CN101379009A - 从附着的不溶固体中分离有机材料并转化成有用产物的设备与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明处理包含骨材料的低值产品和废物，以可接受的成本和高的能量效率制造纯度和组成可靠的有用材料。具体地，本发明包含方法，所述方法将多种原料，比如下水、动物粪便和城市污水污泥转化成包含气体、油、专用化学品和碳固体的有用的材料。所述方法将原料加热以分解蛋白质并从骨材料中分离有机物质，对得到的液体混合物进一步加热并加压，分离出多种组分，之后对这些组分中的一种或多种进一步加热和加压。本发明还包含用于实施将废产物转化成有用材料的方法的设备，以及从该方法得到的油产品。

Description

从附着的不溶固体中分离有机材料并转化成有用产物的设备与方法
优先权要求
本申请是申请号为10/717,076的美国专利申请的部分继续申请(continuation-in-part)，其按照35 U.S.C.§119(e)的规定转而要求于2003年3月28日提交的申请号为60/458,520的美国临时申请的优先权的权益，这两篇文献通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明一般涉及废物的处理，所述废物包含附着于不溶固体如骨材料的有机物质。典型的废物包括动物部分、食品加工废物和城市污水污泥。更具体地，本发明一般涉及用于将这些废物质转化成商业上有用的产物，如燃料油、肥料和专用有机化学品(specialty organic chemical)的设备和方法。
背景技术
长期以来人们认识到，许多由人类社会产生的废产物最终能够被分解成少量的具有自己内在价值的简单的有机物质。如果这种转化能以高能效的方式在足够大的规模实现，那么可能对社会有巨大的益处。
大多数活质(living material)以及家庭和商业应用中使用的大多数合成有机物，包含多种组合物的以碳为基础的聚合物。在适当的条件下，大多数这样的物质(包括木材、煤、塑料、轮胎和动物废物)将分解成气态产物、油和碳的混合物。物质，如农业废物，可能还包含分解成矿产的无机物。几乎所有这些产物，无机的或者有机的，可以在有益的宿主中和通常可获利的应用过程中获得新生。
从其它无用的废物中制造有用材料的原理不仅仅是要呼吁:废物的循环利用对于不断增长的人口应对21世纪的挑战的进程非常重要。人类面对的两个主要挑战是应对地球资源的有限供给和减少全球变暖对环境日益增加的威胁。事实上，很快得到普遍接受的想法是，全球变暖可以通过循环利用生物圈中以碳为基础的物质来减缓，而不是从地下油类、天然气和煤矿中引入新的碳源。
然而，到今天，生产大量主要包括有机物质的废产物的工业，在处理和储存这些废物以及最大限度地利用这些废物方面，面临着巨大的挑战。
一个恰当的案例是，全世界的食品加工工业每年都产生几十亿磅的富含有机物的废物。这些废物与动物和植物产品的加工有关，包括火鸡、鱼、鸡、猪和牛的加工废物和饲养废物(husbandry waste)。食品加工工业继续增长，其成员在利用他们的废产物进行某些生产时面临着巨大的经济和环境压力。这些废产物产生了很多严重的问题。这些问题之一是通过填埋(landfilling)、土地利用或者消化食品废物产生温室气体，如二氧化碳和甲烷，没有任何其它的益处。理想情况下，食品工业必须采取有效而且经济的方法处理它们的废物，不排放有气味或者有害的污染物。
最近，很多领域中无用副产物的仓储成本正在显著增长。可以用来饲养农业牲畜的废产物的种类越来越受到控制。例如，在欧洲的BSE/CJD(疯牛病/雅各布病)的恐慌之后，很多废产物仅仅被储存起来，等待合适的结局。很明显，有额外紧急的需要，以找到清洁处理和使用这些物质的可接受的方法。优选地，需要发现将食品加工废物转化成有用的、高价值产物的方法。
寻找处理替代方法的另外的驱动力是废水处理法规的联合强制执行和污水超量罚款(sewage surcharge)的增加。食品加工工业必须寻找有成本效益的(cost-effective)技术，以提供它们的废水和固体(湿)废物的预处理或者完全处理。在历史上，位于城市设施中或者毗邻城市设施的食品加工设备依赖于用于废水处理和处置的本地公有的处理工厂(POTWs)。渐渐地，因为强制执行更加严格，这种方法变得越来越不可行。遵守废水处理规定的压力增大。建立新POTWs和升级POTWs的财政资助的减少也表明这种方法的吸引力减弱。因此，食品加工工业在如何有效地处理其不可食用的产物方面的压力越来越大。
耐久性化学物(persistent chemical)，比如二噁英(dioxin)的生物积累，和威胁生命的疾病，比如疯牛病(BSE)传播的可能性，是对食品加工者和同样对食品消费者的另一个威胁。通过将食品加工残余物重新喂养家畜(farmanimal)，这种威胁被大大加剧。食品加工工业需要经济的解决方法来打破此循环。
此外，城市和地区下水道管理机构正在要求行业降低有机生化需氧量(biochemical oxygen demand)(BOD)，化学需氧量(COD)和下水道上的固体负载。由于含有大量的悬浮固体、氨和蛋白质化合物的高强度的食品加工废水中通常存在高BOD浓度，所以食品加工工业正受到额外的严格审查。食品加工设备需要有成本效益而且是专用的处理技术，来有效地处理它们的废水和固体废物。
在其它工业，相似的问题以很多不同的方式增加、扩大和放大。例如，与将动物废物加热转化成脂肪和蛋白质的炼制厂(rendering plant)有关的臭气散发的产生是所述的问题之一。另一个例子是包含高浓度的病原体的城市生物固体的土地利用。
另外，处理任何包含动物身体部分，或者来源于动物身体部分的有机废物时，很大的困难是从固体物质，例如骨分离有用的有机物质。最终，骨和其它固体产物，比如矿物质必须被分离出来，因为它们会在容器内壁上形成垢的积聚，并可导致管道和泵表面上的结垢和腐蚀，所有这些显著增加工厂操作成本。但是，在不溶固体，如骨材料能够被分离出来之前，优选去除附着于其上的有机物质。这些有机物质包含蛋白质、脂肪和碳水化合物，并具有潜在的高价值。当这些有机物继续附着于骨材料时，这些物质的颗粒大小增加，并在工厂设备中导致沉积物形成和腐蚀。如果有机物质保持附着于固体物质，当固体物质被滤出时有机物质也可能丢失，从而导致从有机物质得到的产物产量下降。
好氧和厌氧的消化设备(digester)都在污水处理厂中用来处理城市污水污泥(municipal sewage sludge)。有很多与它们的使用相关的问题。它们操作的基本原理是将富含生物质的物质(biologically rich material)导入大的存储容器，所述容器中包含能够消化生物质的细菌。通常，将溶解的固体导入好氧消化设备，并将悬浮固体导入厌氧消化设备。一旦提供的营养物质耗尽，细菌就无法维持它们自己的生存而死亡。消化阶段的终产物是包含死亡细菌的污泥，并且必须用某种方法处理。得到的物质的一个问题是它仍然含有病原体。通常，整个过程中的其它问题包括消化容器中的保持时间(holding time)可长达17天，而且操作条件难以维持。例如，相对大的容器(典型的直径为20-30英尺)通常保持在85℉以上，并在一些情况下为122℉以上。
工业上，特别是食品加工工业上目前可以使用的所有处理技术，都具有明显的局限性和不足，这为寻找替代方法提供了动机。这适用于除使用现有的POTWs之外的技术。具体来说，四类方法，地面处理(填埋、堆肥、土地利用)、生物处理、传统热氧化处理，如焚化/燃烧，以及热解(pyrolysis)/气化，都有各自的不足。
地面处理的不足包括:搬运(haulage)或者运输成本高、极可能因泄露而污染地下水，还有与地面物质接触会产生高浓度的危险污染物(例如土地利用中的病原体)。掩埋产生可能带来空气污染问题的气体，包括产生温室气体。
废物的生物处理的缺点包括难以控制，而且因为难以确定进入土壤的气流是否足够，所以不能确定性能。如果使用好氧细菌，必须保持气流量以提供氧气。例如，可以开发出细菌来消耗特定化合物，当把这些细菌置于土壤中时，它们活化替代的酶系统以消耗最容易获得的化合物。
进行焚化或燃烧的比较陈旧的设备(unit)的不足包括:需要增加设备来满足政府不断制定的更加严格的空气污染排放标准。而且也可花费比其它技术更长的时间来获得用于焚化装置空气排放许可，因为重要的社会团体(community)关注焚化问题。另外，处理排气装置的废物意味着处理大体积的气体，从而需要非常大的工厂设备。原料的热值也很低。有些焚化炉与固体燃料或者固体废物不兼容，因为这些物质将在炉内太高的位置开始氧化。相反，原料中的高湿度也是问题，因为在焚化或者燃烧过程中，水会被汽化并去除，这个过程中水被汽化需要大约1000Btu/lb。这表示大量的热量/能量在系统中丢失。
所采用的技术的最后一个类别热解/汽化是吸引人的，因为不像提到的其它方法，它试图将废物转化成可以利用的材料，比如油和碳。在寻找分解废产物的最优方法时，主要的考量是如何调整得到的物质的组成，同时将实现分解所需的能量最小化。过去，所采用的主要热解和汽化方法试图在单一阶段的过程中分解废产物，但是已发现单一的阶段不能对终产物的纯度和组成提供足够的控制。具体来说，某些物质分解的温度和其它物质不同。例如，从文献得知，朊病毒破坏(prion destruction)处理和水热(hydrothermal)处理城市污水污泥时，蛋白质分解发生在275℉以上的温度范围中(参见，例如，Yoshida，et al.，“Production of Organic Acids and Amino Acids from Fish Meat bySub-Critical Water Hydrolysis”，Biotechnol.Prog.，15:1090-1094(1999))。
已将热解炉用于将有机物质分解成气体、油和焦油，以及含碳的物质。热解炉允许将有机物质加热到高温，～400-500℃，但是能量效率差，而且几乎无法控制所得物质的组成。具体来说，大多数废产物，特别是那些来自农业的废产物含有多达50％的水。热解炉需要蒸去水分，这个过程非常需要能量。另外，热解室需要比较大，以将处理量最大化，但是这会带来热解室中显著的温度梯度。因此，热解过程涉及对废产物的不均匀加热，并使得到的终产物的质量较差，或者其中含有不纯的焦油和油。
已将汽化器用于实现废弃产物的部分燃烧。大体来说，将气体(通常是空气、氧气或者蒸汽)以不足以氧化所有的可燃物质的量经过废产物。因此，生成了一些燃烧产物，比如CO2、H2O、CO、H2和轻的烃类，而产生的热量将剩余的废产物转化成油、气体和含碳的物质。产生的气体将包含一些输入的气体，但是生成的任何气体的体积都太大以至于不能储存，且必须立刻使用，或者通过管路运送到能利用它们的地方。汽化器还受到与热解炉相同的一些不足的困扰:例如，含水的废产物将在汽化水分的过程中消耗大量能量。
热解和汽化方法都另外存在问题，就是得到的物质含有含量不可接受的杂质。具体地说，废产物中含硫和含氯的物质在得到的终产物中分别产生含硫的化合物，比如硫醇(mercaptan)和有机氯化物。通常，烃油中可以容许1-2ppm的氯化烃类，但是汽化或热解方法都不能保证可靠地达到这样低的水平。
此外，热解和汽化方法具有低的效率，通常大约30％。之所以如此的一个原因是产物在热含量(calorific content)方面并不是最佳的。进一步的原因是，在单一阶段的过程中，物质并不是以能够容易允许它们的能量在过程中有效地重新使用的方式产生。例如，难以收集(capture)所产生的固体产物中的热能，并重新定向使其有助于加热反应容器。所有这些方法都将从预处理步骤中受益，该步骤能有效地从固体，如骨中分离有机物质，从而易于进行泵送以及全面探测原料的热值。
总的来说，热解/汽化方法受到几个方面的困扰。油产物通常富含不合需要的高粘度组分，如焦油和沥青(asphalt)。热解和汽化过程都有差的传热性能，因此不能均匀受热。所以，终产物的数量相差很大，很少有足够用于经济性回收的数量或质量。湿的原料需要大量能量来汽化，代表系统因为水作为排气管(stack)中气体离开而带来大量的能量损失。因此，总而言之，热解/汽化的缺点是总体操作成本高，方法耗费资金而且一些副产物可能价值有限或者没有价值。
尽管有热解和汽化方法很多不同变体，但是所有这些方法都受大体类似的不足所困扰，用两阶段过程代替原来方法中的单一阶段过程的系统，例如美国专利nos.5,269,947、5,360,553和5,543,061能够显著增加处理效率。在第一阶段(通常被称为“湿”阶段)，废产物被加热至大约200-250℃，加压至大约20-120个大气压。在这样的条件下，废物质中的水分使可能存在的许多生物聚合物，比如脂肪和蛋白质发生水解以生成油的混合物。在第二阶段(经常被称为“干”阶段)，混合物迅速降至低压，在这期间，大约一半的水成为蒸汽馏出(drive off)。仍将混合物加热以进一步蒸发掉剩余的水分，同时将混合物最终分解成气态产物、油和碳。
这些两阶段方法中主要的进步是能够比任何先前的单一阶段过程产生质量更高、更有用的油混合物。然而，这种方法得到的产物仍然受到污染问题的困扰，受到材料，比如含硫和含氯的化合物的困扰，而且需要汽化大量水仍然带来大量的能源损失。另外，没有从固体如骨中去除有机物质的方法，这些两阶段方法还难以成为商业上可行的。
因此，需要处理废物和低价值产物的方法，以可接受的基建(capital)和操作成本来产生纯度和组成可靠的有用材料。这一方法中还包括了处理不同种类的原料，比如动物物质混合物的方法。
发明内容
本发明的目的是处理包含有机物质的废物和低价值产品，所述有机物质附着于不溶固体，如骨材料，从而以可靠的纯度和组成，以可接受的成本，不产生恶臭气体，而且高能效地产生有用材料。具体地说，本发明包含多阶段方法，将多种具有较少商业价值或用途的原料转化成有用的材料，包括气体、油、专用化学品(specialty chmical)(比如脂肪酸)、肥料和碳固体。本发明还包含设备，该设备用于实施将废产物转化成有用材料的多阶段方法，和由所述方法产生的至少一种油产品。本发明的设备和方法可具体应用于处理有机和无机废物，包括来自家禽(如火鸡、鸡和鸵鸟)、牛、猪、鱼和任何其它动物的下脚料(offal)，以及其它废产品，如动物粪肥(manure)、油脂、植物油和城市污水污泥。本发明也可应用于不再适合人类食用的死亡或者患病的动物肉体(carcasses)的处理。
总的来说，本发明的方法通过施加足够的热量来从固体材料，如骨分解(break apart)有机物质，由包含一种或多种碳化合物的原材料(raw material)产生原料(feedstock)，所述碳化合物附着于不溶固体，如骨材料；将合适制备的原料进行加热和加压，分离出所得物料的多种组分，然后对这些组分中的一种或多种进一步加热和加压。本发明的方法中的不同点产生的多种物质可以循环利用，并用于在本发明的方法中起其它作用。
本发明包括将包含有机物质的原料转化成至少一种有用的物质的方法，所述有机物质附着于不溶固体，如骨材料，所述方法包括:从原料制备浆液；在第一反应中将浆液反应以产生反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水；从反应后的物料中分离至少一种反应后的固体产物、水，和至少一种反应后的液体产物；和在第二反应中将至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用物质。
本发明还包括将包含有机物质的原料转化成至少一种有用的物质的设备，所述有机物质附着于不溶固体，如骨材料，所述设备包括:预处理单元，将其配置以从原料产生加热的浆液；初步分离单元，用于从加热的浆液分离出固体物质以得到液体混合物；与容器相连以接收液体混合物的第一阶段反应器，配置第一阶段反应器以使液体混合物进行第一次升温和第一次加压，从而产生反应后的物料，其中包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水；至少一个分离单元，其与第一阶段反应器相连以接收至少一种固体产物、至少一种液体产物，和水，配置此单元以将至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物分离出来；和第三阶段反应器，其与分离单元相连以接收至少一种反应后的液体产物，配置第三阶段反应器以使至少一种反应后的液体产物进行第二次加压和第二次升温，从而将至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用材料。在优选的实施方案中，预处理单元包含制备单元，其包括制浆设备来从原料制得原料浆液；与原料制备单元相连的容器，接收来自原料制备单元的原料浆液，以及额外设备，如泵和热交换器，它们经配置对浆液加压和加热从而产生加热的浆液。
本发明还包括将包含附着在不溶固体，如骨材料上的有机物质的原料转化成至少一种有用的物质的方法，其包括:通过加热原料制备浆液，使附着于固体材料，如骨的有机物质从其中分离；使浆液通过热交换器，其中通有一种或多种气体，以产生调节的浆液；从调节的浆液中分离出固体物质；在第一反应中使调节的浆液发生反应，其中释放出蒸汽和气体，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水，其中反应后的固体产物包括至少一种矿物质；降低反应后的物料的温度和压力以产生中间物料；从中间物料中分离至少一种矿物质，从而产生混合物，其包含至少一种反应后的液体产物和水；将所述的水转移至存储装置；将所述至少一种反应后的液体产物进行第二反应，其中产生碳固体及烃蒸气和气体的混合物。
本发明还包括将城市污水污泥转化成至少一种有用材料的方法，其包括:从城市污水污泥中制备浆液；加热浆液以使附着于包含在其中的无机物质的有机物质分解，并分离出得到的固体物质；在第一反应中使浆液发生反应以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水；从该反应后的物料中分离所述至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；将所述至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用材料；和在第二反应中将所述至少一种固体产物转化成烃油的混合物、燃料气体，以及矿物质和碳的混合物。
本发明还包括将动物废物转化成至少一种有用的物质的方法，所述动物废物包括附着于不溶固体，如骨材料的有机物质，包括任何动物体部分，例如火鸡下水或者牛内脏(beefpaunch)，所述方法包括:从动物废物制得浆液；加热浆液以分解有机物质，如蛋白质的(proteinaceous)化合物，这些有机物质附着于骨和包含在其中的其它无机固体，使得有机物质与骨和无机固体分离；分离出由于加热浆液产生的固体物质，以产生液体混合物；在第一反应中使液体混合物发生反应以制备反应后的物料，其包括至少一种反应后的固体产物、和至少一种反应后的液体产物，和水；从反应后的物料中分离至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；和在第二反应中将至少一种反应后的液体产物转化成烃油的混合物、燃料气体和碳(a mixture ofhydrocarbon oils，fuel gas，and carbon)。
本发明进一步包含了有效地从动物废物中去除骨头和其它固体物质的方法，如可以用于将动物废物制成动物食品的炼制过程，以及用于任何其它要求将动物身体部分和废物转化成有价值的产物，如燃料和动物饲料的过程。当应用于动物炼制时，本发明的方法允许生产出比用本过程更有用的产物。
因此，本发明进一步包括用于炼制动物体部分的方法，所述动物体部分包含附着于不溶固体的有机物质，所述方法包括:从动物体部分制得浆液；加热浆液以产生液体混合物和不溶物质；和除去骨材料。
本发明还进一步包括通过方法制造的燃料油，其中所述方法包括:从含碳原料制备浆液，所述原料还包含有附着的不溶固体，如骨材料；加热浆液以分解附着于包含在其中的无机物质的有机物质，并分离出得到的固体物质，以产生液体混合物；在第一反应中使液体混合物发生反应以制备反应后的物料，其包括至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物，和水；从该反应后的物料中分离所述至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；在第二反应中将所述至少一种反应后的液体产物转化成燃料油。
附图说明
图1显示本发明的总体方法的流程图；
图2显示实施本发明的方法的设备；
图3显示本发明的方法中的制备和第一阶段反应的流程图；
图4显示本发明的方法中第二阶段、分离阶段的流程图；
图5显示本发明的方法中第三阶段反应的流程图；
图6显示实施本发明的方法中第三阶段的设备；
图7显示用于从流体中分离精细的悬浮固体的设备；和
图8A和8B分别显示本发明的方法中第三阶段反应器和冷却器/冷凝器的使用。
图9显示在不同温度下，原料的粘度与剪切速率之间的关系。
发明详述
本发明的方法主要用于从社会普遍产生的、或者从普通家用过程中产生的、或者从工业操作(commercial operation)中产生的低价值或者废产物中，产生一种或多种有用材料，其中的低值或者废产物包含附着于不溶固体的有机物质。所述的不溶固体通常包括粉末状和颗粒状物质，如矿物质和特别是骨骼部分，如骨材料。通常，本发明的方法用于废产物，或者其它低值产物，例如油脂，其中包含很大比例的有机物质。然而，本发明也可用于将通常不认为是低价值的其它产物转化成高价值产物。
此处使用的有机物质是本领域中普通技术人员通常理解的那些有机物质。具体地，使用本发明时，有机物质是那些其组成元素包括碳连同一种或更多其它元素的物质，所述其它元素包括氢、氧、氮、硫和磷，以及卤素，具体为氟、氯、溴和碘。就本发明的目的而言，有机物质也包括含有碳连同诸如砷、硒和硅的元素、以及有机分子的盐，和有机分子与金属的复合物，所述金属例如但不仅限于镁、汞、铁、锌、铬、铜、铅、铝和锡。本发明使用的很多有机物质来自生物来源，并包含蛋白质、脂质、淀粉、核酸、碳水化合物、纤维素、木质素和甲壳质(chitin)，以及全细胞。本发明使用的其它有机物质具有人造或者合成的来源，如塑料和其它石油衍生产物。
在本发明的方法中，将原料加热和加压至需要的程度，以分解原料的有机组分，特别是蛋白质的长分子链，并分离附着于包含在其中的无机固体，如骨的任何有机组分。因此，原料在分子水平被分解成一种或多种组成物质。在本方法中，原料从成本或者低价值转化成利润，或者显著降低成本，或者提高价值。重要地是，本方法能够破坏病原体。可以理解的是，如本文所使用的，术语骨(或骨材料)可包括任何坚硬的不溶的动物体部分，如蹄(hoof)、角(horn)，或者软骨(cartilage)，蛋白质材料可能附着于这些部分，在只加热的条件下这些部分通常不会分解。
本发明的基本方法设计用于处理可能的任何废物或者低值产物，所述的废物或者低值产物包含附着于不溶固体，如骨材料的有机物质，尤其是来自任何动物的任何动物体部分，并单独包括下述任一种或其组合:食品制造和销售的副产物，如火鸡下水、煎炸废油、玉米秸(corn stalk)、稻壳(rice hull)、废料(waste scrap)、最后压榨的食用油(last-press edible oil)，如油菜(canola)油、大豆油、棕榈油、椰子油、菜籽油、棉籽油、谷物(corn)油或者橄榄油，以及其它油、食物加工废物和海鲜工业废物；造纸和其它木材工业生产的副产物，如纤维素和木质素副产物，以及纸浆废液(paper-pulp effluent)；场地废物(yard waste)，如叶子和草剪切物(grass clipping)；轮胎；塑料瓶；海港挖出的沉积物(harbor-dredged sediment)；用过的塑料和电子设备，如旧电脑；城市固体废物；炼油残余物；工业污泥；甘蔗渣(bagasse)；海生植物(seaweed)；经研磨的废物；黑液(black liquor)；煤精制废物(coal refinerywaste)；沥青砂(tarsand)；页岩油(shale oil)；钻探泥浆(drilling mud)；废棉(cotton waste)；农业加工废物(agricultural processing waste)，如动物粪便；传染性医疗废物；生物病原体；和甚至一些物质，如可以用来制造生物武器的炭疽孢子(anthrax spore)。可以理解的是，上述物质列表并不是完全的列表。在上述列表中，甘蔗渣是来自甘蔗加工的副产物，而黑液是化学制木浆(chemical wood-pulping)的副产物，化学制木浆通过溶解木屑，释放(liberate)木质素，去除(free)纤维以产生木质素和半纤维素溶液。
本发明使用的废产物通常是其它工业过程、商业制备和家用或市政(municipal)用途的副产物或者终产物，它们通常没有其它直接的用途和/或被一般地处理。类似地，低值产物可为其它工业过程、商业制备和家用或者市政用途的副产物或者终产物，但通常为具有低的转售价值和/或需要一些进一步的处理以转化成有用物质的物质。
在使用本发明的方法时，通常将废物和低值产物称为原料(feedstock)或者原材料(raw feed)。也可以这样理解，本发明的方法使用的原材料可包含来自多种来源的和多种不同类型的废物和/或低值产物。例如，在方便的条件下，可将食品加工废物与农业加工废物组合并同时进行处理。
本发明使用的其它代表性的原材料包括城市污水污泥。
通过本发明的实施方案处理的废物和低值物质通常转化成三种类型的有用材料，所有这些材料都有价值，而本质上对环境无害:高品质油(high-qualityoil)；清洁燃烧的气体(clean-burning gas)；以及纯化的固体，其包括矿物质和可以用作燃料、肥料或者制造业原材料的碳固体。此外，在本发明所述处理的过程中会产生多种侧流(side stream)，其包括某些情况下类似“浓鱼汁(fishsoluble)”的浓缩物。通常，有用的材料被认为是那些比废物、低价值物质或者其它作为原料使用的材料具有更高的经济价值的材料。例如，这些有用的材料可具有更高的热值(calorific content)，或者比它们的原料具有更广泛的应用。
本发明所述方法包括多个阶段，如图1和2所示。图1概括地显示本发明方法的实施方案的主要特点。图2显示实施本发明方法的代表性设备200。
图1中所示的原材料100可能是任何废产物或者低值的有机和/或无机物流。优选地，原材料包含大量的含碳物质，而且原材料来自于食品加工废物或者含有相当比例的动物体部分的其它材料。
原材料100进入制备阶段110。制备阶段的一个方面是使用制浆和其它研磨技术以将原材料的尺寸减小到适于泵送(pumping)的大小。制备阶段可能包含一个或多个步骤，而且可包括向原材料中加入材料，或者从原材料中去除材料，得到浆液112，将浆液112加热以分解蛋白质组分，并从骨中分离有机物质，然后将得到的液体混合物传送至第一阶段120。制浆过程可包括向原材料100中加水(或者其它合适的流体)，视它的起始含水量(initial watercontent)而定。使用浆液是有益的，因为在制备阶段110中的湿磨减小摩擦和能量消耗，而且可以很容易地通过泵将浆液从一个容器转移到另一个。合适的制浆设备包括:碎浆机(pulper)、串联的磨碎机(in-line grinder)或者maserator。蒸汽和气体的混合物121从制备阶段110中释放。
骨和其它无机矿物质是动物和动物废物的不可缺的部分。以蛋白质、脂肪和碳水化合物形式存在的有机物质物理性地和化学性地附着在这些无机矿物质上，使得处理有机物质转化成有价值产物变得困难，除非将两者分离。因此，在步骤114，浆液被加热至275℉和380℉之间的温度，优选地在275℉和325℉之间，甚至更优选在300℉和325℉之间，为的是从有机组分中分离骨和其它固体物质。加热进行至少15分钟，优选45分钟。加热时间取决于温度，短至15分钟这样则需要较高的温度，而一小时以上可以在所述范围的较低温度加热。加热到这样的温度显著地降低浆液的总体粘度，而且与原料中蛋白质物质水解成氨基酸结构单元(building block)(或者二肽和三肽)相一致，这样可破坏与矿物质的物理和化学键。所述粘度的降低使得可以从浆液中分离附着的不溶固体如骨材料116，其包含不需要的矿物质和粉碎的骨，从而得到随后进入第一阶段的液体混合物118。
从这一阶段分离出的矿物质主要包括粉末状和颗粒状骨材料，以及一定量来自沙子、土壤或者其它进入原料中的污染物的矿物质。从剩余的物质中分离矿物质可以通过重力分离实现，或者采用本领域普通技术人员熟悉的其它分离设备，如液/固离心机、筛子或者过滤器。这样分离的矿物质可以用作矿物质肥料。尽管分离的矿物质不含有机物质，但是实际上有痕量的有机物质会通过(proceed through)分离过程。
分离得到的液体混合物118通常包含含有脂肪和碳水化合物的油相，和其中溶解了由蛋白质得到的氨基酸和小肽的水相。该液体混合物还额外包含一些不溶物，其包括一些矿物质和一些未被分解的肽。
如本领域普通技术人员所理解的，步骤114的加热过程还可以应用于其它过程，如动物炼制，其中将包含骨和矿物质的动物废物分解以形成其它可利用的材料。通常来说，对这样的原料，加热到275℉与380℉之间，优选275℉与325℉之间，甚至更优选300℉与325℉之间，将实现与迄今为止可能的方法相比更有效地从骨和矿物质中分离有机物质的方法。因此，这样的方法将促进从剩余原料中分离骨和矿物质，得到更纯的有机部分，并导致因为附着于无法利用的矿物质而被浪费的有机物质的量降低。
因此，本发明进一步包括了用于炼制含有附着在不溶固体上的有机物质的动物体部分的方法，其包括:从动物体部分制备浆液；将浆液加热到275℉与380℉之间，优选275℉与325℉之间，甚至更优选300℉与325℉之间，以产生液体混合物和不溶矿物质；和去除骨材料。要注意的是先前存在的动物炼制过程通常不将原料加热到这样高的温度，而通常仅加热到212℉(100℃)以下的温度。此外，先前存在的炼制动物的方法通常产生两批产物:一批是肉+骨粉(bonemeal)，第二批是脂肪。相反地，本发明的方法产生不同组分的两批产物:固体物质，主要包含骨，它被完全分离出来，并可以用作例如矿物质肥料；和液体部分，其本身包含分开的可以用来制造脂肪酸的油部分，和可以用作动物食品来源的水部分(其包含溶解在水中的氨基酸)。
在第一阶段120中，将浆液进行加热和加压，浆液在其中发生了第一反应，也称为第一阶段反应。这样的热和压力条件导致浆液中还未分解的生物组分的细胞结构破坏，从而释放组成分子，如蛋白质、脂肪、核酸和碳水化合物。另外，很多聚合的有机物质被浆液中的水水解为较简单的有机产物的混合物。具体地，脂肪可被部分分解以得到可漂浮的(floatable)有机物质，如脂肪酸(包含羧酸基团)和水溶性的丙三醇(也就是包含3个羟基的分子)。至此仍保持完整的蛋白质和多肽，如果有的话，通常被分解成更简单的多肽、肽和组成氨基酸。碳水化合物主要分解成更简单的、水溶性的糖。此外，第一阶段中水的存在是有利的，因为它有助于将热量传递给原料。
可以理解的是，在与本发明的实施方案一起使用时，术语起反应(react)、发生反应的(reacting)和反应(reaction)可以涵盖很多不同类型的化学变化。具体来说，术语反应可涵盖由于两个或者更多种物质的组合(combination)或者联合(association)，以生成一个或多个产物而产生的化学变化，并可以涵盖如通过温度、压力条件，或者电磁辐射影响所诱导的，涉及将单一物质分解(breakdown)或者转化(transformation)的其它类型的分解(decomposition)和转化(conversion)，还可以进一步涵盖与溶剂有关的转化，如水解。还可以进一步理解的是，当本文使用术语“反应”或者“起反应”来描述方法，或者方法中的阶段时，可同时在发生一个以上的化学变化。因此，例如，反应可能同时包括水解和分解。
蒸汽和气体产物的混合物126通常在第一阶段120从浆液中释放。第一阶段得到的反应后的物料122通常由反应后的固体产物的混合物，和反应后的液体产物的混合物组成。这些不同的产物通常被表征为油相、水相和湿矿物质相。水相和油相通常含有各种溶解的有机物质。在第一阶段120产生的蒸汽和气体的混合物126优选由冷凝器分离，而蒸汽用于预热进入的浆液。
然后反应后的物料122被送至分离阶段130，其中将蒸汽和气体的其它混合物132去除，并将矿物质混合物134或者其它固体物质被分离出来。优选地，在此阶段获得的固体物质不包含碳固体，除非碳固体存在于输入的原料中。分离阶段130可能包含一个以上单独的分离。
来自分离阶段130的残余物质由包括生成水138的液体产物的混合物(水中含有可溶物)和有机液体500组成。有机液体500通常是包含含碳物质混合物的液体，如来自第一反应的反应后的液体产物。优选地，大多数生成水138被分离出来，而液体产物，如有机液体500被定向至第三阶段140。因此，有机液体优选地包含反应后的液体产物，所述液体产物从水中分离并在大多数情况下也从反应后的固体产物中分离。生成水138包含大量化合物，所述化合物包括含硫和含氯的物质，并被优选地转移用于浓缩139。期望分离出这些化合物，而且，在优选实施方案中，浓缩产生冷凝物151(其纯度通常好于城市强度(municipal-strength)废水)和浓缩物153(其在很多情况下可以用作类似于浓鱼汁的液体肥料)。
可将一些有机液体500转移至任选的分离137，例如通过有机液体的分馏，形成专用有机化学品143，如脂肪酸或者氨基酸。残余馏分(residual fraction)分馏液体145经常被称为“重液体(heavy liquor)”，其中包含不能用作专用化学品的部分，可以被重新定向至第三阶段140。
当原料是城市污水污泥时，来自第一阶段反应的反应后的物料122通常包含生成水、先前未分离的一些无机物质，和少量的有机液体。然后转移来自城市污水污泥的生成水用于浓缩以形成可以用作肥料的产物。
在第三阶段140中，有机液体500被施加一定条件，在该条件下进行第二反应。有机液体还可能包括一定数量的反应后的固体产物，所述固体产物也被传送到第三阶段。有机液体和反应后的固体产物一起可被称作固体基质(solid matrix)。在第二反应中，有机液体被转化成有用物质的混合物，其中通常包括碳固体142，和烃类混合物，该混合物通常作为烃蒸汽和气体148被释放。这样的转化可涉及有机液体中一种或多种物质的分解。第三阶段中合适的条件通常使用相对于第一阶段升高的温度，使用相对于第一阶段降低的压力。第三阶段通常不涉及使用添加的水。
碳固体142通常类似于焦碳(coke)，即通常是坚硬的含碳物质，其具有高热值适合用作燃料。碳固体142优选含有很少，如果有的话，不可燃的矿物质，其通常是由含碳物质在缺氧气氛中的焚烧而产生的。碳固体142中的矿物质含量优选低于10重量％，更优选低于5重量％，还更优选低于2重量％，最优选低于1重量％。碳固体142包含矿物质时，它们还可能被描述为碳-矿物质基质。
当本发明的方法中的原料是生物物质时，将烃蒸汽和气体148称为“生物衍生的烃”。如果原材料分别包含轮胎、橡胶或者塑料，则将烃蒸汽和气体不同地称为“轮胎衍生的”、“橡胶衍生的”或者“塑料衍生的”。烃蒸汽和气体148通常包含烃气体，可能含有非烃气体的一些痕量杂质。烃气体包括气体，如燃料气体146。可将烃蒸汽容易地冷凝成液体或者油144，如#2柴油(diesel oil)中较轻的组分。本领域中的普通技术人员理解#2柴油是具有相对低的粘度或密度(density)的油。
当原料是城市污水污泥时，来自第三阶段的固体产物通常包含烃油混合物、燃料气体和以固体形式存在的矿物质和碳的混合物。
可以理解的是，可将本发明的方法的操作参数在一种或多种情况下进行调整，以适应不同类型的原材料。例如，在原材料如火鸡下水的情况下，主要组分是动物脂肪、蛋白质、碳水化合物和矿物质。因此，对主要组分的权衡(balance)可以确定本发明的操作条件的某些方面。此外，可控制第一和第三阶段反应器的温度范围，来产生特定的产物，从而将由多种产物的产量获得的经济价值最大化。
实施本发明方法的设备200在图2中显示。根据本发明的教导，设备200中各个部件的组装在过程工程或者化学工程领域的普通技术人员的能力之内。因此，普通技术人员都熟悉的这些技术细节从本说明书中省去。本文提到的加热和加压通常发生在设备中，该设备包括保留液体混合物的容器、用于增加液体混合物压力的泵，和加热液体混合物的热交换器。
原料制备和制浆可以在原料制备设备210中进行，在该设备中，通常将原料磨碎以制成浆液112，其中包括磨碎的不溶物质，如骨。在物料制备和物料制浆之后，优选将浆液传送至热交换器(图2中未显示)，该热交换器加热内容物以限制生物活性。这里通常采用大约140℉和大约1p.s.i.(磅/平方英寸)的条件。其后优选将浆液传输至大的存储罐中(图2中也未显示)，浆液可以在其中停留持续的一段时间，通常大约是700分钟，但也可以长至一个周末。
然后将物料在另外的热交换器212中加热至275-380℉，优选275-325℉，甚至更优选300-325℉，以产生加热的浆液214，其被送至反应器(图2中未显示)，该反应器将浆液保持在这个温度。这个加热步骤的条件有效地终止了生物活性，而且还破坏了原料中蛋白质物质和附着的不溶固体，如骨材料之间的键(bond)。根据温度，将浆液在此温度保持至少15分钟，优选大约一小时或更长时间之后，浆液包含固体物质116，如骨和矿物质，和液体混合物118。使用例如重力分离、筛子或者过滤器，或者液/固离心通过分离单元216将固体物质分离出来，留下液体混合物118。液体混合物118通常包含水相，其中有蛋白质分解的溶解的产物，如氨基酸和小肽，和非水相，其包含其它有机物质，如脂肪和碳水化合物，以及一些不溶物质，如不溶蛋白质和痕量的矿物质。将液体混合物送至有开口的(vented)低压容器220，该容器被称作物料储存罐(FST)，之后进入第一阶段反应器。
在优选实施方案中，物料储存罐包含可以维持在大约280℉的温度的罐。此罐对内容物施加多至大约100p.s.i.，通常大约是50p.s.i.的压力。所述压力通常略高于混合物在指定温度的饱和压力。例如，混合物在大约300℉(大约150℃)的饱和压力是66p.s.i.。罐中的条件通常足够苛刻(harsh)，以分解浆液中任何保持完整的蛋白质物质，使浆液松散，并去除氨。罐的容量通常是2,500美制加仑(U.S.gallon)。因此，在一个实施方案中，大约40加仑每分钟的流速产生大约1小时的罐内停留时间。对特定的原料，如城市污水污泥，较长的优选的停留时间，例如在罐中停留几小时，可以采用较低的流速来实现。原始浆液中存在的许多固体物质在进入FST之前已被分离出来，这一事实是有利的，原因有两个:第一，这样使FST产生可容易泵送的松散的混合物；第二，减小了坚硬的固体物质对泵送设备的影响，所述设备在调节的原料进入第一阶段反应器之前对其加压。
包含粉末状和颗粒状的骨，以及其它无机固体物质的矿物质，通过如重力分离，或者液/固离心，或筛子，或者过滤的方法分离出来，并放置起来用作肥料。残余物为液体混合物，其包含水和有机物质，并被转移至第一阶段反应器230。
本领域的普通技术人员将理解的是，上述步骤和实施所述步骤的设备很容易用于食品加工工业中使用的其它过程，所述过程涉及分解任何种类的动物体部分。例如，这样的步骤可以用于动物炼制，如本文进一步描述的。
本发明的第一阶段在第一阶段反应器230中进行，该反应器优选地包含多室的容器，以使浆液的组成物质的停留时间有窄的分布。在替换实施方案中，第一阶段反应器还可以是螺旋(augured)反应器。优选地，这一容器装有档板和多叶片机动搅拌机(multi-blade motorized stirrer)，所述搅拌机可以同时搅拌每个室中的浆液。在优选实施方案中，这样的容器中有四个室。在另一个优选实施方案中，浆液的加热在容器前面的几个阶段中进行。
在第一反应后，反应后的物料可在有开口的闪蒸器(flash vessel)240中(“第二阶段分离器”)实现闪蒸。优选地，闪蒸器240中的压力显著低于第一阶段反应器230中的压力。在一个实施方案中，闪蒸器中的压力大约为300psi，而第一阶段反应器中的压力为大约600psi。
可以使用多种设备来实现对来自第一阶段反应器230的物料的多种第二阶段分离。优选地，这样的分离得到了一种蒸汽和气体的混合物132、有机液体500、矿物质134和带有可溶物的生成水138。蒸汽和气体132优选地被送回制备阶段辅助加热物料。
从有机液体和水中分离矿物质可以用离心机、水力旋流器(hydrocyclone)或者静力罐(static tank)实现。对矿物质134的干燥可以用例如干燥炉或者其它矿物质干燥器，如“环形”干燥器(图2中未显示)来实现。(在替代实施方案中，可以通过添加化学物质破坏乳状液来促进分离。)
从水中分离有机液体时得到的含有可溶物的生成水138，可以在蒸发器250中浓缩，所述的蒸发器250是工业中通常使用的类型。从矿物质和水中分离的有机液体500可被装在有机液体储存容器252中，之后被传输至第三阶段反应器260。这样的储存容器可以是工业上通常使用的普通储存容器。
可将有机液体500的一些部分转移以产生一种或多种专用化学品。这通常涉及将有机液体进行分馏。进行分馏的有机液体通常在分馏塔254中进行分馏。有机液体可以进行酸洗以分离出痕量的氨基酸，然后将其送入分馏塔。来自有机液体的更多的挥发性物质，如脂肪酸，被蒸馏出去并收集。将任何较重的物质，如存在于分馏塔底的非挥发性脂肪和脂肪衍生物，送至第三阶段反应器260。
也将来自第二阶段分离的有机液体送至第三阶段反应器260，其中发生第二反应，在第二反应中有机液体被转化成一种或多种有用物质，如油和碳固体142。可将从第三阶段反应器出来的油在分离器270中进行进一步分离，以产生油144和燃料气体146。分离可能包含在多个步骤冷凝油，并将其转移至储存容器中的油储存(oil storage)280。将来自第三阶段反应器的碳固体142冷却，也可以储存，或者进一步加热，然后处理以根据本领域的普通技术人员公知的方法将它们活化。例如，可将碳固体可以在另外的反应器中加热，并通过注入过热蒸汽来活化。
正如前面所讨论的，代表性的原材料包括来自农业和食品加工工业的废产物。这些废产物可包含动物部分，如翅膀、骨、羽毛、器官、皮肤、头、血液和脖子、软组织、爪子和毛发。典型的动物部分是那些存在于来自屠宰场的火鸡下水和畜体残余物(remnant of carcass)中的动物部分。通常，意图可将任何种类的动物的身体部分用于本发明。例如，这些动物包括但不仅限于:火鸡、其它禽类(poultry)，包括鸡、鸭、鹅，猪、马、牛、羊、鱼、鲸、骆驼(llama)、鳄鱼(alligator)、袋鼠和麋鹿(elk)。来自食品加工工业、适合使用本发明的方法处理的其它废产物包括来自快餐公司，如汉堡包专营店(burgerfranchise)的未使用的油脂，和一些物质，如来自食品加工工厂的溶气浮选(dissolved air flotation)(“DAF”)污泥。农业废产物可包括来自羊、猪和母牛的动物粪(dung)或便(manure)，和其它物质，如鸡窝(chicken litter)和作物残余物。在图3-5所示的代表性实施方案中，原材料100是食品加工副产物，如火鸡下水。
如图3所示，起初将原材料100送入制备和制浆110以产生物料浆液112，伴随有蒸汽和气体121。将浆液112转移至热交换器114，在其中加热浆液以将附着于混合物中的骨和其它坚硬的身体部分的蛋白质物质分解。对于原料如食品加工废物或者城市污水污泥，为此目的加热到275℉和380℉之间，优选275℉和325℉之间，甚至更优选300℉和325℉之间。在300℉和325℉的范围内加热，优选应为大约1小时。这样加热的结果是降低浆液的粘度，使内容物生物性失活，并产生矿物质的混合物(包括粉末状和颗粒状的骨)，和液体混合物。在步骤310，将包含矿物质和骨材料的不溶固体116，从液体混合物118中分离出来，例如，通过重力分离或通过液/固离心，或筛子或过滤器。将液体混合物冷却并定向到原料储存罐320(“FST”或者均质器)，所述的液体混合物包含水和不溶于水的有机组分的混合物，以及一些痕量矿物质。将内容物在FST中加热至大约275-280℉，施加大约50p.s.i.的压力以产生调节的物料322，其为适于传送至第一阶段反应器的相对均质的物料。在物料存储过程中，优选将蒸汽和气态杂质338排出336。因此，本发明的一个优点是在FST中进行脱气，使得不想要的气体杂质在本发明的总体方法中的早期阶段被除去。优选地，FST向高压的浆液泵提供恒定的物料蒸汽，所述的泵用于给物料加压，并将其传送至第一阶段反应器。在优选实施方案中，物料浆液112可以在大储存罐中停留任何适当的时间，直到应通过本发明的方法进行进一步的处理。
对于包含大量氨(NH3)的原材料，如火鸡下水，有利的是可以在制备110的过程中去除游离的氨，在此情况下它是蒸汽和气体121的一个组分，或者在储存320的过程中去除游离的氨，其中氨与蒸汽和气态杂质338一起被排放出去。氨的一个来源是分解残留量的尿中存在的尿酸，所述的尿经常存在于动物体部分的聚集物中。除去氨的方法在本领域普通技术人员的知识范围内，并包括但不仅限于，在制浆之前分离尿内容物、用酶降解和加热。此外，可以通过酸化将氨转化成盐，如硫酸铵，或者磷酸铵。在优选实施方案中，FST包含两个维持在不同条件的容器。第一个这样的容器实施储存的任务；第二个容器实现蛋白质的分解并释放氨。
将来自物料储存320的调节的物料浆液322送入第一反应330，在其中调节的物料浆液322中的水使存在的很多生物聚合物水解。提供足够的搅拌(由混合器和/或循环设备提供)使得固体保持悬浮状态。第一反应通常花费大约5到大约60分钟。来自第一反应的输出物是反应后的物料122。蒸汽和气体339通常也从第一反应释放。
在第一反应330中发生了一些脱气过程，其中发生氮和硫化合物的部分去除，并可发生脱氨基(deamination)和脱羧基(decarboxylation)反应，其中大量的残余蛋白、肽和氨基酸也离解为产物，如氨，和可能的二氧化碳。实际上，对于本发明的方法，脱羧基反应是不希望的，因为除了二氧化碳之外的产物都是易溶于水而且易挥发的胺。因此，通常来说，脱氨基反应优于脱羧基反应，而且当原料包括物质如蛋白质和脂肪时，从第一阶段得到的反应后的液体产物通常包括羧酸。因此，由于脱羧基反应通常发生在比脱氨基反应更高的温度，第一反应优选地在可能分解脂肪分子的最低温度进行。作为替代方案，可以通过加酸来改变第一阶段的pH，从而避免脱羧基反应。
在这一阶段和之前的预热阶段去除氮和硫化合物，能够防止形成有机氮化合物、氨和各种硫化合物，如果允许这些化合物通过第三阶段反应器处理，就可能成为所得的生物衍生烃的不希望的组分。
在此实例中进行第一反应的典型条件是在150℃到300℃之间，尽管优选大约250℃，和大约50个大气压，或者大约600psi，如可在第一阶段反应器中获得的。通常，第一阶段反应器中的压力在20-120个大气压的范围内。总的预热和第一阶段加热时间多达大约120分钟。这样的条件可根据待使用的物料而变化。在本发明的一个方面，如应用于包含PVC的原料时，第一阶段的操作温度足够高，然后是洗涤步骤，以去除含氯产物。
通常，第一反应在大约150℃到大约300℃的温度范围进行，以使下述三种转化中的至少一种能够进行。第一，将任何残留的蛋白质和多肽转化成组成它们的单独的氨基酸残基。这可以通过在约150-220℃的温度范围内将蛋白质骨架上每对氨基酸残基之间的肽酰胺键水解而实现。第二，可将脂肪分子分解成脂肪酸分子，这个过程发生在200-290℃的范围内。实际上，水解脂肪以将甘油三酸酯分解形成游离的脂肪酸和甘油。第三，氨基酸的脱氨基和脱羧基可在第一阶段中发生。如果允许送至第三阶段反应器，仍然附着于它们各自氨基酸部分的羧酸基团将在相对温和的操作条件下，全部转化成烃。另外，可能还有一些脱氨基的氨基酸，这是通常发生在210-320℃的温度范围的过程。因此，单独在第一阶段中，浆液中实际存在的所有蛋白质将在相对较低的第一阶段操作温度转化成氨基酸。此外，氨基酸脱氨基的程度可以通过理智地选择第一阶段操作温度来控制。
如同本领域内普通技术人员将会理解的，第一阶段反应器实际运行的条件将根据采用的原料而变化。例如，动物下水通常使用大约200℃到大约250℃范围内的第一反应温度。城市污水污泥通常使用大约170℃到大约250℃范围内的第一反应温度。
通常将第一阶段反应器中的压力选择为接近水在所述操作温度的饱和压力。饱和压力是在指定温度保持水不沸腾需要施加的压力，并也取决于纯化的物料浆液中其它气体的存在和量。反应器中的总压力大于浆液混合物中水的蒸汽压，以使水不蒸发。压力优选在45-55个大气压的范围，可以在40-60个大气压的范围，也可以在30-70个大气压之间。通常将压力调整到多至并且在饱和压力之上0-100psi范围内的量，这样不希望的气体就从物料制备、物料储存或者第一阶段反应器中从336排放。
本发明的一个优点是在物料制备110、物料储存320和第一反应过程中的排气允许去除气态杂质，如氨、二氧化碳和含硫气体。通常，第一反应330通过分解各种生物物质中的含硫部分产生含硫气体。硫的主要来源是蛋白质分子及其分解产物，其中许多在半胱氨酸残基之间具有硫桥。含硫气体通常为硫化氢(H2S)和硫醇(mercaptan)(烷基硫化合物)，如甲基硫醇(methylmercaptan)。另外，可产生一些盐，如硫化钙(CaS)，这些物质通常在后面的阶段中被分离。
在第一反应进行后，将反应后的物料122，其通常包括至少一种反应后的液体产物和至少一种反应后的固体产物，和水，闪蒸340达到较低的压力，允许将多余的热量释放回第一反应前面的加热阶段。通常，通过多个压力降低过程，优选在两个到三个阶段中实现闪蒸。闪蒸的作用是排放与反应后的物料有关的残余蒸汽和气体132。通过减压进行的脱水是有效的，因为不需要加热就可以除去水。有效地使用多余的热量被称做热量回收，并代表了本发明方法的另一个优势。第一反应使用水，水可以作为蒸汽，和其它气体339一起排放出去，此事实本身能够实现有效的能量回收。水和蒸汽在热交换中是有效的，并可以用一个或多个冷凝器重新定向到第一反应之前的加热阶段。冷凝器非常紧密(compact)而且能提高效率。因此，从反应后的物料122中排放的蒸汽和气体132也优选地用于帮助加热流入的物料和维持第一反应的温度，从而减少本发明的方法的能量损失。还可将蒸汽和气体339传送至放置于物料储存320之前或之后的一个或多个热交换器。一些情况下，还可将蒸汽直接回注到进料100中。优选地，来自第一反应330的蒸汽和气体339与蒸汽和气体132组合，然后传送至热交换器114。
在热交换器114中，蒸汽和气体相互分离。大部分蒸汽冷凝以产生冷凝物151。优选地，这种冷凝物被重新定向从而与本发明的方法的后期产生的“生成水”相组合，下面将进一步描述。残余的少量蒸汽伴随气体从116排放。优选地，这些排放的气体与本发明的方法的后期产生的其它气体相组合，从而得到燃料气体。
在反应后的物料经过闪蒸340，而且热量被回收后，中间物料440通常包含至少一种反应后的液体产物、至少一种反应后的固体产物和水。所述至少一种反应后的液体产物通常是有机液体的组分；所述至少一种反应后的固体产物通常包含先前未被分离出的矿物质。中间物料优选基本上不含气态产物。
图4显示应用于中间物料的分离的序列。它是本发明的方法的另一个优势，即由第一反应得到的中间物料进入一个或多个分离阶段进行处理，所述的分离阶段在第三阶段反应中的处理之前去除矿物质和水。分离阶段使用分离设备诸如离心机、水力旋流器、分馏塔、过滤设备和筛子，便还可使用蒸馏来从中间物料400中去除非常精细的碳固体。通常，进一步降压可以回收更多的蒸汽，而且加速固/液分离以回收矿物质和其它固体。
优选将通常包含有机液体、水和矿物质的中间物料400送至第一分离410，在其中除去大部分矿物质412，生成有机液体和水的混合物414，其中灰份含量很低。将这样的分离表征为固/液分离，并可以用第一离心机或者通过固/液分离设备，例如通过机械或者非机械的方法，如重力沉降来实现。分离出来的矿物质412通常是湿的，因此在进入干燥矿物质储存430之前先送至干燥阶段420。干燥阶段通常在正常的大气条件下进行。得到的干燥矿物质作为土壤改善或者其它工业前体可以获得相当可观的商业应用。
将有机液体/水混合物414送至第二分离440以去除水并留下有机液体500。这样的第二分离可以使用第二液/液离心机(或者其它分离设备)实现。重力的差异允许生成的水和有机液体的离心分离。被去除的生成水138包含大量的溶解的小有机分子，如甘油和由蛋白质分解得到的一些水溶性氨基酸。生成水还通常包含氯杂质。在第三阶段反应之前分离出这些杂质代表了本发明的另一个益处，因为这样一来后面的产物不会被污染。
可将生成水138，如通过蒸发送至浓缩139，产生可以在本发明的方法中循环使用的水冷凝物151，和输送至浓缩物储存460的浓缩物153。蒸发通常通过应用轻微的真空而实现。浓缩物主要包含氨基酸、甘油，和可能的铵盐，如硫酸铵或者磷酸铵的浆液，其通常具有商业价值，如在家用园艺商店中出售的称作“浓鱼汁”的肥料。
可以理解的是，本发明不限于包含两个步骤的分离阶段。本发明也不受实施任何分离步骤的顺序的限制。因此，如果将中间物料400分离成产物，如有机液体、矿物质和水在单一步骤或者在两个以上步骤中发生，则与本发明是一致的。此外，在一些情况下，矿物质可以按照设计留在有机物料中，因而它们的分离就不需要在第三阶段处理之前进行了。
图5显示本发明的方法中的一个阶段，其中将由图4的分离阶段得到的有机液体500送至第三阶段140，以产生一种或多种有用产物。有机液体500通常进入保存容器，然后进行进一步的处理。
在第三阶段140之前，可任选地将有机液体500的一部分或者全部定向用于处理，以得到一种或多种专用化学品143。根据这样的任选过程，通常将有机液体500中的一些需要的部分送至分离过程，如分馏510，或者与化合物，如醇发生反应以生成另一种化合物，如本领域的普通技术人员所理解的。这样的分离过程产生专用化学品143，并留下分馏液体145，这种液体经常被称做“重液体”，其中包含更高分子量的有机分子，如甘油三酸酯油。可将分馏液体145重新定向至第三阶段140，用于以类似于有机液体500的方式进行处理。
专用化学品143通常是有机化合物，如脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪酸酰胺，或者一些氨基酸。优选地，专用化学品143是脂肪酸。更优选地，专用化学品143是C12-20范围内的脂肪酸。甚至更优选地，专用化学品143是C16-20范围内的脂肪酸。当专用化学品143是脂肪酸酰胺和脂肪酸酯时，它们通常是通过与脂肪酸的反应而形成的。由原料诸如火鸡下水得到的专用化学品143作为润滑剂、涂层(coating)和涂料(paint)可获得应用。
在第三阶段140中，有机液体500的水含量几乎为0，这样第三阶段的条件就是将残余的有机分子主要通过施加高温来分解，而不是通过用过量的或者添加的水或者蒸汽来水解。进行第三阶段的通常条件为大约400℃，如可在第三阶段反应器所获得的。第三阶段通常花费大约5分钟到大约120分钟。实际上，液体的各个相在第三阶段反应器中花费不同的时间。例如，蒸汽通过得相对较快，液体则要更久。第三阶段的输出物分别包含烃蒸气和气体混合物148，如二氧化碳、CO和含氮和含硫的化合物，和碳固体142。碳固体142优选地类似高品质焦碳。烃蒸气和气体混合物148通常包含油蒸气。优选地选择第三阶段的条件来优化碳固体142、和烃蒸气与气体的混合物148的纯度。热蒸气，如烃蒸气和气体的混合物148的快速淬火(rapid quench)，在第三阶段后停止反应，并减少碳焦(carbon char)的形成。在优选实施方案中，蒸气的快速淬火可以通过将蒸气定向至充满水的圆筒(drum)中，或者通过使用热流体和冷却介质的多个淬火步骤实现。在使用这多个淬火步骤的时候，有利的是从油中取出多个组分(cuts)(柴油和汽油等)，这样可将各种部分转移到单独的商业应用中。或者，在另一个实施方案中，可将油蒸气在输入的有机液体存在的情况下进行淬火，因此也可以促进能量回收。
通常，第三阶段在大约310℃到大约510℃范围内的温度进行，以使下述两种转化中至少一种可以发生。第一，脂肪酸被分解成烃。这可以通过在大约316-400℃范围内的温度从每个脂肪酸分子中去除羧基而实现。第二，烃分子它们本身被“打碎”以形成较低分子量的分子分布，该过程可在大约450-510℃的范围内进行。然而，烃裂解(cracking)通常发生在480℃以上的温度。优选地，第三阶段在高于第一阶段的温度进行。可以理解的是，本文描述的可应用于第三阶段的温度可以在不显著背离本发明原理的基础上变化。例如，第三阶段可以在大约300-525℃的温度范围内有效进行，以及在400-600℃的范围内。在一些实施方案中，第三阶段反应器的温度在大约400℃和大约510℃之间。
此外，在至少一个实施方案中，将第三阶段反应器轻微加压至大约15psig和大约70psig之间的压力，也就是说从大约高于大气压15psi，到高于大气压大约70psi。优选地，第三阶段反应器中的压力低于第一阶段反应器中的压力。
通常将产生自第三阶段的碳固体142首先传送至碳固体冷却器630，其中允许碳失去它的残热。在冷却后，将碳固体142送至碳储存540，并可以出售用于多种有益的应用。例如，碳可以作为用于家用园艺的“土壤改善剂”出售，因为土壤中的很多细菌需要碳源。具体地，产生的碳的品质类似于很多形式的“活性碳”，因此还可以作为吸收汽车排放蒸气的材料获得应用，或者用于家用水过滤器中。另外，因为碳的纯度水平，碳可作为固体燃料，如煤而获得应用，但没有由煤产物中通常存在的污染物燃烧产生的有害排放物的缺点。还有很多环境毒物可以在土壤基质中通过使用和由本发明的方法产生的碳固体一样的碳添加剂而被中和。
代替碳固体142，或除了碳固体142之外，通过本发明的方法产生的有用的产物可以是清洁煤(clean coal)。当原材料是原煤时会生成清洁煤。已经发现由本发明的方法产生的煤粉比通常可用的原煤有利地具有更少的含硫和含氯污染物。通过本发明的方法产生的煤的这些性质使它们作为清洁燃烧燃料的来源特别具有吸引力。
由第三阶段反应器产生的烃蒸气和气体混合物148通常被定向至冷却器/冷凝器850，其将混合物分离成燃料气体146和烃油144。燃料气体146有热值，且本身可以在本发明的过程内部被重新定向，以提供用于在不同阶段加热的能量，或者用来产生电或其它形式的能量用于外部或者内部用途。油144通常包含其碳链具有20个或者更少的碳原子的烃。在这方面，混合物与燃料油，如#2级柴油的轻组分类似。这样的产物也是商业上可销售的。然而，可以理解的是，油144的精确组成与原料有关。因此当原料由轮胎组成时，获得的油的组成与原料是火鸡下水时的组成不同。已经发现，从脂肪含量高的原料中得到的油富含烯烃和双烯烃(di-olefin)。如果不需要，这些烯烃可以通过再饱和或者分离方法从油中去除。
当原材料是城市污水污泥时，优选地促进从无机物质中分离有机物质。因此，在优选实施方案中，在生物衍生烃的情况中，将一些烃油144重新定向到原材料或者第一反应的产物中，以帮助使材料上浮。在其它的实施方案中，可以使用捕油器油脂(trap grease)这样的从快餐出口得到的材料。材料上浮的原理是将比水轻的材料引入原材料，或者第一反应的产物中，以帮助比水重的有机物质的上浮，从而促进从无机物质中分离有机物质。结果得到比用其它方式的情况更易于离心的浆液。
本发明的方法的另一个的优点是所有产物都不含DNA和病原体。也就是说，它们不含有源自动物细胞、细菌、病毒或者朊病毒(prion)的病原性物质。这样的物质在本发明的方法中无法完好的存活。这是重要的结果，因为在农业应用中使用本发明的方法的任何产物没有风险，在所述农业应用中存在这些分子可能重新进入食品链的危险。
用于将来自分离阶段的反应后的液体产物，如有机液体转化成烃混合物和碳固体的设备，是适合的用于本发明方法的第三阶段反应器。如图6所示，本发明的实施方案中的第三阶段反应器600包含加热器610，用于加热有机液体，从而产生液体和汽化油的混合物；反应器620，用于将液体和汽化油的混合物转化成碳固体142，和烃蒸气与气体的混合物148；第一冷却器630，用于接收碳固体142；和第二冷却器640，用于接收烃蒸气和气体。第三阶段反应器600可以额外地包含与反应器620相连的流体-固体分离器624，用于从碳固体142中分离烃蒸气和气体148。
优选地，加热器610有效而紧密，包含大量的内管，产生很大的热交换表面积。加热器610通常是“火焰加热器(fired heater)”。加热器610通常具有用于接收有机液体和蒸汽602的入口，有用于将加热的有机液体/蒸汽混合物定向至反应器620的出口。在进入加热器610时，大约2-5重量％的蒸汽602伴有有机液体。这样的蒸汽量帮助均衡加热并防止加热器内积累残余物。在优选实施方案中，使用一个或多个预热器来加热有机液体500，然后与蒸汽混合，和/或传递至加热器610。第三阶段的压力由储存500后面的泵系统施加。
反应器620优选地包含至少一个加热的螺旋(auger)，并分别设置有入口和出口，用于接收来自加热器610的加热的液体和汽化油的混合物，以及将烃和气体的混合物和碳固体定向至流体-固体分离器。将加热的液体和含蒸汽的汽化油的混合物经过反应器620，在其中分解成碳固体，以及烃气体的混合物，其优选包含油和燃料气体的组分。通常，产生的碳固体的量为液体和汽化油的混合物的大约10重量％。在其它实施方案中，视原材料的组成而定，产生的碳固体为液体和汽化油混合物的大约5重量％到20重量％之间。在本发明的一些实施方案中，为了避免在反应器620中生成过量的碳固体，将处理的原料量进行了调整。
螺旋适合用来产生烃混合物和碳固体，因为它允许控制输入的有机液体的停留时间和温度，而且因为它允许对碳固体和挥发性产物进行有效的分离。优选地，选择螺旋的尺寸使所得到的烃混合物和碳固体的纯度得到优化。例如，螺旋的横截面直径(cross-sectional diameter)主要决定了蒸气通过它的流速。优选地，流速不那么高，使得用蒸气携带灰尘通过，以产生不纯的烃混合物。有机液体、蒸气(vapor)和蒸汽(steam)的加热的混合物在其反应时，其停留时间也决定了螺旋的尺寸。
优选地，第三阶段反应器600包含与反应器620的出口相连的流体-固体分离器。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。将来自烃和气体的混合物的一些燃料气体优选地重新定向回加热器610，并燃烧以帮助维持加热器内的温度，从而提升本发明的方法的总效率。
将经常处于高达大约500℃的温度的碳固体送入第一冷却器，即碳固体冷却器630中，其为优选的冷却螺旋，该螺旋通过气塞设备(air lock device)与反应器相连，或者任选的流体-固体分离器。在本发明的一些实施方案中，可以使用多于一个冷却螺旋630。优选的是将水632引入碳固体冷却器630以辅助冷却过程。将碳固体任选地通过输送螺旋(transfer auger)或一些其它的运输设备，如链斗升降机(bucket elevator)654转移至成品储存系统650，或者转移至另一个加热器/反应器以活化碳固体。
用于接收烃蒸气和气体的混合物的第二冷却器640优选地包含碳颗粒分离器，用于分离出任何残留的碳固体，并将其送回反应器620。
本发明的方法的修正形式可以用来将蒸汽注入地下沥青砂(tar-sand)沉积物中，然后将沉积物在表面精制成轻油，使这种大量、难获取的资源更易获得。实验也说明本发明的方法可以从煤中提取硫、汞、石脑油(naptha)和烯烃(olefins)——所有可销售的商品，从而使煤燃烧得更热更清洁。通过本发明的方法进行预处理也会使一些煤更易碎，因此在发电厂燃烧之前需要较少能量将它们粉碎。
对于某些原料，本发明的方法使用设备用于从流体中分离精细的悬浮固体，作为物料制备阶段的一部分。例如，城市污水污泥通常包含300ppm固体，因此太稀薄以至于若没有在先的浓缩，用本发明的方法就不能有效地处理。因此，优选使用分离器以通过过滤出颗粒从软浆液(weak slurry)，如MSS中去除水。这些颗粒然后在更浓缩的浆液(具有10,000ppm到500,000ppm范围内的颗粒浓度)中伴随一些水被捕获，并除去多余的水。浓缩的浆液于是成为本发明的方法使用的原料。
另外，很多其它工业和商业应用要求悬浮固体从液体中分离。图7说明了本发明的优选实施方案的分离设备700，该设备可用于这样的分离。要求分离固体悬浮物的应用的另一个实例是从全血中分离红细胞和白细胞。当悬浮固体颗粒的尺寸较大，或者它们的密度与流体的密度明显不同时，有很多不同类型的可以分离它们的设备。例如，其入口小于悬浮固体颗粒的很多不同构型(configuration)的过滤器，可以用于在应力下不明显变形的固体物质。当固体颗粒和流体之间存在明显的密度差异时，可以有效使用澄清器(clarifier)、沉降室(settling chamber)和简单的旋风器(simple cyclone)。当尺寸或者密度差异变小时，使用离心力的有源设备(active device)比较有效。然而，对于非常小的颗粒尺寸，其含有可变形的物质，所述物质的密度与悬浮流体的密度只有轻微差别时，所有这些分离设备的效率显著降低。
关于本发明的优选方法，当悬浮固体小、可变形、而且密度差异小时，一个应用是城市污水污泥(MSS)。MSS中的悬浮物质主要包括来自细菌的细胞物质和细胞碎片，而且通常具有大约1微米的尺寸。这种材料能够变形，而且有效密度不超过(within)悬浮的水介质有效密度的10％。在制备MSS作为本发明的方法的原料时，从水中分离这种固体物质是优选步骤。这种分离可以通过使用离心机实现；然而，在优选实施方案中，使用了分离设备700。
根据本发明的优选实施方案，优选使用分离设备700，如图7所示，用于分离原材料，如MSS的固体和液体组分，然后通过本发明的方法进行进一步处理。这样的设备还可以用于其它工业或者商业废水污泥，其固体颗粒可变形，或者其有效密度不超过液相有效密度的约10％。
设备700优选地包含托架(housing)702，所述托架包括安装在内室706中的旋转配件704，所述内室706具有截头圆锥体的形状(frusto-conical shape)。内室706的形状通常包含具有锥度的截头圆锥的部分，及截头体(frustum)的基部和/或顶部的额外部分，其罩住(house)旋转配件704的其它部分。托架702优选地包含旋转箱底(spinner case bottom)714和旋转箱顶(spinner case top)716，其彼此相连，围住(enclose)旋转配件704。分离设备700进一步包括入口710和与内室相连的第一出口730，以及第二出口750。入口710允许向内室的固定内壁720和旋转配件之间的环形空间712内引入含有悬浮固体的流体。
旋转配件包含截头圆锥型的内空的圆柱体，其优选地由旋转器底722组成，所述旋转器底与锥形的(tapered)圆柱壁724相连，而724本身与旋转器顶718相连。旋转配件同心地安装在空心轴726的纵轴736上，所述空心轴726以通常在大约1,000r.p.m到50,000r.p.m范围内的速度旋转。在分离MSS的优选实施方案中，旋转速度为大约10,000r.p.m。优选地，选择旋转速度，使得混杂流动(chaotic flow)最小化。旋转配件是锥形的，使得有效的横截面随着宽度的变窄而减小。圆锥的角度通常在大约1°到大约10°之间。在优选实施方案中，圆锥的角度为大约2°到大约2.5°之间，甚至更优选为大约2.25°。旋转配件的空心内部与第二出口750相连。
优选地，出口710和分离器设备700内部之间有压差。通常，压差为大约3-150p.s.i.之间，并通过两个泵(图7中未显示)控制。
不同尺寸的分离器的流速将与旋转圆柱体的表面积成比例(scale with)。优选地，设置出口和环形间隙以提供大约1到大约200加仑每分钟的流速。更优选地，流速为大约1到大约20加仑每分钟。甚至更优选用于处理MSS时，流速为大约10加仑每分钟。
将旋转配件的壁724穿孔(perforate)。壁724上孔的大小通常为大约1到大约200微米。优选地，孔大小为大约50微米。壁724优选由塑料材料制成，所述塑料材料如HDPE，或者不吸湿的任何其它材料，以避免操作过程中孔的闭塞(closure)。
流体和悬浮物质以通常的轴向沿着环形通道712流动，而流体中的一部分流过被穿孔的旋转壁724进入圆柱体的空心内部728。空心内部728通过轴入口732与空心轴726相连。因为处于旋转圆柱体表面的剪切力和离心力，大多数悬浮颗粒不能与流体一起流过穿孔的圆柱体。圆柱体的旋转速度有效地决定了悬浮颗粒上的剪切力和离心力，而这可用于控制无法和流体一起流过穿孔圆柱体的颗粒的最小尺寸。流入圆柱体728的内部的水和颗粒随后流过轴入口732进入空心轴726的中心，并在通过第二出口750被排放之前流向轴出口734。
环形通道712中的物质随着旋转圆柱体的运动而沿着狭窄的螺旋形流路流动。优选地，环形通道712的厚度沿其长度是恒定的。对于一些应用，这个环形空间可能从顶部到底部变化。环形空间的变化能赋予穿孔的旋转器表面附近的流动条件。用于排放此时浓缩的流体物流的第一出口730在环形通道远离入口的一端提供。
图7的设备的操作优选不依赖于方向。在优选的实施方案中，锥形圆柱体的轴与底部的第一出口730成垂直方向。
图7中设备相对于本领域已知的其它分离设备的优点是，它能处理具有广泛颗粒特性的污泥，具体包括具有尺寸范围低于1微米的可变形悬浮固体的那些，或者其密度在悬浮流体密度的10％之内的那些。在优选实施方案中，设置壁724中的环形间隙和孔尺寸用于分离城市污水污泥的悬浮物。在本发明的方法的一些实施方案中，平行使用了很多这样的分离器，以实现原材料的高通量分离。
可以理解的是，图7中表示的分离器700没有准确地按比例(to scale)绘制，尽管各个元件彼此大约成比例。因此，分离器700可以根据机械工程和设计领域的一名普通技术人员熟悉的普通原理来构建。
在优选实施方案中，旋转器底722的外直径为大约2”，而旋转器顶718的外直径为大约2.2”。旋转箱底714的优选长度在大约7”和大约8”之间。旋转器壁724的优选长度在大约4”和大约6”之间，而且它的优选厚度优选沿其长度恒定，且为大约1.5”。与这样的旋转器相连的出口730的优选直径为大约0.8”，且旋转箱底的外直径优选为大约3”。那么旋转箱顶的外直径优选为大约4”。轴726是中空的，并优选具有大约0.25”的内直径。轴726的外直径可沿其长度变化，并可为大约0.5”和大约0.75”之间。在这样的实施方案中，轴入口732和轴出口734之间的距离可为大约6”。环形通道712的厚度优选为大约0.05到大约0.5英寸。
本文提供的优选尺寸将只被看作一个例子使用，而且根据设计选择和期望的通量，本领域的普通技术的机械工程师将能够放大或者缩小分离器700的各元件的尺寸，以达到操作效率。
实施本发明的方法的全部设备优选地伴有计算机化的控制系统，其包含简单控制器用于阀、泵和温度。开发这样的系统在计算机过程控制工程领域的一名普通技术人员的能力之内。
本发明的设备可以根据需要调整。例如，可预见每天处理几千吨废物的设备(plant)，同时也可以建立移动式设备，其能够在平板载货车的后背上运输而且可以每天只处理一吨废物。
实施例
实施例1:中试装置(pilot plant)
已经利用本发明的设备和方法建立了中试装置。这个中试装置每天可以处理大约7吨废物。
根据该中试装置的一个例示性应用，实验原料是火鸡加工设备的废物:羽毛、骨、皮肤、血、脂肪、内脏。将10,044磅的这种物质投入设备的第一阶段:350马力的磨具(grinder)，其可将物质变成灰褐色浆液。从此，物质流入一系列加热和转化(reform)混合物的罐子和管路。
两小时后，产生了蒸汽精细油(steaming fine oil)的浅褐色物流。通过此方法产生的油非常轻。最长的碳链是C20。产生的油与一半燃料油、一半汽油的混合物类似。
已证明本发明的方法对于复杂原料如火鸡下水的能量效率为85％。这意味着对于进入装置的原料中每100B.t.u.(英国热量单位)，只有15B.t.u.用于实施方法。对于相对干的材料，如碳含量大(carbon-heavy)或者湿含量小(miosture-light)的原材料，如塑料，效率甚至会更好。
第一阶段反应器，包含大约20英尺高、3英尺宽，且绝对绝缘，并用电热线圈包覆的罐。在第一阶段反应器中，原料通过加热和加压的方式水解。温度和压力都不是非常极端或者大量消耗能量而产生的，因为水帮助将热传递到原料中。中试装置中其通常只花大约15分钟用于进行此过程。
有机物质在反应器容器中被加热和部分解聚后，第二阶段开始。在这个阶段，浆液被降至较低的压力。快速的降压立即释放浆液大约一半的自由水。通过降压来脱水远远比加热使水沸腾更效率，具体是因为没有热量浪费。“闪蒸出物质(flashed-off)”是水，其被送上管路，所述管路通回到本过程的一开始，以加热进入的过程物流。
在此第二阶段中，将矿物质沉淀出来，并分流到储存罐。在火鸡废物中，这些矿物质大部分来自骨。矿物质作为富含钙和磷的干燥褐色粉末出现。它可以被用作肥料，因为在微量营养物方面平衡得很好。具体地，它具有微量营养物和大量营养物的有用范围。矿物质包含适当量的元素，如健康植物生长和发育所需的钙和磷。
在中试装置中，残余的浓缩有机物质流入第三阶段反应器中，并进行第三阶段处理，如上所述。将处理产生的气体现场用于装置，以加热本发明的过程。油和碳作为有用的更高价值产物流入储存设备。
依赖于原料和第一与第三阶段的处理时间，本发明的方法可以制造其它的专用化学品，所述化学品在本方法的不同部分被提取。例如，火鸡下水能够制备脂肪酸，用于肥皂、轮胎、涂料和润滑油中。
实施例2:操作装置
正在进行完全尺寸的商业规模的安装，意图每天处理超过200吨的火鸡废物。这个装置被设计来生产每天大约10吨气体，将所述气体返回系统以产生热量来为系统提供动力。这个装置将产生大约21,000加仑水，所述的水足够清洁以排放到城市污水系统中，而且也不含有病原性的载体。这个装置还将产生大约25吨的矿物质、浓缩物和碳，和大约500桶与#2取暖用油(heatingoil)同级的高品质油。
实施例3:废产物的例示性转化
表1显示当使用本发明的方法将100lbs的每种下述废产物转化成有用材料时，它们的终产品及其比例:城市污水废物(包含75％的污水污泥和25％的油脂分离器(grease trap)废物)；禽类加工废物(包含器官、骨、血、羽毛和脂肪)；纸和重油(比如真空精制的(refinery-vacuum)残留物和沥青砂)。表1中的量以磅表示。
表1
Figure A200580040897D00391
Figure A200580040897D00392
对于纸，数字是基于纯纤维素的；据估计特殊纸原料，如新闻纸或者办公室废纸的产量在这些数字的10％之内。
Figure A200580040897D00393
来自城市污水污泥的固体输出物还可能包含重金属。
值得注意的是，牛(cattle)和猪肉(pork)加工废物的产量与家禽加工废物的产量相似。
实施例4:生物衍生的油(bio-derived oil)
使用本发明的方法，可以从广泛的有机物质中产生生物衍生的油。来自火鸡下水的一种这样的生物衍生的油，包含C-20和较短碳链的组分，并且当用作燃料时实际上消除颗粒排放(particulate emission)。这种油为精炼厂或混合器(blender)提供窄范围的40+的美国石油协会(American Petroleum Institute)(API)可再生油，其可以用作替代燃料，或用于可燃燃料的混合组分。这种油的显著特性示于表2中，其中的规范方法(specification method)通过ASTM(美国试验材料学会(American Societyfor Testing Material))代码给出。
表2
 
燃料特性 规范方法 生物衍生油
60℉时的美国石油协会重度(API Gravity) D-287 40+
 
闪点(℉) D-93 100
蒸馏，回收，℉(通常的) D-86
起始沸点，℉ 125
10％ 160
20％ 220
30％ 280
40％ 335
50％ 400
60％ 450
70％ 500
80％ 580
90％ 660
回收，体积％ 95％
外观 D-4176 清澈而明亮
浊点℃ D-2500 -10
倾点℃ D-97 -20
粘度＠40℃，cSt D-445 ～1.50
硫，重量％ D-4294 <0.15
铜腐蚀速率(2小时＠212℉) D-130 <2
十六烷指数(Cetane Index) D-976 ～40
BS&W(基本沉积物和水)，体积％ D-2709 <0.10
灰份，重量％ D-482 <0.005
碳残余物，重量％ D-524 <0.50
热含量，BTU/lb D-240 ～18800
PONA，重量％(通常) D-5443
烷烃(Paraffin) 22
烯烃(Olefin) 14
环烷烃(Naphthene) 3
芳香烃(Aromatics) 6
C-14/C-14+ 55
在表2中，烷烃、烯烃、环烷烃和芳香烃的重量百分比指含有至多13个碳原子并包括13个碳原子的分子。
实施例5:第三阶段反应器和冷却器/冷凝器的实施方案
图8A和8B显示了用于本发明方法的设备的实施方案。一些元件也显示在图6中。
图8A显示了本发明的方法中第三阶段使用的设备。有机液体500进入储存罐812。任选地，可将有机液体和油定向至液/液分离器814中，并分成分馏液体/油的第一部分820和残留的分馏液体/油的第二部分822。可将分馏液体/油的第一部分定向至成品储存818，并作为可以被回收或者出售的分馏液体/油820来分销。将分馏液体/油的第二部分822重新定向至一个或者多个预热器830。
被加热后，将分馏液体/油822或未被分离的液体/油500送至加热器610，优选伴有蒸汽602。将得到的液体和汽化液体/油836送至反应器620，如螺旋，并分离成烃蒸气和气体148，以及碳固体142。将烃蒸气和气体148送至冷却器/冷凝器850，其在图8B中进一步描述。将油蒸气和气体中任何残余的颗粒，如残余的碳固体844除去，并返回到反应器620。
将碳固体142通过气塞846定向进入碳固体冷却器630，其中它们与水632混合。将得到的水和碳固体的混合物通过另一个气塞854送入成品储存系统650中。可将最终产物碳固体142分配到一个或多个商业应用中。
用于与图8A中所示的设备800一起使用的是图8B中所示的冷却器/冷凝器850。冷却器/冷凝器850使很多分离循环更容易进行，在所述分离循环中，油蒸气和气体的混合物，其中可能还包含水和颗粒，进行多个不同的分离步骤。将来自反应器620的烃蒸气和气体148进入碳颗粒分离器842，其分离出残余的固体颗粒，如残余碳固体844，并将这些固体重新定向回反应器620。
从碳颗粒分离器中产生的烃蒸气和气体进入蒸汽淬火系统(vapor
quenching system)860，按照本领域一个普通技术人员理解的一般原理进行处理。由蒸汽淬火系统，油和气体870进入油/水/气分离器872，其进一步分离各种组分，如油862、废油876、气体和LPG(液化石油气体)874，以及油/碳浆液881。
油862进入热交换器864，并此后进入成品储存系统866，并作为油144出售。
气体和液化石油气体(LPG)874进入冷凝器890，其从其它气态组分中分离LPG 898。将气体894送至过热器(super heater)892以得到燃料气体146，其可以作为能源传送至一个或多个设备。LPG 898以下述方式回收。首先，将LPG 898通过液/固分离器884，并去除任何残余碳固体886。然后，将分离过的LPG，与从油/碳浆液881中分离的油混合，返回到油/水/气分离器872，进行进一步的分离。气体和LPG混合物被分离和冷凝的循环可以按照期望重复多次。
还可将油/固体混合物，通常为油/碳浆液881，从油/水/气分离器872定向至液/固分离器884中，以去除残余碳固体886。将分离的油，与LPG混合，优选地返回到油/水/气分离器，适当地用于进一步的重新定向。
来自油/水/气分离器872的废油(slop oil)876进入油/水分离器878中，并将水880释放或者回收。将来自油/水分离器的油882送回到油/水/气分离器中，用于分离循环的进一步重复。
实施例6:从附着的不溶固体分离蛋白质物质
如本文描述的矿物质分离方法是由确定动物废物浆液粘度的测试衍生的。在这个测试中发现，当浆液被加热到特定温度以上时，浆液粘度会显著下降。在这个温度之下，粘度相对较高，并随着温度增加而渐渐下降。然而，当达到某一温度时，温度非常小的增加，粘度就会下降到五分之一。这个令人吃惊的结果引起对动物废物原料的检查，以确定它的性质发生了什么变化。
进行了测试来分析这个观察结果。这些测试由在Parr型高压反应器中的实验组成，其中将动物废物浆液在高温和相应的水饱和压力保持规定的时间。在排放了反应器内容物后，将实验室离心机用来将反应后的物质分离成低密度油性有机相，高密度的矿物质相和中间的水相。这些测试的结果显示，在正确的处理温度，这些相被很好地分离，并且矿物质相包含很少的有机物质，而有机相包含很少的矿物质。在确定的阈值温度以下进行的用于矿物质分离的测试得到了混合的有机物、水和矿物质的几乎均质的浆液。在确认为有效的温度范围之上，操作压力显著更高，而且有机物质更完全地分解。
图9说明了对于不同处理温度粘度相对于剪切速率的曲线。清楚的是，在温度180℉和250℉，原料具有显著的粘度。然而，对于325℉及325℉以上的温度，粘度明显更低。通过加压和加热的粘度计测量粘度。将剪切速率定义为-dv/dr＝8V/D，其中:r是管半径；v是半径r处的流动速度；V是平均流动速度，而D是管的内直径。图9中的剪切速率通常用于在进入第一阶段反应器之前泵送(piping)物质。
前面的描述意图说明本发明的各个方面。无意用本文提供的实例限制本发明的范围。本发明现在被充分地描述，对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不背离所附权利要求书的精神或范围的情况下，可对其进行多种变化和修正。

Claims (75)

1.用于将包含附着在不溶固体上的有机物质的原料转化成至少一种有用的材料的方法，其包括:
从原料制备浆液；
加热所述浆液以产生包含不溶固体的固体物质和液体混合物；
从液体混合物中去除固体物质；
在第一反应中使液体混合物发生反应以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水；
从该反应后的物料中分离所述的至少一种反应后的固体产物，水和至少一种反应后的液体产物；和
在第二反应中将所述至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用的材料。
2.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料是碳固体。
3.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料包括烃的混合物。
4.权利要求3所述的方法，其中所述烃的混合物包含燃料气体和油。
5.权利要求1所述的方法，其中所述制备包含从所述原料中去除氨。
6.权利要求1所述的方法，其中所述第一反应在约20-120个大气压进行。
7.权利要求6所述的方法，其中所述压力为约50个大气压。
8.权利要求1所述的方法，其中所述第一反应在大约150℃到大约330℃的温度进行。
9.权利要求1所述的方法，其中所述反应去除至少一种污染物。
10.权利要求9所述的方法，其中所述至少一种污染物是含硫物质。
11.权利要求9所述的方法，其中所述至少一种污染物是含汞物质。
12.权利要求1所述的方法，其中所述加热在275℉到380℉的范围内进行。
13.权利要求1所述的方法，其中所述加热在275℉到325℉的范围内进行。
14.权利要求1所述的方法，其中所述加热在300℉到325℉的范围内进行。
15.权利要求1所述的方法，其中所述加热分解所述原料中的蛋白质。
16.权利要求1所述的方法，其中通过选自下组的方法来实现去除:重力分离；液/固离心；过滤；或者使用筛子。
17.权利要求1所述的方法，其中所述反应去除蒸汽。
18.权利要求17所述的方法，其中所述蒸汽被重新定向以在所述制备过程中加热所述浆液。
19.权利要求1所述的方法，其中所述分离包含第一分离和第二分离。
20.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种液体产物包括至少一种脂肪衍生物或者脂肪酸。
21.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种固体产物包括至少一种无机化合物。
22.权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述转化之前，将所述至少一种液体产物中的一部分转移，并单独地将所述部分转化成至少一种专用化学品。
23.权利要求18所述的方法，其中所述至少一种专用化学品包括脂肪酸。
24.权利要求1所述的方法，其中所述第二反应在大约400℃到大约600℃的温度进行。
25.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料不含病原体。
26.权利要求1所述的方法，其中所述原料包括城市污水污泥。
27.权利要求1所述的方法，其中所述原料包括食品加工废物。
28.权利要求22所述的方法，其中所述食品加工废物包含火鸡下水。
29.权利要求22所述的方法，其中所述原料包含牛内脏。
30.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含动物粪便。
31.权利要求1所述的方法，其中所述原料包含一种或多种食品制造和分配的副产物，其包含附着于不溶固体的有机物质，并从选自下组的动物或其部分获得:火鸡、家禽、猪、鱼、麋鹿和家畜。
32.权利要求31所述的方法，其中所述原料包含火鸡下水。
33.权利要求31所述的方法，其中所述原料包含牛内脏。
34.权利要求1所述的方法，其中所述原料选自下组:叶子、草剪切物、甘蔗渣、海藻、废棉和动物废物。
35.权利要求1所述的方法，其中所述原料选自下组:炭疽孢子、传染性医疗废物和生物病原体。
36.权利要求1所述的方法，其中所述至少一种有用的材料是含碳物质。
37.权利要求36所述的方法，其中所述含碳物质中去除了含汞污染物。
38.权利要求36所述的方法，其中所述含碳物质中去除了含硫污染物。
39.通过权利要求1所述的方法制造的燃料油。
40.权利要求39所述的燃料油，其中所述燃料油是#2取暖用油。
41.权利要求39所述的燃料油，其组分按重量计:约22％的链烷烃、约14％的烯烃、约3％的环烷烃、大约6％的芳香烃和大约55％的C14/C14+。
42.权利要求39所述的燃料油，其具有下述性质:浊点大约-10℃；倾点大约-20℃；十六烷值大约40；热含量大约18800BTU/lb。
43.通过方法制造的燃料油，所述方法包括:
从含碳原料制备浆液，所述原料含有有机物质，该有机物质附着于包含在所述原料中的不溶固体；
加热浆液以产生包含不溶固体的固体物质和液体混合物；
从液体混合物中去除固体物质；
在第一反应中使液体混合物发生反应以制备反应后的物料，其中包含至少一种反应后的固体产物，至少一种反应后的液体产物和水；
从该反应后的物料中分离所述的至少一种反应后的固体产物，水和至少一种反应后的液体产物；
在第二反应中将所述的至少一种反应后的液体产物转化成燃料油。
44.将原料转化成至少一种有用材料的方法，其包括:
从原料制备浆液，所述原料包含有机物质，该有机物质附着于包含在所述原料中的不溶固体；
使浆液通过热交换器，在其中排出一种或多种气体，以产生调节的浆液，其包含含有不溶固体的固体物质和液体混合物；
从液体混合物中去除固体物质；
在第一反应中使调节的浆液发生反应，其中释放蒸汽和气体，以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物，至少一种反应后的液体产物和水，其中所述反应后的固体产物包含至少一种矿物质；
降低反应后的物料的温度和压力，以产生中间物料；
从中间物料中分离该至少一种矿物质，从而产生混合物，其包含至少一种反应后的液体产物和水；
将所述水转移至存储装置；
将所述至少一种反应后的液体产物进行第二反应，其中产生碳固体和烃蒸气和气体的混合物。
45.将包含附着于不溶固体的有机物质的原料转化成至少一种有用的材料的设备，其包括:
预处理单元，用于从原料产生加热的浆液，其中该加热的浆液包含含有不溶固体的固体物质和液体混合物；
初步分离单元，用于从液体混合物中去除固体物质；
与容器相连的第一阶段反应器，用于接收所述液体混合物，设置所述第一阶段反应器以使所述液体混合物经受第一高温和第一高压，从而制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物，至少一种反应后的液体产物和水；
至少一个与第一阶段反应器相连的第二阶段分离单元，用于接收至少一种固体产物、至少一种液体产物和水，设置所述单元以分离出所述至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；和
与分离单元相连的第三阶段反应器，用于接收所述至少一种反应后的液体产物，设置所述第三阶段反应器以使至少一种反应后的液体产物经受第二高压和第二高温，从而将至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用的材料。
46.权利要求45所述的设备，其中所述预处理单元包含:
原料制备单元，其包括制浆设备，用于从原料产生原料浆液；
与原料制备单元相连的容器，用于接收来自该原料制备单元的原料浆液，经设置用来给该浆液加压的泵，和经设置用来加热该浆液的热交换器，来产生加热的浆液。
47.权利要求45所述的设备，其中第一高压为大约20-120个大气压。
48.权利要求45所述的设备，其中所述压力为大约50个大气压。
49.权利要求45所述的设备，其中所述第一反应在大约150℃到大约330℃的温度进行。
50.权利要求45所述的设备，其中所述第一阶段反应器额外去除被重新定向至原料制备单元的蒸汽。
51.权利要求45所述的设备，其进一步包含单元，用于接收至少一种反应后的液体产物的一部分，并将该部分转化成至少一种专用化学品。
52.权利要求45所述的设备，其中第二高温在大约400℃到大约600℃之间，而第二高压为大气压以上大约15到大约50psi。
53.权利要求45所述的设备，其中所述预处理单元将浆液加热到275℉到350℉之间。
54.权利要求45所述的设备，设置该设备以接收包含食品加工废物的原料。
55.权利要求45所述的设备，设置该设备以接收包含城市污水污泥的原料。
56.权利要求45所述的设备，该设备进一步包含用于至少一种有用的材料的储存单元。
57.权利要求45所述的设备，其中至少一种有用的材料包含碳固体。
58.权利要求45所述的设备，其中至少一种有用的材料包含烃的混合物。
59.将城市污水污泥转化成至少一种有用材料的方法，其包括:
从城市污水污泥制备浆液；
在第一反应中使浆液发生反应以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物，至少一种反应后的液体产物和水；
从该反应后的物料中分离所述的至少一种反应后的固体产物，水和至少一种反应后的液体产物；
将所述至少一种反应后的液体产物转化成至少一种有用的材料；和
在第二反应中，将所述至少一种固体产物转化成烃油混合物、燃料气体和矿物质和碳的混合物。
60.权利要求59所述的方法，其中第一反应在大约170℃到大约250℃的温度进行。
61.权利要求59所述的方法，其中第二反应在大约300℃到大约525℃的温度进行。
62.将火鸡下水转化成至少一种有用材料的方法，其包含:
从火鸡下水制备浆液；
加热该浆液以产生液体混合物和骨材料；
去除骨材料；
在第一反应中使液体混合物发生反应以制备反应后的物料，其包含至少一种反应后的固体产物、至少一种反应后的液体产物和水；
从反应后的物料中分离至少一种反应后的固体产物、水和至少一种反应后的液体产物；和
在第二反应中，将至少一种反应后的液体产物转化成烃油的混合物、燃料气和碳。
63.权利要求62所述的方法，其中第一反应在大约150℃-大约330℃的温度进行。
64.权利要求62所述的方法，其中第二反应在大约300℃-大约525℃的温度发生。
65.权利要求62所述的方法，其中第一反应在大约250℃进行。
66.权利要求62所述的方法，其中第一反应在20-120个大气压的压力进行。
67.权利要求62所述的方法，其中第一反应在大约50个大气压的压力进行。
68.权利要求62所述的方法，其中加热在275℉-350℉的温度进行。
69.炼制动物身体部分的方法，所述动物身体部分包含附着于不溶固体的有机物质，所述方法包括:
从动物身体部分制备浆液；
将所述浆液加热到275℉-380℉的温度以产生液体混合物和不溶材料；和
从液体混合物中分离不溶材料。
70.权利要求69所述的方法，其中所述动物选自下组:火鸡、家禽、猪、鱼和麋鹿。
71.权利要求69所述的方法，其中动物是患病的。
72.权利要求69所述的方法，其中在300和325℉之间加热。
73.权利要求69所述的方法，其中所述液体混合物包含非含水部分，该非含水部分包含一种或多种脂肪。
74.权利要求69所述的方法，其中所述液体混合物包含含水部分，该含水部分包含一种或多种氨基酸。
75.权利要求69所述的方法，其中所述不溶材料包含骨材料。
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