本发明的主题是用于通过生物碳和化石碳的加氢气化(其中生物氢是气化剂)制造生物甲烷和生态甲烷的方法。
背景技术：
生物氢是通过生物甲烷与水蒸气的反应由生物质形成的产物。生物甲烷是使用生物氢使生物碳加氢气化的产物。使用生物氢使煤或褐煤加氢气化的产物是生态甲烷。生物碳是优选具有高含量纤维素、半纤维素和木质素的干生物质热解的产物。另外有利的热解产物是下文中称为热解气体的可燃蒸气和气体。生物质在170℃至270℃下不完全热解的产物是化学性质与褐煤的化学性质相似的包含约60％至65％元素碳C’的半碳。生物质在高于270℃(优选300℃)温度下完全热解的产物是化学性质与煤或焦炭的化学性质相似的包含约65％至80％元素碳C’的生物碳。
根据Jerzy Szuba,Lech Michalik的题为："Karbochemia",publishing house,1983的书已知使用主要通过细焦炭或煤的基于蒸汽和氧气的气化获得的氢气来加氢气化的方法。
根据该书已知Institute of Gas Technology(USA)开发的HYGAS法。HYGAS法是与细焦炭气化组合的煤加氢气化的高压方法，其能够获得高热值气体(天然气的代替物)。该工艺存在三个测试版本，不同之处在于生产加氢气化用的氢气的方法不同。氢气通过氧气-蒸汽煤气化或电热气化而获得，或者作为用得自细焦炭气化的气体使铁氧化物氧化还原(蒸汽-铁体系)的结果而获得。
根据该书已知的是通过Pittsburgh Energy Research Center(USA)开发的Hydrane法。Hydrane法在于通过使煤与氢气直接反应获得高热值气体。煤原料(任何等级)与包含在热气中的氢气反应。在815℃下发生气化过程。在悬浮于内部反应器中的并流(co-current)、下落(falling)和减薄床(thinned bed)中发生煤气化。使由此产生的细焦炭沉淀在内部反应器的流化床中，从而经历与氢气的进一步反应。内部反应器和外部反应器形成单个装置。用于所述工艺的氢气在独立反应器中通过对一部分细焦炭进行蒸汽-氧气气化而获得。
根据专利说明书US 2011/0126458A1已知的是用于通过用氢气和蒸汽使煤原料加氢气化的组合生产富含甲烷的气体燃料的方法。在约700℃至1000℃范围温度和约132kPa至560kPa的压力下，使用氢气和过热蒸汽对煤的水性浆料进行气化。这种气化的产物是氢气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳。在分离器中将氢气与该混合物分离并且再循环返回至还供应有蒸汽的SHR碳气化炉中，并且CH4、CO和CO2的混合物是富含甲烷(高达40％的CH4)的燃料气体。
根据Bohdan Staliński,Janusz的题为："Wodór i wodorki",Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,Warszawa,1987的书已知在通过燃烧天然气从外部加热至约500℃的温度的钢管中在催化剂(负载在陶瓷基底上的镍)存在的情况下下天然气甲烷与蒸汽的反应中制造氢气的方法。使用约25％的进入反应器中的气体加热所述管。
所有这些甲烷制造方法的特征是对元素碳C的大量消耗——对于产生两分子的CH4而言，消耗至少5个元素碳原子C。这限制了碳加氢气化工艺的效率。所述方法的特征在于CO2向大气的高排放和固体废物向环境的排放增加。
技术实现要素：
本发明解决了以下问题：应用来自中耕作物的基于植物的原材料和有机废物并完全使用具有高含量纤维素、半纤维素和木质素的生物质产生生物碳和生物甲烷，以及随后用于使生物碳加氢气化成生物甲烷以及使化石碳加氢气化成生态甲烷的生物氢，并且产生所得燃料的化学能转化成电的超过60％的高转化效率。通过以下步骤获得这些效果：在生物质热解过程中产生生物碳，形成生物碳与化石碳的混合物，并且使用生物氢使所述混合物气化，所述生物氢利用生物甲烷、蒸汽在存在催化剂和通过加热气体(加热气体使用来自细焦炭、多余氢气和热解气体燃烧的热能以及使用太阳能进行预热)从外面供应的热的情况下获得，这导致太阳能的累积。
用于制造生物甲烷和生态甲烷以及电能和热能的方法使用下述工艺进行：使生物质热解成生物碳，所述生物碳与粉碎且可能适当制备的化石碳混合的工艺，以及使碳混合物加氢气化成原煤气、所述原煤气的脱硫以及分离成氢气和甲烷的工艺，使用在存在催化剂与由外部供应的热量的情况下在甲烷与蒸汽的反应中产生氢气的工艺，所述方法的特征在于，使粉碎干燥的基于植物的原材料或废料原材料单独地或以特定的组的形式经历热解过程，所述热解过程或者在170℃至270℃的温度范围内在标准压力下进行以产生半碳和热解气体，或者在270℃至300℃的温度范围内进行以产生生物碳和热解气体，或者在高于300℃的温度范围内进行，所述热解气体中的一部分通向生物质热解装置以进行生物质的热解，并且热解气体的另一部分通向预热器以对加热气体进行预热。所获得的包含约60％至65％的元素碳的半碳优选与粉碎的褐煤混合，而包含约65％至80％的元素碳的生物碳与粉碎的煤混合，来自生物碳的元素碳C’与来自化石碳的元素碳C的比率优选为C’:C＝1:1。将前一混合物或后一混合物供应至第一碳加氢气化反应器，其中使用生物氢进行完全加氢气化工艺以产生原煤气和灰分，或者进行煤与生物碳或者褐煤与半碳的不完全加氢气化工艺以产生原煤气和细焦炭。细焦炭通向预热器以对加热气体进行预热并燃烧。将所获得的原煤气(在第二热交换器中冷却)进行脱硫，随后分离成氢气、剩余气体以及由纯生物甲烷和生态甲烷组成的甲烷混合物。将来自原煤气冷却的热量运送至预热器中以对加热气体进行预热并且运送至产生工艺用汽和电力用汽的废热锅炉中的第一热交换器。将甲烷运送至气体分配管线或者压缩机或冷凝器或者供给产生电能和热能的发电装置。将一部分甲烷(为生物甲烷的形式)供应至第三生物氢生成反应器，其中在由废热锅炉供应的热蒸汽以及通过加热气体供应至所述反应的热的反应中，在约500℃至700℃的温度下于催化剂的存在下，产生生物氢和CO2的混合物，其在废热锅炉中冷却下来之后分离成CO2和运送至第一反应器中的碳混合物加氢气化工艺的生物氢。将加热气体在预热器中预热至在第三反应器中进行生物氢生成反应所需的约800℃至1200℃的温度，所述预热使用供应有来自第二生物质热解反应器的热解气体的燃气燃烧器和/或使用从原煤气中回收的多余氢气以及使用供应有研磨的细焦炭或煤或生物碳的粉末燃料燃烧器。由此加热的加热气体流进入第三反应器中以加热其中发生生物氢和CO2生成的工艺的管。
半碳与褐煤或者生物碳与煤的粉碎干燥的混合物在使用CO2将空气从其中除去之后从碳混合物制备装置供应至第一反应器。在第一反应器中，碳混合物的加氢气化工艺首先在内室中在与从所述内室顶部引入的气体并流落下的悬浮床中进行，所述气体在约2.5MPa至7.5MPa的压力下在约815℃的温度下包含约50％的H2和50％的CH4。在该过程中获得的原煤气穿过第一反应器进入蒸气和煤气分离器，所述原煤气在此除去灰尘和共混的气体，并且特别进行脱硫，之后其被分离成由生物甲烷和生态甲烷组成的干净甲烷混合物以及纯氢气，所述氢气部分再循环返回至生物氢流。其他部分的氢气(为多余氢气)被运送至预热器中的燃烧器。部分反应的碳混合物被供应至第一反应器中的外室，在此使所述碳混合物与氢气完全反应以生成灰分和氢气+甲烷气体，或者使其部分反应以形成细焦炭和氢气+甲烷气体。所述细焦炭被运送去燃烧或储存，而所述氢气+甲烷气体从顶部供应至所述反应器的内室。
使碳混合物在与矿物油合并之后使用喷嘴在约6.8MPa的压力下以悬浮体的形式供应至第一高压反应器的被称作蒸发区段的最高区段。在此处优势的温度(约315℃)下，所述油被蒸发并且其蒸气与离开被称为碳加氢气化的第一级的中间区段的热原煤气一起排放至蒸气和煤气分离器。随后在冷凝器中经冷凝的、经分离的矿物油被再循环返回至油包碳悬浮体制备装置中，并且使经纯化的的原煤气，尤其在脱硫之后分离成甲烷混合物和待与生物氢合并的纯氢气。在约300℃温度下，碳混合物的干燥颗粒落入反应器的中间区段，在此该碳混合物的干燥颗粒在离开被称为碳加氢气化的第二级的反应器底部区段的含生物氢的气体的流中进行流化，并且在被称为加氢气化的第一级的中间区段中，在升高至约650℃的温度和6.8MPa的压力下发生碳和生物碳颗粒的脱气和部分加氢气化。在反应器的底部区段的流化床中，在750℃至950℃的温度下使用供应至所述区段的生物氢和氢气使部分反应的碳混合物进行完全加氢气化。
加热气体是对于第三反应器的材料为惰性的气体，优选CO2、氮气、氦气或氩气或者具有高比热的气体或者具有高沸点的液体，所述加热气体将热携带至第三反应器的生物甲烷和蒸汽的反应中，所述热的量是在约500℃至700℃的温度下在Ni/Al2O3催化剂存在下足以进行生物氢和CO2形成反应的约155kJ/mol至165kJ/mol CH4。
来自约500℃温度下的生物氢和CO2的热混合物的流的热、来自离开预热器的气体的约600℃温度下的蒸汽的流的热、以及来自外部系统尤其是来自当装置供应有所产生的生态甲烷或生物甲烷时产生电能和热能的发电装置的热被运送至废热锅炉。
加热气体预热器供应有取自原煤气的高温热和由太阳能收集器供应的热。
在第三反应器的第一部分中，在约500℃至700℃的温度范围和1.5MPa至4.5MPa的压力下在Ni/Al2O3镍催化剂的存在下作为生成生物氢的反应物的生物甲烷和蒸汽通过约800℃至1200℃温度的热的加热气体在反应器管中被另外加热。
对于第三反应器中的一氧化碳和水蒸气的生物氢形成反应，所述生物氢生成反应中气体混合物从第三反应器的第一部分流至所述第三反应器的第二部分，所述第三反应器的第二部分在比所述第一部分低的温度范围下运行，或者在约200℃至300℃的温度范围内使用Cu-Zn/Al2O3催化剂，或者在350℃至500℃的较高温度范围内使用Fe/Al2O3催化剂随后在约200℃至300℃的范围内使用Cu/Al2O3催化剂或者在300℃至450℃的温度范围内使用Fe2O3+Cr2O3进行所述反应。
本发明的另一个主题是用于制造生物甲烷和生态甲烷以及热和电的系统。所述用于制造生物甲烷和生态甲烷以及热和电的系统由以下组成：碳加氢气化反应器，生物氢生成反应器，煤气-蒸气分离器，生物质热解反应器，碳混合物制备装置，废热锅炉，加热气体预热器，热交换器，输送机，用于液体、蒸气和气体的管线和泵，所述系统的特征在于，第一碳加氢气化反应器具有两个入口，一个用于氢气而另一个连接至与第二生物质热解反应器连接的碳混合物或碳浆料制备装置。第一反应器具有两个出口：用于细焦炭或灰分的第二出口和用于原煤气的第一出口，所述第一出口经由第二热交换器连接至蒸气-煤气分离器。蒸气-煤气分离器具有连接至第三反应器的生物氢出口的管线形式的第一出口、用于甲烷的第二出口以及用于灰尘、蒸气和剩余气体的第三出口。蒸气-煤气分离器的第一氢气出口分成两个管线，其中再循环氢气管线连接至第一反应器的第一生物氢入口，而多余氢气管线连接至预热器的燃气燃烧器。用于来自蒸气-煤气分离器的甲烷的第二出口还连接至第三氢气生成反应器，第三氢生成反应器的用于生物氢和CO2混合物的第一出口经由废热锅炉连接至生物氢和CO2混合物的分离器，所述分离器的出口通过生物氢管线连接至第一反应器。废热锅炉具有电力用汽出口和连接至第三反应器的工艺用汽出口。第三反应器的第二出口连接至预热器的用于加热气体的管线。原煤气热交换器经由管线连接至预热器，并且然后，经由预热器出口气体管线连接至废热锅炉。
第二生物质热解反应器具有连接至生物质输送机的干生物质入口和连接至碳混合物制备装置的生物碳出口，以及连接至设置在生物质热解反应器中的燃气燃烧器和设置在加热气体预热器中的燃气燃烧器的热解气体出口。
所述预热器具有第三热交换器，所述第三热交换器一端连接至加热气体管线而另一端经由加热气体管线连接至安装在第三反应器入口处的喷嘴。预热器配备有经由热解气体管线连接至第二生物质热解反应器的燃气燃烧器并且配备有经由细焦炭输送机连接至第一反应器的细焦炭出口的粉末燃料燃烧器，并且此外，预热器经由预热器出口气体管线连接至废热锅炉。此外，预热器具有连接至太阳能收集器装置的热交换器。
优选地，第三生物氢生成反应器具有内部管，所述内部管包含位于第三反应器的第一部分中的负载在陶瓷基底上的镍催化剂Ni/Al2O3，所述第一部分连接至加热气体的入口以加热这些管以及包含Cu-Zn/Al2O3催化剂或者Fe/Al2O3和Cu/Al2O3催化剂的管，所述管位于第三生物氢生成反应器的第二部分中，而第三反应器具有用于生物甲烷的入口、用于工艺用汽的入口和用于生物氢和CO2的混合物的出口。
氢气和CO2混合物分离器具有通向大气和/或用于下游处理和/或封存的纯CO2出口。
根据本发明的产生生物甲烷和生态甲烷以及电能和热能的方法的一个优点是使用来自每年可再生生物质的生物碳来生产生物甲烷并通过加热气体将热传递给生物氢生成反应，该过程使得能够对热进行控制，并且用于使加热气体预热的热获自使离开第一反应器的原煤气冷却、获自热解气体的燃烧、获自多余氢气以及获自细焦炭和太阳能，这允许来自化石碳的元素碳C的低消耗以将其用生物氢转化成生态甲烷——生成一分子的CH4，最多消耗一个化石碳的碳原子C。这显著降低了向环境中的CO2排放和碳相关的固体废物排放。在制造气态燃料：生物甲烷或生态甲烷时，这显著降低了生物碳和化石碳的消耗。该燃料能够利用超过60％的能量效率在发电装置中发电。
所述优点是使用生物氢在一个反应器中对生物碳和化石碳同时加氢气化。碳的加氢气化是放热过程；不需要将热量供应至所述反应，因此加氢气化反应器中的热交换器是不需要的。通过使用燃气燃烧器和粉末燃料燃烧器在加热气体预热器中实现800℃至1200℃的适当高温。在太阳能收集器装置中实现最高达1200℃的加热气体的温度，因此产生使用太阳能的新方法——所述太阳能累积在加热气体中，并且然后累积在所产生的气态燃料，即生物甲烷和生态甲烷中。由太阳能发电的效率处于48％的水平。目前，光伏电池的效率为约15％。在CO2与氢气的分离过程中获得的纯CO2流易于结合至CO2封存工艺中，不论是地下封存或者通过使CO2与硅酸盐结合以形成稳定的产物。这导致使用出于该目的的化石碳的零排放发电。
附图说明
本发明在结合附图的实施方案中进行了说明，附图1示出了工艺的示意图，其示出了在用于生产生物甲烷和生态甲烷的方法中使用的子系统与设备之间的连接。
具体实施方式
实施例I
将元素碳含量C’为77％的生物碳和元素碳含量为70％至80％的煤供应至使用生物氢的生物碳和化石碳加氢气化工艺，将预设定的生物碳与煤的比率保持在C’:C＝1:1。图中所示的第一生物碳和化石碳加氢气化反应器1中，使用生物氢进行生物碳和化石碳的完全气化。使用干木片作为用于在约300℃下第二生物质热解反应器2中进行的完全热解过程的生物质，所述干木片利用生物质输送机21供应至第二热解反应器2中。生物质热解的产物是生物碳以及蒸汽和可燃热解气体，所述蒸汽和可燃热解气体经由管线22a供应至第二反应器2中的燃气燃烧器13以及经由管线22b供应至位于加热气体预热器9中的燃气燃烧器14，所述加热气体为CO2的流。使用生物碳输送机23将生物碳从第二反应器2输送至碳混合物制备装置25，其中将其与通过输送机24供应至装置25中的煤混合并且适当地一起粉碎。该混合物(没有任何特别的预处理)通过输送机26供应至第一碳加氢气化反应器1的顶部，在此在约815℃下通过离开生物氢和CO2分离器8的生物氢将所述混合物加氢气化成生物甲烷和生态甲烷，自此流过生物氢管线18a的生物氢与经由管线19a再循环的氢气一起通过管线18b供应至第一反应器1的底部。生物氢流动通过第一反应器1的绝热外室中碳混合物与细焦炭的流化床引起了所述床的流化并且与生物碳和煤反应以产生包含约50％氢和50％甲烷的反应气体，所述气体流过位于内室的壳的上部区域的孔，并且流进所述内室、与碳混合物的下落悬浮床并行流动，与所述混合物反应，所述混合物使用碳混合物输送机26从混合物制备装置25通过内室中的碳混合物入口供应至内室。作为第一反应器1的内室中反应气体与煤和生物碳反应的结果，发生所述混合物与生物氢的部分反应，并且部分转化的碳混合物落下至外室中的流化床，在此其利用生物氢而被完全转化并且所得灰分通过灰分排放通道排放并且用输送机28b运输至灰分储存点，而未转化的细焦炭(可能在筛上并通过空气流回收)再循环返回至碳混合物制备装置25。来自第一反应器的原煤气经由管线6和热交换器6a供应至蒸气和煤气分离器5。所获得的原煤气(干)具有以下平均组成：CH4约72体积％、H2约24.7体积％、CO为1.5％、CO2约1.6％和其他杂质(包含H2S)为约0.2％。
在蒸气-煤气分离器5中，原煤气在仅有氢气可穿过的膜上进行脱硫和分离，所述氢气经由氢气管线19运送至再循环氢气管线19a，与管线18b中的生物氢合并，并且还运送至与预热器9中的燃气燃烧器连接的多余氢气管线19b。蒸汽和剩余气体通过管线17排出，并且生物甲烷和生态甲烷的混合物流过管线20并且分成两个相等的流：经由管线20a供应至第三生物氢生成反应器3的生物甲烷和通过管线20b供应至气体分配管线以及供给发电装置的生态甲烷。第三生物氢生成反应器3包括填充有催化剂(即陶瓷载体上的镍)的内部管3a。这些管使用管线20a供应有生物甲烷并且使用蒸汽管线11a供应有约400℃的热蒸汽。作为第三反应器3中在包含镍催化剂的管中发生的反应的结果，生物甲烷与蒸汽的反应导致生物氢与CO2的混合物的形成，所述生物氢与CO2的混合物经由管线10b和废热锅炉4中的热交换器4a供应并且进一步通过管线10c供应至生物氢和CO2混合物分离器8。用于由生物甲烷和蒸汽形成生物氢和CO2的能量的主要部分由处于约900℃温度下的加热气体提供，其通过喷嘴10d供应至第三反应器3并且在反应器3的管3a周围流动，能量的剩余部分由热的400℃蒸汽带来。第一反应器1中煤和生物碳加氢气化反应中产生的并且通过加热管线7b供应至预热器9的热显著高于补充供应至生物氢生成反应的热能所需的热。过量的热经由管线7c和7a从加热气体预热器9排放至废热锅炉4。在第三反应器3中所述工艺期间冷却的加热气体通过管线10a供应至预热器9的热交换器9a，在此所述加热气体被加热至最高达900℃并且再次通过管线10流至第三反应器3的喷嘴10d。
在适当增加的压力下约500℃的温度下，发生生物氢生成反应。将压力增加至3MPa导致反应速度的增加并且允许第三反应器3的尺寸的减小。还使用水管线12用来自外部水源的补充水供应废热锅炉4。废热锅炉4产生约400℃的工艺用汽，其通过工艺用汽管线11a供应至第三生物氢生成反应器3，以及产生约585℃温度的电力用汽，其经由电力用汽管线11b供应至发电装置的电力轮机TP。
实施例II
将元素碳含量C’为77％的生物碳供应至使用生物氢的生物碳加氢气化工艺。在图所示的第一生物碳加氢气化反应器中，进行生物碳的完全转化。使用干草作为在约300℃温度下进行完全热解成生物碳工艺的生物质，每1吨干草产生约350kg的生物碳，加热解气体。使用生物质输送机21使干草供应至第二生物质热解反应器2中；然后将所产生的生物碳供应至生物碳制备装置25，在此其被适当地被粉碎，并且部分热解气体经由管线22a供应至反应器2中的燃气燃烧器13，而另一部分的热解气体经由管线22b运送至加热气体预热器9中的燃气燃烧器14。在生物碳制备装置25中适当粉碎的生物碳经由生物碳输送机26供应至第一生物碳加氢气化反应器1的顶部，在此根据实施例I提供的方法在约815℃的温度下使用生物氢使其进行完全加氢气化成为生物甲烷。从第一反应器1，原煤气经由管线6通过热交换器6a供应至煤气和蒸气分离器5。原生物气体的组成在实施例I中给出。在蒸气和煤气分离器5中，对原煤气进行脱硫和分离，然后经由管线19运送至与生物氢管线18a连接的管线19a，进一步流过管线18b进入第一反应器1的底部，而多余氢气流过管线19b进入预热器中的燃气燃烧器14。供应至管线20的生物甲烷流被分成两个流：通过管线20a运送至第三生物氢生成反应器3的生物甲烷，和通过管线20b运送以供给燃料电池形式的发电装置的生物甲烷。过量的生物甲烷被供应至压缩的生物甲烷罐。在第三反应器3中生物氢的生成根据实施例I提供的方法进行。废热锅炉4的操作描述在实施例I中。
将从第三反应器3中流出到管线10a的加热气体供应至所述气体的预热器9中，在此其使用供应有热解气体以及部分生物甲烷和多余氢气的燃气燃烧器14预热到约900℃的温度，并且随后，经由管线10再循环至第三反应器3的喷嘴10d。在所述反应器中对管3a进行加热并且在那些管中生物氢和CO2混合物的生成根据实施例I提供的方法进行。
实施例III
将元素碳含量C’为约60％的半碳和元素碳含量C为约60％的褐煤供应至生物碳和化石碳加氢气化工艺，保持预设定优选的生物碳与煤比率C’:C＝1:1，其为在矿物油中的碳混合物悬浮体的形式。在图中所示的第一生物碳和化石碳加氢气化反应器1中，使用生物氢进行半碳和褐煤的部分气化，因此形成原煤气，所述原煤气为未反应的氢气、生物甲烷和生态甲烷以及其他气态组分的混合物，并且还形成细焦炭。用于制造生物甲烷和生态甲烷的系统在图中示出。其是产生生态甲烷的气体制造装置。使用干木片作为在约170℃至270℃下在第二生物质热解反应器2中进行的部分热解过程的生物质，所述干木片使用生物质输送机21供应至第二反应器2中。生物质部分热解的产物是半碳以及蒸气和可燃热解气体，所述气体的一部分经由管线22a供应至第二生物质热解反应器2中的燃气燃烧器13，并且另一部分通过管线22b供应至位于加热气体为氮气流的预热器9中的燃气燃烧器14。使用生物碳输送机23将半碳从第二生物质热解反应器2输送至第一碳浆料制备装置25，在此所述半碳与通过煤输送机24供应至装置25的褐煤混合并适当地一起粉碎，并且向其中供应矿物油。将由碳和油形成的混合物(包含75体积％的矿物油和25％体积的粉碎的碳)经由供应管线26供应至喷嘴，在6.8MPa的压力下，所述喷嘴将碳浆料供应至第一反应器1的被称作蒸发区段的最高区段。在此处优势的315℃的温度下，所述油蒸发并且其蒸气与离开被称为碳加氢气化的第一级的中间区段的热原煤气一起经由热交换器6a排放至蒸气和煤气分离器5。回收的矿物油(随后在冷凝器中进行冷凝)再循环返回至碳制备装置25，并且原煤气经历提纯和脱硫。约300℃温度的干碳和生物碳颗粒通向中心区段，所述干碳和生物碳颗粒在离开被称作碳加氢气化的第二级的反应器底部区段的包含生物氢的气体流中经历流化，并且在中心区段，在升高至650℃的温度和6.8MPa的压力下发生碳颗粒的脱气和部分加氢气化。部分转化的碳混合物使用供应至所述区段的生物氢和氢气在750℃至950℃的温度下在第一反应器1的底部区段的流化床中进行完全加氢气化。经纯化的原煤气在蒸气和煤气分离器5中经历进一步的分离，其中未被使用的氢气分离于生物甲烷和生态甲烷的甲烷混合物并且经由氢气管线19再循环返回至再循环氢气管线19a，与第一反应器1底部供应生物氢在管线18b中合并，以及再循环返回至连接至预热器9中的燃气燃烧器14的多余氢气管线19b。甲烷混合物流过管线20，所述管线分成将生物甲烷供应至第三生物氢生成反应器3的生物甲烷管线20a和将生态甲烷供应至气体分配系统的管线20b。生物氢的生成发生在第三反应器3中，作为生物甲烷与蒸汽反应的结果。吸热反应所需的能量由通过管线10和喷嘴10d供应至第三反应器3的加热气体和由蒸汽管线11a供应的热蒸汽带来，而待供应的能量的量可以通过控制第三反应器3中的管3a周围流动的加热气体的流量和温度来控制等。在管3a内部在催化剂(陶瓷基底上负载的镍)的存在下在约500℃的温度下发生生物氢形成反应，所述管3a通过处于900℃温度下的加热气体热流加热。所产生的和经冷却的生物氢被运送至第一碳和生物碳加氢气化反应器1。生物氢与来自半碳的元素碳C’和与来自褐煤的元素碳C的反应生成生物甲烷和生态甲烷以及与碳加氢气化反应相关的热。来自热交换器6a中原煤气冷却的热经由加热管线7b供应至加热气体预热器9，并且随后，来自预热器9的热气体的热经由管线7c和7a供应至废热锅炉4。此外，废热锅炉4接受来自许多来源的热量，尤其是来自热交换器中生物氢的冷却的热以及来自离开第三生物氢生成反应器3的生物氢和CO2混合物的热，所述混合物通过管线10b流至废热锅炉4中的热交换器4a并且通过管线10c离开废热锅炉4到达分离器8，在所述分离器8中所述混合物被分成经由管线18a和18b供应至第一反应器1的生物氢和运送至CO2封存设备的二氧化碳。离开分离器8的CO2流(先前在废热锅炉4中的热交换器4a中进行冷却)通过CO2管线10e流至CO2封存工艺，尤其通过硅酸盐例如蛇纹石的CO2封存工艺。这种固定化的产物，碳酸镁、二氧化硅和水是耐久的和易于储存的。
在另一个实施方案中，加热气体预热器9连接至太阳能收集器系统。在太阳能收集器系统的所有热交换器中，作为热载体的CO2被加热至高达约1200℃并且再循环返回至位于预热器9中的热交换器30，热从所述热交换器30经由加热气体管线10供应至第三反应器3，所述第三反应器3产生在分离器8中分离成生物氢和CO2的生物氢和CO2混合物，所述分离器8为钾洗涤器。太阳能的热通过热载体以高达80％的高效率转移至第三反应器3，在第三反应器3中其被转化成生物氢的化学能，并且随后在第一反应器1中转化成生物甲烷和生态甲烷的化学能。
装置的实施例
如图所示，第一碳和生物碳加氢气化反应器1具有两个入口，18b和26，第一入口18b用于氢气而另一个入口26，作为碳混合物的输送机连接至与第二生物质热解反应器连接的碳混合物制备装置25。第二热解反应器2配备有热解气体管线22a和22b，其中管线22a连接至位于所述反应器中的燃气燃烧器13并且管线22b连接至位于加热气体预热器9中的燃气燃烧器14。第二热解反应器2配备有两个输送机，其中输送机21是生物质输送机并且输送机23是与碳混合物制备装置25连接的生物碳输送机。所述装置具有净化气体用的出口16a和入口16，并且还配备有煤输送机24和碳混合物输送机26。第一反应器1具有两个出口6和28，其中第二出口(细焦炭出口)28连接至供给位于预热器9中的粉末燃料燃烧器15的细焦炭运输机28a并且连接至输送机28b以通向储存，并且用于原煤气的第一出口6通过热交换器6a连接至蒸气和煤气分离器5。蒸气和煤气分离器5具有第一氢气出口19、第二甲烷出口20和第三废料出口17。分离器5的第一氢气出口19分成两个管线19a和19b，其中管线19a连接至第一反应器1的第一入口18b，并且管线19b连接至预热器9中的燃烧器14，且分离器5的第二甲烷出口20还连接至第三反应器3，所述第三反应器3的第一出口10b经由废热锅炉4的热交换器4a并且经由管线10c连接至分离器8，所述分离器8的第一生物氢出口经由管线18a和18b连接至第一反应器1，并且第二CO2出口通过管线10e连接至CO2封存装置(在图中未示出)。废热锅炉4具有经由蒸汽管线11a连接至第三生物氢和CO2生成反应器3的工艺用汽出口以及经由管线11b连接至发电装置的蒸汽轮机的电力用汽出口(在图中未示出)。废热锅炉4还具有与水管线12的连接。第三反应器3的第二出口连接至与预热器9中的热交换器9a连接的加热气体管线10a，所述交换器经由管线10连接至位于第三反应器3中的加热气体喷嘴10d。此外，从加热气体中获取热的热交换器6a经由管线7b、预热器9以及管线7c和7a连接至废热锅炉4。此外，预热器9配备有连接至太阳能收集装置的热交换器30并且第三反应器具有一组具有催化剂的管3a。
图中使用的附图标记
1–用于碳和/或生物碳的加氢气化的第一反应器
2–第二生物质热解反应器
3–用于生成生物氢的第三反应器
3a–反应器的管组件R(III)
4–废热锅炉
4a–废热锅炉的第一热交换器
5–蒸气和煤气分离器
6–原煤气管线
6a–第二原煤气热交换器
7a–将热量供应至锅炉的管线
7b–原煤气加热管线
7c–预热器加热管线
7d–用于外部加热的管线
8–氢气分离器
9–CO2流预热器
9a–预热器的第三热交换器
10–加热气体流管线
10a–再循环气体流管线
10b–氢气管线
10c–氢气离开的管线
10d–加热流喷嘴
10e–通向排放或封存的CO2管线
11a–工艺用汽管线
11b–电力用汽管线
12–水管线
13–装置中的燃气燃烧器
14–预热器中的燃气燃烧器
15–预热器中的粉末燃料燃烧器
16–用于清除碳混合物的CO2喷嘴
16a–清除气体的出口
17–蒸气和煤气离开的管线
18a–生物氢管线
18b–氢气收集器管线
19–分离的氢气管线
19a–再循环的氢气管线
19b–多余氢气管线
20–甲烷混合物管线
20a–生物甲烷管线
20b–生态甲烷管线
21–生物质输送机
22–生物质热解装置
22a–热解蒸气和煤气管线
22b–供应预热器的热解气体管线
23–生物碳输送机
24–碳(褐煤或煤)输送机
25–碳混合物制备装置
26–碳混合物输送机
27–粉末碳/生物碳输送机
28–细焦炭输送机
28a–研磨的细焦炭输送机
28b–通向储存的细焦炭输送机
29–废料输送机
30–用于太阳能热的第四热交换器