由粉碎的生物廢料生產氣體的方法和設備的製作方法
2023-06-17 16:21:56
專利名稱：由粉碎的生物廢料生產氣體的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及由粉碎的生物廢料例如稻草生產氣體的方法，在該方法中，把粉碎的物料儘可能與附加水蒸汽一起通過氣密閉鎖裝置加入到反應器中，分布在催化物體的反應床中，進行攪拌，以便在氣化過程中該物料象產生的氣體那樣沿預定路徑流動，殘餘物料通過上述反應床的底部除去。本發明還涉及實施本方法的設備。
從瑞典專利公開453，097號已知這種類型的方法。在已公開的設備中，將生物廢料在立式反應器底部格柵上面有一定距離的部位加入。在熱解過程中，該物料與加熱的大量含有催化劑活性的石灰石的巖石顆粒一起通過反應器向上傳送。殘餘物料從反應器頂部除去。並循環到其底部，在這裡殘餘物料作為加熱巖石顆粒的燃料，燃燒空氣通過反應器底部格柵引入。燃燒空氣也用於流化反應器中的生物物料。由於在加入生物物料區域中巖石顆粒的高溫，產生大量焦油。由於石灰石的催化作用和該方法溫度梯度的精確控制，和在生物物料中保持預測的低溼度，阻止了焦油隨著氣體產生。這些條件很難在實際條件下實行。該方法的另一個缺點是該氣體與產生熱解的燃燒中放出的煙道氣混合。因為該氣體含有大量的CO2和N2，所以產生的氣體有比較低的熱值。
從德國專利說明書2，914，295號已知使用催化劑改善生產焦炭時產生氣體的質量。在已知方法中，將鎳加入煤中，由此產生氣體的量為0.1-2.5%(重量)。根據該專利說明書，氣體中甲烷的含量增加，以至該氣體相當於天然氣。加入煤中的鎳在該過程後從產生的焦炭中發現，可用將該金屬溶於酸中將其從焦炭中回收。如果該催化劑不回收，燃燒後從焦炭放出的灰將不符合環境條件，因此其排放將需要採取特殊的保護措施。
從德國延遲公開說明書3，421，813號已知在由許多棒狀物構成的格柵上，氣化粉碎的稻草，在該格柵的上面放一層陶瓷物體。該棒狀物進行往復運動，保持傳送陶瓷物體。陶瓷物體形成一種自清洗格柵，在格柵上的層中在陶瓷物體上或其中發生稻草物料的熱解和燃燒。由於該陶瓷物體的運動，稻草物料均勻地分布從而減少了格柵表面的不均勻燃燒的危險。
在所討論的方法中，熱解是通過將一定量的燃燒空氣加入被氣化的物料中進行的。燃燒空氣混合在產生的氣體中，該氣體會含有大量的CO2和N2，這對氣體的熱值沒有貢獻，且降低能達到的燃燒溫度。為了得到高的熱值，必需使熱解在封閉的反應器中進行，以便防止稀釋產生的氣體。還沒有一種已知方法公開了從粉碎的生物料在不加入空氣而只是用部分物料燃燒來產生氣體的方法。在實際上有用的一個方法中抑制焦油的形成是條件，因為焦油降低了氣體利用且在反應器中沉積以至使對生物物料間接加熱的熱傳遞發生困難。
本發明的目的是提供一種如上所述類型的方法，在該方法中所提到的問題被解決，從而生產出高熱值無焦油的氣體。在該方法中，用於熱傳遞的表面沒有焦油的沉積，且該方法中由氣體生產得到的殘餘物質不包含大量的環境不能接受的組分。
根據本發明，該目的可根據權利要求1表徵的方法達到。
用振動裝有包含作為催化劑載體的陶瓷物體的填料的反應床，將物料均勻地向下傳送，同時逐漸加熱使得焦油的生成量為最小。催化劑的存在提高了在抑制焦油生成的溫度下進行的熱解。具體地說，與已知方法相比降低溫度200℃。該方法在不生成爐渣的溫度範圍內進行。催化劑的存在也有助於將參與形成焦油的組分轉化成可燃氣體。由於催化劑被混合在陶瓷物體中，所以它將以它將保留在反應床中且不汙染由生物物料產生的灰，反應床的間接加熱避免了由加熱產生的煙道氣對氣體的稀釋，尤其保證了反應床中氣壓的降低，並且避免了破壞催化劑效果的催化劑氧化。反應床的振動首先保持了物料通過床層的傳送，第二，保證了物料和催化劑之間的必要的接觸，第三，改善了由加熱裝置產生的熱量向物料中的分布，這樣，維持了該過程。振動對該方法是這樣的重要，以致於如果振動間斷，則該過程將在很短的時間內停止。
荼痙⒚饕訬i為基礎的催化劑被證明是有效的。這一具體金屬的使用增加了產生的氣體中甲烷的收率。
為了保持粉碎物料向下通過催化劑反應床的有效傳送，該催化劑反應床含有無過量腐蝕的載體，最好是根據本發明，使振動有一定的方向和一定的強度，以致於使反應床流態化。粉碎物料起潤滑劑的作用，其實際上降低了在填料物體的接觸點處的磨損。
通過熱解設有轉化成氣體的部分殘餘物料含有大量的碳。該殘餘物可以通過進一步加熱和加水轉化成氣體，或根據本發明部分物料可以燃燒以便提供為維持熱解必須的熱量。
本發明還涉及實施本發明方法的設備，該設備包括具有氣密閉鎖裝置入口的反應容器，通過該入口可將生物物料裝入有催化作用的填料物體的反應床中。該反應床有攪拌載體的裝置，用這樣的方法在氣化期間使粉碎的物料沿預定路徑以與氣流相同方向傳送，殘餘物料從反應器底部除去。根據本發明，該設備由權利要求6的特徵說明。
本設備的其它特點和優點從下面的說明中可看到。
在下面參考附圖詳細說明本發明，其中
圖1表示根據本發明設備的實施方案的剖視圖。
圖2表示根據本發明設備的另一個實施方案，其中含殘餘物的碳為分離處理而除去。
如附圖中圖1所示的設備是用來從粉碎生物廢料生產氣體，生物廢料包括稻草、稻殼、樹皮、堅果殼或類似的含纖維素物質，該設備包括有縱軸的呈圓筒形容器1的反應器。為生產氣體，可以轉變成氣體的其它物料可以使用或者與一些上述廢料混合，或者與煤或泥煤混合。另外，如果沒有可用的廢料，該設備可用於熱解純的普通燃料。該容器在頂部用蓋2封閉，其上裝有粉碎物料入口3。用螺旋傳送機4加入粉碎物料。在接近容器的下部安裝有格柵6，在格柵下面該容器用錐形底7密閉，在底部裝配有氣體和灰出口8。部分格柵區域上有加熱元件9，該元件上有通道以增加加熱面積，並形成加熱介質出口。為了增加該面積，格柵6面向床層，用一些格柵的稜錐形物體6'來增加該面積，其目的是與該反應床橫截面相比增加格柵面積。如果稜錐形物體的孔較小或與下面格柵的孔相等，實際上該面積的增加也可以通過把稜錐形物體安裝到平的格柵上來得到。這些稜錐形物體可以提供加熱介質的通道，以便在稜錐形物體6'上保持有與加熱部件上有相同的溫度。如果在反應器中進行有機物料的完全轉化，這種安排是最好的。在許多情況下實際上可把該過程分成熱解階段和後續階段，其中熱解產生的碳在分離過程中轉變成氣體或燃燒形成熱能，最好部分熱能用於熱解階段。
通道或管道10被連接到環形室11上，形成加熱介質通用出口。在容器的外部有加熱介質入口12。加熱介質可以是空氣或在較好方案中用氣體或其它適當燃燒的燃燒器。該加熱系統也可以安裝電加熱部件。將加熱介質入口12和出口11用相應供電設備來代替。在圖1所示的包括具有環形橫截面容器的方案中，加熱部件和導管組成冠狀，而這種形狀可以改變從而使加熱部件適合填料物體床層的形狀。加熱部件的目的是在床層區保持溫度800-1000℃。該區域必須包括床層完整的橫截面並且該區域最好在整個面積上具有相同的高度。
在圖2所示的另一個實施方案中，加熱部件是導管21、22，這兩個導管連接在環形入口室23和環形出口室24上。導管以這樣的方式安裝以便使導管的大部分與容器的軸平行。因此導管促使反應器內填充物和有機物料的流態化。在這個可供選擇的實施方案中，並不打算將有機物料完全轉化，但是有高碳含量的殘餘物料通過格柵26與由熱解產生的氣體一起除去。殘餘物與氣體通過有氣體出口28的室27被除去。實際上通過氣密閉鎖裝置29，殘餘物為了分離處理和/或燃燒被除去。在這個可供選擇的實施方案中，目的在於在出口室24和入口室23之間的區域溫度梯度從200℃到500℃。
在這兩個實施方案中，含催化劑陶瓷材料填料物體14的床層13被案裝在反應容器中。該填料物體14具有規則形狀，例如圓柱體，以便在反應床13的無規則填充中該填料物體將形成開式結構，粉碎物料通過該填料物體可以分布在填料物體的間隙中。在床層13的上面安裝有攪拌器15或類似的攪拌設備。攪拌器15藉助於軸16旋轉，該軸通過入口3插入容器中。攪拌器在反應器的區域內作用，在此區域內，溫度不超過100℃。該攪拌器是一對旋轉臂，另外，攪拌器的形狀取決於反應器的橫斷面。攪拌器還可以有一個或多個臂15'，在反應床中攪拌，保證粉碎物料和填料體的充分混合。該反應床的高度在通常所用以Ni為基礎催化劑的情況下是30-40釐米。催化劑也可以以其它金屬例如銠鉑或類似金屬為基礎。
該容器用彈性支承設備17來支承，使容器主要在垂直方向上運動。在容器1上安裝有振動器18以便在床層的填料物體間形成必要的運動，從而使粉碎物料通過床13向下以足夠速率傳送，保證氣體的產生。
該設備的操作是這樣的，用螺旋傳送器4將粉碎的生物物料加入到反應器中，直到在床層13的頂部形成物料層。當加熱部件溫度已達到800-1000℃時，振動器開動，從而使粉碎物料分布在床層中。在該床層中，得到的溫度梯度在接近加熱部件和導管10的較低部分溫度最高。粉碎的物料轉變成甲烷、蒸汽、二氧化碳、一氧化碳、一些碳灰和焦油。在加熱情況下一些蒸汽與碳作用形成一氧化碳和氫。這個轉化看來發生在接近格柵的區域中，在那裡氣體離開床層。在這個區域中，因為氣體通過氣體出口放出，CO的分壓比較低。在生成一氧化碳的方向上，氣體出口會改變在一邊的碳和二氧化碳和另一邊的一氧化碳之間的平衡。在有水蒸汽存在下，碳轉化成一氧化碳和氫。應安裝加熱部件和導管10從而在格柵處保持有足夠的高溫以維持這些反應。由於這一事實，在該過程中物料和氣體的流動在相同的方向上，並有極少的焦油形成。由於催化劑的存在，在加熱情況下焦油轉化成甲烷、一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽。因此，生物物料被轉化成具有相對高熱值的氣體和灰、不包含碳。由於催化劑的存在，轉變成氣體的反應將比不用催化劑時低約200℃的溫度下進行。較低的溫度降低了對加熱的要求，也防止了由灰分形成爐渣，因為在反應器中的溫度不超過灰的熔點。由於沒有爐渣的形成，反應器的振動足以保持粉碎物料通過床層的必要的傳送和填料物體間的相互運動，從而保持它們表面的清潔和活性，並且不發生填料物體的過度磨損。在該過程中，有機物料在填料物體之間起潤滑劑的作用，從而降低了填料物體之間的實際接觸。
在一定的方向上以一定的強度進行振動以致使床層流態化。在這樣的流化狀態下，填料物體將根據其大小和比重分類。因此，可以將填料物體分成具有具體催化效果、熱傳遞，或購買價格的不同部份。該振動可用於保持將床層分成不同的層，以便增加反應器中效率或改善所依靠的非常重要的經濟性。用包括旋轉偏心塊的適當類型的振動器可形成振動。振動器可以以這樣的方式安裝以便使振動含有垂直分量。
在生物物料例如稻草儲藏期間，水含量最好較低。因此，可以適當地將水蒸汽加入到反應器中以便補充水含量，在反應器中在加熱期間水分從稻草中蒸發從而增加了在最初熱解時形成的游離碳的轉化率。在800℃離開反應器的氣體的熱量可用於產生蒸汽，該蒸汽最好加入到反應器的上部，從而可維持氣體向下流動直到下面的出口。蒸汽的用量可以這樣控制以至在從反應器底部除去的灰不含碳，而僅含有無機物質。
在上述類型的反應器中使用含Ni催化劑從稻草可獲得下列以幹氣體體積百分數計的氣體組合物
CO15-30%CH45-25%H220-35%CO210-15%N2約1%產生的氣體有低含量的焦油，不用提純，例如可用於氣體燃燒爐中、馬達或相應設備中。該氣體的熱值約為3600千卡/米3。
權利要求
1.由粉碎的生物廢料，例如稻草，生產氣體的方法，在該方法中把粉碎的物料儘可能與附加水蒸汽一起通過氣密閉鎖裝置加入到反應器中，並分布在催化填料物體的反應床中，攪拌催化填料物體以便在氣化過程中該物料象產生的氣體那樣沿著預定路徑流動，殘餘物料通過上述反應床的底部除去，其特徵在於該床層間接加熱，催化物體的攪拌通過床層的振動實現，從而使物料通過床層向下傳送，填料物體是有催化作玫鬧亟鶚秈沾稍靨濉
2.根據權利要求1的方法，其中重金屬是Ni。
3.根據權利要求1或2的方法，其中振動是在一定方向上和以一定的強度進行，以致使反應床流態化。
4.根據權利要求1、2或3的方法，其中氣體是通過格柵除去，在溫度500℃形成反應床的較低限制。
5.根據上述權利要求中的任何一個方法，其中殘餘有機物料大體上通過氣密閉鎖裝置除去，並且至少有一部分用作加熱反應床的燃料。
6.由粉碎的生物廢料，例如稻草，生產氣體的設備，根據權利要求1實施該方法，該設備包含具有生物物料入口的反應容器，生物物料通過氣密閉鎖裝置進入具有催化作用的填料物體反應床中，該反應床包括攪拌催化物體的設備，在氣化期間粉碎的物料沿著預定的路徑在與氣體流動方向相同的方向上傳送，殘餘物料從反應器底部除去，其特徵在於反應床具有間接加熱的加熱設備，該加熱設備主要安裝在物料流動方向上，該設備是為在一定方向上振動反應床提供的，以致使該物料通過反應床向下傳送，填料物體是具有催化作用的重金屬陶瓷載體。
7.根據權利要求6的設備，其中重金屬是Ni。
8.根據權利要求6或7的設備，其中振動設備的安裝要提供振動的垂直分量。
9.根據權利要求6、7或8的設備，其中反應器有與室相連的出口，該出口上部限制是格柵。
10.根據權利要求6-9中任何一個的設備，其中出口包括殘餘物料的氣密閉鎖裝置和至少部分殘餘物料燃燒的設備。
全文摘要
由粉碎的生物廢料，例如稻草，生產氣體的方法和設備，在該方法中，把粉碎的物料儘可能與附加水蒸汽一起通過氣密閉鎖裝置加入到反應器中，分布在催化物體的反應床中，催化物體在一定方向上流動，以便在氣化過程中物料像產生的氣體那樣沿預定路徑流動，殘餘物料通過上述反應床的底部除去。該方法的特徵在於該反應床間接加熱，催化劑物體的攪拌通過床層的振動來進行，從而使物料通過床層向下傳送，填料物體是有催化作用的重金屬的陶瓷載體。
文檔編號C10BGK1034748SQ88109190
公開日1989年8月16日 申請日期1988年11月5日 優先權日1987年11月6日
發明者艾力克·韓森 申請人:丹麥熱能工業有限公司