CN107794090A - 用于固定床加压气化的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于固定床加压气化的方法和设备。更具体而言，本发明公开了利用竖式反应器将固体含碳燃料例如煤或焦转化为主要包含氢气和一氧化碳的粗制合成气以及灰分的方法和设备，其中排出的灰分至少部分被再循环到所述反应器并与所述燃料一起穿过所述固定床。

Description

用于固定床加压气化的方法和设备

技术领域

本发明涉及利用竖式反应器(shaft reactor)将固体含碳燃料例如煤或焦转化为主要包含氢气和一氧化碳的粗制合成气以及灰分的方法，在所述反应器中所述燃料被布置为固定床并连续穿过它，其中包含氧气和蒸汽的气态气化剂在升高的压力和升高的温度下流过所述固定床并且所述竖式反应器在每种情况下经由压力闸(pressure lock)装载所述燃料并从中排出所述灰分。

本发明进一步涉及用于执行所述方法的设备。

背景技术

固体燃料例如煤、焦或其他含碳燃料与作为气化剂的蒸汽和氧气一起在升高的温度下通过固定床加压气化反应器气化，并且，在大多数情况下，在超大气压力下被转化成含有一氧化碳和氢气的合成气，产生固体灰分，灰分经由灰分排出炉栅从所述反应器排出，所述灰分排出炉栅在很多情况下被构造为旋转炉栅。这种类型的反应器也经常被称为FBDB(＝固定床干底)加压气化器。

在所述固定床中，所述燃料自上而下穿过在这个方向上温度递增的下列温度区：

-干燥区：在所述干燥区中，结合在所述燃料内或上的水分被解除吸附并与所述粗制合成气流一起从所述固定床加压气化反应器排出。

-热解区：在此，挥发性化合物被从所述燃料释放并驱除。所述燃料在此发生低温碳化或焦化。

-气化区：在所述气化区中，发生所述燃料与所述气化剂的实际反应，所述气化剂通常含有空气或氧气并还有水蒸汽和可能的二氧化碳作为缓和剂，以产生所述气化的目标产物即氢气和一氧化碳。

-燃烧区：在此，通过燃烧所述燃料的剩余部分而形成灰分，产生气化、热解和干燥所必需的热能。

-灰分床：所述灰分床覆盖所述排出炉栅并保护它抵御所述燃烧区的高温。

对于进一步的方法细节，参考相关的文献，参见《乌尔曼工业化学全书》(UllmannsEncyclopaedia of Industrial Chemistry)，第六版，第15册，367页及其后。所述气化通常在约700℃的温度下开始并在800℃的温度下高速进行，参见《乌尔曼技术化学全书》(Ullmanns der Technischen Chemie)，第4版(1977)，14册，384页。那里的图10显示了在固定床加压气化反应器中、特别是上述的温度区中气体温度的典型温度分布图。

为了将所述反应器的生产能力用到最大可能的程度，必须实现穿过所述燃料固定床的所述气化剂非常均匀的流动。为了达到这种目的，必须在所述固定床中设定适当的粒度分布。小粒子的比例过高可导致阻挡流动，而大粒子的比例过高可导致形成通道，即流阻特别低的位置。

在许多情况下，其中至少90重量％的粒子在10至50mm尺寸范围内并且剩余比例在超过此的尺寸范围和低于此的尺寸范围之间等分的粒度分布被发现是有利的。所述粒度根据ASTM D4749测定。

为了影响所述固定床中的粒度，下列方法迄今是可用的：

-所述燃料在装入所述反应器中之前筛分，

-通过设定所述气化剂中的氧气与蒸汽的比率来控制所述固定床的燃烧区中的温度，在所述燃烧区中氧气比例增加导致温度升高而蒸汽比例增加导致温度下降。所述燃烧区中的温度水平影响灰分粒子凝聚的可能性并从而影响形成的灰分粒子的尺寸，

-通过所述燃料的适当组成，例如不同类型的煤的适当混合物，设定灰分的熔点。

然而，上述这些影响固定床中粒度的方式经常不足以获得期望的结果。因此，例如，有的煤类型在所述固定床中加热时其粒子倾向于崩解，所以尽管事先筛分所述燃料，但在这些情况下细粒子的比例高得不理想，并损害了穿过所述固定床的均匀流动。

因此，本发明的目的是提供能够更有效地进行固定床中含碳燃料的气化并改善穿过所述燃料床的气体流动的方法。

发明内容

所述目的通过分别具有如下特征的方法和设备达到。本发明方法的进一步有利的实施方式可见于权利要求书。

本发明的方法

利用竖式反应器将固体含碳燃料例如煤或焦转化为主要包含氢气和一氧化碳的粗制合成气以及灰分的方法，在所述反应器中所述燃料被布置为固定床并连续穿过它，其中包含氧气和蒸汽的气态气化剂在升高的压力和升高的温度下流过所述固定床并且所述竖式反应器在每种情况下经由压力闸装载所述燃料并从中排出所述灰分，其特征在于所排出的灰分的一部分被再循环到所述反应器并与所述燃料一起穿过所述固定床。

本发明的设备：

用于执行上述方法的设备，其包含：

-固定床加压气化反应器，其包含竖井样反应器容器、气化剂入口、产物气出口、灰分排出炉栅、用于引入燃料的压力闸、另一个用于排出灰分的压力闸，

-任选的闸通道，其用于通过水将所述灰分输送到筛分仪器，

-任选的仪器，其用于将细灰分粒子与用于在所述闸通道中进行输送的水分离，

-筛去所述灰分的筛分仪器，其以这样的方式构造：尺寸小于10mm、小于20mm、小于30mm或小于40mm的粒子作为细粒子和/或尺寸大于20mm、大于30mm、大于40mm或大于50mm的粒子作为粗粒子能被筛去，

-在每种情况下任选的称重和计量装置，其用于测定再循环到燃料引入仪器或灰分-燃料混合装置的灰分和燃料的量，

-任选的干燥装置，其用于干燥再循环的灰分，

-用于混合灰分和燃料的混合装置，

-用于灰分和用于燃料的输送机构(transport means)。

在此，“升高的压力”和“升高的温度”分别是指超过环境压力和室温的压力和温度值。合适的压力和温度值可由本领域技术人员取自上面提到的文献。

灰分粒子的存在导致松散，即在所述燃料固定床的粒子之间均匀存在间隙，并因此使得有可能发生气化剂更均匀地流过所述床。由于更大量的气化剂可流过所述固定床，减小了所述气化剂经历的压降。由于在所述固定床中使用的气化剂分布更均匀并且量更大，可增加所述固定床气化反应器的生产能力。

由于所述灰分粒子实现的松散也改善了所述固定床的材料的流动性。因而降低了所述床在狭窄点形成桥的趋势。特别是，因所述灰分床中的桥形成，灰分经过所述反应器的旋转炉栅和内壁之间的环形间隙的流动被干扰的程度降低。

由于灰分在所述固定床中的正面效应，在很多情况下也可省去在所述燃料床中通过混合各种类型的煤来设定所述灰分的熔点。

使用在气化方法本身中产生的灰分粒子的特殊优点在于，这些粒子已经暴露于所述方法条件，特别是高温，因此它们在进一步穿过所述固定床时只有小的崩解倾向。

附图说明

图1示意性描绘了本发明的方法和本发明的设备的说明性实施方式。

具体实施方式

本发明的一种优选实施方式特征在于，在所述灰分被再循环到所述反应器之前对所述灰分进行筛分以分离掉细和粗粒子，其中所述筛分包含至少两个筛分级并能以网孔递减或递增的方式进行，并且具有中间粒度的筛分级分被至少部分再循环到所述反应器，并且已被分离掉的粒子被送到所述方法之外进一步处理或使用。所述筛分将所述再循环灰分的粒度分布设定到最适合于穿过所述固体床的均匀流动的范围。这特别是所述灰分粒子的中间粒度的范围。小粒子的比例过高可导致阻挡穿过所述床的流动，而大粒子的比例过高可导致通道形成，即流阻特别低的位置。在具体情况中最合适的尺寸范围必须通过试验确定。它取决于所述反应器的结构性质、可以设定的方法参数并特别是所述燃料的品质。

本发明进一步优选的实施方式特征在于，经由压力闸从所述反应器排出的灰分通过水被冲去进行筛分(flushed to sieving)，并且在筛分期间再次从所述水中分离掉所述细和粗粒子。在这种输送方法中，所述灰分同时被冷却。所述方法不需要任何复杂的仪器，因此是可靠的和便宜的。这种方法也可以在供水不足时通过循环使用过的水而被特别有利地使用，所述水经由用于分离掉细灰分粒子的仪器循环，所述细灰分粒子被排出以供在所述方法之外进一步处理。

本发明进一步优选的实施方式特征在于，所述使用过的水被循环，所述水经由用于分离掉细灰分粒子的仪器传送，所述细灰分粒子被排出以供在所述方法之外进一步处理。因为所述再循环水已经以这种方式被水溶性灰分成分饱和或部分饱和，所以在再利用以前用过的水期间，这样的溶解效应降低。这增加了所述灰分粒子的稳定性。

本发明进一步优选的实施方式特征在于，尺寸小于10mm、小于20mm、小于30mm或小于40mm的粒子作为细粒子被筛去和/或尺寸大于20mm、大于30mm、大于40mm或大于50mm的粒子作为粗粒子被筛去。这些尺寸为通过试验确定什么粒度分布最合适提供了良好的起点。

本发明进一步优选的实施方式特征在于，所述灰分以高至所述固体床质量的30％的比例被供给到所述固体床。所述固体床中的灰分首先改善和均等穿过所述固体床出现的流动的能力，但另一方面它也代表了所述气化方法的死料，其对合成气生产没有直接的贡献。因此限制所述固体床中灰分的比例是有用的。

本发明进一步优选的实施方式特征在于，打算用于再循环到所述反应器的灰分被干燥。在许多情况下，从所述固定床反应器的灰分闸将所述灰分排空到通道中，用水将其冲出所述通道以供进一步处理。在此吸收的大部分水分当筛分掉所述粗和细粒子时从所述灰分被分离掉。为了减少所述固定床反应器的负荷，在所述灰分再循环到所述反应器之前将其干燥会是有用的。

本发明进一步优选的实施方式特征在于打算用于再循环的灰分和所述燃料各自通过产生材料流的输送机构传送，并在于该两个材料流被合并并且以这种方式形成的混合材料流被引入所述压力闸或上游进料容器。为了达到本发明的预期效果，即：使穿过所述固定床的流动均匀发生的能力，必须在所述固定床中达到所述灰分的均匀分布。原则上，有可能安装混合仪器，其中所述灰分与所述固定床反应器上游的燃料混合。然而，由于经常施加于所述粒子上的机械应力，所述燃料中的细粒子的比例将会增加，并因此将对所述气化方法产生适得其反的效果。混合仪器的一种合适的替代是在每种情况下通过合适的输送机构例如传送带、振动滑槽或气动输送机产生连续的材料流，并合并所述燃料和灰分流而产生单个混合流；和将这种流引入所述燃料闸或引入所述燃料闸的贮器中。

工作例

本发明的其他实施方式、优点和可能的用途可以从以下非限制性工作例和数值例以及图的描述导出。在此，所描述和/或描绘的特征独自或以任何组合形成本发明，而不管它们以何种方式在权利要求或它们的回溯引用中组合。

在图1中，设备1包含固定床加压气化反应器2，其具有用于所述反应器装载燃料4例如煤的压力闸3、和用于所产生的灰分6排出的压力闸5。所述闸可以通过封闭机构7封闭。反应器2中存在搁置在炉栅9上的燃料固定床8。气化剂10穿过炉栅9被引入固定床8中并将燃料4转化为粗制合成气11和灰分6。粗制合成气11在固定床8上方从反应器2排出，在所述方法之外进一步处理。

灰分6从闸5流入闸通道12并用水13作为水/灰分混合物14传送到两级筛分仪器15中。其配备有第一筛16用于筛去所述细灰分粒子和从灰分中分离掉水。筛去的细灰分粒子的尺寸可通过调节或替换所述筛16来改变。在许多情况下，10mm的尺寸是最合适的，但所述筛16应能被设定，以致高达40mm的尺寸也可以作为细粒子被筛去。细灰分粒子和水的混合物17从设备1排出供进一步处理。也有可能将所述混合物17传送过未显示的仪器，所述仪器用于从水中分离掉所述细粒子，以致所述水被循环并可被再利用于冲洗所述闸通道。

灰分18随后被带到用于筛去粗灰分粒子19的第二筛20。被筛去的所述粗灰分粒子的尺寸可通过调节或替换所述筛20来改变。在许多情况下，50mm的尺寸是最合适的，但所述筛20应能被设定，以致低至20mm的尺寸也可以作为粗粒子被筛去。在筛20上，灰分18可任选用水25洗涤得不含灰尘。水25可在回路(未显示)中传送，在所述回路中它不含灰尘。粗粒子19从设备1排出供进一步处理。

已经不含细和粗粒子并且现在只含有中等尺寸灰分粒子的灰分21在仪器22中干燥并且，像燃料4一样，被引入混合和计量装置23。该装置以期望的比率计量和混合所述燃料4和灰分21的流并将它们作为混合物24引入压力闸3中。

工业实用性

本发明提供了一种方法，通过它，固定床加压气化反应器的气体通路行为改善并因此使它能够以更高的通量和因而以改良的经济状况运转。本发明因此在工业上能够以有利的方式应用。

参考编号列表

1 本发明的设备

2 固定床加压气化反应器

3 压力闸

4 燃料

5 压力闸

6 灰分

7 封闭机构

8 固定床

9 炉栅

10 气化剂

11 粗制合成气

12 闸通道

13 水

14 水/灰分混合物

15 筛分仪器

16 第一筛

17 细灰分粒子和水的混合物

18 灰分

19 粗粒子

20 第二筛

21 灰分

22 用于干燥灰分的仪器

23 灰分

24 燃料和灰分的混合物

25 水。

Claims (9)

1.利用竖式反应器将固体含碳燃料例如煤或焦转化为主要包含氢气和一氧化碳的粗制合成气以及灰分的方法，在所述反应器中所述燃料被布置为固定床并连续穿过它，其中包含氧气和蒸汽的气态气化剂在升高的压力和升高的温度下流过所述固定床并且所述竖式反应器在每种情况下经由压力闸装载所述燃料并从中排出所述灰分，所述方法的特征在于所排出的灰分的一部分被再循环到所述反应器并与所述燃料一起穿过所述固定床。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述灰分被再循环到所述反应器之前对所述灰分进行筛分以分离掉细和粗粒子，其中所述筛分包含至少两个筛分级并能以网孔递减或递增的方式进行，并且具有中间粒度的筛分级分被至少部分再循环到所述反应器，并且已被分离掉的粒子被送到所述方法之外进一步处理或使用。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于经由压力闸从所述反应器排出的灰分通过水被冲去进行筛分，并且在筛分期间或之后再次从所述水中分离掉所述细和粗粒子。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于使用过的水被循环，所述水经由用于分离掉细灰分粒子的仪器传送，所述细灰分粒子被排出以供在所述方法之外进一步处理。

5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于尺寸小于10mm、小于20mm、小于30mm或小于40mm的粒子作为细粒子被筛去和/或尺寸大于20mm、大于30mm、大于40mm或大于50mm的粒子作为粗粒子被筛去。

6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于再循环到所述反应器的灰分级分以高至所述固体床质量的30％的比例被供给到所述固体床。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于打算用于再循环到所述反应器的灰分在被供给到所述固体床之前被干燥。

8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于打算用于再循环的灰分和所述燃料各自通过产生材料流的输送机构传送，并在于该两个材料流被合并并且以这种方式形成的混合材料流被引入所述压力闸或上游进料容器。

9.用于执行根据前述权利要求任一项的方法的设备，其包含：

-固定床加压气化反应器，其包含竖井样反应器容器、气化剂入口、产物气出口、灰分排出炉栅、用于引入燃料的压力闸、另一个用于排出灰分的压力闸，

-任选的闸通道，其用于通过水将所述灰分输送到筛分仪器，

-任选的仪器，其用于将细灰分粒子与用于在所述闸通道中进行输送的水分离，

-筛去灰分的筛分仪器，其以这样的方式构造：尺寸小于10mm、小于20mm、小于30mm或小于40mm的粒子作为细粒子和/或尺寸大于20mm、大于30mm、大于40mm或大于50mm的粒子作为粗粒子能被筛去，

-在每种情况下任选的称重和计量装置，其用于测定再循环到燃料引入仪器或灰分-燃料混合装置的灰分和燃料的量，

-任选的干燥装置，其用于干燥再循环的灰分，

-用于混合灰分和燃料的混合装置，

-用于灰分和用于燃料的输送机构。