专利名称：热处理有机物质以产生炭或木炭的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于碳化有机物质以产生炭或木炭的有机物质热处理的方法和装置。通常可使用任意类型的有机物质作为原料任意尺寸的木段、椰衣、巴巴苏椰子、 稻草、锯木厂废料、甘蔗、甘蔗杆和植物性废料。为了简化起见，本文结合木材来描述，但本文可适用于任意类型的生物质。巴西是世界最大的炭生产国，平均年产量为850万公吨。该产量仅是栽培的生物质和农作物废料产生炭的实际潜力的一小部分。本发明的主要目的是比大多数现有生物质碳化方法带来物流、环境、技术、经济和全球能源效率。生物质碳化理论术语“生物质”诞生于1975年，以描述适于用作燃料的天然材料。该术语涵盖植物或动物来源的所有有机物质，包括其天然或人工转化所产生的材料(例如炭)。任何类型的生物质的来源均为光合作用。生物质中贮存的太阳能使其成为可再生能源。生物质的生长是由于大气二氧化碳通过光合作用转化为有机化合物引起的。生物能是贮存在植物和动物中或其残余物中的能量。燃烧是回收该能量的最简单方式。使用栽培的生物质作为能源将对环境有利。燃烧化石燃料时消耗氧并向大气排放co2。基本的化石燃料燃烧反应为C(s)+02(g)+3. 76N2(g) — C02(g)+3. 76N2(g)最近200年加剧的大气(X)2浓度增加是所谓的“温室效应”的原因之一，“温室效应”据推想对行星变热负主要责任。此外，由于氧-臭氧的热力学平衡，所以大气中氧浓度根据反应(1)的相应降低之后是臭氧浓度的降低。臭氧浓度的降低使地球上的紫外辐射和因此皮肤癌的风险增加。如果不采取措施来减少化石燃料的消耗，则未来数代人将继承到环境恶劣的星球。在燃烧生物质燃料时，(X)2以与化石燃料相同的方式排放到大气。但在栽培的生物质的生长过程中，通过光合作用过程从大气吸收(X)2并排放氧。最终的平衡是大气中氧浓度没有减少，这对环境极其有利。在自然生命周期中，在生物质死亡后不久，其基本分子的放热分解开始。伴随能量释放的生物质转化再次引起自然分解过程，但以快得多的方式进行，且该能量为可再生能量。在燃烧生物质时，使碳再循环，而无CO2排放到大气(例如当燃烧化石燃料时所发生的)。生物质是唯一的可再生能源。说到可再生源，应记住化石燃料是可枯竭的。有机物质是化石燃料的主要来源。寒武纪地质时代期间沉积岩上堆积的有机物质在没有氧的情况下转化成化石燃料煤、石油和天然气。反过来，该有机物质通过光合作用过程来自太阳能。6亿年间累积的这种化学能已越来越多地被人类所浪费。来自生物质的能量可以若干方式获得。当通过热化学过程加热时，生物质分解成较不复杂的物质。任意类型的生物质均可经受热化学转化过程。由于高生产率、低成本、高密度和高品质，木材是经受热化学过程的主要生物质。热解为厌氧(缺乏氧或空气)热分解过程。当氧足够用于完全的生物质化学反应时，发生燃烧或气化。
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热解为在300-800°C温度范围内在完全没有空气或没有足以用于燃烧的空气的情况下的生物质热转化。生物质热解也称碳化或木材分解蒸馏。碳化是当木炭为主要目标产物时的过程。热可间接供给或通过燃烧部分生物质(直接加热)来产生。高温(1000°c ) 将产生最大量的燃料气体(气化)，而低温热解(< 500°c )将产生最大量的炭。当在没有氧的存在下加热有机物质时，发生化学分解，从而给出固体产物-炭-和在室温下可部分冷凝的挥发性产物。该冷凝得到若干液体产物如木醋液(pyrolygenous liquor)、乙酸、甲醇、焦油和大量较小比例的组分。除水蒸气外，可冷凝的挥发性组分均是高度污染物。含这些可冷凝组分的浓烟的排放对健康非常有害。冷凝后，这些组分污染土壤和水源。这些可冷凝组分的排放是原始砖碳化窑的特征。当炭是所需的主要产物时，碳化温度在300-500°C范围内。炭轻、净热值(low heating value)高且燃烧无烟，而木材要致密得多，其燃烧产生大量的烟。炭含灰分，其含量取决于木材的类型、地球污染等。除炭之外，还向大气排放气相，所述气相包含可冷凝和不可冷凝的气体。不可冷凝的气体可被烧掉以生成热能。基本上，不可冷凝的气体的组分有C02、CO、H2、CH4和CnHm。可冷凝的气体也包含可燃组分。当不被烧掉时，其如已经提及的那样是强污染物并对健康有害。热解是基本的生物质热力学转化过程。当在没有空气的情况下加热时，生物质分解为较不复杂的组分。热解是经由中间体自由基的复杂过程，最终所得物为富碳的固体残余物(炭)和包括气体、有机蒸气和焦油组分的挥发性级分。如果不用作燃料或用于可冷凝组分的液化，将该挥发性部分是非常具有污染性的。虽然是将生物质转化为固体燃料的相当简单的技术，但碳化是非常复杂的过程。碳化按以下步骤进行I-干燥-在木材可被碳化前，必须驱除其中的水。这是一个强吸热步骤。只要木材水分未被驱除，温度不会不超过110°C。II-驱除最后的水分和脱水反应，温度110_175°C，仍为吸热步骤。III-预碳化，温度范围175_270°C，仍为吸热步骤。木材分解开始，放出C0、C02、乙酸和甲醇。木材颜色变为深棕色。该步骤最后获得的产物为木炭。IV-过渡步骤，温度270-290°C。分解反应继续，开始放热步骤。V-碳化或热解-该术语是当木材的化学结构在高温下且没有空气的情况下分解时宽泛地使用的术语。热解阶段是放热的，温度升至四0-3801，并排放气态烃产物，固体残余物变为具有高挥发物含量的炭。热解过程中排放的气体具有相当高的热值。气体物质为C0、CO2, H2、CH4、水蒸气、烃气以及焦油、甲醇、乙酸和木醋液的蒸气。在本文中，我们对此阶段使用碳化或热解。VI-最后步骤，温度和固定碳增加，挥发物含量降低。温度越高，则炭固定碳含量越
尚οVII-冷却-所产生的炭必须经冷却以在打幵必须紧密密封的窑或干馏炉时不燃
烧ο固定碳含量是非常重要的冶金学炭性质。
图1示出了碳化温度、固定碳和重量产率之间的关系，其中所述重量产率为(炭，kg)/(无水木材，吨)的比率。
基本上，碳化过程以强吸热步骤开始，然后是放热步骤。应强调碳化过程的吸热和放热步骤阶段的不同，碳化过程以强吸热的木材干燥开始，然后是放热的碳化步骤和可燃性气态物质的排放。碳化步骤过程中木材放出的能量远大于供给干燥步骤的能量需求。在木材干燥步骤过程中使用碳化木材所放出的能量的问题在于这两个步骤的阶段的不同。如果放热步骤过程中放出的能量被浪费，则应燃烧一部分装载进碳化反应器中的木材以为吸热步骤供给能量，虽然在放热阶段过程中放出的能量加上该步骤过程中放出的可燃气体的能含量超过碳化过程的吸热反应所需要的能量。表I为生物质碳化演化理论的总结。表1-木材碳化的理论演化
权利要求
1.一种用于热解处理有机物质特别是木材以获得炭的装置，所述装置包括反应器室，其内放置翻斗；燃烧室，所述燃烧室放置为离开所述反应器；所述燃烧室内布置有热交换器；管；和用于移动过程气态物质的一系列风扇。
2.一种用于根据权利要求1所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，所述方法包括用于将所述有机物质或木材装载到翻斗上的步骤；用于将容纳所述有机物质或木材的所述翻斗插入干燥反应器室内的步骤；用于在所述干燥反应器室内加热并干燥所述有机物质或木材的步骤；用于在所述碳化反应器室内碳化所述有机物质或木材的步骤；用于在所述冷却反应器室内冷却所述炭或任何中间产物的步骤；和用于从所述冷却反应器室移走所述容纳炭或任何中间产物的所述翻斗的步骤。
3.根据权利要求1和2所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，所述方法包括一系列互连的反应器室，过程气态流体通过管在其间流动。
4.根据权利要求1、2和3所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，其中所述干燥、碳化和冷却的过程阶段同时并独立地在所述反应器室内进行，其方式为在某个反应器室中只进行所述步骤中的一个。
5.根据权利要求1和2所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，其特征在于利用放置为离开所述反应器室放置的燃烧室。
6.根据权利要求1和5所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，其中所述燃烧室内布置有热交换器。
7.根据权利要求1、2、3、4和5所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法， 其中一系列风扇将所述过程气态物质通过管抽吸并吹进系统的所述反应器室中；所述气态物质处于根据相应的反应器室内所进行的步骤的温度和化学组成。
8.根据权利要求1、5和7所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，其中由碳化木材排放的气态物质在所述燃烧室中燃烧，从而以该方式避免因所述气态物质造成的任何类型的污染。
9.根据权利要求1、3、4、5、7和8所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，其中从所述燃烧室排出的烟被输送至所述干燥反应器并吹进所述干燥反应器中。
10.根据权利要求1、3、4、5、7和9所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，其中结合由干燥木材所排放的水蒸气的烟被部分再循环并与从所述燃烧室排出的所述烟混合以调节被吹进所述干燥反应器室中的所述气态物质的温度。
11.根据权利要求1和6所述的热解处理有机物质特别是木材以获得炭的方法，其中在所述碳化反应器室内的热解步骤过程中，由碳化木材排放的所述气态物质中的一部分被驱至所述热交换器，其在该处被再加热，然后作为热流体返回所述碳化反应器室，以根据期望的炭固定碳来控制碳化温度。
12.根据权利要求1和5所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的方法，其中由碳化木材放出的气态物质的能含量可被用来或者干燥高湿含量的木材或供给任何用途的能量，例如热发电。
13.根据权利要求1、4和7所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置，其中向所述干燥反应器输送热烟和稀释气体的装置包括抽吸器，所述抽吸器通过抽吸导管与所述燃烧室相连。
14.根据权利要求1、4、5和6所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置，其中用于抽取所述碳化反应器室内由碳化木材放出的气态物质的装置包括抽吸器，所述抽吸器通过抽吸导管与所述碳化室连接。
15.根据权利要求1和5所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置，其中对于所述干燥阶段而言不需要的、在所述燃烧室内生成的过量热烟被驱至与向大气排放所述烟道气的烟 相连的排放导管，使得没有污染性气态物质被排放到大气。
16.根据权利要求1、4、9和10所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置， 其中对于所述干燥阶段而言不需要的过量再循环稀释气体被驱至与向大气排放所述稀释气体的烟 相连的排放导管，使得没有污染性气态物质被排放到大气。
17.根据权利要求1、2、3和4所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置，其中所产生的所述炭或任何其它固体物质通过向大气辐射热而冷却，所述冷却通过在所述冷却反应器内喷水而继续，并且通过向大气辐射热而完成。
18.根据权利要求1、2和4所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的方法，其中所述碳化过程可在任意阶段停止以产生具有高挥发物含量的炭、木炭或无水木材。
19.根据权利要求1、2和4所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的方法，其中所述过程通过测量进出每个反应器室的气态物质的温度来控制。
20.根据权利要求1和2所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置，其中将待热处理的所述有机物质特别是木材装载到翻斗上，然后在插入所述反应器室中之后在其中同时且独立地进行干燥、热解和冷却阶段。
21.根据权利要求1、2和4所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置，其中所述冷凝和副产物回收因所述干燥和热解步骤的独立性而更高效地进行。
22.根据权利要求1、2、4和20所述的热解处理有机物质特别是木材以制备炭的装置， 其中可使用任意程度的机械化或自动化。
全文摘要
本发明的有机物质碳化方法基于高温和受控气氛(如果可能，不存在氧)中的热处理。文中阐述了有机物质碳化理论，重点在热力学方面。该说明中示出了吸热和放热碳化阶段间的失配，该失配阻碍砖窑使用放热阶段过程中所放出的能量。之后总结了碳化技术实际状况。本发明涉及用于有机物质的热处理的方法和装置，其包括用于干燥和热解有机物质的独立反应器和用于炭冷却的独立反应器。在此方法中，挥发性产物-不可冷凝的气体和可冷凝的热解蒸气-在独立的燃烧室中燃烧以供给过程所需的能量。这样，不燃烧木材，因此不向大气排放污染物质。本发明提出的方法允许精确的过程控制以获得指定的炭固定碳含量；和更高的重量产率，其增加天然林或栽培林木材。在由本发明提出的独立热解和干燥反应器中，从外部燃烧室离开的烟道气被驱至干燥反应器，在该处装载在翻斗上的木材被加热和干燥。由碳化木材排放的燃料气体在燃烧室中燃烧作为能源。燃烧室内布置了热交换器，目的是再加热热解气体。再加热后，这些气体返回碳化反应器以为吸热的碳化步骤供给能量。该技术的目的是避免燃料气体与燃烧室内生成的烟道气混合，并且精确控制碳化温度。本发明允许通过在期望阶段停止碳化过程来实现湿木材与炭之间的中间产物的生产，以获得无水木材、木炭或高挥发物含量的炭。本发明的方法的基本思想是1.利用由碳化木材排放的气体作为能源。2.木材干燥、木材热解和炭冷却阶段在独立的反应器中进行，在这些独立的反应器内仅发生这些阶段中的一个。3.由热解阶段过程中排放的气体在热交换器中再加热后为热解的碳化吸热阶段过程供给能量。基本上，本发明包括如下装置1.其内进行过程阶段的反应室。2.外部燃烧室。3.所述燃烧室内的热交换器。4.一组管。5.一组风扇。6.包括翻斗的装载系统。
文档编号C10L5/44GK102459515SQ201080027692
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月20日 优先权日2009年5月21日
发明者阿尔瓦罗·卢西奥 申请人:安东尼奥·德尔菲诺·桑托斯·内托, 维托尔·塞尔吉奥·德·索萨, 罗热里奥·热拉尔多·坎佩洛, 西德尼·佩索阿·维埃拉, 阿尔瓦罗·卢西奥