[0001] 本发明涉及一种转化器形式的设备，该设备用于连续转化生物质或其它固体有机进料以产生有价值的产物，诸如但并不限于液体水产物、液体油产物、气体产物和固体含碳产物(诸如炭产物)中的任一种或多种。

[0002] 本发明还涉及一种经由热解或其它机制将生物质或其它固体有机进料连续转化成有价值的产物的方法，其中有价值的产物诸如但并不限于液体水产物、液体油产物、气体产物和固体含碳产物(诸如炭产物)中的任一种或多种。

[0003] 术语“有机进料”包括生物质、泥炭、煤、油页岩/含油砂岩地层、塑料废料，而且也包括这些进料的混合物。

[0004] 术语“生物质”在此应理解为，指活的或最近活的有机物质。

[0005] 具体的生物质产物例如包括林业产品(包括碾磨残留物，如木刨花)、农产品、在水生环境中产生的生物质(诸如藻类)、农业废弃物(诸如秸秆、橄榄核和坚果壳)、动物粪便、市政和工业废渣。

[0006] 术语“煤”在此应理解为，例如包括泥炭、褐煤、黑煤，和被称为“煤渣”的产品的范围。

[0007] 术语“油页岩”在此应理解为，例如包括含可用比例的有机分子的任意地质沉积材料。

[0008] 下面的描述着重于经由热解转化生物质和煤形式的有机进料。但是，应理解本发明并不限于所述“热解”的反应机制，而是延伸至将固体有机进料转化成液体水产物、液体油产物、气体产物和固体含碳产物(诸如炭产物)中的任一种或多种的其它反应机制。例如，本发明延伸至经由使材料干燥来转化固体有机进料，并且在干燥具有显著量的滞留水或结合水的材料(诸如褐煤)中具有重要的应用，具有最少(如果有的话)的热解。本发明还延伸至在反应腔室内发生的一定程度的汽化。

[0009] 本申请人的国际申请PCT/AU2009/000455公开了一种热解固体有机进料，诸如生物质、煤以及生物质和煤的混合物的方法，该方法包括以下步骤：

[0010] (a)向热解反应腔室的入口供应固体有机进料；

[0011] (b)使上述固体有机材料从腔室的入口向下游端穿过反应腔室移动，并且使有机材料暴露于腔室内的温度分布，随着有机材料穿过腔室移动，使有机材料干燥和热解，并且从有机材料释放出水蒸气和挥发性产物气体相。

[0012] (c)使在步骤(b)中通过加热固体有机材料产生的水蒸气相和挥发性产物气体相，以与固体有机材料相反的方向穿过反应腔室移动，以使水蒸气相和挥发性产物气体相的可凝结的组分在腔室的较冷的上游区段中凝结，并且形成液体水产物(从热解过程中回收的水通常有些酸性，并且含有稀释的烟雾化学品和其它有机物；其常被称为焦木酸或“木醋酸”，在园艺中具有有利的应用)和分离的液体油产物；以及

[0013] (d)经由腔室的独立的上游出口排出液体水产物和液体油产物，并且从腔室的下游出口排出经干燥和热解的固体产物。

[0014] 国际申请PCT/AU2009/000455还公开了，经由腔室的独立的出口，将不可凝结的气体产物排出到上述出口。

[0015] 在上述国际申请和本申请中，术语“热解”都应理解为指在缺乏氧化剂或具有有限供应的氧化剂的情况下，有机材料的热分解，以便仅可能进行部分气化。这可包括从导致干燥和部分热分解的“温和热解”，到产生油、气体和炭产物的“完全热解”的范围。热解的主要产物是气体、液体和炭。气体通常包括一氧化碳、二氧化碳、氢气和烃。液体通常包括水、焦油和油。

[0016] 上述方法可包括：通过向反应腔室供应含氧气体，并且使腔室中的可燃气体至少部分燃烧，在反应腔室中生成温度分布。

[0017] 上述方法可包括：将水供应至腔室的下游端中并且使水蒸发，从而回收经干燥和热解的产物中的热能，并且形成水蒸气。

[0018] 上述国际申请还公开了一种热解有机进料的设备，该有机进料包括生物质和煤，并且包括生物质和煤的混合物，该设备包括：

[0019] (a)热解反应腔室，具有上游端、下游端、有机进料的入口、在腔室中产生的气体的出口，以及(i)液体油产物、(ii)液体水产物和(iii)经干燥和热解的产物的独立的出口；

[0020] (b)用于使有机材料以与腔室中生成的气体流逆流的方式，从反应腔室的上游端朝下游端穿过反应腔室移动的组件；

[0021] (c)用于在反应腔室中建立温度分布的组件，该温度分布包括从腔室的上游端，沿反应腔室的长度依次延伸的如下温度区域：用于水凝结的第一温度区域(区域1)，用于水汽化的第二温度区域(区域2)，用于油和焦油凝结的第三温度区域(区域3)，以及用于油和焦油汽化并且形成经干燥和热解的产物的第四温度区域(区域4)。

[0022] 上述国际申请中公开的内容通过引用并入本文中。

[0023] 上面的描述不应被视为，是承认澳大利亚和其他国家的公知常识。

[0090] 参考附图，附图中示出的用于处理生物质或其它固体有机材料的连续转化器形式的设备(通常以数字3表示)的实施方式包括反应腔室5，反应腔室5具有上游较冷端7、进料的入口41、下游较热端9，在上游端分别从腔室5排出液体水和气体产物的出口13、出口35，以及在腔室5的下游端排出固体含碳产物(例如以炭的形式)的出口15。

[0091] 应注意，通常气体产物流会包含水雾和蒸汽，并且可在转化器3的下游对气流进行处理(例如通过冷却)以从气流中去除/回收水。在水凝结和分离之后剩余的气体产物流可用作发电或其它最终应用的燃料气体。还应注意，可运行上述处理，以便水仅作为水蒸气排出，而从腔室5没有作为液体水产物流排出的液体水。因此，在本发明的这一实施方式中，从腔室中排出的仅有的“产物”是气体产物和固体含碳产物。气体产物可包括水蒸气、CO、H2、CO2、N2、甲烷、乙烷和其它轻质烃。从腔室中排出液体水产物。

[0092] 转化器3还包括用于向反应腔室的上游端(进入挤入机)供应有机进料的给料斗37。给料斗可以是经密封的或者是开放的漏斗。

[0093] 转化器3还包括在反应腔室5中从上游端7朝下游端9连续向前推动进料的组件。该组件包括三个平行的可旋转的轴17和安装在该轴上的螺旋加料器19。螺旋加料器19是交错的。一个轴19是经由马达M4的马达驱动的轴，而其它轴19经连接以与被驱动的轴一起旋转。这是简单且可靠的设置，从而使轴17绕其轴线的旋转推动进料从腔室5的上游端朝下游端移动。进给螺杆的设置可包括单个螺杆或任意其它适合数量的多个螺杆，这些螺杆可以是交错的或可以不是交错的。

[0094] 转化器3还包括向反应腔室5供应进料的挤入机21和从腔室5排出固体含碳产物的挤出机23。每一装置都包括在同一轴线上的两个螺杆27、29。安装螺杆27和螺杆29，以绕轴线相对于彼此反向旋转。应注意，螺杆27和螺杆29可被设置为以相同方向旋转。这些螺杆通过轴向间隙25分离开。挤入机21控制向反应腔室5供应进料的速度，压缩进料并且形成使气体经由挤入机从腔室5泄漏最小化的密封。每个螺杆27、29都独立地由具有可变的速度能力的马达M1、M2驱动，以便在使用中，下游螺杆27以比上游螺杆29慢的旋转速度运转。旋转速度上的差异使进料从给料斗37供应至上游螺杆29，并且被运输至间隙25，以在间隙25中进行压缩，作为被压缩的材料进入下游螺杆27，然后经由下游螺杆27作为被压缩的材料向前行进。

[0095] 通过将马达M1和马达M2的马达扭矩设置成递送所需的压缩水平所需的水平，可控制上述方法和密封质量。通常，设置马达扭矩，而不是旋转速度，来达到控制目的。通常上游螺杆29的旋转速度与反应腔室5中的马达驱动的螺旋加料器19的旋转速度直接相关，以控制生产量。通常，控制下游螺杆27的旋转速度，以维持挤入机21的上游螺杆29的恒定扭矩，从而控制压缩。为实现所需密封的进料的装填密度可取决于很多因素，包括进料的特性。该特性可包括进料的装填特性。

[0096] 应注意，可使用相反的设置来达到控制目的。具体地，下游螺杆27的旋转速度可与反应腔室5中的马达驱动的螺旋加料器19的旋转速度直接相关，以控制生产量，而可控制上游螺杆29的旋转速度，以维持挤入机21的下游螺杆27的恒定扭矩，从而控制压缩。

[0097] 类似地，挤出机23控制从反应腔室5排出固体含碳产物的速度，并且形成防止气体经由挤出机23从反应腔室5泄漏的密封。挤入机21和挤出机23具有相同的基础结构组件，并且这些组件在附图中由相同的附图标记表示。

[0098] 转化器3还包括常由数字11表示的进给组件，该进给组件用于控制进料从挤入机21向反应腔室5的入口41的流动。进给组件11包括：转移槽，该转移槽是在挤入机21的出口
45和反应腔室5的入口41之间的分配盒43的形式；和清扫器叶片47，清扫器叶片47经由马达M3的运行可绕分配盒43的中央垂直轴线转动，以控制进料向反应腔室入口41的分配。

[0099] 在使用时，来自挤入机21的出口45的进料向下穿过入口41落入反应腔室5的上游端中，并且例如利用反应腔室中的螺旋钻穿过反应腔室5向前移动，经热分解，然后作为固体含碳产物经由挤出机23排出腔室5；同时还产生液体水和气体产物，并且随着进料穿过腔室5移动，该液体水和气体产物经由出口13、出口35排出腔室5。

[0100] 通常，控制向反应腔室5的进给速度，以确保腔室充满进料。

[0101] 对于确保存在递送至反应腔室5的入口的进料的均匀分配(即使得反应腔室5充满进料)来说，清扫器叶片47是重要的。

[0102] 从运行角度来看，分配盒43中的进料的水平也是一个重要因素。申请人发现，如果进料水平太高，可能阻塞上述设备。

[0103] 运行转化器3的方法包括，测量清扫器叶片47上的扭矩，以提供分配盒中的进料水平的指示，并且调整挤入机21的上游螺杆的旋转速度，以控制进料的供应速度，从而维持分配盒43中的进料的期望水平。

[0104] 转化器3具有结构特征，使得可以在反应腔室5中建立且维持所需的温度分布，以在反应腔室5中运行本发明的方法的一个实施方式。

[0105] 具体地，转化器3的重要特征例如包括反应腔室5的长度的选择、给料(例如生物质)的选择和穿过腔室5的给料速度(即有机材料)，从而提供含氧气体向腔室5中的定向注射，提供液体水向腔室5的下游端中的定向注射，以及提供在腔室内实现内部热传递的工件。

[0106] 如在国际申请PCT/AU2009/000455中公开的，并且如在图11中例示的，在附图中示出的同一总体设想的本发明的实施方式的所需温度分布包括，从腔室的上游端依次沿反应腔室的长度的以下温度区域：用于水凝结的第一温度区域(区域1)，用于水汽化的第二温度区域(区域2)，用于油凝结和有机材料分解的第三温度区域(区域3)，以及用于油汽化和有机材料的进一步分解、从而形成炭的第四温度区域(区域4)。上述温度分布使有机进料干燥，以在第二温度区域中从材料中蒸发出水，然后使经干燥的有机进料逐渐分解，并且凝结通过分解产生的气体为(a)第一温度区域中的液体水产物和(b)在第三温度区域中的液体油产物，最终在第四温度区域中形成炭产物形式的固体含碳产物。应注意，在附图中示出的各个区域之间存在重叠区。此外，上述温度分布通常使得有机材料不会被加热至超过700℃的温度，在超过700℃的温度下，存在由形成二噁英的前体并且最终形成二噁英的可能性而引起的潜在的安全问题。

[0107] 转化器3还包括用于在反应腔室5中建立且维持所需的温度分布的组件。该组件在反应腔室5中生成热并且在腔室5内传递热，以在腔室中建立和维持上述温度分布。该组件包括外固体铜套筒(未示出)或其它适当的高热导材料，位于腔室5中形成所需的温度分布的第三温度区域(区域3)和第四温度区域(区域4)的区段的周围。该组件还包括轴17的被容纳在由高传热材料(诸如铜)形成的铜套筒内的部分。如上所述，第三温度区域(区域3)和下游较高温度区域(区域4)中的温度分布使得在这些区域中、尤其在区域的较高温度的下游端中，存在有机材料的分解。为了利用这些区域中的可燃气体的产生，该组件还包括将含氧气体供应到反应腔室5中的装置。气体供应件包括在轴17中的一系列通道(未示出)，和/或注射含氧气体(通常为空气/氧混合物)的套筒，以燃烧通过在反应腔室5中的第三温度区域(区域3)的上游端和/或第四温度区域(区域4)中有机材料的分解所产生的可燃气体。应理解，轴17的铜区段和外套筒是沿腔室的长度传递热的有效工具，以便第三温度区域的长度足以提供区域中所需的温度分布和停留时间。

[0108] 转化器3特别适于一种方法，运行该方法，以便腔室中产生的液体油产物完全变性。具体地，运行上述方法，以便在腔室中形成的液体油和焦油产物挥发和裂化至如下程度，液体油和焦油产物完全变性成不可凝结的气体，并且从腔室的上游端排出该不可凝结的气体。

[0109] 下面，总结了本发明的方法和设备的上述实施方式的关键要素。

[0110] ·低能耗-运行上述方法仅需要生物质给料能量的5％。

[0111] ·填充进料的连续床-在沿腔室长度的任意位置，在整个反应器腔室的均匀渗透。

[0112] ·挤入机和挤出机使得能够实现连续的给料和排出，并且提供有效的密封。

[0113] ·仅以举例的形式，可在没有在先干燥的情况下，处理含高达50％湿度(或更高)的生物质或煤-(能源效率、较低的成本、给料灵活性)。

[0114] ·所有输出的流(油(当产生时)、液体水(当排出时)、炭和气体)在独立的点离开上述设备-因此能进行有效的产物回收。

[0115] ·上述方法中生成的油可在反应器内进行回流，同时进行焦油的原位裂化-从而提高产物价值，并且可导致油的完全变性，从而产生不可凝结的气体。

[0116] ·在热解过程中生成的气体足以满足工艺用热的需求-上述方法中产生的所有的油(如果有的话)和炭从而可用于经济用途–因此，上述方法是节能的，并且能实现最大的产品收益。

[0117] ·存在“温和热解”(仅干燥或分解(torrification))的选择，其中反映腔室中的最高温度不超过Tx，即不发生明显的油汽化。

[0118] ·在上述方法中可避免二噁英，因为可将运行温度设置为低于二噁英前体形成–这从健康和安全角度来看是重要的。此外，在腔室5的较冷端，以湿相运行上述工艺，并且这是二噁英和其它污染物的有效清除器。

[0119] ·据报道，进料中的营养物主要是炭–因此，增加了土壤炭的价值。

[0120] ·对于目前被低估的生物质和煤源，以及高含水量的给料(例如大部分生物质源)，存在高度的进料灵活性。

[0121] ·可在上述方法和设备中使用各种粗尺寸和精细尺寸的输入材料–通常小于35mm。

[0122] ·可在上述方法和设备中使用高矿物质给料–据报道矿物质是炭(如灰分)，并且炭在土壤中使用是没有问题的。

[0123] ·可在上述方法和设备中使用泥煤和褐煤(高湿度)以及煤废弃物(高矿物质)。

[0124] ·(通过燃烧一些热解气体)内部生成驱动上述方法所需的热，这样的设计能产生高产量(外部使用工艺用热的已知技术局限于约4公吨/小时干生物质的产量)-(高生产率)。

[0125] ·通过改变含氧气体注射的速度，来控制/提高生产率–这提供了一些灵活性，以使反应腔室中的慢热解条件转变成闪热解条件，具有改变油(如果存在)和炭性质，以及油:炭比率的能力的相应能力–从而改变产物范围方面的灵活性，这在千变万化的市场中可能是重要的。

[0126] 与已知的商用或开发中的热解技术相比，本发明的方法和设备创建了完全独特的热化学环境。

[0127] 在不偏离本发明的主旨和范围的情况下，可对附图中示出的本发明的方法和设备的实施方式进行很多改变。

[0128] 例如，当结合附图描述的实施方式包括三个平行的可旋转的轴17和在轴17上的交错的螺旋加料器19时，本发明并不限于这种限制，而是可延伸至用于沿腔室5移动进料的任意可选的设置，而且不限于这一数量的可旋转的轴17和交错的螺旋加料器19。

[0129] 进一步例如，当结合附图描述的实施方式包含特定形式的挤入机21和挤出机23时，本发明并不限于这种设置，而是可延伸至用于向腔室5供应进料和从腔室5排出固体产物的任意可选设置，并且为腔室5建立有效气封。

[0130] 进一步例如，当结合附图描述的实施方式包含用于控制进料从挤入机21向反应腔室5的入口41的流动的特定进给组件11时，本发明并不限于这种设置，而是可延伸至任意合适的可选设置。

[0131] 在本说明书中，词语“包含/包括/有(comprise)”或如“包含/包括/有(comprises)”或“包含/包括/有(comprising)”的变体应理解为暗示包括所述的元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的组，但不排除还包括其它任意元件、整数或步骤，或元件、整数或步骤的组。