TW201321496A

TW201321496A - 來自壓實生物質之顆粒及團塊

Info

Publication number: TW201321496A
Application number: TW100143027A
Authority: TW
Inventors: Michael Myers; Jay Hood
Original assignee: American Pellet Supply Llc
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2013-06-01

Abstract

一種顆粒、團塊及其他壓實生物質，其包含多種成分，並且具有經修飾成可滿足一既定應用之特殊要求的組成。一般情況下，至少一成分為一生物質成分。此壓實的生物質產物可被使用在許多的應用上，包含發電、動物用墊料以及廢棄物吸收劑。一具體實施例包含使用壓實體或壓實塊作為在共燒式電廠中之煤或其他化石燃料的燃料輔助物或燃料替代物。其他特定的應用，包含用以作為禽類、馬以及免子等不同動物的墊料。另一種應用包含顆粒化的吸收劑，例如用以吸收液體及/或固體廢棄物的貓砂。

Description

來自壓實生物質之顆粒及團塊

本發明係關於一種壓實體，特別是一種生物質壓實體。

隨著人口的大幅成長以及對於有限的可用資源的需求提高，使更大規模使用廢棄物的需求令人關注，特別是來自於可再生能源的廢棄物，例如農作物以及其他植物性或動物性物質。雖然使用來自可再生能源產物的資源回收計劃和運動已經得到多數人的支持，但仍面臨許多的挑戰。這些挑戰在世界經濟的能源領域中特別地嚴峻。其包含找尋在製造上便宜、容易運送、便於貯存，並且，當然的對環境無害的組成物。

本發明提供一種壓實體，通常為包含有大量生物質(biomass)原料的團塊(briquettes)及/或顆粒(pellets)。這些產物，即在本發明中所詳細說明成分及製造方法的壓實體，可得到許多的應用，主要是應用在共燒式電廠(co-firing power plants)、動物用墊料(animal bedding)、吸收劑產品、景觀美化以及家庭暖氣上。

本發明之某些態樣係關於一種壓實體，其特徵在於包含：(a)含有一生物質材料的複數個第一顆粒，以及(b)含有不同材料(其可選擇性的為生物質)的複數個第二顆粒。此含有複數個第一顆粒以及複數個第二顆粒的壓實體對碎裂作用(fragmentation)具有抗性，其通常包含一作為結合劑(binder)的材料。在不同的實施例中，壓實體是可燃的。不過，複數個第二顆粒不需要為可燃。當然，壓實體可包含額外的成分，例如複數個第三顆粒，其具有不同於複數個第一顆粒和複數個第二顆粒的成分。

壓實體可具有為特定應用而設計的性質，這些應用例如燃燒、吸收以及具有引人注目的外觀等。在某些情況下，壓實體具有以重量計約9%或以下的總含水量。在燃燒應用上，壓實體在燃燒時可具有至少約7000 BTU(熱量單位)/LB(英磅)的能量密度(energy density)。此外，壓實體在燃燒過程中可產生大約4%或以下的灰分。在某些實施例中，複數個第二顆粒為煤粒。

無論某些原料是否可以取得，吾人期望壓實體始終保持一定的性質(例如特定程度的能量含量、成本以及吸收性)。為此目的，可利用許多不同類型的原料以生產本發明所述的壓實體。在此揭露了許多合適的生物質成分，其中大部分為大豆原料、鼠尾草、木製品、玉米原料以及向日葵原料等。此外，可使用各種紙張和紙板，包含塗蠟紙板。可與壓實體的第一和第二成分一同使用的其他材料，包含澱粉、塑料、魚油、蘇打、石灰、石蠟、植物油、咖啡渣和動物脂肪。在一具體實施例中，壓實體基本上只含有紙板、農業原料以及除臭成分。

壓實體可以具有許多適用於特定應用之不同形式。在許多情況下，產品為顆粒或團塊。當然，大小和形狀可能為適合於最終用途而有所不同。在某些情況下，壓實體具有大約0.25至4英吋的平均尺寸。

壓實體通常連同許多其他相似的壓實體(例如，相似組成及/或性質的顆粒或團塊)，一併的被提供於適合特定應用之容器中。舉例而言，在燃煤電廠中，可以壓實體集(collection)存在於容器中之方式提供壓實體。

本發明之另一態樣係關於一種如上所述之壓實體的製備方法，例如，包括含有生物質的複數個第一顆粒以及含有不同材料的複數個第二顆粒的壓實產品。上述方法的特徵在於下列操作條件：(a)加工一生物質原料，以將未加工原料轉化為含有複數個第一顆粒的形式；以及(b)同時地壓實(compacting)複數個第一顆粒以及複數個第二顆粒，以製造壓實體。在某些情況下，壓實作業是在壓塊機(briquette press)中發生，在此情況下，壓實體為團塊。在某些其他情況下，壓實作業是在顆粒碾磨機(pellet mill)中完成，在此情況下，壓實體為顆粒。通常地，壓實作業伴隨著結合劑來完成，其有助於保護用以製造壓實產品之設備的壽命。在具體實施例中，結合劑為藻類或蠟。

本發明的這些及其他特徵與功效，茲配合圖式作詳細說明如下。

引言

本發明有關於顆粒、團塊及其他壓實(compacted)產品，其包含多種成分，並且具有經修飾成可滿足一既定應用之特殊要求的組成。通常地，至少一成分為一生物質成分。本發明之壓實組成物可依據其組成及成本而被使用於各種應用上。以下的討論將集中於發電應用上。在一特別的實施例中，包含在共燒式(co-firing)電廠中使用壓實體或壓實塊作為用於煤或其他化石燃料的燃料輔助物或燃料替代物。其他特定的應用，包含用於禽類、馬以及免子等不同動物的美化顆粒和墊料(bedding)。另一應用包含顆粒化吸收劑(absorbent)，例如用以吸收液體及/或固體廢棄物的貓砂。

以下的非限制性定義是用以輔助理解本文所述的發明。

壓實體或壓實塊-一種物理上穩定結合的顆粒，其在預期應用之加工過程中不易分開。換句話說，當藉由傳統的進料、搬運以及輸送設備進行處理時，壓實體可抗拒碎裂或剝落。壓實體通常藉由如顆粒碾磨機或壓塊機在壓力下(例如壓縮或壓實)形成。在某些實施例中，壓實體或壓實塊將會是一種異質組成物，例如，其將包含不同成分的顆粒。

原料-用來製造壓實體或壓實塊的原始材料(raw material)。原料通常是粒狀材料或粉狀材料，然而它也可能是，例如為膠質、漿料或液體。

顆粒-用以形成壓實體的小型分散物質。顆粒通常為，雖然非必需為，均質的來源。總的來說，這些顆粒可能是粉狀或粒狀產品。單個顆粒可能有許多不同的形狀，並且可能是，例如為纖維。

生物質-直接自有機物衍生的物質，通常為植物材料或動物廢棄物。一般而言，生物質被用作此處所述之壓實體或壓實塊的一或多個成分。

壓實體組成物

在電廠的共燒應用上，在一具體實施例中，壓實產品應滿足至少三條件。這些條件包含(1)每單位體積或質量的高能量含量(有時稱為BTU值)、(2)低灰分(ash)生產以及(3)低含硫量。此外，這些產品可能需要滿足第四條件：(4)低淨碳(net carbon)生成。相較於煤或其他的電廠化石燃料的代替物，低碳、低灰分以及低硫皆需考量。在本發明中所使用的大多數生物質原料，會自動的滿足第四個條件。在多數情況下，這些生物質原料也會滿足第二種以及第三種條件，儘管不同的成分物質會產生不同程度的灰分以及硫氧化物。灰分為燃料的非可燃性固態成分。還需注意的是，原物料成本是一個重要的考慮因素。

高BTU密度原料包含可燃的植被以及廢棄物(例如都市固體廢棄物)產品。舉例來說，廢棄物產品包含紙張和紙板廢棄物(例如雜誌)，以及塑料廢棄物和廚餘(例如咖啡渣)。植被原料包含刻意栽種來作為燃料的農作物以及其他將不被收割的植被(例如沿著路邊以及監獄周圍地面的植被)。舉例來說，植被原料包含柳枝稷(switchgrass)、芒草、豆類植物(bean stumble)、大豆原料(秸稈(stalks)和外皮(hulls))、玉米主幹(stocks)和穗軸、玉米、向日葵(包括整株植物以及局部位置，包含頭狀花序、主幹及/或種子)、其他植物種子、外皮和秸稈、鼠尾草、木材(例如，呈木片的形狀)、樹木廢棄物(如松針和松樹梢)、乾草、禾稈(straw)(如小麥稈和亞麻花稈)、甘蔗、甜菜、高粱、蘇丹草(包括雜交品種，如蘇丹草-高粱雜交品種)、金絲雀草、冷季型草(cool season grasses)、乾燥酒粕(Dried Distillers Grain，DDG)(乙醇生產的副產物)、海草、藻類以及咖啡渣。其他植被來源包含暖季型草(warm season grasses)、葉以及森林廢棄物。可以預期的是，在此所定義的任一原料可以單獨使用，或者與在此所定義的任一或多種其他的原料物質結合使用。在一具體實施例中，本發明的壓實體含有第一生物質原料顆粒，其可以是在此所列出的任一原料物質，並且結合第二生物質原料顆粒，其可以是在此所列出的任一其他原料物質。

芒草具有非常高的BTU含量，並且可以不孕生長，因此不會產生無意間在附近其他地區繁殖的種子。芒草的種植成本在每英畝1000美元的範圍內。然而，其不需要每年重新種植，其具有每年將增加新草之健全根系。在丹麥，使用一個78 MW(兆瓦)循環式流體化床燃燒器(50%與煤共燒)和一個160 MW的粉狀燃料燃燒器(20%共燒)，芒草已成為商業規模之燃料。參見J. M. O. Scurlock,Miscanthus：評論利用新能源作物的歐洲經驗，環境科學部門出版物，編號4845，ORNL/TM-13732，1999年出版。歐洲的種植者自1980年代起已使用中國芒(M. sinensis)和荻(M. sacchariflorus)雜交不孕的品種作為燃料作物。

大豆原料具有特別高的能量密度(energy density)，並且在本發明中使用於某些重要的生物質燃料中。大豆原料一般保留於田地上，並且必須在收割期間被切碎，以便於下一季的種植。可使用適當的耙子回收這些材料，以用於本發明中。

在某些實施例中，以鼠尾草作為原料。其具有很高的能量密度，但要注意的是，必須預防在裝運過程中可能會造成鼠尾草油分離和沉降的沉降作用(settling)或分離作用(separation)。

木材，特別是呈木片的形狀，為另一高BTU原料，其可以使用在本發明之某些實施例中。然而，第一次收成的木材一般含有將近49%的水分。為了作為共燒應用的適當原料，應移除部分的水分。在某些實施例中，木材原料的含水量被減少至大約為以重量計15%或者更少，並且在某些實施例中，大約為以重量計12%或更少。含有49%溼度的木片，每英磅只具有約4500 BTU，然而乾木片每英磅具有約7500 BTU。本領域所熟知的各種技術可達到含水量所須的減少量。

然而，木材中的含水量往往代表顯著的經濟劣勢。因此，在某些實施例中，壓實產品不含有木材。一般情況下，木材係以顆粒形式而使用於家庭加熱應用上。本發明之諸態樣使用具有極少或不含木材的顆粒或其他壓實產品，即使在用於加熱/燃燒應用上亦然。又有其他實施例只使用少量的木材(例如，以重量計5%或更少，或甚至於以重量計約1%或更少)，用以賦予壓實體宜人的香氣。

在某些情況下，不可燃的添加物包含在其他可燃性組成中。舉例而言，可將通常在燃煤電廠中所需的不可燃材料包含於壓實體中，這些添加物中有部分有助於減少電廠中的排放物或廢棄物。其中一個例子為石灰，可用以控制燃煤電廠中的爐渣。也可以加入控制生物質原料及/或煤的燃燒速率或其他燃燒特性的其他材料，例如包括碳酸鹽和碳酸氫鹽(例如，碳酸氫鈉或小蘇打)。還有其他不可燃材料用以結合壓實體的成分或顆粒，這種材料的其中一個例子為含有硼-氧的材料，例如硼砂。

在某些實施例中，可將可燃的化石燃料成分添加在用於電廠應用之壓實體上。這些成分的例子包括煤炭、焦炭、無煙煤、褐煤或木炭及上述成分的混合物。煤粉為用以與生物質原料混合之特別有用的原料。混合煤粉和生物質成分容許吾人得以將單一預混合產品而非兩分開進料流供應至電廠。在一具體的例子中，壓實產品含有以重量計約85%的煤粉以及以重量計約15%的生物質(例如，乾木材、大豆殘株及/或草類)。

在某些實施例中，其他添加物包含改善壓實產品之機械或加工性質的材料。這些材料的一個例子包括澱粉，其促進各別原料顆粒或粉粒體的黏著性結合力，以形成壓實產品。例如以蒸氣形式供應至顆粒碾磨機(或其他顆粒製造設備)的水分，也可作為結合劑。許多生物質原料含有木質素或者在生物質接受熱處理時作為天然結合劑之相關材料，可如同在顆粒碾磨機或壓塊機中的情形一般。結合劑的其他例子包括硼砂、瀝青、蠟(包括石蠟、蜜蠟及/或棕櫚蠟)以及藻類。

就電廠而言，在使用生物質燃料輔助物時所面臨的挑戰為提供足夠量的輔助物，以對化石燃料的減少產生有意義的貢獻。在可用的農作物基底的生物質產品上之季節性以及其他的波動，可能導致用以運轉電廠所需的燃料臨時短缺。為此目的，本案發明人意識到，在電廠的應用上，某些壓實產品最好包含非農作物基底的燃料成分。

除化石燃料外之非農作物基底的燃料輔助物，賦予顆粒一種以上之期望性質，其例子包括用以製造如可口可樂之飲料的糖漿。當這些糖漿超過其有效保存期限時，必須丟棄，如此可能所費不眥。垃圾掩埋場往往是唯一的選擇。糖漿，例如可樂糖漿，提供適當的能量含量，並且增進壓實體的結合力。具有相似有效結合性質的廢棄物的其他例子，包括用以增進能量含量之澱粉、塑料、魚油、蘇打、石灰、石蠟、植物油、咖啡渣以及動物脂肪。除蘇打及石灰之外，這些材料皆具有良好的能量含量。都市廢棄物可能是本發明壓實產品之最大宗生物質來源，這些都市廢棄物可包括高及/或低密度聚合物、紙張等。如前所述，可將包含紙板之紙製品使用於共燒應用之壓實產品中。在不同的實施例中，可將如蠟紙或塗蠟紙板等加工形式的紙製品使用於壓實產品中。在特定實施例中，塗蠟紙板的含量約為壓實產品的1%至10%(以重量計)，其可應用於燃燒用途或其他用途上。

如上所述，本發明所揭露的壓實產品可包括一種或多種「結合劑」，其功用為將產品維持(或幫助維護)於其壓實或緻密的形式中。在某些情況下，此象徵著這個結合劑或這些結合劑可預防(或幫助預防)壓實體分離成較小碎片或其成分顆粒。當面臨如同一般在運輸(如藉由火車、卡車、飛機等)、燃燒前的加工或輸送、裝載入貯存設施等過程中所遭遇的機械攪拌或推擠時，某些壓實體將可抵抗這種分離作用。當曝露於如同燃燒前在敞開的容器中所遭遇之戶外環境時(其可能包含雨水、風、降冰以及極端的溫度和溼度)時，某些壓實體將可抵抗這種分離作用。在不同的實施例中，壓實體中所存在的結合劑濃度高達約10%(以重量計)，或者是高達約5%(以重量計)，又或者是高達約2%(以重量計)。在一具體實施例中，結合劑的含量範圍大約為0.1%至1%(以重量計)。

在某些實施例中，結合作用(binding)是經由在壓塊機或顆粒碾磨機等中進行壓實之前或期間的水分含量所提供。在此可使用蒸氣作為說明。對於某些應用，特別是共燒或其他燃燒實施例，為了不過度地妥協於壓實體的能源含量，水分含量將相對較小。在某些這類型的應用中，壓實體將如同結合劑含有不超過約5%(以重量計)的水分，甚至不超過約2%(以重量計)。

在不同的實施例中，結合劑是由膠黏性或者於壓實體的形成過程中變得膠黏之高能量密度之材料所提供。需注意的是，形成程序通常包含提高溫度及/或壓力(實質上超過標準溫度和壓力(standard temperature and pressure，STP))。在此狀態下，某些植物或其他材料改變了化學及/或物理形態，而變得膠黏的或甚至於具有黏彈性，從而將壓實體的各個成分結合在一起。一個具體的例子為木材，其含有木質素，並且在加工溫度和壓力下變得十足的膠黏，用以作為有效的結合劑。

藻類和藍綠藻(在此統稱為「藻類」)為目前已發現可作為有效結合劑的另一種生物質材料。在燃燒應用上，藻類通常包含適當的高能量密度以及低含硫量，當其作為存在於本發明之壓實體中的結合劑時，其價格低廉、容易獲得並且迅速的加工為具有低水分含量的形態以及抗吸水性。使用於本發明合適的藻類例子，包括綠藻類、褐藻類與紅藻類，以及藍綠藻類(cyanobacteria)。同樣地可以使用各種形式的細菌，如紫色和綠色硫細菌。依據某些實施例，藻類是從水性生長介質(例如溫室或戶外的水體)獲得，並且選擇性的運送，以進一步加工為漿料、乾燥及/或壓緊的固體或者是螺旋運送機攪拌的膠黏材料。在與其他成分燃燒以形成本發明壓實體之前，藻類可選擇性地進行過濾、壓制、離心或空氣乾燥等。這些加工方式可移除藻類的水分及/或改變性質，以便於運輸、加工成壓實體及/或改進黏結性。獲得方式可包含網撈、以棒子攪拌或其他捕獲裝置以及乾燥等。

藻類結合劑可與其他成分結合，並可依據本文其他內容所描述的一種或多種不同的方法加工，以製造成壓實體。在某些實施例中，作為最終產物之結合劑之藻類將含有一定量的水分(例如，以重量計約超過10%)。不論藻類中的含水量多寡，其在最終的壓實產品中可能存在有例如以重量計約0至10%，或者在某些實施例中由於它的高能量密度而甚至更高。在某些具體實施例中，藻類的濃度以重量計約為最終產物的0.1%至2%。

在某些情況下，藻類或相關產物被用作為個別壓實體的塗層，或者是作為成堆的或其他壓實體集上方的塗層或網子，以維持壓實體的結構，從而抑制分離成較小碎片或組成顆粒。這種情況應該從藻類如傳統結合劑般的與壓實體的其他成分相互混雜的情況作出區別。

在許多市場中，用於製造壓實體的原料成本會大幅的波動。因此，供應至電廠的產品成分可做相對應的調整，以便讓成本維持合理的控制，而無視於原料成本的變動。然而，無論壓實體的組成為何，最好能維持一貫地高BTU值以及低灰分的生成。適用於共燒應用之「保證」標準例子將說明如下。

需瞭解的是，產品屬性的必要組合將隨應用或者顧客而有所不同。透過原料以及某些添加物的混合，就可以提供維持各種應用所需的品質標準之客製生物質燃料產品。此外，若一原料變得難以獲得，吾人可以選擇一或多種替代原料，並將其加工成滿足顧客的所有要求之相類似產物。

在某些情況下，本發明的壓實體組成物含有高達且包含100%的生物質。然而，如上所述，往往會使用更複雜的成分。在某些實施例中，壓實體組成物可能普遍的具有如下特徵：以重量計約介於5%和100%之間的生物質，以重量計高達約25%的非可燃性添加劑(如石灰)，以及以重量計高達約95%的化石燃料，如煤粉。更典型地，壓實產品將含有以重量計約介於15%至100%之間的生物質、以重量計高達約5%的非可燃性添加劑以及以重量計高達約85%的化石燃料。在不採用化石燃料的實施例中，若存在非可燃性成分，可能含有以重量計約5%或更少的含量。此外，在沒有化石燃料成分的實施例中，生物質部分可能含有兩種以上不同類型的生物質，有時吾人可選擇以提供可滿足公共要求(例如政府法令)或消費者標準之能量密度、灰分含量和硫含量的混合平均值。注意，由於紙製品是從植物所衍生的，其被視為是本發明中所稱的「生物質」。

以下例子說明具有兩種或多種成分之壓實體之生物質成分的含量。

廢紙(例如紙板)-以重量計約50%至95%，並且在更具體的實施例中，以重量計約60%至85%。

石灰-以重量計約0.5%至10%，並且在更具體的實施例中，以重量計約2%至7%。

大豆渣-以重量計約5%至100%，並且在更具體的實施例中，以重量計約50至80%。

乾木材(以重量計約15%或更少的水分)-以重量計約5%至100%，並且在更具體的實施例中，以重量計約25%至75%。

柳枝稷-以重量計約5%至100%，並且在更具體的實施例中，以重量計約50%至90%。

芒草-以重量計約5%至100%，並且在更具體的實施例中，以重量計約40%至90%。

玉米-以重量計約5%至100%，在更具體的實施例中，以重量計約40%至90%。

乾燥酒粕(DDG)-以重量計約5%至100%，在更具體的實施例中，以重量計約20%至80%。

都市廢棄物-以重量計約5%至100%，在更具體的實施例中，以重量計約30%至90%。其可能包括紙張、紙板、高密度塑料以及低密度塑料其中一者以上。

在某些具體實施例中，組成包括有用的都市廢棄物、天然草類以及農業原料的組合，其可具有任意以及不同的其他產物。農業原料可包括秸稈、外殼、外皮以及相似物。在不同的實施例中，組成物包括以重量計約40%至90%的都市廢棄物、以重量計約30%至90%的草類以及以重量計約40%至80%的農業原料。都市廢棄物可包括紙板，特別是塗蠟紙板。

典型的壓實產品組成如下：(1)大豆原料約25%、紙板約75%，(2)玉米原料約25%、紙板約75%，(3)芒草約25%、紙板約75%，(4)向日葵原料約25%、紙板約75%，(5)整株向日葵、主幹、頭狀花序以及種子約20%、紙板約80%，(6)暖季型草約25%、紙板約75%，(7)禾稈約20%、紙板約75%，以及(8)柳枝稷約75%、紙板約25%。單獨的或組合的木片、松針、松樹梢、鼠尾草以及所有的草類，可以替換或補充紙板。所有的百分比為重量百分比。在上述的例子以及整份說明書中，當提及紙板或紙張時，少部分或全部的成分可能有上蠟，這意味著此成分具有少量的蠟(例如石蠟或蜜蠟)塗覆或滲入於紙張或紙板。

對於共燒應用，本發明的壓實產品可使用一或多種下列的生物質成分：鼠尾草、大豆原料、玉米原料、向日葵主幹、種子以及冠狀花序、乾木材以及草類。對於工業規模的共燒應用，例如電廠的應用，將大量提供這些壓實產品，通常達到每天數噸至若干噸的規模。可猜想的是，僅輕微修改生物質，即可在燃煤電廠中取代高達約15%的總能量輸入。

在某些實施例中，例如那些使用於垃圾掩埋場復原應用的某些壓實產品，其可能包括肥料及/或草類的種子。此外，在某些實施例中，對於景觀美化以及垃圾掩埋場復育應用，壓實的生物質成形體結構(特別是顆粒)塗有色彩。例如，自然的黑色、綠色及/或紅色顆粒，可使用於景觀美化的應用。在某些具體實施例中，可將景觀美化顆粒使用於花圃和樹木。

壓實體形式

如上所述，本發明的實施例涉及如顆粒或團塊之壓實產品。壓實體的其他形式包括原木和珠子，吾人可供應蓬鬆的原料至電廠，但已發現運輸這類物質存在著某些挑戰。特別是，運輸過程中原料在卡車內所遭受的振動，會將部分原料壓緊至部分變得相當堅硬並且難以搬動的程度。顆粒化或團塊狀的生物質原料避免了這個問題。此外，組合原料之顆粒化混合物(以及與這些原料結合的其他可能材料)可抵抗運輸過程中之分離作用。

使用於本發明中的壓實體，可能具有大範圍的尺寸和形狀。在某些實施例中，此壓實體為具有實質上圓柱形或球形的顆粒，其長度或直徑一般不超過約2英吋，並且典型地不超過1英吋。在一具體實施例中，壓實體為美國生質燃料顆粒協會(Pellet Fuels Institute)所規定，長度至多約1.5英吋以及直徑約0.25英吋至約0.313英吋的顆粒，以確保可預見的燃料量以及防止堵塞。

團塊一般具有方形或矩形的外觀，並可能具有彎曲的或稜角的表面。在某些實施例中，其一般沿矩形側邊的尺寸約為1至4英吋，並且在第三維的尺寸約為0.5至3英吋。

不論壓實體的最終形式(尺寸和形狀)為何，根據所預期的應用，它們應可在處理過程中抗拒破裂或粉碎。它們應該在崩解時產生限量的灰塵，以避免裝載或操作時產生灰塵。在一具體實施例中，壓實體產生可通過1/8(八分之一)英吋篩網且範圍不超過以重量計約0.5%壓實體的微粒。一般情況下，雖然非必需，在壓實體集中，壓實體具有相對均勻的尺寸和形狀。在某些情況下，在壓實體集中，壓實體的顆粒尺寸標準差大約為0.3英吋或更小。

本發明的壓實體，一般是由具有約0.1英吋或更小規格尺寸的相對小顆粒組成。通常情況下，這些顆粒具有介於0.1毫米與5毫米之間的平均尺寸。

壓實體的性質

本發明所揭露的壓實體，至少有一部分，可依據他們的性質來定義。通常這些性質會與特定的應用有關。再者，無論用以製造產物的組成材料為何，這些性質可能是不變的。這經常是必要的，因為生物質原料的性質可以有很大的不同，並且，因為有些原料可能變得無法取得或過度的昂貴。如上所述，壓實產品的成分可能會有所調整，以適應替換需求與可用性。通常在一特定的壓實產品中，使用了兩種或兩種以上的生物質原料。

在用於共燒應用之產物的情況下，下列性質可定義出根據某些實施例所提供的壓實體：

BTU密度-至少約為7000 BTU/LB，並且在某些情況下，至少約為8500 BTU/LB，並且在另外的實施中，至少約為9500 BTU/LB。

硫含量-以重量計約少於1%，並且在某些情況下，以重量計約少於0.5%。

灰分產生-約少於10%，並且在某些情況下，約少於7.5%，以及在一具體實施例中，約少於5%。在某些情況下，灰分含量為以重量計約4%或更少。當然，對於例如那些使用煤粉的組成物，可能會遇到較高的灰分含量。灰分含量可表示為乾式氧化(例如，在氧氣中於550℃至600℃的氧化作用)後剩餘的殘渣比例。在某些情況下，灰分含量取決於燃燒前可燃性材料的固形物含量。

各種原料的這些參數的典型值，其例子如下表所示(其中包含摘錄自公開地可取得來源的數據)。

其他壓實產品的相關性質，可包括密度、某些元素的最大濃度以及總液體含量。在不同的實施例中，壓實體為明顯的比其未壓實成分(原料)更為緊密者。舉例而言，相較於對應體積的未壓實原料，壓實體可減少至少約5倍的體積。通常情況下，壓實導致大約介於10倍至15倍之間的體積減少量，但部分視水分含量和顆粒尺寸而定。如前文所述，結合劑可促進緻密化程度。在典型的實施例中，壓實產品將具有約介於20和40 LB/ft³(英磅/立方英呎)之間的密度。在某些情況下，此密度更大，例如，至少約40 LB/ft³。

在其他的具體實施例中，氯化物含量不超過約300百萬分之一(ppm)，用以避免如燃燒室與通風孔生鏽或者是其他形式的腐蝕作用。在某些實施例中，壓實產品的水分含量約為15%或更低；在某些情況下，約少於10%或更低，並且在一具體實施例中，大約為9%或更低-皆為重量百分比。

此外，各種成分具有比可比較的木材顆粒的能量密度高約15%至30%的能量含量(例如，以質量為基底的能量密度)。具有如此高能量密度的壓實體成分，其例子為那些使用於都市廢棄物、天然草類以及農業原料的組合中的成分。在一具體的例子中，壓實體成分包含約30%至90%的紙板、約5%至40%的天然草類以及約5%至60%的農業原料。

壓實作用的種種好處如下：在過程中由熱量所施予壓實體的殺菌作用、提高儲藏性、相對穩定的壓實體尺寸，排除構成壓實體之材料的沉積物、降低灰塵、提高儲存壽命以及便於裝卸和運輸。

壓實體的製造方法

各種技術可用以製造符合本發明的壓實生物質產品。通常情況下，提供一種或多種原料至一壓實設備。可執行一些預壓實操作。另外或替代地，可執行一些後壓實操作。在本文中其他地方所描述的所有壓實體的所有成分和性質，可依據本節的方法來製備。

根據原料的狀態，在壓實作業前可能需要執行一種或多種分離程序或其他程序。例如，可使用混合搬運車(mix wagon)，這是一種為了將成捆乾草或其他植物破壞成秸稈等的目的，而傳統上使用於農場的搬運車，以使捆裝原料處於適宜進一步處理的狀態。因此，在某些情況下，成捆草類及/或其他未加工原料最初被送入混合搬運車內，成捆草類及/或其他未加工原料在其中被破壞，並且混合所產生的材料，同時被運送至一個或多個研磨台。可利用運輸裝置將材料從被破壞的捆裝處搬運至這些研磨台。

在某些情況下，原料是藉由將都市廢棄物的成分分類後，所獲得的一種都市廢棄物成分。在一個例子中，除了玻璃，金屬及/或低密度塑料之外，含有高能量密度塑料及/或紙張的回收廢棄物被分類出來提取高密度塑料及/或紙張。各種工具可用來促進這些分類程序。這類產品的其中一種，是由美國俄亥俄州，格羅夫波特(Groveport)的科馬爾(Komar)工業所販售。對於有大量生物質需求，以替換或輔助燃煤的某些電廠而言，可使用都市廢棄物來供應大量的生物質中之一部分。此外，用於燃料或其他燃燒應用的這些廢棄物，消除了垃圾掩埋廢棄物的成本以及環境品質質損(environmental degradation)。

其可能需要使用專門的運輸裝置來處理使用於處理程序中的各種不同原料。所以，不管處理程序是否需要紙張、紙板、都市廢棄物、農產品(如草類或農作物廢棄物的包裝)或是其他原料，運輸機構將根據其特定特徵(尺寸、密度、形狀及脆性等等)妥善地處理特定的原料。

某些情況下，未加工原料將以顆粒尺寸與密度可直接地送入壓實設備的形式供應。然而，在其他情況下，原料需經過一些前處理，以達到所需的顆粒尺寸和整體密度的形式供應。也就是說，原料必須被轉換成適合送入顆粒碾磨機、壓塊機或其他壓實設備的狀態。對於許多應用，供應至壓實設備的原料具有低密度，甚至有時為蓬鬆結構是必要的。因此，在一些實施例中，處理設備包括來自壓實階段上游的一個或多個原料減量階段。這種設備可能包括鎚磨機和類似工具。

某些原料可能需要局部乾燥，如潮濕的農業原料，以達到適於處理程序的水分含量。乾燥可藉由本領域中的各種技術來完成。在一個例子中，來自處理程序其他方面的廢熱，被用來乾燥原料。例如，某些加工設備在處理程序中的各個階段利用氣旋來移除灰塵。來自旋風排氣系統的空氣可被用來乾燥潮濕的原料。

在某些情況下，分離作用及/或粉碎作用分別在每個單一類型的原料上完成，因此所有的原料會各別地處理。請記住，多種不同原料可相互結合，以形成預定組成的顆粒。在其他情況下，兩種或兩種以上的原料在單一加工器具中會被共同處理(例如鎚磨機)。請注意，在使用多種原料的實施例中，來自壓實設備上游的個別原料通常會被混合。原料的混合可連續或分批進行。在分批的情況下，操作員可以仍進或其他方式傳送各別原料至混合機。各種混合機皆適合使用於本發明。例如，包括牲畜飼料混合機等等。在一具體實施例中，此設備可以混合四種不同的原料，並且調整這些原料中的一種或多種進料速率，以補償不同的未加工原料密度。

在一具體實施例中，兩種不同的鎚磨機被用來將草類、紙板或其他原料完全地轉化為適於製成顆粒狀的粉碎狀態。第一鎚磨機將未加工原料部分轉換為用以製成顆粒的適當狀態，而位於下游的第二鎚磨機完成轉化作用至完全的粉碎狀態。在某些情況下，三種或更多不同的鎚磨機或其他粉碎站被用以進行粉碎或研磨。這種方法已發現在紙張或紙板原料的情況下，運作的特別好。同時也發現，配備有刀具的鎚磨機對於分解某些原料特別有用。

如前所述，粉碎的原料最好具有適用於顆粒碾磨機或其他壓實設備的特性。這些特性可能是乾燥度(例如，以重量計約8%至14%的水分)、顆粒尺寸(例如，約0.1至5毫米)以及密度等。對於由多種不同原料組成的複合顆粒，可能有多個進入顆粒碾磨機的各別進料線，分別對應於不同成分中的每一種成分。在某些實施例中，顆粒製造設備將包括位於顆粒碾磨機上游的混合室。用以形成複合顆粒之原料的各種成分，經由各別的進料線送入混合室。混合室組合這些不同的原料使成為充分混合的混合物，通常分佈均勻的，此混合物為接著被送入顆粒碾磨機者。在其他實施例中，多種原料藉由批次的或連續的處理程序，在壓實設備的上游混合(例如，在混合搬運車中)。

各種技術可用來精製和運輸未加工原料或粉碎的原料，例如，從鎚磨機或其他粉碎設備至壓實設備。在一實施例中，風箱吹送粉碎的原料進入一管路或其他管道內(例如，8英吋管)。在一實施例中，加工後的的原料暫時存放在一貯存槽或其他容器內，直至需將其轉化為顆粒為止。在一具體實施例中，在貯存槽底部或其他地方提供一螺旋運送機攪拌的進料線，用以輸送原料通過加工系統。在一具體實施例中，螺旋運送機攪拌的進料線移動加工材料至造粒設備內部的運輸裝置。具體來說，運輸裝置將原料送入顆粒碾磨機頂部。在某些實施例中，材料收集槽位於顆粒碾磨機頂部。

第1圖描繪出一具體實施例，其中收割的草類或其他原料101、103經由運輸裝置105升高至上鎚磨機107。重力牽引原料在上鎚磨機107中加工至位於上鎚磨機底部的出口。部分轉化的原料材料從那裡落入一下鎚磨機109中，在其中所完成的轉化作用如先前所述。可選擇性的，加工後的原料可貯存在一個貯存槽中(圖中未示)。在所描繪的實施例中，螺旋運送機或加壓式空氣供給裝置驅動粉碎的原料從進料線111傳送至收集槽113，在收集槽113內的粉碎原料接著傳遞至顆粒碾磨機115。由此所產生的顆粒117被冷卻、可選擇性的包裝以及被製成可用於所預期的應用(例如燃燒)上。

多種型式的顆粒碾磨機適用於依據本發明的顆粒製造上。在不同的例子中，顆粒碾磨機包括一個蒸汽噴射器，以促進未加工原料結合至顆粒中。合適的顆粒碾磨機販售商之一，為愛荷華州滑鐵盧(Waterloo Iowa)的加州顆粒碾磨機販售商(California Pellet Mills，CPM)。當顆粒在模具中受到擠壓和壓緊時，大部分殘留的水分受到蒸汽加工的導引而被移除。如前所述，根據本發明所製成的某些顆粒將具有設計過的尺寸和形狀。與顆粒碾磨機一起使用的模具被設計來生產所需尺寸和形狀的顆粒。具體的例子為使用環形或平板模具。

剛從顆粒碾磨機製成的顆粒通常很熱，有時在140℉至200℉的範圍內。因此，顆粒在進一步加工或運送前應先冷卻。在某些實施例中，顆粒的生產設備採用了顆粒冷卻器，其將顆粒冷卻到合適的溫度(例如，約60℉至120℉)。隨後，冷卻的顆粒可被引入一振動篩選器中，用以篩選出碎屑。這些碎屑可再回收通過顆粒碾磨機。

處理程序的各種階段可能產生會干擾操作之灰塵或其他雜質。在一實施例中，在成捆農業原料可濾除灰塵或其他雜質的位置處，地面上之製程設備的佈局提供某原料的運輸裝置。在成捆農業原料中，藉由從處理程序補集灰塵，使有些廢棄物重現於處理程序。在一個例子中，製程設備包括一真空系統(例如，一個氣旋風扇)，用以從地面上的特定位置(例如，運輸裝置及/或顆粒碾磨機下方)朝向作為過濾器的原料包裝的方向移除灰塵或其他雜質。

通常壓實產品應具有相對低的水分。此情況為，例如，當將壓實產品使用於共燒應用時，水分的存在降低了BTU密度。在某些實施例中，壓實產品形成程序採用很少或完全沒有乾燥步驟。這個目標可藉由使用已經實質上乾燥的原料來實現；例子包括在陽光下於地上自然乾燥的材料。相較之下，壓實的木材產品是由木片製成，其通常具有以重量計約50%的水分含量等級，並且在形成顆粒前可能需要乾燥。使用於本發明中的某些原料，具有的水分含量以重量計約20%或更低，或甚至於以重量計約15%或更低(或以重量計約10%或更低)。如下所述，某些壓實工具本身可促進水分自如木材的原料中移除。同時，如其他地方所提到的，本發明的某些實施例使用具有零木材含量的顆粒。其他實施例僅採用少量的木材(例如，以重量計約5%或更少或甚至為以重量計約1%或更少)，以賦予壓實產品宜人的香氣。

在一實施例中，木材產物或其他相對高水分含量的產物是在壓塊機中加工，以移除多餘的水分。木片或其他木材產物可單獨或結合其他成分(生物質能或化石燃料)加工，以製造具有顯著降低水分含量的最終產物。例如，若木片在加工前含有以重量計約49%的水分，其在壓塊機中進行壓實後，可減少以重量計約10%至20%的水分含量。

壓塊機提供一種高效節能技術，用以從木片及其他高水分含量的原料中移除水分含量。在某些實施例中，壓塊機包含兩個相對的滾筒，其具有排列在滾筒周圍附近的模具或凹痕。凹痕的尺寸為所要生產的團塊尺寸。滾筒可能是由大型電動機驅動，例如兩個200 hp(馬力)的液壓馬達驅動。未加工原料是從位於壓塊機上方的送料斗送入。未加工原料落入兩個滾筒之間，並且藉由滾筒的滾動/壓緊作用而被壓密為團塊。

如前所述，團塊一般具有像木頭狀的外觀，並且一般沿著側面的尺寸約為1至4英吋。這種側面和形狀使其適合直接送入燃煤電廠中。不需要進一步的加工程序；當生物質團塊被送入電廠或燃燒室時，生物質團塊可直接與煤炭混合。壓塊機可以在一電廠的地點上操作，並且製造團塊以直接使用，而不需運送最終產物。

壓塊機有各種尺寸。在一些實施例中，適用於製造使用在共燒應用的團塊，所選擇的壓塊機能夠產生至少約每小時50噸的團塊。在某些情況下，壓塊機可產生約每小時150噸的團塊。

在某些實施例中，化石燃料與生物質成分組合形成本發明的一種壓實產品。這類產品的一個例子包括生物質連同煤粉或煤粒。此產品可能是例如顆粒或團塊。在某些情況下，生物質和煤的成分個別混合(在個別的混合機中)，接著再放置於運輸裝置上，在此它們被傳送至送料斗，此送料斗可能坐落於壓塊機的頂部。壓塊機接著從煤和生物質製造團塊，以作為複合燃料產物。在某些實施例中，結合劑，如過期的可樂糖漿或塑料，可添加至壓塊機中，用以產出確保穩定性的產品。

在壓實產品中，化石燃料和生物質成分的相對量可反映出預期的燃燒應用所需的相對量，例如在電廠中的共燒。供應至電廠用以燃燒的燃料，大約有5至20體積百分比(例如約15體積百分比)為壓實的生物質材料，其餘為煤或其他化石燃料。一個典型電廠每天的燃料總數量可能是好幾噸，甚至是數百噸。在某些實施例中，本文所述的製造方法是用以生產每名工人搬運大約10至15噸的壓實燃料補給量。在一個典型的例子中，電廠可能需要每年約100萬噸的可燃性產物，其中至少有一些包含本文所述壓實生物質材料。

廢棄物吸收劑和墊料應用

在許多情況下，含有顆粒狀材料的生物質可作為貓砂或其他同樣有用的吸收劑產品。這類產品的成分，可賦予一種或多種下列性質：低成本、除臭、掩蔽異味、色彩以及當然的吸收性。合適的低成本吸收劑材料的例子包括紙，包含紙板，以及各種農業原料或其他植物廢棄物，如外皮、外殼、秸稈和果肉。具體的例子包括大豆產物(秸稈和豆莢)、玉米產物(外殼，秸稈和穗軸)以及向日葵產物(秸稈)。紙基(paper based)吸收劑產物使用了至少約40%的紙張及/或紙板，其中之一或兩者皆可能有上蠟。

通常地，具吸收性的壓實體包含實質上未使用粘土或類似傳統材料的貓砂。在一些實施例中，吸收性材料可能包括另一種吸收性材料，如超吸收性聚合物(super absorbent polymer，SAP)。超吸收性聚合物被廣泛應用於尿布及類似產品上。其通常為丙烯酸系聚合物，但越來越多是衍生自可再生的植物性資源。

各種除臭成分，如環糊精、玉米澱粉、碳酸氫鹽及/或石灰，可能以小量或甚至微量存在(例如，以重量計約少於2%或甚至於以重量計約少於1%)。當採用環糊精或類似的產物，其可能為以重量計約0.05%至0.1%的程度存在。某些掩蔽氣味成分，如咖啡渣，也可能以少量存在(例如，以重量計約少於5%)。可供應於貓砂產物的其他添加劑，包含小量或甚至微量的肥皂及/或植物油，一般以重量計約少於0.1%(例如，以重量計約0.01%至0.02%)。

通常地，吸收性材料包含以重量計至少約50%的生物質產物。在各種實施例中，吸收性材料包括以重量計約介於5%和50%之間的農作物廢棄物以及以重量計約介於30%和95%之間的廢紙，如紙板，並結合有少量的除臭或掩蔽氣味的材料。在更具體的實施例中，吸收性材料包括以重量計約介於10%和30%之間的農作物廢棄物以及以重量計約介於65%和95%之間的廢紙。在一個具體實施例中，吸收劑組成物含有以重量計約80%的紙板(普遍為纖維素紙材)、以重量計約20%的大豆、玉米及或向日葵廢棄物以及少量除臭材料(例如環糊精、玉米澱粉、石灰或小蘇打)的顆粒。另一具體的組成物具有以重量計約介於50%和90%之間的紙製品、以重量計約介於10%至40%之間的玉米產物以及如上述的除臭成分。

在某些情況下，貓砂或其他吸收性材料是由非均質混合(混合的尺寸)顆粒以及混合有相似密度的纖維素纖維所組成。在某些例子中，最終產物的密度約介於0.4至0.8 g/cm³(克/立方公分)之間，或者更具體地，約介於0.5至0.7 g/cm³(30至42 LB/ft³)之間。貓砂顆粒的平均尺寸可以是直徑大約1/8至1/4英吋(例如，約3/16英吋)以及長度大約從1/4英吋至1又1/2英吋。此顆粒通常被擠壓通過模具，並且其中大部分會碎裂，因此顆粒最終為凹面的、扁平的或圓形的。通常地，一特定批次具有一長度範圍。

本文所描述的吸收性材料可以是經由如上述的那些顆粒化程序所製造的。通常地，顆粒化程序利用相對少量的水分，例如，以重量計約少於10%。製造吸收劑的顆粒化程序，包含原料(紙板和農產品)的水分測試。若水分含量以重量計低於9%，可在顆粒化的過程中經由蒸氣或噴霧添加水分。在一個例子中，操作範圍以重量計約介於9%和14%之間的水分。通常地，吾人可選擇具有適當水分含量的原料，而不需添加蒸氣或水分。

在某些實施例中，動物用墊料組成物以紙為基底，並且大部分結合紙張與農作物廢棄物。通常地，壓實的動物用墊料具有會使用此墊料之動物不可食用的組成。例如，馬可能會吃含有約超過30%可食用生物質的壓實產品。因此，馬墊料組成物一般含有以重量計最多約30%的可食用生物質。在某些情況下，動物用墊料組成物包含紙張或紙板、石灰、碳酸氫鹽或以重量計佔總量約70%或以上的其他不可食用的成分。動物用墊料組成可包含如先前所確認的少量水分(例如，以重量計約4%至6%的水分)。如同貓砂產品一樣，可包含少量的除臭成分、肥皂及/或植物油(例如，以重量計最多約1%的組成)。

在具體實施例中，動物用墊料組成包含以重量計約70%至80%的紙板或紙張，以及以重量計約20%至30%的可食用生物質，如玉米廢棄物。此外，動物用墊料組成可能也包含以重量計約0.02%至0.05%的石灰。

在某些實施例中，動物用墊料是藉由在研磨機中加工原料所製成，並接著在鎚磨機中縮減尺寸，因此其將流通過一顆粒模具。在這個過程中移除微粒，以排除任何可能會對動物引發呼吸道問題的灰塵及小顆粒。

通過緻密化，壓實的動物用墊料物質在運輸及貯存成本上提供非常大的節省。若人們以禾稈或木片的自然狀態貯存禾稈或木片，其將佔據相當大的體積。在某些實施例中，原料的緻密度高達17倍，以提供於壓實的動物用墊料。當然，不同原料的壓實程度不同。一般來說，相較於傳統的動物用墊料物質，壓實的動物用墊料的使用量較小，並且將於後續使用較久。當然，壓實的動物用墊料物質是可生物降解以及可作為堆肥的。

藉由散佈於牲畜棚內並接著輕微潤濕材料，可製備最後製備的壓實產品以作為墊料。舉例而言，40英磅的材料可以被大約1夸脫的水潤濕。此後不久，通常在大約1小時之內，顆粒膨脹(有時會膨脹至其初始尺寸的數倍)，從而產生更深且更柔軟的墊料。添加的水分具有減少灰塵的額外好處。

由此產生的墊料吸水性極佳，而當動物排尿時具有良好的除臭特性且會凝結成塊，因此使用過的部位可輕易地從牲畜棚移除。動物的固體廢棄物並不會弄髒太多的墊料，並且也可輕鬆移除。

結論

雖然本發明以某些具體實施例作為說明，然並非用以限定本發明。舉例而言，此處所述的顆粒可用於除了工業電廠、動物用墊料以及廢棄物吸收劑之外的廣泛應用中。在其他的應用上，為垃圾填埋場復育以及用於家庭的暖氣。

101．．．收割的草類或其他原料

103．．．收割的草類或其他原料

105．．．輸送帶

107．．．上鎚磨機

109．．．下鎚磨機

111．．．送料線

113．．．收集槽

115．．．顆粒碾磨機

117．．．所產生的顆粒

第1圖為根據本發明之具體實施例的壓實生物質產品的製備流程示意圖。