CN104245897A - 使固体燃料渣池气化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在熔融渣池气化器中使固体燃料熔融渣池气化的过程和装置，其能够增大输出、增大能够使用的固体燃料的范围并改进气体质量。该过程借助熔融渣池气化器进行，渣池气化器包括在熔融渣池气化器的顶部的粗粒固体燃料的供给部和排气部，包括渣池，包括在熔融渣池气化器的底部的渣池排放部，包括借助渣池之上的气化剂喷嘴供给第一气化剂的供给部，包括渣池之上的固定床的填料，除第一气化剂外通过到达固定床的填料的上部区域并位于第一气化剂的供给部之上竖直距离至少2m处的至少一个气化剂喷嘴将第二气化剂注入，其中第二含氧气化剂以蒸汽/氧气比值介于0.6至5kg/m3(在标准温度和压力下)的范围注入，其中注入的第二气化剂的氧气量达到总供给的氧气量的50％。

Description

使固体燃料渣池气化的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于在渣池气化器中使固体燃料渣池气化的方法和装置，该方法和装置能够提高的性能、扩大固体燃料的使用范围并改进气体质量。根据本发明的方法和装置能使具有更高细粒比例的煤气化，和/或能额外使细粒和粉末型燃料气化。
背景技术
粗粒固体燃料的气化，即颗粒尺寸大于大约6mm且小于大约100mm的粗粒煤和/或含碳固体的气化优选地发生在根据固定床高压气化方法FDV或根据渣池气化SBV的固定床中。后者也已知被命名为英国燃气-鲁齐(British Gas Lurgi)BGL气化。燃料与助熔剂一起借助压力闸在高处被供应到渣池气化器。在渣池气化器的高度上延伸的固定床中(实际上是移动床)从上到下理想地包括如下区：干燥区、热解区、气化区、氧化区(吹气模(blow mould))和渣池。在气化器的底部移除作为液态渣的渣。通过延伸到气化器中并被指引到渣池上的气化剂喷嘴将气化剂吹进。用于已形成的原料气体的原料气体排出部位于固定床气化器的顶部。
气化剂实际上包括氧气和蒸汽。优选地，蒸汽与氧气之比(蒸汽/氧气比)DSV优选用单位kg蒸汽/m3(I.N.)、氧气(100％vol.)表示，根据灰熔融温度，在0.8kg/m3与1.6kg/m3(I.N.)之间的范围。在大约0.8kg/m3(I.N.)之下，气化剂喷嘴的热负荷太高，在大约1.6kg/m3(I.N.)之上，灰不再正确地熔融。
该渣池气化器具有两个总的缺陷。第一个缺陷是<6mm的细粒的百分比非常受限于从<大约5％到<大约20％的质量百分比的值上；对于非烧结的煤为<大约5％的质量百分比的值，对于烧结的煤受限于<大约20％的质量百分比的值。否则，损害填料的良好流动性，产生不期望的清除，流出粉尘或甚至粗粒固体与原料气体一起离开气化器。第二个缺陷是指从气化器流出的包含原料气体的粉尘的温度低，根据所用燃料的类型，温度在大约400℃与大约900℃之间的范围。原料气体的温度太低而不能在热解区形成焦油并使重烃分解。这一方面造成了昂贵的气体清洁，另一方面造成与所用燃料有关的CO和H2的合成气体产量的减少。
为了弥补缺陷，在DE 10 2007 006 979 B4中已经提出了将后气化的气化剂注入固定床的填料之上的自由空间。因此，原料气体的温度应升高到至少800℃，以便裂解重烃并使它们转化成合成气体。这个解决方案直到现在才成功实现，因为火焰向上散布的太大，并且担心没有反应的氧气与原料气体一起流出气化器。
到现在为止，技术上还未能找到回收利用细燃料和提高气体产量的更有利的解决方案。细煤不得不另外使用(一般是燃烧)，而不是供给气化。然而，更大部分的细煤不能被经济地使用，不得不作为炼焦堆处理。
发明内容
因此，本发明的目的是开发一种用于渣池气化的具有相应的装置的方法，与之前已知的渣池气化器相比，借助微小的有关过程和设备的改变，该装置和方法能提高性能、与煤相比扩大燃料的应用范围具有更高细粒百分比和/或额外气化细粒燃料和粉尘型燃料，以及提高合成气体的产量。
根据本发明，提高借助渣池气化器利用含有氧气和水蒸汽的气化剂使粗粒固体燃料渣池气化的方法来实现该目的，该渣池气化器具有在渣池气化器的顶部的粗粒固体燃料的供给部和排气部，具有渣池，具有在该渣池气化器的底部的渣池排放部，具有借助渣池之上的气化剂喷嘴供给用于非结渣气化的第一气化剂的供给部，具有在该渣池之上的固定床的填料，
其中，通过至少一个气化剂喷嘴，另外注入独立于第一气化剂的用于结渣气化的第二气化剂，至少一个气化剂喷嘴延伸到固定床的填料的上部区域并位于第一气化剂的供给部之上竖直距离至少2m处，
其中，第二含氧气化剂以蒸汽/氧气比值介于0.6kg/m3(I.N.)与5kg/m3(I.N.)之间的范围注入，
其中，注入的第二气化剂的氧气量达到总供给的氧气量的50％。
根据本发明，另外注入独立于用于非结渣气化所供给的第一气化剂的用于结渣气化的第二气化剂，其中，借助气化剂喷嘴供给第一气化剂，借助延伸到固定床的填料的上部区域的多个气化剂喷嘴将第二气化剂注入固定床的填料的上部区域。
利用第一气化剂来进行第一非结渣气化，在整个固定床上形成理想区(第一干燥区、第一热解区、第一气化区、第一氧化区或第一吹气模、除灰)，利用第二气化剂进行形成局部漩涡(吹气模)的第二结渣气化。
第二气化剂中的蒸汽/氧气比(用单位kg蒸汽/m3(I.N.)、氧气(100％vol.)表示)被调整为或在0.6kg/m3(I.N.)与3kg/m3(I.N.)之间的值(第二气化的结渣运行)，或在3kg/m3(I.N.)与5kg/m3(I.N.)之间的值(第二气化的非结渣、烧结运行)，或根据需要在两个值范围中的一个上变化。
在第二气化的结渣运行中，在吹气模中形成液态渣。在非结渣运行中，灰未熔融，而是烧结。如果应提高合成气体产量(用于烃的裂解的更高的水蒸汽水平，特别是甲烷裂解为一氧化碳和氢)，后者是有利的，当应气化具有非常高的细粒水平的燃料时，前者是有利的。形成的液态渣还有烧结的灰避免流动通道形成在第二气化之上的固定床中，粉尘或甚至粗粒固体可从所述流动通道清除并与原料气体一起排出。固定床的填料的良好流动性完全提高了。
根据本发明的方法的有利构造，蒸汽通过至少一个蒸汽喷嘴另外注入第二含氧气化剂。
除用于第二气化的气化剂喷嘴外，设有只供应蒸汽的喷嘴，以便仍提高合成气体的质量。利用这些蒸汽喷嘴，蒸汽可另外注入固定床。蒸汽喷嘴位于第一气化区。蒸汽流入热的含碳填料，并起反应主要形成一氧化碳和氢。在蒸汽喷嘴之前不形成吹气模，而形成向上指向的湍流区。
当形成吹气模时和/或当流动区形成为靠近壁时和当它们优选位于大约均匀地分布在固定床的填料的周向上时，在这些壁区域的填料流通的压力损失减少。从下面上升的气体沿靠近壁的流动区域的方向分布。以该方式，固定床的流通整体变得更均匀，即，主要集中的流动被第二气化变成均匀分布的流动。
第二气化剂有利地注入形成的第一气化区，或在含氧气化剂的情况下注入第一热解区。在第一热解区中的温度是大约400℃至1000℃，在第一气化区中的温度是大约1100℃至1300℃。这些区位于大规模渣池气化器中第一气化剂的供给部之上1m至4m的高度处。因此，第二气化剂的注入发生在从第一气化剂的供给部之上1m至固定床的填料的表面之下1m的高度处，优选地，从第一气化剂的供给部之上2m至固定床的填料的表面之下1m的高度处。距第一气化剂的供给部的1m的最小竖直距离也是由如下事实产生，必须确保第一气化剂的氧气必须已完全地化学转化达到第二气化剂的供给部的高度。否则，氧气会从底部烧到顶部。废塑料和煤的混合物的渣池气化的操作经验显示，氧气完全地化学转化达到第一气化剂的供给部之上最大1m的高度处。
第二气化在渣池气化器的固定床的填料的上部区域中的受限高度区执行。多个气化剂喷嘴可分布在该高度上并在固定床气化器的横截面上。优选地，多个气化剂喷嘴分布在周向上的一定高度上。
具有20m/s至120m/s的气体出口速度的第二含氧气化剂的注入导致在气化剂喷嘴的排出口之前，在固定床的填料中形成如中空空间的湍流旋涡区(吹气区)，其中碳与氧气一起燃烧(第二燃烧区)。喷嘴之前的漩涡区由焦炭填料包围，其中温度下降引起吸热反应，若有可能伴随第二气化的水蒸汽的化学转化(第二气化区)。熔融的或烧结的灰在周围较冷的焦炭填料中快速冷却并凝固。灰向吸热的第二气化过程放热。在第二气化中不形成传统的层状区。
借助蒸汽喷嘴，使蒸汽作为第二气化剂注入以20m/s至120m/s的气体出口速度进行。
如果第二气化在第一气化区中执行，这是有利的。此处确保，在高温获得脱气焦炭(与利用热解煤的反应相比，利用水蒸汽转化更高且冷气体效率更高)。在利用含氧气化剂的结渣运行的情况下，伸入到约1100℃至1300°C的第一气化区的固定床的填料中的多个气化剂喷嘴的温度如此之高使得渣只部分地凝固。在气化剂喷嘴上附着的渣与填料脱离而向下移动，并进一步被传送。
根据本发明的方法的又一实施例，如果利用含氧气化剂的第二气化在第一气化区中执行，这是有利的。在此情况下，气化剂喷嘴前上升的气体发生更强的部分燃烧，使得从固定床的填料向上出来的气体的温度升高更多，因此发生甲烷和重烃的更强的裂解。
特别有利的是，用含氧气化剂的第二气化释放的灰立即烧结或熔融，且消除通道的形成，这是因为由于立即形成渣或烧结，使得填料防止了氧气的通道式的“烧穿”。初始形成的多个通道或源自第一气化的多个通道随着渣的形成也快速“关闭”。由于这个原因，涡流区不可向上脱离，或只在距气化剂喷嘴的有限范围，而是在气化剂喷嘴之前或之上大约不变的高度缓流。第二气化因此根据气化剂喷嘴的出口的设置而局部受限，并且其高度被限定。缓流的气体流动和形成的渣使在气化剂喷嘴的周围和之上的固定床稳固，使得虽然有更高的流速，但固定床也维持规则流通。
第二气化导致整个固定床的均匀的流通。所使用的粗粒燃料的细粒比例可增大，而不必增大原料气体与粉尘的排放。粗粒固体燃料的更小的颗粒尺寸可从大约6mm减小到大约2mm。
通过维持渣池气化器的以m3(I.N.)/h测量的氧气供给量的性能，使用的燃料可基本上具有更细的颗粒。这是因为，事实上例如只有80％的氧气作为第一氧气供给，20％的氧气作为第二氧气供给，也就是说气体的流速在达到第二气化的填料的主要高度范围内相应地减少了大约20％，并且只在第二气化之上升高到大约100％。
根据本发明的方法的一有利实施例，细粒和/或粉尘型燃料可另外加入在气化剂喷嘴前形成的旋涡区(吹气区)。
第二气化的另一显著优点是，特别是旋涡区中的燃料的细粒和粉尘型部分可在灰/渣微粒粗糙化下而被气化。冷却的凝固渣或烧结物有助于在整个固定床中使颗粒尺寸粗糙化，且还有助于使该固定床在整个高度上“互相结合”地稳定。引起填料的爆发式流通且是高排尘的主要原因之一的细粒和粉尘的局部聚集被抑制或减轻。使用的燃料的细粒比例可增大，而不增大粉尘与原料气体的排放。与粗粒固体燃料一起引入气化器的粉尘型燃料的百分比也可升高。除粗粒燃料外，借助第二气化可大量利用否则不得不以其他方式使用或不得不处理掉的细粒和/或粉尘型燃料(细粒燃料)。
总之，因为来自干燥的水、热解的反应水和第二气化剂的水蒸汽与填料的上部区域中的甲烷和重烃反应增大了水蒸气的百分比，所以合成气体的产量(一氧化碳和氢)增大。
为改善气体质量(更少的甲烷和焦油含量以及更高的合成气体CO和H2的产量)，第二气化的主要目标是，当这样的量的第二含氧气化剂供给时，实现原料气体的气体出口温度升高到850℃的温度且更高。在该温度，水蒸汽与烃发生快速气化反应，而形成一氧化碳和氢。甲烷和焦油的含量减少，而原料气体中的氢和一氧化碳的百分比明显升高，使得改进了气体质量。
当气化具有低的细粒和粉尘百分比的燃料时，借助第二气化可使气化性能升高达到30％。
第二气化不仅改进对更高百分比的细粒和粉尘燃料的接受度，或使能另外引入细燃料，而且也提高了对不使用搅拌器就不可气化的凝结煤的燃料的接受度。第二燃烧区使它们的温度快速升高，而高温降低了煤凝结的趋势，并分解已形成的焦炭化合物。在很多情况下，由于第二气化，不必使用搅拌器。
气化剂喷嘴设计为用于水冷气化剂混合物的喷嘴或冷却的单介质喷嘴。它们可以是曲柄式的(曲柄式喷嘴)，也可不是曲柄式的(管状喷嘴)，由此曲柄式喷嘴的曲柄式喷嘴头位于管状喷嘴头上。
气化剂喷嘴和蒸汽喷嘴放置为穿过渣池气化器的柱形外壳或双层外壳。非曲柄式的气化剂喷嘴和蒸汽喷嘴被径向地和水平地导向，或可以在所有方向上以<45°的设置角偏离于径向和水平方向调整。优选地，喷嘴径向地导向且与水平平面呈15°地向下倾斜。关于避免固体进入喷嘴的内部和关于吹气模的形成和湍流区，这证明是有利的。在使用曲柄式的气化剂喷嘴或蒸汽喷嘴的情况下，喷嘴杆近似水平，喷嘴头被类似上述管状喷嘴的设置角导向。
另一实施例是，在热解区之下、第一气化区的上半部为第二气化区选择竖直延伸<1m的最短可能高度区，使得第一气化区在横截面上均匀地向上延伸。
在固定床气化器的工作期间，固定床的填料的高度在最大高度与最小高度之间变化且差距大于1m的情况下，如果替代地固定床气化器的两个高度区设有气化剂喷嘴，下面的高度区用于固定床的最小高度，上面的高度区用于固定床的最大高度，这是有利的。两个高度区的最小竖直距离大于1m。那么必须在技术上设置为，两个高度区选择性地暴露于气化剂。
气化剂喷嘴和蒸汽喷嘴至少自由延伸10cm的长度(自由喷嘴长度)进入固定床气化器的气化空间。优选地，壁的附近的喷嘴延伸约20cm至1m的深度进入固定床气化器的气化空间。对于达到大约3m的更大的自由喷嘴长度，喷嘴用拉杆保持在顶部。
为了形成局部彼此分开的旋涡区和流动区，喷嘴的出口之间的侧面水平距离应不小于50cm。优选地，出口之间的侧面水平距离为1m至2m。
第二氧气与第一氧气之比可在宽的范围内变化。在第二气化区形成在固定床气化器的整个横截面上和另外气化细燃料的情况下，多达总氧气的质量百分比50％的氧气可作为第二氧气供给。使用的燃料中的灰含量越低，可达到的第二氧气的百分比越高。
在单独气化剂喷嘴之前的吹气模中形成的渣块的尺寸受到能够在最小负荷与最大负荷之间变化的单独气化剂喷嘴中的氧气累积的限制。在此，通过改变单独喷嘴之间的负荷分布，第二气化剂的氧气总量可保持恒定，或总氧气量也可及时变化。
固定床气化器的热性能与另外注入第一氧气的第二氧气的比例近似成比例地升高。这对于增大燃料流通或注入另外的细燃料是次重要的。更高量的细粒燃料和细燃料能够与粗粒燃料一起汽化，或关于粗粒燃料另外地气化。燃料能谱也可在更强凝结的硬煤的方向上扩大，不需使用搅拌器。由于固定床的填料的流动条件改善，热气化器的性能极限被提高。
离开渣池气化器的原料气体的温度也根据另外注入第一氧气的第二氧气的比例而升高。气体温度可有针对性地升高100K至300K。因此，给出了对应于气体用途(低甲烷含量或更高甲烷含量的合成气体)的需求的、原料气体质量的目标化且可变化调整的调节。
本发明还涉及一种利用含氧气和含水蒸汽的气化剂使固体燃料气化的渣池气化器，该渣池气化器具有在该渣池气化器的顶部的粗粒固体燃料的供给部和原料气体排出部，具有渣池，具有在渣池气化器的底部的渣池排放部，具有借助该渣池之上的气化剂喷嘴供给第一气化剂的供给部，具有在该渣池之上的固定床的填料，其中，该渣池气化器在固定床的填料的上部区域的高度上具有至少一个伸入该上部区域的用于供给第二含氧气化剂的气化剂喷嘴，该气化剂喷嘴位于第一气化剂的输入部之上竖直距离至少2m处，其中，至少一个气化剂喷嘴以如下方式设置，即允许第二含氧气化剂以介于0.6kg/m3(I.N.)至5kg/m3(I.N.)之间的蒸汽/氧气比注入，以及注入的第二气化剂的氧气量达到总供给的氧气量的50％。
至少一个气化剂喷嘴位于第一气化剂的供给部之上竖直距离至少2m处。
根据本发明的渣池气化器的有利构造，除第二含氧气化剂的气化剂喷嘴外，该渣池气化器具有另外供给蒸汽的多个蒸汽喷嘴。
有利地，该渣池气化器具有多个设置在一个或两个平面的若干用于第二含氧气化剂的气化剂喷嘴或用于蒸汽的蒸汽喷嘴。
第二气化的有关设备技术构造简单、耐用，只需要已知的和经证明的渣池气化器的关于装置的小适配。这些适配是指气化剂喷嘴和蒸汽喷嘴的贯穿接套(penetration sockets)，如有必要还有用于细燃料的供给接套。第二气化能够逐级地(用一个气化剂喷嘴开始)至完整地(用一整套的气化剂喷嘴和蒸汽喷嘴)在已有渣池气化的设备中安装、更新并运行，或根据需要部分地运行或退出进行维护或回复原装，这被证明是特别有利的。
附图说明
参照附图详细说明本发明的实施例。
图1示出渣池气化器的简化表示的示意图。
具体实施方式
粗粒固体燃料3的入口2以及原料气体出口4位于渣池气化器1的顶部。渣池5设置在渣池气化器1的底部，由此出渣喷嘴6位于该渣池的下端，通过该出渣喷嘴移除渣15。六个气化剂喷嘴7位于渣池的表面之上的稍小距离处，利用所述气化剂喷嘴使第一气化剂8沿渣池5的表面9的方向注入。气化剂喷嘴8均匀地分布在渣池气化器1的周向上。
燃料的入口2在固定床气化器的上部开口到悬坑(hanging pit)10中。
渣池气化器1的自由内径是4m，固定床11的平均填料高度是6m，这从第一气化剂8的入口2的高度计算而来。
在第一气化剂8的入口之上3m的高度上沿渣池气化器1的周向均匀分布共计十个用于供给第二含氧气化剂13的气化剂喷嘴12。气化剂喷嘴12设计为与水平平面呈15°角向下倾斜的径向导向的管状喷嘴。这些气化剂喷嘴12伸入到固定床11的填料中30cm。
如此构造的渣池气化器按如下操作。
60t/h的未烧结的粗粒燃料3，如灰含量为大约20％质量百分比(在干物质中)、水含量为大约5％质量百分比(在干物质中)、灰熔点为大约1400℃和颗粒尺寸为大约5mm-100mm的硬煤2应在大约30巴的总压力下被气化。燃料3从顶部供给到渣池气化器1。原料气体14通过原料气体出口4离开渣池气化器1，同时从底部移除渣15。第一氧气量是12000Nm3/h(基于纯氧)，第一气化剂的平均蒸汽/氧气比是0.9kg/m3(I.N.)。原料气体14的温度是500℃。
根据本发明，渣池气化器1的第二气化用第二含氧气化剂进行。
第二含氧气化剂13的第二氧气量总共是2500m3(I.N.)/h至3600m3(I.N.)/h(基于纯氧)，蒸汽/氧气比是2kg/m3(I.N.)。
第二含氧气化剂13通过气化剂喷嘴12均匀分布并被吹进固定床11中。第二含氧气化剂以70m/s的流速流入固定床11。在气化剂喷嘴12前形成吹气模16。
第二气化剂13的量被调整为，使得原料气体的温度从500℃升高到900℃，因此提高气体质量。此外，因为甲烷和焦油被转化且主要形成氢和一氧化碳，所以合成气体的性能的提升要比相应的氧气量的增加要更大。

Claims (7)

1.一种利用含有氧气和水蒸汽的气化剂来渣池气化固体燃料的方法，
所述方法借助渣池气化器，所述渣池气化器具有在所述渣池气化器的顶部的粗粒固体燃料的供给部和排气部，具有渣池，
并且具有在所述渣池气化器的底部的渣池排放部，具有借助所述渣池之上的气化剂喷嘴供给第一气化剂的供给部，具有在所述渣池之上的固定床的填料，
其特征在于，
除所述第一气化剂外，通过至少一个气化剂喷嘴将第二气化剂注入，所述至少一个气化剂喷嘴伸入固定床的填料的上部区域并位于所述第一气化剂的供给部之上竖直距离至少2m处，
其中，第二含氧气化剂以蒸汽/氧气的比值介于0.6kg/m3至5kg/m3(I.N.)的范围注入，
其中，所述第二含氧气化剂以至少20m/s至最高120m/s的流速注入所述固定床的填料，使得在所述气化剂喷嘴的排出口之前，在所述固定床的填料中形成如中空空间的湍流旋涡区，其中碳与氧气燃烧且释放的灰熔融或烧结，以及
其中，注入的所述第二气化剂的氧气量达到总供给的氧气量的50％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，除所述第二含氧气化剂外，蒸汽由至少一个蒸汽喷嘴注入。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二含氧气化剂和/或蒸汽以至少20m/s至最高120m/s的流速注入所述固定床的填料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，颗粒尺寸大于2mm的粗粒固体燃料供给到所述渣池气化器中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，细粒和/或粉尘型燃料被额外加入在所述气化剂喷嘴之前形成的所述旋涡区。
6.一种根据权利要求1至5中任一项所述的利用含有氧气和水蒸汽的气化剂来气化固体燃料的渣池气化器，所述渣池气化器具有在所述渣池气化器的顶部的粗粒固体燃料的供给部和原料气体排出部，具有渣池，
并且具有在所述渣池气化器的底部的渣池排放部，具有借助所述渣池之上的气化剂喷嘴供给第一气化剂的供给部，具有在所述渣池之上的固定床的填料，其中，所述渣池气化器具有在所述固定床的填料的上部区域的高度上的至少一个气化剂喷嘴，所述至少一个气化剂喷嘴伸入所述上部区域，用于输送第二气化剂，其中，所述至少一个气化剂喷嘴以如下方式设置，即允许第二含氧气化剂以介于0.6kg/m3至5kg/m3(I.N.)之间的蒸汽/氧气比、并以至少20m/s至最高120m/s的流速注入所述固定床的填料，以及注入的所述第二气化剂的氧气量达到总供给的氧气量的50％。
7.根据权利要求6所述的渣池气化器，其特征在于，所述渣池气化器具有用于额外供给蒸汽的多个蒸汽喷嘴。
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