CN105517979B - 水平升华系统 - Google Patents

Abstract

描述了用于从含碳原料生产产品气体燃料和固体炭燃料的系统和方法。将原料引入并且运输穿过至少一个实质上水平的升华反应室。在不含外部氧气和外部供应的催化剂的气氛中将初始和最终升华温度维持在小于10℃内。这个系统被配置成不具有从反应室泄漏出的任何产品气体或泄漏入被配置成加热反应室的热箱中的氧气。

Description

水平升华系统

技术领域

本发明一般涉及从含碳原料生产燃料。

背景技术

天然气和原油是当今所用的绝大多数燃料的来源。这些来源从有限的地下储备获得。随着地球上的天然气和原油供应耗竭，全世界对能量的需求同时增长。在接下来的十年里，剩余的世界上容易得到的天然气和原油储备的耗竭将导致从其获得燃料的成本显著增加。

合成气(syngas/synthesis gas)是主要由氢气、一氧化碳以及很常见的一些二氧化碳组成的燃料气混合物。其通常用作形成合成天然气、合成石油以及用以驱动燃气轮机的产品的中间物。生产方法包括含碳生物质的气化，诸如农业废料和城市废料的气化。然而，合成气具有小于一半的天然气的能量密度并且所形成的一氧化碳和二氧化碳被视为全球变暖的有害贡献者。

发现可以有效地使可再生材料转化成适合于运输、发电和/或加热的燃料的工艺的研究是满足不断增长的对能量的需求的重要因素。需要用于有效地使诸如生物质的碳基原料转化成具有至少在天然气的能量密度的数量级上的能量密度的气态燃料的方法和系统。本发明满足这些需要并且提供优于现有技术的各种优点。

发明内容

本发明的实施方案是针对一种用于从含碳原料生产燃料的系统。这个系统包括热箱、至少一个反应室、第一动力运输机构以及气密元件。这个热箱被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度，维持在小于±10℃内稳定的初始操作升华温度和最终操作升华温度，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会泄漏任何氧气至热箱中并且具有至少一个与热箱的内部连通以根据需要供应热的热源。这至少一个反应室是实质上水平的，主要位于热箱内，具有一个表面，并且被配置成在足够短的时帧内将不含外部催化剂或额外水的固体含碳原料加热至操作升华温度以升华固体含碳原料的至少一部分而不会实质上形成任何液体。而且，其被配置成从环境温度加热至操作升华温度，在升华温度下操作，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会泄漏任何产品气体燃料至周围热箱中。此外，其包括在热箱外部并且被配置成经由输入管线接收压缩原料的输入端和在热箱外部并且被配置成经由排放管线排放产品气体燃料气并且经由输出管线排放固体炭燃料的输出端。第一动力运输机构位于反应室内并且被配置成当固体含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料时输送固体含碳原料的升华产品穿过反应室。气密元件在输入管线与输出管线上并且被配置成防止热产品燃料气不利地从反应室逸出。

本发明的另一个实施方案涉及一种用于使含碳化合物转化成产品气体燃料和固体炭燃料的工艺。这种工艺包括至少四个步骤。第一个步骤是将固体含碳原料输入实质上水平的升华反应室中，这个升华反应室主要容纳于热箱内并且被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度，在升华温度下操作，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会从反应室泄漏任何热产品气体燃料至热箱或大气中，或从热箱外部泄漏任何氧气至热箱中。第二个步骤是将固体含碳原料在其能够形成液相之前加热至升华温度。第三个步骤是将温度在升华温度下维持所需时长的停留时间以使含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料。第四个步骤是使产品气体燃料与固体炭燃料分离。

以上概述并不意图描述本发明的每个实施方案或每个实施。本发明的优点和成就连同更加全面的理解将变得显而易见并且通过结合随附图式参考以下详细描述和权利要求书而了解。

附图说明

图1是具有具单道的反应器室的系统的一个实施方案的侧视图的图解。

图2是具有具双道的反应室、柔性轴杆密封件以及高温可调轴杆盖板的系统的一个实施方案的侧视图的图解。

图3A是具有在适当位置压缩的绳密封件的柔性轴杆密封套管的一个实施方案的侧视图的图解。

图3B是图3A的实施方案的元件的视图的图解，其示出了固持双绳密封件的框架的后视图。

图3C是图3A的实施方案的元件的视图的图解，其示出了固持单绳密封件的框架的后视图。

图3D是图3A的实施方案的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图3B的双绳密封件的盖子。

图3E是图3A的实施方案的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图3C的单绳密封件的盖子。

图4A是高温可调盖板的一个实施方案的正视图和侧视图的图解，其示出了上半部。

图4B是图4A的高温可调盖板的实施方案的正视图和侧视图的图解，其示出了下半部。

图4C是图4A的高温可调盖板的实施方案的正视图的图解，其示出了连接的图4A的上半部和图4B的下半部。

图4D是处于冷温度位置的组装的高温可调盖板的正视图的图解。

图4E是处于热温度位置的组装的高温可调盖板的正视图的图解。

图5是具有具双道的反应室、柔性轴杆密封件、高温可调轴杆盖板以及高温垂直支撑架的系统的一个实施方案的侧视图的图解。

图6A是垂直支架的一个实施方案的正视图，其示出了用于传送冷却剂的弯曲托架和水平环。

图6B是图6A的实施方案的顶视图，其示出了冷却环。

图6C是垂直支架的一个实施方案的正视图，其示出了在垂直支架的垂直轴杆内的弯曲托架和垂直上下冷却通道。

图7是具有具双道的反应室和附接至反应室的外部以增加停留时间的四道旁通歧管的系统的一个实施方案的侧视图的图解。

图8是具有具双道的反应室、压缩室以及干燥室的系统的一个实施方案的侧视图的图解。

图9是根据本发明的实施方案用于从含碳原料产生燃料的工艺的流程图。

虽然本发明可接受各种修改和替代形式，但其细节已经在图式中经由实例示出并且将在下文详细描述。然而，应了解，并不意图将本发明限于所描述的特定实施方案。相反地，本发明意图涵盖处于如随附权利要求书所界定的本发明范围内的所有修改、等效物以及替代物。

具体实施方式

在所说明的实施方案的以下描述中，提及构成其一部分的随附图式，并且其中经由说明示出了可以实施本发明的各种实施方案。应了解，在不脱离本发明的范围的情况下可以利用其它实施方案并且可以作出结构和功能改变。

以下描述涉及由升华机构将固体含碳原料加工成气态产品燃料和残留固体炭燃料的方法。气态燃料主要是甲烷，但还可以包括乙烷、丙烷以及丁烷，这取决于固体含碳原料的性质和升华工艺期间所采用的停留时间。固体炭燃料是不能转化成气态产品燃料的固体碳基残留物。出于本文献的目的，固体含碳原料不包括煤，但包括所有其它形式的含碳原料，包括例如所制造的不可再生内含物和生物可再生内含物。所制造的不可再生内含物是人造含碳废料，诸如塑料、轮胎、硬纸板以及至少部分由木材或其它纤维素材料制成的制造元件。本发明的工艺使诸如此类的原料转化成气态产品燃料和固体炭燃料，称为工业炭，即，由不可再生的含碳原料制成的炭。生物可再生内含物是经过大约几个月至几年再生的含碳原料并且包括固体可再生含碳材料，诸如农业废料，诸如小麦秸、稻秸、能量作物、草、植物的秆和茎、作物残留物、基于植物的纤维素、树枝以及木制产品中的一者或多者；以及动物废料，诸如粪肥。本发明的工艺使诸如此类的原料转化成气态产品燃料和固体炭燃料，称为生物炭，即，由可再生的含碳原料制成的炭。出于本文献的目的，泥炭被视为不可再生内含物含碳原料，因为对于自然来说耗费比几年长得多的时间从生物可再生内含物原料形成泥炭。

甲烷对于通过在燃气轮机、燃气往复式发动机或蒸汽锅炉中作为燃料燃烧其来发电是重要的。与烃燃料相比，对于所释放的每个热单位，燃烧甲烷产生更少的二氧化碳，一种与全球变暖相关的气体。在约891kJ/mol下，甲烷的燃烧热低于任何其它烃，但16g/mol的燃烧热与分子量的比率(12g/mol是碳)显示，甲烷作为最简单的烃，与任何其它复杂烃相比每个质量单位产生更多的热，55.7kJ/g。作为燃料的甲烷一般被称为天然气，因为天然气主要是甲烷与较少量的乙烷、丙烷以及丁烷，并且具有39兆焦耳/立方米或1,000BTU/标准立方英尺的能含量。

天然气可以在几乎所有形式的生物质中发现。天然气可以在植物和动物残留物中发现，范围从新的收集物至数百万年的收集物。其还可以在人造产品中发现，诸如塑料和纸产品。问题一般并不是应该在哪里寻找天然气，而是怎样将其释放出来。

一般来说，气化工艺由含碳原料的燃烧组成以形成可以用于运转燃气轮机发生器或用于使水转化成蒸汽以运转蒸汽发生器的热气体。燃烧工艺是相变工艺，其经历液相并且从含碳原料中的碳化合物形成二氧化碳和水并且从通常在含碳原料中的氮和硫化合物形成腐蚀性氮和硫化合物。虽然煤是含碳原料的常用来源，但由于其高热含量，出于可用性的原因可以使用诸如天然气、木材以及农业废料的其它来源。然而，最近对诸如二氧化碳的温室气体的关注使得公众意见偏离作为用于发电的理想方式的气化。

另一种工艺是升华，一种使固体清洁地转化成气体而不经历液态的高温方法，液态是可以引起上文关于气化所论述的许多副反应的通道。升华的关键在于在不存在自由水的情况下并且在实质上无氧气氛中使固体暴露于高温。在升华下，甲烷基团从碳链分离，而不会分解成二氧化碳和水。然而，因为这种工艺需要这样的高温，所以尚未发现是能量有效的。升华是吸热工艺。至少使用与所得输出甲烷中一样多的能量来加热含碳原料至升华温度。出于本文献的目的，甲烷、产品气体燃料以及天然气产品气体燃料将可互换使用。

本发明包含充分能量有效的设备方面和方法方面，这在于升华是用以生产甲烷用于能量用途，诸如运转燃气轮机的实用方式。另外，设备可以按比例缩小至一定大小，使得其便于加工农场的农业废料以用配套燃气轮机发电来供应邻近小镇的电力需求。类似的效益可以从城市通过使用其生物质垃圾作为含碳原料来获得。另外，使用设备加工城市废料的城市可以减少填埋物所需的土地面积并且减少在废料气化期间由焚化炉产生的导致不利温室效应的二氧化碳，而同时形成有用的产品气体燃料和固体生物炭燃料。

系统方面包括实质上水平的升华器用于加工范围从每单位体积低密度或低重量至每单位体积高密度或高重量的含碳原料。低密度含碳原料的实例通常是生物可再生含碳材料，并且包括例如小麦和稻秸、能量作物、草、植物的秆和茎、作物残留物、基于植物的纤维素以及树枝。低密度含碳原料将需要压缩或致密以增加密度以使得每单位时间可以加工足够的含碳原料，由此产品可以在能量市场上有竞争力地定价。高密度含碳原料的实例通常是所制造的不可再生含碳材料，并且包括例如塑料、轮胎、硬纸板以及至少部分由木材或其它纤维素材料制成的制造元件。这些材料常常与填埋物和城市固体废料相关。高密度原料需要缩减粒度以允许在足够短的时间内升华使得其为经济的。必须小心控制工艺条件以避免高密度含碳原料在升华器的壁上形成液体焦油。

现在将论述使用实质上水平的升华器有效地使含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料的总体工艺。将针对需要含碳原料制备、干燥以及压缩，并且使用具有两个反应室和燃烧器以传递升华热的设备的一个实施方案简要地描述这种工艺。稍后将更详细地论述本发明的设备和方法。简单地说，本发明的这个实施方案的升华工艺包括制备步骤、干燥步骤、压缩步骤、升华步骤以及分离步骤。含碳原料制备将由考虑用于加工/转化的含碳原料的物理特征，诸如其水含量以及诸如大小和厚度的物理特征来决定。含碳原料的大小缩减将增强含碳原料的可压缩性以允许反应室中的最大通过量。在一些实施方案中，大小是小于一边为约2cm(约0.75英寸)的立方体等效物的体积与在任何一个方向上不大于约5cm(约2英寸)的长度。

在适当制备含碳原料之后，其然后将穿过输入管线上的气密元件传送至具有内部螺旋钻的实质上水平的干燥室中并且用来自下游工艺的再循环热处理以驱散尽可能多的自由水。减少自由水含量将增加由含碳原料的热吸收并且减少由升华反应室和成品气体燃料内部的水带来的氧气量。减少产品气体燃料所含的自由水和氧气将使得产品气体燃料中的二氧化碳和一氧化碳更少，这对于增加其能含量是合乎需要的。

在干燥室之后，含碳原料将传送至含有压缩螺钉的压缩室中，这个压缩螺钉被设计成将含碳原料压缩至所需密度。这种压缩进一步减少剩余的任何自由水。其还去除含碳原料中夹带的空气，这也将使升华反应室中所存在的氧气减至最少。这种脱水、脱空气并且致密的含碳原料将进入反应室。

压缩室在其进入反应室的退出口处显现出原料栓塞。这个栓塞充当部分屏障或密封件以使反应室中产生的最少量的气体回流并逸出。输入管线上的气密元件防止其余的气体从系统逸出。

在所论述的实施方案中，升华器的实体设施是三维矩形箱，其具有沿着顶部运转的内部实质上水平的反应室、下降通道、然后是在顶部反应器的相反方向上的第二实质上水平的反应室。每个反应室含有其自身的用于运输原料的螺旋钻，是连续的，并且完全密封以防任何热产品气体燃料逸出。

在这个实施方案中，燃烧器在加热箱外部但附接至其，并且将加热加热箱的内壁与反应室配置的外壁之间的空间以使得将不存在加热反应室的外部表面和反应室中经历升华的含碳原料内含物的经过加热的转移空气的互混。加热箱的所有内部表面内衬有高热绝缘材料以使热损失降至最低并且使内部反应器空气空间减至最小。

在压缩螺钉之后，含碳原料栓塞现在进入反应室。反应室在其内部含有螺旋钻，这个螺旋钻可以在排气至管上方的顶部空间的管内部，但在用于聚集所产生的气体的反应室内。螺旋钻推进并旋转含碳原料以使其均勻地暴露于管或反应室的侧壁用于有效的热交换并且‘翻转’原料用于均勻加热。反应室从反应室的外部表面加热以转移加热空气并且来自燃烧器的任何燃烧产品不与含碳原料和/或产品气体燃料互混。构造反应室以防止任何热气体泄漏出。

含碳原料然后沿反应室的长度向下螺旋钻孔。在反应室的末端处，含碳原料下降至第二螺旋钻孔的反应室中，其具有与第一反应器管相同的设计。包括连接通道的三个室的配置看似向左旋转90度的U形。

含碳原料现在已经缩减至不挥发的碳和挥发性气体。挥发性气体通过热碳表面并与热碳表面混合并且与其反应以形成热产品气体燃料。在两个反应室中的停留时间允许升华期间形成的挥发性气体离解并沿反应室向下移动。

在第二反应器室的末端处是两个出口。一个出口用于不挥发的碳通过气密机构并且作为固体炭燃料收集，并且第二出口用于捕集产品气体。过滤产品气体并使其冷却，并且再结合至最终产品气体燃料中，然后加以储存。

更具体地说，本发明的设备方面包括一种系统，其包括热箱、至少一个反应室、第一动力运输机构以及气密元件。这个热箱被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度，维持在小于±10℃内稳定的初始操作升华温度和最终操作升华温度，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会泄漏任何氧气至热箱中并且具有至少一个与热箱的内部连通以根据需要供应热的热源。

升华含碳原料所需的温度取决于个别的原料。如果操作温度过低，那么液体在从固体至气体的相变期间形成，伴随有上文所论述并且与气化工艺相关的副反应。如果温度过高，那么能量在已有的吸热反应中被浪费。操作升华温度通常介于600℃与850℃之间。更常用的低密度含碳原料具有介于650℃与750℃之间的操作升华温度。

出于上述原因，反应室中的操作温度应在设备的操作期间是相当稳定的。在反应室具有更短的长度并且含碳原料的流速更小的一些实施方案中，操作温度可以在小于±10℃内实质上恒定。在具有更长的停留时间和更大的含碳原料通过量的其它实施方案中，反应室可能不是恒定的，而是形成从开始至结束穿过反应室下降的型态。在这些实施方案中，出于能量效率的原因，穿过反应室的温度型态的个别温度应在操作期间在小于±10℃内稳定。

热源必须能够将热箱的内部加热至稳定的操作升华温度并且在设备的操作期间维持那个温度。热源可以包括可以提供足够热的任何热源，并且包括例如红外光源、激光源以及燃烧源。使用燃烧源的实施方案具有额外的优点，在于其可以用一些产品气体燃料供燃料以使得其不需要来自外源的额外能量。这类实施方案可以在操作期间用少至设备中形成的产品气体燃料的10％来自给自足。这是归因于产品气体燃料的高能含量。

至少一个反应室是实质上水平的，主要位于热箱内，具有一个表面，并且被配置成在足够短的时帧内将不含外部催化剂或额外水的固体含碳原料加热至操作升华温度以升华固体含碳原料的至少一部分而不会实质上形成任何液体。而且，其被配置成从环境温度加热至操作升华温度，在升华温度下操作，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会泄漏任何产品气体燃料至周围热箱中。此外，其包括在热箱外部并且被配置成经由输入管线接收压缩原料的输入端和在热箱外部并且被配置成经由压力隔离元件排放产品气体燃料气并且经由输出管线排放固体炭燃料的输出端。

升华是从固体碳基原料中脱出较小的气态烃的反应。等离子体当与固体炭燃料残留物相互作用时再结合至产品气体燃料中。因此，不需要昂贵的外部催化剂和后续精细的重整操作来形成产品气体燃料。另外，本发明的升华在最少的氧气存在下进行，因为任何氧气反应产生非燃料反应产物，诸如二氧化碳。因此，理想的是不使用过热蒸汽与含碳原料接触来达到操作升华温度。间隙地锁定于纤维素细胞中的一些氧气对于包含木材或植物残留物的含碳原料是不可避免的。另外，其它氧气可以经由不完全干燥而进入。然而，氧气的这些来源包含小部分并且促成小于20％的气态产品并且常常小于10％或5％，这取决于所使用的特定含碳原料。

为了避免经历液相，固体含碳原料的固体表面应立即达到升华温度。在一些实施方案中，这在1毫秒内。在一些实施方案中，时间在小于0.1毫秒内。在其它实施方案中，这在小于0.01毫秒内。

一些实施方案具有单个反应室。构造这些以经受住与在启动操作期间从环境温度转至操作升华温度和在关闭操作期间的相反情况相关的温度变化。在反应的转化部分与热箱的侧面连通的情况下，特征可以包括较厚的壁和/或使用支撑元件，诸如角撑板。

第一动力运输机构位于反应室内并且被配置成当固体含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料时输送固体含碳原料的升华产品穿过反应室。一些实施方案具有包括含有第一动力运输机构的管的反应室。反应室还具有与管连通的顶部空间用于收集所形成的产品气体燃料。第一动力运输机构被配置成推进含碳原料，特别是低密度形式的含碳原料的固体部分。其也被配置成帮助与反应室的表面热相互混合以当产品气体燃料持续从原料的固体部分去除时帮助维持与原料的固体部分接触的稳定的操作升华温度。第一运输机构是能够有效地在升华温度下操作并且不会不利地因操作的启动和冷却降温阶段中的热膨胀和收缩而受损的机构。有效的第一运输机构的一个实例是在螺旋钻中。

气密元件在输入管线与输出管线上并且被配置成防止热产品燃料气不利地从反应室逸出。允许产品气体燃料以不受调控的方式退出反应室的泄漏可以引起严重的安全问题。在热表面存在下可燃产品气体燃料可以引起火灾和爆炸。在所论述的温度下对于这个目的有效的气密元件的实例是旋转阀、旋转真空阀以及致动双闸阀。

通过传送产品气体燃料穿过压力隔离元件来保护反应室中的操作压力以防因产品气体燃料留在其排放管线中所致的不利的不稳定性。这帮助维持反应室内的稳定升华条件。压力隔离元件包括例如鼓泡器和旋风器以维持反应室中的压力。或者，可以经由将产品气体燃料排放至气密储罐中来控制反应室中的压力。

系统的一些实施方案具有至少两个彼此串联连通的实质上水平的反应室，并且第一动力运输机构具有在每个反应室和热箱外部延伸的轴杆的一部分。具有多于一个串联反应室的实施方案提供了能够以与具有单个反应室的一些系统类似的足迹加工更高量的含碳原料。这些实施方案进一步包含位于热箱外部绕着第一动力运输机构的延伸部分包围轴环的热箱的区域处的可调密封元件。可调密封元件被配置成防止在改变启动和关闭操作的温度期间和在稳态升华操作期间外部氧气从热箱外部进入热箱的不利进入。允许氧气从外部进入热箱或产品气体燃料从反应室进入的泄漏可以不合需要地引起操作升华温度的大波动。当这些燃烧时，其代表额外和不受控的热源。

每个密封元件包括可调板和可调密封件以允许令人满意地排除经由在启动和关闭操作期间系统元件的热膨胀和收缩引起的不合需要的泄漏而泄漏至热箱或反应室中的额外不合需要的氧气。可调板包括实质上垂直的板，其可调地附接至热箱并且被配置成绕着第一动力运输机构的轴杆的延伸部分垂直地移动轴环以防止轴环与轴杆之间的不利接触。可调密封件与调节板连通，绕着第一动力运输机构的轴杆的延伸部分定位并且包括被设计成当轴杆从热箱延伸时绕着第一动力运输机构的轴杆维持气密密封件的锥和绳配置。

反应室中的停留时间随着固体含碳原料的性质和所加工的量而变化。通常，介于至少50重量％与超过90重量％之间的固体含碳原料可以转化成产品气体燃料，其余是具有类似于煤的能量密度的固体炭燃料。更长的停留时间允许更多的甲烷单元从等离子体再结合并且可以得到转化成产品气体燃料的更高转化率，近似超过70重量％至超过90重量％。停留时间可以在以下范围内：在一些实施方案中小于10分钟至在一些实施方案中小于5分钟至在一些实施方案中小于2分钟。一旦实质上达成理论转化率，过度长的停留时间对转化率没有不利影响。

在一些实施方案中，反应器室进一步包括附接至热箱内反应室的外部的歧管。反应室表面和歧管被配置成允许气态等离子体在反应室与歧管之间传送以增加等离子体暴露于升华温度的时间。在一些情况下，这种额外时间可以得到具有更长碳碳链的等离子体气体以进一步离解成甲烷。

本发明系统的一些实施方案进一步包括在热箱内并且在实质上水平的反应室下方的垂直支撑体以在启动、关闭期间以及在厚的反应室壁和诸如角撑板的支持元件对于提供足够的支撑并不合乎需要或不可行的操作条件下支撑重量。一般来说，垂直支撑体被配置成经过在实质上水平的反应室的启动、操作以及关闭期间可能发生的介于环境温度与约850℃之间的温度变化在垂直方向上尺寸稳定至约2.5cm(约一英寸)内。

垂直尺寸稳定性是通过使用绝缘体与除了使用绝缘体以外使用流过支撑体的冷却材料组合来达成。冷却材料是通常与冷却相关的材料并且包括例如水；冷冻剂，诸如卤化气体、四氯化碳、氯氟化碳、氢氯氟化碳、氨、二氧化碳、乙烷、丙烷、乙醚以及二甲醚；气体冷却剂，诸如空气、氢气、惰性气体以及六氟化硫；液体冷却剂，诸如水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇以及由DuPont制造的以及固体冷却剂，诸如干冰。

冷却材料可以按维持所需垂直尺寸稳定性的任何方式穿过或围绕垂直支撑体传送。当不冷却垂直支撑体时，热膨胀可以导致几英寸的垂直膨胀。这足以引起所支撑的反应室中的焊缝破裂并且使产品气体燃料泄漏至热箱中或泄漏出至环境中。如上文所论述，这可以引起安全问题并且可以不利地使反应室中的操作温度型态不稳定。一些实施方案可以具有接近所支撑的热反应室沿着垂直支撑体壁水平传送的冷却材料。一些实施方案可以具有垂直向上流动至垂直支撑体的轴杆中的冷却材料。其它配置也是可能的，只要其充分限制垂直热膨胀以使得不会引起反应室中的焊缝中的泄漏即可。

系统的一些实施方案可以进一步包括在热箱外部的制备室。当含碳原料并不以干燥和压缩的方式供应时这是有用的。制备室与实质上水平的反应室连通，被配置成从固体含碳原料中去除一些自由水和氧气，并且被配置成将固体含碳原料在其进入实质上水平的反应室之前压缩成栓塞。

制备室还包括一部分位于制备室内并且具有在制备室外部延伸的部分的第二动力运输机构。制备室被配置成执行以下一者或多者：移动固体含碳原料穿过制备室以及在制备室内压缩干燥脱去更多自由水的固体含碳原料。

可以内部供热用于干燥功能。在一些实施方案中，用于干燥固体含碳原料的热来自热箱中的燃烧气体。在一些实施方案中，热可以经由诸如热交换器的热输送装置来自热产品气体燃料和固体炭燃料中的至少一者。

在一些实施方案中，在可能发生额外干燥的情况下制备室可以细分成干燥室和压缩室。压缩室可以配备有其自身的第二动力运输机构。干燥室可以配备有其自身的第三动力运输机构。在这个实施方案中，干燥室或预制备室与压缩室或制备室连通，并且被配置成将低密度固体含碳原料的粒度缩减至一定大小并且去除初始水和截留空气的主体以允许固体含碳原料更容易输送穿过系统的制备室，更容易在其中压缩而不会夹带氧气或水，并且更容易在其中加热至升华温度而不允许形成液相。在这个实施方案中，在预制备室之前并且与预制备室连通的第三动力运输机构具有在预制备室外部延伸的部分。这个机构被配置成执行以下一者或多者：移动固体含碳原料穿过预制备室以及在预制备室内将固体含碳原料压缩成更可控大小的粒子。

在两种情况下，个别的运输机构用以将固体含碳原料向着升华的状态推进。运输机构的一个实例是螺旋钻，但如果其它机构实现所需功能，那么其就是适合的。

本发明的系统可以进一步包括各种单元以将固体含碳原料制备成供本发明的系统使用的状态。各种原料必须具有如上文所论述缩减至可以按及时的方式干燥、压缩和升华的尺寸的大小。作为说明，轮胎必须缩减至轮胎碎料并且秸或秆必须缩减至更容易输送穿过系统的制备室，更容易在其中压缩而不会夹带氧气或水，并且更容易在其中加热至升华温度而不允许形成液相的形状。单元可以包括例如磨碎、剁碎、切片或切割的装置。

图1至8说明了上文所描述的系统的各种实施方案。即使实施方案是不同的，相同数字也用于类似的功能元件。图1是具有具单道的单个实质上水平的反应室的系统的一个实施方案的侧视图的图解。系统(100)以包围反应室(120)的含有排气口(112)的热箱(110)描绘。当用形成燃烧产品的燃烧器加热热箱时需要排气口。当由纯净的其它来源产生热时，可能不产生需要排气的过量气体。反应室120具有表面(121)，并且含有具有轴杆(124)的第一运输机构(122)，即螺旋钻。在反应室120的一端处并且在热箱110外部延伸的是前端(130)，其中固体含碳原料经由输入管线(132)进入，这个输入管线具有旋转真空阀(134)以隔离反应室内任何升华的等离子体。在反应室的另一端处并且在热箱110外部延伸的是后端(140)，其中产品气体燃料从排放管线(142)退出，这个排放管线安置有压力隔离元件(144)以隔离反应室内任何升华的等离子体，并且固体炭燃料从排放管线(146)退出，这个排放管线安置有旋转真空阀(148)以隔离反应室内任何升华的等离子体。

图2是具有具双道的反应室、柔性轴杆密封件以及高温可调轴杆盖板的系统的一个实施方案的侧视图的图解。系统100以包围反应室120并且在基座(114)上的含有排气口112的热箱110描绘。具有表面121的反应室120如同开放的“U”形一样配置，在其侧面具有两个与右端的垂直通道连接的水平通道。每个水平通道含有具有轴杆124的第一运输机构122，即螺旋钻。每个轴杆从反应室120的水平通道和热箱110延伸出。对于每个轴杆末端，高温可调轴杆密封板(126)封闭每个轴杆轴环(127)并且可调地紧固至热箱。对于每个轴杆末端，可调高温密封件(128)在一端处紧固于轴杆轴环127上并且包围轴杆轴环127的一部分与轴杆124的延伸的轴杆末端的一部分。在第一反应室120的末端处并且在热箱110外部延伸的是前端130，其中固体含碳原料经由输入管线132进入，这个输入管线安置有旋转真空阀134以隔离反应室内任何升华的等离子体。在第二反应室120的末端处并且在热箱110外部延伸的是后端140，其中产品气体燃料从排放管线142退出，这个排放管线安置有冷却元件144以隔离反应室内任何升华的等离子体，并且固体炭燃料从排放管线(146)退出，这个排放管线安置有旋转真空阀(148)以隔离反应室内任何升华的等离子体。

图2中所示的高温可调密封件和板可以具有各种形式，只要实现功能即可。一个实施方案在图3A至3E和图4A至4E中说明了可调轴杆密封板126。图3A是具有在适当位置压缩的绳密封件的高温可调轴杆密封套管的一个实施方案的侧视图的图解。密封件128包括套管(200)，这个套管在其面向轴杆124的末端的前端处含有双绳密封基板(210)。基座210连接至两个绳密封件(220)以形成双绳密封件。图3B中进一步说明这个构造。面向热箱110的套管200的后端含有可螺栓轴环(240)，其被配置成紧接于图3C中进一步说明的单绳密封基板(250)上的单绳密封件220固定轴杆轴环12。

图3B是图3A的实施方案的元件的视图的图解，其示出了固持双绳密封件的框架的后视图。这个视图是从轴杆124的末端检视套管200的视图。描绘了螺栓孔(260A)。

图3C是图3A的实施方案的元件的视图的图解，其示出了固持单绳密封件的框架的后视图。这个视图是从热箱110检视套管200的视图。描绘了螺栓孔(260B)。

图3D是图3A中但未示出的实施方案的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图3B的双绳密封件的盖子。正视图是面向绳密封件的侧面的正视图。盖子(270)包括凸起的内压缩环(272)，其具有使用螺栓孔260A附接至外支撑环(274)的倾斜截面边缘。当螺栓至图3B的孔时，凸起的内压缩环272抵靠轴杆向内推动绳密封件以消除在启动和关闭温度下膨胀和收缩循环期间含氧空气进入热箱的不利泄漏。

图3E是图3A中但未示出的实施方案的元件的正视图和侧视图的图解，其示出了压缩图3C的单绳密封件的盖子。正视图是面向绳密封件的侧面的正视图。盖子(280)包括凸起的内压缩环(272)，其具有使用螺栓孔260B附接至外支撑环(284)的正方形截面边缘。当螺栓至图3C的孔时，凸起的内压缩环282抵靠密封轴环240向下推动绳密封件以消除在启动和关闭温度下膨胀和收缩循环期间含氧空气进入热箱的不利泄漏。

图4A是高温可调盖板的一个实施方案的正视图和侧视图的图解，其示出了上半部。高温可调密封板126的上半部(310)包括两个可调孔(312)、连接孔(314)，以及被设计成匹配一半的轴杆轴环127的半圆形开口(316)。截面(318)是直的。

图4B是图4A的高温可调盖板的实施方案的正视图和侧视图的图解，其示出了下半部。高温可调密封板126的下半部(320)包括两个可调孔(322)、连接孔(324)、被设计成匹配一半的轴杆轴环127的半圆形开口(326)，以及含有连接孔324以允许在组装时平滑表面接触热箱的阶梯板(325)。截面(328)是阶梯式的。

图4C是图4A的高温可调盖板的实施方案的正视图的图解，其示出了连接的图4A的上半部和图4B的下半部。

图4D是处于冷温度位置的组装的高温可调盖板的正视图的图解。如所见，因为热箱110尚未经历热膨胀，所以轴杆124经由在较低位置处的轴环127退出热箱110以避免在操作期间轴环127不利地接触轴杆124。

图4E是处于热温度位置的组装的高温可调盖板的正视图的图解。如所见，因为热箱110在启动加热操作期间以向上的方式热膨胀，所以轴环127必须向上移动以避免在操作期间不利地接触轴杆124。可调孔312和322允许这种调节。一些实施方案使用手动调节。一些实施方案使用自动调节。

图5是具有具双道的反应室、柔性轴杆密封件、高温可调轴杆盖板以及垂直支撑架的系统的一个实施方案的侧视图的图解。除了高温垂直支撑体(400)用于支撑热箱110内的反应室120以外，这个实施方案类似于图2中所示的实施方案。垂直支撑体400包括垂直轴杆(410)和托架(420)以固持反应室120。垂直轴杆和托架配置的稳定性使用将轴杆410附接至托架420并且将轴杆410附接至系统基座114的角撑板(430)来加强。

图5中所示的高温垂直支撑架可以具有各种形式，只要实现功能即可。图6A和6B中说明了一个实施方案。图6C中说明了那个实施方案的变化。图6A是垂直支架的一个实施方案的正视图，其示出了用于传送冷却剂的弯曲托架和水平环。这个托架被设计成依从反应室120的底部。在反应室120的底部并不是弯曲的系统的实施方案中，将采用托架的不同依从形状。轴杆410被绝缘体(未示出)包围。然而，从反应室120穿过托架420传送至支架410的热可以不利地引起如上文所论述的轴杆410的大垂直热膨胀。在轴杆410的上部分内水平位移的冷却环(440)可以用于使轴杆410的热膨胀经过如上文所论述的设备所采用的温度范围最小化至令人满意的长度。

图6B是图6A的实施方案的顶视图，其示出了冷却环440。

图6C是垂直支架的一个实施方案的正视图，其示出了在垂直支架的垂直轴杆内的弯曲托架和垂直上下冷却通道。

图7是具有具双道的反应室和附接至反应室的外部以增加停留时间的四道旁通歧管的系统的一个实施方案的侧视图的图解。系统(500)包括经由反应室的表面(121)中的孔口(未示出)和其所连接的歧管与反应室内的等离子体连通的旁通歧管(510)。这允许等离子体在适当时经历延长的停留时间用于固体含碳原料至产品气体燃料和固体炭燃料的所需转化。

图8是具有具双道的反应室、压缩室以及干燥室的系统的一个实施方案的侧视图的图解。这个系统类似于图6中所示的系统，具有额外的加工曲面。粗线示出了材料当其进入并且行进穿过系统直至其作为产品燃料退出时的通道。系统700包括用于将含碳原料在进入反应室的前端130之前压缩成栓塞的制备室(710)。第二动力运输机构(720)在室内部以完成压缩。此处还可以发生一些额外干燥。预制备室(730)与制备室710和用以在干燥原料的加热环境中输送固体含碳原料的第三动力运输机构(740)连通。管道(750)用于将热燃烧气体从热箱汇集至预制备室中以帮助这种干燥的一部分或全部。

本发明的另一个实施方案涉及一种用于使含碳化合物转化成产品气体燃料和固体炭燃料的工艺。这种工艺包括至少四个步骤。第一个步骤是将固体含碳原料输入实质上水平的升华反应室中，这个升华反应室主要容纳于热箱内并且被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度，在升华温度下操作，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会从反应室泄漏任何热产品气体燃料至热箱或大气中，或从热箱外部泄漏任何氧气至热箱中。第二个步骤是将固体含碳原料在其能够形成液相之前加热至升华温度。第三个步骤是将温度在升华温度下维持所需时长的停留时间以使含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料。第四个步骤是使产品气体燃料与固体炭燃料分离。

工艺所产生的热可以按各种方式使用。一些实施方案可以从热箱至预制备室使用直接加热的燃烧气体以干燥在进入用于压缩的制备室(如有需要)和升华室之前的固体含碳原料。一些实施方案可以使用热用于其它目的，诸如供暖建筑。

用于升华原料的热可以通过燃烧产品燃料气的一部分来供应。升华温度可以在小部分的产品气体燃料如上文所论述用作燃烧器的燃料下得以维持。

图9是根据本发明的实施方案用于从含碳原料产生燃料的工艺的流程图。在810中，将固体含碳原料输入容纳于热箱内的水平升华反应室中而不会从反应室泄漏任何热产品气体燃料至热箱或大气中，或从热箱外部泄漏任何氧气至热箱中。接下来，在步骤820中，将固体含碳原料在其能够形成液相之前加热至升华温度。在步骤830中，将温度在升华温度下维持所需时长的停留时间以使含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料。最后，在步骤840中，使产品气体燃料和固体炭燃料彼此分离。

在不脱离本发明的范围的情况下可以对上文所论述的优选实施方案作出各种修改和添加。因此，本发明的范围不应受上文所描述的特定实施方案所限制，而应仅由上文所陈述的权利要求书和其等效物界定。

Claims (24)

1.一种用于从固体含碳原料生产燃料的装置，其包括：

热箱，其被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度，维持在小于±10℃内稳定的初始操作升华温度和最终操作升华温度，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会泄漏任何氧气至所述热箱中并且具有至少一个与所述热箱的内部连通以根据需要供应热的热源；

至少一个实质上水平的反应室，其主要位于所述热箱内，具有一个表面，被配置成在足够短的时间内将不含外部催化剂或额外水的所述固体含碳原料加热至操作升华温度以升华所述固体含碳原料的至少一部分而不会实质上形成任何液体，被配置成从环境温度加热至操作升华温度，在升华温度下操作，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会泄漏任何产品气体燃料至周围热箱中，并且包括在所述热箱外部并且被配置成经由输入管线接收压缩原料的输入端和在所述热箱外部并且被配置成经由排放管线排放产品气体燃料气并且经由输出管线排放固体炭燃料的输出端；

第一动力运输机构，其位于反应室内并且被配置成当所述固体含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料时输送所述固体含碳原料的升华产品穿过所述反应室，其中所述第一动力运输机构具有在所述反应室和所述热箱外部延伸的轴杆的一部分；

气密元件，其在所述输入管线与输出管线上并且被配置成防止热产品燃料气不利地从所述反应室逸出；以及

可调密封元件，其位于所述热箱外部绕着所述第一动力运输机构的延伸部分包围轴环的所述热箱的区域处并且被配置成防止在改变启动和关闭操作的温度期间和在稳态升华操作期间外部氧气从所述热箱外部进入所述热箱的不利进入。

2.如权利要求1所述的装置，其中存在至少两个彼此串联连通的实质上水平的反应室。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述可调密封元件包括

可调板，其包括实质上垂直的板，其可调地附接至所述热箱并且被配置成绕着所述第一动力运输机构的所述轴杆的所述延伸部分垂直地移动所述轴环以防止轴环与所述轴杆之间的不利接触，以及

可调密封件，其与所述可调板连通，绕着所述第一动力运输机构的所述轴杆的所述延伸部分定位并且包括被设计成当所述轴杆从所述热箱延伸时绕着所述第一动力运输机构的所述轴杆维持气密密封件的锥和绳配置。

4.如权利要求2所述的装置，其中所述反应器室进一步包括歧管，其附接至所述热箱内所述反应室的外部并且被配置成允许气态等离子体在所述反应室与所述歧管之间传送以增加所述等离子体暴露于升华温度的时间。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述固体含碳原料包含可再生原料和/或不可再生原料。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述可再生原料选自植物的秆和茎、作物残留物、基于植物的纤维素、以及动物废料，和所述不可再生原料选自泥炭、塑料、轮胎碎料、以及至少部分由木材或其他纤维素材料制成的制造元件。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述排放管线进一步包括压力隔离元件。

8.如权利要求2所述的装置，其中所述热箱进一步包括垂直支撑体，其在所述实质上水平的反应室下方并且被配置成经过在所述实质上水平的反应室的启动、操作以及关闭期间可能发生的介于环境温度与850℃之间的温度变化在垂直方向上尺寸稳定至2.5cm内。

9.如权利要求8所述的装置，其中所述垂直支撑体由流过所述支撑体的材料冷却。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述材料来自由以下组成的群组：水、卤化气体、四氯化碳、氯氟化碳、氢氯氟化碳、氨、二氧化碳、乙烷、丙烷、乙醚、二甲醚、空气、氢气、惰性气体、六氟化硫、乙二醇、二乙二醇和丙二醇。

11.如权利要求1所述的装置，其进一步包括

制备室，其在所述热箱外部，在所述实质上水平的反应室之前并且与所述实质上水平的反应室连通，被配置成从所述固体含碳原料中去除自由水和氧气，并且被配置成将所述固体含碳原料在其进入所述实质上水平的反应室之前压缩成栓塞；以及

第二动力运输机构，其一部分位于所述制备室内，具有在所述制备室外部延伸的部分，并且被配置成执行以下一者或多者：移动所述固体含碳原料穿过所述制备室以及在所述制备室内压缩干燥脱去自由水的所述固体含碳原料。

12.如权利要求11所述的装置，其中所述制备室由两个各自具有第二动力运输机构的子室组成，第一子制备室被配置成从所述固体含碳原料中去除所述自由水和氧气的主体并且第二子制备室被配置成从所述固体含碳原料中去除剩余的自由水和氧气，并且将所述固体含碳原料在其进入所述实质上水平的反应室之前压缩成栓塞。

13.如权利要求2所述的装置，其进一步包括：

预制备室，其与所述制备室连通并且被配置成将所述固体含碳原料的粒度缩减至更容易输送穿过所述装置的所述制备室，更容易在其中压缩而不会夹带氧气或水，并且更容易在其中加热至升华温度而不允许形成液相的大小；以及

第三动力运输机构，其在所述预制备室之前并且与所述预制备室连通，具有在所述预制备室外部延伸的部分，并且被配置成执行以下一者或多者：移动所述固体含碳原料穿过所述预制备室以及在所述预制备室内将所述固体含碳原料压缩成更可控大小的粒子。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述粒度具有小于一边为1.8cm的立方体等效物的体积和在任何一个方向上不大于5cm的长度。

15.一种采用权利要求1所述的装置使含碳化合物转化成产品气体燃料和固体炭燃料的工艺，其包括：

将固体含碳原料输入实质上水平的升华反应室中，所述升华反应室主要容纳于热箱内并且被配置成能够从环境温度加热至操作升华温度，在升华温度下操作，以及从操作升华温度冷却至环境温度而不会从所述反应室泄漏任何热产品气体燃料至所述热箱或大气中，或从所述热箱外部泄漏任何氧气至所述热箱中；

将固体含碳原料在其能够形成液相之前加热至升华温度；

将温度在升华温度下维持所需时长的停留时间以使所述含碳原料转化成产品气体燃料和固体炭燃料；以及

使所述产品气体燃料与所述固体炭燃料分离。

16.如权利要求15所述的工艺，其中所述实质上水平的升华反应室由垂直支撑体支撑，所述垂直支撑体在所述实质上水平的反应室下方并且被配置成经过在所述实质上水平的反应室的启动、操作以及关闭操作期间可能发生的从环境温度至850℃的温度变化在垂直方向上是尺寸稳定的。

17.如权利要求15所述的工艺，其中引入所述实质上水平的升华反应室中的所述固体含碳原料不含外部催化剂并且含有最少的自由水。

18.如权利要求15所述的工艺，其中停留时间小于十分钟。

19.如权利要求15所述的工艺，其中停留时间小于五分钟。

20.如权利要求15所述的工艺，其中停留时间小于两分钟。

21.如权利要求15所述的工艺，其中所述反应器的所述操作升华温度介于600℃与850℃之间。

22.如权利要求15所述的工艺，其中所述固体含碳原料在所述反应器室中达到所述操作升华温度所耗费的时间小于0.001秒。

23.如权利要求15所述的工艺，其进一步包括：

引导所述产品气体燃料的一部分以向加热所述反应室至所述操作升华温度的热源供燃料。

24.如权利要求15所述的工艺，其进一步包括：

引导所述热箱的内含物的一部分以加热所述固体含碳原料以在所述固体含碳原料进入所述反应室之前去除自由水。