CN1277629A - 气化反应中氧气流量的控制 - Google Patents

Abstract

本发明的控制气化反应过程中氧流量的装置含有一个设置在氧源与氧压缩机之间的吸气控制阀,该吸气控制阀可以打开而把来自氧源的氧通过第一管道引入氧压缩机,并可移向减小流量的位置以防止从氧源向压缩机输入过多的氧。上述装置还含有一条使氧压缩机与气化器的入口工作连接的第二管道,还含有一个位于氧压缩机与气化器入口之间的、通常是关闭的排气阀,还具有一个位于气化器内或气化器排出物内的、用于测定何时需要改变进入气化器的氧流量和何时启动足以改变氧流量的吸气控制阀的检测器,最后,本发明的装置还具有一个用于控制吸气控制阀和排气阀以调节输入气化器的氧量的控制器。

Description

气化反应中氧气流量的控制

本发明涉及控制气化反应过程中的氧气流量的方法和装置。

石油基的原料包括不纯的石油焦和其他烃类物质如：固态的含碳废料、渣油和重质石油的副产物。这些原料通常用于产生氢和一氧化碳气体混合物(通常称之为“合成气体”)的气化反应。上述的合成气体被用作制造许多有用的有机化合物的原料，并可用作发电厂的清洁燃料。

气化反应通常要向气化反应器(也称为“部分氧化气化反应器”或简称为“反应器”或“气化器”)送入原料、含游离氧的气体和其他物质。上述气化器由于在高温下工作，故要衬以可承受反应温度的耐火材料。

上述的原料与氧均匀混合并在气化器中反应而生成合成气体。虽然上述反应可在宽的温度范围内进行，但是所用的反应温度必须高到足以熔化原料中可能含有的任何金属。如果温度不够高，反应器的出口就可能被未熔化的金属堵住。另一方面，反应温度又必须低到足以不损坏反应器内衬的耐火材料。

控制反应温度的方法之一是控制与原料混合并随后与之进行反应的氧的流量。按照这种方法，若要提高反应温度，便增大氧的流量。另一方面，若要降低反应温度，便减小氧的流量。

反应中所用的氧通常要通过管道从氧源送到压缩机，然后再通过第二管道从压缩机送到气化器。通常要在压缩机与气化器之间设置一个蓄气器。氧由气化器上端的入口导入反应器中以与原料混合，利用设置在上述入口上的阀来控制进入该入口的氧量，当上述阀打开时，氧就流入反应器，当需要减慢反应并进行冷却时(例如当原料流动放慢时)，就减小通过阀的氧流量，也就是使阀移向减小流量的位置。

遗憾的是，上述的控制装置不能十分精确地控制氧流量。这是因为即使在上述入口上的阀处于减小流量的位置时，压缩机仍然通过第二管道送出氧。产生的氧从压缩机来到减小流量的阀，使氧的压力提高，因此难以实现良好控制。

有一个解决办法是在压缩机出口处设置一个大的蓄气器。但是，这是一个大的安全隐患，因为该蓄气器邻近高温和含碳物质。因此，需要发明一种可直接在管道中减少氧量而控制气化过程中的氧的流量的方法和装置。

本发明的控制气化反应过程中的氧流量的装置含有：一条使氧源与氧压缩机工作连接的管道。在氧源与压缩机之间设置一个吸气控制阀，该控制阀可以打开、将来自氧源的氧通过第一管道送到压缩机中，并可移动到减小流量的位置以防止从氧源向压缩机送出过多的氧。上述装置还含有使氧压缩机与气化器入口工作连接的第二管道，并在氧压缩机与气化器入口之间设置一个通常是关闭的排气阀。上述装置还含有一个设置在气化器内或气化器排出物中的检测器，用来测定何时需要改变进入气化器的氧流量以及何时起动足以改变氧流量的吸气控制阀。最后，上述装置还含有一个用于控制吸气控制阀和排气阀以调节送入气化器的氧量的装置，上述的测定何时需要减少或增大进入气化器的氧流量的检测器可以是烃类燃料流量计、热电偶、高温计、气体检测仪、或气化器排出物流量计。

本文所用的术语“氧压缩机”指的是可在高压(例如大于1个大气压或101KPa压力)下产生用于气化器的氧的任何装置。

本文所用的术语“氧源”指的是可提供氧、基本上纯的氧，或含有约大于21％摩尔氧的富氧空气的任何装置、设备或来源。可以使用含有以适合于气化过程中的反应的形态存在的氧的任何含游离氧气体。基本上纯的氧是一种含有高于约90摩尔％(更通常是约95～99.5摩尔％)氧的气体。含游离氧的气体通常含有氧和从制备氧的空气中带来的其他气体如氮、氩或其他惰性气体。典型的氧源是一个可从空气中分离出氧的空气分离器，这种分离器可以从市场上购得。

本文所用的“吸气控制阀”指的是设置在氧源与氧压缩机之间的管道上的可移动部件。当该吸气控制阀部分地或完全地“打开”时，便允许氧通过工作连接的管道从氧源流到压缩机。当上述的阀“关闭”时，便阻止氧进入压缩机。当上述阀处在“降低流量的位置”上时，该阀便部分地打开，比完全“打开”时减小流入压缩机的氧流量。上述的吸气控制阀最好是可从打开位置、通过多个“降低流量位置”、和最后到关闭位置连续地调节。

本文所用的术语“排气阀”指的是一种在它打开时允许气体(这里是氧、基本上纯的氧、或富氧的气体)进入管道并排入大气或气罐、要用氧的反应过程、或其他部位中的阀。接受排氧的部位是不重要的。术语“通常是关闭的排气阀”意思是排气阀在正常的稳定的作业中是关闭的。阀的最终位置是打开还是关闭对本发明是不重要的。排气阀通常最好可在打开、关闭和多个部分开启的阀位置上调节。

本发明可用于控制进入反应器中与烃类原料反应而生成合成气体的氧流量。任何有效的装置都可用来将原料供入反应器内。一般说来，原料、氧及任何其他物质是通过反应器上的一个或多个入口或者说开口加入的。原料和气体一般是通过位于反应器入口内的燃料喷嘴加入的。任何有效的燃料喷嘴结构都可用来辅助添加燃料和气体或者说使它们在反应器中互相反应，例如在美国专利No.2928460(Eastman等人)、4328006(Muenger等人)或4328008(Muenger等人)公开的那种环形的燃料喷嘴，上述专利均结合作为本发明的参考文件。

另外，原料也可通过一个开口引入反应器的上端。含游离氧的气体通常以高的速度通过燃料喷嘴或可将氧气直接送入原料流的独立的出口引入反应器中。采用这类结构可以使加入的物质在反应区内均匀地混合，并可防止氧气流直接冲击和损伤反应器壁。

任何对气化反应有效的反应器结构都是可用的。一般采用直立式的圆筒形钢质压力容器。下列美国专利公开过所述反应器及相关装置：No.2809104(Strasser等)、2818326(Eastman等)、3544291(Schlinger等)、4637823(Dach)、4653677(Peter等)、4872886(Henley等)、4456546(Van der Berg)、4671806(Stil等)、4760667(Eckstein等)、4146370(Van Herwijner等)、4823741(Davis等)、4889540(Segerstrom等)、4959080(Sternling)和4979964(Slernling)，上述专利均结合作为本发明参考文件。反应区最好具有一个下冲式自由流动的并衬有耐火材料的腔室，该腔室的顶部中央有一个入口，而在其底部有一个与入口轴向对准的出口。

气化反应在足以使所需量的原料转变成合成气体的反应条件下进行。反应温度通常约为900～2000℃(最好是约为1200～1500℃)。反应压力一般约为1～250个大气压(最好是约为10～150个大气压)。在反应区内的平均驻留时间一般大约为0.5～20秒(通常是大约1～10秒)。

任何含有以适合气化过程的反应的形态存在的氧的含游离氧气体都可以用。通常是通过一种空气分离器从空气中分离出氧的办法来供应氧。从空气分离器流出的氧通过管道进入压缩机提高氧的压力，再通过第二管道送至气化器上端的入口。

石油基原料与含游离氧气体及其他组分的最佳比例可随各种因素的不同而有较大的变化，这些因素例如有：原料的类型、氧的类型、以及诸如耐火材料和反应器方面的设备条件。一般说来，含游离氧气体中的氧与原料中的碳的原子比约为0.6～1.6，最好是约为0.8～1.4。当含游离氧的气体是基本上纯的氧时，上述原子比可以是大约0.7～1.5，最好是0.9。当含氧气体是空气时，上述原子比可以是大约0.8～1.6(最好约为1.3)。

本发明的氧流量控制装置不管石油基原料与含游离氧的气体之间的最佳比例如何都可使用。氧流量控制装置可测定何时由于烃基燃料流量的减小而需要减小氧的流量。同理，该氧流量控制装置可以测定何时由于烃基燃料流量增大而需要增加氧的流量。这种检测器可以方便地从市场上购到。它们包括烃类燃料流量计、热电偶、测速计、高温计、气体传感器、或其他检测和测量仪器。

一旦测出需要减小氧流量，就立刻将信号传送到吸气控制阀，将它移至减小流量的位置，或使之关闭，使进入压缩机的氧流量减至最小或者完全阻止氧进入压缩机。上述信号可以通过任何发送信号的装置来传送，例如可以采用在许多地方都可购到的那类无线电自动控制器。

当需要再次增大氧流量时，便将信号传送到吸气控制阀，使之部分地或完全地打开，增大进入压缩机的氧流量，并增大压缩机的输出量。这种信号可以由发送关闭吸气控制阀的前种信号的同一装置发出或者由第二信号发送器发出。这样，氧流量可控制到所需量的3％(更好为2％，最好为1％)之内。

为了对传感器的变化保持快速反应，最好不要在压缩机出口设置蓄氧器、调压箱或者说调压筒。同理，压缩机与气化器入口之间的管道长度应保持最短值，最好少于2000英尺。

虽然在气化反应开始时通常不需要使用反应器入口处的普通的可调截流阀和压缩机的排放阀，但是最好还是将它们与本发明的装置结合起来使用。这样，在烃类燃料流量低时，可使氧流量减小总量流量的10％/S(更好为15％/S，最好为20％/S)。

当氧的流量不能通过减小进入压缩机的流量而足够快地降低时(例如，由于误操作而使气化器关闭时)，可以打开排气阀。氧流入大气或流入其他低压装置比流入气化器更容易，从而减小进入气化器的氧流量。这一点在一台或多台气化器与单一个氧压缩机一起工作时特别重要。排气阀可以快速地打开，所以在多台气化器系统中当全部的氧被快速(＜5秒)切流到一个气化器时氧的压力都不会发生明显的(＜1％)变化。

当多于一台气化器与单一个氧压缩机一起工作并且有一台气化器发生故障时，则使通往有故障的气化器的控制阀关闭而将有故障的气化器上的排气阀打开，这一操作可使大量的氧从压缩机流至未发生故障的气化器并持续工作。而且，由于压缩机的机械限制，减少流量可能引起压缩机失效和/或引起压缩机严重损坏。压缩机故障会造成无故障的气化器停工。因此，在多台气化器共用一个公共氧压缩机的情况下，如果流入气化器的氧中断时，流量控制装置向大气排出氧的功能常常是重要的。

本文所述的氧流量控制装置可用于控制进入共用一个公共氧源和氧压缩机的两台或多台气化器的氧流量。这可以通过例如图2所示的装置来实现。

采用本发明的氧流量控制装置可使进入气化器的氧流量控制到1％之内。当燃料的流量低时，通过调节截流阀和排气阀，可在不使氧气压力发生明显变化(＜1％)的情况下，在供入低流量(≤20％/S)的原料物质时，快速减少进入气化器的氧流量。上述装置的结构还可以在供入低流量的氧时快速(≤10％/S)降低燃料的流量。上述的功能可使气化器保持恒定的氧/烃比。

下面通过附图详细说明本发明的实施例，附图中：

图1是本发明的用于一种单一气化器的氧流量控制装置的示意图；

图2是本发明的用于多个共用一个公共的氧压缩机的气化器的氧流量控制装置的示意图。

图1是本发明的用于一种单一气化器的氧流量控制装置的示意图。来自一种例如空气分离器的氧源(未示出)的含氧气体通过吸气控制阀12进入空气压缩机14。经过压缩的气体从上述压缩机通过管道进入气化器10，在上述管道上设有一个排气阀16。在气化器的入口处还设有一个备用的调节阀18。在气化器10的内部设有一个可测定何时需要改变进入气化器的氧流量和何时启动足以改变氧流量的吸气控制阀12的检测器26。在本实施例中，还设有含碳燃料源22和燃料流量控制器23。控制装置24对送入气化器10的燃料和气化器内的检测器26的输出值进行比较，如果工艺过程变得相当不平衡，控制装置24可关闭备用调节阀18并打开排气阀16，这就可在吸气控制阀12关闭之前快速地减小送入气化器10的气流。

图2是本发明的用于多个共用一个公共的氧压缩机36的气化器(未示出)的氧流量控制装置的示意图，上述的每个气化器都是独立工作的。通过连接管道30供给来自空气分离器的含氧气体，该气体必须通过吸气控制阀34供入压缩机36的入口。在连接管道30上安装了一个排气阀32，以便万一在压缩机36不能工作或者吸气控制阀34完全关闭时分流低压含氧气体。含氧气体在压缩机36内受到压缩，然后分流进入两个或多个气化器。在压缩气体分流之前的管路上设置一个大容量的排气阀38。在分流之后的每条分流管路上各设置一个流量计40和42。然后在每条分流管路上各设置一个第二排气阀44和46。这种排气阀需要与每条分路上的调节阀48和50一起动作，以便在必要时快速减少流入气化器(未示出)的氧流量。另外，排气阀32和排气阀44和46的功用也可以是相反的。通过吸气控制阀34首先控制全部气化器系统所需要的氧量，再由调节阀48和50将气流按比例分配到各个气化器中。在每条通往气化器的管路上还设置有辅助截流阀56和58，因为调节阀48和50常常不能可靠地完全截断气流。气流通过上述截流阀56和58后，便通过连接装置56，58进入气化器(未示出)。图2还示出向一个气化器供入的燃料流。从含碳燃料源60送出浆状燃料至流量计62，然后再流入气化器。输入各气化器的气流速度取决于从流量计62流入该气化器的燃料速度，并取决于设置在气化器内或者说设置在气化器排出物内的、用于测定气化反应器内的氧是过剩还是不足的检测器(未示出)的输出信号。

实施例1

一种气化器按部分氧化的模式工作。反应器具有一个高温计和多个热电偶(未示出)用于监控反应室的上部、中部和下部的反应温度。

通过一种详细示于图1的氧流量控制装置来控制氧的流量。在温度约为1200℃(2192°F)～1500℃(2732°F)和压力约为10～200大气压的条件下进行气化反应。原料与气体在气化器中发生反应产生合成气体和副产物，该合成气体和流体副产物从气化器流入冷却室或者说冷却容器(未示出)以进行进一步的处理和回收。

使用图1所示的氧流量控制装置可使进入气化器的氧流量控制到1％之内。当浆状燃料的流量低时，通过调节截流阀和排气阀，可在不使氧气压力发生明显变化(＜1％)的情况下，在供入低流量(≤20％/S)的原料时，快速减少进入气化器的氧流量。当供入的氧流量低时，上述装置也可快速减少浆料的流量(≤10％/S)。上述这些动作可使气化器保持恒定的氧/烃比。不需要调压筒或压力控制阀，而且可明显减少氧压缩机与气化器之间的管道长度(＜2000英尺)。

实施例2

两台部分氧化气化器按图2所示的部分氧化模式工作。反应器具有一个高温计和若干热电偶(未示出)，用来监控反应室的上部、中部和下部的反应温度。

从压缩机36供入含有游离氧的气体。采用图2所示的装置使两台部分氧化气化器同时工作。注意：两台气化器共用一个普通的气体分离器和压缩机。在温度约为1200℃(2192°F)～1500℃(2732°F)和压力约为10～200大气压的条件下进行部分氧化反应。原料与气体在气化器(未示出)中发生反应，生成合成气体和副产物。该合成气体和流体副产物从气化器流到一个冷却室或者说冷却容器(未示出)内，以进行进一步的处理和回收。

采用图2所示的氧流量控制装置，可使进入气化器的氧流量控制到1％。当浆状燃料的流量低时，通过调节截流阀(48和50)和排气阀44和46，可在不使氧气压力发生明显变化(＜10％)的情况下，在供入低流量(≤20％/S)的原料时，快速减少进入气化器的氧流量，当供入的氧流量低时，上述装置也可快速减小浆料62的流量(≤10％/S)。这些功能使气化器保持恒定的氧/烃比。不需要设置调压筒或压力控制阀，并使氧压缩机与气化器之间的管道长度减至最少(＜2000英尺)。另外，当全部的氧快速地(＜5秒)截流到一个气化器时，可以快速打开排气阀38，故氧气压力不会发生明显变化(＜1％)。

Claims (7)

1.一种控制气化反应过程中的氧流量的装置，含有：

a.一条使氧源与氧压缩机工作连接的第一管道；

b.一个位于上述氧源与上述氧压缩机之间的吸气控制阀，该吸气控制阀可以打开而通过上述第一管道将氧从氧源导引到上述氧压缩机中，并可移动到一个减小流量的位置以减少从氧源输入到压缩机中的氧量；

c.一条使上述氧压缩机与一个气化器的入口工作连接的第二管道；

d.一个位于上述氧压缩机与上述气化器入口之间的排气阀；

e.一个位于气化器内、供入气化器的燃料内或气化器的排出物内的检测器，该检测器可测定何时需要改变供入气化器的氧流量和何时启动吸气控制阀以改变氧流量；和

f.一个控制吸气控制阀的致动器和一个控制排气阀以调节供入气化器的氧量的致动器。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于，在上述气化器的入口处还设有一个用来调节从第二管道进入气化器的氧流量的调节阀。

3.根据权利要求2的装置，其特征在于，沿上述调节阀的压差为280KPa或更小。

4.根据权利要求1的装置，其特征在于，含有至少两条使氧压缩机与至少两个气化器的入口工作连接的第二管道，设置在上述每条第二管道上的可调节从该第二管道进入气化器的氧流量的调节阀，和设置在上述氧压缩机与上述的每条第二管道上的调节阀之间的排气阀。

5.根据权利要求1的装置，其特征在于，上述设置在气化器内、或气化器排出物内的用于测定何时需要改变进入气化器的氧流量的检测器可从如下一组装置中选择：热电偶、高温计和排出气体流速传感器。

6.根据权利要求5的装置，其特征在于，上述的设置在气化器内或气化器排出物内的用于测定何时需要改变进入气化器的氧流量的检测器是一种高温计。

7.一种控制气化反应过程的氧流量的方法，包含如下步骤：

a.测定何时需要改变进入气化器的氧流量；

b.启动设置在氧源与氧压缩机之间的吸气控制阀，使该阀开得大些或移向减小流量的位置，从而增大或减小通过将氧源与氧压缩机工作连接的管道的氧流量；和

c.如果流入气化反应过程的氧超过2％，便启动上述排气阀。

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