CN109072103B - 具有原料灵活性的两级气化器和气化方法 - Google Patents

具有原料灵活性的两级气化器和气化方法 Download PDF

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Abstract

气化方法可包括(a)将液态烃原料和干燥原料或第一浆化原料中的至少一种引入反应器下部，其中至少一种干燥原料或第一浆化原料通过两个主进料喷嘴引入，而液态烃原料通过至少两个次级进料喷嘴引入；(b)用包括含氧气体或蒸汽的气流部分地燃烧反应器下部的原料以放出热量并形成包括热合成气体的产物；(c)将来自步骤(b)的所述热合成气体向上送入反应器上部；(d)并且将第二浆化原料引入所述反应器上部，由此来自所述热合成气体的热量通过热解和气化反应支持第二浆化原料的反应。

Description

具有原料灵活性的两级气化器和气化方法
背景技术
气化方法广泛用于将固体或浆化原料，诸如煤、石油焦和石油渣转化为合成气体。合成气体主要由氢气(H2)和一氧化碳(CO)组成，既可用作电力生产的燃料，也可用作生产诸如氢气、甲醇、氨、合成/替代的天然气或合成的运输油的化学品的原料。已经为碳质材料的气化开发了三种基本类型的系统和方法。它们是：(l)固定床气化，(2)流化床气化，和(3)悬浮气化或气流床气化(entrainment gasification，也称为载流床气化或夹带床气化)。本文的实施方案涉及第三类系统，更具体地，本文提供的实施方案涉及用于气化碳质材料的两级气流床气化系统和方法。
两级气化器设计所呈现的可能性可以通过使向低温第二阶段的淤浆进料速率最大化被利用，由此利用在第一阶段气化器中产生的热量以蒸发来自淤浆的水。然后将离开第二阶段气化器的炭和未转化的碳以干燥形式分离并再循环回第一阶段气化器，从而使高温第一阶段所需的氧气量最小化并使气化器的转化效率最大化。
发明内容
提供发明内容以介绍在下面具体实施方式中进一步描述的概念的选择。发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。
一方面，本文公开的实施方案涉及气化方法，其包括(a)将液态烃原料和干燥原料或第一浆化原料中的至少一种引入反应器下部，其中至少一种干燥原料或第一浆化原料通过两个主进料喷嘴引入，而液态烃原料通过至少两个次级进料喷嘴引入；(b)用包括含氧气体或蒸汽的气流部分地燃烧反应器下部的原料以放出热量并形成包括热合成气体的产物；(c)将来自步骤(b)的所述热合成气体向上送入反应器上部；(d)并且将第二浆化原料引入所述反应器上部，由此来自所述热合成气体的热量通过热解和气化反应支持第二浆化原料的反应。
在另一方面中，本文公开的实施方案涉及两级气化反应器，其包括反应器下部，反应器上部；该反应器下部包括下部反应器主体；两个主进料喷嘴，用于引入干燥原料或第一浆化原料中的至少一种，位于下部反应器主体的相对的末端；和至少两个次级进料喷嘴，用于引入液态烃原料，位于下部反应器主体上；该反应器上部包括上部反应器主体；至少一个上部进料喷嘴，用于引入干燥原料或第一浆化原料中的至少一种，位于上部反应器主体；和出口。
在又一方面中，本文公开的实施方案涉及用于改进两级气化反应器的方法，其包括在下部反应器主体上安装至少两个次级进料喷嘴，用于将液态烃原料引入下部反应器主体中以补充通过主进料喷嘴引入的由干燥原料或浆化原料组成的主原料。
所要求保护的主题的其它方面和优点通过以下描述和所附权利要求而变得明显。
附图说明
图1是采用常规两级气化反应器的气化系统的示意图。
图2是本公开的实施方案的两级气化反应器的下部的一半的侧面透视图。
图3是本公开的实施方案的两级气化反应器的下部的一半的顶部透视图。
图4是本公开的实施方案的两级气化反应器的下部的一半的端部透视图。
具体实施方式
一方面，本文公开的实施方案通常涉及将碳质原料转化为诸如合成气体的所需气态产物的气化方法。在更具体的方面中，本文公开的实施方案涉及在将碳质材料转化为所需的气态产物时具有原料灵活性的气化方法。例如，在一个或多个实施方案中，本文公开的气化方法可在气化器的反应室内同时利用液态烃原料和干燥原料或浆化原料中的至少一种。
参见图1，示出了采用通常用附图标记10表示的常规两级气化反应器的气化系统的实施方案。气化系统具有反应器下部30和反应器上部40。气化方法的第一阶段发生在反应器下部30，气化方法的第二阶段发生在反应器上部40。反应器下部30限定第一阶段反应区，并且将可替代地称为第一阶段反应区。反应器上部40限定第二阶段反应区，并且将可替代地称为第二阶段反应区。
参见图1，气化方法通常在第一反应区(或反应器下部30)内开始，当干燥或浆化的碳质原料与包括含氧气体和/或蒸汽的气流混合并且发生快速放热反应时，其中碳质原料被转化成第一混合物产物，该第一混合物产物包括蒸汽、氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷和诸如灰分的夹带颗粒。灰分由碳质原料的不可燃矿物质成分组成。在一个或多个实施方案中，固体碳质原料可以粉碎(通过本领域已知的方法，但在本公开的范围之外)，并且在一些情况下，在进入例如但不限于锁斗系统的进料系统100之前可以浆化。来自进料系统100的包括颗粒状碳质材料的粉碎的固体流通过进料喷嘴60和/或60a注入气化反应器10下部30。第一反应区30的温度保持在高于灰分的熔点，这使得灰分熔化并凝聚形成称为炉渣的粘性液体。炉渣落到反应器下部30的底部并流入激冷室32，在激冷室32中其被水淬并引入至用于最终处理的炉渣处理系统(未示出)。
发生在第一反应区的主燃烧反应为：
C+1/2O2->CO，
其实高度放热的。反应的放热使第一反应区的温度升高到2000°F和3500°F之间。第一反应区中产生的热量随气流向上输送，从而为在未燃烧的第二反应区发生的热解反应提供热量，包括进料水的蒸发、碳-蒸汽反应和CO与H2O之间的水-气反应。碳-蒸汽反应形成CO和H2，因此增加了这些可用气体的产率。
关于反应器上部40，根据图1所示的实施方案，固体碳质原料可以粉碎(通过本领域已知的方法，但在本公开的范围之外)，并且在一些情况下，在进入进料系统100之前可以浆化，也可用于进料反应器下部30。来自进料系统100的包括颗粒状碳质材料的粉碎的固体流可以通过上进料喷嘴80或另外的进料喷嘴(未示出)注入气化反应器10上部40。然后，碳质材料与从气化反应器10下部30上升(和在其内部产生)的热合成气体接触。进入上部40的碳质材料被干燥，其中一部分通过诸如碳蒸汽反应(C+H2O→CO+H2)的反应进行热解和气化。热解和气化反应是吸热的，因此，碳质材料和合成气体的混合物的温度随混合物向上行进通过上部40而降低。当包括未反应的固体颗粒(例如炭)和第二气态产物流(例如合成气体)的第二混合物产物离开气化器10上部40的顶部时，第二混合物产物温度下降到1200°F和2500°F之间的范围，例如在1500°F和2000°F之间的范围内。
进一步根据如图1所示的实施方案，在反应器上部产生的并包括未反应的固体颗粒和第二气体产物流的第二混合物产物离开反应器上部40并被送至热回收单元180。随后，将冷却的合成气体引入颗粒过滤设备50。在颗粒过滤设备50内，分离第二固体产物流并通过出口70排出。然后第二固体产物流(主要包括炭)可以通过进料喷嘴90和90a再循环回到气化器10的反应器下部30并用于补充从进料喷嘴60和60a引入其中的碳质原料。
进一步参考图1，从颗粒过滤设备50离开的气态产物流52包括氢气、一氧化碳、少量的甲烷、硫化氢、氨、氮气和二氧化碳，这构成方法产物。在一个或多个实施方案中，方法产物流离开颗粒过滤设备50以进行进一步处理(例如分离、洗涤等)用于最终用途的应用。
现参考图2至图4，更详细地解释本公开的实施方案。通常，尽管气化反应器及其操作已被改进以改善原料的灵活性，在气化反应器内发生的反应仍与上述反应相同。图2-4所示的是两级气化反应器的下部30的一半的透视图，其中图2描绘了侧视图，图3描绘了顶部视图，图4描绘了端部视图。这些视图中包括的虚线代表x、y、z笛卡尔坐标系(即206、208和210分别代表x、y、z轴)，其原点212居中地位于两级气化反应器下部30内，x轴206跨越反应器下部的深度，y轴208跨越反应器下部的长度，z轴210从原点212垂直定向穿过反应器上部40的中心。该坐标系将有助于充分解释两级气化反应器设计的细节。
根据本公开的一些实施方案，主进料喷嘴60可居中地位于两级气化反应器的水平下部30的各个末端202上，基本上与y轴208一致。主进料喷嘴60可以将干燥或浆化的碳质原料引入反应器的下部30，使得原料可以通过上述燃烧过程进行反应。除了主进料喷嘴60之外，在一些实施方案中，可存在至少两个次级进料喷嘴200a和200b，其中至少一个次级进料喷嘴位于两级气化反应器的水平下部30的各末端202上。
在一个或多个实施方案中，可以存在至少两个次级进料喷嘴，诸如一个位于两级气化反应器的水平下部30的各末端202上。在一些实施方案中，在每个末端202处可以有两个次级进料喷嘴，总共四个次级进料喷嘴。次级进料喷嘴200a(和200b，如果存在的话)可以将次级液态烃原料引入反应器的下部30，使得它可以通过如上所述的燃烧过程进行反应。在一些实施方案中，可以将次级液态烃原料和主干燥或浆化的碳质原料基本上同时引入反应器的下部30。在其它实施方案中，将次级液态烃原料引入反应器的下部30可以间歇地发生，而主干燥或浆化的碳质原料的引入可以在气化反应器运行时连续发生。在一个或多个实施方案中，可以基本上不通过主进料喷嘴60和60a将主干燥或浆化的碳质原料引入下部30。在这些实施方案中，干燥或浆化的碳质原料可以通过喷嘴80提供给上部40，可以通过进料喷嘴90和90a将由上部40产生的再循环的干燥炭和灰分和由次级进料喷嘴200a和200b提供的次级液态烃原料进料至下部30。
此外，如图2-4所示，次级进料喷嘴200a和200b设计成通过次级进料矢量204a和204b将液态烃原料引入反应器的下部30，使得液态烃进料在反应器的下部30内与主进料喷嘴60的主进料矢量，近似为y轴标记208保持垂直对称。次级进料喷嘴200a和200b的设计，包括它们各自在两级气化反应器的水平下部30的末端202上的布置和它们的进料矢量204a和204b的定向是重要的工程考量，以便通过使对沿主进料喷嘴60的主进料矢量(即y轴标记208)流动的原料的干扰最小化而在气化反应器中产生最佳流动和温度分布，同时避免可能由积聚的灰分材料引起的堵塞或其它损坏。例如，在一些实施方案中，主进料喷嘴60和次级进料喷嘴200a和200b的设计可使得来自主进料喷嘴60的主进料矢量(即y轴标记208)和来自次级进料喷嘴200a和200b的次级进料矢量204a和204b在近似为坐标系的原点212的进料交点处相交。在一个或多个实施方案中，进料交点(即原点212)可居中地位于反应器的下部30内的，主进料矢量(即y轴标记208)、x轴标记206和z轴标记210相遇的点处。
然而，在一个或多个实施方案中，次级进料喷嘴的次级进料矢量可以朝向在z轴标记210上比原点212的位置更低的点(即更靠近反应器下部30的底部)定向。在这些实施方案中，主进料喷嘴60的主进料矢量仍然可以朝向原点212(即沿着y轴标记208)定向，或其可以定向至z轴标记210上比原点212的位置更低的点(即其可以形成在z轴210上较低但与y轴标记208平行的矢量)。在本段中描述的一般定向允许通向激冷室32的区域周围的温度的增加，由此促进炉渣顺利流到激冷室32。
通常，次级进料喷嘴的布置彼此独立，并且可以位于两级气化反应器的水平下部30的末端202上的任何位置，只要引入反应器的下部30中的进料的进料矢量在进料交点(即原点212)处相遇即可。在一些实施方案中，次级进料矢量204a或204b可以相对于主进料矢量(即y轴标记208)形成约+/-1至+/-45度的角度，或者在一些实施方案中形成约+/-5至+/-30度的角度，并且在另外的实施方案中形成约+/-10至+/-20度的角度。独立于上述考虑，次级进料矢量204a或204b可以相对于x轴标记206形成约+/-1至+/-45度的角度，或者在一些实施方案中形成约+/-5至+/-30度的角度，并且在另外的实施方案中形成约+/-10至+/-20度的角度。并且，次级进料矢量204a或204b可以相对于z轴标记210形成约+/-1至+/-45度的角度，或者在一些实施方案中形成约+/-5至+/-30度的角度，并且在另外的实施方案中形成约+/-10至+/-20度的角度。此外，每种特定进料矢量的排列基本上与另一种次级进料矢量的排列无关。然而，为了保持次级进料矢量的适当对称性以获得反应器内的最佳流动条件，可能需要排列各个次级进料矢量，使得存在相对于坐标系形成相反角度的补充性次级进料矢量。例如，如果存在一个次级进料喷嘴，其具有相对于主进料矢量(即y轴标记208)形成45度角的次级进料矢量，则对此有益的是存在相对于主进料矢量(即y轴标记208)形成-45度角的另一个次级进料喷嘴。
在一个或多个实施方案中，如果来自一个末端202上的一个次级进料喷嘴200a或200b的原料流与来自位于气化反应器的下部30的相对末端(未示出)上的另一个次级进料喷嘴(未示出)的原料流正好相反(即两个原料矢量形成通过进料交点从一个末端到另一个末端的直线)，则对于在反应器内获得最佳原料流条件可能是有益的。在一个或多个实施方案中，气化反应器的下部30的每个末端202可以具有与其连接的相同数量的次级进料喷嘴，每个次级进料喷嘴具有与在气化反应器的下部30的相对末端上的另一个次级进料喷嘴的进料矢量正好相反的进料矢量。关于次级进料喷嘴的进料矢量的上述考虑可通过降低次级液态烃原料喷雾接触或撞击内部反应器壁表面的可能性、减少来自主进料喷嘴的主干燥或浆化的碳质原料的任意材料破坏和确保通向激冷室32的反应器下部30周围区域内的合适温度(例如高于原料灰分的灰分熔化温度)来为气化反应器提供最佳操作条件。
通过主进料喷嘴引入反应器下部的干燥或浆化的碳质原料可包括与气化反应器的上部的产物分离的褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦、炭和它们的混合物。如果原料是浆化的碳质原料，则其中碳质材料的载液可包括水、液态CO2、石油液体或其任意混合物。通过次级进料喷嘴引入反应器下部的液态烃原料可包括热解油、减压渣油、沥青(包括溶剂脱沥青的沥青)、煤焦油、来自低温气化方法的酚材料、来自酸性气体去除单元(AGR)的溶剂排料或其混合物。液态烃原料可以更具体地描述如下：减压渣油是炼油厂原油板岩的高分子量/沸点馏分，沥青是加氢裂化的高分子量/沸点副产物，酚材料是当冷却来自低温气化方法的合成气体时产生的副产物，来自AGR的溶剂排料流包括需要从AGR中清除的溶剂(例如胺、二醇、甲醇等)和污染物(例如BTX、焦油、烃等)。
在一些实施方案中，液态烃原料可以占引入至气化反应器的下部的总原料共混物(即干燥或浆化的原料和/或再循环的干燥炭加上液态烃原料)的至多10重量％、至多20重量％，至多40重量％、至多60重量％或至多80重量％。在一个或多个实施方案中，气化反应器下部的次级进料喷嘴可以用氮气、再循环合成气体、空气、富氧空气、氧气、蒸汽或其混合物雾化液态烃原料。将引入气化反应器下部的液态烃原料雾化可对于确保总原料共混物的最佳燃烧是重要的。
本公开的实施方案可以提供至少一个下面的优点。提高气化方法中的原料灵活性，从而提高具有本文所述的次级进料喷嘴的气化反应器的资本效率和效用。另外，上述液态烃原料中一些可以由不能使用那些原料的设施产生。在这些情况下，特定的液态烃原料可被收集并运输至另一地点进行销售、使用或销毁。本公开的实施方案可以通过促进这些原料在本文公开的气化方法/反应器中的内部使用来避免液态烃的潜在风险和昂贵的运输以及不确定的市场条件(如果它们被出售)。此外，在一些实施方案中，如果需要减少或增加液态烃进料或如果液态烃流变得不可用，可以改变引入至气化反应器的下部的液态烃原料的量而不需要关停反应器，从而促进气化反应器的连续操作。另外，可以设想，通过在气化反应器的下部反应器主体上简单地安装至少两个次级进料喷嘴，可以以上述方式改进现有气化反应器的性能，从而可以在气化方法中将液态烃原料引入下部反应器主体以补充由主进料喷嘴提供的原料。
因此，本公开有利地提供了通过使用低价值副产物(例如液态烃原料)来气化制备高价值产物(H2)。氢气是炼油厂装置中的高价值产物，因为其是诸如脱硫和加氢裂化的各种原油加氢处理操作所需的。与本公开相反，通常氢气是在炼油厂装置中通过重整(消耗)高价值的液体或气体来产生的。本文公开的气化方法可以使用较低价值的原料来生产氢气，并具有增加的灵活性以在更宽的原料种类下操作。此外，对于给定量的产生的合成气体，液态烃原料与固体干燥或浆化的碳质原料相比消耗相对较少的氧气，因此用液态烃原料补充主原料将用于降低气化反应器内的总氧气消耗。
尽管上面仅详细描述了几个示例性实施方案，但是本领域技术人员将容易理解，在示例性实施方案中可以进行许多修改而不实质上脱离本发明。因此，所有这些修改旨在包括在如以下权利要求所限定的本公开的范围内。申请人明确表示本文中权利要求中的任何特征不会引起35U.S.C.§112(f)，除了其中权利要求明确使用与相关功能一起的表述“用于……装置”的那些之外。

Claims (17)

1.一种气化方法，包括：
(a)将液态烃原料和干燥原料或第一浆化原料中的至少一种引入反应器下部，其中至少一种干燥原料或第一浆化原料通过两个主进料喷嘴引入，而所述液态烃原料通过至少两个次级进料喷嘴引入；
(b)用包括含氧气体或蒸汽的气流部分地燃烧所述反应器下部的原料以放出热量并形成包括热合成气体的产物；
(c)将来自步骤(b)的所述热合成气体向上送入反应器上部；
(d)将第二浆化原料引入所述反应器上部，由此来自所述热合成气体的热量通过热解和气化反应支持所述第二浆化原料的反应；
(e)其中所述至少两个次级进料喷嘴中的至少一个次级进料矢量相对于所述两个主进料喷嘴的主进料矢量形成+/-1至+/-45度的角度并且所述至少两个次级进料喷嘴中的至少一个在z轴上与所述两个主进料喷嘴不共面，和
(f)其中所述z轴从原点垂直定向穿过所述反应器上部的中心。
2.根据权利要求1所述的气化方法，其中将所述液态烃原料和干燥原料或第一浆化原料中的至少一种引入所述反应器下部同时发生。
3.根据权利要求1所述的气化方法，其中将所述液态烃原料引入所述反应器下部间歇地发生，而引入所述至少一种干燥原料或第一浆化原料是连续的。
4.根据权利要求1所述的气化方法，其中所述至少两个次级进料喷嘴的液态烃次级进料矢量被定向，使得它们在所述反应器下部内关于所述z轴保持对称。
5.根据权利要求1所述的气化方法，其中来自所述至少两个次级进料喷嘴的所述液态烃进料的次级进料矢量和来自所述主进料喷嘴的主进料的主进料矢量在位于下部反应器主体的中心的进料交点处相交。
6.根据权利要求5所述的气化方法，其中来自所述至少两个次级进料喷嘴的所述液态烃进料的次级进料矢量在所述下部反应器主体的中心相交并且形成从所述反应器下部的一个末端到相对末端的通过所述下部反应器主体的直线。
7.根据权利要求1所述的气化方法，其中所述至少两个次级进料喷嘴中的至少一个次级进料矢量相对于所述反应器下部的所述z轴形成+/-1至+/-45度的角度。
8.根据权利要求1所述的气化方法，其中所述至少两个次级进料喷嘴用空气、富氧空气、氧气、蒸汽或其混合物雾化所述液态烃原料。
9.根据权利要求1所述的气化方法，其中引入所述反应器下部的总原料量为至多60重量％的液态烃。
10.根据权利要求1所述的气化方法，其中所述液态烃原料包括热解油、减压渣油、沥青、煤焦油、来自低温气化工艺的酚材料、来自酸性气体去除单元的溶剂排料或其混合物。
11.根据权利要求1所述的气化方法，其中所述干燥原料和第一浆化原料包括褐煤、次烟煤、烟煤、石油焦、炭及其混合物中的至少一种。
12.一种两级气化反应器，包括：
反应器下部，包括：
(a)下部反应器主体；
(b)两个主进料喷嘴，用于引入干燥原料或第一浆化原料中的至少一种，位于所述下部反应器主体的相对末端；
(c)至少两个次级进料喷嘴，用于引入液态烃原料，位于所述下部反应器主体上；
(d)其中所述至少两个次级进料喷嘴中的至少一个次级进料矢量相对于所述两个主进料喷嘴的主进料矢量形成+/-1至+/-45度的角度并且所述至少两个次级进料喷嘴中的至少一个在z轴上与所述两个主进料喷嘴不共面，
(f)其中所述z轴从原点垂直定向穿过反应器上部的中心，
所述反应器上部，包括：
(a)上部反应器主体；
(b)至少一个上部进料喷嘴，用于引入干燥原料或第一浆化原料中的至少一种，位于所述上部反应器主体上；和
(c)出口。
13.根据权利要求12所述的两级气化反应器，其中所述至少两个次级进料喷嘴被定向成使得它们提供沿次级进料矢量的进料，所述沿次级进料矢量的进料在所述反应器下部内关于所述z轴保持对称。
14.根据权利要求12所述的两级气化反应器，其中所述至少两个次级进料喷嘴和所述主进料喷嘴被定向成使得它们沿着进料矢量提供进料，所述进料矢量在位于所述下部反应器主体的中心的进料交点处相交。
15.根据权利要求12所述的两级气化反应器，其中所述至少两个次级进料喷嘴位于所述下部反应器主体的相对末端上，使得每个末端具有相同数量的次级进料喷嘴。
16.根据权利要求15所述的两级气化反应器，其中在一个末端上的各个次级进料喷嘴的各个次级进料矢量被定向成与来自相对末端上的次级进料喷嘴的次级进料矢量形成直线。
17.根据权利要求12所述的两级气化反应器，其中来自所述至少两个次级进料喷嘴的至少一个次级进料矢量相对于所述反应器下部的所述z轴形成+/-1至+/-45度的角度。
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