CN102533338A - 含碳材料的气化 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种加压气化器(100)的操作方法，包括将含碳材料(21)进料到气化器(100)的加压气化容器(14)中，在此气化容器处于压力P1。将水蒸汽(22)作为温度调节和气化剂通过水蒸汽喷射器(102)进料到气化容器(14)内，水蒸汽在压力P2下进入喷射器(102)并充当水蒸汽喷射器(102)的推动流体。将氧气(24)也通过水蒸汽喷射器(102)进料到气化容器内，氧气在压力P3下进入水蒸汽喷射器(102)，其中P2＞P1≥P3。在水蒸汽和氧气存在下使含碳材料在压力P1下气化以产生灰分和至少包括CO和H2的合成气，并从气化容器移出灰分(23)和合成气(25)。

Description

含碳材料的气化
技术领域
本发明涉及含碳材料的气化。具体而言，本发明涉及加压气化器的操作方法、使用水蒸汽和氧气的加压气化器的改进方法、根据本发明改进的气化器的操作方法以及加压气化器。
背景技术
本领域已知多种加压气化器，并且认识到对于加压气化器，较高的操作气化压力一般会增加气化器的产能。加压气化器通常使用气化剂，包括氧气和高压水蒸汽(往往是来自蒸气汇集器的高压水蒸汽和气化器本身的夹套内产生的水蒸汽)的混合物。通常，高压水蒸汽在高于氧气压力的水蒸汽压力下可利用，因此气化剂压力的限值是在气化界区(battery limit)可利用的氧气压力。对于某些种类的气化器如固定床干底气化器，水蒸汽的质量流量显著高于气化器的氧气质量流量。
常规地，通过控制水蒸汽和氧气至共同混合处的流动来混合氧气和水蒸汽。当如通常情况那样水蒸汽在明显高于氧气压力的压力下可利用时，必须通过阀使水蒸汽高压降下，并且水蒸汽中的多余能量并不用于作功。
在现代空气分离装置中，氧气作为液体在工艺流程的某处产生，在此该液态氧被泵送以实现期望的压力增加。高压液态氧与相对热的工艺或实用水蒸汽热交换，以使液态氧蒸发并送至空气分离装置的界区作为高压气态产物。从空气中分离氧和将高压氧供应到气化工艺都需要大的压缩和泵送功率。如果所需的氧气输送压力可以降低，则因此能够实现空气分离单元或装置的节能。
简言之，在许多集成的煤至液的设施中，水蒸汽和氧气压力不匹配，其中水蒸汽压力明显高于氧气压力，导致能效不高的操作。降低或减少这种能效不高令人期望。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种加压气化器的操作方法，该方法包括：
将含碳材料进料到所述加压气化器的加压气化容器中，在此气化容器处于压力P1；
将水蒸汽作为温度调节和气化剂通过水蒸汽喷射器进料到气化容器内，水蒸汽在压力P2下进入所述喷射器并充当水蒸汽喷射器的推动流体；
将氧气通过所述水蒸汽喷射器进料到气化容器内，氧气在压力P3下进入所述水蒸汽喷射器，其中P2＞P1≥P3；
在所述水蒸汽和氧气存在下使含碳材料在所述压力P1下气化以产生灰分和至少包括CO和H2的合成气；和
从气化容器移出所述灰分和合成气。
通常，气化器是固定床干底气化器，也称作移动床干灰气化器，使得从气化容器移出干灰分。如将认识到的，本发明的操作方法非常适合具有高水蒸汽要求以调节气化温度的气化器如固定床气化器，并因此不可能应用在具有低水蒸汽要求的气化器如夹带床气化器的操作中。但是，本发明的操作方法可以用在具有中等水蒸汽要求的气化器如流化床气化器中。
理论上，含碳材料可以是适用于在加压气化器尤其是固定床或流化床气化器中气化的任何含碳材料，例如废料、生物质、焦炭(petcoke)或煤。但是，通常含碳材料是煤如褐煤、烟煤或无烟煤。
优选地，P1为至少约20巴(表)，更优选约25巴(表)至约100巴(表)，例如约29巴(表)。
优选地，P2为至少约35巴(表)，更优选约45巴(表)至约170巴(表)，例如约60巴(表)。
P3通常为至少约25巴(表)，更通常约28巴(表)至约110巴(表)，例如约29巴(表)。
通常本发明的方法包括由通过在气化器中将含碳材料气化提供的热产生水蒸汽。水蒸汽可以例如在气化器的气化容器的夹套中产生。气化器产生的水蒸汽的压力可以为P4，并且P4＞P1。通常P4≤P2。
气化器产生的水蒸汽可以在气化容器中用作温度调节剂和气化剂。通常因此将气化器产生的水蒸汽与来自水蒸汽喷射器的水蒸汽和氧气的混合物在进料到气化容器之前混合。
本发明可以包括允许一些不是由气化器产生的水蒸汽旁路通过水蒸汽喷射器。通常将旁路通过水蒸汽喷射器的水蒸汽与由通过在气化器中将含碳材料气化提供的热产生的水蒸汽混合，并还与来自水蒸汽喷射器的水蒸汽和氧气的混合物在进料到气化容器之前混合。
如果送入喷射器的水蒸汽在高于P2的供应压力下可得，则本方法可以包括例如通过阀降低水蒸汽压力以将水蒸汽压力减少到P2。但是如将认识到的，对于相同水蒸汽供应压力和相同操作压力P1，对于本发明的方法水蒸汽压力必须降低的量低于对于其中没有利用水蒸汽喷射器将氧气进料到气化器的现有技术的气化工艺所必须降低的量。
本方法可以包括在所述压力P1下操作气化容器，其中所述压力P1高于所述压力P3。例如，所述压力P1可以高于所述压力P3约0.5巴至约1.5巴，通常约0.9巴至约1.3巴。
根据本发明的另一方面，提供一种以至少4.8kg/mn 3的质量/体积比使用水蒸汽和氧气来改进加压气化器的方法，所述方法包括：
提供与水蒸汽供应流动连通的水蒸汽喷射器，使得流过水蒸汽喷射器的水蒸汽可以充当推动流体；
将气态氧气供应与水蒸汽喷射器连接，使得水蒸汽喷射器可以从氧气供应吸取氧气并将其压缩至比氧气供应至水蒸汽喷射器的供应压力高的压力；和
将水蒸汽喷射器的出口与气化器的气化容器流动连通地连接，使得来自水蒸汽喷射器的水蒸汽和氧气的混合物可以注入气化容器内。
气化器可以如前文所述，并且可以尤其是固定床干底气化器。
优选地，供应至喷射器的水蒸汽压力为至少约35巴(表)，更优选约45巴(表)至约170巴(表)，例如约60巴(表)。
供应至水蒸汽喷射器的气态氧气压力通常为至少25巴(表)，更通常约28巴(表)至约110巴(表)，例如约29巴(表)。
气化容器可以是夹套气化容器，构造成由含碳材料在该夹套气化容器中气化的过程所释放的热产生水蒸汽。本方法可以包括将气化容器的夹套与水蒸汽喷射器的所述出口水蒸汽流动连通地连接。
本发明延及一种根据本发明改进的气化器的操作方法，该方法包括将气化器的气化容器保持在其设计操作压力下或在此压力下操作气化容器，同时相比气化器改进之前氧气至气化器的供应压力，降低氧气至水蒸汽喷射器的供应压力。
本发明还延及一种根据本发明改进的气化器的操作方法，该方法包括在比气化器改进之前用于气化器的气化容器的操作压力高的压力下操作气化器的气化容器，同时将氧气至水蒸汽喷射器的供应压力保持与气化器改进之前氧气至气化器的供应压力至少相同或甚至更高。
该方法可以包括通过水蒸汽喷射器向供应至水蒸汽喷射器的氧气施加至少0.5巴的压力增加。优选地，该压力增加为0.5巴至1.5巴，通常0.9巴至1.3巴。
根据本发明的另一方面，提供一种加压气化器，包括：
气化容器，其是压力容器；和
与水蒸汽供应设施流动连通的水蒸汽喷射器，该水蒸汽喷射器构造成使用来自水蒸汽供应设施的水蒸汽作为推动流体，该水蒸汽喷射器还与气态氧气供应设施流动连通，而且构造成将来自氧气供应设施的氧气压缩至更高压力并将水蒸汽和氧气的混合物输送到气化容器。
气化器可以如前文所述，并且可以尤其是固定床干底气化器。
气化器可以是构造成由含碳材料气化过程中所释放的热产生水蒸汽的夹套气化器。使用中气化器的夹套可以与水蒸汽喷射器的出口水蒸汽流动连通，以将夹套中产生的水蒸汽添加到通过水蒸汽喷射器输送的水蒸汽和氧气的混合物中。
氧气供应设施可以包括构造成在空气分离单元的界区产生气态氧气的空气分离装置或单元。
气化器可以包括使来自水蒸汽供应设施的水蒸汽在进入气化容器之前旁路通过水蒸汽喷射器的旁通管线。水蒸汽旁通管线可以或直接或经输送旁路水蒸汽和夹套中所产生水蒸汽的混合物的流动管线与水蒸汽喷射器的出口流动连通。
附图说明
现在将通过非限制性实施例并参照附图描述本发明，附图中：
图1示出使用高压水蒸汽和氧气的混合物作为气化剂的常规固定床干底气化器；和
图2示出根据本发明实施方案使用水蒸汽喷射器以提供给气化容器高压水蒸汽和氧气的混合物作为气化剂的固定床干底气化器。
具体实施方式
参照附图1，附图标记10一般指常规固定床干底气化器。气化器10包括煤闸12、气化容器14和灰分闸16。气化容器14具有通过锅炉进料水管线18接收高压锅炉进料水的夹套(未示出)。夹套水蒸汽管线20用于从夹套移走水蒸汽。煤管线21将煤输送到煤闸12，灰分管线23从灰分闸16移走灰分，合成气管线25从气化容器14移走粗合成气。
高压水蒸汽管线22和气态氧气管线24连结在一起以形成导至气化容器14的气化剂管线26。高压水蒸汽管线22设置有流量控制阀28，气态氧气管线24设置有流量控制阀30。夹套水蒸汽管线20连结流量控制阀28下游的高压水蒸汽管线22。
使用中，经尺寸处理的煤进料通过煤管线21经煤闸12进料到气化容器14内，并下行通过形成在气化容器14内的床。通常煤进料具有大于5mm的煤颗粒。包括氧气和水蒸汽混合物的气化剂从气化剂管线26通过旋转篦(未示出)进入床的底部。氧气用来燃烧某些煤以为吸热气化反应提供能量。水蒸汽用来调节气化容器14内部的温度，并充当气化剂。所用的部分水蒸汽由通过锅炉进料水管线18进料到夹套内的锅炉进料水在气化器夹套内产生。通常气化器夹套内产生的水蒸汽是饱和的，压力为约29巴(表)；气态氧气在约30巴(表)的压力和约110℃的温度下可用。在气化器床内，不同反应区可从上到下区分开，即释放水分的干燥区、热解进行的脱挥发物区、主要进行吸热反应的还原区或气化区、放热氧化或燃烧区以及气化器床底的灰分床。由于逆流操作模式，热灰分与进入的冷试剂如水蒸汽和氧气交换热，同时热的粗气体即粗合成气与进入的冷煤交换热。这导致在相比其它类型气化器相对低的温度下得到通过灰分管线23从灰分闸16移出的灰分流和通过合成气管线25从气化容器14移出的粗气体或粗合成气流，从而提高了热效率并降低了气化器10的水蒸汽和氧气消耗。通常灰分在移出之前依次通过旋转篦和灰分闸16。
在气化器的热解区，释放出焦油、油和沥青等。这些热解产物由于加压干灰移动床气化器10相对低的操作温度而不会被破坏。这些热解产物可以用于形成有价值的副产物如氨、硫、甲酚和苯酚。下面是气化器中进行的某些反应：
燃烧：
C+O2     →   CO2       △H＝-406kJ/mol
还原：
C+CO2    →   2CO       △H＝160kJ/mol
C+H2O    →   CO+H2     △H＝119kJ/mol
水气转换：
Figure BDA0000113283180000061
甲烷形成：
C+2H2    →    CH4        △H＝-87kJ/mol
CO+3H2   →    CH4+H2O    △H＝-206kJ/mol
3C+2H2O  →    CH4+2CO    △H＝182kJ/mol
气化器10中的温度分布随着煤移动通过气化容器14的不同区而在约800℃至约1350℃之间变化。合成气管线25中的粗气体或粗合成气通常在约460℃至600℃的温度下离开气化容器14，但温度可以更低。气化容器14中的最高温度受煤进料的灰分熔融温度限制，因为灰分熔融会造成气化器10底部的灰分移除问题。
固定床干底气化器操作的详细说明提供在W02006/061738中，该文已公开并且公众可得。
高压水蒸汽管线22中的高压水蒸汽通常在比气态氧气管线24中的气态氧气压力高得多的压力下可得。例如，高压水蒸汽可以在约40巴(表)可得，而气态氧气可以在约30巴(表)可得。由此，将高压水蒸汽通过流量控制阀28降低至约29巴(表)。类似地，将气态氧气压力通过流量控制阀30降低至约29巴(表)，然后将通过混合压力下降的高压水蒸汽和气态氧气形成的气化剂在约29巴(表)的压力下进料到气化容器14内，该压力于是也是气化容器14的操作压力。
气化容器14的夹套中产生的水蒸汽通过与流量控制阀28下游压力降低的高压水蒸汽流动连通而保持在约29巴(表)的压力下，因而将来自夹套水蒸汽管线20的夹套水蒸汽与作为部分气化剂混合物的压力降低的高压水蒸汽和气态氧气一起进料到气化容器14内。
如将认识到的，通过将高压水蒸汽管线22中的高压水蒸汽从约40巴(表)的压力降低至约29巴(表)的压力，水蒸汽的多余能量没有用于作任何有用的功，因此这在图1所示的常规气化工艺中引入能效不足的步骤。
参照图2，示出根据本发明改进并按照本发明操作的固定床干底气化器，一般性用附图标记100表示。由于气化器100在许多方面类似于气化器10，因此相同部件或特征用相同附图标记表示，除非另有说明。
如将提到的，气化器100在水蒸汽流量控制阀28和气态氧气流量控制阀30的下游设置有水蒸汽喷射器102(通常是数个中的一个)。具有水蒸汽流量控制阀106的高压水蒸汽旁通管线104设置用于高压水蒸汽旁路通过水蒸汽喷射器102并使其降至较低的压力。夹套水蒸汽管线20和高压水蒸汽旁通管线104连结水蒸汽喷射器102下游的气化剂管线26。
气化器100以类似于气化器10的方式操作。但是，重要的不同之处在于气态氧气以29巴(表)的压力供应，而不是如气化器10的情况那样以30巴(表)的压力供应。也以40巴(表)压力供应的高压水蒸汽管线22中的高压水蒸汽通过流量控制阀28降至较低的压力，但并不降至如气化器10那样相同的程度。降至约39巴(表)压力P2的高压水蒸汽作为推动流体供给水蒸汽喷射器102并在水蒸汽喷射器102中作功以从气态氧气管线24吸入压力P3的气态氧气并将该气态氧气压缩至略高于29巴(表)的压力。水蒸汽和气态氧气的混合物由此离开水蒸汽喷射器102，并且该混合物作为气化剂通过气化剂管线26进料到气化容器14内。该混合物的压力为约29巴(表)，这也是气化容器14的操作压力P1。由于水蒸汽喷射器102对氧气管线24中的氧气的吸取作用，即使气态氧气以29巴(表)的压力而不是以30巴(表)的压力供应，氧气通过流量控制阀30的流量仍可以保持。
如气化器10的情况那样，来自夹套水蒸汽管线20的压力P4约为29巴(表)的夹套水蒸汽连结气化剂管线26。
通常气化器100需要比可以进料通过水蒸汽喷射器102多的水蒸汽。其它的高压水蒸汽通过水蒸汽流量控制阀106降至约29巴(表)的压力，并进料到气化剂管线26内以形成进料到气化容器14内的气化剂的一部分。
使用中，可以不需要水蒸汽流量控制阀28。在水蒸汽喷射器102两端存在恒定压差的情况下，通过水蒸汽喷射器102的水蒸汽流量保持相当恒定。因此，不必将高压水蒸汽管线22中的高压水蒸汽通过流量控制阀28降至较低的压力，由此不需要流量控制阀28。在这种情况下，送入气化器100的所有水蒸汽将通过水蒸汽流量控制阀106控制。万一气态氧气管线24中的气态氧气的流量因任何原因降低，气态氧气通过水蒸汽喷射器102的压力增加更高，因此导致气化器压力P1进一步升高。
在使用气化器100的气化工艺中，通过降低高压水蒸汽的压力而比使用气化器10浪费的能量少。相反，高压水蒸汽的一些能量用于增加气态氧气至气化器10的输送压力。如将认识的，如果气态氧气在更高压力下供给气化器10，则可以增加气化容器14的操作压力P1，由此增加气化器的处理量。或者可以将气化容器14的操作压力P1保持在其初始的操作压力，但可以降低氧气供应压力，由此减少提供气态氧气的空气分离装置中的能耗，如参照图2所述实施方案中说明的。
根据本发明使用水蒸汽喷射器提供用于气化器的气化剂理想地适合要求气化剂中水蒸汽与氧气之比大的气化器，例如固定床气化器和可能的流化床气化器。
实施例
表1反映如图1所示本领域常规气化器(基本情况)与如图2所示根据本发明实施方案操作的气化器的两种模拟情况(情况A和情况B)之间的操作区别。
情况A反映通过水蒸汽喷射器向供给水蒸汽喷射器的氧气施加压力增加来操作气化器的方法。情况B反映通过将气化器的气化容器保持在其设计操作压力下或在此压力下操作气化容器，同时相比在气化器改进之前氧气至气化器的供应压力降低氧气至水蒸汽喷射器的供应压力来操作气化器的方法。
表1
Figure BDA0000113283180000091
利用商购水蒸汽喷射器的卖家提供的表评估氧气的压力增加，通过描述并预测
Figure BDA0000113283180000092
FBDBTM气化器和相关系统的操作的专有模拟模型测定节能率。
表1中所示水蒸汽和氧气的归一化流量反映水蒸汽质量流量和氧气质量流量分别相对于基本情况的水蒸汽质量流量和氧气质量流量的比例。吸入比是进入水蒸汽喷射器的氧气质量流量与水蒸汽质量流量的比例。
在基本情况，水蒸汽和氧气进料到不使用水蒸汽喷射器的常规操作的气化器中。在不利用任何水蒸汽能量作为推动力下将水蒸汽从40巴(表)的压力降至30巴(表)的压力。气化器操作压力通过可得的氧气压力来测定，即30巴(表)。
在情况A，高压水蒸汽所含的能量用在水蒸汽喷射器102中以将供给气化器的氧气的压力P3升高约1.1巴(表)。氧气压力P3的这种增加使得气化器操作压力P1相应从30巴(表)升至31.1巴(表)。尽管该情况下没有实现节能，但气化器的操作压力P1达到3.7％增加。本领域技术人员容易认识到对于加压气化器，较高的操作气化压力一般会使气化器的产能提高相应的量。
相同的水蒸汽喷射器102也可以以本发明的可替换实施方案使用。如情况B所示，气化器的操作压力P1保持在30巴(表)的设计操作压力下，同时相比基本情况中(即在气化器改进之前)30巴(表)的氧气供应压力，将氧气至水蒸汽喷射器的供应压力P3降低至28.9巴(表)。通过保持气化器的操作压力P1并降低氧气供应压力P3，提供氧气的空气分离设施的能量需要量(例如压缩和泵送功率)降低1.2％。本领域技术人员将容易认识到大型商用设施中的这种节能是可观的。
选定用于商业应用的情况根据设施的具体要求来确定。例如，如果存在在较高气化器压力下的较大生产量范围，则选择情况A。但是，如果尤其由于设备设计限制而不存在压力增加的范围，则通过应用情况B仍能实现空气分离单元或装置的节能。

Claims (13)

1.一种加压气化器的操作方法，所述方法包括：
将含碳材料进料到所述加压气化器的加压气化容器中，在此气化容器处于压力P1；
将水蒸汽作为温度调节和气化剂通过水蒸汽喷射器进料到气化容器内，水蒸汽在压力P2下进入所述喷射器并充当水蒸汽喷射器的推动流体；
将氧气通过所述水蒸汽喷射器进料到气化容器内，氧气在压力P3下进入所述水蒸汽喷射器，其中P2＞P1≥P3；
在所述水蒸汽和氧气存在下使含碳材料在所述压力P1下气化以产生灰分和至少包括CO和H2的合成气；和
从气化容器移出所述灰分和合成气。
2.根据权利要求1的方法，其包括由通过在气化器中将含碳材料气化提供的热产生水蒸汽，气化器所产生的水蒸汽的压力为P4，其中P1＜P4≤P2。
3.根据权利要求2的方法，其包括允许一些不是由气化器产生的水蒸汽旁路通过水蒸汽喷射器，并且将旁路通过水蒸汽喷射器的所述水蒸汽与由通过在气化器中将含碳材料气化提供的热产生的水蒸汽混合，并与来自水蒸汽喷射器的水蒸汽和氧气的混合物在进料到气化容器之前混合。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法，其中所述压力P1高于所述压力P3。
5.一种以至少4.8kg/mn 3的质量/体积比使用水蒸汽和氧气来改进加压气化器的方法，所述方法包括：
提供与水蒸汽供应流动连通的水蒸汽喷射器，使得流过水蒸汽喷射器的水蒸汽能够充当推动流体；
将气态氧气供应与水蒸汽喷射器连接，使得水蒸汽喷射器可以从氧气供应吸取氧气并将其压缩至比氧气供应至水蒸汽喷射器的供应压力高的压力；和
将水蒸汽喷射器的出口与气化器的气化容器流动连通地连接，使得来自水蒸汽喷射器的水蒸汽和氧气的混合物可以注入气化容器内。
6.根据权利要求5的方法，其中气化容器是夹套气化容器，其构造成由含碳材料在所述夹套气化容器中气化的过程所释放的热产生水蒸汽，所述方法包括将气化容器的夹套与水蒸汽喷射器的所述出口水蒸汽流动连通地连接。
7.一种根据权利要求5或权利要求6改进的气化器的操作方法，所述方法包括将气化器的气化容器保持在其设计操作压力下或在此压力下操作所述气化容器，同时相比气化器改进之前氧气至气化器的供应压力，降低氧气至水蒸汽喷射器的供应压力。
8.一种根据权利要求5或权利要求6改进的气化器的操作方法，所述方法包括在比气化器改进之前用于气化器的气化容器的操作压力高的压力下操作气化器的气化容器，同时将氧气至水蒸汽喷射器的供应压力保持与气化器改进之前氧气至气化器的供应压力至少相同或甚至更高。
9.根据权利要求7或权利要求8的方法，其包括通过水蒸汽喷射器向供应至水蒸汽喷射器的氧气施加至少0.5巴的压力增加。
10.一种加压气化器，包括：
气化容器，其是压力容器；和
与水蒸汽供应设施流动连通的水蒸汽喷射器，所述水蒸汽喷射器构造成使用来自水蒸汽供应设施的水蒸汽作为推动流体，所述水蒸汽喷射器还与气态氧气供应设施流动连通，而且构造成将来自氧气供应设施的氧气压缩至更高压力并将水蒸汽和氧气的混合物输送到气化容器。
11.根据权利要求10的气化器，其是固定床干底气化器。
12.根据权利要求10或权利要求11的气化器，其是构造成由含碳材料气化过程中所释放的热产生水蒸汽的夹套气化器，所述气化器的夹套与水蒸汽喷射器的出口在使用中水蒸汽流动连通，以将夹套中产生的水蒸汽添加到由水蒸汽喷射器输送的水蒸汽和氧气的混合物中。
13.根据权利要求10至12中任一项的气化器，其包括使来自水蒸汽供应设施的水蒸汽在进入气化容器之前旁路通过水蒸汽喷射器的旁通管线，所述水蒸汽旁通管线与水蒸汽喷射器的出口流动连通。
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