木炭的生產方法

2023-06-09 09:09:46

專利名稱：：木炭的生產方法發明範圍本發明涉及從木質或草質植物材料生產木炭的方法。
背景技術：
：在本文中使用的「木質或草質植物材料」一詞廣泛地包括生物質(biomass)，如木頭、成材、木版、木屑和玉米芯等。此術語也用來包括加工過的纖維素材料，比如紙漿、紙板、紙、甘蔗或甜菜渣、繩子和其他源於植物的生物質。按照本發明，通過熱裂解轉化的方法把木質和草質的材料轉化為木炭。在本發明文章中的「惰性」一詞表示的是在實施本發明時，在反應容器中所達到的溫度和壓力下，不與木材或其熱裂解副產物發生反應的一類化合物、組合物或材料。製造木炭的常規技術一般包括8天一批次的裝載生物質原料、加熱、冷卻和卸出木炭的一個周期。用傳統方法製造的優質木炭的產率(以在爐內乾燥的重量為基準)一般為25％，很少超過35％。優質木炭的揮發份等於或小於35％。格裡邁特(Grimmett)的3,929,585號專利公開了一種方法是在138-538℃的溫度下在流化床中加熱木材，不過木炭的產率只有大約20％(乾重為基)。貝克(Baker)等人在1983年12月19日的《能源進展》(EnergyProgress)，第3卷(第4號)226-228頁中公開了在流化床中加熱木材的實驗。據報導，在沒有催化劑存在下，在此流化床中加熱木材得到的碳的轉化率為9％(在1大氣壓下以碳為基)至21-27％(在10大氣壓下以碳為基)。然而，由於木炭幾乎是純的碳，而原料木材只有大約50％的碳，貝克等人所得到的木材到木炭的產率用乾重為基表示時只是已說明值的大約50％，這個值和格裡邁特報導的用流化床的低產率是符合的。默克和安塔爾(MokAntal)在《熱化學學報》(ThermochimicaActa)，68(1983)165-186公開了在不同的溫度和壓力下熱裂解木製品的情況。在該報告中報導的最高木炭產率大約22％。默克等人使用了一種實驗設備，在熱裂解過程中有氣體流過生物質，有點像流化床的條件。默克等人的報告表明，只靠改變壓力不能明顯地影響木炭的產率。在阿特金森(Atkinson)的1,538,505號專利中公開了一種蒸餾方法，按這種方法先用水和蒸汽汽提碳質材料(如玉米芯、木屑等)，然後在乾餾釜中讓剩下的固體殘渣炭化。將熱裂解得到的反應性氣體稀釋，從乾餾釜中的固體物料中帶出，木炭的產率是低的。因此，本發明的一個目的是提供一種經濟的方法，有效地將木質和草質植物材料轉化為熱值大約為13,000Btu/lb(以含水分和無灰為基)的固體木炭。按照本發明，一般的每批周轉時間少於2小時，木炭的產率一般為35-50％。按照本發明製造的木炭一般揮發物含量小於大約25％，熱值大約為13,000Btu/lb.。本發明的又一個目的是提供將木質和草質植物材料進行轉化改進方法。參考附圖和下面的敘述將很容易理解本發明的這些和其它的目的以及本發明的優點。發明概要本發明提供了通過熱裂解將木質和草質植物材料轉化為木炭的間歇方法，它包括如下各步驟在一個密封的容器中放入這類材料；在大約350以上的溫度下加熱該材料足夠的時間，使所述容器中的壓力上升到至少約15psig，但低於大約500psig，優選低於440psig，最優選低於150psig；和保持容器內的壓力低於大約500psig足夠的時間，以超過35％的產率(乾重為基)將木質和草質的植物材料轉化為木炭。除了將木材切割成便於處理的大小和形狀以外，不用任何的預處理就可以使用此木質和草質植物材料，因此該材料可以具有對於各類木材或草材是特徵性的高溼含量或低溫含量。有一些木材比另外一些具有更高的溼含量。某些木材可能在潮溼或乾燥的環境下切割或儲存，所以其實際溼含量可能高於或低於其天然溼含量。因此可以預期，木質和草質植物材料的溼含量可能高達約50％，或低達約1％。在任何情況下，都無須專門的爐烘乾燥，因此這也是本發明的一個優點。也提供了實施本發明的優選設備，它包括一個垂直的圓柱形反應器、在其頂部的一個密封門、在反應器內部一個垂直對中放置的加熱裝置和一個調節反應器內壓力的壓力調節裝置。為了使用該反應器，用木質和草質植物材料充填具有一個可容納加熱器的空腔的金屬罐，並將其放入反應器中。加熱以後，從反應器中取出充滿熱木炭的金屬罐，再裝入另一個裝滿材料的金屬罐。附圖簡述附圖是實施本發明的優選設備的側視剖面圖。優選實施方案的敘述下面結合在附圖中所表示的設備來敘述本發明的方法。不過，已經認識到，也可以使用其它的設備，只要用它們能保持本方法的參數，能取出加工好的木炭，不使它們暴露在空氣或氧氣中即可。參照附圖，按照本方法使用的木質和草質植物材料可以以任何方便的形式提供，可以從顆粒狀物(如鋸末)到直徑6英寸或更大、幾英尺長的圓木。本發明的一個優點就是，可以使用高含水量的植物材料，也就是說含水量可在大約15％以上(重量)，可以高達大約50％(重量)。圓柱形的反應器10放在含有保溫材料11的隔熱環境中。保溫材料可以是考吾爾矽酸鋁纖維或其它高溫保溫材料。一般來說，反應器10應包在保溫材料11當中。由於用保溫材料11包住了反應器10，在兩次加料之間無須冷卻，因此使本方法比在重複裝料時需要冷卻的更加高效。如圖所示，包括潛水艇式人孔門12的反應器上端沒有被保溫材料包圍。在給反應器10加料之前，通過開口蓋15將碳質材料13加到金屬罐14中去。金屬罐中間的圓柱形空腔14A優選由金屬篩網或打孔的金屬製成，使得在熱裂解過程中產生的熱氣體可以通過，並與加熱器16接觸。在金屬罐14裝好碳質材料13之後，通過人孔12將其下降到反應器10中，並且密封。反應器中不容許放入其它材料。用一個垂直、對中放置的加熱器16(比如電阻加熱器或燃氣輻射加熱器)來加熱金屬罐14和碳質材料13。當壓力隨著加熱增加時，用壓力調節器17來調節反應器10內部的壓力。為了在卸料之前釋放反應器內的過高壓力，提供一個減壓放空閥18。下面將要詳細地討論該圖的其它細節。可以用溫度傳感器19比如熱電偶和壓力計20分別監測反應器內的溫度和壓力。在加熱過程中，由於木質和草質植物材料中物質(包括殘留的水)的揮發而使壓力上升。壓力調節器的設定使得反應器內的最高壓力為大約100-500psig，優選100-440psig，最優選100-150psig。在100-150psig的範圍內，壓力一般為100左右。通過保持容器內的溫度高於約350℃至最高約550℃，保持壓力為大約100psig，以大約40％或更多(乾重為基)的產率將植物材料轉化為木炭的停留時間大約是2小時或更少，一般如果容器已被預熱則大約為1個小時。反應器內的溫度不應超過約550℃。在這些條件下容器內植物材料的精確停留時間取決於所用材料的特定類型及其含水量，但一般停留時間短於2個小時。本領域內的普通技術人員通過特定植物材料的試樣進行的試驗很容易確定對於該特定材料的最佳條件。當植物材料在反應器10內的停留時間內就會發生熱裂解反應，多餘的蒸汽和氣體將通過管線21經壓力調節器17而放出。這些氣體可以回收，或者在外燃燒器(未標出)中燃燒，成為本發明方法的附加的熱源。此外，該氣體也可以如圖所示在排放到大氣之前燃燒掉。本發明的一個特點是，為了最大限度地提高效率，在兩次加料之間，無須將反應器冷卻到可處理的溫度。因此，當反應器內在一組給定的條件下達到適當的停留時間而生產出木炭時，根據需要可將加熱器16向下降低、關掉或保持同樣的水平。在打開人孔門12之前，通過閥門18放掉過高的壓力。關緊金屬罐14；隨後儘量減少進入金屬罐14內的空氣量，所以在金屬罐內的熱木炭就不會燃燒。通過空腔處14A會有少量空氣進入金屬罐，但如把金屬罐放到一個平的或軟的表面上，則金屬罐底部的外緣可以有效地起密封的作用。在冷卻之後，將木炭從金屬罐中卸出。就在從反應器10中取出裝滿熱木炭的金屬罐之際，立即將另一個裝滿木質和草質植物材料的金屬罐放到反應器中。此後反應器再次被密封和加熱，用不著對反應器10進行任何實質性的冷卻，因此總的過程的效率就更高了。參照此圖，反應器10的其它特點包括上密封環22、下密封環23以及底版24。潛水艇式人孔12由許多緊固螺栓25來固定，螺栓由螺帽26和墊圈27來緊固。金屬罐14裝有鏈狀把手28，用它把金屬罐取出和放入反應器10中。提供如下的實施例進行說明，但無意以任何方式對本發明加以限制。實施例1用兩種在夏威夷得到的木材作為原料，在如圖中所述的反應器中轉化為木炭。Kiawe是一種緻密、乾燥的木材，而桉樹是一種輕而潮溼的木材。如表1所示，用本發明的方法由這兩種木材製造木炭的產率實質上是相同的。表1反應器的性能+木炭的分數產率是產生的木炭的重量與加入爐中的木材幹基重量之比。*生產每kg木炭所需的kw-hr。實施例2在表2中顯示了按照本發明製備的「Aloha」桉樹木炭和「Aloha」Kiawe木炭的分析結果，並與三種商品木炭進行比較。由本發明製備的兩種木炭和商品木炭大體上相當。表2Aloha木炭和商品木炭的比較實施例3在反應器中用空氣乾燥的銀合歡木進行兩批試驗，得到如下的結果。表3空氣乾燥的銀合歡樹的兩輪試驗在反應器內用烘箱乾燥(110℃)的銀合歡樹進行5次試驗，得到如下的結果表4用烘箱乾燥的銀合歡樹進行的5次試驗實施例4在反應器中用澳洲堅果殼進行三輪試驗，以確定不同壓力的影響，結果如下。表5用澳洲堅果殼的三輪試驗只要不偏離本發明的基本精神，本發明可以以其它特殊的形式來實施。因此本實施方案從全方位看只是具有說明的性質，對本發明的範圍不構成限制。本發明由所附的權利要求來指明範圍，因此在權利要求書等同物的涵義和範圍內的修正也要包含在本文中。權利要求1.將含水量最高為約50％(重量)的木質和草質植物材料經熱裂解轉化為木炭的間歇方法，該方法包括如下步驟在一個封閉的容器中將所述的材料密封，這樣所述的容器的非惰性內容物由所述材料和空氣組成；將所述的材料加熱到約350℃以上，同時在所述容器內得到約15psig以上的壓力，藉此由所述材料的熱裂解產生蒸汽；以及保持所述壓力低於約500psig，通過從所述的容器中釋放蒸汽，和保持所述在約350℃以上的溫度足夠的時間，以在所述蒸汽存在下，以至少大約35％(乾重為基)的產率將所述材料轉化為木炭。2.按照權利要求1的方法，其中所述的壓力低於大約440psig。3.按照權利要求2的方法，其中所述的壓力低於大約150psig。4.按照權利要求1的方法，其中所述材料的含水量為大約1％或更多。5.按照權利要求2的方法，其中所述材料的含水量為大約15％或更多。6.按照權利要求1的方法，其中用所述方法製造的木炭，其揮發份含量為35％或更少。7.按照權利要求1的方法，其中所述的時間為2小時或更少。8.按照權利要求1的方法，其中在所述的時間內，溫度不超過大約550℃。9.按照權利要求1、2或3的方法，其中從所述的容器中除去在這裡產生的蒸汽，以保持在所述的容器中的壓力，該方法還包括回收和在外燃燒器中燃燒所述氣體的步驟。10.按照權利要求1的方法，它還包括以下步驟，就是在所述容器內降低壓力並從中取出木炭，而同時不使木炭暴露在足夠的空氣或氧氣中，以免引起其燃燒；以及冷卻和回收所述木炭。11.按照權利要求1的方法，其中所述生產的木炭的特徵是，其熱值大約為1300BTU/lb。12.用於將木質和草質植物材料經熱裂解轉化為木炭和氣體的反應器，它包括一個具有可密封的開口，用來接受含有所述材料的金屬罐；用於加熱所述反應器的加熱裝置；用於調節從所述反應器中排出的氣體，以控制在所述反應器內的壓力的壓力調節裝置；以及包在所述反應器側面的大部分周圍的保溫裝置。13.按照權利要求12的反應器，它還包括一個閥門裝置，用來在打開所述可密封的開口之前從所述反應器中釋放帶壓力的氣體，以便取出所述金屬罐。14.按照權利要求12的反應器，其中所述加熱裝置包括一個電阻加熱器。15.按照權利要求12的方法，其中所述加熱裝置包括一個燃氣輻射加熱器。全文摘要提供了將木質和草質植物材料經熱裂解轉化為木炭的間歇方法,以乾重為基其產率大約為35—50%,揮發份大約25%或更少,燃料值為13000BTU/lb。該間歇方法每批進行2小時或更少,實際上下一批的加料可以馬上進行,而不用對本方法所用的反應器(10)進行實質性的冷卻,也不會讓加工好的熱木炭暴露在足夠的空氣或氧氣中,以免在將其從反應器(10)中取出時引起燃燒。反應器(10)被包在保溫材料(11)中。將炭質材料(13)裝入金屬罐(14)並放入反應器(10)中。文檔編號C10B53/02GK1183797SQ95197851公開日1998年6月3日申請日期1995年3月22日優先權日1995年3月22日發明者小·M·J·安託爾申請人:夏威夷大學