含碳材料的有效干燥和熱解的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于干燥和熱解含碳材料以生產(chǎn)有價(jià)值的產(chǎn)品，例如炭、油、氣和熱能的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]熱解過(guò)程可基于含碳原料經(jīng)受的升溫速率被分類為“快熱解”和“慢熱解”?！奥裏峤狻边^(guò)程典型的涉及長(zhǎng)駐留時(shí)間和低升溫速率(例如，低于每秒鐘10°c)。慢熱解過(guò)程實(shí)例包括基于填充床反應(yīng)器、曲頸瓶和窯爐的系統(tǒng)?！翱鞜峤狻边^(guò)程涉及在高升溫速率下的生物量的快速分解(例如，高于每秒鐘100°c)，有助于在室溫下為液態(tài)的產(chǎn)品的形成，以固態(tài)含碳材料，例如炭為代價(jià)。典型的快熱解過(guò)程涉及被分解為小物理尺寸的原料，這些原料移動(dòng)以最大化熱量和質(zhì)量傳遞率，例如通過(guò)使用氣固流化床、氣流床反應(yīng)器、回轉(zhuǎn)爐或螺旋爐。
[0003]含碳材料的熱解要求在無(wú)氧或“還原”環(huán)境中以中等溫度(例如從200°C加熱到1000°C)加熱材料。不可在開(kāi)放空間或自由氧存在的空間實(shí)施熱解過(guò)程，因?yàn)樵谶@種處理溫度下，待熱解的材料在空氣中將會(huì)起火燃燒(氧化)，最終的結(jié)果是合適的熱解產(chǎn)品被毀壞。由于這個(gè)原因，熱解過(guò)程必須如此實(shí)施以使得自由氧的存在被減至最小程度。由于需要加熱以提高材料溫度和推動(dòng)熱解進(jìn)程，通常使用熱源(例如燃燒裝置)。因?yàn)槿紵枰鯕?，燃燒裝置需要和熱解區(qū)域物理隔離，以防止氧氣進(jìn)入熱解區(qū)域。
[0004]為了維持還原環(huán)境，過(guò)去實(shí)施熱解時(shí)，曾將待熱解材料裝在已排空空氣(通常通過(guò)某種形式的氣鎖系統(tǒng)或單向閥裝置)的器皿或容器中，然后從這些器皿或容器的外部間接加熱，也就是在熱源和熱解區(qū)域之間使用一個(gè)固態(tài)屏障。
[0005]間接加熱可能采用燃燒一個(gè)獨(dú)立的燃料的形式來(lái)提供必須的熱量輸入，或更常見(jiàn)的，也包括獲取和燃燒在熱解過(guò)程中產(chǎn)生的熱解產(chǎn)物氣體(揮發(fā)物)，熱解過(guò)程中產(chǎn)生的熱解產(chǎn)物氣體被從熱解進(jìn)程中輸送至燃燒系統(tǒng)并被作為燃料。
[0006]這種物理隔離的方式通常需要將一個(gè)器皿設(shè)置在另一個(gè)器皿內(nèi)，或一個(gè)管子插在另一個(gè)管子內(nèi)，例如加熱步驟發(fā)生在外側(cè)器皿或管子內(nèi)，而熱解發(fā)生在內(nèi)側(cè)器皿或管子內(nèi)。電氣器件或熱油環(huán)路也可能用于為材料提供熱能而不使材料暴露在氧氣環(huán)境中，然而這種方式的運(yùn)轉(zhuǎn)成本限制了其應(yīng)用。固態(tài)屏障的存在也限制了擴(kuò)容、熱效率，也約束了熱解過(guò)程所采用物理結(jié)構(gòu)的選擇，對(duì)熱解過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了不利的影響。
[0007]用于氧氣最少化的必須的物理裝置也可能為供給準(zhǔn)備和產(chǎn)品處理引入額外的要求，特別是減小原料尺寸可能變成必須的，以使得原料的供給和產(chǎn)品回收成為可能，同時(shí)在熱解過(guò)程中維持必須的還原環(huán)境。
[0008]在熱解技術(shù)中通常使用的間接加熱方法在結(jié)構(gòu)上(即必須要一個(gè)獨(dú)立的氣密室來(lái)進(jìn)行熱解，還需要容納加熱系統(tǒng)的外部裝置)增加了成本。間接加熱方法還引起從加熱系統(tǒng)到熱解部位的較差的熱傳導(dǎo)，因?yàn)闊崃勘仨毻ㄟ^(guò)熱解容器的壁傳導(dǎo)，導(dǎo)致總的熱效率較差。
[0009]在本說(shuō)明書中的任何文件、設(shè)備、行為或知識(shí)的討論是為了解釋本發(fā)明的內(nèi)容。它不應(yīng)該被視為承認(rèn)任何這些材料構(gòu)成本領(lǐng)域在先技術(shù)基礎(chǔ)或公知常識(shí)的一部分，在澳大利亞或者其他任何國(guó)家，在本發(fā)明權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日或之前。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]需要提供一種用于干燥和熱解含碳材料的設(shè)備和方法，不需要在發(fā)熱燃燒(氧化)區(qū)域和正在進(jìn)行熱解的材料之間采用固態(tài)屏障。
[0011]依照本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種用于干燥和熱解含碳原料的設(shè)備，所述設(shè)備包括一大體密封的、用于容納含碳原料于其中的反應(yīng)箱，所述反應(yīng)箱包括一個(gè)或多個(gè)位于所述反應(yīng)箱上部的進(jìn)氣口，所述的進(jìn)氣口可連接至一含氧氣體源，從而方便將含氧氣體供應(yīng)至所述反應(yīng)箱；所述反應(yīng)箱進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)位于所述反應(yīng)箱下部的出口，用于使所述反應(yīng)箱內(nèi)生成的氣體能夠排出；
其中，在使用中，含碳原料如此設(shè)置在所述反應(yīng)箱內(nèi)，以使得所述含碳原料的頂部位于所述出口之上，并且在所述進(jìn)氣口處或低于所述進(jìn)氣口 ；
以及，其中所述含碳原料頂部的燃燒為干燥和熱解所述反應(yīng)箱內(nèi)的其余含碳原料提供必需的熱量；
以及，其中調(diào)節(jié)通過(guò)所述進(jìn)氣口進(jìn)入所述反應(yīng)箱的含氧氣體的流量以響應(yīng)所述反應(yīng)箱內(nèi)的溫度測(cè)量，從而為所述含碳原料的熱解確定所述反應(yīng)箱內(nèi)的最適條件。
[0012]優(yōu)選的，所述一個(gè)或多個(gè)所述出口朝向所述反應(yīng)箱的底部設(shè)置，如此使得在所述反應(yīng)箱內(nèi)生成的氣體流過(guò)所述含碳原料到達(dá)所述出口。
[0013]所述設(shè)備可進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)用于測(cè)量所述反應(yīng)箱內(nèi)溫度的溫度探頭。在這方面，至少一個(gè)所述的溫度探頭可能被設(shè)置在所述反應(yīng)箱的上部，而且至少一個(gè)溫度探頭可被設(shè)置在所述反應(yīng)箱的下部。
[0014]所述反應(yīng)箱還可包括一可重復(fù)密封的艙口蓋，以使得可以將原料裝入所述反應(yīng)箱。所述設(shè)備還可包括一在所述反應(yīng)箱內(nèi)容納所述含碳原料的籠形結(jié)構(gòu)。
[0015]所述進(jìn)氣口中的一個(gè)或多個(gè)可包括一用于協(xié)助分散進(jìn)入所述反應(yīng)箱的含氧氣體的擋板或擴(kuò)散器。
[0016]所述設(shè)備還可包括一個(gè)或多個(gè)設(shè)置在所述反應(yīng)箱上節(jié)的噴水器。此外，所述設(shè)備可包括一用于釋放所述反應(yīng)箱內(nèi)多余壓力的泄壓設(shè)備。
[0017]依照本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于在一大體上密封的反應(yīng)箱內(nèi)干燥和熱解含碳原料的方法，所述反應(yīng)箱具有設(shè)置在反應(yīng)箱上部的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口和設(shè)置在反應(yīng)箱下部的一個(gè)或多個(gè)出口，所述一個(gè)或多個(gè)進(jìn)氣口可連接至一含氧氣體源，從而方便將含氧氣體供應(yīng)至所述反應(yīng)箱；所述一個(gè)或多個(gè)出口使所述反應(yīng)箱內(nèi)生成的氣體能夠排出所述反應(yīng)箱；所述方法包括步驟:
將含碳原料放入所述反應(yīng)箱，如此使所述含碳原料的頂部在所述出口之上并在所述進(jìn)氣口處或低于所述進(jìn)氣口；
通過(guò)所述進(jìn)氣口從所述含氧氣體源向所屬反應(yīng)箱輸送含氧氣體流；
燃燒所述含碳原料的頂部，以為干燥和熱解所述反應(yīng)箱內(nèi)的其余含碳原料提供熱量；
以及
調(diào)節(jié)進(jìn)入所述反應(yīng)箱進(jìn)氣口的含氧氣體的流量以響應(yīng)所述反應(yīng)箱內(nèi)的溫度測(cè)量，從而為所述含碳原料的熱解確定所述反應(yīng)箱內(nèi)的最適條件。
[0018]所述反應(yīng)箱內(nèi)的溫度測(cè)量?jī)?yōu)選地包括至少一個(gè)位于所述反應(yīng)箱上部的區(qū)域的溫度測(cè)量和至少一個(gè)位于所述反應(yīng)箱下部的區(qū)域的溫度測(cè)量。
[0019]所述含碳原料頂部的燃燒優(yōu)選地是通過(guò)使用一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)火源點(diǎn)燃所述含碳原料引起。
[0020]此外，一旦所述反應(yīng)箱下部的區(qū)域測(cè)得的溫度達(dá)到一最低目標(biāo)溫度，優(yōu)選地降低所述含氧氣體的流量。就這一點(diǎn)而言，所述最低目標(biāo)溫度優(yōu)選的大致在150°C和600°C之間。
[0021]進(jìn)一步的，優(yōu)選地控制含氧氣體的流量，如此以使得在所述反應(yīng)箱上部的區(qū)域測(cè)得的溫度不超過(guò)一預(yù)設(shè)最大值。
[0022]所述的方法可進(jìn)一步包括步驟:一旦達(dá)到所述最低目標(biāo)溫度，在一特定時(shí)間段內(nèi)維持所述反應(yīng)箱內(nèi)的溫度條件。
[0023]進(jìn)一步的，所述含氧氣體在被送入所述反應(yīng)箱進(jìn)氣口之前被一外部熱源預(yù)加熱。在這方面，所述外部熱源可為從另一反應(yīng)箱中獲取的熱量。
[0024]在另一實(shí)施例中，所述含氧氣體在被送入所述反應(yīng)箱進(jìn)氣口之前可被預(yù)加熱，使用通過(guò)所述一個(gè)或多個(gè)出口從所述反應(yīng)箱排出的氣體中回收的熱能進(jìn)行所述預(yù)加熱。
[0025]本發(fā)明有利地為已知的熱解技術(shù)提供了一種供替代的選擇，并且在熱生成氧化反應(yīng)和熱解含碳原料之間不需要固態(tài)屏障。本發(fā)明還避免了用于再循環(huán)氣態(tài)的揮發(fā)性物質(zhì)到燃燒區(qū)域的外部裝置的需求。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的用于干燥和熱解含碳原料的裝置的剖斷圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]在開(kāi)始描述本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例之前，非常需要注意的是，說(shuō)明書中用到的各種術(shù)語(yǔ)具有技術(shù)人員讀者將能更好地理解的含義。為了便于參考，這些術(shù)語(yǔ)的其中一些將在此進(jìn)行定義。
[0028]在此使用的術(shù)語(yǔ)“含碳原料”包括但不限于未加工的和已加工的木材、