[發明專利]熱解碳質原料的往復式反應器和方法

有效

• 申請號: 201280033793.6
• 申請日: 2012-05-14
• 公開（公告）號: CN103842101B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 托馬斯·德爾蒙特;埃倫·亞爾
• 申請（專利權）人: 因特拉能源公司
• 主分類號: B08B1/00
• 分類號: B08B1/00;B08B1/04
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司11219
• 代理人: 蔡石蒙,車文

技術領域

本技術涉及熱解碳質原料的方法、系統和裝置。

背景技術

熱解是碳質原料（有時稱為生物量）的熱轉換或熱解以產生生物碳、水和氣體的過程。

術語“碳質原料”包括所有種類的有機材料，諸如木質和草本植物材料以及農作物廢料，包括例如原木、木板、木屑以及樹皮、玉米穗、谷物干草、麥秸、堅果殼和甘蔗渣。碳質原料還包括城市固體廢料、塑料、輪胎、污水污泥、糞便或其它排泄物的有機成分，以及畜牧業廢料，諸如骨頭和尸體。

術語“生物碳”表示由碳質原料的熱解產生的炭化材料。生物碳有很多用途，包括將其用作土壤改良劑以提高植物產量、提高保水性、減少溫室氣體的土壤排放、減少養分流失以及減少土壤酸性。有些人認為生物碳生產和用于土壤中是碳封存的有用方法。

在一個示例性熱解過程中，木材可作為碳質原料。在實驗室環境和常壓下，轉化過程中的下列階段已經過驗證：

1.20℃到110℃—木材隨著其變干而吸熱，從而將水分放出為水蒸汽（蒸汽）。溫度保持在100℃或略高直到木材基本干燥。

2.110℃到270℃—木材吸熱。最后的水跡放出為水蒸汽（蒸汽）且木材開始分解、放出一些一氧化碳、二氧化碳、醋酸和甲醇。

3.270℃到290℃—木材開始放熱分解。假設木材未被冷卻到分解溫度以下，發生放熱并且分解自發地繼續進行。混合的氣體和蒸汽與一些焦油一起繼續被放出。

4.290℃到400℃—木材結構繼續分解，放出的蒸汽包括可燃氣體以及二氧化碳，可燃氣體諸如是一氧化碳、氫氣和甲烷，并且還包括可冷凝蒸汽，諸如水、醋酸、甲醇、丙酮等。此外，放出的蒸汽還包括焦油，焦油隨著溫度升高開始占主導地位。

5.400℃到500℃—在大約400℃下，木材到生物碳的轉化實際地完成。該溫度下的生物碳仍包含有被捕集在結構中的相當可觀量的焦油，可能是大約30wt%。生物碳需要進一步加熱以餾出更多焦油且由此將生物碳中的固碳含量提高到大約75%，這是優質商業木炭的標準要求。為了餾出額外的焦油，生物碳經受進一步的熱輸入以將其溫度提高到大約500℃，從而完成碳化階段。

在本領域已知的是，提升反應器壓力對碳質材料的熱解反應影響很小。值得注意地，熱解在較低溫度下開始，在反應過程中釋放明顯更多的能量，增加固碳產量，以及改變氣體產物成分。除了具有明顯更少的焦油外，氣體產物成分有利于使水和甲烷的產量超過二氧化碳、氫氣和一氧化碳。

熱解技術可在廣義上分類成批次或連續的工藝系統。由于一系列原因，包括運行效率、熱效率、轉化效率、資本效率，以及更大的過程和排放控制等原因，最先進的碳化系統采用連續過程。

為了產生足夠熱以開始和保持連續的熱解，目前已知的工藝通常某種程度上依賴于內部燃料、外部燃料還是兩者都有的燃燒。內部燃燒通常包括允許受限量的空氣進入到熱解腔室以提供熱解產物的部分燃燒必需的氧氣。但由于兩個原因，這是有問題的。第一，任何程度的燃燒均使得熱解產物的產量降低。第二，注入空氣中的惰性氣體和燃燒產物稀釋了熱解氣體產物，使得它們有用性降低且經常不可燃燒，這導致增大的空氣污染。

為克服與使用內部燃燒相關聯的問題，許多熱解系統設計成使用外部熱源（通常為燃燒）來提供必需的熱，并且經由穿過反應器容器外壁的熱傳遞來加熱原料。使用外部熱源的熱解方法還具有明顯的缺點。值得注意地，加熱容器所需的熱源增大了這種系統的運行成本。而且，將燃燒作為熱源產生了可能對環境有害的空氣排放源。

而且，由傳統的熱解系統產生的氣體通常包括可燃成分（諸如，一氧化碳、氫氣、少量的甲烷，以及焦油蒸汽）和不可燃成分（諸如，水、氮氣和二氧化碳）的混合物。典型的熱解氣體的能量密度與其它燃料氣體相比是較低的。提高氣體等級可能是昂貴的且高度依賴于所選的方法。最不昂貴的方法通常是除濕，以取出反應過程中形成的大部分水蒸汽。除濕通常通過簡單地將氣體在單獨的除濕系統中冷卻來實現。由于壓力的使露點溫度升高的影響，在升高壓力下的冷卻氣體允許在固定溫度下去除更多蒸汽。