用于有机材料的转化器的制作方法

用于有机材料的转化器
1.本技术是2014年10月29日递交的申请号为201480059778.8，发明名称为“用于有机材料的转化器”的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种转化器形式的设备，该设备用于连续转化生物质或其它固体有机进料以产生有价值的产物，诸如但并不限于液体水产物、液体油产物、气体产物和固体含碳产物(诸如炭产物)中的任一种或多种。
3.本发明还涉及一种经由热解或其它机制将生物质或其它固体有机进料连续转化成有价值的产物的方法，其中有价值的产物诸如但并不限于液体水产物、液体油产物、气体产物和固体含碳产物(诸如炭产物)中的任一种或多种。


背景技术：

4.术语“有机进料”包括生物质、泥炭、煤、油页岩/含油砂岩地层、塑料废料，而且也包括这些进料的混合物。
5.术语“生物质”在此应理解为，指活的或最近活的有机物质。
6.具体的生物质产物例如包括林业产品(包括碾磨残留物，如木刨花)、农产品、在水生环境中产生的生物质(诸如藻类)、农业废弃物(诸如秸秆、橄榄核和坚果壳)、动物粪便、市政和工业废渣。
7.术语“煤”在此应理解为，例如包括泥炭、褐煤、黑煤，和被称为“煤渣”的产品的范围。
8.术语“油页岩”在此应理解为，例如包括含可用比例的有机分子的任意地质沉积材料。
9.下面的描述着重于经由热解转化生物质和煤形式的有机进料。但是，应理解本发明并不限于所述“热解”的反应机制，而是延伸至将固体有机进料转化成液体水产物、液体油产物、气体产物和固体含碳产物(诸如炭产物)中的任一种或多种的其它反应机制。例如，本发明延伸至经由使材料干燥来转化固体有机进料，并且在干燥具有显著量的滞留水或结合水的材料(诸如褐煤)中具有重要的应用，具有最少(如果有的话)的热解。本发明还延伸至在反应腔室内发生的一定程度的汽化。
10.本技术人的国际申请pct/au2009/000455公开了一种热解固体有机进料，诸如生物质、煤以及生物质和煤的混合物的方法，该方法包括以下步骤：
11.(a)向热解反应腔室的入口供应固体有机进料；
12.(b)使上述固体有机材料从腔室的入口向下游端穿过反应腔室移动，并且使有机材料暴露于腔室内的温度分布，随着有机材料穿过腔室移动，使有机材料干燥和热解，并且从有机材料释放出水蒸气和挥发性产物气体相。
13.(c)使在步骤(b)中通过加热固体有机材料产生的水蒸气相和挥发性产物气体相，以与固体有机材料相反的方向穿过反应腔室移动，以使水蒸气相和挥发性产物气体相的可
凝结的组分在腔室的较冷的上游区段中凝结，并且形成液体水产物(从热解过程中回收的水通常有些酸性，并且含有稀释的烟雾化学品和其它有机物；其常被称为焦木酸或“木醋酸”，在园艺中具有有利的应用)和分离的液体油产物；以及
14.(d)经由腔室的独立的上游出口排出液体水产物和液体油产物，并且从腔室的下游出口排出经干燥和热解的固体产物。
15.国际申请pct/au2009/000455还公开了，经由腔室的独立的出口，将不可凝结的气体产物排出到上述出口。
16.在上述国际申请和本技术中，术语“热解”都应理解为指在缺乏氧化剂或具有有限供应的氧化剂的情况下，有机材料的热分解，以便仅可能进行部分气化。这可包括从导致干燥和部分热分解的“温和热解”，到产生油、气体和炭产物的“完全热解”的范围。热解的主要产物是气体、液体和炭。气体通常包括一氧化碳、二氧化碳、氢气和烃。液体通常包括水、焦油和油。
17.上述方法可包括：通过向反应腔室供应含氧气体，并且使腔室中的可燃气体至少部分燃烧，在反应腔室中生成温度分布。
18.上述方法可包括：将水供应至腔室的下游端中并且使水蒸发，从而回收经干燥和热解的产物中的热能，并且形成水蒸气。
19.上述国际申请还公开了一种热解有机进料的设备，该有机进料包括生物质和煤，并且包括生物质和煤的混合物，该设备包括：
20.(a)热解反应腔室，具有上游端、下游端、有机进料的入口、在腔室中产生的气体的出口，以及(i)液体油产物、(ii)液体水产物和(iii)经干燥和热解的产物的独立的出口；
21.(b)用于使有机材料以与腔室中生成的气体流逆流的方式，从反应腔室的上游端朝下游端穿过反应腔室移动的组件；
22.(c)用于在反应腔室中建立温度分布的组件，该温度分布包括从腔室的上游端，沿反应腔室的长度依次延伸的如下温度区域：用于水凝结的第一温度区域(区域1)，用于水汽化的第二温度区域(区域2)，用于油和焦油凝结的第三温度区域(区域3)，以及用于油和焦油汽化并且形成经干燥和热解的产物的第四温度区域(区域4)。
23.上述国际申请中公开的内容通过引用并入本文中。
24.上面的描述不应被视为，是承认澳大利亚和其他国家的公知常识。


技术实现要素：

25.本技术人对上述国际申请中公开的方法和设备进行了进一步的研究和开发工作，认识到了从对该方法和设备运行和设计的观点来看是重要特征的若干特征。因此，本技术人进一步开发出了如下技术：以生物质或其它固体有机进料的连续转化器的形式的设备，在该转化器中连续转化生物质或其它固体有机进料的方法，以及启动该转化器的方法。
26.广义上讲，根据本发明，向连续转化器形式的设备供应生物质或其它固体有机进料，该生物质或其它固体有机进料作为进料(通常为紧密堆积的形式)穿过转化器的反应腔室，并且暴露于腔室内的温度分布中，该温度分布使有机材料干燥且热解或通过另一反应机制进行其它处理，产生固体含碳产物(诸如炭产物)，并且释放水蒸气和挥发性产物气体相。通常，放置转化器，以便反应腔室水平设置。注意到，转化器、更具体的是腔室可以略倾
斜或垂直。水蒸气和挥发性产物气体相与腔室中的固体有机材料逆流移动，以便至少一部分水蒸气和气相中的挥发性产物的可凝结组分在腔室的较冷的上游区段中凝结，形成液体水以及液体油和焦油。在反应腔室中，液体水以及液体油和焦油被进料向前携带至腔室的较高温度区，液体水逐渐蒸发，而液体油和焦油逐渐挥发且裂化成氢气、一氧化碳、二氧化碳和短链烃(诸如甲烷、乙烷和其它轻质烃)。凝结和挥发循环的最终结果是，从腔室排出在腔室内的温度和压力下包括水蒸气和不可凝结的气体的气体产物。该气体产物可包括水蒸气、co、h2、co2、n2、甲烷、乙烷和其它轻质烃。从腔室排出液体水。或者，可运行上述过程，以便水仅作为水蒸气排出，并且从腔室不排出液体水。在固体进料的移动填充床的较冷端，凝结水蒸气的过程是从气体中分离出水溶性污染物以及低温挥发性金属的有效方式，其中水溶性污染物诸如含s、氨和cl的化合物，而低温挥发性金属包括cd、as、hg和pb。基本上，腔室的湿的较冷端是有效的洗涤器。从腔室中的下游出口，排出经热解的固体含碳产物。
27.广义上讲，根据本发明，以生物质或其它固体有机进料的连续转化器的形式的设备包括：反应腔室，该反应腔室用于在腔室中经由热解或其它反应机制产生固体含碳产物、气体产物和可选的液体水产物；向反应腔室供应固体有机进料的入口；用于使固体有机进料，以与由于腔室中的干燥或其它反应而在腔室中生成的气体流逆流的方式，从腔室的上游端朝下游端穿过反应腔室移动的组件；以及，来自反应腔室的固体含碳产物、气体产物和可选的液体水产物的独立的出口。
28.仅通过示例的方式，本技术人鉴定出的特征包括以下特征。
29.1、连续转化器可包括：用于向反应腔室供应固体进料的装置，下文将该装置称为“挤入机(intruder)”；和用于从该腔室排出固体含碳产物的装置，下文将该装置称为“挤出机(extruder)”，这两种装置都基于使用一组件，该组件经配置以使入口中的固体材料和出口中的固体材料形成气封。
30.2、上述挤入机和挤出机可各自包括在同一轴线上的两个螺杆。这两个螺杆可反向旋转。上述挤入机可控制向反应腔室供应进料的速度，并且形成使气体经由挤入机从反应腔室漏出最小化的密封。通过压缩进料建立这样的密封。类似地，上述挤出机可控制从反应腔室排出固体含碳产物的速度，压缩固体含碳产物，并且形成基本防止气体经由挤出机从反应腔室漏出的密封。
31.3、下面的说明着重于挤入机的运行，但同样的说明也适用于挤出机。可通过具有可变的速度能力的马达独立驱动挤入机的每一螺杆，其中下游螺杆以比上游螺杆慢的旋转速度运转。在螺杆之间存在轴向间隙。对于进料沿挤入机的长度移动没有截面限制。在使用时，将进料供应至上游螺杆，并且向前携带至下游螺杆。随后，将进料从挤入机的下游螺杆供应至反应腔室的入口，并且利用马达驱动的螺杆组件或其它使进料从腔室的上游端朝下游端穿过反应腔室移动的适当组件，使进料沿反应腔室移动。旋转速度上的差异导致进料在螺杆之间的间隙中被压缩，作为经压缩的材料进入下游螺杆，并且作为经压缩的材料经由挤入机的下游螺杆向前运动。螺杆可以相同的方向旋转。螺杆可相对于彼此反向旋转，以防止经压缩的进料旋转至挤入机上游螺杆停转的点。通过这些螺杆的旋转速度的比率，可确定挤入机建立的压缩程度。通过将马达扭矩设置为递送所需水平的压缩所需要的水平，可控制上述方法和密封质量。
32.通常设置马达扭矩，而不是旋转速度，来达到控制目的。通常，上游进给螺杆的旋
转速度与反应腔室中的螺杆组件的旋转速度直接相关。通常，控制下游进给螺杆的旋转速度，以维持挤入机的上游螺杆的恒定扭矩。实现所需密封的进料的装填密度可能取决于许多因素，包括进料的特性。这些特性可包括进料的装填特性。应指出，可使用相反的设置来用于控制目的。具体地，下游进给螺杆的旋转速度与反应腔室中的螺杆组件的旋转速度直接相关，并且控制上游进给螺杆的旋转速度，以维持挤入机的下游螺杆的恒定扭矩。
33.4、相同的原理应用于挤出机，在这种情况中，压缩来自反应腔室的固体含碳产物并将其转移出系统，同时不发生气体泄漏。
34.5、对于挤出机，上述方法可包括进一步考虑，通过控制压缩和可选的添加水来避免固体含碳产物的自燃。
35.6、连续转化器还可包括进给组件，该进给组件控制由挤入机向反应腔室供应进料的速度。该进给组件可包括，在挤入机的出口和反应腔室的入口之间的转移槽(下文将其称为分配盒)，和可绕该转移槽的中央垂直轴线旋转以控制进料向反应腔室的入口分配的清扫器叶片。在使用时，来自挤入机出口的进料向下落入反应腔室的上游端，并且例如利用反应腔室中的螺杆组件向前移动穿过反应腔室，经热分解，并且经由挤出机排出。通常，控制向反应腔室的给料速度，以确保反应腔室充满进料。在确保递送至反应腔室入口的进料的均匀分配方面，清扫器叶片是重要的。从运行的角度来看，分配盒中的进料的水平也是重要的考虑因素。本技术人发现如果进料水平太高的话，可能阻塞上述设备。上述方法可包括，测量清扫器叶片上的扭矩，以提供分配盒中进料水平的指示；并且调节挤入机的上游螺杆的旋转速度，以控制进料的供应速度以维持分配盒中进料的期望水平。
36.7、通常，上述气体产物包括水蒸气和不可凝结的气体，该不可凝结的气体包括一氧化碳、二氧化碳、氢气和烃(特别是甲烷)。上述方法可包括相对于气体产物的最终用途的需要，控制气体产物的组成。上述气体产物可含有不同量的氢气和甲烷。可能存在其中优选较高浓度的氢气和较低浓度的甲烷的情况。可能存在其它情况，例如当气体产物用于内燃机中发电时，优选较高浓度的甲烷和较低浓度的氢气。上述方法可包括通过控制反应器中的温度分布，从而控制在所需温度范围内的停留时间，来控制气体产物的组成。
37.8、对于上述第7项，进一步地，上述方法可包括向反应腔室的下游端供应蒸汽，以改变气体产物的组成以适应于气体的不同用途。该蒸汽供应有含氧的气体。例如，上述方法可包括从8％的下限至50％的上限，改变给料至反应腔室的气体中的氢含量，以使得气体产物适于用作生产合成燃料的费歇尔-特罗普希法的合成气体。在气体(例如用于工业用热和电)比固体碳产物(例如用于煤替代或土壤改良)更有价值的情况中，以固体含碳产物为代价，添加蒸汽以增加气体产量并且改变气体产物的组成。因此，上述方法在产物和分配(例如固体/气体比率)的范围上用途广泛，这样上述方法的使用者可选择气体产物和固体含碳产物混合物，来适合于他们的目的。
38.9、可运行上述过程，以使水仅作为水蒸气排出，并且从腔室不排出液体水。因此，从腔室排出的仅有的“产物”是气体产物和固体含碳产物。该气体产物可包括水蒸气、co、h2、co2、n2、甲烷、乙烷和其它轻质烃。从腔室排出液体水产物。
39.10、对于上述第9项，进一步地，上述方法可包括在腔室外侧，使来自气体产物的水蒸气凝结，并且形成液体水产物。剩余的气体产物可用作燃料气。
40.11、上述方法可包括，通过沿腔室长度的区段，以适当的分配分布向反应腔室供应
作为氧化剂的含氧气体，在反应腔室中生成所需的温度分布，并且至少部分燃烧腔室中的可燃气体。
41.12、可在上述设备的上游进料端处的、相对于大气压力的较小负压下，运行上述方法，以防止或最小化气体从设备中泄漏的风险。
42.13、当在设备的进料端处的较小负压下运行时，参考在腔室中的给定压力下进入反应腔室中的空气渗漏，可限定(挤入机处的)所需密封。当在设备的进料端处的正压下运行时，参考在腔室中的给定压力下从反应腔室的气体泄漏，可限定所需密封。
43.14、通常，上述连续转化器在设备出口端处的相对于大气压力的正压下运行。当在设备出口端处的正压下运行时，参考在腔室中给定压力下从腔室的气体泄漏，可限定(挤出机处的)所需密封。
44.15、上述连续转化器可包括在反应腔室中的螺旋加料组件，该螺旋加料组件包括多个轴和安装在轴上的进给螺杆，其中该进给螺杆是交错的。这种设置特别适用于处理生物质(例如稻草)，该生物质进行热解且形成粘性的焦油。本技术人已经发现，多个交错的轴组件产生剪切作用，通过防止在腔室中逐渐堆积过多的增加物，而有利于处理这些形成粘性焦油的材料。要强调的是，本发明不限于使用螺旋加料组件。
45.16、连续的转化器可包括在反应腔室中的螺旋加料组件，该螺旋加料组件包括一个轴和安装在该轴上的进给螺杆。
46.17、反应腔室中的螺旋加料组件的轴可由钢形成，以为轴提供所需的结构支撑，并且该螺旋加料组件的轴在轴下游端可包括铜区段，以提供所需的传热性能。该轴的下游端可包括具有中空芯的钢管，其中该管具有一系列向外延伸的轴向延伸的拱肋(rib)，和安装至拱肋之间的钢管的多个铜段。这种设置提供了结构支撑和传热性能的组合。该轴可包括多个开口，用于将含氧气体(包括空气)自中空芯供应至腔室内。这些开口可穿过钢拱肋延伸。螺旋加料组件的螺杆可被安装至钢拱肋上。
47.18、上述方法可包括向上述设备的下游端供应水，以控制固体含碳产物的特性，诸如含水量。例如，对于用于农业用途的固体含碳产物来说，可期望较高的含水量。较低的含水量可适于工业应用，诸如需要限制水的炭(例如用于冶金和发电)。添加的水有助于克服与潜在引火的炭相关的问题(自燃)。
48.19、气体产物的出口和液体产物的任意出口可包括沿腔室的长度的一部分延伸的一系列狭缝，选定该狭缝的宽度小于进料的典型的最小尺寸，以使进料经由狭缝的损失最小化。该狭缝可以是楔形线状狭缝，该楔形线状狭缝具有截面积从狭缝的入口至出口增加的开口。即使在进料穿过狭缝的宽度的情况下，这种设置也使阻塞狭缝的风险最小化。狭缝在腔室纵长方向上的设置，以及形成细长狭缝形式的狭缝，使得狭缝可以自清洁式运行。例如，在进料碎块部分进入狭缝内的情况中，使材料在狭缝后移动易于推动进料碎块清洁狭缝。
49.20、上述连续转化器可包括气体或电加热元件；在将含氧气体引入到腔室中之前，该气体或电加热元件将主腔室中初始装载的进料预加热至反应温度，作为转化器的启动过程的一部分。
50.21、上述连续转化器可包括在反应腔室中建立温度分布的组件，该温度分布包括从反应腔室的上游端，沿所述反应腔室的长度依次延伸的如下温度区域：用于水凝结的第
一温度区域(区域1)，用于水汽化的第二温度区域(区域2)，用于油和焦油凝结的第三温度区域(区域3)，以及用于油和焦油汽化和用于形成经干燥和热解的产物的第四温度区域(区域4)。
51.22、运行上述方法，以便上述进料在区域2和区域3中是“湿的”，这样能够净化气流。在区域3中，上述进料通常变得被油包被，并且油包衣从气流中去除作为蒸气存在的长链烃。在区域2中，上述进料通常被水弄湿(部分酸性)，并且水去除气流中的氨、h2s和其它水溶性不可凝结的组分。液体与气体的亲密接触能净化气流，是一个重要优点。
52.23、上述方法可包括在线式(in line)直接使用气体产物，其利用独特组成的气体产物(即不含有可凝结的长链烃——这些是处理问题)用于工业的热和电应用。上述在线式直接使用包括使用经特殊改进的发电机。经改进的发电机可以是标准的内燃发电机(诸如标准的柴油发电机)，该标准的内燃发电机经特制以使用气体产物转化成气体(火花塞等)，并且经改进以处理能量密度(体积流量、降低额定功率等)。经改进的发电机可以是任意其它合适的设备。
53.24、对于上述第23项，进一步地，本发明延伸至一种发电的方法，该方法包括使用本发明的连续转化器以产生适于发电的具有特定组成(比一般合成气体强劲，而比天然气弱)的气体产物(洁净的)，和向发电机(例如经改进的柴油发电机)供应该气体产物，并且产生电力，且不需要对气体进行清洁以去除h2s、nh3和焦油的气体处理步骤。
54.25、上述方法可包括在进料入口的上游从反应腔室移出气体产物。
55.26、反应腔室中的温度分布是一个重要因素。维持所需的温度分布需要平衡内部加热、工艺用热和热损失。该方法可包括通过向反应腔室供应含氧气体，并且使反应腔室中的可燃气体至少部分燃烧，来维持反应腔室中的所需的温度分布。通过有机材料在反应腔室中的热解，可生成该可燃气体。
56.27、本发明包括启动连续转化器的方法。该启动方法包括在进料连续穿过反应腔室移动之前进行的以下步骤：(a)用进料填充所述反应腔室；(b)例如经由电阻加热，施加外部加热，将所述反应腔室加热至可燃气体的着火温度，该可燃气体是经由所述反应腔室中的材料的热解从进料释放出来的；(c)以相对低的流速向所述反应腔室供应含氧气体(该术语包括任意适合的含氧气体并且可包括空气或“纯的”氧气)，燃烧所述反应腔室中的可燃气体，并且生成热量；以及(d)随着所述反应腔室中的可燃气体的量增加，提高含氧气体的流速，燃烧更多的可燃气体，并且使反应器腔室中的温度倾斜上升至选定的运行温度。从这一点，上述方法由从进料释放出来的可燃气体生成了足够的热，不再需要外部热来用于连续的运行。
57.下面描述生物质或其它固体有机进料的连续转化器，以及用于在本发明的转化器中连续转化生物质或其它固体有机材料的方法的其它特征。
58.如上所述，可运行上述方法，直至所有的液体油产物都挥发且裂化成不可凝结的气体，并且存在液体水和水蒸气的循环流动，其中水蒸气是从腔室排出的唯一的水产物，在这种情况中，上述方法的产物是固体含碳产物和气体产物。该气体可包括水蒸气、h2、co、co2、n2、甲烷、乙烷和其它轻质烃。
59.上述固体含碳产物可以是炭产物。
60.上述固体含碳产物可以是干燥的煤。
61.反应腔室中的温度分布可包括依次沿腔室长度的多个区域，随着有机材料从腔室的上游较冷端向下游较热端移动，在该多个区域中发生不同的反应。
62.反应腔室中的温度分布可包括在第一温度区域(区域1：水凝结)中的小于100℃的温度，该第一温度区域(区域1：水凝结)使腔室中产生的水蒸气相凝结，并且形成上述液体水产物，从反应腔室移除该液体水产物。
63.反应腔室中的温度分布在第二温度区域(区域2：水汽化)中可包括在100℃～150℃范围内的温度，在该第二温度区域(区域2：水汽化)中，水从固体有机材料蒸发出来，并且作为水蒸气相向上游移动至水凝结区域。
64.可将区域1和区域2描述为反应腔室的水回流区，该水回流区提供了转化器的脱水功能。
65.反应腔室中的温度分布在该第三温度区域(区域3：油凝结)中可包括在150℃～tx℃范围内的温度，该第三温度区域(区域3：油凝结)使有机材料分解并且产生挥发性产物气体相的一部分，其中tx是比挥发性产物气体相的可凝结组分的凝结温度低的温度。因此，区域3是在其中挥发性产物气体相的可凝结组分凝结并且形成液体油产物的区域，可选地，从反应腔室移除该液体油产物。
66.反应腔室中的温度分布在第四温度区域(区域4：油汽化)中可包括在tx至高达600℃～650℃(通常不超过750℃)范围内的温度，该第四温度区域(区域4：油汽化)使有机材料分解，形成经干燥和热解的固体含碳产物，并且生成挥发性产物气体相的又一部分和上述经干燥和热解的产物。
67.可将区域3和区域4描述为反应腔室的油回流区。
68.反应腔室中的温度分布在第五温度区域(区域5：炭冷却)中可包括从600℃～650℃降低至100℃范围内的温度，其中该温度区域回收经干燥和热解的固体含碳产物中的热能。
69.反应腔室中的温度分布可至少包括区域1～区域4。
70.上述方法可包括将液体水注入腔室的下游端并且使水蒸发，从而回收固体含碳产物中的热能，同时水蒸气随着气流向上游移动。
71.上述方法可包括通过控制反应腔室中的热传递，来生成上述温度分布。
72.上述方法可包括在腔室中的存在有机材料的脱挥发作用的区域(诸如区域4)中，向反应腔室供应含氧气体，借此该脱挥发作用产生可燃气体，通过含氧气体使该可燃气体燃烧。在反应腔室的这一区域中，供应含氧气体优化了可燃气体的燃烧。
73.含氧气体可以是富含氧的空气。
74.上述设备可包括用于从腔室使来自气体产物的水凝结的冷凝器。
75.上述设备还可包括液体油产物的独立的出口。
76.上述固体含碳产物可以是炭产物。
77.上述固体含碳产物可以是干燥的煤。
78.反应腔室中的温度分布可包括第五温度区域(区域5)，该第五温度区域(区域5)用于冷却来自区域4的经干燥和热解的固体产物。
附图说明
79.参照附图进一步描述本发明，在附图中：
80.图1是根据本发明的连续生物质转化器形式的设备的一个实施方式的透视图；
81.图2是连续生物质转化器的从一个侧面看的侧视图；
82.图3是连续生物质转化器的从另一个侧面看的侧视图；
83.图4是连续生物质转化器的从出口端看的端视图；
84.图5是连续生物质转化器的从入口端看的端视图；
85.图6是连续生物质转化器的俯视图；
86.图7是沿图6中的线7-7穿过连续生物质转化器的纵向剖面；
87.图8是图7中示出了连续生物质转化器的入口端的部分的详细剖视图；
88.图9是图7中示出了连续生物质转化器的出口端的部分的详细剖视图；
89.图10是沿如图6中所示的线10-10穿过连续生物质转化器的横向剖面；以及
90.图11是国际申请pct/au2009/000455的图6，并且是根据本发明的方法的一个实施方式的反应腔室内的温度区域的示意图。
具体实施方式
91.参考附图，附图中示出的用于处理生物质或其它固体有机材料的连续转化器形式的设备(通常以数字3表示)的实施方式包括反应腔室5，反应腔室5具有上游较冷端7、进料的入口41、下游较热端9，在上游端分别从腔室5排出液体水和气体产物的出口13、出口35，以及在腔室5的下游端排出固体含碳产物(例如以炭的形式)的出口15。
92.应注意，通常气体产物流会包含水雾和蒸汽，并且可在转化器3的下游对气流进行处理(例如通过冷却)以从气流中去除/回收水。在水凝结和分离之后剩余的气体产物流可用作发电或其它最终应用的燃料气体。还应注意，可运行上述处理，以便水仅作为水蒸气排出，而从腔室5没有作为液体水产物流排出的液体水。因此，在本发明的这一实施方式中，从腔室中排出的仅有的“产物”是气体产物和固体含碳产物。气体产物可包括水蒸气、co、h2、co2、n2、甲烷、乙烷和其它轻质烃。从腔室中排出液体水产物。
93.转化器3还包括用于向反应腔室的上游端(进入挤入机)供应有机进料的给料斗37。给料斗可以是经密封的或者是开放的漏斗。
94.转化器3还包括在反应腔室5中从上游端7朝下游端9连续向前推动进料的组件。该组件包括三个平行的可旋转的轴17和安装在该轴上的螺旋加料器19。螺旋加料器19是交错的。一个轴19是经由马达m4的马达驱动的轴，而其它轴19经连接以与被驱动的轴一起旋转。这是简单且可靠的设置，从而使轴17绕其轴线的旋转推动进料从腔室5的上游端朝下游端移动。进给螺杆的设置可包括单个螺杆或任意其它适合数量的多个螺杆，这些螺杆可以是交错的或可以不是交错的。
95.转化器3还包括向反应腔室5供应进料的挤入机21和从腔室5排出固体含碳产物的挤出机23。每一装置都包括在同一轴线上的两个螺杆27、29。安装螺杆27和螺杆29，以绕轴线相对于彼此反向旋转。应注意，螺杆27和螺杆29可被设置为以相同方向旋转。这些螺杆通过轴向间隙25分离开。挤入机21控制向反应腔室5供应进料的速度，压缩进料并且形成使气体经由挤入机从腔室5泄漏最小化的密封。每个螺杆27、29都独立地由具有可变的速度能力
的马达m1、m2驱动，以便在使用中，下游螺杆27以比上游螺杆29慢的旋转速度运转。旋转速度上的差异使进料从给料斗37供应至上游螺杆29，并且被运输至间隙25，以在间隙25中进行压缩，作为被压缩的材料进入下游螺杆27，然后经由下游螺杆27作为被压缩的材料向前行进。
96.通过将马达m1和马达m2的马达扭矩设置成递送所需的压缩水平所需的水平，可控制上述方法和密封质量。通常，设置马达扭矩，而不是旋转速度，来达到控制目的。通常上游螺杆29的旋转速度与反应腔室5中的马达驱动的螺旋加料器19的旋转速度直接相关，以控制生产量。通常，控制下游螺杆27的旋转速度，以维持挤入机21的上游螺杆29的恒定扭矩，从而控制压缩。为实现所需密封的进料的装填密度可取决于很多因素，包括进料的特性。该特性可包括进料的装填特性。
97.应注意，可使用相反的设置来达到控制目的。具体地，下游螺杆27的旋转速度可与反应腔室5中的马达驱动的螺旋加料器19的旋转速度直接相关，以控制生产量，而可控制上游螺杆29的旋转速度，以维持挤入机21的下游螺杆27的恒定扭矩，从而控制压缩。
98.类似地，挤出机23控制从反应腔室5排出固体含碳产物的速度，并且形成防止气体经由挤出机23从反应腔室5泄漏的密封。挤入机21和挤出机23具有相同的基础结构组件，并且这些组件在附图中由相同的附图标记表示。
99.转化器3还包括常由数字11表示的进给组件，该进给组件用于控制进料从挤入机21向反应腔室5的入口41的流动。进给组件11包括：转移槽，该转移槽是在挤入机21的出口45和反应腔室5的入口41之间的分配盒43的形式；和清扫器叶片47，清扫器叶片47经由马达m3的运行可绕分配盒43的中央垂直轴线转动，以控制进料向反应腔室入口41的分配。
100.在使用时，来自挤入机21的出口45的进料向下穿过入口41落入反应腔室5的上游端中，并且例如利用反应腔室中的螺旋钻穿过反应腔室5向前移动，经热分解，然后作为固体含碳产物经由挤出机23排出腔室5；同时还产生液体水和气体产物，并且随着进料穿过腔室5移动，该液体水和气体产物经由出口13、出口35排出腔室5。
101.通常，控制向反应腔室5的进给速度，以确保腔室充满进料。
102.对于确保存在递送至反应腔室5的入口的进料的均匀分配(即使得反应腔室5充满进料)来说，清扫器叶片47是重要的。
103.从运行角度来看，分配盒43中的进料的水平也是一个重要因素。申请人发现，如果进料水平太高，可能阻塞上述设备。
104.运行转化器3的方法包括，测量清扫器叶片47上的扭矩，以提供分配盒中的进料水平的指示，并且调整挤入机21的上游螺杆的旋转速度，以控制进料的供应速度，从而维持分配盒43中的进料的期望水平。
105.转化器3具有结构特征，使得可以在反应腔室5中建立且维持所需的温度分布，以在反应腔室5中运行本发明的方法的一个实施方式。
106.具体地，转化器3的重要特征例如包括反应腔室5的长度的选择、给料(例如生物质)的选择和穿过腔室5的给料速度(即有机材料)，从而提供含氧气体向腔室5中的定向注射，提供液体水向腔室5的下游端中的定向注射，以及提供在腔室内实现内部热传递的工件。
107.如在国际申请pct/au2009/000455中公开的，并且如在图11中例示的，在附图中示
出的同一总体设想的本发明的实施方式的所需温度分布包括，从腔室的上游端依次沿反应腔室的长度的以下温度区域：用于水凝结的第一温度区域(区域1)，用于水汽化的第二温度区域(区域2)，用于油凝结和有机材料分解的第三温度区域(区域3)，以及用于油汽化和有机材料的进一步分解、从而形成炭的第四温度区域(区域4)。上述温度分布使有机进料干燥，以在第二温度区域中从材料中蒸发出水，然后使经干燥的有机进料逐渐分解，并且凝结通过分解产生的气体为(a)第一温度区域中的液体水产物和(b)在第三温度区域中的液体油产物，最终在第四温度区域中形成炭产物形式的固体含碳产物。应注意，在附图中示出的各个区域之间存在重叠区。此外，上述温度分布通常使得有机材料不会被加热至超过700℃的温度，在超过700℃的温度下，存在由形成二噁英的前体并且最终形成二噁英的可能性而引起的潜在的安全问题。
108.转化器3还包括用于在反应腔室5中建立且维持所需的温度分布的组件。该组件在反应腔室5中生成热并且在腔室5内传递热，以在腔室中建立和维持上述温度分布。该组件包括外固体铜套筒(未示出)或其它适当的高热导材料，位于腔室5中形成所需的温度分布的第三温度区域(区域3)和第四温度区域(区域4)的区段的周围。该组件还包括轴17的被容纳在由高传热材料(诸如铜)形成的铜套筒内的部分。如上所述，第三温度区域(区域3)和下游较高温度区域(区域4)中的温度分布使得在这些区域中、尤其在区域的较高温度的下游端中，存在有机材料的分解。为了利用这些区域中的可燃气体的产生，该组件还包括将含氧气体供应到反应腔室5中的装置。气体供应件包括在轴17中的一系列通道(未示出)，和/或注射含氧气体(通常为空气/氧混合物)的套筒，以燃烧通过在反应腔室5中的第三温度区域(区域3)的上游端和/或第四温度区域(区域4)中有机材料的分解所产生的可燃气体。应理解，轴17的铜区段和外套筒是沿腔室的长度传递热的有效工具，以便第三温度区域的长度足以提供区域中所需的温度分布和停留时间。
109.转化器3特别适于一种方法，运行该方法，以便腔室中产生的液体油产物完全变性。具体地，运行上述方法，以便在腔室中形成的液体油和焦油产物挥发和裂化至如下程度，液体油和焦油产物完全变性成不可凝结的气体，并且从腔室的上游端排出该不可凝结的气体。
110.下面，总结了本发明的方法和设备的上述实施方式的关键要素。
111.·
低能耗-运行上述方法仅需要生物质给料能量的5％。
112.·
填充进料的连续床-在沿腔室长度的任意位置，在整个反应器腔室的均匀渗透。
113.·
挤入机和挤出机使得能够实现连续的给料和排出，并且提供有效的密封。
114.·
仅以举例的形式，可在没有在先干燥的情况下，处理含高达50％湿度(或更高)的生物质或煤-(能源效率、较低的成本、给料灵活性)。
115.·
所有输出的流(油(当产生时)、液体水(当排出时)、炭和气体)在独立的点离开上述设备-因此能进行有效的产物回收。
116.·
上述方法中生成的油可在反应器内进行回流，同时进行焦油的原位裂化-从而提高产物价值，并且可导致油的完全变性，从而产生不可凝结的气体。
117.·
在热解过程中生成的气体足以满足工艺用热的需求-上述方法中产生的所有的油(如果有的话)和炭从而可用于经济用途
–
因此，上述方法是节能的，并且能实现最大的产品收益。
118.·
存在“温和热解”(仅干燥或分解(torrification))的选择，其中反映腔室中的最高温度不超过tx，即不发生明显的油汽化。
119.·
在上述方法中可避免二噁英，因为可将运行温度设置为低于二噁英前体形成
–
这从健康和安全角度来看是重要的。此外，在腔室5的较冷端，以湿相运行上述工艺，并且这是二噁英和其它污染物的有效清除器。
120.·
据报道，进料中的营养物主要是炭
–
因此，增加了土壤炭的价值。
121.·
对于目前被低估的生物质和煤源，以及高含水量的给料(例如大部分生物质源)，存在高度的进料灵活性。
122.·
可在上述方法和设备中使用各种粗尺寸和精细尺寸的输入材料
–
通常小于35mm。
123.·
可在上述方法和设备中使用高矿物质给料
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据报道矿物质是炭(如灰分)，并且炭在土壤中使用是没有问题的。
124.·
可在上述方法和设备中使用泥煤和褐煤(高湿度)以及煤废弃物(高矿物质)。
125.·
(通过燃烧一些热解气体)内部生成驱动上述方法所需的热，这样的设计能产生高产量(外部使用工艺用热的已知技术局限于约4公吨/小时干生物质的产量)-(高生产率)。
126.·
通过改变含氧气体注射的速度，来控制/提高生产率
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这提供了一些灵活性，以使反应腔室中的慢热解条件转变成闪热解条件，具有改变油(如果存在)和炭性质，以及油:炭比率的能力的相应能力
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从而改变产物范围方面的灵活性，这在千变万化的市场中可能是重要的。
127.与已知的商用或开发中的热解技术相比，本发明的方法和设备创建了完全独特的热化学环境。
128.在不偏离本发明的主旨和范围的情况下，可对附图中示出的本发明的方法和设备的实施方式进行很多改变。
129.例如，当结合附图描述的实施方式包括三个平行的可旋转的轴17和在轴17上的交错的螺旋加料器19时，本发明并不限于这种限制，而是可延伸至用于沿腔室5移动进料的任意可选的设置，而且不限于这一数量的可旋转的轴17和交错的螺旋加料器19。
130.进一步例如，当结合附图描述的实施方式包含特定形式的挤入机21和挤出机23时，本发明并不限于这种设置，而是可延伸至用于向腔室5供应进料和从腔室5排出固体产物的任意可选设置，并且为腔室5建立有效气封。
131.进一步例如，当结合附图描述的实施方式包含用于控制进料从挤入机21向反应腔室5的入口41的流动的特定进给组件11时，本发明并不限于这种设置，而是可延伸至任意合适的可选设置。
132.在本说明书中，词语“包含/包括/有(comprise)”或如“包含/包括/有(comprises)”或“包含/包括/有(comprising)”的变体应理解为暗示包括所述的元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的组，但不排除还包括其它任意元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的组。

技术特征：
1.一种使固体有机进料热解或对固体有机进料进行其它处理的设备，包括：(a)反应腔室，具有上游端、下游端、有机进料的入口，以及由所述反应腔室中的有机进料产生的气体产物和经干燥和热解的固体含碳产物的独立的出口；以及(b)用于使有机材料以与所述腔室中产生的气体流逆流的方式，从所述反应腔室的上游端朝下游端穿过所述反应腔室移动的组件。2.根据权利要求1所述的设备，包括液体水产物的出口。3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，包括向所述反应腔室供应固体进料的装置，配置该装置，以使所述入口中的固体材料形成气封。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述装置经配置用于压缩所述装置内的材料以形成气封。5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述装置包括：在同一轴线上的两个螺杆，其中所述螺杆适于相对于彼此反向旋转；和，在所述螺杆之间的轴向间隙，使用所述装置在所述轴向间隙中对进料进行压缩。6.根据权利要求5所述的设备，其中，每一螺杆独立地经具有可变的速度能力的马达驱动，以便在使用时，下游螺杆以比上游螺杆慢的旋转速度运转。7.根据权利要求3至6中任一项所述的设备，包括控制向所述反应腔室供应进料的速度的进给组件；所述进给组件包括在进料供应装置的出口和所述反应腔室的入口之间的转移槽，以及可绕所述转移槽的中央垂直轴线旋转以控制进料向所述反应腔室的入口分配的清扫器叶片。8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括从所述反应腔室排出固体含碳产物的装置，配置该装置，以使所述出口中的固体产物形成气封。9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述装置经配置用于压缩所述装置内的材料以形成气封。10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述装置包括：在同一轴线上的两个螺杆，其中所述螺杆适于相对于彼此反向旋转；和，在所述螺杆之间的轴向间隙，使用所述装置在所述轴向间隙中对固体含碳产物进行压缩。11.根据权利要求10所述的设备，其中，每一螺杆独立地经具有可变的速度能力的马达驱动，以便在使用时，下游螺杆以比上游螺杆慢的旋转速度运转。12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，包括用于在所述反应腔室中建立所需的温度分布的组件。13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述所需的温度分布包括从所述反应腔室的上游端，沿所述反应腔室的长度依次延伸的如下温度区域：用于水凝结的第一温度区域(区域1)，用于水汽化的第二温度区域(区域2)，用于油和焦油凝结的第三温度区域(区域3)，以及用于油和焦油汽化并且用于形成经干燥和热解的产物的第四温度区域(区域4)。14.一种使固体有机进料热解或对固体有机进料进行其它处理的方法，包括以下步骤：(a)向反应腔室的入口供应所述固体有机进料；(b)使固体有机材料从所述反应腔室的入口向下游端穿过所述反应腔室移动，并且使所述有机材料暴露于所述反应腔室内的温度分布，随着所述有机材料穿过所述反应腔室移动，使所述有机材料干燥和热解或对所述有机材料进行其它处理，并且从所述有机材料释
放水蒸气和挥发性产物气体相；(c)使在步骤(b)中通过加热所述固体有机材料产生的水蒸气相和挥发性产物气体相，以与所述固体有机材料相反的方向穿过所述反应腔室移动，以使至少一部分水蒸气相和所述挥发性产物气体相的可凝结组分，在所述反应腔室的较冷的上游区段中凝结，并且形成液体水和液体油；在所述反应腔室中，至少所述液体油被所述进料向前携带至所述反应腔室的较高的温度区，并且逐渐挥发且裂化成不可凝结的气体；以及(d)从所述反应腔室的独立的出口排出(i)包含不可凝结的气体的气体产物和(ii)经干燥和热解的固体产物。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体产物还包含水蒸气。16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中，步骤(d)还包括从所述反应腔室的出口排出液体水产物。17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，包括：通过向所述反应腔室供应作为氧化剂的含氧气体，并且使所述反应腔室中的可燃气体至少部分燃烧来生成所述反应腔室中的温度分布。18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，包括：控制反应器中的温度分布，从而控制在所需的温度范围内的停留时间，以控制所述气体产物的组成。19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，包括：将蒸汽供应至所述反应腔室的下游端内，以控制所述气体产物的组成。20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，包括：向所述反应腔室的下游端供应水，以控制固体含碳产物的特征，如含水量。21.一种启动根据权利要求1至13中任一项所述的设备的方法，包括在所述固体有机进料连续穿过所述反应腔室移动之前进行的以下步骤：(a)用进料填充所述反应腔室；(b)例如经由电阻加热施加外部加热，将所述反应腔室加热至可燃气体的着火温度，该可燃气体是经由所述反应腔室中的材料的热解或其它反应机制而从进料中释放出来的；(c)以相对低的流速向所述反应腔室供应含氧气体(该术语包括任意适合的含氧气体并且可包括空气或“纯的”氧气)，燃烧所述反应腔室中的可燃气体，并且生成热量；以及(d)随着所述反应腔室中的可燃气体的量增加，提高含氧气体的流速，并且燃烧更多的可燃气体，并且使所述反应腔室中的温度倾斜上升至选定的运行温度。22.一种发电的方法，包括：运行根据权利要求1至13中任一项所述的设备，产生具有适于发电的特定组成的气体产物，向发电机供应所述气体产物并且由所述气体产物产生电力。

技术总结
一种使生物质或其它固体有机进料热解或对生物质或其它固体有机进料进行其它处理的连续转化器，该连续转化器包括：反应腔室(5)，用于经由热解或其它反应机制，由固体有机进料产生固体含碳产物和气体产物以及可选的液体水产物。所述腔室具有向所述腔室供应固体有机进料的入口(41)，以及在所述反应腔室中产生的固体含碳产物和气体产物的独立的出口(15、35)。配置所述入口和固体含碳产物的出口，使得在入口和出口中的固体材料在入口和出口中各自形成气封。自形成气封。自形成气封。


技术研发人员：拉扎尔
受保护的技术使用者：坩埚集团私人有限公司
技术研发日：2014.10.29
技术公布日：2022/5/25