CN86102936A - 含碳的燃料，特别是煤的气化方法 - Google Patents

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Abstract

在外加热的沸腾层反应器中，煤的气化所产生 的合成煤气经除尘脱硫后，一部分被燃烧，作为热源 通过间接热交换加热反应器，也可产生为气化所必 需的蒸汽。从反应器热交换器中出来的废气可用作 减压涡轮机的工作能。剩余的合成煤气作为有用煤 气应用于例如还原铁矿石、燃烧或者应用于气体涡 轮机中作为发电用的工作能。这种方法既有利于环 境保护，同时比直接燃烧煤或自热的煤气化法有更 高的效率，也不象已知的外热煤气化法那样需要核 能之类的外界能量。

Description

本发明涉及到含碳燃料，特别是煤的气化方法，这种方法所产生的煤气随后可利用。在这种方法中破碎得很细的燃料或粉状燃料在一个沸腾床反应器中主要借助于通过引入蒸汽的外来热气化和利用热的热交换介质在间接热交换加热反应器的情况下被气化，产生的煤气被净化，特别经过除尘和脱硫以后，然后被利用。至少燃烧一部分经过净化的煤气，而此时生成的热废气作为热交换介质用作加热反应器。
煤的气化方法可区分为自热法和外热法。在自热气化法中，通过在反应器中自己进行的燃料反应产生维持生成煤气反应所需要的热。不仅有煤和蒸汽，而且还有空气或氧气加入到反应器中，煤部分燃烧或低于化学平衡量计算的燃烧生成合成煤气。实际生产中大部分，典型的情况约30～40%为产生热而损失掉，只有剩余部分转化为可利用的煤气。另外还有一个缺点，有用的煤气通过加入燃烧产物和如不是用纯氧工作时，由于加入大量惰性气体氮气而降低了它的有效值，而且要求有相应比较大的体积连接在后面的净化设备和脱硫设备上。最后由于在反应器中通过燃烧反应生成相对高的温度也是有害的，因而给保持沸腾床增加了困难并可能促进生成对环境有害的NOx。已知的还有自热煤气化方法，在此方法中所生产的煤气中的一部分作为循环煤气又回到反应器中并重新参加反应（例如DE-PS 3223702）。
在外热法中，即外来加热的气化法中，除了煤粉外主要只有蒸气作为反应介质和为了维持沸腾床而被输入反应器中，而为了气化所要求的反应热主要通过从外部输入热的热交换介质的反应器热交换来供 给。在这种方法中，煤几乎完全地转变成有用煤气，这种煤气在相当大的程度上没有燃烧后的残渣及惰性气氮气。此外反应器中温度也可以保持较低或为了煤气生成反应将温度控制到最佳值。但主要的问题是为了加热输入到反应器中的热交换介质需要附加热源和与此相应的初次能量消耗。如有核反应堆作为附加热源供支配时，那么外热法是特别有利的，在这种情况下，由反应堆的初次氦冷却循环所加热的二次氦循环不仅用作加热反应器的热交换介质，而且用作生产在反应器中所必需的蒸汽（对照Van    Heek和Kirchhoff在“HdT报告集”中的报告，453，1982，第59页）。
本发明的任务是陈述利用煤或燃料外热气化法的优点，但是不要上述类型方法所需要的外来热和实施这种方法的设备。
任务的解决在权利要求1中给出。其它的权利要求说明了其它有利的形式。
按照本发明的方法，外热气化反应器是在没有附加热源的帮助下工作，其中通过燃烧一部分所生产的有用煤气获得所需的热量。此时虽然与自热法一样，最终只有一部分煤转变为有用煤气，但是避免了自热法上述缺点中的其它缺点。
如最好借助一个或多个减压涡轮机应用通过燃烧所生产的合成煤气而获得的废气来生产能量，本发明的方法特别有利。在这种方法中，整个方法的产品不是有用煤气，而是电能，而且总体来说，设备像一个发电厂。通常在用煤加热的发电厂中燃烧煤，从煤中直接获得用作驱动气体涡轮机或用作蒸汽生产的废气。而本发明的方法首先煤被气化，以后燃烧煤气，初看起来好像会有一种不必要的较高的消耗。但是本发明的方法与直接煤燃烧相比确有重要的优点。因为通过气化所生产的合成煤气已经经过净化和脱硫，所以在以后的煤气燃烧中产生的废气不再需要净化。因为合成煤气的体积量要比废气的体积量小，所以为了除尘和脱硫所要求的费用也相应地少。而且与在直接煤燃烧中生成带有高NOx含量的废气不同，在煤的气化中因为在气化反应器中温度很低，进一步抑制了氧化氮的生成，而且能控制随后的合成煤气燃烧，使其生成的氧化氮量大大小于在煤燃烧中生成氧化氮量。因此本发明方法由于对环境保护有利所以显得很突出。而且根据这种方法工作的发电厂可全部或部分地应用含大量有害物质的燃料。特别能将固体的家庭废料或工业废料、废油或类似的物料，必要时混合相应的煤装入反应器中。燃料中所含的有害物质大部分留在从反应器中扒出的固体渣中。即使有害物质进入到所生产的煤气中，那么它们已在燃烧前，气体净化时被分离了，因此不需要废气净化。因而相应的发电厂可建在居住区中或它的附近处，这在考虑到电热结合具有特别的好处。
下面借助图详细说明本发明的实施形式。如下所述：
图1：利用合成煤气生产能量的本发明的流程图;
图2：一种修正的实施形式的类似流程图;
图3：带有多个以阶式形式排列的气化反应器的本方法修正实施形式的流程图;
图4：带有利用合成煤气生产氨的本发明方法的另一种实施形式的流程图。
在图1中描述的实施例工作如下：
经磨煤机A磨碎的煤通过一个合适的管道系统（应用运载气）进入到沸腾层反应器B中。在反应器中借助蒸汽-废气混合气（主要是蒸汽）在外热情况下进行煤的气化，混合气在燃烧室H中生成和通过管道22到达反应器B。用废气通过间接热交换供给必要的反应热，此废气流过一个在25中表示的反应器B的热蛇形管。
通过管道1离开反应器B的合成煤气在除尘器C中和相应的过滤设备中除去粉尘。煤气（800～900℃）通过管道2进入到废热锅炉D中，和流过废热锅炉通过管道3离开，为了在冷凝器E中能尽可能地冷却。以后通过管道4进入到一个合适的洗硫器F中。经过脱硫的煤气离开洗硫器F通过管道5进入到燃烧室G，在燃烧室中进行超过化学平衡量计算的燃烧，因此所生成的废气具有900℃温度。废气进入到反应器B的热交换器25中。
在反应器B中从废气中夺取气化反应所必需的热（一部分的带入热从通过H中的蒸汽-废气混合气中取得）。带有例如750～800℃的通过管道8离开反应器的废气进入另一个热交换室I中，这个热交换室用作加热从减压涡轮机第一级I1通过管道10进入到减压涡轮机第二级I2的废气。通过管道9离开热交换室I的废气具有例如40巴压力进入到减压涡轮机的第一级I1中。具有终压力例如1.2巴和温度例如250℃通过管道11离开第二级I2的废气首先通入用作过热蒸汽用的热交换器R，以后在废热锅炉L中冷却，再通过管道12通入锅炉供水预热器M，以后通过管道13进入烟囱。
在废热锅炉L和D中发生的和在R中过热的蒸汽（蒸汽筒N）通过蒸汽涡轮机O减压，此蒸汽涡轮机驱动发电机S。减压蒸汽的冷凝热在热交换器P中放出。冷凝液通过管道20输入冷却塔P和通过管道15输入到冷凝液净化器Q中，这与通过管道14从E中出来的冷凝液一样。经过净化的冷凝液重又通过管道19输入过程中。通过管道16输入预热器M的供水用作蒸汽生产。
离开蒸汽筒N的蒸汽的一部分蒸汽通过管道17输入到燃烧室H中。蒸汽用热废气通过管道6输入到燃烧室，而这废气是燃烧来自管道5的一部分合成煤气，再与从压缩机K来的热风燃烧，直接混合和由此被过热。
在H中的燃烧优先按化学平衡量计算的方法进行，但也可以超过化学平衡量计算的方法进行。在超过化学平衡量计算的工作方式中，自由氧通过在反应器B中C或CO的燃烧供给附加热。同样空气中的氧通过输煤管（空气作为载气）进入反应器B中。
用空气输入反应器B中的自由氧量，在任何情况下必须是最佳的（例如通过空气带入过程中的氧量愈大，那么在合成煤气中的氮量也愈大，而且C、D、E和F的设备也愈大。但是另外一方面热交换器B可设计得较小）。
在这些情况中，在反应器B中有一部分热通过自热产生，由此可影响煤气成分。但是在任何情况下这一部分的量应该小，以至这方法从整体上说没有丧失外热法的特性。
从管道5来的合成煤气的另一部分合成煤气能够通过管道7输入到热交换室I中，在这个热交换室中被燃烧和生产附加的热废气，此热废气再与来自管道8的废气混合，因此输入气体涡轮机I1的废气的温度重又提高到例如900～1000℃。一般来说，因为涡轮机叶片的热负荷，再高的温度是不合适的。
为了发电，由废气推动的减压涡轮机J1和J2驱动发电机T。此外涡轮机也可驱动压缩机K，压缩机压缩通过管道21输入到燃烧室G和H的热空气到例如40巴，在那里空气同时加热到温度例如大于600℃。
在燃烧室G产生的废气与反应器仅仅只有间接热交换。在燃烧室G进行强烈超过化学平衡计算量的燃烧是有利的，由此一方面增加了煤气体积量，同时扩大了供给减压涡轮机J1、J2的能量，另一方面煤气通过管道8离开热交换器25后还有过剩空气，可用作燃烧通过管道7输入到热交换室I的其余合成煤气。
用已经描述过用作发电的设备可使其效率（端子功率）达到以原料为基的42～45%。
与通常带废气脱硫的烧煤设备相比，此联合发电厂的优点可综合如下：
a）较好的效率;
b）较低的生产电流费用;
c）非常低的水消耗;
d）低的热损失;
e）此设备有可能建立在环境保护区域附近。
在反应器B中，如在700～800℃之间的温度下和压力约为40巴进行气化的话，每吨煤可得到具有以下成分的约3200m3的煤气产物：58%H2、2%CO、30%CO2、10%CH4（体积百分数）。通过一个CO2清洗器能够清除CO2组分并提高H2和CH4组分到83%或14%（体积百分数），由此不需要再转化，而通过自热气化法获得的煤气一般是要求的。气化不需要氧的事实，与自热法相比是另一个主要优点。为了燃烧室中的燃烧，约1/3煤气量是必需的，因此每吨煤约2000m3煤气要供给在热交换室中的燃烧或用于其它目的。
在图2中表示的详细的修正实施例中方法进行如下：
经磨盘干燥（M1）后，精选过的煤吹入气化器（V1）中，借助蒸汽在沸腾层中直至97%的煤气化。水蒸汽在燃烧室中穿过热交换器W14后温度达到850℃进入气化器中。为气化所必需的热通过热交换器W17输入到反应室中。灰分和剩余炭（没有气化的煤）通过斗轮式流矿槽和流矿槽系统（M2）排出。
通过双除尘器（Z1/Z2）离开气化器V1的粗煤气，在穿过粗煤气冷却段W1…W7和在急冷器T3中冷却，在那里粗煤气中所含的水蒸汽被冷凝出来，由此蒸发热被利用。冷凝液输入到处理水的设备中以及通过锅炉给水处理后重复又回到过程中。由此过程用水量可降到最小。冷却段W1…W6可被利用生产中压蒸汽（T1）（25巴）或常压蒸汽（T2）（3.6巴）。经冷却的粗煤气输入到硫清洗器中，此清洗器是根据氧化法工作。在粗煤气中所含的H2S和空气直接转化成S（LO-CAT方法）。硫能以固体形式运走。
此时经净化的粗煤气（合成煤气）的一部分煤气通过热交换器W7和W17到达燃烧室BK1的燃烧器。在燃烧室中，合成煤气同从压缩机K1/2来的空气燃烧，目的为了在热交换器W15或W16重新获得的粗煤气（F2/FK3）或从（T1）来的蒸汽重新加热到850℃以后，能以950℃的温度进入到气化器V1的热交换器W17中。
具有800℃的空气/废气混合气离开W17/V1。穿过热交换器W16后，具有760℃的空气/废气混合气进入减压涡轮机GT的第一级GT1，在GT1中由20巴降到7.5巴。从GT1出来的废气到达与第二级串联连接的燃烧室BK2，燃烧室用另一部分合成煤气加热，因此废气在那里被重新加热（中间过热）。在涡轮机GT2中减压到3巴。在燃烧室BK3中，剩余合成煤气用来自GT2废气中的剩余氧燃烧（第二次中间过热）。在透平GT3中减压到1.05巴。
约有600℃温度的离开减压级GT3的废气进入到带有热交换器W9…W13的废气冷却器WR中。在T5/W10中生产高压蒸汽（45巴），此高压蒸汽在W9中过热到480℃。在T4/W12中生产常压蒸汽（3.6巴）。废气离开放热器W13后边的WR时温度为105℃。
不仅高压蒸汽，而且从T2或T4来的常压蒸汽均给入蒸汽涡轮机DT1中。不仅这个蒸汽涡轮机而且GT1也驱动压缩机K1/2。这二级气体涡轮机GT1和GT3同发电机耦合。从蒸汽涡轮机DT1来的冷凝液通过冷却塔KT1冷却并重新抽吸到循环回路中。
由于结构和操作原因，根据图1和图2的实施例，气化反应器B或V1的尺寸和由此造成的气化反应器的功率均受限制，因此所生产的电能或发电厂功率也受限制。但是通过加入几个气化器，这个方法毫无疑问可扩大到较大的功率。图3表示这种情况的实施例。
离开第一煤气发生器V1的具有800℃温度的空气/废气混合气进入到第二煤气发生器V2的燃烧室BK2中。在燃烧室中通过燃烧一部分合成煤气使空气/废气混合气重新加热，废气和蒸汽被加热到880℃。温度为950℃的还含有很多氧的废气输入到第二气化器的热交换器中。以图1计算数据为基础，此过程能在其它气化器V3和V4中重复，这样总计被应用例如4次。因此这4个气化器在加料和排出合成煤气方面是平行进行的，但是输送废气到热交换器中是串联的。
离开最后一个热交换器的废气（氧含量为6%）输入到减压涡轮机中。减压涡轮机驱动空气压缩机。12MW的多余能量可向外输送（送到电网上）。还有约350℃热废气用作蒸汽生产。
生产的合成煤气输送到气体涡轮机设备中的燃烧室中（在脱硫后）。借助这个联合设备进行发电的情况类似图2中表示的实施例。
如根据图1、图2或图3的设备降低功率运转时，可以生产过量的合成煤气。通过另一个压缩机可将过剩合成煤气压缩到例如200巴进入一个蓄势器（未绘出）。如果需要突然提高发电量，合成煤气从蓄势器中出来减压进入到气体涡轮机的燃烧室中。由此气体涡轮机可高速运转。蓄势器的能力应该使气化器在这时间中同样地能全功率工作。
本发明并不局限于已描述过的仅用作发电的实施例。通过煤气化生产的合成煤气不仅能燃烧来加热反应器，而且也可应用作为后面过程的过程煤气。在这种方法发生变化时，取消了通过管道7输入的剩余合成煤气在热交换室I中的燃烧，代替它的是管道7连接后面过程的过程煤气管道。但是还像过去一样，通过管道8离开反应器B的热交换器设备的废气可作为工作能应用于减压涡轮机J1、J2中，而且最少可用作驱动压缩机K。
未燃烧的过量合成煤气的另一些利用实例可列举如下：
作为城市煤气的利用
在反应器B中生产的产品煤气，在清洗CO2后，其发热值已与城市煤气要求相适应，没有必要进行转化和甲烷化。
生产海绵铁
产品煤气在清洗CO2后送入生产海绵铁的还原反应器的还原循环回路中。用已描述的方法示意图的另一种耦合是由此有可能使还原循环回路流过在热交换室I中装置的热交换蛇形管，和由此以间接热交换方式加热离开反应器B的废气。
钢生产
在这种情况下，产品煤气通过管道7输入到还原反应器中，它仅仅只有一次流过还原反应器。在还原反应器中同时形成的炉顶煤气可输入到热交换室I中并在那里被燃烧，与此同时形成推动减压涡轮机J1、J2的附加热废气。用在发电机S和T中生产的电流能使海绵铁与废钢一起在电弧炉内熔化。这样可得到一个小型钢厂，这种钢厂对废钢质量差和电能供应不好的地区是合适的，而且对环境保护特别有利。
此外在反应器B中获得的产品煤气特别适合为SNG-生产而甲烷化或也可直接转化为甲醇。
图4表示了合成煤气利用的另一个实施例。就是从合成煤气中获得氨。在这里规定有二个气化器V1、V2，这些如同图3所描述的以阶式形式连接，从每个气化器V1、V2抽出的合成煤气部分又被再循环，这是为了将其中所含的水蒸汽作为过程蒸汽来利用。其余部分的合成煤气送入洗硫器，以后又输入分子筛PSA，在那里从合成煤气中分离氢。主要由CO2组成的合成煤气残余输入到燃烧室BK1和BK2，为了生产为气化器V1、V2间接加热用的废气。
从第二个气化器V2排出的总废气中分出一部分输入燃烧室BK3中，在燃烧室中，它同分子筛PSA来的合成煤气的一部分按化学平衡量计算进行后燃，因此生成的废气主要仅仅只含有N2和CO2，冷却后通过CO2清洗器去除CO2。留下的N2和分子筛PSA的氢气混合并通过压缩机被压缩到200巴，加热后输入到NH3-催化反应炉KO，在那里氢和氮之间进行反应生成氨，以后借助NH3清洗器进行清洗氨。
由此可进一步补充这个方法，生产的氨同由合成煤气脱硫后获得的硫反应，生产硫酸氨。用这种方法，可得到一个有利于环境保护的人造肥料工厂。此外此工厂还可生产过程蒸汽或在一定情况下还可供电。

Claims (22)

1、含碳的燃料，特别是煤的气化方法，其生产的煤气可随后利用，在这种方法中破碎得很细的燃料或粉状燃料在一个沸腾床反应器中主要借助通过引入蒸汽的外来热气化和利用热的热交换介质在间接热交换加热反应器的情况下被气化，产生的煤气被净化，特别经过除尘和脱硫以后，然后被利用，其特征是，至少燃烧一部分经过净化的煤气，而此时生成的热废气作为热交换介质用作加热反应器。
2、按照权利要求1所述的方法，其特征是另外一部分通过燃烧合成煤气产生的废气同蒸汽混合并同蒸汽一起送到反应器室中。
3、按照权利要求1或2所述的方法，其特征是借助冷却在反应器中产生的合成煤气所获得的热量，生产供给反应器的蒸汽。
4、按照权利要求1至3所述的方法，其特征是废气作为热交换介质用作加热反应器，随后送入产生机械功的气体涡轮机中。
5、按照权利要求1和4所述的方法，其特征是废气也被输入气体涡轮机中，此废气通过燃烧合成煤气获得，但不是应用作为反应器的热交换介质。
6、按照权利要求1、2和5所述的方法，其特征是在燃烧室中燃烧一部分合成煤气用作生产加热反应器的废气。一种选择方法是一部分合成煤气在混合燃烧室中燃烧，由此生成的废气与蒸汽混合，合成煤气的剩余部分在过热燃烧室中同来自反应器的废气联合，借助废气中的过量空气燃烧。从过热燃烧室出来的全部废气送入气体涡轮机。
7、按照权利要求4所述的方法，其特征是离开气体涡轮机的废气通过同从反应器来的输入气体涡轮机的废气的热交换和/或通过燃烧过剩合成煤气生产的废气重新加热并送入另一级的气体涡轮机中。
8、按照权利要求1所述的方法，其特征是作为热交换介质用的废气具有850℃～1000℃温度，最好约为900℃送入反应器，离开温度为750℃～800℃，最好约为800℃。
9、按照权利要求4所述的方法，其特征是废气在加入到气体涡轮机以前通过引入和燃烧另外的合成煤气，使废气加热到约900～1000℃。
10、按照权利要求1或2所述的方法，其特征是通过合成煤气同压缩空气的燃烧生产作为反应器热交换介质应用的废气和/或混合到蒸汽中的废气。
11、按照权利要求1、2或10所述的方法，其特征是借助合成煤气的超过化学平衡量计算的燃烧生产废气。
12、按照权利要求4所述的方法，其特征是离开气体涡轮机或最后一级气体涡轮机的废气用作加热蒸汽和/或生产蒸汽和/或预热生产蒸汽用的供水。
13、按照权利要求1所述的方法，其特征是在燃烧前和在水蒸汽冷凝点以下冷却前分流出一部分离开反应器的合成煤气，为了利用其中所含的水蒸汽与燃料反应，再将其送到反应器中。
14、按照权利要求1或4所述的方法，其特征是暂时不需要利用的合成煤气部分在压力蓄势器中储存起来。
15、按照权利要求1所述的方法，其特征是反应器和整个合成煤气系统和废气系统保持最好约为40巴或更高一些的压力。
16、按照权利要求1所述的方法，其特征是燃料为固体和/或液体可燃的废物，如油渣、废油或类似物料，在必要时也可混入煤。
17、按照权利要求1所述的方法，其特征是从合成煤气中全部或部分分离出来的氢气和主要从废气中通过分离CO2后获得的氮气一起反应可产生氨。
18、按照权利要求17所述的方法，其特征是氨通过同来自清洗合成煤气中获得的硫转变成硫酸氨。
19、按照权利要求1所述的方法的设备为带有热交换器（25）的沸腾层反应器（B）、将破碎的煤送入反应器（B）的设备（A）、为净化从反应器离开的合成煤气的设备，特别是除尘和脱硫的设备（C、F）、为供给反应器（15）的蒸汽的蒸汽发生器（DN）和为加热送入热交换器（25）的热交换介质用的热源（G），其特征为热源（G）是用净化过的合成煤气加热的和生产作为热交换介质的废气的燃烧室（G）。
20、按照权利要求19所述的设备，其特征是通过热交换器（25）的废气导出管（8）装载气体的气体涡轮机（J1）。
21、按照权利要求20所述的设备，其特征是在导向气体涡轮机的废气管道（8、9）中加入一个为后热气体涡轮机（J1）废气的热交换器（26）和/或加入一个用净化过的合成煤气工作的用作生产其余废气的燃烧器。
22、按照权利要求19所述的设备，其特征是具有二个或更多的反应器（V1、V2、V3、V4），互相平行加燃料，这种类型的反应器的热交换器前后排列。从一个反应器的热交换器中排出的废气，必要时在其它的一个燃烧室中加热后输入到下一个反应器的热交换室中。
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CN102587884A (zh) * 2011-12-28 2012-07-18 新奥气化采煤有限公司 一种用于地下气化煤气冷凝液的利用工艺
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