發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的方法，其包括將燃料輸入熱解室中并且進(jìn)行熱解過(guò)程用于獲得產(chǎn)物氣體，以及將離開(kāi)熱解室的燃料的部分再循環(huán)至燃燒室。在另一方面，提供從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的反應(yīng)器，其包括與燃料輸入端、第一工藝流體輸入端和產(chǎn)物氣體輸出端連接的熱解室，與廢氣輸出端連接的燃燒室以及連接熱解室和燃燒室的反饋通道。

現(xiàn)有技術(shù)

國(guó)際專利公開(kāi)wo2014/070001公開(kāi)了從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器含有殼體，具有在操作時(shí)容納流化床的燃燒室、沿反應(yīng)器的縱向延伸的上升管以及共軸地位于上升管周圍并且延伸進(jìn)入流化床的下降管。提供向上升管提供燃料的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)料通道。

發(fā)明概述

本發(fā)明尋求提供處理燃料的改進(jìn)的反應(yīng)器，所述燃料例如生物質(zhì)、廢料或煤。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供根據(jù)以上限定的前序部分的方法，其還包括在燃燒室中使用主要工藝流體于流化床中進(jìn)行氣化過(guò)程，然后使用次要工藝流體在流化床之上的區(qū)域進(jìn)行燃燒過(guò)程。主要工藝流體和次要工藝流體為例如包含氧氣的空氣。通過(guò)分別產(chǎn)生熱解過(guò)程、氣化過(guò)程和燃燒過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)若干益處，包括更有效的操作和更適應(yīng)于特定燃料的能力。

在第二方面，本發(fā)明涉及如以上前序部分所限定的反應(yīng)器，其中燃燒室包括容納流化床的氣化區(qū)和在流化床之上的燃燒區(qū)，其中所述反應(yīng)器還包括與氣化區(qū)連通的主要工藝流體輸入端和與燃燒區(qū)連通的次要工藝流體輸入端。這允許分別控制氣化過(guò)程和燃燒過(guò)程，并且更具體地，允許控制反應(yīng)器中若干部件的溫度，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器更有效的全部操作和控制。

附圖簡(jiǎn)述

參照附圖，使用許多示例性實(shí)施方案，以下將更詳細(xì)地討論本發(fā)明，其中

圖1示出了從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的反應(yīng)器的示意圖；以及

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的反應(yīng)器的示意圖。

示例性實(shí)施方案的詳細(xì)描述

用于從諸如生物質(zhì)的燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的裝置在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，參見(jiàn)例如與本發(fā)明同一申請(qǐng)人的國(guó)際專利公開(kāi)wo2014/070001。向反應(yīng)器中的上升管供應(yīng)燃料(例如生物質(zhì)、廢料或(低質(zhì)量)煤)，并且所述燃料例如包含以重量計(jì)80％的揮發(fā)性成分和以重量計(jì)20％的基本上為固體的碳或炭。在低氧(即亞化學(xué)計(jì)量(substoichiometric)的氧氣)或無(wú)氧環(huán)境下，將供應(yīng)至上升管的燃料加熱至適當(dāng)溫度，導(dǎo)致燃料在上升管中氣化和熱解。上升管中的所述適當(dāng)溫度通常高于800℃，例如850℃至900℃。

揮發(fā)性成分的熱解導(dǎo)致產(chǎn)物氣體的產(chǎn)生。例如，產(chǎn)物氣體為氣體混合物，所述氣體混合物包含co、h2、ch4和任選的高級(jí)烴。在進(jìn)一步處理之后，所述可燃的產(chǎn)物氣體適用于用作各種應(yīng)用的燃料。由于氣化速度低，存在于生物質(zhì)中的炭?jī)H在上升管中氣化至有限的程度。因此，炭在反應(yīng)器的分離區(qū)(燃燒部件)中燃燒。

圖1示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器1的橫截面剖視圖。反應(yīng)器1形成間接式或他熱式氣化爐，其結(jié)合揮發(fā)性成分的熱解/氣化和炭的燃燒。由于間接氣化，諸如生物質(zhì)、廢料或煤的燃料被轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物氣體，所述產(chǎn)物氣體作為最終產(chǎn)物或中間產(chǎn)物適于作為例如鍋爐、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的燃料，以及作為輸入用于進(jìn)一步的化學(xué)過(guò)程或化工原料。

如圖1的示意圖所示，此類現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器1包括由外壁2界定的殼體。在反應(yīng)器1的頂部，提供產(chǎn)物氣體出口10。反應(yīng)器1還包括上升管3，例如以中心定位管的形式，在其內(nèi)部形成上升通道。一個(gè)或多個(gè)燃料輸入端4與上升管3連通，以將反應(yīng)器1的燃料運(yùn)輸至上升管3。在燃料為生物質(zhì)的情況下，一個(gè)或多個(gè)燃料輸入端4可以配備有阿基米德螺旋泵，以將燃料以受控的方式運(yùn)輸至上升管3。使用底部的第一工藝流體輸入端5(例如用于引入蒸汽的輸入端)來(lái)控制上升管3中的過(guò)程(在現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施方案中為在熱解室6中發(fā)生的熱解過(guò)程)。提供從熱解室6的頂部(或上升管3的頂部)返回至用作燃燒室8的流化床的反饋通道，例如以與返回通道12連接(共軸設(shè)置的)的漏斗11的形式，以及以在燃燒室8的較低側(cè)朝向上升管3的孔12a的形式。將燃燒室8中的流化床使用主要工藝流體輸入端7(例如使用空氣)來(lái)保持“流動(dòng)”。低于漏斗11的反應(yīng)器1的空間與廢氣出口9連通。

然而，在實(shí)際使用中，盡管反應(yīng)器1能夠使困難(含灰)燃料(例如草和秸稈)氣化，而且還能夠使高灰的煤和褐煤以及廢料氣化，但是在控制反應(yīng)器1的溫度方面觀察到了難點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)困難燃料的氣化，必須降低溫度以避免與燃料有關(guān)的結(jié)塊和腐蝕問(wèn)題。通常，降低氣化溫度時(shí)所發(fā)生的情況為至產(chǎn)物氣體的轉(zhuǎn)化也降低。這導(dǎo)致更多的炭，其終止于燃燒室8中。在燃燒室8的流化床中，由于這種作用溫度將升高，并且因?yàn)橐陨纤峒暗膬身?xiàng)話題，這是不期望發(fā)生的事情。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案，其中實(shí)施方案示出在圖2和圖3的示意圖中，提供反應(yīng)器1用于從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體，所述反應(yīng)器1包括與燃料輸入端4、第一工藝流體輸入端5和產(chǎn)物氣體輸出端10連接的熱解室6。提供由反應(yīng)器1的壁2界定的燃燒室20、23，所述燃燒室與廢氣輸出端9連接，以及反饋通道11、12、12a連接熱解室6和燃燒室20、23。燃燒室包括容納流化床的氣化區(qū)20和在流化床之上的燃燒區(qū)23。反應(yīng)器1還包括與氣化區(qū)20連通的主要工藝流體輸入端21和與燃燒區(qū)23連通的次要工藝流體輸入端22。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方案中，在燃燒室中提供額外的步驟，即氣化以改善其操作行為。通過(guò)分別產(chǎn)生熱解區(qū)6、氣化區(qū)20和燃燒區(qū)23，可以實(shí)現(xiàn)若干益處。

因此，在本發(fā)明的另一方面，提供方法用于從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體，所述方法包括將燃料輸入熱解室6并且進(jìn)行熱解過(guò)程用于獲得產(chǎn)物氣體，將離開(kāi)熱解室6的燃料的部分(固體)再循環(huán)至燃燒室20、23，以及在燃燒室20、23中使用主要工藝流體于流化床20中進(jìn)行氣化過(guò)程，然后使用次要工藝流體在流化床20之上的區(qū)域23中進(jìn)行燃燒過(guò)程。主要工藝流體和次要工藝流體為例如包含氧氣的空氣。

為了在流化床中的氣化區(qū)與直接在所述流化床之上的反應(yīng)器的空間中的燃燒區(qū)之間實(shí)現(xiàn)分離，可以例如通過(guò)以0.9至0.99(例如0.95)的當(dāng)量比er操作氣化過(guò)程來(lái)控制化學(xué)計(jì)量，所述當(dāng)量比er被定義為供應(yīng)的氧氣的量除以供應(yīng)的燃料完全燃燒所需氧氣的量的比率。

主要工藝流體輸入端21被有利地用于控制流化床20中的溫度，因?yàn)檫@允許外部操縱反應(yīng)器1內(nèi)部的過(guò)程。例如通過(guò)下述來(lái)控制當(dāng)量比：降低主要工藝流體的供應(yīng)、降低主要工藝流體中的氧含量、將惰性氣體添加至主要工藝流體或通過(guò)將廢氣添加至主要工藝流體(例如，來(lái)自廢氣輸出端9的廢氣(再循環(huán)))。由于所有這些替代都是可易于獲得的，對(duì)于反應(yīng)器1的構(gòu)建和操作不需要或需要極少額外的努力和成本。

可以將燃燒區(qū)23以至少1.2(例如等于1.3)的當(dāng)量比er進(jìn)行操作，以在燃燒區(qū)實(shí)現(xiàn)例如由熱解過(guò)程產(chǎn)生的炭的盡可能完全燃燒。

布置主要工藝流體輸入端21和次要工藝流體輸入端22以分別為氣化過(guò)程和燃燒過(guò)程提供空氣。這允許分別控制氣化過(guò)程和燃燒過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)器1更有效的全部操作和控制。為了有效控制，反應(yīng)器可以包括與主要工藝流體輸入端21連接的控制單元24(如圖2和圖3的實(shí)施方案所示)，用于控制主要工藝流體至氣化區(qū)20的速度和氧含量。此外，控制單元24可以與次要工藝流體輸入端22連接，用于控制次要工藝流體至燃燒區(qū)23的速度和氧含量?？梢允褂猛獠靠諝饣蚱渌?惰性)氣體源(例如氮?dú)?來(lái)控制速度和氧含量，或者在另一替代中，可以利用來(lái)自廢氣出口9的廢氣使用氣體再循環(huán)。為此，控制單元24例如提供有與廢氣出口9(以及適當(dāng)控制元件，例如閥等)連接的輸入通道。

在本發(fā)明方法的另一實(shí)施方案中，基于下述的測(cè)量來(lái)控制當(dāng)量比：產(chǎn)物氣體中的溫度和/或來(lái)自燃燒過(guò)程的廢氣的溫度和/或來(lái)自燃燒過(guò)程的廢氣的氧含量。例如，為了實(shí)現(xiàn)0.9至0.99的er的所需目標(biāo)，廢氣中所測(cè)量的氧含量應(yīng)為3％至5％。這些參數(shù)可以使用本身已知的適當(dāng)傳感器在操作期間于反應(yīng)器中容易地進(jìn)行測(cè)量。在另一反應(yīng)器實(shí)施方案中，控制單元24與一個(gè)或多個(gè)傳感器連接，所述傳感器例如溫度和/或氧含量傳感器。

在另一實(shí)施方案中，次要工藝流體輸入端22包括位于燃燒區(qū)23中的分配裝置25。這可以在燃燒區(qū)23中實(shí)現(xiàn)更好的燃燒結(jié)果和效率。特定形狀和結(jié)構(gòu)可以取決于燃燒區(qū)的形狀，例如在圖2所示的實(shí)施方案中，分配裝置可以是具有分布的孔的環(huán)形通道。作為替代，分配裝置25可以作為分布在反應(yīng)器壁2周圍的多個(gè)沿切線設(shè)置并向內(nèi)導(dǎo)向的噴嘴呈現(xiàn)。

為了在反應(yīng)器中適當(dāng)?shù)夭僮鳠峤膺^(guò)程，布置第一工藝流體輸入端5以向熱解室6提供第一工藝流體(例如，蒸汽、co2、氮?dú)狻⒖諝獾?。可以外部控制具體的第一工藝流體參數(shù)(例如溫度、壓力)。

可以將困難燃料在低于常溫下進(jìn)行氣化，同時(shí)維持完全燃燒。一般與燃燒有關(guān)的熱通常產(chǎn)生于燃燒室的流化床中，但是通過(guò)降低燃燒室的化學(xué)計(jì)量和增加次要空氣，引入氣化區(qū)20?？梢越?jīng)由主要工藝流體輸入端21通過(guò)調(diào)節(jié)至流化床的空氣(例如，使用(壓縮)空氣)，而將該氣化區(qū)20調(diào)整為升高或降低溫度。將流化床之上的燃燒區(qū)23用于燃燒未燃的組分(co和cxhy)。與該燃燒有關(guān)的熱不會(huì)增加氣化區(qū)20中的鼓泡流化床的溫度，并且因此不會(huì)引起凝聚問(wèn)題。

通過(guò)將燃燒室分成氣化區(qū)20(鼓泡流化床，bfb)和燃燒區(qū)23(在bfb之上)，部分炭未燃燒并且將循環(huán)回到上升管3(經(jīng)由反饋通道11、12的孔12a)。一方面，這將提供增加燃料轉(zhuǎn)化的蒸汽氣化的額外機(jī)會(huì)，另一方面，其可以增加焦油減少的催化過(guò)程(已知炭具有催化和/或吸收活性)。

將存在炭的累積(尤其在較低的氣化溫度下)，然而，氣化區(qū)20的流化床使炭破碎成更小的顆粒，其最終逃逸至燃燒區(qū)23。

作為替代，可以通過(guò)增加鼓泡流化床中的速度來(lái)防止炭的累積。這可以通過(guò)降低反應(yīng)器1的尺寸(最顯著的是，氣化區(qū)20中的流化床的直徑)和提高反應(yīng)器1的可擴(kuò)展性來(lái)實(shí)現(xiàn)。在另一實(shí)施方案中，增加速度以在氣化區(qū)20的鼓泡流化床中產(chǎn)生較大的氣泡和大的飛濺區(qū)。

然后燃燒區(qū)23中的次要空氣也使進(jìn)入流化床之上區(qū)域的炭燃燒。這將產(chǎn)生額外的熱，然而，其經(jīng)由廢氣出口9運(yùn)輸離開(kāi)，并且流化床溫度將保持是低的。

在圖2中，示出了反應(yīng)器1的變體，其最適用于處理生物質(zhì)或廢料(盡管也可以使用其它燃料)。在此，由位于反應(yīng)器1中的一個(gè)或多個(gè)上升通道3形成熱解室6(例如，以垂直管的形式，即縱向設(shè)置，或者甚至與反應(yīng)器壁2共軸)，并且將鼓泡流化床設(shè)置在反應(yīng)器1的底部的氣化區(qū)20中，圍繞上升管3的底部。

相比之下，圖1的反應(yīng)器1僅包括熱解室6和發(fā)生燃燒過(guò)程的具有流化床的燃燒室8。在圖2的變體中，通過(guò)降低當(dāng)量比er來(lái)調(diào)節(jié)氣化區(qū)20的流化床中的條件。因此，通過(guò)降低er(供應(yīng)的氧氣的量與完全燃燒所需氧氣的量的比率)，體積流量下降，以及氣化區(qū)20的流化床中的溫度下降。

可以在圖3的實(shí)施方案所示的反應(yīng)器1的變體中實(shí)現(xiàn)類似的改進(jìn)。操作原理與圖2的實(shí)施方案相反(燃燒現(xiàn)在發(fā)生在上升管3中并且煤的熱解發(fā)生在流化床6中)。或者換而言之，燃燒室20、23由設(shè)置在反應(yīng)器1中的一個(gè)或多個(gè)上升通道3形成。該實(shí)施方案可以例如有利地用于處理低質(zhì)量的煤，例如具有高含灰量的煤。

在另一方法實(shí)施方案中(尤其是用于操作圖3的反應(yīng)器1實(shí)施方案中)，將流化床以至少1(例如等于1.05或等于1.1)的當(dāng)量比(er)來(lái)操作。將當(dāng)量比(er)定義為供應(yīng)的氧氣的量除以燃料完全燃燒所需氧氣的量的比率。本發(fā)明實(shí)施方案能夠使諸如草和秸稈的困難(含灰)燃料氣化，并且也能夠使高灰的煤和廢料氣化。然而，為了實(shí)現(xiàn)困難燃料的氣化，將溫度降低以避免與燃料有關(guān)的凝聚和腐蝕問(wèn)題，以及避免可能的蒸發(fā)以及下游通道和裝備被如pb、k、cd等化合物污染。通常，降低氣化溫度時(shí)所發(fā)生的情況為轉(zhuǎn)化也降低。這導(dǎo)致更多的炭，其終止于燃燒室中。在現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施方案中(燃燒室8中的流化床，參見(jiàn)圖1)，由于這種作用溫度將升高，并且因?yàn)橐陨纤峒暗膬身?xiàng)話題，這是不期望發(fā)生的事情。

通過(guò)在氣化區(qū)20中僅部分燃燒燃料并且在流化床之上的燃燒區(qū)23中實(shí)現(xiàn)完全燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)降低燃燒溫度。這也是產(chǎn)生額外的熱的情況，其不直接接觸灰組分。因此，灰不會(huì)蒸發(fā)并且不會(huì)產(chǎn)生引起凝聚的熔融層。

令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，可能不必在流化床中實(shí)現(xiàn)完全燃燒。然后將燃料的未燃部分(co和cxhy)用于實(shí)現(xiàn)高溫和完全燃燒。

流化床中的炭的不完全燃燒可以導(dǎo)致炭的累積。在另一實(shí)施方案中，存在增加鼓泡流化床的飛濺區(qū)的可能性，以迫使炭進(jìn)入流化床之上的區(qū)域，其中所述炭然后可以進(jìn)行燃燒。以這種方式，將依然足夠的炭進(jìn)行轉(zhuǎn)化以防止積累(以及降低效率)。飛濺區(qū)的增加僅可以由流化床中較大的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這可以用于降低反應(yīng)器1的尺寸(尤其是直徑)，這對(duì)于按比例放大和經(jīng)濟(jì)有益處。

關(guān)于反應(yīng)器1的現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施方案，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的反應(yīng)器1的直徑可以減小2/3，甚至更少。其作用如下：

-碳轉(zhuǎn)化成廢氣的輕微降低，這意味著更多燃料以產(chǎn)物氣體終止，并且導(dǎo)致較高的效率(這已經(jīng)測(cè)試和觀察)。

-對(duì)凝聚作用的更好控制，因?yàn)樗龃脖３值蜏?。測(cè)試已經(jīng)確認(rèn)了這點(diǎn)。

-對(duì)堿的蒸發(fā)更好的控制并且因此導(dǎo)致的更好的腐蝕控制。這已經(jīng)在測(cè)試中進(jìn)行了確認(rèn)。

-在較低溫度下增加量的有價(jià)值產(chǎn)物(c2和c3分子以及芳族化合物)。測(cè)試已經(jīng)確認(rèn)了這點(diǎn)。

-重質(zhì)焦油的量的減少(在低溫下)，其最終是引起在與下游設(shè)備連接方面的問(wèn)題的原因。已在測(cè)試中證實(shí)。

-在較高溫度下重質(zhì)焦油(炭作用)的量的減少。

-減小的設(shè)備尺寸。由于流化床可以用較少的空氣進(jìn)行流化，所述床的面積也可以減小。當(dāng)在較低溫度下操作時(shí)，面積需要進(jìn)一步減小以維持足夠的速度。所有這些改善了裝備的成本。

-保留在鼓泡流化床中的炭將進(jìn)行一些額外的循環(huán)回合，增加產(chǎn)物氣體中的炭轉(zhuǎn)化，但是也可能增加與焦油有關(guān)的催化和吸收過(guò)程。(首先在高溫下并且其次在較低的溫度下)。

-按比例放大反應(yīng)器1總是引起流化床內(nèi)的炭分布的問(wèn)題。為此，在另一實(shí)施方案中，反饋通道可以包括一個(gè)或多個(gè)位于反應(yīng)器1中的額外的下降通道(與以上圖1至圖3所討論的反饋通道或下降通道12類似)。以額外的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力為代價(jià)，額外的下降管12是可能的。然而，應(yīng)注意，er小于1的本發(fā)明的實(shí)施方案使得炭分布不太關(guān)鍵，因?yàn)闅怏w在流化床之上進(jìn)行燃燒，并且氣體比固體混合更好。

-通過(guò)分段燃燒的更好的排放控制。由于在所述床之上存在產(chǎn)生熱區(qū)，將更好控制不期望的排放(co和cxhy)。

以上參照附圖所示的許多示例性實(shí)施方案描述了本發(fā)明的實(shí)施方案。一些部件或元件的修改和替代實(shí)現(xiàn)方式是可能的，并且均包括在如所附權(quán)利要求所限定的保護(hù)范圍內(nèi)。