CN101636473A - 干燥和气化方法 - Google Patents

Abstract

一种由含碳物质生产合成气和/或处理含碳物质的方法，该方法包括下述步骤：a)降低含碳物质的表面水分；b)降低含碳物质的固有水分；和c)气化含碳物质以产生合成气，其中在步骤a)中，含碳物质直接与温度为50℃至250℃的热气体直接接触，和/或含碳物质与温度为105℃至250℃的饱和蒸汽间接接触。

Description

干燥和气化方法

技术领域

本发明涉及干燥和随后气化含碳物质的方法，并特别涉及利用具有高含水量的含碳物质的方法。

背景技术

近来，减少CO₂排放在全球范围内已变得日益重要，尤其是减少与目前严重依赖燃煤电厂的世界电力供应的生产相关的CO₂排放。生物质是可再生能源，由于可用于基底负载发电，所以可提供真正的煤替代物。然而，生物质因两个原因无法对地区或全球能源市场起到重要作用。

1.生物质通常具有非常高的30～80％的含水量。这通常导致更大且更贵的锅炉设备以及更低的热能-电能转换效率。

2.生物质分布在广袤的土地上，使其收集和向中心电厂的运输极其昂贵。

但是，在昆士兰利用甘蔗渣以及在斯堪的纳维亚(Scandinavia)利用废木材，广泛实施了低效率的开放式循环发电。由于从规模经济性考虑汽轮机的尺寸不能缩小，所以这些开放式循环电厂的规模倾向于超过5MW_e。在生物质可利用率较低的地区(世界上大多数地区)，5MW_e对于利用开放式循环发电的可行的生物质电厂而言太大了。

在第二次世界大战期间，生物质气化炉普遍用于为四程发动机提供动力。例如，利用木炭的炭发生器气体(合成气)系统和鼓风式下向通风气化炉(air blown down draft gasifier)在汽油限量供应时期为许多车提供动力。该方法具有一些优点，其原因是往复式内燃机的尺寸经济地缩小，并且在农村地区有对这些发动机的维修支持。农村地区还易于具有更高的单位面积生物质密度。令人遗憾的是，下通风炭气体系统不能接受各种生物质，并且它们可接受的木材或炭必须小心地进行大小分级和干燥。

流化床气化炉接受各种生物质并具有宽的尺寸分布，但由于焦油遗留物过多，所以传统上不能用于往复式内燃机。

一些生物质，例如粪肥在禽舍和饲料场相对浓缩。令人遗憾的是，这些生物质在接近100℃的温度下放出氨气，并且在150至300℃的温度下放出含硫化合物，如H₂S和COS。此外，来自禽舍的废弃物常常包括也可用作生物质燃料源的死禽，但是这些死禽在加热至约300℃的温度时放出氰化氢。

用100米宽的澳大利亚本地植物如糖桉树和小桉树带来防护澳大利亚的绵羊和小麦产区的趋势已得到了一些农业合作社的鼓励。这种防护有利于小麦田免于风干并且为绵羊提供了掩蔽所。这已得到鼓励，以通过得自糖桉树的木材和得自小桉树的桉树油来使农民的收入多样化。类似的防护农用土地的趋势在美国和斯堪的纳维亚都是明显的，前者着重考虑种植木质柳枝稷(switch grass)，后者着重种植杂交杨柳树。

这些提案将增加农村地区的生物质的量，并使这些地区更耐干旱。令人遗憾的是，由于与木材相比具有很高的含水量，所以得自这些活动的生物质的质量倾向于较低。这是由于叶子以及用于回收桉树油和其它香精油的煮沸浆的比例较高导致的结果。茶树油生物质具有类似的问题。

已经进行了一些努力来提高劣质煤发电的效率并减少其后续的CO₂排放，使其与利用所谓优质煤的电厂相当。

劣质煤例如褐煤和次烟煤的困难在于它们的高含水量，这通常导致锅炉装置更大且更昂贵，并且转换效率更低。

一种试图提高褐煤发电效率和减少CO₂排放的方法是IDGCC方法(一体化干燥气化联合循环)。IDGGC使用鼓风式流化床气化炉将褐煤转变成燃料气体。IDGCC工艺首先干燥褐煤除去表面含水量，然后再将其送进气化炉。一体化的干燥思路通过使原煤与离开气化炉的热气体直接接触而在压力下除去原煤的表面水分。然后，干煤直接进入气化炉，清洁冷却的增湿气体，并将其送至气轮机联合循环装置。使用空气作为气化剂，气体的热值非常低，但它对于气轮机中的燃烧而言是可接受的。通过将煤干燥和气体冷却一体化，IDGCC工艺的成本显著降低，同时通过联合循环获得了高效率和低CO₂排放。

在IDGCC工艺中，气化炉在超过950℃的温度下运行，并利用空气和一些蒸汽作为气化剂。从顶部离开气化炉的热气体经过旋风器，旋风器将携带的大多数粉尘送回气化炉。该气体随后在气轮机中燃烧。

就生物质而言，HRL的IDGCC工艺的主要缺点是与建造可在高于950℃的高温和超过10个大气压的压力下运行的立式流化床气化炉和对小至0.5至5MW_e的工厂建造这种气化炉相关的成本。HRL设计不能从排气分离氨气和含硫化合物，并且所有这些不期望的气体进入到涡轮机。HRL设计具有较小的焦油携带量，当气体在涡轮机外部燃烧时，这样的焦油携带量对气轮机不成问题。然而，当气体在发动机内部燃烧时，这对气体发动机而言是有问题的。

Monash大学开发的蒸汽流化床干燥思路包括在过热蒸汽流化床中利用再压缩的产物水蒸汽干燥煤以提供流化蒸汽，其中大部分蒸汽在浸在床内的热交换器中冷凝。因为蒸发的水分以液体形式回收，所以这种方法相对常规的蒸发干燥系统表现出显著的效率优势，而蒸汽流化介质提供了显著的安全益处。由于蒸汽管道与煤之间的热交换不良，这种构思还没有商业化。

丹麦的“Viking气化炉”是一种生物质型小规模一体化干燥机气化炉。这种气化炉为具有螺旋输送器的两步气化装置，用作外部加热热解器和自动热炭气化炉。生物质直接进料到水平螺旋热解器中，该热解器具有从外部加热的约600℃的壁。使燃料干燥和热解30～60分钟，留下干炭和挥发性物质。

从热解过程释放的气体进入氧化区域，并在此与蒸汽和一些空气混合以使小部分热解气体燃烧，将温度升高至约1150～1400℃。高温在不到一秒的时间内几乎将全部焦油分解为简单气体，但形成一些烟灰。当焦油离开热解器时，其向下穿过氧化区域而到达实际气化炉的底部，所述气化炉为固体床式下向通风气化炉。蒸汽和炭的气化是高吸热性的反应，使得通过床后温度下降约100℃，即从700℃降低至600℃。炽热的炭床还在产物气离开反应器之前将其焦油含量降低至10～30mg/Nm³。

在气化炉之后安装有一系列的冷却器和过滤器，鼓风机将气体强制送入与发电机联接的气体发动机以发电。来自气体发动机的排气通过一体式热交换器加热热解器的内壁。

Viking气化炉的优点是合成气体的焦油含量低且没有额外的焦油裂解步骤。

Viking气化炉最慢的工艺步骤是间接干燥机，因此该专利建议使用过热蒸汽干燥机作为可能的预处理步骤。然而，当考虑到可能使用具有高的硫、氨和卤素含量的肥料和城市固体废弃物原料时，单一步骤干燥机不再有吸引力。事实上，不期望将干燥机的排气送回热解器。因此，Viking气化炉限于相对洁净的废木料。

此外，Viking气化炉具有低的合成气CV，导致气体发动机的每KW投资成本较高，并且对于工厂规模而言电力输出低。

因此，需要一种用于含碳物质如生物质和劣质煤的干燥和气化方法，这种方法具有明显更低的安装成本但同时仍保持高的能量转化和低的CO₂排放。还需要一种能够处理各种类型和尺寸分布的生物质(除传统的木屑之外，还包括粪肥、绿叶和其它废弃物)的干燥和气化方法。而且，还需要提供一种处理城市和农业废弃物(例如来自集中式养鸡的废弃物)的方法，该方法可从所述废弃物生产能源，或提供适合在土地上一般处理的终产物。

发明概述

根据一个方面，本发明提供了一种由含碳物质生产合成气和/或处理含碳物质的方法，该方法包括下述步骤：

a)减少含碳物质的表面水分；

b)减少含碳物质的固有水分；和

c)使含碳物质气化以产生合成气，

其中在步骤a)中，含碳物质与温度为50℃至250℃的热气体直接接触，和/或者含碳物质与温度为105℃至250℃的饱和蒸汽间接接触。

根据一个实施方案，在步骤a)中，所述热气体为来自燃烧过程的废气，或者，所述热气体在接触所述含碳物质之前由废热间接加热。优选地，所述含碳物质在与所述热气体接触时至少部分流化，并且所述含碳物质在步骤a)之后及步骤b)之前的温度为25℃至100℃，并且所述含碳物质的表面含水量比其在步骤a)之前的表面含水量低。

根据一个实施方案，在步骤b)中，所述含碳物质与温度为100℃至300℃的热气体直接接触，并且可以与或者可以不与温度为150℃至250℃的饱和蒸汽间接接触。优选地，所述热气体为来自燃烧过程的废气，或者所述热气体在接触所述含碳物质之前由废热间接加热。优选地，所述热气体的氧含量低于空气，其中所述热气体中的氧含量在2体积％～15体积％。优选地，所述含碳物质在与所述热气体接触时至少被部分流化，和/或，在步骤b)之后且步骤c)之前，所述含碳物质的温度通常为80℃至150℃并且所述含碳物质的含分量为2重量％～20重量％。

根据一个实施方案，在所述热气体直接接触所述含碳物质之后产生的、来自步骤a)和/或步骤b)的排气被送至水回收处理步骤，以回收从所述含碳物质去除的水分，和/或，对所述排气进行处理，以除去来自含碳物质的可能有害的气体化合物，例如氨和氰化氢。

根据一个实施方案，在工艺步骤c)中，所述含碳物料与温度为500℃至1000℃的热气体接触，生成合成气气流和固体炭。优选地，所述含碳物料通过所述含碳物料的低温氧化至少被部分加热，其中在所述热气体与所述含碳物料接触之前向所述热气体添加氧以控制所述含碳物料的低温氧化程度。

根据另一实施方案，在工艺步骤c)中，所述含碳物料与温度为200℃至500℃的热气体接触，产生低CV合成气气流以及至少部分热解的含碳物质，其中通过本方法产生的所述合成气燃烧以形成热气体，和/或在步骤a)、步骤b)和/或步骤c)中使用所述废热。优选地，所述部分热解的含碳物质用作诸如用于发电厂的锅炉的燃烧过程的进料。或者，所述部分热解的含碳物质在附加步骤中气化，以生成更高CV的合成气，该更高CV的合成气可用在气体发动机或气轮机中。

在一个优选实施方案中，所述高CV合成气被冷却至3℃至25℃的温度，并且从所述气流分离过量的水，其中使从所述气流分离的过量的水再循环并注入气化步骤c)和/或其它气化步骤中。

优选地，所述含碳物料选自具有相对高的含水量和/或低交叉温度(cross over temperature)的物料或混合物，例如：包括褐煤/或次烟煤的劣质煤、包括木材和甘蔗渣的生物质、沥青砂、城市固体废弃物、农业或农场废弃物、动物废弃物、人废弃物、或它们的混合物。优选地，所述含碳物质基本上为颗粒。

附图简要说明

从下述关于附图描述的本发明优选但非限制性实施方案的详细描述，本发明将变得更好理解，附图中：

图1包括来自麦考瑞大学(Macquarie university)(V.Strezov，T.Evans和P.Nelson 2007)的CATA运行的图示；

图2是赤桉树气化对流化气体氧含量的敏感性的图示；

图3是根据本发明一个实施方案的工艺流程图；

图4是根据本发明另一实施方案的工艺流程图；

图5是根据本发明又一实施方案的工艺流程图；和

图6是根据本发明又一实施方案的工艺流程图。

本发明及其实施方案的详细描述

本文所用的术语“合成气”指通过将含碳物质气化成具有热值的气态产物而生成的包含不同量一氧化碳、甲烷和氢的气体混合物。

本文所用的术语“含碳物质”指由碳组成、含碳或能产生碳的物质。

根据一个实施方案，本发明提供了一种用于干燥和部分气化含碳物质的一体化方法，所述含碳物质包括生物质、泥炭、农业和/或城市废弃物、劣质煤和沥青砂。该方法包括下述步骤：

a)减少所述含碳物质的表面水分；

b)减少所述含碳物质的固有水分；和

c)使含碳物质气化以产生合成气或锅炉燃料。

所述方法特别适用于使用具有高含水量的含碳物质。

在步骤a)中，含碳物质与热气体接触。优选地，热气体选自空气或来自燃烧过程的废气(例如，气体发动机排气或废气)，其温度为50℃至250℃，具有驱除含碳物质表面水分的作用。在这个阶段，还优选含碳物质在步骤a)中与饱和蒸汽间接接触，其中饱和蒸汽的温度为105℃至250℃。

作为一种优选方式，步骤a)可在侧吹式部分流化床反应器(如WO2007/137330中记载的)中进行。在该优选方式中，含碳物质以床层形式移动通过反应器，并在该处与从反应器侧部引入的压力约3kPa至8kPa的热气体接触，所述热气体使含碳物质部分流化而除去表面水分，并且逐渐加热含碳物质，使得离开步骤a)的物料的温度为25℃至100℃，并且除去部分(优选大部分)表面水分。

除热气体之外，含碳物质与移动通过管道的饱和蒸汽间接接触，所述管道与流化床成为一体并且与移动通过流化床的含碳物质接触。这有助于向热气体和含碳物质供热以促进表面水分的去除。

在步骤b)中，离开步骤a)的此时尚温的含碳物质再次与通常为150℃至250℃的热气体直接接触。优选地，热气体的氧含量比空气的氧含量低，其中氧浓度为2体积％至15体积％。根据一种优选的方式，热气体为来自燃烧过程的废气，并且可选自燃烧步骤c)中产生的合成气所产生的排气。

作为一个替代方案，或者优选此外，含碳物质还与温度为150℃至250℃的饱和蒸汽间接接触，这有助于降低含碳物质的固有含水量。

作为一种优选方式，工艺步骤b)可在侧吹部分流化床反应器(如WO2007/137330中记载的)中进行。在该优选方式中，含碳物质以床层形式移动通过反应器，并在该处与从反应器侧部引入的氧含量降低的热气体接触，所述热气体的温度为150℃至250℃，压力为约3kPa至8kPa，并且使含碳物质部分流化，从而减少固有水分，并且进一步加热含碳物质，使得离开步骤b)的物料的温度为80℃至150℃，含水量为2％至20％。

根据保持排气分开的需求，可以使步骤a)和步骤b)的干燥步骤相连或分开。

可对从步骤a)和b)放出的排气进行处理以除去它们的水分，并且回收来自含碳物质的水，以及除去可能不期望的气态产物。如果使用包括鸡或猪粪肥的含碳物质，则该产物在加热至100℃至200℃的温度时放出氨和氰化氢。通过在工艺步骤a)和/或b)之后除去废气并对它们进行洗气，可以除去这些不期望的产物，从而允许以水或粒状物的形式处理后续废弃物。

第三个气化工艺步骤c)可以以各种方式进行，取决于所需的气体能量密度(CV)、焦油携带的容许量和含碳物质的反应性。在一个实施方案中，含碳物料在步骤c)中与温度不超过450℃的热废气接触，产生CV非常低的合成气的气流和炭以及灰分。该气化废气可用蒸汽和氧气调节以减少焦油携带或增加气体CV。可向该气流添加氧气以达到气化炉中所需的操作温度。该气化步骤的温度远低于一般的气化步骤，因此没有使含碳物料完全气化，留下可用作锅炉燃料的产物。本专利说明书的所有示例性实施方案和图表中，该步骤被称为CO₂去除干燥机和/或气化步骤，其原因是该步骤以放出CO₂的形式除去含碳进料中的部分氧。

生成的合成气或排气在后燃器内燃烧，作为低级废热使用。通常，大约一半的排放CO₂和25％的CO由350℃的生物质和400℃的劣质煤产生的。因此，我们将该步骤称作CO₂去除干燥机，并且它可用于生成更高CV的合成气(不使CO₂与炭气化合成气混合)或在燃烧炉或锅炉中表现类似于优质煤的热炭。这个实施方案更适合于气轮机中的气体使用或作为传统开放式循环发电厂的预处理。

在温度更高的步骤c)的第二实施方案中，用于其它后续步骤的气体和来自步骤B的进料也更热。我们将该实施方案称作气化炉，其原因是该装置的操作更像传统的气化炉。该方法使进入任意后续步骤的炭更热。对于生物质，为了后续步骤中的低焦油产量操作，炭的进入温度需高于400℃。对于褐煤，相应的温度高于500℃。这种方法降低焦油携带并为任意后续步骤解决传统下向通风气化炉的气体洁净度问题。该实施方案更适合于气体发动机或对焦油非常敏感的其它应用。联合燃料也是优选的实施方案，例如生物质与煤、生物质与城市固体废弃物、城市或农业固体废弃物和煤、城市或农业固体废弃物和生物质的联合燃料。这是由于不同燃料之间非常大的气化温度和反应速率差异以及克服这些差异的分开气化能力引起的。

为了使所述方法更经济，并发挥生物炭的高反应性优势，可利用来自燃烧过程的废气(例如气体发动机排气)或者甚至来自步骤b)的具有非常高含水量的废气来实施步骤c)。加热流化气体，其温度通常为200℃至600℃，取决于氧含量。生物炭和褐煤通常在120至150℃之间具有交叉温度。也就是说，当生物质温度高于120℃且流化气的氧含量为4％至5％氧时，气化率开始快到足以进行商业化应用。参见图2。在这样的低温下，流化气的热量损失极小。这使得步骤c)中的气化的热效率非常好，使得运行一定规模的电站所需的生物质较少。其不利之处是气化炉需稍微加大以增加所需的滞留时间。

通过分开与干燥和气化相关的各个步骤并且在与现有气化装置比较相对低的温度和气压下实施这些步骤，可在低成本装置中实施本发明，由于规模经济性，所述低成本装置可位于靠近含碳物质源之处。这大幅降低运输成本，从而增加采用各种含碳物质作为生物燃料的可行性。

由于本方法允许使用流化床进行干燥和气化工艺步骤，所以本发明的方法可适用于各种生物质和具有不同尺寸和分布的其它不规则燃料。此外，通过将表面水分干燥步骤a)和固有水分干燥步骤b)分开，本方法提高了分离在使用诸如城市废弃物和农业废弃物(包括粪肥)的各种生物质进料时在这些步骤中可能产生的不期望气体的灵活性。

本发明的方法还提高了满足与干燥和液化(de-volatilisation)相关的密度大幅变化的灵活性，并且还降低了对进料(例如，包含在来自层架式养鸡场的鸡粪中的死鸡)污染的敏感性。

由于使用蒸汽、氧作为调节气体(和循环气体中的CO₂)以及因为在干燥/部分气化的最终阶段中的预热而具有更热进料的能力，所以本方法存在更少的与焦油携带相关的问题。作为一种优选方式，所述方法能够处理负载的焦油、低温气化废气，并使其再循环进入最热的气化炉或者在后燃烧炉中破坏这些化合物。

本发明的方法具有显著的经济优势，部分原因是建造成本低，因为所述方法允许使用与传统流化床相比具有更低总高度的设计用于低温和低压运行的流化床。虽然如果存在蒸汽系统而可以使用过热蒸汽，但是不必使用过热蒸汽。此外，这种思路具有模块化可扩展性，因此可以将组装的工厂、橇装式干燥器、气化炉和热交换器运送至场地，进行最少的现场安装即可。

由于使表面水分废气(如果需要，在除去NH₄和HS₂之后)再循环至气化炉减少了生成蒸汽的需求，所以本发明的方法还具有高的效率。此外，所述方法使用来自气体发动机排气中的废热或者后燃烧炉的废热来再加热待用于固有水分干燥器中的蒸汽。其它的效率优点是：使用来自炭气化炉的合成气中的废热来再加热用于固有水分干燥器中的水；使用废气加热(post)表面水分干燥器中产生的蒸汽；使用来自CO₂去除干燥器/气化炉的合成气作为第二步骤气化炉的流化气；和使用来自气体发动机排气中的显热来预热作为生物质气化炉的流化气的排气。

由于气体的热值更高，所以还可以从根据本发明一种应用的气体发动机获得更高的输出功率。这可以通过气化炉的富氧点火实现，其使得可以回收更多量的显热并再用于流化气中，并且还使流化气具有更高的含水量。此外，可以干燥所得合成气以从所述工艺回收水。

由于不依赖于气轮机或蒸汽轮机、设计的模块化性质、因使用流化床引起的相对低的安装高度和工艺步骤的可分开性，所以本发明的方法非常容易比例缩小至非常小的单元。因为尤其不需要水处理装置或冷却塔，所以这些特性中的每一种都使本发明可用于简单的基于农村的设计以用于热或干燥的气候和各种其它应用。

由于本发明方法使湿的生物质更有效地转换成电力，所以根据本发明的方法还有许多环境方面的优点。这意味着需要的生物质的量更少，从而有充足的生物质来建设小电站。因此，可经济地建设更多的生物质电站。大约1MW_e小时的生物质能源将使环境减少1000kg的CO₂排放。

本发明的方法使得可以在远离主要的燃煤电站的地方分布更多的生物质发电厂，从而减少线路损耗。例如，向离电站300km处输送100kW电力需要115kW。

根据本发明的一个实施方案使湿煤更有效地转化成电力。因此，生产相同量的电力燃烧的煤更少。对于褐煤，每生成1MW_e电减少约400kg的CO₂排放。

此外，因为本发明方法不依靠外部水来冷却塔和弥补蒸汽损失，所以其对水的依赖性不高。这通过三种方式实现：

·使用气体发动机而非开放式循环蒸汽轮机；和

·利用废气中的热量来冷却并干燥合成气以提高气体发动机的性能，并且在水需求足够高时采用袋式除尘室气体。

·再利用回收的水作为工艺补充水。

例如，通过将本发明的方法引入维多利亚州的Wimmera地区，一个10MW_e的生物质电站将每年减少92000吨CO₂排放，并创造农村就业机会且不使用任何外部的水。

通过本发明的方法生产的合成气可用于更小的具有气体发动机的发电厂，其中该发动机也是热气体发生器。合成气还可用于更大工厂的联合循环发电。合成气还被用于用费-托(Fisher Trope)工艺制造运输用燃料，以通常制造乙醇或柴油。

生物质不是均质物质。参见图1。对于各种不同类型的生物质，必须改变操作条件以获得最佳气化性能。

“...生物质废弃物热分解期间气态化合物的释放由4个主要阶段组成。在第一阶段中，牢固键合的水合化合物被释放以形成可凝结的水组分...第二阶段包括CO和CO₂化合物的生成，在约370℃时检测到峰值生成速率。第三，在更高温度下释放出烃作为焦油组分二次裂解的产物，其中甲烷是主要的化合物。第四阶段是在高于600℃的温度下释放氢气”(VStrezov，L Strezov and J Herbertson，2005)

与碳化度一样，流化气组成对气化速率也有很强的影响，如图2所示。流化气中氧气含量为五分之一时炭的气化速率与木材的气化速率相近。也就是说，4％氧气时的木材气化速率与21％氧气时的木炭气化率相近。将干燥器/气化炉分解成多个步骤可以完全控制各个反应速率。这也适合于在进料和最后炭燃尽之间的不同阶段中密度和大小非常不同的颗粒。这使得氧富集的选择性使用更有吸引力。这对HRL设计而言是不可能的。由于热传递速率提高，干燥器的分开还使得可运行但不够经济的蒸汽流化床干燥(Steam Fluidised Bed Drying)在经济上具有吸引力，并且它使这样的系统可缩小至生物质尺寸。

通过将干燥器分解成多个容器且只有第一(和可能的第二)容器具有蒸汽管道，因为进入干燥器的生物质比蒸汽的温度低，所以可以提高热传递速率。同样地，如果使生物质相对蒸汽管道以活塞流的形式移动而不是混合的罐流动，热传递速率可进一步提高。分解干燥器，使得蒸汽管道仅接触新鲜生物质，确保在最低的可能蒸汽压力下具有最高的传热速率。这样，可将压力低至60～80kPa(表压)的蒸汽投入使用，在25～100℃下加热生物质。此外，通过使用倾斜侧鼓风流化床(国际专利申请号PCT/AU2007/000718)，生物质接近“活塞流”而不是多数流化床系统中的传统“混合的罐流动”。这种活塞流也有助于使低压蒸汽可以使用。

一个通常使用的气化标准是碳转化率。其定义为：

碳转化率＝1-(炭中的碳)÷(固体进料中的碳)

为了获得更高的碳转化率，工艺设计人员选择了更高的温度和压力。结果，他们工厂的资金成本增加。然而，在农村地区，来自该工艺的灰以及与这种灰混合的活性炭成为很好的肥料和土壤调节剂。因此，对于生物质的应用，具有很高的碳转化率并不那么重要。这导致了本发明的潜力，即能够建造与用于煤的传统气化炉相比温度和压力更低的生物质工艺。这导致更高的碳地理封存(geo-sequestration of carbon)，因为灰中的碳回到了土地。此外，该工艺如果分阶段进行，则其较高温度部分会小得多。

本发明的方法可修改以用于泥炭、劣质煤和沥青砂，如果进料的反应性足够的话。对维多利亚的褐煤所作的测试工作已经显示，这种煤的反应性足以在低温和低压下气化。

现将根据本发明方法的以下应用实施例对本发明作进一步说明：

实施例1

实施例1是生产作为常规煤电站的进料的热生物炭的装置。参见图3，其示出了根据本发明一个实施方案的工艺流程图。如图中可见，含碳物料经历三个工艺步骤，最终生成低品级合成气。

在第一步骤a)中，含碳物质进入表面水分干燥机，并在其中与温度为115℃和400℃的热气体接触。根据该实施方案，热气体为来自电站的废气。除与热气体直接接触外，表面水分干燥器还使含碳物质与流经干燥机内蒸汽管道的蒸汽间接接触。蒸汽间接接触含碳物质的作用是将含碳物质缓慢加热至100℃至140℃之间，使得蒸汽冷凝并以液态水从表面水分干燥机内移出。通常，在步骤a)进入表面水分干燥机的蒸汽温度为105℃至175℃。

涉及表面水分干燥机的第一工艺步骤a)最终提供了表面水分含量减少且温度为100℃至140℃的含碳物质的出口流。此外，在步骤a)离开表面水分干燥机的热气体包含作为蒸汽从含碳物质去除的水分以及由气体流携带的微粒。该热气体的一部分可由热气体发生器再加热，然后用作气化步骤c)的进料气体。

该第一工艺步骤a)可利用诸如蒸汽加热旋转窑或炉床的各种装置实施，但较优选地利用水平的差速流化床表面水分干燥机实施。

诸如螺旋输送机或旋转阀的旋转锁闭装置将工艺步骤a)的表面水分干燥机分开，并将加热后的含碳物质提供至第二工艺步骤b)，在本实施方案中步骤b)采取固有水分干燥机的形式。

在第二工艺步骤b)中，含碳物质与低压过热蒸汽接触。蒸汽温度通常为400℃和850℃，因此该工艺提供了固有水分大大减少的含碳物质。通常，含碳物质的温度在该工艺步骤期间升高至120℃至220℃。第二工艺步骤b)可在诸如常规旋转窑或盘式干燥机的各种装置实施，但更优选地是在水平的差速流化床中进行。

优选地，从工艺步骤b)的固有水分干燥机得到的蒸汽气流被再压缩。该再压缩蒸汽部分再循环进入向固有水分干燥机进料的蒸汽过热器，其余部分送入第一工艺步骤a)的表面水分干燥机的蒸汽管道内。在进料物质具有很高含水量的情况下，蒸汽平衡略有不足，而对于具有较低含水量的进料物质，蒸汽平衡略有盈余。

在该实施方案中，用于蒸汽过热器和步骤a)中进入表面水分干燥机的热气体的工艺热由独立的热气体发生器(HGG)提供。该HGG优选燃烧湿的含碳物质，使得废气具有高的含水量。优选地，这种湿的含碳物质为从表面水分干燥机吹出的细含碳物料。

图3所示的热交换器将进入步骤a)的热空气冷却至115℃至400℃，并分别将用于进入步骤b)的过热蒸汽和用于在步骤c)中使用的热气体加热至400℃至850℃。

诸如螺旋输送器或旋转阀的旋转锁闭装置将此时表面或固有含水量非常低的含碳物质从固有水分干燥器传送至步骤c)中的气化器。

步骤c)中，通过使含碳物料与热气体流接触来进行含碳物料的气化。优选地，热气体的温度为700℃至750℃。热气体选自氧气、蒸汽和/或空气中的一种或其混合物。更优选地，为达到最高效率，气体流是氧气和从步骤a)的表面水分干燥机出来的已加热废气的混合物。

由于非常低的气化炉温度和压力，炭的收率相对高。生物炭类似于优质煤在电站内使用。

第三步骤可在如常规旋转炉或盘式干燥器的各种装置内进行，但优选在水平的差速流化床中进行。

应理解，本领域技术人员可进行各种变化、替代和变换而不脱离本发明精神或范围。例如，图4示出了不同的热交换器设置，且图4没有使用过热蒸汽，而图3和图4均使用三个步骤将湿的含碳物料转换成炭。

实施例2

在下述实施例中，新鲜树叶和树枝用机械方法从地里拾取。全年的平均收集速度为每小时1.25吨。将这种生物质物料送到对木材进行切碎的小型集中站。电厂在可持续提供木材生产的农场的25km的范围内。燃料的组成为：

总湿度    50.00％w.b.

灰分      10.80％d.b.

碳        46.10％d.b.

氢        5.90％d.b.

氮        0.60％d.b.

硫        0.20％d.b.

氧        36.40％d.b.

比能量    18.10MJ/kg d.b(毛数)

这样的生物质量，如所列出的组成，如果它用在开放式循环电厂，则通常产生约0.46MW_e(毛数)的电。这意味着总的转化效率为15％。这低于开放式循环电厂的经济规模。

然而，如果使用相同的生物质作为如工艺流程图图5概述的装置的进料来源，则这种资源可得到相当有效地利用。在图5中，废木经过三个工艺步骤a)、b)和c)，最后在步骤d)生成合成气。在步骤d)中离开部分气化步骤c)的热炭在步骤d)的常规气化炉内处理，且来自该气化炉的显热用于加热蒸汽，该蒸汽随后用于在步骤a)和b)中除去表面水分和固有水分。合成气用于在步骤e)中驱动气体发动机或气轮机，并且排气可随后用于在步骤a)或b)中直接接触的生物质，或者用于提供废热以间接加热热气体。

在第一工艺步骤a)中，废木进入带有间接蒸汽加热的流化床反应器形式的表面水分干燥机，其长3m、宽0.5m，且具有15m²的蒸汽管道面积。在该表面水分干燥机中，湿的废木与温度为200℃的500kg/h的热空气接触，该热空气使所述湿废木在反应器内部分流化。该热空气来自用于冷却废气的热交换器，所述废气来自步骤e)的气体发动机/气轮机。除与该热气体直接接触之外，表面水分干燥机还使废木与流过干燥机内蒸汽管道的饱和蒸汽间接接触。蒸汽为150℃。蒸汽间接接触含碳物质的行为将废木缓慢加热至95℃，使得380kg/h的蒸汽冷凝并作为液态水的形式从表面水分干燥机移出。表面水分干燥机进行大约150kW的干燥工作。约72％的加热和干燥工作由冷凝蒸汽完成。废木离开该干燥机时的水分约为39％。

在该实施方案中，步骤a)和步骤b)在总长6m的同一容器中进行，但与表面水分部分比较，流化床的管道支架(duct work)将更热和更低氧含量的气体送至容器的固有水分部分。

在第二工艺步骤b中，废木与250℃的500kg/h的废气接触。废木的温度从95℃升至135℃，且其湿度从39％下降至16％。容器固有水分部分长3m，宽0.5m。蒸汽温度为150℃，且蒸汽管道面积为15m²。

使从步骤a)和b)得到的排气脱尘，然后送至袋式捕尘器，随后可将气体送至清洁水回收单元以除去从废木带出的水分。

螺旋输送器将135℃且水分为16％的废木从步骤b)传送至工艺步骤c)的气化炉。在这个点上，通过使废木与来自表面水分干燥机的高湿度废气接触进行废木的气化，所述高湿度废气富含来自PSA制氧设备的氧。所述废气已富含5.0体积％的氧，并在冷却废气产物合成气的热交换器中加热至400℃。在步骤c)中，木材迅速干燥并部分气化，还产生一些焦油、油以及CO₂和CO。

木炭在约450℃下离开步骤c)的生物质气化炉，并经螺旋输送器进入步骤d)的炭气化炉。来自步骤c)的废气被部分氧化以将硫化合物转化成硫酸盐，该硫酸盐在进入步骤d)之前捕集在硫洗涤器内的热白云石基质中。除去硫化合物后的气体可通过甲烷化催化剂以降低H₂和CO含量并提高CH₄含量。这降低了步骤e)中气体发动机爆震的可能性。此时为约700℃的气体进入步骤d)。

步骤d)中的热流化气体具有高湿度，这有助于确保焦油和油良好地转化成气体。步骤d)通常保持在800至900℃，并且分阶段添加氧。向离开步骤d)的烟灰添加液态水，来自该冷却步骤的蒸汽上升进入气化炉以增加湿度。

步骤d)产生的合成气通过两个并行的热交换器冷却。合成气在吸收冷却器的集热式热交换器中进一步冷却。该冷却器用于冷却水环式压缩机内的水，该压缩机用于洗涤气体、去除颗粒并将其升压至100KPa(g)。在步骤d)中以约950m³/h的速率生成8.5MJ/m³的合成气，其转换成约1.0MWe电力(毛数)或约0.75电力MWe(净值)。即使这样小的规模，总的热-电转换效率为26％。这类似于规模为15MW_e以上的开放式循环电站。

在该实施方案中，有四个相同的热交换器支持所述方法。

·两个蒸汽加热器：冷却来自炭气化炉的合成气，并加热用于固有水分干燥机的蒸汽。

·流化气体预热器：冷却发动机排气，并加热来自表面水分干燥机的废气。

·排气冷却器：冷却气体发动机排气，并加热用于固有水分干燥机的蒸汽。

尽管其它气化炉具有更高的碳转化效率，但这涉及与较高温度和压力相关的价格问题，对多数基于农村的生物质和废弃物而言这是不必要的花费。该实施例的装置将每年减少约6000至6700吨的CO₂排放，并创造农村就业。

虽然已详细说明了一些实施方案，但是一体化的干燥机和气化炉可以有其它实现形式。通过在后燃烧炉中燃烧来自步骤c)的低CV废气，并在费-托工艺之前利用炭气化炉内的蒸汽提高H₂与CO的比例，本方法可修改用于生产乙醇。同样地，在更大的装置中，气轮机和蒸汽轮机可替代气体发动机以提高效率和减少维护。图6示出了如何将本发明思路应用于城市固体废弃物(MSW)，其中不期望的金属、卤素和其它气体在140℃至250℃之间放出。因此在该实施例中洗气系统位于步骤b)和c)之间。如果含有明显的粪肥，则可在步骤a)和b)之间添加洗气器，其温度为50℃至100℃。

应理解，本领域技术人员可作出各种变化、替代和变换，而不脱离本发明的精神或范围。

Claims (26)

1.一种由含碳物质生产合成气和/或处理含碳物质的方法，该方法包括下述步骤：

a)降低所述含碳物质的表面水分；

b)降低所述含碳物质的固有水分；和

c)使所述含碳物质气化以产生合成气，

其中在步骤a)中，所述含碳物质与温度为50℃至250℃的热气体直接接触，和/或所述含碳物质与温度为105℃至250℃的饱和蒸汽间接接触。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤a)中，所述热气体为来自燃烧过程的废气，或者，所述热气体在接触所述含碳物质之前由废热间接加热。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在步骤a)中，所述含碳物质在与所述热气体接触时至少被部分流化。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述含碳物质在步骤a)之后和步骤b)之前的温度为25℃至100℃，并且所述含碳物质的部分或大多数表面水分被除去。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在步骤b)中，所述含碳物质与温度为100℃至300℃的热气体直接接触，和/或所述含碳物质与温度为150℃至250℃的饱和蒸汽间接接触。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤b)中，所述热气体为来自燃烧过程的废气，或者所述热气体在接触所述含碳物质之前由废热间接加热。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在步骤b)中，所述热气体的氧含量低于空气的氧含量，其中所述热气体中的氧含量为2体积％～15体积％。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中在步骤b)中，所述含碳物质在与所述热气体接触时至少被部分流化。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其中在步骤b)之后和步骤c)之前，所述含碳物质的温度为80℃至150℃并且所述含碳物质的含水量为2重量％～20重量％。

10.根据权利要求5至10中任一项所述的方法，其中在所述热气体直接接触所述含碳物质之后产生的、来自步骤a)和/或步骤b)的排气被导至水回收处理步骤，以回收从所述含碳物质去除的水分。

11.根据权利要求5至11中任一项所述的方法，其中对在所述热气体直接接触所述含碳物质之后产生的、来自步骤a)和/或步骤b)的排气进行处理，以除去由所述含碳物质产生的可能有害的气态化合物，例如氨和氰化氢。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中工艺步骤a)和b)在诸如部分流化床反应器的相同容器中进行。

13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中在工艺步骤c)中，所述含碳物料与温度为500℃至1000℃的热气体接触，生成合成气气流和固体炭。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在工艺步骤c)中，所述含碳物料通过所述含碳物料的低温氧化而至少被部分加热。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在步骤c)中，在所述热气体与所述含碳物料接触之前向所述热气体添加氧以控制所述含碳物料的低温氧化程度。

16.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中在工艺步骤c)中，所述含碳物料与温度为200℃至500℃的热气体接触，产生低CV合成气气流和至少部分热解的含碳物质。

17.根据权利要求16所述的方法，其中在工艺步骤c)中，所述含碳物料通过所述含碳物料的低温氧化而至少被部分加热。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在步骤c)中在所述热气体与所述含碳物料接触之前向所述热气体添加氧以控制所述含碳物料的低温氧化程度。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中燃烧通过所述方法生产的合成气以形成在步骤a)、步骤b)和/或步骤c)中利用的热气体和/或废热。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述部分热解的含碳物质用作诸如用于发电的锅炉的燃烧过程的进料。

21.根据权利要求16至20中任一项所述的方法，其中所述部分热解的含碳物质在其它步骤中气化以生成更高CV的合成气，所述更高CV的合成气可用在气体发动机或气轮机中。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所述高CV合成气被冷却至3℃至25℃的温度，并且从所述气流分离过量的水。

23.根据权利要求22所述的方法，其中使从所述气流分离的过量的水再循环并注入所述气化步骤c)和/或其它气化步骤。

24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中所述含碳物料选自具有相对高含水量和/或低交叉温度的物料或其混合物。

25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中所述含碳物料为：包括褐煤和/或次烟煤的劣质煤、包括木材和甘蔗渣的生物质、沥青砂、城市固体废弃物、农业或农场废弃物、动物废弃物、人废弃物或它们的混合物。

26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中所述含碳物质基本上为颗粒状。

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