CN103619995B - 用于木屑或废弃物和其它碳化有机材料的连续碳化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由木屑或其它微粒状的有机废弃材料生产木炭的设备和方法。所生产的木炭的质量适合用于例如化学试剂、燃料和吸附剂的应用。反应容器限定了从容器的入口延伸到容器的出口的流动通道，在流动通道中，有机材料的热分解随着有机材料通过反应容器而进行。该容器包括反应区和冷却区，所述反应区用于有机材料在反应床中的自发反应，所述冷却区具有至少一个用于向反应床供给冷却气体的入口和从反应床中抽取加热的气体的出口。

Description

用于木屑或废弃物和其它碳化有机材料的连续碳化的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于由木屑或废弃物或其它微粒状的有机材料的低消耗生产木炭的装置和方法，所述木炭可以实现多种规格和功能，木炭的质量可以生产为适合用于包括化学试剂、燃料和吸附剂的用途。

背景技术

在冶金、化学和其它工业中，用木炭替代煤产品具有诸多好处，特别是在提高产品质量上和环境效益上。但是，现有的木炭工业应用受到其相对较高的价格限制，这是由于与木炭生产相关的成本和原材料的成本造成的。现有的木炭生产技术不能以具有在全世界的大多数经济环境中与煤产品竞争的价格来生产木炭。由此，开发新的且经济上可行的木炭生产方法是具有清晰的需求的，该方法也能够利用低级的木质-纤维素材料。

影响木炭价格的主要因素包括：建设工厂的资本费用、方法类型（即分批或连续）、反应器规模、材料在反应器中所需的滞留时间、维护费用、原材料费用、能源效率和副产品的保留价值。

优选使用木屑/废弃物作为原材料，而不是高品质的原木。虽然使用高品质木材一般能够获得高品质的木炭产品，但使用木屑和废弃物是更有经济可行性和成本效益的。

而且，木屑和木材废弃物的使用，相比原木，由于加热木屑的时间更短，从而减少了在反应器中的保留时间。但是，在使用木屑/废弃物时，由于大块物具有较低的气体渗透性和较低的热传导率，热量传输到大量木屑/废弃物的中心会更慢。因此，对大体积的材料吹入热风加热和外部加热都无法起效。

已经出现了许多用于生产木炭的大规模商业方法。这些主要方法中包括Lambiotte/Lurgi反应罐系统(US2289917)，用螺旋推进材料的管式反应器，例如Thomsen反应罐(US3110652)，旋转管反应器系统，例如Seaman反应罐(US1115590)，多重底式炉系统，例如Herreshoff炉(Handbookofcharcoalmaking.SolarEnergyR&DintheEuropeanCommunity.SeriesE,Energyfrombiomass,v.7(1985))，液化床热解反应器，以及Badger-Stafford方法(Nelson,W.G.WasteWoodDistillationbytheBadger-StaffordProcess.Ind.Eng.Chem.(1930).No.4,Vol.22,pp.312-315.)。

这些系统中很多都具有限制，阻碍其以一个经济可行的价格合成出所需质量的木碳，而该价格相比媒的成本具有竞争力。

图1表示已知为Stafford方法(US1380262)的木炭生产技术的实施方式。Stafford发现，当木屑极干燥（具有小于0.5%的湿度）且被预热至至少150℃时，即使在无氧氛围下，足够大量的材料的热分解可以是完全自发的(US1380262)。因此，与其它方法相比，将热风吹过材料和外部加热对进行热解均不是必要的。在本发明的文本中，术语“自发”在本文中是用于描述一种过程，该过程自发地产生出足够的热量以在无氧氛围下自给自足。

Stafford方法优选在垂直圆柱形连续操作反应罐中进行，在反应罐中加载和抽取出材料时不允许气体的进入(US1380262)。

反应罐的冷却区的木材通过焦木蒸气和从更热区域上升而来的气体加热。木材被加热到碳化反应变得剧烈放热（对于木材，所发生的温度为大约300℃）的温度点。即使有限的气体渗透也足够进行这种加热方式，由于热区中蒸气的超压把它们推向位于反应器顶端的气体/蒸气出口。在Badger-Stafford方法中，最大温度达到大约515℃。

由于该方法的放热性质，一旦该方法进行，仅在起始时需要热量以在木材进入反应罐前干燥木材和预热木材至150℃。木炭在大约255℃时离开反应罐并且直接转运到木炭调节器中，该木炭调节器为具有水冷壁的旋转管。

Badger-Stafford方法能够将木屑/废弃物但不是锯屑转化为木炭，这是由于维持材料的气体渗透率的最少所需水平是重要的。可以处理的最小的木材碎片为大约2mmx2mmx50mm大小，材料在反应器中的估计保留时间为1.5-3小时之间。

在Badger-Stafford方法相对于其它前面提到的木炭合成方法能够提供优势的同时，它也具有几个弱点。

·在木炭冷却时，木炭的热量没有回收，即该方法的能效是可以提高的。

·该方法的灵活性和控制性有限，即无法在需要的情况下增加温度至基本上大于515℃或者可靠地维持较低的温度，例如450℃。

·对每一部分在反应器中的材料，没有有效控制其加热速率和保留时间。

·蒸气从材料的暖层向上迁移到冷层并进而被抽取，导致一些有价值的高沸点组分在材料中的这些冷层中浓缩，并不能从反应器中排出。

·在希望最大化木炭产量的情况下，由于有机物逃离反应罐，没有机会循环这些有机物至反应区以增加木炭产量。

本发明提供一种用于合成木炭的装置并提供了相对Badger-Stafford方法的改进。特别地，本发明允许提高方法的灵活性和控制性、扩大方法的延展性、提高能效、增加反应器的生产能力、增加木炭产量、增加液体产物的品质和更快的木炭调温中的至少一个。

本说明书中任何现有技术的引用，都不应当作为该现有技术形成澳大利亚或其他地域的公知常识或权限或这些现有技术能够被本领域技术人员合理的预期、理解和认为相关的承认或任何形式的暗示。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种生产木炭的装置，该装置包括：

送料器，该送料器用于向反应容器供给加热的有机材料；

反应容器，该反应容器用于支持有机材料的反应床；和

至少一个排放端口，该排放端口用于从反应容器中排放热分解的有机材料；所述反应容器限定了一个流动通道，在流动通道中，有机材料的热分解随着有机材料通过反应容器而进行；

所述反应容器包括：

反应区，所述反应区用于有机材料在反应床中的自发反应；

冷却区，所述冷却区具有至少一个用于向反应床供给冷却气体的入口；和从反应床中抽取加热的气体的出口；和

至少一个喷枪，所述喷枪延伸通过反应床进入反应区，以将气体供给到反应室中。

有机材料的热分解优选为有机材料的碳化，并且排出的产物为碳化的有机材料（木炭）。可冷凝的焦木蒸气和不可冷凝的焦木气也得以产生并从装置中通过反应室中的气体出口排出。

在本发明的优选方式中，反应容器包括额外的用于导入载体或冷却气体的气体入口和用于排出可冷凝的蒸气和不可冷凝的气体的气体出口。在该方式中，与Badger-Stafford方法相比，本发明提供对焦木蒸气的流动和加热的增强的控制。

在该优选实施方式中，气体基本上在反应室的中央位置进入反应区，并相对于反应室边缘的材料流横向移动。在该实施方式的方式中，也可以在喷枪的起始气体入口的下游形成额外的气体入口。气体可以为惰性或非氧化气体，以携带在反应器的反应区中产生的焦木蒸气和热量。这样做可以控制反应器的温度低于另外所达到的温度，和提取出在所选温度范围内产生的所需的焦木蒸气组分。

可以在反应区的边缘设置第一气体出口。第一气体出口用于排出在反应器的反应区中产生的焦木蒸气和热量以及通过喷枪供给到反应区中的载体气体。

该实施方式可以在当需要在更低温度生产木炭，即具有比通常含量更高的挥发性物质，和增加可冷凝的热解产物的产量的时候使用。

如果需要，可以在反应器轴的其它位置上设置额外的气体入口和气体出口。

在替代的实施方式中，加热区出现在反应区上方，且焦木气体可以从反应器的加热区以预定的温度通过喷枪出口排出并导入反应区。在这样的方法中，除非气态有机材料逃出反应器并形成冷凝相，否则将部分转化为额外的木炭，其代价是液体产物的产量。

通过喷枪导入的气体可以加热到控制反应区的温度到所需的预定水平。由于碳化过程的自发性质，除了起始的启动程序，一般不需要加热气体的注入，除非有特别的需要以加热木炭到基本上高于515℃以维持较低的挥发性物质产量。

另一气体出口可以设置在反应器的冷却区的区域中以排出热气体。冷却区优选在有机材料从反应区前进的流动通道中。冷却气体优选为非氧化气体，以与材料流动相反的方向循环。

在本发明的另一方面，提供了一种用于有机材料热分解的装置，该装置包括：送料器，该送料器用于向反应容器供给加热的有机材料；反应容器，该反应容器具有反应室，用于支持有机材料的反应床；流动通道，有机材料沿着流动通道进入反应容器，有机材料的热分解随着有机材料通过反应容器而进行；

所述反应容器包括：

反应区，所述反应区用于在反应床中有机材料的自发反应，具有将第一气体供给到反应区中的第一气体进口和相对于第一气体入口横向设置的从反应区中排出气体的第一气体出口；

冷却区，所述冷却区具有将第二气体供给到反应床中的第二气体进口和将加热的气体从反应床的冷却区排出的气体出口；和

排放端口，该排放端口用于从反应容器中排放热分解的有机材料。

根据第二方面的一种实施方式，第一气体进口可以位于反应区的中央并且与第一气体出口位于反应区的边缘。第一气体进口可以为喷枪上的出口的形式，但也可以包括其它形式的在中央直接递送气体至反应区的气体递送装置。在本实施方式中，足够数量的气体和蒸气可以产生至反应区来增压反应容器至能使通过第一气体出口的气体和蒸气自发地外流。

在本发明的第三方面，提供了一种生产木炭的方法，该方法包括如下步骤：

将干燥的有机材料添加到反应容器的第一末端，有机材料沿着流动通道前进通过反应容器，并从位于反应容器的第二末端的排放端口排出；

随着有机材料前进通过反应容器到达放热加热区，在反应容器的加热区加热有机材料，在放热加热区，有机材料的温度达到足够的温度并且发生有机材料的自发分解为木炭；和

排放前，在反应容器的冷却区冷却木炭；

其特征在于：将外部气体注入放热反应区，并且将焦木气体从反应容器侧面的在放热区附近的出口排出。

如果需要高挥发物含量的木炭，可以向放热反应区导入冷却气体。这是由于反应区的最大温度需要被限制在最大自发生成温度以下。

如果需要将木炭加热到最大自发生成温度以上以获得低挥发性木炭，那么需要在放热区下方和冷却区的上方导入热气体。将热气体导入放热反应区是不可取的，这是因为这样会减少木炭的产量以及在放热区产生的热量，继而降低反应的有效率。

在本发明的该方面的优选方式中，通过在反应容器的放热区或加热区中的具有至少一个气体出口的内部喷枪导入外部气体。外部气体可以为惰性气体，例如氮气。

可替代地或额外地，从该方法的其它部分例如从反应容器的加热区去除的气体可以导入该方法的放热区或其它区。

该方法可以进一步使冷却气体进入反应容器的冷却区。在反应区的冷却区加热的冷却气体通过反应容器的冷却区附近的第二气体出口去除。这些气体然后可在装入到装置(如预热器)的反应容器前用于预热所述有机材料，或以其它方式从其回收热量。

在以上优选方式中，第二气体出口可以位于在反应容器中轴向设置的内部喷枪上和/或冷却区附近的反应容器壁上。该内部喷枪可以为与向反应容器的放热区注入外部空气的内部喷枪相同。

附图说明

图1表示Stafford方法的实施方式。

图2为本发明的实施方式的侧视图。

图3为图2中所示的整体容器的底视图。

具体实施方式

应当理解的是，本说明书所公开的和定义的本发明延伸至所有备选的组合，其包括两个或以上的个别、被阐述或从文字或附图中显见的特征。所有这些不同组合构成了本发明的多个可替代的方面。

本发明生产木炭的装置被视为十分适合用于生产木炭的自发方法。在本发明的内文中，在此使用的术语“自发方法”用于描述一种方法，该方法自发地产生出足够的热量以在无氧氛围中自给自足。用于木炭生产的自发方法被认为是最适合的方法来从破碎的和/或废弃的木材中生产大量木炭，这是由于：

（A）不需要向材料提供外部加热来进行热分解反应，以使材料核心的传热并不在限制反应器的大小；

（B）材料在反应器中的保留时间为合理的短；

（C）该方法是高效能的，这是因为不再需要高级的外部加热能量来产生热分解反应；

（D）木炭产量较高，这是由于高浓度的焦木蒸气和它们足够的保留时间的組合允许第二木炭形成反应以相当大的程度进行。

（E）离开反应器的蒸气和气体具有更高的经济价值并且更容易被收集，这是由于它们没有像在许多其它方法中一样被循环热气体稀释。

（F）由于该方法在无氧氛围中进行，因此不会烧尽木炭、蒸气或气体；

（G）本发明的实施方式是简单的机械，因而具有较低的安装和维护费用。

本发明提供了从有机原材料生产木炭的装置。图2示出本发明的一种实施方式。该实施方式的装置包括：用于向反应容器（2）供给材料的送料器（1）。该装置还可以包括合适的监控和控制系统。

送料器包括原材料料斗（4），该原材料料斗（4）用于从位于送料器（1）（图2中未示出）上游的干燥器处接收干燥的原材料，优选是极干燥的且预热的有机原材料；和如螺旋传送器（6）所示的运输工具，该螺旋传送器（6）用于向反应容器（2）上方的气密锥形阀（7）提供干燥且加热的有机原材料。在本发明的内文中，极度干燥的有机材料具有低于0.5重量%的水分含量。

反应容器（2）包括从锥形阀向反应器底部展开的锥形反应容器（2）。气密锥形阀（7）安装为绕中心轴旋转以将原材料均匀地穿过反应容器（2）的顶部来分配。反应容器（2）的外部表面上设置有热隔离（5）。反应容器通常具有包括加热区（21）、放热反应区（22）的第一段包括冷却区（23）的第二段。设置气体和蒸气出口（8）、放热反应区（22）中的侧壁开孔（9）、冷却区（23）的侧壁开孔（10）以从反应容器中去除气体。

反应容器（2）进一步具有如以内部喷枪（12）的形式所示的起始气体入口，内部喷枪（12）从反应容器（2）底部的外面下方处伸出并且延伸到放热区以用于将气体导入放热反应区（22）内。在该实施方式中，喷枪（12）包括具有内同轴导管（16）的外部导管（15），由此外部导管（15）延伸到冷却区，且内部导管（16）延伸到放热反应区（22）。虽然本实施方式只表示了一个单独的喷枪，更大的容器设计可以需要多于一个喷枪。尽管本发明的实施方式以参考喷枪的方式进行描述，其它形式的气体递送装置可以在本发明的范围内使用。其它形式包括将气体递送到放热反应区的其由耐火材料所成的常规导管或管道。

优选实施方式中，喷枪的外部管道（15）包括冷却区的排出开孔（17），并且与气体抽取系统（19）相连。内部导管（16）包括放热反应区（22）的供给开孔（18），并且与气体供给系统（20）相连。通过内部导管（16）供给的气体可以为不与反应容器（2）中的内容物反应的非反应性气体。可替代地，通过内部导管（16）供给的气体可以为返回反应容器的回收成的可凝结的蒸气，从而以增加木炭产量。

反应容器的下段进一步包括穿孔壁锥阀以支持反应床且当材料达到热分解的适当水平时排出材料。锥阀的外部部分在开启和关闭位置之间是可滑动的，以允许预定数量木炭掉入由的圆筒（24）形成的固定体积的室，该圆筒24与锥阀的移动部分相接。

反应容器的下段也包括冷却气体入口（11）和至少一个具有关联的门阀（14）的木炭排放端口（13）。设置木炭车厢（3），木炭车厢（3）包括用于接收从木炭排放端口（13）排放的木炭的工具，例如料斗。

操作

送料器（1）包括用于接收预热有机原材料的料斗（4）。有机原材料的前处理在位于料斗（4）上方的干燥器（图2中未表示）中进行，并且包括将材料干燥和预热至适合用于有机原材料在反应容器（2）中热分解的水分含量和温度。理想地，水分含量少于0.5重量%且温度大于150℃。优选原材料为木屑和木废弃物。木屑/废弃物的最小尺寸与前面讨论的Badger-Stafford方法大致相同。送料器（6）通过螺旋传送机（6）将干燥加热的有机原材料送至在反应容器（2）之前的气密锥阀（7），然后通过重力进入反应容器（2）。锥阀（7）可以旋转以将原料均匀地穿过反应区的顶部分配。

有机原材料轉化至碳化有机材料（木炭）的過程在反应容器（2）中进行。

起始程序

启动程序的主要目的是在反应容器中将材料和反应容器的壁加热至足以使方法在无氧氛围自发运行。为了启动自发分解，需要将置于反应容容器中的放热区的干燥材料的温度提高至约400-500℃。可吹入氧化性（如空气）和非氧化性气体到反应容器中，以提高其温度来起动。但是，吹入空气可能更有效/可行，因为材料的燃烧提供热量，否则，必须考虑来自外部源。约500℃的温度的热气体被引入到放热反应区（22），优选地，可通过喷枪或导管（15）的外部气体口（16）和在反应容器壁的气体出口（10）以在启动阶段引入热气体和燃烧一部分有机材料。优选的热气体为被加热的空气。

优选地，在反应容器中向上升起的气体通过加热区的流出通过气体出口（8）发生。在吹热风的情况下，当开始在放热反应区燃烧干燥的木材，燃烧产物也可通过气体出口（8）从反应器中去除。冷却气体进气口（11）需要在此操作期间关闭，以防止燃烧过程向下传播，而不是向上蔓延。优选地，关闭蒸气出口（9）和惰性气体入口（20），燃烧产物将扫过和预热在所述加热区中的材料，而不是通过蒸气出口（9）和惰性气体入口（20）离开反应器。需要进行严格控制空气（气体）的注入量，以防止反应容器的过热。当在反应区（22）的材料温度达到约500℃时，应当停止启动气体流入反应容器，并应当防止任何空气进入反应器中。然后，反应容器（2）可以在自发连续模式下运行。

在“正常运行”模式下，不通过任何手段控制放热反应区的温度，即，温度升高到其可达到的最高水平，最高水平因应给定的反应器设计和所使用的材料（例如木材品种）的化学性质而异。然而，氮气在冷却区域内的循环被用于加速冷却，以冷却木炭到较低的温度（与那些不这样的相比，由此减少了调节木炭的需求），并从冷却的木炭回收热量。

为达到木炭的热回收（和冷却），冷却的氮气通过进气口（11），与排放区域（在阀门（24）下方）的木炭和在冷却区的木炭逆流进入。被加热的氮气通过气体出口（17）和（19）离开反应器。

通过出口（17）和（19）离开反应器的氮气可以被加热到500℃，因此它可以是合理的高品位的用于各种用途的热量来源。Badger-Stafford法中的木炭通过反应器的壁自然流失热量而冷却，因此没有有效的从木炭回收热量。

在连续模式中，反应容器（2）通过自发分解方法将有机原料转化为木炭，此处分解的过程为碳化过程，该碳化过程以作为有机原料从反应容器的入口进入至出口处的过程来进行。反应容器包括一系列材料通过的反应区。在本实施方式中，指定了三个反应区；加热区（21），放热反应区（22）和一个冷却区（23）。

将有机材料供给到反应容器的加热区，其中的材料是通过上升的气体加热，使得当它前进到反应容器中的放热区域（2）时，是处于有机材料自发分解为木炭的温度。

优选地通过喷枪或导管（15）的外部气体口（17）将热气体引入到放热反应区（22）。通过气体端口（17）引入的焦木气体和外部加热的气体可以通过在放热反应附近的反应容器的壁上的气体出口（10）去除。从喷枪上的气体端口（17）向气体出口（10）的气体流动提供了一种控制放热区的温度的方法，可以用于去除可能是副产品的焦木气体，并保持反应床中的透气性。这有助于防止反应床过度的压实，并保持了控制产品质量和反应床温度的能力。

冷却气体进入反应器的冷却区。在反应区中的冷却区加热的冷却气体通过在反应容器中的冷却区附近的第二气体出口去除。这些气体然后可在装入到装置(如预热器)的反应容器前用于预热所述有机材料，或以其它方式从其回收热量。第二气体出口可位于沿轴向定位在反应容器中的内部喷枪和/或在冷却区附近的反应容器壁中。内部喷枪可以是与用来注入外部气体至反应器的放热区的内部喷枪相同。

本发明允许控制整个反应容器（2）的气体和蒸气流。气体和蒸气的流出可以通过在反应容器的加热区（21）的第一部分区域中的气体和蒸气出口（8）、放热反应区（22）的侧壁开孔（9）、冷却区（10）的侧壁开孔的任何组合以及通过喷枪（12）的外部导管（15）的排放开孔（17）从冷却区（23）对气体的抽取来控制。气体的流入可使用冷却气体进气口（11），和通过喷枪（12）的内部管道（16）的供给开孔（18）提供非反应性气体来控制。在整个反应容器（2）的各个反应阶段，这种气体流动的控制允许其控制反应容器和反应床的温度分布和压力。

这个控制也允许对从冷却区抽取出的热量的使用，否则造成浪费，同时亦允许提取在选定的温度范围下所产生出的焦木蒸气的理想组分。因此，该生产方法具有高的能量效率，并允许对最后的碳化有机产物的组成进行控制。

如果需要的话，气体入口和气体出口也可以安置在反应器的轴的其它位置。例如，气体可以从反应器的加热区以预定的温度抽取出，并通过喷枪出口18引入到反应区。这样有机材料以液体产物产率为代价，将被部分地转化成额外的木炭，否则逸出反应器并形成冷凝相。

当材料通过加热区（21），它被加热到在该碳化反应变为放热的温度。在“加热区”的有机材料是由焦木蒸气加热，該焦木蒸气可从随后的区中升起。在反应容器（2）中的反应不需要来自外部源的热能来进行。输送到加热区（21）的热能量可通过控制焦木蒸气到该区域的流动来控制。

随着材料通过放热反应区（22），有机材料通过自发碳化过程分解。有机材料转化成碳化有机材料（木炭）、焦木蒸气和热能。该焦木蒸气可以提升到反应器中更高的区域以输送热能。焦木蒸气可以通过侧壁开孔（9）从放热区抽取出，该侧壁开孔与在放热反应区中的反应容器（2）的壁排列。从顶部观看，这允许在径向方向上对焦木蒸气的提取。对焦木蒸气的物质流量方向的控制使加热速率和程度得以控制。焦木蒸气输送一部分因有机材料的放热分解而产生的热能。通过侧壁开孔（9）提取的高比例焦木蒸气导致低比例的焦木蒸气上升到反应容器中的（2）的前面的阶段，致使低比例的热能上升到反应容器中的（2）的前面的阶段。相反，通过侧壁开孔提取的低比例焦木蒸气导致高比例的焦木蒸气上升到反应容器中的（2）的前面的阶段，导致高比例的热能上升到反应容器中的（2）的前面的阶段。

焦木蒸气通常是在它们由温暖层向上迁移至冷却层之后从反应器提取出来。结果，这些蒸气的一些有价值的高沸点组分在材料的冷却层内冷凝，不能从反应器中取出。因此，直接从放热反应区提取焦木蒸气的额外好处是，可通过最短的可行路径将在一定温度范围内生成的选定有价值组分的焦木蒸气从反应器中提取出来。这样的安排将避免这些蒸气组分在反应器内循环。这种操作模式是有利于以下情况的，当所要求的处理温度是低于反应器可自发的最大可能温度，并且在若果减少部分炭产率以获得更高价值的液体产品是可行时。

当材料通过冷却区（23），它与冷却气体进行热交换以被冷却到所需的温度。通常该气体是空气或空气混合物。冷却区在它的底部设置有穿孔壁锥形阀，以允许在反应容器中形成反应床，并阻止有机材料的前进，直到它达到足够的分解水平以进展到最终产品。木炭从反应容器中周期性地排出。为了排出物料，锥形阀的外侧部分向下滑动，预定量的木炭落入由连接到锥形阀的可动部的车厢构成的固定容积的室（24）。当锥形阀的外侧部分返回到上边的“闭合”位置，排出的木炭在反应容器下部分布，在那里它被暴露于冷却气流中。冷却区（23）具有冷却气体进口（11），用于提供冷却气体进入反应床。随着冷却气体通过冷却区（23）升高时，冷却气体通过直接热交换从碳化有机材料中提取热能并成为被加热的冷却气体。碳化有机材料通过控制冷却气体的流动速率冷却到所需的温度。被加热的冷却气体可以通过冷却区的侧壁通气孔（10）和通过喷枪（12）的外部管道（15）的提取开孔被提取。所提取的被加热的冷却气体中的热能可以回收以用于在干燥机中干燥和预热有机原料。这增加了该方法的能量效率。为了确保没有冷却气体渗入到反应器中的放热反应区，并且焦木蒸气没有向下进入冷却区（23）的往覆流，在冷却进气口（11）以及气体和蒸气出口（8）的压力被仔细地控制。当可以在热气体出口的出口（10）处观察到的非常少量的烟（由焦木蒸气的冷凝形成气溶胶）时，视为在进气口（11）和出口（8）处达到了最佳的压力比率。

碳化有机材料通过至少一个木炭排放端口（13）从反应容器（2）中排出。在本实施方式中，从排放端口的排出是由一系列的闸阀（14）控制，且碳化有机材料被排放到木炭车厢（3）中。

随着材料在反应容器中通过，可以在每个区域中优化该材料在反应容器（2）内的停留时间。这可以通过改变反应容器（2）的横截面面积来实现。通过倾斜喷枪和/或反应器的壁，使反应容器（2）的横截面随着反应材料前进通过系统而膨胀或萎缩，材料的每一个部分与反应容器（2）的停留时间在操作上尽可能的接近最佳的停留时间。

反应容器（2）也包括用于在系统内监视状态变量的方法。被监视的状态变量可以包括不同阶段的在整个反应容器（2）中的温度和压力。被监视的状态变量可被用于控制焦木蒸气在整个反应容器（2）中的流动，非反应性气体通过喷枪（12）的出口开孔（18）的流动，和冷却气体通过冷却区的冷却气入口（11）的流动。

产品质量控制

喷枪（12）与侧壁开孔（9）和（10）结合的存在允许在水平及垂直方向上在整个反应容器内控制焦木蒸气的流量和温度。这允许实现许多产品质量的控制策略。这些控制策略包括但不限于：

（A）从反应容器内的选定温度区提取焦木气体以允许获得所期望的品质的产品和副产品。例如，如果期望最大化木炭收率，从反应容器中的选定的较冷温度区中提取的焦木气体可以被循环到较高温度区，以增加焦木气体转化为木炭的转换。

（B）如果木炭产物具有比在正常操作中（例如，具有更大易燃性的木炭，因为它可能需要注入粉状碳于高炉中）较高含量的挥发性物质，热气体可以从反应器的热区域提取出来，以使反应容器中的温度保持低于一个特定的值。当生产高挥发性木炭时，必须降低操作的最高温度（例如，到450℃）。最高温度是主要影响木炭的挥发物含量的因素。反应区的最高温度可通过从出口（22）抽取一部分的热解蒸气至放热反应区来降低，由此从该区提取热量。这仅能造到一定程度的限制，因为材料在加热区的预热效率也会降低。但是，尤其是当所需的最大温度降低（例如，450℃）时，该反应器应该具有承受介质的热损失的备用生产力。蒸气由于其在放热区压力高于环境，应能自然地通过出口（22）流出来。然而，如果需要，通过入口（20）吹非氧化性气体可以增加蒸气从反应器中的流出，如果预热不足，或增加气体通过加热区的流动，以补偿热解气体/蒸气通过该区的流量减少。在这种操作模式下，液体热解产物的量通过付出与木碳相关的固定碳量和气体量来增加。如果期望增加液体产物的产率和经济上是可行的，这种操作模式是特别有利的。

另一方面，在放热反应区中的温度下降以生产高挥发性的木碳，可以通过开口（22）回收一部分从排出口（8）漏出反应器的热解气体和蒸气返回到反应区来实现。这些气体具有180至200℃的温度，并带有热解蒸气（热解焦油的气雾）。热解焦油气雾，当注入到反应区中，会新鲜热焦炭的表面上产生裂纹（这是已建立的反应），并产生额外的木炭。由于从出口（8）抽出的蒸气具有180至200℃的温度，其在所述放热反应区的注入将减少那里的温度。同时，热解气体的一部分返回到反应区的回收将增加气体通过加热区的总体流动速率（因为离开反应器的气体量应保持大致相同，以避免压力积聚）。结果，放热反应区的相对高度以及离开反应器的气体的温度可能略有增加。

（C）如需要一个具有较低程度挥发物的木炭产物，特别需要一种低挥发木碳（即钢再渗碳），可以在建议的过程/反应器中通过与冷却周期（如上所述）相同的周期循环热氮气而生产出所需的木炭产物。增加反应容器中的温度。热氮气（例如在850℃）应通过入口（11）进入反应器，然后通过出口（17）和（19）离开反应器并稍微冷却（至大约550℃）。热氮气的最高温度可被制成反应器的材料的热强度限制。这种冷却和调理木炭产物的方式（和热量的提取，如果需要的话）应在一个单独的装置中完成。这种操作模式被预期为比以前的模式的能量效率更低，但它可能是值得的，在需要少量的低挥发性的木炭作特殊用途时。

如本文所用，除非内文另有要求，否则术语“包括”和该术语的变体，如“包含”和“包括”，并不旨在排除其他添加物、组分、整数或步骤。

Claims (14)

1.一种用于自发生产木炭的装置，该装置包括：

送料器，该送料器用于向反应容器供给加热的有机材料；

反应容器，该反应容器用于支持有机材料的反应床；和

至少一个排放端口，该排放端口用于从反应容器中排放热分解的有机材料；所述反应容器限定了一个流动通道，在流动通道中，有机材料的热分解随着有机材料通过反应容器而进行；

所述反应容器包括：

反应区，所述反应区用于有机材料在反应床中的自发热分解反应以形成焦木气体；

冷却区，所述冷却区具有至少一个用于向反应床供给冷却气体的入口；和从反应床中抽取加热的气体的出口；

至少一个喷枪，所述喷枪延伸通过反应床进入反应区，以将气体供给到反应容器中；

气体出口，所述气体出口用于从反应容器中排出气体和蒸气；其中，所述气体出口中的一个设置在反应区的边缘处，以排出由喷枪供给到反应区的气体；和

至少一个气体入口，气体入口设置在喷枪上，以使得气体能通过喷枪上的气体入口在反应容器的中央位置进入反应区并横向穿过材料流向反应容器的边缘。

2.一种用于有机材料自发热分解的装置，该装置包括：送料器，该送料器用于向反应容器供给加热的有机材料；

反应容器，用于支持有机材料的反应床；流动通道，有机材料沿着流动通道进入反应容器，有机材料的热分解随着有机材料通过反应容器而进行；

所述反应容器包括：

反应区，所述反应区用于有机材料在反应床中的自发热分解反应以形成焦木气体，所述反应区具有将第一气体供给到反应区中的第一气体进口和相对于第一气体入口横向设置的从反应区中排出气体的第一气体出口；

冷却区，所述冷却区具有将第二气体供给到反应床中的第二气体进口和将加热的气体从反应床的冷却区排出的第二气体出口；

加热区，所述加热区用于使用在所述反应区形成的焦木气体加热所述有机材料，所述加热区具有从加热区抽取气体的第三气体出口；和

排放端口，该排放端口用于从反应容器中排放热分解的有机材料。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，第一气体入口位于反应区的中央，且第一气体出口位于反应容器的边缘。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，反应容器具有至少在反应区中或在反应区附近增加或减小的截面积。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述装置不包括用于加热有机材料床或用于维持有机材料床温度的外部加热源。

6.一种自发生产木炭的方法，该方法包括如下步骤：

将干燥的有机材料添加到反应容器的第一末端，有机材料沿着流动通道前进通过反应容器，并从位于反应容器的第二末端的排放端口排出；

随着有机材料前进通过反应容器到达所述反应容器的放热反应区，在反应容器的加热区加热有机材料，在放热反应区，有机材料的温度达到足够的温度以用于所述有机材料的放热自发分解的发生；在放热反应区中使所述有机材料自发分解成木炭和焦木气体；和

排放前，在反应容器的冷却区冷却木炭；

其中，将外部气体注入放热反应区，并且将焦木气体从反应容器侧面的在放热反应区附近的出口排出以使气体横向穿过材料流向反应容器的边缘。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，将外部气体通过在反应容器的放热区具有至少一个气体出口的内部喷枪注入。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，冷却气体进入反应容器的冷却区。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，在反应区的冷却区加热的冷却气体通过反应容器的冷却区附近的第二气体出口排出。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，第二气体出口位于在反应容器中轴向设置的内部喷枪上。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，第二气体出口位于冷却区附近的反应容器壁上。

12.根据权利要求7所述的方法，其中，第二气体入口位于冷却区附近的内部喷枪上，以向冷却区提供冷却气体。

13.根据权利要求6至12中任意一项所述的方法，其中，所述方法在不使用外部加热源的条件下向有机材料床进行加热或维持有机材料床的温度。

14.根据权利要求6至12中任意一项所述的方法，其中，将从容器中排出的部分外部气体和焦木气体再循环至反应区。