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CN101198676B - 固定床气化炉和借助其对散堆中的固体燃料气化的方法 - Google Patents

固定床气化炉和借助其对散堆中的固体燃料气化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固定床气化炉，该固定床气化炉具有：反应腔，用来容纳由固体燃料构成的散堆以及产生的热解焦碳和产生的灰；燃料填装装置，用于从上方给反应腔填装固体燃料；除灰装置，用来朝下排出所产生的灰；加热腔，在该加热腔中设置用于产生热辐射的加热装置并且该加热腔通过加热窗口与反应腔连通；排气装置，用来导出产生的气态反应产物。与现有的热解焦碳散堆相比，实际的热解区很薄，使在热解区内的物料逗留时间只有几分钟，而热解焦碳在热解焦碳层中的逗留时间可以是几个小时。这产生了高能量的且含灰低和含焦油低的气体。此过程的实施能可靠地实现自动化。本发明还涉及一种借助所述固定床气化炉对散堆中的固体燃料气化的方法。

Description

固定床气化炉和借助其对散堆中的固体燃料气化的方法
技术领域
本发明涉及一种固定床气化炉，用来热解固体的热解物质，其在此称为“固体燃料”。此外，本发明还涉及一种借助固定床气化炉对散堆中的固体燃料气化的方法。
背景技术
生物质、淤泥、含碳的残余物质如塑料、垃圾、旧纸等形式的固体燃料可用来制造气体。较小的装置通常作为固定床气化炉工作，位于散堆中的块状固体燃料需经受热解。通常这种装置按照自热的(autotherm)方式工作，也就是说，进行热解所需要的能量是通过固体燃料的部分氧化产生的。这种气化器从专业文献“DezentraleEnergiesysteme(分散的能量系统)”，Jügen Karl，Oldenbourg VerlangMüchen Wien 2004，从176页到197页中得知。那里描述的木材气化器制造出能量相对低的燃烧气体，此外大多还需要人工监察。
发明内容
本发明的目的是，提供一种改善的固定床气化炉(Festbettvergaser)。此外，还提供一种借助固定床气化炉对固体燃料进行气化(Vergasung)的方法，其适用于较小的单元并且产生能量丰富的热解气体。
按本发明的固定床气化炉具有：反应腔，用来容纳由固体燃料构成的散堆以及产生的热解焦碳和产生的灰；燃料填装装置，用于从上方给反应腔填装固体燃料；除灰装置，用来朝下排出所产生的灰；加热腔，在该加热腔中设置用于产生热辐射的加热装置并且该加热腔通过加热窗口与反应腔连通；排气装置，用来导出产生的气态反应产物。
按本发明的固定床气化炉具有反应腔，用来容纳固体燃料。它构成一散堆，该散堆在上层包含一层薄的热解物质(固体燃料)，下方包含热解焦炭，最下方包含灰。固体燃料层优选通过辐射热从上方这样被加热，从而实现热解。热解物质可从上方通过例如是闸门形式的燃料填装装置实现填装。通过从加热腔中出来的辐射热，可把散堆表面上的相当薄的热解区加热到预定的温度，并在氧气不足时把气体排出。残留的热解焦炭和灰朝下排出，其中温度基本不变。因为辐射热不能进入到散堆深处且散堆的热传导能力很弱。热解气体通过加热腔排出，其中焦油成分进行裂解。散堆可从下朝上被蒸汽、空气或蒸汽空气混合物穿流，以便对热解焦炭气化。
固定床气化炉既可以在恒定负载的情况下，也可以在波动负载的情况下适用于自动化运转。它以外热式(allotherm)方式工作，并产生出能量丰富的气体。
一设置在反应腔中的搅拌装置，例如形式为缓慢旋转的搅拌臂，用来均匀地分配热解物质，并在位于下方的热解焦炭上形成一层薄的热解物质层。搅拌装置优选缓慢地运动，使得不会出现物料旋涡或灰旋涡。此外，气体的流动非常小，以致没有或至少几乎没有灰被扬起。
反应腔和加热腔都优选是向外绝热的。这可以改善效率，并实现至少短时间内的待机操作(Stand-by-Betrieb)，而无需额外加热。如果要实较长时间的待机操作，则反应腔可以设置辅助加热装置，例如一个或多个气体燃烧器或电动加热器。
设置在加热腔中的加热装置优选是由钢材或陶瓷构成的辐射管，其装配有换热式燃烧器或蓄热炉，并把加热腔的温度保持在1000℃至1250℃。因此，从热解物质中出来的焦油成份实现裂解，在理想情况下完全裂解成气态的成份CO、H2和一些CO2。为此优选在加热腔上设置排气装置。此外，加热腔中热解气体的平均逗留时间优选大于一秒，这有利于焦油成份的进一步裂解。
排气装置可包含催化剂，其支持碳氢化合物的裂解以及向CO和H2的转化。镍、焦油、石灰岩等可作为催化剂使用。
在排气装置上优选设置冷却装置、优选是急冷器，其通过气体的快速冷却避免了二氧芑的形成。气体冷却装置可构成为空气预热器或蒸汽发生器，其中预热的空气和/或产生的蒸汽可用来对热解焦炭气化。在此可用蒸汽残余工作。
在通过辐射管对反应腔进行加热时，由于熔化的灰组分低以及由于相应低的气体速度从而避免灰的扬起，从而特别在反应腔和加热腔中避免了渣子的形成。
在成本方面有利的可能性是，通过换热式燃烧器对加热腔进行加热，通过该换热式燃烧器排出产物气体。加热腔中的温度可通过化学计量不足
Figure GSB00000463217400031
的空气供给来调节。但也会产生热量值低的、氮含量高的气体。
可利用合适的装置、例如可活动的隔板来调节向热解区中的热量供给。因此，可适应于热解的不同热量需求，例如在使用生物质作为热解物质时，湿度的含量会改变。
在按照本发明的、借助固定床气化炉对散堆中的固体燃料气化的方法中：a.将固体燃料从上方添加到散堆上，并且散堆朝下运动；b.其中构成一在上方覆盖散堆的薄的固体燃料层，并且利用蒸汽、空气或蒸汽/空气混合物从下往上穿流散堆；c.其中固体燃料层借助换热式燃烧器和/或辐射管通过外部热量供给经受外热式的热解；d.其中产生的热解气体通过加热腔排出，其温度比反应腔内的温度高。
附图说明
本发明的有利构造的其它细节是附图、描述的内容。在附图中示出了本发明的两个实施例。其中：
图1  固定床气化炉的示意垂直剖视图，具有辐射管加热装置；
图2  可替代的固定床气化炉的上部段的示意垂直剖视图，具有燃烧加热器；
图3  图2中的固定床气化炉在其燃烧器高度处的水平剖视图；以及
图4  固定床气化炉的一个变形实施例。
具体实施方式
图1中示出了固定床气化炉1，其用来从热解物质中产生一氧化碳和氢。块状、条状、颗粒状或其它前处理的含碳的有机物都可当作热解物质。固定床气化炉构成为小型的煤气发生炉，例如用来每个小时气化20kg至100kg的生物质。固定床气化炉1包括一内外大致成圆柱形的、朝外绝热的且气密的反应腔2和一设置在反应腔上面的、在外部同样优选基本呈圆柱形的且上方封闭的绝热的加热腔3。在加热腔3和反应腔2之间存在着一个通道，其被称为加热窗口4。为固定此加热窗口4可以设置一个滑动壳体5，其设置在反应腔2和加热腔3之间。滑动壳体包含两个可反方运动的、按滑块样式构成的、优选大致长方形的隔板6、7，所述隔板可从外面通过调节驱动装置或手移动，以便调节辐射热从加热腔3向反应腔2内的传输。
反应腔2设置气密的内衬8。在绝热的外罩9和内衬8之间存在的中间腔10可设置电加热螺旋管或气体燃烧器形式的辅助加热装置11，以便实现或简化待机操作。为了对运行情况进行监控，可以设置一个料位传感器12和一个温度传感器13。料位传感器12穿过内衬8并且稍高于允许的最大填装高度伸入反应腔2中。温度传感器13伸入中间腔10中。
燃料填装装置14用于将热解物质装入反应腔2中，所述燃料填装装置例如具有一贯穿外罩9和内衬8的填装管和一闸门15。燃料填装装置14具有一输送装置，例如螺旋输送装置等。它用来将热解物质从上方装进位于反应腔2中的散堆中。
在反应腔2中设置搅拌装置16。该搅拌装置具有一设置在反应腔2中心的轴17，该轴穿过容器底部并且通过驱动装置18处于缓慢的旋转中。一个或多个搅拌臂19、20水平地大致在最上面的平面层的高度上从轴17的上端部出发在径向上延伸，所述平面层设置在反应腔2中的散堆21上。搅拌臂19、20用来分配填装物，并使填装物平展。轴17可设有其它较深布置的搅拌臂22、23、24、25，所述搅拌臂大约位于散堆的中间高度上。搅拌装置16还可具有一个或多个优选设置在轴17上的温度传感器13a、13b。例如，温度传感器13a设置在搅拌臂19、20的高度上或设置在它们上方，用来探测热解物质中心处的温度。温度传感器13b例如在轴的约一半高度上设置在轴上，以便测定气化区内的温度。
在反应腔2的底侧上设置一除灰装置，例如形式为朝下引导的直径较大的通道，其通到闸门27并从闸门通向灰清空装置。此外，从底侧出发经由从属于除灰装置26的上升的井筒供给空气和/或蒸汽。为此，井筒与一相应的管路28连接。蒸汽和空气的供给也可以在除灰装置26上方通入反应腔中。
在加热腔3中设置一加热装置29，其在本实施例中是钢材或陶瓷构成的辐射管。端部封闭的、保持在加热腔3上侧的且从加热腔垂直吊下的或水平地伸入加热腔3中的辐射管30从内部通过燃烧器、优选换热式燃烧器进行加热。辐射管具有1000℃和1400℃之间的表面温度，并产生辐射热。具有燃料供给管32、空气供给管路33和换热器34的燃烧器配属于换热式燃烧器31，所述燃烧器用作热交换器并且将废气通道35和新鲜空气通道分离，以便对新鲜空气进行加热并且对逆流的废气冷却。
此外，加热腔3配备温度传感器36，该温度传感器探测加热腔的温度。
此外，加热腔3配备排气装置37，经由排气装置将气态的反应产物从加热腔3中排出。在本实施例中一容器配属于排气装置37，此容器中包含催化剂39，该容器为大致圆柱形的、从加热腔上侧吊下、在其底侧封闭并且设有气体接受孔。催化剂通过对散堆起催化作用的活性颗粒构成，例如石灰岩、焦油、镍等。此外，在此容器内部还可设置一气体冷却装置40，例如形式为蒸发器41。此蒸发器例如通过蛇管构成，该蒸发器被导出的气态反应产物的气流环绕冲流并且空气、水或水/空气混合物被引导通过该蒸发器。随后，产生的热空气、产生的蒸汽或相应产生的热空气/蒸汽混合物而后输送给管路28，用来促进反应腔2中的气化。
固定床气化炉1是如下工作的：
通过燃料填装装置14，散堆21从上方持续地或间隙地通过块状的固体燃料填装。固体燃料从开口42落入由搅拌臂19、20扫过的区域中，并由搅拌臂19、20在散堆21上分散成薄薄的一层。这构成为固体燃料层43。辐射管30将加热腔3加热至优选1000℃到1250℃的温度。辐射管30可以利用固定床气化炉产生的气体、来自与固定床气化炉连接的化学装置的残余气体、在避开催化剂39的情况下由加热腔排出的气体、天然气或其它燃料工作。由辐射管30和加热腔3的其它加热部件产生的辐射热可穿过加热窗口4到达并且将固体燃料层43加热到500℃至900℃的热解温度，优选为650℃。在加热窗口4处的热流密度是大约每平方米100KW至250KW。热解温度的保持由温度传感器13a探测和调节，通过一调节装置这样来调节隔板7、8，使热解温度总是在期望的范围内。温度调节通过辐射温度调节器实现，其可非常快地反应并且是非常不迟钝的。辐射管30的温度不会受热解层的温度调节的影响。
固体燃料在固体燃料层43中炼成焦碳，其中通过开口42持续地或以短暂间隔输入新的固体燃料。优选持续地但非常缓慢地转动的搅拌臂19、20(例如1/分钟)将固定燃料均匀地分布。产生的热解焦炭构成一个在高度上很深的热解焦碳层44，其通过搅拌臂22至25同样安静且缓慢地运动。在热解焦碳层44中缓慢朝下移动的焦碳从固体燃料层43中带走热量，因此保持在约600℃至700℃的温度。
从下方以很低的流动速度供给蒸汽或蒸汽/空气混合物或预热的空气，其穿过热解焦碳层44缓慢地朝上渗透。热解焦碳在此基本转化为CO和H2。固体燃料层43上的焦化在大约1至2分钟内结束，而热解焦碳层44中的热解焦碳的转化或气化则持续一个或多个小时。此固定床气化炉将快速的热解和缓慢的焦碳气化相结合。热解焦碳层44中的温度调节通过温度传感器13b实现，由此控制的蒸汽和/或预热空气的供给与加热腔的温度调节无关，也与热解层43的温度调节无关。
通过除灰装置26从在热解焦碳层44下方聚积的灰层45排出灰。
因此，由低温干馏煤气和反应气体构成的混合物以每小时几厘米的速度从固体燃料层43中上升，所述低温干馏煤气来源于固体燃料层43中的固体燃料的直接热解，所述反应气体(一氧化碳、水)来源于热解焦碳层44。所述气体混合物进入加热腔3中，其中它由于较低的流动速度不会带走灰颗粒。此外，固体燃料层43还起过滤器的作用，这有助于留住灰。
上升的气体至少包含大部分的焦油成份。通过在加热腔3中加热到1000℃，焦油成份被裂解成短链的碳氢化合物，并至少被部分氧化和/或氢化。产生的气态反应产物只包含少量的焦油成份。此气体基本由H2、CO和一些CO2组成。这些气体混合物被输送经过催化剂39，在这里最后的焦油成份被去除。随后，气态的反应产物在蒸发器41中被急剧冷却，从而避免形成二氧芑。
为控制运行，借助传感器36对加热腔3中的温度进行调节，借助温度传感器13对反应腔2中的温度进行调节。加热腔温度通过换热式燃烧器31进行调节。反应腔温度通过调节管路28的蒸汽输入流来调节。料位传感器12用来调节料位，并控制燃料填装装置14。这确保了自动化运行。隔板6、7可用来使固定床气化炉1适用于不同质量的燃料。
在图2和3中描述了固定床气化炉1的变形实施例。它与前面描述的实施例的不同之处只在于加热腔3的构造。其余元件的构造和功能完全参照前面的描述。
按图2和3的固定床气化炉1具有换热式燃烧器31作为加热装置29，来替代辐射管30，换热式燃烧器的火焰通过开口46进入加热腔3中。换热式燃烧器31优选设置在圆柱形的加热腔3的切向上。气态反应产物从加热腔3中的排出在此与换热式燃烧器31的废气通过废气通道35一起实现。加热腔中的温度是通过化学计量不足的空气供给来调节。还会产生热量值低的、氮含量高的产物气体。通过切向的空气供给在加热腔3中产生环流，其不会使灰从反应腔2中扬起。换热式燃烧器31的运行可以无火焰的氧化。空气预热器和/或蒸发器可以连接在废气通道35上，用来产生用于反应腔2的热空气和/或蒸汽。
图4示出了按本发明的固定床气化炉的一变形实施例。在反应腔2中设置盘状物47，其持续地或间歇性地围绕着中间的、优选垂直的旋转轴线48被旋转驱动。此盘状物47设置在开口42下方，优选构成为漏斗状，并设有中心孔49。它可以与轴17连接。此盘状物47的填装可通过激光或其它合适的装置测量，并用来对热解物质的供给进行调节。激光射线L按图4例如可以对准孔49。其它适用于前面的描述。这种实施例的优点是，细颗粒状的热解物质成分不会很快掉进散堆中并且因此经受足够长时间的辐射。
此外，搅拌臂22、23、24、25可设置喷嘴50，用于气化介质(氧气和/或空气和/或蒸汽)。通过如此实现的气化介质的分布供给可避免局部过热。
此外，还可利用高温-热交换器对例如用于史特灵电机或燃气轮机的热载体51直接在加热腔3中加热。废气热量可用于对空气进行预加热和产生蒸汽。通过导管52可以将二次空气导入到燃烧腔3中。通过设置在燃烧腔3中的接管53可导出废气。
按本发明的固定床气化炉利用固体散堆工作，散堆被逆流的空气和/或蒸汽穿流。与形成的热解焦碳散堆相比，实际的热解区是很薄的，从而在热解区内的物料逗留时间只有几分钟，而热解焦碳在热解焦碳层44中的逗留时间可以是几个小时。热解通过能量辐射并且少部分通过反应热量来引起，并且以外热式的方式实现。这产生了高能量的含灰低且含焦油低的气体。此过程的实施能够可靠地自动化。反应气体和热解气体的排出是通过加热腔3进行，从而清除了最后的焦油成份。
附图标记清单
1         固定床气化炉
2         反应腔
3         加热腔
4         加热窗口
5         滑动壳体
6、7      隔板
8         内衬
9         外罩
10        中间腔
11        辅助加热装置
12        料位传感器
13        温度传感器
14        燃料填装装置
15        闸门
16        搅拌装置
17        轴
18        驱动装置
19、20    搅拌臂
21        散堆
22、23、24、25    搅拌臂
26        除灰装置
27        闸门
28        管路
29        加热装置
30        辐射管
31        换热式燃烧器
32        燃料供给管
33        空气供给管路
34        换热器
35        废气通道
36        温度传感器
37        排气装置
39        催化剂
40        气体冷却装置
41        蒸发器
42        开口
43        固体燃料层
44        热解焦碳层
45        灰层
46        开口
47        盘状物
48        旋转轴线
49        孔
50        喷嘴
51        热载体
52        导管
53        接管

Claims (25)

1.固定床气化炉(1)，
具有反应腔(2)，用来容纳由固体燃料构成的散堆(21)以及产生的热解焦碳和产生的灰；
具有燃料填装装置(14)，用于从上方给反应腔(2)填装固体燃料；
具有除灰装置(26)，用来朝下排出所产生的灰；
具有加热腔(3)，在该加热腔中设置用于产生热辐射的加热装置(29)并且该加热腔通过加热窗口(4)与反应腔(2)连通；
具有排气装置(37)，用来导出产生的气态反应产物。
2.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，在反应腔(2)中设置一搅拌装置(16)。
3.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，反应腔(2)和加热腔(3)都是朝外绝热的。
4.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，加热装置(29)是辐射管加热装置。
5.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，加热装置(29)是燃烧器。
6.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，排气装置(37)设置在加热腔(3)上。
7.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，排气装置(37)配备催化剂(39)，所述催化剂支持碳氢化合物的裂解以及碳氢化合物向CO和H2的转化。
8.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，排气装置(37)配备气体冷却装置(40)。
9.按权利要求8所述的固定床气化炉，其特征在于，气体冷却装置(40)是蒸发器(41)。
10.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，在反应腔(2)上设置一气体导入装置，用于导入空气或蒸汽或蒸汽/空气混合物。
11.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，加热窗口(4)配备一装置，该装置由可调节的隔板(6、7)构成，用于影响从加热腔(3)进入固体燃料内的热流。
12.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，反应腔(2)配备一辅助加热装置(11)。
13.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，加热腔(3)配备一温度传感器(36)。
14.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，反应腔(2)配备一温度传感器(13)。
15.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，反应腔(2)配备一料位传感器(12)。
16.按权利要求1所述的固定床气化炉，其特征在于，在反应腔(2)中设置用于热解物质的盘状物。
17.按权利要求16所述的固定床气化炉，其特征在于，盘状物被旋转地驱动。
18.按权利要求16所述的固定床气化炉，其特征在于，盘状物构成为漏斗形。
19.借助根据权利要求1至18中任一项所述的固定床气化炉对散堆(21)中的固体燃料气化的方法，
a.将固体燃料从上方添加到散堆上，并且散堆朝下运动；
b.其中构成一在上方覆盖散堆(21)的薄的固体燃料层(43)，并且利用蒸汽、空气或蒸汽/空气混合物从下往上穿流散堆；
c.其中固体燃料层(43)借助换热式燃烧器(31)和/或辐射管(30)通过外部热量供给经受外热式的热解；
d.其中产生的热解气体通过加热腔(3)排出，其温度比反应腔(2)内的温度高。
20.按权利要求19所述的方法，其特征在于，反应腔(2)内的温度通过影响空气和/或蒸汽的供给来调节。
21.按权利要求19所述的方法，其特征在于，加热腔(3)内的温度通过调整加热装置(29)来调节。
22.按权利要求19所述的方法，其特征在于，加热腔(3)内的温度调节到1000℃至1250℃。
23.按权利要求19所述的方法，其特征在于，热解区中的温度调节到500℃至900℃。
24.按权利要求19所述的方法，其特征在于，热解气体在加热腔(3)中的逗留时间大于1秒。
25.按权利要求19所述的方法，其特征在于，散堆(21)的穿流和运动借助搅拌装置(16)这样调节，使得不会产生灰旋涡。
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