專利名稱：用于在間接加熱的氣化過(guò)程中制備焦炭的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在間接加熱的氣化過(guò)程中制備焦炭的方法，其中向氣化反應(yīng)器供應(yīng)煤顆粒，并將氣化過(guò)程中供應(yīng)的工藝氣體(process gas)在氣化反應(yīng)器中還原為合成氣，由此將合成氣移出氣化反應(yīng)器。本發(fā)明還涉及實(shí)施所述方法的裝置。
背景技術(shù)：
煤是一種基礎(chǔ)物質(zhì)，其不僅是我們最重要的能源，還是許多類型工藝中的重要化學(xué)物質(zhì)。煤的強(qiáng)還原電位被用于例如用煤還原鐵礦石的冶金工藝中。此外，從鋼鐵工業(yè)回收氧化性殘余物料是煤利用的一個(gè)例子。這些工藝目前主要基于經(jīng)預(yù)處理以獲得對(duì)于例如焦炭爐中的工藝過(guò)程的強(qiáng)度和性質(zhì)合適的化石煤。如果可引入再生煤(基于生物質(zhì))，應(yīng)能夠減少來(lái)自這些類型的工藝的二氧化碳排放。本專利描述一種用于在生物質(zhì)的間接加熱氣化過(guò)程中通過(guò)對(duì)煤進(jìn)行碳化來(lái)制備用作例如還原劑的煤/焦炭的方法。氣化是一種從固體燃料產(chǎn)生氣態(tài)燃料的方法。該技術(shù)被用于煤、殘余煤產(chǎn)物、石油殘余物、廢物和生物質(zhì)。該反應(yīng)是基于以下事實(shí)，即氧化性氣體(例如CO2和H2O)被加熱，并與煤([C]還原劑)反應(yīng)，其間形成一氧化碳(CO)和氫氣(H2)，其中熱量被用來(lái)驅(qū)動(dòng)吸熱的反應(yīng)。一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的氣體混合物通常被稱為合成氣。常規(guī)的氣化方法是在供應(yīng)過(guò)熱蒸汽下以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于化學(xué)計(jì)量的方式燃燒煤。燃燒向裝置供應(yīng)熱量和燃燒廢氣(CO2和H2O)。沒(méi)有燃燒但過(guò)熱的煤與廢氣和供應(yīng)的蒸汽反應(yīng)。煤(C)將二氧化碳(CO2)還原為一氧化碳(CO)，并將水蒸氣(H2O)還原為氫氣(H2)。所用的熱量降低溫度，并且反應(yīng)性下降。煤的反應(yīng)性很大程度依賴于溫度，同時(shí)反應(yīng)的平衡性也依賴于溫度。雖然存在基于空氣的燃燒，但是基于氧氣的燃燒仍是目前與氣化相關(guān)的用于燃燒的主要方法。煤、殘余煤產(chǎn)物、石油殘余物、廢物和生物質(zhì)氣化的問(wèn)題在于它們不是均質(zhì)材料，而是在反應(yīng)過(guò)程中釋放出的不同重量的組分(焦油)和復(fù)雜的組分(芳族物)。這些組分不能可靠地反應(yīng)，而必須在可使用合成氣，或進(jìn)一步將合成氣精煉為液體烴或其它燃料之前進(jìn)行后續(xù)分離。在氣化反應(yīng)之前，可通過(guò)將煤、殘余煤產(chǎn)物、石油殘余物、廢物和生物質(zhì)熱解而分離這些具有不同重量的組分(焦油)和復(fù)雜組分(芳族物)。此時(shí)獲得的且由可冷凝產(chǎn)物和氣體組成的熱解產(chǎn)物可以用作氣化工藝中的燃料。在上述的氣化中，熱解反應(yīng)是工藝的一部分。但是，具有不同重量的組分(焦油)和復(fù)雜的組分(芳族物)與工藝中想要得到的合成氣在同一反應(yīng)器中。因此，在沒(méi)有例如冷凝、包殼(cladding)等反應(yīng)器本身存在的物理問(wèn)題下，具有不同重量的組分(焦油)和復(fù)雜的組分(芳族物)的處理成為氣化工藝有效性的限制因素。
以前從US4007014已知一種用于使活性炭再活化的裝置和方法。該裝置包括干餾反應(yīng)器和向其供應(yīng)活性炭的內(nèi)反應(yīng)器，其中將提供的活性炭再活化，這是因?yàn)檎羝问降姆磻?yīng)器氣體與向下傳入內(nèi)反應(yīng)器的活性炭接觸。為了使反應(yīng)器氣體能夠進(jìn)入內(nèi)反應(yīng)器中，反應(yīng)器在其夾套表面中設(shè)置有開(kāi)口，即在干餾反應(yīng)器和內(nèi)反應(yīng)器之間發(fā)生氣體交換。這與本發(fā)明的基本原理之一恰恰相反。以前從SE532711已知一種用于制備合成氣的方法和裝置，其中反應(yīng)器的間接加熱通過(guò)反應(yīng)器中存在的燃燒器進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的涉及一種方法和裝置，其通過(guò)使用間接加熱的氣化反應(yīng)器，能夠管控上述的合成氣凈化和物理性限制現(xiàn)象的問(wèn)題。在間接加熱的氣化過(guò)程中的煤的同步碳化(carburization)是指用于碳化的熱量可從用于氣化工藝的反應(yīng)器獲得。為此目的而設(shè)計(jì)、并具有單獨(dú)料流的加熱反應(yīng)器布置在氣化反應(yīng)器中。用于煤的加熱反應(yīng)器被氣化反應(yīng)器內(nèi)部的輻射間接加熱。在已經(jīng)焦化的煤在底部出料前，為了在氣化反應(yīng)器中被加熱處理至高溫，煤被進(jìn)料入該內(nèi)加熱反應(yīng)器的頂部。氣體向上通過(guò)反應(yīng)器而煤向下通過(guò)。此逆流運(yùn)動(dòng)使反應(yīng)器的溫度和組成變化達(dá)到均衡。較重的組分(如芳 族物)可依靠反應(yīng)器中的高溫而裂解成較小的分子。焦化而來(lái)的可燃?xì)怏w被返回并與生物質(zhì)熱解放出的燃料氣體混合。全部燃料氣體體積可用于干燥、熱解、焦化和氣化的加熱要求。如果產(chǎn)生任何余量，它可以有利地用于進(jìn)一步的能量要求等。本發(fā)明的目的和特征通過(guò)以下的獨(dú)立權(quán)利要求的特征所給出的方法和裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案限定于從屬權(quán)利要求中。


下面參照所附附圖來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，其中:圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方法的流程圖，該流程圖也示意性地示出了形成用于實(shí)施該方法的裝置的單元。
具體實(shí)施例方式圖1示意性地示出了形成用于實(shí)施該方法的裝置的多個(gè)單元。將裝置單元連接在一起的線路、管道等未詳細(xì)說(shuō)明或示出。合適地形成線路、管道等以實(shí)現(xiàn)它們的功能，即在裝置的單元之間傳輸氣體和固體物質(zhì)。圖1示出了間接加熱的氣化反應(yīng)器1，其通常是一個(gè)陶瓷襯里的反應(yīng)器。該反應(yīng)器以這樣的方式構(gòu)成，即它可以在兩個(gè)獨(dú)立的料流C1和C2中氣化和焦化煤顆粒C。因此，用于焦化煤的內(nèi)反應(yīng)器4并入氣化反應(yīng)器I中。固體煤顆粒的一部分通過(guò)料流C2被供應(yīng)至內(nèi)反應(yīng)器4中，并且部分通過(guò)料流C1和工藝氣體P —起通過(guò)噴射噴嘴5被供應(yīng)至氣化反應(yīng)器I中。煤顆粒C來(lái)自氣化前的熱解。料流C1的煤顆粒C的尺寸優(yōu)選足以能與工藝氣體P的進(jìn)氣流一起被載入氣化反應(yīng)器I。通向內(nèi)反應(yīng)器4的煤顆粒通常大于外部氣化反應(yīng)器I的煤顆粒。工藝氣體P可以是蒸汽或從燃燒階段回收或凈化的廢氣A。內(nèi)反應(yīng)器4中的焦化減少了該料流中的煤的量，因?yàn)樾纬闪祟愃朴跓峤鈿獾目扇細(xì)猓瞧浣M成由反應(yīng)器溫度控制，而此時(shí)的反應(yīng)器溫度顯著更高。高于之前熱解中的溫度的內(nèi)反應(yīng)器4中的煤從300°C至700°C的升溫預(yù)計(jì)會(huì)使固體煤組分減少10%至35%。如果工藝氣體P是經(jīng)回收的廢氣A，其可以含有水蒸氣(H2O)和二氧化碳(CO2)。工藝氣體P被從換熱器2中排出的合成氣S提取的熱量預(yù)熱。氣化反應(yīng)器I中發(fā)生的反應(yīng)是通過(guò)噴射噴嘴5噴入的料流C1將工藝氣體P中的組分(H2O和CO2)還原為合成氣S (H2和CO)，其消耗由燃燒器Br I供應(yīng)至Br η的熱量。通過(guò)來(lái)自燃燒器Br I至Br η的供熱，經(jīng)由所進(jìn)行的氣化過(guò)程，使得焦化反應(yīng)在內(nèi)反應(yīng)器4中并行地發(fā)生。氣化反應(yīng)器I被燃燒器Br I至Br η間接加熱(其中η指氣化反應(yīng)器I所需的燃燒器數(shù)量)。內(nèi)反應(yīng)器4以相同的間接方式被燃燒器Br I至Br η間接加熱。通過(guò)Br I至Br η的輻射，向氣化反應(yīng)供應(yīng)熱量，其中燃燒發(fā)生在輻射管內(nèi)，即與氣化料流是隔離的。在氣化反應(yīng)器I中，Br I至Br η與工藝氣體P或其反應(yīng)產(chǎn)物之間沒(méi)有發(fā)生直接的氣體交換。內(nèi)反應(yīng)器4與氣化反應(yīng)器I中進(jìn)行的氣化工藝也沒(méi)有發(fā)生氣體交換。用燃料F供應(yīng)燃燒器Br I至Br η，燃料F優(yōu)選地來(lái)自于之前的含煤材料的熱解步驟。供應(yīng)以空氣、富氧氣的空氣或純氧氣的形式存在的氧化劑O用于燃燒。換熱器3從排出的廢氣A中提取熱量，并預(yù)熱進(jìn)入的氧化劑O。廢氣A進(jìn)入煙氣凈化器，其中如進(jìn)入的含煤材料所要求的，使用旋風(fēng)分離器、催化凈化器、過(guò)濾器(電氣的或織物的)和洗滌器，以滿足對(duì)于工藝排放所涉及的要求。煤C來(lái)自之前的熱解步驟且含有灰分殘余物。通過(guò)將氣化反應(yīng)器I中的溫度控制至低于(或高于)灰分的熔化溫度，優(yōu)選地可通過(guò)后續(xù)的高溫旋風(fēng)分離器(或以流動(dòng)形式例如熔渣)將其除去。排出的合成氣S可用作用于燃燒目的的能量氣體，或用作用于進(jìn)一步精制為液體燃料的基料(用于典型的運(yùn)輸工具燃料的費(fèi)托合成、乙醇生產(chǎn)等)。氣化反應(yīng)器I中的壓力可控制為從大氣壓至高得多的壓力(> 100巴(g))?？煽刂茪饣磻?yīng)器I和內(nèi)反應(yīng)器4的溫度，以獲得合成氣S和焦炭PC的最大收率。典型的數(shù)值在750-1300°C之間。另一種可選的工藝氣體P和煤C的間接加熱的實(shí)施方案是可布置在反應(yīng)器內(nèi)部的管道系統(tǒng)，其中燃燒發(fā)生在該反應(yīng)器中，并且在這種情況下所述管道系統(tǒng)成為氣化反應(yīng)器I和內(nèi)反應(yīng)器4。該設(shè)計(jì)可認(rèn)為特別是具有顯著更高溫度的爐。氣化反應(yīng)器I的幾何結(jié)構(gòu)由氣化工藝所需的反應(yīng)時(shí)間控制，而反應(yīng)時(shí)間則由所選的溫度控制。內(nèi)反應(yīng)器4的幾何結(jié)構(gòu)由煤焦化的質(zhì)量流量以及在為反應(yīng)器I選擇的溫度下將煤變?yōu)榻固康募訜嵘郎睾捅３謺r(shí)間的要求來(lái)控制。該幾何結(jié)構(gòu)可以是以管形式而旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，這可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的氣化過(guò)程，至與爐子類似的、進(jìn)而不需要旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的更大容積的設(shè)計(jì)。所述反應(yīng)器的尺寸可以設(shè)計(jì)成從小規(guī)模到非常大的工業(yè)規(guī)模。來(lái)自氣化反應(yīng)器I的合成氣S (H2和CO)含有高達(dá)60%的氫氣,其余為一氧化碳、二氧化碳或甲烷，其基于 進(jìn)料的工藝氣體P的組成。具有用于煤焦化的內(nèi)反應(yīng)器的間接加熱的氣化反應(yīng)器的熱效率程度變得非常高，并且，包括之前的熱解步驟以及所需的干燥在內(nèi)，該集成裝置可達(dá)到高達(dá)80%的熱效率。
權(quán)利要求
1.在間接加熱的氣化過(guò)程中制備焦炭(PC)的方法，其中向氣化反應(yīng)器(I)供應(yīng)煤顆粒，并且將氣化過(guò)程中供應(yīng)的工藝氣體(P)在氣化反應(yīng)器(I)中還原為合成氣(S)，借此將合成氣(S)從氣化反應(yīng)器(I)移除，其特征在于，在氣化進(jìn)行的同時(shí)，煤的焦化也在氣化反應(yīng)器(I)內(nèi)部布置的內(nèi)反應(yīng)器(4)中進(jìn)行，內(nèi)反應(yīng)器(4)被間接加熱，焦炭(PC)和可燃?xì)怏w在焦化過(guò)程中在內(nèi)反應(yīng)器(4)中產(chǎn)出，并且所述可燃?xì)怏w被用于在氣化反應(yīng)器(I)中的氣化中的間接加熱。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，工藝氣體(P)通過(guò)合成氣(S)的換熱而被預(yù)熱。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，內(nèi)反應(yīng)器(4)被間接加熱。
4.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在焦化過(guò)程中煤釋放出被利用的可燃?xì)怏w。
5.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，氣化反應(yīng)器(I)和內(nèi)反應(yīng)器(4)中的溫度在750° -1300。之間。
6.前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在氣化反應(yīng)器(I)的壓力可以控制為從大氣壓至高于100巴(g)的壓力。
7.用于在間接加熱的氣化過(guò)程中制備焦炭(PC)的裝置，其中所述裝置包括氣化反應(yīng)器(I)、布置在氣化反應(yīng)器(I)中產(chǎn)生輻射熱的燃燒器(Br 1-Brn)，并包括用于向氣化反應(yīng)器(I)內(nèi)部供應(yīng)煤顆粒和工藝氣體的噴射噴嘴(5)、布置在氣化反應(yīng)器(I)中的內(nèi)反應(yīng)器(4)，并且以這樣的方式形成內(nèi)反應(yīng)器(4):在焦化過(guò)程中煤顆粒通過(guò)內(nèi)反應(yīng)器(4)，其特征在于，提供從內(nèi)反應(yīng)器(4)向燃燒器(Br 1-Br η)傳導(dǎo)在焦化過(guò)程中產(chǎn)生的可燃?xì)怏w的手段。
8.權(quán)利要求7的裝置 ，其特征在于，內(nèi)反應(yīng)器(4)具有位于氣化反應(yīng)器(I)外部的用于煤顆粒的供應(yīng)端部，并且內(nèi)反應(yīng)器(4)具有位于氣化反應(yīng)器(I)外部的用于焦化煤的出料端部。
9.權(quán)利要求7或8的裝置，其特征在于，其包括用于加熱工藝氣體(P)和冷卻合成氣⑶的第一換熱器⑵。
10.權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，其包括從源自燃燒器(Br1-Br η)中燃燒的廢氣中提取熱量的第二換熱器(3)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在間接加熱的氣化工藝中制備焦炭(PC)的方法，其中向氣化反應(yīng)器(1)供應(yīng)煤顆粒，將氣化工藝中供應(yīng)的工藝氣體(P)在氣化反應(yīng)器(1)中還原為合成氣(S)，借此將合成氣(S)從氣化反應(yīng)器(1)移除。本發(fā)明還涉及用于實(shí)施所述方法的裝置。根據(jù)本發(fā)明的方法的區(qū)別之處在于，在氣化進(jìn)行的同時(shí)，煤的焦化也在氣化反應(yīng)器(1)內(nèi)部布置的內(nèi)反應(yīng)器(4)中進(jìn)行，內(nèi)反應(yīng)器(4)被間接加熱，在焦化過(guò)程中焦炭(PC)和可燃?xì)怏w在內(nèi)反應(yīng)器(4)中產(chǎn)出，而可燃?xì)怏w則被用于氣化反應(yīng)器(1)的氣化過(guò)程中的間接加熱。
文檔編號(hào)C10J3/20GK103189473SQ201180049317
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者R·永格倫 申請(qǐng)人:科特斯公司