專利名稱：熱裂解法加工粉碎原料的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于加工粉碎原料的熱裂解方法，該方法通過(guò)將粉碎原料裝入加工腔室中進(jìn)行加熱。本發(fā)明還涉及一種采用熱裂解法加工粉碎原料的裝置。
背景技術(shù)：
通過(guò)在350°C到600°C且低氧環(huán)境中加熱木材或者其他木質(zhì)纖維原料的熱裂解過(guò)程來(lái)制備木炭，已經(jīng)有數(shù)百年的歷史?，F(xiàn)存有很多種生產(chǎn)方法。其中一些生產(chǎn)方法僅僅是原始的間歇生產(chǎn)過(guò)程，碳的回收率很低，并且會(huì)造成嚴(yán)重的空氣污染。另外，也有一些現(xiàn)代生產(chǎn)方法，其中熱裂解過(guò)程是在完全密封的工業(yè)用加熱腔中進(jìn)行，所有產(chǎn)生的氣體都能得到回收，且碳的回收率較高。平均而言，木材類的碳含量為50%，這也是木炭或者生物碳回收率的最大理論值。通過(guò)原始間歇生產(chǎn)過(guò)程得到的碳回收率為15%至25%。據(jù)稱，采用現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)方法可使從木材中回收碳的回收率高達(dá)40%。另一種用于提高生物質(zhì)熱值的方法是低溫烘焙法(Torrefaction)。低溫烘焙法主要為不充分的熱裂解，并且可以在介于 250°C到350°C之間的低溫下進(jìn)行。在顆粒成型(Pelletizing)之前，低溫烘焙法被用于處理木材廢料。與常規(guī)木材顆粒(其熱含量為16MJ/kg)相比，低溫烘焙形成的顆粒具有更高的熱含量(其熱含量為21MJ/kg)。另外，低溫烘焙形成的顆粒不吸收水分，且能夠抵御生物侵蝕的危害。因此，低溫烘焙形成的顆粒是一種具有吸引力，且環(huán)境友好型的燃料。美國(guó)專利US4118282涉及一種在密閉腔室中進(jìn)行的間歇生產(chǎn)方法。該方法用于碳?xì)渚酆衔?塑料)的裂解或分解。該方法是由激光引發(fā)的，激光使塑料燃燒并生成殘?zhí)迹诔掷m(xù)的加熱過(guò)程中，碳可以吸收微波。美國(guó)專利US6184427涉及一種裂解碳?xì)浠衔?塑料)的方法。由于塑料具有較低的介質(zhì)損耗因數(shù)(Dielectric Loss factor)，無(wú)法在使用微波條件下被充分加熱，因此需要將其與敏化劑或具有較高介質(zhì)損耗因數(shù)的材料混合。該方法是連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，然而在該方法中，需要將塑料擠出為形如意大利面的條帶，并且在重力作用下通過(guò)反應(yīng)器向下方移動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種改進(jìn)型的熱裂解方法和裝置。本發(fā)明的目的通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)，在該方法中，待加工的粉碎原料中，至少其大部分為生物質(zhì)；而且，連續(xù)地供給所述粉碎原料通過(guò)加工腔室；并且至少在加工過(guò)程開(kāi)始時(shí)使用微波能對(duì)該粉碎原料進(jìn)行加熱；且在進(jìn)行微波加熱之前，所述粉碎原料被壓縮。本發(fā)明的裝置的特征在于包括用于連續(xù)地供給待加工的粉碎原料通過(guò)所述腔室并壓縮所述待加工的粉碎原料的裝置，用于在加工過(guò)程開(kāi)始時(shí)引發(fā)原料加熱過(guò)程的微波輻射裝置，以及用于收集熱裂解終產(chǎn)物的收集裝置。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，使用微波對(duì)連續(xù)輸送的生物質(zhì)的中部進(jìn)行加熱，而使用熱風(fēng)和燃燒生成的氣體對(duì)該生物質(zhì)原料的外層進(jìn)行加熱。與現(xiàn)有的熱裂解方法相比，本發(fā)明的熱裂解方法具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明的方法能夠應(yīng)用于多種原料，包括木材、城市廢棄木材、椰子殼、草、蘆葦以及其他很多種植物原料。本發(fā)明的方法還可以應(yīng)用于廢棄塑料及橡膠。2.本發(fā)明的方法可以接受小顆粒，如木屑；也能夠接受小顆粒和大顆粒的混合物，如木屑與木片的混合物。3.由于采用有效的微波加熱，因此加工過(guò)程快速。整個(gè)熱裂解過(guò)程一般持續(xù)5到 15分鐘。閃光熱裂解(Flash pyrolysis)過(guò)程更好更加迅速，但其局限于使用粒徑非常小的顆粒。4.本發(fā)明的方法能夠快速地啟動(dòng)或關(guān)閉。微波發(fā)生器的預(yù)熱時(shí)間很短(約為5分鐘)。而其他的加工方法的預(yù)熱時(shí)間則要長(zhǎng)很多。5.熱裂解過(guò)程是在自然低氧環(huán)境中在密閉的加工腔室中進(jìn)行。6.生物質(zhì)顆粒被壓縮至密度在0. 30至1. 2g/cm3的范圍內(nèi)。氣孔已經(jīng)被基本消除， 因此能夠極大地促進(jìn)微波能量的利用以及從已加熱區(qū)域至未加熱區(qū)域之間的熱傳導(dǎo)。7.微波功率輸入以及擠出速度完全可調(diào)，因此過(guò)程易于控制。8.當(dāng)芯部溫度達(dá)到約270°C時(shí)，反應(yīng)開(kāi)始放熱，因此不再需要輸入微波功率，反應(yīng)即可持續(xù)進(jìn)行。9.能夠從沿著加工腔室的特定部位提取熱裂解過(guò)程產(chǎn)生的蒸汽、液體以及氣體。10.由于生物質(zhì)的高度壓縮，以及與腔室和微波輻射裝置側(cè)壁的摩擦力，擠出過(guò)程為自清潔過(guò)程。11.過(guò)程是在密閉的環(huán)境下，且氣體、液體以及固體副產(chǎn)物得到完全控制的情況下進(jìn)行的，因此在該過(guò)程中實(shí)質(zhì)上不產(chǎn)生空氣污染。12.相同的裝置也可以用于生物質(zhì)的烘焙或者木炭的生產(chǎn)過(guò)程。13.由于采用相對(duì)較低的加工溫度，以及完全密閉的系統(tǒng)，生物碳的回收率可以接近于最大可能值。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的熱裂解裝置的結(jié)構(gòu)示意圖的一示例。圖2為圖1所示的裝置的在最后一個(gè)微波輻射裝置之后的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面，將結(jié)合上述附圖，通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)方案。應(yīng)理解， 這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的熱裂解方法的原理如圖1和圖2所示。木材殘余物、植物碎片、堅(jiān)果殼、 稻草或者其他具有高于30%水分含量的粉碎原料均可被用于本發(fā)明。首先必須將生物質(zhì)的尺寸減小到能夠被用于螺桿式擠出或活塞式擠出步驟中。優(yōu)選的顆粒尺寸為0. 50到60nm。生物質(zhì)顆粒首先被送入料斗2中。料斗的底部為擠出裝置，該擠出裝置將原料推入長(zhǎng)條形的加工腔室3中。在本實(shí)施例中，擠出裝置包括圓筒15和活塞16。加工腔室3優(yōu)選為矩形形狀，且高為20至300mm，寬為200至1300mm。加工腔室的截面也可以為圓形或橢圓形。被推入加工腔室3中的生物質(zhì)被壓縮，且所有大的氣孔都被消除。沿加工腔室分布有至少一個(gè)且優(yōu)選為多個(gè)微波輻射器6，所述微波輻射器6與連接到微波發(fā)生器的波導(dǎo)管相連接。用于加熱的工業(yè)微波頻率有兩種2450Mhz和915Mhz。這兩種頻率中的任意一種均可用于本發(fā)明，而微波輻射器的尺寸必須與這兩種頻率中的一種相配合。優(yōu)選的是，所使用的微波輻射器為水平極化型微波輻射器。在這種微波輻射器中，最多的微波能量以及熱量可以直接被傳導(dǎo)至微波輻射器橫截面的中部，或加工腔室的中部，或加工腔室的外部。 作為一個(gè)示例，本發(fā)明中用于微波加熱的裝置可參考美國(guó)專利申請(qǐng)US2010/0060391A1中所公開(kāi)的微波加熱裝置。在本實(shí)施例中，優(yōu)選從加工腔室的中部開(kāi)始加熱。當(dāng)生物質(zhì)產(chǎn)品通過(guò)加工腔室3 向前移動(dòng)時(shí)，經(jīng)歷多級(jí)加熱過(guò)程。當(dāng)核心溫度達(dá)到約250°C時(shí)，短鏈生物質(zhì)碳水化合物開(kāi)始分解，并變?yōu)闅怏w。在微波加熱前期階段產(chǎn)生的蒸汽通過(guò)通道14從加工腔室3中引出。這些蒸汽也可以用于在將原料供給到加工腔室之前，對(duì)原料進(jìn)行預(yù)熱。位于微波輻射器6之間的加工腔室側(cè)壁設(shè)有穿孔。通過(guò)施負(fù)壓，所有在生物質(zhì)分解過(guò)程中產(chǎn)生的氣體被送入冷凝器17中，且在冷凝器17中，水從氣體中被分離出來(lái)。經(jīng)在核心區(qū)域中的熱裂解產(chǎn)生的氣體在向外流出的過(guò)程中，可以對(duì)外層進(jìn)行有效加熱。干燥的氣體通過(guò)通道7a、7b、7c和7進(jìn)入燃燒器8并被點(diǎn)燃。在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱氣體與熱空氣通過(guò)通道9進(jìn)入室IOa與室IOb中，室IOa與室IOb環(huán)繞于加工腔室3 的外側(cè)，并在室IOa與加工腔室3之間及室IOb與加工腔室3之間分別形成加熱腔13。其目的在于加熱加工腔室位于微波輻射器6之間的以及位于微波輻射器6下游的側(cè)壁。優(yōu)選通道9中的熱空氣和熱氣體的溫度為700°C至900°C，且優(yōu)選室10a，IOb中的熱空氣和熱氣體的溫度約為500°C至700°C。熱的金屬壁然后將熱量傳至被加工的生物質(zhì)的外層12。處理過(guò)程結(jié)束后，被加工原料的整個(gè)截面都被加熱到300°C至400°C。在此溫度條件且沒(méi)有外部氧氣供應(yīng)的情況下，生物質(zhì)原料被完全熱裂解。短鏈的半纖維素被氣化，而長(zhǎng)鏈的碳聚合纖維素被轉(zhuǎn)化為碳。木炭冷卻后被輸入至帶式傳送機(jī)4，并且被轉(zhuǎn)送至收集腔5。熱裂解的速度及程度可由調(diào)節(jié)所使用的微波功率以及擠出通過(guò)加工腔室時(shí)的速度來(lái)進(jìn)行控制。在270°C時(shí)，木材的氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，并且不需要任何外熱。因此，通過(guò)微波將芯部材料加熱至約300°C時(shí)，熱裂解過(guò)程即可自發(fā)持續(xù)進(jìn)行。優(yōu)選的是，被加熱至300°C的核心材料包括截面的30%至70%的部分，也可更小，不過(guò)將導(dǎo)致熱裂解過(guò)程較長(zhǎng)。使用熱氣體對(duì)外層12的加熱可以加速反應(yīng)進(jìn)程，但并不是必須的。該反應(yīng)也可以由100%的微波能量來(lái)完成加熱。在這種情況下，一般采用連續(xù)的微波輻射器，以使得加工腔室的所有截面都能夠被加熱至同樣的溫度。不完全的熱裂解過(guò)程以及在200°C至320°C之間的溫度條件下進(jìn)行熱裂解反應(yīng)都是有利的。這被稱為低溫烘焙。與木材相比，由于被烘焙的生物質(zhì)含有更高的碳含量，因此其具有更高的熱值。被烘焙的木材極少吸收水氣，且其具有防生物侵蝕性能，因此是一種首選的用于制備可燃粒料的原料。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于1.用于加工的原料可靈活選擇從米糠、碎堅(jiān)果殼、直到城市廢棄木材。甚至碾碎的橡膠以及塑料也可以被考慮作為被加工的原料。2.過(guò)程靈活。相同的裝置可被用于木炭作為終產(chǎn)物的完全熱裂解過(guò)程，或者被用于生產(chǎn)烘焙木材的部分熱裂解過(guò)程。
3.上述內(nèi)容是通過(guò)調(diào)節(jié)熱裂解溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱裂解溫度的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)材料速度(活塞轉(zhuǎn)速或螺桿喂料轉(zhuǎn)速)以及微波功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。4.通過(guò)對(duì)過(guò)程的良好控制，可得到最高可能的生物碳回收率。5.加工過(guò)程高效，且整個(gè)過(guò)程是微波加熱與混合氣體加熱的結(jié)合。微波用于加熱待加工原料的中間部分，而混合氣體用于加熱原料外層的部分。而以前已知的加工步驟要么是100%的混合氣體加熱(對(duì)于大批量的木材是沒(méi)有效果的)，要么是100%微波加熱。6.粉碎原料自始至終呈被壓縮的狀態(tài)，因此有利于從已熱裂解的部分到未熱裂解部分的熱傳遞。本發(fā)明提供了一種提高生物質(zhì)熱值的系統(tǒng)，該系統(tǒng)現(xiàn)代、易于操作、靈活的且經(jīng)濟(jì)。該系統(tǒng)適于小尺寸到中等尺寸的加工生產(chǎn)線(每年5000至25000噸生物質(zhì)量)，當(dāng)然也可以通過(guò)多重生產(chǎn)線來(lái)實(shí)現(xiàn)更大容量的加工過(guò)程。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)熱裂解法加工粉碎原料的方法，其中原料被加入到加工腔室(3)中并被加熱，其特征在于，所述待加工的粉碎原料中，至少其大部分為生物質(zhì)；而且，所述粉碎原料被連續(xù)地填料并通過(guò)加工腔室(3)，并且至少在加工過(guò)程開(kāi)始時(shí)由微波加熱；且在進(jìn)行微波加熱之前，所述粉碎原料被壓縮裝置(16)壓縮。
2.如權(quán)利要求1中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述粉碎原料在進(jìn)行微波加熱之前，經(jīng)壓縮裝置(16)被壓縮至密度在0. 20g/cm3至1. 20g/cm3的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，對(duì)所述粉碎原料的加熱是由微波能量所引發(fā)的，然后依靠生物質(zhì)放熱反應(yīng)而自發(fā)持續(xù)進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1或2中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述在加工腔室中的所述待加工的粉碎原料為生物質(zhì)，首先采用微波對(duì)所述生物質(zhì)截面的中部進(jìn)行加熱，再使用外部熱源對(duì)其外層部分進(jìn)行加熱。
5.如權(quán)利要求4中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述生物質(zhì)的外層是由熱裂解氣體燃燒后產(chǎn)生的熱氣體進(jìn)行加熱的，其中所述熱裂解氣體在初始使用微波加熱芯部的生物質(zhì)的過(guò)程中生成。
6.如權(quán)利要求1或2中所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，連續(xù)的熱裂解過(guò)程是由100%微波能量完成的，并且產(chǎn)生的熱裂解油和熱裂解氣經(jīng)收集后用于其他的加工過(guò)程。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述微波能量由至少一個(gè)水平極化的微波輻射器(6)所產(chǎn)生，而且所述微波能量集中于被壓縮的原料芯部。
8.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述粉碎原料通過(guò)螺桿式擠出裝置或活塞式擠出裝置被擠壓通過(guò)長(zhǎng)條形的加工腔室。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的加工粉碎原料的方法，其特征在于，所述熱裂解過(guò)程由頻率為400至M50Mhz的微波能量引發(fā)。
10.一種通過(guò)在加工腔室(3)中的熱裂解反應(yīng)來(lái)加工粉碎原料的裝置，其中所述的粉碎原料中，至少大部分為生物質(zhì)，所述裝置的特征在于包括用于連續(xù)地供給待加工的粉碎原料通過(guò)所述腔室(3)并壓縮所述待加工的粉碎原料的裝置(15，16)；用于在加工開(kāi)始時(shí)， 引發(fā)原料加熱過(guò)程的微波輻射裝置(6)；以及用于收集熱裂解終產(chǎn)物的收集裝置G，5)。
11.如權(quán)利要求10中所述的加工粉碎原料的裝置，其特征在于還包括用于收集在粉碎原料的初始微波加熱過(guò)程中所產(chǎn)生的熱裂解氣體的收集裝置。
12.如權(quán)利要求11中所述的加工粉碎原料的裝置，其特征在于還包括用于燃燒所述熱裂解氣體的燃燒裝置(8)，以及用于將熱空氣從所述燃燒裝置(8)傳送至圍繞于所述加工腔室(3)的室(10a，IOb)來(lái)加熱所述粉碎原料的外層部分的傳送裝置(9)。
13.如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的加工粉碎原料的裝置，其特征在于，所述腔室呈長(zhǎng)條矩形狀，且高為20至300mm，寬為200至1300mm。
14.如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的加工粉碎原料的裝置，其特征在于，所述腔室為長(zhǎng)條形，且其截面為圓形或橢圓形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱裂解法加工粉碎原料的方法和裝置，其中所述待加工的原料被填料至加工腔室(3)中并被加熱。在本發(fā)明的方法中，粉碎原料被連續(xù)地供給經(jīng)過(guò)加工腔室(3)，并且至少在加工過(guò)程的起始階段被微波加熱。本發(fā)明的裝置包括用于將待加工的粉碎原料連續(xù)地供給通過(guò)所述腔室且對(duì)所述待加工的粉碎原料進(jìn)行壓縮的裝置(15，16)；在加工過(guò)程的起始階段，引發(fā)對(duì)原料進(jìn)行加熱的微波輻射裝置(6)；以及用于收集熱裂解終產(chǎn)物的收集裝置(4，5)。
文檔編號(hào)C10J1/213GK102344818SQ20111015687
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者安德烈·克萊馬瑞斯基 申請(qǐng)人:芬蘭勞特公司