CN104560214A - 从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造合成气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造合成气的方法。本发明具体涉及用于从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造含有一氧化碳和氢的合成气的方法和设备，其中在所述合成气生产的上游，在单独的反应器中提供对所述燃料的热解处理。

Description

从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造合成气的方法

技术领域

本发明涉及从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造包含一氧化碳和氢的合成气的方法。本发明还涉及在其中运行根据本发明的方法的设备。

背景技术

从现有技术已知气化含碳燃料例如褐煤、硬煤或焦炭的方法和设备。已经证明尤其适合的是使用固定床气化反应器，参见乌尔曼工业化学百科全书(Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry)，第六版，第15卷，第367至371页。

利用气化介质氧气和蒸汽，所述燃料通过形成灰分而被气化为主要由一氧化碳和氢组成的合成气。在下文中，术语合成气被理解为该气体是以合成方式即人工地制造的气体。关于所述气体的另外的用途，此处不应陈述其它信息。

一段时间以来，固定床气化反应器也已经被用于气化具有低的固定碳含量的燃料，例如木料、生物废弃物和生活垃圾。

以重量％表示的固定碳含量C_固定，被理解为在减去水的含量(根据DIN 51718确定)、灰分的含量(根据DIN 51719确定)和挥发性成分即通过热解除去的成分的含量(根据DIN 51720确定)后，剩余的燃料的量。

在下文中，固定碳含量C_固定的示值涉及不含水和不含灰分的参比状态，即

C_固定[重量％]＝(M_总量[g]–M_水分[g]–M_灰分[g]–M_挥发物[g])/(M_总量[g]–M_水分[g]–M_灰分[g])

其中

M＝质量

M_总量＝样品的总质量

M_水分＝样品中水分的质量

M_灰分＝样品中灰分的质量

M_挥发物＝样品中通过热解除去的挥发性成分的质量

在所述气化反应器的固定床中，从上至下，即升温的方向，所述燃料经过干燥、热解、气化、燃烧和排出灰分或矿渣的阶段。

在所述热解中，所述燃料中的非固定碳以高度挥发性气体的形式从所述燃料中除去，所述高度挥发性气体主要为二氧化碳和甲烷，以及可冷凝的碳氢化合物，例如焦油和油类。这些气体未燃烧而离开所述反应器并且与所述合成气混合，从而需要之后另外的工艺步骤来分离这些气体。

常见的燃料焦炭，硬煤和褐煤中，后者具有最低的约为45重量％的C_固定含量。从具有甚至更低C_固定含量的燃料例如木料或垃圾制造的合成气因此含有通常高含量的挥发性热解气体，并且因此需要进一步的技术措施以使其与常见组分的合成气一起加工。

当所述燃料的固定碳含量仅仅在15重量％或更低的范围内时，还产生了如下的问题：固定碳的量不足以制造用于形成一氧化碳和氢所需的热量，所述一氧化碳和氢用于通过其燃烧而热解和干燥在所述固定床上部区域中的燃料，以及同时可作为反应物用于形成氢和一氧化碳。

当固定碳的含量非常低时，这可能导致如下的事实：这些燃料仅仅被热解或燃烧，而几乎不形成合成气即一氧化碳和氢。在这些情况下，用于形成合成气的吸热的耗热反应于是仅仅发生很小的程度，以至于所产生的离开反应器的气体的温度大幅提高，在一些情况下超过650℃而可能损坏所述反应器。

因为固定床气化反应器大部分在升高的压力下操作，通过气压阀添加燃料主要以非连续的方式实现。由于非常快地实现这些燃料的热解，因此这种非连续的燃料供给导致所制造气体量随时间波动。这些波动对于进一步处理所制造气体而使用的方法有干扰作用。

使用这些燃料的其它难题在于，在发生热解期间，这些燃料在所述固定床的上部区域中被转化为细粒的焦炭。这可能损害横跨具有所述气化介质，氧气和蒸汽的所述固定床的均一性。此外，随着焦炭的逐渐沉积，流经所述固定床的气体的压力损失增加。

一种改进这些燃料在所述固定床气化反应器中的加工性能的方法在于，通过向所述燃料中混合煤或焦炭来增加在所述燃料中的固定碳的含量。

但是，难以将所述煤或者所述焦炭均匀分布在例如由生活垃圾组成的燃料中。结果是对所述反应器的操作不均一，以及所产生气体的质量和数量的很大的波动。此外，所述燃料的成本通过混合具有高C_{固 定}含量的优质燃料而增加，部分原因在于所述另外的优质燃料的传输成本。

在使用具有小的C_固定含量的燃料时，上文提到的在所制造气体中热解气体的量增加的问题仅仅得到缓解，但并没有通过混合煤的这种措施而被消除。

鉴于这些各种问题，因此目的是提供能避免这些缺点的方法。

发明内容

通过从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造主要由一氧化碳和氢组成的合成气的方法，而基本上实现所述目的，所述方法包括以下工艺步骤：

a)提供干燥的燃料和气化介质氧气和蒸汽，

b)将所述燃料的至少一部分引入到第一反应器中，

c)热解在所述第一反应器中引入的燃料部分和排出产生的气体以进一步处理，

d)从所述第一反应器排出所述燃料，

e)将在步骤c)中处理的燃料与来自步骤a)的未处理的燃料部分混合，

f)将来自步骤e)的燃料引入到第二反应器中，

g)在气化条件下通过使用所述气化介质将在所述第二反应器中的燃料气化以获得包含氢和一氧化碳的合成气，其中将所述合成气和灰分从所述第二反应器排出以进一步处理。

可以在从属权利要求中找到本发明方法的其它有利方面。

气化条件被理解为如下的那些条件：通过使用所述气化介质，所述条件导致所述燃料转化为所述合成气成分，这从经济的角度是可以接受的。这些条件对于相关技术领域的普通技术人员是公知的，例如从上文所提及的文献中获知。

因为所述燃料的热解至少部分地从所述固定床气化反应器转移至单独的上游反应器中，因此特别是实现了如下的优点：

-在所述热解过程中以气体形式释放的碳氢化合物没有与所结合碳的气化过程中所产生的主要由一氧化碳和氢组成的气体混合。因此，它们可以被供给至针对它们的组成而优化的特定的进一步处理或调节。

-所述热解增加了在所述燃料中的固定碳含量，并且因此允许在所述固定床压力气化器中实施气化，而无须在所述燃料中混合煤或焦炭。一方面，相对地，即通过用所述热解气体从所述燃料中除去非固定碳，而另一方面还绝对地通过在热解中将非固定碳转化为固定碳，来实现增加固定碳的含量。

-所述燃料的热解因为与所述气化分开实施，因此可以以如下方式实施，该方式使得在所述固定床中制造的焦炭比可能产生的焦炭更加粗粒度。

-由于热解和气化的创造性分离，因此可以在分离的设备位置处实施这两个工艺步骤。例如可以在分散的位置处将作为燃料提供的垃圾进行热解，和然后在中心气化设备中进一步加工。由于所述燃料的体积通过所述热解被降低，因而可以节省传输成本，并且可以设计具有更大、更经济的容量的中心气化。

本发明有利地特别适用于气化木料，特别是废木料，以及生物废弃物和主要由生物废弃物和塑料残渣例如包装材料组成的生活垃圾。

另一方面，本发明还涉及运行根据本发明的方法的设备，其中所述设备包括至少一个用于热解所述燃料的第一反应器，至少一个用于气化之前热解的燃料的第二反应器，分别用于进料所述未处理燃料的一部分至所述第一反应器和至所述第二反应器的进料装置，用于排放在所述第一反应器中热解的燃料的排放装置，用于未处理的和热解的燃料的混合装置，和用于从所述第一反应器排出热解气体的以及从所述第二反应器排出灰分和合成气的排出装置。

本发明的另外的有利方面

本发明的一个有利方面在于，取决于燃料的质量，并非所有的燃料都必须通过所述单独的热解反应器，而是将所述燃料的一部分未经处理地供给于设计为固定床压力气化反应器的第二反应器。这种方式下，可以优化所述气化设备的投资和运行成本。可以对单一燃料品级采用本发明的方法，其中其一部被分被分出来、热解和再次混合；或对两个燃料品级采用本发明的方法，仅其中之一被全部或部分热解，和然后混合以气化其它品级。

原则上，本发明的实施独立于气化方法的种类，即独立于是否在流化床中、在气流床中或在固定床中将所述燃料转化为灰分或矿渣和转化为合成气。然而，本发明的方法特别有利地与固定床气化器结合使用，在所述固定床气化器中，所述燃料存在于由排出格栅支撑的固定床中。固定床气化器与例如气流床气化器相比需要所述燃料中更高的C_固定含量，因为在所述固定床中，所述固定碳是热能的唯一供给者，而在所述气流床中，所述热解气体通过燃烧还贡献了热能的供给。

本发明的另一有利方面在于，通过分离的热解将在引入到所述固定床气化反应器中的燃料中的固定碳含量调节到至少15重量％，优选至少25重量％和特别优选至少45重量％。由于这一措施，足够的固定碳存在于所述燃料的固定床中，以实施放热的燃烧反应和生成一氧化碳和氢的吸热反应，其中在所述气化反应器中制造的气体温度保持低于600℃，并且限制了所述反应器壁的磨损。

在本发明方法的另一方面，为了调节供给于所述第二反应器的燃料中的期望的固定碳含量，如下计算必须在所述第一反应器中进行处理的未处理的燃料的量：

M₁/M_总量＝(1–C_固定4(M₄)/C_{固定，总量}(M_总量))/(1–C_固定4(M₄)×C_固定3(M₃)/C_{固定，总量}(M_总量)-C_固定4(M₄)/C_{固定，总量(}M_总量))，

其中，

M₁/M_总量＝到所述第一反应器的未处理的燃料的量

C_固定4(M₄)＝到所述第二反应器的燃料中的固定碳含量

C_{固定，总量}(M_总量)＝在所述未处理的燃料中的固定碳含量

C_固定3(M₃)＝在所述第一反应器的产物流中的固定碳含量。

附图说明

在唯一的附图中

图1显示了本发明方法的物质流的示意图。

具体实施方式

从如下非限制性示例性实施方式和数值实施例的描述，还可得出本发明的其它扩展、优点和可能的应用。所描述的所有特征形成本发明自身或以任何组合形成本发明自身，无论它们是否包括在权利要求中或者它们的引用关系中。

将在下文中解释附图的示意图。待被转化为合成气G₆的燃料的物质流M_总量包含固定碳的物质流C_{固定，总量}。独立于所述燃料的品级，将其全部或仅仅部分引入到第一反应器R₁中用于热解。在后一种情况下，将未在反应器R₁中处理的部分M₂和经热解的部分M₃在引入到反应器R₄之前通过未示出的混合装置彼此混合以获得物质流M₄。料流G₃代表从反应器R₁抽出以进一步处理的热解气体。物质流M₄被引入到第二反应器R₄中并且通过气化介质G₄被转化为合成气G₆和灰分M₅。将合成气流G₆和灰分流M₅从反应器R₄中排出以进一步处理。

将参考以下的实施例解释如何确定燃料含量M₁/M的必要的大小，对其进行调节以调节引入气化反应器R₄的燃料流M₄中，适合用于在R₄中气化的期望的固定碳含量。

数值实施例：

期望值：C_固定4(M₄)：45重量％

测量值：C_{固定，总量}(M_总量)＝C_固定1(M₁)：17重量％

测量值：C_固定3(M₃)：28重量％

为了获得引入到第二反应器R₄中的燃料流M₄中C_固定4＝45重量％的固定碳的期望含量，如下计算必须在反应器R₁中处理的燃料的量M₁/M_总量：

M₁/M_总量＝(1–C_固定4(M₄)/C_{固定，总量}(M_总量))/(1–C_固定4(M₄)×C_固定3(M₃)/C_{固定，总量}(M_总量)–C_固定4(M₄)/C_{固定，总量}(M_总量))

即

M₁/M_总量＝(1–0.45/0.17)/(1–0.45×0.28/0.17–0.45/0.17)＝0.69＝69重量％，

因此，为了调节供给于气化反应器R₄的燃料M₄中45重量％的特定的固定碳含量C_固定4，提出的69重量％的燃料质量M_总量相应地必须在反应器R₁中经受热解。

工业实用性

本发明提供了一种可选方法，该方法允许也从具有很低的固定碳含量的燃料制造合成气，其特别是也借助于固定床气化反应器。

附图标记列表：

M_总量、M₁、M₂、M₃、M₄所述燃料的物质流[kg/小时]

C_{固定，总量}、C_固定1、C_固定3、C_固定4在所述燃料中含有的固定碳的物质流[kg/小时]

M₅  灰分的物质流

G₃  热解气体的物质流

G₆  合成气的物质流

R₁  热解反应器

R₄  用于合成气生产的反应器

Claims (6)

1.从具有低的固定碳含量的含碳燃料制造主要由一氧化碳和氢组成的合成气的方法，所述方法包括以下工艺步骤：

a)提供干燥的燃料和气化介质氧气和蒸汽，

b)将所述燃料的至少一部分引入到第一反应器中，

c)热解在所述第一反应器中引入的燃料部分和排出产生的气体以进一步处理，

d)从所述第一反应器排出所述燃料，

e)将在步骤c)中处理的燃料与来自步骤a)的未处理的燃料部分混合，

f)将来自步骤e)的燃料引入到第二反应器中，

g)在气化条件下通过使用所述气化介质将在所述第二反应器中的燃料气化以获得包含氢和一氧化碳的合成气，其中将所述合成气和灰分从所述第二反应器排出以进一步处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将所述燃料的一部分未经处理地供给于被设计为固定床压力气化反应器的第二反应器。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于在所述第二反应器中的燃料存在于由排出格栅支撑的固定床中。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于在步骤1.e)中引入到所述第二反应器中的燃料的固定碳含量C_固定为至少15重量％，优选为至少25重量％，特别优选为至少45重量％。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于为了调节供给到所述第二反应器的燃料中期望的固定碳含量，如下计算必须在所述第一反应器中处理的未处理燃料的量：

M₁/M_总量＝(1–C_固定4(M₄)/C_{固定，总量}(M_总量))/(1–C_固定4(M₄)×C_{固 定3}(M₃)/C_{固定，总量}(M_总量)–C_固定4(M₄)/C_{固定，总量}(M_总量))，

其中，

M₁/M_总量＝到所述第一反应器的未处理燃料的量

C_固定4(M₄)＝到所述第二反应器的燃料中的固定碳含量

C_{固定，总量}(M_总量)＝在所述未处理燃料中的固定碳含量

C_固定3(M₃)＝在所述第一反应器的产物流中的固定碳含量。

6.用于运行根据前述权利要求所述的方法的设备，其特征在于所述设备包括至少一个用于热解所述燃料的第一反应器，至少一个用于气化之前热解的燃料的第二反应器，分别用于进料所述未处理燃料的一部分至所述第一反应器和至所述第二反应器的进料装置，用于排放在所述第一反应器中热解的燃料的排放装置，用于未处理的和热解的燃料的混合装置，和用于从所述第一反应器排出热解气体以及从所述第二反应器排出灰分和合成气的排出装置。