生物质快速碳化的方法技术

提供了一种用于热解转换生物质为炭或碳化炭的外供能量少的方法。将生物质封闭一个容器（１４）中，用空气（１）增压，并通过棒条加热器（１６）对其加热至点燃。通过输入空气控制压力，并释放气体，连续保持较低压力水平，使其一般转化时间不到３０分钟。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及由生物质生产炭。
技术介绍
术语“生物质”包括各种各样的木质和草本植物材料如木料原木、平板料、木屑和树皮；和农业残余料如玉米穗轴、玉米秸、麦秸、坚果壳和甘蔗渣。生物质也可包括城市固体废料、下水道污泥、粪便或其它排泄物的有机馏份，和畜牧业如骨头和畜体的残渣。在本专利技术上下文中术语“惰性”指的是在实施本专利技术的反应容器内在所达到的温度和压力下不与生物质或其热解副产物发生反应的那些化合物、组合物或材料。炭是固定碳含量在70重量％或以上的一种炭质固体。炭通常是对阔叶木材用大窑炉或干馏甑在约500℃温度下进行热解的方法制造的。当在惰性环境中加热(“碳化”)炭至一般800℃以上的温度时，它会失去大部分其残留的挥发物，变成一种接近纯的碳(见表1)，其固定碳含量在90重量％或以上。这里所用术语“生物碳(biocarbon)”表示炭和碳化炭两种。生物碳具有许多独特性能。炭和碳化炭二者基本上都不含硫(见表1)或汞。相对于它们的矿物燃料同类物，这些生物碳含氮量极低，灰分也少。因此，许多碳化炭是比大多数石墨更纯型的碳。不同于炼焦煤、沥青、原油渣油及其它化石碳前体，在低加热速率下热解过程中生物碳不经过液相。见参考文献1和2。因此，生物碳本质上是多孔的。它们也是无定形的，如在它们的X射线衍射谱图中乱层(turbostratic)结构极少所证明。然而，碳化炭的填充床导电性几乎与石墨微粒填充床的一样好。表1代表性的炭和碳化炭的元素分析。 在密苏里州(Missouri)窑炉中在7-12天一周期操作中制造的炭典型收率为约28重量％(按干基计)。这种炭固定碳含量约70重量％；因此这种方法提供固定碳收率约20重量％(≈0.28*0.7)。在发展中国家广泛采用较低效的方法。见参考文献3。这些方法是许多热带国家滥伐的主要原因之一。热化学平衡计算表明，当400℃的热解反应器操作达到平衡时，固定碳收率应该达到约30重量％。见参考文献4。在在先的一般受让专利中，已公开当热解在高压下封闭反应器中进行时，获得收率高，其中炽热蒸气保持静态并与热解炽热固态产物相接触。参见US 5,435,983和5,551,958。1小时操作周期可获得固定碳含量70重量％或以上的炭，收率在42-62重量％。见参考文献4和5。此外，各种农业废料(如kukui果壳、昆士兰果壳和山核桃壳)和热带物种(如桉树、银合欢树和竹)提供的碳收率比在美国和欧洲工业传统所用的阔叶木材的更高。此外，来自燕麦皮和稻壳和向日葵壳的碳收率几乎与来自阔叶木材的碳收率一样高。根据按照US5,435,983的生物质处理，表2显示美国农业残余料的生物碳生产潜力的估计。每年由这种农业残料源可生产2亿吨以上的固定碳。据估计，每年可用由林产工业产出的木残料可生产约2.5亿吨固定碳。作为比较，美国1999年生产约9.9亿吨煤。表2美国来自农业残料的生物碳生产潜力生产力无灰生物质固定碳生产力 能量潜力(106吨/年)，固定碳收率 (106吨/年) (1015焦耳/年)作物 产物 湿玉米(USA) 玉米穗轴 2500.2227 890秣杆 4100.2793 3100玉米(10州)a秣杆 1400.2731 1000小麦及裸麦 皮40 0.268.6280禾杆 1100.2927 890大豆 皮5.20.261.137叶柄和禾杆1200.2726 850棉 废渣 19 0.325.7190燕麦及大麦 皮5.90.261.447禾杆 17 0.294.5150高粱 残渣 14 0.278 3.3110稻 壳3.10.280.75 25禾杆 8.50.302.168坚果b皮及壳4.30.29-0.35 1.239亚麻 废渣 1.40.300.414表注aWalsh，M.et al.Corn Stover to EthanolMacro-economic Impacts Resulting from IndustryEstablishment，The 9thBiannual Bioenergy Conference，Buffalo，NY，Oct.15-19，2000.该研究仅包括10个州，并且排除了被定为高度磨蚀的玉米产区。据认为，会有55％的秸杆折回地里。b包括山核桃和花生壳，杏仁和胡桃皮及壳，和向日葵壳。固定碳收率随果类型而变化。因此，本专利技术目的在于提供一种快速、有效和经济地将生物质转化为炭和能量的方法。本专利技术的进一步目的在于减少转化生物质为炭所需外供热量。本专利技术更进一步目的在于利用反应器的增压热气体流出物，经蒸汽轮机或燃气轮机或燃气发动机，产生动力。根据参考附图及其后说明，本专利技术的这些及其它目的和优点都将会是很明白的。专利技术综述本专利技术提供了一种低能耗的方法，用于热解转换生物质为炭或碳化炭(总称生物碳)及动力，该方法包括步骤(i)密封生物质于一个容器中；(ii)用空气增压该容器；(iii)加热该生物质使其点燃并燃烧；(iv)在燃烧和热解过程中由该容器释放气体，以保持反应器内压力在预定值以下；(v)如若需要，对该容器输送补充空气，使整个生物质材料床达到约400℃或更高的温度，并同时通过释放该容器中的气体控制压力在所需预定水平；(vi)进一步由该容器释放一部分气体，以降低该容器压力达到某一较低的预定值。如有必要，可以按需要在依次较低压力水平下重复步骤(v)-(vi)的循环一次或多次，以转化该生物质为生物碳。转化完全之后，释放该容器残留气体。附图简要说明附图是用于实施本专利技术方法的优选装置的断面上视图。优选实施方案说明可使用生物质材料而不经预处理，但切割木料为易操作尺寸和形状除外。因此，这种材料的含水量会有高有低。不需对进料进行专门烘箱干燥。在装入湿生物质之前，可在接近加热器的反应器底部加入少量能起引火物作用的干生物质。这种引火物能缩短时间，减少点燃生物质所需要的外部能量输入。尽管空气是优选的气体氧化剂，但可采用空气与氧的混合物或纯氧来加快点火或降低最高压力。此外，步骤(ii)和(iii)可以互换。为了加快对生物质的点火，可以在加热器接通之后将空气引入反应器中。实施本专利技术方法的优选装置包括起反应器作用的直立圆柱式压力容器、在其顶部的可密封装料口、反应器内点燃生物质的加热元件、调节反应器内压力的调压器和高压空气源。为使用这种反应器，对内有容纳加热元件空腔的金属筒装填生物质，并将其置于该反应器中。在增压、点火、按需要输送补充空气进行贫空气燃烧、热解及释压之后，由反应器中提出炽热生物碳的金属筒，并插入另一生物质的金属筒至该反应器中。一般切换周期不足30分钟，炭收率取决于其固定含碳量，在约30-60重量％范围。按照本专利技术制成的生物碳，一般挥发物含量不到约30重量％，热值约13,000 BTU/lb(英国热量单位/磅)。可将离开反应器的高压高温炽热尾气输送至蒸汽轮机或燃气轮机或燃气发动机中，以产生动力。因为反应器按循环模式操作，气体生产是不稳定的。因此，最好可将气体输送至隔热高压储罐中，使其存储于其中并以稳定温度和压力输送至涡轮或燃气发动机。或者，可以顺序操作两个或更多个反应器，以这种方式使其合并气体的产出稳定，并适合输送至涡轮或燃气发动机中。如果炽热增压后的气体是易本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转化生物质材料为炭或碳化炭的方法，包括如下步骤：（ａ）密封所述材料在封闭容器中，使所述容器内的非惰性物料由所述材料和空气构成；（ｂ）用空气增压所述容器；（ｃ）加热所述材料，使之点燃和燃烧；（ｄ）通过由该容 器释放气体，控制所述容器内的压力为Ｐ↓［１］，使之不超过极限压力Ｐ↓［极限］；（ｅ）任选地输送补充空气进入所述容器，使整个所述材料达到在约４００℃以上的某一温度，同时控制所述压力为Ｐ↓［１］；（ｆ）释放所述容器中的气体，以降 低所述压力至Ｐ↓［２］。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MJ小安塔尔，
申请(专利权)人：太平洋碳和石墨有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]