實施熱解的方法

2023-05-05 17:56:36

專利名稱：實施熱解的方法
技術領域：
本發明涉及權利要求1的前序部分中限定的以如下方式實施熱解的方法第一原 料被加入燃燒鍋爐中，第二原料被加入熱解反應器中，燃燒鍋爐和熱解反應器被整合在一 起，燃燒鍋爐中的原料形成能量部分，在熱解反應器中的原料通過快速熱解形成氣體和液 體產物部分。
背景技術：
由現有技術可知，熱解產物，即熱解液或熱解氣，通過乾餾與熱解技術產自不同種 類的生物質或有機材料如木材、樹皮、紙、稻草或麥稈、廢塑料、油頁巖、褐煤、泥煤等。熱解 通常在無氧條件下、在大約300°C至800°C的溫度下進行。當應用低加熱速率時，熱解液，例 如來自幹木材的木焦油，通常能夠被回收以重量計大約20%到30%的量。當應用快速熱解 法時，熱解液的量得以增加。有很多已知的快速熱解法用於製備熱解產物和化學品。快速熱解一般通過如下實施藉助加熱氣體、熱交換器或傳熱介質如沙或氧化鋁 基載體，引入所需的熱量到熱解器，加熱燃料，以使其在無氧的熱氣流中熱解。鼓泡或沙循 環流化床反應器可被用作熱解器。產生的熱解流被冷凝到低於150°C的溫度以形成熱解液。要被裂解的燃料例如生物質可引至熱解器之前的乾燥器，以便乾燥，以減少形成 的熱解液的水含量。通常使用的是已知的鼓乾燥器、急驟乾燥器或流化床乾燥器，其通常包 含燃燒氣體或水蒸氣作為乾燥氣體。也已知使用蒸汽乾燥器，其中通過熱沙引入熱量到在 流化床基底上操作的乾燥器，並且其中只有水被除去。溫度保持在有機化合物不蒸發的水 平。EP公開513051 (Ensyn Technologies Inc.)描述了由燃料通過快速熱解產生熱解 液的方法和設備，其以這樣的方式進行作為熱解器進行操作的循環物質反應器包含分離 的混合區和反應器區。通過使用傳熱沙或具有40-500 y m平均粒徑的氧化鋁-二氧化矽催 化劑作為傳熱介質，實現傳熱到燃料顆粒。該方法使用無氧載氣。顆粒形式的原料、無氧載 氣和熱的傳熱顆粒材料被一起混合在反應器的底部，混合物被向上傳輸到反應器部分，其 中原料轉化為產物。原料與傳熱材料的接觸時間少於1.0秒。傳熱顆粒材料與產物部分分 離並再循環進入反應器。在該方法中，傳熱材料與燃料的質量比大於5 1。由現有技術也知道的是使用氧化反應器來處理從熱解器中出來的沙和在熱解期 間產生的焦炭。在氧化反應器中，焦炭被灼燒，沙被加熱並再循環入熱解器。氧化反應器粉 末與熱解器燃料粉末之比通常為1 5。這種類型的氧化反應器被設計為主要只灼燒熱解 期間產生的焦炭和不可冷凝的氣體。因此，根據能量守恆，焦炭和不可冷凝的氣體的熱含量 是熱解器進料的限制因素。已知熱解過程的問題是熱解器中和額外設備如乾燥器中需要額外燃料和產生熱 解油的過程中已被蒸發的水可能漂流。通常，蒸發的水——例如在乾燥器中——被冷凝或 引導至外部空氣。當蒸發的水含有有機乾餾產物時，該過程的應用因為環境不友好例如有 強烈的氣味而變得有問題。此外，已知的設備不允許在該過程中以有效方式利用不同的過 程流體、副流體和不期望的中間產物/最終產物。
而且，從相同申請人的專利FI 117512先已知道，將熱解器和燃燒鍋爐整合成為 一個組合件。發明目的本發明的目的是消除上述問題，以及公開一種新方法，用以實施熱解和進行不同 方式的熱解，並使熱解和能量產物分布最優化。本發明的一個具體目的是公開一種方法，用 於以工業規模和環境友好的方式，通過循環和利用過程中產生的過程流體，同時產生熱能 和熱解產物。發明概述依據本發明的方法的特徵在於權利要求中所呈現的。本發明基於以靈活的方式產生熱解產物和能量產物以及以如下方式實施和增強 熱解的方法第一原料或原料混合物被加入燃燒鍋爐中，第二原料或原料混合物被加入熱 解反應器中，燃燒鍋爐和熱解反應器被整合在一起，燃燒鍋爐中的原料以熱、電、蒸汽或氣 體的形式形成能量部分，在熱解反應器中的原料通過快速熱解形成氣體和液體產物部分。 依據本發明，通過改變工藝變量，優選地多於一個的工藝變量，其選自第一原料、第二原 料、原料的數量、額外材料的選擇、工藝參數、額外工藝步驟的選擇、所用載氣的成分和數 量、氧的數量、傳熱介質的選擇和原料的含水量，最優化原料和其選擇，如利用率、成本和數 量、產物分布和生產成本、至少一種產物部分的市場價值和質量，優選地是生產成本、許多 產物部分的市場價值和質量，來控制熱解產物和能量部分的生產。在本上下文中，第一原料是指要加入燃燒鍋爐的原料或原料混合物。在本上下文 中，第二原料是指要加入熱解反應器的原料或原料混合物。第一原料和第二原料在成分上 可以是相同的、部分相似的或完全不同的。在一個實施方式中，明顯不同的原料被加入燃燒 鍋爐和熱解反應器，以使燃燒和熱解之間的效率比和熱解產物的產量最大化。在依據本發明的方法中，優選地，通過最優化要選擇的原料、產物分布、產物的數 量和質量，該過程被系統地運行。在一個實施方式中，最有價值的產物部分的比例被最大 化。優選地，整合的燃燒鍋爐有助於熱解的實施和成功。在本發明的一個實施方式中，固體、液體、蒸氣或氣體形式的原料選自有機物質、 屑片(chip)、森林木片(forest chip)、木材、樹皮、鋸末、稻草或麥稈、煤、泥煤、油、油頁巖、 褐煤、石油、生物質、含有能量的廢棄材料、塑料、廢塑料、含有燃料的廢棄物、衍生自廢棄物 的燃料/RDF、松油、黑液、有機溶劑及其衍生物。在一個實施方式中，取決於期望何種產物分 布，原料或多種原料可以選自例如鄰近的容器。在一個實施方式中，能量和熱解產物部分，以固體、液體、蒸氣或氣體的形式，被 包括在以下的組中，該組包括熱解氣、熱解蒸汽、熱解液、熱解油、黑液、松油皂(Pine oil soap)、燃料、化學品、碳纖維、可液化焦油、氣化氣體、可燃氣、蒸汽、水汽、氫、熱和電。在本發明的一個實施方式中，熱解期間產生的氣態產物部分主要被冷凝為液體熱 解產物。在一個實施方式中，大部分能量和熱解產物部分被循環、回收、進一步處理和/或 利用。優選地，在燃燒鍋爐中形成的能量部分中只有部分被導入熱解反應器和其它工藝步驟中。在本發明的一個實施方式中，傳熱材料被用於將能量部分——優選地是來自燃燒 鍋爐的熱量——傳輸至期望的工藝步驟，例如熱解或期望的且預先確定的額外步驟和/或 回收。在一個實施方式中，傳熱材料被分別導入每個工藝步驟。在可選的實施方式中，相同 的傳熱材料循環通過不同的步驟。在本發明的一個實施方式中，傳熱材料從所述燃燒鍋爐 循環至所述熱解反應器並經過分離步驟從熱解反應器循環回到所述燃燒鍋爐。在一個實施方式中，傳熱材料選自沙、河床沙(bed sand)、氧化鋁基材料、其它流 化材料等。在本發明的一個實施方式中，方法包括多步熱解，其中進行快速熱解是第一步，通 過應用額外步驟形成增多的產物部分和/或額外產物部分是第二步。在本發明的一個實施方式中，方法包括多步熱解，其中進行額外步驟是第一步，進 行快速熱解是第二步，以便形成增多的產物部分和/或額外產物部分。在一個實施方式中，額外步驟選自乾燥、升高溫度、氣化、除塵、轉化、蒸汽轉化、 分離產物部分和分離固體。固體的分離可以包括傳熱介質如沙、炭物質、焦炭、固體顆粒或 等效固體的分離。在一個實施方式中，第一步驟和第二步驟被基本上整合至一個組合件例如一個設 備中。在可選的實施方式中，第一步驟和第二步驟的設備被連接在一起。在一個可選的實施方式中，多步熱解可以包括多於兩步。在本發明的一個實施方式中，在該方法中，通過至少一個特定的操作，熱解步驟的 實施被改良，該特定的操作選自升高溫度、降低溫度、選擇載氣、送入蒸汽和添加氧。在一個實施方式中，在第一步中形成的熱解氣被引入第二步，第二步中溫度顯著 高於熱解步驟。如果在該第二步中水汽被用作載氣，則發生蒸汽轉化反應，導致大比例的焦 油化合物分解為氫和一氧化碳。在一個實施方式中，傳熱介質在兩步——乾燥步驟和反應步驟中被加入反應器。 乾燥步驟和反應步驟的溫度被分別調節以最優化產物分布和產物質量。在一個實施方式 中，被加入乾燥步驟的原料和傳熱材料作為混合物被導入第二步驟，即乾燥之後的反應步
馬聚o任何已知的方法本身可以用作乾燥方法，例如低溫乾燥、混合乾燥等。在燃燒鍋爐 中已形成的熱能的部分可被用於乾燥要熱解的燃料。通過乾燥，正在形成的熱解產物的水 含量優選地減少，因而產物的穩定性增加。水汽可以從乾燥步驟回收並被用於例如產生熱 量。在一個實施方式中，水汽並不從乾燥步驟中分離。在一個實施方式中，熱解反應器作為氣化器型設備運行。在這種情況下，反應器中 的溫度高於通常熱解中的溫度，並且在產物分布中氣體產率最大化。在一個實施方式中，天 然氣作為額外材料被加入反應器中。在本發明的一個實施方式中，載氣選自燃燒氣優選地是純化燃燒氣、水汽、空氣 及其混合物。在本發明的一個優選的實施方式中，載氣包含氧。優選地，熱解在氧的存在下在熱 解反應器中進行。在一個實施方式中，包含以體積計的量的氧的載氣被使用。熱 解產物的保存性可以由於氧的使用而提高。
在一個實施方式中，另外的氧例如以空氣的形式被加入載氣以增加氧含量。在一個實施方式中，來自燃燒鍋爐的純化的燃燒氣被用作載氣並從燃燒鍋爐循環 至熱解反應器。在一個實施方式中，水汽被用作載氣。在這種情況下，發生蒸汽轉化反應，導致大 比例的焦油化合物分解為氫和一氧化碳。在優選的實施方式中，載氣被導入一次通過熱解反應器並被導入燃燒鍋爐。載氣 並不從熱解反應器出口再循環至熱解反應器的入口。在本發明的一個實施方式中，工藝參數選自熱解步驟的溫度/熱解反應器中的 溫度，額外步驟的溫度，熱解反應器中的保留時間，燃燒鍋爐的溫度，熱解原料、載氣和傳熱 材料的混合方式和混合順序，氧的添加，傳熱材料的循環以及產物和副產物部分的循環。在一個實施方式中，在燃燒鍋爐和熱解反應器中正在形成的產物部分被分成產 物、過程的副流體(side flows)、剩餘流體(residualflows)、廢棄流體(waste flows)和/ 或不期望的部分。在本發明的一個實施方式中，大部分副流體、剩餘流體和廢棄流體，例如 來自冷凝器的剩餘流體，來自分離設備和過濾器的剩餘流體，原材料的廢棄流體，燃燒氣部 分和等同流體，被充分地循環至燃燒鍋爐。加入副流體、剩餘流體和廢棄流體至燃燒鍋爐以 及其加入體積並不必須被分別調整，因為燃燒鍋爐本身足夠大的原料加入。在本發明的一個實施方式中，第一原料和載氣被調配為混合物，已被加熱的熱傳 熱材料被傳導至該混合物。在一個實施方式中，在過程的不同步驟中，使用合適的額外材料。例如，醇，如異丙 醇、乙醇或菜子油甲酯，可被用作與冷凝器相連的額外材料，以改進冷凝器的操作和/或產 物的質量。醇基材料還可被用於與清洗器等相連以改善設備的操作。在一個實施方式中， 催化劑可被作為額外材料，例如用在熱解反應器或燃燒鍋爐中，例如與沙循環相連以提高 過程的效率和/或產品質量。由於本發明，基於不同產品的價格和產品質量需求，過程的效率、成本和產品分布 可被優化。本發明提供了這樣的優勢，即依據本發明的熱解和燃燒的結合可被用於製造不 同的和新的產品。由於依據本發明的優化方法，考慮到容量和時間，熱解反應器還可以至少 部分地用於除了通常的熱解以外的其它用途。另外，不同的額外步驟和設備可以容易地與 熱解反應器結合以控制產品分布。依據本發明的整合方案為不同的運行方式和生產不同的 產品提供了更寬的操作範圍。依據本發明的方法，熱解產品和能量部分可以以比已知方法更高效地生產，這是 因為產生的副流體和廢流體、固體和炭物質和不可冷凝的氣體及其能量含量可以在燃燒鍋 爐中轉換為熱量或蒸汽，用於產生能量。燃燒鍋爐的部分熱能在熱解反應器中使用，任選用 於乾燥熱解燃料和用於其它額外工藝步驟及用於燃燒鍋爐中不可冷凝氣體的燃燒，並且大 部分熱能被傳導以被回收，例如以蒸汽的形式。對熱解反應器和其它工藝步驟，不需要額外 的能量供應，因為從燃燒鍋爐傳導的熱能足夠維持該過程。本發明提供了通過依據本發明 的熱解反應器和燃燒鍋爐的結合獲得能量實現自足的優勢。供應最優化燃料混合物到熱解反應器和燃燒鍋爐在熱解產品的產率和熱能方面 提高了工藝的效率並使工藝成本最小化。本發明的方法容易在生產中實施。由於整合的燃燒鍋爐，能量可以利用，並且例如熱解反應器的溫度可以方便地調節。依據本發明的方法可被用於從任何合適原料熱解所使 用的產品。另外，依據本發明的過程易於管理。焦炭和其它等同的剩餘部分不在工藝裝置 中積累，相反可被傳導到燃燒鍋爐中燒掉，因此它們在過程中不產生任何問題。因此，當選 擇原料時，原料的可能的焦炭含量不必考慮。本發明的另一優點是過程中的焦炭餘量和乾燥的熱餘量並不限制熱解和其它工
藝步驟。發明詳述在以下部分，將藉助詳細的示例性實施方式描述本發明。實施例1包括燃燒鍋爐、熱解反應器和冷凝裝置的依據本發明的工藝組合件得以形成。熱 解反應器和冷凝裝置基本上與燃燒鍋爐整合，即形成一體組合件。燃料提供給燃燒鍋爐並 燃燒以產生熱能。在熱解反應器中，氣態熱解產品由合適的原料通過熱解形成並在冷凝裝 置中冷凝為液態熱解產品。載氣加入到熱解反應器。在燃燒鍋爐中形成的以熱、水汽或氣 體形式的能量部分被回收，或部分熱量以熱的傳熱介質——在本實施方式中是河床沙—— 的形式循環到設備的其它部分，例如熱解反應器。實施例2本實施例的方法通過依據實施例1的工藝設備來實施。在本方法中，原料的最有價值的和最合適的部分被用作熱解材料而較不合適於熱 解的部分供應給燃燒鍋爐。原料按本身已知的方式分離，例如通過分級器或光學分離器。用於熱解的好的原料包括來自林業的剩餘物，如屑片、鋸末和樹皮片。但是，高液 體產量只能用沒有樹皮的所謂心材的幹原料獲得。換句話說，較少量的熱解產品產自樹皮， 其更不穩定和易於相分離。因此，將相同的原料供應給熱解反應器和燃燒鍋爐是不可取的。 優選的實施方式是將包含樹皮的原料引入燃燒鍋爐以產生能量，而將鋸末引入熱解反應器 以產生熱解產品。此外，例如泥煤或煤被引入燃燒鍋爐以滿足全部燃料需求。實施例3本實施例的方法通過依據實施例1的工藝設備來實施。在本實施例中，過程包括 兩步，且兩步被結合在一起。在第一熱解步驟中由熱解形成的熱解氣被引入第二工藝步驟，在第二工藝步驟 中溫度顯著高於熱解步驟溫度。如果在該第二步驟中水汽被用作載氣，則發生蒸汽轉化 反應，導致大比例的焦油化合物分解為氫和一氧化碳。該方法能夠產生用於例如費託 (Fischer-Tropsch)合成的氣化氣體。實施例4本實施例的方法通過依據實施例1的工藝設備來實施。水汽在熱解中被用作載氣。水汽可以從例如在原料乾燥期間被分離的原料的溼氣 獲得。發生蒸汽轉化反應。產物是可燃氣體或能夠被進一步化學處理的物質，如氨或合成 燃料。產物氣體可以被用於例如費託合成。原料的溼氣可以被用作蒸汽轉化中的蒸汽。實施例5本實施例的方法通過依據實施例1的工藝設備來實施。在本實施例中，過程包括 兩步，且乾燥過程和反應過程被結合在一起。
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傳熱介質——其為河床沙——被供應至兩步中，第一部分供應給乾燥步驟，第二 部分供應至反應步驟。乾燥步驟和反應步驟的溫度被分別調節以最優化產品分布和產品質 量。水汽不從乾燥步驟分離而是通過產物氣體的冷凝分離。實施例6本實施例的方法通過依據實施例1的工藝設備來實施。在該過程中，用於熱解反應器的原料和是純化的燃燒氣體的載氣被調配成混合 物，來自燃燒鍋爐的熱的河床沙顆粒被引入熱解反應器，至原料和載氣的混合物。在這種 情況下，在混合點形成嚴重紊亂區(areaof heavy turbulence)，即發生所謂的急驟效應 (flash effect)，因而熱解能夠被快速而有效地引發。所應用的沙——在本實施方式中具 有大於0. 5mm的粒度——明顯重於熱解的原料，因此，沙粒的加速導致更有效的傳熱和混合 流體中氣體的混合，導致熱解增強。實施例7本實施例的方法通過依據實施例1的工藝設備來實施。通過增加空氣的比例，因而增加載氣中的氧含量，熱解產品中可液化組分的比例 相對於不可冷凝部分的比例能夠根據期望的產品分布而改變。以這種方式，熱解反應器可 以被用作氣化器型設備。由熱解和燃燒鍋爐的結合所提供的氣體的效率和熱值高於傳統的 空氣氣化，因為大部分熱量能夠通過循環物質即河床沙被引入氣化反應。實施例8本實施例的方法通過依據實施例1的工藝設備來實施。熱解中所生成的產物氣體被加熱至高於1000°C的溫度以分解烴。作為結果，生成 作為細纖維形式產物的氫和碳。由於其高強度，這些碳纖維能夠被用作額外材料例如在造 紙業中。該方法的優點是生產碳纖維的低成本過程、碳纖維生產中生物質的利用和生產氫 的便捷。在不同的實施方式中，依據本發明的方法適用於生產不同種類的熱解產品及其衍 生物和產生能量部分如熱能。本發明並不僅限於上述指出的實施例；相反，在本權利要求書所限定的本發明理 念的範圍內，許多變動都是可能的。
權利要求
一種實施熱解的方法，以如下方式進行第一原料被加入燃燒鍋爐中，第二原料被加入熱解反應器中，燃燒鍋爐和熱解反應器被整合在一起，燃燒鍋爐中的原料形成能量部分，熱解反應器中的原料通過快速熱解形成氣體和液體產物部分，其特徵在於通過改變工藝變量，最優化原料的選擇、產物分布和生產成本、至少一種產物部分的價值和質量，控制熱解產物和能量部分的生產，其中所述工藝變量選自第一原料、第二原料、原料的數量、額外材料的選擇、工藝參數、額外工藝步驟的選擇、所用載氣的成分和數量、氧的數量、傳熱介質的選擇和原料的含水量。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於熱解期間產生的氣態產物部分主要被冷凝 為液體熱解產物。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於所述原料選自有機物質、屑片、森林 木片、木材、樹皮、鋸末、稻草或麥稈、煤、泥煤、油、油頁巖、褐煤、石油、生物質、含有能量的 廢棄材料、塑料、廢塑料、含有燃料的廢棄物、衍生自廢棄物的燃料/RDF、松油、黑液、有機溶 劑、及其衍生物。
4.根據權利要求1-3任一項所述的方法，其特徵在於所述方法包括多步熱解，其中進 行快速熱解是第一步，通過應用額外步驟形成增多的產物部分和/或額外產物部分是第二止少o
5.根據權利要求1-4任一項所述的方法，其特徵在於所述方法包括多步熱解，其中進 行額外步驟是第一步，進行快速熱解是第二步，以便形成增多的產物部分和/或額外產物 部分。
6.根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於所述額外步驟選自乾燥、溫度升高步 驟、氣化步驟、除塵、轉化、蒸汽轉化、分離產物部分和分離固體。
7.根據權利要求1-6任一項所述的方法，其特徵在於通過至少一個特定的操作，在所 述方法中熱解步驟的實施被改良，所述特定的操作選自調節溫度、選擇載氣、送入蒸汽和 添加氧。
8.根據權利要求1-7任一項所述的方法，其特徵在於所述載氣選自燃燒氣、水汽、空 氣及其混合物。
9.根據權利要求1-8任一項所述的方法，其特徵在於所述載氣包含氧。
10.根據權利要求1-9任一項所述的方法，其特徵在於額外的氧被添加到所述載氣。
11.根據權利要求1-10任一項所述的方法，其特徵在於大部分副流體、剩餘流體和廢 棄流體被循環至所述燃燒鍋爐。
12.根據權利要求1-11任一項所述的方法，其特徵在於所述傳熱材料被用於將能量部 分從所述燃燒鍋爐傳輸至期望的工藝步驟和/或回收。
13.根據權利要求1-12任一項所述的方法，其特徵在於所述傳熱材料選自沙、河床 沙、氧化鋁基材料、其它流化材料等。
14.根據權利要求1-13任一項所述的方法，其特徵在於所述傳熱材料從所述燃燒鍋爐 循環至所述熱解反應器並經過分離步驟從所述熱解反應器循環至所述燃燒鍋爐。
15.根據權利要求1-14任一項所述的方法，其特徵在於所述工藝參數選自所述熱解 步驟的溫度，所述額外步驟的溫度，所述熱解反應器中的保留時間，所述燃燒鍋爐的溫度， 熱解原料、載氣和傳熱材料的混合方式和混合順序，氧的添加，所述傳熱材料的循環以及所述產物和副產物部分的循環。
16.根據權利要求1-15任一項所述的方法，其特徵在於所述第一原料和所述載氣被調 配為混合物，並且加熱的傳熱材料被傳導至所述混合物。
全文摘要
本發明涉及以如下方式實施熱解的方法第一原料被加入燃燒鍋爐中，第二原料被加入熱解反應器中，燃燒鍋爐和熱解反應器被整合在一起，在燃燒鍋爐中的原料形成能量部分，在熱解反應器中的原料通過快速熱解形成氣體和液體產物部分。依據本發明，通過改變工藝變量，其中工藝變量選自第一原料、第二原料、原料的數量、額外材料的選擇、工藝參數、額外過程步驟的選擇、所用載氣的成分和數量、氧的數量、傳熱介質的選擇和原料的含水量，最優化原料的選擇、產物分布和生產成本、至少一種產物部分的價值和質量，控制熱解產物和能量部分的生產。
文檔編號C10J3/66GK101868516SQ200880116721
公開日2010年10月20日 申請日期2008年10月8日 優先權日2007年10月11日
發明者K·西皮拉, M·拉庫, P·約克拉, Y·索蘭塔斯塔 申請人:瓦申泰克尼利南塔基馬斯凱斯庫斯公司