[发明专利]热解碳质原料的往复式反应器和方法

说明书

技术领域

本技术涉及热解碳质原料的方法、系统和装置。

背景技术

热解是碳质原料（有时称为生物量）的热转换或热解以产生生物碳、水和气体的过程。

术语“碳质原料”包括所有种类的有机材料，诸如木质和草本植物材料以及农作物废料，包括例如原木、木板、木屑以及树皮、玉米穗、谷物干草、麦秸、坚果壳和甘蔗渣。碳质原料还包括城市固体废料、塑料、轮胎、污水污泥、粪便或其它排泄物的有机成分，以及畜牧业废料，诸如骨头和尸体。

术语“生物碳”表示由碳质原料的热解产生的炭化材料。生物碳有很多用途，包括将其用作土壤改良剂以提高植物产量、提高保水性、减少温室气体的土壤排放、减少养分流失以及减少土壤酸性。有些人认为生物碳生产和用于土壤中是碳封存的有用方法。

在一个示例性热解过程中，木材可作为碳质原料。在实验室环境和常压下，转化过程中的下列阶段已经过验证：

1.20℃到110℃—木材随着其变干而吸热，从而将水分放出为水蒸汽（蒸汽）。温度保持在100℃或略高直到木材基本干燥。

2.110℃到270℃—木材吸热。最后的水迹放出为水蒸汽（蒸汽）且木材开始分解、放出一些一氧化碳、二氧化碳、醋酸和甲醇。

3.270℃到290℃—木材开始放热分解。假设木材未被冷却到分解温度以下，发生放热并且分解自发地继续进行。混合的气体和蒸汽与一些焦油一起继续被放出。

4.290℃到400℃—木材结构继续分解，放出的蒸汽包括可燃气体以及二氧化碳，可燃气体诸如是一氧化碳、氢气和甲烷，并且还包括可冷凝蒸汽，诸如水、醋酸、甲醇、丙酮等。此外，放出的蒸汽还包括焦油，焦油随着温度升高开始占主导地位。

5.400℃到500℃—在大约400℃下，木材到生物碳的转化实际地完成。该温度下的生物碳仍包含有被捕集在结构中的相当可观量的焦油，可能是大约30wt%。生物碳需要进一步加热以馏出更多焦油且由此将生物碳中的固碳含量提高到大约75%，这是优质商业木炭的标准要求。为了馏出额外的焦油，生物碳经受进一步的热输入以将其温度提高到大约500℃，从而完成碳化阶段。

在本领域已知的是，提升反应器压力对碳质材料的热解反应影响很小。值得注意地，热解在较低温度下开始，在反应过程中释放明显更多的能量，增加固碳产量，以及改变气体产物成分。除了具有明显更少的焦油外，气体产物成分有利于使水和甲烷的产量超过二氧化碳、氢气和一氧化碳。

热解技术可在广义上分类成批次或连续的工艺系统。由于一系列原因，包括运行效率、热效率、转化效率、资本效率，以及更大的过程和排放控制等原因，最先进的碳化系统采用连续过程。

为了产生足够热以开始和保持连续的热解，目前已知的工艺通常某种程度上依赖于内部燃料、外部燃料还是两者都有的燃烧。内部燃烧通常包括允许受限量的空气进入到热解腔室以提供热解产物的部分燃烧必需的氧气。但由于两个原因，这是有问题的。第一，任何程度的燃烧均使得热解产物的产量降低。第二，注入空气中的惰性气体和燃烧产物稀释了热解气体产物，使得它们有用性降低且经常不可燃烧，这导致增大的空气污染。

为克服与使用内部燃烧相关联的问题，许多热解系统设计成使用外部热源（通常为燃烧）来提供必需的热，并且经由穿过反应器容器外壁的热传递来加热原料。使用外部热源的热解方法还具有明显的缺点。值得注意地，加热容器所需的热源增大了这种系统的运行成本。而且，将燃烧作为热源产生了可能对环境有害的空气排放源。

而且，由传统的热解系统产生的气体通常包括可燃成分（诸如，一氧化碳、氢气、少量的甲烷，以及焦油蒸汽）和不可燃成分（诸如，水、氮气和二氧化碳）的混合物。典型的热解气体的能量密度与其它燃料气体相比是较低的。提高气体等级可能是昂贵的且高度依赖于所选的方法。最不昂贵的方法通常是除湿，以取出反应过程中形成的大部分水蒸汽。除湿通常通过简单地将气体在单独的除湿系统中冷却来实现。由于压力的使露点温度升高的影响，在升高压力下的冷却气体允许在固定温度下去除更多蒸汽。