TWI707031B - 具共用結構之氣化反應器 - Google Patents

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陳柏壯
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簡瑞與
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行政院原子能委員會核能研究所
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Abstract

一種具共用結構之氣化反應器，係包括一第一氣化區塊、一第二氣化區塊、及一共用燃燒區塊，該共用燃燒區塊係設置於該第一、二氣化區塊之間。藉此，本發明係應用內通式流體化床於氣化程序中，將兩反應區域間之連接管路分別以稠密床取代，並將其整合至單一反應器內，具可簡化系統，節省成本，並降低系統操作難度等優點。

Description

具共用結構之氣化反應器
本發明係有關於一種具共用結構之氣化反應器，尤指涉及一種應用內通式流體化床於氣化程序中，特別係指將兩反應區域間之連接管路分別以稠密床取代，並將其整合至單一反應器內者。
現有相關技術包含中華民國201438989與美國2015361362專利揭示一種催化氣化含碳原料之工藝，該專利係將反應拆成氣化區域與燃燒區域這兩個區塊，兩個反應區域間係以管路做連接，易有設計、安全方面存在之問題以及後續管路保養之問題，不僅系統複雜、成本高，更增加系統操作難度。另，美國9,644,152專利揭示一種向加氫催化反應供應氫的方法與系統，係於氣化爐底部新增一前處理反應區，將進料先於500℃環境以下進行裂解，藉此增加上端氣化反應之性能。此反應器雖具兩反應區分離之作用，但其為串接式反應，不具產物分離之功能。
此外，奧地利Güssing地區的間接氣化系統係將整個過程利用循環式流體化床與氣泡式流體化床，藉由上下環封1011、1021相連接來實現(如第3圖所示；文獻來源：Schmid,J.C.；Wolfesberger U.；Koppatz S.；Pfeifer C.；Hofbauer H.,Variation of Feedstock in a Dual Fluidized Bed Steam Gasifier-Influence on Product Gas,Tar Content,and Composition, Environ.Prog.Sustain.Energy.2012,31,205-215,0.1002/ep.11607.)。惰性物質之床砂循環在燃燒反應器101與氣化反應器102兩個流體化床間，做為將熱能自燃燒區輸送到氣化區之熱載體。含碳之原料被供給到氣化區，在含有蒸汽之環境下進行氣化，轉換為由一氧化碳、氫氣、及二氧化碳等氣體所組成之合成氣；因採用蒸汽取代空氣作為氣化劑，故此區域所產生之氣體幾乎沒有氮氣存在。床中之熱載體為氣化反應提供熱量，而後與未反應之碳一同循環至燃燒區。燃燒區則注入空氣形成流體化，並與未燃碳發生燃燒反應。在燃燒區放熱反應將熱載體加熱，以提供蒸汽氣化反應所需吸收之能量；因此，燃燒區出口處之熱載體比在入口處具有更高之溫度。煙道氣則經旋風分離器103處理後由煙囪排放，不與產物氣體接觸，降低可用氣體之濃度。
第3圖就是現有之習用技術，此習用的氣化反應器係將反應拆成兩個區塊，即氣化區與燃燒區，兩個反應器101、102間係以上、下環封1011、1021做連接，易有管路堵塞以及後續管路保養之問題，不僅系統複雜、成本高，更增加系統操作難度。
國內目前僅有工業技術研究院以前進行過大規模之流體化床氣化技術研發，該計畫已階段完成，學界也僅有維持基本研究能量，尚未建置商業用生質物氣化爐。然而，以國內最常使用之汽電共生粉煤鍋爐為例，只要加裝一座生質物氣化爐，就能使粉煤鍋爐有處理生質物/廢棄物之能力，並能充分利用國內生質物資源轉換為可用之能源，提升國內再生能源之利用。因此，在溫室效應日漸嚴重、環保減碳意識覺醒之氣氛下，基於生質物氣化、生成燃料替代化石燃料之技術，將成為提升與開展綠色能源之一條嶄新道路。
鑑於國內節能減碳、廢棄資源化與循環經濟等技術需求有很大之市場潛力，現國內已設定階段減量目標，且積極推動綠能佔比達20%。但由上述技術可知，目前國際間節能減碳發展技術之相關發明專利雖有佈局，亦有流體化床氣化技術相關之專利。然就次領域之內通式流體化床而言，除了本申請人先前申請之內通式流體化床專利案外，此類相關技術目前尚未有與本案專利相同應用與概念；故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時應用內通式流體化床於氣化程序中以達到簡化系統、節省成本，並降低系統操作難度之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種應用內通式流體化床於氣化程序中，將兩反應區域間之連接管路分別以稠密床取代，並將其整合至單一反應器內，具可簡化系統，節省成本，並降低系統操作難度之功效，並能因應處理不同料源時，應用內通式腔體區塊連接之特性，於燃燒區塊另一端連接另一氣化區塊，藉此實現可同時分開處理兩種以上之料源，且共用燃燒區塊之設計，更進一步實現縮小佔地與空間，以利於產業推動之具共用結構之氣化反應器。
本發明之次要目的係在於，提供一種採用內通式流體化床作為技術載具，實現間接式氣化技術，與習知技術相較，乃是藉由稠密床之設計，將其取代需要管路連接且較易產生堵塞之環封設計，藉此簡化反應器幾何，並使反應器操作更為便利。此外，由於將環封改以一反應器腔體取代，並藉由堰堤出口與孔口之設計來實現床砂輸送並兼顧氣密之效果，達到擴展系統之擴充性以及彈性之具共用結構之氣化反應器。為達以上之目的，本發明係一種具共用結構之氣化反應器，其內分佈 有一床砂，該具共用結構之氣化反應器包括：一第一氣化區塊，具有一第一氣化區與一第一稠密床，該第一氣化區頂部側邊設有一第一堰堤出口，該第一稠密床底部側邊設有一與該第一氣化區相連通之第一孔口，該第一氣化區塊係於該第一稠密床導入一流體化氣體，且該床砂會經由該第一稠密床底部之第一孔口進入該第一氣化區，並於該第一氣化區中加入一第一進料源及一氣化劑進行氣化反應產出可燃氣體，而未反應完之第一進料源與該床砂在該第一氣化區中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口；一第二氣化區塊，具有一第二氣化區與一第二稠密床，該第二氣化區頂部側邊設有一第二堰堤出口，該第二稠密床底部側邊設有一與該第二氣化區相連通之第二孔口，該第二氣化區塊係於該第二稠密床導入一流體化氣體，且該床砂會經由該第二稠密床底部之第二孔口進入該第二氣化區，並於該第二氣化區加入一第二進料源及一氣化劑進行氣化反應產出可燃氣體，而未反應完之第二進料源與該床砂在該第二氣化區中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口；以及一共用燃燒區塊，係設置於該第一、二氣化區塊之間並與該第一、二氣化區塊連通，該共用燃燒區塊具有一燃燒區及一稠密床，該第三稠密床用來隔絕該第一、二氣化區與該燃燒區之氣體，其底部側邊設有一與該燃燒區相連通之第三孔口，且該第三稠密床頂部兩側邊係透過該第一、二堰堤出口與該第一、二氣化區相連通，而該燃燒區頂部兩側邊各設有一與該第一、二稠密床相連通之第三堰堤出口，該共用燃燒區塊係於該第三稠密床導入一流體化氣體，該未反應完之第一或第二進料源與床砂經由該第一或第二堰堤出口進入該第三稠密床中往下沉降堆積後，再通過該第三孔口送到該燃燒區，使未反應完之第一或第二進料源在此反應 加熱該床砂，並於完全燃燒後產出二氧化碳(CO2)，而加熱後之床砂會從上方之第三堰堤出口進入該第一或第二稠密床，之後再經過該第一或第二孔口送回該第一或第二氣化區，如此週而復始，完成一整體循環。
於本發明上述實施例中，該氣化反應器係與至少一進料模組相連接，提供該第一與第二進料源之進料，且該第一與第二進料源可為固、液或氣體。
於本發明上述實施例中，該第一與第二進料源彼此為不同的含碳料源。
於本發明上述實施例中，該可燃氣體為合成氣，包含一氧化碳(CO)、氫氣(H2)與少量二氧化碳。
於本發明上述實施例中，該床砂為石英砂。
於本發明上述實施例中，該燃燒區係重新加熱到一個設定的600~1100℃之溫度，使未反應完之第一或第二進料源在此反應加熱該床砂。
於本發明上述實施例中，該氣化反應器係與至少一供氣模組相連接，提供該氣化劑至該第一或第二氣化區中，以將空氣、蒸汽、或富氧氣體通入該第一或第二氣化區氣化該第一或第二進料源來轉換成可燃氣體；以及提供該氣化劑至該燃燒區中，以將空氣或富氧氣體通入該燃燒區加熱該床砂，並產生煙道氣或高純度之二氧化碳。
於本發明上述實施例中，該加熱後之床砂經循環可在該第一或第二氣化區提供氣化反應所需之能量，或是協助維持反應溫度。
於本發明上述實施例中，該反應溫度為600℃~1100℃。
(本發明部分)
1:第一氣化區塊
11:第一氣化區
111:第一堰堤出口
12:第一稠密床
121:第一孔口
2:第二氣化區塊
21:第二氣化區
211:第二堰堤出口
22:第二稠密床
221:第二孔口
3:共用燃燒區塊
31:燃燒區
311:第三堰堤出口
32:第三稠密床
321:第三孔口
4:床砂
5:流體化氣體
61:第一進料源
62:第二進料源
7:氣化劑
81:可燃氣體
82:煙道氣/二氧化碳
9:堆積高度
(習用部分)
101:燃燒反應器
1011:上環封
1026:氣化反應器
1021:下環封
103:旋風分離器
第1圖，係本發明具共用結構之氣化反應器內部結構示意圖。
第2圖，係本發明具共用結構之氣化反應器三維與床砂流動示意圖。
第3圖，係習用之氣化反應器示意圖。
氣化反應與燃燒最大之差異在於，燃燒會將物質全部燒掉擷取熱能，所有的碳皆變成二氧化碳(CO2)，氣化則是在貧氧反應的情形下，讓料源可以產生一氧化碳(CO)與氫氣(H2)等這些還具有燃燒與其它利用價值之可燃氣體。鑑此，本發明把固、液或氣體之進料，經由所提具共用結構之氣化反應器之後，將其轉換成具有可利用價值之氣體(一般稱為合成氣)，如一氧化碳與氫氣。
請參閱『第1圖及第2圖』所示，係分別為本發明具共用結構之氣化反應器內部結構示意圖、及本發明具共用結構之氣化反應器三維與床砂流動示意圖。如圖所示：本發明係一種具共用結構之氣化反應器，包括一第一氣化區塊1、一第二氣化區塊2、以及一共用燃燒區塊3所構成，該共用燃燒區塊3係設置於該第一、二氣化區塊1、2之間，且於該氣化反應器內分佈有一床砂4。
上述所提之第一氣化區塊1具有一第一氣化區11與一第一稠密床12，該第一氣化區11頂部側邊設有一第一堰堤出口111，該第一稠密床12底部側邊設有一與該第一氣化區11相連通之第一孔口121。該第一氣化區塊1係於該第一稠密床12導入一流體化氣體5，且該床砂4會經由該第一稠密床12底部之第一孔口121進入該第一氣化區11，並於該第一氣化區11中加入一第一進料源61及一氣化劑7進行氣化反應產出可燃氣體81，而未反應完之第一 進料源61與該床砂4在該第一氣化區11中被該流體化氣體5往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口111。
該第二氣化區塊2具有一第二氣化區21與一第二稠密床22，該第二氣化區21頂部側邊設有一第二堰堤出口211，該第二稠密床22底部側邊設有一與該第二氣化區21相連通之第二孔口221。該第二氣化區塊2係於該第二稠密床22導入一流體化氣體5，且該床砂4會經由該第二稠密床22底部之第二孔口221進入該第二氣化區21，並於該第二氣化區21加入一第二進料源62及一氣化劑7進行氣化反應產出可燃氣體81，而未反應完之第二進料源62與該床砂4在該第二氣化區21中被該流體化氣體5往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口211。
該共用燃燒區塊3係與該第一、二氣化區塊1、2連通，其具有一燃燒區31及一第三稠密床32，該第三稠密床32底部側邊設有一與該燃燒區31相連通之第三孔口321，且該第三稠密床32頂部兩側邊係透過該第一、二堰堤出口111、211與該第一、二氣化區11、21相連通，而該燃燒區31頂部兩側邊各設有一與該第一、二稠密床12、22相連通之第三堰堤出口311。該共用燃燒區塊3係於該第三稠密床32導入一流體化氣體5，前述未反應完之第一或第二進料源62與床砂4經由該第一堰堤出口111或第二堰堤出口211進入該第三稠密床32中往下沉降堆積後，再通過該第三孔口321送到該燃燒區31，使未反應完之第一或第二進料源62在此反應加熱該床砂4，並於完全燃燒後產出二氧化碳(CO2)82，而加熱後之床砂4會從上方之第三堰堤出口311進入該第一稠密床12或第二稠密床22，之後再經過該第一孔口121或第二孔口 221送回該第一氣化區11或第二氣化區21，如此週而復始，完成一整體循環。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之具共用結構之氣化反應器。
本發明具共用結構之氣化反應器係與至少一進料模組(圖中未示)相連接，提供該第一與第二進料源62之進料，該第一與第二進料源62可為固、液或氣體，且該第一與第二進料源62彼此為不同的含碳料源。
本發明具共用結構之氣化反應器係與至少一供氣模組(圖中未示)相連接，提供該氣化劑7(如空氣、蒸汽、或富氧氣體)至該第一氣化區11或第二氣化區21中，氣化該第一進料源61或第二進料源62來轉換成可燃氣體81；以及提供該氣化劑7(如空氣或富氧氣體)至該燃燒區31中加熱該床砂4，並產生煙道氣或高純度之二氧化碳82。其中，加熱後之床砂4經循環可在該第一氣化區11或第二氣化區21提供氣化反應所需之能量，或是協助維持反應溫度(一般在700℃~900℃)。
當運用時，在第1、2圖所示實施例結構中，內部循環之物為流體化床的一個介質，即床砂4(如：石英砂)，從第一氣化區11至第三稠密床32，會過去之物有兩種，一種是流體化床所需之床砂4，另一種是氣化反應器進行氣化反應時，無法像燃燒可以給過量氧氣把全部東西都燃燒完，所以在氣化區一定會有一些沒有反應完之未燃碳(即未反應的固體碳)，其也會隨著床砂4進到第三稠密床32。如第2圖所示，在此省略第1圖之進料，主要用以說明床砂4之流動現象，圖中之堆積高度9為示意在稠密床時，床砂4會堆積至一定高度，除藉此增加往氣化區之驅動力外，亦隔絕氣體自氣化區前往稠密床。 由第2圖可發現床砂4會經由該第一稠密床12或第二稠密床22底部之第一孔口121或第二孔口221進入該第一氣化區11或第二氣化區21，在該第一氣化區11或第二氣化區21中被流體化氣體56往上帶動至上端之第一堰堤出口111或第二堰堤出口211後，越過該第一堰堤出口111或第二堰堤出口211往該第三稠密床32堆積之後，再經由該第三孔口321進入該燃燒區31，在該燃燒區31可能是使用空氣或富氧之氣體(如純氧之類)，在這邊讓未燃碳燃燒掉，有必要的話可能再加一些輔助燃料，主要是讓該燃燒區31之床砂4重新加熱到一個設定的溫度(例如850℃)，到設定溫度之後，床砂4就會從該燃燒區31上方之第三堰堤出口311進入該第一稠密床12或第二稠密床22，之後再經由該第一孔口121或第二孔口221送回該第一氣化區11或第二氣化區21，如此週而復始，完成一整體循環。
本發明所提具共用結構之氣化反應器採用內通式之設計，係應用內通式流體化床於氣化程序中，將兩反應區域間之連接管路分別以稠密床取代，並將其整合至單一反應器內，具可簡化系統，節省成本，並降低系統操作難度之功效。
此循環有兩個重點：
(1)拆開之原因在於，本發明之氣化與燃燒兩個部分拆開之後，兩個氣體是分開的。換言之，當在燃燒區假設使用純氧加上二氧化碳，此燃燒區產出之氣體也有可能是高純度之二氧化碳，可省去二氧化碳純化程序之成本，獲得作為封存用途之二氧化碳；若假設使用一般空氣，空氣含氮之比例高，所以此燃燒區產出之氣體就是煙道氣，之後使用一般煙道氣方式處理即可。
(2)於氣化區中氣化反應，本發明產出的可燃氣體為合成氣，如一氧化碳與氫氣，有時亦包含些許二氧化碳。如果後續要應用，無論是要進行分離、或化學品轉換等，都不希望內含氮氣，因為氮氣會使得設備變大，並且後續另需設備將氮氣分離。
上述所提拆開之優點在於：
1.首先，在燃燒區之氣體可以隨機處理，端視操作與廢棄需求進行調整；其次，可以讓氣化區內之氣體沒有氮氣的影響，降低氣體體積，除節省後續設備之空間外，並減少將氮氣分離之成本，如在第1圖中第一氣化區11或第二氣化區21通入之氣化劑7可以是空氣、蒸汽、或富氧，如果是使用蒸汽或富氧，產出之氣體就沒有氮氣之存在，如此該可燃氣體81在後續應用上將較為便利。
2.在應用上方便的話，本發明將其拆成兩部分時，在燃燒區一樣可以使用空氣做處理，如此可使成本下降，此即為間接式氣化概念，本發明僅是採用內通式流體化床反應器之型式將其實現。且因應處理不同料源時(如具腐蝕性料源)，若其最佳操作點不同而需獨立處理時，需新增另一完整氣化系統處理。此時可應用內通式腔體區塊連接之特性，於燃燒區塊另一端連接另一氣化區塊，如第1圖左右兩端氣化區塊1、2共用中央之燃燒區塊3。藉此實現可同時分開處理兩種以上之料源，且共用燃燒區塊之設計，可節省操作成本以及更進一步實現縮小佔地與空間，以利於產業推動。
由上述可知，本發明採用內通式流體化床作為技術載具，實現間接式氣化技術，與習知技術相較，乃是藉由稠密床之設計，將其取代需要管路連接且較易產生堵塞之環封設計，藉此簡化反應器幾何，並使反應器操作更為便利。此外，由於將環封改以一反應器腔體取代，並藉 由堰堤出口與孔口之設計來實現床砂輸送並兼顧氣密之效果，達到擴展系統之擴充性以及彈性。
綜上所述，本發明係一種具共用結構之氣化反應器，可有效改善習用之種種缺點，係應用內通式流體化床於氣化程序中，將兩反應區域間之連接管路分別以稠密床取代，並將其整合至單一反應器內，具可簡化系統，節省成本，並降低系統操作難度之功效，並能因應處理不同料源時，應用內通式腔體區塊連接之特性，於燃燒區塊另一端連接另一氣化區塊，藉此實現可同時分開處理兩種以上之料源，且共用燃燒區塊之設計，更進一步實現縮小佔地與空間，以利於產業推動，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:第一氣化區塊
11:第一氣化區
111:第一堰堤出口
12:第一稠密床
121:第一孔口
2:第二氣化區塊
21:第二氣化區
211:第二堰堤出口
22:第二稠密床
221:第二孔口
3:共用燃燒區塊
31:燃燒區
311:第三堰堤出口
32:第三稠密床
321:第三孔口
4:床砂
5:流體化氣體
61:第一進料源
62:第二進料源
7:氣化劑
81:可燃氣體
82:煙道氣/二氧化碳

Claims (10)

  1. 一種具共用結構之氣化反應器，係應用內通式流體化床於氣化程序中，將兩反應區域間之連接管路分別以稠密床取代，並將其整合至單一反應器內，該具共用結構之氣化反應器內分佈有一床砂，其包括：一第一氣化區塊，具有一第一氣化區與一第一稠密床，該第一氣化區頂部側邊設有一第一堰堤出口，該第一稠密床底部側邊設有一與該第一氣化區相連通之第一孔口；一第二氣化區塊，具有一第二氣化區與一第二稠密床，該第二氣化區頂部側邊設有一第二堰堤出口，該第二稠密床底部側邊設有一與該第二氣化區相連通之第二孔口；以及一共用燃燒區塊，係設置於該第一、二氣化區塊之間並與該第一、二氣化區塊連通，該共用燃燒區塊具有一燃燒區及一第三稠密床，該第三稠密床用來隔絕該第一、二氣化區與該燃燒區之氣體，其底部側邊設有一與該燃燒區相連通之第三孔口，且該第三稠密床頂部兩側邊係透過該第一、二堰堤出口與該第一、二氣化區相連通，而該燃燒區頂部兩側邊各設有一與該第一、二稠密床相連通之第三堰堤出口，其中該共用燃燒區塊係於該第三稠密床導入一流體化氣體，在該第一與第二氣化區塊中未反應完之料源會與床砂經由該第一與第二堰堤出口進入該第三稠密床中往下沉降堆積後，再通過該第三孔口送到該燃燒區，使未反應完之料源在此反應加熱該床砂，並於完全燃燒後產出二氧化碳(CO2)，而加熱後之床砂會從上方之第三堰堤出口進入該第一與第二稠密 床，之後再經過該第一與第二孔口送回該第一與第二氣化區，如此週而復始，完成一整體循環。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該第一氣化區塊係於該第一稠密床導入一流體化氣體，且該床砂會經由該第一稠密床底部之第一孔口進入該第一氣化區，並於該第一氣化區中加入一第一進料源及一氣化劑進行氣化反應產出可燃氣體，而未反應完之第一進料源與該床砂在該第一氣化區中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第一堰堤出口。
  3. 依申請專利範圍第2項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該可燃氣體為合成氣，包含一氧化碳(CO)、氫氣(H2)與少量二氧化碳。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該第二氣化區塊係於該第二稠密床導入一流體化氣體，且該床砂會經由該第二稠密床底部之第二孔口進入該第二氣化區，並於該第二氣化區加入一第二進料源及一氣化劑進行氣化反應產出可燃氣體，而未反應完之第二進料源與該床砂在該第二氣化區中被該流體化氣體往上帶動至上端再越過該第二堰堤出口。
  5. 依申請專利範圍第1項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該氣化反應器係與至少一進料模組相連接，提供兩種以上料源之進料，且該兩種以上之料源可為固、液或氣體。
  6. 依申請專利範圍第5項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該兩種以上之料源彼此為相同或不同的含碳料源。
  7. 依申請專利範圍第1項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該燃燒區係重新加熱到一個設定的600℃~1100℃之溫度，使未反 應完之料源在此反應加熱該床砂。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該加熱後之床砂經循環可在該第一與第二氣化區提供氣化反應所需之能量，或是協助維持反應溫度。
  9. 依申請專利範圍第8項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該反應溫度為600℃~1100℃。
  10. 依申請專利範圍第1項所述之具共用結構之氣化反應器，其中，該氣化反應器係與至少一供氣模組相連接，提供一氣化劑至該第一與第二氣化區中，以將空氣、蒸汽、或富氧氣體通入該第一與第二氣化區氣化其料源來轉換成可燃氣體；以及提供該氣化劑至該燃燒區中，以將空氣或富氧氣體通入該燃燒區加熱該床砂，並產生煙道氣或高純度之二氧化碳。
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