用于生物质处理的反应器的制作方法

用于生物质处理的反应器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年11月13日提交的序号为62/934,769的临时申请以及2020年9月16日提交的序号为17/023,166的临时申请的优先权。申请人在此通过引用将序号为62/934,769以及序号为17/023,166的临时申请的全部内容并入本文。
技术领域
3.本发明总体上涉及生物质，更具体地涉及生物质处理。


背景技术：

4.世界每年产生的生物质供应几乎是无限的。其来源包括动物废物、污水污泥、细菌、藻类、农业废物等。农业废物是农业活动产生的不需要的废物。农业废物包括粪肥、油、青贮塑料、化肥、杀虫剂和除草剂，以及来自农场、禽舍和屠宰场的废物。杀虫剂和除草剂用于控制害虫，但长期使用会导致在土壤中积累，这可能对有益微生物和传粉媒介有害。大多数杀虫剂和化肥都是水溶性的，可以过滤并进入地下水位，同时可以进入潜在的食品中。
5.化肥是农业废物的主要来源，因为它们含有诸如氮、磷、钾等的营养矿物质，有助于并使得植物更快地生长与提高产量。然而，当化肥被释放到开放环境中时，这会导致水生环境的富营养化。化肥还极大地影响土壤健康，土壤健康被定义为土壤作为维持植物、动物和人类生存的重要生态系统的持续能力。
6.此外，始终需要创造和改进新能源以满足世界不断增长的能源需求。因此，显然需要解决这些问题的装置和方法。更具体地，需要一种技术，其将生物质分解成有利于土壤和作物生长的形式，同时创造导致碳中和过程的能源。


技术实现要素：

7.用于处理生物质的系统，其包括定子、具有旋转轴的转子(该转子设置于定子内部并配置为围绕其中的旋转轴旋转)、限定在转子和定子之间的处理室、与处理室流体连通的入口(其设计用于将未处理生物质引入到处理室中)、与处理室流体连通的出口(其设计用于从处理室中带出经处理的生物质)，以及与入口和出口可操作地连接的泵，其中该泵配置为将未处理生物质泵送通过处理室。
附图说明
8.为了说明本发明，在附图中示出了目前优选的形式；然而，应当理解，本发明不限于附图所示的精确布置和手段。
9.图1是本发明一个实施例的俯视图。
10.图2a是反应器的侧视图。
11.图2b是图2a的横截面图。
12.图3是说明生物质处理步骤的一个实施例。
13.图4是说明生物质处理步骤的一个实施例。
14.图5是厌氧消化处理的示意图。
具体实施方式
15.现在将在以下本发明具体实施方式中更全面地描述本发明，其中描述了本发明的一些但不是所有实施例。实际上，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开满足适用的法律要求。
16.本文使用的术语仅出于描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。如本文所用，单数形式“a(一个)”、“an(一个)”和“the(该)”旨在包括复数形式以及单数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定了所述特征、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件和/或其组合的存在或添加。
17.除非另有定义，本文所使用的所有术语(包括技术和科学术语)与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。将进一步理解的是，例如那些在常用字典中定义的术语，应被解释为具有与其在相关技术和本公开的上下文中的含义一致的含义，除非本文有明确定义，否则不应以理想化或过于形式的意义对其进行解释。
18.在描述本发明时，将理解其公开了许多技术和步骤。这些中的每一种都具有单独的益处，并且每一种也可以与一种或多种，或者在一些情况下，与所有其他公开的技术结合使用。因此，为了清楚起见，本文将避免以不必要的方式重复各单独步骤的每一种可能的组合。然而，在阅读说明书及权利要求时应该理解这样的组合完全在本发明及其权利要求的范围内。
19.本发明公开了用于处理生物质的系统，其包括定子、具有旋转轴的转子，该转子设置于定子内部并配置为围绕其中的旋转轴旋转。该系统包括限定在转子和定子之间的处理室，其具有与处理室流体连通的入口(其设计用于将未处理生物质引入到处理室中)，以及与处理室流体连通的出口(其设计用于从处理室中带出经处理的生物质)。该系统还包括与入口和出口可操作地连接的泵，其中该泵配置为将未处理生物质泵送通过处理室。
20.参见图1，该系统如图所示包括具有入口和出口的反应器。转子轴从反应器延伸，转子轴与电机接合，该电机配置为以所需的速度旋转转子。该电机可以是本领域已知的任何电机，包括变速电驱动电机。还示出了一对泵。该泵与入口和出口可操作地连接，并配置为将未处理生物质泵送通过处理室。该泵还有助于将水带入到处理室中以及对处理室加压。该泵还与一个或多个歧管可操作地连接，该歧管有助于水、油或与系统及其功能相关的任何其他液体的流动。
21.参见图2a和2b，图示了反应器的一个实施例，其包括定子、设置于定子内部的转子、连接到转子并延伸出定子的转子轴、允许材料(即生物质、水等)进入反应器的入口，以及允许材料(即生物质、水、利口酒(liqueur)、水热炭(hydrochar)等)离开反应器的出口。图2b还示出了处理室的一个实施例，该处理室是限定在转子和定子之间的空间并且是生物质进行处理的位置。转子可以从第一端到第二端逐渐变细，从而提供处理室宽度的变化。处理室可以具有以下范围内的变化宽度：300至15000微米、500至13000微米、500至12000微
米、500至11000微米、500至10000微米、500至9000微米、500至8000微米、500至7000微米、500至6000微米、1000至13000微米、2000至13000微米、3000至13000微米、4000至13000微米、5000至13000微米、1000至10000微米、2000至12000微米、1000至12000微米、2000至14000微米、1000至15000微米、2000至15000微米、1500至10000微米或其任何组合。处理室的宽度也可以是未处理生物质的任何粒度的倍数，选自0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0或10.0。
22.表面粗糙度，特别是在流体流动中的宏观、微观以及纳米尺度，会在许多应用中引起许多问题。通过微抛光提供具有超光滑表面的材料可以提高性能。转子和定子可以各自具有光滑的表面。转子和定子可以具有镜面、光滑的表面。转子和定子可以具有抛光的光滑表面。转子和定子可以涂有一种或多种材料以提供或增强其表面的光滑度和/或耐用性。涂层可以以多种方式沉积，包括但不限于电镀、聚合物涂布及其组合。涂层可以是疏水性、疏油性或其组合。
23.该系统以连续处理的方式处理未处理生物质。该系统可以处理98/2％固水比或2/98％固水比范围内的生物质。该系统也可以处理以下固水比范围内的生物质：95/5％、90/10％、85/15％、80/20％、75/25％、70/30％、65/35％、60/40％、55/45％、50/50％、45/65％、40/60％、35/65％、30/70％、25/75％、20/80％、15/85％、10/90％、或5/95％。该系统对生物质进行水热碳化处理，产生水热炭和利口酒。该利口酒可以进行进一步处理。该系统将在180℃至250℃的水热处理温度范围内以及20-40bar的压力下运行。
24.由旋转转子、加热的水和反应器处理室内产生的压力的组合产生的旋转力和动能通过剪切力、摩擦力以及径向力帮助分解生物质。这些因素结合起来，在物理和分子上分解生物质，破坏化学键并释放对植物生长至关重要的碳、氮、磷、钾。
25.水热碳化(htc)这种处理过程将湿生物质转化为均质化、富含碳、能量密集的固体燃料和/或称为水热炭的土壤改良剂。换句话说，htc是将有机化合物转化为结构碳的化学过程。使用湿气作为反应介质和反应物是htc的显著优势，因为它消除了在处理前干燥生物质的时间和/或能量的消耗。随着水被加热和加压，它变成了湿生物质的溶剂、催化剂和弱酸。生物质在经受htc时会发生快速水解和其他反应，释放含氧挥发物并产生高度疏水的水热炭。使用以前的设备和技术，该放热处理需要数小时才能完成。使用本技术中的设备和方法，可以在几分钟甚至几秒钟内完成该处理。
26.htc似乎提供了简单而直接的解决方案来处理生物质。不幸的是，高温和高压的要求以前使该处理设计复杂且操作成本高。将htc分批处理与htc连续处理进行比较，htc分批处理对于工业规模部署来说并不具有成本效益。htc连续处理提供了便携性、相对较小的占地面积、大量的能量回收以及最重要的效率。
27.本文描述的系统可以在几分钟或几秒钟内对未处理生物质进行htc，这与以前系统的数小时或数天相比是一个巨大的飞跃。本系统还比以前的htc系统保留了更多的营养。在本发明的一个实施例中，htc在少于4小时、少于3.5小时、少于3小时、少于2.5小时、少于2小时、少于1.5小时、少于1小时、少于45分钟、少于30分钟、少于25分钟、少于20分钟、少于15分钟、少于10分钟、少于5分钟或少于1分钟内完成。如前所述，生物质来源包括动物废物、污水污泥、细菌、藻类、农业废物等。农业废物是农业活动产生的不需要的废物。农业废物包括粪肥、油、青贮塑料、化肥、杀虫剂和除草剂，以及来自农场、禽舍和屠宰场的废物。
28.该系统还包括控制箱，该控制箱与反应器(定子、转子、入口、出口)、电机、泵#1和泵#2以及任何其他未示出但对操作该系统必需的组件可操作地连接。控制面板还包括本领域已知用于记录和/或传输所有所需数据的任何类型的数据存储器。计算机/处理计算机(即触摸屏)可操作地与控制面板连接，用于处理记录的数据。该计算机还包括本领域已知用于记录和/或传输所有所需数据的任何类型的数据存储器。该计算机控制和执行一个或多个程序，该程序执行生物质处理和该系统各种组件的操作。
29.图3示意了一个实施例，其是使用本文描述的系统处理谷物将经历的循环。种植并收获谷物，该谷物被送至进行酿造/蒸馏以转化为某种形式的酒精并留下酒糟。然后，由于系统尺寸的便携性，将该酒糟(生物质)在现场系统中运送通过本文描述的处理器系统。该系统产生的水热炭被送回至农民作为农场投入使用。
30.图4示意了一个实施例，其是使用本文描述的系统处理谷物将经历的循环。种植并收获谷物，该谷物被送至进行酿造/蒸馏以转化为某种形式的酒精并留下酒糟。然后，由于系统尺寸的便携性，将该酒糟(生物质)在现场系统中运送通过本文描述的处理器系统。该系统产生水热炭和利口酒副产品。该水热炭被送回至农民作为农场投入使用。该利口酒被送至通过厌氧消化处理(参见图5)进行进一步处理，产生消化污泥(返回系统处理器进行重新处理)和甲烷。甲烷可用于对处理器系统进行加热和供电，也可以用于任何其他所需的处理。
31.本发明还包括处理生物质的方法，其包括以下步骤：
32.a)提供用于处理生物质的设备，其包括：
33.定子；
34.具有旋转轴的转子，该转子设置于定子内部，以及配置为围绕其中的旋转轴旋转；限定在转子和定子之间的处理室；
35.与处理室流体连通的入口，其设计用于将未处理生物质引入到处理室中；
36.与处理室流体连通的出口，其设计用于从处理室中带出经处理的生物质；
37.以及
38.与入口和出口可操作地连接的泵；
39.其中，该泵配置为将未处理生物质泵送通过处理室；
40.b)通过入口将未处理生物质加入到处理室中；
41.c)通过入口将水加入到处理室中；
42.d)通过加热和加压处理室内的水和未处理生物质，同时使转子围绕旋转轴旋转产生径向力，处理处理室内的水和未处理生物质；
43.e)产生水热炭和利口酒；
44.f)收集水热炭；以及
45.g)收集利口酒。
46.本文描述的任何方法可以并入包含在本技术和通过引用并入本文的任何其他文件/申请中的任何设计元素。
47.在描述本发明时，将理解其公开了许多技术和步骤。这些中的每一种都具有单独的益处，并且每一种也可以与一种或多种，或者在一些情况下，与所有其他公开的技术结合使用。因此，为了清楚起见，本文将避免以不必要的方式重复各单独步骤的每一种可能的组
合。然而，在阅读说明书及权利要求时应该理解这样的组合完全在本发明及其权利要求的范围内。
48.在不背离本发明的精神和本质属性的情况下，本发明可以以其他形式实施，因此，应参考所附权利要求书，而不是前述说明书，因为权利要求书表明了本发明的范围。本文示例性公开的本发明，可以在缺乏此处未具体公开的任何元素的情况下实施。