熱解碳質原料的往復式反應器和方法

2023-06-13 00:38:01

熱解碳質原料的往復式反應器和方法
【專利摘要】一種連續熱解系統，具有進料組件和構造成接收碳質原料並將其反應成氣體產物和固體產物的往復式反應器組件。反應器具有內反應器管、形成環狀空間的外反應器管，和轉向區。內反應器管用作內反應器。氣體排出組件與由環狀空間形成的外反應器區流體地連接並構造成去除氣體產物。固體排出組件也與外反應器區流體地連接，接合部將進料組件連結到往復式反應器組件並且將外反應器區連結到氣體排出組件和固體排出組件。
【專利說明】熱解碳質原料的往復式反應器和方法
【技術領域】
[0001]本技術涉及熱解碳質原料的方法、系統和裝置。
【背景技術】
[0002]熱解是碳質原料(有時稱為生物量)的熱轉換或熱解以產生生物碳、水和氣體的過程。
[0003]術語「碳質原料」包括所有種類的有機材料，諸如木質和草本植物材料以及農作物廢料，包括例如原木、木板、木屑以及樹皮、玉米穗、穀物乾草、麥秸、堅果殼和甘蔗渣。碳質原料還包括城市固體廢料、塑料、輪胎、汙水汙泥、糞便或其它排洩物的有機成分，以及畜牧業廢料，諸如骨頭和屍體。
[0004]術語「生物碳」表示由碳質原料的熱解產生的炭化材料。生物碳有很多用途，包括將其用作土壤改良劑以提高植物產量、提高保水性、減少溫室氣體的土壤排放、減少養分流失以及減少土壤酸性。有些人認為生物碳生產和用於土壤中是碳封存的有用方法。
[0005]在一個示例性熱解過程中，木材可作為碳質原料。在實驗室環境和常壓下，轉化過程中的下列階段已經過驗證:
[0006]1.20°C到110°C—木材隨著其變幹而吸熱，從而將水分放出為水蒸汽(蒸汽)。溫度保持在100°c或略高直到木材基本乾燥。
[0007]2.110°C到270°C—木材吸熱。最後的水跡放出為水蒸汽(蒸汽)且木材開始分解、放出一些一氧化碳、二氧化碳、醋酸和甲醇。
[0008]3.270°C到290°C —木材開始放熱分解。假設木材未被冷卻到分解溫度以下，發生放熱並且分解自發地繼續進行。混合的氣體和蒸汽與一些焦油一起繼續被放出。
[0009]4.290°C到400°C—木材結構繼續分解，放出的蒸汽包括可燃氣體以及二氧化碳，可燃氣體諸如是一氧化碳、氫氣和甲烷，並且還包括可冷凝蒸汽，諸如水、醋酸、甲醇、丙酮等。此外，放出的蒸汽還包括焦油，焦油隨著溫度升高開始佔主導地位。
[0010]5.400°C到500°C —在大約400°C下，木材到生物碳的轉化實際地完成。該溫度下的生物碳仍包含有被捕集在結構中的相當可觀量的焦油，可能是大約30wt%。生物碳需要進一步加熱以餾出更多焦油且由此將生物碳中的固碳含量提高到大約75%，這是優質商業木炭的標準要求。為了餾出額外的焦油，生物碳經受進一步的熱輸入以將其溫度提高到大約500°C，從而完成碳化階段。
[0011]在本領域已知的是，提升反應器壓力對碳質材料的熱解反應影響很小。值得注意地，熱解在較低溫度下開始，在反應過程中釋放明顯更多的能量，增加固碳產量，以及改變氣體產物成分。除了具有明顯更少的焦油外，氣體產物成分有利於使水和甲烷的產量超過
二氧化碳、氫氣和一氧化碳。
[0012]熱解技術可在廣義上分類成批次或連續的工藝系統。由於一系列原因，包括運行效率、熱效率、轉化效率、資本效率，以及更大的過程和排放控制等原因，最先進的碳化系統採用連續過程。[0013]為了產生足夠熱以開始和保持連續的熱解，目前已知的工藝通常某種程度上依賴於內部燃料、外部燃料還是兩者都有的燃燒。內部燃燒通常包括允許受限量的空氣進入到熱解腔室以提供熱解產物的部分燃燒必需的氧氣。但由於兩個原因，這是有問題的。第一，任何程度的燃燒均使得熱解產物的產量降低。第二，注入空氣中的惰性氣體和燃燒產物稀釋了熱解氣體產物，使得它們有用性降低且經常不可燃燒，這導致增大的空氣汙染。
[0014]為克服與使用內部燃燒相關聯的問題，許多熱解系統設計成使用外部熱源(通常為燃燒)來提供必需的熱，並且經由穿過反應器容器外壁的熱傳遞來加熱原料。使用外部熱源的熱解方法還具有明顯的缺點。值得注意地，加熱容器所需的熱源增大了這種系統的運行成本。而且，將燃燒作為熱源產生了可能對環境有害的空氣排放源。
[0015]而且，由傳統的熱解系統產生的氣體通常包括可燃成分(諸如，一氧化碳、氫氣、少量的甲烷，以及焦油蒸汽)和不可燃成分(諸如，水、氮氣和二氧化碳)的混合物。典型的熱解氣體的能量密度與其它燃料氣體相比是較低的。提高氣體等級可能是昂貴的且高度依賴於所選的方法。最不昂貴的方法通常是除溼，以取出反應過程中形成的大部分水蒸汽。除溼通常通過簡單地將氣體在單獨的除溼系統中冷卻來實現。由於壓力的使露點溫度升高的影響，在升高壓力下的冷卻氣體允許在固定溫度下去除更多蒸汽。
[0016]提高氣體等級的另一常用方法是旨在選擇性地提取氣體的二氧化碳部分。這在本領域中可採用多種不同方法實現。一種常用方法是使用水洗塔，其中使得氣體產物與水接觸從而水將從氣體產物吸取出二氧化碳。然而，該方法的有效性依賴於在原始氣體產物中的初始甲醇和一氧化碳成分。例如，一些熱解反應器主要產生氫氣和一氧化碳作為氣體的可燃部分，而甲醇部分是有限的。對於這些反應器，由於氫氣和一氧化碳與甲醇相比具有較低的能量密度，因此最終可得到的氣體能量密度將是有限的。另外，使用通過空氣注入增強的內部燃燒的那些反應器具有高水平的氮，所述氮稀釋氣體並且其去除是既昂貴又困難的。
[0017]在經濟的現實情況下，通過電加熱或純氧注入來提供所需的熱通常是不可行的。因此，基於內部燃燒的系統趨於最終產生低質量的氣體產物並且損失掉潛在的生物碳產量。另一方面，基於外部燃燒的系統通常存在多個排放源並且需要燃燒額外燃料的費用。

【發明內容】

[0018]本技術涉及用於碳質原料到產物的連續熱轉化的系統、方法和裝置，並且更具體地涉及可用作連續熱解的系統和方法中一個部件的往復式反應器。
[0019]在一個方面中，本技術提供了一種連續熱解系統，包括:進料組件，碳質原料能夠通過所述進料組件被引入到所述連續熱解系統中；往復式反應器組件，所述往復式反應器組件構造成接收碳質原料和將碳質原料反應以產生氣體產物和固體產物；氣體排出組件；固體排出組件；以及接合部。該往復式反應器組件可包括內反應器管和外反應器管。外反應器管可具有圍繞內反應器管形成環狀空間的第一部分和延伸越過內反應器管並形成轉向區的第二部分，其中內反應器管限定產生部分地反應的碳質原料的內反應器區，並且環狀空間限定產生氣體產物和固體產物的外反應器區。氣體排出組件可與往復式反應器組件的外反應器區流體地連接，並且被構造成將氣體產物從連續熱解系統去除。固體排出組件可與往復式反應器組件的外反應器區流體地連接，並且被構造成將固體產物從連續熱解系統去除。接合部可將進料組件流體地連結到往復式反應器組件，並且將外反應器區流體地連結到氣體排出組件和固體排出組件。
[0020]另一方面，本技術提供連續熱解的方法。該方法可包括步驟:將碳質原料供給到進料組件；將碳質原料從進料組件傳送到接合部；將碳質原料從接合部傳送到往復式反應器組件；使碳質原料在往復式反應器組件中反應，以形成氣體產物和固體產物；將氣體產物和固體產物從往復式反應器組件傳送到接合部；將氣體產物從接合部傳送到氣體排出組件；將固體產物從接合部傳送到固體排出組件；將氣體產物從連續熱解系統通過氣體排出組件去除；以及將固體產物從連續熱解系統通過固體排出組件去除。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]已經選擇具體實例用於說明和描述目的，所述具體實例在形成本說明書一部分的附圖中不出。
[0022]圖1示出了本技術的連續熱解系統的一個實例。
[0023]圖2示出了用在圖1的連續熱解系統中的接合部的一個實例。
[0024]圖3示出了用在圖1的連續熱解系統中的往復式反應器組件的一個實例。
[0025]圖4示出了用在圖1的連續熱解系統中的氣體排出組件和固體排出組件的一個實例。
[0026]圖5是本技術的連續熱解系統的一個實例的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0027]本技術的連續熱解方法、系統和裝置提供熱傳遞的有效使用，以及捕獲並使用在蒸汽到水的相變過程中放出的存儲在水蒸汽中的潛在能量，以影響碳質原料的熱解。本技術的方法、系統和裝置包括使用往復式反應器的可加壓系統，該往復式反應器允許熱從輸出的生物碳和氣體再循環到進入的原料。可加壓系統還可包括氣體和固體提取系統，該氣體和固體提取系統用水洗滌氣體並且然後用水形成壓力密封，能夠以該壓力密封提取固體。
[0028]本技術的連續熱解系統以足以在具體連續熱解系統的給定通過量和幾何形狀下易於實現對所選的原料的期望熱解水平的最小溫度或以上運行。連續熱解系統的操作溫度、原料駐留時間以及壓力可變化以產生具有不同所需特性的產物。本技術的連續熱解系統是熱高效的，因為其將足夠量的熱從輸出的產物傳遞迴到進入的原料中以保持連續熱解系統的往復式反應器內的穩態反應。
[0029]圖1至5示出了本技術的連續熱解系統100的一個實例。連續熱解系統100包括接合部102、進料組件104、往復式反應器組件106、氣體排出組件108以及固體排出組件110。這些部件中的每一個以及將它們附連在一起的連接件可被加壓直到在期望運行條件下運行認為安全的量。連續熱解系統100還可包括可用以控制系統的運行的控制系統。
[0030]如圖1和2中所示，接合部102將進料組件104、往復式反應器組件106、氣體排出組件108以及固體排出組件110連結在一起。具體地，如以下更充分地討論的，接合部102將進料組件104流體地連結到往復式反應器組件106，並且將往復式反應器組件106的外反應器區180流體地連結到氣體排出組件108和固體排出組件110。[0031]接合部102較佳地是氣密的，並且允許在系統中正在處理的材料被從一個組件傳送到另一個。接合部102包括通路112，以及氣體和固體可從中通過排出接合部102的至少一根排出支管。較佳地，接合部102能夠具有包括至少一根固體排出支管114和至少一根氣體排出支管116的多根排出支管。通路112包括與進料組件104和往復式反應器組件106流體連接的內通道118。內通道118可用以將碳質原料從進料組件104輸送到往復式反應器組件106。通路112還包括與至少一根排出支管流體連接的外通道120。如圖2中所示，外通道120能夠圍繞內通道120，並且能夠流體地連接到固體排出支管114和氣體排出支管116。外通道120能夠用以將氣體和固體從往復式反應器組件106輸送到氣體排出組件108和固體排出組件110。在圖2中的所示的實例中，固體排出支管可位於接合部102的底部，而氣體排出支管116可位於接合部102的頂部。這種構造可通過使接合部102包括十字形管來實現。
[0032]進料組件104構造成接收碳質原料204並將其輸送到接合部102。碳質原料204可通過進料組件104被引入到連續熱解系統100中。進料組件104可包括:可從外部源接收碳質原料204的一個或多個原料輸入氣閘室122 ;構造成從所述一個或多個原料輸入氣閘室122接收碳質原料204的進料室124 ;具有驅動組件128和密封146的進料螺旋鑽126 ;以及與接合部102的內通道118連接的氣密的第一接合連接件130。由於無軸螺旋鑽在本領域內已知可用來輸送非勻質的且甚至粘性的原料，因此進料螺旋鑽126可以是無軸的。而且，如下所述，設置中空的芯提供了更大的氣流空間。進料螺旋鑽126可構造成將碳質原料204從進料室124通過往復式反應器組件106的內反應器區178輸送到轉向區164。進料螺旋鑽126可穿過進料室124、穿過接合部102的內通道118並沿著往復式反應器組件106的內反應器管的長度的主要部分延伸。較佳地，進料螺旋鑽126可沿內反應器管152的基本上整個長度並且在往復式反應器組件106的長度的大部分內延伸。而且，進料螺旋鑽126可被加強以在期望運行條件下保持剛性。進料室124可通過連續布置的一個或多個T形管配件134構成，每個T形管配件134自身的輸入氣閘室122均相對於T形配件的頂部密封。進料組件104的每個T形件還可包括至少一個高度延伸部136以及可將碳質原料204從外部源導入到每個輸入氣閘室122中的至少一個進料鬥138。
[0033]在使用閘鬥氣閘室的情況中，每個T形管配件124和高度延伸部136的大小可設置成適應在進料螺旋鑽126之上的原料緩衝，該原料緩衝是足夠大的以保持在氣閘室122排放周期之間的進料螺旋鑽126的高填充水平。另外，如果包括有多個氣閘室122，則位於氣閘室122下方的進料螺旋鑽126的部分可具有變化螺距，以允許從每個氣閘室接受大體上同樣體積的碳質原料204。例如，如果有兩個氣閘室122，如圖1所示，則位於距離往復式反應器組件106最遠的氣閘室下方的進料螺旋鑽126的部分可設計成接收期望通過量的大約50%。而位於距離往復式反應器組件106最近的氣閘室下方的進料螺旋鑽126的部分可設計成接受期望通過量的大約100%。由於進料螺旋鑽126容量的50%的已從距離反應器最遠的氣閘室122填充，另外的50%將從距離反應器最近的氣閘室122取得，以實現總共100%的期望通過量。如果有三個氣閘室122，則在每個氣閘室122下方的進料螺旋鑽126的部分可從距離反應器106最遠的部分開始分別接受期望通過量的大約33%、66%和100%。關於進料螺旋鑽126的每一部分所接收的碳質原料204的量的這種分配可允許將每個氣閘室122下方的空間用作材料緩衝，以促進碳質原料204的連續流動。[0034]每個T形管配件134可包括進料平整杆140，進料平整杆140可垂直於碳質原料的流動方向固定以防止碳質原料204沿移動的堆料頂部浮動。
[0035]進料組件蓋142可附連到距離接合部102最遠的T形管件134上的端部開口 144。進料組件蓋142可附連到高壓進料端密封146，以及進料螺旋鑽驅動組件128的進料螺旋鑽驅動軸148可穿過進料組件蓋142和高壓進料端密封146且與進料螺旋鑽126可操作地連接。實現高壓密封的一種方法是使用單或雙機械密封。
[0036]進料室124還可包括位於最靠近反應器106的T形管配件134和與接合部102的內通道118相連的第一結合連接件130之間的一個或多個偏心縮徑管150。該一個或多個偏心縮徑管150可排列成保持平坦的底面用於支承進料螺旋鑽126。該一個或多個偏心縮徑管150可用於「步減」進料室124的內徑，以使進料室124的內徑在第一結合連接件130處大體上等於內反應器管152的內徑。此外，或可替代地，擴徑管可用於在進料室124和接合部102之間形成距離。若需要，熱源可施加到擴徑管的外表面以預熱原料。
[0037]如圖1和3中所示，往復式反應器組件106構造成接收碳質原料204以及使碳質原料204反應以產生氣體產物和固體產物，往復式反應器組件106包括內反應器管152和外反應器管154，外反應器管具有圍繞內反應器管而形成環狀空間的第一部分156和延伸越過內反應器管152並形成轉向區164的第二部分158。如以下詳細討論的，內反應器管152提供內反應器區178，而環狀空間提供外反應器區180。
[0038]內反應器管152可與接合部102的內通道118 —體地或流體地連接。內反應器管152可包括一個或多個、且較佳地多個氣口。內反應器管152可與接合部102的進料室側氣密連接並且延伸穿過接合部以產生內通道118，或者其可與在接合部的160和往復式反應器之間的過渡區處單獨構成的內通道附連。
[0039]外反應器管154可與內反應器管152同軸或基本上同軸。往復式反應器154的第一部分156圍繞內反應器管152且通過接合部102與氣體排出組件108和固體排出組件110流體連接。外反應器管154可在第二結合連接件160處與接合部102氣密連接。外反應器管154的第二部分158延伸越過內反應器管152的出口端162，從而其不圍繞內反應器管152並形成轉向區164。
[0040]往復式反應器組件106還可包括能夠是無軸螺旋鑽的迴轉螺旋鑽166，迴轉螺旋鑽166從外反應器管154的第二部分158的轉向區164延伸到接合部102，迴轉螺旋鑽166構造成將部分反應的碳質原料從轉向區164輸送到氣體排出組件108和固體排出組件110。迴轉螺旋鑽166可被加強以在期望運行條件下保持剛性，並且使得迴轉螺旋鑽166可支承內反應器管152的以及無軸進料螺旋鑽126在內反應器管152內延伸的部分的重量。在該實例中，迴轉螺旋鑽166的內和外摩擦表面可較佳地設計成具有儘可能小的摩擦。另外，迴轉螺旋鑽166的大小可設置成提供相對於外反應器管154內壁的最小可用公差。
[0041]迴轉組件蓋168可附連到外反應器管154上的距離接合部102最遠的埠 170。迴轉組件蓋168可附連到高壓反應器端密封172，以及迴轉螺旋鑽驅動組件176的迴轉螺旋鑽驅動軸174可穿過迴轉組件蓋和高壓反應器端密封172且與迴轉螺旋鑽166可操作地連接。如與高壓進料密封146—樣，高壓密封可使用單或雙機械密封實現。然而，高壓反應器端密封172可較佳地也是高溫密封，這可通過雙機械密封來形成。如果溫度對於所選的具體密封是一個問題，則能夠安裝冷卻系統和/或其它的溫度控制系統。[0042]具有內注入管嘴的壓縮空氣入口可添加到轉向區164的壁，用於在需要附加的系統熱的情況下將外部空氣注入以促進燃燒。內注入管嘴可延伸離開外反應器管154的內表面，以使空氣注入到轉向區164中時產生的火焰不會使入口附近的反應器壁過熱。為允許內注入管嘴不影響轉動迴轉螺旋鑽166，構造成穿過內注入管嘴的槽口可被切入到迴轉螺旋鑽166中，只要迴轉螺旋鑽166中不會失去過多的強度。
[0043]實際上，在內反應器管152內的容積形成內反應器區178，而由內反應器管152的外壁和外反應器管之間的環狀空間限定的圍繞內反應器管152的外反應器管154的第一部分156的容積形成外反應器區180。轉向區164流體地連接內反應器區178和外反應器區180。部分反應的碳質原料可行進穿過內反應器管152的內反應器區178，通過其出口端162排出內反應器管152進入轉向區164，以及接著反向行進穿過外反應器管156的第一部分的外反應器區到接合部102。在本技術的某些實例中，外反應器管156可固定有常用的「水套」和散熱器組件以從外反應器區180中的氣體和固體提取餘熱而促進熱回收以及通過冷凝促進氣體除溼。系統預期使用的質量和能量平衡可用於確定水套和散熱器系統的大小。
[0044]內反應器管178和外反應器管156的直徑大小可適當地設置成適應氣體和固體流在期望的溫度和壓力下的輸送以及往復式反應器組件106的固體填充水平。在外反應器區180內的迴轉螺旋鑽166可附加有槳葉以促進排出固體的回填，從而保持外反應器區180內的高填充水平。而且，迴轉螺旋鑽166的在轉向區164中的部分的螺距可製成為比在外反應區180內的大，從而保持轉向區164中的低填充水平。
[0045]內反應器管的材料、厚度和長度可基於平衡最大化換熱能力和最小化與給定計劃運行條件的所需更換和服務間隔相關聯的成本的通常衝突目標來選擇。偏心縮徑管可添加內反應器管152的出口端162，以便於迴轉螺旋鑽166重新定向碳質原料。
[0046]外反應器管154的材料和厚度可選擇成經受期望的運行條件。外反應器管154的第二部分158的長度可選擇成確保轉向區164提供足夠的空間用於排出內反應器管152的出口端162的部分反應的碳質原料受到迴轉螺旋鑽166的作用。
[0047]在接合部102內的迴轉螺旋鑽166的端部可包括平行於迴轉螺旋鑽的軸線轉動以及利用重力來作用以促進固體移動進入固體排出組件110中的一個或多個攪拌器杆210。
[0048]參照圖1和4，氣體排出組件108與接合部102流體地連接，且因此在能夠是氣密連接的第三接合連接件182處與往復式反應器組件106的外反應器區180流體地連接。氣體排出組件108構造成從連續熱解系統100去除氣體產物206。氣體排出組件108包括在氣體排出組件108的頂部處的氣體流量控制閥184，氣體流量控制閥184調節氣體產物206離開氣體排出組件108的流量。在某些實例中，氣體排出組件108還可包括在第三結合連接件182和氣體流量控制閥184之間的洗滌塔186。洗滌塔可包括在洗滌塔186的頂部附近的流體注入口 188以及將液體通過流體注入口 188注入洗滌塔186中的噴嘴組件190。實際上，氣體產物206可從接合部102向上上升穿過洗滌塔186到氣體流量控制閥184以排出氣體排出組件108，而噴嘴組件190注入洗滌塔186中的液體可通過洗滌塔186下落，與氣體產物206逆向流動。噴嘴組件190能夠與液體源192和注入泵194可操作地連接，注入泵194將流體從液體源192提供到噴嘴組件190。液體可以是合適的液體，諸如水。注入的液體能夠冷卻、清潔、除溼以及提取二氧化碳以提升氣體等級。
[0049]固體排出組件110與接合部102流體地連接，且因此在能夠是氣密連接的第四接合連接件196處與往復式反應器組件106的外反應器區180流體地連接。固體排出組件110構造成從連續熱解系統100去除固體產物208。固體產物208可包括生物碳，以及還可包括從冷凝蒸汽產物得到的液體和可已被注入系統中以組成可流動漿料的任何附加液體。固體排出組件110可包括漏鬥部198、與漏鬥部198連接的流動管道200以及與流動管道200連接的流量控制閥202，流量控制閥202調節固體產物208離開固體排出組件110的流量。流動管道200可將固體產物208從漏鬥部198輸送到流量控制閥202。漏鬥部198可具有足夠大小以與由固體產物208和液體形成的漿料池形成壓力密封。例如，固體排出組件110可通過接合部102與氣體排出組件108流體地連接，並且注入到洗滌塔186中的液體可穿過接合部102下落到固體排出組件110中。
[0050]在某些實例中，本技術的連續熱解系統可包括用來操作、調節和控制系統各部件的控制系統。該控制系統的控制機構可使用本領域中已知的自動化控制技術和方法。控制系統可包括例如，壓力和溫度傳感器、漿料池中的液位開關傳感器、氣流速度傳感器和調節器、電磁閥、能夠啟動、停止和改變所有電機的速度和運行條件的設備、穿過內反應器管152出口端162附近的外反應器管154的空氣注入口、將空氣注入轉向區164的空氣壓縮設備、用以接收和處理輸入信號並發送和傳輸適當地控制系統功能所需的輸出信號的控制計算機和使能設備及算法。
[0051]為了實現穩態運行，該控制系統可用以作用於多個可用的控制變量。
[0052]固體駐留時間可通過進料螺旋鑽126和迴轉螺旋鑽166的旋轉的速率來控制。氣體駐留時間可主要地通過系統的壓力和溫度、空氣注入速度(如果有的話)、固體駐留時間、系統反應環境和氣體離開機器的速度來控制。
[0053]稍微改變壓力可對往復式反應器組件106內的氣體密度有很大影響。因此，如果往復式反應器組件106內的溫度太高，那增加在氣體排出組件108的頂部處的氣體流量控制閥184的開度可降低往復式反應器組件106內的壓力，由於其更大容積的需要，這可增大氣體的速度。速度上的增加可減少氣體駐留時間，這可減少氣體和生物碳及碳質原料顆粒之間的傳熱量。因此，氣體與其在更高壓力下相比可變得更熱，從而降低了在往復式反應器組件106中的總體溫度。
[0054]在固體產物208和氣體產物206的排出速度外，本技術的連續熱解系統的溫度可通過改變碳質原料204的輸入的速度來調節。由於從輸出產物傳遞到進入產物的熱量依賴於每個碳質原料204顆粒與熱傳遞介質接觸花費的時間的量，因此這是可能的。從而，如果溫度過高，則提高通過速度可轉化成在往復式反應器組件106中的較少駐留時間，這又可轉化成在輸出生物碳和進入碳質原料204之間的較小熱傳遞。減少通過量以提高溫度的逆向過程也可實現。
[0055]如果需要，往復式反應器組件106中的熱和壓力還可通過將加壓空氣以受控方式注入到轉向區164中來調節。這可致使生物碳和氣體的少部分氧化，且因此釋放額外熱，使溫度和壓力升高。該方法可以在連續熱解系統100需要熱或者壓力時採用，從而即使在一些壓力和熱量損失至固有的系統運行低效率時確保足夠的熱和壓力以保持穩態運行。該方法在減輕與碳質原料的溼氣含量的波動中的峰值相關聯的溫降方向是特別有用的。然而，由於過多的空氣注入會因過多的氮氣而稀釋氣體產物206，注意確保該方法與其它方法聯合使用是推薦的。替代地可以流入純氧，但對系統增加了明顯的額外費用和複雜性。[0056]參照圖1和5，本技術的方法可包括:將碳質原料204供給到進料組件104，將碳質原料從進料組件104傳送到接合部102，將碳質原料從接合部102傳送到往復式反應器組件106，使碳質原料204在往復式反應器組件106中反應以形成氣體產物206和固體產物208，將氣體產物206和固體產物208從往復式反應器組件106傳送到接合部102，將氣體產物206從接合部102傳送到氣體排出組件108，將固體產物208從接合部102傳送到固體排出組件110，將氣體產物206從連續熱解系統100通過氣體排出組件108去除，以及將固體產物208從連續熱解系統100通過固體排出組件110去除。
[0057]如上所述，接合部102可包括通路112，通路112可具有內通道118和外通道120，內通道118與進料組件104和往復式反應器組件106流體地連接，外通道120與氣體排出組件108和固體排出組件110流體地連接。因此，將碳質原料從進料組件104傳送到接合部102的步驟可包括將碳質原料輸送到接合部102的內通道118。此外，將氣體產物206和固體產物208從往復式反應器組件106傳送到接合部102的步驟可包括將氣體產物206和固體產物208從往復式反應器組件106輸送到接合部102的外通道120。
[0058]另外如上所述，往復式反應器組件106可包括內反應器管152和外反應器管154，內反應器管152提供內反應器區178，外反應器管154具有圍繞內反應器管152以形成提供了外反應器區180的環狀空間的第一部分156和延伸越過內反應器管152並形成轉向區164的第二部分158。因此，本技術的方法中的使碳質原料204在往復式反應器組件106中反應的步驟可包括將碳質原料輸送穿過內反應器區178、轉向區164和外反應器區180。
[0059]在圖5中所示實例中，本技術的一個方法可通過將碳質原料204供給到能夠將碳質原料204從外部源引入每個輸入氣閘室122中的進料鬥138開始。每個氣閘室可用來將碳質原料204從大氣環境傳送到較佳地被加壓的進料室124。在各種實例中，閘鬥倉、旋轉氣閘室、活塞進料器或任何類似設備可與其支承裝置一起用來裝載系統。一種較佳類型的氣閘室122是這樣的閘鬥倉，該閘鬥倉由兩個刀閘組成並且該兩個刀閘之間具有加壓室。碳質原料204可在重力作用下落入進料室124中，以及可接著從進料室124輸送到接合部102的內通道118，以及接著從接合部102的內通道118到內反應器管152。
[0060]多個同時發生的過程在往復式反應器和接合部內發生。
[0061]穩態固體質量流被首先描述，並且提供了相關聯的相變、反應、氣體流和熱量流的情形。相關聯的固體質量流始於碳質原料204進入內反應器管152並由進料螺旋鑽126輸送穿過內反應器管152的內反應器區178，從而產生部分反應的碳質原料204。當部分反應的碳質原料204到達內反應器區178的端部時，其落入轉向區164中。在轉向區164中，迴轉螺旋鑽166作用於部分反應的碳質原料204，將部分反應的碳質原料204從轉向區164穿過外反應器區180向後向著接合部102輸送到氣體排出組件108和固體排出組件110。迴轉螺旋鑽166的轉速可足夠快以防止轉向區164充滿。
[0062]系統壓力、熱傳遞和氣流都可以相互影響。由於往復式反應器組件106內的熱轉化反應中釋放的氣體、來自碳質原料204的任何水分在有限容積內的蒸發，以及氣體產物通過氣體排出組件108的受控釋放，系統壓力能夠是自我保持的。為了降低系統內的壓力，可允許比產生的氣體更多的氣體逸出，直到達到期望壓力。為了建立壓力，可釋放比產生的氣體更少的氣體。適當壓力可依賴於原料和期望的產物輸出。
[0063]由於多個原因，加壓可提高系統的熱效率。壓力趨於壓縮氣體，這又趨於增強氣體和固體之間的對流熱傳遞。而且，通過氣體壓縮，加壓可增大在往復式反應器組件106內的駐留時間。增大的駐留時間與本技術的往復式反應器組件的設計組合可促進高程度的氣體/固體相互作用，從而允許氣體在排出之前更充分地接近化學平衡。相關地，加壓可減少往復式反應器組件106內的氣體流速，從而允許在給定反應器幾何構造內的沒有達到臨界氣體速度的更高通過量。
[0064]此外，高反應器壓力可便於熱轉換在更低溫度開始。而且，加壓可提高系統內蒸汽的冷凝溫度。由於一旦氣體在給定壓力下達到冷凝溫度，則氣體會在不降低溫度的情況下持續地釋放能量到進入的碳質原料，從而保持了內反應器區178和外反應器區180之間的溫度梯度，因此這可有利於穿過內反應器管152壁的熱傳導。往復式反應器組件106的長度可被選擇成足夠長，以允許在外反應器區180中達到冷凝溫度並且允許在能量傳遞到進入的原料以產生可持續反應的同時在外反應器區180內發生充分冷凝。對於給定的通過量，往復式反應器組件106的效率越高，則剩餘固體在到達冷凝區時所包含的熱能越少並且更多的液態水在排出系統100之前與剩餘固體混合。系統內冷凝的水越多，則需要的燃燒越少。在碳質原料的熱解反應中能夠有足夠的可冷凝蒸汽產物，使得有足夠的熱用以再循環熱，而不需要燃燒。
[0065]為了促進從外反應器區180到內反應器區178的更好熱傳遞，氣口 132可穿過內反應器管152的壁製成，較佳地在內反應器區178的接合部端附近並且在接合部102的外側製成。氣口 132可沿與碳質原料204的流動方向相反的方向產生具有最小阻力的氣體流路。在內反應器區178中以及較小程度上在外反應器區180中產生的氣體具有兩個離開內反應器區178的可能出口。第一，氣體可通過在內反應器管152的壁中的氣口 132離開。第二，氣體可進入轉向區164並且行進過外反應器區180的整個長度。較佳地，可設置足夠量的氣口 132來確保期望水平的氣體反射流動。由於往復式反應器組件內的氣體趨於具有與產生該氣體的原料顆粒近似相同的溫度，並且產生氣體的原料顆粒通常比進一步回到內反應器區178中的那些更熱，因此內反應器區178中的氣體趨於在它們沿反向流動方向行進並與較冷的原料顆粒接觸時釋放它們的熱。
[0066]隨著氣體冷卻，它們釋放能量至上遊的原料顆粒並且氣體的體積減小。這會產生虹吸效應，從而為靠近轉向區產生的氣體提供越多的空間。由於冷的碳質原料通常向下遊移動，並且熱氣體的大部分逆著碳質原料向上遊移動，因此氣體中的熱被有效地再循環到進入的碳質原料。由於氣體包含熱CO2和蒸汽的大部分，因此穿過固體材料的氣體流可有助於將其「激活」。在生產木炭的實例中，氣體可部分激活木炭顆粒產物並使得更易於將木炭產物轉化成活性炭。這類似於在活性碳製造中使用的傳統蒸汽激活實踐。
[0067]當氣體流過碳質原料204的反應顆粒時,氣體產物中的大部分焦油和其它可冷凝氣體可被裂解。該裂解趨於是大量放熱的且可導致更清潔的氣體產物排出往復式反應器組件106。在首次通過時在內反應器區178中未被裂解的氣體產物中的任何餘留焦油當其反向行進時能夠通過氣口 132排出內反應器區178以與明顯更熱的成碳接觸來裂解，或者僅在原料顆粒的表面上凝結且然後原料顆粒將該餘留焦油載運回到內反應器區178的熱端內經過一個或多個蒸發周期直到其裂解或通過氣口離開。
[0068]就氣口 132應布置於內反應器管152的長度上的位置而言，該布置位置較佳地是沿著內反應器管152足夠地遠，以使碳質原料202在通過氣口 132的端部之前已蒸發出潛在水分並已開始分解。氣口 132的該布置與熱階段之間的點相同，稍後描述其中的一個和兩個熱階段。這是由於氣體中的焦油蒸汽在反應的早期階段中可見的溫度下不太可能已充分分解。氣口 132的數量、大小和形狀可選擇成在無到外反應器區156的明顯顆粒損失的情況下允許足夠的氣流。由於過多氣體在內反應器區內產生且比輸送原料的進料螺旋鑽被明顯更快地前推，因此通過氣口 132的氣流可足以避免生物碳「井噴」到轉向區164中。理想地，迴轉螺旋鑽和氣口 132可設計成使得位於外反應器區180的布置為經過氣口 132的部分中的氣流最小化。這將確保在反應器區178中氣體逆著碳質原料204的方向的反向流動，並且增強了在往復式反應器組件106內的熱傳遞。
[0069]與在系統100內發生的連續熱解反應相關聯的熱量趨於來自三個主要來源:1)通過內反應器管152壁從在外反應器區180中排出反應器的固體和氣體產物再循環的熱傳遞，2)碳質原料204在往復式反應器組件106內經受的熱轉換反應，以及3)由潛在的或添加的氧引起的任何燃燒。往復式反應器組件106內的熱轉換的大部分及因此導致的氣體產生可發生在內反應器區178內。熱轉換反應可包括蒸發、熱解、氣化和小量燃燒。雖然碳質原料204可在進料室124開始少量加熱，但最大的溫度變化趨於發生在內反應器區178內。往復式反應器組件106內的溫度往往在朝向內反應器區178的端部的位置處、或者此後不久在轉向區164中，或者在外反應器區180的開始部分中達到峰值。
[0070]碳質原料204可經受大體上對應於可知溫度範圍的四個略交疊的溫度轉換階段。第一階段可在溫度從輸入溫度上升到壓力調整後的水汽化溫度發生。第二階段在輸入碳質原料204是幹的時可在熱解開始時開始，並且可持續直至放熱熱解開始。第三階段是放熱熱解階段。第四「完成」階段可以是可選的，並且可依賴於是否將比階段三中達到的溫度高的期望峰值溫度保持足夠的時間。如果需要，用於完成階段的附加熱可通過小量的燃燒來提供。
[0071]第一階段可開始於碳質原料204最初進入內反應器區178的時刻，在此碳質原料204與內反應器管152的壁的熱金屬接觸。內反應器管152的壁可用作將熱從外反應器區180中的排出往復式反應器組件的固體產物208傳導到碳質原料204中的加熱表面。碳質原料204中的任何潛在水分在其達到壓力調整後的水汽化溫度時可開始蒸發。原料溫度大體上保持在水汽化溫度下，直到幾乎所有的潛在水分被蒸發。
[0072]第二階段可以在碳質原料204達到熱解溫度且開始熱解時開始。在該階段的熱解可以是吸熱反應，並且依賴於再循環的熱來將其溫度提高到下一個階段。碳質原料204到達其開始放熱的轉折點，這指示了轉換到第三階段。
[0073]放熱轉折點依賴於碳質原料204的類型和反應器壓力，但對於木生物碳，其在大氣壓力下大體上在大約270°C和大約290°C之間。熱解反應的該放熱部分對產生熱自持反應是重要的。然而，為了實際目的，其單獨地實現穩態過程並不是足夠的。放熱主和輔助熱解反應可與來自外反應器區180的熱傳導組合以達到穩態。
[0074]往復式反應器組件106中產生的氣體產物可通過相對於氣體排出組件108的氣體流量控制閥184的壓力梯度被擠出。逸出系統100的氣體的量可通過打開和關閉氣體流量控制閥184的開口來變化。
[0075]往復式反應器組件106中產生的固體產物以及水產物可通過固體排出組件110去除。在某些實例中，形成的漿料包含固體產物和水產物並且還可包含在接合部102下方在固體排出組件110中收集在池中從氣體排出組件108注入的水。該漿料池可形成壓力密封。注入的水可輔助迴轉螺旋鑽攪拌器杆排放固體。注入水的量可較佳地足以在流量控制閥202上方產生大體上和其流出底部一樣快地重新裝滿的漿料池。針對給定的固體特性，注入的水的注入速度可被保持在確保可流動漿料混合物的水平。可允許足夠的漿料通過控制閥202流出系統100，以保持裝置的穩態運行。
[0076]在某些實例中，水再循環系統可用以使漿料脫水，並且提取的水可輸送回到水注入系統中。在該實例中，脫碳和水冷卻對保持對氣體升級的益處是必須的，這可通過使周圍空氣穿過水發泡來實現。
[0077]實例1:啟動
[0078]本技術的連續熱解系統和過程的啟動流程的一個實例如下:
[0079]1.除氣體排出組件108的氣體流量控制閥184外，閉合所有氣密連接。
[0080]2.將生物碳通過進料組件124裝入連續熱解系統100中，生物碳的量足以填充外反應器區180。
[0081]a.裝入的生物碳的最後部分用小量的慢燃促進劑(例如，柴油)浸泡。如果生物碳從最後一輪被留在反應器中，則慢燃促進劑可僅施加到進入的生物碳。
[0082]b.在停止裝入生物碳後，連續熱解系統100繼續輸送生物碳通過內反應器區178並且進入外反應器區180中到位，其中生物碳的被慢燃促進劑浸泡的部分定位在轉向區164 中。
[0083]3.在裝入生物碳之後，迴轉螺旋鑽166停止，而進料螺旋鑽126繼續轉動。
[0084]4.接著，點火裝置被裝入進料室124中並且被輸送到往復式反應器組件106中，隨後足夠的碳質原料204被裝入系統以填充內反應器區178。
[0085]a.在點火裝置之後若干英尺(在內反應器區178中)的碳質原料204的一部分也被慢燃促進劑浸泡以輔助啟動。
[0086]5.進料螺旋鑽126繼續運行，直到生物碳的用慢燃促進劑浸泡的部分點燃。
[0087]a.反應器中的熱電偶和壓力傳感器可探測到點燃發生的時刻，並使進料螺旋鑽126停止。
[0088]6.當燃燒開始時，產生的廢氣產生系統壓力，並且開始向唯一氣體出口流動，氣體排出組件108的氣體流量控制閥184。
[0089]7.氣體排出組件108的氣體流量控制閥184可調節，或可以自動調節，以適應燃燒廢氣離開系統的所有必需流量。
[0090]a.在啟動過程中，廢氣被引入到裝配有丙烷或其它氣體燃料的地面點火系統、增壓器系統以確保在啟動過程中的持續火焰。
[0091]8.可以通過將壓縮空氣通過外反應器管158的第二部分中的埠注入到轉向區164中來促進燃燒。注入的壓縮空氣的量被控制成僅適應緩慢的燃燒。
[0092]9.燃燒過程中產生的熱被傳遞到鄰近的和下遊的生物碳、碳質原料和連續熱解系統100的金屬部件。大部分熱還被攜帶在燃燒廢氣中，並通過對流傳遞到下遊生物碳、碳質原料和連續熱解系統100的金屬部件。
[0093]a.這形成了連鎖反應，該連鎖反應將持續直到所有的碳質原料中的一些和生物碳被燃燒。[0094]10.一旦內反應器區178內的碳質原料204達到放熱熱解溫度，則新的碳質原料開始被裝入進料室124並且進料螺旋鑽126被再次轉動。
[0095]11.生物碳的性質允許其比碳質原料204以快得多的速率燃燒，因此外反應器區180的加熱比內反應器區178快。
[0096]a.這確保外反應器管154部件將在內反應器管152部件之前膨脹和延長，從而形成用於內反應器管152部件的膨脹和延長的空間。
[0097]b.以這種方式適應材料的膨脹允許在反應器部件的設計上的緊密公差。
[0098]12.在啟動模式過程中，允許連續熱解系統100的溫度上升到比熱解所需的溫度高得多的溫度，從而在新的碳質原料進入系統時，其與在較冷的情形下相比更快地升到溫度，即熱解溫度。
[0099]13.氣體排出系統108開始限制離開反應器的氣體流量，從而提高往復式反應器組件106的壓力。控制壓力以確保壓力被保持為低於往復式反應器組件106的能力以將其安全地包含在其測量的溫度下。
[0100]14.為了便於往復式反應器組件106適應期望壓力，連續熱解系統100通過緩慢逐漸停止壓縮空氣供給來降低溫度。隨著溫度冷卻到期望的運行溫度時，即300°C和900°C之間的某個溫度時，允許壓力累積到運行壓力。
[0101]15.當已從氣體冷凝出或注入了足夠的水以保持固體排出組件110中的壓力密封時，迴轉螺旋鑽166轉動。
[0102]實例2:停車
[0103]本技術的連續熱解系統和過程的停車流程的一個實例如下:
[0104]1.停止將碳質原料進給到進料組件中。
[0105]2.進料螺旋鑽126和迴轉螺旋鑽166運行，直到氣體和生物碳排出系統。
[0106]3.停止進料螺旋鑽126和迴轉螺旋鑽166。
[0107]替代地，具體地在預期的下線時間很短並且反應器不必拆開的情況下:
[0108]1.停止將碳質原料進給到進料組件中。
[0109]2.進料螺旋鑽126和迴轉螺旋鑽166運行，直到系統中的所有碳質原料到達外反應器區180。
[0110]3.停止進料螺旋鑽126和迴轉螺旋鑽166，並且允許生物碳冷卻以準備下一次啟動。
[0111]根據前述內容，將理解雖然本文為了說明目的已描述了具體實例，但在不偏離本公開的精神和範圍的前提下，可作出各種改型。因此，前述的詳細說明旨在被認為是說明性而非限制性的，並且可理解的是隨附的權利要求、包括所有等同物旨在具體地指出且明確地要求所要求保護的主題。
【權利要求】
1.一種連續熱解系統，包括: 進料組件，碳質原料能夠通過所述進料組件被引入到所述連續熱解系統中； 往復式反應器組件，所述往復式反應器組件構造成接收所述碳質原料和將所述碳質原料反應以產生氣體產物和固體產物，所述往復式反應器組件包括內反應器管和外反應器管，所述外反應器管具有圍繞所述內反應器管形成環狀空間的第一部分和延伸越過所述內反應器管並形成轉向區的第二部分，其中所述內反應器管限定產生部分地反應的碳質原料的內反應器區，並且所述環狀空間限定產生所述氣體產物和固體產物的外反應器區； 氣體排出組件，所述氣體排出組件與所述往復式反應器組件的所述外反應器區流體地連接，並且被構造成將氣體產物從所述連續熱解系統去除， 固體排出組件，所述固體排出組件與所述往復式反應器組件的所述外反應器區流體地連接，並且被構造成將固體產物從所述連續熱解系統去除，以及 接合部，所述接合部將所述進料組件流體地連結到所述往復式反應器組件，並且將所述外反應器區流體地連結到所述氣體排出組件和所述固體排出組件。
2.如權利要求1所述的連續熱解系統，其中所述接合部包括具有內通道和外通道的通路，所述內通道與所述進料組件和所述往復式反應器組件流體地連接，所述外通道與所述外反應器區、所述氣體排出組件和所述固體排出組件流體地連接。
3.如權利要求2所述的連續熱解系統，其中所述外通道圍繞所述內通道，並且所述外通道包括在所述接合部的底部處的固體排出支管和在所述接合部的頂部處的氣體排出支管，所述固體排出支管與所述固體排出組件流體地連接，所述氣體排出支管與所述氣體排出組件流體地連接。
4.權利要求2所述的連續熱解系統，其中所述進料組件包括: 一個或多個原料輸入氣閘室，所述一個或多個原料輸入氣閘室從外部源接收碳質原料； 進料室，所述進料室構造成從所述一個或多個原料輸入氣閘室接收碳質原料；以及 進料螺旋鑽，所述進料螺旋鑽通過所述進料室、通過所述接合部的內通道以及沿所述往復式反應器組件的所述內反應器管的大部分長度延伸，所述進料螺旋鑽構造成將碳質原料從所述進料室通過所述往復式反應器組件的所述內反應器區輸送到轉向區。
5.如權利要求1所述的連續熱解系統，其中所述往復式反應器組件還包括從所述外反應器管的所述第二部分的所述轉向區延伸到所述接合部的迴轉螺旋鑽，所述迴轉螺旋鑽構造成將所述部分地反應的碳質原料從所述轉向區輸送到所述氣體排出組件和所述固體排出組件。
6.如權利要求1所述的連續熱解系統，其中所述內反應器管包括沿所述內反應器管的長度的一個或多個氣口，所述一個或多個氣口構造成允許氣體從所述內反應器區傳送到所述外反應器區。
7.如權利要求1所述的連續熱解系統，其中所述氣體排出組件包括在所述氣體排出組件的頂部處的氣體流量控制閥，所述氣體排出組件(應為所述氣體流量控制閥)構造成調節氣體產物流出所述氣體排出組件的流量。
8.如權利要求1所述的連續熱解系統，其中所述氣體排出組件包括洗滌塔，所述洗滌塔包括位於所述洗滌塔的頂部附近的流體注入口以及被構造成將液體通過所述流體注入口注入所述洗滌塔中的噴嘴組件。
9.權利要求1所述的連續熱解系統，其中所述固體排出組件包括: 漏鬥部; 與所述漏鬥部連接的流動管道；以及 流量控制閥，所述流量控制閥連接到所述流動管道，其中所述流量控制閥調節固體產物流出所述固體排出組件的流量。
10.如權利要求1所述的連續熱解系統，其中所述漏鬥部被定尺寸為通過固體產物和液體的池產生壓力密封。
11.一種連續熱解的方法，所述方法包括步驟: 將碳質原料供給到進料組件， 將所述碳質原料從所述進料組件傳送到接合部； 將所述碳質原料從所述接合部傳送到所述往復式反應器組件； 使所述碳質原料在所述往復式反應器組件中反應，以形成氣體產物和固體產物； 將所述氣體產物和所述固體產物從所述往復式反應器組件傳送到所述接合部； 將所述氣體產物從所述接合部傳送到氣體排出組件； 將所述固體產物從所述接合部傳送到固體排出組件； 將所述氣體產物從所述連續熱解系統通過所述氣體排出組件去除；以及 將所述固體產物從所述連續熱解系統通過所述固體排出組件去除。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述接合部包括內通道和外通道，所述內通道與所述進料組件流體地連接並且與往復式反應器組件流體地連接，所述外通道與氣體排出組件流體地連接並且與固體排出組件流體地連接。
13.如權利要求12所述的方法，其中將所述碳質原料從所述進料組件傳送到所述接合部的步驟包括: 將所述碳質原料從所述進料組件輸送到所述接合部的內通道。
14.如權利要求12所述的方法，其中將所述氣體產物和固體產物從所述往復式反應器組件傳送到所述接合部的步驟包括； 將所述氣體產物和所述固體產物從所述往復式反應器組件輸送到所述接合部的外通道。
15.如權利要求11所述的方法，其中所述往復式反應器組件包括: 內反應器管，所述內反應器管提供內反應器區；以及 外反應器管，所述外反應器管具有第一部分和第二部分，所述第一部分圍繞所述內反應器管以形成提供外反應器區的環狀空間，所述第二部分延伸越過所述內反應器管並且形成轉向區。
16.如權利要求15所述的方法，其中使所述碳質原料在所述往復式反應器組件中反應的步驟包括: 將所述碳質原料輸送通過所述內反應器區、所述轉向區和所述外反應器區。
【文檔編號】B08B1/00GK103842101SQ201280033793
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年5月14日 優先權日:2011年5月14日
【發明者】託馬斯·德爾蒙特, 埃倫·亞爾 申請人:因特拉能源公司