EA027604B1

EA027604B1 - Устройство и способ для обработки биомассы

Info

Publication number: EA027604B1
Application number: EA201490965A
Authority: EA
Inventors: Грегори Томас Коннер; Форрест Джон Тайрелл-Бэкстер
Original assignee: Карбонскейп Лимитед
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2017-08-31
Also published as: AU2012341144A1; CN104136111A; WO2013077748A3; MY175138A; US20150068113A1; EA201490965A1; BR112014012299B1; PE20190859A1; PE20141857A1; JP6200427B2; NZ596549A; WO2013077748A2; KR20140128950A; EP2782667A4; JP2015507521A; CL2014001325A1; MY186848A; ZA201404416B; MX2014006140A; PE20190644A1

Abstract

Предложено устройство (1) и способы обработки биомассы для изготовления древесного угля, активированного угля, бионефти или бионефтей, повторно обогащенного углеродом угля или коксового орешка с использованием микроволновой энергии. Устройство содержит выполненную с возможностью вращения трубу (5) для размещения в ней биомассы (108) и электромагнитный генератор (7). Согласно одному варианту реализации предложенный способ включает этап, на котором прикладывают электромагнитную энергию к биомассе (108) и поглотителю (109). Согласно другому варианту реализации применяют вторичную электромагнитную энергию, сгенерированную полем излучения черного тела, для обработки и введения биомассы (108) с полем излучения черного тела и электромагнитной энергией. Согласно другому варианту реализации способ включает этап, согласно которому возбуждают плазму и вводят биомассу в контакт с плазмой и электромагнитной энергией. Согласно другому варианту реализации способ включает этапы, согласно которым размещают биомассу во втором контейнере (205), размещают второй контейнер в первом реакционном контейнере (5), прикладывают электромагнитную энергию к биомассе и поглотителю (109), возбуждают плазму в первом реакционном контейнере, нагревающую биомассу, размещенную во втором контейнере.

Description

(57) Предложено устройство (1) и способы обработки биомассы для изготовления древесного угля, активированного угля, бионефти или бионефтей, повторно обогащенного углеродом угля или коксового орешка с использованием микроволновой энергии. Устройство содержит выполненную с возможностью вращения трубу (5) для размещения в ней биомассы (108) и электромагнитный генератор (7). Согласно одному варианту реализации предложенный способ включает этап, на котором прикладывают электромагнитную энергию к биомассе (108) и поглотителю (109). Согласно другому варианту реализации применяют вторичную электромагнитную энергию, сгенерированную полем излучения черного тела, для обработки и введения биомассы (108) с полем излучения черного тела и электромагнитной энергией. Согласно другому варианту реализации способ включает этап, согласно которому возбуждают плазму и вводят биомассу в контакт с плазмой и электромагнитной энергией. Согласно другому варианту реализации способ включает этапы, согласно которым размещают биомассу во втором контейнере (205), размещают второй контейнер в первом реакционном контейнере (5), прикладывают электромагнитную энергию к биомассе и поглотителю (109), возбуждают плазму в первом реакционном контейнере, нагревающую биомассу, размещенную во втором контейнере.

Область техники

Изобретение относится к устройству и способу для обработки биомассы. В частности, изобретение относится к устройству и способу изготовления древесного угля, активированного угля, бионефти или бионефтей, повторно обогащенного углеродом угля или коксового орешка из биомассы посредством микроволновой энергии.

Уровень техники

Существует серьезная озабоченность текущим объемом выбросов парникового газа и влиянием, которое они могут оказать на глобальный климат. Двуокись углерода (СО₂) является основным парниковым газом, который, как принято считать, вызывает антропогенное изменение климата и представляет приблизительно 70% всех парниковых газов, генерируемых в глобальном масштабе.

Для достижения постоянного снижения двуокиси углерода необходимы широкомасштабные изменения в мировой структуре энергопотребления. Например, необходимо развивать использование возобновляемой энергии, а также усовершенствовать альтернативные виды топлива и увеличивать их энергоотдачу. Одним из альтернативных видов топлива является биологическое топливо.

Биологические виды топлива или бионефть (бионефти) представляют собой возобновляемые запасы, и их использование при сжигании приводит к значительно меньшей нетто-эмиссии парниковых газов, чем сжигание ископаемого топлива. Биологические виды топлива или бионефть (бионефти) могут быть использованы в качестве альтернативы ископаемому топливу на транспорте, в отоплении и выработке электроэнергии.

Другой способ уменьшения двуокиси углерода в окружающей среде состоит в захвате и сохранении части атмосферной двуокиси углерода. Захват газов углерода для хранения называют секвестрацией. Секвестрация углерода в газообразной форме (при освобождении газа, например, в энергоустановках) является технически сложным и дорогостоящим решением. Альтернативный вариант состоит в захвате двуокиси углерода деревьями путём восстановления лесных массивов на материковой поверхности. В среднем от 40 до 50% всего материала в деревьях составляет углерод. Важно то, что для восстановления лесных массивов требуется, чтобы большие площади земли сохраняли значительное количество двуокиси углерода. Кроме того, двуокись углерода, которая сохранена в деревьях, может быть удержана, только если площади земли остаются засаженными деревьями. Если площади земли очищены от деревьев, большая часть двуокиси углерода возвращается в атмосферу.

Способ секвестрации двуокиси углерода описан в заявке РСТ ГСО 2008/079029.

Активированный уголь.

Активированный уголь представляет собой продукт древесного угля, который имеет микропористую структуру, имеющую значительную удельную площадь внутренней поверхности. Активированный уголь используется в различных областях в основном для адсорбции нежелательных материалов. Таким образом, в сахарной промышленности он используется для удаления темно-коричневого цвета, так чтобы сахар мог иметь белый цвет. Однако он также имеет большое значение для удаления загрязнений, в частности, если он может адсорбировать большие молекулы.

Дальнейшее возможное использование активированного угля состоит в прямом поглощении содержащих азот частиц, таких как мочевина, с последующим применением полученного продукта для удобрения пахотных земель. Активированный уголь не удерживает прочно указанные частицы и, следовательно, действует в качестве медленного антиадгезионного агента для азотного удобрения при размещении связанного углерода в почве, и, таким образом, если углерод поступает из биомассы, активированный уголь способствует снижению содержания двуокиси углерода в атмосфере. Активированный уголь также может поглощать метан и, следовательно, может действовать в качестве возможного помощника в предупреждении эмиссий метана из некоторых хранилищ. Кратко говоря, активированный уголь обладает значительным потенциалом дополнительного использования, и, следовательно, дополнительные способы его изготовления должны быть приняты на рынке.

Изготовление активированного угля хорошо известно. Содержащие углерод частицы обычно коксуются при температуре примерно 600°С, затем, когда коксование завершается, кокс обычно активируют окислением, например, водяным паром или воздухом, или путём его обработки химическими способами с использованием химических веществ, таких как хлорид цинка, фосфорная кислота или любые другие химикаты. Активацию обычно осуществляют при температурах примерно между 800 и 1200°С при весьма тщательно контролируемых условиях. Вообще говоря, в углеродсодержащий материал, который обычно находится во вращающейся сушильной печи, описанной в некоторых источниках, снаружи подают тепло.

В такой сушильной печи имеются два источника для нагрева биомассы: тепловая проводимость прямого контакта со стенками и излучение типа черного тела от стенок печи. Биомасса имеет недостаточную теплопроводность, и при достижении температуры примерно 300°С с нею происходит эндотермическое разложение. Некоторыми из продуктов такого термического разложения являются высоковязкие смолы, которые протекают в поры биомассы, что является нежелательным для формирования активированного угля, поскольку заполнение пор уменьшает площадь поверхности продукта.

Карбонизация является медленным процессом, поскольку при достижении температуры примерно

- 1 027604

300°С биомасса начинает разлагаться и вырабатывать продукты разложения. Продуктами разложения часто являются жидкие смолы, которые имеют хорошую текучесть. Заполнение смолой развивающихся пор углерода является нежелательным.

Площадь поверхности активированного угля обычно определяется путём низконапорной адсорбции азота (метод БЭТ). Поскольку указанная адсорбция в целом приписывается мономолекулярному слою, площадь поверхности может быть вычислена. Площадь поверхности одного грамма активированного угля обычно составляет примерно 500 м² и имеет разброс в диапазоне от примерно 200 м² до примерно 2500 м²

Повторно обогащенный углеродом уголь.

Углерод является наиболее важным компонентом, который добавляют в сталь промышленного изготовления, и составляет 0,15-1,5% массы готового металлического продукта. Содержание углерода в стали влияет на конкретные механические свойства, такие как твердость и прочность, а также на термические свойства, такие как точка плавления и свариваемость.

Во время процесса изготовления стали обычной практикой для большинства литейных заводов является комбинирование некоторые стальных отходов с основным железным концентратом в металлической шихте. Процент используемых стальных отходов зависит от цены, доступности, уровня сплава и других экономических факторов.

Количество углерода, введенного в плавильную печь с шихтовыми материалами (т.е. стальными отходами и железным браком), обычно ниже, чем целевое значение в готовом стальном продукте, которое обычно находится в диапазоне 3,0-4,0% С. Таким образом, в партию шихты добавляют блоки углерода, называемые карбюризаторами, для увеличения уровня элементарного углерода в стальных продуктах до указанного значения.

Во время этапа плавления в процессе изготовления карбюризаторы смешивают с порцией расплавленной стали, тем самым обеспечивая возможность поглощения элементарного углерода и его равномерного распределения по всей металлической шихте.

Требуется, чтобы карбюризаторы для изготовления промышленной стали имели высокое содержание связанного углерода с высокой теплотворной способностью. Важно, чтобы материал карбюризатора имел низкое содержание летучих веществ, азота и серы для безопасного и эффективного прохождения реакций снижения кислорода и минимизации вредных выбросов.

Кроме того, желательно, чтобы карбюризаторы являлись высокопроницаемыми для обеспечения максимального контакта площади его поверхности с порцией расплавленной стали, что облегчает эффективное поглощение элементарного углерода.

Карбюризаторы обычно получают из высокосортных битуминозных или беспламенных углей и премиальных версий, синтезированных из нефтепродуктов. На некоторых литейных заводах используются стальные заготовки, которые специально изготавливают с конкретным содержанием углерода и используют в качестве карбюризатора в металлической шихте.

Коксовый орешек.

Кокс используют в качестве топлива и в качестве восстановителя при плавлении железной руды в доменной печи.

Поскольку во время коксования угля или биомассы выделяются дымообразующие составные части, кокс формирует желательное углеродное топливо для топок, в которых условия не являются подходящими для полного сгорания непосредственно каменного угля или биомассы. Кокс может сгорать с небольшим количеством дыма или вообще без дыма при указанных условиях сгорания, в то время как каменный уголь вырабатывает значительное количество дыма.

Коксовый орешек характеризуется намного большим размером частиц (обычно 25x55 мм) по сравнению с другими топливными коксами, такими как нагнетаемый кокс или мелкий кокс, размер частиц которых обычно меньше чем 10x10 мм. В отличие от карбюризатора, используемого для увеличения содержания углерода в порции расплавленной стали, коксовый орешек может содержать двойное допустимое содержание минералов и в пять раз больше влаги. Этот аспект обеспечивает расширенный диапазон сырья на основе древесной биомассы для изготовления коксового орешка.

Низкое содержание летучего вещества в коксе имеет критическое значение для облегчения безопасного, устойчивого выделения энергии и минимизации риска освобождения взрывчатого вещества во время сгорания. Также требуется низкое содержание серы и азота для минимизации формирования двуокиси серы и окислов азота во время процесса сгорания.

Ссылки на описания патентов, другие внешние документы или другие источники информации, приведенные в настоящем описании, в общем сделаны с целью создания контекста для обсуждения признаков настоящего изобретения. Если специально не указано иное, ссылка на такие внешние документы или такие источники информации не должна толковаться как допущение, что такие документы или такие источники информации в любой юрисдикции являются уровнем техники или образуют часть общего знания в уровне техники.

Задача, по меньшей мере, предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения состо- 2 027604 ит в создании устройства и/или способа для обработки биомассы или самой биомассы для изготовления древесного угля, бионефти или бионефтей, повторно обогащенного углеродом угля, активированного угля и/или коксового орешка, которые преодолевает один или большее количество недостатков, присущих известным способам преобразования биомассы в активированный уголь и повторно обогащенный углеродом уголь, и/или по меньшей мере обеспечивают общество подходящим выбором.

Раскрытие изобретения

В первом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложено устройство для обработки биомассы, содержащее выполненную с возможностью вращения трубу, имеющую входное отверстие для приема необработанной биомассы и выходное отверстие для выпуска обработанной биомассы, причём указанная выполненная с возможностью вращения труба имеет угол наклона относительно горизонтальной оси;

металлический корпус для размещения в нем указанной выполненной с возможностью вращения трубы;

электромагнитный генератор, связанный с выполненной с возможностью вращения трубой, для приложения электромагнитной энергии к указанной выполненной с возможностью вращения трубе и биомассе, размещенной в ней;

волновод, связанный с электромагнитным генератором, для введения электромагнитной энергии в указанную выполненную с возможностью вращения трубу;

причём указанный волновод выполнен таким образом, что электромагнитная энергия, введенная посредством волновода в выполненную с возможностью вращения трубу и сквозь нее, распространяется в направлении, которое в целом параллельно продольной оси указанной выполненной с возможностью вращения трубы.

Предложенное устройство может быть использовано в способе, согласно которому прикладывают электромагнитную энергию к биомассе для вырабатывания древесного угля или углей, бионефти или бионефтей и/или газа или газов.

Согласно одному варианту реализации угол наклона выполненной с возможностью вращения трубы относительно горизонтальной оси является регулируемым.

Согласно одному варианту реализации устройство дополнительно содержит изоляцию, окружающую выполненную с возможностью вращения трубу.

Согласно одному варианту реализации выполненная с возможностью вращения труба, по существу, является герметичной по давлению.

Согласно одному варианту реализации выполненная с возможностью вращения труба, по существу, является герметичной по микроволновому излучению.

Согласно одному варианту реализации устройство дополнительно содержит регулятор давления, связанный с выполненной с возможностью вращения трубой, для обеспечения источника давления для внутренней части выполненной с возможностью вращения трубы. Давление внутри выполненной с возможностью вращения трубы может быть положительным или отрицательным относительно атмосферного давления.

Согласно одному варианту реализации устройство дополнительно содержит систему для извлечения газа/пара. Система для извлечения газа/пара содержит источник транспортирующего газа. Источник транспортирующего газа связан с выполненной с возможностью вращения трубой для подачи во внутреннюю часть выполненной с возможностью вращения трубы транспортирующего газа. Источник транспортирующего газа может быть герметичным контейнером. Транспортирующий газ может быть инертным газом и, например, может содержать двуокись углерода, аргон или азот.

Согласно одному варианту реализации система для извлечения газа/пара дополнительно содержит конденсатор газа, подходящий для конденсирования бионефти или бионефтей, выпускаемых в форме паре, в форму конденсата. Согласно одному варианту реализации конденсат собирают в подходящий контейнер, связанный с газовым конденсатором.

Согласно одному варианту реализации система извлечения газа/пара дополнительно содержит генератор вакуума для создания источника отрицательного давления в газовом конденсаторе. Согласно одному варианту реализации регулятор давления, связанный с выполненной с возможностью вращения трубой для увеличения давления воздуха во внутреннем пространстве выполненной с возможностью вращения трубы, также является генератором вакуума для создания источника отрицательного давления в газовом конденсаторе.

Согласно одному варианту реализации устройство имеет входное отверстие или сальник для введения жидкости во внутреннюю часть выполненной с возможностью вращения трубы. Жидкостью предпочтительно является вода, введенная распылением.

Согласно одному варианту реализации электромагнитным генератором является микроволновый генератор, который генерирует микроволновое излучение.

Согласно одному варианту реализации микроволновое излучение осуществлено в диапазоне частот от примерно 900 МГц до примерно 3 ГГц. Типичные частоты используемой электромагнитной энергии находятся в диапазоне между примерно 900 и примерно 1000 МГц, а также между примерно 2 и пример- 3 027604 но 3 ГГц. Частота микроволнового излучения может находиться в одном из промышленного, научного и медицинского (Ι8Μ) диапазонов для промышленного нагревания. Диапазоны ΙδΜ для промышленного нагревания включают частоты примерно 915, примерно 922 и примерно 2450 МГц. Другие частоты, которые также могут быть подходящими, например, включают примерно 13, примерно 27 и примерно 40 МГц.

Согласно одному варианту реализации волновод содержит первую часть, проходящую от микроволнового генератора, и вторую часть, проходящую к выполненной с возможностью вращения трубе, причём вторая часть проходит от первой части под углом относительно указанной первой части, соответствующим углу наклона выполненной с возможностью вращения трубы. Угол наклона второй части относительно первой части соответственно является регулируемым в соответствии с регулировкой угла наклона выполненной с возможностью вращения трубы относительно горизонтальной оси.

Согласно одному варианту реализации волновод содержит полый компонент. Волновод может содержать полый металлический компонент. Согласно другому варианту реализации волновод может содержать твердый компонент.

Согласно одному варианту реализации волновод дополнительно содержит согласователь импеданса.

Согласно одному варианту реализации устройство дополнительно содержит измельчитель для измельчения биомассы. Согласно одному варианту реализации биомассу измельчают перед подачей в выполненную с возможностью вращения трубу. Измельчитель может быть соединен с другими компонентами устройства. Согласно другому варианту реализации измельчитель может быть отдельным автономным компонентом устройства.

Согласно одному варианту реализации устройство дополнительно содержит подающий механизм или питающий бункер для подачи биомассы в выполненную с возможностью вращения трубу.

Согласно одному варианту реализации устройство дополнительно содержит датчик для измерения содержания кислорода внутри выполненной с возможностью вращения трубы.

Согласно одному варианту реализации устройство дополнительно содержит управляющую систему, которая принимает информацию от датчика температуры, вакуумного датчика и датчика кислорода и использует указанную информацию для управления входами процесса включая: энергию микроволнового генератора, скорость вращения трубы, угол наклона трубы, скорость подачи биомассы из питающего бункера, давление, выработанное генератором вакуума, и/или расход транспортирующего газа, для поддерживания температуры и давления в выполненной с возможностью вращения трубе в заданном рабочем диапазоне или диапазонах.

Согласно одному варианту реализации один или больше компонентов устройства может получать энергию из источника возобновляемой энергии. Согласно одному варианту реализации источником возобновляемой энергии является солнечная энергия. Альтернативные источники возобновляемой энергии, которые могут быть подходящими, например включают энергию ветра, гидроэлектричество, геотермическое тепло, приливные течения, биомассу или биологические виды топлива (включая нефть и газ, генерируемые устройством и с использованием способа согласно настоящему изобретению).

Согласно одному варианту реализации биомассой является растительный материал.

Во втором аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способ обработки биомассы, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут биомассу, (b) берут выполненную с возможностью вращения трубу, имеющую входное отверстие для приема необработанной биомассы и выходное отверстие для выпуска обработанной биомассы, причём указанная выполненная с возможностью вращения труба имеет угол наклона относительно горизонтальной оси, (c) прикладывают электромагнитную энергию к выполненной с возможностью вращения трубе и биомассе, размещенной в указанной трубе, таким образом, что электромагнитная энергия распространяется в направлении, в целом параллельном продольной оси выполненной с возможностью вращения трубы.

Согласно одному варианту реализации способ включает подэтап, согласно которому прикладывают электромагнитную энергию к биомассе для выработки древесного угля или древесных углей, бионефти или бионефтей и/или газа или газов. Согласно одному варианту реализации биомассой является растительный материал.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому регулируют угол наклона выполненной с возможностью вращения трубы относительно горизонтальной оси.

Согласно одному варианту реализации этап использования выполненной с возможностью вращения трубы включает подэтап, согласно которому берут выполненную с возможностью вращения трубу с изоляцией, окружающей указанную выполненную с возможностью вращения трубу.

Согласно одному варианту реализации этап приложения электромагнитной энергии включает подэтап, согласно которому прикладывают микроволновое излучение. Согласно одному варианту реализации микроволновое излучение осуществлено в диапазоне частот от примерно 900 МГц до примерно 3 ГГц.

- 4 027604

Типичные частоты используемой электромагнитной энергии находятся в диапазоне между примерно 900 и примерно 1000 МГц, а также между примерно 2 и примерно 3 ГГц. Частота микроволнового излучения может находиться в одном из промышленного, научного и медицинского (Ι8Μ) диапазонов для промышленного нагревания. Диапазоны ΙδΜ для промышленного нагревания включают частоты примерно 915, примерно 922 и примерно 2450 МГц. Другие частоты, которые также могут быть подходящими, например, включают примерно 13, примерно 27 и примерно 40 МГц.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому регулируют давление внутри выполненной с возможностью вращения трубы. Давление внутри выполненной с возможностью вращения трубы может быть положительным или отрицательным относительно атмосферного давления. Согласно одному варианту реализации биомассу обрабатывают при давлении от примерно 0 до примерно 200 кПа.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому вводят жидкость в выполненную с возможностью вращения трубу. Жидкостью предпочтительно является вода, введенная распылением.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому отбирают пар, выпущенный из органического вещества. Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому конденсируют пар в конденсат. Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому собирают конденсат. Конденсат соответственно собирают в контейнер. Согласно одному варианту реализации конденсат содержит бионефти.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому используют систему для извлечения газа/пара. Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому подают транспортирующий газ во внутреннюю часть выполненной с возможностью вращения трубы. Транспортирующий газ может быть инертным газом и может содержать двуокись углерода, аргон или азот.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому уменьшают давления в конденсаторе газа. Согласно одному варианту реализации регулятор давления, связанный с выполненной с возможностью вращения трубой, для повышения давления воздуха внутри пространства выполненной с возможностью вращения трубы, также является генератором вакуума для создания источника пониженного давления для конденсатора газа.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому измельчают биомассу.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому измеряют температуру материала в выполненной с возможностью вращения трубе.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому измеряют давление внутри выполненной с возможностью вращения трубы.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому измеряют содержание кислорода внутри выполненной с возможностью вращения трубы.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому принимают информацию от датчика температуры, вакуумного датчика и датчика кислорода. Способ соответственно включает этап, согласно которому используют принятую информацию для управления входами процесса, включая: управление энергией микроволнового генератора, управление скоростью вращения выполненной с возможностью вращения трубы, управление углом наклона выполненной с возможностью вращения трубы, управление скоростью подачи биомассы из питающего бункера, управление давлением, выработанным генератором вакуума, и/или управление номинальной подачей транспортирующего газа для поддерживания температуры и давления в выполненной с возможностью вращения трубе в заданном рабочем диапазоне или диапазонах.

В третьем аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен волновод для направления электромагнитной энергии от электромагнитного генератора в камеру, содержащий первую часть, выполненную с возможностью приема электромагнитной энергии от электромагнитного генератора; и вторую часть, выполненную с возможностью приема электромагнитной энергии от первой части и направления электромагнитной энергии в камеру;

причём указанная вторая часть функционально соединена с первой частью, так что угол наклона второй части относительно первой части является регулируемым.

Согласно одному варианту реализации вторая часть волновода функционально соединена с первой частью волновода посредством соединительного элемента, который обеспечивает возможность шарнирного соединения первой и второй частей волновода друг с другом.

Согласно одному варианту реализации первая часть и вторая часть волновода содержат полые компоненты. Части волновода содержат полые металлические компоненты. Согласно другому варианту реализации части волновода могут содержать твердые компоненты.

Согласно одному варианту реализации волновод дополнительно содержит согласователь импедан- 5 027604 са.

В четвертом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способ изготовления бионефти или бионефтей из биомассы, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут биомассу, (b) берут электромагнитную камеру, ограничивающую реакторное пространство для приема указанной биомассы, (c) размещают биомассу в реакторном пространстве таким образом, что биомасса перемещается в целом в первом направлении, (б) прикладывают электромагнитную энергию к реакторному пространству и биомассе, размещенной в указанном пространстве, так что бионефть или бионефти выпускаются из биомассы в форме пара, (е) подают инертный транспортирующий газ в реакторное пространство таким образом, что инертный газ распространяется в направлении, в целом противоположном первому направлению, для перемещения и удаления бионефти или бионефтей из реакторного пространства, и (ί) собирают бионефть или бионефти.

Бионефть или бионефти, выпущенные из биомассы, содержат жидкость или жидкости, известные как смола или смолы.

Согласно одному варианту реализации бионефть или бионефти содержат летучую бионефть или бионефти. Дополнительно или согласно другому варианту реализации бионефть или бионефти содержат нелетучую бионефть или бионефти. Летучими бионефтью или бионефтями являются бионефть или бионефти, полученные при значительном давлении пара при температуре их формирования. Нелетучими бионефтью или бионефтями являются бионефть или бионефти, полученные с приложением ограниченного давления пара при температуре их формирования.

Согласно одному варианту реализации в способе использован процесс, в котором также вырабатывают древесный уголь из биомассы путём связывания электромагнитной энергии с биомассой или передачи электромагнитной энергии биомассе. Древесный уголь также известен как биоуголь или агроуголь.

Согласно одному варианту реализации биомасса представляет собой растительный материал. Растительный материал может включать помимо прочего древесину, злаковые растения, морские водоросли, органические отходы или любую биомассу, подходящую для преобразования в древесный уголь. Согласно одному варианту реализации растительным материалом является сосна лучистая, уголь, рапсовое семя, кукурузная солома, кофейные зерна, обрывки виноградной лозы, кедр, бамбук, санталовое дерево или эвкалипт.

Инертный газ может содержать, например, двуокись углерода, аргон или азот.

Согласно одному варианту реализации этап сбора бионефти или бионефтей включает подэтап, согласно которому пропускают транспортирующий газ, несущий пар или пары бионефти или бионефтей, сквозь конденсатор для выработки конденсата бионефти или бионефтей.

Согласно одному варианту реализации подают транспортирующий газ в камеру с указанным расходом. Расход может быть задан для управления давлением внутри камеры и/или скоростью удаления бионефти.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому управляют температурой биомассы во время выполнения этапа приложения электромагнитной энергии к реакторному пространству и размещенной в нем биомассе. Температурой можно управлять путём управления энергией электромагнитного генератора и/или управления длительностью периода времени, в течение которого электромагнитную энергию прикладывают к реакторному пространству и размещенной в нем биомассе.

Согласно одному варианту реализации биомассу обрабатывают при давлении от примерно 0 до примерно 200 кПа.

Согласно одному варианту реализации на этапе приложения электромагнитной энергии к биомассе нагревают биомассу до температуры от примерно 30 до примерно 1000°С.

Согласно одному варианту реализации биомассу вводят в кварцевую трубу примерно при температуре окружающей среды.

Согласно одному варианту реализации биомассу извлекают из кварцевой трубы при температуре не больше чем примерно 330°С, если задача состоит в отборе эфирных масел.

Согласно одному варианту реализации биомассу извлекают из кварцевой трубы при температуре между примерно 350 и примерно 420°С, если задача состоит в отборе продуктов пиролиза сахаридов.

Согласно одному варианту реализации биомассу извлекают из кварцевой трубы при температуре больше чем примерно 600°С, если задача состоит в изготовлении древесного угля.

Предпочтительно электромагнитную энергию прикладывают во втором направлении, которое по существу является параллельным и противоположным первому направлению.

Согласно одному варианту реализации камера является изолированной.

- 6 027604

Согласно одному варианту реализации камера имеет угол наклона относительно горизонтальной оси, причём способ дополнительно включает этап, согласно которому регулируют указанный угол наклона камеры относительно горизонтальной оси.

Согласно одному варианту реализации электромагнитная энергия содержит микроволновую энергию. Микроволновое излучение предпочтительно имеет диапазон частот, подобный диапазону, описанному выше в первом аспекте.

Согласно одному варианту реализации способ изготовления бионефти или бионефтей из биомассы осуществляют с использованием устройства, описанного выше в первом аспекте.

В пятом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложены бионефть или бионефти, выработанные способом описанным выше во втором аспекте.

В шестом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложены бионефть или бионефти, выработанные путём приложения электромагнитной энергии к биомассе, причём бионефть или бионефти характеризуются энергосодержанием по меньшей мере примерно 20-50 МДж/кг.

Согласно одному варианту реализации электромагнитная энергия содержит микроволновую энергию. Микроволновое излучение предпочтительно имеет диапазон частот, подобный диапазону, описанному выше в отношении первого аспекта.

Согласно одному варианту реализации биомассой является растительный материал. Согласно другому варианту реализации биомасса может быть любой биомассой, подходящей для преобразования в древесный уголь. Растительный материал может содержать древесину, злаковые растения, морские водоросли или органические отходы. Согласно предпочтительному варианту реализации в качестве растительного материала используют сосну лучистую (Ршиз Рай1а1а).

В седьмом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способ обработки биомассы, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут биомассу, (b) берут электромагнитную камеру, выполненную с возможностью ограничения и содержания в себе области электромагнитной энергии, (c) вводят биомассу в электромагнитную камеру, (й) прикладывают электромагнитную энергию к электромагнитной камере и размещенной в ней биомассе с уровнями энергии, при которых биомасса принимает прямую электромагнитную энергию и вторичную электромагнитную энергию, выработанную полем излучения черного тела, и (е) подвергают биомассу воздействию вторичной электромагнитной энергией, выработанной полем излучения черного тела, с одновременным приложением прямой электромагнитной энергии, так что из биомассы формируется активированный уголь.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому берут реакционный контейнер, выполненный с возможностью размещения в нем биомассы, и вводят реакционный контейнер в электромагнитную камеру. Согласно данному варианту реализации биомассу вводят в реакционный контейнер.

Согласно одному варианту реализации электромагнитная камера содержит огнеупорные материалы. Огнеупорные материалы по меньшей мере частично окружают реакционную камеру. Согласно одному варианту реализации огнеупорный материал окружает реакционную камеру.

Согласно одному варианту реализации реакционный контейнер выполнен с возможностью содержания плазмы.

Согласно одному варианту реализации реакционный контейнер выполнен с возможностью содержания продуктов химической реакции, выработанных в результате подвергания биомассу воздействию поля излучения.

Согласно одному варианту реализации прямую электромагнитную энергию прикладывают к биомассе на уровнях энергии, при которых формируются продукты пиролиза, причём указанные продукты пиролиза образуют слой на внутренней части реакционного контейнера. При приложении прямой электромагнитной энергии к слою продуктов пиролиза, указанный слой становится электрически проводящим слоем, который поглощает электромагнитную энергию и формирует полем излучения черного тела. Согласно другому варианту реализации способ включает этап, согласно которому наносят слой углерода на стенки реакционного контейнера, например, путём закрашивания стенок реакционного контейнера или путём напыления слоя, содержащего графит, на стенки реакционного контейнера.

Согласно одному варианту реализации подвергают биомассу воздействию указанных энергетических полей на период времени, обеспечивающий максимальный выход сформированного активированного угля, причём указанный период времени зависит от отношения уровней энергии к массе углесодержащего материала.

Согласно одному варианту реализации уровни энергии выбирают таким образом, что температура древесного угля поднимается до подходящих значений.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому прекращают подвергание биомассы воздействию микроволновой энергией, после чего биомассу удаляют из устройства и собирают.

- 7 027604

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому заменяют воздух внутри реакционного контейнера добавленным газом.

Согласно одному варианту реализации при приложении электромагнитной энергии к биомассе формируется плазма в дополнение к любому электрически проводящему слою на стенках реакционного контейнера, причём указанная плазма образует область излучения для биомассы.

Плазма распространяется сквозь продукты пиролиза в форме паров, в частности паров фенольного происхождения, с поглощением достаточного количества микроволновой энергии для ионизации указанных паров, в результате чего газовая фаза становится электрически проводящей. Образование электрически проводящих частиц значительно улучшает дополнительное поглощение микроволновой энергии и дополнительно улучшает генерирование плазмы.

Согласно одному варианту реализации добавленный газ пропускают сквозь биомассу и удаляют сквозь выходную трубу с одновременным удалением летучих компонентов, которые вырабатываются в результате приложении электромагнитной энергии к биомассе.

Согласно одному варианту реализации добавленный газ подают в камеру с заданным расходом. Указанный расход может быть задан для управления давлением внутри камеры, а также скорость удаления бионефти в обратной пропорции к осаждению пиролитического углерода на стенках реакционного контейнера.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому конденсируют бионефть или бионефти, выпущенные в форме пара из биомассы в результате приложения электромагнитной энергии к биомассе, в конденсат. Согласно одному варианту реализации конденсат собирают в подходящий резервуар, связанный с конденсатором газа.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому собирают неконденсированные газы, выпущенные из биомассы в результате приложения электромагнитной энергии к биомассе. Согласно одному варианту реализации неконденсированные газы отбирают в подходящий резервуар. Согласно другому варианту реализации вводят водяной пар в добавленный газ.

Согласно одному варианту реализации биомассой является измельченная биомасса. Согласно предпочтительному варианту реализации биомасса содержит тонко измельченную лигноцеллюлозу. Одним из примеров указанной тонко измельченной лигноцеллюлозы являются древесные опилки. Другие примеры помимо прочего включают древесину, злаковые растения, морские водоросли или органические отходы, размолотые отходы сельскохозяйственного производства, такие как солома, целлюлозную часть городских отходов, размолотые отходы лесоводства или сельского хозяйства, зерновые культуры, выращенные специально для такой обработки, и различные неокультуренные растения, в частности, произвольно произрастающие на неиспользуемых землях.

Согласно одному варианту реализации прямой электромагнитной энергией является электромагнитная энергия с увеличенной длиной волны. Согласно предпочтительному варианту реализации электромагнитной энергией с увеличенной длиной волны является микроволновая энергия. Согласно одному варианту реализации микроволновая энергия имеет диапазон частот от примерно 900 МГ ц до примерно 3 ГГц. Типичные частоты используемой электромагнитной энергии находятся в диапазоне между примерно 900 и примерно 1000 МГц, а также между примерно 2 и примерно 3 ГГц. Согласно предпочтительному варианту реализации частота микроволнового излучения может находиться в одном из промышленного, научного и медицинского (Ι8Μ) диапазонов для промышленного нагревания. Диапазоны ΙδΜ для промышленного нагревания включают частоты примерно 896, 915, примерно 922 и примерно 2450 МГц. Другие частоты, которые также могут быть подходящими, например, включают примерно 13, примерно 27, примерно 40 МГц и примерно 5ГГц.

Температура формирования активированного угля находится в диапазоне между 450 и 1300°С, предпочтительно между 550 и 900°С, причём температурой управляют путём управления приложенной энергией.

Нагрев биомассы осуществляют за счет прямого поглощения микроволновой энергии, и также поглощения вторичной энергии излучения черного тела. Излучение черного тела генерируют путём приложения микроволновой энергии к электрически проводящему углеродсодержащему слою, осажденному на внутренней части реакционного контейнера, который раскален от красного цвета до желтого, или за счет плазмы, возбужденной микроволновой энергией, или то и другое вместе. Согласно одному варианту реализации указанное вторичное излучение черного тела происходит при непрерывно устойчивых уровнях энергии.

Время нагрева зависит от отношения приложенной энергии к массе углесодержащего материала и может составлять от примерно 1 мин до примерно 5 ч, но предпочтительно составляет от примерно 10 мин до примерно 1 ч.

Внутренняя часть электромагнитной камеры может находиться под повышенным давлением или под пониженным давлением, однако, предпочтительным является использование примерно атмосферного давления.

Внутренняя часть реакционного контейнера может находиться под повышенным давлением или под пониженным давлением, однако, предпочтительно использование примерно атмосферного давления.

- 8 027604

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому вводят добавленный газ во внутреннюю часть реакционного контейнера.

Добавленным газом предпочтительно является любой газ, который по существу не реагирует с углеродом при указанных условиях или реагирует, но только медленно и при повышенных температурах. Примеры таких инертных газов включают помимо прочего азот, аргон, неон и гелий. Примеры слабореагирующих газов включают двуокись углерода, моноокись углерода и озон.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включающий этап, согласно которому предварительно обрабатывают биомассу перед этапом (а), причём согласно указанному этапу предварительной обработки нагревают биомассу в воде при давлении примерно 25-165 бар (25· 10⁵-165-10⁵ Па) и температуре между примерно 230 и примерно 350°С.

Согласно одному варианту реализации перед этапом предварительной обработки в воду добавляют кислотный катализатор.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому механически прессуют предварительно обработанную биомассу для удаления избыточной воды.

В восьмом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен активированный уголь, выработанный способом, описанным в седьмом аспекте.

В девятом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способ обработки биомассы, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут биомассу, (b) берут микроволновый поглотитель, (c) берут электромагнитную камеру, выполненную с возможностью ограничения и удерживания в себе области электромагнитной энергии, (б) берут реакционный контейнер, выполненный с возможностью ограничения и удерживания в себе твердых частиц, жидкостей и газов, (е) вводят реакционный контейнер в электромагнитную камеру, (Г) вводят биомассу в реакционный контейнер, (д) вводят микроволновый поглотитель в реакционный контейнер, (П) вводят добавленный газ в реакционный контейнер, (ί) прикладывают электромагнитную энергию к электромагнитной камере, реакционному контейнеру и размещенному в нем микроволновому поглотителю при уровнях энергии, при которых микроволновый поглотитель принимает прямую электромагнитную энергию,

(]) выпускают тепло из микроволнового поглотителя в добавленный газ таким образом, что указанный добавленный газ вырабатывает плазму, которая образует поле излучения, и (к) подвергают биомассу воздействию указанного поля излучения таким образом, что из биомассы вырабатывается активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому берут реакционный контейнер, выполненную с возможностью размещения в ней биомассы, и вводят указанный реакционный контейнер в электромагнитную камеру. Согласно данному варианту реализации биомассу вводят в реакционный контейнер.

Согласно одному варианту реализации электромагнитная камера содержит огнеупорные материалы. Огнеупорные материалы, по меньшей мере, частично окружают реакционную камеру. Согласно одному варианту реализации огнеупорный материал окружает реакционную камеру.

Согласно одному варианту реализации реакционный контейнер выполнен с возможностью содержания продуктов химической реакции, выработанных в результате подвергания биомассы воздействию поля излучения.

Согласно одному варианту реализации биомасса подвергается воздействию электромагнитной энергии, так что указанная биомасса поглощает электромагнитную энергию, не поглощенную микроволновым поглотителем.

Согласно другому варианту реализации биомасса расположена таким образом, что не поглощает электромагнитную энергию, не поглощенную микроволновым поглотителем. Биомасса может быть размещена во втором реакционном контейнере и может не подвергаться воздействию электромагнитной энергии. Согласно данному варианту реализации продукты пиролиза, сгенерированные биомассой, размещенной во втором реакционном контейнере, не формируют электрически проводящий слой на стенках первого реакционного контейнера (как описано в седьмом аспекте настоящего изобретения), поглощающий энергию электромагнитного поля, что обеспечивает возможность увеличения энергии для поддерживания плазмы.

Согласно одному варианту реализации после этапа П) микроволновый поглотитель экранируют от электромагнитного поля за счет инициирования плазмы для обеспечения возможности увеличения энергии для поддерживания плазмы.

Согласно одному варианту реализации после этапа П) управляют уровнями электромагнитной энер- 9 027604 гии и/или расходом добавленного газа для управления местом возбуждения и интенсивностью плазмы.

Согласно одному варианту реализации после этапа 1ι) регулируют состав добавленного газа для управления свойствами и скоростью химической реакции с подвергаемыми воздействию поверхностями углесодержащего материала.

Согласно одному варианту реализации биомассу подвергают воздействию указанных энергетических полей на период времени, обеспечивающий максимальный выход сформированного активированного угля или повторно обогащенного углеродом угля, причём указанный период времени зависит от отношения уровней энергии к массе углесодержащего материала.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому прекращают подвергать биомассу воздействию микроволновой энергией, после чего биомассу удаляют из устройства и собирают.

Согласно одному варианту реализации плазма формируется добавленным газом, который нагревается микроволновым поглотителем в достаточной степени для частичной ионизации газа, после чего газовая фаза становится электрически проводящей, и электромагнитное поле связывается с электрически проводящей газовой фазой, возбуждающей плазму.

Согласно одному варианту реализации добавленный газ пропускают сквозь биомассу и удаляют сквозь выходную трубу с одновременным удалением летучих компонентов, которые вырабатываются в результате приложения электромагнитной энергии к биомассе.

Согласно одному варианту реализации добавленный газ подают в реакционный контейнер с заданным расходом. Указанный расход может быть задан для управления давлением внутри реакционного контейнера, а также скорость удаления бионефти в обратной пропорции к осаждению пиролитического углерода на стенках реакционного контейнера.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому собирают неконденсированные газы, выпущенные из биомассы в результате приложения электромагнитной энергии к биомассе. Согласно одному варианту реализации неконденсированные газы отбирают в подходящий резервуар.

Согласно другому варианту реализации вводят водяной пар в добавленный газ.

Согласно одному варианту реализации биомассой является измельченная биомасса. Согласно предпочтительному варианту реализации биомасса содержит тонко измельченную лигноцеллюлозу. Одним из примеров указанной тонко измельченной лигноцеллюлозы являются древесные опилки. Другие примеры помимо прочего включают древесину, злаковые растения, морские водоросли или органические отходы, размолотые отходы сельскохозяйственного производства, такие как солома, целлюлозную часть городских отходов, размолотые отходы лесоводства или сельского хозяйства, зерновые культуры, выращенные специально для такой обработки, и различные неокультуренные растения, в частности произвольно произрастающие на неиспользуемых землях.

Согласно одному варианту реализации биомассой является полубитуминозный, битуминозный или беспламенный уголь.

Согласно одному варианту реализации прямой электромагнитной энергией является электромагнитная энергия с увеличенной длиной волны. Согласно предпочтительному варианту реализации электромагнитной энергией с увеличенной длиной волны является микроволновая энергия. Согласно одному варианту реализации микроволновая энергия имеет диапазон частот от примерно 900 МГ ц до примерно 3 ГГц. Типичные частоты используемой электромагнитной энергии находятся в диапазоне между примерно 900 и примерно 1000 МГц, а также между примерно 2 и примерно 3 ГГц. Согласно предпочтительному варианту реализации частота микроволнового излучения может находиться в одном из промышленного, научного и медицинского (Ι8Μ) диапазонов для промышленного нагревания. Диапазоны ΙδΜ для промышленного нагревания включают частоты примерно 896, 915, примерно 922 и примерно 2450 МГц. Другие частоты, которые также могут быть подходящими, например, включают примерно 13, примерно 27, примерно 40 МГц и примерно 5 ГГц.

Температура формирования активированного угля находится в диапазоне между 450 и 1300°С, предпочтительно между 550 и 900°С.

Температура формирования повторно обогащенного углеродом угля находится в диапазоне между 450 и 1300°С, предпочтительно между 600 и 900°С.

Температура реакции управляют путём управления приложенной микроволновой энергией.

Нагрев биомассы осуществляют за счет прямого поглощения микроволновой энергии, и также поглощения вторичной энергии излучения черного тела. Излучение черного тела сгенерировано плазмой, возбужденной микроволновой энергией. Нагрев биомассы осуществляют за счет прямого поглощения

- 10 027604 микроволновой энергии, и также поглощения вторичной энергии излучения черного тела.

Внутренняя часть электромагнитной камеры может находиться под повышенным давлением или под пониженным давлением, однако, предпочтительно использование примерно атмосферного давления.

Внутренняя часть реакционного контейнера может находиться под повышенным давлением или под пониженным давлением, однако, предпочтительным является использование примерно атмосферного давления.

Добавленным газом предпочтительно является любой газ, который, по существу, не реагирует с углеродом при указанных условиях или реагирует, но только медленно и при повышенных температурах. Примеры таких инертных газов включают помимо прочего азот, аргон, неон и гелий. Примеры слабореагирующих газов включают двуокись углерода, моноокись углерода, озон и водяной пар.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включающий этап, согласно которому предварительно обрабатывают биомассу перед этапом (а), причём согласно указанному этапу предварительной обработки нагревают биомассу в воде при давлении примерно 25-165 бар (25-10⁵-165-10⁵ Па) и температуре между примерно 230 и примерно 350°С.

Согласно одному варианту реализации реакционный контейнер выполнен с возможностью содержания в нем добавленного газа.

В десятом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен активированный угль и/или повторно обогащенный углеродом уголь, выработанные способом, описанным в девятом аспекте.

В одиннадцатом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен активированный угль и/или повторно обогащенный углеродом уголь, выработанные путём приложения электромагнитной энергии к биомассе, причём указанные активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь характеризуются содержанием углерода по меньшей мере примерно 88%.

Согласно одному варианту реализации активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь имеют содержание углерода по меньшей мере примерно 90%, предпочтительно по меньшей мере примерно 95%.

Согласно одному варианту реализации активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь имеют содержание водорода меньше чем примерно 1%, предпочтительно меньше чем примерно 0,3%.

Согласно одному варианту реализации активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь имеют содержание азота меньше чем примерно 1%, предпочтительно меньше чем примерно 0,4%.

Согласно одному варианту реализации активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь имеют содержание серы меньше чем примерно 0,4%, предпочтительно меньше чем примерно 0,3%.

Согласно одному варианту реализации активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь имеют высшую теплотворную способность больше чем примерно 30 МДж/кг, предпочтительно примерно 33 МДж/кг.

Согласно одному варианту реализации активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь имеют потери из-за влажности меньше чем примерно 2%, предпочтительно примерно 1,1%.

Согласно одному варианту реализации электромагнитная энергия содержит микроволновую энергию. Микроволновое излучение предпочтительно имеет диапазон частот, подобный диапазону, описанному выше в отношении седьмого аспекта.

Согласно одному варианту реализации активированный уголь и/или повторно обогащенный углеродом уголь вырабатывают при подвергании биомассы воздействию вторичной электромагнитной энергией поля излучения черного тела с одновременным приложением прямой электромагнитной энергии.

Согласно одному варианту реализации биомассой является растительный материал. Согласно другому варианту реализации биомассой может быть любая биомасса, подходящая для преобразования в древесный уголь. Растительный материал может содержать древесину, злаковые растения, морские водоросли или органические отходы. Согласно предпочтительному варианту реализации в качестве растительного материала используют сосну лучистую (Ршиз РаФаШ). Согласно другому варианту реализации биомассой является полубитуминозный пламенный уголь.

В двенадцатом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способ, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут биомассу, (b) берут электромагнитную камеру, выполненную с возможностью ограничения и содержания в

- 11 027604 себе области электромагнитной энергии, (с) вводят биомассу в электромагнитную камеру, (ά) прикладывают электромагнитную энергию к электромагнитной камере и размещенной в ней биомассе при уровнях энергии, при которых биомасса принимает прямую электромагнитную энергию и вторичную электромагнитную энергию, выработанную полем излучения черного тела, (е) подвергают биомассу воздействию вторичной электромагнитной энергией, выработанной полем излучения черного тела, с одновременным приложением прямой электромагнитной энергии таким образом, что из биомассы формируется активированный уголь, и (ί) используют активированный уголь для изготовления стали.

Двенадцатый аспект может содержать один или большее количество признаков, описанных выше в отношении седьмого или девятого аспектов.

В тринадцатом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способ обработки биомассы, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут биомассу, (b) берут микроволновый поглотитель, (c) берут электромагнитную камеру, выполненную с возможностью ограничения и содержания в себе область электромагнитной энергии, (ά) вводят контейнер с биомассой в электромагнитную камеру, (е) вводят микроволновый поглотитель в реакционный контейнер, (ί) прикладываю электромагнитную энергию к электромагнитной камере и размещенному в ней микроволновому поглотителю при уровнях энергии, при которых микроволновый поглотитель принимает прямую электромагнитную энергию, (д) выпускают тепло из микроволнового поглотителя в добавленный газ таким образом, что указанный добавленный газ вырабатывает плазму, образующую область излучения, (Ь) подвергают биомассу воздействию указанного поля излучения таким образом, что из биомассы формируется повторно обогащенный углеродом уголь, и (ί) используют указанный повторно обогащенный углеродом уголь для изготовления стали.

Тринадцатый аспект может содержать один или большее количество признаков, описанных выше в отношении седьмого или девятого аспектов.

В четырнадцатом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способ обработки биомассы, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут биомассу, (b) берут электромагнитную камеру, выполненную с возможностью ограничения и содержания в себе области электромагнитной энергии, (c) берут реакционный контейнер, выполненный с возможностью размещения в нем и содержания исходной биомассы и обработанной биомассы, (ά) вводят реакционный контейнер в электромагнитную камеру, (е) вводят микроволновый поглотитель в реакционный контейнер, (ί) прикладывают электромагнитную энергию к электромагнитной камере, биомассе и микроволновому поглотителю, размещенному в указанной камере, при уровнях энергии, при которых микроволновый поглотитель принимает прямую электромагнитную энергию, (д) выпускают тепло из микроволнового поглотителя в добавленный газ таким образом, что указанный добавленный газ вырабатывает плазму, образующую область излучения, и (Ь) подвергают биомассу воздействию поля излучения таким образом, что из биомассы формируется коксовый орешек.

Четырнадцатый аспект может содержать один или большее количество признаков, описанных выше в отношении седьмого или девятого аспектов.

В пятнадцатом аспекте настоящего изобретения в широком смысле предложен способе обработки биомассы, включающий этапы, согласно которым:

(a) берут обработанную биомассу в форме древесного угля, (b) берут электромагнитную камеру, выполненную с возможностью ограничения и содержания в себе области электромагнитной энергии, (c) берут реакционный контейнер, (ά) вводят контейнер с биомассой в электромагнитную камеру, (е) вводят микроволновый поглотитель в реакционный контейнер, (ί) вводят реакционный контейнер в электромагнитную камеру;

(д) вводят микроволновый поглотитель в реакционный контейнер, (Ь) прикладывают электромагнитную энергию к электромагнитной камере, биомассе и микроволновому поглотителю, размещенному в указанном контейнере, при уровнях энергии, при которых микроволновый поглотитель принимает прямую электромагнитную энергию, (ί) выпускают тепло из микроволнового поглотителя в добавленный газ таким образом, что указанный добавленный газ вырабатывает плазму, образующую область излучения, и

- 12 027604 (ί) подвергают биомассу воздействию поля излучения таким образом, что из биомассы формируется графитовый углерод.

Пятнадцатый аспект может содержать один или большее количество признаков, описанных выше в отношении седьмого или девятого аспектов.

Термин содержащий, использованный в настоящем описании, означает состоящий, по меньшей мере, частично из; т.е. при интерпретации утверждений, сделанных в настоящем описании, которые включают термин содержащий, все признаки, которым предшествует данный термин, должны присутствовать в каждом утверждении, но также могут присутствовать и другие признаки. Связанные термины, такие как содержит и состоит из, также должны интерпретироваться подобным образом.

Настоящее изобретение в широком смысле также может рассматриваться как состоящее из частей, элементов и признаков, перечисленных или обозначенных в описании заявки индивидуально или все вместе, а также любых или всех комбинаций любых двух или большего количества указанных частей, элементов или признаков; и если в настоящей заявке указаны конкретные целые числа, которые имеют известные эквиваленты в уровне техники, к которому относится настоящее изобретение, такие известные эквиваленты должны быть включены в настоящую заявку как индивидуально сформулированные.

Использованный в настоящей заявке суффикс (8) после существительного означает множественную и/или исключительную форму этого существительного.

Использованный в настоящей заявке термин и/или означает и или или или то и другое вместе, если контекст допускает такую возможность.

Имеется в виду, что ссылка на диапазон чисел, указанных в настоящей заявке (например, 1-10), также, включает ссылку на все рациональные числа в этом диапазоне (например, 1; 1,1; 2; 3; 3,9; 4; 5; 6; 6,5; 7; 8; 9 и 10), а также на любой диапазон рациональных чисел в этом диапазоне (например, 2-8; 1,55,5 и 3,1-4,7) и, таким образом, все поддиапазоны всех диапазонов, однозначно указанные в настоящей заявке, настоящим являются однозначно описанными. Они являются только примерами того, что в частности может быть использовано, и все возможные комбинации числовых значений между указанными самым низким значением и самым высоким значением следует считать однозначно сформулированными в настоящей заявке подобным образом.

Настоящее изобретение состоит из конструкций, описанных выше, а также предполагает конструкции, из которых описанные ниже являются только примерами.

Определения

Термин активированный уголь означает любой материал, который, по существу, состоится только из углерода, и для которого один грамм материала имеет площадь поверхности примерно 500 м² или больше, вычисленную адсорбцией азота в стандартном испытании по методу БЭТ.

Термин повторно обогащенный углеродом уголь означает любой материал, который в основном состоит из углерода и имеет содержание связанного углерода >88%, содержание летучих веществ <1%, влагосодержание <2%, зольность <5%, содержание азота <1%, содержание серы <0,4%, теплотворную способность >3028 МДж/кг и содержание водорода <1%.

Термин коксовый орешек означает любой материал, который в основном состоит из углерода и имеет содержание связанного углерода >84% (на сухой вес), содержание серы <0,5%, содержание азота <0,5%, содержание летучих веществ <2%, влагосодержание <10% и зольность <13%. Коксовый орешек используется в качестве топлива для улучшения нагрева в процессе изготовления стали.

Термин биомасса, использованный в настоящем описании, относится к материалу растительного происхождения, включая материал, подвергнутый обработке. Термин биомасса, использованный в настоящем описании, также может относиться к полубитуминозному, битуминозному или беспламенному углям, включая угли, подвергнутые обработке.

Термин уменьшенный размер, включая любую другую глагольную форму, означает, что материал, описанный таким образом, присутствует в частицах, размер которых меньше, чем у исходного материала. Согласно одному варианту реализации такое уменьшение размера включает преобразование биомассы до частиц величиной 1 см в любом измерении или уменьшение любым способом, включая помимо прочего разрезание, перемалывание, измельчение или дополнительное измельчение, например, изготовление древесных опилок во время фрезерования древесины.

Для специалистов в области техники, к которой относится настоящее изобретение, могут быть очевидными различные изменения в конструкции и широко толкуемых различных вариантах реализации и случаях применения настоящего изобретения без отступления от объема защиты настоящего изобретения, определенного в пунктах приложенной формулы. Все раскрытия и описания в настоящей заявке являются просто иллюстративными и не предназначены служить ограничением в любом смысле. В случаях, когда в настоящей заявке указаны конкретные целые числа, которые имеют известные эквиваленты

- 13 027604 в области техники, к которой относится настоящее изобретение, такие известные эквиваленты должны считаться включенными в настоящую заявку как индивидуально сформулированные.

Использованный в настоящей заявке суффикс (8) после существительного означает множественную и/или исключительную форму этого существительного. Использованный в настоящей заявке термин и/или означает и или или или то и другое вместе, если контекст допускает такую возможность.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение описано только в качестве примера и показано на сопроводительных чертежах, на которых на фиг. 1 схематически показано устройство согласно первому предпочтительному варианту реализации для осуществления способа согласно настоящему изобретению;

на фиг. 2 схематически показан регулируемый волновод согласно предпочтительному варианту реализации;

на фиг. 3 показан вид спереди устройства согласно второму предпочтительному варианту реализации;

на фиг. 4 - разрез устройства по линии А-А, показанной на фиг. 3;

на фиг. 5 - блок-схема способов согласно предпочтительным вариантам реализации изобретения; на фиг. 6 - подробный разрез точки отбора газа/введения транспортирующего газа устройства; на фиг. 7 схематически показан разрез второго устройства, подходящего для осуществления способа согласно настоящему изобретению;

на фиг. 8 показан вид сбоку устройства, показанного на фиг. 7;

на фиг. 9 - частичный перспективный вид выходного конца устройства, показанного на фиг. 7, с удаленной задней пластиной и частично удаленным реакционным контейнером;

на фиг. 10 - перспективный вид устройства, показанного на фиг. 7;

на фиг. 11 схематически показан разрез устройства согласно второму варианту реализации для осуществления способа согласно настоящему изобретению;

на фиг. 12 показан разрез гидротермального устройства.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 схематически показан первый предпочтительный вариант реализации устройства 1 для обработки биомассы или органического материала, и на фиг. 3, 4 и 7 показан второй предпочтительный варианта реализации устройства для обработки биомассы. Признаки и работа устройства согласно второму предпочтительному варианту реализации, если они не описаны, идентичны признакам и работе устройства согласно первому предпочтительному варианту реализации.

Устройство содержит корпус или электромагнитную камеру 3, вращающуюся трубу или реакционный контейнер 5, электромагнитный генератор в форме микроволнового генератора 7 и волновода 9, волноводный согласователь 208 импеданса и генератор вакуума или насос 49.

В настоящем изобретении для преобразования биомассы, такой как древесная биомасса, в древесный уголь и жидкий и/или газообразный побочный продукт использована микроволновая технология. Если микроволновую энергию прикладывают к биомассе, микроволновая энергия абсорбируется и преобразуется в тепло способом, который косвенно может ускорять выбранные химические реакции возбуждающими изгибными модами, которые приближают молекулу к конкретным переходным состояниям реакции. Общий результат состоит в том, что микроволновая энергия может способствовать формированию выбранных продуктов из широкого диапазона материалов, являющихся результатом теплового возбуждения.

В древесном угле углерод становится фиксированным и может храниться длительное время (>10³лет), если ничто не вызывает освобождение углерода назад в атмосферу. Для сравнения, исходный растительный материал разлагается относительно легко, что в целом делает его подходящим только для краткосрочного хранения. Таким образом, связывание газов углерода в древесном угле, в отличие от необработанного растительного материала, увеличивает время их хранения. Путем использования микроволн биомасса, такая как растительная биомасса, может быть преобразована в древесный уголь энергосберегающим способом.

Во время этого процесса жидкий и/или газообразный побочный продукт испускается из биомассы. Жидкость может испускаться в жидкой или паровой фазе. Жидкие и/или газообразные побочные продук- 14 027604 ты, испущенные биомассой, содержат жидкий и/или газообразный побочный продукт, известный как бионефти или гудроны. Жидкость предпочтительно извлекают из биомассы в результате приложения к ней микроволнового излучения. Жидкость является побочным продуктом процесса, в результате которого вырабатывается древесный уголь биомассы путём передачи электромагнитной энергии в биомассу. Жидкий и/или газообразный побочный продукт содержит различные продукты, включая подходящий для использования побочный продукт в форме биологического топлива или добавки для биологического топлива.

Как показано на фиг. 1, вращающаяся труба 5 размещена в корпусе 3 и выполнена с возможностью вращения внутри указанного корпуса. Вращающаяся труба предпочтительно представляет собой кварцевую трубу, в частности выполненную из плавленого кварца высокой чистоты. Вращающаяся труба 5 имеет входной конец 11 для приема необработанной биомассы, и выходной конец 17, которые соответствуют входному отверстию и выходному отверстию трубы 5. Диаметр трубы является достаточным для обеспечения возможности относительно свободного перемещения и переворачивания биомассы в трубе без комкования. Загрузка биомассы определяется источником энергии, а диаметр трубы выбран или сконструирован с обеспечением возможности свободного переворачивания биомассы при максимальной загрузке.

Как показано на фиг. 1, питающая концевая пластина может быть расположена поверх входного конца корпуса 3, и нагнетательная концевая пластина может быть расположена поверх выходного конца корпуса. Питающая концевая пластина выполнена с обеспечением возможности введения необработанной биомассы в трубу из питающего бункера 23. Как показано схематически на фиг. 1, питающий бункер 23 подает необработанную биомассу непосредственно во вращающуюся трубу 5. Согласно другому варианту реализации питающий бункер может подавать материал во входное отверстие посредством подходящих каналов или трубопроводов. Как показано на фиг. 4, устройство содержит шнек 24 для питающей подачи необработанной биомассы во вращающуюся трубу 5. Биомасса может вводиться в трубу непрерывно или периодически.

Нагнетательная концевая пластина выполнена с обеспечением возможности введения микроволновой энергии в трубу посредством волновода 9. Нагнетательная концевая пластина предпочтительно является кварцевой пластиной. Устройство содержит перегородку между волноводом и корпусом 3. В показанном на чертеже предпочтительном варианте реализации древесный уголь выпускают из выходного конца трубы посредством трубопровода или канала, ведущего к накопительному бункеру 23. Согласно показанному на чертеже предпочтительному варианту реализации древесный уголь падает в бункер гравитационным способом. Накопительный бункер представляет собой герметичный контейнер с перемежающимися воздушными шлюзами для обеспечения возможности непрерывного удаления обработанного продукта. Как показано на фиг. 4, устройство содержит шаровой клапан, которым управляют как поворотным краном, причём указанный шаровой клапан расположен в просвете трубопровода между трубой 5 и накопительным бункером. Клапан содержит диск в шаре, который обеспечивает площадку для удерживания обработанного материала.

Как показано на фиг. 1, вращающаяся труба 5 расположена под углом относительно горизонтальной оси Н. Угол наклона вращающейся трубы 5 относительно горизонтальной оси регулируется для управления скоростью обработки биомассы. Угол наклона трубы, например, может быть отрегулирован между примерно 3 и примерно 30°.

Согласно показанному на чертеже предпочтительному варианту реализации корпус 3 и труба 5 имеют наклон относительно горизонтальной оси Н, причём угол наклона трубы 5 относительно корпуса 3 является фиксированным. Для регулирования угла наклона вращающейся трубы 5 относительно горизонтальной оси регулируют угол наклона корпуса 3. Согласно предпочтительному варианту реализации корпус 3 установлен на четырех регулируемых опорах 25, которые обеспечивают возможность наклона устройства. Угол наклона регулируют изменением высоты опор 25 корпуса. Высота и угол наклона могут быть отрегулированы вручную или автоматически посредством управляющей системы.

Согласно другому варианту реализации корпус 3 может быть неподвижным компонентом, а угол наклона вращающейся трубы 5 относительно горизонтальной оси может быть задан путём регулировки угла наклона вращающейся трубы 5 относительно корпуса.

Вращающаяся труба 5 является, по существу, герметичной по давлению и по существу герметичной по микроволновому излучению. Устройство содержит изолирующий материал 27, окружающий вращающуюся трубу. Материал, используемый для изолирования наружных поверхностей вращающейся трубы 5, предпочтительно является стеклянным волокном. Однако изолирующий материал может быть любым, по существу, непроводящим изолирующим материалом, который, например, является подходящим для использования при температурах больше чем примерно 300°С. Изолирующий материал, использованный в местах, которые подвергаются воздействию микроволновой энергией, предпочтительно имеет те же тепловые свойства, что и материал, используемый на наружных поверхностях (как указано выше), а также дополнительно отличается низкими диэлектрическими потерями. Например, некоторое количество изолирующего материала с низкими диэлектрическими потерями размещено перед перегородкой, отделяющей волновод от вращательной трубы. Волноводная перегородка выполнена из жесткого

- 15 027604 материала с низкими диэлектрическими потерями, например такого как чистый кварц или керамика.

Электрический контакт и целостность конструкции между неподвижными концевыми пластинами и вращающейся трубой поддерживаются посредством микроволновых ослабляющих четвертьволновых дросселей.

Микроволновый генератор 7 связан с вращающейся трубой 5 для приложения или передачи электромагнитной энергии вращающейся трубе 5 и размещенной в ней биомассе. Микроволновый генератор 7 выполнен с возможностью генерирования электромагнитного излучения. Предпочтительно указанное электромагнитное излучение осуществляется в сверхвысокочастотном (СВЧ) или ультрасверхвысокочастотном (УСВЧ) диапазоне частот, которые являются типичными для микроволн. Согласно предпочтительному варианту реализации микроволновый генератор 7 генерирует микроволновое излучение в подходящем диапазоне частот. Микроволновый генератор 7 генерирует в диапазоне частот от примерно 900 МГц до примерно 3 ГГц. Типичные частоты используемой электромагнитной энергии находятся в диапазоне между примерно 900 и примерно 1000 МГц, и между примерно 2 и примерно 3 ГГц. Согласно предпочтительному варианту реализации частота микроволнового излучения может находиться в одном из промышленного, научного и медицинского (Ι8Μ) диапазонов для промышленного нагревания. Диапазоны ΙδΜ для промышленного нагревания включают частоты примерно 915, примерно 922 и примерно 2450 МГц. Другие частоты, которые также могут быть подходящими, например, включают примерно 13, примерно 27 и примерно 40 МГц.

Электромагнитное излучение вырабатывается любым подходящим устройством. Подходящее устройство включает ламповый триод, клистрон и магнетрон, а также, например, твердотельные диоды и твердотельные транзисторы.

Как показано на фиг. 1, микроволновое излучение, генерируемое микроволновым генератором 7, направлено в электромагнитную камеру волноводом 9. Волновод представляет собой полую металлическую трубу для передачи микроволнового излучения от микроволнового генератора в электромагнитную камеру. Согласно другому варианту реализации микроволновое излучение, генерируемое микроволновым генератором 7, передают в электромагнитную камеру посредством коаксиального кабеля и излучают в электромагнитной камере 3 посредством антенной конструкции. Коаксиальным кабелем является электрический кабель с внутренним проводником, окруженным жестким или гибким, трубчатым изолирующим слоем, который в свою очередь окружен трубчатым электрически проводящим экраном. Реакционный контейнер 5 и биомасса 108 размещены в электромагнитной камере и подвергаются воздействию микроволнового излучения, генерируемого микроволновым генератором 7.

Угол наклона волновода регулируется в соответствии с возможностью регулирования угла наклона вращающейся трубы 5. Волновод 9 имеет первую горизонтальную часть 29, проходящую от микроволнового генератора 7, и вторую часть 31, проходящую от первой части к вращающейся трубе 5. Вторая часть 31 проходит в направлении от первой части 29 под углом В относительно первой части. Угол В соответствует углу наклона вращающейся трубы. Угол наклона второй части 31 относительно первой части 29 может быть отрегулирован. Вторая часть функционально соединена с первой частью посредством соединительной части 33, которая обеспечивает возможность шарнирного перемещения первой части и второй части относительно друг друга.

Согласно показанному на чертеже предпочтительному варианту реализации волновод 9 представляет собой полый металлический компонент, имеющий прямоугольное сечение. Соединительная часть 33 также имеет соответствующее прямоугольное сечение. Как показано на фиг. 2, соединительная часть сформирована двумя наборами боковых пластин 35а, 35Ь и двумя отклоняющими пластинами 37. Наборы боковых пластин 35а, 35Ь формируют левую и правую стороны соединительной части 33, а отклоняющие пластины 37 формируют верхнюю и нижнюю стороны соединительной части. Согласно одному варианту реализации устройство может заканчиваться согласованной нагрузкой для поглощения остаточной энергии, не поглощенной биомассой, и предотвращения формирования стоячей волны вдоль реактора. Согласованная нагрузка может быть выполнена в форме волноводной водяной поглощающей нагрузки, которая имеет импеданс примерно 50 Ом на рабочей частоте (частоте микроволнового генератора). Предпочтительно водяная поглощающая нагрузка оснащена датчиком электрического поля, передающего данные детектору, для обнаружения и измерения количества энергии, не поглощенной биомассой.

Согласно одному варианту реализации реакционный контейнер может быть окружен поглощающим материалом с некоторой диэлектрической постоянной для увеличения напряженности электрического поля вдоль центральной оси реактора, в котором биомасса переворачивается и подвергается воздействию концентрированного электрического поля. Предпочтительно указанный материал, например, имеет диэлектрическую постоянную больше чем 20.

Отклоняющие пластины 37 могут быть выполнены из жесткого или упругого проводящего материала. При изменении угла между первой частью 29 и второй частью 31 волновода отклоняющие пластины перемещаются для поддерживания контакта с трубчатыми секциями. Отклоняющие пластины могут быть не соединены с боковыми пластинами, если имеется надлежащий контакт с обеих сторон отверстия между трубчатыми секциями. Отклоняющие пластины 37 формируют экран для микроволн и про- 16 027604 водник для любых циркулирующих токов, возвращающихся вдоль указанных секций.

Соединительная часть 33 также имеет ось 39, проходящую между наборами боковых пластин 35а, 35Ь, которая обеспечивает возможность шарнирного поворота первой части 29 и второй части 31 соединительной части относительно друг друга. Кроме того, в каждом наборе боковых пластин одна боковая пластина имеет одну или две механически обработанные изогнутые прорези 41, имеющие одинаковый радиус. Другая боковая пластина имеет одно или два отверстия 43, соответствующие изогнутым прорезям. Крепежный элемент (не показан) проходит сквозь одну из изогнутых прорезей и одно из отверстий для соединения боковых пластин вместе с одновременным регулированием положения боковых пластин относительно друг друга. Регулирование взаимного положения боковых пластин включает регулирование угла между первой и второй частями. Соединенные вместе, боковые пластины образуют жесткую стенку, непропускающую микроволны.

Волновод 9 выполнен из подходящего материала. Волновод, например, может быть выполнен из проводящих или диэлектрических материалов.

Согласно показанному на чертеже предпочтительному варианту реализации волновод также содержит регулируемое согласующее устройство. Согласующее устройство используют для согласования волнового сопротивления реактора, содержащего биомассу (нагрузку), с волновым сопротивлением электромагнитного генератора (источника). Путём согласования импедансов источника и нагрузки может быть достигнута оптимальная передача энергии в биомассу. Согласующее устройство может быть отрегулировано вручную или автоматически управляющей системой.

Устройство также содержит систему для удаления и сбора бионефти, испускаемой в паровой или газообразной форме. В частности, устройство может содержать систему для извлечения пара/газа, которая может содержать источник транспортирующего газа в форме находящегося под повышенным давлением контейнера 47, конденсор и регуляторы давления. Находящийся под повышенным давлением контейнер может подавать транспортирующий газ во внутреннюю часть вращающейся трубы 5. Транспортирующим газом является инертный газ, включая, например, углекислый газ, аргон или азот. Транспортирующий газ может переносить бионефть в газообразной/паровой форме из внутренней части трубы в конденсор. Затем транспортирующий газ может быть возвращен назад в трубу для непрерывного переноса газов в конденсор. Указанная система для извлечения газа может быть замкнутой системой.

Как показано на фиг. 4 и 6, устройство содержит первую точку отбора газа/введения транспортирующего газа рядом с входным концом корпуса 3. В частности, устройство содержит первую трубу 45 для отбора газа/введения транспортирующего газа, которая проходит сквозь корпус 3 и вал 24а шнека во вращающуюся трубу 5.

Как показано на фиг. 4, устройство содержит вторую трубу 46 для отбора газа/введения транспортирующего газа рядом с выходным концом корпуса 3. Каждая из первой и второй труб 45, 46 для отбора газа/введения транспортирующего газа предпочтительно является кварцевой трубой, в частности трубой из плавленого кварца высокой чистоты. Каждая из первой и второй труб 45, 46 для отбора газа/введения транспортирующего газа может быть использована для подачи транспортирующего газа во вращающуюся трубу или удаления транспортирующего газа и бионефти, испускаемой в паровой или газообразной форме. Такая конструкция обеспечивает возможность изменения направления потока транспортирующего газа.

В показанном на чертеже варианте реализации первая труба 45 для отбора газа/введения транспортирующего газа содержит гидравлическое уплотнение 51.

Как показано на фиг. 6, гидравлическое уплотнение 51 является быстросъёмным механическим уплотнением на основе графита, которое в случае необходимости обеспечивает возможность выдвигания или втягивания трубы для отбора газа/введения транспортирующего газа внутри вращающейся кварцевой трубы 5. Гидравлическое уплотнение 51 содержит графитовый материал 51а для набивки сальников, снабженную резьбой запирающую крышку 51Ь, которая обеспечивает возможность сжатия материала для набивки сальника, и шайбу 51с.

Перед работой устройства 1 гидравлическое уплотнение 51 ослабляют и затем трубу перемещают в необходимое положение во вращающейся кварцевой трубе 5. Затем гидравлическое уплотнение 51 повторно зажимают, что обеспечивает герметичное уплотнение для воздуха/воды вокруг трубы для отбора газа/введения транспортирующего газа.

Труба для отбора газа/введения транспортирующего газа проходит внутри вала 24а шнека. Труба для отбора газа/введения транспортирующего газа не вращается вместе с валом 24а шнека, но удерживается неподвижно редуктором и фланцем 53. Механическое уплотнение вращается вместе со шнеком 24. Сальниковый узел имеет наружную резьбу 51е для взаимодействия с соответствующей внутренней резьбой вала 24а шнека. Гидравлическое уплотнение 51 обеспечивает возможность извлечения летучих компонентов или введение транспортирующего газа в необходимых местах вдоль вращающейся кварцевой трубы.

Устройство содержит регуляторы давления для регулирования давления внутри вращающейся трубы 5 и внутри системы для извлечения газа/пара. Согласно показанному на чертеже предпочтительному варианту реализации регулятором давления является вакуумный насос 49. Кроме того, в качестве регуля- 17 027604 тора давления может быть использован находящийся под повышенным давлением контейнер 47. Давление может быть отрегулировано путём настройки скорости, с которой вводят транспортирующий газ, и/или настройки скорости вакуумного насоса. Устройство также содержит регулятор переменного расхода, индикатор расхода газа, газовый манометр. Давление во вращающейся трубе 5 может быть отрегулировано для достижения положительного или отрицательного давления относительно атмосферного давления.

Устройство 1 дополнительно содержит измельчитель для уменьшения размера биомассы 108. Биомассу 108 измельчают перед введением в реакционный контейнер. Измельчитель может быть соединен с другими компонентами устройства. Согласно другому варианту реализации измельчитель может быть отдельным автономным компонентом устройства.

Устройство содержит управляющую систему, содержащую датчики температуры, давления и кислорода. Согласно предпочтительному варианту реализации датчиками температуры являются датчики на основе изолированных термопар, которые измеряют температуру биомассы внутри вращающейся трубы. Согласно другому варианту реализации могут быть использованы, например, малоинерционные связанные термопары. Материалы, размещенные в реакционном контейнере, могут включать биомассу 108, микроволновый поглотитель 109, летучие компоненты 113, плазму 111 или стенки реакционного контейнера 5.

Управляющая система принимает информацию от датчика температуры и использует эту информацию для управления выходной мощностью микроволнового генератора 7 и/или выходом/временем облучения биомассы во вращающейся трубе 5 для поддерживания температуры в пределах заданного рабочего диапазона. Выходом/временем облучения управляют путём комбинирования скорости вращения вращающейся трубы, угла наклона вращающейся трубы и скорости подачи биомассы из питающего бункера.

Устройство 1 дополнительно содержит датчики вакуума или давления (не показаны) для измерения давления в электромагнитной камере и реакционном контейнере. Температуру предпочтительно измеряют с использованием флуоро-люминесцентных термопар Фабри-Перо.

Управляющая система также принимает информацию от датчика давления. Указанная информация может быть использована для управления работой насоса и/или подачей транспортирующего газа для поддерживания давления во вращающейся трубе 5 в пределах заданного рабочего диапазона. Давлением управляют путём управления добавлением или удалением транспортирующего газа.

Управляющая система может также управлять углом наклона вращающейся трубы 5 и регулировать указанный угол относительно горизонтальной оси, частоты вращения вращающейся трубы и/или скорости, с которой биомассу добавляют во вращающуюся трубу.

Устройство 1 дополнительно содержит волноводный согласователь импеданса в форме автоматического волноводного согласующего устройства с 4 шлейфами.

Отслеживающее устройство или управляющая система отслеживает импеданс входного волновода 9 в электромагнитной камере 3. Затем данные о температуре, давлении и импедансе волновода, напряженности электрического поля, собранные отслеживающим устройством, используют для управления процессом нагревания. Управляющая система управляет микроволновым генератором 7, волноводный согласователь 208 импеданса 208 и генератором 49 вакуума для поддерживания амплитуды электромагнитного поля, температуры и давления в реакционном контейнере 5 в пределах заданного рабочего диапазона.

Устройство также содержит гидротермальный реактор, показанный на фиг. 12.

Первый предпочтительный способ работы.

Ниже описан предпочтительный способ работы устройства. Устройство может работать в непрерывном режиме или периодическом режиме.

Согласно предпочтительному способу работы выбирают биомассу, обычно растительный материал, такой как древесина, злаковые растения, морские водоросли или органические отходы. Выбор биомассы для процесса секвестрации основан на эффективности, с которой биомасса конкретного типа связывает углекислый газ, или на необходимой бионефти, которая может быть получена из данной биомассы. В случае растительного материала, такого как древесина, эффективность, с которой растительный материал связывает углекислый газ, обычно определяют путём оценки, сколько углекислого газа связано за конкретный период роста растения. Наиболее эффективные растения (такие как деревья) связывают наибольшее количество углекислого газа за самый короткий период роста.

Биомасса предпочтительно представляет собой измельченный материал. Следует иметь в виду, что размер измельчения может быть различным. Измельчение биомассы облегчает преобразование материала в древесный уголь с использованием микроволновой технологии и облегчает отбор летучих компонентов, которые при этом формируются.

Затем биомассу размещают в питающем бункере. Питающий бункер подает материал во вращающуюся трубу. Питающий бункер подает материал во вращающуюся трубу 5 непрерывно или партиями. Согласно предпочтительному варианту реализации входное отверстие непрерывно заполнено биомассой, которая образует равномерный поток и блокирует парциальное давление во входном отверстии.

- 18 027604

Если электромагнитное излучение в форме микроволн прикладывают к биомассе, микроволны нагревают материал биомассы для преобразования биомассы в биоуголь и бионефть. Микроволновая энергия распространяется в направлении, которое в целом является параллельным продольной оси вращающейся трубы. Микроволны нагревают питающий материал при его перемещении от входного конца трубы к выходному концу вращающейся трубы.

Транспортирующий газ подают во вращающуюся трубу 5. Во время работы устройства транспортирующий газ подают непрерывно или по требованию. Тепло, выработанное микроволнами, возгоняет бионефть в пары, которые затем уносятся из трубы транспортирующим газом и проходят в конденсор, после которого отбираются в устройстве для сбора. Затем истощенный транспортирующий газ возвращают назад сквозь корпус 3 в трубу для продолжения переноса газов в конденсор. Эта система представляет собой замкнутую систему, находящуюся под небольшим давлением или вакуумом. Можно управлять комбинацией газов внутри указанной системы. Согласно другому варианту реализации в качестве транспортирующего газа может быть использован водяной пар. Согласно другому дополнительному варианту реализации вместо использования транспортирующего газа, устройство может работать под небольшим вакуумом или уменьшенным давлением.

Поток инертного газа направлен противоположно направлению перемещения биомассы, так что летучие компоненты переносятся назад над приточной биомассой для достижения температуры пиролиза. В этом случае менее летучий материал конденсируется на приточной биомассе и передает свое тепло приточной биомассе. Конденсация менее летучего материала в входном конце кварцевой трубы или в направлении к входному концу кварцевой трубы способствует дополнительному поглощению микроволновой энергии, поскольку жидкость лучше поглощает микроволновую энергию. Конденсация менее летучего материала также обеспечивает возможность сбора более подходящих для использования и более летучих бионефтей, по существу, свободных от менее летучих или тяжелых смол. В конечном счете достигается равновесное состояние (достигается постоянство энергии и скоростей подачи), что означает, что система ведет себя как система с непрерывным нагревом, и удаление каждой из продуктовых нефтей происходит при конкретной температуре.

Большая часть бионефти или бионефтей и водяного пара сгоняется в начало трубы при высушивании биомассы. Поскольку биомасса продолжает перемещаться вдоль трубы, тепло, выработанное микроволнами, преобразует биомассу в древесный уголь.

Приложение микроволновой энергии к биомассе вызывает изменение или изменения температуры материала. Согласно предпочтительному варианту реализации устройство содержит датчики температуры, распределенные вдоль трубы.

Подачей микроволновой энергии, рабочим давлением и расходом биомассы управляют для нагревания сырья для выработки необходимых продуктов. Например, для получения необходимой бионефти или бионефтей и/или древесного угля или биоуглей.

После эффективного обугливания биомассы и превращения в древесный уголь, указанный древесный уголь связывает углерод потенциально более чем на 10³ лет. Древесный уголь является высокостойким к микробному разложению и после своего формирования эффективно удаляется из биосферных запасов углерода, включая атмосферу и океан.

После связывания углерода в биомассе в форме древесного угля, выработанного предложенным способом, указанный древесный уголь может быть сохранен в накопителях. Предпочтительными накопителями для древесного угля являются истощенные залежи природного угля, такие как карьеры и шахты, а также открытые угольные разрезы. Согласно другому варианту реализации древесный уголь может быть измельчен и размещен в форме суспензии в истощенные нефтяные и газовые пласты. Для хранения древесного угля может быть использован любой накопитель, который обеспечивает сырую и холодную окружающую среду. Древесный уголь может быть заглублен в почву или складирован в поверхностных депозитах.

Бионефть или бионефти, выработанные с использованием устройства и способа, описанных выше, имеет энергосодержание по меньшей мере примерно 21 МДж/кг. Табличные значения для Рши8 ΡαύίαΙα (сосна лучистая) составляют 16-19 МДж/кг.

Бионефти могут быть разделены на несколько классов. Таким образом, бионефти, полученные при самых низких температурах, содержат растительные терпены; бионефти, полученные примерно при температурах 350°С, содержат продукты пиролиза сахаридов, такие как 1,6-ангидроглюкоза, в то время как бионефти, полученные при температурах выше 400°С, содержат продукты распада лигнина, которые являются в значительной степени фенольными, с метоксильным, алкенильным, алкиловым или формиловым замещением. Указанные продукты могут быть использованы в качестве сырьевого топлива, или могут служить в качестве сырья для обработки гидратированием для образования углеводородов.

Экспериментальные результаты.

Ниже представлены экспериментальные результаты приложения микроволновой энергии к растительному материалу. Во время испытания микроволновую энергию применяли к сосне лучистой (Ршик КаШа1а). Источником Ршик КаФа1а являлись древесные стружки из лесопильной установки.

На следующем этапе способа получения бионефти использовали машину для выработки древесного

- 19 027604 угля и отбора выработанной нефти во время указанного процесса. Процесс был выполнен много раз, и были взяты выбранные образцы конденсата при рабочей температуре примерно 300°С и вакууме примерно 10 кПа. Конкретные образцы были выбраны именно при указанных условиях для того, чтобы после определения в результате анализа химического состава указанных образцов могло быть осуществлено дополнительное исследование, чтобы выяснить, как различные условия обработки влияют на химический состав. Указанные конденсированные образцы содержали высокий процент воды. Эту воду необходимо было отделить перед испытанием с газовой хроматограммой, связанной с масс-спектрометром (ОСМ8). Указанный процесс был осуществлен тремя различными способами для получения свободных от воды образцов трех различных типов. Первый наблюдаемый образец представлял собой чистую бионефть, второй образец представлял собой дистиллированную бионефть, и третий образец представлял собой летучие химикаты, содержащие бионефть.

Во всех трех случаях конденсат был смешан с хлоридом метилена, который является неполярным растворителем. Таким образом, раствор формирует два слоя; один слой состоит из хлористого метилена и бионефти, и другой слой состоит из воды. Затем вода была удалена с использованием делительной воронки. После этого процесса осталась чистая бионефть. Указанная бионефть затем была использована в качестве первого образца. Для получения других двух образцов был осуществлен тот же процесс; затем слой хлористого метилена был дистиллирован, и поскольку хлористый метилен имеет низкую точку кипения, составляющую 40°С, он легко отделяется от других органических молекул в бионефти. Остаток, все еще содержащийся после удаления хлористого метилена, был использован в качестве второго образца. На третьем этапе был взят остаток и подвергнут дистилляции при значительно увеличенной температуре. Этот процесс отогнал летучие органические молекулы и оставил остаточные смолы. Эти летучие органические молекулы были использованы в качестве третьего образца.

Все три указанных образца: чистая бионефть, дистиллированная бионефть и летучие химикаты, содержащиеся в бионефти, были проанализированы с использованием ОСМ8. Затем масс-спектрометр распечатал подробную расшифровку состава каждого образца, включая относительные пропорции компонентов.

Была получена теплотворная способность образца чистой нефти. Затем на основании этих значений и информации, собранной во время осуществления процесса, такой как количество собранного конденсата и количество выработанного древесного угля, начальное количество исходного сырья и влагосодержание, могло быть вычислено общее количество выработанной бионефти. Затем эта информация использовалась для вычисления выхода бионефти на килограмм древесных стружек влажного и сухого веса. Кроме того, на основании полученной теплотворной способности и известного влагосодержания древесины также могло быть вычислено количество бионефти, необходимой для предварительной сушки древесины. Полное вычисление приведено ниже. Полученное относительно высокое энергетическое содержание скорее всего стало результатом низкого влагосодержания и устранения побочных реакций летучих компонентов во время высокочастотного нагрева.

Смолы главным образом являются основными продуктами пиролиза целлюлозы и лигнина, которые затем дополнительно нагреваются и реагируют друг с другом. При противоточном направлении потока газа промежуточные соединения переносятся в более холодные области, и если они действительно формируют смолы, эти смолы не улетучиваются повторно, а скорее перемещаются в более горячие области и превращаются в полукокс или подвергаются повторному пиролизу. Таким образом, противоточный режим подачи газа должен значительно снижать образование нелетучих смол. Также путём перемещения летучих компонентов в более прохладные области, вместо областей с повышающейся температурой, такие побочные реакции должны замедляться или подавляться.

Сырье.

Описание	Влагосодержание, %
Свежие сосновые стружки толщиной 5-10 мм и длиной 20-60 мм.	42
Сосновые обрезки, после 8 месяцев хранения, толщиной 2-3 мм, длиной 20-80 мм.	21
Свежие сосновые обрезки толщиной 2-3 мм, длиной 20-80 мм.	46,4088398

- 20 027604

Таблица 1. Вычисленные технологические параметры для использования бионефти или бионефтей

Выход бионефти или бионефтей на мокрый вес	0,24	кг нефти/кг влажных стружек
Выход бионефти или бионефтей на сухой вес	0,44	кг нефти/кг сухих стружек
Энергосодержание нефти	21260	кДж/кг
Нефть, требующаяся для сушки 1 кг	0,11	кг
древесины

Калорифический анализ бионефти или бионефтей.

Выход древесного угля в сравнении с выходом бионефти или бионефтей

Масса свежих стружек (ГП_же\|)	Влагосодержание (^хто1з1иге)	Древесн ый уголь (^тсНаг)	Дистиллят	Выработанная смола (ι~η_Οϊΐ)
кг	кг воды/кг влажных стружек	кг	кг	кг
6	46,00%	1,8	1,84	1,44
Масса сухих стружек (Л1с1гу)	Конденсат	Выход бионефти (ΧοίΙ / бгу)	Выход бионефти (ΧοίΙ / ννβΐ)
КГ	кг	кг нефти/кг сухих стружек	кг нефти/кг влажных стружек
3,24	0,71	0,44	0,24

ГПс1гу= ГПда_е1 - (ГЛаде! ^х Хто1з1иге) ΓΓΙοϊι = ГПс1гу ГВсНаг Хо|1/с1гу = ΓΓΙοίΐ / ГПс|гу ΧοίΙ/ие! — ΓΠοϊΙ / ГВдае!

Энергия, необходимая для сушки 1 кг влажных стружек
Удельная	Скрытая	Энергосодер	Масса	Энергия,	Количество
теплоемкость	теплота	жание	воды,	необходи	нефти,
воды	воды	нефти	(Шу/а1ег)	мая для сушки, (О)	необходимое для сушки, (М_оН)
кДж/кг °К	кДж/кг	кДж/кг	КГ	кДж	кг
4,138	21260		0,46	1192	0,11

О — Ср х ΓΠννθίθΓ ^х ΔΓ) + (Нуар ^х В1^а1ег)

Μοϋ = (Огец ! Н_соть) ^χ 7

Активированный уголь.

Микроволновая энергия отличается от обычного источника тепла тем, что она передается непосредственно на молекулярном уровне, и это, в частности, является предпочтительным при активации воды. Применение микроволновой энергии с подходящими энергетическими уровнями приводит формированию водяного пара во время пиролиза древесины при достаточно высокой температуре, который активирует древесный уголь во время его формирования. Кроме того, выяснилось, что во время начального пиролиза на внутренних стенках реакционного контейнера формируется покрытие из электрически

- 21 027604 проводящего углерода. Когда это происходит, биомасса также оказывается в интенсивном поле излучения черного тела, что способствует активированию углерода.

Микроволновая энергия пронизывает весь объем биомассы, поскольку поглощение имеет тенденцию к снижению, и, следовательно, такое излучение может распространяться сквозь значительное количество биомассы прежде, чем будет поглощено окончательно. Излученная энергия интенсивно поглощается водой, в результате чего возникает эффект быстрого создания первоначальной пористой структуры, однако после обезвоживания поглощение микроволновой энергии снижается.

Микроволны сильно поглощаются электрически проводящими материалами, и было выяснено, что в результате этого образуется путь сквозь область сухой биомассы к слою электрически проводящего древесного угля во внутренней части реакционного контейнера. Поскольку из биомассы выделяются смолы, некоторая часть смол оседает на внутренней части реакционного контейнера, где они в результате пиролиза преобразуются в древесный уголь и формируют слой электрически проводящего угля на внутренней части реакционного контейнера. Как только древесный уголь становится электрически проводящим, он начинает интенсивно поглощать микроволновую энергию и раскаляется до красного и даже оранжевого цвета, и таким образом генерирует поле интенсивного излучения черного тела. Такое излучение черного тела быстро преобразует наружные части частиц в древесный уголь, и к этому времени частицы древесного угля становятся электрически проводящими и интенсивно поглощают микроволны, что в свою очередь значительно способствует преобразованию биомассы в древесный уголь.

Второй предпочтительный способ.

Ниже описан второй предпочтительный способ обработки биомассы, показанный на фиг. 5. На фиг. 5 показан каждый из вариантов обработки биомассы, соответствующих второму, третьему и четвертому предпочтительным способам, описанным в настоящей заявке.

Согласно первому этапу берут биомассу 108. Согласно следующему этапу берут электромагнитную камеру 3, которая выполнена с возможностью ограничения и размещения в себе поля электромагнитной энергии. Согласно следующему этапу берут реакционный контейнер 5. Согласно следующему этапу загружают биомассу 108 в реакционный контейнер 5.

Биомассу 108 предпочтительно уменьшают в размере до формы, в которой она может быть легко обработана, и размер выбирают исходя из удобства обработки. В экспериментах, описанных ниже, использовались древесные опилки. Однако следует понимать, что подходящим является любой тонко измельченный лигноцеллюлозный материал. Древесные опилки были выбраны для экспериментов в основном для удобства. Биомасса не должна быть сухой, однако чем выше ее влажность, тем больше энергии расходуется для удаления воды. Электромагнитная камера 3 и реакционный контейнер 5 могут иметь любую форму; однако форма цилиндрического резервуара, вероятно, является наиболее удобной.

Согласно следующему этапу применяют электромагнитную энергию к электромагнитной камере 3, реакционному контейнеру 5 и размещенной в нем биомассе 108. Предпочтительно частота электромагнитной энергии, которую генерирует микроволновый генератор 7, находится в пределах электромагнитного спектра микроволновых частот. Электромагнитная энергия сквозь перегородку 106а, разделяющую волновод и электромагнитную камеру, распространяется в электромагнитную камеру 3 и реакционный контейнер 5 по волноводу 9 из генератора 7.

Биомасса 108 принимает прямую электромагнитную энергию, в результате чего образуется поле вторичного излучения черного тела. Биомасса 108 подвергается воздействию поля вторичного излучения черного тела, в то время как прямая электромагнитная энергия одновременно приникает в биомассу 108, так что биомасса 108 преобразуется в активированный уголь.

Внутренняя часть реакционного контейнера 5 не должна очищаться, поскольку продукты пиролиза, такие как полукокс, сформированные на внутренней поверхности реакционного контейнера 5, облегчают нагрев биомассы 108. Согласно одному варианту реализации на внутреннюю поверхность реакционного контейнера 5 наносят первоначальное тонкое графитовое покрытие.

Прямую электромагнитную энергию прикладывают к биомассе 108 на уровнях энергии, на которых образуются продукты пиролиза, которые в свою очередь формируют слой на внутренней части реакционного контейнера 5. Если прямая электромагнитная энергия достигает сформированного слоя продуктов пиролиза, указанный слой становится электрически проводящим, начинает интенсивно поглощать микроволны и создает поле излучения черного тела. Согласно другому варианту реализации способ включает этапы, согласно которым наносят слой углерода на стенки реакционного контейнера 5, например, путём закрашивания стенок реакционного контейнера графитом или напыления графита на стенки реакционного контейнера.

Во время обработки биомасса 108 может оставаться неподвижной (пакетный режим) или перемещаться (непрерывный режим); основное требование состоит в том, чтобы она находилась заданное время в энергетическом поле. Наилучшие результаты были получены, когда энергетическое поле оставалось устойчивым, и такая устойчивость наиболее легко может быть достигнута, когда инфракрасное тепло (излучение черного тела) распространяется из электрически проводящего слоя углерода, сформированного на внутренней части реакционного контейнера 5. При повышенной нагрузке может быть обеспечено генерирование плазмы. Плазма может быть сгенерирована в дополнение к излучению черного тела,

- 22 027604 сгенерированному электрически проводящим слоем. Плазма создает область излучения для биомассы 108. Плазма формируется в присутствии молекул, находящихся в газовой фазе, в которая указанные молекулы могут поглощать достаточную микроволновую энергию до достижения состояния ионизации, в котором, будучи электрически проводящими частицами, указанные молекулы облегчают дополнительное поглощение микроволновой энергии. Поскольку древесный уголь становится электрически проводящим, он также раскаляется.

Биомасса 108 подвергается воздействию энергетических полей а течение периода времени, при котором достигается максимальный выход активированного угля, причём указанный период времени зависит от отношения уровней энергии к массе углесодержащего материала. Уровни энергии выбираются таким образом, чтобы углеродосодержащий материал нагревался до подходящих температур.

Температура формирования активированного угля находится в диапазоне между 450 и 1300°С, предпочтительно между 550 и 900°С, причём температурой управляют путём управления плотность потока приложенной электромагнитной энергии. Было выяснено, что уровни энергии должны быть отрегулированы таким образом, чтобы температура древесного угля в этой фазе достигала по меньшей мере 600°С и предпочтительно не превышала 900°С, при этом время выдержки выбирается таким образом, чтобы максимизировать выход древесного угля. Это время должно быть определено экспериментальным путем для данного сырья. Пониженную температуру применяют, чтобы обугливание происходило с приемлемой скоростью. Повышенную температуру применяют исходя из того, что чем выше температура, тем больше древесного угля теряется для окисления во многих газах. При слишком коротком времени выдержки древесный уголь теряет качество, в то время как слишком большое время выдержки снижает производительность.

Согласно одному варианту реализации способ дополнительно включает этап, согласно которому заменяют воздух внутри реакционного контейнера 5 добавленным газом. Устройство также содержит систему для удаления и сбора бионефти или бионефтей, испускаемой в паровой или газообразной форме. В частности, устройство может содержать систему для извлечения пара/газа, которая может содержать источник транспортирующего газа в форме находящегося под повышенным давлением контейнера 47, конденсатор 65 и регуляторы давления (не показаны). Находящийся под повышенным давлением контейнер 47 может подавать транспортирующий газ во внутреннюю часть реакционного контейнера 5. Добавленные газ протекает сквозь через биомассу 108 и выходит сквозь выпускную трубу с одновременным удалением летучих компонентов, которые вырабатываются в результате применения электромагнитной энергии к биомассе 108. Добавленный газ подают в реакционный контейнер 5 с заданным расходом. Считается, что небольшое количество окислительного газа является полезным для очистки частично блокированных пор биомассы, и углекислый газ является подходящим для этой функции.

Побочная вода, генерируемая во время пиролиза, также функционирует в качестве окислителя, в частности, если отсутствует расход газа, выяснилось, что управлять продуктом легче с расходом газа. Небольшое количество водяного пара также может быть введено в добавленный газ, но углекислый газ является предпочтительным. Может быть определен расход углекислого газа, необходимый для управления давлением внутри реакционного контейнера 5, а также скорость отбора бионефти в обратной пропорции к осаждению пиролитического углерода на стенках реакционного контейнера 5. Способ дополнительно может включать этапы, согласно которым вызывают конденсирование бионефти, выпущенной в форме пара из биомассы 108 в результате приложения к ней электромагнитной энергии, и ее преобразование в конденсат. Согласно одному варианту реализации конденсат собирают в подходящий контейнер, связанный с конденсатором газа.

Способ дополнительно включает этап, согласно которому прекращают подвергание образованного таким способом древесного угля воздействию микроволновой энергией. После заданного времени древесный уголь извлекают, и после стандартной обработки для получения партий с однородными размерами частиц указанный древесный уголь является готовым для использования.

Ниже описаны второе предпочтительное устройство и способ его работы, показанные на фиг. 7-10. За исключением описанного ниже, второй предпочтительный способ работы устройства подобен первому предпочтительному устройству и способу его работы.

Устройство, показанное на фиг. 7-10, содержит реакционный контейнер 5, окруженный огнеупорными материалами 101. Реакционный контейнер представляет собой трубу, выполненную из плавленого кварца высокой чистоты, окиси алюминия или алюмосиликата высокой чистоты, имеющую наружный диаметр примерно 70 мм, сравнимый с диаметром реакционного контейнера согласно первому предпочтительному варианту реализации, составляющим примерно 150 мм. Подходящие огнеупорные материалы включают теплозащитную керамику с низкими диэлектрическими потерями, такую как, например алюмосиликатное волокно Као\уоо1®. алюмосиликатный фибролит ИЬтеГтах® и алюмосиликатные огнеупорные кирпичи ГоШе (торговый знак).

Согласно одному варианту реализации диэлектрическая проницаемость огнеупорных материалов,

- 23 027604 которые окружают реакционный контейнер, является достаточно высокой для уменьшения напряженности электрического поля в огнеупорных материалах и увеличения (концентрации) электрического поля внутри реакционного контейнера.

Устройство содержит систему для введения и удаления газа. Добавленный газ вводят во впускное отверстие 103 и извлекают из выпускного отверстия 105. Впускное и выпускное отверстия предпочтительно представляют собой трубы из плавленого кварца. Устройство также содержит интерфейсный фланец 106ά для волновода (соединен болтами с волноводом 9, как показано на фиг. 1), перегородку 106а между волноводом и электромагнитной камерой в форме диска из плавленого кварца или окиси алюминия с зазором 106с между диском 106а и реакционным контейнером 5. В выпускном отверстии 105 установлено механическое уплотнение 107.

Третий предпочтительный способ.

Согласно третьему предпочтительному способу биомассу 108 вводят в реакционный контейнер 5. Если микроволны применяют к электромагнитной камере 3, волны формируют положения деструктивной интерференции (положения узлов) и положения конструктивной интерференции (положения пучностей). Соответствующие положения узлов и пучностей также устанавливаются внутри реакционного контейнера 5. Согласно второму предпочтительному способу микроволновый поглотитель 109 (такой как карбид кремния, графитированный или активированный уголь) размещают в положении пучностей в реакционном контейнере таким образом, что указанный микроволновый поглотитель сильно связан с электромагнитным полем и непосредственно нагревается электромагнитным полем.

Добавленный газ подается в реакционный контейнер сквозь впускное отверстие 103 и протекает в направлении, обозначенном стрелками, как показано на фиг. 7. Добавленным газом предпочтительно является любой газ, который, по существу, не реагирует с углеродом при указанных условиях или реагирует, но только медленно и при повышенных температурах. Примеры таких инертных газов включают помимо прочего азот, аргон, неон и гелий. Примеры слабореагирующих газов включают углекислый газ. Микроволны применяют к реакционному контейнеру и микроволновому поглотителю на уровнях энергии, при которых микроволновый поглотитель принимает прямую электромагнитную энергию. Микроволны применяют к реакционному контейнеру в направлении М, показанном на фиг. 7. Благодаря теплопроводности, микроволновый поглотитель 109 нагревает добавленные транспортирующие газы, протекающие сквозь реакционный контейнер. Кроме того, нагрев газов приводит к частичной ионизации газов, в результате чего газовая фаза становится электрически проводящей. Электромагнитное поле связывается с электрически проводящей газовой фазой и таким образом инициирует плазму 111. Инициированная плазма 111 поддерживается, если присутствует газообразный носитель, и в реакционном контейнере 5 поддерживается соответствующая амплитуда электромагнитного поля. Плазма 111 образует поле излучения черного тела, и биомасса подвергается воздействию поля излучения черного тела таким образом, что из биомассы формируются активированный уголь или повторно обогащенный углеродом уголь. Добавленный газ протекает сквозь биомассу и выходит сквозь выпускное отверстие 105 с одновременным удалением летучих компонентов 113, которые вырабатываются в результате применения электромагнитной энергии к биомассе. Микроволновый поглотитель 109 подвергается воздействию электромагнитного поля в течение всего процесса преобразования биомассы 108. Согласно другому варианту реализации микроволновый поглотитель 109 электрически экранируется от электромагнитного поля после инициирования плазмы 111. Согласно данному варианту реализации плазма 111 достаточно нагревает приточный транспортирующий газ для его ионизации, после чего газовая фаза становится электрически проводящей. Образование электрически проводящих частиц значительно улучшает дополнительное поглощение микроволновой энергии и дополнительно улучшает генерирование плазмы 111. Согласно данному варианту реализации способа электромагнитная энергия, первоначально используемая для нагревания микроволнового поглотителя 109, используется для повышения интенсивности плазмы 111.

Интенсивностью и положением плазмы 111 управляют путём регулировки амплитуды электромагнитного поля и расхода добавленного транспортирующего газа. Увеличение амплитуды электромагнитного поля вызывает повышенную генерацию энергетических частиц, и результирующая плазма расширяется и заполняет увеличенную часть объема реакционного контейнера. При увеличении расхода добавленного транспортирующего газа плазма распространяется дальше от точек возникновения к выпускному отверстию 105 для газа. Амплитуду электромагнитного поля и расход добавленного транспортирующего газа регулируют таким образом, что плазма входит в контакт с биомассой 108, расположенной ниже по ходу потока от добавленного впускного отверстия 103 для газа и микроволнового поглотителя 109.

В дополнение к теплу, полученному биомассой 108 от плазмы 111, тепло генерируется волюмометрически внутри биомассы 108 благодаря взаимодействию остаточного электромагнитного поля, не поглощенного микроволновым поглотителем 109, с полярными молекулами, ионами и свободными электронами, присутствующими в биомассе 108.

Биомасса 108 расположена в реакционном контейнере 5 в положении пучностей электромагнитной волны.

Ниже описан третий предпочтительный способ, показанный на фиг. 5 и 7-11. За исключением описанного ниже, третий предпочтительный способ подобен первому и второму предпочтительным спосо- 24 027604 бам. Согласно третьему предпочтительному способу второй реакционный контейнер 205 соединен с выходным концом первого реакционного контейнера 5 посредством механического уплотнения 107. Биомасса 108 размещена во втором реакционном контейнере 205. Выпускная труба для газа 105 соединена с вторым реакционным контейнером 205 посредством сальника 207.

Микроволновый поглотитель 109 расположен в положениях пучностей электромагнитных волн. Предпочтительно микроволновый поглотитель 109 расположен в первом положении 200 пучностей или втором положении 201 пучностей относительно концевой пластины 206, выполняющей функцию короткозамкнутой оконечной нагрузки электромагнитной камеры. Согласно другому варианту реализации микроволновые поглотители расположены как в первом положении 200 пучностей, так и во втором положении 201 пучностей относительно концевой пластины 206, выполняющей функцию короткозамкнутой оконечной нагрузки электромагнитной камеры.

Согласно одному варианту реализации короткозамкнутая концевая пластина может быть заменена нагрузкой с характеристическим импедансом, эквивалентным импедансу волновода. Такой подход позволяет подавить стоячую волну и нормализовать напряженность поля вдоль реакционного контейнера.

Четвертый предпочтительный способ.

Согласно четвертому предпочтительному способу второй реакционный контейнер 205 соединен с выходным концом первого реакционного контейнера 5 посредством механического уплотнения 107. Биомасса 108 размещена во втором реакционном контейнере 205. Выпускная труба 105 для газа соединена с вторым реакционным контейнером 205 посредством сальника 207.

Механическое уплотнение 107 предпочтительно является металлическим, цилиндрическим и полым и имеет внутренний диаметр, не превышающий длину волны, которая соответствует частоте среза для колебаний электромагнитного поля, в результате чего амплитуда электромагнитного поля уменьшается, и таким образом предотвращается электромагнитный нагрев биомассы 108, которая размешена во втором реакционном контейнере 205. Механическое уплотнение 107 согласовано с оконечной нагрузочной короткозамкнутой пластиной 206 электромагнитной камеры таким образом, что указанное уплотнение формирует электрический контакт вдоль окружности указанной короткозамкнутой пластиной. Механическое уплотнение имеет длину 202, достаточную для ослабления электромагнитного поля таким образом, чтобы биомасса не нагревалась, когда электромагнитную энергию применяют к электромагнитной камере.

Второй реакционный контейнер имеет диаметр примерно 40 мм и предпочтительно выполнен из плавленого кварца высокой чистоты или алюмосиликата высокой чистоты.

Амплитуда электромагнитного поля и расход добавленного газа регулируют до тех пор, пока плазма не начнет распространяться сквозь выход первого реакционного контейнера 5 и механическое уплотнение 107 во второй реакционный контейнер 205, который содержит биомассу 108. Затем плазма входит в прямой контакт с биомассой 108 и быстро нагревает биомассу 108 за счет ее проводимости. Летучие компоненты, выделенные из биомассы 108, перемещаются сквозь второй реакционный контейнер 205 в выпускную трубу 105 для газа. Различие между четвертым предпочтительным способом и третьим предпочтительным способом состоит в том, что биомасса не подвергается воздействию микроволновой энергии, что обеспечивает расширенный диапазон регулирования температуры и управления химическим составом веществ, участвующих в обмене между плазмой и биомассой.

Различие между четвертым предпочтительным способом и третьим предпочтительным способом состоит в том, что биомасса 108 не подвергается воздействию электромагнитной энергии, так что биомасса 108 не получает электромагнитную энергию, не поглощенную микроволновым поглотителем 109. Согласно данному варианту реализации способа продукты пиролиза, сгенерированные биомассой 108, препятствуют формированию электрически проводящего слоя на стенках реакционного контейнера 5 (как предложено в первом аспекте настоящего изобретения) и поглощению энергии электромагнитного поля, в результате чего обеспечена возможность увеличения энергии для поддерживания плазмы 111.

Предпочтительный способ предварительной обработки.

Согласно предпочтительному способу предварительной обработки измельченную биомассу предварительно обрабатывают путём гидротермальных преобразований с использованием циклического реактора высокого давления, показанного на фиг. 12. Циклический реактор представляет собой традиционный реактор, содержащий корпус 301, керамический нагреватель 303, катушку 305, термокарман 307, зажим 309, водоохлаждаемые штуцеры 311, 313, датчик 315 давления и связанный с ним манометр 317, а также газовые входные клапаны.

Предварительную подготовку биомассы выполняют для: ί) нормализации основного состава и структуры биомассы;

ίί) уменьшения количества летучих веществ, которые освобождаются в микроволновый реактор во время микроволнового и плазменного нагрева;

ίίί) эффективной деоксигенизации биомассы;

ίν) частичного коксования биомассы и увеличения удельной электропроводности для увеличения таким образом восприимчивости микроволн;

ν) устранения потребности в предварительной сушке биомассы перед коксованием, как обычно

- 25 027604 требуется при обработке биомассы при условиях сухого пиролиза;

νί) Захвата летучих органических соединений в водную реакционную среду, которая может быть дополнительно преобразована/обработана фракционной перегонкой или анаэробным сбраживанием для отделения продуктных соединений от нежелательных соединений.

Гидротермальная предварительная подготовка включает нагревание исходной измельченной биомассы в воде при автогенном повышенным давлении и температуре (в нижней области гидротермального цикла сжижения) до ее высыхания.

В гидротермальных условиях вода действует в качестве мощного органического растворителя, который растворяет органические соединения и облегчает их реакции в гомогенной среде. Согласно данному варианту реализации способа химический реактор нагревают с использованием известного резистивного электронагревательного элемента. Согласно одному варианту реализации содержание гидротермального реактора может быть нагрето с использованием микроволновой энергии для ускорения нагрева реагента и биомассы и сокращения продолжительности обработки. Биомассу нагревают до температуры между 230 и 350°С под давлением насыщения между 25 бар (25-10⁵ Па) и 170 бар (170-10⁵ Па) в течение примерно от 30 мин до 2 ч.

Перед гидротермальной обработкой к биомассе и реагенту добавляют небольшое количество кислотного катализатора для улучшения разложения биомассы и сокращения продолжительности обработки. Такой подход также облегчает удаление кислорода из биомассы и формирование связанного углерода. Кислород, извлеченный таким образом из биомассы, облегчает формирование молекул воды. Если не использовать кислотный катализатор, то кислород в биомассе скорее всего будет формировать газ окись углерода и таким образом уменьшать количество связанного углерода, удержанного в конечном продукте.

Во время гидротермальной обработки многие из летучих компонентов в биомассе удаляются из биомассы наряду с некоторыми неорганическими веществами.

Предварительно обработанную биомассу удаляют из гидротермального реактора и прессуют механическим способом для удаления избыточной воды (оставшейся поверх реагента) и возможно некоторого количества органической жидкости, образованной в результате конденсации паров. Во время процесса обезвоживания дополнительные летучие и минеральные материалы вымывают из биомассы и восстанавливают.

Оставшуюся поверх реагента воду и воду, отобранную во время прессования, обрабатывают и рециклируют для следующего цикла гидротермальной предварительной подготовки.

Питательные вещества, отобранные во время очистки воды, возвращают в почву.

Предварительно обработанная биомасса обычно имеет содержание связанного углерода примерно от 64 до 82% сухого беззольного веса.

Достаточно поляризованные частицы удерживаются в предварительно обработанной биомассе для обеспечения адекватной (на втором этапе) микроволновой связи с биомассой во время фазы нагревания. Количество поляризованных частиц, удержанных в предварительно обработанной биомассе, меньше, чем требуется для поддерживания тепловой плазмы.

Затем частично высушенную гидротермическим способом предварительно обработанную биомассу размещают в микроволновом реакционном контейнере и обрабатывают с использованием второго предпочтительного способа, описанного выше. Следует иметь в виду, что процесс предварительной обработки может быть использован перед любым другим из предпочтительных способов, описанных выше.

Выходной продукт.

Основным выходным продуктом способа согласно настоящему изобретению является активированный уголь, который широко используют в качестве адсорбирующего вещества для очистки растворов и газовых потоков. Дополнительные выходные продукты могут включать повторно обогащенный углеродом уголь, металлургический коксовый орешек, пиролизную нефть из биомассы, представляющую интерес для изготовления бионефти, и возможно моноокись углерода в газовом потоке.

Обсуждение примеров.

В приведенных ниже примерах показано, что качественный активированный уголь с большой площадью поверхности может быть изготовлен относительно быстро с применением микроволновой энергии при условии дополнительного нагрева от излучения, сформированного на внутренней части реакционного контейнера 5. В примерах не показаны результаты, относящиеся к древесным опилкам, обработанным микроволнами, где этот эффект не присутствовал.

Типичный образец такого полукокса, который был изготовлен без указанного каления, имеет площадь поверхности 0,46 м²/г, т.е. обработка калением увеличивает площадь поверхности на два порядка.

Было выяснено, что в дополнение к излучению черного тела от указанной электрически проводящей поверхности может быть сформирована плазма, и в этом случае плазма также формирует необходимую область излучения. Это показано в примере 1. Плазма также может обеспечивать некоторый прямой нагрев. При обсуждении других примеров выяснилось, что в них тоже может быть возбуждена плазма, но настоящее изобретение направлено на формирование активированного угля за счет образования раскаленной области излучения, а не точной природы указанной области.

- 26 027604

Когда углерод, пропитанный тяжелыми пиролитическими смолами, был обработан должным образом, также наблюдался хороший выход активированного угля, несмотря на то что площадь поверхности оказалась немного меньше, чем в других испытаниях. Однако более дешевый углерод пониженного качества также находит свое применение, и что более важно, в этом случае находится хорошее применение для смол, использование которых затруднено в других случаях.

То, что оранжевое тепловое каление вызвано углеродом, сформированным на внутренней части реакционного контейнера, подтверждается тем фактом, что в то время как в примере 1 формирование указанного углеродного слоя занимало некоторое время, в большом числе предыдущих испытательных циклов указанный углеродный слой вообще не формировался, в результате чего получался продукт только пониженного качества, но после формирования указанного углеродного слоя, если реакционный контейнер не чистили, в последующих циклах каление возникало очень быстро.

Если третий пример использовать в качестве отправной точки, увеличение длительности обработки при пониженном уровне энергии может улучшить или не улучшить качество активированного угля, но в любом случае снижает производительность. Увеличение продолжительности обработки при высоких уровнях энергии не увеличивает выработку углерода, по меньшей мере, если процесс осуществляется в присутствии двуокиси углерода. Это происходит потому, что двуокись углерода является мягким окислителем. Двуокись углерода является желательной для изготовления активированного угля, поскольку она помогает очистить блокированные поры, но несмотря на то что она улучшает качество активации, она также уносит углерод. В течение некоторого времени указанные улучшения компенсируют потерю выхода, но после этого критического времени дальнейший контакт двуокиси углерода с продуктом просто ведет к удорожанию выходного продукта.

Оптимальный режим наблюдается при уровнях энергии, соответствующих формированию желтооранжевого каления в течение периода времени, который обеспечивает максимальный выход/производительность. Указанный оптимальный режим может различаться до некоторой степени в зависимости от фактической конфигурации устройства и природы биомассы.

Примеры

Пример 1.

Древесные опилки (50 г) были размещены в чистом кварцевом реакционном контейнере, и над ними пропускали двуокись углерода с расходом 40 л/мин. Поглощенная микроволновая энергия первоначально составила 3 кВт. По истечении примерно 6 мин, в течение которых температура древесных опилок составляла 305°С, очевидно сформировалась плазма вместе с глубоким оранжевым тепловым калением, которое началось на внутренней части кварца и которое сохранялось в течение краткого периода после прекращения подачи энергии. Во время этого периода поглощение энергии составляло 7,6 кВт, а температура достигла 871°С. По истечении 20 мин были получены 6 г древесного угля, у которого площадь поверхности составила 705 м²/г.

Пример 2.

Древесные опилки (50 г) пропитанные 35 г тяжелой пиролизной смолы были размещены в кварцевом реакционном контейнере, внутренняя поверхность которого была покрыта углеродом, сформированным в результате предыдущих циклов, и сквозь указанный контейнер пропускали двуокись углерода с расходом 40 л/мин. Поглощение микроволновой энергии первоначально составило 5 кВт, которое впоследствии возросло до 7 кВт после неустойчивого формирования плазмы и оранжевого поверхностного каления. Температура достигла 756°С. В конце 20-минутного периода были получены 12 г древесного угля, у которого площадь поверхности составляла 446 м²/г.

Пример 3.

Древесные опилки (50 г) были размещены в кварцевом реакционном контейнере, внутренняя поверхность которого была покрыта углеродом, сформированным в результате предыдущих циклов, и сквозь указанный реакционный контейнер пропускали двуокись углерода с расходом 40 л/мин. Оранжевое каление появилось примерно через 1 мин, и первоначальное поглощение микроволновой энергии составило 5 кВт, а через 9 мин 6,5 кВт. Затем приложенная энергия была уменьшена до 5 кВт и поддерживалась на этом уровне. По истечении 23 мин подачу энергии прекратили, и были получены 4 г древесного угля, у которого площадь поверхности составляла 637 м²/г.

Пример 4.

Древесные опилки (50 г) были размещены в кварцевом реакционном контейнере, внутренняя поверхность которого была покрыта углеродом, сформированным в результате предыдущих циклов, и сквозь указанный реакционный контейнер пропускали двуокись углерода с расходом 40 л/мин, при этом поглощение микроволновой энергии составляло 5 кВт в течение 46 мин. Оранжевое каление началось примерно после 2 минуты. Температура в конце цикла составляла 590°С, но, возможно, это была не максимальная температура. По истечении 46 мин были получены 2 г древесного угля, у которого площадь поверхности составляла 797 м²/г.

Пример 5.

Это пример представлял собой повторение примера 4, за исключением того, что поглощенная энергия увеличилась до 8,2-9 кВт благодаря увеличению приложенной энергии. Температура превысила

- 27 027604

910°С, и выход древесного угля составил 0 г.

В приведенной ниже табл. 1 указана спецификация повторно обогащенного углеродом угля, используемого компанией Ые^ 2еа1ап4 3±ее1 для изготовления стали, вместе с результатами для углерода, выработанного с использованием первого предпочтительного устройства, показанного на фиг. 1-3. В приведенной ниже табл. 2 указаны соответствующие результаты для углерода, выработанного с использованием устройства, показанного на фиг. 5-8.

Таблица 1

Идентификационный номер образца	Сырье	Углерод (%)	Водород (%)	Азот (%)	Сера (%)	Высшая теплотворная способность (МДж/кг)	Потеря влаги (%)
Специфик ация для повторно обогащенн ого углеродом угля		>88,0	<1,0	<1,0	<0,4	>30,0	<2,0
К24/1а	Пламен ный уголь	90,4	1,1	1,7	<0,3	32,4	Нет данных
К28/4	Пламен ный уголь	90,1	0,7	0,3	1,6	32,0	Нет данных
К25/1а	Пламен ный уголь	88,8	1,7	1,7	0,7	32,7	Нет данных
Перед обработко й	Пламен ный уголь	73,7	5,8	1,3	<0,4	34,0	Пламенный уголь

Сырьем для каждого из экспериментов в табл. 1 являлся полубитуминозный пламенный уголь. В последней строке табл. 1 показаны свойства пламенного угля перед обработкой.

Таблица 2

Идентификацио нный номер образца	Сырье	Углерод (%)	Водород (%)	Азот (%)	Сера (%)	Высшая теплотворная способность	Потеря влаги (%)
Спецификац ия для повторно обогащенног о углеродом угля		>88,0	<1,0	<1,0	<0,4	>30,0	<2,0
К31/3	Сосна лучист ая	95,7	<0,3	<0,4	<0,3	33,2	<0,3
К31/3 (Перед обработкой)	Сосна лучист ая	56,6	6,4	<0,3	<0,3	28,7	-15,0

- 28 027604

лучистой или полубитуминозный пламенный уголь. Во второй строке табл. 2 показаны свойства древесной стружки перед обработкой, и в последней строке табл. 2 показаны свойства полубитуминозного пламенного угля перед обработкой.

В приведенной ниже табл. 3 показаны условия обработки вместе с результатами обработки биомассы для выработки активированных углей из импортной и местной древесины гикори и местного сырья на основе скорлупы грецкого ореха. Свойства биомассы из древесины гикори показаны в конце таблицы с результатами. Данные о свойствах грецкого ореха отсутствуют, но принято считать, что скорлупа грецкого ореха имеет высокую плотность, которая выше, чем плотность древесины гикори, и имеет более тонкую внутреннюю пористую структуру.

Во всех циклах обработки были выбраны температуры между 600 и 1000°С, причём верхний предел температуры ограничивался диапазоном измерений инфракрасных датчиков температуры. Давление для всех циклов обработки немного превышало атмосферное примерно на 25 мм водяного столба (245,16 Па).

В циклах 43-46 использовали микроволновый поглощающий катализатор на основе карбида кремния для облегчения быстрого нагрева сырья из древесины гикори. Образцы нагревали до целевой температуры и затем нагрев прекращали. Время выдержки при некоторой температуре или в некотором диапазоне температур не применяли. Полное время микроволнового нагрева колебалось от 7 до 13 мин, и соответствующие температуры находились в диапазоне от 410 до 912°С.

В циклах 47-62 также обрабатывали сырье из древесины гикори, но микроволновый поглощающий катализатор не использовали. В данных циклах обработки времена выдержки при целевых температурах колебались от 3 до 15 мин для обеспечения возможности развития пористой структуры в углероде.

В циклах 63-65 обрабатывали скорлупу грецкого ореха. В данных циклах обработки не использовали микроволновый поглощающий катализатор. Продолжительности выдерживания при целевой температуре в циклах 63 и 64 были нулевыми. Длительное время выдерживания 20 мин в цикле 65 было выбрано для испытания пределов устройства при высокой температуре.

Во всех циклах обработки на внутренней поверхности реакционного контейнера присутствовал тонкий слой пиролитического углерода. Поскольку этот слой является восприимчивым к микроволновой энергии, он создавал поле излучения черного тела для биомассы, способствуя ее нагреву и активации.

Удельные поверхности активированного угля, определенные по методу БЭТ (Ν₂), колебались от 170 до 629,8 м²/г и в циклах 43-46 составили в среднем 550,7 м²/г.

Производительность находилась в диапазоне от 10 до 13% и в циклах 43-46 составила в среднем 12,5%.

Кроме того, дополнительный образец Б2, показавший самую низкую площадь поверхности 170 м²/г, тем не менее в циклах 43-46 был обработан при самой высокой температуре. Указанный феномен может быть приписан недостаточно высокой темпере активации в конкретном месте реакционного контейнера для дополнительного образца 1.2. или термическая нестабильность в этом месте вызвала тепловое переупорядочивание латентной кристаллической структуры в биомассе, т.е. формирование не имеющего пор углерода в виде графита.

Удельная поверхность активированных углей, определенная по методу БЭТ (Ν2), колебалась от 82,3 до 931 м²/г и в циклах 47-62 составила в среднем 509 м²/г. Производительность находилась в диапазоне от 7 до 13% и в циклах 47-62 составила в среднем 16%. Если резко отклоняющийся результат дополнительного образца 1.2 не учитывать при оценке циклов 47-62, средняя площадь поверхности увеличилась до более чем 600 м²/г.

Удельная поверхность активированных углей, определенная по методу БЭТ (Ν2), колебалась от 531 до 1276 м²/г и в циклах 63-65 составила в среднем 904 м²/г. Производительность находилась в диапазоне от 8 до 20% и в циклах 63-65 составила в среднем 15%.

- 29 027604

Таблица 3

Идентификац ионный номер цикла (стандартизи рованный)	Сырье	Носитель / Продувоч ный газ	Расход газа (л/мин)	Средняя гтоглощенн ая энергия (кВт)	Пиковая поглощен ная энергия (кВт)	Масса микровол нового абсорбера (О
Н43	Древесина и кори	СОг	40	2,09	2,6	35
Н44	Древесина -и кори	СО2	40	2,34	2,5	35
Н45	Древесина -и кори	СОг	40	2,47	2,6	35
Н46	Древесина -и кори	СО2	40	2,68	3,6	35
П47	Древесина -и кори	СОг	40	2,74	3,1	0
Н55	Древесина -и кори	СО₂	35	2,26	2,9	0
Н56	Древесина -и кори	со₂	35	2,63	2,8	0
Н57	Древесина -и кори	со₂	35	2,31	2,8	0
Н58	Древесина и кори	со₂	35	2,58	2,8	0
Н59	Древесина -и кори	со₂	35	2,48	2,9	0
Н60	Древесина -и кори	со₂	35	2,34	2,9	0
П61	Древесина -и кори	со₂	35	2,54	2,9	0
Н62	Древесина -и кори	со₂	35	2,68	3,3	0
Н63	Скорлупа рецкого ореха	со₂	35	2,99	4	0
Н64	Скорлупа рецкого ореха	со₂	35	3,35	4,4	0
Н65	Скорлупа рецкого ореха	со₂	35	4,09	5,2	0

Таблица 3 (продолжение)

Иденти фикаци он ный номер цикла (станда ртизир

Время нагрев ания (мин)

Время выдер ж к и (мин)

Полное время нагрева ния (мин)

Целева я

гемпер атура (<€)

Средняя темпера тура (ЯС)

Произ водит

Пикова Твёрд |Остато я ые гемпер частиц[гверды|ельно атура (<€) частиц, (г) сть (г)

- 30 027604

ованны й)
«43	1	0	7	600	337	410	30	4	13%
«44	6	0	6	700	397	680	30	4	13%
«45	4	0	4	700	358	665	30	4	13%
«46	13	0	13	900	676	912	30	3	10%
«47	10	0	10	700	434,3	683	30	2	7%
«55	12	3	15	700	704	720	100	18,65	19%
«56	16	3	19	700	702	702	100	17,9	18%
«57	17	3	20	700	459	701	100	18,44	18%
«58	11	3	14	700	422	702	100	19,33	19%
«59	16	3	19	700	493	702	100	18,05	18%
«60	15	3	18	700	489	705	100	16,89	17%
«61	16	6	22	700	529	702	100	17,61	18%
«62	33	15	48	900	756	903	100	10,33	10%
«63	32	0	32	900	451	637	100	19,98	20%
«64	97	0	97	1000	631	837	201	36,21	18%
«65	71	20	91	900	743	947	190	15,34	8%

Таблица 3 (продолжение)

Идентификационн ый номер цикла (стандартизирован ный)	4спыта иные дополн /ггельн ле образц Л	Площадь поверхно сти по методу БЭТ (м²/г)	Площа ць поверх ности по методу Пенгмю ра (м²/г)	С	Н	N	5
«43	Ξ2	634,0	710,0
«43	Ξ3	482,7	539,9
«44	41	680,0	759,8
«44	Н2	619,6	692,1
«45	Л	692,8	773,8
«45		508,8	568,0
«46	_1	618,0	689,5
«46	_2	170,0	170,0
«47	\11	931,0	1040,0
«47	01	841,0	939,0
«55	«55,1 Ь	82,3	92,1
«56	«56,ОЬ			87,7	2,02	0,46	<0,01
«56	«56,1Ь	372,0	414,9
«59	«59,ОЬ			89,9	1,76	0,30	<0,01
«59	«59,1Ь	396,2	435,7
«60	«60,ОЬ			88,8	1,75	0,18	<0,01
«61	«61,1Ь	428,1	476,9
«62	«62,ОЬ			91,2	0,71	0,71	0,03
«62	«62,1Ь	497,4	555,2
«63	«63,ОЬ			86,9	1,33	0,41	0,02
«63	«63,0с	531,7	592,8
«65	«65,ОЬ			84,9	2,52	0,36	0,02
«65	«65,1с	1276,9	1427,6

- 31 027604

	С	Н	N	3	О	Влага (% по весу)	Летучее вещество (% по весу)	Зола (% по весу)
Сырье из гикори перед обработкой	46,4	5,59	0,08	0,02	40,80	6,30	79,80	0,80

В приведенной ниже табл. 4 показаны условия обработки вместе с результатами предварительной подготовки биомассы с использованием предпочтительного способа предварительной подготовки. В качестве сырья для биомассы использовали сосну лучистую во всех циклах предварительной обработки, причём отношение воды к биомассе выбрали 5:1 для обеспечения удовлетворительного конвективного смешивания во всей реакционной среде. В последней строке таблицы результатов указаны свойства биомассы перед предварительной обработкой.

Результаты предварительной обработки показали, что температура реакции имеет сильное влияние на уровень карбонизации. Температура предварительной обработки биомассы составила примерно 270°С и оказалась достаточной для увеличения содержания углерода в биомассе на 27% за период времени примерно 1 ч до 70% С. Увеличение вдвое продолжительности обработки до 2 ч привело к лишь к незначительному увеличению содержания углерода на 1%.

Таблица 4

Биомасса: древесные опилки от поперечного распиливания сосны лучистой.

Размер опилочных частиц: от 1x1 мм до 3x3 мм.

Содержание влаги: 11 %

Объемная плотность: 162 г/л

Условия обработки

Испы тание	Масса сырья, (г)	Масса воды, (О	Уставка гемператур ы, С	Давление при данной уставке, (Бар)	Продолжитель ность обработки при данной уставке, (час)
НП1	Приблизительно 40	200	230	25	2
НН2	45	200	230	25	4
НПЗ	40	200	230	25	3
НН4	40	200	230	26,4	20
НН5	40	200	235	24,7	3
НП6	40	200	275	54,6	1
НП7	40	200	275	55,9	2
НП8	20	200	230	24,8	3
НП9	10	206	230	24,7	3

Результаты

	Состав по элементам (%)	Теплотворная способность (МДж/кг)
Испытанный твердый образец	С	Н	N	5	Чистая теплотворная способность углеводородов
НП1.0	58,51	3,65	<0,3	<0,3	Не испытан
НН2.0	62,40	2,33	<0,3	<0,3	Не испытан
НП3.1	59,84	3,59	<0,3	<0,3	24,9
НН4.2	69,72	4,77	<0,3	<0,3	29,8
НН5.8	67,36	3,51	<0,3	<0,3	27,4
НН6.2	71,66	5,20	<0,3	<0,3	31,0
НП7.11	72,23	5,22	<0,3	<0,3	31,2
НН8.6	65,73	5,61	<0,3	<0,3	29,4
НП9.11	64,26	5,62	<0,3	<0,3	28,94
Сырье перед	56,6	5,4	<0,3	<0,3	Не испытан

- 32 027604

В приведенной ниже табл. 5 указана целевая спецификация для коксового орешка, используемого при изготовлении стали, вместе с результатами для предварительно гидротермическим способом обработанной биомассы, которую затем обработали высокочастотным нагревом с использованием первого предпочтительного способа согласно настоящему изобретению.

Предварительно гидротермическим способом обработанная биомасса представляет собой древесные стружки сосны лучистой (25x25 мм) с исходным содержанием углерода приблизительно 55%. Гидротермальная обработка была выполнена при 300°С в течение примерно 1 ч, в результате чего содержание углерода превысило 76%. Было измерено электрическое сопротивление поднабора предварительно обработанных частиц биомассы. Все указанные частицы показали сопротивление >2 кОм, что, как ожидается, не должно обеспечивать сильную связь с микроволновым излучением. Затем предварительно обработанный образец биомассы смешали с частицами карбида кремния (5x5 мм) в количестве 5% от массы предварительно обработанной биомассы и подвергли действию чистой энергии высокочастотного нагрева с приложенной мощностью примерно 400 Вт в течение примерно 5 мин. Результат показал значительное увеличение содержания углерода на 11% сразу после нескольких минут высокочастотного нагрева и соответствующее уменьшение содержания серы и азота.

Таблица 5

Идентификационный номер образца	Сырье	С (%)	н (%)	N (%)	5 (%)
Целевая спецификация (коксовый орешек)		85,0	N5	<0,51	<0,51
С (Перед микроволновой обработкой)	Г идротерми ческим способом обработанн ые стружки сосны	76,28	3,52	<0,30	<0,30
С (После микроволновой обработки)		84,76	1,66	<0,30	<0,30
Изменение		8,47	-1,87	<0,30	<0,30

Сокращения:

ΝΑ - нет сведений;

N8 - не указано.

В приведенной ниже табл. 6 указаны условия эксперимента вместе с соответствующими результатами испытаний коксового орешка с использованием первого предпочтительного способа согласно настоящему изобретению. Свойства сырья указаны в приведенной ниже итоговой табл. 7.

Во всех примерах в качестве сырья использовали древесину гикори, причём реакционный контейнер был изготовлен из плавленого кварца, а в качестве транспортирующего газа использовали азот.

Во время данных циклов обработки не использовали микроволновый поглощающий катализатор, однако тонкий слой пиролитического углерода покрывал внутреннюю стенку реакционного контейнера и, таким образом, обеспечивал поле излучения черного тела для биомассы, таким образом способствуя ее нагреванию.

Из таблицы видно, что содержание углерода в биомассе было значительно увеличено во всех циклах обработки. Содержание углерода, как очевидно из таблицы, выравнивается только после 3 мин нагрева при целевой температуре и в среднем составило 89%, в то время как содержание азота, как очевидно из таблицы, уменьшается при продолжении нагревания.

Результаты показывают, что полное время нагрева, приблизительно составляющее 15 мин, является достаточным для соответствия целевой спецификации коксового орешка.

- 33 027604

Таблица 6

Иденти фикаци онный номер цикла	Сырье	Расход газа (л/мин)	Средняя поглощенн ая энергия (кВт)	Пиковая поглощенн ая энергия (кВт)	Масса микроволнового абсорбера (г)
В48	Древесина гикори	25	2,10	2,1	0
В49	Древесина гикори	25	1,45	2,2	0
В50	Древесина гикори	25	1,60	2,3	0
П51	Древесина гикори	25	1,96	2,1	0
В66	Древесина гикори	25	1,23	2,1	0
В67	Древесина гикори	25	1,39	2,1	0
В68	Местный новозеланд ский гикори	25	1,33	2,3	0
В69	Местный новозеланд ский гикори	25	1,35	2,2	0

Таблица 6 (продолжение)

Иденти	Время	Время	Полное	Целевая	Средняя	Пиковая
фикаци	нагрева	выдерж	время	темпера	температ	температура
онный номер цикла	ния (мин)	ки (мин)	нагреван ия (мин)	тура (ЯС)	Ура (ЯС)	(Ό)
Н48	11	3	14	600	431	600
Н49	12	5	17	600	429	603
Н50	14	7	21	600	446	603
П51	11	3	14	600	390	607
Н66	10	20	30	600	542	680
Н67	8	20	28	600	518	680
Н68	11	20	31	600	555	682
Н69	10	20	30	600	483	688

Таблица 6 (продолжение)

Идент	Испы	С	Н	N	8	Твёрд	Остат	Производител
ифик	танны					ые	ОК	ьность
ацион	й					части	тверд
ный	образ					цы в	ых
номер	ец					начал	части
цикла						е,	Ц,
						(г)	(г)
П48	П48.0	90,9	2,3	0,3	<0,01	101	20,08	20%
Н49	В49.0	90,3	1,7	0,5	<0,01	100	20,8	21%
Н50	Н50.0	90,8	2,0	0,4	<0,01	100	20,44	20%
П51	П51.0	89,3	2,6	0,3	<0,01	100	21,04	21%

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обработки биомассы для производства продукта с повышенным содержанием углерода в биомассе, включающий этапы:

a) предварительной обработки биомассы путем гидротермальных преобразований, предусматривающий нагревание биомассы до температуры между примерно 230 и примерно 350°С под давлением от 25 до 170 бар;

b) приложения электромагнитной энергии к биомассе с частотой от примерно 900 МГ ц до примерно 3 ГГц, примерно13, примерно 27 или примерно 40 МГц для производства продукта с повышенным содержанием углерода в биомассе.
2. Способ по п.1, в котором продукт с повышенным содержанием углерода представляет собой один из группы: повторно обогащенный углеродом уголь, коксовый орешек или активированный уголь.
3. Способ по пп.1, 2, в котором нагрев биомассы во время этапа предварительной обработки осуществляют с использованием микроволновой энергии.
4. Способ по любому из пп.1-3, дополнительно включающий отбор пара, выпускаемого из биомассы.
5. Способ по пп.1, 3 или 4, в котором продукт с повышенным содержанием углерода в биомассе представляет собой один из группы: активированный уголь, коксовый орешек и повторно обогащенный углеродом уголь и который дополнительно включает этап использования продукта для изготовления стали.
6. Устройство для обработки биомассы, содержащее:

a) гидротермальный реактор для предварительной обработки биомассы;

b) реакционный контейнер, содержащий входное отверстие для приема необработанной биомассы от гидротермального реактора, и выходное отверстие для выпуска обработанной биомассы; и

c) электромагнитный генератор для прикладывания электромагнитной энергии к реакционному контейнеру и размещенной в нем биомассе.
7. Устройство по п.6, в котором реакционный контейнер содержит выполненную с возможностью вращения трубу.
8. Устройство по любому из пп.6, 7, дополнительно содержащее систему для извлечения газа/пара, которая содержит источник транспортирующего газа.