用於木屑或廢棄物和其它碳化有機材料的連續碳化的裝置和方法
2023-04-24 01:55:16
用於木屑或廢棄物和其它碳化有機材料的連續碳化的裝置和方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於由木屑或其它微粒狀的有機廢棄材料生產木炭的設備和方法。所生產的木炭的質量適合用於例如化學試劑、燃料和吸附劑的應用。反應容器限定了從容器的入口延伸到容器的出口的流動通道，在流動通道中，有機材料的熱分解隨著有機材料通過反應容器而進行。該容器包括反應區和冷卻區，所述反應區用於有機材料在反應床中的自發反應，所述冷卻區具有至少一個用於向反應床供給冷卻氣體的入口和從反應床中抽取加熱的氣體的出口。
【專利說明】用於木屑或廢棄物和其它碳化有機材料的連續碳化的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於由木屑或廢棄物或其它微粒狀的有機材料的低消耗生產木炭的裝置和方法，所述木炭可以實現多種規格和功能，木炭的質量可以生產為適合用於包括化學試劑、燃料和吸附劑的用途。
【背景技術】
[0002]在冶金、化學和其它工業中，用木炭替代煤產品具有諸多好處，特別是在提高產品質量上和環境效益上。但是，現有的木炭工業應用受到其相對較高的價格限制，這是由於與木炭生產相關的成本和原材料的成本造成的。現有的木炭生產技術不能以具有在全世界的大多數經濟環境中與煤產品競爭的價格來生產木炭。由此，開發新的且經濟上可行的木炭生產方法是具有清晰的需求的，該方法也能夠利用低級的木質-纖維素材料。
[0003]影響木炭價格的主要因素包括:建設工廠的資本費用、方法類型(即分批或連續)、反應器規模、材料在反應器中所需的滯留時間、維護費用、原材料費用、能源效率和副產品的保留價值。
[0004]優選使用木屑/廢棄物作為原材料，而不是高品質的原木。雖然使用高品質木材一般能夠獲得高品質的木炭產品，但使用木屑和廢棄物是更有經濟可行性和成本效益的。
[0005]而且，木屑和木材廢棄物的使用，相比原木，由於加熱木屑的時間更短,從而減少了在反應器中的保留時間。但是，在使用木屑/廢棄物時，由於大塊物具有較低的氣體滲透性和較低的熱傳導率，熱量傳輸到大量木屑/廢棄物的中心會更慢。因此，對大體積的材料吹入熱風加熱和外部加熱都無法起效。
[0006]已經出現了許多用於生產木炭的大規模商業方法。這些主要方法中包括Lambiotte/Lurgi反應罐系統(US2289917),用螺旋推進材料的管式反應器,例如Thomsen反應罐(US3110652)，旋轉管反應器系統，例如Seaman反應罐(USl115590)，多重底式爐系統，例如 Herreshoff 爐(Handbook of charcoal making.Solar Energy R&D inthe European Community.Series E, Energy from biomass, v.7 (1985)),液化床熱角軍反應器，以及 Badger-Stafford 方法(Nelson, W.G.Waste Wood Distillation by theBadger-Stafford Process.1nd.Eng.Chem.(1930).N0.4, Vol.22, pp.312-315.)。
[0007]這些系統中很多都具有限制，阻礙其以一個經濟可行的價格合成出所需質量的木碳，而該價格相比媒的成本具有競爭力。
[0008]圖1表示已知為Stafford方法(US1380262)的木炭生產技術的實施方式。Stafford發現，當木屑極乾燥(具有小於0.5%的溼度)且被預熱至至少150°C時，即使在無氧氛圍下，足夠大量的材料的熱分解可以是完全自發的(US1380262)。因此，與其它方法相比，將熱風吹過材料和外部加熱對進行熱解均不是必要的。在本發明的文本中，術語「自發」在本文中是用於描述一種過程，該過程自發地產生出足夠的熱量以在無氧氛圍下自給自足。[0009]Stafford方法優選在垂直圓柱形連續操作反應罐中進行，在反應罐中加載和抽取出材料時不允許氣體的進入(US1380262)。[0010]反應罐的冷卻區的木材通過焦木蒸氣和從更熱區域上升而來的氣體加熱。木材被加熱到碳化反應變得劇烈放熱(對於木材，所發生的溫度為大約300°c)的溫度點。即使有限的氣體滲透也足夠進行這種加熱方式，由於熱區中蒸氣的超壓把它們推向位於反應器頂端的氣體/蒸氣出口。在Badger-Stafford方法中，最大溫度達到大約515°C。[0011]由於該方法的放熱性質，一旦該方法進行，僅在起始時需要熱量以在木材進入反應罐前乾燥木材和預熱木材至150°c。木炭在大約255°C時離開反應罐並且直接轉運到木炭調節器中，該木炭調節器為具有水冷壁的旋轉管。[0012]Badger-Stafford方法能夠將木屑/廢棄物但不是鋸屑轉化為木炭,這是由於維持材料的氣體滲透率的最少所需水平是重要的。可以處理的最小的木材碎片為大約2mmx2mm x50mm大小,材料在反應器中的估計保留時間為1.5-3小時之間。[0013]在Badger-Stafford方法相對於其它前面提到的木炭合成方法能夠提供優勢的同時，它也具有幾個弱點。[0014].在木炭冷卻時，木炭的熱量沒有回收，即該方法的能效是可以提高的。[0015].該方法的靈活性和控制性有限，即無法在需要的情況下增加溫度至基本上大於515°C或者可靠地維持較低的溫度，例如450°C。[0016].對每一部分在反應器中的材料，沒有有效控制其加熱速率和保留時間。[0017].蒸氣從材料的暖層向上遷移到冷層並進而被抽取，導致一些有價值的高沸點組分在材料中的這些冷層中濃縮，並不能從反應器中排出。[0018].在希望最大化木炭產量的情況下，由於有機物逃離反應罐，沒有機會循環這些有機物至反應區以增加木炭產量。[0019]本發明提供一種用於合成木炭的裝置並提供了相對Badger-Stafford方法的改進。特別地，本發明允許提高方法的靈活性和控制性、擴大方法的延展性、提高能效、增加反應器的生產能力、增加木炭產量、增加液體產物的品質和更快的木炭調溫中的至少一個。[0020]本說明書中任何現有技術的引用，都不應當作為該現有技術形成澳大利亞或其他地域的公知常識或權限或這些現有技術能夠被本領域技術人員合理的預期、理解和認為相關的承認或任何形式的暗示。
【發明內容】
[0021]根據本發明的一個方面，提供了一種生產木炭的裝置，該裝置包括:
[0022]送料器，該送料器用於向反應容器供給加熱的有機材料；
[0023]反應容器，該反應容器用於支持有機材料的反應床；和
[0024]至少一個排放埠，該排放埠用於從反應容器中排放熱分解的有機材料；所述反應容器限定了一個流動通道，在流動通道中，有機材料的熱分解隨著有機材料通過反應容器而進行；
[0025]所述反應容器包括:
[0026]反應區，所述反應區用於有機材料在反應床中的自發反應；
[0027]冷卻區，所述冷卻區具有至少一個用於向反應床供給冷卻氣體的入口 ；和從反應床中抽取加熱的氣體的出口 ；和
[0028]至少一個噴槍，所述噴槍延伸通過反應床進入反應區，以將氣體供給到反應室中。
[0029]有機材料的熱分解優選為有機材料的碳化，並且排出的產物為碳化的有機材料(木炭)。可冷凝的焦木蒸氣和不可冷凝的焦木氣也得以產生並從裝置中通過反應室中的氣體出口排出。
[0030]在本發明的優選方式中，反應容器包括額外的用於導入載體或冷卻氣體的氣體入口和用於排出可冷凝的蒸氣和不可冷凝的氣體的氣體出口。在該方式中，與Badger-Stafford方法相比,本發明提供對焦木蒸氣的流動和加熱的增強的控制。
[0031]在該優選實施方式中，氣體基本上在反應室的中央位置進入反應區，並相對於反應室邊緣的材料流橫向移動。在該實施方式的方式中，也可以在噴槍的起始氣體入口的下遊形成額外的氣體入口。氣體可以為惰性或非氧化氣體，以攜帶在反應器的反應區中產生的焦木蒸氣和熱量。這樣做可以控制反應器的溫度低於另外所達到的溫度，和提取出在所選溫度範圍內產生的所需的焦木蒸氣組分。
[0032]可以在反應區的邊緣設置第一氣體出口。第一氣體出口用於排出在反應器的反應區中產生的焦木蒸氣和熱量以及通過噴槍供給到反應區中的載體氣體。
[0033]該實施方式可以在當需要在更低溫度生產木炭，即具有比通常含量更高的揮發性物質，和增加可冷凝的熱解產物的產量的時候使用。 [0034]如果需要，可以在反應器軸的其它位置上設置額外的氣體入口和氣體出口。
[0035]在替代的實施方式中，加熱區出現在反應區上方，且焦木氣體可以從反應器的加熱區以預定的溫度通過噴槍出口排出並導入反應區。在這樣的方法中，除非氣態有機材料逃出反應器並形成冷凝相，否則將部分轉化為額外的木炭，其代價是液體產物的產量。
[0036]通過噴槍導入的氣體可以加熱到控制反應區的溫度到所需的預定水平。由於碳化過程的自發性質，除了起始的啟動程序，一般不需要加熱氣體的注入，除非有特別的需要以加熱木炭到基本上高於515°C以維持較低的揮發性物質產量。
[0037]另一氣體出口可以設置在反應器的冷卻區的區域中以排出熱氣體。冷卻區優選在有機材料從反應區前進的流動通道中。冷卻氣體優選為非氧化氣體，以與材料流動相反的方向循環。
[0038]在本發明的另一方面，提供了一種用於有機材料熱分解的裝置，該裝置包括:送料器，該送料器用於向反應容器供給加熱的有機材料；反應容器，該反應容器具有反應室，用於支持有機材料的反應床；流動通道，有機材料沿著流動通道進入反應容器，有機材料的熱分解隨著有機材料通過反應容器而進行；
[0039]所述反應容器包括:
[0040]反應區，所述反應區用於在反應床中有機材料的自發反應，具有將第一氣體供給到反應區中的第一氣體進口和相對於第一氣體入口橫向設置的從反應區中排出氣體的第一氣體出口 ；
[0041]冷卻區，所述冷卻區具有將第二氣體供給到反應床中的第二氣體進口和將加熱的氣體從反應床的冷卻區排出的氣體出口 ；和
[0042]排放埠，該排放埠用於從反應容器中排放熱分解的有機材料。
[0043]根據第二方面的一種實施方式，第一氣體進口可以位於反應區的中央並且與第一氣體出口位於反應區的邊緣。第一氣體進口可以為噴槍上的出口的形式，但也可以包括其它形式的在中央直接遞送氣體至反應區的氣體遞送裝置。在本實施方式中，足夠數量的氣體和蒸氣可以產生至反應區來增壓反應容器至能使通過第一氣體出口的氣體和蒸氣自發地外流。
[0044]在本發明的第三方面，提供了一種生產木炭的方法，該方法包括如下步驟:
[0045]將乾燥的有機材料添加到反應容器的第一末端，有機材料沿著流動通道前進通過反應容器，並從位於反應容器的第二末端的排放埠排出；
[0046]隨著有機材料前進通過反應容器到達放熱加熱區，在反應容器的加熱區加熱有機材料，在放熱加熱區，有機材料的溫度達到足夠的溫度並且發生有機材料的自發分解為木炭；和
[0047]排放前，在反應容器的冷卻區冷卻木炭；
[0048]其特徵在於:將外部氣體注入放熱反應區，並且將焦木氣體從反應容器側面的在放熱區附近的出口排出。
[0049]如果需要高揮發物含量的木炭，可以向放熱反應區導入冷卻氣體。這是由於反應區的最大溫度需要被限制在最大自發生成溫度以下。
[0050]如果需要將木炭加熱到最大自發生成溫度以上以獲得低揮發性木炭，那麼需要在放熱區下方和冷卻區的上方導入熱氣體。將熱氣體導入放熱反應區是不可取的，這是因為這樣會減少木炭的產量以及在放熱區產生的熱量，繼而降低反應的有效率。
[0051]在本發明的該方面的優選方式中，通過在反應容器的放熱區或加熱區中的具有至少一個氣體出口的內部噴槍導入外部氣體。外部氣體可以為惰性氣體，例如氮氣。
[0052]可替代地或額外地，從該方法的其它部分例如從反應容器的加熱區去除的氣體可以導入該方法的放熱區或其它區。
[0053]該方法可以進一步使冷卻氣體進入反應容器的冷卻區。在反應區的冷卻區加熱的冷卻氣體通過反應容器的冷卻區附近的第二氣體出口去除。這些氣體然後可在裝入到裝置(如預熱器)的反應容器前用於預熱所述有機材料，或以其它方式從其回收熱量。
[0054]在以上優選方式中，第二氣體出口可以位於在反應容器中軸向設置的內部噴槍上和/或冷卻區附近的反應容器壁上。該內部噴槍可以為與向反應容器的放熱區注入外部空氣的內部噴槍相同。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0055]圖1表示Stafford方法的實施方式。
[0056]圖2為本發明的實施方式的側視圖。
[0057]圖3為圖2中所示的整體容器的底視圖。
【具體實施方式】
[0058]應當理解的是，本說明書所公開的和定義的本發明延伸至所有備選的組合，其包括兩個或以上的個別、被闡述或從文字或附圖中顯見的特徵。所有這些不同組合構成了本發明的多個可替代的方面。
[0059]本發明生產木炭的裝置被 視為十分適合用於生產木炭的自發方法。在本發明的內文中，在此使用的術語「自發方法」用於描述一種方法，該方法自發地產生出足夠的熱量以在無氧氛圍中自給自足。用於木炭生產的自發方法被認為是最適合的方法來從破碎的和/或廢棄的木材中生產大量木炭，這是由於:
[0060](A)不需要向材料提供外部加熱來進行熱分解反應，以使材料核心的傳熱並不在限制反應器的大小；
[0061](B)材料在反應器中的保留時間為合理的短；
[0062](C)該方法是高效能的，這是因為不再需要高級的外部加熱能量來產生熱分解反應；
[0063](D)木炭產量較高，這是由於高濃度的焦木蒸氣和它們足夠的保留時間的組合允許第二木炭形成反應以相當大的程度進行。
[0064](E)離開反應器的蒸氣和氣體具有更高的經濟價值並且更容易被收集，這是由於它們沒有像在許多其它方法中一樣被循環熱氣體稀釋。
[0065](F)由於該方法在無氧氛圍中進行，因此不會燒盡木炭、蒸氣或氣體；
[0066](G)本發明的實施方式是簡單的機械，因而具有較低的安裝和維護費用。
[0067]本發明提供了從有機原材料生產木炭的裝置。圖2示出本發明的一種實施方式。該實施方式的裝置包括 :用於向反應容器(2)供給材料的送料器(I)。該裝置還可以包括合適的監控和控制系統。
[0068]送料器包括原材料料鬥(4)，該原材料料鬥(4)用於從位於送料器(I)(圖2中未示出)上遊的乾燥器處接收乾燥的原材料，優選是極乾燥的且預熱的有機原材料；和如螺旋傳送器(6)所示的運輸工具，該螺旋傳送器(6)用於向反應容器(2)上方的氣密錐形閥(7)提供乾燥且加熱的有機原材料。在本發明的內文中，極度乾燥的有機材料具有低於0.5重量％的水分含量。
[0069]反應容器(2)包括從錐形閥向反應器底部展開的錐形反應容器(2)。氣密錐形閥
(7)安裝為繞中心軸旋轉以將原材料均勻地穿過反應容器(2)的頂部來分配。反應容器(2)的外部表面上設置有熱隔離(5)。反應容器通常具有包括加熱區(21)、放熱反應區(22)的第一段包括冷卻區(23)的第二段。設置氣體和蒸氣出口(8)、放熱反應區(22)中的側壁開孔(9)、冷卻區(23)的側壁開孔(10)以從反應容器中去除氣體。
[0070]反應容器(2)進一步具有如以內部噴槍(12)的形式所示的起始氣體入口，內部噴槍(12)從反應容器(2)底部的外面下方處伸出並且延伸到放熱區以用於將氣體導入放熱反應區(22)內。在該實施方式中，噴槍(12)包括具有內同軸導管(16)的外部導管(15)，由此外部導管(15)延伸到冷卻區，且內部導管(16)延伸到放熱反應區(22)。雖然本實施方式只表示了一個單獨的噴槍，更大的容器設計可以需要多於一個噴槍。儘管本發明的實施方式以參考噴槍的方式進行描述，其它形式的氣體遞送裝置可以在本發明的範圍內使用。其它形式包括將氣體遞送到放熱反應區的其由耐火材料所成的常規導管或管道。
[0071]優選實施方式中，噴槍的外部管道(15)包括冷卻區的排出開孔(17)，並且與氣體抽取系統(19)相連。內部導管(16)包括放熱反應區(22)的供給開孔(18)，並且與氣體供給系統(20)相連。通過內部導管(16)供給的氣體可以為不與反應容器(2)中的內容物反應的非反應性氣體。可替代地，通過內部導管(16)供給的氣體可以為返回反應容器的回收成的可凝結的蒸氣，從而以增加木炭產量。[0072]反應容器的下段進一步包括穿孔壁錐閥以支持反應床且當材料達到熱分解的適當水平時排出材料。錐閥的外部部分在開啟和關閉位置之間是可滑動的，以允許預定數量木炭掉入由的圓筒(24)形成的固定體積的室，該圓筒24與錐閥的移動部分相接。
[0073]反應容器的下段也包括冷卻氣體入口( 11)和至少一個具有關聯的門閥(14)的木炭排放埠(13)。設置木炭車廂(3)，木炭車廂(3)包括用於接收從木炭排放埠(13)排放的木炭的工具，例如料鬥。
[0074]Μ?
[0075]送料器(I)包括用於接收預熱有機原材料的料鬥(4)。有機原材料的前處理在位於料鬥(4)上方的乾燥器(圖2中未表示)中進行，並且包括將材料乾燥和預熱至適合用於有機原材料在反應容器(2)中熱分解的水分含量和溫度。理想地，水分含量少於0.5重量％且溫度大於150°C。優選原材料為木屑和木廢棄物。木屑/廢棄物的最小尺寸與前面討論的Badger-Stafford方法大致相同。送料器(6)通過螺旋傳送機(6)將乾燥加熱的有機原材料送至在反應容器(2)之前的氣密錐閥(7)，然後通過重力進入反應容器(2)。錐閥(7)可以旋轉以將原料均勻地穿過反應區的頂部分配。
[0076]有機原材料轉化至碳化有機材料(木炭)的過程在反應容器(2)中進行。
[0077]起始稈序
[0078]啟動程序的主要目的是在反應容器中將材料和反應容器的壁加熱至足以使方法在無氧氛圍自發運行。為了啟動自發分解，需要將置於反應容容器中的放熱區的乾燥材料的溫度提高至約400-500°C。可吹入氧化性(如空氣)和非氧化性氣體到反應容器中，以提高其溫度來起動。但是，吹入空氣可能更有效/可行，因為材料的燃燒提供熱量，否則，必須考慮來自外部源。約500°C的溫度的熱氣體被引入到放熱反應區(22)，優選地，可通過噴槍或導管(15)的外部氣體口( 16)和在反應容器壁的氣體出口( 10)以在啟動階段引入熱氣體和燃燒一部分有機材料。優選的熱`氣體為被加熱的空氣。
[0079]優選地，在反應容器中向上升起的氣體通過加熱區的流出通過氣體出口(8)發生。在吹熱風的情況下，當開始在放熱反應區燃燒乾燥的木材，燃燒產物也可通過氣體出口(8)從反應器中去除。冷卻氣體進氣口(11)需要在此操作期間關閉，以防止燃燒過程向下傳播，而不是向上蔓延。優選地，關閉蒸氣出口(9)和惰性氣體入口(20)，燃燒產物將掃過和預熱在所述加熱區中的材料，而不是通過蒸氣出口(9)和惰性氣體入口(20)離開反應器。需要進行嚴格控制空氣(氣體)的注入量，以防止反應容器的過熱。當在反應區(22)的材料溫度達到約500°C時，應當停止啟動氣體流入反應容器，並應當防止任何空氣進入反應器中。然後，反應容器(2)可以在自發連續模式下運行。
[0080]在「正常運行」模式下，不通過任何手段控制放熱反應區的溫度，即，溫度升高到其可達到的最高水平，最高水平因應給定的反應器設計和所使用的材料(例如木材品種)的化學性質而異。然而，氮氣在冷卻區域內的循環被用於加速冷卻，以冷卻木炭到較低的溫度(與那些不這樣的相比，由此減少了調節木炭的需求)，並從冷卻的木炭回收熱量。
[0081]為達到木炭的熱回收(和冷卻)，冷卻的氮氣通過進氣口(11)，與排放區域(在閥門
(24)下方)的木炭和在冷卻區的木炭逆流進入。被加熱的氮氣通過氣體出口(17)和(19)離開反應器。
[0082]通過出口(17)和(19)離開反應器的氮氣可以被加熱到500°C，因此它可以是合理的高品位的用於各種用途的熱量來源。Badger-Stafford法中的木炭通過反應器的壁自然流失熱量而冷卻，因此沒有有效的從木炭回收熱量。
[0083]在連續模式中，反應容器(2 )通過自發分解方法將有機原料轉化為木炭，此處分解的過程為碳化過程，該碳化過程以作為有機原料從反應容器的入口進入至出口處的過程來進行。反應容器包括一系列材料通過的反應區。在本實施方式中，指定了三個反應區；加熱區(21)，放熱反應區(22)和一個冷卻區(23)。
[0084]將有機材料供給到反應容器的加熱區，其中的材料是通過上升的氣體加熱，使得當它前進到反應容器中的放熱區域(2)時，是處於有機材料自發分解為木炭的溫度。
[0085]優選地通過噴槍或導管(15)的外部氣體口(17)將熱氣體引入到放熱反應區(22)。通過氣體埠(17)引入的焦木氣體和外部加熱的氣體可以通過在放熱反應附近的反應容器的壁上的氣體出口(10)去除。從噴槍上的氣體埠(17)向氣體出口(10)的氣體流動提供了一種控制放熱區的溫度的方法，可以用於去除可能是副產品的焦木氣體，並保持反應床中的透氣性。這有助於防止反應床過度的壓實，並保持了控制產品質量和反應床溫度的能力。
[0086]冷卻氣體進入反應器的冷卻區。在反應區中的冷卻區加熱的冷卻氣體通過在反應容器中的冷卻區附近的第二氣體出口去除。這些氣體然後可在裝入到裝置(如預熱器)的反應容器前用於預熱所述有機材料，或以其它方式從其回收熱量。第二氣體出口可位於沿軸向定位在反應容器中的內部噴槍和/或在冷卻區附近的反應容器壁中。內部噴槍可以是與用來注入外部氣體至反應器的放熱區的內部噴槍相同。
[0087]本發明允許控制整個反應容器(2)的氣體和蒸氣流。氣體和蒸氣的流出可以通過在反應容器的加熱區(21)的第一部分區域中的氣體和蒸氣出口(8)、放熱反應區(22)的側壁開孔(9)、冷卻區(10)的 側壁開孔的任何組合以及通過噴槍(12)的外部導管(15)的排放開孔(17 )從冷卻區(23 )對氣體的抽取來控制。氣體的流入可使用冷卻氣體進氣口( 11)，和通過噴槍(12)的內部管道(16)的供給開孔(18)提供非反應性氣體來控制。在整個反應容器(2)的各個反應階段，這種氣體流動的控制允許其控制反應容器和反應床的溫度分布和壓力。
[0088]這個控制也允許對從冷卻區抽取出的熱量的使用，否則造成浪費，同時亦允許提取在選定的溫度範圍下所產生出的焦木蒸氣的理想組分。因此，該生產方法具有高的能量效率，並允許對最後的碳化有機產物的組成進行控制。
[0089]如果需要的話，氣體入口和氣體出口也可以安置在反應器的軸的其它位置。例如，氣體可以從反應器的加熱區以預定的溫度抽取出，並通過噴槍出口 18引入到反應區。這樣有機材料以液體產物產率為代價，將被部分地轉化成額外的木炭，否則逸出反應器並形成冷凝相。
[0090]當材料通過加熱區(21)，它被加熱到在該碳化反應變為放熱的溫度。在「加熱區」的有機材料是由焦木蒸氣加熱，該焦木蒸氣可從隨後的區中升起。在反應容器(2)中的反應不需要來自外部源的熱能來進行。輸送到加熱區(21)的熱能量可通過控制焦木蒸氣到該區域的流動來控制。
[0091]隨著材料通過放熱反應區(22)，有機材料通過自發碳化過程分解。有機材料轉化成碳化有機材料(木炭)、焦木蒸氣和熱能。該焦木蒸氣可以提升到反應器中更高的區域以輸送熱能。焦木蒸氣可以通過側壁開孔(9)從放熱區抽取出，該側壁開孔與在放熱反應區中的反應容器(2)的壁排列。從頂部觀看，這允許在徑向方向上對焦木蒸氣的提取。對焦木蒸氣的物質流量方向的控制使加熱速率和程度得以控制。焦木蒸氣輸送一部分因有機材料的放熱分解而產生的熱能。通過側壁開孔(9)提取的高比例焦木蒸氣導致低比例的焦木蒸氣上升到反應容器中的(2)的前面的階段，致使低比例的熱能上升到反應容器中的(2)的前面的階段。相反，通過側壁開孔提取的低比例焦木蒸氣導致高比例的焦木蒸氣上升到反應容器中的(2)的前面的階段，導致高比例的熱能上升到反應容器中的(2)的前面的階段。
[0092]焦木蒸氣通常是在它們由溫暖層向上遷移至冷卻層之後從反應器提取出來。結果，這些蒸氣的一些有價值的高沸點組分在材料的冷卻層內冷凝，不能從反應器中取出。因此，直接從放熱反應區提取焦木蒸氣的額外好處是，可通過最短的可行路徑將在一定溫度範圍內生成的選定 有價值組分的焦木蒸氣從反應器中提取出來。這樣的安排將避免這些蒸氣組分在反應器內循環。這種操作模式是有利於以下情況的，當所要求的處理溫度是低於反應器可自發的最大可能溫度，並且在若果減少部分炭產率以獲得更高價值的液體產品是可行時。
[0093]當材料通過冷卻區(23)，它與冷卻氣體進行熱交換以被冷卻到所需的溫度。通常該氣體是空氣或空氣混合物。冷卻區在它的底部設置有穿孔壁錐形閥，以允許在反應容器中形成反應床，並阻止有機材料的前進，直到它達到足夠的分解水平以進展到最終產品。木炭從反應容器中周期性地排出。為了排出物料，錐形閥的外側部分向下滑動，預定量的木炭落入由連接到錐形閥的可動部的車廂構成的固定容積的室(24)。當錐形閥的外側部分返回到上邊的「閉合」位置，排出的木炭在反應容器下部分布，在那裡它被暴露於冷卻氣流中。冷卻區(23)具有冷卻氣體進口(11)，用於提供冷卻氣體進入反應床。隨著冷卻氣體通過冷卻區(23)升高時，冷卻氣體通過直接熱交換從碳化有機材料中提取熱能並成為被加熱的冷卻氣體。碳化有機材料通過控制冷卻氣體的流動速率冷卻到所需的溫度。被加熱的冷卻氣體可以通過冷卻區的側壁通氣孔(10)和通過噴槍(12)的外部管道(15)的提取開孔被提取。所提取的被加熱的冷卻氣體中的熱能可以回收以用於在乾燥機中乾燥和預熱有機原料。這增加了該方法的能量效率。為了確保沒有冷卻氣體滲入到反應器中的放熱反應區，並且焦木蒸氣沒有向下進入冷卻區(23)的往覆流，在冷卻進氣口(11)以及氣體和蒸氣出口(8)的壓力被仔細地控制。當可以在熱氣體出口的出口(10)處觀察到的非常少量的煙(由焦木蒸氣的冷凝形成氣溶膠)時，視為在進氣口(11)和出口(8)處達到了最佳的壓力比率。
[0094]碳化有機材料通過至少一個木炭排放埠(13)從反應容器(2)中排出。在本實施方式中，從排放埠的排出是由一系列的閘閥(14)控制，且碳化有機材料被排放到木炭車廂(3)中。
[0095]隨著材料在反應容器中通過，可以在每個區域中優化該材料在反應容器(2)內的停留時間。這可以通過改變反應容器(2)的橫截面面積來實現。通過傾斜噴槍和/或反應器的壁，使反應容器(2)的橫截面隨著反應材料前進通過系統而膨脹或萎縮，材料的每一個部分與反應容器(2)的停留時間在操作上儘可能的接近最佳的停留時間。
[0096]反應容器(2)也包括用於在系統內監視狀態變量的方法。被監視的狀態變量可以包括不同階段的在整個反應容器(2 )中的溫度和壓力。被監視的狀態變量可被用於控制焦木蒸氣在整個反應容器(2)中的流動，非反應性氣體通過噴槍(12)的出口開孔(18)的流動，和冷卻氣體通過冷卻區的冷卻氣入口( 11)的流動。
[0097]產品質暈控制
[0098]噴槍(12)與側壁開孔(9)和(10)結合的存在允許在水平及垂直方向上在整個反應容器內控制焦木蒸氣的流量和溫度。這允許實現許多產品質量的控制策略。這些控制策略包括但不限於:
[0099](A)從反應容器內的選定溫度區提取焦木氣體以允許獲得所期望的品質的產品和副產品。例如，如果期望最大化木炭收率，從反應容器中的選定的較冷溫度區中提取的焦木氣體可以被循環到較高溫度區，以增加焦木氣體轉化為木炭的轉換。[0100](B)如果木炭產物具有比在正常操作中(例如，具有更大易燃性的木炭，因為它可能需要注入粉狀碳於高爐中)較高含量的揮發性物質，熱氣體可以從反應器的熱區域提取出來，以使反應容器中的溫度保持低於一個特定的值。當生產高揮發性木炭時，必須降低操作的最高溫度(例如，到450°C)。最高溫度是主要影響木炭的揮發物含量的因素。反應區的最高溫度可通過從出口(22)抽取一部分的熱解蒸氣至放熱反應區來降低，由此從該區提取熱量。這僅能造到一定程度的限制，因為材料在加熱區的預熱效率也會降低。但是，尤其是當所需的最大溫度降低(例如，450°C )時，該反應器應該具有承受介質的熱損失的備用生產力。蒸氣由於其在放熱區壓力高於環境，應能自然地通過出口(22)流出來。然而，如果需要，通過入口( 20)吹非氧化性氣體可以增加蒸氣從反應器中的流出，如果預熱不足，或增加氣體通過加熱區的流動，以補償熱解氣體/蒸氣通過該區的流量減少。在這種操作模式下，液體熱解產物的量通過付出與木碳相關的固定碳量和氣體量來增加。如果期望增加液體產物的產率和經濟上是可行的，這種操作模式是特別有利的。
[0101]另一方面，在放熱反應區中的溫度下降以生產高揮發性的木碳，可以通過開口
(22)回收一部分從排出口(8)漏出反應器的熱解氣體和蒸氣返回到反應區來實現。這些氣體具有180至200°C的溫度，並帶有熱解蒸氣(熱解焦油的氣霧)。熱解焦油氣霧，當注入到反應區中，會新鮮熱焦炭的表面上產生裂紋(這是已建立的反應)，並產生額外的木炭。由於從出口(8)抽出的蒸氣具有180至200°C的溫度，其在所述放熱反應區的注入將減少那裡的溫度。同時，熱解氣體的一部分返回到反應區的回收將增加氣體通過加熱區的總體流動速率(因為離開反應器的氣體量應保持大致相同，以避免壓力積聚)。結果，放熱反應區的相對高度以及離開反應器的氣體的溫度可能略有增加。
[0102](C)如需要一個具有較低程度揮發物的木炭產物，特別需要一種低揮發木碳(即鋼再滲碳)，可以在建議的過程/反應器中通過與冷卻周期(如上所述)相同的周期循環熱氮氣而生產出所需的木炭產物。增加反應容器中的溫度。熱氮氣(例如在850°C)應通過入口
(11)進入反應器，然後通過出口(17)和(19)離開反應器並稍微冷卻(至大約550°C)。熱氮氣的最高溫度可被製成反應器的材料的熱強度限制。這種冷卻和調理木炭產物的方式(和熱量的提取，如果需要的話)應在一個單獨的裝置中完成。這種操作模式被預期為比以前的模式的能量效率更低，但它可能是值得的，在需要少量的低揮發性的木炭作特殊用途時。
[0103]如本文所用，除非內文另有要求，否則術語「包括」和該術語的變體，如「包含」和「包括」，並不旨在排除其他添加物、組分、整數或步驟。
【權利要求】
1.一種用於生產木炭的裝置，該裝置包括:
送料器，該送料器用於向反應容器供給加熱的有機材料； 反應容器，該反應容器用於支持有機材料的反應床；和 至少一個排放埠，該排放埠用於從反應容器中排放熱分解的有機材料；所述反應容器限定了一個流動通道，在流動通道中，有機材料的熱分解隨著有機材料通過反應容器而進行； 所述反應容器包括: 反應區，所述反應區用於有機材料在反應床中的自發反應； 冷卻區，所述冷卻區具有至少一個用於向反應床供給冷卻氣體的入口 ；和從反應床中抽取加熱的氣體的出口 ；和 至少一個噴槍，所述噴槍延伸通過反應床進入反應區，以將氣體供給到反應室中。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述反應器包括氣體出口，所述氣體出口用於從反應容器中排出氣體和蒸氣。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中，在反應區的邊緣設置有第一氣體出口，以排出由噴槍供給到反應區的氣體。
4.根據權利要求1或2所述的裝置，其中，該裝置還包括至少一個氣體入口，設置氣體入口的位置以使得氣體基本上在反應室的中央位置進入反應區並橫向穿過材料流向反應容器的邊緣。
5.根據權利要求4所述的裝置，其中，在反應器的冷卻區部位設置有第二氣體出口以排出熱氣體。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中，反應室具有至少在反應區中或在反應區附近增加或減小的截面積。
7.一種用於有機材料熱分解的裝置，該裝置包括:送料器，該送料器用於向反應容器供給加熱的有機材料； 反應容器，該反應容器具有反應室，用於支持有機材料的反應床；流動通道，有機材料沿著流動通道進入反應容器，有機材料的熱分解隨著有機材料通過反應容器而進行； 所述反應容器包括: 反應區，所述反應區用於有機材料在反應床中的自發反應，具有將第一氣體供給到反應區中的第一氣體進口和相對於第一氣體入口橫向設置的從反應區中排出氣體的第一氣體出口 ； 冷卻區，所述冷卻區具有將第二氣體供給到反應床中的第二氣體進口和將加熱的氣體從反應床的冷卻區排出的氣體出口 ；和 排放埠，該排放埠用於從反應容器中排放熱分解的有機材料。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中，第一氣體入口位於反應區的中央，且第一氣體出口位於反應容器的邊緣。
9.根據權利要求7所述的裝置，其中，反應室具有至少在反應區中或在反應區附近增加或減小的截面積。
10.根據前述任意一項權利要求所述的裝置，其中，所述裝置不包括用於加熱有機材料床或用於維持有機材料床溫度的外部加熱源。
11.一種生產木炭的方法，該方法包括如下步驟: 將乾燥的有機材料添加到反應容器的第一末端，有機材料沿著流動通道前進通過反應容器，並從位於反應容器的第二末端的排放埠排出； 隨著有機材料前進通過反應容器到達放熱加熱區，在反應容器的加熱區加熱有機材料，在放熱加熱區，有機材料的溫度達到足夠的溫度並且發生有機材料的自發分解為木炭；和 排放前，在反應容器的冷卻區冷卻木炭； 其特徵在於:將外部氣體注入放熱反應區，並且將焦木氣體從反應容器側面的在放熱區附近的出口排出。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，將外部氣體通過在反應容器的放熱區具有至少一個氣體出口的內部噴槍注入。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，冷卻氣體進入反應容器的冷卻區。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，在反應區的冷卻區加熱的冷卻氣體通過反應容器的冷卻區附近的第二氣體出口排出。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，第二氣體出口位於在反應容器中軸向設置的內部噴槍上。
16.根據權利要求14或15所述的方法，其中，第二氣體出口位於冷卻區附近的反應容器壁上。
17.根據權利要求12所述的方法，其中，第二氣體出口位於冷卻區附近的內部噴槍上，以向冷卻區提供冷卻氣體。
18.根據權利要求11至17中任意一項所述的方法，其中，所述方法在不使用外部加熱源的條件下向有機材料床進行加熱或維持有機材料床的溫度。
19.根據權利要求11至18中任意一項所述的方法，其中，自發反應在無氧條件下進行。
20.根據權利要求11至19中任意一項所述的方法，其中，將從容器中排出的部分外部氣體和焦木氣體再循環至反應區。
【文檔編號】C10B1/02GK103619995SQ201280030706
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年6月19日 優先權日:2011年6月21日
【發明者】A·V·迪夫 申請人:聯邦科學與工業研究組織