专利名称：生产合成气的方法以及装置的制作方法
生产合成气的方法以及装置本申请要求于2009年4月30日递交的美国临时专利申请序列号为 No. 61/174，036以及于2009年12月23日递交的美国临时专利申请序列号为 No. 61/289, 643的优先权，通过引用将这两篇申请的全部内容结合于此。
背景技术：
合成气是一氧化碳和氢气的组合。虽然在很多条件下可以形成，但是它主要通过碳源与蒸汽在高温下反应，一般在没有氧气的情况下形成。这会导致碳源与蒸汽发生反应， 形成一氧化碳和氢气。一个特别适合使用在合成气的形成的反应器是Klepper，美国专利 6，863，878。这种反应器将烧焦物(char)与蒸汽在高温下相结合。它公开了一种无需热解的、特别有效的形成烧焦物的方法。
发明内容
本发明基于这样的前提合成气可通过在氧气存在下，将碳源直接和燃料(优选合成气)燃烧形成的燃烧蒸汽(combustion stream)相结合，并将反应产物与蒸汽和额外的氧气(如果需要)相结合形成。碳源和蒸汽、燃烧气体相结合以形成合成气。所述合成气直接流入旋风分离器，任何未反应的灰分落在所述旋风分离器的底部，合成气从所述旋风分离器的顶部被收集。反应器包括水平反应室，所述燃烧气体和蒸汽从所述水平反应室的一端引入以形成热气的水平气流。可以用螺旋式装置引入碳原料，并使碳原料落入反应气体的流动气流中。所述水平反应室沿着切线与旋风分离器连接，以产生反应产物的切向流。所述旋风分离器的底部指向优选装有水的收集容器，用来收集和淬灭形成的各种灰分。收集管 (collector tube)存在于旋风分离器的顶部，为形成的合成气提供流道。这提供了一种简单、直接的由含碳原料形成合成气的方法。本发明的目的和优点将在下面的详细描述和附图中进一步说明。
图1是在本发明中使用的装置的截面图；图2是按图1的线2-2截取的截面图；以及图3是本发明中使用的烧嘴的放大截面图。
具体实施例方式如图1所示，合成气反应器10包括进料输送系统12，所述进料输送系统12通向具有烧嘴16的水平反应器14。烧嘴16可以将引入到水平反应器14中的碳源加热。水平反应器14又通向具有出气口 20的圆柱形储存室18。如图所示，所述水平反应器14包括钢外壳21和耐火内衬22，所述耐火内衬22限定了管状的水平反应区域23。所述进料输送系统12将碳原料从入口 M引入到反应区域23，所述反应区23位于烧嘴16紧前面(immediately forward)的燃烧区沈的紧下游。反应的宽度和长度取决于进料速度和产生所需的热量的能力。烧嘴16连接到所述水平反应器14的第一末端。所述烧嘴16包括燃料入口观和氧气入口 30。所述氧气入口 30通向所述燃料入口观周围的同心路径，并且通向燃烧室34。所述烧嘴还包括氧气蒸汽入口 36，该氧气蒸汽入口 36又通向同心路径38，而同心路径38通向位于燃烧室34紧上游的出口 39。最后，所述烧嘴16包括通向同心路径42的蒸汽入口 40，所述同心路径42包围在用作氧气蒸汽入口 36的所述同心路径38的周围。该同心路径42被外壁44所限定，所述外壁44被设计成使通过该路径的蒸汽形成漩涡。特别是，所述壁44可以被加工或内刻螺旋形槽线(rifled)，以促进气体形成漩涡。在一种可选实施方式中，原子氢焰可以用来提供热量以代替燃烧室。所述进料输送系统12包括垂直入口 50，所述垂直入口 50与物料源，如下述的液化单元(devolatilization unit)连接。所述垂直入口 50包括中央螺旋52，所述中央螺旋52引导物料沿着箭头方向53至水平进料段M。所述水平进料段M同样包括螺旋56， 所述螺旋56将物料从垂直入口 50推进到垂直管道58，所述垂直管道58与位于烧嘴16紧下游的反应区23相连通。水平反应区23的第二末端60通向储存室18内。如图所示，所述反应区23与圆柱形储存室18沿切线对齐。如图1和2所示，所述储存室18具有圆柱形的壁62和封闭顶部64。所述壁具有钢外壳66和耐火内衬68。气体出口 20从所述顶部64延伸到所述储存室18的中心67，所述中心67略低于水平反应区23的入口 60。从封闭顶端64延伸的还有测试端口(test port)入口 82。所述储存室18还具有与锥形段(frustoconical section) 70相连通的底端。该锥形段70也具有钢外壳72和耐火内衬74。该锥形段70具有圆锥形侧壁71和狭窄的底部出口 76，所述底部出口 76与回收罐78相连通。如图所示，该回收罐部分填充有水80。用于反应器10的原料可以是任何含碳物质。所述含碳物质可以由诸如地面轮胎(ground tire)、木材、煤炭等的有机材料、高分子材料形成。优选地，所述原料是已经去除活性氧的液化的碳源，以及其他使用诸如美国专利US6，863，878中公开的液化反应器 (devolatilization reactor)的有机成分，通过引用将这篇专利公开的内容结合于此。这是设备10的上游，且在图中没有显示。在操作中，引入到设备11中的原料将通过输送系统12输送，并落入到位于烧嘴16 紧下游的反应区域23。纵向和横向进料输送器的交叉处设置有密封部件，以防止气体从进料口逸出。合成气以及诸如如丙烷或天然气的其他燃料通过喷嘴的燃料入口引入，同时通入氧气，以在燃烧室进行化学计量比燃烧。这将产生使碳与蒸汽以及所需的额外的氧气发生亚化学计量比反应以形成合成气所需要的热量。燃烧器温度应至少为1300下，通常为 2300 0F。与此同时，将氧气和燃料引入至燃烧器喷嘴16，将氧气和水或蒸汽的混合物以及在反应器外部的水/蒸汽引入燃烧室的下游。燃烧产生的热量提高了水/蒸汽的温度，使其能够与碳反应。补加的氧气增加了燃烧室34内按化学计量比燃烧的紧下游的还原反应期间气流的温度。补加的氧气也促进了一氧化碳的形成。一般情况下，额外的氧气非常少， 不到水重量的1%。蒸汽翻腾(swirls around)，与按化学计量比燃烧的燃烧产物相结合， 并与从入口 M引入的碳源相接触。水平反应室中的温度预期至少约为1200 °F，一般为2300 °F，可达3000 更高。 在2300 °F下，从烧焦物中留下的任何灰分都将被熔化。反应区的压力可以从大气压升至lOOOpsig，虽然压力不是反应器中的决定性因素，但是附带的反应条件。喷嘴16处的燃烧产生高速气流，该气流将穿过反应室进入储存室18中。同样维持在至少1000下的储存室18提供了足够的时间以完成反应。通常，气体将以约500-3000 英尺/秒的速度穿过反应室，在反应区域23中停留约0. 1-0. 3秒。水平反应区域23是线性的，其第二末端60与所述储存室18的圆柱形的壁62切线对齐，使得气体围绕储存室18的壁62涡流运动。随着反应的进行，气体被迫下降，所述合成气将从通向收集系统(未显示)的出口管20收集。在反应中形成的致密材料，主要是灰分，将持续进入锥形段70并将向下持续进入水槽78。所述水槽78装有将所述灰分猝灭的热水，所述灰分在水槽78中将会被最终分离。本发明将根据以下的具体实施例进行进一步阐述。实施例使用如图所示的设备，其中，反应区域23的直径约为4英寸、长度约为48英寸。 原木被用来作为原料以生产合成气。木片的进料速度大约为每小时25磅，水流的速度大约为.25gph。位于沿着反应器不同点的温度探测器(temperature probes)已经列出，用于燃烧炉的温度探测器位于所述燃烧炉的微上游。探测器1位于燃烧炉的紧下游，探测器4 位于储存室中。通往燃烧炉的氧气的流速为1.5scfh，而燃料(在此处为丙烷)的流速为 40scfh。通过入口 36与蒸汽结合的备用氧气(secondary oxygen)是变化的，如下表1所示。这个反应进行了 1小时11分钟。通过气相色谱法检测，所得气体产物中大约含有30% 的氢，32%的一氧化碳和27%的二氧化碳。表 权利要求
1.一种形成合成气的方法，该方法包括通过在吸入喷嘴中燃烧燃料来形成热气的流动气流，并将在所述烧嘴中形成的燃烧产物与蒸汽相结合；在有效形成合成气的温度下，将碳源加入到上述热气的气流中；将所述合成气切向通入旋风分离器中；从所述分离器的顶部收集合成气；并且从所述分离器的底部收集灰分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热气的气流是热气的水平气流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热气的气流是在蒸汽的存在下，通过将氧气与合成气相结合而形成的。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，使所述碳源落下到所述热气的水平气流中。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，灰分同样形成于热气的水平气流中，并且所述灰分沉积在所述旋风分离器底部的收集容器中。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述收集室中含有水。
7.一种由含碳物质有效生产合成气的反应器，该反应器包括水平反应区、原料入口和气体出口 ；所述水平反应区具有位于第一末端的烧嘴、通向旋风分离器的第二末端，其中所述烧嘴与燃料源和氧气源连接，还与蒸汽源连接；所述原料入口进入位于所述烧嘴的紧下游的所述反应区；所述气体出口在所述旋风分离器的顶部。
8.根据权利要求7所述的反应器，其中，该反应器还包括将源自上述水平反应区的含碳原料通入所述反应区的进料输送器。
9.根据权利要求7所述的反应器，其中，所述烧嘴包括与合成气源和氧气源连接的中心区。
10.根据权利要求9所述的反应器，其中，该反应器包括围绕所述烧嘴的蒸汽源。
11.根据权利要求8所述的反应器，其中，所述进料输送器包括第一垂直区，所述第一垂直区与第二水平区相连通，又与通向所述水平反应区的第三垂直区连接，其中所述第一垂直和第二水平区的连接点处设置有密封部件。
12.根据权利要求7所述的反应器，其中，所述烧嘴包括原子氢焰。
全文摘要
合成气是由蒸汽与碳源在高温下于一般的水平反应器(14)中结合形成的。用于反应的热量通过位于所述水平反应室(23)的第一末端的化学计量比烧嘴(16)提供。碳源向下沉积进入反应室，在所述反应室中，所述碳源与由化学计量比燃烧形成的热气的流动气流以及蒸汽和额外的氧气(如果需要)相结合。这种气体的流动气流与沉积的碳进料源反应，并进入旋风分离器，形成的合成气从分离器的顶部收回，形成的各种灰分进入收集罐(78)中。
文档编号C07C27/00GK102428060SQ201080018834
公开日2012年4月25日 申请日期2010年4月29日 优先权日2009年4月30日
发明者J·克莱珀 申请人:恩勒杰迪克有限公司