CN116694344A - 热解反应***和热解有机进料的方法 - Google Patents

热解反应***和热解有机进料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供热解反应***和热解有机进料的方法，该***包括：热解室，其包括进料入口、气体入口和产物出口；气体反应器，其被配置为在气体反应温度和气体反应器压力下通过燃烧和/或碳沉积使热解气体进行反应；以及第一分隔体，其限定出所述热解室与所述气体反应器之间的边界，所述第一分隔体包括用以提供所述热解室与所述气体反应器之间的流体连通的多个第一开口，其中，所述热解反应***能够在气体反应器压力小于热解室压力的情况下运转，使得气体混合物通过所述第一开口从所述热解室流至所述气体反应器，从而向所述气体反应器中提供至少一部分热解气体以进行反应。

Description

热解反应***和热解有机进料的方法
本申请是申请号为201980050180.5，申请日为2019年5月30日，发明名称为“热解反应***和热解有机进料的方法”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及热解反应***和热解有机进料的方法。该***包括：热解室，其被配置为热解有机进料；气体反应器，其被配置为通过燃烧和/或碳沉积来使由此形成的热解气体反应；以及分隔体，其限定出热解室与气体反应器之间的边界。分隔体包括多个开口，使得在使用期间包含热解气体和惰性气体的气体混合物通过开口从热解室流至气体反应器以进行反应。
背景技术
热解是一种高温分解过程，用于在基本上惰性的条件下，特别是在氧含量低到足以使吸热裂化反应相对于放热氧化反应占主导的条件下，使可热解的有机进料(即包含至少一部分有机碳基材料的任何进料)转化。低温热解(即300至350℃)被称为烘焙，用于由木材制得木炭。工业热解通常在中高温(350至750℃)下进行，以生产能源用途、燃料用途或化学用途的产品。包括各种废料和生物质源在内的有机进料的热解产生三种产物流：固体碳质产物(炭(char))、热解油组分(在环境温度下为液态)和热解气体组分(在环境温度和压力下为气态)。
可以将热解产物(例如气体、油和炭)转化为多种增值产品，或者可以将所述热解产物以其原始形式用于多种用途。例如，由热解产生的生物炭可以用于土壤改良、土壤修复、水净化、复合材料以及燃料。油组分和气体组分可以以原始制得的方式使用，或者进一步改进以用作燃料。
已报道有各种不同的热解反应***用于进行工业热解反应。由于热解是吸热反应，因此早先已经提出至少部分地通过牺牲性地燃烧一种或多种热解产物组分来提供所需的能量输入。这通常是通过将一部分热的热解气体产物(包含汽化油组分和/或气体组分)转移到与热解室相邻的燃烧反应器中来完成的，如示意性地在图1和图1A中所示。因此，如在壳管式热交换器布置中一样，燃烧热经由传导从外部燃烧反应器传递至热解室，从而提供驱动热解所需的热量输入。
然而，在这样的***中的热传递不能令人满意，特别是在较大规模的反应器***中，导致热分布不良，因此热解的速率低和/或炭产物的品质不良或不一致。
在其它报道的热解反应***中，可热解的进料在包含受控量和/或受控分布的氧的气体气氛中进行热反应，使得吸热热解和放热燃烧或气化反应均在热解室中进行。尽管这可以解决热解室中的温度控制问题，但由于进行燃烧反应，所得的碳质产物不能满足许多用途(例如生物炭制备)。
因此，持续需要新的热解反应***和热解有机进料的方法，它们至少部分地解决上述缺点中的一个或多个，或者提供有用的替代方案。
本文中对专利文献或作为现有技术给出的其它事项的引用，不应视为承认该文献或事项是已知的或者其所包含的信息是自任一权利要求的优先权日起的公知常识的一部分。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种热解反应***，所述***包括：
热解室，其包括进料入口、气体入口和产物出口，其中所述热解室被配置为：i)分别经由所述进料入口和所述气体入口接收可热解的有机进料和惰性气体；ii)在热解温度下热解有机进料以产生碳质热解产物和热解气体，其中热解气体与惰性气体混合以在所述热解室中形成具有热解室压力的气体混合物；以及iii)经由所述产物出口排出碳质热解产物；
气体反应器，其被配置为在气体反应温度和气体反应器压力下通过燃烧和/或碳沉积使热解气体进行反应；以及
第一分隔体，其限定出所述热解室与所述气体反应器之间的边界，所述第一分隔体包括用以提供所述热解室与所述气体反应器之间的流体连通的多个第一开口，
其中，所述热解反应***能够在气体反应器压力小于热解室压力的情况下运转，使得气体混合物通过所述第一开口从所述热解室流至所述气体反应器，从而向所述气体反应器中提供至少一部分热解气体以进行反应。
在一些实施方案中，气体反应器压力比热解室压力小至少0.05巴，例如至少0.1巴，或至少1巴。
在一些实施方案中，分隔体被配置为使得在运转期间气体混合物以足以基本上防止气体从气体反应器进入热解室的流量流过第一开口。
在一些实施方案中，第一开口构成气体反应器与热解室之间的第一分隔体的至少50％，例如约80％至约90％的边界面积。在一些实施方案中，第一分隔体包括网状件或多孔屏板，其中形成有第一开口。
在一些实施方案中，分隔体被配置为使得当在运转期间气体反应温度大于热解温度时热量通过第一开口从气体反应器对流至热解室，从而向热解室中提供至少一部分热解热。
在一些实施方案中，第一分隔体包括导热材料，优选金属，使得当在运转期间气体反应温度高于热解温度时热量通过导热材料从气体反应器传导至热解室，从而向热解室中提供另一部分热解热。
在一些实施方案中，分隔体包括延伸到气体反应器和/或热解室中的多个突出构件，例如管或翅片，其中至少一部分的第一开口位于所述突出构件上。在一些实施方案中，分隔体包括至少部分地在气体反应器与热解室之间的横向取向上延伸的多个间隔开的片状构件，例如板件或网状件，其中至少一部分的第一开口位于间隔开的片状构件之间。这样的布置被认为提供增加的热传递面积，所述热传递面积用于在运转期间在气体反应温度大于热解温度时，通过传导将热量从气体反应器传递至热解室。
在一些实施方案中，气体反应器包括用于引入含氧气体(优选空气)的端口和用于移出烟气的管道，其中所述气体反应器被配置为使得在运转期间热解气体将通过燃烧与氧进行反应。这种燃烧可以提供通过对流和/或传导而被传递至热解室的热量。
在一些这样的实施方案中，气体反应器包括环绕热解室的环形空间，并且端口被配置为将含氧气体切向地引入气体反应器中，使得在环形空间的至少一部分中产生围绕热解室的涡流。
在一些实施方案中，热解反应***进一步包括流量调节器，所述流量调节器响应于热解室中的一个或多个温度测量值来调节含氧气体进入气体反应器的流量。因此，通过调节气体反应器中发生的燃烧程度，可以将热解反应温度控制在预定的目标范围内。
在一些实施方案中，热解反应***进一步包括联接至气体反应器的管道的二次燃烧反应器，所述二次燃烧反应器被配置为使得在运转期间存在于烟气中的未反应的热解气体将通过燃烧与联合供入所述二次燃烧反应器中的氧进行反应。
在一些这样的实施方案中，热解反应***进一步包括至少部分地设置在气体反应器内的热交换器，其中在运转期间在热交换器中汽化工作流体(优选水)以用于发电。因此，超出向热解室中提供热解热所需的燃烧热的多余燃烧热可以转化为电力。
在一些实施方案中，气体反应器被配置为使得在运转期间热解气体将通过碳沉积在气体反应器中的催化剂上进行反应，从而形成碳质沉积产物。气体反应器可以进一步包括用于供给颗粒催化剂的催化剂进料入口和用于排出碳质沉积产物的产物排出口。
在一些这样的实施方案中，热解反应***进一步包括：燃烧反应器，其包括用于引入含氧气体(优选空气)的端口和用于移出烟气的管道，其中所述燃烧反应器被配置为使得燃料在燃烧温度下与氧进行燃烧；以及第二分隔体，其限定出所述燃烧反应器与至少气体反应器之间的边界，其中所述第二分隔体被配置为使得当在运转期间燃烧温度大于气体反应温度时燃烧热通过所述第二分隔体从所述燃烧反应器传递至所述气体反应器，从而向所述气体反应器中提供至少一部分碳沉积热。因此燃烧可以在气体反应器中产生足够高的温度，以实现通过对流和/或传导从气体反应器到热解室的热传递。
在一些这样的实施方案中，第二分隔体包括用以提供燃烧反应器与气体反应器之间的流体连通的多个第二开口，其中在运转期间：i)一部分热解气体通过所述第二开口从所述气体反应器流至燃烧反应器，其中在燃烧室中燃烧的燃料包括所述一部分热解气体；以及ii)通过所述第二分隔体传递的燃烧热至少部分地对流通过所述第二开口。
在一些这样的实施方案中，第二开口构成气体反应器与燃烧反应器之间的第二分隔体的至少50％，例如约80％至约90％的边界面积。
在一些这样的实施方案中，热解室被配置为将碳质热解产物排入到燃烧反应器中，其中在运转期间在燃烧室中燃烧的燃料包括碳质热解产物。
在一些这样的实施方案中，管道穿过气体反应器以通过烟气对催化剂进行加热。
在一些这样的实施方案中，第二分隔体进一步限定出燃烧反应器与热解室之间的边界，其中在运转期间燃烧热通过所述第二分隔体从燃烧反应器传递至热解室。
在一些实施方案中，第一分隔体围绕热解室形成圆周边界，优选圆柱形边界，并且气体反应器环绕所述圆周边界。在一些实施方案中，第一分隔体能够相对于气体反应器旋转。
在一些实施方案中，热解室被配置为通过惰性气体将包含有机进料和/或碳质热解产物的固体流化。在一些实施方案中，通过在热解反应***中燃烧热解气体而产生的烟气旨在形成惰性气体的至少一部分。
根据第二方面，本发明提供一种热解有机进料的方法，所述方法包括：
将可热解的有机进料和惰性气体供给至热解室；
在热解温度下热解所述有机进料以产生碳质热解产物和热解气体，其中所述热解气体在所述热解室中与所述惰性气体混合以形成具有热解室压力的气体混合物；
从所述热解室排出所述碳质热解产物；
使所述气体混合物通过第一分隔体中的多个第一开口流至气体反应器，其中所述第一分隔体限定出所述热解室与所述气体反应器之间的边界；以及
在气体反应温度和气体反应器压力下通过燃烧和/或碳沉积使所述热解气体在所述气体反应器中进行反应，其中所述气体反应器压力小于所述热解室压力。
在一些实施方案中，气体反应器压力比热解室压力小至少0.05巴，例如至少0.1巴，或至少1巴。
在一些实施方案中，热解温度在约250℃和约750℃之间，例如在400℃和750℃之间。
在一些实施方案中，气体混合物以足以基本上防止气体从气体反应器进入热解室的流量流过第一开口。
在一些实施方案中，气体反应温度大于热解温度，其中热量通过第一开口从气体反应器对流至热解室，从而向热解室中提供至少一部分热解热。在一些这样的实施方案中，气体反应温度比热解温度高至少约100℃。
在一些实施方案中，本方法进一步包括将含氧气体(例如空气)引入到气体反应器中，以及通过燃烧使热解气体与氧进行反应。
在一些这样的实施方案中，本方法进一步包括响应于在热解室中测得的一个或多个温度来调节含氧气体进入气体反应器的流量，从而将温度保持在预定的目标范围内。
在一些这样的实施方案中，本方法进一步包括从气体反应器中移出烟气，以及在二次燃烧反应器中通过联合供入所述二次燃烧反应器中的氧来使存在于烟气中的未反应的热解气体燃烧。
在一些实施方案中，本方法进一步包括通过碳沉积使热解气体在气体反应器中的催化剂上进行反应，从而形成碳质沉积产物。
在一些这样的实施方案中，用于碳沉积的气体反应温度在约600℃和约800℃之间。在一些这样的实施方案中，本方法进一步包括将颗粒催化剂供给至气体反应器，以及从气体反应器中排出碳质沉积产物。
在一些这样的实施方案中，本方法进一步包括在燃烧反应器中使燃料在比气体反应温度大的燃烧温度下与氧进行燃烧，其中燃烧热通过限定出燃烧反应器与至少气体反应器之间的边界的第二分隔体从燃烧反应器传递至气体反应器，从而向气体反应器中提供至少一部分碳沉积热。
在一些这样的实施方案中，第二分隔体包括提供燃烧反应器与气体反应器之间的流体连通的多个第二开口，其中：i)一部分热解气体通过所述第二开口从所述气体反应器流至燃烧反应器，其中在燃烧室中燃烧的燃料包括所述一部分热解气体；以及ii)通过所述第二分隔体传递的燃烧热至少部分地对流通过所述第二开口。
在一些这样的实施方案中，气体以足以基本上防止氧气从燃烧反应器进入气体反应器的流量流过第二开口。
在一些这样的实施方案中，将碳质热解产物排入到燃烧反应器中，其中在燃烧室中燃烧的燃料包括碳质热解产物。
在一些实施方案中，惰性气体包括通过热解气体的燃烧产生的烟气。在一些实施方案中，可热解的有机进料包含生物质。在一些实施方案中，通过热解气体和/或碳质热解产物的燃烧来提供热解热，而无需外部能量输入。
在说明书(包括权利要求书)中使用术语“包括”、“含有”和“包含”的情况中，它们应被解释为指定所述的特征、数值、步骤或组件，但不排除存在一个或多个其它的特征、数值、步骤或组件、或者其组合。
如本文中所使用的，与所公开的设备的各种特征有关的术语“第一”和“第二”被任意地分配，仅仅旨在在设备可以引入各种实施方案中的两个或更多个这样的特征之间进行区分。这些术语本身并不表示任何特定的取向或顺序。此外，应理解的是，“第一”特征的存在并不意味着存在“第二”特征，“第二”特征的存在并不意味着存在“第一”特征，等等。
在下面本发明的其它方面出现在本发明的具体实施方案中。
附图说明
在本文将参考附图通过仅示例性的方式来说明本发明的实施方案，其中：
图1和图1A示意性地示出根据现有技术公开的原理进行运转的热解反应***的侧视图和俯视图。
图2和图2A示意性地示出根据本发明的一个实施方案的热解反应***30的侧视图和俯视图，其中与热解室相邻的气体反应器是燃烧反应器。
图3示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***50的侧视图，其中与热解室相邻的气体反应器是碳沉积反应器。
图4和图4A示意性地示出在本发明的一些实施方案中限定出热解室与气体反应器之间的边界的网状件分隔体的前视图和侧视图。图4B和图4C示意性地示出在本发明的一些实施方案中限定出热解室与气体反应器之间的边界的平行板件分隔体的侧视图，其中板件分别水平地定向和倾斜地定向。
图5示意性地示出在本发明的一些实施方案中限定出热解室与气体反应器之间的边界的多孔屏板分隔体的俯视图。
图6和图6A示意性地示出在本发明的一些实施方案中限定出热解室与气体反应器之间的边界的分隔体的俯视图和侧视图，其中所述分隔体包括在其中形成有开口的泡罩。
图7和图7A示意性地示出在本发明的一些实施方案中限定出热解室与气体反应器之间的边界的翅片分隔体的侧视图，其中突出的翅片构件分别水平地定向和倾斜地定向。
图8示意性地示出根据本发明的一个实施方案的热解反应***100的侧视图，其中与热解室相邻的气体反应器是燃烧反应器，并且所述***产生生物炭和任选的电作为产物。
图9示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***180的侧视图，其中与热解室相邻的气体反应器是燃烧反应器，并且所述***产生生物炭和任选的电作为产物。
图10和图10A示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***200的侧视图和俯视图，其中与热解室相邻的气体反应器是碳沉积反应器，进一步设置有与气体反应器相邻的燃烧反应器以提供热解热和碳沉积热，并且所述***产生碳质沉积产物。
图11示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***300的侧视图，其中与热解室相邻的气体反应器是碳沉积反应器，进一步设置有两个燃烧反应器以提供热解热和碳沉积热，并且所述***产生碳质沉积产物。
图12示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***400的侧视图，其中与热解室相邻的气体反应器是燃烧反应器，设置有用于碳沉积和燃烧的两个附加反应器，并且所述***产生碳质沉积产物。
图13示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***500的侧视图，其中与热解室相邻并在其上方的气体反应器是碳沉积反应器，进一步设置有环绕热解室和气体反应器的燃烧反应器以提供热解热和碳沉积热，并且所述***产生碳质沉积产物。
图14示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***600的侧视图，其中与热解室相邻并在其上方的气体反应器是碳沉积反应器，进一步设置有环绕热解室和气体反应器的燃烧反应器以提供热解热和碳沉积热，并且所述***产生碳质沉积产物。
图15和图15A示意性地示出根据本发明的另一实施方案的热解反应***700的侧视图和俯视图，其中与热解室相邻的气体反应器是一次燃烧反应器，进一步设置有远程的二次燃烧反应器以完全燃烧，并且所述***产生生物炭产物。
图16是使用根据本发明的实施方案的热解反应***将生物固体转化为生物炭的方法的流程框图。
图17是实施例1中通过在500℃下等温热解生物固体进料而产生的生物炭的SEM图像。
图18是实施例1中通过在600℃下等温热解生物固体进料而产生的生物炭的SEM图像。
图19是实施例1中通过在700℃下等温热解生物固体进料而产生的生物炭的SEM图像。
图20是实施例1中通过在800℃下等温热解生物固体进料而产生的生物炭的SEM图像。
图21是实施例1中通过在900℃下等温热解生物固体进料而产生的生物炭的SEM图像。
图22示出如在实施例2中所建模的热解反应器***的设计，所述热解反应器***在实施例3的示范规模的整合的热解和燃烧过程中进行运转。
图23A至图23C示出如用计算流体动力学模拟所建模的惰性气体(引入到热解室)和空气(引入到燃烧反应器)在图22所示的热解反应器***中的流动和混合。
图24是在实施例3的示范规模的整合的热解和燃烧过程中测得的相关过程变量的图。
具体实施方式
本发明涉及一种热解反应***。本***包括热解室，所述热解室被配置为：经由进料入口接收可热解的有机进料并且经由气体入口接收惰性气体，以及在惰性气体的存在下热解有机进料以产生碳质热解产物和热解气体。因此热解气体与惰性气体混合以在热解室中形成气体混合物。热解室被配置为经由产物出口排出固体碳质热解产物。
本***进一步包括气体反应器，所述气体反应器被配置为通过燃烧和/或碳沉积来使热解气体进行反应。分隔体限定出热解室与气体反应器之间的边界，其中所述分隔体包括多个开口以提供热解室与气体反应器之间的流体连通。
在运转期间，由于在热解室中保持较高的压力，气体混合物通过开口从热解室流至气体反应器，从而向气体反应器中提供至少一部分热解气体以进行反应。在优选的实施方案中，分隔体被配置为使得当气体反应器中的温度高于热解室中的温度时，热量至少部分地通过对流穿过开口而从气体反应器传递至热解室，从而向热解室中提供至少一部分热解热。通过对流穿过开口而传递的热量可以补充通过分隔体所传导的热量，所述分隔体向热解室中提供另一部分热解热。
本发明还涉及例如在本文所述的热解***中热解有机进料的方法。本方法包括：将可热解的有机进料和惰性气体供给至热解室，以及热解有机进料以产生固体碳质热解产物和热解气体。从热解室中排出碳质热解产物，并且热解气体与惰性气体混合从而在热解室中形成气体混合物。由于在热解室中保持较高的压力，所以该气体混合物通过分隔体中的多个开口流至气体反应器，所述分隔体限定出热解室与气体反应器之间的边界。热解气体通过燃烧和/或碳沉积在气体反应器中进行反应。
在优选的实施方案中，气体反应器中的温度高于热解室中的温度，并且热量至少部分地通过对流穿过第一开口而从气体反应器传递至热解室，从而向热解室中提供至少一部分热解热。
通过理解某些现有技术的热解***的运转原理可以更好地理解本发明的特征和优点。因此，在图1中示意性地示出根据在先公开的原理进行运转的热解***10。热解***10包括热解室11，所述热解室11被配置为接收可热解的有机进料12和惰性气体13。热解***10进一步包括与热解室11相邻的燃烧反应器14。不透型金属分隔体15限定出室11与燃烧反应器14之间的边界。热解室11是圆柱形的，并且燃烧反应器14的内部反应区是在外壁16与圆柱形分隔体15之间的环形空间，如示意性地在图1的侧视图和图1A的俯视图中所示。
在使用期间，将有机进料12供给至热解室11，并且在350℃和750℃之间的温度下进行热解，从而产生热解气体(通常包含在冷却时会分离成气体组分和油组分的成分)和固体碳质热解产物。从热解室11中排出碳质产物。从室11中抽出热解气体17，并且通过外部管道输送热解气体17，以在燃烧反应器14中通过经由空气流18引入的氧进行燃烧。将烟气19引导至排气***20。至少一部分燃烧热通过传导从反应器14经由金属分隔体15传递，从而驱动热解室11中的吸热热解反应。
通过考虑分别在图2和图3中所示的热解***30和50可以理解本发明的最广义形式。热解***30包括热解室31，所述热解室31被配置为接收可热解的有机进料32和惰性气体33。热解***30进一步包括与热解室31相邻的气体反应器34。在***30中，气体反应器34是燃烧反应器。分隔体35限定出室31与气体反应器34之间的边界。任选地，热解室31是圆柱形的，并且气体反应器34的内部反应区是在外壁36与圆柱形分隔体35之间的环形空间，如示意性地在图2的侧视图和图2A的俯视图中所示。然而，在不脱离本发明的范围的情况下，可以采用其它相邻的反应器配置。
分隔体35优选地由导热材料(通常是金属)制成，并且包括多个开口41，所述开口41提供在热解室31与气体反应器34之间的流体连通。
在使用期间，将有机进料32供给至热解室31，并且在惰性气体33的存在下在常规热解温度下(例如在350℃和750℃之间(取决于进料))进行热解，从而产生热解气体和固体碳质热解产物。经由产物出口44从热解室31排出碳质产物。热解气体与惰性气体33混合，从而在室51中形成气体混合物。
该气体混合物流过分隔体35中的开口41，并且在空气38的存在下在气体反应器34中进行燃烧。将燃烧反应区中产生的温度控制为比室31的热解反应区中的温度高通常约50至300℃或者100至200℃。分隔体35(特别是其中的开口41的分布和大小)被配置为使得在热解室31与气体反应器34之间保持压差，并且所产生的气体混合物通过开口的流速足以防止或适当地限制氧进入热解室34中。将理解的是，在所有实施方案中可以不要求完全排除氧，只要热解室34中的氧含量足够低以使得进料可有效热解即可。
由于燃烧引起气体反应器34中的温度升高，所以通过分隔体35沿相反的方向传递热量，即从气体反应器34传递至热解室31。同时通过导热分隔体材料传导以及通过对流穿过开口41来进行这种热传递，从而提供驱动室31中吸热热解反应所需的至少一部分热量。
如将在下文中进一步所述，由于对流式热传递模式和传导式热传递模式结合，所以通过分隔体35的热传递是高效的。此外，从气体反应器34传递的燃烧热通常足以向热解室31中提供热解热，从而不需要将外部能量输入该过程。
考虑到燃烧致使耗尽氧，惰性气体33可以任选地包含从燃烧反应器34中抽出的一部分热烟气39。这样可以有利地进一步改进燃烧热从燃烧反应器34到热解室31的传递，并且潜在地消除对外部供应惰性气体的需求。风扇42(或者鼓风机或压缩机)用于对进入室31的惰性气体进料33加压，从而确保热解室34中的压力适当地高于气体反应器34中的压力。然而，惰性气体33可以附加地或替代地包含至少一种非反应性气体成分43，例如N2或CO2。在本发明的最广义构思中，惰性气体33的组成和来源被认为不受特别限制，只要其氧含量适当地低到使得进料在室31中可热解即可。
在图3中示意性地示出的热解***50包括热解室51，所述热解室51被配置为接收可热解的有机进料52和惰性气体53。热解***50进一步包括与热解室51相邻的气体反应器54。在***50的情况中，气体反应器54是碳沉积反应器，因此含有催化剂(或基于催化剂的载体材料)60，所述催化剂60用于催化由热解气体形成碳质沉积产物，例如碳纤维或碳纳米材料。如在图3中所示，催化剂60可以存在于整体式载体上。或者，催化剂60可以是颗粒催化剂，其在气体反应器54中流化或填充。
分隔体55限定出室51与气体反应器54之间的边界。如本文针对热解***30所讨论的，热解室51和气体反应器54可以任选地分别具有圆柱形反应区和环形反应区。分隔体55优选地由导热材料(通常是金属)制成，并且包括多个开口61，所述开口61提供在热解室51与气体反应器54之间的流体连通。
在使用期间，将有机进料52供给至热解室51，并且在惰性气体53的存在下在常规热解温度下进行热解，从而产生热解气体和固体碳质热解产物。经由产物出口62从热解室51排出碳质产物。热解气体与惰性气体53混合，从而形成气体混合物。
该气体混合物流过分隔体55中的开口61，其中的热解气体在催化剂60上进行反应，从而形成碳质沉积产物。将碳沉积反应区中的温度保持在比室51的热解反应区中的温度高的温度，优选在约600℃和1000℃之间，例如在700℃和900℃之间的温度，这是通过催化碳沉积来制备高品质碳质产物通常所需的温度。将理解的是，由于碳沉积也是吸热反应，因此必须向气体反应器54提供热量。在其最广义构思中，可以通过任何合适的方式(包括使用电加热元件、蒸汽驱动的热交换器等)来提供这种热量。但是，在优选的实施方案中(如将在下文中更详细地描述)，通过在过程中产生的热解气体和/或固体碳质热解产物中的一部分在例如与气体反应器54相邻的附加反应器中进行燃烧来提供该热量。在这样的情况中，将燃烧反应区中的温度控制为比室54的碳沉积反应区中的温度高通常约100至200℃。
分隔体55(特别是其中的开口61的分布和大小)被配置为使得在热解室51与气体反应器54之间保持压差，并且所产生的气体混合物通过开口的流速通常足以防止或适当地限制气体反向流入热解室54中。此外，分隔体55中的开口61足够小，或者以其它方式将所述开口适当地设计为使固体保留在热解室51中，从而防止碳质沉积产物的污染。
由于气体反应器54中的温度升高，所以通过分隔体55沿相反的方向传递热量，即从气体反应器54传递至热解室51。同时通过导热分隔体材料传导和通过对流穿过开口61来产生这种热传递，从而提供驱动室51中吸热热解反应所需的至少一部分热量。由于对流式热传递模式和传导式热传递模式结合，所以通过分隔体55的热传递是高效的。
热解反应
根据本发明的热解反应***包括用于对可热解的有机进料进行热解反应的热解室。取决于进料和目标产物，工业热解反应通常在350至750℃下进行，热解室可以被适当地配置为在此温度范围内进行运转。热解反应通常产生混合产物，其在移出和冷却后包括固体碳质产物(炭)、油组分和气体组分，它们在能源、化学物质和燃料的制备中具有不同的用途。在热解过程中作为主要产物产生的气体、油和炭的组分也随加热速率、温度和原料的不同而不同，热解过程可以相应地分为三种过程类型：慢速热解、快速热解和闪速热解。慢速热解通常产生更多的炭，快速热解产生更多的油组分，闪速热解产生更多的气体组分。
将理解的是，当在高的热解反应温度下制备时，热解反应的油产物组分基本上呈蒸汽形式。因此，在本公开内容涉及“热解气体”的制备或其在本发明的热解反应***或方法中通过燃烧和/或碳沉积进行的进一步反应的情况中，“热解气体”应被理解为包括气体组分和汽化油组分。
在本发明的热解炭是主要产物的实施方案中，热解过程可以优选是慢速热解过程。在本发明的通过气态热解产物的催化分解产生的碳沉积产物是该过程的主要产物的实施方案中，热解过程可以是慢速热解过程或快速热解过程。可以通过常规手段来控制热解室中有机进料的加热速率(其影响初级热解选择性)，包括通过控制反应器中的温度以及有机进料和惰性气体的相对流量来进行所述控制。
本发明适用于多种多样的固体可热解有机进料，包括：1)废料，例如塑料、轮胎或任何其它含碳氢化合物的固体废料或者它们的共混物；2)生物质，例如木材、稻草、咖啡壳和任何类型的生物质材料；3)煤，例如无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤或任何其它煤共混物；4)干藻；5)生物固体或污水污泥；6)食物废料；7)任何类型的固体有机或无机人类废料；8)生物质废料，例如绿色废料或农业残余物或它们的共混物；以及9)混合的无机和有机废料，例如城市固体废料。为避免不确定性，如本文所用的术语“可热解的有机进料”是指可以被热解而产生热解产物的含有至少一部分来自任何来源(包括合成来源、矿物来源和生物基来源)的有机含碳材料的任何进料。
热解室中的反应温度可以取决于可热解的有机进料的性质。例如，在进料是废塑料的情况中，相对低的温度(例如250℃至400℃)是合适的。在进料是生物质(例如源自污水的生物固体)的情况中，相对较高的反应温度(例如400℃至750℃)是优选的。
热解是吸热反应，因此需要能量输入，即热解热(或焓)。在至少一些实施方案中，通过牺牲性地燃烧一种或多种热解产物组分来至少部分地，优选全部地提供所需的能量输入。尽管已经在某些现有技术设计中实践过该构思，但是如将在下文中更详细地描述，从燃烧区到热解室中的改进的热传递是由本发明的至少一些实施方案所提供的一个优点。
固体在热解室中的合适停留时间可以是10分钟至1小时，例如25至30分钟。热解室中的合适压力可以在1和10巴之间，例如在1和3巴之间。
根据本发明的热解是在惰性气体的存在下进行的，所述惰性气体被供给至热解室并且连同热解气体产物通过开口从热解室流出。惰性气体流有助于热解室与气体反应器之间的压差，所述压差是防止或基本上限制气体不利地反向流过开口所必需的。在一些实施方案中，惰性气体足够热，以致其也贡献了驱动热解所需的一部分热量。在一些实施方案中，有机进料及其固体热解产物通过惰性气体流而流化。这可以有利地改进热解室中的混合和热传递。
因为在不存在氧化剂时可通过吸热裂化反应获得期望的热解反应选择性，所以惰性气体通常应具有低的氧含量，例如小于4重量％或小于2重量％。但是，不必要求完全排除氧。在本发明的某些实施方案中，惰性气体包括燃烧烟气作为至少一种成分，所述燃烧烟气含有一些残留的氧。在某些实施方案中，通过使用这样的气体(例如经由热整合和/或减少外部惰性气体供应的消耗)而提供的优点可以超过将一些氧引入热解的缺点。
分隔体
根据本发明的热解反应***包括分隔体，所述分隔体限定出热解室与相邻的气体反应器之间的边界。分隔体包括多个开口以提供热解室与气体反应器之间的流体连通。如将在下文中所述，在一些实施方案中，类似的分隔体也存在于气体反应器与相邻的燃烧反应器之间。
分隔体中的开口的尺寸、数量和分布使得在运转期间在热解室与相邻的气体反应器之间保持压差。因此，合适的开口配置将部分地取决于在运转期间流过分隔体所需的气体总流量。目标压差以及由此产生的通过开口的气体速度应当优选地足以防止或适当地限制气体反向流入热解室中。开口还应该优选地足够小并且在分隔体内对其适当地设计和/或定位以从流入气体反应器的气体混合物中排除固体。例如，如果热解室被配置为在惰性气体中流化固体，则可优选的是开口定位在热解室的流化区上方。但是，开口的数量和位置应该优选地足以使得以对流的方式将热量传递通过分隔体，从而改进从气体反应器到热解室的热传递。
受益于本公开内容，在考虑到本发明的原理的情况下，本领域技术人员可以无过度负担地为任何特定用途确定出分隔体中的开口的合适尺寸、数量和分布。在一些实施方案中，分隔体中的开口的尺寸小于20mm，例如在2mm和5mm之间。在一些实施方案中，分隔体中所有开口的总开口面积为由气体反应器与热解室之间的分隔体所限定的至少50％，例如在约50％和90％之间的边界面积。
分隔体可以是丝网或多孔屏板的形式。在其它实施方案中，分隔体可以包括具有翅片、泡罩或其它三维结构特征(它们由于增加分隔体表面积而有利地进一步增加穿过分隔体的热传递)的板件。构造材料可以适当地是SS253MA、SS316L或者任何其它高温合金或石英，它们能够承受所需的高温。
如在下面更详细地讨论，具有开口的分隔体可以有利地提供改进的热传递。此外，例如通过使用简单的网状件分隔体，可以提供诸如重量和成本减少的其它益处。在一些实施方案中，由于不需要在外部用管道将热的不稳定热解气体从热解室输入到气体反应室，因此可以改进热解***的复杂性和/或可运转性。在一些实施方案中，例如通过将分隔体固定在适当位置的可拆手段，例如螺栓连接，分隔体可以有利地是可拆卸的以用于清洁和维护。在一些实施方案中，由于使用可拆卸和可重新配置的分隔体，所以根据本发明的热解***可以在运转方面提供改进的灵活性。例如，可以将相同的热解反应***适当地配置为以图2所示的模式进行运转，然后重新配置为以图3所示的模式进行运转。这可以通过例如安装附加分隔体来完成，如在下文参考下面的图10所述。
用于热传递的分隔体设计
在本发明的至少一些实施方案中，与相应的不透型分隔体(例如图1中所示的分隔体15)相比，穿过含有开口的分隔体(如通常由图2和图3中所示的分隔体35和55表示)来提供热传递，所述含有开口的分隔体将高温气体反应器与低温热解室分隔开。至少部分地通过对流穿过开口来提供热传递，在一些实施方案中还通过增强的传导式热传递(通过分隔体的导热固体材料进行)来提供热传递。
在一个实施方案中，在图4的俯视图中所示的分隔体63至少包括丝网，所述丝网包括金属丝64和开口65。如在图4A的侧视图中所示，在运转期间气体从热解室侧66流至气体反应器侧67，如箭头68所示。由于气体反应器(无论是燃烧反应器还是碳沉积反应器)中较高的温度，热量沿相反的方向从气体反应器侧67流至热解室侧66。同时通过如箭头69所示的经由金属丝64传导以及如箭头69a所示的对流穿过开口65来传递热量。
在另一个实施方案中，在图5中所示的分隔体70至少包括多孔屏板，所述多孔屏板包括板件71和开口72。开口72以方形排列73示出；然而将理解的是，可以类似地采用三角形排列或其它的开口排布。
在一些实施方案中，通过分隔体设计可以进一步改进穿过分隔体的热传递，所述分隔体设计增加分隔体的暴露于气体反应器中热气体的表面积，同时仍然提供用于在热解室与气体反应器之间的流体连通和对流式热传递的开口。例如，在图4所示的分隔体63的情况中，由于丝网中的开口65，用于穿过分隔体的传导式热传递的热传递面积相对于不透型分隔体将减小。因此，在一个实施方案中，可以将多个这样的丝网一起堆叠在分隔体中以增加可用于传导的热传递面积，同时仍然允许气体流和对流式热传递通过堆叠的网状件。因此，以如下的方式进行布置：使得尽管有开口，但总的热传递面积仍显著增加。
在另一个实施方案中，多个丝网或不透型板件可以在水平或倾斜的取向上基本平行地布置，但彼此分开，从而增加分隔体上的热传递面积，同时仍在相邻的网状件或板件之间形成开口以提供流体连通。因此，图4B和图4C分别示出分隔体63b和63c，其中将水平板件64b/倾斜板件64c布置成提供开口65b/65c以允许气体分别从热解室侧66b/66c流至气体反应器侧67b/67c。平行板件(或网状件)分隔体提供增加的热传递面积，以用于分别从气体反应器侧67b/67c到热解室侧66b/66c的传导式热传递。在分隔体63c的情况中，堆叠的板件64c的倾斜取向使得在运转期间从热解室转移至气体反应器的气体混合物中的固体夹带最小化。
在图6和图6A中示出用以增加热传递面积的设计的另一示例，其示出包括至少板件76的分隔体75，所述板件76中布置有呈方形排列78的多个泡罩77。如在图6A的侧视图中可见，每个泡罩77包括中空的突出构件80，所述突出构件80从热解室侧78朝气体反应器侧79向上倾斜。泡罩77包括在气体反应器侧的罩82中的开口81，以提供所需的流体和对流热连通。泡罩77的外表面积提供热交换表面积，用于改进从气体反应器侧79到热解室侧78的传导式热传递。此外，构件80的向上倾斜使得流向开口81的气体混合物中的固体夹带最小化。
在另一个变体形式中，一个或多个丝网或多孔板件可以在堆叠在板件76的任一侧以增加热传递面积。在这种情况中，热解气体混合物仍通过包括泡罩开口81的流动路径从热解室侧78转移至气体反应器侧79。
在图7中示出具有增加的表面积的分隔体设计的另一个示例，其以侧视图示出分隔体85的至少一部分。分隔体85为波纹状翅片的形式，包括朝向气体反应器侧87延伸的突出翅片构件88、和凹进的翅片表面92。在翅片构件88的前翅片表面和凹进的翅片表面92上均设置有开口82，使得在使用期间气体从热解室侧86流至气体反应器侧87，如箭头90所示。除了通过开口89的对流式热传递(如箭头91a所示)外，翅片设计的增加的表面积还提供从气体反应器侧87到热解室侧86的改进的传导式热传递(如箭头91所示)。
翅片布置也可以任选地是倾斜的。例如，如在图7A中所示，分隔体85a包括类似于分隔体85的翅片布置，但是其中突出翅片构件88a朝向气体反应器侧87以向上倾斜的取向延伸。倾斜的取向使得在运转期间通过开口89a从热解室侧86a转移到气体反应器侧87a的气体混合物中的固体夹带最小化。
在一些实施方案中，通过使分隔体相对于气体燃烧反应器移动，例如通过使分隔体35(如在图2和图2A中所示)围绕穿过气体反应器34中心的竖直轴线旋转，可以进一步改进穿过分隔体的热传递。
本发明人认为与某些现有技术设计相比，通过本发明的热解反应***可以提供至少40％至50％的热传递改进。由此获得的改进的热传递提供许多潜在的益处，包括减小反应器尺寸，改进吸热热解反应中的温度控制和反应速率，因此产生更高品质的碳质产物材料。例如，与图1所示的现有技术设计的热解室11中所产生的碳质材料相比，在图2所示的实施方案中在热解室31中产生的碳质材料(例如生物炭)的量和品质可以得到改进。此外，与一些现有技术设计相比，本发明的至少一些实施方案因为通过至少一部分热解气体的燃烧在内部提供热解热，从而提供了不需要外部能量输入的优点。
碳沉积反应
在本发明的一些实施方案中，例如如本文针对图3中示意性示出的***50所描述的，与热解室相邻的气体反应器是用于由热解气体产生各种碳质沉积产物(例如碳纤维、碳纳米纤维或其它碳纳米材料)的碳沉积反应器。例如，碳纳米纤维可以用于许多用途，包括汽车工业、建筑业和家具制造。它也可以用于土壤改良、土壤修复、水净化和复合材料。
如在本文中所使用的，热解气体的碳沉积是指热解气体的用以形成碳质固体(例如碳纤维、碳纳米纤维或其它碳纳米材料)的吸热反应。碳沉积通常在催化剂的存在下进行。通常，氢作为碳沉积的副产物产生。优选地，在惰性气氛或还原性气氛中进行碳沉积，在所述惰性气氛或还原性气氛中碳沉积反应相对于诸如燃烧的放热氧化反应占主导。
在本领域中早先已经公开了用于从含碳氢化合物的气体(包括热解气体)进行的碳沉积的催化剂，任何这样的催化剂原则上都可以用于本发明。合适的催化剂包括合成金属催化剂，例如镍、钴和铜催化剂。示例性的催化剂包括用于形成碳纳米纤维和纳米管的负载钴催化剂，如Otsuka等人，J.Phys.Chem.B 2004,108,11464-11472中所公开的；用于形成碳纳米纤维的Ni-Cu-MgO催化剂，如Baker等人，J.Phys.Chem.B 2004,108,20273-20277中所公开的；用于形成碳纳米纤维的羟磷灰石负载镍催化剂，如Gryglewicz等人，J.Mater.Sci.2016,51,5367–5376中所公开的；氧化铝负载Ni催化剂和氧化铝负载Ni-Cu催化剂，如Zhu等人，Energy&Fuels 2009,23,3721–3731中所公开的。
催化剂可以存在于固定在气体反应器内的整体式载体上，或者以颗粒形式存在。颗粒催化剂可以在气体反应器中填充或流化。在一些实施方案中，在热解***的运转期间将颗粒催化剂连续或周期性地装入，并且在合适的停留时间之后连续或周期性地排出。在这种情况中，合适的催化剂停留时间可以为5分钟至一个小时，例如约40分钟。
碳沉积是吸热反应，因此需要热量输入，即在适当的高温下提供的碳沉积热(或焓)。碳沉积的合适温度通常为600℃至1000℃，例如700℃至900℃，因此在一些实施方案中可以将气体反应器配置为在此范围内进行运转。
燃烧反应
在本发明的一些实施方案中，例如如本文针对图2中示意性示出的***30所描述的，与热解室相邻的气体反应器是燃烧反应器，用于燃烧在热解室中产生的至少一部分热解气体。该热解气体的至少一部分与惰性气体混合地流过将气体反应器和热解室分隔开的分隔体中的开口，并且在引入燃烧室的含氧进料(通常为空气)的存在下进行燃烧。
在本发明的其它实施方案中，尤其是例如在与热解室相邻的气体反应器是碳沉积反应器的***50(在图3中所示)的实施方案中，可以在热解***中的其它位置设置燃烧反应器以使热解室中产生的一种或多种热解产物组分进行燃烧。这样的燃烧反应器可以以多种方式配置在热解反应***内，如将在下文所述。
通常，在燃烧反应器中产生的燃烧热用于提供吸热热解和/或碳沉积反应所需的热量输入，优选使得***在热量上自给自足所需的全部热量输入。任选地，多余的燃烧热可以用于产生蒸汽和/或电力。
可以根据已知的原理，例如通过控制空气的进料速度或通过调节冷却剂穿过热交换器的流量(例如蒸汽产生速度)来控制燃烧反应器内的温度。可以将燃烧反应器中的温度控制为使得向相邻的吸热反应器(热解室或碳沉积反应器)中提供必需的反应热。例如，可以响应于在吸热反应区中测得的温度进行控制，以保持恒定或限制范围的反应温度。实际上，燃烧反应器中的温度可以比相邻的吸热反应区中的温度高约50至300℃，或者100至200℃。将理解的是，在通过调节流至燃烧反应器的空气来实现控制的情况中，燃烧反应器中的热解气体的燃烧将是不完全的。因此，如将在下文中更详细地描述，可以设置二次燃烧反应器以使残留的热解气体完全燃烧。
实施方案
将理解的是，到目前为止已经着重根据本发明的最广义原理来描述本发明的热解***，例如如由图2和图3示出的***30和50所体现的。如现在要描述的，这些原理可以以多种不同的方式应用。
因此，将参考图8描述本发明的一个实施方案，图8示意性地示出热解反应***100。***100包括配备有进料入口104的圆柱形热解室102，通过所述进料入口104将可热解的有机进料供给至所述室的中心或底部。使用螺旋进料器106或其它合适的输送齿轮将进料从料斗108供应至进料入口104。
热解室102包括供入惰性气体112的气体入口110。惰性气体112可以包含：具有小于4质量％的O2含量的燃烧烟气成分114，非反应性气体成分116(例如N2或CO2)，或它们的组合。设置有风扇117以对进入室102的惰性气体进料112加压。热解室102被配置为在惰性气体112中流化有机进料及其固体热解产物，从而改进热解期间的传质与传热。因此，在室102的底部包括适于分配惰性气体110流以进行流化的气体分配器(未示出)。
热解室102还包括产物出口118，所述产物出口118用于从室中排出生物炭形式的固体碳质热解产物120。出口118可以配备有螺旋进料器，以将产物120从热解区输送到排出位置。
热解反应***100进一步包括环绕热解室102的气体反应器130。气体反应器130的内部反应区是在不透型圆柱形外部反应器壁132与分隔体134之间的环形空间，所述分隔体134限定出室102与气体反应器130之间的边界。可以在图8中示意性地示出的俯视图136中看到热解室102和气体反应器130的横截面配置。
气体反应器130是用于燃烧在热解室102中产生的热解气体的燃烧反应器，因此包括用于引入热空气140的端口138和用于移出燃烧烟气144的管道142。如在图8中所示，端口138和管道142分别在气体反应器130的顶部和底部，从而使得在使用期间通过气体反应器130的气体流是向下的。热交换器146设置在气体反应器102内部，从而使得在燃烧期间被供给至热交换器的水148汽化以形成用于在蒸汽涡轮机152中发电的蒸汽150。
分隔体134为圆柱形金属网状件的形式(或如本文中公开的其它分隔体配置)，因此包括多个开口，这些开口提供在热解室102与气体反应器130之间的流体连通。分隔体和其中的开口被配置为使得在使用期间，气体将通过分隔体从热解室102中的较高压力流向气体反应器130中的较低压力，但是热量将沿相反的方向从气体反应器130流向热解室102。分隔体134被配置为能够相对于气体反应器130围绕穿过热解室102中心的竖直轴线旋转。设置有转子154以驱动旋转。
离开反应器130的热烟气144穿过热交换器156，在此与空气进料158进行热交换。然后将由此加热的空气160引导至端口138，以作为热空气140的至少一个成分引入到气体反应器130中。然后，任选地将一部分冷却烟气144作为惰性气体112的燃烧烟气成分114循环至入口110。将剩余的烟气144引导至排气***162，在排气***162中可以通过常规的洁化过程(即，洗涤和除尘以去除气溶胶、酸、SOx和NOx)对其进行处理，然后排放到大气。
任选地，在热交换器156之前转移一部分热烟气144，改为将其引导通过设置在热解室102中的热交换器管(未示出)。在使用期间，这样为热解反应提供额外的热量，以补充从气体反应器130直接流过分隔体134的热量。
在使用期间，将可热解的有机进料经由进料入口104供给至热解室102，并且在惰性气体112中流化。在室102所保持的温度(例如在400℃和750℃之间)下，进料进行热解从而产生热的热解气体(通常包含在冷却时会分离成气体组分和热解油组分的成分)和固体碳质热解产物。在室102中合适的停留时间之后，碳质热解产物120经由产物出口118排出。在1和10巴之间，例如1至3巴的高压下，热解气体产物与惰性气体112混合以形成可燃气体混合物。
该气体混合物流过分隔体134的开口，并且在空气140的存在下在气体反应器130中进行燃烧，从而在燃烧反应区中产生高温，将所述高温控制为比热解室102中的温度高100℃和200℃之间。因此，同时通过对流穿过开口以及通过金属分隔体材料传导，使得热量经由旋转的分隔体134从气体反应器130流至热解室102，以驱动室102中的吸热热解反应。
通过分隔体134的热传递是高效的，这主要是由于对流式热传递模式和传导式热传递模式结合，但是通过分隔体134的旋转通过气体反应器130中的热燃烧气体得以进一步改进。在气体反应器130中产生的燃烧热足以向热解室102中提供热解热，从而使得不需要外部能量输入该过程。此外，对于许多可热解的进料，整个热解-燃烧过程是充分放热的，以致过量的燃烧热可以用于在热交换器146中产生蒸汽，从而在涡轮机152中产生电力。或者，可以将过量的热解气体经由抽出管(未示出)从热解室102中抽出，进行冷凝，而后用于各种目的，例如生化制品或生物燃料生产。
由于分隔体134中的开口的设计而在热解室102与气体反应器130之间保持的压差以及气体混合物穿过这些开口的流速足以防止或适当地限制氧从反应器130进入热解室102。将理解的是，可以不要求完全排除氧，只要热解室102中的氧含量足够低以使得进料可有效热解即可。
与得自至少一些现有技术的热解过程的碳质产物相比，从本过程获得的碳质产物120(当使用生物质原料时可以是生物炭)被认为具有更高的品质。例如基于一种或多种度量的改进(例如增加的表面积、孔隙率和改进的形态)是由于热解反应***100中的改进的热传递。可设想的是，可以通过使用常规的化学/物理活化方法将产物120用于制备活性炭。任选地，可以将用于活化产物120的处理单元整合到***100中。
在图9中示出本发明的一个相关实施方案，图9示意性地示出热解反应***190。类似标记的项是如参考图8对热解反应***100所述的那样。然而，在***190中，热解室102是回转窑式反应器，通过转子154进行旋转。将可热解的有机进料通过进料入口104供给至热解室102的顶部，并且在移动床中进行热解，所述移动床在重力的影响和分隔体134的旋转下向产物出口118行进，在产物出口118处排出碳质热解产物120。在热解期间，通过具有适当小的开口的网状件分隔体134将有机进料和固体碳质产物保留在热解室102内。但是，如针对***100所述，室102中的加压气体混合物(包含惰性气体112和热解气体产物)流过分隔体134中的开口并且在气体反应器130的环形燃烧区中进行燃烧。燃烧热经由旋转的分隔体134通过对流和传导而流入热解室102，从而驱动吸热热解反应。
现在将参考图10描述本发明的另一个实施方案，图10示意性地示出热解反应***200。***200包括配备有进料入口204的圆柱形热解室202，通过所述进料入口204将可热解的有机进料供给至所述室的中心或底部。使用螺旋进料器206或其它合适的输送齿轮将进料从料斗208供应至进料入口204。
热解室202包括供入惰性气体212的气体入口210。惰性气体212可以包含燃烧烟气成分214、非反应性气体成分216(例如N2或CO2)、或它们的组合。设置有风扇217以对进入室202的惰性气体进料212加压。热解室202被配置为在惰性气体212中流化有机进料及其固体热解产物，从而改进热解期间的传质与传热。热解室202进一步包括产物出口218，所述产物出口218用于从该室中排出固体碳质热解产物以进行燃烧，如将在下文中所述。
热解反应***200进一步包括环绕热解室202的气体反应器230。气体反应器130的内部反应区是在圆柱形外部分隔体272与内部分隔体234之间的环形空间。因此内部分隔体234限定出热解室202与气体反应器230之间的边界。
该实施方案中的气体反应器230是用于由热解室202中所产生的热解气体产生碳质产物的碳沉积反应器。因此，将包含催化剂的至少一个整体件270固定在气体反应器230中，以便为碳质沉积产物(例如碳纤维或碳纳米材料)的生长提供载体。
内部分隔体234为圆柱形金属网状件的形式(或如本文中公开的其它分隔体配置)，因此包括多个开口，这些开口提供热解室202与气体反应器230之间的流体连通。分隔体和其中的开口被配置为使得在使用期间，气体将通过分隔体从热解室202中的较高压力流向气体反应器230中的较低压力，但是热量将沿相反的方向从气体反应器230流向热解室202。分隔体234被配置为能够相对于气体反应器230围绕穿过热解室202中心的竖直轴线旋转。设置有转子254以驱动旋转。
热解反应***200进一步包括环绕气体反应器230的燃烧反应器280。燃烧反应器280的内部反应区是在不透型圆柱形反应器壁282与外部分隔体272之间的环形空间。因此外部分隔体272限定出气体反应器230与燃烧反应器280之间的边界。在图10A中示意性地示出热解室202、气体反应器230和燃烧反应器280的横截面配置。
燃烧反应器280包括：用于引入热空气240的端口238，用于移出燃烧烟气244的管道242，以及出灰口247。如在图10中所示，端口138和管道142分别在燃烧反应器280的底部和顶部，从而使得在使用期间通过燃烧反应器280的气体流是向上的。燃烧反应器280还包括固体燃料入口245，通过所述固体燃料入口245从热解反应器202中排出固体碳质热解产物。可以设置有螺旋进料器或其它合适的输送齿轮，以经由管道将热解产物从热解反应器202的出口218输送至燃烧反应器280的入口245。在经由入口245排出后，固体热解产物可以在向上的热空气240流中流化，以改进传质和传热。
外部分隔体272也是圆柱形金属网状件、多孔屏板(或本文公开的其它合适的分隔体配置)的形式，因此包括提供气体反应器230与燃烧反应器280之间的流体连通的多个开口。分隔体和其中的开口被配置为使得在使用期间，气体将通过分隔体从气体反应器230中的较高压力流向燃烧反应器280中的较低压力，但是热量将沿相反的方向从燃烧反应器280流向气体反应器230，如将在下文中说明。
因此燃烧反应器280被配置为既燃烧从热解反应器202排出的固体热解产物，又燃烧从气体反应器230流过外部分隔体272的开口的未反应热解气体。
离开燃烧反应器280的一部分热烟气244穿过热交换器256，在此与空气进料258进行热交换。将由此加热的空气240引导至端口238，以引入燃烧反应器230中。然后，任选地将一部分冷却烟气244作为惰性气体212的成分循环至入口210。将剩余的冷却烟气244送至排气***262。
将另一部分热烟气244引导通过热交换器管(其穿过气体反应器230中的整体件270)，然后送至排气***262。在使用期间，这样为整体件270的催化剂上发生的碳沉积反应提供额外的局部加热，从而补充从燃烧反应器280直接流过分隔体272的热量。任选地，使用风扇284将又一部分热烟气244作为气体进料281供入到气体反应器230中，以将气体加压至所需压力。任选地，将另外又一部分热烟气244引导通过设置在热解室202中的热交换器管(未示出)，以补充从气体反应器230直接流过分隔体234的热量。
在使用期间，将可热解的有机进料经由进料入口204供给至热解室202，并且在惰性气体212中流化。在室202所保持的400℃和750℃之间的温度下，进料进行热解从而产生热解气体和碳质热解产物。在室202中合适的停留时间之后，将碳质热解产物经由出口218排入到燃烧反应器280中。在1巴和10巴之间，例如1巴至3巴的高压下，热解气体产物与惰性气体212混合以在室202中形成气体混合物。
由于气体反应器230中的较低压力，该气体混合物流过分隔体234中的开口，并且其中的一部分热解气体在整体件270上进行反应。气体反应器230中的温度保持在比室202更高的温度，例如在700℃和800℃之间，以使得碳质产物沉积在经加热的整体式催化剂上。由于在气体反应器230中保持更高的温度，所以同时通过对流穿过开口以及通过金属分隔体材料传导，使得热量经由旋转的分隔体234流至热解室202，从而驱动室202中的吸热热解反应。
由于分隔体234中的开口的设计而在热解室202与气体反应器230之间保持的压差以及气体混合物穿过这些开口的流速足以防止或适当地限制气体从气体反应器230进入热解室202。此外，开口足够小以确保固体保留在热解室202中，从而防止污染沉积的碳质材料。
在合适的停留时间以使得碳沉积之后，气体反应器230中的气体混合物(包含惰性气体212和未反应的热解气体)通过分隔体272中的开口流向燃烧反应器280中保持的更低的反应压力。热解气体和经由入口245排出的碳质产物均在空气240的存在下在燃烧反应器280中进行燃烧，从而在燃烧反应区中产生控制在900℃和1000℃之间的高温。因此，同时通过对流穿过开口以及通过金属分隔体材料传导，使得热量经由分隔体272从燃烧反应器280流至气体反应器230，以驱动气体反应器230中的吸热碳沉积反应并且间接地驱动热解反应器202中的吸热热解反应。
由于对流式热传递模式和传导式热传递模式结合，所以通过分隔体272的热传递是高效的。在燃烧反应器280中产生的燃烧热足以既向气体反应器230中提供碳沉积热，又向热解室102中提供热解热，从而使得不需要外部能量输入该过程。任选地，多余的燃烧热可以用于产生蒸汽(未示出)。
由于分隔体272中的开口的设计而在气体反应器230与燃烧反应器280之间保持的压差以及所产生的气体混合物穿过这些开口的流速足以防止或适当地限制氧从燃烧反应器280进入气体反应器230。
与得自至少一些现有技术的热解过程的碳沉积产物相比，本碳沉积产物(例如碳纤维、碳纳米纤维等)预期具有更高的品质。例如基于一种或多种度量的这种改进(例如增加的表面积、孔隙率和改进的形态)是由于热解反应***200中的改进的热传递而造成的。可设想的是，可以采取附加的处理步骤来分离或进一步活化碳质产物，并且可以将用于这样的目的的处理单元以整合的方式与现有单元联接。
在一个相关的实施方案中，继续参考图10，从***200中省去带有负载催化剂的整体件270。取而代之的是，在使用期间将用于碳沉积的颗粒催化剂添加至气体反应器230，并且用气体进料281使所述颗粒催化剂流化，所述气体进料281包括烟气244和/或非反应性气体(例如N2)。因此碳质产物沉积在流化的催化剂颗粒上。经由气体反应器230中的催化剂进料入口和碳产物出口(未示出)，可以连续地装入催化剂颗粒并且在合适的停留时间之后卸出碳质产物。
现在将参考图11描述本发明的另一个实施方案，图11示意性地示出热解反应***300。***300根据与***200相似的原理进行运转，并且类似标记的项是如对图10示出的热解反应***200所述的那样。
然而，在***300中，热解室202是回转窑式反应器。将可热解的有机进料通过进料入口204供给至热解室202的顶部，并且在移动床中进行热解，所述移动床在重力的影响和分隔体234的旋转下向产物出口218行进，在产物出口218处排出碳质热解产物。在热解期间，通过具有适当小的开口的网状件分隔体234将有机进料和固体碳质产物保留在热解室202内。
在使用期间，如针对***200所述，室202中的加压气体混合物(包含惰性气体212和热解气体产物)流过内部分隔体234中的开口，并且在位于气体反应器230的整体件270上进行反应以形成碳质沉积产物。由于在气体反应器230中保持更高的温度，所以热量经由旋转的分隔体134通过对流和传导而流入热解室202，从而驱动吸热热解反应。
如***200中也存在的，***300包括燃烧反应器280，所述燃烧反应器280环绕气体反应器230并且通过外部分隔体272与气体反应器230分隔开。然而，与***200不同，***300还包括作为物理上独立的单元的附加燃烧反应器281。燃烧反应器281包括：用于引入热空气240的端口283，用于移出燃烧烟气285的管道284，以及出灰口286。
燃烧反应器281还包括固体燃料入口287，通过所述固体燃料入口287从热解反应器202中排出碳质热解产物。可以设置有螺旋进料器或其它合适的输送齿轮，以经由管道将热解产物从热解反应器202的出口218输送至燃烧反应器281的入口287。在经由入口287排出后，固体热解产物可以在向上的热空气240流中流化，以改进燃烧期间的传质和传热。
燃烧反应器281包括用于使夹带在燃烧烟气285中的固体返回到燃烧区的旋风分离器288。将热烟气285经由端口289从旋风分离器供给至燃烧反应器280。
在使用期间，气体反应器230中的气体混合物(包含惰性气体212和未反应的热解气体)通过外部分隔体272中的开口流入燃烧反应器280中，如针对***200所述。在此，热解气体在由空气进料290提供的氧和/或烟气285中的残留氧的存在下进行燃烧。烟气285中提供的显热以及由燃烧反应器280中发生的进一步燃烧所产生的热量在反应器280的燃烧反应区中产生控制在900℃和100℃之间的高温。因此，同时通过对流穿过开口以及通过金属分隔体材料传导，使得热量经由分隔体272从燃烧反应器280流至气体反应器230，以驱动气体反应器230中的吸热碳沉积反应并且间接地驱动热解反应器202中的吸热热解反应。
现在将参考图12描述本发明的另一个实施方案，图12示意性地示出热解反应***400。***400包括热解室402，所述热解室402是通过转子(未示出)进行旋转的回转窑式反应器。使用螺旋进料器406将可热解的有机进料通过进料入口404从料斗408供给至热解室402的顶部。
热解室402包括气体入口410，通过所述气体入口410以足以向室402中提供所需压力的流量和压力供给惰性气体412。如将在下文中所述，热解室402进一步包括：气体管道420，其用于使气体混合物460从室中流出；产物出口418，其用于从室中排出固体碳质热解产物以进行燃烧。
热解反应***400进一步包括环绕热解室402的气体反应器430。气体反应器430的内部反应区是在不透型圆柱形外部反应器壁432与分隔体434之间的环形空间，所述分隔体434限定出室402与气体反应器430之间的边界。气体反应器430是用于燃烧在热解室402中产生的一部分热解气体的气体燃烧反应器，因此包括用于引入热的含氧气体488的端口489和用于移出燃烧烟气444的管道442。
分隔体434为圆柱形金属网状件的形式(或如本文中公开的其它分隔体配置)，因此包括多个开口，这些开口提供在热解室402与气体反应器430之间的流体连通。分隔体和其中的开口被配置为使得在使用期间，气体将通过分隔体从热解室402中的较高压力流向气体反应器430中的较低压力，但是热量将沿相反的方向从气体反应器430流向热解室402。
离开气体反应器430的热烟气444穿过热交换器456，在此与空气进料458进行热交换以产生热空气459。将冷却的烟气444从热交换器456送至排气***462。
***400进一步包括作为与室402/气体反应器430分开的处理单元的碳沉积反应器480和燃烧反应器481。碳沉积反应器480包括：不透型圆柱形壁450，用于从热解室402引入气体混合物460的端口483，用于移出废气485的管道484，催化剂进料入口452，以及碳产物出口486。
燃烧反应器481环绕碳沉积反应器480，其内部反应区为圆柱形外壁451与圆柱形内壁450之间的环形空间。因此圆柱形壁450限定出燃烧反应器481与碳沉积反应器480之间的边界，热量可以通过传导而流过该边界。
燃烧反应器481包括：用于引入热空气459的端口475，用于引入来自碳沉积反应器480的可燃废气485的气体入口461，以及出灰口(未示出)。燃烧反应器481还包括固体燃料入口487，通过所述固体燃料入口487从热解反应器402中排出碳质热解产物。可以设置有螺旋进料器，以经由管道将热解产物从热解反应器402的出口418输送至燃烧反应器481的入口487。在经由入口487排出后，固体热解产物可以在向上的热空气459流中流化，以改进燃烧期间的传质和传热。燃烧反应器481还包括用于移出热烟气473的管道463。将烟气473与空气进料490(任选地是热空气459的转移部分)混合，并且作为热的含氧气体488经由端口489供给至气体反应器430。
在使用期间，将可热解的有机进料经由进料入口404供给至热解室402。在室402所保持的400℃和750℃之间的温度下，进料在移动床中进行热解，所述移动床在重力的影响和分隔体434的旋转下向产物出口418行进，在产物出口418处将碳质热解产物排入燃烧反应器481中。在热解期间，通过具有适当小的开口的网状件分隔体434将有机进料和固体碳质产物保留在热解室402内。在1巴和10巴之间，例如1巴至3巴的高压下，热解气体产物与惰性气体412混合以在室402中形成气体混合物。
该气体混合物的一部分流过分隔体434中的开口，并且在气体反应器430中在经由端口489供给的热含氧气体488的存在下进行燃烧。气体488中提供的显热以及由气体反应器430中发生的燃烧所产生的热量在燃烧反应区中产生高温，将所述高温控制为比热解室402高50℃和300℃之间。因此，同时通过对流穿过开口以及通过金属分隔体材料传导，使得热量经由旋转的分隔体434从气体反应器430流至热解室402，以驱动室402中的吸热热解反应。
在该实施方案中，热解室402中的气体混合物的另一部分460流过气体管道420，并且通过端口483被引入碳沉积反应器480中。还经由催化剂进料入口452将颗粒催化剂添加至碳沉积反应器480。在反应器所保持的700℃和800℃之间的受控温度下，通过热解气体的反应使得碳质产物沉积在催化剂颗粒上。在碳沉积反应器480中在合适的催化剂停留时间之后，经由碳产物出口486卸出碳质产物。
在合适的气体停留时间以使得碳沉积之后，碳沉积反应器480中的气体混合物(包含惰性气体412和未反应的热解气体)作为废气485流过管道484。然后经由气体入口461将废气485供给至燃烧反应器481。其中的热解气体和经由入口487排出的碳质热解产物均在空气459的存在下在燃烧反应器481中进行燃烧，从而在燃烧反应区中产生控制在900℃和1200℃之间的高温。因此，热量通过传导经由壁450从燃烧反应器481流至碳沉积反应器480，从而驱动吸热碳沉积反应。如在本文所述，经由管道463从燃烧反应器481中移出热烟气473，将热烟气473与空气进料490混合并且供给至气体反应器430。
现在将参考图13描述本发明的另一个实施方案，图13示意性地示出热解反应***500。***500包括配备有进料入口504的圆柱形热解室502，通过所述进料入口504将可热解的有机进料供给至所述室的中心或底部。使用螺旋进料器506将进料从料斗508供应至进料入口504。
热解室502包括供入惰性气体512的气体入口510。惰性气体512可以包含燃烧烟气成分514、非反应性气体成分516(例如N2或CO2)、或它们的组合。设置有风扇517以对惰性气体进料512加压而使其进入室502中。热解室502被配置为在惰性气体512中流化有机进料及其固体热解产物，从而改进热解期间的传质与传热。热解室502进一步包括产物出口518，所述产物出口518用于从该室中排出固体碳质热解产物以进行燃烧，如将在下文中所述。
热解反应***500进一步包括在该实施方案中直接设置在热解室502上方的圆柱形气体反应器530。水平分隔体534分隔并限定出热解室502与气体反应器530之间的边界。圆柱形分隔体572限定出热解室502与气体反应器530两者的圆周。
该实施方案中的气体反应器530是用于由热解室202中所产生的热解气体产生碳质产物的碳沉积反应器。气体反应器530包括催化剂进料入口552和碳产物出口586。
分隔体534为平面型金属网状件的形式(或本文中公开的其它分隔体配置)，因此包括多个开口，这些开口提供在热解室502与气体反应器530之间的流体连通。分隔体和其中的开口被配置为使得在使用期间，气体将通过分隔体从热解室502中的较高压力流向气体反应器530中的较低压力。通过传导和对流，热量沿相反的方向从气体反应器530流向热解室502。
热解反应***500进一步包括环绕热解室502和气体反应器530的燃烧反应器580。燃烧反应器580的内部反应区是在不透型圆柱形反应器壁582与圆柱形分隔体572之间的环形空间。如在图13中所示，水平分隔体534任选地将燃烧反应器580划分成流体连通的下部子区域和上部子区域，其中开口使得燃烧气体受限地流过燃烧反应器580并且使得独立控制子区域中的温度和气体组成。或者，分隔体534不向外延伸超过圆柱形分隔体572，从而允许气体不受抑制地流过燃烧反应器580。
燃烧反应器580包括：用于引入热空气540的端口538，用于移出燃烧烟气544的管道542，以及出灰口(未示出)。如在图13中所示，端口538和管道542分别在燃烧反应器580的底部和顶部，从而使得通过燃烧反应器580的气体流是向上的。燃烧反应器580还包括固体燃料入口545，通过所述固体燃料入口545从热解反应器502中排出碳质热解产物。设置有螺旋进料器，以经由管道将热解产物从热解反应器502的出口518输送至燃烧反应器580的入口545。在经由入口545排出后，固体热解产物可以在向上的热空气540流中流化，以改进燃烧期间的传质和传热。
圆柱形分隔体572也为金属网状件、多孔屏板等的形式，因此包括多个开口，这些开口提供燃烧反应器580与热解室502和气体反应器530的每一者之间的流体连通。分隔体和其中的开口被配置为使得在使用期间，气体将通过分隔体从热解室502和气体反应器530中的较高压力流向燃烧反应器580中所保持的较低压力，但是热量能够沿相反的方向从燃烧反应器580流向热解室502和气体反应器530中的每一者，如将在下文中说明。
因此燃烧反应器580被配置为既燃烧从热解反应器502排出的固体热解产物，又燃烧从热解室502和气体反应器530流过圆柱形分隔体572的开口的未反应热解气体。
离开燃烧反应器580的热烟气544穿过热交换器556，在此与空气进料558进行热交换。将由此加热的空气540引导至端口538，以引入燃烧反应器530中。然后，任选地将一部分冷却烟气544作为惰性气体512的燃烧烟气成分514循环至入口510。将剩余的冷却烟气544送至排气***562。
任选地，将一部分热烟气544引导通过一个或多个热交换器管(未示出)，所述一个或多个热交换器管穿过热解室502和/或气体反应器530。在使用期间，这样为吸热热解反应和/或碳沉积反应提供额外的热量，从而补充经由圆柱形分隔体272从燃烧反应器280直接流至热解室502和/或气体反应器530的热量。
在使用期间，将可热解的有机进料经由进料入口504供给至热解室502，并且在惰性气体512中流化。在室502所保持的400℃和750℃之间的温度下，进料进行热解从而产生热解气体和碳质热解产物。在室502中合适的停留时间之后，将碳质热解产物经由出口518排入到燃烧反应器580中。在1巴和10巴之间，例如1巴至3巴的高压下，热解气体产物与惰性气体512混合以在室502中形成气体混合物。
由于气体反应器530和燃烧反应器580中的较低压力，该气体混合物流过分隔体534和572两者中的开口。应理解的是，流至气体反应器530和燃烧反应器580的相对比例可以通过分隔体中开口的相对尺寸和丰富程度以及反应器中受控的压力来控制。
将颗粒催化剂经由催化剂进料入口552添加至气体反应器580，并且在通过分隔体534进入气体反应器580的气体混合物中流化。在反应器所保持的700℃和800℃之间的温度下，气体混合物中的热解气体通过碳沉积进行反应从而在催化剂颗粒上形成碳质产物。分隔体534中的开口足够小以确保固体保留在热解室502中，从而防止污染沉积的碳质材料。在气体反应器580中在合适的催化剂停留时间之后，碳质产物(例如碳纤维或碳纳米材料)经由碳产物出口586卸出。
由于在气体反应器530中保持更高的温度，所以同时通过对流穿过开口以及通过金属分隔体材料传导，使得热量经由分隔体534流至热解室502，从而提供驱动室502中吸热热解反应所需的至少一部分热量。
热解室502和气体反应器530两者中的气体混合物(每种气体混合物均包含惰性气体512和热解气体)通过圆柱形分隔体572中的开口流入燃烧反应器580中。这些混合物中的热解气体和经由入口545排出的碳质产物在空气540的存在下在燃烧反应器580中进行燃烧，从而在燃烧反应区中产生适当地高于相邻的热解反应区和碳沉积反应区的高温。因此，通过对流穿过开口以及通过金属分隔体材料传导，使得热量经由分隔体572从燃烧反应器580流至热解室502和气体反应器530两者，从而为吸热的热解反应和碳沉积反应提供至少一部分反应热。
由于分隔体572中的开口的设计，在燃烧反应器580与热解室502和气体反应器530的每一者之间保持压差。这些压差以及所产生的气体混合物穿过开口的流速足以防止或适当地限制氧从燃烧反应器580进入热解室502和气体反应器530。
由于对流式热传递模式和传导式热传递模式结合，所以通过分隔体534和572的热传递是高效的。在燃烧反应器580中产生的燃烧热足以既向气体反应器530中提供碳沉积热，又向热解室502中提供热解热，从而使得不需要外部能量输入该过程。任选地，多余的燃烧热可以用于产生蒸汽(未示出)。
与得自至少一些现有技术的热解过程的碳沉积产物相比，由于热解反应***500中的热传递改进，所以例如基于一种或多种度量如增加的表面积、孔隙率和改进的形态，可预期本碳沉积产物(例如碳纤维、碳纳米纤维等)具有更高的品质。
在图14中示出本发明的一个相关实施方案，图14示意性地示出热解反应***600。类似标记的项是如参考图13对热解反应***500所述的那样，***600根据与***500相似的原理进行运转，不同之处如下文所述。在***600中，圆柱形分隔体572是热解室502和气体反应器530中的气体混合物不能流动通过的不透型金属壁。因此，气体反应器530包括废气管道584，通过所述废气管道584将废气585移出而后经由气体入口561将其送至燃烧反应器580。该进料中未反应的热解气体与经由固体燃料入口545排出的固体热解产物一起在燃烧反应器580中燃烧。在该实施方案中，燃烧热经由不透型分隔体572通过传导从燃烧反应器580流至热解室502和碳沉积反应器480，从而驱动吸热的热解反应和碳沉积反应。
适用于***500和600的进一步变体形式是，在气体反应器530中设置有包含催化剂的至少一个整体件，以便为碳质沉积产物(例如碳纤维或碳纳米材料)的生长提供载体。在这种情况中，未将可流化的颗粒催化剂供给至气体反应器530。
将参考图15描述本发明的另一个实施方案，图15示意性地示出热解反应***700。***700包括配备有进料入口604的圆柱形热解室602，通过所述进料入口604将可热解的有机进料供给至在所述室的底部的流化区602a。可以通过任何手段，例如如所示使用螺旋进料器606将进料从料斗608供应至入口604.
热解室602包括供入惰性气体612的气体入口610。惰性气体612优选地在稳态运转期间仅包括燃烧烟气成分614，但是例如在启动期间可以补充有非反应性气体616(例如N2或CO2)。设置有风扇617以对经过流化气体分配器进入室602的惰性气体进料612加压，从而在流化区602a中流化有机进料及其固体热解产物。热解室602包括产物出口618，所述产物出口618用于从流化床中排出生物炭形式的固体碳质热解产物620。
热解反应***700进一步包括环绕热解室602的气体反应器630。气体反应器630的内部是在不透型圆柱形外部反应器壁632与圆柱形分隔体634之间的环形空间，所述圆柱形分隔体634限定出室602与反应器630之间的边界。在图15A的俯视图中示意性地示出热解室602和气体反应器630的横截面配置。
气体反应器630是用于燃烧在热解室602中产生的热解气体的一次燃烧反应器，因此包括用于引入一次空气640的端口638和用于抽出燃烧烟气644的管道642。端口638和管道642分别在气体反应器630的顶部和底部。如在图15A中所示，端口638被配置为将空气640切向地供入环形气体反应器630中。因此，如箭头609所示，在使用期间，在外部反应器壁632附近产生气旋流或类涡旋流。因此，可以有利地将反应器630中的燃烧区定位为靠近外壁632，因此远离分隔体634。为此，反应器壁632的内表面还可以被配置为引起点火，例如用适合于无焰燃烧的热惰性常规耐火衬里来引起点火。
圆柱形分隔体634包括不透型下部634a和网状件上部634b。下部634a没有开口，但设有翅片611以改进传导式热传递，下部634a具有足够的高度以将流化的固体保留在流化区602a中。上部634b包括在网状件中的多个开口，这些开口提供热解室602与气体反应器630之间的流体连通。分隔体634被配置为使得在使用期间，气体将通过开口从热解室602中的较高压力流向气体反应器630中的较低压力，但是热量将沿相反的方向流动。此外，可认为，气体反应器630中的涡流将降低分隔体附近的压力，从而通过网状件开口从热解室抽出气体并且限制氧的反向流动。
如将在下面进一步描述，气体反应器630中的燃烧通常故意不完全，因此烟气644包括未反应的热解气体。将该烟气经由端口661供入到二次燃烧反应器681中，残留的热解气体在经由端口675供入的二次空气659的存在下进行燃烧。经由管道663离开反应器681的热的二次烟气673被至少部分地循环使用以形成燃烧烟气成分614，其中一部分根据需要被送至排气***662。任选地，出于能量效率的目的，二次燃烧反应器681中的多余燃烧热可以用于产生蒸汽(未示出)或以其它方式回收。
在使用期间，将可热解的有机进料经由进料入口604供给至热解室602的流化区，并且用惰性气体612进行流化。在室602所保持的目标温度(例如在400℃和750℃之间)下，进料进行热解从而产生热的热解气体和固体碳质热解产物。在室602中合适的停留时间之后，碳质热解产物620经由产物出口618排出。热解气体产物与惰性气体612混合，从而形成燃烧气体混合物。
该气体混合物流过分隔体634中的开口，并且在空气640的存在下在气体反应器630中部分地进行燃烧。同时通过对流穿过上部634b中的开口以及通过上部和下部的金属分隔体材料传导，使得反应热经由分隔体634流入室602中。将空气640进入气体反应器630的流量控制为仅提供驱动热解室630中的放热热解反应所需的热量。例如，可以响应于流化床内测得的温度来调节流量，以达到恒定的热解温度。一次燃烧反应器630中的温度通常比热解室602高50℃和200℃之间。
然后，在二次气体反应器681中燃烧含有残留热解气体的烟气644。控制参与该燃烧的二次空气659的流量以确保二次烟气673具有低的氧含量，例如小于4质量％的O2，优选小于1质量％的O2。有利地，然后可以将热的二次烟气循环使用并且用作惰性气体612，从而避免(或最小化)对外部惰性气体(例如效用N2)源的需求。此外，循环使用的燃烧烟气的高温有助于驱动室630中的吸热热解反应。
生物固体的热解
在本文公开的热解反应***的实施方案可用于生物固体的热解。图16中示出用于将废水处理厂的副产物生物固体转化为生物炭的方法的流程框图。
在旋转式干燥机1002中干燥湿生物固体1000(含有约40重量％固体)，用供入天然气1006和空气1008的燃烧器1004对旋转式干燥机1002进行加热。将现在固体含量为约80重量％的干燥生物固体1010供给至针磨研磨机1012，以将生物固体减小至适合流化的粒度。从该过程中去除不合格的细粉1014，将颗粒生物固体在摇筛机1016中分类并且作为生物固体原料1020供给至根据本发明的热解反应***800。因此，热解反应***800包括由具有多个开口的分隔体834隔开的热解室802和燃烧室830。任选地，热解***800可以根据本文公开的实施方案，例如分别参考图2、图8、图9和图15描述的热解反应***30、100、180或700。
在惰性气体812的存在下，在室802中热解生物固体原料1020，所述惰性气体812在稳态运转期间由循环使用的燃烧烟气814组成。从热解室排出生物炭产物820。气体812和产生的热解气体的混合物通过分隔体834流入燃烧反应器830中，在此热解气体在空气840的存在下进行燃烧。空气840由热交换器856(使用燃烧烟气814中的热量)进行预热和/或通过在燃烧器1022中与天然气1024的预燃烧(例如在启动期间)进行预热。反应器830中的燃烧热有效地流入室802中，从而驱动如本文所述的热解反应。由于燃烧而具有低O2含量的热烟气814穿过热交换器856，一部分被循环使用以形成惰性气体812。将第二部分送至湿/干洗涤器1026和袋式过滤器/活性碳床1028以进行净化，然后经由排气管1030排出。
在该方法中产生的生物炭可以有利地不含存在于生物固体中的病原体和微塑料，并且某些其它污染物例如重金属以及全氟和多氟烷基物质(PFAS)可以被破坏、去除或固定在生物炭中。该生物炭可以具有优良的性质，例如以下一种或多种：当添加到土壤中时有利地缓慢释放磷，高表面积，阳离子交换能力，由于热解期间的温度控制而得到含氧官能团和所需的pH。
实施例
参考以下实施例描述本发明。应理解的是，这些实施例是说明性的，并不限制本文所述的发明。
实施例1
在一定的温度范围研究了在N2(1升/分钟)中流化的生物固体(40g)的热解。发现生物炭的形态强烈地取决于热解温度。图17、图18、图19、图20和图21分别示出在500℃、600℃、700℃、800℃和900℃等温热解之后生物炭颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。在500℃，产生低孔隙率的生物炭。在700℃，孔隙率增加到最大值。在更高的温度，由于烧结而使得孔隙率再次下降。
这些结果表明在热解反应中优良的热传递很重要，因此温度控制很重要。不良的热传递将导致不均匀的温度分布，可能包括具有未达最佳标准的低温或高温的反应区。结果，生物炭的反应速率和质量均会受到不利影响。
实施例2
通过采用计算流体动力学模拟，对如示意性地在图22中所示的热解燃烧示范***进行设计和建模。该***包括由圆柱形分隔体隔开的圆柱形热解室702和环形燃烧反应器730，所述圆柱形分隔体包括下部不透型部分734a和上部网状件部分734b。网状件部分由具有90％开口面积的金属网状件形成。将进料入口管704设置为向在热解室底部的流化区702a引入可热解的原料，并且将气体入口710设置为提供具有可控温度的预热惰性气体(N2)，以使固体在流化区702a中流化。将出口710设置为移出固体热解产物。在燃烧反应器中，将空气入口738设置为切向地向燃烧反应器的顶部注入具有可控温度的预热空气，其中从反应器底部的管道742中抽出燃烧烟气。
对空气、惰性气体的流动及其在热解/燃烧期间的混合进行了建模，其结果使用代表性的流动路径示于图23A至图23C中。在模拟中，以110升/分钟引入惰性气体(500℃)，以40升/分钟引入空气(500℃)，并且以0.25千克/小时引入生物固体。如在图23A中可见，通过端口738切向地注入燃烧反应器730中的空气在反应器的顶部附近产生气旋流，随后集中的空气沿着环形燃烧反应器的外壁向下流动。如在图23C中可见，经由入口710引入的惰性气体通过网状件分隔体中的开口从热解室流出(仅显示了通过上部开口的路径)，并且经由管道742从燃烧反应器流出。热解室中的压力足够高，以至于携带可燃热解气体的惰性气体与空气仅在燃烧反应器中混合，如在图23B中可见。大部分混合发生在燃烧反应器的外壁附近。因此，预期几乎没有空气进入热解室。
实施例3
根据图22中所示并在实施例2中描述的设计构造了一个中试规模的示范单元。用热电偶在图22指定的位置测量惰性气体温度(Tg)、进料空气温度(Ta)、热解反应区温度(Tp)和燃烧反应区温度(Tc)。用在线氧分析仪在指定位置测量热解室中的O2含量(％O2)。
使用获自South-East Water’s Mount Martha工厂并干燥至固体含量为约80重量％的生物固体作为可热解原料，进行了示范运行。粒度为约0.05至0.4mm。使用LPG燃烧器预热惰性气体(N2/CO2混合物)和空气进料。在联机1.37小时和1.72小时引入分批的生物固体进料(分别为500g和200g)。在运行过程中没有抽出生物炭产物。结果示于图24中。
最初，通过分别升高惰性气体和空气进料的温度来增加热解室和燃烧反应器的温度。热解室中的O2含量迅速降低至1重量％以下，表明尽管有网状件分隔体，但在热解室中仍获得了令人满意的用于热解反应的还原环境。当热解室内的温度达到期望的运转温度时，将惰性气体流量设置为流化所需的最小流量，并且根据能量平衡计算来设置空气流量。在流化分配板之前的惰性进料气体的压力为1.5kPa。在流化区正上方的热解室中测得的压力为1.2kPa，靠近网状件分隔体在燃烧反应器中测得的压力为1.1kPa。
引入第一批生物固体并将其在惰性气体流中流化。然后，即使空气进料温度(Ta)降低，燃烧反应器中的温度(Tc)仍继续增加，并且在运行的剩余时间中Tc超过Ta。这表明在燃烧反应器内发生放热反应，即源自热解室的热解气体的燃烧。尽管发生吸热热解反应以及保持恒定的惰性气体进料温度(Tg)，热解室中的温度(Tp)还继续升高。这表明燃烧热被有效地传入到热解室中以驱动其中的吸热热解反应。在热解反应期间，热解室中的O2含量保持为较低(低于1.2重量％)(在联机2.09小时后，使用O2分析仪测量燃烧烟气中的O2含量)。当热解室内的温度达到500℃时，添加第二批生物固体，在运行的剩余时间中通过调节空气流量将该温度保持在稳定状态。
以不同的热解目标温度进行了许多类似的反应。生物炭产率通常在30％至40％的范围内。发现分别在500℃、550℃和600℃的热解温度下，测得的生物炭的表面积为41m2/g、53m2/g和66m2/g。
本领域技术人员将理解，本文描述的发明除了具体描述的之外，还可以进行变化和修饰。应理解的是，本发明包括落入本发明的精神和范围内的所有这样的变化和修饰。
可以基于本申请或要求本申请的优先权而在澳大利亚或海外提出未来专利申请。应理解的是，临时权利要求仅以示例性的方式提供，并非旨在限制任何此类未来申请中可要求保护的范围。以后可以向临时权利要求添加特征或从其中删除特征，以便进一步限定或重新限定一个或多个发明。

Claims (34)

1.一种热解反应***，所述***包括：
热解室，其包括进料入口、气体入口和产物出口，其中所述热解室被配置为：i)分别经由所述进料入口和所述气体入口接收可热解的有机进料和惰性气体；ii)在热解温度下热解有机进料以产生碳质热解产物和热解气体，其中热解气体与惰性气体在使用期间混合以在所述热解室中形成具有热解室压力的气体混合物；以及iii)经由所述产物出口排出碳质热解产物；
气体反应器，其被配置为在气体反应温度和气体反应器压力下通过燃烧使热解气体进行反应；以及
第一分隔体，其限定出所述热解室与所述气体反应器之间的边界，所述第一分隔体包括用以提供所述热解室与所述气体反应器之间的流体连通的多个第一开口，
其中，所述热解反应***能够在气体反应器压力小于热解室压力的情况下运转，使得气体混合物通过所述第一开口从所述热解室流至所述气体反应器，从而向所述气体反应器中提供至少一部分热解气体以进行反应，
其中，所述气体反应器包括用于引入含氧气体的端口和用于移出烟气的管道，其中所述气体反应器被配置为使得在运转期间热解气体将通过燃烧与氧进行反应，并且
其中，所述气体反应器包括环绕所述热解室的环形空间，并且所述端口被配置为将含氧气体切向地引入所述气体反应器中，使得在所述环形空间的至少一部分中产生围绕所述热解室的涡流。
2.根据权利要求1所述的热解反应***，其中，分隔体被配置为使得在运转期间气体混合物以足以基本上防止气体从所述气体反应器进入所述热解室的流量流过所述第一开口。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的热解反应***，其中，所述第一开口构成所述气体反应器与所述热解室之间的所述第一分隔体的至少50％的边界面积。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热解反应***，其中，所述第一分隔体包括网状件或多孔屏板。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热解反应***，其中，分隔体被配置为使得当在运转期间气体反应温度大于热解温度时热量通过所述第一开口从所述气体反应器对流至所述热解室，从而向所述热解室中提供至少一部分热解热。
6.根据权利要求5所述的热解反应***，其中，所述第一分隔体包括导热材料，使得当在运转期间气体反应温度大于热解温度时热量通过所述导热材料从所述气体反应器传导至所述热解室，从而向所述热解室中提供另一部分热解热。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的热解反应***，其中，分隔体包括延伸到所述气体反应器和/或所述热解室中的多个突出构件，其中至少一部分的所述第一开口位于所述突出构件上。
8.根据权利要求7所述的热解反应***，其中，所述突出构件选自管、翅片和泡罩。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的热解反应***，其中，所述突出构件从热解室朝气体反应器向上倾斜。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的热解反应***，其中，分隔体包括至少部分地在所述气体反应器与所述热解室之间的横向取向上延伸的多个间隔开的片状构件，其中至少一部分的所述第一开口位于间隔开的片状构件之间。
11.根据权利要求10所述的热解反应***，其中，所述间隔开的片状构件选自板件和网状件。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的热解反应***，其中，所述间隔开的片状构件从热解室朝气体反应器向上倾斜。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的热解反应***，其进一步包括流量调节器，所述流量调节器响应于所述热解室中的一个或多个温度测量值来调节含氧气体进入所述气体反应器的流量。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的热解反应***，其进一步包括联接至所述气体反应器的管道的二次燃烧反应器，所述二次燃烧反应器被配置为使得在运转期间存在于烟气中的未反应的热解气体通过燃烧与联合供入所述二次燃烧反应器中的氧进行反应。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的热解反应***，其进一步包括至少部分地设置在所述气体反应器内的热交换器，其中在运转期间在所述热交换器中汽化工作流体以用于发电。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的热解反应***，其中，所述第一分隔体能够相对于所述气体反应器旋转。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的热解反应***，其中，所述热解室被配置为通过惰性气体将包含有机进料和/或碳质热解产物的固体流化。
18.根据权利要求17所述的热解反应***，其中，所述热解室包括流化区，并且分隔体中的开口位于流化区上方。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的热解反应***，其被配置为旨在使通过在所述热解反应***中燃烧热解气体而产生的烟气形成惰性气体的至少一部分。
20.一种热解有机进料的方法，所述方法包括：
将可热解的有机进料和惰性气体供给至热解室；
在热解温度下热解有机进料以产生碳质热解产物和热解气体，其中热解气体在所述热解室中与惰性气体混合以形成具有热解室压力的气体混合物；
从所述热解室排出碳质热解产物；
使气体混合物通过第一分隔体中的多个第一开口流至气体反应器，其中所述第一分隔体限定出所述热解室与所述气体反应器之间的边界；
经由端口将含氧气体引入到所述气体反应器中；以及
在气体反应温度和气体反应器压力下通过燃烧使热解气体与氧在所述气体反应器中进行反应，其中气体反应器压力小于热解室压力，
其中，所述气体反应器包括环绕所述热解室的环形空间，并且所述端口被配置为将含氧气体切向地引入所述气体反应器中，使得在所述环形空间的至少一部分中产生围绕所述热解室的涡流。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，气体反应器压力比热解室压力小至少0.05巴。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中，热解温度在约400℃和750℃之间。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的方法，其中，气体混合物以足以基本上防止气体从所述气体反应器进入所述热解室的流量流过所述第一开口。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其中，气体反应温度大于热解温度，其中热量通过所述第一开口从所述气体反应器对流至所述热解室，从而向所述热解室中提供至少一部分热解热。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，气体反应温度比热解温度高至少约100℃。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的方法，其进一步包括响应于在所述热解室中测得的一个或多个温度来调节含氧气体进入所述气体反应器的流量，从而将温度保持在预定的目标范围内。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其进一步包括从所述气体反应器中移出烟气，以及在二次燃烧反应器中通过联合供入所述二次燃烧反应器中的氧来使存在于烟气中的未反应的热解气体燃烧。
28.根据权利要求20至27中任一项所述的方法，其中，惰性气体包括通过热解气体的燃烧产生的烟气。
29.根据权利要求20至28中任一项所述的方法，其中，可热解的有机进料包含生物质。
30.根据权利要求20至29中任一项所述的方法，其中，可热解的有机进料包含生物固体。
31.根据权利要求20至30中任一项所述的方法，其中，通过热解气体和/或碳质热解产物的燃烧来提供热解热，而无需外部能量输入。
32.根据权利要求20至31中任一项所述的方法，其中，热解有机进料包括通过惰性气体将包含有机进料和/或碳质热解产物的固体流化。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述热解室包括流化区，并且分隔体中的开口位于流化区上方。
34.根据权利要求20至33中任一项所述的方法，其中：
i)分隔体包括延伸到所述气体反应器和/或所述热解室中的多个突出构件，其中至少一部分的所述第一开口位于所述突出构件上；和/或
ii)分隔体包括至少部分地在所述气体反应器与所述热解室之间的横向取向上延伸的多个间隔开的片状构件，其中至少一部分的所述第一开口位于间隔开的片状构件之间。
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