专利名称：有机物或有机物混合物热解和气化的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及有机物或有机物混合物的热解和气化的一种方法，并涉及实施这种方法的一种设备。
对于通过例如气化和热解来处理和利用有机物和有机物混合物，已知有许多方法。根据所用的氧化或还原气体和根据在固体和气体之间的接触方式，这些方法是不同的。其中，在固体走向或气体走向上，可区分为循环流化床气化器、夹带输送气化器、旋转炉气化器和移动床气化器，具有逆流气体走向、顺流气体走向或交叉流气体走向。大多数已知的气化方法由于设备方面的工作量多，不适用于较小的、分散的系统。特别是在使用生物量作为应用材料时，较小的、分散的系统是合理的。
根据循环流化床的原理的气化方法的操作性能高度依赖于由待气化的应用材料和循环惰性材料组成的流化床的各个颗粒尺寸组合。从这一点上对应用材料的单位尺寸产生了相应的要求。在只可以使用粉碎的燃料颗粒的夹带输送床气化器的情况下，对于燃料制备方面产生了非常高的要求。
已知的气化方法的其它主要缺点是，应用材料的干燥、脱气、气化和焚烧的加工工艺步骤，在相互直接相连并且相互组合的区域中进行。结果，在反应器中的各个区域是不明确的，脱气、气化和焚烧不完全在各点上进行。在其它已知方法中，试图通过分开在脱气、气化和焚烧的燃料方面进行的各个工艺步骤，来消除这些缺点。
在DE 197 20 331 A1中，提出了干燥或潮湿的、细颗粒或碎片的生物体(biomass)和废物的气化或焚烧的方法和设备，其中，由于焚烧炉的热炉壁且由于热废气从焚烧炉流入脱气炉，生物原料在这里脱气，从而产生焦炭和热解气体，焦炭通过破碎机后到达气化反应器的发热床，而热解气体在提供有限量空气的条件下在气化反应器的焚烧室中燃烧，所产生的废气然后流过气化反应器的发热床，其中，发生碳氧化成CO，同时废气(CO2)和水蒸汽(H2O)还原成可燃性气体(CO，H2)。由于因为与热燃烧废气接触的加热进行热解并且还进行热解气体的部分燃烧这一事实，用DE 197 20 331 A1中提出的方法只能生产低热值的产物气体。在使用具有高含量挥发成分和低热解焦炭产率的燃料时，存在由热解焦炭组成的气化反应器的发热床不能充分形成的危险，从而以产物气体热值为代价，不能充分进行碳氧化到CO和同时进行的废气和水蒸汽还原成可燃性贫煤气。
对于有机物和有机物混合物的气化，从美国4,568,362还知道一种方法，其中，把有机物引入热解反应器，在热解反应器中，有机物与传热介质接触，从而发生使有机物转变成热解产物的快速热解，热解产物由带有可冷凝物质的热解气体和固态含碳残渣组成，热解所需要的热能通过焚烧在燃烧反应器和热解反应器的第二个反应区域中的固态含碳残渣产生，含焦油的热解气体经过这种裂化反应和与水蒸汽的反应，获得一种具有高热值的产物气体。在这些方法中，在流化床中发生固体含碳残渣的热解和燃烧两种反应。在热解流化床的上部提供含焦油的热解气体的反应区域。流化床的操作需要很费力，在反应区域内控制热解气体的反应几乎是不可能的。
具有更老优先权的并且没有预公开的德国专利申请197 77693.0，在其基础上批准了德国专利DE 197 55 693 C1，公开了有机物和有机物混合物气化的一种方法。
本发明的主要目的是提供一种简单进行有机物或有机物混合物热解和气化的方法，和一种产生高热值气体的设备。
通过权利要求1和11的特征达到了这些目的。使用在从属权利要求中提出的特征产生了本发明的有利的实施方案和进一步的发展。
在有机物或有机物混合物的热解和气化方法中，根据本发明达到了这一目的，其中，在移动床反应器或旋转反应器中进行热解，还可向热解气体中加入冷凝剂，例如水蒸汽和/或氧气，并且把热解气体引入到反应区域中，其中，热解气体与冷凝剂反应。把固体含碳残渣还可有一部分热解气体本身或者与流化床材料一起引入到流化床燃烧反应器中，并在其中燃烧。流化床材料在这里被加热。使燃烧废气和流化床材料与反应区域接触，使得它们的热含量可以用于热解气体与冷凝剂反应。从流化床燃烧反应器中取出的并由灰分、未燃烧焦炭、和还可有另外提供的耐热流化床材料组成的流化床材料返回到热解反应器中作为传热介质，把热量传给应用材料，以通过与流化床材料接触和还可通过流化床燃烧反应器的热炉壁发生热解反应。
从燃烧流化床提供到热解反应器的热流化床材料通过接触来进行应用材料的快速干燥和热解。竖炉适合于作为反应器，应用材料和流化床材料的混合物从顶部到底部通过竖炉。为了保证通过竖炉的固体输送，根据现有技术，可以提供固定设备、输送机螺旋管或搅拌器。热解反应器例如也可以设计成旋转反应器，从而获得应用材料和热流化床材料的良好混合，同时实现固体的输送。在干燥过程中从应用材料逸出的水蒸汽和热解气体离开热解反应器，进入另一个反应区域。残留的固体含碳热解残渣和流化床材料一起，用传统的部件输送到燃烧流化床中，例如，传统部件可使用螺杆输送机或带有倾斜管输入装置的链轮。在本发明的设备中，螺杆是优选的。
由于热解优选是在竖炉内进行，可以省略热解流化床所需的流化介质的供给。这样，存在进行完全热解而不提供气体的可能性，或者，与为了流化而必须提供最少量气体的流化床不同，可以加入任何希望的少量的例如产物气体或冷凝剂如水蒸汽、氧气或空气。这样，存在向热解反应器中加入气体或冷凝剂作为适用于各种应用材料的技术方法的可能性。在本发明的方法中，热解优选是在缺少空气和气体的条件下在热解反应器中进行。在单独的工艺步骤中进行热解的另一个优点由在热解过程中产生的破碎作用组成，这种破碎作用由于发烟燃烧和脱气使得可以使用比通常在流化床反应器中使用的更粗的碎块物料。另外，在使固体含碳热解残渣和流化床材料进入燃烧流化床所用的输入设备之前有插入一种破碎设备(如辊式破碎机)的可能性，从而可以进一步降低对应用材料颗粒尺寸的要求。用于破碎热解焦炭的能量这里明显低于用于破碎木材等生物体所需要的能量。
含碳固体热解残渣在流化床中用空气燃烧，从而使其本身变成灰分形式的流化床材料，由于能量释放，进一步加热或者再次加热已经存在的流化床材料。燃烧流化床可以根据流化床技术的知识水平设计和操作。关于燃烧流化床的发热，分步加入空气可能是有利的。燃烧反应器被设计成静态流化床，即流化介质的气体量一方面必须足以超过固体的最小流化流量，另一方面一定不能超过流动所需的速度。从约2.5-3米的流化床高度来看，需要固定设备来防止形成脉冲流化床和伴随的压力脉冲。通过燃烧过程加热的流化床材料最后再提供到热解反应器中。流化床材料由固体含碳残渣的燃烧残留的灰分组成。如果热解焦炭在燃烧流化床中发生不完全燃烧，作为热交换介质在循环中导入的流化床材料由应用材料的灰分和未燃烧的含碳热解残渣组成。由于有机物和有机物混合物的固体含碳残渣通常在燃烧流化床中迅速转变，并且部分地可能只有少部分不能气化或燃烧的材料，所以，为了形成流化床，任选地必须加入另外的材料。如果应用材料有大量不能气化或燃烧的材料，这适合于建立流化床，则不必加入另外的材料。所有的耐火材料如颗粒直径小于1.5mm的砂，适合于作为形成流化床而加入的材料。热流化床材料的取出和输送到热解反应器中优选的是通过一种或多种在反应器壁提供的或者通过反应器壁到流化床中抛出的溢流进行。该方法的优点是，除了把热流化床材料输送到热解反应器中以外，可以用简单的方法确定燃烧流化床的流化床高度。流化床材料的取出也可以通过其它已知的输送机进行，如螺杆输送机；但是，在这种情况下，工艺方法的程序更多。
本发明基于把该方法引进到简单进行的工艺步骤中的基本想法。各个工艺步骤相互作用，因此，可以理想地设计并考虑应用材料的特定性质以及要获得的预定的产物气体的质量。
通过下面描述的附图表示了本发明的其它优点，其中，通过实施例表示了本发明优选的实施方案。附图表示
图1 根据本发明的方法的反应区域和燃烧流动床的热解阶段的质量流和能量流；图2 示意表示根据本发明的方法的一种实施方案；图3 示意表示根据本发明的设备的一种实施方案；从图1可以看出，把应用材料10和流化床材料35作为传热介质供给到热解步骤1。流化床材料35输送的热流来自燃烧流化床的温度、流化床材料35和应用材料流10的工况和质量流、以及希望的热解温度。此外，供给冷凝剂11，热流34从燃烧流化床3传递。存在来自热解步骤1的热解气体13、热解气体15、流化床材料与固体含碳热解残渣14的混合物以及热损失流12，把热解气体13引入反应区域2，热解气体15引入到燃烧反应器(到燃烧流化床3)中。
把流化床材料和固体含碳热解残渣14的混合物与热解气体15和空气31一起引入到燃烧流化床3中。被燃烧加热的流化床材料35引回到热解反应器1中。热废气37也存在于燃烧流化床3中。在废气中的部分热量36传递到反应区域2。在燃烧反应器3中还存在热损失流33和为了调节静态操作中的总固体量而必须排出的流化床材料32。
在催化剂的存在下，利用所供给的热量36，供给到反应区域2的热解气体13与冷凝剂21一起转变成产物气体23。产物气体23和热损失流22最后排出反应区域2。
实施方案在下列实施例中，描述本发明的方法和本发明的设备的优选设计。根据图2的优选方法和根据图3的优选设备用于每小时热解和气化900千克木材。用作实施例的木材基本由52.3重量％碳、5.9重量％氢和41.8重量％氧组成，在每种情况下，依据没有水和灰的燃料物质，另外对于应用原料有0.51重量％的灰分。对于不含水的状态，木材的热值等于Hu＝17.2MJ/kg；热气化器功率因此等于3.92MW。
在图2中所述的用于木材气化的方法的优选实施方案中，根据应用材料在进入热解步骤1之前的条件，木材10经过在制备步骤4中的破碎和/或干燥。木材在制备步骤4之后的含水量为8.9重量％。
热解在580℃的温度下进行。引入到热解反应器1的流化床材料35的温度为900℃，因此，为了把应用材料加热到580℃的热解温度，必须提供和循环4.1倍量的流化床材料，即3.7t/h。在木材热解时，最终残留20.3重量％(相对于燃料，原料)作为固体热解残渣，其热值为Hu＝30MJ/kg。来自干燥和热解的其它产物以气体13的形式离开热解反应器并进入反应区域2。把固体热解残渣与流化床材料14的混合物供给到燃烧流化床3并在那里与空气31燃烧。用木材的固体热解残渣供给到燃烧流化床的热含量流等于1.52MW。在本实施例中，与烟气流37组合的功率过剩在扣除热损失33、排出的流化床材料32、流化床材料35和传递到反应区域2的能量36之后，保留在燃烧流化床材料3中。为此，用经过处理7并考虑传热构件8中的加热效率的水流70产生过热蒸汽流。如果供给到反应区域2的蒸汽流21取自在8中产生的过程蒸汽流中，过热蒸汽流71保留0.45MW的功率，通过涡轮机9把压力释放出来。
在提供冷凝剂蒸汽21的条件下，把热解气体13引入到由传热构件组成的反应区域2中，其中装有催化剂来改善焦油裂解。热解气体13与蒸汽21的反应所需的能量通过来自燃烧流化床3的热烟气流36传递到传热部件2，根据燃烧流化床3的操作管理，反应在850℃-900℃进行。为了通过热解气体的部分燃烧进一步提高温度，空气或氧气也可以混入冷凝剂蒸汽21中。所获得的产物气体23的热值为9.87MJ/M3(VN)并且由下列气体成分构成48.7体积％的H2、36.1体积％的CO、0.1体积％的CH4、6.1体积％的CO2、9体积％的H2O。产物气体23随后在制备步骤5中除尘并急冷。冷气体的效率，即相对于产物气体的化学能含量的应用材料的化学能，等于80.8％。
图3以一种实施例示意图形式表示用于热解和脱气的本发明的设备的一种优选实施方案。木材10通过不透气的装料设备加到热解反应器中，在实施例情况中以星轮表示。通过与来自燃烧流化床3的溢流提供的热流化床材料35接触来进行应用材料的干燥和热解。把所产生的热解气体13引入到反应区域2中，同时加入蒸汽21，所述反应区域在实施例中被设计成管式热交换构件。在热解气体13与蒸汽21的转化后，产物气体在制备步骤5中冷却并净化。为了避免在热解反应器1和燃烧流化床3之间的不希望的气体交换，产物气体管线50的风机和烟气管线60的风机必须相互匹配。由于设计了从燃烧流化床3到热解反应器1的溢流总是充满流化床材料35，然后与所述风机组合，所以，以简单的方式防止了两个反应器之间的气体交换。优选的是提供螺杆来把固体热解残渣与循环的流化床14的混合物输送到燃烧流化床3中。设计该螺杆使得通过充满材料的螺杆通道的压力损失大于通过流化床3的压力损失，因此，供给到燃烧流化床3的空气31不会通过热解反应器1在旁路中流动。例如通过涡轮机9释放压力的蒸汽流71，通过热交换构件8用烟气流37的热量从水流产生。可以使用部分蒸汽流71作为反应区域2的蒸汽21。废气60供给到烟气净化器6。
标号表1 热解反应器10应用材料11冷凝剂12热损失13热解气体14固体热解残渣与流化床材料的混合物15热解气体2 反应区域21冷凝剂22热损失23产物气体3 燃烧31空气32流化床材料33热损失34热流35流化床材料36热流37燃烧废气4 预热步骤5 气体净化50净化的产物气体6 烟气净化60废气7 水处理70水71蒸汽8 热交换器9 涡轮机
权利要求
1.一种用于有机物或有机物混合物的热解和气化的方法，其中1.1.把有机物引入到干燥和热解反应器(1)中，所述有机物在其中与燃烧流化床(3)的流化床材料(35)接触，或者所述有机物在其中与流化床材料(35)和燃烧流化床(3)的反应器壁接触，从而进行干燥和热解，其中，有机物由于干燥转变成蒸汽并转变成热解产物(13)，其中，所述热解产物由含有可冷凝物质的气体和固态含碳残渣组成；1.2.使所述固体含碳残渣或所述固体含碳残渣与部分蒸汽和部分带有可冷凝物质的热解气体以及所述流化床材料返回到燃烧流化床(3)中，所述有机物的含碳残渣在其中燃烧，所述流化床材料被加热并重新引入到热解反应器(1)中；1.3.来自干燥的蒸汽和热解气体(13)随后在另一个反应区域(2)中用可冷凝物质处理，因此，可以获得具有高热值的产物气体(23)；1.4.在至少一个或多个热解反应器(1)中进行所述干燥和热解；1.5.优选的是在两个或多个热解反应器(1)中进行所述干燥和热解，所述热解反应器由两个或多个移动床反应器组成、或者由两个或多个旋转反应器组成、或者由旋转床反应器与移动床反应器组成；1.6.所述热解残渣在其中燃烧的燃烧流化床(3)以静态流化床的方式操作；1.7.向热解气体(13)中不供给冷凝剂，或者任选地供给冷凝剂如蒸汽、氧气或空气或者其混合物；1.8.把热解气体(13)引入到间接热交换器(2)中，其中，它们任选地与冷凝剂(21)反应；1.9.使燃烧废气(37)或燃烧废气和燃烧流化床(3)的流化床材料与间接热交换器(2)接触，使得它们的热含量用于热解气体(13)与凝结剂(21)的反应；1.10.流化床材料(3)仅由所述有机物的灰分组成，或者由所述有机物的灰分和未燃烧的含碳残渣组成，或者由所述有机物的灰分和另外的流化材料组成，或者由所述有机物的灰分和未燃烧的含碳残渣与另外的流化材料组成。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述热解在450℃-750℃的温度下进行。
3.根据权利要求1或2的任一项的方法，其中，使所述产物气体(23)返回到热解反应器(1)中。
4.根据权利要求1-3的任一项的方法，其中，向热解反应器(1)中加入冷凝剂(21)如蒸汽、氧气或空气或其混合物。
5.根据权利要求1-4的任一项的方法，其中，燃烧流化床(3)的反应器壁表面在热解反应器(1)和燃烧流化床(3)的一侧具有任何封闭的几何形状。
6.根据权利要求1-5的任一项的方法，其中，在800℃-1050℃的温度下进行热解气体(13)与冷凝剂(21)的反应。
7.根据权利要求1-6的任一项的方法，其中，在存在催化剂的条件下进行热解气体(13)与冷凝剂(21)的反应。
8.根据权利要求1-7的任一项的方法，其中，在催化剂材料的固体床中进行与冷凝剂(21)的反应(13)。
9.根据权利要求1-8的任一项的方法，其中，在催化材料的流化床中进行热解气体(13)与冷凝剂(21)的反应。
10.根据权利要求1-9的任一项的方法，其中，在夹带输送流中，在存在加入到热解气体(13)的催化剂的条件下，提供热解气体(13)与冷凝剂(21)的反应。
11.一种用于进行有机物或有机物混合物的热解和气化方法的设备，特别地用于进行根据权利要求1-10的一项或多项的方法，该设备包括热解反应器(1)、用于热解残渣燃烧的流化床(3)、用于热解气体(13)的反应区域(2)、和在燃烧流化床(3)与热解反应器(1)之间的流化床材料循环，特征在于靠近所述燃烧流化床布置带有用于应用材料的闸门和用于来自燃烧流化床(3)的流化床材料的进口的竖式反应器或旋转反应器；竖式反应器(1)在其下端有向燃烧流化床的传输设备；燃烧流化床(3)有用于把流化床材料输送到竖式反应器(1)的溢流；并且燃烧流化床(3)的废气(37)可以供给到与竖式反应器(1)相连的热交换器(2)中，用于热解气体(13)。
12.根据权利要求11的设备，其中，流化床材料可以在至少在一点或多点从燃烧流化床(3)中取出并引入到热解部分中。
13.根据权利要求11或12的任一项的设备，其中，流化床材料可以在至少一点或多点通过一个或多个溢流从燃烧流化床(3)中取出并引入到热解反应器中。
14.根据权利要求11-13的任一项的设备，其中，可以加入耐热物质来形成流化床。
15.根据权利要求11-14的任一项的设备，其中，可以使用不能燃烧和不能气化的应用材料成分来形成流化床。
全文摘要
本发明涉及一种用于有机物或有机物混合物的热解和气化的方法。把有机物引入到干燥和热解反应器(1)中,所述有机物在其中与燃烧流化床(3)的流化床材料(35)接触,或者所述有机物在其中与流化床材料(35)和燃烧流化床(3)的反应器壁接触,从而进行干燥和热解。使所述固体含碳残渣,任选的是带有部分蒸汽和部分热解气体,以及所述流化床材料返回到燃烧流化床(3)中,所述有机物的含碳残渣在其中燃烧,所述流化床材料被加热并重新引入到热解反应器(1)中。来自干燥的蒸汽和热解气体(13)随后在另一个反应区域(2)中用可冷凝物质处理,因此,可以获得具有高热值的产物气体(23)。在至少一个或多个热解反应器(1)中进行所述干燥和热解。所述热解残渣在其中燃烧的燃烧流化床(3)以静态流化床的方式操作。把热解气体(13)引入到间接热交换器中。使燃烧废气(37),任选的是与燃烧流化床(3)的流化床材料一起与间接热交换器(2)接触,使得它们的热含量用于热解气体(13)与冷凝剂(21)的反应。
文档编号C10J3/02GK1358220SQ00809616
公开日2002年7月10日 申请日期2000年6月27日 优先权日1999年6月30日
发明者W·克鲁姆, G·芬克, S·哈梅尔 申请人:赫尔霍夫环保技术股份有限公司