实施热解的方法

专利名称：实施热解的方法
技术领域：
本发明涉及权利要求1的前序部分中限定的以如下方式实施热解的方法第一原 料被加入燃烧锅炉中，第二原料被加入热解反应器中，燃烧锅炉和热解反应器被整合在一 起，燃烧锅炉中的原料形成能量部分，在热解反应器中的原料通过快速热解形成气体和液 体产物部分。
背景技术：
由现有技术可知，热解产物，即热解液或热解气，通过干馏与热解技术产自不同种 类的生物质或有机材料如木材、树皮、纸、稻草或麦秆、废塑料、油页岩、褐煤、泥煤等。热解 通常在无氧条件下、在大约300°C至800°C的温度下进行。当应用低加热速率时，热解液，例 如来自干木材的木焦油，通常能够被回收以重量计大约20%到30%的量。当应用快速热解 法时，热解液的量得以增加。有很多已知的快速热解法用于制备热解产物和化学品。快速热解一般通过如下实施借助加热气体、热交换器或传热介质如沙或氧化铝 基载体，引入所需的热量到热解器，加热燃料，以使其在无氧的热气流中热解。鼓泡或沙循 环流化床反应器可被用作热解器。产生的热解流被冷凝到低于150°C的温度以形成热解液。要被裂解的燃料例如生物质可引至热解器之前的干燥器，以便干燥，以减少形成 的热解液的水含量。通常使用的是已知的鼓干燥器、急骤干燥器或流化床干燥器，其通常包 含燃烧气体或水蒸气作为干燥气体。也已知使用蒸汽干燥器，其中通过热沙引入热量到在 流化床基底上操作的干燥器，并且其中只有水被除去。温度保持在有机化合物不蒸发的水 平。EP公开513051 (Ensyn Technologies Inc.)描述了由燃料通过快速热解产生热解 液的方法和设备，其以这样的方式进行作为热解器进行操作的循环物质反应器包含分离 的混合区和反应器区。通过使用传热沙或具有40-500 y m平均粒径的氧化铝-二氧化硅催 化剂作为传热介质，实现传热到燃料颗粒。该方法使用无氧载气。颗粒形式的原料、无氧载 气和热的传热颗粒材料被一起混合在反应器的底部，混合物被向上传输到反应器部分，其 中原料转化为产物。原料与传热材料的接触时间少于1.0秒。传热颗粒材料与产物部分分 离并再循环进入反应器。在该方法中，传热材料与燃料的质量比大于5 1。由现有技术也知道的是使用氧化反应器来处理从热解器中出来的沙和在热解期 间产生的焦炭。在氧化反应器中，焦炭被灼烧，沙被加热并再循环入热解器。氧化反应器粉 末与热解器燃料粉末之比通常为1 5。这种类型的氧化反应器被设计为主要只灼烧热解 期间产生的焦炭和不可冷凝的气体。因此，根据能量守恒，焦炭和不可冷凝的气体的热含量 是热解器进料的限制因素。已知热解过程的问题是热解器中和额外设备如干燥器中需要额外燃料和产生热 解油的过程中已被蒸发的水可能漂流。通常，蒸发的水——例如在干燥器中——被冷凝或 引导至外部空气。当蒸发的水含有有机干馏产物时，该过程的应用因为环境不友好例如有 强烈的气味而变得有问题。此外，已知的设备不允许在该过程中以有效方式利用不同的过 程流体、副流体和不期望的中间产物/最终产物。
而且，从相同申请人的专利FI 117512先已知道，将热解器和燃烧锅炉整合成为 一个组合件。发明目的本发明的目的是消除上述问题，以及公开一种新方法，用以实施热解和进行不同 方式的热解，并使热解和能量产物分布最优化。本发明的一个具体目的是公开一种方法，用 于以工业规模和环境友好的方式，通过循环和利用过程中产生的过程流体，同时产生热能 和热解产物。发明概述依据本发明的方法的特征在于权利要求中所呈现的。本发明基于以灵活的方式产生热解产物和能量产物以及以如下方式实施和增强 热解的方法第一原料或原料混合物被加入燃烧锅炉中，第二原料或原料混合物被加入热 解反应器中，燃烧锅炉和热解反应器被整合在一起，燃烧锅炉中的原料以热、电、蒸汽或气 体的形式形成能量部分，在热解反应器中的原料通过快速热解形成气体和液体产物部分。 依据本发明，通过改变工艺变量，优选地多于一个的工艺变量，其选自第一原料、第二原 料、原料的数量、额外材料的选择、工艺参数、额外工艺步骤的选择、所用载气的成分和数 量、氧的数量、传热介质的选择和原料的含水量，最优化原料和其选择，如利用率、成本和数 量、产物分布和生产成本、至少一种产物部分的市场价值和质量，优选地是生产成本、许多 产物部分的市场价值和质量，来控制热解产物和能量部分的生产。在本上下文中，第一原料是指要加入燃烧锅炉的原料或原料混合物。在本上下文 中，第二原料是指要加入热解反应器的原料或原料混合物。第一原料和第二原料在成分上 可以是相同的、部分相似的或完全不同的。在一个实施方式中，明显不同的原料被加入燃烧 锅炉和热解反应器，以使燃烧和热解之间的效率比和热解产物的产量最大化。在依据本发明的方法中，优选地，通过最优化要选择的原料、产物分布、产物的数 量和质量，该过程被系统地运行。在一个实施方式中，最有价值的产物部分的比例被最大 化。优选地，整合的燃烧锅炉有助于热解的实施和成功。在本发明的一个实施方式中，固体、液体、蒸气或气体形式的原料选自有机物质、 屑片(chip)、森林木片(forest chip)、木材、树皮、锯末、稻草或麦秆、煤、泥煤、油、油页岩、 褐煤、石油、生物质、含有能量的废弃材料、塑料、废塑料、含有燃料的废弃物、衍生自废弃物 的燃料/RDF、松油、黑液、有机溶剂及其衍生物。在一个实施方式中，取决于期望何种产物分 布，原料或多种原料可以选自例如邻近的容器。在一个实施方式中，能量和热解产物部分，以固体、液体、蒸气或气体的形式，被 包括在以下的组中，该组包括热解气、热解蒸汽、热解液、热解油、黑液、松油皂(Pine oil soap)、燃料、化学品、碳纤维、可液化焦油、气化气体、可燃气、蒸汽、水汽、氢、热和电。在本发明的一个实施方式中，热解期间产生的气态产物部分主要被冷凝为液体热 解产物。在一个实施方式中，大部分能量和热解产物部分被循环、回收、进一步处理和/或 利用。优选地，在燃烧锅炉中形成的能量部分中只有部分被导入热解反应器和其它工艺步骤中。在本发明的一个实施方式中，传热材料被用于将能量部分——优选地是来自燃烧 锅炉的热量——传输至期望的工艺步骤，例如热解或期望的且预先确定的额外步骤和/或 回收。在一个实施方式中，传热材料被分别导入每个工艺步骤。在可选的实施方式中，相同 的传热材料循环通过不同的步骤。在本发明的一个实施方式中，传热材料从所述燃烧锅炉 循环至所述热解反应器并经过分离步骤从热解反应器循环回到所述燃烧锅炉。在一个实施方式中，传热材料选自沙、河床沙(bed sand)、氧化铝基材料、其它流 化材料等。在本发明的一个实施方式中，方法包括多步热解，其中进行快速热解是第一步，通 过应用额外步骤形成增多的产物部分和/或额外产物部分是第二步。在本发明的一个实施方式中，方法包括多步热解，其中进行额外步骤是第一步，进 行快速热解是第二步，以便形成增多的产物部分和/或额外产物部分。在一个实施方式中，额外步骤选自干燥、升高温度、气化、除尘、转化、蒸汽转化、 分离产物部分和分离固体。固体的分离可以包括传热介质如沙、炭物质、焦炭、固体颗粒或 等效固体的分离。在一个实施方式中，第一步骤和第二步骤被基本上整合至一个组合件例如一个设 备中。在可选的实施方式中，第一步骤和第二步骤的设备被连接在一起。在一个可选的实施方式中，多步热解可以包括多于两步。在本发明的一个实施方式中，在该方法中，通过至少一个特定的操作，热解步骤的 实施被改良，该特定的操作选自升高温度、降低温度、选择载气、送入蒸汽和添加氧。在一个实施方式中，在第一步中形成的热解气被引入第二步，第二步中温度显著 高于热解步骤。如果在该第二步中水汽被用作载气，则发生蒸汽转化反应，导致大比例的焦 油化合物分解为氢和一氧化碳。在一个实施方式中，传热介质在两步——干燥步骤和反应步骤中被加入反应器。 干燥步骤和反应步骤的温度被分别调节以最优化产物分布和产物质量。在一个实施方式 中，被加入干燥步骤的原料和传热材料作为混合物被导入第二步骤，即干燥之后的反应步
马聚o任何已知的方法本身可以用作干燥方法，例如低温干燥、混合干燥等。在燃烧锅炉 中已形成的热能的部分可被用于干燥要热解的燃料。通过干燥，正在形成的热解产物的水 含量优选地减少，因而产物的稳定性增加。水汽可以从干燥步骤回收并被用于例如产生热 量。在一个实施方式中，水汽并不从干燥步骤中分离。在一个实施方式中，热解反应器作为气化器型设备运行。在这种情况下，反应器中 的温度高于通常热解中的温度，并且在产物分布中气体产率最大化。在一个实施方式中，天 然气作为额外材料被加入反应器中。在本发明的一个实施方式中，载气选自燃烧气优选地是纯化燃烧气、水汽、空气 及其混合物。在本发明的一个优选的实施方式中，载气包含氧。优选地，热解在氧的存在下在热 解反应器中进行。在一个实施方式中，包含以体积计的量的氧的载气被使用。热 解产物的保存性可以由于氧的使用而提高。
在一个实施方式中，另外的氧例如以空气的形式被加入载气以增加氧含量。在一个实施方式中，来自燃烧锅炉的纯化的燃烧气被用作载气并从燃烧锅炉循环 至热解反应器。在一个实施方式中，水汽被用作载气。在这种情况下，发生蒸汽转化反应，导致大 比例的焦油化合物分解为氢和一氧化碳。在优选的实施方式中，载气被导入一次通过热解反应器并被导入燃烧锅炉。载气 并不从热解反应器出口再循环至热解反应器的入口。在本发明的一个实施方式中，工艺参数选自热解步骤的温度/热解反应器中的 温度，额外步骤的温度，热解反应器中的保留时间，燃烧锅炉的温度，热解原料、载气和传热 材料的混合方式和混合顺序，氧的添加，传热材料的循环以及产物和副产物部分的循环。在一个实施方式中，在燃烧锅炉和热解反应器中正在形成的产物部分被分成产 物、过程的副流体(side flows)、剩余流体(residualflows)、废弃流体(waste flows)和/ 或不期望的部分。在本发明的一个实施方式中，大部分副流体、剩余流体和废弃流体，例如 来自冷凝器的剩余流体，来自分离设备和过滤器的剩余流体，原材料的废弃流体，燃烧气部 分和等同流体，被充分地循环至燃烧锅炉。加入副流体、剩余流体和废弃流体至燃烧锅炉以 及其加入体积并不必须被分别调整，因为燃烧锅炉本身足够大的原料加入。在本发明的一个实施方式中，第一原料和载气被调配为混合物，已被加热的热传 热材料被传导至该混合物。在一个实施方式中，在过程的不同步骤中，使用合适的额外材料。例如，醇，如异丙 醇、乙醇或菜子油甲酯，可被用作与冷凝器相连的额外材料，以改进冷凝器的操作和/或产 物的质量。醇基材料还可被用于与清洗器等相连以改善设备的操作。在一个实施方式中， 催化剂可被作为额外材料，例如用在热解反应器或燃烧锅炉中，例如与沙循环相连以提高 过程的效率和/或产品质量。由于本发明，基于不同产品的价格和产品质量需求，过程的效率、成本和产品分布 可被优化。本发明提供了这样的优势，即依据本发明的热解和燃烧的结合可被用于制造不 同的和新的产品。由于依据本发明的优化方法，考虑到容量和时间，热解反应器还可以至少 部分地用于除了通常的热解以外的其它用途。另外，不同的额外步骤和设备可以容易地与 热解反应器结合以控制产品分布。依据本发明的整合方案为不同的运行方式和生产不同的 产品提供了更宽的操作范围。依据本发明的方法，热解产品和能量部分可以以比已知方法更高效地生产，这是 因为产生的副流体和废流体、固体和炭物质和不可冷凝的气体及其能量含量可以在燃烧锅 炉中转换为热量或蒸汽，用于产生能量。燃烧锅炉的部分热能在热解反应器中使用，任选用 于干燥热解燃料和用于其它额外工艺步骤及用于燃烧锅炉中不可冷凝气体的燃烧，并且大 部分热能被传导以被回收，例如以蒸汽的形式。对热解反应器和其它工艺步骤，不需要额外 的能量供应，因为从燃烧锅炉传导的热能足够维持该过程。本发明提供了通过依据本发明 的热解反应器和燃烧锅炉的结合获得能量实现自足的优势。供应最优化燃料混合物到热解反应器和燃烧锅炉在热解产品的产率和热能方面 提高了工艺的效率并使工艺成本最小化。本发明的方法容易在生产中实施。由于整合的燃烧锅炉，能量可以利用，并且例如热解反应器的温度可以方便地调节。依据本发明的方法可被用于从任何合适原料热解所使 用的产品。另外，依据本发明的过程易于管理。焦炭和其它等同的剩余部分不在工艺装置 中积累，相反可被传导到燃烧锅炉中烧掉，因此它们在过程中不产生任何问题。因此，当选 择原料时，原料的可能的焦炭含量不必考虑。本发明的另一优点是过程中的焦炭余量和干燥的热余量并不限制热解和其它工
艺步骤。发明详述在以下部分，将借助详细的示例性实施方式描述本发明。实施例1包括燃烧锅炉、热解反应器和冷凝装置的依据本发明的工艺组合件得以形成。热 解反应器和冷凝装置基本上与燃烧锅炉整合，即形成一体组合件。燃料提供给燃烧锅炉并 燃烧以产生热能。在热解反应器中，气态热解产品由合适的原料通过热解形成并在冷凝装 置中冷凝为液态热解产品。载气加入到热解反应器。在燃烧锅炉中形成的以热、水汽或气 体形式的能量部分被回收，或部分热量以热的传热介质——在本实施方式中是河床沙—— 的形式循环到设备的其它部分，例如热解反应器。实施例2本实施例的方法通过依据实施例1的工艺设备来实施。在本方法中，原料的最有价值的和最合适的部分被用作热解材料而较不合适于热 解的部分供应给燃烧锅炉。原料按本身已知的方式分离，例如通过分级器或光学分离器。用于热解的好的原料包括来自林业的剩余物，如屑片、锯末和树皮片。但是，高液 体产量只能用没有树皮的所谓心材的干原料获得。换句话说，较少量的热解产品产自树皮， 其更不稳定和易于相分离。因此，将相同的原料供应给热解反应器和燃烧锅炉是不可取的。 优选的实施方式是将包含树皮的原料引入燃烧锅炉以产生能量，而将锯末引入热解反应器 以产生热解产品。此外，例如泥煤或煤被引入燃烧锅炉以满足全部燃料需求。实施例3本实施例的方法通过依据实施例1的工艺设备来实施。在本实施例中，过程包括 两步，且两步被结合在一起。在第一热解步骤中由热解形成的热解气被引入第二工艺步骤，在第二工艺步骤 中温度显著高于热解步骤温度。如果在该第二步骤中水汽被用作载气，则发生蒸汽转化 反应，导致大比例的焦油化合物分解为氢和一氧化碳。该方法能够产生用于例如费托 (Fischer-Tropsch)合成的气化气体。实施例4本实施例的方法通过依据实施例1的工艺设备来实施。水汽在热解中被用作载气。水汽可以从例如在原料干燥期间被分离的原料的湿气 获得。发生蒸汽转化反应。产物是可燃气体或能够被进一步化学处理的物质，如氨或合成 燃料。产物气体可以被用于例如费托合成。原料的湿气可以被用作蒸汽转化中的蒸汽。实施例5本实施例的方法通过依据实施例1的工艺设备来实施。在本实施例中，过程包括 两步，且干燥过程和反应过程被结合在一起。
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传热介质——其为河床沙——被供应至两步中，第一部分供应给干燥步骤，第二 部分供应至反应步骤。干燥步骤和反应步骤的温度被分别调节以最优化产品分布和产品质 量。水汽不从干燥步骤分离而是通过产物气体的冷凝分离。实施例6本实施例的方法通过依据实施例1的工艺设备来实施。在该过程中，用于热解反应器的原料和是纯化的燃烧气体的载气被调配成混合 物，来自燃烧锅炉的热的河床沙颗粒被引入热解反应器，至原料和载气的混合物。在这种 情况下，在混合点形成严重紊乱区(areaof heavy turbulence)，即发生所谓的急骤效应 (flash effect)，因而热解能够被快速而有效地引发。所应用的沙——在本实施方式中具 有大于0. 5mm的粒度——明显重于热解的原料，因此，沙粒的加速导致更有效的传热和混合 流体中气体的混合，导致热解增强。实施例7本实施例的方法通过依据实施例1的工艺设备来实施。通过增加空气的比例，因而增加载气中的氧含量，热解产品中可液化组分的比例 相对于不可冷凝部分的比例能够根据期望的产品分布而改变。以这种方式，热解反应器可 以被用作气化器型设备。由热解和燃烧锅炉的结合所提供的气体的效率和热值高于传统的 空气气化，因为大部分热量能够通过循环物质即河床沙被引入气化反应。实施例8本实施例的方法通过依据实施例1的工艺设备来实施。热解中所生成的产物气体被加热至高于1000°C的温度以分解烃。作为结果，生成 作为细纤维形式产物的氢和碳。由于其高强度，这些碳纤维能够被用作额外材料例如在造 纸业中。该方法的优点是生产碳纤维的低成本过程、碳纤维生产中生物质的利用和生产氢 的便捷。在不同的实施方式中，依据本发明的方法适用于生产不同种类的热解产品及其衍 生物和产生能量部分如热能。本发明并不仅限于上述指出的实施例；相反，在本权利要求书所限定的本发明理 念的范围内，许多变动都是可能的。
权利要求
一种实施热解的方法，以如下方式进行第一原料被加入燃烧锅炉中，第二原料被加入热解反应器中，燃烧锅炉和热解反应器被整合在一起，燃烧锅炉中的原料形成能量部分，热解反应器中的原料通过快速热解形成气体和液体产物部分，其特征在于通过改变工艺变量，最优化原料的选择、产物分布和生产成本、至少一种产物部分的价值和质量，控制热解产物和能量部分的生产，其中所述工艺变量选自第一原料、第二原料、原料的数量、额外材料的选择、工艺参数、额外工艺步骤的选择、所用载气的成分和数量、氧的数量、传热介质的选择和原料的含水量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于热解期间产生的气态产物部分主要被冷凝 为液体热解产物。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述原料选自有机物质、屑片、森林 木片、木材、树皮、锯末、稻草或麦秆、煤、泥煤、油、油页岩、褐煤、石油、生物质、含有能量的 废弃材料、塑料、废塑料、含有燃料的废弃物、衍生自废弃物的燃料/RDF、松油、黑液、有机溶 剂、及其衍生物。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括多步热解，其中进 行快速热解是第一步，通过应用额外步骤形成增多的产物部分和/或额外产物部分是第二止少o
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于所述方法包括多步热解，其中进 行额外步骤是第一步，进行快速热解是第二步，以便形成增多的产物部分和/或额外产物 部分。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于所述额外步骤选自干燥、温度升高步 骤、气化步骤、除尘、转化、蒸汽转化、分离产物部分和分离固体。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于通过至少一个特定的操作，在所 述方法中热解步骤的实施被改良，所述特定的操作选自调节温度、选择载气、送入蒸汽和 添加氧。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于所述载气选自燃烧气、水汽、空 气及其混合物。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于所述载气包含氧。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于额外的氧被添加到所述载气。
11.根据权利要求1-10任一项所述的方法，其特征在于大部分副流体、剩余流体和废 弃流体被循环至所述燃烧锅炉。
12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其特征在于所述传热材料被用于将能量部 分从所述燃烧锅炉传输至期望的工艺步骤和/或回收。
13.根据权利要求1-12任一项所述的方法，其特征在于所述传热材料选自沙、河床 沙、氧化铝基材料、其它流化材料等。
14.根据权利要求1-13任一项所述的方法，其特征在于所述传热材料从所述燃烧锅炉 循环至所述热解反应器并经过分离步骤从所述热解反应器循环至所述燃烧锅炉。
15.根据权利要求1-14任一项所述的方法，其特征在于所述工艺参数选自所述热解 步骤的温度，所述额外步骤的温度，所述热解反应器中的保留时间，所述燃烧锅炉的温度， 热解原料、载气和传热材料的混合方式和混合顺序，氧的添加，所述传热材料的循环以及所述产物和副产物部分的循环。
16.根据权利要求1-15任一项所述的方法，其特征在于所述第一原料和所述载气被调 配为混合物，并且加热的传热材料被传导至所述混合物。
全文摘要
本发明涉及以如下方式实施热解的方法第一原料被加入燃烧锅炉中，第二原料被加入热解反应器中，燃烧锅炉和热解反应器被整合在一起，在燃烧锅炉中的原料形成能量部分，在热解反应器中的原料通过快速热解形成气体和液体产物部分。依据本发明，通过改变工艺变量，其中工艺变量选自第一原料、第二原料、原料的数量、额外材料的选择、工艺参数、额外过程步骤的选择、所用载气的成分和数量、氧的数量、传热介质的选择和原料的含水量，最优化原料的选择、产物分布和生产成本、至少一种产物部分的价值和质量，控制热解产物和能量部分的生产。
文档编号C10J3/66GK101868516SQ200880116721
公开日2010年10月20日 申请日期2008年10月8日 优先权日2007年10月11日
发明者K·西皮拉, M·拉库, P·约克拉, Y·索兰塔斯塔 申请人:瓦申泰克尼利南塔基马斯凯斯库斯公司