CN105164236A - 复合碳质燃料块 - Google Patents

Abstract

本公开提供了碳块，其包括块体，所述块体具有部分或完全碳质生物质组合物和粘合添加剂。粘合添加剂包括淀粉和氢氧化物。碳质材料的多孔性提供了用于营养保留的手段或过滤手段。通过化学或热反应从热解木材/坚果活化碳。还提供了加工碳块的方法，其包括组合可燃生物质材料的组合物、干燥所述组合物、加入粘合添加剂、加入任意其他的添加剂，例如二氧化硅和有益细菌。将该复合生物质加工成形，然后将其分割成各个与现存的处理方法相容的块。在一种形式中，加工在约500℃下形成使得形成生物碳，而在高于518℃-572℃下加工并后续活化形成碳。

Description

复合碳质燃料块

本公开通常涉及来自生物质来源的生物碳(bio-char)和碳及其加工方法。本公开还涉及碳源，和特别是不取决于煤焦油且降低“温室气体”二氧化碳排放进入大气的来源。最后，本公开涉及将碳质生物质加工成生物碳或碳的制备方法。

多数用于过滤应用制备的碳由煤焦油制备。木材由于铁含量不用于含水过滤应用中。现在强调可再生能源，本领域做了很多努力以得到所谓“生物质”材料，其中组合并加工坚果外壳和废弃物的生物碳和碳组合物以得到能源取代例如煤或与例如煤组合。生物碳可以减少二氧化碳。在约500℃下通过低温碳化(术语“热解”或“低温焙烧”)由任何生物质来源制备生物碳，而通过在高于518-572℃下热解或高温焙烧并后续活化制备碳。

由于现在强调绿色来源，本领域已经做出努力以得到所谓“生物质”材料，其中组合并加工废弃物(例如木片或锯屑)的可燃组合物以及某些添加剂以得到可以取代煤焦油的碳源。这些设备使用压缩以迫使木粒通过金属压型或金属模具。在一些机器中，通过活塞作用不连续地施加压力在挤压为圆柱形的材料上。该设备可具有机械轴节和飞轮或使用液压作用于活塞。

已知的生物质材料包括组分材料的天然的木质素以在制备过程期间将材料粘合在一起，以得到可燃物质。天然的木质素，例如来自不同的木材来源，是得自主要由4-羟基苯丙素的氧化偶合产生的复杂天然聚合物。另外，其他材料(例如热塑性树脂)加入到制造过程中以将成分材料粘合在一起。

然而，碳化这些天然木质素与热塑性树脂产生无法耐受运输或其他加工操作(尤其是使用例如如上所述那些已知的制备技术)的小球。结果是，各种生物质形式在制备和下游处理期间经历缓慢的破碎和粉尘产生。显著量的粉尘可变成爆炸性因素，且因此本领域目前的粘结剂可最终导致安全毒性。作为已知粘合剂的另外缺点，由于不规则的长度和高低不平的切割，产品均一性是一个问题，这进一步使粉尘问题加重。由于还有其它材料，如柳枝稷、森林凋落物、废纸、甘蔗废弃物等，产品质量降低，粉尘问题往往变得更严重。此外，一些已知的粘合剂在燃烧过程中产生对环境不友好的气体，而且事实上，一些粘合剂在燃烧过程期间不完全燃烧。因此，目前的制造工艺，以及其中所用的材料，得到的生物质形式是不耐受的且在其制造和下游处理中导致问题。

发明概述

在本公开的一种形式中，提供包含块体(body)的碳块(carbonaceouscompact)，所述块体具有可燃生物质组合物和粘合添加剂，其中粘合添加剂包含淀粉和氢氧化物。

在另一种形式中，提供包含生物质组合物和粘合添加剂的碳块。粘合添加剂包含淀粉和氢氧化物的至少一种。

这些碳块的变体中，氢氧化物选自碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锂和苛性钠。其它的添加剂还可包括硅酸盐添加剂(其可为液体或粉末形式)和有益细菌。低温的生物炭不能使用草(其是高纤维素材料)。此外，本公开的教导还提供了对于碳块的不同的形状和组成。

根据本公开的另一方面，提供了加工生物质碳块的方法，其包括组合生物质材料的组合物，粉碎生物质材料的组合物，向生物质材料加入粘合剂以形成复合生物质，所述粘合剂包含淀粉和氢氧化物，使得复合生物质成型。

在另一种形式中，提供了加工生物质碳块的方法，其包括组合生物质材料的组合物，向生物质材料加入粘合剂以形成复合生物质，所述粘合剂包含淀粉和氢氧化物，使复合生物质成型为碳型(carbonaceousshapeform)。

在又另一种形式中，提供了加工生物质碳块的方法，其包括组合生物质材料的组合物，粉碎生物质材料的组合物，干燥经粉碎的生物质材料的组合物，进行部分或完全热解或焙烧，向生物质材料加入粘合剂，所述粘合剂包含淀粉和氢氧化物，向生物质材料的组合物加入硅酸盐，加入有利细菌以形成复合生物质，使复合生物质成型，且分割复合生物质型为与现存的材料处理相容的各块。加工在较低的温度下进行使得生物质材料和粘合剂的吸热反应在之后的活化的放热范围中。

从本文提供的说明，其余领域的应用变得明显。应理解说明书和具体实施例目的仅在于示意而不在于限制本公开的范围。

附图说明

为了使发明便于理解，现以实施例方式描述其不同形式，下列附图作为参照，其中：

图1是根据本公开的原理构造的碳块的块体的不同几何形式的透视图；

图2A是根据本公开的原理的用于碳块的块体的替换形式的透视图；

图2B是根据本公开的原理的图2A的碳块的块体的替换形式的前视图；

图2C是根据本公开的原理的图2A的碳块的块体的替换形式的侧视图；

图3是示意了根据本公开的教导的制备过程的不同步骤和形式的流程图。

本文所述附图仅仅为了示意目的且不意在以任何形式限制本公开的范围。

具体实施方式

以下描述仅仅是示例性地，且不意在限制本公开、应用或用途。应理解整个说明书中，相应的附图标记指示相似的或相应的组件和元素。

根据本公开的原理，提供包含块体的碳块，所述块体可以是任意形状或形式，例如如图1所示的示例性的形式。如所示，块体10可是小球(pellet)、团块(briquette)或冰球(puck)的形式。小球可以定义为具有约4.0-7.6毫米量级的尺寸。供选择地，通常的团块可以各具有约101.6mm(4英寸)和76.2mm(3英寸)的长度和宽度。供选择地，冰球可具有约25.4mm(1英寸)和100.8mm(4英寸)之间的直径。应理解这些几何形式仅仅是示意性地，且因此它们不应解释为限制本公开的范围。

块体10包含碳质生物质组合物，所述碳质生物质组合物可基本上为任意生物质材料或生物质材料的组合，和/或它们的使用废弃物。通过举例，这些材料可以包括锯屑、纸箱板和硬纸板、草、柳枝稷、能源作物、干草、树皮、枫香种子豆荚、松果、新闻用纸、小麦秸秆、浮萍、松针、混合叶片、庭院垃圾、农业废弃物、废棉、葡萄及葡萄酒废弃物、玉米秸秆、农作物秸秆、泥炭、烟草废弃物、茶叶废弃物、咖啡废弃物、食物加工废弃物、食物包装废弃物、果仁和果壳、栗子壳、山胡桃壳、废纸、草垫子、蛋品包装纸壳、动物废弃物、家畜粪便、哺乳动物粪便和骨头。

有利地是，碳块由于本发明的粘合添加剂是高度耐受的。一般来说，碳块使用制造自淀粉的SteinHall型粘合剂，或其他合适的材料以替代如上所示的天然木质素。在SteinHall粘合剂中，约5％-20％的总淀粉含量胶化为高粘度的糊(称为初生淀粉(primarystarch))。淀粉的剩余部分(约80％-90％)保持未胶化且称为次生淀粉(secondarystarch)。所述淀粉可为由小麦、燕麦、米、谷物、麦麸、小麦废弃物甚至木材等等制成，但是含有胶化组分，其在实质干燥时会紧密结合生物质组合物。

此外，粘合添加剂包含氢氧化物。所述氢氧化物可以是例如碱金属氢氧化物，碱土金属氢氧化物、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锂和苛性钠等等。淀粉和氢氧化物的协同组合提供了高耐受的碳块，其中可以使用任意数目的组成生物质材料，而不依靠任意天然木质素或其他不需要的粘合剂。

在一种形式中，提供新的粘合剂以粘合组成生物质组合物并也形成围绕燃料块的外部的基本连续壳。带有该壳，根据本公开的碳块是高度耐受的，且显著降低了如上所示的与生物质组合物相关联的传统的粉尘问题。

在本公开的示例性组合物中，碳块包含，以重量百分比计，约69-98％的生物质组合物，约1-30％的淀粉和小于1％的氢氧化物。另一种组成是约90-95％的碳质生物质和约5-10％的本发明的粘合添加剂。

更进一步，本公开还提供了添加剂，其可包括，例如硅酸盐添加剂(其可为液体或粉末形式)。包括硅酸盐添加剂以提供增加的耐天气性和碳质生物质颗粒的氢键。所述硅酸盐可以以本公开的一种形式包括钠、钾或锂或这三者的混合物。可以添加细菌。细菌用于接种从空气中减少氮气的作物。细菌“黑曲霉(AspergillusNiger)”或“丛枝菌根真菌(arbuscularmycorrhizalfungi)”分解生物质为元素产物释放用于植物摄入钙(Ca)、镁(Mg)、磷(P)和钾(K)的矿物质。在另一种形式中，防腐剂可包括含有四硼酸钠或硼砂的化合物，浓度为约1-约5％，且更特别地，约1-约2％。此外，可以加入硅酸钠以改进防水性能。

粘合剂还可包括通过在土壤中吸收碳和氮获益的材料。当氢氧化钙用作氢氧化物源时，其可反应以形成硅酸钙，其清除来自燃料气体燃烧的空气排放中的二氧化硫和氮氧化物。当使用氢氧化锂时，其可反应并形成硅酸锂，其形成能够从生物过程吸收二氧化碳的沸石。

在另一示例性组合物中，碳块包含约50-90％的生物质，约5-50％的淀粉，约0.005-0.05％的氢氧化物，约0.1-5％的硅酸盐添加剂和约0.1-2％的细菌。根据本公开的教导的其他组成如下表1中所示，为根据本公开的教导，包含草、玉米秸秆或其混合物的一种生物质组合物的示例性目标值：

	生物质	淀粉	氢氧化物	硅酸盐
					范围	50-90％	5-50％	0.005-0.05％	0-5％
目标值	60	10	0.02	2.5

表一

现在参照附图2A-2C，示意了用于碳块的块体的一种新的形式且通常用附图标记20所示。通常，块体仿照玉米芯(其具有坚硬外壳)，是可运输地，且具有相对平坦的侧，以及有利的宽高比以针对处理和下游操作是高耐受的。

如所示，块体20有上部22，下部24和从上部22延伸至下部24的锥形侧壁26、28、30、32，其中上部22比下部24更宽。在一种形式中，块体20包含如所示的倒圆的棱边34以提供改进的耐受性。锥形侧壁26和28通常是如所示并行(parallel)和相对的，锥形壁30和32也是如此。锥形侧壁26、28、30和32的至少一个限定了本公开的一种形式的平坦表面。应理解这种形状，以及如前所示的小球、团块和冰球，仅仅是示例性地且不应构造为限制本公开的范围。

据此，本发明提供了可耐受的复合碳块，其减少了通常与已知生物质组合物关联的粉尘的量，且成本更低而效率更高。

根据美国农业和生物工程学会(AmericanSocietyofAgriculturalandBiologicalEngineeringASABE)S269.4,1991年12月(R2007)第5部分耐受性测试标准测试本文描述的复合碳块的不同形式。使用“GAMET”小球耐受性测试以在室温下以50rpm进行测试实验达10分钟。通过在测试之前和之后划分块的重量定义小球耐受性指数(PelletDurabilityIndex(PDI))。在测试后，筛分块且称量剩余的整块。起始重量标准化为500g。PDI等于测试后除以500乘以100得到的百分比。

生物碳肥料处理可实现可交易碳排放减少。根据本公开的教导制备的热解木颗粒是7.6mm小球的形式，PDI为98％，且混合3.175mm-0.127mm(0.125-0.005英寸)尺寸范围内的各颗粒。生物碳可减少二氧化碳。

根据本公开的另一方面，提供加工生物质碳块的方法，其包括组合可燃烧生物质材料的组合物，粉碎生物质材料的组合物，干燥经粉碎的生物质材料的组合物，和将粘合剂加入生物质材料，所述粘合剂包含淀粉和氢氧化物。还提供了其他添加剂，其包括硅酸盐和有益细菌。将复合生物质加工成型，且将所述形态分割成与现存处理方法相容的各块。在一种形式中，在约500℃下进行处理以形成生物碳，而在518℃-572℃以上处理并之后活化形成碳。

现在参考图3，显示了处理生物质碳块的加工步骤及其变体。应理解这些步骤可如所示按序进行，或以不同的次序进行。因此，所示的步骤的顺序不应解释为限制本公开的范围。在一种形式中，处理生物质碳块的方法包括组合生物质材料的组合物。这些生物质材料是基本上任何可燃材料或可燃材料的组合。例如，这些材料可包括锯屑、纸箱板和硬纸板、草、干草、树皮、枫香种子豆荚、松果、新闻用纸、小麦秸秆、浮萍、松针、混合叶片、庭院垃圾、农业废弃物、废棉、葡萄及葡萄酒的废弃物、玉米秸秆、农作物秸秆、泥炭、烟草废弃物、茶叶废弃物、咖啡废弃物、食物加工废弃物、食物包装废弃物、果仁和果壳、栗子壳、山胡桃壳、废纸、货板、蛋品包装纸壳等等。还可使用其他可燃材料，且因此这些生物质材料不应解释为限制本公开的范围。

再者，这些生物质材料可粉碎或压碎至与具体过程、以及其他添加剂和不同加工步骤相容的尺寸，如下更详细地所示。生物质材料的经粉碎的组合物可接着被干燥，或生物质材料的经粉碎的组合物可在进入成形步骤之前焙烧，又基于许多加工参数。例如，如果树或木产品用作生物质组合物的一部分，然后粉碎步骤会使这些材料至锯屑形式。可例如通过桶式碾磨机、卧式碾磨机、锤式粉碎机、磨机、或者磨碎机等等进行粉碎步骤。通过粉碎工序，每种生物质材料会具有不同的衍生的颗粒尺寸。通常，颗粒尺寸要求基于所需的吞吐率。在本公开的一种形式中，模腔/直径的约20-约40％，且更特别约30％，的颗粒尺寸用于制备所需的形态。这些颗粒尺寸促进流速而无过高的处理背压。

生物质材料在进入成型步骤之前干燥，约8％-约20％(且更特别约12％)的水分含量对于许多类型的生物质材料是典型的。在本公开的一种形式中，干燥通过以下方式进行：廉价的太阳能收集器槽浓缩太阳能并加热合适的热介质(例如油、防冻剂、水或者其混合物)用于将热能通过液体传送到空气热交换器。或者，可以单独使用热干燥或与燃气或电干燥过程组合使用热干燥。干燥设备也可以是传统的粮食干燥料斗、箱柜或筒仓，或更高吞吐量的卧式干燥器。更进一步地，热量可以通过被动的地面供暖系统传送。在另一种形式中，可以使用单个或多个干燥剂床以从干燥空气移除水分。应理解地是这些干燥方法仅仅是示例性地，且因此不应解释为限制本公开的范围。

本公开的有利的步骤涉及将粘合剂加入生物质材料，其中粘合剂包括淀粉和氢氧化物。可燃生物质组合物和粘合添加剂，以及其他添加剂的组合如本文中和以下所述。除了粘合剂，在制备过程中也提供其他添加剂。这些添加剂包括例如硅酸盐和有益细菌。

在引入添加剂之后或期间，使复合生物质成型。在本公开的一种形式中，成型步骤通过挤出步骤进行，其中通过挤出机、制粒机或制片机进行成型。其它制备方法也可以使用，包括但不限于压缩成型，柱塞成型和压模成型。因此，挤出步骤不应该被解释为限制本公开的范围。在本公开的一种所需形式中，在本发明公开的方法中，挤出机以每小时约500至约30,000磅预混合复合生物质碳块、挤出复合生物质碳块和将复合生物质碳块切割成一定长度。

在一种形式中，本发明的粘合剂在挤出机、制粒机或制片机的喉部加入。或者粘合剂在挤出机、制粒机或制片机的漏斗部分加入。在另一种形式中，粘合剂加入到挤出机、制粒机或制片机的模具部分，且构造为涂覆生物质材料的组合物的外表面区域。在处理步骤中，粘合剂可进一步分开，其中在成型之前淀粉与生物质组合物混合，且在成型期间加入氢氧化物。

随着活塞成型，在一种形式中，在活塞的填块(wad)之间加入粘合剂。或者，粘合剂在活塞输入处加入且构造为在出口模具处涂覆生物质材料的组合物的外表面区域。

进一步考虑到，机械压块过程，例如来自DipiuMacchineImpianti、BHSEnergyLLC、WyomingPA、Warren&Barrg,Duapi,CA或CaliforniaPelletMill,Indianopolis,IN的BrikSeries，还可根据本公开的教导使用。

复合生物质的形态可以是任何数量的几何构型，包括但不限于小球粒，团块，冰球，和玉米仁(cornkernel)构型。

复合生物质生产成型后，且被分割成各块。每块可为相同尺寸，或不同尺寸/长度。在一种形式中，各块与现有的材料处理相容。

在本公开的一种形式中，处理在较低温度下进行使得产生生物质材料和粘合剂的吸热反应。这些温度对于焙烧过程在约480℃至约500℃的范围内，且近似地，取决于所需的碳材料的类型为518℃-572℃。或者，可以在放热条件下进行该方法，之后活化。

应注意，本发明不限于如实施例所描述和显示的不同形式。已经描述大量的改进且更多的改进是本领域技术人员知道的。这些和其他改进以及技术等效手段的替换可以加入说明书和附图中，而不背离本公开和本发明的保护范围。

Claims (15)

1.碳块，其包含：

块体，其包含：

碳质生物质组合物；和

粘合添加剂，所述粘合添加剂包含：

淀粉；和

氢氧化物。

2.根据权利要求1所述的碳块，其中所述氢氧化物选自碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锂和苛性钠。

3.根据权利要求1所述的碳块，其进一步包含硅酸盐添加剂、粘性添加剂和有益细菌的至少一种。

4.根据权利要求1所述的碳块，其中所述生物质组合物选自锯屑、纸箱板和硬纸板、草、柳枝稷、能源作物、干草、树皮、枫香种子豆荚、松果、新闻用纸、小麦秸秆、浮萍、松针、混合叶片、庭院垃圾、农业废弃物、废棉、葡萄及葡萄酒的废弃物、玉米秸秆、农作物秸秆、泥炭、烟草废弃物、茶叶废弃物、咖啡废弃物、食物加工废弃物、食物包装废弃物、果仁和果壳、栗子壳、山胡桃壳、废纸、草垫子、蛋品包装纸壳、动物废弃物、家畜粪便、哺乳动物粪便和骨头。

5.根据权利要求1所述的碳块，其包含按重量百分比计：

69-98％的生物质组合物；

1-30％的淀粉；和

小于1％的氢氧化物。

6.根据权利要求1或3所述的碳块，其中所述块体具有上部、下部、和从上部延伸至下部的锥形壁，其中所述上部比所述下部宽。

7.根据权利要求6的所述的碳块，其中所述块体还包括倒圆的棱边。

8.根据权利要求1或3所述的碳块，其中所述块体包括并行的相对的侧壁和并行的相对的端壁，且至少一个侧壁限定了平面。

9.根据权利要求1、3、6或8所述的碳块，其中所述块体选自小球、团块和冰球。

10.碳块，其包含：

可燃生物质组合物；和

粘合添加剂，所述粘合添加剂包含淀粉和氢氧化物的至少一种。

11.根据权利要求10所述的碳块，其中所述氢氧化物选自碱金属氢氧化物，碱土金属氢氧化物，氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化钙，氢氧化锂和苛性钠。

12.根据权利要求10所述的碳块，其还包含硅酸盐添加剂和有益细菌的至少一种。

13.根据权利要求10所述的碳块，其中所述碳块包含，以重量百分比计：

90-95％的生物质；和

5-10％的粘合添加剂。

14.碳块，其包含：

块体，其包含：

可燃生物质组合物；

粘合添加剂，其包含：

淀粉；和

氢氧化物；

硅酸盐添加剂；和

有益细菌。

15.根据权利要求14所述的碳块，其中所述碳块包含，以重量百分比计：

50-95％的生物质；

5-50％的淀粉；

0.005-0.05％的氢氧化物；

0.1-5％的硅酸盐添加剂；和

0.1-2％的细菌。