CN104650981B - 用于加热固定床压力气化反应器中的燃料床的方法 - Google Patents

用于加热固定床压力气化反应器中的燃料床的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于加热固定床压力气化反应器中的燃料床的方法。一种用于在固定床压力气化反应器启动过程中加热燃料床的方法，其中，加热燃料床所需的热能通过在反应器的外侧产生的作为热载体的烟气而被引入到燃料床中。

Description

用于加热固定床压力气化反应器中的燃料床的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在固定床压力气化反应器启动时加热含碳燃料的方法，固定床压力气化反应器用于通过使用氧气、空气和/或水蒸汽作为气化介质来转化具有足够高的碳含量的含碳燃料例如煤、焦炭或块状生物质来产生合成气。
本发明还包括一种适于执行根据本发明的方法的固定床压力气化反应器。
背景技术
借助固定床压力气化反应器，固体含碳燃料诸如煤、焦炭或其它块状生物质通过水蒸汽(随后简称为蒸汽)和氧气或空气在轴式反应器中在超压下气化，以获得主要由一氧化碳和氢气组成的合成气，其中，获得了通过排灰炉篦从反应器排出的固体灰，在很多情况下，排灰炉篦形成为旋转式炉篦，参看“乌尔曼工业化学百科全书”(“UllmannsEncyclopedia of Industrial Chemistry”)第六版第15卷第369页。这种类型的反应器也常常被称为FBDB(固定床干燥底部)压力气化器。燃料被理解成是不仅用于产生热而且用作形成合成气的离析物的含碳原料。
当加热燃料床时，希望的是，床的底侧在横截面上尽可能均匀地加热到燃点。这里，燃点理解成是在添加气化介质之后，气化介质与燃料中包含的碳反应以获得二氧化碳和氢气所在的温度。
在固定床压力气化反应器启动时，将燃料床加热到燃点所需的热能通过高压蒸汽或通过在反应器中燃烧高度易燃材料诸如木头而被引入到燃料床。例如，专利公开DE 4013 739 A1教导，为了加热固定床压力气化反应器中的燃料床，点火燃料供应到反应器，且点火燃料或者在供应前已点燃或者可通过最初在反应器中的点火来点燃。替代地，固定床压力气化反应器可填充有燃料且此后通过蒸汽加热到高于气化物质的自燃点，并最终反应器可通过空气蒸汽混合物点燃。为了加热燃料床，DE 4 013 739 A1最终提出了供应点火启动气化介质混合物，其中，在加热过程中，选择点火启动气化介质混合物的组成，使得氧含量刚好高到足以提供反应器中稳定增加的温度水平，但在另一方面，即使在反应器中的氧含量未转化的情况下，也不会有易爆气体混合物产生。点火启动气化介质混合物在次临界组成中制备，其中，临界组成理解成是气体混合物中的氧含量，该氧含量在反应器中未转化的情况下，足以在启动原料气体中、或在启动原料气体和原料气体的混合物中形成易爆气体混合物。
在用于达到燃点的这些方法中，有利的是，为了达到非常高的燃点，由于它们确实存在于一些类型的煤和焦炭中，因此它们在技术方面是非常昂贵的。
大部分以过热形式的高压蒸汽通常采用仅直到约430℃的蒸汽温度。较高的温度会要求为蒸汽产生和传送蒸汽到反应器中而做的不经济的高技术努力。由于这种蒸汽沿着与用于气体生产的蒸汽相同的路线(即通过旋转式炉篦)引入到燃料床，因此，旋转式炉篦会暴露于高温。结果会是较高热磨损和/或更昂贵构造的旋转式炉篦。
通过反应器中诸如木头的点火燃料的燃烧产生热量的方法还需要大量的技术努力以及除此之外大量的工时消耗。这些方法还包含如下风险，该风险是，燃料床在横截面上仅不均匀地加热到燃点，且因此，在气体产生的开始阶段中，通过蒸汽引入到固定床中的氧仅不完全转化。
在另一方面，依赖于所需的温度升高的点火启动气化介质混合物中的氧含量的持续跟踪，如DE 4 013 739 A1中所提出的，就测量和控制而言，仅是要用大量的花费实现。点火启动气化介质混合物的理想组成在高的氧含量的方向上的偏离又包含形成临界的、即易爆气体混合物的风险。
在开始阶段中，即直到引入到燃料床中的氧几乎完全转化完成，所产生的原料合成气必须通过火炬排出，以排除氧输入运行气体分配网中且因此爆炸的风险。因此，合成气生产在开始阶段中不能使用燃料且对环境影响较小。
因此，目的是提供避免上述缺点的方法。
发明内容
该目的通过一种用于在固定床压力气化反应器启动时加热燃料床的方法解决，该方法包括下列方法步骤：
(a)提供固定床压力气化反应器，该固定床压力气化反应器包括气化介质入口、产品气体出口、布置在排灰炉篦上的固体含碳燃料的燃料床、燃料供应装置和排灰装置；
(b)将热的加热气体引入到燃料床中，并且将冷却后的加热气体从所述固定床压力气化反应器经由所述产品气体出口排出；以及
(c)执行步骤(b)，直到至少在所述燃料床的一部分中达到燃料的燃点，
其中，用于步骤(b)中的加热气体是在固定床压力气化反应器的外侧产生的烟气。
根据从现有技术已知的过程，燃点的达到间接地根据离开反应器的气体的一氧化碳相对于二氧化碳的温度及浓度比确定。
燃点(也称点燃点、自燃点、着火温度或着火点)是物质或接触表面必须加热到的温度，使得可燃物质(固体、液体、其水蒸汽或气体)在空气存在下只是由于其温度，即没有点火源诸如点火火花而自燃。燃点对于每种物质是不一样高的且在很多情况下依赖于压力。用于确定例如煤的燃点的各种方法存在，该各种方法早已被技术人员所熟知很长时间，例如参看1922年4月10日的伊利诺大学学报第19卷第33期的第128号学报Ray W.Arms的《煤的燃点》。
烟气在位于固定床压力气化反应器的外侧的烟气产生设备中、通过例如已事先生产并临时储存的合成气或天然气的含碳燃料的燃烧而产生。对氧气与燃料的混合比进行调整，使得没有游离氧(O2)包含在所生产的烟气中。O2痕量的含量不是关键性的。
通过添加二氧化碳或水蒸汽作为缓和剂，调节烟气的温度。
使用烟气替代蒸汽作为热载体在技术方面是比较便宜的，这是由于不需要有蒸汽发生系统。
高达1200℃的烟气温度可经济地通过合理的技术努力获得。由于这些高温，燃料中的燃点比在通过传统方法用低得多的温度加热的情况下更快得多且更安全地达到。气体必须通过废气处理系统例如火炬而排出的加热阶段由此能够缩短或甚至可完全省略。当加热阶段中已产生的气体送入运行气体分配网时，用于加热的烟气的压力必须对应于供气网的操作压力，即燃烧气体必须送入具有对应压力的烟气产生设备。在这种情况下，因此有利于燃烧室在供气网或固定床压力气化反应器的操作压力下运行。
发明的优选方面
由于高温的烟气会使排灰炉篦暴露于高热负荷，因此，本发明的有利方面的特征在于，烟气引入到在排灰炉篦的上方的燃料床。由于在生产运行中得到灰烬或炉渣，因此入口应理想地位于或相当接近灰烬或炉渣床的上限高度。这个高度常常是在炉篦的最高点的上方50至100cm。在个别情况中，具体选择的高度源自于相应燃料给出的经验和相应的反应器大小。人们发现烟气入口和排灰炉篦的最高点之间的特别有利的竖直距离是1至500cm、优选地10至200cm，最优选地20至100cm的距离。
由于热的烟气的引入发生在炉篦的上方的一定距离处的事实，因此在一方面，炉篦防止气体温度过高，而在另一方面，根据本发明的方法还可用于当烟气引入到在灰烬层的上方的床时，重新加热冷的燃料床。
本发明的另一有利方面特征在于，烟气通过烟气入口、即绕反应器的周边均匀分布的反应器壁中的入口而被引入到燃料床。通常可取的是，将入口布置在炉篦的上方相同的高度处；然而，为了可对不同的运行环境作出反应，还可将它们安装在不同高度处。
尤其优选地，烟气入口布置成与气化介质入口在空间上分离。从而，两股物料流、即烟气流和气化介质流可彼此分开地在各自合适的添加点处引入到固定床压力气化反应器中。这就在反应器横截面上的物料流的控制和分配而言具有某一优点，并降低了形成易爆气体混合物的风险。此外，不必接着将加热气体引导在仅能够承受有限热负荷的排灰炉篦上。
在本发明的具体方面中，反应器壁中的烟气入口形成为喷嘴或风口，或喷嘴能够安装在其中，烟气通过该烟气入口引入到燃料床中。
喷嘴应顺利地将作为气体射流的烟气径向向内地引导到燃料床中。可有利于将气体射流以与排灰炉篦方向倾斜的角度引导到燃料床。由于烟气的添加点与进料炉篦竖直间隔开，因此存在于烟气入口和排灰炉篦之间的燃料层也以这样的方式加热。此外，烟气穿过燃料床的路线因此延长，以便得到改善的热传递。在任何情况下，然而，必须考虑排灰炉篦的设计极限，以便避免过热且因此损害排灰炉篦。借助烟气添加点和排灰炉篦之间的非常小间距，因此可取的是，选择非常小的气体射流的倾角或将气体射流平行于排灰炉篦引入到燃料床。
在本发明的特别优选方面中，烟气入口和排灰炉篦的最高点之间的竖直距离是1至500cm，优选地10至200cm，最优选地20至100cm。这些距离值是基于常见尺寸的固定床压力气化反应器的经验值。固定床压力气化反应器的总高越小，烟气入口和排灰炉篦上缘之间选择的距离就越小，以充分利用越小的存在空间。
在应用的很多情况下，当烟气入口、即例如喷嘴或风口的外侧终止于固定床压力气化反应器的内壁，即不突入反应器的内部空间中时，这是有利的且因此是本发明的优选方面的主题。以这样的方式，喷嘴不会由于燃料床在反应器中下沉而受到机械应力。
然而，将喷嘴突入反应器中也可以是有利的，以便使热烟气远离反应器内壁。
在本发明的另一方面中，提供了都设有彼此离开相同的角距离的至少两个、优选地两个至十个的烟气入口。以这样的方式，实现燃料床的特别均匀的加热。固定床压力气化反应器的直径越大，则应该提供的烟气入口越多。
在本发明的具体方面中，烟气入口全部位于同一水平面上并通过环形气体导管连接。以这样的方式，能够确保烟气在各个烟气入口上的均匀分配。
本发明的优选实施例提供了，烟气在燃烧室中产生，该燃烧室与固定床压力气化反应器在空间上分离，但该燃烧室与反应器流体连接。流体连接理解成是使流体、例如烟气流都能从两个区域中的一个流到另一个的任何类型的连接，而不管任何插入的区域或部件。这方面是有利的，这是由于在固定床压力气化反应器和燃烧室的建立上提供了增加的灵活性。甚至可考虑设计移动方式的燃烧室，使得在固定床压力气化反应器启动之后，该燃烧室可用于另一在空间上分离的固定床压力气化反应器的随后启动。
当燃烧室在固定床压力气化反应器的正常工作压力下运行时，是特别有利的。以这样的方式，通过烟气加热燃料床可已经在固定床压力气化反应器的随后工作压力下实现。因此，在固定床压力气化反应器启动过程中进一步加压是不必要的。
在本发明的另一方面中，原料合成气从储气罐、例如气体蓄积器作为燃料供应到燃烧室。以这样的方式，避免必须消耗昂贵的燃料、例如天然气来生产烟气。
本发明还涉及一种固定床压力气化反应器，该固定床压力气化反应器包括气化介质入口、产品气体出口、被布置在排灰炉篦上的燃料床、燃料供应装置和排灰装置，特征在于燃烧室以及烟气入口，所述燃烧室与所述固定床压力气化反应器在空间上分离，但与所述固定床压力气化反应器流体连接。
在根据本发明的固定床压力气化反应器的具体方面中，提供了都具有相同角距离的至少两个、优选地两个至十个烟气入口，该烟气入口特别优选地设计为喷嘴或风口且布置在排灰炉篦的上方。
总之，本发明提供了一种用于在固定床压力气化反应器启动时加热燃料床的方法，其包括以下方法步骤：
(a)提供固定床压力气化反应器，所述固定床压力气化反应器包括气化介质入口、产品气体出口、被布置在排灰炉篦上的固体含碳燃料的燃料床、燃料供应装置、排灰装置；
(b)将热的加热气体引入到所述燃料床中，并且将冷却后的加热气体从所述固定床压力气化反应器经由所述产品气体出口排出；
(c)执行步骤(b)，直到至少在所述燃料床的一部分中达到燃料的燃点，
其特征在于，用于步骤(b)中的所述加热气体是在所述固定床压力气化反应器的外侧产生的烟气，其中，所述烟气被引入到在所述排灰炉篦的上方的所述燃料床中，其中，所述烟气经由烟气入口而被引入到所述燃料床中，所述烟气入口绕所述固定床压力气化反应器的周边分布，其中，所述烟气入口与所述气化介质入口在空间上分离，其中，所述烟气入口被设计为喷嘴或风口，且被布置成使得所述烟气径向向内地并平行于所述排灰炉篦引入到燃料床。
优选地，烟气入口和所述排灰炉篦的最高点之间的竖直距离是1至500cm。
优选地，所述烟气入口的外侧终止于所述固定床压力气化反应器的内壁。
优选地，设置了至少两个烟气入口，所述烟气入口彼此都具有相同的角距离。
优选地，所述烟气入口全部位于同一水平面上，并且经由环形气体导管连接。
优选地，在燃烧室中产生所述烟气，所述燃烧室与所述固定床压力气化反应器在空间上分离，但与所述固定床压力气化反应器流体连接。
优选地，所述燃烧室在所述固定床压力气化反应器的正常工作压力下运行。
优选地，来自气体蓄积器的原料合成气被供应到所述燃烧室作为燃料。
优选地，所述烟气入口和所述排灰炉篦的最高点之间的竖直距离是10至200cm。
优选地，所述烟气入口和所述排灰炉篦的最高点之间的竖直距离是20至100cm。
优选地，设置了两个至十个烟气入口。
本发明还提供了一种用于执行如上所述的方法的固定床压力气化反应器，所述固定床压力气化反应器包括气化介质入口、产品气体出口、被布置在排灰炉篦上的燃料床、燃料供应装置和排灰装置，其特征在于包括燃烧室以及烟气入口，所述燃烧室与所述固定床压力气化反应器在空间上分离，但与所述固定床压力气化反应器流体连接。
优选地，设置了至少两个烟气入口，所述烟气入口都具有相同的角距离。
优选地，所述烟气入口被布置在所述排灰炉篦的上方。
优选地，设置了两个至十个烟气入口。
附图说明
本发明的进一步进展、优点和可能的应用还可从以下非限制性示例性实施例和多个实例以及附图的描述中取得。所述和/或所示的所有特征本身构成本发明或以任何组合的方式构成本发明。
在附图中：
图1示出了通过固定床压力气化反应器的纵截面，
图2示出了在烟气供应的高度处通过固定床压力气化反应器的横截面。
具体实施方式
通过实例，图1示出了烟气入口如何绕固定床压力气化反应器1的周边分布在同一高度处。燃料，在本实例中，块煤通过燃料添加装置3供应到固定床压力气化反应器1。作为气化副产品得到的灰烬通过排灰装置6从固定床压力气化反应器排出。气化介质，在本实例中，蒸汽和空气或氧气在加热方法完成之后通过气化介质入口5在排灰炉篦2的下方引入到固定床压力气化反应器中，在本实例中，排灰炉篦2设计为旋转式炉篦。由此产生的原料合成气通过产品气体出口6从固定床压力气化反应器排出并供应到进一步处理。
在根据本发明的加热方法过程中，烟气通过烟气入口7填充到布置在排灰炉篦2上的燃料床，该燃料床在图1中未示出，其中烟气已通过在外部燃烧室(图1中未示出)中燃烧原料合成气而产生。烟气的温度必须高于所用燃料的燃点。烟气的温越高，可选择来达到特定加热效果的烟气质量流量就越低。然而，应该考虑的是，关于烟气路径和固定床压力气化反应器中所用的材料的温度设计极限。
燃烧室和固定床压力气化反应器已经处于绝对压力40巴(bar)，即在气化运行过程中的未来工作压力下。烟气横穿燃料床，并通过直接热交换将燃料床加热到高于所用煤的燃点的温度。冷却后的烟气通过产品气体出口6从固定床压力气化反应器排出并供应到废气处理装置，例如到火炬系统。
在燃料床的温度至少在一些点处已经超过燃点后，中断或减少烟气供应并供应气化介质。达到所需的燃点可例如通过测量离开固定床压力气化反应器的烟气温度来检查。当离开固定床压力气化反应器的烟气温度达到或超过通过初步试验确定的所用燃料的燃点时，可假定燃料床的至少一部分已达到或甚至超过燃点。替代地或此外，达到燃点可通过持续确定离开固定床压力气化反应器的烟气中的CO和CO2的浓度比来检查。为此，可使用在线气体分析的常见方法。在开始供应气化介质之后，固定床压力气化反应器处于正常运行中。
通过实例，下列步骤可在固定床压力气化反应器的加热和启动过程中执行。
步骤1：通过来自外部燃烧室的烟气来预加热固定床压力气化反应器，为了安全原因，O2不过量，燃烧室和固定床压力气化反应器中的压力是绝对压力30至40巴。典型的上压力限：绝对压力60巴。
步骤2：通过烟气彻底加热燃料床，在烟气产生的过程中添加稍微过量的O2，因此启动气化，通过离开固定床压力气化反应器的气体的在线气体分析来持续监测气体品质，减小烟气流。
步骤3：在达到燃点之后：通过经由旋转式炉篦添加水蒸汽/空气作为气化介质来启动固定床压力气化反应器(启动气化操作)。逐步提高气化介质质量流量。
步骤4：另外通过旋转式炉篦将气化介质转换成蒸汽/O2(启动低负荷操作)。逐步提高气化介质中的O2浓度。
步骤5：当所产生的原料合成气没有O2、原料合成气中CO2的浓度<35vol％且原料合成气中CO的浓度>15vol％时，达到正常操作。除了小量吹扫气流外，终止烟气添加。
图2示出了沿着水平面A-A通过固定床压力气化反应器1的横截面。作为实例，示出了八个烟气入口。在个别实例情况下，具体合适的烟气入口的数目主要依赖于固定床压力气化反应器的直径、燃料床的高度、所用的燃料以及烟气的性质。
工业实用性
本发明提供了一种方法，通过该方法，加速了固定床压力气化反应器的加热和启动并因此减少了在启动操作过程中通过火炬排出到外界的气体量。
附图标记列表：
[1] 固定床压力气化反应器
[2] 排灰炉篦
[3] 燃料供应装置
[4] 排灰装置
[5] 气化介质入口
[6] 产品气体出口
[7] 烟气入口

Claims (15)

1.一种用于在固定床压力气化反应器启动时加热燃料床的方法，包括以下方法步骤：
(a)提供固定床压力气化反应器，所述固定床压力气化反应器包括气化介质入口、产品气体出口、被布置在排灰炉篦上的固体含碳燃料的燃料床、燃料供应装置、排灰装置；
(b)将热的加热气体引入到所述燃料床中，并且将冷却后的加热气体从所述固定床压力气化反应器经由所述产品气体出口排出；
(c)执行步骤(b)，直到至少在所述燃料床的一部分中达到燃料的燃点，
其特征在于，用于步骤(b)中的所述加热气体是在所述固定床压力气化反应器的外侧产生的烟气，其中，所述烟气被引入到在所述排灰炉篦的上方的所述燃料床中，其中，所述烟气经由烟气入口而被引入到所述燃料床中，所述烟气入口绕所述固定床压力气化反应器的周边分布，其中，所述烟气入口与所述气化介质入口在空间上分离，其中，所述烟气入口被设计为喷嘴或风口，且被布置成使得所述烟气径向向内地并平行于所述排灰炉篦引入到燃料床。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，烟气入口和所述排灰炉篦的最高点之间的竖直距离是1至500cm。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述烟气入口的外侧终止于所述固定床压力气化反应器的内壁。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，设置了至少两个烟气入口，所述烟气入口彼此都具有相同的角距离。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述烟气入口全部位于同一水平面上，并且经由环形气体导管连接。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在燃烧室中产生所述烟气，所述燃烧室与所述固定床压力气化反应器在空间上分离，但与所述固定床压力气化反应器流体连接。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述燃烧室在所述固定床压力气化反应器的正常工作压力下运行。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，来自气体蓄积器的原料合成气被供应到所述燃烧室作为燃料。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述烟气入口和所述排灰炉篦的最高点之间的竖直距离是10至200cm。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述烟气入口和所述排灰炉篦的最高点之间的竖直距离是20至100cm。
11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，设置了两个至十个烟气入口。
12.一种用于执行如权利要求1或2所述的方法的固定床压力气化反应器，所述固定床压力气化反应器包括气化介质入口、产品气体出口、被布置在排灰炉篦上的燃料床、燃料供应装置和排灰装置，其特征在于包括燃烧室以及烟气入口，所述燃烧室与所述固定床压力气化反应器在空间上分离，但与所述固定床压力气化反应器流体连接。
13.如权利要求12所述的固定床压力气化反应器，其特征在于，设置了至少两个烟气入口，所述烟气入口都具有相同的角距离。
14.如权利要求12或13所述的固定床压力气化反应器，其特征在于，所述烟气入口被布置在所述排灰炉篦的上方。
15.如权利要求13所述的固定床压力气化反应器，其特征在于，设置了两个至十个烟气入口。
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