CN102741383A - 来自压实生物质的颗粒及团块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种颗粒、团块及其它压实体，其包含多种成分，并且具有经修饰成可满足一既定应用的特殊要求的组成。一般情况下，至少一成分为一生物质成分。此压实体可被使用在许多的应用上，包含发电、动物用垫料以及废弃物吸收剂。一具体实施例包含使用压实体或压实块作为在共烧式电厂中的煤或其它化石燃料的燃料辅助物或燃料替代物。其它特定的应用，包含用以作为禽类、马以及免子等不同动物的垫料。另一种应用包含颗粒化的吸收剂，例如用以吸收液体及/或固体废弃物的猫砂。

Description

来自压实生物质的颗粒及团块

相关申请的参考

本申请主张2009年5月26日申请之美国临时专利申请案第61/181,101号以及2009年9月24日申请之美国临时专利申请案第61/245,506号之权利，上述美国临时专利申请案的整体揭示内容以引用的方式并入本文中。

【背景技术】

随着人口的大幅成长以及对于有限的可用资源的需求提高，使更大规模使用废弃物的需求令人关注，特别是来自于可再生能源的废弃物，例如农作物以及其它植物性或动物性物质。虽然使用来自可再生能源产物的资源回收计划和运动已经得到多数人的支持，但仍面临许多的挑战。这些挑战在世界经济的能源领域中特别地严峻。其包含找寻在制造上便宜、容易运送、便于贮存，并且，当然的对环境无害的组成物。

【发明内容】

本发明提供一种压实(compacted)体，通常为包含有大量生物质(biomass)原料的团块(briquettes)及/或颗粒(pellets)。这些产物，即在本发明中所详细说明成分及制造方法的压实体，可得到许多的应用，主要是应用在共烧式电厂(co-firing power plants)、动物用垫料(animal bedding)、吸收剂产品、景观美化以及家庭暖气上。

本发明的某些态样涉及一种压实体，其特征在于包含：(a)含有一生物质材料的多个第一颗粒，以及(b)含有不同材料(其可选择性的为生物质)的多个第二颗粒。此含有多个第一颗粒以及多个第二颗粒的压实体对碎裂作用(fragmentation)具有抗性，其通常包含一作为结合剂(binder)的材料。在不同的实施例中，压实体是可燃的。不过，多个第二颗粒不需要为可燃。当然，压实体可包含额外的成分，例如多个第三颗粒，其具有不同于多个第一颗粒和多个第二颗粒的成分。

压实体可具有为特定应用而设计的性质，这些应用例如燃烧、吸收以及具有引人注目的外观等。在某些情况下，压实体具有以重量计约9%或以下的总含水量。在燃烧应用上，压实体在燃烧时可具有至少约7000 BTU(热值)/LB(磅)的能量密度(energy density)。此外，压实体在燃烧过程中可产生大约4%或以下的灰分。在某些实施例中，多个第二颗粒为煤粒。

无论某些原料是否可以取得，吾人期望压实体始终保持一定的性质(例如特定程度的能量含量、成本以及吸收性)。为此目的，可利用许多不同类型的原料以生产本发明所述的压实体。在此揭露了许多合适的生物质成分，其中大部分为大豆原料、鼠尾草、木制品、玉米原料以及向日葵原料等。此外，可使用各种纸张和纸板，包含涂蜡纸板。可与压实体的第一和第二成分一同使用的其它材料，包含淀粉、塑料、鱼油、苏打、石灰、石蜡、植物油、咖啡渣和动物脂肪。在一具体实施例中，压实体基本上只含有纸板、农业原料以及除臭成分。

压实体可以具有许多适用于特定应用的不同形式。在许多情况下，压实体为颗粒或团块。当然，大小和形状可能为适合于最终用途而有所不同。在某些情况下，压实体具有大约0.25至4英寸的平均尺寸。

压实体通常连同许多其它相似的压实体(例如，相似组成及/或性质的颗粒或团块)，一并的被提供于适合特定应用的容器中。举例而言，在燃煤电厂中，可以压实体集(collection)存在于容器中的方式提供压实体。

本发明的另一态样涉及一种如上所述的压实体的制备方法，例如，包括含有生物质的多个第一颗粒以及含有不同材料的多个第二颗粒的压实体。上述方法的特征在于下列操作条件：(a)加工一生物质原料，以将未加工原料转化为含有多个第一颗粒的形式；以及(b)同时地压实(compacting)多个第一颗粒以及多个第二颗粒，以制造压实体。在某些情况下，压实作业是在压块机(briquette press)中发生，在此情况下，压实体为团块。在某些其它情况下，压实作业是在颗粒碾磨机(pellet mill)中完成，在此情况下，压实体为颗粒。通常地，压实作业伴随着结合剂来完成，其有助于保护用以制造压实体的设备的寿命。在具体实施例中，结合剂为藻类或蜡。

本发明的这些及其它特征与功效，兹配合图式作详细说明如下。

【附图说明】

图1为为根据本发明的具体实施例的压实体的制备流程示意图。

【具体实施方式】

引言

本发明涉及一種颗粒、团块及其它压实体，其包含多种成分，并且具有经修饰成可满足一既定应用的特殊要求的组成。通常地，至少一成分为一生物质成分。本发明的压实体可依据其组成及成本而被使用于各种应用上。以下的讨论将集中于发电应用上。在一特别的实施例中，包含在共烧式(co-firing)电厂中使用压实体或压实块作为用于煤或其它化石燃料的燃料辅助物或燃料替代物。其它特定的应用，包含用于禽类、马以及免子等不同动物的美化颗粒和垫料(bedding)。另一应用包含颗粒化吸收剂(absorbent)，例如用以吸收液体及/或固体废弃物的猫砂。

以下的非限制性定义是用以辅助理解本文所述的发明。

压实体或压实块–一种物理上稳定结合的颗粒，其在预期应用的加工过程中不易分开。换句话说，当通过传统的进料、搬运以及输送设备进行处理时，压实体可抗拒碎裂或剥落。压实体通常通过如颗粒碾磨机或压块机在压力下(例如压缩或压实)形成。在某些实施例中，压实体或压实块将会是一种异质组成物，例如，其将包含不同成分的颗粒。

原料–用来制造压实体或压实块的原始材料(raw material)。原料通常是粒状材料或粉状材料，然而它也可能是，例如为胶质、浆料或液体。

颗粒–用以形成压实体的小型分散物质。颗粒通常为，虽然非必需为，均质的来源。总的来说，这些颗粒可能是粉状或粒状产品。单个颗粒可能有许多不同的形状，并且可能是，例如为纤维。

生物质–直接自有机物衍生的物质，通常为植物材料或动物废弃物。一般而言，生物质被用作此处所述的压实体或压实块的一或多个成分。

压实体组成物

在电厂的共烧应用上，在一具体实施例中，压实体应满足至少三条件。这些条件包含(1)每单位体积或质量的高能量含量(有时称为BTU值)、(2)低灰分(ash)生产以及(3)低含硫量。此外，这些压实体可能需要满足第四条件：(4)低净碳(net carbon)生成。相较于煤或其它的电厂化石燃料的代替物，低碳、低灰分以及低硫皆需考虑。在本发明中所使用的大多数生物质原料，会自动的满足第四个条件。在多数情况下，这些生物质原料也会满足第二种以及第三种条件，尽管不同的成分物质会产生不同程度的灰分以及硫氧化物。灰分为燃料的非可燃性固态成分。还需注意的是，原物料成本是一个重要的考虑因素。

高BTU密度原料包含可燃的植被以及废弃物(例如都市固体废弃物)产品。举例来说，废弃物产品包含纸张和纸板废弃物(例如杂志)，以及塑料废弃物和厨余(例如咖啡渣)。植被原料包含刻意栽种来作为燃料的农作物以及其它将不被收割的植被(例如沿着路边以及监狱周围地面的植被)。举例来说，植被原料包含柳枝稷(switchgrass)、芒草、豆类植物(bean stumble)、大豆原料(秸秆(stalks)和外皮(hulls))、玉米主干(stocks)和穗轴、玉米、向日葵(包括整株植物以及局部位置，包含头状花序、主干及/或种子)、其它植物种子、外皮和秸秆、鼠尾草、木材(例如，呈木片的形状)、树木废弃物(如松针和松树梢)、干草、禾秆(straw)(如小麦秆和亚麻花秆)、甘蔗、甜菜、高粱、苏丹草(包括杂交品种，如苏丹草-高粱杂交品种)、金丝雀草、冷季型草(cool season grasses)、干燥酒粕(Dried Distillers Grain，DDG)(乙醇生产的副产物)、海草、藻类以及咖啡渣。其它植被来源包含暖季型草(warm season grasses)、叶以及森林废弃物。可以预期的是，在此所定义的任一原料可以单独使用，或者与在此所定义的任一或多种其它的原料物质结合使用。在一具体实施例中，本发明的压实体含有第一生物质原料颗粒，其可以是在此所列出的任一原料物质，并且结合第二生物质原料颗粒，其可以是在此所列出的任一其它原料物质。

芒草具有非常高的BTU含量，并且可以不孕生长，因此不会产生无意间在附近其它地区繁殖的种子。芒草的种植成本在每英亩1000美元的范围内。然而，其不需要每年重新种植，其具有每年将增加新草的健全根系。在丹麦，使用一个78 MW(兆瓦)循环式流体化床燃烧器(50%与煤共烧)和一个160 MW的粉状燃料燃烧器(20%共烧)，芒草已成为商业规模的燃料。参见J. M. O. Scurlock, Miscanthus：评论利用新能源作物的欧洲经验，环境科学部门出版物，编号4845，ORNL/TM-13732，1999年出版。欧洲的种植者自1980年代起已使用中国芒(M. sinensis)和荻(M. sacchariflorus)杂交不孕的品种作为燃料作物。

大豆原料具有特别高的能量密度(energy density)，并且在本发明中使用于某些重要的生物质燃料中。大豆原料一般保留于田地上，并且必须在收割期间被切碎，以便于下一季的种植。可使用适当的耙子回收这些材料，以用于本发明中。

在某些实施例中，以鼠尾草作为原料。其具有很高的能量密度，但要注意的是，必须预防在装运过程中可能会造成鼠尾草油分离和沉降的沉降作用(settling)或分离作用(separation)。

木材，特别是呈木片的形状，为另一高BTU原料，其可以使用在本发明的某些实施例中。然而，第一次收成的木材一般含有将近49%的水分。为了作为共烧应用的适当原料，应移除部分的水分。在某些实施例中，木材原料的含水量被减少至大约为以重量计15%或者更少，并且在某些实施例中，大约为以重量计12%或更少。含有49%湿度的木片，每磅只具有约4500 BTU，然而干木片每磅具有约7500 BTU。本领域所熟知的各种技术可达到含水量所须的减少量。

然而，木材中的含水量往往代表显著的经济劣势。因此，在某些实施例中，压实体不含有木材。一般情况下，木材是以颗粒形式使用于家庭加热应用上。本发明的诸态样使用具有极少或不含木材的颗粒或其它压实体，即使在用于加热/燃烧应用上亦然。又有其它实施例只使用少量的木材(例如，以重量计5%或更少，或甚至于以重量计约1%或更少)，用以赋予压实体宜人的香气。

在某些情况下，不可燃的添加物包含在其它可燃性组成中。举例而言，可将通常在燃煤电厂中所需的不可燃材料包含于压实体中，这些添加物中有部分有助于减少电厂中的排放物或废弃物。其中一个例子为石灰，可用以控制燃煤电厂中的炉渣。也可以加入控制生物质原料及/或煤的燃烧速率或其它燃烧特性的其它材料，例如包括碳酸盐和碳酸氢盐(例如，碳酸氢钠或小苏打)。还有其它不可燃材料用以结合压实体的成分或颗粒，这种材料的其中一个例子为含有硼-氧的材料，例如硼砂。

在某些实施例中，可将可燃的化石燃料成分添加在用于电厂应用的压实体上。这些成分的例子包括煤炭、焦炭、无烟煤、褐煤或木炭及上述成分的混合物。煤粉为用以与生物质原料混合的特别有用的原料。混合煤粉和生物质成分容许吾人得以将单一预混合产品而非两分开进料流供应至电厂。在一具体的例子中，压实体含有以重量计约85%的煤粉以及以重量计约15%的生物质(例如，干木材、大豆残株及/或草类)。

在某些实施例中，其它添加物包含改善压实体的机械或加工性质的材料。这些材料的一个例子包括淀粉，其促进各别原料颗粒或粉粒体的黏着性结合力，以形成压实体。例如以蒸气形式供应至颗粒碾磨机(或其它颗粒制造设备)的水分，也可作为结合剂。许多生物质原料含有木质素或者在生物质接受热处理时作为天然结合剂的相关材料，可如同在颗粒碾磨机或压块机中的情形一般。结合剂的其它例子包括硼砂、沥青、蜡(包括石蜡、蜜蜡及/或棕榈蜡)以及藻类。

就电厂而言，在使用生物质燃料辅助物时所面临的挑战为提供足够量的辅助物，用以对化石燃料的减少产生有意义的贡献。在可用的农作物基底的生物质压实体上的季节性以及其它的波动，可能导致用以运转电厂所需的燃料临时短缺。为此目的，本案发明人意识到，在电厂的应用上，某些压实体最好包含非农作物基底的燃料成分。

除化石燃料外的非农作物基底的燃料辅助物，赋予颗粒一种以上的期望性质，其例子包括用以制造如可口可乐®的饮料的糖浆。当这些糖浆超过其有效保存期限时，必须丢弃，如此可能所费不眦。垃圾掩埋场往往是唯一的选择。糖浆，例如可乐糖浆，提供适当的能量含量，并且增进压实体的结合力。具有相似有效结合性质的废弃物的其它例子，包括用以增进能量含量的淀粉、塑料、鱼油、苏打、石灰、石蜡、植物油、咖啡渣以及动物脂肪。除苏打及石灰之外，这些材料皆具有良好的能量含量。都市废弃物可能是本发明压实体的最大宗生物质来源，这些都市废弃物可包括高及/或低密度聚合物、纸张等。如前所述，可将包含纸板的纸制品使用于共烧应用的压实体中。在不同的实施例中，可将如蜡纸或涂蜡纸板等加工形式的纸制品使用于压实体中。在特定实施例中，涂蜡纸板的含量约为压实体的1%至10%(以重量计)，其可应用于燃烧用途或其它用途上。

如上所述，本发明所揭露的压实体可包括一种或多种「结合剂」，其功用为将压实体维持(或帮助维护)于其压实或致密的形式中。在某些情况下，此象征着这个结合剂或这些结合剂可预防(或帮助预防)压实体分离成较小碎片或其成分颗粒。当面临如同一般在运输(如通过火车、卡车、飞机等)、燃烧前的加工或输送、装载入贮存设施等过程中所遭遇的机械搅拌或推挤时，某些压实体将可抵抗这种分离作用。当曝露于如同燃烧前在敞开的容器中所遭遇的户外环境时(其可能包含雨水、风、降冰以及极端的温度和湿度)时，某些压实体将可抵抗这种分离作用。在不同的实施例中，压实体中所存在的结合剂浓度高达约10%(以重量计)，或者是高达约5%(以重量计)，又或者是高达约2%(以重量计)。在一具体实施例中，结合剂的含量范围大约为0.1%至1%(以重量计)。

在某些实施例中，结合作用(binding)是通过在压块机或颗粒碾磨机等中进行压实之前或期间的水分含量所提供。在此可使用蒸气作为说明。对于某些应用，特别是共烧或其它燃烧实施例，为了不过度地妥协于压实体的能源含量，水分含量将相对较小。在某些这类型的应用中，压实体将如同结合剂含有不超过约5%(以重量计)的水分，甚至不超过约2%(以重量计)。

在不同的实施例中，结合剂是由胶黏性或者于压实体的形成过程中变得胶黏的高能量密度的材料所提供。需注意的是，形成程序通常包含提高温度及/或压力(实质上超过标准温度和压力(standard temperature and pressure，STP))。在此状态下，某些植物或其它材料改变了化学及/或物理形态，而变得胶黏的或甚至于具有黏弹性，从而将压实体的各个成分结合在一起。一个具体的例子为木材，其含有木质素，并且在加工温度和压力下变得十足的胶黏，用以作为有效的结合剂。

藻类和蓝绿藻(在此统称为「藻类」)为目前已发现可作为有效结合剂的另一种生物质材料。在燃烧应用上，藻类通常包含适当的高能量密度以及低含硫量，当其作为存在于本发明的压实体中的结合剂时，其价格低廉、容易获得并且迅速的加工为具有低水分含量的形态以及抗吸水性。使用于本发明合适的藻类例子，包括绿藻类、褐藻类与红藻类，以及蓝绿藻类(cyanobacteria)。同样地可以使用各种形式的细菌，如紫色和绿色硫细菌。依据某些实施例，藻类是从水性生长介质(例如温室或户外的水体)获得，并且选择性的运送，以进一步加工为浆料、干燥及/或压紧的固体或者是螺旋运送机搅拌的胶黏材料。在与其它成分燃烧以形成本发明压实体之前，藻类可选择性地进行过滤、压制、离心或空气干燥等。这些加工方式可移除藻类的水分及/或改变性质，以便于运输、加工成压实体及/或改进黏结性。获得方式可包含网捞、以棒子搅拌或其它捕获装置以及干燥等。

藻类结合剂可与其它成分结合，并可依据本文其它内容所描述的一种或多种不同的方法加工，以制造成压实体。在某些实施例中，作为最终压实体的结合剂的藻类将含有一定量的水分(例如，以重量计约超过10%)。不论藻类中的含水量多寡，其在最终的压实体中可能存在有例如以重量计约0至10%，或者在某些实施例中由于它的高能量密度而甚至更高。在某些具体实施例中，藻类的浓度以重量计约为最终压实体的0.1%至2%。

在某些情况下，藻类或相关产物被用作为个别压实体的涂层，或者是作为成堆的或其它压实体集上方的涂层或网子，以维持压实体的结构，从而抑制分离成较小碎片或组成颗粒。这种情况应该从藻类如传统结合剂般的与压实体的其它成分相互混杂的情况作出区别。

在许多市场中，用于制造压实体的原料成本会大幅的波动。因此，供应至电厂的压实体成分可做相对应的调整，以便让成本维持合理的控制，而无视于原料成本的变动。然而，无论压实体的组成为何，最好能维持一贯地高BTU值以及低灰分的生成。适用于共烧应用的「保证」标准例子将说明如下。

需了解的是，压实体属性的必要组合将随应用或者顾客而有所不同。通过原料以及某些添加物的混合，就可以提供维持各种应用所需的质量标准的客制生物质燃料压实体。此外，若一原料变得难以获得，吾人可以选择一或多种替代原料，并将其加工成满足顾客的所有要求的相类似压实体。

在某些情况下，本发明的压实体组成物含有高达且包含100%的生物质。然而，如上所述，往往会使用更复杂的成分。在某些实施例中，压实体组成物可能普遍的具有如下特征：以重量计约介于5%和100%之间的生物质，以重量计高达约25%的非可燃性添加剂(如石灰)，以及以重量计高达约95%的化石燃料，如煤粉。更典型地，压实体将含有以重量计约介于15%至100%之间的生物质、以重量计高达约5%的非可燃性添加剂以及以重量计高达约85%的化石燃料。在不采用化石燃料的实施例中，若存在非可燃性成分，可能含有以重量计约5%或更少的含量。此外，在没有化石燃料成分的实施例中，生物质部分可能含有两种以上不同类型的生物质，有时吾人可选择以提供可满足公共要求(例如政府法令)或消费者标准的能量密度、灰分含量和硫含量的混合平均值。注意，由于纸制品是从植物所衍生的，其被视为是本发明中所称的「生物质」。

以下例子说明具有两种或多种成分的压实体的生物质成分的含量。

废纸(例如纸板)–以重量计约50%至95%，并且在更具体的实施例中，以重量计约60%至85%。

石灰–以重量计约0.5%至10%，并且在更具体的实施例中，以重量计约2%至7%。

大豆渣–以重量计约5%至100%，并且在更具体的实施例中，以重量计约50至80%。

干木材(以重量计约15%或更少的水分)–以重量计约5%至100%，并且在更具体的实施例中，以重量计约25%至75%。

柳枝稷–以重量计约5%至100%，并且在更具体的实施例中，以重量计约50%至90%。

芒草–以重量计约5%至100%，并且在更具体的实施例中，以重量计约40%至90%。

玉米–以重量计约5%至100%，在更具体的实施例中，以重量计约40%至90%。

干燥酒粕(DDG)–以重量计约5%至100%，在更具体的实施例中，以重量计约20%至80%。

都市废弃物–以重量计约5%至100%，在更具体的实施例中，以重量计约30%至90%。其可能包括纸张、纸板、高密度塑料以及低密度塑料其中一者以上。

在某些具体实施例中，组成包括有用的都市废弃物、天然草类以及农业原料的组合，其可具有任意以及不同的其它产物。农业原料可包括秸秆、外壳、外皮以及相似物。在不同的实施例中，组成物包括以重量计约40%至90%的都市废弃物、以重量计约30%至90%的草类以及以重量计约40%至80%的农业原料。都市废弃物可包括纸板，特别是涂蜡纸板。

典型的压实体组成如下：(1)大豆原料约25%、纸板约75%，(2)玉米​​原料约25%、纸板约75%，(3)芒草约25%、纸板约75%，(4)向日葵原料约25%、纸板约75%，(5)整株向日葵、主干、头状花序以及种子约20%、纸板约80%，(6)暖季型草约25%、纸板约75%，(7)禾秆约20%、纸板约75%，以及(8) 柳枝稷约75%、纸板约25%。单独的或组合的木片、松针、松树梢、鼠尾草以及所有的草类，可以替换或补充纸板。所有的百分比为重量百分比。在上述的例子以及整份说明书中，当提及纸板或纸张时，少部分或全部的成分可能有上蜡，这意味着此成分具有少量的蜡(例如石蜡或蜜蜡)涂覆或渗入于纸张或纸板。

对于共烧应用，本发明的压实体可使用一或多种下列的生物质成分：鼠尾草、大豆原料、玉米原料、向日葵主干、种子以及冠状花序、干木材以及草类。对于工业规模的共烧应用，例如电厂的应用，将大量提供这些压实体，通常达到每天数吨至若干吨的规模。可猜想的是，仅轻微修改生物质，即可在燃煤电厂中取代高达约15%的总能量输入。

在某些实施例中，例如那些使用于垃圾掩埋场复原应用的某些压实体，其可能包括肥料及/或草类的种子。此外，在某些实施例中，对于景观美化以及垃圾掩埋场复育应用，压实的生物质成形体结构(特别是颗粒)涂有色彩。例如，自然的黑色、绿色及/或红色颗粒，可使用于景观美化的应用。在某些具体实施例中，可将景观美化颗粒使用于花圃和树​​木。

压实体形式

如上所述，本发明的实施例涉及如颗粒或团块的压实体。压实体的其它形式包括原木和珠子，吾人可供应蓬松的原料至电厂，但已发现运输这类物质存在着某些挑战。特别是，运输过程中原料在卡车内所遭受的振动，会将部分原料压紧至部分变得相当坚硬并且难以搬动的程度。颗粒化或团块状的生物质原料避免了这个问题。此外，组合原料的颗粒化混合物(以及与这些原料结合的其它可能材料)可抵抗运输过程中的分离作用。

使用于本发明中的压实体，可能具有大范围的尺寸和形状。在某些实施例中，此压实体为具有实质上圆柱形或球形的颗粒，其长度或直径一般不超过约2英寸，并且典型地不超过1英寸。在一具体实施例中，压实体为美国生质燃料颗粒协会(Pellet Fuels Institute)所规定，长度至多约1.5英寸以及直径约0.25英寸至约0.313英寸的颗粒，以确保可预见的燃料量以及防止堵塞。

团块一般具有方形或矩形的外观，并可能具有弯曲的或棱角的表面。在某些实施例中，其一般沿矩形侧边的尺寸约为1至4英寸，并且在第三维的尺寸约为0.5至3英寸。

不论压实体的最终形式(尺寸和形状)为何，根据所预期的应用，它们应可在处理过程中抗拒破裂或粉碎。它们应该在崩解时产生限量的灰尘，以避免装载或操作时产生灰尘。在一具体实施例中，压实体产生可通过1/8(八分之一)英寸筛网且范围不超过以重量计约0.5%压实体的微粒。一般情况下，虽然非必需，在压实体集中，压实体具有相对均匀的尺寸和形状。在某些情况下，在压实体集中，压实体的颗粒尺寸标准差大约为0.3英寸或更小。

本发明的压实体，一般是由具有约0.1英寸或更小规格尺寸的相对小颗粒组成。通常情况下，这些颗粒具有介于0.1毫米与5毫米之间的平均尺寸。

压实体的性质

本发明所揭露的压实体，至少有一部分，可依据他们的性质来定义。通常这些性质会与特定的应用有关。再者，无论用以制造产物的组成材料为何，这些性质可能是不变的。这经常是必要的，因为生物质原料的性质可以有很大的不同，并且，因为有些原料可能变得无法取得或过度的昂贵。如上所述，压实体的成分可能会有所调整，以适应替换需求与可用性。通常在一特定的压实体中，使用了两种或两种以上的生物质原料。

在用于共烧应用的压实体的情况下，下列性质可定义出根据某些实施例所提供的压实体：

BTU密度–至少约为7000 BTU/LB，并且在某些情况下，至少约为8500 BTU/LB，并且在另外的实施中，至少约为9500 BTU/LB。

硫含量–以重量计约少于1%，并且在某些情况下，以重量计约少于0.5%。

灰分产生–约少于10%，并且在某些情况下，约少于7.5%，以及在一具体实施例中，约少于5%。在某些情况下，灰分含量为以重量计约4%或更少。当然，对于例如那些使用煤粉的组成物，可能会遇到较高的灰分含量。灰分含量可表示为干式氧化(例如，在氧气中于550℃至600℃的氧化作用)后剩余的残渣比例。在某些情况下，灰分含量取决于燃烧前可燃性材料的固形物含量。

各种原料的这些参数的典型值，其例子如下表所示(其中包含摘录自公开地可取得来源的数据)。

其它压实体的相关性质，可包括密度、某些元素的最大浓度以及总液体含量。在不同的实施例中，压实体为明显的比其未压实成分(原料)更为紧密者。举例而言，相较于对应体积的未压实原料，压实体可减少至少约5倍的体积。通常情况下，压实导致大约介于10倍至15倍之间的体积减少量，但部分视水分含量和颗粒尺寸而定。如前文所述，结合剂可促进致密化程度。在典型的实施例中，压实体将具有约介于20和40 LB/ft³(磅/立方英尺)之间的密度。在某些情况下，此密度更大，例如，至少约40 LB/ft³。

在其它的具体实施例中，氯化物含量不超过约300百万分之一(ppm)，用以避免如燃烧室与通风孔生锈或者是其它形式的腐蚀作用。在某些实施例中，压实体的水分含量约为15%或更低；在某些情况下，约少于10%或更低，并且在一具体实施例中，大约为9％或更低–皆为重量百分比。

此外，各种成分具有比可比较的木材颗粒的能量密度高约15%至30%的能量含量(例如，以质量为基底的能量密度)。具有如此高能量密度的压实体成分，其例子为那些使用于都市废弃物、天然草类以及农业原料的组合中的成分。在一具体的例子中，压实体成分包含约30%至90%的纸板、约5%至40%的天然草类以及约5%至60%的农业原料。

压实作用的种种好处如下：在过程中由热量所施予压实体的杀菌作用、提高储藏性、相对稳定的压实体尺寸，排除构成压实体的材料的沉积物、降低灰尘、提高储存寿命以及便于装卸和运输。

压实体的制造方法

各种技术可用以制造符合本发明的生物质压实体。通常情况下，提供一种或多种原料至一压实设备。可执行一些预压实操作。另外或替代地，可执行一些后压实操作。在本文中其它地方所描述的所有压实体的所有成分和性质，可依据本节的方法来制备。

根据原料的状态，在压实作业前可能需要执行一种或多种分离程序或其它程序。例如，可使用混合搬运车(mix wagon)，这是一种为了将成捆干草或其它植物破坏成秸秆等的目的，而传统上使用于农场的搬运车，以使捆装原料处于适宜进一步处理的状态。因此，在某些情况下，成捆草类及/或其它未加工原料最初被送入混合搬运车内，成捆草类及/或其它未加工原料在其中被破坏，并且混合所产生的材料，同时被运送至一个或多个研磨台。可利用运输装置将材料从被破坏的捆装处搬运至这些研磨台。

在某些情况下，原料是通过将都市废弃物的成分分类后，所获得的一种都市废弃物成分。在一个例子中，除了玻璃，金属及/或低密度塑料之外，含有高能量密度塑料及/或纸张的回收废弃物被分类出来提取高密度塑料及/或纸张。各种工具可用来促进这些分类程序。这类产品的其中一种，是由美国俄亥俄州，格罗夫波特(Groveport)的科马尔(Komar)工业所贩卖。对于有大量生物质需求，以替换或辅助燃煤的某些电厂而言，可使用都市废弃物来供应大量的生物质中的一部分。此外，用于燃料或其它燃烧应用的这些废弃物，消除了垃圾掩埋废弃物的成本以及环境质量质损(environmental degradation)。

其可能需要使用专门的运输装置来处理使用于处理程序中的各种不同原料。所以，不管处理程序是否需要纸张、纸板、都市废弃物、农产品(如草类或农作物废弃物的包装)或是其它原料，运输机构将根据其特定特征(尺寸、密度、形状及脆性等等)妥善地处理特定的原料。

某些情况下，未加工原料将以颗粒尺寸与密度可直接地送入压实设备的形式供应。然而，在其它情况下，原料需经过一些前处理，以达到所需的颗粒尺寸和整体密度的形式供应。也就是说，原料必须被转换成适合送入颗粒碾磨机、压块机或其它压实设备的状态。对于许多应用，供应至压实设备的原料具有低密度，甚至有时为蓬松结构是必要的。因此，在一些实施例中，处理设备包括来自压实阶段上游的一个或多个原料减量阶段。这种设备可能包括锤磨机和类似工具。

某些原料可能需要局部干燥，如潮湿的农业原料，以达到适于处理程序的水分含量。干燥可通过本领域中的各种技术来完成。在一个例子中，来自处理程序其它方面的废热，被用来干燥原料。例如，某些加工设备在处理程序中的各个阶段利用气旋来移除灰尘。来自旋风排气系统的空气可被用来干燥潮湿的原料。

在某些情况下，分离作用及/或粉碎作用分别在每个单一类型的原料上完成，因此所有的原料会各别地处理。请记住，多种不同原料可相互结合，以形成预定组成的颗粒。在其它情况下，两种或两种以上的原料在单一加工器具中会被共同处理(例如锤磨机)。请注意，在使用多种原料的实施例中，来自压实设备上游的个别原料通常会被混合。原料的混合可连续或分批进行。在分批的情况下，操作员可以仍进或其它方式传送各别原料至混合机。各种混合机皆适合使用于本发明。例如，包括牲畜饲料混合机等等。在一具体实施例中，此设备可以混合四种不同的原料，并且调整这些原料中的一种或多种进料速率，以补偿不同的未加工原料密度。

在一具体实施例中，两种不同的锤磨机被用来将草类、纸板或其它原料完全地转化为适于制成颗粒状的粉碎状态。第一锤磨机将未加工原料部分转换为用以制成颗粒的适当状态，而位于下游的第二锤磨机完成转化作用至完全的粉碎状态。在某些情况下，三种或更多不同的锤磨机或其它粉碎站被用以进行粉碎或研磨。这种方法已发现在纸张或纸板原料的情况下，运作的特别好。同时也发现，配备有刀具的锤磨机对于分解某些原料特别有用。

如前所述，粉碎的原料最好具有适用于颗粒碾磨机或其它压实设备的特性。这些特性可能是干燥度(例如，以重量计约8%至14%的水分)、颗粒尺寸(例如，约0.1至5毫米)以及密度等。对于由多种不同原料组成的复合颗粒，可能有多个进入颗粒碾磨机的各别进料线，分别对应于不同成分中的每一种成分。在某些实施例中，颗粒制造设备将包括位于颗粒碾磨机上游的混合室。用以形成复合颗粒的原料的各种成分，通过各别的进料线送入混合室。混合室组合这些不同的原料使成为充分混合的混合物，通常分布均匀的，此混合物为接着被送入颗粒碾磨机者。在其它实施例中，多种原料通过批次的或连续的处理程序，在压实设备的上游混合(例如，在混合搬运车中)。

各种技术可用来精制和运输未加工原料或粉碎的原料，例如，从锤磨机或其它粉碎设备至压实设备。在一实施例中，风箱吹送粉碎的原料进入一管路或其它管道内(例如，8英寸管)。在一实施例中，加工后的的原料暂时存放在一贮存槽或其它容器内，直至需将其转化为颗粒为止。在一具体实施例中，在贮存槽底部或其它地方提供一螺旋运送机搅拌的进料线，用以输送原料通过加工系统。在一具体实施例中，螺旋运送机搅拌的进料线移动加工材料至造粒设备内部的运输装置。具体来说，运输装置将原料送入颗粒碾磨机顶部。在某些实施例中，材料收集槽位于颗粒碾磨机顶部。

第1图描绘出一具体实施例，其中收割的草类或其它原料101、103通过运输装置105升高至上锤磨机107。重力牵引原料在上锤磨机107中加工至位于上锤磨机底部的出口。部分转化的原料材料从那里落入一下锤磨机109中，在其中所完成的转化作用如先前所述。可选择性的，加工后的原料可贮存在一个贮存槽中(图中未示)。在所描绘的实施例中，螺旋运送机或加压式空气供给装置驱动粉碎的原料从进料线111传送至收集槽113，在收集槽113内的粉碎原料接着传递至颗粒碾磨机115。由此所产生的颗粒117被冷却、可选择性的包装以及被制成可用于所预期的应用(例如燃烧)上。

多种型式的颗粒碾磨机适用于依据本发明的颗粒制造上。在不同的例子中，颗粒碾磨机包括一个蒸汽喷射器，以促进未加工原料结合至颗粒中。合适的颗粒碾磨机贩卖商之一，为爱荷华州滑铁卢(WaterlooIowa)的加州颗粒碾磨机贩卖商(California Pellet Mills，CPM)。当颗粒在模具中受到挤压和压紧时，大部分残留的水分受到蒸汽加工的导引而被移除。如前所述，根据本发明所制成的某些颗粒将具有设计过的尺寸和形状。与颗粒碾磨机一起使用的模具被设计来生产所需尺寸和形状的颗粒。具体的例子为使用环形或平板模具。

刚从颗粒碾磨机制成的颗粒通常很热，有时在140℉至200℉的范围内。因此，颗粒在进一步加工或运送前应先冷却。在某些实施例中，颗粒的生产设备采用了颗粒冷却器，其将颗粒冷却到合适的温度(例如，约60℉至120℉)。随后，冷却的颗粒可被引入一振动筛选器中，用以筛选出碎屑。这些碎屑可再回收通过颗粒碾磨机。

处理程序的各种阶段可能产生会干扰操作的灰尘或其它杂质。在一实施例中，在成捆农业原料可滤除灰尘或其它杂质的位置处，地面上的制造设备的布局提供某原料的运输装置。在成捆农业原料中，通过从处理程序补集灰尘，使有些废弃物重现于处理程序。在一个例子中，制造设备包括一真空系统(例如，一个气旋风扇)，用以从地面上的特定位置(例如，运输装置及/或颗粒碾磨机下方)朝向作为过滤器的原料包装的方向移除灰尘或其它杂质。

通常压实体应具有相对低的水分。此情况为，例如，当将压实体使用于共烧应用时，水分的存在降低了BTU密度。在某些实施例中，压实体形成程序采用很少或完全没有干燥步骤。这个目标可通过使用已经实质上干燥的原料来实现；例子包括在阳光下于地上自然干燥的材料。相较之下，压实的木材产品是由木片制成，其通常具有以重量计约50%的水分含量等级，并且在形成颗粒前可能需要干燥。使用于本发明中的某些原料，具有的水分含量以重量计约20%或更低，或甚至于以重量计约15%或更低(或以重量计约10%或更低)。如下所述，某些压实工具本身可促进水分自如木材的原料中移除。同时，如其它地方所提到的，本发明的某些实施例使用具有零木材含量的颗粒。其它实施例仅采用少量的木材(例如，以重量计约5%或更少或甚至为以重量计约1%或更少)，以赋予压实体宜人的香气。

在一实施例中，木材产物或其它相对高水分含量的产物是在压块机中加工，以移除多余的水分。木片或其它木材产物可单独或结合其它成分(生物质能或化石燃料)加工，以制造具有显著降低水分含量的最终产物。例如，若木片在加工前含有以重量计约49%的水分，其在压块机中进行压实后，可减少以重量计约10%至20%的水分含量。

压块机提供一种高效节能技术，用以从木片及其它高水分含量的原料中移除水分含量。在某些实施例中，压块机包含两个相对的滚筒，其具有排列在滚筒周围附近的模具或凹痕。凹痕的尺寸为所要生产的团块尺寸。滚筒可能是由大型电动机驱动，例如两个200 hp(马力)的液压马达驱动。未加工原料是从位于压块机上方的送料斗送入。未加工原料落入两个滚筒之间，并且通过滚筒的滚动/压紧作用而被压密为团块。

如前所述，团块一般具有像木头状的外观，并且一般沿着侧面的尺寸约为1至4英寸。这种侧面和形状使其适合直接送入燃煤电厂中。不需要进一步的加工程序；当生物质团块被送入电厂或燃烧室时，生物质团块可直接与煤炭混合。压块机可以在一电厂的地点上操作，并且制造团块以直接使用，而不需运送最终产物。

压块机有各种尺寸。在一些实施例中，适用于制造使用在共烧应用的团块，所选择的压块机能够产生至少约每小时50吨的团块。在某些情况下，压块机可产生约每小时150吨的团块。

在某些实施例中，化石燃料与生物质成分组合形成本发明的一种压实体。这类压实体的一个例子包括生物质连同煤粉或煤粒。此压实体可能是例如颗粒或团块。在某些情况下，生物质和煤的成分个别混合(在个别的混合机中)，接着再放置于运输装置上，在此它们被传送至送料斗，此送料斗可能坐落于压块机的顶部。压块机接着从煤和生物质制造团块，以作为复合燃料产物。在某些实施例中，结合剂，如过期的可乐糖浆或塑料，可添加至压块机中，用以产出确保稳定性的产品。

在压实体中，化石燃料和生物质成分的相对量可反映出预期的燃烧应用所需的相对量，例如在电厂中的共烧。供应至电厂用以燃烧的燃料，大约有5至20体积百分比(例如约15体积百分比)为生物质的压实体，其余为煤或其它化石燃料。一个典型电厂每天的燃料总数量可能是好几吨，甚至是数百吨。在某些实施例中，本文所述的制造方法是用以生产每名工人搬运大约10至15吨的压实燃料补给量。在一个典型的例子中，电厂可能需要每年约100万吨的可燃性产物，其中至少有一些包含本文所述生物质的压实体。

废弃物吸收剂和垫料应用

在许多情况下，含有颗粒状材料的生物质可作为猫砂或其它同样有用的吸收剂产品。这类产品的成分，可赋予一种或多种下列性质：低成本、除臭、掩蔽异味、色彩以及当然的吸收性。合适的低成本吸收剂材料的例子包括纸，包含纸板，以及各种农业原料或其它植物废弃物，如外皮、外壳、秸秆和果肉。具体的例子包括大豆产物(秸秆和豆荚)、玉米产物(外壳，秸秆和穗轴)以及向日葵产物(秸秆)。纸基(paper based)吸收剂产物使用了至少约40%的纸张及/或纸板，其中之一或两者皆可能有上蜡。

通常地，具吸收性的压实体包含实质上未使用粘土或类似传统材料的猫砂。在一些实施例中，吸收性材料可能包括另一种吸收性材料，如超吸收性聚合物(super absorbent polymer，SAP)。超吸收性聚合物被广泛应用于尿布及类似产品上。其通常为丙烯酸系聚合物，但越来越多是衍生自可再生的植物性资源。

各种除臭成分，如环糊精、玉米淀粉、碳酸氢盐及/或石灰，可能以小量或甚至微量存在(例如，以重量计约少于2%或甚至于以重量计约少于1%)。当采用环糊精或类似的产物，其可能为以重量计约0.05%至0.1%的程度存在。某些掩蔽气味成分，如咖啡渣，也可能以少量存在(例如，以重量计约少于5%)。可供应于猫砂产物的其它添加剂，包含小量或甚至微量的肥皂及/或植物油，一般以重量计约少于0.1%(例如，以重量计约0.01%至0.02%)。

通常地，吸收性材料包含以重量计至少约50%的生物质产物。在各种实施例中，吸收性材料包括以重量计约介于5%和50%之间的农作物废弃物以及以重量计约介于30%和95%之间的废纸，如纸板，并结合有少量的除臭或掩蔽气味的材料。在更具体的实施例中，吸收性材料包括以重量计约介于10%和30%之间的农作物废弃物以及以重量计约介于65%和95%之间的废纸。在一个具体实施例中，吸收剂组成物含有以重量计约80%的纸板(普遍为纤维素纸材)、以重量计约20%的大豆、玉米及或向日葵废弃物以及少量除臭材料(例如环糊精、玉米淀粉、石灰或小苏打)的颗粒。另一具体的组成物具有以重量计约介于50%和90%之间的纸制品、以重量计约介于10%至40%之间的玉米产物以及如上述的除臭成分。

在某些情况下，猫砂或其它吸收性材料是由非均质混合(混合的尺寸)颗粒以及混合有相似密度的纤维素纤维所组成。在某些例子中，最终产物的密度约介于0.4至0.8 g/cm³(克/立方公分)之间，或者更具体地，约介于0.5至0.7 g/cm³(30至42 LB/ft³)之间。猫砂颗粒的平均尺寸可以是直径大约1/8至1/4英寸(例如，约3/16英寸)以及长度大约从1/4英寸至1又1/2英寸。此颗粒通常被挤压通过模具，并且其中大部分会碎裂，因此颗粒最终为凹面的、扁平的或圆形的。通常地，一特定批次具有一长度范围。

本文所描述的吸收性材料可以是通过如上述的那些颗粒化程序所制造的。通常地，颗粒化程序利用相对少量的水分，例如，以重量计约少于10%。制造吸收剂的颗粒化程序，包含原料(纸板和农产品)的水分测试。若水分含量以重量计低于9%，可在颗粒化的过程中通过蒸气或喷雾添加水分。在一个例子中，操作范围以重量计约介于9%和14%之间的水分。通常地，吾人可选择具有适当水分含量的原料，而不需添加蒸气或水分。

在某些实施例中，动物用垫料组成物以纸为基底，并且大部分结合纸张与农作物废弃物。通常地，压实的动物用垫料具有会使用此垫料的动物不可食用的组成。例如，马可能会吃含有约超过30%可食用生物质的压实体。因此，马垫料组成物一般含有以重量计最多约30%的可食用生物质。在某些情况下，动物用垫料组成物包含纸张或纸板、石灰、碳酸氢盐或以重量计占总量约70%或以上的其它不可食用的成分。动物用垫料组成可包含如先前所确认的少量水分(例​​如，以重量计约4%至6%的水分)。如同猫砂产品一样，可包含少量的除臭成分、肥皂及/或植物油(例如，以重量计最多约1%的组成)。

在具体实施例中，动物用垫料组成包含以重量计约70%至80%的纸板或纸张，以及以重量计约20%至30%的可食用生物质，如玉米废弃物。此外，动物用垫料组成可能也包含以重量计约0.02%至0.05%的石灰。

在某些实施例中，动物用垫料是通过在研磨机中加工原料所制成，并接着在锤磨机中缩减尺寸，因此其将流通过一颗粒模具。在这个过程中移除微粒，以排除任何可能会对动物引发呼吸道问题的灰尘及小颗粒。

通过致密化，压实的动物用垫料物质在运输及贮存成本上提供非常大的节省。若人们以禾秆或木片的自然状态贮存禾秆或木片，其将占据相当大的体积。在某些实施例中，原料的致密度高达17倍，以提供于压实的动物用垫料。当然，不同原料的压实程度不同。一般来说，相较于传统的动物用垫料物质，压实的动物用垫料的使用量较小，并且将于后续使用较久。当然，压实的动物用垫料物质是可生物降解以及可作为堆肥的。

通过散布于牲畜棚内并接着轻微润湿材料，可制备最后制备的压实产品以作为垫料。举例而言，40磅的材料可以被大约1夸脱的水润湿。此后不久，通常在大约1小时以内，颗粒膨胀(有时会膨胀至其初始尺寸的数倍)，从而产生更深且更柔软的垫料。添加的水分具有减少灰尘的额外​​好处。

由此产生的垫料吸水性极佳，而当动物排尿时具有良好的除臭特性且会凝结成块，因此使用过的部位可轻易地从牲畜棚移除。动物的固体废弃物并不会弄脏太多的垫料，并且也可轻松移除。

结论

虽然本发明以某些具体实施例作为说明，然并非用以限定本发明。举例而言，此处所述的颗粒可用于除了工业电厂、动物用垫料以及废弃物吸收剂之外的广泛应用中。在其它的应用上，为垃圾填埋场复育以及用于家庭的暖气。

Claims (30)

1.一种压实体，其特征在于，包含：

多个第一颗粒，其包含一生物质材料；以及

多个第二颗粒，其包含不同材料；

其中含有所述多个第一颗粒以及所述多个第二颗粒的所述压实体对碎裂作用具有抗性。

2.根据权利要求1所述的压实体，其特征在于，所述压实体为可燃。

3.根据权利要求2所述的压实体，其特征在于，所述多个第二颗粒为不可燃。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的压实体，其特征在于，更包含多个第三颗粒，其成分不同于所述多个第一颗粒以及所述多个第二颗粒。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的压实体，其特征在于，所述压实体具有以重量计9％的总水分含量。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的压实体，其特征在于，所述压实体于燃烧时具有7000 BTU/LB以上的能量密度。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的压实体，其特征在于，所述压实体于燃烧过程中产生的灰分量为4％以下。

8.根据权利要求1所述的压实体，其特征在于，所述多个第二颗粒包含生物质。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的压实体，其特征在于，所述多个第二颗粒为煤粒。

10.根据上述任一权利要求所述的压实体，其特征在于，更包含一结合剂。

11.根据上述任一权利要求所述的压实体，其特征在于，更包含一材料，其选自于由淀粉、塑料、鱼油、苏打、石灰、石蜡、植物油、咖啡渣和动物脂肪所组成的族群。

12.根据上述任一权利要求所述的压实体，其特征在于，所述压实体具有0.25至4英寸的平均尺寸。

13.根据上述任一权利要求所述的压实体，其特征在于，所述生物质材料是选自于由大豆原料、鼠尾草、玉米原料和向日葵原料所组成的族群。

14.根据上述任一权利要求所述的压实体，其特征在于，所述压实体为颗粒或团块。

15.一种压实体集，其位于一容器中，其特征在于，每一压实体皆具有根据权利要求1-14项中任一项所界定的组成或性质。

16.根据权利要求15所述的压实体集，其特征在于，所述压实体集存在于燃煤电厂中的所述容器中。

17.根据权利要求1所述的压实体，其特征在于，实质上由纸板、农业原料以及除臭成分组成。

18.一种压实体的制备方法，所述压实体包含多个含有生物质的第一颗粒以及多个含有不同材料的第二颗粒，其中含有所述多个第一颗粒以及所述多个第二颗粒的所述压实体对碎裂作用具有抗性，其特征在于，所述方法包括：

加工一生物质原料，以转化一未加工原料至含有所述多个第一颗粒的形式；以及

同时地压实所述多个第一颗粒以及所述多个第二颗粒，以制造所述压实体。

19.根据权利要求18所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述压实步骤是在一压块机内执行。

20.根据权利要求18所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述压实步骤是在一颗粒碾磨机内执行。

21.根据权利要求18所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述压实体为可燃。

22.根据权利要求21所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述多个第二颗粒为不可燃。

23.根据权利要求18至22中任一项所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述压实体于燃烧时具有7000 BTU/LB以上的能量密度。

24.根据权利要求21所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述多个第二颗粒包含生物质。

25.根据权利要求21至23中任一项所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述多个第二颗粒为煤粒。

26.根据权利要求18至25中任一项所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述压实步骤是通过一结合剂加以执行。

27.根据权利要求26所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述结合剂为藻类或蜡。

28.根据权利要求18至27中任一项所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述生物质原料是选自于由大豆原料、鼠尾草、玉米原料和向日葵原料所组成的族群。

29.根据权利要求18至28中任一项所述的压实体的制备方法，其特征在于，所述压实体为颗粒或团块。

30.根据权利要求1所述的压实体，其特征在于，所述压实体是提供作为动物用垫料。

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