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。通過原始間歇生產(chǎn)過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加工腔室；并且至少在加工過程開始時(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，用于在加工過程開始時(shí)引發(fā)原料加熱過程的微波輻射裝置，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，因此加工過程快速。整個(gè)熱裂解過程一般持續(xù)5到 15分鐘。閃光熱裂解(Flash pyrolysis)過程更好更加迅速，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)，因此過程易于控制。8.當(dāng)芯部溫度達(dá)到約270°C時(shí)，反應(yīng)開始放熱，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，擠出過程為自清潔過程。11.過程是在密閉的環(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始加熱。當(dāng)生物質(zhì)產(chǎn)品通過加工腔室3 向前移動(dòng)時(shí)，經(jīng)歷多級(jí)加熱過程。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。通過施負(fù)壓，所有在生物質(zhì)分解過程中產(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程中，可以對(duì)外層進(jìn)行有效加熱。干燥的氣體通過通道7a、7b、7c和7進(jìn)入燃燒器8并被點(diǎn)燃。在燃燒過程中產(chǎn)生的熱氣體與熱空氣通過通道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，通過微波將芯部材料加熱至約300°C時(shí)，熱裂解過程即可自發(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，不過將導(dǎo)致熱裂解過程較長(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)物的完全熱裂解過程，或者被用于生產(chǎn)烘焙木材的部分熱裂解過程。
3.上述內(nèi)容是通過調(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.通過對(duì)過程的良好控制，可得到最高可能的生物碳回收率。5.加工過程高效，且整個(gè)過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)然也可以通過多重生產(chǎn)線來(lái)實(shí)現(xiàn)更大容量的加工過程。
權(quán)利要求
1.一種通過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)地填料并通過加工腔室(3)，并且至少在加工過程開始時(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，所述粉碎原料通過螺桿式擠出裝置或活塞式擠出裝置被擠壓通過長(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，所述熱裂解過程由頻率為400至M50Mhz的微波能量引發(fā)。
10.一種通過在加工腔室(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)；用于在加工開始時(shí)， 引發(fā)原料加熱過程的微波輻射裝置(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)過加工腔室(3)，并且至少在加工過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