CN102695779A - 由被处理的生物质通过气流床气化生成合成气体的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于由生物质（BM）通过气流床气化生成合成气体（SG）的设备。该设备包含处理装置（1），该处理装置具有用于输入的生物质（BM）的粗粉碎装置（2），该粗粉碎装置在下游经由第一闸门（3）与被压力加载的碳化装置（4）连接以用于由生物质（BM）热液生成碳化炭（KK）。碳化装置（4）包含至少一个预热装置（5）和一个在预热装置（5）下游设置的碳化反应器（6）并且在下游经由第二闸门（11）与至少一个固液分离装置（12，13）连接以提供燃料。在固液分离装置（12，13）下游设置烘干装置（16）以用于烘干燃料，在该烘干装置下游连接粉碎装置（18），其中粉碎装置（18）将燃料粉碎成粉末化燃料（BS），该粉末化燃料具有在55μm至500μm范围内的粒度。该设备此外包含用于转移燃料的转移装置（21）和气流床气化装置（22），其中转移装置（21）提供处理装置（1）与气流床气化装置（22）的耦合。本发明此外涉及一种在利用本发明的设备的情况下用于由生物质（BM）通过气流床气化生成合成气体（SG）的方法。

Description

由被处理的生物质通过气流床气化生成合成气体的设备和方法

技术领域

本发明涉及由生物质通过气流床气化以高的转换效率生成富含一氧化碳和氢气的以及无焦油和贫甲烷的合成气体或者说燃烧气体或还原气体的设备和方法。

背景技术

在EP 0 745 114B1中描述一种用于气化生物质的方法，也称为方法，其目标是在较低地消耗含氧的气化介质和较高的气化效率的情况下生成无焦油的燃烧气体，而生物质的无机部分则作为玻璃化的难洗脱的产品伴生。为此生物质通过气化气体的物理热焓被烘干并且通过低温干馏分解成气体和焦炭，这对应于在DE 198 07 988B4中公开的低温气化工艺（NTV工艺）。在低温气化工艺中通过热分解从生物质中分离出挥发性的物质，而含有焦油的NTV气体和无焦油的利用相对较小的能量消耗就能被碾磨的焦炭在实际的气化之前形成。

所形成的含有焦油的NTV气体利用在干燥的气体清洁中形成的剩余焦炭在高温气流床气化工艺中在高于灰熔点的温度下放热地气化。在来自该阶段的所述热的气化气体中在一个第二气化阶段（所谓的吸热气化）添加来自NTV工艺的焦炭。通过带有来自第一气化阶段的热气化气体的二氧化碳和水蒸气的焦炭的消耗热量的气化反应成一氧化碳和氢气，气化气体冷却到大约800至900℃。

通过低温气化的热处理阶段，可以将生物质以作为NTV气体的被处理的形式直接输送给高温气流床气化装置的燃烧器并且作为焦炭经由合适的输入机构（浓相输送系统，螺旋输送器）输送给吸热的气化阶段。

利用

气化可以达到的气体冷却效率大致对应于流化床气化的气体冷却效率，因为尽管高温气化阶段（在其中燃料灰被熔化），气化结束温度仍然在流化床气化的温度的范围内。

来自

气化的气化气体相对于来自流化床气化的气体是贫甲烷的和无焦油的，因为焦油在高温阶段被热破坏并且焦炭在吸热阶段是无焦油的。

来自流化床气化的气体中甲烷含量和高级烃含量一方面由于热力形成的甲烷和另外一方面由脱气过程的挥发性的烃形成，脱气过程在流化床气化中与加热、烘干和气化过程并行地进行。

甲烷和高级烃不是合成气体成分并且必须首先通过合适的方法（例如重组或部分氧化）转化成一氧化碳和氢气，否则它们显著减小合成产品的产量。

工艺需要许多的固体转移，例如转入生物质、转入和转出在NTV工艺中生成的焦炭，因为在其在大气压力下被粉碎并且必须被清除杂质（石头、金属部分等等），转出和转入剩余焦炭，因为其在大气压力下必须被碾磨成粉末化燃料以用于浓相输送，和转出炉渣。因此这种工艺在工艺技术方面是麻烦的和易受到干扰的。

另外的缺点是在NTV反应器和高温气化阶段的燃烧器之间的直接通过气体的连接，它们在一个压力水平上工作。这种方法在高压（30bar或更高，如对于合成是需要的）必然导致用于许多的固体转移的提高的耗费。NTV反应器和气流床气化的直接耦合因此也不允许生物质的热处理和处理产品的气化的空间上和时间上的分离，然而这种分离不仅对于气化过程的可利用性而且对于分散形成的和处理的生物质的集中气化是有利的。

在气流床气化器中气动传送煤粉是现有技术。

由现有技术已知将含碳的燃料（例如煤、气体和油）在气化床中转化成燃烧气体、合成气体和还原气体。在文献中广泛描述使用Shell气化煤和原油载体气体、利用GSP方法的煤和废油气化（其在弗莱堡的德国燃料研究所和“Gaskombinat Schwarze Pumpe”被研究）以及根据Texaco的煤气化，等等。

在例如根据GSP方法的煤气化时，煤被碾磨成粉末化燃料并且经由气动的浓相输送被输入到气流床气化器中。

在煤的碾磨中产生的颗粒范围在此如此设定，即最大的颗粒也可以完全转化成气化气体（相应的合成气体），其中观察燃料的反应度和通过燃烧器的尺寸和流量确定的、颗粒在反应区域的逗留时间。这导致这样的结果，不应当超过最大的颗粒直径。通常的用于气流床气化的煤粒度在50至500μm之间（见文献"Noell-Konversionsverfahrenzur Verwertung und Entsorgung von

",Jürgen Carl,PeterFritz,EF-Verlag für Energieund  Umwelttechnik GmbH,Berlin1994）。

过高的细颗粒份额相反导致，在气流床气化方法（其以水淬火工作以进行气体冷却和粉尘分离）时，保留在气体中的细颗粒例如灰颗粒由于差的可分离性可能仅仅被不充分地分离，因为这些颗粒是能够通过过滤器的。

在利用辐射和对流冷却工作的方法中，高的细颗粒份额导致冷却面的强烈污染并且因此导致气体冷却的恶化。

在具有小于50μm的粒度的细的矿物粉尘的情况下，为了改善粉尘的流动特性和因此改善在气动的输送路径中的可定量配给性，使用所谓的流动辅助介质（例如见http://www.basf-cc.de/de/produkte/zementadditive）。

为了将燃料输入到气流床气化过程中，可以应用煤水悬浮物也称为浆体或稠浆。这种形式的带水的燃料输入或多说少限于石煤和无烟煤，因为例如褐煤基于毛细管的高吸水能力而需要大量的水直至达到可泵送性，从而在气化过程中存在能量方面的缺陷。

对于燃料如来自生物质焦炭或煤而言，也可以利用可燃的液体例如煤焦油、废油、石脑油、生物柴油等等制造可泵送的悬浮物，例如制造焦炭与煤焦油的悬浮物。

用于应用在气流床气化中的燃料必须以气体、可泵送的液体、固液悬浮物或可泵送输送的粉末化燃料的形式存在。

由于生物质的纤维结构，机械粉碎干燥的生物质至粉末化燃料是非常耗费能量的并且粉末的质量不足以确保对于可靠运行和稳定的气体质量而言所需要的持续的气动输送，见“The 2^nd World Conferenceand Technology Exhibition on Biomass for Energy,Industry andClimate Protection"in Rom,Italien,10.-14.Mai 2004,von Patrick CA.Bergman,Arjen R.Boersma,Jacob H.A.Kiel,Energy research Centreof the Netherlands(ECN)”期间提出的“Torrefaction forentrained-flow gasification of biomass（用于生物质的气流床气化的烘焙）”。

由生物质获得的纤维状的粉末化燃料倾向于聚集成具有相对大的长度直径比的颗粒尺寸。由此形成的不连续的且易受到干扰的输送可能导致气化器中的暂时的氧过量并且可能因此形成爆炸性混合物。

因此在气流床气化器中直接应用固体的生物质作为燃料不是已知的。

另外一种用于处理用于气流床气化的生物质的途径是Bioliq方法，其在国际会议“Thermochemische Biomassevergasung,KUBUS,Leipzig 27.-28.Februar 2007,von E.Henrich,N.Dahmen,E.Dinjus,Forschungszentrum Karlsruhe,Institut für Technische Chemie,CPV”的名称为“Das FZK-Proj ekt,Herstellung von Synthesekraftstoff ausBiomasse（FZK项目，由生物质制造合成燃料）"的报告中描述了。

在这种方法中生物质在环境压力的情况下在一个由Lurgi-Ruhrgas方法已知的混合反应器中混合到热沙中并且通过快速热解分解成焦炭和脱气气体。通过冷却脱气气体得到焦油，其与由沙床中分离的焦炭一起加工成浆体，该浆体而后借助于泵被送给气流床气化器。焦炭和沙子的分离对于两种材料而言从来都不会是完全的。被从沙床中分离的焦炭始终被残余沙子成分污染，其是相对耐磨的，并且被分离的沙子始终掺杂剩余焦炭。

所保留的未冷凝的气体和在沙子中的剩余碳通过燃烧和因此加热沙子以用于满足热解的能量需求。

通过形成焦炭和煤焦油或浆体，在这种方法中能够将热处理过程在时间和空间上与实际的气流床气化过程分离。这使得可以将许多小的分散的用于焦炭和煤焦油或浆体的发生器组合在一个中心的气化装置种。由于在中间产品种相对于生物质较高的能量密度，可以节省用于分散产生的生物质的输送空间和因此节省传送费用。

通过浆体的气化产生的气体是无焦油的并且通常是近乎没有甲烷的，因为气化温度在灰燃点之上。在该方法中在气化中可无问题地实现的较高的压力仅仅对于在高的温度时热力的甲烷形成具有较小的作用。

为了确保稳定的和可靠的气化，两个成分必须单独地或者作为具有恒定的混合比例的混合物输送给气化过程。特别是煤焦油和浆体的质量可能由于煤焦油中的水成分而强烈波动并且可能导致相分离，因为煤焦油和浆体不是存储稳定的，由此由于在气化中可能出现的氧暴发而产生安全隐患。

在Bioliq方法中的其它缺点在于，伴生的气体和残余碳比热解过程的热量需要所需要的要多。因此就应用的生物质而言气体冷却效率小于在

工艺和流化床气化时。另外的缺点在于，在冷却脱气气体时，除了可冷凝的烃之外也冷凝反应及烘干水。因此煤焦油含有不可忽略的份额的水，这不利地影响煤焦油的热值。

过剩的在能量方面高品质的热量可以例如用于生物质烘干或用于外部的能量利用。

此外在“The 2^nd World Conference and Technology Exhibition onBiomass for Energy,Industry and Climate Protection"in Rom,Italien,10.-14.Mai 2004,von Patrick CA.Bergman,Arjen R.Boersma,JacobH.A.Kiel,Energy research Centre of the Netherlands(ECN)”期间提出的“Torrefaction for entrained-flow gasification of biomass（用于生物质的气流床气化的烘焙）”描述了一种其它的方法。

在这种方法中被烘干的生物质在烘焙过程（Torrefaction Process）中在200至300℃的温度下和在大气压力下被热处理。在此，挥发性的组分（主要是二氧化碳和一氧化碳）的一部分被分离出去。通常烘焙产物仍然具有无水的生物质的质量的70%至90%和能量的83%至97%，就下部的热值而言。

在这种处理方法中生物质的纤维结构被部分破坏，从而用于碾磨烘焙产物的能量消耗相对于原始的生物质降低了。在该公开文献中给出了相对于未被热处理的生物质粉末就气动的可输送性而言改善了粉末质量。煤粉的质量然而未达到。

由热解的相的知识（见"Die Chemie des Holzes（木材化学）",N.l.Nikitin,Akademie-Verlag Berlin,1955）可以得到，该过程仅可在一个小的温度范围内运行。如果温度过低，那么会有长的逗留时间和仅仅不充分的机械特性改善，如在关于烘焙过程的文献中所证实的。在温度高于300℃时高级烃（焦油）形式的强烈挥发性成分被分离，并且就产生的热解焦炭而言，该过程朝向具有变小的能量效率的热解方向发展。从300℃起，也可能有放热的阶段，从而该过程在保持温度范围方面是很难控制的。

至今仅仅存在木材和稻草方面的经验。其它的关于可应用的生物质范围的发现是未知的。

在MAXPLANCKFORSCHUNG，2/2006的文献“Zauberkohle ausdem Dampfkochtopf（来自高压锅的魔法煤）”已知一种方法，其中生物质（如木材、稻草、草、植物废料和其它的较次品质的生物质）在大约20bar的压力下在180℃和230℃之间的温度下在一种酸作为催化剂和逗留时间大约为6至12小时的情况下通过热液碳化转化成含碳的物质和水。

这种方法业已在1913年由Friedrich Bergius描述了并且在几个小时中就完成了耗费几万年才能完成的碳化过程。

在这种热液碳化过程中氧主要以水的形式被分离。也产生小量的二氧化碳，并且生物质的一小部分碳溶解在水中。以水和二氧化碳的形式结合在生物质中的氧是用于气化过程的材料“压载物”，因为氧必须被加热到气化温度并且在产生的气体中作为水蒸气和二氧化碳存在。由于用于加热结合的氧的能量需求，将附加份额的一氧化碳和氢气燃烧成二氧化碳和水蒸气。气化温度越高，那么这种损失份额越大。特别是在气流床气化时，其中气化温度高于灰燃点温度，那么这种影响也有助于气体质量的显著恶化。

与“Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf（来自高压锅的魔法煤）”相对应地，在热液碳化时所产生的炭中的碳利用率，就所应用的生物质而言，近乎为100%，其它的公开文献具有高于90至99%的碳利用率。

利用无水煤的燃烧热量构成的能量效率相对于无水的生物质的燃烧热量而言高于90%。

热液的碳化过程是放热的（"Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf",MAXPLANCKFORSCHUNG，2/2006).）

通过处理水相的生物质，水溶性的成分例如碱和卤素由灰中析取出来。

热液碳化如此改变生物质的结构，使得产生的碳化炭或木炭在烘干后可以与原始的生物质相比以显著较小的能量消耗被碾磨成粉末化燃料。

在"Zauberkohle aus dem Dampfkochtopf"中报道，生物质在热处理之后作为由纳米颗粒构成的混杂物存在，其通过小的机械负载分解成较小的颗粒。因此用于粉碎这种被处理的生物质的能量需求比在烘焙材料的情况下小，其中相对于未被处理的生物质的能量节省测定为50至85%（见上，"Torrefaction for entrained-flow gasification ofbiomass"）。

DE 10 2007 062 811A1描述一种通过热液碳化由生物质获得的燃料，其粒度为小于50μm，优选在纳米范围内，显著低于适合于气流床气化的50至500μm范围。

热液碳化方法适合于由生物质（例如木材、稻草、草、植物废料和其它的较次品质的生物质）通过分离出氧（氧主要以结合水的形式被分离）来生成热值高的燃料，该燃料的热值类似于褐煤的热值，该燃料与原始的生物质相比能够以较高的转换效率用于产生能量。

发明内容

从现有技术出发，本发明的目的在于改善由生物质的合成气体制取，这种制取以高的能量效率、高的碳利用率、较小的设备费用和高度的方法灵活性实现，其中特别是即使是较次品质的生物质（如树枝废弃物、草、农产品和废料例如稻草、生物质加工时的残渣等等）在高温高压气流床气化过程中的气化也应当生成无焦油的、甲烷少的或者说贫甲烷的、富含一氧化碳和氢气的合成气体。

该目的通过具有权利要求1的特征的设备实现。

相应的在利用如本发明的设备的情况下用于由生物质通过气流床气化生成合成气体的方法具有权利要求9的特征。

优选的实施方式在从属权利要求中描述。

第一实施方式涉及一种设备，其用于由任意的生物质生成富含一氧化碳和氢气的气化气体。气化气体（例如合成气体、燃烧气体或还原气体）的产生在一个气流床气化装置中实现，而在设置在气流床气化装置上游的处理装置中将生物质处理成可被输送的且适合于在气化装置中进行气化的燃料。

为了将生物质处理成能被气化的燃料，将生物质在处理装置中首先输送给粗粉碎装置。从粗粉碎装置出发，生物质通过第一闸门被输送给一个被压力加载的碳化装置，在碳化装置中生物质被热液碳化。在粗粉碎装置中生物质被相应地如此粉碎，使得生物质可以被无摩擦地输送通过该闸门并且在设定的逗留时间内完全碳化。被压力加载的碳化装置基本上包含一个碳化反应器，在该碳化反应器中由生物质热液地生成碳化炭。

在碳化反应器上游可以有利地设置预热装置，其也可以替代地被作为预热区域整合在碳化反应器中。在碳化过程中被释放的热量可以通过这种方式被用于预热待处理的生物质和/或烘干所产生的炭。

从被压力加载的碳化装置出发，在下游有一个第二闸门，由生物质生成的水状的碳化炭混合物通过该第二闸门从碳化装置被排出到一个或多个固液分离装置以分离出自由的水，从而现在提供了碳化炭形式的燃料。在固液分离装置的下游此外设置用于烘干燃料或者说碳化炭的烘干装置和与其邻接的用于被烘干的碳化炭的粉碎装置。粉碎装置如此选择，使得碳化炭被粉碎成粉末化燃料，其具有在大于50μm范围的粒度，例如55μm至500μm范围内的粒度。

生物质的纤维结构通过在热液的碳化装置中的热处理被如此改变，使得由生物质产生的碳化炭具有一种纤维结构，其在烘干后能够以小50%至85%的能量消耗碾磨成粉末化燃料。被碾磨的碳化炭相对于初始生物质的较好的粉末特性改善了流动特性和提高了碳化炭的穿流阻力并且允许稳定的连续的浓相输送，这显著提高了气流床气化在由于粉末化燃料输送的不持续性而导致氧爆炸（Sauerstoffdurchbruch）方面的安全性。

为了进一步优化来自生物质的炭、即“生物炭”的特性，可以经由供给管给烘干煤的粉碎装置添加流动和/或碾磨辅助介质，从而烘干煤的细度和含水量能够与输送及气化过程的要求相适配。

通过使用热液碳化，而不是传统的

工艺的低温碳化，以产生含碳的燃料用于后续的气化阶段，有利地可以应用宽范围的生物质。从而利用根据本发明的设备的处理装置可以不仅使用高品质的生物质例如木材和木材废料，特别是也可以使用较次品质的生物质例如树枝废弃物、草、农作物产品和生物废料（其包含稻草和来自生物质处理的残渣）。由较次品质的生物质通过热液碳化的热处理形成的燃料（碳化炭）因此可以现在可用于气化，这在对于木材的日益增大的需要和上涨的价格的情况下具有显著的经济方面的优点。

因为生物质分散地（远离中心地）产生，所以必须将生物质从大的附属区域送至中心的气化位置以用于大的气化设备。通过利用热液碳化过程使得可以将生物质处理与气化脱离耦合，可以在任意多的具有相应设计尺寸的处理装置的位置上分散地将生物质处理成可气化的燃料，从而被处理的燃料由于其相对于生物质较高的能量密度能够以较小的输送费用被输送至气化装置，由此总体上可以达到总体设备的改善的利用，这带来显著的经济上的优点。

为了将在处理装置中产生的燃料输送给气流床气化装置，根据本发明的设备具有转移装置。当处理装置设置在气化装置的直接附近时，转移装置在最简单的情况下由设置在处理装置和气化装置之间的用于燃料的输送装置构成。根据本发明的具有偏离中心的处理装置和一个中心的气化装置的有利的实施方式中，将处理装置与气流床气化装置相耦合的转移装置是输送装置、例如用于转移燃料的载重汽车。

本发明应用的碳化装置的另外的优点在于，热液碳化在水相中进行，从而无需之前对生物质进行耗费能量的烘干。此外，在碳化时分离出来的水（其被放热过程的过剩的热量加热）被用于预热生物质。由于碳化在水相中进行，所需要的温度范围与例如（在气相中运行的）烘焙方法中相比能够被更加简单和可靠地被维持。

除了由生物质提供适合于气流床气化的燃料的处理装置之外，本发明的设备还包含气流床气化装置，其在一个实施方式中包含与转移装置可耦合的、用于由处理装置转移而来的燃料的燃料供给装置。在燃料供给装置下游连接一个闸门，燃料借助于该闸门被输入到被压力加载的输送系统中。用于燃料的输送系统通入到一个高温气流床气化器中，该高温气流床气化器处于升高的压力下并且从该高温气流床气化器出发延伸一个用于炉渣的排出管路和一个用于合成气体的产品管路。

这样的气流床气化装置可以具有一个或多个燃烧器，其中每个燃烧器可以配备一个用于气化介质的供给管路。所述一个或多个燃烧器通入到一个气流床气化反应器中，其包含反应腔和在反应腔下游的冷却腔。反应腔的壁可以配备耐火衬里并且替代地或附加地具有一个冷却装置，其例如可以设置在反应腔的壁上或内部。此外，从冷却腔出发延伸一个用于合成气体的排出装置，其与产品管路连接。

在一个实施方式中，冷却腔可以是淬火腔，其具有多个用于淬火水和/或淬火气体的供给部。替代地，冷却腔也可以配备辐射散热器用于间接地气体冷却，在其上必要时可以连接对流散热器。在由淬火和间接的气体冷却构成的组合中，冷却腔可以设计成淬火腔并且附加具有连接在淬火腔上的、用于间接的气体冷却的装置。在此可以优选在淬火腔下游连接一个对流散热器。

气流床气化反应器的炉渣池位于反应腔的下游，从而液态炉渣由于重力从反应腔向下到达炉渣池，并且从那儿作为硬化的炉渣颗粒可以经由第四闸门经由排出管路被排出。

从而利用根据本发明的设备，可以有利地将通过（较次品质的）生物质的热液碳化获得的燃料在气流床气化反应器中获得无焦油的、贫甲烷的燃烧气体、气化气体或合成气体。在该气流床气化反应器中，特别是对于合成过程常见的高的过程压力（30bar和更高）可以与现有技术相比以类似的或甚至更高的气化效率和燃料利用率实现，而同时可以达到较高的单位产量，这导致在制造合成气体时与现有技术相比较小的生产费用。

由于一致的燃料而有利地单阶段设计的气流床气化过程相对于多阶段的气化过程在技术上更加简单并且因此仅仅需要一个粉末化燃料转移和一个炉渣转移就足够了，而在多阶段的

气化工艺（器对生物质进行低温气化）中至少需要六个转移。因此设备的气化装置能够与传统的

气化装置相比利用较少的设备费用建造，并且由此能够节省投资费用和运行费用，而同时气流床气化装置的可利用性提高。通过省去多个闸门过程和通过去除在处理和气化之间的强制耦合，此外可以在气化中更简单地实现较高的过程压力。因此可以无需在合成装置中后续压缩在气化中产生的气体至较高的压力，如果设置气化气体被用作合成气体的话。

在根据本发明的设备的一个有利的实施方式中，当燃料是通过烘干和碾磨获得的粉末化燃料时，设置气动的浓相输送系统作为输送系统。粉末化燃料通过闸门被输入到处于压力下的浓相输送系统中并且通过经由一个或多个输送气体管路的输送气体供给被转移到气流床气化过程中。

替代用于粉末化燃料的气动的浓相输送系统，输送系统也可以是泵送系统，其中燃料以可被液压输送的燃料浆体的形式存在。燃料浆体包含燃料和可燃的液体，其中燃料可以是粉末化燃料或甚至也可以是来自碳化过程的、在脱水后获得的碳化炭。为了提供燃料浆体，气流床气化装置在泵送输送系统的上游或者处理装置在固液分离装置的下游具有一个浆化装置，用于可燃的液体的供给装置通入到该浆化装置中。

此外本发明涉及一种用于由生物质通过气流床气化制造合成气体的方法，其中用于气流床气化的燃料来自于生物质的热液碳化。为了实施该方法可以使用根据本发明的设备的其中一个实施方式。在一个第一部分方法中，在处理装置中由生物质生成适合于在气流床气化装置中进行气化的燃料。为此生物质在粗粉碎装置中被粗粉碎并且而后通过第一闸门被输入到被压力加载的处理装置中。在那儿可以有利地在预热装置或在集成在碳化反应器中的预热区域中对被粗粉碎的生物质进行预热，接下来被预热的生物质在碳化反应器中被热液碳化成由碳化炭和水构成的混合物。在接下来的步骤中碳化炭和水混合物通过第二闸门被转移到固液分离装置中，在那儿水与碳化炭分离，从而被脱水的碳化炭作为燃料提供。

被脱水的碳化炭被转移到烘干装置中并且在那儿被烘干成烘干炭。烘干炭而后被转移到粉碎装置中，在那儿烘干炭被粉碎成粉末化燃料，其具有在大于50μm范围的粒度，例如在55μm至500μm范围内的粒度。这种粉末化燃料适合于进行气动输送和气化，然而也可以被用于制造能被液压输送的燃料浆体，其中粉末化燃料在浆化装置中利用可燃的液体加工成可被泵送的且在气流床中可气化的浆体。

必要时，被脱水的碳化炭可以业已用作在气流床气化装置中的燃料并且以燃料浆体的形式，当碳化炭在浆化装置中利用可燃的液体加工成浆体时。

热液碳化步骤、烘干步骤和粉碎步骤可以在时间上和空间上彼此独立地实施，与存在的生物质和期望的燃料的类型和量相关。特别是为了改善碾磨，以及也为了改善粉末化燃料在其流动特性方面的质量，可以在碾磨步骤中在粉碎装置中输入碾磨和/或流动辅助介质。

在处理中产生的燃料借助于转移装置被转移到气流床气化装置中，在那儿产生合成气体，其方式为：燃料在高温气化反应器中被气化。由生物质获得的燃料的气流床气化在此在压力为至少3bar、优选高于40bar且温度为1200℃至1600℃的条件下在氧参予的情况下放热地实施。

热液碳化的效率主要基于改善的碳平衡而显著高于低温气化快速热解的效率。从而在类似的气化效率时在根据本发明的利用热液碳化的方法的情况下生物质的气化（包括热处理）的总体过程的效率显著高于例如在Bioliq方法时的效率，这表现为较高的合成气体产量。

此外有利的是，整体方法（包含热液碳化和气流床气化）的气体冷却效率尽管由于高温气化，然而与

工艺的气体冷却效率是差不多的，因为在热液碳化过程中分离出氧。

由于水溶性的碱和卤素在热液碳化的热处理阶段中从生物质材料中析取出来，碱和卤素而后可以在固液分离装置中与水分离和被清除，所以减小了燃料中的灰含量和有害物质含量。因此气化过程被较小的灰量和有害物质加载，这导致能量方面的优点并且在气体清洁时的较小的费用。同时与废水一起析出的营养成分可以重新被输入到营养成分循环中。

这些优点和其它的优点通过接下来参考附图的描述进行阐述。

附图说明

在说明书中对附图的参考用于支持说明书和便于理解本发明的内容。附图仅仅是对本发明的一个实施例的示意描述。

图1示出根据本发明的设备的一个实施方式的工艺流程图，其包含处理装置、转移装置和包含借助于水进行的淬火的气流床气化装置。

具体实施方式

根据本发明的设备将各个用于实施将生物质热液碳化成碳化炭（炭）和对由生物质生成的炭进行高温气流床气化的方法步骤的装置组合起来。炭可以被加工成炭浆体，在其中碳化炭悬浮在可燃的液体中，或者所产生的炭可以在一个优选的实施方式中经历烘干步骤、接下来进行炭碾磨，从而提供一种可气动输送的粉末化燃料，其可以经由浓相输送被供给高温气流床气化。

各单个方法步骤（生物质的热液碳化、烘干碳化炭、碾磨烘干炭和粉末化燃料的气化）可以在各个单独的位置上实现，特别是生物质的热液气化可以分散地在产生生物质的位置附近的较小的单元中实施，从而可以减小运送费用。

烘干炭的流动和气化特性可以选择地在烘干炭的碾磨之前或期间通过添加流动和碾磨辅助介质被改善。由此可以在需要时改善流动特性并且确保所产生的粉末在气动的输送中的可定量配给性。

如上所述，可以替代气动的浓相输送，将碳化的、被机械脱水的利用可燃的液体（例如煤焦油、废油、蒸馏残留物、石脑油、生物柴油以及其它的可燃的液体）浆化的生物质利用泵送被供给高温高压气流床气化过程。

根据本发明，除了木材或木材废料之外，较次品质的生物质例如绿色废料、草、农产品和废料（其包括稻草和生物质加工残余等等）也可以被处理并且以高的转化效率气化成富含一氧化碳和氢气的、无焦油的和贫甲烷的合成气体或燃烧气体或还原气体。

根据本发明的方法涉及首先在热液碳化时将一部分氧主要以结合水的形式和少量的以二氧化碳的形式从待气化的生物质中分离。

通过氧分离，就烘干物质而言，所产生的碳化炭（炭）的热值相对于应用的生物质的热值提高了，这有助于在以后的气化过程中显著改善气体质量。

通过在水相中的处理，水溶性的碱和卤素业已由包含这些矿物质的燃料中析出并且因此不进入到气化过程中，在气化过程中它们耐洗脱地结合到炉渣中。因此它们能够被重新输送到营养物质循环中。

在碳化过程之后，炭可以被烘干到对于粉末化燃料常见的水含量并且紧接着被碾磨成可气动输送的粉末化燃料。

通过碳化过程，生物质的纤维结构被尽可能折断，从而被烘干的碳化炭可以与原始的生物质相比以较小的能量消耗进行碾磨，其中所产生的粉末化燃料具有改善的颗粒形状，其有助于改善粉末的可气动输送性并且因此有助于可靠的和对于质量有利的气化运行。

在碾磨中的颗粒范围有利地如此设定，使得所产生的煤粉的粒度主要在55至500μm之间的范围内。因此一方面确保在气化器中完全的燃料转换并且另外一方面也可以就下粒度极限而言在借助于水淬火时或在湿的气体清洁时达到良好的粉末分离。此外可以通过避免过高的细颗粒份额阻止在气体冷却时过强污染热交换面。

粉末化燃料经由气动的浓相输送系统（其对于高的运行压力而言是合适的）输送给气流床气化器，并且在那儿与含氧的气化介质一起转化成贫甲烷的和富含一氧化碳和氢气的合成气体。

接下来根据本发明的方法借助于在图1中示出的根据本发明的设备详细阐述。

一个优选的方法主要包括：热液碳化生物质BM至碳化炭KK，同时主要以水的形式分离出氧，在处理装置1中将生成的炭烘干和碾磨成粉末化燃料BS，将粉末化燃料BS从处理装置1转移到高温气流床气化装置22，将粉末化燃料BS气动地浓相输送到气流床气化器40中并且在气流床中利用包含氧的气化介质气化粉末化燃料BS。

生物质BM在处理装置1的远离气流床气化装置22位置的位置上被处理成可被输送的燃料，其在当前情况下是例如是粉末化燃料BS。为此生物质BM在一个合适的粉碎器2中被如此粉碎，使得不会在接下来的方法中（例如在输送生物质BM通过闸门3时）导致机械问题，并且被粉碎的生物质BM在碳化装置4中在设定用于热液碳化的逗留时间内被彻底碳化。因此除了在粉碎器2中的生物质BM粗粉碎之外在碳化之前不需要任何其它的处理步骤，先前的对于生物质BM的烘干是不需要的，因为碳化过程在水相中进行。

此外同样不需要的是，将生物质就生物质特定的特性（如粒度、质量、结构和其它的特性）而言进行分类，从而每种类型的生物质能够利用本发明的方法以简单的方式被处理。

被粗粉碎的生物质经由闸门3被输入到碳化装置4中，其被加载大约20bar的压力。在输入到碳化装置4中之前，被粉碎的生物质可选地如在图1中所示利用二次蒸汽D进行预热，该二次蒸汽来自于接下来的方法阶段并且可经由水蒸气管路14被供给。必要时生物质在这个位置也可以被掺杂催化剂（在图1中未示出）并且如此有利地首先经由闸门3被导入到用于热液碳化的碳化装置4的预热装置5中，利用过程热量被预热。在此生物质利用热水被预热，在某些情况下可以为了满足热量需要或也为了启动过程，附加地经由通入到预热装置5中的压缩蒸汽管路9输入压力蒸汽。在预热装置5中使用的热水有利地来自碳化反应器6中的碳化过程，在其中生物质放热反应成碳化炭KK，其中分离出过程热水W，其而后借助于泵8经由热水管路7被输入到预热装置5中。

在预热装置5中预热之后，因此由生物质和水构成的混合物到达碳化区域6，在该碳化区域中在180至230℃的温度下和大约6至24小时的逗留时间时氧主要以结合水的形式，然而也可少量以二氧化碳的形式被分离出来。在此生物质的纤维结构被折断，从而所产生的碳化炭KK业已在此在碳化阶段与进入状态的生物质相比分解成较小的粒度。

因为碳化过程是放热的，所以在碳化过程中产生的热量如上所述以热水W的形式被排出到预热区5中。

也作为氧分离产品产生的气体（主要是二氧化碳）与在气体中包含的水蒸气一起以压力受控的方式借助于阀门通过排出口10被排出到大气中。可能仍然过剩的来自碳化放热区的热量在此可以以提高的蒸汽量的形式被可靠排出。也可以利用在气体中包含的热焓。

所形成的碳化炭KK与过剩水W一起经由闸门11由被压力加载的热液碳化装置4被排出和清空。由于碳化炭KK和水W的高温度，一部分水被蒸发。这种蒸汽D可以如上所述用于预热在闸门3的接受器中的被粉碎的生物质BM或例如也在下游经由蒸汽管路14被引导到烘干装置16的热交换装置17中并且在那儿用于烘干被脱水的碳化炭KK。

首先然而由生物质BM产生的碳化炭KK在一个分离装置12和一个机械的脱水装置13（例如离心机、腔式过滤挤压机、筛网挤压机或螺旋挤压机）与自由的水分离，其不仅由分离装置12而且由机械的脱水装置13经由废水管路15被排出。废水W在此可能包含溶解的碳化合物和溶解的灰成分如碱和卤素。如果存在有害化合物，那么必须在排放到污水处理设备中之前将其从废水中去除。

在机械脱水之后，碳化炭KK在一个热烘干装置16中利用水蒸汽D或其它的穿流换热器17的热载体被烘干到低于10%的常见的剩余含水量。

如此获得的烘干炭TK而后在一个接下来的粉碎装置18被粉碎成可气动输送的粉末化燃料BS，其粒度主要在高于55μm和低于500μm之间的范围内。通常的粉碎装置18可以例如是球磨机、辊磨机等等。

因为在碳化过程中生物质的纤维结构尽可能被折断，所以碾磨烘干煤TK的能量消耗与用于碾磨矿物煤的能量耗费是差不多的。为了减小用于碾磨过程的时间消耗，并且为了改善粉末化燃料BS的流动特性，碾磨机18可以经由合适的输送部19被定量配给碾磨和/或流动辅助介质。

所产生的粉末化燃料BS可以首先在一个允许用于粉末化燃料的储仓20中被暂时存储并且紧接着被转移到气流床气化装置22的位置。在图1中这种转移通过输送管路21'或通过转移汽车21″示出。

根据本发明的设备在多个不同的位置具有多个这样的处理装置1，在这些位置分散产生的生物质BM被就近处理并且借助于转移汽车21″被送到气流床气化装置22的位置。

在气化装置22的位置，其有利地在各处理位置的中心，来自转移车辆21″的粉末化燃料与借助于转移车辆21″被从另外的位置转移到气化位置的粉末化燃料一起被输送到粉末化燃料储仓23中，并且在那儿被暂时存储。如果处理装置1和气流床气化装置22位于同一地点，那么它们的经由输送管路21'的替代的耦合是有利的。

为了气化，粉末化燃料经由闸门24被转移到浓相输送系统25中，在那儿粉末化燃料借助于经由输送气体管路26被供给的输送气体被输送至高温气流床气化器40的燃烧器28，该高温气流床气化器的工作压力至少为3bar并且优选为高于40bar。

经由燃烧器28的单独的输入部27给气化反应器32供给含氧的气化介质，其可以是纯氧气或也可以由氧气-水蒸气混合物、氧气-二氧化碳混合物或由氧气、水蒸气和二氧化碳构成的混合物构成。在当前的例子中在利用冷却装置31冷却的反应腔30中，该反应腔可以利用耐火的材料加衬，在燃烧器喷嘴29的出口处粉末化燃料和气化介质在焰色反应中在高于灰燃点温度（其通常为1200℃至1600℃，优选为1400℃至1500℃）和在高于3bar的压力、优选高于40bar的压力下反应成无焦油的且贫甲烷的富含一氧化碳和氢气的气化气体SG，其由反应腔30流出到下方设置的淬火腔33中。

附加地一个在图1中未示出的对流散热器连接在淬火腔33上，从而部分淬火与间接的气体冷却的组合是可能的，或者冷却腔可以作为淬火的替代而具有一个辐射散热器，在其上可以需要时连接一个对流散热器。冷却腔（其现在是淬火腔33或用于间接的气体冷却的腔，对于这种腔而言辐射和/或对流传热面位于该冷却腔中）的设置与气体从反应腔30中可能的流出相关。可能的是，向上的流出、向下的流出和向下的流出与一个直至180°的气体转向的结合。从而冷却腔可以设置在反应腔的上方、下方或旁边，在当前在图1中冷却腔或淬火腔33设置在反应腔30的下方。

在焰色反应中熔化的粉末化燃料的灰通过燃烧器28的漩涡被甩到反应器30的壁上并且在那儿作为液体的炉渣在一个固体炉渣层（该固体炉渣层在当前的例子中基于冷却业已构成在反应腔30的耐火材料上）上行进并且在反应腔30的出口处穿过淬火腔33滴落到炉渣池37中，在那儿它硬化成玻璃状的颗粒。固体炉渣通过闸门39借助于排出管路36由工艺过程中排出。

与气体流出无关，来自反应腔30的液态炉渣始终向下被导入到炉渣池中并且从那儿出发在硬化成颗粒后被排出。对于在图1中示出的向下无转向的气体排出而言，炉渣在进入炉渣池之前首先与气体共同地经过淬火腔33。在另外的情况下在转向气体排出流的情况下或在向上排出气体的情况下，液态炉渣通过气体流的转向由于重力从气体流中分离出来，例如直接被转移到炉渣池中。

由反应腔30流出的流出的热的气化气体可以在淬火腔33中利用经由供给部34射入的淬火水被冷却到大约500至1000℃的温度（部分淬火），以便紧接着例如输送给对流冷却，或者也可以替代地冷却到大约200至250℃的温度（完全淬火），以便而后例如输送给材料的转化阶段。被冷却的且利用水蒸气加浓的气化气体可以作为气化粗气体（相应的合成气体SG）经由气体排出接管38离开气化反应器32，并且可以经由产品管路35被输送给下一个方法阶段（未示出）。

利用根据本发明的用于气流床气化生物质的方法可以将木材、木材废料、绿色植物、草、农作物产品和废料例如稻草和生物质处理的残余物等等和较次品质的生物质以高的转化效率转化成富含一氧化碳和氢气的以及无焦油和贫甲烷的燃烧气体、合成气体和/或还原气体。

这通过热液碳化、烘干由生物质生成的炭、炭粉碎、浓相输送和气流床气化成燃烧气体、合成气体和/或还原气体的组合达到。在此处于超压下的气流床气化器借助于气动的浓相输送系统被供给富含碳的粉末化燃料，其具有低于500μm、优选在55μm至500μm之间的粒度，其中包含燃烧器、反应腔和冷却单元的气流床气化器基于一致的燃料结构可以在技术上简单设计并且仅仅需要两个闸门。

在此各方法步骤（热液碳化步骤、烘干步骤和粉碎步骤）不仅可以在时间上和空间上彼此独立地实施，也可独立于位置地实施气化，从而根据在那儿产生生物质，可以将被处理的生物质与其它的处理或使用目的相关地被转移到相应的装置中以实施方法步骤。

从而可以例如在一个替代的方法规定，由生物质产生的炭不是气动地输入气流床气化器中，而是与可燃的液体例如煤焦油、废油、石脑油和生物柴油或其它可燃的液体混合形成浆体并且将该燃料浆体泵送到气流床气化器中。浆体的制造可以在此在气化装置22中实现，其中可燃的液体在气化反应器40的上游被供给并且浆体借助于泵送系统被泵送至燃烧器28。可燃的液体的供给在此可以对应于图1中示出的输送气体管路26，并且泵送系统对应于浓相输送系统25。与可燃的液体形成浆体的燃料可以在此是粉末状燃料BS，在某些情况下也可以将碳化炭KK直接在热液碳化之后和紧接着进行脱水之后用作燃料，从而在此可以省去烘干和碾磨的步骤。

也可以考虑在处理装置1的位置就制造燃料浆体，从而不是粉末状燃料而是燃料浆体被转移到气化装置中。

附图标记清单

1处理装置

2粗粉碎装置

3闸门

4碳化装置

5预热装置

6碳化反应器

7热水管路

8泵

9压力蒸汽的供给管路

10经由阀用于二氧化碳和蒸汽的排出口

11闸门

12分离装置

13机械的脱水装置

14水蒸气管路

15废水管路

16烘干装置

17热交换器

18碾磨机、粉碎装置

19碾磨和/或流动辅助介质的供给管路

20储仓

21、21'、21″转移装置、输送管路、转移汽车

22气流床气化装置

23储仓

24闸门

25浓相输送系统

26输送气体管路

27用于气化介质的供给部

28燃烧器

29燃烧器火焰，燃烧器喷嘴

30反应腔

31冷却装置

32气流床气化反应器

33淬火腔

34用于淬火水的供给部

35合成气体产品管路

36用于固体炉渣的排出管路

37炉渣池

38气体排出接管

39闸门

40高温气流床气化器

BM生物质

KK碳化炭

TK烘干炭

BS粉末化燃料

SG合成气体

W  水

D  蒸汽

Claims (13)

1.一种用于由生物质（BM）通过气流床气化生成合成气体（SG）的设备，该设备包含用于生物质（BM）的处理装置（1），该处理装置具有用于输入的生物质（BM）的粗粉碎装置（2），该粗粉碎装置在下游经由第一闸门（3）与被压力加载的碳化装置（4）连接以用于由生物质（BM）热液生成碳化炭（KK），其中碳化装置（4）包含至少一个预热装置（5）和一个在预热装置（5）下游设置的碳化反应器（6）并且在下游经由第二闸门（11）与至少一个固液分离装置（12，13）连接以提供燃料，并且处理装置（1）在固液分离装置（12，13）下游具有烘干装置（16）以用于烘干燃料，在该烘干装置下游连接粉碎装置（18），其中粉碎装置（18）将燃料粉碎成粉末化燃料（BS），该粉末化燃料具有在55μm至500μm范围内的粒度，并且该设备包含用于转移燃料的转移装置（21）和气流床气化装置（22），其中转移装置（21）提供处理装置（1）与气流床气化装置（22）的耦合。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述生物质（BM）包括木材、木材废料、绿色废料、草、农产品和废料，该废料包括稻草和生物质加工残余。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，粉碎装置（18）与用于辅助介质、特别是用于碾磨和/或流动辅助介质的供给管路（19）相连接。

4.如上述权利要求1至3中至少一项所述的设备，其特征在于，气流床气化装置（22）包含燃料供给装置，该燃料供给装置能与转移装置（21）耦合并且在下游经由第三闸门（24）与用于燃料的输送系统连接，该输送系统通入到气流床气化器（40）中。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，气流床气化器（40）具有至少一个燃烧器（28），用于气化介质的供给管路（27）通入到所述燃烧器中并且所述燃烧器与气流床气化反应器（32）连接，该气流床气化反应器包含配备耐火衬里和/或冷却装置（31）的反应腔（30）并且在反应腔（30）下游具有冷却腔，用于炉渣的排出管路（36）和用于合成气体（SG）的产品管路（35）从该冷却腔出发延伸。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，冷却腔是具有多个用于淬火水和/或淬火气体的供给部（34）的淬火腔（33）、具有借助于辐射和/或对流散热器以进行间接的气体冷却的装置或者具有由淬火腔（33）和用于间接的气体冷却的装置构成的组合。

7.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，气流床气化反应器（32）在反应腔（30）的下游具有炉渣池（37），所述排出管路（36）从该炉渣池出发延伸通过第四闸门（39）。

8.如上述权利要求4至7中至少一项所述的设备，其特征在于，当燃料是粉末化燃料（BS）时，所述输送系统是气动的浓相输送系统（25），其包含至少一个输送气体管路（26）；或者

当燃料是以能被液压输送的、包含燃料和可燃的液体的燃料浆体的形式提供时，所述输送系统是泵送输送系统，所述燃料浆体在浆化装置中提供，该浆化装置在泵送输送系统的上游设置在气流床气化装置（22）或处理装置（1）中并且包含用于可燃的液体的供给装置。

9.一种在利用如上述权利要求1至8中至少一项所述的设备的情况下用于由生物质（BM）通过气流床气化生成合成气体（SG）的方法，其包含下面的步骤：

A）通过如下方式借助于处理装置（1）由生物质（BM）生成适合于在气流床气化装置（22）中进行气化的燃料：

在粗粉碎装置（2）中粗粉碎生物质（BM），

将被粗粉碎的生物质（BM）经由第一闸门（3）输入到被压力加载的碳化装置（4）中，

在预热装置（5）预热被粗粉碎的生物质（BM）；

在碳化反应器（6）中将被预热的生物质（BM）热液碳化成由碳化炭（KK）和水（W）构成的混合物，

将碳化炭（KK）和水（W）通过第二闸门（11）转移到所述至少一个固液分离装置（12，13）中并且将碳化炭（KK）与水（W）分离，

将碳化炭（KK）转移到烘干装置（16）中并且将碳化炭（KK）烘干成烘干炭（TK）；

将烘干炭（TK）转移到粉碎装置（18）中并且将烘干炭（TK）粉碎成粉末化燃料（BS），该粉末化燃料具有在55μm至500μm范围内的粒度，

其中，提供燃料，

B）借助于转移装置（21）将燃料从处理装置（1）转移至气流床气化装置（22），并且

C）通过在气流床气化反应器（32）中气流床气化燃料来生成合成气体（SG）。

10.如权利要求9所述的方法，包含在气流床气化之前的步骤：

通过可燃的液体的输入，在浆化装置中将燃料混合成浆体，并且得到能被液压输送的燃料浆体。

11.如权利要求9或10所述的方法，其中在时间上和空间上彼此独立地实施热液碳化步骤、烘干步骤和粉碎步骤。

12.如上述权利要求9至11中至少一项所述的方法，其中包含将碾磨和/或流动辅助介质输入到粉碎装置（18）中的步骤。

13.如上述权利要求9至12中至少一项所述的方法，其中气流床气化在压力为至少3bar、优选高于40bar的情况下并且在温度为1200℃至1600℃、特别是在1400℃至1500℃的情况下在氧气参与的情况下放热地运行。

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