熱解碳質(zhì)原料的往復(fù)式反應(yīng)器和方法
【專利摘要】一種連續(xù)熱解系統(tǒng)，具有進(jìn)料組件和構(gòu)造成接收碳質(zhì)原料并將其反應(yīng)成氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物的往復(fù)式反應(yīng)器組件。反應(yīng)器具有內(nèi)反應(yīng)器管、形成環(huán)狀空間的外反應(yīng)器管，和轉(zhuǎn)向區(qū)。內(nèi)反應(yīng)器管用作內(nèi)反應(yīng)器。氣體排出組件與由環(huán)狀空間形成的外反應(yīng)器區(qū)流體地連接并構(gòu)造成去除氣體產(chǎn)物。固體排出組件也與外反應(yīng)器區(qū)流體地連接，接合部將進(jìn)料組件連結(jié)到往復(fù)式反應(yīng)器組件并且將外反應(yīng)器區(qū)連結(jié)到氣體排出組件和固體排出組件。
【專利說明】熱解碳質(zhì)原料的往復(fù)式反應(yīng)器和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)涉及熱解碳質(zhì)原料的方法、系統(tǒng)和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]熱解是碳質(zhì)原料(有時(shí)稱為生物量)的熱轉(zhuǎn)換或熱解以產(chǎn)生生物碳、水和氣體的過程。
[0003]術(shù)語“碳質(zhì)原料”包括所有種類的有機(jī)材料，諸如木質(zhì)和草本植物材料以及農(nóng)作物廢料，包括例如原木、木板、木屑以及樹皮、玉米穗、谷物干草、麥秸、堅(jiān)果殼和甘蔗渣。碳質(zhì)原料還包括城市固體廢料、塑料、輪胎、污水污泥、糞便或其它排泄物的有機(jī)成分，以及畜牧業(yè)廢料，諸如骨頭和尸體。
[0004]術(shù)語“生物碳”表示由碳質(zhì)原料的熱解產(chǎn)生的炭化材料。生物碳有很多用途，包括將其用作土壤改良劑以提高植物產(chǎn)量、提高保水性、減少溫室氣體的土壤排放、減少養(yǎng)分流失以及減少土壤酸性。有些人認(rèn)為生物碳生產(chǎn)和用于土壤中是碳封存的有用方法。
[0005]在一個(gè)示例性熱解過程中，木材可作為碳質(zhì)原料。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和常壓下，轉(zhuǎn)化過程中的下列階段已經(jīng)過驗(yàn)證:
[0006]1.20°C到110°C—木材隨著其變干而吸熱，從而將水分放出為水蒸汽(蒸汽)。溫度保持在100°c或略高直到木材基本干燥。
[0007]2.110°C到270°C—木材吸熱。最后的水跡放出為水蒸汽(蒸汽)且木材開始分解、放出一些一氧化碳、二氧化碳、醋酸和甲醇。
[0008]3.270°C到290°C —木材開始放熱分解。假設(shè)木材未被冷卻到分解溫度以下，發(fā)生放熱并且分解自發(fā)地繼續(xù)進(jìn)行?；旌系臍怏w和蒸汽與一些焦油一起繼續(xù)被放出。
[0009]4.290°C到400°C—木材結(jié)構(gòu)繼續(xù)分解，放出的蒸汽包括可燃?xì)怏w以及二氧化碳，可燃?xì)怏w諸如是一氧化碳、氫氣和甲烷，并且還包括可冷凝蒸汽，諸如水、醋酸、甲醇、丙酮等。此外，放出的蒸汽還包括焦油，焦油隨著溫度升高開始占主導(dǎo)地位。
[0010]5.400°C到500°C —在大約400°C下，木材到生物碳的轉(zhuǎn)化實(shí)際地完成。該溫度下的生物碳仍包含有被捕集在結(jié)構(gòu)中的相當(dāng)可觀量的焦油，可能是大約30wt%。生物碳需要進(jìn)一步加熱以餾出更多焦油且由此將生物碳中的固碳含量提高到大約75%，這是優(yōu)質(zhì)商業(yè)木炭的標(biāo)準(zhǔn)要求。為了餾出額外的焦油，生物碳經(jīng)受進(jìn)一步的熱輸入以將其溫度提高到大約500°C，從而完成碳化階段。
[0011]在本領(lǐng)域已知的是，提升反應(yīng)器壓力對(duì)碳質(zhì)材料的熱解反應(yīng)影響很小。值得注意地，熱解在較低溫度下開始，在反應(yīng)過程中釋放明顯更多的能量，增加固碳產(chǎn)量，以及改變氣體產(chǎn)物成分。除了具有明顯更少的焦油外，氣體產(chǎn)物成分有利于使水和甲烷的產(chǎn)量超過
二氧化碳、氫氣和一氧化碳。
[0012]熱解技術(shù)可在廣義上分類成批次或連續(xù)的工藝系統(tǒng)。由于一系列原因，包括運(yùn)行效率、熱效率、轉(zhuǎn)化效率、資本效率，以及更大的過程和排放控制等原因，最先進(jìn)的碳化系統(tǒng)采用連續(xù)過程。[0013]為了產(chǎn)生足夠熱以開始和保持連續(xù)的熱解，目前已知的工藝通常某種程度上依賴于內(nèi)部燃料、外部燃料還是兩者都有的燃燒。內(nèi)部燃燒通常包括允許受限量的空氣進(jìn)入到熱解腔室以提供熱解產(chǎn)物的部分燃燒必需的氧氣。但由于兩個(gè)原因，這是有問題的。第一，任何程度的燃燒均使得熱解產(chǎn)物的產(chǎn)量降低。第二，注入空氣中的惰性氣體和燃燒產(chǎn)物稀釋了熱解氣體產(chǎn)物，使得它們有用性降低且經(jīng)常不可燃燒，這導(dǎo)致增大的空氣污染。
[0014]為克服與使用內(nèi)部燃燒相關(guān)聯(lián)的問題，許多熱解系統(tǒng)設(shè)計(jì)成使用外部熱源(通常為燃燒)來提供必需的熱，并且經(jīng)由穿過反應(yīng)器容器外壁的熱傳遞來加熱原料。使用外部熱源的熱解方法還具有明顯的缺點(diǎn)。值得注意地，加熱容器所需的熱源增大了這種系統(tǒng)的運(yùn)行成本。而且，將燃燒作為熱源產(chǎn)生了可能對(duì)環(huán)境有害的空氣排放源。
[0015]而且，由傳統(tǒng)的熱解系統(tǒng)產(chǎn)生的氣體通常包括可燃成分(諸如，一氧化碳、氫氣、少量的甲烷，以及焦油蒸汽)和不可燃成分(諸如，水、氮?dú)夂投趸?的混合物。典型的熱解氣體的能量密度與其它燃料氣體相比是較低的。提高氣體等級(jí)可能是昂貴的且高度依賴于所選的方法。最不昂貴的方法通常是除濕，以取出反應(yīng)過程中形成的大部分水蒸汽。除濕通常通過簡(jiǎn)單地將氣體在單獨(dú)的除濕系統(tǒng)中冷卻來實(shí)現(xiàn)。由于壓力的使露點(diǎn)溫度升高的影響，在升高壓力下的冷卻氣體允許在固定溫度下去除更多蒸汽。
[0016]提高氣體等級(jí)的另一常用方法是旨在選擇性地提取氣體的二氧化碳部分。這在本領(lǐng)域中可采用多種不同方法實(shí)現(xiàn)。一種常用方法是使用水洗塔，其中使得氣體產(chǎn)物與水接觸從而水將從氣體產(chǎn)物吸取出二氧化碳。然而，該方法的有效性依賴于在原始?xì)怏w產(chǎn)物中的初始甲醇和一氧化碳成分。例如，一些熱解反應(yīng)器主要產(chǎn)生氫氣和一氧化碳作為氣體的可燃部分，而甲醇部分是有限的。對(duì)于這些反應(yīng)器，由于氫氣和一氧化碳與甲醇相比具有較低的能量密度，因此最終可得到的氣體能量密度將是有限的。另外，使用通過空氣注入增強(qiáng)的內(nèi)部燃燒的那些反應(yīng)器具有高水平的氮，所述氮稀釋氣體并且其去除是既昂貴又困難的。
[0017]在經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)情況下，通過電加熱或純氧注入來提供所需的熱通常是不可行的。因此，基于內(nèi)部燃燒的系統(tǒng)趨于最終產(chǎn)生低質(zhì)量的氣體產(chǎn)物并且損失掉潛在的生物碳產(chǎn)量。另一方面，基于外部燃燒的系統(tǒng)通常存在多個(gè)排放源并且需要燃燒額外燃料的費(fèi)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本技術(shù)涉及用于碳質(zhì)原料到產(chǎn)物的連續(xù)熱轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)、方法和裝置，并且更具體地涉及可用作連續(xù)熱解的系統(tǒng)和方法中一個(gè)部件的往復(fù)式反應(yīng)器。
[0019]在一個(gè)方面中，本技術(shù)提供了一種連續(xù)熱解系統(tǒng)，包括:進(jìn)料組件，碳質(zhì)原料能夠通過所述進(jìn)料組件被引入到所述連續(xù)熱解系統(tǒng)中；往復(fù)式反應(yīng)器組件，所述往復(fù)式反應(yīng)器組件構(gòu)造成接收碳質(zhì)原料和將碳質(zhì)原料反應(yīng)以產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物；氣體排出組件；固體排出組件；以及接合部。該往復(fù)式反應(yīng)器組件可包括內(nèi)反應(yīng)器管和外反應(yīng)器管。外反應(yīng)器管可具有圍繞內(nèi)反應(yīng)器管形成環(huán)狀空間的第一部分和延伸越過內(nèi)反應(yīng)器管并形成轉(zhuǎn)向區(qū)的第二部分，其中內(nèi)反應(yīng)器管限定產(chǎn)生部分地反應(yīng)的碳質(zhì)原料的內(nèi)反應(yīng)器區(qū)，并且環(huán)狀空間限定產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物的外反應(yīng)器區(qū)。氣體排出組件可與往復(fù)式反應(yīng)器組件的外反應(yīng)器區(qū)流體地連接，并且被構(gòu)造成將氣體產(chǎn)物從連續(xù)熱解系統(tǒng)去除。固體排出組件可與往復(fù)式反應(yīng)器組件的外反應(yīng)器區(qū)流體地連接，并且被構(gòu)造成將固體產(chǎn)物從連續(xù)熱解系統(tǒng)去除。接合部可將進(jìn)料組件流體地連結(jié)到往復(fù)式反應(yīng)器組件，并且將外反應(yīng)器區(qū)流體地連結(jié)到氣體排出組件和固體排出組件。
[0020]另一方面，本技術(shù)提供連續(xù)熱解的方法。該方法可包括步驟:將碳質(zhì)原料供給到進(jìn)料組件；將碳質(zhì)原料從進(jìn)料組件傳送到接合部；將碳質(zhì)原料從接合部傳送到往復(fù)式反應(yīng)器組件；使碳質(zhì)原料在往復(fù)式反應(yīng)器組件中反應(yīng)，以形成氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物；將氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物從往復(fù)式反應(yīng)器組件傳送到接合部；將氣體產(chǎn)物從接合部傳送到氣體排出組件；將固體產(chǎn)物從接合部傳送到固體排出組件；將氣體產(chǎn)物從連續(xù)熱解系統(tǒng)通過氣體排出組件去除；以及將固體產(chǎn)物從連續(xù)熱解系統(tǒng)通過固體排出組件去除。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]已經(jīng)選擇具體實(shí)例用于說明和描述目的，所述具體實(shí)例在形成本說明書一部分的附圖中不出。
[0022]圖1示出了本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。
[0023]圖2示出了用在圖1的連續(xù)熱解系統(tǒng)中的接合部的一個(gè)實(shí)例。
[0024]圖3示出了用在圖1的連續(xù)熱解系統(tǒng)中的往復(fù)式反應(yīng)器組件的一個(gè)實(shí)例。
[0025]圖4示出了用在圖1的連續(xù)熱解系統(tǒng)中的氣體排出組件和固體排出組件的一個(gè)實(shí)例。
[0026]圖5是本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的示意性流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本技術(shù)的連續(xù)熱解方法、系統(tǒng)和裝置提供熱傳遞的有效使用，以及捕獲并使用在蒸汽到水的相變過程中放出的存儲(chǔ)在水蒸汽中的潛在能量，以影響碳質(zhì)原料的熱解。本技術(shù)的方法、系統(tǒng)和裝置包括使用往復(fù)式反應(yīng)器的可加壓系統(tǒng)，該往復(fù)式反應(yīng)器允許熱從輸出的生物碳和氣體再循環(huán)到進(jìn)入的原料?？杉訅合到y(tǒng)還可包括氣體和固體提取系統(tǒng)，該氣體和固體提取系統(tǒng)用水洗滌氣體并且然后用水形成壓力密封，能夠以該壓力密封提取固體。
[0028]本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)以足以在具體連續(xù)熱解系統(tǒng)的給定通過量和幾何形狀下易于實(shí)現(xiàn)對(duì)所選的原料的期望熱解水平的最小溫度或以上運(yùn)行。連續(xù)熱解系統(tǒng)的操作溫度、原料駐留時(shí)間以及壓力可變化以產(chǎn)生具有不同所需特性的產(chǎn)物。本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)是熱高效的，因?yàn)槠鋵⒆銐蛄康臒釓妮敵龅漠a(chǎn)物傳遞回到進(jìn)入的原料中以保持連續(xù)熱解系統(tǒng)的往復(fù)式反應(yīng)器內(nèi)的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)。
[0029]圖1至5示出了本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)100的一個(gè)實(shí)例。連續(xù)熱解系統(tǒng)100包括接合部102、進(jìn)料組件104、往復(fù)式反應(yīng)器組件106、氣體排出組件108以及固體排出組件110。這些部件中的每一個(gè)以及將它們附連在一起的連接件可被加壓直到在期望運(yùn)行條件下運(yùn)行認(rèn)為安全的量。連續(xù)熱解系統(tǒng)100還可包括可用以控制系統(tǒng)的運(yùn)行的控制系統(tǒng)。
[0030]如圖1和2中所示，接合部102將進(jìn)料組件104、往復(fù)式反應(yīng)器組件106、氣體排出組件108以及固體排出組件110連結(jié)在一起。具體地，如以下更充分地討論的，接合部102將進(jìn)料組件104流體地連結(jié)到往復(fù)式反應(yīng)器組件106，并且將往復(fù)式反應(yīng)器組件106的外反應(yīng)器區(qū)180流體地連結(jié)到氣體排出組件108和固體排出組件110。[0031]接合部102較佳地是氣密的，并且允許在系統(tǒng)中正在處理的材料被從一個(gè)組件傳送到另一個(gè)。接合部102包括通路112，以及氣體和固體可從中通過排出接合部102的至少一根排出支管。較佳地，接合部102能夠具有包括至少一根固體排出支管114和至少一根氣體排出支管116的多根排出支管。通路112包括與進(jìn)料組件104和往復(fù)式反應(yīng)器組件106流體連接的內(nèi)通道118。內(nèi)通道118可用以將碳質(zhì)原料從進(jìn)料組件104輸送到往復(fù)式反應(yīng)器組件106。通路112還包括與至少一根排出支管流體連接的外通道120。如圖2中所示，外通道120能夠圍繞內(nèi)通道120，并且能夠流體地連接到固體排出支管114和氣體排出支管116。外通道120能夠用以將氣體和固體從往復(fù)式反應(yīng)器組件106輸送到氣體排出組件108和固體排出組件110。在圖2中的所示的實(shí)例中，固體排出支管可位于接合部102的底部，而氣體排出支管116可位于接合部102的頂部。這種構(gòu)造可通過使接合部102包括十字形管來實(shí)現(xiàn)。
[0032]進(jìn)料組件104構(gòu)造成接收碳質(zhì)原料204并將其輸送到接合部102。碳質(zhì)原料204可通過進(jìn)料組件104被引入到連續(xù)熱解系統(tǒng)100中。進(jìn)料組件104可包括:可從外部源接收碳質(zhì)原料204的一個(gè)或多個(gè)原料輸入氣閘室122 ;構(gòu)造成從所述一個(gè)或多個(gè)原料輸入氣閘室122接收碳質(zhì)原料204的進(jìn)料室124 ;具有驅(qū)動(dòng)組件128和密封146的進(jìn)料螺旋鉆126 ;以及與接合部102的內(nèi)通道118連接的氣密的第一接合連接件130。由于無軸螺旋鉆在本領(lǐng)域內(nèi)已知可用來輸送非勻質(zhì)的且甚至粘性的原料，因此進(jìn)料螺旋鉆126可以是無軸的。而且，如下所述，設(shè)置中空的芯提供了更大的氣流空間。進(jìn)料螺旋鉆126可構(gòu)造成將碳質(zhì)原料204從進(jìn)料室124通過往復(fù)式反應(yīng)器組件106的內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178輸送到轉(zhuǎn)向區(qū)164。進(jìn)料螺旋鉆126可穿過進(jìn)料室124、穿過接合部102的內(nèi)通道118并沿著往復(fù)式反應(yīng)器組件106的內(nèi)反應(yīng)器管的長(zhǎng)度的主要部分延伸。較佳地，進(jìn)料螺旋鉆126可沿內(nèi)反應(yīng)器管152的基本上整個(gè)長(zhǎng)度并且在往復(fù)式反應(yīng)器組件106的長(zhǎng)度的大部分內(nèi)延伸。而且，進(jìn)料螺旋鉆126可被加強(qiáng)以在期望運(yùn)行條件下保持剛性。進(jìn)料室124可通過連續(xù)布置的一個(gè)或多個(gè)T形管配件134構(gòu)成，每個(gè)T形管配件134自身的輸入氣閘室122均相對(duì)于T形配件的頂部密封。進(jìn)料組件104的每個(gè)T形件還可包括至少一個(gè)高度延伸部136以及可將碳質(zhì)原料204從外部源導(dǎo)入到每個(gè)輸入氣閘室122中的至少一個(gè)進(jìn)料斗138。
[0033]在使用閘斗氣閘室的情況中，每個(gè)T形管配件124和高度延伸部136的大小可設(shè)置成適應(yīng)在進(jìn)料螺旋鉆126之上的原料緩沖，該原料緩沖是足夠大的以保持在氣閘室122排放周期之間的進(jìn)料螺旋鉆126的高填充水平。另外，如果包括有多個(gè)氣閘室122，則位于氣閘室122下方的進(jìn)料螺旋鉆126的部分可具有變化螺距，以允許從每個(gè)氣閘室接受大體上同樣體積的碳質(zhì)原料204。例如，如果有兩個(gè)氣閘室122，如圖1所示，則位于距離往復(fù)式反應(yīng)器組件106最遠(yuǎn)的氣閘室下方的進(jìn)料螺旋鉆126的部分可設(shè)計(jì)成接收期望通過量的大約50%。而位于距離往復(fù)式反應(yīng)器組件106最近的氣閘室下方的進(jìn)料螺旋鉆126的部分可設(shè)計(jì)成接受期望通過量的大約100%。由于進(jìn)料螺旋鉆126容量的50%的已從距離反應(yīng)器最遠(yuǎn)的氣閘室122填充，另外的50%將從距離反應(yīng)器最近的氣閘室122取得，以實(shí)現(xiàn)總共100%的期望通過量。如果有三個(gè)氣閘室122，則在每個(gè)氣閘室122下方的進(jìn)料螺旋鉆126的部分可從距離反應(yīng)器106最遠(yuǎn)的部分開始分別接受期望通過量的大約33%、66%和100%。關(guān)于進(jìn)料螺旋鉆126的每一部分所接收的碳質(zhì)原料204的量的這種分配可允許將每個(gè)氣閘室122下方的空間用作材料緩沖，以促進(jìn)碳質(zhì)原料204的連續(xù)流動(dòng)。[0034]每個(gè)T形管配件134可包括進(jìn)料平整桿140，進(jìn)料平整桿140可垂直于碳質(zhì)原料的流動(dòng)方向固定以防止碳質(zhì)原料204沿移動(dòng)的堆料頂部浮動(dòng)。
[0035]進(jìn)料組件蓋142可附連到距離接合部102最遠(yuǎn)的T形管件134上的端部開口 144。進(jìn)料組件蓋142可附連到高壓進(jìn)料端密封146，以及進(jìn)料螺旋鉆驅(qū)動(dòng)組件128的進(jìn)料螺旋鉆驅(qū)動(dòng)軸148可穿過進(jìn)料組件蓋142和高壓進(jìn)料端密封146且與進(jìn)料螺旋鉆126可操作地連接。實(shí)現(xiàn)高壓密封的一種方法是使用單或雙機(jī)械密封。
[0036]進(jìn)料室124還可包括位于最靠近反應(yīng)器106的T形管配件134和與接合部102的內(nèi)通道118相連的第一結(jié)合連接件130之間的一個(gè)或多個(gè)偏心縮徑管150。該一個(gè)或多個(gè)偏心縮徑管150可排列成保持平坦的底面用于支承進(jìn)料螺旋鉆126。該一個(gè)或多個(gè)偏心縮徑管150可用于“步減”進(jìn)料室124的內(nèi)徑，以使進(jìn)料室124的內(nèi)徑在第一結(jié)合連接件130處大體上等于內(nèi)反應(yīng)器管152的內(nèi)徑。此外，或可替代地，擴(kuò)徑管可用于在進(jìn)料室124和接合部102之間形成距離。若需要，熱源可施加到擴(kuò)徑管的外表面以預(yù)熱原料。
[0037]如圖1和3中所示，往復(fù)式反應(yīng)器組件106構(gòu)造成接收碳質(zhì)原料204以及使碳質(zhì)原料204反應(yīng)以產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物，往復(fù)式反應(yīng)器組件106包括內(nèi)反應(yīng)器管152和外反應(yīng)器管154，外反應(yīng)器管具有圍繞內(nèi)反應(yīng)器管而形成環(huán)狀空間的第一部分156和延伸越過內(nèi)反應(yīng)器管152并形成轉(zhuǎn)向區(qū)164的第二部分158。如以下詳細(xì)討論的，內(nèi)反應(yīng)器管152提供內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178，而環(huán)狀空間提供外反應(yīng)器區(qū)180。
[0038]內(nèi)反應(yīng)器管152可與接合部102的內(nèi)通道118 —體地或流體地連接。內(nèi)反應(yīng)器管152可包括一個(gè)或多個(gè)、且較佳地多個(gè)氣口。內(nèi)反應(yīng)器管152可與接合部102的進(jìn)料室側(cè)氣密連接并且延伸穿過接合部以產(chǎn)生內(nèi)通道118，或者其可與在接合部的160和往復(fù)式反應(yīng)器之間的過渡區(qū)處單獨(dú)構(gòu)成的內(nèi)通道附連。
[0039]外反應(yīng)器管154可與內(nèi)反應(yīng)器管152同軸或基本上同軸。往復(fù)式反應(yīng)器154的第一部分156圍繞內(nèi)反應(yīng)器管152且通過接合部102與氣體排出組件108和固體排出組件110流體連接。外反應(yīng)器管154可在第二結(jié)合連接件160處與接合部102氣密連接。外反應(yīng)器管154的第二部分158延伸越過內(nèi)反應(yīng)器管152的出口端162，從而其不圍繞內(nèi)反應(yīng)器管152并形成轉(zhuǎn)向區(qū)164。
[0040]往復(fù)式反應(yīng)器組件106還可包括能夠是無軸螺旋鉆的回轉(zhuǎn)螺旋鉆166，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166從外反應(yīng)器管154的第二部分158的轉(zhuǎn)向區(qū)164延伸到接合部102，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166構(gòu)造成將部分反應(yīng)的碳質(zhì)原料從轉(zhuǎn)向區(qū)164輸送到氣體排出組件108和固體排出組件110。回轉(zhuǎn)螺旋鉆166可被加強(qiáng)以在期望運(yùn)行條件下保持剛性，并且使得回轉(zhuǎn)螺旋鉆166可支承內(nèi)反應(yīng)器管152的以及無軸進(jìn)料螺旋鉆126在內(nèi)反應(yīng)器管152內(nèi)延伸的部分的重量。在該實(shí)例中，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166的內(nèi)和外摩擦表面可較佳地設(shè)計(jì)成具有盡可能小的摩擦。另外，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166的大小可設(shè)置成提供相對(duì)于外反應(yīng)器管154內(nèi)壁的最小可用公差。
[0041]回轉(zhuǎn)組件蓋168可附連到外反應(yīng)器管154上的距離接合部102最遠(yuǎn)的端口 170?；剞D(zhuǎn)組件蓋168可附連到高壓反應(yīng)器端密封172，以及回轉(zhuǎn)螺旋鉆驅(qū)動(dòng)組件176的回轉(zhuǎn)螺旋鉆驅(qū)動(dòng)軸174可穿過回轉(zhuǎn)組件蓋和高壓反應(yīng)器端密封172且與回轉(zhuǎn)螺旋鉆166可操作地連接。如與高壓進(jìn)料密封146—樣，高壓密封可使用單或雙機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)。然而，高壓反應(yīng)器端密封172可較佳地也是高溫密封，這可通過雙機(jī)械密封來形成。如果溫度對(duì)于所選的具體密封是一個(gè)問題，則能夠安裝冷卻系統(tǒng)和/或其它的溫度控制系統(tǒng)。[0042]具有內(nèi)注入管嘴的壓縮空氣入口可添加到轉(zhuǎn)向區(qū)164的壁，用于在需要附加的系統(tǒng)熱的情況下將外部空氣注入以促進(jìn)燃燒。內(nèi)注入管嘴可延伸離開外反應(yīng)器管154的內(nèi)表面，以使空氣注入到轉(zhuǎn)向區(qū)164中時(shí)產(chǎn)生的火焰不會(huì)使入口附近的反應(yīng)器壁過熱。為允許內(nèi)注入管嘴不影響轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)螺旋鉆166，構(gòu)造成穿過內(nèi)注入管嘴的槽口可被切入到回轉(zhuǎn)螺旋鉆166中，只要回轉(zhuǎn)螺旋鉆166中不會(huì)失去過多的強(qiáng)度。
[0043]實(shí)際上，在內(nèi)反應(yīng)器管152內(nèi)的容積形成內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178，而由內(nèi)反應(yīng)器管152的外壁和外反應(yīng)器管之間的環(huán)狀空間限定的圍繞內(nèi)反應(yīng)器管152的外反應(yīng)器管154的第一部分156的容積形成外反應(yīng)器區(qū)180。轉(zhuǎn)向區(qū)164流體地連接內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178和外反應(yīng)器區(qū)180。部分反應(yīng)的碳質(zhì)原料可行進(jìn)穿過內(nèi)反應(yīng)器管152的內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178，通過其出口端162排出內(nèi)反應(yīng)器管152進(jìn)入轉(zhuǎn)向區(qū)164，以及接著反向行進(jìn)穿過外反應(yīng)器管156的第一部分的外反應(yīng)器區(qū)到接合部102。在本技術(shù)的某些實(shí)例中，外反應(yīng)器管156可固定有常用的“水套”和散熱器組件以從外反應(yīng)器區(qū)180中的氣體和固體提取余熱而促進(jìn)熱回收以及通過冷凝促進(jìn)氣體除濕。系統(tǒng)預(yù)期使用的質(zhì)量和能量平衡可用于確定水套和散熱器系統(tǒng)的大小。
[0044]內(nèi)反應(yīng)器管178和外反應(yīng)器管156的直徑大小可適當(dāng)?shù)卦O(shè)置成適應(yīng)氣體和固體流在期望的溫度和壓力下的輸送以及往復(fù)式反應(yīng)器組件106的固體填充水平。在外反應(yīng)器區(qū)180內(nèi)的回轉(zhuǎn)螺旋鉆166可附加有槳葉以促進(jìn)排出固體的回填，從而保持外反應(yīng)器區(qū)180內(nèi)的高填充水平。而且，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166的在轉(zhuǎn)向區(qū)164中的部分的螺距可制成為比在外反應(yīng)區(qū)180內(nèi)的大，從而保持轉(zhuǎn)向區(qū)164中的低填充水平。
[0045]內(nèi)反應(yīng)器管的材料、厚度和長(zhǎng)度可基于平衡最大化換熱能力和最小化與給定計(jì)劃運(yùn)行條件的所需更換和服務(wù)間隔相關(guān)聯(lián)的成本的通常沖突目標(biāo)來選擇。偏心縮徑管可添加內(nèi)反應(yīng)器管152的出口端162，以便于回轉(zhuǎn)螺旋鉆166重新定向碳質(zhì)原料。
[0046]外反應(yīng)器管154的材料和厚度可選擇成經(jīng)受期望的運(yùn)行條件。外反應(yīng)器管154的第二部分158的長(zhǎng)度可選擇成確保轉(zhuǎn)向區(qū)164提供足夠的空間用于排出內(nèi)反應(yīng)器管152的出口端162的部分反應(yīng)的碳質(zhì)原料受到回轉(zhuǎn)螺旋鉆166的作用。
[0047]在接合部102內(nèi)的回轉(zhuǎn)螺旋鉆166的端部可包括平行于回轉(zhuǎn)螺旋鉆的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以及利用重力來作用以促進(jìn)固體移動(dòng)進(jìn)入固體排出組件110中的一個(gè)或多個(gè)攪拌器桿210。
[0048]參照?qǐng)D1和4，氣體排出組件108與接合部102流體地連接，且因此在能夠是氣密連接的第三接合連接件182處與往復(fù)式反應(yīng)器組件106的外反應(yīng)器區(qū)180流體地連接。氣體排出組件108構(gòu)造成從連續(xù)熱解系統(tǒng)100去除氣體產(chǎn)物206。氣體排出組件108包括在氣體排出組件108的頂部處的氣體流量控制閥184，氣體流量控制閥184調(diào)節(jié)氣體產(chǎn)物206離開氣體排出組件108的流量。在某些實(shí)例中，氣體排出組件108還可包括在第三結(jié)合連接件182和氣體流量控制閥184之間的洗滌塔186。洗滌塔可包括在洗滌塔186的頂部附近的流體注入口 188以及將液體通過流體注入口 188注入洗滌塔186中的噴嘴組件190。實(shí)際上，氣體產(chǎn)物206可從接合部102向上上升穿過洗滌塔186到氣體流量控制閥184以排出氣體排出組件108，而噴嘴組件190注入洗滌塔186中的液體可通過洗滌塔186下落，與氣體產(chǎn)物206逆向流動(dòng)。噴嘴組件190能夠與液體源192和注入泵194可操作地連接，注入泵194將流體從液體源192提供到噴嘴組件190。液體可以是合適的液體，諸如水。注入的液體能夠冷卻、清潔、除濕以及提取二氧化碳以提升氣體等級(jí)。
[0049]固體排出組件110與接合部102流體地連接，且因此在能夠是氣密連接的第四接合連接件196處與往復(fù)式反應(yīng)器組件106的外反應(yīng)器區(qū)180流體地連接。固體排出組件110構(gòu)造成從連續(xù)熱解系統(tǒng)100去除固體產(chǎn)物208。固體產(chǎn)物208可包括生物碳，以及還可包括從冷凝蒸汽產(chǎn)物得到的液體和可已被注入系統(tǒng)中以組成可流動(dòng)漿料的任何附加液體。固體排出組件110可包括漏斗部198、與漏斗部198連接的流動(dòng)管道200以及與流動(dòng)管道200連接的流量控制閥202，流量控制閥202調(diào)節(jié)固體產(chǎn)物208離開固體排出組件110的流量。流動(dòng)管道200可將固體產(chǎn)物208從漏斗部198輸送到流量控制閥202。漏斗部198可具有足夠大小以與由固體產(chǎn)物208和液體形成的漿料池形成壓力密封。例如，固體排出組件110可通過接合部102與氣體排出組件108流體地連接，并且注入到洗滌塔186中的液體可穿過接合部102下落到固體排出組件110中。
[0050]在某些實(shí)例中，本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)可包括用來操作、調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)各部件的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)可使用本領(lǐng)域中已知的自動(dòng)化控制技術(shù)和方法?？刂葡到y(tǒng)可包括例如，壓力和溫度傳感器、漿料池中的液位開關(guān)傳感器、氣流速度傳感器和調(diào)節(jié)器、電磁閥、能夠啟動(dòng)、停止和改變所有電機(jī)的速度和運(yùn)行條件的設(shè)備、穿過內(nèi)反應(yīng)器管152出口端162附近的外反應(yīng)器管154的空氣注入口、將空氣注入轉(zhuǎn)向區(qū)164的空氣壓縮設(shè)備、用以接收和處理輸入信號(hào)并發(fā)送和傳輸適當(dāng)?shù)乜刂葡到y(tǒng)功能所需的輸出信號(hào)的控制計(jì)算機(jī)和使能設(shè)備及算法。
[0051]為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，該控制系統(tǒng)可用以作用于多個(gè)可用的控制變量。
[0052]固體駐留時(shí)間可通過進(jìn)料螺旋鉆126和回轉(zhuǎn)螺旋鉆166的旋轉(zhuǎn)的速率來控制。氣體駐留時(shí)間可主要地通過系統(tǒng)的壓力和溫度、空氣注入速度(如果有的話)、固體駐留時(shí)間、系統(tǒng)反應(yīng)環(huán)境和氣體離開機(jī)器的速度來控制。
[0053]稍微改變壓力可對(duì)往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的氣體密度有很大影響。因此，如果往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的溫度太高，那增加在氣體排出組件108的頂部處的氣體流量控制閥184的開度可降低往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的壓力，由于其更大容積的需要，這可增大氣體的速度。速度上的增加可減少氣體駐留時(shí)間，這可減少氣體和生物碳及碳質(zhì)原料顆粒之間的傳熱量。因此，氣體與其在更高壓力下相比可變得更熱，從而降低了在往復(fù)式反應(yīng)器組件106中的總體溫度。
[0054]在固體產(chǎn)物208和氣體產(chǎn)物206的排出速度外，本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)的溫度可通過改變碳質(zhì)原料204的輸入的速度來調(diào)節(jié)。由于從輸出產(chǎn)物傳遞到進(jìn)入產(chǎn)物的熱量依賴于每個(gè)碳質(zhì)原料204顆粒與熱傳遞介質(zhì)接觸花費(fèi)的時(shí)間的量，因此這是可能的。從而，如果溫度過高，則提高通過速度可轉(zhuǎn)化成在往復(fù)式反應(yīng)器組件106中的較少駐留時(shí)間，這又可轉(zhuǎn)化成在輸出生物碳和進(jìn)入碳質(zhì)原料204之間的較小熱傳遞。減少通過量以提高溫度的逆向過程也可實(shí)現(xiàn)。
[0055]如果需要，往復(fù)式反應(yīng)器組件106中的熱和壓力還可通過將加壓空氣以受控方式注入到轉(zhuǎn)向區(qū)164中來調(diào)節(jié)。這可致使生物碳和氣體的少部分氧化，且因此釋放額外熱，使溫度和壓力升高。該方法可以在連續(xù)熱解系統(tǒng)100需要熱或者壓力時(shí)采用，從而即使在一些壓力和熱量損失至固有的系統(tǒng)運(yùn)行低效率時(shí)確保足夠的熱和壓力以保持穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。該方法在減輕與碳質(zhì)原料的濕氣含量的波動(dòng)中的峰值相關(guān)聯(lián)的溫降方向是特別有用的。然而，由于過多的空氣注入會(huì)因過多的氮?dú)舛♂寶怏w產(chǎn)物206，注意確保該方法與其它方法聯(lián)合使用是推薦的。替代地可以流入純氧，但對(duì)系統(tǒng)增加了明顯的額外費(fèi)用和復(fù)雜性。[0056]參照?qǐng)D1和5，本技術(shù)的方法可包括:將碳質(zhì)原料204供給到進(jìn)料組件104，將碳質(zhì)原料從進(jìn)料組件104傳送到接合部102，將碳質(zhì)原料從接合部102傳送到往復(fù)式反應(yīng)器組件106，使碳質(zhì)原料204在往復(fù)式反應(yīng)器組件106中反應(yīng)以形成氣體產(chǎn)物206和固體產(chǎn)物208，將氣體產(chǎn)物206和固體產(chǎn)物208從往復(fù)式反應(yīng)器組件106傳送到接合部102，將氣體產(chǎn)物206從接合部102傳送到氣體排出組件108，將固體產(chǎn)物208從接合部102傳送到固體排出組件110，將氣體產(chǎn)物206從連續(xù)熱解系統(tǒng)100通過氣體排出組件108去除，以及將固體產(chǎn)物208從連續(xù)熱解系統(tǒng)100通過固體排出組件110去除。
[0057]如上所述，接合部102可包括通路112，通路112可具有內(nèi)通道118和外通道120，內(nèi)通道118與進(jìn)料組件104和往復(fù)式反應(yīng)器組件106流體地連接，外通道120與氣體排出組件108和固體排出組件110流體地連接。因此，將碳質(zhì)原料從進(jìn)料組件104傳送到接合部102的步驟可包括將碳質(zhì)原料輸送到接合部102的內(nèi)通道118。此外，將氣體產(chǎn)物206和固體產(chǎn)物208從往復(fù)式反應(yīng)器組件106傳送到接合部102的步驟可包括將氣體產(chǎn)物206和固體產(chǎn)物208從往復(fù)式反應(yīng)器組件106輸送到接合部102的外通道120。
[0058]另外如上所述，往復(fù)式反應(yīng)器組件106可包括內(nèi)反應(yīng)器管152和外反應(yīng)器管154，內(nèi)反應(yīng)器管152提供內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178，外反應(yīng)器管154具有圍繞內(nèi)反應(yīng)器管152以形成提供了外反應(yīng)器區(qū)180的環(huán)狀空間的第一部分156和延伸越過內(nèi)反應(yīng)器管152并形成轉(zhuǎn)向區(qū)164的第二部分158。因此，本技術(shù)的方法中的使碳質(zhì)原料204在往復(fù)式反應(yīng)器組件106中反應(yīng)的步驟可包括將碳質(zhì)原料輸送穿過內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178、轉(zhuǎn)向區(qū)164和外反應(yīng)器區(qū)180。
[0059]在圖5中所示實(shí)例中，本技術(shù)的一個(gè)方法可通過將碳質(zhì)原料204供給到能夠?qū)⑻假|(zhì)原料204從外部源引入每個(gè)輸入氣閘室122中的進(jìn)料斗138開始。每個(gè)氣閘室可用來將碳質(zhì)原料204從大氣環(huán)境傳送到較佳地被加壓的進(jìn)料室124。在各種實(shí)例中，閘斗倉、旋轉(zhuǎn)氣閘室、活塞進(jìn)料器或任何類似設(shè)備可與其支承裝置一起用來裝載系統(tǒng)。一種較佳類型的氣閘室122是這樣的閘斗倉，該閘斗倉由兩個(gè)刀閘組成并且該兩個(gè)刀閘之間具有加壓室。碳質(zhì)原料204可在重力作用下落入進(jìn)料室124中，以及可接著從進(jìn)料室124輸送到接合部102的內(nèi)通道118，以及接著從接合部102的內(nèi)通道118到內(nèi)反應(yīng)器管152。
[0060]多個(gè)同時(shí)發(fā)生的過程在往復(fù)式反應(yīng)器和接合部?jī)?nèi)發(fā)生。
[0061]穩(wěn)態(tài)固體質(zhì)量流被首先描述，并且提供了相關(guān)聯(lián)的相變、反應(yīng)、氣體流和熱量流的情形。相關(guān)聯(lián)的固體質(zhì)量流始于碳質(zhì)原料204進(jìn)入內(nèi)反應(yīng)器管152并由進(jìn)料螺旋鉆126輸送穿過內(nèi)反應(yīng)器管152的內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178，從而產(chǎn)生部分反應(yīng)的碳質(zhì)原料204。當(dāng)部分反應(yīng)的碳質(zhì)原料204到達(dá)內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178的端部時(shí)，其落入轉(zhuǎn)向區(qū)164中。在轉(zhuǎn)向區(qū)164中，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166作用于部分反應(yīng)的碳質(zhì)原料204，將部分反應(yīng)的碳質(zhì)原料204從轉(zhuǎn)向區(qū)164穿過外反應(yīng)器區(qū)180向后向著接合部102輸送到氣體排出組件108和固體排出組件110?；剞D(zhuǎn)螺旋鉆166的轉(zhuǎn)速可足夠快以防止轉(zhuǎn)向區(qū)164充滿。
[0062]系統(tǒng)壓力、熱傳遞和氣流都可以相互影響。由于往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)中釋放的氣體、來自碳質(zhì)原料204的任何水分在有限容積內(nèi)的蒸發(fā)，以及氣體產(chǎn)物通過氣體排出組件108的受控釋放，系統(tǒng)壓力能夠是自我保持的。為了降低系統(tǒng)內(nèi)的壓力，可允許比產(chǎn)生的氣體更多的氣體逸出，直到達(dá)到期望壓力。為了建立壓力，可釋放比產(chǎn)生的氣體更少的氣體。適當(dāng)壓力可依賴于原料和期望的產(chǎn)物輸出。
[0063]由于多個(gè)原因，加壓可提高系統(tǒng)的熱效率。壓力趨于壓縮氣體，這又趨于增強(qiáng)氣體和固體之間的對(duì)流熱傳遞。而且，通過氣體壓縮，加壓可增大在往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的駐留時(shí)間。增大的駐留時(shí)間與本技術(shù)的往復(fù)式反應(yīng)器組件的設(shè)計(jì)組合可促進(jìn)高程度的氣體/固體相互作用，從而允許氣體在排出之前更充分地接近化學(xué)平衡。相關(guān)地，加壓可減少往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的氣體流速，從而允許在給定反應(yīng)器幾何構(gòu)造內(nèi)的沒有達(dá)到臨界氣體速度的更高通過量。
[0064]此外，高反應(yīng)器壓力可便于熱轉(zhuǎn)換在更低溫度開始。而且，加壓可提高系統(tǒng)內(nèi)蒸汽的冷凝溫度。由于一旦氣體在給定壓力下達(dá)到冷凝溫度，則氣體會(huì)在不降低溫度的情況下持續(xù)地釋放能量到進(jìn)入的碳質(zhì)原料，從而保持了內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178和外反應(yīng)器區(qū)180之間的溫度梯度，因此這可有利于穿過內(nèi)反應(yīng)器管152壁的熱傳導(dǎo)。往復(fù)式反應(yīng)器組件106的長(zhǎng)度可被選擇成足夠長(zhǎng)，以允許在外反應(yīng)器區(qū)180中達(dá)到冷凝溫度并且允許在能量傳遞到進(jìn)入的原料以產(chǎn)生可持續(xù)反應(yīng)的同時(shí)在外反應(yīng)器區(qū)180內(nèi)發(fā)生充分冷凝。對(duì)于給定的通過量，往復(fù)式反應(yīng)器組件106的效率越高，則剩余固體在到達(dá)冷凝區(qū)時(shí)所包含的熱能越少并且更多的液態(tài)水在排出系統(tǒng)100之前與剩余固體混合。系統(tǒng)內(nèi)冷凝的水越多，則需要的燃燒越少。在碳質(zhì)原料的熱解反應(yīng)中能夠有足夠的可冷凝蒸汽產(chǎn)物，使得有足夠的熱用以再循環(huán)熱，而不需要燃燒。
[0065]為了促進(jìn)從外反應(yīng)器區(qū)180到內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178的更好熱傳遞，氣口 132可穿過內(nèi)反應(yīng)器管152的壁制成，較佳地在內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178的接合部端附近并且在接合部102的外側(cè)制成。氣口 132可沿與碳質(zhì)原料204的流動(dòng)方向相反的方向產(chǎn)生具有最小阻力的氣體流路。在內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178中以及較小程度上在外反應(yīng)器區(qū)180中產(chǎn)生的氣體具有兩個(gè)離開內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178的可能出口。第一，氣體可通過在內(nèi)反應(yīng)器管152的壁中的氣口 132離開。第二，氣體可進(jìn)入轉(zhuǎn)向區(qū)164并且行進(jìn)過外反應(yīng)器區(qū)180的整個(gè)長(zhǎng)度。較佳地，可設(shè)置足夠量的氣口 132來確保期望水平的氣體反射流動(dòng)。由于往復(fù)式反應(yīng)器組件內(nèi)的氣體趨于具有與產(chǎn)生該氣體的原料顆粒近似相同的溫度，并且產(chǎn)生氣體的原料顆粒通常比進(jìn)一步回到內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178中的那些更熱，因此內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178中的氣體趨于在它們沿反向流動(dòng)方向行進(jìn)并與較冷的原料顆粒接觸時(shí)釋放它們的熱。
[0066]隨著氣體冷卻，它們釋放能量至上游的原料顆粒并且氣體的體積減小。這會(huì)產(chǎn)生虹吸效應(yīng)，從而為靠近轉(zhuǎn)向區(qū)產(chǎn)生的氣體提供越多的空間。由于冷的碳質(zhì)原料通常向下游移動(dòng)，并且熱氣體的大部分逆著碳質(zhì)原料向上游移動(dòng)，因此氣體中的熱被有效地再循環(huán)到進(jìn)入的碳質(zhì)原料。由于氣體包含熱CO2和蒸汽的大部分，因此穿過固體材料的氣體流可有助于將其“激活”。在生產(chǎn)木炭的實(shí)例中，氣體可部分激活木炭顆粒產(chǎn)物并使得更易于將木炭產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成活性炭。這類似于在活性碳制造中使用的傳統(tǒng)蒸汽激活實(shí)踐。
[0067]當(dāng)氣體流過碳質(zhì)原料204的反應(yīng)顆粒時(shí),氣體產(chǎn)物中的大部分焦油和其它可冷凝氣體可被裂解。該裂解趨于是大量放熱的且可導(dǎo)致更清潔的氣體產(chǎn)物排出往復(fù)式反應(yīng)器組件106。在首次通過時(shí)在內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178中未被裂解的氣體產(chǎn)物中的任何余留焦油當(dāng)其反向行進(jìn)時(shí)能夠通過氣口 132排出內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178以與明顯更熱的成碳接觸來裂解，或者僅在原料顆粒的表面上凝結(jié)且然后原料顆粒將該余留焦油載運(yùn)回到內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178的熱端內(nèi)經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)周期直到其裂解或通過氣口離開。
[0068]就氣口 132應(yīng)布置于內(nèi)反應(yīng)器管152的長(zhǎng)度上的位置而言，該布置位置較佳地是沿著內(nèi)反應(yīng)器管152足夠地遠(yuǎn)，以使碳質(zhì)原料202在通過氣口 132的端部之前已蒸發(fā)出潛在水分并已開始分解。氣口 132的該布置與熱階段之間的點(diǎn)相同，稍后描述其中的一個(gè)和兩個(gè)熱階段。這是由于氣體中的焦油蒸汽在反應(yīng)的早期階段中可見的溫度下不太可能已充分分解。氣口 132的數(shù)量、大小和形狀可選擇成在無到外反應(yīng)器區(qū)156的明顯顆粒損失的情況下允許足夠的氣流。由于過多氣體在內(nèi)反應(yīng)器區(qū)內(nèi)產(chǎn)生且比輸送原料的進(jìn)料螺旋鉆被明顯更快地前推，因此通過氣口 132的氣流可足以避免生物碳“井噴”到轉(zhuǎn)向區(qū)164中。理想地，回轉(zhuǎn)螺旋鉆和氣口 132可設(shè)計(jì)成使得位于外反應(yīng)器區(qū)180的布置為經(jīng)過氣口 132的部分中的氣流最小化。這將確保在反應(yīng)器區(qū)178中氣體逆著碳質(zhì)原料204的方向的反向流動(dòng)，并且增強(qiáng)了在往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的熱傳遞。
[0069]與在系統(tǒng)100內(nèi)發(fā)生的連續(xù)熱解反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的熱量趨于來自三個(gè)主要來源:1)通過內(nèi)反應(yīng)器管152壁從在外反應(yīng)器區(qū)180中排出反應(yīng)器的固體和氣體產(chǎn)物再循環(huán)的熱傳遞，2)碳質(zhì)原料204在往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)經(jīng)受的熱轉(zhuǎn)換反應(yīng)，以及3)由潛在的或添加的氧引起的任何燃燒。往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的熱轉(zhuǎn)換的大部分及因此導(dǎo)致的氣體產(chǎn)生可發(fā)生在內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178內(nèi)。熱轉(zhuǎn)換反應(yīng)可包括蒸發(fā)、熱解、氣化和小量燃燒。雖然碳質(zhì)原料204可在進(jìn)料室124開始少量加熱，但最大的溫度變化趨于發(fā)生在內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178內(nèi)。往復(fù)式反應(yīng)器組件106內(nèi)的溫度往往在朝向內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178的端部的位置處、或者此后不久在轉(zhuǎn)向區(qū)164中，或者在外反應(yīng)器區(qū)180的開始部分中達(dá)到峰值。
[0070]碳質(zhì)原料204可經(jīng)受大體上對(duì)應(yīng)于可知溫度范圍的四個(gè)略交疊的溫度轉(zhuǎn)換階段。第一階段可在溫度從輸入溫度上升到壓力調(diào)整后的水汽化溫度發(fā)生。第二階段在輸入碳質(zhì)原料204是干的時(shí)可在熱解開始時(shí)開始，并且可持續(xù)直至放熱熱解開始。第三階段是放熱熱解階段。第四“完成”階段可以是可選的，并且可依賴于是否將比階段三中達(dá)到的溫度高的期望峰值溫度保持足夠的時(shí)間。如果需要，用于完成階段的附加熱可通過小量的燃燒來提供。
[0071]第一階段可開始于碳質(zhì)原料204最初進(jìn)入內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178的時(shí)刻，在此碳質(zhì)原料204與內(nèi)反應(yīng)器管152的壁的熱金屬接觸。內(nèi)反應(yīng)器管152的壁可用作將熱從外反應(yīng)器區(qū)180中的排出往復(fù)式反應(yīng)器組件的固體產(chǎn)物208傳導(dǎo)到碳質(zhì)原料204中的加熱表面。碳質(zhì)原料204中的任何潛在水分在其達(dá)到壓力調(diào)整后的水汽化溫度時(shí)可開始蒸發(fā)。原料溫度大體上保持在水汽化溫度下，直到幾乎所有的潛在水分被蒸發(fā)。
[0072]第二階段可以在碳質(zhì)原料204達(dá)到熱解溫度且開始熱解時(shí)開始。在該階段的熱解可以是吸熱反應(yīng)，并且依賴于再循環(huán)的熱來將其溫度提高到下一個(gè)階段。碳質(zhì)原料204到達(dá)其開始放熱的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這指示了轉(zhuǎn)換到第三階段。
[0073]放熱轉(zhuǎn)折點(diǎn)依賴于碳質(zhì)原料204的類型和反應(yīng)器壓力，但對(duì)于木生物碳，其在大氣壓力下大體上在大約270°C和大約290°C之間。熱解反應(yīng)的該放熱部分對(duì)產(chǎn)生熱自持反應(yīng)是重要的。然而，為了實(shí)際目的，其單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)過程并不是足夠的。放熱主和輔助熱解反應(yīng)可與來自外反應(yīng)器區(qū)180的熱傳導(dǎo)組合以達(dá)到穩(wěn)態(tài)。
[0074]往復(fù)式反應(yīng)器組件106中產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物可通過相對(duì)于氣體排出組件108的氣體流量控制閥184的壓力梯度被擠出。逸出系統(tǒng)100的氣體的量可通過打開和關(guān)閉氣體流量控制閥184的開口來變化。
[0075]往復(fù)式反應(yīng)器組件106中產(chǎn)生的固體產(chǎn)物以及水產(chǎn)物可通過固體排出組件110去除。在某些實(shí)例中，形成的漿料包含固體產(chǎn)物和水產(chǎn)物并且還可包含在接合部102下方在固體排出組件110中收集在池中從氣體排出組件108注入的水。該漿料池可形成壓力密封。注入的水可輔助回轉(zhuǎn)螺旋鉆攪拌器桿排放固體。注入水的量可較佳地足以在流量控制閥202上方產(chǎn)生大體上和其流出底部一樣快地重新裝滿的漿料池。針對(duì)給定的固體特性，注入的水的注入速度可被保持在確保可流動(dòng)漿料混合物的水平?？稍试S足夠的漿料通過控制閥202流出系統(tǒng)100，以保持裝置的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
[0076]在某些實(shí)例中，水再循環(huán)系統(tǒng)可用以使?jié){料脫水，并且提取的水可輸送回到水注入系統(tǒng)中。在該實(shí)例中，脫碳和水冷卻對(duì)保持對(duì)氣體升級(jí)的益處是必須的，這可通過使周圍空氣穿過水發(fā)泡來實(shí)現(xiàn)。
[0077]實(shí)例1:啟動(dòng)
[0078]本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)和過程的啟動(dòng)流程的一個(gè)實(shí)例如下:
[0079]1.除氣體排出組件108的氣體流量控制閥184外，閉合所有氣密連接。
[0080]2.將生物碳通過進(jìn)料組件124裝入連續(xù)熱解系統(tǒng)100中，生物碳的量足以填充外反應(yīng)器區(qū)180。
[0081]a.裝入的生物碳的最后部分用小量的慢燃促進(jìn)劑(例如，柴油)浸泡。如果生物碳從最后一輪被留在反應(yīng)器中，則慢燃促進(jìn)劑可僅施加到進(jìn)入的生物碳。
[0082]b.在停止裝入生物碳后，連續(xù)熱解系統(tǒng)100繼續(xù)輸送生物碳通過內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178并且進(jìn)入外反應(yīng)器區(qū)180中到位，其中生物碳的被慢燃促進(jìn)劑浸泡的部分定位在轉(zhuǎn)向區(qū)164 中。
[0083]3.在裝入生物碳之后，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166停止，而進(jìn)料螺旋鉆126繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0084]4.接著，點(diǎn)火裝置被裝入進(jìn)料室124中并且被輸送到往復(fù)式反應(yīng)器組件106中，隨后足夠的碳質(zhì)原料204被裝入系統(tǒng)以填充內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178。
[0085]a.在點(diǎn)火裝置之后若干英尺(在內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178中)的碳質(zhì)原料204的一部分也被慢燃促進(jìn)劑浸泡以輔助啟動(dòng)。
[0086]5.進(jìn)料螺旋鉆126繼續(xù)運(yùn)行，直到生物碳的用慢燃促進(jìn)劑浸泡的部分點(diǎn)燃。
[0087]a.反應(yīng)器中的熱電偶和壓力傳感器可探測(cè)到點(diǎn)燃發(fā)生的時(shí)刻，并使進(jìn)料螺旋鉆126停止。
[0088]6.當(dāng)燃燒開始時(shí)，產(chǎn)生的廢氣產(chǎn)生系統(tǒng)壓力，并且開始向唯一氣體出口流動(dòng)，氣體排出組件108的氣體流量控制閥184。
[0089]7.氣體排出組件108的氣體流量控制閥184可調(diào)節(jié)，或可以自動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)燃燒廢氣離開系統(tǒng)的所有必需流量。
[0090]a.在啟動(dòng)過程中，廢氣被引入到裝配有丙烷或其它氣體燃料的地面點(diǎn)火系統(tǒng)、增壓器系統(tǒng)以確保在啟動(dòng)過程中的持續(xù)火焰。
[0091]8.可以通過將壓縮空氣通過外反應(yīng)器管158的第二部分中的端口注入到轉(zhuǎn)向區(qū)164中來促進(jìn)燃燒。注入的壓縮空氣的量被控制成僅適應(yīng)緩慢的燃燒。
[0092]9.燃燒過程中產(chǎn)生的熱被傳遞到鄰近的和下游的生物碳、碳質(zhì)原料和連續(xù)熱解系統(tǒng)100的金屬部件。大部分熱還被攜帶在燃燒廢氣中，并通過對(duì)流傳遞到下游生物碳、碳質(zhì)原料和連續(xù)熱解系統(tǒng)100的金屬部件。
[0093]a.這形成了連鎖反應(yīng)，該連鎖反應(yīng)將持續(xù)直到所有的碳質(zhì)原料中的一些和生物碳被燃燒。[0094]10.一旦內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178內(nèi)的碳質(zhì)原料204達(dá)到放熱熱解溫度，則新的碳質(zhì)原料開始被裝入進(jìn)料室124并且進(jìn)料螺旋鉆126被再次轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0095]11.生物碳的性質(zhì)允許其比碳質(zhì)原料204以快得多的速率燃燒，因此外反應(yīng)器區(qū)180的加熱比內(nèi)反應(yīng)器區(qū)178快。
[0096]a.這確保外反應(yīng)器管154部件將在內(nèi)反應(yīng)器管152部件之前膨脹和延長(zhǎng)，從而形成用于內(nèi)反應(yīng)器管152部件的膨脹和延長(zhǎng)的空間。
[0097]b.以這種方式適應(yīng)材料的膨脹允許在反應(yīng)器部件的設(shè)計(jì)上的緊密公差。
[0098]12.在啟動(dòng)模式過程中，允許連續(xù)熱解系統(tǒng)100的溫度上升到比熱解所需的溫度高得多的溫度，從而在新的碳質(zhì)原料進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，其與在較冷的情形下相比更快地升到溫度，即熱解溫度。
[0099]13.氣體排出系統(tǒng)108開始限制離開反應(yīng)器的氣體流量，從而提高往復(fù)式反應(yīng)器組件106的壓力?？刂茐毫σ源_保壓力被保持為低于往復(fù)式反應(yīng)器組件106的能力以將其安全地包含在其測(cè)量的溫度下。
[0100]14.為了便于往復(fù)式反應(yīng)器組件106適應(yīng)期望壓力，連續(xù)熱解系統(tǒng)100通過緩慢逐漸停止壓縮空氣供給來降低溫度。隨著溫度冷卻到期望的運(yùn)行溫度時(shí)，即300°C和900°C之間的某個(gè)溫度時(shí)，允許壓力累積到運(yùn)行壓力。
[0101]15.當(dāng)已從氣體冷凝出或注入了足夠的水以保持固體排出組件110中的壓力密封時(shí)，回轉(zhuǎn)螺旋鉆166轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0102]實(shí)例2:停車
[0103]本技術(shù)的連續(xù)熱解系統(tǒng)和過程的停車流程的一個(gè)實(shí)例如下:
[0104]1.停止將碳質(zhì)原料進(jìn)給到進(jìn)料組件中。
[0105]2.進(jìn)料螺旋鉆126和回轉(zhuǎn)螺旋鉆166運(yùn)行，直到氣體和生物碳排出系統(tǒng)。
[0106]3.停止進(jìn)料螺旋鉆126和回轉(zhuǎn)螺旋鉆166。
[0107]替代地，具體地在預(yù)期的下線時(shí)間很短并且反應(yīng)器不必拆開的情況下:
[0108]1.停止將碳質(zhì)原料進(jìn)給到進(jìn)料組件中。
[0109]2.進(jìn)料螺旋鉆126和回轉(zhuǎn)螺旋鉆166運(yùn)行，直到系統(tǒng)中的所有碳質(zhì)原料到達(dá)外反應(yīng)器區(qū)180。
[0110]3.停止進(jìn)料螺旋鉆126和回轉(zhuǎn)螺旋鉆166，并且允許生物碳冷卻以準(zhǔn)備下一次啟動(dòng)。
[0111]根據(jù)前述內(nèi)容，將理解雖然本文為了說明目的已描述了具體實(shí)例，但在不偏離本公開的精神和范圍的前提下，可作出各種改型。因此，前述的詳細(xì)說明旨在被認(rèn)為是說明性而非限制性的，并且可理解的是隨附的權(quán)利要求、包括所有等同物旨在具體地指出且明確地要求所要求保護(hù)的主題。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)熱解系統(tǒng)，包括: 進(jìn)料組件，碳質(zhì)原料能夠通過所述進(jìn)料組件被引入到所述連續(xù)熱解系統(tǒng)中； 往復(fù)式反應(yīng)器組件，所述往復(fù)式反應(yīng)器組件構(gòu)造成接收所述碳質(zhì)原料和將所述碳質(zhì)原料反應(yīng)以產(chǎn)生氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物，所述往復(fù)式反應(yīng)器組件包括內(nèi)反應(yīng)器管和外反應(yīng)器管，所述外反應(yīng)器管具有圍繞所述內(nèi)反應(yīng)器管形成環(huán)狀空間的第一部分和延伸越過所述內(nèi)反應(yīng)器管并形成轉(zhuǎn)向區(qū)的第二部分，其中所述內(nèi)反應(yīng)器管限定產(chǎn)生部分地反應(yīng)的碳質(zhì)原料的內(nèi)反應(yīng)器區(qū)，并且所述環(huán)狀空間限定產(chǎn)生所述氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物的外反應(yīng)器區(qū)； 氣體排出組件，所述氣體排出組件與所述往復(fù)式反應(yīng)器組件的所述外反應(yīng)器區(qū)流體地連接，并且被構(gòu)造成將氣體產(chǎn)物從所述連續(xù)熱解系統(tǒng)去除， 固體排出組件，所述固體排出組件與所述往復(fù)式反應(yīng)器組件的所述外反應(yīng)器區(qū)流體地連接，并且被構(gòu)造成將固體產(chǎn)物從所述連續(xù)熱解系統(tǒng)去除，以及 接合部，所述接合部將所述進(jìn)料組件流體地連結(jié)到所述往復(fù)式反應(yīng)器組件，并且將所述外反應(yīng)器區(qū)流體地連結(jié)到所述氣體排出組件和所述固體排出組件。
2.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述接合部包括具有內(nèi)通道和外通道的通路，所述內(nèi)通道與所述進(jìn)料組件和所述往復(fù)式反應(yīng)器組件流體地連接，所述外通道與所述外反應(yīng)器區(qū)、所述氣體排出組件和所述固體排出組件流體地連接。
3.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述外通道圍繞所述內(nèi)通道，并且所述外通道包括在所述接合部的底部處的固體排出支管和在所述接合部的頂部處的氣體排出支管，所述固體排出支管與所述固體排出組件流體地連接，所述氣體排出支管與所述氣體排出組件流體地連接。
4.權(quán)利要求2所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述進(jìn)料組件包括: 一個(gè)或多個(gè)原料輸入氣閘室，所述一個(gè)或多個(gè)原料輸入氣閘室從外部源接收碳質(zhì)原料； 進(jìn)料室，所述進(jìn)料室構(gòu)造成從所述一個(gè)或多個(gè)原料輸入氣閘室接收碳質(zhì)原料；以及 進(jìn)料螺旋鉆，所述進(jìn)料螺旋鉆通過所述進(jìn)料室、通過所述接合部的內(nèi)通道以及沿所述往復(fù)式反應(yīng)器組件的所述內(nèi)反應(yīng)器管的大部分長(zhǎng)度延伸，所述進(jìn)料螺旋鉆構(gòu)造成將碳質(zhì)原料從所述進(jìn)料室通過所述往復(fù)式反應(yīng)器組件的所述內(nèi)反應(yīng)器區(qū)輸送到轉(zhuǎn)向區(qū)。
5.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述往復(fù)式反應(yīng)器組件還包括從所述外反應(yīng)器管的所述第二部分的所述轉(zhuǎn)向區(qū)延伸到所述接合部的回轉(zhuǎn)螺旋鉆，所述回轉(zhuǎn)螺旋鉆構(gòu)造成將所述部分地反應(yīng)的碳質(zhì)原料從所述轉(zhuǎn)向區(qū)輸送到所述氣體排出組件和所述固體排出組件。
6.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述內(nèi)反應(yīng)器管包括沿所述內(nèi)反應(yīng)器管的長(zhǎng)度的一個(gè)或多個(gè)氣口，所述一個(gè)或多個(gè)氣口構(gòu)造成允許氣體從所述內(nèi)反應(yīng)器區(qū)傳送到所述外反應(yīng)器區(qū)。
7.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述氣體排出組件包括在所述氣體排出組件的頂部處的氣體流量控制閥，所述氣體排出組件(應(yīng)為所述氣體流量控制閥)構(gòu)造成調(diào)節(jié)氣體產(chǎn)物流出所述氣體排出組件的流量。
8.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述氣體排出組件包括洗滌塔，所述洗滌塔包括位于所述洗滌塔的頂部附近的流體注入口以及被構(gòu)造成將液體通過所述流體注入口注入所述洗滌塔中的噴嘴組件。
9.權(quán)利要求1所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述固體排出組件包括: 漏斗部; 與所述漏斗部連接的流動(dòng)管道；以及 流量控制閥，所述流量控制閥連接到所述流動(dòng)管道，其中所述流量控制閥調(diào)節(jié)固體產(chǎn)物流出所述固體排出組件的流量。
10.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)熱解系統(tǒng)，其中所述漏斗部被定尺寸為通過固體產(chǎn)物和液體的池產(chǎn)生壓力密封。
11.一種連續(xù)熱解的方法，所述方法包括步驟: 將碳質(zhì)原料供給到進(jìn)料組件， 將所述碳質(zhì)原料從所述進(jìn)料組件傳送到接合部； 將所述碳質(zhì)原料從所述接合部傳送到所述往復(fù)式反應(yīng)器組件； 使所述碳質(zhì)原料在所述往復(fù)式反應(yīng)器組件中反應(yīng)，以形成氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物； 將所述氣體產(chǎn)物和所述固體產(chǎn)物從所述往復(fù)式反應(yīng)器組件傳送到所述接合部； 將所述氣體產(chǎn)物從所述接合部傳送到氣體排出組件； 將所述固體產(chǎn)物從所述接合部傳送到固體排出組件； 將所述氣體產(chǎn)物從所述連續(xù)熱解系統(tǒng)通過所述氣體排出組件去除；以及 將所述固體產(chǎn)物從所述連續(xù)熱解系統(tǒng)通過所述固體排出組件去除。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述接合部包括內(nèi)通道和外通道，所述內(nèi)通道與所述進(jìn)料組件流體地連接并且與往復(fù)式反應(yīng)器組件流體地連接，所述外通道與氣體排出組件流體地連接并且與固體排出組件流體地連接。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述碳質(zhì)原料從所述進(jìn)料組件傳送到所述接合部的步驟包括: 將所述碳質(zhì)原料從所述進(jìn)料組件輸送到所述接合部的內(nèi)通道。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述氣體產(chǎn)物和固體產(chǎn)物從所述往復(fù)式反應(yīng)器組件傳送到所述接合部的步驟包括； 將所述氣體產(chǎn)物和所述固體產(chǎn)物從所述往復(fù)式反應(yīng)器組件輸送到所述接合部的外通道。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述往復(fù)式反應(yīng)器組件包括: 內(nèi)反應(yīng)器管，所述內(nèi)反應(yīng)器管提供內(nèi)反應(yīng)器區(qū)；以及 外反應(yīng)器管，所述外反應(yīng)器管具有第一部分和第二部分，所述第一部分圍繞所述內(nèi)反應(yīng)器管以形成提供外反應(yīng)器區(qū)的環(huán)狀空間，所述第二部分延伸越過所述內(nèi)反應(yīng)器管并且形成轉(zhuǎn)向區(qū)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中使所述碳質(zhì)原料在所述往復(fù)式反應(yīng)器組件中反應(yīng)的步驟包括: 將所述碳質(zhì)原料輸送通過所述內(nèi)反應(yīng)器區(qū)、所述轉(zhuǎn)向區(qū)和所述外反應(yīng)器區(qū)。
【文檔編號(hào)】B08B1/00GK103842101SQ201280033793
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月14日
【發(fā)明者】托馬斯·德爾蒙特, 埃倫·亞爾 申請(qǐng)人:因特拉能源公司