專利名稱：水汽重整含碳物質(zhì)的方法
水汽重整含碳物質(zhì)的方法發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明總地涉及水汽重整技術(shù)。 發(fā)明背景水汽重整工藝是眾所周知的，并且被用于將各種類型的含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品。 使用在這里，術(shù)語含碳物質(zhì)("CM")包括任何含碳物質(zhì)，包括市政固態(tài)廢物("MSW"); 工業(yè)、商業(yè)和公共廢物("ICIW");醫(yī)療廢物；煤炭；煤炭廢物；木廢物；鋸屑；林產(chǎn)品 廢物；農(nóng)業(yè)廢物；污水；液態(tài)廢物；危險廢物；廢油和油副產(chǎn)物；電子廢物和其他類似的 含碳物；還包括諸如焚燒和/或燃燒灰燼的機會物質(zhì)(opportunity material)，所述機會物 質(zhì)可以被使用以便在現(xiàn)有的焚燒裝置中實現(xiàn)轉(zhuǎn)化升級的機會。在水汽重整工藝中，含碳物質(zhì)被置于水汽重整窯中，所述水汽重整窯通常包括可旋轉(zhuǎn) 的鼓(drum)或窯。典型地，CM包括相當(dāng)水平的水分(moisture)。在被加熱的同時， 所述鼓被旋轉(zhuǎn)以攪拌所述濕的CM。熱通常是由在所述窯內(nèi)但在所述旋轉(zhuǎn)的鼓外部的天然 氣燃燒器、合成氣燃燒器或電感應(yīng)加熱來供應(yīng)的。水汽重整是一種吸熱過程。然而，與放熱的焚燒不同，在水汽重整中沒有燃燒。相反， 與水組合在一起的CM在被攪拌的同時被加熱，導(dǎo)致產(chǎn)生合成氣("syngas")的反應(yīng)。所 述合成氣主要由氫(H2)和一氧化碳(CO)組成。這兩種熱過程之間關(guān)鍵的不同在于這些過程所生成的各自的產(chǎn)物。在焚燒/燃燒的情 況下，產(chǎn)物主要是氧化的有害化合物，而水汽重整在很大程度上產(chǎn)生有益的合成氣燃料， 以及少量的酸和通常比燃燒的氧化產(chǎn)物容易凈化得多的金屬蒸氣。典型地，被用作輸入到水汽重整工藝的CM進料(input)的廢物包括大部分的氫和 碳，以及占小的百分比的其他元素，所述其他元素例如氯、氟、硫、氮、玻璃和各種金屬。 例如，市政固態(tài)廢物(MSW)通常具有比率約為1/1.7/0.5的碳/氫/氧。MSW通常還包括 重量比約為10%的固態(tài)惰性產(chǎn)物。在典型的現(xiàn)有技術(shù)的水汽重整工藝中，合成氣是以2-級過程產(chǎn)生的。首先，包含水和 CM的鼓被加熱，典型地為以范圍為65(TC的溫度加熱90分鐘。隨后，包括金屬和碳焦 (char)的固態(tài)物質(zhì)從所述鼓中被提取。在此點處，CM的約60-70%己經(jīng)被水汽重整以產(chǎn) 生合成氣。該典型過程隨后將"精煉(polish)"該合成氣以將剩余的烴轉(zhuǎn)化為合成氣，并
且熱解碳焦與惰性無機物的剩余物分離并被灼燒，或者碳焦加上其他固體的整個混合物被 處置。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明，存在兩種不同的水汽重整過程——單流單級(single stream, one-stage) 過程和雙流多級(dual stream, multi-stage)過程。對于在CM中具有非常少量的金屬的狀況來說，單級過程是優(yōu)選的。這是因為下面描 述的單級過程涉及采用可以使金屬氣化的溫度。在與CM混合的金屬量是無足輕重 (inconsequential)的情況下，單級過程是優(yōu)選的，因為任何金屬蒸氣的量是無足輕重的。 在去除基本上所有混合在CM中的金屬在技術(shù)上不可行的情況下，優(yōu)選地會/可能使用下 面所描述的多級過程。對于單級過程和多級過程兩者來說，CM (例如市政固態(tài)廢物("MSW"))首先被弄 碎。(為了本說明書和易于參考的目的，到水汽重整工藝的進料會被稱為并且被認(rèn)為是 MSW;然而，應(yīng)該理解，可以使用任何CM，并且可以針對此相應(yīng)地調(diào)適工藝)。工業(yè)石灰(commercial lime)(即氧化鈣和/或小蘇打)與碎的MSW混合。當(dāng)水汽重 整正在發(fā)生時，石灰中的鈣與從MSW釋放的鹵素反應(yīng)，形成一般為良性的鈣鹽。該特征 是重要的，因為在該前面的級中去除鹵素比之后在下游去除它們更為容易和成本低，之后 在下游去除鹵素通常會涉及吸附劑床(sorbentbed)凈化單元的使用。在前面的級中去除 卣素還避免了這樣的機會，即如果這些鹵素在水汽重整過程期間在提高的溫度與氧氣接 觸，這些成分形成酸蒸汽和/或更高毒性的二噁英和呋喃的機會。(二噁英和呋喃的形成 是大多數(shù)焚燒系統(tǒng)的主要問題之一)。因為鹵素非常容易與石灰反應(yīng)，所以它們不再可用 于形成酸蒸汽和/或二噁英和呋喃。注意到，使用水汽重整的話，在大多數(shù)大氣以及因此 氧從(如下面描述的)流入的廢物流中被清除的情況下，幾乎不存在轉(zhuǎn)換為毒性二噁英和 呋喃的機會，而對于燃燒和焚燒系統(tǒng)來說這幾乎是肯定會發(fā)生的。在單級和多級過程兩者中，碎的MSW被輸送到進料斗(ho卯er)，所述進料斗包含 用于將MSW輸送到水汽重整窯的螺旋加料器(auger)(即螺旋輸送機)。在進入所述窯 的入口處，該系統(tǒng)提供連續(xù)的高溫水汽輸送以清除進入所述窯的MSW中的大氣，特別是 氮和氧。如將進一步解釋的，額外的水汽對于該水汽重整工藝來說是有益的，因為該水汽 預(yù)熱MSW，并且由此捕獲(c叩ture) —些工廠處理廢熱。同時，也期望排除氮和氧來阻 止毒性一氧化二氮以及其他不期望的氮的氧化物和/或其他氧化產(chǎn)物的形成。如上面所解釋的，典型的現(xiàn)有技術(shù)水汽重整工藝是兩級過程。其原因在于在第一級中， 當(dāng)大多數(shù)CM (典型地，大致為起始CM量的60-70%)被水汽重整時，形成了碳焦(carbon char)，并且人們通常一直相信需要在殘余的CM可以被水汽重整前去除該碳焦。然而， 令人吃驚和意想不到的是，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果該碳焦被充分地加熱，該碳焦也可以被水汽 重整，并且不需要被去除。這是有益的，因為CM的水汽重整更為完全，還因為存在較少 的固態(tài)廢物要處置。因此，單流單級水汽重整過程巳經(jīng)被如下設(shè)計。該過程采用這樣的水汽重整窯，所述 水汽重整窯以變化的停留時間(residence time)將CM加熱至大致為65(TC-110(TC的提高 的重整溫度(或者如果必須的話更高)，以使CM基本上完全轉(zhuǎn)換為主要由H2和CO組 成的最終(finished)合成氣產(chǎn)物。預(yù)期任何常規(guī)的水汽重整回轉(zhuǎn)窯可能是合適的；然而， (注意，所述系統(tǒng)包括具有外部加熱的單個旋轉(zhuǎn)窯是本發(fā)明的具體權(quán)利要求，因為當(dāng)前存 在使用單個旋轉(zhuǎn)窯但使用"內(nèi)部"燃燒加熱的專利發(fā)明)這樣的回轉(zhuǎn)窯從外部被加熱(而不是從內(nèi)部被加熱)是優(yōu)選的，因為這降低了燃燒/焚燒將在所述窯內(nèi)發(fā)生并產(chǎn)生各種有害 的副產(chǎn)品化合物的可能性。使用單級過程的目的在于在單個反應(yīng)區(qū)中提供足夠的溫度、湍 流混合(turbulent mixing)和停留時間，以達到目標(biāo)轉(zhuǎn)化水平。此單級水汽重整過程可以 包括在所述窯下游的精煉單元，以進一步將所述被分離但未被完全重整的合成氣重整為更 清潔的合成氣。隨后，在根據(jù)需要對第一級水汽重整后的合成氣進行精煉之前，所述窯中留下的惰性 固態(tài)渣被去除。、此固態(tài)渣被冷卻，并且可以作為建筑物填充材料出售。這樣的惰性固態(tài)提 取將通常顯示出'多達原始MSW混合物的98%的體積減少。優(yōu)選地，該系統(tǒng)經(jīng)歷除塵過程，其中粉塵粒子從重整后的合成氣被去除。盡管使用常 規(guī)的粉塵和顆粒分離器/過濾器，但是優(yōu)選地，采用漩渦式粉塵分離器和微粒過濾器。該 漩渦式粉塵分離和去除可以發(fā)生在水汽回轉(zhuǎn)窯中?？商鎿Q地，粉塵粒子可以在水汽重整回 轉(zhuǎn)窯下游的類似的容器中被去除。同時，熱提取模塊將分別位于分離器和過濾器的下游。 熱提取器被用來從熱的合成氣提取熱能，以用作直接熱量，或者用于產(chǎn)生電力，或用于預(yù) 熱窯的燃燒空氣和/或預(yù)熱供料(feed) CM。優(yōu)選地，凈化操作的下一級包括吸附劑床或等同的技術(shù)來去除揮發(fā)性酸和金屬蒸氣或 其他有毒物/污染物，以為后續(xù)的過程提供指定的合成氣潔凈度。該吸附劑床凈化系統(tǒng)通 常位于粉塵和粒子去除的下游，并且通常位于熱提取模塊的上游或者下游(取決于該吸附 劑床材料的溫度敏感性以及有效去除揮發(fā)性和有毒的氣體的溫度相關(guān)性)。如上面所解釋的，當(dāng)在MSW中存在大量金屬物質(zhì)時優(yōu)選使用雙流多級過程。應(yīng)該意 識到，在大多數(shù)情況下，金屬由于強制回收而從MSW分離出來，并且還可以通過金屬分 離單元被分離，所述金屬分離單元位于將碎的MSW輸送到水汽重整窯進料斗中的輸送機 處。然而，即使是這樣，還常常在MSW中存在實質(zhì)量的金屬，所述金屬在非常高溫的水 汽重整過程期間可能氣化。同樣地，如下面所描述的，多級過程被設(shè)計為優(yōu)化水汽重整過 程的能耗。
優(yōu)選的多級水汽重整過程如下。提供第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯，所述第一級水汽重整回 轉(zhuǎn)窯將CM加熱到大致為550'C到65(TC的重整溫度以生成第一階段的合成氣產(chǎn)品，其中 金屬物質(zhì)很大程度上是原封不動的(即未氣化)，并且具有殘余的碳焦。此第一級產(chǎn)物被 分隔為兩種流第二級"多塵(dusty)"氣態(tài)流；和第三級固態(tài)流。隨后提供第二級水汽重 整固定窯(stationary kiln)，所述第二級水汽重整固定窯將"多塵"氣態(tài)流入物質(zhì)加熱到大 致為85(TC到IIO(TC的(或者根據(jù)需要更高的)提高的重整溫度，以通過促進含碳?xì)怏w到 主要由CO和H2構(gòu)成的合成氣的完全轉(zhuǎn)化來完成第一級氣態(tài)物質(zhì)的轉(zhuǎn)換。此合成氣通常 富含氫，因為多數(shù)的碳如下面所描述的那樣使其流到第三級水汽重整系統(tǒng)。注意，如果必 要的話該第二級"固定"窯可以被配置為回轉(zhuǎn)窯，以優(yōu)化此第二級的轉(zhuǎn)換性能。優(yōu)選地，該過程在第一和第二級之間提供粉塵和粒子的去除。這通常是用漩渦式粉塵 分離器和微粒過濾器中的一種或兩者進行的?？商鎿Q地，或者附加于此粉塵去除過程，該 過程還包括在離開第一級和/或第二級和第三級水汽重整窯之前從合成氣中內(nèi)部分離(合 成氣流夾帶的)粉塵和顆粒。此內(nèi)部分離器使用內(nèi)部建立的、強大的漩渦運動，所述漩渦 運動由在會聚式圓柱通道(converging cylindrical channel)中的靜止翼片生成。通過此具 有整體式氣體轉(zhuǎn)向翼片的出口會聚式圓柱管被抽離的合成氣生成漩渦式離心力，以允許比 通過此出口圓柱體被抽離的合成氣密度更高的顆粒的分離。策略性地位于沿出口圓柱體長 度的縫隙為這樣的顆粒提供出口，所述顆粒具有漩渦運動所賦予的、足以從離開水汽重整 窯的合成氣流中分離出這些顆粒的徑向動量。此內(nèi)部分離設(shè)備通常是與水汽重整旋轉(zhuǎn)鼓分 離的圓柱形容器。碳焦與在第一級窯中的惰性固態(tài)渣分離，并且被輸送到第三級水汽重整回轉(zhuǎn)窯，所述 第三級水汽重整回轉(zhuǎn)窯將殘余的碳加熱到大致為850'C到95(TC的(或者根據(jù)需要更高的) 提高的重整溫度，以根據(jù)下述水汽重整反應(yīng)(其中具有x摩爾的過量H20)來完成碳焦到 實質(zhì)上由等體積的CO和H2構(gòu)成的合成氣的轉(zhuǎn)換C + H20 + xH20~>CO + H2+xH20 (1)可替換地，碳焦可以被直接用作用于蒸汽鍋爐的加熱燃料，或者用作用于所述兩個之 前的水汽重整級之一的加熱燃料，或者直接用于產(chǎn)物銷售。如果需要的話，來自第三級的流出流可以被引導(dǎo)到上面描述的第二級，從而來自第三 級的流出流可以被精煉。然而，從第三級流出的合成氣通常比第一級合成氣要實質(zhì)性地更 清潔，并且可能無需精煉，其中碳焦已經(jīng)從殘余的剩余物中被有效地分離。優(yōu)選地，此多級過程還包括熱提取，以在合成氣和固態(tài)物冷卻時捕獲有用的能量。在 第二和第三級中每一級的下游可以分別且單獨地分級出兩個熱提取模塊，或者在來自這些 分離的級的組合合成氣流的下游分級出兩個熱提取模塊。這些熱回收單元可以被用來產(chǎn)生 電能(使用具有渦輪機的蒸汽發(fā)生)，或者可以簡單地捕獲用于加熱或預(yù)熱窯燃燒空氣和/或預(yù)熱供料CM的熱能。多級水汽重整過程可以可選地包括凈化單元來使用吸附劑床或等同的技術(shù)來進行對 合成氣的最終凈化，用于去除揮發(fā)性的酸和金屬蒸氣或其他毒物/污染物以為后續(xù)過程提 供指定的合成氣潔凈度。此吸附劑床凈化系統(tǒng)通常位于粉塵和粒子去除的下游，并且通常 位于熱回收單元的上游或者下游(取決于該吸附劑床物質(zhì)的溫度敏感性以及有效去除揮發(fā) 性和有毒的氣體的溫度相關(guān)性)。應(yīng)該意識到，水汽重整過程產(chǎn)生包括H2和CO的合成氣。期望產(chǎn)生具有盡可能高的 H2/CO比率的合成氣。理由在于與CO相比，H2作為商品來說更有價值，并且更易于轉(zhuǎn)化 為清潔的能量。鑒于全球變暖的考慮，優(yōu)選的是使碳被隔離(sequestered)而不是釋放到 大氣中。這使得CO更難以處理。存在兩種使H2/CO比率最大化的方法。第一種是將過量水分(高于化學(xué)計量量)作 為進料輸送到水汽重整過程中，這生成等豐富(equal abundance)的額外的H2和CO。額 外的清潔C02被分離和隔離。第二種方法是將甲垸(特別包括填埋場甲垸)或其他富氫物 質(zhì)(包括廢油)作為進料輸送到水汽重整過程中。向水汽重整過程添加過量的水和富氫烴促使水汽重整窯中氫的比例相對于碳和氧的 比例提高。這又產(chǎn)生更高的H2/CO比率。過量的水的首要作用就是簡單地保證存在足夠的 水汽供應(yīng)以盡可能地使水汽重整完成接近100%。高于化學(xué)計量的過量的水的任何水汽重 整轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致CO向C02加上H2的轉(zhuǎn)化。這造成提高的H2/CO比率，但是也制造額外的 C02。典型地，會避免這種提高H2/CO比率的方法，因為它招致能量處罰(energy penalty)， 并且要求額外的特別過程來使C02隔離。這種使C02隔離的方法的優(yōu)點在于合成氣混合 物相對清潔，并且在這種情況下C02占合成氣的顯著比例，且因此允許C02的有效分離 和隔離。鑒于甲烷作為水汽重整過程的進料的有用性，本發(fā)明還優(yōu)選地預(yù)期使用填埋場甲垸。 這是方便的，因為水汽重整工廠可以建在填埋場地附近、鄰近或在填埋場地處，所述填埋 場地不僅僅充當(dāng)CM來源，還充當(dāng)填埋場甲垸來源。存在多種對如上描述的水汽重整過程的產(chǎn)物的有益利用。下面列舉這些有益利用。例 如，合成氣(H2+CO)的一些或者全部可以被輸送到燃料電池(fUelcell)中。燃料電池作 為氧化反應(yīng)的宿主(host)。在H2+CO合成氣的情況下，最為優(yōu)選的是使用諸如液態(tài)碳酸 鹽燃料電池或固態(tài)氧化物燃料電池的燃料電池，因為這樣的燃料電池能夠作用于H2和CO 兩者。關(guān)于H2，該氣體被氧化以產(chǎn)生H20加上能量。在CO的情況下，燃料電池輸出C02 加上能量。合成氣(或者合成氣的一部分)還可以被輸送到氣轉(zhuǎn)液("GTL")合成工廠，以產(chǎn)生
選擇的合成烴產(chǎn)物，例如甲醇、乙醇、聚乙烯、聚丙烯及其等同物。來自GTL的過量的C02和水汽，或者來自燃料電池的C02和水汽可以被導(dǎo)引到以協(xié) 同方式設(shè)置的溫室中。這導(dǎo)致以有益于環(huán)境的方式使碳隔離。同時，溫室內(nèi)水果、蔬菜或 其他農(nóng)作物、園藝產(chǎn)品或森林產(chǎn)品的生長得到提高。同樣地，C02可以被捕獲，并且用于 其他商業(yè)用途，或者被引入轉(zhuǎn)化過程以產(chǎn)生有用的副產(chǎn)物。來自合成氣產(chǎn)物的氫可以簡單地被提取并出售，或用于期望的應(yīng)用。合成氣的CO可以被輸送到水煤氣變換反應(yīng)器中，在所述水煤氣變換反應(yīng)器中發(fā)生如 下反應(yīng)H20 + CO + +xH20 ■> H2 + C02 + xH20同樣地，當(dāng)合成氣曾被輸送到GTL合成工廠時，該GTL合成工廠通常具有未使用的作為 輸出的過量CO。此額外的CO也可以被輸送到水煤氣變換反應(yīng)器，或者可以被輸送到燃 料電池或者作為商品出售。來自水煤氣變換反應(yīng)器的H2可以如上面所描述的那樣被輸送 到燃料電池，而C02如上面所描述的那樣(通過將它輸送到以協(xié)同方式設(shè)置的溫室中)被 隔離?？商鎿Q地，來自上述水汽重整過程中的任一種的CO和/或H2可以被輸送到蒸汽鍋爐 /蒸汽渦輪機和/或燃機，用于產(chǎn)生電能。換言之，可以存在各種分開和/或并發(fā)的對CO和 H2的使用，包括GTL轉(zhuǎn)化、商品銷售、用于燃料電池的燃料，和/或用于氣體渦輪機和/ 或蒸汽發(fā)電單元的燃料。如上面所描述的燃料電池的使用要求對該燃料電池的穩(wěn)定燃料供應(yīng)。換言之，如果燃 料供應(yīng)是中斷或間歇而非穩(wěn)定的，則會出現(xiàn)各種問題。因為合成氣的產(chǎn)生可能被中斷，所 以穩(wěn)定地將天然氣或適當(dāng)凈化的填埋場氣體輸送到燃料電池中。這些天然氣或填埋場氣體中的一些可以被引到水汽重整窯。優(yōu)選地，幾乎全部天然氣 被輸送到水汽重整窯中，以如上面描述的那樣提高合成氣的烴含量。然而，如果來自MSW 轉(zhuǎn)化的正常合成氣生產(chǎn)被中斷，則會進行自動地旁路，由此天然氣會被直接路由(routed) 到燃料電池以維持持續(xù)的燃料供應(yīng)。填埋場甲烷可以替代天然氣被用于確保用于燃料電池的穩(wěn)定燃料供應(yīng)，其中水汽重整 過程以協(xié)同的方式被設(shè)置在填埋場地附近或直接設(shè)置在填埋場地上。填埋場甲垸還可以被 用來加熱水汽重整窯。產(chǎn)品合成氣本身的一部分可以被用于加熱所述一個或更多個水汽重整窯。10 附圖簡要描述

圖1示出本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的示意圖。圖2示出單流單級過程的示意圖。圖3示出雙流多級過程的一個實施方案的示意圖。圖4示出雙流多級過程的另一個實施方案的示意圖。圖5示出雙流多級過程的另一個實施方案的示意圖。發(fā)明詳述圖1是單流單級過程的優(yōu)選實施方案的示意圖。CM進料1被連續(xù)地輸送到螺旋加料 器或螺旋輸送機2，其中所述CM進料1在粉碎器4中被粉碎。在被輸送進入重整回轉(zhuǎn)窯 9之前，CM可以可選地通過傳送通過預(yù)加熱器或轉(zhuǎn)鼓式干燥器6被預(yù)處理。這起到以下 中的一種或更多種作用從CM去除過量的水分，生成水氣，以及加熱碎的CM(至大致 250°C)，為水汽重整反應(yīng)做好準(zhǔn)備。必要的話，向碎的CM添加補充水和/或水汽5。如 之前提及的，提供持續(xù)輸送的高溫水汽以從進入水汽重整窯9的CM清除空氣(特別是清 除氧和氮)是有益的。預(yù)熱器6被提供為具有一個或更多個煙道氣的放空口 7以及用于釋 放過量水汽的一個或更多個水汽排放口 8。隨后CM被輸送到水汽重整窯9，所述水汽重 整窯9是從外部加熱的。工業(yè)石灰IO被添加到該水汽重整窯，從而所述石灰會與任何鹵 素化合物反應(yīng)，由此從CM去除這些鹵素。CM在水汽重整窯9內(nèi)被加熱至大概 65(TC-110(TC或者根據(jù)需要更高的溫度(取決于CM的組成)，并且經(jīng)由水汽重整反應(yīng)而 實質(zhì)上完全轉(zhuǎn)化為重整后的合成氣11。可選地，重整后的合成氣可以例如通過使其傳送通 過漩渦式粉塵分離器14和/或微粒過濾器15以分別去除粉塵16和微細(xì)粉塵17而被進一 步精煉。在水汽重整之后留下的惰性固態(tài)渣或窯殘余物12大致占起始CM進料1的體積 的2%。從這些精煉單元分離出的粉塵16和17連同窯殘余物12 —起構(gòu)成總的殘余惰性廢 物18。熱的、精煉后的合成氣可以被傳送通過熱提取模塊19，所述熱提取模塊19可以被用 于(使用具有渦輪機的蒸汽發(fā)生)產(chǎn)生電能，或者被用于簡單地捕獲熱能并重新使用所述 熱能來在該系統(tǒng)內(nèi)進行加熱。以實施例的方式，熱提取模塊19和21可以被用來捕獲熱能， 所述熱能被使用在預(yù)熱器6中以對用于水汽重整回轉(zhuǎn)窯9的燃燒空氣進行預(yù)熱，由此提高 工廠效率。如之前描述的，產(chǎn)品合成氣20可以以多種不同方式被使用。圖2是圖1的單流單級水汽重整過程的簡化示意圖。如示出的，CM進料1在被輸送 到水汽重整回轉(zhuǎn)窯9之前于預(yù)熱器6中被預(yù)處理。CM在水汽重整窯中被加熱到大致為 65(TC-110(TC (通常為此范圍的較高端)，在所述水汽重整窯中CM經(jīng)歷水汽重整反應(yīng)。 需要的話， 一旦水汽重整過程完成，重整合成氣U被繼續(xù)傳送以進行額外的精煉和/或凈 化。窯殘余物12從水汽重整窯9中被去除。
圖3是雙流多級水汽重整過程的一個實施方案的簡化示意圖。CM進料1被輸送到第 一級水汽重整窯25，所述第一級水汽重整窯25將CM加熱至大致550°C-650°C。 CM經(jīng)歷 第一級水汽重整反應(yīng)以形成第二級"多塵"氣態(tài)流26和第三級固態(tài)流27。在該重整溫度， CM中的金屬物質(zhì)很大程度上是原封不動的(即未曾氣化)，并且與固態(tài)流27的殘余碳 焦一起保留。多塵氣態(tài)流的產(chǎn)物被傳送到第二級水汽重整固定窯28，在第二級水汽重整固 定窯28中它們被加熱到850°C-1100°C (或者按照需要更高的溫度)，以完成這些氣態(tài)產(chǎn) 物向合成氣ll的轉(zhuǎn)化。固態(tài)流27中的碳焦與惰性固態(tài)渣或窯殘余物29分離。分離出的 碳焦30可以被直接用于產(chǎn)品銷售。圖4是圖3中所示雙流多級水汽重整過程的可替換實施方案的簡化示意圖。在該應(yīng)用 中，分離出的碳焦31連同氣態(tài)流的產(chǎn)物被輸送到第二級水汽重整回轉(zhuǎn)窯28a，以在提高的 重整溫度經(jīng)歷水汽重整。(在該應(yīng)用中第二級重整窯28a可能必須是回轉(zhuǎn)窯，以便處理固 態(tài)碳供料。)圖5是圖3中所示雙流多級水汽重整過程的另一實施方案的簡化示意圖。在該應(yīng)用中， 分離出的碳焦32被輸送到第三級水汽重整回轉(zhuǎn)窯33，并且被加熱到大致850°C-950°C (或 者按照需要更高的溫度)，以完成碳焦向合成氣34的重整。(在該應(yīng)用中第三級重整窯 33可能必須是回轉(zhuǎn)窯，以便處理固態(tài)碳供料。)
權(quán)利要求
1.一種將含碳物質(zhì)水汽重整為合成氣的方法，所述方法包括將含碳物質(zhì)的進料輸送到水汽重整回轉(zhuǎn)窯中；采用所述水汽重整回轉(zhuǎn)窯攪拌所述含碳物質(zhì)；在水或水汽的存在下，將所述回轉(zhuǎn)窯中的所述含碳物質(zhì)加熱到從約650℃至1100℃的提高的重整溫度；重整所述含碳物質(zhì)，從而使所述含碳物質(zhì)通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷基本上完全的轉(zhuǎn)化，以形成合成氣和最小量的惰性固態(tài)渣。
2. 如權(quán)利要求l的方法，其中所述水汽重整回轉(zhuǎn)窯是外部加熱的。
3. 如權(quán)利要求1或2中任一的方法，還包括，在所述含碳物質(zhì)被輸送到所述水汽重 整回轉(zhuǎn)窯中之前，通過使所述含碳物質(zhì)經(jīng)過預(yù)熱器來預(yù)熱或干燥所述含碳物質(zhì)的步驟。
4. 如權(quán)利要求1的方法，其中所述含碳物質(zhì)是采用螺旋加料器或螺旋輸送機被連續(xù) 地輸送到所述水汽重整回轉(zhuǎn)窯中。
5. 如權(quán)利要求1的方法，其中工業(yè)石灰和/或小蘇打被加到在所述水汽重整回轉(zhuǎn)窯 中的所述含碳物質(zhì)，以至于與所述含碳物質(zhì)中的鹵素反應(yīng)并且除去所述含碳物質(zhì)中的鹵素 存在。
6. 如權(quán)利要求1或2中任一的方法，其中高溫水汽被連續(xù)地輸送進入所述回轉(zhuǎn)窯的 進料斗的底部，以便從正在通過推運螺旋加料器被輸送到所述水汽重整窯的所述含碳物質(zhì) 清除空氣。
7. 如權(quán)利要求1或2中任一的方法，其中所述水或水汽是以充分過量(高于化學(xué)計 量量)的方式來給出的，以將全部含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化為合成氣，并且使在所述水汽反應(yīng)期間形 成的所述合成氣中的H2/CO比率最大化。
8. 如權(quán)利要求1或2中任一的方法，其中所述含碳物質(zhì)是甲烷。
9. 如權(quán)利要求1或2中任一的方法，其中所述含碳物質(zhì)是從最近的或協(xié)同地設(shè)置的 填埋場地獲得的填埋場甲烷。
10. —種對含碳物質(zhì)進行水汽重整的方法，所述方法包括 將含碳物質(zhì)的進料輸送到第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中； 采用所述第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯攪拌所述含碳物質(zhì)；在水或水汽的存在下，將所述第一級回轉(zhuǎn)窯中的所述含碳物質(zhì)加熱到從約55(TC至 65(TC的重整溫度，所述的重整溫度低于金屬物質(zhì)要氣化的溫度；在所述重整溫度重整所述含碳物質(zhì)，從而使所述含碳物質(zhì)通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷部 分的轉(zhuǎn)化，以形固態(tài)流和氣態(tài)物質(zhì)流，所述的固態(tài)流由碳焦和惰性固態(tài)渣組成；將所述氣態(tài)物質(zhì)輸送到第二級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中，在水汽或水的存在下，將所述氣 態(tài)物質(zhì)流加熱到從約85(TC至110(TC的提高的重整溫度；在所述提高的重整溫度重整所述氣態(tài)物質(zhì)流，從而使所述氣態(tài)物質(zhì)流通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷基本上完全的轉(zhuǎn)化，以形成合成氣；以及將所述碳焦與所述惰性固態(tài)渣分離，用于碳的直接銷售或隔離。
11. 一種對含碳物質(zhì)進行水汽重整的方法，所述方法包括 將含碳物質(zhì)的進料輸送到第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中； 采用所述第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯攪拌所述含碳物質(zhì)；在水或水汽的存在下，將所述第一級回轉(zhuǎn)窯中的所述含碳物質(zhì)加熱到從約55(TC至 65(TC的重整溫度，所述的重整溫度低于金屬物質(zhì)要氣化的溫度；在所述重整溫度重整所述含碳物質(zhì)，從而使所述含碳物質(zhì)通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷部 分的轉(zhuǎn)化，以形固態(tài)流和氣態(tài)物質(zhì)流，所述的固態(tài)流由碳焦和惰性固態(tài)渣組成；將所述碳焦與所述惰性固態(tài)渣分離；將所述碳焦和所述氣態(tài)物質(zhì)輸送到第二級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中；在水汽或水的存在下，將所述氣態(tài)物質(zhì)流和清潔的碳焦加熱到從約85(TC-1100'C的 提高的重整溫度；以及在所述提高的重整溫度重整所述氣態(tài)物質(zhì)流和碳焦，從而使所述氣態(tài)物質(zhì)流和所述 碳焦通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷基本上完全的轉(zhuǎn)化，以形成合成氣。
12. —種對含碳物質(zhì)進行水汽重整的方法，所述方法包括 將含碳物質(zhì)的進料輸送到第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中； 采用所述第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯攪拌所述含碳物質(zhì)；在水或水汽的存在下，將所述第一級回轉(zhuǎn)窯中的所述含碳物質(zhì)加熱到從約550'C至 65(TC的重整溫度，所述的重整溫度低于金屬物質(zhì)要氣化的溫度；在所述重整溫度重整所述含碳物質(zhì)，從而使所述含碳物質(zhì)通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷部 分的轉(zhuǎn)化，以形固態(tài)流和氣態(tài)物質(zhì)流，所述的固態(tài)流由碳焦和惰性固態(tài)渣組成；將所述氣態(tài)物質(zhì)輸送到第二級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中；在水汽或水的存在下，將所述氣態(tài)物質(zhì)流加熱到約85(TC-1100'C的提高的重整溫度; 在所述提高的重整溫度重整所述氣態(tài)物質(zhì)流，從而使所述氣態(tài)物質(zhì)流通過水汽重整 反應(yīng)經(jīng)歷基本上完全的轉(zhuǎn)化，以形成合成氣； 將所述碳焦與所述惰性固態(tài)渣分離； 將所述清潔的碳焦輸送到第三級水汽重整回轉(zhuǎn)窯；在水汽或水的存在下，將所述碳焦加熱到約850'C-110(TC的提高的重整溫度；以及 在所述提高的重整溫度重整所述碳焦，從而使所述碳焦通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷基本 上完全的轉(zhuǎn)化，以形成合成氣。
13. —種對含碳物質(zhì)進行水汽重整的方法，所述方法包括 將含碳物質(zhì)的進料輸送到第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中； 采用所述第一級水汽重整回轉(zhuǎn)窯攪拌所述含碳物質(zhì)；在水或水汽的存在下，將所述第一級回轉(zhuǎn)窯中的所述含碳物質(zhì)加熱到從約55(TC至 65(TC的重整溫度，所述的重整溫度低于金屬物質(zhì)要氣化的溫度；在所述重整溫度重整所述含碳物質(zhì)，從而使所述含碳物質(zhì)通過水汽重整反應(yīng)經(jīng)歷部 分的轉(zhuǎn)化，以形固態(tài)流和氣態(tài)物質(zhì)流，所述的固態(tài)流由碳焦和惰性固態(tài)渣組成；將所述氣態(tài)物質(zhì)輸送到第二級水汽重整回轉(zhuǎn)窯中，在水汽或水的存在下，將所述氣 態(tài)物質(zhì)流加熱到約850'C-110(TC的提高的重整溫度；在所述提高的重整溫度重整所述氣態(tài)物質(zhì)流，從而使所述氣態(tài)物質(zhì)流通過水汽重整 反應(yīng)經(jīng)歷基本上完全的轉(zhuǎn)化，以形成合成氣；將所述碳焦與所述惰性固態(tài)渣分離，并且使用所述碳焦作為燃料來加熱所述一級和 二級水汽重整窯中的一個或兩者。
14. 如權(quán)利要求l， 2， 10， 11， 12或13中任一的方法，還包括將所述合成氣輸送 到燃料電池的步驟，所述燃料電池可以作為所述合成氣進行氧化反應(yīng)以形成H20和/或C02的宿主。
15. 如權(quán)利要求14的方法，其中通過將任何過量的C02輸送到以協(xié)同方式設(shè)置的溫 室而使碳被隔離。
全文摘要
一種將含碳物質(zhì)水汽重整為合成氣的方法，所述方法通過使用將回轉(zhuǎn)窯中的含碳物質(zhì)加熱到提高的重整溫度的單級過程，從而使所述含碳物質(zhì)經(jīng)歷向合成氣的基本上完全的轉(zhuǎn)化；或者所述方法通過使用將含碳物質(zhì)加熱到重整溫度以形成氣態(tài)和固態(tài)物質(zhì)的雙流多級過程，所述的重整溫度低于金屬物質(zhì)通常要氣化的溫度；在第二級重整窯中以提高的重整溫度進一步重整所述氣態(tài)物質(zhì)以形成合成氣；以及將炭焦與所述固態(tài)物質(zhì)分離以進行進一步處理。
文檔編號C10J3/20GK101120076SQ200680002624
公開日2008年2月6日 申請日期2006年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月18日
發(fā)明者E·G·杜埃克, J·齊維爾什克 申請人:恩奎斯特能源公司