CN116419965A - 与生物质热解集成的金属矿石的生物还原 - Google Patents

Abstract

一些变型形式提供了用于还原金属矿石的组合物，该组合物包含碳‑金属矿石颗粒，其中按无水和无灰计，该碳‑金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的固定碳，并且其中该碳为至少50％可再生碳，如由¹⁴C/¹²C同位素比率的测量所确定。一些变型形式提供了用于还原金属矿石的方法，该方法包括：提供生物质原料；热解该原料以产生包含碳的生物源试剂和包含氢或一氧化碳的热解废气；获得包含金属氧化物的金属矿石；将该碳与该金属矿石混合，以产生碳‑金属矿石颗粒；任选地将该碳‑金属矿石颗粒制粒；以及利用该热解废气将该金属氧化物化学还原为元素金属，诸如铁。所公开的技术在环境上优于基于煤的常规方法。

Description

与生物质热解集成的金属矿石的生物还原

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年9月25日提交的美国临时专利申请号63/083,223的权益，该申请全文以引用方式并入本文。

以引用方式并入

本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请以引用方式并入本文，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被明确以及各自指示以引用方式并入。

技术领域

本公开涉及使用含碳试剂加工金属矿石以生产金属的方法、***和设备。

背景技术

生物质是用于描述生物产生的物质的术语。包含在生物质中的化学能是使用光合作用的自然过程从太阳能中获得的。这是植物从其周围吸收二氧化碳和水并且使用来自阳光的能量将它们转化为糖、淀粉、纤维素、半纤维素和木质素的过程。在所有可再生能源中，生物质是独特的，因为它是有效保存的太阳能。此外，生物质是唯一可再生的碳源。

用于工业用途的含碳材料常常来源于化石资源，诸如天然气、石油、煤和褐煤，而可再生资源(诸如木质纤维素生物质和各种富碳废料)受到越来越多的关注。

存在多种将生物质原料转化为含碳材料的转化技术。基于生物质的含碳材料得到越来越多的使用，这提出了由原料变型形式、操作困难和资本密集度产生的技术和经济挑战。

较少关注改善专门用于优化作为高碳试剂的固体的产率和质量的热解方法。历史上，木材的缓慢热解以大堆形式和简单的分批方法进行，没有排放控制。传统的木炭制造技术是低能效的以及高度污染的。显然，扩大这种方法以用于商业规模连续生产高质量碳，同时管理能量平衡和控制排放存在经济和实际的挑战。

金属加工在全球基础上是非常重要的工业。例如，相对于钢(铁合金)，根据SteelMarket Size，Share&Trends Analysis 2018–2025，Grand View Research，Inc.(2017)，预计到2025年全球钢市场规模将达到1万亿美元。承包商越来越倾向于使用可持续、低成本和耐用的建筑材料，这驱动了工业基础设施和住宅项目的钢需求。在具有高结构完整性的预制金属建筑物中，钢在稳定性、设计灵活性和美学吸引力方面起重要作用。推广绿色和节能建筑物的严格规定也促成钢需求，特别是在工业结构中。

约70％的钢由生铁制成，生铁是通过在吹氧转炉中还原之前使用焦炭或煤在鼓风炉中还原氧化铁生产的。使用不可再生的煤或煤衍生的焦炭导致不可再生的二氧化碳排放到大气中，此外还消耗化石资源。

含氧铁矿石在全球范围内开采。通常，铁矿石经过选矿过程以研磨和浓缩铁部分，然后(与粘结剂一起)轧制成粒料并且在硬化炉中加热，燃烧煤用于加热，以硬化粒料以用于运输到鼓风炉，在鼓风炉中焦炭用于将含氧矿石还原为金属铁。硬化和焦化方法产生大量的CO₂和其它污染物。

通常，金属加工每年导致显著的全球净CO₂排放。例如，常规鼓风炉的最大缺点之一是当铁被碳从铁氧化物中还原时，不可避免地会产生二氧化碳。炼钢是当今世界上CO₂排放的最大工业贡献者之一。存在使金属制造方法更加环境友好的强烈希望。

根据前述需要，存在对用于将金属矿石转化为金属的改善方法和***的商业需求。

发明内容

理论上，碳基试剂可以由几乎任何含碳的材料制备。由于与化石资源相关联的经济、环境和社会成本不断上升，因此优选利用可再生的生物质来生产碳基试剂。

热解是在完全不存在氧化剂(空气或氧)的情况下或在氧化不发生至任何可测量程度的这种有限供应的情况下用于固体材料的热转化的方法。取决于加工条件和添加剂，可调节生物质热解以产生大量不同的气体、液体和固体。较低的加工温度和较长的蒸汽停留时间有利于固体的生产。高温和较长的停留时间增加了生物质向合成气的转化，而中等温度和短的蒸汽停留时间通常对于生产液体是最佳的。将生物质转化为高质量合成气或转化为作为液体燃料前体的液体的热解和相关方法需要技术进步。

本公开解决了该领域中的缺陷，并且涉及使用含碳试剂加工金属矿石以生产金属的方法、***和设备。

本文公开了用于还原金属矿石的方法。本文所公开的方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中所述生物源试剂包含碳，其中所述热解废气包含氢或一氧化碳；

获得金属矿石，其中该金属矿石包含金属氧化物并且该金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；以及

化学还原该金属氧化物，其中使用该热解废气实现该化学还原。

在一些实施方案中，这些方法包括将碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。在一些实施方案中，金属氧化物包含在碳-金属矿石粒料内。

在一些实施方案中，生物质原料是软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少约50重量％、至少约75重量％或至少约90重量％的总碳。生物源试剂可包括约、至少约或至多约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％或99重量％的总碳。总碳是固定碳加上非固定碳，非固定碳存在于挥发性物质中。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少约50重量％、至少约75重量％或至少约90重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含约、至少约或至多约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％或100重量％的固定碳。

(在生物源试剂内的)碳可为例如至少约50重量％、至少约75重量％或至少约90重量％的固定碳，其余的碳为挥发性碳。在各种实施方案中，碳包含约、至少约或至多约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％、99重量％或100重量％的固定碳。

在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石是赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是精选金属矿石。在一些实施方案中，金属矿石为颗粒形式并且该颗粒形式为粉末形式。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石小颗粒。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石团块。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的碳。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约10重量％的碳。在一些实施方案中，诸如所采用的那些与典型鼓风炉有关的实施方案，碳-金属矿石颗粒包含至少约3重量％至至多约6重量％的碳。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。在一些实施方案中，添加剂包含粘结剂。示例性粘结剂包括无机膨润土、石灰石、淀粉、纤维素、木质素和丙烯酰胺。

在一些实施方案中，添加剂选自酸、碱或盐或它们的衍生物。在一些实施方案中，添加剂是金属、金属氧化物、金属氢氧化物、金属卤化物或它们的组合或衍生物。例如，添加剂可选自氢氧化钠、氢氧化钾、氧化镁、溴化氢、氯化氢、硅酸钠、高锰酸钾、镁、锰、铝、镍、铬、硅、硼、铈、钼、磷、钨、钒、卤化铁、氯化铁、溴化铁、白云石、白云石石灰、氟石(fluorite)、萤石(fluorospar)、膨润土、氧化钙、石灰或它们的组合或衍生物。

添加剂可在该方法的任一个或多个步骤之前、期间或之后添加，包括在任何时间添加到原料本身中。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

在一些实施方案中，化学还原直接利用热解废气。在一些实施方案中，化学还原通过首先部分氧化热解废气，从而产生还原气体，然后利用还原气体化学还原碳-金属矿石颗粒内的金属氧化物而间接利用热解废气。在一些实施方案中，化学还原通过首先部分氧化热解废气，从而产生还原气体，然后利用还原气体化学还原碳-金属矿石粒料内的金属氧化物而间接利用热解废气。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从生物源试剂或其一部分的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。

在一些实施方案中，这些方法还包括在热解期间获得重质烃。在一些实施方案中，生物源试剂包含重质烃，并且其中该重质烃被转化为还原气体。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。

在一些实施方案中，热解废气包含轻质烃。在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少10mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的一氧化碳。在一些实施方案中，热解废气包含至少10mol％的一氧化碳。

在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉中进行。在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉的上游进行。在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化产生的内部热。在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化单独产生的外部热。

在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿山处。在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿石加工厂处。在一些实施方案中，热解和化学还原在相同位置进行。

本文公开了用于还原金属矿石的方法。本文所公开的此类方法可包括：

提供生物质原料；

热解该生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中该生物源试剂包含碳，其中该热解废气包含烃；

获得金属矿石，其中该金属矿石包含金属氧化物并且该金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

部分氧化该热解废气，从而产生还原气体和热；以及

化学还原该金属氧化物，其中利用由该部分氧化该热解废气产生的该还原气体实现该化学还原；

其中使用由部分氧化该热解废气产生的该热实现该热解。

在一些实施方案中，该方法还包括将碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。在一些实施方案中，金属氧化物包含在碳-金属矿石粒料内。

在一些实施方案中，生物质原料是软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的固定碳。

在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石是赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是精选金属矿石。

在一些实施方案中，金属矿石的颗粒形式是该金属矿石的粉末形式。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石小颗粒。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石团块。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的碳。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约10重量％的碳。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。在一些实施方案中，添加剂包含粘结剂。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

在一些实施方案中，该方法还包括在热解期间获得重质烃，并且其中生物源试剂包含该重质烃。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。

在一些实施方案中，该方法还包括在热解期间获得轻质烃，并且其中热解废气包含该轻质烃。在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少10mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的一氧化碳。在一些实施方案中，热解废气包含至少10mol％的一氧化碳。

在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉中进行。在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉的上游进行。

在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化产生的内部热。在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化单独产生的外部热。

在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿山处。在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿石加工厂处。在一些实施方案中，热解和化学还原在相同位置进行。

本文公开了用于还原金属矿石的附加的方法。此类方法包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂，其中所述生物源试剂包含碳；

获得金属矿石，其中该金属矿石包含金属氧化物并且该金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

由生物源试剂的气化、部分氧化或蒸汽重整产生还原气体；以及

使用该还原气体化学还原该金属氧化物。

在一些实施方案中，该方法还包括将碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。在一些实施方案中，金属氧化物包含在碳-金属矿石粒料内。

在一些实施方案中，生物质原料是软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的固定碳。

在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石是赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是精选金属矿石。在一些实施方案中，金属矿石的颗粒形式是该金属矿石的粉末形式。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石小颗粒。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石团块。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的碳。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约10重量％的碳。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。在一些实施方案中，添加剂包含粘结剂。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

在一些实施方案中，生物源试剂包含在热解期间获得的重质烃。在一些实施方案中，化学还原共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的第二还原气体。在一些实施方案中，在热解期间获得轻质烃。

在一些实施方案中，还原气体包含至少20mol％的氢。在一些实施方案中，还原气体包含至少40mol％的氢。在一些实施方案中，还原气体包含至少20mol％的一氧化碳。在一些实施方案中，还原气体包含至少40mol％的一氧化碳。

在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉中进行。在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉的上游进行。

在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化产生的内部热。在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化单独产生的外部热。

在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿山处。在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿石加工厂处。在一些实施方案中，热解和化学还原在相同位置进行。

本文公开了用于处理金属矿石的方法。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中所述生物源试剂包含碳，其中所述热解废气包含氢或一氧化碳；

获得金属矿石，其中该金属矿石为颗粒形式并且包括金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属磷化物或它们的组合；

将该碳和该金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；以及

由金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属磷化物或它们的组合化学生产元素金属，其中使用该热解废气实现该化学生产。

在一些实施方案中，该方法还包括将碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。

在一些实施方案中，生物质原料是软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的固定碳。

在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石是赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是精选金属矿石。

在一些实施方案中，金属矿石的颗粒形式是该金属矿石的粉末形式。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石小颗粒。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石团块。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的碳。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约10重量％的碳。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。在一些实施方案中，添加剂包含粘结剂。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

在一些实施方案中，化学生产直接利用热解废气。在一些实施方案中，化学生产通过首先部分氧化热解废气，从而产生还原气体，然后利用该还原气体由金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属磷化物或它们的组合化学生产元素金属而间接利用该热解废气。

在一些实施方案中，化学生产共同利用从生物源试剂的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。

在一些实施方案中，生物源试剂包含在热解期间获得的重质烃，并且其中该重质烃被转化为还原气体中的至少一些还原气体。

在一些实施方案中，化学生产共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。

在一些实施方案中，在热解期间获得轻质烃，作为热解废气的一部分。

在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少10mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的一氧化碳。在一些实施方案中，其中热解废气包含至少10mol％的一氧化碳。

在一些实施方案中，化学生产在金属矿石炉中进行。在一些实施方案中，化学生产在金属矿石炉的上游进行。

在一些实施方案中，化学生产利用由碳的燃烧或部分氧化产生的内部热。在一些实施方案中，化学生产利用由碳的燃烧或部分氧化单独产生的外部热。

在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿山处。在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿石加工厂处。在一些实施方案中，热解和化学生产在相同位置进行。

本文公开了优化金属氧化物还原的方法。这些方法可包括：

热解生物质，从而产生碳和热解废气；

用故意低于燃烧化学计量的量的氧来氧化该热解废气，从而产生热和一氧化碳；以及

还原该金属氧化物，其中使用该热和该一氧化碳实现该还原。

在一些实施方案中，氧化热解废气产生了氢；并且其中该氢也用于还原金属氧化物。在一些实施方案中，碳直接用于还原金属氧化物。在一些实施方案中，经由将碳转化为附加的一氧化碳，然后使该附加的一氧化碳与金属氧化物反应，将该碳间接用于还原该金属氧化物。

本文公开了优化金属氧化物还原的附加的方法。此类方法可包括：

热解生物质，从而产生碳和热解废气；

用故意低于燃烧化学计量的量的氧来氧化该热解废气，从而产生热和氢；以及

还原该金属氧化物，其中使用该热和该氢实现该还原。

在一些实施方案中，氧化热解废气产生了一氧化碳；并且其中该一氧化碳也用于还原该金属氧化物。在一些实施方案中，碳直接用于还原金属氧化物。在一些实施方案中，经由将碳转化为附加的一氧化碳，然后使该附加的一氧化碳与金属氧化物反应，将该碳间接用于还原该金属氧化物。

本文公开了用于生产碳-金属矿石粒料的方法。本文所公开的方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂，其中所述生物源试剂包含碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；以及

将所述碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料；

其中所述生物源试剂包含至少50重量％的固定碳；并且

其中所述碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的总碳。

在一些实施方案中，生物质原料选自软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少60重量％的总碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的总碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的总碳。在一些实施方案中，其中生物源试剂包含至少55重量％的固定碳。在一些实施方案中，其中生物源试剂包含至少75重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的固定碳。

在一些实施方案中，金属矿石选自铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石选自赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合。

在一些实施方案中，其中金属矿石是精选金属矿石。

在一些实施方案中，金属矿石的颗粒形式是该金属矿石的粉末形式。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石小颗粒。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石团块。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.5重量％至至多约25重量％的总碳。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约10重量％的总碳。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。

在一些实施方案中，添加剂包含粘结剂。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

本文公开了用于生产金属块的方法。本文所公开的方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中所述生物源试剂包含碳，其中所述热解废气包含氢或一氧化碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

将所述碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料；

化学还原所述金属氧化物，从而产生金属块，其中使用所述热解废气实现所述化学还原；以及

回收所述金属块，其中所述金属块包含金属，其中所述金属是所述金属氧化物的还原形式。

在一些实施方案中，金属块基本上由金属和碳组成。

在一些实施方案中，生物质原料选自软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的固定碳。

在一些实施方案中，金属矿石选自铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石选自赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是精选金属矿石。

在一些实施方案中，金属矿石的颗粒形式是该金属矿石的粉末形式。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石小颗粒。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石团块。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的碳。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约10重量％的碳。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。在一些实施方案中，添加剂包含粘结剂。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

在一些实施方案中，化学还原直接利用热解废气。在一些实施方案中，化学还原通过首先部分氧化热解废气，从而产生还原气体，然后利用该还原气体化学还原碳-金属矿石颗粒内的金属氧化物或碳-金属矿石粒料内的金属氧化物而间接利用该热解废气。在一些实施方案中，化学还原共同利用从生物源试剂的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。在一些实施方案中，化学还原共同利用还原气体，其中生物源试剂包含在热解期间获得的重质烃，并且其中该重质烃被转化为该还原气体。在一些实施方案中，化学还原共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。在一些实施方案中，在热解期间获得轻质烃，作为热解废气的一部分。

在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少10mol％的氢。在一些实施方案中，热解废气包含至少1mol％的一氧化碳。在一些实施方案中，热解废气包含至少10mol％的一氧化碳。

在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉中进行。在一些实施方案中，化学还原在金属矿石炉的上游进行。

在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化产生的内部热。在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化单独产生的外部热。

在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿山处。在一些实施方案中，该方法协同定位于金属矿石加工厂处。在一些实施方案中，热解和化学还原在相同位置进行。

本文公开了用于由金属矿石生产金属的方法。本文所公开的方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂，其中所述生物源试剂包含碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

将所述碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料；

将所述碳-金属矿石粒料引入化学还原炉中；

将空气或氧引入所述化学还原炉中，从而氧化包含在所述碳-金属矿石颗粒中的所述碳，从而产生热和一氧化碳；

化学还原所述碳-金属矿石粒料内的所述金属氧化物，从而产生金属，其中使用所述化学还原炉内的所述一氧化碳实现所述化学还原；以及

回收所述金属。

在一些实施方案中，生物源试剂被直接共同进料到化学还原炉中。

在一些实施方案中，生物质原料选自软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少50重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少75重量％的固定碳。在一些实施方案中，生物源试剂包含至少90重量％的固定碳。

在一些实施方案中，金属矿石选自铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，铁矿石选自赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是精选金属矿石。

在一些实施方案中，金属矿石的颗粒形式是该金属矿石的粉末形式。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石小颗粒。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒是碳-金属矿石团块。

在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的碳。在一些实施方案中，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约10重量％的碳。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。在一些实施方案中，添加剂包含粘结剂。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

在一些实施方案中，金属选自铁、铜、镍、镁、锰、铝、锡、锌、钴、铬、钨、钼或它们的组合。

本文公开了用于还原金属矿石的组合物。本文所公开的组合物可包含碳-金属矿石颗粒，其中按无水和无灰计，该碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的固定碳；并且其中该固定碳为至少约50％可再生碳，如由该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量所确定。

在一些实施方案中，固定碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量利用ASTM D6866。

在一些实施方案中，金属矿石选自铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石。在一些实施方案中，金属矿石是铜矿石和镍矿石的组合。

在一些实施方案中，组合物为选自小颗粒、团块、粒料、块或它们的组合的物体形式。

在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.5重量％至至多约25重量％的固定碳。在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约15重量％的固定碳。在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约2重量％至至多约10重量％的固定碳。在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约3重量％至至多约6重量％的固定碳。

在一些实施方案中，固定碳为至少约90％可再生碳，如由测量该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率所确定。在一些实施方案中，固定碳为至少约99％可再生碳，如由测量该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率所确定。在一些实施方案中，固定碳为约100％可再生碳，如由测量该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率所确定。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料包含添加剂。在一些实施方案中，包括粘结剂。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

在一些实施方案中，固定碳的特征在于至少400m²/g的BET表面积。在一些实施方案中，固定碳的特征在于至少800m²/g的BET表面积。

在一些实施方案中，固定碳的特征在于至少0.5cm³/g的中孔体积。在一些实施方案中，固定碳的特征在于至少1cm³/g的中孔体积。

附图说明

图1是在一些实施方案中利用高碳生物源试剂将金属矿石转化为金属产物的方法的简化流程框图。

图2是在一些实施方案中利用高碳生物源试剂将金属矿石转化为金属产物的方法的简化流程框图。

图3是在一些实施方案中利用高碳生物源试剂将金属矿石转化为金属产物的方法的简化流程框图。

图4是在一些实施方案中利用高碳生物源试剂生产碳-金属矿石粒料的方法的简化流程框图。

图5是在一些实施方案中利用高碳生物源试剂生产金属块的方法的简化流程框图。

图6是在一些实施方案中利用高碳生物源试剂将金属矿石转化为金属产物的方法的简化流程框图。

具体实施方式

本说明书将使得本领域技术人员能够制造和使用所公开的本公开，并且本说明书描述了本公开的若干实施方案、改编、变型形式、另选方案和用途。当结合附图参考本公开的以下详细描述时，本公开的这些和其它实施方案、特征和优点对于本领域技术人员将变得更加明显。

出于实现技术公开的目的，公开了各种解释、假说、理论、推测、假设等。本公开并不依赖于这些中的任一者事实上正确。该详细描述中的解释、假说、理论、推测或假设都不应被理解为以任何方式限制本公开的范围。

此外，本文提供的标题仅是为了方便，并不解释所要求保护的实施方案的范围或含义。

定义

如本文所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确说明。例如，在生产产物的任何地方，可以控制该方法以便生产多于单个产物，诸如在生产“碳-金属矿石颗粒”的情况下，可以生产“多个碳-金属矿石颗粒”。这也适用于包含单一组分的组合物。例如，当组合物包含碳-金属矿石颗粒时，该组合物可包含多个碳-金属矿石颗粒。

如本文所用，除非另外指明，否则术语“约”意指所指示范围、值或结构的±20％。

如本文所用，除非另外指明，否则任何浓度范围、百分比范围、比率范围或整数范围应理解为包括所述范围内的任何整数值，并且在适当时包括它们的分数(诸如整数的十分之一和百分之一)。此外，除非另有说明，否则本文所述的任何数值范围应理解为包括所述范围内的任何整数。

如本文所用，“生物源”是包含元素(诸如碳)的材料(无论是原料、产物还是中间体)，其在数月、数年或数十年的时间范围内是可再生的。非生物源材料可以是不可再生的，或者可以在数世纪、数千年、数百万年或甚至更长的地质时间范围内是可再生的。例如，煤和石油的传统燃料源是不可再生的和非生物源的。

存在三种天然存在的碳同位素：¹²C、¹³C和¹⁴C。¹²C和¹³C是稳定的，以约93∶1的自然比例存在。¹⁴C是通过来自上层大气中的宇宙辐射的热中子生成的，并且被输送至地球而被活的生物材料吸收。同位素上，¹⁴C构成忽略不计的部分；但是，因为它具有放射性，半衰期为5,700年，所以它能通过放射性检测到。因为死组织不吸收¹⁴C，所以¹⁴C的量是用于生物材料放射性测定的方法之一。

植物通过光合作用固定大气中的碳而吸收¹⁴C。然后当动物吃植物或吃其它吃植物的动物时，会将C¹⁴摄入体内。因此，活的植物和动物具有与大气CO₂相同的¹⁴C与¹²C的比率。一旦生物体死亡，其停止与大气交换碳，并且因此不再吸收新的¹⁴C。然后放射性衰变逐渐耗尽生物体中的¹⁴C。这种效应是放射性碳年代测定法的基础。

化石燃料(诸如煤)主要由数百万年前沉积的植物材料制成。因为这段时间等于¹⁴C的数千个半衰期，所以化石燃料中基本上所有的¹⁴C已经衰变。因为化石燃料最初由活的生物体形成，所以化石燃料也相对于大气耗尽¹³C。因此，与生物源的碳相比，来自化石燃料的碳耗尽¹³C和¹⁴C两者。

最近死亡的有机物(诸如来自可再生资源的有机物)的碳同位素和化石燃料(诸如煤)的碳同位素之间的这种差异允许确定组合物中的碳源。具体地，组合物中的碳是来源于可再生资源还是来源于化石燃料；换句话讲，在组合物的生产中使用的是可再生资源还是化石燃料。

如本文所用，“燃烧化学计量的量的氧”是无论存在于空气、纯氧或富氧空气中，将含碳或含氢组分分别完全氧化成CO₂或H₂O而不造成化学计量过量的氧的量。当故意将热解废气以低于燃烧化学计量的量氧化时，以氧的燃烧化学计量的量的百分比使用的氧可为至少约10％至至多约99％、至少约25％至至多约90％或至少约40％至至多约80％。在各种实施方案中，该百分比为约、至少约或至多约15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％或95％。这些百分比是基于O₂形式的氧的摩尔量。

如本文所用，与“包含”、“含有”或“特征在于”同义的“包括”是包括性的或开放式的，并且不排除附加的、未列举的元素或方法步骤。“包括”是在权利要求语言中使用的专门术语，其指示所述权利要求元素是基本的，但是可以添加其它权利要求元素并且仍然形成在本公开的范围内的构造。

如本文所用，“由……组成”排除了未指定的任何元素、步骤或成分。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的从句中，而不是紧跟在前序之后时，它仅限制在该从句中示出的元素；其它元素不从整个权利要求中排除。如本文所用，短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制于指定的元素或方法步骤，加上不实质上影响所要求保护的主题的基础的那些元素或方法步骤。

如本文所用，“衍生物”是通过化学反应衍生于另一物质的化合物、分子或离子。衍生该衍生物的物质是添加剂。衍生物也是添加剂。

如本文所用，如在“高碳生物源试剂”中的“高碳”表示该生物源试剂相对于用于生产该高碳生物源试剂的原料具有高碳含量。高碳生物源试剂可包括其重量的至少约一半的碳。例如，高碳生物源试剂可包括至少55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、91重量％、92重量％、93重量％、94重量％、95重量％、96重量％、97重量％、98重量％或99重量％的碳。

如本文所用，“高碳生物源试剂”描述可通过所公开的方法和***生产的材料。关于碳含量或任何其它浓度的限制不应从术语本身推断，而是仅通过参考具体实施方案来推断。例如，在使包括低碳含量的原料经受所公开的方法的情况下，产物为相对于起始材料高度富集碳(高碳产率)但仍相对低碳(低碳纯度)(包括小于50重量％的碳)的高碳生物源试剂。

如本文所用，术语“包括”、“具有”和“包含”同义使用，这些术语及它们的变体旨在被理解为非限制性的。

如本文所用，“金属矿石”是含金属的材料，其中所需金属不是纯的元素形式，而是以金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属磷化物或金属的另一种形式存在。

参考两个或更多个项的列表使用词语“或”涵盖该词语的所有以下解释：列表中的任何项、列表中的所有项以及列表中的项的任何组合。此外，短语“A、B和C等中的至少一者”意指本领域技术人员将理解约定(例如，“具有A、B和C中的至少一者的***”将包括但不限于具有A单独、B单独、C单独、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起等的***)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一者”的约定的情况下，一般来说，此类结构意在使本领域技术人员能够理解该约定(例如，“具有A、B或C中的至少一者的***”将包括但不限于具有A单独、B单独、C单独、A和B一起、A和C一起、B和C一起或A、B和C一起等的***)。

如本文所用，“粒料”与“压块”同义，并且可指粒料、压块、粒料/压块或类似术语，所有这些均指凝聚的物体而不是松散的粉末。为方便起见，通常使用术语“粒料”。粒料的几何形状不限于球形或近似球形。粒料的几何形状可以是球形(圆形或球形)、立方体(正方形)、八边形、六边形、蜂巢/蜂窝形、椭圆形、蛋形、柱形、条形、面包形、枕形、随机形或它们的组合。

如本文所用，“热解”是含碳材料的热分解。在热解中，存在的氧少于材料完全燃烧所需的氧，诸如少于完全燃烧所需的氧的(基于O₂的摩尔量)的10％、5％、1％、0.5％、0.1％或0.01％。在一些实施方案中，在不存在氧时进行热解。

如本文所用，“试剂”是最广泛意义上的材料。例如，试剂可以是燃料、化学品、材料、化合物、添加剂、共混组分或溶剂。试剂不一定是引起或参与化学反应的化学试剂。然而，试剂可以是可在反应中消耗的化学反应物。试剂可以是用于特定反应的化学催化剂。试剂可以引起或参与调节可添加该试剂的材料的机械、物理或流体力学性质。例如，可将试剂引入金属中以赋予金属特定的强度性质。试剂可以是用于化学分析或物理测试的足够纯度的物质(在本上下文中，该纯度通常是碳纯度)。

如本文所用，“总碳”是固定碳加上非固定碳，非固定碳存在于挥发性物质中。在一些实施方案中，除非另行指出，否则假定组分重量百分比是基于绝对基准。在其它实施方案中，组分重量百分比按无水和无灰计。

如本文所用，“区”是单个物理单元、物理分离的单元或它们的任何组合内的空间区域。对于连续反应器，区的划分可与结构关联，诸如反应器内存在的条板或向分离的区提供热的不同的加热元件。另选地或除此之外，连续反应器中区的划分可与功能关联，诸如不同的温度、流体流动模式、固体流动模式或反应程度。在单批反应器中，“区”是时间上而非空间上的操作方案。从一个区到另一个区不一定存在突然过渡部分。例如，预热区和热解区之间的边界某种程度上可以是任意的；一些量的热解可以在预热区的一部分中发生，并且一些量的“预热”可以在热解区中继续发生。反应器中的温度分布通常是连续的，包括在反应器内的区边界处。

方法

本公开的原理尤其适合于在金属采矿或金属矿石加工设施处的热解方法的协同定位。本文的技术减少了在硬化和焦化中对化石燃料的需要，以及将粒料中间运输至鼓风炉的需要。与用于将铁矿石转化为铁的当前方法(包括但不限于铁燧岩加工)相比，集成方法具有经济和环境优势。

本文所公开的方法是具有减少的碳足迹的环境友好技术。当起始原料是包含生物源或可再生碳的生物质时，由热解产生的碳是生物源的。这可以通过使用例如ASTM D6866测量碳的¹⁴C/¹²C同位素比率来显示。

在一些实施方案中，所有经加工的碳是可再生的。在其它实施方案中，因为起始金属氧化物可包括碳，所以并非所有的碳都是可再生的。例如，铁燧岩包含含铁碳酸盐，其包含非生物源碳。如果采用选矿，可以从金属矿石中去除非生物源碳。

被氧化成二氧化碳的任何生物源碳形成生物源CO₂。这也可以通过测量所产生的CO₂的样品中的碳的¹⁴C/¹²C同位素比率来显示。这种来源于生物质的生物源CO₂返回到环境中，经由光合作用由生长的生物质再次吸收。以此方式，净CO₂排放显著减少。此外，起始生物质的氢含量大幅减少了该方法的净CO₂排放。这是由于生物质中的氢变成热解废气中的H₂或其部分氧化形式。H₂能够以与由CO引起的几乎相同的方式引起金属氧化物的化学还原，但与产生CO₂不同，H₂氧化会产生H₂O，其不被认为是有问题的温室气体。

所公开的方法在环境方面优于常规技术的另一原因涉及能量平衡。因为总体化学反应是吸热的，所以金属氧化物还原固有地需要能量。即使已知的电化学转化方法将金属氧化物分解成金属和氧，从而避免任何直接的CO₂产生，也需要大量的电力，这些电力继而通常是由不可再生资源产生的。常规的金属矿石加工利用大量煤来产生必要的热(来自煤燃烧)以及提供用于还原化学的碳。相比之下，一些实施方案在以节能方式利用碳和氢的集成生物还原方法中提供来自热解废气的必要热。从而避免了来自燃煤的污染。

与传统使用化石燃料诸如煤相比，金属矿石的集成生物还原极大地降低了环境影响。常规的方法与“碳强度”相关联，“碳强度”是加工每吨金属矿石产生的净二氧化碳量。“CO₂-当量碳强度”也可定义为加工每吨金属矿石产生的净二氧化碳等效物量。“二氧化碳当量”或“CO₂e”表示将具有等效全球变暖影响的CO₂的量。例如，对于铁矿石加工，平均为11.9kg CO₂/吨(Tost等人，“Metal Mining’s Environmental Pressures:A Review andUpdated Estimates on CO₂ Emissions,Water Use,and Land Requirements”，Sustainability，2018年，第10卷：第2881页，其以引用方式并入本文)。在各种实施方案中，本文所公开的方法的特征可在于与现有技术相比，碳强度或CO₂-当量碳强度降低约50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％。在各种实施方案中，本文所公开的方法的特征可在于碳强度或CO₂-当量碳强度为约10kg CO₂/吨、9kg CO₂/吨、8kg CO₂/吨、7kg CO₂/吨、6kg CO₂/吨、5kg CO₂/吨、4kg CO₂/吨、3kg CO₂/吨、2kg CO₂/吨、1kg CO₂/吨、0.5kg CO₂/吨、0.4kgCO₂/吨、0.3kg CO₂/吨、0.2kg CO₂/吨或0.1kg CO₂/吨或更小。在本文所公开的加工和方法中，所产生的大部分或全部CO₂是生物源二氧化碳，使得如果在最终产物(诸如碳钢)中存在碳的净多价螯合，则有效碳强度非常低，为零，或甚至为负。

本发明人惊奇地发现，在热解废气的燃烧中可以故意限制氧，从而产生更多的CO(相对于完全燃烧中的CO₂)，然后CO可以用作还原剂。由部分氧化产生CO提供一些热，但与常规完全氧化为CO₂相比提供的热较少。各种实施方案利用以下发现：所产生的热可足以进行金属氧化物的吸热还原，其中该还原化学利用由部分氧化产生的CO。

基于上述内容，一些变型形式提供了一种优化金属氧化物还原的方法，该方法包括热解生物质以获得碳和热解废气；用故意低于燃烧化学计量的量的氧来氧化该热解废气，从而产生热、一氧化碳和二氧化碳；以及利用该热和该一氧化碳来还原该金属氧化物。通常，氧化热解废气还产生了氢和水。氢也可用于还原金属氧化物。

在一些实施方案中，碳可直接用于还原金属氧化物，诸如通过金属氧化物与碳的反应产生金属(或金属的较少还原形式)和一氧化碳或二氧化碳。另选地或除此之外，经由将碳转化为附加的一氧化碳，然后使附加的一氧化碳与金属氧化物反应，可将碳间接用于还原金属氧化物。

一些实施方案基于这样的方法：将木材热解为生物碳；将作为还原剂的生物碳与选矿后的铁矿石粉末(或其它金属矿石)混合成粒料；以及使用来自热解的、氢和CO含量高的废气将粒料还原为元素铁。生物质热解的高温和中等停留时间(如本文所述)产生适于与粒料共混的高固定碳产物，并产生具有大体积的CO和H₂的气体流。一些实施方案转移来自燃烧器的气体，这些气体产生用于热解的热以将甲烷和其它烃转化为具有更多CO和H₂的气体用于还原反应。

一些实施方案基于生产包括金属氧化物和生物源碳的粒料/压块。这些粒料/压块可以在金属矿石炉内或金属矿石炉的上游在热解废气中被加工以从金属氧化物中去除氧。

本文公开了用于还原金属矿石的方法。图1提供了此类方法的示例性说明。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中所述生物源试剂包含碳，其中所述热解废气包含氢或一氧化碳；

获得金属矿石，其中该金属矿石包含金属氧化物并且该金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；以及

化学还原该金属氧化物，其中使用该热解废气实现该化学还原。

图1示出了利用生物源试剂104还原金属矿石108的方法100。将生物质原料101进料到热解反应器103中。生物质原料101在热102的存在下并且在下文进一步详述的条件下热解。生物质原料101的热解产生生物源试剂104和热解废气106。将金属矿石108和包括碳的生物源试剂104进料到碳-金属矿石混合单元107中以产生碳-金属矿石颗粒112。可将添加剂109添加到碳-金属矿石混合单元107中以与生物源试剂104和金属矿石108混合。在利用粒料的情况下，可将碳-金属矿石混合单元107的产物引入碳-金属矿石制粒单元110，从而产生碳-金属矿石粒料。可将添加剂111添加到碳-金属矿石制粒单元110中以结合到碳-金属矿石粒料中。将碳-金属矿石颗粒112和来自热解反应器103的热解废气106引入化学还原反应器113中，该碳-金属矿石颗粒可以是粒料形式，其中已经使用碳-金属矿石制粒单元110生产粒料。在化学还原反应器113中，存在于碳-金属矿石颗粒112的金属矿石108中的金属氧化物被还原。生物源试剂104可以作为添加碳105引入化学还原反应器113中。也可将O₂或空气114引入化学还原反应器113中。化学还原反应器113中的化学还原反应产生金属产物116和还原废气115。

本文公开了用于还原金属矿石的附加的方法。图2提供了此类方法的示例性说明。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解该生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中该生物源试剂包含碳，其中该热解废气包含烃；

获得金属矿石，其中该金属矿石包含金属氧化物并且该金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

部分氧化该热解废气，从而产生还原气体和热；以及

化学还原该金属氧化物，其中使用由该部分氧化该热解废气产生的该还原气体实现该化学还原；

其中使用由部分氧化该热解废气产生的该热实现该热解。

图2示出了利用生物源试剂204还原金属矿石208的方法200。将生物质原料201进料到热解反应器203中。生物质原料201在热202的存在下并且在下文进一步详述的条件下热解。生物质原料201的热解产生生物源试剂204和热解废气206。将金属矿石208和包括碳的生物源试剂204进料到碳-金属矿石混合单元207中以产生碳-金属矿石颗粒212。可将添加剂209添加到碳-金属矿石混合单元207中以与生物源试剂204和金属矿石208混合。在利用粒料的情况下，可将碳-金属矿石混合单元207的产物引入碳-金属矿石制粒单元210，从而产生碳-金属矿石粒料，使得引入化学还原反应器213中的碳-金属矿石颗粒212为粒料形式。可将添加剂211添加到碳-金属制粒单元210中以结合到碳-金属矿石粒料中。将碳-金属矿石颗粒212引入化学还原反应器213中。来自热解反应器203的热解废气206发生部分氧化217，在此期间引入O₂或空气218。将来自废气部分氧化的热220引入热解反应器203中用于热解。将来自废气部分氧化217的产物还原气体219引入化学还原反应器213；也可将O₂或空气214引入化学还原反应器213。生物源试剂204可以绕过碳-金属混合单元207并且可以作为添加碳205引入化学还原反应器213中。也可将O₂或空气214引入化学还原反应器213中。化学还原反应器213中的化学还原产生金属产物216和还原废气215。

化学还原可以共同利用从轻质烃的气化、蒸汽重整或部分氧化217获得的还原气体。化学还原发生在化学还原反应器213中，并且可以在金属矿石炉中进行，诸如鼓风炉、直接还原金属炉、平炉或其它类型的炉。另选地或除此之外，化学还原可在金属矿石炉的上游进行。在一些实施方案中，化学还原利用由添加碳205的燃烧或部分氧化217产生的内部热。在此类实施方案中，化学还原利用由添加碳205的燃烧或部分氧化217单独产生的外部热。

该方法可协同定位于金属矿山、金属矿石加工厂或本身与金属矿石加工厂协同定位的金属矿山处。

本文公开了用于还原金属矿石的另外的方法。图3提供了此类方法的示例性说明。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂，其中所述生物源试剂包含碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

由生物源试剂的气化、部分氧化或蒸汽重整产生还原气体；以及

化学还原该金属氧化物，其中使用该还原气体实现该化学还原。

图3提供了利用生物源试剂304还原金属矿石308的方法300的说明。将生物质原料301引入热解反应器303，其中热解使用任选的外部热302产生热解废气306和生物源试剂304。将金属矿石308和包括碳的生物源试剂304进料到碳-金属矿石混合单元307以产生碳-金属矿石颗粒312。可将添加剂309添加到碳-金属矿石混合单元307中以与生物源试剂304和金属矿石308结合。在利用粒料的情况下，可将碳-金属矿石混合单元307的产物引入碳-金属矿石制粒单元310中，使得引入到化学还原反应器313中的碳-金属矿石颗粒312为粒料形式。也可将添加剂311引入碳-金属矿石制粒单元以结合到粒料产物中。将碳-金属矿石颗粒312和还原气体319进料到化学还原反应器313中，由此产生金属产物316和还原废气315。也可将O₂或空气314引入化学还原反应器313。

化学还原反应器313中的化学还原可以共同利用从轻质烃的气化、蒸汽重整或部分氧化317获得的第二还原气体，诸如存在于在热解反应器303中的热解期间获得的生物源试剂304中的轻质烃。来自热解反应器303的生物源试剂304在引入O₂或空气318的情况下参与碳部分氧化317。将还原气体319引入化学还原反应器313中。生物源试剂304可以绕过碳-金属矿石混合单元307作为添加碳305引入化学还原反应器313。

化学还原发生在化学还原反应器213中，并且可以在金属矿石炉中进行，诸如鼓风炉、直接还原金属炉、平炉或其它类型的炉。另选地或除此之外，化学还原可在金属矿石炉的上游进行。

该方法可协同定位于金属矿山、金属矿石加工厂或本身与金属矿石加工厂协同定位的金属矿山处。

本文公开了用于处理金属矿石的方法。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解该生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中该生物源试剂包含碳，其中该热解废气包含氢或一氧化碳；

获得金属矿石，其中该金属矿石为颗粒形式，其中该金属矿石包含金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属磷化物或它们的组合；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；以及

由金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属磷化物或它们的组合化学生产元素金属，其中使用该热解废气实现该化学生产。

这些方法还可包括将该碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。

化学还原可以直接利用热解废气。化学还原可通过首先部分氧化该热解废气，从而产生还原气体，然后利用该还原气体由金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物、金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属磷化物或它们的组合化学生产元素金属而间接利用该热解废气。

当要将金属氧化物之外的含金属物质转化为金属或其它含金属物质时，将需要设计温度、压力、反应时间和反应物组成的加工条件以实现期望的化学性质。例如，就金属氢化物而言，可以实现转化为对应的金属加上二氧化碳、水或甲烷。通常，任何金属矿石至少具有金属氧化物，并且针对金属氧化物的还原的加工条件可有效转化其它形式的金属。另选地或除此之外，当金属矿石包含显著量的其它形式的金属(诸如金属硫化物)时，可采用附加的反应步骤。本领域技术人员将能够使用常规实验和本公开的教导内容估计反应条件。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从生物源试剂或其一部分的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。例如，在热解期间获得的重质烃可被转化为还原气体中的至少一些还原气体。

化学还原可以共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体，诸如在热解期间获得的作为热解废气的一部分的轻质烃。

化学还原可以在金属矿石炉中进行，诸如鼓风炉、直接还原金属炉、平炉或其它类型的炉。另选地或除此之外，化学还原可在金属矿石炉的上游进行。

该方法可协同定位于金属矿山、金属矿石加工厂或本身与金属矿石加工厂协同定位的金属矿山处。

本文公开了用于生产碳-金属矿石粒料的方法。图4提供了此类方法的示例性说明。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂，其中所述生物源试剂包含碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；以及

将该碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。

图4提供了利用生物源试剂404生产碳-金属矿石粒料420的方法400的说明。将生物质原料401引入热解反应器403，其中热解使用外部热402产生热解废气406和生物源试剂404。将金属矿石408和包括碳的生物源试剂404进料到碳-金属矿石混合单元407以产生碳-金属矿石颗粒。可将添加剂409添加到碳-金属矿石混合单元407中以与生物源试剂404和金属矿石408结合。将由碳-金属矿石混合单元407产生的碳-金属矿石颗粒引入碳-金属矿石制粒单元410中。由碳-金属矿石制粒单元410生产碳-金属矿石粒料420。也可将添加剂411引入碳-金属矿石制粒单元以结合到碳-金属矿石粒料420中。

本文公开了用于生产碳-金属矿石粒料的附加的方法。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂，其中所述生物源试剂包含碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；以及

将所述碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料；

其中该生物源试剂包含至少约50重量％的固定碳；并且

其中所述碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的总碳。

本文公开了用于生产金属块的方法。图5提供了此类方法的示例性说明。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解该生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中该生物源试剂包含碳，其中该热解废气包含氢或一氧化碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

将所述碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料；

化学还原所述金属氧化物，从而产生金属块，其中使用所述热解废气实现所述化学还原；以及

回收该金属块，其中该金属块包含金属，该金属是该金属氧化物的还原形式，其中该金属块基本上由该金属和该碳组成。

图5示出了利用生物源试剂504生产金属块521的方法500。将生物质原料501进料到热解反应器503中。生物质原料501在热502的存在下并且在下文进一步详述的条件下热解。生物质原料501的热解产生生物源试剂504和热解废气506。将金属矿石508和包括碳的生物源试剂504进料到碳-金属矿石混合单元507中以产生碳-金属矿石颗粒。可将添加剂509添加到碳-金属矿石混合单元507中以与生物源试剂504和金属矿石508混合。将由碳-金属矿石混合单元507产生的碳-金属矿石颗粒引入碳-金属矿石制粒单元510，从而产生碳-金属矿石粒料512。可将添加剂511添加到碳-金属矿石制粒单元510中以结合到碳-金属矿石粒料512中。将碳-金属矿石粒料512和来自热解反应器503的热解废气506引入化学还原反应器513。在化学还原反应器513中，存在于碳-金属矿石粒料512的金属矿石508中的金属氧化物被还原。生物源试剂504可以作为添加碳505引入化学还原反应器513。也可将O₂或空气514引入化学还原反应器513中。化学还原反应器513中的化学还原反应产生金属块521和还原废气515。

本文公开了用于由金属矿石生产金属的方法。图6提供了此类方法的示例性说明。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解所述生物质原料，从而产生生物源试剂，其中所述生物源试剂包含碳；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

将所述碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料；

将所述碳-金属矿石粒料引入化学还原炉中；

氧化包含在该碳-金属矿石颗粒中的该碳，从而产生热和一氧化碳，其中通过将空气或氧引入该化学还原炉中来实现该氧化；

在该化学还原炉内化学还原包含在该碳-金属矿石粒料内的该金属氧化物，从而产生金属，其中使用该一氧化碳实现该化学还原；以及

回收所述金属。

图6示出了利用生物源试剂604由金属矿石608生产金属625的方法600。将生物质原料601进料到热解反应器603中。生物质原料601在热602的存在下并且在下文进一步详述的条件下热解。生物质原料501的热解产生生物源试剂604和热解废气606。将金属矿石608和包括碳的生物源试剂604进料到碳-金属矿石混合单元607中以产生碳-金属矿石颗粒。可将添加剂609添加到碳-金属矿石混合单元607中以与生物源试剂604和金属矿石608混合。将由碳-金属矿石混合单元607产生的碳-金属矿石颗粒引入碳-金属矿石压块单元622，从而产生碳-金属矿石压块624。可将添加剂623添加到碳-金属矿石压块单元622中以结合到碳-金属矿石压块624中。将碳-金属矿石压块624引入化学还原反应器613。可将来自热解反应器603的热解废气606引入化学还原反应器613。在化学还原反应器613中，存在于碳-金属矿石压块624的金属矿石608中的金属氧化物被还原。生物源试剂604可以作为添加碳605引入化学还原反应器613。也可将O₂或空气614引入化学还原反应器613中。化学还原反应器613中的化学还原反应产生金属625、矿渣626和还原废气615。

在一些实施方案中，生物源试剂的一部分被直接共同进料到化学还原炉中。

在一些实施方案中，除碳-金属矿石颗粒之外或除生物源试剂之外，可将热解废气引入化学还原炉中。例如，在它与粒料共同进料的实施方案中。

本文公开了用于由金属矿石生产金属的附加的方法。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解该生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中该生物源试剂包含碳，其中该热解废气包含一氧化碳或氢；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

将该碳-金属矿石颗粒引入化学还原炉中；

氧化该碳，从而产生热和一氧化碳或二氧化碳，其中通过将空气或氧引入该化学还原炉中来实现该氧化；

在该化学还原炉内化学还原包含在该碳-金属矿石粒料内的该金属氧化物，从而产生金属，其中使用一氧化碳实现该化学还原；以及

回收所述金属。

在一些实施方案中，在产生碳-金属矿石颗粒之后，该方法还包括将该碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。在此类实施方案中，将碳-金属矿石粒料引入化学还原炉中。

在一些实施方案中，该方法还包括将生物源试剂或其一部分引入化学还原炉中。

在化学还原炉中被氧化的碳可包含在碳-金属矿石颗粒内，或者在化学还原炉中被氧化的碳可包含在生物源试剂内。

在一些实施方案中，该方法还包括将热解废气或其一部分引入化学还原炉中。

用于实现金属氧化物的化学还原的一氧化碳可以是生物源试剂的氧化产物，可以是包含在碳-金属矿石颗粒内的碳的氧化产物，或者可以包含在热解废气内。

本文公开了用于由金属矿石生产金属的另外的方法。这些方法可包括：

提供生物质原料；

热解该生物质原料，从而产生生物源试剂和热解废气，其中该生物源试剂包含碳，其中该热解废气包含氢；

获得金属矿石，其中所述金属矿石包含金属氧化物，其中所述金属矿石为颗粒形式；

将所述碳与所述金属矿石混合，从而产生碳-金属矿石颗粒；

将所述碳-金属矿石粒料引入化学还原炉中；

氧化该碳，从而产生热和一氧化碳或二氧化碳，其中通过将空气或氧引入该化学还原炉中来实现该氧化；

在该化学还原炉内化学还原包含在该碳-金属矿石粒料内的该金属氧化物，从而产生金属，其中使用一氧化碳或使用氢实现该化学还原；以及

回收所述金属。

在一些实施方案中，在产生碳-金属矿石颗粒之后，该方法还包括将该碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。在此类实施方案中，可将碳-金属矿石粒料引入化学还原炉中。

在一些实施方案中，该方法还包括将生物源试剂或其一部分引入化学还原炉中。

在化学还原炉中被氧化的碳可包含在碳-金属矿石颗粒内，或者在化学还原炉中被氧化的碳可包含在生物源试剂内。

在一些实施方案中，该方法还包括将热解废气或其一部分引入化学还原炉中。

可用于实现金属氧化物的化学还原的一氧化碳可以是生物源试剂的氧化产物，可以是包含在碳-金属矿石颗粒内的碳的氧化产物。可用于实现金属氧化物的化学还原的氢可包含在热解废气中。

加工参数

本部分提供的加工参数适用于本文所述的方法；例如，用于还原金属矿石的方法；用于处理金属矿石的方法；用于生产碳-金属矿石粒料的方法；用于生产金属块的方法；和用于由金属矿石生产金属的方法。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从生物源试剂或其一部分的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。还原气体可包含CO和H₂中的至少一者，并且通常包括合成气，该合成气是CO和H₂两者。其它组分诸如CH₄、CO₂和H₂O可存在于还原气体中。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。

化学还原可以在金属矿石炉中进行，诸如鼓风炉、直接还原金属炉、平炉或其它类型的炉。另选地或除此之外，化学还原可在金属矿石炉的上游进行。

在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化产生的内部热。在这些或其它实施方案中，化学还原可利用由碳的燃烧或部分氧化单独产生的外部热。

该方法可协同定位于金属矿山、金属矿石加工厂或本身与金属矿石加工厂协同定位的金属矿山处。

在一些实施方案中，这些方法包括将碳-金属矿石颗粒制粒，从而产生碳-金属矿石粒料。在一些实施方案中，金属氧化物包含在碳-金属矿石粒料内。

在一些实施方案中，生物质原料是软木块、硬木块、木材采伐残渣、树枝、树桩、叶、树皮、锯末、玉米、玉米秸秆、小麦、小麦秸秆、稻、稻草、甘蔗、甘蔗渣、甘蔗秸秆、能源甘蔗、糖用甜菜、糖用甜菜浆、向日葵、高梁、卡诺拉、藻类、芒草、苜蓿、柳枝稷、水果、果壳、果茎、果皮、果核、蔬菜、蔬菜壳、蔬菜茎、蔬菜皮、蔬菜核、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、食物残渣、商业垃圾、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、纸浆、纸包装、碎纸、食物包装、建筑或拆建废料、木质素、动物粪肥、市政固体垃圾、市政污水或它们的组合。

通过本文的热解步骤产生的生物源试剂可包括至少约50重量％、至少约75重量％或至少约90重量％的总碳。在各种实施方案中，生物源试剂包含约、至少约或至多约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％或99重量％的总碳。总碳是固定碳加上非固定碳，非固定碳存在于挥发性物质中。在一些实施方案中，除非另行指出，否则假定组分重量百分比是基于绝对基准。在其它实施方案中，组分重量百分比按无水和无灰计。

通过热解步骤产生的生物源试剂可包括至少约50重量％、至少约75重量％或至少约90重量％的总碳。在各种实施方案中，生物源试剂包含约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％或99重量％的总碳，包括居间范围(例如，约70重量％至约99重量％的总碳)。

在热解中产生的生物源试剂可包括至少约50重量％、至少约75重量％或至少约90重量％的固定碳。在各种实施方案中，生物源试剂包含约、至少约或至多约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％或99重量％的固定碳，包括居间范围(例如，约70重量％至约99重量％的固定碳)。

包含在生物源试剂内的碳可为例如至少约50重量％、至少约75重量％或至少约90重量％的固定碳，其余的碳为挥发性碳。在各种实施方案中，该碳包含约、至少约或至多约50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％、95重量％、99重量％或100重量％的固定碳，包括居间范围(例如，约70重量％至约99重量％的固定碳)。

取决于生物源试剂和热解废气的期望组合物、起始原料、金属氧化物的类型、反应器构造和本文所述的其它因素，热解的条件可以变化。热解温度是一个重要的参数并且应该得到控制。通常，较高的热解温度，例如约600℃至约850℃，在热解废气中产生较多的氢，在生物源试剂中留下较少的氢。这在利用废气中的氢还原金属氧化物(换句话讲，去除氧)的实施方案中是有利的。较低的热解温度，例如约400℃至约600℃，在生物源试剂中留下较多的氢，并且因此在废气中留下较少的氢。这在某些利用生物源试剂中的氢还原金属氧化物的实施方案中可以是有利的，诸如自还原粒料或将生物源碳添加到金属还原炉中。在下列中的任一个场景中，氢可用于金属氧化物还原，这是期望的，因为其避免直接产生CO₂，从而由于降低的碳强度而改善环境足迹。

在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。在一些实施方案中，金属矿石是铁矿石，例如选自赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合的铁矿石。

金属矿石可以是精选金属矿石，换句话讲，是在一个或多个选矿单元中加工的金属矿石。

在一些实施方案中，颗粒形式是金属矿石的粉末形式。

碳-金属矿石颗粒可以是碳-金属矿石小颗粒(例如，粉末)、碳-金属矿石团块或另一类型的颗粒。当产生粒料时，可以产生多种粒料几何形状。粒料的几何形状不限于球形或近似球形。粒料的几何形状可以是球形(圆形或球形)、立方体(正方形)、八边形、六边形、蜂巢/蜂窝形、椭圆形、蛋形、柱形、条形、面包形、枕形、随机形或它们的组合。

碳-金属矿石颗粒可包括至少约0.1重量％至至多约50重量％的碳，诸如至少约1重量％至至多约10重量％的碳。在某些实施方案中，诸如所采用的那些与典型鼓风炉有关的实施方案，碳-金属矿石颗粒包含至少约3重量％至至多约6重量％的碳。

在某些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成。

碳-金属矿石粒料可包括添加剂，诸如粘结剂。粘结剂可包括无机膨润土、石灰石、淀粉、纤维素、木质素或丙烯酰胺。当木质素用作粘结剂(或作为一般添加剂)时，木质素可从与热解方法中所用的相同的生物质原料中获得。例如，起始生物质原料可以经受木质素提取步骤，去除一定量的木质素用作粘结剂。然后可将其余的固体进料到热解方法。

添加剂可包括助熔剂，诸如无机氯化物、无机氟化物或石灰。

在一些实施方案中，添加剂是酸、碱或盐或它们的衍生物。在一些实施方案中，添加剂是金属、金属氧化物、金属氢氧化物、金属卤化物或它们的组合或衍生物。添加剂可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氧化镁、溴化氢、氯化氢、硅酸钠、高锰酸钾、镁、锰、铝、镍、铬、硅、硼、铈、钼、磷、钨、钒、卤化铁、氯化铁、溴化铁、白云石、白云石石灰、氟石、萤石、膨润土、氧化钙、石灰或它们的组合或衍生物。

添加剂可在该方法的任一个或多个步骤之前、期间或之后添加，包括在收获原料之前或之后的任何时间添加到原料本身中。何时在该方法期间掺入添加剂将取决于期望产物。例如，衍生物可以是添加剂与原料的热解产物，其中添加剂在热解之前或期间添加。在此类实施方案中，衍生物是添加剂。存在添加剂在热解期间不与原料实质上反应的实施方案。

在化学还原中，“利用”热解废气化学还原金属氧化物是指在将金属氧化物(例如，Fe₃O₄)还原为对应的金属(例如，Fe)或较少还原的金属氧化物(例如，FeO比Fe₂O₃较少还原)的化学反应中，CO、H₂或CO和H₂两者与金属氧化物发生化学反应。利用热解废气化学还原金属氧化物还可以指利用包含在热解废气中的显热中的至少一些显热引起或允许吸热反应发生，无论是热力学地、动力学地还是两者。热的热解废气对于需要热的吸热反应是有用的。虽然不受理论约束，但热废气可以在添加到炉或反应器之前与另一流体进行热交换，在这种情况下CO或H₂得到化学利用，尽管反应热可从不同于热解废气的来源获得。在一些实施方案中，即使热解废气是热的，也处于比废气添加到其中的炉的反应区低的温度下。在此类实施方案中，废气本身可被认为是实际上被加热的，而不是提供热—炉的内容物将不会像冷气体添加时那样冷却，使得与常规方法相比，在相对低的总体能量使用下吸热化学仍然是有利的。

在一些实施方案中，化学还原直接利用热解废气的至少一部分。另选地或除此之外，化学还原可通过首先部分氧化热解废气，从而产生还原气体，然后利用该还原气体化学还原金属氧化物而间接利用该热解废气，该金属氧化物可包含在碳-金属矿石颗粒或碳-金属矿石粒料内。

在一些实施方案中，热由热解废气的部分氧化而不是完全氧化(燃烧)产生，从而产生包括CO或H₂的还原气体，而不是主要包括CO₂和H₂O的燃烧气体。热可用于提高热解的温度或用于其它加工用途。虽然部分氧化与完全氧化相比产生较少的热，但产生了较多的还原气体，这对于化学还原是有用的。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从生物源试剂或其一部分的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。还原气体可包含CO和H₂中的至少一者，并且通常包括合成气，该合成气是CO和H₂两者。其它组分诸如CH₄、CO₂和H₂O可存在于还原气体中。

在一些实施方案中，生物源试剂或其一部分包括在热解期间获得的重质烃，其中该重质烃被转化为还原气体中的至少一些还原气体。重质烃可以来源于热解废气或来源于残留在生物源试剂中的挥发性碳。重质烃可包括具有至少5个碳原子的烃(例如，正己烷或甲苯)。

在一些实施方案中，化学还原共同利用从轻质烃的气化、部分氧化或蒸汽重整获得的还原气体。轻质烃可以来源于热解废气，换句话讲，在热解期间获得。另选地或除此之外，可将轻质烃从进料转移至加热热解反应器的燃烧室。轻质烃可包括具有1至4个碳原子的烃(例如，甲烷或正丁烷)。

热解废气可包含至少1mol％的氢，诸如至少10mol％的氢。热解废气可包含至少1mol％的一氧化碳，诸如至少10mol％的一氧化碳。

还原气体可包含至少10mol％的氢，诸如至少15mol％、20mol％、25mol％、30mol％、35mol％、40mol％、45mol％或50mol％的氢。还原气体可包含至少10mol％的一氧化碳，诸如至少15mol％、20mol％、25mol％、30mol％、35mol％、40mol％、45mol％或50mol％的一氧化碳。

化学还原可以在金属矿石炉中进行，诸如鼓风炉、直接还原金属炉、平炉或其它类型的炉。另选地或除此之外，化学还原可在金属矿石炉的上游进行。

在一些实施方案中，化学还原利用由碳的燃烧或部分氧化产生的内部热。在这些或其它实施方案中，化学还原可利用由碳的燃烧或部分氧化单独产生的外部热。

该方法可协同定位于金属矿山、金属矿石加工厂或本身与金属矿石加工厂协同定位的金属矿山处。

在一些实施方案中，热解和化学还原在相同位置进行。在其它实施方案中，热解和化学还原在不同位置进行。

利用金属矿石炉或化学还原炉的实施方案

金属矿石炉或化学还原炉可以是鼓风炉、炉顶气再循环鼓风炉、竖炉、反射炉(也称为空气炉)、坩埚炉、马弗炉、有罐炉、闪速炉、Tecnored炉、Ausmelt炉、ISASMELT炉、搅炼炉、台车式炉、连续链式炉、推送式炉、转底式炉、步进式炉、电弧炉、感应电炉、碱性氧气炉、搅炼炉、酸性转炉、直接还原金属炉或它们的组合。

金属矿石炉或化学还原炉可以水平、垂直或倾斜布置。固体或流体(或液体或气体)的流动可以是并流或逆流。炉内的固体可以在固定床或流化床中。金属矿石炉或化学还原炉可以在各种温度、压力和停留时间的加工条件下操作。

一些实施方案利用鼓风炉。鼓风炉是一种用于熔炼以生产工业金属(诸如铁或铜)的冶金炉。鼓风炉用于熔炼铁矿石以生产生铁，生铁是用于生产商业铁和钢的中间材料。例如，鼓风炉也与烧结设备组合用于贱金属熔炼。

“鼓风炉”中的术语“鼓风”是指在大气压力以上被强制或供应的燃烧空气。在鼓风炉中，金属矿石、碳(例如，生物源试剂)和通常会有的助熔剂(例如，石灰石)通过炉的顶部连续地供应，同时一股热风(其可以富含氧)通过一系列称为风口的管道吹入到炉的下部中。当材料下落时，化学还原反应在整个炉中发生。最终产物通常是从底部得到的熔融金属和矿渣相，以及从炉的顶部排出的废气(还原废气)。与向上流动的热的富CO气体逆流接触的金属矿石与助熔剂的向下流动允许有效的化学反应以将金属矿石还原为金属。

空气炉(诸如反射炉)是自然吸气的，通常通过烟道中热气体的对流。根据这种广泛的定义，用于铁的锻铁炉、用于锡的鼓风房以及用于铅的熔炼厂将被分类为鼓风炉。

鼓风炉仍然是现代铁生产的重要部分。现代炉是高效的，包括用来自烟道气的废热对进入的鼓风进行预热的热风炉，以及从离开炉的热气体提取热的回收***。鼓风炉通常以高结构的形式建造，衬有耐火砖，并且其轮廓允许进料在下降期间加热时膨胀，并且随后随着熔融开始发生尺寸减小。

在有关铁生产的一些实施方案中，将包括可再生碳、铁矿石(氧化铁)和石灰石助熔剂的生物源试剂装入鼓风炉的顶部。鼓风炉可被构造成允许高一氧化碳含量的热的脏气体离开炉喉，而***阀可保护炉的顶部免受突然的气体压力冲击。废气中的粗微粒沉淀并可被处理，同时该气体可流过文丘里洗涤器或静电除尘器或气体冷却器以降低清洁气体的温度。位于炉的底部的铸造房包含用于铸造液态铁和矿渣的设备。可以通过耐火塞钻出出铁口，使得液态铁和矿渣通过开口向下流动到槽中，从而分离铁和矿渣。一旦得到生铁和矿渣，就可以用耐火粘土塞住出铁口。被称为风口的管嘴用于实施热鼓风以提高鼓风炉的效率。热鼓风通过靠近底部的冷却风口导入炉中。热鼓风温度可以是例如至少约900℃至至多约1300℃(空气温度)。鼓风炉内的温度可以是至少约2000℃。其它含碳材料或氧也可以在风口水平处添加到炉中以与碳(来自生物源试剂)组合以释放附加的能量并且增加存在的还原气体的百分比，这提高了生产能力。

鼓风炉基于化学还原的原理操作，由此与对应的金属相比对金属矿石(例如铁矿石)中的氧具有更强亲和力的一氧化碳将金属还原为其元素形式。鼓风炉与锻铁炉和反射炉的不同之处在于，在鼓风炉中，烟道气与矿石和金属直接接触，允许一氧化碳扩散到矿石中并且将金属氧化物还原为与碳混合的元素金属。鼓风炉通常作为连续、逆流交换方法操作。

通常从生铁中去除二氧化硅。二氧化硅与氧化钙反应并形成硅酸盐，硅酸盐作为矿渣漂浮在熔融生铁的表面上。金属矿石、助熔剂、碳和反应产物的向下移动塔必须足够多孔以使烟道气穿过。这要求生物源试剂碳在足够大的微粒中是可透过的。因此，生物源试剂(其可包括添加剂)必须足够强，使得生物源试剂不会被其上的材料的重量压碎。除硫、磷和灰分含量低之外，碳在物理上是强的。

鼓风炉的化学反应

鼓风炉中发生许多化学反应。该化学可参考赤铁矿(Fe₂O₃)作为起始金属氧化物来理解。这种形式的氧化铁在铁矿石加工中是常见的，无论是在初始原料中还是如鼓风炉内所产生的。其它形式的铁矿石(例如，铁燧岩)将具有各种浓度的不同铁氧化物(Fe₃O₄、Fe₂O₃、FeO等)。

在鼓风炉中生产熔融铁的一般化学反应是吸热反应：

Fe₂O₃+3CO→2Fe+3CO₂

该反应通过许多步骤发生，第一个是吹入炉中的预热的鼓风与碳(例如，来自生物源试剂)反应以产生一氧化碳和热：

2C+O₂→2CO

热一氧化碳是铁矿石的还原剂，并且与氧化铁反应产生熔融铁和二氧化碳。根据炉的不同部分中的温度(通常在底部最高)，铁在若干步骤中被还原。在温度通常为200℃至700℃的顶部，氧化铁被部分还原为氧化铁(II，III)，Fe₃O₄：

3Fe₂O₃+CO→2Fe₃O₄+CO₂

在约850℃的温度下，在炉中进一步向下，铁(II，III)被进一步还原为氧化铁(II)，FeO：

Fe₃O₄+CO→3FeO+CO₂

热二氧化碳、未反应的一氧化碳和来自空气的氮随着新鲜进料向下行进到反应区中而向上穿过炉。当材料向下行进时，逆流气体既预热进料又将石灰石(当采用时)分解为氧化钙和二氧化碳：

CaCO₃→CaO+CO₂

通过分解形成的氧化钙与铁中的各种酸性杂质(特别是二氧化硅)反应以形成主要是硅酸钙的矿渣，CaSiO₃：

SiO₂+CaO→CaSiO₃

当FeO向下移动到温度范围高达1200℃的较高温度区域时，FeO再次用一氧化碳作为反应物被进一步还原为铁金属：

FeO+CO→Fe+CO₂

在该方法中形成的二氧化碳可以通过与生物源试剂通过反向碳素溶解损失反应而转化回一氧化碳：

C+CO₂→2CO

在上述化学反应中，注意到一氧化碳可以另选地或附加地直接引入鼓风炉中，而不是碳氧化的原位产物。根据本公开，CO可以是引入炉中的热解废气。热解废气还可包含CO₂，其经由反向碳素溶解损失反应产生更多CO。

在常规鼓风炉中，没有可用于引起金属氧化物还原的氢。在本公开中，可将含氢的热解废气添加到鼓风炉中。另选地或除此之外，当生物源试剂包含与氢结合的挥发性碳(例如，重质焦油组分)时，氢可在进料到鼓风炉的生物源试剂内获得。氢可引起与上述那些反应类似的附加的还原反应，不同的是用H₂代替CO：

3Fe₂O₃+H₂→2Fe₃O₄+H₂O

Fe₃O₄+4H₂→3Fe+4H₂O

这些反应与使用CO的还原反应平行进行。在反向水煤气变换反应中，氢还可以与二氧化碳反应产生更多的CO。

由鼓风炉生产的“生铁”通常具有约3重量％至6重量％的相对高的碳含量。生铁可用于制造铸铁。由鼓风炉生产的生铁通常经过进一步加工以降低碳和硫含量并且生产商业上使用的各种等级的钢。在被称为碱性氧气炼钢的另一方法步骤中，通过将氧吹到液态生铁上来氧化碳以形成粗钢。

脱硫通常在将液态铁运输到炼钢厂期间通过添加氧化钙来进行，氧化钙与生铁中所包含的硫化铁反应以形成硫化钙。在一些实施方案中，脱硫还可以通过使金属硫化物与CO(来自热解废气)反应以形成金属和羰基硫化物(CSO)在炉内或在炉的下游进行。

其它类型的炉可采用其它化学反应。应当理解，在金属氧化物向金属的化学转化(在转化中采用碳或含碳气体(诸如CO))中，碳可以是可再生碳。本公开提供经由生物质的热解产生的生物源试剂中的可再生碳。在某些实施方案中，炉中利用的一些碳不是可再生碳。在各种实施方案中，在金属矿石炉中消耗的总碳中，可再生的碳的百分比可为至少约20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、99％或100％。

在一些实施方案中，利用Tecnored炉或其修改型。Tecnored方法最初由巴西的Tecnored Desenvolvimento Tecnológico S.A.开发，并且基于低压移动床还原炉，其还原冷粘结的、含碳的、自熔的和自还原的粒料。在短高度竖炉中在典型的还原温度下进行还原。该方法高效地生产热金属(通常是液态铁)。

Tecnored技术被开发为无焦炭的炼铁方法，因此除了显著减少在热金属生产中的温室气体排放之外，还避免了对环境有害的炼焦炉的投资和操作。Tecnored方法使用热鼓风和冷鼓风的组合并且不需要额外的氧。它消除了对焦炭工厂、烧结工厂和工业用氧工厂的需要。从而，该方法具有比传统炼铁路线低得多的操作和投资成本。

在本公开中，Tecnored方法可适于以各种方式与生物源试剂一起使用。一些实施方案提供冷粘结、自还原的凝聚物(例如，粒料或压块)，其由铁矿石小颗粒或含铁残余物加上生物源试剂产生。将与助熔剂和粘合剂混合的这些材料凝聚以及热固化，产生具有足够强度以满足Tecnored方法的物理和冶金要求的压块/粒料。然后将产生的凝聚物在Tecnored炉中熔炼。用于Tecnored炉的燃料本身也可以是高碳生物源试剂。

通过在压块内将氧化铁和还原剂的细小微粒混合，氧化物与还原剂接触的表面积以及随之而来的反应动力学都显著增加。自还原压块可设计成包含足够的还原剂以允许所包含的含铁进料的完全还原。在一些实施方案中，使用助熔剂以提供期望的矿渣化学性质。自还原压块在进料到炉中之前在低温下固化。驱动自还原压块内的反应所需的热由固体燃料床提供，该固体燃料床也可以是压块的形式，自还原压块被进料到炉内的固体燃料床上。

Tecnored炉具有三个区：(i)上部竖井区；(ii)熔融区；和(iii)下部竖井区。在上部竖井区中装入固体燃料(生物源试剂)。在该区中，防止了碳素溶解损失反应(C+CO₂→2CO)，这节省了能量。在炉的该区中的后燃烧燃烧CO，其提供用于预热和还原装料的能量。在粒料内部，以下反应以非常快的速率发生：

Fe_xO_y+yCO→xFe+yCO₂

yCO₂+yC＝2yCO

其中x为1至典型地5并且y为1至典型地7。

在熔融区中，由于装料中的还原气氛而防止再氧化。装料的熔融在还原气氛下进行。在下部竖井区中装入固体燃料。固体燃料可包括高碳生物源试剂或基本上由高碳生物源试剂组成。在该区中，残余铁氧化物的进一步还原以及脉石材料和燃料灰分的矿渣反应在液体状态下发生。此外，也发生金属和矿渣液滴的过热。这些过热金属和矿渣液滴由于重力下沉到炉床并在那里聚积。

这种修改的Tecnored方法采用两种不同的碳单元输入，即还原剂和固体燃料。还原剂通常是煤小颗粒，但在本公开中，还原剂是或包括碳小颗粒形式的生物源试剂。将生物源试剂加入混合物中，由该混合物产生自还原凝聚物(粒料或压块)。所需的碳小颗粒的量由C/F(碳比矿石小颗粒)比率确定，可选择C/F比率以实现金属氧化物的完全还原。

固体燃料(生物源试剂)不需要是小颗粒的形式。例如，固体燃料可以是团块形式，诸如尺寸为约40nm至80mm，以处理Tecnored方法中固体燃料所需的物理和热需求。固体燃料通过侧进料器进料(以避免上部竖井中的吸热碳素溶解损失反应)并且提供该方法所需的大部分能量。该能量由初级鼓风(C+O₂→CO₂)和次级鼓风形成，其中通过固体燃料的气化在炉床处产生的上游CO被燃烧(2CO+O₂→2CO₂)。

在某些示例性实施方案中，修改的Tecnored方法包括使用水泥作为粘结剂将尺寸小于140目的铁矿石小颗粒、尺寸小于200目的生物源试剂小颗粒和尺寸小于140目的助熔剂(诸如熟石灰)制粒。将粒料固化并在200℃下干燥，然后将它们进料到Tecnored炉的顶部。装料在炉中的总停留时间为约30分钟至40分钟。使用侧进料器将尺寸范围为40mm至80mm的固体燃料形式的生物源试剂进料至热粒料区域下方的炉中。通过位于炉侧面的风口吹入1150℃左右的热鼓风以提供用于生物源碳的燃烧空气。使少量炉内气体流过侧进料器以用于固体燃料的干燥和预热。在较高点吹入冷鼓风，以促进上部竖井中CO的后燃烧。将所生产的热金属送到钢包车上的钢包中，该钢包车可以倾斜钢包以进行除渣。液态铁可以在钢包中脱硫，并且矿渣可以被耙入矿渣罐中。热金属通常包含约3重量％至5重量％的碳。

通常，外部CO或H₂在使用Tecnored炉的自还原过程中不扮演重要角色。然而，在本公开的上下文中，外部CO或H₂(例如，来自热解废气)可通过增加上述反应(Fe_xO_y+yCO→xFe+yCO₂)中或者在氢作为反应物的反应(Fe_xO_y+yH₂→xFe+yH₂O)中铁氧化物的速率或转化率来协助整个化学过程。还原化学可至少在粒料或压块的表面处被协助，并且因为热一氧化碳的质量传递是快速的，可能在粒料或压块的本体相内被协助。在需要完全自还原粒料或压块的一些实施方案中，不引入外部CO、H₂或合成气。本公开的一些实施方案将鼓风炉的各方面与Tecnored炉的各方面组合，使得除在炉内使用热解废气之外，还利用自还原粒料或压块。

如前所述，存在用于金属矿石加工的大量可能的炉构造。本说明书将不详细描述可在所有可能的炉中发生的各种条件和化学，但本领域技术人员将理解，本公开的原理可应用于在由金属矿石制造金属的方法中的某处使用碳的基本上任何炉或方法。

还将观察到一些方法利用固体碳，一些方法利用气态一氧化碳，并且一些方法利用固体碳和气态一氧化碳两者。如本文所述，本文提供的热解方法产生固体碳(生物源试剂)以及至少包含一氧化碳的热解废气。在一些实施方案中，在金属矿石转化方法中仅采用固体生物源试剂。在其它实施方案中，在金属矿石转化方法中仅采用热解废气。在其它实施方案中，固体生物源试剂和热解废气都用于金属矿石转化方法。在采用两种可再生碳源的这些实施方案中，在来自固体生物源试剂的金属矿石转化中总碳使用的百分比可为约、至少约或至多约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或100％。其它碳用量可来自热解废气。另选地，其它碳用量的一些或全部碳用量可来自常规碳输入，诸如煤小颗粒。

方法、***和方法的组合物

本文还公开了根据本文所公开的方法生产的组合物。例如，用于还原金属矿石的方法；用于处理金属矿石的方法；用于生产碳-金属矿石粒料的方法；用于生产金属块的方法；和用于由金属矿石生产金属的方法。

本文公开了用于还原金属矿石的组合物，该组合物包含碳-金属矿石颗粒，其中按无水和无灰计，该碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的固定碳，并且其中该固定碳为至少50％可再生碳，如由该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量所确定。

本文公开了用于还原金属矿石的另外的组合物，该组合物包含碳-金属矿石颗粒，其中按无水和无灰计，该碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的总碳，并且其中该总碳为至少50％可再生碳，如由该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量所确定。

在一些实施方案中，固定碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量利用ASTM D6866。

该金属矿石可选自铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。例如，金属矿石可以是铁矿石，诸如选自赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、铁燧岩或它们的组合中的一者。在某些实施方案中，该金属矿石是铜矿石和镍矿石的组合。

该组合物可以是选自例如小颗粒、团块、粒料、块或它们的组合的物体形式。

在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约0.5重量％至至多约25重量％的固定碳。在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约15重量％的固定碳。在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约2重量％至至多约10重量％的固定碳。在一些实施方案中，按无水和无灰计，碳-金属矿石颗粒包含至少约3重量％至至多约6重量％的固定碳。

在一些实施方案中，固定碳为至少90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％可再生碳，如由测量该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率所确定。

在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由固定碳和金属矿石组成。在一些实施方案中，碳-金属矿石粒料基本上由碳和金属矿石组成，其中该碳包括固定碳；该碳还可包括挥发性碳。

该碳-金属矿石粒料可包括添加剂，诸如粘结剂。粘结剂可包括无机膨润土、石灰石、淀粉、木质素、纤维素、丙烯酰胺或它们的组合。

在一些实施方案中，固定碳的特征在于至少约400m²/g的BET表面积，诸如至少约800m²/g的BET表面积。

在一些实施方案中，固定碳的特征在于至少约0.5cm³/g的中孔体积，诸如至少约1cm³/g的中孔体积。

热解方法和***

现在将进一步详细描述适于热解生物质原料以产生包含碳的生物源试剂的方法和***。这些方法和***可与金属矿石采矿或金属矿石加工的位置协同定位，但本公开不限于这种协同定位。

可在热解期间发生的示例性变化包括以下项中的任一者：(i)来自热源的热传递提高原料内部的温度；(ii)在该较高温度下引发初级热解反应释放挥发物并形成炭；(iii)热挥发物向较冷固体的流动导致热挥发物和较冷未热解原料之间的热传递；(iv)使原料的较冷部分中的挥发物中的一些挥发物冷凝，随后进行次级反应，可产生焦油；(v)自催化次级热解反应进行，而初级热解反应同时竞争发生；并且(vi)还可发生进一步的热分解、重整、水煤气变换反应、自由基重组或脱水，它们是停留时间、温度和压力分布的函数。

热解可使起始原料(例如，木质纤维素生物质)至少部分地脱水。在各种实施方案中，热解从起始原料中去除大于约50％、75％、90％、95％、99％或更多的水。

在一些实施方案中，多个反应器区以优化碳产率和来自热解的产物质量，同时保持对于原料变型形式和产物要求的灵活性和可调节性的方式设计和操作。

在一些非限制性实施方案中，优选选择温度和停留时间以实现相对缓慢的热解化学。益处潜在地是包含在生物质结构中的细胞壁的大量保存，这意味着最终产物可保留起始生物质的一些、大多数或所有形状和强度。为了使这种潜在益处最大化，优选利用不会机械破坏细胞壁或以其它方式将生物质微粒转化为小的小颗粒的设备。某些反应器构造在下文的方法描述之后讨论。

另外，如果原料是经研磨或定尺寸的原料，诸如木屑或粒料，则可期望对原料进行仔细研磨或定尺寸。小心的初始处理将倾向于保持天然原料源(例如，树)中存在的强度和细胞壁完整性。当最终产物应保留起始生物质的一些、大多数或所有形状和强度时，这也可能是重要的。

在一些实施方案中，热解反应器的第一区被构造成用于以不“冲击”生物质的方式进料生物质(或另一含碳原料)，“冲击”生物质将使细胞壁破裂并引发固相快速分解成蒸汽和气体。该第一区可被认为是温和热解。

在一些实施方案中，热解反应器的第二区被构造成能够作为初级反应区，其中预热的生物质经历热解化学以释放气体和可冷凝蒸汽，留下大量的作为高碳反应中间体的固体材料。生物质组分(主要是纤维素、半纤维素和木质素)分解并产生蒸汽，这些蒸汽通过穿过孔或产生新的纳米孔而逸出。后一种效应有助于产生孔隙度和表面积。

在一些实施方案中，热解反应器的第三区被构造成用于接收高碳反应中间体并将固体冷却至一定程度。通常，第三区的温度将低于第二区的温度。在第三区中，化学和质量运输可令人惊讶地复杂。不受任何特定理论或提出的机制的限制，据信次级反应可在第三区中发生。基本而言，气相中的含碳组分可分解形成另外的固定碳或吸附到碳上。因此，尽管在一些实施方案中，最终含碳材料是加工步骤的固体、脱挥发分的残余物，但存在其它实施方案，其中最终含碳材料进一步包含从气相沉积的另外的碳，诸如通过分解形成碳的有机蒸汽(例如，焦油)。

某些实施方案通过包括单独的单元来扩展另外的碳形成的概念，其中冷却的碳经受包括含碳物质的环境，以提高最终产物的碳含量。当该单元的温度低于热解温度时，预期另外的碳为吸附的含碳物质的形式，而不是另外的固定碳。

关于存在于任何特定区中的一个或多个相的中间输入和输出(吹扫或探测)流、各种质量和能量再循环方案、可在方法中的任何地方引入的各种添加剂、包括反应和分离条件两者的加工条件的可调节性以定制产物分布等，存在大量选择。区特定的输入和输出流使得能够进行良好的加工监测和控制，诸如通过FTIR采样和动态加工调节。

一些实施方案不采用快速热解，并且一些实施方案不采用缓慢热解。从所公开的方法和***可获得令人惊讶的高质量碳材料，包括具有非常高比例的固定碳的组合物。

在一些实施方案中，用于生产高碳生物源试剂的热解方法包括：

提供包含生物质的含碳原料；

在基本上惰性气相的存在下并且以选自至少约250℃至至多约700℃的温度，将原料热解至少10分钟，从而产生热的热解固体、可冷凝蒸汽和不可冷凝气体；

从热的热解固体中分离可冷凝蒸汽和不可冷凝气体；

冷却热的热解固体，从而产生冷却的热解固体；以及

回收包含冷却的热解固体的至少一部分的高碳生物源试剂。

该方法还可包括在热解之前干燥原料，从而去除包含在原料中的水分。该方法还可包括在热解之前使原料脱气，从而去除包含在原料中的间隙氧。

生物质包括例如植物和植物来源的材料、植被、农业废料、林业废料、木材废料、纸废料、动物来源的废料、家禽来源的废料和城市固体废料。在利用生物质的各种实施方案中，生物质原料可包括选自以下项的一种或多种材料：木材采伐残渣、软木块、硬木块、树枝、树桩、节、叶、树皮、锯末、不合格纸浆、纤维素、玉米、玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、甘蔗渣、柳枝稷、芒草、动物粪肥、市政垃圾、市政污水、商业垃圾、葡萄果渣、杏仁壳、美洲山核桃壳、椰子壳、咖啡渣、草团、干草团、木团、硬纸板、纸材、碳水化合物、塑料或布。本领域普通技术人员将容易理解，原料选择实际上是无限的。

本文的方法还可用于生物质以外的含碳原料，诸如化石燃料(例如，煤或石油焦炭)，或生物质与化石燃料的任何混合物(诸如生物质/煤共混物)。本文所述的任何方法、设备或***可与任何含碳原料一起使用。虽然化石燃料不是“生物质”、非生物质或非生物源的，但原料可用于这些方法中。然而，利用非生物质或非生物源，原料将不会产生期望的生物源产物。原料可包括废轮胎、再循环塑料、再循环纸、建筑废料、解构废料和其它废料或再循环材料。含碳原料可通过任何已知的手段运输，诸如通过卡车、火车、轮船、驳船、拖拉机拖车或任何其它车辆或输送手段。

特定原料的选择可以有利于经济方法的方式进行。通常，不管所选择的原料如何，可(在一些实施方案中)进行筛选以去除不期望的材料。

所采用的原料可被提供或加工成各种粒度或形状。例如，进料可以是细小粉末，或细小微粒和粗微粒的混合物。进料可以是大块材料的形式，诸如木屑或其它形式的木材(例如，圆形、圆柱形、正方形等)。在一些实施方案中，进料包含粒料或其它聚集形式的微粒，其已被压制在一起或以其它方式粘结，诸如用粘结剂粘结。

尺寸减小可能是昂贵且能量密集型方法。热解材料可用显著更少的能量输入来定尺寸—即，可优选减小产物的粒度，而不是原料的粒度。这是本公开中是一种选择，因为该方法不需要细小起始材料，并且在加工期间不一定存在任何显著的粒径减小。加工非常大块的原料的能力是本公开的显著经济优点。值得注意的是，高碳产物的一些商业应用需要大尺寸(例如，在厘米的量级)，使得在一些实施方案中，供给、生产和销售大块。

当需要生产具有结构完整性的最终含碳生物源试剂时，诸如以圆柱体的形式，可收集由该方法生产的材料，然后进一步机械加工成期望的形式。例如，可将产物与粘结剂一起压制或制粒。另选地或除此之外，可使用通常具有最终产物期望尺寸或形状的进料，并且可采用不破坏进料基本结构的加工步骤。在一些实施方案中，进料和产物具有类似的几何形状，诸如球体、圆柱体或立方体。

当产物强度重要时，在整个方法中保持进料的近似尺寸的能力是有益的。此外，这避免了将高固定碳材料制粒的困难和成本。

应当理解，起始进料可具有一定范围的水分含量。在一些实施方案中，进料可已经足够干燥，使得其不需要在热解之前进一步干燥。通常，期望的是利用通常包含水分的生物质的商业来源，并且在将生物质引入到热解反应器之前将其进料通过干燥步骤。然而，在一些实施方案中，可使用干燥的原料。

期望在热解反应器中提供低氧环境，诸如在气相中约或至多约10mol％、5mol％、4mol％、3mol％、2mol％、1.5mol％、1mol％、0.5mol％、0.2mol％、0.1mol％、0.05mol％、0.02mol％或0.01mol％O₂。首先，出于安全原因，在热解反应器中应避免不受控制的燃烧。可发生一定量的总碳氧化成CO₂，并且从放热氧化释放的热可帮助吸热的热解化学。例如，大量的碳氧化，包括部分氧化成合成气，将降低碳向固体的产率。

实际上来说，难以在反应器中实现严格的无氧环境。然而，可接近该极限，并且在一些实施方案中，反应器基本上不含气相中的分子氧。为了确保很少或没有氧存在于热解反应器中，在将进料引入反应器之前将间隙空气从进料中去除。存在多种方式来去除或减少原料中的空气。

在一些实施方案中，利用脱气单元，其中在干燥之前或之后，在另一种气体的存在下输送原料，该另一种气体可去除吸附的氧并渗透原料孔以从孔中去除氧。基本上具有低于21vol％O₂的任何气体都可以不同的效率使用。在一些实施方案中，采用氮气。在一些实施方案中，采用CO或CO₂。可使用混合物，诸如氮和少量氧的混合物。蒸汽可存在于脱气气体中，但应避免将大量的水分添加回进料中。来自脱气单元的流出物可被吹扫(至大气或至排放处理单元)或再循环。

原则上，来自脱气单元的流出物(或其一部分)可引入到热解反应器本身中，因为从固体中去除的氧现在将被高度稀释。在该实施方案中，当反应器以逆流构造操作时，可有利地将脱气流出物气体引入反应器的最后区。

可采用各种类型的脱气单元。如果要对其进行干燥，则优选干燥然后脱气，因为从存在的水分中净化掉可溶性氧可能是低效的。在某些实施方案中，将干燥和脱气步骤组合到单个单元中，或在干燥期间实现一定量的脱气等。

将干燥和脱气的进料引入热解反应器或者串联或并联的多个反应器中。可使用任何已知的装置引入进料，包括例如螺旋进料器或闭锁式料斗。在一些实施方案中，材料进料***包括气刀。

当使用单个反应器时，优选存在多个区。多个区，诸如两个、三个、四个或更多个区，可允许分别控制温度、固体停留时间、气体停留时间、气体组成、流动模式或压力，以便调节总体加工性能。

对“区”的引用应被广义地解释为包括单个物理单元、物理分离单元或它们的任何组合内的空间区域。对于连续反应器，区的划分可与结构关联，诸如反应器内存在的条板或向分离的区提供热的不同的加热元件。另选地或除此之外，连续反应器中区的划分可与功能关联，诸如不同的温度、流体流动模式、固体流动模式、反应程度等。在单批反应器中，“区”是时间上而非空间上的操作方案。也可使用多个分批反应器。

应当理解，从一个区到另一个区不一定存在突然过渡部分。例如，预热区和热解区之间的边界某种程度上可以是任意的；一些量的热解可以在预热区的一部分中发生，并且一些量的“预热”可以在热解区中继续发生。反应器中的温度分布通常是连续的，包括在反应器内的区边界处。

一些实施方案采用在预热或温和热解条件下操作的第一区。第一区的温度可选自约150℃至约500℃，诸如约300℃至约400℃。第一区的温度优选不高到冲击生物质材料，这使细胞壁破裂并引发固相快速分解成蒸汽和气体。

在本说明书中提及的区温度应以非限制性方式解释为包括可应用于存在的本体固体、或气相、或反应器壁(在加工方面)的温度。应当理解，在轴向和径向上以及在时间上(即，在启动之后或由于瞬变)，在每个区中将存在温度梯度。因此，对区温度的参考可以是对平均温度或可影响实际动力学的其它有效温度的参考。温度可通过热电偶或其它温度探针直接测量，或通过其它手段间接测量或估计。

第二区，或通常初级热解区，在热解或碳化条件下操作。第二区的温度可选自约250℃至约700℃，诸如约、或至少约、或至多约300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃或650℃。在该区内，预热的生物质经历热解化学以释放气体和可冷凝蒸汽，留下大量的固体材料作为高碳反应中间体。生物质组分(主要是纤维素、半纤维素和木质素)分解并产生蒸汽，这些蒸汽通过穿过孔或产生新的孔而逸出。优选的温度将至少取决于第二区的停留时间，以及原料的性质和期望的产物性质。

操作第三区或冷却区以将高碳反应中间体冷却至不同程度。至少，第三区的温度应低于第二区的温度。第三区的温度可选自约100℃至约550℃，诸如约150℃至约350℃。

在冷却区中可继续发生化学反应。不受任何特定理论的限制，据信次级热解反应可在第三区中引发。气相中的含碳组分可冷凝(由于第三区的所降低的温度)。然而，温度保持足够高以促进可由冷凝液体形成另外固定碳(次级热解)或至少在吸附物质和固定碳之间形成键的反应。可发生的一个示例性反应是用于将一氧化碳转化为二氧化碳加上固定碳的碳素溶解损失反应。

反应器区的停留时间可变化。存在时间和温度的相互影响，使得对于期望量的热解，较高的温度可允许较低的反应时间，并且反之亦然。在连续反应器(区)中的停留时间是体积除以体积流量。在分批反应器中的停留时间是加热至反应温度之后的分批反应时间。

应当认识到，在多相反应器中，存在多个停留时间。在本上下文中，在每个区中，将存在固相和气相两者的停留时间(和停留时间分布)。对于采用多个区的给定设备，并且具有给定吞吐量，穿过这些区的停留时间将通常在固体方面是耦合的，但是当在各个区中利用多个入口和出口时，停留时间可在蒸汽方面不耦合。固体和蒸汽停留时间是不耦合的。

预热区的固体停留时间可选自约5min至约60min，诸如约10min、20min、30min、40min或50min。根据温度，需要足够的时间以允许生物质达到期望的预热温度。取决于微粒类型和尺寸、物理设备和加热参数的传热速率将决定使固体达到期望预热温度所必需的最小停留时间。另外的时间可能是不期望的，因为其将导致更高的资金成本，除非在预热区中预期一定量的温和热解。

热解区的固体停留时间可选自约10min至约120min，诸如约20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min或100min。取决于该区中的热解温度，在必要的热传递之后，应该存在足够的时间允许碳化化学发生。对于低于约10min的时间，为了去除大量的非碳元素，温度需要相当高，诸如高于700℃。该温度将促进快速热解及其产生来源于碳本身的蒸汽和气体，当预期产物是固体碳时这是要避免的。

在静态***中，将存在可在某一时间基本上达到的平衡转化。如在某些实施方案中，当蒸汽连续流过固体并连续去除挥发物时，可去除平衡约束以允许继续热解和脱挥发分直至反应速率接近零。较长的时间不会倾向于实质上改变剩余的顽固固体。

冷却区的固体停留时间可选自约5min至约60min，诸如约10min、20min、30min、40min或50min。取决于该区中的冷却温度，应该存在足够的时间允许碳固体冷却至期望的温度。冷却速率和温度将决定使碳冷却所必需的最小停留时间。另外的时间可能是不期望的，除非期望一定量的次级热解。

如上所述，蒸汽相的停留时间可单独选择和控制。预热区的蒸汽停留时间可选自约0.1min至约15min，诸如约0.5min、1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min或10min。热解区的蒸汽停留时间可选自约0.1min至约20min，诸如约0.5min、1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min或15min。冷却区的蒸汽停留时间可选自约0.1min至约15min，诸如约0.5min、1min、2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min或10min。短的蒸汽停留时间促进挥发物快速清除出***，而较长的蒸汽停留时间促进蒸汽相中的组分与固相的反应。

反应器和总体***的操作模式可以是连续的、半连续的、分批的或这些的任何组合或变型形式。在一些实施方案中，反应器是连续的逆流反应器，其中固体和蒸汽基本上以相反方向流动。该反应器还可分批操作，但是具有模拟的蒸汽逆流流动，诸如通过周期性地引入和从该分批容器中去除气相。

可期望或观察到各种流动模式。在化学反应和同时分离涉及多个反应器区中的多个相的情况下，流体动力学可能相当复杂。通常，固体的流动可接近活塞流(在径向维度上充分混合)，而蒸汽的流动可接近完全混合流动(在径向和轴向两个维度上快速运输)。蒸汽的多个入口和出口可有助于总体混合。

每个区中的压力可单独选择和控制。每个区的压力可独立地选自约1kPa至约3000kPa，诸如约101.3kPa(正常大气压)。当使用多个气体入口和出口时，压力的独立区域控制是可能的，包括当期望区压力小于大气压时抽出气体的真空口。

在一些实施方案中，该方法可方便地在大气压下操作。在大气压下操作存在许多优点，范围从机械简单性到增强的安全性。在某些实施方案中，热解区在约90kPa、95kPa、100kPa、101kPa、102kPa、105kPa或110kPa(绝对压力)的压力下操作。

真空操作(例如，10kPa至100kPa)将促进挥发物快速清除出***。当将废气进料到高压操作时，较高的压力(例如100kPa至1000kPa)可能是有用的。升高的压力也可用于促进热传递、化学或分离。

从热的热解固体中分离可冷凝蒸汽的至少一部分和不可冷凝气体的至少一部分的步骤可在反应器本身中完成，或使用不同的分离单元完成。可将基本惰性的吹扫气体引入一个或多个区域中。然后将可冷凝蒸汽和不可冷凝气体从吹扫气体中的区带走，并带出反应器。

例如，吹扫气体可以是N₂、Ar、CO、CO₂、H₂、H₂O、CH₄、其它轻质烃或它们的组合。吹扫气体可在引入之前首先被预热，或者如果它是从加热源获得的话可能会被冷却。

通过在挥发性组分冷凝或进一步反应之前使它们离开***，吹扫气体更彻底地去除了挥发性组分。吹扫气体允许挥发物以比仅由给定加工温度下的挥发所获得的速率更高的速率被去除。或者，使用吹扫气体允许使用较温和的温度来去除一定量的挥发物。吹扫气体改善挥发物去除的原因在于，分离机制不仅仅是相对挥发性，而是由吹扫气体辅助的液/气相分离。吹扫气体既可降低挥发的质量传递限制，也可通过连续消耗给定的挥发性物质来降低热力学限制，以使更多的挥发性物质蒸发以达到热力学平衡。

一些实施方案从随后的加工阶段去除负载有挥发性有机碳的气体，以便生产具有高固定碳的产物。在不去除的情况下，挥发性碳可吸附或吸收到热解固体上，从而需要另外的能量(成本)以实现可期望的更纯形式的碳。通过快速去除蒸汽，还推测可提高热解固体中的孔隙度。较高的孔隙度对于一些产物是期望的。

在某些实施方案中，吹扫气体与相对低的加工压力(诸如大气压)一起提供快速的蒸汽去除，而不需要大量的惰性气体。

在一些实施方案中，吹扫气体与原料的流动方向逆流流动。在其它实施方案中，吹扫气体与原料的流动方向并流流动。在一些实施方案中，固体的流动模式接近活塞流，而吹扫气体和气相的流动模式通常在一个或多个区中接近完全混合流动。

吹扫可在反应器区中的任一个或多个反应器区中进行。在一些实施方案中，将吹扫气体引入冷却区中并从冷却或热解区中提取(与产生的挥发物一起)。在一些实施方案中，将吹扫气体引入热解区中并从热解或预热区中提取。在一些实施方案中，将吹扫气体引入预热区中并从热解区中提取。在这些或其它实施方案中，可将吹扫气体引入预热区、热解区和冷却区的每一者中，也可从各区中提取。

在一些实施方案中，其中进行分离的一个或多个区是与反应器物理分离的单元。如果需要，分离单元或区可设置在反应器区之间。例如，可在热解单元和冷却单元之间放置分离单元。

吹扫气体可连续引入，特别是当固体流动连续时。当热解反应作为分批加工操作时，可在一定量的时间之后或周期性地引入吹扫气体以去除挥发物。即使当连续操作热解反应时，也可半连续地或周期性地引入吹扫气体，如果需要，用合适的阀和控制器。

含挥发物的吹扫气体可从该一个或多个反应器区排出，并且如果从多个区获得，则可组合。然后可将含有各种蒸汽的所得气体流进料到热氧化器中以控制空气排放。可使用任何已知的热氧化单元。在一些实施方案中，向热氧化器进料天然气和空气，以达到足以基本破坏其中所包含的挥发物的温度。

热氧化器的流出物将是包含水、二氧化碳和氮气的热气体流。如果需要，该流出物流可直接吹扫至空气排放物中。优选地，诸如在废热回收单元中回收热氧化器流出物的能量含量。还可通过与另一流(诸如吹扫气体)的热交换来回收能量含量。能量含量可通过直接或间接加热或辅助加热该方法中别处的单元诸如干燥器或反应器来利用。在一些实施方案中，基本上所有热氧化器流出物都用于干燥器的间接加热(公用方面)。热氧化器可采用除天然气之外的其它燃料。

含碳材料的产率可变化，这取决于上述因素，包括原料类型和加工条件。在一些实施方案中，作为起始原料的百分比的固体净收率(按干基记)为至少25％、30％、35％、40％、45％、50％或更高。其余物将在可冷凝蒸汽(诸如萜烯、焦油、醇、酸、醛或酮；)和不可冷凝气体(诸如一氧化碳、氢、二氧化碳、甲烷)之间分离。可冷凝蒸汽与不可冷凝气体相比的相对量也将取决于加工条件，包括存在的水。

就碳平衡而言，在一些实施方案中，作为原料中起始碳的百分比，碳的净收率为至少25％、30％、40％、50％、60％、65％、70％、75％、80％或更高。例如，在一些实施方案中，含碳材料包含起始原料中所包含的碳的约40％和约70％。剩余的碳导致不同程度的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、轻质烃、芳族化合物、焦油、萜烯、醇、酸、醛或酮的形成。

在另选地的实施方案中，将这些化合物的一些部分与富碳固体组合以富集产物的碳和能量含量。在这些实施方案中，来自反应器的包含各种蒸汽的所得气体流中的一些或全部可被冷凝(至少部分冷凝)，然后经过来源于冷却区或来自单独冷却单元的冷却的热解固体。下文更详细地描述了这些实施方案。

在冷却区(如果存在的话)内的反应和冷却之后，可将含碳固体引入不同的冷却单元中。在一些实施方案中，收集固体并简单地使其以缓慢速率冷却。如果含碳固体在空气中是反应性的或不稳定的，则可期望保持惰性气氛或将固体快速冷却至例如小于40℃的温度，诸如环境温度。在一些实施方案中，采用水淬来急冷。在一些实施方案中，采用流化床冷却器。“冷却单元”应广义地解释为还包括容器、罐、管道或它们的部分。

在一些实施方案中，该方法还包括操作冷却单元以用蒸汽冷却温热的热解固体，从而产生冷的热解固体和过热蒸汽；其中干燥至少部分用来源于冷却单元的过热蒸汽进行。任选地，可操作冷却单元以首先用蒸汽冷却温热的热解固体以达到第一冷却单元温度，然后用空气冷却以达到第二冷却单元温度，其中第二冷却单元温度低于第一冷却单元温度并且与在空气的存在下温热的热解固体的降低的燃烧风险相关。

在冷却至环境条件之后，含碳固体可被回收和储存、输送至另一个位置操作、运输至另一个位置、或以其它方式处理、交易或出售。可将固体进料到单元以减小粒度。多种粉碎单元是本领域已知的，包括压碎机、切碎机、研磨机、粉碎机、喷射磨机、针磨机和球磨机。

可包括筛选或用于基于粒度分离的一些其它手段。如果存在的话，研磨可以是研磨的上游或下游。筛选的材料的一部分(例如，大块)可返回到研磨单元。小微粒和大微粒可被回收用于单独的下游用途。在一些实施方案中，将冷却的热解固体研磨成细小粉末，诸如粉碎的碳或活性炭产物。

可在本文公开的任何步骤之前、期间或之后在整个方法中引入各种添加剂。添加剂可大致分类为加工添加剂，这些加工添加剂经选择以改善加工性能，诸如碳产率或热解时间/温度，以实现期望的碳纯度；和产物添加剂，这些产物添加剂经选择以改善高碳生物源试剂或并入该试剂的下游产物的一种或多种性质。某些添加剂可提供增强的加工和产物(生物源试剂或含有生物源试剂的产物)特性。

添加剂可在该方法的任一个或多个步骤之前、期间或之后添加，包括在收获原料之前或之后的任何时间添加到原料本身中。添加剂处理可在原料定尺寸、干燥或其它制备之前、期间或之后并入。可在原料供应设备、运输卡车、卸货设备、储存箱、输送机(包括开放或封闭输送机)、干燥器、加工加热器或任何其它单元处或其上掺入添加剂。使用合适的引入添加剂的手段，添加剂可在热解方法本身的任何地方添加。如果需要，可在碳化之后或甚至在粉碎之后添加添加剂。

在一些实施方案中，添加剂是金属、金属氧化物、金属氢氧化物或它们的组合。例如，添加剂可选自但决不限于镁、锰、铝、镍、铬、硅、硼、铈、钼、磷、钨、钒、氯化铁、溴化铁、氧化镁、白云石、白云石石灰、萤石、氟石、膨润土、氧化钙、石灰或它们的组合。

在一些实施方案中，添加剂是酸、碱或其盐。例如，添加剂可选自但决不限于氢氧化钠、氢氧化钾、氧化镁、溴化氢、氯化氢、硅酸钠、高锰酸钾或它们的组合。

在一些实施方案中，添加剂是金属卤化物。金属卤化物是指金属和卤素(氟、氯、溴、碘、砹)之间的化合物。卤素可与金属形成许多化合物。金属卤化物通常通过直接组合获得，或者更通常地，用氢卤酸中和碱性金属盐获得。在一些实施方案中，添加剂是氯化铁(FeCl₂或FeCl₃)、溴化铁(FeBr₂或FeBr₃)或它们的水合物，以及它们的任何组合。

添加剂可产生具有较高能量含量(能量密度)的最终产物。能量含量的增加可由总碳、固定碳、挥发性碳或甚至氢的增加引起。另选地或除此之外，能量含量的增加可由不可燃物质或具有比碳低的能量密度的材料的去除引起。在一些实施方案中，添加剂降低了液体形成的程度，有利于固体和气体形成，或有利于固体形成。

不限于任何特定假设，添加剂可在热解之前化学改性起始生物质或经处理的生物质，以减少细胞壁的破裂从而获得更高的强度/完整性。在一些实施方案中，添加剂可在热解之前增加生物质原料的固定碳含量。

添加剂可产生具有改善的机械性质的生物源试剂，诸如屈服强度、压缩强度、拉伸强度、疲劳强度、冲击强度、弹性模量、体积模量或剪切模量。添加剂可通过简单地存在(例如，添加剂本身赋予混合物强度)或由于在添加剂相内或在所得混合物内发生的一些转化而改善机械性质。例如，反应诸如玻璃化可在包括添加剂的生物源试剂的一部分内发生，从而改善最终强度。

化学添加剂可应用于湿生物质原料或干生物质原料。添加剂可作为固体粉末、喷雾、薄雾、液体或蒸汽应用。在一些实施方案中，可通过喷洒液体溶液(诸如水溶液或在溶剂中)或通过浸泡在罐、箱、袋或其它容器中来引入添加剂。

在某些实施方案中，采用浸渍预处理，其中将固体原料分批或连续地浸渍到包含添加剂的浴中，持续足以允许添加剂渗透到固体进料中的时间。

在一些实施方案中，应用于原料的添加剂可降低热解的能量需求，或提高含碳产物的产率。在这些或其它实施方案中，应用于原料的添加剂可提供含碳产物的预期用途所期望的功能性。

吞吐量或加工能力可从小型实验室规模单元到全操作(包括任何中试、示范或半工业规模)广泛变化。在各种实施方案中，加工能力(对于原料、产物或两者)为至少约1kg/天、10kg/天、100kg/天、1吨/天(所有吨为公吨)、10吨/天、100吨/天、500吨/天、1000吨/天、2000吨/天或更高。

在一些实施方案中，所产生的固体的一部分可再循环至该方法的前端，即再循环至干燥或脱气单元或直接再循环至反应器。通过返回到前端并再次通过该过程，经处理的固体可变得固定碳更高。在该方法中产生或存在的固体、液体和气体流可独立地再循环、传递到后续步骤、或在任何点从该方法中去除/吹扫。

在一些实施方案中，将热解材料回收，然后进料到单独单元用于进一步热解，以产生具有更高碳纯度的产物。在一些实施方案中，次级方法可在简单容器诸如钢鼓中进行，其中使加热的惰性气体(诸如加热的N₂)通过。可用于该目的的其它容器包括处理罐、桶、箱、手提袋、袋和滚箱。例如，可将这种具有挥发物的次级吹扫气体送到热氧化器，或送回主处理反应器。为了冷却最终产物，例如最初处于环境温度的另一个惰性气体流可通过固体以冷却这些固体，然后返回到惰性气体预热***。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂生产***，该高碳生物源试剂生产***包括：

进料器，该进料器被构造成引入含碳原料；

多区反应器，该多区反应器与干燥器可操作地连通设置，其中该多区反应器包括与空间上独立的冷却区可操作地连通设置的热解区，并且其中该多区反应器被构造有出口以从固体中去除可冷凝蒸汽和不可冷凝气体；

固体冷却器，该固体冷却器与该多区反应器可操作地连通设置；和

高碳生物源试剂回收单元，该高碳生物源试剂回收单元与该固体冷却器可操作地连通设置。

在一些实施方案中，该***还包括干燥器，该干燥器与进料器可操作地连通设置，该干燥器被构造成去除该含碳原料内所包含的水分。

一些变型形式利用高碳生物源试剂生产***，该高碳生物源试剂生产***包括：

进料器，该进料器被构造成引入含碳原料；

任选的干燥器，该任选的干燥器与该进料器可操作地连通设置，该任选的干燥器被构造成去除含碳原料内所包含的水分；

任选的预热器，该任选的预热器与干燥器可操作地连通设置，该任选的预热器被构造成加热或温和地热解该原料；

热解反应器，该热解反应器与该预热器可操作地连通设置，该热解反应器被构造成热解该原料；

冷却器，该冷却器与该热解反应器可操作地连通设置，该冷却器被构造成冷却热解固体；和

高碳生物源试剂回收单元，该高碳生物源试剂回收单元与该冷却器可操作地连通设置，

其中该***被构造有至少一个气体出口以从固体中去除可冷凝蒸汽和不可冷凝气体。

该进料器可与该多区反应器物理集成，诸如通过使用螺旋进料器或螺旋输送机机构将进料固体引入第一反应区中。

在一些实施方案中，该***还包括预热区，该预热区与该热解区可操作地连通设置。热解区、冷却区和预热区(其存在的话)中的每一者可位于单个单元内，或可位于独立的单元中。

任选地，该干燥器可被构造为该多区反应器内的干燥区。任选地，固体冷却器可设置在该多区反应器内(即，构造为另外的冷却区或与主冷却区集成)。

该***可包括用于从***中去除氧的吹扫装置。例如，吹扫装置可包括引入基本惰性气体的一个或多个入口以及从***中去除基本惰性气体和置换的氧的一个或多个出口。在一些实施方案中，吹扫装置是可操作地连通设置在干燥机和多区反应器之间的脱气器。

该多区反应器优选被构造有至少第一气体入口和第一气体出口。第一气体入口和第一气体出口可与不同区连通设置，或与相同区连通设置。

在一些实施方案中，该多区反应器被构造有第二气体入口或第二气体出口。在一些实施方案中，该多区反应器被构造有第三气体入口或第三气体出口。在一些实施方案中，该多区反应器被构造有第四气体入口或第四气体出口。在一些实施方案中，该多区反应器中存在的每个区被构造有气体入口和气体出口。

气体入口和出口不仅允许蒸汽的引入和抽出，而且气体出口(探针)特别地允许跨该方法的各个阶段、直到并且可能包括该过程的所有阶段的精确方法监测和控制。当可利用操作历史来调节加工条件时，预期精确的工艺监测将动态地以及在一段时间内导致产率和效率改善。

在优选的实施方案中，反应气体探针与热解区可操作地连通设置。这种反应气体探针可用于提取气体并分析它们，以便确定反应程度、热解选择性或其它加工监测。然后，基于测量，可以许多方式控制或调节该方法，诸如通过调节进料速率、惰性气体吹扫速率、(一个或多个区的)温度、(一个或多个区的)压力、添加剂等。

如本文所预期的，经由反应气体探针的“监测和控制”包括经由反应气体探针的任一个或多个样品提取，并且如果认为必要或期望，则任选地使用方法控制的公知原理(反馈、前馈、比例积分微分逻辑等)基于测量进行方法或设备调节。

反应气体探针可被构造成以多种方式抽出气体样本。例如，采样管线可具有比热解反应器压力低的压力，使得当采样管线打开时，可容易地从热解区抽出一定量的气体。采样管线可处于真空下方，诸如当热解区接近大气压时。通常，反应气体探针将与一个气体输出或其一部分(例如，与气体输出管线分开的管线)相关联。

在一些实施方案中，通过周期性地将惰性气体引入到区中，并将惰性气体与加工样品一起从气体输出中抽出(“样品扫描”)，将气体输入和气体输出两者用作反应气体探针。这种布置可用在不具有用于加工的基本惰性气体的气体入口/出口的区中，或者反应气体探针可与除了方法入口和出口之外的单独的气体入口/出口相关联。如果需要，出于分析精度的原因或为了引入分析示踪剂，为了采样(在利用样品扫描的实施方案中)周期性引入和抽出的采样惰性气体甚至可不同于该方法的惰性气体。

例如，热解区的气相中的乙酸浓度可使用气体探针来测量以提取样品，然后使用合适的技术(诸如气相色谱法，GC；质谱，MS；GC-MS，或傅里叶变换红外光谱，FTIR)来分析该样品。例如，可测量气相中的CO或CO₂浓度并用作对气体/蒸汽的热解选择性的指示。例如，可测量气相中的萜烯(Turpene)浓度并用作对液体的热解选择性的指示。

在一些实施方案中，该***还包括至少一个另外的气体探针，该至少一个另外的气体探针与冷却区、或干燥区(如果存在的话)或预热区(如果存在的话)可操作地连通设置。

例如，用于冷却区的气体探针可用于确定在冷却区中发生的任何另外的化学的程度。冷却区中的气体探针也可用作独立的温度测量(除了例如设置在冷却区中的热电偶之外)。这种独立测量可以是冷却温度与特定物质的测量量的关联。该关联可单独形成，或者可在加工操作的某个时段之后建立。

用于干燥区的气体探针可用于通过例如测量水含量来确定干燥程度。预热区中的气体探针可用于确定例如发生的任何温和热解的程度。

在某些实施方案中，冷却区被构造有气体入口，并且热解区被构造有气体出口，以产生气相相对于固相的基本上逆流流动。另选地或除此之外，预热区(当其存在时)可被构造有气体出口，以产生气相相对于固相的基本上逆流流动。另选地或除此之外，干燥区可被构造有气体出口以产生基本上逆流流动。

一个或多个热解反应器可选自能够进行热解方法的任何合适的反应器构造。示例性反应器构造包括但不限于固定床反应器、流化床反应器、气流床反应器、螺旋输送机、烧蚀反应器、旋转锥体、转鼓窑、煅烧炉、焙烧炉、移动床反应器、运输床反应器、烧蚀反应器、旋转锥体或微波辅助热解反应器。

在使用螺旋输送机的一些实施方案中，可任选地采用砂或另一种热载体。例如，原料和砂可在螺杆的一端进料。螺杆将砂和原料混合并将它们输送通过反应器。螺杆可提供对原料停留时间的良好控制，并且不会用载体或流化气体稀释热解产物。砂可在单独的容器中再加热。

在使用烧蚀加工的一些实施方案中，该原料以高速向热金属表面移动。在表面形成的任何炭的烧蚀可维持高的热传递速率。这种设备可以防止产物的稀释。作为另选方案，原料微粒可悬浮在载气中并以高速引入通过其壁被加热的旋风分离器。

在其中使用流化床反应器的一些实施方案中，可将原料引入由气体流化的热砂床中，该气体通常为再循环的产物气体。本文中提及的“砂”还应包括类似的基本上惰性的材料，诸如玻璃微粒、回收的灰分微粒等。来自流化砂的高热传递速率可导致原料的快速加热。通过与砂粒的摩擦可存在一些烧蚀。热通常由热燃烧气体流过的热交换器管提供。

可采用循环流化床反应器，其中气体、砂和原料一起移动。示例性运输气体包括再循环的产物气体和燃烧气体。来自砂的高热传递速率确保原料的快速加热，并且预期烧蚀比常规流化床更强。可采用分离器将产物气体与砂和炭微粒分离。砂粒可在流化燃烧器容器中再加热并再循环到反应器中。

在一些实施方案中，多区反应器是连续反应器，该连续反应器包括：原料入口；多个空间分离的反应区，该多个空间分离的反应区被构造成用于分别控制每个反应区内的温度和混合；和含碳-固体出口，其中这些反应区中的一个反应区被构造有用于将基本惰性气体引入该反应器中的第一气体入口，并且其中这些反应区中的一个反应区被构造有第一气体出口。

在各种实施方案中，该反应器包括至少两个、三个、四个或更多个反应区。反应区中的每个反应区被设置成与独立地选自电传热、水蒸汽传热、热油传热、相变传热、废料传热或它们的组合的可单独调节的加热装置连通。在一些实施方案中，至少一个反应器区用来自热氧化器(如果存在的话)的流出物流加热。

反应器可被构造成用于分别调节至少两个反应区的气相组成和气相停留时间，直到并且包括存在于该反应器中的所有反应区。

反应器可配备有第二气体入口或第二气体出口。在一些实施方案中，反应器在每个反应区中被构造有气体入口。在这些或其它实施方案中，反应器在每个反应区中被构造有气体出口。反应器可以是并流或逆流反应器。

在一些实施方案中，原料入口包括螺杆或螺旋进料机构。在一些实施方案中，含碳固体出口包括螺杆或螺旋输出机构。

某些实施方案利用具有螺旋进料器的旋转煅烧炉。在这些实施方案中，反应器是可轴向旋转的，即其围绕其中心线轴线旋转。旋转速度将影响固体流动模式以及热和质量运输。这些反应区中的每个反应区可被构造有设置在内壁上的条板，以提供固体的搅拌。这些反应区中的每个反应区中，这些条板可单独调节。

可采用其它搅拌固体的装置，诸如螺旋输送机、螺杆或桨叶输送机。在一些实施方案中，反应器包括设置在反应区中的每个反应区处的单个连续螺旋输送机。在其它实施方案中，反应器包括贯穿这些反应区中的每个反应区中设置的双螺杆。

一些***被特别设计成具有在整个方法中保持进料的近似尺寸的能力，即，加工生物质原料而不破坏或显著损坏其结构的能力。在一些实施方案中，热解区不包含将倾向于大大减小被热解的进料的尺寸的螺旋输送机、螺杆或耙。

在本发明的一些实施方案中，该***还包括热氧化器，该热氧化器与出口可操作地连通设置，可冷凝蒸汽和不可冷凝气体在该出口处被去除。热氧化器优选被构造成将单独的燃料(诸如天然气)和氧化剂(诸如空气)接收到燃烧室中，该燃烧室适于燃料以及可冷凝蒸汽的至少一部分的燃烧。某些不可冷凝气体(诸如CO或CH₄)也可被氧化成CO₂。

当采用热氧化器时，该***可包括设置在热氧化器和干燥器之间的热交换器，该热交换器被构造成利用用于干燥器的燃烧的热量的至少一些热量。该实施方案可显著地有助于该方法的总体能量效率。

在一些实施方案中，该***还包括碳增强单元，该碳增强单元与固体冷却器可操作地连通设置，该碳增强单元被构造成用于将呈至少部分冷凝形式的可冷凝蒸汽与固体混合。增强单元可增加从回收单元获得的高碳生物源试剂的碳含量。

该***还可包括单独的热解单元，该单独的热解单元适于进一步热解高碳生物源试剂以进一步增加其碳含量。该单独的热解单元可以是相对简单的容器、单元或装置，诸如罐、桶、箱、鼓、手提袋、袋或滚箱。

总体***可处于固定位置，或者其可分布在几个位置。该***可使用模块构造，这些模块可被简单地复制以用于实际放大。该***还可使用规模经济原理构造，如在加工工业中公知的。

现在将进一步描述与固体的碳增强有关的一些变型形式。在一些实施方案中，用于生产高碳生物源试剂的方法包括：

(a)提供包含生物质的含碳原料；

(b)任选地干燥原料以去除原料内所包含的水分的至少一部分；

(c)任选地使原料脱气以去除原料中所包含的间隙氧(如果有的话)的至少一部分；

(d)在热解区中，在基本惰性气体的存在下并且以选自约250℃至约700℃的热解温度，将原料热解至少10分钟，以产生热的热解固体、可冷凝蒸汽和不可冷凝气体；

(e)从热的热解固体中分离可冷凝蒸汽的至少一部分和不可冷凝气体的至少一部分；

(f)在冷却区中，在基本惰性气体的存在下并且以低于热解温度的冷却温度，将热的热解固体冷却至少5分钟，以产生温热的热解固体；

(g)任选地冷却温热的热解固体以产生冷却的热解固体；

(h)随后使来自步骤(e)的可冷凝蒸汽的至少一部分或不可冷凝气体的至少一部分穿过温热的热解固体或冷却的热解固体，以形成具有增加的碳含量的增强的热解固体；以及

(i)回收包含增强的热解固体的至少一部分的高碳生物源试剂。

在一些实施方案中，步骤(h)包括使来自步骤(e)的可冷凝蒸汽的至少一部分以蒸汽或冷凝形式穿过温热的热解固体，以产生具有增加的碳含量的增强的热解固体。在一些实施方案中，步骤(h)包括使来自步骤(e)的不可冷凝气体的至少一部分穿过温热的热解固体，以产生具有增加的碳含量的增强的热解固体。

另选地或除此之外，蒸汽或气体可与冷却的热解固体接触。在一些实施方案中，步骤(h)包括使来自步骤(e)的可冷凝蒸汽的至少一部分以蒸汽或冷凝形式穿过冷却的热解固体，以产生具有增加的碳含量的增强的热解固体。在一些实施方案中，步骤(h)包括使来自步骤(e)的不可冷凝气体的至少一部分穿过冷却的热解固体，以产生具有增加的碳含量的增强的热解固体。

在某些实施方案中，步骤(h)包括使来自步骤(e)的基本上所有可冷凝蒸汽以蒸汽或冷凝形式穿过冷却的热解固体，以产生具有增加的碳含量的增强的热解固体。在某些实施方案中，步骤(h)包括使来自步骤(e)的基本上所有不可冷凝气体穿过冷却的热解固体，以产生具有增加的碳含量的增强的热解固体。

该方法可包括在将蒸汽或气体用于碳增强之前处理或分离它们的各种方法。例如，可将从步骤(e)获得的由可冷凝蒸汽的至少一部分和不可冷凝气体的至少一部分组成的中间进料流进料到被构造成产生至少第一输出流和第二输出流的分离单元。在某些实施方案中，中间进料流包含所有可冷凝蒸汽、所有不可冷凝气体或两者。

分离技术可包括或使用蒸馏塔、闪蒸器、离心机、旋风分离器、膜、过滤器、填充床、毛细管柱等。分离可主要基于例如蒸馏、吸收、吸附或扩散，并且可利用蒸汽压、活性、分子量、密度、粘度、极性、化学官能度、对固定相的亲和力以及它们的任何组合的差异。

在一些实施方案中，基于相对挥发性将第一输出流和第二输出流与中间进料流分离。例如，分离单元可以是蒸馏塔、闪蒸罐或冷凝器。

因此，在一些实施方案中，第一输出流包含可冷凝蒸汽，并且第二输出流包含不可冷凝气体。可冷凝蒸汽可包括选自萜烯、醇、酸、醛或酮的至少一种含碳化合物。来自热解的蒸汽可包括芳族化合物，诸如苯、甲苯、乙苯和二甲苯。较重的芳族化合物，诸如耐火焦油，可存在于蒸汽中。不可冷凝气体可包括选自一氧化碳、二氧化碳和甲烷的至少一种含碳分子。

在一些实施方案中，基于相对极性，第一输出流和第二输出流是分离的中间进料流。例如，分离单元可以是汽提塔、填充床、色谱柱或膜。

因此，在一些实施方案中，第一输出流包含极性化合物，并且第二输出流包含非极性化合物。极性化合物可包括选自甲醇、糠醛和乙酸的至少一种含碳分子。非极性化合物可包括至少一种选自一氧化碳、二氧化碳、甲烷、噻吩和噻吩衍生物的含碳分子。

相对于没有步骤(h)的其它方面相同的方法，步骤(h)可增加高碳生物源试剂的总碳含量。在各种实施方案中，碳含量的增加程度可为例如约1％、2％、5％、10％、15％、25％或甚至更高。

在一些实施方案中，步骤(h)增加高碳生物源试剂的固定碳含量。在这些或其它实施方案中，步骤(h)增加高碳生物源试剂的挥发性碳含量。挥发性碳含量是归因于试剂中的挥发性物质的碳。挥发性物质可以是，但不限于，烃，包括脂族化合物或芳族化合物(例如，萜烯)；含氧化合物，包括醇、醛或酮；和各种焦油。挥发性碳在环境条件下将通常保持结合或吸附到固体上，但在加热时，将在固定碳被氧化、气化或以其它方式作为蒸汽释放之前被释放。

取决于与步骤(h)相关联的条件，一些量的挥发性碳可能变成固定碳(例如，经由从CO的碳素溶解损失碳形成)。通常，挥发性物质将进入固定碳的微孔并且将作为冷凝/吸附的物质存在，但是保持相对挥发性。与需要高表面积和孔隙度的产物应用相比，这种残余挥发性对于燃料应用可能是更有利的。

步骤(h)可增加高碳生物源试剂的能量含量(即，能量密度)。能量含量的增加可由总碳、固定碳、挥发性碳或甚至氢的增加引起。在各种实施方案中，能量含量的增加程度可为例如约1％、2％、5％、10％、15％、25％或甚至更高。

可采用进一步的分离来回收一种或多种不可冷凝气体或可冷凝蒸汽，以用于该方法或进一步加工中。例如，可包括进一步加工以产生精制的一氧化碳或氢。

又如，可进行乙酸的分离，随后将乙酸还原成乙醇。乙酸的还原可至少部分地使用来源于所产生的不可冷凝气体的氢来完成。

可冷凝蒸汽可用于该方法中的能量(诸如通过热氧化)或用于碳富集中，以增加高碳生物源试剂的碳含量。某些不可冷凝气体，诸如CO或CH₄，可用于该方法中的能量，或作为热解步骤的基本惰性气体的一部分。任何前述的组合也是可能的。

包括步骤(h)的潜在益处是气体流被净化，其中所得气体流富含CO和CO₂。所得气体流可用于能量回收，再循环用于固体的碳富集，或用作反应器中的惰性气体。类似地，通过从可冷凝蒸汽中分离不可冷凝气体，制备CO/CO₂流以用作例如反应器***或冷却***中的惰性气体。

其它变型形式的前提是认识到碳增强步骤的原理可应用于其中期望添加碳的任何原料。

在一些实施方案中，生产高碳生物源试剂的分批或连续方法包括：

(a)提供包含含碳材料的固体流；

(b)提供包含可冷凝含碳蒸汽、不可冷凝含碳气体或可冷凝含碳蒸汽和不可冷凝含碳气体的混合物的气体流；以及

(c)在合适的条件下使气体流穿过固体流，以形成相对于含碳材料具有增加的碳含量的含碳产物。

在一些实施方案中，起始含碳材料是热解生物质或焙干生物质。气体流可在提供含碳材料的集成加工期间获得。或者，气体流可由含碳材料的单独加工获得。气体流或其一部分可从外部来源(例如，木材厂的烘箱)获得。来自各种来源的气体流的混合物以及含碳材料的混合物是可能的。

在一些实施方案中，该方法还包括再循环或再利用气体流以重复该方法，从而进一步增加含碳产物的碳或能量含量。在一些实施方案中，该方法还包括再循环或再利用气体流以实施该方法，从而增加不同于含碳材料的另一种原料的碳或能量含量。

在一些实施方案中，该方法还包括将气体流引入到被构造成产生至少第一输出流和第二输出流的分离单元中，其中气体流包含可冷凝含碳蒸汽和不可冷凝含碳气体的混合物。可基于相对挥发性、相对极性或任何其它性质分离第一输出流和第二输出流。气体流可由含碳材料的单独加工获得。

在一些实施方案中，该方法还包括再循环或再利用气体流以重复该方法，从而进一步增加含碳产物的碳含量。在一些实施方案中，该方法还包括再循环或再利用气体流以实施该方法，从而增加另一种原料的碳含量。

相对于起始含碳材料，含碳产物可具有增加的总碳含量、较高的固定碳含量、较高的挥发性碳含量、较高的能量含量或它们的任何组合。

在相关变型形式中，高碳生物源试剂生产***包括：

(a)进料器，该进料器被构造成引入含碳原料；

(b)任选的干燥器，该任选的干燥器与该进料器可操作地连通设置，该任选的干燥器被构造成去除含碳原料内所包含的水分；

(c)多区反应器，该多区反应器与干燥器可操作地连通设置，其中该多区反应器至少包括与空间上独立的冷却区可操作地连通设置的热解区，并且其中该多区反应器被构造有出口以从固体中去除可冷凝蒸汽和不可冷凝气体；

(d)固体冷却器，该固体冷却器与该多区反应器可操作地连通设置；

(e)材料富集单元，该材料富集单元与该固体冷却器可操作地连通设置，该材料富集单元被构造成使可冷凝蒸汽或不可冷凝气体穿过这些固体，以形成具有增加的碳含量的增强固体；和

(f)高碳生物源试剂回收单元，该高碳生物源试剂回收单元与该材料富集单元可操作地连通设置。

该***还可包括预热区，该预热区与该热解区可操作地连通设置。在一些实施方案中，干燥器被构造成多区反应器内的干燥区。这些区中的每个区可位于单个单元内或分开的单元中。此外，固体冷却器可设置在该多区反应器内。

在一些实施方案中，冷却区被构造有气体入口，并且热解区被构造有气体出口，以产生气相相对于固相的基本上逆流流动。在这些或其它实施方案中，预热区或干燥区(或干燥器)被构造有气体出口，以产生气相相对于固相的基本上逆流流动。

在特定的实施方案中，该***包括材料富集单元，该材料富集单元包括：

(i)壳体，该壳体具有上部和下部；

(ii)入口，该入口位于该壳体的下部的底部处，该入口被构造成承载可冷凝蒸汽和不可冷凝气体；

(iii)出口，该出口位于该壳体的上部的顶部处，该出口被构造成承载来源于可冷凝蒸汽和不可冷凝气体的浓缩气体流；

(iv)路径，该路径限定在该壳体的上部和下部之间；和

(v)运输***，该运输***沿该路径，该运输***被构造成运输这些固体，其中壳体成形为使得这些固体吸附可冷凝蒸汽的至少一些或不可冷凝气体的至少一些。

本公开能够生产可用作高碳生物源试剂的多种组合物，以及掺入此类试剂的产物。在一些变型形式中，通过本文公开的任何方法，诸如包括以下步骤的方法，生产高碳生物源试剂：

(a)提供包含生物质的含碳原料；

(b)任选地干燥原料以去除原料内所包含的水分的至少一部分；

(c)任选地使原料脱气以去除原料中所包含的间隙氧(如果有的话)的至少一部分；

(d)在热解区中，在基本惰性气体的存在下并且以选自约250℃至约700℃的热解温度，将原料热解至少10分钟，以产生热的热解固体、可冷凝蒸汽和不可冷凝气体；

(e)从热的热解固体中分离可冷凝蒸汽的至少一部分和不可冷凝气体的至少一部分；

(f)在冷却区中，在基本惰性气体的存在下并且以低于热解温度的冷却温度，将热的热解固体冷却至少5分钟，以产生温热的热解固体；

(g)冷却温热的热解固体以产生冷却的热解固体；以及

(h)回收包含冷却的热解固体的至少一部分的高碳生物源试剂。

在一些实施方案中，按干基计，试剂包含约至少70重量％、至少80重量％、至少90重量％或至少95重量％的总碳。总碳至少包括固定碳，并且还可包括来自挥发性物质的碳。在一些实施方案中，来自挥发性物质的碳为高碳生物源试剂中存在的总碳的约至少5％、至少10％、至少25％或至少50％。例如，固定碳可使用ASTM D3172测量，而挥发性碳可使用ASTM D3175测量。

按干基计，高碳生物源试剂可包含约10重量％或更少，诸如约5重量％或更少的氢。按干基计，生物源试剂可包含约1重量％或更少，诸如约0.5重量％或更少的氮。按干基计，生物源试剂可包含约0.5重量％或更少，诸如约0.2重量％或更少的磷。按干基计，生物源试剂可包含约0.2重量％或更少，诸如约0.1重量％或更少的硫。

例如，碳、氢和氮可使用用于最终分析的ASTM D5373测量。例如，可使用ASTMD3176测量氧。例如，可使用ASTM D3177测量硫。

某些实施方案提供了具有很少或基本上没有氢(除了可能存在的任何水分之外)、氮、磷或硫，并且基本上是碳加上存在的任何灰分和水分的试剂。因此，按干基/无灰分(DAF)计，一些实施方案提供了具有至多并包括100％的碳的生物源试剂。

生物质原料包含非挥发性物质，包括二氧化硅和各种金属，其在热解期间不容易释放。当然可利用无灰原料，在这种情况下，在热解固体中不应存在大量灰分。例如，可使用ASTM D3174测量灰分。

可存在各种量的不可燃物质，诸如灰分。按干基计，高碳生物源试剂可包含约10重量％或更少，诸如约5重量％、约2重量％、约1重量％或更少的不可燃物质。在某些实施方案中，试剂包含很少的灰分，或甚至基本上不含灰分或其它不可燃物质。因此，一些实施方案提供基本上纯的碳，包括100％的碳(按干基计)。

可存在不同量的水分。按总质量计，高碳生物源试剂可包含至少1重量％、2重量％、5重量％、10重量％、15重量％、25重量％、35重量％、50重量％或更多的水分。如本文所预期的，“水分”应理解为包括生物源试剂中存在的任何形式的水，包括吸收的水分、吸附的水分子、化学水合物和物理水合物。平衡水分含量可至少随局部环境(诸如相对湿度)而变化。此外，在运输、准备使用和其它物流期间，水分可变化。例如，可使用ASTM D3173测量水分。

高碳生物源试剂可具有不同的能量含量，其在本发明中是指基于与干透试剂的完全燃烧相关联的较高热值的能量密度。例如，高碳生物源试剂可具有约至少11,000Btu/lb、至少12,000Btu/lb、至少13,000Btu/lb、至少14,000Btu/lb或至少15,000Btu/lb的能量含量。在某些实施方案中，能量含量介于约14,000Btu/lb至15,000Btu/lb之间。例如，可使用ASTM D5865测量能量含量。

高碳生物源试剂可形成为粉末，诸如粗粉末或细小粉末。例如，在实施方案中，试剂可形成为平均目尺寸为约200目、约100目、约50目、约10目、约6目、约4目或约2目的粉末。

在一些实施方案中，将高碳生物源试剂形成为包含压制、结合或团聚微粒的结构物体。形成这些物体的起始材料可以是粉末形式的试剂，诸如通过粒径减小获得的中间体。这些物体可通过机械压制或其它力，任选地用粘结剂或其它使微粒团聚在一起的手段来形成。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂以结构性物体的形式产生，这些结构性物体的结构基本上来源于原料。例如，原料片可产生高碳生物源试剂的产物片。或者，原料圆柱体可产生高碳生物源试剂圆柱体，其可稍微更小但以其它方式维持起始材料的基本结构和几何形状。

根据本公开的高碳生物源试剂可被产生为或形成为具有至少约1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm或更高的最小维度的物体。在各种实施方案中，最小维度或最大维度可以是长度、宽度或直径。

本公开的其它变型形式涉及将添加剂结合到方法中、结合到产物中或结合到这两者中。在一些实施方案中，高碳生物源试剂包含在加工期间掺入的至少一种加工添加剂。在这些或其它实施方案中，该试剂包含在该加工之后引入到该试剂中的至少一种产物添加剂。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂按干基计包含：

至少约70重量％的总碳；

至多约5重量％的氢；

至多约1重量％的氮；

至多约0.5重量％的磷；

至多约0.2重量％的硫；和

选自金属、金属氧化物、金属氢氧化物、金属卤化物或它们的组合的添加剂。

添加剂可选自但决不限于镁、锰、铝、镍、铬、硅、硼、铈、钼、磷、钨、钒、氯化铁、溴化铁、氧化镁、白云石、白云石石灰、萤石、氟石、膨润土、氧化钙、石灰或它们的组合。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂按干基计包含：

至少约70重量％的总碳；

至多约5重量％的氢；

至多约1重量％的氮；

至多约0.5重量％的磷；

至多约0.2重量％的硫；和

选自酸、碱或其盐的添加剂。

添加剂可选自但决不限于氢氧化钠、氢氧化钾、氧化镁、溴化氢、氯化氢、硅酸钠、高锰酸钾或它们的组合。

在某些实施方案中，高碳生物源试剂按干基计包含：

至多约70重量％的总碳；

至多约5重量％的氢；

至多约1重量％的氮；

至多约0.5重量％的磷；

至多约0.2重量％的硫；

选自金属、金属氧化物、金属氢氧化物、金属卤化物或它们的组合的第一添加剂；和

选自酸、碱或其盐的第二添加剂，

其中第一添加剂不同于第二添加剂。

第一添加剂可选自镁、锰、铝、镍、铬、硅、硼、铈、钼、磷、钨、钒、氯化铁、溴化铁、氧化镁、白云石、白云石石灰、萤石、氟石、膨润土、氧化钙、石灰或它们的组合，而第二添加剂可独立地选自氢氧化钠、氢氧化钾、氧化镁、溴化氢、氯化氢、硅酸钠、高锰酸钾或它们的组合。

某些高碳生物源试剂按干基计基本上由碳、氢、氮、磷、硫、不可燃物质和选自镁、锰、铝、镍、铬、硅、硼、铈、钼、磷、钨、钒、氯化铁、溴化铁、氧化镁、白云石、白云石石灰、萤石、氟石、膨润土、氧化钙、石灰或它们的组合的添加剂组成。

某些高碳生物源试剂按干基计基本上由碳、氢、氮、磷、硫、不可燃物质和选自氢氧化钠、氢氧化钾、氧化镁、溴化氢、氯化氢、硅酸钠或它们的组合的添加剂组成。

添加剂(或总添加剂)的量可广泛变化，诸如约0.01重量％至约25重量％，包括约0.1重量％、约1重量％、约5重量％、约10重量％或约20重量％。应当理解，当掺入相对大量的添加剂，诸如高于约1重量％时，基于总试剂重量(包括添加剂在内)计算的能量含量将降低。然而，在各种实施方案中，具有添加剂的高碳生物源试剂可具有约至少11,000Btu/lb、至少12,000Btu/lb、至少13,000Btu/lb、至少14,000Btu/lb或至少15,000Btu/lb的能量含量。

以上关于产物形式的讨论也适用于掺入添加剂的实施方案。事实上，某些实施方案并入了添加剂作为粘合剂、助熔剂或其它改性剂以增强特定应用的最终性质。

在优选的实施方案中，高碳生物源试剂中所包含的大部分碳被分类为可再生碳。在一些实施方案中，基本上所有的碳被分类为可再生碳。可存在某些市场机制(例如，可再生标识号、税收抵免等)，其中价值归因于高碳生物源试剂内的可再生碳含量。

在某些实施方案中，固定碳可分类为不可再生碳(例如，来自煤)，而可单独添加的挥发性碳可为可再生碳以不仅增加能量含量而且增加可再生碳价值。

如本文所述产生的高碳生物源试剂可用于多种含碳产物。高碳生物源试剂本身可以是期望的市场产物。与现有技术相比，本文提供的高碳生物源试剂与较低水平的杂质、减少的加工排放和改善的可持续性(包括较高的可再生碳含量)相关联。

在变型形式中，产物包括可通过所公开的方法获得或在本文所述的组合物中描述的高碳生物源试剂、或它们的任何部分、组合或衍生物中的任一者。

通常，高碳生物源试剂可被燃烧以产生能量(包括电力和热量)；部分氧化、气化或蒸汽重整以产生合成气；利用它们的吸附或吸收性质；在金属精炼(诸如金属氧化物的还原，诸如根据本公开)或其它工业加工期间利用它们的反应性性质；或者利用它们在碳钢和各种其它金属合金中的材料性质。基本上，高碳生物源试剂可用于碳基商品或高级材料的任何市场应用，包括待开发的专门用途。

在任何产物应用中的适用性或实际使用之前，可以各种方式分析、测量和任选地修改(诸如通过添加剂)所公开的高碳生物源试剂。除了化学组成和能量含量之外，潜在感兴趣的一些性质包括密度、粒径、表面积、微孔性、吸收性、吸附性、结合能力、反应性、脱硫活性和碱度，仅举几个性质。

可掺入这些高碳生物源试剂的产物或材料包括但决不限于碳基鼓风炉添加产物、碳基铁燧岩粒料添加产物、钢包添加碳基产物、冶金焦炭碳基产物、煤替换产物、碳基焦化产物、碳屑产物、流化床碳基原料、碳基炉添加产物、可添加碳基产物、粉碎碳基产物、司炉碳基产物、碳电极或活性炭产物。

在金属生产中使用所公开的高碳生物源试剂可减少矿渣，增加总体效率，并且减少生命周期环境影响。因此，本公开的实施方案特别适合于金属加工和制造。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为碳基鼓风炉添加产物。鼓风炉是一种用于熔炼以生产工业金属诸如(但不限于)铁的冶金炉。熔炼是提取冶金的一种形式；其主要用途是由其矿石生产金属。熔炼使用热量和化学还原剂来分解矿石。碳或来源于碳的一氧化碳从矿石中去除氧，留下元素金属。

还原剂可由高碳生物源试剂组成或包含高碳生物源试剂。在鼓风炉中，可通过该炉的顶部连续地供应高碳生物源试剂、矿石和典型地石灰石，同时将空气(任选地富含氧)吹入腔室的底部，使得当材料向下移动时在整个炉中发生化学反应。最终产物通常是从底部得到的熔融金属和矿渣相，以及从炉的顶部排出的烟道气。与热的富含一氧化碳的气体的向上流动接触的矿石的向下流动是逆流过程。

鼓风炉中的碳质量通过其抗降解性来测量。碳作为可渗透介质的作用在经济的鼓风炉操作中是至关重要的。碳的降解随鼓风炉中的位置而变化，并且涉及与CO₂、H₂O或O₂的反应和碳微粒彼此之间以及与炉料的其它组分之间的磨损的组合。降解的碳微粒可导致堵塞和不良性能。

焦炭反应性测试是鼓风炉中碳性能的高度考虑的量度。该试验具有两个组分：焦炭反应性指数(CRI)和反应之后的焦炭强度(CSR)。具有低CRI值(高反应性)和高CSR值的碳基材料对于更好的鼓风炉性能是优选的。CRI可根据本领域已知的任何合适的方法测定，例如通过ASTM方法DS341基于原样测定。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂提供具有用于直接引入鼓风炉中的合适性质的碳产物。

高碳生物源试剂的强度可通过本领域已知的任何合适的方法测定，例如通过跌落试验或CSR试验。在一些实施方案中，高碳生物源试剂，任选地当与另一个碳源共混时，提供具有至少约50％、60％或70％的CSR的最终碳产物。组合产物还可提供具有用于在鼓风炉中燃烧的合适反应性的最终焦炭产物。在一些实施方案中，该产物具有的CRI使得高碳生物源试剂适合用作添加剂或替换冶金煤、冶金焦炭、焦炭屑、铸用焦炭或可添加煤。

一些实施方案采用足以提供高碳生物源试剂的量的一种或多种添加剂，该高碳生物源试剂当添加到具有不足以用作鼓风炉产物的CRI或CSR的另一个碳源(例如，焦炭)时，提供了具有足以用于鼓风炉中的CRI或CSR的复合产物。在一些实施方案中，一种或多种添加剂以足以提供具有不超过约40％、30％或20％的CRI的高碳生物源试剂的量存在。

在一些实施方案中，选自碱土金属或它们的氧化物或碳酸盐的一种或多种添加剂在生产高碳生物源试剂的过程期间或之后引入。例如，可引入钙、氧化钙、碳酸钙、氧化镁或碳酸镁作为添加剂。在热解之前、期间或之后添加这些化合物可增加高碳生物源试剂在鼓风炉中的反应性。这些化合物可产生更强的材料，即更高的CSR，从而提高鼓风炉效率。另外，添加剂诸如选自碱土金属或它们的氧化物或碳酸盐的那些可导致较低的排放(例如，SO₂)。

在一些实施方案中，如上所述，高碳生物源试剂不仅含有高固定碳含量，而且还包含相当高分数的挥发性碳。挥发性物质对于金属氧化物还原可能是期望的，因为预期其在较低温度下具有更好的到金属氧化物的质量运输。与基于化石燃料的产物诸如焦炭相比，高碳生物源试剂可具有足够的强度和更固定和挥发性碳，这导致更高的反应性。

在一些实施方案中，鼓风炉替换产物是根据本公开的高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约55重量％的碳、不超过约0.5重量％的硫、不超过约8重量％的不可燃材料和至少约11,000Btu/磅的热值。在一些实施方案中，鼓风炉替换产物还包含不超过约0.035重量％的磷、约0.5重量％至约50重量％的挥发性物质和任选的一种或多种添加剂。在一些实施方案中，鼓风炉替换产物包含约2重量％至约15重量％的白云石、约2重量％至约15重量％的白云石石灰、约2重量％至约15重量％的膨润土、或约2重量％至约15重量％的氧化钙。在一些实施方案中，鼓风炉替换产物具有基本上在约1cm至约10cm范围内的维度。

在一些实施方案中，根据本公开的高碳生物源试剂可用作铸用焦炭替换产物。铸用焦炭通常被表征为具有至少约85重量％的碳含量、约0.6重量％的硫含量、不超过约1.5重量％的挥发性物质、不超过约13重量％的灰分、不超过约8重量％的水分、约0.035重量％的磷、约30的CRI值和约5cm至约25cm范围内的维度。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为碳基铁燧岩粒料添加产物。用于制造铁和钢的矿石是铁氧化物。主要的铁氧化物矿石包括赤铁矿、褐铁矿(也称为褐矿石)、铁燧岩和磁铁矿、黑矿石。铁燧岩是低级但重要的矿石，其同时包含磁铁矿和赤铁矿。铁燧岩的铁含量通常为25重量％至30重量％。鼓风炉通常需要至少50重量％的铁含量的矿石用于有效操作。铁矿石可经历选矿，包括压碎、筛选、翻滚、浮选和磁分离。精炼的矿石富含超过60％的铁，并且通常在运输之前形成粒料。

例如，可将铁燧岩研磨成细小粉末并与粘结剂诸如膨润土和石灰石混合。例如。可形成直径约一厘米的粒料，这些粒料包含约65重量％的铁。焙烧这些粒料，将磁铁矿氧化成赤铁矿。粒料是耐用的，这确保了鼓风炉装料仍然足够多孔以允许加热的气体通过并与粒化矿石反应。

如以上关于鼓风炉添加产物所述，可将铁燧岩粒料进料到鼓风炉中以生产铁。在一些实施方案中，将高碳生物源试剂引入鼓风炉。在这些或其它实施方案中，将高碳生物源试剂掺入到铁燧岩粒料本身中。例如，在选矿之后，铁燧岩矿石粉末可与高碳生物源试剂和粘结剂混合，并且轧制成小物体，然后烘焙至硬。在此类实施方案中，具有适当组成的铁燧岩-碳粒料可方便地引入到鼓风炉中而不需要单独的碳源。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为钢包添加碳基产物。钢包是用于运输和倒出熔融金属的容器。浇铸钢包用于将熔融金属倒入到模具中以生产铸件。转运钢包用于将大量熔融金属从一个过程转运到另一个过程。处理钢包用于在钢包内发生的过程，以改变熔融金属的一些方面，诸如通过将各种元素添加到钢包中而将铸铁转化为球墨铸铁。

可将高碳生物源试剂引入任何类型的钢包中，但通常将基于目标碳含量以合适的量将碳添加到处理钢包中。添加到钢包中的碳可以是细小粉末的形式，用于将碳良好地质量运输到最终组合物中。在一些实施方案中，根据本公开的高碳生物源试剂，当用作钢包添加产物时，具有约0.5cm，诸如约0.75cm、约1cm、约1.5cm或更高的最小维度。

在一些实施方案中，根据本公开的高碳生物源试剂可用作例如将使用钢包添加碳(例如，在钢制造期间添加至钢包碳)的任何地方的碱性氧气炉或电弧炉设施处的钢包添加碳添加剂。

在一些实施方案中，钢包添加碳添加剂另外包含至多约5重量％的锰、至多约5重量％的氧化钙或至多约5重量％的白云石石灰。

直接还原铁(DRI)，也称为海绵铁，是通过由天然气或煤常规生产的还原气体直接还原铁矿石(以团块、粒料或小颗粒的形式)生产的。还原气体通常是合成气，作为还原剂的氢和一氧化碳的混合物。如本文提供的高碳生物源试剂可转化为包含CO的气体流，以充当还原剂来产生直接还原铁。

铁块是高质量的炼钢和铁铸造进料。铁块基本上都是铁和碳，几乎没有脉石(矿渣)和低水平的金属残留物。它们是具有优良运输和处理特性的优质级生铁产物。铁块或其任何部分中所包含的碳可以是本文提供的高碳生物源试剂。可使用高碳生物源试剂作为还原剂和能源，通过在转底式炉中还原铁矿石来生产铁块。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为冶金焦炭碳基产物。冶金焦炭，也称为“冶金(met)”焦炭，是通常通过沥青煤的各种共混物的破坏性蒸馏制造的碳材料。最终固体是称为冶金焦炭的非熔融碳。作为挥发性气体损失和部分熔融的结果，冶金焦炭具有开放的多孔形态。冶金焦炭具有非常低的挥发物含量。然而，作为原始烟煤原料的一部分的灰分组分保持包封在所得焦炭中。冶金焦炭原料可具有从细小粉末到篮球尺寸的团块的宽范围尺寸。典型的纯度范围为86重量％至92重量％的固定碳。

当需要高质量、坚韧、有弹性、耐磨的碳时，使用冶金焦炭。应用包括但不限于导电地板、摩擦材料(例如，碳衬里)、铸用涂层、铸用碳提升器、腐蚀材料、钻孔应用、还原剂、热处理剂、陶瓷填料介质、电解方法和氧排除。

冶金焦炭可被表征为具有约10,000tu/磅至14,000Btu/磅的热值和约10重量％或更大的灰分含量。因此，在一些实施方案中，冶金焦炭替换产物包含根据本公开的高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约80重量％、85重量％或90重量％的碳、不超过约0.8重量％的硫、不超过约3重量％的挥发性物质、不超过约15重量％的灰分、不超过约13重量％的水分和不超过约0.035重量％的磷。根据本公开的高碳生物源试剂，当用作冶金焦炭替换产物时，可具有例如约2cm至约15cm的尺寸范围。

在一些实施方案中，冶金焦炭替换产物还包含添加剂，诸如铬、镍、锰、氧化镁、硅、铝、白云石、氟石、氧化钙、石灰、白云石石灰、膨润土或它们的组合。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为煤替换产物。使用煤的任何方法或***原则上可适于使用高碳生物源试剂。

在一些实施方案中，将高碳生物源试剂与一种或多种煤基产物组合以形成复合产物，该复合产物具有比煤基产物更高的等级或者在燃烧时具有比纯的煤基产物更少的排放。

例如，通过将选定量的根据本公开的高碳生物源试剂与低等级煤产物混合，低等级煤诸如次烟煤可用于通常需要较高等级煤产物诸如烟煤的应用中。在其它实施方案中，混合煤产物(例如，不同等级的多种煤的组合)的等级可通过将混合煤与一些量的高碳生物源试剂混合来改善。待与煤产物混合的高碳生物源试剂的量可根据煤产物的等级、高碳生物源试剂的特性(例如，碳含量、热值等)和最终组合产物的期望等级而变化。

例如，无烟煤通常被表征为具有至少约80重量％的碳、约0.6重量％的硫、约5重量％的挥发性物质、至多约15重量％的灰分、至多约10重量％的水分和约12,494Btu/lb的热值。在一些实施方案中，无烟煤替换产物是高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约80重量％的碳、不超过约0.6重量％的硫、不超过约15重量％的灰分和至少约12,000Btu/lb的热值。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作热煤替换产物。热煤产物通常被表征为具有高硫水平、高磷水平、高灰分含量和至多约15,000Btu/lb的热值。在一些实施方案中，热煤替换产物是高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含不超过约0.5重量％的硫、不超过约4重量％的灰分和至少约12,000Btu/lb的热值。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为碳基焦化产物。任何焦化方法或***可适于使用高碳生物源试剂来生产焦炭，或使用其作为焦炭原料。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作热煤或焦炭替换产物。例如，热煤或焦炭替换产物可由包含至少约50重量％的碳、不超过约8重量％的灰分、不超过约0.5重量％的硫和至少约11,000Btu/lb的热值的高碳生物源试剂组成。在其它实施方案中，热焦炭替换产物还包含约0.5重量％至约50重量％的挥发性物质。热煤或焦炭替换产物可包括约0.4重量％至约15重量％的水分。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作石油(石油“pet”)焦炭或煅烧石油焦炭替换产物。煅烧石油焦炭通常被表征为具有至少约66重量％的碳、至多4.6重量％的硫、至多约5.5重量％的挥发性物质、至多约19.5重量％的灰分和至多约2重量％的水分，并且通常定尺寸为约3目或更小。在一些实施方案中，煅烧石油焦炭替换产物是高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约66重量％的碳、不超过约4.6重量％的硫、不超过约19.5重量％的灰分、不超过约2重量％的水分，并且定尺寸为约3目或更小。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作焦化碳替换碳(例如，在焦化炉中与冶金用煤共同焙烧)。在一个实施方案中，焦化碳替换产物是高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约55重量％的碳、不超过约0.5重量％的硫、不超过约8重量％的不可燃材料和至少约11,000Btu/磅的热值。在一些实施方案中，焦化碳替换产物包含约0.5重量％至约50重量％的挥发性物质或者一种或多种添加剂。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为碳屑产物，这些碳屑产物通常具有非常细小的粒径，诸如6mm、3mm、2mm、1mm或更小。在一些实施方案中，根据本公开的高碳生物源试剂可用作焦炭屑替换产物。焦炭屑通常被表征为具有不超过约6mm的最大维度、至少约80重量％的碳含量、0.6重量％至0.8重量％的硫、1重量％至20重量％的挥发性物质、至多约13重量％的灰分和至多约13重量％的水分。在一些实施方案中，焦炭屑替换产物是根据本公开的高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约80重量％的碳、不超过约0.8重量％的硫、不超过约20重量％的挥发性物质、不超过约13重量％的灰分、不超过约13重量％的水分和约6mm的最大维度。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂在例如铁燧岩粒料生产期间或在铁制造方法中可用作碳屑替换产物。

一些变型形式利用高碳生物源试剂作为各种流化床的原料，或作为流化床碳基原料替换产物。碳可在流化床中用于全燃烧、部分氧化、气化、蒸汽重整等。碳可主要转化为合成气用于各种下游用途，包括生产能量(例如，组合的热和电)或液体燃料(例如，甲醇或费托柴油燃料)。

在一些实施方案中，根据本公开的高碳生物源试剂可用作例如将使用煤(例如，用于加工热或能量生产)的任何地方的流化床炉中的流化床煤替换产物。

一些变型形式利用高碳生物源试剂作为碳基炉添加产物。煤基碳炉添加产物通常被表征为具有高硫含量、高磷含量和高灰分含量，这有助于金属产物的降解并造成了空气污染。在一些实施方案中，包含高碳生物源试剂的碳熔炉添加替换产物包含不大于约0.5重量％的硫、不大于约4重量％的灰分、不大于约0.03重量％的磷和约7.5cm的最大维度。在一些实施方案中，碳熔炉添加替换产物替换产物包含约0.5重量％至约50重量％的挥发性物质和约0.4重量％至约15重量％的水分。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作例如将使用炉添加碳的碱性氧气炉或电弧炉设施处的炉添加碳添加剂。例如，可在电弧炉设施处的钢制造期间将炉添加碳添加到废钢中。对于电弧炉应用，高纯度碳是期望的，使得不会在较早去除杂质之后，杂质被引回到该加工中。

在一些实施方案中，炉添加碳添加剂是高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约80重量％的碳、不超过约0.5重量％的硫、不超过约8重量％的不可燃材料和至少约11,000Btu/磅的热值。在一些实施方案中，炉添加碳添加剂还包含至多约5重量％的锰、至多约5重量％的氟石、约5重量％至约10重量％的白云石、约5重量％至约10重量％的白云石石灰、或约5重量％至约10重量％的氧化钙。

一些变型形式利用高碳生物源试剂作为司炉碳基产物。在一些实施方案中，根据本公开的高碳生物源试剂可用作例如在将使用煤的任何地方(例如，用于加工热或能量生产)的司炉设备处的司炉煤替换产物。

一些变型形式利用高碳生物源试剂作为可添加(例如，粉碎)碳基材料。在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作添加级煅烧石油焦炭替换产物。添加级煅烧石油焦炭通常被表征为具有至少约66重量％的碳、约0.55重量％至约3重量％的硫、至多约5.5重量％的挥发性物质、至多约10重量％的灰分、至多约2重量％的水分，并且定尺寸为约6目或更小。在一些实施方案中，煅烧石油焦炭替换产物是高碳生物源试剂，该高碳生物源试剂包含至少约66重量％的碳、不超过约3重量％的硫、不超过约10重量％的灰分、不超过约2重量％的水分，并且定尺寸为约6目或更小。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作可添加碳替换产物，例如在其中将使用可添加碳(例如，在钢制造期间添加到矿渣或钢包中)的任何应用中的碱性氧气炉或电弧炉设施处。

在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作例如将使用粉碎的煤(例如，用于过程热或能量生产)的任何地方的粉碎的碳替换产物。在一些实施方案中，粉碎的碳替换产物包含至多约10％的氧化钙。

一些变型形式利用高碳生物源试剂作为用于金属生产的碳添加产物。在一些实施方案中，根据本公开的高碳生物源试剂可用作用于生产碳钢或另一种包含碳的金属合金的碳添加产物。煤基后期碳添加产物通常被表征为具有高硫含量、高磷含量和高灰分含量以及高汞含量，这降低了金属质量并造成了空气污染。在本公开的一些实施方案中，碳添加产物包含不大于约0.5重量％的硫、不大于约4重量％的灰分、不大于约0.03重量％的磷、约1mm至5mm的最小维度和约8mm至12mm的最大维度。

一些变型形式利用碳电极内的高碳生物源试剂。在一些实施方案中，高碳生物源试剂可用作适用于例如铝生产的电极(例如，阳极)材料。

高碳生物源试剂在碳电极中的其它用途包括在电池、燃料电池、电容器和其它能量储存或能量递送装置中的应用。例如，在锂离子电池中，高碳生物源试剂可用于阳极侧以嵌入锂。在这些应用中，碳纯度和低灰分可能是非常重要的。

本公开的一些变型形式利用高碳生物源试剂作为催化剂载体。碳在广泛的催化化学反应中是已知的催化剂载体，诸如使用负载在碳相上的硫化钴-钼金属催化剂由合成气合成混合醇，或者负载在碳上的铁基催化剂用于由合成气费托合成高级烃。

一些变型形式利用高碳生物源试剂作为活性炭产物。活性炭用于多种液相和气相应用中，包括水处理、空气净化、溶剂蒸汽回收、食品和饮料加工以及药物。对于活性炭，材料的孔隙度和表面积通常是重要的。在各种实施方案中，由于以下原因，本文提供的高碳生物源试剂可提供优异的活性炭产物：(i)比基于化石燃料的活性炭更大的表面积；(ii)碳可再生性；(iii)生物质原料与添加剂结合的血管性质更好地允许增强污染物控制的添加剂的渗透/分布；以及(iv)较少的惰性材料(灰分)导致较大的反应性。

应当认识到，在高碳生物源试剂的市场应用的以上描述中，所描述的应用不是排他性的，也不是穷尽性的。因此，在各种实施方案中，被描述为适用于一种类型的碳产物的高碳生物源试剂可适用于所述的任何其它应用。这些应用仅是示例性的，并且存在高碳生物源试剂的其它应用。

另外，在一些实施方案中，相同的物理材料可以集成方式或顺序用于多个市场方法。因此，例如，用作碳电极或活性炭的高碳生物源试剂可在其使用寿命结束时作为性能材料然后被引入用于能量值的燃烧过程或金属制造(例如，金属矿石还原)过程等。

一些实施方案可采用生物源试剂的反应性/吸附性质，以及也作为燃料。例如，添加到排放流中的生物源试剂可适于去除污染物，然后生物源试剂微粒和可能的污染物燃烧，以产生能量并热破坏或化学氧化污染物。

与常规基于化石燃料的产物相比，高碳生物源试剂可具有显著的环境和产物使用优势。高碳生物源试剂不仅可以是环境优异的，而且由于例如更高的纯度，从加工观点来看也可以是功能优异的。

关于金属生产的一些实施方案，与制备用于金属生产所必需的煤基产物的焦化相比，用所公开的方法生产生物源试剂可导致CO、CO₂、NO_x、SO₂和危险空气污染物显著更低的排放。

使用高碳生物源试剂代替煤或焦炭还显著降低了SO₂、有害空气污染物和汞的环境排放。

此外，由于这些高碳生物源试剂的纯度(包括低灰分含量)，所公开的生物源试剂具有减少矿渣和增加分批金属制造方法中的生产能力的潜力。

在该详细描述中，参考了本公开的多个实施方案和涉及如何理解和实践本公开的非限制性实施例。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可利用不提供本文所阐述的所有特征和优点的其它实施方案。本公开结合了本文所述的方法和***的常规实验和优化。此类修改和变型形式被认为在由权利要求限定的本公开的范围内。

在本说明书中引用的所有出版物、专利和专利申请全文以引用方式并入本文，如同每个出版物、专利或专利申请在本文中被具体地和单独地提出一样。

该公开内容在此以引用方式并入本文的以下出版物：美国专利号10,174,267；美国专利号9,845,440；美国专利申请公布号2019-0169518；美国专利申请公布号2015-0144831；美国专利申请公布号2015-0126362；美国专利申请公布号2015-0196896；美国专利申请公布号2016-0280554；和美国专利申请公布号2016-0114308。

在上述方法和步骤指示以特定顺序发生的特定事件的情况下，本领域普通技术人员将认识到，可修改特定步骤的顺序，并且此类修改与本公开的变型形式一致。另外，如果可能的话，某些步骤可在并行过程中同时进行，也可顺序进行。

因此，在一定程度上，在本公开的精神范围内或等同于所附权利要求中发现的公开的范围内，本专利也将涵盖这些变型形式。本公开将仅受所要求保护的内容限制。

实施例

实施例1：使用生物质热解废气还原铁矿石。

提供木屑形式的花旗松(Pseudotsuga menziesii)作为生物质原料。木屑的平均尺寸为约25毫米长、约25毫米宽和约5毫米厚。

颗粒状铁矿石作为金属矿石提供。铁矿石以铁燧岩的形式存在。铁燧岩是含有20重量％至30重量％的磁铁矿(Fe₃O₄)的低级硅铁矿石。铁燧岩主要在美国明尼苏达州的Mesabi Iron Range和美国密歇根州的Marquette Iron Range开采。

生物质原料在连续热解反应器中在约600℃的热解温度下以约30分钟的热解停留时间热解。在基本上由N₂组成的惰性气体下，热解压力为约1巴(大气压)。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是包含碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是包含氢和一氧化碳的热解尾气，并且可被引导至用于在升高的压力(诸如约5巴至10巴)下储存热解废气的圆柱形容器中，或者被压缩并直接进料到还原反应器中。

将颗粒状铁矿石和生物源试剂在连续压碎单元中组合以产生作为团块和小颗粒的混合物的碳-铁矿石颗粒。然后将团块和小颗粒的混合物在连续制粒单元中制粒以产生碳-铁矿石粒料。

然后使用固体入口将碳-铁矿石粒料进料到连续还原反应器中。使用蒸汽入口将含有H₂和CO的热解废气从圆柱形容器计量到还原反应器中。蒸汽与固体流动并流流动。还原反应器在约900℃的还原温度和约1小时的还原停留时间下操作。还原压力为约5巴(经由加压的热解废气)。在还原反应器中，Fe₃O₄通过与H₂和CO以及与固体碳反应被还原成FeO和Fe的混合物(FeO是比Fe₃O₄低的氧化态)。来自还原反应器的蒸汽输出物含有水和二氧化碳作为来自化学还原的反应副产物。来自还原反应器的固体输出物含有FeO和Fe的混合物，并且可能含有一些未反应的碳。任选地，该固体输出可再循环并再次通过还原反应器，以使用另外的还原气体或残余碳含量将FeO还原成Fe。

实施例2：使用生物质热解还原气体还原铁矿石。

提供木屑形式的花旗松(Pseudotsuga menziesii)作为生物质原料。木屑的平均尺寸为约25毫米长、约25毫米宽和约5毫米厚。

颗粒状铁矿石作为金属矿石提供。铁矿石以铁燧岩的形式存在。铁燧岩是含有20重量％至30重量％的磁铁矿(Fe₃O₄)的低级硅铁矿石。

生物质原料在连续热解反应器中在约500℃的热解温度下以约40分钟的热解停留时间热解。在基本上由N₂组成的惰性气体下，热解压力为约1巴(大气压)。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是包含碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是包含烃的热解废气，并被引导至用于储存热解废气的容器。烃包括轻质烷烃诸如甲烷、轻质醇诸如甲醇、轻质有机酸诸如醋酸以及萜烯。

将颗粒状铁矿石和生物源试剂在连续压碎单元中组合以产生作为团块和小颗粒的混合物的碳-铁矿石颗粒。然后将团块和小颗粒的混合物在连续制粒单元中制粒以产生碳-铁矿石粒料。

热解废气在连续部分氧化反应器中被部分氧化，以产生含有氢和一氧化碳的还原气体。部分氧化反应器可利用催化剂。部分氧化是放热的并且释放一些热，其与热解反应器热集成以为其提供吸热需求。还原气体可被引导至用于在升高的压力(诸如约5巴至10巴)下储存还原气体的圆柱形容器中，或者被压缩并直接进料到还原反应器中。

然后使用固体入口将碳-铁矿石粒料进料到连续还原反应器中。使用蒸汽入口将含有H₂和CO的还原气体从圆柱形容器计量到还原反应器中。蒸汽与固体流动并流流动。还原反应器在约900℃的还原温度和约1小时的还原停留时间下操作。还原压力为约5巴(经由加压的还原气体)。在还原反应器中，Fe₃O₄通过与H₂和CO以及与固体碳反应被还原成FeO和Fe的混合物。来自还原反应器的蒸汽输出物含有水和二氧化碳作为来自化学还原的反应副产物。来自还原反应器的固体输出物含有FeO和Fe的混合物，并且可能含有一些未反应的碳。任选地，该固体输出可再循环并再次通过还原反应器，以使用另外的还原气体或残余碳含量将FeO还原成Fe。

实施例3：使用生物质热解还原气体还原铁矿石。

提供来自美国爱荷华州的玉米(Zea mays)秸秆作为生物质原料。玉米秸秆包括叶、茎和穗轴并且具有约25毫米的平均微粒长度。

颗粒状铁矿石作为金属矿石提供。铁矿石以铁燧岩的形式存在。铁燧岩是含有20重量％至30重量％的磁铁矿(Fe₃O₄)的低级硅铁矿石。

生物质原料在连续热解反应器中在约500℃的热解温度下以约30分钟的热解停留时间热解。在基本上由Ar组成的惰性气体下，热解压力为约1巴(大气压)。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是包含碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是燃烧用于产生能量的热解废气。

将颗粒状铁矿石以及生物源试剂的第一部分在连续压碎单元中组合以产生作为团块和小颗粒的混合物的碳-铁矿石颗粒。然后将团块和小颗粒的混合物在连续制粒单元中制粒以产生碳-铁矿石粒料。

将生物源试剂的第二部分在气化器中气化以产生含有氢和一氧化碳的还原气体。气化器在约1200℃下使用空气作为氧化介质连续操作，导致产生还原气体和含有灰分的残余(未反应)固体。还原气体可被引导至用于在升高的压力(诸如约5巴至10巴)下储存还原气体的圆柱形容器中，或者被压缩并直接进料到还原反应器中。

然后使用固体入口将碳-铁矿石粒料进料到连续还原反应器中。使用蒸汽入口将含有H₂和CO的还原气体从圆柱形容器计量到还原反应器中。蒸汽与固体流动并流流动。还原反应器在约1000℃的还原温度和约1小时的还原停留时间下操作。还原压力为约10巴(经由加压的还原气体)。在还原反应器中，Fe₃O₄通过与H₂和CO以及与固体碳反应被还原成Fe。来自还原反应器的蒸汽输出物含有水和二氧化碳作为来自化学还原的反应副产物。来自还原反应器的固体输出物包含e，其已经从铁燧岩中的起始Fe₃O₄完全还原。

实施例4：碳-铁矿石粒料的生产。

提供木屑形式的花旗松(Pseudotsuga menziesii)作为生物质原料。木屑的平均尺寸为约25毫米长、约25毫米宽和约5毫米厚。

颗粒状铁矿石作为金属矿石提供。铁矿石以铁燧岩的形式存在。铁燧岩是含有20重量％至30重量％的磁铁矿(Fe₃O₄)的低级硅铁矿石。

生物质原料在连续热解反应器中在约650℃的热解温度下以约30分钟的热解停留时间热解。在基本上由N₂组成的惰性气体下，热解压力为约1巴(大气压)。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是包含至少50重量％的固定碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是热解废气，其可被储存、燃烧以产生能量，或在该方法的其它地方使用。

将颗粒状铁矿石和生物源试剂在连续压碎单元中组合以产生碳-铁矿石小颗粒。然后将小颗粒在连续制粒单元中制粒以产生碳-铁矿石粒料。粘结剂(例如，膨润土、石灰石或淀粉)可用于提高粘结效率。碳-铁矿石粒料含有约40重量％的总碳。

实施例5：由铁矿石和生物质生产铁块。

提供木屑形式的花旗松(Pseudotsuga menziesii)作为生物质原料。木屑的平均尺寸为约25毫米长、约25毫米宽和约5毫米厚。

颗粒状铁矿石作为金属矿石提供。铁矿石以铁燧岩的形式存在。铁燧岩是含有20重量％至30重量％的磁铁矿(Fe₃O₄)的低级硅铁矿石。

生物质原料在连续热解反应器中在约500℃的热解温度下以约1小时的热解停留时间热解。在基本上由N₂组成的惰性气体下，热解压力为约2巴。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是包含碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是包含氢和一氧化碳的热解尾气，并且可被引导至用于在升高的压力(诸如约5巴至10巴)下储存热解废气的圆柱形容器中，或者被压缩并直接进料到还原反应器中。

将颗粒状铁矿石和生物源试剂在连续压碎单元中组合以产生作为团块和小颗粒的混合物的碳-铁矿石颗粒。然后将团块和小颗粒的混合物在连续制粒单元中制粒以产生碳-铁矿石粒料。

然后使用固体入口将碳-铁矿石粒料进料到作为连续还原反应器的转底式炉中。使用蒸汽入口将含有H₂和CO的热解废气从圆柱形容器计量到还原反应器中。蒸汽与固体流动逆流流动。还原反应器在约700℃的还原温度和约50分钟的还原停留时间下操作。还原压力为约10巴(经由加压的热解废气)。在还原反应器中，Fe₃O₄通过与H₂和CO反应被还原成Fe。优化还原反应，使得少于全部的固体碳与氧化铁反应。来自还原反应器的蒸汽输出物含有水和二氧化碳作为来自化学还原的反应副产物。来自还原反应器的固体输出物含有Fe。固体输出物是基本上由铁和碳组成的铁块形式。铁块是高质量的炼钢和铁铸造进料。铁块是具有优良运输和处理特性的优质生铁产物。

实施例6：由铁矿石和生物质生产铁。

提供木屑形式的花旗松(Pseudotsuga menziesii)作为生物质原料。木屑的平均尺寸为约25毫米长、约25毫米宽和约5毫米厚。

颗粒状铁矿石作为金属矿石提供。铁矿石以铁燧岩的形式存在。铁燧岩是含有20重量％至30重量％的磁铁矿(Fe₃O₄)的低级硅铁矿石。

生物质原料在连续热解反应器中在约700℃的热解温度下以约20分钟的热解停留时间热解。在基本上由N₂组成的惰性气体下，热解压力为约1巴。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是包含碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是热解废气。

将颗粒状铁矿石以及生物源试剂的至少一部分在连续压碎单元中组合以产生碳-铁矿石团块。

然后使用固体入口将碳-铁矿石团块进料到连续化学还原炉中。化学还原炉在约1100℃的还原温度、约1小时的还原停留时间和约3巴的压力下操作。将空气进料到化学还原炉中以氧化包含在碳-铁矿石团块中的碳，从而产生热和一氧化碳。Fe₃O₄通过与该CO以及与残留的C反应被还原成Fe。任选地，将由热解产生的生物源试剂中的一些生物源试剂直接共同进料到化学还原炉中(不是作为碳-铁矿石团块)。来自化学还原炉的固体输出物含有Fe，即铁产物。

实施例7：用于还原铁矿石的组合物。

提供木屑形式的花旗松(Pseudotsuga menziesii)作为生物质原料。木屑的平均尺寸为约25毫米长、约25毫米宽和约5毫米厚。

颗粒状铁矿石作为金属矿石提供。铁矿石以铁燧岩的形式存在。铁燧岩是含有20重量％至30重量％的磁铁矿(Fe₃O₄)的低级硅铁矿石。

生物质原料在连续热解反应器中在约650℃的热解温度下以约30分钟的热解停留时间热解。在基本上由N₂组成的惰性气体下，热解压力为约1巴(大气压)。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是含有约70重量％的固定碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是热解废气，其可被储存、燃烧以产生能量，或在该方法的其它地方使用。

将颗粒状铁矿石和生物源试剂在连续压碎单元中组合以产生碳-铁矿石小颗粒。然后将小颗粒在连续制粒单元中制粒以产生碳-铁矿石粒料。石灰石用于提高结合效率。石灰石包含方解石和文石，它们是碳酸钙CaCO₃的不同晶体形式。

最终组合物包含碳-铁矿石粒料，其中按无水和无灰计，碳-铁矿石粒料包含约30重量％的固定碳。固定碳略小于100％可再生碳，如由该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量所确定。由于CaCO₃粘结剂中所包含的碳而产生小百分比的不可再生碳。

实施例8：用于还原铜-镍矿石的组合物。

提供木屑形式的北欧桦树(Betula pendula)作为生物质原料。木屑的平均尺寸为约50毫米长、约50毫米宽和约10毫米厚。

提供含有混合的铜矿石和镍矿石的颗粒状金属矿石。

生物质原料在连续热解反应器中在约650℃的热解温度下以约30分钟的热解停留时间热解。在基本上由N₂组成的惰性气体下，热解压力为约1巴(大气压)。存在来自热解反应器的固体输出物和蒸汽输出物。固体输出物是含有约75重量％的固定碳的生物源试剂并且被收集在料斗中。蒸汽输出物是热解废气，其可被储存、燃烧以产生能量，或在该方法的其它地方使用。

将颗粒状金属矿石和生物源试剂在连续金属研磨机中组合以产生碳-金属矿石小颗粒。然后将小颗粒在连续制粒单元中制粒以产生碳-金属矿石粒料。玉米淀粉用于提高结合效率。玉米淀粉中的碳是可再生的和生物源的。

最终组合物包含碳-金属矿石粒料，其中按无水和无灰计，碳-金属矿石粒料包含约35重量％的固定碳。固定碳是100％可再生碳，如由该碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量所确定。

Claims (20)

1.一种用于还原金属矿石的组合物，所述组合物包含碳-金属矿石颗粒，其中按无水和无灰计，所述碳-金属矿石颗粒包含至少约0.1重量％至至多约50重量％的固定碳；并且其中所述固定碳为至少约50％可再生碳，如由所述碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的测量所确定。

2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述固定碳的¹⁴C/¹²C同位素比率的所述测量利用ASTM D6866。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的组合物，其中所述金属矿石选自铁矿石、铜矿石、镍矿石、镁矿石、锰矿石、铝矿石、锡矿石、锌矿石、钴矿石、铬矿石、钨矿石、钼矿石或它们的组合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的组合物，其中所述金属矿石是铁矿石。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的组合物，其中所述金属矿石是铜矿石和镍矿石的组合。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的组合物，其中所述组合物为选自小颗粒、团块、粒料、块或它们的组合的物体形式。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的组合物，其中按无水和无灰计，所述碳-金属矿石颗粒包含至少约0.5重量％至至多约25重量％的固定碳。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的组合物，其中按无水和无灰计，所述碳-金属矿石颗粒包含至少约1重量％至至多约15重量％的固定碳。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的组合物，其中按无水和无灰计，所述碳-金属矿石颗粒包含至少约2重量％至至多约10重量％的固定碳。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的组合物，其中按无水和无灰计，所述碳-金属矿石颗粒包含至少约3重量％至至多约6重量％的固定碳。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的组合物，其中所述固定碳为至少约90％可再生碳，如由测量所述碳的¹⁴C/¹²C同位素比率所确定。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的组合物，其中所述固定碳为至少约99％可再生碳，如由测量所述碳的¹⁴C/¹²C同位素比率所确定。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的组合物，其中所述固定碳为约100％可再生碳，如由测量所述碳的¹⁴C/¹²C同位素比率所确定。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的组合物，其中所述碳-金属矿石粒料包含添加剂。

15.根据权利要求14所述的组合物，其中所述添加剂包含粘结剂。

16.根据权利要求1至13中任一项所述的组合物，其中所述碳-金属矿石粒料基本上由碳和所述金属矿石组成。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的组合物，其中所述固定碳的特征在于至少400m²/g的BET表面积。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的组合物，其中所述固定碳的特征在于至少800m²/g的BET表面积。

19.根据权利要求1至17中任一项所述的组合物，其中所述固定碳的特征在于至少0.5cm³/g的中孔体积。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的组合物，其中所述固定碳的特征在于至少1cm³/g的中孔体积。

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