CN1551911A - 从煤产生清洁能源的方法 - Google Patents

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Abstract

一种从煤产生清洁能源的方法，在于将煤送入对大气密闭的反应器(10)和在反应器(10)中移动煤而同时注入氧(40)以燃烧一部分煤而产生增压的富氢原料气体和热炭。所述富氢气体在裂解舱(21)中裂解而除去蒸馏物和碳氢化合物并脱硫而产生合成气体。在一鼓风的气化器(11)中气化该热炭而产生燃料气体和熔渣，将燃料气体和熔渣通过一公用端口(23)引出气化器。在分离器(24)中分离该燃料气体和熔渣。在分离后将该气体脱硫而产生燃烧时NOx的发射非常低的气体。

Description

从煤产生清洁能源的方法
发明背景
本申请书是颁发给本申请人的专利No.5,063,732的进一步发展，该专利公开一种用于对现有发电厂重新匹配动力而同时共生产一种洁净的液态燃料的方法；该专利也公开首先热解煤而产生一种洁净的而后合成为液体的富集气体和一种炭，后者气化而制成同样洁净而后用于发电的低英热单位(Btu)的气体；其进一步发展在于改进所述方法如下：
·大量减少工艺管道(反应器)的数目，从而减少基建投资，使其在经济上可行；
·消除包括旋转机构的复合装料系统，使其易于维护；
·改进装料的加热以提高效率；
·保证在工艺反应器中产生的气体沿合适的方向流动，从而使煤的不希望的致癌成分裂解；
·沿下行方向对炭气化器进行鼓风以克服该低Btu气体中颗粒状物质的过多夹带；
·防止气化器熔渣口的堵塞，以使熔渣自由流出该气化器；
·减轻熔渣熄灭的冷却效应来防止熔渣在其熄灭前过早凝固。
引言
由石油、天然气和煤组成的自然界三大化石能源中，煤占90％；但是，煤不能以环境可以接受的方式来使用。本发明在环境上是封闭的，在压力下操作并避免了煤产生的致癌物质，使得可以以洁净、有效而经济的方式来使用煤。因为煤基本上是一种矿物能源，它像任何其它矿物一样具有杂质。这些杂质包括灰分、硫与致癌的蒸馏物和碳氢化合物，它们在化学上结合在煤的挥发性物质中。
发明目的
本发明的主要目的在于处理被看作是肮脏燃料的煤，以煤产生清洁能源并让人类能够利用该丰富而供应得起的天然资料。
本发明的另一目的是在压力下处理煤，通过提供一种尺寸足够大但在还原状态下易于加热的组件来提高效率和尽可能减小基建投资。
本发明的又一目的是从煤产生洁净气体形式的热能。
本发明的又一目的是将其应用于现有的燃煤发电厂，以使其清洁而高效并延长使用寿命，从而大比例地节省基建投资。
因此本发明的另一目的在于从煤回收富氢气体，后者通过合成能够转化为增值的液态燃料而作为用于运输和加热的石油替代品。
本发明的另一目的是从煤生产一种燃烧时产生低NOx的洁净的低Btu的气体(贫乏气体)，该气体由于其质量大而在通过燃气轮机流动时能更高效地发电。
本发明的又一目的是能在一个密闭系统中共同生产一种从煤的挥发性物质得来的富集气体和一种从残余的炭得来的贫乏气体，该富集气体含氢量高，可用于合成液体和化合物，而该贫乏气体用作发电或加热的燃料。
本发明的又一目的是从煤生产能用作焦煤或活性碳的碳制品。
对于本发明所属技术的专业人员，从下面的描述和所附权利要求书可以更加清楚本发明的上述和其它目的。现在参考构成本说明书一部分的附图。应当注意，本文所示的实施例用于说明的目的而并非限制。
附图简述
图1利用工艺流程图例示本发明的方法，该流程图作为例子用于共生产。
图2表示实施该方法的设备。
图3是沿图2中线3-3截取的截面图。
图4例示图2中所示设备的另一变化方案，涉及加热煤与排放贫乏气体和熔渣。
图5是沿图4中线4-4截取的截面图。
图6是图4一部分的放大图，表示与图2中所示不同的从熔渣分离气体的另一途径。
在利用附图详细描述本发明之前，应当注意，为了简洁起见，将使用标号来表示各个部件。
附图详述
参照图1，该图是工艺流程图，例示处理煤而共同产生：(i)一种洁净而合成为液态燃料如甲醇、柴油、汽油或其它化合物的富集气体，和(ii)一种洁净而用作燃料来发电或提供加热用的热能的贫乏气体。标号10表示一个反应腔，腔中加热煤而产生原料富集气体和热炭。标号11表示将热炭转化为原料贫乏气体的气化器。标号12表示用于原料富集气体的净化器，而标号13表示用于原料贫乏气体的净化器。标号14表示接受从料仓19来的煤的煤干燥器；其后跟随缓冲料斗15和闭锁料斗16。闭锁料斗16下方设置送料器17，用于煤的流量控制。装煤机18将煤强制送入反应器10。燃烧器20用于起动，也可用作辅助热源。氧和蒸汽从反应器10的排放端处的气体裂解舱21注入。裂解舱21有一辐射舱，用于对着从反应器10的排放端排出的煤和炭而辐射热能。
气化器11设有入口22和出口23。入口22用于注入最好为预热空气的氧化剂，而出口23用于排放原料贫乏气体和熔渣。出口23下方设置分离器24，用于两个目的，一是使气化器11中产生的原料贫乏气体与熔渣脱开，二是熄灭熔渣。闭锁料斗25用于移去熄灭的熔渣而不损失系统压力。第一旋风器26用于从原料贫乏气体除去尘土。
在富集气体净化器12下游，在将洁净的富集气体送到合成工厂28去制造化合物或液态燃料如甲醇、汽油或柴油之类来作为石油的替代品之前，设置一个冷却器27。在贫乏气体净化器13的下游设置一个作为精加工床的第二旋风器29，其后安置空气预热器30和冷却器31。冷却器31之后设置一个活性碳床/增压集尘腔32。已经净化后的原料贫乏气体作为洁净的贫乏气体引向一个站33，例如是电站、势力厂、工业炉设施等。
参照图2，标号10是用于处理煤的反应器而标号11是用于将炭转变为气体和将灰分转变为渣的气化器。反应器10有一装料端34和一出料端35。越过出料端35设置一气体裂解舱21；该舱装有一个下导管37，用于将反应器10连接到气化器11上。裂解舱21的一端是敞开的并利用法兰连接件38连接在反应器10的出料端35上，而舱21的另一端是封闭的并用作辐射壁39，喷枪40穿过辐射壁39。可以进退的喷枪40用于喷入氧化剂如空气或氧，也可以是蒸汽；当产生富集气体时，喷入相当纯的氧。喷枪40也可以装备成喷入氧燃料复合物来增加进入舱21的能量输入。为了提高气体的H2含量，可以向氧加入一些蒸汽，这一点在制造用于生产液态燃料的合成气体时完成。一个大直径的反应器可以使用多根喷枪如喷枪40，这样做的时候，设置一个带有用于氧的入口42和用于蒸汽的入口43的歧管41。作为例子，图3中示出喷枪40进入壁39的穿透点。裂解舱21上设置一个用于排出裂解的富集气体的出口44，该出口44与气体管45连通；管45上设置一个压力阀46，用来控制裂解舱21中的反压力。管45的后续部分(未示出，但用方向箭头指示)连接在图1中示出的富集气体净化器12上。
通过下导管37而连接在舱21上的气化器11是一个由压力壳47、衬里48、顶部49和底部50组成的炉身状容器。入口22穿过壳47和衬里48，用于引入一种氧化剂，最好为预热空气形式，用于将热炭转化为原料贫乏气体和将炭中的灰分转化为玻璃状熔渣。如果准备将热炭的碳含量转化为合成气体，那么可以用相当纯的氧和蒸汽来替代空气。流量控制机构51用于控制进入气化器11的空气。空气可以在气化器11的不同高度处引入。气化器11的底部50的形状做成优先地斜向装有喷枪52和53的出口23，喷枪52和53适合于使用一种气体如氧来保持出口23的水平通道54和垂直通道55的开通，以保证气体和熔渣自由流出气化器11。
位于出口23下方的分离器24是一个分作上部56和下部57两部分的压力容器。上部56包括装有排放熔渣喷嘴59和气体出口60的脱离区58。下部57包括供给水的熔渣熄灭池61和缓冲料斗62。隔离阀63将缓冲料斗62连接在闭锁料斗25上。料斗25的底部有阀64，用于从工艺过程中除去熄灭的熔渣，而在将熄灭的熔渣排入沉淀池85期间通过保持阀63关闭而阀64开通可以不损失系统的压力。
气体出口60通过将分离的气体引入旋风器26的集流管65而与旋风器26连通。旋风器26的底部设有缓冲料斗66，后者又连接在闭锁料斗67上；隔离阀68和69允许闭锁料斗67将颗粒状物质排入向大气开口的收集箱70而并不损失系统的压力。旋风器26装有排出气体总管71来引导该贫乏气体受进一步处理。压力控制阀72用于控制气化器11中的反压力。气体总管71的继续部分(未示出，但用方向箭头指示)连接图1中示出的贫乏气体净化器13。
参照图4和图5的补充细节，反应器10与图2中示出的反应器10相似，但有某些修改。图4中的反应器10有通过导管74引向入口73的燃烧器20，用于使烟道热气流到一个加热元件75，后者通过传导而沿周边间接地加热煤，烟道气则流过烟道76(示于图5中)并从出口77流出。一种绝热材料76安置在加热元件75和压力壳79之间，反应器10的煤用80表示。图2和图4中示出的两个反应器呈现从装料端34向出料端35发散的锥形，以便于当煤受到由装煤机18(示于图1中)驱动的压杆81的强制输送时煤在反应器10中的移动。
再参照图4，气化器11下方设置一个容器36；图6中放大表示的容器36包括外壳86、衬里87和口88、89、90。容器36的下部装有一坩埚91；坩埚91适合于例如用感应线圈92加热。连通管93从口88向下伸入容器36，用于以浸没方式将气体和熔渣导入容器36并使气泡穿过熔渣而经口89流出容器36。如图6中更清楚地示出的，口90用于当熔渣水平面达到溢出水平面102时让熔渣流出容器36。容器36有一底部排放口108，用于当情况需要时放空容器36的内含物。气体出口89的下游设有气体总管101，用以连接容器36和气体净化器13。
口90的下游设有熔渣熄灭容器57，用下导管94将容器36连接到熄灭容器57上。也设置喷枪95、96，以便通过注入氧化剂来保持下导管开通；这保证熔渣自由流动。熄灭容器57有三个口97、98、99；口97用于熔渣从下导管94进入；口98用于当熔渣落入水浴61时产生的蒸汽的流出；而口99用于排放熄灭的熔渣。蒸汽中的颗粒状物质用任何已知的方法如旋风器26除去，后者早先已参照图2描述过。控制阀100用于旋风器26出口处的压力平衡。控制阀100通过使容器36中的压力保持高于熄灭容器57中的压力而保证熄灭产生的蒸汽不会回流入容器36，从而防止由于蒸汽的冷却效应而造成的熔渣过早凝固。
操作
在本发明操作的描述中，如上所述，煤基本上是具有下列成分的能源矿石：碳、灰分、硫和易挥发物质(气体)。为了能够以洁净方式使用煤，必须除去由灰分、硫和气体中致癌物质组成的杂质并将其转化成有用产品。灰分必须玻璃化而变成不可浸出，硫必须作为元素硫而除去，而致癌蒸馏物如焦油和含苯的轻油必须通过裂解来破坏。为了满足应用本发明的需要，将描述各种构型。涉及共同生产用于合成到液态燃料中以供运输或加热之用的合成气体和用于发电的燃料气体的构型将详细描述，而其它将参照共同生产同时指出其差异来描述。
现在参照图1，该构型涉及共同生产。煤从料仓19送入干燥器14，而后经缓冲料斗15送入闭锁料斗16。煤可能带有其它物质如生物物质和/或与煤一起处理的废物。一旦闭锁料斗16装满，它就被关闭，而送料器17控制煤从闭锁料斗16进入装料端34。装煤机18将煤强制送入反应器10，使煤压实装密并基本上在装料端不透气流，以迫使在一部分煤化合期间产生的增压原料气体与反应器10中煤的移动一起平行流动并朝向反应器10的出料端。假定起动燃烧器20已经点燃反应器10出料端处的煤而工艺过程已处于稳定状态，那么煤在反应器10中前进而氧(可能还有蒸汽)最好从裂解舱21经喷枪40注入煤中，以脱去煤的挥发成分并产生原料富集气体，而环境通过亚化学计量的操作而保持在还原状态下。舱21的温度保持在煤焦油、石油、碳氢化合物的裂解温度之上，以便裂解这些致癌化合物，生成富氢的裂解气体，后者经过导管104引入气体净化器12，用于进一步处理如脱硫，从而产生2 H2和1 CO的理想合成气体。在由于使用低挥发性煤而在舱21中没有足够的燃料的情况下，可以与氧一起添加补充燃料以达到裂解温度。也使用用于从热炭中分离富集气体的裂解舱21来预处理原料富集气体，办法是利用裂解舱21中的高温通过经喷枪40的孔103(示于图2中)注入足够的氧化剂和燃烧一些挥发性物质来裂解从煤来的致癌液体和碳氢化合物，从而产生没有煤液体和碳氢化合物而其成分主要为H2和CO且氢占优势的裂解气体。在舱21内，辐射区107对排出端35出现的煤提供有效的热能转移。煤/炭以脉动方式被逐渐地推出腔80，以提供受舱21来的辐射的正面加热的新鲜的新的煤/炭面。取决于所用的煤，可以从该工艺过程获得一种2 H2和1 CO的裂解气体而不需该技术中已知的变换炉。如果煤中含有不充分的挥发性物质，那么加入蒸汽以增大气体中H2含量。在净化后这样产生的合成气本由2 H2和1 CO的基本比例组成。该气体当其在热交换器27中冷却和通过导管105引到工厂28时对于将其合成为一种液体是理想的。工厂28可以是一家费-托法(Fischer Tropsch)工厂或一家甲醇工厂，后者转而可以后随一条甲醇到汽油的链，如美孚石油公司(Mobil Oil)所发展的一种工艺。这些将该合成气体转化为各种液体的工艺在该技术中是已知的，并非本发明的一部分。因为从合成气体制造石油液体燃料的替代品的主要费用是生产该合成气体的费用，所以此处所述的煤的挥发性物质的裂解是制造该合成工厂的原料的一种精巧而经济的途径。
从煤的脱挥发形成的非常多孔和高度反应的热炭掉入气化器11并受可能过热的空气的气化。该空气最好以下行方式注入气化器11，它往往平衡该炭的温度；该空气可以在图2和图4中所示的几个点注入。该空气与炭中的碳反应而产生由于其Btu含量低而称为“贫乏气体”的发生炉煤气。该贫乏气体通过导管106而输入热气体净化器13以除硫；在该贫乏气体没有达到热气体净化器用的温度的情况下在进入净化器13之前加入氧化剂9。在从净化器13流出之前，该贫乏气体被引向旋风器29以除去微粒而后进入空气预热器30。该贫乏气体在流出预热器30后被引向换热器31以升高用于产生H2的工艺中使用的蒸汽温度，用于调节温度，用于蒸汽跟踪等。然后将该贫乏气体引到过滤器/集尘腔32以控制汞和碱金属，而后将该气体引到代表发电厂的站33。该贫乏气体由于其发电的质量更有效和由于其燃烧时低的NOx组成而是一种燃气轮机用的优越燃料，因为它冷却地燃烧。该燃气轮机可以后随一台汽轮机来提供组合的循环配置，一种通常使用的高效发电方式。
除了在气化器中制成的贫乏气体外，煤中的灰分转化为熔渣，但贫乏气体和熔渣两者从气化器11通过出口23排入分离器24，在那里该气体引向旋风器26，而熔渣在熄灭后输入闭锁料斗25，以便排入大气环境而不损失压力。这样产生的熔渣是玻璃状的和惰性的，能通过无浸出的性能试验。
原料富集气体和原料燃料气体两者中的硫以H2S形式离开工艺过程，后者用任何已知的系统包括参考专利中描述的申请人自己的系统来除去。H2S用图1中所示的净化器12和13中所含的吸收剂吸收。该在容器7中再循环和再生的吸收剂提取作为蒸汽的元素形式的硫并在冷凝器8中冷凝。从冷凝器8出来的废气用于吸收剂的再循环，在压缩机109中提高了压力。从净化器12中出来的侧流利用阀进给器110转向而用于再生器7中再生。阀进给器111将吸收剂再循环到净化器13。再生器7上方的旋风器112从再循环的废气中除去颗粒状物质。
在将本发明用于合成气体的专用制造的过程中，气化器11中的空气用氧和蒸汽替代而与炭反应并由此产生附加的富H2气体，该富H2气体在净化后能被合成为一种液体和/或化合物，与裂解气体经受气化技术中已知的变速反应后以裂解气体中衍生的富H2气体一样。
在将本发明用于燃料气体的专用制造的过程中，通过裂解反应器注入的氧用空气稀释而产生贫乏气体，后者在净化后能用作燃料气体，与当用空气鼓风时从气化器11中产生的一样。该燃料气体能用作各种加热用途包括发电的燃料。
本发明的目的也在于给现有的发电厂重新匹配动力，以便延长其寿命，因为美国超过50％的电力仍然用污染的粉煤锅炉产生。
本发明的另一用途是处理反应器10中的煤来制成焦煤或炭而并不使其气化，此种焦煤可用于冶金领域。该炭在炽热时用蒸汽处理而制成活性碳，用于包括除汞的过滤系统。
我们认为本发明公开了一种方法，该方法能处理煤而有效地生产丰富的清洁能源并以环境密闭的方式用于加热、运输、发电、生产化合物等，作为石油和天然气的替代品，包括能够生产焦煤和活性碳。

Claims (38)

1.一种从煤产生清洁能源的方法，包括：
将煤输入一个对大气密闭而具有装料端和出料端的腔内；
在所述腔内将煤移向出料端；
以这样的方式注入基本上纯的氧，使得燃烧一部分煤而保持一种增压的还原气氛：
(i)从而释放大量热能来脱掉煤的挥发成分；以及
(ii)与热炭一起产生含有煤衍生的致癌蒸馏物和碳氢化合物的增压富氢原料气体；
裂解富氢原料气体中所含的煤衍生的致癌蒸馏物和碳氢化合物而制成一种富氢的裂解气体，该气体在脱硫后成为一种洁净的富氢合成气体；
将热炭引向对大气密闭的气化器；
用所述气化器中的空气气化该热炭而产生一种原料燃料气体和熔渣；
使该原料燃料气体与熔渣一起通过一个公用端口流出所述气化器来保持所述口的畅通，以供该原料燃料气体和熔渣的自由流动；
在从所述公用端口流出后使该原料燃料气体与熔渣分离；
将该原料燃料气体引到一个净化系统以净化该气体，并因而产生一种适合于与低的NOx组成物一起燃烧的洁净燃料气体；以及
将熔渣熄灭，使其转化为一种非浸提的固体。
2.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括将所述洁净的富氢合成气体合成为一种液态燃料或化合物。
3.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括将所述洁净的燃料气体用于发电。
4.权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述气化器中用空气气化该热炭而产生原料燃料气体的步骤还包括用基本上纯的氧和蒸汽来替代空气以便制造一种富氢的原料气体来代替来自炭的燃料气体的步骤，该富氢的原料气体在净化后得到一种能被合成为适于加热或运输的液态燃料的洁净的合成气体。
5.权利要求1中所述的方法，其特征在于，该注入基本上为纯粹的氧而燃烧一部分煤的步骤还包括用空气替代该纯氧以便制成一种原料燃料气体的步骤，该原料燃料气体在净化后得到一种能被用于加热或发电的洁净的燃料气体。
6.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括使用预热空气。
7.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括使用富氧空气。
8.权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述气化器中用空气气化该热炭的步骤包括以下行方式注入空气的步骤。
9.权利要求8中所述的方法，其特征在于，还包括以多个进入所述气化器的穿透度注入空气。
10.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括对装料端处的腔壁压实煤而使煤的密度增大到在装料端处基本上不透气流的步骤，以便迫使在煤的加热期间产生的增压的原料气体流出所述腔的出料端。
11.权利要求1中所述的方法，其特征在于，使该原料燃料气体与熔渣一起流过所述气化器的公共端口的步骤还包括提供补充热能以防熔渣在所述端口中凝固的步骤。
12.权利要求11中所述的方法，其特征在于，还包括提供氧化剂注入机构来燃烧一部分所述原料燃料气体而产生所述补充热能的步骤。
13.权利要求11中所述的方法，其特征在于，所述补充热能来自电感应机构。
14.权利要求1中所述的方法，其特征在于，使该原料燃烧气体与熔渣一起流过所述气化器的公用端口的步骤还包括将熔渣收集在一容器内用作一熔浴。
15.权利要求14中所述的方法，其特征在于，还包括以浸没方式与熔渣一起将原料燃料气体引入该容器而使原料燃料气体通过所述熔浴而冒泡，以便从原料燃料气体中分离夹带的熔渣，并通过利用所述容器中的熔渣基本上洗净该燃料气体。
16.权利要求14中所述的方法，其特征在于，还包括在熔浴上方提供一个用于排放该洗净的燃料气体的气体出口的步骤。
17.权利要求14中所述的方法，其特征在于，还包括提供一条用于熔渣流出所述容器的溢流道的步骤。
18.权利要求17中所述的方法，其特征在于，还包括在所述溢洪道下游提供一个熄灭水箱以将熔渣冷却到成非浸提的固体的步骤。
19.权利要求1中所述的方法，其特征在于，该方法是在压力下进行的。
20.权利要求1中所述的方法，其特征在于，注入基本上为纯氧而燃烧一部分煤的步骤还包括从位于所述腔的出料端下游的一个舱注入氧的步骤。
21.权利要求20中所述的方法，其特征在于，还包括一个设置于所述舱的热辐射区，用于对所述腔的出料端中的煤反射强热能，以加快煤的脱挥发作用和裂解致癌的煤蒸馏物和碳氧化合物。
22.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括使热气体通过设置在所述腔壁中的烟道。
23.权利要求1中所述的方法，其特征在于，在该腔内将煤移向出料端的步骤还包括间歇地逐渐移动煤，以便在所述腔的出料端处形成煤的接续的新前表面，以便使煤有效地暴露于辐射热。
24.权利要求1中所述的方法，其特征还在于，在注入氧以燃烧一部分煤的步骤和用空气气化炭的步骤之间平衡压力，以便基本上防止富氢气体被燃料气体污染。
25.权利要求14中所述的方法，其特征在于，还包括加热该容器的步骤。
26.权利要求25中所述的方法，其特征在于，该容器的加热采用电感应机构。
27.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括在多个点注入基本纯粹的氧来燃烧一部分煤，以便更有效地燃烧煤而同时保持一种还原气氛。
28.权利要求1中所述的方法，其特征在于，在富氢裂解气体脱硫之前加入一种氧化剂来提高该富氢裂解气体的温度。
29.权利要求1中所述的方法，其特征在于，在燃烧气体脱硫之前加入一种氧化剂来提高该燃料气体的温度。
30.权利要求28中所述的方法，其特征在于，还包括在一个再生的净化系统中的脱硫。
31.权利要求29中所述的方法，其特征在于，还包括在一个再生的净化系统中的脱硫。
32.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括使反应器腔形成向出料端扩展的锥形，以便于煤在该腔内移动。
33.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括使气体流入设在所述反应器腔的烟道内。
34.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括向煤加入生物物质以便一致地处理它们。
35.权利要求1中所述的方法，其特征在于，还包括向煤加入废物以便一致地处理它们。
36.权利要求1中所述的方法，其特征在于，气化该热炭的步骤不限于将煤转化为焦煤或炭。
37.权利要求36中所述的方法，其特征在于，将该焦煤或炭转化为活性碳。
38.权利要求1中所述的方法，其特征还在于，还包括在注入氧的步骤和气化该炭的步骤之间以及气化该炭的步骤和熄灭熔渣的步骤之间平衡压力的步骤，以控制工艺过程中各种气体的流量。
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