CN101495603A - 用于产生氢和电的热还原气化方法 - Google Patents

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Abstract

用于从废有机材料产生合成气的装置，所述装置由热还原气化反应器组成，所述反应器是具有用于气化有机材料的干燥和挥发区以及用于将气化的有机材料转变成合成气的转化区的旋转反应器。将固体废有机材料进料到反应器，该反应器将所述固体材料加热到约600℃至约1000℃的温度。由所述装置产生的合成气基本是氢和一氧化碳。将所述装置与发电系统组合用于制造净化的氢和电。备选地，可以将所述合成气用作氢源。将所述合成气净化，将所述组成改变成富集氢的内容物，并且将所述氢从其它补充所述合成气的气体离析出。备选地，可以将所述合成气发酵形成有机醇和有机酸。

Description

用于产生氢和电的热还原气化方法
发明背景
1)发明领域
本发明一般而言涉及用于气化有机材料的方法和装置，并且更具体而言涉及用于从具有固定氢的废有机材料诸如生物质、城市固体废物、废轮胎、汽车粉碎残余物和农业废物产生分子氢的方法和装置。
2)现有技术
本领域中已知的是，煤由热造成的热解可用于生产类似石油的馏出物，它的气体形态被称为合成原油(syncrude)。在类似方法中，由天然气的部分氧化的燃烧形成气体燃料，从而形成氢和一氧化碳的气体混合物。此具有优异还原性质的气体混合物通常称为合成气或转化气，并且经常将它用在炼铁和炼钢中，将氧化铁在相对低温下金属化成铁。除了炼铁之外，转化气不经常用作热源因为它们具有比天然气更低的热含量。甲烷的燃烧热是21528BTU/Lb或907BTU/立方英尺。氢的燃烧热是51552BTU/Lb或273BTU/立方英尺，并且一氧化碳的燃烧热是4242BTU/Lb或330BTU/立方英尺。基于体积，转化气具有天然气热含量的约三分之一，然而，基于重量，假定有相等摩尔百分率的一氧化碳和氢，所述混合物的燃烧热为7489BTU/Lb。基于重量，氢具有比天然气高得多的热含量。氢唯一的燃烧产物是水，因此作为燃料具有非常低的环境影响。因为它的高燃烧热和环境友好性，已经将氢认定为选择用来补充或代替汽油的燃料。也认为氢比石油基的燃料对于操作有较少危险，因为它是如此挥发性以致如果意外释放，则它将容易地分散，并且分散的速率如此之快，以致于将有充分数量以致存在爆炸水平的可能性最小化。相反，仅有一部分汽油是挥发性。
许多州，最显著的是加利福尼亚，已经启动研究以评价为通过氢或混合系统提供动力的汽车及其他车辆提供氢分配网络的可行性。所述研究一般确定了两个可行的解决方案，一个是沿着电力网，产生设施使用电而产生氢，和另一个是在中央产生氢，然后作为压缩气体或低温液体分配。所述解决方案认为，大多数能量源基本上是集中的，或者作为大的产生设施像水电站、煤厂或核电站或作为带有油罐区的精炼厂。虽然存在规模经济，但是大量的电生成设施在所述电网上具有显著的能量损失，并且由分配网络本身的投资成本进一步增加能量的成本。来自裂化设施诸如精炼厂的氢，或者作为压缩气体或者作为管道气体的分配具有增加的分配费用，并且依赖石油。
需要的是可以可靠地或者直接或者间接产生燃料的系统用作氢源，其中所述系统将基本上是独立式的，并且能利用用于动力的非常规材料。所述系统优选应当仅需要最小的分配网络并且，在需要时，能补充现有的电力网。
发明概述
本发明提供用于热加工初级或者次级来源的有机基原料以便提取挥发性有机蒸气并选择性生产不可冷凝的合成气的方法和装置，所述合成气富有氢和一氧化碳，用作化学加工的初级原料或用作燃料。本发明提供单一或混合来源的天然或合成有机材料和高度可变的颗粒大小和形状的环境安全的、有效的和多用途的加工。
本发明也提供用于产生烧焦物的方法和装置，所述烧焦物是基本上惰性材料的玻璃质掺合物，所述的基本上惰性材料是填埋安全和/或具有作为玻璃质材料商业应用的。具有商业应用的玻璃质材料的实例是砖、瓦、颜料、填料和陶瓷。本发明也提供将尺寸过大的残留材料与来自要被玻璃化的材料的烧焦物相分离。
特别是，本发明提供具有两个邻近的炉膛反应区的单一旋转反应器，所述的两个邻近的炉膛反应区是作为干燥和挥发区域的第一区和作为转化区的第二区，其中所述区由具有流体连接所述两个反应区的孔的内部耐熔堰分开。在两个反应区的每一个中，可以选择性控制内部气体气氛的温度、压力和化学特性，以实现需要符合所需运转目标的汽化烃气的挥发、裂化、离解和/或转化的程度。将固体废有机材料经由装有气锁的输送机注入所述反应器的第一区中。所述气锁封闭大部分环境空气，并且特别是氮。所述旋转反应器具有用于加热废有机材料到温度为约500℃至约600℃的第一区氧-燃料(oxy-fuel)燃烧器。所述燃烧器采用基本上无氮气的氧气。所述燃料典型是天然气、丙烷、丁烷、燃料油、煤粉或它们的掺合物。第一区氧-燃料燃烧器提供火焰，将所述火焰基本上引导到进料材料之上，以便所述进料材料的燃烧是最少的。通过本发明的方法，当新的有机进料材料进入所述反应器时，将其快速加热。通过所述的内部堰，将所述附加的有机进料材料保持在干燥和挥发区，并且与预先加热的残留固体物质在物质的共同床中混合，直到新的进料材料完全干燥并挥发。干燥并挥发的残留固体物质和得到的生产气体通过所述耐熔堰进入反应器的转化区域。反应器的转化区域具有同样基本上引导到物质床之上的第二区氧-燃料燃烧器，并在约600℃至约1000℃的量级上提供足够的热量，以引起所述挥发的有机材料热裂化和离解，从而形成富有氢和一氧化碳的合成气。
在旋转反应器的出口，存在气体排放管，富氢的气体混合物通过它离开，和排放口，所述灰分残余物通过它离开。
取决于所述进料材料的组成，可以存在加入水、氧气，或者甚至补充燃料的需要，并且所述反应器在第二区可以具有富集注射口，它可以使所述合成气体混合物的化学计量向具有更高燃烧热或更高重量百分比的分子氢的气体移动。例如，如果需要所述气体混合物具有更高百分比的氢，则为了确保更大百分比的挥发性有机物分解成一氧化碳和氢，所述富集注射口可用于加入水。在水中的氧气氧化所述碳，从而生成一氧化碳和氢。因为所述反应是吸热的，它也可能必须降低通过量，以保证温度是足够热的，从而保持向氢移动的合成气反应平衡。如果更低水平的氢是可接受的，则所述富集注射口可用于加入燃料和/或降低温度并提高通过量。如果废有机材料具有特别高的碳含量，诸如聚丙烯或聚乙烯，则富集注射口可用于注入纯氧而将所述碳氧化成一氧化碳和氢。
可以将由所述装置产生的合成气提纯(即，利用旋风和过滤装置、活性碳层、涤气器、变换反应器(shift reactors)、氢筛分、氢分离、筛分，及其它提纯装置)，以便它适于燃料电池、运输、化学、工业、药物、能量、和食品工业应用。
备选地，可以将由所述装置产生的合成气通过发酵过程变成有机酸和醇。在经过气体洗涤系统以后，然后将合成气经过生物反应器，所述生物反应器通常是大发酵罐，其中含有特殊厌氧菌的水溶液消耗来自所述合成气的一氧化碳和氢，并产生有机醇和酸。然后可以将这些产品分别回收作为高附加值的产品。在TRG合成气中含有的烃气不被所述细菌消耗，并与二氧化碳和氮气一起经过所述发酵过程，作为残余气体。残留的发酵气称为FermGas，它具有一些热值。FermGas可用于提供TRG反应器的燃料或经由涡轮机用于产生电力或者收集用于随后的使用。
工种设计所述装置以便它可以接收多种可再生的有机进料材料，并特别是城市、农业和某些工业产生的废物流。用于所述装置的进料在附近或将在附近，并且由公众以垃圾的方式连续产生的。在除了运送成本外基本上免费的成本下，规模经济更多地由燃料供应的现成可利用性补偿。
在所述方法中，将废有机材料机械地计量到TRG反应器的干燥和挥发区域中，并通过热传递方法迅速加热到约500℃至约600℃的温度，所述热传递方法在区1优选包括至少一个挥发氧-燃料燃烧器。通过基本上限制所述固体材料的内部堰，将有机进料材料保持在所述干燥和挥发区域，直到它们达到接近第一区温度上限的温度，然后溢出至第二区，在第二区中，最理想地是它们足够热，以在物质的共同床中与之前加热的残留固体物质混合。然后，将干燥和挥发的残留床物质和得到的生产气体转到所述反应器的第二区，在第二区中，将所述气体裂解并离解，由区1和区2中的氧-燃料燃烧器提供的火焰气化所述进料材料的有机成分，将烃分解成小分子，然后将烃基本转化成基本上的一氧化碳和氢。得到的合成气可以原样用作燃料，或者提纯成氢。
附图简述
通过参考下列的详述和附图，上述及其它目的将变得容易明白，在附图中：
图1是本发明优选实施方案的示意性横断面视图，其中可以实施本发明的方法，用于气化有机材料。
图2是具有耐热表面的旋转反应器中，进料材料相互旋转的示意性横断面视图。
图3是可以与所述装置组合的各种联合发电系统(cogeneration systems)的示意图。
图4是TRG(热还原法-气化)方法的示意图，其中产生合成气，可以将合成气用作产生电和氢的燃料来源。
图5是TRG方法的示意图，其中将所述合成气经由发酵转化成有机醇和有机酸。可以将含有气体有机烃，典型地是C1至C3气体的非代谢气体用作燃料源。
发明详述
本发明提供具有两个邻近的炉膛反应区的单一反应器，所述的两个邻近的炉膛反应区是作为干燥和挥发区的第一区和作为转化区以及炉膛熔化区的第二区。存在位于所述两个反应区之间并且由其共有的床保留径向堰。在示例的实施方案中，所述径向堰具有用于流体连接所述反应器的两个炉膛反应区的孔。将本发明的单一反应器优化，以产生具有来自废有机材料的氢的合成气。
在单一反应器之内可以产生并转化所需化学组成的合成气，而不需要下游的次级转化或“最后的”反应器。而且，通过精确控制一个或多个输入燃烧器的温度、压力和化学特性，以及在单一反应器的两个反应区的气体气氛，可以获得合成气的设计平衡化学组成。
虽然本发明可以由热解和气化领域的普通技术人员在另一种类型的容器中实施，但是最容易并且优选实施本发明的优选反应器是旋转反应器，所述旋转反应器围绕它的纵轴旋转，并且水平配置或者相对于它的旋转轴稍微倾斜地配置。即使所述旋转反应器是水平配置的，所述进料材料也向着排放端向前翻动。加热的固体物质床层通过单一反应器的质量流量是可以由所述反应器的转速、所述堰的高度控制的。
整个反应器是绝热的且是耐火材料衬里的，因此可以在不遭受结构损坏的情况下是安全的且重复加热到高达1000℃的内部温度。最大容许温度依赖于有关的无机固体的低熔化温度。旋转反应器的实例是旋转窑。适于用在本发明中的典型旋转窑具有碳素钢壳，所述的碳素钢壳衬有约3至4英寸的绝缘材料和约6至9英寸的耐熔的热面耐火材料，足以保持暴露于外部气氛的所述壳的温度在可接受的程度。
将TRG(热还原-气化)方法设计成气化含有碳、烃和/或纤维素物质的社会上的废物和/或天然的有机基固体或者液体材料(生物质)。它是直接将这类有机进料材料快速气化和转化成高-等级合成气(也叫做，合成气)的高温低压方法。按折干计，TRG合成气典型以近似相等的摩尔量含有65％至75％之间的一氧化碳和氢，10％至20％的一种和两种碳烃，和12％至18％二氧化碳加氮气。产生出来时，TRG合成气含有约7％的水分。
表1给出了典型城市垃圾的分解，它预期是用于所述反应器的进料材料燃料的主要来源。
表2给出了基于城市固体废物的一般原料，TRG合成气的组成。产生350K scf/hr的反应器将产生约126百万BTU/hr。
表3给出了灰分的组成。
                        表1
总体                  接收时           干燥
                      重量％           重量％
水分                  42.3             0.0
挥发物                44.3             76.8
固定碳                5.6              9.7
灰分                  7.8              13.5
元素分析
氢                    7.6              5
碳                    27.2             47.3
氮                    0.8              1.4
氧                    56.5             32.6
硫                    0.1              0.2
灰分                  7.8              13.5
合计                  100              100
BTU/Lb                5,310            9,180
                  表2
组成            干合成气            湿合成气
                体积％              体积％
氢              36.22               33.11
一氧化碳        35.15               32.66
甲烷            8.13                7.55
乙炔            0.37                0.34
乙烯            1.82                1.69
乙烷            0.38                0.36
其它烃类        0.17                0.16
二氧化碳        17.40               16.17
氮              0.34                0.32
水蒸气          0.00                7.09
       合计     100                 100
       BTU/scf  354                 329
                  表3
组成            底部灰分            合并的灰分
                重量％              重量％
硅酸盐          16.8-20.6           13.8-20.5
石灰            7.1-7.7             5.4-8.0
铁氧化物        2.1-9.3             2.9-7.9
铝氧化物        4.7-5.6             3.3-5.5
本发明的反应器具有至少两个燃烧器和至少一个用于提供所述方法所需的热能和燃烧产物的富集注射口。至少一个第一区燃烧器位于反应器的进料端，以提供高温燃烧产物和用于干燥并挥发所述有机进料材料的能量，并且至少一个第二区燃烧器位于所述反应器的排放端，以提供另外的用于加热固体残留物质的高温能量和燃烧产物，以及用于加热从干燥和挥发区进入转化区域的负载有烃的蒸气和/或烟气。虽然可以使用其它类型的过程燃烧器，但是本发明最优选的燃烧器类型是使用与适当的气体、油、煤粉或混合物混合的纯或接近纯的氧气的燃烧器，以提供必要的过程热和气氛化学。用在本发明方法中的适合的氧-燃料燃烧器可以获自从本领域技术人员已知的商业厂商。所述过程燃烧器可以是水-冷却的或气体-冷却的或用为本领域技术人员所知其它方式冷却的。当充分的气氛温度和现场易燃的气体存在时，采用富集注射口将纯的或接近纯的氧气直接注入到富燃料(合成气)转化区的高温气氛中。有时，也可以优选注入另外的燃料和蒸汽。用在本发明中的适合的富集注射口可以获自本领域技术人员所知的商业厂商。
由本发明的方法，优选可以具有从约4英寸直到粉尘粒级粒子的粒子大小的进料材料通过常压的闭锁装置被计量到所述反应器的干燥和挥发区中，所述闭锁装置防止自由空气进入容器并且防止高温工艺气体离开所述容器。可以另外采用吹扫气体诸如二氧化碳或蒸汽以防止空气的进入。在整个反应器中采用本领域技术人员已知的高温密封以防止空气和气体的渗漏，并且以在所述反应器内部保持所需压力。反应器中的压力优选借助于容积式泵稳定在水位表的负1.0和正1.0英寸之间，所述容积式泵通过抽出气体在所述反应器上施加负压力，并且通过将小部分的清洁压缩气体管道输送回所述反应器中施加平衡正压，导致所需的相对于负压到正压的平衡。优选地，将压力保持稍微负的，以便不加压比必要更多的气氛密封。
在所述反应器的干燥和挥发区，可以通过选择性调节来自第一区挥发燃烧器2的能量输入，将过程温度调节到任何所需水平。优选地，为了从进料材料9完全除去游离水分并蒸发易挥发性有机物质，将进料材料9迅速加热到约500℃至600℃的温度。如上所述，优选的第一区挥发燃烧器是氧-燃料燃烧器，所述氧-燃料燃烧器具有与注入的氧气和燃料气体以亚-至超-化学计量学范围内的比例操作的能力，所述的亚-至超-化学计量学取决于操作目的。优选地，输入燃烧器气体比可以在1.75∶1至高达10∶1改变。当燃烧器供给的燃料气体流量根据操作目的而减少时，也可以通过与注入的超化学计量的氧气的部分燃烧，消耗从进料材料发出的挥发有机气体。
第一区燃烧器直接从反应器的进料端燃烧到干燥和挥发区中，并且位于所述反应器之内，以便避免火焰与床层进料材料和炉膛耐火材料的直接撞冲以避免窑壁上的碳化。还可以通过精确控制干燥和挥发区中的空气温度以免达到所述固体物质的熔化温度而防止残留固体物质的成渣。来自第一区燃烧器的燃烧产物(二氧化碳和水蒸气)和从进料材料床层放出的负载有烃的气体，以与所述固体残留物质同向的方向流向所述转化炉膛区域。
放出的过程气体和固体残留物质通过经过径向堰之上而从区1流入到区2中，如上所述，所述的径向堰将固体残留床层物质在干燥和挥发区中保持充分量的时间，以容许发生基本上完全的干燥和挥发。
在转化区，从干燥和挥发区进入的负载有烃的蒸气经受可以在600℃和1000℃之间改变的受控温度，根据操作目的选择所述温度。由位于反应器排放端并直接燃烧到转化反应区中的第二区燃烧器提供高温过程能量。将燃烧器定位在所述反应器之内，以避免火焰与残留固体材料和炉膛耐火材料的直接撞冲以避免反应器壁上的碳化。通过精确控制转化区的温度以防止所述固体材料熔化，而将它保持在低于初熔温度。
优选的操作方法是使用第二区燃烧器以预热所述旋转反应器和过程气体处理系统之后将进料材料引入到反应器中。在新进料开始进入到所述反应器以后，并且干燥和挥发区和转化区中建立设立适当的操作温度并达到所需的化学平衡以后，第二区燃烧器的燃烧速度可以逐渐地减少到低燃烧水平，同时通过经由富集注射口的氧气直接注入到转化区，系统地替代所述过程的能量需要。
第二区燃烧器和/或富集注射口在相对于来自反应器1的干燥和挥发区的过程气体和灰尘和固体的流动的反向方向上燃烧它的燃烧产物，以便将来自燃烧器的燃烧产物与所述过程气体彻底混合。因而，大部分过程(负载有烃的)蒸气与来自第二区燃烧器的非常高温度的氧化剂(CO2和H2O)迅速并强烈混合。将所述有机物蒸气快速裂解、解离和/或转化成富氢和一氧化碳的合成气，并且很少或没有可冷凝的烃蒸气残留在气体产物中。
本发明方法和装置的另一个重要的方面是，如果不是全部，也是大多数的保持在从干燥和挥发区经过进入反应器的转化区的残留床层物质中的固定碳的固体转化成合成气。通过所述过程，在水蒸气(来自反应器中固有的湿度或者作为由第二区燃烧器的CH4+2O2→CO2+2H2O燃烧产物)存在下，将转化区中固体固定碳充分提高温度，根据反应(1)和(2)进行水煤气反应而形成一氧化碳和氢气。
Rx1  C+H2O→CO+H2(ΔH＝-31,380cal./摩尔C)
                 或
Rx2  C+CO2→2CO(ΔH＝+41,220cal./摩尔C)
TRG反应器如图1所示例，在TRG反应器中实施本发明。在启动原料9进料到所述过程之前，将反应器1清除空气以提供无空气的气体气氛，并且如上所述，也预热到所述反应器两个区域中的加工温度。第一区燃烧器和/或第二区燃烧器可以在化学计量或亚-化学计量条件之下燃烧以提供用于预热炉膛区域到约650℃至750℃的温度并将空气吹扫出所述反应器需要能量和气氛气体。所述反应器和下游气体处理系统的吹扫也可以通过来自第一区燃烧器和/或第二区燃烧器的废燃烧气体(CO2+H2O)的循环实现。已经洗涤并冷却至接近大气温度的再循环气体提供质量和体积，然而并非热能。从所述反应器通过包括下游的气体处理和清洗系统的整个过程系统抽出的废燃烧气体，通过吸气抽出，由此吹扫整个空气系统。
参考代表本发明的优选实施方案的图1，将部分或全部有机组成的进料材料9通过计量和运输装置8计量到储料进料斗39。将进料材料9通过气氛锁定旋转或双泄料阀10机械地装进预热的、清除游离氧的反应器1，并且靠重力流动通过原料进料管道11进入反应器1的干燥和挥发区13的进口区12。依赖于对于所述过程选择的进料材料的性质，可能需要采用具有通过机械方式进料非自由流动和/或粘性材料能力的进料器，所述进料器是可商购的并且对于本领域技术人员是众所周知的。
通过反应器1的旋转作用，下面进一步论述的，将进料材料9与预热的残留在反应器1的干燥和挥发区域13中的残留固体物质的床层迅速混合。残留物质由无机物质和碳烧焦物的粒子和微粒组成。将热量迅速从热的床层、装置壁、和干燥和挥发区13的气氛中的气体交换到新的有机进料材料中。在优选实施方案中，在进口区内部直接采用第一区燃烧器2，以补偿新材料和预热的残留固体物质床层之间热量的吸热交换。来自第一区燃烧器2的燃烧产物，加上从新的有机进料材料放出的气体在与残留固体物质同向方向上流动。
在优选实施方案中，反应器1是由碳素钢制造的旋转反应器并且内部料有耐火砖或类似品质的可铸造的耐火材料，所述耐火砖或耐火材料能经受高温和/或化学改变的潜在破坏作用。所述反应器的支撑和旋转装置25属于标准机械设计并且可以由许多旋转窑的商业制造商供给。反应器1的纵轴可以基本上是水平的。所述反应器的主要功能是容纳、混合并输送材料物质和产生的气体从进料端到所述装置的排放端，同时保持保护的高温气氛。气氛密封4、5位于旋转反应器1和进料端罩6，和排放端罩7固定结构之间。这些密封容许旋转反应器和非旋转固定结构之间的滑动，不容许大气进入所述过程，或高温工艺气体从所述处理装置排出到装置工作区域中。这类密封通常是已知的并且可以由旋转窑的商业制造商供给。
提供至少一个保护热电偶26，所述的热电偶26位于沿着反应器1壳的任何方便的位置并且通过所述壳和耐火砖延伸到干燥和挥发区13的内部气氛中，以容许监控该区域中的气温。另外，控温热电偶27位于进料端罩6中，目的在于监控在干燥和挥发区13的入口处的气温，并且借助于将电子信号反馈到燃烧器调节装置(未显示)而控制第一区燃烧器2。
一旦将进料材料9引入到反应器1的干燥和挥发区13中，所述材料立即经受先前干燥和挥发的残留床层材料和该区域中高温工艺气体二者的高温(500℃至600℃)。通过由第一区燃烧器2产生的非常高温的燃烧产物，保持干燥和挥发区13之内的温度，将其编制程序以自动控制所述燃烧器在足以保持干燥和挥发区13中所需温度的水平是可燃的。第一区燃烧器2可以是标准的商业设计，并且可以利用任何适合的燃料源(包括残留在所述反应器的干燥和挥发区气氛之内的有机蒸气)，用于与纯氧的直接燃烧，或者需要时，用于与氧气和空气的适合的掺合物直接燃烧(见下文)，将选择水平的能量传递到所述干燥和挥发区中。备选地，燃烧可以通过经由所述燃烧器将压缩空气鼓风到所述反应器而发生。然而，这个方法不是优选的，因为大气中的高氮含量可以大大增加气体体积，并用惰性氮气污染合成气40。备选地，也可以用自然空气和纯氧的掺合物发生燃烧，并且可以实现更低的操作费用；然而，如上，从空气增加的氮气将不得不在装置设计中考虑。本发明优选的燃烧方法采用纯氧，主要为了排除将随着空气引入的氮气污染作用。
在反应器1的干燥和挥发区13中，将进料材料快速加热到水的沸点之上，并且床层进料材料释放全部非结合水。在达到干燥状态之后，将进料材料在保持在干燥和挥发区域13中的同时继续升高温度到500℃和600℃之间的水平。进料材料中含有的挥发性物质在约120℃开始挥发，并且到进料材料的固体物质达到约350℃的温度时，如果不是全部，也是大部分的在原始进料材料中含有的挥发物以气态释放出。一些形成焦油的烃是难熔的并且可能不完全挥发，直到固体物质的温度超过约450℃。
取决于对于所述过程选择的进料材料的水分含量和类型，第一区燃烧器2具有将2.0和4.0百万Btu/小时/吨之间的进料材料提供给干燥和挥发区13中的能力。例如，不同类型和密度的进料材料需要或多或少的热能，以便达到所述处理温度，即，500℃至600℃。进料材料中的灰分量也可以影响需要的燃烧器能量的水平。
到作为原始进料材料残渣而残留的固体物质到达反应器1中床层保持耐熔堰14时，所述物质的温度将达到500℃和600℃之间的温度，并且如果不是全部，也是大多数的残留在所述固体物质中的碳将被固定。
堰14是基本上垂直于反应器1的纵轴配置的并且沿着所述纵轴在这样一种位置定位，以便提供约30分钟至60分钟的保留时间，这取决于反应器1的转速和原料到所述反应器中的进料速率。保持在干燥和挥发区13的残留固体物质的深度由堰14的高度(或者孔)确定。一般地，将所述堰的孔设定充分高，以容许旋转反应器1中的工作床层深度等于在干燥和挥发区13中的总有效容积的约12％至约15％。这个床层深度是引起所述床层相互-旋转以提供所述床层材料均匀混合并用于实现最佳处理能力的重要因素。示例在图2中的轴12上的床层材料44的相互-旋转大大增加热传递到旋转床层42中心中的可能性。由此，进入干燥和挥发区13新鲜有机进料材料与热残留物质迅速相互混合，原因在于反应器1的材料床层和耐熔炉膛两者的旋转作用。
干燥和挥发区13中的残留固体物质的保留时间通常应当在三十和六十分钟之间，这取决于所述进料材料中氢相比于碳的相对含量。从反应器1的干燥和挥发区13传递经过床层保持堰14之上并进入转化区15的残留固体物质在转化区15的炉膛16中进一步混合并加热。通过第二区燃烧器3或者通过水冷或气冷的富集注射口31，将另外的高温氧化剂(CO2、H2O和O2)注入到转化区15，所述富集注射口31位于反应器1的排放端。第二区燃烧器3的燃烧产物在相对于来自所述装置的干燥和挥发区13的气体和固体二者流动的反向方向上燃烧。
进入转化区15的负载有烃的气体和/或烟气主要由可冷凝的复合烃链组成。在存在于转化区15的高温下，可以存在游离氧，原因在于来自第二区燃烧器氧气/燃料混合物的过量氧气，或者来自经由富集注射口31直接注射到反应区的游离氧的过量氧气。游离氧首先与氢和最轻的可利用的烃(通常是甲烷)反应，在放热反应中形成二氧化碳和水蒸气。在转化区15中火焰前锋的高温条件下，二氧化碳和水蒸气二者都作为氧化剂，其继而与负载有复合烃的蒸气和/或烟气发生吸热反应，以产生合成气40和较少的复合烃气体。所述较少的复合烃气由氧气、二氧化碳和/或水蒸气进一步氧化，以产生更多一氧化碳、氢和二氧化碳气体。所述温度越高，部分氧化反应发生越快，并且将更多的复合烃转化成一氧化碳、氢和二氧化碳气体。由此，通过选择性控制转化区15的温度和气体气氛环境，可以产生得到的不可冷凝合成气40的品质具有在约275和402Btu/标准立方英尺(Btu/立方英尺)之间的更高热值(HHV)。因为在单一反应容器之内将形成的过程气体转化成合成气40，所以不需要初级反应器1下游的次级反应器。
通过本发明的方法，用上面描述的可利用的气氛氧化剂并且将转化区中的过程温度保持在500℃和600℃之间，得到的过程气体包括，按体积计，各自约15％至约20％的一氧化碳和氢，约20％至约25％含有一至两个碳分子的烃气，和约15％至约20％的含有超过两个碳分子的烃气。
如果需要获得具有更高氢含量的高等合成气40，则可以容易地将所述气体和固体残留物质的温度升高到高达1000℃，以便将部分或大部分烃蒸气和炭黑(气相法)和许多富碳的固体残渣转化成合成气40(氢和一氧化碳)。第二区燃烧器3和/或富集注射口31可以由为所述燃烧器或富集注射口选择的氧气对燃料的比例和数量的属性操作和控制，以提供为了实现符合操作目标的最佳水平的组成平衡所需要的高温能量和气态氧化剂。
残留物质仅在转化区15保持几分钟，之后经由液体-固体排放口从反应器1的转化区中经过到固体收集滑槽21，并经由固体流量控制装置22计量出，所述流量控制装置22也用作所述过程的气氛密封。所述流量控制装置可以是任何适合类型的旋转或双泄料阀，它可以从许多的商业来源获得。可以由热电偶20测量并监控出去的残留物质的温度并因此调节第二区燃烧器或富集注射口的温度。然后，热固体排空管道23经由连接导管输送所述材料的残留物质到冷却装置。需要接收并冷却所述热残留物质以及进一步通过输送、筛选、装袋、压块、储藏或其它处理冷却物质作为最终产品而加工所述材料的方法和装置类型，对于本领域技术人员是熟知的并且所述装备可以容易地从商业厂商获得，所述热残留物质可以是潜在的玻璃质混合物。
如图4所示，可以将材料的残留物质分成过大的残余材料182和可玻璃化的材料184。可玻璃化的材料184移动到玻璃化器160中。任选地，可玻璃化的材料184可以进一步包含通过洗涤装置162从合成气40收集的微粒和灰尘41或来自在废物产能量装置(Waste to Energy Plant)产生的城市固体废物焚化的炉底灰。如果需要，可以将硅酸盐、粘土、矾土及其它玻璃质材料加入到玻璃化器160，以增加得到的玻璃184的价值，或者扩大所述过程。
如图1中所示，热电偶19位于接近排放管17入口的排放罩7中，用于监控排出的气态物质的温度并用于将电控制信号传送到第二区燃烧器3和/或富集注射口31，从而计量中央装置(未显示)。因而，可以将第二区燃烧器和/或富集注射口编程，而根据需要自动调节以将转化区中的温度保持在规定的水平。典型地，将转化区的温度保持在约650℃至750℃时，得到的合成气包含各自为约30体积％至约35体积％的一氧化碳和氢气，约3.5体积％的具有含两个碳原子的分子结构的气体，和约1.5体积％的具有含多于两个碳原子的分子结构的气体。当需要更高水平的转化时，需要将转化温度从650℃至750℃水平提高到750℃和1000℃之间。这个温度提高需要转化区15中额外的能量输入，所述的能量输入通过第二区燃烧器3或者富集注射口31(或两者)供给。需要额外的能量输入以同时将残留固体物质和过程气体流升高到所需温度。在典型操作条件下，对于每吨进料，将需要一百万和三百万Btu/小时之间的额外能量输入，这取决于进料材料的特性。得到的合成气包含各自更高体积百分比(约35％至约40％)的一氧化碳和氢气；然而，含有两个碳分子的气体体积减少到不足1％，而含有多于两个碳分子的气体体积减少到低于1.5个百分比。该气体的热值(HHV)降低到约275Btu/立方英尺，原因在于烃气的减少和一氧化碳和氢气的增加。虽然该气体可以用作用于燃烧目的的燃料，但是更高水平的一氧化碳和氢使所述气体更好地适于用作有机化学品工业生产用原料，并且用在回收并增加氢收率的特定应用中。
通过位于过程压力调整阀29下游的变速感应抽风机或鼓风机(未显示)，控制反应器1和排放罩7中的操作压力。所述压力控制的另一个实施方案包括：将受控部分的加压的冷却并清洁的产品气体通过循环气体管28循环回到排放罩中。所述循环气体系统也用于稳定整个反应器的惰性气体的温度、压力和气氛，以及用于稳定在所述系统正在预热并在开始进料材料进料到所述过程之前的时期期间的冷却、冷凝和气体清洁系统的惰性气体的温度、压力和气氛。将通过所述过程压力调整阀排出的产品气体通过管道30输送至并且通过气体几级冷却、冷凝和清洁装置，所述装置对于本领域技术人员是熟知的并且容易从这类装置的商业厂商获得。
将通过排放管17排出的合成气40为了预定应用而优化。如图3中所示，可以将所示装置优化，以产生用于内燃机101的燃料，所述的装置已经被修改成流出合成气。如所示，内燃机101运转第三发电机117c，所述第三发电机117c经由电解电池120从水产生纯氢60。氢60经由管132分配到主罐122、分配点130a和130b，和在燃料电池126中使用的燃料电池储罐124。燃料电池126可以产生用于电网和装置1的电。备选地，可以将合成气40用于运转和具有第一发电机117b的燃气轮机103b。涡轮机需要超过200psi的输入压力，并且所述合成气40将需要另外的压力并且可以通过另外的燃烧气体增强。典型地，这些将通过为涡轮机103b用燃烧室113进料的另外的氧-燃料燃烧器提供。在另一个实施方案中，蒸汽轮机103a驱动第二发电机103a。将合成气40用于运转产生涡轮机103a用蒸汽的锅炉115。在需要的时间和地点，可以通过由常规燃料产生的热而增强涡轮机103a和103b，所述常规燃料例如LPG、NG或燃料油，并且这些燃料一般表示为200。由电解产生的氢60是非常纯的，并且它适用于燃料电池。可以将所述氢就地储存在主罐122中以通过终端130a和130b分配到车辆，或者储存在燃料电池储罐124中，用于燃料电池126。可以将所述氢储存在低压储罐中，或压缩而递送到其它临近所述产生地点的出口。所述分配器终端可以加燃料给车辆、油罐卡车、铁路油罐、分置式油缸和低温容器。备选地，可以经由燃料电池126就地使用储存的氢以提供高峰电需求期间的另一种电源。在另一个变体中，如图3所示，可以将合成气40经汽提并洗涤器123汽提并洗涤，除去除氢60以外的全部组分，并且可以将所述氢储存在燃料电池储罐124中。
汽提、洗涤和净化过程示意性表示在图3中作为123。图4具有所述过程和装置的细节。中括号123一般是指由微粒去除装置162、气体净化装置163和164、变换反应器166和氢分离单元168组成的组件。微粒去除装置162主要除去灰分、粉尘和一些可压缩的金属41。将这些微粒返回到玻璃化器160。变换反应器典型利用蒸汽而将一氧化碳转化成二氧化碳和另外的氢。如图中所示，在变换反应器之前，可以将纯化的合成气44转移到燃气轮机103b或者图5中示例的内燃机101。所述合成气随着空气186的加入而燃烧。可以用常规燃料200和氢分离单元168中浓缩的烃类似物64富集所述合成气。从如图5中所示的内燃机101，或从如图4中所示的燃气轮机103b排出的废气，可以用在热回收蒸汽产生单元115(即锅炉)中以产生运转所述蒸汽轮机103a的蒸汽188。内燃机101驱动发电机117c，并且蒸汽轮机103a驱动发电机117a，在发电机117c和发电机117a中，各自可以产生电网用电，或者被TRG系统使用，例如产生氢并运转发动机。如所示，内燃机101(或燃气轮机103b，未示例)用于压缩管道输送到空气分离器170的空气186。空气分离器产生基本上纯的氧气171，从而分离去氮气。所述反应器的氧-燃料燃烧器使用氧气171。
图5是TRG过程的示意图，其中将所述合成气经由发酵转化成有机醇类和有机酸类。含有气态有机烃，典型的是C1至C3气体，的非代谢气体可以用作燃料源。如图5中所示，可以利用多种细菌菌株例如梭菌属(Clostridium)将洗涤的合成气44在生物反应器266中发酵以产生有机醇类262。反应3示例了如何可以将一氧化碳与水化合以生成乙醇262，并且反应4示例如何可以将氢与二氧化碳化合以生成乙醇262。已经报道了其它醇类类似物，例如甲醇和丁醇。在相同生物反应器266中，或优选在第二生物反应器268中，另外的发酵可以产生增值的有机酸类，例如乙酸260。
Rx3  6CO+3H2O→CH3CH2OH+4CO2
              或
Rx4  6H2+2CO2→CH3CH2OH+3H2O
反应5示例如何可以将一氧化碳与水化合以生成乙酸260，并且反应4示例了如何可以将氢与二氧化碳化合以产生乙酸260。已经报道了其它酸类似物，例如丁酸。
Rx5  4CO+2H2O→CH3COOH+2CO2
              或
Rx6  2H2+4CO2→CH3COOH+2H2O
由本发明的TRG反应器装置产生的合成气44含有一些不由所示生物反应器代谢的气态化合物，例如甲烷、丙烷和丁烷。这些气体，连同二氧化碳和少量的分子氮一起，构成称为FermGas的生物燃料气体264。在本发明中，将FermGas264用作反应器1或燃气轮机103b所用的燃料。可以用常规燃料增强所述燃料内容物，所述的常规燃料例如LPG、NG、丁烷、燃料油和煤粉。这些燃料一般显示为200。另外，如图4中所示，可以用合成气44增强FermGas 264。
上述描述和附图应当理解为说明性而不是限制性的意义。虽然关于其优选实施方案或实施方案公开了本发明，但是应当理解可以存在属于如下列权利要求所限定的本发明范围的其它实施方案。在权利要求表示为用于实施特定功能的方法或步骤的情况下，意欲将这类权利要求解释成包括说明书和其等价物中所描述的相应结构、材料或操作，同时包括结构等价物和等效的结构。

Claims (36)

1.一种用于从废有机材料产生合成气的装置，所述装置包含：
旋转反应器，所述的旋转反应器具有第一区和第二区，所述第一区是干燥和挥发炉膛反应区，并且第二区是转化炉膛反应和热解区，其中通过基本上限制给料废有机材料的堰将所述区分开，将所述给料废有机材料进料到所述反应器中直到所述废有机材料完全干燥并且挥发至少一部分所述有机材料；
具有气锁的固体废有机材料输送机，所述的固体废有机材料输送机将所述废有机材料进料到所述旋转反应器第一区；
具有火焰的第一区氧-燃料燃烧器，所述第一区氧-燃料燃烧器用于将所述废有机材料加热到约500℃至约600℃的温度，其中与所述第一区燃烧器火焰接触的挥发的有机材料被热裂解并且部分氧化；
具有火焰的第二区氧-燃料燃烧器，所述第二区氧-燃料燃烧器用于将干燥的废有机材料加热到约600℃至约1000℃的温度，其中将第二区中干燥的废有机材料加热成作为残留物质的烧焦物，并且由此产生另外的挥发的有机材料，其中与所述第二区燃烧器火焰接触的所述挥发的有机材料被热裂解、氧化并转化，在其中形成富有气态氢和一氧化碳的合成气；
气体排放管，所述合成气通过所述气体排放管离开；
固体排放收集滑槽，所述残留物质通过所述固体排放收集滑槽离开；和
所述第二区中的富集注射口，用于调节所述合成气的组成。
2.根据权利要求1的装置，其中所述固体排放收集滑槽将所述残留物质分成过大的材料和可玻璃化的材料。
3.根据权利要求2的装置，其中所述可玻璃化的材料在玻璃化器中加工成玻璃状材料。
4.根据权利要求3的装置，其中可以将增加价值或增强玻璃化过程的添加剂加入到所述玻璃化器中。
5.根据权利要求1的装置，其中所述装置还包含用于净化所述合成气的组件，其中所述组件选自微粒去除装置和气体清除装置。
6.根据权利要求5的装置，其中将通过所述微粒去除装置收集的微粒循环到玻璃化器。
7.根据权利要求5的装置，其中所述装置还包含用于产生氢的组件，其中所述用于产生氢的组件包含变换反应器装置和氢分离装置。
8.根据权利要求5的装置，其中所述装置还包含驱动第一发电机的燃气轮机，其中所述燃气轮机通过燃烧合成气运转。
9.根据权利要求8的装置，其中所述装置还包含热量回收蒸汽发生器，所述热量回收蒸汽发生器捕获离开所述燃气轮机的热废气而产生蒸汽。
10.根据权利要求9的装置，其中所述装置还包含蒸汽轮机和第二发电机，其中所述蒸汽轮机通过由热量回收蒸汽发生器产生的蒸汽运转。
11.根据权利要求8和10的装置，其中所述第一和第二发电机将电提供给电力网，或提供给产生纯氢的电解电池，或将电能提供给利用发动机或加热器的装置，或者它们的任何组合。
12.根据权利要求1的装置，还包含气体分离装置，所述气体分离装置将氧气提供给所述氧-燃料燃烧器。
13.根据权利要求1的装置，还包含修改成燃烧合成气的内燃机。
14.根据权利要求13的装置，其中所述内燃机驱动第三发电机。
15.根据权利要求1的装置，还包含修改成燃烧合成气的燃气轮机。
16.根据权利要求15的装置，其中所述燃气轮机驱动第二发电机。
17.根据权利要求1的装置，所述装置还包含具有锅炉的蒸汽轮机，其中所述锅炉燃烧合成气。
18.根据权利要求17的装置，其中所述燃气轮机驱动第二发电机。
19.根据权利要求14、16和18任一项的装置，所述装置还包含电解电池，所述电解电池产生纯度适于用在PEM燃料电池中的氢。
20.根据权利要求19的装置，所述装置还包含至少一个氢储罐。
21.根据权利要求19和20任一项的装置，所述装置还包含至少一个车辆用氢分配终端、油罐卡车、铁路油罐车、分置式油缸和低温容器。
22.根据权利要求19和20任一项的装置，所述装置还包含至少一个发电用氢燃料电池。
23.根据权利要求1的装置，其中由所述氧-燃料燃烧器使用的燃料选自由天然气、丙烷、丁烷、燃料油和煤粉组成的组。
24.根据权利要求8、9、13、15和17任一项的装置，其中所述合成气用选自由天然气、丙烷、丁烷、燃料油和煤粉组成的组的燃料增加。
25.根据权利要求5的装置，其中所述装置还包含生物反应器，其中通过发酵将包含一氧化碳和氢的所述合成气转化成醇类。
26.根据权利要求25的装置，其中所述醇基本上是乙醇。
27.根据权利要求5的装置，其中所述装置还包含生物反应器，其中通过发酵将所述一氧化碳和氢转化成酸类。
28.根据权利要求27的装置，其中所述酸基本上是乙酸。
29.根据权利要求25和27任一项的装置，其中由所述反应器产生的非代谢气体构成生物燃料气体，称为FemGas.
30.根据权利要求29的装置，其中将所述FemGas用作所述旋转反应器的氧-燃料燃烧器用燃烧器燃料，或者用在涡轮机用锅炉中，或者用在发动机，例如燃气轮机中。
31.根据权利要求30的装置，其中用选自由LPG、NO、丁烷、燃料油或煤粉组成的组的常规燃料富集所述FemGas。
32.一种联合发电装置，所述联合发电装置包含：
用于从废有机材料产生合成气的TRG装置，所述装置包含：
旋转反应器，所述的旋转反应器具有第一区和第二区，所述第一区是干燥和挥发炉膛反应区，所述第二区是转化炉膛反应，其中所述区由堰分开，所述堰基本上约束进料到所述反应器中的废有机材料，直到所述材料完全干燥并且挥发至少一部分所述有机材料；
具有气锁的固体废有机材料输送机，所述的固体废有机材料输送机将所述废有机材料进料到所述旋转反应器的第一区；
具有火焰的第一区氧-燃料燃烧器，所述第一区氧-燃料燃烧器用于将所述废有机材料加热到约500℃至约600℃的温度，具中与所述第一区燃烧器火焰接触的挥发的有机材料被热裂解并部分氧化；
具有火焰的第二区氧-燃料燃烧器，所述第二区氧-燃料燃烧器用于将所述干燥的废有机材料加热到约600℃至约1000℃的温度，其中将第二区中干燥的废有机材料加热到成为残留物质的烧焦物，并且由此产生另外的挥发的有机材料，其中与所述第二区燃烧器火焰接触的挥发的有机材料被热裂解、氧化并转化，在其中形成富有气态氢和一氧化碳的合成气；
气体排放管，所述合成气通过所述气体排放管排出；
固体排放收集滑槽，所述残留物质通过所述固体排放收集滑槽排出；和
所述第二区中的富集注射口，用于调节所述合成气的组成；
发动机，选自由内燃机、燃气轮机和蒸汽轮机组成的组，其中所述发动机燃烧由TRG装置产生的合成气；和
发电机，其中所述发电机由所述发动机驱动，产生电。
33.根据权利要求32的联合发电装置，还包含电解电池，其中所述电产生氢。
34.根据权利要求32的联合发电装置，还包含燃料电池。
35.一种氢产生装置，所述氢装置包含：
用于从废有机材料产生合成气的TRG装置，所述装置包含：
旋转反应器，所述的旋转反应器具有第一区和第二区，所述第一区是干燥和挥发炉膛反应区，所述第二区是转化炉膛反应，其中所述区由堰分开，所述堰基本上约束进料到所述反应器中的废有机材料，直到所述材料完全干燥并且挥发至少一部分所述有机材料；
具有气锁的固体废有机材料输送机，所述固体废有机材料输送机将所述废有机材料进料到所述旋转反应器的第一区；
具有火焰的第一区氧-燃料燃烧器，所述第一区氧-燃料燃烧器用于将所述废有机材料加热到约500℃至约600℃的温度，其中与所述第一区燃烧器火焰接触的挥发的有机材料被热裂解并且部分氧化；
具有火焰的第二区氧-燃料燃烧器，所述第二区氧-燃料燃烧器用于将所述干燥的废有机材料加热到约600℃至约1000℃的温度，其中将第二区中干燥的废有机材料加热到成为残留物质的烧焦物，并且由此产生另外的挥发的有机材料，其中与所述第二区燃烧器火焰接触的挥发的有机材料被热裂解、氧化并且转化，在其中形成富有气态氢和一氧化碳的合成气；
气体排放管，所述合成气通过所述气体排放管排出；
固体排放收集滑槽，所述残留物质通过所述固体排放收集滑槽排出；和
所述第二区中的富集注射口，用于调节所述合成气的组成；
用于所述合成气组成的净化组件，其中所述净化组件选自微粒去除装置和气体清除装置；和
用于产生氢的产生组件，其中所述产生组件包含变换反应器装置和氢分离装置。
36.根据权利要求35的氢产生装置，还包含发电组件，其中所述发电组件使用一部分所述合成气以运转发动机，所述发动机驱动发电机。
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