氣化方法和氣化系統的製作方法
2023-08-11 15:51:21
專利名稱：氣化方法和氣化系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體燃料的氣化技術，尤其涉及使用平接床式(flush-bedtype)氣化器的固體燃料氣化方法及其系統。
背景技術：
已經提出了各種類型的氣化系統，包括固定床式、粉化床式(pulverizedbed type)以及夾帶床式(entrained bed type)，其中諸如固體碳氫化合物類煤等固體燃料被粉碎，利用氧部分地燃燒，以產生氣體。在所有這些系統中，在被稱為夾帶床式的系統中，可以以相對較高的溫度(諸如1500℃)對氣化器進行操作，這樣由燃料轉化為氣體的轉化效率比其他類型的氣化器要高。此外，因為氣化器可以在相對較高的溫度下進行操作，所以諸如碳氫化合物等固體燃料中的灰份可以被熔化，從而灰份能作為爐渣被回收並被重新利用。
在裝配有與以上描述類似的平接床式氣化器的氣化系統中，在氣化器中產生並從氣化器排出的氣體伴隨有粉塵，這些粉塵中含有未被轉化的可燃成分，例如碳份(如未轉化的炭和焦油等碳份)。由此，已經提出了一些氣化系統，它們被這樣構造伴隨合成氣的可燃成分被供回到氣化器，以便最佳地利用可燃成分，並提高從燃料到氣體的轉化效率。例如，參考日本申請專利公開No.07-278575。
在日本申請專利公開No.07-278575中公開的氣化系統裝備有圓柱形氣化器，在圓柱形氣化器的一端上設置合成氣出口，在圓柱形氣化器的另一端上設置提供燃料和氧氣或者空氣的燃燒器。從合成氣中回收伴隨在從氣化器的出口排出的合成氣中的、包含未被轉化的可燃成分的粉塵，並且被回收的粉塵與諸如粉煤等固體燃料混合以形成漿體。然後利用泵將所述漿體加壓到氣化器的操作壓力以上，並把該漿體供回到氣化器。
在傳統的氣化器中，為了將氣化器中所產生的氣體冷卻到合成氣被送入其中的設備或者裝置所需的溫度之下，提供一種冷卻器，所述冷卻器包括在氣化器出口處的連續合成氣通道，以便冷卻從氣化器排出的合成氣。如果合成氣將被例如脫硫系統處理，那麼合成氣必須在脫硫處理之前就被冷卻到正常溫度，因為所述處理通常是在常溫下進行的。作為上述用於冷卻合成氣的蒸發器(boiler)，蒸發器式冷卻器被使用，在所述蒸發器式冷卻器中通過流經通道的流體類水或蒸汽與合成氣之間的熱交換來對合成氣進行冷卻。
在該熱交換中，依賴於氣化器所排出的合成氣的溫度，在伴隨從氣化器排出的合成氣的灰份熔化時，會產生熔渣。如果使用如下所述冷卻器，即該冷卻器裝備在合成氣通道內、且帶有多個用於使與合成氣進行熱交換的流體流過的管子，那麼熔渣可能會粘附在流體管之間的間隔上，結果可能會堵塞合成氣通道。對於從氣化器排出的合成氣的溫度可能變得與所產生的熔渣的溫度一樣高的氣化系統，為了防止熔渣將通道堵塞，例如帶有水壁結構或套式(jacket)結構的冷卻器與氣化器的出口連接，所述的帶有水壁結構或套式結構的冷卻器是這樣構造的即用於與合成氣進行熱交換的流體通道被安裝在構成合成氣通道的壁上。
由於上述帶有水壁結構或套式結構的冷卻器的熱交換效率或冷卻效率低於通過將多個管安裝在合成氣通道的內部而構成的冷卻器，因此冷卻器的尺寸變得非常大。例如，對於幾米高的氣化器有可能需要幾十米高的冷卻器。如上述安裝在氣化系統中的帶有水壁結構或套式結構的冷卻器使得氣化系統的尺寸變大、成本增加。由此，需要通過降低從氣化器排出的合成氣的溫度來減小帶有水壁結構或套式結構的冷卻器的尺寸。
為了實現以上所述目的，本發明的發明人設想將從氣化器排出的合成氣中回收的粉塵所產生的漿體供至氣化器的合成氣出口，然後利用供至氣化器的合成氣出口的漿體的水分蒸發來降低從氣化器排出的合成氣的溫度。然而，如果漿體被供至氣化器的合成氣出口，那麼所提供的漿體伴隨著合成氣從氣化器排出。結果，與包含粉塵的漿體被供回氣化器的傳統氣化系統相比，包含在漿體中的未轉化的可燃成分保持在氣化器中的保持時間縮短，因此在氣化器中未轉化的可燃成分不容易發生反應，從燃料到氣體的轉化效率難於提高。處於上述原因，需要降低從氣化器排出的合成氣的溫度，同時提高從燃料到氣體的轉化效率。
發明內容
本發明的目的是提供一種能降低從氣化器排出的合成氣的溫度、同時提高從燃料到氣體的轉化效率的氣化方法和氣化系統。
本發明的氣化方法將通過回收伴隨氣體並包含未轉化的可燃成分的粉塵而產生的漿體供至合成氣出口，所述氣體從氣化器的出口處產生並排出，所述氣化器部分地燃燒固體燃料來產生合成氣，所述被供給的漿體沿著與向著氣化器出口流動的合成氣流相反的方向流動。
通過上述結構，由於漿體被供至氣化器的合成氣出口，因此利用漿體中的水份能夠降低從氣化器排出的合成氣的溫度。此外，由於供入氣化器的漿體沿著與向著出口流動的合成氣流相反的方向流動，因此包含在漿體中的未轉化成分在氣化器中保持的時間可以較長，從而可以增加包含在漿體中的可燃成分的反應量。由此，從氣化器中排出的合成氣的溫度能夠降低，同時能提高從燃料至氣體的轉化效率。
此外，所述氣化器包括下燃燒器和上燃燒器，所述下燃燒器將固體燃料供入氣化器，所述上燃燒器安裝得比氣化器的下燃燒器更靠近所述出口，並且不僅將固體燃料供入氣化器中，而且在氣化器中形成向下的流動，所述漿體被供至安裝有氣化器上燃燒器的級(stage)中。通過該結構，由於供至氣化器出口的漿體伴隨由上燃燒器形成的向下的流動，因此漿體能容易地在氣化器內部沿著與向著出口流動的合成氣流相反的反向流動。
此外，如果所述漿體噴出並進入氣化器中，以便沿著與朝向出口的合成氣流方向相反的方向在氣化器中形成流動，那麼即使在氣化器內部沒有形成沿著與向著出口流動的合成氣流相反的方向的任何流動，諸如由上燃燒器形成的向下流動，所述漿體也能沿著與向著出口流動的合成氣流相反的方向流動。
此外，本發明的氣化系統包括通過部分燃燒固體燃料而產生氣體的氣化器；合成氣通道，在氣化器中產生的氣體通過所述合成氣通道流動；安裝在合成氣通道中的漿體產生裝置，用於回收伴隨合成氣的且含未轉化可燃成分的粉塵，並且由回收的粉塵產生漿體；泵，用來對所述漿體產生裝置所產生的漿體進行加壓並且傳送所述漿體；以及噴嘴，所述噴嘴將通過泵從漿體產生裝置傳送的漿體供入氣化器中；噴嘴安裝在氣化器的合成氣出口處，並且從噴嘴供入氣化器的漿體沿著與向著出口流動的合成氣流方向相反的方向在氣化器中流動。
利用上述結構，由於漿體供至氣化器的合成氣出口，因此利用漿體中的水份能降低從氣化器排出的合成氣的溫度。此外，由於從噴嘴供入氣化器的漿體沿著與向著出口流動的合成氣流方向相反的方向流動，因此包含在漿體中的未轉化可燃成分在氣化器中保持的時間可以較長，由此包含在漿體中的可燃成分的反應量可以增加。由此，從氣化器排出的合成氣的溫度能夠降低，同時能提高從燃料到氣體的轉化效率。
此外，所述氣化器包括下燃燒器和上燃燒器，所述下燃燒器將固體燃料供入氣化器，所述上燃燒器安裝為比氣化器的下燃燒器更靠近所述出口，並且不僅將固體燃料供入氣化器中，而且在氣化器中形成向下的流動，所述噴嘴被安裝在安裝有氣化器上燃燒器的級中。通過裝備有上燃燒器和下燃燒器的兩級燃燒器式氣化器的上述結構，其中噴嘴安裝在安裝有上燃燒器的級中，由於從噴嘴供入氣化器的漿體伴隨由上燃燒器形成的向下流動，因此漿體能容易地沿著與向著出口流動的合成氣流方向相反的方向在氣化器中流動。
此外，所述漿體產生裝置包括洗滌器，所述洗滌器利用水或鹼溶液洗滌在合成氣通道中流動的合成氣，以從合成氣中去除和回收伴隨合成氣的粉塵；以及脫水器，用於從洗滌器汙水中去除部分水以調節漿體的水份，其中所述洗滌器汙水含有由洗滌器回收的粉塵。上述結構是優選的，因為在產生含粉塵的漿體的過程中，不必要安裝用於將水加至粉塵中的任何裝置。
此外，所述系統裝備有溫度檢測器，用於測量從氣化器排出的合成氣的溫度，其中所述漿體產生裝置根據溫度檢測器所檢測的合成氣溫度調整漿體的水份。上述結構是優選的，因為可以根據漿體中的水份控制從氣化器中排出的合成氣的溫度。
此外，本發明是一種氫製造系統，裝備有根據上述方面中任一方面所述的氣化系統，其中固體燃料是固體碳氫化合物。此外，本發明是一種氫製造系統，裝備有根據上述方面中任一項所述的氣化系統以及催化劑轉化器，所述催化劑轉化器包含用於從一氧化碳和水產生氫的反應中的催化劑，所述一氧化碳包含在從氣化系統中排出的合成氣中，其中所述固體燃料是固體碳氫化合物。具有上述結構的氫製造系統不僅能增加合成氣中的氫氣密度，而且尺寸能製造得較小。
圖1是示出了應用本發明的實施例1的氣化系統的簡要結構和操作的簡圖；圖2是示出了安裝在實施例1的氣化系統中的氣化器的簡要結構和操作的垂直剖視圖；圖3是安裝有下燃燒器的級(stage)的水平剖視圖，示出了安裝在實施例1的氣化系統中氣化器的簡要結構和操作；圖4是安裝有上燃燒器的級的水平剖視圖，示出了安裝在實施例1的氣化系統中的氣化器的簡要結構和操作；圖5是示出了應用本發明的實施例2的氣化系統的簡要結構和操作的簡圖；圖6是示出了應用本發明的實施例3的氣化系統的簡要結構和操作的簡圖；圖7是示出了裝備有應用本發明的氣化系統的氫製造系統的實施例的簡要結構和操作的簡圖。
具體實施例方式
(實施例1)
下面將使用圖1至4描述本發明的氣化系統。圖1是示出了應用本發明的氣化系統的簡要結構和操作的簡圖。圖2是示出了安裝在應用本發明的氣化系統中的氣化器的簡要結構和操作的垂直剖視圖。圖3是安裝有下燃燒器的級的水平剖視圖，示出了安裝在應用本發明的氣化系統中的氣化器的簡要結構和操作。圖4是安裝有上燃燒器的級的水平剖視圖，示出了安裝在應用本發明的氣化系統中的氣化器的簡要結構和操作。在該實施例中描述了裝配有螺旋流式氣化器(spiral flow type gasifier)的氣化系統，其中燃燒器安裝在兩個不同的級處上燃燒器用於形成上升螺旋流，而下燃燒器用於形成下降螺旋流。
如圖1所示，該實施例的氣化系統包括氣化器，該氣化器對作為固體燃料的粒狀或粉狀固體碳氫化合物(諸如粉煤)進行氣化；氣體洗滌器3，該氣體洗滌器用水或鹼溶液洗滌並從氣化器1中產生的氣體中去除含碳份(即未轉化可燃成分)的粉塵；脫水器5，該脫水器從氣體洗滌器中排出的、含炭(char)的洗滌器汙水中分離出一部分水；漿體泵7，該漿體泵對通過在脫水器5中調整水份而產生的漿體進行加壓並傳送所述漿體；洗滌水泵9，所述泵將被脫水器5分離的水返回到洗滌器3；以及噴嘴11，所述噴嘴11將漿體泵7傳送的漿體供入氣化器1中。
氣化器1是圖1和2中所示的臥式爐，它裝備有氣化室13和位於氣化室13之下的爐渣回收室15。此外，用於冷卻氣化器1中所產生的氣體的冷卻器17連接到氣化器1的氣化室13的上部。氣化室13形成為圓形，在其內部排列有耐火材料19。下燃燒器21安裝在氣化器1的氣化室13的下部，上燃燒器25安裝在比下燃燒器21高的部分處並且位於合成氣從氣化室13排出的出口23一側，噴嘴11安裝在氣化器1的氣化室13中上燃燒器25被安裝的級處。
如圖3所示，下燃燒器21被安裝成從下燃燒室21噴出的燃料噴射方向以切線方向接觸圓27，其中圓27與氣化器1的外側壁同心並且假設該圓27被定位在螺旋流將產生的位置。通過如上所述安裝下燃燒器21，沿著同心圓27的螺旋流產生在氣化器1的氣化室13的內部。在該實施例中，四個燃燒器21以相等的間隔安裝。如圖4所示，上燃燒器25被安裝成從上燃燒室25噴出的燃料噴射方向以切線方向接觸圓29，其中所述圓29與氣化器1的外側壁同心並且假設該圓29被定位在螺旋流將產生的位置。通過如上所述安裝上燃燒器25，沿著同心圓29的螺旋流產生在氣化器1的氣化室13的內部。在該實施例中，兩個上燃燒器25以相等的間隔安裝。
在該實施例中，噴嘴11如上燃燒器25一樣地安裝，它的方向以切線接觸圓29，其中所述圓29與氣化器1的外側壁同心並且假設該圓29被定位在螺旋流將產生的位置。在該實施例中，兩個噴嘴11以相等的間隔、但與上燃燒器25交替地安裝在氣化器1中上燃燒器25被安裝的級處。在該結構中，噴嘴11不是必須安裝在與上燃燒器25相等的高度上，可以安裝在比上燃燒器25高或者低的位置上，只要它被安裝在氣化器1中上燃燒器25被安裝的相同級處即可，由此從噴嘴供給的漿體能夠伴隨由上燃燒器25形成的螺旋流。
此外，象在本實施例中一樣，在氣化器1的上燃燒器25是兩級燃燒器的氣化器1中，從噴嘴11供入氣化器1的漿體伴隨著上燃燒器25形成的下降螺旋流，即向下流動，因此沿與上升流相反的方向流動，合成氣流向氣化器1內的出口23。由此，噴嘴11不需要象在本實施例中一樣被安裝用來形成沿同心圓29的螺旋流。然而，優選地是，象在本實施例中一樣，噴嘴11被安裝用來形成沿同心圓29的螺旋流，因為由上燃燒器25形成的下降螺旋流很難被擾動。
前粉煤(pre-pulverized coal)被分入下燃料管31、連接至下燃燒器21和上燃料管33的固體燃料通道、連接至上燃燒器25的固體燃料通道，如圖1和2所示，並且通過下燃燒器21和上燃燒器25與諸如氮和二氧化碳等不可燃氣體一起供入氣化器1中。此外，下氧氣管35和上氧氣管37分別連接至下燃燒器21和上燃燒器25，其中每個氧氣管是氧氣或空氣通道，用來將作為氣化劑的氧氣引至下燃燒器21和上燃燒器25，氧氣或者空氣通過下燃燒器21和上燃燒器25與粉煤一起供入氣化器1中。
氣化室13和爐渣回收室15通過出渣口39彼此連接，出渣口39的直徑小於氣化室13和爐渣回收室15的內徑，如圖2所示。在爐渣回收室15中設置點火燃燒器(ignition burner)41和出渣口燃燒器(slag tap burner)43。作為用來將輔助燃料引至點火燃燒器41的通道的輔助燃料管45以及作為用來將氧氣或空氣引至點火燃燒器41的通道的點火燃燒器氧氣管47連接至點火燃燒器41。以與點火燃燒器41相同的方式，作為用來將輔助燃料引至出渣口燃燒器43的通道的輔助燃料管49以及作為用來將氧氣或空氣引至出渣口燃燒器43的通道的出渣口燃燒器氧氣管51連接至出渣口燃燒器43。不是必須要安裝出渣口燃燒器43。
在氣化器1之上設置冷卻器17，該冷卻器包括冷卻室53，該冷卻室構成垂直延伸的合成氣通道的通道，並且與氣化器1的合成氣出口23連接，如圖2所示。構成冷卻室53的側壁是水壁式熱交換器或者套式熱交換器，其中所述水壁式熱交換器包括管子，諸如水等冷卻劑或者諸如冷卻蒸汽等冷卻介質流過所述管子，而在所述套式熱交換器中建立有用於使冷卻介質流動的通道54。用於讓冷卻介質流入冷卻器17的冷卻介質引入管55連接至冷卻器17的下部，用於讓被熱交換加熱的冷卻介質流出冷卻器17的冷卻介質流出管57連接至冷卻器17的較高部分。冷卻器17未在圖1中示出，這是因為必須在考慮從氣化器1排出的合成氣的溫度的基礎上才能決定是否安裝冷卻器17，而不是總是需要在本發明的氣化系統中安裝冷卻器17。
在氣化器1的氣化室13中產生的氣體被引入合成氣管59，該合成氣管59是合成氣通道，並且在不安裝冷卻器17的情況下連接至氣化器1的氣化室13的出口23，或者在安裝冷卻器17的情況下連接至冷卻器17的上端。進入合成氣管59中的合成氣通過合成氣管59，被引入與合成氣管59連接的氣體洗滌器3，如圖1所示。
作為已經被氣體洗滌器3清洗過的合成氣的淨化氣體通過淨化氣體管61被引入位於氣化系統之後的其他設備和裝置中，其中所述淨化氣體管61是與氣體洗滌器3連接的淨化氣體通道。另一方面，來自氣體洗滌器3的、包含伴隨著合成氣的諸如炭等粉塵的洗滌器汙水通過洗滌器汙水管63被引入脫水器5，其中所述洗滌器汙水管63是洗滌器汙水的通道。這樣，獨立於冷卻器17，用於冷卻淨化氣體的冷卻器可以根據流過淨化氣體管61的淨化氣體的溫度或者安裝在氣化系統之後的其他設備和裝置所需要的淨化氣體溫度而被安裝在淨化氣體管61上。為淨化氣體管61安裝的冷卻器通常包括多個管子，用於冷卻安裝在淨化氣體的通道中的介質。脫水器5使過剩的水與通過洗滌器汙水管63從氣體洗滌器3引入的洗滌器汙水分離開，並產生包含炭的漿體。可應用於以上所述應用中的脫水器5可以是濾網、過濾器、沉積池和離心機中的任意類型，只要它能夠從洗滌器汙水中分離過剩的水即可。如上所述，氣體洗滌器3和脫水器5構成漿體產生裝置。
被脫水器5分離的水通過安裝有洗滌水泵9的洗滌水管65供回至氣體洗滌器，並且作為洗滌水被重新利用。另一方面，在脫水器5中產生的漿體通過安裝有漿體泵7的漿體供給管67而傳送到安裝在氣化器1上的噴嘴11。漿體泵7將漿體加壓到氣化器1的操作壓力之上，並且將它傳送到噴嘴11。
以下將描述具有本發明上述結構和特徵的氣化系統的操作。在氣化器1中安裝有下燃燒器21的級處，在氣化劑的幫助下固體燃料中可燃成分的部分氧化，即在固體燃料中的可燃成分的部分燃燒，使得該處的溫度非常高，諸如高達1500℃。利用在氣化室13內部的所述高溫，固體燃料中的灰份被熔化，並且通過出渣口39被回收到爐渣回收室15中。
另一方面，在固體燃料中的剩餘可燃成分在氣化室13中被轉化成可燃氣體，諸如氫和一氧化碳。在氣化室13中產生的可燃氣體從氣化器1的出口23排入到合成氣管59中。包含作為未轉化可燃成分的碳份、並且伴隨合成氣從氣化器1流過合成氣管59的粉塵在洗滌水的幫助下被氣體洗滌器3回收。當通過脫水器5使預定量的水從來自氣體洗滌器3的、包含被回收粉塵的洗滌器汙水中分離出來時，洗滌器汙水被製成具有所需密度的漿體。
利用漿體泵把所獲得的漿體加壓到氣化器1的操作壓力之上，並從噴嘴11將它供入氣化器中。供入氣化器1中的漿體伴隨向下的流動，所述向下的流動是由上燃燒器25形成的、在氣化器1內部沿著與向著氣化器1的出口23流動的合成氣相反的方向的流動，並且所述漿體流入氣化器1中下燃燒器21被安裝的級中。當供回到氣化器1中作為漿體的未轉化可燃成分從噴嘴11向下移動到安裝下燃燒器21的級中，然後從安裝下燃燒器21的級中向上移動到安裝上燃燒器25的級處時，它們被露出來發生反應並再次氣化。此外，因為含水的漿體從噴嘴11供至安裝上燃燒器25的級，所以在漿體中的水被氣化器1中的熱量蒸發，由此安裝上燃燒器25的級被冷卻，因此從氣化器排出的合成氣的溫度被降低。
現在，在裝備有帶兩級燃燒器的螺旋流式氣化器的氣化系統中，將傳統氣化系統與本實施例的氣化系統進行比較，比較來自氣化器的合成氣的出口溫度以及從燃料到氣體的轉化效率，其中在所述傳統氣化系統中所述漿體被供到安裝下燃燒器的級處，比較的結果如表1所示。轉化效率意味著從原料熱值到合成氣熱值的轉化率，如下所示(轉化效率)＝(合成氣熱值)/(燃料熱值)×100表1
如表1所示，在傳統氣化系統中，由於在氧氣/煤重量比為0.8的情況下，出於漿體中水份的影響，氣化器內部溫度是1300℃，所以原料中的灰份不能熔化。由於氣化器內部溫度為1300℃的較低溫度，因此轉化效率也低，為55％。於是，作為氣化劑的氧氣的供給增加，使得氧氣/煤重量比達到1.0，從而使氣化器內部溫度增加到大約1500℃，灰份能夠熔化，轉化效率增加到60％。然而，來自氣化器的合成氣的出口溫度增加到大約1200℃，並且由此伴隨合成氣的灰份半熔化，並粘附到氣化器的出口。
另一方面，在本實施例的氣化系統中，在氧氣/煤重量比為1.0的情況下，氣化器內部溫度能增加到大約1500℃，因此灰份能夠熔化。此外，來自氣化器的合成氣的出口溫度能被冷卻到大約900℃，因此能夠防止灰份粘附到氣化器的出口。此外，轉化效率保持在60％，而不會降低。
在本實施例的氣化系統中，當漿體供至在氣化器中上燃燒器被安裝的級處時，即供至氣化器的合成氣出口23一側，並且漿體中的水份在安裝有氣化器1的上燃燒器25的級的熱量作用下被蒸發時，安裝氣化器1的上燃燒器25的級被冷卻，並且從氣化器1排出的合成氣的溫度能被降低，如上所述。此外，當從噴嘴11供入氣化器1的漿體沿與流向出口23的氣化器1內部的合成氣流方向相反的方向流動時，包含於漿體裡的未轉化可燃成分在氣化器1中的保留時間能夠變長，因此包含於漿體裡的未轉化可燃成分的反應量能夠增加。由此，從氣化器排出的合成氣的溫度能夠降低，同時能提高從燃料到氣體的轉化效率。
此外，在本實施例的氣化系統中，由於從氣化器排出的合成氣的溫度能被降低，並且由此所需的冷卻能力能被降低，因此連接至氣化器出口的冷卻器的尺寸，諸如圖2所示的冷卻器17，能被製造的較小。此外，如果從氣化器排出的合成氣的溫度小於可能產生爐渣的溫度，那麼可以用如下所述的冷卻器替換圖2所示的冷卻器17，所述冷卻器包括用來冷卻裝在氣體通道中的介質的多個管並且具有比冷卻器17高的冷卻效率，從而冷卻器的尺寸可以製造得非常小。此外，儘管冷卻器的設立依賴於被漿體的供給所冷卻的合成氣的溫度，然而連接至氣化器出口的冷卻器，例如圖2所示的冷卻器17，能被省略。作為省略連接至氣化器出口的冷卻器的結果，氣化系統的尺寸能被製造得較小，並且成本能降低。
尤其是，儘管像在本實施例中的帶有兩級燃燒器的螺旋流式氣化器能以高於其他平接床式氣化器的效率進行氣化，並且在相同處理能力下進行對比時爐體積能夠非常小，但由於高的熱負載，從氣化器排出的合成氣的溫度高於其他平接床式氣化器。由此，對於類似本實施例中的裝備有螺旋流式氣化器的氣化系統，類似冷卻器17的連接至氣化器出口的冷卻器尺寸變大，結果在許多情況下氣化系統的尺寸變大、成本增加。考慮到以上情況，將本發明應用到裝備有類似本實施例的帶兩級燃燒器的螺旋流式氣化器的氣化系統中，這樣與裝備有其他平接床式氣化器的氣化系統相比，能在氣化系統的尺寸和成本的減小方面產生較大的效果。然而，本發明不僅能夠應用於裝備了螺旋流式氣化器的氣化系統中，而且能夠應用於裝備了各種平接床式氣化器的氣化系統，包括裝備了其他的、帶有兩級燃燒器或只帶有一級燃燒器的氣化器的氣化系統。
此外，由於在本實施例中利用洗滌水從合成氣中回收粉塵的氣體洗滌器3以及脫水器5被用作漿體產生裝置，因此對於含粉塵的漿體的產生來說，不需要安裝任何用於將水加至以乾燥狀態被回收的粉塵中的裝置。然而，本發明也能夠被構造為利用旋風分離器以乾燥狀態從合成氣中回收粉塵，並且通過將水加至所述粉塵中來產生漿體。
此外，由於在本實施例的氣化系統中，粉塵被加壓並且作為漿體被供回到氣化器中，因此與利用活底料鬥將乾燥狀態下的粉塵供回到氣化器的系統相比，不需要用於粉塵傳送的氮氣。由此，不打算從合成氣中收集起來的其他氣體(諸如合成氣中的氮氣)的密度可以較低，而想要收集起來的氣體的密度可以較高。例如，如果打算利用作為固體燃料的碳氫化合物收集氫氣，那麼合成氣中的氫氣密度會較高。此外，由於未使用活底料鬥，活底料鬥的成本能被節省下來。此外，如表1中所示，從固體燃料到合成氣的轉化效率能夠增加。
此外，雖然該實施例中裝備了四個下燃燒器21、兩個上燃燒器25以及兩個噴嘴11，然而下燃燒器和上燃燒器的數量可以根據需要進行選擇，只要下燃燒器21和上燃燒器25能形成螺旋流即可，本實施例的噴嘴11的數量也可以根據需要按照噴嘴的能力進行選擇，只要它們用於把漿體供入氣化器1中的目的。然而，優選地是，將數量充足的噴嘴11安裝在適當的位置，以便由上燃燒器25形成的下降螺旋流不容易被擾動。
(實施例2)圖5是示出了應用本發明的氣化系統的簡要結構和操作的簡圖。在該實施例中，與實施例1中相同的標號給予相同部件或機械裝置，並且不進行進一步的描述。以下的描述覆蓋不同於實施例1的結構和特徵。
本實施例的氣化系統與實施例1的不同點在於從氣化器排出的合成氣的溫度被檢測，並且漿體中的水份根據溫度而被調節。本實施例的氣化系統裝備有溫度計69，用來檢測流過合成氣管59的合成氣的溫度；以及控制器71，用來控制脫水器5的操作，溫度計69和控制器71均安裝在合成氣管的連接至氣化器1出口的部分，如圖5所示。溫度計69通過配線73電連接至控制器71，並且控制器71通過配線73電連接至脫水器5。
由漿體的供給進行冷卻並且從氣化器排出的合成氣的溫度依賴於漿體中粉塵和水的比例。因此，在本實施例的氣化系統中，溫度計69測量從氣化器1排出的合成氣的溫度，並且與所述測量相對應的溫度信號被送至控制器71。利用溫度計69測量的從氣化器1排出的合成氣的溫度以及預定溫度或溫度範圍，已經接收到來自溫度計69的溫度信號的控制器計算將從噴嘴11供入氣化器1中的漿體的水密度，控制脫水器5的操作，並且調整將由脫水器5進行分離的水份。由此，當其中的水份已經被調節的漿體從噴嘴11供入氣化器1中，從氣化器1排出的合成氣的溫度被控制保持恆定。
在本實施例的氣化系統中，如上所述，通過把其中的水份已經根據從氣化器1排出的合成氣的溫度被調節的漿體供至氣化器1的出口，對從氣化器排出的合成氣的溫度進行控制。
由於如前所述，由漿體的供給進行冷卻並且從氣化器排出的合成氣的溫度依賴於漿體中粉塵和水的比率，因此如果伴隨合成氣的粉塵量發生變化，那麼從氣化器排出的合成氣的溫度也變化。由此，只要伴隨合成氣的粉塵的量在允許的範圍內，就象實施例1中一樣採用從包含粉塵的洗滌水分離恆定量的水的結構是可行的。然而，如果伴隨合成氣的粉塵的量的變化超出了允許的範圍，那麼優選使用結構如本實施例的氣化系統。
(實施例3)圖6是示出了應用本發明的氣化系統的簡要結構和操作的簡圖。在該實施例中，與實施例1和實施例2中相同的標號給予相同部件或機械裝置，並且不進行進一步的描述。以下的描述覆蓋不同於實施例1和實施例2的結構和特徵。
本實施例的氣化系統與實施例1和實施例2的不同點在於所述系統裝備有向下流動式氣化器，在該氣化器中用於供給固體燃料和氣化劑的燃燒器被安裝在氣化器的頂部，在氣化器中產生的氣體在氣化器中從頂部流到底部，合成氣出口位於氣化器的底部處。簡而言之，本實施例的氣化系統裝備有氣化器75，合成氣管59連接至位於氣化器75底部處的出口，燃燒器79安裝在氣化器75的頂部，噴嘴11安裝在底部，即，氣化器75的出口處。
作為固體燃料的前粉煤通過燃料供給管81、連接至燃燒器79的燃料通道以及燃燒器79供入氣化器75中。同時，用作氣化劑的氧氣通過氧氣供給管83、連接至燃燒器79的氧氣或空氣通道以及燃燒器79供入氣化器75中。當固體燃料中的可燃成分的一部分藉助氣化劑在氣化器75中被氧化時，產生非常高的溫度，例如大約1500℃，並且上述可燃成分的剩餘部分被轉化成可燃氣體，諸如氫氣和一氧化碳。通過連接至位於氣化器75底部處的出口的合成管59取出合成氣。
包括含可燃成分的粉塵的漿體已經通過在脫水器5中對來自氣體洗滌器3的洗滌器汙水的處理而被生成，所述漿體被漿體泵7加壓到氣化器75的操作壓力之上，然後通過噴嘴11供入氣化器75的下部。本實施例的噴嘴11被這樣安裝以便漿體向上噴出並噴入氣化器75中，由此從噴嘴11噴出的漿體在氣化器75中沿合成氣的向上方向噴射。由此，從噴嘴11供入氣化器5的漿體沿著與向著氣化器75的出口流動的合成氣流相反的方向流動。通過該結構，從噴嘴11供入氣化器75的漿體被暴露在氣化器75內部的高溫下較長時間，由此在漿體中未轉化的可燃成分發生反應，產生可燃氣體，諸如一氧化碳等。此外，從噴嘴11供入氣化器75的漿體中的水份在供入氣化器75之後立即蒸發，並且冷卻氣化器75的下部，從而冷卻從氣化器75排出的合成氣的溫度。
根據本實施例，從氣化器排出的合成氣的溫度能夠降低，同時提高從燃料到氣體的轉化效率，如上所述。由此，本實施例不僅能夠應用於如下氣化系統，所述氣化系統裝備有帶兩級燃燒器的螺旋流式氣化器或如實施例1和實施例2中所述其中合成氣從底部流至頂部的氣化器，而且除上述氣化系統以外，還能夠應用於裝備有各種平接床式氣化器的氣化系統，只要從噴嘴噴出的漿體沿著與向著氣化器出口的合成氣流相反的方向流入氣化器中即可。
(實施例4)圖7是示出了裝備有應用本發明的氣化系統的氫製造系統的實施例的簡要結構和操作的簡圖。在該實施例中，與實施例1、2和3中相同的標號給予相同部件或機械裝置，並且不進行進一步的描述。以下的描述覆蓋不同於實施例1、2和3的結構和特徵。
本實施例是使用實施例1中的氣化系統的氫製造系統。本實施例的氫製造系統利用由粒狀或粉狀固體碳氫化合物，諸如粉煤等製成的材料製造氫氣，所述氫製造系統包括結構與實施例1中的氣化系統類似的氣化器1；氣體洗滌器3；脫水器5；漿體泵7；洗滌水泵9；以及安裝在氣化器1上的噴嘴11，並且還有下原料料鬥85，其通過下燃料管31連接至下燃燒器21；上原料料鬥87，其通過上燃料管33連接至上燃燒器25；以及變換爐(shift convert)89，其安裝在淨化氣體管61上並且包含催化劑。
用作製造氫用的原料的前粉煤被分成兩部分，兩部分分別對應下原料料鬥85和上原料料鬥87，並且分別儲存在下原料料鬥85和上原料料鬥87中。儲存在下原料料鬥85和上原料料鬥87中的原料分別以特定量從下原料料鬥85和上原料料鬥87排出，然後與從分別與下原料料鬥85和上原料料鬥87的原料排出口連接的下原料傳送氮管91和上原料傳送氮管93供給的傳送氮混合，並在空氣作用下被傳送。原料和傳送氮通過下燃料管31供至下燃燒器21，並且通過上燃料管33供至上燃燒器25，然後從下燃燒器21和上燃燒器25供入氣化器1中。在該操作中，由於氧氣或空氣也分別從下氧氣管35和上氧氣管37供至下燃燒器21和上燃燒器25，因此下燃燒器21和上燃燒器25不僅將原料供入氣化器1中，而且把作為氣化劑的氧或空氣供入氣化器1中。
原料和氧氣在氣化器1中混合，原料中的可燃成分的一部分被氧化，並產生非常高的溫度。可燃成分的剩餘部分被轉化成主要包括氫氣和一氧化碳的氣體，並且合成氣從發生爐1中取出流入合成氣管59。在流經合成氣管59的合成氣在氣體洗滌器3中被洗滌以將伴隨它的粉塵去除時，合成氣的溫度高於100℃，由此在該熱量作用下洗滌水的一部分被蒸發並混入淨化氣體中。帶有從氣體洗滌器3中獲得的蒸汽的淨化氣體流入淨化氣體管61中，並被引入安裝在淨化氣體管61中的變換爐89裡。變換爐89包括已知的變換反應催化劑，諸如銅-鉛式催化劑或者鐵-鉻式催化劑，它們顯示出加速公式(1)所示變換的催化效果。
公式(1)當含蒸汽的淨化氣體流入變化爐89中，並且接觸變換催化劑時，引起公式(1)中的變換，以增加淨化空氣中的氫密度。然後，將淨化空氣從變換爐89中取出作為產品氣體，並通過淨化氣體管61將其送至使用產品氣體的其他設備和裝置中。如上所述，已經在氣體洗滌器3中蒸發並且以蒸汽的形式混入淨化氣體中的部分洗滌水被用作變換爐89中的變換所需的水。
另一方面，從氣體洗滌器3中的合成氣回收的粉塵與洗滌水混合，並被送出並進入洗滌水管63中作為洗滌器汙水。進入洗滌器汙水管63中的洗滌器汙水被引入脫水器5中，並且在部分水份被去除之後形成漿體。接著，在脫水器5中提煉的漿體被漿體泵7加壓至氣化器1的操作壓力之上，然後通過漿體供給管67傳送至噴嘴11，並且從噴嘴11供入氣化器1中。在供入氣化器1中的漿體裡的未轉化碳份進一步在氣化器1中進行反應，並轉化成諸如一氧化碳等氣體。在供入氣化器1中的漿體裡的水份冷卻氣化器1中的上燃燒器25被安裝的梯級，並且除此以外，所述水份還用於公式(1)中的變換並轉換成氫。
在本實施例的氫製造系統中，其中伴隨淨化氣體的粉塵被供回至氣化器的出口作為漿體，然後在作為漿體供入氣化器中的適當量的水的幫助下，一氧化碳轉換成氫並且合成氣中的氫密度增加，如上所述。此外，由於連接至氣化器出口的冷卻器在尺寸方面能製造得較小或者能去除，因此氫製造系統的尺寸能製造得較小。
在本實施例的氫製造系統中，當利用洗滌水在氣體洗滌器3中洗滌合成氣時，部分洗滌水被蒸發，並且蒸發的洗滌水伴隨來自氣體洗滌器的淨化氣體。通過將被蒸汽伴隨的淨化氣體引入含變換催化劑的變換爐89中，在淨化氣體中的殘餘一氧化碳能轉換成氫。由此，在產品氣體中的氫密度能進一步增加。此外，由於變換所需的蒸汽能通過洗滌水的供回以及洗滌水的蒸發而構成，因此不需要安裝其他的用於供給水的蒸發器。此外，當合成氣在氣體洗滌器3中被冷卻時，合成氣的熱量被利用以產生蒸汽，所述蒸汽將用於變換爐89中所發生的變換，即氣體直接接觸洗滌水，以蒸發洗滌水。通過該結構，與安裝另外的蒸發器、並且利用合成氣的熱量由所述蒸發器產生蒸汽的結構相比，熱效率的降低被最小化或者為零。
該實施例不僅能應用於根據實施例1至3的氣化系統以及根據實施例4的氫製造系統，而且能應用於裝備有平接床式氣化器的具有不同結構的氣化系統和氫製造系統。
工業應用根據本發明，提供一種氣化方法和氣化系統，其能降低從氣化器排出的合成氣的溫度，同時提高從燃料到氣體的轉換效率。
權利要求
1.一種氣化方法，其中通過回收伴隨氣體且包含未轉化可燃成分的粉塵而產生的漿體被供至合成氣出口，所述氣體從通過部分地燃燒固體燃料來產生氣體的氣化器的出口處產生並被排出，所述被供給的漿體沿著與朝向氣化器出口的合成氣流方向相反的方向流動。
2.根據權利要求1所述的氣化方法，其中所述氣化器包括下燃燒器和上燃燒器，所述下燃燒器將固體燃料供入氣化器，所述上燃燒器安裝得比氣化器的下燃燒器更靠近所述出口，並且不僅將固體燃料供入氣化器中，而且在氣化器中形成向下的流動，所述漿體被供至安裝有氣化器上燃燒器的級。
3.根據權利要求1所述的氣化方法，其中所述漿體噴出並進入氣化器中，以便沿著與朝向出口的合成氣流方向相反的方向在氣化器中形成流動。
4.一種氣化系統，包括通過部分燃燒固體燃料而產生氣體的氣化器；合成氣通道，在氣化器中產生的氣體通過所述合成氣通道流動；安裝在合成氣通道中的漿體產生裝置，用於回收伴隨合成氣的且含未轉化可燃成分的粉塵，並且由回收的粉塵產生漿體；泵，用來對所述漿體產生裝置所產生的漿體進行加壓並且傳送所述漿體；以及噴嘴，所述噴嘴將通過泵從漿體產生裝置傳送的漿體供入氣化器中；其中噴嘴安裝在氣化器的合成氣出口處，並且從噴嘴供入氣化器的漿體沿著與朝向出口的合成氣流方向相反的方向在氣化器中流動。
5.根據權利要求4所述的氣化系統，其中所述氣化器包括下燃燒器和上燃燒器，所述下燃燒器將固體燃料供入氣化器，所述上燃燒器安裝得比氣化器的下燃燒器更靠近所述出口，並且不僅將固體燃料供入氣化器中，而且在氣化器中形成向下的流動，所述噴嘴被安裝在安裝有氣化器上燃燒器的級處。
6.根據權利要求4所述的氣化系統，其中所述噴嘴噴出漿體並使漿體進入氣化器中，以便沿著與朝向出口的合成氣流方向相反的方向在氣化器中形成流動。
7.根據權利要求4所述的氣化系統，其中所述漿體產生裝置包括洗滌器，所述洗滌器利用水或鹼溶液洗滌在合成氣通道中流動的合成氣，以便從合成氣中去除和回收伴隨合成氣的粉塵；以及脫水器，用於從洗滌器汙水中去除部分水以調節漿體的水份，其中所述洗滌器汙水含有由洗滌器回收的粉塵。
8.根據權利要求4所述的氣化系統，其中所述系統裝備有溫度檢測器，用於測量從氣化器排出的合成氣的溫度，其中所述漿體產生裝置根據溫度檢測器所檢測的合成氣溫度調整漿體的水份。
9.一種氫製造系統，裝備有根據權利要求4所述的氣化系統，其中固體燃料是固體碳氫化合物。
10.一種氫製造系統，裝備有根據權利要求4所述的氣化系統以及催化劑轉化器，所述催化劑轉化器包含用於由一氧化碳和水產生氫的反應中的催化劑，所述一氧化碳包含在從氣化系統排出的合成氣中，其中所述固體燃料是固體碳氫化合物。
全文摘要
一種氣化方法和氣化系統，其能降低從氣化器排出的合成氣的溫度，同時提高從燃料到氣體的轉化效率，包括氣化器；合成氣通道；洗滌器，該洗滌器用水洗滌並且回收粉塵，其中所述粉塵伴隨著流過合成氣通道的合成氣且含未轉換可燃成分；脫水器，該脫水器從洗滌器回收的含粉塵洗滌器汙水中去除部分水，並且調整漿體中的水份，以產生所述漿體；泵，所述泵對所產生的漿體進行加壓並傳送所述產生的漿體；以及噴嘴，所述噴嘴將所述漿體供入氣化器中，其中所述噴嘴安裝在安裝有上燃燒器的級中並位於氣化器的出口上，從噴嘴供入氣化器中的漿體伴隨上燃燒器所產生的向下流動，並沿著與向著氣化器出口流動的合成氣流相反的方向流動。
文檔編號C10J3/46GK1630701SQ0380360
公開日2005年6月22日 申請日期2003年2月6日 優先權日2002年2月12日
發明者穐山徹, 田中真二, 木曾文彥, 花山文彥 申請人:株式會社日立製作所, 巴布考克日立株式會社