专利名称：生产产物气体与蒸汽的方法及实施该方法的模块化产物气体-蒸汽反应器的制作方法
技术领域：
根据权利要求1及12，本发明分别涉及一种产生蒸汽与产物气体的方法以及用来实施该方法的模块化产物气体/蒸汽反应器。
本发明的方法可以细分成第一子方法以及第二子方法；第一子方法适用于生产产物气体，而第二子方法则是用来生产蒸汽，两个子方法互相结合。其中，本发明的产物气体 /蒸汽反应气适合用来同时实施两个子方法。该第一子方法可以与导入该产物气体/蒸汽反应器的析出气体(Eduktgas)的化学-物理转化机能(例如纯化)相结合。而该第二子方法则可结合利用从该化学-物理转化而产生的废热所含的能量的功能。
背景技术：
析出气体会遭到颗粒、硫、碳氢化物及/或氯化合物等的污染。对该析出物的转化 /纯化，传统上是透过将多种反应器做复杂的组合加以达成。如此一来，由于多个反应器互相分离，其功能也互相独立，其中各个反应器各用于从该析出气体所含的杂质中移除一种成份(例如一种化学元素或粒子)的功能。就这些反应器中每一种所需付出的技术及财物成本实在不计其数，尤其是在连接以及整合不同机器以形成整体的系统时。至于在每一种反应器当中所进行的化学反应，则需要在合适的条件下进行，例如其温度与压力等条件。其结果是，使用这种装置方式，只有在相当小规模以及相当小产量之下，才会合算。
在蒸汽产生单元，利用适当的热移转装置(例如热管)将热量引入在该蒸汽产生单元内的液体，以从该液体产生蒸汽，已为周知的技术。这里所用的热管可以例如吸收由其上游侧的废气发电所产生的废热所释放的热量。
发明内容
本发明的目的在于要避免前述析出气体转化/纯化技术相关的缺点，并在工艺技术方面将该步骤与蒸汽的产生结合成为单一的反应器，该反应器在此可以称为产物气体/ 蒸汽反应器，也就是协同地将第一子方法与第二子方法结合成在单一反应器中进行的单一步骤。
本发明的目的可以分别利用权利要求1与12中所述的技术特征加以达成。至于本发明其他的优点，则定义在其附属权利要求中。
根据本发明权利要求所定义的本发明，一种呈现块状材料形式的催化剂在筒状或者管状物体(以下称为“反应管”)中作为移动式固定床移动，其移动方向与引进或馈入该反应管内的析出气体流动方向相反。其中，该析出气体流经界限清楚的温度分布中，因而在该反应管中进行催化处理。该温度分布是该温度的函数T (χ)，随着在横坐标上的位置而变， 该横坐标与该反应管的纵轴平行，并且细分成多个温度梯段。其中在各个温度梯段中，所通过的析出气体在其内发生反应的最适反应条件是可调的。本发明的方法(指第一子方法) 可以不必按照上述公知技术的做法，使用分离的各个单一的反应器，其各自的反应空间分别对应于本发明各个温度梯段。因为不使多个独立的反应器，故也不再需要连接反应器的管线，且不须用复杂的技术在该管线内维持适当的温度环境。根据本发明的该温度分布是借由隔热、加热及/或降温控制区段而达成。其中可以为每一温度梯度指定控制区段。由此可知，虽然该经控制的温度分布是梯段式的函数T (η)，其中η为各个经控制区段的代号， 其真正的温度变化T (χ)，则为可导函数。又根据本发明，在控制区段内进行降温所释出的热供应到蒸汽产生单元(第二子功能)。
虽然在权利要求2中，是指定η = 3，且沿该流动方向之T(I) >Τ(2) >Τ(3)，但本发明并不限于该等条件。该温度梯段的数量是依据在该反应管中发生的反应而定，因此并非任何基本的限制，而只是技术上的限制。
根据权利要求6的技术特征，其控制方式是特定其产物气体的组成，并利用该组成作为该温度控制及/或产量的控制变量。在经控制区段内如果发生放热反应，将会释出反应热，该释出的反应热排放将会对该反应产生有利的影响，因为根据勒沙特列原理，其结果会使其化学平衡移向右方。其总产量、在各个反应管内所进行的反应、所排出的热量等等，当然都是其技术-物理量，互相之间并无绝对关系，但最好也应该达成协调。为达此结果，可以使用多种介入控制程序的方法，例如，如果总产量是某一特定经控制区段的可变量，该变量势将成为所有其他控制区段的参数。
根据权利要求9，将该催化剂活化的方法，可以利用从同一析出气体中所得的热加以达成。而根据权利要求11，该析出气体可为例如从生物反应器的合成气体，亦即沼气，其具有足以活化(加热)该催化剂的温度。因此，本发明方法的第一子方法可以做唯一较大整体工艺的后续步骤，该较大整体工艺适用于从生物质量中产生产物气体与蒸汽。在此，举例来说，前述的生物反应器可以是所谓的热管式反应器。此外，根据权利要求9，尚可从外界， 通过该产物气体/蒸汽反应器，供应活化该催化剂所需要的热。因此，本发明的方法实质上不受该析出气体的温度限制。在这种情形下，有利的是，该控制区段所产生的废热可以间歇的或持续的供应，不是供应给该蒸汽产生系统，而是供应到另一控制区段。例如，如果沿气体流向设有控制区段Α、Β及C。则可将控制区段A(其目标温度为Ta)所产生的废热供应到区段C(其目标温度为T。)，设区段之目标温度为TB，且Tb < Ta及T。，从而从区段A到区段B 发生温度下降，但从区段B到区段C则发生温度上升。
根据权利要求10所示的技术特征，本发明的方法可以提供其他介入控制的方法， 作为在该反应管与该蒸汽产生单元间的温度梯度的一种代替，使得对于各个控制区段产生废热的利用增加自由度。由于该温度梯度的增加，可以提高从该反应管将热传导到该蒸汽产生单元的效率。其方式可例如从多个控制区段传导废热。反之，如果降低该温度梯度， 则该废热可以供应到其它用途。
总之，本发明所提出的模块化概念，不但可以用来将反应管整体与该蒸汽产生单元加以结合，也可以用来将该反应管各个控制区段，以及将各个控制区段与该蒸汽产生单元加以结合。
根据本发明，提供一种产物气体/蒸汽反应器的模块化构造，因而包括至少一个反应单元(模块)，该反应单元包括反应管及热传导装置，使热可由该反应管传导至该蒸汽产生单元。该模块化构造可产生决定性的优点，均如前对本发明的方法所做的叙述。首先， 如果该产物气体/蒸汽反应器包括至少两个反应单元，该反应单元可为相同或不同，则本发明的第一子方法是在单独的反应单元中实施。例如，根据本发明权利要求11，就可以较好地将合成气体(例如沼气)用作在一个反应单元中的析出气体。如果系统包括η个反应单元，则最多可在各个反应单元中分别进行η种独立、不同的处理。其次，如果各个反应管中包含k个控制区段，总共可以得到n*k个控制区段。因此，根据高斯所发现的求积公式，在各个控制区段间总共可以得到n*k(n*k+l)/2种连接方式。其结果代表一种网路，可以展现复杂的控制技术，且可变性极高。第三，各个反应单元也可以分别加以“去活化”，也可以加以互换。例如，用来进行维修，或者做结构的改变。
所使用的温度控制单元个别可以部分地包围各个反应管，如权利要求13所示。如果要使该各个反应管区段达成均一的温度上升或下降，该温度控制单元较好做成环形，而完全围绕该反应管。有利地，该环适于被分割，以便于将该环装置在该反应管上。另一种方式则是，将温度控制单元包围各个温度控制元件，形成环状结构，但在该反应管的周边方向中断。举例来说，该温度控制装置可以包括根据权利要求14的导热构造。
移送该催化剂床的方式基本上可以使用重力达成，如权利要求15所示。也可使用移送装置，如权利要求18所示。如果是使用重力，可以使用相对应的材料闸加以移送，如权利要求16所示。该材料闸可例如为多孔圆盘水闸，也可使用蜗杆驱动器，均如权利要求17 所示。其产能，亦即该催化剂对时间单位的移送量可加以控制。例如可将该反应管作成从上到下倾斜的形式，或较好使用垂直的形式。根据本发明，也可以使用一蜗杆驱动器，不但可以规制使用重力移送之催化剂量，根据本发明权利要求19，其本身也可作为一移送装置。 在此情形，不但可以提供移送功能，同时也可用来规制该催化剂的移送量。另外，在此情形也可视需要设计该反应管的三度空间形状。另一种方式则是不使用该蜗杆驱动装置，而使用其它的移送装置，只要能够达成以可控制的方式移送可浇灌块状材料即可。只要将该反应管稍微倾斜，就可以达成将上述两种方法结合的目的。亦即，可以将该反应管稍作倾斜， 另外使用一移送装置，用来克服摩擦力的抵制。如果该块状材料是置放在第二端，并使「该催化剂床座于其上方」，则其转动速度会与产量，即该催化剂床在该反应管内的移动速率成正比。因此，该产量或该移送速度就可以作为控制变量使用。反之，如果是将该材料闸置放在该第一端，则移送的数量是以其转动速度加以规制，但该催化剂床从该材料闸向下游的移动(在该反应管中)，则是由重力定律决定，因此会维持不变。
根据本发明权利要求12，该反应管的形状以及朝向并非完全固定，只是大体上形成长形或环形，但根据本发明权利要求20的技术特征，该反应管则是由长形与弯曲的区段形成或组成。根据本发明，这种设计基本上同时适用于以重力移送以及以移送装置移送的场合。而在前者的方式中，该催化剂的重量所产生的移送力，存在该反应管的垂直区段中， 以及由上到下形成倾斜的区段中。该力量必须足以在该反应管的水平区段，或者较不倾斜的区段移送催化剂床，也必须能够克服摩擦力。在后一种情况中，例如在反应管只向水平方向延伸的情形，最好能够以该催化剂床的转动来达成移送，才能形成移动的流化床。
由以上说明可知，该温度分布以及该催化剂在单一温度区域内的停留时间(与该产量，即移送速度密切相关)，对于该析出气体的转换效率的高低而言，至关重要。因此，根据本发明权利要求21的反应器，包括一气体探测器，用于侦测该转换效率，其方式是侦测该产物气体的组成，该组成作为控制变量。因此可以例如将测得的组成(控制变量)与目标数值(基准变量)比较，并将所得的控制差值送到控制驱动器，例如电位计，作为启动信号，以分别改变温度控制装置或其温度控制单元的电流强度。如此一来即可将该析出气体的流速整合到该控制回路中，成为负载干扰变量。但须注意的是，在各个温度区域中所发生的化学反应不同，因此例如，所要驱动的温度控制单元由该产物气体的组成所决定。另一种做法则是，将该产物气体的组成与目标值比较，并根据该控制差值改变温度控制的基准变量。如此一来就必须要提供另一个温度控制器，包括对应的温度测量等元件。无论如何，要获得所需的产物气体组成，很关键的是要建立该析出气体流速、该催化剂的条件及移送速率、温度范围等之间的关连性，同时不受该析出气体中杂质的组成与种类的影响。
权利要求22的技术特征(权利要求23进一步加以限定)提供对沿该析出气体流方向的温度下降的定义，作为温度分布。可以使该温度下降趋近于线性变化，而与各自相对应的温度控制单元大小相关，其中最高温度是出现在该反应管的析出气体入口附近。这种做法有利于对该析出气体所含热量的最适利用。在此，数值“温度区域”具有沿该反应管长度方向的数值。特别是单一的温度区域可能包括多数的温度控制单元，而将相对应反应管区段的温度控制在例如固定温度或者温度梯度。
权利要求M的技术特征提供对于本发明反应器高度的灵活性与维护能力。因为所提出的模块化构造容许更换个别模块，用来进行例如修理，并提供能适应现场条件的形状。特别是在这种设计下，可以很容易设置成具有降温区段及升温区段的温度分布。此种模块化设计已在以上说明中提及，并包括单一反应管的个别控制区段，以及在一大型整体系统内的单独反应单元。
当然，本发明的反应器含有相对应的装置、进出料口、进料及卸料管线，用来使如上所述的结构能够发挥功用，而其等的实施方式对在此行业具有通常技艺的人士而言，应非困难。
根据权利要求沈，是将催化剂在反应管中作为析出气体固定床加以移送，其方向与在反应管中的催化剂的辅助下进行催化处理的析出气体流向相反，其中该析出气体通过预定的温度分布。该温度分布是建造成三维空间的多个温度区域，分别提供不同的高温范围，各高温区段对于该析出气体所要进行的处理所属的特定反应，提供最适的反应条件。本发明的方法可以不须使用如前所述的单一、互相分别的反应器，分别提供反应空间，用来对应于本发明的各个温度区域。由于不须使用多个独立的反应器，故也可不必使用相对应的连接管路，更可以免除要在该等管路内维持适当温度环境所需的复杂技术。
根据权利要求27，该反应单元可以集成到该蒸汽产生单元，亦即可将多个反应单元中的各个反应单元集成到该蒸汽产生单元，以使本发明的产物气体/蒸汽反应器也可作适应空间条件的设计。集成到该蒸汽产生单元之后，另外可以产生一优点，就是使得从对应的控制区段将热传导到该蒸汽产生单元的效率能够提高到最高。
本发明其它的特色与优点，可以从以下详细说明，并参照图式，而更加清楚。在图中 图1是表示本发明用来实施本发明方法的反应管的示意性剖面图，本发明的方法是用来通过析出气体的催化剂转化产生蒸汽及产物气体。
图1简要的显示根据本发明一实施例的反应管10的剖面图，该反应管10具有长轴12，沿该长轴的方向，该反应管10被细分成第一、第二及第三温度区域，分别具有介于 800V与600V间的高温范围，介于600°C与400V间的中温范围，以及介于400V与300V间的低温范围。
图2是表示根据本发明将多个(图中显示3个)反应管通过各自的热传导单元结合到蒸汽产生单元以形成模块化产物气体/蒸汽反应器的整体装置系统图。
具体实施例方式在图1中，区域2及区域3分别被温度控制单元14与16降温，而区域1则被该析出气体本身加热，该析出气体温度大约是800°C，且其温度是由隔热层18加以维持。
催化剂床20形成移动固定床的形式，并沿图中箭头22的方向从该反应管10顶部的第一端移送到位在该反应管10底部的第二端移动。其移动速度可以使用一材料间对加以调整。该析出气体从该反应管10的下方沿箭头沈所示的方向馈入该反应管10，该箭头 26代表该析出气体的馈入线。该析出器体再从该工艺条件的另一侧，由相对应的线路观排出，成为产物气体。该析出气体的流动方向与该催化剂床20的移动或移送方向相反。
在区域1中，具有长键并形成环形的碳氢化合物在该析出气体中所含的蒸汽帮助下改质，也就是转变成一氧化碳与氢。该气相物体中所含的颗粒保持在该催化剂床中，并提供所谓深床式过滤器的功能。在其后的区域2中，该气体经过降温，达到前述的温度。而在区域3，含在该析出气体中的硫经过吸收，化学键结，而该析出气体则转化成烷类。用过的催化剂可以通过连续补充方式或者移送该催化剂床20而使用新的催化剂取代。
为了控制该产物气体的组成，用连接到路线观的气体探测器30测量其组成，作为控制变量。将测量值与基准变量F比较，所得的控制差值提供给控制单元32，控制单元32 根据该控制差值，通过适当的致动元件，启动该温度控制单元14与16。在图1中，该控制回路以虚线示意性地表示。
图2示意性地显示了将3个反应管10-1到10-3加以连接后形成的整体装置。图 2中，各反应管10-1到10-3经由单向箭头“= >”所表示的热传导单元34-1到34_3分别连接到蒸汽产生单元36，以形成根据本发明的模块化产物气体/蒸汽反应器，其中反应管 10-i与热传导单元34-i (i = 1，2，3)共同形成反应单元。如图2所示，各个反应管10-i都细分成多段控制区段，而其界限则如图中虚线所示，各控制区段则以字母A-H表示。各控制区段A-H分别对应于一个温度区域，其内的温度可由指定在该温度区域中的控制单元加以控制。各个反应管10-i都包括馈入线路沈，用来馈入析出气体，另有一排出线路观，用来排出析出气体。在第2图中，馈入线路沈与排出线路观都分别以箭头表示，用来指示其气体的流向。该移动式催化剂床20的移动方向则以上方及下方的箭头22分别标示。如图2 所示，反应管10-1与10-2各自包括3段控制区段A-C以及D-F。而反应管10_3则只包括2 段控制区段G及H。当然，图中各个反应管10-i所包括的控制区段数量只是用来例示而已。 图2另外简要地、例示性地用双箭头‘W 40表示了在同一反应管(10-1)内的2段控制区段间传导热量的热传导装置；以及通过双箭头iW 42显示了用来在不同反应管(10-2与 10-3)的控制区段之间传导热量的热传导装置。从图2中可见，热传导装置34-1只连接到一个控制区段(即该反应管10-1的上方控制区段A)，而热传导装置34-2也只连接到一个的控制区段(即该反应管10-2的中间控制区段E)。但热传导装置34-3则连接到该反应管10-3的上方及下方的控制区段G与H。根据本发明的实施例，上述的连接(热传导路径) 都包括适当的配置(均未图示)，用来产生及停止各个元件之间的热传导。
热传导装置34-i远离各该反应管的尾端向该蒸汽产生单元36开放，由此将热量释放到液体介质44，以将其转化成其蒸汽状态。如此产生的蒸汽则由相对应的气体排放出 46排出，并供应到其它应用。
虽然本发明已经利用其较佳实例说明如上，以使发明内容更易理解，但须了解，本发明可以利用各种不同方式加以实现，并不会脱离出本发明的范围。本发明应理解为应包括各种可能的实施例，以及已经揭示的实施例的可能方式，并不会因此而超出所附权利要求所定义的发明范围。
元件符号表 10⑴反应管 1210的长轴 14温度控制单元 16温度控制单元 18隔热层 20催化剂床 22该催化剂床的移动方向 24材料闸 26析出气体馈入线路 28产物气体排出线路 30气体探测器 32控制单元 34-i热传导单元 36蒸汽产生单元 38产物气体/蒸汽反应器 40热传导装置 42热传导装置 44液体介质 46气体排出口
权利要求
1.一种在反应单元内通过催化转化析出气体以产生蒸汽及产物气体的方法，该反应单元包括反应管，该方法包括以下步骤-将催化剂床移送经过该反应管；-以与该催化剂床的移送方向相反的方向将析出气体馈入该催化剂床；-通过对该反应管的控制区段进行热隔绝、加热及/或降温，控制沿该反应管的温度分布；及-将在降温一个控制区段时产生的废热从该反应管传导到蒸汽产生单元。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，该温度分布包括沿该析出气体的流向并按此顺序连续的第一温度区域具有第一、较高温度范围，其后的第二温度区域具有第二、中间温度范围，且其后的第三温度区域具有第三、较低温度范围。
3.如权利要求17的方法，其特征在于，该第一、较高温度范围在800°C与600°C之间，该第二、中间温度范围在600 V与400 V之间，且该第三、较低温度范围在400 V与300 V之间。
4.如权利要求2或3的方法，其特征在于，该析出气体的焦油成份在该第一温度区域中经过改质，该析出气体在该第二温度区域中降温，且该析出气体在该第三温度区域中烷类化，并且同时硫被该催化剂从该析出气体中吸收移除。
5.如权利要求1-4项中任一项方法，其特征在于，该催化剂床提供从该析出气体中滤出固态颗粒的功能。
6.如权利要求1-5项中任一项方法，其特征在于，该产物气体的组成是确定的，且该产物气体的组成是用来作为对该温度控制及/或其产量的控制变量。
7.如权利要求1-6项中任一项方法，其特征在于，所使用的催化剂含有镍、钴及/或元素周期表第VIII族的贵金属作为活性成份。
8.如权利要求1-7项中任一项方法，其特征在于，该反应单元包括热传导装置，用以将废热由该反应管传导到该蒸汽产生单元，且蒸汽是在该蒸汽产生单元从其内所供应的液体产生。
9 如权利要求1-8项中任一项方法，其特征在于，催化剂的活化是通过从外界及/或从该析出气体释放而供应到该反应管的控制区段的热加以达成。
10.如权利要求1-9项中任一项方法，其特征在于，在该反应管与该蒸汽产生单元之间的温度梯度是可调节的。
11.如权利要求1-10项中任一项方法，其特征在于，该析出气体为合成气体，特别是沼气。
12.—种用以实施如权利要求1-11项中任一项方法的模块化蒸汽/产物气体反应器， 包括-蒸汽产生单元；及-至少一个反应单元，包括反应管及热传导装置，使热可从该反应管通过该热传导装置传导到该蒸汽产生单元；-该反应管包括-第一端及第二端，其中该催化剂床是由该第一端移送到该第二端；-催化剂入口，位于该第一端上；-催化剂出口，位于该第二端上；-析出气体入口，位在该第二端，用以馈入一析出气体； -产物气体出口，位在该第一端，用以排出产生的产物气体；及-温度控制装置，包括多个沿该反应管设置的温度控制单元，用以利用热隔绝、加热及 /或降温该反应管的控制区段，而产生温度分布。
13.如权利要求12的反应器，其特征在于，该多个温度控制单元至少部分地围绕该反应管。
14.如权利要求12或13的反应器，其特征在于，该温度控制装置包括热管装置。
15.如权利要求12-14项中任一项的反应器，其特征在于，该反应管为下落管，该催化剂床是可浇注的，且该催化剂入口设置在该下落管的第一、上方端，而该催化剂出口则位于该下落管的第二、较低端。
16.如权利要求15的反应器，其特征在于，该反应管包括材料闸，用以利用重力控制该催化剂的移送量。
17.如权利要求16的反应器，其特征在于，该材料闸为多孔圆盘水闸或蜗杆驱动器。
18.如权利要求12-14项中任一项的反应器，其特征在于，该反应管包括移送装置，用以移送该催化剂床，且该移送装置控制移送量。
19.如权利要求18的反应器，其特征在于，该移送装置为蜗杆驱动器。
20.如权利要求12-19项中任一项的反应器，其特征在于，该反应管是由长形及弯曲的区段所形成。
21.如权利要求12-20项中任一项的反应器，其特征在于，该反应器具有用于侦测该产物气体组成的气体探测器，且该产物气体的组成是控制变量。
22.如权利要求12-21项中任一项的反应器，其特征在于，该温度控制装置所产生的温度分布包括沿该析出气体的流向并按此顺序连续的第一温度区域具有第一、较高温度范围，其后的第二温度区域具有第二、中间温度范围，且其后的第三温度区域具有第三、较低温度范围。
23.如权利要求22的反应器，其特征在于，该第一、较高温度范围在800°C与600°C之间，该第二、中间温度范围在600 V与400 V之间，且该第三、较低温度范围在400 V与300 V 之间。
24.如权利要求12-23项中任一项的反应器，其特征在于，该反应管可包括多个模块， 各模块均由管区段及至少一个温度控制单元组成，该温度控制单元用于热隔绝、降温或加热。
25.如权利要求12-24项中任一项的反应器，其特征在于，该催化剂含有镍、钴及/或元素周期表第VIII族的贵金属作为其活性成份。
26.如权利要求12-25项中任一项的反应器，其特征在于，该反应器包括多个互相平行设置的反应单元。
27.如权利要求12-26项中任一项的反应器，其特征在于，该反应单元集成到该蒸汽产生单元中。
全文摘要
本发明揭示一种产生蒸汽及制造产物气体的方法，该方法是使馈入气体在反应器单元内作催化反应而进行，该反应器单元包括反应管。本发明的方法包括下例步骤将催化剂移送通过该反应管；使该馈入气体流入到该催化剂床，其流动方向与该催化剂床的移动方向相反；通过对该反应管内的控制区段进行热隔绝、加热及/或降温沿该反应管调整出温度分布；及将在一个控制区段中因降温操作所产生的废热，由反应管传导到蒸汽产生单元。该馈入气体可为合成气体，特别是沼气。
文档编号B01J8/00GK102186574SQ200980141245
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月19日 优先权日2008年10月20日
发明者A·施魏格尔, T·霍赫莱特纳, J·卡尔, T·基恩伯格 申请人:海特默研究有限公司