專利名稱：從廢料制備合成氣的方法和設備的制作方法
從廢料制備合成氣的方法和設備
背景技術：
碳質材料可以與蒸汽在高溫下反應生成合成氣，它是一氧化碳和氫氣
的組合物。例如在美國專利6，863，878中公開的，如果初始反應在可用的氧 反應掉之前達到高于約450。F的溫度，會發(fā)生燃燒。這就生成了有害的二氧 化碳、灰分和爐渣。為了避免這種情況，如美國專利6,863,878中公開的， 溫度必須保持在450°F直到可用的氧反應掉之后。

發(fā)明內容
本發(fā)明是在通過改進美國專利6,863,878(其公開在此引入作為參考)中 公開的方法可以實現(xiàn)更有效地生產合成氣的基礎上作出的。特別地，在脫 揮發(fā)區(qū)中的碳質材料保持低于45(TF的溫度直到所有可用的氧都反應掉。在 本發(fā)明中，在將該材料在重整反應器中與蒸汽結合形成合成氣之前，在脫 揮發(fā)區(qū)升高至約1000。F的溫度。
從重整反應器開始，形成的合成氣通過一系列顆粒分離器來去除任何 形成的灰分。通過將這些分離器和重整反應器置于同一個爐中，這些分離 器保持在高于150(TF的溫度。這樣防止了當合成氣冷卻時發(fā)生不需要的反 應，并且避免碳在設備中沉積。來自分離器的合成氣快速冷卻到低于IOO(TF 的溫度，優(yōu)選低于約120°F。在這個溫度下，合成氣是穩(wěn)定的并且不會形成 碳沉積物或者發(fā)生不需要的反應。同時，材料被冷卻，優(yōu)選在急冷器中冷 卻，任何殘余的焦油或油被分離，或者返回到脫揮發(fā)區(qū)用于反應或者被收 集作進一步使用。本發(fā)明更進一步的特點在于，脫揮發(fā)區(qū)中的熱量被送到 預熱區(qū)，在那里水和燃燒氣體循環(huán)以回收殘余熱量。
根據(jù)下述的詳細說明和附圖可以進一步理解本發(fā)明的目的和優(yōu)點。


圖1A和IB為本發(fā)明中使用的設備的示意圖2為進料區(qū)的實施方案的橫截面圖3為可選的進料區(qū)的前視示意圖；以及
圖4為圖3所示的實施方案中使用的螺旋鉆的俯視圖。
發(fā)明詳述
如圖1A和IB所示，合成氣設備10包括與脫揮發(fā)區(qū)14相通的進料區(qū) 12，脫揮發(fā)區(qū)14又連接重整反應器16。反應器16用于生產通過顆粒分離 器18和20的合成氣。將氣體冷卻、過濾并收集使用。
更具體地如圖1和2所示，進料區(qū)12包括具有螺旋鉆40的送料斗38， 其將碳質進料輸送入進料室42。進料室42和通向脫揮發(fā)區(qū)14的進料管44 連接。進料區(qū)上方是圓柱形支持體48，支持用于使進料從進料室42進入到 進料管44中的壓實圓柱體46。進料管44通向破碎機50，而破碎機50通 過通道52和脫揮發(fā)區(qū)14連通。閘式閥53防止從破碎機50回流通過管道 55。
脫揮發(fā)區(qū)14包括四個圓柱形反應室56、 58、 60和62。每個反應室和 下一個反應室連通。每個反應室包括適用于使進料通過各個室56—62進入 到進料螺旋鉆70的螺旋鉆64。螺旋鉆64由馬達68操作。進料螺旋鉆70 和進料噴射器72連通。來自爐77內的蒸汽加熱器76的蒸汽通過蒸汽入口 74被引入到進料噴射器中。這使得材料通過管75循環(huán)到同樣位于爐77中 的反應器16。
爐77包括燃燒爐78和燃燒出口或排氣室80。除了反應器16，該爐包 括蒸汽加熱器76以及分離器18和20。燃燒出口 80輸送加熱的空氣到脫揮 發(fā)區(qū)14，脫揮發(fā)區(qū)14與最終和煙囪82連通的預熱器81連通。
如圖所示，重整反應器16是通過管83與噴射器72連通的管狀反應器。 反應器16的出口管84通向第一顆粒分離器18。分離器18包括氣體出口管 85，其通向第二顆粒分離器20。管91輸送分離器20的氣體到急冷噴射器 86，急冷噴射器86經由管87輸送氣體和水到急冷罐88(圖1B)。急冷噴射 器86包括進水管89。
急冷罐88是氣/水/油分離器且包括氣體出口 94、出水口 96和焦油/油 出口98。如圖所示，焦油出口 98通向泵100，泵100通過管102輸送焦油
和/或油到剛好在破碎機50上游的管55。出水口 96通過管106與緩沖罐108 相連。
氣體出口 94通向包括入水口 116的第二急冷噴射器114，入水口 116 從罐117引出。急冷噴射器出口 118通向第二急冷器120。急冷器120包括 出水口 122和通向急冷洗滌器126的氣體出口 124。
出水口 122連接水管106，水管106通向緩沖罐108。急冷洗滌器126 包括到達排水管130的出水口 128。從急冷洗滌器126引出的氣體出口 132 通向三通管134，在此，第一管道136和除水的水過濾器137連接。從過濾 器137引出的氣體出口 140經過產品氣區(qū)142，出水口 138通過管128和排 水管130連接。從三通管134引出的第二管道146和同樣包括出水口 150 的第二水過濾器相連，出水口 150經由管128回到排水管130。出氣口 152 通向壓縮機154，壓縮機154連接到洗滌器156以去除殘余的水。洗滌器 156包括出水口 158和氣體出口 160，出水口 158通向排水管或補充水管244， 氣體出口 160和用于加熱爐77的燃燒器78相連。
補充水入口 200通向緩沖罐108。罐108中的水能夠循環(huán)通過任選的水 處理裝置204，取決于具體的水環(huán)境，例如硬度等。
罐108包括和串聯(lián)的過濾器208a和208b相連的出口 206。所述過濾器 具有和三通管212相連的共同出口 210。從三通212引出的一條管道和第一 泵214連接。泵214將水輸送通過管213、過濾器216，然后到達冷卻器218， 冷卻器218輸送冷卻水回到罐108。三通212的第二管道220和輸送部分水 到第二泵228的第二個三通226連接，第二泵228和罐117相連，而罐117 和冷卻器234相連。第三泵230將來自三通212中的水經由管89輸送到急 冷噴射器86，如前所述。
設備10還包括預熱區(qū)81，預熱區(qū)81利用來自爐77并通過脫揮發(fā)區(qū) 14的廢氣來為蒸汽反應器16預熱水，并作為燃燒器78的燃燒氣。來自爐 77的廢氣通過排氣室80到達脫揮發(fā)區(qū)14，然后通過排氣管240到達預熱 器區(qū)81。進水管244通過管246將去離子水經由預熱器區(qū)輸送到蒸汽加熱 器76。鼓風機250用于引入空氣通過預熱器81。將空氣通過管254排到燃 燒器78。
在操作中，進料(例如粉煤)通過送料斗38和進料區(qū)12送入，在這里進
料被圓柱體46壓縮并迫使通過閥53和管道55到達破碎機50。使進料進入 脫揮發(fā)區(qū)14。圓柱體46采用足夠的壓力來壓縮進料并去除和進料結合的大 部分空氣，壓力一般為10—20psi或更高。這種力克服了脫揮發(fā)區(qū)中的任何 壓力，并使進料作為進料區(qū)12和脫揮發(fā)區(qū)14之間的密封。這除去了進料 中的空氣，并防止有害的氧氣進入脫揮發(fā)區(qū)。
螺旋鉆64使進料通過室56 — 62。脫揮發(fā)區(qū)開始于較低溫度的第一室 56，然后是較高溫度的第二室58，接著是更高溫度的第三室60和第四室 64。設定室的溫度，以使直到進料中所有氧氣反應之前，進料的溫度不能 到達450。F，以防止高溫分解。 一般地，第一反應室的初始溫度約為100°F， 最終脫揮發(fā)區(qū)溫度為1000°F。大部分的自由氧會在進料到達450。F的部分 脫揮發(fā)區(qū)前反應完全。每個區(qū)的溫度通過它與排氣室80的接近度以及表面 積和停留時間來控制。從進料管44到脫揮發(fā)區(qū)14中的壓力為約125psig。
從脫揮發(fā)區(qū)14中排出的最終產物主要為炭和在脫揮發(fā)過程中釋放的氣 體。這種最終產物被輸送到通向蒸汽噴射器72的進料螺旋鉆70。來自蒸汽 加熱器76的蒸汽被輸送到噴射器72。蒸汽的溫度應為約1500°F，壓力為 約125psi。噴射器然后通向重整反應器16，在此生成合成氣。在反應器16 中，反應器的溫度被升高到大于1500°F，優(yōu)選為在壓力約125psig下約 1550°F。反應器16中的一部分反應物流可以經由管253被輸送至進料螺旋 鉆70的上游的入口，以在低流速或進料速度下攜帶固體。
反應器16中的反應產物(灰分和合成氣)被輸送到位于爐77內的旋風分 離器18和20，在125psi下保持和反應器16的相同的溫度約1550°F。分離 器18和20將灰分從反應產物中除去?；曳直惠斔偷铰菪@241和243，其 將灰分移送到干灰箱245和247，而不使合成氣溢出系統(tǒng)。
在通過分離器18和20之后，合成氣經管道91從爐流到急冷噴射器86 和急冷罐88，在此它通過罐108中的水在約140psi下被冷卻到約120°F。 罐108中水的溫度通過經過冷卻塔218的循環(huán)控制，且優(yōu)選約9(TF。急冷 罐88分離氣體、水和油。水被輸送回到罐108并再利用。
然后，氣體本身從急冷罐88中被輸送到第二急冷噴射器114。在200psi 下罐117中的水用于在125psi下進一步冷卻合成氣到約70°F。使用冷卻器 234以使得水溫在約60°F。冷卻的氣體流入分離水，并將其輸送回罐108
的第二急冷器120中，并且使氣體流入急冷洗滌器126，再次將經管道128 到排水管的水與通過過濾器137和148輸送的氣體分離。收集使用過濾器 137中的氣體。過濾器148中的氣體返回到燃燒器78中作為爐子的燃料。 可以使用單獨的燃料源作為起始啟動。
可選的進料器250如圖3和4所示。進料器250包括具有通向進料箱 256的進料螺旋鉆254的送料斗252。進料箱256包括通過馬達260旋轉的 螺旋鉆258。螺旋鉆和通過出口 262與脫揮發(fā)區(qū)14相連的進料管44連接。
如圖4所示，螺旋鉆258具有主軸266和螺旋葉片268。葉片268的外 直徑保持不變，但軸266的直徑從入口部分220到出口部分272逐漸增加。 這樣減少了軸266和進料管44之間的面積，從而當使進料進入設備10時， 對其進行壓縮。在使用中，優(yōu)選20 — 50%特別是40%的壓縮比。
由此，本發(fā)明具有很多不同的改進，提高了在Klepper美國專利 6,863,878中公開的方法的效率。壓縮進料驅走了不需要的空氣并形成了入 口密封。另外，加入蒸汽之前在脫揮發(fā)區(qū)加熱材料到1000。F提高了整體反 應的效率且增大了反應速率。通過在爐中保持分離器和保持它們的溫度， 避免了其他的有害反應，并且，特別地，設備中的碳沉積物減至最小。合 成氣反應產物的快速急冷進一步避免了任何不希望的碳沉積物和反應產 物。
這就是本發(fā)明的描述和實施本發(fā)明的優(yōu)選方法。然而，本發(fā)明應僅由 所附的權利要求限定。
權利要求
1、將碳質材料加入脫揮發(fā)反應器中的方法，其包括將所述碳質材料引入到進料區(qū)；壓實所述材料以去除所述材料中的空氣；使所述材料進入所述脫揮發(fā)反應器。
2、 權利要求1的方法，其中壓實所述材料在所述進料區(qū)和所述脫揮發(fā) 反應器之間形成了基本上氣密的密封。
3、 權利要求2的方法，其還包括粉碎所述氣密密封和所述脫揮發(fā)反應 器之間的所述壓實的材料。
4、 權利要求l的方法，其中使用螺旋鉆壓縮所述碳質材料。
5、 權利要求1的方法，其中使用錘壓縮所述碳質材料。
6、 權利要求1的方法，其中將所述碳質材料壓縮至至少10psi。
7、 權利要求6的方法，其中所述碳質材料是煤。
8、 生成合成氣的方法，其包括 將碳質進料引入脫揮發(fā)反應器中；在不加入氧下加熱所述碳質進料至低于45(TF的第一溫度，直到所述進 料中的基本上所有氧都被反應掉；隨后在無氧和不加入蒸汽的條件下加熱所述碳質進料到至少約1000°F 的溫度；隨后向來自所述脫揮發(fā)反應器的反應產物加入蒸汽，并使所述反應產 物進入重整反應器，加熱所述重整反應器至反應器溫度以生成合成氣。
9、 權利要求8的方法，其中由來自容納所述重整反應器的爐的廢氣為 所述脫揮發(fā)反應器提供熱量。
10、 權利要求9的方法，其還包括將合成氣輸送到第一顆粒分離器， 將所述分離器中的所述合成氣保持在所述反應器溫度。
11、 權利要求10的方法，其還包括將合成氣從所述分離器輸送到水急 冷器，其中將所述合成氣在所述反應器溫度下引入到所述水急冷器中。
12、 權利要求ll的方法，其還包括將所述急冷器中的液體輸送到分離 器，將水和氣體、以及碳質液體和焦油各自分離；將所述碳質液體和焦油輸送到所述脫揮發(fā)反應器的進料區(qū)。
13、 權利要求ll的方法，其中將所述合成氣在所述急冷器中冷卻到低 于800。F的溫度。
14、 權利要求11的方法，其中將所述合成氣從第一顆粒分離器中輸送 到同樣保持在所述反應器溫度的第二顆粒分離器，并將氣體從所述第二顆 粒分離器輸送到所述急冷器。
15、 生成合成氣的方法，其包括將碳質進料引入脫揮發(fā)反應器中； 在所述脫揮發(fā)反應器中在無氧條件下加熱所述碳質進料； 將來自所述脫揮發(fā)反應器的反應產物輸送到重整反應器，并將所述反應產物與蒸汽混合，加熱所述產物到反應器溫度以形成合成氣；輸送所述合成氣到顆粒分離器，其中所述顆粒分離器保持在所述反應 器溫度；將來自所述分離器的合成氣輸送到急冷器，在所述急冷器中所述合成氣的溫度降低至低于800°F。
16、 權利要求15的方法，其還包括將所述急冷器中的液體輸送至分離 器，分離水、合成氣和碳質液體材料；并且輸送所述碳質液體材料至所述脫揮發(fā)反應器的進料區(qū)。
17、 生成合成氣的設備，其包含與重整反應器連通的脫揮發(fā)反應器， 脫揮發(fā)反應器又連通第一顆粒分離器，其中所述重整反應器和所述分離器 保持在爐中。
18、 權利要求17的設備，其還包含與所述第一顆粒分離器連通的第二 顆粒分離器，其中所述第二顆粒分離器也位于所述爐中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于使用碳質材料(例如煤)生成合成氣的設備(10)，其包括與隨后生成合成氣的重整反應器(16)組合的脫揮發(fā)反應器(14)。重整反應器又與顆粒分離器(18)連通。脫揮發(fā)反應器用壓力進料器(12)進料，所述壓力進料器將進料中的氣體驅除，在進料區(qū)壓縮進料，在進料斗和脫揮發(fā)反應器之間形成密封。重整反應器(16)以及顆粒分離器(18，20)保持在加熱爐(77)中，從而生成的合成氣的溫度不會降低至反應器溫度以下直至顆粒材料被分離。
文檔編號C10J3/84GK101395254SQ200780007895
公開日2009年3月25日 申請日期2007年3月2日 優(yōu)先權日2006年3月6日
發(fā)明者R·E·克萊珀 申請人:R·E·克萊珀