CN102089406A - 煤气化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可以产生富氢的煤气化气体并实现变换反应器的小型化的煤气化炉。该煤气化炉(G)利用炉内进行的气化反应而产生煤气化气体，所述炉内投入有煤等气化原料及气化剂，其中，向炉内投入水及水蒸气中的至少一种作为用于促进与气化反应同时进行的氢生成反应的物质。

Description

煤气化炉
技术领域
本发明涉及一种适用于煤气化联合循环发电用气化炉及化学用煤气化炉等的煤气化炉。
背景技术
以往，作为整体煤气化联合循环(Integrated Coal Gasification CombinedCycle；IGCC)中高效的气化炉，开发了由煤炭产生燃气轮机的燃料气的空气吹入式(空気吹き)整体煤气化联合循环发电用气化炉(下面称为发电用气化炉)。
另一方面，与重视生成气体的卡路里的以往的发电用气化炉不同，在化学用气化炉中需要根据目标产品(合成物)来调节生成气体的组成(CO/H2比例)。因此，在化学用气化炉中需要用来调节CO/H2比例的变换反应器。
同样地，为了降低排放到大气中的二氧化碳量，有时也会在发电用气化炉中组合二氧化碳(CO2)的回收设备。在这样的发电用气化炉中，为了提高二氧化碳的回收率，设置了变换反应器来提高生成气体中的二氧化碳浓度。
在以往的整体煤气化联合循环中，利用热交换器组对由煤气化炉产生的煤气进行冷却，此时，没有投入用来对生成的煤气进行冷却的水、水蒸气(例如参照专利文献1)。
另外，在以往的煤气化系统中，以气化气体的冷却为主要目的，也有从气化炉的出口投入水的情况(例如参考专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平7-65484号公报
专利文献2：国际公开第2007/125046号小册子
发明内容
发明要解决的问题
如上所述，在化学用气化炉及二氧化碳回收发电用气化炉等煤气化炉中，需要由变换反应器调节产生的气体的组成(提高H2浓度)。为此，通过极力提高煤气化炉出口的氢(H2)浓度，可以减小变换反应器的容积。
另外，煤气化炉的出口气体的温度为1000℃以上的高温。为此，在进行气体纯化以将其用作化学原料或燃料气时，需要利用热交换器或投入骤冷(quench)来进行冷却，作为骤冷投入用的骤冷剂，使用水或气体(生成气体、惰性气体等)。
然而，以水作为骤冷剂的水骤冷是最容易的方法，但是由于会使炉内温度降低，设备热效率降低。另外，当投入用于骤冷的水未完全气化时，需要对混入有未燃烧成分的水(煤浆、黑水、Black-water)进行处理。
鉴于上述这样的背景，在化学用气化炉及二氧化碳回收发电用气化炉等煤气化炉中，期望由煤气化炉产生的煤气化气体富含氢，从而能够实现变换反应器的小型化。
此外，对于第二段冷却(对由煤气化炉产生的高温煤气化气体进行冷却)而言，特别是在发电用气化炉的情况下，期望使用能够解决黑水处理的问题且高效的热交换器。
本发明就是鉴于上述情况而进行的，其目的在于提供一种煤气化炉，该煤气化炉能够产生成富氢的煤气化气体，从而可实现变换反应器的小型化。
解决问题的方法
本发明为了解决上述问题，采用了下述装置。
本发明的一个实施方式涉及煤气化炉，其通过炉内进行的气化反应而产生煤气化气体，在所述炉内投入有煤等气化原料及气化剂，其中，向上述炉内投入水及水蒸气中的至少一种作为用来促进与上述气化反应同时进行的氢生成反应的物质。
根据这样的煤气化炉，由于向炉内投入水及水蒸气中的至少一种作为用于促进与气化反应同时进行的氢生成反应的物质，因此水性气化反应和/或变换反应迅速进行而生成氢。其结果为：由气化反应生成的煤气化气体为氢成分比例(H2比例)高的富氢气体。
在上述的煤气化炉中，优选上述煤气化炉为具备燃烧室及还原室的二段喷流床气化炉，向上述燃烧室中同时投入上述气化材料、上述气化剂及上述水蒸气，并且向上述还原室中仅投入上述气化材料。
就这样的二段喷流床气化炉而言，由于向燃烧室中同时投入气化材料、气化剂及水蒸气，因此在燃烧室内进行水性气化反应及变换反应，而在仅投入气化材料的还原室内进行作为吸热反应的气化反应及水性气化反应。其结果为：由燃烧室内的水性气化反应及变换反应、和还原室内的水性气化反应而生成氢，因此，由气化反应生成的煤气化气体为氢成分比例高的富氢气体。另外，由于还原室内的气化反应及水性气化反应为吸热反应，因此通过反应的进行来进行对煤气化气体冷却的反应骤冷。
此时，优选以与气化剂(空气或氧)预先混合后的状态将水蒸气投入到燃烧室中，这样一来，促进了向炉内高温场的迅速混合，对于反应的迅速进行是有效的。
在上述煤气化炉中，优选上述煤气化炉是具备燃烧室及还原室的二段喷流床气化炉，向上述燃烧室中投入上述气化材料及上述气化剂，并且，向上述还原室中同时投入上述气化材料、以及上述水和上述水蒸气中的至少一种。
就这样的二段喷流床气化炉而言，在燃烧室内，利用投入的气化材料及气化剂进行气化反应，在同时投入气化材料、以及水或水蒸气的还原室内，进行气化反应及水性气化反应。其结果为：由于利用还原室内的水性气化反应生成氢，因此由气化反应生成的煤气化气体是氢成分比例高的富氢气体。另外，由于还原室内的气化反应及水性气化反应为吸热反应，因此通过反应的进行来进行对煤气化气体冷却的反应骤冷。
在上述的煤气化炉中，相对于上述气化原料的投入量，上述水及水蒸气的投入量优选在0.1～0.8(质量基准)的范围。此时的水蒸气的投入量是在不降低炉内温度的范围内确保反应的充分的量。
在上述的实施方式中，优选在上述煤气化炉的出口连接设置有冷却上述煤气化气体的气体冷却用热交换器，与上述煤气化气体一起通过上述气体冷却用热交换器的煤焦(char)(未反应的煤)中碳(C)的残留量被设定为30％以上，这样一来，可以防止在热交换器表面堆积的煤焦的烧结，从而能够以高的热效率使用热交换器。
在上述的煤气化炉中，优选由水冷却系统导入上述水蒸气，所述水冷却系统流经对上述气化炉的外周进行冷却的水冷壁和/或流经上述气体冷却用热交换器，这样一来，可以有效地利用现有设备(水蒸气供给源)以确保用于投入的水蒸气。
在上述实施方式中，优选在上述煤气化炉的出口连接设置有冷却上述煤气化气体的气体冷却用热交换器，与上述煤气化气体一起通过上述气体冷却用热交换器的煤焦(未反应的煤)中碳(C)的残留量被设定为30％以上，这样一来，可以防止在热交换器表面堆积的煤焦的烧结，从而能够以高的热效率使用热交换器。
发明的效果
根据上述本发明，由于由煤气化炉产生的煤气化气体为成分中的氢(H2)比例高的富氢气体，即，因为可以提高煤气化炉出口处煤气化气体中的氢浓度，特别是，在需要变换反应器的化学用气化炉或二氧化碳回收发电用气化炉等煤气化炉中，能够实现变换反应器的小型化。
另外，如果将通过气体冷却用热交换器的煤焦中的碳(C)残留量设定在30％以上，可以解决黑水处理问题，从而能够在煤气化气体的第二段冷却中使用热交换器，因此，特别是在二氧化碳回收发电用气化炉的情况下，可以提高设备热效率。另外，由于能够使干燥后的煤焦循环到煤气化炉中并进行气化，因此由煤等气化原料得到煤气化气体的碳转化率也得到了提高。
附图说明
[图1]为示出本发明的煤气化炉的第一实施方式的结构图。
[图2]为示出本发明的煤气化炉的第二实施方式的结构图。
[图3]为示出本发明的煤气化炉的第三实施方式的结构图。
[图4]为示出煤气化气体中所含的氢的比例随着蒸气投入而增加的实验数据。
[图5]为示出硫化羰(COS)随着蒸气投入而降低的实验数据。
[图6]为示出氨(NH3)的产生量随着蒸气投入而降低的实验数据。
[图7]为示出氢含量的比例随着蒸气投入而增加的曲线图。
符号说明
G、G1、G2煤气化炉
10燃烧室
20还原室
30热交换器
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的煤气化炉的实施方式进行说明。
<第一实施方式>
图1所示的煤气化炉G是利用在炉内进行的气化反应而生成煤气化气体(下面称为“煤气”)的装置，所述炉内投入有煤等气化原料及气化剂。图示的煤气化炉G为具有燃烧室10及还原室20的二段喷流床气化炉，连通燃烧室10的上段(气体流动方向的下游侧)设置了还原室20。在以下的说明中，将燃烧室10及还原室20总称为“炉”或“气化炉”。
另外，在煤气化炉G上设置有热交换器30，其与还原室20的下游侧连通，对气化炉内生成的煤气进行冷却。
需要说明的是，上述煤气化炉G被水冷壁W所覆盖，所述水冷壁W使冷却水循环，对燃烧室10、还原室20及热交换器30的外周面进行冷却。
如上所述，本实施方式的煤气化炉G是具有燃烧室10及还原室20的二段喷流床气化炉，在下段的燃烧室10中投入气化材料和气化剂，同时投入水蒸气；并且在上段的还原室20中仅投入气化材料。
即，在二段喷流床气化炉的燃烧室(combust)10中，通过在适当位置上设置的多个燃烧器(burner)11，投入气化材料煤(微粉煤)和下述煤焦(未反应的煤)、以及气化剂空气或氧等。另外，在本实施方式中，从燃烧器11向燃烧室10中投入用于促进反应迅速进行的水蒸气。
在此，就水蒸气的投入而言，优选其与气化剂空气或氧进行预混合后投入到燃烧器11中。这是因为，在燃烧室10内的高温场(炉内温度为1800℃左右)中，以经过预混合的状态被投入的水蒸气的迅速混合被促进，其结果，燃烧室10内的反应迅速地进行。
需要说明的是，就投入到燃烧室10中的水蒸气而言，并不限定于上述的与气化剂预先混合的状态，也可以单独投入水蒸气。
在燃烧室10中，通过投入水蒸气，下述的水性气化反应及变换反应迅速地进行。因此，与不投入水蒸气的情况相比，投入水蒸气的情况由气化反应生成的煤气(CO)成为气体中的氢比例高的富氢气体。
水性气化反应：C(固体)+H2O→H2+CO
变换反应：CO+H2O→H2+CO2
气化反应：C(固体)+CO2→2CO
对于向燃烧室10中投入的优选的水蒸气的量而言，例如如图7所示，如果增加水蒸气的投入量，则煤气(CO)中的氢的比例(H2/CO)会增加，因此，以质量基准计，相对于作为气化材料被投入的粉煤的煤流量，水蒸气的投入量为0.1～0.8左右。这是基于下述的模拟结果得出的范围：如果增加蒸气投入量，则燃烧室10的温度下降，会使燃烧性、炉渣(slag)排出性变差，而且只要使得蒸气投入量的上限为0.8左右(质量基准)，即可确认不会妨碍煤气化炉10的运转。即，就水蒸气的投入量而言，优选考虑相反的作用设定最合适的值，使得保证充分促进反应的投入量，并抑制燃烧室10内的温度降低。
需要说明的是，在热量损失比例减少的商用机等中，由于能够增加水蒸气的投入量，因此，可以增加煤气中的氢比例来产生富氢的气体。
在还原室(reduct)20中，由燃烧器21仅投入气化材料煤(粉煤)。其结果为：在还原室20中，利用从燃烧室10流入的煤气、氢及二氧化碳等产物，以及追加投入的煤，进行上述气化反应及水性气化反应。由于这些反应均为吸热反应，因此通过反应的进行，对以煤气及氢为主成分的生成气体(煤气化气体)进行冷却，进行反应骤冷。
利用连接在气化炉出口(还原室20的出口)处的热交换器30对在还原室20中生成的生成气体进行第二段的气体冷却。由于设置该热交换器30的结构从而使得高温的生成气体和水进行热交换，因此被吸热的生成气体的温度降低，并流出到后续工序中，而吸热后的水温度上升而成为水蒸气。
在该热交换器30中，由于与生成气体一起流入的煤焦(未反应的煤)堆积，因此有时会发生煤焦的烧结故障。但是，通过使煤焦中的C的残留量为30％以上，能够防止煤焦的烧结。需要说明的是，此时的C残留量为30％以上这一数值是基于实验等得到的。
另外，由于将炉内温度保持在高温，使投入的水蒸气完全气化，因此还可以消除混入有煤焦的煤浆、黑水等的处理问题。因此，可以使用热交换效率高的热交换器来用于煤气的第二段冷却。通过这样的热交换器30冷却生成气体，特别是对于提高二氧化碳回收发电用气化炉等中的设备热效率是有效的。
利用设置在热交换器30的下游侧的图中未示出的煤焦回收装置(旋风分离器、高温过滤器等)回收上述煤焦，然后，将其作为气化原料再次投入到燃烧室10中。由于消除了黑水等问题，因此，可以以干燥后的状态回收此时的煤焦。这样一来，由于可以使干燥后的煤焦循环到煤气化炉G中并进行气化，因此对于提高由煤等气化原料得到煤气的碳转化率也是有效的。
上述这样的二段喷流床的煤气化炉G，由于在炉内温度为1800～2000℃左右的高温燃烧室10中投入气化材料和气化剂，并同时投入水蒸气，因此在燃烧室10内进行水性气化反应及变换反应；而在仅投入气化材料的还原室20内进行作为吸热反应的气化反应及水性气化反应。其结果，通过燃烧室10内的水性气化反应及变换反应、以及还原室20内的水性气化反应而生成氢，因此，由气化反应生成的煤气成为含有的氢成分比例高的富氢气体。根据图4所示的比较实验结果可知：生成气体中氢的比例在有蒸气投入时为22.1(Vol％-干燥)，相比于在无蒸气投入时的16.3(Vol％-干燥)有所增加。
另外，由于还原室20内的气化反应及水性气化反应为吸热反应，因此，利用这些反应的进行对煤气进行冷却，从而进行反应骤冷。
即，向高温的燃烧室10中投入水蒸气时，反应会更迅速地进行，因此，燃烧室10的效率(碳转化率)得到提高。
另外，通过向燃烧室10中投入水蒸气，可以抑制煤气化炉G的副产物氨、硫化羰等的生成量。即，根据图5及图6所示的实验结果可知：在对无蒸气的测试1和有蒸气的测试2进行比较时，在有蒸气的测试2中，副产物的生成量明显减少。
此外，由于上述水蒸气投入到高压(2.5～5MPa左右)的燃烧室10内，因此需要高压的水蒸气源。在此，作为高压的水蒸气源，使用的是例如按照下述方式得到的水蒸气：将流经水冷壁W、热交换器30的水冷却系统的水进行加热而生成的水蒸气导入，并且根据需要将其升压至所期望的压力。即，虽然有时需要用来形成高压水蒸气的升压装置，但通过有效地利用具有煤气化炉G的现有设备(水冷却系统的水冷壁W、热交换器30)作为水蒸气供给源，能够确保投入水蒸气时所必需的水蒸气量。
如上所述，向高温的燃烧室10中投入水蒸气的方式适合于使用普通的煤作为原料煤的情况。即，在通过使用普通的(优质的)原料煤可以将燃烧室10内的温度保持在高温的情况下，可以向高温燃烧室10中投入大量的水蒸气。而且，由于水蒸气还具有作为气化剂的效果，因此根据水蒸气的投入量，相应可以降低作为气化剂而投入的空气或氧的氧比例(氧投入量)，结果可以提高作为燃气轮机燃料使用的有效气体成分(CO、H2)的浓度。
需要说明的是，在上述实施方式中投入了水蒸气，但也可以投入喷雾状的水。
<第二实施方式>
接下来，如图2所示对本发明的煤气化炉的第二实施方式进行说明。需要说明的是，在与上述实施方式相同的部分标注相同的符号，并省略了对其的详细说明。
图示的煤气化炉G1与上述实施方式相同，是具备燃烧室10及还原室20的二段喷流床气化炉。
在该实施方式中，在燃烧室10中，通过燃烧器11A同时投入作为气化原料的煤(粉煤)或煤焦、以及气化剂(空气或氧)。其结果为：在燃烧室10内，利用投入的气化原料及气化剂进行气化反应。
在还原室20中，由燃烧器21投入气化原料煤(粉煤)，同时通过喷雾喷嘴22投入喷雾状的水。其结果，在还原室20内，利用由燃烧室10流入的煤气、以及投入到还原室20中的粉煤及水，进行上述气化反应及水性气化反应。由于这些反应均为吸热反应，因此利用反应的进行来对生成气体进行冷却，从而进行反应骤冷。此时，出于和上述实施方式相同的理由，以质量基准计，相对于作为气化材料投入的粉煤的煤流量，优选的水投入量为0.1～0.8左右。
在上述这样的二段喷流床气化炉的煤气化炉G1中，利用被投入到燃烧室10中的气化材料及气化剂进行气化反应。另外，在还原室20内，通过同时投入气化材料和喷雾状的水来进行气化反应及水性气化反应。
其结果，通过还原室20内的水性气化反应生成的氢，使煤气化气体成为富氢的气体。另外，由于还原室20内的气化反应及水性气化反应为吸热反应，因此利用反应的进行来对生成气体进行冷却，从而进行反应骤冷。
就如上所述构成的煤气化炉G1而言，由于向还原室20中单独投入水，因此其基本上不受有关水投入用喷嘴的设计、配置的制约，自由度非常高。另外，此时的水使得下述过程能够实现：利用泵投入能够升高压力的高压水，因此不需要高压的水蒸气源。另外，向还原室20中投入水，还可以期待还原室20内的骤冷效果。
另外，如上构成的煤气化炉G1由于没有向燃烧室10内投入水蒸气，因此容易使燃烧室10内保持在高温。
因此，对于向还原室20投入喷雾状的水的煤气化炉G1而言，其适用于作为气化原料使用的煤(粉煤)为高灰熔点煤(1500℃以上)的情况。即，当高灰熔点煤为原料煤时，为了稳定地排除熔融灰，在不投入水蒸气的条件下保持燃烧室10内处于高温，并且，在还原室20中，通过由水蒸气投入而产生的骤冷效果和由反应的进行而产生的反应骤冷，可以使高温煤气化气体的温度急剧降低。
<第三实施方式>
接下来，如图3所示对本发明的煤气化炉的第三实施方式进行说明。需要说明的是，在与上述实施方式相同的部分标注相同的符号，并省略了对其的详细说明。
图示的煤气化炉G2与上述实施方式相同，是具备燃烧室10及还原室20的二段喷流床气化炉。
在该实施方式中，与上述第二实施方式不同之处为：由蒸气喷嘴23向作为二段喷流床气化炉的煤气化炉G2的还原室20中投入水蒸气，以代替在上述第二实施方式中向还原室20中投入水。需要说明的是，在本实施方式的煤气化炉G2中，其它的结构与上述第二实施方式相同。
即，在本实施方式的还原室20中，气化原料的粉煤和水蒸气同时被投入。此时，出于和上述实施方式相同的理由，以质量基准计，相对于供给到燃烧室10及还原室20中的粉煤的煤流量，优选的水蒸气投入量为0.1～0.8左右。
在还原室20中，利用水蒸气的投入进行气化反应及水性气化反应。由于这些反应均是吸热反应，因此利用反应的进行来对生成气体进行冷却，从而进行反应骤冷。另外，由于通过水性气化反应生成氢，因此生成了富氢的煤气。
由于在如上所述构成的煤气化炉G2中没有向燃烧室10中投入水蒸气，因此容易将燃烧室10内保持在高温。这样一来，向还原室20投入水蒸气的煤气化炉G2适合用于作为气化原料使用的煤(微粉煤)为高灰熔点煤的情况。即，当高灰熔点煤(1500℃以上)为原料煤时，为了稳定地排除熔融灰，保持燃烧室10内在高温，并且，在还原室20中，通过由水蒸气投入而产生的骤冷效果和由反应的进行而产生的反应骤冷，可以使高温煤气化气体的温度急剧降低。
另外，向还原室20中投入水蒸气的本实施方式适合用于，例如将如褐煤等那样的燃料比为1以下的低燃料比煤作为原料煤的情况。这是因为，投入到还原室20中的水蒸气具有促进气化副产物分解的裂化效果，所述气化副产物来源于原料煤中所包含的挥发成分。
此外，由于通过投入到还原室20中的水蒸气可促进投入到还原室20的原料煤中所含有的挥发成分的分解反应，因此可以抑制例如烃、焦油(重质烃)及氨等来源于还原室中投入的煤的副产物的产生。
如上所述，利用本发明的煤气化炉G、G1、G2，由于其向燃烧室10和/或还原室20的炉内投入水及水蒸气中的至少一种作为用来促进与气化反应同时进行的氢生成反应的物质，因此水性气化反应和/或变换反应迅速进行而生成氢。其结果，使得由气化反应生成的煤气成为氢成分比例高的富氢气体。
如上所述，根据上述本发明，利用煤气化炉G、G1、G2生成的煤气化气体为成分中的氢比率高的富氢气体，因此，特别是在需要变换反应器的化学用气化炉和二氧化碳回收发电用气化炉等煤气化炉中，可以实现变换反应器的小型化。
另外，如果将通过气体冷却用热交换器30的煤焦中的碳(C)残留量设定在30％以上，则可以消除黑水处理的问题，从而可以使用热交换器用于煤气化气体的第二段冷却，因此，特别是二氧化碳回收发电用气化炉的情况下，能够提高设备热效率。另外，可以使干燥的煤焦循环到煤气化炉G、G1、G2中并被气化，因此还可以提高由煤等气化原料得到煤气化气体的碳转化率。
另外，在上述各实施方式中，单独地实施了向燃烧室10中投入水蒸气、向还原室20中投入水(水喷雾)、以及向还原室20中投入水蒸气的实施方式，但本发明并不限于上述这些实施方式，还可以适当地将它们进行组合。即，可以组合地同时实施向燃烧室10中投入水蒸气和向还原室20中投入水喷雾、或组合地同时实施向燃烧室10中投入水蒸气和向还原室20中投入水蒸气等，可以根据各种条件适当地进行选择。
需要说明的是，本发明不限于上述实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内进行适当的变更。

Claims (6)

1.一种煤气化炉，其通过在炉内进行的气化反应而产生煤气化气体，在所述炉内投入有煤等气化原料及气化剂，其中，
向所述炉内投入水及水蒸气中的至少一种作为用于促进与所述气化反应同时进行的氢生成反应的物质。
2.权利要求1所述的煤气化炉，其中，所述煤气化炉为具备燃烧室及还原室的二段喷流床气化炉，
向所述燃烧室中同时投入所述气化材料、所述气化剂及所述水蒸气，并且向所述还原室中仅投入所述气化材料。
3.权利要求1所述的煤气化炉，其中，所述煤气化炉为具备燃烧室及还原室的二段喷流床气化炉，
向所述燃烧室中投入所述气化材料及所述气化剂，并且，向所述还原室中同时投入所述气化材料、以及所述水和所述水蒸气中的至少一种。
4.权利要求1～3中任一项所述的煤气化炉，其中，相对于所述气化原料的投入量，所述水及水蒸气的投入量为0.1～0.8，以质量为基准。
5.权利要求1～4中任一项所述的煤气化炉，其中，在所述煤气化炉的出口连接设置有冷却所述煤气化气体的气体冷却用热交换器，与所述煤气化气体一起通过所述气体冷却用热交换器的煤焦，即未反应的煤中的碳(C)的残留量设定为30％以上。
6.权利要求1～5中任一项所述的煤气化炉，其中，由水冷却系统导入所述水蒸气，所述水冷却系统流经对所述气化炉的外周进行冷却的水冷壁和/或所述气体冷却用热交换器。
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