专利名称：底部进料-向上排气的气化系统的制作方法
背景技术：
发明领域本发明涉及固体有机物质的气化。更具体的说，本发明涉及气化有机固体物质生产用于发电的可燃气体和/或从热解的有机物中回收化学组份的过程。
现有技术的讨论在现有技术中，干馏有机固体物生产可燃气体的气化过程是众所周知的，它需要利用至少一部分有机物的燃烧热来维持热解反应。被气化的有机物一般从反应器的顶部送入气化反应器。含氧气体比如空气在有机物下面，送入热反应器中形成燃烧区，气化过程的残渣在其中燃烧产生气化反应所需的热量。送入的空气强制来自燃烧区的热气体向上通过有机物本体。加热了的空气和气体导致有机物干馏，并按如下反应式产生氢气、一氧化碳和包括碳水化合物气体在内的其他含碳气体
如果其中想要的产品是可燃的气体产品并且适用于内燃机、锅炉、涡轮机或加热设备，则在该有效的气化装置中，燃烧产品中的游离碳应该尽可能少或有效地控制为零。并且二氧化碳也应该尽可能少。
热气化反应器设计的重要方面是使新输入的有机物和来自燃烧区的热空气和气体密切接触以促进有效的气化，同时使含碳固体产物有效地从气化区转移至燃烧区，含碳固体产物在燃烧区为生产热反应所需热量提供燃料。在气化反应器的操作条件下，许多有机物能形成大的烧结块渣块，它们可阻止物质通过反应器，并且阻碍运动部件(如搅拌器)运动。
在美国专利4,445,910(1984)中，Zimmerman公开了一种特别适合加工如木屑之类的纤维素废料来生产气体和焦炭的热解系统，其中原料向上加入到反应器室的底部，而空气由反应器室侧壁沿径向加入。同时也公开了一种用于净化产物气体的系统。尽管Zimmerman的系统可有效加工如木屑这样的细碎原料，但颗粒较大或易形成烧结块的原料不适于加入到Zimmerman反应器，这是由于受到固体排除机械中构型的限制。Zimmerman系统旨在进行的热解过程，并不是本发明的气化过程，这是因为Zimmerman反应器的结构不能使焦炭反应成灰。
在美国专利4,614,523(1986)中，Soares公开一种适合加工废木材和废生物料的降流式气化器，此气化器带有向下的空气输入喷管和一个反应器冷却夹套。然而，Soares系统结构复杂，使用某些原料时，气体出口易受产品气流携带的焦油和细粒沉积物的堵塞，并且许多细物将限制空气流过床层。
在美国专利4,971,599(1990)中，Cordell等人公开一种生物物料气化器，原料向上加入到反应器底部。在Cordell等人的反应器中加工某些原料时，设置的炉栅易导致由烧结块引起的堵塞。
在固体物气化和热蒸馏系统中遇到的另一个问题是处理携带细粒和焦油的气体流出物。必须除去焦油和细粒并使气体冷却下来才能使之成为可用于回收能源的产品，细粒和冷凝的焦油易堵塞导管、冷却器和分离器。在美国专利4,069,133(1978)中，Unverferth公开了一种清扫热蒸馏装置的顶部导管，并将冷凝的焦油和细粒送回流程中的旋转螺旋组合件。为了除去气流中的焦油和细粒，并使之返回蒸馏装置，在蒸馏装置气体流出物出口处，Unverferth的装置并不采用任何有效的冷凝和净化设备。Zimmerman的4,445,910号专利公开了一种采用广泛的气液接触装置的典型气体纯化系统。这些系统具有规模大、能耗高、复杂、液耗高、蒸发液体负荷大、易堵塞及维修困难的缺点。
本发明的气化系统解决了前述的气化系统中这样和那样的缺陷，本发明的气化热反应器提供了加工各种原料的能力，这些原料包括木材、生物料、市政固体废料、脱水垃圾渣、报废橡胶制品比如旧轮胎、塑料、工业废料、医药/医院的废料和油页岩的馏份。本发明系统可保证原料连续向上通过导管到达热反应器中央段的中心。当螺旋进料器系统将原料输送到进料点时，原料通过暴露在燃烧区中的固体之中的导管壁而被预热。预热的原料由接着输入的原料强制向上进入气化区，在那里原料形成有层次的加料，并与来自燃烧区的向上热气和气化反应的热细粒产物接触。当原料由反应器中心向上向外运动的同时被分解成粉尘，导致输出的气体流出物中焦油和油含量比其他已知的气化器少。搅拌器保证了热细粒产物与热气间的有效接触，导致原料的气化和热细粒产物向热反应器侧壁的净运动。当细粒物最后达到侧壁时，它已转化成粉尘，并因重力作用而下落。因为在这一阶段原料发生完全挥发，并且产生的气体被部分挥发，所以由热反应器输出的气体流出物中焦油含量比已知的气化器少。细粒物和粉尘的热混合物沿着侧壁在进料导管的周围和燃烧区空气输入喷管之间下降，由于空气输入喷管的独特设计，不需要传统的炉栅。空气输入喷管从一个总管径向地向内，总管与反应器侧壁的内表面一体化，起炉栅的作用。但由于喷管在反应器壁附近的间隔更宽，因而烧结块能很容易地通过喷管结构。在反应器中心附近形成的烧结块缓慢向外移向侧壁，在喷管之间落下。通过热的总管和喷嘴时预热的气体由喷管向下导入燃烧区。粉尘从反应器的下段除去，并且利用一个机械破碎器来破碎和粉碎那些阻碍粉尘除去的烧结块和渣块。用搅拌器也可以促使粉尘流动。本发明的反应器避免了使用炉栅，而在Cordell等人的4,971,599号专利中，炉栅易受下降固体物中的烧结块堵塞，同时本发明也避免了如Soars 4,614,523号专利使用顶部进料系统时，排出生成气流的复杂性。在本发明的反应器中，提供了固体运行的直接和敞开路径，然而Zimmerman的4,446,910号专利与此相反，它们复杂的固体运行路径阻碍了加工大块原料或易产生含粉尘的烧结块或渣块的原料。
本发明的系统提供了不必直接与液体接触而能有效地使气体流出物冷却和净化的方法，这一点与Zimmerman的4,445,910号专利中不一样，由此形成一种更有效可靠的气体处理系统。它既不增加蒸发液体的气体负荷，也不发生液体循环和喷雾设备的堵塞。本发明高速旋转的刷式气体分离器和刮削器组合能有效地从间接冷却的气流中除去焦油和细粒，避免了上面讨论的直接与液体接触的问题。冷却可以采用内部装设的冷却管或设备外壁的冷却夹套实现。尽管在现有技术中，已知采用过用于气体分离的刷式部件，例如可参见Hollingsworth的美国专利2,998,099(1961)和2,922,489(1960)及Moore的美国专利5,111,547(1992)，但本发明的高速旋转刷和器壁刮削器新颖的组合在本发明的困难的焦油和细粒环境中提供了高效的气体分离。本发明的装置可自行净化，因为冷凝的焦油和细粒在高速旋转的硬毛部件上聚集并在达到一定的体积和质量时，由于离心力的作用由硬毛甩至净化器侧壁上，刮削器于其中除去积累的物质，然后落到分离器底部以便除去。还可把分离出的焦油和细粒再循环到反应器中，减少副产物，提高本发明系统的效率。自动控制系统确保本发明的热反应器的安全和有效操作。
为了冷却离开机械分离器的气体流出流，在本发明系统中提供了一种已知结构的冷却组件，为了避免冷却流体直接加入到气流中，冷却组件是间接换热型的。
为了进一步除去产物气流中残留的固体和凝聚的细粒或气溶胶，提供了一种新型的静电沉积器。因为其中的收集电极形状为非旋转的圆柱形刷，并且在静电沉积器中电极是悬挂的独特方式，即电极的一端从支撑臂的一端垂直下悬，而支撑臂另一端浸在控温的油浴中，并且借助于穿过油浴底部的绝缘体与电源相连，从而使本发明的静电沉积器能自行清扫，带电的细粒在沉积器的外壁聚集，并由于重力作用沿壁流到沉积器底部的收集点，这样就导致了收集电极的自行清扫。刷式静电收集器部件的使用，在Stickel的美国专利2,780,009(1957)中的干燥器里已经公开过，但Stickel没有提及本发明的可由重力作用引起自行清扫的悬挂系统。在Sarver的美国专利3,111,024中展示了一种直立悬挂刷式气体分离器，但它是不带静电的，并且有气体回流，还在它的清扫循环中采用振荡器。在本发明系统中可分别从冷却组件和静电沉积器的底部收集载有焦油和细粒的凝聚物，并可分离和除去冷凝的水，将焦油、油和细粒再循环到热反应器中。
发明概述本发明涉及一种用于气化各种固体有机物生产有用的产品气体的系统，它克服现有技术气化系统的气体净化和冷却问题以及造成堵塞的固体的堵塞问题。
本发明的目的是提供一个有机固体物的气化系统，该系统不存在因被处理固体物引起的堵塞。
本发明的另一目的是提供一个气化系统，它利用生成气的间接冷却，避免了蒸汽负荷和堵塞或处理循环液体喷射系统的复杂问题。
本发明的又一目的是提供一个气化系统，它在预热固体和空气进料方面维持热效率。
本发明再一目的是提供一个气化系统，它使得可调节并平衡空气流速和原料进料速度，同时尽量减少炭和二氧化碳的生成，并尽可能提高产品气体量和质量。
对本领域技术人员来说，只要看一下下面的描述或通过实践本发明的学习，本发明的其他目的、优点及新颖性将变得很明显。本发明的目的和优点可以通过所附权利要求中特别指出的设备和组合实现和达到。
按照本发明的目的，为达到以上目的和其他目的，如同在此具体化和概括描述的一样，本发明可包括(a)一个带有逐渐变细下部的圆柱形热反应器，下部优选为圆锥形或倒金字塔形，装有一个空气总管，空气总管具有向下的空气进料。空气进料支承着进入的固体废料，固体废料由螺旋进料系统由下送入，由出口向上进入空气总管之上的热反应器的中央段，中央段与空气总管间隔开，(b)一个带有空气输入量控制器的空气总管注入系统，(c)一个烧结块破碎器系统，它绕水平轴线旋转，破碎气化反应产生的大固体颗粒副产物，(d)一个旋转搅拌系统，在空气总管和螺旋进料出口的上方运转，(e)螺旋进料器，它所具有的旋转部分终止于出口下的一个预定距离处并且未达出口，产生一个封口阻止产品气的损失，(f)一个反馈和控制系统，它检测反应器中的固体物高度，并且根据空气的流量、原料消耗速度调整和平衡螺旋进料器进料速度；(g)一个反馈和控制系统，它检测产品气体的压力，并调整空气注入量和进料速度维持稳定的产品气体压力，(h)一个反馈和控制系统，它检测反应器温度，并调整进料速度和空气和/或水注入速度优化工艺过程，(i)一个机械净化器，它采用高速旋转的金属刷和一个同心同轴的刮削器件收集沉积在净化器壁上的细粒，细粒由离心力作用而从金属刷转移到净化器壁上，(j)一个静电沉积器系统，它采用带电金属刷从产品气体中分离细粒和气溶胶，(k)一个电绝缘的沉积器刷支承系统，(1)一个间接换热冷却器，在机械净化器和静电沉积器之间冷却工艺气体，(m)一个循环螺旋进料器，机械净化器收集的固体物送回热反应器中，和(n)一个循环导管，它将冷却器和静电沉积器中凝聚的焦油和油送回热反应器中。
附图的简要说明附图包括在本说明书中并构成说明书的组成部分，它说明本发明的一个实施方案，并与说明一起解释本发明的原理。
图1说明本发明整个气化系统10的垂直剖面简图。
图2是说明图1的螺旋进料器的详细垂直剖面图。
图3说明图1的热反应器的详细垂直剖面图。
图4a说明图3的空气输入总管的垂直剖面图。
图4b说明图3的空气输入总管底面的详细平面图。
图5说明图1的机械净化器的详细垂直剖面图。
图6说明图1的机械净化器A-A剖视图。
图7说明图5中机械净化器翅片管冷却笼(finned tubingcooling cage)的详细垂直剖面图。
图8说明图1中静电沉积器静电绝缘和悬挂系统的详细垂直剖面图。
图9是本发明的气化系统局部垂直剖面图，说明固体和气体进料的自动控制系统。
发明的详细描述为了将废产品转变为可燃的气体或可燃的固体物，本发明提供了一个气化系统，它采用进料系统、气化反应器、机械净化器、冷却组件和静电沉积器。废产品被送入一个密封的反应器容器中，并在高温下搅拌。反应器的空气入口由三个不同的反馈系统组合控制，达到废料的部分氧化，产生携带有细粒的气体流出物。气体流出物附加的设备机械净化、冷却和静电净化产出洁净的燃烧产品气体。为了增加气体产量，从气化反应器气体流出物中除去的细粒、焦油和油再循环至热反应器中。从气体流出物中除去的水被排放掉。
各种固体或半固体的有机原料，只要其本身或混合在一起每磅至少有5,000BTU的热值则都可以用于本发明。这些可用的原料包括已分 的市政和商业废料、碎纸、废木材、污水中的油泥、废轮胎、农业废料、自动纤维梳散机的“绒毛"、油漆渣、煤、油田废料和烃污染的土壤及油页岩等。在本发明系统中，液体废料可以与固体混合后再进行处理。
根据原料的性质不同本发明系统可用于发电的低BTU气体，或者各种副产物，例如柴油和沥青物(来自于轮胎或油页岩)、氨(来自于许多原料)、液化气如氢、氮、二氧化碳(来自于许多原料)和各种其他化合物。
现在参考图1、图2和图3，它们分别说明本发明气化系统的垂直剖面图和螺旋进料器系统和热反应器的详细垂直剖面图。本发明的气化系统10由螺旋进料器系统12供料，螺旋进料系统12不仅接收废原料，还接收循环的固体物、焦油和油，对气化系统10加料。螺旋进料器12包括一个切头倒金字塔形的顶部进料器料斗14、向下送料至一个具有传统设计形式的箱式闸斗仓16，然后到达一个斜向的主螺旋进料器18。
热反应器20具有圆锥形壁23的倒圆锥形下部22和具有圆柱形壁26的圆柱形上部24。热反应器20上部用盖板28密封，热反应器20的下部接在粉尘排放螺旋运送器30和闸斗仓(没有展示)上。圆柱形上部24包括上段32和中央段34。下段36包括在圆柱形上部24的下部和圆锥形下部22中。空气输入总管38包括径向延伸的空气输入喷管40，它与圆柱形壁26的内表面形成一个整体，把中央段34与下段36分开。粉尘烧结块碎破器44位于圆锥形下部22中，在粉尘螺旋排放器30的上方。反应器出口48位于盖板28中。反应器导管50在反应器出口48处与热反应器20相连。
主螺旋进料器18穿过圆锥形壁23、下段36，并且通过螺旋进料器出口52沿着中心轴线向上进入中央段34排放物料。物料搅拌器54位于中央段34中，在螺旋进料器出口52上方，并且与螺旋进料器出口52间隔开。为了维持热反应器20中的压力并防止气体流出物损失，粉尘螺旋排放器30和闸斗仓(没有展示出)密封。
反应器导管50含有内部旋转刷58，由位于反应器导管50弯管62处的液压管净化器传动装置60驱动。也可以使用其他适合的传动装置，比如电驱动。反应器导管50在位于机械净化器70的圆柱形底74的切向入口72处与机械净化器70相连。机械净化器70包括位于底74切向入口72上面的下部圆锥形段76和圆锥形段76上面的上部圆柱形段78。盖板82构成机械净化器70的顶。机械净化器70底部排出管84开口，使固体物可通过固体物螺旋回送管85循环回到进料闸斗仓16。
机械净化器70具有高速旋转金属刷式部件86，部件86在轴90上装有硬毛88。金属刷式部件86在上部圆柱形段78里的静止翅片冷却笼92里以大约3000转/分的速度旋转。谐波平衡器93为一个圆盘形的金属部件，它连在轴90下端，在高速运转期间，它减轻刷式部件86的振动和抖动。上部的刮削器刷94以低速在翅片冷却笼92的外侧旋转。上部的刮削器刷94清扫上部圆柱段78的内侧，而下部刮削器刷96清扫机械净化器70的下部圆锥段76的内侧。高速刷86及由安装在盖板82上的液压电机98驱动。低速的上部刮削器94和下部刮削器96从机械净化器70的圆柱形底74以大约1转/分速度由电机(没有示出)驱动。机械净化器70的开口的底部排出管84与固体循环导管100连通。锅炉-管式散热水夹套(boiler-tube-type heat dissipating waterjacket)102和104分别包围着热反应器20和/或机械净化器70，作为撤热的辅助设备。
机械净化器导管106把机械净化器70的出口108与间接冷却组件120在入口122处连接起来。冷却组件120包括已知结构的流体冷却的间接换热器(没有示出)。冷凝水通过冷却器排放口124和排放管126离开冷却组件120。冷却组件120的气体出口128类似地通过冷却组件导管128在圆锥形底132的切向入口134处与静电沉积器130相连。
静电沉积器130用圆锥形底132构成，底132支承着用密封板138盖着的圆柱形壁136。静电沉积器130也具有绝缘和悬挂的固定刷140，固定刷140中，硬毛142安装在从绝缘和悬挂系统146悬出的轴144上，绝缘和悬挂系统146固定在静电沉积器130的密封板138上。为了进一步冷却，冷却夹套139包围着圆柱形壁136。产品气体通过产品气体出口148离开系统10，并进入产品气体导管149，产品气体出口148在静电沉积器130的圆柱形壁136上，正好位于密封板138的下方。
静电沉积器130的沉积器底132通过冷凝物排放口150和焦油/油/水导管152与已知结构的焦油/油/水分离器154相连。焦油/油/水分离器154通过焦油/油循环导管156在焦油/油循环出口158处与主螺旋进料器18相连，构成焦油/油循环回路160，焦油/油/水分离器154包括导入到排放导管163的水排出口162。
再详细参考图2，它说明图1中螺旋进料系统的详细垂直剖面图。螺旋进料系统12的主螺旋进料器18用作进料导管，连至三个原料源与闸斗仓16相连的顶部进料器料箱14、焦油/油循环回路160和固体循环回路100的固体物螺旋返送管85。闸斗仓16在螺旋进料器的下部起点166处与主螺旋进料器18相连。焦油/油循环回路160在焦油/油循环口158处与主螺旋进料器18相连。固体物螺旋返送管85在固体物循环入口168处与主螺旋进料器18相连。在主螺旋进料器18里旋转的主螺旋进料器叶片170终止于未达螺旋进料器出口52(见图1)的指定距离(约螺旋进料器叶片直径的1.5倍)处。
详细参考图3，它说明图1中热反应器20的详细垂直剖面图。热反应器20的圆锥形下部22的底172包括粉尘螺旋排出器(ash discharge auger)30。在圆锥形部分22内，粉尘烧结块碎破器44位于粉尘螺旋排出器30的上方，并与它间隔开。空气总管38和空气进口174靠近热反应器20的圆柱形上部24的底，将中央段34和下段36分开。耐火衬177可以位于圆柱形上部24内壁上，并可以用耐火砖砌成。原料搅拌器54和径向排列的搅拌器叶片178位于空气输入总管38和螺旋进料器出口52的上方，并与它们间隔开。在一个优选实施方案中，刮削器叶片179清扫热反应器20的上段32的内壁，叶片179连接在原料搅拌器54的转动轴180，并由旋转轴180驱动，旋转轴180以大约1～2转/分的速度旋转。热反应器20的圆柱形上部24的盖板28包括反应器出口48和驱动轴180的搅拌器液压驱动电机55。
参考图4a和4b，它们分别说明图3的热反应器的空气输入总管系统的详细垂直剖面图和底视图。为了清楚起见，图4a没有显示某些喷管，空气总管系统38通过空气进口174提供空气或其他含氧气体或氧化性气体。空气输入总管38包括一个矩形横截面的环形室182和由环形朝内向中心轴线辐射的多个喷管40。环形室182有多个向下的空气出口183。每一个喷管40有多个向下的空气出口184。为提供所需的空气分配和固体流动，喷管40可具有不同的长度。
参考图5，它说明图1机械净化器的详细垂直剖面图。起点在热反应器20(见图1)的反应器导管50与机械净化器70在切向入口185处相连。切向入口185是优于图1中入口72的优选实施方案，并提供回旋气流向上通过机械净化器70。直立的驱动轴186通过臂188与两套刮削器刷96相连，它们起点在机械净化器70下面的电机上(未示出)，并且由此电机驱动，刮削器刷96清扫下部圆锥形段76的内壁。刮削器刷94通过臂189与驱动轴186相连，并清扫机械净化器上部圆柱形段78的内壁。为了充分清扫上部圆柱形段78的整个内壁，刮削器刷94具有垂直交错带硬毛的部分。在圆柱形段78中，固定的翅片管冷却笼92悬挂在刮削器刷94的内侧。翅片管冷却笼92包围高速旋转刷式部件86，刷式部件86的动力来自位于盖板82上的水力驱动电机98。机械净化器70底开口至底部排放管84以将固体物排出到循环系统100(见图1)的固体物螺旋返送管85中。气体从净化器出口108离开机械净化器70。
参考图6，它说明图5(谐波平衡器、下部刮削器刷和刮削器臂没有示出)通过A-A段的平面图。上部刮削器刷94在固定的翅片管冷却笼92的外侧旋转。高速刷86绕固定的翅片管冷却笼92的内侧旋转。反应器导管50在圆柱形底74的切向口185处与机械净化器70切向相连。
参考图7，它说明图5翅片管冷却笼的详细垂直剖面图。翅片管冷却笼92有水入口190，将水送入一系列直立的散热部件192之一中。散热部件192通过环形的下部总导管194连在翅片管冷却笼92的底上，散热部件192同样通过环形上部总管196连在翅片管冷却笼92的顶上。水上升通过其余的散热部件192到达上部总管196并且通过水出口198离开翅片管冷却笼92，水出口连至上部总管196。
参考图8，它详细说明图1的静电沉积器的静电刷悬挂系统和绝缘系统。通过位于静电沉积器130顶部的绝缘悬挂系统146的导电支架200，固定的金属刷140从沉积器130(见图1)的中心悬出。在绝缘固定机械202中，导电支架200终止于沉积器130的外缘附近，绝缘固定机械202浸入油浴204中与系统的其余部分绝缘。温度传感器205起动油加热器206维持油浴在所需温度上。刷140在离圆柱形壁大约3英寸处终止。高电压/低电压(25至50KVDC)的电源(没有示出)接在导电支架200的正极，将正电荷感应到沉积器130内的固定刷140上。圆柱形壁136(见图1)接地。
参考图9，它说明操作气化系统10的自动控制系统的垂直剖面图。温度传感器210安装在热反应器20的圆柱形壁26上，安装点大约在上段32与中央段34的分界处，以便测定热反应器20中的气化过程温度。物料高度传感器212安装在热反应器20的圆柱形壁26上，安装点与传感器210间隔开，并且安装高度大约与温度传感器210相同。物料高度传感器212测定热反应器20中的固体物的高度。固体进料速度控制器214位于在螺旋进料器系统12中，以便通过控制驱动电机(没有示出)来控制主螺旋进料器18的转速。压力传感器216位于静电沉积器130的产品气体导管149的产品气体出口148处。空气入口控制器218与空气进料导管222内的空气阀220相连，空气进料导管222又与热反应器20的空气进料总管系统38的空气入口174相连。温度传感器控制线224将温度传感器210与固体进料速度控制器214连在一起。物料高度传感器控制线226将物料高度传感器212与固体进料速度控制器214连在一起。压力传感器控制线228将压力传感器216与空气入口控制器218连在一起。带有减速剂水控制阀(moderator water control valve)242的减速剂水供应导管240与空气进料导管222相连。减速剂控制线234将温度传感器210与急冷水(quench water)控制阀242连在一起。根据需要，传感器210、212和216、控制器214和218、阀242、以及控制线224、226、228和234可以用电力，气动和液压操作。
在操作过程中，废料从进料器料斗14通过闸斗仓16进入斜的主螺旋进料器18。工艺过程的固体副产物由固体循环回路100输送，也进入主螺旋进料器18。副产物焦油和油由焦油/油循环回路160送入主螺旋进料器18，或从系统中排出。废料进料系统12和粉尘排除系统30使用已知结构的闸斗仓机械(没有示出)，把热反应器20内部与外界大气隔开，维持压力和防止产品的气体损失。主螺旋进料器18在主螺旋进料器出口52之下的预定距离处终止，以使输入物质在主螺旋进料器出口52的口附近如意地聚集，进一步密封系统，与外界大气隔开。废料由空气总管38正上方、搅拌叶片178正下方并与搅拌叶片178间隔开的位置输入热反应器20，搅拌叶片178搅拌进入的物质及气化的细粒。空气由径向总管喷管40的底部进入热反应器20，并在此预热。这种进料构型产生有层次的物质层，并且促进物质层由底部向上气化。在空气总管38的径向喷管40之间的空气可使气化过程产生的残渣在通过烧结块破碎器44后降落到反应器的底部22，破碎器44使熔融的块状物或烧结块(如果有的话)成为更细的可通过团料。
当气体流出物在热反应器20和机械净化器70间通过时，细粒沉积在连接这两个设备的反应器导管50的壁上。用反应器导管50内的净化器刷56收集并循环沉积的细粒，并由反应器导管50运送细粒到机械净化器70的圆柱形底部74。反应器70顶部气体以切线方向在圆柱形底部74注入机械净化器70。当旋转的气体在机械净化器70内上升时，高速旋转刷86成为细粒和从气体中分离出的冷凝焦油的收集点。离心力输送集结的沉积物到机械净化器70的内壁。沉积在机械净化器70壁上的细粒由慢速旋转刷94除去，使细粒落到底部排出管84处。细粒薄膜连续保持在机械净化器70的内壁上，防止与慢速旋转金属刷94的金属-金属接触。本发明的一个优选实施方案包括用于从产品气体取热和撤去由高旋转刷硬毛产生的热量翅片管冷却笼92。另一个实施方案包括用水冷却夹套104覆盖机械净化器70的外壁以助于取热。
工艺气体通过冷却组件通向静电沉积器130途中，都继续冷却。产品气体离开冷却组件120后，产品气体的温度低于原先由气体携带的油、焦油和水的蒸发(露点)温度。这三种物质的冷凝物收集在冷却组件120和沉积器130的底部。在分离出水后，焦油和油返回到主螺旋进料器18里，以便由热反应器20再进行处理，或排出作为副产品使用。工艺气体在静电沉积器130中进一步冷却和净化，除去气流中的气溶胶，生产出洁净和冷的产品气。洁净的产品气经静电气体出口148离开系统。
固体物进入热反应器20的进料速度通过温度传感器210和物料高度传感器212作用于固体进料速度控制器214来控制。当反应器温度升高时，温度传感器210通过控制线224发送控制信号给螺旋进料器控制器214，控制器214作用于螺旋进料器18，提高固体进料速度，如通过降低螺旋进料器的转速。当热反应器的温度下降时，温度传感器210通过控制线224发送控制信号给螺旋进料器控制214，控制器214作用于螺旋进料器18来降低固体物进料速度。当在热反应器20中的固体物高度增加时，物料高度传感器212通过控制线226发送信号给固体螺旋进料器控制器214，控制器214降低主螺旋进料器18的固体进料速度。当热反应器20中的固体物高度下降时，物料高度传感器212通过控制线226发送信号给固体螺旋进料器控制器214，控制器214提高主螺旋进料器18的固体进料速度。当产品气体导管149中的产品气出口148处的气体压力增加时，压力传感器216通过控制线228发送信号给空气入口控制器218，控制器218作用于空气进料导管222中的空气阀220来降低空气输入总管38的空气进口174的空气进料速度，这样降低进入热反应器20的空气流速。当产品气出口148中的气体压力降低时，压力传感器216通过控制线228发送信号给空气入口控制器218，控制器218作用于空气进料导管222中的空气阀220，降低空气输入总管38的空气进口170的空气进料速度，于是也就降低了进入热反应器20的空气进料速度。当温度传感器210测量出预设的最高温时，比如表明热反应器20中反应失控的温度，温度传感器210通过急冷控制线234发送信号给在急冷水导管240中的急冷水控制阀242。在正常操作期间，水控制阀242处在关闭位置，但接收到从温度传感器210发送的指示热反应器中的最高温度信号时，水控制阀242打开，水通过水管240进入空气进料导管222，再通过空气输入总管系统38的空气入口174进入热反应器20，减缓那里的反应。水可以加到反应器中来调节气化过程。对于用低氢燃料的操作，比如用煤和轮胎操作时，水可以连续加入为气化过程提供氢源。
对于本发明的气化系统来说，典型的废固体进料速度是300-6000磅/小时，具体依据进料颗粒大小、热含量和水含量而定。固体进料优选在10-80磅/立方英尺的范围内，同时颗粒直径小于2英寸，水含量少于30％。空气输入量与固体进料量的比一般是维持在约1.6/1.0～约2.0/1.0固体物料(磅)/空气(磅)的范围内，具体取决于颗粒固体燃料。本发明系统最好是在稍微高于大气压的条件下操作，这样，比那些因操作压力高而导致设备投资大的气化系统优越。
本发明的热反应器操作温度一般为约1000°F到约2400°F，温度在热反应器内进入空气喷管40的顶附近测量。输出的产品气温度大约在50-100°F范围内，具体取决于环境温度和气体产品的使用要求。已经发现在本发明的气化系统中气化产生的产品气，比现有技术的废固体物气化器产生的产品气含有更多的甲烷，导致产品气的热值(以废木材为原料)大约是176-200 BTU/st.cu.ft，这显著高于热值大约为150BTU/st.cu.ft的典型木材气。
本发明系统的中间温度取决于固体原料和来自热反应器的粗产品气的性质。当使用各种冷却机械时，比如暴露的金属导管、冷却夹套、冷却笼和其他间接换热设备，中间温度可以按照需要控制。一般认为如果可能则希望在净化过程初期即冷却粗产品气。通常希望产品气在离开机械净化器前，维持温度的显著降低。来自冷却部件的废热可以收集起来作别的用途，以提高系统的总效率。
在本发明气化系统的一个操作实例中，对于20磅/立方英尺，BTU热值为6000BTU/磅的固体物，进料速度为6000磅/小时时，输出气体量可达2400标准立方英尺/分钟，气体的BTU值为21.6MM BTU/小时，相当于获得1800-2400千瓦时电力输出。
上述讨论的特定大小和设备仅用于说明本发明的一个特定的实施方案。可以预料，在使用本发明时，只要遵循前面描述的原则，例如在一个被下落的气化的固体包围的上升层状床中的低压气化过程、固体、粉尘和凝聚物的有效处理、气体的有效净化和气体的有效冷凝等，则可包括不同尺寸和形状的组成部分。因此本发明的范围旨在由附加的权利要求确定。
权利要求
1.一个气化系统，包括a.一个总体为圆柱形的热反应器，它有直立的中心轴线、直立的侧壁，并有一个上段、一个中央段和一个下段，所述上段具有在其上端的闭合设备(closure means)；b.将固体物送到所述热反应器的进料设备；c.预热和输送如空气等氧化气体的进料设备，其位置可将所述中央段和所述下段分开，所述预热和输送氧化气体的进料设备包括一个气体预热总管，它同所述热反应器所述中央段壁的下部一体化，并具有一个同所述的预热总管连通的进气喷管，所述预热和输送氧化气体的进料设备还包括向所述中心轴线会聚的许多径向延伸的氧化气进料喷管，喷管沿所述气体预热总管分布，并可与所述气体预热总管有流体交换，并且在其上有确定多个氧化气出口的设备；d.所述固体物的进料设备，包括一个固体物进料管，进料管有一个进口和一个出口以及在其中的旋转螺旋进料器，所述进口连至所述热反应器外的一个固体物源，所述出口位于所述氧化气进料喷管上方，其安装定向使得固体物基本沿着所述中心轴线向上被导引进入所述的热反应器的所述中央段；e.排出废固体物的设备，位于所述下段中；f.所述固体物进料管，当废固体物朝着所述废固体物排出设备下降时，所述固体物进料管与废固体处于热交换接触状态；g.粉碎熔融物的设备，位于所述废固体物排出设备中；h.确定气体流出物排出口的设备，位于所述闭合设备中；和i.净化和冷却气体流出物的设备，有效地同所述热反应器的所述气体流出物排出口相连。由此，所述的固体物通过所述进料设备输入所述热反应器，并被热分解形成携带细粒的气体流出物和固体残渣，并且由此所述携带细粒的气体流出物被引导到所述净化设备，在净化设备中从所述的气体流出物中分出细粒，并且由此所述气体流出物被引导到所述冷却设备，在冷却设备中所述气体流出物被分离为冷凝物和产品气。
2.按权利要求1的气化系统，其中所述冷却设备和分离设备包括a.一个机械净化器，有效地与所述热反应器相连；b.一个冷却组件，有效地与所述机械净化器相连；和c.一个静电沉积器，有效地与所述冷却组件相连；由此所述携带细粒的气体流出物被引导通过所述机械净化器，并且由此所述细粒从所述气体流出物中分出，所述气体流出物被引导通过所述冷却组件，进入所述静电沉积器，并且由此所述气体流出物被分离成所述的冷凝物和所述产品气。
3.按权利要求1的气化系统，其中所述下段是一个倒圆锥形壁，并且所述废固体物排出设备还包括一个粉尘螺旋排出器(ashdischarge auger)，粉尘螺旋排出器位于所述下段的底上，所述粉碎设备是一个粉尘烧结块破碎器，它位于所述粉尘螺旋排出器上方。
4.按权利要求1的气化系统，其中所述氧化气出口朝下。
5.按权利要求1的气化系统，其中所述热反应器还包括搅拌设备，搅拌设备位于所述中央段，在所述环形氧化气进料总管的上方，并且与所述环形氧化气进料总管间隔开，用于在固体原料从所述进料导管进入所述中央段时搅拌和分配所述固体原料。
6.按权利要求5的气化系统，其中所述搅拌设备包括一个旋转的搅拌器轴和许多垂直的搅拌叶片，所述搅拌器轴沿所述中心轴线布置，所述搅拌叶片径向延伸横穿所述中央段。
7.按权利要求6的气化系统，还包括位于所述上段的刮削器设备，其位置可使得它能清扫所述壁的上段的内表面。
8.按权利要求7的气化系统，其中所述刮削器设备包括许多刮削器叶片和径向的叶片支架，所述刮削器设备通过所述支架安装在所述旋转轴上，并由所述旋转轴驱动。
9.按权利要求1的气化系统，还包括温度传感设备和进料控制设备，所述温度传感设备位于所述热反应器的所述中央段以测定所述热反应器中的操作温度；所述进料控制设备对所述温度传感设备的信号作出反应，以控制所述固体物进料设备，所述进料控制设备适于在所述温度传感设备测得所述热反应器中的温度下降时，提高固体物进入所述热反应器的速度，而在所述温度传感设备测得所述热反应器中的温度上升时，降低固体物进入所述热反应器的速度。
10.按权利要求1的气化系统，还包括物料高度传感设备和进料控制设备，所述物料高度传感设备位于所述热反应器的所述中央段，并靠近中央段的顶，用于测定所述热反应器中的固体物料高度，所述进料控制设备对所述物料高度传感设备的信号作出反应，用于控制所述固体物进料设备，所述进料控制设备适于在所述物料高度传感设备测得所述热反应器的固体加料高度下降时，提高固体物进入所述热反应器的速度，而在所述物料传感设备测得所述热反应器的固体物料高度增加时，降低固体物进入所述热反应器的速度。
11.按权利要求2的气化系统，还包括压力传感设备和空气进料控制设备，所述压力传感设备用于测量产品气压力并位于与所述静电沉积器相连的产品气导管内，所述空气进料控制设备用于控制所述氧化气进料设备，所述空气进料控制设备适于在所述压力传感设备测得所述产品气的压力下降时，提高氧化气进入所述热反应器的速度，而在所述压力传感设备测得所述产品气的压力上升时，降低氧化气进入所述热反应器的速度。
12.按权利要求1的气化系统，还包括一个同所述直立壁一体化的冷却夹套。
13.按权利要求2的气化系统，还包括一个连接所述热反应器的所述上段和所述机械净化器的反应器导管，用于将所述携带细粒的气体流出物从所述热反应器送到所述机械净化器。
14.按权利要求13的气化系统，还包括位于所述反应器导管内的轴向内部旋转刷，用于保持所述携带细粒的气体流出物从所述热反应器到所述机械净化器的流动。
15.按权利要求2的气化器系统，其中所述机械净化器还包括上段和下段、一个具有直立中心轴线并形成所述上段的总体为圆柱形的侧壁和一个高速旋转的刷式部件，所述刷式部件位于所述上段沿所述轴线分布。
16.按权利要求15的气化器系统，其中所述高速旋转刷式部件是圆柱形的，具有一个高速旋转轴和从所述高速旋转轴径向延伸出并连至所述高速旋转轴的长的部件；所述高速旋转轴沿所述轴线布置。
17.按权利要求16的气化器系统，其中所述高速旋转刷式部件的所述长的部件排列布置成形成一个螺旋形，所述螺旋形有一个沿所述高速旋转轴的轴线，并可有效地有助于所述携带细粒的气体流出物由所述上段向所述下段的运动。
18.按权利要求17的气化器系统，其中所述高速旋转刷式部件还包括一个谐波平衡器和驱动设备，所述谐波平衡器位于所述高速旋转轴的下端，而所述驱动设备位于所述高速旋转轴的上端。
19.按权利要求15的气化器系统，其中所述机械净化器还包括刮削设备，所述刮削设备位于所述机械净化器所述上段，布置成能清扫所述圆柱形壁的内表面。
20.按权利要求19的气化器系统，其中所述刮削设备还包括清扫所述圆柱形壁的刮削器叶片、支承所述刮削器叶片的支承部件和一个低速旋转轴，所述低速旋转轴连在低速驱动设备上以转动所述刮削设备，导致清扫所述圆柱形壁，所述支承部件径向连在所述低速旋转轴上。
21.按权利要求20的气化器系统，其中所述刮削设备还包括刷，所述刷布置在所述刮削器叶片上，并沿着所述刮削器叶片的局部长度范围延伸，所述刷排列成沿所述刮削器叶片长度范围清扫所述圆柱形壁的整个表面。
22.按权利要求22的气化器系统，其中所述机械净化器的所述下段包括一个切头的倒圆锥形侧壁部分和一个圆柱形侧壁部分，所述圆锥形侧壁部分位于所述上段的下面，并且同所述上段相连，所述圆柱形侧壁部分位于所述圆锥形侧壁部分的下方，并与所述圆锥形侧壁部分连通。
23.按权利要求22的气化器系统，其中所述刮削设备还包括下部刮削器叶片和下部支承部件，所述下部支承部件安装在所述低速旋转轴上，所述下部刮削器叶片布置成可清扫所述机械净化器下段的切头倒圆锥形侧壁部分的内表面。
24.按权利要求23的气化器系统，还包括一个携带细粒的气体流出物的切向进口，位于所述机械净化器下段的圆柱形侧壁部分中，用于在气体流出物在机械净化器内向上运动时在气体流出物内部诱发涡流，所述进口还与所述热反应器有效连通。
25.按权利要求15的气化器系统，还包括一个机械净化器导管，所述导管可与所述机械净化器的所述上段存在流体连通，以从所述机械净化器中排出净化的气体流出物，所述机械净化器导管可与所述的冷却组件存在流体连通。
26.按权利要求20的气化器系统，还包括一个与所述机械净化器的所述上段的圆柱形壁一体化的冷却夹套和一个冷却笼，所述冷却笼位于所述上段内并同轴地在所述高速旋转刷式部件和所述刮削器叶片之间。
27.按权利要求2的气化器系统，其中所述静电沉积器包括一个总体为圆柱形的侧壁、一个电极和一个电源，所述圆柱形侧壁有一个直立的中心轴线，所述电极设置成一个总体为圆柱形的金属刷式部件，具有一个中心轴和径向延伸并基本垂直于所述中心轴的硬毛，所述中心轴沿着所述直立中心轴线悬挂，所述电源布置成可为所述电极提供正电荷，为所述圆柱形壁提供负电荷。
28.按权利要求27的气化器系统，其中所述硬毛基本上横穿所述静电沉积器延伸，并且基本上垂直于所述圆柱形壁。
29.按权利要求28的气化器系统，其中所述静电沉积器还包括一个在所述圆柱形侧壁之下的切头的倒圆锥形底、一个切向进口，所述切向进口同一个冷却组件导管相连，并可与冷却组件导管存在流体连通，所述冷却组件导管又与所述冷却组件相连，以将冷却的气体流出物从所述冷却组件引入所述静电沉积器，所述切向进口在气体流出物在所述静电沉积器内向上运动时在所述气体流出物中诱发涡流。
30.按权利要求27的气化器系统，其中所述静电沉积器还包括用于悬挂所述电极的悬挂设备，所述悬挂设备包括一个恒温控制的热油浴、连接悬挂臂和所述绝缘部件及所述电极的设备以及连接电源接头通过所述绝缘体至所述悬挂臂的设备，其中所述热油浴具有一个底和一个侧壁及与所述底相连接的绝缘部件。
31.按权利要求2的气化器系统，还包括有效地同所述机械净化器的底和所述进料设备相连的固体物循环设备，以将从所述机械净化器分出的细粒送回气化热反应器。
32.按权利要求31的气化系统，其中所述固体物循环设备包括一个与所述机械净化器和所述进料设备相连的固体物导管和一个螺旋送料器，所述螺旋送料器轴向位于所述固体物导管中，以将分出的细粒送入所述进料设备。
33.按权利要求2的气化系统，还包括焦油循环设备，所述焦油循环设备有效地同所述冷却组件的底、所述静电沉积器的底和所述进料设备相连，以将从所述冷却组件和所述静电沉积器分出的焦油、油和悬浮细粒送回所述气化热反应器。
34.按权利要求33的气化系统，其中所述焦油循环设备包括一个焦油/水分离器、一个静电沉积器排放导管、一个冷却组件排放导管、一个水排放导管和一个焦油循环导管，所述静电沉积器排放导管同所述静电沉积器的所述底和所述焦油/水分离器相连，所述冷却组件排放导管与所述冷却组件和所述焦油/水分离器相连；所述水排放导管连在所述焦油/水分离器下段；所述焦油循环导管连在所述焦油/水分离器的上段和所述进料设备之间以将从所述焦油/水分离器分出的焦油、油和悬浮细粒循环到气化热反应器中。
35.按权利要求8的气化系统，还包括急冷设备，所述急冷设备对所述温度传感设备输出信号作出反应，并且适于在所述温度传感设备测得所述热反应器中的某一预定高温时将急冷水引入所述氧化气进料设备中。
全文摘要
一个固体废料气化系统，包括一个热反应器和用于净化冷却产品气的一个机械气体净化器、一个间接换热冷却器和一个静电沉积器。原料在空气输入总管和喷管上方以向上的方向连续地加入到热反应器的中央段，形成有层次的加料。原料从反应器的中心向上向外运动的同时被分解成粉尘。其中搅拌器保证热的细粒产物和热的气体的接触，导致原料的气化和向热反应器侧壁的净运动，形成粉尘。空气输入喷管用作炉栅。粉尘沿着侧壁下降到反应器底部而被除去。机械净化器有一高速旋转的刷式气体分离部件和刮削器的组合，这一组合从产品气流中除去冷凝的焦油和细粒。这一设备是自行净化的，因为冷凝的焦油和颗粒在高速旋转的硬毛部件上聚集，并在达到足够的体积和质量时，由离心力的作用甩向圆柱形侧壁，于此由刮削器除去累积的物质，累积物落到分离器的底部而被除去。静电沉积器有一个圆柱形刷式电极，由一个绝缘臂悬挂从一端悬出，用于从产品气中除去残余的细粒或气溶胶。
文档编号C10J3/20GK1122609SQ94192032
公开日1996年5月15日 申请日期1994年3月17日 优先权日1993年3月17日
发明者利兰·T·泰勒 申请人:利兰·T·泰勒