专利名称：采用生物质制取合成气的方法和装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种采用含碳的载能体、特别采用生物质通过热化学方式制取合成气 的方法和装置。
背景技术：
由生物质制取的合成气是用于未来的太阳能氢能经济的初始产物，在太阳能氢能 经济中，氢气通过管道运输到最终用户。通过氢气分散发电的高效率，在几乎所有的最终 消费者一方都提供过剩的电力。在这样的热传递的能量经济中，电力和热量具有相同的价 值。出于这方面原因，为了提供反应焓而采用电能对于合成气制取具有经济意义。因为在 电力过剩的情况下，电流仅是受限地进行操作，所以必须使太阳能发电例如由风能通过将 水电解成氢气和氧气转化而成。在此，氧气用于热化学的气化。为了控制物流，在来自农业 和林业的生物质的供料方面，优选使设备参数在20和500MW之间。这些设备还应该在6至 40bar的升高的压力条件下能够进行工作，因此可以使产生的气体直接输入到区域燃气网。对于采用生物质通过热化学方式制取合成气来说，公知的有三种方法。对于小功率范围来说，大多数采用不同类型的固定床气化器。固定床气化器取决 于一贯高质量的生物质，而并不适用于高质量的合成气的制取，这样的高质量合成气适用 于再处理成氢气。气流床式气化器特别适用于IGW以上的高效率，这是因为气流床式气化器的反应 器参数相对较小。对于较小的设备，气流床式气化器由于较高的器材消耗而不具有经济性。 因为气流床式气化器在较高的温度条件下与氧气一起工作，所以气流床式气化器需要大量 的干燥的生物质和中间制品。灰尘熔化成玻璃质的，而不能作为矿物质肥料使用。这样产 生的问题是，使肥料越发趋于昂贵和稀缺。流化床反应器在其平均工业效率范围为IMW至IGW的条件下而具有优势。在采用 流化床反应器的方法中，分为自热气化和变温气化。在自热气化中，一部分生物质在流化 床反应器中燃烧用于补充缺乏的吸热反应。在变温气化中，实现了经过热传递的必不可少 的热量之间的连接。这一点例如可以在流化床中设置加热棒或通过环绕设置的载热体来 实现。作为载热体多数采用沙石，使沙石在第二个反应器中通过一部分生物质的燃烧而进 行加热。一种这样的热效率为8丽的气化器在奥地利的GUssing市有出售。有关这样的 设备的介绍出自于 1st International Ukrainian Conference on BIOMASS FORENERGY ； September 23-27,2002 Kyiv, Ukraine von M. Bolhar-Nordenkampf et all. H g ^ "Scale-up of a IOOKffth pilot FICFBto 8 MWth FICFB-gasifier demonstration plant in Gussing (Austria) 在文献DE 102004045772A1中公开了一种采用环绕设置的载热体 的方法，该方法附加地采用了由CaO转化成CaCO3过程中的热效应。流化床反应器在低于 形成灰尘的烧结温度的条件下进行操作，由此使灰尘能够用作矿物质肥料。作为旋涡气体和碳的氧化剂，在合成气反应器中设置流化床、氧气、空气和水蒸 气。在变温气化中，一般情况下仅采用水蒸气。在自热气化中，通过空气进行操作。因为纯氧会导致流化床中的局部过热，所以将纯氧应用在含有水蒸气和空气的混合物中。空气的 使用导致含有氮气和CO2的合成气的稀释，因此很难用于进行发电和再处理成产物，这些产 物例如为氢气、甲烷、甲醇或液体燃料。水蒸气的供给需要额外的能量消耗以及提高的投资 成本。根据现有技术，将生物质直接输入到合成气反应器的流化床中。在流化床中，先热 解成初级焦油，同时在很短的时间内紧接着反应成合成气。这里，合成气中的焦油含量很 高。焦油必须以耗费工本的方式来除掉。此外，设备中的焦油沉淀还经常导致整个设备的 损坏。由所有的气化方法可知，在流化床反应器中的气化的特征在于，灰尘没有熔化，因 此可以在农业上用作肥料。然而，所得到的合成气具有较高的焦油含量。这一点在合成气 的应用中是一个很大的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，避免在由生物质制取的合成气的生产过程中所论述的缺陷。上述目的通过本发明的权利要求1的方法得以实现。本发明其它具有优势的技术 方案在权利要求2至9中给出。上述目的还通过权利要求10至12的装置得以实现。这里， 生物质可以理解为所有源于生物的物质。合成气主要由H2、CO、CO2和CH4组成。用作能源的生物质通常含有很多的水，这对于变温制取富含氢气的合成气是必须 的。通过热解或低温干馏将生物质分解成热解焦炭和热解气体，那么在热解气体中有足够 的水蒸气可利用，从而将生物质的碳氧化成CO和co2。因此，热解气体可以以具有优势的方 式作为旋涡气体用于具有流化床的合成气反应器。由此可以省去作为旋涡气体的水蒸气的 供给。过剩的水蒸气会降低设备效率。为了提供变温反应生成合成气而所需要的能量，需要 在合成气反应器中导入能量，例如通过内部的加热处理或通过连接单独的反应器的沙石循 环方式来提供能量。流化床反应器的加热技术是公知的。在高速气流的情况下，一部分流 化床进行分送，而且这部分流化床一定通过旋涡除尘器而进行沉淀并返回到反应器中。这 被称作循环流化床。在低速气流的情况下，仅小颗粒和灰尘离开流化床而进行分送。这被 称作静态流化床。本发明的方法适用于所有形式的流化床。生物质的热解分解是公知技术。DE 60120957T2中公开了，怎样通过采用可感觉到 的过程热量、利用壁直接加热生物质、或利用过热的水蒸气间接加热而使生物质进行低温 干馏。公知的还可以采用氧气，用以低温干馏形成热解气体和热解焦炭。热解过程可以分布在多个反应器中进行，例如在低温热解器和高温热解器中进 行，在低温热解器中利用的是可感觉到的合成气的热量以及可感觉到的接下来的具有放热 反应热的过程处理中的热量，而在高温热解器中，使生物质中的挥发性的形成焦油的物质 成分从热解焦炭中驱走。借由这种大量去除焦油的热解焦炭可以使经过合成气反应器之后 的合成气中的焦油含量已经得到显著减少。根据权利要求2还可以使焦油含量得到进一步地减少，即，热解气体在进入到合 成气反应器的流化床中之前先通过加热装置、或通过加氧而加热到850°C至1600°C的温 度，优选900°C至1300°C，特别优选为950°C至1200°C。由此使合成气中焦油大量被摧毁。 当所选择的温度高于灰尘熔点时，具有优势地是，使热解气体事先进行清洁，否则就像在气
4流床反应器中那样需要以类似较高的工本消耗用于清除熔化的灰尘。在过热的热解气体进入到合成气反应器的流化床中时，气体通过化学淬火冷却到 850°C至700°C。根据权利要求4使合成气中最少的焦油量这样来实现，S卩，使热解处理以这 样的程度进行，即，使这些热解焦炭正好用于化学淬火。在这种情况下，在此可以采用可感 觉到的过热旋涡气体的热量，用以补充热解焦炭生成合成气的吸热反应。在这种情况下也 就不再需要对合成气反应器进行加热。如果根据权利要求3的热解处理作为高温热解处理而在500°C和800°C之间进行 操作，那么可以使反应时间相对于低温热解处理显著缩短。在高温热解处理过程中，在热解 焦炭中保存有几乎纯碳。挥发的成分则转化成热解气体。在此，初级焦油已经转化成二级 和三级焦油。多个低温热解处理可以设置在高温热解处理之前，这样使对于可感觉到的过程处 理的热量的应用变得容易。基本上，可以使用于热解处理的热量间接通过壁来传递。所需的较大的传递表面 和载热体的运输通过生物质以及热解焦炭的运动来实现。生物质或热解焦炭还可以直接通过热气或通过与氧气的部分氧化而进行加热。作 为热气，适宜地采用热解气体，该热解气体经由气体循环和加热装置来进行加热。热气可以 流经由生物质或热解焦炭形成的转化床。与热气的接触还可以通过采用搅拌器使热解焦炭 产生旋涡而形成。根据权利要求5使热解处理在流化床中进行，这样还可以使热解处理的时间进一 步缩短。在流化床中，物质传递由于生物质或热解焦炭的碾碎而显著提高。该碾碎处理可以 通过添加惰性床物质、如沙石而得到加强。其优势在于，使处理过程中的余热用于多级热解 处理。因为流化床中的热传递非常好，所以使流化床可以通过管道或棒体进行加热。而且 还实现了，使热能至少部分传给热解气体。对此，热解气体可以借助于鼓风机而循环传导。 可替换地，使供热通过与氧气的部分氧化来实现。根据权利要求6具有优势的是，热解气体在进入到合成气反应器中之前先导引经 过催化器床。该催化器床可以设置在合成气反应器的流化床的下面。催化器可以这样选择， 即，能够优选将焦油和甲烷转化成合成气。然后使热解气体必须进行不那么强烈的加热。作 为催化器，例如适合采用诸如镍的承载稳定的过渡金属。该催化器还可以除掉过热的热解 气体中的氨气。在合成气的再处理过程中，例如生成氢气的处理，必须使甲烷和较高的碳氢化合 物分离，并且重新导入到合成气反应器中。根据权利要求7，通过这些气体和加热的热解气 体的混合，在气相中进行化学淬火，该化学淬火的催化可以由权利要求6得到支持。以这种 方式，使产生的旋涡气体冷却，并且降低对清洁度和构建的要求。冷却处理通过冷气的混合 而得到支持。可感觉到的合成气的热量能够在较大的工业设备中仅以较高的成本经由单螺杆 螺旋运输机的壁来导入，如文献DE 60120957T2所公开的内容。这样又导致几何结构问题。 根据权利要求8，在此建议，使螺旋运输机以束管式换热器的形式进行设置。这样使设备尺 寸保持在限定范围内。流化床反应器仅受限地具有局部承载性能。这一点特别适用于本发明的方法，因为与输入单独产生的水蒸气不同，旋涡气体的量不是任意可调的。为了仍要实现较大的控 制范围，根据权利要求9适宜地使高载荷条件下、流化床反应器环境下的旋涡气体在各个 流化床反应器的顶部导入。在合成气反应器的条件下，使过热的热解气体在导入到流化床 中之前先与合成气进行混合。本发明还涉及一种用于实现本发明方法的装置。本发明装置的特征在权利要求10 至12中给出。本发明装置的其它特征在意义上还由涉及方法的权利要求1至9来提供。
根据附图1至5对本发明进行示例性说明。图1示出了本发明技术方案的简化示意图；图2示出了本发明的具体结构示意图；图3示出了用于热解处理的两个反应器的示意图，其中一个反应器具有流化床；图4示出了图3的局部具体结构示意图；图5示出了热解反应器级联的示意图。
具体实施例方式根据图1，本发明的采用生物质制取合成气的装置由两个反应器组成。在反应器1 中，装入的生物质3通过热量8或通过部分氧化分解成热解焦炭和热解气体。热解焦炭6 导入到合成气反应器2的流化床中。热解气体5作为旋涡气体用于合成气反应器2的流化 床。通过在合成气反应器中导入热量7或通过部分氧化，由热解焦炭6和热解气体5产生 合成气4。图2示出了本发明技术方案的具体结构示意图。热解设备1由多个装置组成，用 于所导入的生物质的输送和热解。生物质3通过蜂窝式轮辐16导入到螺旋运输机17中， 该螺旋运输机具有加热套18，热合成气4流经该加热套。然后，合成气又通向其它处理装置 19。形成在17中的热解焦炭落入到接受器20中。通过两个螺杆22和9将热解焦炭21运 送到合成气反应器2的流化床11中。适宜地，在螺杆22和9之间设置蜂窝式轮辐，由此使 热解气体不会进入到合成气反应器2中。由接受器导出的热解气体5通过旋涡除尘器23进行除尘处理，并导入到合成气反 应器2的底部12中。热解气体5流经热的流化床11，在流化床中经由加热装置导入热量 7。在此，热解气体和热解焦炭在750°C至950°C的条件下转化成合成气，并且进入到合成气 反应器2的自由腔室10中，这里该自由腔室称作具有静态流化床的反应器。合成气4在旋 涡除尘器24中进行除尘。因为灰尘还没有熔化，所以灰尘25可以作为肥料施加在农田上。为了降低热解气体5中的焦油含量，使热解气体借助于燃烧器8与氧气14或空气 进行部分氧化处理。具有优势地，使由合成气的再处理得到的气体15、诸如甲烷混合到过热 的热解气体中。根据该位置的温度，使绝大部分的甲烷已经转化成合成气。通过这种化学 淬火使腔室12中的温度降低。焦油、甲烷和氨气仍然很高的转化通过适宜的催化器13来 实现，该催化器设置在流化床11的喷嘴底部之前。参见图1，通过本发明的方法使合成气中的焦油含量特别由此得到降低，S卩，使生 物质3并不直接导入到合成气反应器2中，而是首先在热解反应器1中分解成热解气体5和热解焦炭6。因为用作旋涡气体的热解气体5产生几乎纯碳，所以生成几乎不含焦油的合 成气4。所需的反应焓经由热流7和8来提供。为了减少在热解焦炭中挥发性物质的含量，可以在接受器20中，使热的、来自腔 室12的、进一步除焦油的热解气体27流经热解焦炭21。在此，热解气体必须由压缩器26 施加较大的压力。根据输入的热解气体27的量和接受器20的结构，还可以在热解焦炭层 中形成流化床。在低速气流的情况下仅形成一个由热解焦炭构成的流化床。在流化床中的 转化当然较大。为了进一步改善该过程处理，可以使热解气体27的小部分气流输入到螺杆 22的端部上。由此实现了广泛除去焦油的热解气体经由螺杆9进入到流化床中。图3示出了具有低温热解器和高温热解器的装置，用以向合成气反应器2传递热 解气体和热解焦炭。在此，低温热解器的加热由热的合成气4来实现，该合成气环绕流经螺 旋运输机40的管道，类似于束管式换热器的管道。生物质3在低温热解器39的顶部给料。 在此，所需的系统压力不会受到未示出的、在前设置的、诸如为压力阀的设备的影响。生物 质3经由多个螺旋运输机40而到达低温热解器39的下部。在此，使热解焦炭37经由蜂窝 式轮辐38导入到高温热解器32中。热解气体36导入到高温热解器32的底部35中、流经 流化床34并经由旋涡除尘器30作为广泛不含焦油的热解气体5而到达合成气反应器2中。 高温热解器32和合成气反应器2构成具有循环流化床的反应器。这两个反应器互相交换 它们各自的床物质，如同根据现有技术在变温气化过程中反应器和燃烧器之间出现的情况 那样。在本发明的情况下，合成气反应器2为“燃烧器”，而高温热解器为“反应器”。经由 自由腔室10、旋涡除尘器28和导管29使绝大部分的床物质进入到高温热解器32中。通常 情况下，导管29在端部具有虹吸管，该虹吸管使过程气体或水蒸汽流态化。以相同的方式 还使绝大部分的床物质由高温热解器32经由自由腔室33、旋涡除尘器30和导管31返回到 合成气反应器中。原理上，可以向两个反应器导入热量7和8a，这些热量经由加热装置进入到流化 床中。然而，高温热解器32的加热并不是必须的，这是因为高温热解器可以通过床物质的 交换而进行加热。无论如何都具有意义的是，进入到腔室12之前的热解气体5的温度升高 用于破坏高分子化合物，该高分子化合物一般称作为焦油。这一点可以通过气流中的加热 器、或如这里所示通过在燃烧器8中采用氧气14进行部分氧化来实现。由此可以使热流7 减少。还可以使通入腔室35中的热解气体36以相同的方式经由部分氧化来进行加热。热解气体5经由旋涡除尘器30的清洁处理在此仅示意性示出。为了确保具有充 分的清洁性能，需要设置至少一个双旋涡除尘器，如在清洁合成气过程中采用的旋涡除尘 器28和24。前一个旋涡除尘器在循环流化床处主要清除诸如沙石的床物质，后一个旋涡除 尘器用来清除热解焦炭和灰尘。合成气旋涡除尘器24主要清除灰尘25。为了实现合成气反应器2效率的较大的控制范围，可以使控制范围设计成用于局 部载荷。在较高的效率处，那么可以借助于管道50使一部分过热旋涡气体在进入到喷嘴底 部中之前先进行分流，并且与合成气4进行混合。为了使用可感觉到的热量，具有优势地， 使热量8g导入到热解反应器32中。图4示出了图3的低温热解器39的具体结构。其中示出了一个垂直设置的运输 螺杆40的截面图。运输螺杆式是这样设计并控制的，即，使这些运输螺杆避免所导入的生 物质的自由落体，并且通过稳定的搅拌实现了良好的物质交换和热量交换。螺杆轴44在此
7仅具有很短的一部分，用于承载运输螺杆43。期间设有搅拌叶45，这些搅拌叶使生物质和 热解焦炭产生旋涡，并且由此总是再导入较冷的物质到加热的螺杆管道42中。通过电机 41(图3)，使螺杆交替地向左和向右旋转，而且由此使导入的生物质不再过多地拦截在螺 杆运输机的顶部，并且使螺杆管道保持良好畅通。因此，这一层经由螺旋运输机实现了一个 稳定的高度，而且经由螺旋运输器并没有形成中空腔室，从而避免使搅拌叶46进入到这样 的腔室中而一直到相邻地螺杆轴上。通过变换高度的搅拌叶46或通过协调的同步转数控 制来避免碰撞。图5示出了两个热解反应器，与合成气反应器2相同，这两个热解反应器具有流化 床。生物质3导入到低温热解器48中。热解气体以循环方式通过压缩机49。因此，该循 环过程的管道不需要进行加热就可以使温度不降低到350°C以下。优选地应该使该反应器 在400°C和550°C之间进行工作。在这样的温度条件下，使来自诸如热合成气的过程处理的 热量仍能实现良好连接。热量8d和Se可以直接导入到流化床中，或导向气体循环路径中。 作为惰性床物质，通常可以采用沙石。形成旋涡的沙石用于将生物质和热解焦炭很好地碾 碎。通过这种反应方式，尽管在较低的温度条件下也能实现较高的转化。床物质借助于运 输装置6a从低温热解器48的流化床出来而到达高温热解器47的流化床中、再借助于运输 装置6c而由该高温热解器进入到合成气反应器2中。合成气反应器2的流化床以较少的 热解焦炭含量进行工作，低温热解器48中的热解焦炭的含量最高，与此同时，热解焦炭的 含量在合成气反应器中非常小。为了补充经过距离6a的沙石损失，使从合成气反应器出来 的床物质借助于运输装置6c而返回到低温热解器48中。在上述的运输装置中，例如可以采用螺旋运输机。还可以使这三个流化床反应器 通过循环流化床来驱动。然后使床物质经由旋涡除尘器实现所示的行程6a、6b、6c。由低温热解器48导出的热解气体作为旋涡气体用于高温热解器47。由高温热解 器导出的热解气体5导入到合成气反应器2中。必不可少的热流7、8c、8d可以借助于换热 器直接导入到流化床中。热流7a、8e、8f的导入具有相同的作用。基本上，必不可少的反应 焓可以至少部分通过与氧气14的局部氧化而增加。高温热解器47适宜地在600°C和800°C 之间进行工作。热解气体5的过热采用接下来的催化装置所提供的优点已经在上文进行了 详细说明。所有三个反应器都既通过静态流化床又通过循环流化床而进行工作。通过本发明的方法可以以初步的方法制取高质量的非常纯的合成气。本发明方法 特别适用于焦油含量非常低的情况。本发明方法省略了耗费工本的合成气再清洁处理以及 耗费工本的废水清洁处理。通过热解气体作为旋涡气体用于合成气反应器的直接应用，省 去了使过热的水蒸气作为旋涡气体的额外供给。与固定床气化和气流床气化不同，生物质 灰尘可以用作农业用的矿物质肥料。这一点对于缺乏磷的条件下特别具有重要意义。上文根据实施例对本发明进行了示意性说明。在此可以理解为，本发明并不局限 于所述的实施例。更确切地说，技术人员可以在本发明的范围内进行多种变化和修改，而且 本发明的保护范围特别通过以下权利要求来进行限定。
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权利要求
一种采用生物质制取合成气的方法，其特征在于，该方法包括a)使生物质在至少一个热解反应器中分解成热解焦炭和热解气体；b)将热解焦炭导入到合成气反应器的流化床中；c)使热解气体作为旋涡气体应用于所述合成气反应器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述热解气体在进入到合成气反应器 的流化床中之前先进行加热。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在至少一个热解反应器中进行高温热 解处理。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，所述热解处理以这样的程 度进行，即，保留少量用于合成气反应器的热解焦炭，使这些热解焦炭正好用于化学淬火。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，使至少一个热解反应器含 有流化床。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，使所述旋涡气体在进入到 合成气反应器的流化床中之前先流经催化器床。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的方法，其特征在于，使由合成气的再处理得到 的气体与进入到合成气反应器的流化床中之前的、加热的热解气体进行混合。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，使至少一个热解反应器具 有多个从外侧加热的螺旋运输机，这些螺旋运输机以束管式换热器的形式进行设置。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，使各个流化床环境下的旋 涡气体至少部分与反应器出口的气体进行混合。
10.一种用于实现权利要求1至9中任意一项所述方法的装置，其中，所述装置包括至 少一个热解反应器和至少一个合成气反应器。
11 根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述至少一个热解反应器包含有流化床。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其特征在于，所述至少一个热解反应器具有多 个从外侧加热的螺旋运输机，这些螺旋运输机以束管式换热器的形式进行设置。
全文摘要
本发明涉及一种采用生物质制取合成气的方法和装置，其中，(1)使生物质在至少一个热解反应器中分解成热解焦炭和热解气体；(2)将热解焦炭导入到合成气反应器的流化床中；以及(3)使热解气体作为旋涡气体应用于所述合成气反应器。
文档编号C10J3/66GK101978031SQ200980109616
公开日2011年2月16日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月18日
发明者卡尔-海因茨·特茨拉夫 申请人:卡尔-海因茨·特茨拉夫