生质变成生质煤的超级烘焙法

摘要

一种烘焙系统，包含至少一个含有一种液体热传剂的槽和一个输送带系统。热传剂提供生质碎片的热接触，以便将生质碎片加热成生质煤。输送带系统以一第一方向将生质运过至少一个槽，并将生质煤以与第一个方向相反的第二个方向运过至少一个槽。热传剂可能是油、烷烃或熔盐。输送带系统系将连续的生质碎片运送到槽内。烘焙设备更进一步包含气体收集系统，以收集和分离烘焙程序时可冷凝的挥发性有机化合物。

说明书

技术领域

本发明是有关一种生产燃料的设备和方法，特别是有关于一种将生质变成 生质煤的烘焙系统和程序。

背景技术

与在约900℃用于生质的热解相反，烘焙是在一般大气和无氧条件下，且 在200℃至320℃下对生质的热化学处理。若留下一些挥发物，且固体内的C、 H和O原子重新进行化学的排列，则生质变成烘焙的生质(亦称为生质煤)能在 较低温下发生。经由烘焙所产生的生质煤在现有的燃煤发电厂内是可以使用 的，不同的生质原料可以烘焙形成生质煤。在烘焙时，水蒸气由生质释出，且 由生质连续移除水蒸气以帮助驱动绿色生质的分解。

传统的烘焙程序有其缺点。由于发电厂使用粒子尺寸小于0.2毫米(mm)的 煤粉，故需要质量管理以保证生质煤的所需研磨性。并且，生质原先的含水量 为50%左右，但生质煤的含水量则需相当低。甚至，在烘焙时需驱除烘焙程序 期间产生的一些挥发物而不能失去太多潜在的燃料含量。

所有的烘焙程序需要相当多的能源，以将生质变成生质煤。例如，需要能 源来切碎木材(或竹子)，将秣草(或软枝草)烧成煤块，加热生质以便由生质驱除 水份，运送生质到烘焙系统，并且将生质煤由烘焙系统运送到目的地。因此， 若目标是生产具有竞争价格的生质煤，重要的是生产设备要有高的能源效率。 由于能量损失随表面积的增加而增加，但生产速率是随体积的增加而增加，在 烘焙程序内的高产量是达到能源效率和经济竞争性的关键。

为了降低能源消耗，建议使用烘焙时由生质释出的挥发性有机化合物 (VOCs)作为热源。VOCs可能被送到一个反应器或火炉，然后产生烟道气以加 热生质。该方法有技术和经济的问题。首先，烟道气不是一种有效率的热传剂。 其次，建造一个排除空气的气体系统的连续设备是一个挑战。在烟道气的整批 过程内，需要花很多小时以使温度高到足以驱除水份并将生质加热到烘焙的情 况。第三，若烘焙的热是衍生自一部分生质的燃烧，则会产生相当多的煤烟而 造成空气污染。第四，当使用木材作为生质时，在烘焙时木材不会产生足够的 VOCs。为了获得一种较高质量的产品，需将VOCs与天然气混合，因而增加生 产成本和二氧化碳的碳足迹。

亦建议使用高温蒸汽作为干净的热源来加热生质。然而，水可能渗透到最 终的产品，而对生质煤的质量产生负面的影响。

美国专利7,942,942(「942专利」)揭露一个以热烷烃或油来烘焙生质的弯 曲的管路设备。在942专利内，生质经由一个暖油/烷烃的预热段进入一个无氧 的环境，而在一个热油/烷烃的中段烘焙，并以生质煤经由一个暖油/烷烃的后 冷却段离开。以外部加热或冷却将每一段维持在一个固定的温度，导致额外的 能量损失，尤其是当生质内的水蒸发且在随后的再冷凝程序中没有再捕集潜热 时。并且，油/烷烃留在生质煤的孔内，并且残存的油/烷烃可能占有高达生质 煤重量的40%，使生质煤不适合磨碎以供现代燃煤发电厂使用。甚至，因为每 单元热值的油比煤贵，所产生的含大量残存油的生质煤并不经济。一个使热生 质煤经由一个维持在280℉(138℃)的后冷却油口离开并暴露在空气中的设计， 亦会造成一个安全问题。由仍热的生质煤释出或由中烘焙段移至弯曲管的末端 冷却段的残存VOCs，如具有低闪火点的甲醇和甲烷，可能引起火灾或甚至造 成爆炸。

发明内容

根据本发明的烘焙程序，能够经济和有效地将生质变成生质煤。在一个形 式内，烘焙系统包含至少一个含有一种液体热传剂的槽。热传剂提供生质碎片 的热接触，以便将生质碎片加热成生质煤。提供一个输送带系统以第一方向将 生质运过至少一个槽，并将生质煤以一个与第一方向相反的第二方向运过至少 一个槽。

在另一个形式内，一个将生质烘焙成生质煤的烘焙程序包含：预先干燥生 质；在第一方向上经由至少一个含有液体热传剂的槽运送生质，液体热传剂提 供生质的热接触以便将生质加热成生质煤；在与第一方向相反的第二方向上经 由至少一个槽运送生质煤；和后干燥生质煤。

在一个特征内，烘焙程序包含一个捕集冷凝的挥发性有机化合物(VOCs) 以供较经济使用的步骤。

在另一个特征内，烘焙系统包含具有不同温度的多个槽，其与进入的生质 和离开的生质煤和VOCs之间维持热平衡。烘焙程序的热传剂是由矿物油、烷 烃以及有机熔盐等的群组内所选出来的。用于所有形式的生质的有机熔盐最好 是一种醋酸钠和醋酸钾的共熔混合物。若对快速烘焙或闪火热解需要较高的操 作温度，则可使用碱金属的氟化盐或氯化盐的混合物。

在其它特征内，多个槽更进一步包含溶剂槽以洗出离开的生质煤内的矿物 油或烷烃。当热传剂是油和烷烃时，溶剂可能是己烷或轻油。当热传剂是有机 熔盐时，溶剂可能是温度等于或低于沸点的液态水。

在其它特征内，烘焙设备包含能将生质碎片连续送入含有不同液体的多个 槽内的一个输送带系统。生质可被加热到约250℃至300℃的温度，时间约10 分钟(在较高的温度下)和约1小时(在较低的温度下)。

故而，关于本发明的优点与精神可以借由以下发明详述及所附图式得到进 一步的了解。

附图说明

图1是根据本发明的一般原理将生质变成生质煤/挥发物的生产工厂或系 统的图解；

图2是根据本发明的第一具体实施例内图1的生产工厂的一个烘焙单元的 图解，其中顶板被除去以观看烘焙单元的内部；

图3是图2的右端部分的放大图，显示篮子的动作路径；

图4是图2的液体槽的放大图；

图5是根据本发明的第二具体实施例内一个烘焙单元的图解，其中顶板被 除去，并特别显示使用热和温油作为热传介质，使用己烷(或轻油)作为溶剂以 洗去油，以及用来蒸发己烷或轻油；

图6是根据本发明的第三具体实施例内一个烘焙单元的图解，其中顶板再 次被除去，并特别显示使用熔盐作为热传介质，和使用一系列由冷至沸腾热水 的水槽以洗去熔盐；和

图7是包含本发明的第三具体实施例内一个烘焙单元的一个完整工厂的图 解，其中使用熔融的醋酸碱作为热传剂和作为催化由稀醋酸生产浓液态丙酮的 一个方法。

具体实施方式

参考图1，一个生产工厂或系统10包含一烘焙单元12，一外部热源14， 一过滤器18，和一冷凝器和分离器单元20。借助于联网电力(grid electricity)做 成的碎片或煤块形式的生质22被送至烘焙单元12，其中发生烘焙程序将生质 22变成生质煤24。生质22可能包含但不限于甘蔗渣、秣草、稻杆、麦杆、竹 子、木屑和软枝草。

如具有中度热输出的核反应器，或燃烧煤、或天然气、或生产的生质煤的 一部分的火炉，有或没有额外的热交换器的外部热源14加热一适当液体30至 所要的烘焙温度。热液体30可能是油、烷烃或熔盐，但是亦可使用其它形式 的液体而没有背离本发明的范围。热液体30被供应到烘焙单元12以作为加热 生质22的热传剂。依含水量和小心不损失不必要的热量而定，将生质变成生 质煤的杠杆系数通常是在5和20之间。换句话说，1瓦的外部热能的输入在生 成的生质煤内能回收5至20瓦之间的热值。

过滤器18过滤脏的冷却的液体32，以便将浮渣36由冷却的液体34(通常 只比烘焙温度低数℃)分离。循环干净的冷却的液体34以回到外部热源14。浮 渣包含有机材料的碎片和破片，以及盖在热交换液体上的植物矿物质。利用过 滤器18将这些浮渣由顶部撇去，或由烘焙单元12内的各个槽的底部除去。如 范例中，过滤器18可能是压碎后的由烘焙程序所制成的生质煤。实验室经验 证明用过滤器清洁的脏油可能没有可见的固体粒子。「浮渣」有能源价值且可 被压缩并与生质煤一起出售。或者，当浮渣被油盖住时，可做为热传剂，以帮 助预干燥生质。

在烘焙时，水蒸气和挥发物由生质22所驱出。该水蒸气和挥发物40的混 合物被送到冷凝器和分离器单元20以作进一步的处理。在一些具体实施例内， 横过烘焙单元12的槽的VOC管线可以形成冷凝器和分离器。无论如何，可在 冷凝器和分离器单元20内冷凝该水蒸气和挥发物40的混合物，并且分离成生 质液体42和包含CO、CO₂和H₂、CH₄以及其它微量挥发物气体44。可燃烧 这些气体44来帮助预干燥生质或后干燥生质煤28的产品，或可使用或出售气 体44作为额外的化学合成的原料。

热传液体渗入由烘焙单元12离开的生质煤24。该渗有液体24的生质煤被 送到一溶剂槽25，以便由生质煤内萃取出液体而形成渗有溶剂的生质煤26。 萃取出的液体被送到外部热源14再加热以作为热烘焙的热传剂，并且具有溶 剂的生质煤26送到一温和的加热器27，使溶剂蒸发以形成不含热传液体或溶 剂的生质煤28的产品。在一些具体实施例内，溶剂槽25和温和的加热器27 可能是一个或多个烘焙单元12的槽。当溶剂蒸气被送回溶剂槽25时，可将它 再冷凝成液体。生质煤28的产品被送到一个终端用户，如燃烧煤粉的一个燃 煤发电厂。

因此本发明烘焙单元12所使用液态热传剂可在工业规模上将任何含水量 的生质变成生质煤，而在以下有更详细的描述。

第一具体实施例

参考图2，根据本发明的第一具体实施例的一个烘焙单元12，包含一外壳 50、一输送带系统52、一气密系统54、和一气体收集系统56。外壳50的顶板 被除去以显示烘焙单元12的内部。

实质上，可做为结构的一个矩形的外壳50，包含由外壳50的底墙升起的 多个桥60，以将外壳50分成多个液体的本体。液体是加热和清洁生质22和生 质煤24的热传剂、溶剂、或水。在本具体实施例内，提供六个液体的本体， 包含两个含有水的水槽70和72、两个含有溶剂的溶剂槽74和76、和两个含 有流动的液体热传剂的烘焙沟槽78和80。而槽可能是停滞的，但若证明这对 于连续的维修是更方便的，则可能缓慢地流动。

烘焙程序的热传剂包含但不限于矿物油、烷烃、和有机熔盐。用于所有形 式的生质的有机熔盐，最好是一种醋酸钠和醋酸钾的共熔混合物。若对快速烘 焙或闪火热解需要较高的操作温度时，则可使用碱金属的氟化盐或氯化盐的混 合物。槽74和76含有能洗掉附着在生质煤上的液体热传剂的溶剂。当矿物油 或烷烃作为热传输剂时，己烷或轻油可作为溶剂槽74和76内的溶剂。当有机 熔盐作为热传剂时，除了在水槽70和72内的水之外，水亦可作为溶剂槽74 和76的溶剂。

水槽70，72和溶剂槽74，和76被安排在外壳50的前侧66并且沿着外壳 50的纵向排列。烘焙沟槽(或池)78和80被安排在外壳50的后侧68并且沿着 外壳50的纵向排列。烘焙单元12可以包含任何数目(包含一个)和类型的槽而 没有背离本发明的范围。

在本具体实施例内，烘焙沟槽78和80含有作为热传剂的矿物油或烷烃， 且溶剂槽74和76含有己烷或轻油。己烷被广泛地在用工业应用中来溶解油。 而轻油是另一个选择。水槽70和72含有水。在一个使用油作为热传剂的烘焙 单元内，水槽72可能被加热到够高的温度，以便由生质煤蒸发己烷或轻油。 在一个使用熔盐作为热传剂的烘焙单元内，在槽70和72的水是极佳的溶剂， 以便由离开的生质煤除去熔盐。上述类型的液体只是范例，且其它类型的液体 亦可使用而没有背离本发明的范围。溶剂槽的数目和大小需足以洗涤生质煤的 残存油或熔盐到终端用户可接受的水平。对于工人的健康和安全而言，在所有 情况下，作为生质的第一个槽和生质煤的最后一个槽的槽70可能是水。当不 显示时，据了解除了用水洗涤之外，亦可使用机械挤压或离心以由离开的生质 煤除去残存的热传剂和溶剂。这些措施将使生质煤更干燥。

包含在槽70、72、74、76、78和80内的液体的温度分别为T₁、T₂、T₃、 T₄、T₅、和T₆，其中T₁<T₂<T₃<T₄<T₅<T₆。T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、和T₆是在 所要的120℃和300℃的温度范围内，且T₅和T₆分别被控制在230℃和300℃以 作为实际烘焙程序的两阶段。温度T₁、T₂、T₃、和T₄是由篮子内冷生质和热生 质煤的逆流，与热传导管内的热VOCs的平衡所获得的。生质被连续地浸入和 升起，并被包含在槽70、72、74、76、78和80内的液体，以阶段的方式加热， 且液体上方的空间驱出空气。

输送带系统52包含一轨道或输送带84，以连续运送携带生质/生质煤的多 个篮子86。篮子86沿着输送带84行进，并将生质碎片或煤块带到烘焙沟槽 78和80的液体热传剂内产生深的「干燥」。可使用轨道或轮子(未显示)以帮助 输送带84的拖曳。输送带84沿着烘焙单元12内一个连续移动的路径以移动 多个篮子86，其中篮子86在每一个槽内至少排成两排。由于篮子86是以箭头 X所示的第一个方向被运送到烘焙单元12，生质是被槽70、72、74、78和80 内的液体以阶段的方式加热，并且最后在第一个和第二个烘焙沟槽78和80内 所烘焙。在说明的例子内，两排篮子由第二个烘焙沟槽80之外的所有槽内， 以相反的方向所移除。烘焙沟槽78和80发生巨烈的加热，直接来自下方，或 更安全地用外部热源加热，而由烘焙沟槽78和80之间萃取出的液体热传剂， 可泵回烘焙沟槽78和80。

在通过第二个烘焙沟槽80之后，生质已完全被烘焙，且烘焙的生质(即生 质煤)沿着如Y所示与第一方向相反的第二方向传送过这些槽，并在水槽70离 开烘焙单元12。生质和烘焙的生质沿着每一个液体本体内至少两排的连续路径 通过烘焙单元12。主要的烘焙沟槽80加入额外的路径，以增加通过槽70、72、 74、76、和78的相同生质所制造的生质煤的总产量；然而，生质需更迅速地 移动以便每一个篮子能在预定的时间内通过沟槽80，如10分钟的时间内。亦 需以较大的对应速率对烘焙沟槽78和80加入热量，分别维持其温度在230℃ 和300℃。经由扩大烘焙沟槽80的体积而没有扩大槽的大小，因而使得一个较 小和较高热效率的结构能达到较高产量的生质煤。

如图3所示，许多含有生质碎片或煤块的篮子86浸入烘焙沟槽80内，故 在所有液体本体中具有最高的温度。箭头X表示输入的生质的方向，而箭头Y 表示离开的生质煤的方向。箭头29表示篮子86的动作路径。在本具体实施例 内，一个篮子86从进入到离开烘焙沟槽80需要约10分钟。类似地，花在如 烘焙沟槽78、水槽70、72和溶剂槽74和76的其它本体内的时间，与液体的 本体的长度成正比。需了解花在烘焙沟槽80(和其它槽)内的时间可能依操作温 度(尤其是热传剂的温度)、烘焙沟槽80的大小、和生质/生质煤的行进速度而变 化。生质可被加热到约250℃至300℃的温度约10分钟(在较高的温度下)和约1 小时(在较低的温度下)。

在液体本体中具有第二高温的第一个烘焙沟槽78，由外壳50的前侧66延 伸到后侧68。第一个和第二个烘焙沟槽78和80可能配有管子(未显示)以加入 和除去它们内部的液体热传剂。沟槽78和80内温和热的液体热传剂不含空气， 并且为篮子86内不规则的生质碎片提供有效率的热接触。当生质被送入烘焙 单元12且被浸入槽70、72、74、76、78和80时，水和挥发物被逐出生质， 并且生质(若进入)的篮子86在数分钟内变成生质煤(若离开)的篮子86。

回头参考图2，气密系统54包含外壳50之前侧66提供的多个隔板90， 并围绕水槽70，72，以及溶剂槽74和76以防止空气进入液位上方的空间。将 隔板90放在槽70、72、74、76、和沟槽78内，以便将这些本体与外世界分开 以防止空气进入液体上方的空间。只有由生质释出的挥发性气体和水蒸气存在 于烘焙沟槽78和80上方的空间。挥发性气体在自己的压力下，经由气体收集 系统56流出烘焙单元20。增加额外安全的气密系统54，对于接近外界的部分 可提供一个处于相当冷的状态的无氧环境。

图4是水槽70和72的放大图，显示篮子86如何沿着各种槽70、72、74、 76、78和80行进。两排篮子86以相反的方向移动。前排内的篮子86以箭头 A所指示的，由外面携入生质碎片或小球，而后排内的篮子86以箭头B所指 示的，将烘焙的生质煤携到外面。

在通过隔板90的下方之后，前排内的篮子86以箭头A指示的移到左方， 并骑在输送带84的桥60上，而由水槽70移到水槽72。在图4不显示时，篮 子86以类似的方式，沿着溶剂槽74、76以及烘焙沟槽78和80继续行进。具 有烘焙的生质(即生质煤)的篮子86以箭头B指示的移到右方，并入和潜入水槽 70，横过隔板90的下方，通过水槽70的下方并离开烘焙单元12。在进入水槽 72之前，携带生质煤的篮子86以类似的方式横过烘焙沟槽80、78，以及溶剂 槽76和74。包含在篮子86内的生质煤在水槽70内，被冷却到接近环境温度， 直到其能安全地被送到烘焙单元12外的终端用户。

如图4所示，每一个篮子86包含一个沿着篮子86的墙的内衬99。内衬 99对槽70、72、74、76、78和80内所含的热传剂、溶剂或水，是属于多孔性 的，但对生质碎片/小球或烘焙的生质煤则不具有多孔性。因此，内衬99防止 篮子86内所含的生质碎片/小球或烘焙的生质煤会落到篮子86的外面，而允许 热传剂、溶剂、或水流过内衬99以加热或清洁生质/生质煤。

参考图2，气体收集系统56包含多个第一管子92和多个第二管子94，以 便当篮子86通过烘焙沟槽78和80时，收集由生质22释出的挥发性有机化合 物(VOCs)。在多个第一管子92中，每个皆包含一个置于第一个烘焙沟槽78内 和液位上方的进口96，以收集由第一个烘焙沟槽78上方所逸出的蒸气。多个 第二管子94每一个包含一个置于第二个烘焙沟槽80内和液位上方的进口98， 以收集由第二个烘焙沟槽80上方所逸出的蒸气。依溶剂槽和水槽的温度而定， 以收集由水槽70、72以及溶剂槽74和76所释出的蒸气。

一个隔板90置于桥60附近，以分开第一个烘焙沟槽78与第二个烘焙沟 槽80，防止第一个烘焙沟槽78上方的VOCs与第二个烘焙沟槽80上方的VOCs 混合，而能够收集不同类型的VOCs。利用两个烘焙沟槽78和80，可以控制 VOCs的释出与随后的冷凝和分离。

除了水之外，可冷凝的VOCs一般可被分成3种：(a)醇(主要是甲醇)，(b) 有机酸(大部分是醋酸，但亦有一些甲酸和乳酸)，和(c)其它芳香族和脂肪族化 合物(糠醛、羟丙酮等)。(a)和(c)类内的物质有作为燃料添加物的价值，而(b)类 是重要的工业和农业化学品。由第一和第二管子92和94收集的VOCs和水蒸 气到第1和第2根管聚集92和94被送到冷凝器和分离器单元20(图1)，以便 需要时可更进一步的处理。冷凝器和分离器单元20基于不同冷凝温度，将可 冷凝和不可冷凝的VOCs的混合物分离成不同的生质液体与气体，如CH₄、CO 和CO₂。气体可作为燃料燃烧或收集以作更进一步的化学处理。液体可更进一 步的分离和处理以作为可销售的产品。

在本具体实施例内，VOCs分别被回收，冷凝和出售，而不是被燃烧作为 传统烘焙程序的额外热源，因为每单位重量的VOCs比生质煤具有更大的经济 价值。在本具体实施例内，可燃烧烘焙单元所产生的一部分生质煤，以提供烘 焙程序一个相当便宜的热源。

当生质由水槽70、72以第一个方向X通过溶剂槽74、76到烘焙沟槽78 和80时，生质由这些槽内所含的液体吸收热量。当烘焙的生质(即生质煤)以相 反的第二个方向Y通过溶剂槽本体时，烘焙的生质释放热量到溶剂槽本体内所 含的液体。因此，生质煤被加热生质的相同的槽冷却。经由进入生质的热量的 吸收与离开生质煤的热量的和释放，导致环境温度和烘焙温度之间的平衡温 度。当烘焙的生质离开烘焙单元12并与空气接触时，烘焙的生质被足够冷却 以避免自动点火。VOCs通过多个第一和第二管子92和94内的槽亦帮助冷却 这些蒸气，和帮助所要的液体的冷凝和分离。不需外部能源来冷却生质煤，导 致能量的节省。

在一种无氧的环境内，这些槽70、72、74、76、78、和80内所含的液体， 在约250℃至300℃的烘焙温度的范围下是稳定的，并且可在燃煤发电厂清洁 地燃烧。本发明的程序内适合的液体热传介质包含但不限于，衍生自石油高温 蒸馏的油，某些合成的热传流体，或加热的烷烃，或有机金属盐。随后能将本 烘焙程序获得的生质煤磨碎，以作为燃煤发电厂的一种永续和碳中性的燃料。

第二个具体实施例

参考图5，除了特殊化的油系统与槽数目和功能，以及冷凝管机制的更详 细描述之外，根据本发明的第二具体实施例的烘焙单元100类似于图3。烘焙 单元100包含两个水槽102、104，两个溶剂槽106、108(含有己烷或轻油)和8 个油槽110，一个含有暖油或熔融烷烃的第一烘焙沟槽111，和一个含有热油 或熔融烷烃的第二烘焙沟槽112。烘焙沟槽111、112分别含有230℃和300℃的 油或熔融烷烃。两个溶剂槽106、108和8个油槽110的温度分别为T₁、T₂、…、 和T₁₀。水槽102被分成A1和B1储槽，且水槽104被分成A2和B2储槽(亦 显示于图2和图3内)。烘焙单元100的建造类似于第一具体实施例的烘焙单元 12，因此在此处可省略其详细的描述。

进入的生质与离开的生质煤和高传导管内的VOC蒸气和水蒸气通过十个 溶剂和油槽106、108和110以及两个水槽A1和A2(亦显示于图3内)。若生质 在25℃投入温度为T₁、T₂、…、和T₁₀的第1、第2、…、第10己烷和油槽， 且生质煤与VOC蒸气和离开温沟槽的水蒸气(即烘焙沟槽111，以wr的下标表 示)是在230℃的温度，并在25℃的温度下离开两个水槽B2和B1(亦显示于图 3内)，对离开的生质煤加上蒸气和进入的生质的冷却进行热量平衡，可得到平 衡方程式，在每一个槽内进入和离开的材料有小的温差：

(T₁-25°C)=α₁₂(T₂-T₁),

(T₂-T₁)=α₂₃(T₃-T₂),

...

(T₉-T₈)=α_9,10(T₁₀-T₉)

(T₁₀-T₉)=α_10,wr(230°C-T₁₀),

其中α_ij是比例，

${\alpha }_{\mathrm{ij}}=\frac{{\stackrel{·}{M}}_c{(\partial h_c/\partial T)}_P+{\stackrel{·}{M}}_v{(\partial h_v/\partial T)}_P}{{\stackrel{·}{M}}_b{(\partial h_b/\partial T)}_P},$

而h_b,h_c,或h_v,和分别是生质，生质煤，或蒸气(VOC加水蒸 气)的比焓，与处理的生质，产生的生质煤或蒸气的质量流率。

在稳定状态下的质量平衡为只在忽略相变化时，上述的形 式才能严格地维持，但是可计入熔化的潜热来修改形式。联立方程式相当于三 对角线的矩阵方程式，而1+α_ij是在对角在线且-1和α_ij是在对角线外：

若由实验获得相关生质的α_ij，则在数值上可很容易地解该矩阵方程式。当 α_ij有一个通用的α值时，考虑该矩阵方程式的解。然后读出的解为

$T_n=\frac{{\Theta }_n}{{\Delta }_{10}},n=\mathrm{1,2},...,10,$

其中△₈是10x10系数矩阵的行列式，

△₁₀=1+α+α²+α³+α⁴+α⁵+α⁶+α⁷+α⁸+α⁹+α¹⁰.

并且Θ_n是以右侧的行向量取代系数矩阵的第n行所形成的行列式：

Θ₁=△₉(25C)+α¹⁰(230C),

Θ₂=△₈(25C)+α⁹△₁(230C),

Θ₃=△₇(25C)+α⁸△₂(230C),

Θ₄=△₆(25C)+α⁷△₃(230C),

Θ₅=△₅(25C)+α⁶△₄(230C),

Θ₆=△₄(25C)+α⁵△₅(230C),

Θ₇=△₃(25C)+α⁴△₆(230C),

Θ₈=△₂(25C)+α³△₇(230C),

Θ₉=△₁(25C)+α²△₈(230C),

Θ₁₀=25C+α△₉(230C).

其中△₁,△₂,...,△₉是1x1,2x2,…9x9系数矩阵的行列式：

△₁=1+α,△₂=1+α+α²,...,△₉=1+α+α²+...+α⁹.

自每个终端来的热井和热源，经数次浸泡之后，25°C和230°C的系数(除 以△₁₀)会受到传送的影响。因此任意数量的槽的归纳便很容易。

作为一个数值上的范例，假设比例α=1.然后，

△₁=2,△₂=3,△₃=4,△₄=5,△₅=6,△₆=7,△₇=8,△₈=9,△₉=10,△₁₀=11.

接着，温度是依序以△T=(230°C-25°C)/11=18.64°C的增量线性增加：

T₁=43.6C,T₂=62.3C,T₃=80.9C,T₄=99.5C,T₅=118.2C,

T₆=136.8C,T₇=155.5C,T₈=174.1C,T₉=192.7C,T₁₀=211.4C.

因为己烷的沸点为69℃，槽2和槽1(即溶剂槽106和溶剂槽108)可以由 己烷槽所制成。在槽1之外，生质煤和生质的路径分开。来自大气和潜入25 ℃的A1水槽和A2水槽的生质进入烘焙单元的密封室内。生质煤不必进入相同 的储槽，因为生质煤会离开单元，且只要进入的生质是在25℃，生质煤不会影 响系统运作。因此，可经由一个分别密封和80℃的热水槽B2而将离开的生质 煤取出，或在比69℃高一些的温度下取出生质煤，以便在大气压下蒸发己烷。 己烷和油在水内并不会互溶；并且，在生质煤内的己烷变成可再冷凝，且以管 子输送的气体。仍留在生质煤内的油被两个己烷槽106和108稀释，并成为运 输到燃煤发电厂的总重的一小部分(如1%)。一个在25℃的最后的水槽B1能将 生质煤和任何剩下的己烷冷却到一个安全的环境情况。来自此最后的槽的生质 煤内，大部分的水在运输时将会被天然的蒸发，或以燃烧不冷凝的VOCs以除 去。终端用户亦可以用适当的折扣为水的重量，接受含水量高的生质煤。

依携带VOC蒸汽和蒸气的管子的数目与内径和外径而定，随后仅以维持 在一大气压的状况以驱动可能可以或不能使围绕生质煤的槽达到平衡温度。在 酶有相变化的情况下，大部分次音速的平均流量取决于整体的冷却方程式，

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\left(\stackrel{·}{m}{c}_{P}T\right)=-\mathrm{Nu}\left[\frac{K(T-T_b)}{D_e}\right]\pi D_e,$

其中是单一管子内蒸气输送的质量流率，D_e是管子的内径，Nu是管子 内紊流的Nusselt数，K是蒸气的热传系数，和T_b(x)是管子内部表面的平均边 界温度(不需与槽的平均温度T_p相同)。温度Tb(x)是气体经由一个厚度为h的 金属墙放热的情况：

$K_{\mathrm{metal}}\frac{(T_b-T_p)}{h}\pi D_e=-\stackrel{·}{m}{c}_P\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}.$

在此之前，将T_b代入之前的方程式，即产生常微分方程式：

$\frac{\stackrel{·}{m}{c}_P}{\pi D_e}[\frac{D_e}{\mathrm{NuK}}+\left(\frac{h}{K_{\mathrm{metal}}}\right)]\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}=-(T-T_p),$

其中在中括号内的那些数项，是对流和传导的热流动的阻力的式子。若 Nu等于流动的该部分内的平均值，则可积分上述的常微分方程式乙而产生

$T\left(x\right)-T_p={(T_0-T_p)e}^{-x/x_0},$

其中T₀是在x=0时，T的值且x₀是特征长度，

$x_0\equiv \frac{\stackrel{·}{m}{c}_P}{\pi D_e}[\frac{D_e}{\mathrm{NuK}}+\left(\frac{h}{K_{\mathrm{metal}}}\right)].$

VOCs加水蒸气的质量释出流率通常是处理的生质流率的40至 60%。例如，在一个处理80公吨生质的系统内，约10分钟，可能等于57.11 kg s^-1。在256根内径D_e=0.1m的圆形管子内，每一根管子的质量流率为 若气体的粘度系数是μ=0.000025kg m^-1s^-1,则 管子内流体流动的平均Reynolds数为Re= (0.2231kg s^-1)(0.1m)/[π(0.05m)²(0.000025kg m^-1s^-1)]=113,600。有关此 Reynolds数的摩擦系数是f=0.004379。

若假设热传系数是K=0.04W W m^-1K^-1，且比热是c_P=1,000 J kg^-1K^-1，则VOC蒸气和水蒸气的Prandtl数Pr=μc_P/K=0.625。当Re= 113,600且Pr=0.625时，紊流的Nusselt数Nu=183。在厚度h=0.01m且热 传系数K_metal=20W m^-1K^-1,特征长度x₀=10.04m。若VOC蒸气开始来自 T₀=293℃的热油流体并进入T_p=230℃的温油流体，则VOC气体在横穿80m 之后的温度是230.0℃。随后的流体温度列于表1内。

表1来自0.1m内径的管子的热传的VOC温度。

槽 长度(m) T_p(℃) VOC T(℃) 油(温沟槽) 80 230.0 230.0 油(槽10) 10 211.4 218.3 油(槽9) 10 192.7 202.1 油(槽8) 10 174.1 184.4 油(槽7) 10 155.5 166.2

油(槽6) 10 136.8 147.6 油(槽5) 10 118.2 129.1 油(槽4) 10 99.5 110.4 油(槽3) 20 80.9 84.9 己烷(槽2) 40 62.3 62.7 己烷(槽1) 40 43.6 44.0 水(储槽A1) 20 25.0 27.6 水(储槽A2) 20 25.0 25.4 水(储槽B1) 20 80.0 -- 水(储槽B2) 20 25.0 --

根据上表，在主要的VOC冷凝物中，在油槽内将会排出糠醛；在油槽5 为羟丙酮；在油槽4为乳酸和醋酸；在油槽3为甲酸和水；在己烷槽2(20m 长以便提供离开的生质煤内油的较佳的洗涤)为甲醇和己烷(来自溶剂的蒸馏)。 己烷槽1提供与生质煤一起离开的油的进一步稀释。虽然管子内VOC蒸气的 温度等于周围液体的温度，但温度差不超过11℃，因此用来计算周围液体温度 的估算技术应是正确的(若α=1)。计入潜热的影响将改变详细的数目，但不是 整个形式。若管子将蒸气由准备槽和储槽的系统携出，则相似的考虑适用于在 任何烘焙单元的密闭空间内所释出的蒸气。

第三具体实施例

参考图6，根据本发明的第三具体实施例的烘焙单元200，其类似于第二 个具体实施例，所不同的是液体本体的数目和液体传送剂的类型。而烘焙单元 200包含一外壳202、一输送带系统204、一气体收集系统206、和一气密系统 208。多个液体的本体包含9个水槽，210、211、212、213、214、215、216、 217、和218，一沸水沟槽219，以及一烘焙熔盐沟槽220。烘焙沟槽220含有 适当的熔盐，如一种醋酸钠和醋酸钾的共熔混合物，以作为热传剂。熔盐极易 溶于液态水内，因此本发明不需要其它的溶剂。

醋酸钠和醋酸钾的共熔混合物的最佳操作温度约为300℃，在约230℃的 融化温度与约460℃的分解温度之间。使用醋酸碱的共熔混合物有热容量增加 的优点，在相同的操作温度下每单位体积约比烟道气大2,000倍。因此，使用 熔盐作为热传剂的烘焙程序，比使用烟道气的传统烘程序快得多。所以，本具 体实施例的烘焙程序能明显地改进产量并降低生产成本，因此用生质煤来取代 天然的煤是可行的选择方案。

在烘焙沟槽220内的熔盐被维持于300℃，但是接近大气压的沸水的温沟 槽219，仅被维持在100℃，这是由熔盐沟槽220离开的热生质煤浸入沸水沟 槽219时，将水转变成蒸气的形式，以及进入的冷生质浸入沸水沟槽219时， 将蒸气冷凝成液体的形式以定温的。若生质进入烘焙单元200的环境温度是 25℃，则在沸水沟槽219之前的9个水槽210至218的环境温度分别是在32.5 ℃、40.0℃、47.5℃、55.0℃、62.5℃、70℃、77.5℃、85℃、和92.5℃。

在熔盐的具体实施例内，除了阻绝空气(和节能)之外，水槽210至218的 另一个目的，是使生质/生质煤在进入/离开设备时逐渐增加/减少温度(为了安 全)。水槽210至218亦将熔盐洗掉以清洁生质煤。为了执行这些功能，除了可 接受少量残渣随着生质煤离开之外，需回收所有的熔盐，槽210至218是停滞 的，获得一个熔盐的浓度，故在以相反方向行进的含熔盐较多的生质煤，和含 熔盐较少的生质之间达到平衡。在平衡时，水槽210至218显示一个熔盐份增 加的顺序。因此，在由水槽218移到210时，生质煤的盐份变得越来越少；在 由水槽210移到218时，生质煤的盐份变得越来越多。可将足够的蒸馏水加入 沸水沟槽219以达到与生质煤离开的残存盐的可接受水平(即生质煤的重量的 0.1%)，以便盐份维持在约50%(即醋酸盐约为溶液的重量的50%)。为了达到此 结果，在(洗涤)槽218-215与(冲洗)槽214-210之间，在离开的生质煤进入冲洗 槽214到210之前，需打开篮子的盖子，并且进行挤压，使其孔隙体积由约0.67 的估计值降低到离开盐沟槽时的约0.28。在本发明内给的特殊数值只是说明的， 并不限于生质输入、设备性质、或操作程序的其它可能参数的专利申请范围。

槽是模块化的，根据生产工厂所要的容量来调整模块的长度。调整烘焙沟 槽220的大小以便每10分钟烘焙每个篮子内所需的生质的量。当显示14个篮 子完全浸入熔盐沟槽220时，可经由改变速度以便依应用来扩大或缩小烘焙单 元200。若生质的产量增加，则需要增加热量，以维持温度300℃下沟槽内流 动的熔盐。

类似于第一个具体实施例，输送带系统204将多个携带切碎的生质/生质煤 的篮子86沿着输送带系统204移动，并使生质/生质煤在水槽210至218，沸 水沟槽219，和熔盐沟槽220内浸入和升起。除了烘焙沟槽220之外，两排篮 子86在每个槽内以相反的方向移动，其中篮子86在例子内被排成四排，以便 较多的生质能够同时被烘焙。在烘焙沟槽220内，生质22被共熔的热醋酸钠/ 醋酸钾加热。气密系统208包含槽210至218所提供的多个隔板90，以防止空 气(特别是氧)进入槽与沟槽219和220上方的空间。

参考图7，显示了一个包含图6的烘焙单元200和其它设备的完整生产工 厂300，其中使用熔融的醋酸碱作为热传剂，和作为催化由稀醋酸生产浓液态 丙酮的一个方法。醋酸盐是相当温和的腐蚀剂，且在熔融时能作为电解液。当 建造零组件时，需小心选择金属合金，如不锈钢，并且需避免在不同的零组件 使用不同的金属，以使异金属接触(Galvanic)腐蚀减到最小。

在图7内，只显示烘焙单元200的有限数目的槽。生产工厂300更进一步 包含一预热单元230，一后热单元234，一焦炭过滤器236，一熔盐泵浦238， 和一化学反应器250。当生产工厂停工作维修时，为了防止熔盐在管子内冻结， 预热单元23的温度设定需比系统的其它零组件低，以便当泵浦关闭时，熔盐 能流到预热器。使用泵浦(未画出)将熔盐由预热器往上泵到熔盐沟槽220。烘焙 沟槽220由泵浦的出口管240移到下游的焦炭过滤器236，以便由烘焙沟槽220 除去生质煤的小碎片。在焦炭过滤器更下游的地方，一熔盐泵浦238将大部分 熔盐送入预热器230，但亦将一部分熔盐送入后热器234。后热单元234产生 气态的丙酮和液态的碳酸碱。化学反应器250产生醋酸碱的水溶液。

更特别地，在图7内，预热单元230接收与烘焙单元200内生质接触而冷 却的醋酸盐，并再将其加热到300℃。然后将醋酸盐经由管子240泵入烘焙沟 槽220。当显示预热单元230是一个长的平底锅时，它能为任何的构型，其利 用适当的绝缘，避免传统锅式气体加热器的20%的热损失。可在槽215、216、 217、218、219、220附近提供收集盒241(只显示水槽217和218附近的一个) 以收集由冷凝管245输送的VOCs。熔盐的低的蒸气压可使熔盐在冷凝管内积 聚较慢，而定期维修的项目需包含偶然地用热水冲洗这些管子。

由图7所示，校对量的熔盐经由管子246被熔盐泵浦238送到后热单元234， 并将醋酸碱加热到高于其热分解温度460℃，或尽可能到500℃时，会产生气 态的丙酮和液态的碳酸碱。接着熔融的碳酸碱经由管子248流到化学反应器 250。由收集盒241的一稀释的醋酸亦被送到化学反应器250，在此处，碳酸碱 与稀醋酸反应以形成气态的二氧化碳和醋酸碱的水溶液，而二氧化碳被排出。 低于100℃的醋酸碱的水溶液经由管子254流到预热单元230。由于强的热使 水蒸气液从化学反应器释出，且能蒸馏和冷凝而用于销售或其它目的。校对分 解成碳酸盐的醋酸盐的量，以便用掉对应流量的醋酸以重制醋酸盐。而其中图 7还包括离开烘焙器的冷熔盐的管线242，馈入预热器的冷熔盐的分支管线244， 以及将醋酸溶液馈入化学反应器的管线252。

由本具体实施例所生产的生质煤，有优于市场上天然烟煤的性质。因此本 发明的程序使用熔盐作为「超级烘焙」的热传剂。例如，在一个试运转内， 生质煤的Hargrove磨削指标(Hargrove Grindability Index,HGI)为67，则马上可 被燃煤发电厂接受。生质煤的热值是6,139kcal/kg=25.7MJ/kg，这可与市场上 最好的烟煤相比较。残存的VOC为36.11%且含碳量为49.55%，而比率是依烘 焙的程度而定。由盐脱水引起的植物组织的分解帮助程序的加速。通常，与具 有烟道气的烘焙比较，本发明的超级烘焙产生较低比率的残存的VOC/碳，可 产生一种较高质量的产品。

此外，生质煤内的硫含量只有0.06%，比天然的煤好很多。与许多煤内 20%-40%的灰含量相反，生质煤的灰含量约为5.69%。与传统燃烧使用的煤内 作为「废弃物」相反，当生质是竹子时，灰富含钾碱并且可以出售和作为肥料。 生质煤的剩余质量是含水量，依干燥程序和使用之前的储存情况而定。因此， 本发明的烘焙程序没有产生废弃物。

冷凝阶段由其它生质液体分离水和醋酸(由VOCs回收的有机酸)。此种形 式的稀醋酸只有很小的经济价值，可作为防腐剂来防止干草包腐烂，或在肉类 包装工业内作为消毒剂。使用醋酸碱有相当大的优点，可将稀醋酸变成浓丙酮， 有巨大的经济价值，可作为工业溶剂，或具有作为航空燃料成份的潜势。例如， 由后热单元234内的加热开始，醋酸钾在高于其约460℃的分解温度下作为熔 盐的一个成份，以获得碳酸钾和丙酮：

2CH₃COOK(熔盐)+热量→(CH₃)₂CO(蒸气)+K₂CO₃(熔盐).

丙酮以蒸气离开混合物，并在大气压下通过水槽的管子被冷凝到温度低于 56℃以形成纯的液体。虽然使用醋酸钾的例子，但是醋酸钠、醋酸锂、或其它 醋酸碱亦能获得相同的结果。

碳酸钾溶于水的水溶液是一种弱碱。为了由盐回收醋酸盐，使碳酸钾在化 学反应器250内，与由生质的烘焙内VOCs的冷凝产生的稀醋酸反应：

2CH₃COOH(水溶液)+K₂CO₃(水溶液)→2CH₃COOK(水溶液)+CO₂(气 体)+H₂O(液体)+热量

反应是中度放热的，但是在正常的热损失下，含有稀水溶液的反应可在室 温下进行，且只有CO₂以气体逸出。为了以无水的熔盐的形式回收醋酸钾，能 在加热器内逐出液态水，且用以预热熔盐沟槽220内的共熔醋酸盐到300℃。 如此产生的水蒸气不与烘焙程序的VOCs混合，终究可纯到可以喝的一种冷凝 产品，除了被蒸馏之外，经由活竹子的薄膜的逆渗透程序以预过滤。过量的饮 用水对人和动物的消耗或农业使用可能有一些商业价值。如前述，可使用一部 分来降低沸水槽219的盐份。

与经由矿物油的烘焙比较，经由如共熔醋酸钠和醋酸钾的混合物的有机金 属盐的烘焙有下述优点：(1)增加安全性，因为即使醋酸盐受到生质煤碎片的污 染，且若空气漏入烘焙设备时，亦不会像油或烷烃那么容易燃烧；(2)只要盐维 持在高于(共熔)熔化温度(约230℃)，且低于分解温度(约460℃)，对热劣化有 较大的稳定性；(3)较容易由生质煤的孔洞和表面回收盐，因为有机碱盐极易溶 于水，特别是当水的温度是温的或很热的时候；(4)一个天然和简单的两段程序， 以便由生质烘焙获得相当丰富的VOC冷凝的产品、稀醋酸、以及在经济上较 有价值的浓液态丙酮的商品；(5)能延伸烘焙机制到较高的温度和较短的热解时 间，以便有效的生产生质油、合成气、和生质煤，并成为一个可行的高产出的 程序。

本发明的烘焙单元20、100和200能明显地减少能源消耗，并改进产量。 根据本发明，除了烘焙沟槽之外，各种槽的温度被进入的凉生质、离开的热生 质煤、和VOCs控制，而没有使用外部加热或冷却的资源，与使用外部能源预 热生质和冷却生质煤的先前烘焙系统的技术不同。

同时，本发明的烘焙单元20、100和200系由生质煤除去，和回收热传剂 以改进生质煤的质量和降低生产成本。在一个具体实施例内，熔融的有机盐被 用作热传剂，且可很容易的溶于水内和被回收。在另一个具体实施例内，当油 /烷烃被用作热传剂时，多个溶剂和水槽被用以洗掉留在生质煤内的油和溶剂， 且因此可回收和再利用油和溶剂。本发明的烘焙单元20、100和200系生产含 有最少残存化学剂的较清洁和较高质量的生质煤，且若空气漏入烘焙系统或单 元时，亦能确保安全的生产程序。

在本发明的烘焙单元20、100和200内，安排生质和生质煤沿着主要烘焙 沟槽内的一个连续路径，以相反的方向通过相同的槽。然后可调整生质/生质煤 的行进速度且没有以改变加热/冷却槽的数量而增加产量，故仅产生较小型的结 构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利 范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包 含在下述的权利要求书内。