CN1515654A - 燃料气化系统 - Google Patents

Abstract

一种集成气化炉包括气化室(1)，用于气化其中的流化介质以形成具有界面的气化室流化床，焦炭燃烧室(2)，用于燃烧在气化室中气化生成的焦炭，并加热流化介质以形成类似的具有界面的流化床，和能量回收装置(3)，其中，(1)和(2)整体构建，并由在流化床界面垂直上方的位置的隔板隔开，并且，在隔板的下部提供连通(1)和(2)开孔，由此，在(2)中被加热的流化介质经此开口从(2)流入(1)。上述设置消除了对气化炉与焦炭燃烧炉之间的压力平衡控制和机械流化介质处理装置的需求，确保了质量优异的生成气体的稳定供应，并提供了能高效地回收能量的燃料气化方法。即使使用含有氯的可燃废物材料作为燃料，也能使蒸汽过热器(管)的腐蚀最低化，并高效地发电。

Description

燃料气化系统

本申请是1998年12月18日递交的中国专利申请98813559.0的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于气化燃料的气化炉，以及应用这种气化炉的气化系统，燃料包括煤、城市垃圾等的。

发明背景

目前，许多国家都致力于开发用煤作燃料的高效发电系统。为了提高发电效率，重要的是高效率地将煤的化学能转化为电能。然而，近年来，如何开发高效发电系统已被人们忽略。集成气化综合循环(integrated gasification combined cycle)(IGCC)技术通过气化将煤转化为清洁的化学能，然后，用燃料电池将化学能直接转化为电能，或者利用化学能使燃气轮机在高温下旋转以高效地产生电能。然而，因为IGCC技术是以使煤完全气化为导向的，气化温度必须提高到将灰分熔化的高温，因此导致了许多与排放熔渣和耐火材料耐久性相关的问题。此外，为熔化灰分，要消耗一部分热能，尽管生成气体(generatedgas)在高温的状态下排出，为了纯化气体，生成气体的温度必须降低到如450℃的温度，引起了大量的显热损失。另一个问题是为了实现稳定的高温，必须供应氧气或富氧气体。由于这些原因，净能转化效率没有提高，利用产生气体的方法没有一种技术能高效地产生电能。目前，现在发现，净能转化效率都不高。

在集成气化综合循环(IGCC)中，在最终将化学能转化为电能的技术上存在一个效率上限，导致在试图提高总效率上存在瓶颈。因此，在近年来引人注意的高效发电技术简单地产生了尽可能大量的气体，同时保持气轮机入口温度为上限，以提高从气轮机产生的输出能量的比率。高效发电技术的典型实例包括前置(topping)循环发生系统和使用改进加压流化床炉的发电系统。

在使用改进加压流化床炉的发电系统中，煤首先被加压气化炉气化，所产生的未燃烧碳(也称之为焦炭(char))通过加压焦炭燃烧器燃烧。当来自焦炭燃烧器的燃烧气体和来自气化炉的生成气体被净化后，它们被混合，并经前置燃烧器燃烧，以产生高温气体来驱动燃气轮机。在这种发电系统中，重要的是如何提高进入燃气轮机的气体量。影响进入燃气轮机的气体流量升高的极限的最重要的条件是所产生气体的净化。

从在还原气氛中脱硫的最优温度来看，为了净化生成气体，通常需要将生成气体冷却到约450℃。另一方面，因为气体的温度越高，燃气轮机的效率也越高，所以燃气轮机的气体入口温度必须尽可能高。目前，将燃气轮机入口处的气体温度提高到1200℃或稍低(由于燃气轮机材料的耐热耐腐蚀所致的极限温度)是常用的方法。因此，生成气体必须具有足够高的热值以将气体温度从气体净化所需的450℃提高到燃气轮机入口处所需的1200℃。

因此，为了开发使用改进的加压流化床炉的发电系统，人们致力于获得其量尽可能少而其热值尽可能高的生成气体。作出这种努力的原因是：如果在450℃下净化的生成气体量下降，冷却所损失的显热减少，生成气体所需要的最低热值也就下降了。如果生成气体的热值高于为将气体温度提高到燃气轮机入口处所需的气体温度所必需的热值，则可以提高燃烧空气的比率，以提高进入燃气轮机的气体流量，从而进一步提高发电效率。

近年来，还开发了高效废物燃烧发电技术以利用城市垃圾等作为燃料。然而，高效废物燃烧发电技术的一个问题是废物中可能含有高浓度的氯，用于回收热量的蒸汽温度不能超过400℃，否则有可能腐蚀传热管。因此，需要开发一种技术以克服以上困难。

用煤等作为燃料的典型常规气化炉是附图17所示的双塔循环型气化炉。双床热解反应器系统包括两个炉(塔)，即气化炉和焦炭燃烧炉。流化介质和焦炭在气化炉和焦炭燃烧炉之间循环，气化所需的热量以流化介质的显热形式供应到气化炉中，由于焦炭在焦炭燃烧炉中燃烧，流化介质被加热。由于在气化炉中生成的气体不必燃烧，所以生成气体的热值保持在较高的水平。然而，双床热解反应器系统作为大规模设备实际上没有工业化，这是因为存在与处理高温颗粒有关的问题，如在气化炉与焦炭燃烧炉之间获得足够量的颗粒循环，控制颗粒循环量，和稳定操作，以及与操作有关的问题，如独立于其它操作的焦炭燃烧炉的温度失控。

最近提出了一种系统，其中从焦炭燃烧炉排出的所有燃烧气体均导入气化炉以补充气化热的短缺，气化热不能全由循环颗粒的显热来提供，如附图18所示。正因为所提出的这一系统将从焦炭燃烧炉排出的所有燃烧气体输送到气化炉中，这与使用改进的加压流化床炉的发电系统的原理相反，该原理是要求以尽可能少的量和尽可能高的热值获得生成气体。这样，如果焦炭燃烧气体的量大于气化炉中气化或流化所需的时，则由于生成气体被过量的焦炭燃烧气体所稀释，热值被降低，为了在还原性气氛中进行净化，混合的过量焦炭燃烧气体也被冷却到450℃，其结果是将气体的温度升高到燃气轮机入口的适当温度所需的热量也增加了。与此相反，如果焦炭燃烧气体的量变少了，则气化炉中的流化变得不充分，或者气化炉中的温度下降，导致了需要向气化炉中供应空气。因此，为了实施这一系统，必须在适合于该系统的有限的煤中进行选择‘’一种煤。如果选择的煤稍微不同于限制的煤范围，则过量的焦炭燃烧气体必须冷却到450℃，或者因为向气化炉中引入空气而使生成气体的热值降低，其结果是整个系统的效率下降。

在这一系统中，通过改变床高以改变床中的传热面积来控制焦炭燃烧炉中的温度。当系统的负荷低时，因为燃烧气体被暴露于床的传热管所冷却，气化炉的温度和流化气体的速度发生改变，影响了气化反应速度，使得系统难于稳定操作。

根据上面这些缺点，本发明人设计了一种包括单一流化床炉的集成气化炉，所述的流化床炉具有气化室、焦炭燃烧室，以及由隔板分隔的低温燃烧室。焦炭燃烧室、气化室和低温燃烧室彼此相邻设置。本发明人发明了集成气化炉以克服上述双床热解反应器系统的缺点。集成气化炉允许大量流化介质在焦炭燃烧炉与气化炉之间循环。结果，充分的用于气化的热可仅通过流化介质的显热提供。集成气化炉可能特别容易地实现使用改进加压流化床炉的发电系统的原理，即获得其量尽可能少、并且热值尽可能高的生成气体。

然而，集成气化炉也有问题，如果气化室和焦炭燃烧室之间的压力不能很好地保持平衡，因为在焦炭燃烧气体与生成气体体之间没有完全密封，燃烧气体与生成气体可能相互混合，从而降低生成气体的性能。

在废物燃烧发电领域中，已提出热解废物并蒸发氯组分和其它挥发性组分，用大大降低了氯含量的剩余焦炭的燃烧热使蒸汽过热，以高效地发电。然而，城市垃圾热解生产的焦炭量少，因此不能获得使蒸汽过热所需的焦炭燃烧热。作为热介质的流化介质焦炭从气化炉流入焦炭燃烧炉，并且需要相同量的流化介质从焦炭燃烧炉返回气化炉以实现质量平衡。按照可利用的传统方法，流化介质必须由传送装置等机械地传送，导致的问题是难以处理高温颗粒并且显热损失大。

发明内容

本发明针对的是上述常规问题。本发明的一个目的是提供一种燃料气化炉，在气化炉与焦炭燃烧炉之间的压力平衡不需特别控制，不需要机械装置来处理流化介质，这种燃料气化炉可以稳定地获得高质量的生成气体，可以高效地回收能量。本发明的另一目的是提供一种集成气化炉，即使作为燃料的可燃废物材料含有氯，也能够降低对蒸汽过热器(管)等的腐蚀，能够高效地发电。

为了实现上述目的，权利要求1限定的本发明燃料气化系统如图1和13所示，包括气化室1，用于流化其中的高温流化介质以形成具有界面的气化室流化床，并在气化室流化床内气化燃料；焦炭燃烧室2，用于流化其中的高温流化介质以形成具有界面的焦炭燃烧室流化床，并在焦炭燃烧室流化床内燃烧由气化室1中气化产生的焦炭以加热流化介质；第一能量回收装置109，用以使用气化室1中生成的气体作为燃料；气化室1和焦炭燃烧室2相互形成整体；气化室1和焦炭燃烧室2由第一隔板15分隔开，以防止各自流化床界面垂直上方之间的气体流动；第一隔板15在其下部具有第一开口25，第一开口25用于连通气化室1和焦炭燃烧室2，允许在焦炭燃烧室2中被加热的流化介质经第一开口从焦炭燃烧室2流入气化室。

有了上述结构，因为气化室和焦炭燃烧室形成整体，可以在气化室和焦炭燃烧室之间容易地处理流化介质。因为气化室和焦炭燃烧室由第一隔板相互分隔开，防止各自流化床界面上方之间的气体流动，气化室的生成气体和焦炭燃烧室的燃烧气体几乎不会相互混合。由于提供了能量回收装置—如气轮机的能量回收装置，能量可以这样的方式回收，如驱动如空气压缩机或发电机的流体机器(fluid machine)。

按照权利要求1的燃料气化系统中的流化床包括位于垂直向下部区域的密相床层，它含有高浓度的流化介质，以及位于密相床层垂直上部的喷射区，其中含有流化介质和大量气体。流化床上方，即喷射区的上方，存在一个几乎不含流化介质、但主要由气体组成的澄清区(freeboard)。按照本发明，界面是指具有一定厚度的喷射区。然而，界面可以理解为位于喷射区上表面与喷射区下表面(密相床层上表面)之间的假想平面。优选地，这些室由隔板相互隔开，以至于密相床层上方之间没有气体流动。

按照权利要求2，在权利要求1限定的燃烧气化系统中，气化室1和焦炭燃烧室2由第二隔板11相互隔开，以防止各自流化床界面垂直上方之间的气体流动，第二隔板11下部具有第二开口21，第二开口用于连通气化室1和焦炭燃烧室2，允许加热的流化介质经第二开口21从气化室1流入焦炭燃烧室2。

有了上述结构，因为流化介质从气化室1经第二开口21流入焦炭燃烧室2，当在气化室1中产生了焦炭时，焦炭与流化介质一起流入焦炭燃烧室2，保持了气化室1与焦炭燃烧室2之间的流化介质的质量平衡。

按照权利要求3，上述燃烧气化系统进一步包括与气化室1和焦炭燃烧室2形成整体的热回收室3，气化室1和热回收室2相互隔开，或者不相互接触，以至于气体在其间不直接流动。有了这种结构可以回收热量，而不会引起气化室中生成的气体和燃烧气体在热回收室中的相互混合。由于提供了热回收室，即使当气化室中产生的焦炭量与在焦炭燃烧室中加热流化介质所需的焦炭量不平衡，这种量之间的差异也可以通过提高或降低热回收室中回收的热量来调节。

按照权利要求4，在权利要求1-3中任何一项所限定的燃料燃烧室可以包括锅炉111，其燃料气体来自第一能量回收装置109、燃烧气体来自焦炭燃烧室2。通常，第一能量回收装置是燃气轮机单元109或其燃气轮机106，作为燃料的气体是在气轮机单元的燃烧器105中燃烧的废气，通过燃气轮机106从中回收能量。由于废气中含有大量的热能，热能通过锅炉111回收。

在上述系统中，优选使用无氧气体作为气化室1的流化气体。无氧气体是指含有少量氧气的气体，其氧气浓度不足以使气化炉中生成的气体完全燃烧。因为使用无氧气体，生成气体没有完全燃烧，具有高的热值。

按照权利要求5，如图14所示，在权利要求1-3中任何项所限定的燃料气化系统中，气化室和焦炭燃烧室被加压到高于大气压，燃料气化系统进一步包括第二能量回收装置141，第二能量回收装置由来自焦炭燃烧室2的燃烧气体驱动，向锅炉111供应来自第一能量回收装置109的废气和来自第二能量回收装置141的燃烧气体。

有了上述结构，因为来自焦炭燃烧室的燃烧气体具有高压能量和高温能量，第二能量回收装置，通常是回收能量的涡轮机，其结构与燃气轮机单元中的燃气轮机相同，可以从燃烧气体中回收能量。在气化室中生成的气体可以直接导入燃气轮机单元的燃烧器105，不需通过气体压缩机，来自燃烧器105的燃烧气体引入到燃气轮机单元的燃气轮机106用于发电。因此，可以省去与燃气轮机相结合的气体压缩机。然而，如果燃气轮机所需的压力与生成气体的压力不同，则可以提供气体压缩机以提高压力补偿这个压力差。

为了实现上述目的，按照权利要求6的燃料气化系统，如图1和11所示，包括气化室1，用于流化其中的高温流化介质以形成具有界面的气化室流化床，并在气化室流化床内气化燃料；焦炭燃烧室2，用于流化高温流化介质以形成具有界面的焦炭燃烧室流化床，并在焦炭燃烧室流化床中燃烧由气化室1中的气化所产生的焦炭，以加热流化介质并产生燃烧气体；稳定燃烧室53，用于燃烧在气化室1中生成的气体，以加热在焦炭燃烧室2中产生的燃烧气体；能量回收装置55，用于从在稳定燃烧室53中加热的燃烧气体中回收能量；气化室1和焦炭燃烧室2相互形成整体，并加压到高于大气压的压力；气化室1和焦炭燃烧室2由第一隔板15相互隔开，以防止各自流化床界面垂直上方的流化床之间的气体流动；第一隔板15在其下部具有第一开口25，第一开口25用于连通气化室1和焦炭燃烧室2，允许在焦炭燃烧室2中被加热的流化介质经第一开口25从焦炭燃烧室2流入气化室1。

有了这种结构，因为气化室1和焦炭燃烧室2相互形成整体，并被加压到高于大气压，可以升高焦炭燃烧室中的氧气分压以维持良好的燃烧状态，可以利用能量回收装置—如包括能量回收涡轮机—从来自焦炭燃烧室的燃烧气体中回收能量。当来自气化室的生成气体在稳定燃烧室中燃烧时，来自焦炭燃烧室的燃烧气体可以被加热到如1200℃的高温。因此，可以利用能量回收涡轮机高效地回收能量。

按照权利要求7，在权利要求6限定的燃料气化系统中，气化室1和焦炭燃烧室2由第二隔板11相互隔开，以防止各自流化床界面垂直上方的流化床之间的气体流动，第二隔板11下部具有第二开口21，第二开口用于连通气化室1和焦炭燃烧室2，允许加热的流化介质经第二开口21从气化室1流入焦炭燃烧室2。

按照权利要求8，权利要求6或7限定的燃料气化系统进一步包括与气化室1和焦炭燃烧室2形成整体的热回收室3，气化室1和热回收室3相互隔开，或者不相互接触，以至于气体在其间不直接流动。

按照权利要求9，权利要求6-8中任何一项所限定的燃料气化系统进一步包括锅炉58，从向锅炉中供应气体中，通过能量回收装置58回收能量。即使在通过能量回收装置58回收能量后，也还可以从废气中回收热量，废气中含有能用锅炉回收的热量。

按照权利要求10，如图15和16所示，在权利要求4、5和9的任何一项所限定的燃料气化系统中，锅炉58可以燃烧除供给气体之外的其它燃料。即使当锅炉所需的热量和焦炭燃烧室供给的热量不平衡，其差值也可以通过其它燃料来补偿。因此，可以使用现有的锅炉131用作所述锅炉。

为了实现上述目的，向权利要求11的现有锅炉重新分配能量的方法，如图15或16所示，包括提供现有锅炉131的步骤；提供权利要求1-3、6-8任何一项中的燃料气化系统，向现有锅炉131中供应燃烧气体的步骤。

按照上述方法，燃料气化系统与现有锅炉相连，用于向现有锅炉中供应燃烧气体。因此，效率低、排放大量二氧化碳的锅炉，如使用粉煤作为燃料的现有锅炉，被改进，即能量重新匹配，成了高效产能系统。

附图说明

图1是展示本发明集成气化炉的基本概念的示意图；

图2是展示对图1所示集成气化炉改进的示意图，该炉具有倾斜的炉底和带有凸出部分的隔板；

图3A和3B是展示本发明集成气化炉的压力控制作用的示意图；

图4是展示包含本发明集成气化炉的圆柱形炉的示意图；

图5是图4所示圆柱形炉的流化床的水平横截面图；

图6是展示对图5所示流化床的改进的水平横截面图；

图7是展示包含本发明集成气化炉的矩形炉的水平横截面图；

图8是展示对图7所示矩形炉的改进的水平横截面图；

图9是本发明常压型集成气化炉的示意图；

图10是综合循环发电系统的示意图，该系统使用了如图9所示集成气化炉；

图11是综合循环发电系统的示意图，该系统使用了本发明的集成气化炉；

图12展示了对图11所示综合循环发电系统的改进；

图13是展示从来自常压型集成气化炉的生成气体中回收能量的系统的示意图；

图14是展示从来自加压型集成气化炉的生成气体中回收能量的系统的示意图；

图15是展示从来自常压型集成气化炉的生成气体和现有锅炉回收能量的综合系统的示意图；

图16是展示从来自加压型集成气化炉的生成气体和现有锅炉回收能量的综合系统的示意图；

图17是传统双床热解反应器系统的示意图；和

图18是应用传统流化床炉的综合循环发电系统的示意图。

具体实施方式

以下将参照图1-16对本发明方案进行描述。

图1示意地展示了本发明气化炉的基本结构。图1所示方案的集成气化炉101具有气化室1，焦炭燃烧炉2和热量回收室3，分别完成热解即气化、焦炭燃烧、热量回收三项功能，这些室容纳(house)在如圆柱形或矩形的炉内。气化室1、焦炭燃烧室2和热量回收室3由隔板11、12、13、14、15隔开形成了流化床，每一个流化床都在其底部各自包括含有流化介质的密相床层。向流化介质中吹入流化气体的气体扩散器设置在室1、2、3的底部，用于使流化介质在室1、2、3的流化床—即气化室流化床、焦炭燃烧室流化床、热量回收室流化床中流化。每个气体扩散器包括，例如，设置炉底部的多孔板。气体扩散器被分成多个间隔舱(compartment)。为了改变每一室中不同部分的空速，从气体扩散器的间隔舱中排出的流化气体穿过多孔板时的速度可以改变。因为相对于室内不同部分的空速不同，在室内的不同部分，流化介质以不同条件流动，因此，导致了内部旋流(revolving flows)。在图1中，气体扩散器中的空心箭头代表了所排出流化气体的速度。例如，2b所示的粗箭头表示排出的流化气体的速度高于2a所示细箭头表示的速度。

气化室1和焦炭燃烧室2由隔板11相互隔开，焦炭燃烧室2和热量回收室3由隔板12相互隔开，气化室1和热量回收室3由隔板13相互隔开。这些室不是以独立的炉安装的，而是以单一炉安装的。在气化炉101中，隔板11用作本发明的第二隔板。用于使流化介质沉降的沉降焦炭燃烧室4设置在靠近焦炭燃烧室2的地方，并与气化室1接触。因此，焦炭燃烧室2被分割成沉降焦炭燃烧室4和焦炭燃烧室2的另一部分(主焦炭燃烧室)。沉降焦炭燃烧室4由隔板14从焦炭燃烧室2(主焦炭燃烧室)分割下来。沉降焦炭燃烧室4和气化室1由隔板15相互隔开，隔板15用作本发明的第一隔板。

下面描述流化床和界面。流化床包括密相床层和喷射区，密相床层位于其垂直下部，含有高浓度的流化介质(例如二氧化硅砂)，由流化气体保持在流化状态，喷射区位于密相床层的垂直上部，含有流化介质和大量气体，流化介质剧烈地喷射。在流化床的上方，即喷射区的上方，是澄清区，几乎不含有流化介质，主要由气体组成。按照本发明，界面是指具有一定厚度的喷射区。另外，界面也可以理解为位于喷射区上表面与喷射区下表面(密相床层上表面)之间的假想平面。

此外，关于“室由隔板相互隔开，以至于不允许气体从流化床界面垂直向上流动”，优选在密相床层上表面界面以下没有气体流动。

气化室1与焦炭燃烧室2之间的隔板11基本上在从炉顶19到炉底(气体扩散器的多孔板)的整个范围内延伸。然而，隔板11的下端不与炉底接触，在靠近炉底处有第二开口21。然而，开口21的上端不延伸超过气化室流化床界面和焦炭燃烧室流化床界面中的任何一个。优选地，开口21的上端不延伸超过气化室流化床的密相床层上表面和焦炭燃烧室流化床的密相床层上表面中的任何一个。也就是说，开口21优选总是淹没在密相床层中。因此，气化室1和焦炭燃烧室2由隔板相互隔开，以至于至少在澄清区内，或者在界面之上，或者更优选在密相床层上表面之上，它们之间没有气体流动。

位于焦炭燃烧室2与热量回收室3之间的隔板12的上端靠近界面，即在密相床层上表面之上，但位于喷射区上表面之下。隔板12的下端延伸到炉底附近，但不与炉底接触，这一点与隔板11相同。隔板12在炉底附近有开口22，它不延伸超过密相床层的上表面。

气化室1与热量回收室3之间的隔板13在从炉底到炉顶的整个范围内延伸。分割焦炭燃烧室2提供沉降焦炭燃烧室4的隔板14的上端位于流化床界面附近，下端与炉底接触。隔板14上端与流化床之间的相互关系与隔板12与流化床之间的相互关系相同。将沉降焦炭燃烧室4与气化室1相互分割的隔板15与隔板11相同。隔板15在从炉顶到炉底的整个范围内延伸。隔板15的下端不与炉底接触，在靠近炉底处具有第一开口25。开口25的上端位于密相床层上表面的下方。因此，第一开口25与流化床之间的相互关系与第二开口21与流化床之间的相互关系相同。

加入到气化室中的燃料，包括煤、废物等，被流化介质加热，并热解和气化。在气化室1中，燃料通常不燃烧，但碳化。剩余的碳化焦炭和流化介质经隔板11下部的开口21流入焦炭燃烧室2。从气化炉1引入的焦炭在焦炭燃烧室2中燃烧以加热流化介质。在焦炭燃烧炉2中由于焦炭的燃烧热加热的流化介质流过隔板12的上端，进入热量回收室3。在热量回收室3中，流化介质的热量通过设置在热量回收室3中的界面之下的淹没传热管41除去，因此流化介质被冷却。流化介质从隔板12中的下部开口22流入焦炭燃烧室2。

加入到气化室1中的可燃挥发性组分基本上被气化，固体碳(焦炭)气化得相对较慢。因此，焦炭在气化室1中停留时间，即从焦炭加入到气化室的时刻到焦炭流入燃烧室2的时刻，对于确定燃料气化速率(焦炭转化效率)可能是一个重要的因素。

当二氧化硅砂用作流化介质时，因为焦炭的比重小于流化介质的比重，焦炭主要积累在床的上部。如果炉子具有这样的结构：流化介质流入气化室，并经隔板下部开口从气化室流入焦炭燃烧室，则与焦炭主要存在于床的上部相比，主要存在于床下部的流化介质可以更容易地从气化室流入焦炭燃烧室，与此相反，焦炭难于从气化室流入焦炭燃烧室。因此，与在气化室发展成了完全混合床相比，可以在气化室中保持较长的平均停留时间。

从沉降焦炭燃烧室4流入气化室1的流化介质与气化室1中的床不会很好地混合，而主要通过气化室1的下部流入焦炭燃烧室2。即使在这种情况下，从气化室底部供应的流化气体和流化介质也能完成热交换，将热量从流化气体传递给焦炭，以至于用于气化焦炭的热量可以间接由流化介质显热供应。

进一步说，可以通过调节气化室中流化气体的流量来改变气化室中流化介质和焦炭的混合条件，从而控制气化室中的旋流状态，进一步控制焦炭在气化室中的平均停留时间。

有了本发明的炉结构，通过控制气化室和焦炭燃烧室之间的压差可以自由地改变气化室中流化床的高度。按照这种方法，可以控制焦炭在气化室中的平均滞留时间。

按照本发明，对于燃料气化系统来说，热量回收室3并不是必不可少的。特别是在气化室1中气化掉挥发性组分后剩余的主要由碳组成的焦炭量与在焦炭燃烧室2中加热流化介质所需的焦炭量基本上相等时，则从流化介质提取热量的热量回收室3是不必要的。如果上述焦炭量的差小，则气化室1中的气化温度变得更高，使得气化室1中生成的CO气体量增加，从而在气化室1中保持碳的平衡。

在使用图1所示的热量回收室3的情况下，集成气化炉可以处理宽范围的燃料，从产生大量焦炭的煤到产生少量焦炭的城市垃圾。因此，不管使用何种燃料，可以通过适当地控制热量回收室3中回收的热量，适当地调节焦炭燃烧室2中的燃烧温度，从而保持流化介质的温度。

在焦炭燃烧室2中加热的流化介质从第四隔板14上端流入沉降焦炭燃烧室4，然后，流过隔板15下部的开口25进入气化室1。

以下描述流化介质在室间的流动状态和运动。

在气化室1中，靠近并接触气化室1与沉降焦炭燃烧室4之间的隔板15的区域是强流化区域1b，其流化状态比沉降焦炭燃烧室4中的流化状态更剧烈。流化气体的空速可以可以根据不同位置进行改变，以促进加入的燃料以及流化介质的混合和分散。例如，如图1所示，除了强流化区域1b外，还可以产生弱的流化区域1a以形成旋流。

焦炭燃烧室2可以具有中心弱流化区域2a和周边强流化区域2b，以使得流化介质和焦炭形成内部旋流。优选地，在气化室1和焦炭燃烧室2内的强流化区域内气体的流化速度为5Umf或更高，弱流化区域内的气体流化速度为5Umf或更低。然而，如果在弱流化区域的流速度与强流化区域的流化速度之间提供了一个相对明显的差，气体的流化速度可以超出这些范围。在焦炭燃烧室2内，强流化区域2b可以安排在靠近热量回收室3和沉降焦炭燃烧室4的区域。如果必要的话，炉底可以具有斜坡，炉底从弱流化区域向强流化区域倾斜(如图2所示)。在这里，“Umf”代表流化介质的最小流化速度(发生流化时的气体速度)。因此，5Umf表示五倍于流化介质的流化速度最小值的速度。

如上所述，焦炭燃烧室2中靠近焦炭燃烧室2与热量回收室3之间的隔板12处的流化状态相对于热量回收室3中的流化状态要强一些。因此，流化介质经过位于流化床界面附近的、隔板12的上端从焦炭燃烧室2流入热量回收室3。在热量回收室3中，由于相对弱的流化状态，即高密度相，已流入热量回收室3的流化介质向下移动(朝炉底)，然后，经过隔板12下端的、靠近炉底的开口22从热量回收室3移动到焦炭燃烧室2。

类似地，与沉降焦炭燃烧室4中的流化状态相比，在焦炭燃烧室2的主要部分，即靠近焦炭燃烧室2的主要部分与沉降焦炭燃烧室4之间的隔板14的部分，流化状态相对较强。因此，流化介质经过位于流化床界面附近的、隔板14的上端从焦炭燃烧室2的主要部分流入沉降焦炭燃烧室4。在沉降焦炭燃烧室4中，由于相对弱的流化状态，即高密度相，已流入沉降焦炭燃烧室4的流化介质向下移动(朝炉底)，然后，经过隔板15下端的、靠近炉底的开口25从沉降焦炭燃烧室4移动到气化室1。与在沉降焦炭燃烧室4中的流化状态相比，在气化室1中靠近气化室1和沉降焦炭燃烧室4之间的隔板15的流化状态要相对弱一些。这种相对弱的流化状态因引导而促使流化介质从沉降燃烧室4进入气化室1。

类似地，与气化室1中的流化状态相比，在焦炭燃烧室2中的靠近气化室1与焦炭燃烧室2之间的隔板11处的流化状态相对较强。因此，流化介质流过隔板11上的流化床界面下的、优选在密相床层上表面之下的开口21(淹没在密相床层中)进入焦炭燃烧室2。

通常，如果两个室A、B由隔板X相互分隔，隔板的上端位于界面附近，流化介质在两室A、B之间的移动取决于隔板X附近的室A、B中的流化状态。例如，如果在室A中的流化状态强于室B中的流化状态，流化介质经隔板X上端从室A流入室B。如果两个室A、B由隔板Y相互分隔，隔板的下端(淹没在密相床层中)位于界面之下、优选在密相床层的上表面之下，正因为隔板Y的开口位于界面之下或淹没在密相床层中，流化介质在两室A、B之间的移动取决于隔板Y附近的室A、B中的流化强度。例如，当在室A中的流化状态强于B室中的流化状态时，流化介质经隔板Y下端的开口从室B流入室A。流化介质的移动可以由室A中的流化介质的相对强的流化状态所导致，或者，在室B中流化介质的流化状态相对弱，由于室B中流化介质的密度高于室A中流化介质的密度所致。当流化介质在室间的上述移动在某处发生时，室间的质量平衡将被打破，但流化介质在另外的某处发生室间移动，以保持质量平衡。

至于限定一个室的隔板以及隔板X上端与隔板Y下端之间的相互关系，流化介质所流过的隔板X的上端位于流化介质所流过的隔板Y的下端的垂直上方。通过设置上述结构，当流化介质填充了室并被流化时，填充室的流化介质的量可以适当地确定，上端位于流化床的界面附近，下端淹没在密相床层之中。通过按照以上方法适当地设定隔板附近的流化强度，流化介质可以相对于隔板X或隔板Y在所希望的方向上移动，由隔板Y相互隔开的两室之间的气体流动可以被排除。

上述方法可以按如下方式施用于图1所示的气化炉：焦炭燃烧室2和热量回收室3由隔板12相互隔开，其上端位于界面高度附近，其下端淹没在密相床层中，焦炭燃烧室2中靠近隔板12处的流化状态强于热量回收室3中靠近隔板12处的流化状态。因此，流化介质经隔板12的上方从焦炭燃烧室2流入热量回收室3，然后，经隔板12下端从热量回收室3流入焦炭燃烧室2。

焦炭燃烧室2和气化室1由隔板15相互隔开，其下端淹没在密相床层中。沉降焦炭燃烧室4位于焦炭燃烧室2中靠近隔板15的地方，沉降焦炭燃烧室4被隔板14所包围，隔板14的上端位于界面高度和隔板15附近。靠近隔板14的焦炭燃烧室2的主要部分中的流化状态强于沉降焦炭燃烧室4中靠近隔板14处的流化状态。因此，流化介质经隔板14的上端从焦炭燃烧室2流入沉降焦炭燃烧室4。有了这种结构，已经流入沉降焦炭燃烧室4中的流化介质经隔板15的下端从沉降焦炭燃烧室4流入气化室1以至少维持质量平衡。这时，如果气化室1中靠近隔板15处的流化状态强于沉降焦炭燃烧室4中靠近隔板15的流化状态，则由于引导作用，流化介质的移动得以促进。

气化室1和焦炭燃烧室2的主要部分由第二隔板11相互隔开，其下端被淹没在密相床层之中。已经从沉降焦炭燃烧室4流入气化室1中的流化介质经隔板11的下端流入焦炭燃烧室2中，以维持上述质量平衡。这时，如果焦炭燃烧室2中靠近隔板11处的流化状态强于气化炉1中靠近隔板11处的流化状态，则流化介质的流动不仅维持了上述质量平衡，而且，还会由于强烈的流化状态而被引导流入焦炭燃烧炉2。

在图1所示方案中，流化介质在沉降焦炭燃烧室4(它是焦炭燃烧室2的一部分)中下降。也可以在气化室1的一部分中提供类似沉降气化室的结构(未示出)，特别是在开口21处。也就是说，使沉降焦炭气化室中的流化状态弱于气化室主要部分中的流化状态，引起气化室主要部分中的流化介质经隔板上端流入沉降气化室，而沉降后的流化介质经开口21流入焦炭燃烧室。这时，沉降焦炭燃烧室4可以与沉降气化室一起被提供，也可不一起被提供。通过应用沉降气化室，在如图1所示的气化炉的情况下，流化介质经开口25从焦炭燃烧室2流入气化室1，然后，经开口21从气化室1流入焦炭燃烧室2。

热量回收室3被均匀流化，并维持其最大值弱于与热量回收室相接触的焦炭燃烧室2中的流化状态。热量回收室3中流化气体的空速控制在0-3Umf范围内，流化介质的流化较弱，形成了沉降的流化层。空速为0Umf表示流化气体被停止了。以这种方式，热量回收室3中的热量回收可能最小。也就是说，通过从最大值到最小值改变流化介质的流化状态，可以调节热量回收室3中回收的热量。在热量回收室3中，流化可以被引发或终止，或者在整个室内均匀地调节其强度，可以停止室内某个区域内的流化，而在其它区域保持流化，或者在室内的某个区域调节其流化强度。

室间的隔板通常是垂直的隔板。必要时，隔板可以具有凸起，例如，如图2所示，隔板12、14可以在焦炭燃烧室2靠近界面附近中具有凸起32，以改变隔板附近流化介质的流动方向，从而促进内部旋流。燃料中相对大的不可燃物从不可燃物排出口33中排出，这一排出口设置在气化室1的炉底。每个室的炉底可以是水平的，但是，炉底可以沿流化介质的流动方向在炉底附近倾斜，从而使流化介质的流动保持通畅，如图2所示。不仅可以在气化室1的炉底提供不可燃物排出口，还可以在焦炭燃烧室2或热量回收室3的炉底提供。

特别优选的是，气化室1中的流化气体可以含有循环使用的压缩生成气体。在流化气体含有生成气体的情况下，由气化室排出的气体只有由燃料生成的气体，因此，可以获得非常高质量的气体。在流化气体不可能是生成气体的情况下，则它包含含有尽可能少的氧气(无氧气体)的气体，如水蒸汽等。如果由于气化所致的吸热反应，流化介质的床温降低，则除无氧气体外，可以供应氧气或含氧气体，如空气，以燃烧一部分生成气体。供应到焦炭燃烧室2的流化气体包括含氧气体，如空气，或氧气与蒸汽的混合气体，这是燃烧焦炭所要求的。供应到热量回收室3的流化气体包括空气、水蒸汽，燃烧废气等。

气化室1和焦炭燃烧室2的流化床表面(喷射区上表面)以上的区域，即澄清区，完全被隔板所隔开。特别是，流化床密相床层表面以上的区域，即喷射区和澄清区完全被隔板隔开。因此，如图3A和3B所示，当焦炭燃烧室2和气化炉1中的压力P1、P2突破平衡时，可以通过稍微改变各室中流化床界面之间的位置差，或者密相床层表面之间的位置差，即床高来缓解压差。特别地，气化炉1和焦炭燃烧室2被隔板15相互分开，即使这些室中的当压力P1、P2发生改变，压差也能被床高差所缓解，直到其中一个床降低到开口25的上端。因此，焦炭燃烧室2和气化炉1中澄清区之间的、可以被床高差缓解的压差(P1-P2或P2-P1)上限基本上等于从开口25上端的气化室流化床的压头与开口25上端的焦炭燃烧室流化床的压头之间的差。

在上述方案的集成气化炉101中，由隔板相互隔开的三个室，即气化室、焦炭燃烧室和热量回收室设置在一个流化床炉中，焦炭燃烧室和气化室相互邻接，焦炭燃烧室与热量回收室相互邻接。因为集成气化炉101不同于双床热解反应系器统，其中可以在焦炭燃烧室和气化室之间循环大量流化介质，仅由流化介质的显热就足以供应气化所需的热量。因此，使用改进的加压流化床炉可以极其容易地实现发电系统的原理，改进的加压流化床炉可以获得尽可能少量的具有尽可能高热值的生成气体。

在这一方案中，因为在焦炭燃烧气体与生成气体之间提供了完全密封，气化室与焦炭燃烧室之间的压力平衡很好地受到了控制，不会引起燃烧气体与生成气体之间的相互混合从而降低生成气体的性能。

作为传热介质的流化介质以及焦炭从气化室1流入焦炭燃烧室2，相同量的流化介质从焦炭燃烧室2返回气化室1。因此，输入和输出的流化介质自然平衡。不必使用如传送器等的机械输送装置，流化介质从焦炭燃烧室2返回气化室1。因此，本方案不存在难于处理高温颗粒的困难和大量显热损失的问题。

如上所述，按照图1所示方案，在具有三种功能—热解和气化燃料、焦炭燃烧、淹没回收热量共存于一流化床炉—的集成气化炉中，将焦炭燃烧室中的高温流化介质作为传热介质供应到气化室中用作热解和气化的热源，气化室和热量回收室由从炉底至炉顶延伸的隔板完全隔开或者不相互接触，气化室和焦炭燃烧室中流化床界面上方完全由隔板隔开，气化室中靠近隔板处的流化强度以及焦炭燃烧室中的流化强度保持预定的关系，从而使流化介质经隔板上的炉底附近的开口从焦炭燃烧室流入气化室，并使流化介质从气化室流入焦炭燃烧室。

在该方案中，因为气化室和焦炭燃烧室在流化床界面以上由隔板完全隔开，即使这些室内的气体压力发生变化，这些室间的气体密封得以保持，防止了燃烧气体与生成气体之间的相互混合。因此，不必特殊的控制来实现气化室与焦炭燃烧室之间的气体密封。为了保持气化室中隔板附近的预定流化强度以及焦炭燃烧室中的流化强度，流化介质可以稳定地通过隔板上靠近炉底的开口从焦炭燃烧室大量地流入到气化室。因此，不需处理高温颗粒的机械装置来将流化介质从焦炭燃烧室移动到气化室。

在集成气化炉中，焦炭燃烧室中的、与气化室相接触的强流化区域可以作为沉降焦炭燃烧室，沉降焦炭燃烧室可以通过从炉底延伸到流化床界面附近的隔板与焦炭燃烧室的主要部分隔开。可以焦炭燃烧室、沉降焦炭燃烧室和气化室的每一个室中限定强流化区和弱流化区，以在每个室内产生流化介质的内部旋流。

在上述集成气化炉中，热量回收室可以设置与焦炭燃烧室的强流化区接触，热量回收室和焦炭燃烧室可以在炉底附近具有开口，并由上端达到流化床界面附近的隔板相互隔开，焦炭燃烧室中隔板附近的流化状态可以强于热量回收室中的流化状态，以产生流化介质循环所需的力。或者，热量回收室可以设置与沉降焦炭燃烧室中的强流化区域接触，热量回收室和沉降焦炭燃烧室可以在炉底附近具有开口，并可经由上端达到流化床界面附近的隔板相互隔开，沉降焦炭燃烧室中隔板附近的流化状态可以强于热量回收室中的流化状态，以产生流化介质循环所需的力。

气化室中的流化气体包括无氧气体。该无氧气体可以包括根本不含有氧的气体，如水蒸汽等。

气化室、焦炭燃烧室和热量回收室的每一个的炉底可以沿流化介质的流动方向在炉底附近倾斜。气化室的温度可以通过控制焦炭燃烧室中与气室接触的弱流化区的流化状态来调节。

图4示出了将本发明的用于具有垂直轴的圆柱形炉的方案。圆柱形集成气化炉10中具有一个与外壁同心的圆柱形隔板10a，隔板10a限定了其内的焦炭燃烧室2。沉降焦炭燃烧室4、气化室1和热量回收室3；每一个都为扇形(在两个同心环之间限定的环形区域内由两个半径所限定的形状)；设置在从围绕焦炭燃烧室2的隔板10a向外延伸的环形区域内。气化室1和热量回收室3相对设置，沉降焦炭燃烧室4位于两者之间。上述圆柱形气化炉能容易地安装(house)在图11所示集成气化炉的压力容器内。该集成气化炉10具有类似于图1所示的气化炉101的基本结构，例外的是它是加压的，其设计结构易于安装在压力容器50内。

图5是图4所示方案中流化床的水平横截面图。焦炭燃烧室2位于中心，气化室1位于周边区域，热量回收室3与气化室1相对，两个扇形沉降焦炭燃烧室4位于气化室1与热量回收室3之间。在扇形气化室1的炉底设置有多个气体扩散器，在相对的两端具有强流化区1b用于提高的空速，在其中央具有弱流化区1a用于降低的空速。流化介质在气化炉内形成内部旋流，在强流化区1b中升起并在弱流化区1a中降落。旋流使加入到气化室1中的燃料F在气炉1内完全扩散，因此，使得燃料能被有效利用。

气化室1中的流化气体主要包括循环使用的生成气体或无氧气体，无氧气体的例子有水蒸汽或燃烧废气。当气化室的温度过分下降时，可以将氧气或如空气的含氧气体与流化气体混合。气化室1与焦炭燃烧室2之间的隔板11在炉底附近有一开口21，并将气化室1和焦炭燃烧室2除开口21外一直到顶完全相互隔开。在气化室1中热解和气化的燃料F流过开口21进入焦炭燃烧室2。开口21可以在整个气化室1上提供，也可以只在弱流化区提供。在图5中，黑箭头表示流化介质沉降流通过隔板上炉底的开口的移动路径。而灰箭头表示流化介质上升流越过隔板上端的移动路径。

气化炉1的操作温度可以相对于每一种燃料调节到最优温度。如果燃料具有相对低的气化率并产生大量焦炭，如煤，则通过将温度维持在800-900℃，气化室1可以获得高气化率。如果燃料产生少量的焦炭，如城市垃圾，则通过将床温维持在350-450℃，气化炉1可以获得稳定的操作，同时除去氯和控制挥发物释放速度。

焦炭燃烧室2炉底的气体扩散器被分割成中心区和周边区，将流化气体分散形成中心弱流化区2a和周边强流化区2b。强流化区2b形成提升流化床，流化介质在其中上升，弱流化区2a形成沉降流化床，流化介质在其中下落。

焦炭燃烧室2应当维持在尽可能高的温度，优选床温为约900℃，以促进焦炭的燃烧并向气化室1供应显热。在流化床燃烧伴随吸热反应的情况下，在900℃附近温度形成积聚(agglomeration)的可能性通常会增加。然而，在这一方案中，焦炭燃烧室中形成的旋流促进热量扩散和焦炭扩散，可以使焦炭稳定地燃烧而不形成积聚。积聚是指由于流化介质和燃料灰分熔融形成的固化团块。

沉降焦炭燃烧室4优选应当完全保持弱流化状态，以形成沉降流化层。然而，如图4所示，沉降焦炭燃烧室4的每一个可能具有弱流化区4a和强流化区4b以促进热扩散，并且可以形成内部旋流，以在接触气化炉1的区域形成沉降流化层。

在这方案中，如图4所示，沉降焦炭燃烧室4和热量回收室3之间的隔板16的下端达到炉底，上端比流化床的界面高得很多，防止流化介质在沉降焦炭燃烧室4与热量回收室3之间流动。这是因为燃料含有高固定碳，如煤，从沉降焦炭燃烧室流入气化室的流化介质应当优选具有尽可能高的温度，不希望在热量回收室3中被冷却的流化介质与之混合，也不希望流入气化室1中的高温流化介质流入热量回收室3。

在该方案的集成气化炉用于废物材料的气化时，隔板16的上端可以位于流化床界面附近，并在炉底附近提供开口以使流化介质在沉降焦炭燃烧室4与热量回收室3之间循环。这是因为如废物的燃料产生的焦炭率低，除非降低气化室中的温度以减少气体的生成率，否则不能维持焦炭燃烧室的燃烧温度。在这种情况中，如图6所示，热量回收室3炉底的气体扩散器被分割，热量回收室被隔板16a隔开，一部分用作焦炭燃烧室，另一部分用作沉降焦炭燃烧室，因此，可以分别单独控制焦炭燃烧室和气化室的温度。每个沉降焦炭燃烧室4炉底的气体扩散器被分割以形成与热量回收室3接触的强流化区4b。

淹没的径向传热管41设置在热量回收室3中。经隔板12上方从焦炭燃烧室2流入的流化介质被传热管41所冷却，然后，经隔板12下部的开口22返回焦炭燃烧室2。因为淹没的传热管向周边区域倾斜(pitch)并间隔，在周边区域中对流过淹没的传热管的流化介质的阻力较小。因此，流入焦炭燃烧室2中的流化介质均匀地分散在周边区域，能有效地利用整个热量回收室3的体积。因此，集成气化炉作为一个整体具有紧凑的结构。

图7示出了体现本发明集成气化炉的矩形炉。当集成气化炉在常压下使用时，气化炉的外壁不必是承压结构。由于这一原因，从制造的角度来看，矩形炉也是优选的。

在燃料的种类适合于在低温下操作集成气化炉的情况下，如图7所示，通过隔板13、16将热量回收室3与焦炭燃烧室和沉降焦炭燃烧室分割开来，这样，供应到气化室1和焦炭燃烧室2中的流化介质的温度可以独立控制。

在图7所示矩形炉中，焦炭燃烧室2内弱流化区的流化介质以及与焦炭燃烧室2中弱流化区接触的热量回收室3中的流化介质都处于弱流化状态。因此，流化介质不会以明确的方向移动，不会有效地发挥其作为传热介质的作用。在这种情况下，如图8所示，热量回收室3中与焦炭燃烧室2内弱流化区接触的区域可以朝炉外敞开，敞开区域可以有效地利用，如作为循环焦炭的供料口。

图9示出了本发明中用于常压型流化床炉的方案。

在这一方案中，即使燃料中含有氯，热量回收室3中淹没的传热管41以及焦炭燃烧室的澄清区中的传热管42都几乎不会暴露于氯，以至于蒸汽温度可以提高到350℃或更高，甚至达到500℃或更高，350℃是常规废物焚烧器的最高蒸汽温度。在燃烧气体从焦炭燃烧室2吹入气化室1的区域内，燃烧气体中剩余的氧气与可燃气体反应，导致了高温。因此，在这一区域内，焦炭的燃烧和石灰石的脱羧作用得到促进，提高了燃烧效率和脱硫效率。当燃烧气体从焦炭燃烧室2吹入气化室1时，引起的压力损失在约200-400mmAq的范围内。因为从隔板15下端至流化床界面的流化床压头通常在1500-2000mmAq的范围内，当气化室中的床高稍低于焦炭燃烧室中的床高时，压差可以自动维持，如图3A和3B所示，因此不需特别控制。

图10示出了使用本发明集成气化炉中生成的气体熔化飞灰的方法流程。在该方案中，常压炉10具有气化室1、焦炭燃烧室2、热量回收室3和沉降焦炭燃烧室4。当大量流化介质通过这些室循环时，集成气化炉与前述方案一样稳定地操作。在该方案中，来自气化室1中的一部分热解气体引入造渣燃烧炉(a slagging combustionfurnace)54以熔化飞灰。废热锅炉从剩余的热解气体中除去热量，剩余的热解气体与焦炭燃烧气体一起由除尘器52除尘，然后向外排放。

图11示出了应用本发明集成气化炉的综合循环发电系统。

集成气化炉10设置在压力容器50中，在加压条件下操作。集成气化炉10可以具有整体结构，以至于集成气化炉10的外壁作为压力容器。在气化炉1中生成的一部分可燃气体在常压条件下供应到造渣燃烧炉54，用于向熔化飞灰提供热量。剩余的可燃气体与焦炭燃烧气体一起在高温集尘器51中除尘，然后，导入作为稳定燃烧器的顶上(toping)燃烧器53，在其中产生高温废气，并供应到作为能量回收装置的燃气轮机55。燃气轮机55的结构与常用燃气轮机单元中的燃气轮机相同，被称之为能量回收气轮机。

传热管42可以安装在焦炭燃烧室2的上部。即使燃料中含有氯，因为几乎所有的氯都含于气化炉1里生成的气体中，在该方案中，焦炭燃烧气体中几乎不含氯。因此，传热管42可以用作蒸汽过热器来使蒸汽过热到500℃或更高的温度。因为与传热管42相比，在热量回收室3中设置的淹没的传热管41较少地暴露于腐蚀性环境，所以与传热管42相比，淹没的传热管41可以在更高的温度下用作过热蒸汽的过热器。如果燃料中氯的浓度相对高，则因为可燃气体中氯的浓度也较高，应将所有可燃气体导入造渣燃烧炉54中以防止顶部(topping)燃烧器53和燃气轮机55被腐蚀。

应用图11所示加压流化床炉的发电系统按如下方式操作：首先，煤在加压气化炉中气化，生成的未燃碳(也称焦炭)在加压焦炭燃烧室2中燃烧。来自焦炭燃烧室2的燃烧气体和来自气化室1的生成气体分别在高温集尘器51、52中净化，然后混合并在顶部燃烧器53中燃烧，其中产生了驱动燃气轮机55的高温气体。每一个高温集尘器51、52都可以包括陶瓷过滤器、耐热合金的金属过滤器、旋风分离器等。

对于应用加压流化床炉的发电系统，如何将进入燃气轮机55的气体温度升高到每个燃气轮机的设计最大允许温度是重要的。影响进入燃气轮机55气体的温度升高的最大限制是生成气体的净化。生成气体的净化是通过如脱硫来进行的。为保护例如燃气轮机的桨叶，脱硫是必要的。

为了净化生成气体，从在还原气氛进行脱硫反应的最优温度的观点来看，生成气体通常需要冷却到约450℃。另一方面，燃气轮机的入口气体温度应当尽量高，因为气体温度越高燃气轮机的效率也越高。目前，首先应当将燃气轮机入口处的气体温度提高到1200℃或稍低于燃气轮机材料的耐热、耐腐性能的极限温度的温度。因此，要求生成气体具有足够高的热值以将气体温度从净化时的450℃提高到燃气轮机入口处的1200℃。尽管在图11中未示出，在气化室1与高温除尘器52之间的气体管线上提供了冷却器以将气体冷却到如450℃，还在气体管线中还提供了脱硫器。然而，从焦炭燃烧室出来的管线上不需气体冷却器和脱硫器，因为向炉中加入了石灰石，并与流化介质一起循环，而且焦炭燃烧室2中存在氧气处于氧化气氛中，以至于硫以CaSO4被除去。

因此，为了开发使用改进加压流化床炉的发电系统，人们努力去获得其量尽可能少热值尽可能高的生成气体体。其原因如下：如果在450℃下净化的生成气体的量减少，由于冷却显热的损失就降低，所需要的生成气体的最小热值就降低。当生成气体的热值高于为将气体温度提高到燃气轮机入口所希望的温度所需热值时，可以提高燃烧空气的比率从而提高流入燃气轮机的气体量，进而提高发电效率。

在图11所示系统中，来自焦炭燃烧炉2的燃烧气体在包括陶瓷过滤器等的高温集尘器51中除尘，然后，导入燃气轮机55以回收能量。尽管燃烧气体可以直接导入燃气轮机55，但能量回收效率不一定总是较高，因为燃烧气体的温度不太高。所以，来自集尘器51的燃烧气体被导入顶部燃烧器53。来自气化室1中的生成气体(可燃气体)在包括陶瓷过滤器等的高温集尘器52中除尘，然后，导入顶部燃烧器53并在其中燃烧。生成气体在顶部燃烧器53中的燃烧用作来自焦炭燃烧室2的燃烧气体的稳定燃烧。因为在顶部燃烧器53中产生的燃烧热，来自焦炭燃烧室2的燃烧气体(以及用于稳定燃烧的燃烧气体)达到约1200℃的高温(可能达到1300℃但取决于燃气轮机的耐热性能)。高温气体被供应到燃气轮机(能量回收装置)55。焦炭燃烧室2和顶部燃烧器53的结合相当于普通燃气轮机单元中的燃烧器。

直接或通过减速器连接到燃气轮机旋转轴上的发电机57被驱动以产生电能。在图11所示方案中，压缩机(通常是轴流空气压缩机)56直接连接到燃气轮机55旋转轴上以生产压缩空气。来自压缩机56的压缩空气被供应到焦炭燃烧室2作为焦炭燃烧室2的燃烧空气。一部分压缩空气被供应到顶部燃烧器53中。然而，顶部燃烧器53可以用残留在来自于焦炭燃烧室2的废气中的氧气燃烧生成气体。在该方案中，压力容器50内部被加压到5-10kg/cm²(0.5-1.0MPa)的范围内。不过，按照燃气轮机55的操作规程，压力容器50的内部可以加压到约30kg/cm²。

在图11所示方案中，因为来自焦炭燃烧室2的燃烧气体和来自气化室1的生成气体被导入燃气轮机55，需要顶部燃烧器53作为混合这些气体的预混室。在只有来自气化室1的生成气体被导入燃气轮机55的情况下，生成气体可以直接引入与燃气轮机单元109组合的燃烧器105中，燃气轮机单元如图14所示，并将在后面进行描述。在只有来自气化室1的生成气体被导入燃气轮机55的情况下，燃气轮机55可以用高热值气体作为燃料来操作。

从燃气轮机55排出的废气经管线125导入废热锅炉58，废气再经管线128流过脱硫器、脱硝器(未示出)然后从烟囱(未示出)排出。

废热锅炉58从废气中回收热量并产生水蒸汽，产生的水蒸汽流过水蒸汽管线127到达蒸汽轮机112。直接或通过减速器与蒸汽轮机112的旋转轴连接的发电机113被开动以发电。供应到蒸汽轮机112中的水蒸汽可以包括来自传热管41、42中的水蒸汽。

图12示出了用于综合循环发电系统的本发明的另一集成气化炉方案。

当燃料具有相对高的热值，如煤时，有可能将温度提高到足以熔化—在造渣燃烧炉内未实现完全燃烧的—飞灰的温度。因此，在这方案中，用能产生气体的造渣气化炉60取代造渣燃烧炉54是有效的。造渣气化炉可以优选为允许气体和炉渣向下流动的气化炉，用气体的热量加热炉渣，并将气体导入水中以急冷气体，同时防止炉渣由于冷却而损失流动性。生产的气体几乎不含氯，可以用作化学品的粗原料也可以作为燃气轮机的燃料。与图11所示方案一样，在图12所示方案中，燃气轮机55与顶部燃烧器53连接，提供空气压缩机56和废热锅炉58。与图11所示方案一样，进一步使用蒸汽轮机112和发电机113以回收能量。

以下参照图13描述本发明常压型集成气化炉(常压ICFG)与发电装置结合的方案。该方案的系统称之为ICFG综合循环发电系统。例如，如图1所述的集成气化室101中的气化室1与生成气体管线121连接以输送生成气体，在管线121上依次提供生成气体冷却器102、焦炭收集器103。导管122连接到焦炭收集器103下部，使收集的焦炭返回焦炭燃烧室2。焦炭收集器103与导管123连接以将已经分离出焦炭而得以净化的生成气体导入燃气轮机单元的燃烧室105。生成气体压缩机104连接到导管123上，用于将气化炉中在常压下生成的压力几乎等于一个大气压的常压的气体压力提高到燃气轮机106所需的压力。压缩机104可以是往复式压缩机或离心式压缩机，这取决于流量和气体的排出压力。因为要被压缩的气体是在气化炉中生成的气体，即相对少量的高热值燃料，压缩机104的能量升高不多。

在该方案中，作为第一能量回收装置的燃气轮机单元109仅使用来自气化室1的高热值生成气体，不使用来自焦炭燃烧室2的燃烧气体。也就是说，生成气体不与来自焦炭燃烧室2的燃烧气体混合，不用于加热燃烧气体，但作为燃料独立于燃烧气体被导入第一能量回收装置。

空气压缩机107直接连接到燃气轮机106的旋转轴上。由空气压缩机107供应的空气以及由压缩机104压缩的生成气体在燃烧器105中燃烧，在约1200℃的高温下产生燃烧气体并被供应到燃气轮机106中用于发电。发电机108的旋转轴直接或经过减速器连接到燃气轮机106的旋转轴上以电能的形式回收能量。来自燃气轮机106的燃烧气体(废气)经管线125排放。

另一方面，来自焦炭燃烧室2和热量回收室3的燃烧气体(废气)具有要回收的显热，但不具有作为燃料的热值和可作为能量回收的压力。燃烧气体经管线124排放。管线124、125合并成管线126，并与废热锅炉111连接。废热锅炉111利用废气的热量产生水蒸汽，产生的水蒸汽经水蒸汽管线127导入蒸汽轮机112。发电机113的旋转轴与蒸汽轮机112的旋转轴直接或通过减速器连接，以电能的形式回收能量。

已在废热锅炉111中被回收了热量的低温燃烧气体(废气)流经管线128，经至少一个脱硫器、脱硝器、除尘器净化，然后从烟囱中115排放。

如图15所示，集成气化炉10或101可以连接到一个已有的锅炉131上而不是新的废气(废热)锅炉111。已有锅炉所需燃料量与由集成气化炉101供应的生成气体和燃烧气体的量之间的差可以通过燃料供应管线132供应额外的燃料，如粉煤等来补偿。这样，有可能提供一种从生成气体回收能量的设备，并从废气中廉价地回收能量。有了这种结构，相对于所生产的电能，排放相对大量CO2气体的已有锅炉可以转化为一个高效系统。这是给已有锅炉的重新匹配动力。

在上述方案中，燃气轮机系统的燃气轮机106用作能量回收装置。然而，也可以应用使用气体燃料的柴油机，这取决于作为燃料的生成气体量。

在以下参照图14描述本发明加压型集成气化炉与能量回收装置结合的一种方案。按照这一方案，尽管图13所示常压型集成气化炉基本上是在常压下操作，集成气化炉10设置在压力容器50中，在高于大气压下操作。这一特征与图11所示集成气化炉的相同。因为气化炉1保持在压力下，不需气体压缩机104来将生成气体输送到燃气轮机单元109，这一点与图13所示方案不同。因此，在管线123中没有气体压缩机104。然而，如果燃气轮机包括标准型燃气轮机，其操作压力高于加压型集成气化炉，则气体压缩机用于提高压力以补偿压差。这一气体压缩机的压缩比可以低于图13所示的情况。

因为来自焦炭燃烧室2的燃烧气体的压力高于大气压，燃烧气体经管线124导入如陶瓷过滤器等的集尘器110。燃烧气体通过集尘器110净化后，压缩气体被供应到作为第二能量回收装置的能量回收涡轮机141中。回收能量的涡轮机141与普通燃气轮机单元中的燃气轮机的结构相同。空气压缩机(通常是轴流空气压缩机)142与能量回收涡轮机141的旋转轴直接连接。来自压缩机142的压缩空气用作焦炭燃烧室2和热量回收室3中的流化空气。发电机143与能量回收涡轮机141的旋转轴直接或通过减速器连接用于发电。

已经利用能量回收涡轮机141从其中回收了压力能的废气经管线131排放，并与经管线125燃气轮机106的废气合并，被导入废热锅炉111。图14所示方案中的其它细节与图13所示方案相同，在这里不再描述。

如图16所示，图14所示废气锅炉111可以包括使用如粉煤作为燃料的已有锅炉。图16所示方案与图14所示方案之间的相互关系与图15所示方案与图13所示方案之间的相互关系相同。

按照本发明，如上所述，因为气化室中的燃料在由来自焦炭燃烧室的高温流化介质形成的流化床中气化，从气化室中排出的气体几乎是只由燃料生成的气体或者是燃料生成气体和气化室流化气体的混合气体，因此，具有高的热值。因为焦炭燃烧气体与生成气体不相互混合，可以获得高热值的气体，通过能量回收装置可以从生成气体中回收能量如电能。

有可能容易地获得与焦炭燃烧气体混合的高温气体，并将其导入能量回收装置，通常是如燃气轮机的能量回收装置，以提高如发电等的能量回收效率。即使是燃料是任何含有很不相同的比率的挥发性组分的各种燃料，因为焦炭燃烧室和气化室的温度易于控制，不需对设备进行改进就可以使用燃料。

即使使用如城市垃圾的含氯燃料，燃料中的大部分氯在气化室里排入了气体中，不会留在流入焦炭燃烧室的焦炭中。因此，焦炭燃烧室和热量回收室的气体中的氯浓度保持在相当低的水平。即使当热量回收室中的淹没管用作过热管以回收高温蒸汽，不会有热腐蚀的危险。因此，高温蒸汽回收和能量回收装置一起可以高效地回收能量。

对于气化和燃烧包括煤、城市垃圾等在内的燃料并回收能量系统，本发明是有益的。

Claims (42)

1、一种气化炉，其具有用于热解和气化燃料以制得可燃气体和焦炭的气化室，其特征在于：

流化介质被流化以形成具有一个界面的流化床；

在所述气化室内产生流化介质的内部旋流；

所述流化介质在低于所述流化床的所述界面的位置处从所述气化室退回；和

所述流化介质在低于所述界面的位置处返回到所述气化室中。

2、根据权利要求1的气化炉，其特征在于，所述位置位于所述气化炉的密相床层的上表面的下方。

3、根据权利要求1或2的气化炉，其特征在于，所述位置位于所述气化炉的炉底附近。

4、根据权利要求1-3之一的气化炉，其特征在于，所述退回的流化介质与焦炭一起供给至所述焦炭燃烧室中，且所述焦炭在所述焦炭燃烧室中燃烧。

5、根据权利要求1-4之一的气化炉，其特征在于，在所述气化室中形成强流化区和弱流化区，以在所述气化室内产生流化介质的内部旋流。

6、根据权利要求1-5之一的气化炉，其特征在于，在所述气化室中有一沉降气化室，且所述流化介质在通过该沉降气化室后从所述气化室退回。

7、根据权利要求4或5的气化炉，其特征在于，在所述焦炭燃烧室中有一沉降焦炭燃烧室，且所述退回的流化介质在通过该沉降焦炭燃烧室后返回到所述气化室中。

8、根据权利要求4-7之一的气化炉，其特征在于，在所述焦炭燃烧室中形成所述流化介质的内部旋流。

9、根据权利要求8的气化炉，其特征在于，所述流化介质在低于所述流化床的所述界面的位置处从所述焦炭燃烧室退回；和

所述流化介质在低于所述界面的位置处返回到所述焦炭燃烧室中。

10、根据权利要求1-9之一的气化炉，其特征在于，在所述流化床的上方有可燃材料供给口以向所述流化床供给可燃材料。

11、根据权利要求1-10之一的气化炉，其特征在于，提供一个不可燃材料排出口以排出包含在来自所述气化炉的所述可燃材料中的不可燃材料。

12、根据权利要求1-9之一的气化炉，其特征在于，提供一热回收室以从所述流化介质中回收热量。

13、根据权利要求1-12之一的气化炉，其特征在于，向所述气化室供给包含具有非氧分子的气化剂。

14、根据权利要求1-13之一的气化炉，其特征在于，向所述焦炭气化室供给含有氧分子的氧化剂。

15、根据权利要求1-14之一的气化炉，其特征在于，提供一燃料供给口以将辅助燃料供给至所述焦炭燃烧室中。

16、根据权利要求1-15之一的气化炉，其特征在于，将从所述气化室排出的所述可燃气体和所述焦炭引入至造渣炉中，且包含在所述可燃气体和所述焦炭中的灰分在所述造渣炉中熔融。

17、根据权利要求1-16之一的气化炉，其特征在于，从由所述焦炭燃烧室排出的废气中回收灰分，且将所回收的灰分引入至所述造渣炉中。

18、一种用于热解和气化燃料的气化方法，其特征在于，

将燃料供给至流化床气化室中；

使所述燃料热解和气化以产生可燃气体和焦炭；

通过流化介质的内部旋流使所产生的焦炭沉降；

从所述气化室排出所沉降的焦炭和流化介质；

在有从所述气化室排出的所述流化介质存在的情况下燃烧所述焦炭；和

在所述焦炭燃烧后，在所述气化室的所述流化床的界面之下的位置处将所述流化介质返回到所述气化室。

19、根据权利要求18的气化方法，其特征在于，所述位置位于所述气化室的密相床层的上表面的下方。

20、根据权利要求18或19的气化方法，其特征在于，所述位置位于所述气化炉的炉底附近。

21、根据权利要求18-20之一的气化方法，其特征在于，在所述焦炭燃烧时，提供辅助燃料以加热所述流化介质。

22、根据权利要求18-21之一的气化方法，其特征在于，所述热解和气化燃料的步骤是通过使用含有非氧分子的气体作为气化剂而实施。

23、根据权利要求18-22之一的气化方法，其特征在于，所述燃烧焦炭的步骤是通过使用含有氧分子的气体而实施。

24、根据权利要求18-23之一的气化方法，其特征在于，通过在至少两个区域改变流化气体的速度而形成流化介质的所述内部旋流。

25、根据权利要求18-24之一的气化方法，其特征在于，从所述气化室排出所沉降的焦炭和流化介质的步骤是在所述气化室中所述流化床的弱流化区实施。

26、根据权利要求18-25之一的气化方法，其特征在于，将所述流化介质返回至所述气化室的步骤是在所述气化室中所述流化床的强流化区实施。

27、根据权利要求18-26之一的气化方法，其特征在于，所述热解和气化燃料的步骤是在高于大气压的压力下实施。

28、一种气化炉，其具有用于热解和气化燃料以产生可燃气体和焦炭的气化室、和用于燃烧从所述气化室供给的焦炭的焦炭燃烧室，其特征在于：

所述气化室和所述焦炭燃烧室在所述流化床的界面之上由一隔板相互隔开；

所述气化室和所述焦炭燃烧室的至少之一是由另一个隔板隔开以至于形成沉降气化室和沉降焦炭燃烧室的至少之一；

所述第一隔板具有开口，该开口允许从所述气化室和所述焦炭燃烧室进入的流化介质越过所述另一隔板到达所述沉降气化室或所述沉降焦炭燃烧室，而从中通过；且

所述沉降气化室或所述沉降焦炭燃烧室的炉底向所述开口倾斜。

29、根据权利要求28的气化炉，其特征在于，所述隔板的下端浸没在密相床层中。

30、根据权利要求28或29的气化炉，其特征在于，所述另一个隔板延伸至炉底。

31、根据权利要求28至30之一的气化炉，其特征在于，所述另一个隔板具有高于密相床层的上表面的高度。

32、根据权利要求28至31之一的气化炉，其特征在于，在流化床中形成流化介质的向上流，该流化床与另一个隔板的面向所述沉降气化室或所述沉降焦炭燃烧室的表面的相反面接触。

33、根据权利要求28至32之一的气化炉，其特征在于，流化气体被供给至所述沉降气化室或所述沉降焦炭燃烧室。

34、根据权利要求28至33之一的气化炉，其特征在于，所述开口处于炉底附近。

35、根据权利要求28至34之一的气化炉，其特征在于，在所述气化室和所述焦炭燃烧室的至少之一中形成流化介质的内部旋流。

36、根据权利要求28至35之一的气化炉，其特征在于，所述气化室的炉底向不可燃材料排出口倾斜。

37、根据权利要求28至36之一的气化炉，其特征在于，在所述气化室或所述焦炭燃烧室中从所述隔板的所述开口之下的位置供给到所述隔板的所述开口附近的位置的流化气体的速度，高于供给到所述沉降气化室或所述沉降焦炭燃烧室的流化气体的速度。

38、一种气化炉，其具有用于热解和气化燃料以产生可燃气体和焦炭的气化室，和用于燃烧从所述气化室供给的焦炭的焦炭燃烧室，其特征在于：

所述气化室和所述焦炭燃烧室是由流化床的界面上方的隔板相互隔开；

所述隔板具有允许流化介质从所述气化室流到所述焦炭燃烧室的一个开口，和允许流化介质从所述焦炭燃烧室流到所述气化室的另一个开口；

在所述气化室下面具有一气体扩散器以将流化气体供给至所述气化室的、允许流化介质从所述气化室流到所述焦炭燃烧室的所述开口附近的一位置处，所述流化气体的速度是低于供给至在所述焦炭燃烧室中所述开口附近的一位置处的流化气体的速度；和

在所述焦炭燃烧室下面具有一气体扩散器以将流化气体供给至所述焦炭燃烧室的、允许流化介质从所述焦炭燃烧室流到所述气化室的所述开口附近的一位置处，所述流化气体的速度是低于供给至在所述气化室中所述开口附近的一位置处的流化气体的速度。

39、根据权利要求38的气化炉，其特征在于，所述隔板的下端浸没在密相床层中。

40、根据权利要求38或39的气化炉，其特征在于，在所述气化室和所述焦炭燃烧室的至少之一中形成流化介质的内部旋流。

41、根据权利要求38至40之一的气化炉，其特征在于，所述气化室的炉底向不可燃材料排出口倾斜。

42、根据权利要求38至41之一的气化炉，其特征在于，所述速度是流化速度。

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