含碳材料的有效干燥和热解的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于干燥和热解含碳材料以生产有价值的产品，例如炭、油、气和热能的方法和设备。
【背景技术】
[0002]热解过程可基于含碳原料经受的升温速率被分类为“快热解”和“慢热解”。“慢热解”过程典型的涉及长驻留时间和低升温速率(例如，低于每秒钟10°c)。慢热解过程实例包括基于填充床反应器、曲颈瓶和窑炉的系统。“快热解”过程涉及在高升温速率下的生物量的快速分解(例如，高于每秒钟100°c)，有助于在室温下为液态的产品的形成，以固态含碳材料，例如炭为代价。典型的快热解过程涉及被分解为小物理尺寸的原料，这些原料移动以最大化热量和质量传递率，例如通过使用气固流化床、气流床反应器、回转炉或螺旋炉。
[0003]含碳材料的热解要求在无氧或“还原”环境中以中等温度(例如从200°C加热到1000°C)加热材料。不可在开放空间或自由氧存在的空间实施热解过程，因为在这种处理温度下，待热解的材料在空气中将会起火燃烧(氧化)，最终的结果是合适的热解产品被毁坏。由于这个原因，热解过程必须如此实施以使得自由氧的存在被减至最小程度。由于需要加热以提高材料温度和推动热解进程，通常使用热源(例如燃烧装置)。因为燃烧需要氧气，燃烧装置需要和热解区域物理隔离，以防止氧气进入热解区域。
[0004]为了维持还原环境，过去实施热解时，曾将待热解材料装在已排空空气(通常通过某种形式的气锁系统或单向阀装置)的器皿或容器中，然后从这些器皿或容器的外部间接加热，也就是在热源和热解区域之间使用一个固态屏障。
[0005]间接加热可能采用燃烧一个独立的燃料的形式来提供必须的热量输入，或更常见的，也包括获取和燃烧在热解过程中产生的热解产物气体(挥发物)，热解过程中产生的热解产物气体被从热解进程中输送至燃烧系统并被作为燃料。
[0006]这种物理隔离的方式通常需要将一个器皿设置在另一个器皿内，或一个管子插在另一个管子内，例如加热步骤发生在外侧器皿或管子内，而热解发生在内侧器皿或管子内。电气器件或热油环路也可能用于为材料提供热能而不使材料暴露在氧气环境中，然而这种方式的运转成本限制了其应用。固态屏障的存在也限制了扩容、热效率，也约束了热解过程所采用物理结构的选择，对热解过程的经济性产生了不利的影响。
[0007]用于氧气最少化的必须的物理装置也可能为供给准备和产品处理引入额外的要求，特别是减小原料尺寸可能变成必须的，以使得原料的供给和产品回收成为可能，同时在热解过程中维持必须的还原环境。
[0008]在热解技术中通常使用的间接加热方法在结构上(即必须要一个独立的气密室来进行热解，还需要容纳加热系统的外部装置)增加了成本。间接加热方法还引起从加热系统到热解部位的较差的热传导，因为热量必须通过热解容器的壁传导，导致总的热效率较差。
[0009]在本说明书中的任何文件、设备、行为或知识的讨论是为了解释本发明的内容。它不应该被视为承认任何这些材料构成本领域在先技术基础或公知常识的一部分，在澳大利亚或者其他任何国家，在本发明权利要求的优先权日或之前。
【发明内容】
[0010]需要提供一种用于干燥和热解含碳材料的设备和方法，不需要在发热燃烧(氧化)区域和正在进行热解的材料之间采用固态屏障。
[0011]依照本发明的第一个方面，提供了一种用于干燥和热解含碳原料的设备，所述设备包括一大体密封的、用于容纳含碳原料于其中的反应箱，所述反应箱包括一个或多个位于所述反应箱上部的进气口，所述的进气口可连接至一含氧气体源，从而方便将含氧气体供应至所述反应箱；所述反应箱进一步包括一个或多个位于所述反应箱下部的出口，用于使所述反应箱内生成的气体能够排出；
其中，在使用中，含碳原料如此设置在所述反应箱内，以使得所述含碳原料的顶部位于所述出口之上，并且在所述进气口处或低于所述进气口 ；
以及，其中所述含碳原料顶部的燃烧为干燥和热解所述反应箱内的其余含碳原料提供必需的热量；
以及，其中调节通过所述进气口进入所述反应箱的含氧气体的流量以响应所述反应箱内的温度测量，从而为所述含碳原料的热解确定所述反应箱内的最适条件。
[0012]优选的，所述一个或多个所述出口朝向所述反应箱的底部设置，如此使得在所述反应箱内生成的气体流过所述含碳原料到达所述出口。
[0013]所述设备可进一步包括一个或多个用于测量所述反应箱内温度的温度探头。在这方面，至少一个所述的温度探头可能被设置在所述反应箱的上部，而且至少一个温度探头可被设置在所述反应箱的下部。
[0014]所述反应箱还可包括一可重复密封的舱口盖，以使得可以将原料装入所述反应箱。所述设备还可包括一在所述反应箱内容纳所述含碳原料的笼形结构。
[0015]所述进气口中的一个或多个可包括一用于协助分散进入所述反应箱的含氧气体的挡板或扩散器。
[0016]所述设备还可包括一个或多个设置在所述反应箱上节的喷水器。此外，所述设备可包括一用于释放所述反应箱内多余压力的泄压设备。
[0017]依照本发明的另一方面，提供了一种用于在一大体上密封的反应箱内干燥和热解含碳原料的方法，所述反应箱具有设置在反应箱上部的一个或多个进气口和设置在反应箱下部的一个或多个出口，所述一个或多个进气口可连接至一含氧气体源，从而方便将含氧气体供应至所述反应箱；所述一个或多个出口使所述反应箱内生成的气体能够排出所述反应箱；所述方法包括步骤:
将含碳原料放入所述反应箱，如此使所述含碳原料的顶部在所述出口之上并在所述进气口处或低于所述进气口；
通过所述进气口从所述含氧气体源向所属反应箱输送含氧气体流；
燃烧所述含碳原料的顶部，以为干燥和热解所述反应箱内的其余含碳原料提供热量；
以及
调节进入所述反应箱进气口的含氧气体的流量以响应所述反应箱内的温度测量，从而为所述含碳原料的热解确定所述反应箱内的最适条件。
[0018]所述反应箱内的温度测量优选地包括至少一个位于所述反应箱上部的区域的温度测量和至少一个位于所述反应箱下部的区域的温度测量。
[0019]所述含碳原料顶部的燃烧优选地是通过使用一个或多个点火源点燃所述含碳原料引起。
[0020]此外，一旦所述反应箱下部的区域测得的温度达到一最低目标温度，优选地降低所述含氧气体的流量。就这一点而言，所述最低目标温度优选的大致在150°C和600°C之间。
[0021]进一步的，优选地控制含氧气体的流量，如此以使得在所述反应箱上部的区域测得的温度不超过一预设最大值。
[0022]所述的方法可进一步包括步骤:一旦达到所述最低目标温度，在一特定时间段内维持所述反应箱内的温度条件。
[0023]进一步的，所述含氧气体在被送入所述反应箱进气口之前被一外部热源预加热。在这方面，所述外部热源可为从另一反应箱中获取的热量。
[0024]在另一实施例中，所述含氧气体在被送入所述反应箱进气口之前可被预加热，使用通过所述一个或多个出口从所述反应箱排出的气体中回收的热能进行所述预加热。
[0025]本发明有利地为已知的热解技术提供了一种供替代的选择，并且在热生成氧化反应和热解含碳原料之间不需要固态屏障。本发明还避免了用于再循环气态的挥发性物质到燃烧区域的外部装置的需求。
【附图说明】
[0026]图1是根据本发明一较佳实施例的用于干燥和热解含碳原料的装置的剖断图。
【具体实施方式】
[0027]在开始描述本发明优选的实施例之前，非常需要注意的是，说明书中用到的各种术语具有技术人员读者将能更好地理解的含义。为了便于参考，这些术语的其中一些将在此进行定义。
[0028]在此使用的术语“含碳原料”包括但不限于未加工的和已加工的木材、