一种热处理原料的反应器及其方法
专利名称：一种热处理原料的反应器及其方法
技术领域：
本发明涉及一种热处理原料的反应器及其方法。
背景技术：
现有技术中已公开了多种气化处理垃圾的方式，如裂解方法、热解方法以及相应 的反应器。例如，DE 10007115C2公开了一种筒状反应器，在这种反应器上省掉了通常的循 环气体导流系统，这样可以避免裂解产物的冷凝物和形成不受欢迎的沉积物。DE 102004010407公开了一种对垃圾进行热处理的反应器，其在高于大气压的压 力下运行。由于压力提高，气化会进行地非常彻底、迅速并且高效。DE 102004016993也公开了一种对垃圾进行热处理的反应器，其石油和炼油废弃 物可通过单独的管道输送到反应区进行处理。DE 2004020919也公开了一种对垃圾进行热处理的反应器，其中，氧气通过喷嘴注 入反应器容器里，这样沿氧气流可以在多个平面上喷射到反应器中，从而在垃圾的热处理 过程中，于反应器内建立其互相联系的区域。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的反应器和改进的原料热处理方法，而且其特别适 合于原料中的有机成分含量少的情况。上述本发明的目的可分别由独立权利中记载的技术方案来实现；而从属权利要求 中则给出了本发明的优选实施方式。根据本发明的一实施方式，反应器可以如此设置装料(SchUttimg)中的原料加 热到一定温度，使得在整个装料内的温度低于原料的熔点温度。优选地，如此调节反应器， 使得原料最高只加热至原料的软化温度。更优选的是，如此对原料进行加热，使得装料内部 的温度要高于装料周边的温度，这样，只是在装料内部达到了软化温度，而其周边没有达到 软化温度。通过原料中有机成分的气化，形成第一气体，该第一气体包含一种或多种含碳的 化合物。本发明的反应器设置有水冷却的手段，其在原料的有机成分全部气化之后用于进 行冷却。水冷却会产生一定量的水蒸汽，水蒸汽与气化过程中产生的初级气体进行吸热的 水煤气反应，从而产生了氢气。接着，水蒸汽与固态碳进行异相吸热的水煤气反应，固态碳 不是包含在从原料中气化出来的有机物料中，而是作为煤灰存在于装料中。所产生的含氢 的第二气体将被从反应器中导出。第二气体可进一步包括有含碳的化合物，如一氧化碳、二 氧化碳、碳氢化合物和/或其它含碳的化合物(CxHy)，以及水蒸汽和氮。本发明反应器的特别优点是在只输入很小的能量，就可以使原料加热到所需的相 对较低的温度；另一方面，原料气化后所产生的热能没有损失，而是在水冷却的过程中用于 产生水蒸汽，以便进行以上所描述的水煤气反应。本发明使得对只含较少有机成分的原料进行经济又环保的处理成为可能，也即可以对矿物质(即无机物)含量高的原料进行经济又环保的处理，特别是对于矿物质含量超 过50% (质量百分比)的原料，甚至是矿物质含量超过90% (质量百分比)的原料；优选 地，本发明能对矿物质含量超过60% (质量百分比)的原料进行经济又环保的处理。因而， 本发明尤其使得对有机成分含量在40% (质量百分比)以下的原料的处理成为可能；例 如，原料中的碳含量可以2-30% (质量百分比)之间。特别地，本发明可以处理含碳氢化合 物的、燃烧热值较低的原料，如燃烧热值在500kj/kg到12000kj/kg之间的原料。本发明特别适合对煤矸石(coal gangue)进行热处理，例如在开采煤矿时所形成 的煤矸石。煤矸石本质上也是矿物质成分组成的，例如其可能包括Si02、Al203、Fe203、Ca0和 MgO，碳的含量可低于10%，有时大约为5%。本发明还特别适合对煤石(或称硬煤、烟煤，coal stone)进行热处理，此处所称的煤石是指在煤层块(KohlefloBe)边缘区域的所开采出来的煤。碳含量较低例如低于10%的煤矸石和煤石，一般不适用于在煤发电厂燃烧利用， 迄今为止，这些煤矸石和煤石往往被堆积着。利用本发明，将原本无法在煤发电厂燃烧利用 的煤矸石和煤石，使其有机成分气化，从而加以经济、环保和有意义地利用。煤矸石和煤石 气化后留下的矿物质成分还能用作建筑材料，例如生产水泥和玻璃。由气化和随后的水煤气反应所产生的含氢气体可以用于各种用途，如工业用 途或者热电厂。特别地，所产生的气体还可以被输送到下游的反应器如另一反应器中， 特别是那些可以热处理有机成分含量高的原料的反应器中，就象在DE 10007115C2,DE 102004020919、DE 102004016993和DE 102004010407中所描述的那样。这些另外的反应 器可以在较高的温度下运行，以便处理生活垃圾并从中回收金属和矿物质。根据本发明一实施方式，放置装料的装置是一种筒状容器，其与周围环境基本上 是气密的，该容器中设有气密的原料输送装置。由于容器采用基本上气密的构造以及原料 输送是通过基本上气密的输送装置进行的，这样，在运行期间，容器中就可以形成比大气压 更高的气压。基本上气密的容器与周围环境的这种隔离，一方面其具有较好的环境兼容性， 因为反应器容器中的气体没有或很少泄露到环境中，另一方面，由于压力提高，反应器的效 率增加，因为在较高的压力下原料的热处理更高效和彻底。本发明的一种特别优点还在于随着反应器里压力的增加，气体的浓度和气态半 成品的停留时间也会增加。特别是由于气压增加，原料的孔隙被反应器中的气体所充满，从 而相应地使反应本身更加剧烈和彻底。根据本发明一优选的实施方式，反应器是一筒状反应器，其上端是封闭的，原料的 加入到容器里不是通过通常的打开筒的上端部，而是通过气密装置加入的。该气密装置设 置在筒的上端，以便将原料加入筒状结构中。根据本发明一优选的实施方式，上述的气密装置可以设置为能够不连续地(或间 断地)加入原料，例如该气密装置可以是一种船闸系统(Schleusensystem)，加入原料时外 船闸门打开，原料进入两个船闸门之间的舱室内；之后外船闸门关上，内船闸门打开，原料 加入筒中，内船闸门和外船闸门都是基本上气密性的，这样，容器内的气压不会因为装填原 料而出现变化。根据本发明另一优选的实施方式，上述的气密装置可以设置为能够连续地加 入原料，例如该气密装置可以具有填压装置(Stopfeinrichtimg)，特别是一种填料螺杆(Stopfsehnecke)0根据本发明另一优选的实施方式，上述的气密装置可以设计为一个种液压或者气 压驱动的推杆或滑块，以输送原料。此时，可通过液压活塞或气压活塞，将原料输送至反应 器的筒状容器中。根据本发明另一优选的实施方式，可以在反应器的筒状容器的上端设置有过压阀 (Cberdruckklappe )、减压阀(IJberdruckventil)或其它的安全装置，以便在压力超过安
全阈值时，使反应器内的压力得以释放。根据本发明另一优选的实施方式，可以在反应器的容器内或容器上设置一个或多 个气压传感器。优选地，至少在反应器的筒状容器区域至少设置一个气压传感器。这种气 压传感器可以测量它所在的位置容器内的气压。相应的 气压测量值被传送到控制装置，以 便将气压控制在允许的工作范围内。根据本发明一实施方式，反应器是如此设计的，利用热气体来冲击其上部的装料。 该热气体来自于一个燃烧喷嘴，该燃烧喷嘴至少在启动阶段是由载气来驱动的，而且维持 恒定的燃烧功率。燃烧喷嘴是按过化学计量比(uberstochiometrisch )运行的，也就是说 热气体中含有过量的氧气，即所说的初级气体。装料上部区域的原料表面被燃烧喷嘴喷出 的热气体所加热，从而使得原料的表面开始燃烧。原料表面的加热，也使原料内部的温度上 升，这样，原料内部存在的有机成分例如煤被气化并被排出。煤气化所产生的第一气体部分 地在反应器里燃烧，使整个原料装料都被加热。根据本发明一实施方式，反应器设置有用密封空气(Sperrluft)为容器供气的装 置，而且位于原料的导入区域。密封空气就是所谓的次级气体。通过用密封空气向容器的 原料导入区域供气，可以阻止气体从反应器的上部流出。根据本发明一实施方式，反应器设置有将氧气导入装料内的装置。特别地，通过这 种导入氧气的装置，可以将含氧的气体或者空气即所谓的三级气体导入到装料中。可以借 助反应器的调节装置，调节氧气也即三级气体向装料的导入，使得装料的原料温度不超过 所希望的温度。通过三级气体的导入，也可以控制反应器的运行。导入越多的三级气体，原料中 有机成分气化的比例越大，随着其在反应器里被氧化，装料的温度也就上升的越高。优选 地，氧气的导入是如此调节的，一方面由于原料气化所产生气体的部分燃烧而使温度足够 的高，从而使得气化尽可能地完全彻底；另一方面。原料气化所产生的气体尽可能少地被燃
；Bs
JyCi。根据本发明一实施方式，将未处理气体(Rohgas)从反应器引出。用温度传感器来 测量该未处理气体的实际温度，该实际温度通过调节装置也就是控制设备，与相应的预设 温度进行比较，并根据实际温度与预设温度的温度差，控制三级气体的导入。通过适当地选 择未处理气体的预设温度，就可以确保装料的原料被加热到既不会达到使其熔融的温度、 同时又可达到使其软化的温度。根据本发明一实施方式，导入氧气的装置是如此设计的，其能使氧气流入装料的 内部。例如，氧气可以以空气的形式导入，或者以富氧空气的形式导入。导入氧气的装置可 包含一个管道，其伸入或插入装料的内部，氧气通过该管道可以导入到装料的内部。把氧气 直接输送到装料的内部有这样的好处温度梯度可以从装料的中心向其边沿设定。装料内部的原料可比装料周边的原料，达到更高的温度，特别是可达到其软化温度；而在装料的周 边，优选地，根本达不到这一软化温度。这样做的优点在于，可以避免原料黏着在反应器的 容器壁上。优选地，在装料的任何之处，均未达到软化温度，以避免在装料的内部形成原料结块。根据本发明一实施方式，反应器设置有一个收集所产生的未处理气体的收集室以及一个排放该收集室的未处理气体的出口。优选地，导入氧气的装置是如此设计的，氧气至 少部分地流向该气体收集室。这样设计的一个优点在于，氧气的注入朝向于气体收集室，有 利于未处理气体的经过排气口排出；这样设计的另一优点在于，氧气的流动方向横穿装料 的原料流动方向，装料的空隙被打开，这样可以使气化充分流动，并防止凝结成束状。根据本发明一实施方式，导入氧气的装置具有滑动面，该滑动面倾斜于装料的原 料流动方向，而氧气则从该滑动面流入。该滑动面在其表面上设置有分配氧气的出口。例 如，该滑动面形成一个楔形的角度，装料的原料流动被分成两部分。原料流的分开，使原料 的气化变得容易。根据本发明一实施方式，反应器设置有在气化之后将原料从装料中排放的装置。 这种气化后的原料排放装置可以具有一个或多个炉栅结构，特别是抽屉式炉栅。抽屉式炉 栅可以抽出来进行冷却，从而避免在抽屉式炉栅上形成粘结和桥状结构。适当的炉栅结构 可以从现有技术中获得，例如可以参见DE 19906262A1。根据本发明一实施方式，反应器设置有一种水池结构，以便在在有机成分气化之 后冷却原料。这种水池结构可以如此设置，使得在其中可以放置装料。这种水池结构也可 以设置在装料的旁边，其中，通过排放装置可以将原料从反应器的炉区输运至水池结构。例 如这种排放装置可以是推杆、抽拉板、炉栅、交叉室或其它的机械排放装置，而且可以由液 压和/或电力来驱动。原料在水池中冷却会产生水蒸汽，水蒸汽在反应器的容器内上升，与原料中有机 成分气化并部分燃烧所产生的气体发生均相的吸热水煤气反应，生成氢气。在均相水煤气 反应中，汽化的水与一氧化碳反应，生成氢气和二氧化碳。另外，当水蒸汽与原料中没有气 化的碳接触时，还会发生异相水煤气反应。在异相水煤气反应中，碳和水蒸汽转化为氢和一 氧化碳。这种利用原料气化时所产生热能的方式有很多优点一方面将原料中储存的热能 用于化学反应，从整体上讲在能量平衡方面是相对便宜的；另一方面，所产生的未处理气体 的价值也升高了，因为其中产生了氢。根据本发明一实施方式，其还设置有一个位于水池上的排放输送装置，其可以将 在水池中冷却以后的原料从水池中取出。取出后的原料还可以用于其它用途，比如作为建 筑材料，生产水泥或用作其它的用途。根据本发明一实施方式，筒状反应器设置为向上变细，这样设计的优点是，向筒状 反应器中装料的灵活性得以改善。根据本发明一实施方式，本发明的反应器还可与另外的反应器相连接，这样未处 理气体(即原料气)可以从本发明之反应器的气体收集室流到另外的反应器中。此时，本 发明反应器可以如此调节，使未处理气体的压力大于串联的、另外的反应器中的压力，使得 未处理气体在压差的作用下流向该另外的反应器。
上述另外的反应器也可以同样是热处理原料的反应器。其中，在该另外的反应器中，原料可以具有较高含量的有机成分，如生活垃圾。在该另外的反应器里，可以进行强加 热，使得原料中的金属成分和矿物质成分融化，以便对其进行回收。此处为了所必需的、针 对该另外反应器中原料的加热，来自上游本发明反应器的未处理气体可以完全或者部分地燃烧。另一方面，本发明还涉及一种原料的热处理方法，其中，该原料中的有机成分低于 40%，特别是那些不高于10%的原料。优选地，此处所说的原料是固体原料，尤其是那些矿 物质成分含量很高的固体原料，比如碳含量很低的火成岩，如所谓的煤矸石。借助附图，下文详细描述本发明的优选实施例，其中
图1显示了本发明反应器的第一实施方式的纵剖面图；图2显示了本发明反应器的第二实施方式的纵剖面图；图3显示了本发明反应器的第三实施方式的纵剖面图。
具体实施例方式在下面针对附图的说明中，相应的元件使用相同的附图标记。图1显示了本发明反应器的一实施方式，其中，反应器设计为一种筒状反应器，在 筒状反应器的上部设置有运送原料1的装置4，原料1指的是固体材料，特别是具有较高矿 物质含量(大于50%)、较低有机成分含量(低于40%)的原料。特别地，这样的原料1可 以是指煤矸石。在该实施方式中，装置4设置在筒状反应器之筒状结构的一边。装置4可以设计 为能够间断或不间断地加入原料1。例如，装置4可以是筒状反应器中的加入原料的炉口闸 门；装置4也可以设计为填压装置或填料螺杆。装置4的上游还可以设置一个准备和储存原料的装置2。在相应的场合下，原料1 可以在没有上游的装置2而通过装置4直接加入。装置4有一个区域3，其可以注入二级气 体，即密封空气。密封空气通过装置4注入筒状反应器内，以防止筒状反应器的气体经装置 4的区域泄漏到外部环境。通过装置4加入到筒状反应器的原料1在筒状反应器里形成装料26，在原料的热 处理过程中，装料必须加热。因此，在筒状反应器的一端设置了一个或多个燃烧喷嘴10。通 过燃烧喷嘴10，原料1所形成的装料在筒状反应器里用热气体加热，热气体含有氧气，也就 是初级气体。此处，燃烧喷嘴10是按过化学计量比燃烧的，使得燃烧喷嘴10所产生的热气 体含有过量的氧气。燃烧喷嘴10也可以用氧气或者富氧气体进行燃烧。在筒状反应器的 点火阶段，载气在燃烧喷嘴10处燃烧。点火之后，可以由少量的由筒状反应器所产生的未 处理气体来代替载气，驱动燃烧喷嘴10的燃烧。由燃烧喷嘴10所产生的热气体，将装料上端区域的原料1表面加热，特别是装料 的椎体部分被加热，使得原料1的表面开始燃烧。原料1表面的加热也使得原料1的内部 不断被加热，从而使得原料1内部的有机成分气化，并原料1中溢出到反应器中或者装料的 空隙中。
在燃烧喷嘴10处，可以设置一个独立的燃烧室9。如果在筒状反应器里有足够的 空间可以让燃烧喷嘴10产生的燃烧气体烧尽的话，这个独立的燃烧室可以不做考虑。因 此，装料26的上方设置了筒状反应器的室11，室11直接设置在燃烧喷嘴10的作用区域内。 在室11中，来自原料气化所产生的气体会部分在此燃烧。筒状反应器设置有一个控制装置40，用于控制原料1通过装置4的加入，以使得原 料1在筒状反应器的装料尽可能达到预定的高度ho。其中，预定高度ho如此选择，使得室 11在装料的上方。装料有一个上部区域12，该区域大约在筒状反应器的中心。在上部区域12存在脱 气和燃烧后的产物，即原料1残留的惰性物以及燃烧喷嘴10的燃烧产物，主要是水蒸汽、二 氧化碳和惰性成分例如氮。
筒状反应器还有一个反应器罩13，其带有石头衬里，并位于区域12处，反应器罩 13可以在区域12冷却。在区域12的下方，装料还有一个区域14，区域14的顶部设置有装置15，其用于输 送氧气，也就是所说的三级气体。装置15设置有一个或多个混合喷头，用于把三级气体向 区域14排放。三级气体是富氧的，可以与水蒸汽一起输送。通过装置15输送的三级气体 的输送可由控制装置40来调节。在区域14的下方，装料还有一个区域16。在区域16内，原料1被完全或者接近 完全的干馏(去气)，不含或几乎不含任何的碳水化合物，但极少量的固态碳还存在于原料中。在区域16直接连接有一个气体收集室18，气体收集室18收集的是从区域16产生 的未处理气体19。如图1所示，未处理气体从气体收集室18向上由一个或多个出气口排
出ο未处理气体19包含有氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫、高级烃、氢以及 粉尘。未处理气体的温度可由设置在气体收集室或筒状反应器排气口的温度传感器来测 量。控制装置40用于调节三级气体经由装置15、装置31、32(参照图3的实施方式)的输 送。未处理气体的温度在600°C到850°C之间。在区域16的下方，装料还有一个区域17，区域17位于筒状反应器炉区的排放处。 筒状反应器的炉区有一个间壁(隔板)20，间壁带有石头衬里；特别地，其可以被直接或间 接地降温。筒状反应器还有一个水池21。在图1的实施方式中，水池21可以如此设计，使装 料直接放置在水池中。这样，位于水池21中的装料区域的原料可以直接降温，水蒸汽向上 上升到装料的区域17。优选地，水池21如此设计，其可以起到水封的作用，使得筒状反应器向下是气密 的。此时，水池21可以这样设计，水池的水面达到装料的区域，并具有高度hi ；在装料以外 具有高度h2 ；在管道部分设置有一个排放输运装置22，其高度是h3。高度hi和高度h2大 概是相同的，而高度h3小于高度hi和高度h2，这样没有气体从筒状反应器向下溢出。当筒 状反应器内的压力超过大气压时，高度h2要高于hi.通过排放输运装置22，产品23即干馏后的原料1，从水池中移离筒状反应器的装 料区域。产品23在必要的情况下可以烘干或脱水，以用作其它用途。
通过冷却干馏后的原料，也即水池21中的产品23，可以经热传递和蒸发回收热 能。装料中升起的水蒸汽可以与原料中仍然存在的固态碳发生异相水煤气反应，和/或与 二氧化碳发生均相水煤气反应，生成氢气。二氧化碳存在于气化所形成的含碳气体和/或 未处理气体19中。未经处理的气体19可以以这种或那种的方式，进一步与水蒸汽混合，由 于下游中，例如用于下游的反应器中。在图3中筒状反应器向上是封闭的，但是筒状反应器的炉盖部位5设置有一个减 压阀，减压阀的后面连接有管道6并通向一个非燃烧室。在筒状反应器的压力超过允许的 范围，减压阀就会打开，通过管道6从筒状反应器进入非燃烧室的气体将被排放掉。在反应器盖5还设置有一个空间7，通过装置4输送的原料1经过空间7形成装 料。反应器盖5的外罩8上装有压力传感器42，以测量筒状反应器内的压力。压力传感器 42将压力值提供给控制装置40。一旦压力值超过临界值，控制装置40可以控制减压阀的 打开。在反应器的顶部还设置有一个填料传感器41，这是一个测距雷达，填料传感器41 同样把数据发送给控制装置40，以便调节装置4，使装料达到h0的高度。在筒状反应器的运行过程中还发生以下的过程。通过装置4，原料1的装料达到设定的高度h0，燃烧喷嘴用空气和氧气对装料的区 域11和12进行加热，通过区域12内原料1的表面的加热，原料内部的温度也不断升高，这 样原料中的有机成分开始气化。一部分从原料中气化出来的气体，与喷嘴10输送的初级气体混合并被燃烧，这样 会进一步加热填料塔中的原料1，特别是区域14中的原料，因为加热那里的原料会同样产 生气化。通过装置15输送的三级气体，在控制装置40的调节下，开始输送至反应器，这样 反应器的温度会再次提高。图2是本发明筒状反应器的另一实施方式。与图1相比，图2中的装置4是用于 间断地输送原料，燃烧喷嘴10是斜向下于装料的填料锥体方向设置的，这样燃烧室9可以 省略。与图1相比还存在的区别是，装料不是在水池21中，而是水池在装料的下方一侧 设置，排放装置24设置在装料的一侧。这种排放装置可以是推杆、抽拉板、炉栅、交叉室或 其它的机械排放装置，而且可以由液压和/或电力来驱动。通过排放装置24，产品23从装 料的下方被排放，这样产品23落入水池中。在水池21中，也可以形成产品23的装料26。 产品23可以经过室25，从原料1的装料下部(也即反应器的炉区)落至装料26上。产品23在水池中的冷却可产生水蒸汽。至少部分水蒸汽29升至反应器的炉区， 发生均相和异相的水煤气反应。通过设置在水池21上方的控制阀门27，产品23的冷却下 产生的部分水蒸汽28被导出来。这样部分水蒸汽29相应减少了，部分水蒸汽28可以输送 至筒状反应器自己。例如，部分28可以通过燃烧喷嘴10或者装置15再次输送到筒状反应 器中，部分28还可以作为其它的用途。图3是本发明筒状反应器的又一实施方式。和图2—样，在图3上装置4也是气 密的，也是为了批量地输送原料。装置4加装了一个炉料盖34。为了控制原料的输送，通过 不断的升降来控制原料的输送。这也广泛应用在高炉上。在炉料盖34上设置有装置35，该 装置是为了输送密封空气而设置在炉料盖34的密封舱上。这种密封气体阻止炉内气体的外泄，同时引导一部分气体作为二次气体进入筒状反应器。筒状反应器中原料的填充是如此控制的由填料传感器41进行机械地和/或光学 地感应，以确认是不是达到了 h0的高度。水池21在图3中没有显示，图3中的情况可以与图1中的情况基本相同，即装料 在水池21中；或者像图2描述的那样，从装料中产生了产品23，而且部分水蒸汽从水池中 上升进入原料中。在图3所显示的筒状反应器的具体方式中，三级气体将被输入装料的内部，这是 通过管道31在区域16完成的。在管道31中设置了滑动面43和44，滑动面斜向筒状反应 器中原料的流动方向45。滑动面43和44形成一个尖角，这样原料流被分为2个区域，就像图3所表示的。 滑动面43和44形成一个楔形的状态，这样三级气体可以向装料的内部吹送。滑动面43和滑动面44形成的一个凸起部分32，这个凸起在三级气体的出口垂直 于原料的流动方向45，或者与原料的流动方向相反。通过凸起32，从区域14起，装料的分 开变得更加容易。在凸起32的端部是一个磨棱33，是做成一个倒棱的形状。磨棱33和凸 起32是设置在一起的。磨棱33是可以很轻松的调换的。优选地，滑动面43和44之间形成的角度，使得至少一部分从滑动面43和44吹出 的气体，进入到气体收集室18。这样，未处理气体19从筒状反应器向收集室18流动时变得 容易了。把氧气吹入装料的内部，而且与原料流动方向45呈横切，有一个更进一步的优 点，这样装料的空隙是打开的，更加有利于完全气化。这样那种束状的粘结也不会发生了， 另一个优点是通过把三级气体输送到装料的内部，在内部形成更高的氧气浓度，这样那里 大部分的在气化过程中产生的气体和未处理气体充分的燃烧。这使得从装料的内部到边沿 形成一个温度的梯度。第三气体的输入是这样调节的，为了只是让装料内部的温度达到软 化温度，而不是边沿。这样可以避免原料黏着反应器壁上。在区域17管道31的左下方设置有抽取式的炉栅，炉栅保持产品23能够从装料到 水池21，炉栅也避免的桥型结构的形成，炉栅可以被取出来冷却，通过炉栅的引导，产品23 可以顺利通过反应器。筒状反应器可以具有圆形的横断面。在抽取式炉栅所在的区域，横断面可是长方 形的。凸起32也特别的优点，其可以让原料从圆形断面到长方形断面过渡时更好的分流。优选地，在该实施方式中，控制装置40是如此设置的，当二级气体的输送通过炉盖34的时候，切断二级气体的输送。这样，可以避免在炉盖下端的钟罩打开的时候，不受控 制的二级气体进入筒状反应器的内部。
权利要求
一种对原料(1)进行热处理、以获得含有氢气和/或碳氢化合物的气体(19)的反应器，该反应器包括-加入原料的装置(4；34)，所加入的原料形成反应器中的填料；-将原料加热到某一温度的装置(10、15；31、32、40)，在整个填料内部，该温度低于原料的熔融温度，并使原料中的有机成分气化，形成第一气体；-在有机成分气化之后利用水来冷却原料的装置(21)，原料冷却产生水蒸汽，水蒸汽发生吸热的水煤气反应，形成第二气体；-从反应器中导出第二气体的装置(18)；其中，所述的第一气体含有一种或多种碳氢化合物，所述的第二气体含有氢气和/或碳氢化合物。
2.如权利要求1所述的反应器，其中，所述的反应器具有气密的、与周围环境密闭的、 用于放置填料的筒状容器，并进一步具有气密的、向所述容器中加入原料的装置。
3.如权利要求1或2所述的反应器，其中，所述的加热原料的装置至少具有一个燃烧器 (10)，该燃烧器设计为在过化学计量比的状态下运行。
4.如权利要求1-3之一所述的反应器，其进一步包括在原料的加入区域向所述容器注 入密封空气的装置(35)。
5.如前述权利要求之一所述的反应器，其进一步包括导入氧气的装置(15;31、32、43、 44)和控制氧气导入的控制装置(40)，使得原料不会达到其熔融温度。
6.如权利要求5所述的反应器，其中，所述的控制装置是如此设计的，使得原料最高可 以达到其软化温度。
7.如权利要求5或6所述的反应器，其中，所述的控制装置是如此设计的，使得在所述 反应器内形成的压力高于大气压。
8.如权利要求5、6或7所述的反应器，其中，所述的控制装置是如此设计的，使得在 所述反应器内形成的压力高于下游反应器的压力，从而使含有氢气的气体流向该下游反应器
9.如权利要求5-8之一所述的反应器，其中，所述的导入氧气的装置是如此设计的，使 得氧气流向原料的中央。
10.如权利要求9所述的反应器，其进一步包括气体收集室，以收集含有氢气的气体； 并进一步包括从所述气体收集室导出气体的出口 ；其中，所述的导入氧气的装置是如此设 计的，氧气是至少部分地沿所述气体收集室而流入。
11.如权利要求5-10之一所述的反应器，其中，所述的导入氧气的装置至少具有一个 滑动面(43、44)，该滑动面相对于原料的流动方向(45)是斜向的，其中，至少部分的氧气是 从该滑动面流出而流入原料中。
12.如权利要求11所述的反应器，其中，所述的导入氧气的装置至少具有两个滑动面， 其设置在反应器的中央区域。
13.如前述权利要求之一所述的反应器，其进一步具有在气化后排放原料的装置(30) 和/或控制或调节反应器生产能力的装置。
14.如权利要求13所述的反应器，其中，所述的排放原料的装置具有一个抽屉式炉栅 结构，其设置为倾斜于原料的流动方向(45)。
15.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的冷却装置包括一个水池结构 (21)。
16.如权利要求15所述的反应器，其中，所述的水池是如此设计的，使得原料能够位于 其中形成填料塔。
17.如权利要求15或16所述的反应器，其进一步包括一个排放输运装置(22)，以从所 述水池中输运冷却后的原料。
18.如权利要求15、16或17所述的反应器，其中，所述的水池设计为使反应器气密。
19.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的水煤气反应在反应器内部是均相 和/或异相进行的。
20.如前述权利要求之一所述的反应器，其进一步具有容纳所述原料的容器，该容器为 筒状并向上变细。
21.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的反应器进一步与热处理其它原料 的其它反应器相连，其中，含有氢气的气体(19)从所述反应器流向所述其它反应器。
22.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的加热原料的装置(10、15;31、32、 40)是如此设计的，使得整体原料内的温度低于原料的软化温度。
23.一种对原料(1)进行热处理、以获得含有氢气的气体(19)的方法，其包括以下步骤_加入原料，形成由原料构成的填料；-将原料加热到某一温度，在整个填料内部，该温度低于原料的熔融温度，并使原料中 的有机成分气化，形成第一气体；-在有机成分气化之后，利用水来冷却原料，原料冷却产生水蒸汽，水蒸汽发生吸热的 水煤气反应，形成第二气体；其中，所述的第一气体含有一种或多种碳氢化合物，所述的第二气体含有氢气。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述的水煤气反应是水蒸汽与含碳的气体所发 生的均相反应。
25.如权利要求23或24所述的方法，其中，所述的水煤气反应是水蒸汽与原料中未气 化的碳所发生的异相反应。
26.如权利要求23、24或25所述的方法，其中，所述的原料是煤矸石、含有煤矸石的混 合物、煤石、或含有煤石的混合物。
27.如权利要求23-26之一所述的方法，其中，所述的填料是在水池(21)中形成的。
28.如权利要求23-27之一所述的方法，其中，所述的原料在气化之后从所述的填料中 排放出来，并进入水池(21)中。
29.如权利要求23-28之一所述的方法，其中，在所述的填料内部导入氧气，使得填料 内部的温度比填料周边的温度高。
30.如权利要求29所述的方法，其中，至少一部分的氧气是沿气体收集室(18)的方向 而导入所述填料内部的。
31.如权利要求23-30之一所述的方法，其中，该方法是在含氢气的气体的压力高于大 气压的情况下运行的。
32.如权利要求23-31之一所述的方法，其中，测量含氢气的气体的温度，并采用该温度来控制氧气的导入 。
全文摘要
本发明公开了一种对原料(1)进行热处理、以获得含有氢气和/或碳氢化合物的气体(19)的反应器以及工艺方法，该反应器包括加入原料的装置(4；34)；将原料加热到某一温度的装置(10、15；31、32、40)，在整个填料内部，该温度低于原料的熔融温度，并使原料中的有机成分气化，形成第一气体；在有机成分气化之后利用水来冷却原料的装置(21)，原料冷却产生水蒸汽，水蒸汽发生吸热的水煤气反应，形成第二气体；从反应器中导出第二气体的装置(18)。其中，第一气体含有一种或多种碳氢化合物，第二气体含有氢气和/或碳氢化合物。
文档编号A62D3/00GK101817011SQ200910008118
公开日2010年9月1日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者埃克哈德·蒂舍尔, 弗兰克·乌舒特 申请人:Kbi国际有限公司
技术领域：
本发明涉及一种热处理原料的反应器及其方法。
背景技术：
现有技术中已公开了多种气化处理垃圾的方式，如裂解方法、热解方法以及相应 的反应器。例如，DE 10007115C2公开了一种筒状反应器，在这种反应器上省掉了通常的循 环气体导流系统，这样可以避免裂解产物的冷凝物和形成不受欢迎的沉积物。DE 102004010407公开了一种对垃圾进行热处理的反应器，其在高于大气压的压 力下运行。由于压力提高，气化会进行地非常彻底、迅速并且高效。DE 102004016993也公开了一种对垃圾进行热处理的反应器，其石油和炼油废弃 物可通过单独的管道输送到反应区进行处理。DE 2004020919也公开了一种对垃圾进行热处理的反应器，其中，氧气通过喷嘴注 入反应器容器里，这样沿氧气流可以在多个平面上喷射到反应器中，从而在垃圾的热处理 过程中，于反应器内建立其互相联系的区域。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的反应器和改进的原料热处理方法，而且其特别适 合于原料中的有机成分含量少的情况。上述本发明的目的可分别由独立权利中记载的技术方案来实现；而从属权利要求 中则给出了本发明的优选实施方式。根据本发明的一实施方式，反应器可以如此设置装料(SchUttimg)中的原料加 热到一定温度，使得在整个装料内的温度低于原料的熔点温度。优选地，如此调节反应器， 使得原料最高只加热至原料的软化温度。更优选的是，如此对原料进行加热，使得装料内部 的温度要高于装料周边的温度，这样，只是在装料内部达到了软化温度，而其周边没有达到 软化温度。通过原料中有机成分的气化，形成第一气体，该第一气体包含一种或多种含碳的 化合物。本发明的反应器设置有水冷却的手段，其在原料的有机成分全部气化之后用于进 行冷却。水冷却会产生一定量的水蒸汽，水蒸汽与气化过程中产生的初级气体进行吸热的 水煤气反应，从而产生了氢气。接着，水蒸汽与固态碳进行异相吸热的水煤气反应，固态碳 不是包含在从原料中气化出来的有机物料中，而是作为煤灰存在于装料中。所产生的含氢 的第二气体将被从反应器中导出。第二气体可进一步包括有含碳的化合物，如一氧化碳、二 氧化碳、碳氢化合物和/或其它含碳的化合物(CxHy)，以及水蒸汽和氮。本发明反应器的特别优点是在只输入很小的能量，就可以使原料加热到所需的相 对较低的温度；另一方面，原料气化后所产生的热能没有损失，而是在水冷却的过程中用于 产生水蒸汽，以便进行以上所描述的水煤气反应。本发明使得对只含较少有机成分的原料进行经济又环保的处理成为可能，也即可以对矿物质(即无机物)含量高的原料进行经济又环保的处理，特别是对于矿物质含量超 过50% (质量百分比)的原料，甚至是矿物质含量超过90% (质量百分比)的原料；优选 地，本发明能对矿物质含量超过60% (质量百分比)的原料进行经济又环保的处理。因而， 本发明尤其使得对有机成分含量在40% (质量百分比)以下的原料的处理成为可能；例 如，原料中的碳含量可以2-30% (质量百分比)之间。特别地，本发明可以处理含碳氢化合 物的、燃烧热值较低的原料，如燃烧热值在500kj/kg到12000kj/kg之间的原料。本发明特别适合对煤矸石(coal gangue)进行热处理，例如在开采煤矿时所形成 的煤矸石。煤矸石本质上也是矿物质成分组成的，例如其可能包括Si02、Al203、Fe203、Ca0和 MgO，碳的含量可低于10%，有时大约为5%。本发明还特别适合对煤石(或称硬煤、烟煤，coal stone)进行热处理，此处所称的煤石是指在煤层块(KohlefloBe)边缘区域的所开采出来的煤。碳含量较低例如低于10%的煤矸石和煤石，一般不适用于在煤发电厂燃烧利用， 迄今为止，这些煤矸石和煤石往往被堆积着。利用本发明，将原本无法在煤发电厂燃烧利用 的煤矸石和煤石，使其有机成分气化，从而加以经济、环保和有意义地利用。煤矸石和煤石 气化后留下的矿物质成分还能用作建筑材料，例如生产水泥和玻璃。由气化和随后的水煤气反应所产生的含氢气体可以用于各种用途，如工业用 途或者热电厂。特别地，所产生的气体还可以被输送到下游的反应器如另一反应器中， 特别是那些可以热处理有机成分含量高的原料的反应器中，就象在DE 10007115C2,DE 102004020919、DE 102004016993和DE 102004010407中所描述的那样。这些另外的反应 器可以在较高的温度下运行，以便处理生活垃圾并从中回收金属和矿物质。根据本发明一实施方式，放置装料的装置是一种筒状容器，其与周围环境基本上 是气密的，该容器中设有气密的原料输送装置。由于容器采用基本上气密的构造以及原料 输送是通过基本上气密的输送装置进行的，这样，在运行期间，容器中就可以形成比大气压 更高的气压。基本上气密的容器与周围环境的这种隔离，一方面其具有较好的环境兼容性， 因为反应器容器中的气体没有或很少泄露到环境中，另一方面，由于压力提高，反应器的效 率增加，因为在较高的压力下原料的热处理更高效和彻底。本发明的一种特别优点还在于随着反应器里压力的增加，气体的浓度和气态半 成品的停留时间也会增加。特别是由于气压增加，原料的孔隙被反应器中的气体所充满，从 而相应地使反应本身更加剧烈和彻底。根据本发明一优选的实施方式，反应器是一筒状反应器，其上端是封闭的，原料的 加入到容器里不是通过通常的打开筒的上端部，而是通过气密装置加入的。该气密装置设 置在筒的上端，以便将原料加入筒状结构中。根据本发明一优选的实施方式，上述的气密装置可以设置为能够不连续地(或间 断地)加入原料，例如该气密装置可以是一种船闸系统(Schleusensystem)，加入原料时外 船闸门打开，原料进入两个船闸门之间的舱室内；之后外船闸门关上，内船闸门打开，原料 加入筒中，内船闸门和外船闸门都是基本上气密性的，这样，容器内的气压不会因为装填原 料而出现变化。根据本发明另一优选的实施方式，上述的气密装置可以设置为能够连续地加 入原料，例如该气密装置可以具有填压装置(Stopfeinrichtimg)，特别是一种填料螺杆(Stopfsehnecke)0根据本发明另一优选的实施方式，上述的气密装置可以设计为一个种液压或者气 压驱动的推杆或滑块，以输送原料。此时，可通过液压活塞或气压活塞，将原料输送至反应 器的筒状容器中。根据本发明另一优选的实施方式，可以在反应器的筒状容器的上端设置有过压阀 (Cberdruckklappe )、减压阀(IJberdruckventil)或其它的安全装置，以便在压力超过安
全阈值时，使反应器内的压力得以释放。根据本发明另一优选的实施方式，可以在反应器的容器内或容器上设置一个或多 个气压传感器。优选地，至少在反应器的筒状容器区域至少设置一个气压传感器。这种气 压传感器可以测量它所在的位置容器内的气压。相应的 气压测量值被传送到控制装置，以 便将气压控制在允许的工作范围内。根据本发明一实施方式，反应器是如此设计的，利用热气体来冲击其上部的装料。 该热气体来自于一个燃烧喷嘴，该燃烧喷嘴至少在启动阶段是由载气来驱动的，而且维持 恒定的燃烧功率。燃烧喷嘴是按过化学计量比(uberstochiometrisch )运行的，也就是说 热气体中含有过量的氧气，即所说的初级气体。装料上部区域的原料表面被燃烧喷嘴喷出 的热气体所加热，从而使得原料的表面开始燃烧。原料表面的加热，也使原料内部的温度上 升，这样，原料内部存在的有机成分例如煤被气化并被排出。煤气化所产生的第一气体部分 地在反应器里燃烧，使整个原料装料都被加热。根据本发明一实施方式，反应器设置有用密封空气(Sperrluft)为容器供气的装 置，而且位于原料的导入区域。密封空气就是所谓的次级气体。通过用密封空气向容器的 原料导入区域供气，可以阻止气体从反应器的上部流出。根据本发明一实施方式，反应器设置有将氧气导入装料内的装置。特别地，通过这 种导入氧气的装置，可以将含氧的气体或者空气即所谓的三级气体导入到装料中。可以借 助反应器的调节装置，调节氧气也即三级气体向装料的导入，使得装料的原料温度不超过 所希望的温度。通过三级气体的导入，也可以控制反应器的运行。导入越多的三级气体，原料中 有机成分气化的比例越大，随着其在反应器里被氧化，装料的温度也就上升的越高。优选 地，氧气的导入是如此调节的，一方面由于原料气化所产生气体的部分燃烧而使温度足够 的高，从而使得气化尽可能地完全彻底；另一方面。原料气化所产生的气体尽可能少地被燃
；Bs
JyCi。根据本发明一实施方式，将未处理气体(Rohgas)从反应器引出。用温度传感器来 测量该未处理气体的实际温度，该实际温度通过调节装置也就是控制设备，与相应的预设 温度进行比较，并根据实际温度与预设温度的温度差，控制三级气体的导入。通过适当地选 择未处理气体的预设温度，就可以确保装料的原料被加热到既不会达到使其熔融的温度、 同时又可达到使其软化的温度。根据本发明一实施方式，导入氧气的装置是如此设计的，其能使氧气流入装料的 内部。例如，氧气可以以空气的形式导入，或者以富氧空气的形式导入。导入氧气的装置可 包含一个管道，其伸入或插入装料的内部，氧气通过该管道可以导入到装料的内部。把氧气 直接输送到装料的内部有这样的好处温度梯度可以从装料的中心向其边沿设定。装料内部的原料可比装料周边的原料，达到更高的温度，特别是可达到其软化温度；而在装料的周 边，优选地，根本达不到这一软化温度。这样做的优点在于，可以避免原料黏着在反应器的 容器壁上。优选地，在装料的任何之处，均未达到软化温度，以避免在装料的内部形成原料结块。根据本发明一实施方式，反应器设置有一个收集所产生的未处理气体的收集室以及一个排放该收集室的未处理气体的出口。优选地，导入氧气的装置是如此设计的，氧气至 少部分地流向该气体收集室。这样设计的一个优点在于，氧气的注入朝向于气体收集室，有 利于未处理气体的经过排气口排出；这样设计的另一优点在于，氧气的流动方向横穿装料 的原料流动方向，装料的空隙被打开，这样可以使气化充分流动，并防止凝结成束状。根据本发明一实施方式，导入氧气的装置具有滑动面，该滑动面倾斜于装料的原 料流动方向，而氧气则从该滑动面流入。该滑动面在其表面上设置有分配氧气的出口。例 如，该滑动面形成一个楔形的角度，装料的原料流动被分成两部分。原料流的分开，使原料 的气化变得容易。根据本发明一实施方式，反应器设置有在气化之后将原料从装料中排放的装置。 这种气化后的原料排放装置可以具有一个或多个炉栅结构，特别是抽屉式炉栅。抽屉式炉 栅可以抽出来进行冷却，从而避免在抽屉式炉栅上形成粘结和桥状结构。适当的炉栅结构 可以从现有技术中获得，例如可以参见DE 19906262A1。根据本发明一实施方式，反应器设置有一种水池结构，以便在在有机成分气化之 后冷却原料。这种水池结构可以如此设置，使得在其中可以放置装料。这种水池结构也可 以设置在装料的旁边，其中，通过排放装置可以将原料从反应器的炉区输运至水池结构。例 如这种排放装置可以是推杆、抽拉板、炉栅、交叉室或其它的机械排放装置，而且可以由液 压和/或电力来驱动。原料在水池中冷却会产生水蒸汽，水蒸汽在反应器的容器内上升，与原料中有机 成分气化并部分燃烧所产生的气体发生均相的吸热水煤气反应，生成氢气。在均相水煤气 反应中，汽化的水与一氧化碳反应，生成氢气和二氧化碳。另外，当水蒸汽与原料中没有气 化的碳接触时，还会发生异相水煤气反应。在异相水煤气反应中，碳和水蒸汽转化为氢和一 氧化碳。这种利用原料气化时所产生热能的方式有很多优点一方面将原料中储存的热能 用于化学反应，从整体上讲在能量平衡方面是相对便宜的；另一方面，所产生的未处理气体 的价值也升高了，因为其中产生了氢。根据本发明一实施方式，其还设置有一个位于水池上的排放输送装置，其可以将 在水池中冷却以后的原料从水池中取出。取出后的原料还可以用于其它用途，比如作为建 筑材料，生产水泥或用作其它的用途。根据本发明一实施方式，筒状反应器设置为向上变细，这样设计的优点是，向筒状 反应器中装料的灵活性得以改善。根据本发明一实施方式，本发明的反应器还可与另外的反应器相连接，这样未处 理气体(即原料气)可以从本发明之反应器的气体收集室流到另外的反应器中。此时，本 发明反应器可以如此调节，使未处理气体的压力大于串联的、另外的反应器中的压力，使得 未处理气体在压差的作用下流向该另外的反应器。
上述另外的反应器也可以同样是热处理原料的反应器。其中，在该另外的反应器中，原料可以具有较高含量的有机成分，如生活垃圾。在该另外的反应器里，可以进行强加 热，使得原料中的金属成分和矿物质成分融化，以便对其进行回收。此处为了所必需的、针 对该另外反应器中原料的加热，来自上游本发明反应器的未处理气体可以完全或者部分地燃烧。另一方面，本发明还涉及一种原料的热处理方法，其中，该原料中的有机成分低于 40%，特别是那些不高于10%的原料。优选地，此处所说的原料是固体原料，尤其是那些矿 物质成分含量很高的固体原料，比如碳含量很低的火成岩，如所谓的煤矸石。借助附图，下文详细描述本发明的优选实施例，其中
图1显示了本发明反应器的第一实施方式的纵剖面图；图2显示了本发明反应器的第二实施方式的纵剖面图；图3显示了本发明反应器的第三实施方式的纵剖面图。
具体实施例方式在下面针对附图的说明中，相应的元件使用相同的附图标记。图1显示了本发明反应器的一实施方式，其中，反应器设计为一种筒状反应器，在 筒状反应器的上部设置有运送原料1的装置4，原料1指的是固体材料，特别是具有较高矿 物质含量(大于50%)、较低有机成分含量(低于40%)的原料。特别地，这样的原料1可 以是指煤矸石。在该实施方式中，装置4设置在筒状反应器之筒状结构的一边。装置4可以设计 为能够间断或不间断地加入原料1。例如，装置4可以是筒状反应器中的加入原料的炉口闸 门；装置4也可以设计为填压装置或填料螺杆。装置4的上游还可以设置一个准备和储存原料的装置2。在相应的场合下，原料1 可以在没有上游的装置2而通过装置4直接加入。装置4有一个区域3，其可以注入二级气 体，即密封空气。密封空气通过装置4注入筒状反应器内，以防止筒状反应器的气体经装置 4的区域泄漏到外部环境。通过装置4加入到筒状反应器的原料1在筒状反应器里形成装料26，在原料的热 处理过程中，装料必须加热。因此，在筒状反应器的一端设置了一个或多个燃烧喷嘴10。通 过燃烧喷嘴10，原料1所形成的装料在筒状反应器里用热气体加热，热气体含有氧气，也就 是初级气体。此处，燃烧喷嘴10是按过化学计量比燃烧的，使得燃烧喷嘴10所产生的热气 体含有过量的氧气。燃烧喷嘴10也可以用氧气或者富氧气体进行燃烧。在筒状反应器的 点火阶段，载气在燃烧喷嘴10处燃烧。点火之后，可以由少量的由筒状反应器所产生的未 处理气体来代替载气，驱动燃烧喷嘴10的燃烧。由燃烧喷嘴10所产生的热气体，将装料上端区域的原料1表面加热，特别是装料 的椎体部分被加热，使得原料1的表面开始燃烧。原料1表面的加热也使得原料1的内部 不断被加热，从而使得原料1内部的有机成分气化，并原料1中溢出到反应器中或者装料的 空隙中。
在燃烧喷嘴10处，可以设置一个独立的燃烧室9。如果在筒状反应器里有足够的 空间可以让燃烧喷嘴10产生的燃烧气体烧尽的话，这个独立的燃烧室可以不做考虑。因 此，装料26的上方设置了筒状反应器的室11，室11直接设置在燃烧喷嘴10的作用区域内。 在室11中，来自原料气化所产生的气体会部分在此燃烧。筒状反应器设置有一个控制装置40，用于控制原料1通过装置4的加入，以使得原 料1在筒状反应器的装料尽可能达到预定的高度ho。其中，预定高度ho如此选择，使得室 11在装料的上方。装料有一个上部区域12，该区域大约在筒状反应器的中心。在上部区域12存在脱 气和燃烧后的产物，即原料1残留的惰性物以及燃烧喷嘴10的燃烧产物，主要是水蒸汽、二 氧化碳和惰性成分例如氮。
筒状反应器还有一个反应器罩13，其带有石头衬里，并位于区域12处，反应器罩 13可以在区域12冷却。在区域12的下方，装料还有一个区域14，区域14的顶部设置有装置15，其用于输 送氧气，也就是所说的三级气体。装置15设置有一个或多个混合喷头，用于把三级气体向 区域14排放。三级气体是富氧的，可以与水蒸汽一起输送。通过装置15输送的三级气体 的输送可由控制装置40来调节。在区域14的下方，装料还有一个区域16。在区域16内，原料1被完全或者接近 完全的干馏(去气)，不含或几乎不含任何的碳水化合物，但极少量的固态碳还存在于原料中。在区域16直接连接有一个气体收集室18，气体收集室18收集的是从区域16产生 的未处理气体19。如图1所示，未处理气体从气体收集室18向上由一个或多个出气口排
出ο未处理气体19包含有氮、一氧化碳、二氧化碳、水蒸汽、二氧化硫、高级烃、氢以及 粉尘。未处理气体的温度可由设置在气体收集室或筒状反应器排气口的温度传感器来测 量。控制装置40用于调节三级气体经由装置15、装置31、32(参照图3的实施方式)的输 送。未处理气体的温度在600°C到850°C之间。在区域16的下方，装料还有一个区域17，区域17位于筒状反应器炉区的排放处。 筒状反应器的炉区有一个间壁(隔板)20，间壁带有石头衬里；特别地，其可以被直接或间 接地降温。筒状反应器还有一个水池21。在图1的实施方式中，水池21可以如此设计，使装 料直接放置在水池中。这样，位于水池21中的装料区域的原料可以直接降温，水蒸汽向上 上升到装料的区域17。优选地，水池21如此设计，其可以起到水封的作用，使得筒状反应器向下是气密 的。此时，水池21可以这样设计，水池的水面达到装料的区域，并具有高度hi ；在装料以外 具有高度h2 ；在管道部分设置有一个排放输运装置22，其高度是h3。高度hi和高度h2大 概是相同的，而高度h3小于高度hi和高度h2，这样没有气体从筒状反应器向下溢出。当筒 状反应器内的压力超过大气压时，高度h2要高于hi.通过排放输运装置22，产品23即干馏后的原料1，从水池中移离筒状反应器的装 料区域。产品23在必要的情况下可以烘干或脱水，以用作其它用途。
通过冷却干馏后的原料，也即水池21中的产品23，可以经热传递和蒸发回收热 能。装料中升起的水蒸汽可以与原料中仍然存在的固态碳发生异相水煤气反应，和/或与 二氧化碳发生均相水煤气反应，生成氢气。二氧化碳存在于气化所形成的含碳气体和/或 未处理气体19中。未经处理的气体19可以以这种或那种的方式，进一步与水蒸汽混合，由 于下游中，例如用于下游的反应器中。在图3中筒状反应器向上是封闭的，但是筒状反应器的炉盖部位5设置有一个减 压阀，减压阀的后面连接有管道6并通向一个非燃烧室。在筒状反应器的压力超过允许的 范围，减压阀就会打开，通过管道6从筒状反应器进入非燃烧室的气体将被排放掉。在反应器盖5还设置有一个空间7，通过装置4输送的原料1经过空间7形成装 料。反应器盖5的外罩8上装有压力传感器42，以测量筒状反应器内的压力。压力传感器 42将压力值提供给控制装置40。一旦压力值超过临界值，控制装置40可以控制减压阀的 打开。在反应器的顶部还设置有一个填料传感器41，这是一个测距雷达，填料传感器41 同样把数据发送给控制装置40，以便调节装置4，使装料达到h0的高度。在筒状反应器的运行过程中还发生以下的过程。通过装置4，原料1的装料达到设定的高度h0，燃烧喷嘴用空气和氧气对装料的区 域11和12进行加热，通过区域12内原料1的表面的加热，原料内部的温度也不断升高，这 样原料中的有机成分开始气化。一部分从原料中气化出来的气体，与喷嘴10输送的初级气体混合并被燃烧，这样 会进一步加热填料塔中的原料1，特别是区域14中的原料，因为加热那里的原料会同样产 生气化。通过装置15输送的三级气体，在控制装置40的调节下，开始输送至反应器，这样 反应器的温度会再次提高。图2是本发明筒状反应器的另一实施方式。与图1相比，图2中的装置4是用于 间断地输送原料，燃烧喷嘴10是斜向下于装料的填料锥体方向设置的，这样燃烧室9可以 省略。与图1相比还存在的区别是，装料不是在水池21中，而是水池在装料的下方一侧 设置，排放装置24设置在装料的一侧。这种排放装置可以是推杆、抽拉板、炉栅、交叉室或 其它的机械排放装置，而且可以由液压和/或电力来驱动。通过排放装置24，产品23从装 料的下方被排放，这样产品23落入水池中。在水池21中，也可以形成产品23的装料26。 产品23可以经过室25，从原料1的装料下部(也即反应器的炉区)落至装料26上。产品23在水池中的冷却可产生水蒸汽。至少部分水蒸汽29升至反应器的炉区， 发生均相和异相的水煤气反应。通过设置在水池21上方的控制阀门27，产品23的冷却下 产生的部分水蒸汽28被导出来。这样部分水蒸汽29相应减少了，部分水蒸汽28可以输送 至筒状反应器自己。例如，部分28可以通过燃烧喷嘴10或者装置15再次输送到筒状反应 器中，部分28还可以作为其它的用途。图3是本发明筒状反应器的又一实施方式。和图2—样，在图3上装置4也是气 密的，也是为了批量地输送原料。装置4加装了一个炉料盖34。为了控制原料的输送，通过 不断的升降来控制原料的输送。这也广泛应用在高炉上。在炉料盖34上设置有装置35，该 装置是为了输送密封空气而设置在炉料盖34的密封舱上。这种密封气体阻止炉内气体的外泄，同时引导一部分气体作为二次气体进入筒状反应器。筒状反应器中原料的填充是如此控制的由填料传感器41进行机械地和/或光学 地感应，以确认是不是达到了 h0的高度。水池21在图3中没有显示，图3中的情况可以与图1中的情况基本相同，即装料 在水池21中；或者像图2描述的那样，从装料中产生了产品23，而且部分水蒸汽从水池中 上升进入原料中。在图3所显示的筒状反应器的具体方式中，三级气体将被输入装料的内部，这是 通过管道31在区域16完成的。在管道31中设置了滑动面43和44，滑动面斜向筒状反应 器中原料的流动方向45。滑动面43和44形成一个尖角，这样原料流被分为2个区域，就像图3所表示的。 滑动面43和44形成一个楔形的状态，这样三级气体可以向装料的内部吹送。滑动面43和滑动面44形成的一个凸起部分32，这个凸起在三级气体的出口垂直 于原料的流动方向45，或者与原料的流动方向相反。通过凸起32，从区域14起，装料的分 开变得更加容易。在凸起32的端部是一个磨棱33，是做成一个倒棱的形状。磨棱33和凸 起32是设置在一起的。磨棱33是可以很轻松的调换的。优选地，滑动面43和44之间形成的角度，使得至少一部分从滑动面43和44吹出 的气体，进入到气体收集室18。这样，未处理气体19从筒状反应器向收集室18流动时变得 容易了。把氧气吹入装料的内部，而且与原料流动方向45呈横切，有一个更进一步的优 点，这样装料的空隙是打开的，更加有利于完全气化。这样那种束状的粘结也不会发生了， 另一个优点是通过把三级气体输送到装料的内部，在内部形成更高的氧气浓度，这样那里 大部分的在气化过程中产生的气体和未处理气体充分的燃烧。这使得从装料的内部到边沿 形成一个温度的梯度。第三气体的输入是这样调节的，为了只是让装料内部的温度达到软 化温度，而不是边沿。这样可以避免原料黏着反应器壁上。在区域17管道31的左下方设置有抽取式的炉栅，炉栅保持产品23能够从装料到 水池21，炉栅也避免的桥型结构的形成，炉栅可以被取出来冷却，通过炉栅的引导，产品23 可以顺利通过反应器。筒状反应器可以具有圆形的横断面。在抽取式炉栅所在的区域，横断面可是长方 形的。凸起32也特别的优点，其可以让原料从圆形断面到长方形断面过渡时更好的分流。优选地，在该实施方式中，控制装置40是如此设置的，当二级气体的输送通过炉盖34的时候，切断二级气体的输送。这样，可以避免在炉盖下端的钟罩打开的时候，不受控 制的二级气体进入筒状反应器的内部。
权利要求
一种对原料(1)进行热处理、以获得含有氢气和/或碳氢化合物的气体(19)的反应器，该反应器包括-加入原料的装置(4；34)，所加入的原料形成反应器中的填料；-将原料加热到某一温度的装置(10、15；31、32、40)，在整个填料内部，该温度低于原料的熔融温度，并使原料中的有机成分气化，形成第一气体；-在有机成分气化之后利用水来冷却原料的装置(21)，原料冷却产生水蒸汽，水蒸汽发生吸热的水煤气反应，形成第二气体；-从反应器中导出第二气体的装置(18)；其中，所述的第一气体含有一种或多种碳氢化合物，所述的第二气体含有氢气和/或碳氢化合物。
2.如权利要求1所述的反应器，其中，所述的反应器具有气密的、与周围环境密闭的、 用于放置填料的筒状容器，并进一步具有气密的、向所述容器中加入原料的装置。
3.如权利要求1或2所述的反应器，其中，所述的加热原料的装置至少具有一个燃烧器 (10)，该燃烧器设计为在过化学计量比的状态下运行。
4.如权利要求1-3之一所述的反应器，其进一步包括在原料的加入区域向所述容器注 入密封空气的装置(35)。
5.如前述权利要求之一所述的反应器，其进一步包括导入氧气的装置(15;31、32、43、 44)和控制氧气导入的控制装置(40)，使得原料不会达到其熔融温度。
6.如权利要求5所述的反应器，其中，所述的控制装置是如此设计的，使得原料最高可 以达到其软化温度。
7.如权利要求5或6所述的反应器，其中，所述的控制装置是如此设计的，使得在所述 反应器内形成的压力高于大气压。
8.如权利要求5、6或7所述的反应器，其中，所述的控制装置是如此设计的，使得在 所述反应器内形成的压力高于下游反应器的压力，从而使含有氢气的气体流向该下游反应器
9.如权利要求5-8之一所述的反应器，其中，所述的导入氧气的装置是如此设计的，使 得氧气流向原料的中央。
10.如权利要求9所述的反应器，其进一步包括气体收集室，以收集含有氢气的气体； 并进一步包括从所述气体收集室导出气体的出口 ；其中，所述的导入氧气的装置是如此设 计的，氧气是至少部分地沿所述气体收集室而流入。
11.如权利要求5-10之一所述的反应器，其中，所述的导入氧气的装置至少具有一个 滑动面(43、44)，该滑动面相对于原料的流动方向(45)是斜向的，其中，至少部分的氧气是 从该滑动面流出而流入原料中。
12.如权利要求11所述的反应器，其中，所述的导入氧气的装置至少具有两个滑动面， 其设置在反应器的中央区域。
13.如前述权利要求之一所述的反应器，其进一步具有在气化后排放原料的装置(30) 和/或控制或调节反应器生产能力的装置。
14.如权利要求13所述的反应器，其中，所述的排放原料的装置具有一个抽屉式炉栅 结构，其设置为倾斜于原料的流动方向(45)。
15.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的冷却装置包括一个水池结构 (21)。
16.如权利要求15所述的反应器，其中，所述的水池是如此设计的，使得原料能够位于 其中形成填料塔。
17.如权利要求15或16所述的反应器，其进一步包括一个排放输运装置(22)，以从所 述水池中输运冷却后的原料。
18.如权利要求15、16或17所述的反应器，其中，所述的水池设计为使反应器气密。
19.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的水煤气反应在反应器内部是均相 和/或异相进行的。
20.如前述权利要求之一所述的反应器，其进一步具有容纳所述原料的容器，该容器为 筒状并向上变细。
21.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的反应器进一步与热处理其它原料 的其它反应器相连，其中，含有氢气的气体(19)从所述反应器流向所述其它反应器。
22.如前述权利要求之一所述的反应器，其中，所述的加热原料的装置(10、15;31、32、 40)是如此设计的，使得整体原料内的温度低于原料的软化温度。
23.一种对原料(1)进行热处理、以获得含有氢气的气体(19)的方法，其包括以下步骤_加入原料，形成由原料构成的填料；-将原料加热到某一温度，在整个填料内部，该温度低于原料的熔融温度，并使原料中 的有机成分气化，形成第一气体；-在有机成分气化之后，利用水来冷却原料，原料冷却产生水蒸汽，水蒸汽发生吸热的 水煤气反应，形成第二气体；其中，所述的第一气体含有一种或多种碳氢化合物，所述的第二气体含有氢气。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述的水煤气反应是水蒸汽与含碳的气体所发 生的均相反应。
25.如权利要求23或24所述的方法，其中，所述的水煤气反应是水蒸汽与原料中未气 化的碳所发生的异相反应。
26.如权利要求23、24或25所述的方法，其中，所述的原料是煤矸石、含有煤矸石的混 合物、煤石、或含有煤石的混合物。
27.如权利要求23-26之一所述的方法，其中，所述的填料是在水池(21)中形成的。
28.如权利要求23-27之一所述的方法，其中，所述的原料在气化之后从所述的填料中 排放出来，并进入水池(21)中。
29.如权利要求23-28之一所述的方法，其中，在所述的填料内部导入氧气，使得填料 内部的温度比填料周边的温度高。
30.如权利要求29所述的方法，其中，至少一部分的氧气是沿气体收集室(18)的方向 而导入所述填料内部的。
31.如权利要求23-30之一所述的方法，其中，该方法是在含氢气的气体的压力高于大 气压的情况下运行的。
32.如权利要求23-31之一所述的方法，其中，测量含氢气的气体的温度，并采用该温度来控制氧气的导入 。
全文摘要
本发明公开了一种对原料(1)进行热处理、以获得含有氢气和/或碳氢化合物的气体(19)的反应器以及工艺方法，该反应器包括加入原料的装置(4；34)；将原料加热到某一温度的装置(10、15；31、32、40)，在整个填料内部，该温度低于原料的熔融温度，并使原料中的有机成分气化，形成第一气体；在有机成分气化之后利用水来冷却原料的装置(21)，原料冷却产生水蒸汽，水蒸汽发生吸热的水煤气反应，形成第二气体；从反应器中导出第二气体的装置(18)。其中，第一气体含有一种或多种碳氢化合物，第二气体含有氢气和/或碳氢化合物。
文档编号A62D3/00GK101817011SQ200910008118
公开日2010年9月1日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者埃克哈德·蒂舍尔, 弗兰克·乌舒特 申请人:Kbi国际有限公司
最新回复(0)