CN102344818A - 热裂解法加工粉碎原料的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热裂解法加工粉碎原料的方法和装置，其中所述待加工的原料被填料至加工腔室(3)中并被加热。在本发明的方法中，粉碎原料被连续地供给经过加工腔室(3)，并且至少在加工过程的起始阶段被微波加热。本发明的装置包括用于将待加工的粉碎原料连续地供给通过所述腔室且对所述待加工的粉碎原料进行压缩的装置(15，16)；在加工过程的起始阶段，引发对原料进行加热的微波辐射装置(6)；以及用于收集热裂解终产物的收集装置(4，5)。

Description

热裂解法加工粉碎原料的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用于加工粉碎原料的热裂解方法，该方法通过将粉碎原料装入加工腔室中进行加热。本发明还涉及一种采用热裂解法加工粉碎原料的装置。
背景技术
通过在350℃到600℃且低氧环境中加热木材或者其他木质纤维原料的热裂解过程来制备木炭，已经有数百年的历史。现存有很多种生产方法。其中一些生产方法仅仅是原始的间歇生产过程，碳的回收率很低，并且会造成严重的空气污染。另外，也有一些现代生产方法，其中热裂解过程是在完全密封的工业用加热腔中进行，所有产生的气体都能得到回收，且碳的回收率较高。平均而言，木材类的碳含量为50％，这也是木炭或者生物碳回收率的最大理论值。通过原始间歇生产过程得到的碳回收率为15％至25％。据称，采用现代工业生产方法可使从木材中回收碳的回收率高达40％。另一种用于提高生物质热值的方法是低温烘焙法(Torrefaction)。低温烘焙法主要为不充分的热裂解，并且可以在介于250℃到350℃之间的低温下进行。在颗粒成型(Pelletizing)之前，低温烘焙法被用于处理木材废料。与常规木材颗粒(其热含量为16MJ/kg)相比，低温烘焙形成的颗粒具有更高的热含量(其热含量为21MJ/kg)。另外，低温烘焙形成的颗粒不吸收水分，且能够抵御生物侵蚀的危害。因此，低温烘焙形成的颗粒是一种具有吸引力，且环境友好型的燃料。
美国专利US4118282涉及一种在密闭腔室中进行的间歇生产方法。该方法用于碳氢聚合物(塑料)的裂解或分解。该方法是由激光引发的，激光使塑料燃烧并生成残碳，在持续的加热过程中，碳可以吸收微波。美国专利US6184427涉及一种裂解碳氢化合物(塑料)的方法。由于塑料具有较低的介质损耗因数(Dielectric Loss Factor)，无法在使用微波条件下被充分加热，因此需要将其与敏化剂或具有较高介质损耗因数的材料混合。该方法是连续生产过程，然而在该方法中，需要将塑料挤出为形如意大利面的条带，并且在重力作用下通过反应器向下方移动。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种改进型的热裂解方法和装置。本发明的目的通过如下方法实现，在该方法中，待加工的粉碎原料中，至少其大部分为生物质；而且，连续地供给所述粉碎原料通过加工腔室；并且至少在加工过程开始时使用微波能对该粉碎原料进行加热；且在进行微波加热之前，所述粉碎原料被压缩。本发明的装置的特征在于包括：用于连续地供给待加工的粉碎原料通过所述腔室并压缩所述待加工的粉碎原料的装置，用于在加工过程开始时引发原料加热过程的微波辐射装置，以及用于收集热裂解终产物的收集装置。
根据本发明的优选实施例，使用微波对连续输送的生物质的中部进行加热，而使用热风和燃烧生成的气体对该生物质原料的外层进行加热。
与现有的热裂解方法相比，本发明的热裂解方法具有如下优点：
1.本发明的方法能够应用于多种原料，包括木材、城市废弃木材、椰子壳、草、芦苇以及其他很多种植物原料。本发明的方法还可以应用于废弃塑料及橡胶。
2.本发明的方法可以接受小颗粒，如木屑；也能够接受小颗粒和大颗粒的混合物，如木屑与木片的混合物。
3.由于采用有效的微波加热，因此加工过程快速。整个热裂解过程一般持续5到15分钟。闪光热裂解(Flash pyrolysis)过程更好更加迅速，但其局限于使用粒径非常小的颗粒。
4.本发明的方法能够快速地启动或关闭。微波发生器的预热时间很短(约为5分钟)。而其他的加工方法的预热时间则要长很多。
5.热裂解过程是在自然低氧环境中在密闭的加工腔室中进行。
6.生物质颗粒被压缩至密度在0.30至1.2g/cm3的范围内。气孔已经被基本消除，因此能够极大地促进微波能量的利用以及从已加热区域至未加热区域之间的热传导。
7.微波功率输入以及挤出速度完全可调，因此过程易于控制。
8.当芯部温度达到约270℃时，反应开始放热，因此不再需要输入微波功率，反应即可持续进行。
9.能够从沿着加工腔室的特定部位提取热裂解过程产生的蒸汽、液体以及气体。
10.由于生物质的高度压缩，以及与腔室和微波辐射装置侧壁的摩擦力，挤出过程为自清洁过程。
11.过程是在密闭的环境下，且气体、液体以及固体副产物得到完全控制的情况下进行的，因此在该过程中实质上不产生空气污染。
12.相同的装置也可以用于生物质的烘焙或者木炭的生产过程。
13.由于采用相对较低的加工温度，以及完全密闭的系统，生物碳的回收率可以接近于最大可能值。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的热裂解装置的结构示意图的一示例。
图2为图1所示的装置的在最后一个微波辐射装置之后的截面示意图。
具体实施方式
下面，将结合上述附图，通过具体实施例进一步描述本发明的技术方案。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明的热裂解方法的原理如图1和图2所示。木材残余物、植物碎片、坚果壳、稻草或者其他具有高于30％水分含量的粉碎原料均可被用于本发明。首先必须将生物质的尺寸减小到能够被用于螺杆式挤出或活塞式挤出步骤中。优选的颗粒尺寸为0.50到60nm。
生物质颗粒首先被送入料斗2中。料斗的底部为挤出装置，该挤出装置将原料推入长条形的加工腔室3中。在本实施例中，挤出装置包括圆筒15和活塞16。加工腔室3优选为矩形形状，且高为20至300mm，宽为200至1300mm。加工腔室的截面也可以为圆形或椭圆形。被推入加工腔室3中的生物质被压缩，且所有大的气孔都被消除。沿加工腔室分布有至少一个且优选为多个微波辐射器6，所述微波辐射器6与连接到微波发生器的波导管相连接。用于加热的工业微波频率有两种：2450Mhz和915Mhz。这两种频率中的任意一种均可用于本发明，而微波辐射器的尺寸必须与这两种频率中的一种相配合。优选的是，所使用的微波辐射器为水平极化型微波辐射器。在这种微波辐射器中，最多的微波能量以及热量可以直接被传导至微波辐射器横截面的中部，或加工腔室的中部，或加工腔室的外部。作为一个示例，本发明中用于微波加热的装置可参考美国专利申请US2010/0060391A1中所公开的微波加热装置。
在本实施例中，优选从加工腔室的中部开始加热。当生物质产品通过加工腔室3向前移动时，经历多级加热过程。当核心温度达到约250℃时，短链生物质碳水化合物开始分解，并变为气体。在微波加热前期阶段产生的蒸汽通过通道14从加工腔室3中引出。这些蒸汽也可以用于在将原料供给到加工腔室之前，对原料进行预热。位于微波辐射器6之间的加工腔室侧壁设有穿孔。通过施负压，所有在生物质分解过程中产生的气体被送入冷凝器17中，且在冷凝器17中，水从气体中被分离出来。经在核心区域中的热裂解产生的气体在向外流出的过程中，可以对外层进行有效加热。
干燥的气体通过通道7a、7b、7c和7进入燃烧器8并被点燃。在燃烧过程中产生的热气体与热空气通过通道9进入室10a与室10b中，室10a与室10b环绕于加工腔室3的外侧，并在室10a与加工腔室3之间及室10b与加工腔室3之间分别形成加热腔13。其目的在于加热加工腔室位于微波辐射器6之间的以及位于微波辐射器6下游的侧壁。优选通道9中的热空气和热气体的温度为700℃至900℃，且优选室10a，10b中的热空气和热气体的温度约为500℃至700℃。热的金属壁然后将热量传至被加工的生物质的外层12。处理过程结束后，被加工原料的整个截面都被加热到300℃至400℃。在此温度条件且没有外部氧气供应的情况下，生物质原料被完全热裂解。短链的半纤维素被气化，而长链的碳聚合纤维素被转化为碳。木炭冷却后被输入至带式传送机4，并且被转送至收集腔5。
热裂解的速度及程度可由调节所使用的微波功率以及挤出通过加工腔室时的速度来进行控制。
在270℃时，木材的氧化反应为放热反应，并且不需要任何外热。因此，通过微波将芯部材料加热至约300℃时，热裂解过程即可自发持续进行。优选的是，被加热至300℃的核心材料包括截面的30％至70％的部分，也可更小，不过将导致热裂解过程较长。使用热气体对外层12的加热可以加速反应进程，但并不是必须的。该反应也可以由100％的微波能量来完成加热。在这种情况下，一般采用连续的微波辐射器，以使得加工腔室的所有截面都能够被加热至同样的温度。
不完全的热裂解过程以及在200℃至320℃之间的温度条件下进行热裂解反应都是有利的。这被称为低温烘焙。与木材相比，由于被烘焙的生物质含有更高的碳含量，因此其具有更高的热值。被烘焙的木材极少吸收水气，且其具有防生物侵蚀性能，因此是一种首选的用于制备可燃粒料的原料。
本发明的主要优点在于：
1.用于加工的原料可灵活选择：从米糠、碎坚果壳、直到城市废弃木材。甚至碾碎的橡胶以及塑料也可以被考虑作为被加工的原料。
2.过程灵活。相同的装置可被用于木炭作为终产物的完全热裂解过程，或者被用于生产烘焙木材的部分热裂解过程。
3.上述内容是通过调节热裂解温度来实现的。热裂解温度的调节是通过调节材料速度(活塞转速或螺杆喂料转速)以及微波功率来实现的。
4.通过对过程的良好控制，可得到最高可能的生物碳回收率。
5.加工过程高效，且整个过程是微波加热与混合气体加热的结合。微波用于加热待加工原料的中间部分，而混合气体用于加热原料外层的部分。而以前已知的加工步骤要么是100％的混合气体加热(对于大批量的木材是没有效果的)，要么是100％微波加热。
6.粉碎原料自始至终呈被压缩的状态，因此有利于从已热裂解的部分到未热裂解部分的热传递。
本发明提供了一种提高生物质热值的系统，该系统现代、易于操作、灵活的且经济。该系统适于小尺寸到中等尺寸的加工生产线(每年5000至25000吨生物质量)，当然也可以通过多重生产线来实现更大容量的加工过程。

Claims (14)

1.一种通过热裂解法加工粉碎原料的方法，其中原料被加入到加工腔室(3)中并被加热，其特征在于，所述待加工的粉碎原料中，至少其大部分为生物质；而且，所述粉碎原料被连续地填料并通过加工腔室(3)，并且至少在加工过程开始时由微波加热；且在进行微波加热之前，所述粉碎原料被压缩装置(16)压缩。
2.如权利要求1中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述粉碎原料在进行微波加热之前，经压缩装置(16)被压缩至密度在0.20g/cm3至1.20g/cm3的范围内。
3.如权利要求1或2中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，对所述粉碎原料的加热是由微波能量所引发的，然后依靠生物质放热反应而自发持续进行。
4.如权利要求1或2中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述在加工腔室中的所述待加工的粉碎原料为生物质，首先采用微波对所述生物质截面的中部进行加热，再使用外部热源对其外层部分进行加热。
5.如权利要求4中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述生物质的外层是由热裂解气体燃烧后产生的热气体进行加热的，其中所述热裂解气体在初始使用微波加热芯部的生物质的过程中生成。
6.如权利要求1或2中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，连续的热裂解过程是由100％微波能量完成的，并且产生的热裂解油和热裂解气经收集后用于其他的加工过程。
7.如权利要求1至5中任一项所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述微波能量由至少一个水平极化的微波辐射器(6)所产生，而且所述微波能量集中于被压缩的原料芯部。
8.如权利要求1至6中任一项所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述粉碎原料通过螺杆式挤出装置或活塞式挤出装置被挤压通过长条形的加工腔室。
9.如权利要求1至8中任一项所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述热裂解过程由频率为400至2450Mhz的微波能量引发。
10.一种通过在加工腔室(3)中的热裂解反应来加工粉碎原料的装置，其中所述的粉碎原料中，至少大部分为生物质，所述装置的特征在于包括：用于连续地供给待加工的粉碎原料通过所述腔室(3)并压缩所述待加工的粉碎原料的装置(15，16)；用于在加工开始时，引发原料加热过程的微波辐射装置(6)；以及用于收集热裂解终产物的收集装置(4，5)。
11.如权利要求10中所述的加工粉碎原料的装置，其特征在于还包括用于收集在粉碎原料的初始微波加热过程中所产生的热裂解气体的收集装置。
12.如权利要求11中所述的加工粉碎原料的装置，其特征在于还包括：用于燃烧所述热裂解气体的燃烧装置(8)，以及用于将热空气从所述燃烧装置(8)传送至围绕于所述加工腔室(3)的室(10a，10b)来加热所述粉碎原料的外层部分的传送装置(9)。
13.如权利要求10至12中任一项所述的加工粉碎原料的装置，其特征在于，所述腔室呈长条矩形状，且高为20至300mm，宽为200至1300mm。
14.如权利要求10至12中任一项所述的加工粉碎原料的装置，其特征在于，所述腔室为长条形，且其截面为圆形或椭圆形。
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