专利名称：生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及使用生物质为原料来生产生物炭的领域，更特别地涉及一种 生物炭生产设备及用于生产生物炭的工艺，该装置和工艺使得能够在工业上批量生成生 物炭，该生物炭能够特别用作煤焦炭的替代燃料。
背景技术：
近年来，由于全球变暖，促进了 CO2排放的减少。尤其是，在例如电厂锅炉等 燃烧设施处，常常使用诸如煤和重油等化石燃料作为燃料。然而，从CO2排放的观点出 发，这些化石燃料是全球变暖的原因，因此为了保护全球环境，这些化石燃料的使用正 在变得更有节制。而且从化石燃料消耗的观点出发，需要开发替代能源并将该能源投入 实际应用。正在努力促进利用使用生物质的燃料来代替煤焦炭。在本发明中，生物质是诸 如木质物质、草木、农作物、厨房废弃物等由光合作用形成的有机物。通过对这些类型 的生物质进行处理以用于燃料，可以利用生物质作为能源或工业原料。可以通过将生物质干燥成燃料或通过将生物质加压成燃料芯块、或通过碳化或 干馏将生物质转变成燃料。然而，在干燥方法中，经干燥的生物质中的空气比仍然很大 且表观比重小，因此使得难以运输或储存燃料。这种形式的燃料对于长途运输或储存而 言效率不是很高。专利参考文献1(日本公开S61-27435)中公开了将生物质转换成燃料芯块的方 法。这种方法包括将已粉碎纤维颗粒的含水量调节为按重量计算约16%至约28%，并在 膜具中压缩材料，以将其干燥成燃料芯块。专利参考文献2(JP2003_206490A)中公开了干馏的方法。根据这种方法，在缺 氧环境中，在200至500°C、优选在250至400°C下将生物质加热，从而生产生物质的焦 化压缩燃料的前体。然而，根据专利参考文献1中所公开的方法，通过压力成型来将生物质加工成 燃料，所加工的燃料芯块包含过多的水分且热值低，其不足以用作燃料。此外，根据专利文献2和其他参考文献中所公开的干馏法，经加工的生物质与 煤焦炭相比具有比未加工生物质更高的值，但表观比重仍然很小并具有低发热值。其还 具有比煤焦炭低的硬度，不足以取代煤焦炭。
发明内容
鉴于上述问题而作出本发明，且本发明的目的是提供一种生物炭生产设备及用 于生产生物炭的工艺，其使得能够高效地批量生产生物炭。在因此与本发明相关的生物 炭生产设备和工艺中，用作原料的生物质是诸如木质物质、草木、农作物、厨房废弃物 等由光合作用形成的有机物。在本文中，由光合作用形成的生物质意指在阳光中使用从根吸收的水和空气中的二氧化碳进行转化并形成诸如糖、纤维素和木质素等有机物的所有类型的生物质。最近，作为煤焦炭的替代品，近年来正在研究生物炭。生物炭是通过使生物质 原料在加压和加热的状态下保持一定的时间段并冷却而生产。粉末状生物质的加压和加 热条件确定反应机理，并 生产具有高硬度和高热值的生物炭。用上述条件下的反应机理，半纤维素被热分解并逐步显示出粘合效果，且来自 已粉碎生物质的过热蒸汽引起木质素在保持其结构的低温下起反应，这与固结效果协同 地起作用，从而产生具有高硬度和高热值的生物炭。由于在包含于木质素等中的酚类高 温分子之间引发反应激活点，从而进行热硬化反应。图7是将生物炭的物理特性与其他燃料的物理特性相比较的表格。表格中所示 的值是在实验中获得的，因此不应限制本发明。如表格中所示，生物炭的性质是表观比重1.2至1.38、最大压缩强度60至 200MPa>热值18至23MJ/kg，还在硬度和易燃性方面显示出优点，而木质生物质的性 质是表观比重0.4至0.6、最大压缩强度30MPa、热值17MJ/kg，还在硬度和易燃性方面 显示出比生物炭逊色的性能。煤焦炭的性质是表观比重1.85、最大压缩强度15、热值 29MJ/kg,但生物炭仍在易燃性和硬度方面显示出优越性能。因此，生物炭不仅是煤焦炭的功能替代物，而且生物炭作为一种材料拥有高热值。然而，生物炭仍然处于实验阶段，并且在实践中，手动地用粉末生物质填充反 应容器并使用一个反应容器依次生产生物炭。本发明提出一种生物炭生产设备，该设备用于使用由光合作用形成的已粉碎生 物质为原料并通过在反应容器中加热和压力成型含水量调节至给定比率的已粉碎生物质 而来生产生物炭，在所述反应容器中预设用于引发半纤维素热解和木质素热固化反应的 温度范围和压力范围，所述设备包括加压装置，所述加压装置用于加压至所述压力范围；加热装置，所述加热装置用于加热至所述温度范围；冷却装置，所述冷却装置用于在使加压和加热状态保持给定时间段之后进行冷 却；以及排出装置，所述排出装置用于在所述冷却之后排出所生产的生物炭，其中设置有多个所述反应容器，用于输送所述已粉碎生物质的粉碎物传输通路 优先设置到所述反应容器上，所述反应容器中的每一个经由连接管连接到所述粉碎物传 输通路，并且所述连接管设置有粉碎物装填装置，用于根据向反应容器进行粉碎物装填 的定时装填给定量的已粉碎生物质。根据本发明，可以高效地生产用来代替煤焦炭的生物炭。具体地说，通过设置 多个反应容器，从而使得能够连续地处理并在工业上批量生产生物炭。此外，利用通过粉碎物传输通路来输送粉碎生物质并根据需要向多个反应容器 装填粉碎生物质的结构，可以固定地安装诸如粉碎单元和粉碎料斗等大型供应单元，并 可以同样在不需要移动的情况下固定地安装接收侧的反应容器，从而简化所述单元并缩 小其尺寸。本发明的特征还在于直线地布置有至少两个具有多个反应容器的反应系列，并且沿着该反应系列直线地布置粉碎物传输通路，且所述反应系列的端部连接到相邻系 列，由此形成循环回路。利用所述结构，以直线的方式布置多个反应容器，并且沿着所述多个反应容器 以直线的方式布置粉碎物传输通路，因此安装面积可以更小，从而节省空间。此外，所述粉碎物传输通路优选是密封型管道输送机，且用此结构，可以安全 地输送甚至呈流体形式的粉碎物，并且由于输送机是密封型的，所以防止了粉碎物散 开。此外，所述生物炭生产设备的特征在于，所述粉碎物装填装置包括上闸门和下闸门，所述闸门沿所述连接管的竖直方向设置在不同位置，根据向 反应容器进行粉碎物装填的定时，由控制单元来控制闸门打开和关闭，以及位置检测传感器，所述位置检测传感器布置在所述闸门之间，用于检测已粉碎 生物质的量，其中，根据所述所检测的已粉碎生物质的量来控制所述上下闸门的所述打开和 关闭，并调节向所述反应容器装填已粉碎生物质的装填量和装填时间。利用该结构，用于已粉碎生物质的装填装置是装配有位置检测传感器的双闸门 结构，且构造成使得通过根据所述位置检测传感器检测的已粉碎生物质的量来控制闸门 的打开和关闭，从而调节粉碎生物质的装填量。因此，即使用此简单结构，也可以以精 确的时间向反应容器中装填给定量的已粉碎生物质。其独特之处在于，所述粉碎物装填装置包括重量传感器，所述重量传感器布 置在所述反应容器的底部上，装填量调节装置，所述装填量装置用于调节根据所述重量 传感器所检测的已粉碎生物质的量调节向反应容器中装填已粉碎生物质的装填量。利用该结构，根据所述位置检测传感器所检测的已粉碎生物质的量来调节粉碎 生物质的装填量。因此，即使用此简单结构，也可以已精确的时间向反应容器装填给定 量的已粉碎生物质。其特征还在于，所述反应容器是在内管与外管之间产生冷媒/热媒通路的双管 结构，所述粉碎生物质被装填到所述内管中，所述冷媒/热 媒通路连接到热媒回路和冷媒回路中的每一个，所述热媒回路用 于提高热媒的温度，所述冷媒回路装配有以冷却水冷却冷媒的热交换器，以及在所述冷媒回路的所述热交换器的上游侧中设置有冷却罐，所述冷却槽具有足 以将冷媒冷却至沸点以下的容积。根据本发明，防止了冷媒热交换器中的冷却水沸腾，并且可以进行安全且平稳 的操作且该操作需要最少量的冷却水。作为工艺发明，提出一种用于生产生物炭的工艺，使用由光合作用形成的已粉 碎生物质为原料，通过在反应容器中对含水量调节至给定比率的已粉碎生物质进行加热 和压力成型来生产生物炭，其中设置有多个所述反应容器和用于传输所述已粉碎生物质的粉碎物传输通路；预设用于引发半纤维素热解和木质素热固化反应的温度范围和压力范围；所述工艺包括如下步骤在所述压力和温度范围内使所述反应容器的每个中的所述已粉碎生物质在加压和加热状态中保持给定时间段；冷却所述已粉碎生物质；在用于排出所生产的生物炭的一系列处理中处理所述已粉碎生物质；以及根据在所述处理步骤中向所述反应容器进行粉碎物装填的定时，将给定量的所 述已粉碎生物质从所述粉碎物传输通路装填到所述反应容器的相应的一个。根据此方法，可以获得与上述设备发明相同的效果。 此外，可以同时执行加热和加压，或者在一个开始之前执行另一个。具体地 说，本发明包括以下三种情形同时开始保持加热和加压状态的两种处理、在加热并保 持该状态之前开始加压、以及在加压并保持该状态之前开始加热。此外，生物炭生产工艺的特征在于，在所述处理步骤中，通过向所述反应容器 供应热媒来进行加热，并通过供应冷媒来进行冷却，并且在多个反应容器中的处理步骤 之中的所述加热和冷却至少在所述反应容器中的每一个中以不同时间执行。以这种方式，在每个反应容器中在不同时间执行多个反应容器中的处理步骤。 通过使热媒或冷媒的供应时间在每个反应容器中不同，可降低热媒回路和冷媒回路上的 负荷，缩小冷媒/热媒回路的尺寸。如上所述，根据本发明，可以高效地批量生产生物炭，该生物炭具有高硬度和 热值且可以特别用作煤焦炭的替代燃料。此外，利用通过粉碎物传输通路来输送粉碎生物质并根据需要向多个反应容器 装填已粉碎生物质的结构，可以固定地安装诸如粉碎单元和粉碎料斗等大型供应单元， 并可以同样在不需要移动的情况下固定地安装接收侧的反应容器，从而简化所述单元并 缩小其尺寸。此外，通过结构具有双闸门结构或重量传感器的粉碎物装填装置，可以实现简 单结构且可以以精确的时间向反应容器中装填给定量的已粉碎生物质。其还构造成使得通过冷媒/热媒来将反应容器加热或冷却，并在用于供应冷媒 的冷媒交换器的上游中设置有具有足以将冷媒冷却至沸点温度以下的容积的冷媒罐，从 而防止冷媒热交换器中的冷却水沸腾，并实现安全和平稳的操作且使该操作所需的冷却 水的量最小化。通过使在每个反应容器中热媒或冷媒的供应时间不同，可降低热媒回路和冷媒 回路上的负荷，从而能够缩小冷媒/热媒回路的尺寸。
图1是关于本发明的实施例的生物炭生产设备的平面图。图2是图1所示的生物炭生产设备的剖面侧视图。图3是示出实施例的粉碎物运送装备的透视图。图4是示出实施例的粉碎物运送装备的内部结构的视图。图5是示出实施例的反应容器的剖面侧视图。图6是包括实施例的冷媒/热媒回路的装备系统图。图7是比较生物炭的物理性质的表格。
具体实施例方式现在将参照 附图来详细描述本发明的优选实施例。然而，意图是除非特别指 明，应将实施例中的组成部分的尺寸、材料、相对位置等理解为仅仅是说明性的，而不 限制本发明的范围。图1是关于本发明的实施例的生物炭生产设备的平面图。图2是图1中所示的 生物炭生产设备的剖面侧视图。图3是示出实施例的粉碎物运送装置的透视图。图4是 示出实施例的粉碎物运送装备的内部结构的视图。图5是示出实施例的反应容器的剖面 侧视图。图6是包括实施例的冷媒/热媒回路的装备系统图。在本发明中，用作用于生产生物炭的原料的生物质是由光合作用形成的有机 物。生物质可以是木质物质、草木、农作物、农业物质等。例如，存在实例，生物质的 示例包括废木材、小径材、剪定枝、植物、农业废弃物和诸如咖啡渣和用过的茶渣等厨 房废弃物。[实施例]在本实施例中，不仅调节生物质的含水量，而且使用已粉碎生物质作为原料， 所述已粉碎生物质是通过粉碎至预定的粒径或更小粒径而进行预处理的生物质。本发明的生物炭生产设备通过在预定的压力和温度条件下将已粉碎生物质加压 和加热之后将已粉碎生物质保持一定的时间段来生产生物质，并随后将已粉碎生物质冷 却，从而生产生物炭。上述用于加压和加压的条件设置在引发包含于已粉碎生物质中的 半纤维素和木质素热解或热固化反应的范围内。具体地说，压力和温度设置在引发包含 于已粉碎生物质中的半纤维素热解和木质素热固化反应的范围内。参照图1和图2，解释本实施例的生物炭生产设备的总体结构。所述生物炭生产设备主要由如下部分组成反应容器1，已粉碎生物质供给到 所述反应容器，并进行上述反应以便生产生物炭；粉碎输送机20，所述粉碎输送机用于 输送供给到反应容器1的已粉碎生物质；输送机驱动单元21，所述输送机驱动单元用于 驱动粉碎输送机20;粉碎物料斗22，所述粉碎物料斗用于向粉碎输送机20供给经预处理 的已粉碎生物质；以及产物输送机23，所述产物输送机用于输送从反应容器1排出的生 物炭产物。存在多个反应容器1和优先定位于反应容器上的粉碎输送机20。在本实施例 中，平行地设置有两个反应系列，所述反应系列具有直线布置的多个反应容器1，并且沿 着该反应系列直线地布置粉碎输送机20。此外，粉碎输送机20的端部连接到形成回路的 相邻系列，并且输送机驱动单元21循环地驱动输送机20。并且在粉碎输送机20的一端 侧上设置有用于供应和排出输送机20的已粉碎生物质的粉碎物料斗22。在图4和图5中，示出了粉碎输送机20的特定结构。在该结构的本示例中，使 用密封管道型输送机作为粉碎输送机20。图4是示出管道型输送机的内部结构的图。此输送机20包括圆筒形壳体 201 ；穿过壳体201内部的链202;多个叶片203，所述叶片固定于链202并沿横截面设置 且垂直于壳体201的穿过壳体201内部的轴线。在驱动输送机20时，链202借助驱动单 元21运动，且叶片203随着该运动而运动。在叶片203之间供应的粉碎生物质传输到壳 体201中，如同被叶片203推动那样。
如图4所示，粉碎输送机20具有用于粉碎物的供应部分21a和用于粉碎物的排 出部分21b，该排出部分设置在对应于粉碎物料22的位置上。给定量的粉碎生物质在供 应部分21a处从粉碎料斗22供应到输送机中，且保持在输送机中的已粉碎生物质在排出 部分21b处排出。通过使用具有此结构的粉碎输送机，可以安全地输送甚至呈流体形式 的粉碎物，并且由于输送机是密封型的，所以可以防止粉碎物散开。此外，在粉碎输送机20上，在对应于反应容器1的位置上设置有开口(图中未 示出)，所述开口用于向反应容器1中装填已粉碎生物质，且多个反应容器1中的每一个 经由图2所示的连接管4连 接到粉碎输送机20。在图5中，示出了反应容器的详细结构。如图所示，反应容器1装配有圆筒形 反应缸2，已粉碎生物质供给到该圆筒形反应缸，且反应缸2和粉碎输送机20连接到连接 管4。连接管4延伸地设置在竖直方向上，且布置为从反应缸的中心轴线偏离中心，并且 连接管4的下部和反应缸2的上开口与连接部分7相连。连接管4的上部连接到粉碎输 送机20，该粉碎输送机延伸地设置在水平方向上，在粉碎输送机20内输送的粉碎生物质 任意地供应到连接管4中。此外，连接管4装配有粉碎物装填装置，该粉碎物装填装置用于任意向反应缸2 中装填给定量的已粉碎生物质。该粉碎物装填装置包括上闸门5A和下闸门5B，所述 闸门沿连接管4的竖直方向设置在不同位置上；和位置检测传感器6a和6b，所述位置传 感器布置在所述闸门之间。由图中未示出的控制单元来控制上述上闸门5A和下闸门5B的打开和关闭。在 上闸门5A与下闸门5B之间设置有用于检测已粉碎生物质的量的位置检测传感器6a和 6b。在本实施例中，这些位置检测传感器中的两个设置在沿竖直方向的不同位置上。然 而，只要传感器的数目和位置能够检测填充在闸门之间的已粉碎生物质的量，所述结构 不限于此。所述粉碎物装填装置构造成根据向反应容器1进行粉碎物装填的定时来运动。 具体地说，在反应缸2中的加压和加热步骤之前，首先关闭下闸门5B并打开上闸门5A， 然后使已粉碎生物质从粉碎输送机20落到下间门5B上。一旦检测到已粉碎生物质已堆 积至处于上位的位置检测传感器6a，则关闭上闸门5A并释放下闸门5B。由此，给定量 的已粉碎生物质装填到反应缸2中。此外，在反应缸2中进行反应处理的同时，可以通 过上述工艺在连接管4中准备已粉碎生物质，作为用于下一反应处理的批料，而且一旦 反应在圆筒中完成并排出生物炭，就释放下闸门5B并装填已粉碎生物质，从而缩短操作 时间。此外，作为另一种粉碎物装填装置，优选在反应容器1的底部设置重量传感器 (未示出)。在这种情况下，根据重量传感器所检测的已粉碎生物质的重量，调节装填到 反应容器1中的已粉碎生物质的量。可以通过在连接管4与粉碎输送机20之间设置闸门 并随后操纵所述闸门打开和关闭来进行装填量的调节。优先在反应缸2上设置有用于将缸2内的已粉碎生物质加压至一定压力的加压装 置。该加压装置包括用于加压的液压缸8和通过液压缸8进行往复运动的加压活塞9。 这些部分以反应缸2同心地对准。加压活塞9构造成将加压状态保持一定的时间段。此外，反应缸2包括用于将容纳物加热至一定温度的加热装置和用于在加热步骤之后进行冷却的冷却装置。加热装置和冷却装置可以是一个温度调节装置。本实施例 提出了双管结构作为在反应缸2上提供护套的温度调节装置。该双管结构构造成在内管 与外管之间产生用于冷媒和热媒的媒介通路3。热媒或冷媒(下文中称为冷媒/热媒)穿 过媒介通路3，并且通过该冷媒/热媒向填充在圆筒的内管中的粉碎生物质提供热能。在 用于冷媒/热媒的媒介通路3下方定位有用于冷媒/热媒的进口 3a，且在媒介通路3上放 定位有用于冷媒/热媒的出口 3b。用于冷媒/热媒的进口 3a和出口 3b连接到将在下文 中描述的冷媒/热媒回路(参见图6)。此外，在反应缸2的底部上设置有用于排出容纳物的排出单元10。排出单元10 构造有用于密封反应缸2的底部开口的底盖11、用于使底盖11沿水平方向移动的挤压活 塞12、以及用于驱动挤压活塞的液压缸13。排出单元10构造成使得在反应缸2中的冷 却步骤完成之后，挤压活塞12移动底盖11并打开反应缸的底部开口，以便让缸2中的生 物炭落下，从而排出。当排出生物炭时，加压活塞9可以从上挤压生物炭以让其落下。排出的生物炭装载在图1和图2所示的产物输送机23上，并被输送。产物输送 机23可以直接布置在反应容器1下方，或者如本实施例中提出的那样，布置在两个系列 之间，且从反应容器1落下的生物炭可以经由倾斜面24引导到产物输送机23上。
解释具有上述结构的生物炭生产设备的操作，并解释操作方法。本文所述的温 度、压力、含水量、尺寸等仅仅是设备的优选示例，且不应是唯一的。首先，为了将已粉碎生物质作为原料进行预处理，通过将生物质干燥至5 10%的含水量来进行水分调节，并将干燥的生物质粉碎至3mm以下的粒径，优选为 0.1mm以下的粒径。此外，根据生物质的类型，可以在干燥和粉碎步骤之后进行生物质 的水分调节。由此，可以提高反应缸2中的密度，在反应缸充满已粉碎生物质时，也能 够实现均勻填充。因此，在热成形时加强了粉碎生物质颗粒之间的接触，从而提高所形 成产物的硬度。已粉碎生物质被供给到粉碎物料斗22中。储存在料斗22中的已粉碎生物质被 任意供应给粉碎输送机20。粉碎生物质以循环形式在粉碎输送机20中输送。然后，根据需要经由连接管3从粉碎输送机20向反应容器1中装填给定量的粉 碎生物质。一旦反应缸2充满粉碎生物质，则在液压缸8处驱动加压活塞9以进行加压， 以便通过加压活塞9将反应缸2内的已粉碎生物质加压并压缩到8至25MPa。同时，使 冷媒/热媒穿过反应缸2中的用于冷媒/热媒的媒介通路3，以便将缸2中的粉碎生物质 加热到115至230°C。在此处理中，几乎同时进行加热和加压，以便可以在加压之前预先 将反应缸的内部加热，或在加热之前首先将其加压。以上温度、压力和含水量设置在引发包含于已粉碎生物质中的半纤维素和木质 素热解或热固化反应的范围内。换言之，是在引发包含于已粉碎生物质中的半纤维素热 解和木质素热固化反应的范围内。含水量设置在足以让水分在缸中产生次临界状态的范 围内。反应缸2内的已粉碎生物质保持加热和加压状态一定时间段。例如，在缸径是 50mm的情况下，保持时间是10至20分钟，且在缸径是150mm的情况下，保持时间是 30至60分钟。通过在上述条件下进行反应，作为已粉碎生物质组分的半纤维素被热解，逐步显示出粘合效果；在反应容器内部逐渐出现的过热蒸汽引发木质素在保持其架构的同时 在低温下反应，与固结效果协同地起作用，从而生产具有高硬度和高发热量的生物炭。 热固化反应通过引发包含于木质素等中的酚类高分子之间的反应激活点而进行。一旦完成反应，就从反应缸2的热媒通路3中吸出热媒，然后吸入冷媒。在本 实施例中，优选使用硅油和蒸汽作为热媒，并优选地使用硅油、水或空气作为冷媒。在 保持缸2内的加压的状态下，通过冷媒使生物炭冷却至50°C以下，优选为40°C以下。此 外，如果在高于上述温度的温度下取出生物炭，则半纤维素的粘合效果降低。因此，必 须在排出生物炭之前将其冷却。此外，在冷却之后，由液压缸13来驱动挤压活塞12以便排出，并移动反应缸2 的底盖11，以释放反应缸2的底部，并通过加压活塞9从上面挤压并排出容纳物。排出的容纳物制成生物炭产物，并且生物炭产物被输送到传输输送机23并被取 回。用本发明的生物炭生产设备及其方法，可以高效地生产具有高硬度和高发热量 的生物炭，该生物炭可以用作煤焦炭的替代物。此外，根据本实施例生产的生物炭可以 用作用于铸造和炼铁的化铁炉或鼓风炉中的热源、还原剂等，并且可以用作诸如电厂锅 炉燃料或熟石灰等燃烧燃料，以及用作利用高压缩强度生物炭的材料。基本上，根据本实施例，通过设置多个反应容器1，可以进行连续操作，因此可 以在工业上大规模地生产生物炭。此外，通过构造成使得已粉碎生物质通过粉碎输送机20循环并根据需要装填到 相应的反应容器1，能够固定安装和简化诸如接收侧的粉碎单元和粉碎料斗22等大型供 应单元和多个反应容器1。此外，以直线的方式紧密布置多个反应容器1，沿着所述多个反应容器1，以直 线的方式布置粉碎输送机20，从而，安装面积可以更小，从而节省空间。用于粉碎生物质的装填装置是装配有位置检测传感器6a和6b的双闸门结构， 且构造成使得通过根据位置检测传感器检测的已粉碎生物质的量来控制间门的打开和关 闭，从而调节已粉碎生物质的装填量。因此，即使用此简单结构，也可以以准确的时间 向反应容器1中装填给定量的粉碎生物质。以类似方式，装填装置可以构造成使得安装在反应缸2的底部上的重量传感器 检测粉碎物的重量并根据所检测的重量来调节装填量。因此，即使用简单的结构，也可 以向反应容器1中装填给定量的已粉碎生物质。此外，在本实施例中，优选在反应容器1的顶部和底部中的至少一个上设置具 有高热导率的金属材料。具体地说，将具有高热导率的金属材料用于加压活塞9和/或 底盖11。作为金属材料，优选使用铜和银。在这种情况下，具有高热导率的材料布置为 与反应缸2的外圆周接触。由此，如果反应容器1的直径大，则单独来自外护套的热传导不足以将热量传 递到内部。因此，通过使用此结构，不仅从反应缸的外圆周、而且从顶部和底部传递热 能，从而提高传热效率，加强已粉碎生物质的反应并缩短反应时间。由此，可以缩小所 述单元的尺寸。
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接下来，参照图6，下面将解释本实施例的冷媒/热媒回路的示例。在本实施例 的生物炭生产设备中，温度调节装置是必要部件，其装配有用于在反应缸中在加热与冷 却之间进行切换的开关装置。因此，通过设置如图6所示的冷媒/热媒回路，温度调节 装置能够具有高热导率和安全性。在本实施例中，解释将硅油用于冷媒和热媒的示例。在本实施例中，用于冷媒/热媒的进口 3a和出口 3b中每一个连接到冷媒/热媒 回路30。冷媒/热媒回路30是冷媒回路与热媒回路的组合结构。用于冷媒/热媒的进 口 3b连接到用于冷媒/热媒的排出管路42，并经由排出管路41上的三通阀45而分成热 媒回流管路42和冷媒回路管路43。热媒回路管路42连接到热媒罐31。热媒罐具有加热器31a和搅拌器31b，以便提 高已冷却热媒的温度。优选根据需要从N2缸供应N2气，并在缸的内部保持惰性气氛， 以便保证安全性。热媒罐31的排出侧经由三通阀46连接到冷媒/热媒供应管路40。用这种结构，由热媒罐31、冷媒/热媒供应管路40、冷媒/热媒通路3 (反应缸 2)、以及热媒回流管路42形成的热媒回路构造成使得在反应器1加热期间借助三通阀45 使热媒循环到热媒罐31 —侧。冷媒回路管路43连接到冷媒/热媒交换器36。由冷媒/热媒交换器36通过与 诸如清水等冷却水的热交换来冷却冷媒。此外，作为本实施例的特征结构，在冷媒回流管路43上的冷媒/热媒交换器36 的上游侧中提供冷媒罐35。冷媒罐35能够将冷媒的温度至少冷却降低至水的沸点以下， 优选为80°C以下。在本实施例中，冷媒罐35具有足以冷却至上述温度的立体容积。还 优选的是冷媒罐35装配有搅拌器35a，以便由此提高冷却能力。用此结构，由冷媒罐35、冷媒/热媒交换器36、冷媒/热媒供应管路40、冷媒 /热媒通路3(反应缸2)、冷媒/热媒排出管路41、以及冷媒回流管路43形成的冷媒回路 构造成使得当冷却反应容器1时，三通阀45、46被切换到冷媒罐35—侧，以便使冷媒朝 着冷媒罐35循环。在本实施例中，由于反应缸2的加热温度达到115至230°C，所以存在如下可能 性，即，在冷媒与热媒之间切换时，具有高温的冷媒/热媒被引入到冷媒交换器36中， 这促使冷媒热交换器36的冷却水沸腾，引起诸如单元故障等问题。可以根据交换器36 的设计条件将热媒热交换器36构造成使得冷却水不沸腾。然而，在这种情况下，需要提 高冷媒的流速且需要加压，由此其效率低。因此，根据本实施例，通过在冷媒交换器36的上游中设置能够将冷媒冷却至沸 点温度以下、优选为此具有足够容积的冷媒罐35，可防止冷媒交换器36中的冷却水沸 腾，能够安全且平稳地操作且所述操作需要最少量的冷却水。此外，在本实施例中，优选在多个反应容器1中的工艺步骤之中，至少加热步 骤和冷却步骤在每个反应容器1中以不同时间执行。基本上，当在一个反应容器中执行 加热步骤时，在另一个反应容器中执行冷却步骤。通过使每个反应容器中热媒或冷媒的供应时间不同，可降低热媒回路和冷媒回 路上的负荷，使得冷媒/热媒回路更小。工业实用性通过使用本实施例的生物炭生产设备及其方法，可以高效地生产具有高硬度和高发热量的生物炭，该生物炭可以用作煤焦炭的替代物。根据本实施例生产的生物炭可 以用作用于铸造和炼铁的化铁炉或鼓风炉中的热源、还原剂等，以及用作利用高压缩强 度生物炭的材料。
权利要求
1 一种生物炭生产设备，所述生物炭生产设备用于使用由于光合作用而得到的已粉 碎生物质为原料通过在反应容器中对含水量调节至给定比率的所述已粉碎生物质进行加 热和压力成型来生产生物炭，在所述反应容器中预设用于引发半纤维素的热解和木质素 的热固化反应的温度范围和压力范围，所述生物炭生产设备包括加压装置，所述加压装置用于加压至所述压力范围； 加热装置，所述加热装置用于加热至所述温度范围；冷却装置，所述冷却装置用于在使加压和加热状态保持给定时间段之后进行冷却；以及排出装置，所述排出装置用于在所述冷却之后排出所生产的生物炭， 其中设置多个所述反应容器，用于输送所述已粉碎生物质的粉碎物传输通路优先 设置到所述反应容器上，所述反应容器中的每一个经由连接管连接到所述粉碎物传输通 路，并且所述连接管设有粉碎物装填装置，用于根据对所述反应容器进行粉碎物装填的 定时来装填给定量的已粉碎生物质。
2.根据权利要求1所述的生物炭生产设备，其中直线地布置具有多个所述反应容器的 至少两个反应系列，并且沿着所述反应系列直线地布置所述粉碎物传输通路，且所述粉 碎物传输通路的端部连接到相邻系列，由此形成循环回路。
3.根据权利要求1所述的生物炭生产设备，其中所述粉碎物装填装置包括在所述连接管的竖直方向上设置在不同位置的上间门和下间门，由控制单元根据对 所述反应容器进行粉碎物装填的定时来控制所述上闸门和下闸门的打开和关闭；以及位置检测传感器，所述位置检测传感器布置在所述间门之间，用于检测所述已粉碎 生物质的量，其中根据所述检测到的已粉碎生物质的量来控制所述上间门和下间门的所述打开和 关闭，并调节向所述反应容器装填所述已粉碎生物质的装填量和装填定时。
4.根据权利要求1所述的生物炭生产设备，其中所述粉碎物装填装置包括重量传 感器，所述重量传感器布置在所述反应容器的底部上；装填量调节装置，所述装填量调 节装置用于根据所述重量传感器检测到的已粉碎生物质的量调节向所述反应容器中装填 已粉碎生物质的装填量。
5.根据权利要求1所述的生物炭生产设备，其中所述反应容器是在内管与外管之间形成冷媒/热媒通路的双管结构，所述已粉碎生 物质被装填到所述内管中，所述冷媒/热媒通路连接到热媒回路和冷媒回路中的每一个，所述热媒回路用于提 高所述热媒的温度，所述冷媒回路装配有以冷却水冷却冷媒的热交换器，并且在所述冷媒回路的所述热交换器的上游侧中设置冷却罐，所述冷却罐具有足以将冷 媒冷却至沸点以下的容积。
6.—种用于使用由于光合作用而得到的已粉碎生物质原料通过在反应容器中对含水 量调节至给定比率的所述已粉碎生物质进行加热和压力成型来生产生物炭的工艺，其中设置多个所述反应容器和用于传输所述已粉碎生物质的粉碎物传输通路； 预设用于引发半纤维素的热解和木质素的热固化反应的温度范围和压力范围； 所述工艺包括如下步骤在所述反应容器中的每个反应容器中将所述已粉碎生物质保持在所述压力和温度范 围内的加压和加热的状态下给定时间段； 冷却所述已粉碎生物质；在用于排出所生产的生物炭的一系列处理中处理所述已粉碎生物质；以及 根据在所述处理步骤中向所述反应容器进行粉碎物装填的定时，将给定量的所述已 粉碎生物质从所述粉碎物传输通路装填到所述反应容器中的相应的一个反应容器。
7.根据权利要求6所述的用于生产生物炭的工艺，其中在所述处理步骤中，通过向所 述反应容器供应热媒来进行加热，并通过供应冷媒来进行冷却，并且在所述反应容器中 的每一个反应容器中在不同定时执行所述多个反应器皿中的处理步骤之中的至少所述加 热和冷却。
全文摘要
实现高效批量生产生物炭的生物炭生产设备；及其工艺。公开的生物炭生产设备能在反应容器(1)中加热经过水分调节的已粉碎生物质的同时压力成型已粉碎生物质，由此获得生物炭。在反应容器(1)中预设用于在不使已粉碎生物质碳化的情况下引发木质素和半纤维素的热解或热固化反应的温度范围和压力范围。反应容器(1)具有加压至该压力范围的加压装置、在加压的状态下加热至该温度范围的加热装置和在保持上述状态之后进行冷却的冷却装置。设置多个反应容器(1)。优先在这些反应容器上设置粉碎输送机(20)，多个反应容器中每一个经由连接管(4)连接到输送机。连接管(4)设有粉碎物装填装置，用于根据向反应容器进行粉碎物装填的定时来装填给定量的已粉碎生物质。
文档编号C10L5/44GK102015977SQ200880013508
公开日2011年4月13日 申请日期2008年4月22日 优先权日2007年4月27日
发明者井田民男, 佐藤淳, 川见佳正 申请人:学校法人近畿大学, 株式会社纳尼瓦炉机