具有集成的中等温度等离子体的气流床气化器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于在标准压力到1Mpa之间的压力下并且在800°C到1500°C之间的温度下将固态的或者液态的气化物质气化成合成气的方法和装置。
[0002]本发明此外还涉及一种在800°C到1500°C之间的温度下并且在环境压力到1Mpa(100巴)之间的压力下利用水蒸汽作为氧化剂并且在使用等离子体发生器的情况下将液态的或者固态的燃料、尤其生物质气化成高卡路里的合成气的方法和气流床气化器。
【背景技术】
[0003]由于世界上具有波动特征的可再生能源例如光电伏或风能的份额越来越大，所以对于国家能量供应系统提出了新的要求。只有当在需求量少的时候能有效地存储来自这些可持续性来源的能量，并且要么在能量需求超过能量供应时能够馈入到能量供应网络中，要么这样存储的能量以另一种方式帮助减少对化石一次能源的需求时，才能有意义地利用这些波动能源的装机功率。为此，迄今为止的方案都是借助电解从可再生能源中生成氢气，所述电解是用于这些应用的高动态的理想负载。氢气能够通过像甲烷一样的碳氢化合物构成的合成物得以利用，其方式为使电解生成的氢气(H2)与碳载体例如二氧化碳(CO2)发生反应。然而，例如来自地质来源或者来自沼气设备的价格低廉的CO2仅有很少的量并且一般几乎无法在将电解定位为能阱的地方提供，也就是例如在近海风电场附近。而通过从发电厂废气或者甚至从环境空气中分离而获取的CO2却十分昂贵，从而由此使得碳氢化合物合成物本身从长远来看不是一种经济的选择方案。
[0004]而在此所基于的出发点是，与迄今为止不同，不仅将生物质用作可再生的能量生成的来源，还通过生成富含热值的、可存储的制品，用于存储来自风力发电厂和太阳能发电厂的可再生的过剩电流。这个制品能够是来自费托合成的柴油、合成天然气、氢气以及甲烷和在进一步的合成步骤中从中生成的制品、例如二甲基乙醚(DME)或烯烃。与像甲烷或氢气这样富含热值的物质相反，生物质是一种低能量值的燃料，它在不进一步处理的情况下只能以非常低的效率用于加热目的或者用于发电。为了能够在利用生物质时达到更高的效率，使用了吹气的固化床气化器或者流化床气化器，它们将生物质转化为合成气并且随后将其输送给用于生成电能的煤气发动机或煤气涡轮机。这种工艺能够达到超过30%的效率，但是为了去除焦油化合物和不希望的碳氢化合物需要耗费成本地净化煤气。所生成的合成气由于氮气含量很高是低卡路里的并且不适合于合成工艺和化学的能量储存。通过使用自热的、利用氧气运行的气流床气化工艺能够消除这个缺点并且生成适合用于化学存储的合成制品。而气流床气化工艺仅仅对于高的功率大小来说是经济的，需要氧气设备和耗费成本的生物质干燥部和处理部，因此气流床气化工艺不适合于不集中的生物质利用。
[0005]已经有人建议，经由等离子体带入所需要的反应热量。为此提出了 “Alter NRGPlasma Gasificat1n system”(Alter NRG等离子体气化系统)，例如由Van Nierop在2009年的煤气化技术理事会上发表的“Alter NRG Plasma gasificat1n system for wasteand b1mass gasificat1n'用于废弃物和生物质气化的Alter NRG等离子体气化系统)。进一步的研发内容由A ^Gorodetsky在2012年5月8日到12日在意大利的卡利亚里举办的欧洲煤气化会议上发表的“Westinghouse plasma gasificat1n technology and projectupdate”(威斯汀豪斯等离子体煤气化技术和项目升级)中示出。这种技术利用已知的无压的固化床气化并且经由多个靠电力激发的等离子体发生器输送一部分所需要的反应热。作为气化介质输送水蒸汽并且必要时还输送氧气或者空气。这种对于固化床气化典型的将反应区设置在干燥区、热解区、还原区和氧化区内的布置方式被证明特别不利，其中所述区从下朝上被穿流而过。在此，尤其在热解区解除碳氢化合物，这些碳氢化合物能够占输入的燃料量的最高达10%。尤其包含在其中的焦油和石油必须从粗煤气中被分离出去，这需要特别高的处理成本。在冷却气体时出现的含水的冷凝物包含许多有机酸、苯酚和有机硫化物，它们需要全面的废水处理并且很大程度地损害环境。
【发明内容】
[0006]本发明的任务在于，实现一种气化工艺，所述气化工艺生成高价值的合成气，这种合成气适合用于氢气生产，但是也适合用于后续的合成工艺，该气化方法不需要氧气设备并且不需要耗费成本的生物质预处理并且此外还提供了不含碳氢化合物的粗煤气。
[0007]该问题通过具有权利要求1所述特征的方法和具有权利要求20所述特征的气化器得以解决。
[0008]本发明带来了气流床气化器与用于中等温度(通常< 3500°C、优选< 2000 °C)的非热等离子体的等离子体发生器的组合并且将提供化学活性的基团和热能通过等离子体与所使用的燃料的水蒸汽气化关联起来。中等温度的非热等离子体在此理解为这样一种等离子体，它与热的光弧不同无法通过热动态的平衡关系来描述，另一方面却将等离子体中所处理的气体加热到几千摄氏度的温度。在此，能够分配给中性气体的温度远远低于例如可能需要用来描述等离子体中的离子化程度或者平均电子能的温度。于是作为优点会出现:吸热反应、尤其含有高活性能量的吸热反应能够以高速率在与热过程的情况相比低得多的气体温度下进行。
[0009]非热的中等温度等离子体能够特别简单地通过金属电极之间的直流气体放电或者交流气体放电生成，其中在交流放电的情况下所施加的电压的频率能够在很宽的限度内变化。在此，通过对电能输送和穿过等离子体的气流通量采取的合适的控制措施，负责让能量不仅在电极的附近散逸而且还尽可能有效地被带入到气化反应器的容积内。
[0010]其他在不使用与等离子体气体接触的金属电极的情况下生成中等温度等离子体的可行方案在于，通过电磁波将电能耦合到流动的气体中。在几MHz直至几百MHz的射频范围内，存在通过外部的电极进行电容性耦合的可能性或者通过围绕着电绝缘的等离子体气体输送装置的线圈进行电感能量耦合的可能性，并且在微波的范围内提供了通过结构化的波导体、天线和诸如此类进行的耦合，所述耦合同样能够通过或者甚至借助于绝缘的、弓丨导气体的结构的介电特性实现。
[0011 ] 对于等离子体气化器来说，为了生成大的等离子体体积优选使用一个或者多个喷枪(Lanze)。每个喷枪都包含用于通过直流和低频交流(电极)或者电磁波(波导体、线圈等等)耦合能量并且用于气体输送的机构。
[0012]对于所述煤气化工艺而言所需要的水成分能够连同燃料一起或者经由单独的蒸汽输送装置提供。煤气化反应总体上是吸热的，其中经由等离子体输入为了分裂(Spaltung)所需要的能量。煤气化工艺的温度在按预定输入特定组份的生物质(C/H/0-比例关系和焓作为物质参量)时一方面通过等离子体功率、另一方面通过经由同时用作气化介质的等离子体从外面输送的气流通量调节到1500°C之下的温度水平，从而防止燃料的灰烬成分熔化。为此要么使用为了进行反应所需要的蒸汽、额外的氧气或者空气要么使用导回的合成气。
[0013]为了在等离子体直接由电极激发的情况下延长电极的持续时间，优选如此输送等离子体气体，使得所述等离子体气体冷却电极。这是能够实现的，其方式为:将等离子体气体作为电极的包裹气体输送又或者通过电极本身输送。
[0014]在间接地、也就是电容地、电感地或者通常通过电磁波耦合高频等离子体的情况下，如此输送等离子体气体，从而确保对绝缘结构的冷却，通过所述绝缘结构将能量耦合到等离子体气体中。
[0015]在使用额外的氧气或空气时，能够降低等离子体发生器的功率，并且通过氧气的放热反应提供一部分的反应能。通过与之相关联的、反应能从等离子体向放热的氧化反应的转移，能够降低系统的电功率消耗，其中实现了气体质量向更低的氢气含量的变化。
[0016]固态燃料的所需要的颗粒大小小于2mm，其中为了输入到反应室中设置了机械的输入系统、例如螺旋输送器。作为替代方案，能够利用喷雾器喷嘴液态输入。气化反应的反应速度通过等离子体周围的反应(例如与自由基的反应、高热流密度)加速，由此在使用气流床气化器的情况下能够在气化温度低于炉渣软化点时实现高的碳转化。为了提升碳转化度，能够将气化工艺之后去除的固体物质导回，所述固体物质由灰烬和未转化的碳构成。
[0017]所生成的合成气由于他热式气化工艺而包含很高的氢气成分并且在等离子体气化器之后通过水急冷或者经由废热锅炉被冷却。
[0018]利用能够感觉到的热量在废热锅炉中生成蒸汽例如能够用于为气化反应生成蒸汽并且能够用于冷却等离子体发生器的喷枪或者能够在应用时与力-热-耦合结合起来，这提供了提升效率的可能性。作为替代方案，能够将水急冷到小于600°C (部分急冷)和后续的废热利用组合起来。这种布置方式提供了以下优点:特别是存在于生物质中的碱成分在进入废热锅炉之前冷凝并且允许使用成本低廉的材料。
[0019]在合成气被冷却到小于600°C的温度以后，灰烬成分也能够在进入废热锅炉之前被分离掉。在废热利用时经由旋风分离器、电子过滤器或者机械的过滤器单元例如陶瓷的滤芯或者滤布实现对合成气的净化。在通过喷入水对合成气进行完全急冷的情况下，例如经由文丘里洗涤器进行湿洗。
[0020]在合成气被机械地净化和冷却之后，部分气流能够被导回并且用于冷却等离子体喷枪。
[0021]被净化的合成气随后被输送给进一步的工艺流程用于生成氢气、化学合成或者经由煤气发动机、燃料电池或者煤气涡轮机发电。
【附图说明】
[0022]在下面以实施例的形式在对于理解来说所需要的范围内借助附图更详尽地阐述本发明。图中: 图1示出了根据本发明的气化反应器的第一变型方案，所述气化反应器具有等离子体发生器以及水急冷部和湿净化部，所述等离子体发生器具