氣化含碳材料的方法及氣化系統的製作方法

2023-05-21 10:35:26

專利名稱：氣化含碳材料的方法及氣化系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣化含碳材料的方法及一種氣化系統。
背景技術：
氣化是指諸如含碳材料的固體或液體材料轉變為氣態燃料。對於化工和能源行業中的許多低排放技術而言，氣化是感興趣的問題。含碳材料的氣化從概念上可以分為兩個步驟，雖然這兩個步驟之間不可能有明顯的區別。當含碳材料(固體)被加熱，從含碳材料中釋放出包括含碳材料中的水分的氣體和蒸氣(「揮發物」)的混合物，留下固體殘餘物(「焦化物(char)」)。然後，揮發物和焦化物均與諸如H2O和O2的氣化劑反應以形成產品氣。諸如褐煤、泥煤、生物質和固體廢物的低等級的含碳的燃料尤其適合於氣化，這是由於它們高的氣化反應性。然而，這些的低等級的燃料有幾種特性，這些特性在設計和操作用於氣化低等級的燃料的氣化器時是必須考慮的。首先，低等級的燃料通常具有高揮發物的產率，例如對於某些類型的生物質而言是80 (重量)％或更多(幹基)。揮發物的焦油狀組分的完全轉化在氣化器的設計中是最重要的考慮因素之一，因為焦油的去除是繁瑣和昂貴的。其次，低等級燃料往往含有分散良好的鹼金屬和鹼土金屬(AAEM)物質，在熱解和氣化過程中，這些物質能夠很容易地揮發。在氣化產品氣中揮發的AAEM物質能夠造成氣渦輪機/發動機部件的腐蝕/侵蝕。揮發的AAEM物質也可以與流化床氣化器的床料(如砂子)反應，導致床料的團聚和 去流化。另一方面，如果這些AAEM物質保留在焦化物中，它們可以是焦化物氣化的優良的催化劑。第三，來自低等級燃料的焦化物和揮發物非常活潑。焦化物和揮發物之間的相互作用能夠提高它們固有的金屬物質(例如，褐煤中的Na和生物質中的K)的揮發，使焦化物結構失活，從而降低了焦化物的反應性。在最壞的情況下，揮發物與焦化物的相互作用實際上可以終止焦化物的氣化。當存在揮發物與焦化物的相互作用時，提高氣化溫度不總是引起氣化率顯著提高。實際上，揮發物與焦化物的相互作用幾乎影響氣化的每一個方面。氧的消耗是設計和運行氣化器以實現高效率的一個重要考慮因素。在許多氣化器中，作為比焦化物更活潑的揮發物往往會優先與O2反應，留下較不活潑的焦化物用蒸汽和其他氣化劑使其緩慢地被氣化。一個更理想的情況是，較不活潑的焦化物與O2反應，而用蒸汽和其他氣化劑使更活潑的揮發物被轉化。粗製產品氣會含有微量的焦油、已揮發的無機物(如鹼)和汙染形成物質(如nh3、hcn、h2s)。粗製產品氣通常需要被淨化，然後才能夠作為例如渦輪機/發動機的氣態燃料或作為用於化學合成的原料被利用。從氣化產品氣中去除諸如焦油狀物質、AAEM蒸氣、顆粒和H2S/NH3/HC1的各種不希望有的組分通常增加了氣化工藝整體的複雜性，並且成為氣化投資和運營成本整體的一個重要的部分。當通過液體(例如，水)洗滌去除這些不希望有的物質時，產生必須用很高的花費進一步處理的液體廢物流。可以採用各種常規的催化劑使焦油轉化。但是，這些催化劑往往很容易失活。因此，有需要使技術進步。

發明內容
依照本發明的一個方面，提供一種氣化含碳材料的方法，所述方法包括以下步驟:熱解所述含碳材料以生產揮發物和焦化物；將所述焦化物與所述揮發物分離；氣化所述焦化物；轉化所述揮發物以生產產品氣；以及使部分轉化的揮發物和/或產品氣通過產品氣淨化區，諸如催化劑床。使部分轉化的揮發物和/或產品氣通過催化劑床導致幾個效果，這些效果包括對焦油殘餘物和諸如無機汙染物的其他雜質的去除，以及通過進行水煤氣反應，提高所述產品氣的氫含量，從而生產清潔的產品氣。所述催化劑床可以包括焦化物或焦化物負載的催化劑的移動床。移動床可以是焦化物或焦化物負載的催化劑的非等溫的移動床。焦化物或焦化物負載的催化劑可以由含碳材料(包括加入催化物質的含碳材料)的熱解和/或部分氣化來製備。在一實例中，該過程包括這樣的步驟，即將用過的焦化物或焦化物負載的催化劑從催化劑床排出並氣化所述用過的焦化物或焦化物負載的催化劑以回收(recuperate)它們的能量值。也可以將用過的或部分用過的焦化物或焦化物負載的催化劑作為是養分源的土壤改良劑而返回到田地並且/或者用於生物固碳(carbon biosequestration)。在另一實施例中,所述催化劑床是一系列催化劑床之一。在本發明的一實施例中，熱解含碳材料的步驟包括熱解所述含碳材料並持續足夠長的一段時間以基本上將所有所述含碳材料轉化為揮發物和焦化物。在一實施例中，熱解含碳材料的步驟包括用逆流的熱氣流加熱所述含碳材料。所述熱氣可以由氣化焦化物來製備。所述含碳材料可以經歷同時的熱解和(部分)氣化。在一實施例中,氣化所述焦化物的步驟包括使所述焦化物與氣化劑反應。氣化所述焦化物的步驟可以包括使所述焦化物與控制的量的含氧氣體反應。執行氣化步驟可以孤立於轉化所述揮發物的步驟，以使揮發物與焦化物的相互作用最小化。依照本發明的另一方面，提供了一種處理由低等級的含碳材料的氣化生產的粗產品氣的方法，其中所述粗產品氣包括部分轉化的揮發物、焦油殘餘物和汙染物，所述方法包括使所述粗產品氣通過催化劑床。在一實施例中，處理所述粗產品氣的方法包括使所述粗產品氣通過催化劑床，且該催化劑床包括焦化物或焦化物負載的催化劑的移動床。從所述粗產品氣中去除焦油殘餘物和諸如無機汙染物的其他雜質。此外，與所述粗產品氣相比，通過進行水煤氣反應，提高了處理後的產品氣的氫含量。所述方法可以包括 在熱解所述含碳材料之前乾燥所述含碳材料的步驟。對於包括乾燥所述含碳材料的步驟的方法的實施例，由乾燥步驟產生的蒸汽可以用在轉化所述揮發物的步驟中。依照本發明的另一方面，提供了一種用於氣化含碳材料的氣化系統，所述氣化系統包括:一轉化區，用於轉化揮發物以生產產品氣；一焦化物氣化區，用於氣化焦化物；一熱解區，用於熱解含碳材料，所述熱解區以與所述轉化區和所述焦化物氣化區流體連通的方式設置，由此分離在所述熱解區中形成的揮發物與焦化物並分別導至所述轉化區和所述焦化物氣化區；以及一產品氣淨化區，所述產品氣淨化區以與所述轉化區流體連通的方式設置，由此部分轉化的揮發物和/或產品氣能夠通過產品氣淨化區。以此方式，本發明的氣化系統減少並通常使揮發物與焦化物的相互作用最小化。在一實施例中，所述熱解區設置在所述轉化區和所述焦化物氣化區的中間。在一實施例中，所述產品氣淨化區包括催化劑床。可理解的是，所述催化劑床可以包括串聯排列的多於一個的催化劑床。在本發明的各種實施例中，所述氣化系統可以設置有用於將含碳材料弓I入所述熱解區的入口，以及用於將諸如蒸汽和含氧氣體的氣化劑引入所述焦化物氣化區的一個或多個入口。所述氣化系統也可以設置有用於從所述催化劑床排出產品氣的出口。在一實施例中，所述氣化系統包括一氣化容器，所述氣化容器具有被限定於其中的所述轉化區、焦化物氣化區和熱解區。在本發明的一實施例中，所述焦化物氣化區設置在所述氣化容器的下部。所述轉化區可以設置在所述氣化容器的上部。在一實施例中，所述焦化物氣化區還設置有諸如閉鎖式料鬥的灰分排出裝置，該裝置與設置在所述氣化容器的下部的出口可操作地相連。在本發明的一實施例中，所述熱解區設置成將所述含碳材料在所述熱解區保留足夠長的一段停留時間以基本上將所有的所述含碳材料轉化為揮發物和焦化物。所述熱解區可以設置有熱解器，該熱解器適於將所述含碳材料在所述熱解區保留足夠長的一段停留時間以基本上將所有的所述含碳材料轉化為揮發物和焦化物。在一實施例中，與其餘的含碳材料分離的、在所述熱解區中形成的焦化物的一部分作為氣體淨化催化劑並被導至所述產品氣淨化區。在一實施例中，所述氣化系統包括諸如移動床反應器的單獨的容器，該單獨的容器用於熱解和/或部分氣化含碳材料以便製備焦化物或焦化物負載的催化劑，所述系統設置成允許將熱解後的和/或部分氣化的含碳材料排至所述產品氣淨化區以起到用於淨化所述產品氣的催化劑的作用。所述含碳材料可以是用於氣化的主要原料。所述產品氣淨化區可以與所述焦化物氣化區重合，所述焦化物氣化區在這樣的條件下被設置並被操作，即使焦化物經歷部分或完全氣化。所述焦化物氣化區也可以是包括焦化物儲料器的單獨的容器。依照本發明的另一方 面，提供了一種用於熱解和部分氣化含碳材料的裝置，所述裝置包括:至少一個部件，該部件具有被這樣設置的面，即當所述裝置接收含碳材料時，所接收的含碳材料與所述面接觸並持續足夠長的一段時間，以便熱解所述含碳材料；其中所述裝置設置成使得所述面接收用於熱解和部分氣化所述含碳材料的熱。在一實施例中，所述面具有向下傾斜的部分，所述向下傾斜的部分設置成在所述一段時間中協助所述含碳材料與所述面的接觸。所述裝置可以包括多個面，每個面設置成接收含碳材料，以便被接收的含碳材料與各個面接觸並持續足夠長的一段時間以熱解所述含碳材料，每個面設置成接收用於熱解和部分氣化所述含碳材料的熱。多個面可以呈串聯排列(cascade arrangement),並且所述裝置可以設置成使得含碳材料在足夠長的一段時間後被輸送至串聯排列的接連的面，以便熱解和部分氣化所述含碳材料。在一實施例中，所述裝置包括與所述至少一個部件相關的攪拌器，所述攪拌器設置成攪拌與所述面接觸的含碳材料，以便將所述含碳材料輸送至所述面下面的區域。在所述裝置包括串聯排列的多個面的實施例中，所述攪拌器可以被設置成將含碳材料輸送至串聯排列的接連的面。在一實施例中，所述裝置包括多個攪拌器，每個攪拌器與具有各自的面的各部件相關，每個攪拌器設置成將所述含碳材料輸送至串聯排列的接連的面，或者在串聯排列的最後一個面的情況下，將所述含碳材料輸送至串聯排列的最後一個面的下面的區域。多個面可以設置成豎直串聯排列並且所述裝置可以包括豎直延伸穿過所述多個面的可旋轉的軸，其中與各個面相關的攪拌器可通過旋轉可旋轉的軸操作。豎直串聯排列的各接連的面可以具有向下傾斜的部分，該部分以與其上方的面互補的方式成型。


現在將僅以實例的方式，參照附圖描述本發明的實施例，其中:圖1是根據本發明的一個實施例的氣化含碳材料的方法的示意圖；圖2是根據本發明的一個實施例的氣化系統的示意圖；圖3是用於熱解含碳材料的裝置的一個實施例的示意圖，且該含碳材料可以用於圖2所示的氣化系統；以及圖4是根據本發明的一個實施例的用於氣化含碳材料，從而生產焦化物和產品氣的氣化系統的示意圖。
具體實施例方式本發明的實施例涉及如參照圖1至圖4描述的氣化含碳材料的方法10、氣化系統
20、40和熱解含碳材料的裝置30。
可理解的是，可以在氣化容器中執行方法10，且該氣化容器具有被一體地限定於其中的用於熱解含碳材料的熱解區、用蒸汽和含氧氣體氣化焦化物的焦化物氣化區、用蒸汽轉化揮發物以生產產品氣的轉化區以及淨化產品氣的氣體的淨化區。將在說明書的下文中更詳細地描述本發明的氣化容器的一實施例。最廣意而言，且如圖1所示，氣化方法10包括以下步驟:熱解含碳材料以生產揮發物和焦化物的步驟12、分離焦化物和揮發物的步驟14、氣化焦化物的步驟16、轉化揮發物以生產產品氣的步驟18以及淨化產品氣的步驟19。此說明書通篇使用最廣意的術語「含碳材料」，該含碳材料包括，但並不限於，諸如無煙煤、煙煤、次煙煤、土狀褐煤(brown coal)、暗色褐煤(lignite)的煤,泥煤,生物質,包括但並不限於車輛輪胎的廢舊橡膠，廢塑料材料，農業廢棄物，它們的混合物以及所述含碳材料與其他物質的混合物。參照圖1至4描述的本發明的實施例的方法和系統尤其適用於具有高揮發物產率和高水分含量的低等級的含碳材料。參照圖4描述的系統特別地適用於具有高揮發物產率和高水分含量的生物質。在諸如生物質的水分含量高的含碳材料的實施例中，優選地，在熱解該含碳材料之前乾燥該含碳材料。預乾燥含碳材料的優點是雙倍的。預乾燥使儲料鬥和氣化容器中的含碳材料的顆粒團聚最小化。此外,優選地,一定量的固有的水分與含碳材料一起被引入氣化容器，並隨後被轉變為蒸汽以在轉化區中使用，過量的水分會增加氣化容器內的將水分轉變為蒸汽的能量需求而導致效率下降。於是，在一實施例中，方法10包括在熱解含碳材料之前乾燥含碳材料的步驟。在本發明的一種形式中，乾燥含碳材料包括在間接熱交換的裝置中使含碳材料接觸工藝產品氣。諸如本領域技術人員知曉的，通過使含碳材料經過常規的間接式乾燥機，可以實現與產品氣的間接熱交換。以此方式，在方法10中可以有效地利用產品氣的顯熱。在方法10的一個實施例中，熱解含碳材料包括將含碳材料的連續物料流引入氣化容器的熱解區中。為了促進含碳材料的連續物料流進入熱解區，並使顆粒團聚最小化，優選地，如上所述地控制含碳材料的水分含量以及控制含碳材料的粒徑。熱解含碳材料包括加熱含碳材料，優選地，用熱氣直接加熱含碳材料。可以在氣化容器的焦化物氣化區中生產熱氣，`並且在熱解區中熱氣被引導與含碳材料的連續物料流逆流直接熱交換。熱氣的溫度取決於含碳材料的類型，並且可以是在約900° C至約1200° C的溫度範圍內。通過與熱氣流的反應，含碳材料可以同時經歷熱解和部分氣化。在一優選的實施例中，含碳材料的連續物料流逐漸下降，用足夠長的一段時間經過熱解區以確保含碳材料基本上被完全熱解成揮發物和焦化物。在一實施例中，通過重力，含碳材料的連續物料流逐漸下降經過熱解區。在一可選的實施例中，通過傳送裝置或攪拌裝置，含碳材料的連續物料流逐漸下降經過熱解區，所述傳送裝置諸如螺旋推運器、螺杆、移動床，所述攪拌裝置是諸如例如將參考圖3進行描述的與熱解器相關的攪拌裝置。隨著熱解，揮發物升入氣化器的轉化區中，而焦化物下降至氣化器的氣化區中。有利的是，含碳材料被完全熱解成揮發物和焦化物，這能夠提高對揮發物和焦化物的分離，使它們分別到轉化區和焦化物氣化區中，從而使在焦化物氣化區中的揮發物和焦化物之間的相互作用最小化。因此，與現有技術工藝相比，在焦化物氣化區中基本上不存在揮發物，這有利於相對地提高焦化物的氣化速率。在基本上不存在揮發物的情況下，氧氣主要被焦化物消耗，促進通常是限速步驟的焦化物的快速氣化。因此，本發明的實施例以最少量的氧氣提高氣化率，以實現高氣化效率。氣化焦化物包括將諸如蒸汽和含氧氣體的氣化劑引入焦化物氣化區，並使焦化物與蒸汽和含氧氣體反應。在本發明的一實施例中，引入焦化物氣化區的含氧氣體可以包括空氣、純氧氣或稀釋的氧氣。氧氣和焦化物之間的放熱反應可以用簡化的反應表示如下:C+l/202->C0 (I)C+02->C02 (2)蒸汽和焦化物之間的吸熱反應可以用簡化的反應表示:C+H20->C0+H2 (3)可以分別改變引入焦化物氣化區的含氧氣體和/或蒸汽的量以控制焦化物氣化區的操作溫度。根據氣化容器內的包括用於產品氣淨化的催化劑床的各個區之間的能量平衡，能夠確定所需的操作溫度。為了達到高氣化效率，優選地使氧氣進入焦化物氣化區的進料速率儘可能的低。在一實施例中，在焦化物氣化區中，焦化物基本上被消耗掉，導致熱氣和灰分的產生。通過諸如閉鎖式料鬥的灰分排出裝置的方式，可以從氣化容器的焦化物氣化區排出灰分。焦化物氣化產生的熱氣提供熱源，該熱源用於加熱和熱解在氣化容器的熱解區中的含碳材料，用於轉化在轉化區中的揮發物以及用於淨化在氣體淨化區中的產品氣。可理解的是，在包括「啟動」模式在內的焦化物不足以平衡熱需求的情況下，可以再循環並在焦化物氣化區中燃燒或在轉化區中燃燒方法10生產的產品氣的一部分。熱氣從焦化物氣化區流至熱解區，並在含碳材料逐漸移動經過熱解區並被熱解時，熱氣經過並與含碳材料逆流直接熱交換。當熱氣通過熱解區時，熱氣與從含碳材料釋放出的揮發物(包括水蒸汽)混合併流入轉化區。以此方式，熱氣協助在熱解區中生產的揮發物與焦化物的分離。熱氣還滿足在轉化區中吸熱的揮發物轉化反應的能量需求。在轉化區中，揮發物和蒸汽吸熱地反應以生產產品氣。在一實施例中，轉化區中揮發物與蒸汽的轉化在約700° C至約1000° C的溫度範圍內執行。因此，有利的是，焦化物氣化區中產生的熱氣的顯熱的一部分被回收(recuperate)變成呈產品氣形式的化學能。當上述熱氣向上流動時，上述熱氣中的過量的氣化劑會接觸正在熱解的原料、它的揮發物和焦化物並與它們反應。轉化區中生產的產品氣會含有有機和無機汙染物。汙染物的實例包括但不限於焦油殘餘物、NH3> HCN、H2S和揮發的無機AAEM物質。含有汙染物的氣體產品通常被稱為「粗
章口與，，
廣口口 3 ο方法10從產品氣中方便地去除有機和無機汙染物。在本發明的一實施例中，方法10進一步包括使部分轉化的揮發物和/或產品氣通過催化劑床。在一實施例中，所述催化劑床包括催化劑的非等溫的移動床。在另一實施例中，所述催化劑床是串聯排列的多個流體互 連的床。在一實施例中，催化劑包括被含碳材料基體負載的過渡金屬催化劑。這可以由含有或浸潰有金屬的含碳材料的熱解和/或部分氣化來製得。可選地，按照本領域的技術人員公知的方法，可以將金屬加入/浸潰到焦化物中。在一優選的實施例中，催化劑包括被焦化物負載的Fe和/或Ni。在另一實施例中，催化劑可以是焦化物本身。有利的是，由生物質熱解生產的焦化物含有很好地分散在焦化物中的大量固有的催化物質，尤其是AAEM物質。於是，由熱解生產的焦化物可以用於催化產品氣中的焦油殘餘物的分解。在焦化物或焦化物負載的催化劑的情況下，可以在容器(例如，移動床)中由熱解含碳材料來製備催化劑，然後將該催化劑送入氣體淨化區。含碳材料可以是待被氣化的原料(如生物質)。在另一優選的實施例中，催化劑包括諸如鈦鐵礦的(處理後的)鐵芯。催化劑床可以與氣化容器成為一體，並且與轉化區流體連通。在催化劑包括焦化物或焦化物負載的催化劑的某些實施例中，用過的催化劑可以被排入氣化容器的焦化物氣化區中，並隨後被氣化。如上所述，以此方式，沒有額外的固體或液體廢物流源於對被汙染的產品氣的處理。使部分轉化的揮發物和/或產品氣通過催化劑床，從中去除無機汙染物。在適當的溫度下，揮發的AAEM在固體催化劑表面上凝結，並且顆粒也被催化劑床捕捉。通過與固體催化劑接觸，諸如NH3、H2S和其他含N、C1或S的化合物的其他無機汙染物被分解或吸附。以此方式，諸如AAEM的無機汙染物被捕獲到催化劑上。有利的是，AAEM提高焦化物氣化區中的焦化物的反應性。因此，方法10提供了一種方法，通過該方法可以方便地利用來自由低等級的含碳材料產生的揮發物中的無機汙染物，以提高焦化物的氣化。隨後，AAEM呈現在灰分中。部分轉化的揮發物和/或產品氣通過催化劑床，通過例如與蒸汽的被催化的轉化反應，還去除諸如焦油殘餘物的有機汙染物。有利的是，這一過程將熱能(顯熱)回收並變成轉化產物的化學能。通過在固體催化劑表面上形成焦炭(coke)也去除一些焦油殘餘物。此外，通過使產品氣通過催化劑床，能夠提高產品氣中的氫含量，因為在催化劑床的較低溫度的端部有利於催化的水煤氣變換反應(C0+H20->C02+H2)。使部分轉化的揮發物和/或產品氣經過催化劑床的操作能夠在約1000° C至約200° C的溫度範圍內進行。優選地，催化劑床的溫度沿氣流方向逐漸降低至約200° C。現將參照圖2和 圖3描述氣化系統20和用於熱解用在氣化系統20中的含碳材料的裝置30。氣化系統20包括氣化容器21，氣化容器21具有被一體地限定於其中的四個反應區，即熱解區22，焦化物氣化區23、轉化區25和催化劑床26。熱解區22與焦化物氣化區23和轉化區25流體連通。通常，氣化容器21是側面豎直的容器，該容器基本上沿其全長和/或者沿材料和/或流體流的方向具有大致恆定的橫截面面積。在改變材料和/或流體在容器21中的停留時間是有利的情況下，根據含碳材料的組成特性，沿容器21的長度方向和/或沿材料和/或流體流動的方向可以改變容器21的橫截面面積。優選地，容器21襯有耐火材料。氣化容器21的上部設置有入口 28a，入口 28a用於通過進料器28引入諸如生物質的含碳材料的連續物料流。進料器28是與容器的入口 28a流體連通的，並且優選地包括旋轉進料器以使阻塞問題最小化。優選地，進料器28還包括與用於儲存生物質的料鬥相關的攪拌器。攪拌器設置成使得料鬥中潛在的生物質的橋連最小化。熱解區22設置有用於熱解含碳材料的裝置30 (見圖3)。可以採用諸如本領域技術人員已知的任何合適的熱解器。合適的熱解器的說明性的實例包括但不限於移動床、螺杆/螺旋推運器/窯熱解器和這些的組合。
裝置30能夠設置成通過重力或機械傳送裝置促進輸送含碳材料逐漸通過熱解器並送進焦化物氣化區。優選地，使裝置30適合於將含碳材料在熱解區中保持足夠長的一段時間，以將含碳材料基本上轉化成焦化物和揮發物。在圖2所示的實施例中，熱解區22設置有裝置30，裝置30用源自焦化物氣化區23的被加熱的氣體加熱含碳材料，以生產揮發物和焦化物。圖3更詳細地示出裝置30。在一優選的形式中，裝置30與焦化物氣化區23和轉化區25分開，以促進在裝置30中製得的揮發物和焦化物的有效分離。裝置30包括三對錐面32、34、36。將被理解的是，可以改變這樣的錐面的數目。錐面對32、34、36彼此分開，並沿可旋轉的軸31的長，以分開的，縱向對齊的方式設置。每一對錐面32、34、36包括上部倒錐面32a、34a和36a，上部倒錐面32a、34a和36a與面對的下部直立錐面32b和34b、36b分開。優選地，錐面對32、34、36包括適合為了熱的通路，並尤其是熱氣穿過的穿孔的金屬片。金屬片還起到用於直接加熱含碳材料的有效的熱導體的作用。下部直立錐面32b、34b、36b的每個都有圍繞軸31同心地設置的開口 32c、34c、36c。開口 32c、34c、36c的目的是提供含碳材料從下部直立錐面32b、34b、36b到上部倒錐面34a、36a以及到在正下方設置的焦化物氣化區23的通路。此外，上部倒錐面32a、34a、36a的直徑小於的面對的下部直立錐面32b、34b、36b的直徑。以此方式，在上部倒錐面32a、34a、36a上停留的含碳材料可以滑出所述面的邊緣並落入在正下方設置的面對的下部直立錐面32b、34b、36b中。裝置30還包括與各對錐面32、34、36相關的一個或多個攪拌裝置32d、34d、36d。可理解的是，攪拌裝置的數目不必須與錐面對的數目相匹配。在這一特定的實施例中，攪拌裝置32d、34d、36d是旋轉臂。旋轉臂在上部倒錐面32a、34a、36a的上方和/或在下部面對的直立錐面32b、34b、36b的上方且分開一短距離(例如，2-5毫米)。通過旋轉可旋轉的軸31可操作攪拌裝置32d、34d、36d。根據含碳材料的特性，可以改變軸31的旋轉速度，以控制在熱解區中的顆粒停留時間。在一實例中，旋轉臂以12rpm的速度旋轉。可旋轉的軸31的旋轉導致攪拌裝置32d、34d、36d幹擾停留在下部直立錐面32b、34b,36b上的含碳材料顆粒，並導致它們通過各個開口 32c、34c、36c到達其正下方的倒錐面。類似地，可旋轉的軸31的旋轉導致攪拌裝置32d、34d、36d幹擾停留在上部倒錐面32a、34a、36a上的含碳材料顆粒，並導致它們滑動並從所述面的邊緣落下，並被收集於正下方的面對的下部直立錐面32b、34b、36b中。可以改變所述軸的旋轉速度以改變停留在上部倒錐面32a、34a、36a和面對的下部直立錐面32b、34b、36b上的含碳材料的停留時間。以此方式，可以控制裝置30中的含碳材料的停留時間，以允許有足夠的時間將含碳材料基本上轉變成焦化物和揮發物。可以改變錐面的斜率以控制含碳材料顆粒停留在所述面上的時間。可選地，錐面可以相對於所述攪拌裝置旋轉。在本發明的工藝和裝置中也可以採用本領域技術人員已知的其他合適的方法，用於控制裝置30中的含碳材料的停留時間以促進含碳材料基本上被完全熱解成焦化物和揮發物。除了熱解反應，在裝置30內，原料也會經歷一定程度的氣化。焦化物氣化區23設置在容器21的下部。焦化物氣化區23可以設置有一個或多個固定床或具有爐柵的移動床，爐柵在其上支撐焦化物，並同時允許含氧氣體和蒸汽通過所述移動床且與焦化物反應。可選地，焦化物氣化區23可以設置有鼓泡流化床和供給含氧氣體和蒸汽的氣體分配器。在圖2所示的實施例中，在錐形的固定床中氣化焦化物。容器21設置有含氧氣體入口 23a和蒸汽入口 23b。可以設想，通常空氣會被用於諸如生物質氣化的小規模的應用，而純的或稀釋的氧會被用於諸如煤的氣化的大規模的應用，特別是在意圖捕獲和儲存二氧化碳或當產品氣被用於合成液體燃料和化學品時。焦化物氣化區23還設置有諸如鎖閉料鬥的灰分排卸裝置24。轉化區25設置在容器21的上部並包括由容器21的上部限定的空腔，在該空腔中可以發生揮發物和蒸汽之間的氣體轉化反應。轉化區25與催化劑床26流體連通。優選地，催化劑床26是固體催化劑的移動床或一系列的催化劑床。在一實施例中，移動床設置成將用過的催化劑排卸到容器21中。於是，催化劑床26設置有固體催化劑排卸裝置26a以當催化劑從催化劑床26排出時不斷地補充固體催化劑的移動床。催化劑床26設置有排出產品氣體的出口 27。在催化劑床中的固體催化劑可以是各種形式。焦化物負載的過渡金屬(例如，Fe和/或Ni)催化劑是優選的實施例，這可以通過熱解和部分氣化加有過渡金屬(例如，Fe和/或Ni)的含碳材料(例如，生物質或褐煤)來製得。沒有加金屬的焦化物本身可以是催化劑。可選地，鈦鐵礦、鐵礦石也能夠被用作固體催化劑。圖4示出用於由含碳材料，尤其是生物質，生產產品氣和焦化物的系統40的一實施例。系統40用於方法10的實施例，方法10包括將產品氣和/或部分轉化的揮發物暴露於焦化物的額外步驟。方法10生產的焦化物可以用作活性炭或作為土壤改良劑和/或用於固碳(carbon sequestration)。在此實例中，儲料器50中的具有高至約60%的水分含量的含碳材料的原料被送入乾燥器52，優選地，在乾燥器52中，原料中的水分被減少至低於約20%的水分含量。由工藝的其他步驟產生的熱能夠被用作乾燥器52的加熱介質。然後，部分乾燥的原料被送至熱解器54，在熱解器54中加熱原料，以便生產焦化物和揮發物。發明人已經表明，在諸如約450° C至約550° C的中等溫度下對乾燥後的原料的熱解將從原料中釋放大部分潛在的揮發物。此外，在中等熱解溫度下，諸如AAEM物質的無機物質往往會被保留在焦化物中。無機物質保留在焦化物中是特別有益的，因為它增強了焦化物的催化活性，並且在生物質可以用作原料並且將所得的焦化物用作土壤改良劑的情況下，促進無機養分的再循環使其返回至土壤中。熱解器54可以設置成通過重力或機械傳送裝置促進將焦化物從熱解器54輸送至反應器60。在將焦化物輸送至反應器60之前，可以將焦化物輸送並暫時裝盛在與反應器60流體連通的儲存室(未示出)中。儲存室可以設置有一控制裝置，以控制焦化物進入反應器60的流速。熱解後，將揮發物導至氣體轉化器56。加熱氣轉化器56，並且通過各自的進氣口56a和56b，將在乾燥器52中產生的所需量的蒸汽與諸如氧氣或空氣的含氧(O2)氣體一起引入氣體轉化器56，在氣體轉化器56中，揮發物經歷氣體的轉化反應以生產主要包括CO和H2的粗產品氣。
如虛線54a和56c表示的，可以將粗產品氣和/或焦化物的一部分導至用於燃燒的燃燒器58,以產生用於加熱氣體轉化器56和反應器60的高溫氣體。在氣體轉化器56中生產的粗產品氣被引入到反應器60中，反應器60還裝盛由熱解器54生產的焦化物。反應器60被加熱到高達約900° C的溫度並且其中的焦化物起到固體催化劑的作用，以便催化分解包含在粗產品氣中的焦油殘餘物以形成CO、H2和其他可燃氣體。通過在焦化物表面上形成焦炭，也去除一些焦油殘餘物。通過焦化物，還從粗產品氣中去除其他無機汙染物。例如，焦化物還可以捕獲釋放出的AAEM物質和無機顆粒，並且通過與焦化物接觸，諸如NH3、H2S和其他含N、Cl或S的化合物的其他無機汙染物被分解或吸附。以此方式，諸如AAEM的無機汙染物被捕獲到焦化物上。有利的是，AAEM增強焦化物的反應性。粗產品氣會含有過量的蒸汽，並且在反應器60中的操作條件是這樣的，當粗產品氣被帶入反應器60中與焦化物接觸時，焦化物可以被部分地氣化。優選地，反應器60中的焦化物的部分氣化應在約700° C至約900° C的溫度下進行。有利的是，這些溫度促進用於焦油殘餘物的分解的焦化物上的催化活性位點的形成和碳活化。部分氣化後， 本發明的工藝生產的用過的焦化物具有高表面積，通常高於約700平方米每克焦化物。焦化物中的一些可能的汙染物(例如，有機物)也在部分氣化工藝中被去除。重要的是，在此溫度範圍內，焦化物中固有的AAEM物質被轉化成更可浸出的形式，所述更可浸出的形式促進無機養分再循環到田地中的。從反應器60排出的用過的焦化物被儲存在容器64中。用過的焦化物含有大量的AAEM物質和其他無機養分，並能夠容易地返回土壤作為土壤改良劑。以此方式的焦化物再循環有兩個重要的優點:(1)焦化物中的無機養分返回到田地，和(2)固碳，從而減少了與發電相關的碳排放量。對於鄉村和地方社區的長期可持續發展而言，這些因素是非常重要的。可以改變方法40生產的焦化物和產品氣的相對量(即，焦化物與產品氣的比)。在一實施例中，反應器60包括部分氣化區和完全氣化區。反應器60的部分氣化區在這樣的條件下操作，即其中焦化物被部分氣化以生產產品氣和用過的焦化物，而反應器60的完全氣化區在這樣的條件下操作，即其中焦化物被氣化以生產產品氣和灰分。在需要更大體積的清潔產品氣的情況下，可以將相對比例更大的焦化物輸送到反應器60的完全氣化區。可選地，在需要更大體積的用過的焦化物的情況下，可以將相對比例更大的焦化物輸送到反應器60的部分氣化區。系統20或40可以設置有用於建立、維持和/或改變氣化容器內的溫度分布的裝置。這樣的裝置可以包括用於控制的含氧氣體和/或蒸汽的進料速率的控制器。例如，為了提高焦化物氣化區的溫度，可以提供更多的含氧氣體以促進其中的與焦化物的放熱反應。在一些實施例中，系統20或40進一步包括多個傳感器以及氣體和固體的取樣探頭。正如上面詳細描述的，本發明的實施例提供一種特別用於低等級的含碳材料的有效的氣化方法，以生產相對高質量的產品氣，用於諸如發電、產熱和化學品合成的目的。在本發明的實施例還提供能夠從產物氣流中去除焦油殘餘物、其他的雜質和汙染物形成物質的固體催化劑，以及能夠增加產品氣中的氫含量。還將被理解的是，在本發明中，在諸如蒸汽的其他工藝物流被引入焦化物氣化區之前，產品氣的顯熱可以有效地用於與所述其他工藝物流的間接熱交換。可選地，在進行氣化之前，產品氣的顯熱可以用於乾燥含碳材料。在一些實施例中，特別是在氣化方法10的啟動模式中，可以在焦化物氣化區中燃燒產品氣以提高其中的工作溫度和/或在轉化區中燃燒產品氣以提高其中的溫度。還將被理解的是，雖然前面的描述參照特定順序的方法步驟，提供的系統、設備和裝置的部件及其設置僅用於說明的目的，並非意圖以任何方式限制本發明的範圍。本發明的實施例能夠提高氣化效率。該技術能夠適當地用於，例如，能源和化學工業中。特別是，本發明人提出，本發明的實施例適用於採用相對寬的粒徑分布的生物質的分布式發電。有利的是，方法10使熱解、揮發物的轉化、焦化物的氣化以及產品氣的淨化結合成一體，以得到一個提高了工藝的效率和經濟性的緊湊的氣化器配置。對於相關領域的技術人員將容易理解的是，本發明的一些實施例可以提供優於現有技術的優點，所述優點包括但不限於下列幾點:-提供尤其為了氣化低等級的含碳材料的氣化工藝，可以在使氣化與熱氣淨化結合成一體的一單一氣化容器中進行所述氣化工藝；-在焦化物氣化過程 中，使揮發物和焦化物之間的相互作用最小化，以使焦化物氣化率增加；-使揮發物和其轉化產品的直接氧消耗最小化；-促進在焦化物氣化區中焦化物與氧的直接反應，以生成在氣化容器內的各種反應所需的熱，從而以化學能的形式作為產品氣，回收焦化物氣化產物的熱能；-為了最大化的氣化效率而使氧氣的總消耗最小化；-通過用催化劑轉化焦油殘餘物，使產品氣中的焦油殘餘物的量最小化，在低等級的含碳材料的氣化中，產品氣中的焦油殘餘物是常出現的一個問題；-使普遍存在於低等級的含碳材料的無機物，特別是AAEM的揮發最小化；-用催化劑去除揮發的AAEM和諸如NH3、HCN、H2S的汙染物形成雜質；-作為一種處理的方式，可以將用過的催化劑排至焦化物氣化區並將其氧化氣化，從而對容器中的熱能生產作出貢獻，而不產生額外的液體或固體廢物流；-催化劑可以用於促進水煤氣變換反應，從而提高最終產品氣中的氫含量，而沒有與催化劑失活、再生和處理相關的傳統問題。除了已經描述的那些之外，在不偏離基本發明概念的情況下，將許多變化和修改建議給相關領域的技術人員。可認為所有這些變化和修改都是在本發明的範圍之內，其性質將由前面的描述來確定。例如，應當理解的是，在小的(幾兆瓦或更少)和大的(幾百兆瓦)的規模下，能夠以各種方式實踐和執行本發明的實施例。在本發明的說明書中，除非上下文需要，否則由於語言表達或必要的暗示，詞語「包括(comprise)」或諸如「包括(comprises)」或「包括(comprising)」的變形是包括(inclusive)的意思，即明確說明被表述的特徵的存在,但不排除在本發明的各種實施例中存在或添加進一步的特徵。
權利要求
1.一種氣化含碳材料的方法，所述方法包括以下步驟: 熱解所述含碳材料以生產揮發物和焦化物； 將所述焦化物與所述揮發物分離； 氣化所述焦化物； 轉化所述揮發物以生產產品氣；以及 使部分轉化的揮發物和/或產品氣通過產品氣淨化區。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述產品氣淨化區包括催化劑床。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述催化劑床包括固體催化劑的移動床。
4.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中所述產品氣淨化區包括串聯設置的多個催化劑床。
5.如權利要求2至4中的任一項所述的方法，其中所述催化劑床包括焦化物、焦化物負載的催化劑或鈦鐵礦。
6.如權利要求5所述的方法，其中當所述催化劑床包括焦化物或焦化物負載的催化劑時，所述焦化物或焦化物負載的催化劑由所述含碳材料的熱解和/或部分氣化來製備。
7.如權利要求5或6所述的方法，其中所述方法進一步包括從所述催化劑床排出用過的焦化物或焦化物負載的催化劑，並氣化所述用過的焦化物或焦化物負載的催化劑。
8.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中熱解所述含碳材料的步驟包括熱解所述含碳材料並持續足夠長的一段時間以基本上將所有的所述含碳材料轉化為揮發物和焦化物。
9.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中熱解所述含碳材料的步驟包括用逆流的熱氣流加熱所述含碳材料，這也實現所述原料的部分氣化。
10.如權利要求9所述的方法，其中在所述焦化物氣化區中生產所述熱氣。
11.如權利要求9所述的方法，其中在所述焦化物氣化區或所述轉化區中燃燒產品氣生產所述熱氣。
12.如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中氣化所述焦化物的步驟包括使所述焦化物與控制的量的含氧氣體反應。
13.—種處理由低等級的含碳材料的氣化生產的粗產品氣的方法，其中所述粗產品氣包括部分轉化的揮發物、焦油殘餘物和汙染物，所述方法包括使所述粗產品氣通過催化劑床。
14.如權利要求13所述的方法，其中處理所述粗產品氣的方法包括使所述粗產品氣通過催化劑床，且該催化劑床包括焦化物或焦化物負載的催化劑的移動床。
15.一種用於氣化含碳材料的氣化系統，所述氣化系統包括: 一轉化區，用於轉化揮發物以生產產品氣； 一焦化物氣化區，用於氣化焦化物； 一熱解區，用於熱解含碳材料，所述熱解區以與所述轉化區和所述焦化物氣化區流體連通的方式設置，由此分離在所述熱解區中形成的揮發物與焦化物並分別導至所述轉化區和所述焦化物氣化區；以及 一產品氣淨化區，所述產品氣淨化區以與所述轉化區流體連通的方式設置，由此部分轉化的揮發物和/或產品氣通過所述產品氣淨化區。
16.如權利要求15所述的系統，其中所述熱解區設置在所述轉化區和所述焦化物氣化區的中間。
17.如權利要求15或16所述的系統，其中所述產品氣淨化區包括催化劑床。
18.如權利要求15至17中的任一項所述的系統，其中所述氣化系統包括一氣化容器，所述氣化容器具有被限定於其中的所述轉化區、焦化物氣化區和熱解區。
19.如權利要求18所述的系統，其中所述焦化物氣化區設置在所述氣化容器的下部。
20.如權利要求18或19所述的系統，其中所述轉化區設置在所述氣化容器的上部。
21.如權利要求15至20中的任一項所述的系統，其中所述熱解區設置成將所述含碳材料保留在所述熱解區並持續足夠長的一段停留時間以基本上將所有的所述含碳材料轉化為揮發物和焦化物。
22.如權利要求15至21中的任一項所述的系統，其中與其餘的含碳材料分離的、所述熱解區中形成的焦化物的一部分作為氣體淨化催化劑並被導至所述產品氣淨化區。
23.如權利要求15至22中的任一項所述的系統，其中所述氣化系統包括單獨的容器，該單獨的容器用於熱解和/或部分氣化含碳材料，以便製備焦化物或焦化物負載的催化齊U，所述系統設置成允許將熱解後的和/或部分氣化的含碳材料排至所述產品氣淨化區以起到用於淨化所述產品氣的催化劑的作用。
24.如權利要求23所述的系統，其中所述產品氣淨化區與所述焦化物氣化區重合。
25.如權利要求24所述的系統，其中所述焦化物氣化區在這樣的條件下被設置並被操作，即使焦化物經歷部分或完全氣化。
26.如權利要求15至25中的任一項所述的系統，其中所述氣化系統設置有焦化物儲存區以及與所述焦化物儲存區相關的控制系統，所述焦化物儲存區設置在所述熱解區和所述產品氣淨化區的中間，所述控制系統設置成在使用中控制焦化物到所述產品氣淨化區的流速。
27.一種用於熱解和部分氣化含碳材料的裝置，所述裝置包括: 至少一個部件，該部件具有被這樣設置的面，即當所述裝置接收含碳材料時，所接收的含碳材料與所述面接觸並持續足夠長的一段時間，以便熱解所述含碳材料； 其中所述裝置設置成使得所述面接收用於熱解和部分氣化所述含碳材料的熱。
28.如權利要求27所述的裝置，其中所述面具有向下傾斜的部分，所述向下傾斜的部分設置成在所述一段時間中協助所述含碳材料與所述面的接觸。
29.如權利要求27或28所述的裝置，包括串聯排列的多個面，並且其中所述熱解器設置成使得含碳材料在足夠長的一段時間後被輸送至所述串聯排列的接連的面，以便熱解和部分氣化所述含碳材料。
30.如權利要求27至29中的任一項所述的裝置，其中所述裝置包括與所述至少一個部件相關的攪拌器，所述攪拌器設置成攪拌與所述面接觸的含碳材料，以便將所述含碳材料輸送至所述面下面的區域。
31.如權利要求30所述的裝置，其中所述多個面以豎直串聯排列的方式來設置，並且所述裝置包括豎直延伸穿過所述多個面的可旋轉的軸，其中與各個面相關的攪拌器可通過旋轉所述可旋轉的軸操作。
全文摘要
公開了一種氣化含碳材料的方法。該方法包括第一步驟，熱解和部分氣化含碳材料以生產揮發物和焦化物；然後分離揮發物和焦化物，並隨後氣化焦化物並且轉化揮發物。然後用焦化物或焦化物負載催化劑或其他催化劑最後淨化粗製產品氣。
文檔編號C10J3/62GK103119135SQ201180045572
公開日2013年5月22日 申請日期2011年7月26日 優先權日2010年7月27日
發明者李春柱, 吳宏偉, 穆罕默德·阿薩杜拉, 王小山 申請人:科廷科技大學