[发明专利]气化含碳材料的方法及气化系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种气化含碳材料的方法及一种气化系统。

背景技术

气化是指诸如含碳材料的固体或液体材料转变为气态燃料。对于化工和能源行业中的许多低排放技术而言，气化是感兴趣的问题。

含碳材料的气化从概念上可以分为两个步骤，虽然这两个步骤之间不可能有明显的区别。

当含碳材料（固体）被加热，从含碳材料中释放出包括含碳材料中的水分的气体和蒸气（“挥发物”）的混合物，留下固体残余物（“焦化物（char）”）。然后，挥发物和焦化物均与诸如H₂O和O₂的气化剂反应以形成产品气。

诸如褐煤、泥煤、生物质和固体废物的低等级的含碳的燃料尤其适合于气化，这是由于它们高的气化反应性。然而，这些的低等级的燃料有几种特性，这些特性在设计和操作用于气化低等级的燃料的气化器时是必须考虑的。

首先，低等级的燃料通常具有高挥发物的产率，例如对于某些类型的生物质而言是80（重量）％或更多（干基）。挥发物的焦油状组分的完全转化在气化器的设计中是最重要的考虑因素之一，因为焦油的去除是繁琐和昂贵的。

其次，低等级燃料往往含有分散良好的碱金属和碱土金属（AAEM）物质，在热解和气化过程中，这些物质能够很容易地挥发。在气化产品气中挥发的AAEM物质能够造成气涡轮机/发动机部件的腐蚀/侵蚀。挥发的AAEM物质也可以与流化床气化器的床料（如砂子）反应，导致床料的团聚和去流化。另一方面，如果这些AAEM物质保留在焦化物中，它们可以是焦化物气化的优良的催化剂。

第三，来自低等级燃料的焦化物和挥发物非常活泼。焦化物和挥发物之间的相互作用能够提高它们固有的金属物质（例如，褐煤中的Na和生物质中的K）的挥发，使焦化物结构失活，从而降低了焦化物的反应性。在最坏的情况下，挥发物与焦化物的相互作用实际上可以终止焦化物的气化。当存在挥发物与焦化物的相互作用时，提高气化温度不总是引起气化率显着提高。实际上，挥发物与焦化物的相互作用几乎影响气化的每一个方面。

氧的消耗是设计和运行气化器以实现高效率的一个重要考虑因素。在许多气化器中，作为比焦化物更活泼的挥发物往往会优先与O₂反应，留下较不活泼的焦化物用蒸汽和其他气化剂使其缓慢地被气化。一个更理想的情况是，较不活泼的焦化物与O₂反应，而用蒸汽和其他气化剂使更活泼的挥发物被转化。

粗制产品气会含有微量的焦油、已挥发的无机物（如碱）和污染形成物质（如NH₃、HCN、H₂S）。粗制产品气通常需要被净化，然后才能够作为例如涡轮机/发动机的气态燃料或作为用于化学合成的原料被利用。从气化产品气中去除诸如焦油状物质、AAEM蒸气、颗粒和H₂S/NH₃/HCl的各种不希望有的组分通常增加了气化工艺整体的复杂性，并且成为气化投资和运营成本整体的一个重要的部分。当通过液体（例如，水）洗涤去除这些不希望有的物质时，产生必须用很高的花费进一步处理的液体废物流。可以采用各种常规的催化剂使焦油转化。但是，这些催化剂往往很容易失活。

因此，有需要使技术进步。

发明内容

依照本发明的一个方面，提供一种气化含碳材料的方法，所述方法包括以下步骤：

热解所述含碳材料以生产挥发物和焦化物；

将所述焦化物与所述挥发物分离；

气化所述焦化物；

转化所述挥发物以生产产品气；以及

使部分转化的挥发物和/或产品气通过产品气净化区，诸如催化剂床。

使部分转化的挥发物和/或产品气通过催化剂床导致几个效果，这些效果包括对焦油残余物和诸如无机污染物的其他杂质的去除，以及通过进行水煤气反应，提高所述产品气的氢含量，从而生产清洁的产品气。

所述催化剂床可以包括焦化物或焦化物负载的催化剂的移动床。移动床可以是焦化物或焦化物负载的催化剂的非等温的移动床。焦化物或焦化物负载的催化剂可以由含碳材料（包括加入催化物质的含碳材料）的热解和/或部分气化来制备。在一实例中，该过程包括这样的步骤，即将用过的焦化物或焦化物负载的催化剂从催化剂床排出并气化所述用过的焦化物或焦化物负载的催化剂以回收(recuperate)它们的能量值。也可以将用过的或部分用过的焦化物或焦化物负载的催化剂作为是养分源的土壤改良剂而返回到田地并且/或者用于生物固碳(carbon biosequestration)。