CN105026725A - 原料气化方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种下吸式气化炉及气化方法，利用多个垂直放置的管子创建热解区、氧化区在热解区下面以及还原区在氧化区下面。管子的形状消除了限制(炉膛)的需要，所述限制限定了可实现的最大产量。垂直可调的旋转炉排设置于气化炉的还原区下面，但不附属于还原区。

Description

原料气化方法及设备

技术领域

本发明涉及热化学技术和设备，尤其涉及采用下吸式气化使固态生物质、生活与工业垃圾、化石燃料以及其它含碳原料气化的工艺和设备。

背景技术

气化是一个连续的热分解过程，其中，有机固体材料或含碳材料(原料)分解成可燃气体混合物。所产生的可燃气体成分主要包含一氧化碳(CO)、氢气(H₂)和甲烷(CH₄)。还包含不同量的其它非可燃气体，例如氮气(N₂)、水蒸汽(H₂0)和二氧化碳(CO₂)。气化工艺涉及热解，然后是部分氧化，通过将空气或其它含氧气体注入到部分热解原料中来控制。更具体而言，生物质气化是一系列反应，包括水分蒸发、木质素分解、纤维素爆燃和碳还原。外部热源使反应开始，但是部分氧化提供热量以保持原料的热分解。如果采用聚氧，所产生的气体混合物则称为合成气。如果采用空气(含氮气)作为氧化剂，所产生的气体混合物则称为发生炉煤气。为简单起见，在此所用的“发生炉煤气”一词包括合成气和发生炉煤气。两种气体混合物都被视为“燃气”，并且在很多工艺中可用于替代天然气。它们也可用作生成各种化工原料和汽车燃料的前体。当生物质作为原料使用时，发生炉煤气的气化和燃烧被视为可再生能源的来源。

一般而言，气化从固体原料中所能获取的势能较燃烧更为高效、性价比更高且更环保。作为气化的结果，原料的势能可以转化为发生炉煤气，其燃烧清洁、可压缩且更轻便。发生炉煤气在某些发动机和燃烧器中可直接燃烧，净化产生甲醇和氢气，或者通过费托合成(Fischer-Tropsch)或其它方法和工艺转换成合成液体燃料。

有三种常用的气化工艺：流化床气化、上吸式气化和下吸式气化。本发明是改进的下吸式气化炉。所以，只提供流化床气化和上吸式气化的简单描述，然后较为全面地论述当前的下吸式气化。

上吸式气化

逆流式固定床(“上吸式”)气化炉包括在大炉排顶端的原料固定层，水蒸汽、氧气和/或空气通过它向上流。上吸式气化炉通常要求原料较硬而且不易结块或凝结，以便形成透水层。上吸式气化炉包括原料层，氧化剂(水蒸汽、氧气和/或空气)通过它从底部流入并且成气体从顶端出去。上吸式气化炉的热效率较高，因为上升的气体使进入的生物质热解并干燥，传热以便出去的发生炉煤气能在离开气化炉时得到冷却。但是，在发生炉煤气中存在大量的焦油，所以，使用前必须彻底清洁，否则它会在产生点燃烧。焦油可循环到气化炉，去除焦油不仅比较复杂而且费用也很高。上吸式气化炉成为煤气化的标准已有150多年了，目前仍在生物质厨灶中比较流行。

流化床气化

在流化床气化炉中，氧化剂通过固相颗粒层吹入且其风速足以保持固相颗粒处于悬浮状态。将原料引入气化炉，非常迅速地与层料混合，并且或者从外部或者采用传热介质几乎瞬间加热到层温。这种流化床气化炉大多装有内旋风器，以便把(带入发生炉煤气流的)煤焦减少到最少，并且从发生炉煤气中去除流化介质。主要优点包括原料的灵活性以及能够轻松控制反应温度的能力，从而使得细粒材料(锯屑等)的气化无需进行预处理。流化床气化炉还可以很好的扩展到大尺寸。但不幸的是，会发生喂料、层不稳定、在气道中的残余碳堆积和灰烧结的问题。其它缺点包括发生炉煤气中的焦油含量高(高达500mg/m³气体)、效率相对较低以及负荷变动响应差。由于操作和维修费用高，这类气化在经济上仅限于大规模的用途，通常超过每天100吨。

下吸式气化

在下吸式气化中，所有原料、空气和气体以相同方向流动------从上到下。尽管上吸式气化通常有利于处理生物质原料，而流化层气化通常用于煤的气化，但是下吸式气化工艺具有许多优点。下吸式气化的一个优点是产生的发生炉煤气中的焦油水平较低，因为热解过程中所产生的焦油离开气化炉前必须通过氧化区(定义见下文)和还原区(定义见下文)中的煤焦层。氧化区和煤焦层顶部的高温分解焦油(即热裂解)。其产物是可冷却的或者更易于在往复式发动机、燃气涡轮和催化重整工艺中清洁使用的发生炉煤气。

当前的下吸式气化工艺有一些明显的缺点，有碍于广泛采用。这些缺点是：(1)必须预先把原料加工成具有相似化学特性的标准尺寸(不得混合不同类型的原料或者不同尺寸的碎片)，以便能够连续气化，而不会横贯(即堵塞)设备或者影响发生炉煤气的质量；(2)原料的挥发性成分必须在标准范围内；(3)原料必须具有标准的热量含量(即btu/lb)；(4)通常，必须经常停止气化炉，以清理和去除聚集在气化炉底部的多余煤焦；(5)产生的发生炉煤气质量不一致，而且由于频繁关机导致温度变化以及原料的变化，使得气化炉生产力较低，效率较低；(6)在操作过程中不能重新配置气化炉，而且一旦氧化反应偏离气化炉中的指定位置时就必须关闭气化炉；(7)气化炉不能保持较长时间的热稳定性而丧失效率(或融化)；以及(8)气化炉不允许把氧化反应的位置移动到与还原区串联的位置，以补偿不同类型原料气化所需要的不同条件并形成发生炉煤气成分的不同比例。但是，当前的下吸式气化炉的最大缺点是(9)它们装载炉膛需要为氧化区以及气化炉的最热区设计有实质性的限制点(即，限制约为气化炉其它部分直径的一半)。

在理想的下吸式气化炉中，有三个区：热解区、氧化区和还原区(各自定义见下文)。在这类理想的气化炉中，(1)在氧化区内可以控制原料的停留时间(相对于通过气化炉其余部分的流量)，以便使得最大量的原料在通过氧化区进入还原区之前经受气化，以及(2)还原区的设计应该使得氧化区产生的热气与还原区的煤焦尽快混合，并且尽可能彻底的混合，以促进彻底气化。不幸的是，当前气化炉的限制区域大大妨碍了可以通过这种气化炉的原料的总量，并且影响了发生炉煤气的总流量和产量。

现有技术的气化炉中的限制区通常被称为喉部和炉膛，如主流理论即表面速度理论所示，这在当前下吸式气化炉中是特意设计的。

测得的表面速度(SV)为：

SV＝产气速率/横截面积＝(m³/s)/(m²)＝m/s

其中s＝时间，m＝距离。

用于设计下吸式气化炉时，表面速度理论是指氧化区内表面气速越高意味着发生炉煤气越洁净，产生的煤焦副产物越少。

氧化区内表面速度理论所需的物理限制本身限制了传统下吸式气化炉中原料的入口和出口。最好在限制区应该控制原料的速度，使其不受通过气化炉其余部分的速度限制，以便促进完全气化和减少煤焦副产物的产生。

下吸式气化炉的设计需要控制原料的流速以最低限制流速通过氧化区，以提高原料通过气化炉的总量和流量。

发明内容

下文是本发明的概要描述。作为序言提供概述，有助于本领域的技术人员更快地理解详细论述，详细论述确保并不再以任何方式来限定本文所附权利要求的范围，其目的旨在阐述本发明。

本发明公开了一种气化炉，包括多个垂直放置的联接管。所述管具有内壁和外壁以及近端和远端，其中近端具有入口，远端具有出口。气化炉具有三个分开的反应区：(1)热解区；(2)在热解区下面的氧化区；和(3)在氧化区下面的还原区。垂直可调的旋转炉排位于还原区下面，但不附属于还原区。与其它气化炉不同的是，这只是部分开口式气化炉(partially open core downdraft gasifier)，在气化炉远端没有气封。

作为选择，干燥区设置于热解区上面，从而能够利用气化炉的热量使原料进入气化炉之前干燥。在操作中，将原料加入热解区(即可直接加入，也可经由干燥区加入)。重力使得原料向下移动，通过三个反应区，在生物质原料被气化后，形成的发生炉煤气、碳灰和残渣副产物(“生物炭”)通过气化炉底部的炉排进入收集槽。通过重力将生物炭与发生炉煤气分开。

发生炉煤气也通过炉排排出，并且在收集槽侧由收集排气孔收集。收集槽内的压力是连接到集气排气孔的管道和在气化炉下游附在这些管道上的机器(即发动机、集气室等)的函数。气化炉的压力不是由收集槽的压力决定的。

附图说明

图1显示了气化炉的剖面前视图。

图2显示了气化炉的剖面侧视图。

图3显示了气化炉的外部前视图。

图4显示了气化炉的外部侧视图。

图5显示了气化炉的剖面前视图，所示尺寸单位为英寸。

图6显示了气化炉的剖面侧视图，所示尺寸单位为英寸。

图7显示了气化炉的剖面侧视图，阐释了诱导梯度和携入梯度的密集部分。

图8显示了气化炉的剖面透视图，阐释了诱导梯度和携入梯度的密集部分。

图9显示了带有氧化带的气化炉的剖面侧视图。

图10显示了带有氧化带的气化炉的剖面透视图。

图11显示了炉排框架的透视图。

图12显示了炉排框架的顶视图。

图13显示了具有螺旋沟组件的炉排的透视图。

图14显示了具有插入炉排的洞组件的炉排的前视图。

图15显示了炉排可移除部分的透视图。

图16显示了炉排可移除部分的顶视图。

图17显示了气化炉的剖面侧视图，用箭头描述气化工艺。

具体实施方式

定义

下列定义的术语并非限制性或综合性的，只是为理解本发明提供的快速参考工具。在本文件其它部分采用的其它定义的术语大写。大写的术语包括在此所采用的术语的所有变形、单数和/或复数形式。

“层氧化剂流(Bed Oxidant Stream)”或“层气(Bed Air)”意指经入口(即，非平进气口)进入气化炉的氧化剂流，所述入口位于热解区(或可选的干燥区)顶端。

“生物炭”意指生物质原料被气化后所形成的碳灰和残渣副产物。

“旁通”意指位于气化炉下面的炉排顶部和还原区底部的开口之间的“间隙”，也可称为炉排节距。

“控制系统”意指操作系统，包括多个控制机构和协调软件，供用户/操作员调整气化炉的变量，比如炉排的旋转和高度、原料的输入和氧化剂流。

“干燥区”，就气化炉而言，意指原料在进入热解区之前被干燥的区域，所述干燥区是各种各样的容器或者热解区之上气化炉的延伸部分，但是，作为选择，也可以是与气化炉分开的区域和/或组件/单元。在气化工艺的情况下，“干燥区”的意指原料被干燥的阶段。

“气化炉流道”意指路径，通常是朝向气化炉中部的，原料在此移动最快，被气化，产生的发生炉煤气和生物炭继续移动进入还原区并经过炉排移动出气化炉。

“氧化剂流”意指空气或其它含氧气体。

“氧化带”，就气化炉而言，意指初级气化反应发生的位置。氧化带是氧化剂流连同来自气化炉的热量的聚集之处并且存在着原料，气化炉在横跨气化炉直径的白色热气的窄带中快速氧化原料。在气化工艺的情况下，“氧化带”意指气化反应的最热阶段。

“氧化区”，就气化炉而言，意指一直通往并离开氧化带的气化炉的区域。氧化区的整体形状为空心管形，管具有尺寸大约相同的入口和出口，但是中间是加宽的。在气化工艺的情况下，“氧化区”意指原料变为气体的阶段。

“平进气口”意指用于把加压氧化剂流注入气化炉的加压进气口。在现有气化炉中，采用风嘴使空气被动进入气化炉，但是平进气口代替加压进气口将氧化剂注入气化炉。

“平氧化剂流(Plano Oxidant Stream)”或“平气(Plano Air)”意指经由平进气口进入气化炉的氧化剂流。

“压力锁”意指压力锁组件，在其顶端有一个阀门，在其底部有另一个阀门，压力锁位于气化炉顶部。

“压力波”意指氧化带中心和氧化区壁之间的压差，该压差把原料推向气化炉壁，在氧化带之上形成原料的诱导梯度(“诱导原料梯度(InducedFeedstock Gradient)”)，在氧化带之下形成生物炭的携入梯度(“携入生物炭梯度(Entrained Biochar Gradient)”)。

“发生炉煤气”意指通过原料气化所形成的可燃气体混合物，包括合成气和发生炉煤气。

“吹洗氧化剂流(Purge Oxidant Stream)”或者“吹洗空气(Purge Air)”意指在原料进入热解区(或可选干燥区)之前与原料混合的氧化剂流。

“热解区”，就气化炉而言，意指气化炉的区域，其中原料进入氧化区之前在此开始流体化并分解。热解区的整体形状的范围可以从空心管到反向空心圆锥。在气化工艺的情况下，“热解区”意指原料开始流化并分解的阶段。

“还原区”，意指气化炉的区域，其中发生炉煤气在此与生物炭混合，冷却并产生额外的发生炉煤气。还原区的整体形状为空心管，比氧化区的出口宽。在气化工艺的情况下，“还原区”意指发生炉煤气与生物炭混合的阶段。

气化炉区域的概述

本发明涉及使含碳生物质原料气化的方法和装置。气化炉包括多个垂直放置的联接管。所述管具有内壁和外壁以及近端和远端，其中，近端具有一个入口，远端具有一个出口。气化炉具有三个连续的单独反应区：(1)热解区；(2)在热解区下面的氧化区；和(3)在氧化区下面的还原区。垂直可调的旋转炉排设置于还原区下面，但不附属于还原区。与其它气化炉不同的是，这是部分开口式气化炉；它没有密封还原区或者气化炉本身底部的气密底壁。

图1和图2显示了气化炉的剖面前视图。这个下吸式气化炉是连续、同向流、重力辅助和热化学相变的气化炉，它至少具有三个区：热解区20、氧化区30和还原区40。气化炉使一部分原料部分氧化，由此释放足够的热活化能，以便使得剩余的原料发生固气相变热化学反应生成发生炉煤气。气化的过程呈现一系列反应，包括水分蒸发、木质素分解、纤维素爆燃和碳还原，并且受到注入部分热解原料内的氧化剂流的控制。本发明虽然以处理生物质的方法和装置的背景进行描述，但对于本领域技术人员而言，所述原理也可应用于其它类型的原料且各种不同的实施例都是显而易见。

整个气化炉内部排列着碳化硅、氧化硅、氧化铝、高熔点合金、其它陶瓷制品或其它具有相似的在高温下稳定的性能的材料。不易挥发的非气化材料通过重力与发生炉煤气分开，因为这些材料会落到气化炉底部。这种高效的气化炉把原料的化学势能转化为发生炉煤气，所产生的生物炭的平均值约为初始原料重量的1％-10％。

图3和图4显示了气化炉的外部前视图和侧视图。原料在气化炉中随着气化的发生而向下移动。当气化炉达到稳定的操作状态时(也就是气化炉的每个区域都达到稳定持续的温度的状态)，在气化炉内形成垂直的温度梯度，而且原料根据气化工艺的步骤分成与热解区20、氧化区30和还原区40大致相对应的一系列分层或区域。在这些区域之间没有固定的边界，但取而代之的这些边界是连续的。因此存在具有各相邻区域的混合特性的过渡梯度(也就是，原料热解可能在干燥区10开始，氧化可能在热解区20开始)。原料保持在热解区20以上的水平，并且重力使之经过热解区20下跌，从而使得下降的原料代替已经被气化的原料。气体和原料在气化炉中以朝下的方向流动。固体材料在重力作用下流经气化炉。气体由于压差向下通过气化炉。

如图1、图2、图3和图4所示，刚好设置于气化炉的还原区40下面的垂直可调的旋转炉排50把固体(例如原料和生物炭)保持在气化炉内。固体在气化炉内的停留时间由炉排50的旋转速度、炉排50的垂直位置和气化炉内的气化比率(即相变)来控制。生物炭聚集在炉排50顶部，并且对气化炉底部起到伪密封的作用，从而允许气化炉加压并且保持均匀的压力使得生物炭能连续离开气化炉。生物炭从气化炉底部通过旋转炉排50或从旁通49落下。一旦生物炭从炉排50或旁通49落下，则落入炉排50下的一个或多个收集槽60中，然后落入残渣箱90中，在此由螺纹杆91将其从气化炉中移除。

在一个实施例中，气化炉的区域包括：干燥区10、热解区20、氧化区30、还原区40，还原区具有位于气化炉下面的炉排50。气化炉下面是集气排气孔70、生物炭收集槽60和生物炭残渣箱90。

图5和图6显示了带尺寸的气化炉剖面前视图和侧视图。

干燥区(可选)

全面描述、尺寸和功能

在干燥区10，原料中的水分随着原料暴露于氧化区30散发的辐射热而蒸发。水蒸汽向下流经热解区20，与流入气化炉的层氧化剂流和吹洗氧化剂流一起流向氧化区30。干燥区10内的温度根据如何操作气化炉而大不相同。举例来说，对于水分含量25％的木屑片而言，干燥区10内通常的稳定范围是约为100至300°F。在一个实施例中，干燥区10的深度可在零至六英尺高之间。这个深度可根据原料水分含量、气化炉的尺寸以及所采用的气化炉的实施例而增加。来自氧化区30的辐射热驱动蒸发过程。当然，预热层氧化剂流和吹洗氧化剂流会加速干燥过程。

在气化炉内使原料干燥是一个吸热过程，因此需要能量(即热量)进行干燥，并使原料中的水分作为水蒸汽释放，由此水蒸汽有助于下面发生的反应。原料越湿，干燥区10所需要的能量越多。

干燥区10中主要的物理变化是：

H₂0_(L)+热量→H₂0_(g)

其中，“H”是氢，“O”是氧，“l”是液体，“g”是气体。

供料机构和料位指示器描述

因为气化炉是在操作过程中变为加压的，所以可用压力锁把原料带入气化炉，同时保持气化炉的压力。压力锁的顶阀打开，使原料进入压力锁，然后关闭。压力锁内部加压，以匹配热解区20(或者可选的干燥区10)的空气压力，这可在底阀打开而使得原料在调整的空气压力下离开压力锁进入气化炉之前由用户通过控制系统来控制。

压力锁可由管号40的无缝碳钢管、150磅级别的钢法兰和比如刀闸阀这类标准的150磅级别的滑动闸阀制成。该压力锁组件可与设备设计融为一体，并采用一对标准工业刀闸阀，且两者间带有一根管子。在一个实施例中，所述管子可以是垂直定向的18”的管号40的管子。可根据原料传送方式和预期量来调整管子长度。例如压力锁长度为72”，则每倒入干燥区10(若适用的话)或热解区20一份原料提供100-120磅原料。在一个实施例中，附接到管子上的是螺纹连接器，用于容纳(1)液位开关，比如旋转液位开关、限制开关、光子开关或激光开关，以及(2)压力变送器和(3)加压空气供应线。

最终用户可以通过计时器或者采用微波传感器或其它适合的料位指示器来检测气化炉中和压力锁(“料位指示器”)中指示料位是否有原料，以实现气化炉原料添加工艺的自动化。气化炉的干燥区10可具有一个或多个能够在高温环境中运行的料位指示器12。一旦料位指示器12检测到原料的料位较低，自动进料机构则开始进料。一个气化炉设计带有多个料位指示器12，以便采用自动装填系统时在选择原料层高度过程中有更多的选择。

在一个实施例中，压力锁的顶阀打开，桶式装填机构把原料倒入压力锁，直到压力锁中的料位指示器检测到已满。压力锁的顶阀关闭，压力锁加压，以匹配干燥区10(若适用的话)或热解区20的压力。然后，压力锁的底阀打开，并把原料沉积到加压螺纹杆上，所述加压螺纹杆与干燥区10(若适用的话)或热解区20相连。然后，螺纹杆把原料沉积到气化炉顶内。气化炉的控制系统根据信号确定何时开始各个原料填料循环，所述信号是从气化炉上的各个传感器和指示器收到的诸如温度或压力变化这样的信号。

热解区

全面描述、尺寸和功能

热解区20直接在气化炉内的干燥区10(如果包括干燥区10)下面。热解区20的高度可以根据预期原料主要类型的性质增加或减少。较高的热解区20可容纳需要干燥和热解时间较长的较湿润和/或较复杂的原料。

在热解区20中，蒸汽、油类和成分气体蒸馏并在重力、压差以及干燥区10和热解区20内产生的水蒸汽的作用下向下移动。热解区20是在顶端吸热的并且依靠来自下面释放的热量。朝向热解区20底部，温度增加处，原料开始自发地分解，因为原料在高温下化学性质变得不稳定。因此，在热解区20下部发生的原料分解是发热的并释放热量。在一个实施例中，热解区20的深度为四至六英尺。

热解化学是非常复杂的。在这个区域发生的主要化学变化和物理变化可以简化，并用下列表达式表示：

C_xH_yO_z(s)+热量→有机蒸汽(甲醛、醇类、焦油等)

C_xH_yO_z(s)→CH₄+H₂+C(s)+有机蒸汽(焦油)+热量

因为热解区20内出现来自注入气化炉的氧化剂流的一些氧气，所以当原料接近热解区20底部时，可能发生氧化。

氧化区

全面描述、尺寸和功能

氧化区30是气化炉内一直通往并离开氧化带350的区域或者是包括氧化带350形成的方法的一般步骤。氧化区30是氧化带350形成的区域，并代表气化工艺中最热的步骤，并且是原料的纤维质部分从固体转换为气体的区域。

第一梯度(诱导原料梯度)

如图7和图8所示，在操作期间，通过热解区20的氧化剂流的流量诱导原料梯度形成：(1)垂直的，朝向热解区20外壁顶部开始，向下在氧化区30中的平进气口的低环32结束；(2)水平的，从气化炉中心开始，在气化炉壁结束(“诱导原料梯度”)。

如图7、图8、图9和图10所示，这个诱导原料梯度是原料增加和差异的密度，原料在朝向气化炉壁周边和在氧化带350以上变得密集(“最密集部分”)，是由作用在内容物的至少四个因素形成的：(1)来自氧化带350的压力波，把原料压向气化炉的内壁；(2)热解区20和氧化区30的几何结构(即壁的角度)；(3)流入热解区20和氧化区30的氧化剂流的总体积，以及(4)流入热解区20和氧化区30的氧化剂流的相对体积。诱导原料梯度的最密集部分用200表示。

原料以不同的速度通过气化炉。某些原料在气化炉流道203内沿着气化炉稳定地往下移动，而其它原料可能在气化炉的不同点暂停或变慢。原料在诱导原料梯度200内移动更慢和/或暂停。诱导原料梯度的最密集部分200使原料比气化炉流道内的原料更密集而且更慢地移动。

诱导原料梯度的最密集部分200终止于下部的平进气口32，氧化区30的直径在此膨胀到较宽。在一个实施例中，这种膨胀被设计为克莱恩-福格尔曼梯级(Kline-Fogelman Step)，以便指示和控制向气化炉下移动的气体和固体的流动速度。

通常，气体经过比如克莱恩-福格尔曼梯级这样的梯级时，会形成涡流。氧化区30内平进气口的低环32将空气注入否则会形成涡流的位置。这种进来的空气流与发生炉煤气和从气化炉流道203下来的原料发生碰撞，改变离开气化炉壁的热气的方向，抵消涡流的形成，并且为氧化带350加燃料。

随着气化炉内条件的改变，诱导原料梯度也会改变，使得气化炉内的氧化带350和气化炉流道203移动。这种情况不会发生在其它气化炉的不可移动的外壁形成气化炉流道203的其它气化炉内。

氧化带

如图9和图10所示，气化炉流道203内的原料向下通过气化炉，进入氧化带350。氧化带350是由于原料中纤维素物质爆燃而释放显著热量的点。一旦在启动阶段开始，由于从平进气口31、32添加氧化剂流，而且原料从上面递减，则氧化带350持续不变。氧化带350把原料部分氧化成生物炭以及发生炉煤气的成分气体。在热解区20生成的焦油蒸汽在存在水蒸汽的情况下，在氧化带350的高温下进一步分解为额外的发生炉煤气。

如图7、图8、图9和图10所示，氧化区30的整体形状是空心管，所述管具有一个入口301和一个出口303，其尺寸大约相同，但是中间302是膨胀的。这不同于传统的下吸式气化炉，传统的下吸式气化炉的氧化区根据表面速度理论逐渐变窄成为一个限制点。

在一个实施例中，氧化区30的入口301和出口303是氧化区30膨胀部分302的直径的一半。至少有两个平进气口的环31、32。在一个实施例中，高环31大约比低环32高11英寸，平进气口的低环32在氧化区30的膨胀部分302的最宽处。

由氧化带350所形成的极高温产生热量，所述热量促进热解区20和上面的干燥区10(若适用的话)发生化学反应和物理反应。氧化带350自然地倾向于在气化炉内朝着未耗尽的原料和上面供应的氧化剂流向上移动。在氧化带350下面是生物炭的混合物，它在高温下相对稳定。气化炉被设计成允许氧化带350在气化炉内向上和向下移动。在一个实施例中，可采用炉排50(位于还原区40下面)去除氧化带350下面的生物炭，抵消氧化带350向上移动的趋势，而把氧化带350保持在气化炉内适当的位置。每当炉排50停止旋转时，氧化带350则开始上升。

在一个实施例中，平进气口的高环31位于下面一组平进气口32之上，使之能够刚好在原料进入氧化带350之前把额外的氧化剂流注入原料。采用炉排50的旋转速度、层氧化剂流、吹洗氧化剂流和平氧化剂流的速率和比例，可以把氧化带350保持在气化炉内任何理想的位置。在一个实施例中，氧化带350刚好保持在平进气口的低环32下面。

原料的部分氧化也很复杂，但是可以简化为下列表达式：

与原料结合的C+1/2O₂→CO+热量

与原料结合的C+O2→CO2+热量

与原料结合的H+O2→H20+热量

与原料结合的H→H₂

CO+3H₂→CH₄+H₂0+热量

CO₂+4H₂→CH₄+2H₂0+热量

固体C残渣+2H₂→CH₄+热量

CO+H₂O→CO₂+H₂+热量

氧化区30内的反应是发热的并且释放对整个气化炉起作用的热量。

第二梯度(携入生物炭梯度)

如图7、图8、图9和图10所示，刚好在氧化带350下面，第二个生物炭梯度的开始形成：(1)垂直的，刚好在氧化区30内的平进气口的低环32下面，沿着氧化区30壁延伸进入还原区40；(2)水平的，从气化炉中心到气化炉壁(“携入生物炭梯度”)。由于生物炭离开氧化带350，氧化区30的直径变窄，大约与氧化区30的入口301的尺寸相同。来自氧化带的压力波将生物炭推向氧化区的狭窄壁。携入生物炭梯度的最密集部分用300表示。压力波相对于气化炉流道203中的生物炭按照携入生物炭梯度300降低生物炭最密集部分的移动速度。尽管原料已发生相变，但气化炉流道203仍保持完整，发生炉煤气和生物炭现在向下移动代替原料。

携入生物炭梯度的最密集部分300沿着氧化区30壁向下进入还原区40。由于还原区40比氧化区30宽，所以还原区40的入口形成另一个梯级。在一个实施例中，氧化区30带角度的壁和还原区40的入口形成一个克莱恩-福格尔曼梯级。当发生炉煤气通过该梯级进入较宽的还原区40(即在还原区40扩径)时，会在还原区40形成涡流。该涡流促进还原区40内发生炉煤气和生物炭之间的混合。

喉部和炉膛的模拟

与传统的下吸式气化炉不同，这种下吸式气化炉在氧化区30内没有限制区，但是取而代之的是氧化区30的尺寸增加。几乎所有当前的下吸式气化炉都适用表面速度理论，而且因此是通过氧化区30内的限制构成的，从而实现发生炉煤气的可用质量。此外，当前下吸式气化炉大多采用真空装置使发生炉煤气通过气化炉。

在该气化炉内形成的两个梯度，氧化带350上的诱导原料梯度和氧化带350下的携入生物炭梯度相互协作，模仿气化炉内喉部和炉膛。该方法的优点是氧化带350可以在气化炉内向上或向下移动，而不损坏或可能毁坏气化炉本身，气化炉内部可适应不同类型的和不同混合体的原料。具有固定喉部和炉膛的其它气化炉必须校正到原料的最小范围，不能轻易调整成容纳其它类型的原料，而且在操作期间不能调整以适应变化。

还原区

全面描述、尺寸和功能

如图1、图2、图7和图8所示，气化炉的还原区40的直径等于或大于氧化区30的出口303。还原区40的两个主要功能是气化生物炭中的残余碳和冷却发生炉煤气。两个功能都通过相同的机理发生，即发生炉煤气成分和生物炭内包含的固体碳的吸热反应。

如上所述，当发生炉煤气和生物炭进入还原区40时，形成通过氧化区30出口303和较宽还原区40之间的梯级的湍流涡流。还原区40内的湍流使得发生炉煤气与生物炭在还原区40内比在其它气化炉设计中混合的更好。这使得层内的碳几乎完全气化，并且使冷却效果达到最佳。在一个实施例中，气化炉的还原区40保持炉排50上的生物炭层约为2至6英尺。

发生炉煤气在约为1,500°F或更高的温度下排出典型的下吸式气化炉。发生炉煤气在低于1,500°F的温度下排出这种气化炉。在一个实施例中，发生炉煤气在低于1,000°F的温度下排出。而且，生物炭的厚层使得约为90至99％的燃料碳作为发生炉煤气排出该气化炉，排出比例取决于原料。

已经深入地研究和理解了在下吸式气化炉中发生的还原反应，涉及到：

碳+CO₂+热量→2CO

碳+H₂0+热量→CO+H₂

碳+2H₂0+热量→CO2+2H₂

CO₂+H₂+热量→CO+H₂0

气化炉炉排

气化炉的炉排50可由不锈钢或其它适合的材料制成，其它材料包括耐用、耐热且无反应性的，比如碳化硅、氧化硅、氧化铝、高熔点合金或其它陶瓷材料，炉排具有顶面和底面。在一个实施例中，如图3和图4所示，炉排的底面和轴可安装在由可变控制系统控制能上下移动的升降台80上。如图3和图4所示，炉排50的顶面设置于还原区40的下缘以下。在一个实施例中，旁通是还原区40和炉排50的顶面之间的.25至2英寸的间隙。

螺旋沟

图11显示了支持气化炉内所有固体的气化炉炉排50。在一个实施例中，炉排50具有一个框架505和两个面，即顶面和底面。

图11和图12显示了炉排50的顶面具有螺旋沟501。螺旋沟501以气化炉定向，所以它面对还原区40。螺旋沟501的起点在炉排的中心，尾部连续向外到炉排50边缘。因此，在一个实施例中，螺旋沟遍布炉排的整个顶面。螺旋沟501的目的是使生物炭从炉排50中心自然地向外移动到炉排50的边缘，因为炉排50旋转方向与螺旋沟501的方向相反。生物炭跟随螺旋沟501的尾部，随着炉排50反转，直到迫使生物炭从还原区40通过旁通。

在还原区40的一个实施例中，碳化硅、氧化硅、氧化铝、高熔点合金、其它陶瓷制品或者其它耐热的、高密度、层材料排列成还原区40的壁。这种耐热的、高密度、层材料用作磨掉任何生物炭的锉刀，所述生物炭被旋转的炉排50压在还原区40的外壁上并沿其拖拽。把螺旋沟501与炉排相结合，迫使生物炭朝向和沿着还原区40的外壁，有助于把大块煤焦磨成能够从旁通漏出的小块。本领域普通技术人员会认识到可采用不同类型的螺线(例如，阿基米德螺线、对数螺线等)。

在一个实施例中，炉排中的螺旋沟501是“v”形的阿基米德槽502，在此螺线中一个槽的外缘与相邻槽的内缘接触，形成一个卷边。“v”形槽的一个目的是避免任何90°角，否则会形成炉排50的热点或者热不稳定部分。

炉排/旁通的上升和下降

在一个实施例中，炉排50可以上升和下降，以形成更高或更低的旁通，以便在不关闭气化炉的情况下，去除不小心进入气化炉的较大物品和/或未被气化的材料(例如，砖块，石块等)。在炉排50内有螺旋沟501的一个实施例中，会迫使这些异物到还原区40的壁上，然后炉排50可以下降，使其通过旁通排出。这种设计考虑到在气化炉保持运行时，仍能从还原区40去除较大的未气化的物体。每当需要在气化炉内部进行维修时，也可以采用炉排50上升和下降的功能。另外，旁通49具有控制还原区40外的发生炉煤气流的功能，旁通49起到与阀门类似的作用。例如，短旁通增加发生炉煤气流通过炉排50的阻力，并且导致在气化炉内形成压力。

炉排中的椭圆孔

图13和图14显示了组装的炉排。图15和图16显示了炉排“扇形区”部分502。图13和图14显示了具有椭圆孔503的组装炉排的透视图和前视图。在椭圆孔503的一个实施例中，比如肾形孔或卵形孔穿过炉排50对称分布(除非使炉排上升和旋转的机械轴上的炉排中心没有孔)。孔503的目的是使生物炭和发生炉煤气都通过炉排进入下面的生物炭收集槽60。

扇形区插入炉排

在一个实施例中，“扇形区”部分502、504，设置在炉排50的框架505上。当各个部分504插入框架505时，则形成炉排。通过这个实施例可以在部分炉排50损坏的情况下替换一部分504，而不是整个炉排50，并且可以使气化炉适合针对特殊类型的原料而设计的定制部分504。

具有多特征的炉排

图15显示了炉排可移除部分的透视图。在一个实施例中，炉排50还具有切成“v”502的螺旋沟501以及穿透螺旋沟501的椭圆形、肾形或卵形孔503。图16显示了炉排可移除部分的顶视图。

使用炉排来控制气化炉

支撑并使炉排50旋转的轴可由一件或多件组件制成，这取决于炉排50的尺寸。炉排50的旋转速度可通过控制系统校准，但通常范围从0.0001RPM至1RPM，这取决于原料中的非挥发性成分以及产生发生炉煤气的速率。由于氧化带350有效地停留在还原区40内的生物炭层的顶端，如果还原区40内的生物炭层变得过厚，那么氧化带350则上升到热解区20。用热电偶或其它感测器来检测氧化带350的位置，下文所述的气化炉的控制系统可以被编程，以加快炉排50的旋转速度，并且以更高的速率去除生物炭，由此降低生物炭层的高度，并且使氧化带350降低到适当的位置。相反，如果生物炭层变得过浅，而且氧化带350因此离炉排过近，气化炉的控制系统则可以使炉排50减速。

炭收集槽

如图1、图2、图5和图6所示，在气化炉下面是生物炭收集槽60，可由钢、不锈钢或其它坚固的、热稳定的无孔材料制成。当生物炭离开炉排50底部或侧面时，它向下落入气化炉下面的生物炭收集槽60。生物炭收集槽60设置成偏离气化炉流道203内的生物炭流的方向一定角度。在一个实施例中，从气化炉流道203内的生物炭流的方向测量，该角度小于90°。在一个实施例中，从气化炉流道203内的生物炭流的方向测量，角度为45°至80°。在一个实施例中，至少两个生物炭收集槽60相对于气化炉的中心轴对称设置。

发生炉煤气收集排气孔/角

如图1、图2、图5和图6所示，两个或多个发生炉煤气收集排气孔70围绕炉排50的轴对称地设置在生物炭收集槽60内。发生炉煤气收集排气孔70的开口面朝下，所以生物炭从炉排50下降时不会直接落入其中。当发生炉煤气和生物炭落入生物炭收集槽60中时，生物炭在重力作用下与发生炉煤气分开，而且发生炉煤气通过发生炉煤气收集排气孔70排出。

生物炭残渣箱

如图6所示，生物炭残渣箱90在生物炭收集槽60的底部。生物炭沿着生物炭收集槽60向下落入生物炭残渣箱90中。

生物炭残渣箱具有一个管式螺纹杆91，称为“残渣螺纹杆”。残渣螺纹杆91使生物炭移动到小型阀92内，所述小型阀用螺栓连接到十字管线轴末端，十字管线轴用螺栓连接到残渣螺纹杆91。在一个实施例中，小型阀92是标准的气动8”或10”球阀，其中球密封在一端。当处于“向上”位置时，球形成一个斗。残渣螺纹杆91由气化炉的控制系统控制，以便小型阀92处于向上位置时，残渣螺纹杆91把生物炭沉积到小型阀92中。当控制系统停止此程序时，残渣螺纹杆91停止，小型阀92旋转到“向下”位置，把其内容物倒入外部收集箱中或者其它二次移除系统中。因为小型阀92上的球封闭在一端，所以小型阀92始终保持密封，防止发生炉煤气从生物炭残渣箱90泄漏。

原料要求

气化炉可以气化很大范围的原料。为了确定是否可以有效地气化给定的原料或材料混合物，原料必须具有使得氧化剂流能够流过的充分渗透性，具有适当的发热密度(btu/ft³)，具有适当的容积密度和适当的化学组成。本领域普通技术人员应该可以识别适当的原料。在气化炉的一个实施例中，适当的原料可以是：(1)25％或以上化学键合的氧含量(分子基)，(2)10％或以下的灰含量，(3)30％或以下的水分含量，以及(4)大于15lbs/ft³的容积密度。这些变量之间有某种相互作用。

所有形式的生物质都包含基本的化学结构C_xH_yO_z。这个分子结构在高温下具有内在不稳定性，加热时很容易分解。这是所有类型生物质气化炉的基本驱动因素。该分子分解高度放热，并且产生维持生物质进一步分解所必需的热量。因此，实际上，倘若达到多孔性和容积密度要求，所有类型的生物质都是适合气化炉的原料。

启动和关机

启动时，在气化炉内装入原料，一直装到氧化区30中部。通过热解区20或干燥区10(若适用)顶部在原料顶部加上一层热木炭(在一个实施例中，仅几英寸高的一层)。然后把原料加到气化炉的料位指示器的位置，气化炉的控制系统便启动了。

在接下来的几小时，气化炉开始加热，开始形成热梯度。几乎立即形成一些低质量气，随着气化炉加热，发生炉煤气产生逐渐增加并改善。

如果气化炉运行了足够长的一段时间，气化炉内的内衬会变得热量饱和，气化炉甚至在停机几小时后都可以重新启动，无需额外的热木炭。这被称为“热启动”。在很多情况下，气化炉可以关机2-3天以上，仍保持足够内部热量，用于通过重新启动氧化剂流而简单地热启动。氧化剂流停止时，来自气化炉的发生炉煤气流停止。

气化炉控制系统

优化气化炉的操作需要精确的实时调整，以控制氧化带350的位置。例如，如果在氧化带350插入机械装置来调整材料离开和进入的速率，那么氧化带350内(约为)3,000°F的温度会毁坏机械装置。因此，采用炉排50控制从气化炉去除生物炭，因为可将其放在温度低得多的还原区40附近。增加从还原区40去除生物炭的速率导致的生物炭层的高度变化所引起某些必要的变化，以调整氧化带350的垂直位置。可分别调整下文提到的变量，以引起氧化带350的变化。

几种方法和系统可用作整个控制系统的一部分，以引起氧化带350的变化和控制氧化带350。控制系统采用各种算法监测和调整气化炉。控制系统可包括能够实时调整的子系统并考虑只有气化炉脱机时才可调整的其它方法。气化炉脱机时可进行的调整包括：(1)调整干燥区10的实际尺寸和高度(或将其去除)；(2)调整炉排50中的孔503的尺寸(在一个实施例中，是通过替换其可更换部分504进行调整的)。控制系统可包括在气化炉运行期间执行实时调整的子系统，涉及：(a)进入气化炉的原料的类型；(b)原料进入气化炉的速率；(c)若适用，干燥区10内原料的料位；(d)若适用，干燥区10的温度；(e)通过入口在热解区20(或干燥区10，若适用)顶端输入的氧化剂流的容积、速度和压力；(f)通过平进气口的环31、32输入的氧化剂流的容积、速度和压力；(g)气化炉的总压力；(h)气化炉各个区域之间的压差；(i)气化炉内氧化带350的位置；(j)调整炉排50的转速；(k)炉排50的垂直位置(即调整旁通的高度)；(l)还原区40内生物炭层的厚度；(m)排出气化炉的发生炉煤气的成分测试和采样(n)排出气化炉的发生炉煤气的温度；以及(o)发生炉煤气收集排气孔的压力和发生炉煤气离开气化炉的压力(上述示例为“变量”)。

变频驱动器

在气化炉的一个实施例中，控制系统可以逐渐增加或减少变量或者开始和停止所有变量的任何变化。例如，控制系统可能一度需要稍微降低炉排50的转速，然后再在另一个点使其彻底停止。本领域普通技术人员可认识到，电动机和驱动器通常以两种方式运行，有一些是定速驱动器，另一些则是变频(速)驱动器(“VFD”)。在气化炉的一个实施例中，VFD因此附属于开/关定时器，被用于控制炉排50的转速。通过启动和关闭VFD，控制系统可以模拟炉排50的慢速旋转，与此同时维持VFD的足够转矩使炉排50旋转。

在其它应用中，比如氧化剂流控制系统，在此无需高转矩，则可以在没有开/关定时器的情况下使用VFD。

炉排控制

控制系统调整炉排50的转速，以调整几个变量，包括氧化区30和还原区40之间的压差。后者的一个实例是可以通过简单地控制炉排50的PRM设定来维持还原区的压差。

氧化剂流的流量控制

生物炭离开气化炉的速率也控制通过气化炉的垂直压差(生物炭层的厚度在一定程度上决定气化炉的压力，因为生物炭在气化炉底部形成伪密封)。通过气化炉的垂直压差，即从干燥区10顶部直到炉排50底部，因此在一定程度上简单地受炉排50转速增加或降低的控制，由此从还原区40排出生物炭。换言之，如果从气化炉排出生物炭的速度不够快，则聚集在还原区40，而且减少的剩余量增加还原区40和氧化区30内发生炉煤气的压力。在一个实施例中，气化炉的垂直压差受旁通高度的控制；随着旁通高度的增加(即通过降低炉排50)，来自气化炉的发生炉煤气和生物炭的流量就越大。

生成发生炉煤气的速率与氧化剂流中氧气的浓度和引入气化炉的氧化剂流的流速成正比。控制系统采用现有技术已知的标准方法来测量和调整氧化剂流。

图17显示了气化炉的剖面侧视图，用箭头表示气化工艺。三种类型的氧化剂流通过三个单独的相对应的入口点进入气化炉：吹洗氧化剂流、层氧化剂流和平氧化剂流。吹洗氧化剂流是引入原料并随原料通过压力锁进入气化炉的氧化剂流。吹洗氧化剂流还防止含有焦油的气体倒流进入压力锁。层氧化剂流通过位于气化炉顶端的入口11进入气化炉。平氧化剂流通过位于围绕氧化区30边缘的环内的平进气口31、32进入气化炉。控制系统监测和调整各种氧化剂流，以控制气化炉各个区域内的氧气总量以及生成发生炉煤气的速率。控制系统可调整该氧化剂流的容积和速度，乃至由于原料BTU值的变化，而调整原料具有不同的含水量、容积密度。控制系统考虑到在气化炉运行期间进行改变，所以无需关闭或重新配置。

供给气化炉的氧气越多，原料在氧化区被气化的速度越快。反应越快，产生和聚集在还原区40的生物炭就越多。

通过控制系统对气化炉内炉排50和氧化剂流的变量进行控制也确保发生炉煤气的一致性和质量。

热电偶和陶瓷内衬

在气化炉中采用几种不同的冗余控制方法，通过大部分方法可以在整个过程中实现更精确的控制。在一个实施例中，一个有效控制方法是监测热梯度或剖面，如各个区域的温度所示。这些温度是通过气化炉内衬壁里的嵌入式热电偶得到的。该温度梯度或剖面是指示出各个区域所在之处以及在气化炉内朝哪个方向移动的良好指标。在一个实施例中，控制系统采用该信息在任何给定的区域改变氧化剂流的平衡，或者通过炉排50旋转和旁通物理性地改变还原区40内生物炭层的高度，以助于保持和/或位置它上面的各个区域。

一个实施例通过用碳化硅、氧化硅、氧化铝、高熔点合金、其它陶瓷制品或者其它在高温下稳定的材料作为整个气化炉的内衬来改善发生炉煤气的一致性。该内衬有助于平均分布和引导来自氧化带350的热量，使之能够利用热电偶，同时又保护其免受气化炉内发生的反应的影响。

控制系统可以利用所有不同的方法，并把所述方法与算法控制器相结合。后者不但考虑到整个控制系统的冗余，而且确保可靠性和效率更高。它还确保发生炉煤气稳定和优良的质量。

上文所述的气化应用和方法还提供控制还原区40高度的有效途径。其它气化炉中的一个问题是氧化带350仅限于气化炉内的一个位置，移动它会大幅度地影响工序的功能或者毁坏气化炉。在这种气化炉的一个实施例中，氧化带350可以向上移动到热解区20内或向下移动到还原区40内，但仍然通过控制系统允许放置氧化剂流的位置以及去除的生物炭的量而得以控制和/或保持。因此可以通过炉排50控制原料高度的中断或者通过气化炉的压差，而没有产生氧化带350瓦解的风险。

产生的气体

在操作期间，气化炉会产生发热密度为125至145btu/ft³的发生炉煤气。只要气化炉有足够的氧化剂流和适当的原料，就会持续产生这种质量的发生炉煤气。在一个实施例中，气化炉每天转换12至120吨原料。

显然，该气化炉在设计上与其它气化炉大不相同，它在本质上改进了发生炉煤气的输出和质量，而且工序的总效率也优于当今市场上的其它下吸式气化炉。

其它

本文引用的所有参考，包括出版物、专利申请书和专利通过引用结合到本文中等同于分别具体指出将每个参考通过引用结合到本文以及作为一个整体在此明确阐明。

在描述一项发明的情况下(尤其是在下列权利要求的情况下)使用“一”、“一个”、“这个”或类似名词可解释为既包括单数也包括复数，除非本文另有说明或者与上下文明显矛盾。“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”可解释为开放式措辞(即“包括但不仅限于”)，除非另有说明。作为数值本文列举的范围只是为了用作具体指代属于该范围的各个单独值的快捷方法，除非本文另有说明，而且各个单独值都如同分别本文列举一样纳入该规格。本文所述的所有方法都可以按照任何适当的顺序执行，除非本文另有说明或者明显与上下文明显矛盾。本文列举的任何或所有示例，或示范性语言(例如“比如”)只是为了更好地阐明本发明，而不形成对本发明范围的限制(即“比如，但不仅限于”)，除非另有声明。不得把规范中的语言解释为表明任何未声明的元素，所述元素是实践本发明所必需的。

本文中描述了本发明的优选实施例。本领域普通技术人员通过阅读前述说明，这些优选实施例的变体显而易见。发明者希望熟练的技工酌情使用这些变体，发明者希望除本文具体描述以外，本发明可以得到其他实践。因此，经适当法律允许，本发明包括本文所附的权利要求中所列举的主题的所有修改和对应物。而且，本发明包括本文中所有可能的变体中的上述元素的任何组合，除非本文另有说明或者明显与上下文矛盾。

在以上公开内容陈述了本发明的原则的同时，所列举的示例仅用于阐释，应当认识到都在所附的权利要求以及其中的对应物的范围内，本发明的利用包括所有普通变体、改写和/或修改。本领域的技术人员从前述内容中会理解到在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以形成所述实施例的改写和修改。因此，需要了解的是在所附的权利要求的范围内，除本文具体描述以外，本发明可以得到其他实践。

Claims (49)

1.一种气化炉，包括：

多个垂直放置的联接管，具有内壁、外壁、近端和远端，其中，近端具有入口，远端具有出口；

至少三个连续的反应区，包括以一定角度朝向中心收敛的热解区，然后是氧化区，其中与氧化区相对应的管子的中间部分是膨胀的，然后是还原区，其中与还原区相对应的管子的内壁的直径大于与氧化区相对应的管子的内壁的直径；

平进气口的至少两个环，设置于氧化区内，用于注入空气；以及，

设置于还原区下面但不与其接触的垂直可调的旋转炉排；

其中，所述气化炉是用于原料气化的部分开口式下吸式气化炉。

2.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括外壳，设置成围绕着多个垂直放置的联接管的外壁。

3.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述内壁具有内衬，所述内衬由在适合气化的温度下稳定的材料制成，而且其中，所述材料包括碳化硅、氧化硅、氧化铝、陶瓷或高熔点合金。

4.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括非平进气口，其中，层氧化剂流通过非平进气口进入气化炉，以及吹洗氧化剂流随着原料进入气化炉。

5.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述气化炉在操作过程中进行加压。

6.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括氧化带，所述氧化带刚好形成在平进气口的至少两个环中的至少一个的下面。

7.根据权利要求6所述的气化炉，进一步包括在气化炉使用过程中形成在氧化带以上的诱导原料梯度和形成在氧化带以下的携入生物炭梯度。

8.根据权利要求7所述的气化炉，其特征在于，所述诱导原料梯度和携入生物炭梯度模拟气化炉的喉部和炉膛。

9.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括干燥区。

10.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括在热解区内的至少一个料位指示器和自动进料机构，当所述至少一个料位指示器检测到原料料位较低时，所述自动进料机构激活。

11.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述氧化区内管子的膨胀部分是克莱恩-福格尔曼梯级。

12.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括在使用过程中的气化炉流道和氧化带。

13.根据权利要求12所述的气化炉，其特征在于，所述气化炉流道在气化炉内改变尺寸，而且其中，所述氧化带在气化炉内上下移动。

14.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述平进气口的至少两个环中的至少一个设置于与氧化区相对应的管子的膨胀部分周围。

15.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，直径大于与氧化区相对应的管子的内壁的直径的与还原区相对应的管子的内壁是克莱恩-福格尔曼梯级。

16.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括在气化炉使用过程中刚好在炉排以上的还原区内的生物炭层，其中，通过炉排将原料和生物炭层保持在气化炉内。

17.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括在还原区和炉排之间的旁通。

18.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括在炉排下的至少一个生物炭收集槽和残渣箱，用于收集来自气化炉远端落下的生物炭。

19.根据权利要求18所述的气化炉，进一步包括对称放置于至少一个生物炭收集槽上的两个或多个发生炉煤气收集排气孔。

20.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括相对于气化炉的垂直放置的联接管对称设置的至少两个生物炭收集槽和残渣箱。

21.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括用于操作气化炉的控制系统。

22.根据权利要求21所述的气化炉，其特征在于，所述控制系统垂直调整炉排，使炉排旋转，以及控制原料和生物炭在气化炉内的驻留时间。

23.根据权利要求21所述的气化炉，进一步包括传感器，所述传感器具有监测气化炉区域内变量的功能。

24.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述炉排是耐用的、耐热的、非反应性的，而且炉排具有一个顶面和一个底面，炉排的顶面相对于气化炉的垂直放置的管不成直角，炉排的顶面进一步包括螺旋沟的形式，所述螺旋沟从炉排中心开始，遍布炉排整个顶面。

25.根据权利要求1所述的气化炉，进一步包括在炉排内穿过炉排对称分布的孔，其中，生物炭从气化炉的远端通过炉排落下。

26.根据权利要求1所述的气化炉，其特征还在于，所述炉排具有一个顶面和一个底面，炉排的底面是一个框架，炉排的顶面包括多个设置在框架上的可替换部分。

27.一种原料气化方法，包括：

用原料填装气化炉；所述气化炉包括多个垂直放置的联接管，其具有内壁、外壁、近端和远端，其中近端具有入口，远端具有出口、热解区、氧化区和还原区；

点燃原料，形成氧化带；

利用平进气口的至少两个环将氧化剂流注入氧化区；

使原料连续通过热解区，原料在此开始液化并分解，然后通过氧化区，原料在此变为发生炉煤气，然后通过还原区，发生炉煤气在此与生物炭混合，以冷却和形成额外的发生炉煤气；

利用设置于还原区以下的垂直可调的旋转炉排将原料和生物炭层保持在气化炉内；

通过旁通和炉排内的孔排出生物炭和发生炉煤气；以及，

用原料再填装气化炉。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述内壁具有内衬，所述内衬由在适合气化的温度下稳定的材料制成，所述材料包括碳化硅、氧化硅、氧化铝、陶瓷或高熔点合金。

29.根据权利要求27所述的方法，进一步包括通过非平进气口将空气注入气化炉。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，层氧化剂流通过非平进气口进入气化炉，以及吹洗氧化剂流随着原料进入气化炉。

31.根据权利要求27所述的方法，进一步包括在操作过程中，对气化炉进行加压。

32.根据权利要求27所述的方法，进一步包括通过使用气化炉在氧化带以上形成的诱导原料梯度和在氧化带以下形成的携入生物炭梯度来模拟气化炉的喉部和炉膛，其中，与氧化区相对应的管子的中间部分是膨胀的，然后是还原区，其中，与还原区相对应的管子的内壁的直径大于与氧化区相对应的管子的内壁的直径。

33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述平进气口的至少两个环中至少一个设置于与氧化区相对应的管子的膨胀部分周围。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述平进气口的至少两个环中的至少一个设置于平进气口以上，所述平进气口设置于与氧化区相对应的膨胀部分周围，以便能够把额外的氧化剂流注入原料中。

35.根据权利要求27所述的方法，进一步包括在还原区内混合发生炉煤气和生物炭，其中，通过在还原区内所形成的涡流完成混合。

36.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述炉排是耐用的、耐热的、非反应性的。

37.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述炉排具有一个顶面和一个底面，顶面具有一个中心且相对于气化炉垂直放置的管不成直角，而且其中，所述炉排为螺旋沟的形式，所述螺旋沟从炉排顶面的中心开始，遍布炉排整个顶面。

38.根据权利要求37所述的方法，进一步包括在炉排内穿过炉排对称分布的孔。

39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述炉排内的孔是椭圆形、肾形或卵形的。

40.根据权利要求37所述的方法，其特征在于，所述炉排的底面是一个框架，进一步包括多个设置在框架上的可替换部分。

41.根据权利要求37所述的方法，进一步包括使炉排按照与螺旋沟相反的方向旋转。

42.根据权利要求41所述的方法，进一步包括使生物炭从炉排顶面的中心向外移动到炉排边缘并迫使生物炭通过旁通离开还原区。

43.根据权利要求27所述的方法，进一步包括采用旁通排出在气化炉运转过程中未气化的材料。

44.根据权利要求27所述的方法，进一步包括采用控制系统和传感器监测和调整气化炉的变量。

45.根据权利要求44所述的方法，其特征在于，系统变量包括(a)原料类型、输送速率和料位；(b)区域内的温度；(c)氧化剂流的容积、速度和压力；(d)气化炉区域内的压力；(e)氧化带的位置；(f)炉排的垂直位置和转速；(g)生物炭的排出；(h)生物炭层的厚度；(i)排出气化炉的发生炉煤气的成分测试和采样以及温度；以及(j)发生炉煤气收集排气孔的压力和发生炉煤气离开气化炉的压力。

46.根据权利要求44所述的方法，进一步包括采用控制系统把氧化带保持在气化炉内任意理想的位置，以调整从炉排排出生物炭的速率。

47.根据权利要求46所述的方法，进一步包括采用控制系统把氧化带保持在气化炉内任意理想的位置，以调整层氧化剂流、吹洗氧化剂流和平氧化剂流的速率和比例。

48.根据权利要求44所述的方法，进一步包括通过炉排的转速来调整通过气化炉的垂直压差，以控制从还原区排出生物炭的速率。

49.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述生物炭层是气化炉远端的伪密封。