CN104220565B - 用于夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料气化的设备和工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料的气化反应设备，具有设置在反应器顶部的第一反应腔室，该第一反应腔室的上部装配有用于进料的进料装置，该第一反应腔室的侧壁设置有具有内部冷却的管用作膜式水冷壁或者盘管，该第一反应腔室允许液态炉渣自由向下运行而没有炉渣固化的表面，并且该第一反应腔室的底部设置有用于排出炉渣和排出合成气的开口部，具有被连接到该开口部底部的第二腔室，在该第二腔室中，粗制气体被保持干燥并且通过辐射冷却方式进行冷却，并且配置有用于产生水幕的装置，所述第二腔室的底部被连接到第三腔室，所述第三腔室装配有用于供应水的进料装置，用于支撑被连接到所述第三腔室底部的水槽的保持装置，所述保持装置还设置有用于排出水/炉渣混合物的排出装置，以及用于排出来自反应器的粗制气体的排出装置，所述反应器被设置在所述第三腔室的底部或侧面，所述轴对称延伸部形成了从第一腔室到第二腔室的过渡部，以及所述轴对称延伸部的底部被设置得与自由落体水幕的出口处齐平或在其之上。

Description

用于夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料气化的设备 和工艺方法

技术领域

本发明涉及用于夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料气化的工艺方法和设备。

背景技术

迄今为止，在已经建造的对夹带气流进行气化的商业级工厂中，在壳牌煤气化工艺(SCGP，Shell Coal Gasification Process)和加压气流床工艺(PRENFLO，PressurisedEntrained Flow Process)中都实施了包含废热利用的系统，因为这些工艺在无需分离二氧化碳的整体煤气化联合循环发电系统(IGCC，Integrated Gasification and CombinedCycle)中体现了效率优势。由此，在气化设备中产生的粗制气体所具有的可感知的热量通过热交换表面被转化为蒸汽，随后该蒸汽通过蒸汽涡轮机转化为电力。

电厂工艺流程包括二氧化碳的分离、碳捕获与封存(CCS，Carbon Capture andStorage)、IGCC-CCS，以及应用煤气化来生产各种化工产品，例如煤制油(CTL)、Fischer-Tropsch(FT)、甲醇、氨；在该工艺链条中，一氧化碳被部分或完全转化以便在合成气中生成各自要求的一氧化碳对氢气的比例。为此，粗制气体以1∶1.2至1∶1.4的比例富含水蒸汽。对于包含废热利用的系统来说，水蒸气的生产对设备具有高的要求，在蒸汽涡轮机中该水蒸气的小部分能量被利用后随即被再次混入到粗制气体。

该粗制气体中水蒸汽含量的增加也可以通过该粗制气体流与水的直接淬火骤冷而实现，并随之大幅度地降低对设备的要求。在这个工艺变型实例中，1200～1500℃的热粗制气体在气化腔室的出口处与水淬火(骤冷)并同时冷却。例如，相比于包括废热利用以产生蒸汽的工艺变型实例而言，并不需要所有的热交换表面，该热交换表面包括作为蒸汽鼓和循环泵的相关附件。

然而，将水直接进料到该工艺气体流中也会引起技术问题。事实上，用水淬火骤冷粗制气体流可引起材料老化问题。这是因为无论单个水滴落在金属上还是急速冷却或淬火，材料都会承受巨大的应力。因此，避免液滴被夹带到热的表面和部件上是绝对必要的。

在大约300℃的温度下，包括废热利用的系统借助于陶瓷的高温过滤器在低温侧对粗制气体流夹带的细粒度灰尘进行干法分离。如果在气化的热段执行直接淬火骤冷，当炉渣成分和灰尘与冷的表面接触并自然冷却固化，该热气体蒸汽中的炉渣和灰尘部分必然会存在沉降和结垢的风险。这种结垢会引发进一步的风险，因为它们将以不受控制的方式生长，失控地改变流体环境，并可能分离成无法估量的未知块状物。然后，它们将堵塞排渣设备或者干扰并损坏该设备的其他部件。

现有技术也公开了对发生此类问题进行充分考虑的技术。由此，WO 2009/036985A1描述了用于夹带气流气化的气化反应器和工艺方法，其中该反应器被分成三个腔室，所生产的合成气逐个流过所述腔室。在第一腔室中，伴随着向下的合成气流，液体炉渣在该第一腔室的炉渣掉落边缘掉落从而得到该液体炉渣并且落入位于第二腔室端部的水槽里。在第二腔室，从第一腔室分离的合成气通过自由落体水幕被冷却，而水幕升温但几乎不会汽化。在第三腔室中，该合成气通过注入水被淬火骤冷从而增加了合成气中的水含量。当合成气到达第三腔室，其已经冷却到没有颗粒趋向于结垢的程度。

WO 2009/036985 A1教导了水幕可通过斜坡形成的漏斗而产生。WO 2011/107228A2描述了另一种设备，其用于在由三个腔室组成的该种气化反应器中实现水幕；在后一种情形下，却提供了改进调节水量以及水幕下落速度和形状的可能性。但是在这两种情况下，该热的气体流自身以及湍流环境可能会导致该部分水幕向上旋转，并且可能进入所述第一腔室中。这将导致在炉渣掉落边缘以及第一腔室中的设备出现问题。

为了减少涡流，WO 2009/118082 A2教导使用减少或消除涡流的壁面，(水幕)仅仅运行在该连接通道横截面的部分壁面上。虽然这种措施适合于降低浮尘的量并阻断了旋转轴平行于反应器轴线的气体涡流，但是它们不能减慢气流，也不能防止旋转轴与反应器轴线交叉的气体涡流。此外，它们不能防止水幕被提升也不能防止所夹带的液滴。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种改进的建造方案，其能够以有效的方式消除所述问题。该方案首先是为了实现流中的灰所形成的条纹以及进一步的，提供炉渣引导渠道以确保最佳的炉渣排放。其次，对来自后方空间的自由射流的隔离是为了避免在热段中的水漩涡，从而防止由于温度循环应力和结垢造成的强化材料的老化。

通过在气化反应发生的腔室的出口处设置轴对称延伸部，本发明实现了这一目的。轴对称的延伸部分用作主要气体射流排出的引导器，并防止该气体射流具有喷射效应。该设备尤其涉及用于夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料的气化反应设备，

具有布置在反应器顶部的第一反应腔室，该第一反应腔室的上部装配有用于进料的进料装置，该第一反应腔室的侧壁设置有具有内部冷却(剂)的管，用作膜式水冷壁或者盘管；该第一反应腔室允许液态炉渣自由向下运行而没有炉渣固化的表面，并且该第一反应腔室的底部设置有用于排出炉渣和排出合成气的开口部，

具有连接到所述开口部底部的第二腔室，在所述第二腔室内，粗制气体被保持干燥并且通过辐射冷却法进行冷却，并且配置有用于产生水幕的装置，

该第二腔室的底部被连接到第三腔室，其装配有用于供给水的进料装置，

用于支撑被连接到该第三腔室底部的水槽的保持装置，该装置还设置有用于排出水/炉渣混合物的排出装置，

以及用于排出来自被设置在该第三腔室的底部和侧面的反应器的粗制气体的排出装置，

其特征在于轴对称延伸部，

该轴对称延伸部形成从第一腔室到第二腔室的过渡部，

以及该轴对称延伸部的底部被设置得与该自由落体水幕的出口处齐平或在其之上。

本发明的实施例提供了该轴对称延伸部的上部边缘与所述反应腔室的底部为边缘对边缘的设置。

本发明的另一实施例提供了被设计成扩散器的轴对称延伸部，其底部边缘被提供作为炉渣掉落边缘。该扩散器被设计成具有1至15度，优选5至8度的孔径角。

本发明的另一实施例提供了反应腔室侧壁的冷却系统的延伸部，延伸到轴对称延伸部的外壁；该冷却系统设置有具有内部冷却(剂)的管用作膜式水冷壁或者盘管。这些(管)可以被镶嵌并贴靠在朝向气流的一侧。进一步的设计变型实例包含具有在气体侧涂覆有抗高温腐蚀涂层的内部冷却管。

根据本发明的该扩散器不应与WO 2009/036985 A1图3所示的屏蔽装置相混淆；那里所示出的屏蔽装置用于保护压力容器免受过量的辐射热，并且也被用在具有管状分隔的变型实例。管状分隔并不是要屏蔽的压力容器而是分隔并引导排出气体射流的流动，并因此具有相应不同的设计。

本发明还涉及采用如上所描述的轴对称延伸部对夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料气化的工艺方法，本发明的特征在于，在反应腔室的出口处具有很高速度的气体流被减慢速度。此外，该排出的气体流从后部空间被屏蔽并因此能够不再发生其喷射效果。气体流的减慢速度是通过均匀化该流体分布并结合扩大的横截面实现的，这导致了在水的薄层的顶部和底部之间压力差的降低。通过这种方式，气体射流向上的趋势以及部分的漩涡水幕显著降低。另一个效果是，没有气体涡流形成在水幕上面，借助于气体涡流液滴能够被夹带到所述反应腔室的热部件上。

附图说明

结合四幅附图在下面更详细地描述本发明。

其中

图1示出了根据WO2009/036985 A1具有额外的气体扩散器的反应器。

图2示出了从反应腔室到第二腔室的过渡部，所述第二腔室包括气体扩散器和用于产生水幕的水坡道。

图3示出了从该反应室中的过渡部分，所述第二腔室包括气体扩散器和用于产生水幕的替代装置。

图4示出了从该反应腔室到第二腔室的过渡部，所述第二腔室包括可替代的轴对称延伸部。

具体实施方式

图1示出在上端的具有燃烧器2的气化设备的反应腔室1。含有液态炉渣液滴和灰尘颗粒的、大约1500℃热的粗制气体，通过反应腔室的出口3离开该气化设备的反应腔室1；通常粗制气体具有漩涡效应，造成该液体炉渣的主要部分会沉降在反应腔室冷的壁上，并成为液体在该出口的壁区域内流淌。该热的粗制气体在气体扩散器4中被减速，并被均匀化地通过整个截面。

减速后均匀的粗制气体冲击到充当冷却表面并迅速冷却该热的粗制气体的水幕5上。这种冷却过程使液态炉渣液滴固化并避免它们在墙壁上结垢。水幕是在水坡道6上生成的。选择用来形成水幕的水量的大小使得水幕不会太热而开始沸腾和蒸发。以这种方式，该粗制气体在形成第二腔室8的该冷却区仍然保持几乎完全干燥。气体扩散器4阻止了气流提升水幕5并且阻止液滴到达屏蔽部7或者掉落边缘10。气体扩散器4的掉落边缘10被设置得恰好高于水幕出口9。

在下面的第三室11中，仍然热的该粗制气体被来自喷追的水淬火骤冷。第三腔室11通过分隔壁12进行划分并且在环形空间15中延伸；来自被淬火骤冷的粗制气体中经冷却下来的炉渣颗粒以及来自掉落边缘10的固化的炉渣液滴掉到水槽13中并且在炉渣排出部14被排出。饱和的合成气通过合成气出口16离开气化反应器。

图2示出了配置有气体扩散器的过渡部的剖视图。图3示出了相同的剖视图，其中，水坡道已经由WO 2011/107228 A2中的喷嘴环所替代。

图4示出了相同的剖视图，其中使用了可替代的轴对称延伸部。本实施例提供了外壳体18，其底部边缘与合成气的自由射流19的开口处在同一水平线上。

附图标记和名称列表：

1 气化设备的反应腔室

2 燃烧器

3 反应腔室出口

4 轴对称延伸部

5 水幕

6 水坡道

7 屏蔽部

8 第二腔室

9 水幕出口

10 掉落边缘

11 第三腔室

12 分隔壁

13 水槽

14 炉渣排出部

15 环形空间

16 合成气出口

17 喷嘴环

18 外壳体

19 自由射流

Claims (5)

1.用于夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料的气化反应设备，

具有设置在所述反应器顶部的第一反应腔室；所述第一反应腔室的上部装配有用于进料的进料装置；所述第一反应腔室的侧壁设置有具有内部冷却的管，用作膜式水冷壁或者盘管；所述第一反应腔室允许液态炉渣自由向下运行而没有炉渣固化的表面，并且所述第一反应腔室的底部设置有用于排出炉渣和排出合成气的开口部，

具有被连接到所述开口部底部的第二腔室，在所述第二腔室中，粗制气体被保持干燥并且通过辐射冷却方式进行冷却，并且配置有用于产生水幕的装置，

所述第二腔室的底部被连接到第三腔室，所述第三腔室装配有用于供应水的进料装置，

用于支撑被连接到所述第三腔室底部的水槽的保持装置，所述保持装置还设置有用于排出水/炉渣混合物的排出装置，

以及用于排出来自反应器的粗制气体的排出装置，所述排出装置被设置在所述第三腔室的底部或侧面，

其特征在于轴对称延伸部，

所述轴对称延伸部形成了从第一腔室到第二腔室的过渡部，

以及所述轴对称延伸部的底部被设置得与自由落体水幕的出口处齐平或在其之上；

所述轴对称延伸部的上部边缘与所述反应腔室的底部被设置为边缘对边缘；

所述轴对称延伸部被设计成扩散器，所具有的底部边缘被设置为炉渣掉落边缘。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述扩散器具有1至15度的孔径角。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述扩散器具有5至8度的孔径角。

4.根据权利要求1至3中任意一项的所述设备，其特征在于，所述反应腔室的侧壁的冷却系统被延伸到所述轴对称延伸部的外壁，所述冷却系统设置有具有内部冷却的管作为膜式水冷壁或者盘管。

5.用于夹带气流中以颗粒形式存在的固体含烃燃料气化的工艺方法，采用根据权利要求1至4中任意一项所述的设备，其特征在于，在进入所述第二腔室之前，在所述反应腔室的出口处具有高速度的气体流被减慢速度,在所述第二腔室内，所述粗制气体被保持干燥并且通过辐射冷却法进行冷却，并且在所述第二腔室内生成水幕；由设计成扩散器的轴对称延伸部通过均匀化流体分布并结合扩大的横截面实现气体流的速度减慢，这导致了在水的薄层的顶部和底部之间压力差的降低，通过这种方式，气体射流向上的趋势以及部分的漩涡水幕显著降低。