气化系统的制作方法

本发明涉及气化领域。更具体而言，本发明涉及用于含碳原料的气化的热解系统(pyrolysis system)。

背景技术：

1、存在许多处理家庭和工业有机废物的方式，包括填埋和焚化。然而，填埋需要专用的土地，且通常引起负面的社会和环境影响，而通过焚化处理涉及显著的能量成本。此外，两种途径都从分解或燃烧中产生温室气体。作为备选，含碳废物可由需氧和厌氧消化转化成生物燃料。然而，两种途径的缺陷在于低过程效率，即，其停留时间通常是以天和周计。此外，需氧消化需要用于构建和保持可收放的泻湖(lagoon)的显著投资。

2、另一方面，高温热解是将含碳进料转化成甲烷和其它燃料气体的高效连续过程。尽管高温热解需要显著的能量输入来达到所需的过程温度，但其由产生的甲烷气体的部分来达成，且因此该过程是可持续发展的。当生物质用作含碳原料时，其也是碳中性的。部分或完全的含碳原料热解是本领域中公知的，例如，us4759300(hansen)和wo2014/090574a(beech等人)。us8282787b和us2013/0004409a(tucker)教授了一种热解系统，其使用以螺旋钻构成的温度受控的反应罐室，其中从热解过程产生的活性炭用于过滤和隔离有害气体。在另一应用中，us2014/0301934(tucker)教授了一种具有用于促进甲烷化过程的涂有催化剂的钻的热解系统，以及用于产生碳纳米管的方法。

3、除有机废物外，诸如煤和沥青的化石燃料可用作含碳进料来用于热解/气化过程，以产生高质量的甲烷气体。例如，通常具有小于5mm的粒径且所以在储存和运输中存在显著的爆炸风险的来自矿渣的煤粉可使用气化过程处理。然而，由常规气化过程产生的产物气体通常具有不利的低甲烷浓度。

4、在将含碳原料裂解成短链烃、氢和三次焦油之前，热解中的高温环境将含碳原料转化成长链烃(例如，一次焦油和二次焦油)。

5、一次焦油大体上特征为直接源自有机原料的热处理(本例中是热解)的化合物，例如，环己酮、愈创木酚或甲酸。二次焦油大体上特征为酚类和烯烃。三次焦油特征为没有氧组分的芳族化合物，其可为碱化的(例如，甲苯、茚)或'浓缩'产物，诸如没有取代基的多环芳香烃(例如，萘、菲)。

6、在高于1000℃的温度下高效的长链烃的热裂解导致了氢池的增大，以及甲烷形成。然而，通常是热解室中的热点的略微升高的温度(即，＞1100℃)下，产生的任何甲烷都可热解。结果，过高温度下的热解产生产物气体中的大量废焦油，降低了气体纯度。

7、甲烷化可限定为由热化学气化中的各种气体的混合物生成甲烷的物理化学过程。焦油的热裂解在镍催化剂存在时在950到1100℃下是高效的，但大多数热解技术目前在较低温度下操作；然而，在该较低温度下操作降低了热解效率，即，其减少了所述一次、二次和三次焦油的裂解，有效地减少了可用于随后的甲烷化的碳和氢的量。

8、ep2440633和us8784616b(tucker)教授了一种反应罐筒，其中加热室分成了多个区段来提供沿筒变化的温度轮廓。在所示实例中，分隔壁可沿轴向方向移动；因此各个区段中的原料和产物气体的停留时间可通过改变区段长度来调整。改变温度轮廓允许了甲烷化与热解和裂解阶段的分离，因此导致了较好的产量。然而，由于甲烷化室中的低温，其中释放的任何一次焦油和二次焦油，以及一些三次焦油连同产物气体从反应室取得。即使焦油在后续分离单元中可从产物气体洗除，但此系统导致了较低的产量和较高的焦油处理成本。

9、结果，产生高甲烷浓度的产物气体和裂解任何残余焦油来用于进一步甲烷化的高产量过程是很期望的。

技术实现思路

1、本技术人通过提供气化系统和设计使用该系统的过程来缓解以上问题。

2、根据本发明的过程针对将含碳原料转化成反应。该过程包括以下步骤：

3、i)热解和甲烷化原料来在至少一个热解室中产生反应气体，其中至少一个热解室在处于或高于850℃的温度下操作(优选处于或高于950℃)。

4、作为优选，含碳原料包括煤。作为优选，反应气体包括甲烷。

5、根据本发明的一些过程还包括以下步骤：

6、ii)从至少一个热解室除去反应气体，

7、iii)气化来自至少一个热解室的未转化的原料来在至少一个气化室中产生合成气，其中至少一个气化室包括一个或更多个反应物喷射端口来用于喷射反应物以允许气化，且在700℃到1100℃之间的温度下操作。

8、iv)从至少一个气化室除去合成气。

9、在此过程中，作为优选，合成气包括焦油、氢和一氧化碳中的至少一者。在此过程中，作为优选，反应物包括蒸汽、氢、氧和空气中的至少一者。在此过程中，作为优选，该过程包括将具有至少为二的碳数的烃从反应物气体和合成气分离来分别形成产物气体和净化的合成气的步骤。在此情况下，烃优选为焦油。烃优选引入热解室和/或气化室的入口端口中。

10、当产生净化的合成气的情况下，优选的是，产物气体和/或净化的合成气的该部分供应至至少一个热解室和/或至少一个气化室来用于加压所述热解和/或气化室。

11、在产生净化的合成气的情况下，优选反应物气体和合成气在分离烃的步骤之前组合。

12、根据本发明的一些过程使用包括催化表面且在从850℃到1100℃的温度(优选950℃到1100℃)下操作的热解室进行，且还包括以下步骤：

13、ii)从热解室的至少一个出口中的至少一个除去反应气体，

14、iii)将反应气体分成产物气体部分和用于进一步处理的部分，

15、iv)将用于进一步处理的部分循环至热解室的至少一个入口中的至少一个来用于进一步处理，v)回收产物气体部分。

16、在此情况下，优选反应气体还包括至少一种具有碳数至少为二的烃(优选是焦油；在其为焦油的情况下，优选产物气体包括比反应气体显著更高的甲烷含量，且用于进一步处理的该部分包括比反应气体显著更高的焦油含量)。

17、在使用此过程的情况下，优选的是，产物气体的一部分供应至热解室来用于加压所述热解室。在此情况下，优选的是，产物气体的该部分在供应至热解室之前预热。

18、根据本发明的一些过程还包括在热解之前调节原料的步骤；其中所述调节步骤包括进料准备系统中的原料的拣选、过滤、破碎和干燥中的任何。

19、本发明还涉及用于执行如上文所述的过程的系统，具体是其中系统包括一次室、二次室和三次室的系统；其中至少一个热解室包括一次室；其中一次室、二次室和三次室串联连接；以及其中一次室在处于或高于850℃(优选高于950℃)下操作，以促进原料的热解和焦油的裂解。

20、根据本发明的一些系统还包括至少一个气化室，其中至少一个气化室包括三次室；其中热解室或气化室还包括二次室；以及其中所有室的模块大小根据吞吐要求、原料和气体两者的停留时间要求和催化剂与原料和气体的总表面接触面积要求选择。

21、在根据本发明的一些系统中，二次室在700℃到900℃之间操作，以促进反应气体的甲烷化；以及其中三次室在700℃到1100℃之间操作，以促进未转化的原料的气化。在此情况下，优选二次室包括可操作成允许除去反应气体的出口，且三次室包括可操作成允许除去气体的出口，且优选一次室在850℃到1100℃之间(优选950℃到1100℃之间)操作，以促进原料的热解和焦油的裂解。在一次是在此系统中在此温度下操作的情况下，优选所有室的模块大小根据吞吐要求、原料和气体两者的停留时间要求和催化剂与原料和气体的总表面接触面积要求来选择。在此情况下，优选反应气体从用于将反应气体分成产物气体和用于进一步处理的一部分的二次室的出口除去；且用于进一步处理的部分经由三次室的入口引入。还优选的是，从三次室的出口除去的反应气体和焦油在一次室的入口处再引入系统中。

22、在根据本发明的一些系统中，一次室在处于或高于850℃(优选处于或高于950℃)下操作，以促进原料的热解和焦油的裂解；且二次室和三次室在700℃到1100℃之间操作来促进未转化的原料的气化。在此情况下，优选一次室包括可操作成允许反应气体除去的出口；以及其中二次室和/或三次室包括可操作成允许除去合成气的出口。

23、在根据本发明的一些系统中，一次室、二次室和三次室中的各个均包括至少一个筒，且各个筒均包括用于在各个筒内传送原料和反应气体的钻。在此情况下，优选系统还包括各个串联连接的筒之间的生成物室以提供缓冲能力，且优选各个筒均包括与彼此流体连通的加热夹套。在使用加热夹套的情况下，优选系统还包括各个加热夹套和筒，以及各个筒和生成物室之间的连接处的减振机构。在此情况下，优选减振机构是或包括波纹管。

24、在根据本发明的系统中，优选系统还包括环带，其包括：

25、a)包括耐火材料的壁；以及

26、b)包括燃烧器的燃烧器箱；

27、构造成以便在使用中，一致的气流在室的外部上从二次室按顺序流至一次室，或从三次室按顺序流至二次室，至一次室。