CN85107163A - 从含碳燃料制造气体之方法 - Google Patents

Abstract

本发明是利用流化床反应器将固体燃料气化，其特征是借助于输送介质，将经分离的烟灰集中地或自数个安装高度相同的，刚好在流化床表面之上或表面之下的位置吹入反应器内，用一个或多个被冷却的喷杆，按照被输回的烟灰气化所需要的气化剂量，将一种或多种气化剂自反应器之中部集中地通至吹入点之水平位置，而被输回的烟灰在接近煤灰软点的温度下转化，在烟灰气化区和流化床气化区之间发生原料和热的交换。

Description

本发明叙述一种从含碳燃料制造气体之方法，用一种或多种气化剂，采用流化床和烟灰气化之方法，将含碳燃料气化，在这里，将气化残渣从反应器之底部卸掉，生成气体自流化区往上升，经过反应器顶部之稳定区之后，离开反应器，生成气体中所含的烟灰得到透彻的分离，同时将被分离的烟灰输回反应器中。

用流化床反应器将固体燃料气化，已知有好几种方法。这些方法中，重要的是将来自流化床的粉尘分离和后处理的问题。如果不进行后处理，大大降低了效率，则这方法只有在特殊的环境中，例如，当这些烟灰用于别的用途时，才会实用。

所以，基本上所有的方法，都要将来自流化床的烟灰进行后处理，用上部的气化装置和/或至少将一部分烟灰输回流化床反应器内。

一般的流化床反应器（温格勒发生器）的特点是通常所说的上部气化。

按照此法，可以通过反应器壁内之喷嘴的环圈，将气化剂喷入流化床上面的自由空间，该喷嘴的位置是设在流化床之上。这些气化剂与来自流化床的气体反应;所产生的热用作被排放的烟灰中之碳份的气化〔J·Anwer，F·Bogner，Kohlevergasung    im    Flui-datbett（Winkler-Vergasung）Unter    Druck，Brenn-st·-Warme，Kraft    28（1976），57〕。

由于必须防止其中所携带的灰粒液化或甚至变成面团状，上部气化中之气化剂量受限于气化产生的温度。相对于所使用的煤的灰性来说，如果温度太高，则会在反应器的自由空间的器壁上和连接车间的部件内结痂，对车间的运转影响不利。

此外，由于在完全稳定区发生的上部气化引致气体出口的温度非常高时，也影响气化效率，这是由于以煤通入的一部分能量，不是以化学键热却以有效热的形式离开反应器。在流化床和上部气化装置之间没有发生热交换。

在所谓的HTW一方法中，Rheinische    Braun    Kohlen-werke    AG.用普通的上部气化，将粗的烟灰输回反应器内。利用一个或数个设在不同高度的喷环，将用作上部气化剂通入反应器内。普通的温格勒方法也同样存在不利。由于运用普通的温格勒方法时，气化剂之通入量受限于煤灰开始粘结的温度，其中还必须考虑到接近器壁之最高温度。一小部分的煤灰从气化器之底部卸走，而大部分的煤灰却利用旋风分离器，使其以飘尘的形式从工艺中排掉。

在别的方法（Westinghouse，The    Westinghoase    Coal    Gasification    Process，国际气体研究会，1980年6月;U-气体方法，能量研究1980年版第4卷，149页）中，将第一个旋风分离器分离出来的烟灰，用蒸汽或循环气体等输入流化床内，在流化床的底部与已鲜煤一起，在气化剂的作用下，在高温中转化，煤灰凝聚并可以以成团的形式从气化剂之底部排出。转化期间所发生的高温区，是流化床的主要部分。

由于商业使用的需要，需要将工厂扩大，则出现问题。

本发明之目的就是为了克服已知方法中所存在的不利和不适当的问题，同时指出，开头所提到的，该种类型的方法，充分利用了燃料中的碳，并采用固体的方法有效地降低了气流的负荷，甚至使流化床中的反应更加顺利。本发明之另一个目的是指出一种方法，不必受到已知方法的限制，可以将经分离的烟灰进行后一气化期间所产生的能量利用于整个生产过程，最后，本发明志在创造一种发生器，使生产可以便利地进行。

为此目的，本发明提供开头提到的一种生产方式，借助输送介质，将经分离的烟灰集中地或自数个安装高度相同的，刚好在流化床表面之上或表面之下的位置吹进反应器内，用一个或多个被冷却的喷杆，按照被输回的烟灰气化所需要的气化剂量，将一种或多种气化剂自反应器之中部集中地通至吹入位置之水平面，被输回的烟灰在接近于煤灰软点的温度下转化，原料和热交换在烟灰气化区和流化床气化区之间产生。用来气化被输回的烟灰之气化剂，从顶部输入反应器内较好。

利用上述推荐的方法，可用气化剂将含碳固体物质转化成可燃烧的气体。经过一个简单的后处理之后，生成的气体具有加热气体或合成气体之特性。

建议使用挥发组分含量高的活性的固体燃料，尤其是褐煤，初期的硬煤，泥煤和木。然而也可以使用挥发组分含量较少的燃料。使用煤的时候，应使用预先碾碎和干燥之煤。例如，煤之粒度范围可以在0-8mm之间，残余的水份，硬煤应小于5%而褐煤应小于12%较好。

使用氧气、空气或蒸汽，以及它们的组合较好，使用多种气化剂时，可将其个别或以混合物之方式输入反应器内。

本方法权宜地在压力下进行，在高至80巴的压力下较好。然而，本方法也可以在常压下工作。

利用一种适当的奔流系统，使将要气化的粗燃料产生反应器之操作压力，同时用一种机械的加料系统连续地计量流入反应器之流化床区。根据反应器的设计，流化床的高度约为1-3米。将要气化之燃料输入流化床区之中央，而也可将气化剂通入较低之流化床区。气化期间产生的熔渣自流化床跌落，并从反应器之底部排出。

流化床的温度取决于所使用的燃料，约为800℃至1000℃。例如，使用褐煤时的温度约为800℃至900℃，而使用初期的活性硬煤约为900-1000℃。

控制流化床，使其可以将所通入的将被气化的燃料中之50%的碳转化成气体。剩余的碳以烟灰的形式离开流化床，同时与生成气体一起进入一个稳定的气室，该气室的横截面比流化床区之横截面大（Fws∶Fbr≌0.5）。因此，降低了气体之流速，使较大的烟灰粒不能再保持悬浮而跌回流化床中。

利用抽气装置，将遗留的烟灰和生成的气体一起送入一个干热的除尘装置，进行分离。

同时将生成的气体进一步通入后处理装置进行后处理，而被分离的烟灰则输入热保温的收集缸内。此收集缸起一个缓冲缸的作用。利用一种输送介质，将烟灰定量地自此收集缸输回反应器内，使稳定运转中的烟灰的遗留量保持在一定的标准。所有蒸汽、惰性气体、工艺气体和二氧化碳，以及它们之混合物，都可以用作输送介质。将这些输送气体预热至500-700℃较好。较好的输送气体为二氧化碳和过热蒸汽;尤其是过热蒸汽。

按照本方法，是将烟灰集中地或自数个对称地设在反应器上的高度相同的位置吹进反应器内。烟灰输回管线中之输送压力高于反应器之操作压力，并且必须足以将被输回的烟灰输送到反应器之中央。控制吹入喷嘴，使其输送方向不是与反应器之中轴相就是与绕着反应器中央的虚圈平面相切。交点或虚圈平面之高度不是直接在流化床之表面上就是正好在流化床中。与此同时，将根据烟灰完全转化所需要的气化剂量输入，用一个被冷却的中心喷枪，自反应器之头（顶）部吹至吹入位置或平面。使用氧气或氧气和蒸汽之混合物较好。

也可以用一圈的冷却喷枪来代替单个的冷却喷枪。

换句话说，也可以通过一个设在反应器中央之中心喷枪，将烟灰吹进反应器内。在还这情况下，自反应器之顶部设置的喷枪，可以用一个或一圈同轴的冷却的气化剂喷枪。

建议，烟灰的气化在反应器中心，接近流化床表面的高度之限定的空间内进行，烟灰气化的温度比流化床中普遍的温度高，粉尘气化之产物进到流化床中，而以软化或液态形式出现的熔渣则凝聚和固化，而将热传给流化床。

利用上述粉尘的转化，可使温度达到非常接近于所述燃料之灰软点或在灰燃点之上。这些温度使燃料粒子的灰份结构凝聚，那些灰份结构在气化过程中是渐渐暴露的。

由于它们的密度和尺寸大，仍含煤灰的凝聚物落回较低的流化床区，然后用排灰的方法，将之除去。另外，高温是被送回和正在产生的烟灰迅速并完全转化的先决条件。

由于气流导向流化床之表面和较低之区域，保证了烟灰气化和流化床气化之气化产物之间充分地进行热交换和物质的交换。根据已知的结果，流化床中的热转移非常好，此热很快地被整个流化床所吸收;由此结果相应地降低了为了维持流化床的反应温度而需要的氧气和煤量。此外，由于烟灰气化所产生的热温区受限制，其壁区只承受相对地低的流化床温度、根据此理由，既不存在反应器壁承受较高温度的危险，也不存在灰粒结壳的危险。

传给流化床之热，还保证位于流化床之上的稳定区之温度，不会因烟灰气化期间所形成的热的生成气体的影响而显著地增高。结果，生成气体之出口温度也比一般的方法（带上部气化之流化床）低。

此外，良好的物质的交换，可直接利用烟灰气化期间现存的气体组分，二氧化碳和水蒸汽，作为第二部气化或者是作为流化床之缓和剂。

粉尘气化反应的控制/调节，最简单的方法是通过测定流化床和稳定气室之温度，以及测量烟灰中之碳含量来调节的，尤其极需根据所输入的烟灰量，例如，利用辐射度的测量，连续地测定烟灰中之碳含量，限定通入烟灰气化之氧气量。在这种情况下，整个的气化可以通过测定稳定气室之温度来控制。流化床和稳定气室之绝对温度的测量，以及这两个温度间的温差，在非常早期的装置，已经直接地显示出无规律性，例如，在粉尘的转化中，所以可以及时地留意。流化床之质料和热容高，可避免在任一可想象的操作条件下发生危险的氧气和热的穿透。

为了降低氧气和燃料的消耗量，可以预先将用于本工艺过程之气化剂加热。例如，可用一个热交换器，利用生成气体中所含的有效的热转移的方法，将气化剂加热。

依照本发明之方法，可以得到许多好处。被送回的烟灰可以在灰的软点和灰软点以上的温度中进行气化。灰份凝聚，并从流化床中落下而将热传出并固化，同时可以从反应器之底部排出。由于温度高，提高了烟灰气化之效率。烟灰气化剂的集中供入，使粉尘气化限制在反应器中心之空间内进行，防止反应器壁面对过高的温度。此外，烟灰的气化正好在流化床表面之上或表面之下进行，使其可以与流化床进行物质的和热的交换。利用如二氧化碳或蒸汽为输送介质，使输回的粉尘不会发生中间冷却。最后，根据所测得的温度值，可以简单地调节本方法。为了控制烟灰的气化，尤其应将被输回烟灰中之碳含量，以及反应器中，流化床和稳定气室的普遍温度，都作为变量。

施行本方法所用的耐压反应器，其底部设有一个排灰口，有一个用耐火衬里制成的耐高温的反应器罩，反应器之底部有一个流化床区，上部有一个横截面较大的稳定区，以及在流化床区之过渡区中有一个粉尘气化区，生成气体之出口设在反应器之顶部，与干热的除尘装置相连，再连到烟灰收集缸内，同时，在流化床区中至少有一个燃料之进口和一些气化剂之进口。规定反应器中，统一集中的或多元的烟灰吹入装置，应设在相同的高度，正好是在流化床表面之上或流化床表面之下，利用与烟灰收集缸相连的输送管道送入，其中，一个或多个冷却的用来导入烟灰气化剂的喷枪集中地从反应器的顶部伸进反应器中间的吹入装置之水平位置。

为了便于操作和使用，推荐一个简单的发生器。如下所述之本发明之发生器，其特点是采用简单的调节以及操作强度高，所以可以期望到其高度的使用性。尤其是按照本发明之方法，因此发生器将烟灰输回并使其在反应器中心之热区转化时。

生成气体中所含的烟灰之分离，在装在反应器之内部或外部的干热除尘装置内发生，除尘装置中之气体出口管道连到反应器之顶部通出去。建议用旋风分离器作为除尘装置，如果是设在反应器之外部，也建议进行保温。然而，其他合适的装置也可以使用。

将此分离器连至保温的收集缸，经分离的热烟灰收集在此缸内。用一个输回管线，将此收集缸连至反应器，以便将烟灰输回。有关连的部件为一道气态输送介质之输送管，以及一个或多个调节装置和计算装置，利用计量装置，则气态输送介质的量，或选择使用气体混合物时，混合物之组分，被输回的烟灰以及输回系统中之压力都可以测得。

建议将输回的烟灰安排在流化床表面的附近。然而，也可以将输回的烟灰输回流化床的别的区内，或正好是在流化床的表面上。

用作输回烟灰之吹入装置，在反应器中是对称地排列，其高度相同，其输送方向切于反应器之中轴。要不然，吹入装置也可以对称地安装，使其输送方向与围绕着反应器中轴之虚圈相切。然而，这圈之直径必须比反应器空间的直径小。

可以输送气体之喷杆，从反应器之顶部伸进反应器内，约伸至吹入点之水平位置。此喷杆是装在反应器之中间，并且是被冷却的。气化所需之气化剂可以个别地或一起引入喷杆之内部。用一种适当的喷嘴系统使喷杆伸开。可以用一种材料以及两种材料的喷嘴，例如，使用空气和蒸汽为气化剂时，用一种材料之喷嘴，而使用氧气和蒸汽时，用两种材料做成的喷嘴。

也可以用一束或一圈之喷枪来代替单个的喷枪。在这种情况下，也要对每个喷枪进行冷却。使用多种气化剂时，可以通过一束或一圈不同的喷枪将它们输入。

如果烟灰的输回是通过反应器之中轴集中地输回的话，则此吹入装置应设计成一个喷杆，从反应器顶部延伸至烟灰气化应区中，此喷杆被一个或多个冷却的用来通气化剂的喷杆同轴地围绕着。

有利于使经中心的冷却的喷杆通入的气化剂量与被输回的烟灰中之燃料含量相匹配。在这里，同样可以计算用作烟灰的输送介质之气化剂量。为此，需要装一个用一个集中的控制仪来调节的计量装置。例如，烟灰中之碳含量可以通过辐射度的测量来测定，应测定在分离期间，在收集缸中或输回之前之烟灰之碳含量。

同样，也可以考虑用其他的参数来集中控制烟灰的气化，例如，流化床和稳定气室中的温度，可以用适宜的温度计来测量，而气化剂量用烟灰气化之气态输送介质通入。

图1表示一个垂直的纵截面，利用图表来说明本发明之反应器之具体体现，对于较大的部件，适合于用作褐煤或挥发性高的硬煤之气化。

如图1，此反应器是由一个反应器容器，围住整个的反应空间，形成一个带园柱形和锥形区之中空的旋体，其底部有一个流化床气化区A，上部是一个稳定区B，和一个粉尘气化区C。此反应器底部1，用一个园柱形管片与排灰系统2接通出去。在反应器之顶部10，用盖，如一个拱形盖封住。反应器壁用一种适当的耐火衬里保护，克服高温。

反应器底部之流化床A之高度约为1-3米，取决于反应器的设计。燃料进口6是位于流化床区之中部。用一种输送螺杆将燃料输入，但也可以用其它的装置来输入燃料。为了克服反应器之压力，安装一个加料阀。

在燃料进口6的下面，安装一些环状的气化剂进口管道7，分布在四周。反应器之含流化床A的部分，其内部的横截面向顶部逐渐扩大，尤其是成圆锥形。流化床区A之顶部和底端横截面的形状的选择是使以一定的粒积范围之粒状燃料，以及气化期间形成的气体都保持在流化状态。

此反应器是密闭的并设计成可以在内压增大的情况下进行气体的生产。然而，此反应器也可以在不加压的情况下工作。只考虑后者时，在燃料进口6之加料阀可随意捨弃或用其它的装置代替。

气化剂之一些输送管道7，设计成一种材料和/或两种材料的喷嘴系统，例如，使用空气和蒸汽作为气化剂时用一种材料的喷嘴，而用氧气和蒸汽作气化剂时，则用两种材料的喷嘴。

反应器的上部，有稳定气室B。其横截面积下比流化床区A之横截面积大，即Fws∶F_BR≌1∶2。

在反应器之顶部10，安装一个气体出口3，在目前的情况下，此出口管道是水平地安装，并通向一个干热的除尘装置4，也许是一个旋风分离器，将烟灰分离。生成的气体经管道3流到一般气体后处理装置。

被分离的烟灰自除尘装置进入收集缸5，被收集在此缸中。此收集缸有一个测量装置15，用来测定烟灰之碳含量，例如，一种辐射度的测量装置，包括散热器和接受器。用传送线路，将此测量装置连到一个集中控制装置16，以便控制烟灰的气化。

以稳定的操作状态，调节来自收集缸5中的粉尘的排放，使其维持满意的水准。此水准可以借助类似一种辐射测量装置18的装置来控制。

用来将收集缸5中的烟灰输回的管道11，装上一个用来计量烟灰的测量装置12，并将用来输送气态的输送介质的管道13，连到测量装置12上。

通过管道11，将来自收集缸5之烟灰输回反应器内。被输回的烟灰量，可用计量装置12来控制。作为输送介质的气体，较好是蒸汽，经管道13输入。利用控制装置16来调节计量装置12。输送介质的使用量取决于被输回的烟灰量。

利用数个围绕着反应器，对称地分布在同一高度的烟灰吹入系统，将输回管道11导入反应器中。这些烟灰吹入系统8，每一个都可以直达反应器之中央，或者是可以直接与一个围绕着反应器中央的虚圈相切。吹入喷管8的末端，可以在反应器之器壁上或者是可以通入反应器气室内;将它们通入反应器之气室内较好。

被冷却的喷杆10，在另外的体现是一束被冷却的喷杆，集中地自反应器之顶部10通入反应器之中部，直到达到吹入点8之水平位置为止。通过此气化剂喷杆，可以在吹入位置8之水平位置上利用一种合适的喷嘴体系将氧气和蒸汽一起或分别通入。使烟灰中所含的碳可以在不低于灰熔点之温度中，在流化床表面上，位于反应器中部的限制区C内严密地发生后气化。软化或被烧结之固体之总灰份凝聚，同时由于其块状增大，从流化床区A落下，而且可以以灰块的形式排掉。

在流化床区A和稳定区B中，都安装用来测温度之表14，这些表14，都连到控制装置16。

利用控制装置16，控制计量装置17，调节经喷杆9供入后气化区C之气化剂量。

为了防止中枢的喷杆9抵受反应器气室中普遍的高温，可以将此喷杆冷却。通常，利用双套式管道来冷却，套中通冷的流体，用水较好，而里面是真实的气化剂管。此双套式管也可以围住数个独立的气化剂管。使用一圈喷杆的时候，每一个独立的喷杆应按上述的要求设计。

下面的例子提供前述之，在反应器中使用褐煤的一些特征性数据。

例如：

使用褐煤时之工艺的特征数据

反应器压力    15巴

反应器温度（气体出口）    1100℃

气化剂之消耗量

一蒸汽    0.38标准立方米/公斤不含水和灰之煤

一氧气    0.45标准立方米/公斤不含水和灰之煤

规格：粗制的气体之生产    1.81标准立方米（干的）/公斤不含水

和灰之煤

粗制的气体之分析CO    48.8%以体积计（干的）

H₂32.0%以体积计（干的）

CH₄3.0% ″ ″

CO₂15.4% ″ ″

H₂S 0.1% ″ ″

N₂0.7% ″ ″

碳的转化    96%

气化效率    78.5%

勘误表

勘误表

勘误表

勘误表

勘误表

Claims (16)

1、一种从含碳燃料制造气体之方法，用一种或多种气化剂，采用流化床和烟灰气化之方法，将含碳燃料气化，在这里，将气化残渣从反应器之底部卸掉，生成气体自流化床区往上升，经过反应器顶部之稳定区之后，离开反应器，生成气体中所含的烟灰得到透彻的分离，同时将被分离的烟灰输回反应器中，其中规定，借助于输送介质，将经分离的烟灰集中地或自数个安装高度相同的，刚好在流化床表面之上或表面之下的位置吹入反应器内，用一个或多个被冷却的喷杆，按照被输回的烟灰气化所需要的气化剂量，将一种或多种气化剂自反应器之中部集中地通至吹入点之水平位置，而被输回的烟灰，在接近煤灰软点的温度下转化，在烟灰气化区和流化床气化区之间发生原料和热的交换。

2、如权利要求1之方法，特定其中之气化是在反应器之压力为1-80巴的压力下进行的。

3、如权利要求1或2中之任一种方法，特定一些用来气化被输回的烟灰之气化剂是从顶部输入反应器内。

4、如权利要求1-3中之任一种方法，特定应事先将气化剂预热。

5、如权利要求1-4中之任一种方法，规定将经分离的烟灰收集在粉尘收集缸中同时将烟灰计量地输回反应器内，使稳定运转中的烟灰的遗留量保持在一定的标准。

6、如权利要求1-5中之任一种方法，规定其中之烟灰是自数个对称地排列在反应器上的，高度相同的位置吹入反应器内，使其输送方向与反应器之中轴相交。

7、如权利要求1-6中之任一种方法，规定其中之烟灰是自数个对称地排列在反应器周围的，交度相同的位置吹入反应器内，使其输送方向与环绕着反应器中轴的虚圈相切。

8、如权利要求1-5中之任一种方法，规定通过一个中心的喷杆，将烟灰吹入反应器内。

9、如权利要求1-8中之任一种方法，其中规定烟灰之气化限制在反应器中心，大致在流化床表面上的空间内进行，烟灰气化的温度比流化床普遍的温度高，粉尘气化产物排给流化床，而软化或液态的熔渣发生结块和固化的同时，将热传给流化床。

10、如权利要求1-9中之任一种方法，规定为了控制粉尘气化，应将被输回烟灰中之碳含量以及反应器中流化床和稳定气室的普遍温度都作为变量。

11、按照权利要求1-10中之任一种方法，所用的耐压反应器的组成包括设在反应器之底部（1）之排灰装置（2），一个用耐火衬里制成的耐高温的反应器罩，底部有一个流化床区（A）而上部有一个横截面积较大的稳定区（B），以及一个粉尘气化区（C），位于自流化床区至稳定区之过渡区，一个设在反应器顶部之生成气体之出口（3），将其连至一个干热的除尘装置（4），再连到一个烟灰收集缸（5）内，同时在流化床区（A）中至少有一个燃料之进口（6）和气化剂之进口（7），规定其中之一个中心的或数个烟灰吹入装置（8），应设在相同的高度，正好是在流化床表面之上或正好在流化床表面之下，这些吹入装置是靠输送管（11）与烟灰收集缸（5）相连，而其中一个或多个被冷却的用来通入烟灰气化剂之喷杆（9）集中地自反应器之顶部（10）伸进反应器中部的吹入装置之水平位置。

12、如权利要求11中之反应器，规定其中之气化剂入口（7），都是属于两种材料之喷嘴系统。

13、如权利要求11或12中之反应器，规定其中之用来输回从收集缸（5）来的烟灰之管道11中，安装一个计量装置（12），用来测量被输回的烟灰，而输送管道（13）作为气态输送介质之输送管道。

14、如权利要求11-13中之反应器，规定，一些用来输回烟灰之吹入装置（8），安装在同一高度，对称地分布在反应器上，使其输送方向与反应器之中轴相交。

15、如权利要求11-13中之任一种反应器，规定其中一些用来输回烟灰之吹入装置（8）在反应器上的高度相同，使其输送方向与环绕此反应器中轴之虚圈相切。

16、如权利要求11-13中之任一种反应器，规定将其中之集中吹入装置（8）设计成一个喷杆，由反应器之顶部（10）伸进烟灰气化区（C），此喷杆被一个或多个被冷却的，用来通气化剂的喷杆集中地包围。

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