CN103977871A - 用于高灰分含量的原料的气化系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于高灰分含量的原料的气化系统和方法，所述气化系统包括煤分离单元，煤分离单元包括容器、第一入口、第二入口、第一出口和第二出口，所述容器具有顶部和底部；所述第一入口构造为从研磨单元接收包含至少煤和灰分的进料流；所述第二入口构造为接收洗涤流体流；所述第一出口构造为传送低灰分进料流；所述第二出口构造为传送富含灰分的流。在操作中，在分离单元中用洗涤流体流洗涤进料流，以从煤分离灰分中的至少一部分。经分离的灰分沉淀至所述容器的底部，并作为富含灰分的流经由所述第二出口传送。经分离的煤漂浮至所述容器的顶部，并作为低灰分进料流经由所述第一出口传送至所述气化单元。

Description

用于高灰分含量的原料的气化系统和方法

技术领域

本发明的领域总体涉及气化系统，更具体地，涉及用于高灰分含量的燃料的气化系统。

背景技术

诸如煤、石油焦、生物质、木基材料、农业废物、焦油、焦炉煤气和沥青以及其他含碳物质的原料可被气化，以用于电力、化学品、合成燃料的制备以及用于多种其他应用。气化涉及在极高温度下使碳质燃料和氧气反应以产生合成气，即含有一氧化碳和氢气的燃料。相比于在气化之前的初始状态的燃料，合成气通常更有效且更清洁地燃烧。合成气可用于发电、化学生产和任何其他合适的应用。然而，一些含碳原料具有灰分含量，该灰分含量使得这些原料不适于与一些已知的气化系统一起使用。

发明内容

在一方面，提供了一种用于具有研磨单元和气化单元的气化系统的煤分离单元。所述分离单元包括容器、第一入口和第二入口，所述容器具有顶部和底部；所述第一入口构造为接收来自所述研磨单元的包括至少煤和灰分的进料流；所述第二入口构造为接收洗涤（wash）流体流。所述分离单元还包括第一出口和第二出口，所述第一出口构造为传送低灰分进料流；所述第二出口构造为传送富含灰分的流。在操作中，在分离单元中用洗涤流体流洗涤进料流，以从煤分离灰分中的至少一部分。经分离的灰分沉淀至所述容器的底部，并作为富含灰分的流经由所述第二出口传送。经分离的煤漂浮至所述容器的顶部，并作为低灰分进料流经由所述第一出口传送至所述气化单元。

在另一方面，提供了一种用于高灰分含量的煤的气化系统。所述系统包括研磨单元、气化单元和煤分离单元，所述研磨单元构造为降低包含至少煤和灰分的高灰分进料流的粒度（particle size）；所述气化单元构造为接收低灰分进料流，并由所述低灰分进料流产生合成气；所述煤分离单元联接于所述研磨单元与所述气化单元之间。所述分离单元包括容器、第一入口和第二入口，所述容器具有顶部和底部；所述第一入口与所述研磨单元流动连通，并构造为接收具有降低的粒度的高灰分进料流；所述第二入口构造为接收洗涤流体流。所述分离单元还包括第一出口和第二出口，所述第一出口与所述气化单元以流体连通方式而联接，并构造为将低灰分进料流传送至所述气化单元；所述第二出口构造为传送富含灰分的流。在操作中，在分离单元中用洗涤流体流洗涤高灰分进料流，以从煤分离灰分中的至少一部分。经分离的灰分沉淀至所述容器的底部，并作为富含灰分的流经由所述第二出口传送，且经分离的煤漂浮至所述容器的顶部，并作为低灰分进料流经由所述第一出口传送至所述气化单元。

在又一方面，提供了一种在气化系统中降低高灰分进料流的灰分含量的方法。所述方法包括提供煤分离单元，所述煤分离单元包括具有顶部、底部、第一和第二入口以及第一和第二出口的容器。所述方法还包括将高灰分进料流（所述高灰分进料流包括至少煤和灰分）提供至所述第一入口、将洗涤流体流提供至所述第二入口、在容器中使所述高灰分进料流与洗涤流体流接触、以及从煤中分离灰分中的至少一部分。经分离的灰分沉淀至所述容器的底部，并且煤漂浮至所述容器的顶部。

附图说明

图1为一个示例性的气化系统的示意图；

图2为图1中所示的气化系统的一个示例性详细示意图；且

图3为图1和2中所示的气化系统中所用的一个示例性煤分离单元的横截面图。

具体实施方式

图1为一个示例性的气化系统10的简化示意图，气化系统10包括研磨单元12、煤分离单元14、气化单元16、黑水（black water）处理单元18、灰水（grey water）处理单元20和空气分离单元（ASU）22。在示例性实施例中，煤描述为用于气化系统10的原料。然而，任何其他合适类型的材料可用作用于气化系统10的原料。

如本说明书所用，术语“高灰分”和“低灰分”以相对的意义使用，且高灰分意指大于约20%的灰分含量，低灰分意指小于约20%的灰分含量。

在示例性实施例中，研磨单元12接收高灰分含量煤的原料（即大于20%灰分含量）（未显示），将煤减小至预定粒度，并将煤进料流24传送至分离单元14。如本说明书进一步描述，煤和灰分在分离单元14中分离，以产生富含灰分的流26和低灰分进料流28。气化单元16接收来自ASU22的流体流30和低灰分进料流28，并产生合成气的流32。将合成气的流32中的至少一部分传送至黑水处理单元18和灰水处理单元20，以从合成气的流中去除杂质。

图2为示例性气化系统10的详细示意图。在示例性实施例中，气化系统10包括发电设备100，发电设备100可产生和/或燃烧合成气体（即合成气）以转化成电力和/或制备化学品。例如，应了解尽管示例性实施例示出了使用动力岛166发电，但其他实施例可任选地不包括动力岛166。例如，其他设备100实施例可包括化工设备、合成气生产设备，和适用于基于合成气来制备化学品和化学组合物的任何其他工业设备。

在示例性实施例中，将原料102（例如高灰分含量煤）和冲洗剂（fluxant）104传送至原料处理和储存单元106。可将冲洗剂104添加至原料处理和储存单元106中的原料102，以调节原料102的熔化特性。冲洗剂104可包括例如砂子、岩石、石灰岩、矾土和铁矿石。原料处理和储存单元106将原料102和冲洗剂104的混合物引导至原料研磨和浆料制备单元108，原料研磨和浆料制备单元108通过将原料102和冲洗剂104砍碎、碾磨、切碎、磨碎、压块或造粒（palletize）而将原料102和冲洗剂104的混合物调整尺寸或再成形，以产生气化燃料。另外，可将水110和/或试剂进料244或其他合适的流体添加至原料研磨和浆料制备单元108中的原料102和冲洗剂104的混合物，以产生浆料燃料112。

在示例性实施例中，将浆料燃料112传送至分离单元14。分离单元14的进料可包括固体进料、液体进料和/或气体进料。分离单元14包括浮选（flotation）分离型柱200（示于图3中），浮选分离型柱200将浆料燃料112分离成富含灰分的流114和低灰分进料流116，如本说明书进一步描述。富含灰分的流114作为废物流、产物流传送，或者用于其他合适的过程，并且低灰分进料流116传送至气化器118。在示例性实施例中，气化器118为构造为接收作为浆料的进料流116的气流床气化炉。

在示例性实施例中，气化器118将进料流116转化为合成气，例如一氧化碳和氢气的组合。该转化可通过如下方式实现：取决于所用的燃料类型，使燃料在高压（例如大约40巴至90巴之间）和高温（例如大约1200℃至1500℃之间）下经受受控量的任何调节剂（moderator）和有限的氧气。在热解过程中燃料的加热可产生炉渣120和残余气体（例如一氧化碳、氢气和氮气）。

在示例性实施例中，随后可在气化器118中发生部分氧化过程（即气化）。为了协助气化过程，将氧气流122从ASU22供应至气化器118，所述ASU22操作用以将空气124分离成组分气体（component gas）。ASU22将空气124分离成氧气122和氮气126，氧气122被引导至气化器118，氮气126可传送至系统10中的其他部件或过程。

在示例性实施例中，炭和残余气体可与氧气122反应以形成二氧化碳和一氧化碳，这提供了用于随后的气化反应的热量。在气化过程中的温度可为大约1200℃至大约1500℃。另外，可将蒸汽（未显示）引入气化器118中，以使得原料中的一些能够燃烧而产生一氧化碳和能量，其可驱动将另外的原料转化为氢气和另外的二氧化碳的第二反应。

在示例性实施例中，所得合成气的流128和炉渣120由气化器118产生。将炉渣120传送至粗炉渣处理系统130，所述粗炉渣处理系统130产生待作为产品销售的粗炉渣132，并将合成气的流128传送至洗涤器134以去除某些颗粒物质和其他污染物。在示例性实施例中，可使用任何合适的洗涤技术。例如，洗涤器134可使用水喷雾，所述水喷雾由来自冷凝水回水136和灰水回水138的水供应。合成气的流128可接触水喷雾，所述水喷雾冷凝某些可冷凝物，如焦油和油。合成气的流128也可被骤冷（quench），以去除颗粒物质。

在示例性实施例中，洗涤器134产生水144，水144含有在洗涤过程中从合成气的流128中去除的颗粒物质。将水144引导至水闪蒸系统146，以将水144闪蒸为高压闪蒸气体148和黑水150，黑水150被引导至细炉渣和灰水处理系统152以再利用。例如，细炉渣和灰水处理系统152可处理黑水150以回收固体和水154而由原料研磨和浆料制备系统108再利用。细炉渣和灰水处理系统152也可产生适于在洗涤器134的洗涤过程中再利用的灰水138。将过量水流156引导至灰水预处理系统158以用于进一步加工。例如，将过量水流156过滤、清洗并作为经清洗的水流160引导至生物池（未显示）以用于进一步过滤和再利用。滤饼162也可由细炉渣和灰水处理系统152产生，并可包括不可再利用的细颗粒，如粉末状灰分。

在示例性实施例中，将经洗涤的合成气的流140从洗涤器130传送至膨胀器142，所述膨胀器142适于通过合成气的流140的膨胀而回收能量。合成气的流140可在冷却器164中冷却，并进一步提纯和/或清洗（未显示）并且引导至动力系统或动力岛166中，以用于发电和/或用于生产化学品。例如，动力岛166可包括燃气轮机（未显示），所述燃气轮机适于使用合成气的流140作为燃料，并将燃料转化为转动能，所述转动能可由发电机转化为电功率。

图3示出了示例性的煤分离单元14，煤分离单元14包括分离柱200、洗涤流体单元202、空气单元204和试剂单元206。在示例性实施例中，将高灰分含量煤212的浆料或进料从研磨单元12进料至柱入口214，所述柱入口214位于在清洗区210下方取向的收集区208中。洗涤流体单元202通过柱顶部的一个或多个入口218供应流体216（例如水），以产生大致向下流动的洗涤流体220，所述洗涤流体220接触通过入口214进入柱200的进料212。洗涤流体220与进料212之间的接触促进包含于高灰分含量煤进料212中的灰分和煤的分离。灰分通常为亲水性的，且经分离的灰分222将趋于向下移动，并在柱200的底部224沉淀。相比之下，煤通常为疏水性的，并且经分离的煤226将趋于漂浮且向上移动至柱200的顶部228。经分离的灰分222作为富含灰分的流232经由出口230从柱200中去除，并且经分离的煤226作为传送至气化单元16的低灰分进料流236经由出口234从柱200中去除。

在示例性实施例中，包含于高灰分含量煤进料212中的灰分和煤的分离进一步由空气单元204和试剂单元206促进。空气单元204将空气进料238提供至位于柱底224的入口240。这样，空气进料238产生气泡242，所述气泡242在洗涤流体220内产生湍流，以促进分离高灰分含量煤进料212，并增强经分离的煤226的向上流动。在示例性实施例中，试剂单元206将试剂进料244提供至煤进料212。这样，试剂进料244增加了煤进料212中的煤的疏水性，以促进经分离的煤226的向上流动。在示例性实施例中，试剂进料244为柴油和/或含二醇的组合物。或者，试剂进料244为使得系统14能够如本说明书所述起作用的任何组合物。

在操作中，研磨单元12通过入口214将高灰分含量煤进料212供应至分离柱200中。洗涤流体单元202通过一个或多个柱入口218供应向下流动的洗涤流体220，以接触进料212，并使进料212经受泡沫浮选过程，以分离进料212的灰分和煤。这样，经分离的灰分222沉淀至柱底224，并且经分离的煤226漂浮至柱顶228。进料212通过如下方式进一步分离：通过柱入口240注入空气进料238以产生向上流动的气泡242、并通过柱入口246注入试剂进料244以提高煤疏水性。在柱底224收集的经分离的灰分222经由出口230从柱200中去除，并且经分离的煤226作为低灰分流236经由出口234从柱200中去除。在示例性实施例中，分离单元14的泡沫浮选过程产生灰分含量小于20%的低灰分流236，且流236可随后在浆料增稠/稀释系统248中进行处理，以产生固体含量为至少40%（以重量计）的低灰分煤浆料250，所述低灰分煤浆料250随后传送至气化单元16以用于产生合成气。在一个可供选择的实施例中，分离单元14产生灰分含量小于10%的低灰分流236。

如本说明书所述，提供了系统和方法以用于降低高灰分含量燃料（如高灰分含量煤）的灰分含量。使高灰分含量燃料经受泡沫浮选以从燃料中分离灰分，以产生低灰分浆料。通常，气流床气化并非气化含有高灰分的燃料的有效方法。本说明书描述的系统和方法使得气流床气化系统能够使用高灰分燃料，由此能够使用除此之外不可使用的煤或燃料源。另外，这种系统和方法降低或消除了与煤富集（beneficiation）相关的成本，所述煤富集为降低燃料的不可燃物含量并改进燃料品质的过程。这样，本说明书描述的系统和方法使得气化系统能够使用来自具有低成本、高灰分含量煤的巨大储量的市场（如印度和南美）的燃料。

本书面描述使用包括最佳方式的实例以公开本发明，并使得任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或体系以及进行任何引入的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果其他实例具有不与权利要求书的文字语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言具有非实质性差别的等同结构元件，则这种其他实例旨在落入权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于具有研磨单元和气化单元的气化系统的煤分离单元，所述煤分离单元包括：

容器，所述容器具有顶部和底部；

第一入口，所述第一入口构造为从所述研磨单元接收包含至少煤和灰分的进料流；

第二入口，所述第二入口构造为接收洗涤流体流；

第一出口，所述第一出口构造为传送低灰分进料流；和

第二出口，所述第二出口构造为传送富含灰分的流，

其中在操作中，所述进料流在所述煤分离单元中用所述洗涤流体流洗涤，以从煤中分离灰分中的至少一部分，经分离的灰分沉淀至所述容器的所述底部，并作为富含灰分的流经由所述第二出口传送，并且经分离的煤漂浮至所述容器的所述顶部，并且作为低灰分进料流经由所述第一出口传送至所述气化单元。

2.根据权利要求1所述的煤分离单元，其还包括第三入口，所述第三入口构造为接收空气流，以促进所述进料流的煤和灰分的分离和/或煤流动至所述容器顶部。

3.根据权利要求1所述的煤分离单元，其特征在于，所述煤分离单元构造为接收试剂流以提高煤的疏水性，并且，所述试剂流在所述第一入口之前与所述高灰分进料流混合。

4.根据权利要求3所述的煤分离单元，其特征在于，所述试剂流包含柴油和二醇基组合物中的至少一者。

5.根据权利要求2所述的煤分离单元，其特征在于，所述第三入口位于所述容器的所述底部。

6.根据权利要求1所述的煤分离单元，其特征在于，所述第二入口位于所述容器的所述顶部。

7.根据权利要求1所述的煤分离单元，其特征在于，所述第一出口位于所述容器的所述顶部，且所述第二出口位于所述容器的所述底部。

8.一种用于高灰分含量煤的气化系统，所述系统包括：

研磨单元，所述研磨单元构造为降低包含至少煤和灰分的高灰分进料流的粒度；

气化单元，所述气化单元构造为接收低灰分进料流，并由所述低灰分进料流产生合成气；和

煤分离单元，所述煤分离单元联接于所述研磨单元与所述气化单元之间，所述煤分离单元包括：

容器，所述容器具有顶部和底部；

第一入口，所述第一入口与所述研磨单元流体连通，并构造为接收具有降低的粒度的高灰分进料流；

第二入口，所述第二入口构造为接收洗涤流体流；

第一出口，所述第一出口与所述气化单元以流体连通方式联接，并构造为将低灰分进料流传送至所述气化单元；和

第二出口，所述第二出口构造为传送富含灰分的流，

其中在操作中，所述高灰分进料流在所述煤分离单元中用所述洗涤流体流洗涤，以从煤中分离灰分中的至少一部分，经分离的灰分沉淀至所述容器的所述底部，并作为富含灰分的流经由所述第二出口传送，并且经分离的煤漂浮至所述容器的所述顶部，并作为低灰分进料流经由所述第一出口传送至所述气化单元。

9.根据权利要求8所述的气化系统，其特征在于，所述煤分离单元还包括第三入口，所述第三入口构造为接收空气流，以促进所述进料流的煤和灰分的分离和/或煤流动至所述容器顶部。

10.根据权利要求8所述的气化系统，其特征在于，所述煤分离单元构造为接收试剂流以提高煤的疏水性，并且，所述试剂流在所述第一入口之前与所述高灰分进料流混合。

11.根据权利要求10所述的气化系统，其特征在于，所述试剂流包含柴油和二醇基组合物中的至少一者。

12.根据权利要求9所述的气化系统，其特征在于，所述煤分离单元构造为接收灰分含量大于20%的高灰分进料流，并产生灰分含量小于20%的低灰分进料流。

13.根据权利要求8所述的气化系统，其特征在于，所述第二入口位于所述容器的所述顶部。

14.根据权利要求8所述的气化系统，其特征在于，所述第一出口位于所述容器的所述顶部，且所述第二出口位于所述容器的所述底部。

15.一种在气化系统中降低高灰分进料流的灰分含量的方法，所述方法包括：

提供煤分离单元，所述煤分离单元包括具有顶部、底部、第一入口、第二入口、第一出口和第二出口的容器；

将高灰分进料流提供至所述第一入口，所述高灰分进料流包含至少煤和灰分；

将洗涤流体流提供至所述第二入口；

在所述容器中使所述高灰分进料流与所述洗涤流体流接触；以及

从煤中分离灰分中的至少一部分，其中经分离的灰分沉淀至所述容器的底部，并且煤漂浮至所述容器的顶部。

16.根据权利要求15所述的方法，其还包括将研磨单元联接至所述煤分离单元，并在所述研磨单元中产生高灰分进料流。

17.根据权利要求15所述的方法，其还包括从所述第一出口去除低灰分进料流，并从所述第二出口去除富含灰分的流。

18.根据权利要求17所述的方法，其还包括将所述低灰分进料流传送至气化器。

19.根据权利要求15所述的方法，其还包括在容器中提供第三入口，并将空气流提供至所述第三入口，以促进从所述高灰分进料流的煤中分离灰分和/或煤流动至容器顶部。

20.根据权利要求15所述的方法，其还包括在所述第一入口之前将试剂流提供至所述高灰分进料流，其中所述试剂流提高高灰分进料流的煤的疏水性。