CN103977891B

CN103977891B - 用于煤精选的系统和方法

Info

Publication number: CN103977891B
Application number: CN201410047841.8A
Authority: CN
Inventors: V.沙; S.克里什纳马查里; A.V.B.萨斯特里; A.费尔马
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2013-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2034-02-11
Also published as: BR102014003116B1; US20140223882A1; BR102014003116A2; CN103977891A

Abstract

本发明公开一种系统，所述系统包括进料制备系统，其中流体喷射系统配置用于将流体喷射到进料流中来产生进料流体混合物。所述进料流包含第一固体、第二固体和气体。所述进料制备系统还包括旋流器，所述旋流器配置用于将所述进料流体混合物分离成包含所述第一固体和所述气体的第一流以及包含所述第二固体和所述流体的第二流。

Description

用于煤精选的系统和方法

技术领域

本说明书所公开的主题涉及煤精选，并且更具体来说，涉及煤气化系统中灰分与煤的分离。

背景技术

合成气体或合成气是可由碳质燃料产生的氢（H₂）与一氧化碳（CO）的混合物。合成气可直接用作能量来源（例如，在燃气涡轮机中），或可用作用于生产其他有用化学制品（例如，甲醇、甲醛、乙酸）的起始材料的来源。合成气通过气化系统大规模产生，所述气化系统包括使碳质燃料（如煤）和其他反应物经受特定条件来生产未处理或未加工合成气的气化反应器或气化器。为提高气化反应的效率，源自煤的可燃分子与气化器内的不可燃废料（如灰分）的比率通常保持在所要的范围内。

可从各种来源收集煤，这可能导致不同级别或不同品质的煤。一般来说，低级别的煤将具有较高的灰分含量，而高级别的焦煤具有较低的灰分含量。不幸的是，一些煤的地理来源仅能提取到低级别的煤，这种煤可能会降低用于不同的或较高级别的煤的典型条件集来产生合成气的能力。因此，这些低级别的煤特别成问题并且难以使用，但是如果可以简单而成本有效的方式使灰分与煤分离，那么这些煤的可用性将特别有用。通过下文描述的系统和方法，可精选低级别的煤以使得可在目前仅使用高级别的煤的情况下使用所述低级别的煤。此类应用包括将煤气化成合成气，或燃烧煤来产生热能。在煤未被气化的情况下，由下文所述过程产生的精选煤可用于目前使用焦煤的应用中。

发明内容

下文概述与原始所要求的发明在范围上相当的某些实施例。这些实施例不旨在限制所要求的发明范围，相反，这些实施例仅旨在简要概述本发明的可能形式。实际上，本发明会涵盖可能与下述实施例类似或不同的各种形式。

在一个实施例中，一种系统包括进料制备系统，其中流体喷射系统配置用于将流体喷射到进料流中来产生进料流体混合物。所述进料流包含第一固体、第二固体和气体。所述进料制备系统还包括旋流器，所述旋流器配置用于将进料流体混合物分离成包含第一固体和气体的第一流以及包含第二固体和流体的第二流。

在第二实施例中，一种系统包括煤精选系统，所述煤精选系统包括配置用于输送煤颗粒、灰分颗粒和输送气体的导管。此外，所述煤精选系统包括：流体喷洒器，其配置用于将流体液滴喷洒到正在导管中输送的煤颗粒和灰分颗粒上；以及旋流器，其配置用于产生包含煤颗粒和输送气体的煤流以及包含灰分颗粒的灰分流。

在第三实施例中，一种方法包括：在导管中输送煤颗粒、灰分颗粒和输送气体；使用流体喷洒器将流体液滴喷洒到煤颗粒和灰分颗粒上；以及使用旋流器产生包含煤颗粒和输送气体的煤流以及包含灰分颗粒的灰分流。

附图说明

在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的字符表示所有附图中类似的部分，其中：

图1示出包括煤精选系统的煤气化系统的实施例的框图；

图2示出图1中所示的煤气化系统的煤精选系统的实施例的更详细视图；

图3示出煤精选的实施例；以及

图4示出精选煤的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

下文将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简洁描述，本说明书中可能不会对实际实施方案的所有特征进行描述。应当了解，在任意工程或设计项目中开发任何此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的限制，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。另外，应当了解，这种开发工作可能复杂而且耗时，然而，对受益于本发明的一般技术人员而言，这将仍然是设计、制造和生产中的常规任务。

在介绍本发明各个实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个该元件。术语“包括（comprising）”、“包括（including）”以及“具有（having）”意图是指包括在内，并且表示可能存在除了所列举的元件外的其他元件。

如下所述，在用于合成气生产的固体燃料包括低级别煤的实施例中，所述固体燃料（即，煤）可具有不适当地高含量的灰分，并且可具有各向异性浓度的碳质燃料。这可能导致气化器和相关联设备内大的温度变化或其他变化，这种情况需要稳健的过程控制系统。为减少例如这些变化，本发明的实施例大体上针对干式精选容器（如旋流器），所述干式精选容器配置用于传送固体燃料（如煤）的高级别、一致的进料。在某些实施例中，旋流器可包括喷洒器，所述喷洒器配置用于通过增大所述容器内的灰分与燃料之间的质量差异来增加灰分与固体碳质燃料的分离。

图1示出合成气生成系统10的框图，所述合成气生成系统10可为整体煤气化联合循环（IGCC）发电设备的一部分。IGCC发电设备是用于将煤和其他碳基燃料转化为电能的最常用方法。IGCC包括气化器、气体处理系统、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和热回收蒸汽发生器（HRSG）。煤精选系统和方法的替代实施例包括可使用未气化的煤来产生热量和能量的热力发电结构。虽然以下大部分描述集中在合成气生成上，但可使用相同的技术产生煤尘，以用于需要高级别煤的锅炉、熔炉或其他应用中。合成气生成系统10具有原料制备系统12、煤精选系统14和煤气化系统16。根据下文进一步详细论述的本发明的实施例的某些方面，原料制备系统12将碳质燃料来源18减小成超细（例如，小于约1mm）的碳质燃料混合物20，所述碳质燃料混合物20包括尺寸大多小而均匀的颗粒。煤精选系统14接收超细的碳质燃料混合物20并且将其分离成可气化的燃料粉尘22和不可气化的废料24。所述煤尘随后在热发电结构中燃烧，或者通过气化系统16气化成合成气26。

碳质燃料来源18（如固体煤进料）可用作能量来源和/或用于生产合成气或代用天然气（SNG）。在一些实施例中，燃料来源18可包括煤、石油焦、生物质、木基材料、农业废料、焦油、焦炉煤气、沥青或其他含碳材料。燃料来源18的固体燃料可传递到原料制备系统12。所述原料制备系统12可包括几个子系统。例如，原料制备系统12可对燃料源18执行重定尺寸28或干式混合30。如由原料制备系统12所进行的重定尺寸可包括（例如）使用研磨机、切碎机、碾磨机、捣碎机、粉碎机或其他装置，以用于通过将燃料来源18切碎、碾磨、捣碎、压块、制粒、粉碎或雾化来对燃料来源18重定尺寸或重定形状，从而产生原料。在当前实施例中，重定尺寸产生燃料混合物20，所述燃料混合物20通常是细的或超细的（例如，小于约1mm），以便在气化系统16中气化。如本说明书所限定，干式混合30包括其中在未添加大量水分的情况下搅拌如固体燃料（例如，煤）的固体的过程。干式混合将空气或其他气体（例如，惰性气体）添加到燃料混合物20，并且可使用基本上不含水分的气流或使用机械搅拌装置（如螺旋输送机）来完成。如本说明书所限定，基本上不含水分是指混合物（如气体混合物）包含约5%到10%或更少的水或水蒸气。例如，利用气体的干式混合可包括使用空气、氮、二氧化碳、氦（He）、氩（Ar）、氖（Ne）或其任意组合的干式混合。干式混合也搅动了燃料混合物20，这防止沟流并且在颗粒行进到煤精选系统14时使所述颗粒分散。根据本发明的实施例，在原料制备系统12中，未将流体（例如，水、蒸汽）添加到燃料来源18，从而得到干燥原料。

煤精选系统14包括旋流器32，所述旋流器32利用材料之间的质量和密度差异来将它们分离。如下所述，旋流器32通过将较轻的材料自所述旋流器32的顶部喷射出来并且允许较重的材料从所述旋流器32的底部出来而使燃料粉尘22与废料24分离。在下文所述的实施例中，较轻的材料通常是燃料粉尘22，而废料24较重，因此从旋流器32的底部出来。在先前的精选系统中，一些煤型中所含的高含量的废料24阻止了所述煤用于合成气生成系统10。以下概述的分离方法允许更多种类的煤型用作合成气生成系统10中的燃料来源18。

如上所述，将燃料粉尘22流提供到气化系统16（如气化器），其中所述气化器可将固体燃料转化为CO和H₂的组合，即合成气。这种转化可通过以下方式实现：根据所用气化器的类型，使得固体燃料在升高的压力和温度下遇到受控量的蒸汽和氧，所述压力例如，约20巴至85巴，所述温度例如，约700℃到1600℃。气化过程还可包括固体燃料经历热解过程，从而将原料加热。根据用来产生燃料粉尘22 流的燃料来源18，气化系统16内部的温度范围在热解过程中可为约 150℃到700℃。原料在热解过程中的加热可产生固体（例如，焦炭的）和残余气体（例如，CO、H₂和N₂）。部分氧化过程随后可在气化系统16中发生。为有助于这个部分氧化过程，可将氧气流供应到气化系统16。部分氧化过程中的温度范围可为约700℃到1600℃。接下来，在气化步骤期间可将受控量的蒸汽引入到气化系统16中。焦炭可与CO₂和蒸汽反应来在约800℃到1100℃范围内的温度下产生CO和H₂。实质上，所述系统利用蒸汽和氧以便允许一些原料部分氧化而产生CO₂和能量，从而推动将其他原料转化为H₂和额外的CO 的主反应。

图2示出煤精选系统14的实施例的详细图。所述精选系统14包括旋流器32，例如，重力分离系统。所述旋流器32包括外壳34（例如，锥形外壳），所述外壳34在下端37具有排放开口36并且在上端39具有盖38。所述盖38具有上部出口开口40。所述旋流器32在外壳34中进一步包括入口开口42。所述入口开口42可处于所述外壳 34的上端39处。在某些实施例中，入口开口42可切向连接到外壳 34，以使得来自导管58的燃料混合物20能够切向进入以输送来自原料制备系统12的燃料混合物20，从而引起燃料混合物20的回旋流进入所述外壳34中。外壳34的下端37可以是圆锥形的或直径逐渐减小的，并且包括可根据各种因素变化的锥角44，所述因素如燃料混合物20的组成、从开口42进入的速度等。当燃料混合物20穿过入口开口42进入旋流器32时，外壳34的圆锥形或锥形形状（例如，收敛壁）致使材料在其朝着排放开口36螺旋（例如，旋流）向下时碰撞所述外壳34。切向开口还促进燃料混合物20与外壳34碰撞并保持接触。同时，精选系统14通过上部出口开口40喷射空气（和/ 或其他气体）和颗粒。较重的颗粒更易受推压旋流器32的外壳34的表观向心力的影响，并且因此更可能沿通路46行进并从排放开口36 出来。另一方面，较轻的颗粒和气体更可能上浮并穿过上部出口开口 40。在图2所示的实施例中，较重的颗粒包括灰分和废料24，而较轻的颗粒包括可气化的燃料粉尘22。

对于超细粉尘（像当前实施例中所用的那些）来说，旋流器32 的精度可能由于颗粒之间的较小质量差异而降低。当密度差异一开始就小时尤为如此。为增大废料24与燃料粉尘22之间的质量差异，煤精选系统14还可包括喷洒器50和加热器52。喷洒器50包括喷嘴54，所述喷嘴54将流体56（如水、蒸汽、饱和蒸汽、油或其他液体或气体）传送到燃料混合物20正沿其行进的导管58中。

如图3中所示，流体56利用了碳颗粒60与非碳颗粒62的表面性质的显著差异。碳颗粒60具有疏水性并且排斥水、蒸汽以及其他具有类似化学性质的流体和液体。来自燃料来源18的通常为二氧化硅或灰分的非碳颗粒62具有亲水性并且吸引水、蒸汽以及其他具有类似化学性质的流体和液体。图3示出在喷洒器50已将流体56喷射到导管58中之后的导管58。在第一时间66处，流体56、碳颗粒60 和非碳颗粒62可悬浮在干式混合30期间所提供的气体中。然而，由于所述颗粒的表面性质，流体56被碳颗粒60排斥，而同时所述流体 56被吸引并粘附到非碳颗粒62上。因此，在第二时间68处，流体 56增大非碳颗粒62的质量并且可能导致所述颗粒62彼此粘着。非碳颗粒62和流体56的团簇64较重，并且因此更可能穿过旋流器32掉落并且通过排放开口36出来。

返回参考图2，燃料混合物20在通过喷洒器50之前或之后，还可穿过一个或多个可选的加热器52，所述加热器52加热燃料混合物 20以便除去任何可能已附着到煤颗粒60上的流体56。加热器52可以是任何类型的加热器，包括（但不限于）微波加热器、红外线加热器、感应加热器、云母热（micathermic）加热器、太阳能加热器、热交换器（例如，翅管式热交换器）或其任意组合。在一个实施例中，加热器52包括微波加热器，所述微波加热器再一次利用了存在于燃料混合物20中的碳颗粒与非碳颗粒之间的差异。一分钟的微波加热就可将碳加热到约1200摄氏度左右。另一方面，二氧化硅在一分钟的类似微波加热之后仅可达到约90摄氏度左右。如上所提及，二氧化硅是很多碳基燃料来源18中的典型杂质，并且因此微波加热器52 将在燃料混合物20中的碳颗粒60与非碳颗粒62之间提供显著的温度差。在某些实施例中，加热器52可使用变频微波来提高效率并且避免可能由于使用微波而引起的问题，如热点和冷点，以及对金属电弧放电。所述温度差将允许任何粘附到碳颗粒60上的流体56蒸发或汽化，从而增加碳颗粒60与非碳颗粒62的质量差异。

图2还示出配置用于监控和调整精选系统14内的参数的控制器 70。控制器70可接收来自传感器72的信号，所述传感器72监控燃料混合物20的流速和组成，或者当分离的燃料粉尘22进入气化系统16或在其中气化时监控所述分离的燃料粉尘22。传感器包括（但不限于）水流量传感器、加热器温度传感器、下游气化传感器、煤流组成传感器或灰分流组成传感器或其任意组合。控制器70随后可调整喷洒器50、加热器52或两者来补偿由传感器72检测到的降低的效率。例如，控制器70可增加或减少正喷洒到导管58中的流体56的量或流速，或可改变喷洒的类型。喷嘴54可调整来形成更雾化的薄雾或可将更湿润的细雨喷洒到燃料混合物20中。控制器70还可控制加热器52各方面以便提高旋流器32的效率并且增加分离。在一些实施例中，可能根本不需要加热器，而仅仅依靠燃料混合物20中的碳颗粒 60和非碳颗粒62的疏水和亲水性质来提供分离。在其他实施例中，控制器70可增加或减少加热功率或持续时间以便将燃料混合物20最佳地分离成燃料粉尘22和废料24。

图4示出过程80的流程图，一种系统（例如，上述合成气生成系统10）通过所述过程80可将煤精选成燃料粉尘22和废料24。所示过程80以合成气生成系统10在导管58中输送82煤、灰分和空气的燃料混合物20开始。接着，合成气生成系统10的煤精选系统14 可将水滴（或其他流体液滴）喷洒84到燃料混合物20上。煤精选系统14可使用水喷洒器50来将水滴（如薄雾、蒸汽或饱和蒸汽）喷洒到燃料混合物20上。煤精选系统14可加热86煤颗粒、灰分颗粒、空气或其任意组合。加热可由加热器52在喷洒之前、在喷洒期间或在喷洒已由精选系统14的喷洒器50完成之后执行。另外，煤精选系统14内的旋流器32产生86包含煤颗粒和空气的煤流，并且产生包含灰分颗粒的分离的灰分流。通过这样做，如以上详细论述，合成气生成系统10产生可气化成合成气26的粉尘燃料22，其中燃料22具有比例大幅减少的灰分含量。

本发明的技术效果包括将燃料来源18制备成燃料混合物20。所述燃料混合物20通常被减小成碳质燃料粉尘和非碳质废料的细的或超细的颗粒。所公开的实施例还包括将燃料混合物20精选成燃料粉尘22和废料24。使用旋流分离器32来基于质量差异分离粉尘而完成精选。所公开的煤精选系统可包括用于放大碳质颗粒与非碳质颗粒之间的物理和化学差异的流体喷洒器50和加热器52。所公开的实施例中所描述的合成气生成系统10还允许将碳质燃料粉尘气化成合成气。合成气生成系统10可包括在IGCC发电设备内。

本说明书使用了各种实例来公开本发明（包括最佳模式），同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种精选进料的系统，所述系统包括：

进料制备系统，其包括：

流体喷射系统，其配置用于将流体喷射到进料流中以便产生进料流体混合物，其中所述进料流包含第一固体、第二固体和气体；

旋流器，其配置用于将所述进料流体混合物分离成包含所述第一固体和所述气体的第一流以及包含所述第二固体和所述流体的第二流；以及

加热器，其配置用于加热所述进料流混合物以促进所述旋流器中的所述进料流体混合物的分离，其中所述加热器设置于所述流体喷射系统下游和所述旋流器上游，其中所述加热器在所述流体喷射系统将所述流体喷射到所述进料流之后、且在所述进料流混合物进入到所述旋流器之前对所述进料流混合物进行加热。

2.如权利要求1所述的系统，其包括热力发电机。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一固体包括煤颗粒，并且所述第二固体包括灰分颗粒。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述流体喷射系统包括喷洒器，所述喷洒器配置用于将所述流体的液滴、所述流体的薄雾或其组合喷洒到所述煤颗粒和所述灰分颗粒上。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述旋流器包括配置用于接收所述进料流体混合物的切向入口喷嘴，其中所述切向入口喷嘴致使所述进料流体混合物在所述旋流器内形成漩涡。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述加热器配置用于将所述第一固体加热到第一温度并将所述第二固体加热到第二温度，其中所述第一温度大于所述第二温度。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述加热器包括微波加热器、红外线加热器、感应加热器、云母热加热器或太阳能加热器中的至少一个或其任意组合。

8.如权利要求1所述的系统，其包括配置用于使所述第一流气化的气化器。

9.如权利要求8所述的系统，其包括具有所述进料制备系统和所述气化器的整体煤气化联合循环(IGCC)发电设备。

10.一种用于精选煤的系统，所述系统包括：

煤精选系统，其包括：

导管，其配置用于输送煤颗粒、灰分颗粒和输送气体；

流体喷洒器，其配置用于将流体喷洒到正在所述导管中输送的所述煤颗粒和所述灰分颗粒上；

旋流器，其配置用于产生包含所述煤颗粒和所述输送气体的煤流以及包含所述灰分颗粒的灰分流；以及

加热器，其配置用于加热所述煤颗粒和所述灰分颗粒以促进所述旋流器中的所述煤流和所述灰分流的分离，其中所述加热器设置于所述流体喷洒器下游和所述旋流器上游，其中所述加热器在所述流体喷洒器将所述流体喷射到所述煤颗粒和所述灰分颗粒之后、且在所述煤流和所述灰分流进入到所述旋流器之前对所述煤颗粒和所述灰分颗粒进行加热。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述加热器配置用于将所述煤颗粒加热到第一温度并将所述灰分颗粒加热到第二温度，其中所述第一温度大于所述第二温度。

12.如权利要求10所述的系统，其中所述加热器包括微波加热器、红外线加热器、感应加热器、云母热加热器或太阳能加热器中的至少一个或其任意组合。

13.如权利要求10所述的系统，其包括控制器，所述控制器配置用于基于所接收的来自传感器的信号来调整所述流体喷洒器或所述加热器中的至少一个或其组合的部件，以便实现所述旋流器中的所述煤颗粒和所述灰分颗粒的目标分离。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述传感器包括流体流量传感器、加热器温度传感器、下游气化传感器、煤流组成传感器或灰分流组成传感器中的至少一个或其任意组合。

15.一种用于精选煤的方法，其包括：

在导管中输送煤颗粒、灰分颗粒和输送气体；

使用流体喷洒器将流体喷洒到所述煤颗粒和所述灰分颗粒上；

通过使用加热器对所述煤颗粒和所述灰分颗粒进行加热以促进所述煤颗粒和所述灰分颗粒相互分离；以及

使用旋流器产生包含所述煤颗粒和所述输送气体的煤流以及包含所述灰分颗粒的灰分流；

其中，所述加热器设置于所述流体喷洒器下游和所述旋流器上游，其中所述加热器在所述流体喷洒器将所述流体喷射到所述煤颗粒和所述灰分颗粒之后、且在所述煤颗粒和所述灰分颗粒进入到所述旋流器之前对它们进行加热。

16.如权利要求15所述的方法，其包括使用气化器将所述煤流气化。

17.如权利要求15所述的方法，其包括使用研磨机、筛子、切碎机、碾磨机、捣碎机或粉碎机中的至少一个或其任意组合来产生所述煤颗粒和所述灰分颗粒。