CN105820844A - 用于燃料气体的生产和进一步处理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

为了生产燃料气体和进行冶金过程，使碳质材料，例如煤或生物质与含氧气体在第一过程阶段中反应，以获得含有一氧化碳、氢、二氧化碳和/或蒸汽的燃料气体，其中将所获得的燃料气体冷却至300?600℃，优选350?450℃的温度下，且随后使其进行固体分离，且其中在第二过程阶段中将该燃料气体送料入冶金过程的至少一个燃烧器。将该来自固体分离的燃料气体直接提供应到第二过程阶段的至少一个燃烧器，其中冷却之后通过将热量损失最小化和/或热量提供将燃料气体的温度保持在300?600℃，优选350?450℃内。

Description

用于燃料气体的生产和进一步处理的方法和设备
本申请是申请日为2012年3月29日的申请号为201280021632.5的中国专利申请“用于燃料气体的生产和进一步处理的方法和设备”的分案。
本发明涉及用于燃料气体的生产和用于进行冶金过程的方法，其中在第一过程阶段中碳质材料，优选煤或生物质与含氧气体反应以获得含有一氧化碳、氢、二氧化碳和/或蒸汽的燃料气体，其中将所获得的燃料气体冷却至300-600℃，优选350-450℃的温度下，且随后将其提供给过滤设施，且其中在第二过程阶段中将经过滤的燃料气体送料到冶金过程的至少一个燃烧器和用于进行该过程的设备。
为了能够使用用于生铁或直接还原铁(DRI)的生产的粉铁矿，将其与水混合且团聚为球团。通过天然气或油的燃烧提供用于将该球团干燥和固化所必要的热能。尽管在许多领域设计了新的球团设备，而其与天然气网络不相连，但经常出现的是碳质材料，例如煤或生物质。
可在其它冶金过程，例如铝土的煅烧的地点也发现地区基础设施的相似条件，特别是碳质材料例如煤或生物质作为唯一的能量来源的可获得性。
因此，将现有的碳质材料(例如煤或生物质)转变为燃料气体，使得其对于随后的冶金过程是能量可利用，这是经济上合宜的。
DE 102 60 734 A1描述了用于在流化床反应器中的炭化焦炭和燃料气体的生产的方法，其中该流化床为环形流化床。以相互间的某一比例调整环形流化床的第一气体和流化气体的气体速度，使得在颗粒落回到环形流化床中之前，将来自该固定环形流化床的固体引入上方区域、混合室区域，且在那里剧烈混合。
EP 0 062 363 A1描述了用于燃料气体的生产的方法，其中可将所获得的副产物还原。首先，在蒸汽的存在下在流化床中进行气化，然后将所形成的气体从硫化合物分离、冷却和除尘，且然后燃烧来自气化的残余。
碳质材料特别是煤至燃料气体(其基本上由一氧化碳、氢、二氧化碳和蒸汽组成)的气化，导致了焦油的形成。在热气体中含有的焦油涉及它们在设备部分中沉积和在该处硬化的风险。首先，这会导致管道横截面的减少，且因此改变了流动条件，这致使设备的管理和控制困难得多。进一步的沉积可导致设备部分的完全阻塞，这代表了相当大的安全风险。
因此WO 2009/074170 A1描述了将在煤的气化中所产生的燃料气体供应给固体分离且随后传递到进一步的清洗，可由此移除该焦油。
US 4,461,629也教导了在煤的气化之后必须立即将存在的焦油从燃料气体移除，因为否则的话将出现焦油沉积和所涉及的风险。由于该目的，将该燃料气体引入流化床反应器中，且在那里冷却。存在的杂质特别是焦油，沉积在流化床的颗粒上，同时可将燃料气体清洁，且冷却之后将其供应给下一个过程步骤。
US 4,563,195一方面描述了通过采用冷水清洗的焦油移除的可能性，但这包括其产生了大量的废水的缺点。另一方面，作为生态上更合宜的焦油移除的变体，因此描述了采用相当小量的水的清洗，因为该燃料气体通过水喷射而进行。以此方式移除的焦油具有明显较低的水分含量的优点，这允许了焦油的燃烧。
从普通的科技文献，例如来自Schmalfeld,“Die Veredelung und Um-wandlung von Kohle-Technologien und Projekte 1970 bis2000 in Deutschland”，Urbanverlag,Hamburg 2008，也可知清洗的不同的可能性，例如清洗。
只有当使燃料气体经受昂贵的且生态上没有问题的焦油移除时，用于下游冶金过程的所产生的热燃料气体的使用才是可能的，所有的方法在这方面相同。
因此，本发明的目的是允许燃料气体生产与冶金过程的配合，而不必首先从燃料气体移除该焦油。
根据本发明，采用权利要求1的特征解决了该目的。在第一过程阶段中，使碳质材料，特别是煤或生物质与含氧气体反应，以获得含有一氧化碳、氢、二氧化碳和/或蒸汽的燃料气体，所述含氧气体特别可为氧、空气、压缩空气或工业空气(80体积％的氮、20体积％的氧)。随后将如此获得的燃料气体冷却至300-600℃，优选350-450℃，更优选380-420℃，且特别是400±5℃的温度，且将其供应给固体移除。该固体移除特别可为至少一个旋风分离器或过滤装置，其中此处烛式过滤器的使用是特别有用的，因为陶瓷的烛式过滤器对于热气体过滤是特别有用的，因为尽管气体和颗粒相对高的温度，但它们几乎不显示磨损现象。
就本说明书的意义而言，术语“碳质材料”代表其碳含量优选对应于其干物质的至少25重量％，更优选其干物质的至少30重量％，甚至更优选其干物质的至少35重量％，最优选其干物质的至少40重量％，且特别优选其干物质的至少45重量％的材料。在进一步优选的实施方案中，碳质材料中的碳含量对应于其干物质的至少一半。
在特别优选的实施方案中，该碳质材料为煤或生物质(优选固体生物质)或其任何混合物。
就本说明书的意义而言，术语“生物质”代表可被称为“可更新原料”的有机物质。该生物质(优选固体生物质)的碳含量优选对应于其干物质的至少25重量％，更优选其干物质的至少30重量％，且甚至更优选其干物质的至少35重量％，最优选其干物质的40重量％，且特别是其干物质的至少45重量％。在特别优选的实施方案中，在生物质(优选固体生物质)中的碳含量对应于其干物质的至少一半。
在第二个过程阶段中，然后将经过滤的燃料气体送料到冶金过程的至少一个燃烧器，且用作该燃烧器的燃料。直接进行从过滤到进入至少一个燃烧器的燃料气体的注入，即特别是没有进一步过程/清洁步骤的互相结合，其中在过滤和燃烧器入口之间保持燃料气体的温度为300-600℃，优选350-450℃。
通过将热量损失和/或热量供应最小化来进行温度损失的调整。一方面，管道设计为用于将热量损失最小化的合适方法。根据本发明，因此隔离了过滤和燃烧器之间的连接线路。另一方面，因为该管道具有相当小的热交换表面(其可通过管道的合适引导和通过管道横截面的降低来进行)，因此可降低热量损失。
通过管道的直接或间接的加热，热量供应是可能的。这两种措施的组合也是可以设想的。
通过将该燃料气体的温度调整至300-600℃，优选380-420℃，且特别优选至400±5℃的值，使温度位于高于焦油的冷凝温度。由此可以可信赖地防止对稳定且安全地操作的过程有害的焦油冷凝。
因为随后将燃料气体供应给燃烧器，通过气体的燃烧产生在此焦油也被烧着的温度，使得即使在将来的过程阶段中燃料气体的净化也不再是必要的。因此，节省了燃料气体的至少一个清洁阶段，且此外降低了生态负担，其在常规的清洗中发生，这归因于所产生的受污染的水。
对于冶金过程，球团化例如对于铁或煅烧是特别有用的，因为其用于例如氧化铝的生产。
而且，发现在流化床中将碳质材料气化是有益的，因为以此方式可对于高的气体产率和低的焦油产量保证在系统中的固体的足够长的保留时间。循环流化床的使用是特别有利的，因为其特征在于非常良好的热量和质量转移。非常特别有益的是其中固定流化床和循环流化床的优点彼此组合的系统。该方法记载于例如DE 102 60 734 A1中。
为了能够以任何程度(at all)向过滤供应燃料气体，至少部分地冷却该气体是必要的。可获得能量上有吸引力的设计，因为通过冷却产生燃料气体蒸汽,且该蒸汽至少部分用作在第一过程阶段中的发电和/或调节剂。特别有利地使用在第一过程阶段中这样产生的一部分能量，特别是用于温度调节，和将剩余的残留量的蒸汽用于发电。
在第一预加热阶段中的使用特别可在于将通过冷却该燃料气体所产生的蒸汽至少部分用作在第一过程阶段的流化床中的流化气体。这具有可省略用作流化气体的其它气体的益处。
本发明还包含具有权利要求5的特征的设备，其适用于进行根据本发明的方法。该设备包括第一和第二过程阶段，其中第一过程阶段由用于生产含有一氧化碳、氢、二氧化碳和/或蒸汽的燃料气体的至少一个反应器，和至少一个供应管道组成，每一所述管道均用于碳质材料和含氧气体。第二过程阶段含有用于进行冶金过程，例如球团化或煅烧的至少一个反应器和至少一个燃烧器。而且，在第一和第二过程阶段之间提供了至少一个冷却装置和连接的固体分离装置，特别是过滤装置。通过直接的管道，将固体分离装置与第二过程阶段的至少一个燃烧器相连。通过该直接的管道已经可将热量损失最小化。
为了进一步能够保证燃料气体的温度不会降低至焦油冷凝出来的值，可将该管道装备有至少一个用于将热量损失最小化的设施和/或用于热量供应的至少一个装置。用于将该热量损失最小化的设施包括任何形式的热交换表面的隔离或变化。可提供任何形式的直接或间接加热作为热量供应，特别推荐例如具有加热介质的通道的双壁管，还或者在其中利用邻近部件的废热的管道设计。
为了利用在冷却过程中所释放的能量，将冷却装置设计为蒸汽发生器，特别是废热蒸发器是合宜的。
可从蒸汽发生器的蒸汽出口处将这样所产生的蒸汽通过管道供应给发电和/或第一过程阶段。因此，可将在该过程中所释放的能量自身以热量载体或能量载体而利用。
当从蒸汽发生器引至第一过程阶段的管道包括用于调节或控制蒸汽的量的阀时，这是特别有用的，因为以此方式可将在第一过程阶段中的温度采用简单的控制变量，即所提供的蒸汽量来调整。
从以下示例性的实施方案和附图的描述可得到本发明的进一步的发展、益处和可能的应用。所描述和/或说明的所有特征的或以任何组合构成了本发明的主旨，而与其在权利要求书或反向引用中包含无关。
唯一的图显示了根据本发明的方法的示意图。
通过管道1，将碳质材料，优选粉碎的煤或生物质，特别是固体生物质进料到气化反应器3中，其以未说明的方式优选包括循环流化床，且在该处以本领域的技术人员所知的方式采用通过管道2所供应的氧或富氧空气将其气化。通过管道4从反应器3将在气化期间所获得的燃料气体收回。通过与热气体过滤7相连的管道6，例如通过陶瓷烛式过滤器，管道4通入蒸汽发生器5。通过管道8，随后将经过滤的燃料气体转移至具有约400℃的球团设备9中。
通过管道10，给蒸汽发生器5供应水。通过管道11将因热量交换而获得的蒸汽收回。管道11分为管道12和13，其中管道12通入其中将蒸汽优选用作流化气体的气化反应器3中。管道13为用于发电的涡轮22的供应管道。
而且，通过管道14从反应器3，通过管道15从蒸汽发生器5和通过管道16从热气体过滤7收回灰分。通过管道14从反应器3移除的灰分为在反应器3中所获得的底部产物，而每一个均传送飞尘的两个管道15和16通入管道17。
在冷却装置18中冷却所收集的灰分，且随后将其通过管道19排出。作为冷却装置18的冷却介质，优选使用水，该水通过管道20供应且通过管道21排出。
因为气化与冶金过程的直接配合，因此可避免昂贵且成本密集的湿气体清洁和负载焦油的废水或残余物质的相关处理。
实施例
为了煤的气化，送料具有以下组成的13t/h的研磨煤(粒径＞6mm)：
在流化床气化中形成了具有7.0MJ/Nm3的发热值的21000Nm3/h的燃料气体(煤气)。该燃料气体由以下组成：
气体摩尔组成
CO 23.4
CO2 22.1
H2 29.0
H2O 21.4
CH4 2.5
O2 0.0
N2 1.4
H2S 0.1
COS 0.007
焦油 0.003
余量 0.09
在陶瓷烛式过滤器中，将气体过滤至>20mg/Nm3，优选5mg/Nm3的灰分浓度，且将其进料到具有420±5℃温度的球团设备的燃烧器中。
附图标记列表
1、2 管道
3 反应器(第一过程阶段)
4 管道
5 冷却装置
6 管道
7 热气体过滤
8 管道
9 球团设备(第二过程阶段)
10-17 管道
18 灰分冷却
19-21 管道
22 涡轮

Claims (9)

1.用于生产燃料气体和用于进行冶金过程的方法，其中在第一过程阶段中将碳质材料，例如煤与含氧气体反应以获得含有一氧化碳、氢、二氧化碳和/或蒸汽的燃料气体，其中将所获得的燃料气体冷却至300-600℃，优选350-450℃的温度下，且随后使其进行固体分离，且其中在第二过程阶段，将该燃料气体供应给冶金过程的至少一个燃烧器，其特征在于将来自固体分离的燃料气体直接供应给第二过程阶段的至少一个燃烧器，且其中冷却之后通过将热量损失最小化和/或热量供应将该燃料气体的温度保持在300-600℃，优选350-450℃。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于在流化床中将所述碳质材料气化。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于将在冷却该燃料气体时所产生的蒸汽至少部分用于发电和/或第一过程阶段中。
4.根据权利要求2或3的方法，其特征在于将在冷却该燃料气体时所产生的蒸汽至少部分用作在流化床中的流化气体。
5.用于生产燃料气体和用于进行具有第一和第二过程阶段的冶金过程的设备，其中第一过程阶段含有用于生产含有一氧化碳、氢、二氧化碳和/或蒸汽的至少一个反应器(3)和至少一个每者均用于碳质材料(1)和含氧气体(2)的供应管道，其中第二个过程阶段含有用于进行冶金过程的至少一个反应器(9)和至少一个燃烧器，且其中在第一过程阶段之后，提供至少一个冷却装置(5)和随后至少一个固体分离装置(7)，其特征在于直接管道(8)从固体分离装置(7)引入第二过程阶段的至少一个燃烧器。
6.根据权利要求5的设备，其特征在于管道(8)装备有用于将热量损失最小化的至少一个设施和/或用于热量供应的至少一个装置。
7.根据权利要求5或6的设备，其特征在于冷却装置(5)为蒸汽发生器。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于蒸汽发生器(5)的蒸汽出口通过管道(11、12、13)与蒸汽发生(22)和/或第一过程阶段联系。
9.根据权利要求8的设备，其特征在于，在从蒸汽发生器(5)至第一过程阶段的管道(12)中提供了用于调节或控制蒸汽量的阀。
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