CN107254332A - 气化含碳材料的方法及气化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气化含碳材料的方法，包括：热解所述含碳材料以生产挥发物和焦化物；将所述焦化物与所述挥发物分离；气化所述焦化物；转化所述挥发物以生产产品气；以及使部分转化的挥发物和/或产品气通过催化剂床来净化产品气。本发明的方法能够提高气化效率。

Description

气化含碳材料的方法及气化系统
本申请为申请日为2011年07月26日、申请号为2011800455726、名称为“气化含碳材料的方法及气化系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种气化含碳材料的方法及一种气化系统。
背景技术
气化是指诸如含碳材料的固体或液体材料转变为气态燃料。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。
含碳材料的气化从概念上可以分为两个步骤，虽然这两个步骤之间不可能有明显的区别。
当含碳材料(固体)被加热，从含碳材料中释放出包括含碳材料中的水分的气体和蒸气(“挥发物”)的混合物，留下固体残余物(“焦化物(char)”)。然后，挥发物和焦化物均与诸如H2O和O2的气化剂反应以形成产品气。
诸如褐煤、泥煤、生物质和固体废物的低等级的含碳的燃料尤其适合于气化，这是由于它们高的气化反应性。然而，这些的低等级的燃料有几种特性，这些特性在设计和操作用于气化低等级的燃料的气化器时是必须考虑的。
首先，低等级的燃料通常具有高挥发物的产率，例如对于某些类型的生物质而言是80(重量)％或更多(干基)。挥发物的焦油状组分的完全转化在气化器的设计中是最重要的考虑因素之一，因为焦油的去除是繁琐和昂贵的。
其次，低等级燃料往往含有分散良好的碱金属和碱土金属(AAEM)物质，在热解和气化过程中，这些物质能够很容易地挥发。在气化产品气中挥发的AAEM物质能够造成气涡轮机/发动机部件的腐蚀/侵蚀。挥发的AAEM物质也可以与流化床气化器的床料(如砂子)反应，导致床料的团聚和去流化。另一方面，如果这些AAEM物质保留在焦化物中，它们可以是焦化物气化的优良的催化剂。
第三，来自低等级燃料的焦化物和挥发物非常活泼。焦化物和挥发物之间的相互作用能够提高它们固有的金属物质(例如，褐煤中的Na和生物质中的K)的挥发，使焦化物结构失活，从而降低了焦化物的反应性。在最坏的情况下，挥发物与焦化物的相互作用实际上可以终止焦化物的气化。当存在挥发物与焦化物的相互作用时，提高气化温度不总是引起气化率显着提高。实际上，挥发物与焦化物的相互作用几乎影响气化的每一个方面。
氧的消耗是设计和运行气化器以实现高效率的一个重要考虑因素。在许多气化器中，作为比焦化物更活泼的挥发物往往会优先与O2反应，留下较不活泼的焦化物用蒸汽和其他气化剂使其缓慢地被气化。一个更理想的情况是，较不活泼的焦化物与O2反应，而用蒸汽和其他气化剂使更活泼的挥发物被转化。
粗制产品气会含有微量的焦油、已挥发的无机物(如碱)和污染形成物质(如NH3、HCN、H2S)。粗制产品气通常需要被净化，然后才能够作为例如涡轮机/发动机的气态燃料或作为用于化学合成的原料被利用。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的各种不希望有的组分通常增加了气化工艺整体的复杂性，并且成为气化投资和运营成本整体的一个重要的部分。当通过液体(例如，水)洗涤去除这些不希望有的物质时，产生必须用很高的花费进一步处理的液体废物流。可以采用各种常规的催化剂使焦油转化。但是，这些催化剂往往很容易失活。
因此，有需要使技术进步。
发明内容
依照本发明的一个方面，提供一种气化含碳材料的方法，所述方法包括以下步骤：
热解所述含碳材料以生产挥发物和焦化物；
将所述焦化物与所述挥发物分离；
气化所述焦化物；
转化所述挥发物以生产产品气；以及
使部分转化的挥发物和/或产品气通过产品气净化区，诸如催化剂床。
使部分转化的挥发物和/或产品气通过催化剂床导致几个效果，这些效果包括对焦油残余物和诸如无机污染物的其他杂质的去除，以及通过进行水煤气反应，提高所述产品气的氢含量，从而生产清洁的产品气。
所述催化剂床可以包括焦化物或焦化物负载的催化剂的移动床。移动床可以是焦化物或焦化物负载的催化剂的非等温的移动床。焦化物或焦化物负载的催化剂可以由含碳材料(包括加入催化物质的含碳材料)的热解和/或部分气化来制备。在一实例中，该过程包括这样的步骤，即将用过的焦化物或焦化物负载的催化剂从催化剂床排出并气化所述用过的焦化物或焦化物负载的催化剂以回收(recuperate)它们的能量值。也可以将用过的或部分用过的焦化物或焦化物负载的催化剂作为是养分源的土壤改良剂而返回到田地并且/或者用于生物固碳(carbon biosequestration)。
在另一实施例中，所述催化剂床是一系列催化剂床之一。
在本发明的一实施例中，热解含碳材料的步骤包括热解所述含碳材料并持续足够长的一段时间以基本上将所有所述含碳材料转化为挥发物和焦化物。
在一实施例中，热解含碳材料的步骤包括用逆流的热气流加热所述含碳材料。所述热气可以由气化焦化物来制备。所述含碳材料可以经历同时的热解和(部分)气化。
在一实施例中，气化所述焦化物的步骤包括使所述焦化物与气化剂反应。气化所述焦化物的步骤可以包括使所述焦化物与控制的量的含氧气体反应。执行气化步骤可以孤立于转化所述挥发物的步骤，以使挥发物与焦化物的相互作用最小化。
依照本发明的另一方面，提供了一种处理由低等级的含碳材料的气化生产的粗产品气的方法，其中所述粗产品气包括部分转化的挥发物、焦油残余物和污染物，所述方法包括使所述粗产品气通过催化剂床。
在一实施例中，处理所述粗产品气的方法包括使所述粗产品气通过催化剂床，且该催化剂床包括焦化物或焦化物负载的催化剂的移动床。从所述粗产品气中去除焦油残余物和诸如无机污染物的其他杂质。此外，与所述粗产品气相比，通过进行水煤气反应，提高了处理后的产品气的氢含量。
所述方法可以包括在热解所述含碳材料之前干燥所述含碳材料的步骤。对于包括干燥所述含碳材料的步骤的方法的实施例，由干燥步骤产生的蒸汽可以用在转化所述挥发物的步骤中。
依照本发明的另一方面，提供了一种用于气化含碳材料的气化系统，所述气化系统包括：
一转化区，用于转化挥发物以生产产品气；
一焦化物气化区，用于气化焦化物；
一热解区，用于热解含碳材料，所述热解区以与所述转化区和所述焦化物气化区流体连通的方式设置，由此分离在所述热解区中形成的挥发物与焦化物并分别导至所述转化区和所述焦化物气化区；以及
一产品气净化区，所述产品气净化区以与所述转化区流体连通的方式设置，由此部分转化的挥发物和/或产品气能够通过产品气净化区。
以此方式，本发明的气化系统减少并通常使挥发物与焦化物的相互作用最小化。
在一实施例中，所述热解区设置在所述转化区和所述焦化物气化区的中间。
在一实施例中，所述产品气净化区包括催化剂床。可理解的是，所述催化剂床可以包括串联排列的多于一个的催化剂床。
在本发明的各种实施例中，所述气化系统可以设置有用于将含碳材料引入所述热解区的入口，以及用于将诸如蒸汽和含氧气体的气化剂引入所述焦化物气化区的一个或多个入口。所述气化系统也可以设置有用于从所述催化剂床排出产品气的出口。
在一实施例中，所述气化系统包括一气化容器，所述气化容器具有被限定于其中的所述转化区、焦化物气化区和热解区。
在本发明的一实施例中，所述焦化物气化区设置在所述气化容器的下部。所述转化区可以设置在所述气化容器的上部。
在一实施例中，所述焦化物气化区还设置有诸如闭锁式料斗的灰分排出装置，该装置与设置在所述气化容器的下部的出口可操作地相连。
在本发明的一实施例中，所述热解区设置成将所述含碳材料在所述热解区保留足够长的一段停留时间以基本上将所有的所述含碳材料转化为挥发物和焦化物。
所述热解区可以设置有热解器，该热解器适于将所述含碳材料在所述热解区保留足够长的一段停留时间以基本上将所有的所述含碳材料转化为挥发物和焦化物。
在一实施例中，与其余的含碳材料分离的、在所述热解区中形成的焦化物的一部分作为气体净化催化剂并被导至所述产品气净化区。
在一实施例中，所述气化系统包括诸如移动床反应器的单独的容器，该单独的容器用于热解和/或部分气化含碳材料以便制备焦化物或焦化物负载的催化剂，所述系统设置成允许将热解后的和/或部分气化的含碳材料排至所述产品气净化区以起到用于净化所述产品气的催化剂的作用。所述含碳材料可以是用于气化的主要原料。
所述产品气净化区可以与所述焦化物气化区重合，所述焦化物气化区在这样的条件下被设置并被操作，即使焦化物经历部分或完全气化。所述焦化物气化区也可以是包括焦化物储料器的单独的容器。
依照本发明的另一方面，提供了一种用于热解和部分气化含碳材料的装置，所述装置包括：
至少一个部件，该部件具有被这样设置的面，即当所述装置接收含碳材料时，所接收的含碳材料与所述面接触并持续足够长的一段时间，以便热解所述含碳材料；
其中所述装置设置成使得所述面接收用于热解和部分气化所述含碳材料的热。
在一实施例中，所述面具有向下倾斜的部分，所述向下倾斜的部分设置成在所述一段时间中协助所述含碳材料与所述面的接触。
所述装置可以包括多个面，每个面设置成接收含碳材料，以便被接收的含碳材料与各个面接触并持续足够长的一段时间以热解所述含碳材料，每个面设置成接收用于热解和部分气化所述含碳材料的热。多个面可以呈串联排列(cascade arrangement)，并且所述装置可以设置成使得含碳材料在足够长的一段时间后被输送至串联排列的接连的面，以便热解和部分气化所述含碳材料。
在一实施例中，所述装置包括与所述至少一个部件相关的搅拌器，所述搅拌器设置成搅拌与所述面接触的含碳材料，以便将所述含碳材料输送至所述面下面的区域。
在所述装置包括串联排列的多个面的实施例中，所述搅拌器可以被设置成将含碳材料输送至串联排列的接连的面。
在一实施例中，所述装置包括多个搅拌器，每个搅拌器与具有各自的面的各部件相关，每个搅拌器设置成将所述含碳材料输送至串联排列的接连的面，或者在串联排列的最后一个面的情况下，将所述含碳材料输送至串联排列的最后一个面的下面的区域。
多个面可以设置成竖直串联排列并且所述装置可以包括竖直延伸穿过所述多个面的可旋转的轴，其中与各个面相关的搅拌器可通过旋转可旋转的轴操作。
竖直串联排列的各接连的面可以具有向下倾斜的部分，该部分以与其上方的面互补的方式成型。
附图说明
现在将仅以实例的方式，参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的气化含碳材料的方法的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的气化系统的示意图；
图3是用于热解含碳材料的装置的一个实施例的示意图，且该含碳材料可以用于图2所示的气化系统；以及
图4是根据本发明的一个实施例的用于气化含碳材料，从而生产焦化物和产品气的气化系统的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及如参照图1至图4描述的气化含碳材料的方法10、气化系统20、40和热解含碳材料的装置30。
可理解的是，可以在气化容器中执行方法10，且该气化容器具有被一体地限定于其中的用于热解含碳材料的热解区、用蒸汽和含氧气体气化焦化物的焦化物气化区、用蒸汽转化挥发物以生产产品气的转化区以及净化产品气的气体的净化区。将在说明书的下文中更详细地描述本发明的气化容器的一实施例。
最广意而言，且如图1所示，气化方法10包括以下步骤：热解含碳材料以生产挥发物和焦化物的步骤12、分离焦化物和挥发物的步骤14、气化焦化物的步骤16、转化挥发物以生产产品气的步骤18以及净化产品气的步骤19。
此说明书通篇使用最广意的术语“含碳材料”，该含碳材料包括，但并不限于，诸如无烟煤、烟煤、次烟煤、土状褐煤(brown coal)、暗色褐煤(lignite)的煤，泥煤，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他物质的混合物。参照图1至4描述的本发明的实施例的方法和系统尤其适用于具有高挥发物产率和高水分含量的低等级的含碳材料。参照图4描述的系统特别地适用于具有高挥发物产率和高水分含量的生物质。
在诸如生物质的水分含量高的含碳材料的实施例中，优选地，在热解该含碳材料之前干燥该含碳材料。预干燥含碳材料的优点是双倍的。预干燥使储料斗和气化容器中的含碳材料的颗粒团聚最小化。
此外，优选地，一定量的固有的水分与含碳材料一起被引入气化容器，并随后被转变为蒸汽以在转化区中使用，过量的水分会增加气化容器内的将水分转变为蒸汽的能量需求而导致效率下降。
于是，在一实施例中，方法10包括在热解含碳材料之前干燥含碳材料的步骤。
在本发明的一种形式中，干燥含碳材料包括在间接热交换的装置中使含碳材料接触工艺产品气。诸如本领域技术人员知晓的，通过使含碳材料经过常规的间接式干燥机，可以实现与产品气的间接热交换。以此方式，在方法10中可以有效地利用产品气的显热。
在方法10的一个实施例中，热解含碳材料包括将含碳材料的连续物料流引入气化容器的热解区中。为了促进含碳材料的连续物料流进入热解区，并使颗粒团聚最小化，优选地，如上所述地控制含碳材料的水分含量以及控制含碳材料的粒径。
热解含碳材料包括加热含碳材料，优选地，用热气直接加热含碳材料。可以在气化容器的焦化物气化区中生产热气，并且在热解区中热气被引导与含碳材料的连续物料流逆流直接热交换。热气的温度取决于含碳材料的类型，并且可以是在约900℃至约1200℃的温度范围内。通过与热气流的反应，含碳材料可以同时经历热解和部分气化。
在一优选的实施例中，含碳材料的连续物料流逐渐下降，用足够长的一段时间经过热解区以确保含碳材料基本上被完全热解成挥发物和焦化物。在一实施例中，通过重力，含碳材料的连续物料流逐渐下降经过热解区。在一可选的实施例中，通过传送装置或搅拌装置，含碳材料的连续物料流逐渐下降经过热解区，所述传送装置诸如螺旋推运器、螺杆、移动床，所述搅拌装置是诸如例如将参考图3进行描述的与热解器相关的搅拌装置。
随着热解，挥发物升入气化器的转化区中，而焦化物下降至气化器的气化区中。有利的是，含碳材料被完全热解成挥发物和焦化物，这能够提高对挥发物和焦化物的分离，使它们分别到转化区和焦化物气化区中，从而使在焦化物气化区中的挥发物和焦化物之间的相互作用最小化。因此，与现有技术工艺相比，在焦化物气化区中基本上不存在挥发物，这有利于相对地提高焦化物的气化速率。在基本上不存在挥发物的情况下，氧气主要被焦化物消耗，促进通常是限速步骤的焦化物的快速气化。因此，本发明的实施例以最少量的氧气提高气化率，以实现高气化效率。
气化焦化物包括将诸如蒸汽和含氧气体的气化剂引入焦化物气化区，并使焦化物与蒸汽和含氧气体反应。
在本发明的一实施例中，引入焦化物气化区的含氧气体可以包括空气、纯氧气或稀释的氧气。氧气和焦化物之间的放热反应可以用简化的反应表示如下：
C+1/2O2->CO (1)
C+O2->CO2 (2)
蒸汽和焦化物之间的吸热反应可以用简化的反应表示：
C+H2O->CO+H2 (3)
可以分别改变引入焦化物气化区的含氧气体和/或蒸汽的量以控制焦化物气化区的操作温度。
根据气化容器内的包括用于产品气净化的催化剂床的各个区之间的能量平衡，能够确定所需的操作温度。为了达到高气化效率，优选地使氧气进入焦化物气化区的进料速率尽可能的低。
在一实施例中，在焦化物气化区中，焦化物基本上被消耗掉，导致热气和灰分的产生。通过诸如闭锁式料斗的灰分排出装置的方式，可以从气化容器的焦化物气化区排出灰分。
焦化物气化产生的热气提供热源，该热源用于加热和热解在气化容器的热解区中的含碳材料，用于转化在转化区中的挥发物以及用于净化在气体净化区中的产品气。
可理解的是，在包括“启动”模式在内的焦化物不足以平衡热需求的情况下，可以再循环并在焦化物气化区中燃烧或在转化区中燃烧方法10生产的产品气的一部分。
热气从焦化物气化区流至热解区，并在含碳材料逐渐移动经过热解区并被热解时，热气经过并与含碳材料逆流直接热交换。当热气通过热解区时，热气与从含碳材料释放出的挥发物(包括水蒸汽)混合并流入转化区。以此方式，热气协助在热解区中生产的挥发物与焦化物的分离。
热气还满足在转化区中吸热的挥发物转化反应的能量需求。在转化区中，挥发物和蒸汽吸热地反应以生产产品气。在一实施例中，转化区中挥发物与蒸汽的转化在约700℃至约1000℃的温度范围内执行。因此，有利的是，焦化物气化区中产生的热气的显热的一部分被回收(recuperate)变成呈产品气形式的化学能。
当上述热气向上流动时，上述热气中的过量的气化剂会接触正在热解的原料、它的挥发物和焦化物并与它们反应。
转化区中生产的产品气会含有有机和无机污染物。污染物的实例包括但不限于焦油残余物、NH3、HCN、H2S和挥发的无机AAEM物质。含有污染物的气体产品通常被称为“粗产品气”。
方法10从产品气中方便地去除有机和无机污染物。
在本发明的一实施例中，方法10进一步包括使部分转化的挥发物和/或产品气通过催化剂床。
在一实施例中，所述催化剂床包括催化剂的非等温的移动床。在另一实施例中，所述催化剂床是串联排列的多个流体互连的床。
在一实施例中，催化剂包括被含碳材料基体负载的过渡金属催化剂。这可以由含有或浸渍有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公知的方法，可以将金属加入/浸渍到焦化物中。在一优选的实施例中，催化剂包括被焦化物负载的Fe和/或Ni。在另一实施例中，催化剂可以是焦化物本身。有利的是，由生物质热解生产的焦化物含有很好地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，由热解生产的焦化物可以用于催化产品气中的焦油残余物的分解。在焦化物或焦化物负载的催化剂的情况下，可以在容器(例如，移动床)中由热解含碳材料来制备催化剂，然后将该催化剂送入气体净化区。含碳材料可以是待被气化的原料(如生物质)。在另一优选的实施例中，催化剂包括诸如钛铁矿的(处理后的)铁芯。
催化剂床可以与气化容器成为一体，并且与转化区流体连通。在催化剂包括焦化物或焦化物负载的催化剂的某些实施例中，用过的催化剂可以被排入气化容器的焦化物气化区中，并随后被气化。如上所述，以此方式，没有额外的固体或液体废物流源于对被污染的产品气的处理。
使部分转化的挥发物和/或产品气通过催化剂床，从中去除无机污染物。在适当的温度下，挥发的AAEM在固体催化剂表面上凝结，并且颗粒也被催化剂床捕捉。通过与固体催化剂接触，诸如NH3、H2S和其他含N、Cl或S的化合物的其他无机污染物被分解或吸附。以此方式，诸如AAEM的无机污染物被捕获到催化剂上。有利的是，AAEM提高焦化物气化区中的焦化物的反应性。因此，方法10提供了一种方法，通过该方法可以方便地利用来自由低等级的含碳材料产生的挥发物中的无机污染物，以提高焦化物的气化。随后，AAEM呈现在灰分中。
部分转化的挥发物和/或产品气通过催化剂床，通过例如与蒸汽的被催化的转化反应，还去除诸如焦油残余物的有机污染物。有利的是，这一过程将热能(显热)回收并变成转化产物的化学能。通过在固体催化剂表面上形成焦炭(coke)也去除一些焦油残余物。此外，通过使产品气通过催化剂床，能够提高产品气中的氢含量，因为在催化剂床的较低温度的端部有利于催化的水煤气变换反应(CO+H2O->CO2+H2)。
使部分转化的挥发物和/或产品气经过催化剂床的操作能够在约1000℃至约200℃的温度范围内进行。优选地，催化剂床的温度沿气流方向逐渐降低至约200℃。
现将参照图2和图3描述气化系统20和用于热解用在气化系统20中的含碳材料的装置30。
气化系统20包括气化容器21，气化容器21具有被一体地限定于其中的四个反应区，即热解区22，焦化物气化区23、转化区25和催化剂床26。热解区22与焦化物气化区23和转化区25流体连通。
通常，气化容器21是侧面竖直的容器，该容器基本上沿其全长和/或者沿材料和/或流体流的方向具有大致恒定的横截面面积。在改变材料和/或流体在容器21中的停留时间是有利的情况下，根据含碳材料的组成特性，沿容器21的长度方向和/或沿材料和/或流体流动的方向可以改变容器21的横截面面积。优选地，容器21衬有耐火材料。
气化容器21的上部设置有入口28a，入口28a用于通过进料器28引入诸如生物质的含碳材料的连续物料流。进料器28是与容器的入口28a流体连通的，并且优选地包括旋转进料器以使阻塞问题最小化。优选地，进料器28还包括与用于储存生物质的料斗相关的搅拌器。搅拌器设置成使得料斗中潜在的生物质的桥连最小化。
热解区22设置有用于热解含碳材料的装置30(见图3)。可以采用诸如本领域技术人员已知的任何合适的热解器。合适的热解器的说明性的实例包括但不限于移动床、螺杆/螺旋推运器/窑热解器和这些的组合。
装置30能够设置成通过重力或机械传送装置促进输送含碳材料逐渐通过热解器并送进焦化物气化区。优选地，使装置30适合于将含碳材料在热解区中保持足够长的一段时间，以将含碳材料基本上转化成焦化物和挥发物。
在图2所示的实施例中，热解区22设置有装置30，装置30用源自焦化物气化区23的被加热的气体加热含碳材料，以生产挥发物和焦化物。图3更详细地示出装置30。
在一优选的形式中，装置30与焦化物气化区23和转化区25分开，以促进在装置30中制得的挥发物和焦化物的有效分离。
装置30包括三对锥面32、34、36。将被理解的是，可以改变这样的锥面的数目。锥面对32、34、36彼此分开，并沿可旋转的轴31的长，以分开的，纵向对齐的方式设置。每一对锥面32、34、36包括上部倒锥面32a、34a和36a，上部倒锥面32a、34a和36a与面对的下部直立锥面32b和34b、36b分开。
优选地，锥面对32、34、36包括适合为了热的通路，并尤其是热气穿过的穿孔的金属片。金属片还起到用于直接加热含碳材料的有效的热导体的作用。
下部直立锥面32b、34b、36b的每个都有围绕轴31同心地设置的开口32c、34c、36c。开口32c、34c、36c的目的是提供含碳材料从下部直立锥面32b、34b、36b到上部倒锥面34a、36a以及到在正下方设置的焦化物气化区23的通路。
此外，上部倒锥面32a、34a、36a的直径小于的面对的下部直立锥面32b、34b、36b的直径。以此方式，在上部倒锥面32a、34a、36a上停留的含碳材料可以滑出所述面的边缘并落入在正下方设置的面对的下部直立锥面32b、34b、36b中。
装置30还包括与各对锥面32、34、36相关的一个或多个搅拌装置32d、34d、36d。可理解的是，搅拌装置的数目不必须与锥面对的数目相匹配。在这一特定的实施例中，搅拌装置32d、34d、36d是旋转臂。旋转臂在上部倒锥面32a、34a、36a的上方和/或在下部面对的直立锥面32b、34b、36b的上方且分开一短距离(例如，2-5毫米)。通过旋转可旋转的轴31可操作搅拌装置32d、34d、36d。根据含碳材料的特性，可以改变轴31的旋转速度，以控制在热解区中的颗粒停留时间。在一实例中，旋转臂以12rpm的速度旋转。
可旋转的轴31的旋转导致搅拌装置32d、34d、36d干扰停留在下部直立锥面32b、34b、36b上的含碳材料颗粒，并导致它们通过各个开口32c、34c、36c到达其正下方的倒锥面。类似地，可旋转的轴31的旋转导致搅拌装置32d、34d、36d干扰停留在上部倒锥面32a、34a、36a上的含碳材料颗粒，并导致它们滑动并从所述面的边缘落下，并被收集于正下方的面对的下部直立锥面32b、34b、36b中。
可以改变所述轴的旋转速度以改变停留在上部倒锥面32a、34a、36a和面对的下部直立锥面32b、34b、36b上的含碳材料的停留时间。以此方式，可以控制装置30中的含碳材料的停留时间，以允许有足够的时间将含碳材料基本上转变成焦化物和挥发物。
可以改变锥面的斜率以控制含碳材料颗粒停留在所述面上的时间。可选地，锥面可以相对于所述搅拌装置旋转。
在本发明的工艺和装置中也可以采用本领域技术人员已知的其他合适的方法，用于控制装置30中的含碳材料的停留时间以促进含碳材料基本上被完全热解成焦化物和挥发物。除了热解反应，在装置30内，原料也会经历一定程度的气化。
焦化物气化区23设置在容器21的下部。焦化物气化区23可以设置有一个或多个固定床或具有炉栅的移动床，炉栅在其上支撑焦化物，并同时允许含氧气体和蒸汽通过所述移动床且与焦化物反应。可选地，焦化物气化区23可以设置有鼓泡流化床和供给含氧气体和蒸汽的气体分配器。
在图2所示的实施例中，在锥形的固定床中气化焦化物。容器21设置有含氧气体入口23a和蒸汽入口23b。可以设想，通常空气会被用于诸如生物质气化的小规模的应用，而纯的或稀释的氧会被用于诸如煤的气化的大规模的应用，特别是在意图捕获和储存二氧化碳或当产品气被用于合成液体燃料和化学品时。
焦化物气化区23还设置有诸如锁闭料斗的灰分排卸装置24。
转化区25设置在容器21的上部并包括由容器21的上部限定的空腔，在该空腔中可以发生挥发物和蒸汽之间的气体转化反应。
转化区25与催化剂床26流体连通。优选地，催化剂床26是固体催化剂的移动床或一系列的催化剂床。在一实施例中，移动床设置成将用过的催化剂排卸到容器21中。于是，催化剂床26设置有固体催化剂排卸装置26a以当催化剂从催化剂床26排出时不断地补充固体催化剂的移动床。催化剂床26设置有排出产品气体的出口27。
在催化剂床中的固体催化剂可以是各种形式。焦化物负载的过渡金属(例如，Fe和/或Ni)催化剂是优选的实施例，这可以通过热解和部分气化加有过渡金属(例如，Fe和/或Ni)的含碳材料(例如，生物质或褐煤)来制得。没有加金属的焦化物本身可以是催化剂。可选地，钛铁矿、铁矿石也能够被用作固体催化剂。
图4示出用于由含碳材料，尤其是生物质，生产产品气和焦化物的系统40的一实施例。系统40用于方法10的实施例，方法10包括将产品气和/或部分转化的挥发物暴露于焦化物的额外步骤。方法10生产的焦化物可以用作活性炭或作为土壤改良剂和/或用于固碳(carbon sequestration)。
在此实例中，储料器50中的具有高至约60％的水分含量的含碳材料的原料被送入干燥器52，优选地，在干燥器52中，原料中的水分被减少至低于约20％的水分含量。由工艺的其他步骤产生的热能够被用作干燥器52的加热介质。
然后，部分干燥的原料被送至热解器54，在热解器54中加热原料，以便生产焦化物和挥发物。发明人已经表明，在诸如约450℃至约550℃的中等温度下对干燥后的原料的热解将从原料中释放大部分潜在的挥发物。此外，在中等热解温度下，诸如AAEM物质的无机物质往往会被保留在焦化物中。无机物质保留在焦化物中是特别有益的，因为它增强了焦化物的催化活性，并且在生物质可以用作原料并且将所得的焦化物用作土壤改良剂的情况下，促进无机养分的再循环使其返回至土壤中。
热解器54可以设置成通过重力或机械传送装置促进将焦化物从热解器54输送至反应器60。在将焦化物输送至反应器60之前，可以将焦化物输送并暂时装盛在与反应器60流体连通的储存室(未示出)中。储存室可以设置有一控制装置，以控制焦化物进入反应器60的流速。
热解后，将挥发物导至气体转化器56。加热气转化器56，并且通过各自的进气口56a和56b，将在干燥器52中产生的所需量的蒸汽与诸如氧气或空气的含氧(O2)气体一起引入气体转化器56，在气体转化器56中，挥发物经历气体的转化反应以生产主要包括CO和H2的粗产品气。
如虚线54a和56c表示的，可以将粗产品气和/或焦化物的一部分导至用于燃烧的燃烧器58，以产生用于加热气体转化器56和反应器60的高温气体。
在气体转化器56中生产的粗产品气被引入到反应器60中，反应器60还装盛由热解器54生产的焦化物。反应器60被加热到高达约900℃的温度并且其中的焦化物起到固体催化剂的作用，以便催化分解包含在粗产品气中的焦油残余物以形成CO、H2和其他可燃气体。通过在焦化物表面上形成焦炭，也去除一些焦油残余物。通过焦化物，还从粗产品气中去除其他无机污染物。例如，焦化物还可以捕获释放出的AAEM物质和无机颗粒，并且通过与焦化物接触，诸如NH3、H2S和其他含N、Cl或S的化合物的其他无机污染物被分解或吸附。以此方式，诸如AAEM的无机污染物被捕获到焦化物上。有利的是，AAEM增强焦化物的反应性。
粗产品气会含有过量的蒸汽，并且在反应器60中的操作条件是这样的，当粗产品气被带入反应器60中与焦化物接触时，焦化物可以被部分地气化。
优选地，反应器60中的焦化物的部分气化应在约700℃至约900℃的温度下进行。有利的是，这些温度促进用于焦油残余物的分解的焦化物上的催化活性位点的形成和碳活化。
部分气化后，本发明的工艺生产的用过的焦化物具有高表面积，通常高于约700平方米每克焦化物。焦化物中的一些可能的污染物(例如，有机物)也在部分气化工艺中被去除。重要的是，在此温度范围内，焦化物中固有的AAEM物质被转化成更可浸出的形式，所述更可浸出的形式促进无机养分再循环到田地中的。
从反应器60排出的用过的焦化物被储存在容器64中。用过的焦化物含有大量的AAEM物质和其他无机养分，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到田地，和(2)固碳，从而减少了与发电相关的碳排放量。对于乡村和地方社区的长期可持续发展而言，这些因素是非常重要的。
可以改变方法40生产的焦化物和产品气的相对量(即，焦化物与产品气的比)。在一实施例中，反应器60包括部分气化区和完全气化区。反应器60的部分气化区在这样的条件下操作，即其中焦化物被部分气化以生产产品气和用过的焦化物，而反应器60的完全气化区在这样的条件下操作，即其中焦化物被气化以生产产品气和灰分。在需要更大体积的清洁产品气的情况下，可以将相对比例更大的焦化物输送到反应器60的完全气化区。可选地，在需要更大体积的用过的焦化物的情况下，可以将相对比例更大的焦化物输送到反应器60的部分气化区。
系统20或40可以设置有用于建立、维持和/或改变气化容器内的温度分布的装置。这样的装置可以包括用于控制的含氧气体和/或蒸汽的进料速率的控制器。例如，为了提高焦化物气化区的温度，可以提供更多的含氧气体以促进其中的与焦化物的放热反应。
在一些实施例中，系统20或40进一步包括多个传感器以及气体和固体的取样探头。
正如上面详细描述的，本发明的实施例提供一种特别用于低等级的含碳材料的有效的气化方法，以生产相对高质量的产品气，用于诸如发电、产热和化学品合成的目的。
在本发明的实施例还提供能够从产物气流中去除焦油残余物、其他的杂质和污染物形成物质的固体催化剂，以及能够增加产品气中的氢含量。
还将被理解的是，在本发明中，在诸如蒸汽的其他工艺物流被引入焦化物气化区之前，产品气的显热可以有效地用于与所述其他工艺物流的间接热交换。可选地，在进行气化之前，产品气的显热可以用于干燥含碳材料。
在一些实施例中，特别是在气化方法10的启动模式中，可以在焦化物气化区中燃烧产品气以提高其中的工作温度和/或在转化区中燃烧产品气以提高其中的温度。
还将被理解的是，虽然前面的描述参照特定顺序的方法步骤，提供的系统、设备和装置的部件及其设置仅用于说明的目的，并非意图以任何方式限制本发明的范围。
本发明的实施例能够提高气化效率。该技术能够适当地用于，例如，能源和化学工业中。特别是，本发明人提出，本发明的实施例适用于采用相对宽的粒径分布的生物质的分布式发电。
有利的是，方法10使热解、挥发物的转化、焦化物的气化以及产品气的净化结合成一体，以得到一个提高了工艺的效率和经济性的紧凑的气化器配置。
对于相关领域的技术人员将容易理解的是，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：
-提供尤其为了气化低等级的含碳材料的气化工艺，可以在使气化与热气净化结合成一体的一单一气化容器中进行所述气化工艺；
-在焦化物气化过程中，使挥发物和焦化物之间的相互作用最小化，以使焦化物气化率增加；
-使挥发物和其转化产品的直接氧消耗最小化；
-促进在焦化物气化区中焦化物与氧的直接反应，以生成在气化容器内的各种反应所需的热，从而以化学能的形式作为产品气，回收焦化物气化产物的热能；
-为了最大化的气化效率而使氧气的总消耗最小化；
-通过用催化剂转化焦油残余物，使产品气中的焦油残余物的量最小化，在低等级的含碳材料的气化中，产品气中的焦油残余物是常出现的一个问题；
-使普遍存在于低等级的含碳材料的无机物，特别是AAEM的挥发最小化；
-用催化剂去除挥发的AAEM和诸如NH3、HCN、H2S的污染物形成杂质；
-作为一种处理的方式，可以将用过的催化剂排至焦化物气化区并将其氧化气化，从而对容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；
-催化剂可以用于促进水煤气变换反应，从而提高最终产品气中的氢含量，而没有与催化剂失活、再生和处理相关的传统问题。
除了已经描述的那些之外，在不偏离基本发明概念的情况下，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，在小的(几兆瓦或更少)和大的(几百兆瓦)的规模下，能够以各种方式实践和执行本发明的实施例。
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(comprise)”或诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变形是包括(inclusive)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 (10)

1.一种气化含碳材料的方法，所述方法包括以下步骤：
热解所述含碳材料以生产挥发物和焦化物；
将所述焦化物与所述挥发物分离；
气化所述焦化物；
转化所述挥发物以生产产品气；以及
使部分转化的挥发物和/或产品气通过催化剂床来净化产品气；
其特征在于：
至少气化所述焦化物的步骤和转化所述挥发物的步骤在同一容器中执行；
在基本上不存在所述挥发物的情况下，主要氧气供应优先被焦化物消耗；
焦化物气化产生的热气提供部分热源，该热源用于转化所述挥发物以生产产品气；
部分转化的挥发物和/或产品气通过所述催化剂床来去除焦油残余物及其它有机和无机污染物。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述催化剂床含有焦化物、焦化物负载的催化剂或钛铁矿。
3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述催化剂床包括固体催化剂的移动床。
4.如权利要求1或权利要求3所述的方法，其中所述产品气净化包括串联设置的多个催化剂床。
5.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中热解所述含碳材料的步骤是在热解器中进行的。
6.如权利要求2或权利要求5所述的方法，其中当所述催化剂床包括焦化物或焦化物负载的催化剂时，所述焦化物或焦化物负载的催化剂由所述含碳材料的热解和/或部分气化来制备。
7.如权利要求2或权利要求6所述的方法，其中所述方法进一步包括从所述催化剂床排出用过的焦化物或焦化物负载的催化剂，并气化所述用过的焦化物或焦化物负载的催化剂。
8.如权利要求2或6所述的方法，其中热解所述含碳材料的步骤包括用逆流的热气流加热所述含碳材料。
9.如权利要求1或权利要求8所述的方法，其中热解所述含碳材料的步骤包括热解所述含碳材料并持续足够长的一段时间以基本上将所有的所述含碳材料转化为挥发物和焦化物。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述热气是通过气化所述焦化物而生产的，或者所述热气是通过燃烧所述焦化物气化或所述挥发物转化生产的产品气而生产的。
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