多區共氣化器、其操作方法和改造方法
2023-10-18 03:54:59
專利名稱：多區共氣化器、其操作方法和改造方法
相關申請的交叉引用
本申請是題目為″多區共氣化″、申請日為2008年12月11日的美國臨時專利申請No.61/121560的部分繼續，其結合在本文中作為參考。
背景技術：
本發明通常涉及一種氣化系統，更具體地說，一種多燃料、多區氣化系統。
由於提高的原油價格，和煤的較長期的可用性，煤正被視為今後的一次燃料中的一種。煤的氣化是一種這樣的選擇，相比於其它由煤產生能量的方法，如粉煤燃燒，其在環境上是更有利的。煤氣化系統能夠被設計以便在作為氣化結果產生的合成氣的燃燒前除去CO2。然而，CO2的埋存(sequestration)是一種目前正在開發的技術並且還沒有在工業規模上示範。
生物質的氣化是另一能量產生選擇。它使用了可再生的原料-生物質。生物質的一些實例包括木材及其他源於植物的原料。植物在其生長期間消耗來自環境的二氧化碳。如果在氣化中利用生物質，由於氣化在環境中釋放的CO2的量，相應於在植物生長期間所消耗的CO2的量。因而植物生物質的氣化或燃燒沒有向環境中增加額外的CO2。因此，生物質的使用被看作是碳中性的。與其它含碳原料相比，植物生物質能夠較快地生長。利用生物質原料有助於降低對化石燃料的依賴，因為它們是可再生的並且能夠較快地生長。因而，生物質用於發電的用途從可持續和環境影響的觀點來看是有吸引力的。
然而，與煤相比，生物質包含大量的氧和水分。灰分含量還可能是顯著更高的；灰分的確切數量取決於所使用的生物質的來源。由於上述這些本身不具有任何熱值的組分，生物質的卡值相比於煤來說是低得多的。由於較低的熱含量，在與煤燃燒可比的規模上的生物質的氣化，如為產生100MW的電量，需要大量的生物質，數量級為每年數十萬噸。確保這樣大量的生物質的穩定供應變得困難。因而，由於在獲得大量原料中的供應鏈問題，僅僅基於生物質作為原料的大系統往往變得幾乎不可行。因此，專用生物質轉化設備如燃燒生物質的鍋爐或氣化器一般地在尺寸上受到限制，至多25MW的熱當量。
使用煤和生物質兩者的氣化系統具有明顯的優點。這樣的系統早先地已經被提出並且被開發，但是這些已經面臨許多的操作問題。最簡單的共氣化系統使用現有的煤氣化系統並且向煤中添加生物質。一些技術開發者試圖開發一種用於生物質與煤的共噴射系統，但是這樣的系統一般地被限於小於5-10％的生物質，按能量含量計。例如由於因為煤和生物質顆粒的不同密度、尺寸和形狀造成的進料和存儲系統中的層形成，這樣的共噴射方法不能容易地被延伸到較大量的生物質。
這些系統面臨多種問題，不僅與氣化器有關，而且與輔助系統如進料處理系統有關。例如，許多類型的生物質具有纖維狀特徵，與較脆的煤相比，這使得研磨困難。常用的尺寸減小設備不能處理煤和生物質的混合物，或不能產生令人滿意的成果。
令人期望的是在沒有不得不面臨上述問題的情況下，具有能夠氣化煤和生物質兩者的氣化系統。還令人期望的是開發操作氣化器的方法，所述氣化器能夠氣化多種燃料而沒有操作問題。還令人期望的是具有這樣的方法，其能夠改造現有的煤氣化器以便獲得燃料柔性。
發明內容
簡要地，根據本發明的一種實施方案，提供了一種氣化器。該氣化器包括第一氣化區，其用於使用氧化劑氣化高卡值原料。氧化劑基本上在所述第一氣化區中被消耗。該氣化器還包括第二氣化區，其用於氣化低卡值、高氧含量原料。
在另一實施方案中，提供了一種多燃料氣化器，其包括用於煤的氣化的第一氣化區。第一氣化區具有至少一個煤噴射器(injector)、至少一個蒸汽噴射器和至少一個氧化劑噴射器。第一氣化區被配置成在氣化期間基本上消耗通過所述至少一個氧化劑噴射器噴射(injected)的氧化劑。氣化器還包括第二氣化區，其用於使用來自所述生物質的氧含量來氣化生物質。
本發明的又一個實施方案提供了一種操作多燃料、多區氣化器的方法。操作方法包括將高卡值原料和氧化劑噴射到第一區中的步驟。操作多燃料、多區氣化器的方法的進一步的步驟包括氣化高卡值原料以便在第一區中基本上消耗氧化劑。該方法還包括將低卡值、高氧含量原料噴射到第二區中的步驟。該方法的進一步的步驟包括用來自低卡值、高氧化劑含量原料的氧化劑氣化低卡值、高氧含量原料。
本發明的又一個實施方案提供了一種操作多燃料、多區氣化器的方法。操作方法包括將高卡值原料和氧化劑噴射到第一區中的步驟。在第一區中使高卡值原料脫揮發份以便產生揮發物和炭。使用在第一區中噴射的氧化劑，在第一區中將揮發物和一部分的炭氣化。其餘部分的炭在氣化器中繼續向下遊移動。該方法還包括將低卡值、高氧含量原料噴射到第二區中的步驟，所述第二區位於第一區的下遊。低卡值、高氧含量原料還在第二區中脫揮發份以便產生揮發物、含氧的化合物和第二炭。在第二區中的含氧的化合物將第二炭和在第一區中未反應的炭氣化。
本發明的又一個實施方案提供了一種控制多燃料、多區氣化器的方法。該方法包括以下步驟將高卡值原料和氧化劑噴射到第一區中並隨後氣化高卡值原料以便在第一區中基本上消耗在第一區中噴射的氧化劑。該方法還包括以下步驟將低卡值、高氧含量原料噴射到第二區中，控制操作包括當在第一氣化區中噴射的氧化劑在氣化反應中被基本上消耗時控制在第二氣化區中的低卡值、高氧含量原料的噴射。
當參考附圖閱讀以下具體實施方式
時，本發明的這些和其它特徵、方面和優點將變得更好理解，其中在附圖中類似的符號代表類似的部件，其中 圖1-圖9顯示了根據本發明的各種實施方案的多區氣化器的示意圖； 圖10-11顯示了用於操作共氣化系統的根據本發明的一些實施方案的流程圖； 圖12顯示了根據一些用於操作共氣化系統的實施方案的控制算法的示意圖； 圖13顯示了根據一些用於改造煤氣化器的實施方案的方法的流程圖； 圖14-16顯示根據本發明實施方案的氣化器的平衡模擬的結果；和 圖17顯示根據本發明的一種實施方案的氣化器的動力學模擬的結果。
具體實施例方式 在說明書和權利要求中如本文中使用的表達近似的語言可以被應用來修飾任何可能允許地變化而不導致與其相關的基本功能的變化的定量表達。因此，由術語如「約」修飾的值不局限於所規定的精確的值。在有些情況下，表達近似的語言可以相應於用於測量所述值的儀器的精度。在有些情況下，術語約可能表示在被引用的值的+/-10％範圍之內的值。
在本說明書中，可互換地使用術語「熱值(heating value)」、「卡值(calorific value)」、「熱價(caloric value)」。
如下文詳細討論的，本發明的實施方案提供了用於共氣化至少兩種燃料原料如煤和生物質的氣化系統和方法。
煤是常見的化石燃料。存在著許多為氣化和為在裝置如鍋爐中燃燒而使用煤的設備。存在著各種類型的煤，最常見的分類基於煤的卡值和組成。ASTM(美國測試和材料學會)標準D388將煤按等級分類。這基於性能如固定碳含量、揮發物含量、卡值和結塊特性。大致地，煤可以被分類為「高級煤」和「低級煤」，其分別表示高熱值、較低的灰分含量和較低的熱值、較高的灰分含量的煤。低級煤包括褐煤(lignite)和次煙煤(sub-bituminous coals)。這些煤具有較低的能量含量和較高的水分含量。高級煤，包括煙煤(bituminous)和無煙煤(anthracite)，相比於較低級煤來說，包含更多的碳並且相應地具有高很多的能量含量。具有居中性能的一些煤可以被稱為「中級煤」。
術語生物質涵蓋了寬範圍的材料，其本身作為燃料或原材料提供並且特徵為它們源自於新近生存的生物體(植物和動物)。這種定義清楚地排除傳統的化石燃料，因為雖然它們也源自植物(煤)或動物(油和氣)生命，但是已經經歷數百萬年來將它們轉化為它們現在的形式。因而術語生物質包括這樣的原料，其源自材料如木材(wood)、木片(woodchips)、鋸屑(sawdust)、樹皮(bark)、籽(seeds)、稈(straw)、草(grass)等，來自於天然存在的植物或特意種植的能源作物。它包括農業和林業廢物。農業殘餘物和能源作物可以還包括殼類(husks)如稻殼(rice husk)、咖啡殼(coffee husk)等，玉米(maize)，玉米秸(corn stover)，油籽(oilseeds)，纖維素纖維如椰子(coconut)，黃麻(jute)等。農業殘餘物還包括從農業加工業中獲得的材料如脫油殘餘物，來自油加工業的膠，來自食糖加工業的蔗渣，軋棉機廢料等。其還包括來自這些工業的其它廢物如椰子殼、杏殼、胡桃殼、葵花殼等。除來自農業-工業的這些廢物之外，生物質也可包括來自動物和人的廢物。在一些實施方案中，生物質包括城市廢物或庭院廢物，下水道汙泥等。在一些其它實施方案中，術語生物質包括畜牧場副產物如豬舍廢物或雞窩廢物(chicken litter)。術語生物質也可包括藻類，微藻類等。
因而，生物質涵蓋了寬範圍的材料，其特徵為它們源自於新近生存的植物和動物。全部這些類型的生物質包含碳、氫和氧，類似於許多烴類燃料；因而生物質可用於產生能量。如先前部分中討論的，生物質包括組分如氧、水分和灰分並且這些的比例取決於所使用的生物質的類型和來源。由於這些組分的存在，生物質的氣化特性與煤的氣化特性非常不同。由於未增加熱值的這些組分的存在，生物質的卡值比煤的卡值低很多。生物質的卡值和組成還取決於其它因素如季節和地理差異。
雖然這些特性差別和在卡值和其它性能方面的差異通常已經在生物質氣化中產生問題，但是如本文中所述的實施方案利用這些差異，從而在煤和生物質的共氣化期間利用了煤和生物質的反應性和組成的差別。
氣化包括用氧化劑物流熱處理原料以產生合成氣。合成氣是氣體混合物，包含一氧化碳(CO)和氫氣(H2)。氧化劑是提供氧的化合物-這可以是氧氣本身，空氣、蒸汽、二氧化碳或這些的一些組合。
氣化涉及許多反應如氧化反應，C+1/2O2＝COCO+1/2O2＝CO2H2+1/2O2＝H2O 波灰爾德(Boudouard)反應，
水煤氣或蒸汽氣化反應，
水煤氣變換反應，
和甲烷化反應
對於具有低固有氧含量的高級煤來說，氣化過程可以表示為
(反應1)一般地對於高級煤來說n＝1和0.5＜m＜1。通常使用蒸汽噴射來控制高級燃料的氣化溫度和提高產物氣體的氫氣含量(通過水煤氣變換反應)。
典型的生物質可以表示為CxHyOz，其中x～1，y～2和z～1。這樣的生物質的氣化過程可以一般地表示為
(反應2) 能夠看出生物質的氧含量可以有利地被利用以便最小化外部添加的氧化劑的數量(比較反應1和反應2)。然而，為使生物質氣化根據反應2來進行，必須提供另外的熱量。
氣化在稱為氣化器的反應容器中進行。氣化器，基於氣體速度和結構，可以是固定床，流化床或氣流床(entrained flow)氣化器或這些的一些變化。在氣化器中的反應類型和程度取決於氣化器中的設計和操作條件。
氣流床(entrained flow)氣化器通常被用於大規模的氣化操作。一般地，這些氣化器使用純氧作為氣化介質，代替空氣。由於使用代替空氣的氧氣作為氣化介質，產物氣體的卡值是高很多的，由於沒有氮氣稀釋。另外，使用純氧導致高溫，這使得灰分能夠以熔渣(slag)的形式產生。
共氣化的傳統方法一般地使用煤氣化器的噴射器來同樣噴射生物質。在許多情況中，通過相同的噴射器同時將煤和生物質噴射到氣化器中。由於煤和生物質的性能的差別和它們的不同氣化特性，這種配置面臨著操作問題並且沒有有效地將煤和生物質兩者氣化。相比之下，在本文中所示的實施方案使用了兩個獨立的煤和生物質的噴射點。在傳統方法中討論的一些氣化器描述了分階段的煤噴射，其中在氣化器中煤在多個位置被噴射。相比之下，本發明的實施方案描述了將至少兩種不同的燃料噴射到氣化器中，所述氣化器以有效地利用燃料的組成和特性的差別的方式被設計和操作。
本文中呈現的實施方案預見了在氣化器中操作多個氣化區，優選地每一類型的燃料(原料)一個氣化區。圖1示意地顯示了下流式氣流床(entrained downflow)氣化器10，其具有至少一個噴射煤22的噴射器20和至少一個噴射氧化劑102的噴射器100。氣化器10也可裝備有至少一個蒸汽202用的噴射器200。產物氣體300從氣化器的底部取出。產物合成氣300可用於發電、化學品生產或其組合。
噴射器20和100可以以各種角度和在各種位置布置。在圖1中所示的實施方案中，噴射器20和100位於氣化器10的頂部。在一個實施方案中，噴射器20被配置成噴射漿料形式的煤22。在一個實施方案中，煤22與水混合而形成漿料。在又一實施方案中，噴射器20被配置成噴射幹進料形式的煤22。在一些實施方案中，煤22藉助於載氣(未示)乾式噴射。在一些實施方案中，載氣是氮氣。在另一實施方案中，載氣是二氧化碳。在又一其它實施方案中，載氣如天然氣、合成氣和工業廢氣如高爐氣被使用。在一些實施方案中，蒸汽可以作為緩和劑(moderator)被噴射到氣化器中以便降低噴射器周圍的溫度，這應歸於蒸汽的熱容量。另外，蒸汽噴射導致在整個氣化器體積中的較低的氣體溫度，這應歸於吸熱的水煤氣變換反應。
有利地，用於一些實施方案中的氧化劑102是純氧。在一些實施方案中，氧化劑102可以是富氧空氣。在又一實施方案中，氧化劑102是空氣。在一些其它實施方案中，氧化劑102可以是貧氧空氣。在又一其它實施方案中，氧化劑可以是這些化合物中的任一種與二氧化碳、蒸汽或兩者的混合物。
通過噴射器20噴射的煤22被氧化劑102和蒸汽202氣化。氣化器10被設計成是這樣的，使得氧化劑102在受限區域中被基本上消耗，所述受限區域被稱為第一區，在圖1中示為「I」。在氣化器的高溫狀態下，在區-I中，煤經歷乾燥和脫揮發份，形成(煤)炭。煤炭顆粒向下運動，與氣化劑如氧化劑和蒸汽反應，並且形成合成氣。一些煤炭在區I中經歷氣化，而剩餘的煤炭藉助於重力輔助的氣體流動向下運動。
生物質32通過至少一個噴射器30噴射，所述噴射器30剛好位於第一區之後。這在圖1中顯示為第二區「II」。如先前所描述的，生物質特徵為存在氧和水分。當生物質32進入氣化器10時，其經歷乾燥和脫揮發份從而釋放水分和含氧的化合物。脫揮發份還釋放揮發性化合物，留下(生物質)炭。水分和含氧的化合物與所釋放的揮發物和炭(煤炭和生物質炭)兩者反應，由此產生合成氣。因而，在一些實施方案中，在第二區中不必添加氧化劑或蒸汽。
典型的生物質32如植物殘餘物具有顯著的的水分含量，一般地約10wt％-約50wt％，取決於來源、收集方法和加工方法，相當大(substantial)的氧含量，約35wt％-約45wt％(幹基)和高揮發物含量，通常約70wt％-約80wt％(幹基)。生物質的化學及物理性質使得其在氣化器環境中是高度反應性的。水分和揮發物迅速地且容易地被排出，相對於煤來說，留下少量的生物質炭(相比於相同初重的煤來說)。相比於煤炭而言，生物質炭可能基本上是反應性更強的，這部分地應歸於提高顆粒內氣體運輸的大量的大孔和中孔，以及存在促進炭反應性的無機物如鹼金屬和鹼土金屬。
如先前討論的，在區I中形成的一部分的未反應的煤炭繼續向下流動至區II。源自生物質的水分和含氧揮發物起到煤炭氣化用的另外的氣化劑的作用，這提高了煤炭轉化來產生合成氣300。高度反應性的生物質炭可能有助於提高煤炭的氣化。雖然在這種實施方案中生物質顆粒在氣化器中的停留時間短於煤顆粒的停留時間，但是生物質仍然以高效率轉化為產物，這是因為低生物質固定碳含量，高揮發物含量和高生物質炭反應性。本發明的實施方案提供了煤和生物質的氣化之間的協同作用。煤的氣化提供了生物質氣化用的熱量，而生物質的氣化提供了煤的氣化用的含氧的化合物。
在本文中使用的術語「區」是指氣化器的區域。區不是物理上用分隔擋板分開的，除非具體指出的。因而，區相應於氣化器中的加工區域。還可理解的是區如區II可能還包括子區或區域，其包括例如在氣化中涉及到典型的單元過程與操作，如乾燥、脫揮發份和碳轉化反應。這些子區可以彼此重疊。另一方面，區可以是相當明晰的。在一些實施方案中，存在著連續區的部分重疊。
氣化器本身的流動場特徵可以被有利地利用以便進一步分離煤(區I)和生物質(區II)的脫揮發份區並且提高生物質脫揮發份產物對煤炭氣化的作用。例如，在如圖1所示的氣化器中，最高的溫度和向下垂直速度一般地出現在靠近反應器的垂直軸的地方，然而靠近壁的溫度是較低的。將生物質燃料噴射到反應器的相對較冷的區中或者噴射到反應器的相對較冷的區附近將容許，在生物質的相當大的脫揮發份發生前，生物質顆粒更深地穿透到反應器中。另外，生物質噴射特徵(載體特徵和流動速率，噴射器位置和幾何結構，噴射器的數目，噴射方法(幹法對漿料法)，等)可以被調節使得生物質脫揮發份的產物通過至煤炭顆粒的再循環流動來運輸，這提高了煤炭氣化。
圖1中所描述的結構不局限於煤和生物質的共氣化。物流22可以是煤或任何其它高卡值(HCV)原料。在本文中所提及的「高卡值」相應於高於大約11,000BTU/lb(幹基)的煤的熱值。因而物流22可以包括具有高於約11,000BTU/lb(幹基)的熱值的高級煤，中級煤，(石)油、天然氣或其它含碳化合物。至少一個噴射器20的設計可以變化，這取決於所使用的實際燃料。物流32可以是任何低卡值(LCV)燃料，其特徵為比燃料22更高的氧含量(HOC)。低卡值相應於小於約11,000BTU/lb的熱值。氧含量相對於燃料物流22的氧含量。
表1原料的比較
表1給出了匹茲堡煤(高級煤之一)，北達科他州褐煤(低級煤)和兩種其它原料，木材和大豆殼的性能的比較。如從表1中看出的，木材和大豆殼中的氧含量比煤的氧含量高很多。因而匹茲堡煤可以用作高卡值(HCV)原料22，而木材、生物質或褐煤可以用作低卡值的較高的氧含量(LCV HOC)原料32。
因而，圖1一般地顯示了氣流床(entrained flow)氣化器10，其被分為兩個區-標為「I」的第一區和標為「II」的第二區。在第一區中，HCV原料22通過至少一個噴射器20噴射。第一區還裝備有至少一個噴射氧化劑102用的噴射器100。第一區還具有至少一個噴射蒸汽202用的噴射器200。在圖1中所示的一個實施方案中，用於噴射HCV原料22的至少一個噴射器20位於氣化器10的頂部。一般地氣流床(entrained flow)氣化器10在高於大氣的壓力-一般地約20巴-約40巴下操作。
在一個實施方案中，氣化器10具有一個噴射器20，其位於氣化器的頂部，在其垂直軸處。在另一實施方案中，在氣化器的頂部提供了兩個噴射器20，其圍繞氣化器的軸對稱地布置。在一些其它實施方案中，提供了三個噴射器20，一個在軸處，而另外兩個圍繞氣化器的軸對稱地布置。因而，可以提供多個噴射器，這取決於因素如氣化器的容量，通過噴射器20的HCV原料22的期望流率，在氣化器中燃料的期望分布等。噴射器20可以以適用於在氣化器中HCV原料22的適當分布的角度來布置。在一個實施方案中，垂直於氣化器的頂部布置單個噴射器20。在另一實施方案中，垂直於氣化器的頂部布置兩個噴射器20。在又一實施方案中，以相對於氣化器的頂部的銳角布置兩個噴射器20。在一些實施方案中，提供了多個噴射器20，其中一些噴射器20垂直布置，一些以相對於氣化器10的頂部的銳角布置，而剩餘的噴射器20以相對於氣化器10的頂部的鈍角布置。燃料噴射器20也可布置在氣化器10的側部靠近第一區的頂部區域。
第一區還具有至少一個氧化劑102的噴射器100。在一些實施方案中，可以配置單個噴射器來噴射原料22和氧化劑102。氧化劑噴射器100可以相對於進料噴射器20成環形布置。在一些實施方案中，可以圍繞中心進料噴射器20對稱地布置兩個氧化劑噴射器100。在一些實施方案中，氧化劑噴射器可以成排地布置從而在第一區中沿氣化器的垂直軸噴射氧化劑。氧化劑噴射器100可以以相對於氣化器的頂部或相對於氣化器10的軸的合適的角度被布置，從而確保進料22和氧化劑102的適當的混合。氧化劑102的噴射速率由進料22的噴射速率控制，並且一般地被配置為大約HCV原料22的完全氣化所需要的化學計量數量。在一些實施方案中，在區I中噴射的氧化劑102的數量低於完全氣化HCV原料22所需要的氧的化學計量數量。
第一區還具有至少一個噴射蒸汽202用的噴射器200。這種蒸汽202和氧化劑102可以通過單個同心噴射器來噴射。多個噴射器200可以以各種噴射角度，在區I中沿氣化器的垂直軸在不同位置，或者在氣化器的頂部布置，以便確保HCV原料22和蒸汽202的適當的混合。蒸汽溫度與壓力取決於氣化器的操作溫度和壓力。
如圖1所示，LCV HOC原料32在標為區II的第二區中通過至少一個噴射器30噴射。如前所述，在暴露到高溫後，釋放了LCVHOC原料32中的水分和揮發性化合物。這些還包括含氧的化合物如CO，CO2，H2O，醛，醇，酮，酯，酚，等等。這些被釋放的含氧的化合物和水分與揮發性化合物和剩餘部分的燃料32反應，導致如前所顯示的各種氣化反應。LCV HOC原料的脫揮發份留下炭(LCV HOC炭)，未顯示。
因而區I和區II涉及氣化反應。在第一區中的氣化反應消耗相當大部分的在第一區中噴射的氧化劑並且氣化了相當大部分的HCV原料22。在區II中氣化了LCV HOC原料32。因而，兩個區有助於產生合成氣300。在沒有面臨先前所提及的問題的情況下，兩種原料被分別地氣化。LCV HOC原料和HCV原料的組成和性能的差別被有效地利用，這導致兩種原料的完全氣化。
在一個實施方案中，如本文中所討論的術語「相當大的消耗」是指消耗至少約90％的氧化劑。在一些實施方案中，術語「相當大的消耗」是指消耗至少約80％的被進料到第一區中的氧化劑。在又一實施方案中，術語「相當大的消耗」是指消耗約75％的被進料到系統中的氧化劑。在一些實施方案中，術語「相當大的消耗」是指消耗至少約50％的被進料到系統中的氧化劑。
在圖2中所示的一些實施方案中，氣化器11的第二區裝備有至少一個噴射蒸汽212用的噴射器210。這通常用於LCV HOC原料32如稻殼，其具有低水分水平，如小於約10wt％。在圖2中所示的實施方案中，沒有單獨噴射氧化劑物流。這些實施方案適於處理LCV HOC原料32，其包含足夠氣化原料32數量的氧，不需要外部的氧化劑供給。
在圖3中所示的其它實施方案中，除蒸汽噴射器之外，氣化器12的第二區具有至少一個噴射氧化劑112的噴射器110。當LCVHOC原料32中的氧和水分含量不足以維持氣化反應時，可能需要另外的蒸汽212和氧化劑112。在一些其它實施方案中，氧化劑噴射器110或210中的僅僅一個可以存在，這取決於原料32的特徵如水分含量和氧含量。
在一些實施方案中，LCV HOC原料32包括低級煤。在一些實施方案中，LCV HOC原料32包括廢煤(waste coal)。在又一實施方案中，LCV HOC原料32包括生物質。在一些實施方案中，生物質可以是早先所述的生物質原料中的任一種。在一些其它實施方案中，可以使用早先所述的生物質原料中的一些的部分共混。在一些實施方案中，生物質原料的部分共混被限於低於20％的共混物的總重量。
在另一實施方案中，如圖4中示意地表示的，氣化器13被分成三個區，I、II和III。標為「I」的第一區具有至少一個噴射HCV原料22用的噴射器20。提供至少一個噴射器100和至少一個噴射器200以便分別噴射氧化劑和蒸汽，這類似於圖1中所描述的實施方案。標為「II」的第二區具有LCV HOC原料32。類似於上述實施方案，燃料32具有小於高卡值原料22的卡值。LCV HOC原料32的氧含量高於HCV原料22的氧含量。第二區可具有至少一個噴射蒸汽用的噴射器210和至少一個噴射氧化劑到第二區中用的噴射器110。標為「III」的第三區提供以另一LCV HOC原料42，其是具有低於HCV原料22的卡值和高於HCV原料22的氧含量的氧含量的原料。如果需要的話，第三區也可具有至少一個噴射蒸汽用的噴射器220和至少一個將氧化劑122噴射到氣化器13中的噴射器120。
在一些實施方案中，對於多個原料來說，有可能擴展區數，並且氣化器可以被配置成添入(fire)大於三個原料，如圖4中所示的。
在上述的實施方案中，氣化器是下流式氣化器，其中產物氣體(合成氣)從氣化反應器的底部取出。在一些其它實施方案中，氣化器可以具有上流式結構，其中產物氣體從氣化器的頂部取出。一種這樣的結構在圖5中進行了舉例說明。
因此，氣化器14具有至少一個用於從氣化器14的側面噴射HCV原料22的噴射器20；至少一個噴射器20被置於朝氣化器14的下端。如早先的實施方案中所述，氣化器14被分成多個區，標為「I」的第一區被配置成接收HCV原料22和氧化劑和蒸汽。氧化劑102通過至少一個噴射器100噴射，而蒸汽202通過至少一個噴射器200噴射。噴射器100和200位於第一區中。在一些實施方案中，噴射器100和200可以物理上是相同噴射器的一部分。在一些實施方案(未示)中，單個噴射器被配置成噴射HCV原料22、氧化劑102和蒸汽202。在一些實施方案中，數個這樣的噴射器可以提供於氣化器14的第一區中。在區I中噴射的氧化劑的數量被控制使得氧化劑基本上被消耗在區I中。
在區I的剛剛下遊，氣化器具有區「II」，也稱為第二區，其中LCV HOC原料32通過至少一個噴射器30噴射。在一些實施方案中，氣化器14被配置成，使用LCV HOC原料32本身的氧含量，氣化LCV HOC原料32。在一些實施方案中，取決於原料32的氧含量和水分含量，氧化劑112和蒸汽202可以分別通過至少一個氧化劑噴射器100和至少一個蒸汽噴射器200噴射到氣化器中。產物氣體300從氣化器18的頂部取出。
在一些實施方案中，原料32以水漿料的形式通過至少一個噴射器30進料。用於漿料的水可以是足夠的，以便提供氣化LCVHOC原料32用的蒸汽。在這樣的實施方案中，使用該工藝中的廢熱，用於製造漿料的水可以被預熱，以便降低用於製造基於漿料的原料32的水的蒸發的能量損失(energy penalty)。在一些實施方案中，原料32可以與熱質液體(caloric liquid)混合而形成漿料。熱質液體如油賦予原料32流動性並且還參與氣化反應並且有助於產生合成氣300。
在一些實施方案中，多於一個LCV HOC原料32可以用於氣化器14中，例如，木材和稻殼。這些原料32可以在相同區或多個區中噴射，這類似於前述的實施方案，如圖4中所示的。
圖5顯示了具有HCV原料22的氣化器，所述HCV原料22從氣化器14的側面進料。在一些實施方案中，氣化器18可具有至少一個噴射器20，其用於從氣化器18的底部噴射HCV原料22。
如先前討論的，氣化器中的區可以是物理上獨立的、相鄰的或部分重疊的反應區域。圖6-圖9顯示了HCV和LCV HOC燃料用的噴射器的數個配置和區的位置。
圖6描述了一種實施方案，其中用於噴射HCV原料22的噴射器20和用於噴射氧化劑102的噴射器100是相同的物理結構的一部分。在一些實施方案中，噴射器20和100彼此同軸(concentric)布置。在一些實施方案中，HCV原料噴射器20被置於軸處，氧化劑噴射器100是圍繞噴射器20的環形管道。在一些實施方案中，多個噴射器110可以被提供，其可以圍繞噴射器20以各種取向來布置。在一些實施方案中，氧化劑噴射器100被置於軸處，而煤噴射器被置於圍繞氧化劑噴射器。在一些實施方案中，HCV噴射器20被夾在兩個同軸的氧化劑噴射器100之間。噴射器20和100可以具有任何橫截面形狀，如圓形、橢圓形、正方形、矩形、多邊形等。
回到圖6，HCV原料22和氧化劑102的流率可以獨立地變化。HCV原料22可以以漿料的形式噴射或者以幹進料的形式噴射，如上所述。噴射器位於在氣化器頂部在反應器的軸處。HCV原料22的顆粒尺寸、顆粒速度、噴射角度和氧化劑的速度被控制使得在區I中獲得合適的HCV原料顆粒的分布。
LCV HOC原料32通過至少一個噴射器30噴射。圖6顯示一種實施方案，其中兩個噴射器30的位置相對於氣化器容器彼此相對。可以使用任何數目/許多的噴射器30。用於噴射LCV HOC原料32的載氣114可以包括氮氣，二氧化碳，蒸汽，空氣，氧氣，富氧空氣，貧氧空氣，工藝氣體，合成氣，或它們的混合物。另外的氧化劑112還可以在區II中噴射。如圖6所示，用於噴射LCV HOC原料32的噴射器30和用於噴射氧化劑112的噴射器110是相同的噴射器的一部分。進料噴射器30和氧化劑噴射器110可被置於如為上述的進料噴射器20和氧化劑噴射器100所描述的任何結構中。原料32在氣化器容器內被噴射(sprayed)而形成區II。可能存在如圖6所示的單個區II或如圖7所示的多個區II。圖6中所示的區僅僅是示意的並且沒有顯示區I或區II的真實邊界。箭頭25代表在區I中在HCV原料22的脫揮發份後形成的炭25。炭25進一步被在LCV HOC原料32的脫揮發份期間釋放的水分和含氧的化合物氣化。在LCV HOC原料的脫揮發份後形成的反應性的炭還有助於提高炭25的氣化。產物合成氣300從氣化器15的底部取出，如圖6所示。
圖7顯示了與圖6類似的結構。這種實施方案的特徵為存在兩個(或更多個)由LCV HOC原料32的噴射(spray)形成的區II區域。HCV原料22以類似於圖6的實施方案中所述的那些的方式被進料。LCV HOC原料32的噴射配置也是類似的，區別在於噴射器30以與氣化器16的壁成一定角度設置。這種配置促進了一部分水分(蒸汽)和含氧的揮發物以及由區II形成的LCV HOC炭再循環回到區I，在圖7中舉例說明的，其中若干箭頭25返回到區I。在區I中和靠近區I的地方蒸汽和含氧的揮發性化合物的提高的濃度改進了煤炭的氣化。另外，再循環到區I的高度反應性的LCV HOC炭的氧化可導致在區I中和靠近區I的地方的溫度升高，這也將導致煤炭的改進的氣化。同時地，將至少一部分LCV HOC炭從區II再循環到氣化器的上部增加了LCV HOC炭在氣化器中的停留時間，因而改進了其的轉化。除LCV HOC炭之外，在區II中產生的一部分合成氣，或者一部分的氧化劑或氣化劑也可在區I和II之間循環。通過控制LCV HOC原料32的顆粒尺寸，載氣114和/或氧化劑物流112的流率和壓力，獨立地或彼此相互結合地，在區II中的LCV HOC原料的分布和流動特性可以被調整以獲得在區I和II之間的再循環的最佳量。在另一(未示)類似於圖7中舉例說明的那種的實施方案中，相對於氣化器容器軸的噴射器30的角度可以被調節以便優化在區I和II之間的再循環的量。
圖8顯示另一結構，其包括多於一個區II區域。圖8中所示的實施方案具有布置在反應器頂部的用於HCV以及LCV HOC燃料的噴射(器)。通過控制LCV HOC原料32的顆粒尺寸，載氣114和/或氧化劑物流112的流率和壓力，獨立地或彼此相互結合地，LCVHOC原料被噴射，使得在通過噴射器20噴射的HCV原料22的顆粒以外，噴射(sprayed)原料32的顆粒。因而區II在由於HCV原料22的噴射(spraying)所形成的區I的下遊形成。通過控制原料的噴射角度和LCV HOC噴射器的數目和位置，兩個區II區域可以被形成，如圖8所示。在一些實施方案中，原料的噴射角度和LCV HOC噴射器的數目和位置被控制而形成單個區II區域。在一些實施方案中，多於兩個區II區域可以被形成。通過控制區II區域的數目，炭25的轉化、炭的再循環、合成氣和其它組分可以被控制。這又決定了原料22和32的轉化和氣化的總效率。
圖9顯示了圖8中的實施方案的另一變體，其中單個噴射器被配置成噴射HCV原料22和LCV HOC原料32，在必需的氧化劑物流的情況下，而沒有在噴射器中的原料的任何混合。複合噴射器被配置成將兩個燃料原料22和32噴射到兩個不同的區中。在圖9中所示的實施方案中，噴射器60的中心環形部分被配置成在相對窄的射流中用載氣114噴射LCV HOC原料32而獲得深度穿透。
使用載氣，將HCV原料22通過圍繞LCV HOC原料32用的噴射器的同軸的環進料。HCV原料22用的載氣和LCV HOC原料32用的載氣可以是相同的或不同的。控制顆粒尺寸、HCV原料22的噴射的速度和壓力和氧化劑流量(flow)，控制了HCV原料22的噴射，使得在相對寬的在噴射器附近具有緩和速度的射流圖案中在靠近噴射器的地方噴射(spray)HCV原料22的顆粒。HCV原料22在靠近氣化器的頂部的區域(可以被顯示為區I)中被分散並且脫揮發份。
原料32的噴射速度、它的顆粒尺寸、和載氣114的速度、壓力和流率被調節，使得LCV HOC原料的顆粒被噴射(spray)離開噴射器60，至少部分地在HCV原料22的脫揮發份區的下遊，而進入遠離氣化器的頂部的區域(顯示為區II)。
通過適當選擇反應器幾何結構和原料的顆粒尺寸、載氣的流率和壓力、氣化劑等，氣化器內的流場可以被組織起來，使得在區I(HCV原料的脫揮發份區)的下遊，由於HCV原料的脫揮發份產生的炭顆粒與LCV HOC原料的脫揮發份產物相互作用，由此提高了HCV原料炭的氣化。
使用各種的噴射器配置從而在氣化器中獲得至少兩種不同的燃料-HCV原料22和LCV HOC原料32的期望的分布。HCV原料22和LCV原料32的噴射特徵(例如乾式或漿料噴射、顆粒尺寸、噴射速度和壓力、載氣的數量和化學組成等)被調節使得獲得了LCVHOC原料顆粒穿透入區II中，同時在到達區II之前最小化它們的轉化。在一個實施方案中，使用惰性載氣來噴射細碎的HCV原料22。在一些實施方案中，原料22的平均顆粒尺寸可以為約50微米-約100微米。在一些實施方案中，原料22的平均顆粒尺寸為約5微米-約500微米。在一些實施方案中，原料22可以具有在約20微米-約900微米之間的顆粒尺寸分布。在一些其它實施方案中，原料22可以具有低於1mm的平均顆粒尺寸。載氣速度和HCV原料22的噴射角度可以被調節以便在區I中有效地分散HCV原料顆粒，而沒有深度穿透到氣化器中。降低載氣的量導致更快的加熱HCV原料22。提高載氣的量和/或速度通常改進了HCV原料的分散特徵。使用較小的原料的顆粒尺寸改進了顆粒加熱和混合，但增加了在進料製備期間的研磨成本和能量消耗。
LCV HOC原料32優選地被研磨到比HCV原料22的顆粒尺寸更大的顆粒尺寸。在一些實施方案中，LCV HOC原料的平均顆粒尺寸大於約300微米。在一些實施方案中，LCV HOC原料的平均顆粒尺寸大於約1mm。在一些實施方案中，LCV HOC原料的平均顆粒尺寸可以為約500微米-約2mm。研磨LCV HOC原料到基本上大於HCV原料顆粒的顆粒尺寸最小化加工LCV HOC原料32所需要的成本和能量消耗。本發明有效地利用了LCV HOC原料的高反應性從而獲得了其高轉化，即使使用相對大的顆粒尺寸。另外，在本發明中的LCV HOC原料的這些較大的顆粒的轉化是通過優化其的噴射特徵、流動圖案(流型)、停留時間和操作控制而改善的，如實例實施方案中所述的。
LCV HOC原料顆粒最佳的穿透到氣化器中是通過優化其顆粒尺寸和噴射特徵來獲得的。相比於HCV原料22的小顆粒，在噴射後，LCV HOC原料的大顆粒加熱更慢，這使得在可能發生相當大的(substantial)轉化前將LCV HOC原料更深度地穿透到氣化器中。LCV HOC原料32的較大且較重的顆粒被高速噴射；較高的慣性力導致深度穿透到氣化器中。LCV HOC原料用的載氣的較高的流率和較窄的射流圖案導致了更深度的穿透。較大量的載氣還保護了LCVHOC原料顆粒未快速的加熱，由此延遲了轉化，直到顆粒深度穿透到氣化器中。這樣的配置確保了以如上所述的方式操作氣化器18-在區II中，LCV HOC原料32的脫揮發份釋放水分和含氧的化合物，其作為由HCV原料22產生的炭用的另外的氣化劑。
如圖9所示，可能存在多於一個區I區域和單個區II區域。在一些其它結構中，可能存在多於一個區I區域和多於一個區II區域。多個區II區域可以通過噴射不同的LCV HOC原料或這些原料的分層噴射、改變燃料的噴射特徵或這些因素的組合來形成。回到圖9，與氣化劑一起進料原料22和32的各種結構可以被布置以便形成期望的區I和區II區域。區I主要地涉及HCV原料22的脫揮發份和氣化，而區II主要地涉及LCV HOC原料32的脫揮發份和氣化以及提高從區I所帶來的HCV炭的氣化。如圖6-9所示，在氣化器中可能存在多於一個區I區域和多於一個區II區域。這些區I和II可以是物理上分離的、相鄰的或部分重疊的。應當理解附圖僅僅示意性顯示某些特徵並且沒有描述氣化器的全部特徵。因而，雖然圖6-9沒有明確地顯示出蒸汽噴射器200，210等，這樣的獨立的蒸汽噴射器可以存在於一些實施方案中。
實施方案中所述的氣化器在相同的反應器容器中氣化不同的原料如HCV原料22和至少一個LCV HOC原料32。因此，其也被稱為共氣化器，該方法可以被稱為共氣化。這與常規的煤氣化器形成對比，其中僅僅煤是被氣化的原料。單個原料如煤的這種氣化可以被稱為單氣化以便將其與共氣化區別。本發明的一些實施方案還提供了操作多區共氣化器的方法。
根據圖10中示意顯示的一種實施方案，操作多燃料共氣化器的方法400包括將氣化器分為至少兩個區的步驟402。隨後，如在404處所示的，在第一區中噴射HCV原料。在第一區中還噴射氧化劑和蒸汽，以便氣化在第一區中噴射的HCV原料。方法400的特徵為步驟406，其中在第一區中噴射的氧化劑基本上在第一區本身中被消耗。
進一步地，在步驟408處，在隨後的區中噴射LCV HOC原料。如果氣化器被僅僅分成兩個區，這相應於第二區。如果氣化器被分成多於三個區，LCV HOC原料被噴射到在第一區之後的每一個區中。在一些實施方案中，不同的LCV HOC原料被噴射到相繼的區中。在一些實施方案中，被噴射到相繼的區的不同的LCV HOC原料特徵為在LCV HOC原料中的相繼較高的氧化劑含量。LCV HOC原料在隨後的區中被氣化，在步驟410中表徵，其中LCV HOC原料的氧化劑含量在燃料的氣化中被利用。
圖11突出了操作共氣化系統的方法的另一方面。方法一般性地顯示為450。它包括將氣化器分成至少兩個區的步驟452，從而形成第一區(區I)和第二區(區II)。區II位於區I的下遊。HCV燃料原料被噴射到第一區，顯示為步驟454。操作方法450包括另一步驟(未示於圖11中)，將氧化劑噴射到用於氣化HCV原料的第一區中。任選地在一些實施方案中，另外的蒸汽可以在區I中引入。以這樣的方式操作氣化器，使得HCV原料的脫揮發份基本上是在區I中完全的。在共氣化器的操作方法450中，這顯示為步驟456。脫揮發份產生揮發性化合物(HCV-揮發物)和炭(HCV炭)。
在一個實施方案中，如本文中所討論的術語「相當大的脫揮發份」是指脫揮發份至少約90％的HCV原料。在一些實施方案中，術語「相當大的脫揮發份」是指消耗了至少約70％的HCV原料。在全部實施方案中，術語「相當大的脫揮發份」是指在區I中消耗了至少約50％的HCV原料。HCV揮發物與被噴射到區I的氧化劑(和蒸汽)反應以產生氣化產物。HCV炭被相對慢地氣化，僅僅一部分HCV炭可以在區I中被氣化。在氣化器中，其餘(未反應)部分的炭繼續向下遊運動。
如在步驟458處所示，LCV HOC燃料在氣化器的區II中被噴射。如在步驟460處所示，LCV HOC燃料在區II中經歷脫揮發份而產生含氧的化合物、揮發性化合物(LCV揮發物)和炭(LCV炭)。如在462處所示，含氧的化合物(其包括水分，CO，CO2，醛，酮，酚，酯等)與來自區I的在區II中流動的LCV揮發物、LCV炭和未反應的HCV炭反應而形成氣化產物。在一個實施方案中，從LCV HOC原料釋放的含氧的化合物足以氣化基本上全部的LCV炭、HCV炭和LCV揮發物。
在一些實施方案中，LCV HOC燃料的氧含量(其在區II中在脫揮發份後產生含氧的化合物)對於氣化反應來說是足夠的。在一些實施方案中，可以將額外數量的氧化劑噴射到氣化器的隨後的區中，這取決於LCV HOC原料的氧化劑含量。在一些實施方案中，LCV HOC原料(或進料漿料，如果原料32與水混合而形成漿料，然後噴射到氣化器中)的水分(水)含量足以產生用於氣化反應的蒸汽。在一些實施方案中，氣化器的區II可具有另外的氣化所必需的蒸汽供應。在區中噴射的蒸汽的量取決於LCV HOC原料的進料物流的水分含量。
在一些實施方案中，在第一區中噴射的HCV原料可以乾式噴射-或者本身或者與載氣一起，在固體燃料的情況下。在一些實施方案中，載氣可以是氮氣；在一些實施方案中，載氣可以是CO2。CO2可以進一步參加反應如Bouduard反應並且有助於所產生的產物氣體的卡值。在一些實施方案中，載氣可以是熱質氣體，其參與氣化反應並且有助於所產生的產物氣體的卡值。在類似的作業線上，LCV HOC原料可以被噴射，本身，或與載氣一起，如上段中所述的。燃料原料，氧化劑和蒸汽可以被噴射通過單個噴射器或通過多個噴射器進入氣化器。這些噴射器可以以各種方式布置在氣化器中。
在一些實施方案中，HCV原料以漿料的形式被進料到氣化器。在一些實施方案中，在添加或沒有添加化學試劑的情況下，用水製得漿料。可以使用以便形成漿料的其它介質包括油、熱解產物和其它烴類化合物。這些載體介質可以進一步參與氣化反應以產生另外的氣化產物。在一些實施方案中，LCV HOC原料與水混合而形成漿料，然後進料到氣化器。在一些實施方案中，HCV原料和LCV HOC原料與水混合而形成漿料並隨後被噴射到氣化器中。
因而，以上實施方案中所描述的方法整體地與如前所述的氣化器聯繫。氣化器的設計和操作方法是這樣的，使得LCV HOC原料的氧含量氣化了LCV HOC原料(32)和HCV原料(22)所產生的炭。在第一區中噴射的氧化劑基本上在第一區中被消耗。可以使用特殊控制手段如下文中所描述的那些來確保這樣的操作。
氣化器具有多個傳感元件來測量原料的各種參數和氣化器中的狀態。在測量組成的情況下，通過使用在線測量系統，可以連續地進行測量。或者，通過每隔一定時間取樣並且進行樣品的離線分析，可以進行測量。在一些其它實施方案中，間接測量，也稱為軟傳感方法，可以被使用。在這樣的測量中，使用模型或算法或者參數之間的已知關係基於其它參數的測量值來估算參數。在一個實施方案中，產物合成氣300的組成可以用於推導氣化器中的氧化劑含量和分布。控制器被配置成獲取被測參數作為輸入並且控制將HCV原料、LCV HOC原料、氧化劑或蒸汽中的至少一個噴射到氣化器中。
在一個實施方案中，區I中的氧化劑濃度使用任何技術如以上所討論的那些進行測量。如上所述，操作方法包括一種步驟以便在第一區中基本上消耗氧化劑。區I中的氧濃度的測量值是此的直接測量。在一個實施方案中，控制HCV原料22和氧化劑102的流率以便確保在第一區中氧化劑的相當大的消耗。在一些實施方案中，調節HCV原料的流率。在一些實施方案中，氧化劑本身的流率可以被調節。在一些實施方案中，其中富氧或貧氧空氣被使用，氧化劑物流的氧含量可以被控制。
在一些實施方案中，其中HCV原料22包括固體顆粒，使用光傳感器或其它傳感機構(mechanisms)來直接地或間接地傳感各個區中的固體分布。固體分布給出了原料和氣化介質的混合程度的量度。如果需要的話，調節參數如HCV原料22的噴射角度和/或噴射位置。也可調節參數如氧化劑和蒸汽的噴射角度和位置。在一個實施方案中，在具有多個進料噴射孔20的實施方案中，通過改變通過各個噴射器孔20的進料速率，可以調節噴射位置。例如，如果在氣化器的側面處檢測到比設計固體濃度小，可以降低通過中央進料孔的HCV原料22的流率並且可以提高通過外圍噴射孔的流率，因而有效地控制進料噴射的位置。噴射角度和流率(顆粒速度)一起影響了被噴射的HCV原料22混合到氣化器區中。如果通過獨立的噴射器噴射的固體燃料的羽流(plumes)彼此打擾，可以調節幹擾度以便避免在氣化器區中的不適當的混合的空洞(pockets)。原料22的顆粒尺寸和通過進料孔噴射的顆粒的速度決定了這些顆粒在其乾燥和脫揮發份進行到相當大的程度之前穿透氣化器的深度。這是另一可以被獨立地或組合地控制的因素以便確保HCV原料和氣化介質的適當混合。如果使用液體HCV原料22，可以實現類似的配置。
使用合適的技術，在第一區(和各個隨後的區)中氣體的組成可以被傳感。取決於氣體特質，如通過CO的百分比測量的，例如，氣化程度(extent or gasification)和與設計值的偏差可以被確定。氣化程度通過控制顆粒尺寸、顆粒在區中的停留時間、氧化劑和蒸汽流率、氣化器的溫度等來控制。這些氣化介質的噴射角度、噴射位置和它們的流率被調整以便使得氣化程度接近於設計值。
在第二和隨後的區中，類似的傳感機構和控制行為可以用於LCV HOC原料噴射和其隨後的氣化。存在著基於LCV HOC原料的另外的傳感和控制行為。
例如，參考圖3，LCV HOC原料32的氧化劑含量被傳感，然後噴射到氣化器的第二區中。被噴射到第二區的氧化劑112的量被控制，基於原料32的氧含量。在一些實施方案中，LCV HOC原料32的氧含量可以足以使燃料氣化。在這樣的實施方案中，氧化劑進入第二或隨後的區中的流率被設定為零(示於圖1和2中的實施方案)。在其它實施方案中，氧化劑流率或氧化劑的氧含量被調節到合適的數量以便確保原料32的適當的氣化。
LCV HOC原料32的水分含量也被測量，使用合適的方法。原料32的水分含量決定適當的氣化所需要的蒸汽噴射(如進入氣化區的物流212-圖3)的數量(流率)。可以使用前饋(feed-forward)類型的控制器來基於被噴射到該區的LCV HOC原料的水分含量控制蒸汽噴射到第二和隨後的區。在一些實施方案中，如圖4中所示的，多於一個LCV HOC原料32和42可用於添入(firing)氣化器。在這種實施方案中，燃料-32、42等的每一個的水分含量被分別決定並且使用那些測量來分別控制在區II和III中的被噴射的蒸汽-212和222等的數量。
生物質，LCV HOC原料32，的特有特徵在於在這些燃料的組成中存在著季節性和地理上的變化。例如，由於自然加熱，在夏季木材具有相對較低的水分含量。從世界不同地方收集的農業殘餘物如稻殼具有不同的化學組成，這取決於各個區域的土壤特性。可以製作查找表格或類似的方案(arrangements)來確定相應於季節和來源的地理位置的這樣的原料的性能。這些查找表格然後可以被結合進氧化劑和蒸汽噴射到氣化器中的上述控制。
在一些實施方案中，如果LCV HOC原料的水分含量非常高的話，可以使用乾燥或其它脫水技術來將水分含量降低到燃料32的設計水平，然後將其噴射到氣化器中。
在一些實施方案中，傳感機構(sensing mechanisms)測量了產物氣體300的特徵。這包括特徵如產物氣體300的組成和流率。噴射HCV原料22或LCV HOC原料32或兩者，在區I或區II或兩者中氧化劑的噴射，在區I或區II或兩者中的蒸汽噴射，可以被控制以便獲得產物氣體300的期望的特質和流率。在一些實施方案中，在第一氣化區中的控制行為還支配了去往第二區的被脫揮發份的炭的數量。因而，整個共氣化受到作用並且也可通過控制高卡值原料22的氣化來控制。原料22和32的噴射的控制又是指控制參數如流率、噴射角度、噴射位置和顆粒尺寸，如早先討論的。
因而通過控制噴射第二區中的LCV HOC原料32或隨後的區中的燃料42等(如圖4中所示)，可以改變產物氣體300的組成和流率。取決於多個原料的可用性，通過控制被引入氣化器的原料32的類型，也可改變產物氣體300的組成。例如，木材和稻殼的組成和氣化特徵是不同的。使用這兩種原料所產生的產物氣體的組成也可能是相當不同的。因而改變LCV HOC原料32本身，或者按照計算數量將這樣的原料互相共混，將改變最終產物氣體300的組成。在區II中添加氧化劑物流112和蒸汽212和在隨後的區中添加類似的物流影響氣化的完成程度並且因此對所產生的燃料氣體的數量和組成具有影響。
控制參數如進入第一區中的HCV原料22的噴射位置、噴射角度、噴射速率、燃料的顆粒尺寸也改變產物氣體300的組成。取決於所使用的原料22和32的數量，各個原料對形成產物氣體的貢獻可以被控制。
因而，上述的各種控制行為被配置成根據上述方法來操作氣化器。在一個實施方案中，提供監視控制器，其支配這些單獨控制行為。在一些實施方案中，在產物氣體組成和流率正被控制的情況下，監視控制協調在多個區中的多個燃料、氧化劑和蒸汽噴射的噴射控制行為，以便在最短的響應時間內實現設計值。監視控制可以使用任何類型的控制器，如反饋控制、前饋控制、人工神經網絡控制、模糊邏輯控制和基於模型的控制。
在氣化器操作中的控制行為和監視控制在圖12中示意地顯示為500。它包括多個傳感行為如510-「測量產物氣體特徵」，520-「測量低卡值燃料的特徵」和530-「在各個區中測量氣體組成」。各個傳感行為又觸發了如所示的不同的控制行為。
例如，傳感行為510-「測量產物氣體特徵」觸發了至少一個控制行為，其選自512-「控制在區I中的蒸汽或氧化劑或兩者的噴射」，513-「控制高卡值燃料的噴射」，514-「控制低卡值燃料的噴射」，515-「控制在區II中的蒸汽或氧化劑或兩者的噴射」，或516-「控制低卡值燃料的類型」。
如前面段落中討論的，控制噴射HCV原料(22)，顯示為513，包括噴射HCV原料(22)的控制參數。這些參數可以包括流率、位置、噴射角度和顆粒尺寸、HCV原料22的噴射速度、載氣的流率等。如在512處所示的在區I中控制氧化劑或蒸汽或兩者的噴射改變了氣化反應的速率和程度。如果同時進行的話，控制行為512和513有助於HCV原料22與氣化介質如氧化劑和蒸汽的適當混合。同樣，顯示為514的控制LCV HOC原料(32)(在第二區中)的噴射包括噴射LCV HOC原料(32)的控制參數，如流率，位置，噴射角度和顆粒尺寸。如在515處所示的在區II中控制氧化劑或蒸汽或兩者的噴射改變了LCV HOC原料的氣化反應的速率和程度。在一些實施方案中，取決於LCV HOC原料的可用性，另外的控制槓桿作用516是可用的，其中可以改變LCV HOC原料的類型。如早先討論的，改變燃料的類型可以改變合成氣生產-數量和組成兩者。
傳感行為520-「測量低卡值燃料的特徵」傳感了特徵如LCV HOC原料的水分含量和氧化劑含量。取決於測量值，在區II中的蒸汽和氧化劑的噴射被操縱以便獲得LCV HOC原料的適當氣化。
傳感行為530-「測量各個區中的氣體組成」是一般化的，其可以在氣化器的任一個或全部的區中進行。氣體的組成給出了有關氧含量、CO含量等的信息，這些是氣化反應的程度和效率的指標。為調節氣化的程度和效率，可以進行至少一個選自以下的控制行為512-「控制在區I中的蒸汽或氧化劑或兩者的噴射」，513-「控制高卡值燃料的噴射」，514-「控制低卡值燃料的噴射」，515-「控制在區II中的蒸汽或氧化劑或兩者的噴射」。傳感行為530的另一重要方面在於確保在區I中噴射的氧化劑的相當大的消耗。在區I中的氧化劑濃度被測量並且通過控制行為512和513來控制相當大的消耗。在一些實施方案中，共氣化的特別開發的動力學模型可被用於確定氣化器中的氧化劑含量用的軟傳感技術。精細模型還可以幫助確定氧氣及其他物質在氣化器中的空間變化。
虛線畫的圓550代表監視控制行為。監視控制550包括多個傳感和控制行為，如圖12中所示。它也可包括其它控制行為如基於LCV HOC原料的季節性和地理的變化的那些，未示於圖12中。監視控制的主要目標作用可以是例如將從氣化器出來的產物氣體(300)的流率和組成保持在某一預定範圍內。次要目標作用可以是確保氣化中所用的每一種原料的完全氣化。進一步較低水平的目標作用那麼可以涉及局部組成，局部固體負載或類似參數。監視控制器操縱了各種較小水平的目標作用以便獲得主要的目標作用。在一個實施方案中，監視控制器550包括基於模型的控制，其中用於氣化器設計的模型被做成控制器。任何與模型/設計值的偏差可以觸發合適的校正行為。在其它實施方案中，監視控制可以基於人工神經網絡。控制行為包括前饋/預示控制如控制蒸汽輸入到區II，基於LCV HOC原料(32)的水分含量。控制行為還包括反饋控制行為，如調節HCV和LCV HOC原料與氣化介質如氧化劑和蒸汽的流量，基於產物氣體數量和特質。
在一些實施方案中，監視控制提供了多燃料共氣化器的優化操作。優化可以相對於參數如HCV原料的質量流量、LCV HOC原料的質量流量、所添入(fired)的燃料的總熱含量等中的任一個或組合來進行。這允許在任何對特別類型的燃料(原料)的供給或可用性的約束條件下操作氣化系統。被優化的操作還提供給氣化器操作者以柔性從而使用較廉價的原料和節約較高成本原料來產生所需數量和特質的合成氣。
在一些實施方案中，監視控制可以被配置以保持產物氣體300中的特定的碳氫比。這是通過添入(firing)適當類型的LCV HOC原料(32)如圖7中的作業選項516而獲得的。這種選項使得能夠在產物氣體的專業應用如費-託合成中使用氣化器，其中高級化學品由合成氣開始製備。這些反應需要化學合成用的特別的碳-氫比。傳統上，期望的比例是通過使從氣化器獲得的合成氣進行水煤氣變換反應來獲得。本發明的實施方案降低了對水煤氣變換反應的需要。
監視控制器可以控制除了圖12中所示的那些的操作。在一些實施方案中，監視控制器可以控制整個氣化系統，與僅僅氣化器大不相同。在一些實施方案中，監視控制器被配置成傳感LCV HOC原料(32)的性能，如堆積密度，並且因此控制進料系統的操作。在一些實施方案中，傳感系統被配置成進行LCV HOC原料的元素和組分分析(ultimate and proximate analysis)。取決於組分如水分和礦物(灰分)含量，在進料處理系統和噴射系統中可以進行必要的變化。在一些實施方案中，LCV HOC-原料的水分和礦物含量用於控制氣化器中的溫度分布，例如，在區II中，其中噴射LCV HOC原料，和在其它地方，如在區I中，其可以受到來自如上所述的區II的流動再循環的影響，以及在區II的下遊。控制氣化器的溫度使得由於礦物含量所形成的熔渣的溫度保持高於灰熔溫度。保持氣化器中的操作溫度以便控制從HCV原料和LCV HOC原料產生的熔渣的粘度在可操作的範圍內。非常高的熔渣粘度導致在耐熔物質上的熔渣的厚層並且可能堵塞氣化器出口。另一方面，如果熔渣粘度非常低，熔渣具有進入耐熔物質的傾向，這造成可靠性和維護問題。根據本發明實施方案的保持期望的溫度的能力有助於避免這些可操作性問題。在一些實施方案中，適當的熔劑可以被加入以便保持熔渣特徵在合適的範圍內。在一些實施方案中，控制系統被配置成調節被噴射的LCV HOC燃料的流率以便控制無機組分如鹼和鹼土金屬的濃度。這些組分的濃度被控制以便改進在氣化過程中形成的熔渣的流動性特徵。
在一些實施方案中，熔渣特徵如粘度，熔化溫度可以通過合適技術確定，如精細模型，並且這種信息可以用於控制參數如HCV原料或LCV HOC原料或者兩者的噴射速率，噴射角度，噴射位置，顆粒尺寸和速度。在任一區中的氧化劑/蒸汽噴射的速率、角度和位置也可被獨立地或者與原料噴射一起控制以便控制氣化器中的操作溫度和礦物含量，其最終影響了熔渣特徵。
在一些實施方案中，控制方案被配置成測量HCV和/或LCV HOC原料的氮含量。通過方法如燃料共混來調節LCV HOC原料的氮含量。產物合成氣中所含的氮化合物(HCN，NH3等)的數量取決於原料中的氮含量和氮的存在形式，以及氣化器的操作參數。控制方案被配置成調節氣化器的噴射特徵及其他操作參數以便最小化產物合成氣中所含的氮化合物(HCN，NH3等)的量，這減輕了合成氣淨化問題和降低了在產物合成氣的隨後利用期間的NOx汙染物形成。
上述控制方案也可被用於改造現有的煤氣化器。煤氣化器可以被改造以便利用可用的LCV HOC原料如低級煤，木材，農業殘餘物，廢物物流等。煤與生物質的共氣化還降低了氣化裝置的碳足跡，因為生物質被看作是碳中性的，如先前部分中所述的。因而，與煤一起添入(fired)越多的生物質，來自氣化裝置的總CO2排放越低並且所產生的合成氣是「更綠色的」。添入(fire)多個原料的能力還使得煤氣化器具有燃料柔性並且有助於降低對單燃料類型或單個供應商的依賴性。因而根據如下所述的本發明的實施方案改變氣化器和採用控制方案使得現有的煤氣化器具有燃料柔性，這使得可以實現上述益處。
煤氣化器一般地裝備有氣化反應器，用於煤、蒸汽和氧化劑的噴射器和相關系統。改造包括將氣化器分為至少兩個區，用於噴射煤的第一區和用於噴射LCV HOC原料如生物質的第二區。取決於這樣的原料的可用性和其特徵，決定區的數目、區的位置。LCV HOC原料用的噴射器的位置和取向也基於性能範圍如LCV HOC原料的水分含量、氧化劑含量等來決定。
改造方法示意地在圖13示為600。步驟610相應於進行設計計算並且將氣化器分為至少兩個區。區I或第一區氣化煤，這類似於原始的氣化器。區II，第二區和隨後的區氣化LCV HOC原料。
確保存在至少一個噴射器來在第一區中噴射煤、氧化劑和蒸汽中的每一個。在改造方法期間可能需要修正噴射器的位置、布局，噴射角度，所處理的燃料的顆粒尺寸等。這在圖13的示意圖中顯示為612。
如在614處所示，氣化器具有一種機構來測量氣化器中的氧氣濃度。測量值用於控制氣化器的操作，使得在區I中噴射的相當大量的氧化劑在區I中被消耗。提供控制器以獲得這種控制，如以前所解釋的。
按照設計計算，氣化器的第二區位於其中在第一區中所噴射的氧化劑基本上被消耗的位置。在氣化器的第二區中提供至少一個噴射器以噴射LCV HOC原料。這在圖13中顯示為616。
在一個實施方案中，至少一個在第一區中噴射煤用的噴射器或至少一個噴射LCV HOC原料用的噴射器或兩者被配置成噴射漿料形式的燃料。在一些實施方案中，漿料可以使用水來製造。在一些其它實施方案中，煤的噴射或LCV HOC原料的噴射或兩者以乾式進料的形式進行。在一些實施方案中，使用載氣乾式噴射原料。在一些實施方案中，載氣可以是氮氣，在一些其它實施方案中，載氣可以是二氧化碳，空氣，富氧空氣，貧氧空氣，合成氣，產物氣體，或這些及其他氣體的混合物。
在一些實施方案中，被改造的氣化器被配置成噴射低級煤作為LCV HOC原料。在一些其它實施方案中，被改造的氣化器被配置成噴射生物質作為LCV HOC原料。如早先討論的，術語生物質是寬泛術語，其可以包括原料如植物生物質和農業殘餘物-木材，草，殼，脫油殘餘物，玉米秸等。在其它實施方案中，生物質包括城市和工業廢物。
在一些實施方案中，如在圖13中用虛線表示為618的，被改造的氣化器具有監視控制。監視控制被配置成控制氣化器的操作，如圖12中所示的和如前段中所述的。它被配置成通過控制參數如原料的流率，噴射位置，噴射角度和顆粒尺寸，各個區中的氧化劑和蒸汽的流率和噴射角度或這樣的參數的一些組合來控制從氣化器(現在變為共氣化器)出來的產物氣體的數量和組成， 改造如上所述的煤氣化器使得能夠使用多種類型的燃料(原料)，由此給氣化器賦予燃料柔性，同時使得能夠使用低價值原料，為經濟操作鋪平道路。
改造可以對下流式氣流床(entrained flow)煤氣化器、上流式氣流床(entrained flow)氣化器以及其它類型的氣化器中的任一種進行。
因而，本發明的實施方案提供了一種氣化系統，其包括一種共氣化器，被配置以在相同反應器中氣化HCV原料和LCV HOC原料。HCV原料可以選自煤，(石)油或天然氣。LCV HOC燃料可以選自低級煤，生物質，廢物如MSW(城市固體廢物)等。術語生物質是一組寬泛的原料，如前文所述。
根據本發明實施方案的改造煤氣化器因而在位於煤脫揮發份區下遊的區II中引入LCV HOC原料。在氣化器中存在的高溫下，含氧的化合物從LCV HOC原料中釋放。這些含氧的化合物如CO2，水分，醛，酮，其它有機物，與LCV HOC原料以及與煤炭反應。由於高操作溫度，從LCV HOC原料釋放的含氧的產物形成活性物質，類似於自由基。因而其中LCV HOC的大部分被脫揮發份的區II具有高濃度的活性物質。當在區I中由煤產生的炭到達區II，由於高濃度的活性物質，加速了煤炭的氣化反應。LCV HOC原料的無機礦物(灰分)含量也有助於催化炭的氣化反應。因而，自由基的存在和催化LCVHOC原料的無機金屬物質導致被進料到氣化器的煤的改進的碳轉化。LCV HOC原料脫揮發份的含氧的產物用作HCV原料用的另外的氣化劑(氧化劑)。因此，與HCV原料一起噴射的氧化劑的量可以被降低，同時仍然獲得期望的碳轉化水平。這降低了煤氣化的需氧量(oxygenrequirement)。
降低的需氧量又相應於較小尺寸的產生提供給氣化器的純氧的空分裝置。或者，可以從空分裝置產生較少量的純氧，同時仍然滿足氣化器裝置的需要。這導致整個氣化系統的相當大的操作和投資成本節約(由於在空分裝置上的節約)。傳統的氣化系統在氣化器中使用較高數量的純氧以便產生較高的溫度。較高的溫度又導致從HCV原料22產生的炭的較高的轉化。本發明的實施方案通過從LCV HOC原料的脫揮發份產生活性物質實現了HCV炭的較高的轉化。因而，不需要噴射較高數量的氧氣。
在整篇說明書中，術語如「燃料」、「原料」、「進料」可互換地使用。應將理解的是它們是指高卡值燃料(HCV原料)或低卡值燃料(LCV HOC原料)，如上下文內容指出的(如參考數字22或32或描述符HCV或LCV指出的)。有時，低卡值、較高氧化劑含量的燃料也僅僅被稱為低卡值原料。應將理解的是在兩種情況中類似的原料也被提及。
本發明的實施方案提供了在獨立的區中分別地添入(firing)高卡值和低卡值原料。因而，避免了常用的噴射的問題如分層。對於兩個原料實現了獨立的噴射器和進料製備配置，這也消除了在兩個原料中單個噴射器進料的問題。因為對於每種燃料進料製備部分是獨立的，適當的設備如減縮尺寸設備可以被使用，這取決於特徵如原料的脆性、纖維性質等。
LCV HOC原料的顆粒尺寸可以被優化以便最小化燃料-處理要求，同時獲得高轉化效率。LCV HOC原料顆粒尺寸可以被選擇以便在噴射期間提供低卡值原料顆粒與氣體在氣化器反應器中的期望混合。例如，以高速噴射的較大的且較重的顆粒由於慣性力更深度地穿透氣化器，而較小的且較輕的顆粒更嚴格地遵循氣體軌跡。因而通過控制進料到氣化器的原料的顆粒尺寸，在氣化器的混合水平和轉化效率被控制。
低卡值原料的水分和氧含量，其否則導致在氣化器操作期間的問題，通過本發明技術被有效地利用。
本發明的實施方案提供了在第一區中噴射HCV原料如煤。LCV HOC原料如生物質在相繼的區中噴射。這種配置導致高卡值原料的較高的停留時間和低卡值原料的較低的停留時間。因為LCVHOC原料如生物質中的揮發物含量高於HCV原料如煤的，其可以相對容易地被氣化。由這樣的原料產生的炭也是相對更有反應性的，由於存在鹼金屬和其它礦物。因而，與HCV原料相比，LCV HOC原料的氣化需要在氣化器中的較短的停留時間。原料如生物質一般地比煤更有反應性；因此對於氣化這樣的原料需要較低的停留時間。通過如前面段落中所述的區的配置，本發明的實施方案提供了適當的停留時間。如早先討論的，由於較高的揮發物含量和較低的固定碳含量，原料如生物質是更具反應性的。因此，較大的顆粒尺寸的生物質可以被用於噴射。在一些實施方案中，在第一區中被噴射的煤的顆粒尺寸為約100微米。用於LCV HOC原料如生物質的顆粒尺寸可以是至少約500微米-約1mm。
在傳統方法中，因為這兩種原料在一起噴射，其導致較低的氣化器溫度。本發明的實施方案單獨地噴射了兩個原料。因而，在區I中的溫度未被降低，由於存在LCV HOC原料。因而本發明的實施方案提供了在與LCV HOC原料的氣化溫度相比更高的溫度氣化HCV原料。因而，通過實施本發明的實施方案，為各個原料提供了最佳的氣化條件如操作溫度。
由於這些優點，被改造的煤-氣化器的生物質負載可以被提高到高達約40％，按燃料的乾重計。在一些實施方案中，煤氣化器被改造，使得約30％的合成氣的能量值通過生物質或低級煤來提供。取決於原料的可用性，可以操作被改造的氣化器，使得產物氣體的僅僅約10-15％的能量值由LCV HOC原料提供。
噴射到不同的區有效地利用了不同原料的物理性能(如顆粒尺寸、密度、水分含量等)和/或化學性能(如氧含量、揮發物含量、固定碳含量、灰分含量、礦物質組成、氮含量、化學結構和組成等)。另外，在氣化器中在不同的區中噴射不同的燃料有效地利用了這些燃料針對存在於氣化器環境中的各種固體或氣體化合物的不同的反應性。
實施例 提供以下實施例來進一步舉例說明本發明的某些實施方案。這些實施例不應被理解為以任何方式限制本發明。
進行了氣化器的計算流體動力學(CFD)實驗、化學平衡計算和動力學模擬來舉例說明本發明的一些實施方案。
開發了共氣化反應器的化學平衡模型。使用匹茲堡煤作為HCV原料和木材作為LCV HOC原料進行了氣化器性能的模擬。氣化器反應器假設為是絕熱的，處於30個大氣壓的壓力下。假定化學平衡，計算產物物流的化學組成。燃料的元素和組分分析示於在前面部分中提供的表1中。表2列出了氣化器的輸入物流，以及計算的合成氣產物溫度、氫氣和一氧化碳質量流率，和H2/CO比。全部氣化器的輸入物流在環境溫度Tamb＝25℃和壓力P＝30個大氣壓下供給。表2平衡計算的數據和結果 表2的基礎案例相應於這樣的燃料輸入，其包括以煤-水漿料的形式噴射到氣化器中的100％匹茲堡煤。這相應於操作常規的氣化器(煤的單氣化)。所研究的各種案例假定氣化器的元素碳(如由元素分析測量的)輸入恆定為19.1kg/s的相同值，無論以HCV原料22或LCV HOC原料32或兩個組合的形式進料。案例1、3、5、6和7假定氣化器的75％的碳輸入以HCV原料22的形式進來，而其餘以LCV HOC原料32的形式進料到氣化器。案例2和4假定50％的碳輸入以HCV原料的形式進料，而剩餘的以LCV原料的形式進料。保持碳輸入恆定簡化了各種案例的結果的比較。
對於案例1和2，氣化器的水輸入流量保持與基礎案例的總水分輸入相同。總水分輸入計算為HCV原料22和LCV HOC原料32的水分含量和作為漿料進料的一部分的水輸入的總和。隨後，選擇輸入氧質量流量，使得保持與在基礎案例中相同的通過氣化器的總元素氧質量流量。總元素氧質量流量計算為HCV原料22和LCV HOC原料32的氧含量(幹基)加上水分(這又是HCV和LCV原料的水分含量加漿料水的總和)中所含的氧的總和。如表2所示，這種方法導致計算的產物物流溫度Tout的相當大的下降。
對於案例3和4的輸入水質量流量這樣選擇，使得除相同的總碳輸入外，將氣化器的總元素氫質量流量輸入保持與在基礎案例中的相同。總元素氫質量流量計算為HCV原料22和LCV HOC原料32的氫含量(幹基)加上水分(這又是HCV和LCV原料的水分含量加漿料水的總和)中所含的氫的總和。調節輸入氧質量流率，從而保持與在基礎案例中相同的通過氣化器的總元素氧質量流量。如可以從表2看出的，案例3和4都允許氣化器在適當的溫度窗中操作，同時需要基本上比基礎案例少的氧輸入(分別為94wt％和88wt％)。另外，案例3和4都導致基本上降低了與基礎案例相比的水要求。然而，實際上為獲得水減少，在案例4中要求LCV HOC原料32以幹進料的形式噴射。
案例5基於案例1，但是降低了水流量以便提高氣化器溫度。通過將水輸入從15.5減少到11.6kg/s，氣化器溫度可以從1077℃提高到1197℃，非常接近於工業氣流床(entrained flow)氣化器操作窗的溫度下限。在案例5中H2+CO產量比在基礎案例(煤的單氣化)中的高(達約6％，基於摩爾)。案例6基於案例1，但是提高了氧輸入流量以便提高氣化器溫度。通過將氧輸入從22.6提高到25.6kg/s，氣化器溫度可以從1077℃提高到1452℃，略高於1445℃的基礎案例溫度。基本上，與基礎案例相比，案例6使用了相同數量的氧(25.6kg/s)和略低的水輸入(15.5kg/s對16.4kg/s)，而用LCV HOC原料32代替了25％的HCV原料22，按碳含量計。在案例6中H2+CO產量比在基礎案例中的略低(達約4％，基於摩爾)。案例7基於案例1。選擇輸入氧流率以便在案例1和6的中間，導致1282℃的氣化器溫度。從表2中可以看出案例7允許大約7％的氧需要減少和6％的水需要減少，同時用可再生的LCV HOC原料32代替25％的HCV原料22，基於碳輸入。
基於表1中所列的燃料分析，在表2中的全部模擬案例1-7將導致產物物流的硫和灰分含量相當大的減少，這減輕了合成氣淨化要求。另外，全部模擬案例1-7獲得了在產物合成氣中的較高的H2/CO摩爾比，這對於下遊能量或液體燃料生產來說將是有益的。在本實施例中提供的基於化學平衡模擬的結果證實在LCV HOC原料32如生物質的較高負載下氣流床(entrained flow)氣化器的穩定操作的可行性。可行性計算表明高達25-50％，按碳輸入計算，能夠以LCV HOC原料32的形式被輸入。
HCV原料22(煤)和LCV HOC原料32(生物質)的共氣化允許降低氧和水的需要，相比於僅僅煤的基礎案例(煤的單氣化)而言，這導致氣化系統的較低的投資和操作成本。操作參數的最佳設置取決於熱力和其它工藝要求。因為LCV HOC原料32(生物質)和在其氣化期間形成的中間物質相比於相應的煤HCV原料22中間物質來說是更具反應性的，考慮工藝動力學來評價共氣化的額外益處。
使用由以上實施方案所描述的共氣化器來進行一體化氣化聯合循環(IGCC)裝置性能的模擬。使用各種比例的HCV原料和LCV HOC原料。假定化學平衡，計算產物物流的化學組成。煤用作HCV原料22和生物質用作LCV HOC原料32。燃料原料的元素和組分分析示於表3中。表3用於IGCC模擬實施例中的燃料的分析
在本實施例中，通過乾式進料將煤和生物質都噴射到氣化器中。為保持氣化器反應器在1427℃(2600°F)的恆溫，使用具有不同質量流率的緩和蒸汽流量。使用蒸汽來緩和反應器溫度導致了氣化器中的較低的熱效率，因為通過氣化反應產生的熱能被蒸汽吸收。當一部分煤燃料被潮溼的生物質代替時，氣化器溫度能夠有效地通過生物質水分蒸發所需的能量來緩和。另外，生物質燃料的熱含量低於煤的，由於通常生物質的高氧含量，這導致對緩和蒸汽的要求降低和提高了裝置效率。
分別假定氣化器反應器的恆定溫度和壓力為1427℃和43.5atm，進行計算。至氣化器的碳的總質量流量，等於來自煤的碳和來自生物質的碳的總和，保持恆定為37.9kg/s。
平衡計算的結果總結在圖14、15和16中，其顯示了作為來自生物質的碳輸入的函數的各種參數的圖。X軸上的值是LCV HOC原料32(生物質)的碳含量與被噴射到氣化器的碳的總量(LCV HOC原料32和HCV原料22的碳含量的總和)的質量比的量度。
圖14顯示作為來自生物質的碳輸入的函數(X軸)的煤、氧氣的計算質量流率(主Y軸)和緩和蒸汽(次Y軸)的圖700。線702顯示了氧氣流率，線704顯示了煤流率，和線706顯示蒸氣流率。如從圖700中清楚看出的，隨著LCV HOC原料流率所提供的總碳的百分比的提高，氧氣流率降低。這導致成本節省，因為降低的ASU(空分裝置)要求，如前面部分中所述的。對如由線706所表示的緩和蒸汽流量的要求也隨著進料到氣化器的生物質的量而降低。這昭示了LCVHOC原料32的水分含量的作用。氣化的蒸汽需要的下降導致進一步的成本節省。如從圖700來看，這些節省隨著提高進入氣化器的生物質流率而增加。
圖15顯示了相對於基礎案例(僅僅煤)(主Y軸)以及基於HHV的計算的IGCC裝置效率(次Y軸)的所需要的蒸汽和氧氣流率的圖710。線712顯示了氧氣流率，線714顯示了蒸氣流率和線716顯示了基於HHV的總IGCC裝置效率。隨著生物質流率(總碳輸入的百分比)提高，相比於純煤氣化的基礎案例來說，氣化器的氧氣和蒸汽需要降低。如從線716看出，總IGCC裝置效率也增加。
圖16描述了圖720，其舉例說明了所產生的合成氣的摩爾比(H2/CO)。線722昭示了隨著進料到氣化器的生物質的數量增加，H2/CO摩爾比的增加趨勢。在產物合成氣中的較高的氫氣相應於產物合成氣的較高的能量含量(卡值)。在合成氣的化學合成應用中，H∶C比是重要的參數。較高的H∶C比對於氣化器下遊的合成方法來說是非常期望的。在通常實踐中，使用增加數量的蒸汽噴射來提高由氣化器產生的合成氣的H∶C比。本發明通過提高進料到氣化器的LCV HOC原料的份額提供了在合成氣中的較高的H∶C比，同時獲得了成本節省並且降低了總的裝置水消耗。
接下來的實施例顯示了根據本發明的實施方案進行的共氣化方法的動力學模擬的結果。煙煤用作HCV原料22和生物質(大豆)用作LCV HOC原料32。原料的組成示於表4中。進行動力學模擬來評估噴射LCV HOC原料32如生物質對在區II中的活性物質分布的影響。表4用於動力學模擬實施例中的原料 眾所周知這樣的燃料如煤、生物質和廢物的氣化程度由炭和H2O、CO2、和氣相中存在的活性物質之間的反應確定。氣相活性物質如自由基和反應性中間體的濃度越高，炭氣化進行越快。通過比較活性氣相物質在不同的燃料噴射配置下的濃度，評估燃料噴射到氣化器的多個區對氣化反應的程度的效果。
使用化學動力學程序ODF(「一維火焰(One DimensionalFlame)」)來模擬氣化過程。ODF將氣化器反應器處理為一系列一維反應器。各個反應器可以是完全混合(充分攪拌)或未混合的(平推流)。各個ODF反應器可以分配以各種熱力學特徵，包括絕熱、等溫或用戶定義的溫度曲線、熱通量和壓力。工藝物流可以在平推流反應器的任何時間間隔被添加，具有沿反應器長度的任意的混合曲線。模擬設置中的柔性允許在各種混合條件下對許多不同的化學方法進行模擬。
氣化過程被處理為一個或三個平推流反應器的系列，這取決於燃料噴射配置。考慮兩個燃料噴射配置，在第一配置中，由單個一個平推流反應器來描述，在相同的位置噴射生物質和煤，與O2一起(基線案例)。在第二配置中，在氣化過程的初始階段中噴射煤和氧氣，而生物質(20％，按熱量輸入計)以在煤噴射後0.2秒延遲來噴射，如由在圖17上的點736所示。在第二配置中兩階段噴射是通過三個連續平推流反應器模擬的。每一個反應器描述了在氣化器中進行的物理和化學過程之一煤脫揮發份產物的反應，添加生物質脫揮發份產物，和生物質脫揮發份產物的氣化反應。在兩種案例中，被噴射的生物質的量相應於20％的總熱量輸入。在800K的溫度、1atm的壓力和0.4的氧氣與燃料摩爾比的條件下進行模擬。
動力學模擬的結果示於圖17中，其顯示了作為時間函數的在產物合成氣中以最高濃度存在的含氧的活性物質(OH、HO2和H2O2)的總濃度(顯示為Y軸)的圖730，對於基線(單步噴射)，顯示為線732，和兩階段噴射，顯示為線734。
圖17表明在基線配置中，由於脫揮發份產物的部分氧化造成的活性物質的濃度在方法開始時是高的並隨後穩定地隨時間而減少。在氣化過程開始後的1秒內，活性物質的濃度減少約一個數量級。在兩步驟燃料噴射案例中，在初始噴射後活性物質的濃度也迅速地降低。然而，在第二階段中釋放的生物質氧含量導致另外產生含氧的活性物質(OH、HO2和H2O2)。在基線案例中，全部氧到那時已經被消耗，並且沒有產生另外的活性物質。
在兩步驟噴射案例中，活性物質的濃度在生物質脫揮發份產物中所含的氧被消耗後也開始下降。然而，活性物質的濃度保持為基線案例中的那些的大約3倍。
炭的氣化是相對慢的過程並且相比於氣相脫揮發份產物的反應來說，在更長的時間段內發生。因為在兩步驟噴射案例中，活性物質的濃度高於基礎案例期間的那些(除在氣化過程開始時的數百毫秒以外)，相比於基礎案例(煤的單氣化)中的情況，在兩步驟案例中，炭的氣化更完全。
雖然所描述的計算是在800K和1atm進行的，但是隨之溫度與壓力提高，預計過程的基本趨勢保持相同。雖然在氣化過程期間煤和生物質組成的變化影響活性物質的濃度，源自這些計算的主要結論保持有效煤和生物質的兩步驟噴射導致在相當大的時間段內提高濃度的活性物質並且因而導致相比於單步驟噴射來說更完全的炭的氣化。
對於僅僅煤的案例(基礎案例)和木質生物質和煤的共氣化，進行了氣化器性能的計算流體動力學(CFD)模擬。因而，在本實施例中，煤是HCV原料22而木質生物質是LCV HOC原料32。用於本實施例的燃料的元素和組分分析示於表5中。計算氣化器中的化學組成，假定了獲自公開文獻的簡化動力學速率表達式。通過分配比用於描述煤氣化的那些更高的氣化動力學速率，說明了生物質的較高的反應性。表5用於CFD模擬實施例中的燃料的分析
表6列出了氣化器的輸入物流，以及計算的合成氣產物溫度、氫氣和一氧化碳質量流率，和H2/CO比。表6的基礎案例相應於這樣的燃料輸入，其包括以煤-水漿料的形式噴射到氣化器中的100％煤(常規的氣化器)。類似於第一實施例，案例1和2具有與基礎案例相同的總元素碳輸入，並且20％的碳輸入的形式是LCV HOC原料-木質生物質。
表6CFD模擬結果 案例1和2的水輸入流量保持與基礎案例相同。在案例1中的輸入氧氣質量流量與基礎案例中的相同。總元素氧質量流量計算為煤和生物質燃料的氧含量(幹基)加上水分(這又是煤和生物質的水分含量加漿料水的總和)中所含的氧的總和。如可以從表6中看出的，案例1中較高的總元素氧流量導致較高的氣化器溫度和稍微較低的合成氣產量，相比於基礎案例來說。相比於基礎案例降低在案例2中的氧氣輸入使得保持與在基礎案例中相同的通過氣化器的總元素氧質量流量。如表6中所示，這種方法導致計算的產物物流的較低的溫度Tout。氣流床(entrained flow)氣化器的操作溫度一般地需要被維持在1200-1500℃的範圍內以便獲得高的碳轉化和穩定的熔渣流量。來自表6的數據表明案例1和案例2的產物氣體溫度都在這個範圍內，因此，表6中所列的案例1和2都是實際可行的案例。
如可以從表6中看出的，案例2允許氣化器在適當的溫度窗中操作，然而相比於基礎案例，需要大約小12wt％的氧輸入。在案例2中H2+CO產量比在基礎案例中的高(達約5.5％，基於摩爾)。另外，案例2獲得了在產物合成氣中的較高的H2/CO摩爾比，這對於下遊能量或液體燃料生產來說將是有益的。
用於本實施例中的簡化動力學模擬表明案例1和2的碳轉化高於基礎案例。通過利用更全面的模型，其將允許更好的描述生物質-特定的脫揮發份和氣化動力學，可以證明比在基礎案例中的基本上更高的碳轉化。
CFD模擬表明，相比於基礎案例，氣化器反應器壁的溫度在案例1和2兩者中更均勻分布。更均勻的壁溫度分布對於氣化器操作來說是有益的，因為它降低了耐熔物質襯裡所經歷的熱應力，這導致更長的耐熔物質使用期限和降低的與耐熔物質替換有關的維護成本。
在當前的CFD模擬中的顆粒追蹤的結果表明生物質顆粒噴射到靠近氣化器壁的緩慢運動的再循環區中導致比相似尺寸的煤顆粒的那些基本上更長的生物質停留時間。與高生物質反應性相結合，較長的停留時間將導致生物質碳至產物的基本上完全轉化。
本實施例中表明的CFD模擬的結果證實煤(HCV原料)和生物質(LCV HOC原料)的共氣化的益處。基於至氣化器的恆定元素碳輸入的這些案例研究還表明相當大量的(高級)煤可以替換為較廉價的原料如生物質，而沒有影響氣化器性能和產物合成氣。根據本發明實施方案的共氣化不僅滿足操作條件，它還增加了合成氣特質，也增加了，如由較高的H2∶CO比所證明的，操作和投資成本的節省，如由於較低的需氧量，相比於僅僅煤的基礎案例。另外，通過較低熱含量的生物質燃料的優化噴射，降低了耐熔物質襯裡的熱應力，這導致改進的耐熔物質使用期限和減少的維護成本。
本實施例昭示了如由本發明的實施方案所描述的燃料的多階段噴射的優點。本發明的實施方案提供了HCV原料和LCV HOC原料的單獨噴射，因而避免了共噴射問題。本發明的實施方案還提供了氣化器，其有效地利用了低卡值原料的水分和氧含量。多區、多燃料氣化器被配置用於LCV HOC原料的較低的停留時間，因為它是高度反應性的。在單獨的區中兩個原料的單獨噴射允許每個原料的適當的氣化溫度。
本發明的實施方案還提供了一種操作這種獨特設計的氣化器的方法。操作的特徵為在氣化器的單獨的區中兩個原料的單獨噴射。僅僅在第一區中噴射的氧化劑被基本上消耗後，噴射低卡值原料。實施方案還提供了各種控制方案，其可用於控制氣化器的操作，卻沒有任何操作問題。實施方案獲得了原料的最佳利用。
操作方法和控制方案還能夠改造現有的煤氣化器來以有效的方式使用多個原料。控制策略還能夠平穩且有效的操作多區氣化器。
當使用生物質作為LCV HOC燃料時，本發明的實施方案中所描述的氣化器的配置和操作方法提供了每單位重量的燃料、每單位量的合成氣或每單位量的所產生的功率等的低的CO2排放，因為生物質被認為是CO2中性的，如早先所討論的。
根據本發明實施方案的氣化器的操作還導致較低的操作成本，這是由於純氧的較低要求、所使用的LCV HOC原料的較大顆粒尺寸等因素造成。本發明的實施方案使得能夠使用LCV HOC原料如生物質的較大的顆粒尺寸，而沒有不利地影響轉化效率。顆粒尺寸的變化還被用於獲得氣化區中的原料的期望混合。使用本發明的實施方案可以控制氣化器的操作，以便降低汙染物形成如NOx。熔渣的流動性可以得到改進，這導致氣化器的較好的操作和更加可靠。
雖然在本文中已經舉例說明和描述了僅僅某些特徵，但是本領域技術人員將會想到許多改變和變化。各種實施方案中所描述的特徵可以互換而形成更新的配置。這些特徵可以與已經眾所周知的配置和操作策略相結合而獲得更佳的性能。因此，應當理解的是所附權利要求意圖涵蓋所有這些如落入本發明的真實範圍內的改變和變化。
權利要求
1.一種氣化器，其包括
第一氣化區，其用於使用氧化劑氣化高卡值原料，所述氧化劑基本上在所述第一氣化區中被消耗；和
第二氣化區，其用於氣化低卡值、高氧含量原料。
2.權利要求1的氣化器，其中所述低卡值、高氧含量原料進一步包括水分，其數量足以產生蒸汽來有效地氣化所述低卡值、高氧含量原料。
3.權利要求1的氣化器，其進一步包括在所述第一氣化區中的至少一個蒸汽噴射器。
4.權利要求1的氣化器，其進一步包括第三氣化區，其中在所述第三氣化區中噴射的原料的卡值低於在所述第一氣化區中噴射的原料的卡值。
5.權利要求1的氣化器，其進一步包括至少一個在至少一個氣化區中的氧化劑噴射器。
6.權利要求1的氣化器，其中所述高卡值原料包括至少一種碳質燃料，其選自高級煤、中級煤、油和天然氣。
7.權利要求1的氣化器，其中所述低卡值、高氧含量原料包括生物質。
8.權利要求1的氣化器，其中所述低卡值、高氧含量原料包括低級煤。
9.一種多燃料氣化器，其包括
第一氣化區，其用於煤的氣化，包括至少一個煤噴射器和至少一個氧化劑噴射器，其中所述第一氣化區被配置成基本上消耗在氣化期間通過所述至少一個氧化劑噴射器噴射的氧化劑；和
第二氣化區，其使用來自生物質的氧含量來氣化所述生物質。
10.權利要求9的多燃料氣化器，其進一步包括至少一個在至少一個氣化區中的蒸汽噴射器。
11.權利要求9的多燃料氣化器，其中所述第二氣化區進一步包括至少一個氧化劑噴射器。
12.一種氣化器，其包括
至少一個用於將高卡值(HCV)原料噴射到所述氣化器的第一區中的噴射器；所述第一區被配置以便使相當大量的所述高卡值原料脫揮發份而形成揮發物和炭(HCV炭)；和
至少一個被配置以將低卡值、高氧含量原料噴射到所述氣化器的第二區中的噴射器，所述第二區被配置以通過使所述低卡值、高氧含量原料脫揮發份產生含氧的化合物，和使用所述含氧的化合物氣化由所述高卡值原料產生的炭。
13.一種操作多燃料、多區氣化器的方法，其包括
將高卡值原料和氧化劑噴射到第一區中；
氣化所述高卡值原料和所述氧化劑以基本上在所述第一區中消耗所述氧化劑；
將低卡值、高氧含量原料噴射到第二區中；和
用來自所述低卡值、高氧化劑含量原料的氧化劑氣化所述低卡值、高氧含量原料。
14.權利要求13的方法，其中所述高卡值原料包括至少一種碳質燃料，其選自高級煤、中級煤、油和天然氣。
15.權利要求13的方法，其中所述低卡值高氧含量原料包括至少一種選自低級煤和生物質的原料。
16.權利要求13的方法，其進一步包括，在所述第二氣化區中噴射氧化劑。
17.權利要求13的方法，其進一步包括在第三區中噴射另一低卡值、高氧含量原料，所述第三區位於氣化器的所述第二區的下遊。
18.一種控制多燃料氣化器的方法，其包括
將高卡值原料和氧化劑噴射到第一區中；
氣化所述高卡值原料和所述氧化劑以基本上在所述第一區中消耗所述氧化劑；
將低卡值、高氧化劑含量原料噴射到位於所述第一區下遊的第二區中；和
當在第一氣化區中噴射的氧化劑在氣化反應中被基本上消耗時，控制在所述第二氣化區中的所述低卡值、高氧含量原料的噴射。
19.權利要求18的方法，其進一步包括在所述第二區中噴射蒸汽，其中所述蒸汽噴射基於所述低卡值、高氧含量原料中的水分含量來控制。
20.權利要求18的方法，進一步包括確定產物氣體和熔渣中的至少一個的特徵，其中所述特徵用於控制所述將所述低卡值、高氧含量原料噴射到所述第二區中。
21.權利要求18的方法，其進一步包括用於測量所述多燃料氣化器中的氧化劑含量的機構。
22.權利要求21的方法，其中所述用於測量所述多燃料氣化器中的氧化劑含量的機構包括提供動力學氣化模型來計算所述多燃料氣化器中的空間解析的氧化劑含量。
23.權利要求18的方法，其中所述低卡值原料的所述控制噴射控制了所述低卡值高氧化劑燃料的噴射位置、噴射角度、噴射速率、顆粒尺寸和類型中的至少一個。
24.權利要求20的方法，其中產物氣體或合成氣的所述特徵控制了進入所述第一區中的所述高卡值原料的噴射位置、噴射角度、噴射速率、顆粒尺寸中的至少一個。
25.一種操作氣化器的方法，其包括
將煤和氧化劑噴射到所述氣化器的第一區中；
使所述煤基本上脫揮發份以在氣化器的所述第一區中產生炭；
將生物質噴射到位於所述第一區下遊的氣化器的第二區中；和
使所述生物質脫揮發份以在所述第二區中產生含氧的化合物並且用所述含氧的化合物氣化所述炭。
26.權利要求25的方法，其進一步包括在位於氣化器的所述第二區下遊的第三區中噴射低卡值、高氧化劑含量原料，和使用來自在所述第二區中噴射的所述生物質和在所述第三區中噴射的所述低卡值、高氧含量原料兩者的含氧的化合物，在所述第二區中氣化由煤產生的所述炭。
27.一種為燃料柔性改造煤氣化器的方法，其包括以下的步驟
將所述煤氣化器分為至少兩個區；
在第一區中提供至少一個噴射煤用的噴射器；
在第二區中提供至少一個噴射低卡值、高氧含量(LCV HOC)原料用的噴射器；和
相對於所述第一區設置所述第二區使得在操作期間被噴射的氧化劑在所述第一區中被基本上消耗。
28.權利要求27的方法，其中所述第一區被配置成使相當大部分的所述煤脫揮發份。
29.權利要求27的方法，其進一步包括提供監視控制系統，其被配置以測量和控制產物氣體特徵或熔渣特徵中的至少一個。
30.權利要求29的方法，其中所述監視控制系統被配置成在所述第一或第二區中控制所述低卡值、高氧含量原料的噴射速率、噴射角度、噴射位置、噴射速度和顆粒尺寸中的至少一個。
31.一種降低煤氣化器的需氧量的方法，其包括
將所述煤氣化器分為兩個區——第二區位於第一區的下遊；
在第一區中提供至少一個噴射煤用的噴射器；
在所述第一區中使相當大部分的煤脫揮發份以產生揮發物和煤炭；
在第二區中提供至少一個噴射低卡值、高氧含量原料用的噴射器；
在所述第二區中從所述低卡值、高氧含量原料產生含氧的化合物；和
用所述含氧的化合物氣化至少一部分的所述煤炭。
32.權利要求31的方法，其中所述煤氣化器進一步分出第三區，其中所述第三區被提供以另一低卡值、高氧含量原料，其為所述煤炭的氣化提供了另外的產生氧氣的化合物。
33.一種操作煤氣化器以便產生合成氣的方法，與煤的單氣化相比，所述合成氣在產物氣體中具有更高的H∶C比，所述方法包括
將所述煤氣化器分為兩個區——第二區位於第一區的下遊；
在第一區中提供至少一個噴射煤用的噴射器；
在所述第一區中使相當大部分的煤脫揮發份以產生揮發物和煤炭；
在第二區中提供至少一個噴射低卡值(LCV)、高氧含量原料用的噴射器；
在所述第二區中從所述低卡值、高氧含量原料產生含氧的化合物、LCV揮發物和LCV炭；
用所述含氧的化合物氣化至少一部分的所述煤炭；和
氣化所述LCV揮發物和LCV炭以產生除來自由煤的氣化的合成氣之外的合成氣。
全文摘要
多區共氣化器、其操作方法和改造方法。提供了一種氣化器，其氣化多個燃料。該氣化器被配置成包括第一氣化區，其用於使用氧化劑氣化高卡值原料。氣化器被配置成在第一氣化區中基本上消耗氧化劑。該氣化器還包括第二氣化區，其用於氣化低卡值、高氧含量原料。提供了操作氣化器的方法，其設想了將氣化器分為多個區。在第一區中噴射高卡值原料與氧化劑。操作氣化器從而在第一氣化區中基本上消耗氧化劑。操作氣化器的方法進一步包括在第二氣化區中噴射低卡值、高氧含量原料。改造煤氣化器，包括將煤分為至少兩個區並且改變氣化器和操作它，如文所述。煤被噴射到第一區，其被配置以使相當大部分的被噴射的煤脫揮發份而產生煤炭和揮發物。
文檔編號C10J3/46GK101760245SQ20091025323
公開日2010年6月30日 申請日期2009年12月11日 優先權日2008年12月11日
發明者V·扎曼斯基, V·利相斯基, B·N·埃特尼爾, W·韋, R·S·朱普迪, R·蘇布拉馬尼安 申請人:通用電氣公司