CN101675147A - 气化反应器 - Google Patents

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Abstract

气化反应容器(1)，配有在其上端的向下导引的燃烧器(2)，燃烧器(2)配有用于氧化剂气体(3)、碳质进料(4)和减速剂气体(5)的供应导管，容器上半部中的燃烧室(6)，燃烧室(6)配有在其底端的产物气体出口(7)和在其顶端的用于燃烧器(2)的出口的开孔，其中在燃烧室(6)的壁和容器(1)的壁之间提供环状空间(9)，和其中燃烧室(6)的壁包含互相连接的平行排布的管(10)的布置从而得到从共用的较低位置排布的分布器(12)至较高位置排布的共用总管(11)的基本不漏气的壁，所述分布器(12)配有冷却水供应导管(14)和所述总管(11)配有蒸汽排放导管(13)，和其中蒸汽排放导管(13)和水供应导管(14)与蒸汽包(29)流体连通，和其中蒸汽包(29)配有用于新鲜水的供应导管(32)，和其中蒸汽包(29)的位置高于共用总管(11)，和其中燃烧室(6)底端的产物气体出口(7)与汲取管(16)流体连通，所述汲取管(16)部分浸入位于反应容器(1)下端的水浴(20)中。

Description

气化反应器
技术领域
本发明涉及气化反应容器，所述气化反应容器的上端配有向下导引的燃烧器，所述气化反应容器配有用于氧化剂气体、碳质进料和减速剂气体的供应导管，在所述容器上半部中的燃烧室配有在其底端的产物气体出口和在其顶端的用于燃烧器的出口的开孔。
背景技术
EP-A-168128描述的气化反应器的上端配有向下导引的燃烧器。反应器也配有燃烧室。燃烧室由耐火级衬里组成。燃烧室底端的产物气体出口与汲取管流体连通，所述汲取管部分浸入位于反应容器下端的水浴中。使用中，通过与水浴接触从产物气体中除去固体，其包括灰分的颗粒、炭和未转化的碳质进料。经位于反应器底部的阀从反应器中除去固体。
EP-A-024281公开了一种气化反应容器，所述气化反应容器的上端配有向下导引的燃烧器，所述气化反应容器配有用于氧化剂气体、碳质进料和减速剂气体的供应导管，所述容器上半部中的燃烧室，配有在其底端的产物气体出口和在其顶端的用于燃烧器的出口的开孔。燃烧室壁和容器壁之间提供有环状空间。燃烧室壁含有互相连接的平行排布的管的布置从而得到从共用的较低位置排布的分布器至较高位置排布的共用总管的基本不漏气的壁。所述分布器配有冷却水供应导管，并且所述总管配有蒸汽排放导管。所述蒸汽排放导管和水供应导管与蒸汽包流体连通，蒸汽包配有用于新鲜水的供应导管。蒸汽包的位置高于共用总管。
US-A-5968212描述的气化反应器的上端配有向下导引的燃烧器。所述反应器也配有燃烧室。燃烧室由耐火级衬里组成。离开在燃烧室下端中的开孔的产物气体可以进入反应器的下部，该部分配有废热锅炉。
采用上述反应器的问题是耐火衬里的寿命较短。特别是在高温条件下和当气化含灰分的进料时。可以通过冷却燃烧壁的内部解决温度的问题。下列出版物描述了如何实现上述解决方案的多种方法。
US-B-7037473描述的气化反应器的上端配有向下导引的燃烧器。所述反应器也配有燃烧室。通过流动通过燃烧室壁中的螺旋弯导管的冷却水来冷却燃烧室的壁。
US-A-2001/0020346描述的气化反应器的上端配有向下导引的燃烧器。所述反应器也配有燃烧室。燃烧室壁包含放置在反应器壁内部上布置的垂直和平行排列的管的布置。所述管从共用的较低位置排布的分布器延伸至较高位置排布的共用总管，所述分布器配有冷却水供应导管和所述总管配有用于暖水或蒸汽的排放导管。
采用燃烧室的水冷壁的问题是它对非正常操作的过程敏感。例如当没有向冷却导管供应新鲜水时，由于过热将损坏导管。
发明内容
本发明提供解决上述问题的技术方案。
气化反应容器(1)，配有在其上端的向下导引的燃烧器(2)，燃烧器(2)配有用于氧化剂气体(3)、碳质进料(4)和减速剂气体(5)的供应导管，容器上半部中的燃烧室(6)，燃烧室(6)配有在其底端的产物气体出口(7)和在其顶端的用于燃烧器(2)的出口的开孔，其中在燃烧室(6)的壁和容器(1)的壁之间提供环状空间(9)，和其中燃烧室(6)的壁包含互相连接的平行排布的管(10)的布置从而得到从共用的较低位置排布的分布器(12)至较高位置排布的共用总管(11)的基本不漏气的壁，所述分布器(12)配有冷却水供应导管(14)和所述总管(11)配有蒸汽排放导管(13)，和其中蒸汽排放导管(13)和水供应导管(14)与蒸汽包(29)流体连通，和其中蒸汽包(29)配有用于新鲜水的供应导管(32)，和其中蒸汽包(29)的位置高于共用总管(11)，和其中燃烧室(6)底端的产物气体出口(7)与汲取管(16)流体连通，所述汲取管(16)部分浸入位于反应容器(1)下端的水浴(20)中。
申请人发现通过使用如要求保护的装置用蒸发蒸汽来冷却燃烧壁，甚至当没有向蒸汽包加入新鲜冷却水时，提供的反应器也能维持它的冷却能力。因为蒸汽包的位置高于共用总管，蒸汽包中存在的水将由于重力的作用流向气化反应器的共用分布器。另一优点是产出的蒸汽可有利地用于结合了气化反应器的过程的其它用途中。这些用途是用于任选的下游变换反应的工艺蒸汽、用于任选的液体碳质进料的加热介质或，在外部过热之后作为燃烧器中的减速剂气体。如此获得了更能量有效的方法。
气化反应器优选另外配有水泵送设备以增强水从蒸汽包至分布器的流动。当该泵非正常工作时或在将新鲜水供应至蒸汽包中发生非正常情况时，位置较高的蒸汽包中存在的液体水将仍然由于重力的作用而流向共用分布器。通常由蒸汽包中存在的水位定义蒸汽包的位置。蒸汽包中水的体积优选足够确保至少冷却燃烧室壁一分钟。实践中水的最大体积不超过60分钟冷却所需的体积。本发明也涉及通过在根据本发明的反应器中将碳质进料部分氧化以制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中当新鲜水供应中断时蒸汽包中存在的水的体积足够冷却燃烧室壁至少1分钟，或当泵送设备出现故障时蒸汽包中存在的水的体积足够冷却燃烧室壁至少1分钟。
根据本发明的气化反应器可以有利地用于从含灰分的固体或液体进料制备一氧化碳和氢的混合物。进料中的灰分将引起反应器在所谓的生成炉渣的条件下操作，其中在燃烧室壁的内部上将形成炉渣层。该层将非常缓慢的流向燃烧室的产物出口开孔，并向下流动或掉落至反应器的下端。炉渣层将进一步保护燃烧室壁抗所述室中的高温。为进一步保护燃烧室壁的冷却导管，优选用耐火层涂覆燃烧室的内壁。
在气化反应器的燃烧器中，优选在减速剂气体存在下，用含氧气体部分氧化碳质进料以制备一氧化碳和氢的混合物。含氧气体可以是富含氧的空气或纯氧(如特别是空气分离装置(ASU)中获得的)。纯氧表示氧的纯度为95-100vol％。减速剂气体可以是CO2或蒸汽，优选蒸汽。更优选将蒸汽包中制得的蒸汽用作减速剂气体。在用作减速剂气体之前，优选首先加热该蒸汽以获得过热的蒸汽。如下所述，可在外部加热器或替代地在气化反应器加热表面导管一部分中使蒸汽过热。
固态的含灰分的碳质进料可以是例如煤、褐煤、泥煤、木材、石油焦炭和烟灰。可以以水中的浆液的形式将固体碳质进料供应至反应器的燃烧器。煤浆液进料方法是例如前述的EP-A-168128中所述的方法。优选以含有粉末形式的固体进料和适合的载气的气-固混合物形式将固体碳质进料供应至燃烧器。适合的载气是氮、二氧化碳或合成气即含CO和H2的混合物。该固体气体混合物的密度为优选200-500kg/m3，优选250-475kg/m3，更优选300-450kg/m3。
因为氮气可作为空气分离装置(ASU)的副产物获得，所以通常使用氮气作为载气。然而在一些情况下，可能优选使用二氧化碳作为载气。特别是当将气化反应器中制备的一氧化碳和氢的混合物用于制备化学品例如甲醇和二甲醚或用作费-托合成过程的原料时。根据本发明方法的优选实施方案，折干计算，CO2与碳质进料的重量比小于0.5，更优选是0.12-0.49，优选低于0.40，甚至更优选低于0.30，最优选低于0.20，折干计算。随后，折干计算，当产物气体离开燃烧室时优选含有1-10mol％的CO2，优选4.5-7.5mol％的CO2。在适合的燃烧器中使固体-载气进料物流与含氧气体接触。在US-A-4510874和US-A-4523529中描述了适合的燃烧器的实例及它们的优选用途。
碳质进料也可是含灰分的液体碳质进料，优选含有0.1-10wt％的灰分、更优选含有0.1-4wt％的灰分。这些含灰分的液体进料的实例是从焦油砂原料分离的常压或真空渣油馏分，或更优选是在脱沥青过程中从所述渣油物流中分离的沥青馏分。
附图说明
下面将根据所附附图进一步描述本发明。
图1显示了根据本发明的优选气化反应器。
图2是图1沿AA′的截面图。
具体实施方式
本发明的方法优选在图1所示的反应容器中进行。图1显示的气化反应容器(1)的上端配有向下导引的燃烧器(2)。燃烧器(2)配有用于氧化剂气体(3)、碳质进料(4)和任选的减速剂气体(5)的供应导管。燃烧器(2)排布在反应容器(1)的顶端，它的出口朝下。容器(1)含有在容器的上半部中的燃烧室(6)，所述燃烧室(6)的底端配有产物气体出口(7)和顶端配有用于燃烧器(2)的出口的开孔。燃烧室(6)和容器(1)的壁之间提供有环状空间(9)。环状空间(9)和燃烧室壁保护容器(1)的外壁抗燃烧室(6)中的高温。
燃烧室(6)的壁含有互相连接的平行排布的管(10)的布置，这产生基本不漏气的壁。这样的壁也称为膜式壁。管(10)从共用的较低位置排布的分布器(12)延伸至较高位置排布的共用总管(11)。分布器(12)配有冷却水供应导管(14)。总管(11)配有蒸汽排放导管(13)。蒸汽排放导管(13)和水供应导管(14)与蒸汽包(29)流体连通。蒸汽包(29)配有用于新鲜水的供应导管(32)和用于生产的蒸汽的出口导管(30)。如图中所示，蒸汽包(29)的位置高于共用总管(11)。如图所示，存在优选的水泵(31)以增强水从蒸汽包(29)至分布器(12)的流动。
优选用耐火材料(8)涂覆管(10)以减少至所述管(10)的传热。
燃烧室的底端向气化反应器的下部敞开，所述气化反应器的下部配有用于产物气体的出口。该下部优选配有用于将产物气体从燃烧室的高温冷却下来的设备。通过在水浴中急冷进行冷却。为在急冷区(19)中实现急冷，燃烧室(6)的出口开孔(7)与汲取管(16)流体连通。汲取管(16)部分浸入位于反应器(1)下端的水浴(20)中。优选在汲取管(16)的上端存在注入设备(18)以在使用中将急冷介质加入向下流动的热产物气体(即氢和一氧化碳的混合物)中。汲取管优选与燃烧室垂直对齐并具有管状外形。
水急冷区(19)存在于热产物气体的路径上，热产物气体在出口(17)处偏转为向上的方向(参见箭头)，并向上流动通过在任选的管状护罩(22)和汲取管(16)之间形成的环状空间(21)。在环状空间(21)中，合成气与水以急冷操作模式密切接触。环状空间的上端(23)与汲取管(16和气化反应器(1)的壁之间的空间(24)敞开连通。空间(24)中将存在水位(25)。在所述水位(25)之上，在反应器(1)的壁中存在一个或多个合成产物出口(26)以排放急冷后的产物气体。在空间(24)和环状空间(9)之间，可任选存在分离壁(27)。
气化反应器(1)的下端适合地存在炉渣排放开孔(28)。通过熟知的炉渣排放设备例如US-A-4852997和US-A-67559802中所述的闸门系统以通过该排放开孔(28)从容器中排出炉渣与部分水。
操作时，根据本发明的气化反应器优选使得当从出口(7)排出热产物气体时，热产物气体的温度为1000-1800℃和更优选1300-1800℃。燃烧室中的压力和由此产物气体的压力优选是0.3-12MPa和优选3-8MPa。选定温度条件以使炉渣形成层和流向反应器中较低位置的炉渣出口设备。
经注入设备(18)提供的急冷介质优选是水或蒸汽或它们的组合。可以使用水雾，其中通过使用雾化气产生水雾。适合的雾化气是蒸汽或循环产物气体(合成气)。水可以是新鲜水。任选地，所述水可以是任选的下游水煤气变换装置中的工艺冷凝物。在优选的实施方案中，可用含水的固体部分或全部替代新鲜水。优选在水急冷区(19)中获得含水的固体。作为替代，含水的固体可以是任选的下游水洗设备(未显示)的排放物流。例如，使用洗涤器设备的排放物流。本文描述的使用含水的固体的优点是可以避免或至少有限地使用水处理步骤。
在急冷区(19)中与气体接触之后，在出口(26)处从反应器(1)排出的产物气体的温度优选是130-330℃。
图2显示了图1的反应器的一部分。从图2可以看出，冷却导管(10)通过连接部件(15)互相连接，使得它们在耐火壁中形成不漏气的燃烧室(6)。
图3显示了图1的反应器，其中略去了护罩(22)。图3中使用的附图标记的含义与图1中相同。存在螺旋弯管(34)形式的设备用于冷却汲取管(16)的上部，使用中，冷却介质流动通过螺旋弯管(34)。也可预期其它设计，特别是其中流动通过冷却介质的垂直排布的管。适合的冷却介质是水。更优选冷却介质是包(29)中产生的蒸汽。在这样的优选实施方案中，管(34)用作过热器组件以进一步提高包(29)中产生的蒸汽的温度从而获得过热的蒸汽。对于该实施方案，图中显示的导管(33)流体连接蒸汽包(29)与管(34)的入口。图中另外显示了排放管(35)用于排放过热的蒸汽。图2中也显示了过热的蒸汽可以经导管(37)用作减速剂气体或被排出用于其它用途(36)。其它用途可以是发电。当使用固体进料时，减速剂气体(37)可以与氧化剂气体混合或单独供应至燃烧器(2)。当使用液体进料时，减速剂气体优选单独进行供应。
优选管(34)配有机械清洁设备(38)以保持管(34)的表面没有炉渣和结垢。可以将注入设备(18)如图所示排布在由管(34)组成的部件的顶部或刚好低于该由管(34)组成的部件，或两种情况组合存在。

Claims (9)

1.气化反应容器(1)，配有在其上端的向下导引的燃烧器(2)，燃烧器(2)配有用于氧化剂气体(3)、碳质进料(4)和减速剂气体(5)的供应导管，容器上半部中的燃烧室(6)，燃烧室(6)配有在其底端的产物气体出口(7)和在其顶端的用于燃烧器(2)的出口的开孔，其中在燃烧室(6)的壁和容器(1)的壁之间提供环状空间(9)，和其中燃烧室(6)的壁包含互相连接的平行排布的管(10)的布置从而得到从共用的较低位置排布的分布器(12)至较高位置排布的共用总管(11)的基本不漏气的壁，所述分布器(12)配有冷却水供应导管(14)和所述总管(11)配有蒸汽排放导管(13)，和其中蒸汽排放导管(13)和水供应导管(14)与蒸汽包(29)流体连通，和其中蒸汽包(29)配有用于新鲜水的供应导管(32)，和其中蒸汽包(29)的位置高于共用总管(11)，和其中燃烧室(6)底端的产物气体出口(7)与汲取管(16)流体连通，所述汲取管(16)部分浸入位于反应容器(1)下端的水浴(20)中。
2.权利要求1的反应器，其中存在水泵送设备以增强水从蒸汽包至分布器的流动。
3.权利要求1-2的反应器，其中燃烧室的内壁涂覆有耐火材料。
4.权利要求1-3任一项的反应器，其中汲取管(16)的上部配有冷却设备，优选在使用中冷却水或蒸汽可以流过其中的管(34)。
5.权利要求1-4任一项的反应器，其中在汲取管(16)的上端存在设备(18)以在使用中将急冷介质加入氢和一氧化碳的向下流动混合物中。
6.权利要求1-5任一项的反应器，其中在反应容器(1)的下端存在炉渣排放开孔(28)以从反应容器(1)排放炉渣。
7.通过在权利要求1-6任一项的反应器中将碳质进料部分氧化以制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中当新鲜水供应中断时蒸汽包中存在的水的体积足够冷却燃烧室的壁至少1分钟。
8.通过在权利要求2-6任一项的反应器中将碳质进料部分氧化以制备氢和一氧化碳的混合物的方法，其中当泵送设备出现故障时蒸汽包中存在的水的体积足够冷却燃烧室的壁至少1分钟。
9.权利要求7-8的方法，其中将蒸汽包中存在的蒸汽在进一步升高温度之后用作气化反应器的燃烧器中的减速剂气体。
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