CN105189712B - 用于再循环细灰的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于再循环流化床反应器产生的细灰至灰分分选器的方法、装置和系统。流化床反应器包含反应容器，位于其中的锥形配气格栅，该格栅界定了流化床底面，连接于配气格栅底部的第一文氏管，和连接于第一文氏管底部的分选器。该方法包括分离出气流的细灰颗粒，并用运送气体流将收集的细灰颗粒递送入分选器，其中运送气体用作全部或者部分分选器气体。

Description

用于再循环细灰的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年3月14日提交的美国临时申请61/782,418的全部权利，其在此被全文引用参考。2013年3月14日提交的交叉引用的另一美国临时申请61/782,227也在此引用参考。
技术领域
本发明涉及使用流化床反应器的煤气化。更具体地说，本发明涉及用于再循环流化床反应器产生的细灰至流化床反应器的灰分分选器的方法和装置。
背景技术
煤气化是将含碳材料转换为主要包含一氧化碳和氢的合成气的过程。流化床反应器常用于气化含碳材料例如煤。这种气化炉的一个实例可见美国专利申请13/532,769(以下简称"SES气化炉")。这种气化炉的特点是气化炉工作温度稍低于灰分熔点，因此这种气化炉也称为非排渣气化炉。
如图1所示，进料可以是各种包含碳的材料，通常以小颗粒传送至气化炉的流化床区域1。当他们的碳含量耗尽，小颗粒由于相撞和消融聚合在流化床区域1，并变得比那些碳含量还没有耗尽的颗粒更重。碳耗尽的灰分颗粒然后由重力从气化炉的流化床区域下落为固体灰分颗粒，进入出灰设备4，其竖直设置在流化床的下面。
该排出设备4通常在气化炉稠密相区的底部包含中心管6("中心射流管")。中心射流管用于在稠密相区底部喷入富含氧的气体，以形成高温区。该区域相对富含氧气，煤材料的燃烧反应会提高碳转换。
排出设备4还可以设置为不采用中心射流管6，只要排出设备4位于气化炉稠密相的底部，经由其可以去除并部分冷却碳耗尽的固体。
灰分颗粒也会在集成有分选器5的出灰设备4中经历一些在较粗和较细颗粒之间的分离。向上运动穿过排出设备气流，常用于分离灰分颗粒，并重新夹带那些碳含量还没有耗尽的较轻和/或较小的颗粒并将它们返回到反应区，同时允许较重的、碳耗尽的灰分颗粒掉落。如果排出设备设有中心管的话，气流同时用来冷却中心管。排出设备中的气流通常至少在上部以比气化炉流化床高的气流速度运行，而在一些区域可以较低的表观气流速度运行。
出灰设备分离灰分颗粒所需的气流，即蒸汽或者其他气体，或者它们的混合物，通常多于气化反应化学上所需的量，并且温度比气化炉要低，因此它在气化炉上施加了能量载荷，减少了冷气体效率。
参见图2为例，在SES U-气体技术中，微细固体颗粒("微细物(fines)")也与粗产物合成气一起从顶部排出气化炉。这些微细物通常经由旋风分离器和/或过滤器8，作为清洗合成气和再循环微细物中的碳内容物的过程的一部分，而被捕获。
从合成气冷却器下游的旋风分离器和过滤器来的微细物再循环进入气化炉以促进碳转换并提高每单位煤输入的合成气产量。当前，利用气体的稠密相或者稀相固体传送，直接将这些微细物运送入流化床1的特定区域。该特定区域通常是位于流态化材料稠密相床顶端下方的较高温度的流化床中心区。
用于运送目的的气体称为运送气体。用于运送这些固体的运送气体的量随着气化炉工作压力的增加而增加。运送气体必须具有比气化炉反应区更低的温度。因此，它损害了气化炉的效率并增加了耗氧量。
此外，相对于产出的每单位H2和CO，离开气化炉的气体率的增加导致气化系统装备尺寸的增加，所述气化系统装备例如旋风分离器，合成气冷却器，和气化炉下游的过滤器。采用高灰分煤在例如40bar的高压下，微细物运送气体可能达到离开气化炉的干气体总量的5-10％。
因此存在改进气化系统和过程以减少运送气体导致的气化炉效率损耗的需要。
发明内容
如上所议，用于分离灰分颗粒的气流和用于再循环的微细物运送的运送气体导致了气化炉效率的双重损耗并增加了耗氧量。本发明至少部分基于以下发现，即将再循环的微细物引入包含集成的固体残渣排出和分选设备的气化炉底部，因此用运送气体代替用在出灰设备中的全部或部分分离气体("分选器气体")，是改进流化床气化炉热效率的一个简单方案。
因此，在一个方面，本发明提供一种用于流化床反应器再循环细灰(fine ash)颗粒的方法，其中进料固体在流化床区域部分燃烧以产生夹带细灰颗粒的出气流，且其中流化床反应器包含反应容器，设置在反应容器中的锥形配气格栅(gas distribution grid)，其界定了流化床的底面，连接到配气格栅底部的第一文氏管(venturi)，和连接到第一文氏管底部的分选器。该方法包括，从出气流中分离细灰颗粒，用运送气体流递送所收集的细灰颗粒到分选器中，其中运送气体用作全部或部分分选器气体。
在所述方法的某实施方式中，可以用运送气体流将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至分选器中。
在所述方法的某实施方式中，中心射流管位于分选器中心，第一文氏管形成分选器和和中心射流管之间的环形空间，细灰颗粒被递送到环形空间。
在所述方法的某实施方式中，收集的细灰颗粒被递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
在所述方法的某实施方式中，第二文氏管设置在低于细灰颗粒被递送到分选器的位置，进气入口连接分选器的下端并且低于第二文氏管以引入向上流动的分选器气体。
在所述方法的某实施方式中，运送气体流不含氧气。
在所述方法的某实施方式中，运送气体流包含氮气，二氧化碳，氢气，合成气，蒸汽，或者它们的混合物。
在所述方法的某实施方式中，一或多个旋风分离器，一或多个袋滤室(baghouse)过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合，用于从出气流中分离或者收集细灰颗粒。
根据本发明的另一方面，提供了一种流化床反应器，其中固体进料在流化床反应器中部分燃烧以产生夹带细灰颗粒的出气流，流化床反应器包含反应容器，该反应容器包含位于反应容器靠下部的锥形配气格栅，连接于配气格栅底部的第一文氏管，连接于第一文氏管底部的分选器，用于从出气流分离细灰颗粒的细灰颗粒收集系统，和用于利用运送气体流将收集的细灰颗粒递送入分选器的细灰颗粒传送系统，其中运送气体用作全部或者部分分选器气体。
在所述流化床反应器的某实施方式中，细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至分选器中。
在所述流化床反应器的某实施方式中，流化床反应器进一步包含位于分选器中心的中心射流管，第一文氏管形成分选器和和中心射流管之间的环形空间，细灰颗粒传送系统将收集的细灰颗粒递送到环形空间。
在所述流化床反应器的某实施方式中，细灰颗粒传送系统将收集的细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
在所述流化床反应器的某实施方式中，进气入口连接于分选器下端以引入向上流动的分选器气体，流化床反应器进一步包含第二文氏管，该第二文氏管设置在低于细灰颗粒递送到分选器的位置，以及进气入口连接于分选器下端并低于第二文氏管以引入向上流动的分选器气体。
在所述流化床反应器的某实施方式中，运送气体流不含氧气。在所述流化床反应器的某实施方式中，运送气体流包含氮气，二氧化碳，氢气，合成气，蒸汽，或者它们的混合物。
在所述流化床反应器的一些实施方式中，细灰颗粒收集系统包含一或多个旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合，用于从出气流中分离或者收集细灰颗粒。
根据本发明的另一方面，某实施方式提供一流化床煤气化系统，其中固体进料部分燃烧以产生夹带细灰颗粒的出气流。该系统包含反应容器，其包含上部，其中在运转期间形成流化床区域，并且其中形成出气流，出气流中夹带有飞灰颗粒，锥形配气格栅位于反应容器靠下部分，该格栅界定了流化床的底面并在尖端具有中心开口，其中流化床区域中形成的底灰可以掉落穿过该中心开口，连接于配气格栅底部的第一文氏管，连接于第一文氏管底部的分选器，用于从出气流中分离细灰颗粒的细灰颗粒收集系统，和用于利用运送气体流将收集的细灰颗粒递送入分选器中的细灰颗粒传送系统，其中运送气体用作全部或部分分选器气体。
在所述系统的某实施方式中，细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至分选器中。
在所述系统的某实施方式中，中心射流管位于分选器中心，第一文氏管形成分选器和中心射流管之间的环形空间，其中细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送到环形空间。
在所述系统的某实施方式中，细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
在所述系统的某实施方式中，进气入口连接于分选器下端以引入向上流动的分选器气体，系统进一步包含第二文氏管，其设置在低于细灰颗粒被递送到分选器的位置，并且进气入口连接于分选器下端并低于第二文氏管以引入向上流动的分选器气体。
在所述系统的某实施方式中，细灰颗粒收集系统包含一或多级旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合。
本发明的上述及其他特征以及获得和使用它们的方式可以通过参考下面附图和说明变得更直观以及得到最好的理解。
附图说明
图1是示意图，示出本领域用于煤气化的典型流化床反应器。
图2是示意图，示出用于流化床反应器的传统的微细物再循环方法，其中再循环的微细物被递送到流化床反应器内的流化床区域。
图3示出根据本发明的一个实施方式的系统的部件结构，其中再循环的微细物被递送至流化床反应器底部的出灰设备。
图4示出本发明的另一具体实施方式，其中由运送气体递送至出灰设备的再循环的微细物优选被递送穿过环形管。
图5示出本发明的另一具体实施方式，其中由运送气体递送的再循环的微细物优选被递送至出灰设备的环形空间。
图6示出本发明的另一具体实施例，其中由运送气体递送的再循环的微细物优选被递送穿过环形管至出灰设备的环形空间。
图7示出本发明的另一具体实施方式，其中第二文氏管位置低于再循环的微细物被引入分选器的位置。
发明描述
本发明的发明人发现，对于高压操作，作为用于携带再循环微细物至气化炉的运送气体及供给至气化炉的气体、以及分选器气体的蒸汽或者一些不含氧的气体，所有这些气体都会显著增加气化炉的热损耗。因为它们最终被加热至气化温度然后在合成气冷却器中冷却，这增加了产出的每单位H2和CO的氧气和供给(例如煤)消耗量。因为用于递送目的的气体可与作为分选器气体的气体流具有同样的成分，因而希望组合至少两个功能，例如将用于微细物再循环的运送气体和分选器气体组合为一个，因此降低所用气体总量并在氧气和煤消耗方面增加气化炉总效率。
本发明提供一种装置，系统和相应方法，用于煤或者生物质气化的反应器，例如流化床反应器，以通过将再循环微细物引入至气化炉下面的出灰设备中，从而用传送再循环微细物的气体替换全部或部分用在出灰设备中的分离气体，来改进流化床气化炉的热效率。
如图3所示，在根据本发明的流化床反应器的一个实施方式中，固体进料送进流化床反应器并在流化床反应器中部分燃烧以产生其中夹带有细灰颗粒的出口粗制合成气流。流化床反应器包含反应容器，其包含锥形配气格栅2，位于反应容器的下部，第一文氏管3，连接到配气格栅2底部，和分选器5，连接到第一文氏管3底部。排出设备4可以集成到分选器5上以从流化床排出受控量的固体颗粒。第一文氏管3执行分选功能。
细灰颗粒收集系统8用来分离出气流的细灰颗粒。细灰颗粒传送系统10利用运送气体流将细灰颗粒收集系统8收集的细灰颗粒递送至分选器5，其中运送气体用作全部或者部分分选器气体。细灰颗粒传送系统10可以通过运送气体的喷射流，例如气动传送系统，处于管中。
应理解，运送气体可以仅仅用作部分的分选器气体。因此，可能需要另外的分选器气体。在这种情况下，进气入口可连接于分选器5下端，用于引入向上流动的分选器气体。
用于运送目的的气体除了不包含氧气一般没有特别要求。在分选器5中用于分离的分选器气体通常包含蒸汽或者其他气体。因为用于运送目的的气体可以具有与灰分分选器5中所用气体流同样的成分，运送气体可以用来替换至少部分分选器气体。
例如，蒸汽可以通常用作运送气体。出灰设备所用流化和分离气体一般也是蒸汽，所以就用于微细物运送气体的蒸汽替代分选器中所用蒸汽而言，减少了气化炉的蒸汽消耗。
在所述流化床反应器的一实施方式中，运送气体流不含氧气。运送气体流可以包含氮气，二氧化碳，氢气，合成气，蒸汽，或者它们的混合物。
因为一部分出灰设备运行速度比气化炉高，很多再循环微细固体会被夹带回气化炉进入高温中央区域，因此与将它们供给至气化炉稠密相床的较低中央地带达到同样的目的。无需另外作出对气化炉结构的显著改变。净效果是，分选器和微细物再循环的功能都可被保持，而实现这两种功能所用的气体消耗低。
图4示出本发明的另一具体实施方式，其中由运送气体递送至分选器5的再循环微细物优选递送穿过环形管11，而非直接递送到出灰设备，因此减少对高压气化炉的影响。相应地，在某实施方式中，细灰颗粒传送系统10递送细灰颗粒穿过多于一个的环形管11至分选器5中。
图5示出本发明的另一具体实施方式。流化床反应器进一步包含位于分选器5中心的中心射流管6，和形成分选器5和中心射流管6之间的环形空间的第一文氏管3。细灰颗粒传送系统10可将收集的细灰颗粒穿过分选器5上的一或多个入口递送至环形空间中。
图6示出本发明的另一具体实施方式。与图5的实施方式相比较，细灰颗粒传送系统10可以穿过一或多个环形管11将收集的细灰颗粒递送至环形空间中。
图7示出本发明的另一具体实施方式。在流化床反应器的某实施方式中，流化床反应器进一步包含第二文氏管12，其位于再循环微细物被引入分选器的位置之下以进一步提高分离。进气入口13可以连接于分选器5的下端，在第二文氏管12之下，用于引入向上流动的分选器气体从而再循环微细物与向上流动的分选器气体进一步反应。
在所述流化床反应器的一实施方式中，细灰颗粒收集系统可以包含一或多个旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合，用于分离或者收集出气流的细灰颗粒。
根据本发明的另一方面，提供一种流化床煤气化系统。固体进料在系统内部分燃烧产生出气流，细灰颗粒被夹带，该系统包含反应容器，其包含上部，其中在运行期间形成流化床区域，且其中形成夹带有飞灰颗粒的出气流，锥形配气格栅，位于反应容器下部内，其界定了流化床底面并具有在尖端的中心开口，其中流化床区域中形成的底灰可掉落穿过该中心开口，连接于配气格栅底部的第一文氏管，连接于第一文氏管底部的分选器，用于分离出气流的细灰颗粒的细灰颗粒收集系统，和用于利用运送气体将收集的细灰颗粒递送至分选器的细灰颗粒传送系统，其中运送气体用作全部或部分分选器气体。
在所述系统的一实施方式中，细灰颗粒传送系统递送细灰颗粒穿过一或多个环形管至分选器中。
在所述系统的一实施方式中，中心射流管位于分选器中心，第一文氏管形成分选器和和中心射流管之间的环形空间，其中细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送到环形空间。
在所述系统的一实施方式中，细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
在所述系统的一实施方式中，进气入口连接于分选器下端，用于引入向上流动的分选器气体，该系统进一步包含第二文氏管，其位于细灰颗粒被递送到分选器的位置之下。
在所述系统的一实施方式中，细灰颗粒收集系统包含一或多级旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合。
本发明进一步提供一种用于流化床反应器再循环细灰颗粒的方法，其中固体进料在流化床区域部分燃烧以产生夹带细灰颗粒的出气流，其中流化床反应器包含反应容器，设置在反应容器中的锥形配气格栅，其界定了流化床的底面，连接到配气格栅底部的第一文氏管，和连接到第一文氏管底部的分选器，该方法包括从出气流中分离细灰颗粒，并用运送气体流将收集的细灰颗粒递送入分选器，其中运送气体用作全部或部分分选器气体。
在所述方法的一实施方式中，用运送气体流将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至分选器中。
在所述方法的一实施方式中，中心射流管位于分选器中心，第一文氏管形成分选器和和中心射流管之间的环形空间，并且其中收集的细灰颗粒被递送到环形空间。
在所述方法的一实施方式中，收集的细灰颗粒被递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
在所述方法的一实施方式中，运送气体流不包含氧气。在所述方法的一实施方式中，运送气体流包含氮气，二氧化碳，氢气，合成气，蒸汽，或者它们的混合物。
在所述方法的一实施方式中，一或多个旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合，用于分离或者收集出气流的细灰颗粒。
可以理解在这里描述的实施例和实施方式仅限说明目的，本领域技术人员受此启发可以作出各种改进和变化，这些都包含在本申请的精神和权限及所附权利要求的范围内。本专利引用的所有出版物、专利和专利申请通过参考结合在此，用于所有目的。
任何实施方式的一或多个特征可与任何其他实施方式的一或多个特征组合而不超出本发明的范围。上述说明是示意性而非限制性的。本领域技术人员在参阅本公开内容的基础上容易作出本发明的多种变形。因此，本发明的范围应该不仅仅参考以上描述确定，而应该参考权利要求及其全部范围或等同来确定。

Claims (22)

1.一种用于流化床反应器再循环细灰颗粒的方法，其中固体进料在流化床区域部分燃烧以产生夹带细灰颗粒的出气流，且其中流化床反应器包含反应容器，设置在反应容器中的锥形配气格栅，该格栅界定了流化床的底面，连接于配气格栅底部的第一文氏管，和连接到第一文氏管底部的分选器，该方法包括：
从出气流分离细灰颗粒，
用运送气体流将细灰颗粒递送入分选器中，其中运送气体替代全部或部分分选器气体，以降低运送气体和分选器气体的使用总量。
2.根据权利要求1的方法，其中用运送气体流递送细灰颗粒穿过一或多个环形管至分选器中。
3.根据权利要求1的方法，其中中心射流管位于分选器中心，第一文氏管形成分选器和和中心射流管之间的环形空间，并且其中收集的细灰颗粒被递送到所述环形空间。
4.根据权利要求3的方法，其中收集的细灰颗粒被递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
5.根据权利要求1的方法，其中第二文氏管设置在低于细灰颗粒被递送到分选器中的位置，并且其中进气入口连接于分选器下端并且低于第二文氏管以引入向上流动的分选器气体。
6.根据权利要求1的方法，其中运送气体流不含氧气。
7.根据权利要求1的方法，其中运送气体流包含氮气，二氧化碳，氢气，合成气，蒸汽，或者它们的混合物。
8.根据权利要求1的方法，其中一或多个旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合，用于分离或者收集出气流的细灰颗粒。
9.一种流化床反应器，其中固体进料在流化床反应器中部分燃烧以产生夹带细灰颗粒的出气流，所述流化床反应器包含：
反应容器，其包含设置在反应容器靠下部的锥形配气格栅，连接到配气格栅底部的第一文氏管，和连接到第一文氏管底部的分选器，
细灰颗粒收集系统，用于从出气流分离细灰颗粒，以及
细灰颗粒传送系统，用于利用运送气体流将细灰颗粒递送入分选器中，其中运送气体替代全部或者部分分选器气体，以降低运送气体和分选器气体的使用总量。
10.根据权利要求9的流化床反应器，其中细灰颗粒传送系统利用运送气体将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至分选器中。
11.根据权利要求9的流化床反应器，进一步包含位于分选器中心的中心射流管，第一文氏管形成分选器和和中心射流管之间的环形空间，其中细灰颗粒传送系统将收集的细灰颗粒递送入所述环形空间中。
12.根据权利要求11的流化床反应器，其中细灰颗粒传送系统将收集的细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
13.根据权利要求9的流化床反应器，进一步包含：
第二文氏管，设置在低于细灰颗粒被递送到分选器的位置，并且
其中进气入口连接于分选器下端并且低于第二文氏管以引入向上流动的分选器气体。
14.根据权利要求9的流化床反应器，其中运送气体流不含氧气。
15.根据权利要求9的流化床反应器，其中运送气体流包含氮气，二氧化碳，氢气，合成气，蒸汽，或者它们的混合物。
16.根据权利要求9的流化床反应器，其中细灰颗粒收集系统包含一或多个旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合，用于分离或者收集出气流的细灰颗粒。
17.一种流化床煤气化系统，其中固体进料部分燃烧以产生夹带细灰颗粒的出气流，该系统包含：
反应容器，其包含上部，其中在运行期间形成流化床区域，并且其中形成夹带有飞灰颗粒的出气流，位于反应容器下部的锥形配气格栅，其界定了流化床底面并具有在尖端的中心开口，其中流化床区域中形成的底灰可掉落穿过该中心开口，连接于配气格栅底部的第一文氏管，连接于第一文氏管底部的分选器，
细灰颗粒收集系统，用于从出气流分离细灰颗粒，以及
细灰颗粒传送系统，用于利用运送气体流将细灰颗粒递送至分选器中，其中运送气体替代全部或部分分选器气体，以降低运送气体和分选器气体的使用总量。
18.根据权利要求17的流化床煤气化系统，其中细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至分选器中。
19.根据权利要求17的流化床煤气化系统，其中中心射流管位于分选器中心，而第一文氏管形成分选器和和中心射流管之间的环形空间，并且其中细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送到环形空间中。
20.根据权利要求19的流化床煤气化系统，其中细灰颗粒传送系统将细灰颗粒递送穿过一或多个环形管至环形空间中。
21.根据权利要求17的流化床煤气化系统，进一步包含：
第二文氏管，设置在低于细灰颗粒被递送到分选器的位置，并且
其中进气入口连接于分选器下端并且低于第二文氏管以引入向上流动的分选器气体。
22.根据权利要求17的流化床煤气化系统，其中细灰颗粒收集系统包含一或多级旋风分离器，一或多个袋滤室过滤系统，一或多个陶瓷过滤器，一或多个电除尘器或者它们的组合。
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