CN101978033B - 有效转化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于生产合成气的设备和方法。该设备具有用于生成合成气的热解室(12)、转化装置(14)、形成用于在所述热解室和所述水煤气变换反应区之间反复循环气体的循环回路的管道装置(22，24)和借助于水煤气变换反应将氢加入至在所述环路中循环的气体中的装置。

Description

有效转化装置
发明领域
本发明涉及一种生产合成气的方法。
发明背景
气化是通过将原料在高温下与控制量的氧反应而将含碳物质诸如生物质转变为一氧化碳和氢的过程。生成的气体混合物称为合成气或合成气(syngas)。合成气主要由CO(一氧化碳)和氢构成。这两种成分是醇类(甲醇、乙醇、丙醇等)的基本结构单元。
气化是从许多不同类型的有机物中提取能量的有效方法，并且提供清洁的废物处理。气化比原始燃料的直接燃烧更为有效，尤其是处理的物质中包含的多种有机物转变为能量(较高的热效率)。
合成气可以直接地在内燃机中燃烧或用来产生醇类诸如甲醇、乙醇和丙醇，并且还产生氢。化石燃料的气化目前广泛地以工业规模用于产生电力。
在气体发生器中合成气的生成典型地经历几个过程。
热解
第一个过程是热解，并且当气体发生装置内部的温度在缺氧气氛中升高，加热含碳物质时发生此过程。热解过程是氧含量为零的有机物的气化。为了从有机物质获得合成气，该过程可能是气化过程(有机物质的部分氧化)，或热解(有机物质的零氧化)。热解产生较多的合成气，因为它不氧化产生的任何合成气。
转化过程
这在高温转化室内实现，该高温转化室接收来自裂解室的合成气。在转化室内，合成气温度升至高温(＞900℃)以便将焦油分解成为较简单的碳分子。当蒸汽加入至转化室内时，氢与一氧化碳的比率改变，这通过使用水煤气变换反应(变换反应)来实现。
变换反应是一种放热的化学反应，其中水和一氧化碳反应形成二氧化碳和氢：
CO+H2O→CO2+H2    (1)
变换反应增加了产生的氢量。然而，变换反应是一种吸热反应并且需要高温。变换反应对温度敏感，当温度增加时具有向产物变换的倾向。结果，变换反应从转化室吸收大部分能量，使其变得成本极高。使用催化剂降低反应温度的尝试不是很成功。
更重要地，变换反应还从合成气中消耗一氧化碳。对于醇类诸如甲醇、乙醇和丙醇的生成，需要一氧化碳来产生所需的氢/CO比。
因此，在较多的变换的使用变得不太有益时，需要变换操作的最佳范围，因为CO消耗和能量消耗两者均会太高。
发明概述
本发明试图提供一种生成合成气的改进方法。
因此，本发明提供了用于生产合成气的设备，其包括：用于生成合成气的热解室；转化装置；管道装置，其形成用于在所述热解室和所述水煤气变换反应区之间反复循环气体的循环回路；和用于借助于水煤气变换反应将氢加入至在所述回路中循环的所述气体中的装置。
在一个优选的实施方案中，所述转化装置具有水煤气变换反应区；并且所述设备进一步包括控制系统，所述控制系统用于监测所述转化装置中合成气的氢含量，并且依靠其控制所述热解室和所述水煤气变换反应区之间气体的循环。
有利地，所述控制系统具有用于监测所述转化装置中合成气的组成的装置，并且依靠其所述控制系统可操作地控制所述气体向气体合成器和蒸汽发生装置中的至少一个的供应。
优选地，该设备包括用于控制气体向所述气体合成器和所述蒸汽发生装置的运动的装置，并且其中所述控制系统可操作地控制所述装置，从而依靠其控制所述气体向所述气体合成器和所述蒸汽发生装置中的至少一个的供应。
优选地，所述设备进一步包括用于将蒸汽注入至所述转化装置中的所述气体中的装置，并且所述控制系统依靠所述转化装置中合成气的氢含量可操作地控制蒸汽向所述气体中的注入。
优选地，该设备进一步包括用于使所述气体循环的所述管道装置中的鼓风装置，并且所述控制系统依靠所述转化装置中合成气的氢含量可操作地控制所述鼓风装置。
有利地，所述转化装置具有在所述循环回路中所述水煤气变换反应区的下游处的混合室，并且所述控制系统可操作地监测所述混合室中合成气的氢含量，从而依靠其控制所述热解室和所述水煤气变换反应区之间气体的循环。
优选地，所述用于将蒸汽注入至所述转化装置中的所述气体中的装置被配置成将蒸汽注入至所述混合室中。
有利地，所述转化装置具有在所述水煤气变换反应区与所述气体合成器和所述蒸汽发生装置之间的收集室，并且所述控制系统可操作地监测所述收集室中合成气的组成。
热解室可以是间歇式热解室。
优选地，所述控制系统可操作地使合成气在热解室和转化装置之间循环3次以上并且至多24次。控制系统可操作地使合成气在热解室和转化装置之间循环3次以上并且至多15次。
有利地，控制系统可操作地使合成气在热解室和转化装置之间循环3次以上并且至多10次。
本发明还提供了一种在间歇过程中生产合成气的方法，该方法包括：在热解室中生成合成气；并且使所述气体从所述热解室前进至水煤气变换反应区，从而产生具有富集的氢含量的变换的合成气流；其中所述热解室和所述水煤气变换反应区处于变换的气体循环回路中，并且所述合成气通过所述回路再循环多次。
在一个优选的实施方案中，在所述反应区中所述反应期间消耗的CO用氢来补充。
优选地，所述消耗的CO被连续地补充。
合成气在间歇式热解室中生成，并且合成气在所述回路中循环3-24次。优选地，3-15次，和优选地3-10次。
水煤气变换反应区方便地设置在转化装置中并且合成气往返于转化装置传送，用来加热所述气体。
转化装置优选具有混合室和收集室，并且水煤气变换反应区设置在所述混合室中。
在一个实施方案中，改性的合成气用来气化热解室中的有机物。监测所述转化装置中合成气的组成以确定所述合成气的氢含量，并且依靠所述监测的氢含量而将蒸汽加入至所述水煤气变换反应区，从而促进氢生成。
理想地，通过控制气体循环的速率来控制所述过程。
优选地，评估每批次的合成气以确定所述合成气是否达到一个或多个预定的控制质量控制标准，所述批次的合成气在其达到所需的质量控制标准时被释放至所述合成过程中，否则所述批次用来产生蒸汽，所述蒸汽用来增加所述合成气的产量。
在本发明中提出了这样的方法，其中水煤气变换反应中消耗的CO被连续地补充，产生氢所消耗的能量被不断地拔顶(topped)，并且生成的合成气质量被紧密地控制。
此外，本发明中提出了这样的方法，其中热解过程通过调节用来气化有机物的热(贫氧的)气体的化学组成而显著地加快(增加的效率)。
此外，本发明中提出了这样的方法，其中热解系统的操作与转化装置的操作和气氛紧密地相连。
此外，本文中提出了这样的间歇式转化装置，其与间歇式热解系统一起紧密地操作，从而有效地产生质量可控的合成气。
附图简述
下面通过实施例，参考附图进一步说明本发明，附图显示了用于从有机物质生成合成气的系统。
附图详述
参考附图，系统10具有热解室12，有机物质通过该热解室12。热解室12典型地在500℃-700℃的温度范围内操作，该温度通常通过注入处于高温的合成气而生成。
该系统还具有转化装置14，该转化装置14具有主室16、混合室18和收集室20。转化装置主室16通过导管回路连接至热解室12，在该回路中管道22允许气体从热解室12流动至转化装置主室16中。混合室18和收集室20两者均向转化装置主室16开放以接收来自主室的气体。
另外，混合室18与热解室12通过导管或管道24连接以允许气体从混合室18流回至热解室12。再循环风扇26，27分别设置在导管22和24中以推动气体的循环。另外的导管或管道27使转化装置形成旁路，并且再循环风扇29设置在导管27中以推动气体的循环。
转化装置主室16典型地在900℃-1400℃的温度下操作，通过燃烧系统28加热气体并且达到和保持所述温度，该燃烧系统典型地燃烧天然气或类似物。另外，来自从热解室12通过管道22流动至转化装置主室16中的合成气的部分氧化的热量供应至转化装置主室16。
通过第一采样装置30监测从转化装置主室16进入收集室20的气体，该第一采样装置30测量收集室中合成气的组成。所述第一采样装置30方便地是连续采样装置。从收集室20，气体可以被经管道装置34引导至锅炉32或经管道36引导至合成器系统35以合成醇类诸如甲醇和乙醇。
可以通过管道中的适当装置诸如挡板或阀门33来实现对气体从收集室20通过管道34，36的运动的控制，所述控制通过控制系统38来实现，该控制系统38依靠由采样装置30生成的信号控制所述挡板或阀门。
在收集室20中的合成气组成被采样装置30监测为高质量并且在所需的组成范围内时，控制系统38控制导管34，36中的挡板或阀门以使气体沿着导管36被引导至合成器35。在所述组成超出所需范围时，气体沿着管道34被引导至锅炉32。
锅炉32用来生成蒸汽，其经管道42被应用至转化装置混合室18。
第二采样装置44(也方便地是连续采样装置)监测转化装置混合室18中的气体的组成，并且依靠该组成控制风扇26，27。
水煤气变换反应在转化装置混合室18内发生，并且转化气体的组成通过采样装置44采样。在反应区中变换反应期间被消耗的CO的能量用高热效率气体-氢-来补充。控制系统38依靠来自采样装置44的信号控制再循环风扇26，27，使得所述再循环风扇26，27依靠所述采样装置44所监测到的气体组成控制转化装置14和热解室12之间的再循环水平。
每个再循环风扇推动各室之间的合成气。所述风扇具有超过规定规格的尺寸从而能够使气体在各室之间以非常高的速率循环。典型地，再循环风扇26，27被设计和控制为使气体在朝向收集室20离开气体回路之前再循环3-24次。
要理解的是热解室12中的有机物质通过经管道24循环的热气体连续地加热，由此气化热解室12中更多的有机物。在热解室12中的气体的温度达到所需水平时，风扇29通过控制系统控制从而绕过转化装置，以防止气体温度达到太高的水平。
转化装置混合室18中的合成气通过上述的过程被改性从而增加存在的氢的百分比。此较高百分比的氢也用来气化热解室12中的有机物质，并且获得更高的传热能力。在600℃的热解室操作温度下，氢比热等于14.76Kj/Kg-K，相比较天然气(氧-燃料燃烧气体)的比热为1.76Kj/Kg-K。较高的传热能力导致向有机物质较高的传热，并且此又转化为有机物质的较快释放和明显较短的气化时间。因此，与常规的加热气体过程相比，增加的气化效率的作用是明显改进的燃料效率和明显改善的有机物加工能力。
依靠采样装置44的结果，控制系统38也控制蒸汽经管道42向转化装置混合室18的注入。控制方便地通过阀43来实现。室18中合成气的氢含量通过采样装置44来监测，并且依靠该结果，控制系统38控制蒸汽的注入以增加或减少蒸汽的量和氢气的生成。控制系统38也控制再循环风扇26，27，并且由此控制气体的循环速率。
收集室20的优势在于仅当由采样装置30采样的合成气具有适当的质量时，产生并进入收集室的合成气通过管道36释放至合成过程中。如果其不具有适当的质量，则通过锅炉32用于生成蒸汽，该蒸汽又增加合成气的产量。通常，该系统被设计为在朝向收集室20和下面的过程退出管道22，24以及通过热解室12和转化装置14的回路之前，提供气体环绕该回路的最小10至200次的传送。
本发明能够以显著的水平控制生成的合成气的质量。如上所述合成气环绕系统的多次传送是有利地，因为其可以用来气化热解室中更多的有机物。

Claims (26)

1.一种用于生产具有增加的热效率的合成气的间歇式加工设备，包括：
用于通过将有机物质在贫氧气氛中加热来热解所述有机物质以生成合成气的热解室，所述合成气基本上包含CO和H2；
用于升高所述合成气的温度以便将其中的焦油分解成为较简单的碳分子的转化装置，所述转化装置具有水煤气变换反应区；
管道装置，其形成用于在所述热解室和所述水煤气变换反应区之间反复循环气体的循环回路；
将蒸汽加入至在所述水煤气变换反应区中循环的气体中使得借助于水煤气变换反应消耗CO并且产生H2的装置，所述水煤气变换反应的产生用高热效率气体补充所述反应期间消耗的CO并且增加在所述合成气中存在的H2的百分比；
和转化装置旁路管道，其用于使合成气循环通过所述热解室而不使其通过所述转化装置；其中
在使用中，使具有增加的热效率的合成气通过所述热解室循环增加了向其中的有机物质的传热，从而减少其气化时间。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述设备进一步包括控制系统，所述控制系统监测所述转化装置中合成气的氢含量，并且依靠其控制所述热解室和所述水煤气变换反应区之间气体的循环。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括控制系统，所述控制系统具有监测装置和控制系统，所述监测装置监测所述转化装置中合成气的组成，并且依靠其所述控制系统控制所述气体向气体合成器和蒸汽发生装置中的至少一个的供应。
4.如权利要求3所述的设备，进一步包括控制气体向所述气体合成器和所述蒸汽发生装置的运动的装置，并且其中所述控制系统控制所述装置，从而依靠所述合成气的组成控制所述气体向所述气体合成器和所述蒸汽发生装置中的至少一个的供应。
5.如权利要求2所述的设备，进一步包括依靠所述转化装置中所述合成气的氢含量控制蒸汽向所述气体中的注入的控制系统。
6.如权利要求1所述的设备，其中用于使所述合成气再循环的装置包括所述管道装置中的鼓风装置，并且所述设备进一步包括依靠所述转化装置中所述合成气的氢含量控制所述鼓风装置的控制系统。
7.如权利要求2所述的设备，其中所述转化装置具有在所述循环回路中所述水煤气变换反应区的下游处的混合室，并且其中所述控制系统监测所述混合室中所述合成气的所述氢含量。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述控制系统依靠所述转化装置中所述合成气的氢含量控制蒸汽向所述气体中的注入，并且其中所述用于将蒸汽注入至所述转化装置中的所述气体中的装置被配置成将蒸汽注入至所述混合室中。
9.如权利要求3所述的设备，其中所述转化装置具有在所述水煤气变换反应区与所述气体合成器和所述蒸汽发生装置之间的收集室，并且所述控制系统监测所述收集室中所述合成气的组成。
10.如权利要求1所述的设备，进一步包括所述旁路管道中的旁路风扇，所述旁路风扇用于控制合成气通过所述旁路管道的传送。
11.如权利要求1所述的设备，进一步包括使所述合成气在所述热解室和所述转化装置之间循环3次以上并且至多24次的控制系统。
12.如权利要求11所述的设备，其中所述控制系统使所述合成气在所述热解室和所述转化装置之间循环3次以上并且至多15次。
13.如权利要求11所述的设备，其中所述控制系统使所述合成气在所述热解室和所述转化装置之间循环3次以上并且至多10次。
14.一种在间歇过程中间歇式加工有机物质以生产合成气的方法，所述方法包括：
在热解室中通过将有机物质在贫氧气氛中加热来热解一批次的有机物质以生成合成气，所述合成气基本上包含CO和H2；
使所述合成气通过转化装置，其中升高其温度以便将其中的焦油分解成为较简单的碳分子，并且返回至所述热解室中；
其中使所述合成气通过转化装置包括将蒸汽引入至所述合成气中，使得所述蒸汽经历水煤气变换反应，在所述水煤气变换反应中消耗CO并且产生H2，所述水煤气变换反应的产生用高热效率气体补充所述反应期间消耗的CO并且增加所述合成气中存在的H2的百分比；
使具有增加的热容量的所述合成气再循环通过所述热解室返回，从而气化其中的有机物质；
其中供应能量以替换所述反应期间消耗的能量；以及
当所述再循环的合成气的温度达到所需水平时，绕过所述转化装置以防止所述气体温度达到太高的水平。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述消耗的CO被连续地补充。
16.如权利要求14任一项所述的方法，其中所述合成气在所述热解室和所述转化装置中循环3次以上并且至多24次。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述合成气循环3-15次。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述合成气循环3-10次。
19.如权利要求14所述的方法，其中传送所述合成气往返于所述转化装置，用来加热所述气体。
20.如权利要求14所述的方法，其中所述转化装置具有混合室和收集室，并且所述水煤气变换反应区设置在所述混合室中。
21.如权利要求14所述的方法，其中监测所述转化装置中所述合成气的组成以确定所述合成气的氢含量。
22.如权利要求21中所述的方法，包括依靠所述监测的氢含量而将蒸汽加入至所述水煤气变换反应区，从而促进氢生成。
23.如权利要求14所述的方法，进一步包括通过控制气体循环的速率来控制所述过程。
24.如权利要求14所述的方法，其中评估每批次的合成气以确定所述合成气是否达到一个或多个预定的控制质量控制标准，所述批次的合成气在其达到所需的质量控制标准时被释放至合成系统中，否则所述批次用来产生蒸汽，所述蒸汽用来增加所述合成气的产量。
25.如权利要求24所述的方法，其中使用所述合成气来产生蒸汽包括沿管道将其引导至锅炉，并且将在所述锅炉中产生的蒸汽应用于所述转化装置以用于所述水煤气变换反应中。
26.如权利要求14所述的方法，其中在将所述合成气通过所述热解室再循环之前增加所述合成气的热效率减少了其中的有机物质的气化时间。
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