CN1871190A - 将有机废物或低值材料转化为有用产物的方法和设备 - Google Patents

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威廉·F·兰格
詹姆斯·H·弗赖斯
克雷格·T·艾因菲尔特
迈克尔·C·卡尼西
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Abstract

本发明包括以可接收的成本和高能量效率将各种废物和低值原料，例如碎片、动物粪便、城市污水淤泥、轮胎和塑料转化为可靠纯度和组成的有用材料的多步方法和设备，而不产生恶臭排放，该有用材料包括气体、油、特殊化学品和碳固体。本发明还提供将有机液体转化为烃的混合物和碳固体的设备，包括从有机液体生成液体和气化油的混合物的加热器；将该混合物转化为碳固体和烃/气体混合物的反应器；接收碳固体的第一冷却器；和接收烃/气体混合物的第二冷却器。本发明还涉及从周围流体分离出尺寸为1微米的微粒的分离器，例如来自细菌的细胞碎片。

Description

将有机废物或低值材料转化为有用产物的方法和设备
要求优先权
本申请要求2003年3月28日申请的美国临时申请60/458,520和2003年11月18日申请的美国非临时申请10/717,076、10/716,837以及10/716,839的优先权，将其全部内容自此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及将废物或低值(low value)产品加工成有用原料。更具体地，本发明涉及将含有碳类化合物的农业或其它废物或低值材料转化为商业上有用的产物(例如燃油、肥料和特殊有机化学品(specialty organic chemicals))的方法和设备。本发明还涉及将有机材料转化为烃和碳固体。具体地，本发明涉及一种设备，其包括加热器、反应器、第一冷却器和第二冷却器，以及涉及使用该设备的方法。本发明还涉及使用分离器从流体悬浮液分离微粒，该分离器分离出尺寸为约1微米的微粒，例如来自周围液体的细菌的细胞碎片。
背景技术
早已认识到人类社会产生的许多废物产品可最终分解成具有其内在价值的少量简单有机材料。如果这种转变能以能量有效的方式以及足够大的规模进行，那么对于社会具有非常大的好处。
家庭和商业应用中使用的大部分生活材料以及大部分合成有机物质包括各种组成的碳类聚合物。在适当的条件下，这种材料(包括木材、煤、塑料、轮胎和动物废物)中的大部分会分解成气态产物、油和碳的混合物。例如农业废物产品的材料也含有分解成矿物产品的无机物质。不论是有机物或无机物，几乎所有这些产品可以在大量优势和通常的有利应用中获得新生。
不仅仅是从无用的废物中产生有用材料的原理是吸引人的：废料的循环对于人口膨胀应对21世纪的主要挑战的方法是非常重要的。人类面对的两种基本挑战是应对材料和能量的有限供应，和应对减少全球变暖对环境的日益增长的威胁。实际上，快速获得流行的创意是回收来自生物圈内的碳类材料而不是从地下石油、天然气和煤储藏中开发新的碳源，这能够减轻全球变暖。
然而，迄今为止，生成主要包括有机材料的大量废物产品的工业在处理和储存废物以及将其用于最大有利用途中面临挑战。
例如，世界范围内的食品加工工业每年产生几十亿磅的富含有机物的废物。这些废物与加工动物和植物产品有关，并且包括加工和繁殖火鸡、鱼、鸡、猪和牛产生的废物。食品加工工业继续增长，并且其成员面对显著的经济和环境压力来用它们的废物制备一些能生产的物品。这些废物产品带来了大量关键问题。问题之一是温室气体的产生如二氧化碳和甲烷的产生，温室气体是通过掩埋、土地存放(land applying)或消化食品废物而产生，而没有任何益处。理想地，食品工业必须采用有效和经济的方法管理它们的废物而不是排放有味或令人讨厌的污染物。
今年来，大面积储存无用副产物的成本显著增加。随着能够供应给农业牲畜的废物产品的类型日益受到限制。例如，随着在欧洲的BSE/CJD恐慌，许多废物产品被简单地储存起来，最终的适当命运是未知的。显然，另一迫切的需要是找到可接收的方式来清洁加工和利用这些材料。优选地，需要发现将食品加工废物转化为有用的高值产物的手段。
寻求处理手段的其它驱动力是废水排放法规的实行和污水附加费的扩大的结合。食品加工工业必须寻求经济有效的技术以对它们的废水和固体(湿态)废物提供预处理或完全处理。历史上，位于或邻近大城市的食品加工厂依赖地方公共拥有的处理工程(POTWs)，对废水进行处理和处置。这种选择越来越难以获得，这是因为更严格的执法。应付废水排放许可的压力增加了。对建造新的和升级POTWs的联邦经费的缩减也意味着这种选择不再吸引人。因此，食品加工工业对于如何有效处理其无用产品的压力日益增加。
永久化学品，例如二恶英(dioxin)的生物体内累积和扩散危害生命的疾病例如疯牛病(BSE)的潜在可能性是对食品加工者和食品消费者的另一威胁。对农场动物喂食食品加工残渣使得这种威胁更加明显加大。食品加工者需要经济的方法以阻断这种循环。
此外，城市和地方污水法规要求这些工业降低它们在污水中的有机生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)和固体承载(solid loading)。由于高BOD浓度通常在高强度食品加工废水中发现，该废水中具有高水平的悬浮固体、氨和蛋白质化合物，食品加工工业受到另外的监视。食品加工厂需要成本有效和应用-特定处理(application-specific treatment)技术以有效地管理它们的废水和固体废物。
在其它工业中以不同方式产生、扩大和增强了相似的问题。例如，其中一个问题是产生与炼制植物有关的恶臭气体排放，炼制植物将动物废物通过加热转化为脂肪和蛋白质。另一问题是含有高浓度病原体的多种生物固体的土地存放。
已经开发了各种方法以将用过的废轮胎(来自卡车和乘用车辆)加工成为有用的产物，包括燃料、石油、碳、燃气和生成轮胎及其它橡胶产物的原料。通常，这些方案涉及在溶剂中加热和溶解轮胎。某些方案试图使轮胎橡胶脱硫，即使沿长度方向连接组成聚合物的硫键断裂。其它方案尝试使橡胶材料解聚。解聚将长链聚合物断裂成更易流动的短链聚合物，所以能够更容易地用作产物，例如燃油。某些方案涉及在接近或高于水临界点(约3,200psi和约370℃)的条件下使用水，其中水是非常好的溶剂用于和与橡胶材料反应。然而，该方案能量效率低，因为需要能量达到超临界条件。此外，在超临界条件下处理还需要高温合金操作装置。
已经研究过大量有机材料用于溶解轮胎材料以形成重油或脱硫橡胶产品。一般地，在适中条件下操作(小于200psi)的现存方案产生重质受污染产物，而使用较轻溶剂的那些产生更好的产物，但是必须使用昂贵的溶剂或者需要高压(＞2,000psi)或二者都需要。另外，使用溶剂溶解轮胎材料的大部分方案是不经济的，因为在加工过程中损失了一部分溶剂，并且存在与补充溶剂相关的成本，即使在可以进行回收溶剂和再利用的情况下也是如此。
已经在污水处理厂中使用需氧和厌氧消化者(digesters)以处理城市污水淤泥(municipal sewage sludge)。有许多与使用消化者有关的问题。操作它们的主要问题是富含生物质的材料输送了含有消化生物材料的大容器中。通常，将溶解的固体输送给需氧消化者，而将悬浮的固体输送给厌氧消化者。当营养性原料耗尽时，这些细菌不能再维持它们自己，因此死掉了。消化期间的最终产物是含有死掉的细菌的淤泥，必须以某种方式处理它们。与所得材料有关的一个问题是其仍然含有病原体。通常，与整个工艺有关的问题是在消化者容器中的保留时间可以长达17天，而且操作条件难以保持。例如，通过将相对大的容器(通常直径为20至30英尺)保持在85以上，有时在122以上。
目前工业(特别是食品加工工业)可以利用的所有处置技术具有显著的限制和缺点，这提供了寻求替代工艺的动力。这适用于除使用现有POTWs以外的技术。具体地，有四种方案，土地处置(地下掩埋、堆制积肥、土地存放)、生物处理、常规的热氧化处理(例如焚烧/燃烧)和热解/气化，所有这些都具有各自的缺点。
土地处置的缺点包括：托运或运输费用高、沥滤地下水污染物的潜在可能高和区域居民暴露于高浓度有毒污染物(例如在土地存放情况下的病原体)。地下掩埋产生能够导致空气污染的气体，包括产生温室气体。
生物处理废物的缺点包括难以控制和不能检验效果，因为难以充分检验浸入土壤的气流。如果使用需氧细菌必须保留气流以便提供氧气。例如，开发用于消耗特定化合物的细菌当放置在土壤中会活化其它酶系统以消耗最先获得的化合物。
进行焚烧或燃烧的较古老装置的缺点包括需要添加满足政府不断要求的更严格的空气污染排放标准的装置。由于重要的团体关注焚烧，与或其其它技术相比，也有可能需要更长的时间以获得焚烧的空气排放许可。而且，在排气中处理废物意味着处理大量气态，以致于需要非常大的工厂设备。原料也是低热值的。某些焚化炉与固体燃料或固体废物不相容，因为这些材料在炉中氧化得太高。相反地，原料中得高水含量也是有问题的，因为在焚烧或燃烧过程中，水挥发并除去-水挥发需要大约1,000Btu/lb的过程。这表示系统极大的热量/能量损失。
使用的最后一类技术-热解/气化-是吸引人的，因为与其它提及的技术不同，它试图将废物转化为可用材料，例如油和碳。当寻求分解废物产品的最佳途径所主要关注的是如何调节所得材料的组成同时使分解所需能量最小化。过去，使用的主要热解和气化法企图在一步法(single step process)中分解废物产品，但是发现一步法不能充分控制最终产品的纯度和组成。
使用裂解器将有机材料分解为气体、油和焦油和含碳材料。裂解器能够加热有机材料至高温约400至500℃，但是能量效率低并且对于所得材料组成控制不足。特别是，大部分废物产品-尤其是来自农业的产品-含有高达50％的水。裂解器需要煮去水，该工艺非常需要能量。此外，为了使生产量最大，但是使得热解室产生明显的温度梯度。因此热解工艺涉及废物产品的不均匀加热并导致所得最终产品中品质低劣或不纯的焦油和油。
已经使用气化器对废物产品进行部分燃烧。实际上，气体-通常是空气、氧气或蒸汽-以足以氧化全部可燃材料的量流经废物产品。因此，产生了一些燃烧产物例如CO2、H2O、CO、H2和轻质烃，并且产生的热量将残余的废物产品转化为油、气体和含碳材料。产生的气体会含有某些输入气体(inputgas)，但是生产的任何气体都是体积太大而不能储存，并且必须立即使用或送到可以利用他们的场合。气化器还有一些与裂解器相同的缺点：例如含水废物产物在蒸发含有的水时会消耗大量能量。
热解和气化法都还有以下问题，即所得材料含有不可接收量的杂质。特别是废物产品中的含硫或含氯的材料分别在所得最终产品中产生含硫化合物(例如，硫醇)和有机氯化物。通常，在烃油中氯化烃含量为1至2ppm是可以承受的，但是气化或热解法都不能以任何可靠性确保如此低的含量。
此外，热解和气化法效率低，通常为约30％。其原因之一是产物在热含量方面都不是最优化的。另一原因是在一步法中，不能以容易使其能量在该工艺中再利用的方式制备该材料。例如，难以获得产生的固体产物中的热能，并重新供应热量以有助于加热反应容器。
总之，那么，热解/气化法都以某些方式受限制。油产品通常富含不需要的高粘度成分，例如焦油和沥青。热解和气化工艺的传热性能低并因此不能均匀加热。因此，对于经济回收而言，最终产品的数量变化很大，而没有足够的品质或质量。湿原料需要非常大的能量来挥发，并表现出非常大的系统能量损失，因为原料中水以气态离开。因此，总体而言，热解/气化的缺点是总操作成本高，该工艺是资本密集的并且某些副产物具有有限的价值或没有价值。
尽管热解和气化法存在多种变化形式，所有这些变化形式都具有大致相似的缺点，近来的进步之一使得加工效率显著增加。例如美国专利5,269,947、5,360,553和5,543,061公开了用两步工艺代替现有技术方法的一步法的系统。在第一阶段中(通常称作″湿″阶段)，在大约200至250℃和约20至120个大气压下对废物产品进行加热。在优选实施方式中，废物产品受到约50个大气压的压力。在该条件下，废物材料中的水水解多种生物高分子，例如脂肪和蛋白质，这些生物高分子可能存在形成油混合物。在第二阶段中(也称作″干″阶段)，将混合物闪降到低压，在闪降(flash down)期间，大约一半水以蒸汽形式排出系统。继续加热混合物以蒸发残余的水同时将混合物最终分解成气体产物、油和碳。
与先前的任何一步法相比，这些两步法的主要优势是能够形成高品质和更有用的油混合物。然而，该方法的产物仍然遭受来自例如含硫和含氯化合物的材料的污染，并且对蒸发绝大部分水的需要仍然需要耗费大量的能量。因此，现有的两步法难以经济可行地进行。
由此，需要加工废物和低值产物的方法，以可接收的资金和操作成本制备可靠纯度和组成的有用材料。
发明内容
本发明在于以可接收的成本和高能量效率加工废物和低值产物，以生成可靠纯度和组成的有用材料而不发出恶臭。具体地，本发明包括将不具有商业价值或用途的各种原料转化为有用材料的多步法，该有用材料包括气体、油、特殊化学品(例如脂肪酸)、肥料和碳固体。本发明还包括进行将废物产品转化为有用材料和至少一种来自该方法的油产物的多步法的设备。本发明的设备和方法特别适用于加工有机和无机废物，包括来自家禽(例如火鸡、小鸡、鸵鸟)、牛、猪、鱼的内脏，和其它废物产品，例如动物粪便、油脂、植物油和城市污水淤泥，以及轮胎和塑料。
总体而言，根据本发明的方法使适当生成的原料经受热和压力，分离出所得进料的各种成分，然后对这些成分中的一种或多种进一步施加热和压力。在本发明的方法中的不同点生成的各种材料可以循环并用于在本发明的方法中起其它作用。
本发明包括将原料转化为至少一种有用材料的方法，包括：从原料制备淤浆；在第一反应中反应淤浆以生成反应进料，该反应进料包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物和水；从反应进料分离至少一种反应固体产物、水和至少一种反应液体产物；和在第二反应中将至少一种反应液体产物转化为至少一种有用材料。
本发明还包括将原料转化为至少一种有用材料的设备，包括：预处理单元，其被设计成从原料制备加热淤浆；第一阶段反应器，其与容器相通以接收加热淤浆，该反应器被设计成使加热淤浆受到第一高温和第一高压，以生成包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物和水的反应进料；至少一个分离单元，其与第一阶段反应器相通，以接收所述至少一种固体产物、至少一种液体产物和水，该分离单元被设计成分离出所述至少一种反应固体产物、水和至少一种反应液体产物；和第三阶段反应器，其与分离单元相通以接收所述至少一种反应液体产物，其被设计成使至少一种反应液体产物经受第二高压和第二高温，由此将所述至少一种反应液体产物转化为至少一种有用材料。在优选实施方式中，预处理单元包括准备单元，该准备单元包括：从原料制备原料淤浆的淤浆化装置；容器，其与原料制备单元相通以从原料制备单元接收原料淤浆，和其它装置，例如泵和换热器，该泵和换热器被设计成分别对制备的淤浆加压和加热。
本发明还包括将原料转化为至少一种有用材料的方法，包括：从原料制备淤浆；使淤浆经过换热器，其中排去一种或多种气体，以生产调节淤浆(conditioned slurry)；在第一反应中反应调节淤浆，其中释放蒸汽和气体，以生成反应进料，包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物和水，其中反应固体产物包括至少一种矿物；降低反应进料的温度和压力，以生成中间进料；从中间进料分离至少一种矿物，由此生成包括至少一种反应液体产物和水的混合物；输送所述水以储存；使所述至少一种反应液体产物进行第二反应，其中生成碳固体和烃蒸汽和气体的混合物。
本发明还包括将轮胎转化为油的方法，包括：在溶剂中溶解轮胎；从轮胎制备淤浆；在第一反应中反应淤浆和水，以制备包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物的反应进料；从所述反应进料分离所述至少一种反应固体产物、所述水和所述至少一种反应液体产物；在第二反应中将所述至少一种反应液体产物转化为油。
本发明还包括将混合塑料转化为至少一种有用材料的方法，包括：从混合塑料制备淤浆；在第一反应中反应水和淤浆水以生成包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物的反应进料；从所述反应进料分离所述至少一种反应固体产物、所述水和所述至少一种反应液体产物；在第二反应中将所述至少一种反应液体产物转化为至少一种有用材料。
本发明还包括将城市污水淤泥转化为至少一种有用材料的方法，包括：从城市污水淤泥制备淤浆；在第一反应中反应淤浆以生成包括至少一种反应固体产物和至少一种反应液体产物和水的反应进料；从所述反应进料分离所述至少一种反应固体产物、所述水和所述至少一种反应液体产物；将所述至少一种反应液体产物转化为至少一种有用材料；和在第二反应中，将所述至少一种固体产物转化为烃油和燃料气的混合物以及矿物和碳的混合物。
本发明还包括将火鸡内脏转化为至少一种有用材料的方法，包括：从火鸡内脏制备淤浆；在第一反应中反应淤浆以生成包括至少一种反应固体产物、和至少一种反应液体产物和水的反应进料；从反应进料分离至少一种反应固体产物、水和至少一种反应液体产物；和在第二反应中将至少一种反应液体产物转化为烃油、燃料气和碳的混合物。
本发明还包括通过下面的方法生成的燃油，其中该方法包括：从含碳原料制备淤浆；在第一反应中反应淤浆以生成包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物和水的反应进料；从所述反应进料分离所述至少一种反应固体产物、所述水和所述至少一种反应液体产物；在第二反应中将所述至少一种反应液体产物转化为燃油。
本发明另外提供将有机液体转化为烃的混合物和碳固体的装置，包括：容器，该容器被设计成接收和加热有机液体，以生成液体和挥发油的混合物；反应器，该反应器被设计成接收和转化液体和挥发油的混合物为碳固体和烃和气体的混合物；接纳碳固体的第一冷却器；和接纳烃和气体的混合物的第二冷却器。
本发明还包括一种设备，包括：加热容器，具有出口和入口；具有入口和出口的第一加热取样钻，其被设计成定型该入口和出口以使高压施加到第一取样钻，第一取样钻入口与容器出口相通；与第一取样钻出口相通的流体-固体分离器，该分离器具有用于液体和气体的第一出口和用于固体的第二出口；和与固体相通的第二取样钻，配备用于冷却固体的第二取样钻。
本发明还包括将有机液体转化为烃的混合物和碳固体的方法，包括：加热有机液体以生成液体和挥发油的混合物；将液体和挥发油的混合物转化为碳固体和烃和气体的混合物；和从烃和气体的混合物分离碳固体。
本发明的方法和设备可用于以可靠的纯度和组成、可接收的成本和高能量效率加工废物和低值产物以生成有用材料而不发出恶臭。特别是，发明的设备和方法可以以多步法使用，将各种没有商业价值或用途的原料转化为有用材料包括气体、油、特殊化学品(例如脂肪酸)、肥料和碳固体。
本发明的设备和方法特别可用于加工有机和无机废物，包括来自家禽(例如火鸡、小鸡、鸵鸟)、牛、猪、鱼的内脏，和其它废物产品例如动物粪便、油脂、植物油和城市污水淤泥，以及轮胎和塑料。
本发明也包括从悬浮体形式的流体分离微粒的设备，包括：限定截头圆锥型内室的外壳，具有内壁、入口和与该室相通的第一出口和第二出口；和安装在该室内的具有中空内部的旋转组合体(spinning assembly)，成型该该组合体以与室内壁限定环形间隙，该中空内部与第二出口相通，和与该中空内部相通的环形间隙以便随旋转组合体的旋转，使流体材料从间隙流到该中空内部和流出第二出口。在分离微粒的设备的实施方式中，旋转组合体还包括：限定主轴入口和主轴出口的中空主轴(spindle)，该主轴出口与外壳第二出口相通；和安装在中空主轴上的锥形多孔圆筒壁，以限定中空内部，该中空内部通过主轴入口与中空主轴相通。
本发明还包括从悬浮体形式的流体分离微粒的设备，包括：具有内表面的外罩；布置在外罩中的锥形圆筒，该圆筒具有纵轴、锥角并具有带有内表面的多孔壁，该多孔壁被设计成在外表面和所述外周的内壁形成环形间隙，所述锥形圆筒同轴安装在中空主轴中，以便可以引起其绕其纵轴旋转；入口，用于以一定流速将悬浮体导入环形间隙；外罩中的第一出口，用于在圆筒旋转时使得分离的微粒从该设备中释放出来；和中空主轴中的第二出口，用于在圆筒旋转时使流经多孔壁的流体从该设备中排出。
本发明的分离器可用于以可靠的纯度和组成、可接收的成本和高能量效率加工废物和低值产物以生成有用材料而不发出恶臭。本发明的分离器特别适应于制备用于以多步法加工的有机和无机废物，例如城市污水淤泥，其将该淤泥转化为有用材料，包括气体、油、特殊化学品(例如脂肪酸)、肥料和碳固体。
附图简述
图1显示本发明总方法的流程图；
图2显示进行本发明的方法的设备；
图3显示本发明方法的制备和第一阶段反应的流程图；
图4显示本发明方法的第二(分离)阶段的流程图；
图5显示本发明方法的第三阶段反应的流程图；
图6显示进行本发明的方法的第三阶段的设备；
图7显示从流体分离细悬浮固体的设备；和
图8A和8B分别显示根据本发明的方法使用第三阶段反应器和冷却器/冷凝器。
发明详述
本发明的方法涉及从社会或者从常规国内实践或者从商业操作等产生的低值或废物产品生成一种或多种有用材料。通常，本发明的方法应用于废物产品或其它低值产物，例如主要含有有机材料的油脂。然而，本发明可以应用于将其它产物(通常不认为是低值的)转化为高值产物。
有机材料是本领域普通技术人员通常理解的材料。特别是，对于用于本发明而言，有机材料是其构成元素包括碳并结合有一种或多种其它元素的材料，其它元素例如氢、氧、氮、硫和磷和卤素元素，特别是氟、氯、溴和碘。对于本发明的目的而言，有机材料还包括含有碳的材料，该材料结合有诸如砷、硒和硅等元素，以及有机分子的盐和有机分子与金属的复合物，金属例如但不限于镁、汞、铁、锌、铬、铜、铅、铝和锡。用于本发明的许多有机材料来自生物来源并包括蛋白质、脂质、淀粉、核酸、碳水化合物、纤维素、木质素、和壳多糖(chitin)，有机全部细胞。用于本发明的其它有机材料具有人造或合成来源，例如塑料，和其它石油衍生产物。
在本发明的方法中，以断裂原料的长分子链所需水平施加热和压力。因此，在分子水平将原料材料断裂为一种或多种组成材料。在该方法中，原料从成本或低值转化为利润或明显的成本降低或高值。重要地，该方法能够摧毁病原体。
本发明的基本方法被设计成潜在地处理任何废物或低值产品，包括：食品生成和分配的副产物，例如火鸡内脏、油炸物油(fryer oil)、玉米秆、稻壳、废渣，长期压榨的(last-press)食用油，例如菜籽油、大豆油、棕榈油、椰子油、油菜籽油、棉籽油、玉米油或橄榄油和其它油，食品加工废物和海产食品工业废物；纸和其它木材工业生成的副产物，例如纤维素和木质素副产物和纸浆污水；庭院废物，例如树叶和剪草废物(grass clippings)；轮胎；塑料瓶；港口捞取沉淀物(harbor-dredged sediments)；消费后塑料和电器，例如旧计算机；城市固体废物；炼油厂残渣；工业淤泥；甘蔗渣；海藻；研磨废料；黑液(black liquid)；炼煤废料；焦油砂；页岩油；钻探泥浆；棉废料；农业加工废物，例如动物粪便；传染性医疗废物；生物病原体；和甚至诸如可以用于生成生物武器的炭疽孢子等的材料。可以理解上面列出的材料并不是穷尽的。在前面的列举中，甘蔗渣是加工甘蔗的副产物，黑液是化学木质制桨的副产物，其来自溶解木片、释放木质素和解除纤维以得到木质素和半纤维素溶液。
本发明使用的废物产品通常是其它工业工艺、商业生成和国内或城市应用的副产物或最终产物，它们通常不具有其它直接用途和/或其一般被扔掉。相似地，低值产物可以是其它工业工艺、商业生成和国内或城市应用的副产物或最终产物，但是通常是具有低再售价值的材料和/或其需要某些进一步加工以便转化为可用物品的材料。
当使用本发明的方法时，废物和低值产物通常称作原料或新进料(rawfeed)。还可以理解本发明的方法使用的新进料可以包括来自大量来源并具有不同类型的废物和/或低值产物。例如，如果方便，食品加工废物可以与农业加工废物组合，并同时加工。
本发明使用的其它示例性的新进料材料包括城市污水淤泥、混合塑料(包括聚氯乙烯(″PVC″))，如从城市循环仓库获得的，和轮胎。
在乙烯基侧线(siding)和塑料波导管(plastic plumbing pipes)中发现聚氯乙烯(PVC)。PVC含有约55重量％氯，并因此在降解时具有产生含氯有毒化合物的倾向。例如，燃烧PVC产生二恶英，其是已知最毒的化合物之一。在本发明的方法中早期使用水的益处是水中的氢离子与来自PVC的氯离子结合，得到稳定化产物，例如盐酸，相对良性的和工业可用的化学品，其可以用于清洁剂或溶剂。
轮胎通常获自交通工具，例如汽车、公交车、卡车、飞机和其它公共交通工具，以及军队和其它商业交通工具。当对轮胎施用本发明的方法时，一部分生成的油优选循环到入口以辅助溶解引入的原料中的轮胎。
本发明的实施方式加工的废物和低值材料通常被转化为三种有用材料，所有这三种都是有价值的并且本身对于环境无害：高品质油；清洁燃烧气体；和纯化固体包括矿物，和可以用作燃料、肥料或生成原料的碳固体。此外，在本发明的工艺过程中生产的各种侧流(side-streams)，在某些情况下包括与″浓缩鱼汁(fish solubles)″类似的浓缩物。通常，有用材料认为是具有比作为原料的废物、低值或其它材料更高经济价值的材料。与衍生出有用材料的原料相比，这些有用材料可以具有更高热含量，或者可以具有更广的应用。
本发明的方法包括若干阶段，如图1和2所示。图1显示本发明的方法的基本特征的略图。图2显示进行本发明的方法的示例性设备200。
如图1所示，新进料100可能为任何废物产物或低值有机和/或无机物料流。优选地，新进料基本上为含碳材料。
对新进料100进行准备阶段110。准备阶段的一方面是使用造浆或其它研磨技术以降低新进料的尺寸，达到适用于泵送的尺寸。准备阶段可以包括一个或多个步骤，并且可以包括将材料添加到新进料中，或者将材料从新进料中取出，并生成经过第一阶段120的淤浆112。淤浆化可包括将水(或其它合适流体)添加到新进料100中，取决于其初始水含量。使用淤浆是有利的，因为如准备阶段110中的湿法研磨降低了摩擦和能量消耗，并且因为淤浆易于被泵从一个容器输送到其它装置中。合适的淤浆化装置包括：碎浆机、在线研磨机或微波发射器(maserator)。蒸汽和气体121的混合物从准备阶段110放出。
在第一阶段120中，淤浆经受热和高压，其中淤浆进行第一反应，液称作第一阶段反应。这种热和压力条件导致淤浆的生物成分的细胞结构破坏，释放构成分子，例如蛋白质、脂肪、核酸和碳水化合物。此外，许多聚合物有机材料被淤浆中的水水解成为简单有机产物的混合物。特别地，脂肪可以被部分裂解以获得可浮选的有机材料例如脂肪酸(含有羧酸基团)和水溶性甘油(即含有3个羟基的分子)。蛋白质通常被分解为更简单的多肽、肽和结构氨基酸。碳水化合物大部分被分解成为更简单的水溶性糖。而且，在第一阶段中存在水是有利的，因为水有助于向将热量传递原料。
应该理解术语反应当与本发明的实施方式结合使用时可以包括许多不同类型的化学变化。特别是，术语反应可以包括从组合或结合两种或多种物质以得到一种或多种产物的化学变化，并可以包括涉及分解或转化单种物质的其它类型的分解或转化，如通过温度、压力或者电磁辐射条件引起的，并且还包括涉及溶剂的转化，例如水解。当术语″反应″此处用于描述工艺或工艺中的阶段时，还应该理解可以同时发生不止一种化学变化。因此，反应可以同时涉及例如，水解和分解。
蒸汽和气体产物126的混合物通常在第一阶段120从淤浆释放出。来自第一阶段的反应进料122通常由反应固体产物的混合物和反应液体产物的混合物构成。这些不同产物通常被鉴定为油相、水相和湿矿物相。水相和油相通常含有各种溶解的有机材料。第一阶段120中产生的蒸汽和气体126的混合物优选通过冷凝器分离，并且蒸汽用于预热引入的淤浆。
然后对反应进料122进行分离阶段130，其中排出另外的蒸汽和气体132的混合物，和分离出矿物134或其它固体材料的混合物。优选地，在该阶段获得的固体材料不包括碳固体，除非碳固体存在于输入原料中。分离阶段130可以包括不止一个单独的分离。
来自分离阶段130的残余材料由液体产物构成，该液体产物包括生成的水138(具有可溶性物质的水)和有机液体500。有机液体500通常为含有含碳物质(例如来自第一反应反应液体产物)的混合物的液体。优选地，分离出大部分生成的水138，以及将液体产物例如有机液体500引导到第三阶段140。因此，有机液体优选包括反应液体产物，其从水和大部分情况下还从反应固体产物中分离出来。生成的水138含有多种化合物，包括含硫和含氯材料，并且优选转移以进行浓缩139。分离出该化合物是理想的，并且在优选实施方式中，浓缩得到浓缩物151(其纯度通常比城市强废水(strengthwastewater)好)，和冷凝物153(在许多情况下，其与浓缩鱼汁类似可以用作液体肥料)。
一些有机液体500可以转移到任选的分离137以形成特殊有机化学品143，例如脂肪酸或氨基酸，例如经由有机液体的分馏分离。残余分馏物-分馏液体145通常称作′重液′，其包括不适于作为特殊化学品的馏分，可以引导到第三阶段140。
当原料是城市污水淤泥，来自第一阶段反应的反应进料122通常包括生成的水、有机和无机材料的固体基质和少量有机液体。然后转移来自城市污水淤泥的生成的水以浓缩。从而形成可用作肥料的产物
在第三阶段140中，对有机液体500进行调节(condition)，其中有机液体500进行第二反应。有机液体也可含有一定量反应固体产物，该反应也达到第三阶段。有机液体和反应固体产物一起可以称作固体基质。在第二反应中，将有机液体转换为有用材料的混合物，该材料通常包括碳固体142和烃混合物，该烃通常释放作为烃蒸汽和气体148。这种转化会涉及有机液体中的一种或多种材料的分解。第三阶段中的合适条件通常使用相对于第一阶段升高的温度，和使用相对于第一阶段降低的压力。第三阶段通常不涉及添加水的使用。
碳固体142通常类似于焦炭，即通常是具有适用于作为燃料的高热值的硬质含碳材料。碳固体142优选含有(如果有的话)少量不燃性矿物，其通常获自含碳材料在缺氧气氛中的焚烧。碳固体142的矿物含量优选小于10重量％，更优选小于5重量％，更优选小于2重量％，和最优选小于1重量％。当碳固体142含有矿物时，它们也可以描述为碳-矿物基质。
烃蒸汽和气体148称作″生物衍生的烃″，只要生物材料是本发明的方法的原料。如果新进料原料分别包括轮胎、橡胶或塑料，则烃蒸汽和气体可以不同地称作″轮胎衍生的″、″橡胶衍生的″或″塑料衍生的″。烃蒸汽和气体148通常包括烃气体，有可能具有某些痕量的非烃气体杂质。烃气体包括气体，例如燃料气146；烃蒸汽可易于冷凝成液体或油144例如#2柴油的较轻组分。本领域普通技术人员理解#2柴油是具有相对低粘度或密度的油。
当原料是城市污水淤泥时，来自第三阶段的固体产物通常包括烃油、燃料气的混合物，和矿物与固体形式碳的混合物。
应该理解本发明的方法的操作参数在一种或多种情况下可以调节，以便适应不同类型的新进料材料。例如，在新进料例如火鸡内脏的情况下，主要成分是动物脂肪、蛋白质、碳水化合物和矿物。因此，主要成分的平衡会确定本发明操作条件的某些方面。此外，可以控制第一和第三阶段反应器的温度范围，以生成特定产物，由此使来自各种产物的收益的经济价值最大化。
完成本发明的方法的设备200如图2所示。基于本发明的教导，设备200的各种部件的组合体应在工艺过程或化学工程领域的普通技术人员的能力范围内。由此，这种技术细节将为本领域普通技术人员所熟悉，而从本发明中省略。
原料准备和淤浆化可以在原料准备设备210中进行。在原料准备和原料淤浆化之后，淤浆经过称作进料储存罐的低压放空容器(low pressurevented vessel)220。优选在进料储存罐中或之前，加热进料以生成加热淤浆，在进入第一阶段反应器之前，对该加热淤浆任选地进行加压。这种加热和加压通常在以下装置中发生，该装置包括保留淤浆的容器，增加淤浆压力的泵和加热淤浆的换热器。通常使用约140和1PSI的条件，以保持原料淤浆为液体状态，并限制生物活性。在优选实施方式中，进料储存罐包括第一罐和第二罐。在该优选实施方式中，第一罐被加热到约140(约60℃)的温度和受到约1p.s.i.的压力。第一罐中这种条件有效停止了生物活性。在示例性的实施方式中，该第一罐的容量可为约1,000,000美国加仑；因此，对于100至150加仑/分钟的产量，在该罐中的有效停留时间为约700分钟。该实施方式中的第二罐可以保持在约300的温度并使内容物经受高达约100p.s.i.的压力。压力通常稍稍高于给定温度下混合物的饱和压力。例如，在约300(约150℃)时，混合物的饱和压力为66p.s.i。第二罐中的条件通常足够苛刻以便断裂淤浆中的蛋白质状材料，松散淤泥，并排出氨气。第二罐的容量通常小于第一罐的容量，并可以小至2,500美国加仑。因此，在一个实施方式中，约40加仑/分钟的流速在第二罐中产生的停留时间为约1小时。对于具体原料，可以用更低的流速获得更长更优选的停留时间，例如在第二罐中几个小时。
本发明的第一阶段在第一阶段反应器230中进行，其优选包括多室容器，以使存在淤浆组成材料的停留时间窄分布。在另一实施方式中，第一阶段反应器也可以为取样钻型反应器(augured reactor)。优选该容器配备有折流板和多桨自动化搅拌器，该搅拌器可以同时搅拌各个室中的淤浆。在优选实施方式中，在该容器中有四个室。在其它优选实施方式中，加热淤浆在该容器前的几个阶段中进行。
第一反应后反应进料的闪蒸(flashing)可以在具有通风口(vent)的闪蒸容器240(″第二阶段分离器″)中进行。优选地，闪蒸容器240中的压力明显低于第一阶段反应器230的压力。在一个实施方式中，闪蒸容器中的压力为约300psi，而第一阶段反应器中的压力为约600psi。
可以使用各种装置以获得来自第一阶段反应器230的原料的各种第二阶段分离。优选地，该分离提供蒸汽和气体132的混合物、有机液体500、矿物134、和具有可溶物的生成的水138。蒸汽和气体132优选转移回准备阶段以辅助原料加热。
从有机液体和水分离矿物可以使用离心机、旋液分离器或静态罐进行。干燥矿物134可以用例如，干燥炉或其它矿物干燥器例如″环″干燥器(图2未示出)进行。(在可替代的实施方式中，分离可以通过加入破乳的化合物而促进)。
来自从水分离有机液体的具有可溶物的生成的水138可以在蒸发器250中浓缩，该蒸发器的类型为通常工业可得的类型。在输送到第三阶段反应器260之前，已经从矿物和水分离出的有机液体500可以包含在有机液体容纳容器252中。该容纳容器可以为通常工业中所用的常规储存容器。
可以转移有机液体500的某些部分以得到一种或多种特殊化学品。通常这涉及对有机液体进行分馏。进行分馏的有机液体通常在蒸馏塔254中蒸馏。可对有机液体进行酸洗以在将其送到蒸馏塔前分离出痕量氨基酸。馏出并收集来自有机液体的更具挥发性的材料，例如脂肪酸。任何较重材料，例如在蒸馏塔底发现的未挥发的脂肪和脂肪衍生物送到第三阶段反应器260。
来自第二阶段分离的有机液体液也经过第三阶段反应器260，其中发生第二反应，该反应中，有机液体转化为一种或多种有用材料，例如油和碳固体142。来自第三阶段反应器的油可以在分离器270中进行进一步分离，以生成油144和燃料气146。分离可包括在各种步骤中冷凝油和将其转移到储存容器中油储存(oil storage)280。冷却并也可以储存来自第三阶段反应器的碳固体142，或进一步加热然后处理以根据本领域普通技术人员已知的方法活化它们。例如，碳固体可以在另外的反应器中加热，并通过注入过热蒸汽而活化。
如前所述，示例性新进料材料包括来自农业和食品加工工业的产品。该废物产品可包括动物部分，例如翅膀、骨头、羽毛、器官、皮肤、头、血液和颈部、软组织、爪和毛发。典型的动物部分是在火鸡内脏发现的部分和来自屠宰场的畜体(carcrass)的残余物中发现的部分。来自食品加工工业的、可用于本发明的加工的其它废物产品包括来自快餐公司(如各种汉堡包特许经营店)的未用的油脂，和例如来自食品加工厂的溶解气浮选(″DAF″)淤泥等材料。农业废物产品可包括来自羊、猪和牛，以及动物粪便或粪肥，其它材料例如小鸡铺缛草(chicken litter)和作物残余物。在如图3-5所示的示例性实施方式中，新进料100是食品加工副产物，例如火鸡内脏。
如图3所示，新进料100开始进行准备和淤浆化110以生成原料淤浆112，伴随有蒸汽和气体121。淤浆112可以经过换热器114转移到进料储存罐(″FST″或均化器)中的原料储存320。在FST中，通常预热内容物至约60℃和约150℃之间的温度，以便降低粘度，使该淤浆生物失活并有助于混合。在FST中混合内容物以生成调节的原料淤浆322，适于经过第一阶段反应器的相对均匀原料。原料存储过程中，蒸汽和气体杂质338优选放空336。因此，本发明的一个优点是在FST发生脱气，以在本发明整个工艺的较早阶段除去不需要的气体杂质。进料淤浆112可以在原料储存320中保存任何方便的时间，直至其被本发明的方法进一步加工时。优选地，FST供应恒定原料物料流到高压淤浆泵，该泵加压进料和将其输送到第一阶段反应器。
对含有大量氨(NH3)的新进料材料(例如火鸡内脏)而言，有利地是除去游离氨，或者在准备110过程中除去，此时该氨是蒸汽和气体121的一种成分，或者在储存320过程中除去，此时其与蒸汽和气体杂质338一起放空。氨的来源之一是残余量的尿中存在的尿酸的分解，该尿一般存在于动物身体部分的聚集体中。除去氨的方法是本领域普通技术人员已知的，并包括但不限于在淤浆化之前分离尿内容物，使用酶降解和施加热。此外，氨可以通过酸化而转化成盐，例如硫酸铵或磷酸铵。在优选实施方式中，FST包括保持在不同条件下的两个容器。第一容器起到存储的作用；第二容器进行蛋白质的分解并释放氨。
从原料储存320出来的调节的原料淤浆322进行第一反应330，其中调节的原料淤浆322中的水内容物水解多种存在的生物高分子。提供充分搅拌(通过搅拌器和/或再循环装置提供)以使固体保持在悬浮体中。第一反应通常进行约5至约60分钟。第一反应的输出物是反应进料122。通常，蒸汽和气体339也从第一反应释放。
在第一反应330中，进行一些脱气，其中部分除去氮和硫化合物，并可以发生去氨(deamination)和脱羧反应，其中大量的蛋白质也分裂为产物，例如氨和可能的二氧化碳。实际上，对于本发明的方法，脱羧反应是不希望的，因为除二氧化碳以外的产物是倾向于水溶性和挥发性的胺。因此，通常优选去氨反应，而不是脱羧反应，并且当原料包括诸如蛋白质和脂肪等材料时，获自第一阶段的反应液体产物通常包括羧酸。由此，因为脱羧反应通常在比去氨高的温度下出现，第一反应优选在断裂脂肪分子的尽可能低的温度下进行。可替换的，第一阶段的pH可以通过加入酸而变化，由此阻止脱羧反应。
在该阶段以及在先前的预热阶段除去氮和硫化合物防止了有机氮化合物、氨、各种硫化合物的形成，这些物质会变成所得生物衍生的烃的不需要成分，如果允许形成，将通过第三阶段反应器被加工。
在该实例中，进行第一反应的典型条件为150℃至330℃，但是优选约250℃和约50个大气压，或约600psi，如可以在第一阶段反应器中获得的。一般地，第一阶段反应器中的压力为20至120个大气压。总预热和第一阶段加热时间高达约120分钟。这种条件可以根据待使用的进料而变化。在本发明的一方面，如施用于含有PVC的原料，第一阶段中的操作温度足够高，并且在洗涤步骤后，以使除去含氯产物。
通常，第一反应在约150℃至约330℃的范围内进行，以便可以进行下面的三种转化的至少一种。首先，蛋白质转化为构成蛋白质的单个氨基酸残基。这可以通过在约150至220℃范围的温度下，水解蛋白质主链中每对氨基酸残基之间的肽酰胺键而获得。第二，可以将脂肪分子分解成脂肪酸分子，该工艺可以在200至290℃的温度发生。水解脂肪以断裂甘油三酸酯，从而形成游离脂肪酸和甘油。第三，氨基酸的去氨和脱羧可以在第一阶段发生。如果允许进入羧酸基第三阶段反应器，则羧酸基还连接到它们相应的氨基酸部分，在相对温和的操作条件下将全部被转化为烃。此外，可以存在一些脱氨基的氨基酸，一种通常在210至320℃发生的工艺。因此，仅仅在第一阶段中，在相对低的第一阶段操作温度下，事实上淤浆中存在的所有蛋白质将转化为氨基酸。此外，氨基酸去氨的程度可以通过适当选择第一阶段操作温度而控制。
如本领域技术人员会理解的，操作第一阶段反应器的实际条件将根据使用的原料变化。例如，动物内脏通常利用约200℃至约250℃的第一反应温度。城市污水淤泥通常利用约170℃至约250℃的第一反应温度。包括混合塑料的原料通常利用约200℃至约250℃的第一反应温度。轮胎通常利用约250℃至约400℃的第一反应温度。在本发明的方法的第一阶段反应器中轮胎加工的典型操作条件可为275℃和300psi，使用溶剂-轮胎重量比例为1∶1或更小。对于给定温度的这种加工压力远远低于在其它轮胎加工方法中报道的压力，并因此是更经济的。
轮胎加工的第一阶段也可以涉及水，用于除去含有诸如氯等元素的材料。优选地，该材料在通常操作条件下几乎完全除去。轮胎材料、溶剂和水可以混合在一起用于第一阶段，或轮胎可以与溶剂和水相继接触。
通常选择第一阶段反应器中的压力，使其接近所述操作温度下的水的饱和压力。饱和压力是在给定温度下防止水沸腾而所需施加的压力，和还取决于纯化原料淤浆中其它气体的存在和质量。反应器中的总压力大于淤浆混合物中水的蒸汽压力，所以水不会被煮去。该压力优选为45至55个大气压，可以为40至60个大气压，还可以为30至70个大气压。通常，调节该压力比饱和压力高并在高0至100psi的范围内，以便不需要的气体可以从从原料准备、原料存储或第一阶段反应器中放空336。
本发明的一个优点是在原料准备110、原料储存320和第一反应过程中的放空使得气体杂质，例如氨、二氧化碳和含硫气体被除去。通常，第一反应330得到含硫气体，该气体得自各种生物材料中的含硫部分的分解。硫的主要来源是蛋白质分子。许多蛋白质分子在半胱氨酸残余物之间具有硫桥。含硫气体通常是硫化氢(H2S)和硫醇(烷基硫化合物)，例如甲基硫醇。另外，也可以生成一些盐，例如硫化钙(CaS)，并且它们一般在稍后的阶段中除去。
在第一反应后，通常包括至少一种反应液体产物和至少一种反应固体产物和水的反应进料122被闪蒸340到较低的压力，并允许在第一反应前，释放过量的热到加热阶段。通常，闪蒸是通过多个减压来实现的，优选以两-三阶段。闪蒸的作用是排空与反应进料有关的残余的蒸汽和气体132。减压脱水是有效的，因为无需使用热量就排出水。过量热的有效使用被称为热回收，并且代表本发明的方法的另一优点。第一反应使用水的事实使其有效能量回收，该水可以作为蒸汽与其它气体339一起放空。水和蒸汽在热交换中是有效的，并可以使用一种或多种冷凝器在第一反应前再引导到加热阶段。冷凝器是非常紧凑(compact)并提高效率。因此，也优选使用从反应进料122放空的蒸汽和气体132以便帮助加热流入的进料和保持第一反应的温度，由此降低本发明的方法的能量损失。蒸汽和气体339也可以经过放置在原料储存320之前或之后的一个或多个换热器。在一些情况下，蒸汽也可以直接注射回至引入的进料100中。优选地，来自第一反应330的蒸汽和气体339在经过换热器114前与蒸汽和气体132合并。
在换热器114中，蒸汽和气体彼此分离。大部分蒸汽冷凝得到浓缩物151。优选再引导该浓缩物以与″生成的水″结合，该水得自下面描述的本发明的方法的后面阶段。残余的少量蒸汽与气体一起放空116。优选这些放空气体与其它气体合并以得到燃料气，其它气体由本发明的方法的后面阶段生成。
在反应进料闪蒸340并回收热量后，中间进料400通常包括至少一种反应液体产物、至少一种反应固体产物、和水。至少一种反应液体产物通常为有机液体成分；至少一种反应固体产物通常包括矿物。中间进料优选基本不含有气体产物。
图4显示应用于中间进料的分离顺序。其是本发明的方法的另一优点，即，对得自第一反应的中间进料进行一个或多个分离阶段，在第三阶段反应加工之前除去矿物和水。分离阶段使用分离装置例如离心机、旋液分离器、蒸馏塔，过滤装置和筛网，并且还可以使用蒸馏以从中间进料400除去非常细的碳固。通常，进一步减压回收更多蒸汽，并有助于固体/液体分离以回收矿物和其它固体。
中间进料400通常包括有机液体、水和矿物，优选对该中间进料进行第一分离410，该分离除去大部分矿物412并产生灰份低的有机液体和水的混合物414。这种分离的特征在于固体/液体分离，并可以使用第一离心机或经由固液分离装置达到，例如通过机械或非机械方法，例如重力沉降。分离出的矿物412通常是湿的，并因此在进入干燥矿物储存430之前进行干燥阶段420。干燥阶段通常在常压条件下进行。所得干燥矿物可以作为土壤改良剂或其它工业前体，而发现大量商业应用。
对有机液体/水混合物414进行第二分离440，除去水和留下有机液体500。这种第二分离可以使用第二液体/液体离心机(或其它分离装置)实现。重量的差异使得生成的水和有机液体离心分离。除去的生成的水138含有大量溶解的小有机分子，例如甘油和一些水溶性氨基酸，该氨基酸来自蛋白质的分解。生成的水通常还包括氯化物杂质。在第三阶段反应前分离出这些杂质代表了本发明的另一优势，因为由此不会污染后面的产物。
生成的水138可进行浓缩139，例如通过蒸发进行，生成可以在本发明的工艺中循环的水浓缩物151，和分配到浓缩物储存460的浓缩物153。蒸发通常通过施加轻微真空而获得。主要含有氨基酸、甘油和可能的铵盐(例如硫酸铵或磷酸铵)的淤浆的浓缩物通常具有商业价值，例如作为家用花园商店(domestic garden stores)销售的称作″浓缩鱼汁″的肥料。
应该理解本发明并不限于包括两步骤的分离阶段。本发明也不限于进行分离步骤的顺序。因此，如果在单一步骤中或在多于两个步骤中将中间进料400分离为产物例如有机液体、矿物和水，也在本发明的范围内。此外，在一些情况下，矿物可以通过设计留在有机原料中，并且因此它们的分离不需要发生在第三阶段加工之前。
当用本发明的实施方式加工轮胎时，一部分有机液体可以用作最终产物，该产物是生成橡胶产物的脱硫的轮胎原料。
图5显示本发明的方法的阶段，其中得自图4分离阶段的有机液体500进行第三阶段140，以生成一种或多种有用产物。有机液体500通常在进一步加工前进入容纳容器。
可任选地引导一部分或全部有机液体500，用于在第三阶段140前加工，以得到一种或多种特殊化学品143。根据该任选的工艺，有机液体500的某些需要部分通常进行分离工艺，例如分馏510或与化合物(例如醇)反应，以形成其它化合物，如本领域技术人员能够理解的。这种分离工艺产生特殊化学品143并留下分馏液体145，该分馏液体通常称作″重液″，并包括较高分子量有机分子例如甘油三酸酯油。分馏液体145可以引导到第三阶段140以与有机液体500相同的方式加工。
特殊化学品143通常是有机化合物，例如脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪酸酰胺或一系列的氨基酸。优选特殊化学品143是脂肪酸。更优选地，特殊化学品143是C12-20脂肪酸。更优选地，特殊化学品143是C16-20的脂肪酸。当特殊化学品143是脂肪酸酰胺或脂肪酸酯时，它们通常是通过与脂肪酸的反应形成的。来自原料(例如火鸡内脏)的特殊化学品143可以具有例如润滑剂和涂层和涂料的应用。
在第三阶段140中，有机液体500的水内容物(water content)几乎为0，所以第三阶段的条件使得主要通过施加高温断裂残留的有机分子，而不是通过过量或加入水或蒸汽水解。进行第三阶段的通常条件是约400℃，可以在第三阶段反应器中获得。第三阶段通常需要约5分钟-约120分钟。实际上，在第三阶段反应器中，液体的不同相需要不同的时间。例如，蒸汽通过得相对较快，而液体需要更长时间。来自第三阶段的输出物包括单独的烃蒸汽和气体148的混合物，例如二氧化碳、CO和含氮和硫化合物和碳固体142。碳固体142优选地类似于高品质焦炭。烃蒸汽和气体148的混合物一般含有油蒸汽。优选地，选择第三阶段的条件以最优化碳固体142和烃蒸汽和气体148的混合物的纯度。热蒸汽，例如烃蒸汽和气体148的混合物的快速骤冷，停止了反应和并使第三阶段后的碳焦最小化。在优选实施方式中，蒸汽的快速骤冷可以通过将蒸汽引导到充满水的罐中实现或通过使用热流体和冷却介质的多步骤冷(multiple quenching)步骤实现。当使用多步骤冷步骤时，有利地是从油取得多种馏分(柴油、汽油等)，以便可以将各种馏分输送到不同商业应用中。或者，在其它实施方式中，可以在引入的有机液体存在下，骤冷油蒸汽，由此还促进了能量回收。
通常，在约310℃至约510℃的范围进行第三阶段，以使可以进行下面两种转化中的至少一种。第一，脂肪酸分解成烃。这可以通过在大约316至400℃的温度下从每个脂肪酸分子中除去羧基而达到。第二，烃分子自身″裂解″以形成低分子量的分子的分布，可以在大约450至510℃的温度进行。通常，然而在高于480℃发生烃裂解。优选地，在比第一阶段高的温度下进行第三阶段。应该理解此处描述的用于第三阶段的温度可以改变，而不显著脱离本发明的原理。例如，第三阶段可以在约300至525℃以及400至600℃的温度范围内有效进行。在一些实施方式中，第三阶段反应器的温度在约400℃和约510℃之间。
此外，在至少一个实施方式中，对第三阶段反应器稍稍加压至约15psig和约70psig之间的压力，即高于大气压约15psi至高于大气压约70psi。优选，第三阶段反应器中的压力低于第一阶段反应器中的压力。
从第三阶段产生的碳固体142通常首先转到碳固体冷却器630，其中使碳失去其残余热量。冷却后，碳固体142转到碳储存540，并可以销售用于许多有用应用。例如，碳可以作为用于家用园艺的″土壤改良剂″销售，因为土壤中的许多细菌需要碳来源。特别是，生成的碳具有类似于″活性碳″的碳的品质，并因此还可以作为用于吸收汽车中的蒸汽排放的应用，或者用于家用水过滤器应用。除了碳以外，因为其纯度水平，可以具有作为固体燃料，如煤的应用，而不会不利地生成有毒排放物，该排放物来自通常存在于煤产物中的污染物的燃烧。可以通过使用碳添加剂，例如得自本发明的方法的碳固体来使在土壤基质中的许多环境毒化剂失效。
代替碳固体142或除了碳固体142以外，本发明的方法产生的有用产物可以为洁净煤。当新进料是原煤时产生洁净煤。已经发现与通常可得到的原煤相比，通过本发明的方法生成的煤粉有利地含有更少的含硫和含氯污染物。本发明的方法产生的煤的这些性质使得它们作为清洁燃烧燃料的来源特别有吸引力。
由第三阶段反应器生成的烃蒸汽和气体148的混合物通常转到冷却器/冷凝器850中，其将混合物分离为燃料气146和烃油144。燃料气146具有热值，并可以为了提供在不同阶段加热的能量的目的而自身在本发明的工艺内再分配，或者可以用于发电或用于内部或外部应用的其它形式的能量。油144通常包括烃，其碳链具有20个或更少的碳原子。在这方面，混合物类似燃料-油例如#2级柴油的较轻成分。该产物也是商业上适于销售的。然而，应该理解的是油144的精确组成取决于原料。因此，当原料由轮胎组成时所得油的组成与当原料是火鸡内脏时所得组成是不同的。已经发现得自具有高脂肪含量的原料的油富含烯烃和二烯烃。如果不是所需要的，可以通过再饱和或分离方法除去这些烯烃。
当新进料是轮胎时，已经发现与目前本领域使用的其它溶剂相比，从烃油144-此时为轮胎衍生的烃-获得的最后阶段油是优异的轮胎用溶剂。按照化学″相似相溶″的普遍原理，因为最后阶段油根本上是来自轮胎，其化学性质与原始轮胎相似，因此其是轮胎用良好溶剂。当本发明的方法使用的新进料包括轮胎时，这些某些轮胎-衍生的烃再淤浆准备之前或之间被再转到输入新进料，以辅助溶解新进料。通常轮胎衍生的烃的沸点为约100℃-约350℃。在优选实施方式中，在应用于轮胎前加热轮胎衍生的烃。在其它实施方式中，轮胎衍生的烃应用到轮胎，并且将该混合物加热到约200℃和350℃之间的温度。使用最后阶段油产物消除了其它溶剂和补充其重量的二次成本。
在本发明的不同实施方式中，全部范围的(spectrum)最后阶段油的成分或仅仅这些成分的一部分可以用于溶解轮胎。优选所有轮胎衍生的烃再转到输入新进料。在其它实施方式中，仅仅最后阶段重油产物以此方式再转移。如果使用一部分成分，将溶剂分离为各部分可以在最后阶段加工过程或第一阶段加工过程中进行。使用最终油产物作为溶剂的用途使得本发明的方法比其它方法更经济。因为在任何给定场合，该油对于待加工得第一批次轮胎一般是不可得的，可能额外使用其它溶剂，以辅助初始分解轮胎。该溶剂是甲苯；其它溶剂是本领域技术人员已知的。
当新进料是城市污水淤泥时，优选促进有机物与无机材料的分离。由此，在优选实施方式中，某些烃油144(此时是生物衍生的烃)被再转到新进料或第一反应的产物，以便帮助浮选该材料。在其它实施方式中，可以使用例如截留(trap)油脂等材料，如获自快餐店排放口。浮选材料的原理是将比水轻的材料导入新进料，或第一反应的产物，以辅助浮选比水重的有机材料，由此促进从无机材料分离有机物。结论是与其它方法相比淤泥易于离心。
本发明的方法的另一优势是所有产物是不含DNA和病原体的。也就是说，它们不含来自动物细胞、细菌、病毒或蛋白病毒的病理学材料。该材料不能经受本发明的方法而保持完整。这是重要的成果，因为在农业应用中使用本发明方法的任何产物将没有风险，否则在农业应用中存在这些分子重新进入食物链是危险的。
用于从分离阶段将反应液体产物(例如有机液体)转化为烃混合物和碳固体的设备是在使用本发明的方法的合适的第三阶段反应器。如图6所示，本发明实施方式的第三阶段反应器600包括：用于加热有机液体由此生成液体和蒸发油的混合物的加热器610；反应器620，用于将液体和挥发油的混合物转化为碳固体142和烃蒸汽和气体148的混合物；接纳碳固体142的第一冷却器630；和接纳烃蒸汽和气体的第二冷却器640。第三阶段反应器600可另外包括相通反应器620的流体-固体分离器624，用于从碳固体142分离烃蒸汽和气体148。
加热器610优选是有效的和紧凑的，并包括大量导致大换热面积的内管。加热器610通常为″火焰加热器(fire heater)″。加热器610通常具有接纳有机液体和蒸汽602的入口，和将热有机液体/蒸汽混合物导入反应器620的出口。当蒸汽620进入加热器610时，大约2-5重量％蒸汽602伴随有机液体。这样量的蒸汽有助于均匀加热和防止在加热器内部积累残余物。在优选实施方式中，使用一个或多个预加热器以在将有机液体500与蒸汽混合和/或将有机液体500转移到加热器610之前加热有机液体500。第三阶段的压力由储存500之后的泵系统提供。
反应器620优选包括至少一个加热的取样钻，并具有入口和出口，分别配置该入口和出口以接收来自加热器610的加热液体和挥发油的混合物，并将碳固体和烃和气体的混合物导入流体-固体分离器中。用蒸汽加热的液体和挥发油的混合物转到反应器620，其中将其裂解为碳固体和烃气体和燃料气的混合物，该烃气体优选含有油成分。通常，生成的碳固体的量为液体和挥发油的混合物的约10重量％。在其它实施方式中，取决于新进料的成分，生成的碳固体是液体和挥发油的混合物的约5％-约20重量％。在本发明的某些实施方式中，为了避免在反应器620积累过量碳固体，调整加工的原料量。
取样钻适于生成碳固体和烃混合物，因为其能够控制引入的有机液体的停留时间和温度，还因为其能够有效分离碳固体和挥发性产物。优选选择取样钻的尺寸使得所得烃混合物和碳固体的纯度最优化。例如，取样钻的截面直径主要决定蒸汽流过该钻的流速。优选流速不高到蒸汽带有尘土而生成不纯烃混合物。在反应时，有机液体、蒸汽和蒸汽的加热混合物的停留时间也决定取样钻的尺寸。
优选第三阶段反应器600包括流体-固体分离器，其相通反应器620的出口。流体-固体分离器优选具有用于烃和气体的第一出口，和用于碳固体的第二出口。来自烃和气体的混合物的某些燃料气优选引回到加热器610并燃烧以有助于保持加热器的温度，由此促进本发明的方法的总效率。
将通常温度高达约500℃的碳固体引导到第一冷却器，碳固体冷却器630，其优选为通过气锁装置与反应器相通的冷却取样钻或任选的流体-固体分离器。在本发明的某些实施方式中，可以使用不止一个冷却取样钻630。优选将632导入碳固体冷却器630以辅助冷却工艺。碳固体转移到最终产物储存系统650，任选地通过转移取样钻或某些其它转移装置例如斗式升降机654转移，或转移到其它加热器/反应器以活化碳固体。
接纳烃蒸汽和气体的混合物的第二冷却器640优选包括碳微粒分离器，以分离任何残余碳固体并将它们返回反应器620。
可以使用本发明方法的改进形式以将蒸汽注入地下焦油-砂沉积物，然后将该沉积物在表面精炼成轻油，从而使得这种丰富的难以获得的资源更易获得。试验还证实本发明的方法可以从煤萃取硫、汞、萘和烯烃-所有可售商品，由此使得煤燃烧得更热和更清洁。通过本发明的方法进行预处理也使得某些煤更易碎，所以在发电厂燃烧前需要较少能量来粉碎它们。
对于某些原料，作为部分原料准备阶段，本发明的方法使用从流体分离细悬浮固体的装置。此外，许多其它工业和商业应用需要待从液体分离出来的悬浮固体。图7解释了本发明优选实施方式的分离装置700，其可以用于该应用中。需要分离固体悬浮体的其它实例是从全血分离红和白细胞。当悬浮固体颗粒的尺寸大时，或者它们的密度明显与流体的密度不同时，存在许多类型的可以分离它们的设备。例如，开口小于悬浮固体颗粒的许多不同结构的过滤器可以用于在应力下不明显变形的固体。当在固体颗粒和流体之间存在明显密度差时，可以有效地使用澄清器、沉降室和简单旋风分离器。随着尺寸和密度差异变小，使用离心力的活化装置可以是有效的。然而，对于非常小的粒度和不可变形的材料，这些材料的密度仅仅与悬浮流体稍有不同，所有这些分离装置的效率急剧降低。
至于本发明的优选方法，当悬浮固体小、可变形且具有小密度差异时的应用是城市污水淤泥(MSS)。MSS中的悬浮材料主要由来自细菌的细胞材料和细胞碎片组成，尺寸通常为约1微米。该材料是可变形的并有效密度在悬浮水介质密度的10％之内。在准备MSS作为本发明的方法的原料时，从水分离该固体材料是优选步骤。这种分离可通过使用离心机而达到；然而，在优选实施方式中，使用分离装置700。
根据本发明的优选实施方式，优选使用分离装置700，如图7所示，以用于在通过本发明的方法进一步加工前分离新进料例如MSS的固体和液体成分。该装置也可以应用于其它工业或商业废水淤泥，该淤泥的固体微粒是可变形的，并且其有效密度为液体相的约10％内。
装置700优选包括外壳702，外壳702含有安装在截头圆锥型内室706中的旋转组合体704。内室706的形状通常包括具有锥角的截头圆锥断面(section)，在容纳有旋转组合体704的其它部件的平截头体的基座(base)和/或顶部具有其它断面。外壳702优选包括旋转器壳底(spinner case bottom)714和旋转器壳顶716，它们彼此连接，并且它们包围旋转组合体704。分离装置700还包括与内室相通的入口710和第一出口730，和第二出口750。入口710允许将含有悬浮固体的流体导入内室的静止内壁720和旋转组合体之间的环形空间712。
旋转组合体包括具有中空内部的截头圆锥型圆筒，其优选从旋转器底部722生成，连接到锥形圆筒壁724，该圆筒壁本身连接到旋转器顶718。旋转组合体同轴安装在中空主轴726的纵轴736上，中空主轴通常以为约1,000r.p.m-约50,000r.p.m的速度旋转。在分离MSS的优选实施方式中，转速为约10,000r.p.m。优选选择转速使得无规流动(chaotic flow)最小化。旋转组合体是锥形的，以便有效截面积随着宽度的变窄而减小。通常锥角为约1°和约10°之间。在优选实施方式中，锥角为约2°和约2.5°之间，更优选约2.25°。旋转组合体的中空内部相通第二出口750。
优选地，入口710和分离器装置700内部存在压差。通常，该压差为约3-150p.s.i，并且是通过两个泵(在图7中未示出)控制的。
不同尺寸的分离器的流速将依旋转圆筒的表面积按比例决定。优选地，配置入口和环形间隙以提供约1和约200加仑/分钟之间的流速。更优选地，流速为约1和约20加仑/分钟之间。对于处理MSS更优选的流速为约10加仑/分钟。
将旋转组合体的壁724穿孔。壁724中孔径大小通常为约1和约200微米之间。优选地，孔径大小为约50微米。壁724优选由塑料材料制成，例如HDPE或任何其它非吸湿材料，以避免操作期间堵塞该孔。
流体和悬浮材料沿环形通路712通常以轴向流动，而部分流体流经穿孔的旋转壁724进入圆筒的中空内部728。中空内部728通过主轴入口732相通中空主轴726。防止由于旋转圆筒表面上的剪切和离心力，防止了大部分悬浮颗粒与流体一起流动通过穿孔圆筒。圆筒的转速有效设定对悬浮颗粒上的剪切和离心力，并且可以用于控制可以防止流体流经穿孔圆筒的最小粒度。流入圆筒728内部的水和颗粒接着流经主轴入口732进入中空主轴726的中心，并在通过第二出口750排放前流向主轴出口734。
响应旋转圆筒的转动，环形通路712中的材料遵循严格的螺旋流动路径。优选环形通路712的厚度沿其长度方向是恒定的。对于某些应用，该环形空间可以从顶部到底部变化。环形空间的变化可以赋予接近穿孔旋转器表面的流动条件。在环形通路远离入口的末端提供用于排放浓缩流体流的第一出口730。
图7装置的操作优选与方向无关(orientation-independent)。在优选实施方式中，锥形圆筒的轴定向为垂直于底部的第一出口730。
图7装置优于本领域已知其它分离装置的优点是其能够处理具有大范围颗粒特征的淤泥，特别是包括具有尺寸范围为1微米的可变形颗粒的那些淤泥或密度为悬浮流体密度的10％以内的那些淤泥。在优选实施方式中，配置壁724中的环形间隙和孔径大小，以分离城市污水淤泥的悬浮体。在本发明的方法的某些实施方式中，并行使用许多这样的分离器，以获得新进料的高产出分离。
应该理解描绘于图7中的分离器700不是以精确比例绘制的，尽管各种部件彼此是近似比例的。因此，可以根据机械工程和设计领域的技术人员熟悉的常规原理构造分离器700。
在优选实施方式中，旋转器底722的外径为约2″，旋转器顶718的外径为约2.2″。旋转器壳底714的优选长度为约7″-约8″。旋转器壁724的优选长度为约4″-约6″，并且其优选厚度优选沿其长度方向恒定，为约1.5″。与这种旋转器相连的出口730的优选直径为约0.8″，且旋转器壳底的外径优选为约3″。然后旋转器壳顶的外径优选为约4″。主轴726是中空的，并优选具有约0.25″的内径。主轴726的外径可以沿其长度方向变化，并且可为约0.5″-约0.75″。在该实施方式中，主轴入口732和主轴出口734之间的距离可以为约6″。环形通路712的厚度优选约0.05-约0.50英寸。
此处介绍的优选尺寸可以仅仅看作一种列举，并且根据设计选择和所需生产量，本领域普通机械工程师能够按比例放大或缩小分离器700的各部件的尺寸，以便获得操作效率。
进行本发明的方法的全部设备优选通过计算机控制系统完成，该系统包括阀门、泵和温度用的简单控制器。这种系统的开发在计算机过程控制工程领域普通技术人员的能力之内。
本发明的设备可以根据需要按比例变化。例如，可以想象每天处理数千吨废物的装置，而也可以建造可以在平板卡车上运输的、且每天仅仅处理1吨废物的可移动装置。
实施例
实施例1：中试装置
利用本发明的设备和方法建造中试装置。该中试装置每天可以处理大约7吨废物。
根据中试装置一个示例性应用，试验原料是火鸡加工装置废物：羽毛、骨头、皮肤、血液、脂肪、内脏。将10,044磅的这种材料导入该设备的第一阶段：350-马力研磨机，其将该材料转化为棕灰淤浆。由此，该材料流入串连的罐和管路，它们加热并重整该混合物。
2小时后，生成了蒸汽重整油的淡棕色物料流。通过这种方法生成的油非常轻。最长的碳链是C20。生成的油类似于一半燃油一半汽油的混合物。
对于复杂原料，例如火鸡内脏，证实本发明的方法为85％能量效率(energy efficient)。这意味着进入装置的原料中每100B.t.u.(英国热量单位)，仅仅使用15B.t.u.运行该方法。甚至对于相对干燥的材料，例如重碳或轻湿气原料，例如塑料而言，效率更好。
第一阶段反应器包括大约20英尺高、三英尺宽的罐，并严格绝缘和用电加热丝缠绕。在第一阶段反应器中，通过热和压力水解原料。温度和压力的产生都不是非常极端或能量集中的，因为水有助于热量进入原料。对在中试装置中发生的此方法而言，这通常需要仅仅约15分钟。
在反应器容器中加热且部分解聚有机材料后，开始第二阶段。在该相中，将淤浆降低到低压。快速减压立即释放出约一半的淤浆游离水。通过减压的脱水比加热和煮去水更有效，部分是由于没有浪费热量。“闪蒸的”水送入引回到工艺开始的管路中，以加热引入的工艺流。
在该第二阶段中，沉降矿物，并分流到储存罐。在火鸡废物的情况下，这些矿物主要来自骨头。排出的矿物为干燥的褐色粉末，该粉末富含钙和磷。其可以用作肥料，因为其微观营养物(micro-nutrients)良好平衡。特别是其具有微观和宏观营养物的有用范围。该矿物含有健康植物生长和发展所需的恰当量的元素，例如钙和磷。
如上面所述的，在中试装置中，残留的浓缩有机材料流入第三阶段反应器并进行第三阶段加工。在装置的现场使用得自加工的气体来加热本发明的工艺。油和碳作为有用高值产物流进储存。
基于原料和第一和第三阶段加工时间，本发明的方法可以生成其它特殊化学品，它们从该方法的不同部分提取的。例如火鸡内脏可以生成用于肥皂、轮胎、涂料和润滑剂中的脂肪酸。
实施例2：操作装置
建造全尺寸的商业规模的装置，目的是每天处理超过200吨火鸡废物。设计该装置以便每天生成约10吨气体，将该气体返回系统中产生热量为该系统提供能量。将装置将生成约21,000加仑水，该水足够清洁而排放到城市污水系统中，并且不含有病理性带菌物。该装置还可以生成约25吨矿物、浓缩物和碳，和约500筒(barrel)与#2加热油相同品质的高品质油。
实施例3：示例性转化废物产品
表1显示最终产品及其比例，对于100lbs的各种下面的废物产物，当使用本发明的方法将它们转化为有用材料时：城市污水淤泥(包括75％污水淤泥和25％油脂-截留废物)、轮胎、家禽加工废物(包括有机物、骨头、血液§羽毛和脂肪)、塑料瓶(包括用于生成碳酸水瓶(soda bottle)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和用于生成牛奶壶的高密度聚乙烯(HDPE)共混物)；纸；医用废物(主要来自于医院，并包括塑料注射器、输液袋、纱布、包装纸以及湿废物)；和重油(例如精炼厂真空残余物和焦油砂)。表1中的量以磅计。
表1
  原料   油   气体   固体和浓缩物   水
  城市污水淤泥   26   9   8(碳和矿物固体)*   57
  轮胎   44   10   42(碳和金属固体)   4
  家禽加工废物   39   6   5(碳和矿物固体)   50
  塑料瓶   70   16   6(碳固体)   8
  纸**   8   48   24(碳固体)   20
  医用废物   65   10   5(碳和金属固体)   20
  重油   74   17   9(碳固体)   -
**对于纸，该数据基于纯纤维素；估计对于特定纸原料，例如新闻纸或办公废纸的产量将在这些数据的10％范围内。
*来自城市污水淤泥的输出物也包含重金属。
值得注意的是来自牲畜和猪肉加工废物的产量与来自家禽加工废物的产量相似。
实施例4：从煤粉和高硫煤(high sulfur coal)中除去污染物。
对原料粉、高硫煤和对它们应用了本发明的方法的产物进行低检测汞分析(low diction mercury analysis)。在每种情况下，检出限为0.01ppm。从煤粉新进料，汞水平为0.12ppm；在加工的碳中未检测到汞。
从高硫煤新进料，汞含量为0.02ppm；在加工的碳中未检测到汞。
实施例5：从煤粉中除去硫污染物
未加工的煤粉含有1.71％硫。复合碳(composite carbon)含有1.58％硫、从未加工煤粉降低7.6％。通过应用本发明的方法一次生成的碳含有1.51％硫、从新进料降低11.6％。
实施例6：从高硫煤中除去硫污染物
新进料高硫煤含有2.34重量％硫。在应用本发明的方法一次后，所得固体产物含有2.11重量％硫。
实施例7：从低硫煤除去污染物
未加工的煤含有1.08％硫；获自本发明的方法的碳含有0.49％硫，降低了54.6％。在生成的水中还检测到非常低浓度的硫(45ppm)。
在本发明的方法对相同样品的另一应用中，碳含有0.57％硫，降低47.2％。从该方法生成的气体(从工艺中排放的气体)含有0.9重量％硫，因而表明排出的硫主要终止于气体产物中。
很明显，当最初的硫含量已经非常低时，可以除去高达约一半的含硫污染物。
本发明的方法还有效除去汞。本发明的方法生成的碳基本不含有汞，其中至约10ppb的检测水平是可能的。检测到生成的水中水平为30ppb(0.028ppm)，这表明从煤除去汞时，其转移到了水中。当汞存在于水中时，有责任安全处置。汽提烃中的水，并通过使用真空蒸馏单元浓缩。对汞-浓缩水进行硅酸盐结晶，所得高度不溶性硅酸盐晶体可以装箱并储存在储存有毒金属的有毒废物位置。
实施例8：生物衍生的油
可以使用本发明的方法从大范围的有机材料制备生物衍生的油。一种这样的生物衍生的油来自火鸡内脏，包括C-20和更短碳链成分，并且当用作燃料时实际上消除了微粒排放。该油对精炼厂或共混机提供窄范围的40+American Petroleum Institute(API)可回收油(其可以用作替代燃料或用于可燃燃料的混合成分)。该油的突出性能显示在表2中，其中指定的方法是由ASTM(American Society for Testing Material)码指定的。
表2
  燃料性质   指定方法   生物衍生的油
  60下的API比重   D-287   40+
  闪点()   D-93   100
  蒸馏、回收(普通)   D-86
  初始沸点   125
  10％   160
  20％   220
  30％   280
  40％   335
  50％   400
  60％   450
  燃料性质   指定方法   生物衍生的油
  70％   500
  80％   580
  90％   660
  回收，Vol.％   95％
  外观   D-4176   清晰和明亮的
  浊点℃   D-2500   -10
  倾点℃   D-97   -20
  粘度@40℃，cSt   D-445   ～1.50
  硫，Wt.％   D-4294   ＜0.15
  铜腐蚀率(2hrs@212)   D-130   ＜2
  辛烷值   D-976   ～40
  BS&W(碱性沉降和水)，Vol.％   D-2709   ＜0.10
  灰分，Wt.％   D-482   ＜0.005
  碳残余，Wt.％   D-524   ＜0.50
  热含量，BTU/lb   D-240   ～18,800
  P0NA，Wt.％(普通)   D-5443
  石蜡   22
  烯烃   14
  萘   3
  芳族化合物   6
  C-14/C-14+   55
在表2中，石蜡、烯烃、萘和芳族化合物的重量百分比是指含有至多并包括13个碳原子的分子。
实施例9：第三阶段反应器和冷却器/冷凝器的实施方式
图8A和8B显示用于本发明的方法的设备的实施方式。某些部件也显示在图6中。
图8A显示用于本发明的方法的第三阶段的设备。有机液体500流进储存罐812。任选地，有机液体和油可以转到液体/液体分离器814并分为第一部分的分馏液体/油816和第二部分的(或残余的)分馏液体/油822。第一部分分馏液体/油可以转到最终产物储存818，并作为分馏液体/油分配，其可以循环或销售。第二部分分馏液体/油822再转到一个或多个预加热器830。
已经被加热的分馏液体/油822或未分离的液体/油500流入加热器610，优选伴随有蒸汽602。所得液体和蒸发液体/油836流到反应器620，例如取样钻，并分离为烃蒸汽和气体148和碳固体142。烃蒸汽和气体148流到冷却器/冷凝器850，其还描述于图8B。除去油蒸汽和气体中的任何残留微粒，例如残余的碳固体844并返回到反应器620。
碳固体142通过气锁846引导并进入碳固体冷却器630，其中它们与水632混合。所得水和碳固体的混合物流动经过另一气锁854进入最终产物储存系统650。最终产物碳固体142可以分配到一种或多种商业应用。
为了结合使用，图8A所示设备800是图8B所示冷却器/冷凝器850。冷却器/冷凝器850有助于多个分离循环，其中油蒸汽和气体的混合物(其还可以含有水和微粒)进行多个不同分离步骤。来自反应器620的烃蒸汽和气体148进入碳微粒分离器842，其分离出残留的固体颗粒，例如残余的碳固体844并将该固体重新引导回反应器620。
从碳微粒分离器出来的烃蒸汽和气体流入蒸汽骤冷系统860，根据本领域技术人员理解的一般原理进行。从蒸汽骤冷系统，油和气体870流入油/水/气体分离器872，其进一步分离各种成分，例如油862、废油876、气体和LPG 874，和油/碳淤浆881。
油862流入换热器864，并在之后进入最终产物储存系统866，并作为油144销售。
气体和液体石油气体(″LPG″)874流进冷凝器890，其从气体气体成分中分离出LPG 898。气体894流入过热器892，得到燃料气146，该气体可以输送到一个或多个装置中作为能量源。LPG 898按照下面的方式循环。首先，LPG 898流经液体/固体分离器884，并且除去任何残余碳固体886。然后，分离的LPG与从油/碳淤浆881分离的油混合，返回到油/水/气体分离器872，进行进一步分离。其中分离并冷凝气体和LPG混合物的循环可以根据需要重复若干次。
油/固体混合物，通常是油/碳淤浆881也可以从油/水/气体分离器872导入液体/固体分离器884，以便除去残余碳固体886。与LPG混合的分离的油优选返回到油/水/气体分离器以进一步根据需要导向。
废油876从油/水/气体分离器872流过油/水分离器878，并且水880被释放，或被循环。油882从油/水分离器流回到油/水/气体分离器，以反复进行分离循环。
前面的描述意图解释本发明的各个方面。此处给出的实施例不意于限制本发明的范围。现在更全面的描述本发明，对于本领域普通技术人员是很明显的，可以对其进行许多改变和改进而不脱离本发明所属权利要求的精神和范围。

Claims (86)

1.将原料转化为至少一种有用材料的方法，包括：
从原料准备淤浆；
在第一反应中反应淤浆以生成反应进料，该反应进料包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物和水；
从所述反应进料分离所述至少一种反应固体产物、所述水和所述至少一种反应液体产物；和
在第二反应中将所述至少一种反应液体产物转化为至少一种有用材料。
2.根据权利要求1的方法，其中所述至少一种有用材料是碳固体。
3.根据权利要求1的方法，其中所述至少一种有用材料包括烃的混合物。
4.根据权利要求3的方法，其中所述烃的混合物包括燃料气和油。
5.前述任一项权利要求的方法，其中所述至少一种有用材料不含病原体。
6.前述任一项权利要求的方法，其中所述准备包括从所述原料中除去氨。
7.前述任一项权利要求的方法，其中所述第一反应在压力为约20至120个大气压下进行。
8.权利要求7的方法，其中所述压力为约50个大气压。
9.前述任一项权利要求的方法，其中所述第一反应在约150℃至约330℃的温度下进行。
10.前述任一项权利要求的方法，其中所述反应排出至少一种污染物，该污染物选自：含硫材料、含汞材料和含卤素化合物。
11.前述任一项权利要求的方法，其中所述至少一种液体产物包括至少一种脂肪衍生物或脂肪酸。
12.前述任一项权利要求的方法，其中所述至少一种固体产物包括至少一种矿物化合物。
13.前述任一项权利要求的方法，还包括在所述转化之前，引导一部分所述至少一种液体产物并单独地将所述部分转化为至少一种特殊化学品。
14.前述任一项权利要求的方法，其中所述第二反应在约400℃至约600℃的温度下进行。
15.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括橡胶材料。
16.权利要求15的方法，其中所述原料包括一种或多种轮胎。
17.权利要求16的方法，还包括在所述准备前，将轮胎溶解在溶剂中。
18.权利要求16的方法，其中溶剂是获自所述转化的油。
19.权利要求15的方法，其中第一反应在约250℃至约400℃的温度下进行，且第二反应在约300℃至约525℃的温度下进行。
20.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括城市污水淤泥。
21.权利要求20的方法，其中第一反应在约170℃至约250℃的温度下进行和第二反应在约300℃至约525℃的温度下进行。
22.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括食品加工废物。
23.根据权利要求22的方法，其中所述食品加工废物包括火鸡内脏。
24.根据权利要求23的方法，其中第一反应在约150℃至约330℃的温度下进行且第二反应在约300℃至约525℃的温度下进行。
25.权利要求22的方法，其中第一反应在约250℃和20至120个大气压的压力下进行。
26.权利要求22的方法，其中第一反应在约50个大气压的压力下进行。
27.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括混合塑料。
28.权利要求28的方法，其中第一反应在约200℃至约250℃的温度下进行，且第二反应在约300℃至约525℃的温度下进行。
29.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括PVC。
30.权利要求29的方法，其中所述第一反应排除至少一种含氯污染物。
31.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括动物粪肥。
32.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括一种或多种材料，该材料是食品生成和分配的副产物或纸和其它木材加工生成工业的副产物。
33.根据权利要求1的方法，其中所述原料包括一种或多种材料选自：火鸡内脏；油炸物油；玉米秆；稻壳；废渣；长期压榨的食用油；纸浆污水；黑液；树叶；剪草废物；甘蔗渣；海藻；棉废料；动物废物；塑料瓶；旧计算机；城市固体废物；炼油厂残渣；页岩油；钻探泥浆；港口捞取沉淀物；工业淤泥；研磨废料；炼煤废料；焦油砂；炭疽孢子；传染性医疗废物；和生物病原体。
34.权利要求33的方法，其中所述长期压榨的食用油选自：菜籽油、大豆油、棕榈油、椰子油、油菜籽油、棉籽油、玉米油和橄榄油。
35.权利要求1的方法生成的燃油。
36.权利要求35的燃油，其中该方法包括：
从含碳原料准备淤浆；
在第一反应中反应淤浆以生成反应进料，该反应进料包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物和水；
从所述反应进料分离所述至少一种反应固体产物、所述水和所述至少一种反应液体产物；
在第二反应中将所述至少一种反应液体产物转化为燃油。
37.用于将原料转化为至少一种有用材料的设备，包括：
预处理单元，其用于从原料生成加热淤浆；
第一阶段反应器，其与容器相通以接收加热淤浆，所述第一阶段反应器被设计成使加热淤浆受到第一高温和第一高压，以生成包括至少一种反应固体产物、至少一种反应液体产物和水的反应进料；
至少一个第二阶段分离单元，其与第一阶段反应器相通以接收所述至少一种固体产物、至少一种液体产物和水，所述分离单元被设计成分离出所述至少一种反应固体产物、水和至少一种反应液体产物；和
第三阶段反应器，其与分离单元相通以接收所述至少一种反应液体产物，所述第三阶段反应器被设计成使至少一种反应液体产物经受第二高压和第二高温，由此将所述至少一种反应液体产物转化为至少一种有用材料。
38.权利要求37的设备，其中预处理单元包括：
原料准备单元，包括淤浆化装置以从原料产生原料淤浆；
容器，其与原料准备单元相通以从所述原料准备单元接收原料淤浆，被设计成对所述淤浆加压的泵和被设计成对所述淤浆加热的换热器，从而生成加热淤浆。
39.权利要求37或38的设备，其中第一高压为约20至120个大气压和所述第一反应在约150℃至约330℃的温度下进行。
40.权利要求37-39中任一项的设备，其中所述第一高压为约50个大气压。
41.权利要求37-40中任一项的设备，还包括接收一部分至少一种反应液体产物并将所述部分转化为至少一种特殊化学品的单元。
42.权利要求37-41中任一项的设备，其中第二高温为约400℃至约600℃，和第二高压为高于大气压约15至约50psi。
43.权利要求37-42中任一项的设备，其被设计成接收选自：橡胶材料、一种或多种轮胎、食品加工废物、混合塑料和城市污水淤泥中的原料。
44.权利要求37-43中任一项的设备，其中至少一种有用材料包括碳固体。
45.权利要求37-44中任一项的设备，其中至少一种有用材料包括烃的混合物。
46.权利要求37的设备，其中第三阶段反应器包括：
加热容器，其被设计成接收并加热反应液体产物以生成液体和挥发油的混合物；
反应器，其被设计成接收液体和挥发油的混合物并将液体和挥发油的混合物转化为碳固体和烃蒸汽和气体的混合物；
接纳碳固体的第一冷却器；和
接纳烃蒸汽和气体的混合物的第二冷却器。
47.权利要求46的设备，其中所述反应器是取样钻。
48.权利要求47的设备，其中所述取样钻加热到约400℃至约600℃的温度。
49.权利要求46-48中任一项的设备，其中所述第一冷却器是取样钻。
50.权利要求46-49中任一项的设备，其中所述加热器还被设计成接收蒸汽以及液体和挥发油的混合物。
51.权利要求46-50中任一项的设备，其中所述第二冷却器还包括碳微粒分离器。
52.权利要求37的设备，其中分离单元还包括从悬浮体形式的流体分离微粒的装置，该装置包括：
限定截头圆锥型内室的外壳，其具有内壁、入口和与该室相通的第一出口，和第二出口；和
安装在该室内的具有中空内部的旋转组合体，所述旋转组合体被成型为与室内壁限定环形间隙，所述中空内部与第二出口相通，且所述中空内部与环形间隙相通，以便响应旋转组合体的旋转，使流体材料从间隙流到该中空内部和流出第二出口。
53.权利要求52的设备，其中所述旋转组合体包括：
限定主轴入口和主轴出口的中空主轴，该主轴出口与所述外壳第二出口相通；和
安装在中空主轴上以限定中空内部的锥形多孔圆筒壁，所述中空内部通过主轴入口与中空主轴相通。
54.权利要求52或53的设备，其中所述旋转组合体以约10,000r.p.m的速度旋转。
55.权利要求52-54中任一项的设备，其中所述旋转组合体以约1,000r.p.m.至约50,000r.p.m的速度旋转。
56.权利要求52-55中任一项的设备，其中锥形多孔圆筒壁的孔径大小为约1至约200微米。
57.权利要求56的设备，其中孔径大小为约50微米。
58.权利要求52-57中任一项的设备，其中所述环形间隙和所述多孔壁孔被调整尺寸以用于分离城市污水淤泥的悬浮体。
59.权利要求52-58中任一项的设备，其中所述圆筒内壁以从约1°至约10°的角度渐缩。
60.权利要求59的设备，其中所述角度为约2°至约2.5°。
61.权利要求52-60中任一项的设备，其中在入口和环形间隙之间存在约3至4p.s.i.的压差。
62.权利要求52-61中任一项的设备，其中入口和环形间隙被设计成和尺寸被确定为使流速为约1至约20加仑/分钟。
63.权利要求62的设备，其中流速为约10加仑/分钟。
64.用于将有机液体转化为烃的混合物和碳固体的设备，包括：
加热容器，其被设计成接收并加热有机液体以生成液体和挥发油的混合物；
反应器，其被设计成接收和转化液体和挥发油的混合物为碳固体和烃蒸汽和气体的混合物；
接纳碳固体的第一冷却器；和
接纳烃蒸汽和气体的混合物的第二冷却器。
65.权利要求64的设备，其中所述反应器是取样钻。
66.权利要求65的设备，其中所述取样钻加热到约400℃至约600℃的温度。
67.权利要求64-66中任一项的的设备，其中所述第一冷却器是取样钻。
68.权利要求64-67中任一项的的设备，其中所述加热器还被设计成接收蒸汽以及液体和挥发油的混合物。
69.权利要求64-68中任一项的设备，其中所述第二冷却器还包括碳微粒分离器。
70.用于将有机液体转化为烃的混合物和碳固体的方法，包括：
加热有机液体以生成液体和挥发油的混合物；
将液体和挥发油的混合物转化为碳固体和烃和气体的混合物；和
从烃和气体的混合物分离碳固体。
71.权利要求70的方法，还包括在分离后，冷却碳固体。
72.权利要求70或71的方法，其中有机液体在第一阶段与蒸汽混合。
73.权利要求70-72中任一项的方法，其中在取样钻中进行转化。
74.权利要求70-73中任一项的方法，还包括在加热前，混合有机液体和蒸汽。
75.用于从悬浮体形式的流体分离微粒的设备，包括：
限定截头圆锥型内室的外壳，其具有内壁、入口和与该室相通的第一出口，和第二出口；和
安装在该室内的具有中空内部的旋转组合体，所述旋转组合体被成型为与室内壁限定环形间隙，所述中空内部与第二出口相通，且所述中空内部与环形间隙相通，以便响应旋转组合体的旋转，使流体材料从间隙流到该中空内部和流出第二出口。
76.权利要求75的设备，其中所述旋转组合体包括：
限定主轴入口和主轴出口的中空主轴，该主轴出口与所述外壳第二出口相通；和
安装在中空主轴上以限定中空内部的锥形多孔圆筒壁，所述中空内部通过主轴入口与中空主轴相通。
77.权利要求75或76的设备，其中所述旋转组合体以约10,000r.p.m的速度旋转。
78.权利要求75-77中任一项的设备，其中所述旋转组合体以约1,000r.p.m.至约50,000r.p.m的速度旋转。
79.权利要求75-78中任一项的设备，其中锥形多孔圆筒壁的孔径大小为约1至约200微米。
80.权利要求79的设备，其中孔径大小为约50微米。
81.权利要求75-80中任一项的设备，其中所述环形间隙和所述多孔壁孔被调整尺寸以用于分离城市污水淤泥的悬浮体。
82.权利要求75-81中任一项的设备，其中所述圆筒内壁以约1°至约10°的角度渐缩。
83.权利要求82的设备，其中所述角度为约2°至约2.5°。
84.权利要求75-83中任一项的设备，其中在入口和环形间隙之间存在约3至4p.s.i的压差。
85.权利要求75-84中任一项的设备，其中入口和环形间隙被设计成和尺寸被确定为使流速为约1至约20加仑/分钟。
86.权利要求85的设备，其中流速为约10加仑/分钟。
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