CN105051166B

CN105051166B - 用于掺合无水浆料的混合物和设备

Info

Publication number: CN105051166B
Application number: CN201480015770.1A
Authority: CN
Inventors: T.F.莱宁格尔; J.Z.尼托; S.帕伦特; A.J.阿瓦利亚诺
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2019-04-23
Anticipated expiration: 2034-02-19
Also published as: US20140259882A1; WO2014149316A1; CN105051166A

Abstract

本文公开内容提供气化原料，所述气化原料包括固体原料和液体原料的混合物。所述固体原料包括以湿基表示的小于约20兆焦耳/千克(MJ/kg)的热值。所述无水液体原料包括以湿基表示的大于约14 MJ/kg的热值。所产生的原料可用作气化燃料。

Description

用于掺合无水浆料的混合物和设备

发明背景

本文公开的主题涉及浆料的气化。更具体地，本发明公开的实施方案涉及制备进料浆料并将进料浆料递送至气化器。

可将化石燃料(例如煤或石油)气化用于生产电、化学品、合成燃料或用于多种其它的应用。气化涉及在高温和压力下使含碳燃料与亚化学计量的量的氧反应，以产生合成气，所述合成气是一种主要含有一氧化碳和氢气的气体燃料，其比它的初始状态的燃料更有效地燃烧并且更为清洁。

已知气化过程通过以下方法攻克了将固体含碳燃料(例如煤)进料至高压汽化器的挑战：通过将煤碾磨为细粉并将该粉末与水混合以形成含水煤浆，所述含水煤浆可使用常规加工设备(例如变容真空泵)运送至汽化器。一般使用该方法进料至汽化器的浆料必须满足至少两个条件。首先，燃料本身必须具有相对高的总热值。其次，含水浆料的固体含量必须使得固体燃料的能含量(如同它以前的能含量)没有通过过量水的存在而被稀释。

总热值是当燃料通过燃烧反应与氧气完全反应时将释放的热能的量的度量。它包括当燃烧产物中所有的水从蒸汽冷凝为液体时所释放的能量。使用具有相对高的总热值的燃料对于有效且经济的气化过程而言是重要的。当含碳燃料(例如煤)与氧气在气化器中反应时，一些煤通过燃烧反应完全氧化为二氧化碳和水，且一些煤通过数个气化反应(例如H₂O和CO₂与固体碳的反应)部分氧化为一氧化碳和氢气。所述燃烧反应为放热的，这表示它释放热能。所述气化反应为吸热的，这表示它们需要热能输入来进行反应。因此，在操作的气化器中，含碳燃料同时燃烧并气化。燃烧的燃料的一部分供给驱动气化反应的热能，以及将反应物(燃料、氧化剂和水)从环境温度加热至高温(在该温度下在气化器内部进行反应)的能量。如果燃料的热值过低，更大部分的燃料必须通过燃烧反应反应，以供给充分的热能来加热反应物和驱动气化反应。但这通过将更多的气体移至二氧化碳和水，并远离更期望的一氧化碳和氢气产物，而使产物合成气组合物降解。同样，如果浆料含有过多的水，更多的燃料必须通过燃烧反应反应，以提供额外的能量来加热过量的水。

石油焦炭、无烟煤和烟煤是可有效气化的具有高总热值的燃料的实例。也可将它们制成具有相对高的固体含量的含水浆料，因此它们代表高品质的气化燃料。相反，褐煤和一些次烟煤具有较低的总热值。此外，它们中的许多可具有高的内部水分含量，因此它们产生具有较低固体含量的含水浆料。两方面的这些因素使得褐煤和次烟煤为气化器的较不理想的进料。类似次烟煤和褐煤，大多数生物质具有相对低的总热值并产生具有低固体含量的含水浆料。然而，生物质为碳中性的、可再生的原料，并且低阶煤(例如褐煤和次烟煤)比高阶煤(例如无烟煤和烟煤)更为低廉。因此，理想的是开发用于气化低总热值燃料和高水分含量燃料(包括生物质和低阶煤)的混合物、系统和方法。

发明简述

以下概述了与最初要求保护的发明的范围相当的某些实施方案。这些实施方案不旨在限制请求保护的发明的范围，而是这些实施方案仅旨在提供本发明的可能形式的简述。实际上，本发明可包括可类似或不同于下述实施方案的多种形式。

在第一个实施方案中，气化原料包括具有小于约20兆焦耳/千克(MJ/kg)总热值的固体和具有大于约14 MJ/kg热值的无水液体(以湿基表示)的混合物。

在第二个实施方案中，系统包括固体进料供给和液体进料供给，所述固体进料供给经配置以供给具有低总热值的固体，所述液体进料供给经配置以供给具有高总热值的液体。所述系统进一步包括与固体进料供给和液体进料供给连接的原料混合槽，其中所述原料混合槽经配置以混合固体和液体来提供气化原料。

在第三个实施方案中，系统包括原料混合控制器，所述原料混合控制器经配置以调节液体原料和固体原料的比例来获得气化原料，其中固体原料包含以湿基表示的至少小于约20兆焦耳/千克(MJ/kg)的第一总热值，且气化原料具有以湿基表示的至少大于16 MJ/kg的第三总热值。

附图简述

当参考附图阅读以下详述时，将更好地理解本发明的这些和其它特点、方面和优点，其中在全部附图中相同的字符表示相同的部分，其中：

图1说明依照本发明技术的实施方案的综合气化组合循环(IGCC)发电厂的实施方案的框图。

图2说明图1中描绘的依照本发明技术的实施方案的固-液混合系统；

图3描绘依照本发明技术的实施方案，用于混合无水浆料的工序的流程图。

图4描绘图3中依照本发明技术的实施方案的工序的流程图续篇。

发明详述

以下将描述一个或多个本发明的具体实施方案。企图提供对这些实施方案的简明描述，实际实践的所有特点不可能全都描述于该说明书。应理解，在任何这类实际实践的研发中，如同在任何工程或设计项目中一样，必须作出许多实践-特定的决定，以实现研发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，所述约束可随一个到另一个实践而变化。此外，应理解，尽管这类研发计划可为复杂且费时的，但无论如何，对于从本公开内容获得益处的普通技术人员而言，其为设计、建造和制造的常规工作。

当引入本发明的多个实施方案的要素时，冠词“a”、“an”、“the”和“所述”意指存在一个或多个所述要素。术语“包含”、“包括”和“具有”意指包含在内，并表示除列出的要素之外还可存在另外的要素。

本公开实施方案包括用于通过加入高总热值无水液体(例如，植物油、热解油、奥里油(orimulsion)、生物柴油、液体化石燃料、石油衍生液体等)，将例如低总热值的固体和高水分含量的固体(例如生物质和高水分煤)用作气化器原料的混合物、系统和方法。所述燃料的水分含量是指燃料中存在的水，且通常作为水的重量%来计量。所述燃料的总热量是所述燃料能含量的度量，并通常以兆焦耳/千克(MJ/kg)计量。低阶煤，例如包括具有低总热值(例如以湿基表示的小于约20 MJ/kg)的煤。实施例包括煤，例如褐煤和一些次烟煤。一些低阶煤还可含有高水分含量，在一些情况下为约20重量%-40重量%或更多。表1示出延燃石油焦碳、烟煤(Illinois#_6)、两种次烟煤(Wyodak和Montana Rosebud)和褐煤的典型组成和总热值数据。表中所述燃料的水分含量从左至右上升，如期望地，总热值通常随水分含量的升高而下降。表中底下四行显示可较容易通过市售可得的泵传送至气化器的典型的含水浆料浓度的范围，和在所述范围的最小值与最大值处的所述浆料的总热值。对于延燃焦煤和Illinois#_6煤，可使用浆料浓度范围的中间到上部分的含水浆料浓度实现经济的气化器操作。然而，对于经济的气化器操作而言，次烟煤和褐煤浆料的总热值在含水浆料浓度范围内(换言之，约16 MJ/kg和更低的含水浆料总热值)的任一点上可能太低。

	延燃焦煤	Illinois#6煤	Wyodak煤	Montana Rosebud	Fort Union褐煤
						碳，重量%	88.69	58.90	47.84	50.17	39.9
氢，重量%	4.19	5.02	5.15	3.38	2.80
						氧，重量%	0.00	13.72	25.34	11.14	11.00
氮，重量%	2.69	0.94	0.59	0.71	0.60
						硫，重量%	4.00	3.13	0.30	0.71	0.90
灰分，重量%	0.43	9.89	4.08	8.19	8.60
						水，重量%	0.00	8.4	16.7	25.77	36.20
总计，重量%	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00
						GHV湿量，MJ/kg	35.4	25.0	19.8	19.9	15.6

						浆料浓度最小值，重量%固体	59	56	51	48	43
浆料浓度最大值，重量%固体	69	66	55	54	49
						GHV浆料，最小值，MJ/kg	20.9	15.3	12.2	12.9	10.5
GHV浆料，最大值，MJ/kg	24.4	18.0	13.1	14.5	12.0

表1。

生物质燃料可包括各类燃料，例如玉米壳、稻谷壳、柳枝稷、芒草、甘蔗渣、高粱渣、木材和木制品、藻类、粪肥、其它农产品和城市固体废物。如同低阶煤，一些生物质可含有相当多的水分含量，其范围为约5-30重量%，或甚至在一些情况下高达90重量%。表2示出5种典型生物质燃料的典型组成和总热值数据。如同表1中的煤，水分含量从左至右提升，随着水分含量升高，燃料的能含量降低。在稻谷废料的情况中，高灰分含量补偿下降的水分含量，在该意义上来说，类似水分的灰分稀释了有机物质的能含量。同样如表1，表2的底下4行显示，可较可靠地产生并通过市售可得的泵运送至气化器的典型的含水浆料浓度范围，以及在那些范围的最小值和最大值处的浆料总热值。由于所有生物质燃料的低浆料浓度，对于经济的气化器操作而言，所有生物质浆料的总热值可能太低。

	未经处理的柳木	柳枝稷	甘蔗渣	稻谷废料	芒草
						碳，重量%	43.67	4.71	37.76	36.65	34.09
氢，重量%	5.34	5.03	4.55	4.62	3.94
						氧，重量%	37.79	36.26	33.42	33.64	30.10
氮，重量%	0.53	0.53	0.30	0.68	0.36
						硫，重量%	0.05	0.10	0.05	0.14	0.05
灰分，重量%	1.71	5.27	3.92	16.07	2.56
						水，重量%	10.90	12.10	20.00	8.2	28.90
总计，重量%	100.00	100.00	100.00	100.00	100.00
						GHV湿量，MJ/kg	17.3	15.8	14.7	14.2	13.5

						浆料浓度最小值，重量%固体	15	15	15	15	15
浆料浓度最大值，重量%固体	40	40	40	40	40
						GHV浆料，最小值，MJ/kg	2.9	2.7	2.8	2.3	2.9
GHV浆料，最大值，MJ/kg	7.8	7.2	7.4	6.2	7.6

表2。

如示于表1和表2，次烟煤、褐煤和生物质浆料具有比石油焦炭和烟煤浆料更低的总热值和更高的含水量。如以上解释，气化具有低总热值和高含水量的原料可产生气化器低效和不经济的操作。一种除去水分的方法是在用水混浆高水分的、低能量的材料之前将它们干燥。然而，通过干燥除去水可需要高量的能量，这可负面影响气化装置的总能效。然而，可通过将浆料介质从水(具有约为0的能含量)改变为无水液体(可向无水浆料贡献能含量)，生产更为期望的气化进料。(注意到，以下论述的无水液体被称为具有高总热值，即便在一些情况中，它们可具有比浆料的固体燃料组分更低的总热值。对此的理由是，无水液体的总热值是与水相比，而非与固体燃料相比。水具有为0的能含量，并因此不能向含水浆料贡献任何能含量。然而，根据具有至少一些可测量的总热值，相较于水，无水液体为高总热值液体)。

通过审慎地选择需要的无水液体浆料介质，无水浆料可获得充足的能量和水分组合，使得它可用于有常规的气化操作。另外，还可通过液压泵替代干式进料系统，更为容易地运送无水浆料，所述干式进料系统不如所述液压泵有效。表3示出四个实例无水液体的组成和总热值数据，所述无水液体可与低总热值和/或高水分含量固体混合，以产生具有充足的能含量的无水浆料，用于气化器经济操作。前三种无水液体为得自柳枝稷、硬木和松木的热解的油类。第四种液体为重燃料油，其为一种可轻易获得的炼油厂副产品。

	柳枝稷热解油	硬木热解油	松木热解油	重燃料油
					碳，重量%	41.81	46.00	45.85	85.20
氢，重量%	4.83	5.05	5.21	11.10
					氧，重量%	22.16	28.20	30.95	1.00
氮，重量%	0.85	0.13	0.17	0.30
					硫，重量%	0.08	0.02	0.02	2.30
灰分，重量%	0.07	0.00	0.00	0.00
					水，重量%	30	20.60	17.80	0.10
总计，重量%	100.00	100.00	100.00	100.00
					GHV湿量，MJ/kg	18.1	18.6	18.7	40.0

表３。

表4A和4B显示一些有代表性的结果，所述结果可通过混合来自表3的两种无水液体和来自表2的每种生物质燃料以及来自表1的次烟煤和褐煤获得。表4B为表4A的延续，但其具有另外的列。仅选择最高总热值液体(重燃料油或HFO)和最低总热值液体(柳枝稷热解油或SPO)用于包括在表4A和4B中，以限制所述表的大小。应理解，在其它实施方案中可选择其它值。第一行的数字表示以湿基表示的各种固体原料的总热值。第二、第三和第四行数字表示重燃料油的总热值、实例固体-HFO浆料的固体浓度和，每种固体原料所产生的固体-HFO浆料总热值。第五、第六和第七行数字表示柳枝稷热解油和固体-SPO浆料的一组类似数据。

	未经处理的柳木	柳枝稷	甘蔗渣	稻谷废料
					固体GHV湿量，Btu/lb	17.3	15.8	14.7	14.2

					HFO GHV湿量，Btu/lb	40.0	40.0	40.0	40.0
HFO浆料浓度，重量%固体	50	50	50	50
					HFO浆料，Btu/lb	28.6	27.9	27.3	27.1

					SPO GHV湿量，Btu/lb	18.1	18.1	18.1	18.1
SPO浆料浓度，重量%固体	50	50	50	50
					SPO浆料，Btu/lb	17.7	17.0	16.2	16.2

表4A。

	芒草	Wyodak煤	Montana Rosebud	Fort Union 褐煤
					固体GHV湿量，Btu/lb	13.5	19.8	19.9	15.6

					HFO GHV湿量，Btu/lb	40.0	40.0	40.0	40.0
HFO浆料浓度，重量%固体	50	50	50	50
					HFO浆料，Btu/lb	26.8	29.9	29.9	27.8

					SPO GHV湿量，Btu/lb	18.1	18.1	18.1	18.1
SPO浆料浓度，wt%固体	46	50	50	50
					SPO浆料，Btu/lb	16.0	19.0	19.0	16.8

表4B。

对于两组实例浆料，基于初步实验结果获得50重量%固体浆料浓度，这表示，当混合固体燃料与无水液体以形成浆料时可获得至少50重量%固体的浆料浓度。由于相对高的浆料固体浓度，基于具有高总热值的重燃料油，无水浆料全部可超过约16 MJ/kg的最小总热值目标。但即使具有仅为重燃料油总热值的45%的柳枝稷热解油也可制成具有约16 MJ/kg目标以上的浆料总热值的50重量%固体的无水浆料(除芒草外)。对于芒草而言，固体浓度可略微减少至约46重量%固体，以达到约16 MJ/kg目标。然而，在多数情况下，使用无水液体生产无水浆料产生充足能含量的气化器原料，以使得低总热值和/或低水分含量的固体(例如生物质、次烟煤和褐煤)更有效并更经济的气化。鉴于初步的实验室结果，即，显示可产生具有高达60重量%固体浓度的无水浆料，有可能定制具有固体浓度范围为1重量%-60重量%固体的无水浆料。

在这些无水浆料的生产中，某些混合和递送实施方案可包括混合槽、运行槽、一组泵、互联管道和控制阀、与槽、泵、管道和控制阀有关的一系列传感器，以及控制器。控制器实施方案可管理固体和液体对混合槽的供给，以实现近似的固-液比；将固体和液体混合为无水浆料；无水浆料向运行槽递送，其提供系统内的存储容量；以及向无水浆料增压并将其递送至气化器。无水的浆料实施方案可通过以可得自以下更为详细论述的固体能含量、无水液体能含量和固体水分含量的比例混合低总热值固体和高总热值液体来产生。在混合浆料之后，可将其递送至气化器，用于例如发电系统。

记住前述并现在回到图1，所述图为可通过合成气驱动的综合气化组合循环(IGCC)系统10的实施方案的图解。IGCC系统10的组件可包括原料混合系统12，所述原料混合系统12可用来产生用于IGCC系统10的燃料。原料混合系统12可将通过固体供给14供给的低总热值或高水分含量固体原料和通过液体供给15供给的高总热值无水液体原料混合为以下关于图2更为详细解释的无水浆料燃料。如上述，固体供给14可包括生物质燃料。生物质燃料可包括各类燃料，例如但不限于玉米壳、稻谷壳、柳枝稷、芒草、甘蔗渣、高粱渣、木材和木制品、藻类、粪肥、其它农产品和城市固体废物。实际上，生物质染料可在水分含量方面变化，其可从基于湿量表示的约小于1%水分含量变化至约90%水分含量。对于干基可得到类似的数字。生物质燃料还可在热值方面不同，其范围为约5 MJ/kg至超过约20 MJ/kg。

可通过使用泵18将无水浆料从原料混合系统12泵抽至气化器16。泵18可包括任何设计用于处理无水浆料的泵类型，其包括但不限于变容真空泵和渐进腔式泵。气化器16可将无水浆料转化为合成气，所述合成气为主要由一氧化碳和氢气构成的组合，但其还含有二氧化碳和水以及较少量的甲烷、氮气、氩、硫化氢、硫化羰和氨，加上取决于无水浆料进料的组成的痕量组分。可通过使无水浆料与受控量的蒸汽或液态水与氧化剂(例如氧气、空气、富氧空气)在高压(例如，约400psi–1250psi)和温度(例如，约2200℉–2700℉)下(取决于所用气化器16的类型)反应来完成该转化。在气化器内部占主导的高温下，基本上所有无水浆料均可转化为合成气。然而，取决于气化器操作条件，例如氧化剂中的氧对浆料中的碳的比例，一些未转化的浆料可按烟灰或炭的形式保留，其可含有一些碳连同一些存在于原料中的灰分材料。取决于气化器的操作条件，以烟灰或炭的形式离开气化器的碳量可从进料浆料中的碳的0重量%变化至10重量%。存在于原料中的其余灰分材料可按炉渣20的形式离开气化器。

作为气化器16内部出现的反应的结果，产生的气体可通过气化器16制造。所述产生的气体可包括约60-90体积%的一氧化碳和氢以及CO2、H2O、CH4、N2、Ar、H2S、COS、NH3，取决于原料组成的痕量的其它化合物以及以烟灰或炭形式的未转化的原料。该产生的气体可称为“未经处理的合成气体”。气化器16还可产生副产物固体，例如可以为湿灰材料的炉渣20。如以下更为详细描述的，可将气体处理单元22用于处理未经处理的合成气。气体处理单元22可洗涤未经处理的合成气，以从未经处理的合成气中除去烟灰或炭、NH3和含硫化合物，这可包括通过例如硫加工装置30中的酸性气体去除工序在硫加工装置30中分离硫28。此外，气体处理单元22可通过水处理单元26将盐24从未经处理的合成气中分离，所述水处理单元26可使用水净化技术，以从未经处理的合成气中产生可用的盐24。随后，可由气体处理单元22产生经处理的合成气。

IGCC系统10可进一步包括空气分离单元(ASU)40。ASU 40可使用例如蒸馏技术将空气19分离为组分气体。ASU 40可从空气压缩机42供给它的空气中分离氧气，并且可将分离的氧气转移至气化器16。另外，ASU 40可将分离的氮气导向稀释的气态氮(DGAN)压缩机44。DGAN压缩机44可将得自ASU 40的氮气压缩至至少等于燃烧室36中压力的压力水平，用于加强合成气的燃烧。因此，一旦DGAN压缩机44将氮气充足地压缩至充足的水平，则DGAN压缩机44可将压缩氮气导向燃气涡轮发动机38的燃烧室36。

如上述，可将压缩的氮气从DGAN压缩机44转移至燃气涡轮发动机38的燃烧室36。燃气涡轮发动机38可包括涡轮机46、传动轴48和压缩机50以及燃烧室36。燃烧室36可接收燃料，例如在压力下通过燃料喷嘴注入的合成气。该燃料可与来自压缩机50的压缩空气和来自DGAN压缩机44的压缩氮气混合，并在燃烧室36内燃烧。该燃烧可形成热压废气。

燃烧室36可将废气导向涡轮机46的排气口。当废气从燃烧室36穿过涡轮机46时，废气可推动涡轮机46中涡轮叶片，以使得传动轴48沿燃气涡轮发动机38的轴旋转。如所说明的，转动轴48可与燃气涡轮发动机38的多个组件连接，包括压缩机50。

压缩机50可包括与传动轴48连接的桨叶。因此，涡轮机46中的涡轮叶片的旋转可导致传动轴48将涡轮机46连接至压缩机50，以旋转压缩机50内的桨叶。压缩机50中桨叶的旋转致使压缩机50压缩通过压缩机50中的进气管接收的空气。随后可将压缩空气进料至燃烧室36，并与燃料和压缩的氮气混合，以允许更高效率的燃烧。还可将传动轴48连接至可为固定荷载的荷载52，例如发电机，用于产生动力装置中的电力。实际上，荷载52可为通过燃气涡轮发动机38旋转输出驱动的任何合适的装置。

IGCC系统10还可包括蒸汽涡轮发动机54和热回收蒸汽发生(HRSG)系统56。蒸汽涡轮发动机54可驱动第二荷载58，例如发电机，用于产生电力。然而，第一和第二荷载(52和58)两者可以分别为可由燃气涡轮发动机38和蒸汽涡轮发动机54驱动的其它类型的荷载。此外，虽然燃气涡轮发动机38和蒸汽涡轮发动机54可驱动单独的荷载52和58，如说明实施方案所示，还可串联使用燃气涡轮发动机38和蒸汽涡轮发动机54，以通过单轴驱动单载荷。蒸汽涡轮发动机54和燃气涡轮发动机38的具体配置可为实践-特定的和可包括各部分的任何组合。

可将来自燃气涡轮发动机38的加热废气导入HRSG56，并用于加热水和产生用于驱动蒸汽涡轮发动机54的蒸汽。可将来自蒸汽涡轮发动机54的废气导入冷凝器60。冷凝器60可使用冷却塔62将加热的水变为冷却水。特别地，冷却塔62可将冷却水提供至冷凝器60，以促进对从蒸汽涡轮发动机54导入冷凝器60的蒸汽的冷凝。可将来自冷凝器60的冷凝物继而导入HRSG56。还可再次将来自燃气涡轮发动机38的废气导入HRSG56，以加热来自冷凝器60的水并产生蒸汽。

因此，在组合循环系统例如IGCC系统10中，热废气可从燃气涡轮发动机38流向HRSG56，在此可将所述热废气用于产生高压高温蒸汽。通过HRSG 56产生的蒸汽可随后通过蒸汽涡轮发动机54，用于发电。此外，还可将产生的蒸汽供给至任何其它其中可使用蒸汽的过程，例如气化器16。燃气涡轮发动机38的发生循环往往被称为“拔顶循环”，而蒸汽涡轮发动机54发生循环往往被称为“及底循环”。通过如图1所说明组合这两个循环，IGCC系统10可导致装置内更大的总效率。特别地，可捕获来自拔顶循环的废热并将其用于产生蒸汽，用于在及底循环中使用。

转向图2，该图说明了之前图1中示出的原料混合系统12的实施方案。在说明实施方案中，混合系统12可包括混合槽64和运行槽65，所述混合槽64可用于混合批量的无水浆料，例如低总热值固体原料(例如，生物质或低阶煤)和高总热值无水原料(例如，植物油、热解油、奥里油、生物柴油、液体化石燃料、石油衍生液体)的混合物，所述运行槽65可用于在操作期间通过循环泵81和加料泵18将无水浆料连续地供给至图1中的气化器16。通过固体供给14将低总热值固体递送至碾磨器66。可通过控制器68控制碾磨器66，以例如通过粉碎、剪断、切断、磨碾、撕碎或粉碎固体来改变固体的尺寸或外型，以产生具有期望粒径分布的颗粒固体原料。改变尺寸或外型的固体可具有以下粒径分布：其中至少99%的颗粒的直径小于5mm。或者，所述固体可具有以下粒径分布：其中至少98-100%的颗粒小于1.5mm，至少95-100%的颗粒小于0.42mm和至少25-35%的颗粒小于0.044mm。如以下论述，本公开实施方案不单独使用固体原料或混合固体原料和水，用于产生含水浆料。低总热值的非混合固体燃料或水基的浆料燃料可不具有足以有效地在气化器中转换成合成气的能含量。此外，高水分的固体燃料或水基的浆料燃料可需要另外的能量，以预热和汽化气化器内部的燃料中的过量水份。低总热值和低水分含量燃料的额外能量需求产生可能太低而不经济的一氧化碳和氢的气化器收率。因此，原料混合系统12可将高总热值无水液体用于加入至低总热值固体原料，以产生具有充足的能含量的无水浆料燃料，以支持有效气化。产生的无水浆料燃料可具有比低总热值固体原料更低的含水率，可具有比低总热值固体原料更高的能含量，其可通过使用适当设计的浆料泵运输，并且可用作原料用于气化器，例如以上图1中示出的气化器16。

无水浆料可通过由控制器68控制的原料混合系统12生产。可首先通过泵70将高总热值无水液体原料加入混合槽，以建立液体的初始水平或重量，随后可将固体加入。控制器68可采用一种或多种传感器78，以确定何时达到初始水平或重量目标。控制器68可随后向发动机74供能，以开始旋转混合器76。混合器76的设计可具有一组或多组连接至在沿着轴长的不同高度上的相同轴的搅拌叶片。可选择桨叶的组数、各组中桨叶的数目以及各桨叶的尺寸和形状，使得通过发动机74的混合器76的旋转更为彻底地搅拌混合槽64的内含物，在搅拌的内含物中形成垂直再循环模式，这有助于混合固体和无水液体，并最小化混合槽64的底物中或沿混合槽64的垂直侧壁的固体的沉降和/或堆积。还可将混合槽64设置为具有一个或多个垂直挡板(未显示)，所述挡板扩展来自混合槽64垂直侧壁的径向进口。在控制器68启动混合器76之后，控制器68还可关闭阻断阀73，打开阻断阀71并启动泵80，以通过包括泵80和阀门71的出口的途径形成槽64周围无水液体的再循环流。再循环流可在约1小时、30分钟、15分钟、5分钟内翻转槽64中的内含物，以有助于混合器76搅拌槽内含物和防止一旦将固体加入槽时固体的沉降。一旦形成初始液体水平或重量，并且启动了混合器76和泵80，便可随后通过使用固体原料传送装置77将通过碾磨器66加工的固体原料运送至混合槽中。当固体进入混合槽64内液体的搅拌和再循环池时，它们可通过混合器76的作用变得与液体彻底混合，并通过泵80保持再循环流。在一个实施方案中，控制器68可采用固体传送装置77、泵70和一个或多个传感器78，以控制加入混合槽64的固体原料和无水液体原料各自的体积和/或重量，以实现初始的近似固-液比。在该实施方案中，控制器68然后可采用一个或多个附加传感器78，以测量初始混合物的一个或多个性质，例如水分含量、总热值、粘度、密度等等，并随后使用该结果得出实际要混合的固-液比。可基于以下多个变量通过控制器68得到所述比例：包括固体原料总热值、固体原料水分含量、混合物粘度、混合物温度、混合物密度、无水液体热值等等。在另一个实施方案中，可人为将可用于测定固-液比的变量输入控制器，所述变量例如得自随机样品上进行的实验室测试的结果，所述样品获自混合槽或得自再循环线路。例如，可人为地将来自对水分含量、总热值、粘度、重量%固体、密度等等的离线分析的结果输入控制器68，例如通过将所述值键入键盘。在再一个实施方案中，可直接将固-液燃料的比例输入控制器68，例如通过将所述比例键入键盘。

一旦已测定初始要混合的固-液比，控制器68可比较实际要混合的固-液比和目标固-液比，以测定与目标比例的偏差(若存在)大小。取决于偏差幅度，例如2%、1%、0.5%或0.1%，控制器可计算待加入至浆料的固体的额外量和/或液体的额外量，以达到所述目标比例，之后控制器可通过传送装置77加入计算量的额外固体或通过泵77加入计算量的额外无水液体。在一个实施方案中，在计算与目标固-液比的偏差的程序之后，可通过加入更多的固体或加入更多的液体，一次进行作出适当的调整。在另一个实施方案中，该“计算偏差-实施调整程序”可进行“N”次，其中“N”为输入至控制器68的整数，例如，通过键入至键盘。在再一个实施方案中，所述“计算偏差-实施调整程序”可按需进行多次，以将偏差幅度降低至预定水平，例如2%、1%、0.5%或0.1%。

一旦在混合槽64中实现目标固-液比，则控制器68可打开阻断阀73并闭合阻断阀71，以通过泵80将完成的浆料批量从混合槽64转移至运行槽65。该转移一旦完成，可重复以上程序，以制造另一批浆料。运行槽65可与混合槽64一样大小，或可更大，且在受限情况下，可更小。无论在哪种情况下，可混合浆料批料并将其调节至目标固-液比的速率可大于可从运行槽65取回浆料并通过浆料进料泵18将其给料至气化器16的最大速率。系统12产生无水浆料混合物比将混合物给料至气化器更快的这一能力保证了运行槽65将极少或不会在干燥的情况下操作，且气化器16在操作期间将很少或不会缺少浆料。运行槽65配备有发动机75和混合器79，其在设计与功能上与混合槽64中的发动机74以及混合器76类似。一旦已将初始浆料批料转移至运行槽65时，控制器68可启动发动机75，以将转移的浆料保持在彻底混合态。此后，只要运行槽65内存在有任何浆料，控制器68便可继续操作混合器79。一个或多个水平或重量传感器72可提供控制器68关于在操作时间时运行槽65中浆料的水平或重量的必要信息。如果运行槽65满了，如例如通过水平或重量传感器72之一测定，则控制器68可关闭阻断阀73并打开阻断阀71，以防止任何更多的浆料从混合槽64转移至运行槽65。此外，控制器68还可分别控制固体传送装置77和液泵70，以至少暂时停止将更多的固体和更多的液体递送至混合槽64，来至少暂时停止生产更多的浆料，直到额外的浆料需要来保持运行槽65中充足的水平或重量的时间。

运行槽65还配备有浆料循环泵81，所述浆料循环泵81使浆料围绕运行槽65再循环，以有助于混合器79将浆料保持在彻底混合态。从泵81的排出口回到运行槽65的顶部的再循环管线(例如管径和控制阀(未显示))的配置，以及浆料加料泵18吸入管线(例如管径和控制阀(未显示)的配置可以为使得再循环管线中的流速为加料泵18的浆料流速的约5-10倍。这可保证，加料泵18的抽吸管总是或基本上几乎总是由充足供给的浆料填满。一旦运行槽65已被足以启动气化器16的浆料供给填满，则可启动加料泵18，以递送用于上文关于图1所述的气化器16的无水浆料。加料泵18可以为适用于将浆料泵送至高压的任何类型的泵，例如变容真空泵、渐进腔式泵等等。

在上述实施方案中，将固体或半固体材料以及至少一种无水液体混合，以产生所期望的无水浆料。然而，在另一实施方案中，可将许多固体和液体燃料(例如柳枝稷、玉米外壳、热解油和燃料油)加入，用于混合。在再一个实施方案中，无水液体在室温下可为固体或高粘物。对于这些情况，混合槽64可配备有控制阀和传热盘管67，传热液体通过所述传热盘管67从传热液体源(HTFS)流向传热液体回路(HTFR)。所述传热液体可包括，但不局限于热水、低压蒸汽、高压蒸汽和高温传热油。同样，运行槽65可配备有具有类似的设计和功能的控制阀和传热盘管69。在这些情况中，无水液体将通过泵70从无水液体的热源传递至混合槽64。混合槽65和运行槽65两者均为绝缘的，且设计传热盘管67和69，以保持混合槽64和运行槽65中足以保证无水液体的粘度的期望温度，且无水的浆料的粘度在可通过泵80、81和18处理的值的范围内。使用混合槽64中的一个或多个温度传感器和它的再循环管线以及运行槽65中的一个或多个温度传感器72和它的再循环管线，控制器68可通过调节盘管67和/或盘管69提供的加热量来将各个槽的内含物的温度和粘度保持在期望的水平。

转向图3，该图描绘工序82(例如控制逻辑)的实施方案的上半部分流程图，可例如通过示于图2的控制器68使用所述工序82，以混合固体燃料与液体燃料来生产燃料浆料。在模块84处，可向控制逻辑82提供包括以下的若干合适的参数：液体燃料数据86(例如元素组成、灰分含量、水分含量和以温度为函数的粘度)、固体燃料数据88(例如元素组成、灰分含量和水分含量)、混合燃料浆料90的最小可接受的总热值、混合燃料浆料92的最大可接受的总热值、最大可接受的混合燃料浆料粘度94、混合燃料浆料温度目标96以及在生产单批量混合燃料浆料期间由控制逻辑允许的混合物调节循环98的最大数。可通过例如将值键入键盘向模块84处的控制逻辑提供这些参数，或可通过另一个控制器或电脑，通过合适的连接，例如英特网连接、以太网线缆或无限连接提供所述参数。控制逻辑82使用的用于实施其预期功能的某些其它参数可已被编入控制逻辑82中。实施例包括但不受限于：系统几何参数(例如混合槽64和运行槽65的体积)、混合槽64和运行槽65的皮重、混合槽64和运行槽65两者的高低填充水平的位置，泵80、81和18的速度设定，混合器76和79的速度设定等等。此外，控制逻辑可含有用于根据液体和固体燃料原料的元素组成计算液体燃料、固体燃料和固-液燃料浆料混合物的总热值的代码。例如，杜隆公式(等式1)使得总热值(GHV)(MJ/kg)(干基重)可由燃料中碳(C)、氢(H)、氧(O)和硫(S)的质量份数计算，其中所有质量份数均基于干重表示。

GHV=33.86C+144.4(H–O/8)+9.428S　　　　(等式1)

还可使用其它GHV等式，有些尤其为了计算生物质的总热值或用于其它类型的燃料而已经被导出。可使用等式2由干基表示的燃料的总热值计算湿基表示的燃料的总热值，其中M为湿燃料中水分(水)的质量份数。

GHV_湿=GHV_干(1–M)　　　　　　　(等式2)

除上述输入数据和GHV等式外，控制逻辑82还可含有使用质量平衡原理的编码，以使得控制逻辑82可初步估算必须加入至混合槽64以产生期望量的最终混合浆料的液体燃料和固体燃料的量，所述最终混合浆料具有落入由最小GHV90和最大GHV92限定的可接受值的范围内的总热值。一旦通过控制逻辑82完成对液体燃料和固体燃料的量的初步估算，则可将液体燃料的初始质量加入(模块100)至例如混合槽。一旦已经加入所述液体燃料，则可启动混合器和再循环泵(模块102)，以提供充分搅拌的液体，向该液体中可随后加入初始质量固体燃料(模块104)。一旦已加入初始质量的固体燃料和液体燃料，则可通过图3底部标记为A的连接器105将工序82延续至图4顶部标记为A的连接器105。继续工序82，可混合并再循环固体和液体燃料(模块106)。混合和再循环可发生可已经程序化或以其它方式编入控制逻辑82的预置时段。可通过在装置或分析实验室中制造试验批量的浆料凭经验确定预置时间。

图4描绘示于图3中的工序82的延续的实施方案。一旦混合和再循环进行预置时段，则工序82可随后在判定点108测试浆料(即，液-固混合物)，以测定浆料的总热值。应理解，可收集浆料用于例如在混合槽64(例如，槽底部、槽顶部、槽左臂、槽右壁)或沿再循环管线的不同物理位置上测试总热值。可测试个各位置的样品，并可将测试结果进行平均，以得到代表浆料的热值。

在一个备选实施方案中，可通过位于例如再循环管线上或位于混合槽的一个或多个位点上的传感器在线测量浆料的总热值。如果在混合液体和固体燃料的初始质量之后，浆料具有落如由最小和最大期望值(分别为90和92)限定的值的范围内的测定总热值，继续工序82以核对浆料粘度判定点116。然而，如果浆料不具有落入最小90和最大92容许值之间的总热值，则工序82可例如通过加入液体燃料(模块110)或通过加入固体燃料(模块112)调节浆料。如果测试或感测到的浆料总热值确定浆料具有过低的总热值，则可加入液体燃料(模块110)。如果测试或感测到的浆料总热值确定浆料具有过高的总热值，则可加入固体燃料(模块112)。在加入燃料之后，工序82可再次混合和再循环(模块106)浆料经预置时段，随后在判定点108重复对浆料总热值的测定。每次将工序82从混合和再循环步骤106进行至核对浆料GHV判定点108时，均核对循环计数器且在控制逻辑82内计数器数目增加(判定点114)，以保持对通过回路的次数(即浆料GHV调节重复的次数)的追踪。控制逻辑82使得工序通过浆料GHV调节回路得以循环，直到所测浆料的总热值落入最小90和最大92的容许值之间，或循环次数(即重复的次数)等于或超过在模块98中输入的最大容许重复数N。

循环计数器(判定点114)限制浆料调整重复的数目，所述限制通过控制逻辑82作出，以避免系统变得陷入无限循环。当判定点114的核对重复次数等于或超过容许重复的最大值N时，控制过程82跳到判定点116以核对泥浆粘度。然而，应理解，因为控制程序82具有在各个浆料GHV调节重复之后的修正GHV测量，各个重复表示之前一组燃料添加量和混合步骤的细微改进。因此，预期生产具有落入可接受范围的GHV的燃料浆料所需的重复数目将受限于不高于一次或两次或三次重复。可就装置中给定的一组液体和固体原料经验地测定N值并按需调节(模块98)。例如，最小总热值可以是比目标GHV低约1%、2%、3%、4%、5%。或者，最小GHV可以是比目标GHV低约2%或0.5%或0.1%。同样地，最大值总热值可高于目标GHV约1%、2%、3%、4%、5%。或者，最大值GHV可以是比目标GHV高约2%或0.5%或0.1%。还应理解，对预置混合和再循环时间(模块102和106)的描述不表示混合和/或再循环在特定时间段的结束时停止。而是，混合和循环可在混合槽64中存在液体的所有时间内一直持续。所述预置混合和再循环时间仅仅是指在控制逻辑82从步骤102进行至步骤104或从步骤106进行至步骤114之前必须经过的时间。事实上，对于图2中混合槽64和运行槽65两者，混合和再循环可在所述槽的任一个中存在任何液体的任何时候发生。

一旦工序82产生具有可接受范围值以内的总热值的混合燃料浆料，或一旦重复数达到最大容许数N时，所述工序可在判定点116测试浆料，以测定浆料粘度，来保证浆料可通过下游加工设备处理。如上述，应理解，可收集浆料，用于测试在例如混合槽64内(例如槽底部、槽顶部、槽左壁、槽右壁)或沿再循环管线上不同的物理位置处的粘度。可测试个各位置的样品，并将多个测试结果进行平均，以得出代表浆料的粘度。在一个备选实施方案中，可通过位于再循环管线上或位于混合槽的一个或多个位点上的传感器在线测量浆料的粘度。如果该浆料的粘度在最大期望浆料粘度以下(模块94)，则控制过程82继续，以核对在判定点120处的水分含量。然而，如果浆料粘度在最大期望浆料粘度以上，则控制逻辑82计算加入混合的适当量额外的液体燃料，以降低浆料粘度，循环回加入该额外量的液体燃料(模块110)，并随后再次混合和再循环经预置时段(模块106)。

一旦算出用于粘度调节的预置混合和再循环时间，则控制器82自动回到判定点116，以再核对浆料粘度。它这么做是因为，当首次核对粘度时，控制器82还将重复数设置为最大数N，以通过绕过GHV调节回路来使GHV调节回路失效。因此，在所述过程中的这一点上，控制逻辑82将仅核对并调节粘度。完成这一行为是因为，虽然有益的是得到所需范围内浆料的GHV值，但更加有益的是浆料粘度不超过最大允许值，以避免关于浆料过于粘稠，以至于下游设备难以将其处理的问题(例如堵塞或高降压或低流速)。因此，控制逻辑82可保证不会因为可能加入过多液体燃料而超过最大容许粘度，这可将浆料总热值提升至期望目标范围以上少许。最大容许浆料粘度可以为约2帕斯卡-秒(2000厘泊)。或者，最大容许浆料粘度可为约1帕斯卡-秒(1000厘泊)或0.7帕斯卡-秒(700厘泊)。

也应注意，系统82可通过例如调节穿过内加热盘管67的传热液体的流速来调节混合槽64(模块118)的内含物的温度(和因此的粘度)。调节混合槽64中的温度可影响液体燃料的粘度和浆料的粘度。增加槽内温度可降低粘度；降低槽内温度可增加粘度。使用作为进入模块86的温度的函数的液体燃料粘度的数据，系统82可在将初始质量的液体燃料加入槽64(模块100)之后发生的混合和再循环期间和/或在GHV和/或粘度调节步骤(模块106)期间发生的混合和再循环期间调节温度(和因此的粘度)。通过使用增加槽64内含物的温度的能力，系统82可将粘度降低至可接受的程度，同时最小化或消除对加入另外液体燃料的需求。

一旦系统82产生具有落入期望范围的总热值的浆料混合物并调节粘度，以(若需要)保证浆料没有太粘稠时，所述系统可测试浆料的水分含量M(模块120)。与GHV和粘度一样，应理解，可收集浆料，用于测试在例如混合槽64内(例如槽底部、槽顶部、槽左壁、槽右壁)或沿再循环管线上不同物理位置处的水分含量。可测试个各位置的样品，并将多个测试结果进行平均，以得到代表浆料的粘度。在一个备选实施方案中，可通过位于再循环管线上或位于混合槽的一个或多个位点上的传感器在线测量浆料的水分含量。浆料的水分含量可以是对于气化器操作而必须已知的某种参数，但并非需要通过浆料混合系统12中控制逻辑82操作的某种参数。一般，可在气化器操作期间将一定量的水给料至气化器，以有助于控制气化器操作温度，例如，有助于避免温度过高。水还可提供一些氧，所述氧在气化期间部分氧化所述燃料，从而减低对气态氧原料的需求。然而，独立于浆料混合和进料系统之外，可通过连接至气化器进料注入器的单独导管将水进料至气化器；因此，可存在独立的方法来控制进料至气化器的水量。因此，在本发明技术的实际操作中，通过混合系统12制备的浆料可制备为在操作期间完全满足气化器需要的水分含量。在这种情况中，可以不需要将额外的水给料至气化器。或者，可制备所述浆料，使其具有比操作期间气化器所需水分含量更低的水分含量。在这种情况中，可使用连接至气化器进料注入器的独立进水系统，将额外的水加入至气化器。然而，为了控制目的，气化器控制系统总是需要得知浆料的水分含量，使得独立进水系统可控制(若需要)。因此，控制逻辑82在判定点120测量浆料水分含量M，并将值M输出至汽化器控制系统。

一旦控制逻辑82完成具有期望总热值和粘度的混合燃料浆料的制备并核对水分含量时，控制逻辑82核对运行槽65的水平(判定点124)，以观察所述水平是否低的来足以在没有溢流的情况下接受来自混合槽64的最近混合浆料的整个批料。如果运行槽65中的水平低于满水平(这可定义为具有低得来足以在无溢流的情况下接受混合槽64中整个浆料体积的水平)，则控制逻辑82可通过关闭阀门71和打开阀门73通过泵将最近混合的整个浆料批料从混合槽64转移至运行槽65。一旦完成转移，控制逻辑可关掉泵80，关闭阀门73并再次打开阀门71，使系统回到其最初条件。所述系统随后可立即用于根据工序82制造另一批混合燃料浆料。然而，如果在判定点124处，控制逻辑82测定出运行槽65仍为满的(这定义为所具有的水平高得足以使得在转移整批最近混合的燃料浆料时会引起运行槽65的溢出)，则控制逻辑82只是等候在步骤124，并继续核对运行槽的水平，直到情况改变，且运行槽中的水平降低至如上述可转移新的批料所处的位点。如上述，浆料混合系统12能够将混合燃料浆料连续供给至气化器16，因此混合槽64和其辅助设备以及控制逻辑82可生产批量的新混合的浆料，其速率超过从运行槽65中取回浆料以进料至气化器16的速率。因此，一旦装满，运行槽65在气化器16的操作时期内总是保持满载。

本发明技术功效包括气化低热值固体，例如生物质和低阶煤，气化高水分含量固体，例如低阶煤和褐煤，产生和使用可通过泵运输的无水浆料，并能够混合无水浆料，以控制所述浆料的热值和粘度。本公开实施方案还允许某些固体燃料在常规气化操作中的用途，包括某些生物质燃料和低阶煤，这些在传统上并未用作气化燃料。

本书面说明书使用实施例(包最佳模式)来公开本发明，并还使得任何本领域技术人员可实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并实施任何并入其中的方法。本发明专利范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其它实施例。若这些其它实施例具有与权利要求文字语言无差别的结构要素，或如果它们包括与权利要求文字语言无本质差异的相当的结构要素，则这些其它的实例意欲在权利要求的范围内。

Claims

1.一种原料混合系统，所述系统包含：

固体进料供给，其经配置以供给具有低总热值的固体，所述固体以湿基表示的所述低总热值小于20MJ/kg；

液体进料供给，其经配置以供给具有高总热值的液体，所述液体以湿基表示的所述高总热值大于14MJ/kg；

与所述固体进料供给和液体进料供给连接的原料混合槽，其中所述原料混合槽经配置以混合所述固体和所述液体来提供气化原料；

与所述原料混合槽的下游以及气化器的上游流体连接的运行槽，其中所述运行槽接收来自所述原料混合槽的所述气化原料，并向所述气化器提供所述气化原料；

第二泵，所述第二泵经配置以将所述气化原料围绕所述原料混合槽再循环，并将所述气化原料转移至所述运行槽；

第三泵，所述第三泵经配置以将所述气化原料经由再循环管线围绕所述运行槽再循环，并将所述气化原料供给至浆料加料泵的吸入管线，其中所述浆料加料泵经配置以将气化原料转移至所述气化器，所述吸入管线经配置以使所述再循环管线中的流速为浆料加料泵的流速的5-10倍。

2.权利要求1的系统，其中所述固体包含生物质固体或低阶煤，且所述液体包含无水液体。

3.权利要求2的系统，其中所述固体包含玉米壳、稻谷壳、柳枝稷、芒草、甘蔗渣、高粱渣、木材、木制品、藻类、粪肥、其它农产品、城市固体废物或它们的组合，其中所述液体包含植物油、热解油、奥里油、生物柴油、液体化石燃料、石油衍生液体或它们的组合。

4.权利要求1的系统，其中所述固体进料供给包含固体碾磨器和固体传送装置，所述液体进料供给包含第一泵。

5.权利要求1的系统，其中原料混合槽包含可旋转的叶轮、温度传感器、粘度传感器、湿度传感器和用于引导传热液体的内部盘管。

6.权利要求1的系统，所述系统包含控制器，所述控制器经配置以调节所述液体和所述固体的比例，实现所述气化原料的目标总热值、目标粘度或它们的组合。

7.权利要求6的系统，其中所述气化原料具有以湿基表示的至少大于16MJ/kg的目标总热值。

8.权利要求6的系统，其中所述控制器包含湿度传感器、粘度传感器、温度传感器和总热值传感器，其中所述传感器用于调节所述液体原料和固体原料的比例。

9.权利要求1的系统，其中所述固体包含小于90％和大于5％之间的水分含量。

10.权利要求1的系统，其中所述固体没有在含水浆料中被处理。

11.权利要求1所述的系统，其中所述固体包含生物质固体。

12.权利要求1的系统，其中所述固体包含次烟煤或褐煤中的至少一种。

13.权利要求2的系统，其中所述无水液体包含油。

14.权利要求2的系统，其中所述无水液体包含植物油、热解油、奥里油、生物柴油、液体化石燃料、石油衍生液体或它们的组合。

15.权利要求6的系统，其中所述气化原料包含具有小于2帕斯卡-秒(2000厘泊)的目标粘度的浆料。