CN101910376B - 从合成气中去除液态灰和碱的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用空气或氧气或富氧空气以及水蒸气通过气化制备合成气的方法，其中，将固态或液态含碳燃料加入到反应器中，在所述反应器中该燃料与空气或氧气或富氧空气以及与水蒸气在升高的温度下反应生成合成气，该合成气主要由氢气、二氧化碳和一氧化碳组成，在所述反应中产生矿物渣微滴，将所述矿物渣微滴与所获得的合成气分开地从所述反应器中排出，并将所获得的合成气以任意方向从所述反应器中排出，通过与吸附陶瓷接触将在所述合成气中所含有的蒸汽状碱从所述合成气中去除，以及在无需事先冷却的情况下将所述合成气引入到渣分离装置中，在所述渣分离装置中将所述渣微滴以液态渣的形式抽出。

Description

从合成气中去除液态灰和碱的方法
本发明涉及由含碳燃料，如所有种类的煤、焦炭、石油焦炭、生物质，而且还有乳液、乳化沥青油等制备合成气的方法。通过根据本发明的方法，合成气在制备后立即能够易于净化，而无需进一步冷却。由此，可以更好地利用气体的热能。本发明也涉及该方法可以使用的装置以及涉及所使用的吸附陶瓷的用途。
在由含碳燃料制备合成气时，使燃料与含水蒸气或者含水蒸气且含氧的气体在对此合适的反应器中反应。在该过程中，除了合成气之外还生成通常由气溶胶或微滴组成的矿物质液态灰和渣。所述液体灰中的某些种类部分地蒸发并形成碱性蒸汽。大多数情况下，这些成分对进一步的应用非常具有干扰性，因为它们能够损害下游的工艺设备的设备部件或对下游的工艺设备的设备部件产生不良影响。
在许多情况下，将合成气用于制备重要的化学品，例如氨或甲醇。为了实施必要的方法步骤，必须将在合成气中所含有的损害性或产生不良影响的组分从合成气中去除。为此，通常将合成气与更冷的外部介质混合以释放出高内部能量。该工艺也称作骤冷工艺。通常使用水作为外部介质。但也可以使用其他物质，例如氮或二氧化碳。在该方法步骤中，将合成气急剧地冷却下来。该骤冷工艺之后通常还有其他的方法步骤，该方法步骤还需要进一步冷却合成气。这例如是用于去除酸性气体的洗涤工艺。
在这些方法步骤中，大部分在合成气中所含有的热能的工作能力被无益地损失了。然而，为了进一步的应用通常需要高温。所需的合成气因此必须再度加热，为此需要许多能量。更有利的是，如果在无需进一步的冷却工艺步骤的情况下继续使用所获得的合成气。因为该气体在制备之后短时间内还处于高压状态，使用涡轮机以获得旋转动能也是可能的。另一方面，涡轮机的旋转动能又可以用于产生电流或者驱动设备机组。这在经济上有利地形成了制备合成气的工艺。这种工艺可以用于合成气和电流的联合生产。
然而对此的前提条件是，能够在无需进一步冷却步骤的情况下将所获得的合成气用于驱动涡轮机。对此有利的是，如果无需冷却且无需聚集状态的改变就可以将合成气的有害液态和气态成分去除。因为微液滴和腐蚀性蒸汽将通过侵蚀和腐蚀导致涡轮机叶片的损坏。
US4,482,358A描述了一种制备合成气的方法，该方法引导合成气通过旋流型压力容器，在该压力容器中通过具有各种尺寸的粒度分布的固体床循环。在流过固体床时，所夹带的固体部分和渣部分发生凝固并从系统中被排出。通过使用碎渣机可以将所述固体粉碎并再次使用。不仅可以将气体而且也可以将经粉碎的渣引导通过热交换器，它们可以用于驱动用于发电的涡轮机。在通过压力容器之前，使合成气经过采用水的冷却工艺。在这个系统中不利的是，为了冷却合成气必须使用水。此外还不利的是，为了驱动涡轮机必须产生蒸汽。没有描述从合成气中去除金属化合物。
EP 412 591B1描述了从热气中分离出碱金属化合物和重金属化合物的方法。在燃烧化石燃料时产生作为燃烧气体的热气，并将该热气用于驱动燃气涡轮机发电。为了防止由燃烧气体中所含的金属盐造成的燃气涡轮机的腐蚀，在进入到燃气轮机中之前采用吸附剂对燃烧气体进行处理。使该吸附剂悬浮在该热气流中。该悬浮状态被描述为吸附剂的飞尘云状态或膨胀的涡流层状态。该吸附剂可以由二氧化硅、氧化铝、铝酸镁、硅铝酸镁或硅铝酸钙组成。没有描述碱分离过程与合成气的制备过程的结合。也没有描述从热气中去除飞灰或液化的渣。
因此，本发明的目的在于提供方法和装置，它们从来自气化工艺的合成气中脱除液态渣和碱，而不必进行气体的冷却或减压。在使用涡轮机产生旋转能时，该涡轮机不会积垢且不会由于热的合成气的作用而受到腐蚀或材料侵蚀。
该目的通过使用空气或氧气或富氧空气以及水蒸气进行气化来制备合成气的方法而得以实现，其中
·将固态或液态含碳燃料加入到反应器中，在所述反应器中该燃料与空气或氧气或富氧空气以及与水蒸气在升高的温度下反应生成合成气，该合成气主要由氢气、二氧化碳和一氧化碳组成，以及
·在所述反应中产生矿物渣微滴，将所述矿物渣微滴与所获得的合成气分开地从所述反应器中排出，以及
·将所获得的合成气以任意方向从所述反应器中排出，
·通过与吸附陶瓷接触将在所述合成气中所含有的蒸汽状碱从所述合成气中去除，以及
·在无需事先冷却的情况下将所述合成气引入到渣分离装置中，在所述渣分离装置中将所述渣微滴以液态渣的形式抽出。
优选在使用之前将所述燃料输送到合适的用于粉碎的装置中。所述用于粉碎的装置可以例如是球磨机或立式碾磨机。但所述用于粉碎的装置也可以是碎草机或铣削装置。由此调节出对于气化工艺所必需的粒径。作为燃烧气体尤其使用含水蒸气的空气，其与燃料中的碳反应主要生成一氧化碳和氢气。但燃烧气体也可以是富含氧气的。所述燃烧气体尤其在升高的压力下输入。优选以气动方式将所述燃料引导到所述气化反应器中。但也可能的是，通过螺旋输送器或输送带将燃料输送到所述气化反应器中。如果将燃料以悬浮液或乳液的形式添加到反应器中，则也可将所述燃料泵送到反应器中。
将合成气在另一个位置上从反应器中排出。这优选在侧面实现。但是，合成气的排出也可以在反应器上在任意位置实现。紧接着必须进行液态组分的分离。因此，在本发明的一个具体实施方式中设计，渣分离装置是旋流型装置，在所述渣分离装置中热气进行圆周状运动，使得通过离心力将大部分在所述气体中所含的渣分离到壁上。另选地或额外地设计，所述渣分离装置包含堆料层，在该堆料层中渣从气体中分离出来。该堆料可以整合到旋流器中，在DE 43 36 100 C1中描述了相应的装置。
本发明的其他具体实施方式涉及蒸汽状的碱的分离。为此可以设计，将吸附陶瓷以粉状混入到燃料中，所述吸附陶瓷在气化室中与产生的合成气接触，并且碱从合成气中去除的过程在气化室中进行。对此还可以另选地或额外地设计，所述吸附陶瓷作为堆料在所述渣分离装置下游的装置中与所述合成气接触，并且碱从所述合成气中去除的过程在该下游的装置中进行。此外，吸附材料的混入也可以在气化之后进行。吸附材料的加入可以通过喷入或类似的方式进行。
本发明的其他具体实施方式涉及气化的工艺参数。作为燃料可以使用含有固态含碳材料的、适于采用含水蒸汽且含氧气的气体进行气化并发生转化的所有材料。这尤其是具有典型粒径的精细磨碎的煤。此处所有煤种类都是适合的。因此，例如可以使用粉碎的石煤或褐煤。但是，也可以使用粉碎的塑料、石油焦炭、生物燃料如粉碎的木材或沥青或其他生物质。所述燃料也可以以液体形式添加。例如，这可以是细分散物质的悬浮液或乳液，也可以是乳化沥青油。原则上粘性燃料也是合适的。最后，在升高温度下可以转化成主要由一氧化碳和氢气组成的合成气的所有物质都是合适的。气化温度应当是800-1800℃，压力选自0.1-10MPa。
本发明的其他具体实施方式涉及所获得的合成气的其他处理可能性。因此可以设计，使通过气化获得的合成气在渣分离和碱分离之后经过气体洗涤以去除酸性气体，如借助化学吸附剂去除含硫组分。
本发明的其他具体实施方式涉及所获得的合成气的其他应用可能性。因此可以设计，在渣分离和碱分离之后引导通过气化获得的合成气通过热燃气轮机。热燃气轮机可以与发电机相连，采用该发电机产生电流，或者与用于压缩用于气化的燃烧气体的压缩机相连。通过热气做功，该热气就冷却下来。在进一步能量输出之后，如用于产生蒸汽，所生成的合成气可以用于合成化学产品，用于通过直接还原制备金属，或用于在汽轮机中产生能量。
本发明还包含通过相应于上述方法的气化制备合成气的装置，该装置具有反应器，该反应器适于在高温下气化含碳燃料，该反应器具有用于输入空气或氧气或富氧空气以及水蒸气的装置，并且具有用于含碳燃料转化的反应室，其中直接与反应器相连地布置至少一级的热气旋流器，该热气旋流器具有用于液态渣的排出装置，或者设置具有堆料的装置，该装置具有用于液态渣的排出装置，或者两者皆有，其中顺序是可选的。
在本发明装置的具体实施方式中，可以直接与渣分离装置相连地设置具有吸附陶瓷堆料的装置，并在其下游安装热燃气轮机。
本发明也包含吸附陶瓷的应用。鉴于所要使用的材料，为此设计，该吸附陶瓷或者含有二氧化硅或硅酸盐或铝酸盐或氧化铝或它们的复合物或它们的混合物，或者含有任意的由氧化物和非氧化物陶瓷构成的复合物。此外，所述吸附陶瓷可以包含含过渡金属的化合物。在优选的具体实施方式中，该吸附陶瓷由硅铝酸盐形成，其中尤其优选高岭土、酸性白土、膨润土和蒙脱石。
其他用途涉及吸附陶瓷的形式。只要将吸附陶瓷混入到燃料混合中，则所述吸附陶瓷是粉末状的，否则，将所述吸附陶瓷以高度多孔性固体颗粒的形式以堆料层的形式引入碱分离器中。这些高度多孔性固体颗粒为球状物、鞍状体、拉西环、鲍尔环或圆柱体或其他任意的形状。粒径通常是2mm-100mm，优选20-40mm，最好是30mm。
借助于附图详细说明本发明的装置，其中具体实施形式不局限于该附图。
图1简要示出了本发明的气化和制备合成气的方法的工艺流程，该方法将合成气的内部能量用于发电。将燃料1输送到气化发生器2中，并在那里与压缩的、富氧空气3和水蒸气4反应生成负载有渣微滴和碱的合成气5。该气化器可以设有渣出口。添加剂可以在所述气化器下游加入。将合成气5导入旋流器6，在那里将所述合成气脱除渣微滴并任选地脱除碱。渣7以液体形式排出。如此脱渣的合成气8到达具有吸附陶瓷堆料10的容器9中。在那里脱除所夹带的碱蒸汽。如此净化的热气11到达热燃气轮机12中并在那里将其减压。将经减压并由此经冷却的合成气13引向其他用途。该热燃气轮机12的轴功率用于驱动压缩机14以及发电机15。将压缩机14用于压缩富氧空气16。所述富氧空气被导入气化反应器2。
以下多个数字例子用于描述发明的效果。在煤的气化过程中，8-40g/m3(以标准状态计)的液态灰颗粒和最高至200mg/m3(以标准状态计)的碱蒸汽被释放到原料气中。在进入旋流器6时，在合成气5中还有4-20g/m3(以标准状态计)的液态灰颗粒和最高至90mg/m3(以标准状态计)的碱蒸汽。在进入热燃气轮机12时，在热气11中存在低于5mg/m3(以标准状态计)的液态灰颗粒和低于0.013mg/m3(以标准状态计)的碱蒸汽。
附图标记列表
1燃料
2气化反应器
3压缩、富氧空气
4水蒸气
5合成气
6旋流器
7渣排放
8经除渣的合成气
9容器
10吸附陶瓷堆料
11热气
12热燃气轮机
13冷却的合成气
14压缩机
15发电机
16富氧空气
17添加剂输入
18渣排出
任选地，附图标记1是指具有用于碱分离的添加剂的燃料，附图标记6是指堆料或具有堆料的旋流器。

Claims (21)

1.通过使用空气或氧气或富氧空气以及水蒸气进行气化来制备合成气的方法，其中，
·将固态或液态含碳燃料加入到反应器中，在所述反应器中该燃料与空气或氧气或富氧空气以及与水蒸气在升高的温度下反应生成合成气，该合成气主要由氢气、二氧化碳和一氧化碳组成，以及
·在所述反应中产生矿物渣微滴，将所述矿物渣微滴与所获得的合成气分开地从所述反应器中排出，以及
·将所获得的合成气以任意方向从所述反应器中排出，
其特征在于，
·通过与吸附陶瓷接触将在所述合成气中所含有的蒸汽状碱从所述合成气中去除，
·在无需事先冷却的情况下将所述合成气引入到渣分离装置中，在所述渣分离装置中将所述渣微滴以液态渣的形式抽出，
·在将渣、碱和任选地含硫物质清除之后，引导热合成气通过热燃气轮机，以及
·在800-1800℃的温度下进行气化。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述渣分离装置是旋流型装置，所述渣分离装置还包含堆料，在所述渣分离装置中热气进行圆周状运动，使得通过离心力将大部分在所述合成气中所含的渣分离到壁上。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述渣分离装置包含堆料层，在该堆料层中渣从气体中分离出来。
4.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，将所述吸附陶瓷以添加剂的形式混入到所述燃料中，所述吸附陶瓷在气化室中与产生的合成气接触，并且碱从合成气中去除的过程在气化室中进行。
5.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，所述吸附陶瓷作为堆料在所述渣分离装置下游的装置中与所述合成气接触，并且碱从所述合成气的去除过程在该下游的装置中进行。
6.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，使用煤、煤乳液、煤悬浮液、石油焦炭、生物燃料或粉碎形式的塑料作为燃料。
7.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，在0.1-10MPa的压力下进行气化。
8.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，在渣分离和碱分离之后，向通过气化获得的合成气中添加化学吸附剂以去除含硫组分。
9.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，将发电机与该热燃气轮机连接，通过该发电机产生电流。
10.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，采用热燃气轮机驱动用于压缩燃烧用空气的压缩机，所述燃烧用空气用于气化。
11.根据权利要求1-3任一项的方法，其特征在于，所获得的合成气用于合成化学产品，用于通过直接还原制备金属，或用于产生能量。
12.吸附陶瓷用于实施根据权利要求1的方法的用途，其特征在于，该吸附陶瓷含有二氧化硅或硅酸盐或铝酸盐或氧化铝或它们的复合物或它们的混合物。
13.吸附陶瓷用于实施根据权利要求1的方法的用途，其特征在于，该吸附陶瓷含有任意的由氧化物和非氧化物陶瓷构成的复合物。
14.根据权利要求12或13的用途，其特征在于，该吸附陶瓷包含含有过渡金属的化合物。
15.根据权利要求12或13的用途，其特征在于，该吸附陶瓷由硅铝酸盐形成。
16.根据权利要求15的用途，其特征在于，所述硅铝酸盐为高岭土、酸性白土、膨润土和蒙脱石。
17.根据权利要求12或13的用途，其特征在于，该吸附陶瓷以高度多孔性固体颗粒的形式以堆料层的形式安放在碱分离器中。
18.根据权利要求17的用途，其特征在于，该高度多孔性固体颗粒为球状物、鞍状体、拉西环、鲍尔环或圆柱体。
19.根据权利要求15的用途，其特征在于，该吸附陶瓷以高度多孔性陶瓷体的形式安放在碱分离器中。
20.根据权利要求18的用途，其特征在于，该吸附陶瓷的粒径是2mm-100mm。
21.根据权利要求19的用途，其特征在于，该吸附陶瓷的粒径是20-40mm。
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