CN101555410A - 一种进行热解的方法和一种热解设备 - Google Patents

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Abstract

一种进行热解的方法和一种热解设备。该热解设备包括一个基本上封闭的热解器(4)、一个用于将可热解燃料提供到至热解器(4)的供给进口、一个用于将颗粒形式的热床物质从热解器取出的出口、一个或多个用于将从要被热解的燃料中分离出来的可冷凝的气体物质从热解器排出的排出出口(6)、一个用于将可冷凝的气体物质冷凝为热解油的冷凝器(8)、一条用于将可冷凝的气体物质从热解器(4)的出口转移到冷凝器(8)的管线(7)。用于在热解器(4)中保持热解条件的装置包括一个用于将颗粒形式的热床物质提供到热解器的进口和用于向热解器提供流化气体的装置(5)。热解器(4)为一个直接与鼓泡流化床蒸发器的炉子(1)连接的容器，经由此容器布置流化床物质，使其在进口和出口之间循环。将用于提供流化气体的装置(5)在热解器(4)的进口(11)和出口(12)之间的区域分隔开，使得其产生了流化气体相对于所述床物质和所述燃料的转移方向(S)的横向流动。

Description

一种进行热解的方法和一种热解设备
本发明涉及一种进行如附加的权利要求1的前序部分所表述类型的热解的方法。本发明进一步涉及一种如附加的权利要求8的前序部分所述的热解设备。
热解指的是燃料在惰性条件和高温下转化成气体形式，其中经过冷凝形成含有不同的有机化合物的油状液体。与热解相联系的惰性条件指的是无氧的条件，其中避免了燃料的燃烧。在焦油的生产过程中，“焦油的蒸馏”是一个多年以来就已知的热解过程的例子。
在热解工艺中燃料被热解，在热解反应中形成的气态化合物从碳化残余物中分离出来，然后被冷凝成热解油，后者可以被使用，例如，作为燃料或其被进一步加工成为不同的化学品。从不同的生物基燃料例如木基燃料生产热解油已经被研究用来替代煤和重质燃料油。考虑到在燃料的能含量方面，与难于输送的生物质相比，热解油的一个优点为其易于运输。
热解工艺的发展的例子包括一些专利公开，例如US4,891,459；US5,728,271；EP513051和US6,814,940。这些专利公开的热解方法是以固体的流化为基础的，例如生物基燃料与惰性流化气体在大约400到600℃时，可能在流化的床物质存在下。反应器中将要被热解的燃料被提供到反应器的下部，在此处，与流化气体一起向上流动。通过例如在专利EP513051(Ensyn Technologies Inc)中所示的旋风分离器或相关的分离器，床物质和碳残余物被从流出反应器的气体中分离出来。
专利WO02/083816公开了在流化床反应器中的热解，其中的目的是保持床层的密度来加强从载体颗粒(沙)到燃料颗粒的热交换。目前的反应器为一个提升管，其被返回循环的载体物质所环绕，在这里在热解中从颗粒形成的可燃烧的残余物被烧掉。
专利WO97/06886(Biomass Technology Group B.V)公开了通过一种特别旋转的、垂直的、向上扩展的容器在反应器中循环热处理的物质。一个应用是物质的热解。专利WO03/106590(Biomass Technology Group B.V)公开了一个两相工艺，其中第一相包括在一个混合容器中将热解颗粒和热载体颗粒混合，第二相包括在反应容器中将热解气体从向下流动的混合物中分离出来。
专利FI117513(Valtion teknillinen tutkimuskeskus，芬兰工程研究中心)公开了一种方法，其中设置一个与燃烧固体燃料的流化床蒸发器连接的热解器，其中热解器在热解中利用流化床蒸发器的热惰性床物质(沙)的能含量。与进入流化床蒸发器相比，将不同的燃料输入热解器。根据另外一个方案(图3)，热解器被设置成流化床蒸发器的炉子结构的一部分并与床物质的内部物质循环相连接。
在上面描述的工艺中，特别是当热解物质是具有不同粒度的固体燃料时，具有使得物质以适宜的效率热解的停留时间是一个挑战。为了确保这样，为了保证物质在热解条件下停留尽可能长的时间，必须改进热解器中的循环方式。
本发明的目的是提供一种新的方法，其能通过简单的流通解决办法达到适宜的效率。本发明的同的特别地适用于流化床蒸发器，其能通过燃烧工艺从燃料中制造能量，其中为了保持热解温度它至少利用了一部分通过蒸发器产生的热量。为了达到该目的，根据本发明所述的方法的主要特征在于在附加权利要求1的特征部分表述的内容。
当从蒸发器中出来的热解燃料和流化的床物质相对于流化气体的流向横向地通过热解器的时候，将燃料保持在热解条件下，达到使所有燃料尽可能完全地被热解的停留时间是可能的。然而，热解产生的气体没有与燃料和流化的床物质接触相应的时间，因为其相互交叉流过。
根据本发明的有益实施方案，将热解器与流化床蒸发器的炉子直接连接，例如以这种方式将其设置在炉子的外面，并且流化的床物质经由进口从炉子进入热解器并通过出口返回炉子。因此热解器尤其可以和鼓泡流化床蒸发器(BFB蒸发器)整合，特别是以这种方式，热解器和炉子共用一个公用壁，其包含上述进口和出口。因此，蒸发器的流化床物质可以通过一个简单的方式被以适宜的效率利用。
床物质通过连通器的原理被转移，因为当其被流化时，其行为就象液体一样。被热解的燃料和流化床物质通过热解器的转移可被定向流化气体喷嘴加速。此外，通过额外的加热或冷却调整热解器的温度是可能的，在这种情况中，过程不仅只依靠床物质的温度和流过速率。
接下来，会参考附图对本发明进行更加详细的描述，其中，
图1示意性地显示与鼓泡流化床蒸发器连接布置的热解工艺，和
图2到5显示在从炉子方向来看的前视图中、沿从侧面看垂直横截面的方向、沿从炉子外面看垂直截面方向和在顶视图中沿水平横截面方向的热解器。
图1示意地显示了与燃烧蒸发器相关的工艺。在燃烧蒸发器中物质形成了所说的鼓泡流化床(BFB)。该蒸发器包括炉子1和离开炉子的烟道气管线2。由固体物质形成的流化床物质在炉子中循环作为内部循环。该流化床物质可以是，例如，惰性物质，如沙子。进入炉子的液体或固体燃料、流化气体和燃烧空气的供应以及与蒸发器中蒸汽的生成相关的部分没有被呈列，因为其与本发明无关。
在图1中，热解工艺被布置成与蒸发器相连接，在此工艺中，可以热解燃料，该燃料可以是与被提供到蒸发器炉子中的燃料相同的燃料，或是一种不同的燃料。因此相同的设备可以通过燃烧工艺，利用燃烧工艺产生的热量同时产生出以蒸汽和/或电的形式存在的能量以及以热解油形式存在的燃料。热解工艺特别适合于固体、生物基燃料，例如例如木片、锯屑、麦杆、不同的采伐废弃物和其它生物基废弃物，等。使用半生物基燃料，例如泥炭也是可以的。生物基或半生物基固体燃料在蒸发器的炉子1中燃烧，其中燃料与提供到热解工艺的燃料相同，或是不同的生物基或半生物基燃料是可能的。煤、泥炭或燃料油在蒸发器中燃烧并且热解燃料为生物基固体燃料也是可以的。当将被热解的物质叫做燃料时，非常重要的是谨记该物质在热解工艺中不能燃烧，但是可释放出可燃的气体物质，其随后被冷凝成液体之后可以被回收、储存、运输和在别处燃烧来利用其能含量。热解残余物也就是焦炭，从热解物质中残留下来，该残余物具有能含量，并且其转而可以从热解工艺中，优选在炉子中单独被燃烧。
热解工艺包括一个热解器，也就是一个热解器4，其基本上是一个封闭的容器并被设置成与炉子1连接，用于将流化气提供到热解器4的装置5，以及用于将可冷凝气体物质和流化气体从热解器中导出的装置。可冷凝的气体经由管线7被导入冷凝器8，在其中以一种或多种相态形式被冷凝成热解油，后者经管线9被取出。不可冷凝气体经管线10被进一步地加工。这些气体经过气体洗涤器后可以被重复使用，例如作为热解器的流化气体(虚线)。
热解工艺是连续的，并且其利用了燃烧蒸发器的惰性床物质的能含量。该床物质被从炉子1的内部循环中取出，该物质中的一部分通过后续描述的方式经过热解器4被引出。
适宜的惰性气体被作为流化气使用，例如在热解中产生的不可冷凝气体、蒸发器的循环气，从其中氧气被烧尽，或一些其它的惰性气体，例如氮气。如果需要，在其提供到热解器之前，流化气体被干燥成无水的。
图2到5通过不同的视角更加详细地显示了整合到蒸发器中的热解器4。这些图显示反应器容器和蒸发器炉子1具有一个共同的壁。炉子和容器的共同的壁和容器其它的壁可以含有水管，其与蒸发器的水-蒸气-循环相连接。反应器包括进口部分4a、实际的热解部分4b和出口部分4c，其通过从容器顶部向下导向的间壁彼此分开，因此流经反应器的物质的流动路径保持在容器的间壁和底部之间。
进口管11朝向在炉子壁上的进口部分4a开放，热的床物质经由此管进入反应器。相应地，出口12朝向出口部分4c开放，经由此出口经过反应器并含有惰性物质和碳化残余物(可燃物质，主要是焦炭)的物质进入炉子。进口11可以是一个开口或一系列的两个或更多个开口，如图所示。出口12也可以由两个或更多个开口形成。在容器的底部，将每个部分的流化喷嘴用符号5标注，以及将用于热解产生的气体和流化气体的出口用符号6标注，该出口位于热解部分4b的容器的顶部。为了将流化气体分布到流化喷嘴，将流化气体引入容器下面的部分13，该部分被直接设置在容器的相应部分4a、4b和4c的下面。
图2和4显示了沿高度方向进口11和出口12的最佳位置。进口11位于低于出口12的位置处，因此使用热解容器的床物质同时创造出“沙封”也就是说防止回流的气封是可能的。流化床物质的上表面在图3和4中被通过虚线描述。输入部分4a的进口11低于床物质的表面。
将被热解的燃料从供给进口14进入反应器的初始端，在此其与床物质混合。供给进口可以在一点被引入到进口部分4a或热解部分4b的初始端，在此点床物质移动到热解部分4b，形成实际的热解区，如图5所示。在燃料在热解部分的底部被喷嘴5或类似的设备吹出的基本上无氧的热解气流化的同时，其被床物质主要通过水平的输送经过热解部分4b。因此，在热解所需的温度下(约400到600℃)将从燃料中分离的有机化合物用流化气体以气态形式向上输送，并且它们从顶部经过出口6被排出。因此，通过燃料和床物质的作用，在热解部分4b中形成鼓泡流化床。即使流化气体造成燃料和流化床物质颗粒的向上和向下运动，它们也渐渐地从进口部分的端口移动至出口部分4c的端口，也就是说它们流经热解部分4b的主要流向(水平箭头S)因此相对于流化气体的输送方向(从底部到顶部)是横向的。
根据描述的交叉流动，其中将被热解的物质连续地相对于流化气体的流过方向横向移动，工艺中可热解燃料的停留时间可以长于热解中产生的气体组分和热解物质的接触时间。这种方法可以保证所有燃料颗粒的热解可以得到尽可能好的收率。当相对于流化气体的宽的前面的流动方向进行横向移动时，所有的物质在适合于热解的温度下与新的新鲜的流化气体进行重复接触。如果热解物质在粒度上不同，如通常的采用生物基/半生物基燃料的情况下，其在其它方面也非常不相同时，可以根据最大的燃料颗粒对停留时间进行设计。
图5显示最好甚至在热解部分4b(箭头14`)的起始端之后也设置燃料供给进口。从而，燃料输送可以被分开沿着床物质的流动方向S在一些点上进行。因此，床物质/燃料-比率在甚至热解区的整个长度上保持，因为随着反应进行，新的新鲜燃料可以一直被提供。
流化速率也就是说交叉流过热解物质流的气体输送速率以及物质的停留时间可以被独立地调整。燃料的输送率可以影响热解工艺中燃料的停留时间和床物质/燃料-比率，同时流化可能影响热的床物质的质量流动并且结果是影响热容流动。流经整个热解器的床物质可以通过出口容器4c的流率被调整。
热解所需的温度因此可以主要通过从蒸发器的炉子1取出的热的流化床物质并且向工艺放热而产生。如果需要，在进口部分4a中设置一个换热器15，通过该换热器，物质的温度可以被调整到需要的级别，也就是说如需要其可以被加热得更高或冷却。温度可以通过流化气体温度的方式被调整到一定程度。
当热解器4与炉子1被直接相邻设置时，其优势在于可以避免热床物质经由管路的转移。来自炉子1的床物质直接进入热解器4并从热解器直接返回炉子。该工艺仅通过停止对热解器的燃料供应就可以容易的中断，因为床物质仍然通过热解器进行循环，或者它的循环也可以被中断流化所停止。只要蒸发器在运行，也就是燃烧工艺在运行，热解器也可以被容易地启动。在与蒸发器连接的热解器中热解的碳化残余物从不会被浪费，因为其随着床物质返回炉子1并在此被烧掉。
与鼓泡流化床蒸发器连接的热解器随后可以被容易地建造，因为其没有改变蒸发器的基本的结构或功能。
图4中的箭头描述了热解部分4b的起始端中的喷嘴如何可以成为定向喷嘴，除了流化之外，其将流化气体引导到物质的主要流向S。该输送可以用于影响经过热解部分4b的物质的移动。
本发明不仅限于图中所示的实施方案，而是可以在表述于权利要求中的发明点的范围内进行变化。该发明也可以与设置循环流化床(CFB)的蒸发器相连使用，在此情况中，床物质经过来自分离器例如旋风分离器的返回管从炉子的外部进入热解器4。相应的进口11因此可以被设置在热解器的另一个壁上而不是与炉子1共用的壁上。与循环流化床蒸发器连接的热解器从炉子中整个地分离是可能的，在此情况中，床物质经由返回管从高温蒸发器返回炉子1。
在任一种情况中改变热解器的操作原理是不必要的。

Claims (16)

1、一种与鼓泡流化床蒸发器相关的进行热解的方法，在该方法中将颗粒形式的固体燃料提供给热解器(4)并且在热解器中保持热解条件，为的是将可冷凝物质从燃料中分离出来，在此种情况中，热解条件所需的温度至少部分地由蒸发器的固体流化床物质带来，该物质经由热解器(4)被循环并与流化气体一起在热解器中被流化，并且从燃料中分离出来的可冷凝气体物质被从热解器(4)引入冷凝器(8)，在冷凝器中它们以液态形式作为所谓的热解油被分离出来，该方法的特征在于所述的流化床物质和所述的燃料沿与所述的流化气体的流向横切的方向流过所述的热解器(4)。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的流化床物质和所述的燃料主要在热解器的进口(11)和出口(12)之间水平地流动，所述的流化气体被提供到流化床物质的下面，并且所述的可冷凝物质与所述的流化气体一起从所述的流化床物质上方排出。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在热解器中与所述的床物质同时形成气封。
4、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于所述的床物质经由位于炉子和热解器(4)之间的公共壁上的进口(11)被直接地从所述流化床蒸发器的炉子(1)中取出并经由同一个壁中的出口(12)返回炉子。
5、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于通过与热解器(4)内部的床物质接触的换热器(15)来调节所述热解器(4)的所述热解温度。
6、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于将要被热解的燃料是固体的、生物基的或半生物基的燃料。
7、根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于在几个顺序的点将要被热解的燃料提供到流化床物质。
8、一种热解设备，包括：
一个基本上封闭的热解器(4)，
一个用于将可热解燃料提供到热解器(4)的供给进口(14)，
用于在热解器(4)中保持热解条件的装置，其包括
一个用于将颗粒形式的热床物质接纳到热解器内部的进口(11)，和
用于将流化气体提供到热解器的装置(5)，
一个用于将颗粒形式的热床物质从热解器中取出的出口(12)，
一个或多个用于将从要被热解的燃料中分离出来的可冷凝气体物质从热解器取出的排出出口(6)，
一个用于将可冷凝的气体物质冷凝为热解油的冷凝器(8)，和
一条用于将可冷凝的气体物质从热解器的出口(4)转移到冷凝器(8)的管线(7)，
该方法的特征在于将用于提供流化气体的装置(5)在热解器(4)的进口(11)和出口(12)之间的区域分隔开，使得其产生了流化气体相对于所述床物质和所述燃料的转移方向(S)的横向流动。
9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于进口(11)和出口(12)彼此之间被水平间隔在一定的距离内，热解区位于进口(11)和出口(12)之间的区域，并且用于提供流化气体的装置(5)被分布在所述区域上所述距离的不同点处。
10、根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述热解区在容器的内部，在容器的底部设置用于提供流化气体的装置(5)，并且在容器的顶部设置一个或多个排出出口(6)。
11、根据前述权利要求8-10中任一项所述的设备，其特征在于热解器(4)为一个直接与流化床蒸发器的炉子(1)连接的容器，经由此容器布置流化床物质，使其在进口(11)和出口(12)之间循环。
12、根据前述权利要求9-11中任一项所述的设备，其特征在于出口(12)位于比进口(11)高的位置。
13、根据前述权利要求8-12中任一项所述的设备，其特征在于沿着床物质和燃料的转移方向将热解器(4)分隔为进口部分(4a)、热解部分(4b)以及出口部分(4c)，其中进口(11)朝向进口部分(4a)开放，在热解部分中设置用于提供流化气体的装置(5)和一个或多个排出出口(6)，出口(12)朝向出口部分(4c)开放。
14、根据权利要求13所述的设备，其特征在于至少两个邻近的部分(4a、4b)被间壁隔开，间壁在低端处是开放的。
15、根据前述权利要求8-14中任一项所述的设备，其特征在于在热解器(4)的内部具有一个用于调整热解温度的换热器(15)。
16、根据前述权利要求8-15中任一项所述的设备，其特征在于沿着所述床物质与燃料的转移方向(S)，所述的热解器(4)含有几个供给进口(14、14′)。
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