[发明专利]用于移动床热处理反应器和移动床过滤器的组合的方法及装置

说明书

技术领域

本发明一般涉及一种为在具有几何结构的移动床反应器中对碳素材料（carbonaceous material）进行热处理提供基础条件的方法和装置，移动床反应器的几何结构允许移动床反应器同样用作移动床过滤器，从而尽量减少流出移动床反应器的气流所携带的颗粒。

背景技术

生物质（biomass）和其他碳素材料（如泥炭、煤炭、轮胎、塑料）的热化学转化（如碳化、气化、热解）可产生固态、液态和气态的产物，这些产物常用于各种能源与化工生产应用中。这些工艺反应较快，因此大量的原料可在很小的设备中进行快速转化。由于这些和其他优势，加上碳素材料作为原料被广泛应用，这些工艺对于满足日益增长的能源和化学品的世界范围的应用变得很重要。

在以下的论述中，“气流”指的是流体，可包括气体、蒸汽，还有颗粒（此处的颗粒指的是液滴和固相颗粒）和其他材料。同样地，此处的“气体”可包括气体、蒸汽、颗粒、气溶胶和其他材料。“热处理”指的是碳化、气化、热解、液化或者其他相关的热化学反应和工艺，并认识到快速热解工艺是一种专业的气化方法。也应注意到，尽管本发明的重点是生物质（biomass）工艺和快速热解工艺，但同时本发明的技术也可结合其他工艺和气流使用。

尽管用于快速热解工艺的装置有很多，但快速热解需要的基础条件在世界范围内为人所知，如美国专利No.5961786中的记载。这些基础条件包括：

1）一个提供相对缺氧的反应环境的封闭反应器；

2）非常快的原料加热速率，可高达1000000℃每秒；

3）可控的较高反应温度，反应温度通常在350℃-800℃的范围内；

4）可控的较短反应/停留时间，停留时间通常介于0.03-2s范围内；

5）蒸汽的快速骤冷，通常在2秒内冷却到350℃以下，来尽量减少二次分解的时间，二次分解的发生会降低液体产物的生产率并可能得到不良产物。

与之对比的是，慢速热解工艺具有相对较高的气体与焦炭产率，当以木材为原料时，会产生一种二相、高粘性的油/焦油。相反地，一种设计巧妙的用于处理木材原料的快速热解系统会具有较高的液体产率以及相对较低的焦炭与气体产率。此外，以木材为原料的快速热解会产生一种单相、相对低粘度的液体。尽管此处以木材作为原料的例子，但也可以使用其他碳素原料。

已经研究了很多不同类型的反应系统，以用于快速热解应用。如美国专利No.5961786中记载，这些反应系统包括旋风烧蚀反应器、真空热解、螺旋热解反应器、流化床热解反应器、传送床热解反应器、移动床热解反应器。

旋风烧蚀反应器（Cyclonic ablative reactors）

将原料颗粒注入旋风烧蚀反应器系统中，原料颗粒围绕旋风的热表面移动而被烧蚀加热，最终汽化，然后立即将蒸汽注入骤冷装置。这种方法在小规模使用时效果好，但当扩大规模时，这种方法受到限制，因为穿过反应器壁的传热速率有限并且随扩大规模而带来的复杂性。

真空热解（Vacuum pyrolysis）

真空热解系统利用真空将蒸汽从反应原料颗粒的表面迅速地清除。及时的蒸汽清除缓解了对极快速传热的需求。当扩大规模时，真空工艺的问题在于，很高的附加负载要求、与扩大规模有关的内在困难、固体颗粒流动不充分的可能性以及工业规模的经论证化学转化工艺的普遍缺乏。

螺旋反应器（Auger Reactors）

螺旋反应器的卧式气缸或槽内通常具有一个或多个螺旋单元，来在热缸壁上输送原料和使原料循环，从而烧蚀加热原料。螺旋反应器结构较简单而又较为廉价。

因螺旋反应器内不具有一些类型的载热介质，螺旋反应器受到尺寸的限制，因为反应器壁的用于传热的表面有限。增加翅片或者其他突出物，或者使用中空的加热螺旋单元，并没有充分克服这些传热限制而能够进行大规模的工业应用。

而在使用热载体的情况下，爱荷华州立大学经过研究提出，热载体与原料的质量比在20:1的范围内是合理的，这明显低于传送床反应器的常规质量比。

流化床反应器

流化床反应器利用在封闭立式容器中的一层惰性且相对较小的颗粒，该层颗粒通过从下方吹过所述颗粒层的气体而液化。反应床可由在固体颗粒层中流体化的气流（气流流道直接从外部进入流化床）进行加热，或者通过其他方式加热。通过由流体化的气体和流化床颗粒的烧蚀给原料颗粒的直接热传递而实现热解。