使用微波系统制造的炭技术领域
本发明一般涉及从含有机碳原料生产固体炭燃料。
背景技术
绝大多数燃料从有限的地下储备泵抽的原油蒸馏出。随着地球上的原油供应耗
竭，全世界对能量的需求同时增长。在接下来的十年里，剩余的世界上容易得到的原油储备
的耗竭将导致从原油获得燃料的成本显著增加。
发现可以有效地使工业废料、可耗竭材料以及可再生材料转化成适合于运输和/
或加热的燃料和副产品的工艺的研究是满足不断增长的对能量的需求的重要因素。另外，
得到具有改善的效用的固体副产品的工艺在需求上也日益增加。
通过工艺制造的具有更加有益的特性的固体副产品是满足不断增长的对能量和
食品的需求的重要因素。本发明满足这些需要并且提供优于现有技术的各种优点。
发明内容
描述了一种从通过微波工艺系统的含有机碳原料制造的炭组合物。这个系统包括
在微波反射罩内的至少一个反应室。这个反应室包括至少一个透微波室壁和在反应室内被
配置成在外部供应的无氧气氛中保持含有机碳原料的至少一个反应腔。微波子系统包括至
少一个被配置成当激励时发出微波的装置。微波装置相对于反应室定位以便引导微波穿过
透微波室壁并且进入反应腔中。这个系统还包括提供微波装置与反应室之间的相对运动的
机构。炭组合物实质上不包括自由水。而且，炭组合物包括具有小于10％的孔隙大小变化的
孔隙。
在另一个实施方案中，本发明的炭组合物涉及一种用于使含有机碳化合物转化成
燃料和炭的微波工艺。将含有机碳原料输入不含外部供应的氧气并且在微波反射罩内的实
质上透微波的反应室中。引导微波从微波源穿过反应室的壁以冲击原料。在透微波反应室
与微波源之间提供相对运动。对原料进行微波处理直至其反应以生产燃料和炭组合物。
以上概述并不意图描述炭的每个细节。优于通过相同含有机碳原料的热加工制造
的已知炭的特征和效益连同本发明的更加全面的理解将变得显而易见并且通过结合随附
图式参考以下详细描述和权利要求书而了解。
如本文所用：
“生物炭”意指由在如本文献中所描述的微波系统中加工的“可再生材料原料”制
造的“炭”。
“含有机碳原料”意指含有有机碳的“可再生材料原料”和“不可再生材料原料”。
“炭”意指在如本文献中所描述的微波系统中加工的“含有机碳原料”脱挥发分的
固体产品。
“可再生材料原料”意指来自可以在小于50年内再生的植物或动物材料的含有机
碳原料，并且包括如下材料，例如草、农业植物废料、树的部分以及动物粪肥。
“不可再生材料原料”意指包括所制造的材料以及在小于50年内不可再生的可耗
竭植物和动物材料的含烃原料，并且包括如下材料，例如橡胶(诸如轮胎碎料)、塑料、城市
废料、原油、泥炭以及煤(诸如烟煤和无烟煤)。
附图说明
图1A和1B分别说明了根据本发明的实施方案被配置成使含有机碳材料转化成炭
的系统的侧视图和剖视图；
图1C是根据本发明的实施方案的倾斜反应室系统的图解；
图1D是根据本发明的实施方案的反应室系统的侧视图的图解；
图2A是根据本发明的实施方案使用图1A和1B中所说明的反应室系统用于水/空气
提取和反应工艺的系统的方块图；
图2B说明了根据本发明的实施方案包括反馈控制的反应系统；
图3A示出了包括在安置于具有一个或多个透微波壁的圆柱形反应室外部的圆筒
上布置的多个固定磁控管的系统；
图3B说明了具有支持可以绕着反应室的纵轴旋转而反应室同时绕其纵轴旋转的
磁控管的圆筒的系统；
图3C示出了具有包括导流片的原料运输机构的反应室；
图4说明了除二级热源以外具有旋转磁控管的系统；
图5描绘了磁控管沿着反应室的纵轴移动并且绕着反应室的纵轴旋转的系统；以
及
图6是根据本发明的实施方案用于从含有机碳原料产生燃料的工艺的流程图。
虽然本发明可接受工艺的各种修改和替代形式，但其细节已经在图式中经由实例
示出并且将在下文详细描述。然而，应了解，并不意图将本发明限于所描述的特定工艺实施
方案。相反地，本发明意图涵盖来自处于如随附权利要求书所界定的本发明范围内的所有
修改、等效物以及替代物的产品。
具体实施方式
如本文献中所用，炭是含有机碳原料脱挥发分的固体产品。对于煤来说，炭是在贫
氧燃烧，也称为碳化、焦化、脱挥发分或热解的初始阶段期间轻气体和焦油已经从碳质材料
中驱出或释放之后保留的固体材料。轻气体包括例如煤气，一种易燃气态燃料，其含有多种
生热气体，包括氢气、一氧化碳、甲烷以及挥发性烃连同少量的非生热气体，诸如二氧化碳
和氮气。煤焦油是极高粘度的棕色或黑色液体，其包括酚、多环芳香烃(PAH)以及杂环化合
物的复杂和可变的混合物。相比之下，在氧气存在下的燃烧(有或没有炭沉积物)被称为气
化并且用于制造诸如合成气的产品并且通常产生灰分而不是炭。这种类型的燃烧在达成可
逆的气相水气变换反应后即快速结束，这种反应是可逆的化学反应，其中一氧化碳与水蒸
气反应形成二氧化碳和氢气(一氧化碳与氢气的混合物被称为合成气)。
来自除煤之外的含有机碳原料分解的炭具有基于所用原料略有不同的类似特性。
一些其它炭包括例如通过生物质的热解制造的炭，也称为木炭。木炭具有各种用途，包括例
如用于产生供蒸煮和加热用的热的可燃燃料，以及供应对用于生长农业和园艺产品的土壤
施肥的矿物的土壤改良剂。炭还已经经由使生物质通过类似于熏肉蒸煮锅的开放微波炉来
制造，这种炭暴露于含有氧气的外部气氛并且含有类似于通过具有液相的热工艺制造的孔
隙的变化的孔隙。
在通过热量加热或红外辐射(IR)制造的炭中，辐射被吸收在任何含有机碳原料的
表面上并且然后在较低温度下再辐射至下一级。再次反复重复这种工艺直至IR辐射穿透至
原料的最内部分。原料中的所有材料在其表面处吸收IR辐射并且构成原料的不同材料以不
同速率吸收IR。几个数量级的Δ温度可以存在于原料的表面与最内层或区域之间。因此，固
体含有机碳原料局部通过在挥发之前的液相。这种温度变化可以在纵向方向以及径向方向
上出现，这取决于原料的特征、加热的速率以及热源的定位。从原料的表面至内部的这种可
变热传递可以产生冷和热点、热冲击、不平坦表面和内部膨胀裂痕、碎裂，喷射表面材料并
且形成气溶胶。这全部可以导致引起副反应并且形成许多不同的最终产品的微环境。这些
副反应不仅在原料中而且在挥发物中发生，这些挥发物从原料中蒸发并且在收集之前占据
内部反应器环境中的蒸气空间。
常用IR辐射工艺，即热解，通过在低/无氧环境中加热生物质而从生物质产生生物
炭液体和气体。氧气的缺乏防止燃烧。来自热解的产品的相对产率随着温度而变化。400-
500℃(752-932°F)的温度产生更多的炭，而高于700℃(1,292°F)的温度对液体和气体燃料
组分的产率有利。热解在更高温度下更快速地发生，通常需要数秒而不是数小时。典型产率
为60％生物油、20％生物炭以及20％合成气。高温热解也被称为气化，并且主要产生合成
气。比较起来，缓慢热解可以产生实质上更多的炭，约50％左右。
相比之下，用以制造本发明的炭的工艺使用来自本文所描述的贫氧微波工艺系统
的微波辐射。在微波辐射下，几乎所有的原料几乎透微波辐射。大多数微波辐射正好通过整
个原料，因为其不被吸收。除了水分子和其它与水类似的分子键以外，几乎所有的材料几乎
透微波辐射。因此，使经受微波辐射场的任何原料的内部至外部均匀地暴露于辐射，而无论
原料的物理尺寸和含量如何。在微波下，辐射优先被水分子吸收，这些水分子然后振动并且
加热升温。水分子具有如此多的熵使得微波选择性地被水吸收。这种热然后传递至周围的
环境，使得原料均匀并充分地被加热。
当水全部蒸发时，那么一些微波开始被剩余的原料吸收并且在使微波辐射无数次
通过原料的反射罩内加热升温。微波辐射可以在比IR更低的温度下和更短的时帧内完成原
料的转化。操作温度降低可以在低10-30％的范围内，并且加热时间可以缩短等于IR辐射实
现指定原料的类似程度的分解所需时间的一半至十分之一的量。这全部可以得到由内而外
均匀加热的原料，因此存在减少的微环境、更少的副反应、以及收集更清洁的挥发物。
反应室中的气氛不含外部供应的氧气。在一些实施方案中，气氛是惰性的，诸如氮
气。在一些实施方案中，气氛可以含有少量的水，其先前尚未从进入反应室之前正在加工的
含有机碳原料中完全去除。
来自本文所论述的微波工艺系统的所得炭是经过照射的含有机碳烃原料的脱挥
发分的碳残留物。本文所论述的微波系统可以加工在进入反应室时不含水的含有机碳原
料。所有含有机碳原料含有在反应室中离解的分子，其中更多的二价键优先吸收更多的微
波能量以产生热。然而，当水或水缔合的分子存在时，转化更加有效，即，速率更快并且在更
低温度下。当进入反应室时的含有机原料中的水含量为至少5重量％并且小于15重量％时，
发生一些有效转化。当水为至少6重量％并且小于12重量％时，发生一些有效转化。出于本
文献的目的，水包括自由水、间隙水、细胞水、以及可以与其它分子组合形成水合化合物的
水部分。在原料早期暴露于微波期间，在原料粒子的整个体积中水的均匀加热得以形成更
为众多并且更加均匀的孔隙。因为大多数含有机碳原料含有水，所以下面的论述将集中于
那些原料。然而，对于不含水的那些可以发生类似的结果，但效率较低。
使用工艺的微波辐射制造的炭当与使用如上文所论述的IR辐射加工的类似原料
相比时具有几个改善的特征。第一，因为实质上所有的自由水在微波工艺期间均匀地从表
面至中心并且充分地被去除，所以与在IR工艺中使用类似原料制造的炭相比孔隙数目和孔
隙大小更大并且在整个炭中的变化更小。一些实施方案具有大于10％的孔隙数目，一些具
有大于20％的孔隙数目，一些具有大于30％的孔隙数目，并且一些具有大于40％的孔隙数
目。一些实施方案具有如以平均孔隙直径测量的大于10％的孔隙大小，一些具有大于20％
的孔隙大小，一些具有大于30％的孔隙大小，并且一些具有大于40％的孔隙大小。一些实施
方案具有小于10％的孔隙数目变化，一些具有小于5％的孔隙数目变化。一些实施方案具有
小于10％的孔隙大小变化，并且一些具有小于5％的孔隙大小变化。作为增加的孔隙密度、
大小以及分布的结果，一些实施方案的表面与体积的比率为使用IR工艺从类似原料制造的
炭的至少4倍。在一些实施方案中，表面与体积的比率增加至少6倍，在一些实施方案中至少
8倍，在一些实施方案中至少10倍，并且在一些实施方案中至少15倍。可以控制微波工艺系
统的反应器条件以产生特定原料的所需孔隙密度、大小以及分布。优良孔隙度特征的一个
实例是炭相比通过IR所得的相同原料的炭在土壤中具有更好的水合特征。
第二，炭相比使用IR工艺从类似原料制造的炭含有更少的挥发物。在解聚温度下
存在的挥发物与碳发生不利反应以形成除所需的液体燃料和本发明的炭之外的化合物。另
外，炭中的挥发物通过减少所得炭中的固定碳而降低炭的热含量。在本发明中，炭是充分脱
挥发分的可冷凝和不可冷凝的气体和蒸气。在一些实施方案中，气体和蒸气的含量减少至
少95重量％，在一些实施方案中减少至少97重量％，并且在一些实施方案中减少至少99重
量％，对比通过IR加工使用类似原料制造的具有至少10重量％的挥发物含量的炭。这在炭
应用中是合乎需要的，诸如用于制钢、气化以及燃烧应用(诸如锅炉)的焦炭，这是因为本发
明的炭中不利腐蚀性化合物的含量比通过IR工艺所得的炭更少。
第三，炭相比通过IR工艺使用相同原料制造的炭具有更高热值。因为更好的脱挥
发分，所以在涉及炭作为燃料燃烧的以后使用期间与挥发物和碳存在更少的副反应。因此，
与通过IR工艺加工的来自类似原料的炭相比更高程度的固定碳可以保留于本发明的炭中。
固定碳含量在一些实施方案中增加至少5重量％，在一些实施方案中至少10重量％，在一些
实施方案中至少15重量％，并且在一些实施方案中至少20重量％。固定碳的这种增加可以
使得本发明的炭的一些实施方案的热含量相比来自相同原料但通过IR工艺加工的炭增加。
热含量受所用含有机碳原料的类型影响并且一般在至少10,000Btu/lb(23MJ/kg)至超过
14,000Btu/lb(33MJ/kg)的范围内，与使用IR方法加工的类似含有机碳原料的小于6,
000Btu/lb(14MJ/kg)至小于10,000Btu/lb(23MJ/kg)相比较。在一些实施方案中，炭的热含
量比使用IR工艺从相同原料所得的炭增加至少20％，在一些实施方案中至少30％，在一些
实施方案中至少40％，在一些实施方案中至少50％，在一些实施方案中至少60％，并且在一
些实施方案中至少70％。另外，因为挥发物的量减少，所以本发明的炭可以燃烧而没有可见
的烟雾并且具有比通过IR工艺从类似原料制造的炭所见更小的火焰。对于一些实施方案，
火焰可以至少小5％，对于一些实施方案至少小10％，对于一些实施方案至少小15％，对于
一些实施方案至少小20％，对于一些实施方案至少小25％，对于一些实施方案至少小30％，
对于一些实施方案至少小35％，并且对于一些实施方案至少小40％。
含有机碳原料可以分成两个类别，不可再生的和可再生的。出于本文献的目的，不
可再生原料是含有机碳原料，其为所制造的材料和/或在小于50年内不可再生的可耗竭植
物和动物材料。一些需要很多个十年再生，一些需要很多个世纪再生，一些需要很多个千年
或更长时间再生，并且一些由于其是被制造的而可能永不再生。这个类别可以包括如下材
料，例如橡胶(诸如轮胎碎料)、塑料、城市废料、原油、泥炭以及煤(诸如烟煤和无烟煤)。从
不可再生原料制造的炭在本文献中被称作炭。可再生原料是来自可以在小于50年内再生的
植物或动物材料的含有机碳原料。一些可以在小于几十年内再生，一些可以在小于几年内
再生，并且一些可以在小于几个月内再生。这个类别可以包括如下材料，例如草、农业植物
废料、树的部分以及动物粪肥。从可再生原料制造的炭在本文献中被称作生物炭。用于制造
本发明的炭的含有机碳原料可以含有多于一种可再生原料的混合物、多于一种不可再生原
料的混合物、或可再生与不可再生原料的混合物。
描述了通过本发明工艺制造的组合物，其包含从通过微波工艺系统的含有机碳原
料制造的炭组合物。这个系统包括至少一个反应室，其在微波反射罩内并且包括至少一个
透微波室壁和被配置成在外部供应的无氧气氛中保持含有机碳原料的反应腔。微波子系统
包括至少一个被配置成当激励时发出微波的装置。微波装置相对于反应室定位以便引导微
波穿过透微波室壁并且进入反应腔中。这个系统还包括提供微波装置与反应室之间的相对
运动的机构。炭组合物实质上不包括自由水。而且，炭组合物包括比使用相同原料但使用在
工艺期间形成液相的热工艺制造的炭至少大10％的单位体积孔隙数。原料和所得炭的特征
已经在上文论述。现在论述用于制造本发明的炭的微波工艺。
在所说明的实施方案的以下描述中，提及随附图式，其帮助说明用于制造本发明
的炭的微波工艺的各种实施方案。应了解，在不脱离本发明的范围的情况下可以利用工艺
的其它实施方案并且可以作出结构和功能改变。
以下描述涉及通过微波增强反应解聚工艺将固体和/或液体含有机碳原料加工成
燃料，例如柴油燃料、汽油、煤油等的方法。解聚，也称作“裂化”，是使用热以使烃分子分解
(或“裂化”)成适用作燃料的较短聚合物链的精炼工艺。解聚可以通过添加催化剂至原料中
来增强，这种催化剂增加反应的速度和/或降低工艺所需的温度和/或辐射暴露。此外，诸如
沸石的催化剂具有纳米结构，其仅允许一定大小的分子进入晶栅或激活催化剂的表面区域
并且与催化剂相互作用。因此，催化剂有利地在控制通过反应工艺生产的产品方面非常有
效，这是因为只有具有指定链长的物质可以使用催化工艺产生。催化解聚特别适用于使生
物质和其它含有机碳原料转变成可用作运输或加热燃料的燃料。
有效解聚的一个方面是实质上均匀地加热并照射原料至足以引起解聚以及激活
催化剂的温度的能力。在解聚时，长烃链“裂化”成较短链。已经显示微波加热特别适用于加
热系统中以供热解聚。诸如火焰、蒸汽和/或电阻加热的加热系统通过热传导穿过反应室壁
来加热原料。这些加热系统进行操作以从反应室壁的外部至原料的内部加热原料，而微波
从原料的内部朝着反应室壁加热。使用非微波加热源，热从热源外壁传递至与原料混合物
直接接触的容器壁内部。热然后传递至原料的表面并且然后再次传递通过原料直至原料的
内部区域处于接近反应室壁温度的温度下。
关于这种类型的外部加热的一个问题是在容器壁温度传输与升高容器中心以及
原料基质的内部区域中所含的原料温度之间存在时间滞后。混合原料有助于减轻这些状
况。尽管如此，数百万个微环境存在于反应器容器环境和原料粒子本身中。这导致在反应室
内不同程度的不均匀热分布。这些变化的温度梯度导致不可控的副反应发生以及早期转化
产品的降解，这些早期转化产品由于转化反应时间性的延迟而变得过度反应。需要在整个
原料和反应产品中产生并保持一致的加热以使得良好的转化经济学得以达成并且是可控
的。微波加热是有效的加热方法并且其还用来激活催化部位。
本发明的实施方案是针对一种反应室系统，其可以用于加工任何含有机碳原料
(无论是固体和/或液体)以在将生产液体运输燃料的温度范围内提取原料中的挥发性有机
化合物。
微波被通过微波照射的材料中的水分子吸收。当水分子吸收微波时，分子振动，这
通过摩擦生热，并且使热对流传递至周围材料。
微波被水分子吸收的原因特定针对水分子中氢与氧连接的共价键。水中的氧原子
由于其核与氢原子相比的大小而具有与其相关的大电负性并且吸引来自两个氢原子的电
子更接近氧原子。这向分子的这一端提供稍带负性的电荷并且两个氢原子则具有稍带正性
的电荷。这种扭曲的结果是水分子作用如同小的弱磁铁。水分子的偶极特征允许分子吸收
微波辐射并且使其开始如同吉他弦一样振动。键的振动引起摩擦，其转变成热并且然后对
流传递出至所照射的材料中。
为了利用微波辐射的这种特征，本文所描述的反应室系统利用微波照射和加热来
加工含有碳并且可以转化成运输燃料的原料。反应器可以由实质上透微波的物质制成，诸
如石英，其为实质上透微波辐射的玻璃样材料。因为石英可以被处置成许多形状，所以其提
供了用于使反应室成形的设计自由性，但在一个实例中，反应室以管或圆柱体的形状配置。
圆柱形形状允许原料在一端送料并且在相对端退出。适合反应室的一个实例将为约四英尺
(1.2米)长和约3/16英寸(4.8mm)壁厚的石英管。
微波反应室由微波反射罩包围。这使得微波辐射反复通过反应室并且在水(如果
存在的话)蒸发并驱出之后使含有机碳原料脱挥发分。微波反射罩是反射微波的任何罩。材
料包括例如组装成本领域中已知的法拉第笼(Faradaycage)的金属薄片。
微波辐射由磁控管或其它适合的装置产生。一个或多个微波产生装置，例如磁控
管，可以安装在石英管壁外部。磁控管处于不同功率范围内并且可以由计算机控制以使用
适当能量照射加工原料以使原料有效地转化成最合需要的燃料产品。在一种应用中，磁控
管可以安装在笼上，这个笼将绕着反应器管的外部旋转以及沿着反应器管的长度行进。穿
过管内部的长度行进的原料将在柱塞流配置中行进并且可以由固定和/或旋转磁控管照
射。计算机可以用于控制微波辐射的功率和/或其它参数以使得具有不同大小和密度的不
同原料可以在特定针对原料的不同参数设置下照射并且因此使原料更有效地转化。
反应器的这些配置将允许原料的有效加工，从相对纯的原料流至包括不同密度、
水分含量以及化学组成的原料的混合原料流。可以产生效率，因为燃料产品在其从原料中
蒸发时即从反应器室中提取，但剩余原料的进一步加工直至不同燃料产品蒸发并提取时才
发生。举例来说，致密的原料(诸如塑料)比不太致密的原料(诸如泡沫或木屑)花费更长时
间来加工成可用燃料。本文所描述的系统继续加工致密的原料而不会过度加工来自不太致
密的原料的较早转化的产品。这是通过使用固定与旋转微波发生器来实现。
混合原料的一个实例将为未分选的城市固体废料。在一些实施中，可以将催化剂
添加至原料中，其有助于原料的转化以及可以进行转化的速度。催化剂可以经过设计以在
反应器内部的预设加工温度下反应或与冲击微波辐射反应。在一些实施方案中，不需要催
化剂。在其它实施方案中，催化剂可以是针对特定原料合理设计的催化剂。
具有本文所描述的反应器的柱塞流配置将允许针对原料驻留于反应器芯内的停
留时间进行调整用于更有效地暴露于微波的热和辐射以生产所需的最终产品。
入口和/或出口，例如石英入口和/或出口，可以沿着反应室的壁放置以允许压力
和/或真空控制。入口和出口可以允许引入惰性气体、反应气体和/或提取产品气体。
因此，在使用或不使用催化剂的情况下透微波反应室的设计、作为具有固定和/或
旋转磁控管的加热和辐射源的微波的使用、柱塞流加工控制将允许加工任何含有机碳原
料。
根据本发明的实施方案的系统包括具有一个或多个实质上透微波壁和微波加热/
辐射系统的反应室。微波加热/辐射系统经过布置以引导由加热/辐射系统产生的微波穿过
反应室的实质上透微波壁并且进入反应腔中，其中在不实质上加热反应室壁的情况下使原
料材料反应。为了提高原料的温度均匀性，反应室和加热/辐射系统可以相对运动，例如，相
对旋转和/或平移运动。在一些实施中，加热系统可以绕着固定反应室旋转。在一些实施中，
反应室内的原料可以通过使用螺旋片而旋转并且加热/辐射系统保持固定。在一些实施中，
反应室可以旋转并且加热系统保持固定。在其它实施中，反应室与加热/辐射系统都可以旋
转，例如，沿着逆向的相反方向。为了进一步增加温度均匀性，系统可以包括用于搅拌和/或
混合反应室内的原料材料的机构。反应室在反应工艺期间可以倾斜，例如，以迫使原料通过
催化床。
图1A和1B分别说明了用于使含有机碳材料转化成根据本发明的实施方案的液体
燃料和炭的系统100的侧视图和剖视图。尽管反应室110可以是任何适合的形状，但反应室
110在图1A和1B中以具有圆柱形壁111的圆柱体说明，这个圆柱形壁在用于反应工艺的频率
范围和能量下实质上透微波。反应室110包括由圆柱形壁111封闭的反应腔112。系统100包
括被配置成移动原料穿过反应室的运输机构118。关于在反应室110内发生的反应的系统
100的操作可以类似于柱塞流反应器来模式化。
如图1A中所说明，系统包括用于移动原料材料穿过反应室110的运输机构118。运
输机构118以螺旋钻来说明，不过也可以使用其它适合的机构，例如，输送机。运输机构118
可以进一步提供用于在反应室内混合原料。在一些实施方案中，反应室壁111可以具有约3/
16英寸(4.8毫米)的厚度。反应室壁111的平滑度有助于原料穿过反应室110移动。
加热/辐射子系统115可以包括任何类型的加热和/或辐射源，但优选地包括微波
发生器116，诸如磁控管，其被配置成发出具有足以加热含有机碳原料至足以促进原料的所
需反应的温度的频率和能量的微波113，例如，对于原料的解聚，可以使用在约0.3GHz至约
300GHz的频率范围内的微波。举例来说，磁控管的操作功率可以在约1瓦至500千瓦的范围
内。磁控管116相对于反应室110定位以便引导微波113穿过反应室110的壁111并且进入反
应腔112中以加热并照射其中的材料。机构117提供磁控管116与反应室110之间沿着和/或
绕着反应室110的纵轴120的相对运动。在一些实施方案中，举例来说，机构117可以有助于
以角度θ倾斜反应室110和/或磁控管116(参看图1C)以促进原料的反应和/或气体的提取。
在图1A-C中所说明的实施方案中，磁控管116定位于旋转机构117上，诸如使磁控管116绕着
固定反应室110旋转的可旋转笼或圆筒。在一些实施中，绕着室的旋转可能不完整，但旋转
路径可以界定绕着反应室圆周的圆弧。旋转可以沿着圆弧的路径往复发生。如先前所提及，
在一些实施方案中，反应室110可以是旋转组件，或加热/辐射子系统116与反应室110都可
以旋转，例如，沿着相对的逆向方向。反应室与磁控管之间的旋转提供了反应腔112内原料
的更均匀加热和更均匀的微波暴露，由此增强原料的有效反应化学和/或依赖于温度/辐射
的其它工艺，诸如从原料中去除水。旋转减小温度梯度和/或维持在反应室内部跨越柱塞的
更恒定的微波通量。
反应室110可以包括一个或多个进入孔120，例如石英进入孔，其被配置成允许将
物质注射入或提取出反应腔112。反应室110还由微波反射罩122包围。在一个实施中，石英
孔可以用于从反应腔提取空气和/或氧气。空气和/或氧气的提取可以用于抑制一些工艺所
需要的燃烧。
举例来说，在某些实施方案中，系统100可以用于经由空气和/或水的压缩和/或去
除来预加工原料。在这种应用中，可以经由一个或多个孔120注射诸如氢气和/或氮气的气
体以使原料氢化和/或抑制原料的燃烧。反应室110还可以包括一个或多个出口孔121，例如
石英出口孔，其被配置成允许水、水蒸气、空气、氧气和/或其它物质和/或副产品从反应室
110通过。
图1D是说明用于从根据本发明的实施方案的含有机碳原料生产燃料的反应室系
统150的图解。系统150包括输入漏斗(也称作装料漏斗)151，其被配置成允许将原料材料引
入系统150中。齿轮马达螺旋钻驱动器152提供了用于运输原料穿过微波子系统150的螺旋
钻153的驱动系统。当在装料漏斗151中压缩原料时，经由大气出口154提取空气。密封件155
隔离装料漏斗151与反应室156以维持一定的真空度。反应室156包括透微波材料的壁。一个
或多个固定微波头157定位于反应室156的壁处。另外，系统150包括一个或多个旋转微波头
158。在一个实施中，每个旋转微波头关于反应室156的纵轴160位于固定位置处。旋转微波
头安装在滑环轴承159上，这允许微波头158绕着反应室156旋转。微波反射罩162环绕反应
室156。在一些实施中，旋转微波头158可以绕着反应室156的纵轴160旋转以及沿着纵轴160
往复移动。系统150包括在反应室156的出口处的密封件以维持反应室的真空。
图2A是使用图1A和1B中所说明的反应室系统100中的一者或多者的系统200的方
块图。反应室系统220、230可以串联或按并联配置来布置和/或操作。图2A和2B中所描绘的
提取工艺220和反应工艺230以在例如不同温度下操作的两个独立反应室中所发生的来说
明。或者，提取工艺和反应工艺可以在具有两个独立区，例如两个独立温度区的单个反应室
中实施。
在图2的系统200中，水/空气提取子系统220和反应子系统230中的一者或两者可
以类似于图1A和1B的反应室系统100。含有机碳原料，诸如粪肥、木屑、基于植物的纤维素、
轮胎碎料、城市固体废料、塑料、原油、泥炭以及煤中的一者或多者，经由漏斗211进入系统，
并且横穿气锁212以进入原料制备模块213。如有需要，可以将诸如沸石的催化剂和/或增强
反应工艺，例如以调整pH的其它添加剂经由输入漏斗211和/或进入孔(图1B中所示)引入系
统200中。在原料制备模块213中，将原料材料切碎至预定粒度，这可以取决于原料的特性，
诸如原料的纯度、密度和/或化学组成。如果使用的话，那么可以在正在制备原料的时候添
加催化剂以使得催化剂均匀地分散于进入反应室231之前的原料材料内。一般来说，原料的
均匀度越小，提供有效反应所需的粒度越小。
在初始原料制备阶段之后，将切碎和混合的原料经运输机构215运输至工艺的下
一个阶段的提取室221中。在反应工艺之前进行水和/或空气提取的任选工艺的空气/水提
取子系统220包括加热/辐射模块222，其至少包括被配置成产生微波226并且可以安装在旋
转或固定机构227上的磁控管223。如果安装在旋转机构上，那么当引导微波226穿过提取室
221的壁224并且进入提取腔225中以冲击并加热其中的原料时这个机构使磁控管223部分
地或完整地绕着提取室221旋转。在一些实施方案中，加热模块222可以利用仅一个磁控管
223或仅两个或更多个磁控管而不使用其它热/辐射源。
在一些实施方案中，加热/辐射模块222可以利用磁控管223加上其它热源，诸如依
靠热传导穿过反应室壁的热源，例如火焰、蒸汽、电阻加热、来自工艺的再循环热和/或其它
热源。在空气和/或水提取工艺期间，可以将原料加热至至少100℃，即水的沸点，以从原料
去除过量的水。过量的水(例如，呈蒸汽形式)和/或其它物质可以经由一个或多个出口孔退
出提取室221。原料的添加剂，诸如包括氢气和/或氮气的惰性和/或反应气体，可以经由一
个或多个输入孔引入水/空气提取工艺的提取室221中。除了由微波加热和照射之外，原料
还可以经受加压气氛和/或真空气氛和/或可以机械地压缩以从提取室221去除空气。
在任选的空气和/或水提取工艺之后，运输机构215将原料移至下一个加工阶段
230，其涉及原料的反应工艺，例如热解聚。在原料/催化剂混合物进入由微波反射罩238包
围的反应室231之后，将混合物加热至足以促进所需反应的温度。举例来说，在约200℃至约
350℃的范围内的温度用于使原料中的烃裂化成较短链以经由解聚生产液体燃料。除了加
热之外，原料还可以经受加压气氛或真空气氛和/或可以在反应室231中机械地压缩。
在一些实施方案中，反应室231中的加热/辐射是使用发出微波236的磁控管233来
实现。磁控管233可以相对于反应室231旋转。如先前结合水提取阶段220所描述，旋转磁控
管233可以由旋转机构237，诸如笼或圆筒支持。旋转机构237允许磁控管233与反应室231之
间的相对旋转运动。举例来说，磁控管233可以完整地绕着反应室231旋转或磁控管233的旋
转可以沿着遵循反应室231的圆周的圆弧往复进行。旋转磁控管加热系统233可以使用固定
磁控管和/或其它常规热源，诸如火焰或电阻加热来补充。旋转磁控管233提供反应腔235内
原料材料和催化剂的更均匀加热/辐射并且增强优于固定热源的加热特性。
裂化的烃蒸发并且收集在冷凝器241中，并且液化并且然后送至蒸馏器240以生产
柴油燃料，而较重的较长链烃分子可以再循环返回至反应室。在一些实施中，蒸馏可能不是
必需的，并且燃料产品仅需要加以过滤。
在一些配置中，需要控制反应的工艺以允许燃料从原料提取的较高效率。图2B是
系统205的方块图，其包括结合图2A所描述的系统组件连同反馈控制系统250。所说明的反
馈控制系统250包括控制器251和一个或多个传感器252、253、254，其可以被配置成传感在
工艺期间的各种阶段的参数。反馈控制系统250可以包括原料制备阶段的传感器252，其被
配置成传感原料和/或原料制备工艺的参数。举例来说，传感器252可以传感原料的化学组
成、密度、水分含量、粒度、能含量或其它原料参数。传感器252可以另外或替代地传感原料
制备室内的状况，例如流量、压力、温度、湿度、存在于室中的气体组成，等等。传感器252开
发信号255a，将其输入控制器电子装置251，在此分析这些信号以确定原料和/或原料制备
工艺的状况。响应传感的信号255a，控制器251开发反馈信号255b，其控制原料制备模块213
的操作。举例来说，在一些实施中，控制器251可以控制原料制备模块213以继续切碎和/或
研磨原料材料直至检测到预定粒度和/或预定粒度变化。在另一个实例中，基于传感的原料
化学组成，控制器251可以促使较大或较小量的催化剂与原料混合或可以促使不同类型的
催化剂与原料混合。
控制系统250还可以开发反馈信号256b、257b以基于传感的信号256a、257a分别控
制水提取模块220和/或反应模块230的操作。举例来说，传感器253、254可以传感水提取和/
或反应工艺的温度并且控制器251可以开发反馈信号256b、257b以控制加热/辐射系统222、
232的操作，例如磁控管223、233中的一者或两者的功率、频率、脉冲宽度、旋转或平移速度，
等等。控制器251可以开发对磁控管的反馈信号以控制冲击原料的辐射量以使得原料将不
会蒸煮过度或蒸煮不足，并且将避免热点的显现。控制器250可以控制各种物质经由进入孔
注射至提取室221和/或反应室231中的一者或两者中以控制在室221、231内进行的工艺。
炭，即耗竭的原料的残留物，被送至储存单元。在一些实施方案中，控制器250可以用于控制
有利地影响炭的特性的条件，其中需要超越仅从原料选择所得的特定特性。在蒸馏阶段之
后，可以使重烃再循环返回至反应室中并且可以将较轻烃送至聚合阶段。
反应室可以由石英、玻璃、陶瓷、塑料和/或在反应工艺的频率和能量范围内实质
上透微波的任何其它适合材料制成。在一些配置中，本文所描述的加热/辐射系统可以包括
相对于反应室旋转的一个或多个磁控管。在一些实施方案中，磁控管可以是多个和/或可以
是固定的。图3A说明了系统300，其包括在充当法拉第笼并且安置于具有一个或多个透微波
壁的圆柱形反应室313外部的圆筒312上布置的多个固定磁控管311。在系统300中，圆筒由
不透微波的材料(诸如金属)制成，以促使反应室313中的微波往复反射穿过原料，由此更有
效地用于使原料转化成燃料和炭。磁控管的操作可以是连续的，或可以例如按多路复用模
式脉冲。在一些实施方案(图3B)中，支持磁控管311的圆筒313可以绕着反应室312的纵轴
350旋转330和/或反应室312可以绕着其纵轴350旋转320。
原料运输机构可以安置于反应室内。举例来说，如图3C中所说明，原料运输机构可
以包括一个或多个导流片361，其被配置成当反应室旋转时移动原料穿过反应室360。导流
片361可以安装至反应室360的壁和/或可以按其它方式安设于反应室内以提供原料在反应
室360内和穿过反应室360，例如纵向穿过反应室的移动。
在一些实施方案中，如图4中所说明，可以使用一个或多个二级热源450，诸如火
焰、蒸汽和/或电阻加热或再循环热，加上磁控管416，其为固定的，或在绕着封闭于微波反
射法拉第笼421中的反应室420的圆周旋转的机构417上支持。在一些配置中，磁控管416可
以不绕着反应室420整转，但可以沿着遵循反应室420的圆周的圆弧往复旋转419。各种配置
都是可能的，只要使原料在整块原料粒子上暴露于实质上均匀的热以形成具有如上文针对
本发明的炭所描述的孔隙密度、分布以及大小和分布变化的炭即可。
如图5中所说明，一个或多个磁控管相对于反应室的移动还可以包括使磁控管沿
着反应室的纵轴移动的运动。图5说明了支持磁控管530的反应室510和笼520。笼520和磁控
管530可以沿着反应室510的纵轴550并且在封闭反应室510的金属微波反射法拉第笼515上
往复移动540。在一些实施中，除了笼520和磁控管530沿着纵轴550的运动540之外和/或与
这个运动同时，笼520和磁控管530可以绕着纵轴550旋转560。
图6是说明根据本发明的实施方案用于从含有机碳原料生产燃料的工艺的流程
图。含有机碳原料，诸如生物质、城市固体废料、植物材料、木屑等等，是具有实质上透微波
以用于加热和/或照射原料的壁的反应室的输入610。原料可以是固体或含有固体成分的悬
浮液。加热和/或辐射通过引导620微波能量穿过反应室的壁以冲击安置于反应室内的原料
而发生。任选地在催化剂存在下，通过微波加热/照射630原料，直至含有机碳分子的反应发
生以生产所需的最终燃料产品。收集640通过反应工艺形成的燃料产品。
在不脱离本发明的范围的情况下可以对上文所论述的优选实施方案作出各种修
改和添加。因此，本发明的范围不应受上文所描述的特定实施方案所限制，而应仅由上文所
陈述的权利要求书和其等效物界定。