CN107557076A - 材料气化 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及利用气体发生器(1)来气化木材的装置和方法，将待气化的材料和通常为空气形式的氧气送入气体发生器(1)，其中，在固定床反应器中进行气化。通过产物气管道(6)抽出产物气并送入高温气体过滤器(2)之中，在那里通过优选配有滤芯(7)的过滤器分离诸如尚未气化的颗粒、灰分和杂质之类的固体物质，而净气则穿过过滤器并且经由净气管道(8)排出。在高温气体过滤器(2)的底部区域中设置用于抽出剩余固体物质的抽出装置(10)。为了提高收率，按照本发明规定，通过管道(12)在高温气体过滤器(2)的位于过滤器底部(13)和抽出装置(10)之间的中间高度区域中将优选为空气形式的氧气送入高温气体过滤器(2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于气化含碳材料尤其是木材的装置，所述装置具有气体发生器，在其上方区域中送入待气化的材料，并且在其中间区域中送入通常为空气形式的氧气，并且在其下方区域中使得材料在固定床反应器中大部分气化，其中，经由产物气管道从气体发生器的最下方区域中抽出产物气并且送入到高温气体过滤器的下方区域之中，在那里通过优选配有滤芯的过滤器分离诸如尚未气化的颗粒、灰分和杂质之类的固体物质，净气则穿过过滤器并且经由净气管道排出，其中，在高温气体过滤器的底部区域中设置用于抽出剩余固体物质的抽出装置。
本发明还涉及一种用于气化含碳材料尤其是木材的方法，该方法利用气体发生器及在产物流中接在气体发生器后的高温气体过滤器。
本发明还涉及WO 95/24591所述的将木材或者其它含碳材料气化的装置和方法。
背景技术
该文献公开了一种用于联合发电厂的流化床燃烧系统，按照该专利所述，反应器具有在不同高度通入反应器之中的二次供风管和三次供风管。
US 2008/0127824 A1公开了一种用于煤炭气化设备的再生过滤器，在该煤炭气化设备中通过利用氮气空气混合气实现的供氧使得未燃烧的材料燃烧。
US 6,077,490采用了利用双滤芯的类似方法。
关于现有技术的说明如下：木材由三种主要化学成分构成：
-纤维素
-半纤维素
-木质素
-其余成分
纤维素
所有木本植物的主要成分大约50％是纤维素。纤维素是由葡萄糖单元构成的链状分子。纤维素的真正组成部分是纤维二糖，一种二糖(Disaccharid)。
半纤维素
半纤维素由高分子碳氢化合物构成，其组成成分是戊糖和己糖。半纤维素与纤维素一样是一种多糖(Polysaccharid)。
木质素
木材的第三种成分是木质素，一种由苯丙烷单元构成的聚合物，其质量百分比含量约为25-30％。
其余成分
除了纤维素、半纤维素和木质素之外，木材中也存在油脂、树脂、萜烯、色素和鞣质以及矿物性成分。
元素组成
木材总化学式：
C6.1H9O4.2 (1.2)
对比食糖：
C12H22O11 (2.2)
热化学转化
可通过热化学精制法(气化)，首先在热作用下使得固态生物能源载体转变成为气态二次能源载体。在气化时使得生物质在高温下尽可能完全转变为可燃气体(即所谓的合成气)。以欠化学计量比送入含氧的气化剂(空气)，通过气化剂可以使得生物质中所含的碳转变为一氧化碳。同时通过原料的部分燃烧提供所需的反应热，使得气化过程能够进行(自热式气化)。所产生的低热值气体可用于提供热量的燃烧器中，并且可用于发电的燃气发动机或者燃气轮机中。
平流式固定床气化
这种气化方式中，固体颗粒(木材)并不运动穿过气流。燃料以填充床(Schüttung)形式经过气化装置。在气化装置的下方区域中收集气化残渣。燃料和气体经过相同的路径。
加热和干燥
第一个阶段的特征是从外向内缓慢加热木材。以水蒸气形式排出非结合水。这是吸热过程(需要能量)。
脱气和热分解(热解)
热解阶段或者热解区中的温度在200℃～400℃之间波动，在这些温度下脱除氧气(O2)和氢气(H2)。
上一章中所述的木材组成成分在该阶段中气化。热解时从纤维素和半纤维素产生二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)以及醋酸(CH3COOH)、丙酮(C3H6O)、苯酚(C6H5OH)和水(H2O)。热解时产生的长链烃称作焦油。
木质素热分解时产生甲醇(CH3OH)和芳香烃(例如苯(C6H6))。
裂解产生的固体物质是木炭。
氧化反应
在该区域中形成干燥、热解和还原所需的能量。碳和氢燃烧释放能量(放热)。该区域中的温度在650℃～1100℃之间波动，并且产生CO2、H2O和CH4(以下没有下标)。
还原反应
在还原区中可以产生可燃气体。固态的碳在这里真正发生气化。在之前进行的氧化过程中产生的中间产物如CO2和H2O在还原区中在炽热木炭上被还原，产生CO、H2和高级烃。这在约1100-650℃温度下发生。
所述还原的进行取决于温度。氢和碳变成甲烷的转化率在400℃～600℃之间急剧下降。温度高于1000℃时，不再形成甲烷。所述Boudouard还原反应能在高温下实现良好的一氧化碳收率。该反应进行得比较缓慢。
较高的一氧化碳产量和较高的氢产量之间存在与温度相关的相反趋势。此外，产氢还有利于形成甲烷。两种成分都有提高热值的作用。较高的氢含量也会增大发动机的爆震问题。抗爆震的甲烷是一种优良的燃气，然而经验表明，导致高甲烷含量的产生气体过程也会带来气体的焦油负载高的问题。
气化过程
首先通过供热加热木材，使得存在于气化器物料中的水蒸发。所需的热量通过部分燃烧所产生的低温干馏气以及碳和氢的氧化来产生。
如此产生的木炭可作为氧化还原碳、一氧化碳、二氧化碳和氢的反应面。在此木炭缩小，即颗粒的表面积增大，从而反应速度升高。
很明显，必须将反应区视作整体，并且还原以及氧化同时进行。
木炭还原二氧化碳是吸热反应，温度自下而上降低，反应因此而渐渐停止。氧化区和还原区之间没有清晰的分界。
估计碳在氧化区中燃烧变成了CO2，因为在那里存在的1000-1300℃高温的情况下，CO2不再有稳定性。
然后在有氧存在的条件下使得一部分一氧化碳燃烧形成CO2，但是CO2因为高温而不稳定并在炽热的碳上被还原成CO。如果氧完全耗尽，则CO不再燃烧，并且尽管温度变得较低仍然保持其浓度稳定。但根据最后的考虑，这里也必须从还原反应开始，因为首先存在的是CO2。
从上述过程明显可见，在气化时会产生可燃气体和不可燃气体构成的混合气，其划分如下：
1.可燃气体：
·一氧化碳 CO
·氢气 H2
·甲烷 CH4
·高分子烃类化合物
2.不可燃气体：
·二氧化碳 CO2
·氮气 N2
·水蒸气 H2O
·少量的氧气 O2
| 组分 | 体积占比 | 热值 | 最少空气量 | 甲烷数 |
| [VoL-％] | [MJ/m3] | [m3空气/m3气体] | ||
| 氢气H2 | 17.1-19.8 | 10.8 | 2.36 | 0 |
| 氧气O2 | 0.4-0.6 | 0 | - | - |
| 氮气N2 | 45 | 0 | - | - |
| 一氧化碳CO | 20-23.8 | 12.6 | 2.41 | 75-100 |
| 二氧化碳CO2 | 8.5-16.2 | 0 | - | - |
| 甲烷CH4 | 1.5-2.9 | 35.9 | 9.57 | 100 |
| 高级烃CmHn | 0.2 | ≈50-90 | 可变 | - |
过程控制、停留时间、温度和燃料种类、粒度和湿度均会影响木煤气(Holzgas)的组成。木材的典型热值为3.5-5.5MJ/m3，因此木煤气是一种贫气。
发明内容
由于原料的5～10wt％作为灰分、但主要作为未气化的残余木材留下并且必须恰当处置，因此不仅从经济角度、而且从生态角度来看，同样都需要将这些按照现有技术气化木材时未燃尽的木材组分以尽可能高的程度气化。这也是本发明的任务。
上述任务根据本发明通过以下技术方案解决。
本发明提供了一种用于气化含碳材料尤其是木材的装置，所述装置具有气体发生器，在其上方区域中送入待气化的材料，并且在其中间区域中送入通常为空气形式的氧气，并且在其下方区域中使得材料在固定床反应器中大部分气化，其中，经由产物气管道从气体发生器的最下方区域中抽出产物气并且送入到高温气体过滤器的下方区域之中，在那里通过优选配有滤芯的过滤器分离诸如尚未气化的颗粒、灰分和杂质之类的固体物质，净气则穿过过滤器并且经由净气管道排出，其中，在高温气体过滤器的底部区域中设置用于抽出剩余固体物质的抽出装置，其中，通过管道在高温气体过滤器的位于过滤器底部和抽出装置之间的中间高度区域中将优选为空气形式的氧气送入高温气体过滤器。
本发明还提供了一种用于气化含碳材料尤其是木材的方法，该方法利用气体发生器及在产物流中接在气体发生器后的高温气体过滤器，其中，在过滤器之前的产物流中将优选为空气形式的氧气送入高温气体过滤器，从而实现进一步的气化过程。
换句话说：利用气流将气体发生器底部区域中未气化的木炭至少大部分输送到后继布置的高温气体过滤器。这可以按照对于散料输送而言早已为人所知的气动输送方式，通过适当选择流速进行。在高温气体过滤器中使得木炭如同煤尘和夹带的灰分那样在过滤器(优选是滤芯)的表面上沉积。根据过滤器上的压力损失在滤芯上游尽可能以冲击方式送入氧气(通常为空气形式)，由此吹掉滤芯上的滤饼，并且通过压力冲击和温度有利于执行第二气化步骤，通过该第二气化步骤将夹带的木炭以及煤尘大部分气化。通过在过滤器下部送入的氧气(优选以空气形式)使得还没有气化的部分最终气化。根据工艺参数(如果之前不知道，设备制造商和设备操作人员很容易确定)可以使得木材基本上完全气化，直至剩下矿物性灰分。
附图说明
在图1中描绘了本发明所述设备的示意图。
图1中舍弃了与本发明没有因果关系的所有部件，尤其是大量的测量设备、调节和关闭机构、控制器、连接在所述设备之前和之后的部件(如仓库)、干燥装置、最终产物气净化装置和向用户的输送装置，木材气化设备领域的技术人员对此均很熟悉，不需要在本发明中予以赘述。
具体实施方式
图1中所示为本发明所述的设备以及本发明所需的元件和部件，尽管没有测量设备之类的部件。主要包括：气体发生器1和高温气体过滤器2。将木片、木屑颗粒、煤炭等从图中没有绘出的料仓经由供应管3在气体发生器1顶部适当地供给气体发生器1，并且在其中进行现有技术已公开的、以上提及的干燥、干馏、氧化和还原这些步骤，其中，在通过内部装置4表示的下方区域中经由管道和分配系统5适当送入空气。所涉及的是具有平流式固定床的典型木材气化装置。在下方区域中经过氧化之后进行还原，通过气体发生器底部区域中的管道6将未燃烧的部分和灰分与产物气一起抽出并且送入高温气体过滤器2的中间区域之中。
滤芯7从过滤器底部13向下指向地伸入到高温气体过滤器2的下方区域之中。即使在某些情况下有一个滤芯即可，然而为了有利于连续运行，也可采用至少两个这样的滤芯7，并非必须如此。产物气穿过滤芯，并且在这里作为净气进入高温气体过滤器2的上方区域，通过净气管道8将其从那里抽出并且供应给进一步的处理或使用。
滤芯7与压缩空气供应系统9以可调方式相连，可以利用压缩空气供应系统在其净气侧以冲击方式使其处在正压之下，以便可以吹掉集聚在粗气侧的滤饼并且将其至少部分气化。在高温气体过滤器2的下方区域中设置了用于抽出未气化成分的抽出装置10和相应的灰桶11。
按照本发明所述，现在与之前所述的一样，通过管道12将氧气(例如以空气形式，必要时加热和/或者干燥)送入过滤器底部13下方的区域之中(大致在滤芯的下端)，从而在高温气体过滤器2的粗气区域中使得那些直到这时尚未气化的木材成分进一步完全气化。
以这种方式可以将木材的剩余未气化部分基本上还原成矿物性灰分，这不仅显著有利于环境，而且以经济角度来看也有好处：在现有技术中，所用燃料的5～10wt％无法气化，因此需要进行适当处置；通过本发明可将这部分压缩到所用燃料的1wt％以下，因此可通过本发明将收率从90～95％提高到99％，还可将垃圾减少到之前所产生的垃圾的10～20％！与此相比，增强管道6中的吸力所需的附加费用以及通过管道12将反应空气吹入高温气体过滤器2中的费用微不足道，可以忽略不计。
本发明并不限于附图所示的实施例，而是可以有各种不同的修改变化。例如若为大型设备，则可以将多个气体发生器和/或者多个高温气体过滤器适当相互组合，从而也能在保养情况下保证连续运行。在气体发生器中可以为那些即使增加吸力也难以抽吸的木材成分设置一个排出装置，随后究竟是否将其重新供应给气体发生器还是进行处置，取决于原材料的情况和送回到产物流中的可能性。
可以将本发明与方法或装置的其它不同的实施方式相结合，只要不妨碍高温气体过滤器中的反应或者不妨碍过滤过程的其它实施方式即可。
在高温气体过滤器中执行第二个气化步骤不会使得那里的状态条件发生本质性变化从而需要改变或者调整材料，因此可以使用本领域技术人员所知道的传统高温气体过滤器中的所有部件和材料。
如果存在滤芯7，则供应管道12的喷嘴或其它开口进入高温气体过滤器2中的高度适合在滤芯7的下端上。当吹掉滤饼的时候，全部材料均在这里经过，在不受干扰的运行过程中尚未气化的材料同样在这里经过。很容易通过少量试验确定正压和体积流量之类的运行参数。如果气化不同的材料，某些情况下最好在不同的高度设置可以单独或者分组供应的喷嘴。
也可以通过倾斜布置喷嘴的方式获得有助于促进气化的特殊流型。
总而言之，本发明涉及一种利用气体发生器1将含碳材料尤其是木材气化的装置，在其上方区域中送入待气化的材料，并且在其中间区域中送入(通常为空气形式的)氧气，并且在其下方区域中使得材料在固定床反应器中大部分气化，其中，经由产物气管道6从气体发生器1最下方区域中抽出产物气并且送入到高温气体过滤器2的下方区域之中，在那里通过优选配有滤芯7的过滤器分离尚未气化的颗粒、灰分和杂质之类的固体物质，净气则通过过滤器并且经由净气管道8排出，其中，在高温气体过滤器2的底部区域中设置一个用于抽出剩余固体物质的抽出装置10。通过管道12在过滤器底部13和抽出装置10之间的中间高度区域中将(优选为空气形式的)氧气送入高温气体过滤器2。
本发明也涉及一种使含碳材料尤其是木材气化的方法，该方法利用气体发生器1及在产物流中接在气体发生器后的高温气体过滤器2，在过滤器之前的产物流中将(首选为空气形式的)氧气送入高温气体过滤器2，从而实现进一步的气化过程。
还要指出的是，“大部分”材料表示50wt％以上、优选80wt％并且尤其优选95wt％；反应器、过滤器和建筑物或者某个装置或者泛泛来说某个物体的“下方区域”表示下半部，尤其表示总高的下方四分之一，“最下方区域”表示最下面的四分之一尤其是更小的部分；“中间区域”指的是总高的中间三分之一。所有这些说明与“上方”、“下方”等等一样均具有众所周知的含义，用于确定观察对象的位置。
“基本上”可以用指定值的10％偏差限制范围，如果物理上有可能，则不仅向上而且也向下限制范围，否则仅仅在合理的方向限制范围。
附图标记清单：
01 气化装置
02 高温空气过滤器
03 供应管
04 内部装置
05 分配系统
06 产物管道
07 滤芯
08 净气管道
09 压缩空气供应系统
10 抽出装置
11 灰桶
12 供应管道
13 过滤器底部
Claims (3)
1.一种用于气化含碳材料尤其是木材的装置，所述装置具有气体发生器(1)，在其上方区域中送入待气化的材料，并且在其中间区域中送入通常为空气形式的氧气，并且在其下方区域中使得材料在固定床反应器中大部分气化，其中，经由产物气管道(6)从气体发生器(1)的最下方区域中抽出产物气并且送入到高温气体过滤器(2)的下方区域之中，在那里通过优选配有滤芯(7)的过滤器分离诸如尚未气化的颗粒、灰分和杂质之类的固体物质，净气则穿过过滤器并且经由净气管道(8)排出，其中，在高温气体过滤器(2)的底部区域中设置用于抽出剩余固体物质的抽出装置(10)，
其特征在于，
通过管道(12)在高温气体过滤器(2)的位于过滤器底部(13)和抽出装置(10)之间的中间高度区域中将优选为空气形式的氧气送入高温气体过滤器(2)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，例如通过鼓风机造成的产物气管道(6)中的吸力具有这样的强度，使得气体发生器中没有气化的颗粒基本上被带入高温气体过滤器(2)之中。
3.一种用于气化含碳材料尤其是木材的方法，该方法利用气体发生器(1)及在产物流中接在气体发生器(1)后的高温气体过滤器(2)，其特征在于，在过滤器之前的产物流中将优选为空气形式的氧气送入高温气体过滤器(2)，从而实现进一步的气化过程。
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