专利名称：含碳材料气化方法与其实施设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体颗粒状含碳材料的气化方法，该方法包括-在加热器中在至少1200℃的温度下加热由原料气和水蒸汽组成的气体混合物，-在加压气化反应器中，使所述含碳材料颗粒与所述经加热的气体混合物进行接触，生成粗制的反应气体和未燃尽的灰，-在反应器外回收粗制反应气体，-熔化灰，以及-除去熔化的灰。
背景技术：
固体颗粒状的含碳材料应该理解是含有呈粉碎状碳的任何固体材料，例如像生物质、工业残渣、生活垃圾、炭、煤、木质废料等。
人们知道许多在压力下运行的气化技术。特别指明大多数的已知方法用于有限的原料范围，而这些方法的性能也不太令人满意。这些方法中的大多数方法实施缓慢，还产生大量的焦油，而除去其中的焦油是很棘手的。这些方法还忽略了灰的处理。
人们知道最初所描述类型的方法(参见专利申请ES-A-2190689)。这种方法可应用于任何含碳材料，还考虑了气化反应后灰熔化和除去其灰的熔化灰玻璃化问题。然而，该方法也有缺陷，其性能也不太令人满意，尤其是在待气化材料中含有的碳的燃烧所达到的程度方面。
发明内容
本发明的目的是提供一种气化方法，其中所得气体的量和性能与已知方法的至少相同，优选地优于已知方法，并且其中灰以完全没有碳元素，特别是很少污染物的形式排出，因此这是个简单而经济的方式。
为了解决这个问题，根据本发明考虑了一种如开始描述的方法，该方法还包括-为加热器分开一方面供给水蒸汽，另一方面供给所述原料气，-在加热器外，分开抽取一方面在所述至少1200℃的温度下的所述气体混合物，另一方面一部分在这同一温度下并为干燥状态的所述原料气，-在该气化反应器中，注入这种干燥原料气以及在来自所述气化反应的灰中与其构成可燃混合物的气体，以便通过燃烧达到高于1500℃的温度。
本发明方法的优点是不仅能够使该气体混合物过热，因此它们应当用于在高于1200℃，优选1300-1400℃的温度下的气化反应，而且同时还能够使干燥原料气过热，这样在该反应器中生成在高于1500℃，有利地在1600℃的温度下处理这些灰的可燃混合物。在这个温度，该可燃混合物消耗了已进行气化反应的未燃尽材料中的所有残留碳，并且来自该可燃混合物燃烧并在穿过所述灰而富含CO的气体合并了所述粗制反应气体，因此提高了后者的质量。
在所述温度下，这种气化反应进行得如此之快，以致没有经过任何常见的焦油生成阶段，这样能简化其方法，降低其成本。
根据本发明方法的优选实施方案，所述气体混合物的所述加热是在装填有耐高温材料的卧式加热器中进行的，并且该方法顺序地包括在第一时间段，由可燃气体和燃烧空气燃烧而得到的烟气通过加热器第一部分，由此加热该第一部分的耐高温材料的第一加热工序，以及该加热器第二部分中经预热的耐高温材料与加到该加热器第二部分的水蒸汽和原料气之间的第一热交换工序，以及在第二时间段，该加热器第二部分的耐高温材料的第二加热工序，所述耐高温材料在所述第一热交换工序期间已被通过这个第二部分的上述烟气冷却，而在该加热器第一部分中已在所述的第一加热工序期间被加热的耐高温材料与加到该加热器的这个第一部分中的水蒸汽和原料气之间的第二热交换工序，以及该加热器部分的清除步骤，其中在通过热交换加热的原料气和水蒸汽还未供给这个部分之前让这些烟气通过。在这种实施方式中，该加热器作为几乎连续的燃烧器操作。
根据本发明的有利实施方式，所述的原料气是空气，所述的热气体混合物是空气和水蒸汽以及与该热干燥原料气构成的所述气体的混合物，可燃混合物是气体燃料。在氧化性气体介质存在下进行气化的这种情况下，这样在冷却与净化后能够得到净化的反应气体，它可用于工业炉或供给燃气轮机或各种发动机。
根据本发明的另一种实施方案，所述原料气是可燃气体，所述的热气体混合物是这种可燃气体、水蒸汽和与该热干燥原料气构成的所述气体的混合物，可燃混合物是燃料气体。在这种情况下，有利地在与该水蒸汽混合的循环气体存在下进行这种气化，这样能够生产出合成气体，从而例如生产出氨、甲醇、合成液体燃料，或直接还原矿石。
在这些权利要求中指出了本发明方法的其它特点。
本发明还涉及实施本发明方法的加热器。这种加热器包括-水平圆柱形外壳，-将这个外壳分成两部分的垂直穿孔板，每个部分装填耐高温材料，-在该外壳两部分的每个部分中，至少一个水蒸汽进口，它位于与所述穿孔板相对的一侧，并处在顶部，以及至少一个原料气进口，它也位于与所述穿孔板相对的一侧，并且所处的高度低于所述至少一个水蒸汽进口的高度，-对于该外壳的两个部分，在加热器端部在所述两个部分之间的所述热气体混合物出口，和在所述两个部分之间的干燥热原料气出口，其水平低于该热气体混合物出口的水平，-至少一个供给可燃气体和燃烧空气的燃烧器，它位于在接近穿孔板的加热器下面，以及-在该外壳两部分的每个部分中，至少一个烟气出口位于与该穿孔板相对的所述侧。
通过不同进口和出口与所述至少一个燃烧器的互换安排，根据本发明，可能的是在同一加热器中连续并同时地生产出热的湿原料气和热的干原料气。
在这些权利要求中指出了本发明加热器的其它特点。
由下面非限制性地所作的说明与参考本发明实施方式附图可得出本发明的其它细节和优点。
图1示意性地表示实施本发明方法的含碳材料气化装置。
图2是以放大尺寸表示的如图1所示的加热器示意性轴向剖面图。
图3是可在图2的加热器中使用的耐火元件的透视图。
图4是以放大尺寸表示的如图1所示的本发明气化反应器示意图。
图5表示本发明可使用气化反应器实施方案的部分示意图。
在这些不同的图上，相同或类似的元件有相同的标号。
具体实施例方式
图1说明本发明装置的实施例。这个装置包括气体加热器1，它供给气化反应器2在至少1200℃的温度下的由空气和水蒸汽组成的氧化性气体混合物，以及在这个同样温度下的干燥空气。
正如图2所示，该加热器有圆柱形外壳3，它水平放置，并被垂直穿孔板6分成两个部分4和5，有利的是对称的两个部分。这两个部分装填耐高温材料7，而图3更详细地表示了其材料元件。自然它是说明性的，并且可以应用其它耐高温材料形状。
在外壳两部分4，5的每个部分中，预备了水蒸汽进口8，8’，它与穿孔板6相对。该水蒸汽进口8，8’位于加热器1的顶部，是用阀可关闭的。在这些部分4，5的每个部分中，还预备了与穿孔板相对的原料气进口9，9’，在该实施例中所述原料气是空气。该原料气进口9，9’所处的水平低于水蒸汽进口8，8’，特别地在加热器1的底部，通过用阀12，12’可关闭的管道11，11’，使用与所述进口8，8’连接的压缩机10供给它空气。
该加热器还包括空气和水蒸汽的热气体混合物出口13，即在该说明实施例中两部分4和5的唯一出口，它通过管道14与气化反应器连接起来。这个唯一出口13位于加热器的两个部分4和5之间，在穿孔板6上，以便与所述的两个部分4和5同时连接。
该加热器还包括热干燥空气出口15，它在该说明实施例中对于该外壳两个部分4和5而言是共同的，因此是唯一的。这个出口15位于加热器的下一半中。它通过管道16与气化反应器2相连。
该加热器还包括燃烧器17，它在该说明实施例中对于该外壳两个部分4和5而言是共同的，因此是唯一的。这里，它通过用阀19可关闭的管道18供给燃烧空气，优选为已经热的燃烧空气，而通过用阀21可关闭的管道20供给可燃气体，优选为已经热的可燃气体。通向该燃烧器的燃烧室23设有活门22，与加热器部分4和5的中一个部分或另一个部分交替连接。这些部分的每个部分配备至少一个烟气出口，这里是两个用阀25，25′可关闭的出口24，24′。这些烟气通过管道26，26′加压抽到减压设备27。
如图1和4说明的气化反应器由槽28供给含碳材料29，其中热干燥空气可以在槽28下部的30加入。它配备了加料机31，它与中间槽32的顶部相连，它通过其底部与增压槽33相连，然后与常压槽34相连。这些槽32、33和34分别通过阀35和36分开。
该气化反应器2在其顶部通过物料注入轴37供给待气化的物料，该注入轴37从槽34接受所述物料，再加到热的氧化性气体混合物射流中，它在压力下通到该反应器中。
在其中心部分中，所示的反应器2安装环形管道38，收集中心反应气体，这个管道38与侧出口管道39相连。
供给来自该加热器的热干燥空气的管道16以及供给气体燃料的管道40通到所描述反应器2的下部。
在积累熔化灰41的反应器底部，预备了孔42，将这些熔化灰41排到加压喷水室43中，该室配备注入雾状水的喷管44。孔42安装一个本身已知的流出控制部件45。喷水室43通过其底部与插入槽44相连，然后与滚动运送带45相连。
粗制反应气体的出口管道39通过管道46与热交换器47相连，在描述的实施例中，该热交换器47包括四个级。上级48配备燃烧空气的进口和出口。接着的级49配备可燃气体的进口和出口，再接着的级50配备水进口和水蒸汽出口。下级51配备干燥空气进口和出口。
在所描述的实施例中，燃烧空气进口是通过管道52与空气压缩机10连接，而燃烧空气出口通过管道18与加热器1的燃烧器17连接。
在所描述的实施例中，可燃气体进口通过管道53与净化反应气体出口管道54连接。可燃气体出口通过管道20与燃烧器17连接。
在热交换器的级50中在55装有水进口，通过管道56排出的蒸汽可以借助容器57传输到加热器1的水蒸汽进口8和8′。
在级51中在58安装干燥空气进口，在30供给在59排出的热干燥空气，用于干燥待处理的含碳材料。
借助过滤器61将热交换器47底部与洗涤器60连通，接着与两级净化器62和63连接起来，该两级净化器都装填活性炭，并交替运行。净化反应气体的出口管道54与净化器两级的顶部相连。
如图1-4说明的本发明装置以下述方式运行在第一时间段里，进行加热器1部分5的加热工序。活门22处在图2上用实线表示的位置。在热交换器47的级48中在温度750℃下预热的空气和在这同一热交换器的级49中在温度450℃下预热的可燃气体送到燃烧器17中进行燃烧。在描述的实施例中，该可燃气体来自在54得到的部分循环净化反应气体。这些烟气通过加热器部分5的热材料7，同时将它们加热到高的温度，然后通过出口24′、管道25′和进行减压的设备27排出。在这个时间里，水蒸汽进口阀8′和空气进口阀12′关闭。
在这个相同的第一时间段里，加热器部分4允许热交换。由水生成的水蒸汽在交换器47的级50中被加热并从容器57直到进口8送到加热器中，该水蒸汽由其顶部加到加热器的一端。在这个时间里，通过进口9将在10的压缩空气注入到该加热器的相同部分4的下部区域。这时关闭烟气出口阀25。
通过控制气体流量，可能的是避免这些烟气与这些氧化性气体在该加热器中混合。
在加热器部分4中被热材料加热的空气与在这个部分的上部区域中的热水蒸汽进行混合，这种氧化性混合物通过管道13从加热器排出，其温度可以达到1300-1400℃。同时，在部分4的下部区域，空气不与水蒸汽混合，相反地被干燥，这样允许同时通过管道15排出温度也是1300-1400℃的干燥空气。
这第一时间段例如可以持续2.5-4分钟。
这时将加热器的每个部分中的阀进行换向。为了净化烟气部分5，通过关闭阀21截断可燃气体进口2秒，然后将活门22放在图2用虚线表示的位置。在这个第二时间段，正是加热器部分4进行加热步骤，而部分5进行热交换。于是加热器连续运行。
减压设备27能够回收在压缩机10中压缩空气所需能量的80％。从减压设备27出来的完全燃烧气体排到大气中。
在所示的实施例中，在热交换器47中由预热空气所预先干燥的含碳材料呈约10-40mm的粗颗粒状，把该材料送到气化反应器1顶部。这里，它被加到非常高温度(1300-1400℃)的空气+水蒸汽氧化性气体混合物流中，形成移动床，在此进行反应，而不通过生成焦油段。
在反应器2中的反应产生粗制还原性气体，其温度约900℃。这种气体通过环形管道38、管道39、旋风分离器64和管道46排出到热交换器47，该热交换器从上到下为4级48-51。冷却的粗制反应气体这时由过滤器61、气体洗涤器60和净化器两级62、63通过，这样能够得到净化反应气体，其中一部分可以循环，用于燃烧器17运行。
如前面指出的，通过管道16把非常热的干燥空气(1300-1400℃)注到气化反应器2的底部。同时地，在40注入在热交换器47中预热至750℃的可燃气体。这种可燃气体也来自所得净化反应气体的循环。这种可燃气体在干燥空气中燃烧引起温度升高到1500℃以上，任选地直到1600℃。来自于在反应器2顶部进行的气化反应并降落的灰，由这种燃烧反应的气体中通过，并且它们还含有的所有碳于是被消耗，这些气体与该反应气体通过管道38进行回收。
另外，在这个高温下，所述灰41被液化，以熔化形式积累在反应器2底部。通过不同的压力控制其水平，它们流到喷水室43，在这里它们被喷水柱冷却，玻璃化，然后用滚动运送带45排出。
根据图5说明的具体实施方案，例如可以使用更细的含碳材料，其颗粒尺寸是约0.5-8mm。在反应器周围垂直配置的多个常压槽34为它们供料，这里借助多个注入轴37为它们供料。空气+水蒸汽的氧化性气体混合物本身在这个轴37处切线注入，这样能够在反应器中间形成在其中进行气化反应的循环床。
在这个实施例中，从反应器顶部回收粗制反应气体，而其下部可以与图4说明的相同。
根据本发明的另一个具体实施方案，还可以考虑在加热器1中进行加热，代替空气、可燃气体，特别是循环的反应气体，这种气体例如是从净化反应气体出口管道在65取出的。通过管道14从加热器出来的热气体混合物因此是循环反应气体+水蒸汽的混合物，而通过管道16出来的气体是干燥的循环反应气体，它是可燃气体。通过管道40，不再供给气体燃料，而是供给助燃气体，例如氧气。这种方法能够在该装置出口得到净化合成气体，它的CO+H2浓度＞90％。该气化的净产率这时是约82％。
应该指出，本发明方法的重要优点是排到大气的排放物不含有S、Cl、P、NO、挥发性灰类的有害元素，也不排放污染物，例如焦油、有毒液体等。
下表说明了本发明方法随使用原料以及所考虑的气化类型改变而得到的结果。
EC.I.＝有效净化气体的下发热量。
**产率＝有效净化气体的P.C.I./干燥物质的P.C.I.。
应该理解本发明对于上述实施方式没有任何限制方式，并且在权利要求范围内可能提供了其改变。
权利要求
1.固体颗粒状含碳材料的气化方法，其包括-在加热器中在至少1200℃的温度下加热由原料气和水蒸汽组成的气体混合物，-在加压气化反应器中，所述含碳材料的颗粒与所述经加热的气体混合物进行接触，生成粗制反应气体和未燃尽的灰，-在该反应器外回收所述粗制反应气体，-熔化所述灰，以及-除去所述熔化的灰，其特征在于它还包括-分开向所述加热器一方面供给水蒸汽，另一方面供给所述原料气，-在所述加热器外，分开抽取一方面在所述至少1200℃的温度下的所述气体混合物，另一方面一部分在这个温度下的处于干燥状态的所述原料气，以及-在所述气化反应器中，注入该干燥的原料气以及在来自所述气化反应的灰中与其生成可燃混合物的气体，以便通过燃烧达到高于1500℃的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述气体混合物的所述加热是在装填耐高温材料的卧式加热器中进行的，并且该方法顺序地包括在第一时间段，可燃气体和燃烧空气燃烧所得到的烟气由所述加热器的第一部分通过，由此加热该第一部分的耐高温材料的第一加热工序，以及在该加热器第二部分中经预热的耐高温材料与加到该加热器第二部分中的水蒸汽和原料气之间的第一热交换工序，以及在第二时间段，该加热器第二部分的耐高温材料的第二加热工序，所述耐高温材料在所述第一热交换工序期间已被通过这个第二部分的上述烟气冷却，以及在该加热器第一部分中已在所述第一加热工序期间被加热的耐高温材料与加到该加热器的这个第一部分中的水蒸汽和原料气之间的第二热交换工序，及该加热器部分的清除步骤，其中在通过热交换加热的原料气和水蒸汽还未供给这个部分之前让所述烟气通过。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于它包括在所述加热器的所述第一部分和第二部分的每个部分中，在低于水蒸汽进料处供给待加热的所述原料气，在所述加热器的上部区域，在所述至少1200℃的温度下连续抽取所述原料气和水蒸汽的气体混合物，以及，在低于连续抽取所述气体混合物的所述上区域的加热器区域中，在所述至少1200℃的温度下连续抽取所述干燥的原料气。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述原料气是空气，所述经加热的气体混合物是空气和水蒸汽的混合物，并且与所述经加热的干燥原料气构成可燃混合物的所述气体是气体燃料。
5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其特征在于所述原料气是可燃气体，所述经加热的气体混合物是该可燃气体与水蒸汽的混合物，并且与所述经加热的的干燥原料气构成可燃混合物的所述气体是助燃气体。
6.根据权利要求2-5中任一项权利要求所述的方法，其特征在于它包括在所述冷却、分离或其任何组合期间，通过热交换冷却从所述反应器回收的所述粗制反应气体、预热在所述加热器中使用的燃烧空气、预热在所述加热器中使用的可燃气体、由水形成在加热器中使用的水蒸汽以及加热待输送通过待气化的所述含碳材料的干燥空气。
7.根据权利要求4-6中任一项权利要求所述的方法，其特征在于它包括净化所述粗制反应气体，并且循环至少一部分所述经净化的反应气体作为加热器第一和第二加热工序的可燃气体。
8.根据权利要求5-6中任一项权利要求所述的方法，其特征在于它包括净化所述粗制反应气体，并且循环至少一部分所述经净化的反应气体作为所述加热器的原料气。
9.根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的方法，其特征在于它包括通过所述反应器的顶部注入所述含碳材料颗粒和所述经加热的气体混合物，形成移动床，从所述反应器的底部排出所述熔化灰，并在中间处回收所述反应气体。
10.根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的方法，其特征在于它包括在所述反应器的上与下部之间的中间处，高速度切线注入所述含碳材料颗粒和所述经加热的气体混合物，在所述反应器的顶部回收所述粗制反应气体，而在所述反应器的底部排出所述熔化灰。
11.实施权利要求2-10中任一项权利要求所述的方法的加热器(1)，其特征在于它包括-水平圆柱形外壳(3)，-将这个外壳分成两部分的垂直穿孔板(6)，每个部分(4，5)装填耐高温材料(7)，-在该外壳两部分的每个部分中，至少一个水蒸汽进口(8，8’)，它位于与所述穿孔板(6)相对的一侧，并处在顶部，以及至少一个原料气进口(9，9′)，它也位于与所述穿孔板相对的一侧，并且所处的高度低于所述至少一个水蒸汽进口(8，8’)的高度，-对于该外壳的两个部分，在该加热器的顶部在所述两个部分之间的所述热气体混合物出口(13)，以及在所述两个部分之间的干燥热原料气出口(15)，其高度低于该热气体混合物出口(13)的高度，-至少一个供给可燃气体和燃烧空气的燃烧器(17)，它位于在接近穿孔板的加热器下面，以及-在该外壳两部分的每个部分中，至少一个烟气出口(24，24′)，其位于与该穿孔板(6)相对的所述侧。
12.根据权利要求11所述的加热器，其特征在于它包括用于所述经加热的气体混合物的唯一出口(13)，该出口位于外壳(3)的两部分(4，5)之间，在穿孔板(6)上面，以及用于所述干燥的热原料气的唯一出口(15)，该出口也位于外壳(3)的两部分(4，5)之间。
13.根据权利要求11和12中任一项权利要求所述的加热器，其特征在于它包括唯一的燃烧器(17)，以及交替地把烟器送到外壳部分(4，5)的一个部分或另一个部分中的活门(23)。
14.根据权利要求11-13中任一项权利要求所述的加热器，其特征在于所述耐高温材料(7)是具有水平取向的空洞的管状元件形状。
全文摘要
本发明涉及固体颗粒状含碳材料的气化方法。本发明的方法包括下述步骤在加热器(1)中加热由原料气和水蒸汽组成的气体混合物；在加压气化反应器(2)中让这些含碳材料颗粒与加热气体混合物进行接触，生成粗制反应气体和未燃尽的灰；分开往该加热器供给(i)水蒸汽和(ii)上述的原料气；从该气体混合物加热器中取出分离样品(在点13)和部分干燥状的原料气体(在点16)；以及将所述的干燥原料气体和随其在该灰中燃料混合物生成的气体注入到气化反应器中。
文档编号C10J3/08GK101072852SQ200580039475
公开日2007年11月14日 申请日期2005年11月15日 优先权日2004年11月18日
发明者J·里贝斯 申请人:L·德阿斯科伊蒂亚