專利名稱：：木炭的生產(chǎn)方法發(fā)明范圍本發(fā)明涉及從木質(zhì)或草質(zhì)植物材料生產(chǎn)木炭的方法。
背景技術(shù)：
：在本文中使用的“木質(zhì)或草質(zhì)植物材料”一詞廣泛地包括生物質(zhì)(biomass)，如木頭、成材、木版、木屑和玉米芯等。此術(shù)語也用來包括加工過的纖維素材料，比如紙漿、紙板、紙、甘蔗或甜菜渣、繩子和其他源于植物的生物質(zhì)。按照本發(fā)明，通過熱裂解轉(zhuǎn)化的方法把木質(zhì)和草質(zhì)的材料轉(zhuǎn)化為木炭。在本發(fā)明文章中的“惰性”一詞表示的是在實施本發(fā)明時，在反應(yīng)容器中所達到的溫度和壓力下，不與木材或其熱裂解副產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的一類化合物、組合物或材料。制造木炭的常規(guī)技術(shù)一般包括8天一批次的裝載生物質(zhì)原料、加熱、冷卻和卸出木炭的一個周期。用傳統(tǒng)方法制造的優(yōu)質(zhì)木炭的產(chǎn)率(以在爐內(nèi)干燥的重量為基準(zhǔn))一般為25％，很少超過35％。優(yōu)質(zhì)木炭的揮發(fā)份等于或小于35％。格里邁特(Grimmett)的3,929,585號專利公開了一種方法是在138-538℃的溫度下在流化床中加熱木材，不過木炭的產(chǎn)率只有大約20％(干重為基)。貝克(Baker)等人在1983年12月19日的《能源進展》(EnergyProgress)，第3卷(第4號)226-228頁中公開了在流化床中加熱木材的實驗。據(jù)報道，在沒有催化劑存在下，在此流化床中加熱木材得到的碳的轉(zhuǎn)化率為9％(在1大氣壓下以碳為基)至21-27％(在10大氣壓下以碳為基)。然而，由于木炭幾乎是純的碳，而原料木材只有大約50％的碳，貝克等人所得到的木材到木炭的產(chǎn)率用干重為基表示時只是已說明值的大約50％，這個值和格里邁特報道的用流化床的低產(chǎn)率是符合的。默克和安塔爾(Mok&Antal)在《熱化學(xué)學(xué)報》(ThermochimicaActa)，68(1983)165-186公開了在不同的溫度和壓力下熱裂解木制品的情況。在該報告中報道的最高木炭產(chǎn)率大約22％。默克等人使用了一種實驗設(shè)備，在熱裂解過程中有氣體流過生物質(zhì)，有點像流化床的條件。默克等人的報告表明，只靠改變壓力不能明顯地影響木炭的產(chǎn)率。在阿特金森(Atkinson)的1,538,505號專利中公開了一種蒸餾方法，按這種方法先用水和蒸汽汽提碳質(zhì)材料(如玉米芯、木屑等)，然后在干餾釜中讓剩下的固體殘渣炭化。將熱裂解得到的反應(yīng)性氣體稀釋，從干餾釜中的固體物料中帶出，木炭的產(chǎn)率是低的。因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種經(jīng)濟的方法，有效地將木質(zhì)和草質(zhì)植物材料轉(zhuǎn)化為熱值大約為13,000Btu/lb(以含水分和無灰為基)的固體木炭。按照本發(fā)明，一般的每批周轉(zhuǎn)時間少于2小時，木炭的產(chǎn)率一般為35-50％。按照本發(fā)明制造的木炭一般揮發(fā)物含量小于大約25％，熱值大約為13,000Btu/lb.。本發(fā)明的又一個目的是提供將木質(zhì)和草質(zhì)植物材料進行轉(zhuǎn)化改進方法。參考附圖和下面的敘述將很容易理解本發(fā)明的這些和其它的目的以及本發(fā)明的優(yōu)點。發(fā)明概要本發(fā)明提供了通過熱裂解將木質(zhì)和草質(zhì)植物材料轉(zhuǎn)化為木炭的間歇方法，它包括如下各步驟在一個密封的容器中放入這類材料；在大約350以上的溫度下加熱該材料足夠的時間，使所述容器中的壓力上升到至少約15psig，但低于大約500psig，優(yōu)選低于440psig，最優(yōu)選低于150psig；和保持容器內(nèi)的壓力低于大約500psig足夠的時間，以超過35％的產(chǎn)率(干重為基)將木質(zhì)和草質(zhì)的植物材料轉(zhuǎn)化為木炭。除了將木材切割成便于處理的大小和形狀以外，不用任何的預(yù)處理就可以使用此木質(zhì)和草質(zhì)植物材料，因此該材料可以具有對于各類木材或草材是特征性的高濕含量或低溫含量。有一些木材比另外一些具有更高的濕含量。某些木材可能在潮濕或干燥的環(huán)境下切割或儲存，所以其實際濕含量可能高于或低于其天然濕含量。因此可以預(yù)期，木質(zhì)和草質(zhì)植物材料的濕含量可能高達約50％，或低達約1％。在任何情況下，都無須專門的爐烘干燥，因此這也是本發(fā)明的一個優(yōu)點。也提供了實施本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)備，它包括一個垂直的圓柱形反應(yīng)器、在其頂部的一個密封門、在反應(yīng)器內(nèi)部一個垂直對中放置的加熱裝置和一個調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)壓力的壓力調(diào)節(jié)裝置。為了使用該反應(yīng)器，用木質(zhì)和草質(zhì)植物材料充填具有一個可容納加熱器的空腔的金屬罐，并將其放入反應(yīng)器中。加熱以后，從反應(yīng)器中取出充滿熱木炭的金屬罐，再裝入另一個裝滿材料的金屬罐。附圖簡述附圖是實施本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)備的側(cè)視剖面圖。優(yōu)選實施方案的敘述下面結(jié)合在附圖中所表示的設(shè)備來敘述本發(fā)明的方法。不過，已經(jīng)認識到，也可以使用其它的設(shè)備，只要用它們能保持本方法的參數(shù)，能取出加工好的木炭，不使它們暴露在空氣或氧氣中即可。參照附圖，按照本方法使用的木質(zhì)和草質(zhì)植物材料可以以任何方便的形式提供，可以從顆粒狀物(如鋸末)到直徑6英寸或更大、幾英尺長的圓木。本發(fā)明的一個優(yōu)點就是，可以使用高含水量的植物材料，也就是說含水量可在大約15％以上(重量)，可以高達大約50％(重量)。圓柱形的反應(yīng)器10放在含有保溫材料11的隔熱環(huán)境中。保溫材料可以是考吾爾硅酸鋁纖維或其它高溫保溫材料。一般來說，反應(yīng)器10應(yīng)包在保溫材料11當(dāng)中。由于用保溫材料11包住了反應(yīng)器10，在兩次加料之間無須冷卻，因此使本方法比在重復(fù)裝料時需要冷卻的更加高效。如圖所示，包括潛水艇式人孔門12的反應(yīng)器上端沒有被保溫材料包圍。在給反應(yīng)器10加料之前，通過開口蓋15將碳質(zhì)材料13加到金屬罐14中去。金屬罐中間的圓柱形空腔14A優(yōu)選由金屬篩網(wǎng)或打孔的金屬制成，使得在熱裂解過程中產(chǎn)生的熱氣體可以通過，并與加熱器16接觸。在金屬罐14裝好碳質(zhì)材料13之后，通過人孔12將其下降到反應(yīng)器10中，并且密封。反應(yīng)器中不容許放入其它材料。用一個垂直、對中放置的加熱器16(比如電阻加熱器或燃氣輻射加熱器)來加熱金屬罐14和碳質(zhì)材料13。當(dāng)壓力隨著加熱增加時，用壓力調(diào)節(jié)器17來調(diào)節(jié)反應(yīng)器10內(nèi)部的壓力。為了在卸料之前釋放反應(yīng)器內(nèi)的過高壓力，提供一個減壓放空閥18。下面將要詳細地討論該圖的其它細節(jié)。可以用溫度傳感器19比如熱電偶和壓力計20分別監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)的溫度和壓力。在加熱過程中，由于木質(zhì)和草質(zhì)植物材料中物質(zhì)(包括殘留的水)的揮發(fā)而使壓力上升。壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)定使得反應(yīng)器內(nèi)的最高壓力為大約100-500psig，優(yōu)選100-440psig，最優(yōu)選100-150psig。在100-150psig的范圍內(nèi)，壓力一般為100左右。通過保持容器內(nèi)的溫度高于約350℃至最高約550℃，保持壓力為大約100psig，以大約40％或更多(干重為基)的產(chǎn)率將植物材料轉(zhuǎn)化為木炭的停留時間大約是2小時或更少，一般如果容器已被預(yù)熱則大約為1個小時。反應(yīng)器內(nèi)的溫度不應(yīng)超過約550℃。在這些條件下容器內(nèi)植物材料的精確停留時間取決于所用材料的特定類型及其含水量，但一般停留時間短于2個小時。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員通過特定植物材料的試樣進行的試驗很容易確定對于該特定材料的最佳條件。當(dāng)植物材料在反應(yīng)器10內(nèi)的停留時間內(nèi)就會發(fā)生熱裂解反應(yīng)，多余的蒸汽和氣體將通過管線21經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器17而放出。這些氣體可以回收，或者在外燃燒器(未標(biāo)出)中燃燒，成為本發(fā)明方法的附加的熱源。此外，該氣體也可以如圖所示在排放到大氣之前燃燒掉。本發(fā)明的一個特點是，為了最大限度地提高效率，在兩次加料之間，無須將反應(yīng)器冷卻到可處理的溫度。因此，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)在一組給定的條件下達到適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r間而生產(chǎn)出木炭時，根據(jù)需要可將加熱器16向下降低、關(guān)掉或保持同樣的水平。在打開人孔門12之前，通過閥門18放掉過高的壓力。關(guān)緊金屬罐14；隨后盡量減少進入金屬罐14內(nèi)的空氣量，所以在金屬罐內(nèi)的熱木炭就不會燃燒。通過空腔處14A會有少量空氣進入金屬罐，但如把金屬罐放到一個平的或軟的表面上，則金屬罐底部的外緣可以有效地起密封的作用。在冷卻之后，將木炭從金屬罐中卸出。就在從反應(yīng)器10中取出裝滿熱木炭的金屬罐之際，立即將另一個裝滿木質(zhì)和草質(zhì)植物材料的金屬罐放到反應(yīng)器中。此后反應(yīng)器再次被密封和加熱，用不著對反應(yīng)器10進行任何實質(zhì)性的冷卻，因此總的過程的效率就更高了。參照此圖，反應(yīng)器10的其它特點包括上密封環(huán)22、下密封環(huán)23以及底版24。潛水艇式人孔12由許多緊固螺栓25來固定，螺栓由螺帽26和墊圈27來緊固。金屬罐14裝有鏈狀把手28，用它把金屬罐取出和放入反應(yīng)器10中。提供如下的實施例進行說明，但無意以任何方式對本發(fā)明加以限制。實施例1用兩種在夏威夷得到的木材作為原料，在如圖中所述的反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化為木炭。Kiawe是一種致密、干燥的木材，而桉樹是一種輕而潮濕的木材。如表1所示，用本發(fā)明的方法由這兩種木材制造木炭的產(chǎn)率實質(zhì)上是相同的。表1反應(yīng)器的性能</tables>+木炭的分數(shù)產(chǎn)率是產(chǎn)生的木炭的重量與加入爐中的木材干基重量之比。*生產(chǎn)每kg木炭所需的kw-hr。實施例2在表2中顯示了按照本發(fā)明制備的“Aloha”桉樹木炭和“Aloha”Kiawe木炭的分析結(jié)果，并與三種商品木炭進行比較。由本發(fā)明制備的兩種木炭和商品木炭大體上相當(dāng)。表2Aloha木炭和商品木炭的比較</tables>實施例3在反應(yīng)器中用空氣干燥的銀合歡木進行兩批試驗，得到如下的結(jié)果。表3空氣干燥的銀合歡樹的兩輪試驗</tables>在反應(yīng)器內(nèi)用烘箱干燥(110℃)的銀合歡樹進行5次試驗，得到如下的結(jié)果表4用烘箱干燥的銀合歡樹進行的5次試驗</tables>實施例4在反應(yīng)器中用澳洲堅果殼進行三輪試驗，以確定不同壓力的影響，結(jié)果如下。表5用澳洲堅果殼的三輪試驗</tables>只要不偏離本發(fā)明的基本精神，本發(fā)明可以以其它特殊的形式來實施。因此本實施方案從全方位看只是具有說明的性質(zhì)，對本發(fā)明的范圍不構(gòu)成限制。本發(fā)明由所附的權(quán)利要求來指明范圍，因此在權(quán)利要求書等同物的涵義和范圍內(nèi)的修正也要包含在本文中。權(quán)利要求1.將含水量最高為約50％(重量)的木質(zhì)和草質(zhì)植物材料經(jīng)熱裂解轉(zhuǎn)化為木炭的間歇方法，該方法包括如下步驟在一個封閉的容器中將所述的材料密封，這樣所述的容器的非惰性內(nèi)容物由所述材料和空氣組成；將所述的材料加熱到約350℃以上，同時在所述容器內(nèi)得到約15psig以上的壓力，藉此由所述材料的熱裂解產(chǎn)生蒸汽；以及保持所述壓力低于約500psig，通過從所述的容器中釋放蒸汽，和保持所述在約350℃以上的溫度足夠的時間，以在所述蒸汽存在下，以至少大約35％(干重為基)的產(chǎn)率將所述材料轉(zhuǎn)化為木炭。2.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述的壓力低于大約440psig。3.按照權(quán)利要求2的方法，其中所述的壓力低于大約150psig。4.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述材料的含水量為大約1％或更多。5.按照權(quán)利要求2的方法，其中所述材料的含水量為大約15％或更多。6.按照權(quán)利要求1的方法，其中用所述方法制造的木炭，其揮發(fā)份含量為35％或更少。7.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述的時間為2小時或更少。8.按照權(quán)利要求1的方法，其中在所述的時間內(nèi)，溫度不超過大約550℃。9.按照權(quán)利要求1、2或3的方法，其中從所述的容器中除去在這里產(chǎn)生的蒸汽，以保持在所述的容器中的壓力，該方法還包括回收和在外燃燒器中燃燒所述氣體的步驟。10.按照權(quán)利要求1的方法，它還包括以下步驟，就是在所述容器內(nèi)降低壓力并從中取出木炭，而同時不使木炭暴露在足夠的空氣或氧氣中，以免引起其燃燒；以及冷卻和回收所述木炭。11.按照權(quán)利要求1的方法，其中所述生產(chǎn)的木炭的特征是，其熱值大約為1300BTU/lb。12.用于將木質(zhì)和草質(zhì)植物材料經(jīng)熱裂解轉(zhuǎn)化為木炭和氣體的反應(yīng)器，它包括一個具有可密封的開口，用來接受含有所述材料的金屬罐；用于加熱所述反應(yīng)器的加熱裝置；用于調(diào)節(jié)從所述反應(yīng)器中排出的氣體，以控制在所述反應(yīng)器內(nèi)的壓力的壓力調(diào)節(jié)裝置；以及包在所述反應(yīng)器側(cè)面的大部分周圍的保溫裝置。13.按照權(quán)利要求12的反應(yīng)器，它還包括一個閥門裝置，用來在打開所述可密封的開口之前從所述反應(yīng)器中釋放帶壓力的氣體，以便取出所述金屬罐。14.按照權(quán)利要求12的反應(yīng)器，其中所述加熱裝置包括一個電阻加熱器。15.按照權(quán)利要求12的方法，其中所述加熱裝置包括一個燃氣輻射加熱器。全文摘要提供了將木質(zhì)和草質(zhì)植物材料經(jīng)熱裂解轉(zhuǎn)化為木炭的間歇方法,以干重為基其產(chǎn)率大約為35—50%,揮發(fā)份大約25%或更少,燃料值為13000BTU/lb。該間歇方法每批進行2小時或更少,實際上下一批的加料可以馬上進行,而不用對本方法所用的反應(yīng)器(10)進行實質(zhì)性的冷卻,也不會讓加工好的熱木炭暴露在足夠的空氣或氧氣中,以免在將其從反應(yīng)器(10)中取出時引起燃燒。反應(yīng)器(10)被包在保溫材料(11)中。將炭質(zhì)材料(13)裝入金屬罐(14)并放入反應(yīng)器(10)中。文檔編號C10B53/02GK1183797SQ95197851公開日1998年6月3日申請日期1995年3月22日優(yōu)先權(quán)日1995年3月22日發(fā)明者小·M·J·安托爾申請人:夏威夷大學(xué)