專利名稱：從生物質(zhì)生成清潔的合成氣的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及從生物質(zhì)中生成合成氣。本發(fā)明的實施方案提供了用于從生物質(zhì)生成合成氣的多種方法以及裝置。這些方法和裝置可以提供用于裂解該合成氣中的某些部分。 如此生產(chǎn)的合成氣可以被用于廣泛的應用中。背景可以通過生物質(zhì)的熱化學轉(zhuǎn)化生成可燃性氣體。生物質(zhì)可以是任何適合的含碳燃料。生物質(zhì)的非限制性例子包括木材(處于任何適合的形式，包括鋸屑、刨花、球粒、碎片、 其他木材殘余物以及類似物)，城市廢物、污水、煤、浙青、化石燃料、食品廢物、植物物質(zhì)或類似物?？梢酝ㄟ^在減少氧氣的氣氛中將生物質(zhì)加熱從該生物質(zhì)中釋放出可燃性氣體?？梢酝ㄟ^部分地氧化該生物質(zhì)或者經(jīng)由一個分離的熱源來完成這種加熱。這種加熱引起了該生物質(zhì)釋放可燃性氣體(有時候稱為“合成氣”、“合成的氣體” “發(fā)生爐氣體”或“產(chǎn)物氣體”)。從生物質(zhì)生產(chǎn)的可燃性氣體可以被用于不同的應用。例如，這些氣體可以被燃燒以生成熱量，被處理以制造合成燃料(這些合成燃料可以包括氣體、液體或固體的燃料)， 被用來運轉(zhuǎn)發(fā)動機，被用作用于燃料電池的燃料，被用作燃料來運轉(zhuǎn)渦輪，等。從生物質(zhì)中釋放的氣體可以包括多個部分，例如焦油以及較重的烴，它們可以在管道以及其他設備中凝結(jié)。這可能引起顯著的操作以及維護問題。對于用于從生物質(zhì)生產(chǎn)清潔的合成氣的實用的并且高能效的方法以及裝置存在著一種需要。附圖簡要說明附圖展示了本發(fā)明的非限制性的實例的實施方案。

圖1是一個流程圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的一個實例的實施方案的一種方法。圖2是一個框圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的一個實例的示意性實施方案的一個裝置。圖3是一個框圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實例的實施方案的一個裝置。圖4是一個框圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實例的實施方案的一個裝置。圖4A是一個工藝圖，示意性地展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案的一個裝置。圖5是一個實例的熱裂解單元以及相關(guān)系統(tǒng)的示意性截面圖。圖6是一個框圖，展示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實例的實施方案的一個裝置。圖7是一個實例的熱裂解單元以及相關(guān)系統(tǒng)的示意性截面圖。說明書
遍及以下說明，提出了具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更徹底的理解。然而無需這些具體細節(jié)本發(fā)明可以被實施。在其他實例中，熟知的元件沒有被詳細地示出或說明以避免使本發(fā)明不必要地難理解。因此，該說明書以及附圖應被視為是一種說明性的，而不是一種限制性的意義。圖1展示了根據(jù)本發(fā)明的一個實例的實施方案用于氣化生物質(zhì)的一種方法10。在框12處，方法10將生物質(zhì)11引入到一個室中，在該室中該生物質(zhì)可以被加熱。該生物質(zhì)可以包括任何適合類型的生物質(zhì)。在一個實例的實施方案中，該生物質(zhì)包括木材并且框12 包括將該木材置于一個氣化室中。在一些實施方案中，該木材以小片的形式進行供應，在一些實施方案中，這些小片是尺寸高達約1或2英寸(約25至50mm)的片。在一些實施方案中，這些小片是尺寸范圍從1/8英寸至約3或4英寸(約l/2mm至約IOcm)的不均勻的片。 在一些實施方案中，在框12中引入生物質(zhì)是基本上連續(xù)地進行的，在其他實施方案中，引入生物質(zhì)是間歇地進行的(即，周期性地，按需要地，或類似地)。在一些實施方案中，框12包括穿過一個氣化室的底部上的開口向上引入該生物質(zhì)。在這樣的一些實施方案中，該生物質(zhì)可以在該氣化室的底部形成一個堆。在框14中，通過在減少氧氣的條件下將該生物質(zhì)升溫到一個提高的溫度將該生物質(zhì)汽化從而產(chǎn)生原料合成氣。在一些實施方案中，通過進行該生物質(zhì)的部分氧化將該生物質(zhì)進行加熱。在這樣一些實施方案中，可以將空氣或另一種含氧氣體以足以允許部分氧化該生物質(zhì)的一個量值弓I入到該氣化室中。在其他實施方案中，通過應用來自一個外部來源的熱量將該生物質(zhì)進行加熱從而熱裂解該生物質(zhì)。在一些實施方案中，該生物質(zhì)的溫度被保持在低于來自該生物質(zhì)的灰分將熔化而生成爐渣的溫度的一個溫度下。來自某些類型的生物質(zhì)的灰分的熔點在大約2100° F至約2200° F的范圍內(nèi)。例如，在一些實施方案中，在框14中該生物質(zhì)的溫度被防止超過約 1800° F。可以通過控制被引入到該生物質(zhì)中的空氣或其他氣體中的氧氣的濃度(例如鼓風)而控制該生物質(zhì)的溫度。在框16中，將該原料合成氣抽出。在一些實施方案中，該原料合成氣通過一個管道被抽出，該管道被連接為用于接收來自一個氣化室的合成氣，在該氣化室中完成框 14。在一些實施方案中，該原料合成氣的溫度在它離開該氣化室的該點處低于900° F(約 480°C )。在一些實施方案中，該原料合成氣的溫度在它離開該氣化室的該點處在 300° F(約150°C )至高達約1000° F(約)的范圍內(nèi)。在框18中，該原料合成氣的溫度被提高了。在一些實施方案中，框18包括使用從下游位置處的合成氣中提取的熱量來將該合成氣加熱。在一些實施方案中，框18包括將該原料合成氣的溫度升高至少8000F(約430°C )。在一些實施方案中，框18包括將該原料合成氣的溫度升高1000° F(約540°C )或更高。在一些實施方案中，該加熱過的原料合成氣具有至少1600° F(約870°C)的溫度。在一些實施方案中，該加熱過的原料合成氣的溫度是至少約1200° F(約650°C)。在一些實施方案中，該加熱過的原料合成氣的溫度是至少約1300° F(約700°C )。在框20中，該加熱過的原料合成氣被通到一個裂解階段。在框22中，將該原料合成氣在該裂解階段中進行處理。在該裂解階段中的條件促進了該原料合成氣中的重的或焦油部分的分解。在該合成氣中存在的焦油和/或其他較重的烴可以在該裂解階段中被分解。通過提供氧化劑該裂解階段可以有助于這樣一些部分的分解，這些氧化劑促進了在該裂解階段工作的溫度下這些凝結(jié)部分的分解。通過提供來自一個等離子體焰炬的能量以促進在該裂解階段工作的溫度下這些凝結(jié)的部分的分解，該裂解階段還可以或可替代地可以有助于這樣一些部分的分解。該裂解階段可以另外地包括以下各項中的一個或多個· 一種或多種催化劑；以及·注入蒸汽或其他化學品，這些化學品與碳結(jié)合從而避免或減少煙灰形成。在一些實施方案中，在該熱裂解階段中該合成氣的溫度是至少1600° F(約 870°C )。在一些實例的實施方案中，裂解階段在約1600° F(約870°C )至約2100° F(約 1150°C)的范圍內(nèi)的溫度下進行。在一些實例的實施方案中，在該裂解階段中或其上游處將蒸氣注入到該合成氣之中。引入蒸氣可以減少煙灰的形成。蒸氣可以與焦油進行反應從而形成一氧化碳，否則焦油可以形成煙灰顆粒。當框22涉及將該合成氣與一種氧化劑進行混合時，可以對該氧化劑進行預熱。在一些實施方案中，對該氧化劑進行預熱包括使用從下游位置處的合成氣提取的熱量來將該氧化劑進行加熱。該氧化劑可以，例如包括氧氣、環(huán)境空氣或它們與一種另外的和/或與多種其他氣體(例如蒸氣或類似物)的混合物。引入被預熱的合成氣的結(jié)果是，可以在裂解框22中保持對于熱裂解適合的溫度， 其中減少框22中有待生成的熱量的要求或減少框22中另外有待提供給該合成氣的能量的要求，或兩者。當通過合成氣的放熱氧化作用在框22中生成熱量時，將一個減少部分的化學計量的空氣(氧化劑)引入到該裂解階段中可以達到想要的溫度。在一些實施方案中， 該裂解階段中增量的當量比是小于0. 15。在一些實施方案中，熱裂解框22中該增量的當量比是在0. 10-0. 15的范圍內(nèi)。在一些實施方案中，熱裂解包括使用一種等離子體焰炬來提供熱裂解該引入的原料合成氣所要求的一些或全部的能量?？梢允褂萌魏芜m合類型的等離子體焰炬。例如，可以使用一種等離子體電弧來加熱少量的惰性氣體，然后可以將該惰性氣體吹入該裂解室中。 可替代地，可以經(jīng)由該等離子體焰炬引入一種還原氣體或一種氧化氣體。當在框22中通過操作一個等離子體焰炬生成熱量時，使用減少量的應用到該等離子體焰炬上的能量(引入被預熱的原料合成氣的結(jié)果)可以達到想要的溫度。在一些實施方案中，在缺少氧氣和 /或水的條件下可以實現(xiàn)該合成氣的完全裂解。然而，氧氣和/或水的存在可以防止或減少作為該裂解過程的一種產(chǎn)物煙灰的形成。在一些實施方案中，通過操作一種等離子體焰炬與在一個亞化學計量的量的氧化劑存在下放熱氧化合成氣的組合在框22中可以生成熱量。在一些這樣的實施方案中，該裂解階段中增量的當量比可以是小于0. 15，并且可以是小于 0. 10。在一些實施方案中，當引入該熱裂解階段時該合成氣所經(jīng)歷的溫度上升是約 1000° F(約550°C )或更小。在某些實例中這個溫度上升可以更小，例如500° F(約 2600C )或更小，或在某些實施方案中是400° F(約200°C )或更小。在一個實例的實施方案中，加熱過的合成氣在約1200° F(約650°C )的溫度下進入該裂解階段并且在該裂解階段中達到約2100° F(約1150°C)的溫度。在這個實例的實施方案中當引入到該熱裂解階段時該合成氣所經(jīng)歷的溫度上升是約900° F(約480°C)。在另一個實例的實施方案中，加熱過的合成氣在約1300° F(約700°C)的溫度下進入該裂解階段并且在該裂解階段中達到約2000° F(約IlO(TC)的溫度，從而在該裂解階段中溫度上升是約700° F(約370°C)。該裂解階段可以包括一個階段，該階段中合成氣被通入并且穿過熱裂解室中的一個體積。該熱裂解室可以包括一個耐火材料襯里的容器。在一個實例的實施方案中，該熱裂解室包括一個圓柱形的室，該室具有多個軸向的入口以及出口的端口以及位于接近該入口端口的一個區(qū)域內(nèi)的多個氧化劑端口。在一些實施方案中，這些氧化劑端口徑向地進入該熱裂解室。在一些實施方案中，存在兩組或更多組氧化劑端口，每組可以包括圍繞該熱裂解室環(huán)圓周地間隔開的多個氧化劑端口。在一些實施方案中，該熱裂解室可以包括一個等離子體焰炬。在包括一個等離子體焰炬的一些實施方案中，這些氧化劑端口被省略了。包括一個等離子體焰炬的一些實施方案包括用于將蒸氣加入該熱裂解室之中或其上游處的一個路徑。氧化劑可以通過多個氧化劑端口(如果存在的話)和/或通過該等離子體焰炬被引入到該裂解室中。在一些實施方案中，該熱裂解階段是在一個熱裂解室中進行的，該熱裂解室處于與該氣化室分開的分離的結(jié)構(gòu)。在框M中該合成氣從該裂解階段流出。在框沈中，將一些熱量從該合成氣中去除?？蛏蚩梢园ㄊ乖摵铣蓺獯┻^一個熱交換器，例如在一些實施方案中，在框沈處提取的熱量被用于升高框18中的原料合成氣的溫度。在一些實施方案中，在框沈處提取的熱量被用于升高框22中被引入的氧化劑的溫度。在框觀中，該合成氣被任選地進一步冷卻和/或過濾。在框四中，該合成氣被作為一種燃料提供到以下各項中的的一個或多個· 一個燃燒器(框^A)· 一個發(fā)動機(框^B)· 一個燃料電池(框^C)· 一個渦輪(框^D)· 一個用于制造合成燃料的過程(框^E)·等。圖2示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實例的實施方案的裝置30。裝置30包括一個生物質(zhì)供應32以及一個氣化室34。一個輸送器35將來自生物質(zhì)供應32的生物質(zhì)傳送到氣化室34。通過將生物質(zhì)進行加熱、或者間接地或者通過部分氧化該生物質(zhì)在氣化室 34中生成合成氣。一個熱裂解單元40接收來自汽化器室34的原料合成氣。熱裂解單元40包括一個室，在該室中該合成氣被保持在足以分解焦油、較重的烴以及類似物的一個溫度下。將控制量的一種氧化劑(例如，空氣或另一種含氧氣體)引入到熱裂解單元40中。可以將水引入熱裂解單元40之中或其上游處，該水可以以蒸氣的形式。在其中足夠的水已經(jīng)存在的情況下(例如，在其中來自供應32的生物質(zhì)具有足夠高的水分含量的情況下)，注入水可能是不必要的。一個熱路徑41將來自離開熱裂解單元40的合成氣的熱量傳送到在熱裂解單元40
9中尚未被處理的原料合成氣中。在所說明的實施方案中一個氧化劑供應系統(tǒng)42被連接為用于將空氣或另一種氧化劑供應到熱裂解單元40中一個第二熱路徑43將來自離開熱裂解單元40的合成氣的熱量通過氧氣供應系統(tǒng)42傳送到被供應到熱裂解單元40中的氧化劑中。將來自熱裂解單元40的合成氣遞送到以下各項中的一個或多個· 一個燃燒器45A。 一個發(fā)動機45B。發(fā)動機45B可以是一個內(nèi)燃機或一個渦輪機，例如在一些實施方案中，發(fā)動機45B驅(qū)動一個發(fā)電機46來生成電力?！?A —個燃料電池45C?！う?—個化學處理45D?；瘜W處理45D可以將合成氣作為一種原料并且將該合成氣加工成一種合成燃料?？扇芜x地提供一個儲存罐44。圖6示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實例的實施方案的裝置31。除了提供了一個等離子體焰炬46來向一個熱裂解單元39中的合成氣提供熱量以便將熱裂解單元39 中的合成氣保持在足以分解焦油、較重的烴以及類似物的一個溫度下以外，裝置31與裝置 30類似。裝置31包括許多與裝置30相同的部件，它們具有與圖6中同樣的參考號。此外， 展示了無氧化劑供應系統(tǒng)的裝置31。然而，在一些實施方案中，裝置31可以包括一個與用于熱裂解單元39的氧化劑供應系統(tǒng)42類似的氧化劑供應系統(tǒng)。如使用裝置30，可以將水 (任選地以蒸氣的形式)引入熱裂解單元39中或其上游處。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實例的實施方案的一個氣化裝置50。裝置50包括一個生物質(zhì)供應52以及一個氣化室Μ。一個輸送器55將來自生物質(zhì)供應52的生物質(zhì)傳送到氣化室Μ。在所展示的實施方案中，在氣化室M中在控制氣氛下通過部分氧化該生物質(zhì)將該生物質(zhì)進行加熱(至少部分地)。一個氧化劑供應系統(tǒng)56將氧化劑(例如可以包括空氣，空氣和/或氧氣與蒸汽和/或燃料氣的混合物，或類似物)供應到氣化室Μ。一個控制器57調(diào)節(jié)了輸送器55以及氧化劑供應系統(tǒng)56的操作以便保持用于氣化該生物質(zhì)的適當?shù)臈l件。在可替代的實施方案中，可以提供其他裝置，例如間接加熱器用來加熱汽化器室 54中的生物質(zhì)。一個管道58將來自氣化室M的原料合成氣傳送到一個第一熱交換器59的冷側(cè)。 該原料合成氣的溫度在第一熱交換器59中被升高。然后將加熱過的原料合成氣穿過一個管道61進入一個熱裂解單元60。熱裂解單元60可以例如以基本上與圖2的熱裂解單元 40或與圖6的熱裂解單元39相同的方式被構(gòu)造并且操作。第一熱交換器59可以包括例如一個氣體-氣體熱交換器(例如一個殼管式或板式熱交換器)或一個其中一個循環(huán)熱交換介質(zhì)的中間體將熱量傳送到引入的合成氣體中的熱交換器。圖3的裝置50包括一個任選的第二熱交換器69。合成氣離開熱裂解單元60進入管道62中，該管道最終連接到第一熱交換器59的熱側(cè)。在所展示的實施方案中，管道62具有一個第一部分62Α(該第一部分將來自熱裂解單元60的合成氣傳送到第二熱交換器69的熱側(cè))以及一個第二部分62Β(該第二部分將來自第二熱交換器69的熱合成氣傳送到第一換熱器59的熱側(cè))。在第一熱交換器59中來自離開熱裂解單元60的該熱合成氣的熱量被傳遞到正在從管道58被移出穿過第一熱交換器59進入熱裂解單元60中的原料合成氣中。離開該熱裂解單元60的熱側(cè)的合成氣經(jīng)由一個過濾器64以及一個冷卻器65被遞送到一個發(fā)動機66 (或其他最終使用或存儲體)中。當該合成氣被用作一個發(fā)動機的燃料時，該合成氣在它被吸入到該發(fā)動機中的該點處處于約110° F(約45°C)或更低的溫度通常是令人希望的。在所展示的實施方案中，將空氣或另一種氧化劑遞送該熱裂解單元60中。在空氣進入熱裂解單元60之前將它穿過一個第二熱交換器69的冷側(cè)進行輸送。已經(jīng)離開熱裂解單元60的熱合成氣穿過第二熱交換器69的熱側(cè)。在所展示的實施方案中，已經(jīng)離開熱裂解單元60的熱合成氣首先穿過二熱交換器69的熱側(cè)并且然后穿過第一熱交換器59的熱側(cè)。這個順序不是強制性的。在其他實施方案中，該合成氣首先穿過第一熱交換器59并且然后穿過第二熱交換器69。在又其他的實施方案中該合成氣被分成平行地穿過第一熱交換器59和第二熱交換器69的多個流。在裝置50中，第一熱交換器59提供了一個熱路徑，該熱路徑將來自離開熱裂解單元60的合成氣的熱量傳送到在熱裂解單元60中尚未被處理的原料合成氣中。在裝置50中，氣化室M可以采取多種形式中的任一種。在一些實施方案中，氣化室M是一個向上通風的氣化室并且在高于從中正在生成合成氣的生物質(zhì)的一個位置處將原料合成氣抽出。在某些實施方案中，氣化室M包括一個底部進料的氣化室?？梢员挥糜谘b置50中的底部進料氣化室的類型的非限制性例子在以下專利以及專利申請中進行描述· US 6120567· US 2004/0107638‘ PCT/US2007/011965· CA 1380910· CA2486318?？梢蕴峁┢渌愋偷臍饣襾砩稍虾铣蓺?。對于氣化生物質(zhì)有用的的廣泛的氣化室在生物質(zhì)氣化領域的技術(shù)文獻中進行了描述。圖4顯示了根據(jù)一個替代的實施方案的裝置70。圖3和4的裝置具有多個共同的部件。這些部件在圖4中具有與圖3中相同的參考號。裝置70任選地包括用于加熱熱裂解單元60中的合成氣的一個等離子體焰炬76。裝置70包括一個第一熱交換器72以及一個第二熱交換器74。第一熱交換器72的冷側(cè)處于被從氣化室M流至熱裂解單元60的原料合成氣占據(jù)的路徑上。該第二熱交換器74的熱側(cè)處于被已經(jīng)離開熱裂解單元60的熱合成氣占據(jù)的路徑上。穿過該第二熱交換器74的冷側(cè)的空氣接收來自該第二熱交換器74的熱側(cè)的熱合成氣的熱量。例如將空氣加熱到超過1600° F(約870°C)的溫度。一些加熱過的空氣被作為一種氧化劑經(jīng)由路徑75供應到熱裂解單元60中。一些加熱過的空氣可以任選地被供應到等離子體焰炬76中。剩余的加熱過的空氣穿過該第一熱交換器72的熱側(cè)。 這樣做，熱量從該熱空氣中被轉(zhuǎn)移到穿過該第一熱交換器72的冷側(cè)的原料合成氣中?？梢詫峥諝?現(xiàn)在處于低溫下)排出，用來對生物質(zhì)進行干燥或預熱，用于其他加熱功能，或類似用途?？梢蕴峁┕娘L機，可調(diào)節(jié)的閥門以及類似物以根據(jù)需要保持適合的空氣、合成氣以及其他流體的流量。這些部件被本領域的普通技術(shù)人員所理解并且為了避免使本發(fā)明難理解在此沒有展示。 圖4A是一個工藝圖，展示了用于生產(chǎn)清潔的合成氣的裝置，該裝置與圖4中繪出的裝置類似。圖4A顯示了一個冷卻器64A，該冷卻器包括一個用于除去水蒸氣的冷凝器以及一個過濾器65A。在所展示的實施方案中，在該熱裂解器中提供了一個等離子體焰炬76A 以便提供能量來將處于該裂解階段的合成氣進行加熱。 圖5示意性的顯示了一個熱裂解單元80，它包括一個襯有一個耐火材料的層82的容器81。與熱裂解單元80類似的一個熱裂解單元可以被用于以上描述的實施方案的任何一個中(盡管這不是強制性的-可以使用其他類型的熱裂解單元)。合成氣可以穿過一個入口 84A進入容器81并且，在熱裂解單元80中處理之后可以在出口端口 84B處離開。在容器81中可任選地提供了一個催化劑結(jié)構(gòu)85。將氧化劑經(jīng)由兩個環(huán)形的徑向方向的端口 86引入到容器81中。通過一個鼓風機87將空氣供應到端口 86，該鼓風機經(jīng)由一個控制閥門89為歧管88進料。圖5顯示了一個可任選的預熱器 91 (它可以包括一個熱交換器)，該預熱器在空氣被引入熱裂解單元80之前將該空氣加熱。 可以在正在被遞送到熱裂解單元80中的空氣所占據(jù)的路徑上在任何適合位置處提供預熱器91 (如果存在的話)。在圖5中展示的實施方案中，一個控制器90響應于來自測量熱裂解單元80中的溫度的至少一個溫度傳感器92的以及監(jiān)控流入容器81中的空氣的質(zhì)量流量的質(zhì)量流量傳感器94A以及94B的信號，控制了閥門89打開的程度?？刂破?0可以包括一個適合的可編程的或硬連線的過程控制器，一個被編程的計算機控制系統(tǒng)，或類似物。控制器90控制了進入容器81的空氣注入量以在容器81中保持一個想要的溫度。圖5顯示了一個任選的蒸汽入口管線95，該入口管線被連接為用于將蒸氣經(jīng)由一個歧管88供應到容器81中。通過響應來自控制器90的信號來操作的閥門96對蒸汽的注入量進行控制。在包括蒸汽注入的一個可替代的實施方案中，其他位置處將蒸汽注入熱裂解單元80之中和/或其上游處。圖7示意性地顯示了一個熱裂解單元100。熱裂解單元100包括許多與熱裂解單元80相同的部件，并且通過與圖5中相同的參考號指出這些部件。熱裂解單元100可以被用于以上描述的實施方案的任何一個中。在所展示的熱裂解單元100中，合成氣穿過入口 84A進入容器81并且在熱裂解單元100中對其進行處理之后穿過出口端口 84B離開。在容器81中提供了一個等離子體焰炬96以及一個任選的催化劑結(jié)構(gòu)85。操作等離子體焰炬96來將熱裂解單元100中的合成氣進行加熱，并且由此將該合成氣保持在足以分解焦油、較重的烴以及類似物的一個溫度下?？刂破?7 (該控制器可以是任何適合的可編程的或硬連線的過程控制器，一個被編程的計算機控制系統(tǒng)或類似物)可以被用于響應溫度傳感器92調(diào)節(jié)等離子體焰炬96的操作。在一些實施方案中，熱裂解單元100可以進一步包括用于將氧化劑引入容器81中的多個端口。在這個實例中，一個適合的控制器同樣地可以被用于調(diào)節(jié)進入容器81 (如關(guān)于熱裂解單元80所描述的)中的空氣注入量以及等離子體焰炬96的操作以便在容器81中保持的一個想要的溫度。圖7中展示的實施方案還包括任選的蒸汽入口 95，該蒸汽入口被連接為用于將蒸汽穿過歧管88以及端口 86供應到容器81中。閥門96響應于來自控制器97的信號控制了進入容器81中的蒸汽的注入量。作為替代方案，可以在其他位置處將蒸汽注入熱裂解單元100之中和/或其上游處。在上文中提及一個部件(例如，一個室、管道、組件、裝置等)時，除非另外說明，所提及的這個部件(包括所提及的“裝置”)應被解釋為包括作為這個部件的等效物的、執(zhí)行所述部件的功能的任何部件(即，它是功能性的等效物)，包括與所披露的結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上不等效的、完成本發(fā)明的所展示的示例性實施方案中的功能的部件。因為對本領域的普通技術(shù)人員根據(jù)以上披露應該清楚，在不背離本發(fā)明的精神或范圍下在本發(fā)明的實踐中許多變更或改變是可能的。例如，在此描述的任何一個實施方案的特征可以與在此描述的其他實施方案的特征進行結(jié)合以提供另外的實施方案。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)合成氣的方法，該方法包括將生物質(zhì)加熱；收集從該生物質(zhì)釋放的原料合成氣；將該原料合成氣加熱；并且使該加熱過的原料合成氣經(jīng)受熱裂解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將該原料合成氣加熱包括將來自已經(jīng)經(jīng)受了熱裂解的高溫合成氣的熱量傳遞到該原料合成氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中將來自該高溫合成氣的熱量傳遞到該原料合成氣包括將該高溫合成氣穿過一個熱交換器的一個熱側(cè)并且將該原料合成氣穿過該熱交換器的一個冷側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種方法，其中將來自該高溫合成氣的熱量傳遞到該原料合成氣包括將來自該高溫合成氣的熱量傳遞到一種熱交換介質(zhì)并且將來自該熱交換介質(zhì)的熱量傳遞到該原料合成氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項所述的一種方法，其中將該生物質(zhì)加熱是在一個氣化室中進行的并且將該原料合成氣經(jīng)受熱裂解是在與該氣化室分開的一個室中進行的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項所述的一種方法，其中將該原料合成氣加熱包括將該原料合成氣的溫度升高至少1000° F。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項所述的一種方法，其中在將該原料合成氣加熱之前， 該原料合成氣具有小于1000° F的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種方法，其中在將該原料合成氣加熱之前，該原料合成氣具有在300° F至1000° F范圍內(nèi)的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任何一項所述的一種方法，其中在將該原料合成氣加熱之后并且在使該原料合成氣經(jīng)受熱裂解之前，該原料合成氣具有至少1300° F的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種方法，包括在使該原料合成氣經(jīng)受熱裂解的時候?qū)⒃摷訜徇^的原料合成氣的溫度升高不超過1000° F的一個量值。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任何一項所述的一種方法，其中使該加熱過的原料合成氣經(jīng)受熱裂解包括用一個等離子體焰炬將該合成氣加熱。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至11中任何一項所述的一種方法，其中使該加熱的原料合成氣經(jīng)受熱裂解包括將氧化劑加入該合成氣。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種方法，包括在將該氧化劑加入該合成氣之前對該氧化劑進行預熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種方法，其中對該氧化劑進行預熱包括將來自該高溫合成氣的熱量轉(zhuǎn)移給該氧化劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任何一項所述的一種方法，其中使該加熱過的原料合成氣經(jīng)受熱裂解包括保持不超過0. 15的增量的當量比。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種方法，包括將該增量的當量比保持在約0.1至0. 15的范圍之內(nèi)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的一種方法，其中保持該增量的當量比包括控制對該合成氣加入的該氧化劑。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項所述的一種方法，其中使該加熱的原料合成氣進行熱裂解包括保持不超過0. 15的增量的當量比。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任何一項所述的一種方法，包括將該增量的當量比保持在約0. 1至0. 15的范圍內(nèi)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1至19中任何一項所述的一種方法，包括用已經(jīng)經(jīng)受了熱裂解的這種合成氣來運轉(zhuǎn)一臺發(fā)動機。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的一種方法，包括用該發(fā)動機驅(qū)動一臺發(fā)電機來發(fā)電。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任何一項所述的一種方法，包括將一種燃料供應給一個燃料電池，該燃料包含該合成氣。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任何一項所述的一種方法，包括加工該合成氣以生成一種合成燃料。
24.根據(jù)權(quán)利要求1和2中的一項所述的一種方法，其中將該生物質(zhì)加熱包括使用來自一個外部來源的熱量使該生物質(zhì)熱解。
25.根據(jù)權(quán)利要求1至M中任何一項所述的一種方法，其中將該生物質(zhì)加熱包括將該生物質(zhì)的溫度保持在低于來自該生物質(zhì)的灰分的熔化溫度之下。
26.根據(jù)權(quán)利要求1至M中任何一項所述的一種方法，其中將該生物質(zhì)加熱包括將該生物質(zhì)的溫度保持在不超過1800° F的一個溫度范圍內(nèi)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1至沈中任何一項所述的一種方法，其中將該生物質(zhì)熱裂解包括將蒸汽注入該合成氣之中。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的一種方法，其中將蒸汽注入該合成氣之中是在發(fā)生該生物質(zhì)的熱裂解的一個位置的上游處進行的。
29.一種用來生成合成氣的裝置，包括一個汽化器室；一個熱裂解單元；在該汽化器室與該熱裂解單元之間的一個流體路徑，該流體路徑穿過一個第一熱交換器的冷側(cè)，該第一熱交換器具有被來自離開該熱裂解單元的氣體的熱量加熱的一個熱側(cè)。
30.根據(jù)權(quán)利要求四所述的裝置，其中該熱裂解單元包括一個等離子體焰炬。
31.根據(jù)權(quán)利要求四或30所述的裝置，其中該氣化室包括一個向上通風的氣化室。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的裝置，其中該氣化室是底部進料的。
33.根據(jù)權(quán)利要求四至32中任何一項所述的裝置，包括一個氧化劑供應系統(tǒng)，該氧化劑供應系統(tǒng)被配置為用于將一種氧化劑供應給該熱裂解單元，該氧化劑供應系統(tǒng)包括一個控制器，該控制器被配置為用于調(diào)節(jié)被供應到該熱裂解單元中的氧化劑的一個量值以便保持一個不超過約0. 15的增量的當量比。
34.根據(jù)權(quán)利要求四至33中任何一項所述的裝置，包括一個第二流體路徑，該第二流體路徑被配置為用于將一種氧化劑傳送到該熱裂解單元并且該第二流體路徑穿過一個第二熱交換器的一個冷側(cè)，該第二熱交換器具有被離開該熱解單元的氣體所加熱的一個熱側(cè)。
35.根據(jù)權(quán)利要求四至34中任何一項所述的裝置，其中該熱裂解單元包括一個室，該室含有一種催化劑。
36.一種適合用于從生物質(zhì)產(chǎn)生合成氣的裝置，包括一個氣化室；一個熱裂解單元；一個管道，該管道被連接為用于將來自該氣化室的合成氣傳遞到該熱裂解單元；以及一個熱路徑，該熱路徑被連接為用于將來自已穿過該熱裂解單元的合成氣的熱傳送到尚未進入該熱裂解單元的合成氣。
37.根據(jù)權(quán)利要求36所述的一種裝置，其中該熱裂解單元包括一個等離子體焰炬。
38.根據(jù)權(quán)利要求36或37之一所述的一種裝置，其中該熱裂解單元包括一個襯有耐火材料的容器；一個入口，該入口被連接為用于接收來自該管道的合成氣；以及一個出口，該出口被連接為用于使合成氣通過進入該合成氣熱路徑。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的一種裝置，其中該熱裂解單元包括一個氧化劑供應系統(tǒng)， 該氧化劑供應系統(tǒng)被連接為用于將一種氧化劑引入該熱裂解單元中。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的一種裝置，其中該氧化劑供應系統(tǒng)包括一個閥門；一個控制器，該控制器被配置為用于控制該閥門；該控制器被連接為用于接收來自至少一個溫度傳感器的一個溫度信號，該溫度傳感器被定位為用于測量該熱裂解單元的該容器內(nèi)的溫度；以及至少一個質(zhì)量流量傳感器，該質(zhì)量流量傳感器被連接為用于向該控制器提供一個信號，該信號指示進入該熱裂解單元的該容器中的一個流量的該氧化劑。
41.根據(jù)權(quán)利要求39或40之一所述的一種裝置，其中該熱裂解單元包括位于接近該入口的一個區(qū)域內(nèi)的氧化劑端口。
42.根據(jù)權(quán)利要求39或40之一所述的一種裝置，其中該熱裂解單元包括圍繞該容器環(huán)圓周地間隔開的至少一組氧化劑端口。
43.根據(jù)權(quán)利要求39至42中任何一項所述的一種裝置，包括一個氧化劑熱路徑，該氧化劑熱路徑將該熱裂解單元與該熱裂解單元氧化劑供應系統(tǒng)熱連接。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的一種裝置，其中該氧化劑熱路徑以及該合成氣熱路徑是平行連接的。
45.根據(jù)權(quán)利要求43或44之一所述的一種裝置，其中該氧化劑熱路徑包括一個氧化劑熱交換器，該氧化劑熱交換器被連接為用于傳遞來自從該熱裂解單元的出口通過的合成氣的熱。
46.根據(jù)權(quán)利要求38至45中任何一項所述的一種裝置，其中該合成氣熱路徑包括一個合成氣熱交換器，該合成氣熱交換器被連接為用于傳遞來自從該熱裂解單元的出口穿過的該合成氣的熱量。
47.根據(jù)權(quán)利要求36至48中任何一項所述的一種裝置，包括一個水注入單元，該水注入單元被連接為在該合成氣進入該熱裂解單元之前將水注入其中。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的一種裝置，其中該水注入單元是可操作的以便將水以蒸汽的形式注入該合成氣中。
49.根據(jù)權(quán)利要求36至48中任何一項所述的一種裝置，其中該等離子體焰炬包括一個等離子體電弧，該等離子體電弧被配置為將一種惰性氣體加熱并且用于將該加熱的惰性氣體遞送到該熱裂解單元之中。
50.根據(jù)權(quán)利要求36至48中任何一項所述的一種裝置，其中該等離子體焰炬被連接到一個還原或氧化氣體的源上、并且被配置為用于在該氣體中生成一種等離子體并且用于將該氣體遞送到該熱裂解單元之中。
51.一種生成合成氣的系統(tǒng)，包括一個生物質(zhì)供應；一個氣化室；一個第一氧化劑供應系統(tǒng)，該第一氧化劑供應系統(tǒng)被連接為用于將氧化劑供應至該氣化室，該第一氧化劑供應系統(tǒng)包括一個控制器，該控制器被配置為用于控制用于氣化該生物質(zhì)的條件；一個管道，該管道被連接為用于將來自該氣化室的合成氣經(jīng)由一個熱交換器的冷側(cè)傳送到一個熱裂解單元；該熱裂解單元被連接為用于接收來自該熱交換器的冷側(cè)的加熱的合成氣；一個第二管道，該第二管道被連接為用于將來自該熱裂解單元的一個出口的合成氣傳送到一個熱交換器的熱側(cè)；一個第二氧化劑供應系統(tǒng)，該第二氧化劑供應系統(tǒng)被配置為用于將空氣或另一種氧化劑供應到該熱裂解單元之中；以及一個處理單元，該處理單元被連接為用于接收該合成氣并包括以下各項中的一個或多個一個存儲罐、一個燃燒器、一個發(fā)動機、一個染料電池，以及一個化學處理單元，該化學處理單元被配置為用于將合成氣加工成一種合成燃料。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的一種裝置，其中該熱裂解單元包括一個等離子體焰炬，該等離子體焰炬是可操作的以便將該熱裂解單元中的合成氣加熱。
53.多種方法，包括任何新的、有用的以及創(chuàng)造性步驟、行為、如在此描述的多個步驟和/或多個行為的組合或多個步驟和/或多個行為的亞組合。
54.一種裝置，包括任何新的、有用的創(chuàng)造性特征，如在此描述的多個特征的組合或多個特征的亞組合。
全文摘要
將生物質(zhì)氣化來生成合成氣。使合成氣經(jīng)受熱裂解。將來自離開一個熱裂解階段的合成氣的熱量傳遞到進入該裂解階段的合成氣中。生物質(zhì)氣化裝置可以包括一個熱路徑，該熱路徑被連接為用于將來自一個熱裂解過程的出口的熱量傳遞到該熱裂解過程的一個入口。能量效率得到提高。合成氣可以被用作發(fā)動機或燃料電池的燃料，被燃燒以產(chǎn)生熱量、或被加工成一種燃料。
文檔編號C10J1/213GK102165046SQ200980145970
公開日2011年8月24日 申請日期2009年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者C·L·B·穆伊, D·斯帕瑞卡, H·范德格瑞恩特, Y·李 申請人:奈科斯特瑞系統(tǒng)公司