CN103380342A - 干燥生物质和含碳材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供减少从生物质、含碳材料及其混合物中除去水分所需能量的方法。所述方法通过除去以液体形式存在的水分并将所述水分转移到能够更为容易和有效地蒸发水分的所述材料的表面，显著降低了所述能量需要。

Description

干燥生物质和含碳材料的方法
相关申请的交叉引用
本申请基于35U.S.C.§119(e)，要求2010年12月15日提交的序列号为61/423,558的美国临时专利申请的优先权权益，上述文献在此以引用方式全文引入。
技术领域
本发明涉及降低包括生物质和含碳材料的材料水分含量的方法，生物质例如木质材料、草、农业植物和残渣及其混合物，含碳材料例如烟煤、亚烟煤、褐煤（lignite）、褐色煤（brown coal）、泥煤、废煤及其混合物。
发明背景
生物质和低阶煤包含大量水分，在作为燃料来源或制成品进行商业使用之前必须除去水分。低阶煤典型地用于在非常接近发现它的地方发电，因为其低能量密度很可能被运输该低阶煤任何稍远距离所花费的任何能量所抵消。某些情况下，采用生物质和例如低阶煤的含碳材料的混合物作为燃料来产生蒸汽和动力是令人期待的。当采用这样的混合物时，相比于单独燃烧煤，所述生物质组分降低了二氧化碳的排放。然而生物质和煤的混合物常常包含太多的水分以至于从经济上和技术上不能用于发电。
工业上传统地依赖热力将原材料干燥到适合于它们最终使用的水平。以降低从主材料中蒸发水所需的能量的量为目标，采用了多种类型和设计的热力干燥机。当应用到原始燃料材料时，即使通过更为精心的设计获得了进步，能量价格的上涨已经超过了这些干燥过程的效益。这些燃料材料传统的干燥也可以产生大量的烟道气和水蒸气，其根据环境法规是必须进行处理的。由此，热力干燥系统的经营者必须为与气体处理系统相联系的增加的成本和不利的环境事件作出计划。为符合环境法规而花费的这些成本和能量也会抵消用低阶煤和生物质产生能量时所获得的能量。
传统地采用直接加热系统或间接加热系统干燥生物质。当潮湿材料与燃烧产生的热气密切接触的时候发生直接加热。这种类型的干燥系统通常传热高效，但是由于其中的高温会降解所述生物质材料。这种系统也会产生导致着火和爆炸的条件。由于挥发性煤与高温气体接触所产生的危险，直接干燥系统很少用于干燥煤。
间接干燥系统将潮湿材料与冷凝蒸汽或燃烧气体所加热的表面接触。与直接干燥系统相比，这些系统使用较少量的气体，并且能够保持相对低的温度以避免所述干燥的材料降解和使可导致着火和爆炸的条件最小化。然而，相对温和的干燥条件产生的较低干燥率导致间接干燥系统要求更大的设备。
热干燥系统所需的热可以达到制造例如燃料芯块和定向刨花板(OSB)的木材产品所需全部能量的40至70%。与这些能量以及环境控制相关的成本大量地计入全部的制造成本中。
由于煤的不利的物理和热性能，低阶煤和其它含碳材料很难干燥。尤其低阶煤是多孔材料，在其孔中保持了大部分水分。因此干燥煤要求将足够的热量转移到材料中以蒸发这些孔中保持的水。由于煤是好的热绝缘体，其抵抗热传递，所述过程效率很低。因此，需要大量的能量以产生足够的热量来干燥具有低能量密度的低阶煤。
为了将这样的低阶煤和生物质用于生产能量，本领域中一直存在改进这些材料（材料的孔中包含水分）干燥方法的需求。这些材料包括生物质和含碳材料及其混合物。理想地，干燥方法将会降低能量需求并减轻环境控制。
发明内容
本发明提供了处理多孔材料（例如生物质和含碳材料）的方法，以降低干燥所述材料到特定水平所要求的热能和成本。此外，本发明对微粒状生物质和含碳材料的混合物进行处理，以形成具有均一的化学和物理性质的低水分压实产物。
传统地，采用热能来加热和蒸发在含碳材料和生物质材料中包含的水分。热干燥装置必须采用大量的热空气或燃烧烟道气来传递热量，该热量为蒸发水分并将产生的水蒸气从被干燥的产品中运走所必要的。完成这些任务需要大量的热能和高温。
生物质和含碳材料具有多孔结构，其能够捕集和保持水分。本发明采用机械手段部分地挤出所述孔中包含的水分并通过例如筛、滤器、离心机等机械手段部分地除去水分。相比于完全通过蒸发，通过这些装置分离一部分水分所要求的能量和时间大大减少。所述部分干燥的材料可以随后进一步通过热方法进行干燥以满足产品规格。
由于热干燥机原料中的水分的量大大减少，由此降低了被蒸发的水分的量，使得热干燥机所需的热量大大减少。这产生的优点是需要更小的热量发生设备、更低容量的热干燥机以及相关的环境控制。除了较低的热量要求，为与所述干燥系统相联系的风扇、发动机和控制器提供动力需要的电能更少。热量和电能需求降低的结果进一步降低了二氧化碳排放量，有利于环境。
由于进入锅炉或熔炉之前所述两种材料的分离，工业上当燃烧生物质和煤的组合时遇到了困难。与煤相比，所述生物质燃烧具有不同的特征，因此产生了操作上的困难。本发明提供了一种更好的包含生物质和煤的密切混合物的燃料，两者结合在一起且该混合物具有充分的整体性，使得进入锅炉之前没有分离。消除所述两种组分的分离避免了燃烧传统组成的燃料组合遇到的许多困难。
一方面，本发明包括将所述材料制成适于后续处理的粒子尺寸。将制备的材料通过辊式压制机压实，所述辊式压制机在原料上施加足够的压力，以压垮其多孔结构并将所述孔中包含的水分挤出到压实材料的外面。所述挤出的水分可以通过例如筛、滤器、离心机等机械手段除去。所述部分干燥的不含所述除去的水分的材料，随后可以进一步通过热方法干燥以满足产品规格。由于所述原料水分含量的减少，所述热干燥机所需的热量大大减少，并且所述压实原料的干燥速率大于没有经过压实的原材料。
在本发明旨在处理木质生物质的具体实施方式中，将圆木削成最大化暴露其多孔结构的尺寸和形状。将制备的木质材料供入辊式压制机的辊隙。所述辊式压制机以适当的辊旋转速度与辊闭合力运行，以产生足够的压力破裂和压垮所述原料的多孔结构以挤出保持在所述原料的孔中的水分。通过适合于所述应用的机械手段将水分从所述压实的材料中分离。筛、滤器、离心机中的一种或其组合机械地从所述压实的产物中除去水分。如果需要可以进一步处理所述水分，例如，如果所述水分是收集水，可以转送给水处理系统用于别处使用，例如其它制造过程。
在本发明旨在处理收割的和收集的草、农业植物以及残渣的另一个实施方式中，将所述原料研磨为向所述压辊最大化暴露所述孔结构的尺寸和形状。将所述制备的材料供入所述辊式压制机的辊隙。所述辊式压制机以适当的辊旋转速度与辊闭合力运行，以产生足够的压力破裂和压垮所述原料的多孔结构以挤出保持在所述孔中的水分。通过适合于所述应用的机械手段将水分从所述压实的材料中分离。筛、滤器、离心机中的一种或组合机械地从所述压实的产物中除去水分。如果需要可以进一步处理所述水分，例如，如果所述水分是收集水，可以转送给水处理系统用于别处使用，例如其它制造过程。
在本发明旨在处理开采的或再生的含碳材料的另一个实施方式中，将所述原料研磨为适合被辊式压制机压实的尺寸所述辊式压制机以适当的辊旋转速度与辊闭合力运行，以产生足够的压力破裂和压垮所述原料的多孔结构以挤出保持在所述孔中的水分。通过适合于所述应用的机械手段将水分从所述压实的材料中分离。筛、滤器、离心机中的一种或组合机械地从所述压实的产物中除去水分。如果需要可以进一步处理所述水分，例如，如果所述水分是收集水，可以转送给水处理系统用于别处使用，例如其它制造过程。
在本发明包括处理生物质和煤的混合物的实施方式中，一起或分开的方式来制备所述原始成分并在辊式压制机中压实。所述辊式压制机以适当的辊旋转速度与辊闭合力运行，以产生足够的压力破裂和压垮所述原料的多孔结构以挤出保持在所述孔中的水分。通过适合于所述应用的机械手段将水分从所述压实的材料中分离。筛、滤器、离心机中的一种或组合机械地从所述产物中除去水分。如果需要可以进一步处理所述水分，例如，如果所述水分是收集水，可以转送给水处理系统用于别处使用，例如其它制造过程。
在本发明的一个实施方式中，包括例如收割和收集草、农业植物、木材以及残渣的生物质的第一原料流,通过磨碎或撕碎按尺寸制造成能够最大化所述生物质多孔结构的暴露的尺寸和形状。将所述制备的材料供入所述辊式压制机的辊隙。所述辊式压制机以适当的辊旋转速度与辊闭合力运行，以产生足够的压力破裂和压垮所述第一原料的多孔结构以挤出保持在所述孔中的水分。通过适合于所述应用的机械手段将水分从所述压实的材料中分离。筛、滤器、离心机中的一种或组合机械地从所述压实的产物中除去水分。如果需要可以进一步处理所述水分，例如，如果所述水分是收集水，可以转送给水处理系统用于别处使用，例如其它制造过程。然后在和第二原料流结合之前，可以干燥和/或储存所述第一原料流。如果在和第二原料流混合之前干燥所述第一原料流，干燥可以通过任何有用的直接或间接系统进行。作为非限制性实例，可以采用间接燃烧干燥器。在优选的实施方式中，在此以直接干燥的方式对所述第一原料流进行干燥。
在这个实施方式中，包括开采或再生的含碳材料例如低阶煤的第二原料流，通过将所述含碳材料按尺寸来制备，例如通过磨碎。所述第二原料可以在辊式压制机中压实。所述辊式压制机以适当的辊旋转速度与辊闭合力运行，以产生足够的压力破裂和压垮所述第二原料的多孔结构以挤出保持在所述孔中的水分。通过适合于所述应用的机械手段将水分从所述压实的材料中分离。筛、滤器、离心机中的一种或组合机械地从所述压实的产物中除去水分。如果需要可以进一步处理所述水分，例如，如果所述水分是收集水，可以转送给水处理系统用于别处使用，例如其它制造过程。随后，在和所述第一原料流结合之前，可以干燥和/或储存所述第二原料流。在优选的实施方式中，在此以间接干燥方式对所述第二原料流进行干燥。作为非限制性实例，可以采用间接燃烧干燥器。
在这个实施方式中，在辊式压制机中压实所述第一和第二原料流的每一个之后，将所述第一原料流和所述第二原料流混合。优选使所述第一和第二原料流混合并压块，以形成包括处理过且干燥过的生物质和含碳材料的团块。在优选的实施方式中，处理并压实过的生物质的所述第一原料流和压实并处理过的含碳材料的所述第二原料流以约20：80的比例混合（第一原料流：第二原料流或处理的生物质：处理的低阶煤）。
本发明的另一方面，通过机械力压实的过程中蒸发从内部孔转移到粒子表面的水分，提高了热干燥方法的效率。因为与停留在所述材料的内部孔中的水分相比，停留在表面的水分与工作流体直接接触，能够用更少的时间和能量蒸发，结果提高了效率。本发明转化生物质和含碳原料及其组合以除去水分，并且在气化应用中提高原材料的气化特性。
在本发明中，在环境温度下对所述原材料连续施加高的压力。采用足够的力以压垮所述材料的多孔结构，并将被驱逐的水分强迫到压实材料的表面。潮湿的压实后的材料随后供入低温或环境温度的干燥设备，在其中相当大比例的水分从所述材料表面蒸发。一个额外的好处在于本发明由于更为高效能够在环境温度下干燥材料，而对于在干燥之前不对原料进行处理的传统热干燥系统来说，环境温度太低而从经济上不具有实用性。在环境温度下运行本发明，其中通过允许低成本干燥LRC和生物质产品的生产和使用，将会为公用事业和气化产业提供额外的令人期望的成本优势。提高干燥效率获得的优点包括减少了在生产和使用过程中释放的二氧化碳和其它气态污染物（例如二氧化硫和氮氧化物）的量。提供经济地利用国内含碳材料（例如LRC）和生物质资源来生产发动机燃料的机会将会大大减少国外石油的使用。因此，本发明以三种方式证明有益：经济地将水分含量降低到低于约15wt%，形成具有可预见的与蒸汽和氧气的反应动力学的压块，以及提供能够支撑气化反应器中保持的负重的坚固的材料。
在所有这些实施方式中，所述压实且除湿后的材料，根据期望的用途，或者不经进一步处理直接使用，或者送往热干燥系统以额外干燥。
此外，所述压实且除湿后的材料不经额外处理可以适于用作燃料，或者如果运输至远处使用，可以在运输之前压块。
附图说明
图1显示结合了传统的热干燥系统的本发明的实施方式。
图2显示独立配置的本发明的实施方式。
图3显示包括使用辊式压制机的本发明的实施方式。
图4显示压实和未压实的松木在约104°F温度时的曲线。
图5显示压实和未压实的红橡木在约104°F温度时的干燥曲线。
图6显示压实和未压实的PRB煤在约104°F温度时的干燥曲线。
图7显示压实和未压实的松木与PRB煤1:1的混合物在约104°F温度时的干燥曲线。
图8显示压实和未压实的松木与褐煤1:1的混合物在约104°F温度时的干燥曲线。
图9显示压实和未压实的红橡木与褐煤1:1的混合物在约104°F温度时的干燥曲线。
图10显示通过本发明的方法生产的包含约15wt%水分的褐煤压块。
图11显示本发明实施方式的流程图，其中所述生物质原料和所述含碳材料部分地以分离供料方式处理。
图12显示本发明的实施方式，其中所述生物质原料和所述含碳原料在压实之后混合。
图13显示本发明的实施方式，其中所述生物质原料和所述含碳原料在制备之后混合。
实施方式
本发明涉及一种干燥方法，其降低了从生物质、含碳材料或生物质与含碳材料的混合物中除去水分所要求的能量，所述生物质例如木质材料、草、农业植物和残渣，所述含碳材料例如低阶煤。
除非另有定义，这里所使用的技术和科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解相同的含义。
说明书中，应当理解过渡性术语“包含（comprising）”与“包括（including）”、“包含（containing）”或“其特征在于”类似，是包含的或开放的，并且不排除额外的、没有叙述的元件或方法步骤。过渡性短语“由……构成”排除在权利要求中未列举的任何元件、步骤或组分，但是不排除与本发明无关的额外的成分或步骤，比如通常关联的杂质。过渡性短语“实质上由……构成”将权利要求的范围限制到特定的材料或步骤以及那些实质上不影响本发明基本和新颖特征的材料或步骤。
对于这里的说明书和所附的权利要求书来说，单数"一个"、"一种"和"该"包括复数的指示对象，除非上下文有清楚的相反指示。因此，例如，提及“一种化合物”指多于一种化合物。
如在本说明书中所用，“水分”包括水溶液（包括液态水）、固态组分（包括冰）、溶剂以及气态组分或它们的组合。
用于本发明方法的合适的生物质原料的例子包括木质材料，例如收割和收集活动得到的特定生长目的的树（purpose-grown trees）、柳枝稷（switchgrass）、玉米穗轴、秣草（stover）、油料植物（oil plants）、以及残渣。在通过本发明的方法进行任何处理之前，这些生物质原料的最初水分含量范围可以高达约75%。例如，在原木质生物质中所述水分含量可以是约42%。含碳原料的例子包括烟煤、亚烟煤、褐煤（lignite）、褐色煤（brown coal）以及泥煤，或者这些含碳材料的混合物。含碳原料也可以包括通过筛分或重力分离方法产生的废煤材料。
在本发明所述方法中用作原料的优选的生物质和含碳材料混合物的例子包括与例如褐色煤（brown coal）、褐煤（lignite）和亚烟煤的低阶煤混合的木质材料。在优选的实施方式中，所述原料是生物质和含碳材料的混合物，包括松木、红橡木、粉河盆地煤（Powder River Basin(PRB)coal）和褐煤的组合。所述生物质和含碳材料的混合物以不同的生物质:含碳材料的比例制备，比例范围为约1:1至约50:1。最优选，所述生物质和含碳材料混合物以生物质:含碳材料为约1:1的比例来制备。
在一个实施方式中，所述生物质和/或含碳材料在压实之前分别或一起粉碎。优选地，所述粉碎作用足够减少所述生物质和/或含碳材料的粒径。任何适合的破碎或压碎所述生物质和/或含碳材料以减少所述粒径的方法都可以在该转化处理阶段采用。粉碎以其最广义理解来说，是减小粒子或聚集体尺寸的机械过程，并包括很多种类的操作，包括切削（cutting）、剁碎（chopping）、碾碎（grinding）、压碎（crushing）、碾磨（milling）、微粉化（micronizing）以及研碎（trituration）。用于本发明的目的，粉碎可以是单一的或多级的过程，该过程通过机械方法将材料粒子从无规尺寸减小到预期目的所要求的期望尺寸。由于材料的流动性和可压缩性显著地受粒径或粒子表面面积的影响，常常通过粉碎材料以提高流动性和可压缩性。
在一个具体实施方式中，所述生物质和/或含碳材料在压实之前不粉碎。
以特定的方式制备本发明的方法中采用的原料，以当压实时最大化液态水从所述原材料中的释放。所述压实辊式压制机在这些材料上施加机械力以破裂和压垮材料中的多孔结构，释放其中包含的水。通过所述施加的机械力压出的水从所述压垮的多孔结构中移至所述压实材料的表面，在这个表面通过机械脱水设备（例如筛、滤器和/或离心机）被除去。
对于本领域技术人员来说，众所周知通过机械方法除水相比于通过蒸发除去相同的水要求更少的能量。通过提高除水的机械效率，与通过热蒸发过程所要求的能量相比，本发明显著地减少了从生物质和含碳原料除水所要求的能量。
通过辊式压制机施加机械力，其运行的旋转速度和辊闭合力产生所需的压力以压实制备好的原料，除去所述材料中的多孔结构并释放所述多孔结构中保持的液态水。除了相对于热干燥所要求的能量以较低的能量需求除去液态水之外，与未经制备和压实的材料相比，采用所述辊式压制机以形成所述压实产品导致所述制备材料的更快的干燥。
由于不要求供应热来挤出或除去液态水，这些过程优选在环境温度下进行。因此对于例如木质材料、草以及低阶煤的温度敏感材料的好处是避免了不合需要的热降解，并且由于不需要温度监控、调节和控制，实现了额外的能量节约。
通过双辊式压制机对制备好的材料施加的压力至少为约5000lb/in2并且可以高达约80000lb/in2。在一个实施方式中，通过双辊式压制机对制备好的材料施加的压力为约10000lb/in2至约50000lb/in2。在另外的实施方式中，通过双辊式压制机对制备好的材料施加的压力为约20000lb/in2至约40000lb/in2。
由于采用电动机驱动压实设备和除水装置，可以计算处理每吨材料的压实能量。在没有任何热干燥的情况下，处理每短吨的原材料所述压实能量约为8kWh至约15kWh(27,300Btu至51,200Btu)。机械除水要求少于约3kWh(10,200Btu)来处理一短吨的原料。与热干燥方法不同，本发明所要求的全部能量，是压实能和除水能的总和。所述总和范围可以是每短吨原材料约11kWh至18kWh(37,500Btu至61,400Btu)。表1中列出的性能数据可以用于评估本发明除去规定量的水所要求的全部能量。
本发明的方法包括原料的制备和在双辊压制机中的压实，该方法典型地除去约10%至约40%包含在所述未处理材料中的水。所述未处理材料可以具有高至约75wt%的水分。所述水分的百分比会根据煤矿位置的不同有所变化。例如，来自澳大利亚煤矿的煤可以含有高至约75wt%的水分。本发明的方法除去约2wt%至约20wt%包含在未处理材料中的水。
通过包括产品的制备和在双辊压制机中的压实的本发明的方法进行处理，所述处理后的材料具有全部水分含量可以减少到低达约20%。通过包括产品的制备和在双辊压制机中的压实的本发明的方法进行处理，随后通过热蒸发进一步干燥，所述处理后的材料具有的全部水分含量可以减少到低达约5%。
本发明的所述方法包括产品的制备和在双辊压制机中的压实，随后进行热蒸发，将其处理原料所需的时间与仅仅采用热蒸发将相同原料干燥至相同干燥水平所需的时间相比，估计干燥时间的减少是可能的。所述节省的干燥时间为约30分钟至约60分钟。更为典型地，所述节省的干燥时间为约45分钟。
本发明的方法生产的产品，包括生物质、含碳材料及其混合物，要经受额外处理成为压块。形成的产品典型地在运输干燥材料的地方使用，或用在要求粗颗粒粒径分布的层燃炉（stoker furnaces）中。对于成形的最终产品的期望，所述产品优选是具有至少约6mm但小于约100mm较小尺寸的卵形压块，更为优选具有约50mm的较小尺寸。优选地，所述成形产品全部的水分含量为约5wt%至约20wt%，更为优选全部水分含量约15wt%。
从所述压实材料中分离液态水可以包括使用振动筛分机，将作为底流的液态水与作为溢流的除水压实材料分离。所述分离也可以包括采用带式压滤机，将作为滤液的液态水从作为滤饼的除水压实材料分离。所述分离也可以包括离心分离，将作为产品的除水压实材料与作为流出液的液态水分离。所述分离也可以包括采用真空盘式过滤机，将作为滤饼的除水压实材料与作为滤液的液态水分离。
当采用额外的热蒸发以进一步干燥所述压实和除水后的材料时，提高的干燥率也允许采用更小的热干燥装置和相关系统，相应减少资金和运行成本。
通过提高干燥速率（获得特定含水量所要求的时间），本发明减少了干燥所述未处理原料所需的热能。通过将在所述粒子内部孔中保持的水转移到所述粒子表面，压实使得去往热干燥机的原料达到条件。其结果是，所述水更容易受热的影响，因此蒸发发生所要求的时间更少。此外，呈现在压实材料上的潮湿外表面可以与热表面密切接触，如间接加热系统中存在的热表面。所述密切接触使得所述材料每单位面积和时间接受更多的热能。工业经验已经很好的证明了这一概念。例如，某些压实材料蒸发一磅水需要1300Btu。据报道所述相同的未压实材料蒸发一磅水需要1600Btu至2500Btu。干燥所述材料所需能量的量取决于所述干燥材料的物理性质以及热与水分接触以达到蒸发的能力。
如图1所示本发明的具体实施方式包括传统的热干燥系统。图1中描述的系统特别地适合于这样的应用，其中所述产品水分含量必须少于将本发明所述方法应用到含碳和/或生物质原料可获得的水分含量。在所述实施方式中，本发明的所述方法通过在所述热干燥器上减少蒸发负荷使所述热干燥系统受益。
如图2所示，另一个实施方式为独立的配置。所述实施方式优选这样的应用，其要求的产品水分含量能够通过将本发明所述方法应用到含碳和/或生物质原料来达到。
本发明的另一个实施方式如图3所示。原料（1）进入为特定目的制造的尺寸缩减设备（2），该设备设计为制备所述原料，其制备的方式使得制备的产品（3）将其多孔结构最大化暴露于由所述辊式压制机（4）产生的压实力。
将所述制备好的原料引入所述辊之间的辊隙，以压垮和破坏保持原料中所含大量水分的多孔结构。刮光机(scrapper)（5）除去附着于所述压辊的水。所述压实产品（7）进入除水设备（8），在其中水（9）从固体中分离。通过刮光机（6）所收集的水加入水（9）中以产生最终的水产品（10），所述水产品（10）进入适合于应用的方法中。收集除水产品（11）且按应用的要求进行处理，。在一些实施方式中，所述除水后的产品在处理之后送去储存起来。在本发明的一些实施方式中，所述除水后的产品（11）在被置于储存之前可以进行冷却。
本发明的一个实施方式如图11所示，其中在混合所述生物质原料和含碳原料材料之前，分离地制备、压实、机械除水以及干燥所述生物质原料和所述含碳原料。储存、按比例配置、混合所述处理的材料以形成可以进一步处理的最终产品。
如图11所显示，生物质原料（1）来源和含碳原料（2）来源提供了分离方式处理的原材料（其可为一同进行的），并且最终以期望的比例混合以适合所述应用。通过装置（4）制备收到的生物质材料（3）以生产适合于辊式压制机（6）处理的合适原料（5）。所述辊式压制机（6）提供必要的配置以及运行条件以压实所述原料（5）从而挤出在所述生物质内部结构内保持的水，使流体可变为存在于所述材料的表面。所述机械压实的生物质（7）可以具有过剩的自由水，其能够通过机械除水设备（8）（例如筛、带式过滤机、离心机等）除去。所述压实并机械除水后的生物质材料（9）可以在干燥机（10）中干燥以生产干燥的生物质产品（11）。可以运行所述干燥机（10）以最佳地从所述压实并除水后的生物质（9）中蒸发水。在干燥过程中产生的包括水和其他气体（14）的蒸汽（12）将通过气体处理系统（13）进行处理，以制备排放到大气（15）中的气体。所述气体处理系统（13）可以是几部分装置，以制备排放到大气（15）中的所述蒸汽（12）。分离的气体处理系统可以用于所述生物质和含碳原料流。所述干燥的生物质产品（11）可以储存在容器（16）中，例如箱、仓或囤或其它合适设备。任选地，不储存所述干燥的生物质材料（11），而是直接与所述干燥的含碳材料（27）混合。相对于干燥的含碳材料（30）的放出率(withdrawal rate)，控制所述储存的生物质材料（17）的放出率以提供用于在容器（18）或所述两种干燥的材料汇合的地方混合的原料。所述放出率可以是自动的和/或由使用者操作的。所述结合的和混合的干燥的产品（31）可以转向下游处理（32）或在合适的容器中储存。
可以根据所述以下过程加工和处理含碳材料（2），这一过程与对所述生物质材料的处理和加工程序相似。收到的含碳材料（19）可以通过合适的装置（20）制备，以生产的适合于通过辊式压制机处理的制成原料（21）。所述辊式压制机（22）提供所述必要的配置和运行条件，以压实所述原料（21）并挤出保持在所述含碳材料内部结构中的水，使流体可变为存在于所述压实的含碳材料（23）的表面。所述压实的含碳材料（23）可以具有过量的自由水，其可以通过例如筛、带式过滤器、离心机等的机械除水设备（24）除去。机械除水后的含碳材料（25）可以用干燥机干燥，以生产干燥的含碳产品（27）。可以运行所述干燥机（26）以最优地从所述压实的和除水的含碳材料（25）中蒸发水。在干燥过程中产生的包括水分和其它气体的蒸汽（28）将通过气体处理系统（13）处理以制备向所述大气（15）中排放的所述气体。可以按尺寸制造并设计所述相同的气体处理系统（13），以处理生物质干燥机和含碳干燥机二者的排放物。所述干燥后的含碳材料（27）可以储存在容器（29）中，例如箱（bin）、仓（silo）或囤（stockpile）或其它合适的设备中。相对于干燥的生物质材料（17）的放出率，控制所述储存的含碳材料（30）的放出率以向混合器（18）（其将与干燥的生物质材料（30）混合）或所述两种干燥的材料汇合的地方提供原料，上述控制方式可以是自动的和/或手工操作的。
在一个实施方式中，将所述两种干燥机产品（11）和（27）放入存储容器（16）和（29）之前，可能需要对其进行冷却。所述冷却可以使用任何合适的设备通过任何合适的方法来进行。
应当理解来自任何步骤的所述产品可以储存一段合适的时期，然后在稍后的时间用于接下来的步骤。
本发明的一个实施方式如图12所示。图12显示了本发明的一个实施方式，其中将所述生物质原料和所述含碳原料分离处理直到每一种原料被压实。在压实之后，将所述原料混合。对所述处理的材料调节配比、混合并一起干燥，以形成可进一步处理的最终产品。
这里更为详细地讨论图12的实施方式。生物质原料（1）来源和含碳原料（2）来源为一部分过程提供了原材料，上述原材料以分离方式进行处理，也可以一同进行。收到的生物质材料（3）通过装置（4）来制备，以生产适合于通过辊式压制机（6）处理的制得的合适原料（5）。所述辊式压制机提供了必要的配置和操作条件，以压实所述制备的原料（5），来挤出保持在所述生物质材料内部结构中的水分，使得流体可以变为存在于所述生物质压实材料（7）的表面。所述压实的生物质材料（7）送至例如箱、仓或囤或任何合适容器的容器（8）中与机械压实后的含碳材料（13）混合，以变为结合的原料（14），上述原料可以用干燥机（15）干燥，以生产可进行下游处理（17）的或为适应所述应用而直接使用的干燥产品（16）。能够操作所述干燥机（15）以最优方式从所述结合原料（14）中蒸发水分，上述结合原料包含机械压实后的生物质和压实后的含碳材料的混合物。在干燥过程中产生的包括水和其他气体的蒸汽（18）通过气体处理系统（19）进行处理，以制备排放到大气（21）中的气体（20）。
可以以与所述生物质材料（1）相似的方式加工和处理含碳原料材料（2）。收到的含碳材料（9）可以通过装置（10）制备，以生产适合于用辊式压制机（12）处理的合适原料（11）。所述辊式压制机（12）提供必要的配置和运行条件，以挤出保持在所述含碳材料内部结构中的水，使得所述流体可变为存在于所述压实的含碳材料（13）的表面。所述压实的含碳材料（13）送至所述混合容器（8）或其结合所述压实的生物质材料（7）的位置，以形成可以送到干燥机（15）中的原料。可相对于所述压实的含碳材料（13）的放出率控制所述压实的生物质材料（7）的放出率，以提供用于在容器（8）或所述两种干燥的材料汇合的地方混合的原料。所述放出率可以是自动的和/或由使用者操作的。在转向最终产品（17）之前，所述干燥机产品（16）可能需要冷却。所述冷却可以使用任何合适的设备通过任何合适的方法来进行。所述最终干燥的产品（17）可以储存到任何合适的存储容器中或直接地适于所述应用。
应当理解，来自于任何步骤的所述产品可以储存一段合适的时期，然后在稍晚一点的时间用于接下来的步骤。
本发明的一个实施方式如图13所示。所述实施方式显示一个过程，其中在制备所述原料之后，将所述生物质原料和所述含碳原料混合。干燥所述处理的材料以形成可进一步处理的最终产品。
如图13所显示，生物质原料（1）来源和含碳原料（2）来源提供了以期望的比例混合以适合所述应用的原材料，上述原材料采用分离方式进行处理，也可以一同进行。通过装置（4）可以制备所述收到的生物质材料（3），以生产适合于通过辊式压制机（11）处理的合适原料（5）。通过装置（7）可以制备所述收到的含碳材料（6），以生产适合于通过辊式压制机（11）处理的合适的制备的含碳原料（8）。所述制成的生物质材料和制成的含碳材料送至混合容器（9）或所述两种材料汇合的地方，以变为所述辊式压制机（11）的原料（10）。
所述辊式压制机（11）提供所述必要的配置和运行条件，其将挤出保持在所述生物质材料内部结构中的水和保持在所述含碳材料内部结构中的水，使得流体可变为存在于所述单独压实的材料的表面。所述压实的材料（12）变为可以送到所述干燥机（13）中的原料。
在一个实施方式中，所述制备的含碳材料（8）和所述制备的生物质材料（5）可以以合适的进料速率直接地供入所述辊式压制机（11）中。
所述干燥机（13）生产可以进行下游处理（15）或直接使用以适合所述应用的干燥的产品（14）。能够操作所述干燥机（13）以最优化从所述包含所述压实的生物质和压实的含碳材料的混合物的原料（12）中蒸发水。在干燥过程中产生的包括水和其它气体的蒸汽（16）通过气体处理系统（13）进行处理，以制备排放到大气（19）中的所述气体（18）。在转向最终产品（15）之前，可能需要冷却所述干燥机产品（14）。所述冷却可以使用任何合适的设备通过任何合适的方法来进行。
应当理解，来自于任何步骤的所述产品可以以合适的方式储存，然后用于接下来的步骤。
通过参考下面的实施例，现在对本发明的一般性描述将会更加容易理解，包括的实施例仅仅是为了说明本发明所述实施方式的某些方面的目的。所述实施例并不是要限制本发明，作为本领域技术人员从上面的教导和下面的实施例应当认识到能够满足所述权利要求和能够采用的其它的技术和方法没有偏离本发明所要求保护的范围。
实施例
实施例1
处理松木、红橡木和PRB煤以及褐煤（来自于澳大利亚LaTrobe山谷的煤）试样，以证实除去液态水的机械压实作用的效率和性能。将试样制成被认为有利于压实作用的尺寸和形状。对包括松木和PRB煤的混合物的每种材料施加至多40000lb/in2的压力。收集挤出的水。对所有的材料进行称重并分析水分含量。在环境温度下进行所有压实作用。
在约104°F下干燥原材料（未处理的材料）和压实的产品,用实验室水分测定装置确定每种试样的相对干燥率。结果总结在表1中，并标绘在图4-9中。图4中加入图形，显示通过压实作用除去的水分和获得相同水分含量所需的干燥时间的减少。在这种情况下,压实作用除去约15wt%的水分并且将获得约20wt%水分的干燥时间减少了约46分钟。对于红橡木、PRB煤、褐煤以及木材和煤的混合物，提供了通过压实作用所获得的所述水分的减少和减少的干燥时间的情况。
表1.木材和煤压实作用测试结果概要
Figure BDA0000365829840000151
通过图1中所示的所述系统生产包含15wt%水分的褐煤压块。采用图1所示的所述系统生产的褐煤压块如图10所显示。
基于第一原理、热干燥机供应商提供的干燥机性能数据和测试数据，能够估算通过除去作为液体的水与通过蒸发除去水相比所节省的能量。
在市售的热干燥机中蒸发水分所要求的能量包括：
1.将液态水蒸发为气态。
2.将空气、原料和原料中水分的温度提高到干燥条件。
3.补偿由于辐射和对流造成的热损失。
本发明实施方式在环境温度下除去作为液体的水所要求的能量小于通过热蒸发方法干燥相同的量所要求的能量的10%，且低至5%。本发明采用机械能除去水分，由此避免了上面所列的三个能量消耗因素。电动机驱动所述压实设备和除水装置。实验已经表明处理一短吨的原材料压实作用消耗约8kWh至约15kWh(27,300Btu至51,200Btu)。处理一短吨的原材料机械除水需要少于约3kWh(10,200Btu)。与热干燥方法不同，本发明所要求的全部能量是压实能和除水能的总和。所述总和范围为每短吨原材料约11kWh至约18kWh(37,500至61,400Btu)。表1中所列的性能表现数据可以用于评估本发明除去规定量的水所要求的全部能量。
在某些应用中，所述产品必须干燥到比仅仅通过本发明的所述机械方法可获得含水量更低。在这些情况下，所述原材料最初通过本发明所述机械方法处理以除去所述原材料中包含的一部分水。然后，所述部分干燥的产品送至常规的热干燥机，通过蒸发除去特定量的存留的水。所述机械处理和热处理的组合如图1所示。
表2显示了完全热干燥所需的能量与本发明的机械处理和热干燥的组合的评估，将它们用于处理包含约42wt%的水分的原木生物质，以生产包含约5wt%水分的干燥木质产品约2000磅。所述机械处理除去液态水以提供包含约26%水分的处理过的生物质（参考表1）。随后，将所述机械处理过的生物质供入较低生产能力的热干燥机，蒸发保留在所述处理过的材料表面的水。所列的值显示本发明将全部净能量消耗减少了约60%。如果所述原料或最终产品水分含量提高，会产生额外的好处。
表2热方法和本发明的机械处理生产2000lb产品所需的能量消耗
参数 热干燥 本发明的机械处理
原料水分，wt% 42 42
最终产品水分，wt% 5 5
原料重量，lb 3276 3276
产品重量，lb 2000 2000
通过压实除去的水，lb n/a 673
通过蒸发除去的水，lb 1276 603
全部能量需求，Btu 2040000 820000
实施例2
工业上需要压块以抵抗处理和储存过程中的破损。有时仅由低阶煤制成的压块易碎或缺乏强度，无法满足工业需求。在所述实施例中，制备由低阶煤和松木组成的混合物，并通过本发明进行处理。结果证实由所述混合物制成的压块的物理性能优于仅由低阶煤制成的压块
第一系列测试对包含不同比例的低阶煤和松木（生物质）的压块的压缩强度进行测量。将两种材料碾磨以通过约2.4mm的筛口。表3显示压缩强度随着所述生物质比例的增加而提高，所述压缩强度为承受重量而不破裂的能力的量度。观察得出的结论是生物质通过使所述压块具有轻微的柔韧性而提供了额外的强度，因此能够在负荷的情况下弯曲而不破裂。额外的强度来自于生物质的纤维结构。所述纤维在压实过程中密切地压入所述低阶煤粒子，并因此将所述混合物结合在一起。本发明所给予的巨大压力对于充分改变所述低阶煤粒子的形状以包围并结合所述生物质纤维来说是非常关键的。表3列出了低阶煤和生物质的各种混合物所形成压块的压缩强度。所述压块通过辊式压制机压实，所述辊式压制机以约28,000lbf/英寸辊宽度的闭合力运行。
表3不同比例生物质和低阶煤所形成压块的压缩强度
Figure BDA0000365829840000171
在商业应用中，对压块进行处理和储存是商业过程的一部分。将压块受力以将其破碎为小块并产生灰尘。理想的是将引起成本提高的破裂和灰尘最小化。工业上所认可的两种试验—下落粉碎试验(ASTM D-440)和转鼓试验(ASTM D-441)，显示了由于冲击而破裂和由于磨损而产生粉尘的相对趋势。这两个试验以尺寸稳定性系数报告了结果。值越高代表抵抗冲击和磨损的能力越强。
通过下落粉碎试验和转鼓试验对仅由低阶煤和生物质混合物形成的压块进行评价。结果显示在表4中。
表4低阶煤以及低阶煤与生物质混合物所形成压块的下落粉碎试验结果和转鼓试验结果
Figure BDA0000365829840000181
这些试验结果清楚地显示低阶煤和生物质混合物所形成的压块对由冲击造成的破裂和由磨损产生的粉尘更有抵抗性。
实施例3
存在动机减少由燃烧矿物燃料尤其是低阶煤所产生的温室气体（GHG）排放。政府机构包括美国EPA，公布了低阶煤（褐煤（lignite））的二氧化碳排放系数为4,600lb/st燃烧的褐煤。对于木材（用于本发明所述的实施例中的生物质类型），其排放系数为3,400lb/st燃烧的木材。由燃烧木材（可再生资源）产生的所述二氧化碳不认为是GHG。因此，对于由燃烧产生的任意给定的量的能量来说，由低阶煤和生物质混合物形成的压块具有产生更少GHG的优点。二氧化碳排放的减少量与包括在所述压块中生物质的量大概成比例。例如，如这些实施例所述形成的压块，包含约20wt%生物质，将减少GHG排放约20%。
为了示例和说明的目的，本发明提出了前述的实施例。此外，所述实施例不是要将本发明限制为这里所公开的形式。因此，与本发明说明书以及相关领域的技术和知识的教导相称的变化和改变，都落在本发明的范围之内。本申请提供的实施例中所描述的具体实施方式是要进一步解释实施本发明的已知的最佳方式，并使其他本领域技术人员以这样或其它的实施方式以及由本发明特别应用或使用所要求的各种变化来使用本发明。旨在构建所附的权利要求书以包括现有技术所允许的程度内的可替换的实施方式。

Claims (51)

1.一种减少生物质和含碳材料的干燥所消耗的能量的方法，所述方法包括：
a.制备原料以暴露其包含水分的结构；
b.压实所述制备的材料以形成压实材料，并且
c.将在压实过程中挤出的液态水与所述压实材料分离，以形成干燥的压实材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述原料选自木质材料、草、农业植物、及残渣。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述原料选自烟煤、亚烟煤、褐煤、褐色煤、泥煤、和筛分或重力分离方法生产的废煤材料。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述制备包括使用减少所述原料尺寸的装置，以最大化地将所述材料的多孔结构暴露至外表面，所述多孔结构包含表面水或内在水或结合水。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述压实包括使用产生足够的压力以改变和破坏所述材料结构的完整性的装置，以释放其中所包含的水。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述装置是双辊式压制机。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述产生的压力为至少5000lb/in2。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述分离包括使用振动筛分机，将作为底流的液态水与作为溢流的除水后的压实材料分离。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述分离包括使用带式压滤机，将作为滤液的液态水与作为滤饼的除水后的压实材料分离。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述分离包括离心所述压实材料，将作为流出液的液态水与作为产品的除水后的压实材料分离。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述分离包括通过盘式过滤机真空处理所述压实材料，将作为滤液的液态水与作为滤饼的除水后的压实材料分离。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述原料包括生物质和含碳材料的混合物。
13.如权利要求13所述的方法，其中所述混合物在一个单独的装置中制备。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述生物质和所述含碳材料分开制备。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述生物质和所述含碳材料分开地被压实并与液态水分离。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述生物质和所述含碳材料作为混合物被压实并分离。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述压实在约0℃至约50℃的温度下进行。
18.如权利要求1所述的方法，进一步包括在低温下对所述干燥的压实材料进行热干燥以形成低水分的压实材料。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括对所述低水分压实材料进行压块。
20.一种生物质压实材料，其水分含量为约7wt%至约17wt%。
21.如权利要求20所述的压实材料，其中所述压实材料选自褐色煤、褐煤、亚烟煤、废煤及其混合物。
22.如权利要求20所述的压实材料，其中所述压实材料的水分含量为约8wt%至约15wt%。
23.如权利要求20所述的压实材料，其中所述压实材料的水分含量为约12wt%。
24.如权利要求20所述的压实材料，其中所述压实材料被进一步处理为具体形状。
25.如权利要求20所述的压实材料，其中所述压实材料为卵形压块，其具有至少约6mm且小于约100mm的较小尺寸。
26.如权利要求25所述的压实材料，其中所述压块具有约50mm的较小尺寸。
27.如权利要求24所述的压实材料，其中成形产品的孔隙空间为约12vol.%至约60vol.%。
28.如权利要求24所述的压实材料，其中成形产品的孔隙空间为约30vol.%。
29.如权利要求24所述的压实材料，其中成形产品的压缩强度为约100psi至约2000psi。
30.如权利要求24所述的压实材料，其中成形产品的压缩强度为约800psi。
31.处理为成形产品的生物质压实材料，其中所述具体的成形产品的孔隙空间为约12vol.%至约60vol.%。
32.如权利要求31所述的压实材料，其中所述成形产品是卵形压块，其具有至少约6mm且小于约100mm的较小尺寸。
33.如权利要求32所述的压实材料，其中所述压块的较小尺寸为约50mm。
34.如权利要求31所述的压实材料，其中所述成形产品的孔隙空间为约30vol.%。
35.如权利要求31所述的压实材料，其中所述成形产品压缩强度为约100psi至约2000psi。
36.如权利要求35所述的压实材料，其中所述成形产品压缩强度为约800psi。
37.如权利要求31所述的压实材料，其中所述成形产品水分含量为约7wt%至约17wt%。
38.如权利要求37所述的压实材料，其中所述压实材料的水分含量为约8wt%至约15wt%。
39.如权利要求37所述的压实材料，其中所述成形产品的水分含量为约12wt%。
40.如权利要求31所述的压实材料，其中所述压实材料选自褐色煤、褐煤、亚烟煤、废煤及其混合物。
41.处理为成形产品的生物质压实材料，其中所述具体的成形产品的压缩强度为约100psi至约2000psi。
42.如权利要求41所述的压实材料，其中所述成形产品压缩强度为约800psi。
43.如权利要求41所述的压实材料，其中所述成形产品的孔隙空间为约12vol.%至约60vol.%。
44.如权利要求43所述的压实材料，其中所述成形产品的孔隙空间为约30vol.%。
45.如权利要求41所述的压实材料，其中所述成形产品是卵形压块，其具有至少约6mm且小于约100mm的较小尺寸。
46.如权利要求41所述的压实材料，其中所述压块的较小尺寸为约50mm。
47.如权利要求41所述的压实材料，其中所述成形产品水分含量为约7wt%至约17wt%。
48.如权利要求41所述的压实材料，所述成形产品的水分含量为约8wt%至约15wt%。
49.如权利要求41所述的压实材料，其中所述成形产品的水分含量为约12wt%。
50.如权利要求41所述的压实材料，其中所述压实材料选自褐色煤、褐煤、亚烟煤、废煤及其混合物。
51.一种形成包含生物质和含碳材料的压块的方法，所述方法包括：
a.按尺寸制备包括生物质的第一原料流至一定尺寸，所述尺寸最大化暴露所述生物质的多孔结构；
b.在辊式压制机中压实所述按尺寸制备后的第一原料流，以破裂和压垮所述第一原料的多孔结构并挤出保持在所述第一原料流材料的孔中的水分；
c.粉碎包括开采的或回收的含碳材料的第二原料流；
d.在辊式压制机中压实所述第二原料流；
e.将所述压实的第一原料流与所述压实的第二原料流合并，以形成合并的材料流；且
f.对所述合并的材料流进行压块，以形成包括处理并干燥过的生物质和含碳材料的压块。
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