从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造合成气的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造包含一氧化碳和氢的合成气的方法。本发明还涉及在其中运行根据本发明的方法的设备。
【背景技术】
[0002]从现有技术已知气化含碳燃料例如褐煤、硬煤或焦炭的方法和设备。已经证明尤其适合的是使用固定床气化反应器，参见乌尔曼工业化学百科全书(Ullmann' sEncyclopedia of Industrial Chemistry),第六版，第 15 卷，第 367 至 371 页。
[0003]利用气化介质氧气和蒸汽，所述燃料通过形成灰分而被气化为主要由一氧化碳和氢组成的合成气。在下文中，术语合成气被理解为该气体是以合成方式即人工地制造的气体。关于所述气体的另外的用途，此处不应陈述其它信息。
[0004]一段时间以来，固定床气化反应器也已经被用于气化具有低的固定碳含量的燃料，例如木料、生物废弃物和生活垃圾。
[0005]以重量％表示的固定碳含量Cto，被理解为在减去水的含量(根据DIN 51718确定)、灰分的含量(根据DIN 51719确定)和挥发性成分即通过热解除去的成分的含量(根据DIN 51720确定)后，剩余的燃料的量。
[0006]在下文中，固定碳含量C0se的示值涉及不含水和不含灰分的参比状态，SP
[0007]C固定[重量％] = (M总量[g] - M水分[g] - M灰分[g] - M挥发物[g])/(M总量[g] - M水分[g] - M 灰分[g])
[0008]其中
[0009]M =质量
[0010]M总量=样品的总质量
[0011]M水分=样品中水分的质量
[0012]M灰分=样品中灰分的质量
[0013]M =样品中通过热解除去的挥发性成分的质量
[0014]在所述气化反应器的固定床中，从上至下，即升温的方向，所述燃料经过干燥、热解、气化、燃烧和排出灰分或矿渣的阶段。
[0015]在所述热解中，所述燃料中的非固定碳以高度挥发性气体的形式从所述燃料中除去，所述高度挥发性气体主要为二氧化碳和甲烷，以及可冷凝的碳氢化合物，例如焦油和油类。这些气体未燃烧而离开所述反应器并且与所述合成气混合，从而需要之后另外的工艺步骤来分离这些气体。
[0016]常见的燃料焦炭，硬煤和褐煤中，后者具有最低的约为45重量％的含量。从具有甚至更低C0s含量的燃料例如木料或垃圾制造的合成气因此含有通常高含量的挥发性热解气体，并且因此需要进一步的技术措施以使其与常见组分的合成气一起加工。
[0017]当所述燃料的固定碳含量仅仅在15重量％或更低的范围内时，还产生了如下的问题:固定碳的量不足以制造用于形成一氧化碳和氢所需的热量，所述一氧化碳和氢用于通过其燃烧而热解和干燥在所述固定床上部区域中的燃料，以及同时可作为反应物用于形成氢和一氧化碳。
[0018]当固定碳的含量非常低时，这可能导致如下的事实:这些燃料仅仅被热解或燃烧，而几乎不形成合成气即一氧化碳和氢。在这些情况下，用于形成合成气的吸热的耗热反应于是仅仅发生很小的程度，以至于所产生的离开反应器的气体的温度大幅提高，在一些情况下超过650°C而可能损坏所述反应器。
[0019]因为固定床气化反应器大部分在升高的压力下操作，通过气压阀添加燃料主要以非连续的方式实现。由于非常快地实现这些燃料的热解，因此这种非连续的燃料供给导致所制造气体量随时间波动。这些波动对于进一步处理所制造气体而使用的方法有干扰作用。
[0020]使用这些燃料的其它难题在于，在发生热解期间，这些燃料在所述固定床的上部区域中被转化为细粒的焦炭。这可能损害横跨具有所述气化介质，氧气和蒸汽的所述固定床的均一性。此外，随着焦炭的逐渐沉积，流经所述固定床的气体的压力损失增加。
[0021]一种改进这些燃料在所述固定床气化反应器中的加工性能的方法在于，通过向所述燃料中混合煤或焦炭来增加在所述燃料中的固定碳的含量。
[0022]但是，难以将所述煤或者所述焦炭均匀分布在例如由生活垃圾组成的燃料中。结果是对所述反应器的操作不均一，以及所产生气体的质量和数量的很大的波动。此外，所述燃料的成本通过混合具有高含量的优质燃料而增加，部分原因在于所述另外的优质燃料的传输成本。
[0023]在使用具有小的含量的燃料时，上文提到的在所制造气体中热解气体的量增加的问题仅仅得到缓解，但并没有通过混合煤的这种措施而被消除。
[0024]鉴于这些各种问题，因此目的是提供能避免这些缺点的方法。
【发明内容】
[0025]通过从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造主要由一氧化碳和氢组成的合成气的方法，而基本上实现所述目的，所述方法包括以下工艺步骤:
[0026]a)提供干燥的燃料和气化介质氧气和蒸汽，
[0027]b)将所述燃料的至少一部分引入到第一反应器中，
[0028]c)热解在所述第一反应器中引入的燃料部分和排出产生的气体以进一步处理，
[0029]d)从所述第一反应器排出所述燃料，
[0030]e)将在步骤c)中处理的燃料与来自步骤a)的未处理的燃料部分混合，
[0031]f)将来自步骤e)的燃料引入到第二反应器中，
[0032]g)在气化条件下通过使用所述气化介质将在所述第二反应器中的燃料气化以获得包含氢和一氧化碳的合成气，其中将所述合成气和灰分从所述第二反应器排出以进一步处理。
[0033]可以在从属权利要求中找到本发明方法的其它有利方面。
[0034]气化条件被理解为如下的那些条件:通过使用所述气化介质，所述条件导致所述燃料转化为所述合成气成分，这从经济的角度是可以接受的。这些条件对于相关技术领域的普通技术人员是公知的，例如从上文所提及的文献中获知。
[0035]因为所述燃料的热解至少部分地从所述固定床气化反应器转移至单独的上游反应器中，因此特别是实现了如下的优点:
[0036]-在所述热解过程中以气体形式释放的碳氢化合物没有与所结合碳的气化过程中所产生的主要由一氧化碳和氢组成的气体混合。因此，它们可以被供给至针对它们的组成而优化的特定的进一步处理或调节。
[0037]-所述热解增加了在所述燃料中的固定碳含量，并且因此允许在所述固定床压力气化器中实施气化，而无须在所述燃料中混合煤或焦炭。一方面，相对地，即通过用所述热解气体从所述燃料中除去非固定碳，而另一方面还绝对地通过在热解中将非固定碳转化为固定碳，来实现增加固定碳的含量。
[0038]-所述燃料的热解因为与所述气化分开实施，因此可以以如下方式实施，该方式使得在所述固定床中制造的焦炭比可能产生的焦炭更加粗粒度。
[0039]-由于热解和气化的创造性分离，因此可以在分离的设备位置处实施这两个工艺步骤。例如可以在分散的位置处将作为燃料提供的垃圾进行热解，和然后在中心气化设备中进一步加工。由于所述燃料的体积通过所述热解被降低，因而可以节省传输成本，并且可以设计具有更大、更经济的容量的中心气化。
[0040]本发明有利地特别适用于气化木料，特别是废木料，以及生物废弃物和主要由生物废弃物和塑料残渣例如包装材料组成的生活垃圾。
[0041]另一方面，本发明还涉及运行根据本发明的方法的设备，其中所述设备包括至少一个用于热解所述燃料的第一反应器，至少一个用于气化之前热解的燃料的第二反应器，分别用于进料所述未处理燃料的一部分至所述第一反应器和至所述第二反应器的进料装置，用于排放在所述第一反应器中热解的燃料的排放装置，用于未处理的和热解的燃料的混合装置，和用于从所述第一反应器排出热解气体的以及从所述第二反应器排出灰分和合成气的排出装置。
[0042]本发明的另外的有利方面
[0043]本发明的一个有利方面在于，取决于燃料的质量，并非所有的燃料都必须通过所述单独的热解反应器，而是将所述燃料的一部分未经处理地供给于设计为固定床压力气化反应器的第二反应器。这种方式下，可以优化所述气化设备的投资和运行成本。可以对单一燃料品级采用本发明的方法，其中其一部被