碳的吸熱氣化方法

2023-11-02 09:32:32

專利名稱：碳的吸熱氣化方法
技術領域：
本發明涉及在夾帶床設備內用熱氣體氣化固態碳的方法，該熱氣體來自氣體、液體和固體燃料(尤其是煤、生物物質和例如來自廢物回收的有機殘餘物質)的部分氧化。
背景技術：
本發明的應用領域是由這些燃料生產燃料氣體、合成氣體和還原氣體。藉助熱氣體氣化固態碳是已知的，這是因為在固定床和在流化床內引入了通過部分氧化生產氣體的方法。在固定床內氣化的過程中，在所謂的還原區之前，通過在氣化介質的流動方向上燃燒固態碳產生含有二氧化碳的熱氣體。氣體夾帶二氧化碳氣化介質和碳吸熱氣化成一氧化碳所必需的焓進入還原區，因此，在固定床氣化過程中，碳的部分氧化和吸熱氣化在不同的位置處和不同的溫度下按順序發生。另一方面，在固定或循環流化床內燃料氣化的特定方面由固態碳的部分氧化和吸熱氣化組成，二者實際上同時且在相同的位置處以接近等溫的方式發生。根據專利說明書PCT/EP95/00443，在夾帶床設備內用來自部分氧化的熱氣體吸熱氣化固態碳的方法是已知的，在實踐中該方法被稱為化學猝冷。這一方法的基本原理是將燃料脫氣得到的煤或焦炭形式的固態碳混合到來自部分氧化的溫度高於1200°C且含有二氧化碳和蒸汽的熱氣體物流內。通過利用熱氣體的物理焓，碳與二氧化碳和蒸汽氣體組分反應，形成一氧化碳和/或一氧化碳和蒸汽，即通過吸熱化學反應，將氣體的部分物理高溫焓再轉化成化學焓。作為這一措施的結果，氣體的熱值增加，與僅僅物理利用氣體物理焓的那些方法相比，這是過程轉化的有效程度得到改進導致的。在專利說明書PCT/EP95/00443的實際應用中，很明顯吸熱氣化固態碳的有效性明顯取決於下遊和上遊的過程階段的操作方法、熱氣體的固態碳含量以及氣體與碳之間的相對速度。在含量與專利說明書DE19807988 —致和類似的裝置中，在加工燃料(優選生物物質)變成含焦油的脫氣氣體和不含焦油的焦炭的加熱階段中，主要獲得具體限定量的焦炭，這是由於燃料的揮發物含量和熱回收過程的熱量要求導致的。粉碎這一焦炭成適合於氣力輸送的粒度優選< 100微米的粉碎燃料。在用於實施專利說明書PCT/EP95/00443的與DE197473M —致的裝置中，含焦炭的脫氣氣體在燃燒室內部分燃燒，同時在用含氧的氣化介質使高於灰分熔點的氣化氣體脫塵的過程中獲得殘留焦炭，其方式得到不僅含有CO和H2而且含有(X)2和H2O的熱的不含焦油的氣化介質。包含在殘留焦炭內的燃料灰分在這一過程中熔融。
熱的氣化介質與按照DE197473M的呈浸漬物流形式的液體爐渣一起從燃燒室流入到設置在燃燒室下方的部分夾帶床反應器內，在其內發生吸熱反應，該反應器在下文中被稱為吸熱夾帶床反應器。微細的焦炭粉塵通過噴槍和噴嘴氣動吹入到浸漬物流內，由於化學猝冷的結果是導致氣體冷卻，並按比例增加氫氣和一氧化碳。在吸熱夾帶床反應器的底端，氣體偏流，並與未轉化的部分焦炭一起離開裝置，隨後通過間接的熱耗散冷卻，並通過隨後的過程階段。為了避免焦炭從氣體物流中分離出來，氣體的速度總是要大於焦炭顆粒的懸浮速度，尤其是在反應器內氣體的偏流位置處和在可能向上流動的部分內。利用實施該過程的這一方法及焦炭粉塵小的粒度，焦炭與氣體之間的相對速度低，且焦炭的停留時間主要由氣體的停留時間決定，而氣體的停留時間本身又取決於吸熱反應器的範圍。用蒸汽和二氧化碳吸熱氣化固態碳是受反應動力學影響的過程。隨著溫度下降和所形成的一氧化碳與氫氣的比例增加，固態碳的轉化速度下降。為此，需要將太低的固態碳和氣體之間的相對速度和太短的碳與氣體在反應器內的停留時間視為碳的轉化率太低的主要原因。由於小粒度和固態碳與氣體之間的相對速度低，在按照專利說明書DE197473M 實施該過程的情況下，停留時間是不可控的，且只能通過擴大反應器才可延長。在固定流化床氣化的情況下，氣化介質克服重力從底部向上流向頂部。反應器截面尺寸的確定方式應使氣體速度低於所使用的燃料顆粒的懸浮速度。結果，與所使用的氣化介質和已轉化的燃料相比，在反應器內總是存在過量的燃料，從而保證燃料的高轉化率。在非固定流化床的情況下，氣體速度高於燃料顆粒的懸浮速度。在此情況下，通過循環未轉化的部分燃料到反應器的反應區內，從而實現所要求的燃料轉化率。在固定和非固定流化床的情況下，由於在反應器內平行地發生乾燥、脫氣和氣化過程，含有一定比例揮發物、焦油和相對大比例的甲烷和其它烴的燃料的氣化總是包含在氣體內。在合成情況下，以及在利用已生成的氣體用於能量目的例如在燃氣機內使用的情況下，焦油需要在氣體利用之前從氣體中除去。這導致在氣體純化和氣體流出物流處理中高的花費水平。其它烴例如甲烷不是可以合成的氣體組分。因此，它們是不希望存在於氣體內的物質，並會降低合成效率。

發明內容
本發明的目的是進一步改進燃料利用率。其結果是下述技術目的與現有技術相比，通過氣體與固態碳之間的吸熱化學反應，進一步冷卻部分氧化之後在燃燒室內存在的氣體，並因此增加從氣化過程中除去化學焓，所述氣化過程組合了在燃燒室內用氧氣或空氣部分氧化燃料成為熱的不含焦油的粗氣體的過程階段和按照PCT/EP95/00443在隨後的過程階段中用熱的粗氣體吸熱氣化固態碳。
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根據本發明，該技術目標按如下過程實現通過使該過程中由燃燒室向下流動的熱氣體物流偏流，同時分離出液體礦渣，並使之流入到利用提升氣體物流操作的固態碳吸熱氣化過程階段中，同時添加固態碳，優選為粒徑最多20mm的來自加工過程的低溫碳化的焦炭，其中在碳入口處的氣體速度高於反應性碳粒的懸浮速度，和在吸熱氣化過程階段結束處的氣體速度低於反應性碳粒的懸浮速度。
具體實施例方式實施例這一實施例的技術目的如下通過用來自產生熱解氣體的同一脫氣過程的焦炭化學猝冷，冷卻來自燃燒室的熱氣體，其中所述熱氣體通過在約1400°C的溫度下氣化含焦油 (tear)的熱解氣體和來自粗氣體氧氣脫塵的殘留焦炭而產生。藉助

圖1描述這一實施例， 圖1描述了實施本發明方法的適合裝置。含焦油的脫氣氣體1、來自粗氣體脫塵的殘留焦炭粉塵2和氧氣3經旋轉燃燒氣4 的獨立通道流入到燃燒室5中。在燃燒室內，脫氣氣體和殘留焦炭與氧氣反應形成氣化氣體，所述氣化氣體除了 CO和吐以外還含有(X)2和H2O,且其溫度高於殘留焦炭灰分中灰分的熔融溫度。由於高溫，殘留焦炭的灰分熔融，並通過燃燒氣的旋轉噴射到燃燒室壁上，在所述燃燒室壁上液體礦渣沿氣體出口方向從燃燒室6中流出。在燃燒室下方設置偏流室7，其在側面沿輸送管線9的方向配有水平的氣體排放管8。在偏流室7的底端，存在礦渣流出孔10，在其下方設置有注水的礦渣浴11。來自燃燒室的熱氣體在偏流室內沿輸送管線的方向急劇偏流。由於產生離心力， 包含在氣體物流內的微細礦渣滴也從氣體物流中分離出來，並與從氣體出口 6的壁上滴落的大的礦渣顆粒一起噴射到偏流室壁上。之後，液體礦渣穿過孔10進入注水的礦渣浴11，在此固化形成固體顆粒，所述固體顆粒經間閥12從反應器中間歇排放。偏流的氣體物流經輸送管線9進入另一偏流室13，在其中被偏流90°並經設置在該腔室上部的孔14到達吸熱夾帶床反應器15內。具有一定比例的最多20mm粗粒子的來自燃料熱解的焦炭16經螺杆輸送機17輸送到吸熱夾帶床反應器內。夾帶床反應器具有向上變寬的截面，且其截面尺寸的確定方式應使反應器底端的氣體速度高於最粗焦炭顆粒的懸浮速度，以便沒有焦炭可沿偏流室13的方向落下，且在上端的氣體速度慢於最小反應性焦炭顆粒的懸浮速度，以便只有極小的完全反應的顆粒能與氣體物流一起離開反應器。最粗焦炭顆粒首先被氣體物流夾帶向上，直到氣體的速度降至低於所述懸浮速度，這是反應器截面變寬的結果，然後所述最粗焦炭顆粒回落，直到再次被氣體向上輸送。由於反應器的設計和焦炭顆粒結構的選擇，隨著焦炭與氣體之間強的相對運動發生強烈混合，並且由於反應器內富含焦炭，直到達到準固定態，這意味著熱解之後相對於起始的焦炭與氣體之比具有過量的焦炭，即可通過本發明將固態碳與氣體之比從約0. 1增加到大於1。過量的焦炭和在固態碳與氣體之間強的相對運動改進了用熱氣體中的二氧化碳和蒸汽吸熱氣化焦炭成一氧化碳和氫氣的動力學，並且與其中固態碳和氣體具有大致相同停留時間的情況下的相當過程如與專利說明書DE197473M的過程相比，導致增加的碳轉化率和與此相關的更強的氣體冷卻。 與未反應的殘留焦炭一起引入的粗氣體通過氣體排放管18離開反應器，並於實際應用之前被冷卻和脫塵。在脫塵過程中分離出來的殘留焦炭2流回到燃燒室5內，如上文所述。
權利要求
1.用熱氣體吸熱氣化固態碳的裝置，所述裝置包括旋轉燃燒器(4)；燃燒室(5)，其中旋轉燃燒器(4)經獨立通道與燃燒室( 相連；在燃燒室( 下方設置的偏流室(7)，燃燒室( 經氣體出口(6)通入偏流室(7)，偏流室(7)在側面沿輸送管線(9)的方向配有水平的氣體排放管(8)，和在偏流室(7)的底端存在礦渣流出孔(10)；在礦渣流出孔(10)下方設置的注水的礦渣浴(11)，液體礦渣穿過孔(10)進入注水的礦渣浴(11)，在此固化形成固體顆粒，所述固體顆粒經間閥(1 間歇排放；經輸送管線(9)連接的另一偏流室(13)，設置在該腔室上部的孔(14)到達吸熱夾帶床反應器(15)內；和氣體排放管(18)，用於從吸熱夾帶床反應器(15)排出與未反應的殘留焦炭一起引入的粗氣體。
2.權利要求1的裝置，還包括螺杆輸送機(17)，用於輸送焦炭(16)到吸熱夾帶床反應器(15)內。
3.權利要求1或2的裝置，其中夾帶床反應器(1 具有向上變寬的截面。
4.權利要求3的裝置，其中夾帶床反應器(15)的截面尺寸的確定方式應使反應器底端的氣體速度高於最粗焦炭顆粒的懸浮速度，以便沒有焦炭可沿偏流室(1 的方向落下，且在上端的氣體速度慢於最小反應性焦炭顆粒的懸浮速度，以便只有極小的完全反應的顆粒能與氣體物流一起離開反應器。
全文摘要
本發明涉及在夾帶床設備內用熱氣體吸熱氣化固態碳的方法，其中所述熱氣體來自由燃料部分氧化和固態碳吸熱氣化過程階段組成的過程組合的部分氧化中，視需要所述吸熱氣化之前是低溫碳化，以便碳化氣體通過部分氧化階段和碳化焦炭通過吸熱氣化階段，根據本發明，在該過程中從燃燒室向下流動的熱氣體物流發生偏流，分離液體礦渣，且通過固態碳吸熱氣化過程階段，所述過程階段採用提升氣體物流操作，並添加固態碳，優選為來自加工過程的低溫碳化階段且粒徑最多20mm的焦炭，其中在碳入口處的氣體速度高於反應性碳粒的懸浮速度，和在吸熱氣化過程階段結束處的氣體速度低於反應性碳粒的懸浮速度。
文檔編號C10J3/72GK102212398SQ20111011310
公開日2011年10月12日 申請日期2006年7月28日 優先權日2005年7月28日
發明者B·M·沃爾夫, B·穆勒, D·魯戈, J·卡佩樂, O·舒爾澤 申請人:科林工業有限公司