CN104704088A - 用于气化的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对添加的碳质材料进行热加工的循环流化床(CFB)反应器，所述碳质材料通常包括：例如在稻草或其他植物废物、粪肥、生活垃圾、干燥的废水、干燥的动物遗体或其他干燥的碳质废产物中的有机材料或与无机材料混合的有机材料。本发明还涉及用于通过使所述碳质材料在一个加工步骤中经受热解和在两个后续加工步骤中经受氧化而从这种碳质材料制造热值为大约4-8MJ/Nm3的易燃的产物气体的方法。根据本发明的循环流化床(CFB)反应器包括通常与流化床一起提供的初级炭气化室(5)和中间炭气化室(9)，其中所述中间炭气化室内的第二流化床(10)的高度(h10)大于在初级炭气化室(5)内的第一流化床(11)的高度(h11)。

Description

用于气化的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于对添加的碳质(carbonaceous)材料的热加工的循环流化床(CFB)反应器，并且涉及用于通过使碳质材料在一个加工步骤中经受热解并在另一加工步骤中经受氧化而从这种碳质材料制造具有4-8MJ/Nm3之间的较高热值的易燃产物气体(product gas)的方法。
背景技术
文献WO 99/32583公开了一种用于气化固体碳质材料的方法和装置，所述装置包括循环流化床(CFB)气化器，如该文献的图1中所描述的，所述气化器由热解反应室(1)、用于分离来自热解反应室的出口气体(32)的含炭颗粒的颗粒分离器(2)、具有至少一个用于来自颗粒分离器的颗粒的入口的炭反应室(3)、以及用于将来自炭反应室的颗粒进一步再循环至热解-反应室的设备。双室CFB气化器的操作可以以不同的方式来控制。所公开的装置和方法在相对低的低于750℃的温度下运行良好。由于在异常低且控制良好的温度下的成功，这一系统特别适用于有机生物质、废物流和能源作物，其含有相对高浓度(>0.2％)的如钾和磷的元素，所述元素倾向于存在于低熔点的灰分组分中或形成低熔点的灰分组分。
通过在其中炭颗粒被气化的初级炭反应室和其中添加了新的碳质燃料材料的热解反应室之间添加额外的流化床反应室，可以增大通过先前公开的装置对所添加的碳质材料的分解。这有效地增加了可用于炭处理的反应器容积，从而提高了在热解反应室中初始处理之后剩余炭的分解程度。但是，在再循环分离器与热解反应室(1)之间系列布置一个或多个流化床炭反应室可引发温度控制的问题。温度倾向于在每个后续的流化床炭反应室内增加，这是因为与在热解室内占优势的主要为吸热的热解反应不同，炭分解反应主要是放热的。在常规操作中，通常有利的是，将初级炭反应室保持在尽可能高的温度下，但仍然低于灰分结块的阈值。吸热的热解反应通常驱使热解反应室内的温度降至大约80℃至200℃的水平，这低于初级炭反应室内的温度。即使仅构成总的炭转化床区域的10％，放置在初级炭反应室(3)与热解反应室(1)之间的后续额外流化室通常也将使总的最高加工温度提高至比初级炭反应室内的温度另外高5-20℃。这是不利的，因为这或增加在额外的流化炭反应室内的床材料结块的风险，或迫使降低初级炭反应室内的操作温度。当碳质燃料材料具有高含量的碱、钾、磷和/或氯时，这种增加的结块风险尤其不利。在该情况下，即使小的温度升高也可促进灰分结块，其可导致床材料的结块，引起反应器关闭。
通过构造反应器以使得“中间”(intermediate)炭反应室内气体和颗粒的停留时间最大化，并且任选地通过在加入中间室的气化剂中使用较高的蒸汽与空气的比率，可以避免这些问题。这提供了更大程度的吸热、基于蒸汽的炭分解反应，并因此使中间室内温度升高的趋势减弱。
附图说明
图1显示根据本发明的CFB反应器的一个实施方式，其示出气体和颗粒流经的部件和导管的相对位置。
定义
室内的平均温度是指相当于所述室一半高度的水平处的温度。
具体实施方式
在一些实施方式中，本发明提供一种用于对添加的碳质材料进行热加工的循环流化床(CFB)反应器，所述反应器包括：
-第一热解反应室(1)，其中，添加的碳质材料由于与热循环颗粒接触而被热解，所述第一反应室(1)具有碳质材料的入口(1a)、流化气体的入口(1c)、和所述第一反应室(1)上部的产物气体的出口(1b)，所述产物气体携带含碳的炭颗粒和再循环的惰性颗粒，
-一个或多个分离器(4)，其具有入口(4a)和出口(4b)，通过入口(4a)接收来自所述第一反应室(1)的携带颗粒的产物气体，通过所述出口(4b)所述颗粒离开各分离器并经由一个或多个导管(14)进入初级炭气化室(5)，
-所述初级炭气化室(5)，其包括：经热解和再循环颗粒的入口(5a)、位于所述初级炭气化室(5)的下部的流化气体(6)的入口(5b)、位于所述初级炭气化室(5)的上部的产出气体(produced gas)的出口(5d)、以及位于所述初级炭气化室(5)的下部的颗粒出口(5c)，所述出口(5c)通向颗粒返回导管(7)，颗粒返回导管(7)通向中间炭气化室(9)，以及
-所述中间炭气化室(9)，其包括：来自所述初级炭气化室(5)的颗粒的入口(9a)和位于反应器(9)的下部的流化气体的入口(9b)，所述流化气体例如为含O2/H2O的气体，并且所述中间炭气化室(9)进一步包括用于来自室(9)上部的携带颗粒的产出气体的出口(9c)，出口(9c)通向导管(8)，导管(8)具有至少一个通向所述第一反应室(1)的下部的出口并且向所述第一反应室(1)提供流化气体。
在一些实施方式中，在操作期间，颗粒的第一流化床(11)被提供在初级炭气化室(5)内，所述第一流化床(11)的容积限定为在所述流化床的底部加入所述流化气体的水平之上并直至该流化床表面存在的容积，在第一流化床(11)容积之上的为含有气体和所夹带细颗粒的净空(freeboard)容积(13)。在一些实施方式中，在操作期间，颗粒被运送通过形成颗粒第二流化床(10)的中间炭气化室(9)，其中所述第二流化床(10)的容积限定为在所述流化床的底部加入所述流化气体的水平之上并直至所述中间炭气化室上部的产出气体和颗粒的出口(9c)中点的容积，其中在中间炭气化室(9)内的第二流化床(10)的高度(h10)大于在初级炭气化室(5)内的第一流化床(11)的高度(h11)。
可替代地，在一些实施方式中，在操作期间，颗粒被运送通过形成颗粒第二流化床(10)的中间炭气化室(9)，其中所述第二流化床(10)的容积限定为在所述流化床的底部加入所述流化气体的水平之上并直至所述中间炭气化室上部的产出气体和颗粒的出口(9c)中点的容积，其中初级炭气化室(5)的底部与顶部之间的压力差小于中间炭气化室(9)的底部与顶部之间的压力差。
在一些实施方式中，少量的流化气体(一般为空气)，其通常少于产出气体流量的15％，通过喷嘴加入，所述喷嘴分布在热解室的底部，以保持颗粒自由地流动并混合均匀。在一些实施方式中，反应器构造成使得喷嘴位于所述热解室的底部15％内，流化气体可通过所述喷嘴引入。如本文使用的，喷嘴位于底部15％内，其中到所述热解室底表面的距离为所述热解室的底表面与顶表面之间的总距离的15％或更小。
在一些实施方式中，所述反应器被构造成使得所述中间炭气化室的顶部位于初级炭气化室的顶部与底部水平之间的中间水平。在这一点上，所述水平在“中间”指在低于所述初级炭气化室的顶部且高于所述初级炭气化室底部的任何水平处。
在一些实施方式中，所述反应器被构造成使得中间炭气化室(9)的顶部位于高于初级炭气化室(5)的引入大部分流化气体的水平的水平处。
在一些实施方式中，所述反应器被构造成使得所述中间炭气化室的大于50％的内部容积位于低于所述初级炭气化室的引入主要部分的流化气体的水平处。
根据所述CFB反应器的一种实施方式，来自中间炭气化室(9)的流化气体和颗粒的入口(1c)位于来自流化床炭气化室(5)的气体的入口(1d)的下方，即上游。
根据所述CFB反应器的一种实施方式，可从所述反应器(1、5、9)中的一个或几个以及从所述分离器(4)中的一个或几个提供灰分出口。
根据所述CFB反应器的一种实施方式，所述中间炭气化反应器的横截面积比初级炭气化室(5)的横截面积小至少50％、并优选至少75％。
在一些实施方式中，CFB反应器被构造成使得来自中间炭气化室(9)的流化气体的入口(1c)位于碳质材料进入热解反应室(1)的所有入口(1a)的下方，即上游。
根据本申请，还提供了一种从碳质材料制造具有期望热值的产物气体的方法，所述方法包括：
-第一加工步骤，其中，将所述碳质材料引入到第一热解反应室中，在所述第一热解反应室内流动着具有低O2含量的流化气体和热惰性再循环颗粒并且在所述第一热解反应室内温度T1在400℃至850℃之间，产生自所述第一加工步骤离开的携带部分转化的颗粒、即炭和再循环床颗粒的产物气体，
-第二加工步骤，其中，从所述第一步骤的产物气体中分离所述再循环和部分转化的炭颗粒，其中所述产物气体离开所述工艺，同时所述分离的炭颗粒和床颗粒进入第三加工步骤，
-第三加工步骤，其在初级炭反应器内进行，其中，剩余在分离的炭内的碳质材料在600℃至850℃的温度T2下在流化床内经受分解氧化处理，产生从所述初级炭反应器的上部收回的产物气体，并且所述产物气体与夹带的细颗粒的一部分一起全部地或主要地进入所述第一加工步骤，同时将来自所述初级炭反应器的下部的床颗粒转移至第四加工步骤，以及
-第四加工步骤，其中，剩余炭在600℃至850℃的温度T3下在流化床内经受第二分解氧化处理，产生产物气体，所述产物气体与再循环颗粒一起离开所述第四步骤并作为流化气体进入所述第一加工步骤，
其中，在所述第四加工步骤中的流化床内的气体停留时间(t10)大于在所述第三加工步骤中的流化床内的气体停留时间(t11)(t10>t11)。
在一些实施方式中，所述第一加工步骤在具有低O2含量、通常为<1％或小于5％的气氛下进行。
根据所述方法的一种实施方式，所述停留时间t10>1.2t11，并且优选t10>1.5t11。
根据所述方法的一种实施方式，所述第三加工步骤的温度T2和所述第四加工步骤的温度T3的差别小于10℃，即T3-T2<10℃，通常T3-T2<5℃。
根据所述方法的一种实施方式，温度T1在400℃与750℃，通常在625℃与775℃，并且甚至更优选在720℃与770℃。
根据所述方法的一种实施方式，温度T2在650℃与850℃，通常在700℃与800℃。
根据所述方法的一种实施方式，所述第一加工步骤中的温度通过调节流化气体进入所述第四加工步骤的流量来控制，其在很大程度上决定了流化气体和再循环颗粒进入所述第一加工步骤的流量。
根据所述方法的一种实施方式，在所述第三加工步骤中至少95wt％的床材料为惰性颗粒材料，而至多5wt％的所述材料为炭形式的碳质材料。
根据所述方法的一种实施方式，以燃料进给到所述热解反应器的碳质材料具有超过1wt％的灰分含量，并且可具有5-50wt％之间的灰分含量。
在一些实施方式中，用作燃料的碳质材料具有大于0.2wt％或大于0.3wt％的高含量的钾(K)、氯(Cl)和/或磷(P)，在一些情况下，上述碳质材料包括，例如，谷类秸秆、稻米秸秆、和有关的谷物清洁废物流；来自其他作物包括甘蔗、高粱和甜菜、玉米、马铃薯、坚果、茶、棉花、橄榄、葡萄酒和油棕榈树的残渣；藻类——例如包括海草，以及可能的其他海产/水产来源的有机材料；包括杂草的能源作物，包括例如芒草属(Miscantus)和基于例如柳树和白杨的速生木材的短期轮作林木作物的残渣；由于生长靠近盐水或与盐水有其他接触而具有高含量盐的作物；来自例如肉和骨粉的肉品生产工业的残渣；畜肥包括脱水粪浆；城市和工业有机废物，包括源自这种流的有机部分，下水污泥等；含能源残渣，例如来自加工木材和粗制有机产品(例如通过如水解、提取和发酵等上面提及的方式)的纤维和木质素产品。在一些实施方式中，任何上面列出的碳质材料都可用作燃料，而无论钾(K)、氯(Cl)和/或磷(P)含量是多少。
图1显示了根据本发明的CFB反应器的一种实施方式并示出了CFB反应器的部件可如何连接。附图显示了提供有入口1a的第一反应室1，碳质材料通过入口1a经由导管2进给。第一反应室1进一步包括：载有颗粒的产物气体的出口1b、流化气体的入口1c和来自初级炭气化室5的产物气体的入口1d。通过入口1c加入的所述流化气体可以通过加入更多的流化气体来补充，所述更多的流化气体通过一个或多个喷嘴来添加，以提供第一反应室1的底部内的气体和颗粒令人满意的分布。
通常，根据本发明的CFB反应器的实施方式包括其中碳质材料因与热循环颗粒接触而被热解的第一反应室1。“碳质材料被热解”是指所述材料因加热而不是因为氧化而分解；热解是需要加入热的吸热过程。将热运送至第一反应室1的热循环颗粒通常为沙子，但可以是任何足够耐磨损的惰性颗粒状材料。
将碳质材料的进料通过导管2和入口1a进给到第一反应室1；所述碳质材料可为例如有机材料、煤炭或基于石油产品的任何碳质材料，但通常所述碳质材料为任选与无机材料混合的例如以下材料的有机材料：稻草或其他植物废物、如农业残渣的软木质生物质、粪肥、生活垃圾、干燥的废水(dried wastewater)、干燥的动物残骸或其他干燥的碳质废品。
第一反应室1在室的底部具有流化气体的供应，所述流化气体为第一反应室内的颗粒的反应和运送提供流化床，颗粒从室的底部运送到第一反应室1的顶部出口1b。通常，第一反应室1内的气氛保持低氧，以减少氧化反应的发生，在氧化反应作用下碳质材料部分地以CO2和H2O终结，即产生热而不是易燃的产品。低氧含量有利于热解，即碳质材料的热分解，并且通常在第一反应室1的气氛中的氧含量非常低。例如，在室1内的氧含量通常低于1％，或低于5％。在一些实施方式中，流化气体主要从中间炭气化室9提供，在该室内炭氧化反应发生，其产生热并降低了离开室9的产物气体的氧含量。在一些实施方式中，一些补充的流化气体也可以直接加入室1。
第一反应室1内的最佳温度取决于什么种类的碳质材料被气化并且还取决于产出气体以及残余灰分/固体产物的目的。通常有利的是选择足以使碳质材料高度分解的第一反应室1内的温度，同时该温度不应高至引起分解的材料和循环床材料的结块。此外，在高的热解温度下倾向于产生具有环境问题并因此是不期望的多环芳烃(PAH)。通常，如果碳质材料是常规的有机材料，那么平均热解温度在400℃至800℃会是有利的。对于例如稻草的生物燃料材料，所述温度更通常将在620℃至700℃，并且对于非常低热值的燃料例如来自家畜的厌氧消化的和脱水的粪肥、和例如预处理的下水污泥，所述温度更通常将在500℃至600℃。可以选择甚至更低的热解温度，例如为了制备生物油和/或生物炭的目的。
第一反应室1内的温度在操作期间通常主要通过调节进入中间炭气化室9内的空气流量和/或通过调节气化器内颗粒的总量来控制。在初始启动的过程中，所述反应室可能通过使用额外的燃烧器而加热至操作温度-和/或在该初始加热之后同样是通过向例如第一反应室1添加燃料和空气/氧气而加热。
当携带炭颗粒和循环颗粒的产物气体通过出口1b离开第一反应室1时，所述产物气体经过一个或多个导管3通过入口4a进入一个或几个平行的分离器4，所述产出气体与所述颗粒的细微部分一起通过出口4c离开分离器4进入导管18，并且分离的颗粒通过出口4b离开分离器4进入导管14。导管14将颗粒运送至炭气化室5的底部，在炭气化室5的底部所述颗粒被接收入流化床11。分离器4的目的是从夹带颗粒的主要部分中分离出产物气体，因为所述颗粒的该主要部分必须被转达至初级炭气化室5。
颗粒分离可以使用任何类型的颗粒分离器来进行，所述分离器例如动态分离器，如转室-、迷路(labyrinth)和旋风分离器，或者屏障过滤器，如高温袋装过滤器、多孔陶瓷过滤器或粒状床型过滤器，包括上述分离器的组合。根据一个实施方式，来自所述第一反应室的产出气体首先在初级动态分离器中清洁，之后在第二、更高效型分离器内清洁。在这种情况下，到炭气化室5的颗粒的再循环主要从首先提及的初级动态分离器进行。所述第二分离器可例如仅为更高效的旋风分离器或高效的屏障过滤器。
通常，将颗粒从分离器运送至初级炭气化室5的导管14将提供有构造成大概这样的设备：使得防止气体从初级炭气化室5通过导管14上升并进入所述分离器。
通常，所述碳质材料多达70-80％的有机部分在热解过程中被释放，而所述碳质材料多达20-30％的有机部分以炭颗粒的固体形式剩余下来。剩余在炭中的能量通常占原始碳质燃料材料的总能量含量的大约30-40％。通过引入气化剂，炭颗粒在炭气化室内的优势温度下被氧化。当直接加入氧气时，氧化反应产生部分易燃的气体，氧化反应是放热的并升高炭气化室内的温度。无论如何吸热，基于蒸汽的炭转化反应也可以进行，其产生部分易燃的气体但其用于较低的温度。初级炭气化室5的双重目的是加热惰性再循环颗粒并优化炭的转化，即优化易燃气体从先前已经受热解的碳质颗粒中的回收率。炭颗粒的细微部分将在分离器段损失，但通常至少80％将被从分离器段转移至初级炭气化室5。
初级炭气化室5包括经热解的和惰性再循环的颗粒的入口5a，其还包括流化气体的入口5b，在该图中所述流化气体经由在初级炭气化室5下部的导管6供应。流化气体通常经过许多喷嘴(未示出)和/或其他空气分布设备而供应至初级炭气化室5以确保适于保持室内的流化床的流动型态。通常，初级炭气化室5在下部具有鼓泡流化床。通常，气化剂也用作流化气体并且是主要为空气和一些蒸汽(H2O)的混合物，气化剂会升高整体温度-但炭气化室也可以具有一个或多个或多或少的液态气化剂(例如水)的单独入口-液态气化剂会比蒸汽更高效地降低室内的温度。
初级炭气化室5包括位于炭气化室5上部的气体出口5d和位于炭气化室5底部的颗粒出口5c。出口5c通向颗粒返回导管7，所述颗粒返回导管7通过入口9a通向中间炭气化室9。
初级炭气化室5内的平均温度通常将比第一反应室1内的温度高至少50℃，这将通常意味着经由入口1c进入第一反应室1内的颗粒比第一反应室1内的所需操作温度高至少50℃。在使用高碱性燃料的情况下，初级炭气化室5内的温度通常保持在低于770℃。
初级炭气化室5内的气氛含有氧，这导致在初级炭气化室5内发生放热氧化反应。初级炭气化室5的气氛内的氧含量在操作期间是足够高的以便通过氧化分解大多数的炭材料。但是，在典型的实施方式中，加入的气化剂中的氧含量保持在远低于亚化学计量的水平，意味着没有足够的氧来完全氧化经由入口5a加入到初级炭气化室5的所有炭材料。在操作期间，颗粒的流化床11被提供在初级炭气化室5的下部。通常为鼓泡流化床的这种流化床11的容积限定为在流化床的底部加入流化气体的水平之上并直至该流化床的表面存在的容积。附图上示出了流化床11的高度h11。通过测量流化床内的压差并且通过将这些压力与在净空容积13内测量的压力进行比较，可以评估流化床11的高度h11并将其保持在期望的水平。所述净空容积13是在流化床11的容积上方并且该净空容积13包含气体和因为太细微而被剩余在鼓泡床内而不是被气体携带到达出口5d并进入导管15的颗粒。在气体离开了炭气化室5之后，气体可以或者通过导管17和入口1d进入第一反应室1，或者部分气体或所有气体可以通过导管16离开CFB反应器。
通过底部出口5c离开初级炭气化室5的颗粒通过入口9a进入中间炭气化室9。中间炭气化室9进一步包括位于反应器9下部添加流化气体的入口9b，这样在中间炭气化室9内形成流化床10。加入的流化气体通常主要为空气但还可能是其他气化剂，例如O2和/或蒸汽(H2O)，尽管其他气化剂可以是可通过单独入口引入的液态水。此外，中间炭气化室9包括来自室9上部的携带颗粒的产出气体的出口9c，出口9c通向导管8，导管8具有至少一个通向第一反应室1下部的出口。即，中间炭气化室9向第一反应室1提供流化气体并且当在中间炭气化室9内产生的气体被除去氧之后，就无需向第一反应室1的底部加入大量的其它贫氧流化气体，并且特别地可以避免使用例如N2的惰性气体作为流化气体。
在常规操作的过程中，通过入口9a进入中间反应器9的大多数颗粒被向上运送至出口9c。例外的情况是，在反应室9内被转化成气体的炭颗粒以及构成灰分蒸汽的剩余颗粒可从室9的底部去除。
流化床10的容积限定为在流化床底部加入流化气体的水平之上并直至中间炭气化室9上部的产出气体和颗粒的出口9c的中点的容积，该流化床10的高度h10在附图中示出。
CFB反应器以这样的方式构造，使得可以使第二流化床10的高度h10大于炭气化室(5)内第一流化床11的高度h11，其中，h10由流化气体的入口以及用于气体和颗粒的出口来限定。
通常，在中间炭气化室9内发生少于30％的炭分解，而在初级炭气化室5内发生多于70％的炭分解。这种情况以及包括中间反应器9的至少最小(清楚的)程度的益处是通过向初级炭反应器5加入气化剂总质量流的通常70％至95％之间同时向中间反应器加入剩余的，即30％至5％之间，来实现的。
为了释放剩余在炭内的、构成进给到CFB反应器的碳质燃料材料的总能量的相当大部分的能量，期望在尽可能高但不会引起流化床内颗粒结块的温度下操作初级炭气化室5。如果在初级炭气化室5内获得允许的最高温度，将出现这样的问题：在流化床下游的温度，即中间炭气化室内的流化床的温度比初级炭气化室5内的温度高10℃至20℃，因为这可引起材料的结块并导致CFB反应器关闭或者需要更低的初级炭气化室内的温度。
通过调节分别在初级炭气化室5和中间炭气化室9内的流化床的高度，可能增加气体和颗粒在中间炭气化室9内的停留时间。通过增加这些停留时间，将会允许在中间炭气化反应器9内更容易发生较慢速的、基于蒸汽的吸热反应，这是对占优势的且更快速的放热反应的补充。基于蒸汽的吸热反应还通过以下方式来促进：与初级炭气化室内使用的气化剂相比，在引入中间炭气化室的气化剂中使用更高的蒸汽与氧的比率。对于通过加入空气来加入氧的大多数典型实例而言，中间室内适合的蒸汽与空气质量流的比率高于初级炭气化室内相应的比率，通常至少为0.05(即>5％蒸汽)，可以高至0.1或0.2或0.5。通过为吸热反应的发生提供时间，中间炭气化反应器内的平均温度将变低并且可以将中间炭气化反应室内的温度保持为不高于初级炭气化室5内的温度10℃，优选少于5℃。这还表明可以通过增加中间反应器9的容积来增加该室内的炭分解而不会与初级炭反应器5内的温度相比具有约10-20℃的不利温度升高。在中间反应器内提供所述额外的气体停留时间并以这样的方式通过慢速吸热反应转化更多的炭，相比于通过只是加入额外的不良转化的蒸汽或水来提供例如相同的冷却效果而言，也是对于避免所述不利温度升高的更好的解决方案。
中间炭气化室的截面通常被定制为典型地-并以与产生表面流化速度的大致相同-与加入到初级反应室1的气化剂的质量流相比消耗一定量的气化剂。行进通过中间炭气化室9的流化气体携带加热的惰性颗粒并且必须调整至足够低的氧含量，而且尽管将可能通过降低中间炭气化室内的流化气体的流量来增加停留时间，但流化气体的最小流量主要是由运送颗粒通过所述室的需要来限定。
产物气体通常具有在4-8MJ/Nm3的较高热值。这一热值范围对于主要是气吹式的气化器是典型的，而更高的热值可以通过使用具有比氮含量更高的氧的气化剂获得。
本发明还涉及包括以下步骤的方法：
1)将流化气体内的碳质材料引入第一反应室内，所述流化气体具有低含量的O2和热惰性再循环颗粒，温度T1在400℃至850℃。所述碳质材料经受热分解，即热解。所有的材料，即炭颗粒和惰性传热颗粒，由产物气体携带至所述第一反应室内的顶部出口，通过所述顶部出口所述产物气体和所述颗粒离开所述第一加工步骤。可能存在用于提取灰分(例如包括来自该热解反应室1底部的过大颗粒)的出口。
2)携带颗粒的产物气体进入分离区域，在所述分离区域内所述产物气体与所述颗粒分离，具有与供应的流化气体相比增加的热值的产物气体或者被收集或者直接被消耗，同时分离的颗粒转移至炭气化室。
3)剩余的碳质材料，即炭颗粒，在600℃至850℃的T2温度下在流化床内经受分解处理。来自该加工步骤的产物气体被从炭气化室收回并例如与一部分夹带的细微颗粒一起进入第一加工步骤。产物气体的一部分可从该工艺收回而不进入所述第一反应室。除了用产物气体转移的颗粒或为了循环控制的目的而被去除的颗粒之外的颗粒被转移至第四加工步骤。
4)仍剩余的碳质材料在600℃至850℃之间的温度T3下在流化床内经受第二分解处理。产物气体以及再循环颗粒离开所述第四步骤并作为流化气体和热携带颗粒进入所述第一加工步骤。所述第四加工步骤内的流化床内的气体停留时间(t10)大于所述第三步骤的流化床内的气体停留时间(t11)(t10>t11)。在一些实施方式中，来自所述第四加工步骤的产物气体作为流化气体在第一反应室内用于碳质材料的入口的下方进入所述第一加工步骤。
所提供的对实施方式的说明仅为代表性的而并非旨在限制如权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (21)

1.用于对添加的碳质材料进行热加工的循环流化床(CFB)反应器，所述反应器包括：
-第一热解反应室(1)，其中，添加的碳质材料由于与热循环颗粒接触而被热解，所述第一反应室(1)具有碳质材料的入口(1a)、流化气体的入口(1c)、和所述第一反应室(1)上部的产物气体的出口(1b)，所述产物气体携带含碳的炭颗粒和再循环的惰性颗粒，
-一个或多个分离器(4)，其具有入口(4a)和出口(4b)，通过所述入口(4a)接收来自所述第一反应室(1)的携带颗粒的产物气体，通过所述出口(4b)所述颗粒离开各分离器并经由一个或多个导管(14)进入初级炭气化室(5)，
-所述初级炭气化室(5)，其包括：经热解和再循环颗粒的入口(5a)、位于所述初级炭气化室(5)的下部的流化气体(6)的入口(5b)、位于所述初级炭气化室(5)的上部的产出气体的出口(5d)、以及位于所述初级炭气化室(5)的下部的颗粒出口(5c)，所述出口(5c)通向颗粒返回导管(7)，颗粒返回导管(7)通向中间炭气化室(9)，以及
-所述中间炭气化室(9)，其包括：来自所述初级炭气化室(5)的颗粒的入口(9a)和位于反应器(9)的下部的流化气体的入口(9b)，所述流化气体例如为含O2/H2O的气体，并且所述中间炭气化室(9)进一步包括用于来自室(9)上部的携带颗粒的产出气体的出口(9c)，出口(9c)通向导管(8)，导管(8)具有至少一个通向所述第一反应室(1)的下部的出口并且向所述第一反应室(1)提供流化气体。
2.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，来自中间炭气化室(9)的流化气体的入口(1c)位于来自流化床初级炭气化室(5)的气体的入口(1d)的下方，即上游。
3.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，在一个或多个分离器(4)上和/或在中间炭气化室(9)的底部内提供灰分出口。
4.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，所述中间炭气化反应器的横截面积比初级炭气化室(5)的横截面积小至少50％。
5.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，来自中间炭气化室(9)的流化气体的入口(1c)位于碳质材料进入热解反应室(1)的所有入口(1a)的下方，即上游。
6.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，所述反应器被构造成使得所述中间炭气化室的顶部位于所述初级炭气化室的顶部与底部水平之间的中间水平。
7.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，所述反应器被构造成使得中间炭气化室(9)的顶部位于高于初级炭气化室(5)的引入大部分流化气体的水平的水平处。
8.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，所述反应器被构造成使得所述中间炭气化室大于50％的容积位于低于所述初级炭气化室底部并且低于所述热解室底部的水平处。
9.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，在操作期间，颗粒的第一流化床(11)被提供在初级炭气化室(5)内，所述第一流化床(11)的容积限定为在所述流化床的底部加入所述流化气体的水平之上并直至该流化床表面存在的容积，在第一流化床(11)容积之上的为含有气体和所夹带细颗粒的低密度净空容积(13)。
10.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，在操作期间，颗粒被运送通过形成颗粒第二流化床(10)的中间炭气化室(9)，其中所述第二流化床(10)的容积限定为在所述流化床底部加入所述流化气体的水平之上并直至所述中间炭气化室上部的产出气体和颗粒的出口(9c)中点的容积，其中在中间炭气化室(9)内的第二流化床(10)的高度(h10)大于在初级炭气化室(5)内的第一流化床(11)的高度(h11)。
11.根据权利要求1所述的CFB反应器，其中，在操作期间，颗粒被运送通过形成颗粒第二流化床(10)的中间炭气化室(9)，其中所述第二流化床(10)的容积限定为在所述流化床底部加入所述流化气体的水平之上并直至所述中间炭气化室上部的产出气体和颗粒的出口(9c)中点的容积，其中初级炭气化室(5)的底部与顶部之间的压力差小于中间炭气化室(9)的底部与顶部之间的压力差。
12.根据权利要求1所述的CFB反应器，其进一步包括喷嘴，通过所述喷嘴可引入流化气体，所述喷嘴位于所述热解室的底部15％内。
13.用于从碳质材料制造具有期望热值的产物气体的方法，所述方法包括：
-第一加工步骤，其中，将所述碳质材料引入到第一热解反应室中，在所述第一热解反应室内流动着具有低O2含量的流化气体和热惰性再循环颗粒并且在所述第一热解反应室内温度T1在400℃至850℃之间，产生自所述第一加工步骤离开的携带部分转化的颗粒即炭和再循环床颗粒的产物气体，
-第二加工步骤，其中，从所述第一步骤的产物气体中分离所述再循环和部分转化的炭颗粒，其中所述产物气体离开所述工艺，同时所述分离的炭颗粒和床颗粒进入第三加工步骤，
-第三加工步骤，其在初级炭反应器内进行，其中，剩余在分离的炭内的碳质材料在600℃至850℃之间的温度T2下在流化床内经受分解氧化处理，产生从所述初级炭反应器的上部收回的产物气体，并且所述产物气体与夹带的细颗粒的一部分一起进入所述第一加工步骤，同时将来自所述初级炭反应器的下部的床颗粒转移至第四加工步骤，以及
-第四加工步骤，其中，剩余炭在600℃至850℃之间的温度T3下在流化床内经受第二分解氧化处理，产生产物气体，所述产物气体与再循环颗粒一起离开所述第四步骤并作为流化气体进入所述第一加工步骤，
其中，在所述第四加工步骤中的流化床内的气体停留时间(t10)大于在所述第三加工步骤中的流化床内的气体停留时间(t11)(t10>t11)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，t10>1.2t11，并且优选t10>1.5t11。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第三加工步骤的温度T2和所述第四加工步骤的温度T3的差别小于10℃，即T3-T2<10℃，通常T3-T2<5℃。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，温度T1在400℃至800℃，通常在625℃至775℃。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，温度T2在650℃至800℃，通常在700℃至800℃。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一加工步骤中的温度通过调节流化气体进入所述第四加工步骤的流量来控制，其决定了流化气体和再循环颗粒进入所述第一加工步骤的流量。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述第三加工步骤中的床材料的至少95wt％为惰性颗粒材料，而小于5wt％的所述材料为剩余的碳质材料。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述碳质材料包括以下的任意一种或多种：谷类秸秆、稻米秸秆、有关的谷物清洁废物流；来自作物包括甘蔗、高粱、甜菜、玉米、马铃薯、坚果、茶、棉花、葡萄酒、橄榄和油棕榈树的残渣；藻类—例如包括海草；含有包括例如芒草属的杂草的能源作物；基于包括柳树和白杨的速生木材的短期轮作林木作物的残渣；由于生长靠近盐水或与盐水有其他接触而具有高含量盐的作物；来自包括肉和骨粉的肉品生产工业的残渣；畜肥包括脱水粪浆；城市和工业有机废物，包括源自这种流的有机部分；下水污泥；或者含能源残渣，例如来自加工木材和粗制有机产品的纤维和木质素产品。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，在操作过程中，初级炭气化室(5)的底部与顶部之间的压力差小于中间炭气化室(9)的底部与顶部之间的压力差。
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