專利名稱：熱處理有機物質(zhì)以產(chǎn)生炭或木炭的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于碳化有機物質(zhì)以產(chǎn)生炭或木炭的有機物質(zhì)熱處理的方法和裝置。通?？墒褂萌我忸愋偷挠袡C物質(zhì)作為原料任意尺寸的木段、椰衣、巴巴蘇椰子、 稻草、鋸木廠廢料、甘蔗、甘蔗桿和植物性廢料。為了簡化起見，本文結(jié)合木材來描述，但本文可適用于任意類型的生物質(zhì)。巴西是世界最大的炭生產(chǎn)國，平均年產(chǎn)量為850萬公噸。該產(chǎn)量僅是栽培的生物質(zhì)和農(nóng)作物廢料產(chǎn)生炭的實際潛力的一小部分。本發(fā)明的主要目的是比大多數(shù)現(xiàn)有生物質(zhì)碳化方法帶來物流、環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟和全球能源效率。生物質(zhì)碳化理論術(shù)語“生物質(zhì)”誕生于1975年，以描述適于用作燃料的天然材料。該術(shù)語涵蓋植物或動物來源的所有有機物質(zhì)，包括其天然或人工轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的材料(例如炭)。任何類型的生物質(zhì)的來源均為光合作用。生物質(zhì)中貯存的太陽能使其成為可再生能源。生物質(zhì)的生長是由于大氣二氧化碳通過光合作用轉(zhuǎn)化為有機化合物引起的。生物能是貯存在植物和動物中或其殘余物中的能量。燃燒是回收該能量的最簡單方式。使用栽培的生物質(zhì)作為能源將對環(huán)境有利。燃燒化石燃料時消耗氧并向大氣排放co2?；镜幕剂先紵磻?yīng)為C(s)+02(g)+3. 76N2(g) — C02(g)+3. 76N2(g)最近200年加劇的大氣(X)2濃度增加是所謂的“溫室效應(yīng)”的原因之一，“溫室效應(yīng)”據(jù)推想對行星變熱負主要責任。此外，由于氧-臭氧的熱力學平衡，所以大氣中氧濃度根據(jù)反應(yīng)(1)的相應(yīng)降低之后是臭氧濃度的降低。臭氧濃度的降低使地球上的紫外輻射和因此皮膚癌的風險增加。如果不采取措施來減少化石燃料的消耗，則未來數(shù)代人將繼承到環(huán)境惡劣的星球。在燃燒生物質(zhì)燃料時，(X)2以與化石燃料相同的方式排放到大氣。但在栽培的生物質(zhì)的生長過程中，通過光合作用過程從大氣吸收(X)2并排放氧。最終的平衡是大氣中氧濃度沒有減少，這對環(huán)境極其有利。在自然生命周期中，在生物質(zhì)死亡后不久，其基本分子的放熱分解開始。伴隨能量釋放的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化再次引起自然分解過程，但以快得多的方式進行，且該能量為可再生能量。在燃燒生物質(zhì)時，使碳再循環(huán)，而無CO2排放到大氣(例如當燃燒化石燃料時所發(fā)生的)。生物質(zhì)是唯一的可再生能源。說到可再生源，應(yīng)記住化石燃料是可枯竭的。有機物質(zhì)是化石燃料的主要來源。寒武紀地質(zhì)時代期間沉積巖上堆積的有機物質(zhì)在沒有氧的情況下轉(zhuǎn)化成化石燃料煤、石油和天然氣。反過來，該有機物質(zhì)通過光合作用過程來自太陽能。6億年間累積的這種化學能已越來越多地被人類所浪費。來自生物質(zhì)的能量可以若干方式獲得。當通過熱化學過程加熱時，生物質(zhì)分解成較不復雜的物質(zhì)。任意類型的生物質(zhì)均可經(jīng)受熱化學轉(zhuǎn)化過程。由于高生產(chǎn)率、低成本、高密度和高品質(zhì)，木材是經(jīng)受熱化學過程的主要生物質(zhì)。熱解為厭氧(缺乏氧或空氣)熱分解過程。當氧足夠用于完全的生物質(zhì)化學反應(yīng)時，發(fā)生燃燒或氣化。
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熱解為在300-800°C溫度范圍內(nèi)在完全沒有空氣或沒有足以用于燃燒的空氣的情況下的生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)熱解也稱碳化或木材分解蒸餾。碳化是當木炭為主要目標產(chǎn)物時的過程。熱可間接供給或通過燃燒部分生物質(zhì)(直接加熱)來產(chǎn)生。高溫(1000°c ) 將產(chǎn)生最大量的燃料氣體(氣化)，而低溫熱解(< 500°c )將產(chǎn)生最大量的炭。當在沒有氧的存在下加熱有機物質(zhì)時，發(fā)生化學分解，從而給出固體產(chǎn)物-炭-和在室溫下可部分冷凝的揮發(fā)性產(chǎn)物。該冷凝得到若干液體產(chǎn)物如木醋液(pyrolygenous liquor)、乙酸、甲醇、焦油和大量較小比例的組分。除水蒸氣外，可冷凝的揮發(fā)性組分均是高度污染物。含這些可冷凝組分的濃煙的排放對健康非常有害。冷凝后，這些組分污染土壤和水源。這些可冷凝組分的排放是原始磚碳化窯的特征。當炭是所需的主要產(chǎn)物時，碳化溫度在300-500°C范圍內(nèi)。炭輕、凈熱值(low heating value)高且燃燒無煙，而木材要致密得多，其燃燒產(chǎn)生大量的煙。炭含灰分，其含量取決于木材的類型、地球污染等。除炭之外，還向大氣排放氣相，所述氣相包含可冷凝和不可冷凝的氣體。不可冷凝的氣體可被燒掉以生成熱能。基本上，不可冷凝的氣體的組分有C02、CO、H2、CH4和CnHm?？衫淠臍怏w也包含可燃組分。當不被燒掉時，其如已經(jīng)提及的那樣是強污染物并對健康有害。熱解是基本的生物質(zhì)熱力學轉(zhuǎn)化過程。當在沒有空氣的情況下加熱時，生物質(zhì)分解為較不復雜的組分。熱解是經(jīng)由中間體自由基的復雜過程，最終所得物為富碳的固體殘余物(炭)和包括氣體、有機蒸氣和焦油組分的揮發(fā)性級分。如果不用作燃料或用于可冷凝組分的液化，將該揮發(fā)性部分是非常具有污染性的。雖然是將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為固體燃料的相當簡單的技術(shù)，但碳化是非常復雜的過程。碳化按以下步驟進行I-干燥-在木材可被碳化前，必須驅(qū)除其中的水。這是一個強吸熱步驟。只要木材水分未被驅(qū)除，溫度不會不超過110°C。II-驅(qū)除最后的水分和脫水反應(yīng)，溫度110_175°C，仍為吸熱步驟。III-預(yù)碳化，溫度范圍175_270°C，仍為吸熱步驟。木材分解開始，放出C0、C02、乙酸和甲醇。木材顏色變?yōu)樯钭厣Ｔ摬襟E最后獲得的產(chǎn)物為木炭。IV-過渡步驟，溫度270-290°C。分解反應(yīng)繼續(xù)，開始放熱步驟。V-碳化或熱解-該術(shù)語是當木材的化學結(jié)構(gòu)在高溫下且沒有空氣的情況下分解時寬泛地使用的術(shù)語。熱解階段是放熱的，溫度升至四0-3801，并排放氣態(tài)烴產(chǎn)物，固體殘余物變?yōu)榫哂懈邠]發(fā)物含量的炭。熱解過程中排放的氣體具有相當高的熱值。氣體物質(zhì)為C0、CO2, H2、CH4、水蒸氣、烴氣以及焦油、甲醇、乙酸和木醋液的蒸氣。在本文中，我們對此階段使用碳化或熱解。VI-最后步驟，溫度和固定碳增加，揮發(fā)物含量降低。溫度越高，則炭固定碳含量越
尚οVII-冷卻-所產(chǎn)生的炭必須經(jīng)冷卻以在打幵必須緊密密封的窯或干餾爐時不燃
燒ο固定碳含量是非常重要的冶金學炭性質(zhì)。

圖1示出了碳化溫度、固定碳和重量產(chǎn)率之間的關(guān)系，其中所述重量產(chǎn)率為(炭，kg)/(無水木材，噸)的比率。
基本上，碳化過程以強吸熱步驟開始，然后是放熱步驟。應(yīng)強調(diào)碳化過程的吸熱和放熱步驟階段的不同，碳化過程以強吸熱的木材干燥開始，然后是放熱的碳化步驟和可燃性氣態(tài)物質(zhì)的排放。碳化步驟過程中木材放出的能量遠大于供給干燥步驟的能量需求。在木材干燥步驟過程中使用碳化木材所放出的能量的問題在于這兩個步驟的階段的不同。如果放熱步驟過程中放出的能量被浪費，則應(yīng)燃燒一部分裝載進碳化反應(yīng)器中的木材以為吸熱步驟供給能量，雖然在放熱階段過程中放出的能量加上該步驟過程中放出的可燃氣體的能含量超過碳化過程的吸熱反應(yīng)所需要的能量。表I為生物質(zhì)碳化演化理論的總結(jié)。表1-木材碳化的理論演化
權(quán)利要求
1.一種用于熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的裝置，所述裝置包括反應(yīng)器室，其內(nèi)放置翻斗；燃燒室，所述燃燒室放置為離開所述反應(yīng)器；所述燃燒室內(nèi)布置有熱交換器；管；和用于移動過程氣態(tài)物質(zhì)的一系列風扇。
2.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，所述方法包括用于將所述有機物質(zhì)或木材裝載到翻斗上的步驟；用于將容納所述有機物質(zhì)或木材的所述翻斗插入干燥反應(yīng)器室內(nèi)的步驟；用于在所述干燥反應(yīng)器室內(nèi)加熱并干燥所述有機物質(zhì)或木材的步驟；用于在所述碳化反應(yīng)器室內(nèi)碳化所述有機物質(zhì)或木材的步驟；用于在所述冷卻反應(yīng)器室內(nèi)冷卻所述炭或任何中間產(chǎn)物的步驟；和用于從所述冷卻反應(yīng)器室移走所述容納炭或任何中間產(chǎn)物的所述翻斗的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，所述方法包括一系列互連的反應(yīng)器室，過程氣態(tài)流體通過管在其間流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，其中所述干燥、碳化和冷卻的過程階段同時并獨立地在所述反應(yīng)器室內(nèi)進行，其方式為在某個反應(yīng)器室中只進行所述步驟中的一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，其特征在于利用放置為離開所述反應(yīng)器室放置的燃燒室。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，其中所述燃燒室內(nèi)布置有熱交換器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4和5所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法， 其中一系列風扇將所述過程氣態(tài)物質(zhì)通過管抽吸并吹進系統(tǒng)的所述反應(yīng)器室中；所述氣態(tài)物質(zhì)處于根據(jù)相應(yīng)的反應(yīng)器室內(nèi)所進行的步驟的溫度和化學組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、5和7所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，其中由碳化木材排放的氣態(tài)物質(zhì)在所述燃燒室中燃燒，從而以該方式避免因所述氣態(tài)物質(zhì)造成的任何類型的污染。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5、7和8所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，其中從所述燃燒室排出的煙被輸送至所述干燥反應(yīng)器并吹進所述干燥反應(yīng)器中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5、7和9所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，其中結(jié)合由干燥木材所排放的水蒸氣的煙被部分再循環(huán)并與從所述燃燒室排出的所述煙混合以調(diào)節(jié)被吹進所述干燥反應(yīng)器室中的所述氣態(tài)物質(zhì)的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1和6所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以獲得炭的方法，其中在所述碳化反應(yīng)器室內(nèi)的熱解步驟過程中，由碳化木材排放的所述氣態(tài)物質(zhì)中的一部分被驅(qū)至所述熱交換器，其在該處被再加熱，然后作為熱流體返回所述碳化反應(yīng)器室，以根據(jù)期望的炭固定碳來控制碳化溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的方法，其中由碳化木材放出的氣態(tài)物質(zhì)的能含量可被用來或者干燥高濕含量的木材或供給任何用途的能量，例如熱發(fā)電。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、4和7所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置，其中向所述干燥反應(yīng)器輸送熱煙和稀釋氣體的裝置包括抽吸器，所述抽吸器通過抽吸導管與所述燃燒室相連。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、4、5和6所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置，其中用于抽取所述碳化反應(yīng)器室內(nèi)由碳化木材放出的氣態(tài)物質(zhì)的裝置包括抽吸器，所述抽吸器通過抽吸導管與所述碳化室連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求1和5所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置，其中對于所述干燥階段而言不需要的、在所述燃燒室內(nèi)生成的過量熱煙被驅(qū)至與向大氣排放所述煙道氣的煙 相連的排放導管，使得沒有污染性氣態(tài)物質(zhì)被排放到大氣。
16.根據(jù)權(quán)利要求1、4、9和10所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置， 其中對于所述干燥階段而言不需要的過量再循環(huán)稀釋氣體被驅(qū)至與向大氣排放所述稀釋氣體的煙 相連的排放導管，使得沒有污染性氣態(tài)物質(zhì)被排放到大氣。
17.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3和4所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置，其中所產(chǎn)生的所述炭或任何其它固體物質(zhì)通過向大氣輻射熱而冷卻，所述冷卻通過在所述冷卻反應(yīng)器內(nèi)噴水而繼續(xù)，并且通過向大氣輻射熱而完成。
18.根據(jù)權(quán)利要求1、2和4所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的方法，其中所述碳化過程可在任意階段停止以產(chǎn)生具有高揮發(fā)物含量的炭、木炭或無水木材。
19.根據(jù)權(quán)利要求1、2和4所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的方法，其中所述過程通過測量進出每個反應(yīng)器室的氣態(tài)物質(zhì)的溫度來控制。
20.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置，其中將待熱處理的所述有機物質(zhì)特別是木材裝載到翻斗上，然后在插入所述反應(yīng)器室中之后在其中同時且獨立地進行干燥、熱解和冷卻階段。
21.根據(jù)權(quán)利要求1、2和4所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置，其中所述冷凝和副產(chǎn)物回收因所述干燥和熱解步驟的獨立性而更高效地進行。
22.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4和20所述的熱解處理有機物質(zhì)特別是木材以制備炭的裝置， 其中可使用任意程度的機械化或自動化。
全文摘要
本發(fā)明的有機物質(zhì)碳化方法基于高溫和受控氣氛(如果可能，不存在氧)中的熱處理。文中闡述了有機物質(zhì)碳化理論，重點在熱力學方面。該說明中示出了吸熱和放熱碳化階段間的失配，該失配阻礙磚窯使用放熱階段過程中所放出的能量。之后總結(jié)了碳化技術(shù)實際狀況。本發(fā)明涉及用于有機物質(zhì)的熱處理的方法和裝置，其包括用于干燥和熱解有機物質(zhì)的獨立反應(yīng)器和用于炭冷卻的獨立反應(yīng)器。在此方法中，揮發(fā)性產(chǎn)物-不可冷凝的氣體和可冷凝的熱解蒸氣-在獨立的燃燒室中燃燒以供給過程所需的能量。這樣，不燃燒木材，因此不向大氣排放污染物質(zhì)。本發(fā)明提出的方法允許精確的過程控制以獲得指定的炭固定碳含量；和更高的重量產(chǎn)率，其增加天然林或栽培林木材。在由本發(fā)明提出的獨立熱解和干燥反應(yīng)器中，從外部燃燒室離開的煙道氣被驅(qū)至干燥反應(yīng)器，在該處裝載在翻斗上的木材被加熱和干燥。由碳化木材排放的燃料氣體在燃燒室中燃燒作為能源。燃燒室內(nèi)布置了熱交換器，目的是再加熱熱解氣體。再加熱后，這些氣體返回碳化反應(yīng)器以為吸熱的碳化步驟供給能量。該技術(shù)的目的是避免燃料氣體與燃燒室內(nèi)生成的煙道氣混合，并且精確控制碳化溫度。本發(fā)明允許通過在期望階段停止碳化過程來實現(xiàn)濕木材與炭之間的中間產(chǎn)物的生產(chǎn)，以獲得無水木材、木炭或高揮發(fā)物含量的炭。本發(fā)明的方法的基本思想是1.利用由碳化木材排放的氣體作為能源。2.木材干燥、木材熱解和炭冷卻階段在獨立的反應(yīng)器中進行，在這些獨立的反應(yīng)器內(nèi)僅發(fā)生這些階段中的一個。3.由熱解階段過程中排放的氣體在熱交換器中再加熱后為熱解的碳化吸熱階段過程供給能量?；旧?，本發(fā)明包括如下裝置1.其內(nèi)進行過程階段的反應(yīng)室。2.外部燃燒室。3.所述燃燒室內(nèi)的熱交換器。4.一組管。5.一組風扇。6.包括翻斗的裝載系統(tǒng)。
文檔編號C10L5/44GK102459515SQ201080027692
公開日2012年5月16日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月21日
發(fā)明者阿爾瓦羅·盧西奧 申請人:安東尼奧·德爾菲諾·桑托斯·內(nèi)托, 維托爾·塞爾吉奧·德·索薩, 羅熱里奧·熱拉爾多·坎佩洛, 西德尼·佩索阿·維埃拉, 阿爾瓦羅·盧西奧