[发明专利]一种制备含水和碳组份固液混合物的炭的方法、装置及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备炭的方法，具体而言涉及一种制备含水和碳组份固液混合物的炭的方法、装置及应用。

背景技术

水热碳化（HTC）是用于生产炭的一种简便且高效的化学方法，生成的炭也被称为生物煤或绿色煤，与黑煤或褐煤、腐殖质或泥煤类似，该方法首次由德国诺贝尔奖获得者Friedrich Bergius于1913年进行了详述。该HTC工艺在数小时的时间内模拟了天然煤化过程（即死亡的植物材料和生物质自然转化为腐殖酸和泥煤，然后转化为褐煤并最终转化为黑煤的过程）。

将生物质和水一起在1.5～2MPa的压力下加热至约180℃，在几个小时内，即可变为含炭的悬浮液。化学反应的不同阶段按时间顺序可分为加热阶段、解聚阶段、重组阶段和稳定阶段。化学转化反应是放热的，释放出的能量可达原料、特别是含糖类的材料中所含能量的34%。反应后，与原料或初始物质相比，碳悬浮液具有有利的特性，原因在于其分子和结构所发生的化学转变使脱水和干燥迅速而简单，并且必要时，随后可以以极少的能量消耗即可将其粉碎。反应过程中，氢和氧作为水被释放，水是该过程的主要副产物。与初始材料相比，碳（C）的相对分子含量提高，氧（O）、硫（S）、钾（K）和氯（Cl）以及灰分含量都降低。与原料相比，炭具有更高的燃料值。它可以被用作燃料，并且诸如改良土壤等的其他用途正处于探讨之中。

生物质是最重要的碳转化器，能以最高的效率捕捉大气中的CO₂。因此，只有生物质能够成为形成确实降低碳并能够消除我们过去排放的碳的能量系统之基础。为了形成这种碳汇，必须以具有足够高的碳效率的方法来结合固定碳。碳效率表示原料中所含的、被留在最终产物或燃料中的碳的百分比，因此是任何生物质转化过程中的一个重要效率指标。HTC的碳效率高达90%，与其他生物质转化过程例如发酵产生生物气（～50%）、木材气化（～30%）和堆肥（～10%）相比都更有利。

对不同生物质转化方法进行比较分析的结果显示：HTC能够在未来显著降低全球的CO₂释放：我们生态系统中11%的生物质生长在可用的耕地上。根据植物种类的不同，高达90%的农业生物质无法被加工成为食物，并被视作收割残余物和生物废料。消除活性生态系统产生的8.5%生物质将能够补偿原油燃烧所释放的所有CO₂。

除了具有释放极少量CO₂的环保特点外，原料的灵活性也决定了任何生物质转化过程的效率和可持续性。HTC是迄今为止已知的唯一具有高碳效率、能够利用所有类型的原料的生物质转化方法。

固液混合物的反应、尤其是反应时间超过20分钟的生物质反应是罕有的，并且在化学工艺技术中很少见。因此，直至今日，尚未开发出能够使化学反应持续发生的适当的反应器。

发明内容

本发明的目的在于找到一种解决方案，能够以经济、连续的方式转化固液混合物，并由此防止结块和堵塞。

根据本发明实现该目的的原因在于层流反应器下部管子部分的直径小于下行管段的直径，并且至少下行管段是基本上垂直的或至少向水平面倾斜。

炭是一种燃料或土壤改良用的腐殖质/材料，由含碳材料或原料通过HTC工艺生成。原料均为植物成分，主要为收割残余物、木材、木渣、根、叶、枝、生物废料、废渣或工业废料的生物成分、动物尸体、屠宰废料、食物残渣、纸张、纺织品、粪便或粪肥、淤泥、以及其他含碳或含碳水化合物、纤维素、半纤维素、以及木质素的材料。

在反应过程中，氢和氧以水的形式被释放，水是HTC过程中的主要副产物。与初始材料相比，碳（C）的相对分子含量提高，氧（O）、硫（S）、钾（K）和氯（Cl）以及灰分的含量降低。根据原料和反应条件，O/C比降低约0.1、0.2或0.3，H/C比降低0.1–0.2、0.2–0.4或约0.2–0.6。例如：木材的O/C比处理前为0.6，处理后约0.3。麦糟的O/C比由0.5降至0.25。H/C比由1.4降至0.9。与原料相比，该炭具有更高的燃料值。它可以被用作燃料，并且其他诸如改良土壤等的用途正处于探讨之中。

层流反应器的反应单元基本上可在无需使用阀门或机械搅拌装置等可移动组件的情况下实现彼此相连。

为了实现上述目的，本发明提供一种制备含水和碳组份固液混合物的炭的方法：在一层流反应器中，以100～300℃、0.5～7Mpa的条件处理所述固液混合物；所述层流反应器包含至少两个保持段以及至少一个设置在所述保持段下方的转向器，其中：