气化工艺流的方法和系统的制作方法

专利名称：气化工艺流的方法和系统的制作方法
气4匕工艺流的方法和系统 相关申请的交叉引用 当用煤操作时，以具体方式至少可以部分解决结渣问题 以适应气化室76。例如，如果灰份熔融温度低于1000摄氏度，气化 室76可以设计成垂直的结构以使煤渣沿着壁运动。但是，大多数煤的 灰份熔融温度在IOOO摄氏度以上。如果是这种情况，尽管灰份沉积在 气化室76的表面(未显示)可能会造成问题，但是某些作用会限制沉 积到一个或多个管道75表面的灰份的量。首先，因为壁是热的且中心 气体是冷的，推动力将往中心推动微粒(灰份)(也称为Soret效应)。 其次，挥发物从面向一个或多个管道75的热壁的煤颗粒表面的挥发可 显著快于挥发物从面向中心的煤颗粒表面的挥发。因此， 一个或多个 管道75的热壁附近可能有气体体积膨胀迫使灰份微粒到中心处。气化
C+H2(WCO+H2 [1
在228,主要包括一氧化碳的工艺流214，才艮据预定的比 例分开。任选地，在该料流分开之前，可以进一步处理工艺流214， 以提纯料流中存在的一氧化碳。当燃烧所迷一种或多种产物气体例如第二部分234的至 少一部分时， 一般产生二氧化碳244。产生的二氧化碳可以被捕集好。 二氧化碳244的至少一部分可以通过与工艺流214—起气化而再循环。 或者，氢气可以被再循环并与空气一起催化燃烧以提供所需热量而不 产生二氧化碳。中产生的二氧化碳的40wt% 再循环至催化燃烧室，COR=0.4。 此外，根据公开的主题的至少一个系统的几何构型，该 几何构型产生高表面/体积比，使燃烧器和气化反应器之间的传热最 大，并且使其不仅大规模产生能量，而且大量产生小规模气化系统， 甚至包括微反应器气化器。根据公开的主题的系统适于模块式结构且 当生物质用作原料时可以是生物精制的一部分。根据公开的主题的系 统比在传统氧气或空气吹扫气化器中，更容易对于不同的进料调整操 作参数，对某种生物质原料，该传统氧气或空气吹扫气化器不能有效地使用。
[0055根据^S开的主题的系统和方法可以产生与产物气体分开 的捕集好的二氧化碳料流。在传统的氧气吹扫气化器中，通常有一部 分二氧化碳与产物气体混合。
[0056根据公开的主题的系统和方法提供产生氢气和一氧化碳 的气化工艺，其可用于生产可消耗的能源，例如，但不限于，电。此 外，煤气化过程中产生的 一氧化碳可被分开以使部分一氧化碳用来推 动气化反应。而且，仅需要一个燃料来源，例如，煤或生物质，来产 生氢气和推动系统需要的热量，从而消除或减少对第二燃料源的需要， 以提供必要的热量来推动气化反应，其中所述第二燃料源例如，但不 限于，甲烷等。
[0057如上所述，；限据^^开的主题的系统和方法可以提供独特 的反应器设计，且由于产物气体的催化氧化，该反应器可以在足够低 并且均勻的温度下操作，并允许在本申请的各个工艺(例如，但不限 于，氢气分离)中使用常规的材料和技术。
[0058而且，公开的主题的系统和方法允许以受控制的方式得 到产物气体组成的众多变化。不管产物气体组成如何，都可以产生单 独的捕集好的二氧化碳料流。
[0059此外，与传统的单级氧气吹扫气化器相比，由于产物气 体的催化燃烧，公开的主题的系统和方法需要较少的氧气以获得产物 气体中特定的氢气/一氧化碳比例。
[0060J 7>开的主题的系统和方法允许超过标准气化纟支术的改进 的工厂效率。例如，有可能对具有50%左右的最大干固体含量的高水 分低级煤进行经济的气化。
[0061公开的主题的系统和方法可以在多个小装置以及大型中 央工厂产生，因为传热性能可以在小规模上增强。因此，广泛的经济 应用，例如，但不限于，工作台顶部操作是可能的。
[0062用空气或氧气使一氧化碳催化燃烧成二氧化碳或使氢气 催化燃烧成水提供了一些好处。例如，利用催化实现一氧化碳到二氧
19化碳的转化和能源利用催化可以允许公开的主题的系统和方法1)在
均匀易燃范围以外操作，2)在催化剂表面上产生热(与气相相反)， 和3)产生很少的气体排放或没有气体排放。
[0063首先，均匀系统通常所需要的催化剂在易燃区域以外操 作的能力允许热效率增加。例如，为了保持稳定均匀的火焰， 一般需 要温度接近2000摄氏度。但是，燃烧与传热材料一般无法承受大于 1250。C的温度，并且通常需要保持在1000。C以下。这就需要使用的次 级(稀释)空气以冷却燃烧产物至换热器材料可以承受的温度，这造 成一种直接效率损失。
0064第二，在一氧化碳到二氧化碳的转化过程中催化剂在其 表面上产生热的能力允许有效的热转移至气化反应。非均相反应需要 一种或两种反应物吸附在催化剂的表面上。在氧化一氧化碳的情况下， 一氧化碳分子强烈地吸附在催化剂表面上，然后与氧气反应生成二氧 化碳。在这个反应过程中，催化剂的表面上放热，热量转移至气化反 应。图9显示了公开的主题的系统和方法的概念叙述，其中热释放可 发生在催化剂上。现在参照

图10，这与现有技术已知的其中热释放可 发生在体相(in the bulk)的传统间接加热均匀气化系统形成对比。
[0065穿过催化剂载体和金属基质的传热可比穿过动量边界层 的传热快接近1000倍。计算表明，从金属表面传热到气化反应的主要 机理可能通过辐射发生。煤炭颗粒，其可以被看作是黑体，可以保持 在接近气化反应条件的温度，即大约600K,而金属基质的表面可以几 乎为1200K。因此，会有一个相当大的辐射传热推动力。
[0066这与其中热释放位于燃烧侧的主体流动(bulk flow)中的 均相系统形成对比。在那种情况下，热量必须通过动量边界层传递， 然后通过金属换热器，并最终进入气化反应中。这是一个慢得多且效 率更低的过程。
[0067根据公开的主题的系统和方法不同于固定床、流化床和 多级气化器。例如，与上面的模拟l相比，同样进料条件下，传统单 级气流床气化器的模拟产生略少于0.7kg/h,并需要多达两倍的氧气。此外，在传统气化器产物料流中有约15%的二氧化碳，相比之下，上 面模拟l中有约1.5%的二氧化碳。由于根据公开的主题的系统和方法 的减少的氧气要求，对高水分含量的低级煤进行经济的气化是可行的。
[0068根据公开的主题的系统和方法在接近化学计量条件下进 行一氧化碳燃烧反应的能力使一氧化碳转化为二氧化碳并具有最小的 氮气稀释，如果使用空气的话。如果使用来自空气分离装置的氧气， 这可以允许最低的氧气用量，不需要多余的氧气。因此，空气分离装 置能被适当地定制尺寸以提供刚好合适量的氧气。
[0069也已经表明，催化燃烧可能有能力中断NOx生成途径并 且不允许碳基排放，例如，但不限于， 一氧化碳和未燃尽的烃(UHC) 的释放。因此，对于根据公开的主题的其中氧气用来燃烧一氧化碳生 成二氧化碳的实施方案，很可能不会有气相排放。这与均匀系统形成 对比，均相系统中经常形成NOx，尤其是热和燃料耦合的NOx。
[0070根据公开的主题的系统和方法由于其催化性质而可以浮 动。根据公开的主题的系统和方法可以随气体速度而缩放(scale)， 因为传热方面(即辐射)对几何缩放参数很不敏感。以至少两种方式 实现可缩放性。第一，根据公开的主题的系统可以被复制很多遍，实 现大规模生产的经济性。第二，根据公开的主题的系统也可以在传统 意义上扩大。这可能比其中必须考虑热损失的其它类型的系统的放大 更容易。
[0071根据公开的主题的系统和方法提供了模块式设计。模块 式设计允许快速的开发周期和经技术进步增减模块的能力。能量转化 设施的增加的构造，和因此增加的投资，可为发展中国家等敞开大门， 发展中国家在单一的大规模投资情况下是被排除在外的。更高的可靠 性可来自于系统的使用，系统中数千个组件中的一个组件的失效影响 甚微。模块式缩放可以允许灵活地应对短缺。自动化控制和维护系统 的发展可在这些领域以及在标准操作中提供有效的响应。在大工厂中 集中提供住宅可以有效地运用模块方法。这与来自许多分散模块的同 等能量输出相比，要求更少的材料、控制和操作和维护，且中央工厂
21可以具有增加的灵活性以应对变化。个别单元可包括燃料调节模式， 例如，其可以将煤、煤浆、生物质或乳化沥青油转化为合成气。上游
单元可以制备输入燃料;下游能量转化单元可以燃烧或以电化学法生 成电能。可设计其他单元以制造特种燃料如甲醇、超清洁费托柴油或 氢气。
[0072催化剂科学还没有发展到其中可以对给定配方的性能给 出先验预测这一点。因此，公开的主题的系统和方法的益处是随着它 们的被开发，它们可容易且便宜地被修改以接受新配方。模块方法可 以以两种重要的方式提供这一点。首先，当反应器列车(reactor train) 从沥青砂田的枯竭部分移动到更肥沃的部分时，新催化剂可以迅速且 容易地被安装，因此转移停工期增加得很少，如果有的话。第二，当 开发新配方时，它们可以在现场测试，并直接与已在运行的配方进行 对比。如果新催化剂产生不同的产物组成，在整个系统运行中，这将 不会达到最终产品质量的显著改变。
[0073因为催化系统像生命系统，它们的性能随时间改变。人 们可以开发一个启动流程，其中一组给定数目的单元最初进入管线以 满足给定的要求。随着那些单元老化，新单元可连续地进入管线而不 必使整个系统离线。因此，可以有连续地更换这些反应器的流程而净 产量不变。
[OO74尽管公开的主题就其实施方案已经被描述和说明，但是 本领域技术人员应该理解的是，公开的实施方案的特征可以结合、章 排等，以产生本发明范围内的其它实施方案，且在这里和那里可以进 行很多其他变化、省略和增加而不偏离本申请的主旨和范围。
权利要求
1. 气化工艺流的方法，所述方法包括提供包括燃料源的工艺流；将主要热源应用到含有所述工艺流的第一室；在所述第一室中气化所述工艺流以产生包括一种或多种产物气体的气化的工艺流；将至少一部分所述一种或多种产物气体引至第二室；在所述第二室中在一种或多种催化剂存在下燃烧所述一种或多种产物气体的至少一部分以产生热能；和使所述热能从所述第二室传递至所述第一室中以提供所述主要热源。
2. 根据权利要求1的方法，其中所述一种或多种产物气体包 括氢气、 一氧化碳和它们的组合的至少一种。
3. 根据权利要求l的方法，还包括 汽化所述燃料源之前，使一定量水与所述工艺流混合。
4. 根据权利要求3的方法，其中水的量以水与燃料源的摩尔 比计为约0.7 约1.0。
5. 根据权利要求2的方法，其中所述一种或多种产物气体包 括氢气，和所述方法还包括从所述工艺流中分离基本上所有的氢气；和 用所述氢气的至少一部分产生可消耗的能量。
6. 根据权利要求3的方法，还包括 从所述工艺流中分离基本上所有的水；和 气化之前，使所述水的至少一部分与所述工艺流混合。
7. 根据权利要求2的方法，还包括 将包括一定量一氧化碳的工艺流分成第一和第二工艺流，每个都包括来自分开前的工艺流的一氧化碳的一部分；和用所述第一和第二工艺流的至少一种中所含的一氧化碳的至少一部分产生可消耗的能量。
8. 根据权利要求7的方法，还包括使氧气与第 一和第二工艺流的至少一种混合以制备用于燃 烧的所述第一和第二工艺流的至少一种。
9. 根据权利要求7的方法，其中第二工艺流中的那部分一氧 化碳是所述工艺流分开前所含的一氧化碳重量的约20% 约60%。
10. 根据权利要求9的方法，其中第二工艺流中的一氧化碳是 所述工艺流分开前所含的一氧化碳重量的约30% 约50%。
11. 根据权利要求l的方法，还包括 燃烧所述一种或多种产物气体的至少一部分的同时产生二氧化碳；和使所述二氧化碳的一部分与所述工艺流一起气化。
12. 根据权利要求ll的方法，其中被气化的那部分二氧化碳是 在所述一种或多种催化剂存在下燃烧所述一种或多种产物气体的至少 一部分的同时所产生的二氧化碳重量的约0~约50%。
13. 根据权利要求1的方法，其中气化所述工艺流实质上由在 一种或多种催化剂存在下燃烧所述一种或多种产物气体的至少一部分 所产生的热能推动。
14. 根据权利要求1的方法，其中所述燃料源为煤、生物质和 它们的组合的至少一种。
15. 根据权利要求1的方法，其中气化所述燃料源包括约850°C 的最大温度。
16. 根据权利要求1的方法，其中燃烧所述一种或多种产物气 体包括约1300。C的最大温度。
17. 气化工艺流的系统，所述系统包括第一室，其用来气化所述工艺流以产生包括一种或多种产 物气体的至少一种、水和颗粒的气化的工艺流，所述气化室包括多个 侧壁；加热所述第一室的主要热源；和燃烧所述工艺流的第二室，所述第二室与所述第一室和所 述工艺流的至少一部分流体连通，所述第二室包括与所述气化室的相 应侧壁热连通的一个或多个部分，所述第二室包括内表面，该内表面 具有由一种或多种催化剂形成的涂层，所述第二室被构造成燃烧所述 工艺流的至少一部分以产生热能，该热能充当所述主要热源并通过与 所迷第 一室热连通的所述一个或多个部分提供到所述第 一室。
18. 根据权利要求17的系统，其中所述一种或多种产物气体包 括氢气、 一氧化碳和它们的组合的至少一种。
19. 根据权利要求17的系统，还包括与所述第二室流体连通的 氧气供应。
20. 根据权利要求18的系统，还包括 从所述工艺流中分离氩气的分离器。
21. 根据权利要求17的系统，还包括 从所述工艺流中分离水的分离器。
22. 根据权利要求18的系统，还包括分开所述工艺流的分开器或从所述工艺流中分离 一氧化碳 的分离器的至少一种。
23. 根据权利要求22的系统，还包括 能从所述一氧化碳的至少一部分产生电流形式的可消耗的能量的燃料电池、燃气涡轮发动机、或内燃机的至少一种。
24. 根据权利要求17的系统，其中所述一种或多种催化剂包括 贵金属、六铝酸盐、尖晶石、沸石、贱金属配方和它们的组合的一种 或多种。
25. 根据权利要求17的系统，其中所述第一室和第二室是模块式的。
26. 根据权利要求17的系统，其中所述工艺流包括燃料源，所 述燃料源包括煤和生物质的至少 一种。
27. 用于气化工艺流的催化反应气化器，所述气化器包括 包括一个或多个入口和一个或多个出口的外壳；限定在所述外壳内的燃烧室，所述燃烧室包括大量内表面； 置于所述燃烧室内的一种或多种催化剂；和 气化室，其与所述燃烧室分开但安置成与所述燃烧室热连 通，所述气化室包括第一端和第二端，所述第一端可操作地与用于接 收所述工艺流的一个或多个入口连接，和所述第二端可操作地与所述 一个或多个出口连接。
28. 根据权利要求27的气化器，其中所述气化室包括至少一个 延伸通过所述燃烧室的管道，从而使所述气化室与所述燃烧室热连通。
29. 根据权利要求27的气化器，其中所述燃烧室包括至少一个 延伸通过所述气化室的管道，从而使所述气化室与所述燃烧室热连通。
30. 根据权利要求27的气化器，其中所述工艺流包括燃料源， 所述燃料源包括煤和生物质的至少一种。
31. 根据权利要求27的气化器，其中构造所述燃烧室和所述气 化室以使在所述燃烧室中产生的热能的一部分加热所述气化室，从而 将所述工艺流气化成含氢气的工艺流。
32. 根据权利要求31的气化器，还包括用于从所述工艺流中分离氢气、颗粒、水或一氧化碳的至 少一个分离器。
33. 根据权利要求31的气化器，其中所述一个或多个出口包括 用于从所述燃烧室排出气体的第一出口 ，用于从所述气化室排出固体 废物的第二出口，用于从所述气化室排出气体废物的第三出口，和用于从所述气化室排出氢气的第四出口。
34. 根据权利要求27的气化器，其中所述一个或多个入口包括 用于接收所述燃料源的第 一入口和用于接收一氧化碳、氧气或它们的 组合的第二入口 。
35. 根据权利要求27的气化器，其中所述一种或多种催化剂选 自贵金属、六铝酸盐、尖晶石、沸石、贱金属制剂和它们的组合。
全文摘要
描述了气化工艺流的方法和系统。在一些实施方案中，气化工艺流的方法包括在第一室中气化所述工艺流以产生一种或多种产物气体，输送所述一种或多种产物气体的至少一部分到第二室，在第二室中在一种或多种催化剂存在下燃烧所述一种或多种产物气体的至少一部分以产生热能，并将所述热能从所述第二室间接地提供到所述第一室，作为推动工艺流气化的主要热源。
文档编号C01B3/36GK101448730SQ200780017885
公开日2009年6月3日 申请日期2007年3月30日 优先权日2006年3月31日
发明者J·多尔, K·S·莱克尼尔, M·J·卡斯托蒂 申请人:纽约市哥伦比亚大学理事会