CN107001957B - 从燃料中产生产物气体的反应器 - Google Patents

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Abstract

从燃料中产生产物气体的方法和反应器。将燃料输入热解室(6)并且进行热解过程用于获得产物气体。将离开热解室(6)的燃料的部分再循环至燃烧室(20,23)。在燃烧室(20,23)中，使用主要工艺流体在流化床(20)中进行气化过程，然后使用次要工艺流体在流化床(20)之上的区域(23)中进行燃烧过程。

Description

从燃料中产生产物气体的反应器
发明领域
本发明涉及从燃料中产生产物气体的方法，其包括将燃料输入热解室中并且进行热解过程用于获得产物气体，以及将离开热解室的燃料的部分再循环至燃烧室。在另一方面，提供从燃料中产生产物气体的反应器，其包括与燃料输入端、第一工艺流体输入端和产物气体输出端连接的热解室，与废气输出端连接的燃烧室以及连接热解室和燃烧室的反馈通道。
现有技术
国际专利公开WO2014/070001公开了从燃料中产生产物气体的反应器，所述反应器含有壳体，具有在操作时容纳流化床的燃烧室、沿反应器的纵向延伸的上升管以及共轴地位于上升管周围并且延伸进入流化床的下降管。提供向上升管提供燃料的一个或多个进料通道。
发明概述
本发明寻求提供处理燃料的改进的反应器，所述燃料例如生物质、废料或煤。
根据本发明的第一方面，提供根据以上限定的前序部分的方法，其还包括在燃烧室中使用主要工艺流体于流化床中进行气化过程，然后使用次要工艺流体在流化床之上的区域进行燃烧过程。主要工艺流体和次要工艺流体为例如包含氧气的空气。通过分别产生热解过程、气化过程和燃烧过程，可以实现若干益处，包括更有效的操作和更适应于特定燃料的能力。
在第二方面，本发明涉及如以上前序部分所限定的反应器，其中燃烧室包括容纳流化床的气化区和在流化床之上的燃烧区，其中所述反应器还包括与气化区连通的主要工艺流体输入端和与燃烧区连通的次要工艺流体输入端。这允许分别控制气化过程和燃烧过程，并且更具体地，允许控制反应器中若干部件的温度，以便实现对反应器更有效的全部操作和控制。
附图简述
参照附图，使用许多示例性实施方案，以下将更详细地讨论本发明，其中
图1示出了从燃料中产生产物气体的现有技术中的反应器的示意图；
图2示出了根据本发明的实施方案的反应器的示意图；以及
图3示出了根据本发明的另一实施方案的反应器的示意图。
示例性实施方案的详细描述
用于从诸如生物质的燃料中产生产物气体的装置在现有技术中是已知的，参见例如与本发明同一申请人的国际专利公开WO2014/070001。向反应器中的上升管供应燃料(例如生物质、废料或(低质量)煤)，并且所述燃料例如包含以重量计80％的挥发性成分和以重量计20％的基本上为固体的碳或炭。在低氧(即亚化学计量(substoichiometric)的氧气)或无氧环境下，将供应至上升管的燃料加热至适当温度，导致燃料在上升管中气化和热解。上升管中的所述适当温度通常高于800℃，例如850℃至900℃。
挥发性成分的热解导致产物气体的产生。例如，产物气体为气体混合物，所述气体混合物包含CO、H2、CH4和任选的高级烃。在进一步处理之后，所述可燃的产物气体适用于用作各种应用的燃料。由于气化速度低，存在于生物质中的炭仅在上升管中气化至有限的程度。因此，炭在反应器的分离区(燃烧部件)中燃烧。
图1示意性地示出了现有技术中的反应器1的横截面剖视图。反应器1形成间接式或他热式气化炉，其结合挥发性成分的热解/气化和炭的燃烧。由于间接气化，诸如生物质、废料或煤的燃料被转化成产物气体，所述产物气体作为最终产物或中间产物适于作为例如锅炉、燃气发动机和燃气轮机内的燃料，以及作为输入用于进一步的化学过程或化工原料。
如图1的示意图所示，此类现有技术中的反应器1包括由外壁2界定的壳体。在反应器1的顶部，提供产物气体出口10。反应器1还包括上升管3，例如以中心定位管的形式，在其内部形成上升通道。一个或多个燃料输入端4与上升管3连通，以将反应器1的燃料运输至上升管3。在燃料为生物质的情况下，一个或多个燃料输入端4可以配备有阿基米德螺旋泵，以将燃料以受控的方式运输至上升管3。使用底部的第一工艺流体输入端5(例如用于引入蒸汽的输入端)来控制上升管3中的过程(在现有技术的实施方案中为在热解室6中发生的热解过程)。提供从热解室6的顶部(或上升管3的顶部)返回至用作燃烧室8的流化床的反馈通道，例如以与返回通道12连接(共轴设置的)的漏斗11的形式，以及以在燃烧室8的较低侧朝向上升管3的孔12a的形式。将燃烧室8中的流化床使用主要工艺流体输入端7(例如使用空气)来保持“流动”。低于漏斗11的反应器1的空间与废气出口9连通。
然而，在实际使用中，尽管反应器1能够使困难(含灰)燃料(例如草和秸秆)气化，而且还能够使高灰的煤和褐煤以及废料气化，但是在控制反应器1的温度方面观察到了难点。为了实现困难燃料的气化，必须降低温度以避免与燃料有关的结块和腐蚀问题。通常，降低气化温度时所发生的情况为至产物气体的转化也降低。这导致更多的炭，其终止于燃烧室8中。在燃烧室8的流化床中，由于这种作用温度将升高，并且因为以上所提及的两项话题，这是不期望发生的事情。
根据本发明实施方案，其中实施方案示出在图2和图3的示意图中，提供反应器1用于从燃料中产生产物气体，所述反应器1包括与燃料输入端4、第一工艺流体输入端5和产物气体输出端10连接的热解室6。提供由反应器1的壁2界定的燃烧室20、23，所述燃烧室与废气输出端9连接，以及反馈通道11、12、12a连接热解室6和燃烧室20、23。燃烧室包括容纳流化床的气化区20和在流化床之上的燃烧区23。反应器1还包括与气化区20连通的主要工艺流体输入端21和与燃烧区23连通的次要工艺流体输入端22。因此，在本发明的实施方案中，在燃烧室中提供额外的步骤，即气化以改善其操作行为。通过分别产生热解区6、气化区20和燃烧区23，可以实现若干益处。
因此，在本发明的另一方面，提供方法用于从燃料中产生产物气体，所述方法包括将燃料输入热解室6并且进行热解过程用于获得产物气体，将离开热解室6的燃料的部分(固体)再循环至燃烧室20、23，以及在燃烧室20、23中使用主要工艺流体于流化床20中进行气化过程，然后使用次要工艺流体在流化床20之上的区域23中进行燃烧过程。主要工艺流体和次要工艺流体为例如包含氧气的空气。
为了在流化床中的气化区与直接在所述流化床之上的反应器的空间中的燃烧区之间实现分离，可以例如通过以0.9至0.99(例如0.95)的当量比ER操作气化过程来控制化学计量，所述当量比ER被定义为供应的氧气的量除以供应的燃料完全燃烧所需氧气的量的比率。
主要工艺流体输入端21被有利地用于控制流化床20中的温度，因为这允许外部操纵反应器1内部的过程。例如通过下述来控制当量比：降低主要工艺流体的供应、降低主要工艺流体中的氧含量、将惰性气体添加至主要工艺流体或通过将废气添加至主要工艺流体(例如，来自废气输出端9的废气(再循环))。由于所有这些替代都是可易于获得的，对于反应器1的构建和操作不需要或需要极少额外的努力和成本。
可以将燃烧区23以至少1.2(例如等于1.3)的当量比ER进行操作，以在燃烧区实现例如由热解过程产生的炭的尽可能完全燃烧。
布置主要工艺流体输入端21和次要工艺流体输入端22以分别为气化过程和燃烧过程提供空气。这允许分别控制气化过程和燃烧过程，以实现对反应器1更有效的全部操作和控制。为了有效控制，反应器可以包括与主要工艺流体输入端21连接的控制单元24(如图2和图3的实施方案所示)，用于控制主要工艺流体至气化区20的速度和氧含量。此外，控制单元24可以与次要工艺流体输入端22连接，用于控制次要工艺流体至燃烧区23的速度和氧含量。可以使用外部空气或其它(惰性)气体源(例如氮气)来控制速度和氧含量，或者在另一替代中，可以利用来自废气出口9的废气使用气体再循环。为此，控制单元24例如提供有与废气出口9(以及适当控制元件，例如阀等)连接的输入通道。
在本发明方法的另一实施方案中，基于下述的测量来控制当量比：产物气体中的温度和/或来自燃烧过程的废气的温度和/或来自燃烧过程的废气的氧含量。例如，为了实现0.9至0.99的ER的所需目标，废气中所测量的氧含量应为3％至5％。这些参数可以使用本身已知的适当传感器在操作期间于反应器中容易地进行测量。在另一反应器实施方案中，控制单元24与一个或多个传感器连接，所述传感器例如温度和/或氧含量传感器。
在另一实施方案中，次要工艺流体输入端22包括位于燃烧区23中的分配装置25。这可以在燃烧区23中实现更好的燃烧结果和效率。特定形状和结构可以取决于燃烧区的形状，例如在图2所示的实施方案中，分配装置可以是具有分布的孔的环形通道。作为替代，分配装置25可以作为分布在反应器壁2周围的多个沿切线设置并向内导向的喷嘴呈现。
为了在反应器中适当地操作热解过程，布置第一工艺流体输入端5以向热解室6提供第一工艺流体(例如，蒸汽、CO2、氮气、空气等)。可以外部控制具体的第一工艺流体参数(例如温度、压力)。
可以将困难燃料在低于常温下进行气化，同时维持完全燃烧。一般与燃烧有关的热通常产生于燃烧室的流化床中，但是通过降低燃烧室的化学计量和增加次要空气，引入气化区20。可以经由主要工艺流体输入端21通过调节至流化床的空气(例如，使用(压缩)空气)，而将该气化区20调整为升高或降低温度。将流化床之上的燃烧区23用于燃烧未燃的组分(CO和CxHy)。与该燃烧有关的热不会增加气化区20中的鼓泡流化床的温度，并且因此不会引起凝聚问题。
通过将燃烧室分成气化区20(鼓泡流化床，BFB)和燃烧区23(在BFB之上)，部分炭未燃烧并且将循环回到上升管3(经由反馈通道11、12的孔12a)。一方面，这将提供增加燃料转化的蒸汽气化的额外机会，另一方面，其可以增加焦油减少的催化过程(已知炭具有催化和/或吸收活性)。
将存在炭的累积(尤其在较低的气化温度下)，然而，气化区20的流化床使炭破碎成更小的颗粒，其最终逃逸至燃烧区23。
作为替代，可以通过增加鼓泡流化床中的速度来防止炭的累积。这可以通过降低反应器1的尺寸(最显著的是，气化区20中的流化床的直径)和提高反应器1的可扩展性来实现。在另一实施方案中，增加速度以在气化区20的鼓泡流化床中产生较大的气泡和大的飞溅区。
然后燃烧区23中的次要空气也使进入流化床之上区域的炭燃烧。这将产生额外的热，然而，其经由废气出口9运输离开，并且流化床温度将保持是低的。
在图2中，示出了反应器1的变体，其最适用于处理生物质或废料(尽管也可以使用其它燃料)。在此，由位于反应器1中的一个或多个上升通道3形成热解室6(例如，以垂直管的形式，即纵向设置，或者甚至与反应器壁2共轴)，并且将鼓泡流化床设置在反应器1的底部的气化区20中，围绕上升管3的底部。
相比之下，图1的反应器1仅包括热解室6和发生燃烧过程的具有流化床的燃烧室8。在图2的变体中，通过降低当量比ER来调节气化区20的流化床中的条件。因此，通过降低ER(供应的氧气的量与完全燃烧所需氧气的量的比率)，体积流量下降，以及气化区20的流化床中的温度下降。
可以在图3的实施方案所示的反应器1的变体中实现类似的改进。操作原理与图2的实施方案相反(燃烧现在发生在上升管3中并且煤的热解发生在流化床6中)。或者换而言之，燃烧室20、23由设置在反应器1中的一个或多个上升通道3形成。该实施方案可以例如有利地用于处理低质量的煤，例如具有高含灰量的煤。
在另一方法实施方案中(尤其是用于操作图3的反应器1实施方案中)，将流化床以至少1(例如等于1.05或等于1.1)的当量比(ER)来操作。将当量比(ER)定义为供应的氧气的量除以燃料完全燃烧所需氧气的量的比率。本发明实施方案能够使诸如草和秸秆的困难(含灰)燃料气化，并且也能够使高灰的煤和废料气化。然而，为了实现困难燃料的气化，将温度降低以避免与燃料有关的凝聚和腐蚀问题，以及避免可能的蒸发以及下游通道和装备被如Pb、K、Cd等化合物污染。通常，降低气化温度时所发生的情况为转化也降低。这导致更多的炭，其终止于燃烧室中。在现有技术的实施方案中(燃烧室8中的流化床，参见图1)，由于这种作用温度将升高，并且因为以上所提及的两项话题，这是不期望发生的事情。
通过在气化区20中仅部分燃烧燃料并且在流化床之上的燃烧区23中实现完全燃烧来实现降低燃烧温度。这也是产生额外的热的情况，其不直接接触灰组分。因此，灰不会蒸发并且不会产生引起凝聚的熔融层。
令人惊讶地发现，可能不必在流化床中实现完全燃烧。然后将燃料的未燃部分(CO和CxHy)用于实现高温和完全燃烧。
流化床中的炭的不完全燃烧可以导致炭的累积。在另一实施方案中，存在增加鼓泡流化床的飞溅区的可能性，以迫使炭进入流化床之上的区域，其中所述炭然后可以进行燃烧。以这种方式，将依然足够的炭进行转化以防止积累(以及降低效率)。飞溅区的增加仅可以由流化床中较大的速度来实现。这可以用于降低反应器1的尺寸(尤其是直径)，这对于按比例放大和经济有益处。
关于反应器1的现有技术的实施方案，根据本发明实施方案的反应器1的直径可以减小2/3，甚至更少。其作用如下：
-碳转化成废气的轻微降低，这意味着更多燃料以产物气体终止，并且导致较高的效率(这已经测试和观察)。
-对凝聚作用的更好控制，因为所述床保持低温。测试已经确认了这点。
-对碱的蒸发更好的控制并且因此导致的更好的腐蚀控制。这已经在测试中进行了确认。
-在较低温度下增加量的有价值产物(C2和C3分子以及芳族化合物)。测试已经确认了这点。
-重质焦油的量的减少(在低温下)，其最终是引起在与下游设备连接方面的问题的原因。已在测试中证实。
-在较高温度下重质焦油(炭作用)的量的减少。
-减小的设备尺寸。由于流化床可以用较少的空气进行流化，所述床的面积也可以减小。当在较低温度下操作时，面积需要进一步减小以维持足够的速度。所有这些改善了装备的成本。
-保留在鼓泡流化床中的炭将进行一些额外的循环回合，增加产物气体中的炭转化，但是也可能增加与焦油有关的催化和吸收过程。(首先在高温下并且其次在较低的温度下)。
-按比例放大反应器1总是引起流化床内的炭分布的问题。为此，在另一实施方案中，反馈通道可以包括一个或多个位于反应器1中的额外的下降通道(与以上图1至图3所讨论的反馈通道或下降通道12类似)。以额外的机械应力和热应力为代价，额外的下降管12是可能的。然而，应注意，ER小于1的本发明的实施方案使得炭分布不太关键，因为气体在流化床之上进行燃烧，并且气体比固体混合更好。
-通过分段燃烧的更好的排放控制。由于在所述床之上存在产生热区，将更好控制不期望的排放(CO和CxHy)。
以上参照附图所示的许多示例性实施方案描述了本发明的实施方案。一些部件或元件的修改和替代实现方式是可能的，并且均包括在如所附权利要求所限定的保护范围内。

Claims (15)

1.从燃料中产生产物气体的方法，其包括：
-将所述燃料输入热解室(6)并且进行热解过程用于获得产物气体，
-将离开所述热解室(6)的所述燃料的部分再循环至燃烧室(20,23)，以及
-在所述燃烧室(20,23)中，使用主要工艺流体在流化床(20)中进行气化过程，然后使用次要工艺流体在所述流化床(20)之上的区域(23)中进行燃烧过程，通过控制所述主要工艺流体的速度和氧含量来控制所述气化过程，并且通过控制所述次要工艺流体的速度和氧含量来控制所述燃烧过程，其中所述气化过程以0.9至0.99的当量比ER进行操作，将所述当量比ER定义为供应的氧气的量除以所述燃料完全燃烧所需氧气的量的比率。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述流化床(20)以至少1的当量比ER进行操作，
将所述当量比ER定义为供应的氧气的量除以所述燃料完全燃烧所需氧气的量的比率。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中将所述主要工艺流体用于控制所述流化床(20)中的温度。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中通过以下中的一种或多种来控制所述当量比：
降低所述主要工艺流体的供应、降低所述主要工艺流体中的氧含量、将惰性气体添加至所述主要工艺流体和/或将废气添加至所述主要工艺流体。
5.如权利要求4所述的方法，其中基于下述的测量来控制所述当量比：所述产物气体的温度和/或来自所述燃烧过程的所述废气的温度和/或来自所述燃烧过程的所述废气的氧含量。
6.从燃料中产生产物气体的反应器，其包括：
-热解室(6)，其与燃料输入端(4)、第一工艺流体输入端(5)和产物气体输出端(10)连接；
-燃烧室(20,23)，其与废气输出端(9)连接；
-反馈通道(11,12,12a)，其连接所述热解室(6)和所述燃烧室(20,23)；
其中所述燃烧室包括容纳流化床的气化区(20)和在所述流化床之上的燃烧区(23)，
其中所述反应器(1)还包括与所述气化区(20)连通的主要工艺流体输入端(21)和与所述燃烧区(23)连通的次要工艺流体输入端(22)。
7.如权利要求6所述的反应器，其中布置所述主要工艺流体输入端(21)和次要工艺流体输入端(22)以分别为气化过程和燃烧过程提供空气。
8.如权利要求7所述的反应器，其还包括与所述主要工艺流体输入端(21)连接的控制单元(24)，用于控制主要工艺流体至所述气化区(20)的速度和氧含量。
9.如权利要求7所述的反应器，其还包括与所述次要工艺流体输入端(22)连接的控制单元(24)，用于控制次要工艺流体至所述燃烧区(23)的速度和氧含量。
10.如权利要求8或9所述的反应器，其中所述控制单元(24)与一个或多个传感器连接。
11.如权利要求6所述的反应器，其中所述次要工艺流体输入端(22)包括位于所述燃烧区(23)中的分配装置(25)。
12.如权利要求6所述的反应器，其中布置所述第一工艺流体输入端(5)以向所述热解室(6)提供第一工艺流体。
13.如权利要求6所述的反应器，其中所述热解室(6)由位于所述反应器(1)中的一个或多个上升通道(3)形成。
14.如权利要求6所述的反应器，其中所述燃烧室(20,23)由位于所述反应器(1)中的一个或多个上升通道(3)形成。
15.如权利要求6所述的反应器，其中所述反馈通道(11,12)包括位于所述反应器(1)中的一个或多个下降通道。
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