CN102203220A - 生产基于固体燃料的清洁热气的方法和系统 - Google Patents

Abstract

固体燃料通过分阶段热反应器被转变为具有低含量的挥发性有机化合物(VOC)、NOx和粉尘的清洁热烟道气和具有低含碳量的清洁灰，其中固体燃料的转变过程分为独立的竖直阶段(从下到上)：灰燃尽、炭氧化和气化、热解、干燥和气体燃烧阶段，来自气化器的气体在此中燃烧。

Description

生产基于固体燃料的清洁热气的方法和系统

本发明特别涉及一种通过分阶段热反应器来生产具有低含量的挥发性有机化合物(VOC)、NOx和粉尘的清洁热烟道气和具有低碳含量的清洁灰的方法和系统。在所述分阶段热反应器中，固体燃料的转化过程处于独立的竖直阶段中(从下到上)：灰燃尽、炭氧化和气化、热解、干燥和气体燃烧阶段，来自气化器的气体在此中燃烧。气体燃烧阶段既起到气体燃烧器的作用，同时也是干燥和热解上升气流式气化器的顶层的热源。

在燃料的热转化期间产生热烟道气是众所周知的。热烟道气可以用于几个目的，例如用于生产蒸汽、热水、热油等。

参考WO 2007/036236 A1，其涉及热反应器中产生的热气体的热量回收，通过以如下的量和方式在一个或更多注入区域向气体中注水而进行，所述量和方式使得由于水的汽化，气体温度被降低到低于400℃，气体露点变为至少60℃，优选至少70℃，可能地80或85℃。然后可使气体通过一个冷凝热交换装置，使气体中的水蒸汽至少部分被冷凝，并且冷凝热可以用于加热流体物流——主要为水

和

WO/2007/081296，其涉及一种气化器，该气化器可从分类/未分类的城市固体废物(MSW)、垃圾衍生燃料(RDF)、包括来自废水处理厂的污泥、皮革工业残渣、农业废料和生物质的工业废物中通过下降气流或者上升气流运行来生产合成气，该气化器包括：瓶颈区域、干燥区域、热解区域、还原和氧化区域、灰区段、安全阀、旋转阀、振动器和几个点火装置

和

US 6024032A：公开了一种由固体碳质燃料生产热能的方法。所述方法包括在至少一个第一区域使所述碳质燃料进行大致为厌氧的热解，之后将热解得到的炭输送到与第一区域隔离的第二区域。通过引入一级燃烧空气、任选地蒸汽和/或再循环的废气，使炭在第二区域气化。第二区域的排出气体和来自第一区域的热解气体此后进行二次燃烧。第一区域通过来自二次燃烧的热量加热。灰从第二区域的底部除去

和

WO 01/68789A1：用于特定废物部分和生物质(例如木头)的热气化的分阶段气化过程和系统，包括干燥器(1)，其中燃料通过与过热的蒸汽的接触来干燥。将干燥的燃料装入热解单元(4)，并向其中供以过热蒸汽。易挥发性焦油，含热解单元(4)中产生的组分，被送入氧化区域(5)，加入氧化剂以便引起部分氧化，焦油的含量由此而明显降低。来自热解单元(4)的固体燃料组分被装入气化单元(6)，并向其中供以来自氧化区域(5)的热气体。在气化单元(6)中固体燃料组分被气化或者变为碳。气化单元(6)产生的气体可在燃烧单元(7)如内燃机中燃烧。因此，获得的用于生物质和废物气化的气化过程具有高能效率、气化气体焦油含量低、且对于宽范围的燃料(包括含大量水分的燃料)具有适度的造渣风险

和

WO 2008/004070A1：控制发电设备的方法和用于所述方法的设备，所述的设备包括：用于例如废物、木屑、稻草等生物质材料的气化器。所述气化器是井式上升气流固定床类型，其从顶部充填用于气化的原料并从其底部引入气化剂，和驱动用于发电的发电机的内燃机，所述内燃机由来自气化器的燃气驱动。通过将所产生的燃气直接来自气化器供应到内燃机并控制气化器中燃气的产生以保持恒定的电力输出，消除了在气化器和内燃机之间使用储气器的必要性。

发明背景

热反应器

通常固体燃料在移动床或者流化床反应器中转变为可燃气体(气化)或烟道气(燃烧)。

移动床反应器通常被分为以下类型：上升气流式(空气/气体上升且燃料下降)；下降气流式(空气和燃料下降)；或者燃料水平移动的(经常具有向下的斜度)基于炉蓖/加煤机的系统(移动炉蓖，振动炉蓖，加煤机)。

流化床反应器通常被分为以下类型：鼓泡式流化床(BFB)、循环流化床(CFB)，或者气流床(EF)。

大多数反应器最初是为煤转化设计的。新型固体燃料(例如生物质和废物)与煤相比具有非常不同的特性。特别是挥发物和水的含量在生物质和废物中要高得多。在煤中，挥发物的含量通常低于30％，而对于生物质和废物来说，挥发物的含量通常大于65％(不含干燥灰重量基)。此外，新鲜的生物质和废物中水的含量经常大于20％，甚至经常大于50％，因此燃料的干燥在生物质和废物的反应器中经常是一个非常重要的问题。而且，对于煤和生物质/废物，灰的含量和组成也可能极为不同。此外碱金属(钠、钾)、氯、钾、硅等的含量可能高很多，并且众所周知，生物质和废物中的灰熔点比在煤中要低。

因此，标准的“煤反应器”用于转变生物质和废物并不是最佳的。

供给系统和燃料输送装置

供给系统通常是螺杆或者推进类型的或者气动的″抛煤机式″供给机。

在炉蓖系统中，炉蓖运送燃料。在多数情况下，燃烧空气穿过炉蓖。这些系统存在一些问题，包括炉蓖的热斑点，不均匀的空气分布，灰/炭通过炉蓖下落，控制在炉蓖上的阶段等等。

在流化床系统中，燃料与床材料混合。流化床系统在把床材料与灰分开方面存在问题，并且由于流化床通常是好的搅拌反应器，可能在区分不同的处理步骤方面存在问题。

转变的目的是生产可燃气体时上升气流式气化器通常被使用。上升气流式气化器通常用于民用燃气的生产，最近也用于内燃机操作，如WO 2008/004070A1的记载。在上升气流式气化器中，有简单的供给和传送机械，既包括送入也包括送出反应器，其中灰可以在冷的状态下除去。当灰层处于反应器的底部时，加入气化剂(空气/蒸汽)。众所周知，上升气流式气化器能很好地转变燃料且在灰中存在极少的碳。上升气流气化技术被称为一项简单和强有力的技术。然而，上升气流气化技术有一些缺点，例如

●生产的气体中一氧化碳、焦油和其它未燃烧气体的含量高，当合成气生产是气化器的目的时，这些物质难以清除

●由于通常使用圆形，放大困难

当使用湿燃料时，床相对较高，例如4米或更高，因为干燥需要长的反应时间。例如在US 6024032A和WO 01/68789A1的系统中，一个或多个过程反应与其他反应物理分离。这具有一些处理优势，但是也有缺点，反应器会

●更大

●建造的费用更高

●维持的费用更高。

燃料中的水含量

通常的燃烧装置或用于高含水量(具有低热值)的燃料或用于低水含量(具有高热值)的燃料。然而，使用者经常更喜欢能燃烧宽范围的燃料的装置。

WO 2007/036236A1记载了解决这个问题的方法：如果燃烧装置设计用于湿燃料而收到干燥的燃料，那么燃料中缺乏的水可以通过添加水至燃料或者热反应器来补偿，从而使干燥区域不会变得太热而导致NOx形成和/或过度加热材料。

气体燃烧

在把固体燃料转变成清洁烟道气的过程中，一个主要的技术和环境问题是防止烟道气中不希望的物质。这些物质包括

●有机物质：CO，PAH(聚芳香烃)，二恶英或VOC

●NOx

●颗粒

●其它。

在现有技术的燃烧设施中，经常有几个空气注入阶段(一级，二级和三级空气)，具有许多喷嘴和/或下游气体净化装置如NOx去除过滤器，针对有机材料的氧化器或者粉尘收集器以得到足够低的排放。

有机材料的燃烧可以通过以下方式优化，通过保证氧气和气体之间有效混合；通过保证高的保留时间，如2秒或者更高，和通过保证高的燃烧温度，例如900℃或者更高。

热NOx在气体燃烧阶段形成并且在很大程度上取决于温度。温度越高，NOx的形成越多，而且氧含量越高，NOx的形成越多。当温度低于1100℃时，NOx的形成适度，但是当温度大大超过1100℃时，NOx的形成加速。

来自流化床反应器的颗粒排放通常较高，而对于炉蓖系统，众所周知上升气流气化器所产生气体的颗粒非常少。

燃料NOx

除了上述的热NOx以外，NOx可以由燃料中的氮形成：当在燃料中超过空气与燃料的化学计量比时燃料NOx形成。这经常发生在炉蓖系统和流化床燃烧室，而在上升气流式气化器中，情况并非如此。众所周知上升气流气化器产生低NOx的气体。

烟道气中的氧含量

燃烧设施的一个重要的参数是烟道气中的氧含量。含氧量越低越好。

低过量氧具有几个优势，包括：

●更低的鼓风机投资费用和能耗

●较低烟道气量，因此在热反应器下游的部件更小和更便宜

●烟道气中蒸汽比率更高，因此具有更好的辐射性质

●烟道气中水露点更高，因此在冷凝器中具有更高的能量效率。

通常，过量的空气大于5％，例如7％(干燥基)，其对应于1.3或更高的λ(化学计量比)。

烟道气中的蒸汽含量

在烟道气中高蒸汽含量具有几点优势。这些优势包括但不局限于：

●改善辐射性质

●改进冷凝单元中的热回收

●阻止烟灰生成

●限制温度和由此NOx的形成。

空气分布

在典型的燃烧设施中，空气被分布到多个燃烧阶段：

●干燥阶段

●热解阶段

●气化/氧化阶段

●灰燃尽阶段

●气体燃烧阶段，此处经常分为几个阶段(二级和三级阶段)。

当将氧通入干燥和/或热解阶段和/或氧化阶段时，目标不是专门针对去挥发分的炭的燃尽或气体燃烧，而是导致整个装置中过量空气的高水平。

燃烧空气中蒸汽和氧气的含量

通常将未处理的空气用于燃烧，但是所述空气的性质可以通过向其中添加蒸汽和/或氧气来改进。

一级空气中的蒸汽导致氧化区域内较低的温度，其防止灰的结渣并且改进气化反应(H2O+C->CO+H2)。

二级空气中的蒸汽降低气体燃烧区段内的温度，从而降低NOx。更多的蒸汽防止烟灰的生成。

高含量氧气导致燃烧液的更低质量流速，从而减小了装置的大小。

灰中的碳含量

在炉蓖和流化床系统中，灰的碳含量通常是10％或更多。这导致了效率和环境问题：碳包含了没被利用的有价值的能量，以及环境不友好的物质例如PAH。

而且，主要的技术问题经常是灰在700-900℃烧结，取决于灰的组分。为了防止灰在流化床和炉蓖系统中烧结，炭的含量经常高，例如10％或以上。

而且，在炉蓖系统中，含有高含量的炭的未燃烧燃料经常通过炉蓖下落；因此在炉底部的灰中炭含量会增加。

灰清除系统

在炉蓖系统和流化床系统中，灰清除系统是昂贵和复杂的。

在流化床系统中，灰和沙被混合，因此在除掉灰/沙之后，沙需要从灰中分离。

上升气流式气化器的灰清除系统制造简单，因为炉蓖的温度低。

反应器和热阶段的活动部件

在炉蓖系统中，燃料被炉蓖从入口移动到灰出口。通常，炉蓖由优质钢制成，其是昂贵的和需要替换的。通常，部分炉蓖至少每年被替换，与停工期、材料和人工有关的费用也是非常高的。

在一些上升气流式气化器中，在顶部具有大的搅拌器用来使燃料均匀。

形状

流化床反应器和上升气流式气化器通常是圆形的，而炉蓖系统通常是矩形的。

典型的上升气流式气化器中的圆形导致大约10MW热的最大规模。一个上升气流气化器的典型关键数值是1MW/m2炭气化反应器。7MW时，直径超过3m，并且在这个尺寸时流动可能变得不均匀。因此，公认大约10MW是上升气流式气化器的最大输入值。

装置的大小

燃烧装置以非常小的规模生产，例如5KW甚至更小的炉，或者以非常大的规模生产，例如数百兆瓦的烧煤的电厂。

可翻折的比率

炉蓖系统和流化床的典型的可翻折的比率是大约1∶2，而上升气流式气化器具有1∶10或者甚至1∶20可翻折的比率。

本发明及其优选实施方案的描述

本发明提供了用于生物质和废物燃烧的一种改进的方法和改进的系统或装置。本发明的各个方面、特征和实施方案将在以下陈述。

热反应器

本发明可被认为使用了移动床技术。上升气流气化理论用于把燃料转变成气体和灰：在很多优选实施方案中燃料被装入顶部并且在下述连续连贯的阶段(从顶到底)变为可燃烧的气体：干燥阶段、热解阶段、炭气化和氧化阶段以及灰燃尽阶段。上升气流式气化器上方是气体燃烧阶段，其中来自上升气流式气化器的气体被燃烧，并且来自气体燃烧的热被传递到在上升气流气化器中的燃料的顶层，从而有效地干燥和热解燃料。

因此，本发明提供一种分解易燃有机材料的方法，所述的方法包括：在独立的阶段(例如干燥阶段、热解阶段、气化和氧化阶段、燃尽阶段和气体氧化阶段)加热燃料到造成燃料分解为气体和固体组分的温度。

此外，在干燥阶段和热解阶段的燃料被通过氧化过程形成的气体加热。

本文的“阶段”优选用来表示在室内的具体区域，其中室被墙元件界定。另外，阶段优选被定义为规定的过程进行的区域。在本文中，不同的阶段(例如干燥、热解、炭气化和氧化、灰燃尽)是独立连贯的，这是就对燃料的不同处理过程在独立阶段中进行而言。另外，阶段是连续和连贯的，这是就燃料直接从一个阶段到达另一个而言。

因此，在本发明的几个方面，提供了一种用于在热反应器中把固体碳质燃料转变成烟道气和灰的方法，所述的方法包括在独立的阶段加热燃料到造成燃料分解为气体和固体组分的温度，所述阶段包括

-热解阶段，其中燃料在不加入氧气的条件下热解，

-气化和氧化阶段

-有氧气供应的灰燃尽阶段，和

-有氧气供应的气体燃烧阶段，

其中燃料在热解阶段通过在气化和氧化阶段和气体燃烧阶段中形成的气体加热。

这些阶段在本发明的很多方面中是连贯的，并且在气化和氧化阶段炭转变为气体。

术语燃料是单个一种燃料或者任何类型燃料的组合。气化和氧化阶段可以是独立的阶段，然而，在本发明的许多优选方案中，气化和氧化阶段实际上是一个阶段。

输送系统

燃料被输送到热反应器。优选，气化器除了灰清除系统以外在反应器中不需要任何输送机构。

固体部分阶段的描述(从顶部到底部)

优选将新鲜的燃料运送到反应器的干燥阶段。在干燥阶段，燃料中的水蒸发。燃料可含有极少量的水，例如百分之几，或者燃料可含有高含量的水，例如55％(重量基)或者更高。在常压下，燃料加热到100℃时干燥发生。温度越高，干燥过程越快。干燥过程的能量来自两个内部过程：

●来自上面的气体燃烧的热，主要通过辐射和对流传递

●来自下面的炭气化的热，主要通过对流传递。

由于干燥阶段被有效地加热到高温，例如400℃或甚至600℃或者更高，在该反应器内的干燥反应时间短，例如低于5分钟，从而造成非常紧致的干燥阶段。

当燃料干燥后被进一步加热时，进一步去挥发分作用在热解阶段发生。在热解阶段，固体有机燃料被加热到约300℃至900℃的温度，并分解成包含炭和灰的固体组分和包含有机组分(包括焦油、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢和水等)的气体成分。

热解过程的能量主要来自两个其它的内部过程：

●来自上面的气体燃烧的热，主要通过辐射和对流传递

●来自下面的炭气化的热，主要通过对流传递。

由于热解阶段被有效地加热到高温，例如500℃或甚至700℃或者更高，本发明的热解反应时间非常短，例如低于5分钟，从而造成一个非常紧致的热解阶段。

紧致的干燥和热解阶段导致装置的建筑高度降低并且材料成本降低。

在炭氧化和气化阶段，在热解阶段生产的固体组分转变为可燃的气体和富含碳的灰。气化反应(主要是CO2+C->2CO和H2O+C->CO+H2)是吸热的(耗能的)。气化剂是氧化反应产生的气体。气化和氧化阶段的温度在600℃至1100℃。在文献中，″气化″经常被命名为“还原”。

在氧化阶段，在气化阶段没气化的碳通过使用氧气被氧化/燃烧。除氧气之外，还有蒸汽和氮气可以被作为干空气、湿空气加入，并且蒸汽还可进入氧化阶段。氧化阶段的温度是700-1100℃。

在氧化阶段下面是灰。氧化剂(空气)和可能的蒸汽进入灰层。空气/蒸汽的温度较低，例如低于300℃甚至低于100℃。据此，进行最后的燃尽且灰被冷却，导致具有非常低的含碳量——以重量基计例如低于10％或甚至低至5％或者更低——的冷灰的生成，例如低于300℃或者甚至低于200℃。

灰通过灰清除系统除去。

气体燃烧部分的描述(固体部分以上)

上升气流式气化器产生包含水、氢、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和更高级的烃的可燃气体。由于热解阶段的顶部温度高，例如700℃或者更高，气体水、氢、一氧化碳和二氧化碳将接近于平衡。由于燃料的高水分含量或者如果合适的话加入水，和在气化器中蒸汽和/或湿空气的使用，造成氢气含量高，意味着接下来的气体燃烧非常快的正面影响，因为氢气增加了火焰的速度。恰好在床上面的典型的气体组成是：

水30％，氢气23％，甲烷1％，一氧化碳8％，二氧化碳13％，氮气25％。

由于被空气氧化，可燃气体转变为二氧化碳和水。气体燃烧过程在床表面附近进行，例如4米或者更低，并且因此由气体燃烧阶段加热床的顶部，主要通过辐射，还有一些通过对流。

从气体燃烧到床的热传递导致了较冷的火焰，降低了NOx和烟灰的生成。

在热反应器中，可插入其他冷却物件，例如蒸汽过热器或者其它类型的过热器，即基于氦气的在斯特林发动机(stirling engine)中使用的过热器。

此外水和/或导热油锅炉可用来冷却热反应器。

优选将气体喷嘴在热反应器中设置在相同的高度，优选喷嘴指向水平或者甚至有点向下，例如以0-20度角，其设置方式和高度使得向床下面的热传递被优化。

优选热反应器壁以如下方式成型：使烟道气存在一些返混/循环，其将改进一氧化碳和NOx的减少，并且使来自热壁和到燃料顶层的辐射增加。

优选将湿空气用于燃烧，因为湿空气能让温度下降从而降低NOx的形成。

喷嘴被设计为使燃烧空气具有合适的速度，从而获得好的燃尽效果。通常，喷嘴的速度满负荷是在10-40m/s之间。

气体燃烧部分的温度通常在900-1100℃。

燃料的水含量

本发明的燃烧单元可以使用宽范围的燃料，例如具有低热值的湿燃料或具有高热值的干燃料。这些优点来自于在能够使用两种类型的燃料的装置中安装有洒水系统。

洒水系统保证稳定并且可控的燃烧过程，因为——当燃料变干燥，热反应器的温度将要增加时——洒水系统将稳定温度，水被洒入燃料和/或热反应器。水将会蒸发，并且由于水的高蒸发能量，热反应器中的温度将会降低。

洒水系统另外具有的优势：

●通过降低温度防止NOx的形成

●通过降低温度并且增加蒸汽含量降低烟灰的产生

●通过增加蒸汽含量增加辐射性质

●低温冷凝器中可回收用于产生热量的冷凝能量随着热反应器中蒸发水的量而增加。

与热反应器中的燃料热值无关，向所述系统中添加水的系统能够确保稳定的温度，从而确保稳定和低的排放量。

气体燃烧

●因为氧化阶段提供了空气/气体的良好混合和高保留时间，例如2秒或者以上，有机材料被有效地燃烧成二氧化碳。

此外，到达气体燃烧阶段的气体由于干燥/热解阶段的强辐射具有高温，例如500℃或甚至700℃或更高，因此用于转变气体的反应时间非常少。

此外，900-1100℃的温度范围和氧气与待燃烧气体组分的高比率保证了快速和有效的燃烧。

●由于气体燃烧阶段中的温度被限制低于1100℃，限制了气相中NOx的形成。此外，湿空气可以用于气体燃烧，其也能降低NOx的形成。

●与炉蓖系统和流化床相比，上升气流式气化器产生的气体具有非常少的颗粒。而且，在气化器顶部的增加的床面积能更进一步降低颗粒的排放，因为向上的气流速度随着面积的增加而降低。此外，洒水系统能降低颗粒的排放，因为水滴能捕获颗粒并且使它们返回床，正如在洗涤系统中一样。

应注意US 6024032导致1100-1300℃的气体燃烧温度，其将导致高的NOx，也因为US 6024032的结构复杂而导致高的维护费用。

燃料NOx

本发明的一个重要的特征是低NOx。当在燃料中有超过化学计量的空气-燃料比例时，燃料NOx形成。在本发明中，在炭氧化阶段没有过量空气，这是由于本发明利用上升气流气化理论，众所周知其产生低NOx的气体。

烟道气中的含氧量

本发明的一个主要优点是限制了过量空气含量。通常，过量空气超过5％，例如7％(干燥基)，其对应1.3或更高的λ(化学计量比)。在本发明中，过量空气低于5％，例如4％(干燥基)或者更低。

能达到如此低的过量空气是因为大多数空气，大约空气的80％，被引向在上升气流气化器中产生的气体。4％的过量空气对应1.3的空气-气体化学计量比，其对于气体燃烧过程是正常的。

本发明的低氧含量一部分是由于具体的空气分布(如下)，一部分是由于离开本发明的气化器的气体比在传统的上升气流式气化器中更热(与冷气比较，热气为完全燃烧需要较少的氧)。

低过量空气的一些优势包括：

●更低的鼓风机投资费用和能耗

●较低的烟道气量，从而更小和更便宜的热反应器下游部件

●烟道气中更高的蒸汽比率，以及因此更好的辐射性质

●在烟道气中更高的水露点，以及因此在冷凝冷却器中的更高能量效率。

空气分布

本发明的一个非常独特的特征是同时兼具低过量氧气，烟道气中碳物质的良好燃尽，低NOx以及清洁的灰。这之所以能实现，是因为完全燃烧所需要的空气只用于两个过程：

●炭转变(一级空气)

●气体燃烧(二级空气)

而干燥和热解通过来自气体燃烧的辐射能量和来自炭气化器的热气的对流能量驱动。

由此，每个活性氧分子或被用于燃尽去挥发分的炭或被用于氧化气体组分。

烟道气中的蒸汽含量

本发明的一个主要优势是在烟道气中的高蒸汽含量。高蒸汽含量的优势已经被描述(辐射性质的改进，冷凝单元中的热回收的改进，防止烟灰生成，限制温度，以及因此限制NOx形成，等等)。

由于洒水系统，稳定的高蒸汽含量，例如基于重量基计20％或者更高，可以被保持在系统中，当燃料中的含水量降低时洒水系统被激活。此外，用于燃烧的湿空气的使用能增加烟道气中的蒸汽含量。

灰的含碳量

在本发明中，上升气流气化理论用于把炭转变成可燃的气体和灰。这导致高的炭燃烧：在灰中的含碳量少于10％，或者甚至低于5％。

为了减少烧结，可使用湿空气，或者在反应器的底部加入蒸汽。

灰清除系统

本发明的一个主要优势是高的炭燃尽和清除灰的简单性。在炉蓖系统和流化床系统中，灰清除系统昂贵而且结构复杂，而根据本发明的灰清除系统技术上容易实现并且便宜。

在本发明中，灰可例如通过一个或者几个螺杆清除。

在反应器和在热阶段中的非活动部件(或者有限制的活动部件)

本发明的一个主要优点是，干燥、热解、炭氧化和炭气化阶段没有炉蓖。理想地，系统由下列活动部件组成：

●供给机(100℃以下)

●灰螺杆(灰低于300℃)

●鼓风机(低于50℃)。

然而，对于本发明的一些装置类型和/或燃料类型，用一台或几台搅拌器/推进机使生物质/灰从一个反应阶段移动到另一个阶段可能是有利的。

另外，对于本发明的一些装置，将一个或几个热电偶或其他传感器出于寿命考虑而移动到高温阶段中或长或短的时段可能是有利的。

形状

热反应器在竖直方向分成几个阶段。各阶段包括(从下到上)：

●灰燃尽

●炭氧化和气化

●热解

●干燥

●气体燃烧。

气体燃烧阶段的功能既包括气体燃烧器，也是上升气流式气化器的顶层的热源。

根据本发明，所述阶段可部分水平划分，即干燥区可靠近供给机，并且热解阶段可水平离开供给机。这样的形状使热解气远离供给机，并且可使供给机区段保持较冷(低于200℃)。

热反应器的高度从用于小装置的几米到用于大装置的大于8米可变。

在水平面内，热反应器优选是圆形或者矩形。

固体床和气体燃烧部分可以具有不同的尺寸。例如，热反应器的底部部分可以有一直径，并且在较高的干燥/裂解区域，它可以更宽，并且在上面的气体燃烧阶段，热反应器可能更宽。

装置的大小

通常，这些类型的装置是在1-20兆瓦热量输入之间，但是它们可以更小或更大。

一个典型的设计参数是，在气化区段应为大约1m2/MW燃料输入和在气体燃烧区段大约2秒的气体保留时间。

可翻折比率

本发明的另一个重要的特征是高的可翻折比率。根据设计和燃料，本发明可用于设计1∶10或者甚至更低例如1∶20的可翻折比率的热反应器。

容易调节

另一个重要的特征是系统非常容易调节。

床高度

具有均匀的床高度是合乎需要的。因此，床高度的记录系统应被建立，其与供给系统相互作用。

传感器，例如雷达，超声波或者γ测量，可以记录床高度。

此外床高度可以通过使用热电偶来间接记录：

在供给机处：干燥和热解阶段接收上面的气体燃烧阶段的辐射热。当在干燥和热解阶段过程中具有正常的燃料层时，供给机的底部是冷的，而当在干燥和热解阶段过程中的燃料层低时，底部将变暖。然后热电偶把信号传给供给系统，指示新鲜的(冷)燃料需要被填入。

在供给机对面：通过记录在不同高度的热反应器壁的温度可以确定燃料层的大约高度：气体燃烧所在的热反应器壁与燃料层的顶部所在的热反应器壁相比将更热。

灰清除

在气化器的底部，灰被清除，并且氧气(空气)被注入到燃尽层。当灰中的炭被燃尽时，灰清除系统被激活。当灰层含炭时，炭将氧化，并且灰将变热。当炭被完全燃烧时，灰将变冷。因此，刚好在氧气(空气)入口上方的温度测量装置能指示炭是否被完全烧毁，然后激活灰清除系统。

用于气化和气体燃烧的氧气

对于热反应器的化学计量比为大约1.2-1.3，对应于烟道气中大约4-5％的(干燥基)氧气含量。控制一个或多个鼓风机来保证该氧气量。

氧气被分配到气化反应器和气体燃烧阶段。

气化反应器以0.2-0.25的化学计量比运行，因此大约15-20％的氧气通向灰燃尽阶段，其余的通向气体燃烧阶段。

用于控制温度的水

如前所述，水可以用于气体燃烧阶段的温度控制。

便宜、简单且紧致

如上所述，与现有的燃烧技术相比，该系统提供了许多优势。因而可能预期该系统将会是昂贵和结构复杂的。然而，系统的简单和紧致性是本发明的一个主要优势。

系统的压力

通常，系统的压力为常压，但是系统也可以被建造为用于负压和加压。

材料

通常，系统内侧用高温材料建造，例如砖和隔热块，随后是绝热和钢铁容器。本发明，特别是其优选的实施方案，在下文中通过参考附图更详细地介绍，其中

图1示意性地说明本发明的热反应器的基本工序如何相互作用。

图2示意性地说明本发明的一个生产热水的加热设备的基本工序。

图3示意性地说明本发明的一个热反应器和辐射气体冷却器。

图3a说明一个2MW木屑热量输入的尺寸的热反应器。尺寸以毫米计。

图4示意性地说明根据气体燃烧的CFD模拟在热反应器的烟道气中的一氧化碳含量。

图4a示意性地说明根据图3a的热反应器的CFD模拟在热反应器的烟道气中的一氧化碳含量。

图5示意性地说明根据气体燃烧的CFD模拟在热反应器的烟道气中的流态和温度。

图5a示意性地说明根据图3a的热反应器的CFD模拟在热反应器的烟道气中的温度。

图6示意性地说明本发明的一个生产热水的加热设备。

图6a示意性地说明本发明的一个生产热水的加热设备。

图7示意性地说明本发明的一个生产热水的加热设备的3D设计。

图7a示意性地说明根据图6a的设计的5MW木屑热量输入的加热设备的3D设计。

图8说明根据燃料的含水量和过量空气的比例的气体燃烧阶段绝热温度。

在图1中，1是加入燃料的单元或反应器。燃料通过添加空气(和/或氧气)被热转化。因此，热气体在热反应器1中产生。添加到单元1的燃料是固体，例如生物质，废物或者煤。如果热反应器1是为低热值的燃料设计的，例如湿燃料，以及如果加入的燃料具有高热值，在单元或在发生器1中的温度可以通过添加水至燃料、干燥阶段3、热解阶段4和/或气体燃烧阶段2来调整。

通过来自燃烧阶段2的对流和辐射和通过来自气化和氧化阶段5的气体的对流，燃料被干燥和热解(去挥发分)。

气体燃烧阶段的主要参数，例如温度、NOx和一氧化碳，可以通过根据传感器(S1)的测量结果调节氧气和加水量来控制和调整。

去挥发分的燃料在阶段5被气化和氧化，并且最后的灰燃尽在阶段6完成，其中氧气和可能的蒸汽被注入。

灰清除系统可以基于在氧气入口附近的温度传感器而具有简单调节。当所述温度传感器周围的灰没有炭时，空气将冷却传感器，并且灰清除将被激活。上面的热氧化阶段然后将向下移动，并且当温度传感器记录到温度升高时，灰清除系统将停止。

供给系统也可通过一个或多个温度传感器调节。热电偶被集成在干燥和热解阶段的地板中和/或在供给机的对面的壁上。接近于供给机的地板的温度升高表明在地板上没有(或者极少)生物质，因此温度升高把启动信号给供给机。由于在气体燃烧区段中的温度比固体部分的温度高，因此供给机对面的热电偶能用来记录床的高度。

或者，使用床高度仪器，例如雷达，超声波，红外照相机或者可使用的类似仪器。

气体离开燃烧阶段时远远超过900℃。然后气体在一个或多个气体冷却器8中被冷却，冷却器8可以被集成在热反应器中或者接下来的阶段中。

在图2中，生产热水的能量装置被示意说明。示出了如何将干燥阶段3，热解阶段4，气化和氧化阶段5和灰燃尽阶段6连结在一起，以便在热反应器1内在竖直方向上是连贯的。

也说明了气体燃烧阶段如何由于辐射将能量送到燃料的顶部。

8是内部换热器，例如水和/或导热油板或蒸汽/氦过热器，而9是热反应器下游的气体冷却器。

10是更进一步地冷却气体的注水设备，11是过滤器，12是鼓风机。13是用于将气体冷却至低于100℃的注水设备。15是冷凝热交换器，其中水被加热，而烟道气被冷却且水蒸汽冷凝。

17是热焓热交换系统，其中空气被加湿和加热，而烟道气被冷却并且去除水分。在18中，空气在通向热反应器1之前被预热。

图3是原理上如图1和图2说明的热反应器的示意图。

在反应器的底部，空气在灰螺杆的两侧被引入灰燃尽阶段6。灰推进机把灰移向螺杆。流量计测量空气的进入量保证总空气量的大约20％进入了灰燃尽阶段。当温度降低到设定点时，例如200℃时，热电偶(传感器S2)记录温度并且激活灰螺杆。

空气在氧化阶段5b中氧化，并且热气(二氧化碳和水)使气化阶段5a中的炭气化。上面是干燥和热解阶段。一个或多个温度传感器设置在地板(S1)中，因此当热解阶段向上移向进料时，地板温度升高，供给机被激活并且推进一些新燃料。

气体燃烧阶段2通过初级燃烧阶段2a形成，在此中，新鲜空气与气化气体相遇并混合，并在1000-1100℃的温度区域内有效地燃烧。热气辐射至床，从而冷却气体并加热床。流量校正″鼻形物″放在喷嘴边对面的墙上，从而使离开初级燃烧室的气体返混，并使″鼻形物″的较低的(并且最温暖的)一边辐射到床的顶。在初级燃烧阶段之后是气体燃尽阶段2b，其中残余的一氧化碳、烃和二恶英被燃尽，从而导致非常低的一氧化碳排放，即，低于500mg/Nm3，甚至低于300mg/Nm3。

同样，干燥(3)、热解(4)、气化和氧化阶段(5)以及燃尽阶段(6)各个阶段，是独立和连贯的。

图3a说明大约2MW木屑热量输入的热反应器的横断面。可以看出热反应器被分成4个物理部分，因此容易制造和运输至工作地点。

燃料在左边的开口用螺杆送入反应器。由于重力燃料落到反应器的底部。左侧壁是垂直的，其将使挂料(bridging)减到最小。为了进一步防止挂料可以在热反应器上设置低频振动器。

使用两个螺杆，因此不一定需要推进机把灰移到螺杆。

热反应器(从外到内)由钢质外壳、绝缘层和耐火衬层组成。

供给区段对面的热电偶放置在耐火衬层内，以指示燃料层的位置。

加湿的一级空气被注入底部的大约12个喷嘴，而二级空气被注入高于供给口大约400毫米的约35度向下的大约3个喷嘴。

图4和4a是在气体燃烧阶段2中局部一氧化碳含量的图。该图是CFD模拟的结果，根据结果在气体燃烧阶段之后一氧化碳含量将低于100ppm。

二级燃烧空气进入气体燃烧阶段的3个喷嘴，每个直径为120毫米，进入的速度为大约20m/s。

图5是气体燃烧阶段2中气体的局部温度和方向的图。该图是CFD模拟的结果，根据结果温度将在700-1100℃范围内，其可防止热NOx的高含量。该图显示将存在良好的返混。

图6是本发明的一个生产热水的加热设备的示意图。图6说明图2描述的反应器。

在热反应器1中，灰螺杆设置在反应器的一侧。空气只是通向螺杆的一侧。燃烧室2之后是辐射冷却器9。辐射冷却器之后是蒸发冷却器10，其中气体被冷却到低于400℃，并且颗粒被螺杆11收集并且清除。洗涤水在13中进一步冷却气体，并且气体被泵12抽出。颗粒通过水电旋流器14从洗涤水中清除，并且热在热交换器15中被回收。燃烧和气化空气在空气加湿器17中被加湿和加热，而洗涤水被冷却。过量的水(冷凝物)在过滤器14中被净化。

图6a是使用本发明的系统燃烧的一个本发明实施方案的全景示意图。在本实施方案中，包括燃料存储单元(30)和燃料供给设备(31)的供给系统把燃料供给到包括热反应器(32)的热反应器单元中。热反应器(32)连接有两个入口把加湿空气或氧气供给到热反应器(32)。湿空气被分配在热反应器的底部(33)和燃料供给点上方(34)。在热反应器的底部是出口(44)，用于把灰取出至例如森林、田地或者堆放点。湿空气或氧气来自于包括两个加湿装置(35，36)的加湿系统，与洗涤器的工作原理相同。这两个加湿装置(35，36)是串联的。此处，主加湿装置(35)把加湿空气分配到热反应器(32)供给口上方的进气口(34)和空气加湿升压器(36)，空气加湿升压器进一步加湿空气然后空气再在注入点注入热反应器(32)底部(33)。

在热反应器(32)产生的热废气经过热交换单元(37)，该热交换单元连接到用于产生电能和/或区域供热的能量提取设备(38)。热气然后进入洗涤系统，其首先进入骤冷设备(39)，在此中来自空气加湿升压器(36)的水在进入洗涤器(40)之前冷却废气。剩余的洗涤水在骤冷设备(39)的底部与颗粒和盐一起被收集。这些渣滓将返回到燃料存储装置(30)进而返回到系统；这个循环是以前所称的第一物流。被冷却的废气然后继续进入洗涤器(40)，其中水在两个不同的点喷到气体上。第一个点(41)是用来自空气加湿升压器(36)的水和来自(46)的冷凝液，第二个点(42)用经过过滤(43)的来自主加湿装置(35)的高度洁净的水。然后净化且冷却的气体连接到烟囱(45)，而由大量水和小浓度的颗粒和盐组成的其余洗涤水将回到空气加湿单元，结束第二物流。来自洗涤器(40)的部分洗涤水将不作处理而用于空气加湿升压器(36)中，其余洗涤水通过热交换器(46)用于提取能量，提取的能量可以用于区域供热。水然后在空气加湿升压器(36)之后的一个点(47)重新连结到第二物流。部分来自升压器的水和来自热交换器的水混合然后进入主加湿装置(35)，而其余的连结回到洗涤器(40)中。因此第二物流从洗涤器(40)到空气加湿单元有一条单水道，但是有两条水道回到洗涤器单元。一条将水分配到骤冷设备(39)和洗涤器(40)的第一个注水点(41)，一条将非常洁净的水注入到洗涤器(40)的第二个注水点(42)。如果需要，非常洁净的水可以在主加湿装置(35)之后在过滤(43)点从第二物流取出。

图7是本发明一个生产热水的加热设备的布局的3D示意图。它是图6装置的示意。热反应器在水平平面中是矩形；辐射冷却器、蒸发冷却器、气体洗涤器和空气加湿装置是圆形。

图7a是本发明一个生产热水的5MW热量输入加热设备的布局的3D示意图，它是图6a装置的示意。尺寸以毫米计。

图8说明气体燃烧室的绝热温度随燃料的含水量和过量空气的变化。图显示52-58％含水量的燃料非常合适。对更干燥的燃料而言，必须设置一些类型的冷却，其可为加水或者主动冷却热反应器。

Claims (25)

1.一种在热反应器(1)中把固体碳质燃料转变成烟道气和灰的方法，所述的方法包括在独立连续的阶段把燃料加热到使燃料分解成为气体和固体组分的温度，所述的阶段包括

-热解阶段(4)，其中燃料是在不加氧条件下热解，

-气化和氧化阶段(5)，其中炭转变为气体，

-有氧气供应的灰燃尽阶段(6)，和

-有氧气供应的气体燃烧阶段(2)，

其中在热解阶段通过在气化和氧化阶段(5)和气体燃烧阶段(2)形成的气体来加热燃料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中热解阶段(4)和气化和氧化阶段(5)和灰燃尽阶段(6)在上升气流式移动床反应器中进行。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在热解阶段(4)的上游设置干燥阶段(3)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中在热解阶段(4)产生的气体在固体燃料顶部附近燃烧，例如距离小于4m，或甚至小于2m。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其中水被加到燃料和/或干燥阶段(3)和/或热解阶段(4)和/或气体燃烧阶段(2)，其加入方式和加入量使得在气体燃烧阶段产生的烟道气的温度被降低到防止大量NOx形成的温度，例如1100℃或更低，和/或其加入方式使得烟道气的蒸汽含量保持在高含量，例如至少20重量％。

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中气体燃烧阶段(2)的氧气量通过传感器(S)调节，使得装置是在温度和/或NOx和/或CO和/或O2的限值内和/或设定点。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其中烟道气或者在热反应器(8)内被冷却或者在热反应器(9)的下游被冷却。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中将在气体冷却器(8，9)中获得的能量用于能量生产，例如蒸汽和/或热水和/或导热油和/或电力。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其中注入到气体燃烧阶段(2)的氧气是空气或者富氧空气。

10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中注入到气体燃烧阶段(2)的氧气水平地或者向下地注入。

11.根据权利要求1-10任一项所述的方法，其中注入到气体燃烧阶段(2)的氧气是加湿的。

12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其中注入到气体燃烧阶段(2)的氧气以10-40m/s的速度离开喷气嘴。

13.根据权利要求1-12任一项所述的方法，其中在气体燃烧阶段(2)的壁成形为使烟道气形成一些进入氧气供给中的返混。

14.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其中在气体燃烧阶段(2)的壁成形为使从壁到碳质燃料的表面有大量的辐射。

15.根据权利要求1-14任一项所述的方法，其中注入灰燃尽阶段(6)的氧气是加湿空气或者蒸汽和空气被分别注入。

16.根据权利要求1-15任一项所述的方法，其中注入灰燃尽阶段(6)的空气量导致氧化阶段的高温，例如800℃或更高。

17.根据权利要求1-16任一项所述的方法，其中注入灰燃尽阶段(6)的空气量对应于0.15-0.25的化学计量比(空气与完全燃尽的新燃料之比)，和/或空气导致灰燃尽阶段(6)中降低的温度，例如300℃或更低。

18.根据权利要求1-17任一项所述的方法，其中添加到热反应器(1)的水和/或蒸汽从热交换单元(15)冷凝。

19.根据权利要求1-18任一项所述的方法，其中热反应器的直径在不同的阶段不同，例如在气体燃烧阶段(2)比在干燥(3)和热解(4)阶段宽，其同样也可比在炭氧化和气化阶段(5)宽。

20.根据权利要求1-19任一项所述的方法，其中气体中的污染物的含量低，例如NOx为300mg/Nm3或甚至更低，例如200ppm或更低；CO为500mg/Nm3或甚至更低，例如400mg/Nm3或更低，且灰中的炭含量低，例如10重量％或甚至低于5重量％。

21.一种在热反应器(1)中把固体碳质燃料转变成热烟道气和含碳的灰的系统，所述系统包括：

热反应器(1)，包括把固体燃料转化为可燃气体的上升气流式气化反应器(4，5和6)和气体燃烧阶段(2)，和

适于控制通向最后的燃尽阶段(6)和气体燃烧阶段(2)的氧气量的装置，从而使上升气流式气化器中产生的气体转化为具有低排放量(NOx，CO)、以及低的过量氧气含量、和优选地高蒸汽含量的烟道气，并通过辐射和对流向上升气流式气化器中的热解和干燥阶段提供热量。

22.根据权利要求21所述的系统，还包括：

把水注入燃料和/或燃烧阶段(2)的洒水系统，和

适于控制洒水系统的装置。

23.根据权利要求21或22所述的系统，还包括：

在干燥状态下把灰传送到热反应器(1)外面的灰螺杆。

24.根据权利要求21或23所述的系统，还包括在水平或倾斜方向从燃料入口延伸到灰出口的反应器壁，以便燃料通过重力移向灰出口。

25.根据权利要求21-24任一项所述的系统，配置为可实施一种或多种根据权利要求1-20任一项所述的方法。

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