CN105143411A - 用于碳燃料的包括气流输送干燥器的气化组合设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于含碳燃料的集成气化装置，其中将含碳燃料气化工艺过程中所产生的高压蒸汽直接用于干燥所述含碳燃料，并且将由干燥工艺获得的蒸汽直接用于水煤气变换工艺。

Description

用于碳燃料的包括气流输送干燥器的气化组合设备
技术领域
本申请要求2012年12月26日提交的韩国申请No.2012-0153791的优先权。
本发明涉及一种用于含碳燃料的、包括闪蒸干燥器的集成气化装置。
背景技术
为了产生电能、化学材料和合成燃料，或者为了实现其多种应用，化石燃料(如煤)可被气化。气化是指通过烃类燃料和氧气在非常高的温度下的不完全燃烧生产合成气，所述合成气由一氧化碳和氢气构成，因此产生的气体具有比原材料更高的效能，并且可以以造成较少环境污染的材料的形式排放。
通常在气化之前对含碳燃料进行干燥。这是因为具有低含水量的燃料可以更容易地燃烧，并且可以更有效地气化。然而，在使用高含水量的燃料(例如劣质煤和生物质)的情况下是有问题的，因为其脱水所需的成本高，并且由于水的存在其难以进行气化。例如，生物质(如玉米秸秆)具有如此高的含水量以至于其不能用于燃料气化。当使用具有高含水量的含碳燃料时，燃料中的水可能降低流动性，还可能在燃料的处理和运输过程中频繁导致堵塞，并且从燃料中除去水需要高的成本和能量。
为了降低燃料的含水量从而提高气化效率，需要将大量的热传递至干燥对象，因此应当制造具有适用于此目的的形状和尺寸的干燥器。目前，在典型的常压干燥器中，通过热供应和保留时间降低高含水量燃料的含水量具有限制性，其不期望地降低了气化装置的效率。
在气化工艺过程中通过热回收所产生的蒸汽被间接地用作干燥器的热源的情况下，还额外地需要用于热交换器的成本。另外，在含碳燃料处理之后，从干燥器中排出的气体可能在仅通过彻底的热回收和纯化设施之后就被排放到大气中，因此还额外地需要用于其的设施成本。
通过气化工艺生产的合成气经过纯化工艺和重整工艺从而制备化学制品或合成燃料。纯化工艺能够从合成气中除去细粉、硫、汞、二氧化碳等物质，重整工艺使合成气的组成得以调整。由此，认为合成气中H2/CO的比值对生产化学制品而言是重要的，并且取决于最终产品，其所需的值也不同。例如，在费-托(F-T)工艺中，H2/CO的比值应设置为2:1。
通常，调节H2/CO的比值的示例性工艺是水煤气变换工艺，其在高压(例如12-30巴)条件下使用催化剂通过下述方案1进行反应。
[方案1]
CO+H2O→H2+CO2
水煤气变换工艺可以根据催化剂的使用条件进行分类，其大致分为含硫变换过程(约270-510℃)和低硫变换过程(约177-316℃)，这取决于是否在使用前从合成气中除去杂质，或是否从合成气中除去杂质后再使用，所述杂质例如为H2S。就降低CO的平衡浓度和相对于H2O的浓度增加成比例地提高反应速率而言，独立的工艺是有利的。因此，在合成气中H2O的浓度不够的情况下，可以在该工艺中加入蒸汽，以便增加CO的转化。然而，高压蒸气的供给增加了该工艺的成本。
在气化工艺中，水煤气变换反应中可能需要额外的高压蒸汽，从而提高H2/CO的比值。然而，生产这种高压蒸汽，需要额外的水资源和水净化/热交换设备。
发明内容
技术问题
因此，考虑到相关技术中遇到的问题做出了本发明，并且本发明一个方面提供了一种用于含碳燃料的集成气化装置，其中，将在含碳燃料的气化过程中产生的高压蒸汽直接用于干燥含碳燃料，并且将由上述干燥工艺得到的蒸汽直接用于水煤气变换工艺。
技术方案
在本发明的实施方案中，用于含碳燃料的集成气化装置可以包括气化器，以使含碳燃料和气化剂反应以产生合成气，其中所述气化器包括热交换器；闪蒸干燥器，其使用热交换器中产生的高压蒸汽降低供入闪蒸干燥器中的含水的含碳燃料的含水量；以及水煤气变换反应器，使从闪蒸干燥器中排出的蒸汽与合成气反应产生氢气和二氧化碳。
在本发明的实施方案中，含碳燃料可以选自低级煤、生物质和石油焦炭构成的组，并且其实例可以包括烟煤、次烟煤、褐煤、废木材、棕榈副产品、玉米秸秆、甘蔗等。
在本发明的实施方案中，供给到闪蒸干燥器中的含碳燃料的含水量可以为含碳燃料总重量的10-60重量％。
在本发明的实施方案中，供给到闪蒸干燥器中的含碳燃料可以具有2mm或更小的颗粒尺寸。
在本发明的实施方案中，供给到闪蒸干燥器中的蒸汽可以具有260-500℃的温度。
在本发明的实施方案中，供给到闪蒸干燥器中的蒸汽可以具有12-44巴的压力。
在本发明的实施方案中，从闪蒸干燥器中排出的含碳燃料的含水量可以为含碳燃料总重量的1-10重量％。
在本发明的实施方案中，从闪蒸干燥器中排出的蒸汽可以具有198-350℃的温度。
在本发明的实施方案中，可以将含碳燃料和蒸汽供给至闪蒸干燥器的底部，然后从闪蒸干燥器的顶部排出。
在本发明的实施方案中，可以将含碳燃料和蒸汽供给至闪蒸干燥器的顶部，然后从闪蒸干燥器的底部排出。
在本发明的实施方案中，该装置还可以包括净化器，其用于从闪蒸干燥器所排出的蒸汽中分离出细颗粒。
在本发明的实施方案中，闪蒸干燥器可以包括高压供料器，用于供给含碳燃料；干燥管，用于供给蒸汽；旋风分离器，用于分离蒸汽和含碳燃料；过滤器，用于从由旋风分离器分离所得的蒸汽中分离出细颗粒；以及储存罐，用于存储含碳燃料。
通过以下结合附图的详细描述，能更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点。
在对本发明进行更详细的描述之前，必须指出的是，在本说明书和权利要求书中所用的术语和用词不应被解释为受限于通常的含义或字典的定义，而应在这样的原则的基础上解释为具有与本发明技术范围相关的含义和概念，根据所述原则发明者能够适当地定义术语所暗示的概念，从而最好地描述他或她所知道的用于实施本发明的方法。
有益效果
根据本发明的实施方案，将气化工艺过程中产生的高压蒸汽直接用于干燥具有高含水量的含碳燃料(如低质煤)，并且将上述干燥工艺所产生的蒸汽直接用于水煤气变换工艺，从而降低了投资成本，提高了气化效率，而且由于利用了含碳燃料所含的水分因此节省了整个工艺所使用的水源。
根据本发明，使用了由气化工艺产生的高压蒸汽，无需使用传统的合成气或燃气，不会发生由此引入焦油或细颗粒的情况，因此防止了煤的污染并使得易于回收细煤颗粒。此外，由于使用了高压蒸汽，可以抑制管道腐蚀，并且更容易控制含氧量。
此外，根据本发明，与使用常规的常压干燥器相比，使用闪蒸干燥器能够产生额外的高压蒸汽，使得这样的蒸汽可以用于水煤气变换工艺。
附图说明
图1示出根据本发明一个实施方案的用于含碳燃料的集成气化装置的方框图；
图2示出根据本发明另一个实施方案的用于含碳燃料的集成气化装置的方框图；以及
图3示出根据本发明一个实施方案的闪蒸干燥器的方框图。
具体实施方式
通过以下结合附图对优选实施方案的详细描述，能更清楚地理解本发明的目的、特征和优点。在全部附图中，相同的附图标记用于表示相同或类似的组件。
在以下描述中，需要注意的是，当与本发明相关的公知技术可能使本发明的主旨不清楚时，其详细描述将被省略。
另外，在以下描述中，术语“第一”、“第二”等用于区分某个部件与其它部件，但这些部件的结构不应当理解为受到该术语的限制。
下文中，将参照附图对本发明的实施方案进行详细地描述。
根据本发明的实施方案，可以使用闪蒸干燥器，其能够直接使用气化工艺中通过热回收所产生的高压蒸汽从而来干燥含碳燃料，并且能够实现干燥对象的短的保留时间。由此，采用高温高压蒸汽可以使含碳燃料的含水量降低至1-10％。因此，可以减小气化器的尺寸，并且可以降低耗氧量，最终提高气化工艺的总效率。
根据本发明的实施方案，闪蒸干燥器中所使用的蒸汽被用于水煤气变换工艺，从而增加了整个工艺的热效率。此外，由于利用了含碳燃料中所含的水分，可以减少整个工艺所使用的水资源。
特别是，根据本发明的实施方案，将气化器中使用的高含水量的含碳燃料研磨至2mm或更小的尺寸。所输送的含碳燃料经加压、贮存，然后使用高压供料器供应至闪蒸干燥器。对于作为闪蒸干燥器中的干燥介质的蒸汽，可以直接使用高压蒸汽，所述高压蒸汽是在使用合成气冷却器、HRSG(废热回收蒸汽发生器)等的气化工艺所产生的热的回收过程中形成的。将高温高压的蒸汽供给至闪蒸干燥器中，使热量迅速地从干燥介质传递至干燥对象，从而在数秒的保留时间内使所供给的含水量为约10-60％的含碳燃料中的水蒸发，得到含水量为约1-10％的含碳燃料。
采用分离器(例如旋风分离器)从蒸汽中分离出干燥的含碳燃料。将分离的干燥的含碳燃料供给至气化器，使其与气化剂(如氧气、水蒸汽、二氧化碳等)反应，由此合成合成气。气化器中制得的合成气具有800-1000℃的高温，可在1-50个大气压下排放，而且，气化器中排出的合成气的温度和压力的范围可能因气化器的种类和体积而有所不同。本发明所用气化器可以包括任意气化器，其包括夹带流气化器、高速流化床气化器等。
所产生的合成气通过热交换器，然后通过净化器，之后经历水煤气变换工艺。为了按照预期有效地改变气体的组成，可以引入额外的蒸汽。该蒸汽为经过除尘器所获得的蒸汽，所述除尘器位于闪蒸干燥器之后。使经过水煤气变换工艺后具有预期组成的合成气经过脱硫、CO2脱除等处理，随后进行用于制备化学制品的反应(例如，F-T工艺、甲醇合成)，从而制备化学制品。
图1示意性地示出根据本发明一个实施方案的用于含碳燃料的集成气化装置100。
参照图1，通过管线1将含碳燃料供给至气化器10中，并且通过管线2将气化剂供给至气化器10中。含碳燃料与气化剂在气化器中发生反应，从而产生合成气。
沿着管线3将气化器中所产生的合成气供给至热交换器20中，并且沿着管线5将热交换器20中所产生的高压蒸汽供给至闪蒸干燥器30的顶部，从而用于干燥含水的含碳燃料，所述含碳燃料通过管线6供给至闪蒸干燥器中。闪蒸干燥器30中所排出的蒸汽通过管线7从闪蒸干燥器的底部供给至水煤气变换反应器40中，由此与通过管线4所供给的合成气进行水煤气变换反应。闪蒸干燥器30中所排出的具有降低的含水量的含碳燃料沿着管线8被用作气化器10的含碳燃料源。
图2示意性地示出根据本发明另一个实施方案的用于含碳燃料的集成气化装置100。
参照图2，通过管线1将含碳燃料供给至气化器10中，并且通过管线2将气化剂供给至气化器10中。含碳燃料与气化剂在气化器中发生反应，从而产生合成气。沿着管线3将气化器中所产生的合成气供给至热交换器20中，并且沿着管线5将热交换器20中所产生的高压蒸汽供给至闪蒸干燥器30的底部，从而用于干燥含水的含碳燃料，所述含碳燃料通过管线6供给至闪蒸干燥器中。闪蒸干燥器30中所排出的蒸汽通过管线7从闪蒸干燥器的顶部供给至水煤气变换反应器40中，由此与通过管线4所供给的合成气进行水煤气变换反应。闪蒸干燥器30中所排出的具有降低的含水量的含碳燃料沿着管线8被用作气化器10的含碳燃料源。
含碳燃料可以包括低级煤(例如褐煤、次烟煤等)，生物质，石油焦炭，木材，农业废弃物等，而且也可以使用具有非常高含水量的含碳燃料。特别地，通过管线6供给至闪蒸干燥器30的含碳燃料的含水量为所述含碳燃料总重量的10-60重量％，优选地为10-40重量％。对含碳燃料的含水量的限制取决于这样的燃料是否可以通过高压供料器供应。如果水的含量超过60重量％，则很难通过高压供料器将这种燃料从储存罐供给至干燥器。
可以使用研磨机(未示出)研磨供给到闪蒸干燥器30的含碳燃料，并且经研磨的含碳燃料的颗粒大小可以为约2mm或更小。就促进气化器中的气化反应而言，经研磨的含碳燃料的颗粒大小可以为约1mm或更小。如果经研磨的含碳燃料具有较大的颗粒尺寸，可能会减少其与合成气的接触面积，不希望地劣化合成气和含碳燃料之间的热交换。
供给至热交换器的合成气的温度可以根据气化器的形状和操作条件而改变。例如，在将900℃或更高温度的合成气供给至热交换器的情况下，通过热交换器将其冷却至150-300℃以适用于后续处理。这样，只有一部分合成气的热量被施加至干燥器所使用的蒸汽。例如，可以控制在干燥器中压力条件下的饱和蒸汽，以使其适于由热交换器中过热器加热的蒸汽的温度条件。所述饱和蒸汽可以由气化器的热交换器产生，或者可以从其他后续工艺的热交换器供给。因为只有热交换器产生的部分热量用于干燥器中，所以可以根据需要通过控制所述热交换器的情况从而对蒸汽的温度进行调整。
供给至闪蒸干燥器中的蒸汽的温度可以为约260-500℃，优选地为约350-500℃，并且供给至闪蒸干燥器中的蒸汽的压力可以为约12-44巴，优选地为约20-44巴。
蒸汽的温度和压力条件可以根据含碳燃料的初始含水量以及蒸汽与含碳燃料的重量比而变化。通过控制干燥器入口处蒸汽的温度，从而调节干燥器出口处蒸汽的温度，使其高于饱和温度。这是为了防止蒸汽在干燥器中冷凝。
此外，蒸汽的温度和压力条件与含碳燃料的热解温度相关联。在蒸汽干燥器中干燥对象的表面温度等于蒸汽的饱和温度，并且为了不超过其热解温度，应当对蒸汽的温度和压力进行调节。
供给至闪蒸干燥器的蒸汽为高温高压的蒸汽，并且适合用于干燥具有高含水量的含碳燃料。此外，将由气化器的热交换器中获得的蒸汽用于干燥含碳燃料，从而增加热能的效率。即使在使用具有高含水量的含碳燃料的情况下，也可以抑制由于所含水分的蒸发或水蒸气的流出所导致的热能损失。
从闪蒸干燥器中排出的含碳燃料的含水量可以为含碳燃料总重量的1-10重量％。根据本发明的实施方案，由于通过闪蒸干燥器供给的含碳燃料的高含水量得到显著降低，因此可以提高气化效率。
经历气化过程的合成气可以被供给至水煤气变换反应器，以获得高氢产品。水煤气变换反应器中一氧化碳和水蒸汽之间的反应可以产生二氧化碳和氢气。进行水煤气变换反应时，水蒸汽是必需的。根据本发明的实施方案，从闪蒸干燥器中排出的蒸汽的温度可为约198-350℃，并且适合用作水煤气变换反应的水蒸汽。在合成气中H2O的浓度不足的情况下，由于从闪蒸干燥器中排出的蒸汽被用于水煤气变换反应，因此可以增加CO的转化率，而无需使用额外的蒸汽。
在本发明的实施方案中，闪蒸干燥器可以在其底部具有含碳燃料入口和蒸汽入口，在其顶部具有含碳燃料出口和蒸汽出口。另外，闪蒸干燥器可以在其顶部具有含碳燃料入口和蒸汽入口，在其底部具有含碳燃料出口和蒸汽出口。
在本发明的实施方案中，所述气化装置还可以包括净化器，其用于从闪蒸干燥器所排出的蒸汽中分离出细颗粒。
图3示意性地示出根据本发明一个实施方案的闪蒸干燥器。
闪蒸干燥器30包括高压供料器31，用于供给含碳燃料；干燥管32，用于供给蒸汽；旋风分离器33，用于分离蒸汽和含碳燃料；过滤器34，用于从由旋风分离器分离所得的蒸汽中分离出细碳颗粒；以及储存罐35，用于存储所述含碳燃料。另外，闪蒸干燥器30可以包括与热交换器20相连的入口，以便允许蒸汽流入闪蒸干燥器；并且闪蒸干燥器可以配置出口，用于从闪蒸干燥器中排出蒸汽。从闪蒸干燥器中排出的蒸汽可被排放到大气中，或者可以用于水煤气变换工艺。
参考图3，沿管线9将含水的含碳燃料供给至高压供料器31中，并且沿管线11将由气化器的热交换器所产生的高压蒸汽供给至干燥管32中，从而干燥通过高压供料器沿管线10供给的所述含碳燃料。沿管线12将干燥的含碳燃料和蒸汽供入旋风分离器33，从而沿管线13和14通过过滤器将蒸汽供入水煤气变换反应器。通过旋风分离器33分离的含碳燃料以及通过过滤器34分离的含碳燃料分别沿着管线15和管线16存储至储存槽35中，并且存储在储存罐中的含碳燃料沿着管线17再次用作气化工艺的原料。
虽然出于说明的目的公开了本发明的用于含碳燃料的集成气化装置的实施方案，但是本领域技术人员应当理解的是，在不脱离随附的权利要求书所公开的本发明的范围和主旨之内的各种不同的修改、添加和替换是可能的。
因此，这些修改、添加和替换应当理解为落入本发明的范围之内。
[附图标记]
10：气化器
20：热交换器
30：闪蒸干燥器
40：水煤气变换反应器
31：高压供料器
32：干燥管
33：旋风分离器
34：过滤器
35：储存罐

Claims (12)

1.一种用于含碳燃料的集成气化装置，其包括：
气化器，使含碳燃料和气化剂反应产生合成气，其中所述气化器包括热交换器；
闪蒸干燥器，采用由所述热交换器产生的高压蒸汽降低供给至所述闪蒸干燥器中含水的含碳燃料的含水量；以及
水煤气变换反应器，使闪蒸干燥器所排出的蒸汽和所述合成气反应产生氢气和二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中所述含碳燃料选自由低级煤、生物质和石油焦炭构成的组。
3.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中供给到所述闪蒸干燥器中的含碳燃料的含水量为含碳燃料总重量的10-60重量％。
4.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中供给到所述闪蒸干燥器中的含碳燃料具有2mm或更小的颗粒尺寸。
5.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中供给至所述闪蒸干燥器的蒸汽具有260-500℃的温度。
6.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中供给至所述闪蒸干燥器的蒸汽具有12-44巴的压力。
7.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中从所述闪蒸干燥器中排出的含碳燃料的含水量为含碳燃料总重量的1-10重量％。
8.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中从所述闪蒸干燥器排出的蒸汽具有198-350℃的温度。
9.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中将含碳燃料和蒸汽供给至所述闪蒸干燥器的底部，然后从该闪蒸干燥器的顶部排出。
10.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中将含碳燃料和蒸汽供给至所述闪蒸干燥器的顶部，然后从该闪蒸干燥器的底部排出。
11.根据权利要求1所述的集成气化装置，其还包括净化器，用于从所述闪蒸干燥器所排出的蒸汽中分离出细颗粒。
12.根据权利要求1所述的集成气化装置，其中所述闪蒸干燥器包括高压供料器，用于供给含碳燃料；干燥管，用于供给蒸汽；旋风分离器，用于分离蒸汽和含碳燃料；过滤器，用于从所述旋风分离器分离所得的蒸汽中分离出细颗粒；以及储存罐，用于存储含碳燃料。
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