用於生產用於運行內燃機的合成氣體的方法和裝置與流程

2024-03-06 14:03:15

本發明涉及用於由有機固體燃料生產用於運行內燃機的合成氣體的方法和裝置，所述固體燃料在熱解反應器中在沒有氧引入的情況下分解成熱解產物，其中，接著所有熱解產物從所述熱解反應器中從下方引入給另外的反應器，其中，在所述另外的反應器中所產生的合成氣體從所述另外的反應器中取出作為產物氣體並且直接或間接引入給所述內燃機，並且其中，所述熱解反應器以至少一個用於輸送所述固體燃料的熱解蝸杆來運行。

背景技術：

例如由de102010012487a1已知這樣的方法以及相應的裝置。

為了能量轉變已知的是氣化固體燃料。為了運行相應的氣化設備，在此所使用的固體燃料、尤其在有機固體燃料的情況下的不同的性質已經被證明為關鍵的。這例如涉及焦油的形成或由焦油所產生的產物的純化、所使用的燃料的灰熔化特性、氣化過程中灰的產生和特性、雜質（störstoffe）如h2s、cos、nh3和hcn以及與焦油相關聯的灰塵的產生。

在熱地使用固體燃料時僅須考慮排放物極限值，而在燃氣渦輪機中使用所產生的合成氣體（例如以用於電流產生）方面的要求顯著較高。

例如在馬達驅動式的使用方面在所產生的合成氣體中的高焦油含量可能導致後置的燃氣發動機發生損傷。

雖然應用生物廢料如淤泥已出於環境保護和耐久性的原因而高度地被期望，但是正是在此對於通過氣化的應用而言產生特別的挑戰。

淤泥通常具有高的灰份額以及低的灰熔化溫度。因此例如由於灰熔點而通常不可能的是，設置有在固體燃料如淤泥的情況下在所述氣化設備中通過高溫來對焦油進行二次處理，以便避免在氣化期間不期望的殘渣形成。

在由wo2011/110138a1已知的、用於生產合成氣體的方法和所屬的裝置中使用植物油或柴油用於對焦油的合成氣體進行二次純化。在此描述用於由有機固體燃料生產用於運行內燃機的合成氣體的裝置，所述固體燃料在熱解反應器中在沒有氧引入的情況下分解成熱解油、熱解焦炭和熱解氣體，其中，接著將所述熱解油以及所述熱解焦炭引入給流化床反應器（wirbelschicht-reaktor），所述流化床反應器藉助於以高於所述流化床反應器的流化床的床料的最小鬆散速度的速度的空氣引入來流化，並且其中，在所述流化床反應器中所產生的合成氣體從所述流化床反應器中取出作為產物氣體並且直接或間接引入給所述內燃機。所述熱解氣體在使用之前以例如rme來洗滌。然而，這時而導致洗滌劑的皂化，一旦使用富鹼燃料的話。

此外在現有技術中嘗試，已經避免焦油的形成，來代替隨後去除焦油。為此例如在de102007012452a1和de102010018197a1提出，將熱解或熱分解前置於本來的氣化過程作為預氣化。然而在該處描述的過程尤其適用於具有低灰份額以及低灰密度（aschedichte）的燃料，因為灰塵作為飛灰離開所述反應器。

在wo02/004574a1中提出在使用對流固定床熱解情況下的方法。包含在熱解氣體中的焦油為了裂化而被導引通過熱焦炭床。在另一步驟中使所述焦炭在流化床中燃燒並且熱灰的一部分添加給焦炭床。然而需要水蒸氣產生器，由此整個過程變得更複雜並且成本更高。同樣，水蒸氣與焦油的必要的反應比與空氣的反應進行地明顯慢以及有時候進行得不完全。

在wo2010/015593a2中描述如下過程，在所述過程中，在與水蒸氣的異熱的第一氣化中在流化床中藉助於燃燒器將揮發性元素從燃料中除去並且在後置的過程中將來自所述第一過程的焦炭以自熱的方式進行氣化。來自所述過程的兩個氣體流被聚集在一起並且共同進一步被處理。雖然在此能夠較簡單地進行過程控制，然而需要蒸氣鍋和附加的燃燒器能量，以便將異熱的第一過程保持運轉。此外，未設置有最初的焦油減少，只要來自所述第一過程的氣體不能與空氣再反應和/或與焦炭床到達密集的（intensiven）接觸。

在已經引用的wo2011/110138a1中也提出兩階段過程。燃料在轉動管中被熱解，然後被分成焦炭和氣體並且所述焦炭在流化床中被氣化。該過程在技術上難以操作，因為在熱的側上需要進行氣體-固體物質分離。在該方法中從所述焦炭獲取的合成氣體應該接著又與熱解氣體混合。在此不利的是，必須非常準確地控制壓力比。另外的問題由筒或轉動管的使用來產生，因為所述筒或轉動管根據經驗不能承受住高壓。也不利的是，在該方法中所使用的排氣式通風機僅具有短的預期壽命。由於在所述裝置中的負壓此外導致空氣的輸入，由此可能產生不受控制的爆炸區。

由de102010012487a1已知開頭所限定的類型的、用於由有機固體燃料生產用於運行內燃機的合成氣體的方法和裝置，所述固體燃料在熱解反應器中在沒有氧引入的情況下分解成熱解產物，其中，接著將所有熱解產物從所述熱解反應器中從下方引入給設計為固定床反應器的另外的反應器，其中，將在所述另外的反應器中所產生的合成氣體從所述另外的反應器中取出作為產物氣體並且直接或間接引入給所述內燃機，並且其中，所述熱解反應器以至少一個用於輸送所述固體燃料的熱解蝸杆來運行。所述固定床反應器包括攪拌裝置，所述攪拌裝置一方面用於混勻（durchmischung）處在高溫區中的固體物質覆層，以便實現儘可能完全的轉換。

處於與此相對的是如下流化床反應器，如其例如在上面所討論的wo2011/110138a1或在wo02/004574a1中所提出的那樣。流化床的特性是「理想的攪拌鍋」的特性。如de102010012487a1中所說明的混勻輪對於該目的而言與其說是有幫助的倒不如說是妨礙性的。所提及的特性也導致以下事實，即不能在流化床內部運行顯著不同的溫度區（例如高溫區）。

「渦流床（wirbelbett，有時稱為流化床）」一詞在de102010012487a1中用於低灰塵載荷（staubfracht），所述灰塵載荷與氣化空氣被吹入到反應器中並且應該以該方式來循環。但因為這涉及二次過程並且質量的主份額如上面所闡述的那樣作為固定床而存在，所以根據de102010012487a1的另外的反應器不是流化床反應器，而是更確切地說是固定床反應器。

技術實現要素：

與此相對，本發明基於以下任務，即提供開頭所限定的類型的裝置和方法，在所述方法中（或通過所述方法）能夠將固體燃料、尤其有機固體燃料如例如生物廢料、尤其淤泥、紙泥、渣滓、皮、糞便、殼或類似物在穩定的過程中特別成本有利地氣化成合成氣體，從而所述合成氣體適合於，馬達驅動式地、尤其藉助於燃氣渦輪機進行使用。

該任務以與高效同樣令人吃驚地簡單的方式以及以毫無困難地可供使用的技術手段通過以下方式來解決，即所述另外的反應器構造為流化床反應器，所述流化床反應器藉助於以高於所述流化床反應器的流化床的床料的最小鬆散速度的速度的空氣引入來流化，具有所述固體燃料的固體物質質量的至少20%的灰含量的生物廢料作為有機固體燃料引入給所述熱解反應器，並且所述有機固體燃料在所述熱解反應器中分解成熱解油、熱解焦炭和熱解氣體。

該任務也通過用於執行所述方法的裝置來解決，所述裝置的突出之處在於，所述流化床反應器的淨內空間的橫截面面積從下向上增加、尤其至少部分區段地根據反過來的錐體的類型。

也就是說本發明提出由有機固體燃料生產合成氣體的方法，所述方法實現，具有高灰含量的生物廢料以熱解蝸杆來輸送並且同時進行熱解或熱分解，其中，接著將所述熱解的所有產物、尤其熱解油、熱解焦炭和熱解氣體引入給所述流化床反應器。由此可行的是，儘可能全面地（umfassend）氣化所述生物廢料並且在此出現的焦油已經在過程中自身進行處理。在此有利的是，不是僅僅所述熱解焦炭，而是所有熱解或熱分解產物被引入給所述流化床反應器。以該類型來避免，必須並行地（parallel）協調不同的流。

此外所述熱解氣體從下方被引入給所述流化床反應器。由此所述熱解氣體在所述流化床反應器中還被暴露於富氧的區，在所述區中對焦油進行分解或燃燒。在此也以特別有利的方式利用以下情況，即所述熱解焦炭催化地支持包含在所述熱解氣體中的焦油的分解（zersetzung）。這尤其也基於以下認知而實現，即熱解焦炭具有比所使用的原始固體燃料大的比表面積。

由此該方法已經設置最初的焦油處理、尤其用於要不然能夠氣化得差的生物廢料。獲得均勻的、低焦油的合成氣體。

所述方法也以有利的方式並且正好適合於具有高灰熔化溫度和灰密度以及高灰含量的固體燃料，因為對於根據本發明的方法而言不需要的是，出現的灰塵作為飛灰離開反應器。由此能夠在最不同的生物廢料、如例如淤泥、皮、糞便或殼的情況下使用根據本發明的方法。

具有高灰含量的、尤其所述固體燃料的固體物質質量的至少20%的灰含量的生物廢料能夠由此以低焦油的方式被氣化。

相當特別優選的是根據本發明的方法的一類如下實施方式，在所述實施方式中，作為有機固體燃料引入給所述熱解反應器的生物廢料具有80%與98%之間的幹固體含量（trockengehalte）並且尤其包括淤泥和/或紙泥和/或渣滓。

所述流化床反應器能夠固定地（stationär）或循環地運行。

所述熱解反應器也能夠具有多個熱解蝸杆。所述熱解反應器也能夠具有雙重或多重蝸杆。換言之，多個蝸杆也能夠用於流化床反應器。

優選的是，作為有機固體燃料引入給所述熱解反應器的生物廢料具有80%與98%之間的幹固體含量並且尤其包括淤泥和/或紙泥和/或渣滓。根據本發明的方法以特別有利的方式適合於處理這種迄今僅能以不令人滿意的方式氣化的有機固體燃料。

本發明的一種特別有利的改進方案以如下方式獲得，即所述流化床反應器以小於等於960°c的運行溫度來開動。由此能夠尤其在具有低灰熔化溫度的固體燃料的情況下克服殘渣的形成。

如果從外部加熱所述熱解蝸杆，則能夠避免所述燃料以載熱體的稀釋。同樣能夠由此避免會過強地降低熱值的氧的過早的添加。

當所述熱解蝸杆的加熱通過經加溫的氣體、優選經加溫的空氣來進行時，則產生本發明的另一有利的實施方式。由此所述熱解反應器不以有灰塵的合成氣體來受載，由此能夠避免過早損耗所述熱解反應器的氣體通道。

為了加溫所述氣體能夠以有利的方式使用來自所述流化床反應器的熱產物氣體。

熱分解燃燒器也能夠用於所述氣體的進一步的溫度提高。

本發明的如下實施方式也是特別優選的，在其中，以從下方或從側的空氣流進行到所述流化床反應器中的空氣引入，所述空氣流正好足夠大，以便將在所述流化床反應器中的渦流和裂化過程保持下去，並且在所述實施方式中所述空氣引入以僅超過為了運行所述流化床反應器所需的最小鬆散速度5%與20%之間、優選大約10%的速度來運行。由此在所述流化床反應器中產生的渦流床非常接近所述渦流床的鬆散點地被開動。由此進一步優化熱解氣體與渦流床材料之間的接觸。由此除了與氧的氣相反應之外也強化在所述熱解焦炭處的催化的焦油分解。尤其能夠設置成，所述流化床反應器固定地運行。

當為了最初的硫化合已在所述流化床反應器中混入含鈣材料、尤其碳酸鈣、方解石或氫氧化鈣時，產生所述方法的一種特別有利的設計方案。為此能夠例如將含鈣材料與原始固體燃料混合。由此能夠已經提早地將大部分揮發性的硫化合為鈣硫化物並且經由所述灰從所述過程中去除。

本發明的如下實施方式也是特別優選的，在其中，或者已經顆粒形地存在的、或者被進一步處理成顆粒的灰作為用於所述流化床的床料被再利用。

用於執行根據本發明的方法的如下裝置也落到本發明的範圍內，所述裝置的突出之處在於，所述流化床反應器的淨內空間的橫截面面積從下向上增加、尤其至少部分區段地根據反過來的錐體的類型。為此所述流化床反應器能夠在其下方區域中以有利的方式至少部分區段地偏心地成型。因為氣體量從下向上增加，由此能夠以有利的方式將在所述流化床反應器中的流動速度沿著所述流化床反應器保持幾乎恆定。

用於執行根據本發明的方法的如下裝置也落到本發明的範圍內，在所述裝置中，側向上在所述流化床反應器處、優選在所述流化床的末端處以及在所述氣體空間的始端處，存在有用於受重力作用地放出在運行中在所述流化床反應器中積累的灰的開口。在此，氣體空間能夠被理解成在所述流化床反應器內部的、在所述流化床上方毗鄰所述流化床的區域。在此特別有利的是，由此從所述流化床中也能夠引出大量灰。所述開口能夠用作溢出口，從而所述流化床如溢出的槽（trog）那樣表現，由此能夠自動調節灰放出。

此外能夠存在有用於將最初冷的空氣以對流引入到源自所述流化床反應器的經放出的灰的機構。在流化床中通常不能夠實現在1%之下的灼燒損失。通過在所述灰放出中的附加的空氣噴入能夠將所述灰去除殘留的碳並且所產生的廢氣能夠導入到所述流化床中。也能夠由此從所述灰中回收熱，從而改善所述裝置的能量效率。在此特別有利的是，將所述最初冷的空氣從引入給所述流化床反應器的、用於氣化的空氣的路徑中取出。由此能夠確保，即使在所述設備中變化的壓力比的情況下也始終存在有足夠流量。

對於備選的改進方案能夠設置成，在所述流化床反應器的灰放出端與燃料入口之間的區域中側向上存在有用於將空氣引入到所述流化床反應器中的另外的機構，所述空氣優選作為旁路空氣流從為了流化而從下方進行的空氣引入中取出到所述流化床反應器中。特別優選的是，在所述流化床反應器的氣體空間中在所述灰放出端之上的區域中側向上存在有用於將空氣引入到所述流化床反應器中的附加的機構，所述空氣優選作為旁路空氣流從為了流化而進行的空氣引入中取出到所述流化床反應器中。該附加的空氣引入能夠在此均勻分布地布置在所述流化床反應器的周緣上。通過這種附加的空氣引入產生用於控制在所述流化床反應器內部的過程流程的附加的控制可行方案。尤其，該附加的空氣引入通過分階段地添加空氣或氧來實現焦油的進一步改善的、受控的燃燒。

本發明的如下實施方式也是特別優選的，在其中，優選在第一冷卻階段和除塵裝置之後，存在有用於冷卻從所述流化床反應器中取出的產物氣體的、尤其具有文丘裡洗滌器的機構和/或尤其具有離心式洗滌器的、用於氣溶膠分離（aerosolabscheidung）的機構和/或尤其具有噴灑式洗滌器的、用於氨分離的機構。特別優選的是，所有三個上述機構設置成串聯。同樣以下改進方案是優選的，在其中，存在有一個或多個用於從由所述流化床反應器取出的產物氣體中去除汞和/或硫氫化合物和/或碳氫化合物的機構。優選地，所述機構基於吸附或過濾、尤其基於活性炭過濾來工作。由此能夠進一步改善所產生的合成氣體的品質。因為淤泥灰具有高孔隙度和/或高比表面積，所以能夠在本發明的特別有利的設計方案中替代活性炭而使用積累的淤泥灰，尤其以用於過濾h2s。

本發明的另外的特徵和優點由本發明的實施例的隨後的詳細的說明、根據示出對於本發明來說是重要的細節的附圖、以及由權利要求來得出。在那所示出的特徵不能夠必要地理解成按比例並且以如下方式進行示出，使得根據本發明的特點能夠明顯可見。不同的特徵能夠本身單個地或成多個地以任意組合地在本發明的變型方案中加以實現。

附圖說明

本發明在附圖中示意性地示出並且根據實施例更詳細地進行闡釋。

唯一的圖示出用於執行根據本發明的方法的裝置的一種實施方式的示意性的圖示。

附圖標記列表

1氣化裝置

2a燃料引入端

2b氣化空氣引入端

2c合成氣體出口

3燃料貯倉

4熱解反應器

5熱解蝸杆

6熱分解燃燒器

7流化床反應器

8風箱

9流化床

10氣體空間

11灰放出通道

11a冷卻反應器

11b灰收集器

11c開口

12熱氣體預加溫器

13除塵裝置

14燭式過濾器

15文丘裡洗滌器

16用於氣溶膠分離的機構

17用於氨分離的機構

18a-c過濾機構

19內燃機。

具體實施方式

圖詳細地示出氣化裝置1。該氣化裝置用於實現根據本發明的、用於由有機固體燃料生產用於運行內燃機的合成氣體的方法。藉助於燃料引入端2a將燃料引入給燃料貯倉3。在該實施例中，將以具有90%乾燥物質的淤泥小球的形式的淤泥用作燃料。在所述燃料貯倉3中將預定義的量的碳酸鈣配量添加給所述燃料。碳酸鈣的添加在此用於在氣相中進行之後的最初的硫還原（schwefelreduktion）。

如此預配置的燃料接著被帶入到熱解反應器4中。所述熱解反應器4具有熱解蝸杆5，在該情況中為雙蝸杆。所述熱解反應器4通過引入熱氣體來調節溫度。為此使得空氣在空氣預加溫器12中被預加溫並且根據需求通過在該實施例中以沼氣來運行的熱分解燃燒器6附加地進行加熱。在此從外部通過所述熱氣體進行加熱。由此避免熱氣體與熱解離析物或產物發生混合。這種預備階段優選在600-650°c之間的溫度窗口（temperaturfenster）中運行。在本發明的當前的實施方式中，所述熱解過程以無氧的形式來進行，從而所述熱解過程相應於熱分解。在熱解或熱分解期間產生熱解氣體、熱解焦炭以及熱解油作為過程產物。

在另一方法步驟中將所述過程產物從所述熱解反應器4中提供給流化床反應器7。在該實施例中設置有在圖1中未進一步示出的輸入蝸杆。藉助於所述輸入蝸杆將所述熱解產物從下方帶入到所述流化床反應器7中。在所述流化床反應器7的下側布置有風箱8。通過該風箱8將氣化空氣從氣化空氣引入端2b中引入給所述流化床反應器7。所述流化床反應器7在產生的流化床9的區域中偏心地且錐狀地向上變寬地伸延。氣體空間10聯接到所述流化床9處。在兩個旁路的意義中，將所述氣化空氣的一部分從引導到所述風箱8的線路中分岔並且一部分在所述流化床9的區域中饋入以及另一部分在所述氣體空間10的區域中饋入。灰放出通道11將近（knapp）處於所述流化床9上方，所述灰放出通道通入在處於所述流化床反應器7的壁部中的開口11c中。所述灰放出通道11具有斜坡，從而灰能夠從所述流化床反應器7的內空間中受重力作用地通過所述灰放出通道11來放出。所述灰從那經過冷卻反應器11a到達到灰收集器11b中。按照需求還將灰作為活性炭替代物從此處取出並且在更下面進一步描述的過濾機構18a、18b和18c中進行使用。

從所述氣化空氣引入端2b取得的氣化空氣的一部分以對流通過所述灰放出通道11導引到所述流化床反應器7中。由此引起所述灰的再灼燒以及引起從熱灰到一開始冷的氣化空氣的熱傳遞。

如下調整氣化空氣的引入，使得所述空氣引入正好足夠大，以便將在所述流化床反應器7中的渦流和裂化過程保持下去。尤其，所述空氣引入以超過為了運行所述流化床反應器7所需的最小鬆散速度大約10%的速度來運行。由此為所述熱解氣體保證與所述流化床的床料的良好的接觸。此外已經在所述流化床9中引起包含在所述熱解反應器4的過程產物中的、在所述熱解焦炭處的焦油的催化的焦油分解。

一旦在所述流化床反應器7中產生的材料流到達所述灰放出通道11的開口11c，則灰從所述材料流中受重力作用地被放出。

所述流化床反應器7的運行溫度調節成小於等於960°c。在本發明的備選的實施方案中，在此還設置成，所述運行溫度與所使用的固體燃料的相應的灰熔化溫度相協調。一旦所述材料流到達所述流化床反應器7或所述氣體空間10的上方的端部，則該材料流以熱合成氣體的形式從所述流化床反應器7中排出。

在隨後的階段中，對該合成氣體進行除塵、純化，並且回收所包含的熱。為此首先將所述合成氣體在除塵裝置13中引導。在該實施例中，所述除塵裝置13是用於去除佔大多數份額的仍然所包含的飛灰的旋風分離器。接著將在該階段中仍然約800°c的熱合成氣體引導經過所述熱氣體預加溫器12，所述熱氣體預加溫器12如前述那樣用於對所述熱解反應器4的熱氣體進行預加溫。在約400°c的情況下所述合成氣體又從所述熱氣體預加溫器12中排出並且經過燭式過濾器14到達到文丘裡洗滌器15上，通過所述文丘裡洗滌器將所述合成氣體進一步冷卻並純化。將所形成的氣溶膠隨後在用於氣溶膠分離的機構16（在該情況中為離心式洗滌器）中分離。然後將所述合成氣體引導經過用於氨分離的機構17。在該情況中，所述用於氨分離的機構17構造為噴灑式洗滌器。

在最後的階段中將現在已經預純化的合成氣體去除殘留的雜質或有害物質。為此將所述合成氣體在從所述用於氨分離的機構17中排出之後引導經過在圖1中未進一步示出的換熱器（rekuperator）。所述換熱器用於避免霧或一般用於避免露點。為了在所述換熱器中加溫所述合成氣體，使用來自所述熱解反應器4的熱氣體廢氣的一部分。

然後所述合成氣體按順序（sequentiell）到達到三個過濾機構18a、18b、18c上。這些過濾機構18a、18b、18c在該實施例中是活性炭過濾器或活性炭吸收器。與所需的過濾器功率以及所述過濾機構18a、18b、18c的規模（dimension）相協調地，在此將預定義的份額的活性炭通過尤其來自所述灰收集器11b的淤泥灰來替換。在此利用如下事實，即所述淤泥灰類似於所述活性炭地具有高孔隙度和比表面積。換言之，將所述淤泥灰至少部分地繼續用作過濾材料。

所述過濾機構18a在此用於隔離仍然殘留在所述合成氣體中的汞。所述過濾機構18b用於隔離仍然殘留在所述合成氣體中的硫氫化合物。最後的過濾機構18c尤其用於分離仍然殘留的含碳氫化合物的有害物質。所述過濾機構18c由此是監督過濾器（polizeifilter）。

以該方式所產生的、經除塵且經純化的合成氣體現在具有以下品質，以該品質滿足對馬達驅動式的使用的要求。由此在所述過濾機構18c處或在聯接到所述過濾機構處的合成氣體出口處可用的合成氣體現在能夠例如提供到用於能量相關的（energetischen）使用的內燃機19上。所述內燃機19為此在聯合熱電廠的意義中構造為具有聯接的發電機和聯接的廢熱利用機構的燃氣發動機。由此，原來所引入的固體燃料、尤其淤泥能夠全面地能量相關地、尤其電以及熱地進行使用。

參考列表：

de102010012487a1

wo2011/110138a1

de102007012452a1

de102010018197a1

wo02/004574a1

wo2010/015593a2。