含碳原料的热解方法

专利名称：含碳原料的热解方法
背景技术：
发明领域本发明涉及热转化方法，特别是含碳原料如生物质和有机废物的热解方法。根据本方法，将含碳原料加入到反应器中，其中原料于温和的温度在包括微粒物质的传热介质存在下被转化。微粒物质借助流化气体保持为流化状态。热解后，将微粒物质与烃产物分离，通过燃烧将微粒物质再生并再循环到反应器中。热解产物包括从反应器中回收的固体、液体和/或气体。产物任选进行进一步的加工步骤，例如汽化烃的冷凝。
目前对来自固体废料物流和林地残余物的有机基材料或特意种植的农作物(purpose grown crops)的扩展使用受到比使用地下燃料体系现存的基础结构更高费用的限制。这些高费用缘于较高的原料费用和较高的转化费用。较高的转化费用与为人熟知的经济规模范围问题有关，该问题是由原料分布广泛引起的，这导致收集和运输费用高。对于生物质的转化，主要目的是使终产品中的能量集中得到加强以使使用期间的费用最低。由于容易处理、运载和储存及其令人喜欢的使用特性，液体也是优选的。
一般而言，热解是将一个大分子断裂或裂解为小分子的热降解过程。可用于将多种固体或液体材料转化成更易使用的形式，并且实际上几个世纪以来一直用于由生物质生产木炭和高粘度焦油。这一过程可描述为在无氧或几乎无氧情况下的热裂解或解聚过程。在过去的10-20年中，通过将加热速率提高至超过1000℃/秒、缩短蒸汽停留时间至低于15秒并通过快速退火改进产品回收率而一直在对该技术进行改进以使液体产率最大。
根据原料不同，常规热解设备包括原料干燥器、任选用于减小进料尺寸的机械磨碎机、进料系统、反应器、将固体从蒸汽流中移出的旋风分离器、为反应提供热能的炭燃烧室和固体出料储罐及回收系统。此外，经常包括提供工艺用热的炭燃烧室。反应器在稍高的超压下运行。
上述工艺设备用于已知为“急骤”或“快速”热解的热转化。当用于小生物质颗粒(＜5mm厚)并且温度为400-700℃时，液体产率高达65-75wt％。该过程的其它产物为炭(10-15wt％)和不可冷凝气体如甲烷CH4、一氧化碳CO和二氧化碳CO2(10-15wt％)。
固体与液体与气体的比例是由加热速率和最高温度共同决定的并且一般取决于具体的原料。如果想要液体产物最多则一般在本领域中已知的情况是中间温度为400-600℃且停留时间较短为0.5-5秒是最有利的。这些加工条件得到高产率，大约为原料的65-75wt％。
在本领域中，用于吸热热解反应的热量是在单独的锅炉或再生器中通过燃烧在该过程中产生的不可冷凝气体、焦油和可燃固体而生产的。热量通过固体颗粒如沙子从蒸煮器中传送到反应器中。化学反应之后这些固体可被在蒸煮器中燃烧的焦油覆盖。固体(可燃的和沙子)一般通过一个或多个装在反应器之后的旋风分离器从气体流中移出。
下列专利中讨论了热解含碳材料的方法及在这些方法中所使用的设备W.M.Hearon等人，“由含氧有机材料制备不饱和烃”，美国专利3,148,227,1964年9月8日授与。
C.K.Choi，“快速热解含碳材料的方法和设备”，美国专利4,101,412,1978年7月18日授与。
E.L.Capener,M.Low，“将固体有机材料转化为燃料油和燃料气的方法和设备”，美国专利4,344,770,1982年8月17日授与。
E.Chornet,C.Roy，“通过真空热解由木质纤维材料得到的有机产物和液体燃料”，加拿大专利1,163,595,1984年3月13日授与。
D.S.Scott，“生物质的热解方法”，加拿大专利1,241,541,1988年6月6日授与。
D.A.Berg，“快速热处理的方法和设备”，加拿大专利1,283,880,1991年5月5日授与。
现有技术被一些重要问题所阻碍。因此，为了获得高产品质量，在凝聚前必须从气体中移出尽可能高的百分含量的固体。保留在液体产品中的固体通过使泵、燃料管和喷嘴中的小通道阻塞而显著降低了产品质量并且还被认为其能使聚合反应增加并且还增加液体燃料的粘度。
在上述相关技术中，所用的常规旋风分离器和单独的反应器及再生器有重大局限性限制了其在生物质热解过程中的应用。因此，固体在传统旋风分离器中要经历高速率，使得固体和结构材料均高度磨损。所要求的设备又大又重。外表面很大，造成大的辐射损失。固体运输的垂直距离很长，要求昂贵的过程控制设备。
本发明的另一个目的是提供热解上述材料的新设备。
这些和其它目的及其相对已知方法的优越性(在后面的说明书中是显而易见的)是通过此后所描述并申请保护的本发明来完成的。
本发明基于使用这样的反应体系它利用至少两个内部同轴排列的圆柱形化学或物理转化循环流化床反应器或包括多入口旋风分离器的热再生器，该反应体系使得可碳化材料热转化或热解为许多的液体、固体和气体产品。
特别地，根据本发明的方法包括在超过400℃的温度下于如下设备中热解生物质或有机废物，所述设备包括反应器和再生器，反应器带有具有轴向环形横截面的立管并装有用于分离颗粒物质的多入口旋风分离器，和再生器带有具有轴向环形横截面的立管并相对所用反应器同轴装配，所述再生器也装有一个用于分离已再生的颗粒物质的多入口旋风分离器。根据本发明，再生器的料腿与反应单元的立管及干燥设备连通。
更具体而言，根据本发明的方法主要以权利要求1的特征部分所述为特征。
根据本发明的设备以权利要求15的特征部分所述为特征。
本发明获得了显著的优越性。由此，传统的在液体产品中固含量高的问题已降至最小并且可以生产质量高于由现有技术方法生产的油质量的热解油。将多入口旋风分离器引入到反应器构造中降低了气体速率，减小了旋风分离器的形体尺寸并缩短了气体在旋风分离器中的停留时间。这直接减少了热反应器的外壁面积，结果导致需要更少的材料设备并因此要求更便宜的反应器。而且，较低的气体速率降低了结构材料的磨损。
下一步将参考附图更详细地说明本发明。
图2显示了本发明另一个优选实施方案的简化结构的局部截面图。
发明详述在本发明范围内，术语“热转化”和“热解”可互换使用来表示在温和温度或高温下处理选自生物质和有机废物的有机材料生产有用的固体、液体和/或气体产品的热方法。
在热转化的上下文中，“温和温度”为约400-约800℃，一般高至600℃，而“高温(high temperatures)”为超过800℃的温度。“提高的温度(an elevated temperature)”的表述包括这两个温度范围。
使用术语“再生器”、“固体再热器”和“炭燃烧室”用来同义地表示将传热颗粒再加热以烧掉任何聚集在颗粒表面的热解产物并提高颗粒物质热容量的反应区域。
本发明的热解系统实现了将可碳化加入材料热转化为木炭、可冷凝气体和不可冷凝气体。该方法包括干燥并研磨原料、在传热介质存在下热转化或热解原料、分离产物和传热介质、再生传热介质并回收热转化产品的步骤。
设备一般包括原料进料器、急骤热解反应器、流化气体入口、多入口旋风分离器、沙子再热器或再生器、冷凝器和用于由热解产生的液体的储存器。
根据材料的类型和形式，首先将加入材料干燥至潮气含量为5-25％且优选为7-12％，并且任选转化为被精细粉碎的适当尺寸的原料。
在已加入进料的反应器空间用基本无氧的气体如烟道气将包括固体如沙子且也可包括催化剂的传热介质流化。传热介质在反应器空间中形成流化床。流化床可在常规型反应器如流化床反应器中形成，或者反应器可以是循环的流化床反应器(CFBR)。在后一种类型中流化速率非常高以致床表面不再有严格界限而是被一个区域代替，其中固体含量随高度缓慢降低。如果颗粒很细，则产生快速流化，其中固体夹带发生速率太快以致快速流化床一般只能借助旋风分离器通过夹带固体的再循环得以保持。
根据本发明，原料的热转化是在循环的流化床反应器中完成的，其中反应器中反应空间，即反应器的流化空间包括保留在两个同轴装配的圆柱或圆锥之间的轴向环形横截面的壳间的空间，在该空间中首先将进料悬浮或汽化进入流化床并随后在提高的温度下转化为反应产物。
调节加热的床材料的温度、速率和质量以使热解方法得到最高的所要求的产物产率。加入材料通过传热介质被迅速加热，停留时间为0.01-10秒，优选0.1-2秒，最终温度为450-600℃，由此热转化或热解为有用的气体和固体。
随后借助置于轴向环形反应器立管空间正上方的多入口(下面也称“多端口”)旋风分离器将固体和床材料从反应气体中移出99.5％以上。这样的设置可以缩短反应的停留时间，因为多端口旋风分离器可比单端口旋风分离器更快且更有效地从反应气体中分离颗粒物质。从旋风分离器出来后，颗粒物质可通过固体返回通道或向下的料腿再循环到再生器中，料腿是通过保留在两个同轴装配的圆柱或圆锥之间的轴向环形横截面的壳间的空间形成的。
根据优选的实施方案，再生器包括类似于上述反应器结构的立管和料腿，并且同轴排列在反应器周围以提供紧密的结构。
然后在再生器中，固体被空气或另一种含氧气体流化；当炭随着空气在周围的外层再生器反应器或炭燃烧室中垂直流动时被燃烧。燃烧使床材料的温度升高到反应器所需的运行条件。
如上所述，反应器和再生器两者的立管和料腿均具有轴向环形横截面并且是共轴放置的。根据本发明的另一个优选实施方案，用于预处理原料的干燥器包括带有同轴排列在组合的反应器和再生器周围的相应料腿的第3个立管。在干燥器、反应器和固体再热器中的至少一个内可以提供材料内部再循环的通道并且提供干燥器料腿和固体再热器立管之间以及再生器料腿和反应器立管之间的连通。反应器的料腿可与干燥器和再生器两者的立管组合起来。
产生的热解气体可被引入一系列冷凝器中，在其中被冷凝，不可冷凝气体继续返回干燥器或炭燃烧室中进行能源回收。
许多原料可用作该反应体系的加入材料。该原料的共同特性为它们包括碳或是含碳的。可将其分为两个主要类型生物质和废物生物质原料优选选自林地残余物和疏伐枝条；农业残余物，如稻草、橄榄枝条；能源作物如柳树、能源干草，芒属植物(Miscanthous)；和泥煤。
废物优选为有机固体或有机液体，并且它们选自来自燃料的废料(RDF)；来自锯末、胶合板、家具和其它机械木材废物；塑料废物；及废物淤浆(包括工业和市政废物)。
根据这种新型结构的设备包括具有轴向环形立管横截面的内部反应器和外部固体再热器，其中污染且冷却的固体颗粒可被再加热并回到反应过程中。在下面的说明中，循环固体简写为“CS”。
现在翻开

图1，可注意到根据本发明第一个实施方案的设备包括两个同轴排列的圆柱形CS反应器，被中间壳22彼此分开，该中间壳的内部随后将被称作“反应器”或“反应单元”而该中间壳的外部称作“再生器”或“再生单元”。
反应器单元是由两个或如图所示优选3个同轴排列的基本为圆柱形的管1、2和3组成，其管与管间的空间形成轴向环形横截面的空间20、19和13。管可由钢或相当的合金制成。其中所要求的反应在空间13进行。这些管的纵向轴是垂直同轴排列的。在轴向环形立管空间13上面，作为管2和3的继续，安装的是多端口旋风分离器14、17，在其外壁上带有百叶窗的叶片14。旋风分离器装有中心管21以移出产物气体，在钢管3内侧的内部空间装有转移通道19和20以从旋风分离器的气相中分离出固体。
在反应器外壳3的外部，再生器单元包括3个同轴排列的基本为圆柱形的管4、5和6，其管与管间的空间形成轴向环形横截面的空间29、28和24。其中固体的再加热是在空间24进行的。压力壳6从内部封装有隔热材料层7以便为壳强度保持适当水平的壳温。以与反应器类似的方式，在轴向环形空间24上面装有多端口旋风分离器25、26，其叶片与圆柱形管5或压力壳6相接。旋风分离器装有中心管30以移出再生器中形成的烟道气，通过钢管5和6提供有转移通道28和29以从旋风分离器的气相中分离出催化固体。
在图中反应器的流化气流是用数字8指示的。气流8通过流化底部12进入反应空间，在流化底部之上气流首先与通过阀门31经返回通道20进入的催化剂混合，并随后在反应器立管的更高处与通过喷嘴17射入或使用螺杆加料器通过通道16加入到反应空间的进料流10混合。混合的气流8和10沿轴向环形立管13以气相移动同时将其中夹带的固体带入到反应器旋风分离器的叶片14中。催化剂将热量释放到进料蒸汽中并且反应在立管13中进行，由此其温度下降。气体和夹带的固体从叶片14沿切线方向进入内反应器旋风分离器室17的内部，在其中固体通过撞击旋风分离器内壁18并落入固体转移通道19和20而被分离。当要求时，一部分固体可作为返回反应器底部的溢流通过轴向环形的内部循环通道19返回。虽然通道19不是本设备功能所必需的，但在某些情况下对反应可能是有利的。在通道20中，固体以密集相朝下滴落，由此可以阻止气流经固体转移通道20在反应器和再生器之间混合。进入反应器旋风分离器的气流11经内部旋风分离器的中心管21排出反应器。从反应器进入再生器的固体流通过装有圆柱形控制元件的阀门31控制，该元件借助挡板32可机械移动。
在反应器周围装配再生器以使这些单元被以密集相固体填充的转移通道29彼此分开。以与反应器类似的方式，再生器位于壳间立管空间中，其保留在两个由设备壳和装在壳内的反应器管道形成的圆柱形封闭表面之间。在所述反应器管道和所述反应器的外部圆柱壳结构之间还装有圆柱形壁以便为所述固体提供通道29。含氧气流(例如空气)9经流化分配器底部23进入固体再热器并在轴向环形立管通道24中上升，同时从中携带固体进入再生器旋风分离器的叶片25。在再热器中，可能聚集于固体表面的焦炭和穿透其孔的有机化合物被氧化，即在立管通道24中燃烧，由此固体温度升高。再生器旋风分离器室26整体位于反应器上方。在旋风分离器室26中，固体通过撞击旋风分离器壁27并随后落入通道28和29。返回通道29将催化固体运回反应器。那些没有落入返回通道的过量固体将作为溢流经通道28落回再生器底部。颗粒物质在内部返回通道经过期间保持为流化状态是有利的，由此控制阀门是多余的。再生器的烟道气12经再生器旋风分离器的中央通道30移出。以密集相缓慢向下滴落在返回通道29的固体阻止了反应器和再生器的气体空间之间的联系。固体从再生器到反应器的流速通过借助与阀门33连接的挡板34机械移动阀门33的圆柱形控制元件来控制。
对于包括精细粉碎的固体物质的湿材料如淤浆、锯末等，可以使用图2所示的实施方案。它包括一个由反应器41和料腿42组成的热解设备。反应器包括用于未反应生物质和固体进行内部再循环的通道52。所述通道优选装在反应器和料腿之间。立管、料腿和再循环通道的轴向横截面是环形的。具有轴向环形横截面的再生器或固体再热器43同轴装在反应单元41、42、52的内侧。再生器包括用于已处理物质内部再循环的通道44和与反应器的立管41连通的中央圆柱形料腿45。干燥器或干燥单元46-48同轴安装在反应单元41、42、52外围。干燥器的构造与反应器和再生器的类似，所述干燥器包括用于内部再循环的具有轴向环形横截面的通道47和具有类似横截面的料腿48。
每个具有轴向环形横截面的立管均在顶部装有多入口旋风分离器49-51(作为限定立管的管道连续)以分离固体和气体。
干燥设备、反应器和再热器之间的连接器和连接通道示于图2中。显然在设备较低部分形成的通道53将提供再热器的料腿45和反应器和干燥器的立管41、46之间的接触。反应器的立管41还与干燥器48的料腿相连通。在所述连接通道内各部分的料腿之间材料的流量是通过控制阀门54-57来调节的。
为了在反应器41中流化固体，例如可以使用从再热器中获得的烟道气。烟道气还优选用来干燥原料。可将空气和不能冷凝的热解气体(来自反应器)加入到再热器43中以烧掉在固体表面的热解产物。
从反应器中获得的气体产物可在冷凝器级联装置(未示出)中被冷凝以生产例如用作燃料的液体热解产物。
在图2所示的实施方案中，将湿原料加入到干燥部分，在其中被干燥到所要求的潮气含量，至少一部分材料通过通道47进行再循环。潮湿的烟道气从干燥器中放出，一部分已干燥材料经反应器的料腿被引入，在其中与颗粒状传热物质(例如沙子)混合。
压缩来自沙子再热器/再生器43的烟道气或来自液体收集部分的不可冷凝气体并加入到反应器41中进行床流化。将加入材料在反应器的底部在被加热的床材料返回反应器的那一点处集中加入到反应器中。
无论两种实施方案中的哪种情况随后都将加入的颗粒在0.5-5秒快速加热至操作温度450-600℃，进行热转化或热解反应形成可冷凝蒸汽、固体和不可冷凝气体的混合物。将固体炭和床材料经多入口旋风分离器从气流中移出而热解蒸汽直接进入一系列温度由450-600℃降至最终温度40-60℃的冷凝器中。冷凝并混合蒸汽得到终产率为50-75wt％的液体。主要由二氧化碳、一氧化碳和甲烷组成的不可冷凝气体可在干燥器中作为热源或者在再生器中作为热源或作为流化气体使用。
在再生器部分43中，床材料是通过氧化可燃固体炭而被加热的，固体炭是通过多入口旋风分离器从气流中移出的并且如果要求可通过来自冷凝器的不可冷凝气体来加热床材料。同样可以使用流化气体空气(环境空气或来自干燥器的热湿空气)。来自再生器的烟道气用作热解反应器的流化气体和/或用于干燥带有固体炭的原料。
权利要求
1．热转化选自生物质和有机废物的含碳原料的方法，在该方法中-将原料加入到流化床反应器(1-3；41,42,52)中，其中进料在提高的温度下在通过流化气体而保持流化状态的颗粒物质的作用下被转化，-颗粒物质被从反应器转移到再生器(24,28,29；43-45)进行再生并于再生后再循环至反应器，并且-从反应器中回收转化的烃产物，其特征在于使用了-反应器(1-3)，其包括立管(13；41)，该立管具有轴向环形横截面并且装有用于分离颗粒物质的多入口旋风分离器(14,17；50)，和-再生器(24,28,29；43-45)，其包括具有轴向环形横截面并且与所用反应器同轴排列的立管(24)，所述再生器装有用于分离再生颗粒物质的多入口旋风分离器(25,26；51)。
2．根据权利要求1的方法，其中反应器包括在两个同轴安装的圆柱和/或圆锥封闭表面之间形成的壳间立管空间(13；41)。
3．根据权利要求1或2的方法，其中所述方法的蒸汽的停留时间为0.1-5s。
4．根据权利要求1-3任意一项的方法，包括使用装有百叶窗叶片(14)的多端口旋风分离器(17)。
5．根据权利要求1-4任意一项的方法，其中反应器(41,42,52)为循环流化床反应器，任选带有进行内部循环的通道(52)。
6．根据权利要求1-5任意一项的方法，其中再生器(43-45)装有进行内部再循环的通道(44)。
7．根据权利要求1-6任意一项的方法，其中再生器装有料腿(29；45)，它与反应器的立管连通。
8．根据权利要求1-7任意一项的方法，其中原料是在包括立管(46)的干燥器(46-48)中干燥的，所述立管具有轴向环形横截面并且装有用于从蒸发气体分离干燥物质的多入口旋风分离器(49)。
9．根据权利要求8的方法，其中干燥器装有料腿(48)，它与再生器的立管(41)连通。
10．根据权利要求8或9的方法，其中干燥器(46-48)装有用于内部循环的通道(47)。
11．根据权利要求8-10任意一项的方法，其中再生器的料腿(45)与干燥器(46)的立管连通。
12．根据上述权利要求任意一项的方法，其中原料是在400-1000℃的温度进行热转化的。
13．根据上述权利要求任意一项的方法，其中原料选自林地残余物和疏伐枝条，农业残余物，能源作物，泥煤，来自燃料的废料，来自锯末、胶合板、家具的废物和其它机械木材废物，塑料废物及废物淤浆。
14．根据权利要求13的方法，其中原料选自稻草、橄榄枝条、柳树、能源干草和芒属植物。
15．热转化含碳原料的设备，所述设备包括-用于干燥原料的干燥单元(46-48)，-反应单元(41,42,52)，其中原料与热的流化状态的颗粒物质接触，和-再生器单元(43-45)，用于再生在第一单元工艺过程中被污染的颗粒物质，其特征在于-反应单元包括立管(41)，该立管具有轴向环形横截面并且带有用于从气体中分离固体的多入口旋风分离器(50)，和-再生器单元包括循环流化床反应器(43,44)和一个在反应单元(41,42,52)周围以对称同轴方式装配的料腿(45)，所述立管(43)具有轴向环形横截面并且装有用于从气体中分离固体的多入口旋风分离器(51)，所述再生器单元的料腿(45)与反应单元及干燥单元的立管(41,46)连通。
16．根据权利要求15的设备，其中再生器单元(43-45)包括在再生器单元内进行固体物质的内部再循环的通道(44)。
17．根据权利要求15或16的设备，其中反应单元(41,42,52)包括在反应器内进行固体物质的内部再循环的通道(52)。
18．根据权利要求15-17任意一项的设备，其中干燥单元(46-48)包括在反应单元周围以对称同轴方式装配的立管(46)，所述立管具有轴向环形横截面。
19．根据权利要求18的设备，其中干燥单元(46-48)包括具有轴向环形横截面并与反应单元的立管(41)连通的料腿。
20．根据权利要求18或19的设备，其中干燥单元的立管(46)安装有由多入口旋风分离器(49)形成的气体和固体分离装置。
全文摘要
本发明涉及热转化生物质和有机废物的方法和设备。根据本发明原料被加入到流化床反应器(1—3)中,其中进料在提高的温度下在通过流化气体而保持流化状态的颗粒物质的作用下被转化,颗粒物质被从反应器转移到再生器(24,28,29)进行再生并于再生后再循环至反应器,并且从反应器中回收转化的烃产物。反应器(1—3)和再生器均包括立管(13,24),该立管具有轴向环形横截面并且装有用于分离颗粒物质的多入口旋风分离器(14,17,25,26)。通过本发明方法可以生产热解油,其质量比用现有技术生产的油的质量高。将多入口旋风分离器引入到反应器结构中降低了气体的速率、减小了旋风分离器的形体尺寸并且缩短了气体在旋风分离器中的停留时间。
文档编号B01J8/26GK1298440SQ99805576
公开日2001年6月6日 申请日期1999年2月26日 优先权日1998年2月27日
发明者J·希尔图宁, S·古斯特, J·P·尼米宁 申请人:福图姆股份公司