CN101068909A - 用于气化处理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明以由于通过向气化炉主体内供给可燃原材料并加热而得到的气体是低热值可燃气体、从而导致该气体的应用受到限制作为课题。为了在气化炉主体内产生高热值气体，向气化炉主体内供给空气。作为用于供给空气的机构，形成有延伸穿过布置在气化炉主体中的螺旋轴的孔，并且通过空气供给机构和螺旋上的孔来供给空气。

Description

用于气化处理的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于气化工艺的气化加工方法和设备，更具体地涉及用于产生高热值或高BTU可燃气体、同时限制在废物或碎屑例如木屑的处理中产生低热值可燃气体的加工方法和设备。
背景技术
由于废物例如木屑的焚化产生的二氧化碳和二氧杂芑是导致全球环境破坏的因素，因此最近对在高于或等于800℃的高温下完成热分解或热解而不会使废物燃烧的气化炉格外关注。
气化炉也被称为渗碳炉，在专利文献1和2中公开了它们的已知类型。专利文献1示出了一种为了降低干馏时间并吸取所产生的气体而布置成在关闭从料斗中供给待蒸馏材料的供给入口的状态下通过燃烧器并在干馏塔内完成干馏以使待蒸馏材料蒸馏的系统。专利文献2示出了一种布置在竖直方向以降低包括气化炉和燃烧炉的系统的尺寸的系统。
专利文献1：公开的日本专利说明书公开No.H01-28077。
专利文献2：公开的日本专利说明书公开No.2004-233048。
然而，气化炉具有以下问题。通过废物处理产生的干馏的可燃气体热值(卡路里，calorie)低至4-6MJ，由此收集的气体在利用燃烧热的热应用方面受到限制。由于低热值特性，收集的气体不适用于内燃机例如燃气发动机的燃料。因此，难以通过将内燃机作为原动机通过驱动发电机而将收集气体的能量转化电能，并难以期望实现多样化。出于以下原因产生高热值气体和低热值气体。
(1)为了产生高热值可燃气体，必须控制作为气化剂从外部供给的原材料的燃烧用空气量。气化炉容易使空气在供给原材料的步骤和排放的步骤被混合，并且难以遮断和控制外部空气。因此，从外部导入的过量空气促进了燃烧反应，并由此降低了可燃气体的热值。在这种气化反应中，如果没有形成任何焦油、煤烟和木炭，则反应可以通过以下表示所产生气体的主要成分的简化的化学反应式表达。
CnHmOp+aO2+bH2O→cCO+dCO2+eH2+CxHy
在高于或等于800℃的理论化学平衡中，不仅产生CxHy，而且产生CO、CO2和H2的纯净气体。在高温和长时间的反应中，所述成分变得接近平衡的气体成分。然而，如果气化剂的量相当少的话，则从化学平衡计算中也可以确认产生CH4和C(参照：Japan Institute ofEnergy编的“Biomass Handbook(日文)”、第93页)。
(2)为了产生高热值可燃气体，有效的方法是对原材料的快速热分解。然而，由于加工材料是固体，因此不可能仅通过利用来自的外部的热在设备内快速形成均匀的高温反应场，从而在原材料处理过程中形成不均匀性。因此，由气化炉产生的可燃气体的热值变得不规则(热值降低)并且所产生气体的量(体积)增大或减小。
图6是表示在上述参考文献的109页中公开的“加热温度与气体成分之间关系”的视图。在图6的视图中，在对数刻度上表示了通过瞬间加热产生的热分解气体的成分。在400℃的加热温度下，CO2占60％。在更高温度下，CO2浓度变得更低，并且可燃气体(CO、CO2、H2)的浓度变得更高。因此，如果大约4-6MJ的低热值气体的产生受到限制并且可以产生13MJ或更高的高热值气体的话，则可以使应用拓宽到采用该气体的热电联合系统的公式化；期望具有多样化；以及有效地利用未使用气体的能量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供可以产生高热值可燃气体的气化工艺和气化设备。
根据本发明的一方面，一种气化工艺，所述气化工艺包括：将可燃原材料供给到竖直气化炉主体内，其中，在竖直气化炉主体中旋转布置有螺旋装置；从气化炉主体的侧面加热气化炉主体；以及，收集所产生的气体；其中，所述气化工艺包括：通过向气化炉主体内供给空气来产生高热值可燃气体。
根据本发明的另一方面，通过加热气化炉侧面并由此使可燃原材料燃烧而进行快速加热，由此进行气化炉主体的加热。
根据本发明的另一方面，在气化炉主体的加热过程中，空气供给量设定在氧量为2％-10％的范围内。
根据本发明的另一方面，通过经由形成在螺旋装置的螺旋轴中的轴向孔供给空气，来进行空气向气化炉主体内的供给。
根据本发明的另一方面，通过设置在螺旋装置中的搅拌叶片来分散被供给到气化炉主体内的空气。
根据本发明的另一方面，一种气化设备，所述气化设备包括：气化炉主体内，其被布置成将原材料供给到气化炉主体内，气化炉主体从气化炉主体的侧面被加热，并且所产生的气体被收集；以及，螺旋装置，其旋转布置在竖直气化炉主体中；其中，螺旋装置的螺旋轴形成有孔，该孔的一端与空气供给机构相连、且另一端与气化炉主体的内部连通，螺旋装置布置成经由空气供给机构和螺旋装置向气化炉主体内供给空气。
根据本发明的另一方面，所述气化设备还包括加热炉，该加热炉包围气化炉主体，并且布置成加热气化炉主体的侧面。
根据本发明的另一方面，与气化炉主体内部连通的螺旋轴的孔设置在由气化炉主体中的螺旋装置的搅拌叶片将被排出的空气分散的位置上。
根据本发明的另一方面，气化炉主体包括在气化炉主体下部的侧面上形成的空气供给孔，并且布置成经由所述空气供给孔向气化炉主体内供给空气。
根据本发明的另一方面，所述气化设备还包括：设置在气化炉主体的原材料入口侧的输送器，以及设置在气化炉主体的碳化物出口侧的输送器；并且，所述输送器布置成由输送器或承载在输送器上的物质来遮断经由入口侧和出口侧的空气的流入和流出。
根据本发明的另一方面，根据设置在气化炉主体中的传感器的输出信号，在驱动状态与停止状态之间控制每个输送器。
根据本发明的另一方面，在气化炉主体的侧面加热部分中形成腔，并且通过该腔和与该腔连接的导气管收集所产生的气体。
根据本发明的另一方面，由所述腔和导气管收集到的所产生的气体被用于内燃机中的燃烧。
根据本发明的另一方面，由所述腔和导气管收集到的所产生的气体被用作加热气化炉主体的燃料。
附图说明
图1是表示根据本发明第一实施方式的构造的示意图。
图2是以部分竖直剖面表示根据本发明的气化炉的正视图。
图3是表示根据本发明另一实施方式的构造的示意图。
图4是表示由根据本发明的气化炉产生的可燃气体成分测量结果的视图。
图5是表示由根据本发明的气化炉产生的气体的氧浓度与总发热量之间关系的视图。
图6是表示已知系统的加热温度与气体成分之间关系的视图。
具体实施方式
下文将参照附图详细说明根据本发明的实施方式。
图1是表示根据本发明的气化炉的构造的示意图，图2是表示部分气化炉的视图。在每个图中，附图标记1表示由导热性良好的耐火金属制成并构造为空心圆柱形的竖直气化炉主体。附图标记2表示形状如管的加热炉。气化炉主体1延伸穿过加热炉2；并且加热炉2的下部具有燃烧室3。燃烧室3具有采用丙烷气体等作为燃料的燃烧器4和鼓风机5。在燃烧时，该鼓风机5强制供应燃烧所需的空气。部件2-5构成了加热部分6，并且所述气化产生高热值可燃气体。所产生的高BTU气体在燃烧之后变热(800-1000℃)。因此，所产生的高BTU可燃气体可以用作能够转换成电的通常外燃机(例如Stirling发动机)的热源，并用于发电。为了用作通常内燃机(例如燃气发动机)的燃料，必须使可燃气体冷却。因此，提供具有适于内燃机燃料消耗的容积或容量的旋风器。在该旋风器中去除灰尘，随后通过交换器和生物质过滤器向未示出的内燃机供给可燃气体作为燃料。
图2表示自持燃烧式系统。在气化炉主体1中产生的生物气体通过腔11和导气管12吸入旋风器20内，并且从收集的气体中去除粉尘。在去除粉尘和其它不合乎要求的物质之后，在旋风器20中聚集的气体被输送到交换器21并得到冷却；并去除醋酸液体和焦油。随后，再次在生物质过滤器22中去除粉尘和其它杂质，此后向燃烧室3供给气体作为燃料。根据所述工艺中原材料的种类和属性设计从旋风器到燃烧室的系统构造。附图标记24表示排气部分，无烟废气通过该排气部分排放到外部。在燃烧过程中，在气化炉主体1的中间部分形成还原层，并在下部形成氧化层。气化炉主体1具有用于气体聚集的腔11以及在用于收集绕氧化层和还原层产生的可燃气体的最佳位置形成的导气管12。该导气管12在加热炉内延伸，并由此起到防止因温度降低产生焦油和气体物质的作用。
附图标记7表示在气化炉主体1内竖直延伸的竖直式排出螺旋装置，其处于气化炉主体1的下部。螺旋装置7布置成恒定地通过驱动源单元例如图中未示出的马达驱动旋转。螺旋装置7包括一个或多个搅拌叶片8以及形成具有尖圆锥部分7a以防止碳化物固结的螺旋前端。此外，在螺旋装置7的轴内形成用于输送冷却螺旋装置的空气的轴向孔7b以及与气化炉主体1的内腔连通的孔部7c。孔部7c位于轴向孔7b的上部位置。附图标记9表示一个或多个穿过气化炉主体1的内壁钻成的具有适当孔径的孔。孔9和螺旋装置7的轴向孔7b分别与从用于从鼓风机10供给空气的空气供给管10a分出来的支管相连；并布置成供给用于在气化炉主体1中内燃的空气，由此在空气量控制方面起到重要作用。
在图2的示例中，存在用于供给内燃用空气的两种分配路线：由在螺旋轴和孔部7c中形成由轴向孔7b构成的第一路线，以及由在气化炉主体的内壁中形成的孔9构成的第二路线。由轴向孔7b和孔部7c限定的路线本身在控制供气量的容易程度和冷却螺旋装置7的性能方面就比较有利。然而，当仅通过轴向孔7b和孔部7c的路线供给空气时，供给到气化炉内的空气可能会由于原材料的种类和粒子直径或尺寸而不充足。因此，在图2的示例中，还设置孔9以根据原材料的种类和粒子尺寸供给适量的空气。根据原材料的种类和属性适当确定排出螺旋装置7、搅拌叶片8和孔9的形状和尺寸、以及旋转速度。
气化炉主体1的上部具有原材料输入料斗13、原材料供给输送器14以及滑块式传感器19。通过输送器14将输入到料斗13的原材料WB输送到气化炉主体1内。输送器14以大于或等于例如10度的倾斜角倾斜，并由此布置成由具有反向旋转功能的原材料(原材料的回流)阻止空气泄漏。旋转叶片式传感器15布置在原材料输入料斗13中。原材料喂入系统布置成在供给到气化炉主体1内的原材料的量变少并由此引起传感器15的旋转叶片开始旋转时，将原材料例如木生物质输入到料斗13内。
通过滑块式传感器19控制原材料供给输送器14。当炉中的原材料量变得少于或等于预定值时，传感器19响应，并且原材料供给输送器14操作一段时间。气化炉的下部具有碳化物排排出斗16、碳化物排出输送器17以及旋转叶片式传感器23。当旋转叶片式传感器23的旋转叶片停止旋转(充满碳化物)时，碳化物排放输送器17运转并排出碳化物。由于排出的碳化物是热的，因此处于安全防护，绕气化炉主体1的下部和碳化物排出输送器17设置水冷套18，并且供给冷却水CO。
在根据本发明上述构造的设备中，沿原材料的流动说明废物或碎屑(原材料)的处理工艺。
首先，从原材料输入料斗13输入适当量的原材料WB，随后原材料供给输送器14将原材料连续输入到气化炉主体1内。当气化炉主体1充满输入的原材料时，加热炉2中的燃烧器4点火开始通过外部加热进行热解或热分解。在这一阶段，排出螺旋装置7在达到烘干状态之前都不旋转、保持静止。在该状态下，在气化炉主体1中，随着热分解反应的进行而形成出氧化层OX和还原层RE。
炉中的温度达到氧化层大约800℃以及还原层大约700℃。在达到炉中的这些温度之前，排出螺旋装置7在适当时间段截止时开始旋转。因此，排出螺旋装置7运转以排出碳化物并通过鼓风机10供给空气，开始进行内燃。在这种情况下，随着螺旋装置7的旋转，从螺旋装置7的孔部7c和孔9喷出的空气冷却螺旋装置7，同时在气化炉内均匀分布。通过采用该空气，部分原材料以内燃的方式燃烧，可以通过气化炉中的对流来移动所产生的高温气体，并由此能够获得均匀的热扩散。
由烘干状态下的原材料产生的高温气体起到在输入时去除气化炉上部的原材料中含有的湿气(脱水)的作用。燃烧室中的温度变得大致等于1000℃，加热部分下部的温度变得大致等于900℃，并且加热部分上部的温度变得大致等于600℃。在这种状态下，新输入的原材料可以以温度升高速度或平均大致等于11℃/秒的升高速度快速得到加热(并热分解)。原材料通过热分解变成碳化物或木炭，并通过碳化物排出输送器17将所产生的碳化物或木炭排到炉外。通过气体聚集腔11和导气管12收集所产生的高热值或高BTU可燃气体。收集到的可燃气体作为燃料而用于通过适当的内燃机和外燃机产生能量。
以上所述的发明可以提供以下效果。
(1)作为用于快速使原材料热分解的方法，所述设备采用的构造应用外部加热模式和内部燃烧模式；在外部加热模式中，通过采用使用矿用燃料的燃烧器4或通过采用由原材料产生的可燃气体的燃烧形成的热间接向原材料施加热量；在内部燃烧模式中，燃烧部分原材料并利用燃烧产生的热进行分解。因此，热量通过穿过气化炉的内部和外部的对流而以高温气体的形式循环，从而可以从所有原材料中获得可燃气体。
(2)为了将原材料均匀和容易地放置成与高温气体接触，采用竖直式构造，其中高温气体从下部被引导到上部。在这种构造中，易于从气化炉的上部收集通过原材料与高温气体的接触反应产生的可燃气体。而且，可燃气体导管布置在加热炉中，因此产生的可燃气体保持高温，使得这一构造可以防止因温度降低而形成和粘附焦油。
(3)在气化炉主体的下部，设置竖直排出螺旋装置7作为在热分解之后防止排出的物质(碳化物)固结的机构。排出螺旋装置7可以通过旋转防止由热分解形成的碳化物的固结。而且，螺旋装置的前端延伸到固结碳化物的氧化层。因此，螺旋装置防止碳化物变成大块。此外，螺旋装置的前端形成尖状以防碳化物固结。因而，螺旋装置可以防止碳化物固结。
(4)螺旋装置7具有中空结构，其布置成通过内腔从鼓风机10供给空气，用以控制用于内部加热(燃烧)并作为产生高热值气体最重要的氧化剂的空气的量。螺旋轴被形成具有用于空气供给的连通孔7b和7c，并且从孔7c中喷出的空气可以冷却螺旋装置并且同时借助螺旋装置的旋转在气化炉中均匀分布。部分原材料利用该空气进行内燃，所产生的高温气体通过在气化炉中对流而得到循环，并由此产生均匀的热扩散。
空气供给路线局限于经由螺旋装置的路线。因此，所述设备仅通过控制鼓风机的空气流动就可以很容易地控制空气供给量。然而，由于空气供给根据原材料的粒子尺寸而变得不足，因此如图2所示进一步设置用于从气化炉下部的侧壁供给空气的结构，从而提高所述效果。
由于所产生的可燃气体热值高，因此部分气体被引导到燃烧室并用作燃料。这种结构有助于降低燃料成本并减少二氧化碳。
(5)为了遮断空气通过螺旋装置以外的部分进入，在原材料的入口和出口各自设置作为空气遮断(密封)机构的原材料供给输送器。该输送器防止气化炉内部直接暴露于外部空气。而且，该输送器以10°或更大的倾角倾斜，并因此布置成在输送器停止时反向旋转几秒，从而采用原材料实现空气遮断。这种结构防止空气不均匀或过量流入气化炉内，并因此促进高热值可燃气体的产生。而且，在原材料进口和出口设置旋转叶片式传感器，并且其可操作地与输送器相连，从而提高密封性能。传感器并不局限于这种类型，可以采用适当的类型。
(6)除非将原材料相对气化炉的输入和输出控制在适合气化炉内部容积的预定量，否则必须频繁控制空气供给量。在本实施方式中，在炉的上部，设置滑块式传感器用以感测输入材料的充足程度，并利用传感器的信号。因此，该实施方式可以限制低热值可燃气体的产生并产生高热值可燃气体。
图4和5是表示根据本发明由气化炉产生(生成)的高热值可燃气体的成分测量结果的视图。在该示例中，原材料是作为生物质WB的木屑(1-20mmφ)，并对因控制来自鼓风机10的空气(氧)量而产生的可燃气体的成分进行了比较。在图5中，水平轴线表示供给的氧浓度，并且竖直轴线表示所产生的热量(热值)。结果表明通过将空气(氧)量控制在10％-2％而使总体产生的热量(热值)提高到8-23MJ。尤其是，作为可燃气体主要成分的甲烷(CH4)的浓度受到影响而存在差别。通过所述结果，根据本发明的设备可以产生13MJ或更高的高热值可燃气体，使得设备可以用于电能产生系统，并且本发明的效果明显。
图3表示另一实施方式。与图1和2中所示部件相同或相应的部件由同一附图标记表示。在加热炉(气化炉)6中产生的生物气体BG收集在旋风器20中，并被净化以去除粉尘等，随后被输送到热交换器21。热交换器21包括使冷却水CO在交换器的外周循环的系统。在冷却生物气体BG的同时，热交换器21去除醋酸液体和焦油成分并将去除的醋酸液体和焦油成分排到外部以进行回收收集。去除醋酸液体等物质的生物气体BG被输送到生物过滤器22，并进一步去除粉尘等。此后，生物气体BG被输送到加温装置25。无烟废气EX通过排气部分24被引导到加温装置25内，并且通过处于热状态的无烟废气加热生物气体BG。被加热的生物气体BG通过感应鼓风机26被抽吸到燃烧室3并用作气化炉的燃料。另一方面，用于在加温装置25中加热生物气体BG的无烟废气EX通过排气风扇27排放到外部。
在该实施方式中，如图1系统那样，还通过鼓风机10向气化炉主体1供给控制空气，并且可以产生高热值可燃气体。因此，该实施方式可以提供与图1所示系统类似的效果，并且更有助于如图2所示系统那样降低燃料成本并减少二氧化碳。
如上所述，根据本发明，由于可以产生高热值可燃气体，因此所述燃料可以用于外燃机和内燃机所需的电能生产，从而拓宽了应用并可以实现多样化。而且，由于可以产生高热值可燃气体，因而所产生的气体可以作为燃料用于外部加热式设备，从而可以构造成能够利用原材料本身产生的能量来处理原材料的循环设备。

Claims (14)

1.一种气化工艺，所述气化工艺包括：准备在竖直气化炉主体中旋转布置的螺旋装置；将可燃原材料供给到竖直气化炉主体内；从气化炉主体的侧面加热气化炉主体；以及，收集所产生的气体；其特征在于，
通过向气化炉主体内供给空气来产生高热值可燃气体。
2.如权利要求1所述的气化工艺，其特征在于，通过加热气化炉侧面并由此使可燃原材料燃烧而进行快速加热，由此进行气化炉主体的加热。
3.如权利要求1或2所述的气化工艺，其特征在于，在气化炉主体的加热过程中，空气供给量设定在氧量为2％-10％的范围内。
4.如权利要求1-3中的一项所述的气化工艺，其特征在于，通过经由形成在螺旋装置的螺旋轴中的轴向孔供给空气，来进行空气向气化炉主体内的供给。
5.如权利要求1-4中的一项所述的气化工艺，其特征在于，通过设置在螺旋装置中的搅拌叶片来分散被供给到气化炉主体内的空气。
6.一种气化设备，所述气化设备包括被旋转布置在竖直气化炉主体中的螺旋装置，并且被布置成将原材料供给到气化炉主体内，气化炉主体从气化炉主体的侧面被加热，并且所产生的气体被收集；其特征在于，
螺旋装置的螺旋轴形成有孔，该孔的一端与空气供给机构相连、且另一端与气化炉主体的内部连通，并且该气化设备布置成经由空气供给机构和螺旋装置向气化炉主体内供给空气。
7.如权利要求6所述的气化设备，其特征在于，设置有加热炉以便包围气化炉主体，并且所述气化设备布置成通过加热炉来加热气化炉主体的侧面。
8.如权利要求6或7所述的气化设备，其特征在于，与气化炉主体内部连通的螺旋轴的孔设置在由气化炉主体中的螺旋装置的搅拌叶片将被排出的空气分散的位置上。
9.如权利要求6-8中的一项所述的气化设备，其特征在于，气化炉主体包括在气化炉主体下部的侧面上形成的空气供给孔，并且所述气化设备布置成经由所述空气供给孔向气化炉主体内供给空气。
10.如权利要求6-9中的一项所述的气化设备，其特征在于，所述气化设备还包括：设置在气化炉主体的原材料入口侧的输送器，以及设置在气化炉主体的碳化物出口侧的输送器；并且，所述输送器布置成由输送器或承载在输送器上的物质来遮断经由入口侧和出口侧的空气的流入和流出。
11.如权利要求6-10中的一项所述的气化设备，其特征在于，根据设置在气化炉主体中的传感器的输出信号，在驱动状态与停止状态之间控制每个输送器。
12.如权利要求6-11中的一项所述的气化设备，其特征在于，在气化炉主体的侧面加热部分中形成腔，并且通过该腔和与该腔连接的导气管收集所产生的气体。
13.如权利要求6-12中的一项所述的气化设备，其特征在于，由所述腔和导气管收集到的所产生的气体被用于内燃机中的燃烧。
14.如权利要求6-13中的一项所述的气化设备，其特征在于，由所述腔和导气管收集到的所产生的气体被用作加热气化炉主体的燃料。
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