，出于可用性 的原因可W使用諸如天然氣、木材W及農(nóng)業(yè)廢料的其它來源。然而，最近對諸如二氧化碳的 溫室氣體的關(guān)注使得公眾意見偏離作為用于發(fā)電的理想方式的氣化。
[0033] 另一種工藝是升華，一種使固體清潔地轉(zhuǎn)化成氣體而不經(jīng)歷液態(tài)的高溫方法，液 態(tài)是可W引起上文關(guān)于氣化所論述的許多副反應(yīng)的通道。升華的關(guān)鍵在于在不存在自由水 的情況下并且在實質(zhì)上無氧氣氛中使固體暴露于高溫。在升華下，甲烷基團(tuán)從碳鏈分離，而 不會分解成二氧化碳和水。然而，因為運(yùn)種工藝需要運(yùn)樣的高溫，所W尚未發(fā)現(xiàn)是能量有效 的。升華是吸熱工藝。至少使用與所得輸出甲燒中一樣多的能量來加熱含碳原料至升華溫 度。出于本文獻(xiàn)的目的，甲燒、產(chǎn)品氣體燃料W及天然氣產(chǎn)品氣體燃料將可互換使用。
[0034] 本發(fā)明包含充分能量有效的設(shè)備方面和方法方面，運(yùn)在于升華是用W生產(chǎn)甲燒用 于能量用途，諸如運(yùn)轉(zhuǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的實用方式。另外，設(shè)備可W按比例縮小至一定大小，使得 其便于加工農(nóng)場的農(nóng)業(yè)廢料W用配套燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電來供應(yīng)鄰近小鎮(zhèn)的電力需求。類似的效 益可W從城市通過使用其生物質(zhì)垃圾作為含碳原料來獲得。另外，使用設(shè)備加工城市廢料 的城市可W減少填埋物所需的±地面積并且減少在廢料氣化期間由焚化爐產(chǎn)生的導(dǎo)致不 利溫室效應(yīng)的二氧化碳，而同時形成有用的產(chǎn)品氣體燃料和固體生物炭燃料。
[0035] 系統(tǒng)方面包括實質(zhì)上水平的升華器用于加工范圍從每單位體積低密度或低重量 至每單位體積高密度或高重量的含碳原料。低密度含碳原料的實例通常是生物可再生含碳 材料，并且包括例如小麥和稻賴、能量作物、草、植物的桿和莖、作物殘留物、基于植物的纖 維素 W及樹枝。低密度含碳原料將需要壓縮或致密W增加密度W使得每單位時間可W加工 足夠的含碳原料，由此產(chǎn)品可W在能量市場上有競爭力地定價。高密度含碳原料的實例通 常是所制造的不可再生含碳材料，并且包括例如塑料、輪胎、硬紙板W及至少部分由木材或 其它纖維素材料制成的制造元件。運(yùn)些材料常常與填埋物和城市固體廢料相關(guān)。高密度原 料需要縮減粒度W允許在足夠短的時間內(nèi)升華使得其為經(jīng)濟(jì)的。必須小屯、控制工藝條件W 避免高密度含碳原料在升華器的壁上形成液體焦油。
[0036] 現(xiàn)在將論述使用實質(zhì)上水平的升華器有效地使含碳原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品氣體燃料和 固體炭燃料的總體工藝。將針對需要含碳原料制備、干燥W及壓縮，并且使用具有兩個反應(yīng) 室和燃燒器W傳遞升華熱的設(shè)備的一個實施方案簡要地描述運(yùn)種工藝。稍后將更詳細(xì)地論 述本發(fā)明的設(shè)備和方法。簡單地說，本發(fā)明的運(yùn)個實施方案的升華工藝包括制備步驟、干燥 步驟、壓縮步驟、升華步驟W及分離步驟。含碳原料制備將由考慮用于加工/轉(zhuǎn)化的含碳原 料的物理特征，諸如其水含量W及諸如大小和厚度的物理特征來決定。含碳原料的大小縮 減將增強(qiáng)含碳原料的可壓縮性W允許反應(yīng)室中的最大通過量。在一些實施方案中，大小是 小于一邊為約2cm(約0.75英寸）的立方體等效物的體積與在任何一個方向上不大于約5cm (約2英寸)的長度。
[0037] 在適當(dāng)制備含碳原料之后，其然后將穿過輸入管線上的氣密元件傳送至具有內(nèi)部 螺旋鉆的實質(zhì)上水平的干燥室中并且用來自下游工藝的再循環(huán)熱處理W驅(qū)散盡可能多的 自由水。減少自由水含量將增加由含碳原料的熱吸收并且減少由升華反應(yīng)室和成品氣體燃 料內(nèi)部的水帶來的氧氣量。減少產(chǎn)品氣體燃料所含的自由水和氧氣將使得產(chǎn)品氣體燃料中 的二氧化碳和一氧化碳更少，運(yùn)對于增加其能含量是合乎需要的。
[0038] 在干燥室之后，含碳原料將傳送至含有壓縮螺釘?shù)膲嚎s室中，運(yùn)個壓縮螺釘被設(shè) 計成將含碳原料壓縮至所需密度。運(yùn)種壓縮進(jìn)一步減少剩余的任何自由水。其還去除含碳 原料中夾帶的空氣，運(yùn)也將使升華反應(yīng)室中所存在的氧氣減至最少。運(yùn)種脫水、脫空氣并且 致密的含碳原料將進(jìn)入反應(yīng)室。
[0039] 壓縮室在其進(jìn)入反應(yīng)室的退出口處顯現(xiàn)出原料栓塞。運(yùn)個栓塞充當(dāng)部分屏障或密 封件W使反應(yīng)室中產(chǎn)生的最少量的氣體回流并逸出。輸入管線上的氣密元件防止其余的氣 體從系統(tǒng)逸出。
[0040] 在所論述的實施方案中，升華器的實體設(shè)施是Ξ維矩形箱，其具有沿著頂部運(yùn)轉(zhuǎn) 的內(nèi)部實質(zhì)上水平的反應(yīng)室、下降通道、然后是在頂部反應(yīng)器的相反方向上的第二實質(zhì)上 水平的反應(yīng)室。每個反應(yīng)室含有其自身的用于運(yùn)輸原料的螺旋鉆，是連續(xù)的，并且完全密封 W防任何熱產(chǎn)品氣體燃料逸出。
[0041] 在運(yùn)個實施方案中，燃燒器在加熱箱外部但附接至其，并且將加熱加熱箱的內(nèi)壁 與反應(yīng)室配置的外壁之間的空間W使得將不存在加熱反應(yīng)室的外部表面和反應(yīng)室中經(jīng)歷 升華的含碳原料內(nèi)含物的經(jīng)過加熱的轉(zhuǎn)移空氣的互混。加熱箱的所有內(nèi)部表面內(nèi)襯有高熱 絕緣材料W使熱損失降至最低并且使內(nèi)部反應(yīng)器空氣空間減至最小。
[0042] 在壓縮螺釘之后，含碳原料栓塞現(xiàn)在進(jìn)入反應(yīng)室。反應(yīng)室在其內(nèi)部含有螺旋鉆，運(yùn) 個螺旋鉆可W在排氣至管上方的頂部空間的管內(nèi)部，但在用于聚集所產(chǎn)生的氣體的反應(yīng)室 內(nèi)。螺旋鉆推進(jìn)并旋轉(zhuǎn)含碳原料W使其均勻地暴露于管或反應(yīng)室的側(cè)壁用于有效的熱交換 并且'翻轉(zhuǎn)'原料用于均勻加熱。反應(yīng)室從反應(yīng)室的外部表面加熱W轉(zhuǎn)移加熱空氣并且來自 燃燒器的任何燃燒產(chǎn)品不與含碳原料和/或產(chǎn)品氣體燃料互混。構(gòu)造反應(yīng)室W防止任何熱 氣體泄漏出。
[0043] 含碳原料然后沿反應(yīng)室的長度向下螺旋鉆孔。在反應(yīng)室的末端處，含碳原料下降 至第二螺旋鉆孔的反應(yīng)室中，其具有與第一反應(yīng)器管相同的設(shè)計。包括連接通道的Ξ個室 的配置看似向左旋轉(zhuǎn)90度的U形。
[0044] 含碳原料現(xiàn)在已經(jīng)縮減至不揮發(fā)的碳和揮發(fā)性氣體。揮發(fā)性氣體通過熱碳表面并 與熱碳表面混合并且與其反應(yīng)W形成熱產(chǎn)品氣體燃料。在兩個反應(yīng)室中的停留時間允許升 華期間形成的揮發(fā)性氣體離解并沿反應(yīng)室向下移動。
[0045] 在第二反應(yīng)器室的末端處是兩個出口。一個出口用于不揮發(fā)的碳通過氣密機(jī)構(gòu)并 且作為固體炭燃料收集，并且第二出口用于捕集產(chǎn)品氣體。過濾產(chǎn)品氣體并使其冷卻，并且 再結(jié)合至最終產(chǎn)品氣體燃料中，然后加 W儲存。
[0046] 更具體地說，本發(fā)明的設(shè)備方面包括一種系統(tǒng)，其包括熱箱、至少一個反應(yīng)室、第 一動力運(yùn)輸機(jī)構(gòu)W及氣密元件。運(yùn)個熱箱被配置成能夠從環(huán)境溫度加熱至操作升華溫度， 維持在小于±l〇°C內(nèi)穩(wěn)定的初始操作升華溫度和最終操作升華溫度，W及從操作升華溫度 冷卻至環(huán)境溫度而不會泄漏任何氧氣至熱箱中并且具有至少一個與熱箱的內(nèi)部連通W根 據(jù)需要供應(yīng)熱的熱源。
[0047] 升華含碳原料所需的溫度取決于個別的原料。如果操作溫度過低，那么液體在從 固體至氣體的相變期間形成，伴隨有上文所論述并且與氣化工藝相關(guān)的副反應(yīng)。如果溫度 過高，那么能量在已有的吸熱反應(yīng)中被浪費(fèi)。操作升華溫度通常介于600°C與850°C之間。更 常用的低密度含碳原料具有介于650°C與750°C之間的操作升華溫度。
[0048] 出于上述原因，反應(yīng)室中的操作溫度應(yīng)在設(shè)備的操作期間是相當(dāng)穩(wěn)定的。在反應(yīng) 室具有更短的長度并且含碳原料的流速更小的一些實施方案中，操作溫度可W在小于±10 °C內(nèi)實質(zhì)上恒定。在具有更長的停留時間和更大的含碳原料通過量的其它實施方案中，反 應(yīng)室可能不是恒定的，而是形成從開始至結(jié)束穿過反應(yīng)室下降的型態(tài)。在運(yùn)些實施方案中， 出于能量效率的原因，穿過反應(yīng)室的溫度型態(tài)的個別溫度應(yīng)在操作期間在小于±10°c內(nèi)穩(wěn) 定。
[0049] 熱源必須能夠?qū)嵯涞膬?nèi)部加熱至穩(wěn)定的操作升華溫度并且在設(shè)備的操作期間 維持那個溫度。熱源可W包括可W提供足夠熱的任何熱源，并且包括例如紅外光源、激光源 W及燃燒源。使用燃燒源的實施方案具有額外的優(yōu)點，在于其可W用一些產(chǎn)品氣體燃料供 燃料W使得其不需要來自外源的額外能量。運(yùn)類實施方案可W在操作期間用少至設(shè)備中形 成的產(chǎn)品氣體燃料的10%來自給自足。運(yùn)是歸因于產(chǎn)品氣體燃料的高能含量。
[0050] 至少一個反應(yīng)室是實質(zhì)上水平的，主要位于熱箱內(nèi)，具有一個表面，并且被配置成 在足夠短的時帖內(nèi)將不含外部催化劑或額外水的固體含碳原料加熱至操作升華溫度W升 華固體含碳原料的至少一部分而不會實質(zhì)上形成任何液體。而且，其被配置成從環(huán)境溫度 加熱至操作升華溫度，在升華溫度下操作，W及從操作升華溫度冷卻至環(huán)境溫度而不會泄 漏任何產(chǎn)品氣體燃料至周圍熱箱中。此外，其包括在熱箱外部并且被配置成經(jīng)由輸入管線 接收壓縮原料的輸入端和在熱箱外部并且被配置成經(jīng)由壓力隔離元件排放產(chǎn)品氣體燃料 氣并且經(jīng)由輸出管線排放固體炭燃料的輸出端。
[0051] 升華是從固體碳基原料中脫出較小的氣態(tài)控的反應(yīng)。等離子體當(dāng)與固體炭燃料殘 留物相互作用時再結(jié)合至產(chǎn)品氣體燃料中。因此，不需要昂貴的外部催化劑和后續(xù)精細(xì)的 重整操作來形成產(chǎn)品氣體燃料。另外，本發(fā)明的升華在最少的氧氣存在下進(jìn)行，因為任何氧 氣反應(yīng)產(chǎn)生非燃料反應(yīng)產(chǎn)物，諸如二氧化碳。因此，理想的是不使用過熱蒸汽與含碳原料接 觸來達(dá)到操作升華溫度。間隙地鎖定于纖維素細(xì)胞中的一些氧氣對于包含木材或植物殘留 物的含碳原料是不可避免的。另外，其它氧氣可W經(jīng)由不完全干燥而進(jìn)入。然而，氧氣的運(yùn) 些來源包含小部分并且促成小于20%的氣態(tài)產(chǎn)品并且常常小于10%或5%，運(yùn)取決于所使 用的特定含碳原料。
[0052] 為了避免經(jīng)歷液相，固體含