用于含碳物質(zhì)氣化中焦油降低的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于從含碳物質(zhì)的氣化生產(chǎn)基本上無焦油的產(chǎn)物氣體的方法和組件。該組件優(yōu)選包括第一階段氣化器，以生產(chǎn)負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體；和第二階段氣化器，其具有炭灰加熱區(qū)域、至少一個旋風(fēng)分離器和至少一個豎管，用于允許炭灰選擇性的傳遞至炭灰加熱區(qū)域。利用炭灰氧化的炭灰加熱區(qū)域是優(yōu)選的，并且這產(chǎn)生轉(zhuǎn)化焦油所需的熱、額外的產(chǎn)物氣體收率以及有利于立管中焦油轉(zhuǎn)化的氧化的、活化的碳表面，從而降低了實現(xiàn)期望的焦油轉(zhuǎn)化所需的溫度?？蛇x地，外部熱被供給至加熱區(qū)域。
【專利說明】用于含碳物質(zhì)氣化中焦油降低的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及用于將含碳物質(zhì)諸如生物質(zhì)、廢棄物、煤、有機材料等轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物氣體的方法和裝置的領(lǐng)域，所述產(chǎn)物氣體是爐煤氣或者合成氣之一，所述爐煤氣通常得自吹空氣氣化，所述合成氣通常得自間接氣化或者吹氧氣氣化，所述產(chǎn)物氣體基本上不含焦油或焦油形成化合物，并且其中增加了碳轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物氣體收率。
[0002]背景
[0003]當(dāng)在氣化過程期間加熱含碳物質(zhì)時，不同分子量的氣態(tài)物質(zhì)作為產(chǎn)物氣體釋放。數(shù)十年來，通過可再生資源的氣化來生產(chǎn)產(chǎn)物氣體已經(jīng)成為研究者的焦點。對于該目的，含碳物質(zhì)包括但不限于生物質(zhì)、廢物、煤等。
[0004]如本文所用的產(chǎn)物氣體是氫氣(H2)、一氧化碳(CO)和其它可燃和不可燃氣體的混合物，然而氫氣和一氧化碳濃度被最大化，并且可以被認為是燃料氣體，其中其通常直接作為燃料燃燒以產(chǎn)生熱和/或電能，或者可被認為是用于多種用途諸如液體燃料、化學(xué)品或其它材料的合成的中間體。
[0005]產(chǎn)物氣體中分子量大于苯(MW = 78)的含碳物質(zhì)通常分類為焦油。作為最初產(chǎn)生的，這焦油是反應(yīng)性的或有問題的，這是由于它們中的包括但不限于下述的化學(xué)官能團:任意組合的羥基、醛、酮、羧酸、鏈烯、炔、雜環(huán)結(jié)構(gòu)，這可使它們聚合并由此引起堵塞，形成焦炭或其它固體沉淀，造成設(shè)備終止運轉(zhuǎn)，或具有其它有害作用。這些反應(yīng)性或有問題的焦油在產(chǎn)物氣體中的存在已經(jīng)困擾著大多數(shù)氣化項目并且已經(jīng)成為氣化的致命傷。
[0006]含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物氣體的資本需求是大量的，并且可利用的方法和設(shè)備在生產(chǎn)效率和易操作性與維護方面仍有許多不盡如人意的地方。盡管氣化方法已經(jīng)實行了幾十年，并且已經(jīng)發(fā)明了許多許多的氣化器設(shè)計，但是不存在這樣的氣化器，所述氣化器能以商業(yè)規(guī)模產(chǎn)生不含焦油的產(chǎn)物氣體，這對于將含碳物質(zhì)經(jīng)濟上引人注目地轉(zhuǎn)化成液體燃料、電能或化學(xué)品是合適的。
[0007]需要的是這樣的方法和裝置，所述方法和裝置在很大程度上進行焦油轉(zhuǎn)化，將增加產(chǎn)物氣體產(chǎn)生，并將增加碳轉(zhuǎn)化，并可在將防止炭灰顆粒熔化、渣化、熔結(jié)或聚集的條件下如此進行，并且可以以經(jīng)濟上可行的規(guī)模和成本建設(shè)。如本文所用，“焦油轉(zhuǎn)化”或“焦油的轉(zhuǎn)化”是指焦油物質(zhì)內(nèi)化學(xué)官能團的去除、修飾或轉(zhuǎn)化，包括但不限于:脫氧、氫化、重整、裂化、解聚或其它化學(xué)反應(yīng)，這產(chǎn)生問題性較少的焦油物質(zhì)和/或較低分子量物質(zhì)，包括諸如H2和/或CO的氣體。
[0008]如本令頁域已知，Ziad Abu El-Rub, B1mass Char as an In-situCatalystfor Tar Removal in Gasificat1n Systems,PhD thesis dissertat1n,TwenteUniversity, Enschede, The Netherlands, March 2008，炭灰(也稱為生物炭、炭、飛灰或簡單地灰)可被用作轉(zhuǎn)化含碳物質(zhì)氣化中產(chǎn)生的焦油的催化劑。期望的是部分氧化炭灰中殘留的碳，同時避免氧化產(chǎn)物氣體中的氫或其它有價值的組分而在產(chǎn)物氣體中產(chǎn)生另外的CO，產(chǎn)生足夠的熱以支持/允許吸熱性焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)，增強或提高用于焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)的炭灰的催化活性，以及最大化碳轉(zhuǎn)化同時那個允許較小的反應(yīng)體積或降低的反應(yīng)器溫度，這均導(dǎo)致較低的成本和更強大的操作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的第一目的是增加產(chǎn)物氣體收率；
[0010]本發(fā)明的第二目的是增加炭灰表面的活化以便增加其催化活性；
[0011]本發(fā)明的第三目的是“停留(攔截，hold up)”炭灰以增加過程中炭灰與產(chǎn)物氣體的比例并且增加產(chǎn)物氣體和炭灰接觸；
[0012]本發(fā)明的第四目的是提供焦油轉(zhuǎn)化所需的熱而不引發(fā)或需要產(chǎn)物氣體的氧化；
[0013]第五目的是在有利于該反應(yīng)的條件下并且在導(dǎo)致產(chǎn)物氣體收率增加的條件下轉(zhuǎn)化焦油；
[0014]本發(fā)明的第六目的是通過提供過量的炭灰和炭灰部分氧化的多個機會，增加碳轉(zhuǎn)化但同時控制碳部分氧化期間的溫度；和
[0015]本發(fā)明的第七目的是利用包括空氣、富氧空氣(空氣和氧的混合物)或純氧在內(nèi)的多個氧氣源中的任何一種與不同量的蒸汽、二氧化碳或其它氣體作為反應(yīng)組分和/或壓載。
[0016]本發(fā)明的第八目的是在負載焦油的產(chǎn)物氣體在低炭灰濃度的環(huán)境中初始產(chǎn)生后減少其停留時間以防止焦油的反應(yīng)，其能形成較高分子量的耐火焦油。
[0017]本發(fā)明包括用于轉(zhuǎn)化焦油和增加產(chǎn)物氣體生產(chǎn)效率的方法。本發(fā)明提供為了進行焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從產(chǎn)物氣體分離然后停留(攔截)炭灰的手段。本發(fā)明還提供通過部分氧化淘析的炭灰以增加所產(chǎn)生的CO量同時防止來自產(chǎn)物氣體的氫氣或其它期望氣體的燃燒，從而增加產(chǎn)物氣體收率的手段。
[0018]存在生產(chǎn)產(chǎn)物氣體的許多其他方法，并且氣化器發(fā)明幾乎和所建設(shè)的氣化器數(shù)量那么多。氣化器可通常通過熱如何應(yīng)用于該過程進行分類——直接或間接。直接氣化器的實例包括固定床、流化床或夾帶流(entrained flow)。間接氣化器的實例包括等離子體或間接式(al1thermal)。
[0019]間接式體系依賴于炭灰在與氣化反應(yīng)發(fā)生之處分開的反應(yīng)器中燃燒，以便產(chǎn)生熱。該熱然后經(jīng)由某些傳熱介質(zhì)(通常為顆粒狀固體諸如砂或顆粒狀催化劑材料)循環(huán)回到氣化器，并且炭灰和來自炭灰燃燒的煙道氣被從燃燒反應(yīng)器中去除。通過利用間接式反應(yīng)且不允許炭灰以任何大程度接觸產(chǎn)物氣體，這些方法不能利用炭灰的催化作用以及作為結(jié)果的產(chǎn)物氣體生產(chǎn)增加。等離子體系統(tǒng)依賴于電形成等離子體電弧——其提供使氣體揮發(fā)所需的能量——并且使氣態(tài)混合物升高至將所有氣體還原至低分子量的溫度。盡管許多等離子體氣化器能產(chǎn)生具有低焦油含量的產(chǎn)物氣體，但是它們經(jīng)歷非常低的熱力學(xué)效率，難于擴大規(guī)模，并且通常非常昂貴。
[0020]直接氣化器也不能在沒有相應(yīng)地破壞產(chǎn)物氣體或產(chǎn)生會導(dǎo)致先前描述的灰熔化問題的高溫區(qū)域的情況下利用炭灰的催化作用，除非，如本發(fā)明說明書中所提供的，提供將炭灰與合成氣分開的區(qū)域，其中炭灰的部分氧化能在不同時燃燒產(chǎn)物氣體的情況下發(fā)生。
[0021]在直接氣化器中處理焦油的方法通常利用熱轉(zhuǎn)化焦油的高溫和/或去除焦油的洗滌器/吸收器/冷凝器等。高溫可造成灰組分的熔化或軟化并且這可造成渣化和/或聚集，這轉(zhuǎn)而要求維護和/或去除聚集體的特定處理以便保持反應(yīng)器生產(chǎn)產(chǎn)物氣體的能力。
[0022]例如，倒風(fēng)氣化器采用高溫和炭灰停留以利用炭灰的催化作用來減少焦油。倒風(fēng)氣化器由于該作用作為低焦油產(chǎn)生的氣化器為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知。然而，這些固定床氣化器的問題是它們不能擴大規(guī)模至非常大的尺寸或大生產(chǎn)量的裝置，因為炭灰的固定床可形成能夠引起炭灰床繞行、炭灰流動停止或其它問題的優(yōu)先流動模式(被稱為溝道效應(yīng)或鉆鼠洞)。
[0023]采用基于液體的從產(chǎn)物氣體洗滌焦油的氣化器系統(tǒng)經(jīng)歷熱力學(xué)效率損失，可產(chǎn)生廢水流，可以有害化合物污染設(shè)備，并且需要額外的、昂貴的且能量密集型裝置操作以達到低焦油濃度。
[0024]本發(fā)明的方法解決了其它方法的缺點。本發(fā)明包括將氣化的第一階段與焦油轉(zhuǎn)化和炭灰加熱的第二階段分開。炭灰顆粒從氣化的第一階段淘析。這些顆粒最優(yōu)選地被細分并且處于能使它們從第一階段移動至第二階段的尺寸范圍。通過避免較大顆粒的炭灰，提高了炭灰的催化作用，這是因為降低了擴散作用——這預(yù)期為較大顆粒所具有并且通常對反應(yīng)速度具有限制。該方法任選地利用外部或內(nèi)部熱源來提供轉(zhuǎn)化焦油所需的熱。如本文所用，“外部”熱源是指除了在炭灰或產(chǎn)物氣體中可利用的化學(xué)能量之外的能量來源，包括但不限于電、電磁輻射、炭灰加熱區(qū)域邊緣內(nèi)部或外部燃料的燃燒、熱流體等等。提供內(nèi)部熱源的一個具體方法是部分氧化加熱區(qū)域中的炭灰，所述加熱區(qū)域在該方法中為炭灰富集、產(chǎn)物氣體貧瘠的區(qū)域。這種控制的炭灰氧化提供了焦油轉(zhuǎn)化所需的熱，同時增加了 CO產(chǎn)生并防止來自產(chǎn)物氣體的氫氣或其他期望組分的燃燒，由此導(dǎo)致產(chǎn)物氣體收率增加。在該具體方法中，建立分開的炭灰富集區(qū)域是必要的，因為否則的話產(chǎn)物氣體將傾向于首先并且較大程度地氧化，這是由于與炭灰中固體碳燃燒相比氣體燃燒所具有較快的動力學(xué)。
[0025]本發(fā)明包括但不限于兩個氣化階段，將第一階段負載焦油并且負載炭灰的氣化產(chǎn)物氣體傳遞至第二氣化階段，其中在第二氣化階段提供給焦油足夠的空間、與炭灰接觸、由于炭灰停留而發(fā)生的產(chǎn)物氣體中炭灰轉(zhuǎn)化的時間和溫度、和所得的可能較高的炭灰/產(chǎn)物氣體比例。第二氣化階段可包括一個或多個區(qū)域:一個或多個焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域，其中高炭灰/產(chǎn)物氣體比例用于轉(zhuǎn)化焦油，和任選地一個或多個炭灰加熱區(qū)域，其中炭灰經(jīng)歷經(jīng)由內(nèi)部或外部熱源的加熱。
[0026]在利用炭灰加熱區(qū)域(一個或多個)的方法的實施方式中，炭灰氧化可被用作內(nèi)部熱源。在這種情況下，在炭灰加熱區(qū)域部分氧化炭灰，這產(chǎn)生熱并且活化炭灰顆粒表面上的碳。氧化的碳表面預(yù)期具有顯著大于還原狀態(tài)下碳表面所預(yù)期的焦油轉(zhuǎn)化活性，尤其對于轉(zhuǎn)化最成問題的耐火焦油，諸如多芳族烴，包括萘、蒽、暈苯等等。碳表面作為所吸附的氧的位點并且因此可充當(dāng)氧轉(zhuǎn)移催化劑，其也可增加焦油轉(zhuǎn)化相對于CO或H2氣相氧化的選擇性，這是由于重質(zhì)焦油的固相吸附特性相比輕質(zhì)氣體是優(yōu)選的。這種氧吸附作用也可顯著降低焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域中所需的溫度以實現(xiàn)期望的焦油轉(zhuǎn)化。
[0027]熱的、活化的炭灰和包含焦油的產(chǎn)物氣體在焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域(一個或多個)中接觸，其允許焦油轉(zhuǎn)化發(fā)生在炭灰的表面上。無焦油的產(chǎn)物氣體通過旋風(fēng)分離器與炭灰分離，其中大部分炭灰被傳遞回到炭灰氧化區(qū)域，并且產(chǎn)物氣體離開反應(yīng)器。
[0028]在利用在炭灰加熱區(qū)域中炭灰氧化的方法中，炭灰加熱區(qū)域中的溫度保持在將導(dǎo)致灰熔化或渣化的溫度閾值之下。焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域(一個或多個)中的炭灰循環(huán)率應(yīng)當(dāng)被最大化。焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域(一個或多個)中較高的炭灰/氣體比例降低了實現(xiàn)有利的焦油轉(zhuǎn)化率所需的溫度。最大化炭灰循環(huán)率增加了炭灰氧化區(qū)域中炭灰與氧的比例，從而增加了 CO相對于炭灰氧化區(qū)域中產(chǎn)生的二氧化碳的收率。另外，最大化炭灰循環(huán)率增加了整個炭灰加熱區(qū)域中質(zhì)量速率，其增加了炭灰與進來的產(chǎn)物氣體的比例并且因而降低了達到焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域中的期望溫度所需的炭灰加熱區(qū)域溫度。
[0029]該方法可通過幾種可選裝置組件實現(xiàn)。最簡單地，第一實施方式包括與第一階段氣化器分開的第二反應(yīng)器，僅具有焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域。來自分開的第一階段氣化器的產(chǎn)物氣體和產(chǎn)物氣體中懸浮的炭灰進入炭灰加熱區(qū)域和第二反應(yīng)器中的焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域的底部；炭灰在離開第二反應(yīng)器后在單個或一系列旋風(fēng)分離器中與產(chǎn)物氣體分開；炭灰返回到焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域并且產(chǎn)物氣體離開反應(yīng)器。
[0030]另一實施方式包括與第一階段氣化器分開的第二反應(yīng)器，所述第二反應(yīng)器具有炭灰加熱區(qū)域和焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域。來自分開的第一階段氣化器的產(chǎn)物氣體和產(chǎn)物氣體中懸浮的炭灰進入第二反應(yīng)器中焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域的底部；炭灰在離開第二反應(yīng)器后在單個或一系列的旋風(fēng)分離器中與產(chǎn)物氣體分開；炭灰通過至少一個豎管返回到炭灰加熱區(qū)域，用于通過外部熱源加熱至期望的出口溫度。這提供了驅(qū)動焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域中的吸熱式焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)的熱。
[0031]另一實施方式包括與第一階段氣化器分開的第二反應(yīng)器，具有炭灰加熱區(qū)域和焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域。來自分開的氣化器的產(chǎn)物氣體和產(chǎn)物氣體中懸浮的炭灰進入第二反應(yīng)器中焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域的底部；炭灰在離開第二反應(yīng)器后在單個或一系列的旋風(fēng)分離器中與產(chǎn)物氣體分開；炭灰通過至少一個豎管返回到炭灰加熱區(qū)域，此處引入了氧化劑，并且炭灰被部分氧化至目標(biāo)出口溫度，而在氣體中沒有氧氣離開炭灰氧化區(qū)域。這提供了熱以驅(qū)動焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域中的吸熱式焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)。部分氧化留下炭灰表面處于活化狀態(tài)并且因此提高了用于焦油轉(zhuǎn)化的催化活性。
[0032]另一布置采用了分開的豎管，其中下部傳遞炭灰至炭灰加熱區(qū)域。上部以層流方式運行，并且大部分夾帶于炭灰固體的產(chǎn)物氣體因此返回到焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域，所以較少夾帶的產(chǎn)物氣體被傳遞至炭灰加熱區(qū)域。炭灰加熱區(qū)域能以溢流鼓泡流化床、快速流化床或夾帶流方式操作。
[0033]仍又一實施方式利用了一系列旋風(fēng)分離器。第一旋風(fēng)分離器或第一系列的旋風(fēng)分離器通過位于反應(yīng)器內(nèi)部的豎管或一系列豎管使炭灰循環(huán)回到焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域，并且第二旋風(fēng)分離器一其可以在反應(yīng)器內(nèi)部或外部一使炭灰循環(huán)回到炭灰加熱區(qū)域。該布置優(yōu)先將低碳含量的炭灰傳遞至炭灰加熱區(qū)域并且可導(dǎo)致提高的總碳轉(zhuǎn)化。
[0034]在另一實施方式中，單容器容納氣化的兩個階段(兩個反應(yīng)器)。該布置將第一階段氣化器布置在炭灰加熱區(qū)域的下方。炭灰加熱區(qū)域包括其中的溢流豎管，用于使任何夾帶的床介質(zhì)(通常但不限于砂、石灰石、白云石、橄欖石、氧化鋁、碳化硅或其他顆粒固體)返回到第一階段氣化器。來自第一階段氣化器的產(chǎn)物氣體及焦油和炭灰經(jīng)由將它們傳遞至焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域的產(chǎn)物氣體轉(zhuǎn)移管繞行炭灰加熱區(qū)域。在焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域的頂部，存在內(nèi)部旋風(fēng)分離器和豎管(炭灰豎管)，用于將炭灰傳遞回到炭灰加熱區(qū)域，其以溢流鼓泡流化床方式操作。炭灰在炭灰豎管出口與炭灰夾帶的產(chǎn)物氣體分開，這允許夾帶的產(chǎn)物氣體沿焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域向上行進返回到旋風(fēng)分離器入口，并且允許炭灰返回到氧化區(qū)域。炭灰氧化區(qū)域可以鼓泡、湍流或快速流化、或夾帶流方式操作。來自第一階段氣化器的產(chǎn)物氣體與來自炭灰加熱區(qū)域的產(chǎn)物氣體摻合；炭灰加熱區(qū)域當(dāng)運行以引起炭灰部分氧化時提供焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域內(nèi)發(fā)生的焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)所必需的熱和活化的炭灰催化劑。該實施方式提供比前述實施方式更寬范圍的可擴展性，并且能修改以增加容器直徑而未對良好流分布產(chǎn)生損害。第一反應(yīng)器中提供的較小較短的自由空間或較小的體積可用在該實施方式或其它實施方式中，這進而允許更多的容器體積用(applied或者utilized)于轉(zhuǎn)化。這可降低容器制造成本,而且可以給在低炭灰/產(chǎn)物氣體比例環(huán)境中存在的產(chǎn)物氣體提供更少的停留時間，這可降低較不耐火焦油熟化成較耐火焦油的程度。
[0035]還存在其它改進和實施方式。例如但不是為了限制，下列改進和實施方式可被認為在本發(fā)明的范圍內(nèi):可使用鍛造部分，以調(diào)節(jié)直徑，實現(xiàn)該方法流化床、立管、豎管或其他部分中期望的停留時間和固體停留。換熱器可被加入以從下列去除熱或傳熱至下列:焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域、豎管、炭灰加熱區(qū)域、或系統(tǒng)的其他部分，其可具有用于啟動、關(guān)閉的應(yīng)用、或用于提高選擇性、轉(zhuǎn)化率或保護構(gòu)造的冶金學(xué)或材料的操作條件。容器殼或內(nèi)部構(gòu)件的構(gòu)造材料的變化和耐火設(shè)計的變化也是可能的，并且可包括提高或降低熱傳遞，減少侵蝕、腐蝕的改善，或提供其他容器外殼保護或內(nèi)部結(jié)構(gòu)保護?？梢圆捎脤⑽談?、礦物或其他催化劑加入到該方法中以提高焦油轉(zhuǎn)化或?qū)崿F(xiàn)該方法的穩(wěn)定性或選擇性?？梢钥紤]將化學(xué)品(諸如但不限于硫)加入到原料，以便提高內(nèi)部構(gòu)件的冶金學(xué)壽命或增加炭灰的催化活性。充當(dāng)過程污染物捕獲物的液體、固體或氣態(tài)吸收劑可用于解決重金屬、有毒金屬、鹵化物或其他不期望物質(zhì)的存在。最后，內(nèi)部構(gòu)件可被加入到立管部分或者反應(yīng)器可被顛倒，從而焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域以向下流動模式操作，以便通過增加固體停留、湍流或通過減少氣體/固體分離作用而增加氣體/固體接觸和/或流動分布。許多這些變化可以被使用，如在 Wen-Chin Yang, Handbook of Fluidizat1n and Fluid-Particle Systems, CRCPress,2003 和 / 或 Fluidizat1n engineering, Chemical Engineering Series, DaizoKunii, Octave Levenspiel, Edit1n 2，Publisher Butterworth-Heinemann, 1991,ISBN0409902330, 9780409902334 中所述。
[0036]這些或其它考慮可以與本發(fā)明組合使用或者用作對本發(fā)明的加強。
[0037]從下列描述中將容易理解本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點。該描述參考了附圖，所述附圖被提供用于闡述優(yōu)選的實施方式。然而這樣的實施方式不代表本發(fā)明的全部范圍。在所附的權(quán)利要求書中具體指出并且清楚地要求保護本發(fā)明人當(dāng)作其發(fā)明的主題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是現(xiàn)有技術(shù)氣化組件；
[0039]圖2是本發(fā)明的實施方式，其包括焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域、外部旋風(fēng)分離器和在與第一階段氣化器分開的反應(yīng)器容器中的豎管；
[0040]圖3是本發(fā)明的實施方式，其包括焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域、外部旋風(fēng)分離器和分開的豎管；
[0041]圖4是本發(fā)明的實施方式，其包括焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域、至少一個內(nèi)部旋風(fēng)分離器和相關(guān)的豎管(一個或多個)、以及外部旋風(fēng)分離器和分開的反應(yīng)器容器中相關(guān)的豎管；和
[0042]圖5是本發(fā)明的實施方式，其包括單容器，其中發(fā)生第一階段氣化和第二階段焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)兩者。
[0043]發(fā)明詳述
[0044]現(xiàn)有技術(shù)氣化組件可包括一種或多種氣化方法。作為實例，圖1顯示一種裝置，其包括容器1012，所述容器1012包括炭灰1020被部分氧化的炭灰氧化區(qū)域1014和具有出口 1028的焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域1016。所述出口 1028被流體連接至旋風(fēng)分離器1022，所述旋風(fēng)分離器1022用于將顆粒與氣體分離，其氣體然后被收集。分離的顆粒物然后被丟棄或者可以送至炭灰氧化區(qū)域下方的床。這種性質(zhì)的氣化器被公開和描述在如下列這樣的文本中:Handbook of B1mass Gasificat1n, edited by H.A.M.Knoef, BTGB1mass Technology Group, Krukkerij Giethoorn ten Brink, Meppel,theNetherlands, 2005, ISBN 90-810068-1-9 ；Combust1n and Gasificat1n in FluidizedBeds, Prabir Basu, CRC Press,2006, ISBN 0-8493-3396-2 ；和 B1renewableResources Engineering new Products from Agriculture, Robert Brown, 1wa StatePress, 2003，ISBN0-8138-2263-7。
[0045]本發(fā)明包括氣化含碳物質(zhì)的方法，其包括兩個氣化階段。來自第一階段的產(chǎn)物氣體和炭灰被傳遞至第二階段，在那里其與離開炭灰氧化區(qū)域或炭灰加熱區(qū)域的熱炭灰流混合，所述炭灰氧化區(qū)域提供熱和具有活化碳表面的炭灰，所述炭灰加熱區(qū)域提供熱。這增加了充分焦油轉(zhuǎn)化所需的催化作用，減少了 CO和H2的氧化——導(dǎo)致增加的產(chǎn)物氣體收率，并且降低了期望焦油轉(zhuǎn)化所需的溫度。該方法還可包括任何前述加強。
[0046]各種裝置組件可以被利用。圖2中顯示的這種組件的第一實施方式包括第一階段氣化器容器210和分開的容器212，其中所述分開的容器212進一步包括炭灰氧化區(qū)域214，其中炭灰220用氧化劑238 (諸如但不限于空氣、富氧(空氣和氧氣混合物)、或任何含氧氣的氣體)部分氧化；和立管，其包括具有出口 228的焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域216。所述出口 228被流體連接至旋風(fēng)分離器22，所述旋風(fēng)分離器22進而流體連接至豎管218，所述豎管218具有第一端218a和第二端218b。第二端218b與分開的容器212的炭灰氧化區(qū)域214流體連通。來自第一階段氣化器容器210的負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體234進入炭灰氧化區(qū)域214上方分開的容器212。炭灰220在炭灰氧化區(qū)域214中被部分氧化，然后接觸引入的負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體234。兩者沿分開的容器212向上前進至出口 228至旋風(fēng)分離器222，在那里負載炭灰、無焦油的產(chǎn)物氣體238離開，而分離的炭灰220通過豎管218返回到炭灰氧化區(qū)域214。當(dāng)負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體234和部分氧化的炭灰220存在于焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域216時，焦油通過炭灰220的催化作用轉(zhuǎn)化成低分子量的產(chǎn)物氣體產(chǎn)品。所述條件使得選擇了焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)而不是CO或H2的氣相氧化，由此導(dǎo)致較高收率的無焦油的產(chǎn)物氣體238。
[0047]圖3中顯示的第二實施方式包括第一階段氣化器容器310、分開的容器312、炭灰氧化區(qū)域314、具有出口 328的焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域316，所述出口 328連接至旋風(fēng)分離器322，所述旋風(fēng)分離器322進而流體連接至豎管318。這里，豎管318被分開以包括上腿330和下腿332。上腿330以如上腿330上方的豎管318的剩余部分一樣層流操作，但是下腿332以蠕動(stick-slip)或填充床流動方式操作。分開的豎管的作用318是降低傳遞至炭灰加熱區(qū)域314的夾帶產(chǎn)物氣體的量，這是因為大部分沿豎管318向下走的夾帶產(chǎn)物氣體將移動通過上腿330并繞行炭灰加熱區(qū)域314并且代替地在焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域316中傳遞至分開的容器312，并且在其中炭灰被部分氧化的另一實施方式中，避免了與炭灰加熱區(qū)域314中的氧化劑338接觸。
[0048]圖4中的第三實施方式包括氣化器容器410、分開的容器412、炭灰加熱區(qū)域414、立管一包括具有出口 428的焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域416—和第一階段旋風(fēng)分離器或多個第一階段旋風(fēng)分離器440。所述出口 428和分開的容器412外部的第二階段旋風(fēng)分離器430與豎管418流體相關(guān)。豎管418使炭灰20返回到炭灰加熱區(qū)域414。負載炭灰、無焦油的產(chǎn)物氣體436被允許在出口 428從焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域416離開。所述第一階段旋風(fēng)分離器或多個第一階段旋風(fēng)分離器440每個都包括經(jīng)由炭灰豎管445的固體出口、和流體連接至出口 428的氣體出口。各所述豎管445包括出口 445a，所述出口 445a為大部分炭灰20與也沿豎管445向下流動的任何夾帶的負載炭灰、無焦油的產(chǎn)物氣體436分開提供足夠的空間，從而夾帶的負載炭灰、無焦油的產(chǎn)物氣體36被允許沿焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域416向上返回并且一些炭灰20可混合到炭灰加熱區(qū)域414。豎管445使炭灰20循環(huán)返回到焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域416的下部但在炭灰加熱區(qū)域414上方。第二階段旋風(fēng)分離器430有助于提供提高的炭灰20捕獲效率。由于第二階段旋風(fēng)分離器430中較低的固體負載，第二階段豎管418中夾帶的負載炭灰、無焦油的產(chǎn)物氣體436的量被減少，從而該豎管可以填充床或蠕動方式操作，降低了進入炭灰加熱區(qū)域414的產(chǎn)物氣體436的量。負載炭灰、無焦油的產(chǎn)物氣體436在產(chǎn)物氣體出口 424尚開系統(tǒng)。
[0049]圖5中的第四實施方式包括單個容器512，所述單個容器512具有第一階段氣化器510、炭灰加熱區(qū)域514——其中炭灰用氧化劑538部分氧化——和焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域516——其中發(fā)生焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)。該實施方式通過放置兩種分開類型的豎管而實現(xiàn)，兩種分開類型的豎管為炭灰20返回到加熱區(qū)域，來自第一階段氣化器510的產(chǎn)物氣體34轉(zhuǎn)移通過然后繞行炭灰加熱區(qū)域514以及夾帶的床介質(zhì)返回到第一階段氣化器510的致密相提供手段。具體地，容器512進一步包括一個或一系列旋風(fēng)分離器540。各所述旋風(fēng)分離器包括負載炭灰、無焦油的產(chǎn)物氣體36出口，其流體連接至容器氣體出口 528和豎管(一個或多個)545，以允許炭灰20傳輸?shù)教炕已趸瘏^(qū)域514。在豎管(一個或多個)545的出口，夾帶的產(chǎn)物氣體36被允許與炭灰20分開，而通過焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域516上升返回。來自豎管(一個或多個)545的炭灰20與炭灰氧化區(qū)域514中的炭灰20混合。容器512還包括至少一個或多個床介質(zhì)豎管550，用于使任何夾帶的床介質(zhì)返回到第一階段氣化器510。容器進一步包括至少一個或多個產(chǎn)物氣體轉(zhuǎn)移管560，用于允許負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體34從第一階段氣化器510直接傳遞到焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域516，繞行炭灰氧化區(qū)域514。
[0050]因此，本發(fā)明已經(jīng)以例證的方式進行描述。要理解的是已經(jīng)使用的術(shù)語意欲為描述性詞語的性質(zhì)而不是限制性的。鑒于上述教導(dǎo)，本發(fā)明的許多改進和變化是可能的。因此，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以具體描述之外的方式實施。
【權(quán)利要求】
1.用于通過含碳物質(zhì)氣化生產(chǎn)基本上不含焦油的產(chǎn)物氣體的方法，其中所述方法包括:在第一氣化階段生產(chǎn)負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體，和將所述負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體傳輸至第二氣化階段，其中至少一部分所述焦油被轉(zhuǎn)化成較少問題的焦油。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二氣化階段包括所述炭灰的加熱。
3.權(quán)利要求2所述的第二氣化階段，其中所述炭灰的加熱包括部分氧化以產(chǎn)生熱、額外的產(chǎn)物氣體和活化的炭灰。
4.權(quán)利要求3所述的方法，其中所述部分氧化增加炭灰對于所述焦油轉(zhuǎn)化的催化作用。
5.權(quán)利要求3所述的方法，其包括有利于焦油轉(zhuǎn)化的條件并且炭灰的部分氧化導(dǎo)致產(chǎn)物氣體生產(chǎn)增加。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少一部分焦油的轉(zhuǎn)化包括轉(zhuǎn)化成較少問題的焦油以減少選自下列的至少一種效應(yīng):聚集、焦炭形成、堵塞、焦油冷凝和焦油聚合。
7.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述產(chǎn)物氣體和所述炭灰在所述炭灰在第二階段氣化中加熱之前被基本上分開。
8.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述有利于焦油轉(zhuǎn)化的條件包括適當(dāng)?shù)臒岷徒佑|時間，以使至少一部分所述炭灰表面變成活化的并且能更好地催化焦油轉(zhuǎn)化。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其包括用于增加基本上無焦油的產(chǎn)物氣體的生產(chǎn)的組件，所述組件包括第一階段氣化器，以產(chǎn)生負載焦油的產(chǎn)物氣體和炭灰；第二階段氣化器，其具有炭灰加熱區(qū)域、至少一個旋風(fēng)分離器和至少一個豎管，用于允許炭灰選擇性地傳遞至炭灰加熱區(qū)域并且允許所述產(chǎn)物氣體離開。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其中所述組件以單個容器存在。
11.權(quán)利要求1所述的方法，其包括用于增加基本上無焦油的產(chǎn)物氣體的生產(chǎn)的組件，所述組件包括第一階段氣化器，以生產(chǎn)產(chǎn)物氣體和炭灰；第二階段氣化器，其具有炭灰加熱區(qū)域、供應(yīng)外部熱給所述炭灰加熱區(qū)域的手段、至少一個旋風(fēng)分離器和至少一個豎管，用于允許炭灰選擇性地傳遞至所述加熱區(qū)域并且允許所述產(chǎn)物氣體離開。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中供應(yīng)外部熱的手段包括選自下列的至少一種:電、電磁輻射、所述加熱區(qū)域內(nèi)部燃料的燃燒、所述加熱區(qū)域外部燃料的燃燒和熱流體。
13.組件，所述組件用于從含碳物質(zhì)的氣化生產(chǎn)基本上不含焦油的產(chǎn)物氣體，所述組件包括第一階段氣化器，用于生產(chǎn)負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體；和第二階段氣化器，用于將焦油轉(zhuǎn)化成較少問題的焦油。
14.權(quán)利要求13所述的組件，其中所述第二階段氣化器通過部分氧化和氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)化炭灰，其提供熱以驅(qū)動焦油的轉(zhuǎn)化。
15.組件，所述組件用于增加含碳物質(zhì)中碳的轉(zhuǎn)化，所述組件包括第一階段氣化器，用于生產(chǎn)負載炭灰顆粒和焦油的產(chǎn)物氣體；和第二階段氣化器，用于將至少一部分所述焦油轉(zhuǎn)化成較少問題的焦油并且部分氧化和氣化所述炭灰，從而增加所述碳轉(zhuǎn)化并且提供所述焦油轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱。
16.權(quán)利要求15所述的組件，其進一步包括炭灰氧化區(qū)域；和用于從所述第二階段氣化器接受所述產(chǎn)物氣體和炭灰的至少一個旋風(fēng)分離器；以及至少一個豎管，其中各所述旋風(fēng)分離器將至少一些所述炭灰與所述產(chǎn)物氣體分離并且所述至少一個豎管將所述炭灰返回到所述炭灰氧化區(qū)域。
17.權(quán)利要求15所述的組件，其中所述第二階段氣化器包括炭灰氧化區(qū)域并且所述炭灰顆粒被選擇性地傳遞至所述炭灰氧化區(qū)域。
18.組件，所述組件用于將含碳物質(zhì)氣化以生產(chǎn)基本上無焦油的產(chǎn)物氣體，所述組件包括與第二階段氣化器流體連通的第一階段氣化器，其中所述第一階段氣化器包括鼓泡或循環(huán)流化床并且生產(chǎn)負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體，并且所述第二階段氣化器包括炭灰加熱區(qū)域并且從所述第一階段氣化器接受所述負載炭灰和焦油的產(chǎn)物氣體，用于將所述炭灰選擇性地遞送到所述炭灰加熱區(qū)域。
19.權(quán)利要求18所述的組件，其中所述第二階段氣化器進一步包括焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域；和至少一個旋風(fēng)分離器，用于將炭灰與產(chǎn)物氣體分離。
20.權(quán)利要求19所述的組件，其中所述焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域以選自循環(huán)流化床和夾帶流反應(yīng)器的模式操作。
21.權(quán)利要求18所述的組件，其中所述炭灰加熱區(qū)域中的所述炭灰變成部分氧化的，以包括用于催化焦油轉(zhuǎn)化的處于活化狀態(tài)的表面。
22.權(quán)利要求19所述的組件，其中所述焦油轉(zhuǎn)化區(qū)域包括將至少一部分所述焦油轉(zhuǎn)化成較少問題的焦油。
23.權(quán)利要求22所述的組件，其中所述較少問題的焦油包括選自下列的至少一種:低分子量焦油、脫氧焦油、氫化焦油、氫和一氧化碳。
24.權(quán)利要求20所述的組件，其進一步包括至少一個豎管，用于使所述炭灰返回到所述炭灰加熱區(qū)域，其中至少一個所述豎管與至少一個所述旋風(fēng)分離器的每個相聯(lián)。
25.權(quán)利要求18所述的組件，其中所述第一階段氣化器還包括床介質(zhì)并且所述第二氣化器包括至少一個床介質(zhì)豎管，用于使夾帶的床介質(zhì)返回到所述第一階段氣化器。
26.權(quán)利要求25所述的組件，其中所述床介質(zhì)選自下列的至少一種:限于該權(quán)利要求中的手段、砂、石英、石榴石或其它硅酸鹽、石灰石、白云石、橄欖石、氧化鋁、碳化硅和氮化硅。
27.權(quán)利要求18所述的組件，還包括至少一個產(chǎn)物氣體轉(zhuǎn)移管，用于允許產(chǎn)物氣體繞行所述炭灰加熱區(qū)域。
28.權(quán)利要求27所述的組件，其中所述第二階段氣化器還包括立管，其中所述至少一個產(chǎn)物氣體轉(zhuǎn)移管傳遞所述產(chǎn)物氣體至所述立管。
29.權(quán)利要求28所述的組件，其中所述第一階段氣化器還包括床介質(zhì)，并且所述第二階段氣化器包括至少一個床介質(zhì)豎管，用于使夾帶的床介質(zhì)返回到所述第一階段氣化器。
30.權(quán)利要求18所述的組件，其中所述第一階段氣化器和所述第二階段氣化器共享相同的容器。
31.權(quán)利要求18所述的組件，其中所述第一階段還包括床介質(zhì)，并且所述第二階段氣化器包括:至少一個床介質(zhì)豎管，用于使夾帶的床介質(zhì)返回到所述第一階段氣化器；至少一個產(chǎn)物氣體轉(zhuǎn)移管，用于允許產(chǎn)物氣體繞行所述炭灰加熱區(qū)域；和用于所述產(chǎn)物氣體的出口孔。
【文檔編號】C10J3/84GK104321414SQ201280073156
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2012年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月3日
【發(fā)明者】T.J.帕斯卡克, J.斯門克 申請人:鋒線生物能源有限責(zé)任公司