CN102471711A - 用于对热气进行清洁以及从热气中进行热回收的方法和*** - Google Patents

Abstract

在供给有固体燃料的热反应器(1)中产生的排放气体可在气体冷却器(4)中，这产生冷凝物，该冷凝物进一步在冷凝物冷却器(7)中冷却，这产生能量。通过使用空气增湿和颗粒物分离技术，该排放气体和多余冷凝物可被清洁，该设施的能量效率可被提高。该方法可用于多种燃料和转化技术。

Description

用于对热气进行清洁以及从热气中进行热回收的方法和***

技术领域

本发明尤其涉及用于对热反应器中产生的热气(例如废气)进行清洁和从热气中进行热回收的方法和***，或更具体地，涉及通过以下三个处理步骤使用水来冷却和清洁由燃料(例如生物质、废料、煤、油、燃气或其混合物)热转化(气化或燃烧)所释放的气体：

-在基于水的洗涤器中从气体中去除杂质(颗粒物、盐、酸等)；

-通过使用离心分离机和/或水力旋流器去除洗涤器水中的杂质；

-对在洗涤器水中获得的能量进行热回收。

此外，本发明涉及用于以下用途的方法和***：

-在两个增湿器中对用于热反应器的空气进行增湿；

-去除洗涤器水中的颗粒物；

-将颗粒物从洗涤器再循环至燃料***。

从整体的角度来看，本发明可视为涉及处理水中的颗粒物，所述颗粒物源自例如废气，并且当气体被冷却至该气体的水露点以下时由于水蒸气的冷凝而出现在该气体中。这种方法使颗粒物包含在水中，但需要考虑如何处置水。本发明致力于至少减轻这些问题，尤其期望：在水被排出之前需要对水进行清洁。此外，本发明可视为涉及通过对热反应器中使用的空气/氧气进行增湿而将固体燃料转化为气体，同时通过空气增湿，灰渣减少并且NOx的形成减少。

背景技术

本发明在一些方面涉及通过使用简单和廉价的洗涤器和旋流器产生清洁气体的***和方法，还涉及以非常高效的方式从热气中回收能量的***和方法。

空气增湿从例如PCT/DK2006/050049已知，其公开了可以通过以如下方法从热反应器中产生的热气回收热：将水以如下量和方式注入到一个或多个注入区域处的气体中，使得由于水蒸发导致气体温度降低到400℃以下，优选地300℃以下，可能地低于150-200℃，以及气体露点变为至少60℃，优选地至少70℃，可能地80或85℃的量和方式。随后，气体可被引导通过一个冷凝热交换器单元，在该冷凝热交换器单元中水蒸气的至少一部分气体含量被冷凝，冷凝热可被用于加热流体(主要为水)流。

此外，US 4036606A公开了一种用于清洁气体的方法和设备，尤其是通过煤的加压气化产生的气体，以从气体中去除混杂物(尤其是焦油、灰和盐)，其中在洗涤器单元中用液体(优选地，水)清洗所述气体，清洗液体被清洁以产生主清洁液体流和次混杂物集中流，该主清洁液体流通过循环装置被再循环至洗涤器单元，并且在一个分离器单元中从该次混杂物集中流去除混杂物。优选地，使用多个水力旋流器清洁该清洗液体，所述多个水力旋流器可串联或并联布置。可选地，从混杂物集中流回收的液体返回至洗涤单元，但是若该液体的量等于该清洗液体脱盐所需的液体量，则无回收液体返回至该洗涤单元。

另外，WO 2008/004070A1公开了一种控制发电设备的方法和使用该方法的设备，该设备包括一个用于生物质材料(诸如废料、木屑、麦秆等)的气化器，所述气化器属于轴和上吸式固定床(shaft andupdraft fized bed)类型，其从顶部加载供气化的原材料并向底部引入气化剂，该设备还包括一个燃气发动机，其驱动用于发电的发电机，所述燃气发动机由来自气化器的燃料气体驱动。通过将产生的燃料气体直接从气化器供应至燃气发动机并控制气化器中燃料气体的产生从而维持恒定的电输出功率，免除了在气化器和燃气发动机之间使用贮气容器的必要性。

本发明、定义及说明

本发明提及并使用多个单元、方法、概念等。尽管认为上述单元、方法、概念等以对本领域技术人员而言常规的方式被使用，但是下文仍对其中的部分进行说明。

颗粒物流(Stream of particles)优选地用于表示颗粒物的流。颗粒物流通常(但非排他地)包括流体(气体或液体)和颗粒物(通常为固体颗粒物)的混合物，该流体在该情况下可被视为携带颗粒物的流体。颗粒物流的实施例为例如由排放气体产生的包含颗粒物的水冷凝物(在该情况下该流体为液相的)，或者为包含颗粒物的排放气体(在该情况下该流体为气相的)。

水流(Stream of water)通常被用于表示液体水的流。水流可包含除了H2O的其他成分，甚至可包含颗粒物。

增湿空气流(Stream of moisturised air)通常被用于表示已被增湿的处于气相的空气或氧气的流。增湿空气流可包含除了空气、氧气和水的其他成分，甚至可包含颗粒物。

冷凝物冷却器(Condensate cooler)通常被用于表示适于从气体冷却器产生的冷凝物提取能量的装置。可与本发明结合应用的冷凝物冷却器的实施例为热交换器，诸如壳管式热交换器或板式热交换器。在一些情况下，气体冷却器和冷凝物冷却器可被集成在一个单元中，其中热的干气体进入该冷却器，冷气和冷凝物排出该冷却器。

颗粒物分离器(Particle separator)指的是颗粒物分离***，反之亦然。颗粒物分离***就其最广的范围被用于指示如下颗粒物分离器，其可包括许多处于一个设施的多个不同位置处的元件。

颗粒物(诸如固体颗粒物和水溶性颗粒物)在当气体被冷却到水露点以下时从气体传递到水冷凝物。在颗粒物分离***中，生成两部分的水冷凝物：一部分水带有大量颗粒物，一部分水带有较少量颗粒物。颗粒物分离***能被集成在一个反应器中，诸如带冷凝物的洗涤器的底部，其中大量颗粒物流通过重力收集在洗涤器的底部，较少量颗粒物流在较高处离开该洗涤器。

颗粒物分离***还可包括若干反应器，诸如骤冷器(quench)(其在排出水中具有大量颗粒物)，紧随着是洗涤器(其在排出水中具有少量颗粒物)。

此外，分离装置(诸如水力旋流器、过滤器等)可被用于将颗粒物量分离为脏的水流和干净的水流。

脏的水流可被加入到燃料，或者其可被用于对灰进行增湿或者可在某处进行清洁。较干净的水流可针对能量目的进行使用，诸如在热交换器中冷却，和/或被用于对热反应器的空气进行增湿。

能量设施(Energy plants)：能量设施出于家用和工业目的提供电、流、热水、冷却。

地区供暖/热水***(District heating/Hot Water Systems)：热水可被用于例如在房屋、公寓住宅、办公室、工业设施等中用于供暖，以及用作家庭用水。出于上述目的以非常不同的尺寸、约1kW-250MW的输入效应(input effect)进行设备安装。

水通常在闭合回路中被加热并被引导至消费点，随后在释放热能后，所述水返回至热生产单元。当水离开生产单元(供应)时，水温通常为60-90℃。在消费者处冷却后返回至热生产单元(返回)的水温为约30-50℃。

随着技术发展和对节能的关注，存在的趋势是降低供应和返回的温度，因为以此方式降低了分配管线的热损失。

热水可在需求地附近被生产或经由地区供暖网络被送至消费者。

用于固体燃料的热反应器(Thermal reactors for solid fuels)：能量设施通常基于热反应器(燃烧或气化)，其中燃料通过与氧气反应由此释放包含N2，CO2，水蒸气以及没有燃烧的O2的热气而被分解。

此外，较少量的CO、NOx和其他气体可存在于热气中。通过使用固体燃料(诸如煤、废料、生物质等)，颗粒物和其他物质(包括碱金属(Na，Ka)、氯、钾、二氧化硅等)可随热气释放。

两部分固体(Two fractions of solids)：通常主要部分的颗粒物作为底部灰从热反应器去除，仅较少部分随热气释放。该部分在过滤器***中被捕获，因此使用固体燃料的能量设施通常具有至少两部分的固体待去除：来自的热反应器的固体和来自过滤器***的固体。可使用不同类型的热反应器。最常用的是移动床(moving-bed)反应器和流化床(Fluid-bed)反应器。

固体和挥发物的转化(Conversion of solids and volatiles)：多数反应器最初设计用于煤转化。相较于煤，新的固体燃料(诸如生物质或废料)具有非常不同的特性。特别地，在生物质和废料中，挥发物和水的含量可更高。在煤中，挥发物含量通常低于30％，然而对于生物质和废料，挥发物含量通常高于65％(干燥无灰重基(dry ashfree weight basis))。

当燃料中的挥发物含量高时，该转化过程通常分为两个过程：

-固体转化

-气体(挥发物)转化。

用于固体燃料的热反应器的空气：在燃烧反应器中，空气通常被供应在不同位置：

-用于固体转化的空气通常称为主空气

-用于挥发物转化的空气称为第二和第三空气。

一些热反应器使用增湿空气。增湿空气在热反应器中提供特定优势。对于固体转化，增湿空气导致较好的气化特性：(蒸汽-碳反应)，和增湿空气降低温度并由此防止灰烧结。对于气体燃烧，增湿空气因温度降低从而导致较少的NOx和灰渣。

气化器：气化器将固体燃料转化为气体燃料，该气体燃料可用于学制剂和/或用于动力机器(诸如内燃气发动机或涡轮机)。在一些情况下(即，内燃机)，期望是冷气。气体越冷，单位体积的能量含量就越高，由此一个给定发动机可产生更多动力。对气体进行冷却的限制通常如下：

-地区供暖网络的返回水的温度

-室外空气，在该情况下气体的热能被浪费。

燃料灵活性(Fuel flexibility)：对于煤和生物质/废料，灰的含量和组分可大不相同。许多设施拥有者希望能够使用各种类型的燃料。然而，热反应器对待使用的燃料类型具有限制。这些限制通常涉及：

-颗粒物尺寸

-燃料热值

-无机组分的类型和量。

燃料热值：燃料中的水含量极大影响燃料热值，由此特定的热反应器很少既能使用干燃料又能使用湿燃料。

气体冷却器通常被用于降低气体温度。当将气体冷却至高于水露点的温度时，气体冷却器可为干气体冷却器；或者当将气体冷却至低于气体中存在的水的露点的温度时，气体冷却器可为湿气体冷却器。可与本发明结合应用的气体冷却器的实例为：壳管式冷却器、辐射式冷却器、蒸发式冷却器、骤冷器、洗涤器。

根据本发明的特定方面，在热反应器中产生的热气在一个或若干气体冷却器中被冷却。当气体包含水蒸气并且具有的水露点高于该气体冷却器的排出温度时，水蒸气的蒸发能量将加热该气体冷却器。所述热可被传递至例如地区供暖水。在该情况下，气体冷却器将产生需要被处理的冷凝物。

来自填有固体燃料的热生产单元的气体的冷凝物中的混杂物(诸如颗粒物、盐等)将通常需要被去除，然后再弃之环境。

对于带冷凝物的气体冷却器存在特殊材料要求。玻璃纤维、塑料、玻璃、高级钢、陶瓷通常是合适的材料。

气体清洁：出于环境考虑，气体的混杂物可或应被去除。常规的清洁技术为：

-旋流器

-袋式过滤器

-静电过滤器

-洗涤器。

特别地，袋式过滤器和静电过滤器对于颗粒物过滤是非常有效的，而旋流器和洗涤器通常效果差些，但是通常较廉价。

洗涤器：众所周知，通过向气体注入水，热气可从高温(100℃-1000℃)被冷却至100℃以下。这种***通常称为洗涤器。

还众所周知，注入的水将从热气收集(吸收)一些污染物(例如酸、颗粒物等)。一些洗涤器被设计为在去除杂质方面具有高效率。

众所周知，洗涤器水越干净，洗涤器的效率越高，因为具有大量杂质的洗涤器水可因来自洗涤器水的杂质而使气体污染。基本上，获得用于洗涤器的清洁水存在两种可能性：

-使用新的干净水

-洗涤器水的再使用，该洗涤器水被清洁后被再使用。

循环的洗涤器水通常不以任何方式进行过滤或清洁。在一些情况下，洗涤器水可例如借助NaOH或石灰进行中和。通常，只有多余水、产生的冷凝物，在清洁后被丢弃。

当洗涤器水没有定期清洁时，颗粒物和盐含量可变得相当高，洗涤器水可导致杂质重新夹带进入气体。

洗涤器水的能量回收：众所周知，回收循环的洗涤器水的能量，例如用于预加热地区供暖水。当洗涤器水含有颗粒物时，洗涤器-地区供暖的热交换器可具有短的使用寿命，因为粗颗粒物会侵蚀该热交换器。

骤冷器(Quench)：在一些情况下，骤冷器在主洗涤器之前。这种骤冷器可被安装从而保护随后的洗涤器免受过高的温度。来自骤冷器的水通常被引导至主洗涤器并与主洗涤器中的水混合。

多余洗涤器水的处理：多余水的流显著小于循环的洗涤器水的流。多余水(冷凝物)通常在清洁后被丢弃。存在若干已知方法清洁多余洗涤器水，包括：

-重力沉淀操作

-过滤器。

用于大流量水的分离技术：在其他工业应用中，使用其他的水分离技术。此类技术可为：

-陶瓷膜过滤器

-水力旋流器。

陶瓷膜过滤器：在陶瓷膜过滤器中，带杂质的大流量水流动穿过该膜。小部分的水扩散通过该膜并由此干净地离开过滤器。颗粒物和其他混杂物随主水流离开该过滤器。这种“过滤器原理”不用在冷凝式洗涤器中，因为颗粒物和其他混杂物未从该***分离。

水力旋流器：水力旋流器可被用于产生小部分的含颗粒物水流(约5-20％)和大部分的较干净水流(80-95％)。水力旋流器没有用在冷凝式洗涤器中，因为带有大量颗粒物的那部分水需要进一步过滤，因此水力旋流器不是符合成本效益的。

排放：使用固体燃料的能量设施满足特定的排放法规，所述排放法规经常是严格的。通常，颗粒物排放、CO、NOx被规范，以及SO2、氯、二恶英、重金属、呋喃也可被规范。存在多种不同的排放测量标准。在一些颗粒物排放标准中，盐作为颗粒物排放进行测量。即，丹麦标准MEL-02。

空气增湿器：空气增湿器可与冷凝式洗涤器结合使用。空气增湿器导致若干优点，包括：在冷凝单元中更高的能量输出和在热反应器中更好的燃烧/气化特性：

-更好的发生炉(producer)气体(H2含量)

-灰渣

-结块

-NOx。

发明内容及优选实施方案

本发明尤其提供一种用于将固体燃料热转化为能量的改进方法和改进***或装置，其中至少部分所述能量为热水。

在本发明的第一方面中，涉及一种热力设施，包括：

-热反应器，在该热反应器中发生化学过程，在该化学过程期间固体燃料与氧气反应以产生排放气体，该排放气体包括热废气和/或可燃气体；

-气体冷却器，其将该排放气体冷却至该排放气体中的水的露点以下的温度，由此产生冷凝物；

-冷凝物冷却器，其冷却所述冷凝物以从所述冷凝物提取能量。

本发明还尤其涉及一种根据本发明的热力设施的颗粒物分离***，一个包含颗粒物的流体(气体和/或液体)流进入该颗粒物分离器并在该颗粒物分离器中产生带有不同水量的至少两个水流，其中具有最少量水的水流具有最大量的颗粒物。

根发明还尤其涉及一种根据本发明的热力设施的空气增湿***，该增湿***适于产生第一增湿空气流和第二空气增湿流，其中以kgH2O/m3干空气进行测量，相对于所述第二增湿空气流的水含量，所述第一增湿空气流具有更高的绝对水含量。

本发明还尤其涉及一种用于根据本发明的热力设施的燃料气化的气化***，该气化***包括：

-热反应器，其产生可燃气体；

-气体冷却器，其冷却产生的可燃气体，并通过冷凝该产生的可燃气体中的水蒸气来产生水冷凝物；

-冷凝物冷却器，其冷却所述冷凝物；

-增湿***，适于

-对在燃料转化为可燃气体期间在该热反应器中使用的空气进行增湿，

-将增湿空气供给至该热反应器，并且优选地用于相对于该冷凝物冷却器执行的冷却进一步冷却所述冷凝物；

由此，优选地提供一种适于产生冷的可燃气体的***，该冷的可燃气体的温度低于在空气未被增湿的情况下获得的温度。

应注意，在本文中，术语空气优选地是指大气中的空气，通常指含有氧气的气体，甚至可以指主要由氧气组成(例如99.9％)的气体。

在一些方面和优选实施方案中，本发明可使用多个装置以及所述装置中的一些，以及所述装置的用途在下文中进一步公开。其他实施方案和方面也可在权利要求书中呈现。

水力旋流器

根据本发明，一个或多个水力旋流器可置于热交换器的上游，该热交换器冷却来自骤冷器和/或气体洗涤器的冷凝物。由此该热交换器的使用寿命将显著延长，该洗涤器的清洁效率将提高。

收集的颗粒物可被引导至灰和/或引导至燃料和/或至其他位置，例如处置场。

双空气增湿器

根据本发明，可使用双空气增湿器，优选地以如下配置：

-一个主空气增湿器可用于主空气流以及

-一个辅助器空气增湿器可用于次要空气流。

当用于固体燃料转化的主空气被用作气化剂时，大量的水蒸气是非常有利的，从而能防止灰渣并提高该气化器中H2的产生。

膜过滤器

根据本发明，一个大流量的膜滤器可用于清洁该***中产生的多余冷凝物，然后该冷凝物被排出到环境中。颗粒物可优选地被循环至灰和/或燃料和/或排出到其他地方。

骤冷器、冷凝气体冷却器和空气增温器

根据本发明，有利地，可使用一个带脏水出口的骤冷器、一个带干净热水出口的冷凝气体冷却器和一个空气增湿器。

该骤冷器可收集多数颗粒物、盐和酸。骤冷器水可从洗涤器***排出至燃料/灰/其他地方。

冷凝气体冷却器的热水可在一个热交换器中冷却，该热交换器产生可被利用的热。该气体将通过来自空气增湿器的冷水进行冷却。

本发明可提供干净的水用于气体冷却器和空气增湿器，以及提供气体冷却器的干净的冷气体。

结合气化器的空气增温***

根据本发明，一个空气增湿***可连接至气化***。以此方式，产生的气体被冷却，由此具有增大的单位体积热值。这可导致动力机器的高动力输出。这种***的又一优势在于：由于水蒸气-碳反应产生氢气，因此增湿的空气非常适用于气化过程。

这种***的又一优势在于：由于该气化空气被增湿，结合冷凝气体冷却器产生的热量更多，所以能够提高整个***的效率。

廉价、简单且紧凑

如上所示，相对于现有技术的燃烧技术，本发明的各方面可提供许多优点。因此可预期，本发明的各方面将昂贵和复杂。然而，该***的简化和紧凑可被视为是本发明的主要优势。

***压力

通常，本发明的各部件中的压力可优选地为大气压力，尽管本发明的多个方面被设计用于高于和/或低于大气压力的压力。

材料

通常，本发明的各部件(诸如热反应器)在内侧可由高温材料(诸如砖和绝热块)制成，优选地在外侧包括绝热的钢容器。

本发明的各部件的其他部分(诸如水处理部分和气体冷却器)可由塑料、玻璃纤维、玻璃、不锈钢制成。

附图说明

在下文中将结合附图进一步公开本发明及其特定的优选实施方案，附图中：

图1示意性示出了用于对热气进行清洁和从热气中进行热回收的***的一个实施方案。

图2示出了与图1所示类似的实施方案，但是其中气体冷却器被颗粒物分离器(诸如洗涤器)替代。

图3a示出了空气增湿器装置的实施方案的更详细的概览。

图3b示出了一个实施方案，其中两个增湿器单元串联连接至彼此。

图3c示出了又一实施方案，其中两个增湿器单元并联连接至彼此，具有公共或分立的空气或氧气入口。

图4尤其更详细地示出了一个优选的颗粒物分离器的实施方案。

图5示意性示出了优选实施方案之一的概览，其中热气化器被用作热反应器。

图6示出了本发明一个实施方案的整体示意性概览，其中使用了用于清洁和热回收的本发明的***。

图7示意性示出了根据本发明的设施的一个优选实施方案。

图8示出了根据本发明的一个优选实施方案，包括一个文丘里洗涤器。

图9示出了根据本发明的一个优选实施方案，其中固体燃料被转化为能量。

图10与表I和II一起示出了用于本发明的设施的实施方案的能量平衡和气体组分。

具体实施方式

在附图中，通过使用虚线示出各种元件。使用这种虚线来指示所讨论的元件是可任选的或者其位置是可任选的。

图1示意性示出了用于对热气进行清洁和从热气中进行热回收的***的一个实施方案。该实施方案包括热反应器(1)，其中燃料进行燃烧或气化。热反应器(1)具有一个连接至燃料供给器(未示出)的燃料入口(2)以及一个或多个将空气或纯氧气供给至热反应器(1)的空气入口(3)。如果需要，所述空气或氧气可通过使空气通过一个连接在热反应器(1)的空气入口(3)前面的空气增湿器而进行增湿。来自该热反应器(1)的排放气体通过一个通道从热反应器(1)引导至气体冷却器(4)。排放气体热交换器单元(5)(作为一个选择)可被连接至在该热反应器的出口和该气体冷却器(4)的入口之间的通道。气体冷却器(4)接收热排放气体并将冷却的排放气体输送至一个可选的热提取装置(6)(通常为热交换器)，并且将冷凝物输送至一个适于提取能量的冷凝物冷却器单元(7)。自冷凝物冷却器(7)输送的冷却的冷凝物可被供给至下水道或可在该工艺过程中被重新使用。

图2示出了与图1所示类似的实施方案，但是其中图1的气体冷却器(4)已被颗粒物分离器(8)——诸如洗涤器和/或水力旋流器——替代或者由其构成。来自热反应器(1)的热排放气体被输送至颗粒物分离器(8)的入口。颗粒物分离器(8)具有至少两个出口(O1，O2)，分别用于具有颗粒物的第一水流(9)和第二水流(10)，这将在下文进一步描述。如图所示，根据图2的***包括水力旋流器和/或洗涤器，没有废气从该水力旋流器和/或洗涤器排出。

一个出口(O1)用于第一流(9)，以将带有大量颗粒物和盐的少量水供给返回至热反应器(1)。该第一流可直接供给至热反应器(1)或经由一个或多个空气增湿器(在图2中未示出)被供给至热反应器(1)。如果需要，则该第一流(9)还可被直接供给至下水道。第二流(10)相较于第一流(9)具有相对较大的水量并含有相对较少的颗粒物且具有相对较低的盐浓度。如图2所示，过滤器(11)被连接至第二流(10)，并具有两个出口，如果需要，则一个出口可用于将高度清洁的水放出该***，一个出口将该第二流(10)的剩余部分分配至颗粒物分离器(8)。各种可选元件可有利地被应用至第二流(10)，诸如空气增湿器和/或热交换器的出口。第二流(10)在通过各种元件时被冷却至适合于颗粒物分离器(8)的相以及温度。在图2中，冷凝物冷却器通过虚线和数字7示出。可见，冷凝物冷却器(7)可被去除或布置在过滤器(11)的上游或下游。

图3a示出了空气增湿器(12)的实施方案的更详细的概览，该空气增湿器产生第一增湿空气流和第二增湿空气流。该空气增湿器(12)具有多个入口和出口，其中至少一个是空气入口(13)且一个是根据配置从气体冷却器装置或颗粒物分离器的第一或第二流(9，10)输送水的入口。根据该优选实施方案的配置，所述水可穿过冷凝物冷却器(7)然后再进入该空气增湿器以回收冷凝物的能量并获得合适的(即，期望的)相以及温度。冷凝物冷却器(7)可被去除(如由虚线示出)，示出了从颗粒物分离器至增湿器(12)的连接。

图3b示出了一个实施方案，其中两个增湿器(12)串联连接至彼此。空气或纯氧气被输送至第一增湿器(15)，其中使用水或水蒸气增湿被输送的空气或氧气。增湿的空气或氧气从第一增湿器装置(15)传递至一个通道，从该通道提取增湿空气或氧气作为连接至热反应器(1)的第一增湿空气流被输送。其余的空气或氧气被输送至第二增湿器(16)，其中使用水或水蒸气进一步增湿空气或氧气。一个出口将第二增湿空气或氧气流从第二增湿器(16)输送至热反应器(1)的入口。

图3c示出了又一实施方案，其中两个增湿器装置(12)并联连接至彼此，具有一个公共的空气或氧气进气点。每个增湿器(17，18)使用水或水蒸气增湿空气并将增湿的空气或氧气输送至供给到热反应器(1)的入口的不同空气流(第一增湿空气流和第二增湿空气流)。

图4更详细地示出了颗粒物分离器(8)的一个优选实施方案。这里，颗粒物分离器是洗涤器(19)的一部分，洗涤器用干净的重复使用的洗涤器水喷射排放气体。根据配置，所述喷射可在一级或多级进行。从该洗涤器(19)输送干净和冷却的气体，但是在该配置中使用两个不同的出口(O1，O2)输送水。出口(O2)将用后的不清洁水供应至第二流(10)。通过将出口(O2)布置在洗涤器(19)的底部上方、在洗涤器(19)的水面下方并且通过将出口(O1)布置在洗涤器(19)的底部来形成颗粒物分离。因颗粒物在洗涤器(19)的水中的沉淀而实现分离，沉淀导致水中的颗粒物浓度朝向洗涤器(19)的底部增大。相应地，颗粒物分离器包括相对于洗涤器(19)的水面布置在不同高度的两个出口(O1，O2)。这里，水通过过滤***(11)(诸如膜过滤器)，如果需要，则该过滤***将非常干净的水输送到第三水流。在该实施方案中，过滤后的干净的水从过滤装置延续至热交换器(20)，该热交换器在所述水在洗涤器(19)再使用之前冷却所述水并输送能量。一些水可偶尔被提取至第一流(9)。应注意，过滤器(11)可被略去(类似地对于例如图2)。

图5示意性示出了本发明的优选实施方案之一的概览，其中热气化器(21)被用作热反应器(1)。来自该热气化器(21)的排放气体被供给至单元(22)(为冷却器和/或过滤器和/或旋流器)，在该单元中冷却排放气体并分离出一些颗粒物。单元(22)下游连接有颗粒物分离器，诸如气体洗涤器(23)。在该气体洗涤器(23)中，可使用水在一级或多级中冷却并清洁该气体，由此在图5中的位置(24)使冷的干净气体排出该***。用于冷却和清洁该气体的水被收集在洗涤器(23)的底部，从该洗涤器的底部，水被输送至一个单元(25)——优选地为旋流器的形式，从而以上文所述相同的方式被分离为第一水流和第二水流(9，10)。相应地，图5的实施方案中的颗粒物分离器是旋流器(25)。冷凝物冷却器(7)被布置在第二水流中。

在单元25中被清洁和冷却后，第二水流(10)被用在洗涤器(23)中。第二水流可选地还可用于例如通过使用骤冷器(29)预冷却该气体，然后该气体进入洗涤器。第二水流(26)可选地还可用在空气增湿器(27)中，空气增湿器(27)可被连接至热气化器(21)。收集在空气增湿器(27)底部的水可选地可被用在洗涤器(23)中的第二注入点(28)。在图5的示意性流程图中表示的所有温度通常为该***中的温度，但不意在限制本发明的范围，因为依赖于所述***可使用其他温度。

图6示出了本发明的一个优选实施方案的整体示意性概览，其中使用了本发明的用于清洁和热回收的***。在该实施方案中，包括燃料存储器(30)和燃料供给器(31)的供给***正将燃料供给至包括熔炉(32)的热反应器(1)。两个入口连接至熔炉(32)，将增湿空气或氧气供给至熔炉(32)。增湿空气既分配至熔炉的底部(33)也分配至燃料供给点的上方(34)。在熔炉底部，一个出口(44)用于将灰排出至例如森林、田野或堆积物。增湿空气或氧气来自包括两个空气增湿器(35，36)的增湿***，两个空气增湿器(35，36)的工作原理与洗涤器相同。这两个空气增湿器(35，36)串联连接。这里，主增湿器(35)将增湿空气分配至熔炉(32)的供给入口上方的空气入口(34)和空气增湿辅助器(36)，该空气增湿辅助器在空气被注入到熔炉(32)的底部(33)的一个位置之前进一步增湿空气。

因此，热反应器中的燃料温度降低，由此产生的灰渣和NOx减少，气体燃烧的温度降低，由此减少热NOx形成。空气或氧气在位置(35a)被供给至主增湿器(35)。

在熔炉(32)中产生的热排放气体将通过连接至能量提取装置(38)的热交换器(37)，该能量提取装置既可产生电能也可产生用于地区供暖的能量，或者产生两种能量中的任一种。热气随后延续进入洗涤器***，在洗涤器***中，热气首先进入骤冷器(39)然后再进入洗涤器(40)，在骤冷器中来自空气增湿辅助器(36)的水被用于冷却该排放气体。洗涤器水的其余部分将和颗粒物与盐一起被收集在该骤冷器(39)的底部。这些颗粒物将被送回燃料存储器(30)以供给返回热反应器并作为底部灰从热反应器排出。

冷却的且较干净的排出气体随后延续进入洗涤器(40)，在洗涤器中在两个不同位置将水加入该气体，从而冷却气体。在第一位置(41)处，利用来自空气增湿辅助器(36)的水和来自冷凝物冷却器(46)的冷凝物，在第二位置(42)处，利用来自主空气增湿器(35)的较冷的水。清洁且冷却的气体随后被供给至烟道(45)。

如上文所述，从骤冷器(39)离开的是脏的少量流(第一水流)，从洗涤器(40)离开的是较干净的较大量流(第二水流)。

来自洗涤器(40)的第二水流被分为流至增湿辅助器(36)的较少量流和流至热交换器(46)以提取可被用于地区供暖器的能量的较大量流。流出增湿辅助器(36)的水与来自热交换器46的水在点(47)混合。该流在下游被分为：一个流至主空气增湿器的流，在主空气增湿器之后该流在(43)被过滤并在位置42被供给返回洗涤器(40)；以及两个流：一个将水供给至骤冷器(39)以及一个在位置(41)将水供给至洗涤器(40)。

在图7中，颗粒物分离通过骤冷器与水力旋流器和洗涤器的结合进行。水力旋流器输送第一水流(在图7中示为“大量盐......少量水......”)。在冷凝物冷却器(7)的上游提取第二水流(在图7中示为“少量盐......大量水”)。

图7示意性示出了被供应有燃料、空气或氧气和/或水和/或流的热反应器。热气在通向洗涤器的通道中被传输。有利地，在热反应器和洗涤器之间可布置一个或若干个部件，例如热交换器、过滤器、旋流器、用于增湿制剂(诸如水)的入口、水收集装置等。一个或多个制剂(诸如石灰、活性炭等)可有利地在洗涤器之前加入干燥气体。与图7所示实施方案及本发明总体构思结合，有利地可采用以下措施：

-该洗涤器优选地竖直定向，但也可水平定向或倾斜定向。

-一种或多种制剂(诸如NaOH、石灰、活性炭等)可有利地加入洗涤器水。

-可包括一个或多个水力旋流器或离心分离机(其中洗涤器水被分成两个流)，以提供一个脏的流(包含多数颗粒物)和一个干净的流。

-所述干净的流被引导至热交换器，在热交换器中所述洗涤器水被冷却。

-将冷却和清洁的洗涤器水用在洗涤器中以清洁和冷却气体。

-多余水可在液滴分离器中被去除，随后气体被引导至大气或在工艺过程中被使用。

图8示出了根据本发明的一个优选实施方案，包括一个文丘里洗涤器。

图9示出了根据本发明的一个优选实施方案，其中在一个干净且高效的***中固体燃料被转化为能量。冷凝物冷却器由数字(7)表示。该***尤其包括供给器和热反应器，这些部件在此处进一步详细公开，并且可应用于本发明的这个和其他方面以及实施方案的一些部件在下文中进一步公开：

供给器和热反应器

在底部部分，固体燃料被转化为可燃气体和细灰。该固体转化是上吸式气化过程：在顶层，燃料被干燥和脱挥发(热解)。在下部，来自空气增湿辅助器的增湿空气在气化过程中与碳发生反应。通过使空气中具有高湿度含量，降低了产生灰渣的趋势，由此该热反应器可使用各种类型的燃料，包括低成本的多灰燃料。

来自气化区域的气体在顶部部分燃烧。气体燃烧(流动、温度、排放等)是非常稳定的。这是由于炉的工作原则。

该设计基于具有低热值的燃料，导致1000-1150℃的绝热温度，在废气中的氧气含量为4-7％(干燥质)。

当热值增大时，优选地来自低温冷却器的冷凝物可被加入燃料。

高温冷却

当存在高温冷却器时，其可冷却至200℃-600℃，优选地300℃-400℃。由此，冷却器可变得非常紧凑且可防止低温腐蚀。由于将水加入燃料，气体的蒸汽含量高，由此该气体具有好的辐射特性，其有利于紧凑的设计。

利用来自高温冷却器的热

高温冷却器可产生热水、蒸汽或热力油(thermal oil)。若干产品可由该高温冷却器产生，包括：

-通过使用可由热力油或热水驱动的ORC(有机郎肯循环)***，通过使用蒸汽轮机或蒸汽发动机、斯特林发动机等产生的动力

-通过使用吸收式冷冻机进行冷却

-通过对水脱盐而得到的干净水

-用于工业或供暖目的的蒸汽。

骤冷器

在骤冷器中，通过注入水，该气体优选地被冷却至100℃以下，颗粒物、盐、酸等被收集在底部。用于骤冷器的水量由熔炉的温度调节，因为来自骤冷器底部的水用于调节该熔炉的温度。因为骤冷器的颗粒物和盐以及洗涤器***的剩余物在此处被收集并送至燃料，所以该洗涤器***不存在颗粒物出口。所有颗粒物作为自热反应器的底部灰排出该***。

两级废气洗涤器

优选地，***可包括包封在一个单独容器中的两个填充床洗涤器，其中废气在下部部分中初步去湿和冷却，且最后在上部部分中进一步去湿和冷却。

高温废气冷却

在78℃完全饱和状态下，额定废气流量略高于1kg/s(干空气流量)。废气可用以50℃进入直径1200mm、高度1400mm的填充床的反向流动的较冷水进行处理，水从填料上方的喷嘴网格进行分配。所用填料是25mm的丙烯PALL RINGS(HOSTALEN PPH材料)。

冷却水可从空气增湿辅助器和该组件顶部的低温废气洗涤器的出水口获得。排出的热水被传递至空气增湿辅助器。

预期高温废气洗涤器基本线性工作，使容量下降至额定容量的约10％，气体侧的压力降十分接***方根法。

低温废气冷却

采用供应自直径1200mm、高度1200mm的填充床的主空气增湿器排放的水，以相反流动进一步冷却和去湿初步冷却的废气。水从位于填料上方的26个喷嘴网格进行分配。所用填料是25mm的丙烯PALLRINGS(HOSTALEN PPH材料)。为了限制携带水雾，液滴分离器(200mm除沫器)置于水分配器上方。

预期低温废气洗涤器基本线性工作，使容量下降至额定容量的约10％，空气侧的压力降十分接***方根法。

空气增湿器

为了向热反应器提供带大量水蒸气的主空气，采用一个双空气增湿器***。

主空气增湿器

在20℃时，额定的总空气需求为1kg/s(干空气流量)。空气可用以50℃进入直径1200mm、高度1800mm的填充床的反向流动的水进行处理，水从填料上方的21个喷嘴网格进行分配。所用填料是16mm的丙烯PALL RINGS(HOSTALEN PPH材料)。为了限制携带水雾，液滴分离器(100mm除沫器)置于水分配器上方。

从废气洗涤器获得热水，排出的冷水被传递用于洗涤器中的最终废气冷却，一部分被排出至排水管。

预期主空气增湿器基本线性工作，使容量下降至额定容量的约10％，空气侧的压力降十分接***方根法。

空气增湿辅助器

约20％来自主洗涤器的增湿空气在辅助器洗涤器中进一步增湿以用作主燃烧空气——或气化剂——而其余空气被用作熔炉中的第二空气以燃烧来自集成的上吸式气化器的可燃气体。空气可用以67℃进入直径600mm、高度1800mm的填充床的反向流动的水进行处理，水从填料上方的9个喷嘴网格进行分配。所用填料是16mm的丙烯PALLRINGS(HOSTALEN PPH材料)。为了限制携带水雾，液滴分离器(100mm除沫器)置于水分配器上方。

从废气洗涤器的高温部分获得热水，排出的50℃的冷却水被传递用于在洗涤器和主增湿器中的初始(高温)废气冷却。

预期空气增湿辅助器基本线性工作，使容量下降至额定容量的约10％，空气侧的压力降十分接***方根率。

水***

如上文所述，用于增湿洗涤器的水***紧密地联接至废气冷却和去湿***。

-来自主空气增湿器的(25℃)冷却排出水被部分用于废气的最终冷却且作为多余冷凝物部分排出至排水管。

-来自空气增湿辅助器的(50℃)冷却排出水被部分用于废气的初始冷却且部分用于至主空气增湿器的水供应。

因此，这两个增湿器配备有泵(对于主洗涤器泵为额定5.5m³/h且对于辅助洗涤器泵为额定3.3m³/h)。

清洁产生的冷凝物并去除颗粒物

由于有效地冷却废气，该***产生的冷凝物可被排掉。因为在骤冷器中的预清洁，在废气洗涤器和空气增湿器之间循环的冷凝物相对干净，但是并不必然足以干净到可被排掉。一个膜过滤器置于洗涤器水回路中，其中约5-15％的水通过过滤器清洁并被排掉，而其余的水和颗粒物被循环至废气洗涤器，然后至空气增湿器，然后至骤冷器，然后至燃料，由此从该***去除颗粒物。

根据本发明，本发明的各方面和实施方案中可包括多种措施。其中的许多在上文已经公开，一些列出如下：

-化学剂可被加入洗涤器水以提高水力旋流器的效率。

-化学剂可被加入洗涤器水以提高去除气体中杂质的效率。

-来自热交换器的能量有利地可用于地区供暖。

-该工艺过程优选地这样操作，即使得气体在进入洗涤器之前的温度优选地大于200℃。

-至少一个水力旋流器和/或一个或多个离心分离机可优选地布置在热交换器上游。

-用于冷却和清洁气体的***的一个优选实施方案可有利地包括：

-将固体燃料转化为热气的热反应器

-将气体引导到至少一个洗涤器的入口管

-用于循环洗涤器水的至少一个泵

-至少一个水力旋流器和/或离心分离机

-冷却所述洗涤器水的至少一个热交换器。

该***可优选地包括以下装置：

-用于控制洗涤器水的pH值

-用于将化学剂加入洗涤器水使得颗粒物聚集和/或

-用于将化学剂加入气体以去除气体的杂质。

最后，图10连同下文的表I和II示出了根据本发明的设施的优选实施方案的能量平衡和气体组分。对于表I和II中未示出的关于燃料湿度的气体组分可通过差值法/外推法进行估计。应注意，图10对应于图6所示的实施方案。图10中使用的附图标记参见表I和II。

Claims (33)

1.一种热力设施，包括：

-热反应器，在该热反应器中发生化学过程，在该化学过程期间固体燃料与氧气反应以产生排放气体，该排放气体包括热废气和/或可燃气体；

-气体冷却器，其将所述排放气体冷却到该排放气体中存在的水的露点以下的温度，由此产生冷凝物；

-冷凝物冷却器，其冷却所述冷凝物以从所述冷凝物提取能量；

-其中该热力设施还包括一个颗粒物分离***，用于从一个颗粒物流分离颗粒物，所述颗粒物在热反应器中产生，所述颗粒物分离***适于产生：

-第一水流，具有第一颗粒物含量(脏的)，该第一流持续或分批产生；

-第二水流，具有第二颗粒物含量(干净的)，

其中，

-当以单位m3/h测量时，所述第二水流与所述第一水流的比值大于100，诸如大于50，诸如大于10，优选地大于5，

-在所述第一流中的颗粒物(固体优选地包括水溶性盐)的含量(kg/m3)大于在所述第二流中的颗粒物的含量(kg/m3)。

2.根据权利要求1所述的热力设施，其中所述颗粒物流是由来自热反应器的排放气体产生的水冷凝物，其中所述分离***包括水力旋流器。

3.根据权利要求1所述的热力设施，其中所述颗粒物流是来自热反应器的排放气体，所述分离***包括两个气体冷却器，诸如一个骤冷器和一个废气洗涤器。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的热力设施，还包括将所述第二水流的至少一部分引导至一个增湿***的连接，该增湿***对在该热力设施的热反应器中使用的空气进行增湿。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的热力设施，还包括一个被布置为从所述第二水流提取热的热交换器。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的热力设施，还包括供给装置，其被设置用于将所述第一水流的至少一部分供给至热反应器中产生的灰、供给至用于热反应器的燃料、供给至过滤器和/或供给至排放输出装置，诸如下水道、化学处理设备。

7.根据权利要求6所述的热力设施，其中所述第一水流的10％、诸如30％、优选地70％、或甚至全部被供给至所述燃料。

8.根据权利要求6所述的热力设施，其中所述第一水流的10％、诸如30％、优选地70％、或甚至全部被供给至所述灰。

9.根据前述权利要求1-8中任一项所述的热力设施，其中所述第一水流被分为两个流，一个被供给至灰，一个被供给至燃料。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的热力设施，还包括一个再循环环路，用于将由所述颗粒物分离***产生的第二水流再循环返回至所述颗粒物分离***。

11.根据权利要求10所述的热力设施，其中所述再循环环路包括过滤器——诸如膜过滤器，用于从所述第二水流过滤出第三水流，所述第三水流具有的颗粒物含量(kg/m3)小于所述第二水流。

12.根据权利要求10或11所述的热力设施，其中所述再循环环路包括用于冷却所述第二水流的热交换器。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的热力设施，其中所述再循环环路包括用于将第二水流的一部分供给至一个空气增湿***的连接，所述空气增湿***用于对待在热反应器中使用的空气进行增湿。

14.根据权利要求13所述的热力设施，其中所述用于将第二水流的一部分供给至空气增湿***的连接被布置在所述热交换器的下游。

15.根据权利要求13所述的热力设施，其中所述用于将第二水流的一部分供给至空气增湿***的连接被布置在所述热交换器的上游。

16.一种热力设施，包括：

-热反应器，在该热反应器中发生化学过程，在该化学过程期间固体燃料与氧气反应以产生排放气体，所述排放气体包括热废气和/或可燃气体；

-气体冷却器，其将所述排放气体冷却至该排放气体中存在的水的露点以下的温度，由此产生冷凝物；

-冷凝物冷却器，其冷却所述冷凝物以从所述冷凝物提取能量；

-空气增湿器，其适于产生第一增湿空气流和第二增湿空气流，

其中

-以单位kg水/m3干空气进行测量，相对于所述第二增湿空气流的水含量，所述第一增湿空气流具有更高的绝对的水含量。

17.根据权利要求16所述的热力设施，其中所述第一增湿空气流被引入热反应器并用在所述燃料的化学反应中。

18.根据权利要求16或17所述的热力设施，其中所述第二增湿空气流被引入热反应器并用在通过加热燃料产生的气体中的化学反应。

19.根据权利要求16-18中任一项所述的热力设施，其中所述第一增湿空气流中的水含量比所述第二增湿空气流中的水含量至少大50％。

20.根据权利要求16-19中任一项所述的热力设施，其中所述第一增湿空气流的量(kg干空气)小于第二增湿空气的量(kg干空气)，例如小1/4、例如1/3、例如小1/5。

21.根据权利要求16-20中任一项所述的热力设施，其中所述空气增湿器包括两个空气洗涤器。

22.根据权利要求21所述的热力设施，其中两个空气洗涤器串联布置；所述第一增湿空气流是离开第一空气洗涤器的增湿空气的一部分，所述增湿空气的其余部分被供给至第二空气洗涤器，用于进一步增湿，由此提供所述第二增湿空气流。

23.根据权利要求21所述的热力设施，其中两个空气洗涤器并联布置，从相同的空气源接收待增湿的空气，所述相同的空气源优选地是该设施的周围环境，且其中所述第一增湿空气流和所述第二增湿空气流各自仅由一个空气洗涤器产生。

24.根据权利要求16-23中任一项所述的热力设施，其中所述空气增湿器被布置为通过使用至少所述第二增湿空气流对热反应器产生的气体进行冷却。

25.根据权利要求16-24中任一项所述的热力设施，其中所述设施是根据权利要求1-15中任一项所述的设施。

26.一种热力设施，包括：

-热反应器，在该热反应器中发生化学过程，在该化学过程期间固体燃料与氧气反应以产生排放气体，所述排放气体包括可燃气体；

-用于气化燃料的气化***，所述气化***包括：

-产生可燃气体的热反应器，

-气体冷却器，其将产生的所述可燃气体冷却至该气体中存在的水的露点以下的温度，由此通过冷凝产生的所述可燃气体中的水蒸气来产生水冷凝物，

-冷凝物冷却器，其冷却所述冷凝物以从所述冷凝物提取能量，

-增湿***，适于

-在燃料转化为可燃气体期间，增湿待在该热反应器中使用的空气，

-将增湿空气供给至所述热反应器，以及优选地用于相对于所述冷凝物冷却器执行的冷却进一步冷却所述冷凝物，

-以及，优选地，将冷却的冷凝物供给至所述气体冷却器。

27.根据权利要求26所述的热力设施，其中该设施是根据权利要求1-25中任一项所述的热力设施。

28.根据前述权利要求中任一项所述的热力设施，还包括排放气体热交换器，其布置在所述气体冷却器上游，用于从所述排放气体提取能量。

29.一种用于对热力设施的热反应器产生的气体进行冷却和清洁的方法，所述热力设施优选地是根据前述权利要求中任一项所述的设施，所述方法包括：

-将产生的气体供给至洗涤器，在洗涤器中洗涤器水与所述气体混合，由此冷却所述气体并加热该洗涤器水，以及

-将该洗涤器水供给至一个或多个水力旋流器和/或一个或多个离心分离机，在所述水力旋流器和/或离心分离机中颗粒物和其他杂质从该洗涤器水中去除，以及

-将该洗涤器水的至少一部分供给至一个热交换器，该洗涤器水在所述热交换器处被冷却，然后在该洗涤器中再使用。

30.一种用于对用于热力设施的热反应器的空气进行增湿的方法，所述热力设施优选地是根据权利要求1-28中任一项所述的热力设施，所述方法包括：

-将该空气的主要部分——例如大于50％或大于75％——供给至一空气增湿器，在该空气增湿器中空气被加热和增湿，以及

-将该空气的较少部分——例如小于50％或小于25％——供给至一空气增湿器，在该空气增湿器中空气被加热和增湿达到比该空气的所述主要部分更高的温度和水含量。

31.一种用于从一个***去除颗粒物的方法，在该***中来自使用固体燃料的热力设施的热反应器的冷凝物在一个热交换器和一个废气洗涤器之间循环，该热力设施优选是根据权利要求1-28中任一项所述的热力设施，所述方法包括：

-一个过滤器，其中两个部分水排出该过滤器：携带所述颗粒物的主要部分的水和小部分干净的水。

32.一种用于将颗粒物从洗涤器***再循环至燃料入口***的方法，该洗涤器优选地属于权利要求1-28中任一项所述的热力设施，该方法包括：

-将温度为约100℃、优选地在200℃或300℃以上的气体供给至一个骤冷器，在该骤冷器中注入水以通过蒸发和热容量来冷却该气体，以及

-在该骤冷器的底部或者在该骤冷器之后收集水和颗粒物，并将所述水和颗粒物循环至燃料***。

33.一种用于冷却从固体燃料气化器产生的气体以及用于对该气化器用空气进行增湿的方法，该气化器优选地属于前述权利要求1-28中任一项所述的热力设施，该方法包括：

-将气体从该气化器供给通过气体冷却***，该气体冷却***被供应有来自空气增湿器的冷水；

以及

-将气化空气供给通过空气增湿器，该空气增湿器被供应有来自气体冷却***的热水。

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