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。在本发明上 下文中术语“惰性”指的是在实施本发明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。        进料       C     重量％       H     重量％       O     重量％       N     重量％       S     重量％     灰分    重量％    桉属木炭     80.30     3.84     13.82     0.31     ＜0.01     1.74    昆士兰(Macadamia)    果壳炭     74.58     4.08     19.95     0.56     ＜0.01     0.83    昆士兰果壳碳     94.58     0.97     2.93     0.47     0.03     1.04    橡树木碳     92.84     1.09     3.49     0.24     0.04     1.46    松木碳     94.58     1.06     3.09     0.11     0.04     0.69
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US 5,435,983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      250            0.22            27             890
               秣杆          410            0.27            93             3100
玉米(10州)a   秣杆          140            0.27            31             1000
小麦及裸麦     皮            40             0.26            8.6            280
               禾杆          110            0.29            27             890
大豆           皮            5.2            0.26            1.1            37
               叶柄和禾杆    120            0.27            26             850
棉             废渣          19             0.32            5.7            190
燕麦及大麦     皮            5.9            0.26            1.4            47
               禾杆          17             0.29            4.5            150
高粱           残渣          14             0.278           3.3            110
稻             壳            3.1            0.28            0.75           25
               禾杆          8.5            0.30            2.1            68
坚果b         皮及壳        4.3            0.29-0.35       1.2            39
亚麻           废渣          1.4            0.30            0.4            14
表注：
aWalsh，M.et al.Corn Stover to Ethanol：Macro-economic Impacts Resulting from Industry Establishment，The 9th Biannual 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，本发明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。
本发明的进一步目的在于减少转化生物质为炭所需外供热量。
本发明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，本发明的这些及其它目的和优点都将 会是很明白的。
发明综述
本发明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
附图是用于实施本发明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。
实施本发明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。按照本发明制成的生物碳，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 燃的，可在燃气轮机或燃气发动机中使之燃烧，产生附加功率，超过 仅由炽热增压气体膨胀所提供的功率。或者，气体可以在燃烧器或火 舌或催化的后燃室中燃烧。
此后，将结合附图所示装置，对本发明方法进行描述。但是，也 可以利用可以维持工艺参数并可以取出处理后的炭而不暴露于空气或 氧中的其它装置。
通过装料口盖板15，可将任何适宜型的湿或干生物质，诸如木料 原木或锯屑或稻壳或玉米穗轴，装到金属筒14中。金属筒内的空腔14A 优选由金属筛网或打孔金属板制成，以使生物质或引火物被直接加 热，从而促使其点燃。在对金属筒14装填生物质13后，经铰链(hinged) 密封(12)将其装入反应器10内并加以密封。衬在压力容器内壁的绝 缘材料11减少了在燃烧和热解过程中来自金属筒14的热损失。一般， 该反应器10首先被增压。空气压缩机(未示出)将空气经管线1通过 阀18输送至反应器中，以升高反应器内部压力，达到所需水平。可 以使用空气或富氧空气。然后，将电力经线路16A送至棒条加热器16， 加热生物质材料的填充床，并在增压空气环境中使之点火和燃烧。可 以在靠近加热器的金属筒14底部使用引火物以有助于点燃。在加热 过程中，可对反应器10输送空气，以加快点火。或者，可先加热生 物质到足以点燃的温度，然后加入空气，使达到所需内部压力。利用 调压器17从反应器10底部释放气体，从而控制反应器10内的压力。 反应器内温度可通过热电偶19加以监测。同样，反应器内的压力可 通过压力计20加以监测。在点燃前的加热期间，由于与生物质相关 的水分汽化，压力会上升。当生物质点燃时，反应器内压力和温度都 会上升得更快。此时，一般是在加热器接通后仅2-4分钟时，就可关 掉加热器，以使对反应器外供能量减至最小。要将调压器17设定在 当压力达到指定极限值时就释放反应器的气体，指定压力极限值一般 不大于400磅/平方英寸表压。最佳压力取决于进料，但通常在100-200 磅/平方英寸表压范围。如果需要，可通过空气压缩机经阀18和竖管 29将补充空气输送至该金属筒顶部，并从反应器底部经阀17排放气 体，使整个料床达到400℃或以上的温度。从反应器顶部至底部的这 种气体流动使操作为下向式，即空气向下流动穿过床层，而火焰前锋 向上移动。当该床层顶部温度达到所需水平时(该温度取决于生物质 进料，但一般在400℃以上)，一般就要通过截止阀18停止对反应器 输送空气。但是，对于某些类型的生物质，可能必需持续在低压下加 入空气，以维持燃烧。在大多数情况下，按每千克干生物质计，输送 至该容器的总空气量将不足2千克。输送空气所需时间取决于空气流 率和进料，但一般在10-30分钟范围。经调节器17和管线21释放反 应器内的气体，以降低反应器内压力。可降低压力至0磅/平方英寸 表压，或降至某一中间预定水平。如果这种气体是易燃的，如所示它 可能在火舌中燃烧或可能在外部燃烧器中(未示出)燃烧，或在催化的 后燃室(未示出)燃烧，以产生热量。或者，可以在高压下把经调节器 17从反应器释放出的炽热增压气体输送至标准蒸汽轮机(未示出)或燃 气发动机(未示出)中，使气体经膨胀至常压而产生动力。如果该高温 气体是易燃的，它可能在燃气轮机(未示出)或在燃气发动机(未示出) 中燃烧，产生附加功率。
在这些条件下，反应器内材料的准确停留时间将取决于所用材料 的具体类型和含水量，但是，一般停留时间将不足30分钟。对于具 体生物质进料的最佳条件，本领域任何普通技术人员均可对具体生物 质材料样品进行试验而易于确定。
本发明的特征是，为使效率最大化，在各次装料之间不必冷却反 应器。在打开铰链密封12之前，通过阀17排放气体，以降低反应器 内压力至常压。金属筒14是紧密的；因此使进入金属筒14的空气减 到最少，所以从反应器提起金属筒时金属筒内的生物碳不燃烧。少量 空气可经空腔14A进入该金属筒，但如果把金属筒置于水面或水池里， 该金属筒底部外缘可有效地起到一种密封的作用。冷却后，从金属筒 14卸出生物碳。从反应器10取出金属筒后，立即将生物质材料的另 一金属筒下放入该反应器中。然后可密封、增压和再加热该反应器， 而不必使反应器10进行任何明显的冷却，从而使全过程更为有效。
参照附图，反应器10的其它特征包括，顶部密封垫圈22、下密 封垫圈23、内密封垫圈24和底部盲板25。铰链密封12是经一种常 规锁定机构26而被紧固的。为了提起和下放金属筒14进入反应器10， 该金属筒14装有一个链条柄28。安全阀30采用一种万一超压时释放 气体的爆破隔膜。
以下实施例是提供来说明本发明的，而非以任何方式试图限制本 发明。
实施例1
对如图所示的反应器装填去皮银合欢木料(1.437千克风干木料 (14.3重量％，按干基计)并用空气对其增压至400磅/平方英寸表压。 接通内加热器。点火之前，从反应器底部排放部分气体，以控制其压 力在400磅/平方英寸表压。加热4分钟后木料点燃，断开加热器电 源，从反应器底部排放气体，以缓慢降低反应器内气体压力至150磅 /平方英寸表压。然后，将稳定空气流输送至该反应器顶部，并从该 反应器底部排放气体，以保持反应器压力约150磅/平方英寸表压。 点燃后34分钟，木料填充床顶部温度达到600℃，关闭空气流。从反 应器底部排放气体，以降低该反应器压力至0磅/平方英寸表压。点 燃木料需要约0.2千瓦时的功率，并在初期增压后，对该反应器输送 总共0.94千克的空气。随后取出反应器物料并加以检验。所有银合 欢木料均被转化为优质炭，其挥发物含量在2.7-27.8重量％之间，灰 分在2.9-4.1重量％之间。炭收率为36.8重量％(干基)，固定碳收率 为29.7重量％。按该银合欢木料进料的C、H、O组成计，其固定碳理 论收率为34.4重量％。因此，该条件能转化银合欢木料为碳，其效率 为理论极限的86％。
实施例2
此实施例类似于实施例1，但不同的是，点火在更低压力下进行。 对反应器装填1.393千克的风干去皮银合欢木料(13.1重量％，按干基 计)，用空气对其增压至150磅/平方英寸表压。接通内加热器。点火 之前，从反应器底部排放部分气体，控制其压力在150磅/平方英寸 表压。加热6分钟后该木料点燃，切断加热器电源。然后，将稳定的 空气流输送至反应器顶部，并从反应器底部排放气体，以保持反应器 压力约150磅/平方英寸表压。点火后28分钟，该木料填充床顶部温 度达到560℃，关闭空气流。从反应器底部排放气体，降低该反应器 压力至0磅/平方英寸表压。点燃该木料需要约0.2千瓦时的功率， 并在初期增压后，对该反应器输送总共0.93千克的空气。随后取出 该反应器物料并加以检验。所有银合欢木料均被转化为优质炭，其挥 发物含量在9.6-36.7重量％之间，灰分在2.3-3.7重量％之间。炭收 率为40.0重量％(干基)，固定碳收率为29.7重量％。同实施例1一 样，此试验条件能转化银合欢木料为碳，其效率为理论极限的86％。 这些结果说明了这种方法的重复性，表明较高点火压力对此方法性能 的影响少。
实施例3
来自制造地板的橡树废木是从炭工业厂商获得的。该反应器装填 1.285千克的风干橡树木料(8.6重量％按干基计)，用空气使其增压至 200磅/平方英寸表压。接通内加热器。点火之前，从反应器底部排放 部分气体，控制其压力在200磅/平方英寸表压。加热5分钟后该木 料点燃，断开加热器电源，从反应器底部排放气体，缓慢降低反应器 内气体压力至150磅/平方英寸表压。然后，将稳定空气流输送至该 反应器顶部，并从该反应器底部排放气体，以保持反应器压力约150 磅/平方英寸表压。点火后25分钟，该填充床顶部温度达到460℃， 关闭空气流。从反应器底部排放气体，降低该反应器压力至0磅/平 方英寸表压。点燃该木料需要约0.2千瓦时的功率，并在初期增压后， 对该反应器输送总共0.69千克的空气。随后，取出该反应器物料并 加以检验。所有橡树木料均被转化为优质炭，其挥发物含量在15.3- 24.6重量％之间，灰分在0.4-0.8重量％之间。其炭收率为35.1重量％ (干基)，固定碳收率为28.0重量％。按该橡树木料进料C、H、O组成 计，固定碳的理论收率为29.6重量％。4因此，其条件能转化橡树木 料为碳，其效率为理论极限的95％。
实施例4
对该反应器装填0.496千克的风干玉米穗轴(11.9重量％按干基 计)，用空气增压至150磅/平方英寸表压。接通内加热器。升温期间 从反应器顶部排放部分气体，控制其压力在150磅/平方英寸表压。 加热2分钟后，玉米穗轴燃料点燃。此后立刻在150磅/平方英寸表 压压力下输送稳定空气流至该反应器顶部，从反应器底部排放气体， 保持反应器压力至约150磅/平方英寸表压。点燃后18分钟，切断空 气流，从反应器底部排放气体，降低反应器压力至0磅/平方英寸表 压。初期增压后，对该反应器输送总共0.51千克的空气。随后，取 出该反应器物料并加以检验。所有玉米穗轴均被转化为优质炭，其挥 发物含量在11.0-17.5重量％之间，灰分在2.4-3.0重量％之间。其炭 收率为33.1重量％(干基)，固定碳收率为28.0重量％。按该玉米穗 轴进料的C、H、O组成计，固定碳的理论收率为28重量％。见参考文 献4。因此，该条件能转化玉米穗轴为碳，效率为理论极限的100％。
对照实施例5
按实施例2，由1.231千克银合欢木料(干重)生产0.492千克的 炭，输入0.2千瓦时功率，点燃该木料。在此实例中，生产每千克炭 功率消耗约0.4千瓦时。在US 5,435,983的表3中，由风干银合欢 木料产生每千克炭所消耗的功率为3.5-3.7千瓦时。这个比较表明， 本发明几乎降低了功率消耗10倍。如采用更大反应器，利用本发明 甚至可使功率消耗降低得更多，因为在更大反应器中0.2千瓦时的功 率足以点燃数量多更多的生物质，而使炭生产量高得多。加热时间的 比较表明，在实施例2中，加热时间从(US 5,435,983表3中的)约110 分钟降低至34分钟。注意，在表3中试验A和B的炭收率几乎与实 施例2中实现的相同。
对照实施例6
在实施例4中，由玉米穗轴得到的炭和固定碳收率(分别)为33.1 和28.0重量％。在如实施例2中所用的相同实验反应器中，当采用US 5,435,983的方法用湿玉米穗轴时，炭和固定碳收率(分别)为31.2和 21.6重量％。见参考文献4。因此，本发明使由玉米穗轴所得的固定 碳收率增加了30％。
这些对照实施例表明，本发明相对于我们早期工作显著降低了碳 化生物质所需要的功率消耗和时间，在提高固定碳收率方面增加了收 益。
可以按其它具体方式具体实施本发明，而不会偏离其精神或基本 特征。因此，本发明的这些实施方案在各个方面都应看成是对本发明 范围的说明而非限制。本发明通过附后权利要求已被说明，因此包括 在这些权利要求的含义、范围和等同内容范围内的所有改进都应被包 含其中。
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