CN104736674A - 含碳材料的有效干燥和热解 - Google Patents

Abstract

一种用于干燥和热解含碳原料以生产有价值的产品，例如炭、油、气和热能的方法和设备。本发明包含一种方法，据此含碳材料1被收容于一显著地没有氧化性气体的加热区域，以促进热解反应，驱动该过程所必须的热能的提供是通过燃烧在同一反应箱3内的含氧气体和一部分挥发性物质实现的。所述反应箱3的布置消除了在热解过程中同时进行的热解反应和燃烧反应之间设置任何形式的固态物理屏障的必要，并且也避免了用于再循环气态的挥发性物质的外部装置的任何需求。本发明还涉及一种用于通过辐射和对流传热机制来改进从燃烧区域到热解区域的热能传送的方法。

Description

含碳材料的有效干燥和热解

技术领域

本发明涉及用于干燥和热解含碳材料以生产有价值的产品，例如炭、油、气和热能的方法和设备。

背景技术

热解过程可基于含碳原料经受的升温速率被分类为“快热解”和“慢热解”。“慢热解”过程典型的涉及长驻留时间和低升温速率（例如，低于每秒钟10℃）。慢热解过程实例包括基于填充床反应器、曲颈瓶和窑炉的系统。“快热解”过程涉及在高升温速率下的生物量的快速分解（例如，高于每秒钟100℃），有助于在室温下为液态的产品的形成，以固态含碳材料，例如炭为代价。典型的快热解过程涉及被分解为小物理尺寸的原料，这些原料移动以最大化热量和质量传递率，例如通过使用气固流化床、气流床反应器、回转炉或螺旋炉。

含碳材料的热解要求在无氧或“还原”环境中以中等温度（例如从200℃加热到1000℃）加热材料。不可在开放空间或自由氧存在的空间实施热解过程，因为在这种处理温度下，待热解的材料在空气中将会起火燃烧（氧化），最终的结果是合适的热解产品被毁坏。由于这个原因，热解过程必须如此实施以使得自由氧的存在被减至最小程度。由于需要加热以提高材料温度和推动热解进程，通常使用热源（例如燃烧装置）。因为燃烧需要氧气，燃烧装置需要和热解区域物理隔离，以防止氧气进入热解区域。

为了维持还原环境，过去实施热解时，曾将待热解材料装在已排空空气（通常通过某种形式的气锁系统或单向阀装置）的器皿或容器中，然后从这些器皿或容器的外部间接加热，也就是在热源和热解区域之间使用一个固态屏障。

间接加热可能采用燃烧一个独立的燃料的形式来提供必须的热量输入，或更常见的，也包括获取和燃烧在热解过程中产生的热解产物气体（挥发物），热解过程中产生的热解产物气体被从热解进程中输送至燃烧系统并被作为燃料。

这种物理隔离的方式通常需要将一个器皿设置在另一个器皿内，或一个管子插在另一个管子内，例如加热步骤发生在外侧器皿或管子内，而热解发生在内侧器皿或管子内。电气器件或热油环路也可能用于为材料提供热能而不使材料暴露在氧气环境中，然而这种方式的运转成本限制了其应用。固态屏障的存在也限制了扩容、热效率，也约束了热解过程所采用物理结构的选择，对热解过程的经济性产生了不利的影响。

用于氧气最少化的必须的物理装置也可能为供给准备和产品处理引入额外的要求，特别是减小原料尺寸可能变成必须的，以使得原料的供给和产品回收成为可能，同时在热解过程中维持必须的还原环境。

 在热解技术中通常使用的间接加热方法在结构上（即必须要一个独立的气密室来进行热解，还需要容纳加热系统的外部装置）增加了成本。间接加热方法还引起从加热系统到热解部位的较差的热传导，因为热量必须通过热解容器的壁传导，导致总的热效率较差。

在本说明书中的任何文件、设备、行为或知识的讨论是为了解释本发明的内容。它不应该被视为承认任何这些材料构成本领域在先技术基础或公知常识的一部分，在澳大利亚或者其他任何国家，在本发明权利要求的优先权日或之前。

发明内容

需要提供一种用于干燥和热解含碳材料的设备和方法，不需要在发热燃烧（氧化）区域和正在进行热解的材料之间采用固态屏障。

依照本发明的第一个方面，提供了一种用于干燥和热解含碳原料的设备，所述设备包括一大体密封的、用于容纳含碳原料于其中的反应箱，所述反应箱包括一个或多个位于所述反应箱上部的进气口，所述的进气口可连接至一含氧气体源，从而方便将含氧气体供应至所述反应箱；所述反应箱进一步包括一个或多个位于所述反应箱下部的出口，用于使所述反应箱内生成的气体能够排出；

其中，在使用中，含碳原料如此设置在所述反应箱内，以使得所述含碳原料的顶部位于所述出口之上，并且在所述进气口处或低于所述进气口；

以及，其中所述含碳原料顶部的燃烧为干燥和热解所述反应箱内的其余含碳原料提供必需的热量；

以及，其中调节通过所述进气口进入所述反应箱的含氧气体的流量以响应所述反应箱内的温度测量，从而为所述含碳原料的热解确定所述反应箱内的最适条件。

优选的，所述一个或多个所述出口朝向所述反应箱的底部设置，如此使得在所述反应箱内生成的气体流过所述含碳原料到达所述出口。

所述设备可进一步包括一个或多个用于测量所述反应箱内温度的温度探头。在这方面，至少一个所述的温度探头可能被设置在所述反应箱的上部，而且至少一个温度探头可被设置在所述反应箱的下部。

所述反应箱还可包括一可重复密封的舱口盖，以使得可以将原料装入所述反应箱。所述设备还可包括一在所述反应箱内容纳所述含碳原料的笼形结构。

所述进气口中的一个或多个可包括一用于协助分散进入所述反应箱的含氧气体的挡板或扩散器。

所述设备还可包括一个或多个设置在所述反应箱上节的喷水器。此外，所述设备可包括一用于释放所述反应箱内多余压力的泄压设备。

依照本发明的另一方面，提供了一种用于在一大体上密封的反应箱内干燥和热解含碳原料的方法，所述反应箱具有设置在反应箱上部的一个或多个进气口和设置在反应箱下部的一个或多个出口，所述一个或多个进气口可连接至一含氧气体源，从而方便将含氧气体供应至所述反应箱；所述一个或多个出口使所述反应箱内生成的气体能够排出所述反应箱；所述方法包括步骤：

将含碳原料放入所述反应箱，如此使所述含碳原料的顶部在所述出口之上并在所述进气口处或低于所述进气口；

通过所述进气口从所述含氧气体源向所属反应箱输送含氧气体流；

燃烧所述含碳原料的顶部，以为干燥和热解所述反应箱内的其余含碳原料提供热量； 以及

调节进入所述反应箱进气口的含氧气体的流量以响应所述反应箱内的温度测量，从而为所述含碳原料的热解确定所述反应箱内的最适条件。

所述反应箱内的温度测量优选地包括至少一个位于所述反应箱上部的区域的温度测量和至少一个位于所述反应箱下部的区域的温度测量。

所述含碳原料顶部的燃烧优选地是通过使用一个或多个点火源点燃所述含碳原料引起。

此外，一旦所述反应箱下部的区域测得的温度达到一最低目标温度，优选地降低所述含氧气体的流量。就这一点而言，所述最低目标温度优选的大致在150℃和600℃之间。

进一步的，优选地控制含氧气体的流量，如此以使得在所述反应箱上部的区域测得的温度不超过一预设最大值。

所述的方法可进一步包括步骤：一旦达到所述最低目标温度，在一特定时间段内维持所述反应箱内的温度条件。

进一步的，所述含氧气体在被送入所述反应箱进气口之前被一外部热源预加热。在这方面，所述外部热源可为从另一反应箱中获取的热量。

在另一实施例中，所述含氧气体在被送入所述反应箱进气口之前可被预加热，使用通过所述一个或多个出口从所述反应箱排出的气体中回收的热能进行所述预加热。

本发明有利地为已知的热解技术提供了一种供替代的选择，并且在热生成氧化反应和热解含碳原料之间不需要固态屏障。本发明还避免了用于再循环气态的挥发性物质到燃烧区域的外部装置的需求。

附图说明

图1是根据本发明一较佳实施例的用于干燥和热解含碳原料的装置的剖断图。

具体实施方式

在开始描述本发明优选的实施例之前，非常需要注意的是，说明书中用到的各种术语具有技术人员读者将能更好地理解的含义。为了便于参考，这些术语的其中一些将在此进行定义。

在此使用的术语“含碳原料”包括但不限于未加工的和已加工的木材、草和农作物残茬、其他生物质、煤、油页岩、塑料、纸质产品以及还包括这些材料的混合物。

术语“生物质”在此理解为有活的或近来存活的有机物质的意思。特定的生物质产品包括，例如，林业产品和木料废材，农业产品，水生环境产生的生物量，例如藻类，农业废物，例如稻草、种子外壳、水果核和坚果壳，动物粪便和尸体、市政和工业残留物。

术语“煤”在此理解为包括，例如，泥煤、褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤以及一些被称为“煤渣”的产物。

术语“油页岩”在此理解为包括，例如，任何包含合适比例的含炭分子的地质沉积材料。

术语“热解”在此理解为在缺乏含氧气体或供应有限的含氧气体的情况下的含碳材料的热分解。基于加工条件，该热分解包括干燥和含碳材料的局部热分解，直到完全将含碳材料分解为例如液体、炭、灰和气体的分解产物。代表性的气体可能包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氢气、碳氢化合物和部分含氧有机分子。代表性的液体可能包括水、焦油、碳氢化合物和部分含氧有机分子。

本发明为一种高可扩展性、低建设成本、具有高热效率、不需要复杂原料预处理或减小原料物理尺寸、以及能够适用于在固定或移动式结构中进行分批的和连续的热解处理的热解反应器结构。

参考附图，示出了用于干燥和热解固体含碳材料例如含碳原料1的装置2的剖视图。装置2包括一隔热的和气封的反应箱3，含碳原料1被装载在反应箱3中。通过位于反应箱3上部的至少一个进气口7供应数量受控的含氧气体，进气口7的位置使得其位于固体含碳原料1的顶面或在固态含碳原料1的顶面之上。在一个优选的实施例中，进气口7可包括一挡板或扩散器8，以助于分散进入的气体。由于气体的供给压力大于反应箱3内部的压力，含氧气体流入反应箱3中。对于熟悉本领域的人员来说是明显的，可以通过现有的多种工具中的任何一种，例如，可变速的鼓风机或风扇，或带有流量控制阀的固定变速风机，改变相对于反应箱3的压力的供给的相对压力来控制含氧气体的流量。

反应箱3可容纳至少一个点火源9，点火源9可以是永久安装的或是可移动的，大致位于热解的含碳原料的顶面或位于热解的含碳原料1的顶面之上的位置。点火源9可连续不断地运作，但通常是仅在启动燃烧过程时需要用到，并且点火源9能够有多种合理的设计，例如热风，燃气燃烧器，或者电气元件。在该过程中产生的热气体或液体状的反应产物从固体含碳原料材料1的底面或底面下方撤出，并且通过一个或多个出口13从反应箱3中排出，在一种优选的实施例中出口13可被设置为帮助分散反应箱3中的热气体。反应产物可能被送至许多附加的后处理过程，例如加力燃烧室、洗涤器或精炼系统。从反应箱3排出的热气体状或液体状的反应产物也能用于在含氧气体进入一个或多个进气口7前加热含氧气体。

反应箱3可包括一爆发压力释放设备15，即，一可重复密封的开口，对反应箱3里的超压情况快速响应和以一种受控制的方式排出过量的气体，作为能够安全地排放反应箱3中任何突然增加的气压的紧急降压工具。在如图1所示的分批配置的情况中，当进程关闭时，固体热解产物装入和撤出反应箱3。对于分批选项，提供有一可重复密封的装载/卸载舱口盖17，作为在每一处理程序之前或之后往反应箱3装载和从反应箱3卸载材料的工具。为了方便分批装卸作业，可设置在反应箱3中的笼子或篮子装置19是多种可能的工具的其中一种，来存储原料1和产物。产物冷却可包括通过许多可能的设备中的任何一种进行汽化液体，例如水的添加，以加速冷却过程。在一优选的实施例中，这可通过一个或多个设置于反应箱的上部的喷水设备20实现。

机械地，该过程包含多个阶段。作为本过程的一个例子，提供下列步骤，其可适用于一特别的优选实施例中，即一适合于用于形成反应箱3的外部结构组件的、改进的“20英寸”传统船运集装箱的分批热解过程。

首先通过舱口盖17将原料1装载至内部容积大约15立方米的反应箱3中。在这方面，原料1被装载至笼子设备19，然后笼子设备19被通过舱口盖17插入反应箱3中。然后，点火源9被用于连同一通过进气口7进入反应箱3的、受控制的、流速范围在1000至2000立方米每小时的含氧气流触发含碳原料1顶部的燃烧。一旦此燃烧阶段开始，可关闭点火源9，通过控制含氧气体5维持含碳原料1的顶部的燃烧。热气体燃烧产物穿过含碳原料1向下渗出，（如图1中的弯曲箭头表示的），为了使它们向下进入一个或多个出口13，并通过如此做将热量传导至大部分含碳原料材料1，提高含碳原料1的温度到达使热解反应开始的温度点，并且越来越多的热解气态产物被释放进入反应箱3。最后，热解气体在反应箱3中占据优势，并且这些流入反应箱3上部的气体能够与含氧气体在邻近进气口7 处直接一起有效地燃烧。在此阶段，含氧气体的流速会降至一较低的流速，例如300至500立方米每小时，并且一包含进入的所有自由氧的完全消耗在内的挥发物燃烧区域或范围23形成在反应箱3的顶部，而且没有自由氧接触固体含碳原料1。在挥发物燃烧区域23释放的燃烧热能现在生成向下（如图1中的弯曲箭头所表示）穿过多数热解中的含碳材料1的热燃烧产物气体的净流，为加热大量材料服务，以及推动干燥过程和热解反应（通过供应热能以维持吸热反应）。通过调整含氧气体经过进气口7进入反应箱3的流速来控制反应箱3中的温度。在某些情况下，由于热解固体体积的进一步减少，氧化的挥发物燃烧区域23和减少的含碳原料1区域的分隔进一步加强，导致顶部燃烧区域和热解材料之间额外的垂直间隔27。在一优选的实施例中，通过出口13从反应箱3排出的热气态产物可经由一第二燃烧室作为其他过程的热源。在另一优选的实施例中，从反应箱3排出的热气态产物经过适当的废气排出控制措施（例如后燃器装置）处理后，可排放至大气层中。在另一优选的实施例中，从反应箱3排出的热气态产物可被冷却和净化（例如通过洗涤器），供应至一原动机，例如一往复式动力机或一用于产生轴输出功率以驱动其他设备或发电的燃气轮机。

一优选的过程控制策略涉及在反应箱3中的多个关键部位的温度测量仪以及通过一控制系统对含氧气体流量的调整以达到或维持合适的温度条件。在一优选的实施例中，这些温度测量在反应箱3的上部的区域中的一个或多个位置29和反应箱3的下部的区域中的一个或多个位置31进行。在一优选的过程控制策略中，一控制算法可被使用以使的在该过程中靠近反应箱的底部31达到最低目标温度，该最低目标温度可在150至600°C的范围内，但不超过在反应箱3的上部的区域29的一最高温度，该最高温度可在500至1000°C的范围内。一旦达到底部区域最低目标温度，反应箱3中的温度条件可被维持一特定的时间周期，例如，在一优选的操作方法中该特定的时间周期为30分钟。需要注意的是，可调整特定的温度和处理时间，以针对给定尺寸和含水量的含碳原料1达到最佳性能。在一优选的实施例中，这些顶部和底部区域的温度点定位在大约在容纳有原料1和产物的笼子装置19 的上方200mm和下方200mm的位置。在一优选的实施例中，对于给定平均尺寸的原料颗粒，含碳原料1在反应箱3中的深度是特定的，以使得气体绕路最小化。在这样的组合的一个例子中，料层厚度为1800mm，原料的平均颗粒厚度为75至150mm。在一进一步的优选的实施例中，一机械搅拌器可用于实现含碳原料1内部的流动性，这可能是有利的，例如促进气流分散穿过固体材料和提高固相和气相之间的传热和传质过程。一旦在反应箱3中达到合适的温度条件并维持该合适的温度条件到合适的时间段，停止含氧气体流，并且允许材料在移出反应箱3之前冷却。在一优选的实施例中，通过控制可在一般温度下被汽化的液体的添加，可有利地降低冷却速率，从而将热量从材料和反应箱3中排出。在一优选的实施例中，上述液体可为水。

在图1的实施例中，表示了一种分批处理的方案。然而，一包括连续顶部加料和从反应箱的底部撤出产品材料的可选实施例也是同样可行的，在该实施例中氧气的供应是最小化的（例如通过使用气闸或旋转阀），这样的装置能够由熟悉本领域的人员实施。

优点

本发明的设备有利地消除了发生在反应箱3中的同时进行的热解反应和燃烧反应之间设置任何形式的固态物理屏障的必要。反应箱3的几何结构还能够避免用于再循环气态的挥发性物质的外部装置的任何需求。

在含碳材料热解的过程中，通过燃烧在同一反应箱3内的含氧气体和一部分挥发性物质有利地为推动该过程提供所需的热能。除了初次启动时的点火源9，在操作过程中不需要外部热源。

本发明有利地只需要一简单串接的温度控制器和正确实施过程中所需的至少两个测量点。

同时，原料尺寸的减小（例如削成碎片或研磨）对于外部材料搬运装置可能是有利的，但这绝对不是操作过程中的必需要求。相对许多其他在先方法，这为热解过程增加了灵活性以及潜在应用范围。

通过直接合并点火和供热系统形成一单独的反应箱3，凭借内部的布置，有限的一部分进料的燃烧和在热解过程中的一部分挥发产物的燃烧提供足够驱动完成整个热解过程的热源。内部构件如此配置，使得支持发生在反应箱3中的有限燃烧需求的少量氧气在冲击待热解的多数材料之前被完全消耗。通过这种方式，燃烧的气态产物，在该阶段以无氧化性的形式冲击至材料上，能够通过对流直接将驱动热解过程所必需的热能提供至大量材料，同时维持整体的还原性气氛。

一旦材料体积（材料高度）开始减少，反应箱3在垂直面上的几何布置使的热源（燃烧区域）能在垂直方向上与处理过程（热解区域）分开，本结构还允许热燃烧气体穿过材料，传递热量以退出该过程。

在连续配置的情况下，可将固体含碳原料材料引进反应箱3的上部，并连续地或分批地从反应箱3的下部撤出，但工作过程不需要停止。

在连续的过程中，可使用气闸（旋转阀、锁斗、双阀等）以使得在进料和出料的同时保持与周围环境的隔离。

反应箱3还可设置有一装载和卸载材料的装置，例如用于连续处理配置的螺旋钻装置，或用于分批处理配置的加-卸载舱口盖17。

在不脱离本发明的本质特征的情况下，本发明能够通过多个方式实现。可以理解地，上文描述的实施例不能被认为是对本发明的限制，而在于清楚地解释本发明。各种各样的改变和同等的装置也包含在本发明的精神和范围内。

Claims (19)

1.一种用于干燥和热解含碳原料的设备，所述设备包括一大体密封的、用于容纳含碳原料的反应箱，所述反应箱包括一个或多个位于所述反应箱上部的进气口，所述的进气口可连接至一含氧气体源，从而方便将含氧气体供应至所述反应箱；所述反应箱进一步包括一个或多个位于所述反应箱下部的出口，用于使所述反应箱内生成的气体能够排出；

其中，在使用中，含碳原料如此设置在所述反应箱内，以使得所述含碳原料的顶部位于所述出口之上，并且在所述进气口处或低于所述进气口；

其中，所述含碳原料顶部的燃烧为干燥和热解所述反应箱内的其余含碳原料提供必需的热量；

以及，其中调节通过所述进气口进入所述反应箱的含氧气体的流量以响应所述反应箱内的温度测量，从而为所述含碳原料的热解确定所述反应箱内的最适条件。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述一个或多个所述出口朝向所述反应箱的底部设置，如此使得在所述反应箱内生成的气体流过所述含碳原料到达所述出口。

3.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述设备进一步包括一个或多个用于测量所述反应箱内温度的温度探头。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，至少一个所述的温度探头设置在所述反应箱的上部，而且至少一个温度探头设置在所述反应箱的下部。

5.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述反应箱还包括一可重复密封的舱口盖，以使得可以将原料装入所述反应箱。

6.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述设备还包括一在所述反应箱内容纳所述含碳原料的笼形结构。

7.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述进气口中的一个或多个包括一用于协助分散进入所述反应箱的含氧气体的挡板或扩散器。

8.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述设备还包括一个或多个设置在所述反应箱上节的喷水器。

9.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其中所述设备还包括一用于释放所述反应箱内多余压力的泄压设备。

10.一种用于在一大体上密封的反应箱内干燥和热解含碳原料的方法，所述反应箱具有设置在反应箱上部的一个或多个进气口和设置在反应箱下部的一个或多个出口，所述一个或多个进气口可连接至一含氧气体源，从而方便将含氧气体供应至所述反应箱；所述一个或多个出口使所述反应箱内生成的气体能够排出所述反应箱；所述方法包括步骤：

将含碳原料放入所述反应箱，如此使所述含碳原料的顶部在所述出口之上并在所述进气口处或低于所述进气口；

通过所述进气口从所述含氧气体源向所述反应箱输送含氧气体流；

燃烧所述含碳原料的顶部，以为干燥和热解所述反应箱内的其余含碳原料提供热量； 以及

调节进入所述反应箱进气口的含氧气体的流量以响应所述反应箱内的温度测量，从而为所述含碳原料的热解确定所述反应箱内的最适条件。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述反应箱内的温度测量包括至少一个位于所述反应箱上部的区域的温度测量和至少一个位于所述反应箱下部的区域的温度测量。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述含碳原料顶部的燃烧是通过使用一个或多个点火源点燃所述含碳原料引起。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，一旦所述反应箱下部的区域测得的温度达到一最低目标温度，降低所述含氧气体的流量。

14.根据权利要求11至13项中任一项所述的方法，其中，如此控制含氧气体的流量，以使得在所述反应箱上部的区域部测得的温度不超过一预设最大值。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述最低目标温度大致在150℃和600℃之间。

16.根据权利要求13至15项中任一项所述的方法，进一步包括步骤：一旦达到所述最低目标温度，在一特定时间段内维持所述反应箱内的温度条件。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括步骤：一旦所述特定时间段结束，停止供应所述含氧气体。

18.根据权利要求10至17项中任一项所述的方法，其中所述含氧气体在被送入所述反应箱进气口之前被一外部热源预加热。

19.根据权利要求10至17所述的方法，其中，所述含氧气体在被送入所述反应箱进气口之前被预加热，使用通过所述一个或多个出口从所述反应箱排出的气体中回收的热能进行所述预加热。