CN1944593B - 用于高功率飞流气化器的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将粉尘状燃料气化的方法，其从固体燃料如石煤、褐煤以及其焦炭、石油焦炭、源自泥炭或生物量的焦炭在飞流中用含游离氧的氧化剂通过部分氧化而进行，其中压力为环境压力至80巴，温度为1200-1900℃，且在1000至1500MW的高反应器功率下进行，该方法由如下分技术组成：燃料的计量、在具有冷却的反应区外围的气化反应器中进行的气化反应、骤冷、粗制气洗涤、部分冷凝；本发明还涉及一种用于实施本发明方法的设备。

Description

用于高功率飞流气化器的方法和设备
本发明涉及一种非常高功率的飞流气化方法，如其可以用于大型合成的合成气供应那样。本发明可以实现将经处理成粉尘状燃料的燃料，如褐煤和石煤，石油焦炭，固体可研磨的残余物，以及固体-液体悬浮液，所谓淤浆，转化成合成气。在此，燃料在1200-1900℃的温度下用含游离氧的气化剂在最高至80巴的压力下通过部分氧化而转化为含CO和H2的气体。这在一个气化反应器中发生，所述反应器的特征为具有一个多燃烧器装置和具有一个经冷却的气化区。
在气体产生技术中，对固态、液态和气态燃料进行自热飞流气化(Flugstromvergasung)是多年来公知的。在此，对燃料与含氧气化剂的比例的选择要使得出于对合成气质量的考虑而使较高级碳化合物被完全裂解为合成气组分如CO和H2，并且使无机成分以熔融液体废料形式排出，参见J.Carl，P.Fritz，NOELLKONVERSIONSVERFAHREN，能源与环境技术EF-出版有限公司，1996，第33页和第73页。
根据在技术中引入的不同体系而定，在此可将气化气体和熔融液体废料分离或者一起从气化设备的反应区排出，如DE 197 131 A1所表明的那样。对于气化体系的反应区结构的内部边界，既可以设置耐火衬里，也可以引入经冷却的体系，参见DE 4446 803 A1。
EP 0677 567 B1和WO 96/17904说明了一种方法，在该方法中通过耐火衬壁来界定气化区。该方法有一个缺点，即气化时形成的液体废料会使耐火墙体脱落，这导致很快损耗并且导致修理费用高昂。随着灰分含量增长，该损耗过程也增加。由此，这种气化体系的运行时间有限，直到更新衬里。另外，要限制气化温度和燃料的灰分含量，参见C.Higman和M.van der Burgt，“Gasification(气化)”，ELSEVIER出版社，美国，2003。还描述了一种骤冷体系或冷却体系，其中热的气化气体和液体废料一起通过从反应区底部开始的导管引离，并且导向水浴。气化气体和废料一起排出可能导致导管堵塞，并且由此限制了其可利用性。
DE 3534015 A1说明了一种方法，在该方法中将气化介质粉尘状燃料和含氧氧化剂经过多个燃烧器对称地这样引入反应区，使得火焰相互偏离。在此，气化气体载有细小粉尘地向上流动，而废料向下流入废料冷却体系中。在一般情况下，在气化区上方设置一个设备，用以利用余热进行间接冷却。然而，由于夹带的液体废料颗粒，存在沉积和覆盖换热器面的危险，这导致阻碍热转移和可能导致堵塞管道体系或者侵蚀。通过将热的粗制气用引入循环的冷却气体移走而抵抗堵塞的危险。
Ch.Higmann和M.van der Burgt在“Gasification(气化)”，第124页，Elsevier出版社，2003中提出一种方法，在该方法中热的气化气体与液体废料一起离开气化器并直接进入垂直布置在其下方的余热釜中，在该余热釜中将粗制气和废料利用余热冷却以产生蒸汽。废料在水浴中收集，经冷却的粗制气向旁边离开余热釜。与获得余热的优点相对的是一系列缺点。在此特别要提到在换热器管道上的沉积物的形成，其导致阻碍热转移以及导致腐蚀和侵蚀并由此导致不足的可利用性。
CN 200 4200 200 7.1描述了一种“固体粉化燃料气化器”，在该气化器中将煤粉尘以气动方式输入，而将气化气体和流化的废料通过中心管道引入水浴中以进一步冷却。在所述中心管道中进行的这种中心引离容易发生堵塞，所述堵塞扰乱了整个运转并且使整个装置的可利用性降低。
各种所述的气化技术的功率限制为约500MW，这特别是归因于将燃料输入气化反应器中。
从这些现有技术出发，本发明的任务是提供一种气化方法，其允许以可靠且安全的运转方式达到最高功率为1000-1500MW。
通过根据权利要求1的特征的气化方法和根据权利要求11和12的设备解决了该任务。从属权利要求进一步给出了本发明的有利实施方案。
这种在非常高的功率下用含氧的氧化剂使固体含灰分燃料进行气化的气化方法基于一种飞流反应器，其反应区外围(Kontur)由冷却体系界定，在此在冷却体系中的压力总是保持比在反应区中的压力更高。为了准备燃料和输入到气化燃烧器中，如下实施：在按照密流输送原理的干燥的气动输送中，将燃料干燥，粉碎至粒度为＜200μm并经过生产贮罐供给压力排出装置，在该装置中通过输入一种非冷凝性气体如N2或CO2而使粉尘状燃料达到期望的气化压力。在此，可以同时使用不同的燃料。通过布置多个这些压力排出装置，可以交替地装料并用压力进汽冲击。然后，处于加压下的粉尘到达计量容器，在该容器中在下部通过输入同样是非冷凝性的气体而产生非常致密的涡流层，向该层中浸入有一个或多个输送管道，并通入到气化反应器的燃烧器中。在此，每个高功率燃烧器都配有一个单独的输入和计量体系。通过在气化反应器的计量容器和燃烧器之间施加压差，流化的粉尘状燃料流向燃烧器中。通过测量和监控装置，测量、调节和监控流动的粉尘状燃料量。
此外，采用提出的反应器，还存在一种可能性，即将未干燥的燃料同样粉碎至粒度为＜200μm并将粉尘状燃料与水或油混合，并作为淤浆形式输入气化反应器的燃烧器中。在此处未描述的输入方法，由本领域技术人员按照其已知的措施而布置。
同时将含游离氧的氧化剂送入燃烧器，并且将淤浆通过部分氧化被转化为粗制合成气。在1200-1900℃的温度下在最高至80巴的压力下发生气化。反应器具有冷却的反应区外围，其通过冷却罩形成。这种冷却罩由不透气焊接的管罩组成，所述管罩被用销固定(bestiftet)并用能良好导热的材料包覆。在气化反应器中产生的粗制气与由燃料灰分形成的液体废料一起离开气化反应器并到达垂直布置于其下方的区中，在该区中通过喷淋入水而进行对热的粗制气和液体废料的冷却。冷却过程可以通过喷淋入过量的水而完全进行直至气体的露点。取决于压力而定，此后温度为180-240℃。但是，也可以只输入有限量的冷却水并将粗制气和废料通过部分冷却而冷却至例如700-1100℃，以随后在余热釜中利用粗制气的明显的热量，以产生蒸汽。通过部分骤冷或部分冷却，防止或显著限制了废料在余热釜管道上粘连的危险。对于完全或部分冷却所必要的水或回流的气体冷凝物经过喷嘴输入，所述喷嘴紧靠着位于冷却区夹套处。经冷却的废料在水浴中收集并从工艺中排出。冷却至温度为200-300℃的粗制气随后到达粗制气洗涤中，所述的洗涤合适地设计为文丘里洗涤。
在此，除去夹带的粉尘，直至粒度约为20μm。该纯度还不足以实施接下来的催化工艺，例如粗制气转化。在此还要考虑，粗制气中夹带有额外的盐雾，其在气化过程中从粉尘状燃料中解除并且与粗制气一起排出。为了既要除去＜20μm的细小粉尘又要除去盐雾，将洗涤后的粗制气输入冷凝段，在此段中将粗制气间接冷却大约5-10℃。在此，水从水蒸汽饱和的粗制气中冷凝出来，水中吸收所述细小的粉尘颗粒和盐颗粒。在一个紧接着的分离器中将含粉尘颗粒和盐颗粒的冷凝水从粗制气中除去。之后，可将这样纯化过的粗制气直接输入例如脱硫装置。
本发明还提供了一种高功率反应器，用于从固体燃料如石煤、褐煤以及其焦炭、石油焦炭、源自泥炭或生物量的焦炭在飞流中用含游离氧的氧化剂进行粉尘状燃料的气化，在温度为1200-1900℃下并在压力为环境压力至80巴下转化成粗合成气和废料，该反应器包括：
-布置在反应器顶部的点火和引火燃烧器；
-布置在反应器顶部的多个气化燃烧器；
-每个气化燃烧器都配有一个单独的计量体系，每个计量体系将粉尘状燃料从贮罐经由单独的压力排出装置输送到单独的计量容器；
-每个气化燃烧器都配有一个单独的输送管道，所述输送管道将每个气化燃烧器连接到各自的计量系统；和
-用于测量和调节流入每个气化燃烧器中的粉尘状燃料和氧气量的测量体系，该测量体系监控和调节总计流入所述反应器的粉尘状燃料和氧气量。
下面参照5幅附图和2个实施例更详细地说明本发明。附图表示：
图1：技术方框图
图2：粉尘状燃料的计量体系
图3：用于高功率发生器的粉尘状燃料输入的装置
图4：具有完全骤冷的气化反应器
图5：具有部分骤冷的气化反应器
图1在方框图中显示粉尘状燃料的气动计量的方法步骤，在带有冷却的反应区结构2的气化反应器中的气化，骤冷3，粗制气洗涤4，其中在骤冷3和粗制气洗涤4之间可以布置一个余热釜4.1和在粗制气洗涤4后面跟着冷凝或部分冷凝5。
图2显示用于粉尘状燃料的计量体系，其由贮罐1.1组成，在该贮罐下游接有两个压力排出装置1.2，向该装置中通有用于惰性气体的管线1.6并且在其上部中引出卸压管线1.7，其中压力排出装置1.2向下离开管线进入计量容器1.3。在所述压力排出装置1.2处布置有用于监控和调节的配件。向该计量容器中通有来自下方的用于涡流气体的管线1.5，其负责用于将燃料流化并经过流化粉尘状燃料的输送管线1.4输入气化反应器2。
图3显示用于高功率发生器2的粉尘状燃料输入的设备的另一种设计方案，其中带有3个用于粉尘状燃料的输出装置的贮罐1.1各自通向压力排出装置1.2，在此在每种情况下3个压力排出装置将粉尘状燃料流输送到3个计量容器1.3，从该容器有输送管线1.3通向带有反应器的氧气输入装置的粉尘燃烧器1.2。在反应器2处，在每种情况下布置3个带有氧气通入装置的粉尘燃烧器2.1，其中存在有一个点火和引火燃烧器2.2，以运行反应。通过这种深度流化的燃料流和3个燃烧器2.1的存在，可以在可靠且安全的运转方式下达到1000至1500兆瓦的最高功率。
图4显示带有完全骤冷3的气化反应器2，其中在反应器2的顶部在中间布置点火和引火燃烧器2.2和粉尘燃烧器2.1，通过该燃烧器将涡流气体或燃料浆料和液体引导入反应器中。反应器具有带有冷却罩2.4的气化区2.3，其出料孔2.5通向骤冷器3，该骤冷器的骤冷区3.1具有骤冷喷嘴3.2，3.3，和粗制气出口3.4，通过该出口最后制成的粗制气可以离开骤冷器3。在骤冷器的底部，在水浴3.5中将废料冷却，所述废料通过出料孔3.6离开骤冷器。
图5显示带有部分骤冷的气化反应器2，在此在上部布置气化反应器，在粉尘燃烧器2.1中将源自输送管线1.4的粉尘气化并在中间布置一个点火和引火燃烧器2.2。气化反应器2具有向下的通向骤冷区3.1中的孔，骤冷喷嘴3.2在两侧通向该骤冷区，在此在骤冷区下方布置余热釜4.1。
在实施例1中意于根据物料流和工艺技术过程阐述功能。
向具有总功率为1500MW的气化反应器中输入240Mg/h的煤粉尘量。这种通过干燥和研磨由粗石煤制备的粉尘状燃料具有水分含量为5.8％，灰分含量为13质量％和热值为24700kJ/kg。气化过程在1550℃下发生，该过程需要的氧气量为208000m3i.H./h。首先将粗煤输入相应于现有技术的干燥和研磨装置，在该装置中将水含量降低至1.8质量％。在研磨后存在的由粗煤制备的粉尘状燃料的粒度范围为0-200μm。然后将研磨的粉尘状燃料(图1)输入计量体系，该体系的功能原理在图2中显示。该计量体系由3个相同的单元组成，如图3所示，在此每个单元将1/3的总粉尘量，即80Mg/h，输入每个粉尘燃烧器。所述3个与此相关的粉尘燃烧器位于气化反应器的顶部，其原理在图4中显示。能使用的粉尘状燃料按照显示粉尘计量体系的单元的图2，从生产贮罐1.1出来到达交替运转的压力排出装置1.2。在每个单元中，布置有3个压力排出装置。向气化压力的缓冲过程采用一种经过管线1.6输入的惰性气体，例如氮气而发生。在缓冲后，将处于加压下的粉尘状燃料输入计量容器1.3。将压力排出装置1.2经过管线1.7卸压并可以重新装填粉尘状燃料。将在每个单元中的3个所述压力排出装置交替装料，加压，和排空入计量容器中并卸压。然后，开始重新该过程。通过经过管线1.5输入一种用作输送气体的干燥的惰性气体，例如同样是氮气，在计量容器1.3的下部产生一个致密的涡流层，向该层中插入3个粉尘输送管线1.4。监控、测量和与气化氧气相关地调节在输送管线1.4中流动的粉尘状燃料量。气化反应器2在图3中显示并详细阐述。输送密度是250-420kg/m3。气化反应器2在图3中显示并详细阐述。经过输送管线1.4向气化反应器2中流动的粉尘状燃料排出(图3)到3个具有容量为各80Mg/h的计量体系中。总计9个输送管线1.4在每种情况下分成3组通向3个在反应器2的顶部布置的气化燃烧器4.1。同时，每个气化燃烧器输入总氧气量208000Nm3/h的1/3。粉尘燃烧器对称地成120℃的角度而布置，在中心存在一个点火和引火燃烧器，其用于将气化反应器2加热和将粉尘燃烧器4.1点火。在气化区2.3中，该区的突出之处在于具有冷却的反应区外围2.4，气化反应，即部分氧化是在1550℃的温度下进行。经监控和测量的粉尘状燃料的量经历用输入的氧气的按比例调节，其导致氧气与燃料的比例不低于或不超过λ＝0.35至0.65的范围。λ值在此表示在期望的部分氧化的情况下所需的氧气量与在将所用燃料完全燃烧的情况下所必需的氧气量的比例。形成的粗制气数量是463000Nm3/h，并具有如下分析结果：
H2  19.8体积％
CO  70.3体积％
CO2 5.8体积％
N2  3.8体积％
NH3 0.03体积％
HCN 0.003体积％
COS 0.04体积％
H2S 0.4体积％。
1550℃下的热粗制气与液体废料一起经由出口2.5离开气化区2.3并在骤冷区3.1中通过经由喷嘴系列3.2和3.3喷淋入水而冷却直至212℃且经由出口3.4到达粗制气洗涤4，其用作粉尘去除过程的水洗涤。经冷却的废料在一个水浴3.5中收集并向下排出。经水洗涤的粗制气在水洗涤4之后达到部分冷凝5，以去除＜20μm的细小粉尘以及在水洗涤4中未分离的盐雾。为此，将粗制气冷却约5℃，在此在经冷凝的小水滴中溶解盐颗粒。之后，经纯化的、由水蒸汽饱和的粗制气可以直接输入催化方式的粗制气转化或其它处理阶段。
根据实施例2，粉尘状燃料输入的过程根据图2和图3进行以及真正的气化过程与实施例1相同地进行。热粗制气以及热的液体废料经过输出装置2.5同样到达骤冷区3.1，在该区中不是用过量的水，而是仅通过经由喷嘴环3.2喷淋入有限的水量而完成将粗制气冷却至温度为700-1100℃，以随后在余热釜4.1中利用粗制气的明显的热量以产生蒸汽(图5)。在此，经部分冷却的粗制气的温度以一定方式选择，使得夹带的废料颗粒经这样冷却，以避免在换热器管道上的沉积。如在实施例1中一样，将冷却至约200℃的粗制气随后输入水洗涤和部分冷凝。
所用参考标记的列表：
1.用于粉尘状燃料的气动计量体系
1.1贮罐
1.2压力排出装置
1.3计量容器
1.4输送管道
1.5用于涡流气体的管线
1.6将惰性气体送入1.2的管线
1.7从1.2中引出的卸压管线
2.带有冷却的反应区结构的气化反应器
2.1带有氧气输入的粉尘燃烧器
2.2点火和引火燃烧器
2.3气化区
2.4冷却罩
2.5出口孔
3.骤冷器
3.1骤冷区
3.2骤冷喷嘴
3.3骤冷喷嘴
3.4粗制气出口
3.5带有废料的水浴
3.6 3的下方出口
3.7衬里
4.粗制气洗涤
4.1余热釜
5.冷凝、部分冷凝

Claims (2)

1.一种高功率反应器，用于从固体燃料在飞流中用含游离氧的氧化剂进行粉尘状燃料的气化，在温度为1200-1900℃下并在压力为环境压力至80巴下转化成粗合成气和废料，该反应器包括：
-布置在反应器顶部的点火和引火燃烧器；
-布置在反应器顶部的多个气化燃烧器；
-每个气化燃烧器都配有一个单独的计量体系，每个计量体系将粉尘状燃料从贮罐经由单独的压力排出装置输送到单独的计量容器；
-每个气化燃烧器都配有一个单独的输送管道，所述输送管道将每个气化燃烧器连接到各自的计量系统；和
-用于测量和调节流入每个气化燃烧器中的粉尘状燃料和氧气量的测量体系，该测量体系监控和调节总计流入所述反应器的粉尘状燃料和氧气量。
2.如权利要求1的高功率反应器，其特征在于，所述固体燃料为石煤、褐煤以及其焦炭、石油焦炭、源自泥炭或生物量的焦炭。
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