有機物或有機物混合物熱解和氣化的方法和設備的製作方法

2023-09-22 23:34:15

專利名稱：有機物或有機物混合物熱解和氣化的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及有機物或有機物混合物的熱解和氣化的一種方法，並涉及實施這種方法的一種設備。
對於通過例如氣化和熱解來處理和利用有機物和有機物混合物，已知有許多方法。根據所用的氧化或還原氣體和根據在固體和氣體之間的接觸方式，這些方法是不同的。其中，在固體走向或氣體走向上，可區分為循環流化床氣化器、夾帶輸送氣化器、旋轉爐氣化器和移動床氣化器，具有逆流氣體走向、順流氣體走向或交叉流氣體走向。大多數已知的氣化方法由於設備方面的工作量多，不適用於較小的、分散的系統。特別是在使用生物量作為應用材料時，較小的、分散的系統是合理的。
根據循環流化床的原理的氣化方法的操作性能高度依賴於由待氣化的應用材料和循環惰性材料組成的流化床的各個顆粒尺寸組合。從這一點上對應用材料的單位尺寸產生了相應的要求。在只可以使用粉碎的燃料顆粒的夾帶輸送床氣化器的情況下，對於燃料製備方面產生了非常高的要求。
已知的氣化方法的其它主要缺點是，應用材料的乾燥、脫氣、氣化和焚燒的加工工藝步驟，在相互直接相連並且相互組合的區域中進行。結果，在反應器中的各個區域是不明確的，脫氣、氣化和焚燒不完全在各點上進行。在其它已知方法中，試圖通過分開在脫氣、氣化和焚燒的燃料方面進行的各個工藝步驟，來消除這些缺點。
在DE 197 20 331 A1中，提出了乾燥或潮溼的、細顆粒或碎片的生物體(biomass)和廢物的氣化或焚燒的方法和設備，其中，由於焚燒爐的熱爐壁且由於熱廢氣從焚燒爐流入脫氣爐，生物原料在這裡脫氣，從而產生焦炭和熱解氣體，焦炭通過破碎機後到達氣化反應器的發熱床，而熱解氣體在提供有限量空氣的條件下在氣化反應器的焚燒室中燃燒，所產生的廢氣然後流過氣化反應器的發熱床，其中，發生碳氧化成CO，同時廢氣(CO2)和水蒸汽(H2O)還原成可燃性氣體(CO，H2)。由於因為與熱燃燒廢氣接觸的加熱進行熱解並且還進行熱解氣體的部分燃燒這一事實，用DE 197 20 331 A1中提出的方法只能生產低熱值的產物氣體。在使用具有高含量揮發成分和低熱解焦炭產率的燃料時，存在由熱解焦炭組成的氣化反應器的發熱床不能充分形成的危險，從而以產物氣體熱值為代價，不能充分進行碳氧化到CO和同時進行的廢氣和水蒸汽還原成可燃性貧煤氣。
對於有機物和有機物混合物的氣化，從美國4,568,362還知道一種方法，其中，把有機物引入熱解反應器，在熱解反應器中，有機物與傳熱介質接觸，從而發生使有機物轉變成熱解產物的快速熱解，熱解產物由帶有可冷凝物質的熱解氣體和固態含碳殘渣組成，熱解所需要的熱能通過焚燒在燃燒反應器和熱解反應器的第二個反應區域中的固態含碳殘渣產生，含焦油的熱解氣體經過這種裂化反應和與水蒸汽的反應，獲得一種具有高熱值的產物氣體。在這些方法中，在流化床中發生固體含碳殘渣的熱解和燃燒兩種反應。在熱解流化床的上部提供含焦油的熱解氣體的反應區域。流化床的操作需要很費力，在反應區域內控制熱解氣體的反應幾乎是不可能的。
具有更老優先權的並且沒有預公開的德國專利申請197 77693.0，在其基礎上批准了德國專利DE 197 55 693 C1，公開了有機物和有機物混合物氣化的一種方法。
本發明的主要目的是提供一種簡單進行有機物或有機物混合物熱解和氣化的方法，和一種產生高熱值氣體的設備。
通過權利要求1和11的特徵達到了這些目的。使用在從屬權利要求中提出的特徵產生了本發明的有利的實施方案和進一步的發展。
在有機物或有機物混合物的熱解和氣化方法中，根據本發明達到了這一目的，其中，在移動床反應器或旋轉反應器中進行熱解，還可向熱解氣體中加入冷凝劑，例如水蒸汽和/或氧氣，並且把熱解氣體引入到反應區域中，其中，熱解氣體與冷凝劑反應。把固體含碳殘渣還可有一部分熱解氣體本身或者與流化床材料一起引入到流化床燃燒反應器中，並在其中燃燒。流化床材料在這裡被加熱。使燃燒廢氣和流化床材料與反應區域接觸，使得它們的熱含量可以用於熱解氣體與冷凝劑反應。從流化床燃燒反應器中取出的並由灰分、未燃燒焦炭、和還可有另外提供的耐熱流化床材料組成的流化床材料返回到熱解反應器中作為傳熱介質，把熱量傳給應用材料，以通過與流化床材料接觸和還可通過流化床燃燒反應器的熱爐壁發生熱解反應。
從燃燒流化床提供到熱解反應器的熱流化床材料通過接觸來進行應用材料的快速乾燥和熱解。豎爐適合於作為反應器，應用材料和流化床材料的混合物從頂部到底部通過豎爐。為了保證通過豎爐的固體輸送，根據現有技術，可以提供固定設備、輸送機螺旋管或攪拌器。熱解反應器例如也可以設計成旋轉反應器，從而獲得應用材料和熱流化床材料的良好混合，同時實現固體的輸送。在乾燥過程中從應用材料逸出的水蒸汽和熱解氣體離開熱解反應器，進入另一個反應區域。殘留的固體含碳熱解殘渣和流化床材料一起，用傳統的部件輸送到燃燒流化床中，例如，傳統部件可使用螺杆輸送機或帶有傾斜管輸入裝置的鏈輪。在本發明的設備中，螺杆是優選的。
由於熱解優選是在豎爐內進行，可以省略熱解流化床所需的流化介質的供給。這樣，存在進行完全熱解而不提供氣體的可能性，或者，與為了流化而必須提供最少量氣體的流化床不同，可以加入任何希望的少量的例如產物氣體或冷凝劑如水蒸汽、氧氣或空氣。這樣，存在向熱解反應器中加入氣體或冷凝劑作為適用於各種應用材料的技術方法的可能性。在本發明的方法中，熱解優選是在缺少空氣和氣體的條件下在熱解反應器中進行。在單獨的工藝步驟中進行熱解的另一個優點由在熱解過程中產生的破碎作用組成，這種破碎作用由於發煙燃燒和脫氣使得可以使用比通常在流化床反應器中使用的更粗的碎塊物料。另外，在使固體含碳熱解殘渣和流化床材料進入燃燒流化床所用的輸入設備之前有插入一種破碎設備(如輥式破碎機)的可能性，從而可以進一步降低對應用材料顆粒尺寸的要求。用於破碎熱解焦炭的能量這裡明顯低於用於破碎木材等生物體所需要的能量。
含碳固體熱解殘渣在流化床中用空氣燃燒，從而使其本身變成灰分形式的流化床材料，由於能量釋放，進一步加熱或者再次加熱已經存在的流化床材料。燃燒流化床可以根據流化床技術的知識水平設計和操作。關於燃燒流化床的發熱，分步加入空氣可能是有利的。燃燒反應器被設計成靜態流化床，即流化介質的氣體量一方面必須足以超過固體的最小流化流量，另一方面一定不能超過流動所需的速度。從約2.5-3米的流化床高度來看，需要固定設備來防止形成脈衝流化床和伴隨的壓力脈衝。通過燃燒過程加熱的流化床材料最後再提供到熱解反應器中。流化床材料由固體含碳殘渣的燃燒殘留的灰分組成。如果熱解焦炭在燃燒流化床中發生不完全燃燒，作為熱交換介質在循環中導入的流化床材料由應用材料的灰分和未燃燒的含碳熱解殘渣組成。由於有機物和有機物混合物的固體含碳殘渣通常在燃燒流化床中迅速轉變，並且部分地可能只有少部分不能氣化或燃燒的材料，所以，為了形成流化床，任選地必須加入另外的材料。如果應用材料有大量不能氣化或燃燒的材料，這適合於建立流化床，則不必加入另外的材料。所有的耐火材料如顆粒直徑小於1.5mm的砂，適合於作為形成流化床而加入的材料。熱流化床材料的取出和輸送到熱解反應器中優選的是通過一種或多種在反應器壁提供的或者通過反應器壁到流化床中拋出的溢流進行。該方法的優點是，除了把熱流化床材料輸送到熱解反應器中以外，可以用簡單的方法確定燃燒流化床的流化床高度。流化床材料的取出也可以通過其它已知的輸送機進行，如螺杆輸送機；但是，在這種情況下，工藝方法的程序更多。
本發明基於把該方法引進到簡單進行的工藝步驟中的基本想法。各個工藝步驟相互作用，因此，可以理想地設計並考慮應用材料的特定性質以及要獲得的預定的產物氣體的質量。
通過下面描述的附圖表示了本發明的其它優點，其中，通過實施例表示了本發明優選的實施方案。附圖表示

圖1 根據本發明的方法的反應區域和燃燒流動床的熱解階段的質量流和能量流；圖2 示意表示根據本發明的方法的一種實施方案；圖3 示意表示根據本發明的設備的一種實施方案；從圖1可以看出，把應用材料10和流化床材料35作為傳熱介質供給到熱解步驟1。流化床材料35輸送的熱流來自燃燒流化床的溫度、流化床材料35和應用材料流10的工況和質量流、以及希望的熱解溫度。此外，供給冷凝劑11，熱流34從燃燒流化床3傳遞。存在來自熱解步驟1的熱解氣體13、熱解氣體15、流化床材料與固體含碳熱解殘渣14的混合物以及熱損失流12，把熱解氣體13引入反應區域2，熱解氣體15引入到燃燒反應器(到燃燒流化床3)中。
把流化床材料和固體含碳熱解殘渣14的混合物與熱解氣體15和空氣31一起引入到燃燒流化床3中。被燃燒加熱的流化床材料35引回到熱解反應器1中。熱廢氣37也存在於燃燒流化床3中。在廢氣中的部分熱量36傳遞到反應區域2。在燃燒反應器3中還存在熱損失流33和為了調節靜態操作中的總固體量而必須排出的流化床材料32。
在催化劑的存在下，利用所供給的熱量36，供給到反應區域2的熱解氣體13與冷凝劑21一起轉變成產物氣體23。產物氣體23和熱損失流22最後排出反應區域2。
實施方案在下列實施例中，描述本發明的方法和本發明的設備的優選設計。根據圖2的優選方法和根據圖3的優選設備用於每小時熱解和氣化900千克木材。用作實施例的木材基本由52.3重量％碳、5.9重量％氫和41.8重量％氧組成，在每種情況下，依據沒有水和灰的燃料物質，另外對於應用原料有0.51重量％的灰分。對於不含水的狀態，木材的熱值等於Hu＝17.2MJ/kg；熱氣化器功率因此等於3.92MW。
在圖2中所述的用於木材氣化的方法的優選實施方案中，根據應用材料在進入熱解步驟1之前的條件，木材10經過在製備步驟4中的破碎和/或乾燥。木材在製備步驟4之後的含水量為8.9重量％。
熱解在580℃的溫度下進行。引入到熱解反應器1的流化床材料35的溫度為900℃，因此，為了把應用材料加熱到580℃的熱解溫度，必須提供和循環4.1倍量的流化床材料，即3.7t/h。在木材熱解時，最終殘留20.3重量％(相對於燃料，原料)作為固體熱解殘渣，其熱值為Hu＝30MJ/kg。來自乾燥和熱解的其它產物以氣體13的形式離開熱解反應器並進入反應區域2。把固體熱解殘渣與流化床材料14的混合物供給到燃燒流化床3並在那裡與空氣31燃燒。用木材的固體熱解殘渣供給到燃燒流化床的熱含量流等於1.52MW。在本實施例中，與煙氣流37組合的功率過剩在扣除熱損失33、排出的流化床材料32、流化床材料35和傳遞到反應區域2的能量36之後，保留在燃燒流化床材料3中。為此，用經過處理7並考慮傳熱構件8中的加熱效率的水流70產生過熱蒸汽流。如果供給到反應區域2的蒸汽流21取自在8中產生的過程蒸汽流中，過熱蒸汽流71保留0.45MW的功率，通過渦輪機9把壓力釋放出來。
在提供冷凝劑蒸汽21的條件下，把熱解氣體13引入到由傳熱構件組成的反應區域2中，其中裝有催化劑來改善焦油裂解。熱解氣體13與蒸汽21的反應所需的能量通過來自燃燒流化床3的熱煙氣流36傳遞到傳熱部件2，根據燃燒流化床3的操作管理，反應在850℃-900℃進行。為了通過熱解氣體的部分燃燒進一步提高溫度，空氣或氧氣也可以混入冷凝劑蒸汽21中。所獲得的產物氣體23的熱值為9.87MJ/M3(VN)並且由下列氣體成分構成48.7體積％的H2、36.1體積％的CO、0.1體積％的CH4、6.1體積％的CO2、9體積％的H2O。產物氣體23隨後在製備步驟5中除塵並急冷。冷氣體的效率，即相對於產物氣體的化學能含量的應用材料的化學能，等於80.8％。
圖3以一種實施例示意圖形式表示用於熱解和脫氣的本發明的設備的一種優選實施方案。木材10通過不透氣的裝料設備加到熱解反應器中，在實施例情況中以星輪表示。通過與來自燃燒流化床3的溢流提供的熱流化床材料35接觸來進行應用材料的乾燥和熱解。把所產生的熱解氣體13引入到反應區域2中，同時加入蒸汽21，所述反應區域在實施例中被設計成管式熱交換構件。在熱解氣體13與蒸汽21的轉化後，產物氣體在製備步驟5中冷卻並淨化。為了避免在熱解反應器1和燃燒流化床3之間的不希望的氣體交換，產物氣體管線50的風機和煙氣管線60的風機必須相互匹配。由於設計了從燃燒流化床3到熱解反應器1的溢流總是充滿流化床材料35，然後與所述風機組合，所以，以簡單的方式防止了兩個反應器之間的氣體交換。優選的是提供螺杆來把固體熱解殘渣與循環的流化床14的混合物輸送到燃燒流化床3中。設計該螺杆使得通過充滿材料的螺杆通道的壓力損失大於通過流化床3的壓力損失，因此，供給到燃燒流化床3的空氣31不會通過熱解反應器1在旁路中流動。例如通過渦輪機9釋放壓力的蒸汽流71，通過熱交換構件8用煙氣流37的熱量從水流產生。可以使用部分蒸汽流71作為反應區域2的蒸汽21。廢氣60供給到煙氣淨化器6。
標號表1 熱解反應器10應用材料11冷凝劑12熱損失13熱解氣體14固體熱解殘渣與流化床材料的混合物15熱解氣體2 反應區域21冷凝劑22熱損失23產物氣體3 燃燒31空氣32流化床材料33熱損失34熱流35流化床材料36熱流37燃燒廢氣4 預熱步驟5 氣體淨化50淨化的產物氣體6 煙氣淨化60廢氣7 水處理70水71蒸汽8 熱交換器9 渦輪機
權利要求
1.一種用於有機物或有機物混合物的熱解和氣化的方法，其中1.1.把有機物引入到乾燥和熱解反應器(1)中，所述有機物在其中與燃燒流化床(3)的流化床材料(35)接觸，或者所述有機物在其中與流化床材料(35)和燃燒流化床(3)的反應器壁接觸，從而進行乾燥和熱解，其中，有機物由於乾燥轉變成蒸汽並轉變成熱解產物(13)，其中，所述熱解產物由含有可冷凝物質的氣體和固態含碳殘渣組成；1.2.使所述固體含碳殘渣或所述固體含碳殘渣與部分蒸汽和部分帶有可冷凝物質的熱解氣體以及所述流化床材料返回到燃燒流化床(3)中，所述有機物的含碳殘渣在其中燃燒，所述流化床材料被加熱並重新引入到熱解反應器(1)中；1.3.來自乾燥的蒸汽和熱解氣體(13)隨後在另一個反應區域(2)中用可冷凝物質處理，因此，可以獲得具有高熱值的產物氣體(23)；1.4.在至少一個或多個熱解反應器(1)中進行所述乾燥和熱解；1.5.優選的是在兩個或多個熱解反應器(1)中進行所述乾燥和熱解，所述熱解反應器由兩個或多個移動床反應器組成、或者由兩個或多個旋轉反應器組成、或者由旋轉床反應器與移動床反應器組成；1.6.所述熱解殘渣在其中燃燒的燃燒流化床(3)以靜態流化床的方式操作；1.7.向熱解氣體(13)中不供給冷凝劑，或者任選地供給冷凝劑如蒸汽、氧氣或空氣或者其混合物；1.8.把熱解氣體(13)引入到間接熱交換器(2)中，其中，它們任選地與冷凝劑(21)反應；1.9.使燃燒廢氣(37)或燃燒廢氣和燃燒流化床(3)的流化床材料與間接熱交換器(2)接觸，使得它們的熱含量用於熱解氣體(13)與凝結劑(21)的反應；1.10.流化床材料(3)僅由所述有機物的灰分組成，或者由所述有機物的灰分和未燃燒的含碳殘渣組成，或者由所述有機物的灰分和另外的流化材料組成，或者由所述有機物的灰分和未燃燒的含碳殘渣與另外的流化材料組成。
2.根據權利要求1的方法，其中，所述熱解在450℃-750℃的溫度下進行。
3.根據權利要求1或2的任一項的方法，其中，使所述產物氣體(23)返回到熱解反應器(1)中。
4.根據權利要求1-3的任一項的方法，其中，向熱解反應器(1)中加入冷凝劑(21)如蒸汽、氧氣或空氣或其混合物。
5.根據權利要求1-4的任一項的方法，其中，燃燒流化床(3)的反應器壁表面在熱解反應器(1)和燃燒流化床(3)的一側具有任何封閉的幾何形狀。
6.根據權利要求1-5的任一項的方法，其中，在800℃-1050℃的溫度下進行熱解氣體(13)與冷凝劑(21)的反應。
7.根據權利要求1-6的任一項的方法，其中，在存在催化劑的條件下進行熱解氣體(13)與冷凝劑(21)的反應。
8.根據權利要求1-7的任一項的方法，其中，在催化劑材料的固體床中進行與冷凝劑(21)的反應(13)。
9.根據權利要求1-8的任一項的方法，其中，在催化材料的流化床中進行熱解氣體(13)與冷凝劑(21)的反應。
10.根據權利要求1-9的任一項的方法，其中，在夾帶輸送流中，在存在加入到熱解氣體(13)的催化劑的條件下，提供熱解氣體(13)與冷凝劑(21)的反應。
11.一種用於進行有機物或有機物混合物的熱解和氣化方法的設備，特別地用於進行根據權利要求1-10的一項或多項的方法，該設備包括熱解反應器(1)、用於熱解殘渣燃燒的流化床(3)、用於熱解氣體(13)的反應區域(2)、和在燃燒流化床(3)與熱解反應器(1)之間的流化床材料循環，特徵在於靠近所述燃燒流化床布置帶有用於應用材料的閘門和用於來自燃燒流化床(3)的流化床材料的進口的豎式反應器或旋轉反應器；豎式反應器(1)在其下端有向燃燒流化床的傳輸設備；燃燒流化床(3)有用於把流化床材料輸送到豎式反應器(1)的溢流；並且燃燒流化床(3)的廢氣(37)可以供給到與豎式反應器(1)相連的熱交換器(2)中，用於熱解氣體(13)。
12.根據權利要求11的設備，其中，流化床材料可以在至少在一點或多點從燃燒流化床(3)中取出並引入到熱解部分中。
13.根據權利要求11或12的任一項的設備，其中，流化床材料可以在至少一點或多點通過一個或多個溢流從燃燒流化床(3)中取出並引入到熱解反應器中。
14.根據權利要求11-13的任一項的設備，其中，可以加入耐熱物質來形成流化床。
15.根據權利要求11-14的任一項的設備，其中，可以使用不能燃燒和不能氣化的應用材料成分來形成流化床。
全文摘要
本發明涉及一種用於有機物或有機物混合物的熱解和氣化的方法。把有機物引入到乾燥和熱解反應器(1)中,所述有機物在其中與燃燒流化床(3)的流化床材料(35)接觸,或者所述有機物在其中與流化床材料(35)和燃燒流化床(3)的反應器壁接觸,從而進行乾燥和熱解。使所述固體含碳殘渣,任選的是帶有部分蒸汽和部分熱解氣體,以及所述流化床材料返回到燃燒流化床(3)中,所述有機物的含碳殘渣在其中燃燒,所述流化床材料被加熱並重新引入到熱解反應器(1)中。來自乾燥的蒸汽和熱解氣體(13)隨後在另一個反應區域(2)中用可冷凝物質處理,因此,可以獲得具有高熱值的產物氣體(23)。在至少一個或多個熱解反應器(1)中進行所述乾燥和熱解。所述熱解殘渣在其中燃燒的燃燒流化床(3)以靜態流化床的方式操作。把熱解氣體(13)引入到間接熱交換器中。使燃燒廢氣(37),任選的是與燃燒流化床(3)的流化床材料一起與間接熱交換器(2)接觸,使得它們的熱含量用於熱解氣體(13)與冷凝劑(21)的反應。
文檔編號C10J3/02GK1358220SQ00809616
公開日2002年7月10日 申請日期2000年6月27日 優先權日1999年6月30日
發明者W·克魯姆, G·芬克, S·哈梅爾 申請人:赫爾霍夫環保技術股份有限公司