CN118715306A - 用于烃化合物的热化学生产和精炼的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种能够进行连续工艺的系统，该连续工艺涉及将颗粒引入具有低氧环境的反应器滚筒中。在颗粒加热期间，重烃从颗粒中汽化出来。汽化出的重烃与加热反应器滚筒内的颗粒的加热气流混合。加热气流(与汽化出的重烃一起)离开滚筒，并再循环回到热源，用于在重新进入反应器滚筒之前再加热气流。在反应器滚筒内重复暴露于高温将重烃裂化成较轻的烃。然后可将较轻的烃从加热气流中分离出来并收集用于销售或使用。

Description

用于烃化合物的热化学生产和精炼的系统和方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2022年2月17日提交的第63/311,220号美国专利申请的优先权，出于所有目的其全部公开内容通过引用合并于此。

背景技术

技术领域

本公开总体上涉及热解、烘焙和/或气化系统和方法，并且更具体地涉及经由生物质热解、烘焙和气化系统和方法生产气态和液态烃产品。

相关技术的描述

生物质颗粒的烘焙/热解/气化是公知的，并且是生物质和/或其它有机颗粒在低氧环境中被加热的过程。这导致颗粒内的挥发性化合物被蒸发掉，并且颗粒的多孔(cellular)结构劣化，导致部分质量损失和脆性增加。烘焙/热解/气化还在剩余的多孔结构内引起反应，这增强了所得产品的防潮性。在经历烘焙/热解/气化过程之后剩余的颗粒当以每单位重量的热能测量时具有提高的能量值。生物质和/或其它有机颗粒的烘焙/热解/气化的程度取决于若干因素，包括组成、施加的热量水平、施加热量的时间长度和周围气体条件(特别是关于氧气水平)。

目前的烘焙/热解/气化系统从输入到系统中的原料颗粒中去除/释放气相挥发物(有时称为焦油)，作为生产烘焙颗粒的过程的一部分。这些挥发物通常作为需要被处理掉的废物/副产物对待，作为烘焙/热解/气化过程的一部分。这些焦油的生产、捕获和处理降低了烘焙/热解/气化系统的效率。

发明内容

本文描述的实施例提供了特别好地适用于以有效和一致的方式烘焙各种尺寸的有机颗粒(尤其包括纤维素生物质颗粒)同时还将除去的挥发物精制成副产物的系统和方法，该副产物可以代替经烘焙的有机颗粒或加在经烘焙的有机颗粒之外被收集。该系统和方法可容易地扩展以满足各种工业需要，并提供关于监测和调节运行参数的增强的工艺控制，以优化或定制所得烘焙/热解/气化生物质颗粒、精制的挥发物或这两者的特点。

烘焙、气化和热解(TGP：torrefaction、gasification、pyrolysis)反应本质上是类似的，主要区别在于进行反应的温度范围。为了本公开的目的，TGP反应广泛地包括有机化合物以下述方式的热化学分解，其中氧化剂被控制或完全消除。为了本公开的目的，术语“烘焙”、“热解”和“气化”的使用被理解为是可互换的，除非另外特别指出。

热化学生物油包括一系列由对生物产生的有机材料的热化学处理而产生的烃产物。热化学处理产生了通常源自化石燃料的烃化合物。实例包括原油、喷气燃料、汽油、醇、柴油、溶剂、聚合物、烷烃、烯烃、二烯烃、芳族化合物、羧酸和许多其它有机化合物。

热裂化是利用热和/或压力将较大、较重的烃分子断裂成较小、较轻的分子的过程。本文所用的热裂化是指烃化合物的分解。热裂化可由TGP反应(例如，在本文所公开的系统内)产生。催化裂化是精炼烃分子的另一种方法。催化裂化使用催化剂来促进较大、较重的烃分子断裂成较小、较轻的分子。催化剂可以能够改变反应温度、压力、比率和所产生的化合物的种类，或其任何组合。

根据一个实施例，TGP系统可概括为包括：入口，其接收颗粒(例如，生物质颗粒)；反应器滚筒，其可围绕其纵向轴线旋转；热源，其在反应器滚筒的上游，以将包含在系统中的气体加热到这样的温度，该温度足以在系统的运行期间在反应器滚筒内引发和维持颗粒的TGP反应；风扇装置，其在系统运行时，产生通过反应器滚筒的加热气流，该加热气流足以在反应器滚筒内维持颗粒的TGP反应——在反应器滚筒旋转时、在颗粒与加热气流相互作用时、沿着反应器滚筒的长度；以及气体管道，其耦接到至少反应器滚筒、热源和风扇装置，以将离开反应器滚筒的一种或多种气体的一部分再循环回到热源，以再加热气体以便再引入反应器滚筒中。

当加热气流循环通过反应器滚筒时，该加热气流直接加热颗粒。当颗粒被加热时，颗粒中的化合物可在反应器内通过TGP反应被热化学分解(例如，分解成化合物——包括元素、有机物、烃化合物/混合物或其任何组合，其可呈气体、蒸气和气溶胶中的一种或多种的形式)。这些气体混合物通常称为合成气(synthesis gas或syngas)。颗粒的加热可产生超过循环通过系统并维持反应器滚筒内的TGP反应所需的合成气的量。

反应器滚筒可以被构造成调节颗粒通过反应器滚筒的运动，从而影响颗粒在反应器滚筒内的停留时间。反应器滚筒可包括与加热的合成气流互操作的特征，以根据颗粒密度、颗粒尺寸或这两者来对颗粒进行分类(例如，通过使更致密的颗粒——与类似尺寸的颗粒相比——相对更缓慢地移动通过反应器滚筒，通过使相对更大的颗粒——与具有类似密度的颗粒相比——更缓慢地移动通过反应器滚筒，等等)。

TGP系统还可包括位于反应器滚筒下游的料斗，以收集离开反应器滚筒的固体颗粒并从系统中排出固体颗粒。该系统还可以包括管道，以在各个位置从系统中移除气体和/或将气体引入系统。管道可包括控制阀和风门，其定位成调节系统内的压力水平以抑制氧气的渗透，同时使气相元素和/或化合物能够进入和/或离开系统。

管道可以将气体从系统引导到一个或多个远程装置，以将排气用于辅助或补充过程。一个或多个远程装置可包括例如这样的系统和方法，其用于从被引导的气体中离析、分离、收集组分或上述操作的任何组合。远程装置的实例可包括冷凝器、分离器、猝火器、洗涤器、压缩机、膨胀器或其任何组合。远程装置可包括热源，例如燃烧系统，其利用一部分被引导的气体(作为整体，或其选择的组分)来产生热量，然后可将该热量供应(例如，经由热交换器)到气流——在其通往反应器滚筒的途中。

该系统可以进一步包括位于入口和反应器滚筒之间的至少一个气锁，以限制当接收颗粒时进入系统的氧气的量。该系统还可包括在反应器滚筒和相邻结构之间的至少一个密封机构。密封机构可以保持反应器滚筒的内容物与周围大气的分离。TGP系统可包括耦接到惰性或半惰性气体或蒸汽源的机构，该惰性或半惰性气体或蒸汽源用于选择性地吹扫反应器滚筒(例如，在启动或关闭运行期间)以维持反应器滚筒内的无氧环境。

根据一个实施例，该系统可被校准，使得在升高的温度(例如，在约220°F至约1,250°F之间)下，由TGP反应产生的气体、蒸气和/或化合物(例如，烃)被包含在该系统中以超过固体颗粒的一时间段，例如在固体颗粒通过反应器滚筒的长度所花费的时间的约110％至约1000％。

该系统可以被装配为使得循环气体混合物多次通过气体循环回路。回路可以包括系统内的升高温度的区域。升高温度区域可包括：反应器滚筒，包括或邻近加热元件的区域，包括或邻近燃烧元件的区域，包括或邻近加热的床材料的区域，包括或邻近热交换器的区域，或其任何组合；以促进气体混合物的精炼(例如，重烃的热裂化)。升高温度的区域可以用作增加回路内的气体温度的主要方法。该系统可包括：例如，电加热器、加热的材料床、热交换器、回路内的物质的直接燃烧，或其任何组合。该系统还可以被组装成使得升高温度的区域被隔离/独立于反应器滚筒内的颗粒的加热。例如，该系统可以包括闪蒸/回流罐、高温热解塔、填充塔或其任意组合。

根据一个实施例，该系统可以包括沿着回路的温度差，其将特定组分(例如，烃化合物)与循环气体混合物的其余部分分离。分离可以通过相变行为(例如，蒸馏和冷凝单个烃化合物)发生。烃化合物的局部分离使得能够从系统中选择性除去这些化合物。该系统可以包含从回路中永久地去除化合物并且引导化合物用于进一步处理或在系统的其它过程中使用的部件。该系统还可以包括在进一步处理之后或在系统中的不同位置将化合物再引入回路的部件。

根据一个实施例，可以从循环回路中选择性地除去特定烃化合物、异构体、元素、混合物或其任意组合的料流(例如，为了在工艺内产生化学平衡失衡)。化学平衡失衡(chemical equilibrium imbalance)可以被设计成通过系统增加特定烃化合物、异构体、元素、混合物或其任意组合的产量。根据一个实施例，该体系可以包括影响TGP反应的部件，从而有利于产生恢复平衡的特定元素、烃化合物、异构体和/或前体化合物/自由基。

根据一个实施例，该系统可包括在系统中(例如，在除了反应器滚筒之外的地方)执行重烃的热裂化或分解的部件和系统，其促进产生恢复平衡的特定烃化合物、元素和/或前体化合物/自由基。该系统可以将系统内的气体热分解成恢复平衡的化合物和元素(例如，直接或通过副反应)。

该系统可以被装配以对包含在回路内的化合物、混合物、分子或其任意组合进行重复的裂化、异构化、重整或其任意组合。该系统在运行中可以保存异构体、分子、化合物或其任何组合，这些在系统内包含的条件下是热稳定的。热稳定分子的保留可以使得能够瞄准不稳定/较不稳定的分子、异构体、化合物或其任何组合以在系统内分解。该系统可以包括这个的部件，该部件维持有利于在系统内产生目标异构体、分子、化合物、物质或其任意组合的条件。

根据一个实施例，烘焙、气化和/或热解系统包括：反应器滚筒；热源，其将包含在系统内的气体加热至足以烘焙反应器滚筒内的颗粒的温度；移动热气体从而形成穿过反应器滚筒的加热气流的装置；管道系统，其连通地耦接至热源和反应器滚筒，从而形成允许加热气体多次穿过反应器滚筒的再循环回路；以及，将包含在加热流内的第一烃化合物与加热流的剩余部分分离的区域，其中加热气流的剩余部分包括比第一烃化合物重的第二烃化合物。

根据一个实施例，烘焙颗粒的方法包括：产生加热气流；将颗粒移动到反应器滚筒的内部空间中；引导加热气流通过反应器滚筒的第一端并进入反应器滚筒的内部空间；加热反应器滚筒的内部空间中的颗粒，从而从颗粒中以气相释放烃化合物，并将释放的烃化合物与加热气流混合；经由加热气流，引导释放的烃化合物通过反应器滚筒的第二端，从而离开反应器滚筒的内部空间。

该方法还包括：在离开内部空间之后，沿着路线将释放的烃化合物引导到反应器滚筒的第一端；引导释放的烃化合物通过反应器滚筒的第一端并且通过反应器滚筒的内部空间，同时释放的烃化合物在该内部空间中；裂化释放的烃化合物，从而形成至少一种较轻的烃化合物；以及，将至少一种较轻的烃化合物与加热气流的剩余部分分离。

附图说明

图1是根据一个实施例的系统的示意图。

图2是根据一个实施例的集成处理系统的示意图。

图3是根据另一实施例的系统的等轴测视图。

图4是图3的系统的后方等轴测视图。

图5是图3的系统的侧视立面图。

图6是图3的系统的俯视图。

图7是图3的系统的反应器滚筒和相邻部件的侧视立面图。

图8是图7的反应器滚筒沿线6-6的横截面图。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对各种公开的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实践实施例。在其他情况下，与工业过程设备和工业过程相关联的公知结构或步骤可能未被详细示出或描述，以避免不必要地模糊对实施例的描述。

例如，相关领域的普通技术人员将理解，各种传感器(例如，温度传感器、氧传感器等)、控制装置和其他工业过程控制可以经由可编程逻辑控制器(PLC，programmable logiccontroller)或其他合适的控制系统来提供和管理，用于监测本文所描述的系统并控制过程的运行参数，以优化或定制所得烘焙颗粒的特性。

除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附权利要求书中，词语“包括/包含(comprise)”及其变体，例如“comprises”和“comprising”应被解释为开放的、包括性的含义，即“包括但不限于”。

在整个说明书中提及“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指代同一实施例。此外，在本文描述的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。

如本说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一”、“一个/种”和“该/所述”包括复数指代物，除非内容另外明确指出。还应注意，术语“或”通常以其包括“和/或”的意义使用，除非内容另外明确地指明。

除非本文另有说明，本文中对数值范围的叙述仅旨在用作分别涉及落入包括所述范围端点的范围内的每个单独值的速记方法，并且每个单独值被并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述一样。

本文提供的本公开的标题和摘要仅是为了方便，而不是解释实施例的范围或含义。

图1示出了根据一个示例性实施例的系统10(例如，烘焙、气化和/或热解系统)的示意图。系统10包括反应室或容器(本文中称为反应器滚筒12)，反应器滚筒12被支撑以便围绕反应器滚筒12的纵轴16旋转。反应器滚筒12包括内体积，该内体积可以是如图所示的圆柱形，或对应于反应器滚筒12的外壁形状的另一管状的形状(例如矩形、正方形、不规则形状等)。内体积的形状可以沿着反应器滚筒12的一些或全部长度是恒定的，或形状可以沿着反应器滚筒12的长度改变(例如锥形)。系统10还可以包括入口22，入口22接收待处理的颗粒(例如生物质颗粒)，如标为24的箭头所示。具有可选的惰性或半惰性气体吹扫27或类似装置的气锁或双气锁26可以与入口22耦接，以在颗粒被进料到系统10中时基本上防止氧气进入系统10。颗粒可以通过输送机或其它常规的材料传送机构被进料到入口22。在一个实施例中，可以使用塞式进料螺旋输送器来代替气锁，以产生材料塞，当颗粒通过入口22时，该材料塞起到密封的作用。

系统10还可以包括设置在反应器滚筒12上游的热源30。该热源可以向系统10内产生的气流34供热(例如通过风扇装置32)。根据一个实施例，风扇装置32可以是例如引风机装置或强制引风机装置。风扇装置32可以是可操作的，以抽吸或迫使气体通过反应器滚筒12，并使气体(或气体的大部分)循环回到热源30，以便以再循环的方式再加热和供应到反应器滚筒12。在一些实施例中，离开反应器滚筒12的气体的百分之八十或更多(按体积计)可以再循环到反应器滚筒12的入口。在一些实施例中，离开反应器滚筒12的气体的百分之九十或更多(按体积计)再循环到反应器滚筒12的入口。在一些实施例中，离开反应器滚筒12的气体的百分之九十五或更多(按体积计)再循环到反应器滚筒12的入口。

在运行期间，气流34可以作为热流体，将热能传递给反应器滚筒12内的颗粒。根据一个实施例，气流34也可以提供用于输送颗粒的推力。气流34也可加热反应器滚筒12的内部结构(例如，直接接触颗粒的反应器滚筒12内的多个抄板170或其它结构)，其进而又可加热颗粒。通过在反应器滚筒12的图示中提供的切口17，多个抄板170中的两个是可见的，以提供包括抄板170的反应器滚筒12的内部结构的一部分的可见性。

系统10可包括尺寸合适并至少与反应器滚筒12、热源30和风扇装置32耦接的气体管道36，以在系统10中再循环气流34。根据一个实施例，进入反应器滚筒12的气体的一部分至全部量以连续方式再循环回到反应器滚筒12的入口。在一些实施例中，在运行期间，没有新的气体(除了非预期的泄漏)供应到再循环气流34。

根据一个实施例，系统10可包括具有不同温度、保持时间、化学性质和/或运行条件的多个级。多个级可以彼此机械隔离。系统10可以例如包含具有气锁和料斗的多个滚筒。系统10还可包括在使用固体的区段之间提供隔离的滚筒，例如渐进式螺杆特征、锥形几何形状、循环/流化固体捕集器和/或端口。系统10可以使用TGP过程中涉及的固体，或者独立于TGP过程的固体，例如陶瓷介质和/或沙子。系统10可包括在机械隔离的区段之间添加元素和/或化合物和/或从气流34中移除元素和/或化合物的特征、腔体、管道和/或其它部件。

反应器滚筒12内的颗粒的烘焙、气化和/或热解可释放进入气流34并与其混合的化合物(例如，气相的烃)。系统10可包括从气流34排放或排出一定量气体以便维持系统10内的相对稳定的压力的部件。根据一个实施例，系统10可包括能够从气流34提取特定(例如，目标)化合物的部件15。部件15可包括加热器、冷却器、加压器、分离器或其任何组合。部件15可应用于全部气流34或气流34的任何少量(fractional)部分。

区域18可以包括介质和/或介质系统以补充从气流34中分离化合物。系统10可以在单独的容器(例如，结构化介质塔)中含有介质。结构化介质塔可以干燥运行，从而提供用于冷凝和/或蒸发的大表面积。例如，该塔可以利用气流34中的元素和化合物的吸附/解吸，以流体或流化固体运行。系统10也可以包含直接在系统内的介质(例如，在入口处与材料一起引入的陶瓷介质床)。该系统还可以包含通过另一种方法可再生的介质，并且以分批模式运行。系统10还可以包含例如作为循环和/或另一过程的一部分连续再生或消耗的介质。系统10还可以包含通过已建立的方法(例如静电除尘器)运行的介质。

系统10可包括区域18，在该区域内，能够提取特定化合物的部件从气流34中去除。根据一个实施例，区域18可包括促使液体从目标化合物中离开(drop-out)的温度范围和压力范围。目标化合物可包括一类特定化合物(例如烷烃、烯烃等)，或者目标化合物可包括特定化合物(例如甲烷、丁烷等)。例如，气流34可包括轻烃和重烃。本文所用的“轻烃”是指较低分子量的烃(例如，含有1-11个碳原子的烃)，实例包括辛烷、丙烷、丙醇、环己烷和戊烷。本文所用的“重烃”是指具有较高分子量的烃化合物(例如，含有12个或更多个碳原子的烃)，实例包括十二烷、十五烷、二十烷和聚合的轻烃分子/链。

区域18可包括低于目标化合物(例如，重烃)的露点的温度和压力，使得当重烃通过区域18时，重烃从其当前的气相转变成液相，而轻烃保持在气相中。然后，液态形式的重烃可以从系统10中提取出来，如箭头21所示，而轻烃通过区域18并保留在循环回路中。

区域18可以包括允许从系统10中去除气态轻烃(例如，一旦如上文所述已经去除重烃)的特征。区域18也可以包括允许已经从气流34中除去的冷凝的重烃返回到气态，然后再引入到气流中的特征，其中轻烃已经如上文所述除去。

根据一个实施例，区域18的温度可以在约0°F和约1,200°F之间，压力在约0.01psia和约2,500psia之间。当气流34通过区域18时，较重的烃(例如十二烷)可以从气相转变成液相并从气流34中离开。然后液体可以从系统10中除去并收集或恢复到气态并再引入系统10。

系统10可以被校准以增加目标化合物的产量。根据一个实施例，反应器滚筒12内的颗粒(例如，生物质颗粒)的烘焙、气化和/或热解从颗粒中释放烃。这些烃可以从颗粒中“汽化出来”，使得它们以气相释放。在从颗粒中释放时，释放的烃通常是较重的种类。在之前的烘焙系统/过程中从颗粒中汽化的气态副产物通常被对待为废物或要被处理掉的过量材料。在一些情况下，气态副产物可以被引导到燃烧器以提取作为低质量燃料的一些益处，从而帮助加热系统10并使损失最小化。

然而，根据一个实施例，气态副产物可以在系统10内被精炼成更有价值的化合物(例如，“更轻的”烃)，其然后可以被提取以供使用或销售。系统10可使气流34循环，使得气流34在目标时间间隔内经受目标温度范围，其中基于将较重烃化合物热裂化为较轻烃化合物所需的时间和温度来选择特定范围和间隔。根据一个实施例，系统10的产物可以包括烘焙材料、生物炭、活性炭前体、液体生物油和气体。

系统10还可用于处理、减少和燃烧废物，例如在其它工业中出现的那些废物；例如城市固体废物、垃圾、塑料和农业副产品。这些废料可以首先经历至少一个使材料脱挥发分(devolatilize)的TGP反应。脱挥发分允许在系统10内热分解，并在剩余固体燃烧之前处理潜在的不需要的化合物，例如聚氯乙烯污染的建筑/拆除废物的脱氯，如果未经处理就燃烧，或在/通过常规TGP系统/方法加工，则可能导致产生有毒化合物如二噁英。

将重烃裂化成较轻的烃所需的时间可以比气流34通过反应器滚筒12的长度所花费的时间量更长。因此，可以校准系统10，使得气流34(包括由TGP反应产生的气体、蒸汽和或化合物)多次循环通过反应器滚筒12。这可能导致气流34的特定部分(例如，重烃)暴露于高温(例如，约400°F至约1,600°F)的时间段超过颗粒在反应器滚筒12内暴露于高温的时间量。

用于将重烃裂化成轻烃和/或用于化合物热分解的温度可以高于用于颗粒烘焙的温度。因此，系统10可被校准，使得气流34(包括由TGP反应产生的气体、蒸汽和/或化合物)循环通过热交换器60，以将温度升高到高于在滚筒12中使用的温度(例如，高于约400°F至约2,400°F之间)。

根据一个实施例，气流34的特定部分可以暴露于升高的温度，持续固体颗粒通过反应器滚筒的长度所花费的时间的约100％至约1000％。例如，气流34的特定部分可以循环通过反应器滚筒12至少2至100次。

系统10可包括能够将气流34内的重烃催化裂化成较轻的烃的部件。根据一个实施例，系统10可包括催化剂(例如，流化或低密度材料床)，气流34穿过该催化剂以促进气流34内的重烃裂化成较轻的烃。

系统10可以含有固相催化剂和/或催化元件，以促进元素和/或化合物从气流34中的吸附、裂化、重整和/或分离。系统10还可以包括催化剂和/或催化元件，以改变TGP反应的特性，和/或改变在TGP反应/系统运行期间产生的产物/生成物。系统10可包括在运行期间再生或消耗的催化剂和/或催化元件。系统10可以包括催化剂和/或催化元件，该催化剂和/或催化元件可以被气流34夹带并通过风扇装置32循环。系统10可包括在运行期间再生或消耗的催化剂和/或催化元件。系统10可以包括在滚筒内形成床并且例如吸收氯和/或硫化合物的催化剂和/或催化元件。

系统10可以包含流化床，在反应器滚筒12内或作为外部部件。系统10可以包含使循环气流34独立地通过流化床或利用气体回路作为主要流化装置的特征。系统10可包括在流化床和/或床材料中的催化剂和/或催化元件。系统10可以包括机械流化该床的特征(例如，结合到反应器滚筒12中的孔、筛网和/或刮板[flight])。系统10还可包括附加的元素和/或化合物到流化床以促进/引发附加的反应。系统10可包括特征、系统和/或机构，以引入含有约1％至约100％氧气的氧化剂，为了床内的燃烧和/或氧化反应的目的。

如图示的实施例所示，热源30可为气-气热交换器60的形式。热气流35(例如，在约800°F至约2400°F的范围内)可经由入口管道62供应至热交换器60。热气流35可与所示系统10的再循环气流34相互作用，以向其传递热量。在一些实施方案中，热交换器60可提高进入热交换器60的再循环气流34的全部或一部分的入口温度(例如，从约500°F±100°F提高到约1,600°F±150°F的出口温度)。

这样，在经由出口管道66离开热交换器60之前，热交换器60中的热气流35的温度必须降低。然而，热气流35的温度仍然可以足够热以在其它过程中有用，例如在进入系统10之前干燥颗粒。因此，在一些实施例中，经由出口管道66从热交换器60排出的热气流35可以被引导到干燥器系统70(如图2所示)或其它装置。在一些实施例中，排出的热气流35可被引导回到热交换器60的入口，并与具有较高温度的其它加热气体混合，例如与从燃烧器76引导的其它加热气体混合，以在进入热交换器60时将热气流35的入口温度调节到期望水平或落在期望温度范围内。

尽管图1的热源30的所示实施例显示为气体-气体热交换器60，但应理解，可提供其它各种热源30。例如，在一些实施例中，可在系统10的气流34的路径内提供电浸没式热源。在其它实施例中，低氧燃烧器可直接导入系统10中以加热气流34而不显著增加系统10内的氧水平。然而，与热源30无关，以再循环方式隔离气流34以促进维持反应器滚筒12内的低水平氧气环境可能是有益的，该低水平氧气环境有益于烘焙颗粒。

系统10可以包括(例如，在反应器滚筒12的下游端)分离器料斗38，分离器料斗38在颗粒离开反应器滚筒12时收集烘焙颗粒(例如，烘焙木屑、烘焙禾本科植物[giant cane]碎片、其他烘焙纤维素生物质)。然后这些颗粒可以机械地和/或在重力作用下朝向出口40进给以用于收集。一个或多个气锁装置42可耦接至出口40，以便在烘焙颗粒从系统10中取出时基本上防止氧气渗入系统10。

可以通过分离器料斗38的较小颗粒(例如，烘焙的木屑、烘焙的禾本科植物细粒、其他烘焙的纤维素生物质)可以通过过滤装置44(例如，旋风式过滤装置)过滤并从气流34中移除。一个或多个附加的气锁装置46可耦接到第二出口48上，以便从系统10中除去已过滤的材料，而不会将大量的氧气引入到系统10中。如图所示，经由一个或多个气锁装置46离开分离器料斗38的较小颗粒可以被引导，以与离开分离器料斗38的烘焙颗粒混合/结合。

在一些实施例中，一对循序对齐的气锁42、46之间的室或空间可以耦接至选择性地吹扫该室或空间的蒸汽源、惰性或半惰性气体源，如由标记为43和47的箭头所示。在一些实施方案中，系统10可以包括代替料斗38的气旋式过滤装置，以从气流34分离和/或过滤烘焙颗粒。在一些实施例中，系统10可以包括一个或多个气动排放装置(未示出)以从系统10排放烘焙颗粒。

如前文描述，气流34可被抽吸或推动通过反应器滚筒12，并在风扇装置32的影响下返回热源30(例如，在分离烘焙颗粒、碎片、细粒、灰尘和/或任何碎屑之后)。虽然大部分气体被再循环，一些气体可被转向到排气管道50。通过排气管道50排出的气体可用于该过程中的其它地方或另一过程，如箭头52所示。例如，该排出气体可被用作燃料以产生热量来帮助热源30提高气流34的温度(例如，经由燃烧器76的燃料入口23)。燃烧器76可经由燃料入口23和氧气入口25依靠“补充燃料”源(例如，添加到系统10的燃料，而不是由系统10产生的燃料)运行。气体管道36(例如，排气管道50)可包括可变位置阻尼器54，其可用于平衡反应器滚筒12内的压力从略微负的到略微正的。根据设置，这可以用于抑制氧气进入系统10。

参考图2，以示意性形式示出了集成处理系统11(例如，烘焙、气化和/或热解系统)的实施例。系统11可以包括：上文描述的系统10，在引入系统10之前干燥颗粒的干燥器系统70，等。在一些实施例，系统10可以接收水分含量被干燥器系统70降低到低于百分之二十水分含量(基于湿重)的颗粒。在一些实施例中，生物质颗粒可以是平均颗粒尺寸在约1/16立方英寸至约一立方英寸之间并且初始水分含量高于百分之四十水分含量(基于湿重)的木片。在一些实施例中，颗粒可具有基本一致的尺寸(小于百分之十的差异)，并且在其它实施例中，颗粒的尺寸可变化多达百分之十、多达百分之二十、多达百分之三十或更多。

如图所示，干燥器系统70可包括一旋转滚筒71，该旋转滚筒71被支撑以绕旋转滚筒71的纵轴72旋转。干燥器系统70可进一步包括一入口74，入口74接收待处理的颗粒，如标为75的箭头所示。颗粒可以通过输送机或其它常规的材料传送机构被进料到入口74。

干燥器系统70可以与燃烧器(例如燃烧器76)耦接，该燃烧器将加热气流(如箭头84所示)输送通过旋转滚筒71以加热和干燥，并且可以在滚筒71旋转时另外携带(例如间歇地)颗粒通过该滚筒。根据一个实施例，当热气流推动颗粒通过旋转滚筒71时，热气流84可同时干燥颗粒。燃烧器76可被构造成燃烧树皮、碎木燃料或其它燃料(例如，废木料)以加热被供给到干燥器系统70的热气流84。进入干燥器系统70的热气流84还可被补充或与集成处理系统11的其它气流混合，如本文其它地方进一步详细描述的。

在旋转滚筒71的下游端，集成处理系统11可包括分离器料斗78，分离器料斗78在颗粒离开旋转滚筒71时收集干燥颗粒(例如，干燥木片、干燥禾本科植物片、其它干燥纤维素生物质)。然后，这些颗粒可以机械地和/或在重力作用下被进给到出口79，以便收集用于随后的使用或包装。可以通过分离器料斗78的较小颗粒和灰尘(例如，干燥的木材细粒、干燥的禾本科植物细粒、其他干燥的纤维素生物质)可以通过过滤装置80(例如，旋风式过滤装置)过滤并从加热气流84中除去。这些颗粒可被进给到第二出口81以便随后使用或包装。在一些实施例中，干燥器系统70可以包括代替料斗78的旋风式过滤装置，以从加热气流中分离和/或过滤干燥的颗粒。在一些实施例中，干燥器系统70可包括一个或多个气动排放装置(未示出)以从干燥器系统70排放干燥颗粒。

可设置风扇装置92以抽吸或迫使加热气流通过旋转滚筒71，并将废气从旋转滚筒71送向环境排放控制设备82，以在排放到环境或其它系统(如标为83的箭头所示)之前处理干燥器系统70的废气。作为一个实例，排放控制设备82可包括湿式静电除尘器(WESP，wetelectrostatic precipitator)，以便于从排气流中去除亚微米尺寸的固体颗粒和液滴。排放控制设备82还可包括再生式热氧化器(RTO，regenerative thermal oxidizer)，以破坏可能存在于废气中的空气毒物和挥发性有机化合物(VOC，volatile organic compound)。在一些实施例中，可以提供RTO，其使用天然气将排气加热到大约1500℉，在此VOC被氧化。在其他实施例中，烘焙机废气可以用于加热RTO，这可以显著降低RTO的运行成本，因为否则天然气在运行这种设备时是显著的成本。

来自干燥器系统70的至少一部分废气可以被引导或再循环回到旋转滚筒71的入口74(例如，经由管道)，并与来自燃烧器76的加热气体结合，以干燥被连续地供给到旋转滚筒71中的颗粒。来自系统10的热交换器60的出口的另外的气体，也可以与来自干燥器系统70的废气结合，用于在排放到环境中之前进行清洁和/或用于引回到干燥器系统70中，如由标记为85的箭头所示。

根据图2所示的实施例，干燥颗粒(例如，干燥木片和细粒)可被送至另一位置，以便随后将干燥颗粒作为独立商品进行加工、储存或包装，如标记为86的箭头所示。一部分或全部干燥颗粒可以被输送到系统10中，用于随后的处理，如标记为87的箭头所示。

如图2所示，通过干燥器系统70产生的干燥颗粒可以作为系统10的输入材料。在一些实施例中，当进入系统10时，干燥颗粒的平均水分含量可以低于百分之二十水分含量(基于湿重)。在其它实施例中，干燥颗粒的平均水分含量可以在大约百分之五水分含量(基于湿重)至大约百分之十五水分含量(基于湿重)之间。在其它实施例中，干燥颗粒的平均水分含量可大于百分之二十的水分含量(基于湿重)。

尽管干燥器系统70被图示为旋转滚筒式干燥器系统，例如由本申请的受让人TealSales Incorporated(迪欧销售公司)设计并销售的那些干燥器系统，但是应当理解，其他干燥器系统也可以用于本发明的实施例，包括例如具有旋转螺杆和输送床型输送机构的窑。因此，本文所描述的颗粒处理系统的实施例不限于所示的具体干燥器系统，而是可结合宽范围的常规干燥器系统。

如图所示，系统11可包括热源30(例如，气-气热交换器60)，热源30接收如标为88的箭头所示的加热气流(例如，来自燃烧器76的加热气流35)。进入热交换器60的加热气流可与来自热交换器60的输出的气体混合(例如，经由燃烧器76)，以调节进入热交换器60的加热气流的输入温度。在一些实施例中，进入热交换器60的气流的入口温度可在约600°F至约1400°F之间，在一些实施例中，进入热交换器60的气流的入口温度可在约800°F至约1000°F之间。

根据一些实施例，通过热交换器60的系统10的再循环气流34可以被加热到至少500°F的反应器滚筒入口温度。在通过反应器滚筒12之后，加热气流可以具有至少400°F的反应器滚筒出口温度。因此，在运行期间通过反应器滚筒12的颗粒可以在反应器滚筒12的整个长度上直接经受具有至少400°F的温度的加热气流。在一些实施例中(例如，当加工纤维素生物质时)，反应器滚筒入口温度为约700°F±150°F，并且反应器滚筒出口温度为约500°F±100°F。反应器滚筒入口和出口温度可以变化，以对应于其它颗粒(例如，包含塑料的那些)的加工温度。加热气流的反应器滚筒入口和反应器滚筒出口温度可以用合适的温度传感器监测，并通过通用或级联控制回路控制，以在运行期间将通过反应器滚筒的温度梯度维持在所需水平。

根据一些实施方案，来自烘焙、气化和/或热解过程的废气可以被引导至燃烧器76以进行燃烧，如标为91的箭头所示。来自烘焙、气化和/或热解过程的废气可以包括除了其它组分(如水蒸气和泄漏到系统中的任何环境空气)之外的烃化合物，其从颗粒中“汽化出来”(即，在烘焙过程中逐渐形成)。系统11可包括分离器13，分离器13将所有或部分烃化合物与废气的剩余部分分离。因此，系统11可以将烃化合物引回到反应器滚筒12，从而保留烃化合物并增加它们的暴露时间，以使得能够将烃化合物热/催化裂化为较轻的烃化合物。分离器13可将废气的剩余部分(例如焦油或其它残留烃)的至少一部分引导到燃烧器76以用于燃烧。

以这种方式，包含在废气中的能量可以用于加热用于热交换器60中的传热介质，以将流过反应器滚筒12的加热气流34保持在期望的升高的入口温度。反应器滚筒温度梯度可以通过设定反应器滚筒入口温度的级联控制回路来控制。例如，可以通过改变从燃烧器76供给到热交换器60的加热气体的量来控制反应器滚筒入口温度。

根据一个实施例，燃烧器76可以主要靠离开反应器滚筒12的作为主要燃料源的烘焙颗粒运行(在启动/关闭期间和其它非稳态条件下补充)。在一些实施例中，燃烧器76可以接受补充燃料，如箭头77所示。燃烧器76可以包括空气摄入口，如箭头89所示，以有助于燃烧过程。根据一个实施例，燃烧器76可燃烧树皮、碎木燃料或其它燃料，以加热通过热交换器60供给的气流35。该气流35的加热可以由来自系统10的废气的燃烧来补充，如由标记为91的箭头所示。

在一些实施例中，来自蒸汽设施93的单独锅炉的蒸汽，其可以被反应器滚筒12的废气(如标记为94的箭头所示)或另一种燃料或热源烧得，可以被注入系统10(如标记为95的箭头所示)以进一步控制工艺中的氧气或作为安全窒息灭火和冷却流，并且还可以用作工艺中的惰性或半惰性吹扫气体。另外，使用蒸汽作为通过反应器滚筒12的工艺气体的一部分也可以改善对颗粒的热传递。在一些实施例中，锅炉可以由废气加热，该废气通过耦接到反应器滚筒12的管道96被引导至此。在其它实施例中，蒸汽设施93可以由燃烧器76或其它热源加热。在一些实施例中，在故障状态下，蒸汽可以以足够的量被引入到反应器滚筒12中，以闷熄和/或冷却颗粒。以这种方式，可以增强系统10的运行安全性。

如图所示，系统11(例如系统10)可以包括一个或多个区域18。该一个或多个区域可以包括如图所示的第一区域18a和第二区域18b。一个或多个区域18中的每一个都可以被校准，以能够从气流34中提取特定的化合物。根据一个实施例，第一区域18a可以包括至少一种第一组分15a，第二区域18b可以包括至少一种第二组分15b。

根据一个实施例，第一区域18a可包括第一温度范围和第一压力范围，其导致气流34的第一液体滴出(dropping-out)。第二区域18b可包括第二温度范围和第二压力范围，其导致气流34的第二液体滴出。根据一个实施例，第一温度可不同于第二温度，且第一温度和第二温度可不同于排气离开反应器滚筒12时的温度。根据一个实施例，第一压力可不同于第二压力，且第一压力和第二压力可不同于排气离开反应器滚筒12时的压力。根据一个实施例，气流34的压力维持基本上恒定，同时一个或多个区域18改变气流34的温度。

根据一个实施例，第一区域18a将第一目标化合物与气流34的其余部分分离，而不将第一目标化合物从气相转变成液相。根据一个实施例，第二区域18b将第二目标化合物与气流34的剩余部分分离，而不将第二目标化合物从气相转变成液相。第一目标化合物，无论是液相、气相、固相或其组合，都可以经由第一出口21a从系统11中移除。第二目标化合物，无论是液相、气相、固相或其组合，都可以经由第二出口21b从系统11中移除。

参考图3至图8，根据一个实施例的烘焙、气化和/或热解系统110可以类似于之前描述的系统10，使得针对系统10的公开内容也适用于系统110，不同之处如下文所述。根据一个实施例，系统110可包括附加的结构部件、不同的热源130或这两者。系统110可包括反应器滚筒112(例如，反应器滚筒12)，反应器滚筒112支撑在结构框架114上以围绕纵向轴线116旋转。反应器滚筒112可由驱动马达118驱动，该驱动马达可电耦接到控制系统，该控制系统选择性地控制反应器滚筒112的旋转并可选地调节其速度。控制系统可以包括具有适当控制器(开关、拨盘、仪表、触摸屏等)的控制面板120，其选择性地控制和监视系统110。其它仪表和控制器(例如传感器、阀等)可以远程定位并且耦接到系统110的特定部件，以用于监视和控制目的。

系统110可进一步包括斜槽形式的入口122(例如，入口22)，该入口接收待处理的颗粒(例如，生物质颗粒)，如由标记为124的箭头表示。具有可选的蒸汽、惰性或半惰性气体吹扫或类似装置的气锁或双气锁126(例如，气锁26)可与入口122耦接，以在输入颗粒时基本上防止氧气进入系统110。颗粒可以通过输送机或其它常规的材料传送机构被供给到入口122。颗粒的引入速率可以被监测和控制，以优化或定制所得的烘焙颗粒的特性。阶梯128或其它进入装置可被提供，用于用户进入入口122和系统110的其它部件，以用于监测、维护和其它目的。

系统110还可包括热源130(例如，如图所示设置在反应器滚筒112的上游)，该热源将热量供应给在系统110中产生的气流(例如，通过风扇装置132，诸如风扇装置32)，其可为例如引风机装置或强制引风机装置。风扇装置132可由驱动马达134驱动，以抽吸或迫使气体通过反应器滚筒112，并使其循环回到热源130，以便以再循环方式再加热和供应到反应器滚筒112。系统110可包括气体管道136，该气体管道尺寸合适并至少与反应器滚筒112、热源130和风扇装置132耦接，用于此目的。

在反应器滚筒112的下游端，可以提供分离器料斗138(例如，分离器料斗38)，分离器料在烘焙颗粒离开反应器滚筒112时从气流分离所述颗粒。然后，这些颗粒可以机械地和/或在重力作用下被进给到出口140，以便收集用于随后的使用或包装。气锁装置142(例如，气锁装置42)可耦接至出口140，以在提取烘焙颗粒时基本上防止氧气渗入系统110。

可以通过分离器料斗138的较小颗粒和灰尘可以通过过滤装置144(例如，过滤装置44)——例如旋风式过滤装置——从气流中过滤和去除。另一个气锁装置146(例如，气锁装置46)可耦接到第二出口148，该第二出口148从系统110中移除过滤材料而不将显著量的氧气引入到系统110中。在一些实施例中，系统110可以包括代替料斗138的旋风式过滤装置，以从通过反应器滚筒112的气流中分离和/或过滤烘焙颗粒。在一些实施例中，系统110可以包括一个或多个气动排放装置(未示出)以从系统110中排放烘焙颗粒。

如前文描述，气流可以被抽吸或推动通过反应器滚筒112，并在风扇装置132的影响下返回热源130(例如，在分离烘焙颗粒、灰尘和任何碎屑之后)。虽然绝大部分气体可再循环至反应器滚筒112，但一些气体可被转移至排气烟道150。通过烟道150排出的气体可以被重新捕获，以用于该工艺的其它地方或另一工艺中，例如用作燃料以产生热量。烟道150可包括可变位置阻尼器152，可变位置阻尼器152可用于平衡反应器滚筒112内的压力，使其从略微负的压力平衡到略微正的压力。取决于设置，这可以用于抑制氧气进入系统110。

现在将参照图7和8描述反应器滚筒112的进一步细节。如图示的实施例中所示，反应器滚筒112可以在水平取向上被支撑在多个辊160上。辊160可沿着固定到滚筒112的圆周的支承轨道162接触滚筒112。滚筒112的直径可以是三英尺、四英尺、五英尺或更大(例如，高达二十英尺或更大)，并且可以被配置为每小时接收和处理超过五十吨的烘焙生物质颗粒。

驱动马达118可耦接到驱动带或链164上，并通过控制系统控制，以便选择性地使滚筒112以各种速度旋转，例如大约3rpm或更大或更小。高精密密封件166设置在旋转滚筒112和静止部件之间，以防止氧气渗入系统。以这种方式，密封件166和系统的其它特征能够通过产生基本密封的容器而将气流维持在一致的低氧气水平。

在反应器滚筒112内，可以有多个抄板170，在沿反应器滚筒112纵向长度的多个位置中的每一个位置处，多个抄板170沿周向间隔开。抄板170的密度可设计成适合系统110的各种需要，并且可取决于许多相关因素，例如：反应器滚筒112的旋转速度，进料到系统110中的材料的速率，以及风扇装置132的速度或穿过反应器滚筒112的加热气流的强度。

抄板170可构造成在反应器滚筒112沿箭头172所示的方向旋转时提升颗粒(由标记为177的圆圈表示)，然后将颗粒177引导和淋洒到气流中，以主要通过气流的动能沿反应器滚筒112的长度被间歇地携带，并同时被烘焙。如图所示，抄板170可固定到反应器滚筒112上，使得它们与反应器滚筒112一起围绕纵向轴线116旋转。抄板170可包括铲起并悬浮颗粒的铲状形状(例如，使得颗粒在至少一部分旋转期间与反应器滚筒112的周边间隔开。为了说明的目的，示出了五个“颗粒”177由每个抄板170承载。当抄板170与接触抄板的颗粒一起旋转时，颗粒的运动最小(或为零)。一旦抄板在它们各自的旋转中到达某个点(例如，如图8中所示的大约3点钟位置)，颗粒从抄板170落下并“淋洒”到流过反应器滚筒112的加热气流中。当落下时，加热气流沿着反应器滚筒112的长度的一部分承载颗粒。

这是有利的，因为用于颗粒的传送机构提供了用于将热量直接传递至颗粒的高效介质。因此，可以用能量需求减少的系统处理大量的颗粒。此外，与大体相当尺寸的常规烘焙系统相比，烘焙生物质颗粒的生产量或速率(吨/小时)可以相对更大。

系统110(例如，反应器滚筒112的抄板170)可以被校准，使得其通常花费反应器滚筒112的一定转数来提供颗粒的足够向前前进(通过重复地落入加热气流中)以达到通行穿过反应器滚筒112的长度。滚筒112内的喷淋和输送过程也可以将颗粒分级。较轻较小的颗粒比较重较大的颗粒更快地通过滚筒112，因为与较小较轻的颗粒相比，较大的较重颗粒更快地下落和/或每次连续“淋洒”中沿着反应器滚筒112的长度前进较小的距离。这允许大颗粒在滚筒112中保留相对较长的停留时间，并产生更均匀的最终产品(即，不管质量和体积的差异，大颗粒和小颗粒可一起处理以具有相似的最终特性)。

例如，在一些实施例中，粒度可以在烘焙颗粒的特定批次内变化百分之十至百分之二十之间、百分之十至百分之三十之间、或大于百分之三十(例如，高达100％或更多)，同时颗粒的能量密度和水分特性保持相对一致而与粒度无关。在一些实施例中，抄板170可设计成在不同实施例中关于位置和/或抄板密度而变化，以影响颗粒在反应器滚筒112内的停留时间。

颗粒在滚筒112中停留一段时间，然后可以随后排放到分离器料斗138或其它分离装置中，并沿标记为174的箭头所示的方向被运送，以便进一步处理。大部分或相当大部分的气流可按标记为176的箭头所示的方向输送，并如标记为178的箭头所示再循环、加热和再引入反应器滚筒112。可以校准再循环和再加热以促进——通过烘焙、气化和/或热解过程从颗粒中汽化出的——较大烃裂化成较小/较轻的烃，如上文详细描述的。

系统110因此可以实现连续烘焙、气化和/或热解过程，其涉及：通过一个或多个气锁126将颗粒引入旋转的反应器滚筒112中，以维持系统110内的低氧水平，该低氧水平有益于烘焙颗粒。颗粒可以通过加热气流的动能而被输送通过反应器滚筒112，所述加热气流通过经由风扇装置132产生强制通风的诱导通风而产生，所述风扇装置通过管道136连接到滚筒112的出口，或者替代性地颗粒可以通过常规的输送装置(例如，机械螺杆)而被输送。

系统110可包括在反应器滚筒112上游的热源130，例如，电浸式风管加热器(如图3所示)或气-气热交换器(如图1所示)。风扇装置132可以抽吸或迫使气体穿过或通过热源130和通过反应器滚筒112。有益于该方法之可行性的是，离开滚筒112的气体再循环回到热源130以便再加热。同样有益于该方法之可行性的是，当气流同时将颗粒间歇地传送通过反应器滚筒112时，加热气流能够在低氧环境下直接加热颗粒，如在别处更详细地讨论的。

系统110可包括从系统110去除/排出一定量气体(例如，基本上等于下述气体之和的量，由于加热而被驱离颗粒的气体和可能进入系统110的任何泄漏)的部件。如图5所示，去除/排放一定量气体的部件可包括如上文所描述的区域18、部件15和出口21。去除/排放一定量气体的部件可以进一步包括向外部环境或另一相关或不相关的工艺部件的排放。

当使用系统110烘焙生物质颗粒时，热源130可将热量添加到系统110内的再循环气体。在系统110内再循环的加热气流继而可在颗粒被输送通过系统110时直接加热颗粒。以这种方式，加热气流直接加热并且还可以同时传送颗粒。这是有利的，因为用于颗粒的传送机构提供了用于将热量直接传递至颗粒的高效介质。因此，可以通过能量需求降低的系统来处理大量的生物质颗粒。此外，与大体相当尺寸的常规烘焙系统相比，烘焙生物质颗粒的生产量或速率(吨/小时)可以相对更大。这有利地使得本文所描述的系统能够以特别商业上可行的方式实施。

热源130的元件可以通过任何容易获得的能源提供热量。在一些实施例中，例如，可通过电元件(例如，电浸式风管加热器130)将直接的热施加至气流。在其它实施例中，可通过耦接到燃烧和/或废热系统(例如，图1和图2的燃烧器76)上的气-气热交换器60(如图1和图2中所示)将热提供给气流。在另一个实施例中，低氧燃烧器可直接引导到系统110中，以加热气流，而不显著增加系统110内的氧气水平。根据一个实施例，可以通过局部引入含有约1％氧至约100％氧的氧化剂来向气流提供热量。

在一些实施例中，从烟道150排出的排气可用作工艺加热燃料的一部分。根据一个实施例，离开反应器滚筒112的烘焙颗粒可以被引导作为热源130的燃料而消耗。不考虑热源130，在整个方法的加热部分中，可以向系统110中添加非常少的额外氧气。

烘焙、气化和/或热解系统和方法可以基于热量和能量平衡，其平衡所需能量与工艺速率、热源和所需停留时间。本文描述的烘焙、气化和/或热解系统和方法的实施例特别适合于操纵和控制这些因素，并且提供易于扩展以满足各种工业需要的系统和方法。

例如，反应器滚筒112内的颗粒、气流(例如，从反应器滚筒112内的颗粒中汽化出的烃)或这两者的停留时间可以通过各种设计和工艺因素控制。例如，风扇装置132的速度和尺寸可以被选择以调节滚筒112内的循环加热气体的速度。此外，加热气流的速度和体积也可通过风扇装置132的风扇入口风门调节。作为另一个例子，滚筒112的旋转速度可以设置得较高或较低，以调节滚筒112内的提升和淋洒效果的速率，从而产生颗粒处于悬浮状态的或多或少的时间。

此外，由于抄板170可设计成在宽范围的旋转速度下工作，因此可通过适当的控制器(例如变速驱动马达)来选择性地调节滚筒112的旋转速度，以调节停留时间。此外，反应器滚筒112内的抄板170的密度可用于改变反应器滚筒112内的流动条件，从而赋予个别设计固有的更短或更长的停留时间。更进一步地，可以改变抄板170的尺寸和形状以满足所处理的材料的需要，并产生或多或少的明显的淋洒效果，从而影响在滚筒112中的停留时间。

在一些实施例中，抄板170可以以特定的密度和布置固定到滚筒112，以优化或定制所得的烘焙颗粒、循环气流或这两者的特性。反应器滚筒112的长度在初始设计中也可以变化，以产生更多或更少的颗粒、循环气流或这两者的停留时间。此外，可改变颗粒负载条件，以对反应器滚筒112内的气流产生更大或更小的阻力，从而影响停留时间。

例如，在一些实施例中，颗粒的相对较大的体积流速可以被设定，以挤满滚筒112的内部，并减缓颗粒通过反应器滚筒112的行进。相反，生物质颗粒的相对较小的体积流速可以被设定，以减少反应器滚筒112内部的拥挤，并加速生物质颗粒通过反应器滚筒112的行进。

滚筒112内的氧气水平同样可以通过各种设计和工艺因素来控制。例如，可选择颗粒入口的机械设计以包括例如气锁、气体吹扫的双气锁、螺杆机构等，其中每个机构具有不同水平的防止氧气渗透的能力。优选地，与颗粒一起进入系统110的氧的量被最小化，但是可能随着设计而变化——根据颗粒尺寸和/或处理的生物质的期望生产率。此外，可以改变颗粒的进入水分含量以控制氧水平。

在处理期间，所得的蒸发水部分地取代系统110内的氧气，并且因此水分的水平可以变化以适合生产要求(例如，较少的初始水分意味着烘焙颗粒所需的能量较少，并且较多的初始水分导致系统中较少的氧气))。此外，还认识到，当挥发物和水分从颗粒中蒸发时，向系统中净添加气体。如前所述，该过量气体可经由烟道150从系统110排出，并且根据一些实施例，可被重新捕获以用于该过程的其它地方或另一过程中，例如用作燃料以产生热量。烟道150可包括可变位置阻尼器152，可变位置阻尼器152可用于平衡反应器滚筒112内的压力，使其从略微负的压力平衡到略微正的压力。根据风门152的设置，这可以用于阻止氧气进入系统110。

在一些实施例中，可在系统110内精确地控制水分水平，以通过水煤气变换/逆水煤气变换反应的既定原理(例如，水与一氧化碳结合以产生氢气和二氧化碳)来改变包含在气流中的化合物。

在一些实施例中，在运行期间(手动或自动)，可以调整上文讨论的各种运行参数中的许多以及其它运行参数。在其它实施例中，可在运行之前建立运行参数。不管具体的控制方案如何，独立地控制本文所描述的系统的各种运行参数的能力提供了特别通用的系统和方法，其可适应于变化的条件，例如，选择待处理的颗粒的水分含量和可能变化的所得烘焙颗粒的期望能量密度。

系统110还可在旋转至静态连接处配备有精密密封件166，以及其它低泄漏连接和部件，以提供特别良好密封的容器，从而在系统110内保持一致的低含氧量。

各种安全装置也可并入烘焙、气化和/或热解系统中以增强运行安全性。例如，系统可以配备有通风口，如果发生足够幅度从而潜在地导致设备损坏的微小爆炸或爆燃，则通风口将破裂或打开。作为另一实例，火花检测和灭火系统也可集成到烘焙、气化和/或热解系统中，例如，由GreCon,Inc.公司(总部在俄勒冈州的提加尔)销售的火花检测和灭火系统及部件。此外，系统运行特性可例如通过各种传感器(例如，温度、压力、氧气等)来监测，并且所获得的运行数据可用于根据需要调整和控制系统，以提高安全性或优化烘焙、气化和/或热解过程。在一些实施例中，实时质谱分析也可以用于识别气流中的化合物，并且根据需要调节或控制系统以提高安全性或优化烘焙、气化和/或热解过程。

总之，通过了解控制热量、水、停留时间和氧气水平的工艺，以及通过具有源于初始设计的灵活性和本文所描述的许多工艺变量，可建立系统和方法的实施例，以适应各种局部条件下的各种原料，并提供实现一致的烘焙、气化和/或热解结果所需的灵活性和控制。在一些实施例中，例如，系统和方法可以被构造成以每小时一吨烘焙生物质颗粒的最小速率来烘焙木材碎片形式的生物质颗粒，其中所得烘焙生物质颗粒具有至少20GJ/吨的能量密度。在一些实施例中，所述系统和方法可烘焙、气化和/或热解颗粒，同时还精制从颗粒中汽化掉的重烃，使之成为轻烃，然后可从系统提取所述轻烃。

本文所描述的系统和方法特别适合于提供连续过程，其具有优于常规系统的许多益处，并且特别是需要在炉、窑或其它类似装置中对生物质颗粒进行分批处理的分批系统和方法。本文所描述的系统和方法的连续性质尤其使得能够实现相对较高的生产率，等。此外，利用该系统和方法可以处理生物质颗粒的效率使得能够以相对较低的能量需求实现高材料通量。

尽管本文所描述的系统和方法的实施例在附图中被图示为包括围绕水平对齐的旋转轴旋转的反应器滚筒，但应理解，在一些实施例中，旋转轴可以是倾斜的。在这样的实施例中，重力在传送生物质颗粒通过反应器滚筒中可以起到重要作用。此外，尽管系统和方法的实施例在本文中描述为涉及穿过反应器滚筒的加热气流以携带或传送生物质颗粒，同时将热量传递到生物质颗粒以烘焙它们，但应理解，在一些实施例中，生物质颗粒可通过替代机构(例如，重力、螺杆装置、输送机装置等)传送，并且在反应器滚筒内经受逆流加热气流以烘焙生物质颗粒。

此外，上文描述的各种实施例可以组合以提供另外的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围。

Claims (21)

1.一种系统，其包括：

反应器滚筒；

热源，所述热源将包含在所述系统内的气体加热到足以烘焙所述反应器滚筒内的颗粒的温度；

移动加热的气体从而形成通过反应器滚筒的加热气流的装置；

管道系统，所述管道系统连通地耦接至所述热源和所述反应器滚筒，从而形成允许所述加热的气体多次通过所述反应器滚筒的再循环回路；以及

促进所述加热气流内所含的第一烃化合物与所述加热气流的其余部分分离的区域，所述加热气流的其余部分包括比所述第一烃化合物重的第二烃化合物。

2.根据权利要求1所述的系统，其还包括：

入口，所述入口连通地耦接到所述反应器滚筒，使得由所述入口接收的颗粒随后进入所述反应器滚筒。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述热源将所述系统内所含的所述气体加热到足以从所述颗粒中以气相释放所述第二烃化合物的温度。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述热源加热气体到约220°F至约1,250°F的温度，当加热气流在反应器滚筒内时测量。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，释放的第二烃化合物沿着再循环回路行进，从而多次通过反应器滚筒。

6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：至少一种促进第一烃与加热气流的其余部分分离的部件。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，当所述加热气流通过所述区域时，所述至少一个部件改变所述加热气流的温度、压力或两者。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述部件将所述加热气流的温度降低至低于所述第一烃的露点，从而使所述第一烃从气相转变为液相。

9.根据权利要求8所述的系统，其还包括出口，所述出口从所述再循环回路排出液相的所述第一烃。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述出口包括气锁，所述气锁至少限制氧气进入所述再循环回路，同时从所述再循环回路排出所述第一烃。

11.一种生产烃的方法，所述方法包括：

产生加热气流；

将颗粒移动到反应器滚筒的内部空间中；

引导所述加热气流通过所述反应器滚筒的第一端并进入所述反应器滚筒的内部空间；

加热所述反应器滚筒的内部空间中的颗粒，从而从所述颗粒中以气相释放烃化合物，并将所释放的烃化合物与所述加热气流混合；

经由所述加热气流，引导所述释放的烃化合物通过所述反应器滚筒的第二端，从而离开所述反应器滚筒的内部空间；

在离开所述内部空间之后，将所述释放的烃化合物沿着路线引导到所述反应器滚筒的所述第一端；

引导所述释放的烃化合物通过反应器滚筒的第一端并通过反应器滚筒的内部空间；

当所述释放的烃化合物在内部空间中时，裂化所述释放的烃化合物，从而形成至少一种较轻的烃化合物；以及

将所述至少一种较轻的烃化合物与所述加热气流的其余部分分离。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，加热所述颗粒包括：将所述颗粒加热至约220°F至约1,250°F之间。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述路线由管道形成，所述管道将所述反应器滚筒的第二端耦接到所述反应器滚筒的第一端，而不穿过所述反应器滚筒的内部空间。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，裂化所述释放的烃包括：使所述释放的烃多次通过所述反应器滚筒。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，裂化所述释放的烃包括：将所述释放的烃暴露于所述反应器滚筒的内部空间一段停留时间。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述停留时间在多次通过反应器滚筒的内部空间时累加。

17.根据权利要求11所述的方法，其中，使所述颗粒移动通过所述反应器滚筒的所述内部空间的整个长度包括颗粒停留时间。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，裂化所述释放的烃包括：将所述释放的烃暴露于所述反应器滚筒的内部空间达总停留时间，并且所述总停留时间在所述颗粒停留时间的100％至1000％之间。

19.根据权利要求11所述的方法，其中，裂化所述释放的烃包括：使所述释放的烃通过催化剂。

20.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述至少一种较轻的烃化合物与所述加热气流的其余部分分离包括：改变所述加热气流的温度、压力或两者。

21.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述至少一种较轻的烃化合物与所述加热气流的其余部分分离包括：将所述至少一种较轻的烃化合物从气相转变到液相。