[发明专利]两段高温预热蒸汽气化器

说明书

发明领域

本发明通常涉及用于由粗含碳进料生产合成气以及可选的活性炭的两段高温蒸汽气化器，且更具体地涉及能够同时气化粗固体含碳进料和细固体含碳进料或液体含碳进料的气化器。本发明还涉及使用具有两个反应器的两段气化器来气化粗含碳进料，以生产合成气以及任选的活性炭的方法，其中未向第一段反应器进给氧气，仅进给了温度为至少700℃的预热蒸汽。

发明背景

气化是使用反应剂如单独或任意结合使用的空气、蒸汽和氧气，将固体进料如固体煤、石油焦、生物质和/或固体废物，液体进料如黑色液体油或气态进料，转化为主要由氢气(H₂)和一氧化碳(CO)组成，含少量二氧化碳(CO₂)、水(H₂O)、甲烷(CH₄)、高级烃类和氮气(N₂)的燃料气的高温热分解过程。

所述热气化过程是高度吸热的化学反应。用于给所述气化供热的常用方法采用以下方式之一：a)外部热源，如热焦炭(char)再循环的显热，和/或受热气化剂的显热，b)部分进料(输入的含碳材料)氧化的反应热，以及c)非含碳材料如生石灰与CO₂的放热反应热。

输入的含碳材料的部分燃烧技术的引用已经被广泛采用。使用该技术时，产生了不可燃的气体CO₂，并且由于未将它去除，导致形成稀释的合成气，且所得合成气的LCV(低热量值，干气体物质的燃烧值的度量)受到限制。此外，部分燃烧(氧化)产生的CO₂的存在致使其它气体物质的小分压，这不利于其它有价值的气化反应，诸如例如水煤气变换反应。因而，所述合成气内的氢气含量受到负面影响。

近期已经考虑到使用显热来补充气化过程所需的主要能量的想法，并且显示出正面的结果。例如，US 2004/0060236A1教导了用于将固体燃料气化为热解气的经济的小规模气化系统，其中将蒸汽与空气的加热混合气与所述热解气一同导入重整器中，产生重整的高温粗气。空气与蒸汽的混合气优选被加热到至少300℃，且更优选至少400℃。任何类型的换热器或加热器均可用作加热所述空气与蒸汽的混合气的空气/蒸汽加热装置。

US 6,837,910教导了用于气化液体或固体燃料的设备和方法，其中将蒸汽和空气的热混合气导入所述固体或液体燃料的热分解区与热分解气的重整区两者中至少一者内。空气与蒸汽的混合气被加热到至少700℃的温度，且更优选高于800℃。

将高达1000℃的高温空气/蒸汽/氧气用于生物质/废物气化过程的其它已知系统也已经得到应用(Lucas C.，Szewczyk D.，Blasiak W.，Mochida S.，High Temperature Air and Steam Gasification of DensifiedBiofuels，Biomass and Bioenergy，Vol.27，No.6，December 2004，pages563-575)。Ponzio Anna，Yang Weihong，Lucas，C，Blasiak W.在Development of a Thermal Homogenous Gasifier System using HighTemperature Agent，CLEAN AIR-International Journal on Energy for aClean Environment.，Vol.7，No.4.，2007中提出了不含焦的富氢气体，其中所述过程仅使用温度1000℃的蒸汽、并且在约1atm的常压下进行。

在US 2003/0233788A1中，公开了用于将含碳材料气化为燃料气的方法。它包括形成温度为约1316℃到约2760℃、主要包含水蒸气、二氧化碳及其高反应性自由基的超过热蒸汽(USS)组合物。包括高温火焰的所述USS组合物与含碳材料接触，使其迅速气化/重整。所述USS通过用包含增强的氧气和水蒸气的“人造空气”来燃烧基本不含灰分的燃料来形成，其中所述“人造空气”为至少约60摩尔％。必须控制氧/燃料比，从而不生成烟灰。增强氧气在所述方法中的使用会显著提高所述方法的操作成本。

根据US 2003/0233788A1，从大约1950-1960就已经研究并商业使用了仅用蒸汽的气化方法。然而，由于蒸汽中的热量有限，仅使用蒸汽的气化方法伴随的问题包括可实现的反应温度较低，即通常低于约815℃，其中长停留时间和高能量消耗占主导。

所有上述现有技术仅使用一段反应器，或者是固定床或者是流化床气化器。