輸送式汽化器的製作方法
2023-06-06 13:50:51
專利名稱:輸送式汽化器的製作方法
技術領域:
本發明涉及一種用於氣化碳質原料以用來發電的輸送式流化床反應器,進而,本發明涉及輸送式氣化方法,在該方法中,在下遊從亞化學計量燃燒區將碳質原料引入氣化區。
由於石油資源的日益貧乏,對核能信任度的降低以及煤碳資源依然豐厚,使用流化床煤氣化過程來發電越來越顯示出其重要性。隨著操作經驗導致對操作性能的改善,上述技術的進展日新月異。這些操作經驗的一部分是來自流化催化裂化(FCC)反應器四十年的石油精煉。Campbell描述了FCC反應器技術以及在發電方面流化床反應器的類似技術,見「Operating Experience with FBCs in the Petroleum Industry」,Energy and Power Research Institute,May 3,1988。
一般說來,流化床方法的基礎是通過固相與氣相的相互作用來促進化學反應。眾所周知就進行反應的有效表面積而言使固體更易於進入氣相可顯著改善反應性能。然而,固體的大小通常受需脫除夾帶顆粒的分離技術的限制。早期的系統使氣體鼓泡通過顆粒床層。所謂的「沸騰床反應器」包含由相對粗顆粒尺寸(<5cm)的顆粒組成的基本連續的固相以及空塔速度約為0.9~1.5m/秒的不連續氣相。由於固相密度較大,反應器只能負載相當少量的固體。
高效旋風分離器的發展使固體分離得以改善,並且使得反應操作類型由沸騰床超過湍流區延伸至輸送流體動力學類型。在快速床輸送型中,顆粒尺寸通常小於約1.5cm,空塔速度為4.5~6m/秒。在氣動輸送型中,顆粒尺寸通常小於0.3mm,空塔速度高達12~18m/秒。輸送操作類型顆粒最細,速度最大,代表了目前流化床反應器設計技術的狀況。
由於增強了反應介質的混合,向輸送型的過渡也改善了過程控制。因而,目前的輸送式反應器能在高壓如可能高至約4MPa(g)(約600psig)下操作,從而單位反應器載面面積的熱輸出更大,能量循環輸出更大。在以下文獻中公開了一種加壓輸送式流化床煤燃燒器,Campbell,「Development of a Transport Mode Pressurized Circulating Fluid Bed Combustor」,Power Gen~88,December 7,1988。
此外,業已大幅度地改善了操作過程,從而克服了由控制硫排出帶來的困難。由於在礦物燃料如煤中存在硫會造成汙染,使用現場顆粒狀石灰石吸著劑有效地控制硫排出。在氣化和/或燃燒過程中,石灰石與煤一起加至反應器中時,石灰石能立即吸收釋放的硫。但是,現場石灰石的使用卻又是人們不希望的,這是因其會限制反應器的溫度從而來阻止由硫吸收形成的鹽的分解。結果,必須迅速排除大部分的燃燒熱以避免吸著劑的降解。
然而,氣化過程又比一般的燃燒過程慢得多,而且,隨著轉化程度的增加,殘餘未氣化煤(碳)的反應性逐漸減小了。由於殘餘碳仍能燃燒,因而業已發展了稱之為聯合氣化綜合循環(IGCC)的雜化燃燒循環法以在第一反應器中進行前端部分氣化過程,在第二反應器中進行未轉化碳的燃燒過程。在雜化方法中,由於來自氣化器的未轉化物料在燃燒器中燃燒而回收熱量,因而,在氣化步驟中轉化程度的少量降低並沒有嚴重影響能量循環的總效率。下述文獻描述了用於發電的流化床反應器的雜化設計方法,該文獻引入本發明作參考,O』Donnell,「An Advanced Concept in Perssurized Fluid Bed Combustion,」American Society of Mechanical Engineers,1991。
煤和其它碳質原料的氣化過程是眾所周知的。氣化反應器通常包括一個燃燒區,在燃燒區內產生熱量以促進氣化區中的氣化過程。按照常規,煤原料在進入高溫反應器後會立即釋放出揮發性成分。由於這些成分在燃燒區內會迅速燃燒,因而由低揮發性煤成分氣化產生的燃料氣具有的熱值比其潛在的熱值要低。
因此能實現下述目標將是非常有利的增加煤氣化產生的燃料氣的熱值,同時不會對氣化過程或環境質量有不利影響,從而增強化石燃料能源提取過程的效率。
按照本發明,一種流化床氣化反應器具有一個燃燒區和一個獨立的氣化區,碳質原料在氣化區中被氣化生成燃料氣。業已發現,將碳質原料引入氣化區而非現有技術中的燃燒區可增強燃料氣的熱值。以這樣的方式,燃燒可僅限於低揮發性碳,而在原料中具有高熱值的揮發性成分的燃燒則基本被避免了。
在一種實施方式中,本發明提供了一種氣化碳質基質的方法。第一步,將碳質基質,選擇性地與蒸汽或水一起引入亞化學計量燃燒產物物流中。第二步,在輸送條件下,將形成的混合物通過一個基本絕熱的立管中以使基質脫揮發成分並氣化之。從氣化產物中回收微細顆粒以得到基本無顆粒的燃料氣。向燃燒區加入第一部分所回收的顆粒以及亞化學計量量的活性氧以形成亞化學計量燃燒產物物流。
原料基質可包含煤或其它碳質可氣化物料。進料物流可包含硫吸著劑顆粒如石灰石。循環至燃燒區的所回收顆粒的第一部分優選是基質原料質量流速的10~250倍。相對於加入的碳量,向燃燒區加入的活性氧優選少於約5%的化學計量量。本發明的方法可包括將回收顆粒的第二部分加至第二燃燒區,優選輸送式燃燒器,從第二燃燒區的產物取得熱量。回收的顆粒可包含有碳和硫吸著劑顆粒或在其上沉積有碳化合物的基本為惰性的顆粒。
作為另一種實施無式,本發明提供了一種煤氣化方法。將煤和硫吸著劑顆粒,選擇性地與蒸汽一起被引入亞化學計量燃燒產物的高速物流中,該物流包含一氧化碳(CO)且基本上無分子氧。將形成的混合物在輸送條件下以高速物流通過一個基本絕熱的立管以使煤顆粒脫除揮發成分並氣化從而形成殘餘碳顆粒,並且將硫化合物吸收在吸著劑顆粒上。從氣化產物中回收碳和吸著劑顆粒以得到基本上無顆粒的燃料氣。將氧氣和第一部分回收的碳及吸著劑顆粒加至亞化學計量燃燒區。第一部分的回收顆粒的質量流量為原料質量流速的約10~250倍。氧氣供給量小於完全燃燒第一部分碳顆粒中的碳所需化學計量量的5%。
在一種優選實施方式中,本發明包含一種雜化氣化方法,該方法進一步包含如下步驟將第二部分回收的顆粒加至包含輸送混合區的輸送燃燒器中,向所述輸送混合區加入再循環顆粒和亞化學計量量的氧氣;將形成的混合物以高速優選在輸送條件下通過一個輸送燃燒立管,將附加的一部分氧氣在一個階段或多個階段上加入輸送燃燒立管以在其中基本上完全燃燒;從輸送燃燒立管中排出的排出物中回收微細顆粒,得到基本無顆粒的煙道氣;將從輸送燃燒立管排出物中回收的顆粒循環至輸送混合區;從輸送燃燒區中排出灰分;從煙道氣中回收熱量;從輸送燃燒立管排出物中回收的顆粒中回收熱量。此外,還可從外部的熱交換器回收熱量,來自輸送燃燒器的顆粒以受控量通過該熱交換器進行循環,另外,還可從設置在燃燒器保持容器中的盤管回收熱量,所說容器接收由輸送燃燒立管排出物回收的顆粒。
在另一個實施方式中,本發明提供了一種輸送式氣化碳質物料如煤的設備。該設備包含一個燃燒區,該燃燒區用於將可燃燒固體與一種亞化學計量氧化劑源燃燒以形成基本上無活性氧化劑的燃燒產物物流。在用於將碳質原料引入燃燒產物物流中的立管入口附近提供一個注料區。一個立管用來接收來自注料區的混合物,它包含一個用於脫除揮發成分並氣化的基本絕熱區。一個分離區接收來自立管的氣化產物並從中回收微細的可燃燒顆粒從而形成基本上無顆粒的燃料氣產物。固體停留區接收所回收的顆粒。轉移管路流化並傳送來自停留區的顆粒至燃燒區氣化器在停留區有足夠量的微細可燃燒顆粒並使其循環通過立管、分離區和輸送管路有用於基本上連續操作氣化器的燃燒器、注料區和絕熱區。循環顆粒優選包含碳。氣化器也可包含用於從停留區和/或燃燒區排放廢棄固體的排放管路。
在一種優選實施方式中,該設備還包含一個輸送式燃燒器,該燃燒器具有一個混合區以接收來自輸送式氣化設備的排放管路的廢棄固體。輸送式燃燒器也包含一個燃燒立管,一個分離區和一個停留區。混合區用來混合來自排放管路的廢棄固體、來自燃燒器停留區的循環固體及亞化學計量氧化劑,並且用來將亞化學計量燃燒產物排放至輸送式燃燒器立管。輸送式燃燒立管具有多級氧化劑注入點以在其內部進行基本上完全燃燒。燃燒器分離區用來回收來自燃燒立管煙道氣的微細顆粒以形成基本上無顆粒的煙道氣。燃燒器停留區包含一個用來接收來自分離區的顆粒的容器。輸送式燃燒器也可包含一輸送式固體循環管路以使來自輸送停留區的固體流化及轉移至輸送混合區,還包含一個用於將來自輸送式燃燒器的灰分排出的灰分排出斜槽。可以使用一個外部蒸汽發生環路,其包含一個外部蒸汽發生器,一個固體供應管路,該管路用來使來自燃燒器停留區的固體通過蒸汽發生器再循環回輸送式燃燒器。蒸汽加熱盤管選擇性地位於燃燒器停留容器中。
附圖
為本發明帶有優選輸送式燃燒器的輸送式氣化器的示意圖。
將含揮發性成分的碳質原料如煤引入輸送式氣化器的氣化區並使其不通過燃燒區,通過燃燒循環的碳而不是揮發性成分可對氣化過程加注燃料。以這種方式,可節省揮發性成分而增加生產的燃料氣的熱值。
參看附圖,以輸送式流體動力學類型操作的本發明的氣化器100可以單獨使用,也可優選與一個輸送式燃燒器200一起使用以形成一個混合式反應器,該反應器更為有效(對一定生產量來說反應器體積更小一些),且生產的燃料氣通常具有更大的熱值。本發明的輸送式氣化器100特別適用於煤或其它碳質原料的氣化以用來發電,也可用於相關的過程中,例如氣化原料用來生產合成甲醇和/或氨等類似物的合成氣。
從附圖可以看出,輸送式氣化器100包含一個位於燃燒區104上方的立管102。在燃燒區104中碳與經管路138加入的亞化學計量氧化劑一起燃燒形成高溫燃燒產物的高速物流,該物流中基本上無未反應的氧化劑。固體注料區106設置在與基本絕熱反應區110的立管入口108相鄰的位置上。在注料區106中,原料經管路112引入高速物流中。原料包含碳質基料和做為任選成分的硫吸著劑。適宜的碳質基料的實例包括煤、油頁巖、焦炭、焦油、瀝青、烴基聚合材料如熱塑性塑料和橡膠,重烴淤渣,煉油廠和石化廠的油腳料等。適宜的硫吸著劑的實例包括石灰石和白雲石。
本發明中採用煤作為參考實例,但並不是對碳質基料的限定。同樣,石灰石為一個實例,不是對硫吸著劑的限定。
眾所周知,可以採用常規方法來製備碳質原料和硫吸著劑,以促進它們在本發明的輸送式氣化器100中的使用。對於原煤和石灰石原料,在使用前,固體可進行乾燥(如必要時)並通過粉碎裝置如一臺或多臺並聯的球磨機(未畫出)進行粉碎。在本發明中,碳質基料和硫吸著劑的平均粒徑最好在50~200μm左右,粉碎的煤可幹至表面含水量為3%左右,優選使用熱排氣側氣流以便於處理微細粉末。碳質原料如在通常條件下為液體時可直接進料,或者如果需要的話與水和/或其它固體原料混合或成漿。
經適當地製備後,採用常規的進料鬥貯存和處理系統(未顯示)對固體原料以適宜的比例進行混合併對其處理。為了使氣化器100中保持足夠過量的硫吸收能力,煤和石灰石原料中Ca∶S的摩爾比為約1~2。
選擇性地但又是優選地通過管路114從燃燒區104將蒸氣順流引入高速物流中。蒸氣與管路112中碳原料的重量比通常為約0.1~1,優選約0.3~0.5。
通過來自燃燒區104的燃燒產物加熱進料混合物,並在還原條件下使其通過總體上絕熱的反應區110,在反應區內進行數種氣化過程。在煤原料中存在的揮發性烴蒸發。由於操作溫度高,較高分子量烴揮發性成分通常會裂解為較低分子量烴如甲烷和乙烷。脫揮發後的碳顆粒(碳(char))通過與蒸氣的反應氣化而產生氣化產物,該產物主要包含氫氣(H2)和一氧化碳(CO)。此外,石灰石被燃燒了。硫(從煤中釋放的)與氣化器產物氣反應主要產生H2S,但也會產生硫化羰(COS)。至少部分硫化合物吸收在石灰石顆粒上形成硫化鈣。由於裂化後的烴不會通過燃燒反應消耗,那麼在離開反應區110的氣化產物中甲烷和乙烷的濃度與現有技術方法得到的產物相比得以增強。
來自立管102的氣化產物進入分離區116,在分離區內,含灰分、吸著劑和碳的顆粒從氣化產物中回收出來,得到一種基本上不含顆粒的燃料或合成氣,通常分離效率為99%或更大,分離區116優選包含一個或多個高效旋風分離段。來自立管102的載有顆粒的氣體首先通過管路120加至第一個旋風分離器118,然後再通過管路124加至第二個旋風分離器122。
如果需要,例如在用於發電循環(未示出)之前,產品氣體經管路140從第二旋風分離器122排出以作進一步加工處理。根據石灰石利用程度的不同,燃料氣也可能包含一定濃度的H2S。下遊加工過程可包括熱回收、脫硫及使用適宜的分離裝置(未示出)來脫除痕量的顆粒。附加的分離裝置的實例包括旋風分離器、陶瓷過濾器、慣性集塵器、靜電降塵器等等。
從一級和二級旋風分離器118,122中的氣化產物中分離出來的顆粒分別經兩個浸入管126,128進入固體停留區130,停留區包含例如一個豎管132。第一部分回收的顆粒經豎管132通過管路134至燃燒區104循環至立管102中。在管路134中循環至燃燒區104的顆粒的質量流速最好為在管路112中原料進入注料區106的質量流速的約10~250倍。
氧氣源經管路138引入燃燒區104。應選擇氧氣的進料速度以適於控制燃燒區104和立管102的溫度,氧氣源可包括空氣、富氧空氣、氧氣和惰性氣體如氮或氬的混合物,純氧氣等。氧氣與循環顆粒中碳的摩爾比應保持在亞化學計量比例以促進燃燒區104中CO的形成多於CO2。供給燃燒區104的氧氣量最好少於所有加至燃燒區104中碳完全燃燒所需的化學計量的氧用量的5%。
廢棄顆粒包括灰分、吸著劑和從氣化產物中回收的碳,它們經管路142排出作進一步的熱回收(未示出),以及如果需要的話在棄置前作加工處理。包含燃料氣、廢循環氣、氮氣等的惰性(無氧)充氣氣體經管路148引入豎管132,如需要從其它固體轉移管路(未示出)引入。從豎管132排出的氣體通過管路150、旋風分離器152和管路154進入產品氣管路140。在分離器152從排出氣中分離出的固體經浸入管156返回豎管132。
本發明的氣化器在適於促進氣化反應的溫度下進行,這取決於設計的操作壓力。正如現有技術所公知的那樣,高速燃燒產物可誘導固體在立管102中進行內循環流動,立管102就像一個熱飛輪有效地將熱量從燃燒區104轉移至反應區110,燃燒區中通過放熱的燃燒反應將顆粒加熱,在反應區中來自燃燒區的熱顆粒又向反應區110中發生的吸熱的脫揮發過程和氣化過程提供熱量。
氣化過程在溫度低至788℃(1450°F)下即可開始。氣化溫度優選是約840°(約1540°F)~約930℃(1710°F),操作溫度高一些較為理想,但溫度不能高至熔化灰分的溫度。操作溫度範圍通常受下列因素控制碳的循環速度、在停留區130中由碳中從碳中的取熱量及向燃燒區104提供的氧化劑源,控制方式類似於FCC操作過程。輸送式反應器通常設計在高壓下操作,如可高至約4.0MPa(約600psig),從而增加單位反應器截面面積的熱輸出,並增強後續發電循環中的能量輸出。
包含燃燒器200及氣動輸送式氣化器100的混合反應器中,氣化器100中的轉化率優選為50~80%,第二部分包含未氣化的碳及石灰石的回收顆粒經管路143從停留區130加至一燃燒器中,殘餘的碳在該燃燒器中燃燒以回收熱量。雖然可以使用任一種適於燃燒碳的燃燒器,但殘餘的碳和吸著劑優選被加至一個輸送式燃燒器200中,在燃燒器200中未轉化的碳燃燒以完成化學能量釋放。然後,這部分能量得到後用於生產蒸氣,並且在除去顆粒後,可以通過常規的手段將這些燃燒(煙道)氣膨脹來推動發電機。
參照附圖,優選的輸送式燃燒器200包含一個輸送式燃燒立管202和一個混合區204。來自管路143的碳原料被加至混合區204中的循環固體流中並與一種氧化劑源進行混合以部分燃燒,該氧化劑源是經管路208加至混合區204的。氧化劑源可以是氧氣、空氣或富氧空氣等。如果需要的話,附加的石灰石也可加至混合區204中(未示出)。該混合區204的直徑最好大於輸送式立管202的直徑以增強混合區204中的氣固接觸。
在輸送式燃燒立管202中,碳與氧化劑一起燃燒形成高溫燃燒產品,硫被石灰石吸著劑吸收成為CaSO4和/或CaS,CaS隨後會被氧化成CaSO4。碳燃燒和SO2的吸收基本完全(>99%)。在一種優選設計中,碳在一個或多個燃燒段206a、206b使用逐段供氧的方式進行燃燒,以限制NOx的產生,該過程最好在高壓下進行,如下述文獻所述Lin等的US專利4,579,070,該文獻引入本發明作參考。從混合區204得到的亞化學計量燃燒產物以高速通過燃燒段206a,206b,在這些燃燒段中,分別經管路208a,208b,引入附加量的接近化學計量量的氧化劑以基本完成燃燒反應。
來自立管202的燃燒產物通入分離區210中,在分離區內,含灰分、吸著劑和未燃燒的碳的微細顆粒與燃燒產物分離開來以得到基本無顆粒的煙道氣,通常其中顆粒重量百分比小於1%,類似於氣化器的分離區116,燃燒器的分離區210最好包含一個或多個高效旋風分離器的分離段。來自立管202的燃燒產物經管路214加至一級旋風分離器212中,隨後再經管路218進入二級旋風分離器216中。在旋風分離器212、216中分離出來的顆粒分別經浸入管220、222進入固體停留區224,該固體停留區包括一個停留容器226,固體顆粒可由此再循環至輸送式燃燒立管202。通常,循環的固體量為管路143中進料的質量流速的50~750倍,更典型的為約200倍。
在直管202和/或停留容器226的底部收集到的灰分通過流料槽232排出以作進一步熱提取(未示出)後棄置。基本上無顆粒的煙道氣經管路234從二級旋風分離器216中排出用於在發電循環中熱提取(未示出)。從停留容器226中排出的氣體經管路252引至串聯的旋風分離器254和256中,最後到達煙道氣管路234。在分離器254和256回收的固體分別經浸入管258和260返回至停留容器226中。
輸送式燃燒器200的操作需要使用熱除去設備以避免立管202中過高的操作溫度。通過冷卻固體循環物流通常可實現這一點,優選在一個或多個外卡口型(bayonet type)鍋爐236中進行以產生蒸氣。由於供給鍋爐236的給水可以變化以獲得所希望的冷卻度,因而也可實現溫度控制的靈活性,而且鍋爐236的除去或啟用取決於整體操作條件。固體經管路238進入鍋爐236以與通過內管(未示出)流動的鍋爐給水進行熱交換。固體經管路240通過鍋爐236並返回停留容器226,或如果希望的話,管路240可直接進料至混合區204。熱固體優選在停留容器226中經與蒸氣和/或鍋爐給水進行熱交換而冷卻,蒸氣和/或鍋爐給水流經設置在固體停留容器226中的盤管228的管程。如此形成的過熱蒸氣可用於發電循環。
冷卻後的顆粒經管路230循環至混合區204以混合至內循環流中。通過設定適宜的固體循環速度可使輸送式燃燒立管202的溫度控制在約815℃(近似1500°F)~約925℃(近似1700°F),通常固體循環速度為原料流速的100~約750倍,更通常為約200~250倍。可以按常規手段來調節循環速度,如增加停留區224中的固體量,或改變經管路250引入的流化充氣氣體(優選空氣)量及進入固體轉移管線(未示出)的量。在限定範圍內,固體的溫度降可以是任何希望的值。一般說來,固體溫度降(△T)為約25℃(約45°F)~約85℃(約150°F)。
在本發明的氣化器100中,初始設計流動條件確定了各組分容器的相對高度並建立了設計的壓力平衡。在操作過程中,可以通過指定設備中的固體高度來調節固體流動,指定固體高度是通過使用旋塞閥(未示出),更普通地是使用充氣氣體(未示出)來使所進固體流態化並實現密度的改變,這類似於FCC單元操作方式。充氣氣體可以是空氣、循環煙道氣、氮氣等。應實行嚴格管理以避免對可燃性固體流化過程使用空氣或其它含氧氣體以避免產生爆炸性混合物,這是現有技術中所公知的,但是,在輸送式燃燒器200中循環的固體通常不含有碳,因而是不易燃的。
在本發明的混合反應器的優選實施方式中,在氣化器100中產生的硫化吸著劑(CaS)在燃燒器200中被氧化成硫酸鹽(CaSO4),基本上如共同轉讓的待批美國申請號08/090,420所述,該申請由G.Henningsen,S.Katta,G.K.Mathur和W.M.Campbell提出,為「煤的氣化和脫硫方法」,該申請與本發明同時提出。該文獻引入本發明作參考。簡單說來,並未現場在氣化器100中吸收的硫在下遊從產品氣中使用金屬吸著劑(未示出)回收,釋放入金屬吸著劑再生廢氣中,且與燃燒器氧化劑源一起引向燃燒器200。在管路140中含硫化物的粗產品氣可以在下遊使用多種處理過程包括「冷」或「溼」化學吸收來脫硫。但是,含H2S粗產品氣最好趁熱吸收在一種金屬吸著劑上,該過程在一個或多個反應器(未示出)上進行,這些反應器可以是固定床、流化床、移動床、沸騰床、湍動床、輸送式或類似反應器。通常可採用三個固定床反應器。其中兩個反應器串聯操作,第三個用於再生。對於三個反應器而言,再生模式可發生在對吸收床反應器與燃燒器200最優的硫吸收條件下進行,即對燃燒器相對穩定的供給硫。設計基礎是在脫硫產品氣中H2S最好小於30ppm,金屬吸著劑優選包含氧化鋅基吸著劑。在金屬吸著劑再生期間,使用空氣/蒸氣混合物對吸收的硫化物進行氧化和解吸。這種再生廢氣可與管路208,208a和/或208b中的燃燒器氧化劑源混合,或與管路138中的氣化器氧化劑源混合。
在管路140中的產品氣可用在採用常規設備和技術的發電循環中(未示出)。發電循環包括用來自氣化器100的燃料氣起動的燃氣輪機;由加壓的煙道氣膨脹作動力的透平機;汽輪機等,其中蒸氣是通過回收煙氣和/或燃燒器200中的循環固體中的熱量而產生的。
本發明可通過下述實例作進一步的闡述。
實施例按照本發明類似於附圖的反應器100的輸送式氣化器被用來氣化煙煤原料。煤原料入口高於燃燒區以保存揮發性成分。煤的近似分析見表1。
表2列出了氣化器操作基本工藝參數,
比較例按照類似於上述實例給出的本發明輸出式氣化器100的操作過程對現有技術已知的KRW能量系統流化床(沸騰床)氣化器進行操作,煤原料從該氣化器的沸騰床底部進入。流化床氣化器產物的比較分類無脫揮發成分過程(見表3)。此外,對於同樣的煤生產量而言,沸騰床反應器大許多,或需要多個反應器。因此,比較起來,本發明的輸送式氣化器更為經濟一些。另外,與本發明的輸送式氣化器生產的燃料氣相比,沸騰床形成的燃料氣的熱值更低一些。
前面說明書和實例描述了本發明的輸送式氣化反應器和方法。這種說明不是限定性說明,各種變化對本領域的普通技術人員都是很明顯的。因此所有的這些變化均包含在本發明的權利要求的範圍和實質性內容中。
權利要求
1.一種碳質基料的氣化方法,包括如下步驟(a).向亞化學計量燃燒產物的物流中引入碳質原料;(b).使步驟(a)得到的混合物在輸送條件下通過一個基本絕熱的立管以使基料脫揮發成分並氣化;(c).從步驟(b)的氣化產物中回收微細顆粒以得到基本上無顆粒的燃料氣;和(d).將回收的第一部分顆粒和亞化學計量量的活性氧加至一個燃燒區以形成用於原料引入步驟(a)的燃燒產物物流。
2.按權利要求1的方法,其中基料包含油頁巖、焦油、瀝青、熱塑性塑料、橡膠或重烴殘渣或塔底產品。
3.按權利要求1的方法,其中基料包括煤。
4.按權利要求1的方法,其中基料含有硫,步驟(a)的原料中包括一種硫吸著劑。
5.按權利要求1的方法,其中步驟(d)中向燃燒區中加入顆粒的速度為步驟(a)中基料進料的質量流速的約10~約250倍。
6.按權利要求1的方法,其中步驟(d)中空氣以某一速度加至燃燒區以提供所說的亞化學計量量的氧。
7.按權利要求1的方法,其中步驟(d)中相對於加至燃燒區的顆粒中的碳量,加至燃燒區的活性氧的量低於約5%化學計量量。
8.按權利要求1的方法,還包括將第二部分回收的顆粒加至第二燃燒區,並從第二部分燃燒產物中得到熱量。
9.按權利要求1的方法,其中回收的顆粒包含碳和硫吸著劑。
10.按權利要求1的方法,其中回收的顆粒基本上包含具有碳化合物沉積物的惰性顆粒。
11.按權利要求1的方法,進一步包括在步驟(b)向亞化學計量燃燒產物中加入蒸氣以在其存在下氣化基料。
12.一種煤的氣化方法,包括如下步驟(a)將煤和硫吸著劑顆粒及選擇性成分蒸氣引入含一氧化碳且基本上無分子氧的亞化學計量燃燒產物中;(b)將步驟(a)形成的混合物在輸送條件下以高速物流通過一個基本絕熱的立管使煤顆粒脫揮發成分並氣化以形成殘餘碳顆粒,並且將硫化合物吸收在吸著劑顆粒上;(c)從步驟(b)的氣化產物中回收碳和吸著劑顆粒以得到基本上無顆粒的燃料氣;(d)將氧氣和第一部分回收的碳和吸著劑顆粒加到亞化學計量燃燒區,其中第一部分回收顆粒量為10~250倍的進料的質量流速,而相對於第一部分碳顆粒,供氧量小於化學計量量的約5%。
13.按權利要求12的方法,進一步包括(e).將來自步驟(c)的第二部分回收的碳和吸著劑顆粒加至輸送式燃燒器的混合區,同時加有循環顆粒和亞化學計量量的氧氣源;(f).使步驟(e)的混合物通過輸送式燃燒立管並在一段或多段中將附加量的氧源加至輸送式燃燒立管以基本上完成燃燒過程;(g).從步驟(f)的燃燒產物中回收微細顆粒以得到基本無顆粒的煙道氣;(h).將步驟(g)由輸送式燃燒產物回收的顆粒循環至步驟(e)的混合區;(i).從煙道氣中回收熱量;和(j).從由步驟(g)中輸送式燃燒產物回收的顆粒中回收熱量。
14.按權利要求13的方法,進一步包括(k).將步驟(g)中回收的顆粒接收在一個停留容器中;(l).從外部熱交換器中回收熱量,來自停留容器的顆粒是以可控制速度循環通過該熱交換器的。
15.按權利要求14的方法,進一步包括(m).從位於停留容器中的盤管中回收熱量。
16.一種用於氣化碳質基料的設備,該設備包含一個輸送式氣化器,該氣化器包括一個用於使包含碳的顆粒與亞化學計量氧化劑源一起燃燒以形成基本上無活性氧化劑的燃燒產物物流的燃燒區;一個用於向燃燒產物物流中連續引入碳質原料以形成該原料與燃燒產物混合物且鄰近立管入口的注料區;一個用於接收來自注料區的混合物的應管,該立管包括一個用於脫揮發成分及氣化過程的基本絕熱區;一個用於接收來自立管的氣化產物及從中回收微細顆粒以形成基本不含顆粒的氣體產物的分離區;一個用於接收回收的含碳顆粒的固體停留區;一條用於將顆粒從停留區轉移至燃燒區的轉移管路;包括在固體停留區的以及在立管、分離區和轉移管路間循環的含碳顆粒,其量應足以基本保證燃燒、注料和絕熱區連續操作。
17.按權利要求16的設備,進一步包括一條用於將來自氣化器停留區的廢棄固體轉移至輸送式燃燒器的氣化器排出管路;其中,輸送式燃燒器包含一個混合區,一個輸送式燃燒立管,一個分離區和一個停留區;其中,燃燒器混合區用於使來自氣化器排出管路的廢棄固體和來自燃燒器停留區的循環固體與亞化學計量氧化劑源一起混合;其中,輸送式燃燒立管用於接收來自混合區的混合物,該立管具有多段氧化劑注入點以基本完成燃燒過程其中燃燒器分離區用於分離來自輸送式燃燒立管的煙道氣中夾帶的顆粒以形成基本上無顆粒的煙道氣;其中,燃燒器停留區包括一個用於接收來自燃燒器分離區的顆粒的容器;一個用於從燃燒器停留區轉移熱量的熱交換器;一個用於將來自燃燒器停留區的固體轉移至混合區的固體循環管路;一種用於排放來自輸送式燃燒器中的灰分的灰分排出斜槽。
18.按權利要求17的設備,包含一個外部蒸氣發生迴路(上述蒸氣發生迴路包含一個外部蒸氣發生器),以及用於使來自停留區容器的固體循環通過該蒸氣發生器並返回至輸送式燃燒器的固體供應管路。
19.按權利要求18的設備,包含位於燃燒器停留區內的內部蒸氣加熱盤管。
全文摘要
本發明公開了一種用於汽化碳質基料的輸送式反應器和汽化方法。輸送式汽化器有一個用於使循環碳顆粒與亞化學計量氧氣源燃燒的燃燒區,一個用於使碳質原料如煤與亞化學計量燃燒產物混合的注料區,一個立管,在立管中煤通常被絕熱脫揮發成分及汽化,一個分離摻雜在立管排出物中顆粒的分離區,一條用於使來自停留區的顆粒循環至燃燒區的轉移管路。通過將煤原料引入亞化學計量燃燒反應區的下遊的汽化反應區,可使含在煤中的揮發性烴保存起來以增加生產的煤氣的熱值。本發明還公開了一種用於燃燒來自輸送式汽化器的廢棄固體的輸送式燃燒器。
文檔編號C10J3/56GK1101371SQ9410918
公開日1995年4月12日 申請日期1994年7月12日 優先權日1993年7月12日
發明者W·M·坎貝爾, E·A·格波佐, G·B·亨寧森, Y·-Y·林 申請人:凱洛格總公司