CN109963928B - 改进的气化系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于将颗粒状含碳燃料气化的气化系统和方法。气化系统具有气化室，所述气化室具有上部区段和下部区段，所述下部区段具有用于将颗粒状含碳燃料和氧化剂注入到上部区段中的燃料入口，由此在热‑化学反应中生成合成气和残余的炭。气化系统还包括分离器，所述分离器被配置成接收合成气并且从合成气中分离残余的焦油。另外，存在炭床和气体入口，所述炭床被布置在下部区段中，通过在热‑化学反应中生成的残余的炭形成，所述气体入口在下部区段的底部部分处，用于将气体注入到炭床中。残余的焦油被注入到炭床中，由此在热裂化工艺中，残余的焦油被转化成合成气。据此，可以利用被包含在残余的焦油中的其他损失的能量，并且由此以成本有效和简单的方式在气化系统中实现更好的效率。

Description

改进的气化系统和方法
发明技术领域
本发明总体上涉及将含碳材料转化成合意的气态产物，例如合成气。更具体地说，本发明涉及用于将含碳材料气化的气化系统及其方法。
背景
气化可以被描述为其中基于有机燃料或化石燃料的含碳材料被转化成具有变化的分子量的产物气体诸如例如一氧化碳、氢气和二氧化碳的过程。这通常通过热-化学反应来实现，其中含碳材料与充当氧化剂的受控的量的氧气、蒸气和/或二氧化碳反应，产生的产物气体混合物经常被称为合成气(synthesis gas)(还被称为合成气(synthetic gas)或合成气(syngas))。
合成气随后可以被用作燃料气体，其中合成气作为燃料直接燃烧以产生热和/或电力，或者作为用于其他多种用途的中间体。衍生自基于生物的原料的气化的功率(power)被认为是可再生能源的来源并且气化工业在过去几十年中已经吸引了许多兴趣。
另外，气化不同于其他更传统的能量生成过程，因为它不是燃烧过程，而是转化过程。不是含碳原料在空气中完全燃烧以产生热来升高用于驱动涡轮机的蒸气，而是待被气化的原料不完全燃烧以产生合成气，然后合成气在稍后阶段完全燃烧，以便释放剩余的能量。室内的气氛缺乏氧气，并且结果是“原料”产生合成气的复杂系列的反应。考虑到与在常规的燃烧后清洁工艺(post-combustion cleaning process)中需要处理的大体积的烟道气相比，待被处理的小得多体积的原合成气，合成气可以被相对容易地清洁。事实上，当今使用的气化工艺已经能够清洁超过许多环境要求的合成气。清洁合成气随后可以在涡轮机或发动机中使用比与燃烧含碳燃料相关的常规蒸气循环更高的温度(更有效)循环来燃烧，这允许可能的效率改进。合成气还可以在燃料电池和基于燃料电池的循环中使用，仍具有甚至较高的效率和异常低的污染物排放。气化系统的(能量)效率通常根据冷气效率(coldgas efficiency)(CGE)来测量，冷气效率是产物气体中的化学能相比于燃料中的化学能之间的比率。
然而，即使在积极的环境方面，对于增加的效率以及在操作和维护方面的便利仍然存在需求。
产生的合成气包含通常被分类为焦油的含碳物质，诸如例如萘、蒽、茚、芘等，还被称为多环芳香族烃(PAH)。这些焦油是非常有问题的，因为它们的高粘度，并且趋向于附着至其接触的任何表面，并且从而堵塞管道或造成对其他设备的损害。与焦油相关的问题已经在许多气化系统中引起许多关注并且它严重地影响系统的操作可靠性和总能量效率。
已经存在引导朝向解决与残余的焦油和气化工艺相关的问题的某些尝试，实例可以在JP 55048288中找到，JP 55048288公开了燃料气化系统。然而，如许多其他现有尝试一样，它包括使用用于处理残余的碳和残余的焦油两者的昂贵的且无效的辅助设备，并且此外，它依赖于燃烧用于处置残余的碳和残余的焦油。
因此，在工业上对于能量有效但同时可靠且成本有效的新的且改进的气化系统和方法存在需求。
发明概述
因此，本发明的目的是提供用于将含碳材料气化的气化系统和方法，这减轻上文讨论的目前已知的系统的所有或至少某些缺点。更详细地，本发明的目的是提供与现有技术相比更成本有效的且能量有效的气化系统和方法。
此目的通过如所附权利要求中界定的气化系统和方法来实现。
根据本发明的第一方面，提供了气化系统，所述气化系统包括：
气化室，所述气化室具有上部区段和下部区段；
至少一个燃料入口，所述至少一个燃料入口用于将含碳燃料和氧化剂注入到所述上部区段中，由此在热-化学反应中，生成合成气和残余的炭；
分离器，所述分离器经由出口与所述上部区段流体连接，所述分离器被配置成接收所述合成气并且从所述合成气中分离残余的焦油；
炭床(char bed)，所述炭床被布置在所述下部区段中，所述炭床通过残余的炭形成，残余的炭在所述热-化学反应中生成，并且允许在所述气化室中向下行进至炭床；
至少一个气体入口，所述至少一个气体入口在所述下部区段的底部部分处，用于将气体注入到所述炭床中；以及
至少一个焦油入口，所述至少一个焦油入口被布置成将所述残余的焦油从所述分离器注入到所述炭床中，由此在裂化工艺中，所述残余的焦油被转化成合成气。
因此，提出了气化系统，所述气化系统能够有效地处理与残余的焦油组分相关的问题以及利用所述气化系统来增加整个系统的能量效率。更详细地，与已知的现有技术解决方案相比，根据本发明的第一方面的气化系统不复杂且更加成本有效，并且有效地利用来自热-化学反应的残余的炭以形成炭床，炭床又被用于通过焦油裂化工艺进一步增加合成气(synthesis gas)(合成气(syngas))输出。气化系统在下部区段的底部部分处具有气体入口，用于将气体(氧化剂)注入到炭床中，以便形成至少部分地流化(fluidizing)/流化(fluidized)的炭床。氧化剂(oxidant)(氧化剂(oxidizing agent))可以例如是空气、氧气、二氧化碳或蒸气，而含碳颗粒状燃料可以例如是以下中的一种或更多种：生物质、生物燃料、煤、木材、农业残余物，诸如例如外壳(husk)、沼渣(digestate)、粪肥、脱水的废水、树皮(barch)、稻草(straw)、泥煤、纤维残余物。
分离器可以例如是洗涤器(基于水或有机液体)，由此焦油随后通过沉降、过滤、离心等被分离。
在本上下文中，术语流体连接应被理解为在第一点和第二点之间存在管线/管道，所述管线/管道被用于在两点之间传输液体或气体。
气化室优选地是圆柱形的，并且具有封闭内部空腔的圆柱形内壁/表面。此外，气化室的内壁可以是至少部分地弯曲的，例如通过是圆柱形，使得所述弯曲壁的一部分形成圆柱体的一部分。根据至少一个实施方案，所述气化室的横截面是圆形的，该横截面在垂直于气化室的纵向轴线/长形轴线(在圆柱形的情况下为z轴线)的平面内。下部区段可以具有内壁/表面，所述内壁/表面具有锥形圆柱形(即圆锥形)特征，其中底部部分具有最小直径，然而，其中气化室具有更均匀的特征的配置也是可行的，即上部区段和下部区段可以被布置成具有相同的直径。另外，气化室的上部区段和下部区段优选地是单个容器(vessel)或容器(container)的一部分，或至少彼此流体连接。
本发明基于以下认识：在热-化学气化反应之后，大量的燃料能量通常保持在残余的焦油和残余的炭中，并且因此被浪费。此外，并且如在本申请的背景部分中讨论的，已知提取的合成气中的残余的焦油组分趋向于粘至表面并从而造成不希望的问题。然而，通常焦油裂化工艺需要高的温度以及高的停留时间，这可能是有问题的并且难以在不牺牲系统效率或增加成本的情况下实现。
因此，本发明人认识到，通过在气化室的底部区段处布置由热-化学工艺中产生的残余的炭形成的热流化炭床(hot fluidizing char bed)，可以增加总能量效率。例如，许多上述的与残余的焦油相关的不希望的问题可以通过将残余的焦油(在其已经从产生的合成气中分离之后)注入到热流化床中，以便热地或催化地裂化焦油来克服。此外，本发明的系统提供了有效地裂化残余的焦油所需的长的停留时间和较高的温度而无需向气化系统添加任何复杂且昂贵的辅助工艺步骤。
残余的焦油被包含在通过气化(热解)工艺在上部区段处产生的合成气中。热解工艺可以被认为是其中含碳颗粒状材料中的挥发性物质被释放并被转化成永久性气体、热解油和焦油的工艺。因此，通过利用被包含在残余的焦油中的能量，可以增加整个气化系统的能量效率，并且还克服许多与残余的焦油相关的问题。更详细地，不仅在较高的燃料利用率是可能的，而且还在被布置在气化室的底部部分处(即，在同一反应器中)的热流化炭床有助于在气化室的上部区段中保持足够高的温度用于进行第一热解工艺(这减少对于外部热源或过量氧化剂的注入的需求)方面，效率被改进。另外，通过使两个气化工艺在同一室中发生，使得整个系统更紧凑，并且减少对多个反应器之间的冗长且昂贵的连接管道的需求。此外，残余的炭被有效地处理和利用(用于形成热流化床)，由此成本可以被降低，因为不需要例如经由与提取合成气相同的出口将极高温度的残余的炭颗粒引导出，如在更常规的系统中。
因此，气化系统还可以包括被布置在气化室的顶部部分处的合成气出口管道，其中合成气出口管道具有被布置在气化室中用于接收合成气的开口。换句话说，合成气出口管道界定出口。
此外，通过将流化炭床布置在气化室的下部区段处，在下部区段中残余的焦油被裂化，可以进一步增加系统的效率。更详细地，没有使用/浪费合成气(其在上部区段中产生)用于残余的焦油的裂化。如果残余的焦油在与热-化学热解工艺相同的区段(在这种情况下为上部区段)中裂化，这将是这种情况，与现有技术的解决方案相反，如例如在CN101225315中，其中一些生成的合成气被用于裂化焦油组分。生成的合成气在这样的系统中燃烧，以便产生用于焦油裂化工艺的必要的“热区(hot zone)”。如简单地提及的，焦油裂化工艺需要比合成气生产工艺高的停留时间和更高的温度。因此，如果残余的焦油在气化室的上部区段中被裂化，则它将因此消耗一些产生的合成气。
简言之，可以认为根据本发明的第一方面的气化室具有两个不同的区段，也就是上部区段和下部区段。在某种程度上，这两个区段可以分别被称为冷区段(cold section)和热区段(hot section)，其中含碳燃料中的挥发性物质在上部区段(冷)中被气化，并且焦油(和炭)在下部区段(热)中被气化。此外，通过使热区段被布置在冷区段下面，使得系统更能量有效，因为下部区段有助于在上部区段处保持期望的温度。更进一步地，气化系统被配置成在热-化学反应之后，将残余的炭保持在气化室中，以便在下部区段处用残余的炭形成炭床。因此，通过控制在底部气体入口处的注入燃料和/或气体的注入参数，防止残余的炭离开与生成的/产生的合成气相同的出口。这减少了对于在被连接至出口的任何管道中处理通常极其热的残余的炭的需求，这降低了气化系统的成本。因此，气化系统还可以包括支撑表面(supporting surface)(例如穿孔的炉排(perforated grate))，所述支撑表面被布置在气化室的底部部分处，所述支撑表面被布置成支撑气化室的下部区段中的炭床的形成(formation)。支撑表面可以是可移动的(例如，轴向地)，以便从炭床的底部移除残余的灰分。
更进一步地，本发明依赖于不燃烧含碳颗粒状燃料的气化，这与许多已知的现有解决方案相反，其中燃烧被包括在至少一个工艺步骤中。因此，即通过在气化工艺中具有低水平的含碳燃料的燃烧，可以增加冷气效率。根据实施方案，颗粒状燃料包括具有小于3nm的粒度和不大于30wt％的水分比率(moisture ratio)的颗粒。例如，80％或更多的颗粒状燃料包括具有小于3nm的粒度和不大于30wt％的水分比率的颗粒。根据另一个实施方案，除了氧化剂和颗粒状燃料之外的另外的物质，诸如例如催化剂或惰性物质或例如砂或二氧化碳，经由至少一个燃料入口或二级入口(secondary inlet)被注入到上部区段中。
另外，根据本发明的实施方案，通过所述至少一个气体入口的气体注入被布置为使得所述注入的气体的注入速度被控制(或限制)，使得所述炭床的流化不破坏来自所述上部区段的残余的炭的向下导向的(downwardly directed)行进和气化室中的气体的向上导向的(upwardly directed)流动之间的平衡。
应理解，术语“破坏向下导向的流动和向上导向的流动之间的平衡”应被解释为，通过在底部处的气体入口的气体(氧化剂)注入被用于控制流动平衡(在室中)，使得没有残余的炭(其通过在气化室中的重力朝向下部区段向下行进)通过注入气体的向上导向的流动被向上推动。
这还使得能够注入轻质含碳颗粒状燃料(light weight carbonaceousparticulate fuel)，同时仍然能够在底部处由在热-化学工艺中生成的残余的炭来形成(流化的(fluidizing)/流化的(fluidized))炭床。在本发明的实施方案中，通过至少一个气体入口的气体注入被布置为使得室中的气体的向上导向的气体速度在0.1m/s至2.0m/s的范围内，由此所述炭床的流化不破坏来自所述上部区段的残余的炭的向下导向的行进和所述注入的气体的向上导向的流动之间的平衡。入口可以被布置成通过例如控制至少一个气体入口处的注入速度、至少一个气体入口的注入端口(injection port)的大小、注入端口的数目等来将气化室中的气体的向上导向的气体速度保持在预先确定的区间内。
术语“气体速度”指的是在室中行进的气体，而不是气体的注入速度，因为这通常更高，并且取决于多种结构细节，诸如例如取决于期望的规格或应用可以变化的气体入口的大小和形状。
气体速度基于气化室的尺寸和一般结构被至少部分地设定或限制，并且可以通过进入到在底部区段处的气体入口中的注入速度来调节。换句话说，控制气体注入速度，以便保持向上导向的流动和向下导向的流动处于平衡，使得流化炭床的床材料(残余的炭)在室中不向上分散。据此，在气化室的上部区段中由热-化学气化/热解工艺生成的残余的炭被允许朝向下部区段向下行进并且形成(流化的)炭床。
另外，根据又一实施方案，含碳燃料是固体颗粒状含碳燃料，并且气化室的上部区段具有弯曲的内表面，并且其中固体颗粒状含碳燃料和氧化剂(同时)被切向地注入到上部区段中，使得形成合成气的夹带流(entrained flow)，并且由此残余的炭被分离并且被允许从上部区段向下朝向下部区段行进，以便形成炭床。
更详细地，在此实施方案中，气化反应在燃料颗粒的稠密的云(dense cloud)中发生，所述燃料颗粒被吹到气化室中，在所述气化室中，所述燃料颗粒形成漩涡流(swirlingstream)或漩涡流(swirling flow)，即涡旋或漩涡，使反应器向下旋转。这些类型的气化室通常被称为夹带流反应器(entrained flow reactor)或夹带流气化器(entrained flowgasifier)(诸如例如旋风反应器(cyclone reactor)/气化器)。术语“夹带流”指的是含碳燃料颗粒和氧化剂的同时注入(或进料)，其中氧化剂流可以例如充当燃料颗粒的载体(carry)。换句话说，在此实施方案中，含碳颗粒状燃料和氧化剂被切向地并同时注入到气化室中。漩涡流通过燃料注入参数、夹带流气化器设计和重力的组合效果来建立。例如，燃料被注入到气化器中的速率(即注入流的速度)、气化器的内部形状、入口的直径和气化室的内径是影响漩涡流的参数。此外，此实施方案提供有利的效果，因为它允许气化和分离的组合，即燃料的气化和灰分的分离。更详细地，它提供用于在气化室中将残余的炭与产生的合成气分离的简单且有效的手段，由此残余的炭可以随后在下部区段处被聚集/收集，以便形成(流化的)炭床。旋转的流中的残余的炭颗粒具有太大的惯性，以至于不能遵循气化室中的流的紧密曲线，因此，残余的炭颗粒撞击室的壁或内表面，并且随后落至气化室中的夹带流(例如旋风或漩涡)的下部区段。颗粒状燃料和氧化剂优选地以在20m/s至150m/s的范围内，更优选地在40m/s至130m/s的范围内并且最优选地在60m/s至100m/s的范围内的速度被注入到上部区段中。
此外，夹带流气化器，诸如例如旋风气化器，特别适合于与粉磨的燃料一起使用，由此高流量的氧化剂可以充当颗粒状原料进入到气化器中的“载体”。
根据本发明的又一实施方案，气化室还包括一组温度控制入口，所述一组温度控制入口沿着在气化室的下部区段和上部区段之间延伸的长度在空间上被分开并分布，其中该一组温度控制入口被配置成将气体注入到气化室中，由此控制气化室的不同区域中的工艺温度。
这提供了用于控制在气化室的各个区段或阶段处的工艺温度的有效且简单的手段，例如，以便保持从在下部区段处的炭床至上部区段的温度梯度(向上降低)。注入气体可以例如是空气或任何氧化剂。在本上下文中，沿着在气化室的下部区段和上部区段之间延伸的长度在空间上分开和分布被理解为从气化室的顶部至底部被连续地布置在气化室的侧壁中。例如，气化室可以包括被布置在上部区段处的温度控制入口、在下部区段处的温度控制入口和在中间区段(在上部区段和下部区段之间)处的温度控制入口。温度控制入口优选地在用于注入气体的注入速率方面是单独地可控制的。
温度控制入口可以被配置成将气化室的上部区段处的温度保持在800℃至1100℃的范围内，并且将下部区段处的(至少部分地流化的)炭床的温度保持在1200℃至1500℃的范围内。
更进一步地，根据本发明的又一实施方案，至少一个燃料入口包括用于将所述固体颗粒状含碳燃料注入到上部区段中的进料装置，并且其中气化系统还包括：
至少一个氧化剂入口，所述至少一个氧化剂入口与至少一个燃料入口分开，用于将氧化剂注入到气化室中。
进料装置可以例如是进料螺杆或进料泵，其可以被用作夹带流注入/气化的可选方案或者与夹带流注入/气化组合使用。此外，通过使用进料装置例如进料螺杆，液体含碳燃料(以及固体)可以被注入到气化室中。
因此，气化系统可以设置有至少两个氧化剂入口，所述至少两个氧化剂入口沿着在气化室的下部区段和上部区段之间延伸的长度在空间上分开并分布，用于将氧化剂注入到气化室中。此外，从至少两个氧化剂入口进入到所述气化室的注入氧化剂的速率是单独地可控的。
更进一步地，通过进一步具有至少两个单独的具有单独地可控的注入速率的氧化剂入口，气化室的温度概况(temperature profile)可以被控制。例如，与布置在上部区段处的氧化剂入口相比，较高量的氧化剂可以被注入在布置在气化室的下部区段处(靠近炭床)的氧化剂入口处，由此气化室的温度概况被有效地控制，即朝向气化室的底部较温/较热。换句话说，沿长度(或垂直轴线)在空间上分开应被解释为沿着气化室的(垂直)长度在空间上分开和分布，尽管不一定沿着直线。
氧化剂入口可以被配置成将气化室的上部区段处的温度保持在800℃至1100℃的范围内，并且将下部区段处的(至少部分地流化的)炭床的温度保持在1200℃至1500℃的范围内。
更详细地，通过控制在底部部分处的气体注入，使得气化室中的向上导向的气体速度被保持在例如上述的0.1m/s至2.0m/s的区间内，降低破坏/毁坏(流化的)炭床，并且因此被迫使处理残余的炭连同生成的和提取的合成气的风险。此外，在其中至少一个燃料入口包括进料螺杆的实施方案中，进料螺杆可以通过预加热装置(pre-heatingarrangement)来预加热，由此可以减小颗粒状含碳燃料在气化室中的所需的停留时间。
另外，预加热可以通过使用燃料入口来完成，以注入燃料连同氧化剂，以便提供在燃料和氧化剂之间的放热反应。此放热反应因此将预加热气化室。如上文提及的，用于预加热的任选的可选方案是预加热在进料装置诸如例如螺旋进料器中的颗粒状含碳燃料和氧化剂，即在颗粒状含碳燃料和氧化剂经由燃料入口被注入到上部区段中之前。向上导向的气体速度可以通过如本领域技术人员容易地理解的合适的手段来测量和/或计算(例如通过传感设备和/或软件模拟)。
更进一步地，在本发明的又一实施方案中，气化系统还包括位于所述底部部分处的穿孔的炉排，以便有助于残余的灰分的提取。
根据本发明的另一个方面，提供了用于将含碳材料气化的方法，其中该方法包括：
提供气化室，所述气化室具有上部区段和下部区段；
将含碳燃料和氧化剂注入到气化室的上部区段中，由此在热-化学反应中，生成合成气和残余的炭；
从气化室的上部区段提取合成气；
从合成气中分离残余的焦油；
在下部区段中形成残余的炭的炭床；以及
将残余的焦油注入到炭床中。
关于本发明的此方面，类似的优点和优选的特征如在先前讨论的本发明的第一方面中呈现，并且反之亦然。
此外，根据本发明的实施方案，该方法还包括：
将在气化室的上部区段处的温度保持在800℃至1100℃的范围内；以及
将在气化室的下部区段处的炭床的温度保持在1200℃至1500℃的范围内。
换句话说，气化室将具有两个具有不同温度的区域或区段，由此可以实现具有增加的能量输出的有效气化方法。上部区段中的温度可以例如超过900℃，并且下部区段中的温度，并且更具体地，炭床中的温度可以超过1300℃。
参考下文中描述的实施方案，本发明的这些和其他特征以及优点将在下文进一步澄清。
附图简述
为了例证目的，本发明将在下文中参考附图中图示的其实施方案进行更详细地描述，其中：
图1是根据本发明的实施方案的气化系统的示意图。
图2是根据本发明的实施方案的气化室的示意图。
图3是图示根据本发明的实施方案的用于将含碳材料气化的方法的示意性流程图。
详细描述
在下文的详细描述中，本发明的优选的实施方案将被描述。然而，应理解，不同的实施方案的特征在实施方案之间是可交换的，并且可以以不同的方式组合，除非特别指示任何其他内容。尽管在下文的描述中，阐述了许多具体的细节以提供对本发明的更深入的理解，但对于本领域的技术人员将明显的是，本发明可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在其他例子中，熟知的结构或功能未被详细地描述，以便不使本发明模糊。
在图1中，提供了气化系统1的示意图。气化系统1包括具有上部区段3和下部区段4的气化室2。气化室可以例如由陶瓷材料制成。气化室的高度优选地在2000mm至4000mm的范围内，并且外径在500mm至3000mm的范围内。气化室2以横截面示出，该横截面在包括长形轴线101(圆柱形坐标系中的z轴线，其中气化室近似为圆柱体)的平面中截取。另外，气化室2优选地是圆柱形形状，但可以是具有内部空腔7的任何形状，而不偏离本发明的范围。下部区段4具有被布置成锥形圆柱形形状的内壁6b，(圆柱形)气化室2的内径朝向气化室2的底部部分5减小。因此，换句话说，上部区段3可以被认为包括至少部分地弯曲的，例如圆柱形的内壁6a，并且下部区段4具有至少部分地圆锥形的内壁6b。
另外，气化系统具有至少一个燃料入口8，用于将固体颗粒状含碳燃料和氧化剂(由箭头20指示的)注入到气化室2的上部区段3中。颗粒状含碳燃料可以例如是具有小于3000μm，优选地小于2000μm并且最优选地小于1000μm的直径的纤维素颗粒，例如木材颗粒。颗粒状含碳燃料和氧化剂然后通过热-化学反应在气化室2中的上部区段3处被转化成合成气和残余的炭。
气化系统1还具有分离器10(示意性地图示的)，所述分离器10经由出口9与气化室2的上部区段3流体连接。分离器10被配置成从气化室2中产生的合成气中分离残余的炭。分离器10可以例如是油洗涤器，所述油洗涤器被布置成引导合成气通过油雾(oil mist)，以便从合成气中除去残余的焦油，使得可以提取可燃气体11。可燃气体随后可以在内燃机或燃气涡轮机中使用，例如用于产生电力。可选择地，分离器可以是具有骤冷塔和文丘里洗涤器(venture scrubber)的骤冷水回路，其中骤冷塔冷却合成气(合成气穿过骤冷塔中的水雾)，以便冷凝残余的焦油，并且文丘里洗涤器充当除尘器(de-duster)，除去小的颗粒状物质。
另外，气化系统1具有炭床12，所述炭床12被布置在下部区段4中。炭床由残余的炭形成，残余的炭在上部区段3处的热-化学反应中生成，然后残余的炭被允许在气化室2中向下行进，以便形成炭床12。残余的炭的流动或移动可以通过将颗粒状燃料和氧化剂注入到上部区段中来控制，使得形成合成气的螺旋流，并且残余的炭如在气化室2中的旋风分离器中那样被分离。可选择地或另外地，可以控制注入的气体(例如空气)通过或围绕被布置在底部区段处的炭床12下的炉排的注入速度，使得气化室中的总向上导向的气体速度受限，使得来自上部区段3的残余的炭的向下导向的行进和向上导向的气流之间的平衡不被破坏。在下部区段4的底部部分处的气体入口17被配置成将气体(诸如例如空气)注入到炭床中，以便将炭床12至少部分地流化。换句话说，通过炉排15或在炉排15周围的注入气体可以不具有如此高的注入速度或气体速度，使得气化室2中的残余的炭被朝向出口9向上吹动。穿孔的炉排15界定被布置在气化室2的底部处的支撑表面，以便支撑炭床12的形成。不同地陈述，支撑表面被布置成允许残余的炭在气化室2的底部部分处累积，以便形成炭床。因此，支撑表面可以被认为具有大体上平的延伸部，其中法向矢量通常沿着竖直轴线延伸(自然地，某些公差和形状优化是可行的)。然而，在底部处的燃料注入和气体注入将参考图2来进一步讨论。
更进一步地，气化系统1具有焦油入口18，所述焦油入口18被布置成将在分离器10中从合成气中分离的残余的炭注入到流化的炭床中，由此，在催化/热裂化工艺中，残余的焦油被转化成合成气。在某些实施方案中，炭床还可以是半流化的。在半流化炭床中，炭床被允许以(最大)预先确定的高度“流化”，由虚线23指示的。这将被理解为流化炭床的顶部表面被布置成在气化室的预先确定的“高度”处，或者炭床12具有预先确定的最大体积。预先确定的高度23优选地被设定在正好低于其中床材料(例如残余的炭颗粒)由于夹带被从炭床拉走的风险低或最小的水平。因此，如果炭床被允许高于此预先确定的高度流化(即具有高度或上表面)，则可能发生不期望的床材料的夹带。然而，流化炭床的流化水平或高度优选地被设定为尽可能接近，尽管低于此预先确定的高度，因为人们希望最大化炭床的尺寸/体积，而不通过预先确定的高度。通过控制在气体入口17处的注入速率/气体速度来控制高度或流化水平。
焦油入口18与分离器10流体连接。因此，在上部区段3处的热-化学工艺中生成的合成气中捕获的任何残余的焦油被用于生成更多的合成气，由此增加整个气化系统1的效率。此外，由于在气化系统的其他部分中造成管道堵塞或不希望的累积的残余的焦油的量被最小化，因此维护要求被降低。
因此，可以认为气化室的上部区段3形成第一反应区(在所述第一反应区中，颗粒状含碳燃料被气化并且产生合成气)，并且气化室的下部区段4形成第二反应区(在第二反应区中，残余的炭被裂化并且产生更多的合成气)。
图2示出了图1中的气化室的略微放大的示图。如先前讨论的，在上部区段3处的热-化学反应中生成的残余的炭被允许在气化室中向下行进，以便形成炭床12。因此，不需要在气化室之外的任何工艺步骤中处理高温残余的炭，并且可以使整个气化系统更成本有效。
残余的炭可以例如通过控制颗粒状(含碳)燃料和氧化剂注入到气化室2中来分离，使得实现涡流或旋风分离。这样的气化室可以被称为夹带流反应器。更详细地，颗粒状燃料和氧化剂(有时被称为混合物)可以以在20m/s至150m/s的范围内的速度被注入。如所提及的，注入的流优选地与上部区段的内表面6a大体上相切，并且具有一定间距(pitch)，使得合成气的向下地螺旋漩涡/螺旋流在气化室2中产生。因此，沿着气化室2的空腔7中的漩涡流，颗粒状含碳燃料和氧化剂的混合物经历热-化学反应，并且产生合成气和残余的炭。作为漩涡流的结果，离心力导致残余的炭颗粒朝向气化室2的内壁6a、6b，这允许残余的炭朝向下部区段4和气化室2的底部输送，在下部区段4和气化室2的底部中，它们形成炭床12。如所提及的，炭床12可以是半流化的，即具有最大预先确定的顶面高度，如由虚线23指示的。此外，气化室2可以布置有多于一个的燃料入口，使得可以产生若干个平行的漩涡流，从而进一步增加气化系统的效率，这样的系统在当前未公布的欧洲专利申请第15163203.1号中通过相同的申请被描述，该申请通过引用并入本文。
气化室2可以例如由圆柱形坐标来界定，即气化室2在径向方向ρ上具有延伸部，在方位角方向
Figure BDA0002016971500000141
上具有延伸部以及在垂直于由径向方向和方位角方向界定的
Figure BDA0002016971500000142
平面的z方向上具有延伸部。然后，燃料入口8被相应地布置成(大体上)沿着方位角方向注入颗粒状含碳燃料。任选地，燃料入口还可以被配置成也在负z方向上略微向下地注入含碳燃料，使得实现向下地螺旋流。螺旋流相对于出口管道同轴，形成出口9，其中出口管道具有平行于z方向的中心轴线。
可选择地或另外地，在热-化学工艺中形成的残余的炭的向下导向的流动可以通过控制通过在下部区段4的底部部分处的气体入口17的气体注入的注入速度来控制。通过将气化室中的向上导向的气体速度保持在0.1m/s和2.0m/s之间的范围内，炭床可以被流化，而不破坏残余的炭的向下导向的流动(残余的炭由相对于合成气的重质颗粒形成)，使得通过出口9离开气化室2的残余的炭的量被最小化/减小，并且提取的合成气被保持大体上无炭。在某种程度上，流化的炭床还可以被认为形成上吸式气化器(updraft gasifier)，例如空气通过炉排15提供。
另外，炭床中的底部灰分可以通过湿-灰分系统(wet-ash system)从气化室2中排出。湿灰分系统包括一组喷嘴(未示出)，所述一组喷嘴被布置在下部区段4的底部部分处，形成在底部部分处具有水位(water-level)的水-灰分混合物。然后，水-灰分混合物可以被允许从底部部分流动，例如通过沿着纵向轴线101周期性地移动炉排15，并且被收集在与底部部分流体连接的罐(未示出)中。可以使用此湿-灰分系统，以便控制炭床的大小或在下部部分处收集的残余的炭的量。底部炉排15可以是穿孔的，由此底部灰分可以经由通过炉排15设置的孔(hole)或穿孔被排出。
更进一步地，气化系统可以任选地包括进料装置21，诸如例如进料螺杆或进料泵，其被布置成将含碳燃料(固体或液体)注入到气化室2中。
位于底部部分处的穿孔的炉排15可以例如包括陶瓷材料或任何其他合适的材料。此外，气化室2可以被布置有一组温度控制入口22或氧化剂入口22。温度控制入口/氧化剂入口22优选地沿着气化室2的长度(长形轴线101)在空间上分开并分布。本上下文中的组(set)可以是一个或更多个。温度控制入口22被配置成将气体(诸如例如空气)注入到气化室中，以便控制气化室2中在各个区段处的温度。通过具有多个温度控制入口22，温度梯度可以在气化室2中形成，例如从下部区段4中的最高温度到上部区段3中的最低温度。根据本发明的实施方案，温度控制入口还可以作为氧化剂入口来操作，用于将氧化剂(在各个垂直水平)注入到气化室2中。因此，氧化剂入口还可以被用于温度/工艺控制。
图3图示出了描述根据本发明的实施方案的用于将含碳材料气化的方法的示意性流程图。该方法包括提供301具有上部区段和下部区段的气化室的步骤。例如，如参考图1和图2描述的气化室。接下来，将包含含碳材料和氧化剂的燃料注入302到气化室的上部区段中，由此，在热-化学反应中，生成或产生合成气和残余的炭。含碳燃料和氧化剂可以单独地通过至少两个单独的入口来注入，或同时通过至少一个共同入口来注入。合成气随后例如经由被设置在上部区段处的出口从气化室的上部区段来提取303。接下来，进行从合成气中分离304残余的焦油的步骤。残余的焦油可以例如通过冷凝合成气中的残余的焦油、沉降、过滤或使用离心机来分离。该方法还包括在气化室的下部区段处形成305炭床。炭床由在气化室中收集的残余的炭形成305。随后，分离的焦油被注入306到炭床中。
该方法还可以包括将气化室内在上部区段处的温度保持在800℃-1100℃的范围内，优选地在850℃-1000℃的范围内并且更优选地在900℃-950℃的范围内。此外，该方法还可以包括将气化室的下部区段处的炭床的温度保持在1200℃-1500℃的范围内，优选地在1250℃-1400℃的范围内并且更优选地在1300℃-1350℃的范围内的步骤。气化室的不同的区段或部分中的温度可以例如通过经由在底部部分处的一组温度控制入口和/或一个或更多个气体入口将氧化剂注入到气化室中来保持(或控制)。
现在已经通过参考具体实施方案描述了本发明。然而，气化系统的若干变型是可行的。例如，注入速度可以在给定的区间内变化，以便适合具体的应用和含碳燃料类型，如已经示例的。这样的修改和其他明显的修改必须被认为是在本发明的范围内，如它由所附的权利要求界定的。应当注意，上文中提及的实施方案说明本发明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可选择的实施方案，而不偏离所附权利要求的范围。在权利要求中，放置在括号之间的任何参考标号不应解释为限制权利要求。单词“包括”不排除在权利要求中列出的那些元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在。要素前面的单词“一(a)”或“一(an)”不排除多个这样的要素的存在。

Claims (8)

1.一种气化系统，包括：
气化室，所述气化室具有上部区段和下部区段，所述上部区段和所述下部区段形成具有不同温度的两个区段，其中所述气化室的所述下部区段处适合于比所述气化室的所述上部区段的温度高的温度；
至少一个燃料入口，所述至少一个燃料入口用于将含碳燃料和氧化剂注入到所述上部区段中，由此在热-化学反应中，生成合成气和残余的炭；
分离器，所述分离器经由出口与所述上部区段流体连接，所述分离器被配置成接收所述合成气并且从所述合成气中分离残余的焦油；
炭床，所述炭床被布置在所述下部区段中，所述炭床通过残余的炭形成，所述残余的炭在所述热-化学反应中生成，并且被允许在所述气化室中向下行进至所述炭床；
至少一个气体入口，所述至少一个气体入口在所述下部区段的底部部分处，用于将气体注入到所述炭床中；
至少一个焦油入口，所述至少一个焦油入口被布置成将来自所述分离器的所述残余的焦油注入到所述炭床中，由此在裂化工艺中，所述残余的焦油被转化成合成气；以及
位于所述底部部分处的穿孔的炉排，所述穿孔的炉排被布置成支撑所述炭床的形成且是可移动的，以便提取残余的灰分，
其中通过所述至少一个气体入口的注入气体被布置为使得注入速度被控制，使得所述炭床的流化不破坏来自所述上部区段的残余的炭的向下导向的行进和气体的向上导向的流动之间的平衡，并且
其中所述含碳燃料是固体颗粒状含碳燃料，并且其中所述气化室的所述上部区段具有弯曲的内表面，并且其中所述固体颗粒状含碳燃料和氧化剂被切向地注入到所述上部区段中，使得形成所述合成气的夹带流，由此残余的炭被分离并被允许从所述上部区段向下朝向所述下部区段行进，以便形成所述炭床。
2.根据权利要求1所述的气化系统，其中通过所述至少一个气体入口的气体注入被布置为使得所述气化室中的所述向上流动的气体的气体速度在从0.1m/s至2.0m/s的范围内，由此所述炭床的流化不破坏来自所述上部区段的残余的炭的向下导向的行进和气体的向上导向的流动之间的平衡。
3.根据权利要求1或2所述的气化系统，其中所述气化室还包括一组温度控制入口，所述一组温度控制入口沿着在所述气化室的所述下部区段和所述上部区段之间延伸的长度在空间上被分开并分布，其中所述一组温度控制入口被配置成将气体注入到所述气化室中，由此控制所述气化室中的工艺温度。
4.根据权利要求1或2所述的气化系统，其中所述至少一个燃料入口包括进料装置，用于将所述含碳燃料注入到所述上部区段中，并且其中所述气化系统还包括：
至少一个氧化剂入口，所述至少一个氧化剂入口与所述至少一个燃料入口分开，用于将氧化剂注入到所述气化室中。
5.根据权利要求4所述的气化系统，其中所述气化系统包括至少两个氧化剂入口，所述至少两个氧化剂入口沿着在所述气化室的所述下部区段和所述上部区段之间延伸的长度在空间上被分开，用于将氧化剂注入到所述气化室中。
6.根据权利要求5所述的气化系统，其中从所述至少两个氧化剂入口到所述气化室中的注入氧化剂的速率是单独地可控制的。
7.一种用于将含碳材料气化的方法，所述方法包括：
提供气化室，所述气化室具有上部区段和下部区段，所述上部区段和所述下部区段形成具有不同温度的两个区段，其中所述气化室的所述下部区段处适合于比所述气化室的所述上部区段的温度高的温度；
将含碳燃料和氧化剂注入到所述气化室的所述上部区段中，由此在热-化学反应中，生成合成气和残余的炭；
从所述气化室的所述上部区段中提取所述合成气；
从所述合成气中分离残余的焦油；
在所述下部区段中形成所述残余的炭的炭床；以及
将所述残余的焦油注入到所述炭床中。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：
将在所述气化室的所述上部区段处的温度保持在800℃至1100℃的范围内；以及
将在所述气化室的所述下部区段处的所述炭床的温度保持在1200℃至1500℃的范围内。
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