CN1136299C - 由固体燃料制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法和设备 - Google Patents

由固体燃料制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及由可再生的和矿物燃料、其他生物量、垃圾或煤泥制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法和设备，其中，在输入反应器之前它们尽可能分离为气态和固体产物，例如低温干馏气体和木炭，然后分别输入反应器，按本发明，反应器包括组合燃烧器、燃烧室、引射流气化器、热平衡通道以及水槽，其中组合燃烧器设有低于化学计量地燃烧气态低温干馏产物的装置以及有将液态组分朝燃烧室壁抛投的扭转器。液态的小渣滴落入水槽。粉状燃料可与来自燃烧室的气化剂吸热反应成气化气体，剩余焦炭涡动，使之通过对流吸热将燃烧室壁的温度降到低于渣的熔点，在这种情况下，在燃烧室内壁形成由固化渣构成的保护层。

Description

由固体燃料制造可燃气体、合成 气体和还原气体的方法和设备
本发明涉及由可再生的和矿物燃料、其他生物量、垃圾或煤泥制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法和设备，优选地用于由这些按专利DE 4404673生产的裂解产物，在这种情况下，若使用裂解产物，在它们输入反应器前尽可能将它们分离为固体和气态产物，例如低温干馏气体和木炭，然后分别输入反应器。
按本发明的设备可使用在动力设施、化学工业和冶金术中，以高效地制造可燃气体、合成气体和还原气体，用于发动机、合成过程、矿石还原和生铁生产。
由FR 2177088已知一种碳三阶段气化的方法，其中，在过程的第一阶段产生含氢和一氧化碳的合成气体，在随后的过程阶段完成此气体的甲烷化。因为在此方法中应由碳获得尽可能富甲烷的可燃气体，所以为了甲烷化需要高的过程压力，最少50bar，但优选70bar。
在第一阶段首先生成合成气体和液态渣，以及在第二阶段向它们添加其他燃料(碳，蒸汽)，在此过程中除生成含甲烷、氢和一氧化碳的气体产物外，通过冷却渣形成碳-渣混合物。
同时产生的碳渣混合物接着必须在过程的一个附加阶段中或用水蒸汽浮选，以便将仍含碳的碳化物质颗粒分离出来并将它们送回过程的第三阶段，或通过液化从过程第三阶段的流化床除去。
除了需要消耗附加能量的碳渣混合物分离阶段外，在此方法中的主要缺点是，熔化的渣会由于添加冷的介质如蒸汽、气体或碳而冷却，从而产生无法控制的烧结和粘附。
此外，此方法需要第三个过程阶段，在此阶段中反应参与物必须在流化床中保持较长的时间。
除此以外，还存在相当多的气化方法，它们基本上可分为固定床气化、流化床气化和引射流气化三大类。在气化设备中，在这里尤其是在按本发明的设备所属的引射流气化类的设备中，必须在能量方面和在气化剂需求方面作出许多妥协。熔化矿物组分的引射流气化器大多单级式运行，也就是说，所有参与气化反应的介质均输入一个反应腔。因此，所有的介质提高到高于燃料中矿物组分渣熔点的温度水平。在具有耐火砌体的反应器壁以及具有冷却屏砌衬的反应器壁的反应器中便是这种情况。在具有冷却屏的反应器中，这在GSP引射流反应器中是典型的(见文献〔1、2〕)，气化气体绝大部分显热散给冷却壁。此外，在气化气体用水骤冷至水蒸汽饱和温度的并流反应器中，不管是否有冷却式反应器壁，均有很多的热量被降为低的有效能水平。在具有冷却式放热器内壁的情况下，以及在气化气体向上离开反应器和液态渣向下离开反应器的逆流式反应器的情况下，必须借助附加的热或其至附加的燃烧器保持渣的排出。这些措施导致需要大量氧气、降低气化气体的热值并因而导致整个气化过程低的放热效率。但若不采取这些预防措施，则会破坏气化器的工作，因为将不能保持渣的流动。
尤其在用氧作为气化剂工作的引射流反应器中，反应组分的滞留时间很短。为避免在燃料短缺时氧气烧穿砌衬，必须付出非常高昂的测量和监控费用。
供给单独裂解的燃料的引射流反应器的缺点是，裂解产物在供入反应器前被冷却，除了热损失外，为了气体的置备和液态产物的处理需要昂贵的费用。
本发明要达到的目的在于建议一种简化的方法和一种反应器，与先有技术相比它们在较低的平均温度水平和较高的放热效率下工作，并生成没有碳氢化合物和氯化碳氢化合物(二噁烯，呋喃)的气化气体，以及在避免设单独的分离阶段的情况下它可作为可燃气体利用来发电，作为合成气体或还原气体利用于矿石还原的加热阶段中。
为实现上述目的，根据本发明提供一种由可再生的和矿物燃料、其他生物量、垃圾或煤泥通过在燃烧器内按低于化学计量比添加气态氧和/或含氧气体在无机成分熔点以上燃烧成含CO2和H2O的气化剂制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法，其特征为：
-燃料和/或气体在进入燃烧室内时造成自旋，燃烧时产生的液态矿物组分朝基本上垂直布置的燃烧器壁抛掷并与在这里产生的气化剂分离；
-气化剂通过燃烧室底部的中心孔引入气化反应器，以及在此过程形成浸没射流；
-分离的液态组分通过燃烧室底部的中心孔排出并作为小渣滴被气化剂浸没射流夹带平行于气体排出和朝反应器底部加速，在那里聚集和从此底部导出；
-在气化器内含碳的粉状燃料供入气化剂，在随后的气化反应过程中，二氧化碳还原为一氧化碳以及水蒸汽还原为氢；
-气体浸没射流在反应器底部上方转向，产生的气化气体在反应器上部排出，并通过后继的除尘和化学净化制备成可燃气体、合成气体或还原气体。
根据本发明，燃料他热地或自热地加热为300至800℃，在这种情况下产物在供入燃烧室之前分离为气态和固体的含碳燃料，接着分别输入此过程。固体含碳燃料磨成粉状燃料。燃烧所需热量的一部分通过与气化气体和/或可燃气体、合成气体或还原气体的热交换获得。气化气体通过反应器壁与燃烧室外壁之间的空腔导引，并吸收要从燃烧室排出的部分热量。热的气化气体在进入反应器壁与燃烧室外壁之间的空腔前或在此空腔内冷却。渣集中在反应器底部的水槽内并由此处排出。冷却直接通过用水、水蒸汽和/或冷却气体骤冷或借助于与反应器壁或其内衬连接的冷却而实现。外加的矿物质和/或矿石添加在含碳的固体燃料中并在燃烧时熔化。外加的细粒燃料添加在粉状燃料中。粉状燃料优选直接在燃烧室底部的下面通过一根或多根喷管吹入浸没射流中。渣集中在燃烧室底部的一个集渣池内，并通过排渣沟渠输入中心孔。
为实现上述目的，根据本发明还提供一种用于实施上述方法的设备，该设备包括一个组合燃烧器和一个设在其下面具有燃料和气体输入装置的燃烧室，其特点在于下列特征：
a)在燃烧室头部设扭转器，燃料和气体从组合燃烧器经过扭转器向下引向位于燃烧室底部中央的气体出口；
b)气体出口上端被一渣池围绕；
c)在气体出口下方设有一个包括渣池和排渣口的吸热的引射流气化器，渣平行于气体地流入渣池和排渣口；
d)在气体出口下方设延伸到气化器内的粒状燃料喷管。
根据本发明，在吸热的引射流气化器上部区内的气体出口被耐热材料制的外套围绕。设上部粉状燃料喷管和下部粉状燃料喷管，其中上部粉状燃烧喷管穿过外套。吸热的引射流气化器被隔热内衬围绕。隔热内衬相隔一个距离地围绕燃烧室，此间距构成一个形式上为环形腔的热平均通道。隔热内衬在燃烧室的区域内设冷却装置。在环形腔或热平均通道内设导引装置。在吸热的引射流气化器的上部区内和/或在热平衡通道内设骤冷装置。渣池设计成圆锥形并有排渣沟渠。燃烧室底部设计为锥形以及引射流气化器有作为防烧穿装置的反锥体，它围绕燃烧室底部。按这样的方式实施此解决方案，即，反应器设计为原则上将物理热在只有最低损失的情况下保持在高的温度水平以及利用于增加化学化合热。为此，燃料和/或气体在燃烧温度下首先在燃烧器出口或燃烧室进口处使之旋转，其结果是使热的小渣滴朝壁离心分离并在壁上流向在燃烧室底部的渣池。
因此防止了液态渣与固体燃料的混合。与此同时，燃烧室壁保持在这样一个温度水平，即在它上面形成一个凝固的溶渣层，后来的渣在此渣层上流过并在其外侧受(反射的)气化气体冲刷。
燃烧室底部有一中心孔，从小渣滴释放的气体作为浸没射流从此中心孔排出并进入引射流气化器。在壁上流下的渣收集在围绕此孔的池中，渣池最好配备径向排渣沟渠，以及渣平行于气体流入引射流气化器。在这里气体出口设计为通道，借此使气化气体成层。
这样一来达到了两个目的。一方面向下排入气化器内的气体保持较长时间作为射流，在这种情况下射流在水槽上方由于压缩效应自行减速并向上转向(反射)，以便接着平行于浸没射流沿气化器壁上升。含碳的粉状燃料在还原条件下吹入下降的气体射流中，起先被带着下降，然后进入外套状上升的气体部分中，在这里设备的尺寸和流速按这样的方式设计，即，由此造成足够的滞留时间并因而实现粉状燃料的基本上气化。
为了阻止上升的气体部分与排出的射流反向混合，围绕着气体出口设一用耐热钢或陶瓷制的外套，粉状燃料可借助喷管穿过外套供入。
上升气体例如经由导引装置进入设备外壳与燃烧室外套之间的空隙内，在这里造成热平衡并通过气化气体出口离开此设备。
设备设有隔热内衬并优选冷却。
产生的气体质量高并能直接使用。
在上升的气体进入热平衡通道前，它例如在不稳定工作状态下可通过喷水或冷却气体骤冷。
下面借助于附图参照实施例进一步说明本发明。
在这里使用组合燃烧器1，它在低温干馏产物通道4的进口接管处接收热的气态低温干馏产物，包括雾状的组分，如焦油、油、水和粉末，并通过扭转器33引入燃烧室9。在组合燃烧器低温干馏产物通道中设有用于将剩余焦炭、灰和添加物8输入反应器的管子，以便将在燃烧室1内熔化的矿物组分带着一起扭转、加热和在燃烧室9内以液体状态朝壁抛掷。为了在灰熔点以上低于化学计量地燃烧为气化剂，组合燃烧器1还有氧气7或空气3的输入通道，它们以与低温干馏产物相同的方向通过扭转器33引入燃烧室9，用于与低温干馏产物快速转化为气化剂和用于熔化残余焦炭、灰和必要时添加物的矿物组分。为了防止在不冷却的构件内进入过多的热量，起动和加热所需的点火燃料输入装置2、点火空气输入装置5以及点火器及点火监测器6一起装在组合燃烧器内，在那里这些构件在稳态的气化作业时用另一些流动介质保护。
也可以使用已知的用于烧煤粉的湍流式烧嘴。
燃烧室9在剩余焦炭、灰和添加物的矿物组分的熔点以上运行。燃烧室9的壁是导热的，所以渣在壁上由于向外散热凝固成一个保护层，以及基于燃烧室9内的温度在此保护层上流过液态的渣。反应腔10的底部设计为带加工在上面的排渣沟渠12的集渣池，以便能构成渣槽13，由于渣与气化剂11直接接触以及由于即使在穿过气体出口34时也与气化剂11并流，所以渣槽能始终保证渣的流动。在燃烧室9内在低于化学计量的气化条件下生成的气化剂11，由于其调整为高的CO2及H2O含量，在吸热的引射流气化器14内用作气化剂。随气化剂11加入的显热利用来满足粉状燃料与气化剂之间吸热的气化反应对热量的需求。因此设有将粉状燃料送入反应器的喷管15、17。气化剂11作为浸没射流16进入吸热的引射流气化器14并使夹带的小渣滴18加速，使它们进入水槽19内，并在那里凝固成能洗提的粒状体。设有排渣口22、供水口21和水溢流口20，用于排渣和补充蒸发掉的水。它们与水槽19一起构成吸热的引射流反应器14的下部末端。
浸没射流可以进一步稳定化以及与反射的平行于壁呈外套状上升气体的方向混合可以防止，只要在气体出口34下方设一用耐热钢或陶瓷制的外套35，粉状燃料喷管15穿过此外套。另外的喷管17可位于其下面。
所设计的结构通过在吸热的引射流反应器14内供入无氧的气化剂11和要气化的粉状燃料以及通过500℃以上高的气化温度，保证在冷的反应器区内不会发生氧化烧穿。
热平衡通道26用于加热在吸热气化过程被冷却的气化气体23，在此通道内必要时设有导引装置24。它们使气化气流23产生涡旋，加强从燃烧室9的壁排出对流热，使燃烧室内壁冷却到低于渣的熔点并由此造成由凝固的渣构成的保护层。此外借助于冷却装置27加强对燃烧室壁的冷却，它设有冷却剂进口和出口28、29。为了将气化温度降低到应处于的500-1200℃之间，设置使气化气体骤冷的装置30，在此装置上安装骤冷喷嘴31。气化气体经有耐火衬里的气化气体出口25离开反应器。
采用另一种多级反应器的设计，可以显著扩展反应器的应用范围。例如，通过更换剩余焦炭/灰和粉状燃料喷管8、15、17、部分组合燃烧器和骤冷喷嘴31，提供了可能性熔化外来的可能受污染的矿物质，但也可以熔化矿石，以及气化外来的细粒状燃料，利用本身的可燃气体或外来的用于计量的输送气体，或用不同的介质如水、水蒸气或冷却气体骤冷。
也可以提供一种收集从燃烧室9流出处于液态的熔体的槽的设计，它取代水槽19构成吸热的引射流气化器14的下部末端。
为了化学及热防护，反应器设耐火砌衬32。但它也可以用耐热耐腐材料设计和具有耐压至10MPa的外隔热装置。
为防止燃烧室9烧穿到吸热的引射流气化器14内，热平衡通道26的下部设计为圆锥形。
文献：
〔1〕CARL/FRITZ：“NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN”
 EF-Verlag für Energie-und Umwelttechnik GmbH 1994
〔2〕LUCAS u.a.：“Ein Vergleich von Kohlevergasungsverfahren
 unter Druck in der Flugstaubwolke”Chemische Technik 1988，
 Heft 7，Seite 277-282

Claims (22)

1.由可再生的和矿物燃料、其他生物量、垃圾或煤泥通过在燃烧器内按低于化学计量比添加气态氧和/或含氧气体在无机成分熔点以上燃烧成含CO2和H2O的气化剂制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法，其特征为：
-燃料和/或气体在进入燃烧室内时造成自旋，燃烧时产生的液态矿物组分朝基本上垂直布置的燃烧器壁抛掷并与在这里产生的气化剂分离；
-气化剂通过燃烧室底部的中心孔引入气化反应器，以及在此过程形成浸没射流；
-分离的液态组分通过燃烧室底部的中心孔排出并作为小渣滴被气化剂浸没射流夹带平行于气体排出和朝反应器底部加速，在那里聚集和从此底部导出；
-在气化器内含碳的粉状燃料供入气化剂，在随后的气化反应过程中，二氧化碳还原为一氧化碳以及水蒸汽还原为氢；
-气体浸没射流在反应器底部上方转向，产生的气化气体在反应器上部排出，并通过后继的除尘和化学净化制备成可燃气体、合成气体或还原气体。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：燃料他热地或自热地加热为300至800℃，在这种情况下产物在供入燃烧室之前分离为气态和固体的含碳燃料，接着分别输入此过程。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：固体含碳燃料磨成粉状燃料。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征为：燃烧所需热量的一部分通过与气化气体和/或可燃气体、合成气体或还原气体的热交换获得。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征为：气化气体通过反应器壁与燃烧室外壁之间的空腔导引，并吸收要从燃烧室排出的部分热量。
6.按照权利要求5或6所述的方法，其特征为：热的气化气体在进入反应器壁与燃烧室外壁之间的空腔前或在此空腔内冷却。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征为：渣集中在反应器底部的水槽内并由此处排出。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征为：冷却直接通过用水、水蒸汽和/或冷却气体骤冷或借助于与反应器壁或其内衬连接的冷却而实现。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征为：外加的矿物质和/或矿石添加在含碳的固体燃料中并在燃烧时熔化。
10.按照权利要求3所述的方法，其特征为：外加的细粒燃料添加在粉状燃料中。
11.按照权利要求1所述的方法，其特征为：粉状燃料优选直接在燃烧室底部的下面通过一根或多根喷管吹入浸没射流中。
12.按照权利要求1所述的方法，其特征为：渣集中在燃烧室底部的一个集渣池内，并通过排渣沟渠输入中心孔。
13.实施按照权利要求1至12所述方法的设备，包括一个组合燃烧器(1)和一个设在其下面具有燃料和气体(2、3、4、5、7、8)输入装置的燃烧室(9)，其特点在于下列特征：
a)在燃烧室(9)头部设扭转器(33)，燃料和气体从组合燃烧器(1)经过扭转器向下引向位于燃烧室底部中央的气体出口(34)；
b)气体出口(34)上端被一渣池(12)围绕；
c)在气体出口(34)下方设有一个包括渣池(19)和排渣口(22)的吸热的引射流气化器(14)，渣平行干气体地流入渣池和排渣口；
d)在气体出口(34)下方设延伸到气化器(14)内的粒状燃料喷管(15)。
14.按照权利要求13所述的设备，其特征为：在吸热的引射流气化器(14)上部区内的气体出口(34)被耐热材料制的外套(35)围绕。
15.按照权利要求13或14所述的设备，其特征为：设上部粉状燃料喷管(15)和下部粉状燃料喷管(17)，其中上部粉状燃烧喷管(15)穿过外套(35)。
16.按照权利要求13所述的设备，其特征为：吸热的引射流气化器(14)被隔热内衬(32)围绕。
17.按照权利要求15所述的设备，其特征为：隔热内衬(32)相隔一个距离地围绕燃烧室(9)，此间距构成一个形式上为环形腔的热平均通道(26)。
18.按照权利要求17所述的设备，其特征为：隔热内衬(32)在燃烧室(9)的区域内设冷却装置(27)。
19.按照权利要求17所述的设备，其特征为：在环形腔或热平均通道(26)内设导引装置(24)。
20.按照权利要求13所述的设备，其特征为：在吸热的引射流气化器(14)的上部区内和/或在热平衡通道内设骤冷装置(30)。
21.按照权利要求13所述的设备，其特征为：渣池(12)设计成圆锥形并有排渣沟渠。
22.按照权利要求13所述的设备，其特征为：燃烧室(9)底部设计为锥形以及引射流气化器(14)有作为防烧穿装置的反锥体，它围绕燃烧室底部。
CNB988106574A 1997-10-28 1998-10-06 由固体燃料制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法和设备 Expired - Fee Related CN1136299C (zh)

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