CN102762697B - 碳质材料的热化学利用，特别是用于零排放地产生能量 - Google Patents

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Abstract

在通过利用含碳材料而零排放地产生能量和/或烃类和其他产物的根据本发明的方法中，在第一处理阶段(P1)中提供含碳材料并热解，由此制得热解焦炭(M21)和热解气(M22)。在第二处理阶段(P2)中，将来自第一处理阶段(P1)的热解焦炭(M21)气化，由此制得合成气(M24)，并去除炉渣和其他残余物(M91、M92、M93、M94)。在第三处理阶段(P3)中，将来自第二处理阶段(P2)的合成气(M24)转化为烃类和/或其他固体、液体和/或气体产物(M60)，所述烃类和/或其他固体、液体和/或气体产物(M60)被排放。所述三个处理阶段(P1、P2、P3)形成闭合循环。将来自第三处理阶段(P3)的剩余气体(M25)作为循环气体通入第一处理阶段(P1)和/或第二处理阶段(P2)，并将来自第一处理阶段(P1)的热解气(M22)通入第二处理阶段(P2)和/或第三处理阶段(P3)。

Description

碳质材料的热化学利用，特别是用于零排放地产生能量
技术领域
本发明涉及通过热化学加工和利用固体、液体和气体碳质材料和混合物，特别是废物、生物质、煤和其他不均匀材料而零排放地产生能量的方法和设备。此外，本发明涉及用于产生电能和机械能的设备和相应的方法，以及合成烃类的制造和它们在这种设备中的用途。
背景技术
排放，特别是二氧化碳排放对地球的气候平衡具有极不利的影响，并大大地导致人为气候变暖已经已知一段时间。因此，避免二氧化碳排放是高度期望的，特别是在由碳质材料，如废物、生物质和化石燃料产生能量中。
当碳质材料在常规发电厂装置中用作燃料时，二氧化碳是能量产生的不可避免的副产物。从所得燃烧废气中分离出二氧化碳通常不可能具有合理的能量和/或经济支出。
对于工业规模，正在测试这样的系统，其中二氧化碳被捕集于例如胺基溶剂中，并以压缩形式储存。然而，这种系统昂贵且复杂。
无二氧化碳排放的能源，例如太阳能、风力、水力和核能具有其他问题。用于使用替代能源(如风力、太阳能和生物质)的最近的装置不具有满足稳定增长的能量需求的足够生产力。另外，天气依赖性的能源常常不能无条件地确保必需的输出生产力。因此，用于低排放、有效、灵活且易放大的能量产生(特别是电能)的装置是深入研究活动的主题。
从现有技术已知各种类型的方法和装置，使用所述各种类型的方法和装置可由固体、液体和气体碳质材料制得气体混合物，所述气体混合物随后可用作所谓的用于化学合成的合成气。使用含有一氧化碳和氢气的合成气例如用于工业液相甲醇合成或用于制备烃类和其他有机材料的费-托合成。或者，这种合成气也可用于产生能量，例如用作运行热力发动机的燃料。
对于由固体碳制备一氧化碳-氢气合成气，使用氧气、二氧化碳或水气化固体碳以形成合成气：
一氧化碳和氢气之间的比例由称为水煤气变换反应IV给出：
在吸热反应I和II的过程中所需的热能可例如源自在反应III中固体碳的部分燃烧，或可从外部提供。
在制备合成气或相应的气体燃料的已知方法类型中，用于气化反应的固体碳以焦炭的形式存在。所述用于气化反应的固体碳转而通过煤或其他碳质材料的热解在之前的处理阶段中产生。在热解过程中形成的热解气被燃烧，其中热的含二氧化碳的燃烧气体首先充当焦炭的气化剂，还充当外部热能供应者。
在另一方法类型中，通过加入空气/氧气而气化焦炭，其中热能主要通过焦炭的碳的部分燃烧而产生。然后将来自之前的热解阶段的热解气混合至热合成气中，所述热解气在其中裂解，因此形成无焦油的可燃烧气体混合物。
用于制备合成气的已知方法被引导和优化为由便宜的化石煤制备用于化学工业的合成气，例如用于制备液体推进剂和其他高价值最终产品。在这些方法中，原材料的一些被燃烧用于能量产生，因此在高价值最终产品的制备中，产生大量不再可利用的二氧化碳。由于人为气候变暖，这种效率低的方法如今变得越来越不可接受。
其他方法主要涉及由固体碳质材料，例如化石煤、生物质或不均匀混合物(例如可燃烧废物)更容易地制备易管理的气体燃料。使用所述燃料，例如可运行燃气轮机。这种方法公开于例如DE 102007041624 A1和DE 2325204 A1中。然而，同样在这些方法中，储存于固体原材料中的化学能的一些在焦炭制备中或在气体制备中在转化中消耗，二氧化碳相应地被排放。
已知方法的一个缺点在于排放物的产生、低效率，以及复杂的结构和操作，特别是在其中焦炭在流化流或气流床(entrained flow)中被气化的装置中。
同样，已知各种方法，使用所述各种方法可由生物质制备液体推进剂。在G.W.Huber等人的文章“Synthesis of Transportation Fuels from Biomass：Chemistry，Catalysts，and Engineering”，Chem.Rev.106(2006)，第4044页中，给出了各种方法的综述。在这些方法的某些基本类型中，生物质被气化，并接着由所得气体混合物合成充当推进剂或燃料的气体烃类和/或液体烃类和/或其他碳质化合物。
用于由生物质制备合成推进剂的这种方法描述于“Process for Producing theSynthetic Biofuel SunDiesel”[德文名称“Verfahren zur Herstellung dessynthetischen Biokraftstoffs SunDiesel”的英文翻译]，B.Hoffmann，Aufbereitungstechnik，49(1-2)(2008)，第6页中。在称为“Carbo-V”的该方法中，在400-500℃下在低压(4巴)下的第一步骤中使用空气热解块状生物质(粉碎的植物体)，其中所述步骤被认为是热预处理步骤。这产生热解气和热解焦炭。相应的装置公开于例如DE19807988 A1中。然后在高温(1400-1500℃)下使用预热空气或氧气对所述热解气进行后氧化，以分解长链烃类。与此分开地，研磨热解焦炭并将其以粉尘的形式吹入第二处理阶段的气流中，其中所述焦炭粉尘被吸热地气化为气流床中的合成气。相应的方法公开于EP1749872 A2中。在处理之后，类似于柴油的推进剂在多级费-托合成中由所得合成气制得。包含在热解和气化阶段中制得的二氧化碳的所得废气被释放至大气中。
为了增加费-托反应的效率，可通过将费-托合成的剩余气体和气体产物(其含有未反应的氢气和一氧化碳，以及C1-C4烃类化合物)再循环至气化阶段而使它们再次经过费-托阶段。(参见H.Boerrigter，R.Zwart，“High efficiency co-production ofFischer-Tropsch(FT)transportation fuels and substitute natural gas(SNG)frombiomass”，Energy research centre of the Netherlands ECN Report，ECN-C-04-001，2004年2月)。因此，例如US 2005/0250862 A1显示了一种由生物质制备液体推进剂的方法，其中将低分子量气体和不需要的较高分子量级分送回费-托合成的下游的气化阶段。
然而，在所有这些方法中，主要由二氧化碳以及(如果适用的话)惰性气体(如大气氮气)组成的废气被释放至大气。
DE 2807326和US 4092825描述了发电厂装置，其中由煤制得合成气，所述合成气随后用作蒸汽产生的燃料气。经由蒸汽涡轮机，由蒸汽产生电能。合成气的一些被分流并用于制备甲醇或液体烃类。这些液体燃料被临时储存，并根据需要用于产生电能。所得燃烧废气被释放至大气中。
在本申请中引用的现有技术文献的公开内容构成本发明的如下描述的整体组成部分。
发明目的
本发明的目的是提供用于通过热化学加工和利用固体、液体和气体碳质材料和混合物，特别是废物、生物质、煤和其他不均匀材料而零排放地产生能量的方法和设备，所述方法和装置不具有上述和其他缺点。特别地，根据本发明的方法和设备应尽可能地零排放。
本发明的另一目的是提供方法和设备，利用所述方法和设备，可使用尽可能少的能量供应以及零排放地将废物、生物质或煤转化为其他高能产物，例如含合成烃类的产物。
本发明的又一目的是提供方法和设备，利用所述方法和设备，可以分别地以零排放的方式将难以利用的材料(例如油页岩、油砂或油泥)转化为更高能且更可用的产物，或可以将所述难以利用的材料用于零排放地产生能量。
本发明的另一目的是提供方法和设备，使用所述方法和设备可将固体、液体或气体材料有效地转化为气体或液体能源。
本发明的另一目的是提供方法和装置，利用所述方法和装置，可零排放地产生固体、液体和气体燃料和推进剂。
本发明的又一目的是通过避免由于排放所导致的化学和/或能量损失，以及通过将收集的非排放材料转化为另外的高级能源(例如燃料和推进剂)而优化所述方法和设备的能量效率。
根据本发明的用于能量产生的设备应该特别地允许有效地且根据需要在宽输出范围内提供电能和/或机械能和/或热能。
有利地，根据本发明的用于零排放地产生能量的这种设备应该能够储存所产生的能量的一部分，且如果发生增加的输出需求，则所述设备应该能够将所述储存能量再次释放为化学能和/或电能和/或机械能和/或热能。
用于零排放地产生能量的设备应该有利地能够利用广泛的固体、液体和/或气体碳质材料和混合物以用于产生能量，特别是废物、生物质、煤和其他不均匀材料。
本发明的另一目的是提供一种用于零排放地产生能量的设备，所述设备不依赖外部条件，如压力、温度、湿气或其他外部参数。例如，在相对升高的位置，较低的环境压力对常规电力装置的输出功率具有不利影响。
这些目的和其他目的通过描述于独立权利要求中的根据本发明的方法和设备实现。另外有利的实施例在从属权利要求中给出。
发明内容
在通过利用碳质材料而零排放地产生能量和/或烃类和其他产物的根据本发明的方法中，在第一处理阶段中提供并热解碳质材料，其中形成热解焦炭和热解气。在第二处理阶段中，将来自所述第一处理阶段的热解焦炭气化，其中形成合成气，去除炉渣和其他残余物。在第三处理阶段中，将来自所述第二处理阶段的合成气转化为烃类和/或其他固体、液体和/或气体产物，所述烃类和/或其他固体、液体和/或气体产物被排放。这三个处理阶段形成闭合循环。将来自所述第三处理阶段的剩余气体作为循环气体通入所述第一处理阶段和/或所述第二处理阶段，并将所述第一处理阶段的热解气通入所述第二处理阶段和/或所述第三处理阶段。
在该方法的一个有利的变体中，优选在所述第三处理阶段中提供氢气，和/或优选在所述第一处理阶段或所述第二处理阶段中提供二氧化碳。
所述方法可在所有三个处理阶段中在压力下进行。可将来自所述第一处理阶段的热解气通入所述第二处理阶段和/或通入所述第三处理阶段。可转而将来自所述第二处理阶段的合成气通入所述第三处理阶段和/或所述第一处理阶段。
有利地，在所述循环内的气流在设定方向上行进。在所述循环内，气流可例如从所述第一处理阶段经由所述第二处理阶段流动至所述第三处理阶段，并流回至所述第一处理阶段，或者气流可从所述第一处理阶段经由所述第三处理阶段流动至所述第二处理阶段，并再次流回至所述第一处理阶段。
特别有利地，沿着所述循环存在压降。这允许沿着所述循环输送气流而无需除了用于产生压降的压缩机之外的另外的运输系统。
所述利用方法的第一处理阶段可在一个或多个压力反应器中进行。
在所述第一处理阶段中的热解反应的热能可部分或全部通过将来自所述第二处理阶段的热合成气的一部分返回至所述第一处理阶段，和/或通过部分氧化碳质原材料和所得热解焦炭而提供。
有利地，所述第一处理阶段在300至800℃之间，优选450至700℃之间，特别优选500至600℃之间的温度下进行。
所述利用方法的第二阶段可同样地在一个或多个第二压力反应器中进行。氧气和/或蒸汽和/或二氧化碳可用作气化剂以用于在所述第二处理阶段中的气化反应。
热解焦炭可完全或仅部分被气化。在后一种情况中，未经处理的焦炭可与所得炉渣一起被排放。
所述第二处理阶段中的气化反应所需的热能可例如通过加热装置和/或热交换器部分地或全部地从外部提供，和/或可通过用氧化剂，特别是氧气氧化热解焦炭的一部分而产生。
有利地，根据本发明的利用方法的第二处理阶段在600至1600℃之间，优选700至1400℃之间，特别优选850至1000℃之间的温度下进行。
在一个优选变体中，在所述第二处理阶段中的温度为850℃或以上，其中热解焦炭和热解气在所述第二处理阶段中保持至少2秒。以此方式，满足在许多国家适用的处理污染材料和废物的规定。
有利地，根据本发明的利用方法的第一处理阶段和/或第二处理阶段在1至60巴之间，优选5至25巴之间，特别优选10至15巴之间的压力下进行。
在根据本发明的利用方法的另一有利变体中，所述第一处理阶段和所述第二处理阶段在同一压力反应器中进行。
所述利用方法的第三处理阶段有利地在一个或多个压力反应器中进行。在所述第三处理阶段中的转化优选使用费-托合成或液相甲醇合成进行。
在根据本发明的方法的一个特别有利的变体中，电能和/或机械能通过将所述第三处理阶段的烃类和其他固体、液体和/或气体产物氧化为基本上由二氧化碳和水组成的氧化气体而产生。有利地，纯氧气用作氧化剂。水可从氧化气体中冷凝出和/或分离。
在根据本发明的这种方法的一个有利变体中，驱动装置的氧化气体的至少一部分被再供给回所述方法的第一处理阶段和/或第二处理阶段和/或第三处理阶段。
在根据本发明的方法的一个特别有利的变体中，合成气在热交换器中冷却，其中形成过热蒸汽和/或另一热气体，通过使用热力发动机，优选蒸汽涡轮机而从所述过热蒸汽和/或另一热气体产生电能和/或机械能。
通过利用碳质材料而零排放地产生能量和/或烃类和其他产物的根据本发明的设备包括利用装置，所述利用装置包括利用单元，所述利用单元具有用于进行碳质材料的热解以形成热解焦炭和热解气的第一亚单元、用于进行热解焦炭的气化以形成合成气和残余物的第二亚单元，和用于进行合成气向烃类和/或其他固体、液体和/或气体产物的转化的第三亚单元。所述利用单元的所有三个亚单元为压力密闭封闭的，并形成基本上闭合循环。热解气的运输管将所述第一亚单元压力密闭连接至所述第二亚单元和/或所述第三亚单元。合成气的运输管将所述第二亚单元压力密闭连接至所述第三亚单元和/或所述第一亚单元。循环气体的运输管将所述第三亚单元压力密闭连接至所述第一亚单元和/或所述第二亚单元。
有利地，沿着所述运输管的至少一个设置至少一个压缩机。
可提供装置，所述装置使气流仅在一个设定方向上沿着运输管流动，优选从所述第一亚单元经由所述第二亚单元至所述第三亚单元，并返回至所述第一亚单元，或者从所述第一亚单元经由所述第三亚单元至所述第二亚单元，并返回至所述第一亚单元。
所述亚单元可各自具有一个或多个压力反应器。在一个有利的变体中，所述第一和/或第二亚单元包括加热装置和/或热交换器。
可提供合成气的运输管的分支，来自所述第二亚单元的合成气的一些可通过所述分支返回至第一压力反应器。
在根据本发明的设备的另一有利变体中，所述利用单元的第一亚单元和第二亚单元包括共用的压力反应器。
所述利用单元的第三亚单元优选包括费-托合成装置，或液相甲醇合成装置，或用于制备液体产物的另一合适的装置。
特别有利的是可以以这样的方式运行利用装置：从所述第一处理阶段经过所述第二处理阶段至所述第三处理阶段存在压降。以此方式，通过各种压力反应器之间的压差驱动沿着循环气流的质量运输。这是重要的优点，因为这使得装置需要尽可能少的移动组件。
本发明的一个特别的优点是所述设备不依赖外部条件，如压力、温度、湿气或所有其他外部参数。由于在根据本发明的设备中物质流以封闭方式行进，所述方法基本上不依赖环境压力。
根据本发明的设备的另一重要优点是所述封闭系统不需要气体处理。另外的优点在于，从所述第三处理阶段的合成气形成和分离液体产物不可避免地产生被分离出的粒子。
根据本发明的设备的一个特别有利的实施例包括能量装置，所述能量装置设置成通过使用来自利用装置的烃类和/或其他产物作为燃料而产生电能和/或机械能和/或热能。有利地，在能量装置中提供用于从燃料产生电能和/或机械能的驱动装置，其中所述驱动装置从燃料向基本上由二氧化碳和水组成的氧化气体的氧化获得运行所需的能量，并包括用于压缩和/或冷凝氧化气体的装置。
所述驱动装置可设计为燃料电池或热力发动机。在一个特别有利的变体中，所述驱动装置可使用纯氧气作为氧化剂而运行。
在根据本发明的设备的另一实施例中，提供热交换器以冷却用于压缩和/或冷凝氧化气体的装置的上游和/或下游的氧化气流。
在根据本发明的设备的又一实施例中，提供用于从氧化气体冷凝和/或分离水的装置。这尤其降低了剩余的残余气体的量。
根据本发明的这种设备的另一变体包括用于分别收集氧化气体，或在压缩和/或冷凝氧化气体之后的残余气体的储罐。
可提供运输管，所述运输管用于将氧化气体或残余气体再循环至根据本发明的设备的利用装置的三个处理阶段之一中。
在根据本发明的上述设备之一的另一有利的实施例中，能量装置的驱动装置设计为内燃机，所述内燃机具有至少一个用于使用氧气燃烧液体或气体燃料的燃烧室，具有用于将所得气体压力或气体体积转化为机械功的装置，具有用于将氧气引入燃烧室的进料装置，并具有用于从燃烧室移出氧化气体的排气装置。
在根据本发明的用于能量产生的这种设备的一个特别有利的变体中，所述能量装置的驱动装置具有用于将水和/或水蒸气引入燃烧室中，和/或引入离开燃烧室之后的氧化气流中的进料装置。所述驱动装置可包括，例如，使用氧化气流运行的涡轮机装置。
在根据本发明的设备的另一有利的变体中，所述利用装置包括用于产生电能和/或机械能的能量单元，所述能量单元具有至少一个用于从蒸汽和/或其他热气体产生电能和/或机械能的驱动装置，所述蒸汽和/或其他热气体在所述利用装置的利用单元中已经产生或被过热。
在一个特别有利的变体中，所述利用装置的能量单元包括用于从蒸汽或其他热气体产生电能和/或机械能的驱动装置，所述蒸汽或其他热气体在所述利用单元中产生或被过热。在所述利用单元的循环中，提供至少一个热交换器以用于加热蒸汽和/或其他气体，和/或用于产生蒸汽。
另一特别有利的设备包括用于产生氢气的装置，和用于将氢气提供至所述利用单元中的装置。
分别使用根据本发明的方法或使用根据本发明的设备制得的烃类和其他固体、液体和/或气体产物与类似的石油产品可区别在于例如不存在典型的硫和磷杂质。在原材料的级分为生物质的制备情况中，相比于石油化学产品，这种产物具有增加的C14-同位素级分。
附图说明
下文将参照附图描述根据本发明的设备。这些仅显示了本发明的主题的示例性实施例。
图1示意性显示了通过利用碳质材料而零排放地产生能量和/或烃类和其他产物的根据本发明的设备。
图2示意性显示了具有与利用装置空间分离的能量装置的根据本发明的设备的一个实施例。
图3示意性显示了具有基本载荷能量单元的根据本发明的设备的利用装置的一个通用示例性实施例。
图3A示意性显示了图3所示的基本载荷能量单元的一个可能的变体。
图4示意性显示了根据本发明的设备的一个通用示例性实施例，其具有利用装置和能量装置，所述能量装置用于由在所述利用装置中产生的燃料化合物产生峰值载荷能量。
图4A示意性显示了图4所示的峰值载荷能量装置的一个可能的变体。
图5示意性显示了根据本发明的设备的一个可能的实施例，其具有利用装置和峰值载荷能量装置，所述利用装置具有基本载荷能量单元。
图6示意性显示了根据本发明的设备，其具有氢气形式的化学能的供给。
图7示意性显示了(a)常规热电厂装置，(b)，(c)根据本发明的设备的功率分布图，以及(d)根据本发明的设备的峰值载荷和基本载荷分布图。
图8至12示意性显示了根据本发明的设备的利用装置的各种可能的示例性实施例。
图13和14示意性显示了峰值载荷能量装置的驱动装置的两个实施例，所述驱动装置实现为内燃机。
图15示意性显示了峰值载荷能量装置的驱动装置，所述驱动装置实现为联合燃气/蒸汽涡轮机。
具体实施方式
进行本发明的方式
提供下文所讨论的实例以提高对本发明的说明，而不适于将本发明局限于本文公开的特征。
用于产生电能和机械能的装置和方法
图1示意性显示了通过利用碳质材料而零排放地产生能量和/或烃类和其他产物的根据本发明的设备Z的一个可能的实施例，其具有用于热化学利用碳质材料M10以得到烃类和其他产物M60和/或液体和/或气体燃料M61(化学能)，以及用于产生电能和/或机械能E1的利用装置A。
所述利用装置A包括供料单元AH，其中将应该被利用的未经处理的碳质原材料M10加工成碳质原材料M11。取决于原材料M10的种类，可产生可被进一步使用的残余物M17，例如金属。
除了经处理的碳质原材料M11之外，可利用其他化学能源，例如来自化学工业或石油工业的甲烷或其他副产物(其不能以其他方式被合理利用)。
所述利用装置A的中心件为利用单元AB，其中在第一处理阶段P1的第一亚单元AC中，经处理的碳质材料M11被供给并加以热解，其中形成热解焦炭M21和热解气M22。在第二处理阶段P2的第二亚单元AD中，将来自所述第一处理阶段的热解焦炭M21气化，其中形成合成气M24，并剩余炉渣和其他残余物M90。在第三处理阶段P3的第三亚单元AE中，将来自所述第二处理阶段的合成气M24转化为烃基固体、液体和/或气体产物M60、M61。所有三个处理阶段为压力密闭封闭的，并形成基本上闭合循环。
在根据本发明的利用方法中出现的热能可以以蒸汽M52的形式从第一利用单元AB收集，并且可通过合适的驱动装置如蒸汽涡轮机(未显示)而在用于产生电能和/或机械能E1的能量单元AF中使用。还有可能且有利的是加热可压缩介质(例如氮气)以运行驱动装置。在利用单元AB的持续运行过程中，可以以此方式产生一定的基本输出功率。能量单元AF为根据本发明的设备的任选组件。
使用排放单元AG用于排放和处理积聚的灰分和其他固体残余物M90。
根据本发明的设备还可包括能量装置C，所述能量装置C通过使用来自所述利用装置A的碳质产物M61作为燃料而零排放地产生电能和/或机械能E2或热能E4。将所得氧化气体M27导回至所述利用装置A，因此不产生排放物。
所述能量装置C可设计为加热装置，所述加热装置用于产生供暖建筑物的热能E4。或者，所述能量装置可设计为发电厂装置，所述发电厂装置用于产生电能E2。
在所述利用装置A和所述能量装置C之间，有利地插入用于运输和临时储存燃料和氧化气体的装置B。这种装置B也可包括用于处理待用于所述能量装置C中的燃料M61的装置。
在合成处理阶段P3中产生的含烃类燃料M61被临时储存于装置B的罐中或压力储罐中(未显示)。根据需要从这些储罐收集燃料M61，并使用合适的驱动装置在所述能量装置C中将所述燃料M61转化为电能和/或机械能E2。这可例如通过热力发动机或燃料电池装置而进行。将来自所述能量装置C的含二氧化碳的残余气体M26再循环回所述利用单元AB。如果适当，可提供临时储罐。
所述能量装置C提供了如下优点：由根据本发明的设备Z产生的能量输出可在极短时间内适应目前所需的需求。在该情况中，化学燃料M61充当临时能量储存。在用电高峰期，例如适当设计的驱动装置(例如使用燃料M61运行的燃气轮机和/或蒸汽涡轮机)可极迅速地投入运行，并产生电能和/或机械能。由于化学燃料M61的能量储存能力，设备Z的峰值输出可短时间超过设备Z的热基本输出。
除了由所述利用装置A传递的燃料之外，有可能在能量装置C中还使用另外的燃料M14。
所述能量装置C可与所述利用装置A一起在同一地点安装。或者，如图2所示，在根据本发明的设备Z中，所述能量装置C也有可能与所述利用装置A空间分离设置。燃料M61和氧化气体M27可例如通过铁路、船舶或管道进行运输，其中在这种情况中运输装置(罐车、船舶上的储罐、管道)同时也充当临时储罐BA、BB。在该情况中，在装置A和C之间的材料运输的总体系统可被视为用于运输和临时储存燃料和氧化气体的装置B的一部分。
由于长距离运输燃料M61形式的化学能比运输电能显著更有效，因此根据本发明的设备Z的峰值载荷能量装置C的地点可选择为出现相应需求的位置，而所述利用装置A有利地建造在产生碳质原材料M10的位置。
根据本发明的设备还可包括用于产生和提供外部化学能的装置D。例如，氢气M32可作为外部化学能源产生并提供。根据本发明的设备Z的这种可能的实施例将在对图6的讨论中更详细地说明。
根据本发明的设备Z的利用装置A的一个可能的实施例示意性显示于图3中。所示的装置A包括用于利用碳质原材料M11的利用单元AB，和用于产生基本上恒定的基本量E1的电能和/或机械能的能量单元AF。
所述利用单元AB的结构基本上对应于将在之后参照图9讨论的示例性利用单元。基本载荷能量单元AF仅表示为方框。一个可能的实施例将在图3A中讨论。
在热交换器/过热器A44中，过热蒸汽M52从较冷蒸汽M51产生(大约550-600℃/50巴)，其中来自第二处理阶段P2的热合成气M24同时被冷却至用于第三合成处理阶段P3的温度。如果需要，随后的另外的热交换器可进一步冷却合成气流。过热蒸汽M52被导入能量单元AF中，其中所述过热蒸汽M52被用于产生电能和/或机械能E1。剩余蒸汽冷凝物M41被引导回利用单元AB，其中所述剩余蒸汽冷凝物M41在第三处理阶段P3中被转化为蒸汽M51，且所述蒸汽M51随后在热交换器/过热器A44中被再次转化为过热蒸汽M52。
图3A中的能量单元AF的示例性实施例包括蒸汽涡轮机A62形式的驱动装置A61，或可用过热蒸汽M52运行的用于产生机械能的另一热力发动机，以及(在给定实例中)产生电能E1的发电机装置A64。在废汽M53在蒸汽涡轮机A62中膨胀之后，所述废汽M53在冷凝器/省煤器A63中冷凝，其中废热经由适当设计的冷却循环A65排放。
所得冷凝物M41优选在60-70℃的温度下，因此在所述利用装置AB的随后的锅炉阶段A32中的水无需被过多加热。同时，水不应太热，以防止泵A66中的空化。通过泵A66将冷凝物M41从临时储罐(未显示)运输至处理阶段P3的热交换器/锅炉A32中，其中所述冷凝物M41转而蒸发为蒸汽M51(大约250-300℃/20巴)，同时冷却合成阶段P3。将蒸汽M51储存于蒸汽室(未显示)，从而首先在进入过热器A44之前分离出剩余的水，其次形成储存，从所述储存可获得工艺蒸汽M50以用于所述利用单元AB中的各种目的。循环中的损失和工艺蒸汽M50的消耗通过向冷凝物储罐(未显示)中新供应水而进行补偿。
在可选择的变体中，在高压阶段的下游的蒸汽涡轮机A62中，蒸汽的一些可作为工艺蒸汽M50提取，这在图3A中显示为虚线箭头。以此方式，可利用更大量蒸汽M52用于能量产生，其后仅提供必需的工艺蒸汽。
来自工艺蒸汽消耗装置(consumer)(例如热交换器A45、A17)的废汽可同样被冷凝M41并再循环至给水M40，从而产生尽可能闭合的能量循环。
不同于用热蒸汽运行能量单元AF，也有可能在所述利用单元的热交换器A32、A44中的可压缩介质(例如氮气)中加热，以随后使用所述热气体运行能量单元AF的热力发动机。使用惰性气体而不是更侵蚀性的热蒸汽具有的优点在于降低了装置组件的腐蚀损坏等。
相应地，在利用装置A中，蒸汽循环也可被不同地引导通过各种热交换器，以获得尽可能高的装置A的效率。
在仅具有基本载荷能量单元AF的根据本发明的设备中(如例如图3中所公开)，在合成阶段P3中形成的产物可用作可使用化石燃料运行的常规能量装置C(例如柴油发电机或燃气涡轮发电机)的燃料M61，所述常规能量装置C可用于满足峰值载荷。在这种情况中，化学燃料M61用于短时间获得极高生产输出而不依赖于以平衡态运行的基本体系AB、AF。因此，在极短时间段内，例如100％恒定基本载荷生产Pc2的根据本发明的设备Z的总输出功率可增加至例如600％峰值载荷生产Pe2。
或者，产物M60也可以以其他方式使用，例如用于产生燃料，或作为化学工业的反应物。
相比于常规装置，根据本发明的这种设备尤其具有如下优点：由于在三阶段过程中的封闭材料流，可在利用单元AB中分配用于纯化燃烧废气的烟道气过滤器和催化剂装置。这使得这种装置的组件数目降低，并由此降低了投资成本和运行成本。
另外，由于不需要过滤系统、烟囱等，且由于高压而减小了材料流的体积，因此这种利用单元也具有更低的空间要求。
在根据本发明的设备Z的一个特别有利的实施例中(如图4中示意性公开)，提供用于满足峰值载荷E2的能量装置C，所述能量装置C可用来自利用装置A的燃料M61运行。所述能量装置C设计为如下方式：在能量产生过程中积聚的二氧化碳被引导回所述利用装置A的循环中，因此无排放物形成。
燃料M61有利地获自运输/储存装置B的临时储罐BA(例如罐系统或压力储罐)，以度过需求高峰。来自所述能量装置B的所产生的含二氧化碳的残余气体M26也可被收集并储存于临时储罐BB中。
能量装置C的一个可能的实施例示于图4A中。驱动装置C11通过来自所述利用单元AB的合成阶段P3的化学能源M61产生电能和/或机械能E2。所述驱动装置C11可为例如热力发动机，其中在燃料M61向二氧化碳的氧化过程中产生的热量被转化为机械功例如以用于运行发电机装置(未显示)，或者可为燃料电池装置，其中直接使用氧化反应用于电功率产生E2。
这种驱动装置C11包括闭合循环，也就是说其不产生向大气的排放物。在机械功运行过程中产生的氧化气体M27(其基本上仅含有二氧化碳以及(如果适当)水)被后处理C12，被压缩C13，并将剩余的残余气体M26供料回所述利用装置AB的循环中。
如果所述利用装置A和峰值载荷能量装置C位于同一地点，则可直接将残余气体M26供料回去。在一个有利的变体中，提供临时储罐BB，如图4所示。如上所述，根据本发明的设备Z的能量装置C可与利用装置A分开设置。
产生热能或电能的氧化反应通过使用纯氧气M31而不是空气在驱动装置C11中发生。使用氧气M31而不是空气首先由于在高温下的热化学反应中不存在大气氮气而避免了氮氧化物的形成；然而特别地，基本上仅有二氧化碳和水蒸气残留在产生的氧化气体M27中。取决于反应的化学计量，产生的气体也可含有一定部分的一氧化碳和未反应的燃料。这些可同样被进料至所述利用装置A的循环中而无问题。
能量产生氧化反应的反应产物M27基本上为气体。然后压缩C13相应的氧化气体混合物以降低体积。通过使用热交换器C12，可在压缩的上游和/或下游冷却所述氧化气体混合物M27。水M41被冷凝出并分离出，由此仅有二氧化碳剩余在残余气体M26中，如果适当，所述残余气体M26具有部分一氧化碳和未反应的燃料。然后将残余气体M26进料至装置A的利用单元AB的第一处理阶段P1，因此产生闭合材料循环。或者，也可将残余气体M26进料至第二处理阶段P2或第三处理阶段P3，这在图4中由虚线箭头表示。
因此，有可能在根据本发明的设备Z中由碳质材料M11产生液体或气体烃类和烃类衍生物，且所得高级燃料混合物M61随后被转化为电能E2。产生的二氧化碳被供料回去，并在利用装置A中被部分或全部转化回燃料M61。以此方式，峰值载荷发电机装置C的有效二氧化碳排放被极大降低或甚至完全避免。
驱动装置也可在使用氢气M32作为另外的燃料的联合运行中运行而无问题。在这种情况中，由于在使用氧气的氢气氧化中仅有水产生，因此氢气部分导致在热交换器/冷凝器和压缩机的下游产生的残余气体量M26降低。
能量装置的合适的驱动装置的其他可能的实施例将在图13至15中之后讨论。
根据本发明的设备Z的另一有利的实施例示于图5。除了利用单元AB之外，所述设备还包括基本载荷能量单元AF和峰值载荷能量装置C。
在根据本发明的利用方法的另一有利变体中，化学能以相对较大量以分子氢的形式被引入所述方法中。根据本发明的设备Z的这种实施例示意性地示于例如图6(a)。利用装置A接收碳质原材料M10形式的材料，如上所述。二氧化碳M33同样适合作为碳源。在所示实施例中所用的主要能源主要是分子氢M32的化学能。在一方面，氢用于还原原材料，其次，使用氧气氧化产生热能供应。
分子氢M32可通过电解由水制得，其中分子氧M31也积聚。电能E1可以此方式被转化为化学能。然而，相比于液体燃料以及相比于气体烃类，气体分子氢具有显著更低的能量密度，因此其还不能用作车辆的推进剂。
在根据本发明的利用方法中，氢的化学能可有效转化为高价值烃类和其他产物形式的化学能。有利地，分别地，也使用在电解过程中产生的氧M31以将所有产生的化学能引入所述方法中，或者将最大量的电能投入电解。
在所示实例中，装置D提供分子氢M32和氧M31。用于电解反应的电能E3优选源自再生能源(风力、太阳能、水力等)。这具有很大优点：风力装置DA和太阳能装置DB的固有缺点(即循环，以及能量产生(由于对外部因素的依赖性并非总是得以保证))可得以克服。这相应地带来所产生的电能低的可实现的市场价格。相反，通过转化为化学能(分子氢M32和氧M31)，所产生的能量输出可被临时储存。然后在根据本发明的方法中利用氢和(如果可能的话)氧，以产生例如具有更高能量密度的更易管理的液体燃料或其他高价值产物。
装置D的能量产生单元DA、DB的能量以电流的形式运输至位于利用装置A的位置的电解单元DC，其中随后局部产生氢M32和氧M31。氧的一部分不被需要，并可以以其他方式利用，例如在根据本发明的设备Z的能量装置C中。例如压力罐形式的临时储罐DE、DF用作缓冲器以补偿能量产生单元DA、DB的波动能量产生。
如上所解释，利用装置A产生高价值烃类和其他合成产物M60，以及(视情况而定)能量E1。残余物M90从所述系统连续移出。同样地，可例如通过冷凝M41从所述系统容易地移出水。在所示的示例性实施例中，如果不能获得氧气，则水主要用作氧化剂和气化剂。然而，从所述系统移出的水M41也用作氧气的接收器。当所述系统接纳大量二氧化碳M33作为碳源时，这是主要相关的。
在图6(a)所示的组合中，根据本发明的利用方法可也由相对低能量的碳源产生高价值和高能烃类产物M60。在极端情况中，所述方法可原则上甚至仅使用纯二氧化碳作为碳源而进行。由于所提供的电能直接或间接(风力、水力)源自太阳，则(由主要观点所知)得到人工光合成(即从二氧化碳、水和日光产生碳化合物)。
利用装置A与能量装置C的组合是兼性的(facultative)。
假如再生能量的位置过远，可能更有效的是将局部产生的氢M32而不是电流运输至利用装置。这种变体例如示于图6(b)。能量E3在更远的能量产生单元DA、DB中产生，随后从所述能量E3在电解单元DC中产生分子氢M32。所述分子氢被储存于临时储罐DE中，并以合适的运输装置DG被带入利用装置A。在化学工业中作为副产物产生的氢可用作分子氢M32的另外的来源。
根据本发明的设备Z相比于使用碳质燃料运行的常规发电站在功率谱上的不同在图7(a)至(d)中更精确地解释。
图7(a)示意性显示了常规热电站的功率分布图。纵轴显示功率P，横轴显示时间t。发电站具有添加的热含量Pa(即作为化学能包含于燃料中的热能或功率)和有效热功率Pb(即每时间单位可有效转化为电能或机械能的热能)。在常规电网中对电功率Pe的需求不仅在白天期间变化，还在一周的期间变化。为了能够使除了基本载荷Pc之外的峰值载荷也满足发电站，这种发电厂装置的全部额定输出必须导向峰值载荷。这意味着由于所要求的峰值性能，装置尺寸大于基于平均总功率而实际所需的装置尺寸。
相反，在用于产生能量的根据本发明的设备中，这不是必需的。这种设备Z(如例如图1所示)在利用装置A中将以碳质材料M10、M11的形式提供的化学能的恒定部分转化为蒸汽形式的热能，然后例如使用基本载荷能量单元AF的蒸汽涡轮机将所述蒸汽形式的热能转化为电能Pf。以碳质材料M10、M11的形式提供的化学能的另一部分在具有恒定生产功率Pg的利用单元AB的合成阶段P3中被转化为高价值碳质燃料M61(例如类柴油产品或诸如丙烷的气体产品)形式的化学能。这些燃料可以以任何所需的量储存BA，和/或如图2所示被短距离或更长距离运输。
图7(d)示意性显示了在一周过程中根据本发明的设备的总功率Pe的分布图。在工作日期间的峰值载荷需求过程中，峰值载荷能量装置C从化学燃料M61产生电能，然后可将所述电能以相应的高价格被供应至能量网。在该情况中，对化学燃料M61的需求显著超过利用装置A的生产功率Pg，这标记为(-)。所述超过平均水平的消耗从燃料储存BA扣除。在夜晚期间以及周末，需求大大降低，且生产功率Pg超过需求Pe，这标记为(+)。因此，燃料储存BA被再次补充。
在基本载荷期间，能量装置C可运行至最小功率水平，如图7(d)所示，或者能量装置C完全关闭，因此基本载荷Pc完全通过基本载荷能量单元AF得以满足。
因此根据本发明的设备具有显著优点：恒定有效功率Pd的仅一部分Pf以热功率的形式产生，所述热功率在常规发电站中必须立即被转化为电能和/或机械能。该部分Pf可用于传递基本载荷最小值Pc的功率。在另一方面，有效功率Pd的另一部分Pg以燃料M61的形式被临时储存于贮罐BA中。可随后通过来自燃料储存BA的峰值载荷能量装置C来满足超过基本载荷能量单元AF的热功率的需求(Pe-Pf)。这允许根据本发明的设备以这样的方式设计：由基本载荷能量单元AF的热功率Pf和利用单元AB的合成阶段P3的生产功率组成的有效功率Pd对应于如图7(b)所示的中数平均需求(mean average demand)。作为结果，在具有与常规发电厂装置的热功率Pb相同的有效热功率Pd的根据本发明的设备中，获得相对更高的基本载荷功率Pc1和更高的峰值载荷功率，其中峰值功率可在短时间显著超过有效热功率Pd。
反过来考虑，为了能够满足设定的需求分布图，根据本发明的设备Z可设计为具有显著更小的安装热功率，例如相当的常规发电站的热功率的75％或50％。这带来显著更低的资本成本。
根据本发明的设备可以以这样的方式设计并优化：降低直接由热能产生的功率Pf以有利于由燃料M61产生的功率Pg。这种变体示于图7(c)。根据本发明的这种设备可储存显著更高量的能量，而同时满足降低的基本载荷最小值Pc2。相应的储存能量可最终用于产生峰值载荷功率Pe2，所述峰值载荷功率Pe2可随后以更高价格销售。
根据情况，有可能在灵活产生峰值载荷能量方面将根据本发明的设备优化至这样的程度：能量AF的基本载荷功率为最小的，并可任选地仅足以满足设备的内部能量需求。
利用方法和利用装置
分别通过使用根据本发明的方法和根据本发明的设备而热化学利用碳质固体的装置A的构造的第一可能的变体示意性显示于图8中。根据本发明的设备Z的利用装置A包括利用单元AB，所述利用单元AB包括用于进行根据本发明的方法的三个过程阶段P1、P2、P3的三个亚单元AC、AD、AE，所述三个亚单元AC、AD、AE以允许封闭循环气流的方式被连接而形成闭合循环。仅显示处理单元AH的筒仓A91，所述筒仓A91用于提供处理用于所述方法的碳质材料M11。在另一方面，仅表示排放单元AG的炉渣仓库A92。利用装置A可包括或不包括能量单元(未显示)。这与利用方法的功能不相关。
所述利用单元AB的三个亚单元AC、AD、AE以允许封闭循环气流的方式被连接为闭合循环。分别在所述第一处理阶段P1(热解阶段)和所述第一亚单元AC中，碳质原材料M11在压力下热解，由此形成热解焦炭M21和热解气M22。分别在所述第二处理阶段P2(气化阶段)和第二亚单元AD中，热解焦炭M21被气化而形成合成气M24，所述合成气M24最终分别在第三处理阶段P3(合成阶段)和第三亚单元AE中反应而形成烃类和/或固体、液体或气体产物M60。
待加工的碳质原材料M11经由所述第一处理阶段P1从供应设备AH、P6连续进料至循环中。同时，由合成气M24产生的产物M60、M61从所述第三处理阶段P3连续排出。各种残余物M91、M92、M93从所述循环中连续移出。
多种碳质材料可用作根据本发明的利用方法的原材料M11，特别是废物、生物质、煤或其他不均匀材料(例如污染土地以及例如来自垃圾填埋场的之前堆积的废物)。这允许环保且经济有效地去除开放垃圾填埋场。难以利用的固体-液体含石油材料(如油页岩、油砂或油泥)也可用于根据本发明的方法中。化学工业或石油工业的气体碳质副产物(其不能以其他方式利用，且甚至可能不得不被烧掉)也可用作添加剂M12。
原材料的热值、碳含量、水含量和不可燃残余物(如金属、玻璃和陶瓷)的含量可极大变化。为此目的，可将原材料粉碎至适用于一定利用装置的片尺寸，其中优选的片尺寸分别源自材料的稠度和第一压力反应器的特定设计，以及反应器中的内部运输系统。对于使用活动炉排的加工，例如，大约5-10cm的片尺寸是极合适的。
在所示实例中，所述第一处理阶段P1包括第一压力反应器A13，其中碳质原材料M11的热解在压力下发生。所述原材料M11经由合适的气压阀A11被输送至加压热解反应器A13中。在所示实施例中，热解反应器A13由水平压力主体A14组成，其中在热解过程中块状材料的水平运输经由示意性所示的活动炉排A15而沿着反应器进行，所述炉排板来回移动。适于连续推进待加工的原材料的任何其他运输装置同样可用，例如滚筒炉排、链条输送机、输送螺旋等。也可使用回转窑炉。
在热解反应器A13中，材料连续运输通过在大约300-800℃的温度和1-60巴的压力下的压力反应器A13，且在此过程中所述材料在不存在氧气下热解。尤其以这样的方式选择温度：除了维持热解反应之外，首先由于由温度所导致的气体膨胀，其次由于新产生的热解气而保持所需的操作压力。450℃的最小温度确保了在热解过程中自由氧化合物的连续完全反应。500-600℃的操作温度和5至25巴之间的操作压力特别合适。
热解反应所需的热能首先源自来自第二反应器A21的热反馈气流M24b，所述热反馈气流M24b将在下文进一步考虑。另外，工艺蒸汽M50用于保持所述第一反应器的操作温度。外部供热，例如热交换器或外部加热器同样可存在。在从较冷状态启动利用装置A的过程中，外部供热也是有利的。
在通过压缩机A42之后，来自第三处理阶段(合成阶段)P3的循环气体M25被进料至第一压力反应器A13中。所述循环气体M25主要含有二氧化碳，以及水蒸气，和未在合成阶段中反应的一氧化碳和氢，以及残余含量的低分子量烃类。为了能够控制所述方法，可将例如煤或重油形式的具有高热值的另外的碳引入反应器A13中。这些添加剂M12可事先已加入原材料M11中，或可分开引入至反应器A13中。粘性添加剂M12与固体原材料M11的混合促进了粘性材料在反应器内的运输。液体添加剂M12另外增加了热解气的量，并由此增加了操作压力。
在所述第一处理阶段P1中的热解中，形成热解焦炭M21，其基本上由固体碳和无机残余物组成。所述热解焦炭M21在压力反应器A13的末端排放。在热解过程中形成的热解气M22不仅含有气体材料，还含有在室温下为固体和液体的材料。热解气M22的组成自然极大取决于原材料，且也可含有污染物。
将热解焦炭M21在压力下运输至第二处理阶段P2的压力反应器A21中。例如，封闭输送螺旋再次是合适的。也可提供气压阀。热解气M22同样经由分开的运输管运输至第二压力反应器A21。在运输管中设置的压缩机A41将所述热解气输送至在更高操作压力下的第二压力反应器A21中。
在第二处理阶段P2中，操作温度为600至1600℃之间。在所述第二处理阶段中，根据反应I、II和III，随后使用二氧化碳和(如果适当)氧气和/或蒸汽作为气化剂而气化热解焦炭M21中的固体碳，以形成一氧化碳和氢气。
二氧化碳主要源自循环气体M25。也可将另外的二氧化碳M33进料至循环。水蒸气主要由原材料M11的残余湿气组成。也可进料工艺蒸汽M50。
这些吸热热解反应过程所需的热能源自，例如，使用通入第二压力反应器A21的氧气M31的固体碳的部分氧化(反应III)。放热水煤气变换反应IV也可贡献这些吸热热解反应过程所需的热能。
为了启动利用装置A，以及为了控制所述方法，可能必需的是将另外的燃料M13(例如焦炭、油或石油气)进料至第二反应器A21，和/或可能必需的是增加氧气供应以临时增加热量产生。
对于在之后的第三处理阶段P3中的合成重要的一氧化碳和氢的比例由水煤气变换反应IV给出，并可通过添加工艺蒸汽M50而在向右侧的方向上受到影响。然而，有利的是保持系统中的水的总量尽可能低，并改为将另外的氢M32直接引入所述第三处理阶段中。
在所示的利用单元AB的实例中，所述第二处理阶段同样包括压力主体A22，其中热解焦炭通过活动炉排A23在反应器A21中运输。再次，其他运输系统也是可能的，如已对于第一压力反应器A13所讨论。这具有如下优点：可加工热解焦炭而无需在所述第二处理阶段中进一步制备。
原则上，第二反应器可选择地不同设计。例如，可事先粉碎或铣削热解焦炭，这随后允许焦炭在流化流或气流床中的气化。然而，所述变体具有如下缺点：粒子在反应器中具有更短的保留时间，这要求更均匀的材料进料和制备。另外，这种装置要求对气流速度和其他加工参数的更精确和更快速的控制。
相比于在流化流中同样可能的反应，块状热解焦炭的反应性表面相对较小，然而，这通过在反应器A21中的相对较长的停留时间(其由于压力反应器的高质量容量)而得以补偿。另一个优点是更简单的可放大性。通过简单延长压力反应器或扩大横截面，可增加容量并因此增加转化率而无需改变相关加工参数，如压力或温度。相反，具有气流床或流化流的反应器不能以这种简单且无问题的方式放大。
将部分氧化所需的氧气M31和(如果适当)工艺蒸汽M50吹入由热解焦炭形成的火层中，由此产生所需的热能，并将反应器A21保持在操作温度下。也可使用空气代替纯氧气，然而其中惰性大气氮气扩张在利用装置内循环的气体材料流，且难以再次去除。这显著降低了所述装置的效率，因此在任何情况中优选纯氧气。另外，系统中不存在氮气也防止形成氮氧化物。
在图8所示的利用装置A的示例性实施例中，将热解气M22吹入压力反应器A21中的火层以上的气相中，其中包含于热解气M22中的多原子分子在主要的高温下极快速地裂解和分解。因此，在所述第二处理阶段中形成的合成气M24基本上不再含有有机分子，并可用于在第三处理阶段中的费-托合成。而且，例如，诸如二噁英的污染物分解。
以不能形成二噁英的方式有利地选择进入火层的氧气供应M31和热解气M22进入压力反应器的进入点，所述方式可通过合适的空间间隔而实现。同样地，在离开的合成气中不应存在氧气。
对于没有问题的原材料(例如木片或稻草或其他未被污染的生物质)，也有可能事先在分开的燃烧器中用氧气燃烧热解气M22，并同样地将热废气通入火层以供给热能，或者有可能将未经燃烧的热解气M22直接吹入火层中，在火层中所述未经燃烧的热解气M22也被氧化。
在压力反应器A21的末端，残余物以灰分和惰性残余物的形式保持，且视情况而定可以为未经加工的碳。如果需要成渣，则可添加降低灰分熔点的添加剂。为此目的，例如，可将白垩粉加入原材料M11中。炉渣从利用装置AB的压力区域经由合适的气压阀A28从第二压力反应器A21排放。
或者，所述第二处理阶段可以以如下方式设计：在压力反应器的末端的未反应的热解焦炭再次被运输至起点，并因此可第二次通过所述反应器。这允许压力反应器的更短设计。
合成气流M24从第二压力反应器A21排放，主要部分M24a通过合适的热交换器A44，在所述热交换器A44中气流被冷却至适于在第三处理阶段P3中的费-托合成的温度，并同时产生例如用于内部加工目的的工艺蒸汽M50和/或用于在能量单元AF(未显示)中产生能量的蒸汽M52。由于更低的温度，压力下降且反应I、II和IV的平衡移动，因此在合成气中的二氧化碳的部分再次增加。同样地，固体碳M94可以以石墨的形式从气流中分离。所述碳M94可作为原材料M11、M12返回至循环中，可以以其他方式用作有价值的材料，或可作为残余材料从系统中移出。
随后，将合成气流M24a通入旋风分离器A47，在所述旋风分离器A47中主要由残余焦炭和灰分组成的粉尘M92被分离出。残余粉尘M92可返回至第一压力反应器A13或第二压力反应器A21，或者残余粉尘M92可被处理和/或排放。也可使用其他合适的气流纯化装置代替旋风分离器。
如果碳M94不被分离出，其与合成气流一起到达费-托反应器A31，在所述费-托反应器A31中其可与作为在费-托反应中的副产物而形成的碳一起被分离出或过滤出。
取决于原材料，可提供另外的气流处理以去除合成气中的干扰材料。特别地，有利地去除对随后的合成阶段不利的残余物。例如，硫化合物可充当费-托合成中的催化剂毒物。
然后将合成气M24经由压力调节器A48进料至第三处理阶段P3的第三压力反应器A31，其中进行费-托合成。压力调节器A48将压力降低至所述第三处理阶段所需的值。可将另外的氢气M32通入费-托反应器A31中，以设定所需的一氧化碳/氢气比例。同样地，提供必需的固体催化剂M37。
在所述第三处理阶段的费-托合成中，一氧化碳和氢气在非均相催化剂(例如铁、钴、钌、镍催化剂)的存在下高度放热地(在250℃下每烃链成员大约158kJ/mol)反应，以形成烷烃、烯烃、醇、醛和其他烃类化合物和衍生物。副产物为同样在高度放热反应中形成的甲烷和固体碳。费-托合成的准确参数，特别是压力和温度，主要取决于待制备的产物，且不与根据本发明的设备或根据本发明的方法的基本运行原理直接相关。更高的加工温度具有产生更短链长和增加的碳沉积的趋势，而更高的压力产生更长链长。另外，尤其是一氧化碳、氢气和水的存在分压对合成产物具有很大影响。
例如在例如210至250℃下操作的低温费-托过程适于合成过程阶段，并主要产生类柴油产物和蜡状物形式的长链级分。所述蜡状物形式的长链级分可随后例如通过氢化裂解而进一步利用。具有320至350℃之间的温度的高温过程转而产生相当大部分的甲烷、短链烷烃和烯烃，也产生相对大部分的轻汽油。对于低温过程，例如管束反应器为合适的，其中合成气从顶部到底部流过装填催化剂的冷却管。循环气体和产物在底部离开管。
特别合适的反应器为现代悬浮液反应器(示意性示于图8)，其中固体催化剂细碎浮动分布于液体产物中(所谓的Sasol浆态床费-托法)。反应产物从液相中分离出，而气体产物作为循环气体M25的一部分离开反应器。热量经由悬挂的冷却管A32去除，由此产生蒸汽M51、M50。
悬浮液反应器具有比管束反应器更简单的构造形式，并因此成本更低。在运行操作过程中催化剂可更有效地使用，且是可交换的，这在根据本发明的循环方法中是有利的。另外，这种方法具有如下优点：非均相催化剂可通过在循环过程中机械暴露催化剂粒子的新的未使用表面而得以连续再生。以此方式可连续弥补催化剂的硫中毒。因此，如果适当，可省略从合成气流去除硫。
通过冷却装置A32获得的蒸汽M51、M50含有相当多的热能，但仍不够热以有效用于例如能量单元AF的蒸汽涡轮机。因此，其有利地用于产生例如热交换器A44中的热蒸汽M52，以提高装置的综合能量效率。利用单元AB与利用装置A的另外的能量产生亚单元AF之间的相互作用已在图3至5中考虑。
离开费-托反应器A31的气流M25除了含有未反应的一氧化碳和氢气之外，还含有水蒸气、二氧化碳和气体反应产物M60。可例如通过使用冷却柱(未显示)而从其中冷凝出高度挥发性的烃类M60的一部分。同样地，水M41可被冷凝出，因此从循环气体中并由此从材料流中被移出。一部分M25b可作为加工产物而从剩余循环气流中分离出。剩余循环气流M25a在压缩机A42中被压缩，并再循环至第一反应器A13中。
在利用装置A内的气流的循环输送主要由于沿着所述循环的主要压差而进行。这些主要通过两个压缩机A41、A42产生。取决于装置的设计，可省略两个压缩机之一，这降低了装置的总成本。如果所述装置仅含有一个压缩机(例如，在下文描述的图9中的利用装置的第二示例性实施例中)，第一反应器A13的布置上游具有如下优点：相比于在第一和第二处理阶段之间(其中热解气另外地积累，且由于更高的温度而使得总体积更高)或甚至在第二和第三处理阶段之间的压缩机A41，相应的压缩机A42需要压缩更小的气体体积。
如果省略压缩机A41，则在两个反应器A13、A21之间仅存在小的压降，使得第一和第二处理阶段基本上在相同压力下进行。气流则从压缩机A42经由第一反应器A13、第二反应器A21和第三反应器A31运行回到压缩机A42。相反，如果省略压缩机A42，则在第三反应器A31和第一反应器A13内压力基本上相同。也可在第二和第三处理阶段之间设置压缩机。由于熵的原因，必须存在至少一个压缩机或另一运输装置以输送气流并保持方法运行。
为了弥补由于不均匀原材料所导致的气体产生中的临时波动，可沿着气体循环M22、M24、M25提供压力储罐(未显示)。类似地，也有可能提供热解焦炭M21的临时储罐。
如果图8的利用单元A的尺寸相对较小，且相应地在第一压力反应器A13和第二压力反应器A21之间的体积流量M22相对较小，则压缩机A41可使用合理的能量支出而产生数巴的压差。那么第一处理阶段可在比第二处理阶段显著更低的压力下运行。所述第一处理阶段甚至可在大气压或甚至减压下进行。
利用装置的运行的启动
下文将描述用于启动如图8所示的利用装置A的运行的一个可能的方法。为了启动利用装置A，用无氧气体，有利地用二氧化碳和/或一氧化碳和/或氢气或其混合物(即合成气)冲洗并填充所述循环和三个过程阶段。随后，例如使用气体燃烧器加热事先用焦炭填充的第二反应器A21。为此目的，通过关闭相应的连接件而从所述循环分离所述第二反应器。在加热至所需操作温度的过程中，在压力反应器A21内焦炭的运输A23仍未激活。如果适当，可在热交换器A44和压力反应器A21之间在所述循环中提供临时旁路(未显示)，以能够在系统中循环经加热的气体并均匀加热整个装置部分。同样将压力增加至预定值。
并行地，将也已事先用焦炭填充的第一压力反应器A13从所述循环分离，并加热至第一处理阶段的预期操作温度。同样使压力达到第一处理阶段的所需值。在第一反应器中的材料运输A15仍然保持关闭。然而，加热应优选在无原材料下进行，因为在450℃的最小安全操作温度以下原材料的热解可导致爆炸混合物的形成。相反，当之后启动循环时，焦炭已被热解，且仅用于将焦炭进料至第二处理阶段。
费-托反应器A31同样在与所述循环分离的同时运行至操作条件。在所述利用装置的各个处理阶段中已达到操作条件之后，可缓慢运行各个运输系统A15、A23，打开循环并激活压缩机A41、A42，使得最终在所需操作参数下获得利用装置AB的平衡态。
根据本发明的设备Z的利用单元AB的另一实施例示于图9中。为了清晰，利用单元AB的边界未显示。
与图8中的利用单元AB相反，在第一压力反应器A13和第二压力反应器A21之间不设置压缩机，仅设置止回阀A53，然而也可省略所述止回阀A53。气流通过由压缩机A42所产生的压降而输送通过所述装置。由于所述有利变体仅需要单个压缩机A42(所述压缩机A42另外可具有更低的通量体积)，因此所述装置AB的总成本降低。
在所示变体中，分支的合成气流M24b不直接返回至第一反应器A13中，而是被引导通过压力反应器A13的加热装置A16，然后再次与合成气M24a合并。可选择地或另外地，可提供另一加热装置A17，所述加热装置A17用工艺蒸汽M50运行。
热交换器A45设置在循环气流M25a中，并用于通过工艺蒸汽M50加热循环气流M25a。因此在该实施例中循环气流也用作向第一压力反应器A13的供热。
在所示实例中，在第三压力反应器A31上游不提供减压。在该情况中，直接通过在第二处理阶段中的压力控制、通过由于在热交换器A44中的合成气流M24的冷却而导致的随后的压降，以及通过压缩机A42来控制第三处理阶段中的压力。
在根据本发明的方法的另一可能的变体中，所述第三处理阶段的低温费-托反应器被高温费-托反应器代替，其中催化剂作为涡旋飞尘存在。在高温费-托合成中优先形成并在第一冷凝阶段之后保持在循环气体中的气体短链烃类通过渗透气体过滤器从循环气体的较小分子(如二氧化碳、一氧化碳、氢气)中分离出。例如由石油化学工业已知这种系统用于纯化石油气。在目前的情况中，它们用于产生第一富烃类气相和第二低烃类气相。所述富烃类气相进一步用作第二发电机阶段的燃料以用于产生电能，或者被加工为液化气和石油气。将低烃类和富二氧化碳第二气相作为循环气体装回至所述循环中。
在根据本发明的设备的利用装置的又一变体中，第三处理阶段P3而不是费-托反应器包括液相甲醇合成反应器。由现有技术已知液相甲醇合成反应器特别适于由具有相对较高部分的二氧化碳的合成气以高产率制备甲醇。所述合成在“浆态鼓泡塔反应器”中发生，其中将合成气吹入粉状催化剂在惰性矿物油中的浆料中。所述反应为高度放热的，因此需要冷却装置。制得的气体甲醇与未反应的合成气一起离开压力反应器。在分离出夹带的矿物油和催化剂之后，将甲醇冷凝出来。
甲醇为用于化学工业的有价值的基本产品，且也可用作推进剂。另外，甲醇可用作汽油的添加剂，其中例如在德国允许在车辆汽油中至多3％的甲醇部分。特别地，甲醇也可用作用于第二发电机阶段的燃料M60。
利用装置的操作参数的控制和优化
图8和9所示的根据本发明的方法基于通过利用单元AB的三个过程阶段P1、P2、P3的循环物质流，其中碳质原材料M11作为碳源和能量源被进料至所述循环中，且合成阶段的产物作为高级产物M60或作为用于根据本发明的设备Z的能量装置C的燃料M61而被分流。将炉渣M91和其他残余材料M92、M93、M94，以及在循环气体M25b中的水蒸气从所述循环中连续移出。在一方面，在热交换器中产生的蒸汽用作工艺蒸汽M50以用于运行所述装置，由此增加所述装置的效率和效力。在另一方面，过热蒸汽M51、M52可用于能量单元AF中的能量产生。
基本上，在根据本发明的利用方法中，由难以利用的高能但不均匀的固体原材料M11制得同样高能产物M60、M61，即费-托阶段的不同部分。所述高能产物可例如进一步用作液体推进剂或用作化学工业的反应物。运行利用装置AB所需的能量源自第二处理阶段中的部分氧化反应，其中所产生的过量化学能(以合成气的形式)之后在第三处理阶段的放热费-托反应中被再次转化为蒸汽M50、M51形式的热能。
在分别根据本发明的能量产生方法或根据本发明的设备Z的一个特别有利的变体中，过热蒸汽M52由原材料M11产生以用于基本载荷能量单元AF的长期运行，且燃料M61由原材料M11产生以用于灵活运行峰值载荷能量单元C。
由于在所述方法中的封闭循环物质流，在所述利用装置A的运行过程中存在动力学平衡。在所述装置的各个部分中的各种参数(压力、温度、化学组成、运输速度等)的所需值尤其通过所用的原材料的性质进行确定。为了保持恒定的运行状态，尽管是不均匀原材料，仍可控制各种操作参数。
对于在第三费-托阶段P3中制备烃类和其他产物，在第三反应器A31中的压力和温度为决定性参数。可使用压缩机A42通过增加或减少性能而在短期内控制压力。可经由热交换器A32的冷却性能转而控制温度。在长期内，可经由合成气流M24中的压力，在一方面通过改变第二处理阶段中的操作压力和温度，在另一方面通过控制热交换器A44的冷却性能并由此控制合成气流M24中温度和压降，从而控制压力。
由于装置以具有反馈的平衡运行，因此控制利用装置A相对容易，且为了控制多个参数中的一些相关参数，可改变各个装置组件的各个操作参数，这可缓慢或快速地影响平衡。
根据本发明的利用方法优选使用提高的二氧化碳部分进行。这尤其将反应平衡IV移动至左侧(更多一氧化碳)。在10至60巴之间的利用装置的提高的操作压力允许这种提高的二氧化碳含量，同时允许尽可能高的一氧化碳的绝对量和因此尽可能高的加工输出的绝对量。更高或更低的压力同样是可能的，但效率更低。
所述利用装置可在各个方面进行优化。例如，如果将在第三处理阶段中由二氧化碳-中性生物质(例如木片)制备主要有价值的材料(例如类柴油和类汽油烃类和蜡状物等)，则所述方法涉及生物质和运行操作的成本与所产生的高价值材料的价值之间的尽可能有利的比例。相反，对二氧化碳的排放需要较少考虑，因为在任何情况中其为二氧化碳-中性生物质。为了进一步改进生态平衡，可降低外部能量供应(电力等)，同时具有提高的生物质消耗。
相反，如果焦点在于环境友好地清理污染材料并具有最少的二氧化碳产生，则所述装置以如下方式运行：尽可能少的二氧化碳需要从所述循环中移出并释放至环境。视情况而定，这可导致对外部能量的增加的需求。
同样地，所述利用装置可朝向原材料的最大通量进行优化，且视情况而定，未加工的热解焦炭可与炉渣一起离开第三处理阶段。在环境方面问题较小的热解焦炭则可与炉渣一起被垃圾填埋。例如当需要以二氧化碳-中性的方式使大量污染材料变得无害时，这种变体是有利的。
第二处理阶段P2的操作温度可同样进行优化。因此，例如，可降低利用单元AB的第二处理阶段P1的操作温度，以提高在第二反应器A21中的定量通量。这则可能导致热解气M22中的某些挥发性材料不再被裂解，并与合成气M24一起通入费-托反应器A31中。因此，例如，苯可从原材料(例如从重油)以相对较小的量通入费-托合成的产物中。这些材料可作为液体燃料M61的一部分保留，但如果需要，这些材料也可被分离出。
图10示意性示出了利用单元AB的一个更有利的实施例。在第一处理阶段P1和第二处理阶段P2之间设置热交换器A46，在热解气M22进入第二压力反应器A21之前，所述热交换器A46用于使用工艺蒸汽将热解气M22加热至所述第二处理阶段的操作温度。也有可能将热合成气M24供应至热交换器A46。
将压缩机A43设置于在热交换器A44的下游的合成气M24的运输管中。尽管由于在热交换器A44的下游的大大降低的温度导致在所述装置的该点处物质流最大，但必须由压缩机A43处理的气体体积更小，且由于操作温度更低，因此所述操作温度有利于压缩机。
在所示的利用单元AB中，不提供用于分离出合成气流中的固体组分M92的旋风分离器。残余粉尘M92、M94不受阻碍地进入第三处理阶段P3，其中所述残余粉尘M92、M94束缚于合成反应器A31的液相中。由于所述残余粉尘不溶于烃类中，其可不费力地被过滤出。省略旋风分离器降低了利用装置AB的成本。
根据本发明的设备Z的利用单元AB的另一有利的实施例示于图11中，其特别适于由未污染的生物质(例如木片)制备液体燃料M61。在该变体中，热解气M22不通入第二处理阶段P2中，而是通入第三处理阶段P3中，合成气M24不通入第三处理阶段P3中，而是通入第一处理阶段P1中，且循环气体M25不通入第一处理阶段P1中，而是通入第二处理阶段P2中。
在第一处理阶段P1中，热合成气流M24加热热解材料并保持操作温度。从所述第一处理阶段离开的热解气流M22除了含有实际热解气之外，还含有所述第二处理阶段的合成气部分，所述第二处理阶段的合成气部分因此经由所述第一处理阶段形成了回路。
在第二处理阶段P2中，热解气M22中的合成气部分反应，而在热交换器A45中未冷凝出的热解气部分M23溶解于合成反应器A31的液相中。由于在直接使用所述第三处理阶段的产物M60作为推进剂或作为第二驱动装置C11的燃料的情况中纯度要求不特别高，因此可省略裂解热解气。随后后纯化所述推进剂或燃料M60，以去除不合适的残余物，例如有机酸等。可有利地将热解气的冷凝部分M23作为固体或液体添加剂M23进料至所述第二处理阶段，所述热解气的冷凝部分M23具有低熔点和沸点，并含有相当大部分的焦油。
循环气流M25随后被压缩A42、加热A46，并通入所述第二处理阶段P2，因此再次形成循环。由于裂解引入压力反应器A21中的气体不是必需的，因此所述第二处理阶段可在较低的操作温度下运行。
图12显示了利用单元B的一个实施例，其中第一处理阶段和第二处理阶段P1、P2在共用的压力反应器A24中进行。热解在反应器A24的第一室A25中发生，且气化在第二室A26中发生。两个室A25、A26通过设置于压力反应器A24中的间壁A27形成，所述间壁A27具有通孔，共用运输系统通过所述通孔输送热解焦炭M21，且热解气M22通过所述通孔流动。所述间壁A27主要用于热隔离两个室A27、A26，使得不同的操作温度可在两个过程阶段中运行。这种共用压力反应器也有可能配备超过一个室。
用于产生峰值载荷能量的能量装置
如果根据本发明的设备的能量装置C的驱动装置C11构造为内燃机，则在这种驱动装置的一个有利变体中，水M40可用作另外的膨胀方式。为此目的，在燃烧过程点火之后，例如在柴油发动机中压缩的燃料-空气混合物的自点火之后，将一定量的水注入汽缸中。所述水(优选被微细分散)随后通过放热氧化反应的热能而蒸发。因此由于水蒸气所导致的所得气体压力和气体体积的增加增添了动能的产生，然而其中燃烧气体和水蒸气的总体混合物的温度同时降低。然而，这是没有问题的或甚至是期望的，原因是：由于与纯氧气的反应的更高能量密度，出现显著更高的反应温度，这增加了热力学效率，也加压于驱动装置C11的组件。
或者，水也可作为水蒸气M50提供。也可提供与液体燃料混合的一定量的液体水。在高反应温度下，除了氧气之外，过热蒸汽还充当另外的氧化剂。
在下文，在图13中，将参照内燃机的实例更详细地描述和解释用于根据本发明的设备Z的峰值载荷能量装置C的这种可能的驱动装置C11的运行模式，所述内燃机为具有汽缸的活塞发动机的形式。类似地，设计为内燃机的驱动装置C11也可设计为涡轮机或汪克尔发动机等。根据内燃机的各自类型的功能原则而使用热燃烧气体用于机械功的性能，例如用于运行发电机装置，且在此过程中所述热燃烧气体部分地膨胀。随后氧化气体M27离开燃烧室。因此，例如在设计为四冲程活塞发动机的内燃机中，在第三冲程中燃烧气体混合物M27从汽缸喷射，并随后被压缩和冷却。同样地，有可能实施作为具有外部燃烧的热力发动机的驱动装置C11，例如作为蒸汽发动机或蒸汽涡轮机。
图13所示的内燃机C11包括汽缸C22和在其中可移动设置的活塞C23，所示汽缸C22和活塞C23一起形成封闭燃烧室C21。使用仅示意性显示的进料装置C27，在第一冲程中将氧气M31引入膨胀燃烧室C21中。随后在第二冲程中压缩氧气M31，并在第二冲程结束时通过进料装置C29将燃料M61引入燃烧室C21并燃烧。在随后的第三冲程中，膨胀燃烧气体M27履行机械功，且在第四冲程过程中部分膨胀的燃烧气体M27通过排气装置C24(其未更详细地显示)从燃烧室C21排放。
基本上仅由二氧化碳和水蒸气组成的热氧化气体M27随后在下游热交换器C12中冷却。这些氧化气体M27的体积由此降低。作为冷却的结果，水M41的主要部分冷凝出来并被分离出。剩余的残余气体M26在串联设置的压缩机C13中被压缩，并收集在压力储罐BB中，所述剩余的残余气体M26基本上仅由二氧化碳和可能的一氧化碳的残余部分和未反应的燃料组成。在所述方法中，压缩上游的冷凝阶段C12减少了在压缩机C13中不希望的冷凝水滴的形成。
所示的内燃机C11不包括任何排放。由于所述装置不使用空气或类似的气体混合物作为氧化剂运行，因此也没有空气特定(air-specific)污染物(例如氮氧化物)可形成。在燃烧中形成的水不是问题，并可被分离出。二氧化碳作为残余气体M26被引导至利用装置AB的循环中。燃料的未燃烧部分或者与水一起冷凝出来并被分离出，或者与二氧化碳一起被压缩。来自驱动装置C11的氧化气体M27也可直接通入所述第一或第二处理阶段而不冷却。
如果峰值载荷能量装置C与利用装置A空间分离，且用于残余气体M26的直接回流管线不可用，则所述残余气体M26也可被极高度压缩，并在压力储罐BB中的高压下从能量装置C被运输回至利用装置A。
设计为内燃机的驱动装置C11的另一可能的实施例示意性示于图14中。在该变体中，通过仅示意性显示的进料装置C28将水M40引入燃烧室C21。这优选以如下方式进行：在燃烧反应过程中或在燃烧反应之后，设定量的水以液态或气态被注入燃烧室C21中并微细分布。所述水被燃烧热加热，由此在燃烧室C21中总气体体积增加，因此可用于履行机械功的气体压力或气体体积也增加。相应地，则可减少燃料的量，同时功率不变。
可选择地或另外地，当氧化气流M27离开燃烧室C21时，也可将水M40引入所述氧化气流M27中。这种变体具有如下优点：在燃烧室中的燃烧反应可在尽可能高的温度下有效进行，且同时氧化气流的所得温度较低而使得随后的装置C12、C13较少加压。
水量和注入时间以可有效发生燃烧反应的方式与燃料M61和氧气M31的进料匹配。有利地，在氧化反应过程中的所得温度基本上使得能够获得尽可能高的热力发动机的热力学效率。所用的水量越高，则另外在反应气体中二氧化碳的相对部分越低，这降低了在水M41的冷凝之后剩余的残余气体M26的量。
在图14所示的实施例中，在氧化气体M27随后在热交换器C12中冷却之前，所述氧化气体M27首先在压缩机C13中被压缩。该变体也可与图13的不具有水注入的内燃机C11组合，反之亦然，并可通常用于驱动装置C11。
运行驱动装置C11的压缩机所需的能量有利地通过所述驱动装置本身产生。作为结果，所述驱动装置的可获得的效率降低，但同时由此获得所述驱动装置的零排放。另外，对于相同发动机尺寸可获得的功率更大，这再次弥补了功率损失。压缩机可例如直接通过活塞内燃机的曲轴经由合适的齿轮运行。
如果驱动装置C11包括涡轮机，则所述压缩机可直接位于相同的轴上。直接在膨胀过程之后，可随后冷凝氧化气体并压缩剩余的残余流。
在设计为活塞发动机的驱动装置的另一变体中，在燃烧之后，氧化气体已在第三冲程中在燃烧室内被预压缩，并仅随后通过排气装置C24排放。如果适当，也可省略下游压缩机C13。
这种实施例也有可能作为双冲程变体，因为在驱动装置中用反应混合物(燃料M61、氧气M31、水M40)新装载燃烧室可极迅速进行。在第二上行冲程中，燃烧气体被预压缩，并在冲程结束时从燃烧室释放。在上行冲程结束时可在高压下将气体氧吹入燃烧室，因为对于完整燃烧反应，需要相对较少的氧气，且水作为另外的膨胀剂存在。在任何情况中，可极迅速并在高压下将液体燃料M61和作为膨胀剂的水M40注入燃烧室C21中。
压缩机C13的能量消耗可通过与一个或多个热交换器或冷却元件适当组合而进行优化，其中可通过在内部或外部散热器处理反应气体的热能而降低气体体积。
通过热交换器/冷凝器C12，可产生蒸汽，所述蒸汽可用于增加所述利用装置的能量单元AF的效率，或者可用于获得运行所述利用装置的利用单元AB的工艺蒸汽M50。
图15显示了峰值载荷能量装置C的一个特别有利的实施例变体，其具有作为联合燃气/蒸汽涡轮机而构造的驱动装置C11。在上游燃烧室C21中，燃料M61在燃烧器C25中用氧气M31燃烧，从而形成极热的燃烧气体。将水引入燃烧室C21中，所述水优选作为温度为例如250℃且压力为50巴的过热液体水。所得蒸汽与燃烧废气以如下方式混合：具有高比例的过热蒸汽的热(例如600℃)氧化气体M27a形成，所述热氧化气体M27a从燃烧室C21离开，并在下游涡轮机装置C30中被转化为机械功，可转而使用所述机械功驱动发电机装置C31。取决于设计，在燃烧室中的气体混合物以气体压力增加的方式等容表现，或者以气体体积相应增加的方式等压表现，或者以体积和压力均增加的方式表现。因此，接着的涡轮机装置C30也必须相应地进行设计。合适的涡轮机C30是本领域已知的，并通常具有多个处理阶段。在可选择的变体中，部分膨胀的工艺蒸汽M50可从涡轮机装置C30的高压阶段的下游提取，并可以以其他方式使用。
将膨胀的氧化气体M27b通入冷凝器/省煤器C12中，水M41从所述冷凝器/省煤器C12冷凝出来并分离出。基本上含有二氧化碳的剩余的残余气体M26在压缩机C13中被压缩，并被运输至利用装置AB的第一处理阶段P1中。压缩机C13有利地直接经由涡轮机C30驱动。
不同于在燃烧室C21中，水M40也可例如通过文丘里喷嘴而与燃烧室C21下游的氧化气流M27a混合。
在驱动装置C11中，水M40的量和燃烧混合物M61、M31的量，以及另外的可选择的参数有利地以下游涡轮机获得尽可能高的能量利用的方式彼此匹配。同时，在氧化气体混合物M27b中的水的部分应尽可能高。在一方面，以此方式经过冷凝器C12获得了气体混合物的尽可能高的压降，这增加了经过涡轮机C30的总压差，并由此提高了涡轮机C30的效率。在另一方面，剩余更少的必须被压缩C13的残余气体M26。
将蒸汽引入燃烧室的另一优点是蒸汽M50的冷却作用。燃料混合物M60、M31的放热氧化可产生高达1000℃，或甚至2000℃的极高温度。这种温度将极度加压于燃烧室C21的结构和下游涡轮机装置C30的结构。优选以如下方式将相对较冷的水蒸气引入所述室中：所述相对较冷的水蒸气保护燃烧室C21的壁免于极热火焰C26。所述蒸汽最终将整个气体混合物冷却至600℃至800℃，这减小了涡轮叶片的热负荷，并相应地增加了使用寿命。
除了上述方面之外，所示的驱动装置与例如常规燃气轮机的不同还在于无压缩机连接至燃烧室的上游。相比于在燃气轮机中，这允许燃烧室C21的显著更简单的设计。由于燃料M61使用纯氧气M31燃烧，可获得的能量密度比使用具有降低的氧气部分的空气更高。为了增加每单位时间可被引入燃烧室C21中的氧气量，可事先增压氧气。由于氧化气体M27a的温度和压力范围基本上相同，因此涡轮机装置C30可类似于蒸汽涡轮机设计。
在正常运行中，能量装置C的驱动装置C11保持空载运行。少量蒸汽保持涡轮机C30在运转中，而发电机装置不产生电功率。如果现在在短时间期间内电功率需求增加，则将燃料混合物M31、M60注入燃烧室C21中，并用点火装置(未显示)点火。同时，增加注入水M40、M50的量。现在运行涡轮机C30，且发电机C31开始运行。
驱动装置C11也可例如在基本载荷发电机装置AF的功率的10％至50％下永久运行。当电功率需求增加时，则可在极短时间内使装置C达到最大功率，例如基本载荷发电机装置AF的功率的500％。因此根据本发明的设备Z可在广泛范围内极动态地适应总功率。峰值载荷能量装置C也可具有多个燃烧室C21和/或涡轮机装置C30。
装置的模块构造
在根据本发明的设备的一个特别有利的实施例中，以如下方式定尺寸并构造各个装置组件：所述各个装置组件可有效地拆卸为各个模块，所述各个模块可通过卡车运输，并可随后重新组装。特别有利的是允许运输而无需特定运输装置的模块的最大尺寸。
根据本发明的这种模块设备具有如下优点：其也可仅临时装配例如仅数年或甚至仅数月的运行时间。一旦不再存在需求，可拆卸所述模块设备并在新的地点重建。当在偏远采矿区在短时间内必须构建相对较大的能量基础设施(其在采矿活动结束时不再需要)时，这种设备特别可用于例如采矿工业。例如，根据本发明的设备的利用装置可用于例如由本地生长的生物质和碳质废物材料产生用于车辆和偏远露天矿的电力发电机的柴油燃料，和/或用于运行基础设施的电能。
根据本发明的设备特别适于模块构造。特别地，所述第一和第二处理阶段的反应器可构造为具有相对较小的横截面而不降低通量的卧式反应器。反应器简单相应地在纵向方向上延长。可在通过法兰连接在一起的多个模块的纵向方向上组装反应器。可通过使用多个平行反应器放大合成反应器。
如上显示并描述了各种实施例。然而，对于本领域技术人员显而易见的是可在不偏离本发明的原则下进行各种改变和修改。
附图标记列表

Claims (43)

1.一种通过利用碳质材料（M10、M11）而零排放地产生能量（E1、E2、E4）和/或烃类和其他产物（M60、M61）的方法，其中在第一处理阶段（P1）中提供并热解所述碳质材料（M10、M11），其中形成热解焦炭（M21）和热解气（M22）；在第二处理阶段（P2）中，将来自所述第一处理阶段（P1）的热解焦炭（M21）气化，其中形成合成气（M24），并去除炉渣和其他残余物（M91、M92）；以及在第三处理阶段（P3）中，将来自所述第二处理阶段（P2）的合成气（M24）转化为被排放的烃类和/或其他固体、液体和/或气体产物（M60、M61）；其中所述三个处理阶段（P1、P2、P3）形成闭合循环，将来自所述第三处理阶段（P3）的剩余气体（M25）作为循环气体通入所述第一处理阶段（P1），并将所述第一处理阶段（P1）的热解气（M22）通入所述第二处理阶段（P2），在第二处理阶段将氧气（M31）和/或工艺蒸汽（M50）吹入由热解焦炭(M21)形成的火层中，而将热解气（M22）与氧气进入点在空间上间隔开地吹入所述火层以上的气相中，在此它们发生裂解和分解，第二处理阶段中的温度为850℃或更高，热解焦炭和热解气在所述第二处理阶段中保留至少2秒，而来自第二处理阶段（P2）的合成气（M24）被引导至第三处理阶段（P3）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述第三处理阶段（P3）中提供氢气（M32）。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述第一处理阶段（P1）或第二处理阶段（P2）中提供二氧化碳（M33）。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于沿着所述循环存在压降。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述第一处理阶段（P1）中的热解反应的热能部分地或全部地通过将来自所述第二处理阶段（P2）的热合成气的一部分（M24b）返回至所述第一处理阶段（P1），和/或通过部分氧化碳质原材料（M11）和所得热解焦炭（M21）而提供。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一处理阶段（P1）在300至800°C之间的温度下进行。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于使用氧气（M31）和/或工艺蒸汽（M50）和/或二氧化碳（M33）作为气化剂以用于在所述第二处理阶段（P2）中的气化反应。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述第二处理阶段（P2）中，气化反应所需的热能部分地或全部地从外部提供，和/或通过用氧化剂氧化热解焦炭（M21）的一部分而产生。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第二处理阶段（P2）在600至1600°C之间的温度下进行。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一处理阶段（P1）和/或所述第二处理阶段（P2）在1至60巴之间的压力下进行。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一处理阶段（P1）和所述第二处理阶段（P2）在同一压力反应器（A24）中进行。
12.根据权利要求1的方法，其特征在于在所述第三处理阶段（P3）中的转化使用费-托合成或液相甲醇合成进行。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于通过将所述第三处理阶段（P3）的烃类和其他固体、液体和/或气体产物（M61）氧化为由二氧化碳和水组成的氧化气体（M27）而产生电能和/或机械能（E2）。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于将纯氧气用作氧化剂。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于将水从所述氧化气体（M27）中分离。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于将所述氧化气体（M27）的至少一部分供料回所述利用方法的第一处理阶段（P1）和/或第二处理阶段（P2）和/或第三处理阶段（P3）。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于通过在热交换器（A44、A46）中冷却所述合成气（M24）而产生电能和/或机械能，其中形成蒸汽（M50、M51、M52）和/或另一热气体，通过使用热力发动机（A62）而从所述蒸汽（M50、M51、M52）和/或另一热气体产生电能和/或机械能。
18.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一处理阶段（P1）在450至700°C之间的温度下进行。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一处理阶段（P1）在500至600°C之间的温度下进行。
20.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述第二处理阶段（P2）中，气化反应所需的热能通过加热装置和/或热交换器部分地或全部地从外部提供，和/或通过氧气（M31）氧化热解焦炭（M21）的一部分而产生。
21.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第二处理阶段（P2）在700至1400°C之间的温度下进行。
22.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第二处理阶段（P2）在850至1000°C之间的温度下进行。
23.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一处理阶段（P1）和/或所述第二处理阶段（P2）在5至25巴之间的压力下进行。
24.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述第一处理阶段（P1）和/或所述第二处理阶段（P2）在10至15巴之间的压力下进行。
25.根据权利要求13所述的方法，其特征在于将水从所述氧化气体（M27）中冷凝出。
26.根据权利要求13所述的方法，其特征在于通过在热交换器（A44、A46）中冷却所述合成气（M24）而产生电能和/或机械能，其中形成蒸汽（M50、M51、M52）和/或另一热气体，通过使用蒸汽涡轮机而从所述蒸汽（M50、M51、M52）和/或另一热气体产生电能和/或机械能。
27.一种通过利用碳质材料（M10、M11）而零排放地产生能量（E1、E2、E4）和/或烃类和/或其他产物（M60、M61）的设备（Z），所述设备具有利用装置（A），所述利用装置（A）包括利用单元（AB），所述利用单元（AB）具有用于进行碳质材料（M11）的热解以形成热解焦炭（M21）和热解气（M22）的第一亚单元（AC、P1）、用于在火层中在高于850℃的温度进行热解焦炭（M21）的气化以形成合成气（M24）和残余物（M91、M92、M93、M94）的第二亚单元（AD、P2），和用于进行合成气（M24）向烃类和/或其他固体、液体和/或气体产物（M60、M61）的转化的第三亚单元（AE、P3），其特征在于所述利用单元（AB）的所有三个亚单元（AC、AD、AE）为耐压封闭的，并形成闭合循环；热解气（M22）的运输管将所述第一亚单元（AC、P1）耐压地连接至所述第二亚单元（AD、P2）使得热解气（M22）进入第二亚单元的进入点位于热解焦炭的火层以上；提供用于将氧气（M31）在空间上与热解气体的进入点间隔开地吹入所述火层的器件；合成气（M24）的运输管将所述第二亚单元（AD、P2）耐压地连接至所述第三亚单元（AE、P3），且循环气体（M25）的运输管将所述第三亚单元（AE、P3）耐压地连接至所述第一亚单元（AC、P1）。
28.根据权利要求27所述的设备，其特征在于沿着利用单元（AB）的所述运输管中的至少一个设置至少一个压缩机（A41、A42、A43）。
29.根据权利要求27或28所述的设备，其特征在于所述利用单元（AB）的亚单元（AC、AD、AE）各自包括一个或多个压力反应器（A14、A22、A24）。
30.根据权利要求27至28中任一项所述的设备，其特征在于所述利用单元（AB）的第一亚单元（AC）和第二亚单元（AD）包括共用的压力反应器（A24）。
31.根据权利要求27至28中任一项所述的设备，其特征在于所述利用单元（AB）的第三亚单元（P3, AE）包括费-托合成阶段和/或液相甲醇合成阶段。
32.根据权利要求27至28中任一项所述的设备，其特征在于能量装置（C），所述能量装置（C）设置成用于通过使用来自所述利用装置（A）的烃类和/或其他产物作为燃料（M61）而产生电能和/或机械能（E2）和/或热能。
33.根据权利要求32所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）具有用于从燃料（M61）产生电能和/或机械能（E2）的驱动装置（C11），其中所述驱动装置（C11）从燃料（M61）向由二氧化碳和水组成的氧化气体（M27）的氧化获得运行所需的能量，并包括用于压缩和/或冷凝所述氧化气体（M27）的装置。
34.根据权利要求33所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）的驱动装置（C11）可使用纯氧气作为氧化剂而运行。
35.根据权利要求33或34所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）的驱动装置（C11）包括热交换器（C12），所述热交换器（C12）用于冷却用于压缩和/或冷凝氧化气体（M27）的装置（C13）的上游和/或下游的氧化气体（M27）。
36.根据权利要求33所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）的驱动装置（C11）包括用于从氧化气体（M27）分离水（M41）的装置。
37.根据权利要求33所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）的驱动装置（C11）具有用于收集氧化气体（M27），或在压缩和/或冷凝氧化气体（M27）之后的残余气体（M26）的储罐（BB）。
38.根据权利要求33所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）的驱动装置（C11）为内燃机，所述内燃机具有至少一个用于使用氧气（M31）燃烧液体或气体燃料（M61）的燃烧室（C21），具有用于将所得气体压力或气体体积转化为机械功的装置（C21、C30），具有用于将氧气（M31）引入燃烧室（C21）的进料装置（C27），并具有用于从燃烧室（C21）移出氧化气体（M27）的排气装置（C24）。
39.根据权利要求38所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）的驱动装置（C11）具有用于将水和/或工艺蒸气（M50）引入燃烧室（C21）中，和/或引入在离开燃烧室（C21）之后的氧化气体（M27）中的进料装置（C28）。
40.根据权利要求27至28中任一项所述的设备，其特征在于所述利用装置（A）包括用于产生电能和/或机械能的能量单元（AF），所述能量单元（AF）具有至少一个用于从蒸汽（M50、M51、M52）和/或其他热气体产生电能和/或机械能的驱动装置（A61），所述蒸汽（M50、M51、M52）和/或其他热气体已经在所述利用单元（AB）中产生和/或被过热。
41.根据权利要求40所述的设备，其特征在于所述利用装置（A）的能量单元（AF）包括用于从蒸汽（M50、M51、M52）或其他热气体产生电能和/或机械能的驱动装置（A61），所述蒸汽（M50、M51、M52）或其他热气体已经在所述利用单元（AB）中产生和/或被过热；且特征在于在所述利用单元（AB）的循环中，提供至少一个热交换器（A44、A45、A32）以用于加热蒸汽（M51、M52）和/或其他气体，和/或用于产生工艺蒸汽（M50）。
42.根据权利要求27至28中任一项所述的设备，其特征在于用于产生氢气（M32）的装置（D），和用于将所述氢气提供至所述利用单元（AB）中的装置。
43.根据权利要求33所述的设备，其特征在于所述能量装置（C）的驱动装置（C11）包括用于从氧化气体（M27）冷凝水（M41）的装置。
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