CN106062481B - 用于点燃和燃烧合成气的设备 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于点燃和燃烧合成气的设备。所述设备包括：容器，所述容器具有第一室，所述第一室具有用于从气化炉接收合成气的入口；点火室，所述点火室设置有用于点燃稀释的合成气的辅助燃烧器；燃烧室，所述燃烧室设置有用于引入燃烧剂以用于燃烧点燃的合成气的入口；以及保持室，所述保持室将所得的燃烧产物保持预定的驻留期，所述保持室设置有用于取出所述燃烧产物的出口。第一室被配置成接收释流体以将合成气稀释到低于爆炸下限(LEL)的预定组成。优选地，所述稀释流体为含氧气体。

Description

用于点燃和燃烧合成气的设备
技术领域
公开了一种用于点燃和燃烧合成气的设备。具体地，但也不限于，公开了一种用于点燃和燃烧由低阶含碳物质(例如生物质或固体废物)的热解和气化所产生的合成气的设备。
背景技术
气化越来越多地被用来将通常称为废物衍生燃料(WDF)的固体废物转化成有价值的能量形式。含碳物质(含碳材料)的气化涉及在超过400℃的温度下含碳物质、氧气和蒸汽之间的热反应以生成低重量的碳氢化合物(例如被称为合成气的甲烷、一氧化碳以及氢气)的混合物。气化被广泛地用来产生用于点燃锅炉(蒸发器)的合成气，以产生蒸汽，以用作燃气发动机中的燃料，或者用于精炼成化学品、液体燃料和氢气，并且已经被认定为用于先进的高效、低排放非矿物燃烧和再生能源发电的关键使能技术。
具体由于与其他含碳物质(例如煤和生物质)相比在大小和组成方面内含物缺乏均质性，所以高温气化和其他方法在高燃烧进气量热过程的应用以使用固体废物存在很多困难。在一些具有100％不燃物(例如玻璃、金属等)的废物炉料的情况下，多种类型的固体废物的平均水分含量可从20％变化到60％或者更高，并且平均不燃物含量可以从5％变化到30％或者更高。高不燃物含量导致带有附随的不断积累的不燃物/灰分含量的高密度炉料。不能被燃烧过程消耗的较大百分比的无机固体和灰分导致下游清理过程的增加，该清理过程要求提供合成气产品流并且降低了生产效率。
考虑到固体废物原料的不均匀性和组成变化性，因而从气化产生的合成气也可以证明其化学组成、发热量、水分含量和体积的变化性。具体地，合成气还可以包括污染物，污染物的浓度受到暴露于在下游点燃和燃烧过程中的热条件(例如氯化烃类、多环芳烃(PAH)、二噁英、呋喃、其他挥发性有机化合物(VOC)以及主要的有机污染物(POP)的破坏率效率(Destruction Rate Efficiency，DRE))以及氮转化到氮氧化合物的最小化的影响。
传统的后燃烧室和次级燃烧室通常用于大部分或者全部氧化的废气，然而它们简单的一室设计在处理合成气上是无效率的，也就是说包含合成的CnHn碳氢化合物的挥发性气体流除非遭受适当的高DRE的热力条件否则将形成有害污染物。
此外，DRE的测量在实现上是很困难的并且价格昂贵。
因此需要技术上的改进。
对背景技术的任何参考不构成对该技术形成本领域普通技术人员的公知常识的一部分的承认。上述参考也不意在限制如本文公开的设备和过程的应用。
发明内容
通常，公开了一种用于点燃和燃烧合成气的设备。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于点燃和燃烧合成气的设备，该设备包括容器，所述容器具有：
第一室，所述第一室带有用于从气化炉接收合成气的入口，所述第一室被配置成接收稀释流体以将合成气稀释成预定的组成；
点火室，所述点火室设置有辅助燃烧器以点燃稀释的合成气；
燃烧室，所述燃烧室设置有用于引入为燃烧点燃的合成气的燃烧剂的入口；以及
保持室，所述保持室将所得的燃烧产物保持预定的驻留期(停留期，residenceperiod)，所述保持室设置有用于取出所述燃烧产物的出口。
在一个实施方式中，所述容器被配置成便于通过所述容器的合成气和燃烧产物的柱塞状流动(plug flow，活塞式流动)。容器的所述室被配置成与相应的相邻室流体连通。在该实例中，所述容器可以为水平设置的圆柱形(圆筒形)容器。
所述第一室可以设置有围绕第一室的外壁放置的增压室(稳压室，plenum)。所述增压室被设置成通过第二入口将稀释剂(所述稀释剂包括加压气体)传送至所述第一室。第二入口可以采用第一室的外壁上的多个孔(开口，aperture)的形式。
所述点火室可以设置有用于接收辅助燃烧器的燃烧器喷口(burner quarrel)。
所述燃烧室可以为扩口锥形室，该扩口锥形室设置有围绕所述燃烧室的外壁设置的增压室。所述增压室被配置成通过入口将燃烧剂(所述燃烧剂包括含氧气体)传送至所述燃烧室。
优选地，所述容纳室被配置成将所得的燃烧产物保持如在所述保持室的出口处测量的至少2秒的预定的驻留期。至少2秒的驻留期可能对最大化在合成气和/或燃烧产物中有机污染物的高破坏率效率(DRE)而言是必要的。
可以很容易将如此处描述的设备可以容易地与气化炉集成以将含碳物质，特别是固体废物转化成合成气。
可以很容易将如此处描述的设备也可以容易地与热量回收系统集成以回收所述设备中合成气的燃烧的热量。
因此，在另一方面，公开了一种用于气化含碳物质，特别是固体废物的气化系统，包括：
气化炉，所述气化炉用于将含碳物质转化成合成气；以及如上限定的用于点燃和燃烧合成气的设备，所述设备与所述气化炉流体连通以从所述气化炉接收所述合成气；
所述系统还可以包括用于从所述设备回收热能的热量回收系统。
此处描述的设备和系统可能用在点燃和燃烧合成气的方法中。
用于点燃和燃烧合成气的方法包括以下步骤：
从气化炉提供合成气；
用释流体稀释合成气以生成稀释的合成气，所述稀释的合成气具有低于爆炸下限(LEL)的组分；
用来自辅助燃烧器的点火火焰点燃稀释的合成气；
将点燃的稀释的合成气与燃烧剂混合，所述燃烧剂的量为超过完成合成气燃烧所需的氧气的化学计算量的100％至150％；
燃烧来自前一步骤的所得气体混合物以生成燃烧产物，以及
将燃烧产物保持在所述容纳室中持续至少2秒的预定驻留期间。
在一个实施方式中，所述稀释流体可以包括来自包括以下的组中的一种或多种气体：烟气，再循环烟气；包括氮气(N2)、氩气(Ar)的惰性气体；包括空气、氧气(O2)或者其混合物的含氧气体。在本发明的一个优选形式中，所述稀释流体为含氧气体。
附图说明
尽管任何其他形式可以落入如上述发明内容的设备的范围内，现在将参照附图，仅以实例的方式，对具体实施方式进行描述，在附图中：
图1是根据本公开内容的用于点燃和燃烧合成气的设备的纵向截面示意图；以及
图2是根据本公开内容的将气化炉与图1中示出的设备集成的气化系统的示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的实施方式涉及一种用于点燃和燃烧合成气的设备10。
术语“合成气”在整个本说明书中被广泛用来指包括由含碳物质的气化所产生的碳氢化合物、氢气、一氧化碳、二氧化碳和可选的蒸汽的气体混合物。适当的含碳物质的示例性实例包括，但不限于，煤(例如无烟煤、烟煤、次烟煤、褐炭、褐煤和泥煤)、生物质、废橡胶(包括但不限于车辆轮胎、废塑料物质、固体废物、农业废物、工业废物、商业废物、公共场所废物，以及它们的混合物)以及具有其他物质的所述含碳物质的混合物。
参照图1所描述的本发明的实施方式的设备特别适用于由生物质或固体废物的气化所产生的合成气。
术语“气化”是指在高温(从大约500℃到大约1100℃)下在具有很少的氧气或没有氧气的环境中，将含碳物质热化学分解成轻质的碳氢化合物、氢气、一氧化碳和二氧化碳。还产生了灰分副产品。取决于含碳物质的性质，所得的灰分可以被用作土壤添加剂、肥料或者被用作建筑材料中的成分。
可以在本发明的设备10中用含氧的气体点燃和燃烧合成气以产生热量和“合成气废气”或烟气。该产物热可以应用在需要热能的若干应用中的任何一种中，例如在蒸汽发生器中生成蒸汽并且因此驱动蒸汽涡轮以产生电力，应用在热电联产(CHP)工厂、热脱盐、吸收式制冷机、工艺加热要求等(对本领域技术人员将是显而易见的)。类似地，烟气本身的热能可以在需要热能的地方被回收(例如在热交换器中)和使用。
由固体废物的气化生成的合成气可以具有可变的化学组成、发热量、水分含量和体积。另外地，合成气可以包括污染物，例如氯化烃、多环芳香烃(PAH)、二噁英、呋喃、其他挥发性有机化合物(VOC)以及主要的有机污染物(POP)。这些污染物将保留在由合成气的燃烧所产生的烟气中，除非它们在燃烧过程中被破坏。具体地，这些污染物或者它们的前体受到它们暴露于在下游点燃和燃烧过程中的热条件的影响。
因此，本发明的设备10被用于点燃和燃烧合成气以产生热量和烟气，并且将氯化烃、多环芳香烃(PAH)、二噁英、呋喃、其他挥发性有机化合物(VOC)以及主要的有机污染物(POP)的破坏率效率(DRE)最大化，以及将氮转化到氮氧化合物最小化。
用于点燃和燃烧合成气的设备10包括容器12，该容器具有第一室14、点火室16、燃烧室18以及限定在其中的容纳室20，该第一室被配置成从气化炉100接收合成气。室14、16、18、20中的任何一个被配置成与相应的相邻室14、16、18、20流体连通。
通常，容器12为水平设置的圆柱形容器。优选地，可以选择所述圆柱形容器的直径与长度的比例以最小化其中流体再循环漩涡的形成。将可以理解的是，容器12被配置成有利于流体在其中的柱塞状流动。
在一个实例中，容器12的所述室14、16、18、20的横截面是圆柱形的并且可以由具有厚度为8mm至12mm的软钢板制成，这些室可以是用于它们之间连接的合适的法兰连接。所述容器12的内部可以衬有厚度在100mm至150mm之间的高温(优选地为可浇铸的)耐火材料，其适宜承受大约1550℃的操作温度。耐火材料通过不锈钢锚件形式的紧固件固定至容器12的钢壳。容器12还可以设置有放置在耐火材料和容器12的钢壳之间的厚度在75mm到100mm之间的绝缘层。
第一室14设置有用于从气化炉100接收合成气的入口22。第一室14还设置有围绕第一室的外壁26放置的增压室24。增压室24被设置成通过第二入口28将稀释的流体传送到第一室14中。在该具体实例中，第二入口28可以采用在第一室14的外壁26上以一定间隔隔开的多个开口30的形式。
在该具体实施例中，入口22包括单个大孔口或管道。将理解的是，在异质固体废物的上游气化中产生的合成气为酸性的，含有焦油、其他有机残留物和热解产物，以及夹带的微粒。因为入口22不太可能被积累的微粒物质或残留物堵塞，因此单个大孔口或管道是优选的。
稀释的流体优选为加压气体。合适的稀释流体的实例包括，但不限于，烟气(包括再循环的烟气)，惰性气体(例如氮气(N2)或者氩气(Ar))，包括空气、氧气(O2)的含氧气体或它们的混合物。优选地，稀释的流体是含氧气体。有利地，当稀释的流体是含氧气体，特别是高氧气含量的含氧气体时，将合成气稀释到预定的组成所需的稀释的气体的体积大体上低于稀释的流体是烟气或惰性气体时稀释气体的体积。通常，高氧气含量将被理解为23wt％-100wt％。因此，容器12和随后的下游装置(未示出)的尺寸可以具有带有增强的产量和能量效率的较小的体积容量。
通常，稀释的合成气的预定组成包括低于爆炸下限(LEL)的气体组分。最低爆炸极限是指在点火源的存在下在能够产生火的闪光的空气中气体的最低浓度(百分比)。在空气中的浓度低于LEL时，气体混合物“太稀”以致于在下游点火时不能爆炸。优选地，LEL在大约0.10至大约0.12之间的范围内。
点火室16设置有用于接收辅助燃烧器32的燃烧器喷口。辅助燃烧器32被配置成提供点火火焰以点燃在点火室16中的稀释的合成气。点火火焰可以通过化石燃料(例如天然气、燃料油、丙烷等)的燃烧来提供，如对本领域技术人员将显而易见的。
在一个实施例中，燃烧室18包括设置有入口34以接收燃烧剂的扩口锥形室。燃烧室18还设置有围绕燃烧室的外壁38放置的增压室36。增压室36被配置成通过入口34将燃烧剂传送至燃烧室18。
扩口锥形室有利于点燃的稀释的合成气与燃烧剂的混合并且容纳包括所述合成气和燃烧剂的气体混合物的增加的气体体积。这种特定的配置导致在燃烧室18中所得的气体混合物的高效燃烧。
燃烧剂包括以空气、纯氧气(O2)或者高氧含量气体混合物的形式的含氧气体。优选地，燃烧剂以超过合成气燃烧所需的氧气的化学计算量而被提供。甚至更优选地，燃烧剂以在超过合成气完全燃烧所需的氧气的化学计算量的约100％至约150％的范围内被提供。过量的氧气将废气冷却到1000℃左右的温度，以冷却到最高品质耐火内衬的工作范围内。
容纳室20设置有用于取出在燃烧室18中产生的燃烧产物的出口38。优选地，容纳室20被设置成保留所得的燃烧产物持续如在其出口38所测量的至少2秒的预定的驻留期。至少2秒的驻留期对于最大化在合成气和/或燃烧产物内的有机污染物的高破坏率效率(DRE)而言是必要的。
在使用中，可以通过入口22从气化炉(未示出)将合成气引入到容器12的第一室14中，该气化炉被配置成由含碳物质，特别是固体废物来产生合成气。优选地，气化炉为在约500℃至约1100℃的范围内，特别是在约700℃至约850℃的温度范围内运行的低温气化炉。发明人认为低温气化具有过程输入(例如空气和蒸汽)的较低流动，其将第一室14内的过程速度和湍流最小化。因此，微粒物质和附着至所述微粒物质的重金属的夹带被最小化。
在第一室14中，使用通过第二入口28引入到第一室14内的稀释的流体将合成气稀释到低于LEL的气体组分。优选地，稀释的流体是通过增压室24而引导到第二入口28中的加压气体。使用稀释的流体将合成气稀释到低于LEL的气体组分，以使爆燃或潜在的爆炸作用无效。
然后使稀释的合成气进入点火室16中。通过与辅助燃烧器32相关的点火火焰来点燃稀释的合成气。
然后点燃的合成气进入燃烧室18，在该燃烧室中所述合成气与通过入口34引入的燃烧剂混合。点燃的合成气与燃烧剂反应以产生火焰前缘、热量和燃烧产物。火焰前缘被包含在设备10中并且从点火室16延伸，穿过燃烧室18并且进入容纳室20。
燃烧产物可以包含浓度接近排放阈值的微量有机污染物。因此，燃烧产物进入容纳室20，在容纳室中保留持续如在容器12的出口38所测量的至少2秒的预定驻留期。在该驻留期，微量有机污染物进一步分解。所得的燃烧产物(也被称为“合成气废气”)将有机污染物耗尽到低于排放阈值的浓度。
在合成气的燃烧期间产生的热能(热量)可以用在需要热能的若干应用的任何一种中，例如在蒸汽发生器中生成蒸汽并且因此驱动蒸汽涡轮以产生电力，用在热电联产(CHP)工厂中、热脱盐、吸收式制冷机、工艺加热要求等(如对本领域技术人员将显而易见的)。
参照图2，其示出了用于从含碳物质，特别是固体废物中回收热能的气化系统100的一个实施例。气化系统100包括气化炉110和设备10，该气化炉用于将含碳物质(例如城市的固体废物)转化成合成气，该设备10是如前所述的用于点燃和燃烧合成气并且将其转化成热能。气化系统100还可以包括用于从所述设备10回收热能的热量回收系统(未示出)。
该气化炉110设置在设备10的上游，并且被配置成通过管道与入口22流体连通。将可以理解的是在这样的布置中，设备10作为在气化炉110中产生的合成气的“后燃烧器”。
可以按照如下所述使用该气化系统100。
将固体废物(或者可替换的含碳物质)从储料斗传输至气化炉110。优选地，气化炉110包括适于废渣的低温气化的多个炉子。相邻的炉子可以设置在阶梯式的层中，每个炉子设置有搅拌机(例如搅拌活塞和拨火活塞(stoking ram))以机械地搅动其中的废渣。将理解的是，可替换的搅拌机(如本领域技术人员将熟知的)可以在气化炉110中使用。
如前所述，气化炉110加热固体废物以产生挥发物(包括水蒸气)和炭。分别通过管线112和114将蒸汽和空气传送至气化炉110，并且挥发物和炭经受重组反应。炭与以空气的形式的含氧气体反应，从而主要产生了一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)，它们与重组的挥发物混合以形成合成气。
如上所述，然后将合成气引入到设备10中，在该设备中使用稀释的流体116来稀释合成气，与燃烧剂118一起点燃并燃烧以产生热量和烟气(或者合成气废气)。热量可以在各种各样的应用中使用，并且烟气120可以被回收以稀释在所述设备10中的合成气或者在需要的过程流中用作热量转移剂。
在不脱离基本的发明构思的情况下，除了那些已经描述过的变形和改进外，相关领域技术人员还能够想到许多变形和改进。所有这样的变形和改进可以被认为是在本发明的范围之内，本发明的性质由前面的描述确定。例如，可以理解的是本发明的实施例能够在小型(几兆瓦或者更小)和大型(几百兆瓦)二者的级别以各种方式来实践和进行。
还将理解的是，虽然前面的描述是指过程步骤的具体顺序，但是设备和装置的数量以及它们的配置仅用于示例性目的而不旨在以任何方式限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除了上下文需要之处否则由于表达语言或者必要的暗示，词语“包括”或者变形(例如“包含”或者“含有”)用于包括的意思，即，以指定所表述的特征的存在，但是不排除本发明的各种实施例中其他特征的存在或者添加。

Claims (21)

1.一种用于点燃和燃烧合成气的设备，所述设备包括容器，所述容器具有：
第一室，所述第一室具有用于从气化炉接收合成气的入口，所述第一室被配置成接收稀释流体以将所述合成气稀释到预定的组成；
点火室，所述点火室设置有用于点燃经稀释的合成气的辅助燃烧器；
燃烧室，所述燃烧室设置有用于引入燃烧剂以燃烧经点燃的合成气的入口；以及
保持室，用于将所得的燃烧产物保持预定的驻留期，所述保持室设置有用于取出所述燃烧产物的出口，
其中所述容器被配置成便于所述合成气和燃烧产物平推流经过所述容器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述容器的所述室被配置成与相应的相邻室流体连通。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述容器为水平或竖直设置的圆柱形容器。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述圆柱形容器的直径与长度之比被选择成使在所述圆柱形容器中形成的流体再循环漩涡最小化。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一室设置有围绕所述第一室的外壁布置的增压室。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述增压室被配置成通过第二入口将稀释流体传送至所述第一室。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述第二入口包括位于所述第一室的所述外壁上的多个孔。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述稀释流体包括加压气体。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述稀释流体包括含氧气体。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述点火室设置有用于容纳所述辅助燃烧器的燃烧器喷口。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述燃烧室为扩口锥形室。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述燃烧室设置有围绕所述燃烧室的外壁布置的增压室。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述增压室被配置成通过所述入口将所述燃烧剂传送至所述燃烧室。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述燃烧剂包括含氧气体。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保持室被配置成使所得的燃烧产物保持在所述保持室的出口处所测量的至少2秒的预定驻留期。
16.一种用于气化含碳物质的气化系统，包括：
气化炉，所述气化炉用于将含碳物质转化成合成气；以及
根据权利要求1至15中任一项所述的用于点燃和燃烧合成气的设备，所述设备与所述气化炉流体连通以用于从所述气化炉接收所述合成气。
17.根据权利要求16所述的气化系统，还包括用于从所述设备回收热能的热量回收系统。
18.根据权利要求16所述的气化系统，其中，所述含碳物质包括固体废物。
19.一种用于点燃和燃烧合成气的方法，包括以下步骤：
从气化炉提供合成气；
用稀释流体稀释所述合成气以生成经稀释的合成气，所述经稀释的合成气具有低于爆炸下限的组分；
用来自辅助燃烧器的点火火焰点燃经稀释的合成气；
将点燃的稀释合成气与燃烧剂混合，所述燃烧剂的量超出完成合成气燃烧所需的氧气的化学计算量的100％至150％；
燃烧来自前一步骤的所得的气体混合物以生成燃烧产物；以及将所述燃烧产物在保持室中保持至少2秒的预定驻留期。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述稀释流体能够包括来自包括以下气体的组中的一种或多种气体：烟气，再循环烟气；包括氮气N2、氩气Ar的惰性气体；包括空气、氧气O2或者它们的混合物的含氧气体。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述稀释流体为含氧气体。
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