专利名称：用于气化含碳填料的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，用于气化含碳填料如煤焦油、焦油砂、塑料废料、造纸和制纸浆的残渣、石化工业残渣、电子行业废料和粉碎机粉碎物轻质部分(Schredderleichtfraktion)，特别是用于气化生物填料，如农产品废物、能量植物(Miskantus)或者碎木屑。该装置特别用于产生热值为至少8000到10000kJ/m3的可燃气体。
上述填料的能源性利用目前很大程度地局限于燃烧上。气化方法主要使用在制造热值低于6000kJ/kg的贫煤气上。但是这样的燃气不适合例如用于燃气透平或燃料电池中。
为了制造热值为8000到10000kJ/m3的燃气，必须进行所谓的异热(allotherme)气化。为此，必须向待气化的填料输送足够的外部热量，使其达到500至900℃高的温度水平，迄今这在技术上很费事。
一个广泛应用的主要气化方法是流化床方法。利用此方法，较小型的设备也可以经济地运行，但不能产生高热量的燃气。为了在流化床中进行异热气化，目前主要研究了以下方法和设备。
巴特勒(Batelle)气化器在巴特勒气化器(两级流化床气化)中，用于流化床的反应热在外部的流化床燃烧中产生。通过热砂床的更换实现热传递，因此在技术上很费事。参看Peter Jansen，再生原材料和有机废料的热气化；联邦农业局科学院报告，不伦瑞克，1997年。
DMT气化器在DMT气化器中，气化所必需的热量的主要部分这样产生，即为了流化，使用温度为750℃的过热水蒸汽。为了气化生物质，额外需要将热交换器管穿过流化床布置，1150℃温度的烟气流过该管道。根据目前的知识水平来看，利用这样的装置要达到10000kJ/kg的热值是几乎不可能的。根据这种原理工作的装置已由文献US 5,064,444和US 5,439,491公开。
因此，为了提高化学转化率，研究了通过使用脉冲燃烧器提高流化床的输入热量，如在文献US 5,306,481中公开的那样。此方法可以从原理上提高输入热量并从而提高化学转化率，化学转化率对于异热气化是必要的。但使用脉冲燃烧器是相当昂贵的。
此外，从US 4,160,720中已知一种用于气化焦油砂的装置，其中，借助于导热管(Heat-Pipes)实现反应室中的热传导。在这种装置中，焦油砂流过反应床和燃烧区。由于热解燃气与烟气混合，降低了燃气的热值，这种燃气不适合直接用于燃气透平和燃料电池。
因此，本发明的任务在于，提供一种用于气化含碳填料、特别是生物填料的装置，该装置保证一种简单的结构和安全的工作方式，并且，利用该装置能够产生热值为至少8000到10000kJ/m3的可燃气体。本发明进一步的任务还在于，提供一种特别适合于这种装置的流化床反应器。
本发明任务通过根据权利要求1所述的一种装置和根据 10所述的一种流化床反应器实现。
被增压的流化床气化室具有一个用于装填待气化填料的耐压炉门。流化床气化室通过一个连接通道与一个过滤室连接，从而，所产生的气体可以从流化床气化室流出到过滤室中，在那里，气体被引导穿过滤层。通过一个外部热源提供异热气化所必需的热量。借助于一个导热管装置(Heatpipes)将热量从外部热源导入到流化床气化室的气化床中，以提供气化所必需的温度。
按照本发明的一个优选实施形式，该外部热量借助燃烧、特别是在流化床燃烧室中的燃烧提供。
为了使滤层不由于从可燃气体中过滤出来的物质而增厚，增长的滤层的一部分被不断地通过固体燃料流动通道排出到燃烧室中。因为过滤出的物质(灰烬和焦碳颗粒)一部分还是可以燃烧的，它们会在燃烧室中燃烧。为此，燃烧室优选通过一个向上朝过滤室指向的固体燃料流动通道与过滤室连接。为了将材料从过滤室输送到燃烧室中，在固体燃料流动通道的下端部段具有一个虹吸装置。
按照一个更优化的构造，滤层的排出通过固体燃料流动通道下端部段上的一个第一排放装置实现。在此，固体燃料流动通道最好是竖直的，但总是被这样倾斜和确定尺寸，使得在固体燃料流动通道下端部段自由排放时固体燃料在自身重力作用下向下滑下。
优选在固体燃料流动通道的上端部段上设置一个第二排放装置。该排放装置用于重新堆叠滤层和/或使滤层松散。
通过技术人员已知的控制与调节技术措施并特别经过测量气体压力推算出，为了得到最佳效率，必须什么时候和以什么样的频率操作排放装置。
本发明特别的优点在于，根据压力比的调整，或者可以产生较多的燃气，或者可以产生较多的烟气(热量)。优选借助于一个烟气调节装置来实现对所希望的燃气/烟气比的调整，例如通过烟气排出通道的横截面变化来实现，这种横截面变化通过一个烟气活门达到。
根据权利要求7的一个改进方案，在空间上，流化床气化室安置在过滤室的上方，过滤室安置在燃烧室的上方。这种布局产生具有较好能量平衡的一个非常紧凑的结构。
根据权利要求8的一个改进方案，设置了一个附加的热交换器装置，它吸收排出的烟气的余热并传送给产品气，这也同样改善了能量平衡。
根据权利要求9的一个改进方案，在导热管的热交换器段上安置了热交换器筋条。这些热交换器筋条被这样成形，使得与由流化装置产生的流体流和流体涡流达到这样的作用关系，即，被流化的微粒相对于其原来的流动方向被横向加速。这样实现了流化床良好的横向混合，微粒在流化床中的停留时间延长，气泡被良好地分散，从热交换器筋条到流化床的热传递明显改善。通过此还可以实现一种紧凑的结构形式。
根据权利要求10所述的流化床反应器特别适合使用于一种装置中，这种装置用于根据本发明用含碳填料生产可燃气体。在该流化床反应器中设置了一个容纳流化床的反应器容器。设置了流化装置，它们将流化床的一个预先确定的区域流化。为了在该区域中送入或供给附加的热量，安置了热交换器装置。热交换器装置与流化床之间的热传递越好，设备的效率就越高。为了改善该热传递过程，热交换器装置的热交换器段作为特殊的热交换器筋条构成，它们被这样成形和安置，以使得与由流化装置产生的流体流和流体涡流达到这样的作用关系，使得被流化的微粒相对于其原来的流动方向被横向加速，由此，改善了流化床的横向混合，延长了微粒在流化床中的停留时间，同时明显改善了从热交换器筋条到流化床的热传递。
通过使用这样的流化床反应器，在功率相同的情况下，由于热传递改善，可以实现较小并且成本较低的结构尺寸。这种流化床反应器不仅可以安装在用于用含碳填料生产可燃气体的装置的燃烧室中，也可以安装在这种装置的可燃气体反应器中。
要强调的是，给出这种特殊热交换器筋条的具体尺寸是不可能的，也是没有意义的，因为技术人员只要结合具体的流化床反应器就可以得到其最优方案。因此，在个别情况下可能使用很特殊地构成的热交换器筋条，它们甚至可能在有些情况下不一样地、非对称地构成，如果这样能够实现前面所述的微粒偏转并具有与此相关的积极效果。
热交换器筋条的优选形状在权利要求11和12中给出。这些形状可以很好地制造。
根据权利要求13，热交换器筋条与热交换器段可松开地连接。该实施形式具有一系列的优点因为例如在其中进行燃烧过程的流化床由于较高的温度并结合流化床中的砂，对内装部件产生强烈的磨损作用，热交换器筋条与此特别有关，就是说，它们承受大的磨损。因此，磨损件具有可更换性是非常经济的。
根据权利要求14，安装了导热管(Heatpipes)。技术人员清楚，仅通过热交换器筋条的特殊构型与流化床结合就能实现本发明所要达到的积极效果。特殊热交换器筋条与导热管的组合可以再次实现在同样功率的条件下更加小的结构尺寸。
下面借助两个实施例结合附图详细解释本发明。
图1表示本发明的第一实施形式的一个剖视图，图2表示本发明的第二实施形式的一个剖视图，图3表示上部排放喷嘴的作用，图4表示下部排放喷嘴的作用，图5表示在一个热交换器装置的热交换器段上的螺旋形热交换器筋条的立体视图，图6表示叶片状构成的热交换器筋条的立体视图，图7表示图6所示热交换器筋条的功能的立体视图，图8表示设置在水平安置的热交换器段上的热交换器筋条。
图1示出本发明的第一实施形式。一个第一管状容器1在它的上端部段1a上具有一个耐压的炉门2，用于装填用箭头象征标示的待气化填料3。在容器1的下端部段1b中设置了一个流化床燃烧室4，蒸汽输入喷嘴和/或空气混合气输入喷嘴5伸入其中。为了点火、也就是说为了点燃，在燃烧室4内部安装了一个用于吹送可燃气体的燃料输送喷嘴6，用所述可燃气体点燃流化床燃烧室4。
一个第二管状容器7被同心地安置在容器1中，并且从上端部段1a延伸至流化床燃烧室4。该容器7在其上端部段7a上与炉门2密封地连接。在容器7的下端部段7b上安置了一个用于导出获得的可燃气体9的可燃气体出口8，它不与容器1的内室连通。
在容器7的上段中安置了一个流化床气化室10，在下面进行阐述。
流化床气化室10是一个上面敞开的、管状的容器11。容器11这样安置，使得通过炉门2装入的填料3落入到容器11中。在容器11的下端部段11a上设置了一个带孔底板12，在其下方安置了一个用于导入过热水蒸汽的水蒸汽输入喷嘴。在带孔底板12上方安置了一个用于加入燃料的燃料输入喷嘴15，所述燃料为了点火和可能为了控制气化是必需的。
流化床气化室10被这样同心地安置在容器7中，使得留出的环形间隙16具有一个预先确定的横截面。
在容器7的下段中安置了一个过滤室17，在下文中进行阐述。
过滤室17由第二管状容器7的一个壁段7c和一个安置在可燃气体出口8上面的过滤室带孔底板18组成。固体燃料流动通道19管状构成，并且从过滤室17穿过过滤室带孔底板18一直延伸到流化床燃烧室4中，在此，固体燃料流动通道19的下部段19a向上弯曲。在该段19a中伸出一个向上指向的下部排放喷嘴20，其功能以后阐述。另一个向上指向的上部排放喷嘴21安置在固体燃料流动通道19的上部段19b中。
导热管22(Heat-pipes)从流化床燃烧室4经过过滤室17一直延伸到流化床气化室10，在此，导热管22伸入到流化床燃烧室4中的端部段吸收热量，伸入到流化床气化室10中的端部段又在那里放出热量，以产生所要求的气化温度。
在本实施例中，在导热管22伸入到流化床气化室10中的端部段上设置了螺旋形的热交换器筋条23，这样，通过向上指向的蒸汽和床层材料流(Bettmaterialstroemung)产生一个横向加速度，通过此，不仅可以分散所产生的气泡，而且可以实现气化床中的横向混合，通过横向混合，延长了固体燃料颗粒在气化床上的停留时间，从而提高了气化时的转化率。此外，热交换器筋条23与气化床之间的热传递也大大改善。
下面对气化过程进行说明具有填料3的气化流化床借助通过带孔底板12输入的过热水蒸汽被流化，这样，保证了流化床与通过炉门装置装填的固体燃料良好地混合。流化床气化的基本工作方式是技术人员已知的，因此在这里不作详细阐述。
从导热管22的热量输入端22到流化床的高额热传递保证了流化床气化室中的高额热量输入。输入的水蒸汽的高度过热额外地保证了为了热解，能够在气化床中保持500℃至700℃之间的温度，为了气化，能够保持高至800℃的温度。这样的高温首先导致燃料释放出挥发性成分，并且最终导致被释放的碳氢化合物(均匀的水蒸汽气化)和残余焦碳(不均匀的水蒸汽气化)的转化。水蒸汽过量有利于使首先形成的带有水蒸汽的一氧化碳转化成二氧化碳和氢气，通过此，额外提高了对于在燃料电池中的利用很重要的氢气成分量。
在流化床气化室10中产生的可燃气体9按照可燃气体箭头9所示的方向，通过环形间隙16被输送到过滤室17中，在过滤室17中，首先分离出焦碳颗粒和灰烬颗粒。在可燃气体9流经过滤器固定床时，可燃气体与还没有转化的水蒸汽发生反应，通过此，在残余焦碳催化作用的支持下，转化率进一步提高。
可燃气体9的一部分通过固体燃料流动通道19流入流化床燃烧室4中，另一部分经过过滤室带孔底板18直接流入到可燃气体出口8中，以输送给一个外部用户。两股可燃气体流的分配由可燃气体在固体燃料流动通道19中的压力损失确定，此外还通过过滤室17中、可燃气体出口8的管路中和流化床燃烧室4中的压力水平确定。
通过将滤床床层材料(Filterbettmaterial)脉动式从固体燃料流动通道19的段19a中排出，实现将灰烬颗粒和残余焦碳颗粒从过滤室17的滤层上输出到流化床燃烧室4中。为此，排放喷嘴20起作用。
为了将床层材料从固体燃料流动通道19中排送到过滤室17的滤层中，通过排放喷嘴21吹入蒸汽，参看图3。这样可实现，床层材料堆积式覆盖已沉积的灰烬和残余焦碳颗粒。
被输送到流化床燃烧室4中的可燃气体9与在滤床上分离出的煤焦油和残余焦碳成分一起燃烧。此处释放出的热量的一部分被传送给导热管22的热量吸收段，它将热量导送给流化床气化室10。
剩余的热量作为可被感知的热量与烟气24一起被从流化床燃烧室4中排出并且在用于制造热蒸汽的该装置之外被使用。所述热蒸汽全部或部分作为气化和流化剂被送回到该装置中。
在本实施形式中，在流化床燃烧室4中和在流化床气化室10中附加安置了用于导入液体或气体燃料的喷嘴6和15。这些喷嘴主要用于在点火过程中装置的高温加热，以便例如能够使用液体的生物燃料或者能够利用在外部过程中产生的可燃气体或液体燃料。这特别在下述情况下具有意义，例如，在与气化装置连接的燃料电池工作时在中间连接的分离过程中分离出氢，并且在可燃气体中包含的其它成分(一氧化碳、甲烷和较高的碳氢化合物)应被输送回去以产生热量。
为了产生热水、饱和蒸汽或者过热蒸汽，可以将蒸汽发生器管、例如作为加肋管或浸入式加热面全部或部分地也集成在流化床燃烧室中。
此外要提到的是，流化床燃烧室具有一个传统的灰烬排出装置。
图2示出本发明另一个实施形式。在此实施形式中，流化床气化室10、过滤室17和流化床燃烧室4并列安置，并且同样通过导热管22热联接。用同样的标号标示同样的功能元件。对于与第一实施形式一致的功能，省略了再次的解释，因此，参阅对图1的说明。
通过耐压的炉门2加入待气化的填料3，并且如在第一实施形式中一样气化。可燃气体9通过通道16′流出到过滤室17中，流过过滤室17并从可燃气体出口8中被过滤后排出。所述可燃气体的一部分通过固体燃料流动通道19被导送并在流化床燃烧室4中燃烧。
如在第一实施形式中一样，在固体燃料流动通道19的端部段19a中设置了排放喷嘴20和21。
图3示出上部排放喷嘴21的功能。箭头表示材料怎样形成涡流和被重新堆积。
图4示出下部排放喷嘴20的功能。箭头表示过滤器材料怎样被从过滤室中排出以及怎样被输送到燃烧室用于燃烧。
最后还要提到的是，借助于排放喷嘴20和21实现的材料排送特殊方式可以通过一个机械的排送装置代替。但这种排送装置、如螺旋式输送机比排放喷嘴昂贵，并且在绝大部分运行条件下易受干扰，因此使用排放喷嘴的方案是优选的。
下面借助于附图5至图8说明导热管热交换器段上的加热或制冷筋条的不同实施形式。根据本发明，所述加热或制冷筋条特别适合于流化床反应器，从而也特别适合于流化床气化室10和流化床燃烧室4。
图5示出一个热交换器装置的一个端部段24，特别是以导热管22的形式在端部段24上安置了叶片状构成的热交换器筋条25。
图6示出一个管状热交换器装置或者说一个导热管22的一个端部段24，在其上安置了螺旋形的热交换器筋条23。
图7示出在流化床26中的、带有螺旋形的热交换器筋条23(如图6)的热交换器装置22的管状端部段24，流化床26例如由燃料微粒28组成，气泡30在其中上升。箭头32表示燃料微粒28和气泡30向什么方向偏转。流化床26安置在一个反应容器中，该反应容器相当于图1中的管状容器7。侧面还示出了图1中的外部容器1。因此，图7表示的是图1的一个局部细节。
通过这种侧向偏转，流化床被均匀化。同时，燃料微粒28较长时间停留在流化床中，从而完全燃烧。在其它的反应、例如气化中，也希望填料有较长的停留时间。通过侧向偏转，微粒与热交换器筋条23之间具有一个很好的热接触，通过此，显著改善了热传递并从而提高了效率。
图8示出一个流化床反应器的一个剖面，带有具有热交换器段24的水平安置热交换器管22，在其上安置了热交换器筋条34。热交换器段24水平地伸入到流化床26中，流化床26被安置在一个反应容器36中。反应容器36包括一个底板，该底板作为具有孔40的带孔底板38构成。通过孔40并借助箭头42表示了一个流化装置。
在本实施形式中热交换器筋条34被倾斜安置，其中，热交换器筋条34的倾斜方向在位于其上方的热交换器段24上被改变。因此，微粒28和蒸汽泡30交替地向左或向右偏转，这样产生一个较好的横向混合。技术人员清楚，在倾斜安置热交换器段24时应按照本发明的教导设置热交换器筋条34。
权利要求
1.用于由含碳填料、特别是生物填料通过异热水蒸汽气化产生可燃气体的装置，其中，该装置具有以下特征一个被增压的流化床气化室(10)，具有一个用于装填待气化的填料(3)的耐压炉门(2)，一个过滤室(17)，其通过一个连接通道(16，16′)与流化床气化室(10)连接，一个外部热源(4)和一个导热管装置(22)，它吸收来自外部热源(4)的热量并在流化床气化室(10)中将热量传送给气化床。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于外部热源(4)是一个燃烧室，特别是一个流化床燃烧室(4)，并且具有一个烟气排出管道(24)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述燃烧室、特别是流化床燃烧室(4)通过一个向上指向过滤室(17)的固体燃料流动通道(19)与过滤室(17)连接；固体燃料流动通道(19)具有一个下端部段(19a)，其与燃烧室(4)连接；固体燃料流动通道(19)具有一个上端部段(19b)，其与过滤室(17)连接；并且，在下端部段(19a)上安置了一个虹吸装置。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于在下端部段(19a)中安置一个第一吹送装置(20)，以借助抽吸作用受控制地将固体燃料优选脉动地从过滤室(17)的滤床送出到燃烧室(4)的燃料床中。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于在固体燃料流动通道(19)的上端部段(19b)中或在过滤室(17)中安置一个第二吹送装置(21)，以受控制地将过滤室(17)的滤床重新堆叠和/或松散。
6.根据前述权利要求2至5之一所述的装置，其特征在于在烟气排出管道(24)中设置一个烟气调节装置，用于调整烟气与产品气的比例。
7.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于流化床气化室(10)安置在过滤室(17)上方，过滤室(17)安置在燃烧室(4)上方。
8..根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于设置一个附加的热交换器装置，它将排出的烟气(24)的余热吸收并传送给产品气。
9.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于导热管(22)的热交换器段(24)具有热交换器筋条(23；25；34)，它们被这样成形和安置，以使得与由流化装置产生的流体流和流体涡流达到这样的作用关系，使得被流化的微粒(28)相对于其原来的流动方向被横向加速，由此，改善了流化床的横向混合，延长了微粒在流化床中的停留时间，气泡(30)被良好地分散，并且，从热交换器筋条(23；25；34)到流化床(26)的热传递明显改善。
10.流化床反应器，特别是用于根据前述权利要求之一所述的装置中，具有一个反应容器(7；36)，用于容纳一个流化床(26)，其借助于流化装置(38，40，42)在一个区域内被流化，以及带有热交换器段(24)的热交换器装置(22)，它们被安置在被流化的区域内，其特征在于热交换器筋条(23；25；34)在热交换器装置(22)的热交换器段(24)上被这样成形和安置，以使得与由流化装置(38，40，42)产生的流体流和流体涡流达到这样的作用关系，使得被流化的微粒(28)相对于其原来的流动方向被横向加速，由此，改善了流化床(26)的横向混合，延长了微粒(28)在流化床(26)中的停留时间，气泡(30)被良好地分散，并且，从热交换器筋条(23；25；34)到流化床(26)的热传递明显改善。
11.根据权利要求10所述的流化床反应器，其特征在于热交换器筋条(23；25；34)螺旋形或叶片状地构成。
12.根据权利要求10所述的流化床反应器，其特征在于在水平安置的热交换器段(24)上，热交换器筋条(34)相对于流化装置(38，40，42)的吹送方向倾斜地倾斜安置，其中，热交换器筋条(34)的倾斜方向不同于相邻安置的热交换器段(24)。
13.根据前述权利要求10至12之一所述的流化床反应器，其特征在于热交换器筋条(23；25；34)与热交换器段(24)可松开地连接，其中，这种连接具有良好的热传递性。
14.根据前述权利要求10至13之一所述的流化床反应器，其特征在于热交换器装置(22)具有导热管(Heatpipes)。
全文摘要
提供一种用于气化含碳填料、特别是生源填料的装置,其保证简单的结构和安全的工作方式。此外,提供一种适合于此的流化床反应器。按照本发明,被增压的流化床气化室包括一个用于填装待气化填料的耐压炉门。流化床气化室通过一个连接通道与一个过滤室连接,从而,所产生的气体可以从流化床气化室流出到过滤室中,在那里,气体被引导穿过滤层。通过一个外部热源提供为异热气化所必需的热量。借助一个导热管装置将热量从外部热源导入到流化床气化室的气化床中,以提供气化所必需的温度。
文档编号C10J3/56GK1354778SQ00808583
公开日2002年6月19日 申请日期2000年6月9日 优先权日1999年6月9日
发明者于尔根·卡尔 申请人:慕尼黑工业大学热动力设备教研室