CN105848755B - 用于净化粗制产品气的工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

本公开内容提供一种用于净化粗制产品气的工艺。该工艺包括使粗制产品气与催化剂流相接触，以重整所述粗制产品气中的有机杂质和无机杂质，并去除颗粒。进一步地，该工艺包括通过在焦化物或固体吸附剂介质存在下与热交换介质的热交换对得到的产品气进行冷却，以使剩余的有机杂质和无机杂质凝结于焦化物或固体吸附剂介质上，并滤出细颗粒。

Description

用于净化粗制产品气的工艺和装置
发明领域
公开了一种用于净化粗制产品气的工艺和装置。尤其是，尽管不是专门地，公开了一种用于净化通过对诸如生物质和煤的含碳材料进行气化所产生的粗制产品气的工艺和装置。
发明背景
气化是指诸如含碳材料的固体或液体材料向气态燃料(还被称为产品气)转变。对于化工和能源行业中的许多低排放技术而言，气化是感兴趣的问题。
气化可应用于各式各样的含碳材料。尤其，诸如褐煤、泥煤、生物质和固体废物的低级含碳燃料由于它们的高气化反应性而特别适于气化。然而，这些低级燃料是有机物质和无机物质的复杂混合物，并且所得到的粗制产品气通常被焦油状残余物、细颗粒及碱金属和碱土金属(AAEM)物质以及微量的诸如锰、硼、铜、铁、钼和锌的无机物、及污染物形成物质(例如NH3、HCN、NOx、SOx和H2S)所污染。粗制产品气中的焦油状残余物在下游设备中在较低的温度下倾向于凝结，从而引起操作困难。无机物质也可挥发至产品气中并引起严重的下游设备的操作问题，这些问题包括用于发电的涡轮机/发动机部件的腐蚀/侵蚀。
因此，通常有必要在粗制产品气能够用作例如涡轮机/发动机中的气态燃料或用作化学合成的供料之前，对粗制产品气进行净化。从气化产品气中去除诸如焦油状物质、AAEM蒸气、颗粒和H2S/NH3/HCl/HCN的各种不希望有的组分对整个气化工艺的复杂性产生影响，并且成为整个气化投资和运营成本的一个重要部分。
用诸如水或生物柴油的液体对粗制产品气进行涤气是去除焦油状残余物及其它不希望有的物质的常规做法。然而，必须首先将粗制产品气冷却，使一些物质凝结。因为这些物质不可避免地沉积在热交换器表面，所以有效地从粗制产品气回收热也是有挑战性的。而且，涤气操作只是将粗制产品气中的焦油状的组分及其它不希望有的物质转移至水中，从而产生液体废物流，该液体废物流需要在处置之前进行昂贵的处理。能够安装生物质气化系统例如用于分布式发电的许多农村地区没有用于涤气操作的合适水源。诸如生物柴油的其它液体的使用将是昂贵的，这不仅是因为购买成本还因为用以将液体运输至偏远地区的成本。
生物质中的许多无机物质是用于生物质生长的基本的主要养分(例如K、Mg和Ca)和微量养分(例如锰、硼、铜、铁、钼和锌)。气化过程中涉及这些无机物质的复杂反应可将它们转变成诸如硅酸盐的化学上非常稳定的物质，所以，即使使灰分返回土地，它们也变得不能用于或不太适用于新的生物质的生长。可选地，它们可能挥发并(在涤气操作之后)最终成为淤泥、或存在于不能被返回田地的其它形式的废物中。这些养分从土地流失将使农业用地的长期生产力和可持续性恶化。事实上，已经表明，生物质成本的重要部分将与购买肥料的额外成本相关，这些肥料用以补充由于将生物质用作能源而从土地流失的养分。不幸地，不是所有的养分都能通过这些肥料进行补充。所以，需要确保这些养分在气化过程中能够保留为可以实现新的生物质的生长、并返回田地的形式。这对于降低生物质供料的成本和确保生物能作为绿色可再生能源的长期可持续性是重要的。
因此，存在对技术进步的需求。
对背景技术的任何引用都不构成对于该技术形成本领域普通技术人员的公知常识的一部分的承认。上述引用也并非意在限制本文所公开的装置和工艺的应用。
发明概要
大体上，公开了一种用于净化粗制产品气的工艺、装置和系统。
依据本发明的一个方面，提供一种用于净化粗制产品气的工艺，所述工艺包括以下步骤：
a)使粗制产品气与催化剂流相接触，以重整粗制产品气中的有机杂质和无机杂质并去除颗粒；以及
b)通过在焦化物(char)或固体吸附剂介质存在下与热交换介质的热交换，对得到的产品气进行冷却，以使剩余的有机杂质和无机杂质凝结于所述焦化物或固体吸附剂介质上，并滤出细颗粒。
在一个实施例中，催化剂包括焦化物或焦化物负载的催化剂，并且所述方法因此可包括在操作条件下使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触，其中粗制产品气中的焦油状残余物至少部分地被重整，并且焦化物或焦化物负载的催化剂被粗制产品气中诸如H2O和CO2的气化剂气化。一些颗粒也可被焦化物或焦化物负载的催化剂所捕获，并且可从产品气中被去除。应理解的是，焦化物或焦化物负载的催化剂可部分或完全地被粗制产品气中的气化剂所气化。
在本发明的一个实施例中，粗制产品气在实质垂直于焦化物或焦化物负载的催化剂流的方向上流动。可将焦化物或焦化物负载的催化剂和粗制产品气的相对流动调整成使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触达限定的时段。
在本发明的另一个实施例中，粗制产品气具有约800℃或更高的高温。应理解的是，使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触的步骤可将粗制产品气的温度降低至约700℃与约750℃之间的温度，这主要是由于产品气(尤其是其中的H2O和CO2)与焦化物或焦化物负载的催化剂之间的吸热反应。
在步骤b)的一个实施例中，在焦化物或固体吸附剂介质存在下通过热交换介质对得到的产品气进行冷却包括：使产品气通过热交换器，所述热交换器布置成容纳焦化物或固体吸附剂介质床。当产品气通过焦化物或固体吸附剂介质床时，保留在所述产品气中的焦油状残余物、其它可凝结的有机物质和/或无机物质凝结于焦化物或固体吸附剂介质的表面上。也将细颗粒从粗制产品气中滤出。通过与热交换器中的热交换介质的热交换来回收产品气的显热。经加热过的热交换介质随后可用于在设备其他位置加热的工艺。热交换介质可以是诸如空气的气体或液体。
应理解的是，热传递介质也可以是焦化物或吸附剂或其它固体。在此情形中，产品气的冷却包括使产品气与焦化物或吸附剂相接触。
在本发明的一个实施例中，对产品气进行冷却的步骤将产品气的温度降低至低于250℃，诸如低于200℃。
依据本发明的第二方面，提供一种用于净化粗制产品气的装置，所述装置包括：
反应区，布置成与用于产生粗制产品气的气化器流体连通，使用时，催化剂流通过反应区的至少一部分，并且使用时反应区从气化器接收粗制产品气，所述粗制产品气与催化剂流相接触；以及
冷却区，使用时，容纳焦化物或吸附剂材料床，所述冷却区被配置成与反应区流体连通，其中使用时，粗制产品气被冷却区接收，并且通过在焦化物或固体吸附剂介质存在下与流体热交换介质的热交换在冷却区中被冷却。
反应区可设有粗制产品气入口和产品气出口，粗制产品气入口布置成与气化器流体连通，产品气出口与冷却区流体连通。反应区也可设有用于焦化物或焦化物负载的催化剂流的入口和出口。
反应区可适于使粗制产品气能够在实质垂直于焦化物或焦化物负载的催化剂流的方向上流动。在一个实例中，反应区可适于使焦化物或焦化物负载的催化剂流能够在自重进料下在竖直方向上流动。在该具体实例中，用于焦化物或焦化物负载的催化剂流的出口可以设置在反应区的下部。反应区可以进一步设有呈闭锁式料斗形式的固体排出装置，所述固体排出装置可操作地连接至用于用过的焦化物或焦化物负载的催化剂流的出口。
反应区可适于调整焦化物或焦化物负载的催化剂和粗制产品气的相对流动，以使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触足够长的一段时间，以至少部分地重整粗制产品气中的焦油状残余物，并部分或完全气化焦化物或焦化物负载的催化剂。还可同时去除一些颗粒。
冷却区设有热交换器，所述热交换器布置成容纳焦化物或固体吸附剂介质床，所述床可以是固定床或移动床。冷却区可进一步设有产品气入口和清洁产品气出口，产品气入口布置成与反应区的产品气出口流体连通。冷却区也可以设有用于操作焦化物或焦化物负载的催化剂移动床的入口和出口。热交换介质也可以是焦化物或固体吸附剂。
在一个实施例中，所述装置包括容器，所述容器中界定有反应区和冷却区。
在另一个实施例中，所述装置包括界定有反应区的第一容器和界定有冷却区的第二容器。
第一容器可设有布置成与气化器流体连通的粗制产品气入口和与第二容器流体连通的产品气出口。第一容器还可以设有用于焦化物或焦化物负载的催化剂流的入口和出口。
第二容器可设有布置成容纳焦化物或固体吸附剂介质床的热交换器，。第二容器可进一步设有布置成与第一产品气出口流体连通的产品气入口，以及清洁产品气出口。第二容器还可以设有用于焦化物或焦化物负载的催化剂流的入口和出口。
依据本发明的实施例的装置可容易地与用于含碳材料(尤其是生物质)的气化的气化器整合成一体，以净化产生于气化器中的粗制产品气。
因此，在本发明的另一方面中，一种气化系统，包括用于气化含碳材料以产生粗制产品气的气化器、和用于净化在本发明的第二方面中所限定的粗制产品气的装置，所述装置布置成与气化器流体连通，以接收并净化粗制产品气。来自所述装置的任一或两个区的焦化物或焦化物负载的催化剂也可被送回气化器，以用于完全气化。
在一个实例中，气化系统包括热解器，所述热解器配置成与气化器流体连通、且位于气化器上游，借此，气化器从热解器接收被热解的含碳材料，热解器布置成与所述装置的所述冷却区流体连通，以接收所述流体热交换介质，从而加热热解器中的所述含碳材料。
附图说明
尽管任何其它的形式都可落入如概要中所提出的装置和方法的范围中，然而现在将仅以实例的方式，参照附图来描述具体的实施例，其中：
图1是根据本公开内容的用于净化粗制产品气的装置的示意图；
图2a和图2b分别是根据本公开内容的用于净化粗制产品气的装置的可选实施例的正视图和平面视图；以及
图3是根据本公开内容的气化系统的示意图。
具体实施例的详细描述
本发明的实施例涉及参照图1、图2a和图2b及图3描述的用于净化粗制产品气的工艺和用于净化粗制产品气的装置10、10＇。
最广义而言，用于净化粗制产品气的工艺包括以下步骤：
a)使粗制产品气与催化剂流相接触；以及
b)通过在焦化物或固体吸附剂介质存在下与热交换介质的热交换，对得到的产品气进行冷却。
本文使用的术语‘粗制产品气’是指通过气化含碳材料(气化)，尤其是诸如生物质的低级含碳材料，所产生的产品气，所述产品气含有在气化过程中形成的诸如焦油状残余物、可凝结的光有机物、细颗粒、在含碳材料中固有的挥发的无机物质以及污染物形成物质(例如NH3、HCN、NOx、SOx、和H2S)的杂质。
气化是通过在高温下与空气、氧、CO2和/或蒸汽发生反应而将固体或液体含碳材料转变为产品气(即一氧化碳、氢、轻质烃和包括氮和CO2的其它气体的混合物)和灰分。有时焦化物作为副产品被生产。
此说明书通篇广泛使用了术语‘含碳材料’，该含碳材料包括但并不限于诸如无烟煤、半无烟煤、烟煤、次烟煤、褐煤的煤和泥煤、油页岩、石油焦、生物质、包括但并不限于车辆轮胎的废旧橡胶、废塑料材料，农业废弃物、它们的混合物以及所述含碳材料与其它物质的混合物。参照图1、图2a和图2b及图3描述的本发明的实施例的工艺和装置尤其适用于由低级含碳材料的气化所产生的粗制产品气，所述低级含碳材料具有高挥发物产率和高挥发性无机物质含量。
所述工艺包括使粗制产品气与催化剂流相接触。
在一个实施例中，催化剂包括以焦化物或其它含碳材料的形式负载于含碳材料基体上的焦化物或金属催化剂。也可使用其它类型的催化剂。焦化物或焦化物负载的催化剂可以由含碳材料或者含有或浸渍有催化物质，尤其是过渡金属，的含碳材料的热解和/或部分气化来制得。可选地，按照本领域的技术人员已知的方法，可以将金属加载/浸渍到焦化物中。在一个实施例中，催化剂包括被焦化物负载的Fe和/或Ni。有利地，由生物质的热解或气化生产的焦化物含有充分分散在焦化物中的大量固有的催化物质，尤其是AAEM物质。于是，由热解或气化生产的焦化物可以用于催化粗制产品气中的焦油残余物的分解。
在一个实施例中，催化剂流可以是连续的。
催化剂流可逐渐下降经过反应区，在该反应区中，粗制产品气与反应区相接触。在一个实施例中，通过重力，焦化物或焦化物负载的催化剂流可随着移动床而逐渐下降经过反应区。在可选的实施例中，通过传送机构，焦化物或焦化物负载的催化剂流可逐渐下降经过反应区，所述传送机构呈螺旋推运器、螺杆或本领域技术人员已知的其它方式的形式。
在一个实施例中，粗制产品气在实质垂直于焦化物或焦化物负载的催化剂流的方向上流动。有利地，以此方式，粗制产品气中夹带的灰分和/或焦化物颗粒被转移至焦化物或焦化物负载的催化剂流、并被焦化物或焦化物负载的催化剂流捕获。
有利地，相对低的粗制产品气流将避免在其中夹带细焦化物/灰分颗粒。焦化物或焦化物负载的催化剂流和粗制产品气的相对流动可以被调整成使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流在反应区中的相接触达限定的停留时间。这通过焦化物或焦化物负载的催化剂流来促进移除粗制产品气中的颗粒。
通过使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触，粗制产品气中的焦油状残余物被存在于粗制产品气中的H2O、CO2和/或其它重整剂重整，以产生主要包含COx(其中x是1、2)和H2的另外的产品气。这些重整反应由焦化物或焦化物负载的催化剂催化。有利地，产品气中的诸如HCN、H2S和NH3的污染物形成化合物及诸如NOx和SOx的污染物化合物可以被还原成N2或固定为残余焦化物或催化剂中的金属硫化物。产品气的高温还满足了吸热的挥发物重整反应的能量需求。因此，有利地，气化器中产生的粗制产品气的一部分显热被回收(recuperate)成呈另外的产品气形式的化学能。
使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂相接触部分或完全地气化焦化物或焦化物负载的催化剂，以产生另外的产品气和灰分。灰分(和部分气化的焦化物)，包括存在于进入反应区之前的粗制产品气中的那些灰分及产生于反应区中的那些灰分，可以通过闭锁式料斗或本领域技术人员已知的其它合适的装置形式的固体排出装置的方式从反应区排出。以此方式，按上述处理被污染的产品气没有产生额外的固体或液体废物流。
通常，粗制产品气离开气化器，在气化器中，粗制产品气是于相对高的温度下，例如在800℃或高于800℃产生。不考虑其起始温度，接触焦化物或焦化物负载的催化剂流将产品气的温度降至约700℃至约750℃之间的温度。应理解的是，产品气的温度将依赖于焦化物或焦化物负载的催化剂的气化反应性。有利地，使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触调整了粗制产品气的温度、并且将抑制气化器中的任何(例如偶然的)温度上升，在气化器中产生粗制产品气。
在使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触之后，该工艺包括：通过在焦化物或固体吸附剂介质存在下与流体热交换介质的热传递对得到的产品气进行冷却。通常，当所述产品气通过时，其被冷却至低于250℃，诸如低于200℃。
焦化物可以是与在工艺的步骤a)中所采用的焦化物或焦化物负载的催化剂相同的类型。可选地，在冷却步骤中可单独地或与焦化物相结合地采用任何合适的吸附剂介质。合适的吸附剂介质的实例包括但不限于活性炭、氧化铝、二氧化硅或沸石。
尽管使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触将借助重整反应去除诸如焦油状残余物的有机杂质，但是所得到的产品气仍可能含有一些无机杂质和有机杂质。随后，在焦化物或固体吸附剂介质存在下对产品气进行冷却会通过使诸如挥发的AAEM和其它无机/金属物质的所述无机杂质和有机杂质在适当的温度下凝结于焦化物或吸附剂介质的表面上而从产品气中去除有机杂质和无机杂质。产品气中夹带的颗粒，诸如亚微米灰分颗粒，被焦化物或吸附剂介质所捕获。诸如NH3、H2S和其它含N-、Cl-或S-化合物的其它无机杂质通过与焦化物或吸附剂介质相接触而被分解、吸收或吸附。有利地，AAEM可增强焦化物的反应性。因此，该工艺提供了一种手段，以此手段可方便地对来自从低级含碳材料所产生的粗制产品气的无机杂质进行利用，以增强用过的焦化物被用作肥料的能力。
产品气中的残余有机杂质，包括一些类型的焦油状残余物，尤其是芳香环体系(例如萘)，可以抵抗工艺的第一步中的催化重整。在焦化物或固体吸附剂介质的存在下冷却产品气使得这些顽固的(refractory)有机残余物凝结于焦化物或吸附剂介质的表面上和/或孔隙中。
在一个实施例中，冷却所得到的产品气包括使所述产品气通过热交换器，该热交换器布置成容纳焦化物或固体吸附剂介质床。因为焦化物(或固体吸附剂介质)的更大的表面积并且由于孔隙中的毛细管作用的缘故，相对于热交换器的表面而言，有机化合物和无机化合物的凝结优先发生于焦化物或固体吸附剂介质的表面上或孔隙中。有利地，有机杂质和无机杂质在比热交换器的表面上的温度高得多的温度下凝结于焦化物或固体吸附剂介质的孔隙中。因此，存在热交换器表面箔(foiling)的减少问题，这通常是从粗制产品气或诸如烟道气的其它‘脏’气体回收热所采用的热交换器的众所周知的问题。
来自所述产品气的显热能够通过与热交换器中的热交换介质的热交换被回收。热交换介质可以是诸如空气(出于经济性考虑)的气体或液体(包括熔融盐)。得到的经加热的热交换介质随后可被用于在设备其他位置的工艺加热，包括干燥生物质或其它含碳材料、热解器或气化器中的加热等等。
应理解的是，通过在增加的温度下对有机焦油状物质和芳香族化合物进行解吸附，焦化物或固体吸附剂介质可经历定期再生。焦化物或吸附剂中丰富的多孔结构意味着一批焦化物在需要再生之前可能工作相当长一段时间。所吸附的无机杂质不太可能通过再生而被去除。所以，焦化物将因此需要不时地进行更换，但通常仅在长时间的工作之后。在经历了解吸附以去除挥发有机杂质之后，用过的焦化物随后能够作为土壤改良剂或肥料返回田地。可选地，用过的焦化物可被气化，以回收其能量值。
现在将参照图1、和图2a、图2b以及图3来分别描述用于净化粗制产品气的装置10、10’的两个实施例。
参看图1，装置10包括第一容器12和第二容器14，第一容器12中界定有反应区，第二容器14中界定有冷却区。第一容器12与第二容器14流体连通。
在该具体实施例中，第一容器12中的反应区由网状物16和18所形成的竖直面的柱状物(vertical-sided column)来界定。这些网状物也可以是打孔的板。在可选的实施例中，网状物(打孔的板)之一或两者是不存在的，并且整个容器就是反应区。
从柱状物上端延伸的是上圆锥部20，该上圆锥部20设有入口22用于通过进料装置24从料斗引入连续的焦化物或焦化物负载的催化剂流。
从网式柱状物下端延伸的是下圆锥部28，该下圆锥部28设有出口30用于通过排出装置32排出灰分和用过的催化剂或它们的组合。排出装置32与下圆锥部28的出口30流体连通，并且排出装置32可包括旋转阀或类似装置，以使堵塞最小化并控制焦化物或焦化物负载的催化剂通过第一容器12的流量率。
第一容器12设有用于粗制产品气的入口34和出口36，入口34布置成与气化器流体连通(未示出)，出口36与第二容器14流体连通，用于收回在反应区中处理过的产品气。
入口34，及可选地出口36，设有导向单元38，以引导粗制产品气在实质垂直于柱状物的方向上流动。有利地，粗制产品气中夹带的细灰分颗粒在柱状物中被焦化物或焦化物负载的催化剂流所捕获。
应理解的是，第一容器12的形状和尺寸将适于提供相对大的横截面积，以最大化气体-固体相互作用并捕获粗制产品气中的细颗粒。另外，将粗制产品气流速调整为相对低的，以使得能在反应区中有足够的停留时间。
大体上，第二容器14包括圆柱形容器，该圆柱形容器具有向内逐渐变细的基座，该基座适于将诸如呈盘绕式热交换器形式的热交换器55容纳于焦化物或固体吸附剂介质床40中。也可以使用其它类型的热交换器。应理解的是，焦化物或固体吸附剂介质均匀地散布及分配于盘绕式热交换器的盘管(coil)之间。在第二容器14的上端44处提供在中心设置的入口42，用于向第二容器14装载及卸载焦化物或固体吸附剂介质。也可以使用本领域技术人员已知的其它卸载焦化物或吸附剂介质的方式。可选地，可从容器14下部中的出口(未示出)卸载焦化物或固体吸附剂介质。
第二容器14设有用于已在第一容器12中处理过的产品气的入口46和用于收回清洁产品气的出口48。入口46设置在第二容器14的侧壁50中，诸如邻近第二容器14的上端，并且入口46与第一容器12的出口36流体连通。出口48设在第二容器14的向内逐渐变细的基座的顶部52中。大的固体颗粒可被装进该顶部中，以阻止焦化物或固体吸附剂介质通过出口48离开容器。
第二容器14还设有入口54和出口56，入口54与热交换器55的盘管流体连通，用于接收热交换介质，出口56与热交换器55的盘管流体连通，用于排出被加热的热交换介质。
使用时，如上所述的来自气化器的、含有有机杂质和无机杂质的粗制产品气在第一容器12的入口34中被接收，并且粗制产品气被导向单元38引导成以实质垂直的方向流过在网状物16与18之间实质竖直的柱状物，该柱状物中含有在其中流过的下降的焦化物或焦化物负载的催化剂流。通过将焦化物或焦化物负载的催化剂进料到网式柱状物16的上部20中的入口22中，并借助排出装置32经由柱状物的下部28中的出口30排出部分气化的焦化物或焦化物负载的催化剂、灰分或它们的混合物来建立下降的焦化物或焦化物负载的催化剂流。
然后经由出口36从第一容器12收回得到的产品气，并经由入口46将该产品气接收到第二容器14中。使所述产品气通过嵌于焦化物或固体吸附剂介质床40中的盘绕式热交换器55(的外部)，从而将得到的产品气从约700℃至约750℃的范围内的温度逐渐冷却到在第二容器14的出口48处的低于250℃诸如低于200℃的温度。随着产品气冷却，产品气中的残余有机杂质和无机杂质凝结于焦化物或固体吸附剂介质上或被焦化物或固体吸附剂介质捕获，并且产品气的显热被传递至流经盘绕式热交换器55的热交换介质。
参看图2a和图2b，装置10’包括容器58，该容器58中界定有反应区和冷却区。
容器58具有上部60、与第二下部64间隔开的第一下部62、和中间部66，该中间部66沿着容器58的长度实质水平地设置在上部60与第一下部62和第二下部64之间。容器58还设有布置成与气化器(未示出)流体连通的用于粗制产品气的入口68和用于收回在容器58中净化过的产品气的出口70。入口68和出口70设置在中间部66的相应的相对端72、74。容器58配置成限制粗制产品气在大体水平的方向上从入口68沿着中间部66的长度流动至出口70。
容器58的上部60界定空隙，该空隙设有配置成限制上部60中的气流的多个挡板76。上部60还设有呈格子进料器(grate feeder)或‘漏式进料器(leaking feeder)’形式的进料器78，用于将焦化物进料到容器58中，后文将进行描述。使用时，上部60中的空隙填充有焦化物或焦化物负载的催化剂或其它类型的催化剂或它们的混合物。
第一下部62和第二下部64设置成邻近中间部66的相应的相对端72、74。第一下部62和第二下部64通常向下逐渐变细，以将相应的气化的焦化物、灰分或它们的混合物及用过的焦化物流引导到排出口80、82，后文将进行描述。排出口80、82可设有诸如闭锁式料斗的任何合适的排出装置。第一下部62和第二下部64也可设有多个挡板84，挡板84配制成限制其中的气流。
中间部66设有多个热交换板或挡板86，热交换介质(例如空气)流经该多个热交换板或挡板86。用于热交换介质的一个或多个入口88可设置成邻近用于清洁产品气的出口70。用于热交换介质的一个或多个出口90可设置成邻近用于粗制产品气的入口68。因此，这种特别的布置提供热交换介质相对于粗制产品气流的反向式流动(counter-currentflow)。并向式流动(co-current flow)也是可能的。
在此具体实施例中，容器58还容纳散布在热交换板或挡板86之间的焦化物或焦化物负载的催化剂床。
热交换板或挡板86(见细节A)配置成实现高的热交换表面积。在图2中，经由入口88进入容器58的热交换介质被分成多个子流(图2中的实例中示出4个子流)。热交换介质的每个子流通过一系列间隔开的且相互连接的平行中空板。挡板设在每个中空板中。挡板和中空板的壁界定弯曲的(U型)通道，以增加传热表面积和传热系数，从而得到增强的传热速率。焦化物或固体吸附剂颗粒填充中空板之间的间隙。当产品气流经焦化物或固体吸附剂介质床时，产品气流经具有许多转弯的通道。容器壁附近的中空板的宽度是内部的那些中空板的宽度的一半。容器壁形成中空板的一部分。
使用时，经由至容器58的上部60的进料器78将焦化物、吸附剂或它们的混合物加入容器58中，并且焦化物、吸附剂或它们的混合物在重力下下降至中间部66中。
容器58的反应区被界定在用于将热的粗制产品气接收至中间部66中的入口68处以及邻近入口68的区域中，在其中，存在焦化物和焦油状残余物的充分气化/消耗，并且通过与产品气中的重整剂(诸如H2O和CO2)的催化重整反应从粗制产品气中去除其它有机杂质。诸如NH3/H2S/HCN/HCl和SOx/NOx的一些无机杂质也被破坏或固定至焦化物或催化剂中。粗制产品气中的颗粒也至少部分地被焦化物或焦化物负载的催化剂流捕获。
灰分、部分气化的焦化物或两者的混合物缓慢地下降至第一下部62中，并通过排出口80排出。通过来自容器58的上部60的焦化物流来补偿(即补充)在中间部66中的焦化物消耗。
当粗制产品气通过中间部66的热交换板或挡板86时，所述气体逐渐冷却，并且气化终止。容器58的冷却区因此被界定为中间部66的如下部分：在中间部66的该部分中，焦化物大体吸附从粗制产品气凝结的有机杂质和无机杂质，并过滤出粗制产品气中的细颗粒。应理解的是，焦化物并非实质消耗于容器58的冷却区中，所以包括焦化物或焦化物负载的催化剂的缓慢移动床。可以缓慢并连续地或间歇地从容器58的第二下部64的排出口82排出用过的焦化物。可对用过的焦化物进行再生以再挥发焦油状残余物，并将用过的焦化物返回至容器58。可选地，可对用过的焦化物进行气化，以回收其能量值。
再生的用过的焦化物还含有丰富的AAEM物质及其它无机养分，并能够容易地返回土壤作为土壤改良剂。以此方式的焦化物再循环有两个重要的优点：(1)焦化物中的无机养分返回田地，和(2)碳汇，从而减少来自像燃料转换和发电这样的工艺的碳排放。对于乡村和地方社区的长期可持续发展而言，这些因素是重要的。
正如上面详细描述的，本发明的实施例提供了一种有效的热气体净化方法，尤其用于低级含碳材料的气化，以生产相对高质量的产品气，用于诸如发电、产热和化学品/燃料合成的目的。
本发明的实施例还提供了能够从产品气流中去除焦油残余物、颗粒、其它杂质和污染物形成物质，以及能够增加产品气中的氢含量的固体催化剂。
还应理解的是，产品气的显热可以在本发明的其它工艺流用于气化设备之前，与这些流一起有效地用于间接热交换。
可选地，产品气的显热可用以干燥或热解经气化之前的含碳材料。
参看图3示出了气化系统100的一个实施例。气化系统100包括用于干燥诸如生物质的含碳材料的干燥器110、用于加热并热解干燥过的或部分干燥过的含碳材料并且产生焦化物和挥发物的热解器120、用于气化焦化物并重整挥发物以产生粗制产品气的气化器130、和如前面所描述的用于净化粗制产品气的装置10或10’。所述装置10或10’布置成与气化器130流体连通，以接收并净化粗制产品气。
可采用如下文所述的气化系统100。
例如通过斗式提升器(bucket elevator)104将生物质(或可选的含碳材料或它们的混合物)从储料斗102传递至干燥器110，该斗式提升器104被布置成进料生物质。干燥器110采用热空气流来干燥生物质。热空气流可包括来源于气化系统100中的多个部件中的任何一个(尤其是热解器120的排气装置)或下游设备(例如燃气机(gas engine)的排气装置)的废热流。可选地，尤其在启动模式中，热空气流可来源于直接式空气加热器106中的(例如天然气与空气的)燃烧器。
然后，例如通过斗式提升器108将离开干燥器110的干燥过的或部分干燥过的生物质传递至平行式料斗(parallel hopper)112(或其它类型的料斗)。螺旋进料器114将来自平行式料斗112的干燥过的生物质进料到热解器120中。因为热解器10也可以起到进料器的作用，所以所述螺旋进料器114并不总是必要的。热解器120对干燥过的生物质进行加热，以产生挥发物(包括水蒸气)和固体焦化物颗粒。热解器120的热负荷可以源自被加热的流体热交换介质通路导管115，该通路导管115在用于净化粗制产品气的装置10(或10’)的热交换器55(或86)中使用。另外，或者可选地，来自燃气机150的烟道废气通路导管116可以传递用于热解器120的部分或全部的热负荷。
蒸汽和空气经由线路118和122被传送至气化器130。来自热解器120的挥发物和夹带的细颗粒经由导管124进入气化器130。焦化物颗粒离开热解器120，并经由螺旋进料器126被进料到气化器130中。气化器130可设有辅助燃烧器(未示出)，该辅助燃烧器燃烧天然气或其它燃料，以提供额外的热负荷和/或启动模式中的热负荷。
在另一实施例中，热解器120与气化器130整合于一个容器中，并且导管124和进料器126不再是必要的。热解产物离开热解器并同时进入气化器130。
在进入气化器130之后，大的焦化物颗粒下降至气化器130的下部132，并且挥发物(和一些夹带的焦化物微粒)上升至气化器130的上部134并在那里经历重整反应。焦化物颗粒与例如呈空气、稀释的氧或纯氧形式的含氧气体流发生反应，以主要产生一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)伴随诸如H2的其它气体，这些气体随后上升至气化器130的上部，并与挥发物和重整的气体混合，以产生粗制产品气。如上所述的挥发物重整反应和焦化物气化反应的分离使挥发物-焦化物相互作用的不利影响最小化，从而加速焦化物的气化。这种布置还使挥发物与含氧气体的不必要的接触最小化，以降低含氧气体的消耗。
在一个实施例中，在气化器中提供与进料器126连接的导管(未示出)，以使焦化物颗粒靠近气化器的底部。气化器的下部形成为圆锥形，使得焦化物颗粒被保持在气化器的下部中，以确保它们有足够长的停留时间来与氧和其它气化剂发生反应。使用本领域技术人员已知的公式或使用计算机软件包(例如计算流体动力学软件包)，并且考虑到在感知到的(perceived)条件下它们的停留时间应比燃尽时间更长，能够从细颗粒的终端速度计算出锥角(即避免细颗粒夹带)，。基于焦化物颗粒的粒径分布来选择待保留于此区域中的细颗粒的尺寸，使得大多数焦化物颗粒保留在该区域中用于与氧发生反应。尽管一些大的灰分颗粒从气化器底部排出，但是灰分和未燃烧的焦化物细颗粒将被夹带至气化器的上部134，然后被运送至旋风分离器中用于分离和收集。
为了确保在气化器的下部处颗粒的正确点火和灭火，来自118和122的气化剂可在它们进入气化器之前被预加热。预加热的一种方式是使气化剂通过热交换器，例如包裹于气化器反应器壁的外部或内部的盘绕式热交换管。这种热交换布置还有助于气化器的下部的温度谱的调整。可选地，将蒸汽引入至下部是另一种调整气化器的下部处的反应温度的方式。
可从气化器130的下部132收回大的焦化物颗粒。正如前文已经描述过的，焦化物可被用在用于净化粗制产品气的装置10或10’、反应区或冷却区中。
粗制产品气经由导管140离开气化器130，并进入旋风分离器142，在旋风分离器142中，粗制产品气与主要为焦化物和灰分的固体颗粒分离。
然后粗制产品气进入装置10或10’，并进行如前文所述的处理。得到的经净化的产品气然后被用于诸如发电、制氢和/或化学品/燃料合成的各种目的。
在图3中所示的实施例中，经加热的热交换介质从装置10或10’被送至热解器120，以满足完全地蒸发生物质中的残余湿气、热解生物质、以及进一步裂解到达升高的温度的热解产物的能量需求。这是一种有效的能量回收方式。
本发明的实施例能够提高气化效率。该技术能够适当地用在例如能源和化学工业中。
相关领域的技术人员应容易理解的是，本发明的一些实施例可以提供优于现有技术的优点，所述优点包括但不限于下列几点：
·提供粗制产品气净化工艺，尤其是用于由低级的含碳材料产生的粗制产品气，该工艺按顺序地重整在较高的气化器出口温度下的焦油状残余物、去除颗粒、破坏污染物或污染物前驱物、然后随着产品气被冷却而将剩余的焦油状残余物及其它有机残余物和无机物(例如AAEM)凝结并吸附于焦化物或其它固体吸附剂介质床上，并且该工艺回收粗制产品气中的热能；
·通过用焦化物或焦化物负载的催化剂来重整焦油残余物，使产品气中的焦油残余物的量最小化，该产品气中的焦油残余物是在低级的含碳材料的气化中常出现的一个问题；
·使产品气中的细颗粒减少到最低程度；
·用焦化物或固体吸附剂介质床去除挥发的AAEM和诸如NH3、HCN和H2S的污染物形成杂质；
·作为一种处置方式，可以将用过的焦化物或焦化物负载的催化剂排出至气化器中的焦化物气化区并将其气化，从而对气化器中的热能生产作出贡献，而不产生额外的液体或固体废物流；
·用过的焦化物或焦化物负载的催化剂含有大量AAEM物质及其它无机养分，并且能够容易地返回土壤作为土壤改良剂及用于固碳；
·可以有效地(部分地)将粗制产品气的显热转化为化学能，然后通过与热交换介质的热交换而被回收；
·可以实现粗制产品气的显热的热回收，而不污染热交换器表面。
除了已经描述的那些之外，在不偏离基本发明构思的情况下，将许多变化和修改建议给相关领域的技术人员。可认为所有这些变化和修改都是在本发明的范围之内，其性质将由前面的描述来确定。例如，应当理解的是，在小规模(几兆瓦或更少)和大规模(几百兆瓦)时，都能够以各种方式实践和执行本发明的实施例。
还应被理解的是，尽管前面的描述涉及工艺步骤的具体顺序、装置和设备的部件，但是它们的构造仅为说明性目的而被提供，并非意在以任何方式限制本发明的范围。
在本发明的说明书中，除非上下文需要，否则由于语言表达或必要的暗示，词语“包括”或诸如“包括了”或“包括有”的变形是包括在内的意思，即明确说明被表述的特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中存在或添加进一步的特征。

Claims (29)

1.一种用于净化粗制产品气的工艺，所述工艺包括：
a)使粗制产品气与催化剂流相接触，以重整粗制产品气中的有机杂质和无机杂质，并去除颗粒，其中所述粗制产品气在实质垂直于催化剂流的方向上流动；以及
b)通过在固体吸附剂介质的存在下与热交换介质的热交换，对得到的产品气进行冷却，以使剩余的有机杂质和无机杂质凝结于固体吸附剂介质上，并滤出细颗粒。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中所述热交换介质包括流体。
3.根据权利要求2所述的工艺，其中所述催化剂包括焦化物或焦化物负载的催化剂。
4.根据权利要求3所述的工艺，其中使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触包括：在操作条件下使粗制产品气与焦化物或焦化物负载的催化剂流相接触，借此使粗制产品气中的焦油状残余物及其它杂质经历重整反应，并且使焦化物或焦化物负载的催化剂经历部分或完全气化。
5.根据权利要求4所述的工艺，其中所述粗制产品气流具有相对低的速率，以强化催化剂流的对颗粒的去除。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的工艺，其中在固体吸附剂介质存在下对步骤a)中的产品气进行冷却，包括使所述产品气通过布置成容纳固体吸附剂介质床的热交换器。
7.根据权利要求6所述的工艺,其中所述固体吸附剂介质为焦化物。
8.根据权利要求6所述的工艺，其中所述产品气通过固体吸附剂介质床，将所述产品气中剩余的焦油状残余物、其它可凝结的有机杂质和/或无机杂质凝结于固体吸附剂介质的表面上，且将剩余的细颗粒滤出。
9.根据权利要求8所述的工艺,其中所述固体吸附剂介质为焦化物。
10.根据权利要求6所述的工艺，其中通过与热交换器中的热交换介质的热交换来回收所述产品气的显热。
11.根据权利要求7所述的工艺，其中通过与热交换器中的热交换介质的热交换来回收所述产品气的显热。
12.根据权利要求8所述的工艺，其中通过与热交换器中的热交换介质的热交换来回收所述产品气的显热。
13.根据权利要求9所述的工艺，其中通过与热交换器中的热交换介质的热交换来回收所述产品气的显热。
14.一种用于净化粗制产品气的装置，包括：
反应区，布置成与用于产生粗制产品气的气化器流体连通，使用时，催化剂流通过反应区的至少一部分，并且使用时反应区从气化器接收粗制产品气，所述粗制产品气与催化剂流相接触,其中所述反应区适于使粗制产品气能够在实质垂直于催化剂流的方向上流动；以及
冷却区，使用时，冷却区容纳固体吸附剂介质床，所述冷却区被配置成与反应区流体连通，其中使用时，粗制产品气被冷却区接收，并且通过在固体吸附剂介质的存在下与流体热交换介质的热交换在所述冷却区中被冷却，
其中所述冷却区设有热交换器，所述热交换器布置成容纳固体吸附剂介质床。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述反应区设有粗制产品气入口和出口，所述入口布置成与气化器流体连通，所述出口与冷却区流体连通。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述反应区设有用于催化剂流的入口和出口。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述反应区适于使催化剂流能够在自重进料下在竖直方向上流动。
18.根据权利要求17所述的装置，其中用于所述催化剂流的出口设置在反应区的下部。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的装置，其中所述装置包括第一容器和第二容器，所述第一容器包括所述反应区，所述第二容器包括所述冷却区。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述催化剂包括焦化物或焦化物负载的催化剂。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述反应区适于调整催化剂和粗制产品气的相对流动，以使粗制产品气与催化剂流相接触，以重整粗制产品气中的有机杂质和无机杂质、去除产品气中的颗粒、以及部分或完全气化焦化物或焦化物负载的催化剂。
22.根据权利要求21所述的装置，反应区进一步设有灰分排出装置。
23.根据权利要求19所述的装置,其中所述固体吸附剂介质为焦化物。
24.根据权利要求19所述的装置，其中所述冷却区设有用于再生固体吸附剂介质的流体的入口和出口。
25.根据权利要求24所述的装置，其中所述冷却区设有用于将固体吸附剂介质装入和排出冷却区中的入口和出口。
26.根据权利要求25所述的装置,其中所述固体吸附剂介质为焦化物。
27.一种用于从含碳材料产生产品气的气化系统，包括用于气化含碳材料以产生粗制产品气的气化器、和如权利要求14至26中任一项所限定的用于净化粗制产品气的装置，所述装置布置成与气化器流体连通，以接收并净化粗制产品气。
28.根据权利要求27所述的气化系统，其中，所述气化系统包括热解器，所述热解器以与气化器流体连通、且位于气化器的上游的方式配置，借此，所述气化器从热解器接收被热解的含碳材料，所述热解器布置成与所述粗制产品气净化装置的所述冷却区流体连通，以接收所述流体热交换介质，从而加热所述热解器中的所述含碳材料。
29.根据权利要求27或28所述的气化系统，其中所述热解器与气化器集成一体。
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