CN1034748A - 由粉碎的生物废料生产气体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

由粉碎的生物废料，例如稻草，生产气体的方法 和设备，在该方法中，把粉碎的物料尽可能与附加水 蒸汽一起通过气密闭锁装置加入到反应器中，分布在 催化物体的反应床中，催化物体在一定方向上流动， 以便在气化过程中物料像产生的气体那样沿预定路 径流动，残余物料通过上述反应床的底部除去。该方 法的特征在于该反应床间接加热，催化剂物体的搅拌 通过床层的振动来进行，从而使物料通过床层向下传 送，填料物体是有催化作用的重金属的陶瓷载体。

Description

本发明涉及由粉碎的生物废料例如稻草生产气体的方法，在该方法中，把粉碎的物料尽可能与附加水蒸汽一起通过气密闭锁装置加入到反应器中，分布在催化物体的反应床中，进行搅拌，以便在气化过程中该物料象产生的气体那样沿预定路径流动，残余物料通过上述反应床的底部除去。本发明还涉及实施本方法的设备。

从瑞典专利公开453，097号已知这种类型的方法。在已公开的设备中，将生物废料在立式反应器底部格栅上面有一定距离的部位加入。在热解过程中，该物料与加热的大量含有催化剂活性的石灰石的岩石颗粒一起通过反应器向上传送。残余物料从反应器顶部除去。并循环到其底部，在这里残余物料作为加热岩石颗粒的燃料，燃烧空气通过反应器底部格栅引入。燃烧空气也用于流化反应器中的生物物料。由于在加入生物物料区域中岩石颗粒的高温，产生大量焦油。由于石灰石的催化作用和该方法温度梯度的精确控制，和在生物物料中保持预测的低湿度，阻止了焦油随着气体产生。这些条件很难在实际条件下实行。该方法的另一个缺点是该气体与产生热解的燃烧中放出的烟道气混合。因为该气体含有大量的CO₂和N₂，所以产生的气体有比较低的热值。

从德国专利说明书2，914，295号已知使用催化剂改善生产焦炭时产生气体的质量。在已知方法中，将镍加入煤中，由此产生气体的量为0.1-2.5%（重量）。根据该专利说明书，气体中甲烷的含量增加，以至该气体相当于天然气。加入煤中的镍在该过程后从产生的焦炭中发现，可用将该金属溶于酸中将其从焦炭中回收。如果该催化剂不回收，燃烧后从焦炭放出的灰将不符合环境条件，因此其排放将需要采取特殊的保护措施。

从德国延迟公开说明书3，421，813号已知在由许多棒状物构成的格栅上，气化粉碎的稻草，在该格栅的上面放一层陶瓷物体。该棒状物进行往复运动，保持传送陶瓷物体。陶瓷物体形成一种自清洗格栅，在格栅上的层中在陶瓷物体上或其中发生稻草物料的热解和燃烧。由于该陶瓷物体的运动，稻草物料均匀地分布从而减少了格栅表面的不均匀燃烧的危险。

在所讨论的方法中，热解是通过将一定量的燃烧空气加入被气化的物料中进行的。燃烧空气混合在产生的气体中，该气体会含有大量的CO₂和N₂，这对气体的热值没有贡献，且降低能达到的燃烧温度。为了得到高的热值，必需使热解在封闭的反应器中进行，以便防止稀释产生的气体。还没有一种已知方法公开了从粉碎的生物料在不加入空气而只是用部分物料燃烧来产生气体的方法。在实际上有用的一个方法中抑制焦油的形成是条件，因为焦油降低了气体利用且在反应器中沉积以至使对生物物料间接加热的热传递发生困难。

本发明的目的是提供一种如上所述类型的方法，在该方法中所提到的问题被解决，从而生产出高热值无焦油的气体。在该方法中，用于热传递的表面没有焦油的沉积，且该方法中由气体生产得到的残余物质不包含大量的环境不能接受的组分。

根据本发明，该目的可根据权利要求1表征的方法达到。

用振动装有包含作为催化剂载体的陶瓷物体的填料的反应床，将物料均匀地向下传送，同时逐渐加热使得焦油的生成量为最小。催化剂的存在提高了在抑制焦油生成的温度下进行的热解。具体地说，与已知方法相比降低温度200℃。该方法在不生成炉渣的温度范围内进行。催化剂的存在也有助于将参与形成焦油的组分转化成可燃气体。由于催化剂被混合在陶瓷物体中，所以它将以它将保留在反应床中且不污染由生物物料产生的灰，反应床的间接加热避免了由加热产生的烟道气对气体的稀释，尤其保证了反应床中气压的降低，并且避免了破坏催化剂效果的催化剂氧化。反应床的振动首先保持了物料通过床层的传送，第二，保证了物料和催化剂之间的必要的接触，第三，改善了由加热装置产生的热量向物料中的分布，这样，维持了该过程。振动对该方法是这样的重要，以致于如果振动间断，则该过程将在很短的时间内停止。

荼痉⒚饕訬i为基础的催化剂被证明是有效的。这一具体金属的使用增加了产生的气体中甲烷的收率。

为了保持粉碎物料向下通过催化剂反应床的有效传送，该催化剂反应床含有无过量腐蚀的载体，最好是根据本发明，使振动有一定的方向和一定的强度，以致于使反应床流态化。粉碎物料起润滑剂的作用，其实际上降低了在填料物体的接触点处的磨损。

通过热解设有转化成气体的部分残余物料含有大量的碳。该残余物可以通过进一步加热和加水转化成气体，或根据本发明部分物料可以燃烧以便提供为维持热解必须的热量。

本发明还涉及实施本发明方法的设备，该设备包括具有气密闭锁装置入口的反应容器，通过该入口可将生物物料装入有催化作用的填料物体的反应床中。该反应床有搅拌载体的装置，用这样的方法在气化期间使粉碎的物料沿预定路径以与气流相同方向传送，残余物料从反应器底部除去。根据本发明，该设备由权利要求6的特征说明。

本设备的其它特点和优点从下面的说明中可看到。

在下面参考附图详细说明本发明，其中

图1表示根据本发明设备的实施方案的剖视图。

图2表示根据本发明设备的另一个实施方案，其中含残余物的碳为分离处理而除去。

如附图中图1所示的设备是用来从粉碎生物废料生产气体，生物废料包括稻草、稻壳、树皮、坚果壳或类似的含纤维素物质，该设备包括有纵轴的呈圆筒形容器1的反应器。为生产气体，可以转变成气体的其它物料可以使用或者与一些上述废料混合，或者与煤或泥煤混合。另外，如果没有可用的废料，该设备可用于热解纯的普通燃料。该容器在顶部用盖2封闭，其上装有粉碎物料入口3。用螺旋传送机4加入粉碎物料。在接近容器的下部安装有格栅6，在格栅下面该容器用锥形底7密闭，在底部装配有气体和灰出口8。部分格栅区域上有加热元件9，该元件上有通道以增加加热面积，并形成加热介质出口。为了增加该面积，格栅6面向床层，用一些格栅的棱锥形物体6'来增加该面积，其目的是与该反应床横截面相比增加格栅面积。如果棱锥形物体的孔较小或与下面格栅的孔相等，实际上该面积的增加也可以通过把棱锥形物体安装到平的格栅上来得到。这些棱锥形物体可以提供加热介质的通道，以便在棱锥形物体6'上保持有与加热部件上有相同的温度。如果在反应器中进行有机物料的完全转化，这种安排是最好的。在许多情况下实际上可把该过程分成热解阶段和后续阶段，其中热解产生的碳在分离过程中转变成气体或燃烧形成热能，最好部分热能用于热解阶段。

通道或管道10被连接到环形室11上，形成加热介质通用出口。在容器的外部有加热介质入口12。加热介质可以是空气或在较好方案中用气体或其它适当燃烧的燃烧器。该加热系统也可以安装电加热部件。将加热介质入口12和出口11用相应供电设备来代替。在图1所示的包括具有环形横截面容器的方案中，加热部件和导管组成冠状，而这种形状可以改变从而使加热部件适合填料物体床层的形状。加热部件的目的是在床层区保持温度800-1000℃。该区域必须包括床层完整的横截面并且该区域最好在整个面积上具有相同的高度。

在图2所示的另一个实施方案中，加热部件是导管21、22，这两个导管连接在环形入口室23和环形出口室24上。导管以这样的方式安装以便使导管的大部分与容器的轴平行。因此导管促使反应器内填充物和有机物料的流态化。在这个可供选择的实施方案中，并不打算将有机物料完全转化，但是有高碳含量的残余物料通过格栅26与由热解产生的气体一起除去。残余物与气体通过有气体出口28的室27被除去。实际上通过气密闭锁装置29，残余物为了分离处理和/或燃烧被除去。在这个可供选择的实施方案中，目的在于在出口室24和入口室23之间的区域温度梯度从200℃到500℃。

在这两个实施方案中，含催化剂陶瓷材料填料物体14的床层13被案装在反应容器中。该填料物体14具有规则形状，例如圆柱体，以便在反应床13的无规则填充中该填料物体将形成开式结构，粉碎物料通过该填料物体可以分布在填料物体的间隙中。在床层13的上面安装有搅拌器15或类似的搅拌设备。搅拌器15借助于轴16旋转，该轴通过入口3插入容器中。搅拌器在反应器的区域内作用，在此区域内，温度不超过100℃。该搅拌器是一对旋转臂，另外，搅拌器的形状取决于反应器的横断面。搅拌器还可以有一个或多个臂15'，在反应床中搅拌，保证粉碎物料和填料体的充分混合。该反应床的高度在通常所用以Ni为基础催化剂的情况下是30-40厘米。催化剂也可以以其它金属例如铑铂或类似金属为基础。

该容器用弹性支承设备17来支承，使容器主要在垂直方向上运动。在容器1上安装有振动器18以便在床层的填料物体间形成必要的运动，从而使粉碎物料通过床13向下以足够速率传送，保证气体的产生。

该设备的操作是这样的，用螺旋传送器4将粉碎的生物物料加入到反应器中，直到在床层13的顶部形成物料层。当加热部件温度已达到800-1000℃时，振动器开动，从而使粉碎物料分布在床层中。在该床层中，得到的温度梯度在接近加热部件和导管10的较低部分温度最高。粉碎的物料转变成甲烷、蒸汽、二氧化碳、一氧化碳、一些碳灰和焦油。在加热情况下一些蒸汽与碳作用形成一氧化碳和氢。这个转化看来发生在接近格栅的区域中，在那里气体离开床层。在这个区域中，因为气体通过气体出口放出，CO的分压比较低。在生成一氧化碳的方向上，气体出口会改变在一边的碳和二氧化碳和另一边的一氧化碳之间的平衡。在有水蒸汽存在下，碳转化成一氧化碳和氢。应安装加热部件和导管10从而在格栅处保持有足够的高温以维持这些反应。由于这一事实，在该过程中物料和气体的流动在相同的方向上，并有极少的焦油形成。由于催化剂的存在，在加热情况下焦油转化成甲烷、一氧化碳、二氧化碳和水蒸汽。因此，生物物料被转化成具有相对高热值的气体和灰、不包含碳。由于催化剂的存在，转变成气体的反应将比不用催化剂时低约200℃的温度下进行。较低的温度降低了对加热的要求，也防止了由灰分形成炉渣，因为在反应器中的温度不超过灰的熔点。由于没有炉渣的形成，反应器的振动足以保持粉碎物料通过床层的必要的传送和填料物体间的相互运动，从而保持它们表面的清洁和活性，并且不发生填料物体的过度磨损。在该过程中，有机物料在填料物体之间起润滑剂的作用，从而降低了填料物体之间的实际接触。

在一定的方向上以一定的强度进行振动以致使床层流态化。在这样的流化状态下，填料物体将根据其大小和比重分类。因此，可以将填料物体分成具有具体催化效果、热传递，或购买价格的不同部份。该振动可用于保持将床层分成不同的层，以便增加反应器中效率或改善所依靠的非常重要的经济性。用包括旋转偏心块的适当类型的振动器可形成振动。振动器可以以这样的方式安装以便使振动含有垂直分量。

在生物物料例如稻草储藏期间，水含量最好较低。因此，可以适当地将水蒸汽加入到反应器中以便补充水含量，在反应器中在加热期间水分从稻草中蒸发从而增加了在最初热解时形成的游离碳的转化率。在800℃离开反应器的气体的热量可用于产生蒸汽，该蒸汽最好加入到反应器的上部，从而可维持气体向下流动直到下面的出口。蒸汽的用量可以这样控制以至在从反应器底部除去的灰不含碳，而仅含有无机物质。

在上述类型的反应器中使用含Ni催化剂从稻草可获得下列以干气体体积百分数计的气体组合物：

CO    15-30%

CH₄5-25%

H₂20-35%

CO₂10-15%

N₂约1%

产生的气体有低含量的焦油，不用提纯，例如可用于气体燃烧炉中、马达或相应设备中。该气体的热值约为3600千卡/米³。

Claims (10)

1、由粉碎的生物废料，例如稻草，生产气体的方法，在该方法中把粉碎的物料尽可能与附加水蒸汽一起通过气密闭锁装置加入到反应器中，并分布在催化填料物体的反应床中，搅拌催化填料物体以便在气化过程中该物料象产生的气体那样沿着预定路径流动，残余物料通过上述反应床的底部除去，其特征在于该床层间接加热，催化物体的搅拌通过床层的振动实现，从而使物料通过床层向下传送，填料物体是有催化作玫闹亟鹗籼沾稍靥濉?

2、根据权利要求1的方法，其中重金属是Ni。

3、根据权利要求1或2的方法，其中振动是在一定方向上和以一定的强度进行，以致使反应床流态化。

4、根据权利要求1、2或3的方法，其中气体是通过格栅除去，在温度500℃形成反应床的较低限制。

5、根据上述权利要求中的任何一个方法，其中残余有机物料大体上通过气密闭锁装置除去，并且至少有一部分用作加热反应床的燃料。

6、由粉碎的生物废料，例如稻草，生产气体的设备，根据权利要求1实施该方法，该设备包含具有生物物料入口的反应容器，生物物料通过气密闭锁装置进入具有催化作用的填料物体反应床中，该反应床包括搅拌催化物体的设备，在气化期间粉碎的物料沿着预定的路径在与气体流动方向相同的方向上传送，残余物料从反应器底部除去，其特征在于反应床具有间接加热的加热设备，该加热设备主要安装在物料流动方向上，该设备是为在一定方向上振动反应床提供的，以致使该物料通过反应床向下传送，填料物体是具有催化作用的重金属陶瓷载体。

7、根据权利要求6的设备，其中重金属是Ni。

8、根据权利要求6或7的设备，其中振动设备的安装要提供振动的垂直分量。

9、根据权利要求6、7或8的设备，其中反应器有与室相连的出口，该出口上部限制是格栅。

10、根据权利要求6-9中任何一个的设备，其中出口包括残余物料的气密闭锁装置和至少部分残余物料燃烧的设备。

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