原料气化方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及热化学技术和设备，尤其涉及采用下吸式气化使固态生物质、生活与工业垃圾、化石燃料以及其它含碳原料气化的工艺和设备。
【背景技术】
[0002]气化是一个连续的热分解过程，其中，有机固体材料或含碳材料(原料)分解成可燃气体混合物。所产生的可燃气体成分主要包含一氧化碳(CO)、氢气(H2)和甲烷(CH4)。还包含不同量的其它非可燃气体，例如氮气(N2)、水蒸汽(H2O)和二氧化碳(CO2)。气化工艺涉及热解，然后是部分氧化，通过将空气或其它含氧气体注入到部分热解原料中来控制。更具体而言，生物质气化是一系列反应，包括水分蒸发、木质素分解、纤维素爆燃和碳还原。外部热源使反应开始，但是部分氧化提供热量以保持原料的热分解。如果采用聚氧，所产生的气体混合物则称为合成气。如果采用空气(含氮气)作为氧化剂，所产生的气体混合物则称为发生炉煤气。为简单起见，在此所用的“发生炉煤气”一词包括合成气和发生炉煤气。两种气体混合物都被视为“燃气”，并且在很多工艺中可用于替代天然气。它们也可用作生成各种化工原料和汽车燃料的前体。当生物质作为原料使用时，发生炉煤气的气化和燃烧被视为可再生能源的来源。
[0003]—般而言，气化从固体原料中所能获取的势能较燃烧更为高效、性价比更高且更环保。作为气化的结果，原料的势能可以转化为发生炉煤气，其燃烧清洁、可压缩且更轻便。发生炉煤气在某些发动机和燃烧器中可直接燃烧，净化产生甲醇和氢气，或者通过费托合成(Fischer-Tropsch)或其它方法和工艺转换成合成液体燃料。
[0004]有三种常用的气化工艺:流化床气化、上吸式气化和下吸式气化。本发明是改进的下吸式气化炉。所以，只提供流化床气化和上吸式气化的简单描述，然后较为全面地论述当前的下吸式气化。
[0005]上吸式气化
[0006]逆流式固定床(“上吸式”)气化炉包括在大炉排顶端的原料固定层，水蒸汽、氧气和/或空气通过它向上流。上吸式气化炉通常要求原料较硬而且不易结块或凝结，以便形成透水层。上吸式气化炉包括原料层，氧化剂(水蒸汽、氧气和/或空气)通过它从底部流入并且成气体从顶端出去。上吸式气化炉的热效率较高，因为上升的气体使进入的生物质热解并干燥，传热以便出去的发生炉煤气能在离开气化炉时得到冷却。但是，在发生炉煤气中存在大量的焦油，所以，使用前必须彻底清洁，否则它会在产生点燃烧。焦油可循环到气化炉，去除焦油不仅比较复杂而且费用也很高。上吸式气化炉成为煤气化的标准已有150多年了，目前仍在生物质厨灶中比较流行。
[0007]流化床气化
[0008]在流化床气化炉中，氧化剂通过固相颗粒层吹入且其风速足以保持固相颗粒处于悬浮状态。将原料引入气化炉，非常迅速地与层料混合，并且或者从外部或者采用传热介质几乎瞬间加热到层温。这种流化床气化炉大多装有内旋风器，以便把(带入发生炉煤气流的)煤焦减少到最少，并且从发生炉煤气中去除流化介质。主要优点包括原料的灵活性以及能够轻松控制反应温度的能力，从而使得细粒材料(锯肩等)的气化无需进行预处理。流化床气化炉还可以很好的扩展到大尺寸。但不幸的是，会发生喂料、层不稳定、在气道中的残余碳堆积和灰烧结的问题。其它缺点包括发生炉煤气中的焦油含量高(高达500mg/m3气体)、效率相对较低以及负荷变动响应差。由于操作和维修费用高，这类气化在经济上仅限于大规模的用途，通常超过每天100吨。
[0009]下吸式气化
[0010]在下吸式气化中，所有原料、空气和气体以相同方向流动------从上到下。尽管上吸式气化通常有利于处理生物质原料，而流化层气化通常用于煤的气化，但是下吸式气化工艺具有许多优点。下吸式气化的一个优点是产生的发生炉煤气中的焦油水平较低，因为热解过程中所产生的焦油离开气化炉前必须通过氧化区(定义见下文)和还原区(定义见下文)中的煤焦层。氧化区和煤焦层顶部的高温分解焦油(即热裂解)。其产物是可冷却的或者更易于在往复式发动机、燃气涡轮和催化重整工艺中清洁使用的发生炉煤气。
[0011]当前的下吸式气化工艺有一些明显的缺点，有碍于广泛采用。这些缺点是:(I)必须预先把原料加工成具有相似化学特性的标准尺寸(不得混合不同类型的原料或者不同尺寸的碎片)，以便能够连续气化，而不会横贯(即堵塞)设备或者影响发生炉煤气的质量；(2)原料的挥发性成分必须在标准范围内；(3)原料必须具有标准的热量含量(即btu/Ib) ;(4)通常，必须经常停止气化炉，以清理和去除聚集在气化炉底部的多余煤焦；(5)产生的发生炉煤气质量不一致，而且由于频繁关机导致温度变化以及原料的变化，使得气化炉生产力较低，效率较低；(6)在操作过程中不能重新配置气化炉，而且一旦氧化反应偏离气化炉中的指定位置时就必须关闭气化炉；(7)气化炉不能保持较长时间的热稳定性而丧失效率(或融化)；以及(8)气化炉不允许把氧化反应的位置移动到与还原区串联的位置，以补偿不同类型原料气化所需要的不同条件并形成发生炉煤气成分的不同比例。但是，当前的下吸式气化炉的最大缺点是(9)它们装载炉膛需要为氧化区以及气化炉的最热区设计有实质性的限制点(即，限制约为气化炉其它部分直径的一半)。
[0012]在理想的下吸式气化炉中，有三个区:热解区、氧化区和还原区(各自定义见下文)。在这类理想的气化炉中，(I)在氧化区内可以控制原料的停留时间(相对于通过气化炉其余部分的流量)，以便使得最大量的原料在通过氧化区进入还原区之前经受气化，以及
(2)还原区的设计应该使得氧化区产生的热气与还原区的煤焦尽快混合，并且尽可能彻底的混合，以促进彻底气化。不幸的是，当前气化炉的限制区域大大妨碍了可以通过这种气化炉的原料的总量，并且影响了发生炉煤气的总流量和产量。
[0013]现有技术的气化炉中的限制区通常被称为喉部和炉膛，如主流理论即表面速度理论所示，这在当前下吸式气化炉中是特意设计的。
[0014]测得的表面速度(SV)为:
[0015]SV =产气速率 / 横截面积=(m3/s) / (m2) = m/s
[0016]其中s =时间，m =距离。
[0017]用于设计下吸式气化炉时，表面速度理论是指氧化区内表面气速越高意味着发生炉煤气越洁净，产生的煤焦副产物越少。
[0018]氧化区内表面速度理论所需的物理限制本身限制了传统下吸式气化炉中原料的入口和出口。最好在限制区应该控制原料的速度，使其不受通过气化炉其余部分的速度限制，以便促进完全气化和减少煤焦副产物的产生。
[0019]下吸式气化炉的设计需要控制原料的流速以最低限制流速通过氧化区，以提高原料通过气化炉的总量和流量。
【发明内容】
[0020]下文是本发明的概要描述。作为序言提供概述，有助于本领域的技术人员更快地理解详细论述，详细论述确保并不再以任何方式来限定本文所附权利要求的范围，其目的旨在阐述本发明。
[0021]本发明公开了一种气化炉，包括多个垂直放置的联接管。所述管具有内壁和外壁以及近端和远端，其中近端具有入口，远端具有出口。气化炉具有三个分开的反应区:(I)热解区；(2)在热解区下面的氧化区；和(3)在氧化区下面的还原区。垂直可调的旋转炉排位于还原区下面，但不附属于还原区。与其它气化炉不同的是，这只是部分开口式气化炉(partially open core downdraft gasifier)，在气化炉远端没有气封。
[0022]作为选择，干燥区设置于热解区上面，从而能够利用气化炉的热量使原料进入气化炉之前干燥。在操作中，将原料加入热解区(即可直接加入，也可经由干燥区加入)。重力使得原料向下移动，通过三个反应区，在生物质原料被气化后，形成的发生炉煤气、碳灰和残渣副产物(“生物炭”)通过气化炉底部的炉排进入收集槽。通过重力将生物炭与发生炉煤气分开。
[0023]发生炉煤气也通过炉排排出，并且在收集槽侧由收集排气孔收集。收集槽内的压力是连接到集气排气孔的管道和在气化炉下游附在这些管道上的机器(即发动机、集气室等)的函数。气化炉的压力不是由收集槽的压力决定的。
【附图说明】
[0024]图1显示了气化炉的剖面前视图。
[0025]图2显示了气化炉的剖面侧视图。
[0026]图3显示了气化炉的外部前视图。
[0027]图4显示了气化炉的外部侧视图。
[0028]图5显示了气化炉的剖面前视图，所示尺寸单位为英寸。
[0029]图6显示了气化炉的剖面侧视图，所示尺寸单位为英寸。
[0030]图7显示了气化炉的剖面侧视图，阐释了诱导梯度和携入梯度的密集部分。
[0031]图8显示了气化炉的剖面透视图，阐释了诱导梯度和携入梯度的密集部分。
[0032]图9显示了带有氧化带的气化炉的剖面侧视图。
[0033]图10显示了带有氧化带的气化炉的剖面透视图。
[0034]图11显示了炉排框架的透视图。
[0035]图12显示了炉排框架的顶视图。
[0036]图13显示了具有螺旋沟组件的炉排的透视图。
[0037]图14显示了具有插入炉排的洞组件的炉排的前视图。
[0038]图15显示了炉排可移除部分的透视图。
[0039]图16显示了炉排可移除部分的顶视图。
[0040]图17显示了气化炉的剖面侧视图，用箭头描述气化工艺。
【具体实施方式】
[0041]定义
[0042]下列定义的术语并非限制性或综合性的，只是为理解本发明提供的快速参考工具。在本文件其它部分采用的其它定义的术语大写。大写的术语包括在此所采用的术语的所有变形、单数和/或复数形式。
[0043]“层氧化剂流(Bed Oxidant Stream) ”或“层气(Bed Air)”意指经入口(即，非平进气口)进入气化炉的氧化剂流，所述入口位于热解区(或可选的干燥区)顶端。
[0044]“生物炭”意指生物质原料被气化后所形成的碳灰和残渣副产物。
[0045]“旁通”意指位于气化炉下面的炉排顶部和还原区底部的开口之间的“间隙”，也可称为炉排节距。
[0046]“控制系统”意指操作系统，包括多个控制机构和协调软件，供用户/操作员调整气化炉的变量，比如炉排的旋转和高度、原料的输入和氧化剂流。
[0047]“干燥区”，就气化炉而言，意指原料在进入热解区之前被干燥的区域，所述干燥区是各种各样的容器或者热解区之上气化炉的延伸部分，但是，作为选择，也可以是与气化炉分开的区域和/或组件/单元。在气化工艺的情况下，“干燥区”的意指原料被干燥的阶段。
[0048]“气化炉流道”意指路径，通常是朝向气化炉中部的，原料在此移动最快，被气化，产生的发生炉煤气和生物炭继续移动进入还原区并经过炉排移动出气化炉。
[0049]“氧化剂流”意指空气或其它含氧气体。
[0050]“氧化带”，就气化炉而言，意指初级气化反应发生的位置。氧化带是氧化剂流连同来自气化炉的热量的聚集之处并且存在着原料，气化炉在横跨气化炉直径的白色热气的窄带中快速氧化原料。在气化工艺的情况下，“氧化带”意指气化反应的最热阶段。
[0051]“氧化区”，就气化炉而言，意指一直通往并离开氧化带的气化炉的