CN109906264A - 用于将含碳材料转化为低焦油合成气体的方法 - Google Patents

用于将含碳材料转化为低焦油合成气体的方法 Download PDF

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Abstract

一种连续多级垂直顺序的气化方法，其用于将固体含碳燃料材料转化为清洁(低焦油)合成气。所述方法包括形成具有均匀深度和宽度的热解残余物床以使粗合成气通过其中以进行吸热反应，同时在吸热反应期间控制还原区压降、停留时间和合成气流动空速以形成基本上无焦油的合成气，降低热解残余物中的碳含量，并与部分氧化区的温度相比，降低粗合成气的温度。

Description

用于将含碳材料转化为低焦油合成气体的方法
发明领域
本发明涉及含碳原料/燃料的气化领域，并且特别涉及用于将含碳燃料材料转化成基本上不含焦油的清洁高质量合成气和用于生产基本上不含碳的清洁灰分的方法和系统。
背景技术
气化可以将含碳材料转化为有用的化学产品。这些化学产品通常包括合成气体(合成气)，其可以进一步燃烧以发电，或者化学反应以在催化体系中产生含氧化合物或烃。
已经开发了几种类型的气化和热解方法和装置以实现生物质到清洁气态产物的有效转化。由于对低焦油生产、有效焦油破坏(destructions)以及炭和灰分完全脱碳的关注不足，本领域已知的许多气化方法都失败了。
现有的下吸式气化器需要非常高质量的木质燃料或生物质，例如无灰木块或高质量木屑，并且不能在不严重增加焦油产量的情况下按比例放大到经济上有吸引力的规模。还开发了多级下吸式气化器，其包括用于燃料热解、部分氧化和床气(bed gas)还原的单独区域，但是本领域已知的这种气化器也导致大量的焦油产生、合成气中保留的显著的焦油含量以及含有非常高水平的未转化碳含量的灰分。
CZ专利号295171公开了一种三区生物质气化器，其包括垂直取向的相互嵌套的圆柱形容器，所述容器分别限定干燥室、蒸馏室和组合的还原&燃烧室。所述气化器构造成使得在腔室干燥室和蒸馏室中产生的气体混合物可以被排出，并通过旁路引入组合的还原/燃烧室中以进行额外的燃烧，并且还原成所需的气体组分。所述气化器结构复杂，并且以其可控性和性能灵活性差而闻名。
PCT公开号WO 2015/090251公开了一种用于含碳燃料的多级气化的装置，其包括气密密封的竖直容器，该容器配备为绝缘。在立式容器内部是适于从容器的上方填充含碳燃料的热解室。在热解室下方设置有用于氧化热解产物的部分氧化室，所述部分氧化室由耐火外壳界定，并且所述部分氧化室之后是用于氧化的产物气体的化学还原的还原区。
CZ 295,171和WO 2015/090251中公开的装置/系统在产物气体中产生相当大量的焦油，这反过来堵塞了用于清洁产物气体的清洁装置。此外，这些系统没有有效地管理还原反应的手段并且不能产生一致的合成气流量和质量。
例如，在WO2015/090251中描述的系统中，在热解和/或氧化步骤之后获得的残余物向下流动，并在气化器的底部收集以形成还原床。如本领域所熟知的，由于下落材料的休止角，热解/氧化产生不均匀/非均一的床。这种床的中心部分和周边部分之间的高度差很大，使得通过床的气体的压力损失具有负面影响，并且不能实现有效的吸热反应以增加产生的气体的热值。
CZ 28354公开了一种下吸式气化器，包括垂直堆叠的热解室、氧化室和还原室，其中通过在还原室的底板上提供均化器来尝试改善所产生的合成气的质量。然而，这种布置也不能提供均匀深度的炭床并促进合成气窜流(channeling)，且导致不希望的结果。
WO2016/075362公开了一种用于气化原料以试图形成低焦油气态产物的方法和装置，其中原料在热解空气存在下热解以形成热解产物，然后将热解产物移至气化器的下部，其中初级空气逆流地引入所述下部，然后在气化器的下部进行最终气化以形成气化气体。然后将气化的气体引入催化氧化部分并通过所述催化氧化部分的催化剂层，并在所述催化氧化部分中在重整空气(reforming air)存在下借助于催化氧化重整气化气体，以形成气态产物。该参考文献没有提及任何有效管理还原反应的方法，并且不能产生一致的所产生气体的流动和质量。
因此，需要一种用于使含碳材料气化以形成一致的清洁产物气体(例如合成气)同时显著降低焦油含量的方法和系统。
提供该背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。不允许旨在或不应解释任何前述信息构成对本发明不利的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种将含碳燃料材料转化为低焦油合成气的方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于将固体含碳燃料材料在气化器中转化为清洁(低焦油)合成气的连续多级垂直顺序的气化方法，，所述气化器包括：
i)热解区，
ii)部分氧化区，其垂直位于热解区下游，并通过包括多个向上成角度的通气口的分离构件与热解区分开；
iii)还原区，其垂直位于部分氧化区下游并包括倾斜的穿孔底板、相对于穿孔底板居中定位的一个或多个开口以及居中定位的偏转器；所述底板朝向所述一个或多个开口向下和向内倾斜，其中所述穿孔底板通过其中的穿孔的尺寸构造成主要允许合成气通过其中，并且抑制在热解区中可获得的热解残余物的通过；
所述方法包括如下步骤：
a)通过热解区的上部垂直向下朝向热解区的下部供给含碳燃料材料，同时将所述燃料热解成包含烃材料的热解蒸气，以及包含炭和灰分的粗热解残余物；
b)任选地将第一氧化剂添加到热解区的下部以达到高于200℃的温度；
c)将所述热解蒸气引导至部分氧化(POX)区，并通过分离构件将所述热解残余物向下引导至还原区；
d)在部分氧化区中加入第二氧化剂，以达到足以将热解蒸气重整为含有显著降低的焦油含量的粗合成气的温度；
e)在还原区的底板上由步骤c)中形成的粗热解残余物形成具有均匀深度的热解残余物床；
f)使来自步骤d)的粗合成气向下通过步骤e)中形成的粗热解残余物床，并在粗合成气中的CO2和/或H2O与热解残余物床中的炭的碳之间进行吸热反应，同时在吸热反应过程中控制还原区压降、停留时间和粗合成气流动空速，以形成基本上不含焦油的增强合成气和脱碳的热解残余物；
g)使来自步骤f)的基本上不含焦油的增强合成气向上逆流流动，以加热热解区并随后冷却基本上不含焦油的增强合成气；
h)收集所述增强合成气；以及
i)从气化器底部收集脱碳的热解残余物。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于连续多级垂直顺序的气化方法的系统，用于将固体含碳燃料材料转化为清洁(低焦油)合成气，所述系统包括：
i)热解区，其用于将燃料转化为含有烃材料的热解蒸气和含有炭和灰分的富碳粗热解残余物；
ii)部分氧化区，其垂直位于热解区下游，用于将热解蒸汽中的烃材料转化为包含H2、CO和CO2的粗合成气；
iii)吸热还原区，其垂直位于部分氧化区下游，用于将粗合成气转化为增强合成气，并用于降低粗热解残余物的碳含量以获得脱碳的热解残余物；
iv)分离构件，其位于热解区和部分氧化区之间，
所述分离构件包括多个向上成角度的通气口，以允许热解蒸气进入所述部分氧化区并抑制粗热解残余物通过其中，并且所述分离构件构造成将热解残余物引导到还原区中；
v)用于脱碳的热解残余物的出口端口，其位于还原区的下游；
vi)用于增强合成气的出口，其位于还原区的下游；
vii)所述还原区包括倾斜的穿孔底板、相对于穿孔底板居中定位的一个或多个开口以及居中定位的偏转器，
所述底板朝向所述一个或多个开口向下和向内倾斜，并且通过在其中穿孔的尺寸来构造，以主要允许粗合成气通过其中通向用于增强合成气的出口并且抑制粗热解残余物通过，并且所述一个或多个开口与所述出口端口流体连通，并且构造成允许脱碳的热解残余物通过其中。
附图说明
图1是描绘根据本发明的一个实施方案的系统的示意图。
图2是描绘根据本发明的一个实施方案的系统的氧化和还原区的示意图。
图3是描绘根据本发明的一个实施方案的系统的氧化和还原区的示意图。
图4是描述现有技术气化器以及该方法的氧化和还原区的示意图；
图5是描述另一现有技术气化器以及该方法的氧化和还原区的示意图。
具体实施方式
定义
如本文所用，术语“约”是指相对于标称值的+/-10％变化。应当理解，这种变化总是包括在本文提供的给定值中，无论是否具体引用。
本文使用的术语“烃材料”包括烃类例如甲烷和通过燃料热解获得的其他含烃材料(其通常被称为焦油，或有机焦油，或生物焦油)。
本文使用的术语“炭”包括在轻质气体和焦油被驱除之后保留的固体材料，或在生物质分解的初始阶段(其被称为碳化、炭化、脱挥发分或热解)从含碳材料释放的固体材料。
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。
在本发明的一个方面，提供了一种连续多级垂直顺序的气化方法，用于将固体含碳燃料材料在气化器中转化为清洁(低焦油)合成气，所述气化器包括热解区、垂直位于热解区下游的部分氧化区和垂直位于部分氧化区下游的还原区，所述还原区包括一个倾斜的穿孔底板/基底、一个或多个位于穿孔底板径向内侧的开口以及一个居中定位的偏转器。所述底板朝向所述一个或多个开口向下和向内倾斜，其中所述穿孔底板通过其中的穿孔的尺寸被构造，以主要允许合成气通过其中，并且抑制在热解区中可获得的热解残余物通过。
通过如下方法实施本发明的方法：通过热解区的上部垂直向下朝向热解区的下部供给含碳燃料材料，同时将燃料热解成包含烃(例如甲烷和焦油)的热解蒸气和包含炭、灰分和碳的粗热解残余物。向热解区的下部任选地添加第一氧化剂以达到高于200℃的温度。
所述热解蒸气被引导至部分氧化(POX)区，并且在热解区中形成的热解粗残余物经由位于热解区和部分氧化区之间的分离构件向下引导至还原区。所述分离构件包括多个向上成角度的通气口，以仅允许热解蒸气进入部分氧化区。然后在所述部分氧化区中加入第二氧化剂以达到大于900℃的温度，以将热解蒸气重整为含有显著降低的焦油水平的粗合成气。
在还原区的底板/基底上形成具有均匀深度的热解残余物床，并且主要在部分氧化区以及任选地在热解区中形成的粗合成气向下通过所述热解残余物床，以在所述合成气中的CO2和H2O与所述热解残余物床中的炭的碳之间进行吸热反应，同时在吸热反应期间控制还原区压降、停留时间和合成气流动空速以形成基本上不含焦油的粗合成气，以减少热解残余物中的碳含量，从而形成脱碳的热解残余物。与部分氧化区的温度相比，该步骤还可以降低粗合成气的温度。然后，所述基本上不含焦油的增强合成气以与热解区间接热接触的向上的逆流流动进行移动，以加热热解区，并随后将所述基本上不含焦油的合成气冷却，然后将其收集。
在本发明的一些实施方案中，所述方法在压力下进行，优选地在直至完全真空、部分真空和小于600psig下，更优选地在部分真空和100psig之间。
在一些实施方案中，所述第一氧化剂和第二氧化剂独立地包括空气、富氧空气(enriched air)、纯度大于85重量％的氧气、纯度大于95重量％的氧气或其组合。在一些实施方案中，所述第一氧化剂和/或第二氧化剂还包括H2O(蒸汽)和/或CO2。
在一些实施方案中，所述第一氧化剂和所述第二氧化剂是相同的。在一些实施方案中，所述第一氧化剂和所述第二氧化剂具有不同的组成。
在一些实施方案中，所述第一氧化剂包括空气、富氧空气、纯度大于85重量％的氧气、纯度大于95重量％的氧气或其组合，并且所述第二氧化剂包括与H2O和/或CO2预混合的空气、富氧空气、纯度大于85重量％的氧气、纯度大于95重量％的氧气中的至少一种。
在本发明的方法的一些实施方案中，所形成的合成气组合物的H2:CO比为约0.5:1至约1.5:1，优选约0.8:1至约1:1。
在本发明的方法的一些实施方案中，所述含碳燃料材料包括选自木屑、铁路枕木(tie)屑、废木材、林业废料、污水污泥、石油焦、煤、城市固体废物(MSW)、垃圾衍生燃料(RDF)或任意组合。
在本发明的方法的一些实施方案中，所述生物质燃料通过切碎、撕碎、挤出、机械加工、压实、造粒、制粒或压碎方法形成。在一些实施方案中，使用以液体或固体含碳材料喷涂、涂覆或浸渍的生物燃料。
在本发明的方法的一些实施方案中，POX阶段温度高于1250℃，或高于灰分熔化温度以产生液态炉渣。
在本发明的一些实施方案中，所述方法还包括添加另外的炉渣分离室以除去和淬灭液态炉渣，以形成不可浸出的副产物以便安全处置。
在本发明的一些实施方案中，所述方法还包括加工和冷却无焦油合成气以用于发电和生产化学品，例如甲醇、DME汽油，和Fischer Tropsch液体，例如合成柴油(syndiesel)、合成喷气燃料和合成蜡。
本发明的方法可以完全在一个室中进行，或者在垂直配置的不同的室或室组合中进行。
在本发明的另一方面，提供了一种用于连续多级垂直顺序的气化方法的系统，用于将固体含碳燃料材料转化为清洁(低焦油)合成气。本发明的系统包括：热解区，其用于将燃料转化为含烃的热解蒸气和含炭和灰分的富碳粗热解残余物；垂直位于所述热解区下游的部分氧化区，其用于将所述热解蒸汽中的烃转化为包含H2、CO和CO2的粗合成气；以及垂直位于所述部分氧化区下游的吸热还原区，其用于将粗合成气转化为增强合成气并用于降低所述粗热解残余物的碳含量，以获得脱碳的热解残余物。
在本发明的系统的一些实施方案中，热解区、部分氧化区和还原区包含在一个容器/室内。在一些实施方案中，热解区、部分氧化区和还原区包含在以垂直配置排列的不同的室中。
在一些实施方案中，所述热解区的下部的周长大于上部的周长。在一些实施方案中，所述热解区具有朝向下部逐渐增加的周长。
在本发明的一些实施方案中，限定所述热解区的室的任意或所有部分的壁从生物质填充水平的顶部略微和/或逐渐向外倾斜至减少量的炭存在的最低点，其中室的底部的面积/周长大于室的顶部。这允许生物质材料在没有堵塞和桥接的情况下前进，这进一步提供了前进的生物燃料和产生的合成气的连续稳定流动。
在热解区和部分氧化区之间设置分离构件。所述分离构件包括多个向上成角度的通气口或开口，以允许热解蒸气进入部分氧化区并抑制粗热解残余物通过其中。所述分离构件还构造成将粗热解残余物引导到还原区中。所述系统还包括用于脱碳的热解残余物的出口端口，其位于所述还原区的下游，以及包括位于所述还原区之后用于增强合成气的出口。
在一些实施方案中，所述分离构件是倒置或倾斜的半球形或圆锥形陶瓷加热膜。
所述分离构件在热解期间物理地支撑向下推进的燃料，以引导包含炭和灰分的粗热解残余物向着还原区前进，并加热热解区的最后阶段。
所述还原区被配置以形成具有均匀高度/深度和径向宽度的热解残余物床。所述还原区设有倾斜的穿孔底板、相对于穿孔底板居中定位的一个或多个开口，以及居中定位的偏转器。所述偏转器可以是任意尺寸和形状，例如正方形、矩形、圆锥形或圆柱形。
所述还原区中的底板朝向所述一个或多个开口向下和向内倾斜，并且通过在其中穿孔的尺寸构造成主要允许粗合成气通过其中并朝向用于增强合成气的出口，并阻止粗热解残余物通过。所述一个或多个开口与出口端口流体连通，以允许脱碳的热解残余物通过其中。
所述底板的倾斜度为大于0°至大于粗热解残余物的材料休止角。在一些实施方案中，所述穿孔底板的倾斜度为比热解残余物的自然休止角小30％至大30％。在一些实施方案中，底板倾斜度近似于热解残余物的自然休止角。
在一些实施方案中，所述穿孔底板的倾斜度在0°至约60°之间。在一些实施方案中，所述穿孔底板的角度为约30°至约40°。
在一些实施方案中，所述还原区进一步设置有第一机构，所述第一机构构造成间歇地或连续地将热解残余物从穿孔底板朝向所述一个或多个开口移动。在一些实施方案中，所述机构包括一个或多个构造成沿着围绕偏转器的路径移动的推动主体，所述推动主体位于所述穿孔底板附近且所述一个或多个开口的外侧。在一些实施方案中，所述推动主体包括从所述一个或多个开口径向向外延伸的一个或多个臂。在一些实施方案中，所述径向臂具有倾斜面，所述倾斜面构造成在所述推动主体运动期间接触一部分热解残余物并将其推向所述一个或多个开口。在一些实施方案中，所述机构被配置为沿着路径移动给定距离。
在一些实施方案中，所述机构与控制器相关联，所述控制器被配置成根据在所述热解残余物床之前的位置处和在所述穿孔底板之后的位置处测量的压差来操作所述机构。
在一些实施方案中，所述还原区还包括第二机构，其可操作以将脱碳的热解残余物从其床的下部向出口端口推动。
在一些实施方案中，所述第一和第二机构可彼此独立地操作。在一些实施方案中，所述第一和第二机构是一体的。
在本发明的一些实施方案中，所述系统还包括外壳，其具有与合成气出口连通的壳入口，和壳出口，其中所述外壳围绕/包围热解区、部分氧化区和还原区，以形成合成气流向壳出口的通道。在一些实施方案中，所述壳出口设置在壳的上部，以允许合成气在通道中向上移动，以在合成气和热解区之间提供间接热接触。
在本发明的系统的一些实施方案中，热解区、部分氧化区和还原区包含在分开的容器/室内。
参考附图讨论了与本发明的系统和方法有关的进一步细节。
系统和设备
图1示出了简化示意图，该图示出了用于将固体含碳燃料材料转化为清洁(低焦油)合成气的连续多级垂直顺序的气化方法的系统的一般配置。图2和3示出了显示本发明系统的组件的简化图。
参照图1，系统(1)包括在细长的室(10)内的垂直排序的热解区(20)、部分氧化(POX)区(30)和还原区(40)。热解区(20)和POX区(30)被分离构件(32)例如倒置或倾斜的半球形或圆锥形陶瓷加热膜分开。分离构件还包括向上成角度的通气口(34)，以提供用于热解蒸气的分离装置，由此热解蒸气(26)被引导到POX区，同时在POX区中向上升起，并且抑制热解残余物(24)通过其中，同时将其引导至还原区。通气口的角度可以是基本水平到基本垂直之间的任意角度。
所述还原区(40)包括倾斜的穿孔底板/基底(42)、相对于穿孔底板居中定位的一个或多个开口(46)，以及居中定位的偏转器/扩散器(48)。所述底板朝向所述一个或多个开口向下和向内倾斜，并且通过在其中穿孔(44)的尺寸来配置，以主要允许粗合成气通过其中通向用于增强合成气(49)的出口(50)并且抑制粗热解残余物通过，且所述一个或多个开口(46)与出口端口(56)流体连通，并且构造成允许脱碳的热解残余物(52)通过其中朝向出口端口(56)。
如图2所示，所述穿孔底板/基底与所述分离构件隔开一定距离(D)，使得包含从所述热解区落下的粗灰分/炭(24)的粗热解残余物被重力引导以有效积聚在倾斜的穿孔底板上，以形成具有所需均匀深度(d)(其中“d”的值等于或小于“D”)和所需的均匀径向宽度“h”的炭床(28)。
底板的倾斜度(θ)为大于0°至大于粗热解残余物的材料休止角，或者为比热解残余物的自然休止角小30％至大30％。在一些实施方案中，底板角度近似于热解残余物的自然休止角。
在图1所示的实施方案中，限定热解区、POX区和还原区的室被壳(60)包围，所述壳(60)在下部具有壳入口(62)，与设置在热解床(28)的下游的增强合成气的出口(50)流体连通，所述壳(60)在其上部具有壳出口(64)，其中壳入口(62)接收来自合成气出口(50)的增强合成气(49)，并且所述壳形成用于使合成气向上流向壳出口(64)的通道。
图3示出了一个实施例，其中系统的还原区包括第一机构(70)，所述第一机构(70)包括推动主体(72)，所述推动主体(72)包括相对于开口(46)径向向外延伸的两个或更多个臂(74)，以间歇地或连续地将热解残余物从穿孔底板(28)朝向开口(46)移动。所述系统还包括第二机构(80)机构，其可操作以将脱碳的热解残余物(52)从较低的床(54)推向出口端口(56)。
气化过程
阶段1：区(10)中的热解反应
参考图1，含碳燃料材料/生物燃料(12/16)以约50℃至100℃进料至热解区的顶部(18)，并通过将热解区逐渐加热至高于100℃，优选高于200℃，更优选高于400℃来开始热解过程，其中形成热解蒸气(26)(主要是甲烷(CH4)、氢气和焦油)以及包含灰分和炭的粗热解残余物(24)，同时通过重力向下垂直前进。可任选地将第一氧化剂(22)(其可以是纯氧化剂或混合氧化剂)添加到热解区(20)的下部至中部以控制所述区域的温度并推进热解生物质还原过程。热解反应如下图所示。
生物燃料+热能+任选的氧化剂→H2+CH4+CO2+炭+焦油
所述热解蒸汽通常含有相对高比例的源自热解过程的挥发性焦油，如果在下游系统中冷凝和冷却，则它们通常会引起显著的堵塞和结垢(fowling)问题，导致非常低的气化器可靠性和运行性能。
随着含碳燃料材料/生物燃料向垂直热解区(20)的下部垂直前进，燃料将减少超过70％的重量成为炭或通常称为“木炭”，其密度显著低于进料生物燃料。在本申请中公开的具有增加的周长的垂直构造允许重力一致地并且均匀地推动生物燃料通过热解阶段垂直前进。这固有地提供稳定和一致的合成气生产。
所述热解残余物(24)通过重力向下推进并分布到加热膜的外部区域，并通过膜外周边的水平间隙垂直向下落，以在吸热还原区中形成热解残余物床(28)。陶瓷膜通常适用于大于2000℃(3600°F)的连续最高工作温度。
可以在热解区(20)的表面(18)处放置合适的旋转机械散布机(未示出)，以将生物质进料(16)均匀地分散到热解区的顶部。生物质的相等或均匀高度允许还原生物质一致且稳定地流动通过热解阶段并产生非常期望的稳定的合成气流。
阶段2：在区(30)中的部分氧化(POX)
在POX区(30)中的加热膜(32)下方添加纯的或混合的第二氧化剂(36)，以产生大于900℃，更优选大于1000℃，最高至1250℃的用于非结渣的部分氧化温度，以及大于1250℃或灰分熔化温度的部分氧化温度用于结渣。热解蒸汽(26)从热解区通过向上倾斜的通风口(34)，并用第二纯氧化剂部分氧化，以将热解蒸气重整成粗合成气(38)，所述粗合成气(38)主要由CO、CO2和H2组成，含有较低浓度的CH4和惰性物质如N2和Ar，以及显著降低浓度的焦油。所述粗合成气(38)中惰性物质的组成主要取决于氧化剂的组成和质量。
所述纯的或混合的氧化剂可以是空气(含氮)、富氧空气(含有较低部分的氮)、相对高纯度的O2(>85重量％O2，优选大于95重量％，更优选大于98重量％，以避免低效惰性吹扫)、混合有CO2和/或蒸汽(H2O)的空气或O2。如果使用O2或富氧空气，可以将CO2和H2O与第二氧化剂预混合并用于POX区以控制温度。如果需要，外部甲烷CH4也可以混合到氧化剂中以增加热能以控制POX区温度。
阶段3：区(40)中的吸热还原
通过具有均匀深度(d)和宽度(h)的均匀热解残余物床(28)，粗合成气流动空速是一致的并且压降较低且一致，以最大化在还原区中的吸热反应的益处和效果。富含CO2和/或蒸汽(H2O)并含有浓度降低的焦油的粗合成气蒸汽(38)与富碳灰分/炭的均匀热床(28)接触，由此发生以下反应以形成增强合成气(49)：
C+CO2→2CO(1)ΔH＝+13.369kJ/kg
C+H2O→CO+H2(2)ΔH＝+9.846kJ/kg
高温POX粗合成气带有足够的物理焓、CO2和/或H2O，以驱动吸热碳化反应。可以在阶段2中将更高的进料浓度和不同量的CO2和蒸汽(H2O)添加到第二氧化剂中以优化阶段3中的反应(1)和(2)并最大化来自炭的碳转化。如果使用的氧化剂是具有低水平的或不含N2的浓缩的O2，则还可以将CO2和H2O以大于化学计量水平的进料水平添加到氧化剂中，以将POX区的温度冷却至1250℃以下。
在高于900℃的温度下含有降低水平的焦油的粗合成气(38)被垂直向下引导通过还原区中均匀分布的炭床(28)。这导致以下非常期望的益处；
1.通过吸热反应(1)和(2)将粗合成气冷却至低于POX区温度的温度。
在一些实施方案中，离开还原区的增强合成气的温度为约600℃或更低。
2.粗合成气基本上清除所有剩余的焦油，以形成无焦油增强合成气，消除了下游设备堵塞或结垢的所有问题。
3.产生更高量的增强合成气，提高了所述方法的总碳转化效率和冷却气体效率，
4.形成具有更大热值的清洁增强合成气。
5.粗灰分或炭的碳含量显著降低，形成脱碳残余物，并允许其安全地用作肥料或安全处置。
6.通过减少阶段3中的停留时间可以进一步调节灰分的碳含量，以有意地产生具有碳的灰分，众所周知的是用于煤饼或生物炭肥料的商业生产的碳灰分。
如图1所示，约600℃并且基本上不含所有焦油和固体颗粒的清洁的增强合成气(49)从还原/吸热阶段同心地传送并垂直上升到由壳(60)形成的通道中，其中来自合成气的热量以反向垂直顺序间接逆流地转移至热解阶段，从而进一步冷却粗合成气并向热解阶段提供热能。增强合成气在600℃以下，更优选在500℃至600℃之间离开气化器。可以使用本领域技术人员已知的任意形式的增强传热构造或装置来实现最大传热过程。将冷却的增强合成气(66)在气化器的顶部收集并转移以进一步清洁和处理。基本上不含所有焦油的清洁合成气可用于发动机中以产生电力和/或用于生产化学品，例如DME、甲醇，或FischerTropsch产品例如合成柴油。
本发明的发明人惊奇地发现，如本申请中所述，分离构件的构造将粗热解残余物/炭引入还原区，同时存在倾斜的穿孔底板，具有相对于穿孔底板向内/居中定位的一个或多个开口，和在还原区中居中定位的偏转器，导致形成具有基本均匀的深度(d)和宽度(h)的热解残余物的还原床，如图2所示。
均匀的床提供了来自热解区的粗合成气在整个残余物或炭床上的临界均匀压降和流动分布，这有利于粗合成气和清洁灰分的一致流动和一致质量。
均匀的热解残余物床促进合成气中的CO2和H2O与热解残余物中的碳含量之间的有效吸热反应，并且通过在吸热反应期间控制还原区停留时间和合成气流动空速，降低窜流风险，导致形成基本上不含焦油的粗合成气、降低热解残余物中的碳含量，以及与部分氧化区的温度相比，降低粗合成气的温度。
在一些实施方案中，所述基本上不含焦油的合成气包含小于200ppm的焦油。在一些实施方案中，焦油小于100ppm，进一步在一些实施方案中，焦油小于50ppm。在一些实施方案中，基本上不含焦油的合成气包含小于10ppm的焦油。
在所述实施方案中，当阶段2温度在高于灰分熔化温度(通常高于1200℃)时，则形成液态炉渣，其可以被分离、淬火并转化成玻璃化固体，所述玻璃化固体是不可浸出的并且可安全地以正常手段处置。从气化器中除去任何形式的灰分并冷却以便储存和处置。
如图4所示，在早期现有技术中，在还原区底板(142)的中心没有偏转器的气化器导致形成不均匀的炭床(128)。由于下降的热解残余物/炭(124)非常高的休止角，还原床的中心部分与周边部分之间的高度差很大，使得粗合成气简单地通过最低压降的路径并且消除任何还原(reduction)效果。如图4所示，对于通过还原床中心区域的临界量的粗合成气(138)(表示大部分或全部气体)，气体的压力损失明显低于边缘区域，并且通过该区域的气体将不能进行吸热反应以达到形成增强合成气和脱碳的热解残余物的所需结果。
图5描绘了另一种现有技术的气化器，其在还原区底板的中心包括均化圆柱体(148)。然而，这种布置也不能提供均匀深度的炭床并以不希望的结果促进合成气窜流。如该图所示，粗热解残余物(124)以相当大的休止角落下，形成不均匀的床(128)，这也导致无效的还原反应，导致劣质合成气(149)和热解残余物(152)。
典型的进料流(12)可包括切碎的、粒状的、撕碎的或机械加工的木材、建筑木材废料、煤炭、石油焦、有或没有绿色和树皮材料的林业废木材、固体污水污泥、选定的城市固体废物(MSW)、含有塑料和生物质的特定组成的受控垃圾衍生燃料(RDF)、农业废弃物，或上述材料的任意混合物或组合。这些材料的热值对于MSW为3000至6000BTU/lb，对于RDF为3000至7000BTU/lb，对于木屑为3000至7000BTU/lb，对于煤为3000至10000BTU/lb，对于石油焦为3000至13000BTU/lb。在另一个实施方案中，生物质燃料可以用液体或固体含碳材料喷涂、涂覆或浸渍，以增强气化器过程。所有生物质进料材料(12)可含有0至50重量％的水分含量，由此来自气化器的废热用于在送入气化器之前将材料干燥至5至15重量％，优选10至12重量％。使用来自生物质气化器过程的过量低水平热能的集成干燥装置(14)提高了装置的整体热效率。生物质的水分含量可能在夏季到冬季之间有变化。本领域技术人员熟知，生物质材料的尺寸通常为+1mm至-100mm以促进有利的材料处理和流动性能。
每个气化器处理阶段和区域的物理尺寸或形状可以变化并且可以由本领域技术人员调整，并且对于每个阶段可以在物理上相同或不同。关键是阶段和区域以正确的顺序配置，或更优选地以正确的垂直序顺序配置，以实现所公开的所需结果。
生物质气化过程可以在单独的容器或容器组中进行，或者更优选地在单个容器中进行，只要过程顺序和垂直流动顺序如所公开的那样进行，以产生新颖的所需过程性能。
所述过程可以在任何压力下操作以适应与下游工艺的经济整合，或者生物质气化过程必须适当地配备有合成气压缩装置。举例来说，对于发电应用来说，所述过程可以在略微真空条件至接近大气压下操作，其中使用清洁的合成气增压鼓风机来产生1至10psig的压力以供给驱动发电机的合成气发动机。在另一个例子中，生物质气化器过程可以在10至100psig下操作，将合成气供给合适的气体压缩机，这是本领域技术人员公知的，以将压力增加到300至500psig，用于在Fischer-Tropsch单元中进行处理，以生产合成产品，如合成柴油。
添加其他特征，例如各种合成气净化单元操作，包括单元操作，例如高效、高温颗粒分离器或陶瓷过滤器，以从粗合成气中除去细颗粒。这些特征可以直接集成到气化器单元中或直接安装在气化器下游以实现所述过程。
显然，本发明的前述实施方案是示例并且可以以多种方式变化。这些现在或将来的变化不应被视为脱离本发明的精神和范围，并且如对于本领域技术人员来说显而易见的，所有这些改进旨在包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (30)

1.一种连续多级垂直顺序的气化方法，其用于将固体含碳燃料材料在气化器中转化为清洁(低焦油)合成气，所述气化器包括：
i)热解区，
ii)部分氧化区，其垂直位于所述热解区下游，并通过包括多个向上成角度的通气口的分离构件与所述热解区分开；
iii)还原区，其垂直位于所述部分氧化区下游并包括成角度的穿孔底板、相对于穿孔底板居中定位的一个或多个开口以及居中定位的偏转器；所述底板朝向所述一个或多个开口向下和向内倾斜，其中所述穿孔底板通过其中的穿孔的尺寸被构造成主要允许合成气通过其中，并且抑制在所述热解区中可获得的热解残余物的通过；
所述方法包括如下步骤：
a)通过所述热解区的上部垂直向下朝向热解区的下部供给含碳燃料材料，同时将所述燃料热解成包含烃材料的热解蒸气和包含炭和灰分的粗热解残余物；
b)任选地将第一氧化剂添加到所述热解区的下部以达到高于200℃的温度；
c)将所述热解蒸气引导至所述部分氧化(POX)区，并通过所述分离构件将所述热解残余物向下引导至所述还原区；
d)在所述部分氧化区中加入第二氧化剂，以达到足以将所述热解蒸气重整为含有显著降低水平的焦油的粗合成气的温度；
e)在所述还原区的底板上由步骤c)中形成的粗热解残余物形成具有均匀深度的热解残余物床；
f)使来自步骤d)的粗合成气向下通过步骤e)中形成的粗热解残余物床，并在所述粗合成气中的CO2和/或H2O与所述热解残余物床中的炭的碳之间进行吸热反应，同时在吸热反应过程中控制还原区压降、停留时间和粗合成气流动空速，以形成基本上不含焦油的增强合成气和脱碳的热解残余物；
g)使来自步骤f)的基本上不含焦油的增强合成气向上逆流流动，以加热所述热解区并随后冷却所述基本上不含焦油的增强合成气；
h)收集所述增强合成气；和
i)从所述气化器底部收集所述脱碳的热解残余物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法在压力下进行，所述压力优选大于完全真空且小于600psig，更优选在大气压和100psig之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述合成气组合物的H2:CO比为约0.5至约1.5，优选约0.8至约1.0。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述含碳燃料材料包括选自木屑、铁路枕木屑、废木材、林业废料、污水污泥、石油焦、煤、城市固体废物(MSW)、垃圾衍生燃料(RDF)或任意组合的生物质燃料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述生物质燃料通过切碎、撕碎、挤出、机械加工、压实、造粒、制粒或压碎方法形成。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述生物燃料已经用液体或固体含碳材料喷涂、涂覆或浸渍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中POX阶段温度高于1250℃，或高于灰分熔化温度以产生液态炉渣。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括加工和冷却无焦油合成气以用于发电和生产化学品，例如甲醇、DME汽油，和Fischer Tropsch液体，例如合成柴油、合成喷气燃料和合成蜡。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述第一氧化剂和第二氧化剂包括空气、富氧空气、纯度大于85重量％的氧气、纯度大于95重量％的氧气，或其组合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一氧化剂和所述第二氧化剂相同。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一氧化剂和所述第二氧化剂不同。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一氧化剂和/或所述第二氧化剂还包括H2O和/或CO2。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一氧化剂包括空气、富氧空气、纯度大于85重量％的氧气、纯度大于95重量％的氧气，或其组合，并且所述第二氧化剂包括与H2O和/或CO2预混合的空气、富氧空气、纯度大于85重量％的氧气、纯度大于95重量％的氧气中的至少一种。
14.根据权利要求1至13任一项所述的方法，还包括搅动和/或旋转所述热解残余物床。
15.一种用于连续多级垂直顺序的气化方法的装置，其用于将固体含碳燃料材料转化为清洁(低焦油)合成气，所述装置包括：
i)热解区，其用于将所述燃料转化为含有烃材料的热解蒸气和含有炭和灰分的富碳粗热解残余物；
ii)部分氧化区，其垂直位于所述热解区下游，用于将所述热解蒸汽中的烃材料转化为包含H2、CO和CO2的粗合成气；
iii)吸热还原区，其垂直位于所述部分氧化区下游，用于将所述粗合成气转化为增强合成气，并用于降低所述粗热解残余物的碳含量以获得脱碳的热解残余物；
iv)分离构件，其位于所述热解区和所述部分氧化区之间，
所述分离构件包括多个向上成角度的通气口，以允许所述热解蒸气进入所述部分氧化区并抑制所述粗热解残余物通过其中，并且所述分离构件被构造成将所述热解残余物引导至所述还原区中；
v)用于所述脱碳的热解残余物的出口端口，其位于所述还原区的下游；
vi)用于所述增强合成气的出口，其位于所述还原区的下游；
vii)所述还原区包括成角度的穿孔底板、相对于穿孔底板居中定位的一个或多个开口，以及居中定位的偏转器，
所述底板朝向所述一个或多个开口向下和向内倾斜，并且通过在其中穿孔的尺寸被构造成主要允许粗合成气通过其中通向用于所述增强合成气的出口并且抑制所述粗热解残余物通过，且所述一个或多个开口与所述出口端口流体连通，并且被构造成允许所述脱碳的热解残余物通过其中。
16.根据权利要求15所述的装置，还包括与所述还原区连通的第一机构，所述第一机构被构造成间歇地或连续地将热解残余物从所述穿孔底板朝向所述一个或多个开口移动。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述机构包括推动主体，所述推动主体被构造成沿着围绕所述偏转器的路径移动，所述推动主体位于所述穿孔底板附近且所述一个或多个开口的外侧。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述推动主体包括相对于所述一个或多个开口径向向外延伸的一个或多个臂。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述臂具有倾斜面，所述倾斜面被构造成在推动主体运动期间接触一部分热解残余物并将其推向所述一个或多个开口。
20.根据权利要求19所述的装置，其中操作所述机构包括使所述机构沿所述路径移动给定距离。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的装置，还包括控制器，所述控制器被构造成根据在热解残余物床之前的位置处和在穿孔底板之后的位置处测量的压差来操作所述机构。
22.根据权利要求15至21中任一项所述的装置，其中所述穿孔底板以约大于零度且小于60度的角度倾斜，优选地以接近所述热解残余物的自然休止角的角度倾斜。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的装置，还包括第二机构，所述第二机构可操作以将所述脱碳的热解残余物从较低的床推向所述出口端口。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述第一机构和所述第二机构可彼此独立地操作。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的装置，其中所述热解区、所述部分氧化区和所述还原区位于一个容器/室内。
26.根据权利要求15至25中任一项所述的装置，还包括外壳，所述外壳具有与合成气出口连通的壳入口，以及壳出口，其中所述外壳围绕/包围所述热解区、所述部分氧化区和所述还原区，以形成用于所述合成气流向壳出口的通道。
27.根据权利要求15至26中任一项所述的装置，其中所述壳出口设置在所述壳的上部，以允许所述合成气在通道中向上移动，以在所述合成气和所述热解区之间提供间接热接触。
28.根据权利要求15至27中任一项所述的装置，其中所述热解区、所述部分氧化区和所述还原区位于分开的容器/室内。
29.根据权利要求15至28中任一项所述的装置，其中所述热解区下部的周长大于上部的周长。
30.根据权利要求15至29中任一项所述的装置，其中所述还原区的底板构造为被搅动。
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