CN103468319A

CN103468319A - 气化

Info

Publication number: CN103468319A
Application number: CN2013102855207A
Authority: CN
Inventors: M·多鲁; G·阿卡
Original assignee: ITI Energy Ltd
Current assignee: Warwick Energy Intellectual Property Co.,Ltd.
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2024-11-03
Also published as: DK1687390T3; US20060265954A1; WO2005047435A2; GB0325668D0; JP2011168790A; EP1687390B1; HK1090387A1; AU2009251077A1; EA200600910A1; JP4781274B2; AU2004288845A1; US20120311930A1; BRPI0416197A; EP1687390A2; JP2007510789A; ES2466165T3; AU2004288845B2; US8252072B2; EA009349B1; WO2005047435A3

Abstract

用于气化生物质和废物以产生可燃性气体流的气化器（1），气化器（1）包含：燃料阀（22），用来将固体燃料（11）装载入第一氧化区段（8）；第一喉口（2），形成第一氧化区段(8)的下边缘；第二喉口（4），形成第二氧化区段（14）的下边缘；还原区段（5），连接第一氧化区段（8）和第二氧化区段（14）；两个相对坐落（在还原区段）的涡流排出管道（18），用来排出可燃性气体流，其中，在第一氧化区段中气流与燃料流处于相同方向，在第二氧化区段中气流与燃料流处于相反方向；用该气化器使生物质和废物气化产生可燃性气体流的方法，以及使用它们在燃烧固体燃料如生物质、化石燃料、废物、或它们的组合中以产生可燃性气体用于产生能量。

Description

气化

本发明专利申请是国际申请日为2004年11月3日、国际申请号为PCT/GB2004/004651、进入中国国家阶段的申请号为200480039714.8、发明名称为“气化”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及一种气化器，一种操作该气化器以产生可燃气流的方法，一种包含所述气化器的新颖的气化系统和方法，和一种新颖的过滤器和将该过滤器应用于气体过滤的方法，特别是用于生产无焦油及水分的产物气体的新颖的过滤器和方法，以及一种用于该过滤器的新颖的聚合物。

气化器用于生物质（biomass）、化石燃料和单种的或混合的废料的气化以产生不同种类的可燃气体，这些气体可通过使用例如内燃发动机，燃气轮机，双-燃料柴油发动机和燃料电池来产生能量。

由于通过传统方法，例如用焚化法或填埋方法来处理废品的费用上升，以及对与这些方法相关的环境问题的关注使得人们对运用气化器处理废品的兴趣增加。

传统气化器一般用分批模式操作，其中由于炉渣和熔块的形成，以及形成了搭桥(bridge)，导致间歇性的气体和燃料流，这又与产物气体中焦油含量高有关系。此外，由于氧化区段的相对高的局部温度而在气化过程中形成的熔块不能被有效排除。高灰份燃料的气化会导致从气化器排出的残余物具有高碳含量，使其难以处理。由于这些困难，传统的气化器被运行直到燃料被完全气化然后才关闭以便人工除去在气化器高温区生成的炉渣和熔块以及高含碳量的碳灰。

气化器的分批操作所产生的另一个问题是，在起动阶段产生的不良的操作情况，如果气化器在正常使用的过程中在低温（<850°C）操作，产物气体的焦油含量会上升。产物气体中的焦油会在用于燃烧产物气体的燃烧装置的内部沉积，阻塞装置而使其需要清洁。目前与气化器连接使用的常用的动力和热发生装置不适于使用富含焦油和水分的产物气体。

本发明人发现，一种有两个氧化区段的气化器，其中在第一个氧化区段中，气体流的流向是向下的（和燃料流的方向相同），在第一区段下方的第二个氧化区段，气体流的流向是向上的（和燃料流的方向相反），可以解决已知气化器所遇到的许多困难。此设备可以称为“下-上互抽气化器”，以反映其向下和向上的气体流相结合的特性。

因此，本发明的第一方面是提供用于气化固体燃料而产生可燃气流的气化器，它包含用于将固体燃料装入第一氧化区段(oxidation zone)的燃料阀，用于限定第一氧化区段下边缘的第一喉口(throat)，用于限定第二氧化区段下边缘的第二喉口，用于两个氧化区段的空气吸入口，连接第一氧化区段与第二氧化区段的还原区段(reduction zone)以及两个反向安置的（位于还原区段）用于可燃气流的涡流排出管，其中，在第一氧化区段中，气体流的流向和燃料流的方向相同，在第二氧化区段中，气体流的流向和燃料流的方向相反。

本气化器的具体优点是它适用于连续操作，其方法是连续操作法，能够长期操作而不需要关机除去炉渣和熔块。这归因于一方面部分地由于气化的均匀性高使得气化程度高，另一方面由于在操作过程中能从气化器的底部除去灰和炉渣。另一个的优点在于，起动状态（这会导致产物气体的焦油含量的上升）的操作时间达到最小化。在本发明的气化器中，第一氧化区段的优选操作温度至少为1000°C，而还原区段在温度600－900°C间操作，优选在大约850°C操作，第二氧化区段在温度700－800°C间操作，优选在大约750°C操作。这保证了气化的均匀性。

较佳地，本发明的气化器还在第一氧化区段的上方还包含一个热解区段，和在热解区段上方含有一个燃料储存区段。在使用本发明的第二方面的此气化器的优选操作方法中，燃料在燃料储存区段被干燥，在热解区段被热解产生炭(charcoal)，然后产生的炭被部分氧化、还原和进一步氧化。燃料储存和/或干燥区段优选在80－120°C的温度操作，更优选在100°C操作。所述热解区段优选在500－700°C的温度操作，更优选在600°C操作。用于保持这些温度的热量由第一氧化区段提供。

较佳地，所述燃料储存区段包含一个具有加料阀并通向第一氧化区段上方炉篦(grate)的加料斗。

本发明第一方面的气化器在用于限定在气化器体内位于与排出管道大约相同高度的还原区段的充满微孔催化剂的套壁上有一个多孔部分。此多孔的套壁对在气化过程中产生的气体流进行清洁并高效地除去，缩短了其通往第二氧化区段的路程。

本发明的第一方面的气化器较佳地还包含连接于排出管上用来保持气化器低于大气压力的装置，这样空气能够通过适当的空气入口被吸入气化器。在低于大气压下操作气化器提供了一个故障安全的机制，使得万一保持低压的装置失灵，气化器内的燃烧过程会由于缺氧而暂时停止，防止产物气体发生危险的聚集。

通过主空气入口管的负吸入来保持气化器的空气进入。不断吸入的空气被导入位于氧化区段外圈的环形导管。所述环形导管在空气通过位于倾斜喉口的内表面的空气导入喷口被注入反应区之前对其进行预加热。这样，预加热的空气对喉口的气化器的金属表面也会起到冷却作用。

在本发明的气化器中，在第二氧化区段中的二次氧化的量被第二进气口阀允许的空气引入量所控制。

这样的气化器可应用于气化包括生物质、化石燃料、废弃物或上述的混合物的固体燃料以产生可燃气流。“固体燃料”可含有自身带有的液体（如水分，油、油泥），这些液体在固体燃料微粒内部或之间的微孔内。

因此，本发明的第二方面提供了使用本发明第一方面的气化器气化固体燃料以产生可燃气体流的方法，该方法包括如下步骤：在第一氧化区段内部分氧化固体燃料以产生炭，在还原区段内还原炭而产生灰份，在第二氧化区段内进一步氧化残留于灰份内的任何炭并通过排出管道提取(extract)上述步骤所生成的可燃气体流，其中在第一氧化区段中气体流的流向和燃料流的方向相同，在第二氧化区段中，气体流的流向和燃料流的方向相反。

较佳地，在大约850°C的温度下，从两个区段产生的可燃气体流在离开气化器之前穿过一个填充了微孔催化剂的打孔锥形环以裂解残余焦油。

用于本发明的气化器及气化方法的固体燃料较佳地包含生物质，例如液体废弃物，废油或石油矿泥，或化石燃料，或废弃物或上述的混合物，如上文所述，它们被吸收于适合的可燃载体的颗粒内或颗粒间的孔(theintra-or inter-particle pores)内。较佳地。该可燃载体具有高度的内空隙度，更好地为纤维形式以提供大的颗粒间空隙度。较佳地，将液体废弃物与载体混合并制成砖块以使组合燃料密度变大。

适用于本发明的气化器及气化方法气化的生物质可以包括传统的极不相同的来源，包括例如木头和木素纤维素，锯末，煤，坚果壳，下水道污泥(sewage sludge)，皮革废料，轮胎和塑料废料，城市垃圾或家庭残余物，橄榄核，油菜-籽粉，医院废料、鸡和家畜的厩肥和粪肥，屠宰场废料，变质的巧克力废料，牛脂，纸类垃圾，食品垃圾，甘蔗渣，废油，石油矿泥，煤粉，骨废料、农业剩余物和生物质与化石废料的混合物如石油矿泥与骨骼垃圾，下水道污泥，锯末或油菜籽粉的混合物。

适合的载体可以选自锯末，从屠宰场得到的压碎的骨骼废料，面包/食物废料，城市垃圾，干燥的下水道污泥，切碎的干草，油菜籽粉和甘蔗渣。

最好使用均一尺寸的燃料（如生物质或废弃的含碳物质）砖或丸以在气化过程中得到均匀的空气分布。还优选燃料砖的最大直径不超过气化器的最狭窄部分的八分之一，以防止搭桥的形成。

在此气化的方法中，所需的二次氧化的量取决于燃料的灰份中所含有的炭的量。高灰份燃料，如污物下水道污泥，皮革废料，石油残余矿泥，家庭废料（RDF），骨骼废料，鸡和家畜的厩肥和粪肥，在传统的气化器中，由于在主氧化区段中一些碳被灰份隔离而导致低的碳转化。

本发明的另一方面提供连续包含以下气化系统：本发明的气化器，水涤气器，聚合物过滤单元，风扇，另一个聚合物过滤单元和用于排出产物气体用来产生能量的装置，如一个通往清洁引燃部位的气流组套。

较佳地，本发明的系统包含一个起动阶段使用的过滤旁路。过滤器优选包含双过滤单元，两者串联工作，以在任何时候每个双过滤单元只有一半处于过滤工作模式，另一半则处于再生模式。

本发明的另一方面提供了用于上文所述的气化系统的操作方法，该方法包括气化上文所述的固体燃料，将产生的产物气体通过涤气器(scrubber)以清除微粒和水溶性毒素以及酸，一个过滤器用以吸收焦油和水分，一个风扇以使气体加速，一个第二过滤器用以进一步除去焦油和水分，从而产生用于清洁引燃的气体。水涤气器(water scrubber)的pH值是低的以除去气体中的酸。

较佳地，在起动阶段从水涤气器出来的气体经过第一过滤器。较佳地，任何时候气体经双过滤单元的一半过滤时，另一半处于再生模式，更佳地使用热的排出气体。具体的优点在于，从风扇出来的气体是高压的，从而在第二双聚合物过滤单元中对焦油和水分可以进行进一步的冷凝。

本发明的另一个优点在于本发明的系统和操作该系统的方法可生产适用于动力和热发生装置的低焦油和低水分，优选基本无焦油和水分的气体。

我们现在发现水分和焦油的提取可以通过使用微孔全开孔聚合物过滤器(microcellular open cell polymer filter)以得到进一步的改进。

因此，本发明的另一方面提供了一种聚合物过滤器，它包含微孔全开孔聚高内相乳液(microcellular open cell PolyHIPE)聚合物，所述微孔全开孔聚高内相乳液聚合物包括0.1－300微米（基本孔隙）的孔隙及任选的其它300-10000微米（聚结孔隙）的孔隙，其中聚合物用于从气体中有效吸收水和焦油，以及它的制备方法。

酸和中和后的盐的形式的磺化的微孔聚合物（也被称为聚HIPE聚合物）可被用作吸水材料。

这些聚合物可通过我们以前的专利申请（作为细胞生长媒质和新型聚合物的微孔聚合物，EP1183328;US09/856182）所叙述的方法制备。可使用具有基本孔隙和任选的其它聚结孔隙的聚合物用于水吸收。这些孔隙的种类如下所述：

基本孔隙(primary pore)，范围0.1-300微米；例如小孔径：0.1－0.5微米而大孔径0.5－300微米。

聚结孔隙(coalescence pore)，范围300－10000微米。聚结空隙尺寸优选为300－1000微米。

特定孔隙直径的聚高内相乳液(Polyhipe)可以用以下所述的方法得到。在全开孔聚合物中，孔间的联通被称为互联。聚高内相乳液可以具有任意所需值的互联（d）与孔（D）直径间的比例，如范围0<d/D<0.5，当孔直径小于大约200微米时，优选范围为0.1<d/D<0.5。互联可具有直径范围大至100微米，优选为0.001－100微米，更优选1－50微米。

聚高内相乳液可以在市场上购买或使用US5071474和这里援引的其他专利公开的方法以及下文所描述的方法制备。

可通过市场购买得到的普通的聚高内相乳液聚合物包含聚乙烯基聚高内相乳液(polyvinyl polyhipe)，它由油相单体苯乙烯，二乙烯基苯（DVB）和表面活性剂（Span80失水山梨糖单油酸酯）制备，并由单体的相对比例来决定其形态是刚性的还是柔韧的，在柔韧形态时，含有丙烯酸2-乙基己酯单体，在水相中，有一定量的过硫酸钾被用作水相引发剂。

然而，由于聚合物中硫的存在，将其用于气体净化对环境而言并不令人满意。因此，我们改用其他形式的微孔聚合物。

当使用有含硫基团的聚合物是不令人满意的时候，最好使用例如十二烷基过氧化物的油相引发剂（油相的1%）。

因此包含于本发明的过滤器中的第一种新颖的聚高内相乳液(polyHIPE)聚合物含有油相引发剂，较佳的是乳液的油相中含1%的1，1-偶氮双（环己烷甲腈）或十二烷基过氧化物。

包含于本发明的过滤器中的第二种新颖的聚高内相乳液聚合物含有能使聚合物吸附剂不产生乳液破乳的单体（如2-乙烯基-吡啶），其用量优选为5－10%。新颖的聚合物还可以包含单体（如丙烯酸2-乙基己酯）以提供弹性，提高机械震动吸收性，得到好的磨损性。弹性还可用于提高亲水聚合物的吸水能力。优选的丙烯酸2-乙基己酯的浓度值可高至Y=30%，但更优选的是Y=15%。

包含于本发明的过滤器中的第三种新颖的聚高内相乳液聚合物含有乙烯基吡啶单体（含有或不含有丙烯酸乙基己基酯单体）以“衣-芯(skin-core)”聚高内相乳液(polyhipe)结构的形式，其中，聚合物的“芯”被磺化，但“衣”未被磺化而仍然具有吸水性。这通过向聚合物的“芯”中注入少量硫酸，接着用已知方法进行磺化而实现。这保证了含硫部分被包裹而聚合物的该部分还能吸收水。

我们发现聚合物在“干燥阶段”不应被过分干燥。过分干燥导致聚合物吸水能力的下降，同时降低了吸水的速度。典型地，这些聚合物的吸水能力应为其本身重量的10－12倍。

本发明的聚合物可以是天然的或合成的，可溶的或不可溶的，可任选使用可（生物）降解的交联聚合物，较佳地选自蛋白质和纤维素，聚丙烯酰胺，刚性或柔性的聚乙烯基，聚（乳酸），聚（乙醇酸），聚己内酯，聚（丙交酯/乙交酯）和聚丙烯酰亚胺。

制备微孔聚高内相乳液聚合物的方法为：第一阶段，形成分散相在连续相内的高内相乳液(high inner phase emulsion)（HIPE），其中分散相可以是空的或可含有溶解的或分散的物质，而单体，寡聚物和/或预-聚合物存在于连续相中，在第一阶段通过以下的方法均质化和聚合化：在受控的温度和受控的混合下，将控制剂量的分散相导入连续相中以形成乳液，然后在受控制的形变下在受控的时间内使其均质化，以及在受控的温度和压力下聚合化。

类型-1孔隙（基本孔隙）：此为基本孔隙结构，其尺寸在形成PHP的乳化阶段被决定。因此，孔径主要取决于乳化的形变（流动）历史。在聚合时保持这些孔隙完整性，互联就形成于此阶段。取决于油相和水相的化学成分，相体积和聚合条件如温度及压力，相互联的尺寸可控制于0<d/D<0.5的范围。

类型-2孔隙（聚结孔隙）：此类孔隙结构通过在聚合过程中对类型-1孔隙的受控聚结而得到。在PHP乳液中的分散相小液滴通过向水相中加入水溶性聚合物，或向油相中加入轻度亲水的油（如苯乙烯氧化物），或提高乳液中单体的浓度来进行聚结。在此情况下，互联尺寸与形成包含聚结孔隙的基质的类型-1的孔隙的尺寸相同。但是，由于与基本孔隙相比聚结孔隙非常巨大，所以d/D比非常小。

当使用极高形变率的流动（此时流动主要是拉伸流动）并且乳化温度尽可能低时，可得到极小孔径（0.1－0.5微米）的乳液。大孔径乳液（0.5－300微米，例如接近200微米）可通过在高温和仅高于临界形变率（在此形变率以下，乳液会完全或部分地反转为，例如，水包油型的系统）下得到。临界形变率可通过改变，例如在混合一个给定的系统的过程中的加料速度或形变率来测定。这些乳液也应主要使用剪切流在短时间内进行加工。

非常大孔径乳液（300到10000微米，优选到1000微米）可通过在聚合中控制孔隙的聚结的方法得到。有两种方法可达到受控的聚结：（1）在水（分散）相中加入已知量的水溶性聚合物或（2）通过向连续的油相内加入“填料”溶质。这两种方法中，这些添加剂的浓度和种类是重要的。当浓度低时，这些添加剂可导致得到具有一些所要求性能的具有1－200微米的孔的聚高内相乳液聚合物。如果浓度高于某一值，就开始形成聚结孔隙。在此情况下，孔径由开始聚结前的孔径大小，聚合温度，浓度，分子量和添加剂的种类决定。

乳液可通过形成连续相和分散相的任何所需的不可混溶相得到，优选是从水相和非水相来得到，更优选是从水相和油相来得到。所得到的乳液可以是油包水乳液或水包油乳液。

通过向连续相中受控投入分散相，可以得到所需的乳液。在一个分批混合器中，分散相用单个或多个进入点从混合器的底部投入。多进口加料导致较大孔径的乳液。如果加料速度很快，由水相的喷射而产生的混合过于激烈，从而使乳液孔径减小。因此，这种多加料点和相对长的加料时间可产生大孔的乳液。加料完毕后，乳液需要均质化，但均质化时间长了，就会导致乳液孔径减小。

前面所说的受控混合可为临界的或延展的。临界混合指充分混合以使水相分散到油相中而没有反相。临界混合通过使用均匀混合场来得到，这样孔径基本上是均匀的，可防止破乳和反相。

混合可通过能提供一个大体上遍及两相总体积的均匀混合场的任何装置来进行，较好是用多叶桨，多喷口及类似的混合。

我们以前发现，与US5071，747所述相反，通过将混合强度最小化可得到大孔隙直径的稳定乳液。因此，通过投料，均匀混合以及类似方法可无需强烈混合就得到稳定乳液。均质化可通过使用一个泵，例如齿轮泵或螺纹泵在一个外置环圈内进行，此泵也可连接在一个静的或动力的混合器上。适用于此种均质化的静的或动力的混合器的种类在以下文献有所叙述：Akay,G.;Irving,G.N.;Kowalski,A.J.;Machin,D.“用于生产液体组合物的动力混合装置”。美国专利6,345,907,2002年2月12日，和Akay,G.“加工流体材料和微孔聚合物的方法和装置”。国际专利申请.PTC公开WO2004/004880，2004年1月15日。

投料，乳化和均质化可在由最终的聚高内相乳液聚合物的孔径所决定的任何合适的温度下进行。如果所需孔径大，选用较高温度，但温度要低于最低沸点相的沸点。水相作为最低沸点相，沸点约为100°C。业已发现，本发明使用60°C或更高的乳化温度时得到聚合物的孔径超过60微米。在60°C以上升高乳化温度导致孔径剧烈增大，增大值大于在60°C以下升高类似的温度所达的孔径的增加值。

最高乳化温度可大于沸点最低相的常规沸点，例如沸点最低相可包含任何适用于提高沸点的成分。较佳的是，在水相中包含在100°C下稳定并惰性的电解质。通过此方法，当温度在单体沸点之上时，此工艺过程最好在升高的压力下进行。制备高孔径乳液的温度较佳的是在70－110°C。

通过使用封闭的连续工序装备，将压力升高至大气压之上，乳化及其后的聚合化可在高于水相或连续相物质的正常沸点的温度下进行。

所述方法可使用另加的水相或油相引发剂，交联剂，填充剂等进行，较佳地，这些在上文所述的最高操作温度下是稳定的。引发剂，交联剂等的选择参考乳化和均质化的相的可接受的粘度来决定。通过使用一定比例的预聚合物和部分交联的预聚合物，减少所需交联剂的用量是可以接受的，还可选用适当的油相填充剂以增加油相的体积并降低有效粘度。

本发明方法的特征在于，将油相引发剂与本领域已知的水相引发剂一起使用或用油相引发剂代替本领域已知的水相引发剂。水相引发剂可在较低温度下操作，包括过硫酸盐钠或钾。为在升高到大于80°C的温度下操作，油相引发剂优选使用例如1，1-偶氮双（环己烷甲腈）或十二烷基过氧化物。

交联剂可以是例如二乙烯基苯（DVB）。如果聚高内相乳液要求是可以生物降解的，则可得到可水解的交联剂。这些交联剂是二丙烯酸乙二醇酯，N-N’-二烯丙基酒石酸二酰胺，N-N（1，2，二羟基乙烷）-双-丙烯酰胺，和N-N’-N’’-三烯丙基-柠檬酸三酰胺。然而，在可生物降解交联剂的情况下，聚合物自身应该是可被生物降解的。这些聚合物为聚（乳酸），聚（乙醇酸），聚ε-己内酰胺和聚丙烯酰亚胺。

当需要水溶性聚合物以形成微孔结构时，它们需要被交联。在这类聚合物的情况下，单体（如丙烯酰胺）被溶解于水中，在适当的表面活性剂，引发剂和交联剂的存在下，通过将此单体溶液加入一种例如己烷或甲苯的烃液体，可形成HIPE乳液。

蛋白质和纤维素也可以构成微孔状结构。这种情况下，将这些材料与适当的乳化剂溶解于适当的水相（水用于蛋白质，Schweiter试剂，Cu(NH₃)₄(OH)₂用于纤维素）再加入到碳氢化合物液体中以形成水连续的HIPE。交联通过将HIPE浸入到戊二醛（用于蛋白质）或酸溶液（用于纤维素）中来完成。

此方法包括在聚合之前或之后加入上文所述的任何合适的改性剂(modifier)。例如改性剂可以被导入分散的水相并加入到上文所述的连续相中。或者可进行一个聚合后的改性阶段，这可以容易地采取以下方式：除去表面活性剂，电解质，未反应的单体，然后在现存的聚合物表面涂层，进一步聚合或反应。改性试剂和改性工艺为从事此工艺的人所熟知。

对于要聚合的各个单体，寡聚物和或预聚合物，在本领域知的已知的反应时间和温度条件下进行聚合。

较佳地，聚合物在各自的塑模中聚合从而会形成“皮”。这对防止在填装床(packed bed)中使用时聚合物的磨损是有益的。其他的将聚合物切割成填料的方法使聚合物碎片化为小颗粒。

本发明的另一方面提供一种新颖的聚高内相乳液（polyHIPE）聚合物，它包含聚乙烯基聚高内相乳液，由油相单体苯乙烯，二乙烯基苯（DVB）和表面活性剂（Span80失水山梨糖单油酸酯）组成，另外还含有单体（如2-乙烯基吡啶），以使聚合物具有吸水性但不会导致乳液的分离，其较佳用量为5-10%和/或单体（如丙烯酸2-乙基己酯）以提供弹性，提高机械震动吸收性，得到好的磨损特性，其特征在于聚合物具有0.1-300微米的孔隙，例如0.1-0.5微米直到高至200微米的基本孔隙，当共聚单体的浓度高时，可形成高至10，000微米，例如高至1，000微米的任选的其它聚结孔隙。本发明的另一方面提供如上所述的气化器的用途，气化的方法，气化系统和方法，气体过滤器和在固体燃料气化中的新颖的聚合物，以产生用于产生能量的可燃气体，例如使用内燃气发动机机，燃气轮机，双-燃料柴油发动机和燃料电池。

本发明的具体实施例以及进一步的特点将在下面结合附图来加以描述：

图1为示意图，示出了本发明的气化器。

图2为气化系统的示意图，其中有位于图1中的本发明的气化器。

在图1所示的气化器1可以被细分为五个总的区段。在气化器的上端（在那里燃料通过一个顶部燃料空气锁定旋转阀(air-lock rotary valve)22被加入）是燃料储存和干燥区段6。此区域的下方为热解区段7。

第一氧化区段8位于热解区段7的下方，空气通过在第一空气分布喉口2（它形成了此区段的下边缘）和在还原区段5的上端部分的空气进气喷头12供应到第一氧化区段8。此喉口的倾斜角度10为10－40°，较佳地大约20°，以帮助燃料被倾倒入气化器，并能被扳成弯状(be curved)（如图示）。大于40°的角度会导致妨碍燃料流动。喉口2刚性地焊接在气化器1的内表面上。

中央空气喷嘴组件(central air nozzle set)24可以帮助空气在第一氧化区段的分布。当喉口的直径超过约0.5米时特别有用。此喷头较佳地置于第一空气分布喉口2的中央上方。空气通过位于第一空气分布喉口2和气化器外壳之间的环形导管23供应到进气口喷嘴(air intake nozzle)12。空气通过主进气口阀(air intake valve)9进入环形导管23。如果存在中央空气喷嘴组件24，其空气通过与主进气口阀9连接操作的阀25来提供。

当气化器没有中央空气喷嘴组件24时，优选约三分之二的进气口喷嘴12位于倾斜的喉口2的表面上，其余三分之一位与还原区段5，在多孔件3的上方至少20厘米（见下文）。当中央空气喷嘴组件24存在时，则在每个区域具有相同数量的喷嘴。

喉口2通向还原区段5，还原区段5以圆锥形管道的形式下降到第二氧化区段14。围绕还原区段5的圆柱体有多孔的催化壳件(perforatedcatalysis shell part)3，为的是清洁以及允许逸出的产物气体13直接进入位于气体排出管18高度的第二氧化区段。多孔的催化壳件3与垂直方向所成的角度为10-40°，较佳地大约为20°。

第二氧化区段14具有通过位于用于形成该区域下边缘的第二空气分布喉口4的空气喷嘴17向它提供空气15。此喉口也以10－40°的角度16倾斜，较佳的是约20°，以便于燃料的流动，此处也用对第一空气分布喉口2的倾斜角度的同样的考虑。喉口4刚性焊接于气化器1的内表面，并且最好与第一空气分布喉口2排列成一行(align)，更好是与之对称。此处使用的术语“对称”一词是指两个喉口2和4有相同的形状并大约位于共同的垂直轴上。

空气通过形成于第二空气分布喉口4和气化器外壳之间的环状导管26提供到进气口喷嘴17。空气通过第二进气口阀15被导入该环状导管26。

在气化器1的底部，安排有一个螺旋运输机(screw-conveyor auger)19，用于除去气化工序最后残留的灰份－矿渣混合物。灰份通过使用顶部装有一个滑门阀21的空气－锁定旋转阀20排出。

在气化器内产生的气体通过一使用吸气扇(gas suction fan)（图2）优选保持在一较低的压力，即低于一个大气压的双涡流排出管道(double vortexdischarge pipe)18被移去。

气化器1的上端部件6，7，8，5以类似传统的下吸式气化器的方式操作，而气化器反应器1的下端部件14用类似上吸式木炭气化器的方式操作。

第一氧化区段8和第二氧化区段14的横截面小于燃料储备区段6和热解区段7的横截面。为了保持贯穿这些区段的温度分配的均匀性，还原区段5的横截面小于第一氧化区段8和第二氧化区段14的横截面。

对于本发明气化方法，优选使用燃料11（如生物质或废弃含碳材料）的均匀尺寸的压块或压丸以得到位于还原区段5上方的喉口部分中的均匀的空气分布。燃料压块的最大直径优选不大于气化器1的最狭窄部分的八分之一，从而防止第一氧化区段8于喉口2上方形成搭桥。

气化器的各处可配备热电偶（未图示）从而对气化工序进行监控。也可以装备一个摧毁搭桥的拨火杆(poker)和/或振动器（未图示）用来摧毁在第一氧化区段8于喉口2上方的搭桥或阻止灰份的积聚。拨火杆和/或振动器可安排在气化器1的顶端外部。

图1所示的气化器1在通常耗时5－15分钟（取决于燃料消耗）的起始点火和起动后就连续操作。

天生致密的或致密化后的生物质和/或废弃物（含碳燃料）从顶部燃料阀22加入到气化器1。固体燃料加料完毕后，燃料阀22和除灰阀21暂时停止并密封，连接于排出管18的气体吸入泵（图2）开启，使反应器达到低于大气压的5－10毫巴的压力，此时，主要摄入空气通过打开控制阀9和25经环状导管23被导入氧化区段8，位于环状导管23内作为点火装置的气体燃烧器（未示出）点燃并加热在氧化区段8中的燃料，直至燃烧开始。

进气口喷嘴12和24的分布允许空气均匀渗透入氧化区段8以支持燃料的燃烧而得到高而均匀的温度（>1000°C）。

一旦第一氧化区段达到1000°C以上的操作温度时，外部点火停止。同时，通过使用适当的金属基催化剂，多孔催化夹套(perforated catalysisjacket)3被活化以允许热的产物气体通过。这种气化器1内的内部微孔催化安排使得在气体离开气化器前产生无焦油的产物气体13。第一氧化区段的操作温度以及相应的气化器的物料通过量由增加或减少进气口(airintake)9加以控制。通过控制进气口9，15和25，气化器1可以高效地在低至其最大物料流通能力的20％时操作。

在第一氧化区段8中达到的高温由于向上的热辐射而导致热解区段7的温度达到大约400－600°C，干燥区段6的温度达到约100°C。

在大约耗时20分钟的热解过程中，致密的均匀尺寸的燃料11释放出可燃气体并在无氧气供应时产生碳。以下的反应典型地发生于热解区段内：

碳的形成

0.17C₆H₁₀C₅→C+0.85H₂ ΔH_300K=-80KJ/g mole

水-气变换

CO+H₂O→CO₂+H₂ ΔH_300K=-33KJ/g mole

甲烷的形成

CO+3H₂→CH₄+H₂ ΔH_300K=-205KJ/g mole

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O ΔH_300K=-192KJ/g mole

2CO+2H₂←→CH₄+CO₂ ΔH_298K=-247.3KJ/mol

碳由于自身重力而下落到第一氧化区段8，然后到还原区5，在那里在高温下分别发生放热反应和吸热反应。

以下是发生于氧化区段8内的典型反应：

部分氧化

C+1/2O₂→CO ΔH_298K=-268KJ/g mol

CO+1/2O₂→CO₂ ΔH_298K=-285.0KJ/g mol

H₂+1/2O₂→H₂O ΔH_298K=-241.8KJ/g mol

在至少1000°C操作氧化区8的优点是在热解区段7产生的热解气体中的任何焦油都会某种程度地裂解而产生短链碳氢化合物。

在还原区段5（也经常被称为气化区段），生物质碳通过与上述6，7，8区段产生的热气体反应而被转化为产物气体。

以下的反应典型发生于还原区段5内：

甲烷的形成

C+2H₂→CH₄ ΔH_298K=-74.9KJ/mol

Boudouard反应

C+CO₂→2CO ΔH_298K=-172.5KJ/mol

水气反应

CO₂+H₂←→CO+H₂O ΔH_298K=-41.2KJ/mol

C+H₂O←→CO+H₂ ΔH_298K=-131.3KJ/mol

然后这些区段所产生的产物气体被吸收经过处于围绕还原区5的壁内的充填高活性微孔催化剂的多孔夹套3并从排出管18被排出气化器。使用处于围绕还原区段5的壁内的多孔部件3使得产物气体能裂解剩余的焦油。它也能降低产物气体所携带的灰份和微粒的量，尤其是在第二氧化区段14，然后被带出气化器1。

在还原区段5中没有完全气化的剩余碳颗粒落到第二氧化区段14用于第二次燃烧并将灰份中存留的任何碳气化（通过与发生于第一氧化区段8中相似的反应）。第二燃烧室14产生的产物气体由于对排出口18所加的负压而直接上输到排出口18。所需的二次氧化量取决于燃料灰份中残存的碳的量。高灰份燃料，如下水道污泥，皮革废料，石油残余矿泥，家居垃圾（RDF），骨粉，鸡和家畜厩肥，通常在传统气化器中产生低的碳转化，这归因于一些碳被在主氧化区段内的灰份所分隔。在本发明的气化器中，第二氧化区段14中的二次氧化量被第二进气口阀15所允许进入的空气量所控制。

第二氧化区段的操作一般在650－850°C下进行。热的可燃气体的混合物（大约450°C）在经过多孔催化区3后从排出管18离开气化器1。在图2中，可能含有少量焦油（少于20－50毫克/立方米）和微粒物质的产物气体被排入旋风分离器以除去微粒和飞尘，然后通入到一个或多个热交换器及具有最终气体过滤器的气－水涤气器中作进一步处理，例如以沉淀去产物气体中的任何焦油或水分。

在气化器1的正常操作中，灰份螺旋运输机(ash auger)19和旋转阀20以适当的转速连续工作以使得矿渣被从反应器中提走从而使得气化过程不受干扰。灰份螺旋运输机19的操作模式取决于气化的生物质和/或废弃物的灰份含量。

较佳地，气化器的操作使灰份和从气化器除去的渣中的碳含量达到低于3%。

图2说明了一个连续包括以下部分的气化系统：本发明的气化器，水涤气器，一个串连运作的双聚合物过滤单元，一台风扇，再一个双聚合物过滤单元和排出用于产生能量的产物气体的设备。

如果需要，从水涤气器出来的气体也可从支路通过优选为两个聚合物箱式过滤器形式的第一双聚合物过滤单元（这可能在当焦油含量高时的起动阶段发生）。在正常操作中，当气体通过一个聚合物箱式过滤器时，在第二个聚合物箱式过滤器中的聚合物通过被吹入从内燃发动机中排出的热排放气体而再生。再生可在80°C进行，而气体净化在低于40°C下进行。在第二个箱式过滤器中的聚合物的再生过程中，排放气体通过聚合物吸收被净化，微粒物质也被截留。

该串联过滤在风扇出口被重复进行，在那里由于高压导致更多的焦油和水分冷凝在进行水和/或焦油吸收的第二双聚合物过滤单元中。在气体被注入内燃发动机前对气体的温度有所限制。优选的温度约40°C。因此，从风扇出口出来的气体可能需要冷却。这有助于焦油和水分被位于风扇出口处的箱式过滤器中的微孔聚合物除去。

以下用实施例说明本发明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1---操作本发明气化器的方法

1．起动

起动阶段包括所需的全部操作，直到达到发动机所需的气体质量稳定并且不间断的稳态。将预先称重的生物质燃料的批量装入进料斗到预定的水平。然后，打开空气扇和水涤气器循环泵的开关。用固体燃料点火器在炉篦上点燃燃料。

2．气化器操作

被测量的数据有燃料流速、气体流速、气体组成、温度和压力。对于入口空气、干燥区段、热解区段、喉口和涤气器出口每15秒钟用数字变换器(digital converter)类似物记录温度。在气化器和水涤气器出口还测量压降。通过安装在抽吸扇后面的气体流量计测量产物气体流速。通过从气化器和水涤气器出口取得的气体样品测定产物气体中焦油和冷凝物的量。

用作过滤器的干净干燥木片和木炭分别放置在箱式过滤器的托架上。将气体流量计调节到所需的流速。接通空气扇的开关，接着接通在水箱侧面的循环泵（水涤气器泵），然后，点亮用来点燃产物气体的引火灯(pilotlighter)。用安装在抽吸扇后面的气体流量计测量产物气体流速。用循环扇（气体增压扇）来提供抽吸作用，循环扇通过耦联在气化器上的发动机来发动，以便把产物气体从气化器中抽出，经过涤气器上升到炉身，在此被引火灯点燃。用热电偶在六个不同的位置连续测量温度，数据记录在计算机中。

3．气体的洗涤

用一个U-形管装置收集焦油和冷凝物，洗涤用于气体分析的气体样品。该U-形装置基本上由一个连接到塑料管的5毫米直径的不锈钢取样探头构成。它含有两个Pyrex“U”形管，串联起来用来捕获焦油和水分。第一个捕获阱含有小直径的球形玻璃珠，用来为湿的发生炉气体(producer gas)提供大的表面积，第二个捕获阱在两片玻璃毛之间含有硅胶。用真空泵(AEI BS2406型号，0.25马力)把气体从取样管抽吸过来。在U-形管和真空泵之间安装一个转子流量计(MFG Fischer,10升/分钟)。记录气体以恒定流速流经该管的时间来测量发生炉气体的焦油含量。

4．关闭

关闭操作包括全部动作以安全地封闭气化器。计算机、水涤气器、气化器空气喷嘴、锅炉的循环扇和排气扇以有序的次序关闭，用次级天然气燃烧炉使尾气燃烧器继续工作，直到没有可燃气体产生。

5．数据处理

为了完全的质量平衡，洗涤程序包括收集焦油、碳、灰份和冷凝物所需的全部程序。在反应器冷却后，从灰份室收集灰份和碳并测定它们的量。最后，打开气化器的顶板，小心取出所有没有消耗的甘蔗渣并检测之。通过将已消耗的甘蔗渣总量除以气化器的总操作时间计算燃料的平均进料率。

6．燃料制备

在气化过程中，为了达到通过反应器的连续气流并为下游能量转换工艺提供可靠的产物气体组成和热值，生物质燃料的一致性是很重要的。而且，生物质燃料的致密化降低了反应器的尺寸，而致密化燃料的形状和尺寸降低了气体和燃料流速的波动起伏以及其后的产品质量的波动。对于已经是致密的生物质燃料如木片，进一步的致密化虽并非必需但也是所希望的。然而，对于内容变化很大而且堆积密度低的燃料如城市固体废物来说，致密化是绝对需要的。所以，城市固体废物在除去金属和玻璃后，或者加热处理以得到富含纤维素的粉末，或者切碎然后压块使燃料致密化。

当要被气化的材料是液体，如炼油厂油泥(oil sludge)时，或者使它干燥成为固体材料，或者使它和固体载体（最好是生物质）混合。所用的一种生物质是含有大量钙的骨粉，因此，用它可通过形成硫酸钙除去油中含有的硫。

7．气体的分析

使用气相色谱仪(岛津GC-8A)，用氦气作载气分析气体样品。气相色谱(GC)具有双柱(chromosorp101和分子筛)和热导性检测器。影响保留时间的参数和各柱的气量表示在表4.1中。气体同时通过U-形管装置测定在

所产生的湿气体中焦油和冷凝物的量。在整个实验中时时测量实验装置周

围的空气湿度以便精确计算质量和能量的平衡。

实施例2---各种固体原料气化的结果

表2A燃料输入

表2B气化器输出

表2C烟道气排放值（毫克/米³）

表2D温度分布

实施例3---各种原料的气化结果

表3A燃料输入

表3B气化器输出

表3C烟道气排放值（毫克/米³）

表3D温度分布

*RDF/MSW:城市固体废物

结论

如表2A和2B所示，所有操作均具有良好的温度控制，所有燃料在第一氧化区的喉口温度(throat temperature)都是约1000°C。产物气体性质优良，在所有的情况下均具有为此后的燃烧所需的良好的燃料组成。特别是所有的燃料都表征为6兆焦耳/米³，超过在燃烧发动机中的燃烧所需要的最小值4兆焦耳/米³。

如表3A和3B所示，这适用于清洁燃烧，以产生低排放，例如：

NO_x5毫克米³，SO₂7毫克/米³和痕量水平的NO₂和NO。

实施例4---用于本发明过滤器的聚高内相乳液聚合物的制备

油相和水相的组成如下：

油相：

苯乙烯单体：（78-X-Y-Z）%

2-乙烯基吡啶单体：X%

丙烯酸2-乙基己酯单体：Y%

油相可溶性引发剂：Z%

二乙烯基苯（交联剂）：8%

脱水山梨醇单油酸酯（Span80非离子表面活性剂）：14%

水相：含Z%过硫酸钾的水。

水相的优选相体积是80-95%，更好的是90-95%。

包含高浓度的2-乙烯基吡啶单体会导致破乳。因此，优选的X值为5-10%。

使用丙烯酸2-乙基己酯是为了使微孔聚合物有弹性。聚合物的弹性产生更好的机械冲击吸收能力和良好的磨耗特性。弹性对提高亲水聚合物的吸水容量也是有用的。丙烯酸2-乙基己酯浓度的优选值可高达Y=30%，但更为优选的是Y=15%。

水相和/或油相可溶性引发剂的量为Z=0-1%。

当不使用含硫的水相引发剂（过硫酸钾）时，存在油相引发剂。

乳液的制备在批量混合器中由油相和水相以预定的速率投料进行，同时乳液以恒定的旋转速度搅拌。投料速率、形变率、混合速率作为各相体积、批量混合器和叶轮的直径、叶轮旋转速度和匀化时间的函数预先确定。

为了消除不同的混合条件产生的性能差异，我们通过以下参数来表征所述混合：

投料速率：R_D=V_A/t_D

投料过程中的形变率：R_E=V_A/(t_DV₀)

混合速率：R_M=D₁Ω/D₀

式中：

V_A=时间t_D期间加入的水相的体积

V₀=批量混合器中放置的油相的体积

D₁=叶轮的直径

D₀=批量混合器的直径

Ω=旋转速度

我们还规定t_H为匀化时间，t_τ为总混合时间。

t_τ=t_D+t_H

两个平桨式叶轮（直径8厘米，宽度1.4厘米）用在8.5厘米直径的混合槽中。叶轮间隔1厘米。将25毫升油相放在槽的底部，用4个进料点投入225毫升水相。水相温度在-1.0到80°C的范围。

在用乙烯基吡啶制备聚合物时，聚合在40°C进行8小时，接着在50°C进行8小时，最后在60°C再进行8小时。这确保了在聚合过程中乳液不会失稳定化。我们发现，在“干燥阶段”中聚合物不应该被过度干燥。过度干燥造成聚合物吸水能力下降以及吸水速度下降。一般，这些聚合物的吸水容量为其自身重量的10－12倍。

Claims

1.用于气化生物质和废物以生产可燃性气体流的气化器，该气化器包含：

(a)向在第一氧化区段上方的热解区段提供固体燃料的固体燃料阀和提供氧气以燃烧第一氧化区段中的燃料的空气入口；

(b)限定第一氧化区段的下边缘的第一喉口；

(c)限定第二氧化区段的下边缘的第二喉口；

(d)连接第一氧化区段与第二氧化区段的还原区段；

(e)用于排放可燃性气体流的涡流排出管道；其特征在于，在第一氧化区段和还原区段中，气流与燃料流处于相同方向，在第二氧化区段中气流与燃料流处于相反方向，第一氧化区段的横截面积小于热解区段的横截面积。

2.如权利要求1所述的气化器，其特征在于，在热解区段的上方还包含燃料储藏和干燥区段。

3.如权利要求1所述的气化器，还包含空气分布喷嘴，用来向第一和第二氧化区段提供空气，其特征在于，所述的喷嘴安装在第一喉口、还原区段的上半部、以及第二喉口中。

4.如权利要求1所述的气化器，其特征在于，在第一氧化区段的上方还包含一组中央空气喷嘴组件，用来向第一氧化区段提供空气。

5.如权利要求1所述的气化器，其特征在于，微孔催化剂区段被安装在还原区段的下方，并将第一氧化区段与排出管相连接。

6.如权利要求1所述的气化器，其特征在于，在第二氧化区段的下面还包含无炉篦排放装置。

7.如权利要求6所述的气化器，其特征在于，该无炉篦排放装置包含螺旋运输机。

8.如权利要求的1所述的气化器，其特征在于，所述气化器具有垂直轴，所述第一或第二喉口以与垂直轴成10－40°之间的角度倾斜。

9.如权利要求1所述的气化器，其特征在于，第一喉口和第二喉口互相对称地安装。

10.如权利要求1所述的气化器，其特征在于，还包括连接在排出管上的气体吸入泵，以便将气化器中的压力维持在大气压以下。

11.如权利要求2所述的气化器，其特征在于，所述第一和第二氧化区段的横截面积小于燃料储藏区段的横截面积，所述第二氧化区段的横截面积小于热解区段的横截面积。

12.如权利要求11所述的气化器，其特征在于，所述还原区段的横截面积小于第一和第二氧化区段的横截面积。

13.一种气化系统，它连续地包含以下部分：权利要求1的气化器、水涤气器、以串联方式工作的第一双聚合物过滤器单元、风扇、以串联方式工作的第二双聚合物过滤器单元、以及将产物气体排出用以产生能量的出口，所述出口连通到清洁引燃部位，从而以在任何时候每个双过滤单元只有一半处于过滤工作模式，另一半则处于再生模式。

14.如权利要求13所述的气化系统，其特征在于，所述过滤器是箱式过滤器，所述箱式过滤器包含微孔聚高内相乳液聚合物，该聚合物包含0.1－300微米的基本孔或300－10000微米的聚结的孔隙，用以吸收水和焦油。

15.如权利要求13所述的气化系统，其特征在于，还包括由可燃性气体产生能量的内燃气发动机，燃气轮机，双-燃料柴油发动机或燃料电池。

16.如权利要求5所述的气化器，其特征在于，所述催化剂是多孔的催化夹套。

17.如权利要求8所述的气化器，其特征在于，所述第一或第二喉口以与垂直轴成10-40°之间的角度倾斜。

18.如权利要求13所述的气化系统，其特征在于，所述出口是气流组套。

19.如权利要求13所述的气化系统，其特征在于，所述过滤器是箱式过滤器，所述箱式过滤器包含微孔聚高内相乳液聚合物，该聚合物包含0.1－300微米的基本孔或300－10000微米的聚结的孔隙，用以吸收水和焦油。

20.如权利要求19所述的气化系统，其特征在于，所述聚结的孔隙约为1000微米。

21.如权利要求14所述的气化系统，其特征在于，所述聚结的孔隙约为1000微米。