含量受所用含有机碳原料的类型影响并且一般在至少20MMBTU/吨(23GJ/MT)至超过28MMBTU/吨(33GJ/MT)的范围内。在一些实施例中，经过加工的生物炭的热含量比通过热解子系统加工的生物炭增加至少20％，在一些实施例中至少30％，在一些实施例中至少40％，在一些实施例中至少50％，在一些实施例中至少60％，并且在一些实施例中至少70％。另外，因为挥发物的量减少，所以本发明的经过加工的生物炭可以燃烧而没有可见的烟雾，并且其火焰比在热解子系统中由类似原料制造的生物炭所见火焰更小。对于一些实施例，火焰可以至少小5％，对于一些实施例至少小10％，对于一些实施例至少小15％，对于一些实施例至少小20％，对于一些实施例至少小25％，对于一些实施例至少小30％，对于一些实施例至少小35％，并且对于一些实施例至少小40％。

升华系统可以由水平升华系统和竖直升华系统进一步说明。可以涵盖其它取向。

水平升华缺氧型热子系统

水平升华缺氧型热子系统包含四种元件。第一种是热箱，其被配置成能够(1)从环境温度加热至操作升华温度，(2)维持在小于±10℃内稳定的初始操作升华温度和最终操作升华温度，以及(3)从操作升华温度冷却至环境温度。全部无任何氧气泄漏至热箱中并且具有至少一个与热箱内部连通的热源以按需要提供热量。第二种元件是至少一个基本上水平的反应室，其大部分位于热箱内并且具有表面。反应室被配置成在无外部催化剂或额外水的情况下，在短至足以使经过加工的含有机碳原料的至少一部分升华而基本上不产生任何液体的时间范围中将经过加工的含有机碳原料加热至操作升华温度。反应室还被配置成从环境温度加热至操作升华温度、在升华温度下操作以及从操作升华温度冷却至环境温度，而不将任何产品气体燃料泄漏至周围热箱中，并且包含位于热箱外部的输入端。反应室进一步被配置成经由输入线接收经过压缩的原料，并且具有位于热箱外部并且被配置成经由排放管线排放产品气体并经由输出线排放固体炭燃料的输出端。第三种元件是第一供电运输机构，其位于反应室内并且被配置成随着经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物气和经过加工的生物炭，使经过加工的含有机碳原料的升华产品输送通过反应室。第四种元件是气密元件，其位于输入线和输出线两者上并且被配置成防止热生物气不利地从反应室中逸出。

现将对于使用基本上水平的升华器将经过加工的含碳原料高效地转化成产品生物气燃料和固体经过加工的生物炭燃料论述整个工艺。将对需要经过加工的含有机碳原料制备、干燥和压缩并且使用具有两个反应室和燃烧器以递送升华热的设备的实施例简单论述所述工艺。在一些实施例中，选矿子系统直接附接至水平升华缺氧型热子系统，并且经过加工的含有机碳原料需要极少(如果有的话)制备、干燥和压缩。在一些实施例中，经过加工的含有机碳原料的所需特性使得至少一些额外制备、干燥和或压缩是合乎需要的。简言之，本发明这个实施例的升华子系统被配置成能够进行制备步骤、干燥步骤、压缩步骤、升华步骤以及分离步骤。经过加工的含有机碳原料制备将由考虑用于加T/转化的经过加工的含有机碳原料的物理特征(诸如其水含量)以及诸如大小和厚度的物理特征来指定。含碳原料的大小减小将增强经过加工的含有机碳原料的可压缩性以允许在反应室中的最大生产量。在一些实施例中，大小是体积小于侧面约2cm(约0.75英寸)的立方体的等效物并且任一方向的长度不超过约5cm(约2英寸)。

在恰当地制备经过加工的含有机碳原料之后，其然后将穿过输入线上的气密元件进入具有内部螺旋输送器的基本上水平的干燥室中并且用来自下游工艺的再循环热量处理以驱除尽可能多的自由水。减少自由水含量将增加经过加工的含有机碳原料的热吸收，并且减少升华反应室内部的水以及成品生物气燃料和经过加工的生物炭中存在的氧气量。减少自由水和氧气将在产品生物气燃料中产生较少二氧化碳和一氧化碳。因为CO2和CO副产品增加经过加工的生物炭和所生产的生物气的能量含量，所以较少的所述副产品是合乎需要的。

在干燥室之后，经过加工的含有机碳原料将传送进入含有压缩螺杆的压缩室中，其被设计成将含碳原料压缩至所需密度。这种压缩进一步减少任何残余自由水。其还移除夹带于经过加工的含有机碳原料中的空气，这也将使升华反应室中存在的氧气减到最少。这种经过脱水、脱空气和致密化的含碳原料将进入反应室。

压缩室在其进入反应室的出口处发展出原料塞。这个塞充当部分屏障或密封件，因此最少量的在反应室中产生的气体回流和逸出。输入线上的气密元件防止其余气体从系统逸出。

在所论述的实施例中，升华子系统具有三维物理设备、具有沿着顶部行进的内部基本上水平反应室的矩形箱、下降通道以及然后与顶部反应室方向相反的第二基本上水平反应室。每个反应室含有其自身的用于运输原料的螺旋输送器，是连续的，并且针对任何热产品气体燃料的逸出是完全密封的。

在这个实施例中，燃烧器处于加热箱外部但附接至所述加热箱，并且将加热位于加热箱内壁与反应室配置外壁之间的空间以使得在进行升华的反应室中将不存在加热反应室外表面的热传递空气与经过加工的含有机碳原料的内含物之间的掺混。加热箱的所有内表面都内衬有高隔热材料，以便使热量损耗减至最低并且使内部反应器空气空间减至最少。

在压缩螺杆之后，经过加工的含有机碳原料塞现在进入反应室。反应室在其内部含有螺旋输送器，该螺旋输送器可位于与管上方顶部空间通气的管内部并且处于用于聚集所产生气体的反应室内。螺旋输送器推进并旋转经过加工的含有机碳原料以使得其均匀暴露于管或反应室的侧壁以用于高效热交换和‘翻转’所述原料用于均匀加热。反应室从反应室的外表面加热，因此热传递加热空气，并且来自燃烧器的任何燃烧产品不与经过加工的含有机碳原料和/或产品气体燃料或生物气掺混。反应室被构造成防止任何热气体泄漏出。

然后，经过加工的含有机碳原料沿着反应室的长度向下螺旋输送。在反应室末端处，含碳原料向下掉落至设计与第一反应器管相同的第二螺旋输送反应室中。包括连接通道的三个室的配置看起来像向左旋转90度的U形。

经过加工的含有机碳原料现在已经缩减为脱除挥发份的碳和挥发性气体。挥发性气体通过热碳表面并与其混合，并且与其反应以形成解离的热产品气体燃料。在两个反应室中的滞留时间允许使在升华期间形成的挥发性气体解构为接近并包括甲烷结构的若干不同结构，并且与产品生物气燃料沿着反应室向下移动。

在第二反应器室末端处是两个出口。一个出口用于脱除挥发份的碳穿过气密机构并且以固体生物炭燃料形式收集，并且第二个出口用于待捕集的产品生物气。过滤产品气体并且在其以最终产品生物气燃料的形式离开反应室之后使其冷却，并且然后储存。

更具体来说，本发明的设备方面包含以下系统，其包括热箱、至少一个反应室、第一供电运输机构以及气密元件。热箱被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度，维持在小于±10℃内稳定的初始操作升华温度和最终操作升华温度以及从操作升华温度冷却至环境温度，而不将任何氧气泄漏至热箱中，并且具有至少一个与热箱内部连通的热源以按需要供应热量。

使经过加工的含有机碳原料升华所需的温度取决于个别原料。如果操作温度过低，那么在从固体至气体的相变期间形成液体，并且伴随有上文所论述并与气化工艺相关的不利反应。如果温度过高，那么在已吸热反应中浪费能量。操作升华温度通常在600℃与850℃之间。更常见的低密度经过加工的含有机碳原料的操作升华温度在650℃与750℃之间。

出于以上原因，反应室中的操作温度在设备操作期间应合理地稳定。在其中反应室长度较短并且经过加工的含有机碳原料的流动速率较小的一些实施例中，操作温度可以基本上恒定在小于±10℃内。在具有较长滞留时间和较大的经过加工的含有机碳原料生产量的其它实施例中，反应室可以不恒定，而是相反地形成穿过反应室从开始处至末端下降的温度概况。在这些实施例中，出于能效原因，穿过反应室的温度概况的个别温度应在操作期间稳定在小于±10℃内。

热源必须能够将热箱内部加热至稳定操作升华温度并且在设备操作期间维持所述温度。热源可以包括任何可以提供足够热量的热源，并且包括例如红外源、激光源和燃烧源。使用燃烧源的实施例的额外优点在于，其可以用产品生物气燃料中的一些作为燃料以使得其不需要来自外部来源的额外能量。此类实施例在操作期间可以是自给自足的，其中在设备中形成少至10％的产品气体燃料。一些实施例可以是自给自足的，其中产品气体燃料少至7％，并且一些实施例少至5％。这是因为产品气体燃料的高能量含量和加工不同原料所需的能量的可变量。

所述至少一个反应室基本上水平，大部分位于热箱内，具有表面，并且被配置成在无外部催化剂或额外水的情况下，在短至足以使经过加工的含有机碳原料的至少一部分升华而基本上不产生任何液体的时间范围中将经过加工的含有机碳原料加热至操作升华温度。另外，其被配置成从环境温度加热至操作升华温度，在升华温度下操作以及从操作升华温度冷却至环境温度，而不将任何产品生物气燃料泄漏至周围热箱中，此外，其包含位于热箱外部并且被配置成经由输入线接收经过压缩的原料的输入端，和位于热箱外部并且被配置成经由压力隔离元件排放产品生物气燃料并经由输出线排放经过加工的生物炭燃料的输出端。

升华是从有机碳基原料，并且更确切地说在本发明的情况下从经过加工的有机碳基原料解构出较小气态烃的反应。在本发明中，由于气体与经过加工的生物炭固体燃料残留物相互作用，故其以经过加工的生物气燃料形式收集。因此，不需要昂贵的外部催化剂和后续复杂的重组操作以形成经过加工的生物气燃料。另外，本发明的升华在最少氧存在下进行，这是因为任何氧都会反应而产生非燃料反应产品，诸如二氧化碳和一氧化碳。因此。需要不使用过热蒸汽与经过加工的含有机碳原料接触而达成操作升华温度。间质性锁定在细胞中一些氧可能处于经过加工的含有机碳原料中。另外，一些氧可能因为在需要干燥步骤时可能不完全的干燥而进入反应室。这些来源的潜在氧源应通过选矿预加工(使细胞壁破坏而暴露间质水并且释放氧)以及良好预干燥工艺而减低。因此，取决于所用特定经过加工的含有机碳原料，这些氧源包含小部分并且促成小于5％并且常常小于3％或2％的气态产品。

为了避免经过液相，经过加工的含有机碳原料的固体表面应立即达到升华温度。在一些实施例中，这在1毫秒内。在一些实施例中，时间在小于0.1毫秒内。在再其它实施例中，其在小于0.01毫秒内。

一些实施例具有单个反应室。构造这些实施例以承受与在启动操作期间从环境温度达到操作升华温度相关的温度变化以及在关闭操作期间逆向的温度变化。特征可以包括较厚的壁和/或使用支撑元件(诸如角撑)，其中反应室壁的转化部分与热箱的侧面连通。

第一供电运输机构位于反应室内，并且被配置成在将经过加工的含有机碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料时将经过加工的含有机碳原料的升华产品输送通过反应室。一些实施例具有包含含有第一供电运输机构的管的反应室。反应室还具有与管连通的顶部空间以用于在形成产品生物气燃料时对其进行收集。第一供电运输机构被配置成推进经过加工的含有机碳原料的固体部分，尤其低密度形式的经过加工的含有机碳原料。其还被配置成辅助与反应室表面热量的互混以有助于在持续从原料固体部分中去除产品生物气燃料时维持与原料固体部分接触的稳定操作升华温度。第一运输机构是能够在升华温度下有效操作并且在操作启动和冷却期期间不由热膨胀和收缩而不利地削弱的运输机构。有效第一运输机构的一个实例是螺旋输送器。

气密元件位于输入线和输出线两者上并且被配置成防止热产品燃料生物气不利地从反应室中逸出。允许产品生物气燃料以不受调控的方式离开反应室的泄漏可能引起严重安全问题。可燃产品生物气燃料在热表面存在下可能导致起火和爆炸。在所论述的温度下有效用于这个目的的气密元件的实例是旋转阀、旋转真空阀和致动双闸阀。或者，更昂贵的配置可以包括周围升华子系统热箱的箱，在所述箱中在正压下吹扫氮气以保持任何逸出的气体无法造成危险。

可以通过使产品气体燃料穿过压力隔离元件来保护反应室中的操作压力不受离开其排放管线的产品生物气燃料的不利不稳定性影响。这有助于维持反应室内的稳定升华条件。压力隔离元件包括例如维持反应室中压力的起泡器和旋流器。或者，反应室中的压力可以用过排放至气密固持槽中的产品生物气燃料来控制。

系统的一些实施例具有至少两个彼此串联连通的基本上水平反应室，并且第一供电运输机构的轴的一部分延伸到每个反应室和热箱外部。具有超过一个串联反应室的实施例提供能够在占据面积与具有单个反应室的一些系统类似的情况下加工更高量的含碳原料的系统。这些实施例进一步包含位于热箱外部的可调节密封元件，其位于围绕第一供电运输机构延伸部分的环管周围的热箱区处。可调节密封元件被配置成防止外部氧在启动和关闭操作改变温度期间以及在稳态升华操作期间从热箱外部进入热箱的不利进入。允许氧气从外部进入热箱或产品气体燃料从反应室进入热箱的泄漏可能不合需要地引起操作升华温度的较大波动。其表示在其燃烧时的额外且不受控的热源。

每个密封元件包含可调节板和可调节密封件以允许令人满意地排出经由在启动和关闭操作期间系统元件的热膨胀和收缩期间形成的非所需泄漏点而泄漏至热箱或反应室中的额外非所需氧气。可调节板包含基本上竖直的板，其可调节地附接至热箱并且被配置成围绕第一供电运输机构轴的延伸部分竖直移动环管以防止环管与轴之间的不利接触。可调节密封件与调节板连通，位于围绕第一供电运输机构的轴的延伸部分处，并且包含被设计成在其从热箱延伸出时维持围绕第一供电运输机构轴的气密密封的锥体与绳索配置。

反应室中的滞留时间随着经过加工的含有机碳原料的性质和所加工的量而变化。通常，介于至少50重量％与超过90重量％之间的经过加工的含有机碳原料可以转化成产品气体燃料，其中其余部分为能量密度与煤类似的固体炭燃料。较长滞留时间允许更多甲烷单元从解离气体中再缔合，并且可能导致接近超过70重量％至超过90重量％的更高的转化成产品气体燃料的转化率。滞留时间可以介于在一些实施例中小于10分钟至在一些实施例中小于5分钟至在一些实施例中小于2分钟的范围内。一旦基本上达成理论转化率，过长滞留时间对转化率无不利作用。

在一些实施例中，反应器室进一步包含附接至热箱反应室外部的歧管。反应室表面和歧管被配置成允许解离的气体在反应室与歧管之间传送以增加解离气体暴露于升华温度下的时间。在一些情况下，这种额外时间可能导致具有更长碳-碳结构化链的解离气体(诸如乙烷、丙烷和丁烷)进一步解离成甲烷。

本发明系统的一些实施例进一步包含处于热箱内并且进一步低于底部基本上水平反应室的竖直支撑物，以在启动、关闭和操作条件期间支撑其重量，其中厚反应室壁和支撑元件(诸如角撑)不是提供恰当支撑所需的或不是可行的。一般来说，相对于在基本上水平反应室的启动、操作和关闭期间可能发生的在环境温度与约850℃之间的温度变化，竖直支撑物被配置成在竖直方向上在尺寸上稳定在约2.5cm(约一英寸)内。

通过使用隔热与除使用隔热以外使用流动通过支撑物的冷却材料组合来达成竖直尺寸稳定性。冷却材料是常与冷却相关的材料，并且包括例如水；制冷剂，诸如卤代气体、四氯化碳、氯氟碳化合物、氢氯氟碳化合物、氨、二氧化碳、乙烷、丙烷、醚和二甲醚；气态冷却剂，诸如空气、氢气、惰性气体和六氟化硫；液体冷却剂，诸如水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇和杜邦公司(DuPont)的以及固体冷却剂，诸如干冰。

冷却材料可以维持所需竖直尺寸稳定性的任何方式穿过或围绕竖直支撑物。当竖直支撑物未经冷却时，热膨胀可能导致若干英寸的竖直膨胀。这足以导致所支撑的反应室中的焊接点破坏并且将产品气体燃料泄漏至热箱中或外泄至环境中。如上文所论述，这可能导致安全问题，并且可能不利地使反应室中的操作温度概况不稳定。一些实施例可以具有沿着竖直支撑物壁接近所支撑的热反应室水平传送的冷却材料。一些实施例可以具有竖直向上流动至竖直支撑物轴中的冷却材料。其它配置也是可能的，只要其充分限制竖直热膨胀而不在反应室中的焊接点中引起泄漏即可。

系统的一些实施例可以进一步包含热箱外部的制备室。这在在中以干燥和压缩方式供应含碳原料时适用。制备室与基本上水平反应室连通，被配置成从经过加工的含有机碳原料中去除一些自由水和氧气，并且被配置成在经过加工的含有机碳原料进入基本上水平反应室之前将其压缩成塞。

制备室还包含第二供电运输机构，其部分地位于制备室内并且一部分延伸至制备室外部。制备室被配置成进行以下中的一或多者：将经过加工的含有机碳原料移动通过制备室，和在使经过加工的含有机碳原料干燥除去更多自由水时在制备室内对其进行压缩。

可以内部供应热量用于干燥功能。在一些实施例中，用于干燥经过加工的含有机碳原料的热量来自热箱中的燃烧气体。在一些实施例中，热量可以来自经由热输送装置(诸如热交换器)的热产品气体燃料和固体炭燃料中的至少一者。

在一些实施例中，制备室可以细分成干燥室和压缩室，在所述压缩室中可以进行额外干燥。压缩室可以配备有其自身的第二供电运输机构。干燥室可以配备有其自身的第三供电运输机构。在这个实施例中，干燥室或预制备室与压缩室或制备室连通，并且被配置成将低密度经过加工的含有机碳原料的粒度减小至一定大小并且去除大体积的初始水和截留的空气以允许经过加工的含有机碳原料更容易地输送通过系统的制备室，更容易地在其中压缩而不夹带氧气或水，并且更容易地在其中加热至不允许形成液相的升华温度。在这个实施例中，之前所述并且与预制备室连通的第三供电运输机构的一部分延伸至预制备室外部。所述机构被配置成进行以下中的一或多者：将经过加工的含有机碳原料移动通过预制备室，和在预制备室内将经过加工的含有机碳原料压缩成大小更可控的粒子。

在两种情况下，个别个体运输机构都向前推进经过加工的含有机碳原料进入用于升华的条件。运输机构的一个实例是螺旋输送器，但其它运输机构在其实现所需功能的情况下也是合适的。

本发明的系统可以进一步包含将经过加工的含有机碳原料制备成待由本发明系统使用的条件的各种单元。各种原料的大小必须如上文所论述减小至可以适时方式干燥、压缩并升华的尺寸。以说明方式，轮胎必须减小为轮胎碎屑，并且秸或秆必须减小为更容易地输送通过系统的制备室，更容易地在其中压缩而不夹带氧气或水，并且更容易地在其中加热至不允许形成液相的升华温度的形状。单元可以包括例如研磨、切碎、切片或切割的装置。

图9至17说明上文所描述的升华缺氧型热系统的各种实施例。即使实施例不同，相同数字仍用于类似功能元件。图9是使用具有一个通道的单个基本上水平反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。系统(900)由围绕反应室(920)的含有通气口(912)的热箱(910)描绘。当用形成燃烧产品的燃烧器加热热箱时需要通气口。当由其他热源产生热量时，可能不产生需要通气的过量气体。反应室920具有表面(921)，并且含有具有轴(924)的第一运输机构(922)，螺旋输送器。处于反应室920的一个末端处并且延伸至热箱910外部的是前端(930)，经过加工的含有机碳原料通过具有旋转真空阀(934)以隔离反应室内任何升华气体的输入线(932)进入所述前端。处于反应室的另一个末端处并且延伸至热箱910外部的是后端(940)，其中产品气体燃料从具有定位成隔离反应室内任何升华的经过加工的生物气的压力隔离元件(944)的排放管线(942)离开，并且固体经过加工的生物炭燃料从具有定位成隔离反应室内任何升华的经过加工的生物气的旋转真空阀(948)的排放管线(946)离开。

图10是使用具有两个通道、柔性轴封和高温可调节轴盖板的反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。系统900由围绕反应室920并且处于底部(914)上的含有通气口912的热箱910描绘。具有表面921的反应室920被配置成如同在其侧面打开的「U」形，其中两个水平通道在右端与竖直通道连接。每个水平通道都含有具有轴924的第一运输机构922，螺旋输送器。每个轴都延伸出反应室920和热箱910的水平通道。对于每个轴末端，高温可调节轴封板(926)包封每个轴环管(927)并且可调节地紧固至热箱。对于每个轴末端，可调节高温密封件(928)紧固在轴环管927上的一个末端处，并且包涵轴环管927的一部分和轴924延伸轴末端的一部分。处于第一反应室920的末端处并且延伸至热箱910外部的是前端930，经过加工的含有机碳原料通过具有定位成隔离反应室内任何升华的工艺生物气的旋转真空阀934的输入线932进入所述前端。处于第二反应室920的末端处并且延伸至热箱910外部的是后端940，其中经过加工的生物气燃料从具有定位成隔离反应室内任何升华的工艺生物气的冷却元件944的排放管线942离开，并且固体炭燃料从具有定位成隔离反应室内任何升华的经过加工的生物气的旋转真空阀(948)的排放管线(946)离开。

图10中所示的高温可调节密封件和板可以具有各种形式，只要实现功能即可。在图11A至11E和图12A至12E可调节轴封板926中说明一个实施例。图11A是其中绳索密封件压缩在适当位置处的高温可调节轴封套管的一个实施例的侧视图的图解。密封件928包含在其面向轴1024末端的前端含有双绳索密封件底板(1010)的套管(1000)。底部1010连接至两个绳索密封件(1020)以形成双绳索密封件。在图11B中进一步说明这种构造。套管1000面向热箱910的后端含有被配置成紧邻单绳索密封件底板(1050)上的单绳索密封件1020而贴附轴环管927的可栓接环管(1040)，所述单绳索密封件在图11C中进一步说明。

图11B是图11A实施例的元件的视图图解，其示出了固持双绳索密封件的框架的背视图。视图是通过套管1000从轴924的末端查看的视图。描绘栓接孔洞(1060A)。

图11C是图11A实施例的元件的视图图解，其示出了固持单绳索密封件的框架的背视图。视图是通过套管1000从热箱910查看的视图。描绘栓接孔洞(1060B)。

图11D是实施例但未示出于图11A中的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图11B双绳索密封件的盖子。正视图是面向绳索密封件的侧面的正视图。盖子(1070)包含凸起内部压缩环(1072)，其具有附接至具有栓接孔洞1060A之外部支撑环(1074)的倾斜截面边缘。当栓接至图11B的孔洞时，凸起内部压缩环1072针对轴向内推动绳索密封件以消除含有氧气的空气在启动和关闭温度膨胀和收缩周期期间进入热箱的不利泄漏。

图11E是实施例但未示出于图11A中的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图11C单绳索密封件的盖子。正视图是面向绳索密封件的侧面的正视图。盖子(1080)包含凸起内部压缩环(1082)，其具有附接至具有栓接孔洞1060B之外部支撑环(1084)的正方形截面边缘。当栓接至图11C的孔洞时，凸起内部压缩环1082针对密封件环管1040向下推动绳索密封件以消除含有氧气的空气在启动和关闭温度膨胀和收缩周期期间进入热箱的不利泄漏。

图12A是示出上半部的高温可调节盖板的一个实施例的正视图和侧视图的图解。高温可调节密封板926的上半部(1110)包含两个可调节孔洞(1112)、连接孔洞(1114)和被设计成拟合轴环管927半圈的半圆形开口(1116)。横截面(1118)是直式的。

图12B是示出下半部的图12A高温可调节盖板的实施例的正视图和侧视图的图解。高温可调节密封板926的下半部(1120)包含两个可调节孔洞(1122)、连接孔洞(1124)、被设计成拟合轴环管927半圈的半圆形开口(1126)以及含有连接孔洞1124以在装配时允许光滑表面接触热箱的步骤板(1125)。横截面(1128)是阶梯式的。

图12C是图12A高温可调节盖板的实施例的正视图的图解，其示出了图12A上半部和图12B下半部结合。

图12D是经过装配的高温可调节盖板处于低温位置的正视图的图解。正如所见，因为热箱910尚未经历热膨胀，所以轴924经由处于较低位置的环管927离开热箱910以避免在操作期间环管927不利地接触轴924。

图12E是经过装配的高温可调节盖板处于高温位置的正视图的图解。正如所见，因为热箱910已经在启动加热操作期间以向上方式进行热膨胀，所以环管927必须向上移动以避免在操作期间不利地接触轴924。可调节孔洞1112和1122允许这类调节。一些实施例使用手动调节。一些实施例使用自动调节。

图13是使用具有两个通道、柔性轴封、高温可调节轴盖板和竖直支撑支架的反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。这一实施例类似于图10中所示的实施例，不同之处在于高温竖直支撑物(1200)用于支撑热箱910内的反应室920。竖直支撑物1200包含竖直轴(1210)和底座(1220)以固持反应室920。使用将轴1210附接至底座1220以及将轴1210附接至系统底部914的角撑(1230)强化竖直轴和底座配置的稳定性。

只要实现所述功能，图13中所示的高温竖直支撑支架可具有各种形式。一个实施例说明于图14A和14B中。所述实施例的变体说明于图14C中。图14A是竖直支架的一个实施例的正视图，其示出了弯曲底座和用于通过冷却剂的水平环。底座被设计成符合反应室920的底部。在其中反应室920的底部不是弯曲的系统的实施例中，将使用不同的符合底座的形状。轴1210围绕有隔热材料(未示出)。然而，热量从反应室920通过底座1220到达支架1210可能不利地导致如上文所论述的轴1210的大量竖直热膨胀。在轴1210上部内经过水平移置的冷却环(1240)可以用于使轴1210的热膨胀降至最低，低至涵盖如上文所论述的设备所使用的温度范围的令人满意的长度。

图14B是图14A实施例的俯视图，其示出了冷却环1240。

图14C是竖直支架的一个实施例的正视图，其示出了弯曲底座和竖直支架竖直轴内竖直向上和向下的冷却通道。

图15是使用具有两个通道和一个四通旁路歧管(其附接至反应室外部以增加滞留时间)的反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。系统(1300)包含旁路歧管(1310)，其经由反应室表面(921)的孔隙(未示出)和其连接的歧管与反应室内经过加工的生物气连通。这允许解构的气体产品经历较长滞留时间，所述时间适于经过加工的含有机碳原料向气体燃料和固体炭燃料产品的所要转化。

图16是使用具有两个通道、压缩室和干燥室的反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。这一系统类似于图14中所示的的系统，其具有额外加工室。从材料进入并行进通过系统直到其作为产品燃料离开，其传递由粗线示出。系统1500包含制备室(1510)，其用于在含碳原料进入反应室的前端930之前将其压缩成塞。第二供电运输机构(1520)处于腔室内部以实现压缩。某种额外干燥也可能出现在这里。预制备室(1530)与具有第三供电运输机构(1540)的制备室1510连通，以在加热环境中输送经过加工的含有机碳原料来干燥所述原料。管道(1550)用于使热燃烧气体从热箱流入至预制备室中，以辅助这种干燥的部分或整体。

本发明的另一实施例包括用于将含碳化合物转化成产品气体燃料和固体炭燃料的工艺。所述工艺包含至少四个步骤。第一步骤是将经过加工的含有机碳原料输入至基本上水平的升华反应室中，所述反应室大部分包含于热箱内并且被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度、在升华温度下操作以及从操作升华温度冷却至环境温度，而不将任何热产品气体燃料从反应室泄漏至热箱或大气中，或不使任何氧气从热箱外部泄漏至热箱中。第二步骤是在经过加工的含有机碳原料能够形成液相之前，将其加热至升华温度。第三步骤是使温度维持在升华温度，持续与将含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料所需要的时间同样长的滞留时间。第四步骤是从固体炭燃料中分离产品气体燃料。

由所述工艺产生的热量可以各种方式得到使用。一些实施例可能在经过加工的含有机碳原料进入用于压缩的制备室和升华室(如果需要)之前，使用从热箱到预制备室的直接加热的燃烧气体来对其进行干燥。一些实施例可能出于其它目的，诸如加热建筑物而使用热量。

用于升华原料的热量可以通过燃烧部分产品燃料气体来供应。如上文所论述，将小部分产品气体燃料用作燃烧器燃料可以维持升华温度。

竖直升华缺氧型热子系统

竖直升华缺氧型热子系统包含三种元件：竖直反应室、第一供电运输机构和自调节密封件。第一种至少一个基本上竖直的反应室被配置成在无外部催化剂或额外水、二氧化碳或一氧化碳的情况下，在短至足以使经过加工的含有机碳原料的至少一部分升华而基本上不产生任何液体的时间范围内，将经过加工的含有机碳原料加热至操作升华温度。第二种第一供电运输机构部分位于反应室内，其具有延伸到反应室外部的延伸部分，并且被配置成随着经过加工的含有机碳原料转化成生物气和经过加工的生物炭，将经过加工的含有机碳原料的升华产品输送通过反应室。第三种自调节密封件被配置成在启动和关闭操作的改变温度期间，以及在操作期间的稳态升华温度期间，不断将反应室内的经过加工的生物气限制在围绕供电运输机构延伸部分的区域处。

为了更好地理解这种子系统，将不时参考一个或多个特定实施例来论述竖直升华子系统。然而，应理解只要进行所要升华，那么可能使用其它实施例。

竖直升华缺氧型热子系统被设计成用于加工高密度原料，如轮胎、塑料、木头和煤。高密度意指原料每单位体积重量较高。原料制备将由经过加工的含有机碳原料的特征，诸如来自选矿子系统的经过加工的含有机碳原料的大小或厚度以及密度来指定。一般来说，以粒子的最长尺寸计，理想大小或厚度为约小于0.5英寸(13mm)。因为较致密材料从粒子表面充分加热到其内部中点花费较长时间，所以粒度在竖直子系统中至关重要。挥发性气体形成于粒子的中点或中心处并且必须移动至粒子表面，在表面其被释放至反应室环境中。应尽快形成升华气体并使其始终保持为气相，以用于经过加工的含有机碳原料向经过加工的生物气和经过加工的生物炭的最佳转化。高密度原料使粒子下落通过反应室并到达底部，在底部其最终分离成气体和固体形式。有时，经过加工的含有机碳原料可能必须经过进一步压缩以获得所要密度，并且进一步经过操作以获得所要粒度。

在恰当地制备经过加工的含有机碳原料之后，通过诸如螺旋输送器或某种其它材料送装置将其输送至竖直子系统的顶部。在运输原料期间，可以从下游工艺再循环热量以使任何自由水的去除达到最大。随后将原料沉积于压缩螺旋输送器的漏斗中。压缩螺旋输送器减少自由水和夹带的空气含量。这将增加原料的热吸收并减少氧气的存在量。减少来自水和空气的氧气含量将导致所产生的生物气中的较少二氧化碳和一氧化碳以及经过加工的生物炭中的较少污染物。原料塞或密封件形成于反应室入口点处的压缩螺杆的末端。因此，当原料进入反应室时，所形成的产品生物气不会返回并排出而引起有害情况。

随着原料进入反应室，紧接着使原料经受使挥发物从原料中升华的过热气体流。随着现缩减为碳的挥发的气体和脱除挥发份的原料沿反应室管的长度下落，挥发的气体与碳固体进行掺混、反应并获得动量。在共用反应室管的底部，脱除挥发份的碳降落至向下收集漏斗中，并且气流分成两股流，其侧向地移动通过并移上共用底端管两侧上的两个反应室管。反应室看起来像从中间连接的两个字母“O”。反应室的两个向上管现向上运载热气体并由涡轮风扇辅助。上行经过两个向上管中的每一个的路径的三分之二是使气体温度升高的过热器。相较于加热引入的原料，仅仅对气体进行过热处理是较为经济的。现过热气体到达上反应室管顶部并经过引导从每个向上管顶部侧向地到达共用底端管顶部，即引入原料的位置。过热气体随后用于使引入的原料升华，并且在底端管中所有事物在封闭回路周期内自身进行重复。当反应室管处于稳态和平衡时，将所产生的生物气从向上反应管之一的顶部出口处引出，冷却并储存为经过加工的生物气。碳离开共用中间管底部，并且通过螺旋输送器运输，冷却并收集以储存为经过加工的生物炭。

子系统中的反应室是最长侧垂直于地面的三维、矩形箱。顶侧上是压缩螺杆和原料入口。底侧上是在锥体底部具有引出螺旋输送器的用于所产生的生物炭的收集锥体。

反应室加热箱内部是三个连接和连续管，其在两个外部管之间具有共用的中间管以使三个管道充当一个管道。中间管充当向下管，而两个外部管充当向上管。在这种配置中，原料从中间管顶部进入，并且随着原料沿管道的长度穿过而自由下落。这是进行原料升华的位置。中间管底部存在接合点，在此处管道形成两条侧向分路。在每条侧向分路的末端，管道在中间管两侧向上延续。因此，所有三个反应室管是连续的并且经过密封以使反应室保持与外部污染物隔离并且仅含有待加工的原料。不引入外部空气、蒸汽或催化剂。

在反应室外部但与其连接的是两个燃烧器，其加热外箱壁的内部与内部管配置内壁的外部之间的空间。这一空间很大程度上是隔热的并且使反应室环境保持在最低温度下。

在操作中，处于反应室中间向下管底部的经过升华的原料已经分离成脱除挥发份的碳和经过加工的生物气。经过加工的生物气流分开并侧向地移动至外部向上反应室管。脱除挥发份的碳沉降在收集锥体中并通过螺旋输送器去除。脱除挥发份的碳仍存在于热反应室环境中，因此这充当一个精制步骤以确保所有可以形成的挥发性气体将得到采集并经由反应室向上管继续升华工艺。经过一定滞留时间后，可以使碳穿过螺旋输送器至冷却室中，且随后储存为经过加工的生物炭。滞留时间视经过加工的含有机碳原料的性质和体积而定。在一些实施例中滞留时间小于10分钟，在一些实施例中小于7分钟，在一些实施例中小于5分钟，在一些实施例中小于3分钟，并且在一些实施例中小于2分钟。

在中间向下管底部的分路处，碳落出并且只有经过加工的生物气继续侧向地移动至反应室的外部向上管。产品经过加工的生物气由穿过向下管时其自身的惯性所运载，在由放置在向上管顶部的涡轮风扇的某种任选的帮助下沿向上管上移。附接在两个向上管外壁上但仍位于反应室箱外壁内部的是系牢在每个外部管上的一个过热器。在启动期间，随着经过加工的生物气穿过向上管回到反应室管顶部部分的顶部，其穿过过热器并且反应室内的温度提高至预选的温度，即所要稳态温度。相较于加热输入的经过加工的含有机碳原料，仅仅对经过加工的生物气进行过热处理是较为经济的。当经过加工的生物气与向下管中脱除挥发份的碳接触时，过热处理有助于进一步解离经过加工的生物气。

随着两种经过加工的过热生物气流到达两个外部管的顶部，当原料进入中间向下管时，将所述两种经过加工的过热生物气流与新鲜引入的原料共混并使所述原料升华。新鲜原料进入反应室、新鲜原料与经过加工的过热生物气混合以及混合物进入反应室管的周期使反应加工周期完整。当反应达到稳态和平衡时，添加更多原料，并且根据预定制造比率去除经过加工的生物炭和经过加工的生物气。

图17是具有基本上竖直反应室的系统的一个实施例的侧视图的图解。这一系统(1600)具有与压缩螺旋输送器(1620)连通的压缩进料系统(1610)。经过加工的含有机碳原料遵循具有经过加工的循环生物气(1640)的双重圆形路径(1630)，即较清楚地说明于图17A中的反应室(1632)。反应室1632在热箱(1665)中。旁路(1645)引导一些来自热箱1665的溢出热量以在压缩进料系统1610中预热引入的经过加工的含有机碳原料。热箱1665内的热交换器1650对经过加工的循环生物气1640进行过热处理以达成并维持目标升华温度。碳螺旋输送器(1660)去除经过加工的生物炭。其余溢出热气体经由加热器排气出口(1670)离开热箱1665，并且经过加工的生物气穿过经过加工的生物气排气出口(1680)。

图17A是图17中所示实施例的管道阵列的图解。反应室(1632)被描绘成具有管道阵列，所述管道阵列包含中间向下反应管(1634)，其由热箱1665内的两个外部向上反应管(1636)所涵括。热交换器1650在交叉T形下方加热外部向上反应管1636并且在交叉T形上方加热输入向下管1634。多余热气体经由排气出口1670离开，并且经过加工的生物气经由反应室1632中的出口1680离开。

微波子系统

微波子系统是加热子系统的另一种形式，所述加热子系统用于将来自选矿子系统的经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物炭，所述经过加工的生物炭随后制成本发明的经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体。子系统包含一种由穿过微波工艺子系统的经过加工的含有机碳原料制造的经过加工的生物炭组合物。子系统包括至少一个反应室，其在微波反射罩内并且包含至少一个透微波室壁和被配置成在外部供应的无氧气的氛围中保持经过加工的含有机碳原料的反应腔。微波子系统包括至少一个被配置成当供能时发射微波的装置。微波装置相对于反应室安置以便引导微波穿过透微波室壁并且进入反应腔中。所述子系统还包括提供微波装置与反应室之间的相对运动的机构。经过加工的生物炭组合物基本上不包括自由水。而且，经过加工的生物炭组合物包括比使用相同原料但使用在工艺期间形成液相的热工艺制造的炭多至少10％的单位体积孔隙数。原料和所得经过加工的生物炭的特征已经在上文论述。现论述用于制造本发明的经过加工的生物炭的微波工艺。

在所说明的实施例的以下描述中，参考随附图式，其帮助说明用于制造本发明的经过加工的生物炭的微波工艺的各种实施例。应理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以利用工艺的其它实施例并且可以作出结构和功能改变。

以下描述涉及通过微波增强反应解构工艺将固体和/或液体含有机碳原料加工成燃料，例如柴油燃料、汽油、煤油等的方法。

解构，也称作“裂化”，是使用热量以使烃分子分解(或“裂化”)成适用作燃料的较短烃链的精炼工艺。解构可以通过将催化剂添加至原料中来增强，所述催化剂提高反应的速度和/或降低工艺所需的温度和/或辐射暴露。此外，诸如沸石的催化剂具有纳米结构，其仅允许一定大小的分子进入晶栅或激活催化剂的表面区域并且与催化剂相互作用。因此，催化剂有利地在控制通过反应工艺生产的产品方面非常有效，这是因为只有具有指定链长的物质可以使用催化工艺产生。催化解构特别适用于使生物质和其它含有机碳原料转化成可用作运输或加热燃料的燃料。

有效解构的一个方面是基本上均匀地加热并照射原料至足以引起解构以及激活催化剂的温度的能力。在解构时，长烃链“裂化”成较短链。已经显示微波加热特别适用于加热系统以用于热解构。诸如火焰、蒸汽和/或电阻加热的加热系统通过热传导穿过反应室壁来加热原料。这些加热系统进行操作以从反应室壁的外部至原料的内部加热原料，而微波在反应室的整个宽度上均匀地加热。使用非微波加热源，热量从热源外壁传递至与原料混合物直接接触的容器壁内部。热量随后传递至原料的表面并且随后再次传递通过原料直至原料的内部区域处于接近反应室壁温度的温度下。

关于这种类型的外部加热的一个问题是在容器壁温度传输与升高容器中心以及原料基质的内部区域中所含的原料温度之间存在时间滞后。混合原料有助于减轻这些状况。尽管如此，数百万个微环境存在于反应器容器环境和原料粒子本身中。这导致反应室内不同程度的不均匀热分布。这些变化的温度梯度引发不可控的副反应以及早期转化产品的降解，所述早期转化产品由于转化反应时间性的延迟而变得过度反应。需要在整个原料和反应产品中产生并保持一致的加热以达成良好转化经济学并且其是可控的。微波加热是有效的加热方法并且其也用于激活催化部位。

本发明的实施例是针对一种反应室系统，其可以用于加工任何含有机碳原料(无论是固体和/或液体)以在将产生液体运输燃料的温度范围内提取原料中的挥发性有机化合物。

微波被由微波照射的材料中的水分子吸收。当水分子吸收微波时，分子增加其振动旋转运动，其通过摩擦生热，并且使热量对流传递至周围材料。微波被水分子吸收的原因特定针对水分子中氢与氧连接的共价键。水中的氧原子具有与其相关的大电负性。元素的电负性是其倾向于收集额外电子，完全在离子键中或经由使共价键的电子云朝向那个元素偏移。驱动力是来自量子化学，即，通过添加2个电子填充氧的2p壳层。由填充外电子壳层的稳定性驱动的电负性标度从最具电负性的元素开始为F＞O＞N＞Cl＞Br＞S＞C＞H。因此，水中的价电子朝向氧偏移，形成具有朝向氧的负极和介于两个氢原子之间的正极的永久电偶极矩。吸引来自两个氢原子的电子更接近氧原子。这向分子的这一端提供稍带负性的电荷并且两个氢原子则具有稍带正性的电荷。这种扭曲的结果是水分子具有永久电偶极。水分子的偶极特征允许分子吸收微波辐射并且提高气态水分子的旋转速度和/或增加与液态水的扩展结构的受阻旋转相关的低频振动运动。水分子的运动增加引起摩擦，其转变成热量且随后对流传递出至所照射的材料中。

为了利用微波辐射的这种特征，本文所描述的反应室系统利用微波照射和加热来加工含有碳并且可以转化成运输燃料的原料。反应器可以由基本上透微波的物质制成，诸如石英，其为基本上透微波辐射的结晶材料。因为石英可以被调节成许多形状，所以其提供了用于使反应室成形的设计自由性，但在一个实例中，反应室以管状或圆柱状进行配置。圆柱形形状允许原料在一端进料并且在相对端离开。适合反应室的实例将为约四英尺(1.2米)长和约3/16英寸(4.8mm)壁厚的石英管。

微波反应室由微波反射罩包围。这使得微波辐射反复穿过反应室并且在水(如果存在的话)蒸发并脱离之后使含有机碳原料脱除挥发份。微波反射罩反射微波的任何罩。材料包括例如组装成本领域中已知的法拉第笼(Faraday cage)的金属薄片。

微波辐射由磁控管或其它适合装置产生。一个或多个微波产生装置，例如磁控管，可以安装在石英管壁外部。磁控管处于不同功率范围内并且可以由计算机控制以使用适当功率照射加工原料以在给定反应器中的滞留时间下使原料有效地转化成最理想的燃料产品。在一种应用中，磁控管可以安装在笼上，所述笼将围绕反应器管的外部旋转以及沿着反应器管的长度移动。穿过管内部的长度移动的原料将在柱塞流配置中移动并且可以由固定和/或旋转磁控管照射。计算机可以用于控制微波辐射的功率和/或其它参数以使具有不同大小和密度的不同原料可以在特定针对原料的不同参数设置下照射并且因此更有效地转化原料。

反应器的这些配置将允许原料的有效加工，从相对纯的原料流至包括不同密度、水分含量以及化学组成的原料的混合原料流。可以产生效率，因为燃料产品在其从原料中蒸发时即从反应器室中提取，但直至不同燃料产品蒸发并提取时才进行剩余原料的进一步加工。举例来说，致密的原料(诸如塑料)比较不致密的原料(诸如泡沫或木屑)花费更长时间来加工成可用燃料。本文所描述的微波子系统继续加工致密的原料而不会过度加工来自较不致密的原料的较早转化的产品。这通过使用固定与旋转微波发生器来实现。

混合原料的一个实例将是未分选的城市固体废料。在一些实施方案中，可以将催化剂添加至原料中，其有助于原料的转化以及可以进行转化的速度。催化剂可以被设计成在反应器内部的预设加工温度下反应或与冲击微波辐射反应。在一些实施例中，不需要催化剂。在其它实施例中，催化剂可以是针对特定原料合理设计的催化剂。

具有本文所描述的反应器的柱塞流配置将允许针对原料驻留于反应器芯内的滞留时间进行调整用于更有效地暴露于微波的热量和辐射以产生所要最终产品。

入口和/或出口，例如石英入口和/或出口，可以沿着反应室壁放置以允许压力和/或真空控制。入口和出口可以允许引入惰性气体、反应气体和/或提取产品气体。

因此，在使用或不使用催化剂的情况下透微波反应室的设计、作为具有固定和/或旋转磁控管的加热和辐射源的微波的使用、柱塞流加工控制将允许加工任何含有机碳原料。对含有机碳原料进行选矿的优点是其在很大程度上已经达到可接受的水分水平并且已经相当均质。对于在宏观层面上的均质性，来自不同含有机碳原料输入的输出具有大体上类似的特征(例如，能量密度、一致性、水分含量)，并且这些特征延伸遍及整个材料。在分子层面上，在存在较少盐的情况下，存在较少的微环境，其中微波沉积能量的方式将与含有机碳原料的主体有所不同。因此，从选矿的含有机碳原料的加热将比从原始未加工的含有机碳原料输入更均匀。

根据本发明的实施例的微波子系统包括具有一个或多个基本上透微波壁和微波加热/辐射系统的反应室。微波加热/辐射系统经过布置以引导由加热/辐射系统产生的微波穿过反应室的基本上透微波壁并且进入反应腔中，其中在不实质上加热反应室壁的情况下使原料材料反应。为了提高原料的温度均匀性，反应室和加热/辐射系统可以相对运动，例如，相对旋转和/或平移运动。在一些实施方案中，加热系统可以围绕固定反应室旋转。在一些实施方案中，反应室内的原料可以通过使用螺旋片而旋转并且加热/辐射系统保持固定。在一些实施方案中，反应室可以旋转并且加热系统保持固定。在又其它实施方案中，反应室和加热/辐射系统都可以旋转，例如，沿着逆向的相反方向。为了进一步增加温度均匀性，系统可以包括用于搅拌和/或混合反应室内的原料材料的机构。反应室在反应工艺期间可以倾斜，例如，以迫使原料通过催化床。

图18A和18B分别说明了用于使含有机碳原料转化成液体燃料和根据本发明的实施例的经过加工的生物炭燃料的微波子系统(1800)的侧视图和剖视图。尽管反应室(1810)可以是任何适合的形状，但反应室1810在图18A和18B中以具有圆柱形壁(1811)的圆柱体说明，所述圆柱形壁在用于反应工艺的频率范围和能量下基本上透微波。反应室1810包括由圆柱形壁1811封闭的反应腔(1812)。微波子系统1800包括被配置成移动原料穿过反应室的运输机构(1818)。关于在反应室1810内发生的反应的微波子系统900的操作可以类似于柱塞流反应器来模式化。

如图18A中所说明，微波子系统包括用于移动原料材料穿过反应室1810的运输机构1818。运输机构1818以螺旋输送器来说明，不过也可以使用其它适合机制，例如，输送器。运输机构1818可以进一步准备在反应室内混合原料。在一些实施例中，反应室壁1811的厚度可以是约3/16英寸(4.8毫米)。反应室壁1811的平滑度有助于原料移动穿过反应室1810。

加热/辐射子系统(1815)可以包括任何类型的加热和/或辐射源，但优选地包括微波发生器(1816)，诸如磁控管，其被配置成发射具有足以加热含有机碳原料至足以促进原料的所要反应的温度的频率和能量的微波(1813)，例如，对于原料的解构，可以使用在约0.3GHz至约300GHz的频率范围内的微波。举例来说，磁控管的操作功率可以在约1瓦至500千瓦范围内。磁控管1816相对于反应室1810安置以便引导微波1813穿过反应室1810的壁1811并且进入反应腔1812中以加热并照射其中的材料。机构(1817)提供磁控管1816与反应室1810之间沿着和/或围绕反应室1810的纵轴1820的相对运动。在一些实施例中，举例来说，机构1817可以有助于以角度θ倾斜反应室1810和/或磁控管1816(参见图18C)以促进原料的反应和/或气体的提取。在图18A-C中所说明的实施例中，磁控管916安置于旋转机构1817上，诸如使磁控管1816围绕固定反应室1810旋转的可旋转笼或圆筒。在一些实施方案中，围绕室的旋转可能不完整，但旋转途径可以界定围绕反应室圆周的圆弧。旋转可以沿着圆弧的路径往复进行。如先前所提及，在一些实施例中，反应室1810可以是旋转组件，或磁控管1816(也称为加热/辐射子系统)和反应室1810都可以旋转，例如，沿着相对的逆向方向。反应室与磁控管之间的旋转提供了反应腔1812内原料的更均匀加热和更均匀微波暴露，因此增强原料的有效反应化学和/或其它温度/辐射依赖性工艺，诸如从原料中去除水。旋转减小温度梯度和/或维护在反应室内部跨越柱塞的更恒定的微波通量。

反应室1810可以包括一个或多个进入孔(1820)，例如石英进入孔，其被配置成允许将物质注射入或提取出反应腔1812。反应室1810还被微波反射罩(1822)包围。在一个实施方案中，石英孔可以用于从反应腔提取空气和/或氧气。空气和/或氧气的提取可以用于抑制一些工艺所需要的燃烧。

举例来说，在某些实施例中，微波子系统1800可以用于经由压缩和/或去除空气和/或水来预加工原料。在这种应用中，可以经由一个或多个孔1820注射诸如氢气和/或氮气的气体以使原料氢化和/或抑制原料的燃烧。反应室1810还可以包括一个或多个出口孔(1821)，例如石英出口孔，其被配置成允许水、水蒸汽、空气、氧气和/或其它物质和/或副产品从反应室1810通过。在其它实施例中，经过加工的含有机碳原料的空气和水已经经过充分压缩并减少以直接引入反应室中。

图18D是说明用于从根据本发明的实施例的含有机碳原料产生燃料的微波子系统(1850)的图解。微波子系统1850包括输入漏斗(也称为装料漏斗)18951)，其被配置成允许将原料材料引入微波子系统1850中。齿轮马达螺旋输送器驱动器(1852)提供了用于运输原料穿过微波子系统1850的螺旋输送器(1853)的驱动系统。当在装料漏斗951中压缩原料时，经由大气出口(1854)提取空气。密封件(1855)隔离装料漏斗1851与反应室(1856)以维持一定的真空度。反应室1856包括透微波材料的壁。一个或多个固定微波头1857安置于反应室1856的壁处。另外，微波子系统1850包括一个或多个旋转微波头(1858)。在一个实施方案中，每个旋转微波头关于反应室1856的纵轴(1860)位于固定位置处。旋转微波头安装在滑环轴承(1859)上，其允许微波头958围绕反应室1856旋转。微波反射罩(1862)环绕反应室1856。在一些实施方案中，旋转微波头958可以围绕反应室1856的纵轴1860旋转以及沿着纵轴1860往复移动。微波子系统950包括在反应室1856的出口处的密封件以维持反应室的真空。在一些实施例中，在含有机碳原料进入微波子系统之前，在早前所论述的子选矿系统中对其进行压缩，并且需要极少(如果有的话)的空气提取。

图19A是使用图18A和18B中所说明的反应室中的一者或多者的微波子系统1900的方块图。反应室1920、1930可以串联或以并联配置来布置和/或操作。图19A和10B中所描绘的提取工艺(1920)和反应工艺(1930)以在例如不同温度下操作的两个独立反应室中所发生的来说明。或者，提取工艺和反应工艺可以在具有两个独立区，例如两个独立温度区的单个反应室中实施。

在图19的微波子系统1900中，水/空气提取区段1920和反应区段1930中的一者或两者可以类似于图18A和18B的微波子系统1800中的反应室。含有机碳原料，诸如含有植物细胞的粪肥、木屑以及基于植物的纤维素中的一者或多者，经由漏斗(1911)进入微波子系统，并且穿过气锁(1912)以进入原料制备模块(1913)。如果需要，可以将诸如沸石的催化剂和/或增强反应工艺，例如以调整pH的其它添加剂经由输入漏斗1911和/或进入孔(图18B中所示)引入微波子系统1000中。在原料制备模块1913中，可以将原料材料切碎至预定粒度，其可以取决于原料的特性，诸如原料的纯度、密度和/或化学组成。如果使用的话，那么可以在正在制备原料的时候添加催化剂以使催化剂均匀地分散于进入反应室(1931)之前的原料材料内。一般来说，原料的均匀度越小，提供有效反应所需的粒度越小。

在初始原料制备阶段之后，将切碎和混合的原料通过运输机构1915运输至工艺的下一个阶段的提取室1921中。在反应工艺之前进行水和/或空气提取的任选工艺的空气/水提取子系统(1920)包括加热/辐射模块(1922)，其至少包含被配置成产生微波(1926)并且可以安装在旋转或固定机构(1927)上的磁控管(1923)。如果安装在旋转机构上，那么当引导微波1926穿过提取室1921的壁(1924)并且进入提取腔(1925)中以冲击并加热其中的原料时，所述机构使磁控管1923部分地或完整地围绕提取室1921旋转。在一些实施例中，加热模块1922可以利用仅一个磁控管1923或仅两个或更多个磁控管而不使用其它热量/辐射源。

在一些实施例中，加热/辐射模块1922可以利用磁控管1923外加其它热源，诸如依靠热传导穿过提取室壁的热源，例如火焰、蒸汽、电阻加热、来自工艺的再循环热量和/或其它热源。在空气和/或水提取工艺期间，可以将原料加热至至少100℃，即水的沸点，以从原料去除过量的水。过量的水(例如，呈蒸汽形式)和/或其它物质可以经由一个或多个出口孔离开提取室1921。原料的添加剂，诸如包括氢气和/或氮气的惰性和/或反应气体，可以经由个一或多个输入孔引入至水/空气提取工艺的提取室1921中。除了由微波加热和照射之外，原料也可以经受加压氛围和/或真空氛围和/或可以机械地压缩以从提取室1921去除空气。

在任选的空气和/或水提取工艺之后，运输机构1915将原料移至下一个加工阶段，即反应区段(1930)，其涉及原料的反应工艺，例如热解构。在原料/催化剂混合物进入由微波反射罩(1938)包围的反应室(1931)之后，将混合物加热至足以促进所要反应的温度。举例来说，在约200℃至约350℃范围内的温度用于使原料中的烃裂化成较短链以通过解构产生液体燃料。除了加热之外，原料也可以经受加压氛围或真空氛围和/或可以在反应室1931中机械地压缩。

在一些实施例中，反应室1031中的加热/辐射使用发射微波(1936)的磁控管(1933)而实现。磁控管1033可以相对于反应室1031旋转。如先前结合水提取区段1920所描述，旋转磁控管(1933)可以由旋转机构(1937)，诸如笼或圆筒来支撑。旋转机构1937允许磁控管1933与反应室1931之间的相对旋转运动。举例来说，磁控管1933可以完整地围绕反应室1931旋转或磁控管1933的旋转可以沿着遵循反应室1931的圆周的圆弧往复进行。旋转磁控管加热系统1933可以使用固定磁控管和/或其它常规热源，诸如火焰或电阻加热来补充。旋转磁控管1933提供反应腔(1935)内原料材料和催化剂的更均匀加热/辐射并且增强优于固定热源的加热特性。

裂化的烃蒸发并且收集在冷凝器(1041)中并且液化，且随后送至蒸馏器(1940)以产生柴油燃料，而较重、较长的链烃分子可以再循环回到反应室。在一些实施方案中，蒸馏可能不是必需的，并且燃料产品仅需要加以过滤。

在一些配置中，需要控制反应的工艺以允许燃料从原料提取的较高效率。图19B是微波子系统(1905)的方块图，其包括结合图19A所描述的子系统组件以及反馈控制系统(1950)。所说明的反馈控制系统1950包括控制器(1951)和一个或多个传感器(1952)、(1953)、(1954)，其可以被配置成感应在工艺期间的各个阶段的参数。反馈控制系统1950可以包括原料制备阶段的传感器1952，其被配置成感应原料和/或原料制备工艺的参数。举例来说，传感器1952可以感应原料的化学组成、密度、水分含量、粒度、能量含量或其它原料参数。传感器1952可以另外或替代地感应原料制备室内的状况，例如流量、压力、温度、湿度、存在于室中的气体组成，等等。传感器1952产生信号(1955a)，将其输入控制器电子装置1951，在此分析所述信号以确定原料和/或原料制备工艺的状况。响应感应的信号1955a，控制器1951产生反馈信号(1955b)，其控制原料制备模块(1913)的操作。举例来说，在一些实施方案中，控制器1951可以控制原料制备模块1913以继续切碎和/或研磨原料材料直至检测到预定粒度和/或预定粒度变化。在另一实例中，基于感应的原料化学组成，控制器1951可以促使较大或较小量的催化剂与原料混合或可以促使不同类型的催化剂与原料混合。

控制系统(1950)也可以产生反馈信号(1956b)、(1957b)以基于感应的信号1956a、1957a分别控制水提取模块1920和/或反应模块1930的操作。举例来说，传感器(1953)、(1954)可以感应水提取和/或反应工艺的温度并且控制器1951可以产生反馈信号1956b、1957b以控制加热/辐射系统1922、1932的操作，例如磁控管1923、1933中的一者或两者的功率、频率、脉冲宽度、旋转或平移速度，等等。控制器1051可以对磁控管产生反馈信号以控制冲击原料的辐射量以使原料将不会蒸煮过度或蒸煮不足，并且将避免热点的显现。控制器系统1950可以控制各种物质经由进入孔注射至提取室1921和/或反应室1931中的一者或两者中以控制在室1921、1931内进行的工艺。生物炭，即耗竭的原料的残留物，被送至储存单元。在一些实施例中，控制器系统1950可以用于控制有利地影响经过加工的生物炭的特性的条件，其中需要超越仅从原料选择所得的特定特性。在蒸馏阶段之后，可以使重烃再循环返回至反应室中并且可以将较轻烃送至聚合阶段。

反应室可以由石英、玻璃、陶瓷、塑料和/或在反应工艺的频率和能量范围内基本上透微波的任何其他适合材料制成。在一些配置中，本文所描述的加热/辐射系统可以包括相对于反应室旋转的一个或多个磁控管。在一些实施例中，磁控管可以是多个和/或可以是固定的。图20A说明了反应系统(2000)，其包括在充当法拉第笼并且安置于具有一个或多个透微波壁的圆柱形反应室(2013)外部的圆筒(2012)上布置的多个固定磁控管(2011)。在反应系统2000中，圆筒由不透微波的材料(诸如金属)制成，以促使反应室2013中的微波往复反射穿过原料，因此更有效地用于使原料转化成液体可再生燃料和固体可再生燃料生物炭。磁控管的操作可以是连续的，或可以例如以多路复用模式脉冲。在一些实施例(图20B)中，支撐磁控管2011的圆筒2013可以围绕反应室2012的纵轴(2050)旋转(2030)和/或反应室2012可以围绕其纵轴2050旋转(2020)。

原料运输机构可以安置于反应室内。举例来说，如图20C中所说明，原料运输机构可以包含一个或多个导流片(2061)，其被配置成当反应室旋转时移动原料穿过反应室(2060)。导流片361可以安装至反应室2060的壁和/或可以按其它方式安设于反应室内以提供原料在反应室2060内和穿过反应室2060，例如纵向穿过反应室的移动。

在一些实施例中，如图21中所说明，可以使用一个或多个二级热源(2150)，诸如火焰、蒸汽和/或电阻加热或再循环热量，外加磁控管(2116)，其为固定的，或支撑于围绕封闭于微波反射法拉第笼(2121)中的反应室(2120)的圆周旋转的机构(2117)上。在一些配置中，磁控管2116可以不围绕反应室2120整转，但可以沿着遵循反应室2120的圆周的圆弧往复旋转(2119)。各种配置都是可能的，只要使原料在整块原料粒子上暴露于基本上均匀的热量以形成具有如上文针对本发明的经过加工的生物炭所描述的孔隙密度、分布以及大小和分布变化的经过加工的生物炭即可。

如图22中所说明，一个或多个磁控管相对于反应室的移动还可以包括使磁控管沿着反应室的纵轴移动的运动。说明了支撑磁控管(2230)的反应室(2210)和笼(2220)。笼2220和磁控管1330可以沿着反应室2210的纵轴(2250)并且在封闭反应室2210的金属微波反射法拉第笼(2215)上往复移动(2240)。在一些实施方案中，除了笼2220和磁控管2230沿着纵轴2250的运动(2240)之外和/或与所述运动同时，笼22320和磁控管2230可以围绕纵轴2250旋转(2260)。

掺合子系统

掺合子系统用于确定煤粒子大小、使煤粒子与经过加工的生物质混合、粉碎掺合物以及将掺合物压实为例如适用于发电厂的高能量经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体。掺合子系统首先包含一个或多个确定大小的腔室，以分别或共同将煤与经过加工的生物质的大小确定为用于后续掺合的大小适合的粒子。因为煤和生物质粉末具有潜在爆炸性，对其进行处理的腔室可以具有缺氧型氛围。视需要在缺氧型氛围中将任何煤块减小成碎屑大小，以防止任何爆炸危险。相似大小的煤粒子和经过加工的生物质较易于混合成基本上均匀的后续聚集体。在一些实施例中，利用损失煤来平衡煤清洁度的适合大小近似为粒子能够穿过具有0.097英寸(2.380mm)方孔的8目径的大小。一些实施例具有能够穿过较精细筛网的粒子，诸如在一侧上具有0.0469英寸(1.190mm)方孔的16目筛网。类似地，视需要在掺合系统中使用缺氧型氛围，以防止因高浓度经过加工的生物质和煤尘或碎屑导致的爆炸。随后，大小确定的煤粒子与经过加工的生物质在掺合室中组合，所述掺合室被配置成使大小恰当的高能量煤粒子与经过加工的生物质组合成预定比率的高能量煤与经过加工的生物质的掺合粉末。随后将掺合物传送至压实室，所述压实室被配置成将掺合的粉末压缩成高能量掺合的紧密聚集体。最后，在收集室中收集高能量经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体。在一些实施例中，经过加工的生物质与煤在装置中混合，并且同时确定大小，并且掺合，例如掺合和粉碎单元中的高速涡流，随后视需要与高能量生物质粘合剂再混合。

在一些实施例中，粒化子系统进一步包含加热室，其被配置成向经过加工的含有机碳原料施加足够热量以使其水含量减少至小于10重量％并且形成经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体。在一些实施例中，压缩室和加热室是同一腔室。

在一些实施例中，选矿子系统的蒸汽爆炸区段进一步包含洗涤元件，其被配置成从蒸汽爆炸区段去除并净化未加工的含有机碳原料的微粒子、木质素碎片和半纤维素碎片，使其成为具有高木质素含量的精细、粘性生物质块，即高能量经过加工的生物质粘合剂。在这个实施例中，掺合子区段的掺合室被进一步配置成接收高能量粘合剂以在形成掺合的紧密聚集体期间在在压实室形成中允许较低温度或较低额外高能量经过加工的生物质粘合剂含量(如果有的话)中的至少一种。在另一实施例中，可以用另一种粘合剂，诸如玉米淀粉代替来自蒸汽爆炸区段的高木质素微粒子或与其组合添加至压缩室中，以降低产生可用颗粒所需的温度。

图23是利用添加微粒子和任选的木质素浆料从未加工的含有机碳原料制造经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体的系统的图解。在这个实施例中，确定未加工的含有机碳原料、未处理的生物质输入物的大小(2310)，随后使其穿过选矿反应室，在反应室中纤维遭到破坏(2320)，溶解盐且随后洗涤原料(2330)。在这一步骤期间，去除含有微粒子和木质素的流出物(2340)，洗涤并在再混合步骤中将其引入至经过加工的含有机碳原料中(2360)，在此之前其已经历脱水和去溶剂化步骤(2350)。类似地确定煤以及煤尘或碎屑(2352)的大小(2354)，在掺合和粉碎单元中将其与经过加工的生物质掺合(2356)，并且视需要与高能量生物质粘合剂进行再混合(2360)。随后将混合物压实成聚集体或煤球(2370)并收集(2380)。使用经过洗涤的高能量生物质的流出物流也可能用来降低形成掺合的聚集体的热量需求，不过热量仍可能有利于去除额外水。

本发明还包含一种用于制造经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体的工艺，所述经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体包含至少10wt％的能量密度为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的经过加工的生物质，所述工艺包含三个步骤。第一步骤是向包含第一、第二和第三子系统的系统中输入包含煤和可再生的、未加工的含有机碳原料的组分，所述含有机碳原料包括自由水、胞间水、胞内水、胞内水溶性盐以及至少一些植物细胞，所述植物细胞包含包括木质素、半纤维素和纤丝内微纤丝的细胞壁。第二步骤是使未加工的含有机碳原料通过选矿子系统工艺，以得到水含量小于20wt％并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量以干物质计减少至少60wt％的经过加工的生物质。第三步骤是使经过加工的生物质通过掺合子系统工艺，以与煤结合而得到经过加工的生物质/煤掺合的紧密聚集体，其包含至少10wt％的能量密度为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的煤和至少10wt％的包含经过加工的含有机碳原料的经过加工的生物质，所述经过加工的含有机碳原料所具有的特征包括能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)并且相对于作为经过加工的含有机碳原料来源的未加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量，经过加工的含有机碳原料中的水溶性胞内盐含量以干物质计减少超过60wt％。一些实施例通过使用加热子系统工艺来制造经过加工的生物质，即能量密度为至少21MMBTU/吨(24GJ/MT)的经过加工的生物炭，来加强工艺。

工艺包括选矿工艺的两个方面，所述选矿工艺用于使用上文所论述的选矿子系统来制造经过加工的含碳原料，以及加热子系统的四个方面；缺氧型热工艺的三个方面，其用于将经过加工的含碳原料转化成经过加工的生物炭；以及微波工艺的一个方面，其用于将经过加工的含碳原料转化成经过加工的生物炭。

选矿子系统工艺

选矿工艺步骤包含以下步骤：使未加工的含有机碳原料通过选矿子系统工艺以得到经过加工的含有机碳原料，其水含量小于20wt％，并且相对于作为经过加工的含有机碳原料来源的未加工的含有机碳原料的盐含量，经过加工的含有机碳原料的盐含量以干物质计减少至少60wt％。存在选矿子系统工艺的两个方面。第一方面关注经过加工的含有机碳原料的特性，并且第二方面关注本发明的工艺优于当前已知的用于将未加工的含有机碳原料转化成适合用于下游燃料生产系统的经过加工的含有机碳原料的工艺的能量效率。两者都使用上文所公开的选矿子系统。

第一方面

本发明的选矿工艺步骤的第一方面包含四个步骤。第一步骤是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、以及纤丝内微纤丝的细胞壁。一些实施例具有包含以干物质计含量为至少4000mg/kg的水溶性盐的未加工的含有机碳原料。

第二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至少一些区域更加能够被水溶性盐穿透而不会溶解超过25％的木质素和半纤维素。如上文所提及，这是通过以下一者或多者来实现：解开至少一些纤丝的区域，使木质素和/或半纤维素的至少一些股解聚，或使其从纤维素纤丝脱离，从而破坏其纤丝的交织。另外，纤维素纤丝和微纤丝可以部分解聚和/或解晶。

第三步骤是快速去除高压以使胞内逸出气体穿透更加可穿透的区域以形成在至少一些植物细胞壁中具有开放孔隙的多孔原料。在一些实施例中，在小于500毫秒(ms)、小于300ms、小于200ms、小于100ms或小于50ms内去除压力达到约大气压。

第四步骤是在包括可调节的压实压力对时间概况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，所述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，并且形成经过加工的含有机碳原料，其水含量小于20wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的水溶性盐含量，其水溶性盐含量以干物质计减少至少60wt％。在一些实施例中，在后续空气干燥以去除剩余的表面水之后测量水含量。在一些实施例中，压力板基于其形成如上文所论述的毡和木髓含量的偏好具有适于特定含有机碳原料的图案。在一些实施例中，选择压力量和压力板配置以达到特定未加工的含有机碳原料的针对性经过加工的含有机碳原料的目标。在一些实施例中，在增加压力的步骤中施加压力，其中各种长度的时间增量取决于生物质输入以允许以更加能量有效的方式使纤维松弛并且使更多水溶性盐被压出。在一些实施例中，将清洁水作为清洗剂再引入生物质中并且在第四步骤开始前溶解水溶性板条。

工艺可以进一步包含第五步骤，即针对每种含有机碳原料使用一组特定的条件预洗涤进入反应室之前的未加工的含有机碳原料，所述条件包括持续时间、温度概况以及至少引发污染物的溶解的预处理溶液的化学含量，所述污染物阻碍用于胞内水和胞内水溶性盐从植物细胞内部向外通过的细胞壁通道的形成。

工艺可以进一步包含第六步骤，即粉碎。将未加工的含有机碳原料在进入反应室之前粉碎成最长尺寸小于1英寸(2.5厘米)的粒子。

工艺可以进一步包含第七步骤，即分离出污染物。这一步骤涉及使用极性小于水的溶剂从多孔原料至少分离出油、蜡以及挥发性有机化合物。

与系统方面一样，未加工的含有机碳原料可以包含来自由草本植物材料、软木本植物材料以及硬木本植物材料组成的群组的至少两者，其在串联反应室中或在独立的平行反应室中加工。另外，在一些实施例中，经过加工的含有机碳原料中每种植物材料的能量密度可以大体上相同。在一些实施例中，含有机碳原料包含选自由以下组成的群组的至少两者：草本植物材料、软木本植物材料以及硬木本植物材料，且其中经过加工的含有机碳原料中每种植物材料的能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)。

图24是用于制造经过加工的含有机碳原料的工艺的方块图，所述经过加工的含有机碳原料的水溶性盐以干物质计比其未加工的形式的水溶性盐少60％，并且具有小于20wt％的水。步骤2410涉及将具有至少一些植物细胞的未加工的含有机碳原料输入至反应室中，所述植物细胞包括胞内水溶性盐和包含木质素的细胞壁。步骤2420涉及使原料在压力下暴露于热溶剂持续一定时间以使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穿透而不会溶解超过25％的木质素和半纤维素。步骤2430涉及去除压力以穿透至少一些细胞壁从而形成在其植物细胞壁中具有开放孔隙的多孔原料。步骤2440涉及使用被配置成防止毡阻断胞内水和胞内水溶性盐从反应室中逸出的板来压制多孔原料，以形成经过加工的含有机碳原料，其水含量小于20wt％，并且相对于作为经过加工的含有机碳原料来源的未加工的含有机碳原料的水溶性盐含量，经过加工的含有机碳原料的水溶性盐含量以干物质计减少了至少60wt％。

第二方面

除了步骤具有效率特征并且所得经过加工的含有机碳原料具有成本特征以外，第二方面类似于第一方面。第二方面也包含四个步骤。第一步骤是向反应室中输入包含自由水、胞间水、胞内水、胞内水-盐以及至少一些植物细胞的含有机碳原料，所述植物细胞包含木质素、半纤维素、以及纤丝束内的纤丝。每个步骤强调了针对能量和材料守恒的更特定条件。第二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，以膨胀并解开包含部分结晶纤维素纤丝束、木质素、半纤维素以及水溶性盐的细胞室而不会溶解超过25％的木质素并且使纤维素束中的至少一些解晶。第三步骤是去除压力以形成在其纤维素室中具有开放孔隙的多孔原料。在可能与淡水混合来清洗材料并溶解水溶性盐之后，第四步骤是在可调节的压实压力对时间概况和压实持续时间下在压力板之间压制多孔原料，所述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，并且形成经过加工的含有机碳原料，其水含量小于20wt％，其水溶性盐含量以干物质计减少了至少60wt％，并且其去除水和水溶性盐的单位重量成本减少至小于使用已知机械、已知物理化学或已知热工艺进行的类似水去除的单位重量成本的60％。

图25是用于制造经过加工的含有机碳原料的工艺的方块图，所述经过加工的含有机碳原料具有比未加工的含有机碳原料的水溶性盐以干物质计少50wt％的水溶性盐以及小于20wt％的水，并且其可以去除类似水量和水溶性盐量的单位重量成本为小于使用已知机械、已知物理化学或已知热工艺进行的类似水去除的单位重量成本的60％。步骤2510涉及将至少具有植物细胞的未加工的含有机碳原料输入至反应室中，所述植物细胞包含胞内水溶性盐和包括木质素的植物细胞壁。步骤2520涉及使原料在压力下暴露于热溶剂持续一定时间以使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穿透而不会溶解超过25％的木质素和半纤维素。步骤2530涉及去除压力以穿透至少一些细胞壁从而形成在其植物细胞壁中具有开放孔隙的多孔原料。步骤2540涉及使用被配置成防止毡阻断胞内水和胞内水溶性盐从反应室中逸出的板来压制多孔原料，以形成经过加工的含有机碳原料，其水含量小于20wt％，以干物质计其水溶性盐含量比未加工的含有机碳原料的水溶性盐含量减少了至少60wt％，并且其去除水和水溶性盐的单位重量成本减少至小于使用已知机械、物理化学或热工艺进行的类似水去除的单位重量成本的60％。

能量效率部分通过如上文所论述针对特定含有机碳原料调整工艺条件而达成。一些实施例使用经过工程设计的系统以再采集和再使用热量以进一步降低每吨经过加工的含有机碳原料的成本。一些实施例去除使用空气干燥加工含有机碳原料留下的表面或自由水，空气干燥是花费时间但没有额外能量成本的工艺。图26是示出用于三种类型的含有机碳原料的一些工艺变化以及所达到的所得水含量和水溶性盐含量的表格。应理解，工艺条件和加工步骤的变化可以用于升高或降低水含量和水溶性盐含量所达到的值以及用以达成目标产品价值的能量成本。一些实施例已经达到低至小于5wt％的水含量和以干物质计从其未加工的原料形式减少多达超过95wt％的水溶性盐含量。

缺氧型热子系统工艺

缺氧型热子系统工艺步骤包含使经过加工的含有机碳原料穿过缺氧型子系统工艺以得到固体燃料组合物，其能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，其水含量小于10wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料中的水溶性盐，经过加工的含有机碳原料中的水溶性盐以干物质计减少至少60wt％。

在最广泛的观点中，所述工艺包含三个步骤。第一步骤是向包含第一和第二子系统的系统中输入包括自由水、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，所述植物细胞包含包括木质素、半纤维素和纤丝内微纤丝的细胞壁。第二步骤是使未加工的含有机碳原料穿过第一子系统，即选矿子系统工艺，以得到经过加工的含有机碳原料，其水含量小于20wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的盐含量，经过加工的含有机碳原料的盐含量以干物质计减少至少60wt％。第三步骤是使经过加工的含有机碳原料穿过第二子系统，即缺氧型热子系统工艺，以得到固体燃料组合物，其能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，其水含量小于10wt％，并且相对于未加工的含有机碳原料的水溶性盐，经过加工的含有机碳原料的水溶性盐以干物质计减少至少60wt％。

使用水平缺氧型热子系统的工艺涉及四个步骤。第一步骤是将经过加工的含有机碳原料输入到大部分包含于热箱内的基本上水平的升华反应室中。反应室被配置成能够(1)从环境温度加热至操作升华温度，(2)在升华温度下操作，和(3)从操作升华温度冷却至环境温度。这在不将任何热产品气体燃料从反应室泄漏至热箱或大气中，或者不将任何氧气从热箱外部泄漏至热箱中的情况下进行。第二步骤是在经过加工的含有机碳原料能够形成液相之前，将其加热至升华温度。第三步骤是使温度维持在升华温度，持续与将经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物气和经过加工的生物炭所需要的时间同样长的滞留时间。第四步骤是从经过加工的生物炭中分离经过加工的生物气。

这些步骤描绘于图27中，即根据本发明的实施例用于从经过加工的含有机碳原料产生经过加工的生物炭的工艺的流程图。在2710中，将经过加工的含有机碳原料输入到包含在热箱内的水平升华反应室中而不会将任何热产品气体燃料从反应室泄漏至热箱或大气中，或者不会将任何氧气从热箱外部泄漏至热箱中。随后在步骤2720中，在经过加工的含有机碳原料能够形成液相之前，将其加热至升华温度。在步骤2730中，使温度维持在升华温度，持续与将经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物气燃料和经过加工的生物炭燃料所需要的时间同样长的滞留时间。最后在步骤2740中，产品气体燃料和经过加工的生物炭燃料彼此分离。

在一些实施例中，取决于其大小，工艺可使用水平升华子系统，其中基本上水平的升华反应室由竖直支撑物支撑。其位于基本上水平的反应室底下。其也被配置成在温度从环境温度变化至约850℃期间沿竖直方向在尺寸上稳定，所述温度可在基本上水平的反应室的启动、操作和关闭操作期间出现。

使用竖直缺氧型热子系统的工艺涉及四个步骤。这描绘于图28中。在2810中，第一步骤是将经过加工的含有机碳原料输入至基本上竖直的升华反应室中。在2820中，第二步骤是在经过加工的含有机碳原料能够形成液相之前，将其加热至升华温度。在2830中，第三步骤是使温度维持在升华温度，持续与将经过加工的含有机碳原料转化成经过加工的生物气和经过加工的生物炭所需要的时间同样长的滞留时间。在2840中，第四步骤是从经过加工的生物炭中分离经过加工的生物气。

微波子系统工艺

微波子系统工艺步骤包含使经过加工的含有机碳原料穿过微波子系统工艺以得到固体可再生燃料组合物，其能量密度为至少17MMBTU/吨(20GJ/MT)，其水含量小于10wt％，相对于未加工的含有机碳原料的水溶性盐，经过加工的含有机碳原料的水溶性盐以干物质计减少至少60wt％，并且其孔隙的孔隙大小变化小于10％。

图29是用于使经过加工的含有机碳原料穿过微波子系统以形成本发明的固体可再生燃料的经过加工的生物炭的工艺的一个实施例的方块图。将经过加工的含有机碳原料输入(2910)至反应室中，所述反应室具有用于加热和/或照射原料的基本上透微波的壁。加热和/或辐射通过引导(2920)微波能量穿过反应室的壁以冲击安置于反应室内的原料而进行。任选地在催化剂存在下，通过微波加热/照射(2930)原料，直至进行含有机碳分子的反应以产生理想的最终燃料产品。收集(2940)通过反应工艺形成的燃料产品。

掺合子系统工艺

掺合子系统工艺步骤包含三个步骤。当处理煤尘、碎屑或粉末时，可以使用缺氧型氛围以使爆炸的发生率降至最低。

第一步骤是确定大小步骤以使煤粒子和经过加工的生物质的大小减小至允许简易后续混合的大小。存在的任何煤块都缩小至煤尘或煤碎屑大小以用于将其轻松运输至掺合工艺中。在一些实施例中，混合经过加工的生物质和煤，并且同时确定其大小，并且在掺合和粉碎单元中在高速涡流中进行掺合。在一些实施例中，适合大小是粒子近似能够穿过具有0.097英寸(2.380mm)方孔的8目径的大小。一些实施例具有能够穿过较精细筛网的粒子，诸如在一侧上具有0.0469英寸(1.190mm)方孔的16目筛网。在一些研究使用磁场的情况下，针对大小为穿过16目网筛的煤，从煤中去除一半杂质，其中去除煤中小于5wt％的碳。

第二步骤是组合步骤，其使煤与经过加工的生物质两者组合成预定比率的煤与经过加工的生物质的掺合粉末。在一些实施例中，添加高能量生物质粘合剂。高能量生物质粘合剂形成于上文所论述的选矿子系统工艺中，其中从蒸汽爆炸区段中去除并清洁未加工的含有机碳原料的微粒子、木质素碎片以及半纤维素碎片。随后将高能量生物质粘合剂、具有高木质素含量的精细、粘性生物质块添加至掺合的粉末中，以在形成掺合的紧密聚集体期间允许压缩步骤中的低温或更高粘聚性中的至少一种。

第三步骤是将掺合的粉末压缩成安全运输的多种掺合的紧密聚集体。在一些实施例中，在加热下进行压缩以至少辅助聚集体的形成或使水含量减小至小于10重量％。在一些实施例中，同时进行压缩和加热步骤。

在不脱离本发明的范围的情况下可以对上文所论述的优选实施例作出各种修改和添加。因此，本发明的范围不应受上文所描述的特定实施例的限制，而应仅由下文所阐述的权利要求书和其等效物界定。