热解碳质原料的往复式反应器和方法
【专利摘要】一种连续热解系统，具有进料组件和构造成接收碳质原料并将其反应成气体产物和固体产物的往复式反应器组件。反应器具有内反应器管、形成环状空间的外反应器管，和转向区。内反应器管用作内反应器。气体排出组件与由环状空间形成的外反应器区流体地连接并构造成去除气体产物。固体排出组件也与外反应器区流体地连接，接合部将进料组件连结到往复式反应器组件并且将外反应器区连结到气体排出组件和固体排出组件。
【专利说明】热解碳质原料的往复式反应器和方法
【技术领域】
[0001]本技术涉及热解碳质原料的方法、系统和装置。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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:
[0006]1.20°C到110°C—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°c或略高直到木材基本干燥。
[0007]2.110°C到270°C—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。
[0008]3.270°C到290°C —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。
[0009]4.290°C到400°C—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。
[0010]5.400°C到500°C —在大约400°C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°C，从而完成碳化阶段。
[0011]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。
[0012]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。[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]提高气体等级的另一常用方法是旨在选择性地提取气体的二氧化碳部分。这在本领域中可采用多种不同方法实现。一种常用方法是使用水洗塔，其中使得气体产物与水接触从而水将从气体产物吸取出二氧化碳。然而，该方法的有效性依赖于在原始气体产物中的初始甲醇和一氧化碳成分。例如，一些热解反应器主要产生氢气和一氧化碳作为气体的可燃部分，而甲醇部分是有限的。对于这些反应器，由于氢气和一氧化碳与甲醇相比具有较低的能量密度，因此最终可得到的气体能量密度将是有限的。另外，使用通过空气注入增强的内部燃烧的那些反应器具有高水平的氮，所述氮稀释气体并且其去除是既昂贵又困难的。
[0017]在经济的现实情况下，通过电加热或纯氧注入来提供所需的热通常是不可行的。因此，基于内部燃烧的系统趋于最终产生低质量的气体产物并且损失掉潜在的生物碳产量。另一方面，基于外部燃烧的系统通常存在多个排放源并且需要燃烧额外燃料的费用。
【发明内容】
[0018]本技术涉及用于碳质原料到产物的连续热转化的系统、方法和装置，并且更具体地涉及可用作连续热解的系统和方法中一个部件的往复式反应器。
[0019]在一个方面中，本技术提供了一种连续热解系统，包括:进料组件，碳质原料能够通过所述进料组件被引入到所述连续热解系统中；往复式反应器组件，所述往复式反应器组件构造成接收碳质原料和将碳质原料反应以产生气体产物和固体产物；气体排出组件；固体排出组件；以及接合部。该往复式反应器组件可包括内反应器管和外反应器管。外反应器管可具有围绕内反应器管形成环状空间的第一部分和延伸越过内反应器管并形成转向区的第二部分，其中内反应器管限定产生部分地反应的碳质原料的内反应器区，并且环状空间限定产生气体产物和固体产物的外反应器区。气体排出组件可与往复式反应器组件的外反应器区流体地连接，并且被构造成将气体产物从连续热解系统去除。固体排出组件可与往复式反应器组件的外反应器区流体地连接，并且被构造成将固体产物从连续热解系统去除。接合部可将进料组件流体地连结到往复式反应器组件，并且将外反应器区流体地连结到气体排出组件和固体排出组件。
[0020]另一方面，本技术提供连续热解的方法。该方法可包括步骤:将碳质原料供给到进料组件；将碳质原料从进料组件传送到接合部；将碳质原料从接合部传送到往复式反应器组件；使碳质原料在往复式反应器组件中反应，以形成气体产物和固体产物；将气体产物和固体产物从往复式反应器组件传送到接合部；将气体产物从接合部传送到气体排出组件；将固体产物从接合部传送到固体排出组件；将气体产物从连续热解系统通过气体排出组件去除；以及将固体产物从连续热解系统通过固体排出组件去除。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]已经选择具体实例用于说明和描述目的，所述具体实例在形成本说明书一部分的附图中不出。
[0022]图1示出了本技术的连续热解系统的一个实例。
[0023]图2示出了用在图1的连续热解系统中的接合部的一个实例。
[0024]图3示出了用在图1的连续热解系统中的往复式反应器组件的一个实例。
[0025]图4示出了用在图1的连续热解系统中的气体排出组件和固体排出组件的一个实例。
[0026]图5是本技术的连续热解系统的一个实例的示意性流程图。
【具体实施方式】
[0027]本技术的连续热解方法、系统和装置提供热传递的有效使用，以及捕获并使用在蒸汽到水的相变过程中放出的存储在水蒸汽中的潜在能量，以影响碳质原料的热解。本技术的方法、系统和装置包括使用往复式反应器的可加压系统，该往复式反应器允许热从输出的生物碳和气体再循环到进入的原料。可加压系统还可包括气体和固体提取系统，该气体和固体提取系统用水洗涤气体并且然后用水形成压力密封，能够以该压力密封提取固体。
[0028]本技术的连续热解系统以足以在具体连续热解系统的给定通过量和几何形状下易于实现对所选的原料的期望热解水平的最小温度或以上运行。连续热解系统的操作温度、原料驻留时间以及压力可变化以产生具有不同所需特性的产物。本技术的连续热解系统是热高效的，因为其将足够量的热从输出的产物传递回到进入的原料中以保持连续热解系统的往复式反应器内的稳态反应。
[0029]图1至5示出了本技术的连续热解系统100的一个实例。连续热解系统100包括接合部102、进料组件104、往复式反应器组件106、气体排出组件108以及固体排出组件110。这些部件中的每一个以及将它们附连在一起的连接件可被加压直到在期望运行条件下运行认为安全的量。连续热解系统100还可包括可用以控制系统的运行的控制系统。
[0030]如图1和2中所示，接合部102将进料组件104、往复式反应器组件106、气体排出组件108以及固体排出组件110连结在一起。具体地，如以下更充分地讨论的，接合部102将进料组件104流体地连结到往复式反应器组件106，并且将往复式反应器组件106的外反应器区180流体地连结到气体排出组件108和固体排出组件110。[0031]接合部102较佳地是气密的，并且允许在系统中正在处理的材料被从一个组件传送到另一个。接合部102包括通路112，以及气体和固体可从中通过排出接合部102的至少一根排出支管。较佳地，接合部102能够具有包括至少一根固体排出支管114和至少一根气体排出支管116的多根排出支管。通路112包括与进料组件104和往复式反应器组件106流体连接的内通道118。内通道118可用以将碳质原料从进料组件104输送到往复式反应器组件106。通路112还包括与至少一根排出支管流体连接的外通道120。如图2中所示，外通道120能够围绕内通道120，并且能够流体地连接到固体排出支管114和气体排出支管116。外通道120能够用以将气体和固体从往复式反应器组件106输送到气体排出组件108和固体排出组件110。在图2中的所示的实例中，固体排出支管可位于接合部102的底部，而气体排出支管116可位于接合部102的顶部。这种构造可通过使接合部102包括十字形管来实现。
[0032]进料组件104构造成接收碳质原料204并将其输送到接合部102。碳质原料204可通过进料组件104被引入到连续热解系统100中。进料组件104可包括:可从外部源接收碳质原料204的一个或多个原料输入气闸室122 ;构造成从所述一个或多个原料输入气闸室122接收碳质原料204的进料室124 ;具有驱动组件128和密封146的进料螺旋钻126 ;以及与接合部102的内通道118连接的气密的第一接合连接件130。由于无轴螺旋钻在本领域内已知可用来输送非匀质的且甚至粘性的原料，因此进料螺旋钻126可以是无轴的。而且，如下所述，设置中空的芯提供了更大的气流空间。进料螺旋钻126可构造成将碳质原料204从进料室124通过往复式反应器组件106的内反应器区178输送到转向区164。进料螺旋钻126可穿过进料室124、穿过接合部102的内通道118并沿着往复式反应器组件106的内反应器管的长度的主要部分延伸。较佳地，进料螺旋钻126可沿内反应器管152的基本上整个长度并且在往复式反应器组件106的长度的大部分内延伸。而且，进料螺旋钻126可被加强以在期望运行条件下保持刚性。进料室124可通过连续布置的一个或多个T形管配件134构成，每个T形管配件134自身的输入气闸室122均相对于T形配件的顶部密封。进料组件104的每个T形件还可包括至少一个高度延伸部136以及可将碳质原料204从外部源导入到每个输入气闸室122中的至少一个进料斗138。
[0033]在使用闸斗气闸室的情况中，每个T形管配件124和高度延伸部136的大小可设置成适应在进料螺旋钻126之上的原料缓冲，该原料缓冲是足够大的以保持在气闸室122排放周期之间的进料螺旋钻126的高填充水平。另外，如果包括有多个气闸室122，则位于气闸室122下方的进料螺旋钻126的部分可具有变化螺距，以允许从每个气闸室接受大体上同样体积的碳质原料204。例如，如果有两个气闸室122，如图1所示，则位于距离往复式反应器组件106最远的气闸室下方的进料螺旋钻126的部分可设计成接收期望通过量的大约50%。而位于距离往复式反应器组件106最近的气闸室下方的进料螺旋钻126的部分可设计成接受期望通过量的大约100%。由于进料螺旋钻126容量的50%的已从距离反应器最远的气闸室122填充，另外的50%将从距离反应器最近的气闸室122取得，以实现总共100%的期望通过量。如果有三个气闸室122，则在每个气闸室122下方的进料螺旋钻126的部分可从距离反应器106最远的部分开始分别接受期望通过量的大约33%、66%和100%。关于进料螺旋钻126的每一部分所接收的碳质原料204的量的这种分配可允许将每个气闸室122下方的空间用作材料缓冲，以促进碳质原料204的连续流动。[0034]每个T形管配件134可包括进料平整杆140，进料平整杆140可垂直于碳质原料的流动方向固定以防止碳质原料204沿移动的堆料顶部浮动。
[0035]进料组件盖142可附连到距离接合部102最远的T形管件134上的端部开口 144。进料组件盖142可附连到高压进料端密封146，以及进料螺旋钻驱动组件128的进料螺旋钻驱动轴148可穿过进料组件盖142和高压进料端密封146且与进料螺旋钻126可操作地连接。实现高压密封的一种方法是使用单或双机械密封。
[0036]进料室124还可包括位于最靠近反应器106的T形管配件134和与接合部102的内通道118相连的第一结合连接件130之间的一个或多个偏心缩径管150。该一个或多个偏心缩径管150可排列成保持平坦的底面用于支承进料螺旋钻126。该一个或多个偏心缩径管150可用于“步减”进料室124的内径，以使进料室124的内径在第一结合连接件130处大体上等于内反应器管152的内径。此外，或可替代地，扩径管可用于在进料室124和接合部102之间形成距离。若需要，热源可施加到扩径管的外表面以预热原料。
[0037]如图1和3中所示，往复式反应器组件106构造成接收碳质原料204以及使碳质原料204反应以产生气体产物和固体产物，往复式反应器组件106包括内反应器管152和外反应器管154，外反应器管具有围绕内反应器管而形成环状空间的第一部分156和延伸越过内反应器管152并形成转向区164的第二部分158。如以下详细讨论的，内反应器管152提供内反应器区178，而环状空间提供外反应器区180。
[0038]内反应器管152可与接合部102的内通道118 —体地或流体地连接。内反应器管152可包括一个或多个、且较佳地多个气口。内反应器管152可与接合部102的进料室侧气密连接并且延伸穿过接合部以产生内通道118，或者其可与在接合部的160和往复式反应器之间的过渡区处单独构成的内通道附连。
[0039]外反应器管154可与内反应器管152同轴或基本上同轴。往复式反应器154的第一部分156围绕内反应器管152且通过接合部102与气体排出组件108和固体排出组件110流体连接。外反应器管154可在第二结合连接件160处与接合部102气密连接。外反应器管154的第二部分158延伸越过内反应器管152的出口端162，从而其不围绕内反应器管152并形成转向区164。
[0040]往复式反应器组件106还可包括能够是无轴螺旋钻的回转螺旋钻166，回转螺旋钻166从外反应器管154的第二部分158的转向区164延伸到接合部102，回转螺旋钻166构造成将部分反应的碳质原料从转向区164输送到气体排出组件108和固体排出组件110。回转螺旋钻166可被加强以在期望运行条件下保持刚性，并且使得回转螺旋钻166可支承内反应器管152的以及无轴进料螺旋钻126在内反应器管152内延伸的部分的重量。在该实例中，回转螺旋钻166的内和外摩擦表面可较佳地设计成具有尽可能小的摩擦。另外，回转螺旋钻166的大小可设置成提供相对于外反应器管154内壁的最小可用公差。
[0041]回转组件盖168可附连到外反应器管154上的距离接合部102最远的端口 170。回转组件盖168可附连到高压反应器端密封172，以及回转螺旋钻驱动组件176的回转螺旋钻驱动轴174可穿过回转组件盖和高压反应器端密封172且与回转螺旋钻166可操作地连接。如与高压进料密封146—样，高压密封可使用单或双机械密封实现。然而，高压反应器端密封172可较佳地也是高温密封，这可通过双机械密封来形成。如果温度对于所选的具体密封是一个问题，则能够安装冷却系统和/或其它的温度控制系统。[0042]具有内注入管嘴的压缩空气入口可添加到转向区164的壁，用于在需要附加的系统热的情况下将外部空气注入以促进燃烧。内注入管嘴可延伸离开外反应器管154的内表面，以使空气注入到转向区164中时产生的火焰不会使入口附近的反应器壁过热。为允许内注入管嘴不影响转动回转螺旋钻166，构造成穿过内注入管嘴的槽口可被切入到回转螺旋钻166中，只要回转螺旋钻166中不会失去过多的强度。
[0043]实际上，在内反应器管152内的容积形成内反应器区178，而由内反应器管152的外壁和外反应器管之间的环状空间限定的围绕内反应器管152的外反应器管154的第一部分156的容积形成外反应器区180。转向区164流体地连接内反应器区178和外反应器区180。部分反应的碳质原料可行进穿过内反应器管152的内反应器区178，通过其出口端162排出内反应器管152进入转向区164，以及接着反向行进穿过外反应器管156的第一部分的外反应器区到接合部102。在本技术的某些实例中，外反应器管156可固定有常用的“水套”和散热器组件以从外反应器区180中的气体和固体提取余热而促进热回收以及通过冷凝促进气体除湿。系统预期使用的质量和能量平衡可用于确定水套和散热器系统的大小。
[0044]内反应器管178和外反应器管156的直径大小可适当地设置成适应气体和固体流在期望的温度和压力下的输送以及往复式反应器组件106的固体填充水平。在外反应器区180内的回转螺旋钻166可附加有桨叶以促进排出固体的回填，从而保持外反应器区180内的高填充水平。而且，回转螺旋钻166的在转向区164中的部分的螺距可制成为比在外反应区180内的大，从而保持转向区164中的低填充水平。
[0045]内反应器管的材料、厚度和长度可基于平衡最大化换热能力和最小化与给定计划运行条件的所需更换和服务间隔相关联的成本的通常冲突目标来选择。偏心缩径管可添加内反应器管152的出口端162，以便于回转螺旋钻166重新定向碳质原料。
[0046]外反应器管154的材料和厚度可选择成经受期望的运行条件。外反应器管154的第二部分158的长度可选择成确保转向区164提供足够的空间用于排出内反应器管152的出口端162的部分反应的碳质原料受到回转螺旋钻166的作用。
[0047]在接合部102内的回转螺旋钻166的端部可包括平行于回转螺旋钻的轴线转动以及利用重力来作用以促进固体移动进入固体排出组件110中的一个或多个搅拌器杆210。
[0048]参照图1和4，气体排出组件108与接合部102流体地连接，且因此在能够是气密连接的第三接合连接件182处与往复式反应器组件106的外反应器区180流体地连接。气体排出组件108构造成从连续热解系统100去除气体产物206。气体排出组件108包括在气体排出组件108的顶部处的气体流量控制阀184，气体流量控制阀184调节气体产物206离开气体排出组件108的流量。在某些实例中，气体排出组件108还可包括在第三结合连接件182和气体流量控制阀184之间的洗涤塔186。洗涤塔可包括在洗涤塔186的顶部附近的流体注入口 188以及将液体通过流体注入口 188注入洗涤塔186中的喷嘴组件190。实际上，气体产物206可从接合部102向上上升穿过洗涤塔186到气体流量控制阀184以排出气体排出组件108，而喷嘴组件190注入洗涤塔186中的液体可通过洗涤塔186下落，与气体产物206逆向流动。喷嘴组件190能够与液体源192和注入泵194可操作地连接，注入泵194将流体从液体源192提供到喷嘴组件190。液体可以是合适的液体，诸如水。注入的液体能够冷却、清洁、除湿以及提取二氧化碳以提升气体等级。
[0049]固体排出组件110与接合部102流体地连接，且因此在能够是气密连接的第四接合连接件196处与往复式反应器组件106的外反应器区180流体地连接。固体排出组件110构造成从连续热解系统100去除固体产物208。固体产物208可包括生物碳，以及还可包括从冷凝蒸汽产物得到的液体和可已被注入系统中以组成可流动浆料的任何附加液体。固体排出组件110可包括漏斗部198、与漏斗部198连接的流动管道200以及与流动管道200连接的流量控制阀202，流量控制阀202调节固体产物208离开固体排出组件110的流量。流动管道200可将固体产物208从漏斗部198输送到流量控制阀202。漏斗部198可具有足够大小以与由固体产物208和液体形成的浆料池形成压力密封。例如，固体排出组件110可通过接合部102与气体排出组件108流体地连接，并且注入到洗涤塔186中的液体可穿过接合部102下落到固体排出组件110中。
[0050]在某些实例中，本技术的连续热解系统可包括用来操作、调节和控制系统各部件的控制系统。该控制系统的控制机构可使用本领域中已知的自动化控制技术和方法。控制系统可包括例如，压力和温度传感器、浆料池中的液位开关传感器、气流速度传感器和调节器、电磁阀、能够启动、停止和改变所有电机的速度和运行条件的设备、穿过内反应器管152出口端162附近的外反应器管154的空气注入口、将空气注入转向区164的空气压缩设备、用以接收和处理输入信号并发送和传输适当地控制系统功能所需的输出信号的控制计算机和使能设备及算法。
[0051]为了实现稳态运行，该控制系统可用以作用于多个可用的控制变量。
[0052]固体驻留时间可通过进料螺旋钻126和回转螺旋钻166的旋转的速率来控制。气体驻留时间可主要地通过系统的压力和温度、空气注入速度(如果有的话)、固体驻留时间、系统反应环境和气体离开机器的速度来控制。
[0053]稍微改变压力可对往复式反应器组件106内的气体密度有很大影响。因此，如果往复式反应器组件106内的温度太高，那增加在气体排出组件108的顶部处的气体流量控制阀184的开度可降低往复式反应器组件106内的压力，由于其更大容积的需要，这可增大气体的速度。速度上的增加可减少气体驻留时间，这可减少气体和生物碳及碳质原料颗粒之间的传热量。因此，气体与其在更高压力下相比可变得更热，从而降低了在往复式反应器组件106中的总体温度。
[0054]在固体产物208和气体产物206的排出速度外，本技术的连续热解系统的温度可通过改变碳质原料204的输入的速度来调节。由于从输出产物传递到进入产物的热量依赖于每个碳质原料204颗粒与热传递介质接触花费的时间的量，因此这是可能的。从而，如果温度过高，则提高通过速度可转化成在往复式反应器组件106中的较少驻留时间，这又可转化成在输出生物碳和进入碳质原料204之间的较小热传递。减少通过量以提高温度的逆向过程也可实现。
[0055]如果需要，往复式反应器组件106中的热和压力还可通过将加压空气以受控方式注入到转向区164中来调节。这可致使生物碳和气体的少部分氧化，且因此释放额外热，使温度和压力升高。该方法可以在连续热解系统100需要热或者压力时采用，从而即使在一些压力和热量损失至固有的系统运行低效率时确保足够的热和压力以保持稳态运行。该方法在减轻与碳质原料的湿气含量的波动中的峰值相关联的温降方向是特别有用的。然而，由于过多的空气注入会因过多的氮气而稀释气体产物206，注意确保该方法与其它方法联合使用是推荐的。替代地可以流入纯氧，但对系统增加了明显的额外费用和复杂性。[0056]参照图1和5，本技术的方法可包括:将碳质原料204供给到进料组件104，将碳质原料从进料组件104传送到接合部102，将碳质原料从接合部102传送到往复式反应器组件106，使碳质原料204在往复式反应器组件106中反应以形成气体产物206和固体产物208，将气体产物206和固体产物208从往复式反应器组件106传送到接合部102，将气体产物206从接合部102传送到气体排出组件108，将固体产物208从接合部102传送到固体排出组件110，将气体产物206从连续热解系统100通过气体排出组件108去除，以及将固体产物208从连续热解系统100通过固体排出组件110去除。
[0057]如上所述，接合部102可包括通路112，通路112可具有内通道118和外通道120，内通道118与进料组件104和往复式反应器组件106流体地连接，外通道120与气体排出组件108和固体排出组件110流体地连接。因此，将碳质原料从进料组件104传送到接合部102的步骤可包括将碳质原料输送到接合部102的内通道118。此外，将气体产物206和固体产物208从往复式反应器组件106传送到接合部102的步骤可包括将气体产物206和固体产物208从往复式反应器组件106输送到接合部102的外通道120。
[0058]另外如上所述，往复式反应器组件106可包括内反应器管152和外反应器管154，内反应器管152提供内反应器区178，外反应器管154具有围绕内反应器管152以形成提供了外反应器区180的环状空间的第一部分156和延伸越过内反应器管152并形成转向区164的第二部分158。因此，本技术的方法中的使碳质原料204在往复式反应器组件106中反应的步骤可包括将碳质原料输送穿过内反应器区178、转向区164和外反应器区180。
[0059]在图5中所示实例中，本技术的一个方法可通过将碳质原料204供给到能够将碳质原料204从外部源引入每个输入气闸室122中的进料斗138开始。每个气闸室可用来将碳质原料204从大气环境传送到较佳地被加压的进料室124。在各种实例中，闸斗仓、旋转气闸室、活塞进料器或任何类似设备可与其支承装置一起用来装载系统。一种较佳类型的气闸室122是这样的闸斗仓，该闸斗仓由两个刀闸组成并且该两个刀闸之间具有加压室。碳质原料204可在重力作用下落入进料室124中，以及可接着从进料室124输送到接合部102的内通道118，以及接着从接合部102的内通道118到内反应器管152。
[0060]多个同时发生的过程在往复式反应器和接合部内发生。
[0061]稳态固体质量流被首先描述，并且提供了相关联的相变、反应、气体流和热量流的情形。相关联的固体质量流始于碳质原料204进入内反应器管152并由进料螺旋钻126输送穿过内反应器管152的内反应器区178，从而产生部分反应的碳质原料204。当部分反应的碳质原料204到达内反应器区178的端部时，其落入转向区164中。在转向区164中，回转螺旋钻166作用于部分反应的碳质原料204，将部分反应的碳质原料204从转向区164穿过外反应器区180向后向着接合部102输送到气体排出组件108和固体排出组件110。回转螺旋钻166的转速可足够快以防止转向区164充满。
[0062]系统压力、热传递和气流都可以相互影响。由于往复式反应器组件106内的热转化反应中释放的气体、来自碳质原料204的任何水分在有限容积内的蒸发，以及气体产物通过气体排出组件108的受控释放，系统压力能够是自我保持的。为了降低系统内的压力，可允许比产生的气体更多的气体逸出，直到达到期望压力。为了建立压力，可释放比产生的气体更少的气体。适当压力可依赖于原料和期望的产物输出。
[0063]由于多个原因，加压可提高系统的热效率。压力趋于压缩气体，这又趋于增强气体和固体之间的对流热传递。而且，通过气体压缩，加压可增大在往复式反应器组件106内的驻留时间。增大的驻留时间与本技术的往复式反应器组件的设计组合可促进高程度的气体/固体相互作用，从而允许气体在排出之前更充分地接近化学平衡。相关地，加压可减少往复式反应器组件106内的气体流速，从而允许在给定反应器几何构造内的没有达到临界气体速度的更高通过量。
[0064]此外，高反应器压力可便于热转换在更低温度开始。而且，加压可提高系统内蒸汽的冷凝温度。由于一旦气体在给定压力下达到冷凝温度，则气体会在不降低温度的情况下持续地释放能量到进入的碳质原料，从而保持了内反应器区178和外反应器区180之间的温度梯度，因此这可有利于穿过内反应器管152壁的热传导。往复式反应器组件106的长度可被选择成足够长，以允许在外反应器区180中达到冷凝温度并且允许在能量传递到进入的原料以产生可持续反应的同时在外反应器区180内发生充分冷凝。对于给定的通过量，往复式反应器组件106的效率越高，则剩余固体在到达冷凝区时所包含的热能越少并且更多的液态水在排出系统100之前与剩余固体混合。系统内冷凝的水越多，则需要的燃烧越少。在碳质原料的热解反应中能够有足够的可冷凝蒸汽产物，使得有足够的热用以再循环热，而不需要燃烧。
[0065]为了促进从外反应器区180到内反应器区178的更好热传递，气口 132可穿过内反应器管152的壁制成，较佳地在内反应器区178的接合部端附近并且在接合部102的外侧制成。气口 132可沿与碳质原料204的流动方向相反的方向产生具有最小阻力的气体流路。在内反应器区178中以及较小程度上在外反应器区180中产生的气体具有两个离开内反应器区178的可能出口。第一，气体可通过在内反应器管152的壁中的气口 132离开。第二，气体可进入转向区164并且行进过外反应器区180的整个长度。较佳地，可设置足够量的气口 132来确保期望水平的气体反射流动。由于往复式反应器组件内的气体趋于具有与产生该气体的原料颗粒近似相同的温度，并且产生气体的原料颗粒通常比进一步回到内反应器区178中的那些更热，因此内反应器区178中的气体趋于在它们沿反向流动方向行进并与较冷的原料颗粒接触时释放它们的热。
[0066]随着气体冷却，它们释放能量至上游的原料颗粒并且气体的体积减小。这会产生虹吸效应，从而为靠近转向区产生的气体提供越多的空间。由于冷的碳质原料通常向下游移动，并且热气体的大部分逆着碳质原料向上游移动，因此气体中的热被有效地再循环到进入的碳质原料。由于气体包含热CO2和蒸汽的大部分，因此穿过固体材料的气体流可有助于将其“激活”。在生产木炭的实例中，气体可部分激活木炭颗粒产物并使得更易于将木炭产物转化成活性炭。这类似于在活性碳制造中使用的传统蒸汽激活实践。
[0067]当气体流过碳质原料204的反应颗粒时,气体产物中的大部分焦油和其它可冷凝气体可被裂解。该裂解趋于是大量放热的且可导致更清洁的气体产物排出往复式反应器组件106。在首次通过时在内反应器区178中未被裂解的气体产物中的任何余留焦油当其反向行进时能够通过气口 132排出内反应器区178以与明显更热的成碳接触来裂解，或者仅在原料颗粒的表面上凝结且然后原料颗粒将该余留焦油载运回到内反应器区178的热端内经过一个或多个蒸发周期直到其裂解或通过气口离开。
[0068]就气口 132应布置于内反应器管152的长度上的位置而言，该布置位置较佳地是沿着内反应器管152足够地远，以使碳质原料202在通过气口 132的端部之前已蒸发出潜在水分并已开始分解。气口 132的该布置与热阶段之间的点相同，稍后描述其中的一个和两个热阶段。这是由于气体中的焦油蒸汽在反应的早期阶段中可见的温度下不太可能已充分分解。气口 132的数量、大小和形状可选择成在无到外反应器区156的明显颗粒损失的情况下允许足够的气流。由于过多气体在内反应器区内产生且比输送原料的进料螺旋钻被明显更快地前推，因此通过气口 132的气流可足以避免生物碳“井喷”到转向区164中。理想地，回转螺旋钻和气口 132可设计成使得位于外反应器区180的布置为经过气口 132的部分中的气流最小化。这将确保在反应器区178中气体逆着碳质原料204的方向的反向流动，并且增强了在往复式反应器组件106内的热传递。
[0069]与在系统100内发生的连续热解反应相关联的热量趋于来自三个主要来源:1)通过内反应器管152壁从在外反应器区180中排出反应器的固体和气体产物再循环的热传递，2)碳质原料204在往复式反应器组件106内经受的热转换反应，以及3)由潜在的或添加的氧引起的任何燃烧。往复式反应器组件106内的热转换的大部分及因此导致的气体产生可发生在内反应器区178内。热转换反应可包括蒸发、热解、气化和小量燃烧。虽然碳质原料204可在进料室124开始少量加热，但最大的温度变化趋于发生在内反应器区178内。往复式反应器组件106内的温度往往在朝向内反应器区178的端部的位置处、或者此后不久在转向区164中，或者在外反应器区180的开始部分中达到峰值。
[0070]碳质原料204可经受大体上对应于可知温度范围的四个略交叠的温度转换阶段。第一阶段可在温度从输入温度上升到压力调整后的水汽化温度发生。第二阶段在输入碳质原料204是干的时可在热解开始时开始，并且可持续直至放热热解开始。第三阶段是放热热解阶段。第四“完成”阶段可以是可选的，并且可依赖于是否将比阶段三中达到的温度高的期望峰值温度保持足够的时间。如果需要，用于完成阶段的附加热可通过小量的燃烧来提供。
[0071]第一阶段可开始于碳质原料204最初进入内反应器区178的时刻，在此碳质原料204与内反应器管152的壁的热金属接触。内反应器管152的壁可用作将热从外反应器区180中的排出往复式反应器组件的固体产物208传导到碳质原料204中的加热表面。碳质原料204中的任何潜在水分在其达到压力调整后的水汽化温度时可开始蒸发。原料温度大体上保持在水汽化温度下，直到几乎所有的潜在水分被蒸发。
[0072]第二阶段可以在碳质原料204达到热解温度且开始热解时开始。在该阶段的热解可以是吸热反应，并且依赖于再循环的热来将其温度提高到下一个阶段。碳质原料204到达其开始放热的转折点，这指示了转换到第三阶段。
[0073]放热转折点依赖于碳质原料204的类型和反应器压力，但对于木生物碳，其在大气压力下大体上在大约270°C和大约290°C之间。热解反应的该放热部分对产生热自持反应是重要的。然而，为了实际目的，其单独地实现稳态过程并不是足够的。放热主和辅助热解反应可与来自外反应器区180的热传导组合以达到稳态。
[0074]往复式反应器组件106中产生的气体产物可通过相对于气体排出组件108的气体流量控制阀184的压力梯度被挤出。逸出系统100的气体的量可通过打开和关闭气体流量控制阀184的开口来变化。
[0075]往复式反应器组件106中产生的固体产物以及水产物可通过固体排出组件110去除。在某些实例中，形成的浆料包含固体产物和水产物并且还可包含在接合部102下方在固体排出组件110中收集在池中从气体排出组件108注入的水。该浆料池可形成压力密封。注入的水可辅助回转螺旋钻搅拌器杆排放固体。注入水的量可较佳地足以在流量控制阀202上方产生大体上和其流出底部一样快地重新装满的浆料池。针对给定的固体特性，注入的水的注入速度可被保持在确保可流动浆料混合物的水平。可允许足够的浆料通过控制阀202流出系统100，以保持装置的稳态运行。
[0076]在某些实例中，水再循环系统可用以使浆料脱水，并且提取的水可输送回到水注入系统中。在该实例中，脱碳和水冷却对保持对气体升级的益处是必须的，这可通过使周围空气穿过水发泡来实现。
[0077]实例1:启动
[0078]本技术的连续热解系统和过程的启动流程的一个实例如下:
[0079]1.除气体排出组件108的气体流量控制阀184外，闭合所有气密连接。
[0080]2.将生物碳通过进料组件124装入连续热解系统100中，生物碳的量足以填充外反应器区180。
[0081]a.装入的生物碳的最后部分用小量的慢燃促进剂(例如，柴油)浸泡。如果生物碳从最后一轮被留在反应器中，则慢燃促进剂可仅施加到进入的生物碳。
[0082]b.在停止装入生物碳后，连续热解系统100继续输送生物碳通过内反应器区178并且进入外反应器区180中到位，其中生物碳的被慢燃促进剂浸泡的部分定位在转向区164 中。
[0083]3.在装入生物碳之后，回转螺旋钻166停止，而进料螺旋钻126继续转动。
[0084]4.接着，点火装置被装入进料室124中并且被输送到往复式反应器组件106中，随后足够的碳质原料204被装入系统以填充内反应器区178。
[0085]a.在点火装置之后若干英尺(在内反应器区178中)的碳质原料204的一部分也被慢燃促进剂浸泡以辅助启动。
[0086]5.进料螺旋钻126继续运行，直到生物碳的用慢燃促进剂浸泡的部分点燃。
[0087]a.反应器中的热电偶和压力传感器可探测到点燃发生的时刻，并使进料螺旋钻126停止。
[0088]6.当燃烧开始时，产生的废气产生系统压力，并且开始向唯一气体出口流动，气体排出组件108的气体流量控制阀184。
[0089]7.气体排出组件108的气体流量控制阀184可调节，或可以自动调节，以适应燃烧废气离开系统的所有必需流量。
[0090]a.在启动过程中，废气被引入到装配有丙烷或其它气体燃料的地面点火系统、增压器系统以确保在启动过程中的持续火焰。
[0091]8.可以通过将压缩空气通过外反应器管158的第二部分中的端口注入到转向区164中来促进燃烧。注入的压缩空气的量被控制成仅适应缓慢的燃烧。
[0092]9.燃烧过程中产生的热被传递到邻近的和下游的生物碳、碳质原料和连续热解系统100的金属部件。大部分热还被携带在燃烧废气中，并通过对流传递到下游生物碳、碳质原料和连续热解系统100的金属部件。
[0093]a.这形成了连锁反应，该连锁反应将持续直到所有的碳质原料中的一些和生物碳被燃烧。[0094]10.一旦内反应器区178内的碳质原料204达到放热热解温度，则新的碳质原料开始被装入进料室124并且进料螺旋钻126被再次转动。
[0095]11.生物碳的性质允许其比碳质原料204以快得多的速率燃烧，因此外反应器区180的加热比内反应器区178快。
[0096]a.这确保外反应器管154部件将在内反应器管152部件之前膨胀和延长，从而形成用于内反应器管152部件的膨胀和延长的空间。
[0097]b.以这种方式适应材料的膨胀允许在反应器部件的设计上的紧密公差。
[0098]12.在启动模式过程中，允许连续热解系统100的温度上升到比热解所需的温度高得多的温度，从而在新的碳质原料进入系统时，其与在较冷的情形下相比更快地升到温度，即热解温度。
[0099]13.气体排出系统108开始限制离开反应器的气体流量，从而提高往复式反应器组件106的压力。控制压力以确保压力被保持为低于往复式反应器组件106的能力以将其安全地包含在其测量的温度下。
[0100]14.为了便于往复式反应器组件106适应期望压力，连续热解系统100通过缓慢逐渐停止压缩空气供给来降低温度。随着温度冷却到期望的运行温度时，即300°C和900°C之间的某个温度时，允许压力累积到运行压力。
[0101]15.当已从气体冷凝出或注入了足够的水以保持固体排出组件110中的压力密封时，回转螺旋钻166转动。
[0102]实例2:停车
[0103]本技术的连续热解系统和过程的停车流程的一个实例如下:
[0104]1.停止将碳质原料进给到进料组件中。
[0105]2.进料螺旋钻126和回转螺旋钻166运行，直到气体和生物碳排出系统。
[0106]3.停止进料螺旋钻126和回转螺旋钻166。
[0107]替代地，具体地在预期的下线时间很短并且反应器不必拆开的情况下:
[0108]1.停止将碳质原料进给到进料组件中。
[0109]2.进料螺旋钻126和回转螺旋钻166运行，直到系统中的所有碳质原料到达外反应器区180。
[0110]3.停止进料螺旋钻126和回转螺旋钻166，并且允许生物碳冷却以准备下一次启动。
[0111]根据前述内容，将理解虽然本文为了说明目的已描述了具体实例，但在不偏离本公开的精神和范围的前提下，可作出各种改型。因此，前述的详细说明旨在被认为是说明性而非限制性的，并且可理解的是随附的权利要求、包括所有等同物旨在具体地指出且明确地要求所要求保护的主题。
【权利要求】
1.一种连续热解系统，包括: 进料组件，碳质原料能够通过所述进料组件被引入到所述连续热解系统中； 往复式反应器组件，所述往复式反应器组件构造成接收所述碳质原料和将所述碳质原料反应以产生气体产物和固体产物，所述往复式反应器组件包括内反应器管和外反应器管，所述外反应器管具有围绕所述内反应器管形成环状空间的第一部分和延伸越过所述内反应器管并形成转向区的第二部分，其中所述内反应器管限定产生部分地反应的碳质原料的内反应器区，并且所述环状空间限定产生所述气体产物和固体产物的外反应器区； 气体排出组件，所述气体排出组件与所述往复式反应器组件的所述外反应器区流体地连接，并且被构造成将气体产物从所述连续热解系统去除， 固体排出组件，所述固体排出组件与所述往复式反应器组件的所述外反应器区流体地连接，并且被构造成将固体产物从所述连续热解系统去除，以及 接合部，所述接合部将所述进料组件流体地连结到所述往复式反应器组件，并且将所述外反应器区流体地连结到所述气体排出组件和所述固体排出组件。
2.如权利要求1所述的连续热解系统，其中所述接合部包括具有内通道和外通道的通路，所述内通道与所述进料组件和所述往复式反应器组件流体地连接，所述外通道与所述外反应器区、所述气体排出组件和所述固体排出组件流体地连接。
3.如权利要求2所述的连续热解系统，其中所述外通道围绕所述内通道，并且所述外通道包括在所述接合部的底部处的固体排出支管和在所述接合部的顶部处的气体排出支管，所述固体排出支管与所述固体排出组件流体地连接，所述气体排出支管与所述气体排出组件流体地连接。
4.权利要求2所述的连续热解系统，其中所述进料组件包括: 一个或多个原料输入气闸室，所述一个或多个原料输入气闸室从外部源接收碳质原料； 进料室，所述进料室构造成从所述一个或多个原料输入气闸室接收碳质原料；以及 进料螺旋钻，所述进料螺旋钻通过所述进料室、通过所述接合部的内通道以及沿所述往复式反应器组件的所述内反应器管的大部分长度延伸，所述进料螺旋钻构造成将碳质原料从所述进料室通过所述往复式反应器组件的所述内反应器区输送到转向区。
5.如权利要求1所述的连续热解系统，其中所述往复式反应器组件还包括从所述外反应器管的所述第二部分的所述转向区延伸到所述接合部的回转螺旋钻，所述回转螺旋钻构造成将所述部分地反应的碳质原料从所述转向区输送到所述气体排出组件和所述固体排出组件。
6.如权利要求1所述的连续热解系统，其中所述内反应器管包括沿所述内反应器管的长度的一个或多个气口，所述一个或多个气口构造成允许气体从所述内反应器区传送到所述外反应器区。
7.如权利要求1所述的连续热解系统，其中所述气体排出组件包括在所述气体排出组件的顶部处的气体流量控制阀，所述气体排出组件(应为所述气体流量控制阀)构造成调节气体产物流出所述气体排出组件的流量。
8.如权利要求1所述的连续热解系统，其中所述气体排出组件包括洗涤塔，所述洗涤塔包括位于所述洗涤塔的顶部附近的流体注入口以及被构造成将液体通过所述流体注入口注入所述洗涤塔中的喷嘴组件。
9.权利要求1所述的连续热解系统，其中所述固体排出组件包括: 漏斗部; 与所述漏斗部连接的流动管道；以及 流量控制阀，所述流量控制阀连接到所述流动管道，其中所述流量控制阀调节固体产物流出所述固体排出组件的流量。
10.如权利要求1所述的连续热解系统，其中所述漏斗部被定尺寸为通过固体产物和液体的池产生压力密封。
11.一种连续热解的方法，所述方法包括步骤: 将碳质原料供给到进料组件， 将所述碳质原料从所述进料组件传送到接合部； 将所述碳质原料从所述接合部传送到所述往复式反应器组件； 使所述碳质原料在所述往复式反应器组件中反应，以形成气体产物和固体产物； 将所述气体产物和所述固体产物从所述往复式反应器组件传送到所述接合部； 将所述气体产物从所述接合部传送到气体排出组件； 将所述固体产物从所述接合部传送到固体排出组件； 将所述气体产物从所述连续热解系统通过所述气体排出组件去除；以及 将所述固体产物从所述连续热解系统通过所述固体排出组件去除。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述接合部包括内通道和外通道，所述内通道与所述进料组件流体地连接并且与往复式反应器组件流体地连接，所述外通道与气体排出组件流体地连接并且与固体排出组件流体地连接。
13.如权利要求12所述的方法，其中将所述碳质原料从所述进料组件传送到所述接合部的步骤包括: 将所述碳质原料从所述进料组件输送到所述接合部的内通道。
14.如权利要求12所述的方法，其中将所述气体产物和固体产物从所述往复式反应器组件传送到所述接合部的步骤包括； 将所述气体产物和所述固体产物从所述往复式反应器组件输送到所述接合部的外通道。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述往复式反应器组件包括: 内反应器管，所述内反应器管提供内反应器区；以及 外反应器管，所述外反应器管具有第一部分和第二部分，所述第一部分围绕所述内反应器管以形成提供外反应器区的环状空间，所述第二部分延伸越过所述内反应器管并且形成转向区。
16.如权利要求15所述的方法，其中使所述碳质原料在所述往复式反应器组件中反应的步骤包括: 将所述碳质原料输送通过所述内反应器区、所述转向区和所述外反应器区。
【文档编号】B08B1/00GK103842101SQ201280033793
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年5月14日 优先权日:2011年5月14日
【发明者】托马斯·德尔蒙特, 埃伦·亚尔 申请人:因特拉能源公司