[发明专利]用于含碳物质气化中焦油降低的方法和装置

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于将含碳物质诸如生物质、废弃物、煤、有机材料等转化成产物气体的方法和装置的领域，所述产物气体是炉煤气或者合成气之一，所述炉煤气通常得自吹空气气化，所述合成气通常得自间接气化或者吹氧气气化，所述产物气体基本上不含焦油或焦油形成化合物，并且其中增加了碳转化和产物气体收率。

背景

当在气化过程期间加热含碳物质时，不同分子量的气态物质作为产物气体释放。数十年来，通过可再生资源的气化来生产产物气体已经成为研究者的焦点。对于该目的，含碳物质包括但不限于生物质、废物、煤等。

如本文所用的产物气体是氢气(H₂)、一氧化碳(CO)和其它可燃和不可燃气体的混合物，然而氢气和一氧化碳浓度被最大化，并且可以被认为是燃料气体，其中其通常直接作为燃料燃烧以产生热和/或电能，或者可被认为是用于多种用途诸如液体燃料、化学品或其它材料的合成的中间体。

产物气体中分子量大于苯(MW＝78)的含碳物质通常分类为焦油。作为最初产生的，这焦油是反应性的或有问题的，这是由于它们中的包括但不限于下述的化学官能团：任意组合的羟基、醛、酮、羧酸、链烯、炔、杂环结构，这可使它们聚合并由此引起堵塞，形成焦炭或其它固体沉淀，造成设备终止运转，或具有其它有害作用。这些反应性或有问题的焦油在产物气体中的存在已经困扰着大多数气化项目并且已经成为气化的致命伤。

含碳物质转化成产物气体的资本需求是大量的，并且可利用的方法和设备在生产效率和易操作性与维护方面仍有许多不尽如人意的地方。尽管气化方法已经实行了几十年，并且已经发明了许多许多的气化器设计，但是不存在这样的气化器，所述气化器能以商业规模产生不含焦油的产物气体，这对于将含碳物质经济上引人注目地转化成液体燃料、电能或化学品是合适的。

需要的是这样的方法和装置，所述方法和装置在很大程度上进行焦油转化，将增加产物气体产生，并将增加碳转化，并可在将防止炭灰颗粒熔化、渣化、熔结或聚集的条件下如此进行，并且可以以经济上可行的规模和成本建设。如本文所用，“焦油转化”或“焦油的转化”是指焦油物质内化学官能团的去除、修饰或转化，包括但不限于：脱氧、氢化、重整、裂化、解聚或其它化学反应，这产生问题性较少的焦油物质和/或较低分子量物质，包括诸如H₂和/或CO的气体。

如本领域已知，Ziad Abu El-Rub,Biomass Char as an In-situCatalyst for Tar Removal in Gasification Systems,PhD thesis dissertation,Twente University,Enschede,The Netherlands,March 2008，炭灰(也称为生物炭、炭、飞灰或简单地灰)可被用作转化含碳物质气化中产生的焦油的催化剂。期望的是部分氧化炭灰中残留的碳，同时避免氧化产物气体中的氢或其它有价值的组分而在产物气体中产生另外的CO，产生足够的热以支持/允许吸热性焦油转化反应，增强或提高用于焦油转化反应的炭灰的催化活性，以及最大化碳转化同时那个允许较小的反应体积或降低的反应器温度，这均导致较低的成本和更强大的操作。

发明内容

本发明的第一目的是增加产物气体收率；

本发明的第二目的是增加炭灰表面的活化以便增加其催化活性；

本发明的第三目的是“停留(拦截，hold up)”炭灰以增加过程中炭灰与产物气体的比例并且增加产物气体和炭灰接触；

本发明的第四目的是提供焦油转化所需的热而不引发或需要产物气体的氧化；

第五目的是在有利于该反应的条件下并且在导致产物气体收率增加的条件下转化焦油；

本发明的第六目的是通过提供过量的炭灰和炭灰部分氧化的多个机会，增加碳转化但同时控制碳部分氧化期间的温度；和

本发明的第七目的是利用包括空气、富氧空气(空气和氧的混合物)或纯氧在内的多个氧气源中的任何一种与不同量的蒸汽、二氧化碳或其它气体作为反应组分和/或压载。

本发明的第八目的是在负载焦油的产物气体在低炭灰浓度的环境中初始产生后减少其停留时间以防止焦油的反应，其能形成较高分子量的耐火焦油。