СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРЕССОВАННОГО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
METHOD AND DEVICE FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF PRESSED CHARCOAL

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к процессу и устройству для крупномасштабного производства прессованного древесного угля, который может быть использован в применениях, включающих в себя химические реагенты, топлива и абсорбенты.
Уровень техники
3
3
Один из основных недостатков замены каменного угля на древесный уголь в металлургических или химических процессах заключается в том, что древесный уголь, по существу, обладает более низкой плотностью, чем сравнимые продукты каменного угля. Чтобы сделать древесный уголь более привлекательным для промышленных целей, необходимо разработать способ увеличения плотности древесного угля, при этом сохраняя экономически привлекательную стоимость. В идеале, плотность древесного угля необходимо увеличить в 2-3 раза от диапазона 0,2-0,5 г/см (это обычный диапазон плотностей для древесного угля, производимого с использованием обычных способов из обычного древесного сырья) до плотностей 0,6-1,0 г/см.
Было предложено производство древесного угля, имеющего плотность больше, чем древесный уголь, изготовленный из обычного сырья и с применением обычного процесса пиролиза, путем:
(1) уплотнения сырья, нагретого до 220°С - 250°С, с последующим обычным пиролизом, например, с использованием древесных топливных гранул высокой плотности (HDWP) или прессованных прутков, или
(2) пиролиза обычного или уплотненного сырья при постоянном или пульсирующем давлении, прикладываемом извне к термически разлагаемому материалу на протяжении большей части длительности процесса пиролиза.
В способе (1), упомянутом выше, обычно используют сжатие опилок, предварительно нагретых до 220°С или иногда даже до 250°С, под давлением свыше 2000 бар (например, для установки для гранулирования давление может принимать значения от 2000 бар до 4500 бар). Процесс включает в себя преобразование древесного или другого органического материала в опилки, доведение его до требуемой влажности и температуры, гранулирование или вытягивание при высоком давлении, а затем охлаждение до температуры окружающей среды. Впоследствии уплотненный материал подвергают обычному пиролизу. Оборудование, используемое для такого уплотнения сырья, является относительно сложным, а в случае прессованных прутков обладает ограниченной производительностью.
Для этой группы способов не известно крупномасштабных коммерческих технологий, которые могли бы удовлетворить потребности металлургической, химической или энергетической отраслей. Время от времени говорят об использовании прессованных древесных продуктов для изготовления высококачественного древесного угля для потребностей внутреннего рынка или в качестве абсорбента.
3
3
Несмотря на высокую плотность изначального материала (напр., до 1,3 г/см для HDWP) плотность получаемого из него древесного угля составляет скромные 0,7 г/см, потому что газы и испарения, высвобождаемые во время пиролиза такого уплотненного материала, при выходе из центра подверженных реакции частиц создают поры.
3
Способ (2), упомянутый выше, включает в себя патенты США на имя Холи (Hawley) (Холи Л.Ф. Производство искусственно уплотненного древесного угля. Журнал промышленной и технологической химии (1921), апрель, стр. 301-302, US 1369428, US 1385826) и на имя Данилова (российский патент 2217468). В патентах на имя Холи искусственно уплотненный древесный уголь производят из опилок или брикетов из опилок, спрессованных при температуре окружающей среды с применением давления, по меньшей мере, 2000 бар. Образец разместили в стальной трубке с внешним размером 2,5 дюйма, нагретой снаружи, и подвергли давлению, оказываемому поршнем в течение реакции пиролиза. Прикладываемое давление по своей природе было либо постоянным, либо осциллирующим. В частности, Холи определил, что осциллирующее давление, изменяющееся от 3,5 бар до 8,5 бар, приводит к получению конечного продукта, имеющего плотность, по меньшей мере, 0,95 г/см.
Холи также определил, что, чтобы получить плотный древесный уголь, давление, прикладываемое к материалу, подвергаемому пиролизу, может быть до трех порядков величины меньше, чем давление, прикладываемое для достижения сжатия к материалу при температурах до 220°С. Этот эффект был связан с размягчением древесно-целлюлозного материала при более высоких температурах и, следовательно, со снижением его механической прочности, допускающей более сильное сжатие. Холи заключил, что для обычных древесных пород существенное размягчение происходит при температурах из диапазона от 280°С до 300°С (US 1369428). Давление, прикладываемое к древесно-целлюлозному материалу, размягченному путем нагрева до температур из этого диапазона, приводит к более сильному сжатию материала. Следовательно, оказалось, что уплотненный древесный уголь, полученный этим способом, является более плотным (менее пористым), чем древесный уголь, получаемый посредством обычного пиролиза уплотненного сырья (например, HDWP).
Процесс, описанный Холи, является периодическим процессом. Не известно способов коммерческого производства уплотненного древесного угля, использующих этот процесс.
Данилов (российский патент 2217468) предложил непрерывный процесс производства уплотненного древесного угля. В этом процессе древесно-целлюлозный материал (предпочтительно опилки) изначально уплотняют в червячном экструдере при температурах до 280°С и давлениях до 1200 бар. Затем материал направляют в трубчатый пиролизный реактор, где его дополнительно сжимают поршнем, придавливая материал, и прессуют импульсами горячих газов под высоким давлением, поступающих в реактор через перфорированную боковую стенку. Реакторный сосуд требует внешнего нагрева. Не известно способов коммерческого производства уплотненного древесного угля, использующих этот процесс.
Способы, разработанные и Холи и Даниловым, имеют несколько ограничений, в частности, в результате уплотнения материала газопроницаемость материала становится пренебрежимо малой, поэтому реактор требует внешнего нагрева, так как нагрев материала горячим газом, продуваемым через него, невозможен. Более того, так как теплопроводность древесно-целлюлозного материала очень низка, то размер реакционного сосуда, который можно использовать, ограничен.
В отличие от процессов, описанных Холи и Даниловым, где требуется внешний нагрев, пиролиз может быть осуществлен в полностью автогенном режиме, т.е. без необходимости внешнего нагрева, так как вся теплота, требуемая процессом, вырабатывается посредством реакций, происходящих в самом материале. Применительно к производству уплотненного древесного угля, использование этого автогенного процесса обеспечивает главное преимущество, заключающееся в том, что он допускает достаточно равномерное распределение температуры по любому поперечному сечению в реакционном сосуде.
Ссылка к любому известному уровню техники в описании не является и не должна трактоваться в качестве подтверждения или любой формы согласия с тем, что этот известный уровень техники является частью известных знаний в Австралии или в любой другой юрисдикции, или что обосновано можно ожидать, что этот известный уровень техники может быть определен, понят и рассмотрен специалистом в области техники как релевантный.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предложено устройство, в котором пиролиз может проходить в автогенном режиме, устраняя, по меньшей мере, некоторые из недостатков существующего уровня техники. В соответствии с одним аспектом изобретения предложено устройство для непрерывного термического разложения органического материала, содержащее:
механизм подачи для подачи органического материала в реакционный сосуд, реакционный сосуд для поддерживания реакционного слоя органического материала, причем реакционный сосуд ограничивает путь потока, вдоль которого органический материал подвергается процессу карбонизации по мере прохождения через реакционный сосуд, при этом реакционный сосуд содержит:
аппликатор давления для спрессовывания реакционного слоя,
зону реакции для автогенной реакции органического материала в реакционном слое,
по меньшей мере, один газоотвод из зоны реакции для извлечения, по меньшей мере, части подсмольных газов из реакционного слоя,
зону охлаждения для снижения температуры материала и для извлечения нагретого газа из реакционного слоя, и
по меньшей мере, один канал для выгрузки карбонизированного органического материала из реакционного сосуда.
В одном варианте осуществления зона реакции, охлаждающая зона и канал для выгрузки расположены последовательно вдоль пути потока через реакционный сосуд.
Также предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, один газоотвод удалял газы непосредственно из реакционного слоя, а также может иметься, по меньшей мере, одна фурма, выступающая в зону реакции, а более предпочтительно, несколько фурм.
В предпочтительной форме изобретения реакционный сосуд имеет уменьшающуюся площадь поперечного сечения, по меньшей мере, в зоне реакции или ее окрестности. Предпочтительная форма имеет внутренние стенки, сужающиеся внутрь в сторону конца выгрузки реакционного сосуда, по меньшей мере, в окрестности зоны реакции. Это обеспечивает уменьшение площади поперечного сечения, что сжимает реакционный слой по мере его прохождения вдоль реакционного сосуда. Сосуд может быть установлен вертикально, и, таким образом, внутренние стенки сужаются внутрь к низу сосуда, по меньшей мере, в окрестности зоны реакции. Как вариант или в сочетании с сужением внутренних стенок, площадь поперечного сечения фурмы или фурм, которые выступают от конца выгрузки реакционного сосуда, уменьшается по направлению к зоне реакции, чтобы дополнительно сжать реакционный слой.
Чтобы допустить адекватный нагрев органического сырья в области нагрева реакционного сосуда, реакционный сосуд оборудован газоотводом или отводами над вводом сырья для удаления подсмольных газов. Это позволяет горячим пиролизным газам и испарениям проходить через поступающий материал, нагревая его до таких температур, при которых возникает автогенный пиролиз, до того, как он будет сильно сжат.
Для дополнительного способствования сжатию материала, расположенного в зоне реакции, но не дальше этой зоны, и, таким образом, для снижения максимального давления, которое необходимо приложить аппликатором давления для достижения требуемой степени уплотнения, вблизи от зоны реакции установлено, по меньшей мере, одно устройство излучения звука, предназначенное для передачи звуковой энергии в эту зону. Предпочтительно, чтобы устройство излучения звука было расположено на фурме. Другое возможное расположение устройства излучения звука - на внешней стенке реактора. Вибрации звуковых частот, инициированные этими устройствами, также будут способствовать выходу подсмольных газов из сжимаемого слоя реакции, образованного вблизи зоны реакции.
Диапазон температур, при которых древесно-целлюлозный материал размягчается, ограничен узким интервалом. Обычный диапазон температур для размягчения древесины составляет 280°С - 300°С, но для определения диапазона для любого данного материала можно использовать простой эксперимент. Как было сказано ранее, при отсутствии нагрева древесно-целлюлозного материала до температур размягчения, для уплотнения неразмягченного материала перед пиролизом требуются давления свыше 2000 бар.
Кроме того, для производства однородного и высококачественного прессованного древесного угля крайне желательно, чтобы распределение температуры по материалу в реакторе было равномерным. Желательно, чтобы температура древесно-целлюлозного материала в заданном поперечном сечении реактора (расположенном в соответствующей температурной зоне) не выходила за пределы этого диапазона температур. Неравномерный нагрев древесно-целлюлозного материала приводит к тому, что участки древесно-целлюлозного материала нагреваются до температуры ниже желаемого диапазона температур и/или выше вышеупомянутого диапазона температур. Это приводит к неравномерной плотности недостаточно размягченного древесно-целлюлозного материала, нагретого до температуры ниже желаемого диапазона температур, и древесно-целлюлозного материала, нагретого до температуры выше желаемого диапазона температур, и частично обугленного или пиролизованного. Если попытаться сжать весь поперечный срез материала неравномерной плотности и увеличить давление для компенсации жесткости материала, то в случае недогретого материала не произойдет достаточного уплотнения материала, а в случае обугленного материала он раздробится без увеличения плотности. В любом случае, как только материал был затем пиролизован, плотность конечного продукта будет плохого качества, так как она будет меньше, чем плотность пиролизованного равномерно плотного слоя древесно-целлюлозного материала.
Кроме того, газопроницаемость через слой сжатого материала неравномерной плотности будет неравномерной. Таким образом, удаление пиролизных газов станет более трудным, менее предсказуемым и более сложным для контроля, делая весь процесс разложения материала энергетически менее эффективным и более долгим.
В другой форме изобретения предложен способ непрерывного производства прессованного древесного угля, содержащий следующие этапы:
устанавливают реакционный слой органического материала, подвергаемого автогенному разложению в реакционном слое зоны реакции;
нагревают сухой органический материал и загружают органический материал в реакционный сосуд;
нагревают загруженный сухой органический материал до температуры для размягчения органического материала;
прикладывают давления в диапазоне от 0 до 10 бар для сжатия органического материала;
перемещают сжатый органический материал в зону реакционного слоя реакционного сосуда, поднимая температуру сжатого органического материала до температуры, при которой возникает автогенное разложение органического материала;
удерживают сжатый органический материал в зоне реакции в течение периода автогенного разложения;
и выгружают карбонизированный органический материал из реакционного сосуда.
В вышеописанном способе предпочтительно, чтобы массовая доля содержащейся в сухом материале влаги составляла от 0 до 1%. Более предпочтительно, чтобы массовая доля содержащейся в сухом материале влаги составляла от 0 до 0,5%. Еще более предпочтительно, чтобы массовая доля содержащейся в сухом материале влаги была менее 0,5%. Предпочтительно, чтобы в зоне нагрева сосуда органический материал изначально нагревали до температуры 280-300°С для размягчения органического материала. Газы, получаемые при автогенном разложении органического материала, перемещаются в направлении, противоположном потоку сухого органического материала, подаваемого в реакционный сосуд, для нагрева органического материала до температуры 280-300°С, при которой древесно-целлюлозный материал размягчается. В идеале, материал нагревают равномерно по поперечному сечению, чтобы обеспечить равномерное размягчение материала.
После того, как органический материал был размягчен, реакционный слой сжимают. Давление принимает значения в диапазоне от 0 до 10 бар и, предпочтительно, в диапазоне от 3,5 до 8,5 бар. Предпочтительно, чтобы давление прикладывали механически посредством поршня и чтобы при этом поршень вращался до или во время сжатия, чтобы выровнять поверхность с поверхностью поршня. Таким способом можно получить по существу равномерную толщину для каждой загрузки древесно-целлюлозного материала в сжатом состоянии.
После сжатия давление снижают и дополнительно высушенный материал, предпочтительно изначально нагретый до температуры 150°С, подают в реакционный сосуд. Свежий материал нагревают до температуры от 280 до 300°С, а затем к этому материалу прикладывают давление для сжатия размягченного свежего древесно-целлюлозного материала. Промежуточное приложение давления не только сжимает размягченный свежий материал, но также продвигает сжатый органический материал в автогенную область реакционного сосуда. Таким образом, сжатый материал в виде куска материала может продвигаться в зону реакции реакционного сосуда, где возникает автогенное разложение до результирующего прессованного древесного угля.
Таким образом, способ функционирует непрерывно, при этом свежий органический материал подают в реакционный сосуд в непрерывные интервалы и извлекают прессованный древесный уголь в непрерывные интервалы.
В способе согласно изобретению газы могут быть удалены из зоны реакции, по меньшей мере, через один газоотвод, предпочтительно, через, по меньшей мере, одну фурму, которая выступает в зону реакции. Количество удаляемых газов не должно быть настолько большим, чтобы предотвратить восхождение испарений в зону нагрева реакционного сосуда, где поступающий сухой органический материал нагревают до температуры его размягчения.
В предпочтительной форме в изобретении предложен способ непрерывного термического разложения органического материала в реакционном сосуде, в котором инициировано автогенное разложение органического материала, причем процесс содержит следующие этапы:
нагревают сухой органический материал и загружают органический материал в реакционный сосуд;
нагревают загруженный сухой органический материал до температуры для размягчения органического материала;
прикладывают давления в диапазоне от 0 до 10 бар для сжатия органического материала;
перемещают сжатый органический материал в зону реакционного слоя реакционного сосуда, поднимая температуру сжатого органического материала до температуры, при которой возникает автогенное разложение органического материала;
удерживают сжатый органический материал в зоне реакции в течение периода автогенного разложения; и
выгружают карбонизированный органический материал из реакционного сосуда.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид сбоку в разрезе варианта осуществления изобретения, а
на фиг. 2 показан вид в разрезе по линии А-А фигуры 1.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Понятно, что изобретение, описанное и заданное в этой спецификации, распространяется на все альтернативные сочетания двух или нескольких упомянутых отдельных признаков или признаков, очевидных из текста или чертежей. Все эти различные сочетания составляют различные альтернативные аспекты изобретения.
В настоящем изобретении предложено устройство для автогенного производства прессованного древесного угля, то есть древесного угля, плотность которого, по меньшей мере, в 2 раза больше, чем у обычного древесного угля.
Сухой органический материал загружают в реакционный сосуд, затем он проходит через реакционный сосуд, и получается прессованный древесный уголь. Реакционный сосуд содержит три основные зоны: зону нагрева, зону экзотермической реакции и зону охлаждения. В зоне нагрева материал нагревают до соответствующей температуры. Нагрев может быть обеспечен горячими подсмольными испарениями, поднимающимися из нижних областей реакционного сосуда, в частности из зоны экзотермической реакции. В зоне экзотермической реакции процесс разложения и/или карбонизации вырабатывает избыточное тепло. Также могут образовываться подсмольные испарения, которые могут подниматься в зону нагрева, чтобы нагреть органический материал в зоне нагрева. Процесс разложения сопровождается процессом карбонизации, который осуществляется по мере того, как органический материал проходит через сосуд. К материалу в зоне экзотермической реакции может прикладываться давление, допускающее уплотнение конечного продукта древесного угля. Давление может оказываться механически, как, например, посредством сжатия устройством типа поршня. Также для увеличения сжатия материал может быть подвержен акустическим колебаниям.
Вариант осуществления изобретения показан на фиг. 1. Устройство содержит реакционный сосуд [1], по меньшей мере, один механизм [2] подачи органического сырья, шток [3] поршня, по меньшей мере, одно входное отверстие [4], привод [5] поршня, поршень [6], газоотвод [7], антикоррозионное покрытие [8], изоляционный слой [9], установленные снаружи акустические излучатели [10], входное отверстие [11] для охлаждающей воды, выход [12] для охлаждающей воды, входное отверстие [13] для охлаждающего газа, выход [14] для охлаждающего газа, фурму [15], выдвижную платформу [16], канал [17] для выгрузки, запорные клапаны [18], полую трубу [19], отверстия [20] для извлечения испарений, установленные внутри акустические излучатели [21], систему [22] извлечения испарений, зону [23] нагрева, зону [24] экзотермической реакции, зону [25] охлаждения, входы [11А и 11В] охлаждающей воды для подачи охлаждающей воды в водяные теплообменники [26А и 26В], соединенные с выходами [12А и 12В] охлаждающей воды.
В одном варианте осуществления устройство содержит реакционный сосуд [1] и механизм [2] подачи органического сырья. Устройство дополнительно содержит соответствующие системы мониторинга и управления.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, как показано на фиг. 1, реакционный сосуд [1] содержит стенку реактора, входное отверстие реактора и канал для выгрузки из реакционного сосуда. Входное отверстие в реакционный сосуд оборудовано аппликатором давления (поршнем [6]), приводимым в действие приводом [5] поршня, для прикладывания давления к материалу в реакционном сосуде.
Реакционный сосуд дополнительно содержит, по меньшей мере, один газоотвод для удаления, по меньшей мере, части газов непосредственно из реакционного слоя. Предпочтительная форма включает в себя фурму [15] или фурмы, которые выступают снаружи в реакционный сосуд для извлечения изнутри него газов. Фурма или фурмы содержат полую трубу [19], отверстия [20] для извлечения испарений, которые расположены вдоль фурмы [15] по всей зоне [24] экзотермической реакции, и соединены у основания фурмы с системой [22] извлечения испарений. Фурма может быть дополнительно оборудована акустическими излучателями [21], которые проходят вдоль фурмы [15] через зону [24] экзотермической реакции. Дополнительные акустические излучатели [10] могут быть установлены на внешней поверхности стенки реактора напротив излучателей, расположенных на фурме.
Функционирование
Для возникновения автогенного процесса необходимо следующее:
- материал, загружаемый в реакционный сосуд, должен быть сухим и предварительно нагретым, по меньшей мере, до 150°С;
- свежий материал, поступающий в реактор сверху, дополнительно нагревают горячими подсмольными испарениями, поднимающимися из зоны экзотермической реакции реакционного сосуда, до температуры, при которой процесс становится экзотермическим (около 300°С);
- ограниченную газопроницаемость материала поддерживают путем отвода очень тонких фракций; и
- давление испарений в зоне экзотермической реакции реакционного сосуда может подняться существенно выше давления окружающей среды; в результате, даже ограниченной газопроницаемости достаточно для того, чтобы нагревающие газы/испарения проходили сквозь материал вверх к газо/пароотводу.
Привлекательный признак этого процесса заключается в том, что основное направление теплопередачи является вертикальным и что теплота вырабатывается равномерно по всему поперечному сечению реактора. Поэтому не требуется горизонтальной теплопередачи. Это позволяет отделить увеличение масштаба процесса от требований к теплопередаче к материалу и внутри него. Тем не менее для того чтобы могла происходить теплопередача в вертикальном направлении, необходима, по меньшей мере, ограниченная газопроницаемость в слоях материала, расположенных над зоной экзотермической реакции.
Несмотря на то что загрузка и выгрузка реакционного сосуда происходит периодически, автогенный процесс проводится непрерывно. Следовательно, процесс можно рассматривать как непрерывный.
В настоящем изобретении предложен непрерывный способ производства прессованного древесного угля посредством приложения внешнего механического давления на древесно-целлюлозный или другой обугливаемый, содержащий углерод, материал, который подвергают пиролизу в полностью автогенном режиме.
Преобразование органического сырья в карбонизированный органический материал (древесный уголь) происходит в изолированном реакционном сосуде [1], который может функционировать непрерывно. В этом варианте осуществления изобретения устройство производства древесного угля содержит изолированный механизм [2] подачи сырья для подачи органического материала в реакционный сосуд [1], номинально имеющий вертикальную ориентацию. Хотя номинально вертикальная ориентация предпочтительна, она не является обязательной. Когда органическое сырье загружают в реакционный сосуд, поршень находится в верхнем положении. Во время загрузки не оказывается внешнего давления. Однако остаточное давление может оставаться внутри материала в зависимости от конфигурации стенок реактора. Реакционный сосуд [1] может быть расположен под любым углом, так как конвекция не влияет существенно на поток испарений внутри реакционного сосуда [1].
Для установления автогенного процесса сырье, нагретое, по меньшей мере, до 150°С, подают в реакционный сосуд, а затем поднимают температуру материала, расположенного в экзотермической зоне [24], до температуры, превышающей 300°С, а предпочтительно, примерно до 500°С, продувая через него горячий газ. Предпочтительным газом является нагретый воздух. Во время запуска к материалу не должно прикладываться давление посредством поршня [6]. Горячий газ, имеющий температуру приблизительно 500°С, вводят в зону [24] экзотермической реакции, предпочтительно, через отверстия [20] в фурме [15], и через газоотвод [7] возникает отток газа. Если сухая древесина в зоне экзотермической реакции воспламеняется, то продукты сгорания также могут быть удалены из реактора через газоотвод [7]. Обе половины выдвижной платформы [16], вход [13] охлаждающего газа и выход [14] охлаждающего газа должны быть закрыты во время этой операции, чтобы предотвратить распространение процесса воспламенения в нижнем направлении, вместо верхнего направления. Количество вводимого газа должно точно контролироваться, чтобы предотвратить перегрев реакционного сосуда. Когда температура материала, размещенного в экзотермической зоне [24], достигает приблизительно 500°С, то поток газа может быть остановлен, а реакционный сосуд [1] может функционировать в автогенном непрерывном режиме, при этом на материал оказывают давление.
Реакционный сосуд [1] преобразует органическое сырье в древесный уголь посредством автогенного процесса термического разложения. Процесс разложения сопровождается процессом карбонизации, который проходит по мере того, как органический материал проходит через сосуд [1] от входа до выхода. К древесно-целлюлозному или другому обугливаемому материалу может прикладываться достаточное внешнее механическое давление, чтобы сжать материал, расположенный в зоне [24] экзотермической реакции, позволяя уплотнить конечный продукт древесного угля. В ходе карбонизации материал теряет обычно от 65 до 70% начальной массы. Для обычного пиролиза без прессования материала плотность древесного угля составляет примерно 80% плотности древесины, из которой он изготовлен. Следовательно, объем древесного угля составляет приблизительно 40% объема древесины, из которой он получен. Если предложенный процесс уплотнения удваивает плотность древесного угля, то объем продукта будет составлять только 20% объема исходной древесины.
Давление может быть приложено непосредственно с помощью привода [5] поршня, оказывающего давление посредством поршня [6]. Более того, установленные на боковой стенке акустические излучатели [10] и акустические излучатели [21], которые проходят вдоль фурмы [15] в зоне [24] экзотермической реакции, могут быть использованы для генерации низкочастотных акустических колебаний. Эти низкочастотные акустические колебания могут быть приложены к выбранным участкам материала в реакционном сосуде [1], чтобы усилить эффект сжимающего давления, оказываемого поршнем [6].
Реакционный сосуд [2] содержит последовательность зон реакции, через которые последовательно проходит материал. В этом варианте осуществления выделено три зоны реакции; зона [23] нагрева, зона [24] экзотермической реакции и зона [25] охлаждения.
Органическое сырье, подаваемое механизмом подачи в зону нагрева реакционного сосуда, является сухим и имеет температуру, по меньшей мере, 150°С. По мере того, как материал проходит через зону [23] нагрева, он нагревается подсмольными испарениями, которые поднимаются из последующих зон, до температуры, при которой начинается экзотермическая реакция карбонизации (около 300°С). Тепловая энергия от внешнего источника для осуществления реакции в реакционном сосуде [1] не требуется.
По мере того, как материал проходит через зону [24] экзотермической реакции, органический материал разлагается во время полностью автогенного процесса пиролиза. В результате этого происходит преобразование органического материала в карбонизированный органический материал, подсмольные испарения, газ и тепловую энергию. Подсмольные испарения и газ могут подниматься к более высоким зонам в реакционном сосуде [1], перенося тепловую энергию в эти зоны. Внешнее механическое давление может быть приложено посредством привода [5] поршня, приводящего в действие поршень [6], чтобы сжать материал в реакционном сосуде [1].
Прикладываемое механическое давление имеет такое значение, что поддерживается требуемый уровень газопроницаемости материала перед зоной [24] экзотермической реакции, и при этом является достаточным для того, чтобы сжать и уплотнить материал, расположенный в зоне [24] экзотермической реакции. Механическое давление может оказываться периодически и может изменяться в диапазоне более чем от 0 до 10 бар. Более того, распределение давления в материале в зоне [24] экзотермической реакции оптимизируют, меняя площадь поперечного сечения зоны [24] экзотермической реакции. Фурма предпочтительно проходит от конца выгрузки реакционного сосуда, предпочтительно, до зоны реакции реакционного сосуда, создавая кольцевое поперечное сечение, достаточное для прохождения реакционного слоя и продукта. Наклоняя и сужая внутренние стенки реакционного сосуда, по меньшей мере, в области зоны реакции, по направлению к концу выгрузки реакционного сосуда, и сужая ширину фурмы от конца выгрузки реакционного сосуда к зоне реакции, кольцеобразное пространство уменьшают по мере прохождения реакционного слоя, а распределение давления в реакционной камере оптимизируют. Механическая прочность древесно-целлюлозного материала снижается с ростом температуры. В результате, прикладываемое механическое давление приведет к существенному сжатию материала в зоне [24] экзотермической реакции. В зоне [23] нагрева материал покажет меньшую степень сжатия из-за более низкой температуры, а поэтому в зоне [23] нагрева механическая прочность материала более высокая. Это гарантирует, что подсмольные испарения могут проникнуть сквозь зону [23] нагрева и, таким образом, нагреть материал до температуры, при которой начинается экзотермическая реакция.
То, что существенное сжатие материала ограничено в зоне [24] экзотермической реакции, не должно мешать потоку подсмольных испарений проходить в области с большей проницаемостью. Понятно, что давление испарений, образованное в материале во время процесса пиролиза, может превышать 30 бар. Это намного больше, чем прикладываемое механическое давление, и поэтому несмотря на сниженную газопроницаемость сжатого материала при входе его в зону [24] экзотермической реакции подсмольные испарения могут выйти и попасть в зону [23] нагрева.
Как обсуждалось выше, газоотвод или газоотводы удаляют газы непосредственно из реакционного слоя, а в предпочтительной форме - удаление производят через фурму, где фурма [15] выступает в зону [24] экзотермической реакции и содержит полую трубу [19] с отверстиями [20] для извлечения испарений, которые расположены вдоль фурмы [15] по всей зоне [24] экзотермической реакции. Отверстия [20] для извлечения испарений соединены у основания фурмы [15] с системой [22] извлечения испарений. Это допускает переток газов и испарений в зоне [24] экзотермической реакции реакционного сосуда [2]. Чтобы дополнительно способствовать выходу газов из зоны реакции, на фурме или около нее могут быть предусмотрены акустические излучатели, такие как высокотемпературные пьезокристаллы. Полагают, что испарения, задержанные в слое идущей реакции в зоне экзотермической реакции, повышают пористость древесного угля. Сокращенный путь газов и испарений предназначен для выхода из зоны [24] экзотермической реакции с дополнительной помощью акустического излучения для сокращения пористости прессованного древесного угля, делая возможной высокую степень удаления испарений, захваченных в зоне [24] экзотермической реакции.
По мере того как материал проходит через зону [25] охлаждения, он охлаждается до желаемой температуры. Зона [25] охлаждения содержит вход [11] охлаждающей воды, предназначенный для подачи охлаждающей воды в водяной теплообменник [26], и выход [12] охлаждающей воды. Поток охлаждающей воды через водяной теплообменник [26] снижает температуру материала по мере его прохождения через зону [25] охлаждения.
Зона охлаждения дополнительно содержит выдвижную платформу [16]. Когда выдвижная платформа [16] находится в убранном состоянии, материал может пройти через зону [25] охлаждения и в канал [17] для выгрузки. Когда выдвижная платформа [16] находится в выдвинутом состоянии, материал в зоне [25] охлаждения не может пройти в канал [17] для выгрузки. Внутренние стороны обеих половин выдвижной платформы [16] (стороны направленные к оси реактора) имеют режущие края, предназначенные для упрощения выгрузки материала, если тот становится непрерывным в ходе его уплотнения.
Карбонизированный органический материал удаляют из реакционного сосуда [1] через канал [17] для выгрузки. В этом варианте осуществления выгрузкой из канала [17] для выгрузки управляют посредством запорных клапанов [18]. По мере того как материал проходит через канал [17] для выгрузки, он охлаждается до желаемой температуры. Канал [17] для выгрузки содержит водяную и газовую систему для охлаждения карбонизированного органического материала перед выгрузкой. Водяная система охлаждения содержит входы [11А и 11В] охлаждающей воды для подачи охлаждающей воды в водяные теплообменники [26А и 26В] и выходы [12А и 12В] охлаждающей воды. Газовая система охлаждения содержит вход [13] охлаждающего газа и выход [14] охлаждающего газа. Охлаждающий газ, подаваемый через вход [13] охлаждающего газа, поднимается через карбонизированный органический материал в канале [17] для выгрузки и выходит через выход [14] охлаждающего газа. Охлаждающий газ извлекает тепловую энергию из карбонизированного органического материала посредством непосредственного контактного теплообмена и становится нагретым охлаждающий газом.
Не предполагается, что использованный в этом документе термин "содержать" и вариации термина, такие как "содержащий", "содержит" и "содержавший", исключают другие добавки, компоненты, целые числа или этапы, за исключением мест, где в контексте требуется обратное.