CN105874038B

CN105874038B - 用于热解含碳材料的设备

Info

Publication number: CN105874038B
Application number: CN201480067787.1A
Authority: CN
Inventors: 李春柱; 理查德·古纳万; 董利
Original assignee: Renergi Pty Ltd
Current assignee: Renergi Pty Ltd
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: CN105874038A; EP3083886A1; US20160312124A1; CA2929977C; AU2014366887A1; US9957444B2; CA2929977A1; AU2014366887B2; WO2015089556A1; EP3083886B1; EP3083886A4; ES2869342T3

Abstract

本公开内容提供了用于热解含碳材料和生产半焦及挥发份的设备。所述设备包含容器，所述容器具有用于含碳材料的入口、用于半焦和挥发份的出口、以及在用于含碳材料的入口和用于半焦和所述挥发份的出口之间的第一路径。所述容器具有带有内表面的壁部分，所述内表面限定出了第一路径。进一步地，所述容器具有热交换介质入口、热交换介质出口、以及在热交换介质入口和热交换介质出口之间的第二路径。第一路径和第二路径在热交换中彼此接近，且籍由所述容器的内壁部分或其它部分的内表面限定出第二路径。所述容器的内壁部分中的至少一部分突出进入所述容器的内部空间，以便使所述第一路径和第二路径中的至少之一呈非线性的并且相比于线性的第一路径和第二路径增加了传热表面面积。除此之外，所述设备包含搅拌器，用于传送含碳材料、产生的半焦和挥发份通过第一路径。

Description

用于热解含碳材料的设备

技术领域

本发明公开了一种用于热解含碳材料的设备。特别地，但并不仅限于此地，本发明公开的设备可以用于热解低阶含碳材料，例如生物质和煤。所述设备还可执行进料器的功能。

背景技术

气化的主要目标是为了将嵌入在固体燃料中的化学能转化为由此产生的气体燃料的化学能。该转化效率通常达不到100％，这主要是因为气化过程不得不在高温下实施。其中必须将原材料和气化剂加热至高温，这是个吸热过程。固体燃料到气体燃料的实际转化过程可为放热的或吸热的过程，这很大程度上取决于耗氧量。气化之后，必须将气体燃料冷却下来，这是个放热过程。嵌入在气体燃料中的部分显热和潜热不能被完全地回收作为有用的能量。因此，用于加热反应物和用于气化固体燃料所需要的(吸热)热量的总和与通过使气体燃料冷却下来所释放的放热热量之间的不匹配(缺口)是效率低下的主要原因。对于欲在商业规模上进行的气化工艺，燃烧部分带有空气(氧气)的燃料是填补这个能源缺口的惯例。

有两种主要类型的策略用来改善气化工艺的效率。一方面，伴随着使耗氧量达到最小化可以降低气化温度。这种特定的策略一般会受限于由含碳材料的组分决定的气化工艺的反应动力学，尤其受限于半焦组分的气化，以及受限于气体燃料中存在焦油残余物的情况。对于诸如生物质之类的低阶燃料的气化，实现快速气化速率的主要受制因素是挥发份-半焦相互作用这一不利的影响。

第二种改善气化效率的策略是将产品气中的热能恢复成气体燃料的化学能。该热能的恢复是一增加能量的过程。在商用气化器的操作中，上述这种方式意味着找到了通过利用热产品气流中的显热/潜热来加热燃料和气化剂，和/或来满足吸热热解/气化/重整反应的能量需求的方法。诸如生物质之类的低阶燃料具有非常高的反应性并能够在远低于气化高阶燃料的温度下进行气化。因此，低阶燃料的气化提供了很好的机会可以将低温(即低级)热恢复成气化燃料气体的化学能。

基于热供应模式，有三种类型的热解器。

第一种为采用与进料物理混合的热载体。传统地，流化床热解器采用通过物理混合的直接供热。惰性热气流可以用作热载体并与诸如生物质之类的进料(及可选地砂子)迅速混合，以热解进料。这些类型的热解器并不十分适合用于恢复在气化产品气中的热能，因为惰性气体会使气化产品气过度稀释，导致气化产品气的热值非常低以及造成其随后在下游用于发电(或热电联产，CHP)的燃气机中的燃烧产生困难。

一些热解器配置成用于直接化学加热，籍此通过在进料(或热解产物)和氧气(空气)之间的放热反应来提供用于干燥生物质、生物质的加热或热解的热量或部分的热量。这种方式最重要的优势在于能够迅速提供大量热量。当冷的进料直接注入到气化器时，可以通过这种方式提供用于干燥、加热和热解进料的大部分热量。但是，对于独立的热解器，必须注意小心控制相关的安全问题以避免在冷区域中可能的爆炸混合物的出现。

第三种类型的热解器配置成通过热交换器采用非直接供热。通常，此种热解器采用从外部加热的螺旋(auger螺旋式)热解器形式。虽然这种类型的热解器原则上，如上文所述，可以适用于使产品气中的热能恢复成气体燃料的化学能，但是目前可用的热解器都存在热交换面积小的问题。

另外，对于气化(或者甚至燃烧)其中一部分的热解而言，热解也是固体燃料的加工途径，例如，生产生物油、沼气和生物半焦。在实际的操作中，使用最小量的惰性载体气体或固体对于实现整体处理效率的最大化和最经济是重要的。非直接加热具有显著的优点，但是，需要提供大量热传递表面积仍然是一个重要的技术挑战。

生物油是具有极度复杂组成的热解产物。为了提高生物油升级(生物精炼)的效率，如果能够将热解的早期阶段释放的生物油组分与稍后阶段释放的那些组分进行分离，这将是有益的。

在实施固体燃料的热解中固体的处理和转移是一项重要的工作。通常需要采用进料器将原料添加入到热解器中。还需要额外的机械装置来将热解的固体原料和产物转移通过热解器。集成化各种固体处理和转移的机械装置会导致提升处理效率和更为经济。

因此需要技术进步。

本文中任何对背景技术的引述并不表示承认这些内容是构成本领域普通技术人员的公知技术的一部分。以上的引述内容也不旨在仅限于应用在此公开的这些设备。

发明内容

一般地，本发明公开了用于热解含碳材料的设备。所述设备还能够执行进料器的功能。

依照本发明的一个方面，本发明提供了一种用于热解含碳材料和生产半焦及挥发份的设备，所述设备包含：

容器，所述容器具有用于含碳材料的入口、用于半焦和挥发份的出口、以及在用于含碳材料的入口和用于半焦和所述挥发份的出口之间的第一路径，所述容器具有带有内表面的壁部分，所述内表面限定出第一路径，所述容器进一步具有热交换介质入口、热交换介质出口、以及在热交换介质入口和热交换介质出口之间的第二路径。所述第一路径和第二路径在热交换中彼此接近，且第二路径由所述容器的内壁部分或其它部分的内表面限定出。所述容器的内壁部分中至少其中的一部分突出进入所述容器的内部空间，以便第一路径和第二路径的至少其一呈非线性，并且相比于线性的第一路径和第二路径增加了传热表面面积；及

搅拌器，所述搅拌器用于将含碳材料、产生的半焦以及挥发份传送通过所述第一路径。

在一个实施方式中，热交换介质以逆流方向通过含碳材料。

第一路径的至少一部分可与第二路径的至少一部分交错。

在另一可选的实施方式中，热交换介质以顺流方向通过含碳材料。

在一个实施方式中，突出的壁部分以一定距离彼此间隔开来，并基本上平行对齐。

在一个实施方式中，多个突出进入容器空间的壁部分配置成可以使得第二路径成为波纹状。特别地，第二路径包括一系列交替的U型和倒U型弯转。在一个实施例中，突出的壁部分为空心板，所述空心板具有前表面、后表面以及端面。挡板可从所述容器的内表面突出进入由前表面、后表面和端面限定出的空隙中，并由此在每个空隙中限定出倒U型的第二路径。

额外地或者可选地，可以将空气流或者其它氧化剂导入所述设备以与热解的含碳材料和产物挥发份及半焦反应，以满足热解器中的热需求。

在一个实施方式中，所述搅拌器包含：可旋转的轴，所述可旋转的轴延伸穿过所述容器；和多个与所述可旋转的轴关联的桨，其中一个或多个桨延伸进入相应的相互连接的腔室。

本发明一实施方式的设备可以方便地与气化器集成用于所述设备中产生的挥发份的重整和半焦的气化。

因此，在本发明的另一个方面中，公开有一种用于由含碳材料制备产品气的气化系统，所述气化系统包含如上述定义的热解器，所述热解器用于热解含碳材料并制备挥发份和半焦，所述设备与气化器以流体连通，或与所述气化器集成，用于从所述热解器接收、重整和气化所述挥发份和半焦以制备粗制产品气。

所述气化系统可以进一步包含用于净化粗制产品气的设备，所述设备与所述气化器以流体连通设置以接收和净化粗制产品气。

用于含碳材料的入口可为多个用于含碳材料的入口中的一个。而且，用于半焦和挥发份的出口可为多个用于半焦和挥发份的出口中的一个。在一个实施方式中，所述容器包含至少一个用于半焦的出口和至少一个用于挥发份的出口。

此外，所述热交换介质入口可以为多个热交换介质入口中的一个且所述热交换出口可以为多个热交换介质出口中的一个。

附图说明

尽管可能还会存在有任何其它形式的设备可落入以下将要描述的简要说明和具体实施方式所述的本发明设备的保护范围中，但是，下面仍将仅以实施例的方式参照附图描述本发明的设备，所述附图如下：

图1为依据本公开内容的用于热解含碳材料的设备的纵向截面示意图；

图2为图1中所示的设备的侧视示意图；以及

图3为依据本公开内容包括图1和图2的设备的气化系统的示意图。

具体实施方式

本发明多个实施方式涉及用于热解含碳材料的设备10，参照图1、2和3。

所述术语“含碳材料”在整个此说明书中广泛使用，包括但不限于，煤(例如无烟煤、半无烟煤、烟煤、次烟煤、褐炭、褐煤和泥煤半焦)、生物质、废橡胶(包括但不限于车辆轮胎)、废塑料材料、农业废料、上述这些物质的混合物以及所述含碳材料与其它物质的混合物。参照图1到图3所描述的本发明实施方式的设备尤其适合于采用具有高挥发份收率的低阶含碳材料，例如生物质。

所述术语“进行热解”或“热解”指在升高的温度下于少量氧气或者没有氧气的环境中，将含碳材料分解为挥发性有机化合物和富含碳的固体残余物(通常被称为半焦)的热化学分解。从本公开内容最广泛的意义上来讲，焙烧也可以被认为是一种特殊类型的发生在较低温度下的热解。

用于热解含碳材料的设备10包括容器12，容器12具有用于含碳材料的入口14和用于半焦和挥发份的出口16。一般地，容器12为水平布置的圆柱形容器。

入口14和出口16布置在容器12的相对置的端部18a和18b。优选地，入口14可置于容器12的上部表面上，与漏斗或进料器(未示出)相连。

出口16可布置在容器12的较低表面上，与出料装置相连。出料装置可采取旋转阀或类似装置的形式以尽量减少堵塞并有助于控制含碳材料和所产生的半焦通过容器12的流动速率。在某些实施方式中，容器12可以设有置于容器12的端部18b的上部表面之上的另一单独的出口16a，用于取出挥发份、蒸汽和其中夹带的半焦粉。

应理解，出口16、16a可以安排与气化器相连(参见图3)用于气化半焦并重整其中所接收的挥发份。

设备10还包括与容器12的内部表面22相关联的空心套管20。空心套管20配置为在入口26和出口28之间限定出用于热交换介质的热交换路径24，入口26和出口28分别布置在容器12的相对端部18b和18a处。

当需要采用多于一股的热交换介质流时，尤其是当多股的热交换介质流在不同的温度下和/或当必须沿着热交换器调整温度分布时，还可以在入口26和出口28之间设置额外的入口和/或出口(未示出)。优选地，入口26布置在容器12的端部18b处，与用于含碳材料的入口14相对，以便使热交换介质以与含碳材料呈总体逆流方向循环通过空心套管20。在可供选择的实施方式中，也可以顺流配置。

空心套管20还配置为提供多个突出进入容器12的表面30，以在空心套管20中限定出一系列相互连接的腔室32。突出表面30彼此每隔一定距离间隔开来，优选地基本上呈平行对齐。

突出表面30可为圆环形以限定出穿过容器12的纵向中心轴线设置的基本上圆形的通道34。可选地，突出表面30可包括一对半环形表面30a和30b，所述半环形表面30a和30b彼此从容器12的相对面突出横向对齐。

如图2所示，突出表面30可以设有开口36，以方便含碳材料和所产生的半焦和挥发份从入口14到出口16逐步地通过容器12中的相邻腔室32的流动。在图2中示出的实施方式中，开口36为象限形。应理解，在各种不同的模式中开口36可以选择使用各种不同的大小和形状。

相邻突出表面30中的开口36可以彼此大体上纵向对齐以限定出延伸通过容器12的象限形通道。或者，相邻突出表面30中的开口36可以彼此以变化的旋转角度渐进地排列。

如图1中细部A所示，空心套管20的突出表面30可采取空心板38的形式，空心板38具有前表面40a、后表面40b以及端面40c。从容器12的内部表面22凸进由前表面40a、后表面40b以及端面40c限定的空隙44的突出部分为挡板46，挡板46在每个空隙44中限定出倒U型热交换通道48。

有利地，如在前段描述的多个突出表面30相较于现有热解器增加了所述设备10的热交换表面面积。在一个实施例中，所述设备10的总热传递表面面积可为夹套式管式反应器的热传递表面面积的3-4倍。

此外，当热交换介质流动通过空心套管20时，U型热交换通路48增加了热交换介质的湍流，从而大大提高了传热系数以及因此提高了热交换介质与含碳材料及产生的半焦和挥发份的传热率。应理解，当热解的含碳材料及产生的半焦和挥发份逐步地移动通过容器12时，容器12的突出表面30还增加了容器12内的气体湍流。

一般认为含碳材料可以在所述设备10中通过各种热传递机制加热，所述热传递机制包括：与容器12的突出表面30和内部表面22直接接触(热传导)、与籍由与容器12的突出表面30和内部表面22的热传递以及籍由从容器12的突出表面30和内部表面22的热辐射而被加热的所述容器内的气体和挥发份接触(对流)。

设备10还包括搅拌器50，用于传递含碳材料从所述入口14通过容器12中的一系列相互连接的腔室32到所述出口16。

搅拌器50可包含延伸通过容器12的环形通道34的可旋转的轴52和多个与可旋转的轴52相关联的桨54。一个或多个桨54从可旋转的轴52延伸进入相应的相互连接的腔室32。桨54通过可旋转的轴52的转动来操作。应理解，桨54将会选择不同的形状和大小以适于容纳于相应的相互连接的腔室32，以允许桨54在相互连接的腔室32内自由移动，并最小化腔室32内的“死区”以避免热解含碳材料或半焦滞留在腔室32内。应理解，搅拌器可以设有马达以控制可旋转的轴52的旋转速度。

可以通过改变可旋转的轴52的旋转速度来改变热解含碳材料和所产生的半焦在相互连接的腔室32中的停留时间。或者，容器12可以与水平方向呈一角度倾斜(例如翘起)。热解含碳材料和所产生的半焦的停留时间可以通过改变倾斜的角度而改变。在这些方式中，可以控制设备10中的含碳材料的停留时间以提供足够的时间将含碳材料充分地转换为能够在指定温度下形成的半焦和挥发份。

尽管在设备10的每一个相互连接的腔室30内流动湍流只是小规模的，但是贯穿设备10的半焦和挥发份的整体流动实质上已呈“栓流”，由此引起了挥发性产物的相对狭窄的停留时间分布。如果采用额外的惰性气体，还可以调整上述的停留时间。

在本发明的一些实施方式中，设备10可适于具有用于空气、纯氧或氧化性气体的入口(未示出)。在这些特定的实施方式中，将空气、纯氧或氧化性气体引入进设备10以促进与含碳材料、挥发份和/或半焦的部分燃烧反应，以产生额外的热量。

在本发明的另一实施方式中，当含碳材料从设备10的入口14流动穿过容器到出口16时，设备10还可适于在热解含碳材料的同时研磨或粉碎含碳材料。在这些特定的实施方式中，设备10可具有包含多种可自由移动的物质(例如坚硬物体)的研磨介质。所述可自由移动的物质可以是球形的，这些球形物质通常(但不限于)具有从大约10mm到大约120mm范围的直径并由各种坚硬材料(包括钢和二氧化硅)制成。研磨介质可在含碳材料通过入口14引入至设备10之前或之后与含碳材料混合。研磨介质可以其它方式加入设备10中。研磨介质可以留在设备10中。通过旋转搅拌器50的可旋转的轴52，桨将动力传递到研磨介质并造成研磨介质反复撞击含碳材料。研磨介质还可有利地促成在设备10内的热传导效应。

使用中，含碳材料(例如生物质)可通过容器12的入口14引入至所述设备10。在将含碳材料引入进容器12之前，先将其干燥到一预定的含水量(例如＜20％w/w)是有利的。籍由旋转搅拌器50的可旋转的轴52，含碳材料从容器12的一端18a通过容器12的相互连接的各腔室32逐步地转移到相对端18b。相互连接的腔室32内的桨54使含碳材料在腔室32内移动，直到含碳材料碰到突出表面30内的开口36，含碳材料的一部分经由开口36进入到邻近的腔室32。

用于热解的热量是通过热交换介质间接地提供，所述热交换介质从入口26流动穿过在容器12的空心套管20中限定的热交换通路24到达出口28。为了满足容器12中的处理过程和反应对热量需求的额外热量可籍由将空气、纯氧或含氧气体引入到容器12来提供，以促进与含碳材料、挥发份和/或半焦的部分燃烧反应。

所产生的半焦和挥发份可经由出口16、16a取出。应理解，通过将操作温度降低到低于300℃，所述设备10可方便地用作干燥器或焙烧单元。

有利地，可以通过操作设备10以促进干燥、蒸汽生成、热解和进一步热解产物的热裂解，尤其是对于如果含碳材料具有大量水分含量(例如大约20％w/w)的情况则更有效。在设备10中产生自含碳材料中所含水分的蒸汽可以通过出口16a随所述挥发份一起取出。本发明人认为这将为下游挥发份重整过程中的挥发份重整反应提供蒸汽来源。因此，对于许多类型的具有天然含水量约20％w/w的生物质(例如一些稻草)，在引入到容器12之前可以不需要专用干燥器来干燥生物质。

而且，设备10还可以方便地(在某种程度上)作为进料器使用。例如，生物质可以从在容器12的入口14正上方的料斗加入设备10中，而不需要专用的旋转加料器。可旋转的桨54可以将热解生物质从容器12的入口14转移到出口16。

在另一个实施方式中，搅拌器50装备有在容器12内于侧边18a和甚至于18b处的短节螺旋，以促进固体含碳材料进入或离开容器12的转移。对于现在和将来的本领域技术人员来说，任何已知的螺旋可为此目的而采用。

参照图3，示出了气化系统100的一实施方式。气化系统100包括：干燥器110，用于部分或完全干燥含碳材料，例如生物质；热解器10，如前所述，用于加热(部分地)干燥的含碳材料到合适的温度(例如在大约250℃到大约850℃的范围)以及生产半焦和挥发份；气化器120，用于气化半焦和重整挥发份以生产粗制产品气；以及设备130，用于净化粗制产品气。所述设备130以与气化器120以流体连通的方式(优选通过旋风分离器142)设置以接收和净化粗制产品气。

气化系统100可以如下描述的方式来使用。

例如通过用于进料生物质的斗式升降机104将生物质(或者可选的含碳材料)从储料斗102转移至干燥器110。干燥器110采用热空气流或者其它介质来干燥生物质。优选地，热空气流包含来源于气化系统100中各种组分中任意组分的废热流。或者，且特别在启动模式中，热空气流可以是来源于天然气或其它燃料与直接空气加热器106中的空气燃烧产生的热空气流。

干燥的或部分干燥的生物质离开干燥器110然后例如通过斗式升降机108传送至并行料斗112(或者其它类型的料斗)。旋转给料机114将来自并行料斗112的干燥后的生物质加入到热解器10。所述旋转给料机114并不总是必需的，因为热解器也能够作为给料机使用。热解器10加热已干燥的生物质以生产挥发份(包括水蒸汽)和固体颗粒半焦，如前所述。用于热解器10的热交换介质可以通过管道115从用于净化粗制产品气的设备130的热交换器获得，从而恢复在气净化期间获得的粗制产品气的显热。除此之外，或者可选地，经由管道116来自燃气机150的烟气可以为热解器10递送所需热量或者一些所需热量。

蒸汽和空气通过管线118和122递送到气化器120。来自热解器10的挥发份和夹带的细颗粒通过连接出口16a的管道124进入气化器120。半焦颗粒离开热解器10并通过进料器126进入到气化器120。气化器120可以装备有辅助燃烧器(未示出)，所述辅助燃烧器燃烧天然气或其它的化石燃料以提供额外的热负载和/或在启动模式中提供额外的热量。

在另一个实施方式中，热解器10与气化器120集成为单一的容器，不再需要管道124和进料器126。出口16和16a设在气化器120内。

在进入气化器120之后，大的半焦颗粒沉降到气化器120的较低部分132且挥发份(及一些夹带的半焦粉)上升到气化器的上部134，在那里挥发份经历重整反应。半焦颗粒与含氧气体(以空气、稀释的或纯氧的形式)反应以产生主要为一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)，并伴有少量其它气体，这些气体随后上升到气化器120的上部并与挥发份和重整后的气体混合以生产粗制产品气。如上所述的挥发份重整反应和半焦气化反应的相互分离能使挥发份-半焦相互作用的不利影响达到最小化，从而加快了半焦的气化反应。这种安排也使得挥发份与含氧气体的不必要接触减至最低以降低含氧气体的消耗。

在一个实施方式中，与管道/进料器126(或者出口16直接地)连接的管道设置在气化器内用于将半焦颗粒靠近到气化器的底部。气化器的较低部分为锥形的，以使得半焦颗粒保持在气化器的较低部分内，以确保半焦颗粒具有足够长的停留时间与氧气或者其它气化剂进行反应。采用对本领域技术人员来说已知的公式或者采用计算机软件包(例如计算机流体力学软件包)，从细颗粒的终端速率(即免除细颗粒夹带)，同时还要考虑到它们的停留时间在预定的条件下应当比燃尽时间长，可以计算出较低部分的锥角。基于半焦颗粒的颗粒尺寸分布来选择欲滞留在这一区域的细颗粒的的尺寸半焦，以便使大部分半焦颗粒滞留在所述区域用于与氧气反应。当一些大的灰分颗粒从气化器底部排出时，灰分和未燃烧的半焦细颗粒将被夹带到气化器的上部134，然后传送进入用于分离和收集的旋风分离器142。

为了确保在气化器较低部分处颗粒的点火和灭火，来自118和122的气化剂可以在它们进入气化器之前预加热。一种这样预加热的方式是使气化剂流动通过热交换器(例如，在气化器反应壁的外部或内部包裹的热交换盘管)。这一热交换安排还有助于调节气化器的较低部分的温度曲线。可选地，将蒸汽引入较低部分是调节在气化器的较低部分的反应温度的另一种方式。

大的半焦颗粒可以从气化器120的较低部分132中取出用于气体净化设备130中。

粗制产品气通过管道140离开气化器120并进入旋风分离器142，在旋风分离器142中粗制产品气与主要为灰分和未气化半焦颗粒的固体颗粒分离。

粗制产品气然后进入气净化设备130。所产生的清洁的产品气然后将被用于各种目的，例如发电、制氢以及化学品和燃料的合成。

如以上所详细描述的，本发明的各实施方式提供了一种高效气化方法，特别是用于低阶含碳材料，以制造相对高质量的产品气，用于例如发电、产热和化学合成的目的。

本发明的各实施方式能够提高气化反应的效率。该技术能够适用于例如能源和化学产业中。

应理解，本发明的设备10可在除了气化反应以外的其它应用中使用。例如，设备10可应用于由生物质热解来生产生物油，作为热解-生物-炼制的生物燃料生产工艺的一个组件。在这一特定的应用中，所述设备可适于包括置于容器12的上表面之上的用于挥发份的多个出口16a，从而使得高温下生物油蒸汽的粒子间的二次反应的发生减至最低并提高生物油的产率。

针对热解的所述“栓流”特性，这种多个出口16a的特定安排还可以促进在不同温度区间从生物质的热解中收集生物油的多个馏分。各生物油馏分可具有非常不同的化学组分并因此能够在不同条件下进行生物-精炼以达到最优的生物-炼制结果。例如乙酸可集中在多个出口16a中的一或多个出口处的特定馏分中。

对本领域技术人员来说显而易见的是本发明的一些实施方式可以提供优于现有技术的优点，所述优点包括但不限于以下内容：

●提供一种通用的热解设备，籍由采用低级废热或籍由使热交换介质流动通过设备的套管，所述设备能够可选地用作干燥或者焙烧单元；

●提供一种高效的热解设备，与现有技术的热解器相比，所述设备带有增加的热交换表面面积以增加热交换效率；

●提供一种热解设备，所述热解设备配置成引发在热交换路径中和在容器内的气体湍流以提高传热系数以及因此提高传热率；

●在单一容器内组合了热解产物的干燥、蒸汽产生、热解和裂解并热能回收；

●提供一种热解器设备，所述热解器设备配置成能够引入空气、氧气(稀释的或纯的)或其它氧化剂与热解含碳材料和热解半焦/挥发份进行反应，以在所述热解器中提供至少部分热量需求；

●提供一种热解器设备，所述热解器设备配置成在不同温度区间从生物质或其它含碳材料热解来生产生物油馏分；

●提供一种热解设备，所述热解设备执行热解和进料的功能而无需额外进料器。

除了上述内容之外，在不偏离本发明的基本构思的情形下，本领域技术人员可对其作出各种变化和修改。所有这些变化和修改都被认为是在本发明的保护范围之内，本发明的本质从上述描述中确定。例如，应当理解，本发明的各实施方式能够同时在小型(几兆瓦或更少)和大型(几百兆瓦)规模中以不同的方式均可实施和执行。

还应当理解，虽然以上描述涉及工艺步骤的特定顺序，但是设备和装置的各元件以及它们的配置关系仅被提供用于示例性目的，而并不是旨在以任何方式限定本发明的范围。

在本发明的叙述中，除非上下文另有专述或其它必然的含义，词语“包含”或或其变体“包括”或“含有”都以包括在内的方式使用，即，说明存在所述特征，但不排除存在或加入本发明各种实施方式中的其它特征。

Claims

1.一种用于热解含碳材料和生产半焦和挥发份的设备，所述设备包括：

容器，所述容器具有用于所述含碳材料的入口、用于所述半焦和所述挥发份的出口以及在用于所述含碳材料的入口和用于所述半焦和所述挥发份的出口之间的第一路径，所述容器具有带有内部表面的壁部分，所述内部表面限定出所述第一路径，所述容器进一步具有热交换介质入口、热交换介质出口以及在热交换介质入口和热交换介质出口之间的第二路径，所述第一路径和第二路径在热交换中彼此接近，且所述第二路径由所述容器的内壁部分或其它部分的内部表面限定出，所述容器的内壁部分中的至少其中一部分突出进入所述容器的内部空间，以便使所述第一路径和第二路径的至少之一呈非线性并且由此相比于线性的第一路径和第二路径增加了传热表面面积；及

搅拌器，所述搅拌器延伸穿过所述容器，用于传送含碳材料、所述半焦和所述挥发份通过所述第一路径，该搅拌器包括可旋转的轴和一个或多个延伸进入第一路径的桨。

2.如权利要求1所述的设备，其中，在使用中，所述热交换介质与所述含碳材料以相反的方向流动。

3.如权利要求1所述的设备，其中，在使用中，所述热交换介质与所述含碳材料以相同的方向流动。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一路径的至少一部分与所述第二路径的至少一部分交替布置。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述突出的壁部分彼此相隔一定距离间隔开，并基本上平行排列。

6.如权利要求5所述的设备，其中，将所述内壁部分中的至少一部分定位成可以将热量从所述热交换介质传送到所述热解的含碳材料。

7.如权利要求6所述的设备，其中，将突出进入容器内部空间的多个壁部分配置成可以使得所述第二路径呈波纹状的。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述突出的壁部分中的至少一部分为空心板。

9.如权利要求7所述的设备，其中，所述波纹状的第二路径包含一系列交替的U型和倒U型弯转。

10.如前述任一项权利要求所述的设备，其中，在使用中，引入氧化剂与所述含碳材料和所述热解产物反应，以产生所述设备中所需的部分热量。

11.如权利要求10所述的设备，其中，所述搅拌器包含延伸通过所述容器的可旋转的轴以及多个与所述可旋转的轴关联的桨，其中所述搅拌器通过所述可旋转的轴的转动来操作。

12.如权利要求11所述的设备，其中，所述第一路径包含相互连接的内部空间且其中一个或多个所述桨延伸进入相应的内部空间。

13.如权利要求12所述的设备，其中，所述搅拌器或所述轴的转速以及所述设备相对水平面设置的倾斜角度为可控的，以调整速率成为这样一种速率，即，在此速率下，可使所述热解的含碳材料和热解的含碳材料的热解产物从所述入口转移至所述出口，由此使所述设备配置成具有可作为进料器使用的功能，且使所述含碳材料在设备中的停留时间为可控的。

14.如权利要求13所述的设备，其中螺旋附着在、或者替代，位于所述设备的靠近所述含碳材料的入口的前侧和端侧的轴的短节，以促进固体颗粒进入和离开所述设备的转移。

15.如权利要求14所述的设备，其中，所述设备设有研磨介质，所述研磨介质包含多个自由移动的物质以同时研磨、粉碎和热解所述含碳材料。

16.如权利要求10所述的设备，其中，用于所述含碳材料的所述入口为多个用于所述含碳材料的入口之一。

17.如权利要求10所述的设备，其中，用于所述半焦和所述挥发份的所述出口为多个用于所述半焦和所述挥发份的出口之一。

18.如权利要求10所述的设备，其中，所述容器包含至少一个用于所述半焦的出口和至少一个用于所述挥发份的出口。

19.如权利要求10所述的设备，其中，所述热交换介质入口为多个热交换介质入口之一，所述热交换介质出口为多个热交换出口之一。

20.如权利要求10所述的设备，其中，所述设备设有：从含碳材料的所述入口到所述出口沿着所述设备的长度部分分布的多个用于挥发份的出口；以及冷凝器以通过冷却所述挥发份来生产生物油馏分。

21.如权利要求10所述的设备，其中，所述容器配置成可以将一股以上的热交换介质流引入到所述容器。

22.如权利要求21所述的设备，其中，所述容器配置成可以使一股以上的热交换介质流从所述容器中取出。

23.如权利要求22所述的设备，其中，所述设备配置成可以将峰值温度控制在适于执行焙烧的范围之内。

24.如权利要求23所述的设备，其中，所述设备配置成可以将峰值温度控制在适于执行干燥的范围之内。

25.一种用于从含碳材料生产产品气的气化系统，所述气化系统包含：权利要求10所限定的设备，所述设备用于热解含碳材料和生产挥发份、包括蒸汽和半焦，所述设备与气化器流体连通，或者与所述气化器集成，所述气化器用于接收、重整和气化来自所述设备的所述挥发份和半焦以生产粗制产品气。

26.一种用于从含碳材料生产产品气的气化系统，所述气化系统包含：权利要求10所限定的设备，所述设备用于热解含碳材料和生产挥发份、包括蒸汽和半焦，所述设备与带有用于在其中进行挥发份的重整和半焦的气化的额外区域的气化器集成，以生产粗制产品气。

27.如权利要求25所述的系统，其中，所述系统配置用于干燥含碳材料。

28.如权利要求26所述的系统，其中，所述系统配置可使用干燥后的含碳材料。

29.一种用于从含碳材料生产产品气的气化系统，所述气化系统包含：权利要求23所限定的设备，所述系统配置成用于干燥和焙烧含碳材料和生产挥发份、包括蒸汽和烘干的生物质，所述设备与气化器流体连通或者与所述气化器集成，用于接收、重整和气化来自所述设备的所述挥发份和烘干的生物质，以生产粗制产品气。

30.一种用于从含碳材料生产产品气的气化系统，所述气化系统包含：权利要求23所限定的设备，所述设备配置成用于干燥和焙烧含碳材料以及生产挥发份、包括蒸汽和半焦，所述设备与带有用于在其中进行挥发份的重整和半焦的气化的额外区域的气化器集成，以生产粗制产品气。

31.一种用于从含碳材料生产产品气的气化系统，所述气化系统包含：权利要求10所限定的设备，所述设备配置成用于干燥含碳材料和生产蒸汽、以及一些挥发份和干燥的生物质，所述设备与气化器流体连通，或者与所述气化器集成，所述气化器用于接收、重整和气化来自所述设备的所述挥发份和干燥的生物质，以生产粗制产品气。

32.如权利要求31所述的用于从含碳材料生产产品气的气化系统，进一步包含用于净化粗制产品气的设备，所述用于净化粗制产品气的设备配置成与所述气化器流体连通，以接收和净化所述粗制产品气。