CN109477009A - 一种气体的产品及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于从可燃材料生产气体的方法和系统。具体地，公开了用于从可燃材料分批式生产气体的方法和系统。这些方法和系统包括点燃至少一部分装入密封的容器结构中的可燃材料以形成热效应层，其中实施将氧化剂注入密封的容器结构中的步骤从而使得在序列中的一个点处的燃烧材料到气体的转换先于在序列中的前一个点处可燃材料的转换完成之前开始。

Description

一种气体的产品及方法
技术领域
本公开涉及一种方法，用于实施生物质气化。具体地，公开了一种使用分批工艺的生物质的气化的系统和方法。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年6月3日提交的，第2016902164号澳大利亚临时专利申请的优先权，该申请的主题通过引用在此全文并入。
发明内容
如下为一种用于实施可燃材料的气化的方法的不同示范性实施例的广泛内容。就其本身而言，完全出于提高说明书的清晰度而提供。并不旨在限制所附的权利要求的范围。
应当领会的是，在此参考“优选的”或“优选地”仅旨在为示范性的。
在一个方面，提供了一种由可燃材料生产气体的方法，该方法包括步骤：
(a)将可燃材料装入容器结构；
(b)基本上密封容器结构；
(c)向密封的容器结构注入氧化剂与可燃材料在序列中的多个点处进行接触；以及
(d)点燃装入密封容器结构中的可燃材料的至少一部分以形成热效应层，其中实施将氧化剂注入密封的容器结构的步骤从而在序列的一个点处的可燃材料到气体的转换先于在序列中的前一个点处的可燃材料的转换完成之前开始。
在一些实施例中，在步骤(d)之后，热效应层可从容器结构移除。在热效应层的移除之后，可重复步骤(a)至步骤(d)。
在一些可替代的实施例中，在步骤(d)之后，热效应层可保留在容器结构中并且可将进一步的可燃材料添加至热效应层。
氧化剂可通过注入构件注入至密封的容器结构中，注入构件构造成包括多个氧化剂出口，这些氧化剂出口设计为携带氧化剂流。
注入构件可沿容器结构的基底的至少一部分定位。
注入构件可构造成在容器结构中可移动，从而在序列中的前一个点处的氧化剂出口移动至序列中的下一个点处，以用于启动气体转换，并且该氧化剂出口被另一个的氧化剂出口在前一个点处替换，该另一个氧化剂出口至少部分地继续在前一个点处的可燃材料的转换。移动的距离可基本上与相邻的两个氧化剂出口之间的间隔相等。
注入构件可为导管，该导管构造成沿容器结构的长度可伸缩。多个氧化剂出口在导管上可为固定的位置。
多个氧化剂出口可设置在构造成固定在容器结构中的注入构件上，并且其中，氧化剂出口或每个氧化剂出口包括阀，该阀可操作地调节从氧化剂出口或每个氧化剂出口的氧化剂的流量，从而在操作期间，在序列中的前一个点处的氧化剂出口基本上为关闭的，并且在序列中的下一个点处的用于启动气体转换另一个氧化剂出口基本上为打开的。
固定的注入构件可包括干预前一个点处的氧化剂出口，并且当前一个点处保持基本上打开的，从而在该当前点处保持转换。
氧化剂出口或每个氧化剂出口的尺寸可大体上相等。
氧化剂可沿容器结构的轴线投入可燃材料中。
在一个实施例中，该方法进一步包括重复的步骤(a)至(d)。
在一个实施例中，由可燃材料产生气体的方法进一步包括步骤：
(a)将可燃材料装入容器结构；
(b)基本上密封容器结构；
(c)将氧化剂注入密封的容器结构以在序列中的多个点处接触可燃材料；以及
(d)点燃装入密封的容器结构中的可燃材料的至少一部分以形成热效应层，其中实施将氧化剂投入密封的容器结构中的步骤从而使得在序列的一个点处的可燃材料的转换先于在序列的前一个点处的可燃材料的转换完成开始。
(e)将另外的可燃材料添加至热效应层；以及
(f)(可选择地)重复步骤(b)至(e)。
由可燃材料生产气体的方法可进一步包括步骤：通过将干燥介质注入密封的容器结构中使装入密封的容器结构中的可燃材料干燥。
使可燃材料干燥可先于步骤(c)执行。使可燃材料干燥可通过将干燥介质投入容器结构来执行。
由可燃材料生产气体的方法可进一步包括在气化期间将包括液态焦油和水的溶液供应到容器结构中，从而气化焦油并且将水转换为水蒸气。
在另一方面中，提供一种系统，以由可燃材料生产气体，该系统包括构造成接收可燃材料的容器结构，容器结构设置成在操作中基本上密封，并且该系统包括送料机构以将氧化剂注入密封的容器结构中以在序列中的多个点处接触可燃材料。
适当地，送料机构可构造成实施将氧化剂投入密封的容器结构，从而在序列中的一个点处的可燃材料到气体的转换先于在序列中的前一个点处的可燃材料的完成转换之前开始。
根据在此提到的任何方面，可燃材料可包括生物质材料。可燃材料可基本上包括生物质材料。
热效应层可包括生物质材料。热效应层可为或包括热效应生物质层。
生物质材料可由可再生能源得到。可再生能源可为植物源材料或动物源材料。可再生能源可为植物源材料和动物源材料的组合。
本公开可包括一种方法，该方法将生物质装入大的人工制造的矩形坑中，该坑为挖入地下的并且沿坑的底部装备有注入管道以及沿坑的末端装备有生产管道。在坑被生物质填充之后，坑的顶部被封闭。注入管道附近的生物质可被点燃并且空气或氧气通过注入管道供应以通过在接近大气压的情况下气化来消耗生物质。热产品气体可从生产管道生产，用于下游应用中的使用，诸如发电、合成燃料生产或化工生产。为了提供恒定的合成器质量，注入点可逐渐地贯穿燃烧伸缩直至基本上所有的生物质被消耗。一旦生物质被消耗，坑可被清洗并且冷却，并且覆盖物可打开以允许注入管道的复原和重新填充生物质。该过程可分批进行并且可需要至少两个坑来保持持续的气体生产，其中一个坑正在运行同时另一个坑正在填充和准备。可留在坑中未燃烧的生物质在气化之后可留在原地以在下次燃烧中消耗。在生物质的消耗之后遗留的灰可保留在坑中并且可在每次需要周期性移除的燃烧中增加。
本公开包括一种用于气化的坑和相关联的设备的设计。本公开可涉及一种气化的坑，尤其是以非天然、合成的、或人工制造的气化的坑。坑可通过挖掘具有倾斜的多个边的长矩形通道建造，以提供稳定性和避免成本高的固定方法。坑的多个边和基底可为裸露的地表或可内衬诸如黏土、防渗膜、混凝土、或钢的材料以防止液体或气体从坑中迁移出。在填充阶段期间坑的顶部可至少部分地打开并且在气化阶段期间可基本上密封与大气隔绝。铰链、滑动或宽松设计的并且由诸如钢、混凝土或耐火材料的不可燃材料制成的多个活动盖板可用于密封坑的顶部。需要相对气密性的密封来防止在气化期间空气进入或气体从坑中泄露。围绕坑的多个边缘的混凝土基础可用来在多个盖板和地表之间创造有效的密封。多个盖板可暴露至高温并且可需要诸如耐高温水泥或耐高温材料的适当的材料。
注入管可用来运输氧化剂，该氧化剂可为空气或氧气或这两者的混合物。水或水蒸气也可作为气化反应物或为了冷却的目的连同氧化剂一起注入。注入管道可优选地由碳或合金钢制成。用于注入管道的适合的设计可包括接合管(使用法兰、螺纹接头或夹具)、包括一系列沿其长度的孔/管口以创造多个同时注入点的连续管或连续管道。用于收缩注入点的方法可包括通过将接合的部分拉出和移除来使注入管道变短、使用热装置或机械装置切断管道或接头、或通过在连续管中卷取使注入管道变短。管口可安装至注入管道的末端以增加氧化剂从管道排出的速度并且促进更多有效的混合和气化。取决于坑的宽度，多个注入管道可用来改进氧化剂的分配。
生产管道可为竖直的或倾斜的，并且可设计为从气化器操作高温产品气体。如果有需要，产品气体通过直接将水注入气体中或通过在生产管道循环冷却水来得到冷却。
在一个实施例中，注入管道定位在穿孔的内衬管内部以防止生物质坍塌到管道上并且保持到生产管道的流动路径。
在另一个优选实施例中，生物质可通过引入热煤、注入气态或液态燃料、自燃物质的使用或电阻加热的方式点燃。
优选地，热产品气体可根据用于生物质源的合成气体的典型的工业实践取决于下游应用被冷却和清洁。由于在气化器中的长停留实践和低速，重焦油和颗粒的产物可显著地低于其他生物质气体。这减少了气体清洁处理的成本和复杂性。
在一方面，提供了一种生物质气化的方法，在该方法中，大量生物质被装入坑或容器结构中并且通过点燃生物质、通过一个或多个注入管道注入氧化剂以及采集通过一个或多个管道生产的合成气在原位批次处理气化。生物质可通过引入热煤、注入气态或液态燃料(诸如甲烷、液化石油气(LPG)或燃油)、自燃物质的使用(诸如硅烷或三乙基硼)或通过电阻加热的方式被点燃。生物质的点燃可先于密封坑或容器结构人工实施或通过远程装置在密封坑之后实施(诸如通过氧化剂注入管道注入点燃燃料或电激活邻近注入点安装的点燃装置)。(多个)氧化剂注入管道可位于生物质量的基底处并且包括单注入点或多个注入点。注入点在燃烧期间固定或在燃烧期间周期性地伸缩以暴露新的生物质用于气化。注入的氧化剂可包括空气、充有氧气或纯氧(可能添加水蒸气或水)的空气。产品合成器和生产管道可通过用水冷却合成气或通过在生产管道中循环冷却水被冷却。生物质可在点燃和气化之前使用浪费的热量通过将生物质与热气体(诸如合成气、燃烧排出的气体或热的空气或氮气)接触被重新加热和干燥。
在另一方面，提供了一种装置，用于容纳生物质的量，该装置通过在地表挖掘坑来建造，该坑理想地为矩形形状并且安装有多个活动盖板以允许将生物质装入坑中并且以允许将坑密封与大气隔绝以及以允许在操作期间最小化坑的热量损失。该装置可进一步包括多个边并且坑的基底基本上为地表或被覆盖或内衬有适合的材料以防止气体或液体从坑逸出。根据该方面，用于容纳生物质的该装置的多个活动盖板可基本上密封围绕坑的周界的混凝土基础。
在又一个方面，提供了一种装置，用于氧化剂注入管道，该装置包括或由以下部分组成：连续管、或弹性管、或接合管或焊接管并且在管道的出口处包括管口或沿管道的长度分布有多个管口或孔。注入管道可放置在穿孔的外部管道中，该外部管道延伸至生产管道的基底附近。
在另一个方面，提供了一种用于生产管道的装置，包括或由以下部分组成：在其基底处具有可选的穿孔部分的垂直或倾斜的钢管道。
在另一个方面，提供了一种用于冷却合成气的装置，其中冷却水通过具有在终端的喷射管口的冷却管道运输，该管口在入口的上游将水注入生产管道或将水注入生产管道内部。
在又一个方面，提供了一种用于冷却生产管道的装置，其中冷却水通过生产管道不直接接触合成气循环。
附图说明
为了使本公开易于理解并且易于实施，现参考附图作出本公开的多个实施例的参考。附图仅通过示例的方式提供，其中
图1为根据本公开的一个示范性实施例的生物质气化坑的侧部分；
图2为图1中示出的系统沿线A-A截取的部分前视图；
图3为图1中的系统的容器结构的顶视图；
图4示出了流程框图，该框图示出了将本公开并入能量转换设施中；
图5为根据本公开的另一个示范性实施例的方法和系统的截面侧视图；
图6为图5中示出的系统的截面端视图；
图7为根据本公开的另一个示范性实施例的方法和系统的截面侧视图；
图8为根据本公开的另一个示范性实施例的方法和系统的截面侧视图；
图9为包括两个(2)根据本公开的进一步示范性实施例的气化系统的方法和系统的流程图；
图10为根据本公开的一个示范性实施例的方法和系统的截面侧视图；
图11为示出了使用根据图10中的系统生产气体的方法的气体质量趋势的图表；
图12为示出了使用根据图10中的系统生产气体的方法的气体质量趋势的图表；
图13为示出了使用根据本公开的方法的一个示范性实施例的气体质量趋势的图表；
图14为示出了使用根据本公开的方法的一个示范性实施例的气体质量趋势的图表；
图15为示出了使用根据本公开的方法的一个示范性实施例的气体质量趋势的图表；
图16为示出了使用根据本公开的方法的一个示范性实施例的气体质量趋势的图表；
本领域技术人员将理解附图中的元件出于简化和清晰示出并且不必成比例绘制。通过示例的方式，附图中一些元件的相对尺寸可失真以有助于增进对本公开的实施例的理解。
具体实施方式
本公开大体涉及可燃材料的气化。“可燃材料”代表可产生气体的任何材料或多种材料的任何组合。可燃材料可为碳质材料。在适合的实施例中，可燃材料可包括生物质材料。生物质材料可从诸如但不限制于植物源材料或动物源材料的可更新能源中得到。植物源生物质材料的非限制性示例包括禾本植物(诸如甘蔗、柳枝稷、和芒属植物，尽管对其不做限制)、树种(诸如莎草属、油棕榈、桉树、蓝桉、白杨、柳树、和松鼠，尽管对其不做限制)、大麻、诸如高粱、玉米壳、的谷物、诸如水黄皮属的豆类、木屑颗粒、伐木和木材的废料、以及园艺废料。植物源生物质材料可从农业源得到。可燃材料可包括化石燃料，诸如但不限制于煤。可燃材料可包括市政废料或从市政废料得到，并且可以预期的是，市政废料可包括多种可燃材料的组合，诸如但不限制于，生物质材料和塑料材料。在多个示范性实施例中，可以预期的是一种可燃材料，包括多种可燃材料的组合，每种可燃材料的比例大致相同，或可替代地，一种可燃材料的比例可超过另一种可燃材料的比例。仅通过示例的方式，可燃材料可从市政废料得到，该废料可包括大约70％重量的生物质材料，剩余的小部分为塑料材料。可燃材料可包括未处理的、不规则的和/或过大的材料。
术语“气体”、“合成气”、“合成的气体”在此可交换地使用，指代一种根据本公开的多个方法生产的气体。因此生产的该气体尤其适合于在能源和电力的生产中使用。
本公开包括一批方法以通过将空气或氧气注入限制量的生物质中并且采集产生的气体来气化生物质。根据参考图1至图3所述的一个示范性实施例，该方法包括将生物质(3)装入(可包括采集和储存)坑(110)或其他适合的容器结构中。根据本公开的任一方法或系统的容器结构适合地构造成接收可燃材料。根据本公开的任一方法或系统的容器结构可为容器、室、单元、坑、或器皿的形式。根据本公开的任一方法或系统的容器结构在俯视时可为矩形形状，尽管其他形状是可以预期的。
参考图1至图3中系统100的一个示例，系统100包括坑(110)，坑(110)构造成由形式为生物质材料(3)的可燃材料生产气体。生物质材料(3)可在收货状态(as-receivedcondition)下装入坑(110)中或通过碎片化、研磨、或压缩以增加原料的体密度和均匀性。生物质材料(3)可包括未处理的、不规则的和/或过大的材料。应当领会的是，生物质材料(3)可包括其他组分，诸如水或少量的其他微粒材料。从合成气分离的副产品液体还可循环并且在气化之前混入生物质(3)中。
系统(100)包括送料机构，并且更具体地，包括氧化剂送料机构，该机构为构造成将氧化剂投入或注入单元(110)中的注入构件的形式。适合地，氧化剂被投入密封的容器结构中(并且优选地，单元(110)中)，以在按序列的多个点处接触生物质材料(3)。注入构件可为导管、槽、管道、管、通道等。注入构件可为注入管道(1)的形式。优选地，在用生物质原料(3)填充坑(110)之前，安装注入管道(1)和生产管道(2)以运输氧化剂和采集产品气体，氧化剂被投入密封的坑(110)中以在按序列的多个点处接触生物质(3)。
还可安装其他设备，包括穿孔的钢内衬管道(10)、点燃装置(14)、冷却/冷浸水管道(13)以及诸如热电偶的监控装置。一旦坑(110)被生物质(3)均匀地填充，坑(110)的顶部可关闭并且所有的开口将密封与大气隔绝。通过首先建立从注入管道(1)到生产管道(2)的气流实施点燃序列并且随后使用任何适合的装置点燃注入管道(1)的出口附近的生物质，这些适合的装置在此将进一步描述。
参考图4，由于气体中潜在的氧气和可能的爆炸性气体混合物，产品气体在点燃期间可首先被引导至出口(17)。一旦确认实际的点燃以及产品气体中的氧气容量低于安全限制，气体可被送至火焰(18)处并且氧化剂注入速度可增加至用于气化的正常设计速率。一旦合成气质量是可接受的，合成气可被送至下游的气体清理(19)和末端使用者(20)。适合的注入速率取决于坑(110)的尺寸、需要的气体生产速率和包括热和质量转换限制的气化处理的动力学限制、以及生物质的反应性。
通常地，最高温度发生在注入点的附近，这是由于生物质和合成气在注入点周围的燃烧。由放热反应生成的热量导致燃烧区域周围和下游的生物质的干燥和热解，该生物质转变为碳并且碳通过包括与氢气、二氧化碳和水的反应的气固反应转换为合成气。还发生气相反应，包括水煤气变换和甲烷化反应。随着合成气朝向生产管道流动，合成气自然低冷却，然而由于产品管道和下游设备中的材料限制，可需要气体进一步的冷却。热产品气体通常包括N2、H2、CO、CO2、CH4、H2O、焦油和其他次要成分的混合物。
在正常操作期间，产品气体被引导至气体清理设备(19)和下游的使用者(20)。气化器操作压力和产品气体压力与大气相近，以避免气体从坑(110)泄露和进入坑(110)。一旦注入点周围的燃料被消耗尽，气化效率下降并且产品气体质量降低。为了保持气体的高质量，注入点可周期性地或持续性地伸缩以消耗新的生物质。产品气体流动速率和组分可通过不同的氧化剂注入速率、组分和注入位置控制。在气化器需要被关闭的情况下，氧化剂注入可停止并且超出的产品气体被点燃。本公开的方法可包括停止氧化剂注入以停止气化反应。如果需要的话，在停止氧化剂注入之后可注入水来冷浸和冷却气化器。一旦生物质被消耗，用空气或氮气清洗和冷却坑(110)，并且清洗的气体燃烧。用空气清洗可氧化任何有害的可燃烧气体和液体，然而必须注意确保不会形成爆炸性的混合物。一旦坑(110)的气体安全，坑(110)的顶部打开以允许设备的复原和重新填充为生物质材料的形式的可燃材料。该过程分批地进行并且需要至少两个坑来保持持续的气体生产，其中一个坑正在运行，同时另一个坑正在填充生物质和准备中。在气化之后任何保留在坑(110)中的剩余生物质可留在原地，以在下次燃烧中消耗。在生物质的消耗之后留下的灰将保留在坑(110)中并且将在每次需要周期性移除的燃烧之后增加。由生物质气化器通常的商业合成气生产速率的范围为大约300Nm3/h至大约5000Nm3/h，并且通常的生物质消耗速率的范围为大约2t/d至大约200t/d。
本公开包括一种用于气化器外壳结构的设计，，该设计包括与其相关联的设备。挖入地表的坑被提出作为用于生物质具有成本效率的热外壳结构，然而其他结构是可能的，诸如位于由普通工程材料(包括钢、混凝土和耐火材料)制造的表面上的结构。使用坑的益处包括用于创造大储存量的低成本装置、装入点分级以及周围地表的隔热属性。参考图1、图2和图3，坑(110)理想地通过挖掘具有多个倾斜边的长矩形通道建造，以提供稳定性并且避免成本高的固位方法的需要，这些固位方法可能不适于暴露至高温。多个倾斜边的使用还使得建造更容易并且在操作期间生物质在重力作用下将朝向注入点坠落。然而，对于确切的土壤类型来说，多个竖直的边可为优选的，以最小化多个盖板的跨度。可需要坑(110)的易于进入以在每次燃烧后执行维修并且可在注入边(4)上提供斜坡，该斜坡通向坑(110)的基底。坑(110)的尺寸将取决于土壤岩土性质和需要的燃料量。更大的坑将提供更长的燃烧时间，然而，资金成本高于更小的坑。增加的储存量可首先通过增加坑(110)的长度达成。坑(110)通常的储存量的范围为大约100m3至大约10000m3。通常的燃烧时间的范围为大约1周至大约10周，尽管对其不做限制。通常的商业尺寸的坑的大小的范围为大约2米宽至大约10米宽、大约2米深至大约10米深以及大约20米长至几百米长。
坑(110)的多个边(5)和基底(6)可简单地为裸露的地表或可内衬有诸如黏土、防渗膜、混凝土、耐火材料或钢的材料以防止液体或气体从坑(110)逸出以及防止坑(110)的多个边的腐蚀和坍塌。当应用裸露地表结构时，应当大体上避免具有渗透性土壤或高地下水水平的地点以防止水进入和气体或液体损失到土壤中。
副产品液体可从生物质气化产生，该副产品液体在毒性大体上小于从化石燃料气化产生的副产品液体的同时，对环境仍然有害。坑(110)可构造成防止副产品液体从坑(110)逃逸。坑(110)中产生的高温通常确保副产品液体处于气相并且与产品气体一起被移除。类似地，在坑(110)中还将存在未转化的生物炭，该生物炭能够吸收副产品液体。在适当的地点选择的情况下，副产品液体非显著量的设计和操作可期待为被吸收到土壤中并且并不期待为对环境有害或需要整治。如果需要的话，在坑(110)的基底下可安装塑料防渗膜以提供用于可能在重力作用下从坑(110)排出的液体的屏障，这与用于垃圾填埋应用的类似。还可使用诸如黏土的自然产物，然而，必须考虑由于高温的收缩和破裂。类似地，任何混凝土层和板必粗适用于高温暴露下。
坑(110)的顶部的至少一部分在填充阶段期间应当打开并且在气化阶段应当基本上密封与大气隔绝。顶盖可为铰链、滑动或宽松设计的多个活动盖板(7)的形式，并且由诸如钢、混凝土或耐火材料的不可燃材料制成，用来密封坑(110)的顶部。铰链盖板的益处在于最小化封装并且可使用绞盘(14)取代移动起重机被升起或降低。除了密封坑(110)与大气隔绝之外，多个盖还用来减少来自坑(110)的热量损失并且因此必须具有隔热属性。多个盖板通常暴露至高温合成气并且需要适当的材料，诸如耐高温水泥或耐火材料。为了在多个盖板之间创造密封，多个边缘可被压型(8)以并入多个密封表面，这些密封表面使用适合的填充材料被密封。
需要相对气密的密封来防止气化期间空气进入坑(110)或从坑(110)泄露。可使用坑(110)的周界周围的混凝土基础(9)来在多个盖板和地表之间创造有效的密封表面。适合材料的密封带可在多个盖板和混凝土周界基础之间应用。可替代地，直接密封至地表或通过使用填充有水的通道来创造液封是可能的。
优选地，沿坑(110)的基底的至少一部分安装注入管道(1)，并且注入管道(1)沿坑(110)的轴线对齐。注入管道用来投入或运输氧化剂，氧化剂可为空气、氧气或者两者的混合物。空气或氧气可通过任何适合的装置供应，诸如鼓风机或空气压缩机，并且氧气的生产或增加通过隔膜、真空/变压吸附或低温空气分离供应。可使用来自于未加工的合成器或下游源的废弃热量预热氧化剂以增加气化效率。水或水蒸气也可与氧化剂一起注入，作为气化反应物或用于冷却目的。注入管道优选地由碳或合金钢制成。用于注入管道适合的设计包括连续管(如在油料和气体应用中使用的)、弹性管或接合管(使用法兰、螺纹接头或夹具)，以提供装置来使注入管道收缩或变短并且因此在气化器内部重新定位注入点。用于使注入点收缩的方法可包括通过移除接合部分使注入管道变短、通过热量或机械装置刻意毁坏接头、使用插入注入管道中的燃烧器贯穿注入管道燃烧或通过在连续管或弹性管中卷起来使注入点收缩。由于低操作压力，注入管道的尺寸对于连续管来说过长，因此优选的设计使用结合管或弹性管。注入管的重新使用将降低操作成本，因此通过机械装置收缩管道和移除接合部分以使管道变短为优选的。管口可安装至注入管道的末端以增加氧化剂排出管道的速度或分散氧化剂并且促进更有效率的混合和气化。取决于坑(110)的宽度，可使用多个注入管道来改进氧化剂的分布。对于商业应用来说，通常的空气注入速率的范围为大约100至大约3000Nm3/hr，这取决于坑(110)的尺寸、生物质的反应性和需要的气体生产速率。
一种可替代的注入管道设计涉及一种固定的或可伸缩的管道，该管道包括沿其长度的一系列孔或管口，创造多个类似的注入点。如果多个管口沿注入管道的整个长度定位，随后气化过程可沿气化器的长度均匀处理并且不需注入点的伸缩。固定的注入管道不需接头并且可完全为焊接的。该设计还具有沿气化器的长度创造延伸的高温区的益处，这是由于焦油的更大损坏导致的。邻近气化器的入口在注入点处生产的合成气朝向产品管道流动并且随着该合成气流经位于下游的其他注入点，该合成气被重新加热。该设计还可用来在气化器的出口附近创造注入点，以增加合成气温度和促进焦油的热破坏。
在一个实施例中，注入管道位于穿孔的内衬管道(10)内部，以防止在收缩期间由于在管道上生物质的重量导致的摩擦并且保持到产品管道的流径。穿孔的内衬管道(10)可由碳或合金钢制成并且可具有不同样式和不同孔形状和尺寸的多个穿孔。通常，多个穿孔为交错的并且提供在30％到80％范围中等价的打开区域。穿孔的内衬管道(10)可向上延伸至注入管道的末端或可一直延伸到产品管道的基底并且可连接至产品管道的基底。穿孔的内衬管道(10)可包括固体部分以在需要的位置处密封上覆的生物质与注入管道隔绝并且在穿孔的内衬管(10)离开坑(110)的点处创造密封。在到坑(110)的入口附近还需要注入管道和内衬管道之间的动力学密封，以防止反应期间空气进入和合成气通过循环泄露。
至少一个产品管道(2)安装在气化器与注入端相对的一端处。产品管道可为竖直的或倾斜的，并且可设计为处理来自气化器的温度范围通常为大约200℃至大约700℃的高温产品气体。产品管道可由具有焊接的或螺纹的接头的碳或合金钢制成。产品管道的基底可为穿孔的以避免堵塞。如果需要的话，可通过将水直接注入气体或通过在双壁产品管道中循环冷却水来冷却产品气体。水的直接注入比较简单并且相比非直接冷却成本更低，然而，这增加了气体的水分含量，导致当冷却气体时额外的冷凝水产生。取决于废水的属性，由气体冷却和清洁产生的废水可代替新水。取决于坑(110)的尺寸，可需要多个生产管道。
直接将水注入气体中可通过冷却管道(13)完成，冷却管道(13)将水运输至生产井的基底并且通过喷嘴(16)将水注入生产管道的下游或将水注入生产管道的入口内部。喷嘴的尺寸设置为产生足够好的水流以导致在确切的距离的范围内的迅速蒸发和气体冷却至需要的温度。
生物质初始点燃可通过不同的方式达成，这些方式包括引入热煤、注入气态或液态燃料(诸如甲烷、LPG或燃油，然而对此不做限制)；使用自燃物质(注入硅烷或三乙烯硼烷气，然而对此不做限制)；或电阻加热。点火源可通过注入管道或产品管道或通过独立的点燃管道插入。生物质还可通过引入热煤或使用具有在关闭最终的盖板之前延伸的把手的燃烧器被点燃。一旦点燃，这一过程自我持续并且不需额外的点火能源。然而，如果燃烧区域熄灭，随后可需要使用类似于最初的点燃的方法重新点燃。
在另一个实施例中，热的产品空气可根据用于生物质源合成气的典型的工业实践被冷却和清洁。由于在气化器中的长停留时间和低速，重焦油和颗粒的产物可显著低于其他生物质气化器。这减少了气体清洁处理的成本和复杂性。
在某个优选实施例中，为了改进热效率，生物质可在气化之前使用来自产品空气或注入电力生产的下游处理的废弃热量预热并且干燥。这能够通过将生物质料与热的合成气、燃烧排出的气体或预热空气接触达成，以蒸发超出的水分。该加热/干燥媒介可通过氧化剂注入管道或其他为了该目的特别安装的分配管道被引入生物质中。
现参考图5和图6，描绘了本公开的另一个示范性实施例。具体地，图5和图6描绘了根据本公开的一种方法和系统(200)。该系统(200)包括容器结构。容器结构适合地构造成接收可燃材料。容器结构可为容器、室、单元、坑或器皿的形式。当俯视时，容器结构优选地为矩形，尽管也可预期用于容器结构的其他形状。系统(200)包括形式为单元(210)的容器结构和提供进入单元(210)的途径的斜坡(290)，该斜坡(290)对于维修是有用的。具体参考图6，单元(210)的边(211)和基底(212)可为裸露的地表，或可替代地可具有内衬(213)，内衬(213)由诸如黏土、防渗膜、混凝土、耐火材料或钢的材料形成，以防止液体或气体从单元(210)的逸出并且防止单元的多个边的腐蚀和坍塌。内衬(213)可由多个防渗膜形成。
根据该实施例，单元(210)通过挖入地表(280)形成。这种类型的形成为用于生物质的成本效率高的热容器结构，然而也可预期其他设计，诸如但不限制于，位于由包括钢、混凝土和耐火材料的普通工程材料制造的表面上的结构。使用由挖掘形成的容器结构的非限制性益处包括用于创造大储存量的低成本装置、分级定位的装载点以及周围地表的隔热属性。优选地，单元(210)为具有多个倾斜边的矩形通道。适合地，多个倾斜边提供稳固并且避免成本高的固位方法的需要，这些固位方法可能不适用于暴露在高温下。多个倾斜边的使用可促进建造，并且在操作期间生物质将在重力作用下朝向注入导管坠落。然而，对于确切的土壤类型来说，多个竖直的边可为优选的，以最小化多个盖板的跨度。容器结构的一个或多个尺寸可取决于需要的用于气化的宽度：长度比例、土壤岩土性质和需要的燃料量，尽管对此不做限制。仅通过示例的方式，更大的单元将提供更长的运行时间，然而资金成本将比更小的单元高。在确切的实施例中，容器结构的深度可大体上被挖掘成本、地下水位和单元的顶部处的跨度宽度限制。单元的宽度可大体上被需要用生物质材料基本上均匀填充容器结构的方法限制。例如，从一边直接倾入生物质材料可限制单元的宽度为大约3米至大约6米之间。因此，增加的储存量可通过增加容器结构的长度达成。用于容器结构的示范性储存量在大约100m3至大约10000m3之间的范围。通常的气化运行时间在几天至几周的范围，尽管对此不做限制。用于商业尺寸的容器结构的通常尺寸的范围为：宽度在大约2米至大约10米之间，深度在大约2米至大约10米之间并且长度在20米至几百米之间。
如在此之前描述的，可为包括生物质材料(220)的可燃材料的形式的可燃材料在收货状态下可装入单元(210)中，或可替代地，通过碎片化、研磨或压缩的处理以增加体密度和均匀性。生物质材料(220)可包括未处理的、不规则的和/或过大的材料。将要领会的是，生物质材料(220)可包括其他组分，诸如水或少量其他颗粒材料。在将生物质材料(220)装入或填充到单元(210)之前，可安装注入导管(230)和产品管道(240)以分别运输氧化剂和采集产品气体。一旦将生物质材料(220)装入单元(210)，单元(210)被基本上密封。具体地，顶盖(250)关闭并且所有的开口被密封或基本上密封与大气隔绝。在点燃点(260)处通过首先建立从注入导管(230)到产品管道(240)的气流执行点燃序列，并且随后使用任何在此描述的适合的机制点燃生物质材料(220)。优选地，生物质材料(220)在单元(210)附近或单元(210)的一端被点燃。本公开预期的是，系统(200)可包括其他组件，诸如点火装置、冷却/冷浸水管道(270)以及诸如热电偶的监控装置，尽管对此不做限制。
单元(210)的顶部在将生物质材料(220)装入到单元(210)期间至少部分地打开，并且单元(210)在气化阶段期间基本上密封、并且优选地完全密封与大气隔绝。顶盖(250)可覆盖单元(210)，并且可覆盖单元(210)的顶部。顶盖(250)优选地为活动的。顶盖(250)可为铰链的、滑动的或宽松设计的。顶盖(250)优选地由不可燃耐热材料形成，诸如钢、混凝土或耐火材料，尽管对此不做限制。顶盖(250)可使用打开机构(255)升起或降低，诸如驱动绞车或液压臂。除了将单元(210)与大气隔绝之外，顶盖(250)还可减少从单元(210)的热量损失，并且因此，顶盖(250)可具有隔热属性。顶盖(250)可由能够耐受暴露至保温合成气的材料形成，诸如耐高温钢或耐火材料，尽管对此不做限制。
气密密封防止或最小化气化期间本质上的空气进入单元(210)或气体从单元(210)泄露。如在图6中具体示出的，单元(210)的周界周围的混凝土基础(214)支撑顶盖(250)并且包括通道(215)。通道(215)可填充有水，其中安装在顶盖(250)上的下降密封板(216)插入通道(215)以创造水密封。水密封是用于低压应用的可靠的密封方法，并且避免在重复使用的情况下随时间降解的密封材料。可替代地，适合材料的密封带可应用在顶盖(250)和混凝土基础(214)之间。
具体参考图5，本公开的方法和系统(200)包括送料机构，并且具体地，包括氧化剂送料机构，该机构为注入构件的形式，注入构件构造成将氧化剂投入或注入单元(210)中。适合地，氧化剂被投入密封的容器结构中(并且优选地，单元(210)中)以在按序列的多个点处接触生物质材料(220)。注入构件可为导管、槽、管道、管、通道或类似的结构。注入构件可为注入导管(230)的形式。在示出的实施例中，注入导管(230)沿单元(210)的基底的一部分定位，并且可沿单元(210)的轴线对齐。注入导管(230)将氧化剂投入密封的单元(210)中。氧化剂可为空气、氧气或两者的混合物。空气或氧气可通过任何适合的方式供应，诸如鼓风机或空气压缩机、氧气产品、通过铝膜浓缩、真空/压力变压吸收、或低温空气分离。氧化剂可使用来自于未加工的合成器或来自下游源的废弃热量预热以改进气化效率。水、水蒸气或焦油-水混合物可与氧化剂一起注入，作为气化反应物或用于冷却目的。注入导管(230)优选地由碳或合金钢制成。注入导管(230)可为活动的或可置换的，或可与管口固定，管口能够打开和关闭以确保在操作期间氧化剂注入点的位置移动，这将在此描述。用于活动的注入导管的适合的设计包括连续管(如在油料和气体应用中使用的)、弹性管或结合管(使用法兰、螺纹接头或夹具)以提供使注入导管(230)收缩或变短的机构，并且因此在气化器内部复位氧化剂注入点。
一般而言，作为原料使用的生物质材料可具有高水分含量，该水分的重量范围可为大约10％至超过大约50％。因此，在生物质材料(220)已经装入到单元(210)中之后，可需要对齐干燥以将水分含量减少到需要的水平(大体上，尽管并不唯一，重量低于20％)，以避免在产品气体中超出水分和冷凝水的生成。通过注入导管(230)或通过专用的干燥导管(未示出)加热/干燥介质可引入到生物质材料(220)中以制造干燥。
生物质材料(220)最初的点燃可通过多种机制达成，包括引入热煤、气态或液态燃料(诸如甲烷、液化石油气(LPG)或燃油，然而对此不做限制)的注入和燃烧、自然介质的使用(诸如硅烷或三乙烯硼烷气，尽管对此不做限制)、或电阻加热，尽管对此不做限制。点火源可通过注入导管(230)、产品管道(240)、或通过独立的点燃管道(未示出)引入。一旦点燃，处理可基本上自我维持并且大体上不需额外的点火能源。然而，如果燃烧区域熄灭，随后可需要使用与最初的点燃类似的方法重新点燃。
应当理解的是，最高温度可发生在注入点附近，这是由于在注入点周围生物质和合成气的燃烧。由放热反应生成的热量导致燃烧区域中和燃烧区域周围的生物质的干燥和热解，这导致该生物质转换至生物炭。通过包括与H2、CO2和H2O的反应的气固反应，该生物炭随后转换至合成气。还发生气相反应，包括水煤气变换和甲烷化反应。随着合成气朝向产品管道(240)流动，合成气自然冷却，然而由于产品管道和下游设备中的材料限制，可需要进一步的气体冷却。该热的产品气体通常包括N2、H2、CO、CO2、CH4、H2O、焦油、和其他微量成分的混合物。
如本文所提到的，本公开预期的系统和方法包括可移动的注入构件。具体地，氧化剂注入点可通过可移动的注入构件移动。可移动的注入构件可为活动导管、用于移动活动导管的氧化剂注入点的方法可包括：通过移除接头部分使注入导管(230)变短、通过热量或机械机制、通过注入导管(230)使用插入注入导管(230)中的燃烧器燃烧或通过在连续管或弹性管中卷起刻意毁坏接头。由于操作的低压，注入导管(230)的尺寸对于连续管可能过大，因此可以预期的是，可应用结合管或弹性管。注入导管(230)的重复使用将典型地降低操作成本，因此通过机械装置和移除接头部分以使管道变短来收缩管道是优选的。可在注入导管(230)上钻有或安装孔和管口，以将氧化剂引导为不同的方向、增加氧化剂排出管道的速度或分散排出管道的氧化剂、以及促进更优效率的混合和气化。取决于单元(210)的宽度，可使用多个注入导管(230)来改进氧化剂的分布。取决于单元的尺寸、生物质反应性和需要的气体生产速率，用于商业应用的典型空气注入速率的范围为大约100Nm3/hr至大约3000Nm3/hr。
在一个示范性的实施例中，可移动的注入导管可定位在穿孔的内衬管内部，以防止收缩期间由于生物质材料(220)在管道上的重量在可移动的注入导管上的摩擦，并且保持到产品管道(240)的流径。在图1中示出，一个示范性的穿孔内衬管用附图标记(10)指代。穿孔的内衬管可由碳或合金钢制成，并且可具有以不同样式和不同孔形状和尺寸的穿孔。通常地，穿孔为交错的并且提供在大约30％至大约80％等价的设备打开区域。穿孔的内衬管可向上延伸至可移动的注入导管的一端或可一直延伸至产品管道(240)的基底，并且可连接至产品管道(240)的基底。穿孔的内衬管可包括固体部分以在需要的位置密封上覆的生物质与注入导管隔绝，并且在内衬管离开单元的点处创造密封。在入口附近还可需要在可移动的注入导管和内衬管之间对单元的动力学密封，以防止在反应期间空气进入和合成气通过循环泄露。
可替代地，注入导管(230)的形式可为固定管道或导管，包括一系列氧化剂出口，这些出口的形式可为沿管道或导管的长度的孔或管口，这些出口可通过阀机制独立地打开和关闭。阀可邻近管口在注入导管(230)内部或在单元(210)之外在通向每个管口的各自的氧化剂供应管道上安装。在单元(210)之外安装阀的益处在于更低的设计操作温度和用于维修和置换的更容易的进入。通过在序列中打开一些阀和关闭其他阀，氧化剂注入点可通过单元(210)以类似于通过可移动的注入导管达成的方式移动。
在进一步的可替代实施例中，注入导管(230)可为固定的或可伸缩管道，包括一系列沿其长度创造多个同时注入点的孔或管口。如果管口沿注入导管的整体长度定位，随后气化过程可沿气化器和长度均匀开始，并且通常不需注入点的伸缩。固定的注入导管可不需要接头并且可为完全焊接的。该设计的益处还在于由于更多焦油的损坏创造沿气化器长度的延伸高温区域。在注入点处邻近气化器的入口生产的合成气朝向产品管道(240)流动并且随着流经其他位于下游的注入点被重新加热。该设计还可被用于创造在气化器的出口附近的注入点，以增加合成气温度和促进焦油的热破坏。
单元(210)包括至少一个产品管道(240)，用于将气体从单元(210)传输。本公开预期的实施例中，单元(210)包括多个产品管道(240)。多个产品管道(240)的需要可取决于单元(210)的尺寸，尽管对此不做限制。产品管道(240)可为竖直的或倾斜的并且将设计为在范围通常为大约200℃至大约700℃的温度下运输来自气化器的高温产品气体。产品管道(240)可由碳或合金钢制成，具有焊接的或螺纹连接的接头。产品管道(240)的基底可具有穿孔部分(217)以避免堵塞。如果需要的话，产品空气可通过直接将水注入气体中、或可替代地通过在双壁产品管道中循环冷却水被冷却。取决于废水的属性，由气体冷却和清洁产生的废水可代替新水。参考图5，将水的注入引导至气体中可通过冷却管道(270)完成，冷却管道(270)将水运输至生产井的基底并且通过产品管道(240)下游或产品管道(240)的入口内部的喷嘴(271)注入水。喷嘴(271)的尺寸被构造成生产足够好的水流以在确切的距离范围内导致气体迅速的蒸发和气体迅速冷却至需要的温度。
参考图7，示出一种系统(300)，用于执行根据一个示范性实施例的本公开的方法。该系统包括容器结构。容器结构适合地构造成接收可燃材料。根据本公开的任一方法或系统的容器结构的形式可为容器、室、单元、坑、或器皿。系统(300)包括形式为单元(310)的容器结构、基本上密封单元(310)的顶盖(350)、以及形式为包括如在此描述的生物质材料(320)的可燃材料的可燃材料。当俯视时，单元(310)形状为矩形，尽管本公开还可预期其他形状。生物质材料(320)可包括未处理的、不规则的和/或过大的材料。将要领会的是，生物质材料(320)可包括其他组分，诸如水或少量其他颗粒材料。系统(300)包括干燥导管(301)，干燥导管(301)优选地沿单元(310)的基底的至少一部分定位。干燥导管(301)包括沿其整个长度间隔开的多个孔和管口(302)。应当与其的是，干燥导管(301)的至少一部分可包括多个孔和管口(302)。优选为热空气或水蒸气的热介质可通过干燥导管(301)均匀地引入覆盖生物质材料(320)。优选地，干燥介质引入覆盖生物质材料(320)。干燥介质可用来蒸发生物质材料(320)中的水分并且将水分以水蒸气的方式从单元(310)移除，水分可安全地释放到大气中。系统(300)包括投料机制，并且具体地，包括氧化剂投料机制，该机制的形式为注入构件，注入构件构造成将氧化剂投入或注入单元(310)中。适合地，氧化剂被投入密封的容器结构(并且优选地，单元(310))中以在按序列的多个点处接触生物质材料(320)。注入构件可为导管、槽、管道、管、通道或类似的结构。注入构件的形式可为注入导管并且优选地为可移动的注入导管(330)。
多个氧化剂出口可设置在可移动的注入导管(330)上的固定位置处。(每个)氧化剂出口设置为携带氧化剂流。(每个)氧化剂出口可为氧化剂注入管口(331、332)，氧化剂注入管口(331、332)可设置在可移动的注入导管(330)上的固定位置处以将氧化剂投入或注入生物质材料(320)的基床(bed)。注入导管(330)可沿单元(310)的基底的一部分定位，并且可沿单元(310)的轴线对齐。适合地，氧化剂被投入密封的单元(310)中以在按序列的多个点处接触生物质材料(320)。
如图7所示，在操作中，当位于第一燃烧区域(323)的区域、区间、附近的生物质材料(320)接近耗尽时，合成气质量显示恶化的早期信号，并且/或在特定的时间段之后，可移动的注入导管(330)收缩基本上等于两个邻近的氧化剂注入管口(331、332)之间的间隔的距离。在反应之后，第一管口(331)移动至现存的注入/燃烧区域(324)并且第二管口(332)移动至具有未转换的生物质且不存在燃烧区域的位置。根据氧化剂管口(331、332)之间的间隔的选择，从第二管口(332)与已建立的燃烧区域(324)相互作用的氧化剂建立新的燃烧区域(325)。
在可替代的实施例中，使用特定尺寸和在可移动的注入导管(330)上以特定距离间隔开的多个氧化剂注入管口(331、332)建立一个或多个燃烧区域(323、324、325)是有益的。优选地，由相邻的注入管口(331、332)形成的(每个)燃烧区域(323、324、325)可相互作用，并且甚至可重叠。适合地，如果相邻的氧化剂注入管口(331、332)之间的距离过大，随后从第二管口(332)的氧化剂不能建立新的燃烧区(325)并且氧化剂可能绕开反应区域导致气化效率低和在产品气体中的氧气水平高。通过示例的方式，在大气压下使用25mm空气注入导管和每分钟大约100公升至400公升的总气流，氧化剂注入管口(331、332)之间优选的间隔为大约25mm至大约100mm之间，并且更具体地，为大约50mm。在可替代的实施例中，氧化剂注入管口(331、332)定位在可移动的注入导管(330)上，从而氧化剂水平地、垂直于注入导管(330)的轴线被引导至基床内。本公开预期的是，为了保持高的或增进的气化下落，优选地，在氧化剂注入管口(331、332)附近的生物质材料(320)部分地或未完全地消耗，因此建立一个型面(profile)(302)，该型面(302)通过基床在每次收缩(303)的情况下移动。因此，系统(300)及其方法包括点燃装入密封的容器结构(以密封的单元(310)的形式)中的生物质材料(320)的至少一部分，以形成热效应层，并且优选地形成热效应生物质层，其中实施将氧化剂投入密封的单元(310)中的步骤从而在按序列的一个点处生物质材料转换至气体在按序列的前一个点处生物质材料的完成转换之前发生。优选地，生物质材料(320)可在单元(310)的一端处或单元(310)的附近被点燃。
在一个可替代的实施例中，焦油、水和其他诸如水蒸气的材料可被注入到燃烧区域(323、324、325)中。以此种方式，液态焦油-水混合物注入活跃的气化区域中使得焦油气化并且将水供应至气化反应。参考图7，可移动的注入导管(330)包括焦油-水注入管线(326)。焦油-水注入管线(326)可包括当进入可移动的注入导管(330)中的氧化剂的蒸气中时有助于分裂焦油-水混合物的管尖。由于在相关联的燃烧区域中在氧化剂注入管口(331、332)附近潜在非常高的温度(>1100℃)，焦油将被消耗和/或破裂称为更小的气态分子并且水将转换为水蒸气，进入生物炭-蒸汽气化反应并且增加合成气的氢含量。
现参考图8，示出了一种系统(400)，用于执行根据一个示范性实施例的本公开的一种方法。系统(400)包括容器结构，该容器结构适合地构造成接收可燃材料。容器结构的形式可为容器、室、单元、坑、或器皿。系统(400)包括形式为单元(410)的容器结构，单元(410)具有顶盖(450)以基本上密封单元(410)。当俯视时单元(410)的形状为矩形，尽管本公开还可预期其他形状。系统(400)包括投料机制，并且具体地，包括氧化剂投料机制，该机制的形式为注入构件，该注入构件构造成将氧化剂投入或注入单元(410)。适合地，氧化剂被投入密封的容器结构(并且优选地，单元(410))中以在按序列的多个点处接触形式为包括生物质材料(420)的可燃材料的可燃材料。注入构件可为导管、槽、管道、管、通道或类似的结构。注入构件的形式可为注入导管并且优选地为固定的注入导管(430)。
设置为携带氧化剂流形式为氧化剂注入管口(427、428、429)的多个氧化剂出口定位在固定注入导管(430)上的固定位置并且独立地使用一个或多个阀(431)操作以将氧化剂引导至生物质材料(420)中。注入导管(430)可沿单元(410)的基底的一部分定位。注入导管(430)可沿单元(410)的轴线对齐。氧化剂被投入形式为密封的单元(410)的密封的容器结构中以在按序列的多个点处接触生物质材料(420)。注入导管(430)可构造成将氧化剂投入密封的单元(410)中以在按序列的多个点处接触生物质材料(420)。
生物质材料(420)可包括未处理的、不规则的和/或过大的材料。将要领会的是，生物质材料(420)可包括诸如水或少量其他颗粒材料的其他组分。通过打开一些管口的阀和关闭其他管口的阀，以类似于如上在此描述的可移动的注入导管的方式，燃烧区域(423、424、425)的位置可通过生物质材料(420)(并且具体地，生物质材料(420)的基床)被控制和清除。为了移动燃烧区域(423)的位置，新的注入管口(429)打开并且前一个注入管口(427)关闭。在该过程期间，现有的注入管口(428)包括打开，从而持续存在燃烧区域(424)。由于火焰从存在的燃烧区域(424)前部烧回以及气化更新地暴露生物质以产生合成气，在新的管口(429)的区域中形成新的燃烧区域(425)。本公开预期的是，为了保持高的或改进的气化效率，优选的是，氧化剂注入管口(427、428、429)附近的生物质材料(420)部分地或未完全地消耗，因此建立一个型面(402)，该型面(402)在每次反应的情况下通过基床移动。该方法包括点燃装入密封的单元(410)中的生物质材料(420)的至少一部分以形成热效应层(并且优选地，热效应生物质层)，其中实施将氧化剂投入密封的单元(410)的步骤从而在按序列的一个点处生物质材料(420)转换至气体先于按序列的前一个点处生物质材料的完全转换开始。优选地，生物质材料(420)在单元(410)附近或在单元(410)的一端处被点燃。
固定的注入导管(430)可包括焦油-水注入管线(426)，该管线可使用阀分别地连接至氧化剂注入管口(427、428、429)。焦油-水注入管线(426)可安装有管尖，当进入留在管口的氧化剂的蒸汽中时该管尖有助于分裂焦油-水混合物。由于在燃烧区域(423、424、425)、管口(427、428、429)的区域、区间或附近中非常高的温度(>1100℃)，焦油将被消耗和/或破裂成更小的气态分子并且水将转换为蒸汽，进入生物炭-蒸汽气化反应并且增加合成气中的氢含量。因此，液态焦油-水混合物注入活跃的气化区域中使焦油气化并且将水供应至气化反应。
根据优选的实施例，为了制造生物质材料(320、420)的气化，并且具体地为了消耗更大部分的生物质材料，通过可移动的注入导管(330)的连续收缩、或可替代地，氧化剂注入管口(427、428、429)在固定的注入导管(430)上连续的打开和关闭，燃烧区域(323、324、325或423、424、425)可通过基床移动、转移、移位、或稳定。
为了在燃烧区域(323、324、325或423、424、425)的区域、区间或附近保持超出的生物质材料(碳基材料)从而从氧化剂注入管口(331、332或427、428、429)注入生物质材料中基本上全部的氧化剂被用来消耗注入导管(330、430)附近的生物质。这建立了非常高温的区域(高于1100℃)，该区域缺乏氧气并且具有碳基材料的高高比表面。被发明人已经示出的是，如果生物质材料(320、420)在氧化剂注入管口(331、332或427、428、429)附近耗尽、如果氧化剂注入管口(331、332或427、428、429)的收缩或打开/关闭速率分别过低，随后氧化剂可在基床中燃烧合成气和挥发物，这导致合成气质量的迅速恶化。可替代地，被发明人已经示出的是，如果氧化剂注入管口(331、332或427、428、429)的收缩或打开/关闭速率分别过高，随后将有足够的时间建立新的燃烧区域(325、425)并且因此燃烧区域将不会通过基床移动、转移、移位、稳定，因此潜在地导致低效或减少的性能和转换低速。因此，可存在氧化剂注入管口(331、332或427、428、429)优选的收缩或打开/关闭速率，该速率支持合成气的持续生产并且确保高的或改进的气化效率、需要的合成气组分和生物质材料(320、420)高的或改进的转换为合成气体。本公开预期的是，收缩或打开/关闭的平均速率可选择，从而每次运行生物质原料的转换在大约30％至大约90％之间，并且优选地在大约50％至大约80％之间。在可替代的预期实施例中，收缩或打开/关闭的平均速率可选择，从而每次反应步骤或打开/关闭之间的时间大于在新的氧化剂注入点的位置处建立新的燃烧区域所需的时间。可替代地，收缩或打开/关闭的平均速率可选择从而每个步骤之间的时间小于在燃烧区域上方生物质原料基本全部转换所需的时间。
根据本公开的方法，生物质材料(3、220、320、420)的一部分或小部分转换成合成气，并且一部分或小部分在没有完全转换的情况下被热效应。未转换的、热效应的材料在单元(110、210、310、410)的底部邻近注入导管(1、230、330、430)形成层。相比于未这样处理的可燃材料(其中优选地可燃材料为生物质材料)的新的或进一步的装入，该层具有不同的特征，包括降低的水分含量、增加的固定碳含量、增加的表面区域、增加的均匀性和降低的平均颗粒尺寸(尽管对此不做限制)。在连续操作期间，单元(110、210、310、410)重新填充有新的生物质，新的生物质在上次操作中形成的热效应层的顶部上形成层。适合地，容器结构打开并且装入进一步的生物质材料。进一步的生物质材料可压缩和致密热效应层，热效应层由于热暴露变得易碎。在气化过程期间，上次操作中形成的热效应层部分或完全气化，并且新的生物质被加热并且由于重力坠落以在单元(110、210、310、410)的底部或基底处邻近注入导管(1、230、330、430)形成新的热效应层。与新的生物质材料有关，热效应层优选地具有一个或多个改进的特征，包括但不限制于，降低的水分和挥发物含量、增加的表面区域、降低的平均颗粒尺寸、降低的压缩强度和/或增加的均匀性。根据本公开的确切实施例，燃烧区域和气化区域通过到生产管道(2、240)的可渗透路径连接，从而合成气可容易地从单元提取出。
在一个实施例中，可使用多组氧化剂注入管口来建立多个燃烧区域，这些燃烧区域分离开可通过生物质材料稳定的实质上的距离。这样的构造的益处在于，每个单元容纳的合成气产品可增加，结果是每次运行以转换生物质原料的时间减少。优选地，多组氧化剂注入管口之间的距离可选择为比邻近的氧化剂注入管口之间的距离大一到两个数量级。
根据确切的示范性实施例，多个系统可操作地构造成一起优选地制造持续和/或稳定地将合成气供应至下游使用者。参考图9，参考图9，示出了两个系统。形式为空气(32)的氧化剂和生物质材料(3)可被供应至形式为单元(33)的容器结构，其中单元可为反应单元，反应单元生产未加工的合成气(34)。未加工的合成气(34)可在气体清洁单元(35)中清洁以成为清洁合成气(36)，清洁合成气(36)转换为最终产品，注入下游合成气使用者(37)中的电力。产生的水和副产品的碳氢化合物(诸如焦油)可在清洁单元中从合成气中分离并且可重新循环到单元(33)中。来自气体清洁单元(35)和/或下游合成气使用者(37)的废弃热量用来加热形式为空气(40)的干燥介质。空气(40)可通过干燥导管或氧化剂注入导管注入单元(41)中并且由过程中蒸发(42)的水被释放到大气中。原料的干燥程度可选择，从而原料中保留的水分能够通过焦油-水管线重新循环到反应中，在焦油-水管线中水分转换为氢、甲烷和水蒸气。通过重新循环适合量的水，处理可高效操作并且处理废水。如在此描述的并且根据本公开的系统和方法，可燃材料可在装载之后并且气化之前就地干燥。干燥的程度可选择以移除足够的水分，从而在生产的合成气中超出的水分可重新循环到气化器，因此排出的废水最小化或不需排出废水。这消除了在装入气化装置之前预干燥生物质材料的需要。
在点燃期间由于在气体中潜在的氧气和可能的爆炸性气体成分，合成气最初被引导至出口(43)。一旦确认实际的点燃并且在产品气体中的氧气含量低于安全限制，气体可被送至火焰(44)并且氧化剂注入速率可增加可用于气化的正常设计速率。一旦合成气质量可接受，合成气可被送至气体清洁单元(35)和末端使用者(37)。
根据本公开的方法和系统，优选地操作压力和产品气体压力近似于大气压，以避免气体泄漏和空气进入单元(110、210、310、410)、产品气体流动速率和组分可通过使氧化剂注入速率、组分和注入位置的不同控制。由生物质气化器通常的商业合成气生产速率的范围为大约300Nm3/h至大约5000Nm3/h并且通常生物质消耗的速率的范围为大约2t/d至大约100t/d。
在其他实施例中，热的产品气体可根据用于生物质源合成气的典型工业实践被冷却和清洁。由于在单元(110、210、310、410)中的长停留时间和低速，重焦油和颗粒的生成可显著地低于其他生物质气化器。这可减少气体清洁处理的成本和复杂性。
在燃烧区域通过单元(110、210、310、410)的整体长度被稳定之后，可停止氧化剂的注入。单元(110、210、310、410)打开以确保材料被移除或添加至单元(110、210、310、410)，单元(110、210、310、410)中的挥发性和有害气体应被清除，并且冷却至低于热的生物炭/生物质和空气的自动点燃温度。在确切的实施例中，本公开的方法可包括冷却容器结构和容器结构内容物、并且将剩余气体从容器结构清除。在常温下，蒸汽或诸如氮气、氩气或氦气的惰性气体可用来清洗单元(110、210、310、410)。为了需用于清洗的限制蒸汽和惰性气体的量，在一个实施例中，优选地应用多步骤处理来清洗和冷却单元(110、210、310、410)。如在此描述的，本公开的方法和系统导致部分生物质材料转换为合成气并且部分在未完全转换的情况下热效应。未转换的、热效应的材料邻近注入导管在反应器的底部形成层。进一步地，如上描述的，优选地，氧化剂通过移动一个或多个氧化剂出口被投入、置换或移动，从而(每个)氧化剂(并且优选地为氧化剂出口)以离散间隔移动或置换，在建立新的燃烧区域的同时包括稳定的燃烧区域。适合地，通过在上覆的生物质完全消耗之前移动或置换(每个)氧化剂出口可避免热的气体和氧化剂突破/绕过容器结构的顶部。可为优选的是，沿结构的轴线从一端将(每个)氧化剂出口移动或置换至另一端以通过生物质材料的基床稳定气化区域。
水和/或蒸汽可最初被注入到未转换的生物质原料的保留基床中并且用来同时冷却和清洗反应器。由于该过程的本质，仅在燃烧区域附近的基床材料在每次运行的末尾处于非常高的温度。在基床中的温度曲线朝向产品管道降低，产品管道的温度在大部分运行期间低于100℃。
为了冷却燃烧区域，水可通过焦油-水管线(326、426)注入并且通过通过注入导管(330、430)注入的少量氮气或其他惰性气体雾化。由于水滴与燃烧区域接触，水滴转换为水蒸气、冷却生物质原料并且清洗挥发性气体的反应器。水和惰性气体的注入可持续到在基床中的温度过低，以确保蒸汽的有效生成。在大气压下，使用水和惰性气体的注入，基床可被冷却至大约150℃至175℃的温度。一旦停止水的注入，单元的清洗可使用诸如氮气的惰性气体继续。清洗持续到生物质材料的温度足够低，该温度的生物质材料与空气接触不会导致生物质的重新点燃。生物质材料的温度使用热电偶监控以确保达到足够低和均匀的温度。
为了完成单元的冷却和清洗，在最后的阶段可使用空气，空气通过氧化剂注入导管和/或干燥导管注入。使用空气清洗基床持续到废弃中诸如CO的挥发性物质的浓度低于安全水平。该安全水平将大体上被设置以当反应器单元打开并且重新填充新的生物质原料时，限制人员操作者暴露至合成气中的任何有害组分。在另一个实施例中，蒸汽可在外部生成并且通过注入导管和/或干燥导管注入以冷却和清洗单元。
在冷却和清洗阶段产生的挥发性气体可被送出在下游处理中使用，或如果挥发性气体有足够的质量被移除，或由火焰或热氧化剂处理。在应用两个或更多单元的构造中，在现有的操作单元停止并且开始冷却和清洗阶段之前，新填充和干燥的反应器单元将通常被点燃和开始产生合成气。因此，在冷却和清洗期间产生的合成气和挥发性气体可与新开始的反应器的合成气混合并且由下游使用者转换至产品。
一旦注入点通过基床完全稳定，停止或中断氧化剂的注入，并且容器结构被冷却、清除其中的剩余气体。顶盖随后打开以允许重新填充生物质。未转换的生物质和生物炭可简单地留在容器结构中以在下次运行中消耗、或被移除。灰落到单元的底部，需要周期性地人工移除和处理。具有高水分含量的生物质材料可在气化之前通过在基床的基底处注入热的空气(<100℃)被干燥，基床使用来自未加工的合成气冷却或来自内燃机的废弃热量被加热。该过程适合地被批次管理并且可包括一种系统，在该系统中应用至少两个容器结构以保持持续的气体生产，其中一个容器结构在运行中同时另一个容器结构正在装载或填充。容器结构的宽度和高度、以及氧化剂注入和反应的速率的组合可选择以避免在容器结构壁处生物质的完全消耗，留下生物质/生物炭的层，该层提供用于处理的热隔热并且防止容器结构壁的过热。适合地，本公开的方法可包括控制氧化剂的流动和/或控制注入点的移动速率以达到高热值的合成气的一致性生产，适合用于下游应用，诸如使用内燃机的电力生产。对于这样的应用，通常合成气的热值可保持在高于大约4.5至5.5MJ/Nm3之间的限制值并且总体气体能量生产速率(MWt)可保持在目标值的大约+/-10％范围内。优选地，本公开的方法通过优选地选择容器结构的长度以达到需要的运行时间、同时保持容器结构的恒定宽度，能够达到在长批次运行次数中持续稳定的气体生产。
现参考图10至图12，说明了根据一个示范性实施例的如图10所示的系统(500)的中试装置的非限制性示例。系统(500)包括形式为打开顶部的碳钢矩形反应器单元(545)的容器结构，反应器单元(545)具有优选的尺寸：大约900mm宽、大约900mm高以及大约4800mm长。反应器单元(545)的内壁内衬有高温隔热纤维板，并且顶盖为铰链钢盖(546)的形式，确保反应器打开以装载生物质材料(520)和关闭以用于操作，生物质材料(520)可为原料的形式。反应器单元(545)使用螺纹紧固件和高温、聚四氟乙烯垫片胶带密封。大约1英尺尺寸的注入导管(547)定位在反应器单元(545)的底部附近，并且空气通过电动鼓风机(548)供应，并且使用流量计测量气流。
还包括产品管道(550)，产品管道(550)具有适合地位于矩形反应器器皿(545)的相对末端处的穿孔的入口部分(551)。产品管道(550)从反应器单元(545)伸出并且使用热电偶(552)测量温度，并且使用文丘里流量计(553)测量合成气流。产品合成气进入器皿，该器皿可为分离鼓(554)的形式，在分离鼓(554)处浓缩液体。随后使用鼓风机(555)将合成气从分离鼓(554)提取出，并且向上流动到燃烧烟道，在出口(556)处燃烧。少量合成气在送至便携式分析器(557)之前经过喷口和碳基床，分析器(557)提供合成气中CO、CO2、H2、CH4和O2浓度的周期性在线测量。使用在线数据采集器记录并且用于分析储存温度、流动速率和合成气组分。注入导管(547)的位置由人工记录。通过安装在注入导管(547)中的管，泵(563)被用来从分离鼓(554)将浓缩的液体运输至注入点。
反应器单元(545)被装入生物质材料(520)并且反应器单元(545)的顶部通过关闭铰链钢盖(546)被密封。在此代表的示例中，生物质材料(520)主要包括平均尺寸为大约50mm的莎草属松木片。
注入导管(547)附近的生物质使用可伸缩点火工具(558)被点燃。点火工具包括尺寸为大约6mm的燃料运输管(559)、连接至电源(561)的电点火塞以及热电偶，其中燃料运输管(559)连接至丙烷罐(560)。点点火塞固定至点火工具(558)的一端，点火工具(558)在注入导管(547)内部在注入点(562)附近定位。通过经注入导管(547)注入最小值的气流(大约<50l/min)、打开点火塞并且随后投入非常少量的甲烷供应来达成点燃。一旦通过温度读取确认已经点燃，点火工具(558)可从注入导管(547)移除并且气流稳定地增加至需要的设计容量。
使用中试装置(500)来实施木片的气化。具有四个空气注入管口的活动氧化剂注入导管安装在反应器中。氧化剂注入管口放置在注入导管的末端处，注入导管的每个边上各两个并且水平地向外引导进入基床。氧化剂注入管口的尺寸为8mm并且相互间隔为50mm。图11示出了作为时间函数的、在四个小时的示例运行中的合成气的更低热值(MJ/Nm3)和氧化剂注入导管(547)的管尖位置(mm)。图12示出了对于同一运行的合成气的更低热值和合成气的主要燃烧组分的组成(mol％)(也就是CO、H2和CH4)。
参考图11和图12，一旦点燃在大约10分钟的时间处发生，气流在随后的10分钟时间段中向上到需要的流动速率(250公升/分钟)并且在剩下的运行时间中保持在该水平。在当空气注入向上时的期间，由于热解和气化反应合成气中的燃烧组分开始增加并且记录热值的增加。在建立最初的燃烧区域位置之后，氧化剂注入导管的位置在大约0.5小时处第一次收缩50mm。氧化剂导管随后周期性地伸缩，没7分钟大约50mm或大致等同于持续的7mm/min的速率。如图11中观察到的，大体上，当氧化剂注入导管的位置伸缩时，合成气的LHV保持稳定或略微增加。然而，偶尔地，氧化剂注入导管的伸缩不会停止合成气的LHV中的小的恶化。在这种情况下，示出了注入导管额外的伸缩将导致合成气的LHV值的稳定并且注入导管将保持在新位置一些时间以达到需要的大约7mm/min的平均伸缩速率。
可从图11和图12看出的是，当氧化剂注入导管(547)的位置通过生物质原料的基床已经移动1410mm时，合成气的更低热值和合成气的组分成功保持在持续稳定的值。大体上，合成气的LHV保持在大约5.5MJ/Nm3至6.5MJ/Nm3之间，这在交互内燃机中足够使用。尽管未示出，生产的合成气流动速率在整个运行过程中大体上恒定。随着运行，允许反应器冷却并且随后在打开管尖之前清洗。生物炭的、热效应材料的层保留在反应器中，该层占初始生物质总量的大约50％。热效应材料的体密度被发现为显著低于新的木片，指示出其损失了水分和挥发性物质。反应器随后被填充新的木片，新的木片在生物炭材料的顶部形成层。
随后使用与前一次运行相同的步骤执行新的测试运行。示出的是，通过气化包括在底部上的热效应材料的区别层和顶部上的新材料的原料的基床，同样可保持一致的气体质量。此次运行的气体质量的趋势在图13和图14中示出。反应器的之后检查示出在反应器中保留有类似于前一次测试的热效应材料的层。
反应器被再一次填充新的木片并且使用相同的步骤操作。得出与前一次运行类似的结果，指示出该过程是可重复的。
在另一种情况下，使用碎木废料操作反应器并且使用不同类型的注入管尖，该管尖允许将更长间隔的注入点移动更大的距离。气体质量趋势和其他诸如空气和生产的气体流动速率以及生产的气体温度的数据在图15和图16中示出。
如在此示出的，该示例说明了以批次处理的气化形式为生物质材料的可燃材料的能力，该气化包括经生物质材料的固定基床通过稳定燃烧区域和气化区域部分地转换生物质材料并且留下剩余物作为热效应层、并且因此生成稳定质量和用于在下游处理中使用的稳定质量的合成气。因此，本公开预期的是方法和系统以按批次处理气化可燃材料，包括经可燃材料的基床(并且具体地，可燃材料的固定基床)稳定燃烧区域和气化区域，从而部分转换可燃材料并且留下剩余物作为热效应层，并且因此生成稳定质量和用于在下游处理中使用的稳定质量的合成气。
在此描述的本公开的一个或多个益处包括但不限制于：(i)在人造气密容器结构内部活动注入概念的应用，以通过批次方法气化可燃材料(诸如生物质材料)；(ii)将该方法应用至生物质材料确保未处理的、不规则和/或过大的生物质材料的使用，这些材料原本不利于在持续投料气化系统中使用；(iii)处理的方法和系统可容纳更大的批次尺寸，同时生产仍然稳定，并且在长时间段中合成气改进或合成气质量高(具体地，相对于其他分批式的气化器/焚烧炉)；(iv)在上覆的可燃材料(优选地，生物质材料)完全消耗之前移动注入点，避免热气体和氧化剂突破或绕过容器结构的顶部；(v)由于至少一定程度上地，简单构造的方法，减少资金成本，消除原料储存和处理，并且非常高的原料适应性；(vi)由于在气化器中增加的停留时间和低速，减少或降低合成气中的焦油和颗粒含量；(vii)在非持续的可燃材料的投料的情况下的批次处理；(viii)由于至少一定程度上地，燃烧(诸如生物质)材料的量和注入和生产点的更大间隔促进焦油的热分解；和/或(ix)重复本公开的方法循环可具有在每个随后的操作期间、氧化剂注入点经前一次操作的热效应层稳定的影响，获得的好处在于，新的生物质原料的预热处理和过程的一致性改进，尤其是如果新的原料包括更大、过大的材料。
在此引用的每项专利、专利申请和出版的公开通过参考全文在此并入。
贯穿说明书(包括上下文允许的权利要求)，术语“包括的”和诸如“包括”或“包括了”的其变形应当被理解为包括陈述的整数或多个整数，不必排除任何其他整数。
“大约”意味着质量、水平、值、数量、频率、百分比、大小、尺寸、量、重量或长度与参考的质量、水平、值、数量、频率、百分比、大小、尺寸、量、重量或长度的不同为诸如15、14、13、12、11、10、9、8、7、6、5、4、3、2、1％。
在此参考的引用不应被解释为这样的参考对于本申请来说是可获得的“现有技术”的承认。
在不背离本公开的范围的情况下，相关于一个实施例描述的特征可适当地应用至其他实施例，或适当地与其他实施例的特征组合或互换。
贯穿说明书，目的在于描述本公开的优选实施例，并不将本公开限制于任何一个实施例或特征的特定集合。本领域技术人员将因此领会到的是，根据本公开，在不背离本公开的范围的情况下，在例示的具体实施例中可作出不同的修改和变形。所有这样的修改和变形旨在包括在所附权利要求的范围之内。
在此提供的任何和全部的示例、或示范性语言(例如，诸如)仅旨在更佳说明一个或多个实施例，并且并不对任何声称的主旨的范围作出限制，除非另有陈述。说明书中的语音不应被解释为指示出任何非声称的主旨为声称的主旨的本质实践。
在描述不同实施例的上下文中(尤其是如下权利要求的上下文中)的术语“一个”、“一”、“所述”、“该”和/或类似的参照对象应当被解释为覆盖单数和复数，除非在此另有指示或由上下文清楚地反驳。术语：“包括的”、“具有的”、“包含的”、以及“含有的”应被解释为开端术语(也就是意味着“包括、但不限制于”)，除非另有说明。

Claims (19)

1.一种由可燃材料生产气体的方法，所述方法包括步骤：
(a)将可燃材料装入容器结构中；
(b)基本上密封所述容器结构；
(c)将氧化剂注入密封的所述容器结构中以在序列中的多个点处接触可燃材料；以及
(d)点燃装入密封的所述容器结构中的可燃材料的至少一部分以形成热效应层，其中实施将氧化剂注入密封的所述容器结构中的步骤使得在序列的一个点处的可燃材料的转换在序列中的前一个点处的可燃材料的转换完成之前开始。
2.根据权利要求1所述的方法，其中氧化剂通过注入构件被注入密封的所述容器结构中，所述注入构件构造成包括多个氧化剂出口，所述多个氧化剂出口设置为携带氧化剂流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述注入构件沿所述容器结构的基底的至少一部分定位。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述注入构件构造成在所述容器结构中可移动，使得将在序列的前一个点处的氧化剂出口移动至在序列中的下一个点处，以启动气体转换，并且在序列中的前一个点处的氧化剂出口在前一个点处被另一个氧化剂出口替换，所述另一个氧化剂出口在前一个点处至少部分地继续可燃材料的转换。
5.根据权利要求4所述的方法，其中移动的距离基本等于相邻的两个氧化剂出口之间的间隔。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述注入构件为导管，所述导管构造成沿所述容器结构的长度可伸缩。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多个氧化剂出口位于所述导管上的固定位置。
8.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述多个氧化剂出口设置在注入构件上，所述注入构件构造成固定在所述容器结构中，并且其中，每个氧化剂出口包括阀以可操作地调节氧化剂从每个氧化剂出口的流量，使得在操作期间，在序列中的前一个点处的氧化剂出口基本上为关闭的，在序列中的一个点处的用于启动气体转换的另一个氧化剂出口基本上为打开的。
9.根据权利要求9所述的方法，其中干预前一个点处和一个点处的氧化剂出口保持基本上打开由此保持所述一个点处的转换。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的方法，其中每个氧化剂出口的尺寸基本相同。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化剂沿所述容器结构的轴线被注入可燃材料中。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括重复步骤(a)至步骤(d)。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，还包括步骤e：将另外的可燃材料添加至所述热效应层。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括重复步骤(b)至步骤(e)。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括通过将干燥介质注入密封的所述容器结构中对装入密封的所述容器结构中的可燃材料进行干燥。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述步骤(c)之前执行所述可燃材料的干燥。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中通过将干燥介质注入所述容器结构中执行可燃材料的干燥。
18.根据任一前述权利要求所述的方法，还包括在气化期间将包含液态的焦油和水的溶液供应到所述容器结构中，由此气化所述焦油以及将所述水转换为水蒸气。
19.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述可燃材料包括生物质材料。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020061641A1 (en) * 2018-09-28 2020-04-02 Australian Rig Construction Holdings Pty Ltd Flare system
WO2023150830A1 (en) * 2022-02-09 2023-08-17 Wildfire Energy Pty Ltd Method and system for producing syngas from a combustible material

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1729572A (en) * 1928-04-13 1929-09-24 Evans Francis Charles Apparatus for treating refuse
DE2317441A1 (de) * 1973-04-06 1974-10-24 Alumko Ag Verfahren und vorrichtung zum verhindern der umweltverschmutzung
US3869994A (en) * 1973-12-10 1975-03-11 Berlichingen Max Von Air supply for pit type refuse incinerator
GB1420827A (en) * 1972-04-06 1976-01-14 Messerschmitt Boelkow Blohm Process and apparatus for the incineration of refuse
CN1183507A (zh) * 1995-03-14 1998-06-03 中国矿业大学 两阶段煤炭地下气化工艺
CN101250438A (zh) * 2008-04-17 2008-08-27 中国铝业股份有限公司 混合煤气发生炉富氧制气方法
CN101633854A (zh) * 2008-07-21 2010-01-27 梁兆志 蓄热移动床煤气化炉
US20100269411A1 (en) * 2009-04-24 2010-10-28 Goetsch Duane A Gasification of carbonaceous materials using pulsed oxygen
WO2013032352A1 (en) * 2011-09-02 2013-03-07 Iberfer, S.A. Conversion process of biomass thermal energy into electrical power and power plant production for the execution of such a process
US20130192139A1 (en) * 2012-01-27 2013-08-01 General Electric Company System and method for heating a gasifier
WO2014043747A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-27 Linc Energy Ltd Oxygen injection device and method
CN104711039A (zh) * 2015-02-13 2015-06-17 广东碳中和能源开发有限公司 一种带余热利用的生物质蒸汽空气联合气化装置及方法
CN104804768A (zh) * 2015-04-13 2015-07-29 宗国庆 生物质颗粒燃气发生器
CN104140851B (zh) * 2014-08-12 2017-10-31 余式正 一种无二噁英和无废气排放的立式负压垃圾干馏焚烧炉

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3561377A (en) * 1970-05-15 1971-02-09 Howard R Amundsen Open pit vortex incineration arrangement
US3870652A (en) * 1971-04-02 1975-03-11 Charles M Whitten Production of activated char using a moving grate stoker furnace
US4268274A (en) * 1979-07-09 1981-05-19 Forest Fuels, Inc. Gasification retort
US4308034A (en) * 1980-05-19 1981-12-29 Hoang Dinh C Apparatus for incinerating and gasifying biomass material
US6709636B1 (en) * 1996-06-21 2004-03-23 Ebara Corporation Method and apparatus for gasifying fluidized bed
US7285144B2 (en) * 1997-11-04 2007-10-23 Ebara Corporation Fluidized-bed gasification and combustion furnace
US6485296B1 (en) * 2001-10-03 2002-11-26 Robert J. Bender Variable moisture biomass gasification heating system and method
JP2007024492A (ja) * 2005-07-14 2007-02-01 Ebara Corp 流動床ガス化炉および熱分解ガス化方法
CN101139532B (zh) * 2006-09-08 2010-12-29 中国科学院过程工程研究所 固体燃料解耦流化床气化方法及气化装置
CA2678400A1 (en) 2007-02-16 2008-08-21 Corky's Carbon And Combustion Pty Ltd Drying and gasification process
FR2914314B1 (fr) * 2007-03-26 2011-04-08 Litelis Procede et installation pour la gazeification a puissance variable de matieres combustibles.
US8137655B2 (en) 2008-04-29 2012-03-20 Enerkem Inc. Production and conditioning of synthesis gas obtained from biomass
JP5282465B2 (ja) * 2008-07-11 2013-09-04 株式会社Ｉｈｉ ガス化設備における流動層ガス化炉の流動媒体滞留時間制御方法及び装置
US8668753B2 (en) 2009-04-24 2014-03-11 G.D.O. Inc Two stage process for converting biomass to syngas
US9028571B2 (en) * 2011-04-06 2015-05-12 Ineos Bio Sa Syngas cooler system and method of operation
JP2013189510A (ja) * 2012-03-13 2013-09-26 Ihi Corp 循環式ガス化炉
WO2013179313A1 (en) 2012-05-31 2013-12-05 Wte Waste To Energy Canada, Inc Advanced sequential batch gasification process
WO2014085855A1 (en) 2012-12-06 2014-06-12 Linc Energy Ltd Oxidant injection method for underground coal gasification
CN203173215U (zh) 2013-03-11 2013-09-04 上海宝钢化工有限公司 一种防废气外溢的地坑盖板
CA3022404C (en) 2015-04-28 2022-01-25 Martin Parry Technology Pty Ltd Moving injection gravity drainage for heavy oil recovery

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1729572A (en) * 1928-04-13 1929-09-24 Evans Francis Charles Apparatus for treating refuse
GB1420827A (en) * 1972-04-06 1976-01-14 Messerschmitt Boelkow Blohm Process and apparatus for the incineration of refuse
DE2317441A1 (de) * 1973-04-06 1974-10-24 Alumko Ag Verfahren und vorrichtung zum verhindern der umweltverschmutzung
US3869994A (en) * 1973-12-10 1975-03-11 Berlichingen Max Von Air supply for pit type refuse incinerator
CN1183507A (zh) * 1995-03-14 1998-06-03 中国矿业大学 两阶段煤炭地下气化工艺
CN101250438A (zh) * 2008-04-17 2008-08-27 中国铝业股份有限公司 混合煤气发生炉富氧制气方法
CN101633854A (zh) * 2008-07-21 2010-01-27 梁兆志 蓄热移动床煤气化炉
US20100269411A1 (en) * 2009-04-24 2010-10-28 Goetsch Duane A Gasification of carbonaceous materials using pulsed oxygen
WO2013032352A1 (en) * 2011-09-02 2013-03-07 Iberfer, S.A. Conversion process of biomass thermal energy into electrical power and power plant production for the execution of such a process
US20130192139A1 (en) * 2012-01-27 2013-08-01 General Electric Company System and method for heating a gasifier
WO2014043747A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-27 Linc Energy Ltd Oxygen injection device and method
CN104140851B (zh) * 2014-08-12 2017-10-31 余式正 一种无二噁英和无废气排放的立式负压垃圾干馏焚烧炉
CN104711039A (zh) * 2015-02-13 2015-06-17 广东碳中和能源开发有限公司 一种带余热利用的生物质蒸汽空气联合气化装置及方法
CN104804768A (zh) * 2015-04-13 2015-07-29 宗国庆 生物质颗粒燃气发生器

Also Published As

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