CN108431182A - 分阶段热分解的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热分解设备(1)，其包括用于在80℃和700℃的温度下供应热能并且能够调整室(2)内的温度的装置(9)，该室(2)包括原料供应入口(3)、热分解气体出口(4)和来自热分解反应的固体或液体材料的出口。所述室封闭将所述室(2)分隔成顶部和底部的至少一个板(6)以及至少一个传递元件(7)。所述发明的特征在于所述传递元件(7)和/或板(6)被安装为以便围绕轴线旋转，所述原料供应入口(3)放置在所述板上方，从而限定原料落到所述板上的第一点(60)，并且所述板包括在所述顶部和所述底部之间连通并在第一原料落点(60)之后在相对旋转的方向上成角度地放置的排空孔(61)。所述发明的特征还在于所述传递元件(7)在所述板上方从所述板的中心朝向所述室(2)的壁径向延伸，所述设备(1)还包括在所述板(6)的中心和所述室(2)的壁之间在所述板(6)上方延伸的至少一个加压元件(73)，并且所述加压元件(73)限定空气间隙，所述空气间隙从其前部向背部减小。

Description

分阶段热分解的设备

技术领域

本发明涉及通过气化固体或液体有机材料的能量生产，该材料可衍生自生物质、有机废物或化石资源。

本发明尤其涉及热分解设备和使用所述设备从有机物生产合成气的方法。

背景技术

有机物的气化是回收有机物中的能量的一种可能的方式，其它方式为燃烧和离子甲烷化。

有机材料往往主要由碳C、氢H和氧O组成的分子构成，任选地与H₂O水组合成。如果有机材料在缺氧的气氛中经受150℃以上的温度，则其然后经历被称为热解的转化，该转化通过使共价键断裂来分解碳分子。在所述热解期间获得的产物为固体(矿物灰分加上被称为焦炭的残余碳)、在环境温度和压力下冷凝的蒸汽(焦油、油类)和被称为合成气的合成气体，该合成气体在环境温度和压力下保持气体状态(一氧化碳、氢气和毫无经济价值的气体元素诸如二氧化碳)。

由热解产生的焦炭还通过碳与氧气(所述氧气部分地来自最初的有机材料的分子)和氢气的结合经历气化，这在理想条件下产生一氧化碳和二氢甲烷(dihydrogenmethane)。该反应是吸热反应并且需要特定的热输入。传统上，这种贡献由在该方法中进行的空气燃烧反应提供。

根据有机物气化的领域中的当前状态，合成气生产使用两项主要技术：

—在使用所谓的慢热解的并流或逆流固定床方法中，将原料引入到室中，在该室中原料在其位移期间经历热解和气化步骤。将空气局部地引入室中以便使焦炭能够部分燃烧并且能够生成吸热气化所需的能量。从原料入口侧(逆流逻辑)或灰分出口侧(并流逻辑)提取产生的气体。

—在使用所谓的快热解的方法的流化床中，首先将原料细磨并且然后将其引入到搅拌大量热颗粒例如砂粒白云石的反应器中。然后，原料粉末几乎立即经历热解和气化阶段。产生的气体收集在置于上部位置中的单个主出口中。下一个步骤将产生的气体和砂粒分离。然后，在循环流化床的情况下将气体再循环到反应器中以供重复利用。

这些传统解决方案特别存在以下不足：

—在流化床的情况下，必须仔细校准原料以将其快速分布在砂床中。为此，需要复杂的粉碎器械以及对来料的校准。砂床保持在湍流状态，这意味着砂粒具有完美的流动性，并且砂床内的任何灰分熔融底漆(primer)强烈地损害方法的效率。由于这些原因，流化床方法在通常低于900℃的温度下操作，并且碱金属诸如钾的存在必须非常有限。因此，900℃的温度意味着多环芳香烃(焦油)的残余存在并且不确保焦炭的完全气化。

在固定床的情况下，原料由于重力而下降，而气体必须在其中流动。必须避免引入太薄或太小的颗粒(通常直径小于1mm)，因为这可阻碍床中气体的均匀流动。筛选原料以便在将原料引入到热解反应器中之前排除细粒。无论采用何种预防措施，优选的流都无法避免地伴随着床崩塌风险。由于这些原因，并流固定床被限制为低功率(小于2MW)并且由于气体质量不足所以逆流固定床不能够使合成气用于发动机或涡轮机。

—在两种情况中，首先发生的反应为热解反应，因为处理原料所需的能量由同一设备中进行的燃烧供应使得热立即可用。不存在此类布置方式是燃烧生成不期望的元素诸如氮氧化物，该不期望的元素将然后与合成气混合而损害合成气的质量。此外，当气体离开装备以供应气化过程时，不可能回收气体的热能，这将导致通常超过10％的产量损失。

先前的解决方案(目前很少使用)实现在固定或旋转滚筒中混合原料以确保产物从入口到出口的一致性和前进。该设备中存在一些混合配件，但是这些解决方案的失败之处在于，在处理期间没有计划特定的机械作用以便于在热解期间释放蒸汽。另外，操作温度通常低于600℃，从而不允许产生用于发动机或涡轮机的足够高质量的合成气。

发明内容

本发明旨在通过提供能够产生比用热解获得的焦炭和合成气好得多的焦炭和合成气的热解设备以及同时使用比传统解决方案成本更低的技术来克服现有技术的缺点。

因此，本发明涉及有机材料热解设备，其包括在80℃和700℃之间的温度下提供热能并且能够调节室内的温度的装置，该室具有原料供应、热解气体出口以及用于来自热分解的反应的固体或液体产物的出口，所述室封闭将所述室分隔成上部和下部的至少一个托盘以及至少一个传递构件，值得注意的是，所述传递构件和/或托盘安装成围绕轴线旋转，所述原料供应设置在所述托盘上方，从而限定原料落在所述托盘上的第一点，所述托盘具有排泄孔，该排泄孔在所述上部和所述下部之间连通并在原料落点之后在相对旋转的方向上成角度地定位，并且所述传递构件在所述托盘上方沿所述室的壁的方向从所述托盘的中心径向延伸，并且所述设备进一步包括至少一个加压构件，该至少一个加压构件在所述托盘的中心和所述室的壁之间在所述托盘上方延伸，并且所述压具构件限定空气间隙，所述空气间隙从其前部向背部减小。

在本发明的上下文中，术语“前部”和“后部”是相对于所述空气间隙的相对旋转方向定义的。

根据本发明的优选的实施例，所述设备进一步包括基本上垂直于所述托盘的内部轴，该内部轴的纵向轴线穿过所述托盘的中心并与至少一个传递构件和/或至少一个加压构件相关联，所述内部轴围绕其纵向轴线可旋转地安装，并且所述传递构件和/或拉伸设备在所述托盘上方从内部轴朝向所述室的壁延伸。

根据本发明的优选的实施例，所述空气间隙的最大尺寸为30cm并且最小尺寸为1mm。

根据本发明的优选的实施例，加压构件包括机械排气装置。

根据本发明的优选的实施例，所述机械排气装置包括在所述加压构件上施加返回力的至少一个弹性装置。

根据本发明的优选的实施例，所述弹性装置为可调节行程弹簧。

根据本发明的优选的实施例，所述机械排气装置为具有可滑动加压构件的平移系统。

根据本发明的优选的实施例，所述平移系统包括用于调整可滑动加压构件的质量的装置。

根据本发明的优选的实施例，传递构件的下部边缘和托盘之间的最小距离在2mm和400mm之间。

根据本发明的优选的实施例，所述托盘具有粗糙度Ra大于2mm的粗糙表面。

根据本发明的优选的实施例，所述设备包括多个叠加的托盘，并且其中每个托盘排泄孔相对于置于其正上方的托盘排泄孔在相对旋转的方向上成角度地偏移。

根据本发明的优选的实施例，所述热能供应装置布置在所述托盘和/或室的壁上。

本发明还涉及使用根据前述权利要求中任一项所述的设备热分解有机材料的方法。

发明优点

本发明的优点首先在于，原料在通常与外部大气环境密封的室中经历与经处理的材料的易碎表面的侵蚀机理相关联的逐渐热解转化。

安装的机构使得能够以有效且节能的方式使表面上的呈现易碎的材料脱离，以将其减小到经校准的灰尘从而促进气体和油类的蒸发、将所获得的焦炭运输到其出口点并朝向其出口点收集不同的蒸发的流体。本发明使使用具有广泛颗粒尺寸分布的粗尺寸原料成为可能，90％以上的质量由最大尺寸在50cm和1mm之间的构件组成。

附图说明

通过下面参照附图对本发明的非限制性实施例的详细描述中，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：

—图1示意地示出本发明的热分解设备1及其一般操作原理。

—图2示意地示出操作中的质量传递的一般原理。

—图3示意地示出本发明的变型中所使用的具有枢轴和弹簧的加压构件的示例。

—图4示意地示出本发明的变型中所使用的具有滑轨和弹簧的加压构件的示例。

具体实施方式

按照惯例，我们将使用热分解这个词来指代挥发性元素与碳链(包含水)的分离和减小碳链长度以在一侧获得被称为焦炭的纯碳和灰分并在另一侧获得包括挥发性化合物、氢气、甲烷和一氧化碳的不同的反应气体的所有阶段。

本发明涉及热解步骤，其特征在于分离在80℃和700℃之间的升高的温度以及不足的氧化剂诸如氧气的作用下处理的有机材料的组分。不足意指可用的氧化剂的量远小于允许完全氧化反应即总化学计量燃烧所需的量。

如图1所示，本发明涉及用于有机材料热分解的设备1，其包括室2，该室2优选地为固定的、圆柱形的，并且沿竖直轴线布置或者相对于竖直轴线以至多45°的角度倾斜。

围绕其纵向轴线旋转的中心轴8放置在室内，该中心轴8由任何常规的机械装置诸如轴承引导以用于与壳体2连接。轴8的旋转引导以相对于壳体2密封的方式设计以防止外部空气以这种方式进入室，从而危害所需的氧化剂缺乏。

原料供料装置3安装在室的顶部。所述供料装置被密封地设计以便防止外部空气以这种方式进入室从而危害所需的氧化剂缺乏。用于材料的气密供应的任何传统解决方案均为合适的。例如，具有两个被交替控制的密封阀的闸门系统，其能够将由室的容积限定的一定量的材料定期递送到连接到闸门的室。另一个示例是使用料斗和旋转锁所获得的。在锁每次旋转时，一定的剂量被递送到室。

由原料的处理产生的固体产物的出口5安装在室的底部。该连接的气密性可通过双阀闸门或卸料螺杆或任何等同的解决方案的使用来实现。

蒸发的产物(气体和油)的出口4安装在入口3和出口5之间，优选地附接到外室2。可通过允许气体通过在旋转机构3的轴的中心所钻的孔输出来获得变型。可通过密封凸缘的使用来确保此类固定连接的气密性。

出口4有利地连接到气体提取装置，例如进一步沿气体回路放置的抽风机。由通风机形成的相对真空确保室和其连接中的任何泄漏将无法导致气体泄漏到外部，而是外部空气向内泄漏。这是一种安全措施，因为使空气进入室比使气体进入到大气环境中的危险性小。然而，该空气带入了氧气，这将破坏热分解。因此，必须保证器械的连接的密封性。

将垂直于室的轴线的托盘6放置在室内。该托盘通过重力接收通过入口3加入的待处理的原料，该入口3限定托盘6的基部60。然后通过轴8上的传递构件7的作用使材料在托盘上旋转。这些传递构件具有将材料从其落点60向形成在托盘中的排泄孔61传递的功能。优选地，落点和排泄孔之间的相对角位置接近360°，但略小以便防止落到托盘的落点上的材料溢出并直接落入排泄孔中而不绕托盘行进。绕该托盘行进的原因是使材料在缺氧的气氛中保持若干秒至若干分钟从而允许热分解。

根据发明的变型，使用若干叠加的托盘是有利的。如图2所示，第一托盘被放置在室中的上部位置，第二托盘被放置在第一托盘下方，例如其垂直距离介于30cm和120cm之间。材料通过入口3供给，在落点60处落在上部托盘上，通过传递构件72旋转，通过排泄孔61离开第一托盘并在新的落点62处落到第二托盘上。然后，材料通过放置在第二阶段中的传递构件72旋转到新的排泄孔63，然后，该排泄孔63使材料落到下一阶段或落到室的出口点5。

传递构件7有利地为附接到轴8的直桨或犁铧的形式。

根据本发明的变型，存在两种类型的桨：上部桨71处于放置在托盘6上的材料的上部层中，并且下部桨72在更靠近托盘表面的下部层上起作用。两种桨的组合用于在热分解期间连续地转动材料床，以使贴靠托盘放置的材料再次上升并且反之亦然以使放置在材料床上方的材料再次下降。

用于加热室的装置9通过由本发明的设备的任何装置附件加热的传热流体供应热能。例如，室可被热管系统环绕，在该热管系统中矿物油或熔融盐在非常高的温度下循环。绕管的这一层，绝热包装限制热泄漏到室的外部。

托盘通常还可在底面上配备有传热管网络，以允许自由的上侧在热分解期间接收原料。

根据本发明的变型，加热装置9可包括通过焦耳效应的电气加热网络，该电气加热网络也环绕室并且/或者该电气加热网络定位在托盘的厚度之上或之中。

根据本发明的另一变型，加热装置可与内部轴8形成为整体以便从轴8的表面、传递构件7和/或加压构件73加热室。

根据本发明的变型，室2可为旋转的并且内部轴8可固定到地板，从而允许相对的旋转运动。在该实施例中，室与输入产物和输出产物之间的连接显然更难以实现。

根据本发明,轴8还携带加压构件73，该加压构件73的功能为通过在热分解期间在颗粒上施加粉碎力来加速原料的热分解反应。

热分解颗粒的顶部易碎层上的这种作用的优点是，底部层因此从其上部脉石释放并且可自由地接收室内盛行的热流并因此在热解反应期间较快地释放气体和蒸汽。热解反应比不存在加压器的情况更快。

这些构件相对于托盘6旋转并且包括相对于托盘的上部面倾斜的下部托盘76。该倾斜限定加压构件和托盘之间的减小的空气间隙，最大的空气间隙74根据旋转期间的前进方向设置在张力调整器的前方，并且最小空气间隙75设置在后方。因此，在这些构件的移动期间，原料颗粒在热分解期间在该空气间隙中穿透底部托盘76并在旋转期间被粉碎。

根据有利的变型，托盘的上部面具有显著的粗糙度，例如具有超过2mm的粗糙度Ra，使得倾向于由加压构件73旋转的材料被制动并穿透到用于将其粉碎的空气间隙中。

根据本发明的变型，如图3所示，加压构件在固定到轴8的支架80和下部托盘76之间具有枢轴连接件78。另外，一个或多个弹簧77介于支架80和下部托盘76之间。如果原料未在最小空气间隙75中破碎成较小的单元(element)，则旋转运动的自由度允许底部托盘提升。在这种情况下，颗粒在底部托盘上具有提升力，该底部托盘通过绕其轴线78枢转而缩回。为了便于底部托盘76在排除的颗粒逸出之后返回，有利地是将底部托盘76与适于将下部托盘降低到低位置中的弹簧组合。

根据本发明的另一变型，如图4所示，加压构件在固定到轴8的支架80和下部托盘76之间具有滑动连接件79。此外，一个或多个弹簧77有利地介于支架80和下部托盘76之间。如果给料颗粒未破碎成尺寸比空气间隙75小的单元，则平移运动的自由度允许底部托盘提升。在这种情况下，颗粒在底部托盘上施加提升力，该底部托盘通过在滑轨79中滑动而缩回。在将排除的颗粒喷射出之后，弹簧将底部托盘推动到正常位置中。弹簧的缺失可通过将可移动下部托盘的质量调整为超过1kg以提供至少10N的压力来补偿。

根据本发明的变型，弹簧具有可调整的行程，以便应用弹簧的刚度定律来调整底部托盘的最大回缩力。

根据本发明的变型，弹簧可为扭力弹簧，而不是平移弹簧，该扭力弹簧对托盘的作用特别适于枢轴连接的情况。

根据有利的实施例，传递构件7和加压构件73可在从轴8朝向室2的内部表面延伸的同一支撑构件上进行组合。

本发明还涉及使用上文所述的装置和配置的热分解方法。

Claims (13)

1.一种热分解设备(1)，所述热分解设备(1)包括在80℃和700℃之间的温度下的热能输入装置(9)，所述热能输入装置(9)能够调节室(2)内的所述温度，所述室(2)具有原料的供应(3)、气体热分解的出口(4)和来自热分解反应的固体或液体产物的出口(5)，所述室封闭将所述室(2)分隔成上部和下部的至少一个托盘(6)以及至少一个传递构件(7)，其特征在于，所述传递构件(7)和/或所述托盘(6)围绕轴线可旋转地安装，所述原料供应(3)放置在所述托盘的上方，从而限定所述托盘上的原料的第一落点(60)，所述托盘包括排泄孔(61)，所述排泄孔(61)在所述上部和所述底部之间连通并且在所述原料的所述第一落点(60)之后在相对旋转的方向上成角度地布置，并且所述传递构件(7)在所述托盘(6)上方从所述托盘(6)的所述中心朝向所述室(2)径向延伸，并且所述设备(1)进一步包括至少一个加压构件(73)，所述至少一个加压构件(73)在所述托盘(6)的所述中心和所述室(2)的所述壁之间在所述托盘(6)上方延伸，并且所述加压构件(73)限定空气间隙，所述空气间隙从其所述前部向所述后部减小。

2.根据权利要求1所述的热分解设备(1)，其特征在于其进一步包括内部轴(8)，所述内部轴(8)基本上垂直于所述托盘(6)，并且所述内部轴(8)的所述纵向轴线穿过所述托盘(6)的所述中心并且与至少一个传递构件(7)和/或至少一个加压构件(73)相关联，所述内部轴(8)围绕其所述纵向轴线可旋转地安装，并且所述传递构件(7)和/或所述加压构件(73)在所述托盘(6)上方从所述内部轴(8)朝向所述室(2)的所述壁延伸。

3.根据前述权利要求所述的设备(1)，其特征在于所述空气间隙的最大值为30cm并且所述空气间隙的最小值为1mm。

4.根据权利要求1至权利要求3所述的设备(1)，其特征在于所述加压构件(73)包括机械排气装置。

5.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于所述机械排气装置包括至少一个弹性装置，所述至少一个弹性装置在所述加压构件(73)上施加返回力。

6.根据前述权利要求所述的设备(1)，其特征在于所述弹性装置为可调整行程弹簧。

7.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于所述机械排气装置为可滑动加压构件(73)的平移系统。

8.根据前述权利要求所述的设备(1)，其特征在于所述平移系统包括用于调整所述可滑动加压构件的质量的装置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于所述传递构件(7)的下部边缘和所述托盘(6)之间的最小距离在2mm和400mm之间。

10.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于所述托盘的表面粗糙度Ra大于2mm。

11.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于其包括多个叠加的托盘(6)并且每个托盘(6)的所述排泄孔(61)相对于布置在其正上方的所述托盘(6)的所述排泄孔(61)在相对旋转的所述方向上成角度地偏移。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于提供热能的所述装置(9)布置在所述托盘(6)和/或所述1’室(2)的所述壁中。

13.一种实现根据前述权利要求中任一项所述的设备(1)的有机物热分解的方法。