[发明专利]用于与气化器一起使用的热量回收系统

说明书

技术领域

本发明涉及含碳原料的气化，尤其是涉及以下系统：回收由气化过程产生的热量并将其再循环用于系统内使用和任选地用于外部应用。

背景技术

气化是使含碳原料例如市政固体垃圾(MSW)或煤能够转化为可燃气体的过程。该气体可被用来产生电、蒸汽或者作为生产化学品和液体燃料的基本原料。对该气体可能的使用包含：在锅炉中燃烧来生产蒸汽，以用于内部处理和/或其它外部目的，或者用于通过蒸汽涡轮产生电；直接在气体涡轮或气体引擎中燃烧用于生产电；燃料电池；生产甲醇和其它液体燃料；作为进一步原料用于生产诸如塑料和肥料的化学品；提取氢气和一氧化碳作为离散工业燃料气体；以及其它工业应用。

通常，所述气化过程由以下步骤组成：将含碳原料连同控制量的和/或限制量的氧气和任选地蒸汽一起加入加热室(所述气化器)。与焚化和燃烧形成对比，所述焚化和燃烧以过量的氧运行来产生CO₂、H₂O、SO_x和NO_x，气化过程产生包括CO、H₂、H₂S和NH₃的粗气体组分。清洁之后，感兴趣的初级气化产物是H₂和CO。

有用的原料可包含：任何市政垃圾、由工业活动产生的垃圾和生物医药垃圾、污水、污泥、煤、重油、石油焦炭、重精炼残余物、精炼厂垃圾、烃污染的土壤、生物质和农业垃圾、轮胎和其它危险垃圾。根据原料的来源，挥发物可包含：H₂O、H₂、N₂、O₂、CO₂、CO、CH₄、H₂S、NH₃、C₂H₆、不饱和烃如乙炔、石蜡、芳族化合物、焦油、烃类液体(油)和烧焦物(tar)(炭黑和灰分)。当原料被加热时，水是第一种析出的成分。当所述干原料的温度升高时，高温分解发生。在高温分解期间，原料被热分解释放焦油、苯酚和轻质挥发性烃类气体，同时所述原料被转化为烧焦物。

烧焦物包括由有机和无机材料组成的残余物固体。高温分解之后，所述烧焦物与所述干原料相比有较高浓度的碳，且可用作活性碳的来源。在高温(>1,200℃)运转的气化器中或在具有高温区的系统中，无机矿物质被熔融化或玻璃化以形成熔化的玻璃样物质，称为熔渣。

因为所述熔渣是熔融、玻璃状态的，通常发现是无危险的，且可作为无危险材料在垃圾填埋场处理，或者作为矿石、路基或其他建筑材料出售。由于燃料在加热过程的极端浪费以及作为残余物垃圾、材料(其能够被转化为有用的合成气和固体材料)处理过程的进一步的浪费，通过焚化处理垃圾材料变得较不如意。

实现气化过程的手段以多种方式变化，但是依赖四个关键的工程因素：气化器中大气(氧气的水平或者空气或蒸汽的含量)；气化器的设计；内部和外部加热装置；以及所述过程的操作温度。影响产物气体的质量的因素包含：原料组分、制备和颗粒大小；气化器加热速率；停留时间(residence time)；工厂结构，包含其是否采用干式或泥浆给料系统、原料反应物流量几何学、干灰分的设计或熔渣矿物移除系统；其是否使用直接或间接热产生和传送方法；以及合成气清理系统。气化通常在以下条件下执行：温度范围约650℃至1200℃，或者真空下、大气压下或者压力达约100个大气压。

已有多个系统被提议用来捕获气化过程产生的热，并且利用这样的热产生电，这通常被称为组合的循环系统。

在通过所述方法和整个气化体系产生的大量可回收的显热(sensibleheat)耦合的产物气体中的能量，通常能够产生足够的电以驱动该过程，从而减缓地方电消耗的开支。气化一吨含碳原料必需的电能的量直接取决于原料的化学组成。

如果在气化过程中产生的气体包括宽范围的挥发物，诸如趋于用“低质量”的含碳原料在低温气化器中产生的气体种类，其通常被称为排出气。如果气化器中的原料的特征和条件产生CO和H₂是主要化学物种类的气体，该气体被称为合成气。在通过气体质量调节系统冷却和清洁之前，一些气化设备采用技术将原排出气或原合成气转化为更精炼气体组分。