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集成水基废物转化系统

2021-04-23 19:34:02

集成水基废物转化系统

　　发明领域

　　本发明在废物管理和废物处理领域中，并且具体来说涉及通过废物流的合适预处理、分离和转化以产生有价值的产物(包括生物柴油以及甲烷和/或乙烷)来加工有机废物。

　　引言

　　随着人口增长，废物管理和处理是持续挑战。垃圾填埋场会耗尽土地，并且在填满前具有有限的寿命，产生了持续需求，并且填满后，产生了具有妥协的可用性和潜在污染问题的土地空间。在欧盟，已通过的一项政策设定了一个目标：到2020年，填埋应仅限于废物残渣(即，非可循环和非可回收的废物)(第七届环境行动计划(7th Environmental ActionProgramme，第七届EAP))。焚烧解决了土地使用的问题，但会产生温室气体，并且需要进行高温焚烧以防止释放污染物。然而，在文献中已充分确定，焚烧与当地环境质量、有效减少温室气体以及现代气候政策的零废物目标不相容。在许多地方，焚化炉的投资昂贵得令人望而却步，即使假设政府进行能源补贴并且使用化石燃料进行长距离的城市固体废物运输(MSW)，焚化炉的收益模型仍然薄弱。焚化炉是有害污染物(例如汞、二噁英和PCB)的主要来源。重要的是，其能量捕获率非常低，所产生的能量仅可用于固定用途。焚化后，原始废物重量的约15％仍必须作为有害灰烬填埋。在许多地方，通过厌氧消化由填埋场生产/收集甲烷都以小规模运行，但并不能减轻使用填埋场的一般弊端。已经公开并实现了从废物中生产燃料的方法，例如通过中间合成气的生产，该中间合成气可以作为燃料燃烧或转化为其他燃料，包括汽油或乙醇。Enerkem公司(加拿大蒙特利尔)建立了一座燃料厂，也通过合成气工艺由废物制备甲醇(最终还有乙醇)。(参见www.enerkem.com)Enerkem工艺是众所周知的气化工艺的一个例子，其中，富含碳的生物质是有机材料，会在高温下与受控量的氧转化为一氧化碳、氢气和二氧化碳(这种混合物称为合成气)。气化工艺的替代方法是使用等离子弧，在等离子弧中将高压电流馈送到喷灯(torch)，从而产生高温电弧。这被称为等离子气化炉，InEnTec公司已建成并展示了一家小型工厂，该小型工厂使用该技术每天可处理25吨废物(InEnTec公司，美国华盛顿州里奇兰市；www.inentec.com)。

　　将会需要其他更灵活、更少能源和系统需求的解决方案。

　　附图简要说明

　　图1a显示了描绘本发明系统的主要单元的示意图。

　　图1b显示了本发明全部系统的示意图。

　　图2显示了部分预处理单元的分解透视图，特别是润湿混合区段以及高压加热和保留区段。

　　图3a显示了一个版本的预处理单元的二氧化碳洗涤区段的示意图。

　　图3b显示了预处理单元一个实施方式的二氧化碳洗涤区段的透视分解图。

　　图4a显示了分离单元的一个实施例的主要部分的示意图，顶部显示了通往脂肪/油分离区段的调节区段，该脂肪/油分离区段包括在竖直设置罐内的中心同轴管。底部是固/液分离输送器。

　　图4b显示了图4a的分离单元实施方式的主要区段的透视分解图。

　　图4c显示了来自图4a和4b的固/液分离输送器以及用于接收来自液/固分离器的液体材料的收集/缓冲罐的透视图。

　　图5a显示了三相分离单元的另一实施方式，其中，通过在一个装置中采用螺旋输送器倾析器和盘式离心机，在结合脂肪/油和固液分离的单个设备中进行三相分离，其在下文中称为离心倾析器或离心倾析器单元或装置。

　　图5b显示了图5a的三相分离器单元，进一步详述了分离工艺中的材料流动。

　　图6a是本发明的连续流式生物柴油反应器的透视图。

　　图6b显示了图6a的连续流式生物柴油反应器的更多细节，显示了在转化工艺中材料流和反应器组件的可能堆叠。

　　图6c显示了连续流式生物柴油反应器内的池单元的透视图和横截面，在右侧是波纹状接触板4110，并且4111显示了放大横截面中的表面涂层；中间是静态混合器4130，并且显示了放大横截面中扰动流表面涂层4131；左侧是放大横截面中具有催化表面涂层4121的间隔物4120。

　　图6d显示了由两个反应器板限制的静态混合器组成的连续流式生物柴油反应器的一个池内的流径线的放大横截面实例。显示出所有表面均涂覆有催化材料。显示出该池没有间隔物。

　　图7a显示了三阶段加速堆肥单元的两个第一区段(起始区段5100和孵育区段5200)的概览。

　　图7b显示了加速堆肥单元的起始区段5100的透视图。

　　图8显示了根据本发明的提炼单元(rendering unit)的可能布置。

　　发明概述

　　本发明包括能源自给自足、完全水基的集成在线废物管理系统，用于将市政废物和更宽泛的社区废物的所有有机级分全面转化为适合用于运输工具的燃料，并且固体残留物均转化为高营养堆肥此处，完全水基是指除了环境可接受的水溶性化学品外不需要任何有机溶剂和添加剂的系统工艺。该系统可在短时间内为有机废物提供完整的处理循环，最大程度地减少或消除下游废物的支出，并且生产出有价值的产物。该系统可以完全自给自足地运行并提供灵活性，从而使该系统可以容纳极其不同的废物流，并且不需要高温气化、蒸汽重整或类似工艺。

　　该系统主要基于如下工艺的灵活组合：预处理，包括蒸汽爆炸水解和皂化；将经预处理废物分离成各自引导至合适的进一步处理(包括燃料生产)的不同料流；燃料生产，其包括在连续流式催化酯化单元中生产生物柴油，以及厌氧消化以产生甲烷或其他小分子生物燃料，例如乙醇(通过发酵)。以准连续加速堆肥工艺将剩余固体转变成堆肥。因此，可以有利地设置系统和方法，使得单个工艺步骤是连续模式或可以以连续模式运行，特别是包括蒸汽爆炸处理的预处理、三相分离和生物柴油生产，而其他一些步骤(例如加速堆肥)则可以半连续方式运行。收集和/或缓冲罐和容器可以设置在主要单元和工艺步骤之间，以适应材料在不同单元和工艺步骤之间(例如连续和半连续阶段和步骤之间)的转移，以及适应相邻单位和步骤中输出量和输入量的任何差异。

　　以连续或半连续方式进行蒸汽爆炸处理是特别有利的，这涉及使引入的材料，优选地在碱性或酸性溶液中，经受高压和高温，并且以下文所述的合适设置，通过突然压降(例如通过高压旋转安全阀)排放材料，使得高压高温保持区段维持在较高的工作压力和温度下，同时将材料连续或半连续地引入和排出而无需高压高温保持区段的压力或温度释放。与间歇运行的蒸汽爆炸相比，这可以提高效率并减少能量需求。

　　该系统以模块化方式进行适当设置，从而允许根据在给定位置待处理的废物的组成进行定制。该系统可以构造成如本文所定义地是完全或基本水基的，并且最优选地，该工艺中使用的所有能量均由该工艺中产生的燃料组分产生。

　　该系统设计成使单个组件之间的协同作用最大化超越当前现有技术水平，以最大程度地减少能耗和碳排放，并最大程度地提高环境和经济效益。

　　该系统可以很容易地运行，而无需任何外部能量输入，并且能量平衡计算表明，该系统通常可以作为能量的净贡献者来运行，由此利用废物流的能量含量。因此，在优选实施方式中，本发明的系统和工艺是能源自给自足的，这意味着在该实施方式中不需要加入外部能量。

　　本发明的一个方面提供了一种废物转化系统，该废物转化系统包括:至少一个用于接收废物流的预处理单元，该废物流的至少部分是有机废物，该预处理单元包括至少一个连续流式蒸汽爆炸；至少一个分离单元，用于接收来自预处理单元的经预处理的废物流，该分离单元包括至少一个调节区段和至少一个分离区段，用于将经调节的废物分离成至少一种脂肪/油组分和至少一种水性组分以及优选地还有至少一种湿固体组分；至少一个生物柴油生产单元，用于由至少一种脂肪/油组分产生生物柴油；至少一个消化单元以及/或者发酵单元，所述消化单元用于对所述至少一种水性组分进行厌氧消化以产生甲烷，所述发酵单元用于由所述至少一种水性组分生产乙醇；以及至少一个堆肥单元，用于由固体材料产生堆肥。

　　本发明的另一方面描述了用于处理和转化废物的方法，所述方法包括：接收至少包含一部分有机废物的废物流；将废物流或其至少一部分引入预处理单元，在预处理单元中将废物流引入连续流式蒸汽爆炸反应器中；将经预处理的废物流引导至分离单元，在该分离单元中使其至少分离成包含脂肪和/或油的组分和包含有机物水性浆料的组分，并且优选地还分离成包含固体有机材料的组分；将所述脂肪和/或油组分引入生物柴油生产单元，并由所述脂肪/油组分产生生物柴油；将所述包含水性浆料的组分引入消化单元中，并通过厌氧消化以产生甲烷或通过发酵以产生乙醇来消化所述组分；和将剩余固体材料引入加速堆肥单元。

　　另一方面涉及一种蒸汽爆炸反应器，其包括高压保持区段和卸压区段，并且其中所述高压保持区段包括至少一个变速输送器，用于将所述废物流运输通过所述区段。蒸汽爆炸反应器可以进一步包括至少一个集成的二氧化碳洗涤单元，其可以任选地构造成与蒸汽爆炸反应器同时运行。

　　另一方面涉及一种生物柴油反应器，其适于接收至少一种脂肪/油组分的连续流，并由此产生生物柴油的连续流。生物柴油反应器可以是连续流式生物柴油反应器，其包括多个涂覆有酯化和/或酯交换催化剂的接触板，用于催化游离脂肪酸的酯化和/或甘油酯的酯交换。生物柴油反应器可进一步包括一个或多个间隔物和/或静态混合器，用于调节接触板之间的间隔并增强湍流混合。

　　另一方面涉及一种离心倾析器单元，其包括:轴向轴承轴(axial bearingshaft)，其同轴包围可在所述轴向轴承轴上旋转的螺旋输送器的倾析器壳体；至少一个位于中心的固定主材料入口，用于将材料进料到螺旋输送器中；至少一个固体物质出口；包围所述盘式离心机的盘式分离器壳体(house)；设置在倾析器壳体和盘式分离器壳体之间的至少一个叶轮；以及重相和较轻相出口。

　　说明书

　　本发明的主要单元参照图1a和1b的示意图，其描绘了预处理单元(1000)、分离单元(2000)、燃料生产单元(3000和4000)、加速堆肥单元(5000)和任选的提炼单元(6000)。各单元在其中都可以具有组件和部件，系统的主要部件被称为区段。图1a显示了单元的简化示意流程图，而图1b显示了包含单元的区段和组件的更详细的系统示意流程图。

　　术语“水基”表示本发明的方法和系统不需要有机溶剂。然而，在一些实施方式中，可以采用环境可接受的水溶性反应物或化学品，例如特别是生物柴油生产所必需的乙醇或甲醇、以及酸或碱，以促进单独的工艺步骤，如下文进一步描述。术语“能源自给自足”是指可以该工艺/方法可以在没有能量净添加的情况下运行，并且可以通过工艺/方法中的能量释放步骤和/或通过使用所产生的燃料作为工艺/方法的能量来源来提供所有必要的能量(热能和电能)。在一些实施方式中，可以将系统连接到外部电网以向系统供应电能，但是通常任何输入至系统的该能量都被系统的能量输出所抵消，这意味着系统的净能量产生是正的。术语“油/脂肪”通常是指来自所接收废物的任何脂质，包括源自动物脂肪和油以及植物油的甘油单酯、甘油二酯和甘油三酯以及来自相同来源的游离脂肪酸以及它们的任意组合。本文中的术语“生物柴油”是本领域惯用的，并且通常是指衍生自包含长链烷基(甲基、乙基和/或丙基)酯的回收油/脂肪材料(而非石油基)的燃料。术语“堆肥”具有本领域通常已知的含义，并且是指已经分解成肥料和土壤改良剂的有机物质。

　　如前所述，优点在于本发明的系统可以构造成完全或基本水基的。这意味着除了必要(环境可接受的)与水混溶的溶剂(例如生产生物柴油的工艺步骤中的甲醇或乙醇)外，可以进行所有步骤和子工艺而无需添加有机溶剂，可需要所述溶剂作为反应物并从相应转化步骤完全回收。

　　根据本发明的预处理单元接收待处理的废物流。废物流可以具有不同的组成，本发明的系统和方法通常针对有机废物、或主要包含有机物质的废物，其可以预先分类或可以未预先分类，例如但不限于一般家庭垃圾中的有机垃圾。因此，接收到用于处理的废物材料可以包括但不限于以下一种或多种废物或任意组合：家庭废物(HHW)；屠宰场废物(SHW)；食品工业废物(FdIW)；鱼类工业废物(FhIW)；植物油和鱼油工业废物(OIW)；污水污泥；污水油脂和油(SwW)；农业废物如麦秸或其他稻草、稻壳、豆腐渣、和草和动物粪便(AcW)；以及花园废物(GW)；和废木料(WW)。该废物流可分为富含碳水化合物(C)、脂肪(F)和蛋白质(P)的废物流或其任意组合。如本文所用的术语脂肪(“F”)、“脂肪/油”和“脂肪和/或油”通常是指富含脂质的组分，例如包括一种或多种甘油酯(甘油单酯，甘油二酯，甘油三酯)、磷脂和游离脂肪酸及其任意混合物的脂肪和/或油。

　　如果有益(取决于所接收的废物)，该系统还可以包括：在预处理单元的上游的任选的分离器单元，用于去除至少一部分金属、玻璃、塑料和纸张组分以及来自所接收混合废物的任意混合物或优选去除基本所有金属、玻璃、塑料和纸张组分以及来自所接收混合废物的任意混合物。优选地，待处理的进入的废物材料是将废物分拣至例如普通塑料、金属、纸和有机废物箱中的预先分类废物，例如来自家庭、工业和/或办公室的废物。由该分类废物，可以适当接收有机级分并且在本发明的系统中进行充分处理和转化。

　　预处理单元包括至少一个连续流蒸汽爆炸反应器作为其最基本的组件，该连续流蒸汽爆炸反应器在本优选实施方式中作为碱性蒸汽爆炸反应器运行，如下文详细描述。在碱性条件下运行蒸汽爆炸工艺的这些实施方式中，蒸汽爆炸反应器优选包括至少一个集成二氧化碳洗涤单元，其接收通过压力释放从蒸汽爆炸反应器的高压保持区段排出的材料。在一个实施方式中，连续流式碱性蒸汽爆炸反应器包括至少一个高压保持区段，其通过卸压连接件连接至集成二氧化碳洗涤段，通过该卸压连接件，通过压力快速释放将材料流从高压保留区段递送至二氧化碳洗涤区段。高压保持区段通常在如下压力下运行：从约10巴(1.000kPa)或从约12巴或从约14巴或从约15巴或从约16巴或从约18巴或从约20巴至约40巴或至约38巴或至约36巴或至约34巴或至约32巴，例如至约30巴，例如至约28，或至约27巴或至约26巴或至约25巴或至约24巴。在一些实施方式中，二氧化碳洗涤单元在如下压力下运行：例如，约1巴如约1.2巴、如从约1.5巴、如从约2巴至到约5巴、或至约4巴，并且可选地，所述二氧化碳洗涤单元设置有冷却元件，用于降低基材温度并从蒸汽爆炸单元回收热量。

　　高压保留区段中的温度范围通常为约180-250℃，所选温度通常取决于所需压力，这意味着温度和压力之间保持一定的关系以使得压力约为水蒸气压力或略高于水蒸气压力。例如，在180℃的温度下，水的蒸汽饱和压力刚好超过10巴，在200℃的条件下，饱和蒸汽压约为15.5巴，在220℃时，饱和蒸汽压约为23.2巴，而在250℃下，饱和蒸气压约为40巴。在一些实施方式中，蒸汽爆炸反应器在上述范围内的温度下以及对应于或接近相应温度下水的饱和蒸汽压的压力下运行。因此，在一些实施方式中，蒸汽爆炸反应器在约180-200℃的温度和约10-16巴的压力下运行，在一些实施方式中，蒸汽爆炸反应器在约200-220℃的温度和约15-23巴的压力下运行，或在约220-240℃的温度和在约23-33巴的压力下运行。

　　蒸汽爆炸反应器使紧密纤维材料的坚硬结构突然崩解，使其易于高效水解，并随后通过发酵分解。蒸汽爆炸单元还用于实现所引入有机废物(例如纤维素、木质素、蛋白质和脂肪/油)的水解和/或皂化，以及提取废物流中的可溶烃、氨基酸或肽以及脂肪酸及其盐。当在碱性条件下进行蒸汽爆炸时，在随后下文所述的二氧化碳洗涤器中降低了碱性水溶液提取物和固体基材的pH。预处理工艺具有多个目的：i)破坏紧密纤维材料的结构，ii)至少部分分解生物利用率低的材料，例如木质素和纤维素材料，iii)有机材料预水解，iv)来自固体基材的水性营养提取物，v)对所有材料进行灭菌。

　　该工艺中的灭菌非常有利，因为它大大提高了对于下游产品的通用性(utility)。当前，有效利用来自例如屠宰场设施或鱼类或食品加工厂(在那里废物可能被不希望的细菌污染)以及经常含有大量用过的尿布、尿液和粪便的家庭废物的某些废物流是一个挑战。除了材料的破碎和水解以外，蒸汽爆炸处理还提供了所需的灭菌效果。在许多国家和地区中，使用食物垃圾或其他潜在细菌垃圾例如用于堆肥需要通过高压灭菌等进行灭菌。本系统提供了该必要的堆肥材料灭菌处理，因此是更合意且价值更高的产品。

　　如本文所理解，在优选实施方式中，当蒸汽爆炸在碱性条件下运行时，二氧化碳洗涤单元构造成连续流式蒸汽爆炸反应器不可分割的部分。二氧化碳洗涤单元的上部部分优选适于提供从蒸汽爆炸单元的高压保持区段递送材料流，从而使材料流通过压力释放而在二氧化碳洗涤区段内导向成旋风状模式的废物流，但促进了向洗涤区段中心的飞溅和分散，在洗涤区段中心，碱性水性废物流(吸收器)与待洗涤的富含二氧化碳的流汇合，从而提高了洗涤效率。如本文所用的术语“旋风状模式”是指大体圆形或螺旋形的模式。废物流的进入角和洗涤器内部的螺旋形导向增强了旋风式流动。在一些实施方式中，进入角距离水平线约5°至30°，即，相对于水平线向下倾斜，例如角度为从约5°或从约10°至约30°或至约25°或至约20°。其同时设计成部分破坏旋风式流动，以使进入流向着洗涤区段的中心区域高效飞溅并分散，并使得与富含二氧化碳的气流的接触最大化。因此，在一些实施方式中，洗涤单元包括至少一个螺旋形插入物，并且优选为至少两个。在一个实施方式中，该单元包括相对于彼此垂直偏移的两个内部螺旋体，其中，上部螺旋与洗涤器的内壁具有间隙，而下部螺旋没有间隙。该构造用于实现相对于碳洗涤单元内的废物流的初级旋风模式流的部分垂直速度，该速度由沿着碳洗涤单元内壁从上部螺旋输送至下部螺旋的材料实现。下部螺旋还可设置有波纹图案，以将材料部分地引导向洗涤器单元的中心，并且优选地还具有在其内边缘处的突出边沿，其导致材料的垂直分量向中心飞溅并分散。

　　二氧化碳通过至少一个优选设置在二氧化碳洗涤单元下部内的二氧化碳入口流入二氧化碳洗涤单元，因此气泡通过在预处理的洗涤区段底部的碱性废物材料堆积物，然后上升通过洗涤区段并遇到在洗涤区段内向下移动的分散的碱性材料流。任选地，洗涤器装有热交换冷却元件，以降低基材温度并部分地回收来自蒸汽爆炸的热量。为了使热交换效率最大化，可以将该冷却元件安装在洗涤器底部的冷凝区段中和/或与洗涤单元内的导向螺旋体接触。冷却元件可有利地用于为系统的蒸汽锅炉预热水，其将在本文中进行进一步描述。

　　如本文所用，术语“二氧化碳洗涤器”和“二氧化碳洗涤”是指将二氧化碳引导/注入进行吸附的洗涤器中，因此该洗涤器用作常规的二氧化碳洗涤器，其具有去除或减少来自富含CO2的流中CO2含量的一般功能；但是，在此过程中，CO2被用于降低pH并缓冲预处理工艺中产生的碱性基材/水性提取物(吸收剂)，并增加提取物中的碳酸盐和碳酸氢盐浓度，以使得在随后的甲烷转化单元中通过甲烷生成来提高二氧化碳厌氧转化为甲烷。如下文进一步描述，该系统有利地通过将系统例如系统的消化单元和/或锅炉单元中所产生的CO2引导至二氧化碳洗涤器中来运行。

　　可以安装二级洗涤器，以使其进料有在初级洗涤器的沉降区域中的积聚的预过滤液体级分，并且可以采用常规的自顶向下喷雾构造，在升高的压力和降低的温度下具有从底部进料的来自初级洗涤器的贫CO2废气(exhort)。因此，在一些实施方式中，系统中的二烯洗涤器在约5巴至约150ba的压力(例如，从约5巴或从约10巴或从15巴或从约20巴或从约30巴或从约40巴至约150巴或至约140巴或至约130巴或至约120巴或至约110巴或至约100巴或至约90巴或至约80巴或至约70巴或至约60巴或至约50巴)，并且温度范围优选5℃至40℃，例如，从约5℃或从约10℃或从约15℃或从约20℃至约50℃或至约45℃或至约40℃或至约35℃或至约30℃。

　　在引入至高压蒸汽爆炸室之前，优选使进入的进料通过一个润湿混合区段，在该区段中可以将水添加到料流中以获得所需的固液比，并且使材料混合，并可以调节pH，尤其是对于随后的碱性蒸汽爆炸而言，在该情况下，碱性溶液会混合到润湿混合区段的料流中。润湿混合区段优选包括顶部进料输送混合器和润湿装置(armature)，例如一个或多个润湿喷嘴。润湿混合区段的出口优选地通过旋转计量阀(并且更优选通过旋转计量阀和高压旋转阀的串联组合)连接至蒸汽爆炸反应器，其将参考具体实施方式在本文进行进一步详细描述，并且通常可适用于本发明。从蒸汽爆炸反应器的润湿混合区段到高压保留区段的连接确保了材料可以由环境压力润湿混合区段连续或半连续地传输至高压保留区段，同时在后者(高压保留区段)中持续保持高压。

　　在高压保持区段中，以合适的方式将装载的基材从装载点传输至出口点，例如但不限于通过可调速输送器，优选为螺旋输送器。该区段配有至少一个、优选两个或更多个蒸汽注入口，并且装卸端的旋转阀(分别称为进料阀和排放阀)优选各自装有蒸汽注入口和卸压口，并且有利地是，其同步以使得在允许期间高压保持区段中的压降最小，并且通过调节输送速度使其与进料和排放阀的装载和排放同步，可在宽范围内调节高压保持区段中的保持时间。有利的是，该同步通过控制单元(如PLC系统)来控制。

　　如在实施例中进一步描述的，高压保持区段的出口优选地垂直连接至旋转计量阀(rotating dosing valve)和高压旋转安全阀。在出口时间点，基材通过旋转计量阀输送至高压旋转安全阀的隔室，该隔室在该时间点面对高压保持区段的出口。然后，旋转阀旋转以将加压隔室打开至卸压区段(接收区段，优选是二氧化碳洗涤器)的压力，使得在旋转到装有蒸汽注入口的重新加压位置前先进行蒸汽爆炸。隔室从该位置旋转回填充位置。

　　然而，本发明的范围内还存在代替碱性蒸汽爆炸而使用酸性蒸汽爆炸的其他实施方式。这些实施方式利用基本相似的设备设置，并做了一些小改动，因为在这些实施方式中没有采用二氧化碳洗涤，并且将进入的废物流用适用的酸溶液酸化(代替碱皂化)，例如用但不限于盐酸，部分导致由脂肪/油组分形成游离脂肪酸，而不是皂化。在酸性蒸汽爆炸之后并且在分离之前，优选通过与碱混合来提高将蒸汽爆炸处理的料流的pH。

　　在一些实施方式中，预处理单元还包括设置在连续流式蒸汽爆炸反应器上游的研磨和/或均化单元。研磨/均化单元可以是技术人员已知的任意合适的机械类型，用于在根据本发明的进一步处理之前对进入的材料进行研磨和/或切碎等机械处理。

　　蒸汽爆炸反应器，尤其是具有集成二氧化碳洗涤器的碱性蒸汽爆炸反应器既在本文公开的一般方面中并且也包括所描述和预期的所有实施方式，其是本发明的基本方面，还独立于整个系统中的其他单元和其他单元的组件。因此，可以提供蒸汽爆炸反应器并以不同于本文中具体公开并指示为本发明的完整系统的那些设置的其它设置使用。

　　当接收富含脂肪/油的废物流时，例如但不限于屠宰场废物(SHW)或来自植物油和鱼油工业的废物(OIW)，在某些实施方式中，此类富含脂肪的流可以有利地涉及提炼单元，在该单元中进行预分离，以将油性材料与固体和水性材料分离。将提炼单元构造成从进入流分离出流的至少一部分(并且优选大部分)脂肪/油组分，并且通过去除水来减少剩余含固体水性浆料的体积。这实现了体积的显著减小，并且剩余的含蛋白质/碳水化合物的浆料级分可以与其它有机废物混合并在预处理单元中进行处理(蒸汽爆炸)。然而，可以将从提炼单元获得的脂肪/油组分直接引导至下文进一步描述的生物柴油单元中，并且水性组分可以充分摆脱有机组分以因导致污水处理或适用的废物处理。提炼单元适用且可用于废物流，可以将容易地分离成相应的水、油/脂肪和蛋白质组分(在有利的情况下，在碾磨后)。提炼通常包括在大气压下加热(通常在大约80-100℃的范围内、例如更优选在大约90-95℃的范围内加热一段时间例如约30至60分钟)，然后离心分离。因此，在一些实施方式中，提炼单元包括加热/保留罐、倾析器和离心机，或者包括倾析器和离心机功能的组合单元，如本文三相分离单元的具体实施方式中所述。然后，将来自提炼单元的剩余含固体级分有利地引导至预处理单元，用于如上所述进行灭菌和水解。由于可以显著减少预处理单元上的负荷，因此提高了系统的效率。

　　在一些实施方式中，根据本发明系统的分离单元包括调节区段、连续脂肪/油分离区段，液/固分离器和离心纯化器。在一些实施方式中，分离单元的调节区段包括：具有混合器的腔室和用于引入酸性溶液(和/或其他溶液)的装备(例如装置)，例如用于调节容纳在该腔室中的经预处理的废物的pH；以及排放阀，用于排放经调节的材料。调节单元内的混合器可以是技术人员已知的合适混合器的任一选择，在一些实施方式中，混合器是输送混合器。在优选实施方式中，连续脂肪/油分离区段包括竖直设置的细长罐，细长管以在中心和同轴的方式位于该细长罐内。优选地，在所述中心管的入口处设置有排放阀，通过该排出阀可以使经调节的材料从该单元的调节区段排出到管中。所述管或罐优选包括：在所述管的下端附近的一个或多个微气泡喷射器以及出口阀。脂肪/油分离区段还优选包括：用于将在罐内的液体表面上积聚的脂肪/油进料至脂肪/油缓冲罐或离心净化器的装置，例如但不限于表面泵和/或溢流排水袋(overflow drain pocket)。在一些实施方式中，液体/固体分离器构造成封闭在壳体(housing)中的输送器(例如，螺旋输送器)，例如以一定角度设置在圆柱形壳体中的螺旋输送器；已经分离脂肪和油的水性浆料在入口处通过圆柱形壳体的下端进料至螺旋输送器，螺旋输送器将固体材料向上通过壳体向着出口方向进料至含固体的级分，出口位于壳体/输送器的上端或附近。输送器和壳体可以以约5-45°角度设置，例如以从约5°或从约7°或从10°或从约12°至约45°或至约40°或至约35°或至约30°或至约25°的角度设置。

　　当使用集成二氧化碳洗涤器进行碱性蒸汽爆炸时，离开二氧化碳洗涤器的浆料进入调节区段，并且通常需要进一步调节pH(洗涤器中的pH已通过CO2降低)。在安装二级洗涤器的地方，将来自二级洗涤器的流出物与来自初级洗涤器的浆料合并，然后进行该pH调节。pH调节实现了碱性脂肪酸盐转化为游离脂肪酸，并因此可以通过浮选与水相分离。这在连续脂肪/油分离区段进行。因此，三相分离区段提供：(i)包含游离脂肪酸以及剩余未水解的脂肪和油的级分；(ii)包含水性提取物的级分，其优选具有小于15％的悬浮固体，更优选小于12％或小于10％的悬浮固体，还更优选小于8％或小于6％的固体，这是可调节的；以及(iii)含有固体基材的级分，其通常是指具有优选至少25％的干材料含量和更优选的更高的干材料含量，例如至少28％或至少30％，并且更优选至少35％或至少40％，更优选至少45％或至少50％，例如至少55％或至少60％。固体基材和水相中悬浮固体级分的干材料含量是可调节的，例如通过调节固/液分离区段的穿孔底板的程度和穿孔密度以及孔尺寸，如下文进一步所述。

　　可以有利地将首先提到的脂肪/油级分引导至要进行酯化和/或酯交换的生物柴油单元。如所提及的，生物柴油单元有利地适于接收来自分离单元的脂肪/油组分的连续流并用作连续流式生物柴油生产单元。这意味着基本产生生物柴油连续流的单元。

　　在根据本发明的优选实施方式中，分离区段包括离心倾析器单元，该离心倾析器单元将三相分离单元的所有区段组合一个相同装置中。该单元通常包括组合的螺旋输送器倾析器和盘式离心机，该盘式离心机也称为锥形板式离心机、盘碗式离心机和盘叠式分离器，这些术语在本文中是同义的。这些功能组件分别形成倾析器区段和离心机区段。离心倾析器通常包括包围螺旋输送器的倾析器壳体，倾析器壳体和输送器可在轴向轴承轴上独立旋转。倾析器区段还包括至少一个入口，该入口优选地固定地且轴向地设置在轴向轴承轴内。入口将材料进料至倾析器壳体内。固体物质出口设置在螺旋输送器的远端附近(远离离心机区段的一端)。该单元还包括盘式分离器壳体，其包围所述盘式离心机。至少一个叶轮设置在倾析器壳体和盘式分离器壳体之间，使液体传输通过此处、重相出口和较轻相出口，优选地，该叶轮是固定的。本文中以及在实施例中进一步详细描述的离心倾析器单元可以如此独立地起作用，以用于使有机物流与水、油和固体物质进行期望的分离，并且在某些方面可以作为独立单元提供，适用于本文公开的系统，而且还适用于不同的系统和应用。

　　根据本发明，在优选实施方式中，生物柴油生产单元包括模块化连续流式生物柴油反应器，该反应器包括涂覆有酯化催化剂的接触板，以催化游离脂肪酸的酯化和/或甘油酯的酯交换。术语“接触板”是指该板与所引入的脂肪/脂质材料接触。在一些实施方式中，板是波纹状的，以增加表面积并改善流体动力学和接触。优选地，接触板的一侧或两侧涂覆根据流动构造涂覆有固定的催化材料。酯化催化剂是本领域已知的，并且本领域技术人员可以选择合适的催化剂。在一些实施方式中，催化剂是固态催化剂，或者在其他实施方式中，催化剂可以是酶催化剂，其可以固定在固体基材上或者可以不固定在固体基材上。反应器可以进一步包括：用于可调节接触板分离的间隔物，间隔物还可以涂覆有催化剂，并且优选地，间隔物具有扰流内表面，以增强湍流和高效混合。优选地，将混合器设置在反应器内的接触板之间，例如但不限于一个或多个静态混合器优选地，多个静态混合器设置在接触板之间，这些静态混合器可以是但不限于竖直延伸轮廓的构件，例如V形轮廓、弯曲轮廓、条状物、网状物等。

　　在一些实施方式中，反应器中的接触板在一侧上设置有催化剂，并且该板设置成使涂覆侧彼此面对，并且将材料流引导通过反应器，使得反应物介质在催化剂涂覆侧之间流动，并且热介质在未涂覆侧之间的通道中流动。

　　在一些实施方式中，施加至少一种均相催化剂，其可以是但不限于酸性催化剂如硫酸，或碱性催化剂，例如但不限于氢氧化钠、甲醇钠或氢氧化钾或甲醇钾。然而，常规的均相碱性催化剂不适用于包含大量游离脂肪酸的原料。因此，在一些实施方式中，施加至少一种非均相催化剂，其可以是有机或无机催化剂(如本领域已知的有机或无机催化剂)或酶催化剂。在一些实施方式中，例如，如下文进一步描述的，在分开的反应器或分开的反应器区段中使用催化剂组合，其中，在第二区段中，第一催化剂催化游离脂肪酸的酯化，并且第二催化剂催化甘油酯的酯交换。在分开的反应器中使用催化剂组合的情况下，可通过闪蒸或树脂在反应器之间可以引入中间纯化。在单个反应器设置中使用单一催化剂或催化剂组合的情况下，也可以引入中间树脂纯化。

　　反应器优选装有入口系统，以允许在注入反应器之前反应物高效混合，其包括根据生产反应的需要添加醇(甲醇/乙醇)。在一些实施方式中，系统中所产生的乙醇用作生物柴油生产中的反应物。在一些实施方式中，可以通过入口添加其他均相催化剂。该另外的催化剂可以是液体催化剂，作为另外的催化剂和/或作为用于活化反应器中板上的固态催化剂而添加。入口系统可以包括预混合器，以使已调节的反应物材料与助溶剂混合和/或将另外的催化剂例如硫酸与助溶剂混合。可用的助溶剂包含甲酯，并且可以优选通过所产生生物柴油的部分循环来提供。所述预混合器可以是两阶段的，这意味着在第一阶段使某些材料混合，并且在第二阶段使得这些材料与在另外的预混合器中可以预混合或可以不预混合的其他物质混合。在反应器中，板优选以两个彼此面对的涂覆表面和两个彼此面对的非涂覆表面交替来进行堆叠。如果有利，任意其它堆叠顺序是可选的。

　　在一些实施方式中，当连续流式生物柴油反应器包封在封闭体中时，特别是当需要高压允许时，该封闭体可以是例如包括密封外壳的差压均衡器。在一些实施方式中，反应器的入口和出口(用于反应物和/或热流体)可以通过高压管状密封件延伸到外壳的外部。

　　在一些实施方式中，将反应器分为几个区段，在其中有利的是分别进行FFA的酯化和甘油酯级分的酯交换。在该构造中，一个或两个区段可以用均相催化剂运行，并且具有足够的纯化/调节作为中间步骤。因此，在一些实施方式中，生物柴油包括至少两个串联连接的反应器或反应器区段。在该实施方式中，在第一反应器/反应器区段中用均相酸催化剂进行酯化，在第二反应器/反应器区段中用均相碱性催化剂进行酯交换。在酯化和酯交换反应之间采用该分离的情况下，可通过在所述酯化和酯交换反应器或区段之间进行闪蒸和离子交换来进行纯化和去除水。

　　为了产生优选固态催化剂的催化表面，限制连续流式生物柴油反应器反应通道的表面可以在一个或多个步骤中进行涂覆，通过例如沉淀和煅烧、热喷涂、化学气相沉积、反应性涂层、原子层沉积或任何其他涂覆方法或这些方法的组合进行涂覆，提供从表面突出的粗糙的高表面积的涂层。

　　在适用的情况下，金属海绵(例如钛或锆)或穿孔结构可以在表面上直接生长或由相应金属海绵的粉末上带到表面上。

　　在有利的情况下，可以在同一步骤中或通过例如化学气相沉积来实现掺杂。然后，通过暴露于气态或液态形式的合适氧化介质，例如空气、氧气、金属盐或氧化物的氧化溶液中，可以进行热辅助或非热辅助的受控氧化。也可以通过在天然或预处理表面上直接沉淀并连续煅烧来实现与氧化物的直接涂覆。

　　涂层同时在高共享表面上提供了所需的催化活性和有效的微观混合。

　　在采用酶催化的情况下，固定优选通过与具有大表面积的无机基材例如二氧化硅或氧化铝共价键合来实现，但是也可以通过物理吸附或包封来实现，并且在有利的情况下，基材可以是有机材料，例如，淀粉或胶原蛋白。

　　本文和其全部实施方式(包括但不限于实施例中进一步详细列举)中所述的生物反应器可以对于任何生物柴油生产而言都具有独立的功能，并且不仅限于在本文所公开的废物转化系统中运行，而且能在任意普通生物柴油生产中运行。

　　优选使来自三相分离单元的水性提取物级分直接在系统的消化单元中进行嗜热厌氧消化以产生甲烷和/或进行发酵以产生乙醇，如下文进一步详细描述的。这两种工艺是本领域中熟知的。通常，通过发酵生产乙醇将包括：将活性酵母添加到或保持在将富含碳水化合物的水性流进料至其中的发酵罐中。在本发明的一些实施方式中，构造单一单元以使得其能够生产甲烷或乙醇，并且使用者可以根据进入的废物流在两种生产模式之间进行切换。简而言之，这是通过对单元进行清洗来实现的，并且在启动甲烷生产的情况下，引入包含进料细菌的原料，而在乙醇生产的情况下，引入包含酵母的原料。在其它实施方式中，可以设置两个单元，以使得一个单元专用于甲烷生产，另一单元用于通过发酵生产乙醇。

　　包含来自三相分离单元的固体基材的级分被引导至系统的加速堆肥单元。该加速堆肥单元优选三阶段半连续单元。在本发明的该三阶段半连续单元中，第一阶段用于混合和引发，其中新鲜基材与种子堆肥混合。从三相分离单元出来的基材在该阶段优选处于约40-50℃的温度下，因此可以绕过嗜温阶段直接进行嗜热堆肥。此外，通过破坏密实纤维素或木质素材料的结构，纤维素和木质素材料的预水解以及在蒸汽爆炸预处理单元中蛋白质组分分解为较短的肽和氨基酸，嗜热菌消化显著加速，并且富C材料的高消化率使引发时期的C:N比相对较低。该阶段优选在连续或半连续混合下维持优选约2至约6小时的时间，更优选约3至约6小时的时间，例如约3-5小时或约4-6小时，例如约3小时，约4小时，约5小时或约6小时，然后转移到第二阶段。

　　由于转移到堆肥单元中的有机材料已经经过蒸汽爆炸处理，可以对潜在的致病材料进行灭菌，并提高了富含碳的纤维素材料、纸张、尿布等的消化率，与常规堆肥相比，本发明的堆肥方法可适应更宽泛的碳：氮比(C：N)。然而，在一些实施方式中，基于进入的废物流来监测或评估C:N，并用富含碳的材料(例如但不限于花园废物、甘油(例如，来自系统的生物柴油生产)、面粉、面团、水果和食品工业中的其他富含碳的废弃物、以及其他来源的糖含量高的固体废弃物)来调整堆肥材料的C:N比。在引发步骤中，平衡C:N的比例以获得优选为约10至约20、优选约15至20的比例，而且还可以用约10至约15的C:N来驱动。

　　在一些实施方式中，在第一阶段的混合和引发步骤中，从厌氧消化和/或发酵中取出的污泥级分可以有利地混合到堆肥基材中。

　　在第一步后，堆肥基材应优选处于或接近其嗜热阶段的峰值，然后在增量材料(如木屑)混合时转移到第二阶段，优选该回收在前一批的第三老化步骤之后，但也可以或者具有其它来源，例如来自花园垃圾。优选使增量材料(bulking material)与基材连续在将基材从第一(引发)阶段转移至第二(孵育)阶段中混合，例如在锥形螺旋输送器中混合，所述锥形螺旋输送器优选构造成使增量材料体积沿转移方向适当增加。因此，在一些实施方式中，用输送器(如螺旋输送器)将基材从引发区段输送到孵育区段，其中该输送器的体积/直径在沿输送方向的截面处增加，例如通过锥形螺旋输送器，优选使直径或体积增加约20-50％。可以设置合适的进料器，例如料斗，并将其连接至输送器的拓宽部分，以向其进料增量材料。在一些实施方式中第二阶段(即孵育阶段)无需搅拌，但是优选进行主动(强制)通风和加湿。在该第二阶段中，优选在约24小时至约96小时的时间段内完成或几乎完成嗜热时期，然后将基材转移至第三阶段，所述第三阶段被称为老化阶段。在第三阶段中，使基材进行适当熟化，通常持续约三个月至约一年的时间，例如在露天堆积(piles)或在其他合适且恰当的设置中。

　　详述

　　下面，将参考附图来描述本发明的示例性实施方式。提供这些实例是为了进一步理解本发明而不是限制其范围。

　　在以下说明中，描述了一系列步骤。本领域技术人员将理解，除非上下文需要，否则步骤的顺序对于所得到的构造及其效果并不是关键的。此外，对于本领域技术人员显而易见的是，与步骤的顺序无关，步骤之间的时间延迟存在与否可以存在于一些或全部所述步骤之间。

　　该系统提供了完整的有机废物处理解决方案，并包括用于如下的主要模块化单元：i)不同有机废物流的预处理(1000，图2和3)，ii)将该经预处理的有机废物分离成合适的组分，以用于进一步处理(2000，图4和5)，iii)使这些组分转化为适合运输目的的燃料(3000和4000，图6)，iv)使固体残留物转化为高营养堆肥(5000，图7)。

　　该系统的单个模块和组件设计为使得功能增加超越当前现有技术水平，以最大程度地减少能耗和碳排放，并使环境和经济效益最大化。

　　该系统提供了不同废物流及其组合的完全转化。

　　该方法可能产生的不同燃料是甲烷、乙醇和脂肪酸甲酯、脂肪酸乙酯和脂肪酸丙酯(以下称为生物柴油)。

　　这些以及中间产物也可能构成合成其他燃料或其他有价值的化学实体的原料。

　　整个系统构造成确保各个组件的最大协同作用。在对市政废物和更宽泛的社区废物的有机组分进行环境关注管理时，该系统在工效和经济上均优于当前方法。

　　其设计成最大程度地减少能耗和碳排放，并减少对有机废物的焚化和垃圾填埋处理的需求

　　该系统优选安装在集中式市政废物管理设施上，并且由模块化单元组成，其组合可以适应各设施或场所的特定要求。

　　但是，考虑到将单个组件有利地集成到现有的废物管理系统中，或者在有利的情况下作为“单独”单元，可以在产生相应废物或在处理、运输或操作有机废物组件的地方安装单个组件或这些组件的任意组合。

　　组件或其组合也可以进行调整，以由单独废物流中生产高价值的人类或动物饲料，或者与燃料生产结合(若优选)。

　　因此，该解决方案具有灵活性，可以在其排放的不同位置和不同废物管理设施中针对不同组成的废物流进行调整，以在各情况下能最大限度地提高工效(ergonomic)和经济效益。

　　在本发明中，有机废物流可分为富含碳水化合物(C)、富含脂肪(F)和富含蛋白质(P)的废物流或其任意组合。

　　该系统解决方案是模块化预处理、分离和转化单元的组合，优选各单元都优化成处理给定的富含C、F和/或P的废物流或其任意给定组成。

　　在优选实施方式中，在适当研磨和均化之后，所有有机组分合并进行预处理合并。

　　预处理工艺(1000)用于影响木质素和纤维素组分(C)的降解和水解，使其更易于生物降解，并同时影响蛋白质组分(P)水解为较小的肽和氨基酸、以及脂肪和油(F)的水解和/或皂化。

　　该优选策略中的预处理工艺基于连续流式蒸汽爆炸(1200、1300)。蒸汽爆炸反应器优选在碱性条件下运行，以实现所有有机废物组分的碱性水解或皂化，并结合同时提取可溶性烃、氨基酸或肽以及脂肪酸及其盐。

　　当在碱性介质中驱动蒸汽爆炸时，随后用由分别产生甲烷或乙醇的下游厌氧生物气生产或发酵单元(3000)排出的CO2(S01)来降低碱性水提取物和固体基材的pH(S01)。这是通过如下来实现的：将预处理单元的蒸汽爆炸区段的卸压区段构建成使其可以同时用作集成CO2洗涤区段(1400)，包括所必需的角形入口和螺旋形插入物，其引导基材至旋风式流动，但同时又将一部分材料向内引导并分散至卸压二氧化碳洗涤区段的中心。在安装二级洗涤器的地方，将来自二级洗涤器的流出物与来自初级洗涤器的浆料合并，然后进行该pH调节。

　　预处理工艺(1000)用于产生具有高生物利用率的无菌高营养溶液或悬浮液，适用于厌氧消化生产甲烷，或者适于发酵以生产乙醇。除此之外，当在碱性条件下驱动蒸汽爆炸时，预处理进料被设计成用作洗涤器，用于通过对由固体基材中提取的营养物进行厌氧消化(S01)从下游产生的生物气中去除CO2(1400)，或者用于从基材(提取物)发酵以生产乙醇来去除CO2(S01)，和/或用于从锅炉所排出烟道气中去除CO2，从而为该过程提供高压蒸汽(U01，S02)。

　　将预处理单元用作CO2洗涤器具有三个不同的目的：i)根据方程式1a、b和c，通过对预处理工艺中所产生的水性提取物或来自产生乙醇的发酵单元(S01)水性提取物以及来自高压蒸汽锅炉(U01,S02)的水性提取物进行厌氧消化(S01)来去除下游产生的生物气中的CO2：

　　ii)降低预处理工艺中生成的基材/水性提取物的pH并进行缓冲，即，在进行三相分离之前(通过厌氧消化将水性提取物用于甲烷生产(SO4)，或通过发酵将其用于乙醇生产(3000)，以及iii)增加提取物中碳酸盐和碳酸氢盐的浓度，以通过产甲烷生成提高二氧化碳向甲烷的厌氧转化。

　　因此，整个预处理工艺同时用于杀菌，以及(作为预水解单元、提取单元和CO2洗涤器)通过紧密纤维材料的结构破裂来提高有机废物的生物利用率。其设计成使生物气生产的产量和吞吐量超越现有技术水平，同时减少生物气精炼为燃料级甲烷的负担。

　　通过生物气的CO2洗涤使pH降低并使所得的CO2转化为碳酸、碳酸氢盐和碳酸盐(如上述等式1a-c中所述)后，在分离单元(2000)的调节区段(2100)中进一步调节液体提取物和固体基材的pH，从而调节pH，实现脂肪酸的碱性盐转化为游离脂肪酸并可通过浮选(2200)与液相分离。三相分离/调节工艺(2000)产生了：i)包含游离脂肪酸的级分以及其余未水解的脂肪和油(S05)，ii)悬浮固体少于15％的包含水性提取物的级分(S06)，以及iii)固体基材(S07)。

　　或者，将游离脂肪酸和/或甘油单酯、甘油二酯和甘油三酯形式的所有脂肪和油含量与其他进料(S08)一起进行厌氧消化。

　　如上所述，在一些实施方式中，三相分离单元包括：分开的脂肪/油分离区段和分开的固液分离部分。在优选实施方式中，三相分离区段组合在一个离心倾析器装置中。在实施例中分别参照图4a-4c和图5a和5b详细描述实例性实施方式，并且在下文中详细描述了组合式离心倾析器的工作原理。

　　本发明的组合式离心倾析器包括：倾析器壳体和锥形盘式分离壳体，两者都可旋转地安装在公共轴承轴上。这些壳体可以独立旋转。倾析器壳体内的螺旋输送器可绕相同轴旋转。中心轴向设置的固定入口将材料进料至倾析器壳体内。固定泵叶轮位于倾析器壳体和锥形盘式分离壳体之间。锥形盘式分离壳体封装了盘式分离器，该盘式分离器包括分配盘和在内轴上可旋转的分离盘。分离盘的顶部上是其中心具有较轻相出口管的顶部盘，而圆锥形分离壳体的一端上是重相出口管。

　　组合式离心倾析器的工作原理

　　分离器基于两种众所周知的分离原理：螺旋输送器倾析器(倾析器区段)和盘式离心机(离心机区段)。目的是在单一机器中分离出固体级分(液体，其由＞25％的干物质组成)，重液相(水相)和轻液相(脂肪/油相)。

　　倾析器壳体优选以至少3.800rpm的速度旋转，而内部螺杆则以较小的速度旋转。参照图5a和b，使原料泵送通过入口管(2504)，并通过出口孔(2509)和(2517)分配到倾析器中。由于离心力，最重的材料(干物质)被推到倾析器的外围，并通过螺旋输送器将其运输至倾析器的出口(2510)。液相以鼓形(drum)位于倾析器内，并且在水鼓形的内周到达出口孔(2510)之前，该相将进入固定叶轮(2511)的外围，该叶轮会将液相中的速度能转换为压力能，并将液体压向叶轮中心，然后将其泵入分离器的盘式离心机部分。液相将从中心进入分配盘(2512)，然后通过分离盘(2513)的孔使其均匀向上分配。使液体分离成重相(例如水)和较轻相(例如油或脂肪)将在分离盘的表面上进行，并且容量和分离速率取决于分离盘的总表面。较重的相以及可能随之产生的其余干物质被推向外围并填充分离器壳体，并将较轻相材料压向离心机的中心，在此处较轻相到达并进料至较轻相出口管(2520)。轻相和重相之间的划分/分离将取决于两相比重的差异。较重相将通过出口管(2521)被压出。少量的干物质被推到离心机壳体的外围，由于其圆锥形的形状和离心力，干物质沿分离器的倾析器的方向移动。在固定板(2514)和固定板(2507)上，其外围有小孔，这允许干物质和少量重液相一起通过并进入分离器的倾析器部分。固体物质由输送器螺杆(2516)收集并输送至出口(2510)，而液体将由固定叶轮(2511)再次循环至离心机。固定板上的小孔会引起较小的内部泄漏，但孔中的压降可确保将在离心部分中建立比倾析器部分中更高的压力，并确保干净的较重相将通过出口管(2521)，并且较轻相通过出口管(2520)。

　　如果使脂肪和油组分与水性溶液/悬浮液分离，则其将视需要进行酯化和/或酯交换，用于生产生物柴油，优选在连续流式生物柴油生产单元(4000)中进行，其是本发明的一部分，并且还可以单独并且独立地运行。或者，该连续流式生物柴油生产单元可适用于食品级或饲料级生产设施，其中脂肪的酯交换或酯化构成了该工艺的组成部分；例如，鱼油工业中脂肪酸乙酯的生产。

　　在优选实施方式中，连续流式生物柴油生产单元构成了相对于FFA和甘油酯任意组合可调节且具有高容水率的一步式连续流系统(4000)。通常，系统提供固定在高剪切堆叠催化转化板和静态湍流板混合器(4111和4131)上的固态催化剂。然而，连续流式生物柴油生产单元还设计用于均质酸和碱催化的酯化或酯交换的常规组合，或其串联组合，然后需要两个反应器和最终的中间纯化步骤。

　　来自三相分离单元的水性提取物优选直接进行嗜热厌氧消化以产生甲烷或进行发酵以产生乙醇。

　　在当前的优选实施方式中，甲烷消化器与发酵系统结合用于生产乙醇)。在该实施方式中，消化器和发酵系统构成一个生产单元，该生产单元可响应生产工效、物流和对单个产品的显著需求而互换用于甲烷或乙醇生产。

　　该系统也可以由专用单元组成，用于通过厌氧消化生产甲烷或通过发酵生产乙醇。

　　嗜热厌氧消化优选在具有低水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)但具有较高污泥停留时间(sludge retention time，SRT)的高速率厌氧消化系统中进行。该系统包括但不限于：上流式厌氧膨胀颗粒污泥床(UASB和EGSB系统)以及固定薄膜反应器及其改进，所有这些都可以构造成本系统的部件。

　　或者，通过厌氧消化产生甲烷可能在嗜温条件下或嗜温和嗜热条件下，和/或在低负荷湿式反应器中进行，具有高达约30％的高总固体含量，或者在干法发酵时具有高于30％的总固体。

　　用于生产乙醇的发酵也可以在任何常规的发酵设置中进行，并且如果有利的话，可以包括基材的进一步酶促降解和与可用糖源的进一步平衡。

　　使来自三相分离单元的剩余固体基材(S07)转移到高通量半连续三阶段加速堆肥单元(5000)的第一阶段(5100)。在用作混合和引发步骤的第一阶段(5100)中，使基材直接进行嗜热消化，绕过嗜温(mesophilic)时期以对该工艺进行加速。为此，使来自三相分离单元(2000)的无菌基材与种子堆肥连续混合，其在其引发过程完成时进行混合，即在其嗜热阶段的顶部或接近其顶部时进行混合。此外，在此阶段，来自三相分离单元的基材通常处于40-50℃的温度范围内，在这些条件下，通过预处理工艺提供的高易消化碳含量还提高了的嗜热消化的最佳温度。第一阶段、即引发阶段在连续混合下通常维持2-6小时，然后在同时添加增量材料(bulking material)的同时转移至第二阶段(5200)，该增量材料同时用作另外的碳源。

　　在第一阶段的混合和引发步骤(5100)中，从厌氧消化和/或发酵中取出的污泥级分还可以有利地混合到堆肥基材(S09)中。还可以添加未经厌氧消化的高生物利用率碳源，以加速和平衡堆肥过程。其可包括但不限于：甘油(例如，来自生物柴油生产)(S10)、面粉、面团、水果和食品工业中的其他富含碳的废弃物、以及其他来源的糖含量高的固体废弃物。

　　在将来自预处理工艺的高营养提取物用于通过发酵生产乙醇的情况下，也可以将来自发酵工艺的沉淀物添加到堆肥单元的混合步骤中(S09)。

　　在混合和引发步骤之后，堆肥基材处于或接近其嗜热阶段的峰值，并被转移至第二阶段，该阶段无需搅拌，但需进行主动(强制)通风和加湿(5200)。在该第二阶段中，优选在24小时至96小时的时间段内完成或几乎完成嗜热时期，然后将基材转移至第三阶段(S13)，老化阶段(U02)。

　　在从第一阶段到第二阶段(5100和5200)的转移步骤中，将增量材料计量并混合至基材中。优选地，增量材料是从先前批次的老化步骤(S14)获得的尺寸分布为10-50mm的木屑，其他来源的新鲜或老化木屑或其任意混合物。

　　通过堆肥工艺的第二阶段(5200)中的通风和湿度调节来补偿水损失可以至少部分通过添加来自厌氧消化的流出物来实现(S15)。

　　在第三步骤，老化(U02)中，使基材进行适当熟化，通常在露天堆积或在其他合适且恰当的设置中持续约三个月至约一年的时间。

　　在另一个优选实施方式中，高脂肪和油组分废物包括但不限于SHW、FIW、EOIW和SwW在下文进一步详细描述的提炼单元中进行分别处理，以分离大部分脂肪和油组分，并通过去除水减少体积。脂肪/油组分可以以该构造直接进行生物柴油生产，并且可以排出水组分。在脂肪/油分离和减少水后残留的固体基材通常是高蛋白组分，尤其是由SHW和FIW产生的那些，但其还可以包含可观的碳水化合物组分，例如来自EOIW和SwW。这些固体残留物可与其他废物组合。然后将合并的料流进行碱性蒸汽爆炸和碱性水解，同时提取水溶性营养组分，然后用来自甲烷生产的CO2洗涤部进行pH调节和缓冲，如上所述和图3所示。如上所述，使FFA、脂肪和油级分进行酯化和酯交换。

　　实施例

　　下文构建了本发明的具体实施方式，但是不应视为限制。整个系统构成了一种系统和技术，用于将市政废物和更宽泛的社区废物的所有有机组分在线转化为适合运输目的的燃料，并将该方法中产生的所有剩余固体级分转化为堆肥。

　　该系统(其示意性流程图概述如图1b所示)设计成使单个组件之间的协同作用最大化超越当前现有技术水平，以最大程度地减少能耗和碳排放，并最大程度地提高环境和经济效益。该系统的单个组件设计为使得功能增加超越当前现有技术水平，以最大程度地减少能耗和碳排放，并使环境和经济效益最大化。

　　在该实例性实施方式中，所述系统包括：

　　-连续流式碱性蒸汽爆炸反应器和集成CO2洗涤单元(1000)，

　　-调节和分离单元(2000或2500)，

　　-甲烷生产单元，或者与乙醇生产单元组合或者被其替代(3000)，

　　-可调节至任何游离脂肪酸和甘油酯组成且具有高容水率的连续流式生物柴油生产单元(4000)，或者用其他连续流构造或常规间歇系统替代；以及

　　-准连续堆肥单元(5000)。

　　任选地，该系统还配备有紧凑型湿式提炼单元，用于分别处理高脂肪和高油组分废物(6000)。

　　结合起来，该系统可提供将包含有机废物及其组合的不同废物流完全转化为适合运输目的的燃料，并将该工艺中的所有固体残留物转化为堆肥。

　　适用于在该工艺中转化的废物流包括但不限于：家庭废物(HHW)；屠宰场废物(SHW)；食品工业废物(FdIW)；鱼类工业废物(FhIW)；植物油和鱼油工业废物(OIW)；污水污泥；污水油脂和油(SwW)；农业废物如麦秸或其他稻草、稻壳、豆腐渣、和草和动物粪便(AcW)；以及花园废物(GW)；和废木料(WW)。

　　由该方法得到的产物可以是如下物质的组合：

　　甲烷、生物柴油和堆肥，

　　乙醇、生物柴油和堆肥，或

　　者燃料和堆肥之一。

　　连续流式碱性蒸汽爆炸和CO2洗涤单元

　　连续流式碱性蒸汽爆炸和CO2洗涤单元包括：研磨和均化区段(1100)、润湿混合区段(1200)(也称为调节区段(或具体为预处理调节区段))、高压加热保留区段(1300)和爆炸卸压和CO2洗涤区段(1400)。蒸汽爆炸和CO2洗涤单元的爆炸卸压(explosion relief)和CO2洗涤区段用作蒸汽爆炸区段的卸压区段，同时还用作吸收剂，用于来自厌氧消化(S01)的甲烷/CO2混合物的CO2洗涤或从用于来自发酵工艺(S01)的CO2，以及来自系统蒸汽锅炉(U01)的烟道气(S02)的CO2。

　　润湿混合区段(1200)优选包括顶部进料输送混合器(1201)和整体式润湿装置(1202)，优选自上而下的喷雾构造。

　　包含待加工有机废物的废物流优选已在所述上游研磨和均化区段切碎，将其送入润湿和混合区段(1203)的远端，并在混合下输送向其出口(1204)。在该步骤期间，使固体基质润湿(1202)以实现蒸汽爆炸工艺最佳的所需水含量(S22)，并且同时实现pH调节。

　　如该优选实施方式中所述，对于集成有CO2洗涤部的碱性蒸汽爆炸而言，水性溶液是碱性的，优选地通过在液/液混合器(1205)中添加至润湿水中的氢氧化钠或氢氧化钾溶液(S23)。

　　蒸汽爆炸单元也可以用作独立单元或以其他组合形式使用，并且可以使用pH中性或酸性进料、未pH调节进料或与适合于促进预期工艺的任何其他添加剂混合的进料进行驱动。

　　润湿和混合区段(1204)的出口通过旋转计量阀(1206)和高压旋转阀(1301)垂直连接到蒸汽爆炸区段，所述旋转计量阀可以有利地处于正位移构造。

　　在润湿和混合单元(1204)的出口点，基材进入旋转计量阀(1206)，该阀将基材计量注入高压旋转阀(1301)的环境压力室中。旋转计量阀用于避免导致高压密封上不必要应变的高压旋转阀过载。在环境压力下加载后，高压阀旋转到密封位置，在该位置通过蒸汽注入(通常为180-250℃)使其升至所需压力(优选10-30巴，通常比加热保持单元的压力高约1巴)和温度(1302)。然后，高压旋转阀进一步旋转到加热保持单元入口上方的垂直位置)。

　　通过锅炉(U01，S18)提供高压蒸汽，该锅炉由整个过程中产生的燃料驱动。其可以是来自厌氧消化单元(S19)的纯甲烷或任何甲烷/二氧化碳混合物，生物柴油(S20)，或者脂肪、油或脂肪酸在其酯化或酯交换(S21)之前的任何混合物。

　　在差压和重力的辅助下，在进一步旋转到释放压力的第二密封位置(1303)之前，现在的加压腔室排入到蒸汽爆炸单元的加热保留区段(1300)中。

　　通过使用带有更多隔室的旋转阀并逐渐增加入口系统中各个隔室的压力，可以降低旋转阀上的压力应变，从而降低这两者之间的压差，

　　在一些实施方式中采用的正位移构造中，通过旋转循环的相应腔室体积变化来辅助加压和减压。

　　在高压加热保持区段(1300)中，通过可调速螺旋输送器(1304)将装载的基材从装载点输送到出口点，允许可在宽时间范围内连续调节保持时间。

　　该单元装有蒸汽注入口(1305)，以达到适当的压力和温度，并通过补充注入进行维护。两个这样的注入点作为实例显示于图2(1305)中。

　　高压加热保持区段的出口优选地垂直连接至旋转计量阀(1306)和高压旋转安全阀(1307)。在出口点，基材通过旋转计量阀(1306)输送至高压旋转安全阀的隔室，该隔室在该时间点面对高压加热保持区段的出口)。

　　然后，旋转阀(1307)旋转以将加压室打开至环境压力，从而使蒸汽爆炸，然后旋转至再加压位置，该隔室装有蒸汽注入口。隔室从该位置旋转回填充位置。

　　在这种构造中，通过动态同步注入高压进料旋转阀、高压旋转安全阀的再加压区段和加热保留区段的蒸汽来使热效率最大化。所有注射均单独控制。响应在释放和入口侧引起的压力和温度变化以及通过热量损失来完成此操作。沿高压加热和保留区段(1309)连续监控压力和温度，并提供沿该区段(DS01)的单独数据。将该数据馈送到P/T处理单元(1310)，从而向蒸汽注入口(DS02)提供控制信号。这些信号沿着高压加热和保留部分与该信号同步，以保持接近恒定的条件。提供附加信号(DS02)以调整旋转输送器(1304)的速度。三个P/T监控点作为实例显示于图2(1309)中。

　　在一些实施方式中，发现有利的是，用适当构造将出口旋转阀的挤出端部分阻塞，以利用蒸汽爆炸中的机械力对挤出材料进行进一步的机械表面粗糙化/切碎。这通过旨在用于木屑的附加表面粗糙化的切碎机齿排列(shredder teeth arrangement，1310)实例性显示于图2。

　　如果蒸汽爆炸装置在碱性条件下运行且构成CO2洗涤单元的组成部分，则CO2洗涤器(1400)的上部呈旋风式结构，旨在促进向洗涤器中心的垂直扩散，以便碱性材料与富含CO2的废气逆流进行最佳接触。

　　高压旋转出口阀的负载腔室在组合释放和CO2洗涤区段(1400)的上部以适当的角度(1401)排出，从而将高速蒸汽/基材向下引导至与主洗涤器隔室的内壁之间有间隙的旋风式螺旋构造(1402)。实例性构造显示于图3。通过排出材料的高速度，以由初始入口角(1401)提供的向下的速度分量(1403)，较重的级分和冷凝蒸汽被迫朝向洗涤器/旋风限定部的内壁。该级分被波纹螺旋板捕获，该波纹螺旋板在壁间隙(1404)下方并与旋风螺旋平行。

　　波纹(1405)、螺旋板(1404)的向下倾斜以及基材/冷凝物(1403)的向下速度沿着下部螺旋板(1404a)的表面将其引导向中心，在此其通过终止于螺旋板内侧的向上引导的突出部(1404b)机械能分散，从而增强了碱性悬浮液与通过洗涤器上升的CO2逆流的接触。分散的基材/冷凝物(1406)以及在中央区域和除雾器(demistifier，1407)中冷凝的蒸汽一起向下落入洗涤器/旋风限定部(cyclone confinement)的中心，以聚集在洗涤器/旋风限定部的沉降区域(1408)中。

　　或者，沉降区装有冷却螺旋部或其他热交换元件，以部分回收蒸汽爆炸产生的热量，从而降低基材温度并预热输入蒸汽发生锅炉的水，从而提供至系统。该冷却元件也可以安装或延伸到洗涤单元的上部区段，并且优选与引导螺旋部接触，以在洗涤器上部区段中实现基材的快速冷却。

　　排气管(1401)的水平/成角度部分通过超级除雾器网格(1407)从排气口下方的气体空隙区段分离。

　　从底部通过微气泡分配器(1409)进料含CO2的废气(SO1和SO2)。这优选地通过倾斜侧向设置的抽吸器(1409)，该抽吸器由从悬浮液区段上部部分获取的低固体含水性悬浮液的循环来驱动。在该设置中，抽吸器同时用于搅动液体固体悬浮物，在该区段的出口处获得一致的组成并避免堵塞。或者，通过微气泡分配器或其它被动分散设置(1409)进料含CO2的废气(SO1和SO2)。

　　含CO2的废气穿过基材沉降区(1408)，并与洗涤器的冷凝区段上部中心部分的碱性吸附悬浮液进一步接触，然后使蒸汽的干燥级分通过冷凝器(1410)在冷凝器的气体出口(1411)处排出。

　　剩余的蒸汽在冷凝器(1410)中去除，贫CO2气体(洗涤CO2/CH4时为CH4)从出气口(1411)离开，冷凝物由排出口(1412)离开。冷凝的热量用于预热进料润湿单元的水。

　　或者，气体出口(1411)通向可以在升高的压力和降低的温度下允许的第二洗涤器。从顶部以常规喷雾构造向二级洗涤器进料初级吸收器的优选的冷却液体级分，并从底部向初级洗涤器进料贫CO2的废气。

　　预处理单元的洗涤区段有利地用于从厌氧消化过程中所产生的粗制CO2/CH4混合物或发酵过程中产生的CO2中除去CO2和/或从蒸汽锅炉的烟道气中除去CO2，以提供系统(U01)。

　　液-固悬浮物通过卸压和CO2洗涤区段(1413)底部处的排放阀定期释放为级分。这些级分经过调节和分离单元(2000)，其收集与蒸汽爆炸单元的排放同步，从而在该过程中实现连续负载条件。

　　三相分离单元

　　三相分离单元(2000,图4和5)包括：i)闭合的调节区段(2100)、ii)连续脂肪/油分离区段(2200)，iii)液/固分离器(2300)和iv)进料离心纯化器(2450)的脂肪/油缓冲罐(2400)。在该系统作为整体存在的该优选实施方式中，该单元用于从经预处理的有机废物中分离和澄清脂肪和油含量，并分离剩余的水相和固相

　　固体级分优选地保持用于堆肥的足够湿度(在40-70％的范围内)，并且液相包含足够的固体悬浮物以支持厌氧甲烷生产(10-15％)，或者支持通过发酵的乙醇生产(3000)。

　　调节和脂肪/油分离区段(2100和2200)包括调节区段(2100)，该调节部分(2100)通过旋转阀或其他合适的阀在预处理单元的释放和CO2洗涤区段的排出口(1413)处进料。优选在调节部分中通过输送混合器(2101)进行连续搅拌，并通过两个喷雾装置(2102)注入酸来调节基材的pH。喷雾装置用于在主动混合下将酸和/或其他水性溶液受控添加到所输送的基材中以调节pH。在该优选实施方式中，通过调节区段(2100)顶部安装的喷雾单元(2102)，pH调节分两个阶段进行。两个喷雾装置(2102)可以垂直于来自调节区段(2100)顶部的输送方向进行安装。第一个安装在入口端后的远端。第二个喷雾装置安装在下游约2/3处。在运行时，pH读数(DS03)馈送至来自预处理单元(1400)的CO2洗涤区段(1414)的沉淀/冷凝部分的喷雾装置(2103)控制部。该读数控制了由第一装置释放(2102)。第二读数(2104，DS04)从混合和调节单元下游的大约一半递送至喷雾装置的控制部(2103)。该读数控制了第二喷雾装置。

　　分离单元的调节部分(2100)通过排放阀(2105)连续排放到其脂肪/油分离区段(2200)中，排放到中心圆柱形管(2201)中。中心圆柱形管(2202)的出口保持在分离单元的脂肪/油分离区段中的微气泡注入口或喷嘴(2203)下方。

　　响应于液位读数(2205，DS06)，通过对其排放的主动控制(2204，DS07)来保持脂肪/油分离区段中的表面液位。为了促进从水性级分和固体级分中分离出脂肪和油，通过端口(2203)在中央进料管上方的油/脂肪分离段底部注入微泡。在优选实施方式中，将微气泡垂直于进料管注入由离心泵(2206)产生的饱和水流中，或通过如图4所示的抽吸器(2203)注入。从离心纯化器(未下班身故)和/或脂肪/油分离器(2207)的上部水性区段提供水。这提供了垂直于微气泡上升和沉积物下降的对流(2208)。在有利的情况下，微气泡的产生还可以通过在脂肪/油分离区段底部的穿孔装置进行加压空气注入来实现。微气泡的上升促进了通过浮选将脂肪和油从水/固体悬浮液中分离出来，并确保了适当的材料对流和附加的垂直对流(在采用空气饱和水注入的情况下)(2208)。为了限制在脂肪/油分离单元的脂肪/油区段中的对流和混合，优选将该区段与水性悬浮物区段分离，并用两个垂直放置在分离单元高度的约3/4处的网格(2209)使其分离。网格优选间隔约50mm并且相对于其主要网格线旋转45°。

　　脂肪和油不断累积在表面(2210)处，并通过自动可调节的表面泵(2211)或通过溢流排水袋(2212)不断排出。去除的油/脂肪级分被泵入缓冲罐，进料至离心纯化器，并从中清除剩余的水和固体残留物。经澄清的水级分在适当时或进料至厌氧消化或发酵单元的情形下进料回到微泡注射器。这可以沿着来自固体液体分离单元的进料管线的任何地方进行，或者直接在有益的地方进行。对纯化的脂肪和油级分视需要进行酯化或酯交换，以用于在生物柴油单元中生产生物柴油(4000)。在排出阀(2213，DS07)的主动控制下，从分离单元的脂肪/油分离区段到固液分离区段的水悬浮液和基质的排放与表面水平同步。

　　在该实施方式中，固液分离区段由压缩螺旋输送器(2301)组成，该压缩螺旋输送器在顶部(2302)具有压缩区，如图4c所示。螺旋输送器包埋在在圆柱形壳体(2303)中，并且20-60％下部区段包括穿孔底板(2304)，该底板构成了液体悬浮物的排水。完整的分离单元可调节地倾斜以实现固/液分离的最佳性能。

　　螺旋输送器壳体的穿孔区段可更换以进行维护，并且其长度、穿孔尺寸和密度均是可调节的，从而允许调节水性悬浮物中固体组分的粒径和数量。

　　水性悬浮物沿着限制输送器壳体(2305)的穿孔区段的斜槽从输送器排出。水性悬浮物在其下端离开固液分离段，以积聚在中间缓冲罐(2306)中，由此泵送至消化或发酵单元或视情况进一步储存(2307)。冲洗水喷嘴安装在斜槽的顶端，以进行适当的冲洗和清洁(2308)。固体级分离开螺旋输送器(2309)的上端，由此转移到三阶段堆肥单元(5000)。

　　替代的分离单元，离心倾析器500。

　　图5a和5b示出了针对本发明开发的替代性实施方式。倾析壳体(2501)(2502)和锥形盘式分离器壳体(2503)通过单元中殿(unit nave，2506)和轴承轴(2515)中的轴承连接并固定在适当的位置。壳体通过具有楔形皮带驱动器的主驱动器(未显示)以至少约3800rpm旋转。螺旋输送器(2516)设置在倾析器螺旋输送器(2505)的轴承和内部轴承(2507)的中心上。螺旋输送器(2516)的旋转速度小于壳体的旋转速度，并通过具有楔形皮带驱动器(未显示)的辅助驱动器进行驱动。进入管(2504)固定不动，并停在进入端的定位支架和倾析器内的定位轴承(未显示)上。入口管装备有出口孔(2509)，用于使材料通过螺旋输送器(2516)上的出口孔(2517)进入倾析器。进气管的另一端连接到固定的泵叶轮(2511)。进入管和固定叶轮都放在轴承(未显示)上，轴承固定在分配环的板上(2514)。内轴(2519)固定在分配盘(2512)上，分离盘(2513)位于内轴(2515)上。分离盘的顶部上是顶部盘(2518)。顶部盘(2518)的中心内是较轻相出口管(2520)，而圆锥形分离壳体的一端上是重相出口管(2521)。重相出口管(2521)的外部形成具有用于内轴(2522)和用于出口管(2523)的支撑的轴承毂(2515)。

　　连续流式生物柴油反应器，单元4000

　　来自分离单元脂肪/油分离的脂肪/油组分由大量游离脂肪酸级分组成，通常为30-60％，并且其余的是由于预处理步骤中皂化不完全而产生的甘油单酯、甘油二酯和甘油三酯。在碱性蒸汽爆炸之前，在紧凑的提炼单元(6000)中使脂肪/油组分与特定的富含脂肪的废物流分离的情况下，FFA级分通常为10％至30％。

　　在一个优选实施方式中，使得离心纯化的脂肪/油组分在设计为适应于任何FFA和甘油酯组合物以及相对高水含量的模块化流动反应器(4100)中进行FFA的单步或多步酯化和甘油酯的酯交换。连续流式反应器明确构造成允许灵活、高效和经济地转换FFA和甘油酯比为0-1的可变组成的低级原料。

　　本发明的生物柴油单元提供了适用于如下的连续流式反应系统：i)各种吞吐量和催化接触时间要求，ii)压力和温度范围大，传热效率高；iii)催化剂组成和结构具有高度灵活性，iv)收集(constellation)、维护和催化剂再生方面具有高度灵活性。所述连续流反应器是模块化的，并且由三个主要组件组成：i)一侧涂覆有催化材料的波纹接触板(4110)，ii)具有催化和扰流内表面的间隔物(4120)，以及iii)具有催化表面的静态混合器(4130)。

　　反应器优选装有入口系统，该入口系统构造成允许在注入反应器之前或期间使反应物以及可选地另外添加均相催化剂高效混合，并在适当的情况下添加助溶剂。该助溶剂优选是在该方法中产生并部分再循环的甲酯，从而促进形成甲醇、甘油酯和FFA的均匀反应混合物。使用预混机的实例显示于图6a(4101)。在该实例中，将硫酸与甲醇预混合作为均相催化剂或用于活化固态催化剂。这同时用于收集在此过程中释放的溶剂化能量。在另一预混合器中，将游离脂肪酸和甘油酯与可在该方法中生产的类似脂肪酸甲酯或其他助溶剂混合。然后，相应掺混物在第三预混合器中混合。

　　在优选实施方式中，连续流式生物柴油反应器(如图6a所示)构造成可在单个步骤中进行FFA的酯化和甘油酯的酯交换。。

　　在当前实施方式中，连续流式生物柴油生产单元包括在一侧涂覆有固态催化剂(4111)的波纹板(4110)，提供催化表面。或者，波纹状接触板在一侧上具有表面层，该表面层具有固定的催化剂(优选为酶)，用于游离脂肪酸的催化转化和/或甘油酯的酯交换。板优选以两个彼此面对的涂覆表面和两个彼此面对的非涂覆表面交替来进行堆叠。如果有利，任意其它堆叠顺序是可选的。板之间的间隔可通过具有扰流内表面的间隔物(4120)调节，以增强湍流并提高反应器流态边缘的有效混合。可以通过适当选择间隔物宽度来根据需要构造催化接触板之间的距离。

　　优选地，间隔物的内表面还涂覆有适当的固态或酶催化剂(4121)。聚合物具有密封垫片，将空隙限制在单个波纹状接触板之间。在这种构造中，未涂覆表面之间的空隙为热交换介质(例如蒸汽、油，水、冷却剂等)提供了通道。催化表面之间的空隙提供了连续流反应器的反应区(图6b)。或者，将静态混合器板(4130)安装在具有间隔物的催化接触板之间，并且间隔物现在限定了静态混合器板与托架其的催化接触板之间的空隙(图6c)。

　　静态混合器优选涂覆有与接触板(4131)相同的催化剂。因此，该静态混合器增加了催化表面的范围，允许更好地控制通过反应器的宏观流动，并在所有催化表面上提供了高效材料混合和交换。为了清楚起见，在图6d中显示了反应池的静态混合器区段的横截面的非限制性实例以及反应物流动路线(4133)。

　　在该实例中，通过成角度的逆流缝隙从入口隔室引导部分流，该狭缝终止于混合器出口隔室处的较短的逆流鳍。进入出口隔室的受限直接流动确保了净流体流向相应反应池的出口(在图6d的下方)，并确保了反应池(reaction cell)出口区段的湍流混合。

　　可以通过在逆流缝隙之间设置的沿主流动方向引导的附加受限流动缝隙来实现进一步的净流体流向出口并增加湍流。在图6d中显示了该构造的实例，其提供了沿主流动方向的两个受限流动路径。相应空隙以串联连接，从而允许分别连续流动通过反应区和热交换区。根据期望的热梯度，这些流动方案可以是平行的或逆流的。交替的接触板和间隔物以及静态板混合器以适当的顺序堆叠在横向轨道上，并由独立滑块上的刚性端板压紧。端板之间的限制允许较高的侧向操作压力，该压力仅受限于端板规格。

　　对于超过垫圈横向公差的高压或超高压应用，将连续流式生物柴油反应器封装在压差均衡器中。压差均衡器包括一个高压密封(4102)外壳，主要用于减少反应器垫圈上的横向压力应变。反应器的入口和出口(反应物和热流体)通过高压管状密封件(4103)或其它高压密封件延伸到外壳的外部。

　　反应物进料供应有高压液体泵(4104a)(优选由空气驱动)，并置于静态预混合器(4140)之后，并通过反应物转化路径出口(4105a)处的背压调节器来控制压力。类似地，热液体供应有高压液体泵(4104b)(优选由空气驱动)，并通过热介质路径出口(4105b)处的背压调节器来控制压力。在启动期间中，在热区段和转化区段中建立的压力、其维护和停止操作时的其下降与两个背压调节器(4105a和b)的读数一起主动同步馈送至控制单元(DS08和DS09至4106)，以使得热介质和反应物进料的高压泵(DS12a和b至4104a和b)同步。

　　在差压均衡器内的操作中，使壳体维持在与反应器的操作压力相当或略低的压力。优选地，通过空气驱动的高压或超高压液体泵(4104a、b和c)来实现并保持反应物压力、热介质压力和外壳压力。加压液体优选是在该过程中产生的脂肪酸甲酯或具有与所产生的生物柴油相当链长的脂肪酸甲酯，但是也可以是其他介质，优选是惰性的且低压缩性的。

　　或者，可以将加热区段分成两个或更多个加热区，其中，隔开的区可以用不同的介质例如油和蒸汽进行加热。该隔开还可以用于将例如相同的加热介质平行注入反应器系统的不同区来使热梯度最小化。类似地，可以堆叠反应区以提供具有明显不同反应条件的不同区段。对于生物柴油生产，例如，其可以构成：第一区段，其中主要针对FFA酯化定制催化表面；以及第二区段，其主要针对进料的甘油酯级分的酯交换定制催化表面。例如，这些催化剂可能分别是酸性和碱性固态催化剂或不同的酶催化剂。在有利的情况下，这些区段可以进一步由离子交换区段或脱水区段隔开，其中，脱水或离子交换材料被固定在相应可堆叠板的表面上，并且可以通过加热或化学处理而再生，但无需拆卸反应器。当通过平行注入均相催化剂或介质以保持催化表面活性而提高催化表面活性时，这可能是特别有利的。该介质可能是有利的实例是使用硫酸化的氧化锆或其它硫酸化的金属氧化物。此处，共同注入的硫酸可以同时用作均相催化剂并用于保持催化表面的活性。对于碱金属氢氧化物或采用碱性催化表面的其它碱性介质的共同注入，也可能出现类似情况。

　　或者，可以将反应器分为几个区段，在其中有利的是分别进行FFA的酯化和甘油酯级分的酯交换。在该构造中，一个或两个区段可以用均相催化剂运行，并且具有足够的纯化/调节作为中间步骤。中间步骤可以包括但不限于：闪蒸、脱水或离子交换。

　　半连续堆肥单元(5000)

　　半连续堆肥单元(5000)包括三阶段加速堆肥工艺，其中，第一步构成加速引发步骤(5100)，通过高消化率的碳含量耐受低C：N比，并通过高初始基材温度、高播种率、碳级分的高消化率以及高效混合和通风来绕过嗜温相。第二步是孵育步骤(5200)，具有高C:N比，典型碳含量的较低消化率，其同时用作增量材料。第三步是老化工艺，其通常在常规桩中进行。

　　引发区段(5100)由两个平行隔室(5102)分隔的输送混合器(5101)组成，两个隔间(5102)具有相反输送方向，由单独的电动机(5104a和b)驱动。第一混合器隔室装有顶部加载的进料口(5105)，该进料口限定了引发区段的进口。引发/混合器区段通过预混合料仓(5106)进料，该料仓通过螺旋输送器(5107a)由三相分离单元连续进料固体基材，并通过第二螺旋输送器(5107b)可以添加高度易得的富碳标记材料，例如，来自生物柴油生产的甘油、来自面包店或水果行业的废物等。该标记材料还可以用于增加基材的孔隙率或调节所生产的堆肥的性质。该材料的实例是漂白土、常规生物柴油生产中的钾或未经过上述预处理和分离工艺的任何其他合适的有机废物。第二混合器隔室在其端部(5108)装有排出口，即混合器的出口。排出口在第二混合区段的远端的底部处。两个隔室均装有独立驱动的轴，提供以低间隙终止的倾斜桨叶(5109)。

　　此处所示的桨叶轴线设有垂直斜角的桨叶，即平行于驱动轴(5110)。两个隔室为U形(5111)，其桨板间隙较小，并由分隔板(5112)隔开，但第一隔间的远端与第二隔间的起点汇合的位置除外。在这一点上，通过在第一腔室的端部的改组叶片(shuffling blad)将基材从第一腔室传送到第二腔室。第二隔室的端部由改组叶片终止，并且在该区段中，分隔板的高度是可调节的，并且通常为中央分隔板的高度的1/2至2/3。因此，在通常为其总长度的大约1/8的排出部分内，一部分基板从分离板上方的第二隔室转移回到第一隔室。该级分用作播种材料，其余部分则转移到堆肥装置的培养区段。可以通过适当调节分隔板的高度来调节为播种新鲜基材而转移的材料和转移至孵育部分的材料的比例。或者，可以关闭出口并且可以移除隔板以用于批量生产和延长混合时间。在该构造中，打开排出口，以在批次之间清空混合器。在批量生产中，混合机仅排空至为下一批提供足够种子的程度。在任一构造中，混合器的排出口直接连接至位于排出口(5108)下方的螺旋输送器(5115)。

　　螺旋输送器(5115)用于将基质从堆肥单元的引发区段输送至孵育区段，但是同时，它还用作在孵育阶段之前添加的增量材料的混合单元。

　　这是通过在从混合器到孵育区段/容器的途中，将螺旋输送器的直径增加50％来实现的。

　　通常通过螺旋输送器(5117)通过进料仓(5118)进料用于添加增量材料(5116)的顶部加载端口，该进料仓在螺旋输送器的直径增加部下游约0.5-1.0m处。螺旋输送器连接至孵育区段(5200)顶部的排放装置(5201)，可以通过可去除的底部舱口(hatch)在孵育区段(5202)的不同点实现排放。孵育部分可以适当地设置在20或40英尺的运输容器中，在顶部区段(5203)中设置有加湿喷雾器，并在底部区段(5204)中通过加压空气进行强制通风。

　　在此过程中提供SHW并分离为水分含量降低的脂肪和蛋白质组分时，蛋白质级分的C：N比率可望达到2-4。占家庭垃圾有机部分的大部分的食物垃圾通常为8-10。在该系统整体存在的该优选实施方式中，将要进行堆肥的有机级分已经通过蒸汽爆炸和分离单元，从而提供了对潜在致病材料的灭菌，并提高了富含碳的纤维素材料的消化率，例如可能占HHW的相当一部分的纸和尿布。对于SHW废物，如果法规要求这样做，则在蒸汽爆炸单元中通过加热进行灭菌可能会特别有利，否则会限制所产生的堆肥的使用。家庭废物也是如此，尤其是在大多数城市地区这种废物包含相当一部分用过的尿布的情况下。所获得的堆肥材料可以用如下进行平衡：花园废物、甘油(例如，来自生物柴油生产)(S10)、面粉、面团、水果和食品工业中的其他富含碳的废弃物、以及其他来源的糖含量高的固体废弃物。可以平衡引发步骤中的C：N比率以优选获得15至20的该比率，但是也可以在10至15的范围内驱动。

　　任选的湿法提炼单元(6000)

　　如上所述，对于富含脂肪和/或油的废物流，例如屠宰场废物(SHW)或植物油和鱼油工业(OIW)的废物，系统和方法可能包括任选的提炼单元，这是本发明的一部分。在图8中显示了本发明的该单元设置的实例，在该实施方式中，该单元包括接收区段(6100)、材料从该接收区段(6100)通过研磨机(6200)进料至加热器上以使废物流的温度升高。将经加热的废物流进料至熔化罐(6400)，在熔化罐中基材进一步分解并且蛋白质凝结。将基材保持在80-100℃的温度下，例如更优选在约90-95℃的温度下，典型地保持30-60分钟的时间，实际时间可能取决于所提炼材料的组成。在加热/熔化基材之后，将其转移到倾析器(6500)中，在该倾析器中将油/脂肪相与含水浆液分离，然后通过在离心机(6600)中离心进一步分离含水浆液，从中获得具有固体物质的级分，优选至少30-40％或更多的干物质，然后将该级分引导至蒸汽爆炸处理的预处理单元。来自提炼的水相优选具有足够低的固体含量，使得其可以根据当地要求丢去污水或水处理中。

　　能源和材料平衡

　　以下实例提供了整个系统的能量和质量平衡计算，以建立其能量自给自足的目的。该计算是示例性的，适用于甲烷和生物柴油的生产，并且基于下面在此详述的一组前提。为了简化，在系统的热能回路中既没有考虑热量损失也没有考虑热量回收，但是在该过程中，包括热量回收在内的燃料到电能的转换效率设置为80％。前提条件集可以重新定义为合理适用于系统，允许熟练技术人员可以验证系统在不同操作条件下的自给自足：

　　材料和组成：

　　这些计算基于10.000kg/小时或2,78kg/秒的材料流速。

　　平均进入的废物流具有以下基本组成：水：60％；油脂：15％，干物质：25％。

　　材料转化效率：

　　转化为甲烷的固体级分；20％

　　转化为生物柴油的脂肪和/或油的级分80％

　　比热和蒸发热：

　　水的比热：4,2kJ/kg℃

　　干物质的比热：2.1kJ/kg℃

　　脂肪/油的比热：2.0kJ/kg℃

　　加权平均比热：3.3kJ/kg℃

　　生物柴油的蒸发热为360kJ/kg℃。