由褐煤来生产碳和可燃气体的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种从潮湿褐煤或在方法开始实施时增湿的干燥褐煤中提取碳和可燃气体的方法，在合适的反应器中，使褐煤沿着重力的方向，从上至下连续经过移动床的四个区：第一区或干燥区，在该区内通过上升的热蒸汽和气体将潮湿或已增湿的褐煤烘干；第二区或热解区，在该区内通过大量、优选为至少98%的亚化学计量的氧气，对烘干的褐煤进行热解，并产生裂解气；第三区或火焰区，以及第四区或无焰燃烧区，第三区和第四区共同组成一个余烬区，在该余烬区内，根据有机化合物和金属化合物，在基本上化学计量地进行的氧气供应时，对残留的有机化合物和金属化合物进行氧化和/或燃烧/气化，其中未燃尽的残留物包括基本较纯的、纯度至少约90%的碳，不断将其清除。
【专利说明】由褐煤来生产碳和可燃气体
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种由褐煤来生产碳和可燃气体的方法。
【背景技术】
[0002]褐煤是德国最大的化石能源。德国的褐煤平均含水量约为50%，它的热值相对较小，一般最大为28.5MJ/kg，而烟煤的热值在35MJ/kg的范围内。在用作家庭燃料燃烧时，通常需将褐煤烘干，并加工成煤砖。烘干后的褐煤一般含有约60-75%的碳、6.0-5.8%的氢、17-34%的氧、0.5-3%的硫以及1-1.2%的氮。
[0003]在将褐煤进行标准燃烧以获取能源例如进行发电时，作为燃烧气体主要产生C02、SO2和N0X。后两种气体对环境非常有害，必须从褐煤发电厂的废气中清除它们。
[0004]本发明的目的是，在将褐煤转化为能够置于比传统褐煤燃烧设备更简易、更便宜且故障率更低的设备中进行燃烧的物质。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种从潮湿褐煤或在方法开始实施时增湿的干燥褐煤中获取碳和可燃气体的方法。在这种方法 中，在合适的反应器中使褐煤沿着重力方向从上至下连续地经过移动床的四个区:第一区或干燥区:在该区内通过上升的热蒸汽和气体将潮湿或已增湿的褐煤烘干；第二区或热解区:在该区内通过大量的、优选为至少98%的亚化学计量的氧气，对烘干的褐煤进行热解，并产生裂解气；第三区或火焰区，以及第四区或无焰燃烧区，第三区和第四区共同组成一个余烬区；在该余烬区内，在进行基本上化学计量的氧气供应时，根据有机化合物和金属化合物，对残留的有机化合物和金属化合物进行氧化和/或燃烧/气化，其中，未燃烧的残留物包括基本较纯的、纯度至少约90%的碳，并不断将其清除。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1示出一种适合实施本发明方法的转化装置。
[0007]图2示出一个适合实施本发明方法的反应器电池组。
[0008]图3示出另一个适合实施本发明方法的反应器电池组。
【具体实施方式】
[0009]令人惊奇地发现，褐煤有利地在移动床的碳化过程中，能够持续不断地被转化成一种碳浓缩物(例如木炭)、煤灰和裂解气，它们可以通过热、电方式来方便地进行利用。
[0010]该方法的依据如下:在合适的反应器中，使潮湿褐煤或在该方法开始实施前借助增湿装置增湿到约30%含水量的干燥褐煤、例如呈煤砖形状的干燥褐煤沿着重力的方向，从上至下连续地经过移动床的四个区:第一区(干燥区):在该区内通过上升的热蒸汽和气体将潮湿或已增湿的褐煤烘干；第二区(热解区):在该区内，通过大量消耗亚化学计量的氧气(例如，至少消耗98%或至少99%或更高)，或者在基本无氧的状态下，对烘干的褐煤进行热解，并产生裂解气；第三区(火焰区)，以及第四区(无焰燃烧区)(共同组成:余烬区)，这里，在主要通过基本上化学计量来供应氧气时，根据有机化合物和金属化合物，对残留的有机化合物和金属化合物进行氧化和/或燃烧/气化，其中未燃烧的残留物包括基本较纯的(根据褐煤的纯度，纯度至少约90%，例如至少约95%)的碳，并不断将其清除。
[0011]“基本无氧”是指气体中含有体积占0.5%或更少的氧。
[0012]“基本上化学计量供应的氧气，根据有机化合物和金属化合物”是指，这些化合物(就碳化产品即碳浓缩物而言)在碳浓缩物中剩余的不大于重量的约5%，从余烬区上升的气体含有的氧气的体积百分比不大于2%，优选为不大于约1%，及特别优选为不大于约0.5%。
[0013]干燥区和热解区因上升的热蒸汽和气体而达到约450°C -约900°C，优选为约500 V -约550°C。火焰区褐煤残留物的温度低于600 V，而火焰的正常温度则高于1000 V。无焰燃烧区的温度为约500°C -约600°C，即稍低于碳的燃烧温度。
[0014]当褐煤含水量不同时，干燥和热解区的温度可以通过控制供气而加以控制，以保持必要的热解温度。
[0015]在干燥区的潮湿的或已增湿的褐煤同时用作以下气体的吸附剂:更长链的碳氢化合物，以及位于干燥区下方的热解区内产生并向上蒸发的最终含硫气体。褐煤下移进入热解区之后，就会继续分解出更长链的碳氢化合物。
[0016]在热解区，可能还含有氮和硫以及金属的有机化合物将在实际无氧的情况下进行热解。在这种情况下，产生一种裂解气，它主要含有一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮气(N2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、短链碳氢化合物，以及可能的含硫气体如H2S、C0S、CS2。
[0017]非常稳定的有机化合物，例如高稠合芳烃，在火焰区和无焰燃烧区(余烬区)燃烧或碳化成co2、h2o以及可能的SO2，并`且金属至少部分得到氧化。
[0018]如果产生的含硫气体如H2SXOS和/或CS2数量较多，则可以通过传统方法如使用脱硫过滤器将它们从反应器产生的气体中清除。可能含有的SO2同样也可以使用传统方法如石灰洗涤法进行清除。
[0019]这种方法不会产生烟道尘。
[0020]产生的碳以及含有CO、H2,甲烷以及短链碳氢化合物的裂解气，可以通过热、电方式进行利用。燃烧这些产物的设备比燃烧未加工褐煤的设备更简易、更便宜，故障率更低。
[0021]DE 10 2005 038 135 B3描述了一种在移动床中由木材或其它生物质持续生产木炭的装置和方法，W02010/124761公开了这种装置和方法的改进产品。
[0022]特别是W02010/124761和PCT/EP2010/007964公开的装置可以有利地用于将褐煤转化为煤灰、纯碳和裂解气的方法。
[0023]图1示出了一种此类转化装置100，它适用于连续转化褐煤102。它具有一个垂直的进料区104和一个限制出内室106的壁108，以及一个构成底部的栅格托盘110和一个设置在进料区104盖板112上的叶轮闸门116。叶轮闸门116可以用来相对于环境对内室106进行基本气密的装料。此外盖板112上还安装有一个气体出口 118，它与进料区104的内室106相连。在栅格托盘110的下方设有一个向下收缩的漏斗120，它通过自身的漏斗壁122与内室106相连。一个进气口 134、例如呈管状的进气口通过漏斗壁122。与漏斗120窄小的下端相连的是一个继续向下的管接头130。该管接头130通向另外一个用作卸料装置的叶轮闸门136。从图1中可以看到其中两个支架138支承着该转化装置100。整个转化装置100或至少舱壁108和盖板等已进行热绝缘。绝缘可以减小或防止内室106中产生的气体凝聚在舱壁108的内侧上。
[0024]此外，转化装置100也可以后置一个流体分配装置。该流体分配装置也可以一体地形成在转化装置中。就此而言在一些实施例中，流体分配装置包括一个安装在混合室中的混合装置和一个增湿装置。例如混合装置可以设计成混合器或搅拌器。混合器可以安装在混合室的反应室下方。[0025]通过叶轮闸门116，褐煤102源源不断地或成批地进入内室106。装置在启动时用褐煤102装到约3/4，然后点火。在开机运行中，内室106具有四个区:进料区104上方的第一区(干燥区)140，在该区内通过上升的热蒸汽和气体144将褐煤102在进料区104烘干。在上部140下方连接的是第二区(热解区)142，在该区内通过大量消耗氧气/实际无氧的情况下，对烘干的褐煤进行热解，并产生裂解气。与之相连接的的第三区144是火焰区，在该区内残留的有机化合物在从下方通过进气口 134流入的空气中燃烧。在火焰区142下方连接的是最下方的一个区146，它是无焰燃烧区，在该无焰燃烧区内，温度因通过可控进气口 134流入的空气而被调节到500-600°C，并且在褐煤中最后存留的有机物被碳化，其中，在这种情况下，剩余的基本上是碳/碳浓缩物158，它们呈碎块状，以致可从栅格托盘110落下。[0026]在位于上方持续不断下落的褐煤102的压力以及重力的作用下，碳158穿过栅格托盘Iio落下。栅格托盘110的孔可以调整，因此通过孔的大小可以调节褐煤102和碳158的煤块大小和流速。碳158因重力作用从漏斗120和管接头130落入另一个叶轮闸门136中，该闸门将碳158卸出。
[0027]如果另一个叶轮闸门136将碳158卸入流体分配装置中，则可以通过布置在混合室室壁或盖板上的喷嘴，对碳158进行喷水/增湿以及错位和混合。这样流体分配装置就可以为碳158定量送水，以便扣除可能蒸发的水，力争使碳浓缩物能够达到合适的含水量，例如15-25%，尤其是18-20%。
[0028]图1所示的管道130中的进气口 134控制空气或氧气进入内室106。在进料区104对流产生的向上气流作用下，通过打开的进气口 134吸入周围空气，及通过管道130和漏斗120向上吸入内室160中。
[0029]如果气体出口 118处设有一个通风机或类似装置，则内室106上部区域的压力可以通过通风机的转速进行调控。同时对于内室106，尤其是接近叶轮闸门116的上部区域，则通过一个相应合适的传感装置进行压力测量，该传感装置发出一个控制信号。根据控制信号以及所测量的压力、如低压，则可以调节通风机的转速/速度以及向外排出的废气量。仅通过这种转速调节即可调节整个碳化过程。
[0030]裂解气144通过气体出口 118流出，并被进一步加以利用。
[0031]随附的PCT/EP2010/007964公开了用于从褐煤制造碳的其它合适装置，并且在图2和3中示出了这些。
[0032]图2示出了一个用于持续转化褐煤的反应器电池组200。在此图中，反应器电池组(Reaktorbatterie)200含有7X6个单个反应器，下称蜂窝202，它们呈长方体结构。反应器电池组四周围有一个共同的反应器外壁204。为了分隔各个蜂窝202，在反应器外壁204内部设有6个横向隔板和5个纵向隔板206。[0033]不断向所有的蜂窝202输入褐煤，如图2中箭头208示意性所示。通过管子将褐煤从褐煤仓库输送到叶轮闸门(未示出)，再从叶轮闸门通过分配管(未示出)输送到各个蜂窝中。在进行部分热解转化时，在蜂窝中，除了不可燃的气体之外，还会产生高热值的可燃气体，例如甲烷、一氧化碳和氢气，以及固态转化物，即碳。气体从每个蜂窝的上侧排出，如图2中箭头210所示，并通过管子(未示出)收集、压缩和存储，或者进行热利用(燃烧)。固态转化物通过每个蜂窝下方的收集管212气密输送到收集容器(未示出)中。
[0034]反应器外壁204已使用石棉或其它合适的绝缘材料进行热绝缘。在反应器电池组壁内部，通过横向和纵向隔板206进行热交换。不过从材料方面看，蜂窝202仍然是绝缘的。与相互热隔离的蜂窝相比，这使得热损失更小。每个蜂窝202都有一个可调控/调节/调整的进气口。
[0035]图3示出了一种根据本发明制造出的反应器电池组300，如同图2中所示的反应器电池组200 —样，它也含有多个反应器，下称蜂窝302。与图2中的蜂窝202不同，蜂窝302分别拥有一个独自的蜂窝壁304a、304b。从图2中可以看出，在并排设置的蜂窝302的蜂窝壁304b之间有一个图示距离，不过实际上它是不必存在的。这些蜂窝尽可能地靠得很近，以便能够在蜂窝302之间进行良好的热交换。在反应器电池组300中的外置蜂窝，它们的外部蜂窝壁304a均已进行热绝缘，而它们的内置蜂窝壁304b则未进行热绝缘。这种蜂窝式结构能够提高热性能(外表面更小)。
[0036]在图3所示的蜂窝中，两个转化区不相同。在下区、即包含火焰区和余烬区的火焰区域306，褐煤在低于化学计量输氧的情况下碳化为碳。在这种情况下产生的高温气体向上升入进料区308。这些高温气体自身仅含有少量氧气或不含氧气，因为氧气在碳化过程中已几乎耗尽。在进料区，这些高温气体在500-900 V下对褐煤进行干燥、脱气，并热解或部分热解转化为可燃气体。该气体 主要含有氢气、一氧化碳、甲烧、短链碳氢化合物、二氧化碳、氮气，并且可能还含有需要清除的含硫气体。
[0037]在对增湿褐煤进行 烘干时产生的水蒸气，稍微地“推移”热解物区进行气化，并会产生更多可燃气体。不过如果褐煤中所含的水分过多，则烘干褐煤所需的热量会将温度降低到低于热解所需的温度。除湿或烘干都可以通过控制进气口来进行调控，这样即可调节含水量不同的褐煤加工过程。
[0038]热解控制是通过可调节、控制或调整的进气口(箭头310)或每个蜂窝的出气口完成的。其中蜂窝壁304b用来防止蜂窝302之间的燃烧室212不受控制。如果反应器电池组300的蜂窝302合并成唯——个大的燃烧室，则会有某个蜂窝的进气口 310的空气和相邻进气口 310的空气流到该大燃烧室的某个地方，形成局部燃烧室312，褐煤将在这些燃烧室中完全燃烧，由此基本就只产生可燃和不可燃气体，而不会产生碳，加工过程就会受到破坏，这样就无法进行受控的部分热解。
[0039]—般而言，反应材料即褐煤均由一个格栅314支承。在格栅314下方,空气通过一个例如进气管310输送到相应单个蜂窝302的中央。对空气量进行精确控制，例如通过废气流的温度进行调节。直接在格栅314的上方，在相对缺氧的条件下，褐煤将在低于化学计量输氧的情况下进行碳化。因进气口节流造成的相对缺氧会导致反应材料的挥发物发生燃烧(或部分燃烧)，而固态碳将以碳浓缩物的形式，通过格栅314从蜂窝中下落。在碳化燃烧过程中产生的高温，会导致产生的燃烧气体出现膨胀现象，由此这些气体在反应器中就会被向上驱赶。氧气是在格栅314上方约0.5-0.Sm处因碳化过程而耗尽。也就是说，在该区下方是氧气区，上方是热解区。
[0040]此时几乎完全无氧的、主要含有氮气和CO2的反应气体，以约500-600°C的温度离开氧气区向上升。在上升过程中进入该区的褐煤实际上不再含有水分，它在此条件下被加热，气体被热解。该气体继续上升，从蜂窝302中排出，并被输送到中央热电站或类似设施中，用于能源开发或远距离供热。
[0041]转化装置100和蜂窝302可以制造成集装箱或集装箱形式、例如用作海运集装箱。多个此类集装箱可以构成一个集装箱组。这些集装箱可以简单地使用传统工具进行运输，并到现场组装成一个集装箱组。集装箱可以竖放或横放，并通过合适的连接工具/连接装置例如支架、夹具、T型梁、螺钉、焊接装置等连接。
[0042]远洋集装箱通常是海运集装箱和ISO集装箱，它们长20和40英尺，宽8英尺。此类远洋集装箱不仅适用于集装箱船运输，也适用于货车或铁路运输。
[0043]使用集装箱形式的转化装置，可以运输例如中国、俄罗斯或加拿大的较难开采的褐煤。此类成套系统由集装箱形式的转化装置组成，因此它们的运营、更换和维护也变得更加简单。`
【权利要求】
1.一种从潮湿褐煤或在方法开始实施时增湿的干燥褐煤中提取碳和可燃气体的方法，在该方法中，在合适的反应器中，使褐煤沿着重力的方向，从上至下连续经过移动床的四个区:第一区或干燥区，在该区内通过上升的热蒸汽和气体将潮湿或已增湿的褐煤烘干;第二区或热解区，在该区内通过大量、优选为至少98%的亚化学计量的氧气，对烘干的褐煤进行热解，并产生裂解气；第三区或火焰区，以及第四区或无焰燃烧区，第三区和第四区共同组成一个余烬区，在该余烬区内，根据有机化合物和金属化合物，在基本上化学计量地进行的氧气供应时，对残留的有机化合物和金属化合物进行氧化和/或燃烧/气化，其中未燃尽的残留物包括基本较纯的、纯度至少约90%的碳，不断将其清除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，干燥区和热解区的温度为约450-约900°C，优选为约500至约550°C，余烬区的温度为约500至约600°C。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据褐煤中的含水量控制氧供应，以便将干燥区和热解区的温度保持在约450至约900°C，优选为约500至约550°C。
4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，从反应器流出的、含有裂解气的气体在脱硫之后，主要含有CO、H2 ,甲烷、短链碳氢化合物、N2和C02。
【文档编号】C01B31/08GK103517969SQ201280009211
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年2月15日 优先权日:2011年2月17日
【发明者】B·舒特多夫 申请人:欧洲木炭有限公司