[发明专利]用于木屑或废弃物和其它碳化有机材料的连续碳化的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于由木屑或废弃物或其它微粒状的有机材料的低消耗生产木炭的装置和方法，所述木炭可以实现多种规格和功能，木炭的质量可以生产为适合用于包括化学试剂、燃料和吸附剂的用途。

背景技术

在冶金、化学和其它工业中，用木炭替代煤产品具有诸多好处，特别是在提高产品质量上和环境效益上。但是，现有的木炭工业应用受到其相对较高的价格限制，这是由于与木炭生产相关的成本和原材料的成本造成的。现有的木炭生产技术不能以具有在全世界的大多数经济环境中与煤产品竞争的价格来生产木炭。由此，开发新的且经济上可行的木炭生产方法是具有清晰的需求的，该方法也能够利用低级的木质-纤维素材料。

影响木炭价格的主要因素包括：建设工厂的资本费用、方法类型（即分批或连续）、反应器规模、材料在反应器中所需的滞留时间、维护费用、原材料费用、能源效率和副产品的保留价值。

优选使用木屑/废弃物作为原材料，而不是高品质的原木。虽然使用高品质木材一般能够获得高品质的木炭产品，但使用木屑和废弃物是更有经济可行性和成本效益的。

而且，木屑和木材废弃物的使用，相比原木，由于加热木屑的时间更短，从而减少了在反应器中的保留时间。但是，在使用木屑/废弃物时，由于大块物具有较低的气体渗透性和较低的热传导率，热量传输到大量木屑/废弃物的中心会更慢。因此，对大体积的材料吹入热风加热和外部加热都无法起效。

已经出现了许多用于生产木炭的大规模商业方法。这些主要方法中包括Lambiotte/Lurgi反应罐系统(US2289917)，用螺旋推进材料的管式反应器，例如Thomsen反应罐(US3110652)，旋转管反应器系统，例如Seaman反应罐(US1115590)，多重底式炉系统，例如Herreshoff炉(Handbook of charcoal making.Solar Energy R&D in the European Community.Series E,Energy from biomass,v.7(1985))，液化床热解反应器，以及Badger-Stafford方法(Nelson,W.G.Waste Wood Distillation by the Badger-Stafford Process.Ind.Eng.Chem.(1930).No.4,Vol.22,pp.312-315.)。

这些系统中很多都具有限制，阻碍其以一个经济可行的价格合成出所需质量的木碳，而该价格相比媒的成本具有竞争力。

图1表示已知为Stafford方法(US1380262)的木炭生产技术的实施方式。Stafford发现，当木屑极干燥（具有小于0.5%的湿度）且被预热至至少150℃时，即使在无氧氛围下，足够大量的材料的热分解可以是完全自发的(US1380262)。因此，与其它方法相比，将热风吹过材料和外部加热对进行热解均不是必要的。在本发明的文本中，术语“自发”在本文中是用于描述一种过程，该过程自发地产生出足够的热量以在无氧氛围下自给自足。

Stafford方法优选在垂直圆柱形连续操作反应罐中进行，在反应罐中加载和抽取出材料时不允许气体的进入(US1380262)。

反应罐的冷却区的木材通过焦木蒸气和从更热区域上升而来的气体加热。木材被加热到碳化反应变得剧烈放热（对于木材，所发生的温度为大约300℃）的温度点。即使有限的气体渗透也足够进行这种加热方式，由于热区中蒸气的超压把它们推向位于反应器顶端的气体/蒸气出口。在Badger-Stafford方法中，最大温度达到大约515℃。

由于该方法的放热性质，一旦该方法进行，仅在起始时需要热量以在木材进入反应罐前干燥木材和预热木材至150℃。木炭在大约255℃时离开反应罐并且直接转运到木炭调节器中，该木炭调节器为具有水冷壁的旋转管。

Badger-Stafford方法能够将木屑/废弃物但不是锯屑转化为木炭，这是由于维持材料的气体渗透率的最少所需水平是重要的。可以处理的最小的木材碎片为大约2mm x2mm x50mm大小，材料在反应器中的估计保留时间为1.5-3小时之间。

在Badger-Stafford方法相对于其它前面提到的木炭合成方法能够提供优势的同时，它也具有几个弱点。

·在木炭冷却时，木炭的热量没有回收，即该方法的能效是可以提高的。

·该方法的灵活性和控制性有限，即无法在需要的情况下增加温度至基本上大于515℃或者可靠地维持较低的温度，例如450℃。