CN103154210B - 零残留碳排放的高效转化碳质燃料为清洁合成气的夹心气化方法 - Google Patents

零残留碳排放的高效转化碳质燃料为清洁合成气的夹心气化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开气化器和/或气化方法，其通过使还原区域夹在两个氧化区域之间提供气化器中长的均匀温度区域，而无论燃料的颗粒大小、化学组成和含湿量如何。该气化器和/或气化方法具有碳，其更加能量密集并且几乎不含湿气，其提供另外的(或碳)氧化区域，温度高于更接近蒸发和脱挥发组分区域的第一氧化区域。因此，另外的(或碳)氧化区域有助于升高还原区域温度，从而提供改善合成气组成和焦油几乎完全转化的有利双重作用。

Description

零残留碳排放的高效转化碳质燃料为清洁合成气的夹心气化方法
相关申请
本申请要求于2010年8月16日提交的具有相同题目的美国临时专利申请号61/374,139的优先权，并且通过引用以其整体并入本文。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明在题目为“国家氢技术中心(National Center for HydrogenTechnology)”的合作协议号DE-FC26-05NT42465下由美国能源部和在题目为“美国军用JP-8-基氢和高级战术燃料的生产(Production ofJP-8-Based Hydrogen and Advanced Tactical Fuels for the U.S.Military)”的合作协议号W9132T-08-2-0014下由美国军队建筑工程研究实验室(U.S.Army Construction Engineering Research Laboratory)的政府资助下作出。政府具有本发明的某些权利。
技术领域
本发明涉及气化方法，并且尤其涉及具有夹在至少两个高温氧化区域之间的至少一个吸热还原区域的气化方法。
背景技术
清洁合成气的生产和完全的燃料转化是用于商业应用比如产生热、电、气态以及液态燃料和化学品的碳质燃料成功气化的主要要求。这些要求对于实现来自在范围从小分布气化型工艺至大规模气化型工艺的规模下的期望工艺经济学和燃料转化的有利环境影响是至关重要的。
在通常已知的基于床构造(固定床、流化床和载流床(entrainedbed))定义的气化器类型和它们的变型中，已知下吸式固定床气化器在热合成气中生产最低的焦油，其主要归因于这样的床构造，其中蒸发和脱挥发组分的(devolatilized)或热解的产品被允许经过高温氧化区域，从而长链烃被还原成它们的短链成分，并且这些气态的燃烧和还原的热解产品与未转化的碳(carbon或char)在还原区域反应以生产清洁合成气。图1图解通常称为Imbert和分层下吸式气化器的下吸式气化器的两种变化的一般示意图。该图描绘三个主要气化区域：蒸发和脱挥发组分区域1、氧化区域2和还原区域3。注入保持高温氧化区域(区域2)需要的氧化剂(空气)，从而该区域的位置通常是固定的。
发生在区域1中的转化主要是吸热的，并且挥发物产量取决于加热速率，所述加热速率取决于燃料颗粒大小和温度。发生在区域3中的还原反应主要是吸热的。这些反应是温度的强函数并且决定燃料转化率，从而限定燃料吞吐量、合成气生产率和合成气组成。
维持还原区域中吸热反应需要的热输送自单个氧化区域。因此，清洁合成气的生产和碳转化的程度非常依赖于温度和从氧化区域至还原区域的传热。如图1中所显示的，还原区域中的温度曲线随着距氧化区域的距离增加而急剧下降，从而在氧化-还原区域界面下游，对于一些粒径，还原反应几乎停顿。结果，该区域称为死碳区域，其中进一步转化完全停顿。未转化的碳需要从该区域去除，以便保持连续的燃料转化。燃料的能量含量因此损失在去除的碳中，导致降低的气化器效率和需要对其处理的附加缺点。
氧化区域的大小、位置和温度的重要（critical）因素严重限制可在相同气化器中使用的碳质燃料的范围，所述气化器通常设计来转化具有窄范围物理化学特征——尤其是颗粒大小、化学组成和含湿量——的燃料(例如，用于商用生物质气化器的典型燃料规格包括含小于15%湿气和小于5%细粉(fine)的碎木)。已知这些燃料特征的任何改变对气化器性能具有不利影响，并且所以对这种燃料进行预处理(比如使用干燥器减少湿气和细粉)和/或在适当的气化技术保证协议下限制转化。
因此，气化器设计的当前状态和迄今气化器不能保持气化器区域中需要的温度曲线——因为当包含高湿气、大量挥发物或大部分精细颗粒的燃料或具有低反应性的燃料气化时引起的重要氧化区域的尺寸和温度下降的双重作用——是目前气化器技术的不期望的缺点。另外，这种燃料的气化导致热解产物的部分分解，这造成合成气中不期望高浓度的焦油以及不利影响其组成和碳转化率，这是动力学控制的还原区域中不适当温度的组合作用。所以，不管上面提到的燃料组成的变化如何而都可在气化器中提供长的、均匀温度区域的气化方法和/或气化器是期望的。
发明内容
本发明公开了气化器和/或气化方法，其无论燃料的颗粒大小、化学组成和含湿量如何都提供气化器中长的、均匀温度区域。结果，包含高湿气和/或大量挥发物的任何碳质燃料可用作潜在的气化原料，同时保持合成气期望的低焦油组成。该气化器和/或气化方法也解决了为了保持均匀温度和燃料转化曲线而在反应床中进行氧化剂渗透的几何限制引起的固定床构造中最大允许吞吐量的一个主要限制。
该气化器和/或气化方法在两个或多个氧化区域之间夹有一个或多个还原区域，并且通过这些区域提供产物气体流，从而可实现精确控制温度和燃料转化曲线。
附图简述
图1是基于主要气化区域的位置、燃料和氧化剂注入、合成气提取区域和床温度曲线，现有技术固定床下吸式气化器：1)Imbert气化器；和2)分层气化器的比较；
图2是图1中显示的两种现有技术固定床下吸式气化器和根据本发明实施方式的气化器的比较；
图3是在包含0%-60%湿气分数的碳质燃料-生物质和氧化剂-空气的平衡反应条件下实现的ER对下述的变化的影响的图示：a)AFT；b)未转化的碳的质量分数；c)CO+H2摩尔分数；和d)惰性气体浓度CO2摩尔分数；
图4是氧化剂(空气)和包含0%-60%湿气的碳质燃料(由生物质代表)之间的反应平衡下实现的ER对H2O摩尔分数变化的影响的图示；
图5是氧化剂(空气和10%OEA)和包含40%湿气的碳质燃料(生物质)之间的反应平衡和包含0%和40%湿气(按重量计)的残余碳下实现的ER对下述变化的作用的图示：a)AFT；b)CO+H2摩尔分数；c)CO2摩尔分数；和d)N2摩尔分数；
图6是描绘对于包含湿气范围从0%至50%的模拟碳质燃料生物质在：a)恒定的焓和压力条件；和b)恒定的温度和压力条件下HHV对ER的图示；
图7是根据本发明的实施方式的夹心气化方法的示意图，其描绘两个构造：a)开放顶部；和b)闭合顶部，其由气化器操作压力和燃料和氧化剂注入方法限定，显示了脱挥发组分区域的位置、夹在两个氧化区域之间的还原区域和合成气端口的位置；
图8是根据本发明实施方式的夹心气化方法的示意图，其涉及不同物理化学特性的两种主要燃料的共气化；
图9是单个模式和混合模式夹心气化方法的示意图，其描绘用于中等和大范围燃料吞吐量(0.5-20t/h)的两个还原区域和三个氧化区域系统；
图10是单个模式和混合模式夹心气化方法的示意图，其描绘低范围燃料吞吐量(0.01-0.5t/h)的两个还原区域和三个氧化区域系统，由在燃料注入和残留物提取区域的单个氧化剂注入喷枪(lance)构成；
图11是根据本发明的实施方式的夹心气化方法的示意图，其描绘多个燃料注入区域、挥发物注入区域和残留物注入区域以及在大吞吐量夹心气化器的情况下数个注入和提取区域的实例；和
图12是实验结果的图解，其描绘在夹心气化模式中自持式气化期间获得的时间平均轴向床温曲线，图解下述高湿气燃料：(a)木材生物质(松树)；(b)粉河盆地(Powder River Basin)(PRB)煤；(c)伊利诺斯州(Illinois)#6煤；和(d)无用垃圾(turkey litter)。
发明详述
术语
如本文所使用，常规碳质燃料是其中燃烧过程是已知的或为了能量回收进行的那些。这种燃料通常归类为生物质或煤。
如本文所使用，非常规碳质燃料典型地是工业的或汽车废气，其具有复杂的组成，从而它们的转化需要非典型的进料或注入、残留物提取、脱挥发组分过程控制和脱挥发组分的产品分配的方法，用于通过补充的燃料或催化剂实现保持强有力气化条件而有效地气化或破坏有毒的有机化合物。这种燃料包括，由钢丝和炭黑组成的全汽车轮胎、具有金属或惰性材料的结构性塑料材料层、需要强有力气化条件的污染的废弃材料、印制电路板、废弃燃料、重有机残留物淤泥和来自食品和化学工业的高粘性工业排出物。
如本文所使用，主要燃料是在气化器主进料系统的帮助下，在由定义为ED-1、ED-2等(下面参考图8-11更详细描述)的区域中的氧化区域(OX-1)上游注入的常规和非常规燃料的最大组分。
如本文所使用，次要燃料是在气化方法中形成的小的或较少的燃料组分(例如，在合成气清洁系统中形成的可燃燃料)并且为了改善合成气组成的目的使它们共气化。这些燃料被注入/与主要燃料共注入和/或在或不在氧化剂或载气的帮助下并且在专用燃料注入系统的帮助下分别注入主要气化区域(蒸发和脱挥发组分、氧化和还原区域)。
如本文所使用，辅助燃料定义为主要和次要燃料之外的燃料，并且包括合成气和可支持稳定燃烧的可注入燃料。
如本文所使用，氧化剂定义为与主要和次要燃料在至少两个氧化区域中反应的物质。可以以纯的形式或混合的形式同时使用一种或多种类型的氧化剂。纯氧化剂包括空气、氧气、蒸汽、过氧化物、高氯酸铵等。
如本文所使用，混合反应(MR)模式为下述过程：其中在单个气化器中形成至少两种类型的床，以便利于燃料转化，例如，将具有大部分的细粉和易碎碳的燃料(或低-压碎-强度材料)注入填充床构造；但是，在经过ED-1和OX-1区域之后，易碎材料经历足够的压碎力，从而其颗粒大小降低或可容易通过机械碾压破碎。可能在MR区域(如图3中的氧化-2和RD-1)中注入这种细粉燃料，从而下落的材料夹带在气相中，并且实现进一步转化，和/或落在炉篦(或分配板)上并且在流化床操作模式下转化。
本发明目标是将碳质燃料或碳质材料和非碳质材料的混合物转化成称为合成气的可燃气体混合物。因为化学转化作为加热的结果发生，所以该过程通常称为热化学转化过程。因此该过程的目的是将初始材料的化学能转化(或回收)成合成气的化学能。需要的过程热完全或部分通过主要利用初始燃料的化学能产生。本发明允许从辅助源通过直接传热(热运载流体注入，例如，蒸汽、热空气等)或间接进入反应区域而注入热。本发明的主要实施方式是使转化方法的气化效率和灵活性最大化。
图2显示本发明气化器的示意图，其中还原区域3夹在两个氧化区域之间，从而还原区域的温度通过来自由碳提供燃料的相对较高温度的次要氧化区域的直接传热升高。现有技术气化器和单个还原区域夹心气化器的比较温度曲线显示在图1和图2进行比较。因为碳是更加能量密集的并且几乎不含湿气，另外的(或碳)氧化区域温度比第一氧化区域相对更高，所述第一氧化区域更靠近蒸发和脱挥发组分区域。结果，现有技术气化器中的死碳区域有助于升高还原区域温度，造成改善合成气组成和焦油几乎全部转化的有利的双重影响，因此生产清洁合成气。
在位于接近气化器出口面的一个或多个气化器区域中氧化剂/气化介质的选择可提供选择性加热无机残留物至高温(1450℃-1600℃)，在该温度下可发生灰烬玻璃固化。夹心构造可有利地以简单的自持式热过程使用碳(如果必要由作为燃料的合成气补充)，而不需要通常用于热动力学不利地基于等离子体或电弧的加热方法的高品级电流，这是获得高转化效率的独特特征。
常规气化方法中遇到的一个主要问题是难以获得低反应性燃料的完全碳转化。在这种过程中的碳通常从气化器中提取，并且在单独的熔炉系统中处理或氧化。在固体燃料(生物质、煤和黑液)流化床蒸汽重整炉的情况中提供碳转化的类似安排，用于生产富含氢的合成气。因为主要发生水煤气变换反应，所以合成气中CO2的浓度高，以及未转化的焦油浓度非常高。夹心气化方法克服了现有技术气化方法中发现的困难，并且通过有效原位利用碳(carbon/char)以提供利于Boudouard反应的温度来获得清洁富含氢的低CO2合成气。未反应的碳在夹心构造的混合模式气化区域中转化，所述夹心构造包括由精细碳和气化介质或氧化剂的流体动力学形成的载流床和/或流化床区域。
在来自平衡计算结果的帮助下阐释本发明的基础，进行所述平衡计算，以使用模拟燃料比如不同含湿量(0%-60%)的生物质(松树木材)、生物质碳(从气化器获得的碳质残留物)和氧化剂比如空气和10%富氧气的空气确定参数变化对燃料转化的影响。
图3-6显示描绘在平衡反应条件下不同的当量比(ER，定义为实际氧化剂与燃料比[o/f]和化学计量o/f比的比率)对绝热火焰温度；未转化碳的质量分数；CO+H2、CO2、H2O、N2的摩尔分数；和合成气的较高热值的影响的图表。ER=0表示零氧化剂注入率，并且以化学计量注入率获得ER=1。范围在0和0.7之间的ER表示气化范围，其代表如图中所示的低ER、中等ER和高ER气化范围。范围在0.7和1.2之间(如所显示)的ER标记为燃烧范围，使上范围延伸高至燃料维持燃烧的机会是可能的。包括气化和燃烧ER范围的目的是利于解释这两者之间的不同和在本发明的主要实施方式即夹心气化模式中它们的相互作用。
范围从0.7至1.0和大于1的ER分别指示为富含燃料和贫燃料的燃烧区域。气化范围ER(0-0.7)通常打算用于生产包含初始燃料的主要部分化学能的合成气。化学能在化学计量(或ER=1)，或贫燃料的燃烧时完全转化成显热。与在接近化学计量条件下实现的最高可能温度相比，富含燃料的燃烧主要打算实现生产易处理的低温产物气体的稳定燃烧。气体中小部分的未转化的化学能在次要阶段氧化过程中释放。如在大部分燃烧应用中所要求的，贫燃料条件的目标是作为氧化剂稀释效应的结果实现的获得低温产物气体。
图3a中的图表显示在包含范围从按燃料重量计0%至60%的湿气的燃料情况下，ER对绝热火焰温度(AFT)变化。该图表也描绘有利的温度范围，在该温度范围下发生负责将燃料转化成合成气转化的吸热气化反应。可见，随着ER下降和生物质湿气增加，而AFT下降。已知，驱动动力学依赖性气化反应，尤其是Boudouard和转换反应，需要1000℃或更高的操作温度。低于此的温度将造成燃料转化时间的增加和/或到达不完全的燃料转化。良好设计的自持式或自热式气化方法主要在中等ER范围内操作，以获得全部燃料转化至合成气需要的温度。可以理解，在最低可能的ER下，全部燃料转化生产具有最高化学能的合成气。该操作条件也允许生产具有最低浓度稀释物主要是N2和CO2的合成气(如图3b中所显示)。但是，因为气化反应的动力学，在该条件下难以实现操作，尤其是如果AFT低于规定的温度限制设置。所以，该事实限制燃料湿气以及操作ER，尤其是对于实现自持式气化条件。
图3c中的图表描绘在低ER下未转化碳的质量分数。归因于低AFT的该未转化碳(或在实际气化器中的碳残留物)的分数，占燃料中未转化化学能的超过一半。结果，CO和H2——化学能的主要载体——的浓度下降，如图3d中所显示的，并且未转化的H2O的浓度增加，如图4中所显示的。这两个因素导致降低气化效率。
实践中使用的气化器主要设计来实现可能最高的碳转化。因为从气化器不可避免的热损失，绝热条件难以实现，所以操作温度通常小于AFT。结果，甚至在中等ER操作范围下，未转化的碳分数较高。该挥发的耗尽的残留物(或碳)通常从气化器中去除。因为在暴露于大气氮之后这些碳的反应性下降，所以这些碳作为燃料的价值低，并且因此其变成处理责任。这进一步限制燃料中ER和可操作含湿量的操作方案。在中等范围ER下具有较低AFT的燃料(比如在高湿气生物质的情况下)在高范围ER下操作——尽管以合成气化学能为代价，但因此降低了H2和CO的浓度(见图3d)。
通过在多个夹心区域中分段操作的ER并且通过将从常规气化器中正常去除的燃料残留物或碳原位转化在单个反应器中产生高温条件而建立相应的平衡条件，夹心气化方法的实施方式克服了上述限制。下面讨论碳的有效性和夹心的途径。
图5a显示对于用空气作为氧化剂获得的包含40%湿气的模拟燃料生物质、干燥碳与空气和富10%氧气的空气(OEA)和碳与40%湿气和10%OEA，ER对AFT变化。可从图7理解用于该实例的反应夹心区域的简化构造。从反应器顶部注入的40%潮湿生物质燃料在反应器的上部区域中气化，并且未转化的残留物在下部区域中气化。10%OEA与碳反应的使用是为了图解说明在气化器夹心区域中使用一系列氧化剂的灵活性，以便获得不同的床温度和合成气组成。图5a中可见，中等ER的碳-空气反应的AFT(图5a的曲线C)高于具有40%湿气燃料的AFT400℃至500℃。这是因为与湿燃料相比，碳更易反应(稍微生成正热(positive heat))和干燥。未转化的碳可因此用于升高高湿气燃料的床的温度(尤其在还原区域中)，其通过在使热产品气体通过多个夹心区域的帮助下，在这些区域中直接和有效的多模式传热实现。AFT可进一步通过增加氧化剂流中氧气浓度而升高，如图5a的曲线D所显示。这种操作条件也可用于在高ER气化模式下，或如果需要在气化器的选择性区域中实现灰烬玻璃固化温度。对碳气化增加湿气显著降低下部ER气化区域中的AFT，如图5a的曲线B中所显示。但是，与高湿气燃料相比，AFT在可支持气化反应并且生产富含氢的气体和/或控制床温的范围内。因此，可在相同的气化器中实现由相同的原料形成的两种不同特征材料的气化区域的夹心。该协同增强夹心气化模式中转化过程的能力是本发明的一个主要实施方式。
为了实现气化器中不同的ER和相应的平衡条件，可实现氧化剂分布，从而许多夹心区域串联和/或平行地布置在反应器中，如图9中所显示。由于大的温度梯度(例如，在碳侧1200℃和在初始燃料侧700℃AFT)发生在床中的直接和间接传热可达到高于注入高湿气燃料的AFT的床温度，如图5a中所显示。结果，即使当反应发生在低ER下，实现的气体组成和燃料转化都较大。这种操作提高了合成气中化学能回收并且因此提高气化效率。
由于夹心反应区域，通过在反应床中产生大的温度梯度在反应床中传热的能力(如上所讨论)是本发明的一个主要的实施方式。通过夹心两个气化区域获得更高化学能，造成反应区域温度有效增加的例子显示在图6a和6b中，其描绘对于湿气范围从0%至50%的生物质，干燥合成气较高热值(HHV)随ER的变化。基于干料从合成气组成计算热值，以便理解燃料湿气和ER对合成气中回收的化学能的作用。因为在低ER下未转化的湿气明显更高，如图4中所显示，从合成气中去除该湿气在低ER下显示更高的HHV。图5a中的HHV在隔热条件下计算，并且图6b在通过夹心模式中传热获得的1000℃床温度下计算。如图6中可见，当夹心模式中的气化器操作方案在低和中等ER方案时，获得气体的最大HHV。
图5b描绘4种不同燃料-氧化剂情况的组合H2+CO浓度对ER，如之前所讨论的。与用碳作为燃料的所有实例相对比，曲线A(40%湿气生物质-空气反应)在中等或高ER方案中获得最低的H2+CO浓度。由曲线C和E表示的40%湿气碳-空气和相同的碳与10%OEA，显示大于50%的组合浓度。这显示在中等ER下的碳反应可提高总合成气组成以及提供高温操作条件，用于实现夹心模式中的快速气化反应。
图5c显示4种不同燃料-氧化剂情况的ER对CO2浓度。在中等ER区域中，在碳-空气反应和碳-10%OEA的情况下的CO2浓度由于快速Boudouard反应小于2%，并且在40%生物质-空气反应的情况下在12%和17%之间。这两种情况都已经被实验观察到。在夹心模式中，由于气流混合的组合作用以及实现更高的床温度，本发明导致合成气中CO2减少。
夹心气化器发明中燃料转化过程出现在以特征模式布置的三类主要区域和四类次要区域中，从而利于完全转化成清洁合成气期望的组成和残留物。主要区域命名为：(1)蒸发和脱挥发组分区域(ED)；(2)氧化区域(OX)；(3)和还原区域(RD)，而次要区域命名为：(1)燃料注入区域(INJF)；(2)氧化剂注入区域(INJOX)；(3)合成气提取区域(SGX)；和(4)残留物提取区域(RX)。
主要区域的作用是热化学分解复合燃料成携带能量的气态分子，而次要区域的作用是运输反应物和产物进入和离开这些区域。反应床构造是固定床或固定床、流化床和载流床的组合，称为MR床或区域，如图10中所显示。
气化器操作条件和构造
气化器在负压(或低于大气压)、大气压或正压下操作，这取决于燃料和合成气应用。单个反应区域的操作温度取决于燃料类型、惰性残留物要求的程度、氧化剂类型和操作ER，并且其不依赖于操作压力。燃料和氧化剂注入方法取决于气化器的操作压力。
主要实施方式包括如图7a和7b中所显示的开放端口和闭合端口构造的气化器。另外，夹心气化方法的简化示意图也显示在图7中。夹有还原区域的两个不同的氧化区域是气化方法的主要特征。这些氧化区域基于它们相对于还原区域和燃料的入口或注入的位置进行表征。第一氧化区域(区域2a，如图中所显示)位于燃料和氧化剂注入口侧(还原区域上游)，并且第二氧化区域(区域2b)朝着主要灰烬提取口定位。来自两个氧化区域的热气体直接引向还原区域，在那里放置有混合合成气的主要出口。接近两个氧化区域界面的气体组成预期是不同的；所以，使用术语“混合的合成气”。因此，提供用于从区域2b排出部分燃烧产品一部分的布置，从而可实现期望的混合合成气组成。
取决于合成气组成要求，从在提议的夹心气化方法的氧化区域(区域2a和2b)两侧注入的两种氧化或气化介质可截然不同或相同，并且可为多组分或单组分。例如，气化介质可为空气或富含氧气的空气和蒸汽或纯氧气和蒸汽的混合物。在蒸汽是从区域2a侧注入的气化介质的情况下，高温氧化区域2a由满足所有其功能要求(用于热解和用于还原区域的热)的间接加热区域代替，并且维持区域2b以实现完全碳转化。
在干或湿灰烬去除系统的帮助下，残留灰烬在区域2b的下游去除。在设置在合成气路径中的旋风分离器或颗粒过滤器系统的帮助下去除夹带灰烬的一部分，和单独地将其去除。取决于区域2b中的温度，干的或熔融的灰烬可在碳氧化区域2b的下游提取，这取决于需要的无机物的量和在被气化的原料中存在的它们的组成。这是夹心气化方法的一个特点，其中熔融的灰烬可被回收同时实现低温气化方法的高效率益处。
严格地在负压操作条件下，允许开放端口构造，从而主要燃料和氧化剂或仅仅氧化剂从向大气开放的端口注入，并且反应物的流动方向面向气化器(正)或作为净吸气作用(负压)，其由一个或多个设备，比如空气动力学(鼓风机或吸风机和/或排出器)或流体动力学(液压排出器)设备和/或像产生吸气的内燃机的设备等产生。在气化器的正常操作条件期间——包括启动和关闭，负压确保在气化器中合适的材料流并且产品被从指定的提取区域移出。除了保持气化器中足够的负压，通过提供物理阻碍，防止气体的回流。实施方式包括这样的开放端口气化器，其也在封闭料斗或燃料存储设备的帮助下使得燃料注入，燃料从所述封闭料斗或燃料存储设备中连续或间歇进料至气化器(例如，通过封闭的螺杆(enclosed screw)、带、斗式提升机、气动进料系统进料等)，同时在机械或流体动力学驱动泵(例如，压缩机、双液排出器等)的帮助下注入氧化剂。
气化器的实施方式包括闭合端口气化器，其中反应物(氧化剂和燃料流)在加压(大于大气压的压力)气化器中注入。从保持在与气化器平衡的压力下的常规闭锁料斗注入燃料。在比气化器操作压力大的压力下注入氧化剂。流入和流出气化器的气体因此由正压保持。可使用吸气设备，以便在低的正操作压力下保持更高的气化器吞吐量。在两种构造中，反应物注入是连续的，以便保持气化区域的位置和稳定状态的合成气生产。
气化器主要区域
下面章节描述主要区域的布置和特征性操作特点。
ED区域通常位于燃料注入区域的下游。在夹心气化器中具有至少一个ED区域。在该区域发生的主要过程是蒸发和脱挥发组分。在该区域中，取决于燃料尺寸和特点，这些过程同时或顺序发生。总体过程是吸热的，并且需要的热由热反应物和/或燃料燃烧产物、传导和来自交界的高温氧化区域的辐射提供。该区域与至少一个氧化区域交界，如图7-11中所显示。
图8和11显示从气化器中的不同部分作为气化器中主要燃料分别注入但共享热氧化区域的放热曲线的多燃料气化方法的情况。多个主要ED区域称为ED-2、ED-3、ED-4等。这种燃料包括之前定义的所有非常规燃料，包括汽车整个轮胎、塑料、包含高无机物的有毒燃料，其需要温和条件用于无机分离等。在用于空气动力学推进设备比如排出器的氧化剂或载气的帮助下，脱挥发组分的产品转移至主要燃料脱挥发组分区域，用于进一步转化，或注入不同的氧化区域，如图11中所显示(INJOX-2和INJOX-3)。
在去除可分离的无机物，用于通过固化方法使有毒金属循环或用于分离应用(RX-2，图8和11)后，可燃的残留物注入主要区域(CX-2，图11)。这种转化的例子是整个汽车轮胎用作燃料，其中在脱挥发组分和软化轮胎之后，钢丝与碳或炭黑分开，并且接着将碳注入主要区域，实现完全转化。
该方法提供使用另一主要燃料(ED-1区域)以在缺少残留物的燃料情况下改进气化效率和生产清洁合成气的灵活性(例如，包含接近100%挥发物的塑料，需要在催化碳床上转化)。该特征使得应用夹在氧化区域之间的惰性床或催化剂床以获得由惰性固体组成的反应床中的均匀温度。如图7中所显示，必要的挥发物分布通过由夹心氧化区域中的主要区域(ED-1和/或ED-2)注入不同的挥发物馏分实现。该独特的方法目的是将高挥发物燃料在气化器中转化成清洁合成气，其在常规气化器中难以实现，在常规气化器中由于过多的挥发物冷却气化区域，其结果是挥发物保持未转化。
OX区域是特征性的高温区域，其中主要和次要燃料和/或来自这些燃料的脱挥发组分产品(挥发物和碳)和氧化的气化媒介之间发生氧化反应。本发明的特点为至少有一个与至少一个ED区域交界的OX区域，并且至少有两个与至少一个还原(RD)区域交界的OX区域(在下文中描述)。这些区域的主要目的是保持对于维持RD和ED区域中的吸热反应必要的放热曲线。
OX-1和其他氧化区域比如OX-2和OX-3之间的显著不同(图9-11中所显示)是主要的氧化过程发生在来自气相均质反应中ED-1(和多个主要燃料的情况下ED-2)的脱挥发组分产品之间，并且小部分的碳在OX-1区域的多相反应中被氧化，而在OX-2和OX-3区域(或OX-4等)中，碳和来自碳的气态吸收的产品首先被氧化，产生高于OX-1区域中的温度。另外，因为OX-2和OX-3区域实现更高温度的能力，这些区域可提供空气动力学泵入和分配入这些区域的来自ED-1和/或ED-2的脱挥发组分产品的转化，如图11中所显示。
在低ER操作模式(ER范围从接近零至0.25，低AFT但是高化学能；见图3和ER-5)中，一个OX区域的操作温度通过经热氧化介质的间接传热和/或通过使辅助燃料的热燃烧产品循环的间接传热而增加，所述辅助燃料可以为合成气或任何可燃的固体和/或液体和/或气态燃料-氧化剂系统，如图9中所显示。包含在来自间接传热单元的气态副产物中的未使用的热用于预热外部热交换器中的氧化剂，从而通过其直接注入气化器而增加合成气中的显热转化成化学能。间接传热设备中燃烧过程的流体动力学特征将增加反应床中的传热。设计间接加热器几何结构和热释放速率以及其在燃烧室中的位置，以便管道中热产品气体中的轻柔脉动(40-300Hz)将以与脉冲燃烧类似的方式造成边界层破碎，用于获得反应床中增加的传热。一个夹心区域中的热集成目的是使温度增加至高于在低ER下操作的局部床的AFT。
还原(RD)区域夹在氧化区域之间，如图7-11中所显示。在该区域中，来自夹心氧化区域(OX-1和OX-2)的燃烧产品和未转化的碳之间发生还原反应。反应物种类和它们的浓度以及在夹心中氧化和RD区域中界面处的环境温度和流体动力学条件依赖于氧化区域的过程。
如下考虑不同燃料的两个实施例以解释该过程。
实施例1是煤和生物质在大气压条件下的转化，其中空气为气化介质，具有两个还原和三个氧化区域(参见图8)。OX-1中脱挥发组分种类的部分氧化将产生具有烃和氧化的烃的种类作为前体，以及来自ED-1区域的大量未转化水蒸气。而在OX-2中，该种类主要来自包含不可避免部分的烃种类的部分多相碳燃烧。OX-2中碳-空气反应的AFT高于OX-1侧的AFT。因此该实施例显示在两个氧化区域界面处的还原区域是不同的。
实施例2，塑料(ED-2中)，生物质(ED-1中)作为主要燃料并且空气作为气化介质以及来自ED-2至ED-1的挥发物载体的转化将实现与实施例1类似的条件。
燃料注入
一个或多个燃料流的气化在相同的气化器中实现。注入的最大重量分数的燃料流定义为主要燃料，并且其他较小的燃料流定义为次要燃料流。
主要燃料被重力和/或机械地和/或空气动力学地(见定义)从位于气化器顶部的至少一个端口以顶部-向下注入模式中，强制进料(见图7-11)。在非重力场情况下，燃料进料由机械和/或空气动力学力以及相对地球表面的方位有效性辅助。在这种情况下燃料注入方位由朝着气化器中转化区域移动材料的所得最大力的正向限定。
次要的或较少的燃料通过重力和/或机械地和/或空气动力学地从与用于主要燃料注入的相同和/或不同的端口注入。另外，次要燃料可直接注入一个或多个转化区域，以便增加主要燃料流以及次要燃料流二者的转化。
取决于气化器操作压力，进料部的压力与具有气化流体的燃料注入室平衡，以便防止逆流情况。
气化器可转化复杂形状的燃料和/或所有流变学性质的液态和气态燃料。为了使用现成的燃料存储和进料系统，在常规设备的帮助下，大的燃料单元被破碎成小的尺寸。适当尺寸的燃料如上述和图7-11中所显示地注入。不同地处理具有困难的燃料或使它们的尺寸减小的成本低效的燃料。大尺寸的燃料比如汽车完整轮胎插入在气化器周围形成的加热的环形空间或室中，如图中8和11所显示，从而燃料脱挥发组分在该区域中发生。脱挥发组分的产品连同主要燃料被注入气化器用于进一步转化，和／或在环形室中形成的残留碳注入气化器
氧化剂注入
气化器发明由至少一个还原区域分开的至少两个不同氧化区域组成。在气化器中，有至少一个氧化区域，其与称为“OX-1”的脱挥发组分区域交界，如图7-11中所显示。氧化剂阶段地注入OX-1。第一阶段注入发生在称为INJOX-1A的脱挥发组分区域ED-1的上游，和第二阶段注入发生在区域INJOX-IB的ED-1和OX-2界面附近。
氧化剂在外部热交换器中预加热至范围从100℃至600℃的温度，然后注入。经INJOX-1A注入的热氧化剂帮助均匀地预热燃料床，将在ED-1中产生的脱挥发组分的产品运输至氧化区域并且在OX-1之前实现燃料和氧化剂的部分预混合。在大尺寸的燃料作为第二主要燃料注入区域INJF-2中的情况下，在从区域INJOX-IC注入的氧化剂或载气的帮助下，将来自在气化器周围形成的环形空间或室的脱挥发组分的产品注入气化器，如图8和11中所显示。来自环形空间的部分预混合的燃料-氧化剂或燃料-载气系统被注入气化器ED-1。经过INJOX-1A和INJOX-IC的注入模式和注入目的类似。
从INJOX-IB的氧化剂注入是为了稳定氧化区域的位置并且实现反应区域中的均匀分布。氧化剂从气化器的主要燃料进料区域端进料并且在沿着气化器的轴插入的多个沉浸(燃料床中)或嵌入的喷枪帮助下，在ED-1和OX-1之间期望的过度点注入，如图9和11中所显示。该喷枪的独特的几何结构和应用的目的是为了划分蒸发和脱挥发组分区域，以便避免复杂形状固体燃料的桥连并且保持平滑的燃料流。
喷枪由两个管或锥体形成，形成密封的环形空间用于氧化剂流入注入区域INJOX-IB并且使得固体流通过中空的中间部分。氧化剂在延伸上至氧化剂注入区域的喷枪的环形空间内流动。该布置的目的是提供足够的传热表面积以均匀加热燃料床，以便在外壳直径大于4ft的高燃料吞吐量气化器的情况下限制燃料流横截面面积。为了增加蒸发和脱挥发组分区域中的传热，辅助燃料的贫燃烧在喷枪的密闭环形空间中实现。加热的喷枪表面实现间接传热而富含氧化剂的热产品气体提供直接传热。喷枪的功能总结如下：
·用提供来帮助平滑燃料流并且避免在固体燃料情况下燃料桥连的喷枪外表面划分蒸发和脱挥发组分区域。
·提供用于注入湿润燃料的热冲击表面。
·提供足够的传热表面用于间接加热蒸发和脱挥发组分区域。
·均匀地在INJOX-1B区域中注入氧化剂，流过环形部分。
·提供振动表面用于启动气化器中的燃料流动。
·提供支撑表面和氧化剂源至以辅助燃料运转的并且用作燃料点火器和振动源的自吸式微脉冲燃烧室(MPC)。
如图9-11中所显示，分别用RD-1和RD-2夹心的OX-2和OX-3区域(并且可为OX-3、OX-4、OX-n)中的氧化剂注入位于残留物提取区域上。氧化剂通过与位于ED-1和OX-1中的那些喷枪(喷枪A)类似的喷枪(B)注入，除了氧化剂被注入是使得氧化和还原区域形成在内侧表面以及外侧表面。这些喷枪的几何结构(横截面面积)为使得床中的气态质量流量实现在喷枪还原区域(RD-2)中形成的合成气和热合成气的最大可能的化学能(例如，高浓度的H2、CO和CH4)，以通过直接传热增加RD-1区域温度曲线，因此形成增加吸热反应速率需要的均匀高温曲线。除了使用喷枪(B)作为氧化剂喷射器，高温管和炉篦(G)用于实现反应床中均匀的氧化剂分布。
图9-11不显示从喷枪(B)边缘的氧化剂注入，其可在其在其出口面形成氧化区域；但是，这种注入可生产多个夹心区域，其数量将等于反应器底部部分中喷枪的数量。
为了实现操作的MR模式(见术语中MR的定义)，氧化剂从炉篦或分配板注入，从而实现床(流化床或载流床)中期望的流体动力学。MR区域的放大图显示在图10中。MR区域的位置可在喷枪(B)的两侧上和/或在喷枪(B)的内部空间中，如本发明气化器的任何构造中所期望的。
作为喷枪注入系统的一种替代，使用固定的炉篦或移动的炉篦系统，如图7中所显示。这种系统中的氧化剂从炉篦的底部注入，并且氧化区域靠近炉篦上方注入口形成。这种气化器是单个夹心区域的例子，其中之前描述的OX-1区域喷枪系统保持相同。因此，本发明提供用夹心气化方法改造旧的炉篦熔炉。
提取区域
合成气、碳和惰性残留物从该区域提取并且分别由SGX-n、CX-n和RX-n表示，其中“n”是1或大于1的区域数。
SGX区域位于还原区域中并且是本发明主要实施方式之一。提取在高压和低压条件下流动方向上产生的负压差制造的流动条件下引起。在夹在热氧化区域之间的活性和热碳区域中焦油减少是从还原区域提取的主要益处之一。有一个或多个均匀尺寸的且对称分布的提取口，其位于两个不同氧化区域夹有的还原区域中。在具有多于一个还原区域的气化器的情况下，合成气从明显地位于各自区域中的一个或多个提取区域中提取。
提取口的位置和构造为使得合成气的主要组分倒转流动方向。这种流动调整预期使气化器中的原位颗粒夹带最小化。
在低吞吐量气化器的情况下，SGX端口位于还原区域所在的内侧气化器壁上，如图10中所显示。
在本发明中碳(CX)和惰性残留物(RX)提取从两个不同的气化器区域进行，从而期望的材料以需要的速率提取。这显示在图9-11中。气化器区域的夹心和在这些区域中注入不同氧化剂以及燃料类型的能力有助于为生产可用于整合的合成气和洗涤器流体清洁系统中的碳(碳和有机残留物)产生有利的条件。碳间歇式或连续地从CX区域提取，引入整合的清洁区域，并且由炉篦的机械运动和/或材料的空气动力学力引发的运动控制。来自清洁系统的用过的碳作为次要燃料注入气化器，分别在OX-1或区域INJF-1和/或INJF-2中，从而其经过蒸发和脱挥发组分区域，然后经过OX-1区域，并且在正常的夹心气化器操作模式下发生转化。
来自气化器的惰性残留物从区域RX提取，从而材料(大部分碳)的可燃组分接近零。其被实现，是因为残留物经过以逆流布置的碳的氧化产生的最热区域。在稳定状态操作下，保持燃料注入和惰性残留物提取速率，从而实现气化器之间的惰性质量平衡。
研究的实施方式允许在实现该平衡时精确控制，这是因为氧化剂类型和在逆流模式下其注入速率容易实现。在碳活性由于燃料的物理化学组成低或由于停留时间和/或温度而下降的具体情况下，高ER氧化可在RX区域中实现，从而实现完全转化。OEA或纯氧气的注入可在最靠近RX区域的氧化区域中获得需要的温度。取决于灰烬熔化温度，提取过程适合提取固体或熔融的液体。来自这种高ER区域的热气态产品被注入还原区域以通过增加温度利用促进这些区域中动力学必须的直接传热，如之前所述。
实施方式包括通过在与RX区域中交界的区域中分阶段注入氧化剂而活化碳。惰性残留物提取由活化的碳提取替换并且称为ACRX区域(图中未显示)。从CX区域的碳提取被组合或分开保持。
现参考图12，图解下述高湿气燃料的试验结果，其描绘在夹心气化模式中自持式气化期间获得的时间平均轴向床温曲线，所述高湿气燃料为：(a)木材生物质(松树)；(b)粉河盆地(Powder River Basin)(PRB)煤；(c)伊利诺斯州(Illinois)#6煤；和(d)无用垃圾(turkey litter)。另外，为了比较，将来自以非夹心或“典型的”下吸式气化器操作模式的气化器操作的结果图解在图12(b)和(c)中。如比较所显示，与夹心气化器的均匀的/平的温度曲线相比，观察到非夹心气化器操作的特征性高温峰，夹心气化器可提供有效的焦油裂化并且防止移动床中局部的熔块形成，该熔块形成在典型的常规下吸式气化器操作中观察到。
认识到夹心模式中氧化区域Ox-2可实现完全碳转化，不像典型的下吸式气化器——其要求从低温停顿反应区域去除未转化的碳。因此，夹心气化器中接近零的碳和焦油转化显示所有测试燃料的高效气化。例如，无用废弃物具有大于50%的惰性物质(43%湿气和13%无机物)并且仍在夹心气化器中自持式气化效率实现为75%和80%之间，其大大高于典型的下吸式气化器模式。实际上，典型的气化器模式的实验由于无用废弃物的高惰性含量不维持转化。
鉴于本文提供的教导，应当理解本发明的许多修改和变化对本领域技术人员将显而易见。前面是本发明具体实施方式的说明，但不意味着对其实践进行限制。因此，本申请应当被宽泛地解释。

Claims (16)

1.混合模式气化方法，其包括：
提供气化器，其具有至少两个针对不同气化介质的注入区域；
提供至少两种不同的气化介质；
提供至少两个高温氧化区域和至少一个吸热还原区域；和
独立控制所述至少两种不同的气化介质的体积和温度，
其中所述两个高温氧化区域连接在所述吸热还原区域的对侧上。
2.权利要求1所述的方法，其中所述两个高温氧化区域之一是碳氧化区域，碳氧化增加所述碳氧化区域的温度，用于实现平衡的气体组成。
3.权利要求2所述的方法，其中在所述混合模式气化方法期间燃料完全碳转化。
4.权利要求2所述的方法，其中所述碳氧化区域在所述吸热还原区域的下游。
5.权利要求1所述的方法，进一步包括替代地使用碳作为燃料增加燃料转化和合成气生产率。
6.权利要求1所述的方法，其中所述气化介质的至少之一选自空气、富含氧气的空气和蒸汽、纯氧气加蒸汽。
7.权利要求2所述的方法，其中熔融的灰烬在所述碳氧化区域的下游回收。
8.权利要求1所述的方法，进一步包括位于所述两个高温氧化区域上游的蒸发和脱挥发组分区域。
9.权利要求8所述的方法，其中所述蒸发和脱挥发组分区域临近所述两个高温氧化区域之一。
10.混合模式气化方法，其包括：
提供气化器，其具有至少两个针对不同气化介质的注入区域；
提供至少两种不同气化介质；
提供至少两个高温氧化区域和至少一个吸热还原区域；
独立控制所述至少两种不同气化介质的体积和温度，所述气化器具有在两个高温氧化区域之间的吸热还原区域。
11.权利要求10所述的方法，其中所述气化器具有邻近所述两个高温氧化区域之一的蒸发和脱挥发组分区域，并且在所述两个高温氧化区域的另一个的下游回收熔融的灰烬。
12.权利要求11所述的方法，其中所述两个高温氧化区域的另一个是位于所述吸热还原区域下游的碳氧化区域。
13.权利要求12所述的方法，其中所述碳氧化增加碳氧化区域的温度，用于实现平衡的气体组成。
14.权利要求12所述的方法，其中所述至少两种不同气化介质的一种被注入所述碳氧化区域。
15.权利要求10所述的方法，其中所述至少两种气化介质的至少一种选自空气、富含氧气的空气和蒸汽、纯氧气加蒸汽。
16.权利要求10所述的方法，其中所述两个高温氧化区域连接在所述吸热还原区域的对侧上。
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