处理含碳材料的方法及其设备 |
|||||||
申请号 | CN202280045154.5 | 申请日 | 2022-06-23 | 公开(公告)号 | CN117836391A | 公开(公告)日 | 2024-04-05 |
申请人 | 西亚塔控股私人有限公司; | 发明人 | J·D·温特; | ||||
摘要 | 一种处理含 碳 材料的方法,该方法包括向第一反应器区输送含碳材料;向该第一反应器区输送催化剂;在该第一反应器内处理含碳材料,以使含碳材料的至少一部分分解和/或脱除挥发组分;将来自第一反应器的输出物输送至二级反应器;该二级反应器具有高于第一反应器的 温度 。 | ||||||
权利要求 | 1.一种处理含碳材料的方法,所述方法包括: |
||||||
说明书全文 | 处理含碳材料的方法及其设备技术领域背景技术[0002] 热解反应器在没有氧气或任何卤素的条件下在升高的温度提供有机材料的热化学分解。热解涉及化学组成和物理相的同时变化,并且是不可逆的。反应器设计可以使用两种主要的传热模式为热化学转化提供能量:直接传热模式、间接传热模式、或这两者的组合。间接加热依赖于金属传热表面,这是这类设备扩大规模的一个限制因素,导致多个单元并行运转以达到合理的工厂吞吐量。这导致高投资成本、高维护成本、高运转成本和低热效率。这类设备的例子有回转窑、鼓式窑、干馏炉(固定床)、螺杆机、烧蚀和真空反应器。一些新型间接加热方法包括电能(辐射和/或传导)、等离子体、微波和太阳能。这些方法通常需要廉价的电力和惰性载气。此外,这些复杂的加热方法具有高运转和投资成本。 [0003] 直接传热可以使用热燃烧废气流或惰性气体(通常是合成气)的再循环实现。使用热燃烧废气致使合成气被二氧化碳和氮气显著稀释,导致热值非常低的合成气,这种合成气的用途有限,因为它一旦冷却下来就没有足够的燃烧值来实现自燃。使用合成气的再循环的缺点是废气净化系统必须大得多,以处理额外的再循环气体量,并且气体必须被再次压缩。此外,必须对热解废气(粗合成气)进行湿洗(冷却),以冷凝并去除焦油和油类。因此,在每次循环中,必须将再循环气体从大约80℃再压缩和再加热到+800℃,导致热效率低且运营成本高。此外,必须使用间接热交换器对再循环的合成气再次加热,导致更高的投资成本。通过热解反应器的高气流量降低生物炭的产量。这种技术的例子有固定床干馏炉、多膛炉、流化床和气流床反应器。 [0005] 本公开一般性涉及在反应器中处理含碳材料,包括煤。还应理解,所公开的工艺可以应用于其它含碳材料。 [0006] 在一些形式中,工艺用于使用热解来处理有机材料,以将有机材料原料解构为基础组分。在一些形式中,工艺是对有机材料的低热成本处理,包括所述处理的一些产物或输出物(例如碳)的回收。 [0007] 但是,应理解,工艺不限于这些用途或输出物。所描述的工艺处理原料中的变化性,并且能够在广泛的条件下操作。 [0008] 在一些形式中,一级反应器可能需要在较高的温度下操作,即,处理高固定碳原料,例如煤。使用蒸汽流化的竖直取向能够使用我们的传热和传质方法(尤其是使用多注入点)来大规模地实现这一点。 [0009] 在一些形式中,所公开的技术能够将碳的可控部分作为固体(炭)留下,该固体可以被作为固体材料封存,以实现碳中和。在一些形式中,将一部分碳保持为固体还允许控制合成气的组成(就H2与CO的比例而言),以适合下游的改质工艺。例如,在一些形式中,如果所需的H2:CO比例是3:1,那么该技术和工艺允许用户制造甲烷,或者,如果H2:CO的比例优选是2:1,那么允许用户制造甲醇。 [0010] 还可以通过混合反应性矿物(铁基矿物)和非反应性矿物(沸石、氧化铝等)来改变传热和传质(HMT)介质的组成,从而操控所公开的系统。这有效地转移CO2的去向,即,从合成气转移到流化床氧化废气。使用反应介质(传质)意味着再加热不需要燃料,即,FeO氧化成Fe2O3提供足够的能量,结果不产生二氧化碳。 [0012] 基于化学循环,在一些形式中,可能不需要从空气中分离氧气,这有可能节省电能,同时产生与常规吹氧气化炉类似的合成气品质。 [0014] 在一些形式中,回收的合成气可用于发电(按需),或者可被分离成产品(即,氢气),或者可提供化学原料用于转化成其它商品。在一些形式中,合成气没有被氮气稀释,其热值高,这可以允许经济地储存合成气(储存在储气罐中或作为压缩气体储存)。附图说明 [0015] 虽然任何其它形式都可落入所述工艺和设备的范围之内,但是现在将参考附图仅通过示例的方式说明具体实施例,在附图中: [0016] 图1示出了用于处理含碳材料的反应器的一个实施方案的平面图; [0017] 图2示出了结合有图1的反应器的气化设备的平面图; [0018] 图3示出了本公开的一个实施方案的内部旋流器; [0019] 图4示出了本公开的一个实施方案的流化床设计; [0020] 图5示出了本公开的一个实施方案的热砂分配器; [0021] 图6示出了本公开的一个实施方案的包括层状板的热砂分配器; [0022] 图7示出了反应器的一个实施方案的流程图,其中一级反应器和二级反应器被布置到单个容器(反应器)中,用于含碳材料的处理; [0023] 图8示出了反应器的一个实施方案,其中一级反应器和二级反应器被布置到单个容器(反应器)中,用于含碳材料的处理。 具体实施方式[0024] 根据第一方面,公开了一种处理含碳材料的工艺,该工艺包括将含碳材料输送至反应器;向该反应器输送催化剂;在该反应器内在较低的温度下处理含碳材料,以将该含碳材料解构为基本化合物。在一些形式中,反应器包括具有独立区域的立式反应器。在一些形式中,所述区域作为独立的反应器。在一些形式中,所述区域在所述反应器内相对于彼此竖向布置或叠置。 [0025] 在一些形式中,工艺基于使用热固体的直接传热。在一些形式中,自由流动的沙状材料被独立地加热,然后在热解反应器中与含碳材料或原料混合在一起。这种方法可以具有从热源间接地供应热量(但向原料直接供应热量)而不用氮气或二氧化碳稀释合成气的优点。 [0026] 在一些形式中,含碳材料的进料系统是机械的。在一些形式中,机械进料系统是基于流动的。在一些形式中,机械系统中的流动是基于重力的。 [0027] 在一些形式中,一级反应器包括材料混合系统。在一些形式中,该混合系统是薄板的形式。在一些形式中,该混合系统是内部旋流器的形式。 [0028] 在一些形式中,工艺还包括从输出物材料中回收催化剂的至少一部分,并对催化剂进行再生,以在工艺中重新使用。 [0029] 在一些形式中,输出物材料包括生物炭。 [0030] 在一些形式中,催化剂包括基于铁的氧化物的催化剂。在一些形式中,催化剂包括钛铁矿。 [0032] 在一些形式中,工艺还包括从反应器处理的输出物材料中回收合成气的步骤。 [0033] 在一些形式中,反应器形成气化设备的一部分,该气化设备包括用于砂或催化剂的流化床氧化反应器。在一些形式中,反应器包含浸没式增压腔。在一些形式中,反应器与流化床连通。 [0034] 在一些形式中,一级反应器的操作温度为800和900℃。在一些形式中,二级反应器的操作温度为950和1000℃。 [0036] 还公开了一种处理含碳材料的工艺,该工艺包括在低温反应器中用铁基催化剂处理含碳材料。 [0037] 使用自由流动的固体材料(即,在950℃或类似温度的流化床与以大约500℃的出口温度操作的热解装置之间再循环的沙状材料)实现传热。可以使用的传热介质的一个例子是钛铁矿。 [0038] 反应器可以包括将热砂注入到反应器的多个点,这可以具有提供受控的缓慢自发热解的益处,其提供最大的温度控制,以提高炭、合成气的产量和改善污染物的去除。在一些形式中,使用热砂分配组件,该热砂分配组件将热砂输送到反应器中的一系列间隔开的输入口。热砂分配组件可以包括单个热砂输入口和多个输出口,可以通过添加足够的流化空气来控制输入口和多个输出口,以降低提升管室内的密度,并将热砂转移到多个输出口。 [0040] 在一些形式中,反应器被机械搅拌以实现良好的混合、均一的温度、良好的停留时间控制,并避免堵塞。利用一部分合成气的再循环进行的部分流化能够有助于温度控制和材料穿过反应器的移动,并增强所得的生物炭的特性。工艺的优点在于,热解反应器的规模扩大仅受机械设计的限制,而不受传热面积的限制。 [0041] 废砂的回收可以使用特殊的升降机或气动传送来实现,而不需要对砂进行冷却。 [0042] 在一些形式中,来自砂的再加热的废能量可以用于干燥进入的生物质进料,这最大限度地提高热效率,并提高合成气的品质。 [0043] 在一些形式中,可以将一级反应器和二级反应器布置在单个容器中(如图7所示的虚线框内的两单元作业)。在一些形式中,源自高水分原料(例如生物固体、藻类原料等)的蒸汽用于提供“自流化”。 [0044] 在一些形式中,可以注入蒸汽或回收的合成气,以帮助混合和/或帮助将热解气体扫入二级反应器中,以实现完全热分解。 [0045] 该技术的优点可包括: [0046] ·高能效,因为所有废热都被利用,用于生物质进料的预干燥和/或燃烧空气预热; [0047] ·由于有利的反应器条件(缓慢热解),生物炭产量高; [0048] ·生物炭特性的控制(允许销售给不同的应用); [0049] ·一些油类和焦油会存在于粗合成气中,该粗合成气被在独立的气化反应器中处理(也使用热砂),以将这些油类和焦油转化为更多的合成气,因此没有要处理的副产物,也没有气味; [0050] ·热解气体不会被任何惰性气体或燃烧产物稀释; [0051] ·对工艺条件、温度、停留时间进行良好的稳态控制,没有热点或冷点,因此产品品质更加一致; [0053] ·容易启动和关停(在需要突然停止设备的情况下不会产生任何后果(即,在管路中发生油和焦油冷凝)); [0054] ·设备简单/易于维护; [0055] ·能够使用催化材料来帮助热解和减少排放; [0056] ·可利用一部分生物炭产物用于合成气净化(例如活性炭),然后将其返回系统以用于处理; [0057] ·操作安全,逃逸性排放低; [0058] ·在一些形式中,该系统可以具有在反应器中使用五分之一甚至十分之一长度的益处; [0059] ·合成气输出物可以是洁净的,并且不含氮气,因为没有向系统添加氮气; [0060] ·清洁的合成气(未用氮气稀释)可具有高热值,这能够允许经济地储存合成气(储存在储气罐中或作为压缩气体储存); [0061] ·在一些形式中,可能不需要从空气中分离氧气,这能够节省电能,同时产生与常规吹氧气化炉类似的合成气品质。 [0062] 现在参考图1,其中公开了处理组件1,该处理组件1包括第一流化床5和反应器10。第一流化床5被配置用于在大约1100℃的温度进行氧化。反应器10是竖直取向的,并且其高度大于其宽度。在一些形式中,该反应器在底部的宽度大于在其上部区域的宽度。 [0063] 反应器10包括一级反应区12,该一级反应区12包括第二流化床,并且被配置用于气化,该气化具有800至900℃的气化操作温度。在所示的形式中,该一级反应区具有比反应器10的其余部分更大的直径。二级反应器区14位于一级反应器区12上方,并且通过分离器15与一级反应器区12隔开,该分离器15从反应器的壁延伸并包括位于中部的腔体。该二级反应器区具有大约950℃的操作温度。二级反应器区14相对于位于反应器10上端的具有大约1000℃的温度的三级区16分开。二级反应区和三级反应区被分离器17分开。一级反应区和二级反应区被设计成彼此独立,同时都被结合到反应器的主体中。在位于朝向反应器的下端并通向一级反应区的下端口20处注入蒸汽。在位于一级反应区内的第二端口22处注入煤或其它含碳材料。 [0064] 蒸汽向上通过反应器。由于在反应器内没有机械/运动部件,因此可以允许比其它反应器中可能的温度更高的温度。 [0065] 在多个注入点25向反应器注入热沙状材料形式的催化剂材料。在这种情况下,使用重力将热砂分配到多个注入点,这是由于在处理高固定碳含量原料(煤)时需要更高的热砂温度。可以使用空气提升废砂,使其回到流化床的氧化级(oxidation stage)。 [0066] 在一些形式中,砂含有含铁矿物,例如钛铁矿。在这些条件下操作,重新加热砂所需的大部分能量可以源自二价铁再氧化成三价铁氧化物的过程(4FeO+O2→2Fe2O3)。相反地,这向气化反应输送氧气。 [0067] 示出了用于气化和部分夹带流的组合鼓泡/湍流流化床反应器、以及用于焦油的二次气化的湍流流化床反应器。随着合成气移动通过反应器,这提高气体速度和温度。 [0068] 在一些形式中,所得到的粗合成气包括无焦油的合成气,在一些形式中,这允许在水淬之前回收热量。该热量可以用于产生蒸汽。 [0069] 在一些形式中,将炭和灰在出口28处从反应器释放。可以使废气或空气在29处返回到流化床1。在30处释放粗合成气,使用旋流器32进行输送。 [0070] 在一些形式中,提供固体的HMT混合物,以允许在第一流化床内捕获污染物。在某些形式中,可以将该系统改装成反应器。 [0071] 现在请参考图2,其中公开了一种气化设备,该气化设备包括参照图1概括地说明的立式反应器110。该立式反应器包括在竖向上相对于彼此布置的一级反应区和二级反应区。 [0073] 在下端口120处注入超临界蒸汽,并且该超临界蒸汽在反应器110内向上移动。 [0074] 粗/热合成气在出口130处离开。流化床105将催化材料输送至反应器110,该催化材料可以是热砂的形式。在131处向流化床注入空气。旋流器132向流化床105输送材料。 [0075] 系统还包括加热器140,该加热器140将水或其它材料煮沸。在所示的形式中,加热器产生蒸汽,该蒸汽被向反应器110输送。加热器包括锅炉和过热器。来自加热器的废气在145处被输送至过滤器或湿式洗涤器。 [0076] 在129处将炭和灰从反应器输送出来。 [0077] 图3至图6示出了反应器内的混合系统的形式。 [0078] 图3示出了内部旋流器232。图4示出了依赖于热砂的分布的结构填料233。图5示出了多头螺旋234,该多头螺旋234具有锯齿边缘235,以实现更好的热砂分布。图6示出了具有折返构造的薄板236。可以改变热砂的流量以改变气流。在一些替代实施方案中,系统可以包括多个方面,例如结构填料然后旋流器。可以在侧壁上构建密封槽,以便能够测量PT的TT。 [0079] 在一些形式中,使用固体接触方法。 [0080] 请参考图7,来自源301的空气被注入流化床302。该流化床被配置用于在大约1000‑1100摄氏度的温度下进行氧化。一级反应器区303(热解)和二级反应器区304(气化)与流化床302连通。来自流化床的热介质被注入到一级反应器区303和二级反应器区304中。 未被大气氮稀释的洁净的热合成气306通过二级反应区中的出口离开。分离器307被配置成分离过量的炭308。温热废气310离开系统。介质是固态热和氧载体,该载体通过工艺中的预热器或提升器311再循环(循环)到流化床的氧化级。 [0081] 现在参考图8,在一些形式中,公开了布置到单个容器400(反应器)中的一级反应器和二级反应器。这与图7所示的工艺流程图中的虚线框内的单元作业相关联。在一些形式中,源自高水分原料(例如生物固体、藻类原料等)的蒸汽可用于提供“自流化”。替代地,可以注入蒸汽或回收的合成气,以帮助混合和/或帮助将热解气体吹扫入二级反应器中,以实现完全热分解。在一些形式中,反应器400可以包括多个注入点/端口以注入原料,该原料可以包括高水分原料、蒸汽或回收的合成气或其它原料。在一些形式中,可以使用共同进料来管理能量。 [0082] 在图8中,立式反应器400包括在竖向上相对于彼此布置的一级反应区410和二级反应区412。在所示的形式中,一级反应区具有比反应器400的其余部分大的直径。二级反应器区412位于一级反应器区410上方。在一些形式中,反应器区被间隙、阀、或在图8中示出的具有锯齿边缘414的多头螺旋411分开。二级反应器区412具有大约为750‑950℃的操作温度。一级反应器区410具有350‑600℃的操作温度。在一些形式中,一级反应器包括材料混合和/或搅拌系统404。在一些形式中,该混合和/或搅拌系统是薄板的形式。在一些形式中,该混合和/或搅拌系统是内部旋流器的形式。 [0083] 可以包含高水分原料的原料在一级反应区处被通过端口401注入到反应器中。替代地,可以在朝向反应器的下端布置并通入一级反应区的下端口402处注入蒸汽或回收的合成气,以帮助混合和/或帮助将热解气体吹扫入二级反应器中,以实现完全热分解。蒸汽向上通过反应器。在一些形式中,可以在下端口402处注入吹扫气体。 [0084] 在一些形式中,通过端口401向反应器中送入替代原料,该替代原料可以包括煤或其它含碳材料。一些形式能够掌控原料中的变化性,并且能够在广泛的条件下操作。 [0085] 在一些形式中,一级反应器区和二级反应器区与流化床405连通。在一些形式中,可以使用高度可调的热介质注入口将热介质从流化床405注入到一级反应器区和二级反应器区中,该流化床405被配置用于在大约1000℃的温度进行氧化。在一些形式中,热介质可以是催化材料。在一些形式中,图8所示的反应器是组合的湍流/流化床反应器和自流化反应器。在一些形式中,端口可以是喷嘴的形式。 [0086] 分离器409被配置成分离过量的炭和/或灰。在408处将炭和/或灰从反应器输送出来。在一些形式中,炭可以是生物炭。洁净的热合成气通过端口413离开,并且使用旋流器406进行输送。在一些形式中,可以使用可调节间隙407来保持反应器高度。 |