TW201343896A - 用於粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化之裝置與方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化的氣化反應器，第一反應腔室配置於該反應器頂部，該第一反應腔室之上段配備用於饋料之饋送器件，該第一反應腔室之側壁具備帶有如膜壁或旋管之內部冷卻件的管道，使得液渣能夠自由向下流動而不使渣表面固化，且該第一反應腔室之底部具備用於排渣及排合成氣之開口；第二腔室連接至該開口之底部，其中粗氣體保持乾燥且藉由輻射冷卻而冷卻，且提供用於產生水幕之器件；該第二腔室之底部連接至第三腔室，該第三腔室配備有水饋送器件；用於水浴之固持器件連接至該第三腔室，該器件亦具備水/渣混合物之排放器件；以及，用於該反應器之粗氣體的排放器件，其提供於該第三腔室之底部或側面；一軸向對稱延伸段形成該第一腔室至該第二腔室的過渡部分；且其底部邊緣配置於與自由落下水幕出口之位準相同的位準處或高於該位準。

Description

用於粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化之裝置與方法

本發明係關於一種用於粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化之方法與裝置。

在至今已建造的用於夾帶流氣化之商業規模工廠中，包括廢熱利用之系統係於殼牌煤(Shell Coal)氣化製程(SCGP)及增壓夾帶流製程(PRENFLO)之情況下實施，因為該等系統的優點包括在整體氣化及聯合循環(IGCC)中有效而無需分離二氧化碳。此處，氣化器中產生的粗氣體之顯熱經由熱交換表面轉化為蒸汽，該蒸汽接著藉由汽輪機轉變為電力。

在包括二氧化碳分離、碳俘獲與儲存、IGCC-CCS及使用煤氣化用於產生各種化學產品(例如煤製液體(CTL)、費希爾-特羅普希(Fischer-Tropsch)(FT)、甲醇、氨)的發電廠製程中，一氧化碳在該製程鏈中被部分或完全轉化，從而在合成氣中產生各個所需的一氧化碳與氫氣比率。為達此目的，粗氣體以1至1.2，至高達1至1.4之比率富集於蒸汽中。在包括廢熱利用之系統的情況下，因設備之高需求產生的蒸汽隨後在汽輪機中的少量能量利用之後再次被混合至粗氣體中。

粗氣體中蒸汽含量之增加亦可在設備需求大幅降低之情況下藉由以水直接淬滅粗氣流而達成。在此製程變體中，1200℃至1500℃的熱粗氣體於氣化腔室之出口處以水直接淬滅，且同時加以冷卻。例如，不需要包括如蒸汽鼓及再循環泵之相關配件的所有熱交換表面，相比而言，包括藉由蒸汽生成進行廢熱利用之製程變體則需要此等表面。

然而，向製程氣流直接饋送水亦帶來技術問題。實際上，以水淬滅粗氣流可能引起材料疲勞問題。這是因為每當個別水滴滴落於金屬上，進而立即將其冷卻並淬滅時，材料將經受巨大應力。因此，絕對有必要避免液滴夾帶於熱表面及組分上。

包括廢熱利用之系統提供在約300℃下藉助於陶瓷高溫過濾器對冷側上由粗氣流所夾帶之細灰部分的乾燥分離。若在氣化之熱段中進行直接淬滅，則總是存在以下風險傾向：當液渣組分及灰分接觸冷卻表面且自發變冷並固化時，熱氣流之渣及灰塵部分發生沈積及結垢。該等結垢涉及的另一風險在於，其將以不受控制之方式增加，無法控制地改變流動狀況，且會以不可計算之方式分離成為不確定之團塊。該等團塊將會堵塞排渣器件或擾亂並破壞裝置之其他構件。

先前技術亦揭示廣泛考慮出現該種類問題之技術。WO 2009/036985 A1因此描述一種用於夾帶流氣化之氣化反應器與方法，其中反應器被再分為三個腔室，所產生的合成氣一個接一個地流過該等腔室。在第一腔室中，獲得液渣，其在第一腔室之氣體出口處自渣掉落邊緣掉落，同時，向下的合成氣流動且落入第二腔室之末端處的水浴中。在由自由落下水幕與第一腔室分離之第二腔室中，合成氣得以冷卻，而水幕加熱但幾 乎不汽化。在第三腔室中，合成氣藉由噴射水淬滅，由此增加合成氣之水含量。當合成氣到達第三腔室時，其冷卻下來直至其不含傾向於結垢之顆粒的程度。

WO 2009/036985 A1教示：水幕可藉由成形為漏斗之坡道產生。WO 2011/107228 A2描述用於在該種由三個腔室組成之氣化反應器中實施水幕之另一裝置；而在後一情況下，提供了對調節水量及下落速度以及水幕下落形式的增大可能性。然而，在兩種情況下，熱氣流自身及紊流狀況會使得水幕之部分向上渦旋且會進入第一腔室中。此情況會在渣落下邊緣處且對第一腔室中之設備物品造成問題。

為了減少渦流，WO 2009/118082 A2教示：僅在連接通道橫截面的一部分上使用減少或消除渦流之壁表面流動。雖然此類措施適用於減少飛灰之量且中斷旋轉軸線平行於反應器軸線延伸的氣體渦流，但其不會使氣流減慢，亦不會防止旋轉軸線橫向於反應器軸線延伸的氣體渦流。另外，其並未防止水幕提升或液滴被夾帶。

本發明之目標因此在於提供改良之構造解決方案，其以有效方式解決該等問題。解決方案首先欲達成的是：溢流灰分形成條痕且此外提供導渣通道以確保最佳排渣。其次，意欲以自由噴射與後部空間之分離來避免熱段中之水渦流，從而防止由於溫度循環應力及結垢所致的強化材料疲勞。

本發明藉助於發生氣化反應之腔室之出口處的軸向對稱延伸段而達成此目標。該軸向對稱延伸段充當用於離開的主要氣體噴流之導件且防止氣體噴流具有噴射器效應。該裝置尤其係關於用於粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化的氣化反應器，‧第一反應腔室配置於該反應器之頂部，該第一反應腔室之上段配備用於饋料之饋送器件，該第一反應腔室側壁具備帶有如膜壁或旋管之內部冷卻件的管道，使得液渣能夠自由向下流動而不使渣表面固化，且該第一反應腔室之底部具備用於排渣及排合成氣之開口，‧第二腔室連接至該開口之底部，其中粗氣體保持乾燥且藉由輻射冷卻而冷卻，且提供用於產生水幕之器件，‧該第二腔室之底部連接至第三腔室，該第三腔室配備有水饋送器件，‧用於水浴之固持器件連接至該第三腔室之底部，該器件亦具備水/渣混合物之排放器件，‧以及，該反應器之粗氣體的排放器件，其提供於該第三腔室之底部或側面，該氣化反應器之特徵為一軸向對稱延伸段，‧該軸向對稱延伸段形成第一腔室至第二腔室的過渡部分，‧且，其底部邊緣配置於與自由落下水幕出口之位準相同的位準處或高於該位準。

本發明之一個具體實例提供軸向對稱延伸段之頂部邊緣與反應腔室之底部的邊緣對邊緣配置。

本發明之另一具體實例提供設計成擴散器之軸向對稱延伸段，底部邊緣係用作渣的掉落邊緣。擴散器經設計以具有1度至15度、較佳5度至8度之角孔徑特徵。

本發明之另一具體實例提供反應腔室側壁之冷卻系統向軸向對稱延伸段之外壁的延伸部分，該冷卻系統具備帶有如膜壁或旋管之內部冷卻件的內部冷卻管道。該等管道可釘飾(stud)及壓製於朝向氣流之側面上。另一設計變體包含內部冷卻管道，其經塗佈以對抗氣體側之高溫腐蝕。

根據本發明之擴散器不能與WO 2009/036985 A1之圖3中所示的遮蔽器件混淆；彼處所示之遮蔽器件係用於保護壓力容器免受過度的輻射熱且亦以具有管狀隔板之變體形式使用。管狀隔板不意味遮蔽壓力容器而是用以分離並引導離開的氣體噴流之流動，且因此具有相應不同的設計。

本發明亦係關於使用如上所述之軸向對稱延伸段進行粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化的方法，本發明之特徵在於，在反應腔室之出口處具有高速度特徵之氣流得以減慢。另外，離開的氣流遭遮蔽而脫離後部空間且因此可不再發展出其噴射器效應。藉由均化流動分佈聯合擴大橫截面而達成的物流之此種減慢使得水薄層之頂部與底部之間的壓差減小。以此方式，氣體噴流使水幕提升及部分渦旋之傾向明顯減小。另一效應為，在水幕之上不能形成氣體渦流，由此液滴不能被夾帶至反應腔室之熱組分中。

下文藉助於四幅圖來更詳細地說明本發明。該等圖中： 圖1展示根據WO 2009/036985 A1之具有額外氣體擴散器的反應器。

圖2展示反應腔室至第二腔室之間的過渡段，其包括氣體擴散器及用於產生水幕之水坡道。

圖3展示反應腔室至第二腔室之間的過渡段，其包括氣體擴散器及用於產生水幕之一替代器件。

圖4展示反應腔室至第二腔室之間的過渡段，其包括替代軸向對稱延伸段。

圖1之上端展示具有燃燒器2之氣化器的反應腔室1。含有液渣滴及灰分顆粒之大約1500℃的熱粗氣體經由反應腔室之出口3離開氣化器1之反應腔室，其中粗氣體通常具有渦流特徵以致大部分液渣沈積於反應腔室之冷卻壁上且在出口之壁區域中以液體形式流下。熱的粗氣體在氣體擴散器4中減慢下來且跨越橫截面範圍得以均質化。

熱的粗氣體撞擊於水幕5上，該水幕充當冷卻表面且快速冷卻熱的粗氣體。此冷卻程序使液渣滴固化且使其不結垢於壁上。在水坡道6上產生水幕。選擇用於水幕之水量的多少以使水幕不會變得過熱而開始沸騰及蒸發。以此方式，粗氣體在形成第二腔室8之此冷卻區中仍然保持幾乎完全乾燥。氣體擴散器4防止氣流提升水幕5且防止液滴到達遮蔽罩7或掉落邊緣10。氣體擴散器4之掉落邊緣10經配置剛好超出水幕出口9。

在下方的第三腔室11中，仍然熱的粗氣體以來自噴嘴之水淬滅。第三腔室11由分隔壁12再分且在環形空間15中延伸；來自經淬滅之粗氣體的冷卻下來的渣顆粒及來自掉落邊緣10之固化渣滴落入水浴13中且在排渣部分14處排放。飽和的合成氣經由合成氣出口16離開氣化反應器。

圖2展示配備有氣體擴散器的過渡段之截面圖。圖3展示同一截面圖，其中已根據WO 2011/107228 A2將水坡道由噴嘴環替換。

圖4展示同一截面圖，其中使用一替代軸向對稱延伸段。此具體實例提供外殼18，其底部邊緣與合成氣之自由噴流19的開口處在同一位準。

1‧‧‧氣化器之反應腔室

2‧‧‧燃燒器

3‧‧‧反應腔室之出口

4‧‧‧軸向對稱延伸段

5‧‧‧水幕

6‧‧‧水坡道

7‧‧‧遮蔽罩

8‧‧‧第二腔室

9‧‧‧水幕出口

10‧‧‧掉落邊緣

11‧‧‧第三腔室

12‧‧‧分隔壁

13‧‧‧水浴

14‧‧‧排渣部分

15‧‧‧環形空間

16‧‧‧合成氣出口

17‧‧‧噴嘴環

18‧‧‧外殼

19‧‧‧自由噴流

3‧‧‧反應腔室之出口

4‧‧‧軸向對稱延伸段

5‧‧‧水幕

6‧‧‧水坡道

7‧‧‧遮蔽罩

8‧‧‧第二腔室

9‧‧‧水幕出口

10‧‧‧掉落邊緣

12‧‧‧分隔壁

16‧‧‧合成氣出口

Claims (7)

1. 一種用於粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化的氣化反應器，‧第一反應腔室配置於該反應器之頂部，該第一反應腔室之上段配備用於饋料之饋送器件，該第一反應腔室之側壁具備帶有如膜壁或旋管之內部冷卻件的管道，使得液渣能夠自由向下流動而不使渣表面固化，且該第一反應腔室之底部具備用於排渣及排合成氣之開口，‧第二腔室連接至該開口之底部，其中粗氣體保持乾燥且藉由輻射冷卻而冷卻，且提供用於產生水幕之器件，‧該第二腔室之底部連接至第三腔室之底部，該第三腔室配備有水饋送器件，‧用於水浴之固持器件連接至該第三腔室，該器件亦具備水/渣混合物之排放器件，‧以及，用於該反應器之粗氣體的排放器件，其提供於該第三腔室之底部或側面，該反應器之特徵為軸向對稱延伸段，‧該軸向對稱延伸段形成該第一腔室至該第二腔室的過渡部分，‧且，其底部邊緣配置於與自由落下水幕出口之位準相同的位準處或高於該位準。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其特徵在於該軸向對稱延伸段之上邊緣與該反應腔室之底部成邊緣對邊緣配置。
3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其特徵在於該軸向對稱延伸段設計成擴散器，其底部邊緣係用作渣的掉落邊緣。
4. 如申請專利範圍第3項之裝置，其特徵在於該擴散器具有1度至15度之角孔徑特徵。
5. 如申請專利範圍第4項之裝置，其特徵在於該擴散器具有5度至8度之角孔徑特徵。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之裝置，其特徵在於該反應腔室之該等側壁的該冷卻系統延伸至該軸向對稱延伸段之外壁，該冷卻系統具備帶有如膜壁或旋管之內部冷卻件的內部冷卻管道。
7. 一種使用如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之軸向非對稱延伸段進行粉狀固體含碳燃料之夾帶流氣化的方法，其特徵在於在反應腔室之出口處具有高速度特徵之氣流在進入第二腔室之前減慢下來，其中粗氣體保持乾燥且藉由輻射冷卻而冷卻，且其中產生水幕。