本发明涉及一种降低热解气体中焦油含量的方法，所述热解气体在热解反应器中产生，并且涉及一种被布置成从热解气体中去除焦油的两段式气化器。
背景技术：
本领域熟知从生物质、煤或其他物质中生产产品气，例如，一般利用基于外部加热热解和顺向流布置的焦炭床的两段式气化。然而，从所产生的产品气中有效去除焦油和灰尘是困难或复杂的。
因此，从ep3219777a1中可知，将热解气体引导通过旋风过滤器并进入燃烧室，在该燃烧室中，在将一些气体引导至将焦油从气体中去除的缺氧脱碳单元之前，气体至少部分燃烧以将温度升高至超过1000℃。但是这个系统很脆弱并且维护成本很高。
因此，本发明的目的是提供一种生产清洁产品气的成本效益高的技术。
技术实现要素：
本发明提供一种降低热解气体中焦油含量的方法，所述热解气体由热解反应器产生。所述方法包括步骤：
·引导所述热解气体通过一个或多个过滤器，以从所述热解气体中去除所述热解气体中的至少90％的颗粒尺寸低至7μ且优选低至4μ的所有颗粒，
·在部分氧化反应器中部分地氧化所述热解气体，以从所述热解气体中去除焦油；以及
·引导所述热解气体通过焦炭床，以进一步从所述热解气体中去除焦油。
在所产生的所述热解气体中大多颗粒的熔点约为780℃，并且在所述部分氧化过程中，所述气体的所述温度升至超过1000℃以上。因此在所述热解气体被氧化之前对所述热解气体进行过滤是已知的——例如，如ep3219777a1中所示的旋风过滤器的方式。但是，当特定类型的燃料被使用时(例如秸秆材料)当所述热解气体离开所述热解反应器时，所述热解气体将包含许多细灰和大量非常小的颗粒颗粒，并且仅引导所述气体通过旋风过滤器不足以阻止有害颗粒通过。因此，彻底地过滤所述气体——即在所述热解气体进入分离的部分氧化反应器和随后的焦炭床之前，从所述热解气体中去除基本上低至7μ并优选低至4μ的所有颗粒，其优点在于由此可以在所述焦油分解过程中充分提高温度(即在所述部分氧化反应器和所述焦炭床中)以确保有效的焦油分解，同时降低所述热解气体中灰分、粉尘和其他异物熔化的风险，否则会导致问题沉积物、熔渣形成物、水垢、结皮和/或沉淀。并且引导经过滤和部分氧化的所述热解气体通过焦炭床将确保更有效的焦油分解，因为所述温度可以充分大幅地被升高，而不会有问题沉积物、熔渣形成物、水垢、结皮和/或沉淀的风险。
在所述热解反应器或所述焦炭床内进行部分氧化是可行的，因为所述热解反应器和所述焦炭床已经能够处理燃烧产生的高温。然而，将所述部分氧化反应器布置在所述热解反应器和所述焦炭床外部，其优点在于，它提供了更受控的环境，从而提供了更受控的部分氧化，从而更好的焦油分解。
在本文中，术语“热解反应器”应理解为能够运行热解过程的任何类型的单元，所述热解过程是在没有氧气(或任何卤素)的情况下，有机材料或化石燃料在高温下的热化学分解。氧气可能存在(例如，与同时发生的或之前的燃烧有关)，但是氧气不构成所述热解过程本身的一部分。热解包括化学成分和物理相的同时变化，并且是不可逆的。热解是热分解的一种，在暴露于高温下的有机材料中最常见，该高温通常从200-300℃开始，并高达500c甚至更高。通常，有机物或化石燃料的热解产生气体和液体产物，并留下碳含量丰富的固体残渣，其在本实施例中称为热解焦炭，但通常也称为热解炭。还应当注意的是，在本文中，术语“热解”或“被热解”也涵盖了焙烧，这是一种通常在200至320℃之间的温度下的温和的热解形式，该温度取决于被热解的特定材料。
在本文中，术语“过滤器”应理解为被设计成物理上阻挡至少低至权利要求中指定尺寸的物体或物质同时允许较小的物体或物质通过的任何类型的装置(通常是膜或层)。即任何一种适合用于从所述热解气体中分离颗粒的过滤器，所述热解气体以过滤处理方式离开所述热解反应器——例如，任何种类的高温过滤器、高效颗粒空气(hepa)过滤器、烛式过滤器、烧结金属过滤器、筛子、滤网或其他过滤器，或它们的任意组合。
在一方面，所述方法进一步包括步骤：在所述热解气体被引导通过所述一个或多个过滤器之前，引导所述热解气体通过旋风器以从所述热解气体中去除所述热解气体中的颗粒尺寸低至20μ且优选低至12μ的颗粒。
旋风器从所述热解气体中去除较大的颗粒是有效的，因此，在所述热解气体被过滤之前将所述热解气体通过旋风器是有利的，以提高后续过滤过程的效率。
在本文中，旋风过滤器应理解为一种在被称为旋风器的圆柱形或圆锥形容器内建立高速旋转气流的装置。气体以螺旋形式流动，在离开所述旋风器之前从所述旋风器的顶部(宽端)开始，并在底部(窄)端结束，以直流通过所述旋风器的中心并从所述顶部离开。旋流中较大的(较密的)颗粒具有很大的惯性，无法跟随所述流的紧密曲线，因此撞击外壁，然后掉到所述旋风器的底部，在所述旋风器的底部能够被去除。在锥形系统中，随着旋流向所述旋风器的窄端移动，所述流的旋转半径减小，从而分离出越来越小的颗粒。所述旋风器的几何结构与体积流量一起定义了所述旋风器的分割点。
在一方面，通过所述旋风器去除的所述颗粒被引导进入所述焦炭床以形成所述焦炭床的一部分和/或进入气化器中。
将所述去除的颗粒引导进入所述焦炭床和/或气化器中，其优点在于，在所述焦炭床和/或所述气化器中，所述去除的颗粒能够有助于焦油去除，并因此为该目的服务而不是多余的废物。
在一方面，通过所述一个或多个过滤器去除的所述颗粒被引导进入所述焦炭床以形成所述焦炭床的一部分和/或进入气化器。
将所述去除的颗粒引导进入所述焦碳炉和/或气化器中，其优点在于，在所述焦炭床和/或所述气化器中，所述去除的颗粒能够有助于焦油去除，并因此为该目的服务而不是多余的废物。
在一方面，所述一个或多个过滤器从所述热解气体中去除所述热解气体中的至少90％的颗粒尺寸低至2μ且优选低至0.5μ的所有颗粒。
如果在过滤过程中去除了甚至更小的颗粒，则可以进一步减少问题沉积物、熔渣形成物、水垢、结皮和/或沉淀的风险。
在一方面，所述焦炭床被布置在气化器内部，所述气化器被布置成将在所述热解反应器中产生的热解焦炭气化。
使用被布置成将在所述热解反应器中产生的所述热解焦炭气化的气化器作为所述焦炭床，能够实现简单有效的焦油去除过程。
应该强调的是，术语“气化器”应被理解为适合用于进行气化过程的任何类型的设备，在该气化过程中，有机材料或基础碳质材料主要被转化为一氧化碳、氢气和二氧化碳。在所述气化器中，这是通过使材料在高温(通常高于700℃)下反应来实现的。所得的气体混合物在该实施例中被称为产品气，但是在其他实施例中可以被成为合成气、合成气体、发生气体或其他，其本身是燃料。
在一方面，所述部分氧化的热解气体基本上未冷却地被引导进入所述气化器。
如果所述部分氧化的热解气体在进入所述气化器时温度过高，则通常存在问题沉积物、熔渣形成物、水垢、结皮和/或沉淀的风险。然而，有利的是，所述部分氧化的热解气体能够被基本上未冷却地导入所述气化器中，以确保更廉价和有效的过程。
在一方面，所述焦炭床被布置在所述热解反应器的外部并且在气化器的外部，所述气化器被布置成将在所述热解反应器中产生的热解焦炭气化。
将所述焦炭床与所述热解反应器和所述气化器分开形成，其优点在于，由此所述焦炭床可以由外部焦炭形成，从而确保在所述焦炭床中更好和更多地控制焦油分解。
在一方面，所述部分氧化将所述热解气体的温度升高到500至2500℃之间，优选地在650到1800℃之间并且最优选地在800到1300℃之间。
为了确保所述焦油的有效分解，所述热解气体应该被加热到约1000-1100℃，或者至少优选地在当前温度范围内。
但是当所述气体在进入随后的所述焦炭床时，如果所述气体的所述入口温度过高，则热损坏所述焦炭床和/或所述焦炭床中或周围的设备的风险会增加。然而，如果所述入口温度过低，所述焦油分解过程将更加低效。因此，当前温度范围在安全性和效率之间呈现出有利的关系。
在一方面，所述焦炭床具有在400到2000℃之间的温度，优选地在550-1200℃之间且最优选地在650到1000℃之间。
为了确保在所述焦炭床中的所述焦油的有效分解，所述焦炭床应在约750-900℃下操作或至少优选地在当前温度范围内。
在一方面，所述焦炭床是流化床焦炭床。
流化床焦炭床对焦油分解是相对有效的，但是它们也对熔融灰尘的沉积、熔渣形成物、水垢、结皮和/或沉淀特别敏感，因此相对于本发明，将所述焦炭床形成为流化床焦炭床是特别有利的。
应当强调的是，术语“流化床”应当被理解为气体、空气、蒸汽或其他流体以足够高的速度向上通过所述焦炭材料以使所述焦炭材料悬浮并使所述焦炭材料表现为流体的装置或过程。这一过程也称为流态化。
在一方面，所述热解反应器是流化床热解反应器。
流化床热解反应器对焦油分解是相对有效的，但是它们对熔融灰尘的沉积、熔渣形成物、水垢、结皮和/或沉淀特别敏感，因此相对于本发明，将所述热解反应器形成为流化床热解反应器是特别有利的。
在一方面，所述部分氧化包括添加足够的氧气以燃烧在5％到70％之间的所有所述热解气体，优选地在15％和60％之间并且最优选地在25％到50％之间。
应当注意，本实施例中的术语“部分氧化”是指在所述热解气体中添加了一些氧气，但不足以完全燃烧所述热解气体。即，根据该方面，添加了足够的氧气，使得所有所述热解气体根据目前数量范围部分燃烧——例如大约35％(这是一种比说一定百分比的热解气体被燃烧更准确的说法)。当前数量范围对焦油分解是有利的。此外，应当注意，氧气可以以液态纯氧或气态纯氧、含氧化合物的形式被添加——例如空气、甲醇或其他气体、氧气和水蒸气的混合物、氧气和co2的混合物和/或其他形式和/或与另一种气体或蒸汽混合。
在一方面，当所述热解气体进入所述部分氧化反应器时，所述热解气体具有在100到1000℃之间的温度，优选地在150到800℃之间并且最优选地在200到600℃之间。
这些温度范围代表了功能性和安全性之间的有利关系。
在一方面，所述方法包括通过加热生物质产生所述热解气体的步骤。
热解生物质对于所产生气体中的焦油含量是有问题的，因此，使用本发明对于热解生物质是特别有利的。
在一方面，所述方法包括通过加热秸秆材料产生所述热解气体的步骤。
热解秸秆材料对于所产生气体中的焦油含量是有问题的，并且因为这种生物质引起相对大量的灰分和在所述热解气体中不需要的颗粒，因此，相对于热解秸秆材料，使用本发明是特别有利的。
在一方面，通过形成进入所述热解反应器的氧气和/或过热蒸汽的流动来加热所述热解反应器中的材料。
使用过热蒸汽，其优点在于所述蒸汽基本上是无氧的，从而确保有效的热解。但是将所述蒸汽过热到必要的温度(相对于热解反应器，通常约或略高于500℃)需要大量的能量。但是，增加或替代产生氧气流(例如以空气的形式)将确保燃烧，从而有效地提高温度。
在一方面，所述一个或多个过滤器从所述热解气体中去除所述热解气体中的至少95％且优选99％的颗粒尺寸低至4μ的所有颗粒。
如果在过滤过程中去除甚至更多的小颗粒，则可以进一步降低出现问题沉积物、熔渣形成物、水垢、结皮和/或沉淀的风险。
在一方面，所述一个或多个过滤器包括烛式过滤器。
烛式过滤器可以在没有任何移动部件的情况下运行，并且可能需要的少量密封件是静态的，不会磨损。此外，烛式过滤器相对便宜，并且由于其相对易于清洗且相对于本发明，作为颗粒过滤器使用特别有利。
在本文中，术语“烛式过滤器”应理解为包括外壳的过滤器，所述外壳内布置有多个圆形的、细长的过滤元件，并且待过滤的所述气体从外面被引导至所述细长过滤元件，使得颗粒饼状物将堆积在所述元件的外表面上，并且使得所述过滤元件可以通过反冲洗来清洁，从而使收集的材料脱落并能够收集在所述过滤器壳的底部。
本发明进一步提供了一种两段式气化器，所述两段式气化器被布置成通过前述权利要求中任一项的方法从热解气体中去除焦油。
两段式气化器在生产产品气方面是有效的，但是从生成的产品气中去除焦油是困难和昂贵的。因此，相对于两段式气化器使用根据本发明的所述方法是特别有利的。
附图说明
下面将参照附图描述本发明，其中：
图1示出了一个热解反应器，随后是一个气化器，从前面看，所述焦炭床被布置在所述气化器的内部，以及
图2示出了一个热解反应器，随后是一个气化器，从前面看，所述焦炭床被布置在所述气化器的外部。
具体实施方式
图1示出了热解反应器1，随后是气化器6，从前面看，焦炭床4布置在气化器6的内部。
在该实施例中，燃料8被引导进入热解反应器2中，并且过热蒸汽在底部以大约500℃的温度被引导进入热解反应器2中。过热蒸汽然后在向上移动穿过燃料8时将燃料8热解，并且空气中的热解焦炭7将跟随热解气体在热解反应器2的顶部离开热解反应器2，在该实施例中，其进入旋风器5，旋风器5将从热解气体中分离出热解焦炭7，并将热解焦炭7传送到气化器6。
在本实施例中，燃料8是秸秆材料，但是在其他实施例中，燃料可能是木屑、(未加工的或预干燥的)动物粪便、(未加工的或预干燥的)污水、来自生化生产或食品生产的剩余材料、另一种天然植物材料或任何其他形式的有机材料或塑料、化石燃料或其他。
在热解反应器2的顶部，操作温度通常已经下降，从而离开热解反应器2的热解气体和热解焦炭将具有大约250-300℃的温度。
然后，热解气体从旋风器5继续到高温气体过滤器2，高温气体过滤器2在热解气体进入部分氧化反应器3之前将基本过滤掉热解气体中的所有灰尘和颗粒，在部分氧化反应器3中，热解气体被部分氧化，因为空气、富氧空气或纯氧气添加到热解气体中，从而使热解气体部分燃烧，在本实施例中，这将使热解气体的温度在该气体离开部分氧化反应器3之前升高至约1000-1100℃。部分氧化将导致有效的焦油分解。
然后，将热的热解气体从部分氧化反应器3中重新引入到在焦炭床4中的热解焦炭7，热解焦炭7通过气化器6形成，气化器6被布置成将来自旋风器5的热解焦炭气化。
在该实施例中，热解气体在进入焦炭床4之前没有被冷却，这通常可能是一个问题，因为高于950℃的温度可能会损坏气化器6。但是，通过将部分氧化的热解气体引入焦炭床4的中间，或至少远离焦炭床4的壁、底部和/或顶部，可以将热解气体直接从部分氧化反应器3引入到焦炭床4。然而，在另一实施例中，在部分氧化的热解气体进入焦炭床4之前，例如通过淬火的方式、热交换器的方式(例如，向进入热解反应器1和/或焦炭床4的过热蒸汽供热)或其他方式，将部分氧化的热解气体的温度降低到例如大约900-1000℃(优选为大约950℃)。
在该实施例中，过滤器高温气体过滤器2是热气烛式过滤器，但在另一个实施例中，过滤器2还可以或替代地包括另一类型的热气过滤器，诸如烧结金属过滤器、筛子、滤网或其他。
在该实施例中，焦炭床4还通过过热蒸汽在大约900℃的温度在底部进入焦炭床4的方式加热，以确保热解焦炭7的气化和热解气体中剩余焦油的有效分解。然后，在本实施例中，所产生的基本上不含焦油的产品气在700-750℃左右的温度下在顶部离开焦炭床4。
应该强调的是，上面和下面提到的温度示例是与该实施例中用作燃料8的特定类型的木屑相关的特定示例。然而，如果使用不同的燃料8，则某些温度可能会更高或更低。
在图1和图2公开的实施例中，热解反应器1和焦炭床4(在这种情况下也是气化器6)都形成为流化床反应器。但是在另一个实施例种，热解反应器1、焦炭床4和/或气化器6也可以或替代地为逆流构造、并流固定床(“下沉气流”)、气流床构造、等离子体构造和/或其他，或者热解反应器1、焦炭床4和/或气化器还可以或替代地基于固定焦炭床原理。
“逆流”构造应当理解为任何类型的热解反应器或焦炭床，其中热气体、空气、蒸汽或其他气体物质被送入底部热解反应器或焦炭床，以直接或间接驱动相应的热解或气化，并且所产生的气体从热解反应器或焦炭床的顶部抽出，而燃料在热解反应器或焦炭床的顶部供给，使得燃料移动越靠近热解反应器或焦炭床的底部，其被处理的越多。即燃料和气体的运动方向相反，因此称为“逆流”。“逆流”也常被称为“上升流”、“上升气流”、“逆向流”及其他名称。
图2示出了热解反应器1，随后是气化器6，从前面看，焦炭床4布置在气化器6的外部。
在该实施例中，该系统不同于图1中所公开的系统，因为离开部分氧化反应器3的部分氧化的热解气体被引导至通过来自分开过程的焦炭形成的分离的焦炭床4——即不从前面的热解反应器1中供应。在该实施例中，焦炭床4可以由来自外部燃烧过程或其他过程的焦炭形成。
在焦炭床4中，焦炭将以与关于气化器6所讨论的类似的方式被气化，以使部分氧化的热解气体中的至少一些剩余焦油能够分解。
在该实施例中，离开外部焦炭床4的产品气将与离开气化器6的产品气混合，但是在另一个实施例中，离开外部焦炭床4的产品气可以被分开抽取，或者可以将其供给气化器6。
在另一个实施例中，焦炭床4可以由外部焦炭和热解焦炭的组合形成——即图1和图2中公开的实施例的组合。
上面参照热解反应器1、过滤器2、气化器6和其他的具体实例对本发明进行了说明。然而，应当理解，本发明不限于上述特定示例，而是可以在如权利要求书所指定的本发明范围内以多种变体来设计和变更。
列表：
1.热解反应器
2.过滤器
3.部分氧化反应器
4.焦炭床
5.旋风器
6.气化器
7.热解焦炭
8.燃料
1.一种降低热解气体中所述焦油含量的方法，所述热解气体在热解反应器(1)中产生，所述方法包括所述步骤：
·引导所述热解气体通过一个或多个过滤器(2)，以从所述热解气体中去除所述热解气体中的至少90％的颗粒尺寸低至7μ且优选低至4μ的所有所述颗粒，
·在部分氧化反应器(3)中部分氧化所述热解气体，以从所述热解气体中去除焦油，以及
·引导所述热解气体通过焦炭床(4)，以进一步从所述热解气体中去除焦油。
2.根据权利要求1所述的一种方法，其中所述方法进一步包括所述步骤：在所述热解气体被引导通过所述过滤器(2)之前，引导所述热解气体通过旋风器(5)，以从所述热解气体中去除所述热解气体中的颗粒尺寸低至20μ且优选低至12μ的颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种方法，其中通过所述旋风器去除的所述颗粒被引导进入所述焦炭床以形成所述焦炭床的部分和/或进入气化器。
4.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中通过所述一个或多个过滤器去除的所述颗粒被引导进入所述焦炭床以形成所述焦炭床的部分和/或进入气化器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述过滤器(2)从所述热解气体中去除所述热解气体中的至少90％的颗粒尺寸低至2μ且优选低至0.5μ的所有所述颗粒。
6.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述焦炭床(4)被布置在气化器(6)内部，所述气化器被布置成将在所述热解反应器(1)中产生的热解焦炭(7)气化。
7.根据权利要求6所述的一种方法，其中所述部分氧化的热解气体基本上未冷却地被引导进入所述气化器(6)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述焦炭床(4)被布置在所述热解反应器(1)的外部并且在气化器(6)的外部，所述气化器被布置成将在所述热解反应器(1)中产生的热解焦炭(7)气化。
9.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述部分氧化将所述热解气体的所述温度升高到500至2500℃之间，优选地在650至1800℃之间并且最优选地在800至1300℃之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述焦炭床(4)具有在400至2000℃之间的温度，优选地在550至1200℃之间并且最优选地在650至1000℃之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述焦炭床(4)是流化床焦炭床(4)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述热解反应器(1)是流化床热解反应器(1)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述部分氧化包括添加足够的氧气以燃烧在5％至70％之间的所有所述热解气体，优选地在15％至60％之间，并且最优选地在25％至50％之间。
14.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中当所述热解气体进入所述部分氧化反应器(3)时，所述热解气体具有在100至1000℃之间的温度，优选地在150至800℃之间并且最优选地在200至600℃之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述方法包括通过加热生物质产生所述热解气体的所述步骤。
16.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中通过形成进入所述热解反应器(1)的氧气和/或过热蒸汽的流动来加热所述热解反应器(1)中的材料。
17.根据前述权利要求中任一项所述的一种方法，其中所述一个或多个过滤器(2)从所述热解气体中去除所述热解气体中的至少95％且优选99％的颗粒尺寸低至4μ的所有所述颗粒。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的一种方法，其中所述一个或多个过滤器包括烛式过滤器。
19.一种两段式气化器(6)，所述两段式气化器被布置成通过根据前述权利要求中任一项所述的一种方法从热解气体中去除焦油。
技术总结