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1、10申请公布号CN104220563A43申请公布日20141217CN104220563A21申请号201380008372222申请日2013020661/595,25320120206US61/755,49320130123USC10J3/00200601F23G5/027200601B09B3/00200601C10B53/00200601C10L5/4220060171申请人M麦戈登地址美国印第安纳州72发明人M麦戈登74专利代理机构永新专利商标代理有限公司72002代理人张海涛于辉54发明名称生物质气化的方法和系统57摘要一种用于生物质原料气化的连续系统，其包括燃料调节区，气化区和。
2、焦炭冷却区。30优先权数据85PCT国际申请进入国家阶段日2014080686PCT国际申请的申请数据PCT/US2013/0248702013020687PCT国际申请的公布数据WO2013/126211EN2013082951INTCL权利要求书2页说明书7页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书7页附图2页10申请公布号CN104220563ACN104220563A1/2页21一种用于生物质原料气化的连续系统，包括燃料调节区；气化区，所述气化区包括将空气引入生物质的可控系统；焦炭冷却区，该焦炭冷却区具有回收焦炭冷却时释放的气体的气体捕获系统；其中焦。
3、炭的碳含量可通过改变进入该系统的燃料和空气中的一种或多种的进料速率来调整。2权利要求1的系统，其中空气以低于完全燃烧所需的程度进入气化区。3权利要求2的系统，其中空气以少于完全燃烧所需的约50的程度进入气化区。4权利要求2的系统，其中空气以少于完全燃烧所需的约25的程度进入气化区。5权利要求2的系统，其中空气以完全燃烧所需的约25的程度进入气化区。6权利要求1的系统，其中焦炭冷却区的气体捕获系统包括使至少一部分被捕获的气体送到气化区的气体回路。7权利要求1的系统，其中生物质原料是高灰原料。8权利要求7的系统，其中生物质原料是动物粪便。9一种用于生物质原料气化的连续系统，包括燃料调节区，其中原料。
4、被预热；气化区，所述气化区包括将空气引入生物质的可控系统，空气以低于原料完全燃烧所需的程度被引入；焦炭冷却区，该焦炭冷却区具有回收焦炭冷却时释放的气体以及将被捕获的气体送到气化区的气体捕获系统；其中焦炭的碳含量可通过改变进入系统的燃料和空气中的一种或多种的进料速率来调整。10权利要求9的系统，其中空气以低于完全燃烧所需的约50的程度进入气化区。11权利要求9的系统，其中空气以低于完全燃烧所需的约25的程度进入气化区。12权利要求9的系统，其中空气以完全燃烧所需的约25的程度进入气化区。13权利要求9的系统，其中生物质原料是高灰原料。14权利要求13的系统，其中生物质原料是动物粪便。15一种用于。
5、生物质原料气化的连续系统，包括燃料调节区，其中原料被预热和/或干燥，原料包括高灰原料；气化区，所述气化区包括将空气引入生物质的可控系统，空气以低于原料完全燃烧所需的约50的程度被引入；焦炭冷却区，所述焦炭冷却区具有回收焦炭冷却时释放的气体以及将被捕获的气体送到气化区的气体捕获系统；其中焦炭的碳含量可通过改变进入该系统的燃料和空气中的一种或多种的进料速率来调整。16权利要求15的系统，其中生物质原料是动物粪便。17权利要求15的系统，其中空气以低于完全燃烧所需的约25的程度进入气化区。18权利要求15的系统，其中空气以完全燃烧所需的约25的程度进入气化区。19权利要求15的系统，其中气化区在气体。
6、出口温度为约400600下工作。权利要求书CN104220563A2/2页320权利要求19的系统，其中被除去的气体在二次燃烧室内燃烧。权利要求书CN104220563A1/7页4生物质气化的方法和系统背景技术0001当处理与物料处理和在气化器设计的一些反应区内渣壳或团聚物形成的进展的缺氧气化时，存在一些挑战。常规气化装置在高灰分物质上已实现有限的成功，因此与传统木质生物质系统相比，在较低温度下倾向于形成团聚物生成渣壳或渣块形成物。生物焦是气化工艺的灰分副产物。许多年来灰分一直被用作肥料，在灰分中留碳的好处仅在近来被接受。0002相应地，需要一种从生物质生产能量的系统和方法，以设计用于解决这些。
7、操作问题以及产生一种市场化的“生物焦”，进一步需要可使用高灰分原料的的生物质气化系统。0003附图的简单描述0004图1是使用高灰原料的生物质气化系统的示意图。0005图2是控制生物质移动通过气化系统的螺旋系统的顶视图。0006详细描述0007基本原则是，通过控制空气和生物质移动通过装置，灰分中会形成较高程度或较低程度的碳，使得灰分在作为肥料和/或在土壤中长期保持碳的方法时的灰分值最大化。0008本发明特别较好地用于较大设备的现场热生产部分。然而，可以想象本系统应能利用高灰生物质作为电生产的能量源。0009参考图1，燃料被引入干燥器，尽管通常可使用任何生物质物质，本系统在处理高灰原料例如动物粪。
8、便方面最为有利。0010生物质燃料通常含大量水分。有许多除去水分的方法。在一些实施方案中，商业干燥器可添加至系统中。并不是所有的生物质燃料都需要干燥。也会使用标准设备用于将物料引入气化工艺的前端。0011燃料调节之后，可被引入并通过螺旋AUGER移动通过各个区。控制这些螺旋的速度使得物料被取走的速度与引入的速度相同。这不仅产生连续操作还允许对反应速度和程度进行精细控制。在此过程中，留在焦炭CHAR中的固定碳的含量可通过改变原料进料速度以及空气进入工艺中不同区的进料速度进行调整。0012螺旋如图2中所示并排设置形成使物料均匀移动穿过装置的长度和宽度的活底板LIVEFLOOR。也表明焦炭移除螺旋运。
9、行方向横向于其他螺旋的方向。可保持燃料和焦炭在装置中的程度以避免过度空气进入装置。0013有两种将空气引入“反应区”的不同方法。在此区中，一部分挥发性碳材料以及可能的一些固定碳被氧化以产生足够的热以驱赶其他生物质物料中的挥发性物质。在一些实施方案中，完全氧化所需空气的大约1/4被引入此区，然而，这一量可根据条件和生物质变化。0014可使用固定的多个入口点或通过使用旋转空气输送系统将空气引入。实验表明通过保持空气和生物质燃料移动，可避免产生高温区热点，并减少或消除渣壳或团聚物的形成。旋转空气系统可确保物料毫无问题地穿过此区。空气运动以及生物质物料在所示“磁盘”设计周围的扰乱组合使新物料连续进入并。
10、通过反应区。这将产生大量的热能和具有说明书CN104220563A2/7页5较高含量的且具有其他挥发性化合物的CO和H2的煤气。此煤气能用于各种用途例如用于低BTU燃烧发动机或涡轮机内的燃烧。或者，煤气可在第二室中被氧化以产生高温氧化烟气以用于诸如锅炉或热油热交换器的下游设备。0015煤气向上穿过燃料并与来自焦炭冷却区域以及气化器的干燥和混合调节区域的挥发物混合。该工艺会将一部分热量向下传递通过被引入的燃料，并在其到达反应区内的空气之前干燥物料。整个工艺产生的气体然后会去第二室，在那用于完全氧化所需的其他空气被加入或气体能被清洁以用于其他应用。替代的方法包括所有或部分煤气的催化氧化。0016在。
11、示例性实施方案中，来自装置的煤气通常在400600的范围内，包含一定程度的CO、CO4和H2以及其他混合物。在上部室内氧化时所产生的烟气通常在1200。此烟气然后可用于其他能量应用。0017产生的焦炭从装置中被移除。一定程度的焦炭保持在装置中以阻止空气进入反应区。通过加速流动或减慢，或调整进入各个区域内的空气量，对焦炭的数量品质进行调整以满足市场需求。当焦炭被冷却，相对高量的CO可被释放。这将向上穿过气化器反应区以及燃料调整区，而加入将进入氧化器的煤气。0018系统的所有方面可通过程控逻辑控制器控制。基于工艺中各点的气体和焦炭温度可设立反馈回路。对燃料在工艺中各个区的停留时间或引入的空气量可进。
12、行自动调整以保持一致的生物焦。实施例0019在下述实施例，使用了新气化技术以将农场废弃物组合成肥料和能量。称为生物焦的富碳产品产生自此工艺。生物焦主要产自农作物和动物粪便的热裂解。生物焦应被认为是有价值的物料，其可以改善土壤的稳定性和营养保持性质，这对环境以及在一些农业应用是有益的。0020使用本文描述的方法生产的五种生物焦样品在表1中总结进行实验。0021表1样品00220023用X射线荧光光谱XRF、X射线衍射光谱XRD、碳硫分析器、感应耦合等离子体ICP和磷酸盐分析器研究样品的化学和矿物含量以及矿物释放能力。0024使用通用方法由XRF获得的元素数据尽管这不是一个标准方法。因此表2所示数。
13、据应被认为半定量数据，除了开始两行所示的硫和碳数据。碳和硫数据均来自LECOCS分析器。钙、钾和磷是对样品检测得到的主要元素。下表列出了检测出的主要组分，检测到的元素全部列表请参见附录。说明书CN104220563A3/7页60025表2生物焦样品的元素分析00260027表3总结了通过XRD确定的矿物质的化学组成。由FRYE肉鸡粪便得到的生物焦与其他样品相比在化学组成上有一些变化。磷酸钾钠钙、钾盐、石英、方解石是所有生物焦样品中发现的最普通的矿物质。0028说明书CN104220563A4/7页70029在生物焦样品中，FRYE肉鸡粪便表明具有最高的碳含量。因此此样品被选择用于沥滤能力研究T。
14、CLP毒性特性沥滤方法并进一步通过实验氧化方法处理以除去碳。从氧化获得的灰分通过MLR与原始样品相比较。在中性条件下制备TCLP样品以使本领域内的沥滤能力有一个真实的比较。进行这一实验以比较直接氧化粪便而不是通过气化，这样残留的碳会有助于化肥缓慢释放于植物和环境中。在中性水沥出液中可沥滤金属、总氮、磷、总硫和碳的结果示于表4。0030说明书CN104220563A5/7页80031元素分析表明可调整本方法以控制保留在气化工艺中的碳含量。矿物质含量必定取决于原料的类型。粪便的组分明显随鸡类肉鸡对蛋鸡、火鸡类和马类的种类变化。来自马粪的生物焦显然是来自基于高硅石含量的放牧的那一种。该方法显然在气化。
15、工艺中除说明书CN104220563A6/7页9去明显的氮。0032沥滤性研究采用具有最高固定碳的气化粪便6077并氧化除去碳以模拟燃烧氧化而不是气化。从粪便中确保除去碳仅留下氧化的矿物质。在其沥滤能力方面气化样品和氧化样品间的差别应与气化样品中保留的或减慢这些矿物质释放至水中的固定碳有关。由于气化样品含21碳，在氧化样品中矿物质将具有多于21的较高浓度。沥滤性结果表明气化样品中的矿物质仅稍不同于氧化样品。另外，由于更浓缩没有或少量碳的矿物质存在，预计氧化样品中的金属应高20。总氮实质上未改变。然而，气化后磷明显减少，其会维持缓慢释放至植物和环境中。气化后铬也表现出明显的减少。总体来说，研究发。
16、现气化粪便相对于氧化粪便有一些优点。0033根据上述方法也用牛粪进行另外的实验。已证明气化系统能有效处理多种燃料来生产优质的生物焦产品。生物焦的特定品质取决于燃料组分。奶牛或牛的粪便是已能气化并已表明能生产有价值生物焦产品的一种燃料。生物焦的品质随取决于动物饮食的牛粪的变化而产生些微的变化，但根据粪便产生时农场使用的物料处理方法，生物焦的品质有很大的变化。另外，气化方法还能在某种程度上控制质量，尤其在碳含量方面。由牛粪生产生物焦产品的一个实例示于表5所示的矿物分析中。0034表50035说明书CN104220563A7/7页10说明书CN104220563A101/2页11图1说明书附图CN104220563A112/2页12图2说明书附图CN104220563A12。