CN102985516A - 在制备合成气时用于碳注射和合成气再循环的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种将粉状材料(C)引入到气化反应器(2)中的方法，其中通过粉状材料(C)，将供给到气化反应器(2)中的过程气体(P)还原成合成气(S)，并且粉状材料(C)经由入口区被引入到气化反应器(2)中，在入口区产生的负压使得粉状材料(C)通过拉瓦尔喷嘴(15)，并且产生的负压使得过程气体(P)通过拉瓦尔喷嘴(15)，其特征在于所述过程气体(P)在气化反应器(2)中的气化空间(5)膨胀。本发明还涉及一种将粉状材料(C)引入到气化反应器(2)中的装置。根据本发明的方法的特征在于过程气体(P)在气化反应器(2)内的气化空间(5)中膨胀。
Description
技术领域
本发明涉及一种在用固体碳颗粒制备合成气时用于碳注射和气体再循环的方法和设备，其中所述碳颗粒优选通过以下方式获得：在碳颗粒所在的同一空间中在过程气体存在的情况下，通过间接加热碳颗粒，从而实现碳颗粒的热解和气化，用于再循环的反应产物和气化过程中产生的合成气从所述空间中排出。为了达到最佳的效果，所述装置包括拉瓦尔喷嘴，所述拉瓦尔喷嘴能够将气体加速到超音速、能够产生用于粉末状碳注射的负压并让气体和粉末状碳在气化反应器中停留更长时间。
背景技术
要求生产合成气时的碳注射装置能够使含碳材料在气化过程中气化。
气化是由固体燃料制备气态燃料的方法。该技术通常被用于煤、煤的剩余产物、石油残渣、废物和生物质。该反应是基于氧化性气体(例如CO2和H2O)被通过不完全燃烧加热，然后与碳([C]还原剂)反应，随着一氧化碳(CO)和氢气(H2)的形成，热量被消耗，反应得以进行，该反应是吸热的。一氧化碳(CO)和氢气(H2)的气体混合物通常被称为合成气。
一种常见的气化方法是在供应过热蒸汽的同时，含碳材料的高度亚化学计量燃烧(substoichiometric combustion)。燃烧为系统提供热量和烟道气(CO2和H2O)。没有燃烧但处于过热状态的碳与烟道气和供应的蒸汽发生反应。碳(C)将二氧化碳(CO2)还原成一氧化碳(CO)并将水蒸气(H2O)还原成氢气(H2)。热量消耗导致温度降低并且反应活性下降。碳的反应活性高度依赖于温度，同时反应的平衡也依赖于温度。虽然也发现基于空气的燃烧，但是基于氧的燃烧是目前与气化相关的主要燃烧方法。大多数方法基于加压系统。蒸气和氧易被加压，很少引起问题。将例如粉末材料引入到反应器中意味着需要克服气化反应器外部的气压和反应器内的压力之间的压力差。
如上所述，含碳材料，例如煤、煤的剩余产物、石油残渣、废物和生物质，其气化所存在的问题在于维持足够高的温度持续足够长的时间从而实现含碳材料的完全气化，影响氧化性气体(CO2和H2O)与还原剂(碳)的充分混合并克服气化反应器外部与内部气压之间的压力差。如果不能维持时间和温度，那么反应将进行的不彻底，混合不充分也会导致反应不彻底。
本发明涉及一种在生产合成气时用于碳注射的装置，所述装置通过管状注射器注射粉状材料，其中固体材料进入到管状喷嘴的中心，用于氧化性气体的拉瓦尔类型的外围喷嘴装置产生强负压，其将碳吸入注射器中并将其分散在气化反应器中，实现了压力的增大，延长在反应器中的停留时间并在其中形成均匀的混合物。氧化性气体的强冲力使得气化反应器中的合成气与输入的氧化气体和粉状材料剧烈混合。为此目的，通过再循环气化反应器中的部分合成气经过通道中的注射器，从而可以控制气体冲力所形成的负压。
发明目的和特征
本发明的第一个目的是提供在引言部分限定的装置，本发明的基本原理是通过形成负压以便通过注射器将粉状材料引入到气化反应器中。
本发明的另一个目的是当氧化性气体和粉状材料被引入到气化反应器中时，使二者产生剧烈搅拌，以及在气化反应器中再循环合成气，从而实现温度和成分的均匀。这会导致在气化反应器中更长的停留时间并实现更紧凑的反应器设计。
本发明的另一个目的是再循环合成气通过注射器以及当粉状材料被以这种方式引入到气化反应器中时对负压的控制。
至少本发明第一个目的是通过具有所附的独立权利要求1限定特征的装置来实现的。本发明的优选实施方案限定在从属权利要求中。
附图说明
下面参照附图来描述本发明的一个优选实施方案，其中：
图1是根据本发明在制备合成气时用于碳注射的装置的概略图，所述概略图以示意图的方式显示了实施碳注射的装置的组成单元，
图2是根据本发明在制备合成气时用于碳注射的装置的一个实施方案的概略图，所述概略图也以示意图的方式显示了实施碳注射的装置的组成单元。
发明详述
图1是气化方法中用于碳注射的装置的示意图，在该装置中粉末状碳C被送入到注射喷嘴1中，粉末状碳C与过程气体P(优选蒸汽)和再循环反应产物Rs(合成气)混合。来自注射喷嘴1的混合物被加热并在间接加热的气化反应器2中反应。为此，气化反应器2包括在气化反应器2的气化空间5中延伸的燃烧器4，所述燃烧器4对气化反应器2间接加热。过程气体P被加压和加速到超音速(马赫数＞1)通过并入注射喷嘴1中的环状拉瓦尔喷嘴15。所述拉瓦尔喷嘴15在注射喷嘴1的中心形成强负压，并入注射喷嘴1的用于粉末碳C和再循环反应产物RS(合成气)的中心管/中小通道6朝向气化反应器2开口。
注射喷嘴1的中心管6朝向气化反应器2开口的区域限定出粉末状碳C的入口区。在注射喷嘴1的中心/入口区的负压吸出粉末状碳C和再循环的反应产物Rs，三股物流混合，气化反应开始进行。以超音速流经环状拉瓦尔喷嘴15的过程气体P使得其从拉瓦尔喷嘴15的外围进行再循环。进一步的反应产物在紧靠注射喷嘴1自身前的混合区M的中心被并入到来自注射喷嘴1的气化混合物中。来自再循环反应产物Rs的热量对气化反应器2进行间接辐射加热，使得注射的粉末状碳C和过程气体P的温度迅速提升到气化过程的反应温度。
连接设备的单元的管线、管道等没有详细记载也没有在附图中显示。所述管线、管道等被以合适的方式设计来实现其相应的功能，即在本设备的各部件之间传送气体和固体物质。
附图1显示了注射喷嘴1连接到间接加热的气化反应器2上的原理，通常所述的气化反应器2是具有陶瓷内衬的反应器。注射喷嘴1具有将过程气体P加速到超音速的拉瓦尔喷嘴15。环状拉瓦尔喷嘴15布置在中心管/中心通道6的外侧。过程中的合成气S主要在气化反应器2中产生。
固体碳颗粒C和过程气体P以及一部分再循环二次反应产物Rs被输送到注射喷嘴1中。由于二次反应产物Rs流经注射喷嘴1的分流通道14，使得用于碳注射的负压有时可控。碳颗粒C优选源自气化之前的热解过程。优选调节所述碳颗粒C的尺寸以在反应器中达到最快可能的反应。过程气体P可以是蒸汽或者经回收净化的例如来自加热反应器的燃烧段的烟道气。如果过程气体P是回收的烟道气，则其含有水蒸气(H2O)和二氧化碳(CO2)。过程气体P通常被从下游热交换器中输出的合成气S中回收的热量预热。所述过程气体P通常具有超压，该超压相对于反应器压力足够高从而达到超音速。速度马赫数＞1的过程气体P在气化反应器2中产生强劲冲力。蒸汽的压力取决于上述热交换器出口的温度。如果采用烟道气取代蒸汽，再循环烟道气的压力通常由压缩机产生。从注射喷嘴1出来的过程气体P的冲力使二次反应产物Rs再循环被吸入到混合区M中的反应区R。在气化反应器2中发生的反应是：碳C将过程气体P(H2O和CO2)中的成分还原成合成气S(H2和CO)，该还原消耗通过间接加热的燃烧器4为该过程供应的热量。通过燃烧器4的辐射向气化反应供应热量，燃料F和氧化剂O在辐射管内发生燃烧产生烟道气FG，即其与气化流是隔离开的。在燃烧器4和过程气体P或它的反应产物之间的气化反应器2中没有直接产生气体。通过使过程气体P达到超音速，注射喷嘴1在反应器2中产生更长的停留时间并且气化反应的进行可以更接近平衡。这也使得碳颗粒C在最大可能的程度上烧尽。
输出的合成气S可以被用作燃烧用的原料气或者进一步精炼成液体燃料(用于典型车用燃料的费-托法，甲烷生产等)的原料气。
注射喷嘴1设计用来处理气化反应器2中不同的系统压力。可以控制在气化反应器2中的压力为大气压力到非常高的压力(＞100巴)。注射喷嘴1一般被设计成具有陶瓷部件和外部部件，所述陶瓷部件与气化反应器2的陶瓷衬里相适应，所述外部部件由耐热钢制成，用于输送碳(C)、过程气体(P)和再循环反应气(Rs)的管道位于其中，三种物质最终一起离开喷嘴的下端。所述注射喷嘴必须始终具有高于气化反应器2中系统压力的用于过程气体P的进料压力。压力差还产生负压，吸出碳颗粒C并输送二次反应产物Rs。由于相对于带有直管的标准注射器的压力更高，所以拉瓦尔喷嘴15形成与过程气体P的质量流相关的强负压。拉瓦尔喷嘴15产生的强负压有利于控制在气化反应器2中的碳C和过程气体P之间的质量流量比例，从而获得最佳的反应条件。
为了获得最大的合成气S的收率，制造注射喷嘴1的材料的选择取决于气化反应器2中的温度，该温度反过来又取决于反应温度。典型的温度范围是900～1300℃。用于制造注射喷嘴1的陶瓷部件和金属部件选择的材料要适应于选定的温度。相对于使用普通注射喷嘴，在反应区R能更快地实现温度均匀，由于反应气Rs部分再循环通过注射喷嘴1中的管道3，并且部分通过混合区M。
取决于输入的过程气体P的组成和选定的温度，来自气化反应器2的合成气S(H2和CO)含有氢气和一氧化碳，以及一定量的二氧化碳和甲烷。
图2显示了在制备合成气时用于碳注射的装置的实施方案。注射喷嘴1由金属部件11和形成一个单元的陶瓷部件13组成。注射喷嘴具有使过程气体P加压加速到超音速的拉瓦尔喷嘴15。粉末状碳C通常通过螺旋进料机和活塞式流动的方式进料到中心管/中心通道6中，在此，粉末与经过另外通道(further channels)14吸入的再循环反应产物Rs混合。过程气体P(优选蒸气)通过连接件12以及同心管一直被输送到拉瓦尔喷嘴15中，在此，拉瓦尔喷嘴15将过程气体(蒸气)以超压猛烈地加速到超音速(马赫数＞1)从喷嘴(+p)中膨胀出来，并且在中心形成负压(-p)，将粉末状碳C和再循环反应产物Rs吸入到混合区M，在此拉瓦尔喷嘴15的外围也形成负压(-p)并将反应产物Rs在混合区M中进行再循环。
发明的可能改变
在一个可选的实施方案中，所述注射喷嘴可以与上述过程气体和添加的氧气的混合物一起使用，这会显著提高混合区M和反应区R的温度。
在另一可选的实施方案中，所述注射喷嘴是水平的，只要方法允许，碳C的注入在水平平面或者接近水平的平面内进行。
用液压活塞代替上文在附图2中描述的螺旋进料机用于粉末状碳C的进料。另一个可选方式是，粉末状碳C通过闸式进料器(air locker)，经气密性流化通道转移到注射喷嘴中的垂直管道进料。
当使用受负压影响的气密性碳进料系统时，附图2中的压力调节通道14可以减少或取消。
在上文记载的实施方案中，二次反应产物Rs通过注射喷嘴1中布置的通道14而被再循环。这种布置的可替代方式是，从气化反应器2中排出的合成气S可在注射喷嘴1的中心管/中心通道6中再循环。从纯实用的角度来看，借助于设置在气化反应器2外的再循环管可以实现此目的。
Claims (8)
1.将粉状材料(C)引入到气化反应器(2)中的方法，其中通过粉状材料(C)，将供给到气化反应器(2)中的过程气体(P)还原成合成气(S)，并且粉状材料(C)经由入口区被引入到气化反应器(2)中，在入口区产生的负压使得粉状材料(C)通过拉瓦尔喷嘴(15)，并且产生的负压使得过程气体(P)通过拉瓦尔喷嘴(15)，其特征在于所述过程气体(P)在气化反应器(2)中的气化空间(5)膨胀。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述粉状材料由粉末状碳(C)组成，当粉末状碳(C)被引入到气化反应器(2)中时，二次反应产物(Rs)与粉末状碳(C)混合。
3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其特征在于：在入口区产生的负压吸入位于气化反应器(2)中的气体和颗粒，从而延长气体和颗粒在气化反应器(2)中的停留时间。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：在入口区产生的负压导致气体和颗粒在气化反应器(2)中循环，从而补偿气体组成的浓度差，补偿由于气化反应导致的温度变化，使设置在气化反应器(2)中的燃烧器(4)周围的固定床最小化。
5.将粉状材料(C)引入到气化反应器(2)中的装置，其中通过粉状材料(C)将供给到气化反应器(2)中的过程气体(P)还原成合成气(S)，所述装置由注射喷嘴(1)组成，所述注射喷嘴(1)具有中心管/中心通道(6)用来将粉状材料(C)引入到气化反应器(2)中，并且所述注射喷嘴(1)包括设置在中心通道(6)外部的拉瓦尔喷嘴(15)，其特征在于所述中心管/中心通道(6)直接朝向气化反应器(2)中的气化空间(5)开口。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述拉瓦尔喷嘴(15)设置在注射喷嘴(1)的端部，朝向气化反应器(2)中的气化空间(5)。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于所述注射喷嘴(1)包括用于再循环二次反应产物(Rs)的另外通道(14)，并且在背离气化反应器(2)的气化空间(5)的注射喷嘴(1)的端部区域中，所述另外通道(14)与所述中心管/中心通道(6)连通。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述另外通道(14)的横截面尺寸可以改变，从而调节由拉瓦尔喷嘴(15)产生的负压。
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