發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的方法，其包括將燃料輸入熱解室中并且進行熱解過程用于獲得產(chǎn)物氣體，以及將離開熱解室的燃料的部分再循環(huán)至燃燒室。在另一方面，提供從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的反應(yīng)器，其包括與燃料輸入端、第一工藝流體輸入端和產(chǎn)物氣體輸出端連接的熱解室，與廢氣輸出端連接的燃燒室以及連接熱解室和燃燒室的反饋通道。

現(xiàn)有技術(shù)

國際專利公開wo2014/070001公開了從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器含有殼體，具有在操作時容納流化床的燃燒室、沿反應(yīng)器的縱向延伸的上升管以及共軸地位于上升管周圍并且延伸進入流化床的下降管。提供向上升管提供燃料的一個或多個進料通道。

發(fā)明概述

本發(fā)明尋求提供處理燃料的改進的反應(yīng)器，所述燃料例如生物質(zhì)、廢料或煤。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供根據(jù)以上限定的前序部分的方法，其還包括在燃燒室中使用主要工藝流體于流化床中進行氣化過程，然后使用次要工藝流體在流化床之上的區(qū)域進行燃燒過程。主要工藝流體和次要工藝流體為例如包含氧氣的空氣。通過分別產(chǎn)生熱解過程、氣化過程和燃燒過程，可以實現(xiàn)若干益處，包括更有效的操作和更適應(yīng)于特定燃料的能力。

在第二方面，本發(fā)明涉及如以上前序部分所限定的反應(yīng)器，其中燃燒室包括容納流化床的氣化區(qū)和在流化床之上的燃燒區(qū)，其中所述反應(yīng)器還包括與氣化區(qū)連通的主要工藝流體輸入端和與燃燒區(qū)連通的次要工藝流體輸入端。這允許分別控制氣化過程和燃燒過程，并且更具體地，允許控制反應(yīng)器中若干部件的溫度，以便實現(xiàn)對反應(yīng)器更有效的全部操作和控制。

附圖簡述

參照附圖，使用許多示例性實施方案，以下將更詳細地討論本發(fā)明，其中

圖1示出了從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器的示意圖；

圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方案的反應(yīng)器的示意圖；以及

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案的反應(yīng)器的示意圖。

示例性實施方案的詳細描述

用于從諸如生物質(zhì)的燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體的裝置在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，參見例如與本發(fā)明同一申請人的國際專利公開wo2014/070001。向反應(yīng)器中的上升管供應(yīng)燃料(例如生物質(zhì)、廢料或(低質(zhì)量)煤)，并且所述燃料例如包含以重量計80％的揮發(fā)性成分和以重量計20％的基本上為固體的碳或炭。在低氧(即亞化學(xué)計量(substoichiometric)的氧氣)或無氧環(huán)境下，將供應(yīng)至上升管的燃料加熱至適當(dāng)溫度，導(dǎo)致燃料在上升管中氣化和熱解。上升管中的所述適當(dāng)溫度通常高于800℃，例如850℃至900℃。

揮發(fā)性成分的熱解導(dǎo)致產(chǎn)物氣體的產(chǎn)生。例如，產(chǎn)物氣體為氣體混合物，所述氣體混合物包含co、h2、ch4和任選的高級烴。在進一步處理之后，所述可燃的產(chǎn)物氣體適用于用作各種應(yīng)用的燃料。由于氣化速度低，存在于生物質(zhì)中的炭僅在上升管中氣化至有限的程度。因此，炭在反應(yīng)器的分離區(qū)(燃燒部件)中燃燒。

圖1示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器1的橫截面剖視圖。反應(yīng)器1形成間接式或他熱式氣化爐，其結(jié)合揮發(fā)性成分的熱解/氣化和炭的燃燒。由于間接氣化，諸如生物質(zhì)、廢料或煤的燃料被轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物氣體，所述產(chǎn)物氣體作為最終產(chǎn)物或中間產(chǎn)物適于作為例如鍋爐、燃氣發(fā)動機和燃氣輪機內(nèi)的燃料，以及作為輸入用于進一步的化學(xué)過程或化工原料。

如圖1的示意圖所示，此類現(xiàn)有技術(shù)中的反應(yīng)器1包括由外壁2界定的殼體。在反應(yīng)器1的頂部，提供產(chǎn)物氣體出口10。反應(yīng)器1還包括上升管3，例如以中心定位管的形式，在其內(nèi)部形成上升通道。一個或多個燃料輸入端4與上升管3連通，以將反應(yīng)器1的燃料運輸至上升管3。在燃料為生物質(zhì)的情況下，一個或多個燃料輸入端4可以配備有阿基米德螺旋泵，以將燃料以受控的方式運輸至上升管3。使用底部的第一工藝流體輸入端5(例如用于引入蒸汽的輸入端)來控制上升管3中的過程(在現(xiàn)有技術(shù)的實施方案中為在熱解室6中發(fā)生的熱解過程)。提供從熱解室6的頂部(或上升管3的頂部)返回至用作燃燒室8的流化床的反饋通道，例如以與返回通道12連接(共軸設(shè)置的)的漏斗11的形式，以及以在燃燒室8的較低側(cè)朝向上升管3的孔12a的形式。將燃燒室8中的流化床使用主要工藝流體輸入端7(例如使用空氣)來保持“流動”。低于漏斗11的反應(yīng)器1的空間與廢氣出口9連通。

然而，在實際使用中，盡管反應(yīng)器1能夠使困難(含灰)燃料(例如草和秸稈)氣化，而且還能夠使高灰的煤和褐煤以及廢料氣化，但是在控制反應(yīng)器1的溫度方面觀察到了難點。為了實現(xiàn)困難燃料的氣化，必須降低溫度以避免與燃料有關(guān)的結(jié)塊和腐蝕問題。通常，降低氣化溫度時所發(fā)生的情況為至產(chǎn)物氣體的轉(zhuǎn)化也降低。這導(dǎo)致更多的炭，其終止于燃燒室8中。在燃燒室8的流化床中，由于這種作用溫度將升高，并且因為以上所提及的兩項話題，這是不期望發(fā)生的事情。

根據(jù)本發(fā)明實施方案，其中實施方案示出在圖2和圖3的示意圖中，提供反應(yīng)器1用于從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體，所述反應(yīng)器1包括與燃料輸入端4、第一工藝流體輸入端5和產(chǎn)物氣體輸出端10連接的熱解室6。提供由反應(yīng)器1的壁2界定的燃燒室20、23，所述燃燒室與廢氣輸出端9連接，以及反饋通道11、12、12a連接熱解室6和燃燒室20、23。燃燒室包括容納流化床的氣化區(qū)20和在流化床之上的燃燒區(qū)23。反應(yīng)器1還包括與氣化區(qū)20連通的主要工藝流體輸入端21和與燃燒區(qū)23連通的次要工藝流體輸入端22。因此，在本發(fā)明的實施方案中，在燃燒室中提供額外的步驟，即氣化以改善其操作行為。通過分別產(chǎn)生熱解區(qū)6、氣化區(qū)20和燃燒區(qū)23，可以實現(xiàn)若干益處。

因此，在本發(fā)明的另一方面，提供方法用于從燃料中產(chǎn)生產(chǎn)物氣體，所述方法包括將燃料輸入熱解室6并且進行熱解過程用于獲得產(chǎn)物氣體，將離開熱解室6的燃料的部分(固體)再循環(huán)至燃燒室20、23，以及在燃燒室20、23中使用主要工藝流體于流化床20中進行氣化過程，然后使用次要工藝流體在流化床20之上的區(qū)域23中進行燃燒過程。主要工藝流體和次要工藝流體為例如包含氧氣的空氣。

為了在流化床中的氣化區(qū)與直接在所述流化床之上的反應(yīng)器的空間中的燃燒區(qū)之間實現(xiàn)分離，可以例如通過以0.9至0.99(例如0.95)的當(dāng)量比er操作氣化過程來控制化學(xué)計量，所述當(dāng)量比er被定義為供應(yīng)的氧氣的量除以供應(yīng)的燃料完全燃燒所需氧氣的量的比率。

主要工藝流體輸入端21被有利地用于控制流化床20中的溫度，因為這允許外部操縱反應(yīng)器1內(nèi)部的過程。例如通過下述來控制當(dāng)量比：降低主要工藝流體的供應(yīng)、降低主要工藝流體中的氧含量、將惰性氣體添加至主要工藝流體或通過將廢氣添加至主要工藝流體(例如，來自廢氣輸出端9的廢氣(再循環(huán)))。由于所有這些替代都是可易于獲得的，對于反應(yīng)器1的構(gòu)建和操作不需要或需要極少額外的努力和成本。

可以將燃燒區(qū)23以至少1.2(例如等于1.3)的當(dāng)量比er進行操作，以在燃燒區(qū)實現(xiàn)例如由熱解過程產(chǎn)生的炭的盡可能完全燃燒。

布置主要工藝流體輸入端21和次要工藝流體輸入端22以分別為氣化過程和燃燒過程提供空氣。這允許分別控制氣化過程和燃燒過程，以實現(xiàn)對反應(yīng)器1更有效的全部操作和控制。為了有效控制，反應(yīng)器可以包括與主要工藝流體輸入端21連接的控制單元24(如圖2和圖3的實施方案所示)，用于控制主要工藝流體至氣化區(qū)20的速度和氧含量。此外，控制單元24可以與次要工藝流體輸入端22連接，用于控制次要工藝流體至燃燒區(qū)23的速度和氧含量。可以使用外部空氣或其它(惰性)氣體源(例如氮氣)來控制速度和氧含量，或者在另一替代中，可以利用來自廢氣出口9的廢氣使用氣體再循環(huán)。為此，控制單元24例如提供有與廢氣出口9(以及適當(dāng)控制元件，例如閥等)連接的輸入通道。

在本發(fā)明方法的另一實施方案中，基于下述的測量來控制當(dāng)量比：產(chǎn)物氣體中的溫度和/或來自燃燒過程的廢氣的溫度和/或來自燃燒過程的廢氣的氧含量。例如，為了實現(xiàn)0.9至0.99的er的所需目標(biāo)，廢氣中所測量的氧含量應(yīng)為3％至5％。這些參數(shù)可以使用本身已知的適當(dāng)傳感器在操作期間于反應(yīng)器中容易地進行測量。在另一反應(yīng)器實施方案中，控制單元24與一個或多個傳感器連接，所述傳感器例如溫度和/或氧含量傳感器。

在另一實施方案中，次要工藝流體輸入端22包括位于燃燒區(qū)23中的分配裝置25。這可以在燃燒區(qū)23中實現(xiàn)更好的燃燒結(jié)果和效率。特定形狀和結(jié)構(gòu)可以取決于燃燒區(qū)的形狀，例如在圖2所示的實施方案中，分配裝置可以是具有分布的孔的環(huán)形通道。作為替代，分配裝置25可以作為分布在反應(yīng)器壁2周圍的多個沿切線設(shè)置并向內(nèi)導(dǎo)向的噴嘴呈現(xiàn)。

為了在反應(yīng)器中適當(dāng)?shù)夭僮鳠峤膺^程，布置第一工藝流體輸入端5以向熱解室6提供第一工藝流體(例如，蒸汽、co2、氮氣、空氣等)?？梢酝獠靠刂凭唧w的第一工藝流體參數(shù)(例如溫度、壓力)。

可以將困難燃料在低于常溫下進行氣化，同時維持完全燃燒。一般與燃燒有關(guān)的熱通常產(chǎn)生于燃燒室的流化床中，但是通過降低燃燒室的化學(xué)計量和增加次要空氣，引入氣化區(qū)20?？梢越?jīng)由主要工藝流體輸入端21通過調(diào)節(jié)至流化床的空氣(例如，使用(壓縮)空氣)，而將該氣化區(qū)20調(diào)整為升高或降低溫度。將流化床之上的燃燒區(qū)23用于燃燒未燃的組分(co和cxhy)。與該燃燒有關(guān)的熱不會增加氣化區(qū)20中的鼓泡流化床的溫度，并且因此不會引起凝聚問題。

通過將燃燒室分成氣化區(qū)20(鼓泡流化床，bfb)和燃燒區(qū)23(在bfb之上)，部分炭未燃燒并且將循環(huán)回到上升管3(經(jīng)由反饋通道11、12的孔12a)。一方面，這將提供增加燃料轉(zhuǎn)化的蒸汽氣化的額外機會，另一方面，其可以增加焦油減少的催化過程(已知炭具有催化和/或吸收活性)。

將存在炭的累積(尤其在較低的氣化溫度下)，然而，氣化區(qū)20的流化床使炭破碎成更小的顆粒，其最終逃逸至燃燒區(qū)23。

作為替代，可以通過增加鼓泡流化床中的速度來防止炭的累積。這可以通過降低反應(yīng)器1的尺寸(最顯著的是，氣化區(qū)20中的流化床的直徑)和提高反應(yīng)器1的可擴展性來實現(xiàn)。在另一實施方案中，增加速度以在氣化區(qū)20的鼓泡流化床中產(chǎn)生較大的氣泡和大的飛濺區(qū)。

然后燃燒區(qū)23中的次要空氣也使進入流化床之上區(qū)域的炭燃燒。這將產(chǎn)生額外的熱，然而，其經(jīng)由廢氣出口9運輸離開，并且流化床溫度將保持是低的。

在圖2中，示出了反應(yīng)器1的變體，其最適用于處理生物質(zhì)或廢料(盡管也可以使用其它燃料)。在此，由位于反應(yīng)器1中的一個或多個上升通道3形成熱解室6(例如，以垂直管的形式，即縱向設(shè)置，或者甚至與反應(yīng)器壁2共軸)，并且將鼓泡流化床設(shè)置在反應(yīng)器1的底部的氣化區(qū)20中，圍繞上升管3的底部。

相比之下，圖1的反應(yīng)器1僅包括熱解室6和發(fā)生燃燒過程的具有流化床的燃燒室8。在圖2的變體中，通過降低當(dāng)量比er來調(diào)節(jié)氣化區(qū)20的流化床中的條件。因此，通過降低er(供應(yīng)的氧氣的量與完全燃燒所需氧氣的量的比率)，體積流量下降，以及氣化區(qū)20的流化床中的溫度下降。

可以在圖3的實施方案所示的反應(yīng)器1的變體中實現(xiàn)類似的改進。操作原理與圖2的實施方案相反(燃燒現(xiàn)在發(fā)生在上升管3中并且煤的熱解發(fā)生在流化床6中)?；蛘邠Q而言之，燃燒室20、23由設(shè)置在反應(yīng)器1中的一個或多個上升通道3形成。該實施方案可以例如有利地用于處理低質(zhì)量的煤，例如具有高含灰量的煤。

在另一方法實施方案中(尤其是用于操作圖3的反應(yīng)器1實施方案中)，將流化床以至少1(例如等于1.05或等于1.1)的當(dāng)量比(er)來操作。將當(dāng)量比(er)定義為供應(yīng)的氧氣的量除以燃料完全燃燒所需氧氣的量的比率。本發(fā)明實施方案能夠使諸如草和秸稈的困難(含灰)燃料氣化，并且也能夠使高灰的煤和廢料氣化。然而，為了實現(xiàn)困難燃料的氣化，將溫度降低以避免與燃料有關(guān)的凝聚和腐蝕問題，以及避免可能的蒸發(fā)以及下游通道和裝備被如pb、k、cd等化合物污染。通常，降低氣化溫度時所發(fā)生的情況為轉(zhuǎn)化也降低。這導(dǎo)致更多的炭，其終止于燃燒室中。在現(xiàn)有技術(shù)的實施方案中(燃燒室8中的流化床，參見圖1)，由于這種作用溫度將升高，并且因為以上所提及的兩項話題，這是不期望發(fā)生的事情。

通過在氣化區(qū)20中僅部分燃燒燃料并且在流化床之上的燃燒區(qū)23中實現(xiàn)完全燃燒來實現(xiàn)降低燃燒溫度。這也是產(chǎn)生額外的熱的情況，其不直接接觸灰組分。因此，灰不會蒸發(fā)并且不會產(chǎn)生引起凝聚的熔融層。

令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，可能不必在流化床中實現(xiàn)完全燃燒。然后將燃料的未燃部分(co和cxhy)用于實現(xiàn)高溫和完全燃燒。

流化床中的炭的不完全燃燒可以導(dǎo)致炭的累積。在另一實施方案中，存在增加鼓泡流化床的飛濺區(qū)的可能性，以迫使炭進入流化床之上的區(qū)域，其中所述炭然后可以進行燃燒。以這種方式，將依然足夠的炭進行轉(zhuǎn)化以防止積累(以及降低效率)。飛濺區(qū)的增加僅可以由流化床中較大的速度來實現(xiàn)。這可以用于降低反應(yīng)器1的尺寸(尤其是直徑)，這對于按比例放大和經(jīng)濟有益處。

關(guān)于反應(yīng)器1的現(xiàn)有技術(shù)的實施方案，根據(jù)本發(fā)明實施方案的反應(yīng)器1的直徑可以減小2/3，甚至更少。其作用如下：

-碳轉(zhuǎn)化成廢氣的輕微降低，這意味著更多燃料以產(chǎn)物氣體終止，并且導(dǎo)致較高的效率(這已經(jīng)測試和觀察)。

-對凝聚作用的更好控制，因為所述床保持低溫。測試已經(jīng)確認了這點。

-對堿的蒸發(fā)更好的控制并且因此導(dǎo)致的更好的腐蝕控制。這已經(jīng)在測試中進行了確認。

-在較低溫度下增加量的有價值產(chǎn)物(c2和c3分子以及芳族化合物)。測試已經(jīng)確認了這點。

-重質(zhì)焦油的量的減少(在低溫下)，其最終是引起在與下游設(shè)備連接方面的問題的原因。已在測試中證實。

-在較高溫度下重質(zhì)焦油(炭作用)的量的減少。

-減小的設(shè)備尺寸。由于流化床可以用較少的空氣進行流化，所述床的面積也可以減小。當(dāng)在較低溫度下操作時，面積需要進一步減小以維持足夠的速度。所有這些改善了裝備的成本。

-保留在鼓泡流化床中的炭將進行一些額外的循環(huán)回合，增加產(chǎn)物氣體中的炭轉(zhuǎn)化，但是也可能增加與焦油有關(guān)的催化和吸收過程。(首先在高溫下并且其次在較低的溫度下)。

-按比例放大反應(yīng)器1總是引起流化床內(nèi)的炭分布的問題。為此，在另一實施方案中，反饋通道可以包括一個或多個位于反應(yīng)器1中的額外的下降通道(與以上圖1至圖3所討論的反饋通道或下降通道12類似)。以額外的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力為代價，額外的下降管12是可能的。然而，應(yīng)注意，er小于1的本發(fā)明的實施方案使得炭分布不太關(guān)鍵，因為氣體在流化床之上進行燃燒，并且氣體比固體混合更好。

-通過分段燃燒的更好的排放控制。由于在所述床之上存在產(chǎn)生熱區(qū)，將更好控制不期望的排放(co和cxhy)。

以上參照附圖所示的許多示例性實施方案描述了本發(fā)明的實施方案。一些部件或元件的修改和替代實現(xiàn)方式是可能的，并且均包括在如所附權(quán)利要求所限定的保護范圍內(nèi)。