专利名称：生质燃料产生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生质燃料产生器，且尤其涉及一种自热型连续式的生质燃料产生 器，以大幅提升制备生质燃料的效能。
背景技术：
近年来，全球化石燃料价格高涨与温室气体减量议题，使得生质能源的利用愈来 愈重要，也为生质燃料带来庞大的商机。然而，相较于传统化石燃料而言，生质燃料的能量 密度较低，使得生质燃料在运输、储存及使用上的成本增加。根据统计资料，预估至2025年 全世界生质能源的发展潜力可达二亿千瓦，约占全世界发电装置容量的6%以上。以台湾生 质能源的市场潜力而言，根据环保署的统计，目前台湾每年约产生垃圾、废木材及农业废弃 物等生质能源约1000万公吨。依据台湾地区农牧废弃物统计量估算，各类生质废弃物的等 效燃煤量为156万吨/年，加上都市垃圾的等效燃煤量为230万吨，以燃料价格居高不下的 国际趋势，生质燃料是极具应用潜力的再生能源。但是，大部份生质能源生产与使用区域并 不尽相同，且生质能源生产具有区域性及季节性，因此，如何有效的储存及运输生质能源为 使用生质能源上最重要的议题。图1为现有技术的生质物(biomass)转变成生质燃料(biomass fuel)的示意图， 其中生质物是以木材为例。请参考图1，一般来说，利用缺氧加热的方式可将生质物(木 材、稻草等等)转换为生质燃料，而生质燃料的能量密度通常会与加热的时间与温度成正 向关系。木材(wood) 1在经过加热后，会排放出水气(Moisture)、一氧化碳(C0)、二氧化碳 (C02)等等的合成气以及酸性物(Acetic Acid)、甲醇(Methanol)、其它有机物(Organic)、 焦油(Tar)、树脂(Resin)等等不良物质，进而增加能量密度以转变成生质燃料，其中，水气 (Moisture)、一氧化碳(C0)、二氧化碳(C02)用图1中的2表示；酸性物(AceticAcid)、甲 醇(Methanol)用图1中的3表示；其它有机物(Organic)、焦油(Tar)、树脂(Resin)用图 1中的4表示。承接上述，在木材初步排放出合成气与不良物质后，便以200°C 300°C缺氧加 热2 3小时的炭焙(Torrefaction)方式(用a表示)，将木材的生质物转换成如褐煤 (Lignite) 5的生质燃料。接着，更可以600°C以上缺氧加热5小时以上的炭化(Charcoal) 方式(用b表示)，进一步提升生质燃料的能量密度至木炭的等级。生质物炭焙技术为目前固体生质燃料改质可行技术之一。由于生质物富含水份而 不利于储存与运输，且若将生质物直接燃烧会产生烟气及其它有害物质，因此，炭焙技术是 将生质物置于缺氧高温环境下，将生质物内所含的水份及挥发质物质去除，借以增加生质 物储存期限及降低运输成本。但是，现有的生质物炭焙技术(或炭化技术)，大部份采取外 加热量的方式加热，会因增加能源消耗而抵消运输成本减低的优势成本，因而，无法有效的 降低整体炭焙成本(或炭化技术)。生质物炭焙技术的热能供应方面，主要可分为燃烧方式加热或是电加热方式两 种，这两种加热方式都需耗费相当的能量，对于生质燃料生产成本降低并无多大帮助。因此，开发自热型的炭焙(或炭化)工艺与设备，实有其必要性。此外，目前炭焙技术大多为 批次式的制作技术，往往无法迅速大量生产生质燃料，因此，开发连续式的炭焙(或炭化) 工艺与设备，也有其必要性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种自热型连 续式的生质燃料产生器，以大 幅降低生质燃料的生产成本，并可快速大量生产生质燃料。简单来说，移动颗粒床具有适用于高温、长期操作与蓄热等特性，相当适合于生质 物炭焙技术的应用。经由适当的设计，采取合成气回收燃烧直接加热床质、间接加热生质物 与床质混合物、温控装置及床质循环控制等的技术手段，即可稳定的在适合反应温度及适 当滞留时间下，以自热方式达到生质物炭焙(或炭化)目的，克服生质物炭焙生产耗能的关 键阻碍，有效地从生质物中去除水份，以获致较高副加价值的炭焙成品(或炭化成品)，降 低生质燃料生产成本及增加产品应用性。为实现上述目的，本发明提出一种生质燃料产生器，适于将生质物转变成生质燃 料。生质燃料产生器包括第一移动颗粒床、第二移动颗粒床、床质以及分离装置，其中第一 移动颗粒床包括第一床体以及连接第一床体的第一床质入口、第一床质出口、生质物入口 与合成气出口，而第二移动颗粒床包括第二床体以及连接第二床体的第二床质入口、第二 床质出口、合成气入口与空气入口，且第一床质入口连接第二床质出口，又合成气入口连接 合成气出口。床质是自第二床质入口进入第二床体中移动，并经由第二床质出口与第一床 质入口移动至第一床体中，以加热自生质物入口进入第一床体的生质物，而使生质物转变 成生质燃料并排放出合成气。合成气经由合成气出口与合成气入口进入第二床体后，会与 自空气入口进入第二床体的空气混合燃烧，以加热位于第二床体中的床质。分离装置是连 接第一床质出口，以分离生质燃料与床质，其中生质燃料与床质是经由第一床质出口进入 分罔装直。综上所述，在本发明的生质燃料产生器中，通过床质加热生质物，以使生质物排放 出合成气，并将合成气进行燃烧以再加热床质，如此，循环便无需由外界提供热源加热生质 物，以有效降低制作生质燃料的成本。为让本发明的上述特征和特点能更明显易懂，下文特举诸实施例，并配合所附图 式，作详细说明如下。
图1为现有技术的生质物转变成生质燃料的示意图；图2为依据本发明一实施例的生质燃料产生器的示意图；图3为依据本发明另一实施例的生质燃料产生器的示意图；图4为依据本发明又一实施例的生质燃料产生器的示意图。其中，附图标记1 木材(wood)2 水气(Moisture)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(C02)3 酸性物(Acetic Acid)、甲醇(Methanol)
4 其它有机物(Organic)、焦油(Tar)、树脂(Resin)5 褐煤(Lignite)a 炭焙(Torrefact ion)方式b 炭化(Charcoal)方式50 生质物60 生质燃料200、300、400:生质燃料产生器210 第一移动颗粒床211 第一床体212:第一床质入口213:第一床质出口214:生质物入口215:合成气出口220 第二移动颗粒床221 第二床体222:第二床质入口223:第二床质出口224:合成气入口225:空气入口230 床质240、340 分离装置252:第一阀门254:第二阀门256:第三阀门258:第四阀门341 分离槽342 第一导管343 第二导管344 加压器345 筛网426:废气出口446:第三导管
具体实施例方式图2为依据本发明一实施例的生质燃料产生器的示意图。请参考图2，本发明的生 质燃料产生器200包括第一移动颗粒床210、第二移动颗粒床220、床质230以及分离装置 240，其中第一移动颗粒床210是连接于第二移动颗粒床220与分离装置240之间，以使床 质230可从第二移动颗粒床220移动到第一移动颗粒床210，再移动到分离装置240。在本 实施例中，床质230例如为石英砂、陶瓷颗粒或其它合适的高比热材质，并通过重力而如沙漏般地自动向下移动。具体而言，第一移动颗粒床210包括第一床体211、第一床质入口 212、第一床质出 口 213、生质物入口 214以及合成气出口 215，而第一床质入口 212、第一床质出口 213、生质 物入口 214与合成气出口 215是连接第一床体211以作为第一移动颗粒床210的出入口。 类似地，第二移动颗粒床220包括第二床体221、第二床质入口 222、第二床质出口 223、合成 气入口 224与空气入口 225，其中第二床质入口 222、第二床质出口 223、合成气入口 224与 空气入口 225是连接第二床体221以作为第二移动颗粒床220的出入口。承接上述，第一床质入口 212是连接第二床质出口 223，且合成气入口 224与合成 气出口 215是相互连接，以构成第一移动颗粒床210与第二移动颗粒床220之间的连接关 系。分离装置240是连接第一床质出口 213，以构成第一移动颗粒床210与分离装置240之 间的连接关系。此外，床质230是经由第二床质入口 222而进入第二床体221中，而生质物50是经 由生质物入口 214而进入第一床体211中。在本实施例中，生质物50，例如是木材或是农业 废弃物等生质能源，并预先经过切割处理而成为小块状，以方便与床质230混合流动加热。床质230在第二床体221中会缓慢向下流动，并经由第二床质出口 223与第一床 质入口 212而流动至第一床体211以与生质物50混合，并对生质物50进行加热(稍候会 再详述床质230加热的过程)。接着，床质230与生质物50缓慢向下流动，而床质230会在 移动的过程持续对生质物50加热，以使生质物50转变成生质燃料60，其中生质燃料60会 因为去除合成气而增加能量密度，且生质燃料60体积会较原先的生质物50为小。再来，床质230与生质燃料60会经由第一床质出口 213进入分离装置240。在本 实施例中，分离装置240例如是旋风分离器，以适于分离生质燃料60与床质230。接着，分 离出来的生质燃料60即可进行储存或运送作业，而回收的床质230可经由第二床质入口 222再次进入第二床体221中进行循环加热工艺。由于本发明制备生质燃料60的过程是连续从生质物入口 214通入生质物50，而这 些生质物50便会经由缺氧加热的工艺而转变成生质燃料60，因此相较于现有技术批次式 的技术而言，本发明的连续式的制备技术可不间断地通入生质物50以产生生质燃料60，进 而大幅提升产量与设备利用率。此外，分离装置240更可连接第二床质入口 222，以将与生质燃料60分离后的床质 230直接送入第二床体221。当然，在其它实施例中，也可通过其它运送设备将回收后的床 质230再进行循环作业，而本发明并不限定之。请再参考图2，以下将详述加热床质230的过程。在本实施例中，生质物50在受到 床质230的加热后，会释放出合成气(未绘示)以增加能量密度，其中合成气乃为一氧化碳 CO与氢气H2等等气体组合的混合气体。这些合成气会在床质230与生质物50的空隙中慢 慢向上移动，并经由合成气出口 215与合成气入口 224进入第二床体221。此外，本发明也从邻近合成气入口 224的空气入口 225通入空气(未绘示)至第二 床体221中，以使空气与合成气混合进行燃烧，以加热位于第二床体221底部中的床质230。 接着，这些加热后的床质230便会沿着第二床质出口 223与第一床质入口 212而滑落至第 一床体211顶部以加热生质物50，而使生质物50释放出合成气。通过前述的循环过程，本 发明自热型的生质燃料产生器200无需外界的能量供给，便可通过生质物50所排放的合成气燃烧加热，以制备出生质燃料60，故本发明可有效降低制作生质燃料60的成本。一般来言，生质物50所释放出的合成气并不易燃烧，特别是合成气中氢气H2的比 例较低时(取决于生质物50的种类)，故本实施例是将合成气与空气进行超焓燃烧，以使合 成气更加容易与空气进行燃烧。当合成气与空气均在室温时，合成气相较于空气的混合比 例需大于特定值下，合成气始会与空气进行燃烧。然而，当合成气与空气均高于室温时，前 述的特定值会下降，以使较低混合比例的合成气与空气便可进行燃烧，而此即称为超焓燃烧。另外，合成气与空气的温度通常会与前述的特定值呈反向关系，也即当合成气与 空气的温度愈高时，仅以较少的合成气便可进行燃烧以加热位于第二床体221底部中的床 质230。故此，类似焚化炉的起炉作业，本实施例也可先进行预烧的程序。承接上述，在此实施例中，生质燃料产生器200更可包括引燃器(未绘示)，以预先 加热位于第二床体221中的床质230，以使该空气接触该床质后的温度大于超焓燃烧温度。 这些加热后的床质230会向下流动至第一床体211以加热生质物50而排放出合成气。这 些合成气在向上移动至第二床体221底部的过程中，也会不断被向下移动的床质230所加 热，类似地，自空气入口 225进入第二床体221底部的空气也会被床质230所加热。当合成 气与空气的温度分别超过各自的超焓燃烧温度后，合成气与空气便会自发性开始燃烧。接 下来便无需再用引燃器加热位于第二床体221中的床质230，这是由于合成气与空气混合 燃烧便足以加热床质230至所需的运行温度，而仅需不断通入生质物50而以自热的方式制 备出生质燃料60即可。详细而言，当合成气以超焓燃烧方式于第二床体221中直接加热移动中的床质 230，而热气可通过浮力效应及床质230循环移动特性，提供稳定高温的炭焙或炭化环境。 也即，第二床体221底部燃烧所产生的热气，通过浮力效应缓慢地加热第二床体221中间与 顶部的床质230，而第二床体221中间与顶部的床质230向下流动时，其温度也缓慢上升。 当床质230移动至合成气入口 224与空气入口 225附近时，床质230温度已达特定程度，而 高温合成气与空气进入具有多孔特性高温床质230中，便会进行超焓燃烧。为求合成气能均勻燃烧加热第二床体221底部中的床质230，合成气入口与215合 成气入口 224例如为环状结构，以产生环状火焰均勻加热床质230，不过本发明并不限定合 成气入口与215合成气入口 224的结构。此外，为避免第一床体211与第二床体221流失 热量，本实施例也可于第一床体211与第二床体221外围覆设绝热材(未绘示)，以有效利 用自热热源。在本实施例中，主要是以炭焙方式进行制备生质燃料60，以求较佳的能源使用率。 故此，第一床体211的温度可设定介于200°C 500°C之间，且第一床体211气压均例如是 小于2大气压，以提供生质物50稳定均勻的炭焙环境。类似地，第二床体221的温度可设 定介于500°C 1000°C之间，且第二床体221的气压均例如是小于2大气压，以提供合成气 稳定均勻的超焓燃烧环境。承接上述，合成气燃烧的温度通常会大于1000°C以上，以加热第二床体221底部 中的床质230至500°C以上。随着床质230向下流动而损失热量，当床质230至第一床体 211时，便是以200°C 500°C之间的温度均勻加热生质物50以制备出生质燃料60。值得注 意的是，前述的温度设定仅是举例说明本发明的炭焙条件，但本发明的生质燃料产生器200的制备程序并不仅于炭焙技术，本领域技术人员当可参考前述说明而轻易调整生质燃料60 的制备条件(如改成炭化制备条件)，但其仍属本发明的范畴内。请再参考图2，为有效控制床质230的温度以形成稳定的加热环境，本实施例更可增设多个阀门以分别控制床质230、合成气以及生质物50的流动速率。具体而言，生质燃料 产生器200更可包括第一阀门252、第二阀门254、第三阀门256与第四阀门258，其中第一 阀门252、第二阀门254、第三阀门256与第四阀门258均例如是球阀控制器。第一阀门252是连接于第一床质入口 212与第二床质出口 223之间，以控制位于 第二床体221底部中的床质230进入第一床体211的流量。第二阀门254是连接生质物入 口 214，以控制生质物50进入第一床体211的流量。第三阀门256是连接于第一床质出口 213与分离装置240之间，以控制床质230与生质燃料60进入分离装置240的流量。第一 阀门252、第二阀门254与第三阀门256的流量控制需互相搭配，以达适当的加热速度。第 四阀门258是连接于合成气入口 224与合成气出口 215之间，以控制合成气进入第二床体 221的流量，借此调整合成气与空气的混合比例，以进行合适的超焓燃烧。本领域技术人员 当可轻易理解，于此便不再多所著墨。附带一提的是，第一阀门252除了用于控制床质230进入第一床体211的流量，更 可避免空气从第二床体221进入第一床体211，以使生质物50能于第一床体211中进行缺 氧加热。类似地，第二阀门254、第三阀门256、第四阀门258也可避免空气进入第一床体 211。图3为依据本发明另一实施例的生质燃料产生器的示意图，而为简化叙述，相同 功能名称的构件仍会延用相同的标号，并由于缩小图示而省略绘示床质、生质物与生质燃 料，本领域技术人员当可配合图2而轻易理解。请参考图3，本实施例的生质燃料产生器300 与前述的生质燃料产生器200 (如图2所示)相似，其差别仅在于生质燃料产生器300的分 离装置340包括分离槽341、第一导管342、第二导管343以及加压器344。承接上述，第一导管342是连接分离槽341与第一床质出口 213，而第二导管343 是连接分离槽341与第二床质入口 222，且第一移动颗粒床210、第二移动颗粒床220以及 分离装置340构成封闭回路，以使床质(未绘示)能于其中循环流动。此外，加压器344适 于以加压气体的方式，将生质燃料(未绘示)与床质沿着第一导管342吹进分离槽341中， 而在分离槽341中利用重力自动分离生质燃料与床质，其中较轻的生质燃料便顺着分离槽 341的顶端出口离开分离槽341，而较重的床质便会沿第二导管343再次进入第二床体220 继续加热。附带说明的是，仅管生质燃料的能量密度高于生质物，但是生质燃料的密度仍远 小于床质，因此，可利用重力分离两者，不过本发明并不限制分离生质燃料与床质的方式种 类。此外，为提升分离生质燃料与床质的效果，分离装置340更可包括筛网345，其中筛网 345是配置于分离槽341中，以让生质燃料通过并阻挡床质通过。另外，尽管本实施例的图 示仅绘示单个分离槽341，但是在其它实施例中也可利用多个串联的分离槽341以提升分 离效果，本领域技术人员当可轻易理解，于此便不再多做解释。在本实施例中，加压器344是加压常温空气，因此，床质在回收的过程中较容易散 失热量，以下将再另举实施例以说明本发明是如何善用所有内生的自热能源。图4为依据本发明又一实施例的生质燃料产生器的示意图。请参考图4，本实施例的生质燃料产生器400与前述的生质燃料产生器300 (如图3所示)相似，其差别仅在于生 质燃料产生器400的第二移动颗粒床220还包括废气出口 426，而分离装置340还包括第三 导管446。此外，废气出口 426是连接第二床体221，并位于第二床体221的顶部，而第三导 管445是连接废气出口 426与加压器344。合成气与空气在第二床体221中混合燃烧后会产生燃烧废气(未绘示)，而燃烧废 气会向上移动而从废气出口 426离开第二床体221以进入第三导管445。接着，燃烧废气会 进入加压器344加压，以将生质燃料与床质吹入分离槽341中。由于燃烧废气仍是高温的 气体，因此高压的燃烧废气在回收运送床质的过程中，仍可适度维持床质的温度，借此充分 利用系统内所有自生性的热源。类似前述，本实施例更可于第一导管342、第二导管343以 及第三导管445外围覆设绝热材(未绘示)，以有效利用自热热源。综上所述，在本发明的生质燃料产生器中，通过床质加热生质物，以使生质物排放 出合成气，并将合成气进行燃烧以再加热床质，如此自热循环便无需由外界提供热源加热 生质物，以有效降低制作生质燃料的成本。此外，本发明的生质燃料产生器为连续式的工 艺，以利迅速量产生质燃料。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟 悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变 形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
一种生质燃料产生器，适于将一生质物转变成一生质燃料，其特征在于，该生质燃料产生器包括一第一移动颗粒床，包括一第一床体以及连接该第一床体的一第一床质入口、一第一床质出口、一生质物入口与一合成气出口；一第二移动颗粒床，包括一第二床体以及连接该第二床体的一第二床质入口、一第二床质出口、一合成气入口与一空气入口，该第一床质入口连接该第二床质出口，且该合成气入口连接该合成气出口；一床质，自该第二床质入口进入该第二床体中移动，并经由该第二床质出口与该第一床质入口移动至该第一床体中，以加热自该生质物入口进入该第一床体的该生质物，使该生质物转变成该生质燃料并排放出一合成气，且该合成气是经由该合成气出口与该合成气入口进入该第二床体后，会与自该空气入口进入该第二床体的一空气混合燃烧，以加热位于该第二床体中的该床质；以及一分离装置，连接该第一床质出口，以分离该生质燃料与该床质，其中该生质燃料与该床质是经由该第一床质出口进入该分离装置。
2.根据权利要求1所述的生质燃料产生器，其特征在于，该合成气与该空气是进行超 焓燃烧，且该合成气与该空气的温度是高于室温，该生质燃料产生器还包括一引燃器，适于 预先加热位于该第二床体中的该床质，以使该空气接触该床质后的温度大于超焓燃烧温 度。
3.根据权利要求1所述的生质燃料产生器，其特征在于，该分离装置为旋风分离器，该 床质为石英砂或陶瓷颗粒。
4.根据权利要求1所述的生质燃料产生器，其特征在于，该分离装置更连接该第二床 质入口，以将与该生质燃料分离后的该床质送入该第二床体，该分离装置包括一分离槽；一第一导管，连接该分离槽与该第一床质出口 ；一第二导管，连接该分离槽与该第二床质入口 ；以及一加压器，适于以加压方式使该生质燃料与该床质沿该第一导管进入该分离槽，以利 用重力分离该生质燃料与该床质，且该床质沿该第二导管进入第二床体。
5.根据权利要求4所述的生质燃料产生器，其特征在于，该分离装置还包括一筛网，配 置于该分离槽中，以让该生质燃料通过。
6.根据权利要求5所述的生质燃料产生器，其特征在于，该第二移动颗粒床还包括连 接该第二床体的一废气出口，且该分离装置还包括一第三导管，该第三导管连接该废气出 口与该加压器，该合成气与该空气混合燃烧后产生一燃烧废气，该燃烧废气经由该废气出 口与该第三导管进入加压器加压，以将生质燃料与该床质吹入该分离槽中。
7.根据权利要求1所述的生质燃料产生器，其特征在于，还包括一绝热材，该绝热材包 覆该第一床体与该第二床体，且该合成气入口与该合成气入口为环状结构。
8.根据权利要求1所述的生质燃料产生器，其特征在于，还包括一第一阀门，配置于该第一床质入口与该第二床质出口之间，以控制该床质进入该第 一床体的流量；一第二阀门，连接该生质物入口，以控制该生质物进入该第一床体的流量；一第三阀门，配置于该第一床质出口与该分离装置之间，以控制该床质与该生质燃料 进入该分离装置之流量；以及一第四阀门，配置于该合成气入口与该合成气出口之间，以控制该合成气进入该第二 床体的流量。
9.根据权利要求8所述的生质燃料产生器，其特征在于，该第一阀门、第二阀门、第三 阀门以及第四阀门为球阀控制器。
10.根据权利要求1所述的生质燃料产生器，其特征在于，该第一床体的温度介于 200°C 500°C之间，且该第一床体的气压小于2大气压，该第二床体的温度介于500°C 1000°C之间，且该第二床体的气压小于2大气压。
全文摘要
本发明公开了一种生质燃料产生器，包括第一移动颗粒床、第二移动颗粒床、床质以及分离装置，其中第一移动颗粒床包括第一床体、第一床质入口、第一床质出口、生质物入口以及合成气出口，第二移动颗粒床包括第二床体、第二床质入口、第二床质出口、合成气入口以及空气入口，且第一床质入口连接第二床质出口，又合成气入口连接合成气出口。床质是自第二床质入口进入第二床体中移动至第一床体中，以加热自生质物入口进入第一床体的生质物，使生质物转变成生质燃料并排放出合成气。合成气进入第二床体后，会与自空气入口进入第二床体的空气混合燃烧，以加热位于第二床体中的床质。分离装置适于分离生质燃料与床质。
文档编号C10B53/02GK101798530SQ20091000532
公开日2010年8月11日 申请日期2009年2月9日 优先权日2009年2月9日
发明者万皓鹏, 吴森荣, 李宏台, 杨授印, 钟一郎, 陈嘉元 申请人:财团法人工业技术研究院