專利名稱：低熱值固體燃料氣化產(chǎn)生電能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種低熱值固體燃料如褐煤、泥煤分兩步進(jìn)行熱解和用氧氣或氧氣-蒸汽氣化的新穎的氣化方法。另外還公開了一種在改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽動(dòng)力聯(lián)合系統(tǒng)(Co-Gas advancedsystem)中用產(chǎn)生的氣體產(chǎn)生大量電能并在操作運(yùn)轉(zhuǎn)中沒有環(huán)境污染的新方法。
由于在保證足夠量的電能量方面存在危機(jī)，并因?yàn)樵谑偷墓┙o和價(jià)格方面不正常，所以，生產(chǎn)電能的國家計(jì)劃寧愿優(yōu)先發(fā)展當(dāng)?shù)氐哪茉?。在該?yōu)選的開發(fā)計(jì)劃中，煤是首先被考慮的主要的資源，因?yàn)槊菏巧a(chǎn)電能中要用第一燃料，并且在世界上煤比油的資源豐富，而且分布更均勻。煤資源可分為低熱值和高熱值的；也可根據(jù)它們的含硫量劃分。燃燒固體燃料，所含的硫變成二氧化硫，從而毒害環(huán)境造成污染，由于這些問題，因此只限于使用含硫量低的固體燃料，并使其對(duì)環(huán)境的破壞盡可能小。
在使用煤產(chǎn)生電能時(shí)觀察到，通過煤的燃燒，產(chǎn)生電能的效果很差，同時(shí)釋放出大量的二氧化硫、飛灰和氧化氮，并對(duì)設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。
另外，燃燒固體燃料所產(chǎn)生的大量二氧化碳今天被認(rèn)為是主要的污染因素，是在我們星球上形成“溫室效應(yīng)”的主要原因。使用低熱值固體燃料如褐煤和泥煤，所有這些環(huán)境的和生產(chǎn)的問題顯得更為嚴(yán)重。
對(duì)于這些問題，現(xiàn)有的解決辦法是降低這些低熱值燃料的含硫量并中和燃?xì)狻?br>
然而這些解決辦法費(fèi)用很高，并且由于價(jià)格問題，使得所提供的解決辦法沒有吸引力?，F(xiàn)在，一種有吸引力的比較好的方法似乎是氣化這些低熱值燃料，盡管這樣可能使能量的損失較大。在完全氣化的情況下，可以洗滌煤氣，使其與毒氣和飛灰分離，但在完全氣化的情況下，熱值進(jìn)一步降低到65-70％，并且在操作中需要昂貴的工業(yè)裝置。
但是，與此同時(shí)，隨著在電力生產(chǎn)中燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，可以有利用氣體的更經(jīng)濟(jì)的解決辦法，我們的新穎解決辦法是這樣一種方法，該方法利用改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽動(dòng)力聯(lián)合系統(tǒng)中產(chǎn)生的燃?xì)?，用該方法，通過使用燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合系統(tǒng)，增加產(chǎn)生的電能的量。然而為了運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)，我們要求燃?xì)鉄o腐蝕性，沒有焦油和液體副產(chǎn)物，但具有盡可能高的熱能。
考慮到這些進(jìn)展，在公開的本發(fā)明中，已研究了低熱值褐煤和泥煤的技術(shù)特征，并發(fā)現(xiàn)這些固體燃料或它們本身或在除灰之后(在另一發(fā)明中)都在這一改進(jìn)系統(tǒng)中能高效運(yùn)轉(zhuǎn)來產(chǎn)生電能，這是因?yàn)檫@些燃料高度(40-85％)熱解、高度放熱，而沒有形成焦油和液體副產(chǎn)物。這些低熱值燃料熱解的最佳條件為400-600℃，熱解處理時(shí)大量放熱?；厥盏臒峤鈿堄辔锏奶考兌群芨?，熱值為4000-6000Kcal/kg，而無灰或在有灰情況下為2200-4000kcal/kg。在公開的本發(fā)明中，研究了用氧氣，選優(yōu)用氧氣-蒸汽氣化炭殘余物，并發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的燃?xì)饩哂袠O高的熱值并在900-1000℃回收。該氣化實(shí)現(xiàn)了炭的完全利用。按照本發(fā)明方法，即褐煤和泥煤二步氣化達(dá)到了很高的高熱效率，氧化氣化不會(huì)生成焦油或液體副產(chǎn)物。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，熱解處理在600℃發(fā)生放熱，產(chǎn)生350-600Kcal/kg熱量，并且放出的熱量與熱解的程度有關(guān)。燃?xì)獾臒岷亢偷谆遗c氧化氣化中生產(chǎn)的燃?xì)獾臒峤粨Q增加了能量。
如
圖1所示，引入固體燃料可采用的額外加熱裝置。即，也研究了沒有使用碳熱能也能達(dá)到熱解處理的熱平衡的條件。這導(dǎo)致極大地節(jié)省能量以及充分利用低熱值固體燃料的熱能。
本發(fā)明發(fā)現(xiàn)氣化及熱解處理的二步氣化和完全氣化(用氧或用氧-蒸汽)，有利于生產(chǎn)不同化學(xué)性質(zhì)的產(chǎn)品，其中熱解是一種還原處理，其中，硫被氣化成硫化氫，而氧化氣化處理是化學(xué)性質(zhì)的氧化，且硫被氧化成二氧化硫。然后，研究并擬訂出解決辦法，通過創(chuàng)造條件將燃?xì)馑腿肟藙谒?Claus)反應(yīng)器內(nèi)中和這些含硫氣體。在第一次在輪機(jī)系統(tǒng)中利用它們的熱機(jī)能量之后，在600℃、30atm混合這些燃料物流并把它們送入克勞斯催化反應(yīng)器，含硫氣體釋放出產(chǎn)物硫。
這種中和含硫氣體有利于簡單生產(chǎn)有價(jià)值硫的可能性是本發(fā)明新穎性和重要性的關(guān)鍵，因?yàn)樗蓾M足第一個(gè)目的，即該R&D所包括的情況，這樣可開發(fā)一種方法，該方法是用低熱值固體燃料生產(chǎn)電能，而不會(huì)產(chǎn)生來自二氧化硫和飛灰的毒性污染問題，可以高純度收集生成的硫，并且還有少量的生成的硫被氣流攜帶，在氣流中用水洗滌并收集它們。
本發(fā)明的另一創(chuàng)造性是在熱解處理期間產(chǎn)生了30atm壓力，并在此壓力得到燃?xì)?，并在氣化處理和克勞斯裝置兩步處理中達(dá)到工作壓力。在溫度為600-900℃，壓力為30atm得到該燃?xì)猓錄]有腐蝕物和含硫氣體。
本發(fā)明的另一基本的創(chuàng)造性證明是低熱值固體燃料(褐煤和泥煤)的放熱熱解，這是因?yàn)檫@樣的有機(jī)質(zhì)中存在一定量的氧，這如同木材一樣。眾所周知，木材和木質(zhì)有機(jī)質(zhì)在高于400℃時(shí)會(huì)放熱熱解，過去的木材蒸餾處理和近期的廢有機(jī)質(zhì)的熱解處理都有利地利用了它們。低熱值固體燃料(褐煤和泥煤)具有下列木質(zhì)稠度(woody consistency)。
表1褐煤和泥煤的稠度組分 褐煤 泥煤PH 5.8-6.94.6-5.4灰 15-35 6-20.5蠟質(zhì)物等 5.2-6.88.1-8.3腐黑酸 20-33.818-34.1腐黑酸物 30-40 37-42.1全纖維素 31-35 26.1-32.9d-纖維素 8-15 10.5-12.0具有以上的性質(zhì)，就決定了熱解趨勢的性質(zhì)和用氧或氧-蒸汽氣化的結(jié)果，形成的系統(tǒng)有利于在熱交換和最后結(jié)果中的熱平衡。熱操作參數(shù)的確定如下a.用來自廢氣、底灰等的廢棄熱能來加熱固體燃料以進(jìn)行熱解處理。
b.熱解氣化是放熱的，生成250-600Kcal/kg熱能，形成高達(dá)30atm的操作壓力，其不受水分或灰的影響，所以該熱解氣化是先進(jìn)的并且是還原反應(yīng)。
c.中和含硫氣體的克勞斯反應(yīng)在600℃燃?xì)鉁囟取?0atm燃?xì)鈮毫Α2S/SO2摩爾比2∶1下是自發(fā)產(chǎn)生的，反應(yīng)是定量的。
d.使用該方法的裝置應(yīng)在30atm壓力下，高達(dá)900℃燃?xì)鉁囟认虏僮鳌?br>
固體燃料如褐煤或泥煤、無論是它們本身或在除灰處理后，將它們以粉料形式干燥，首先機(jī)械脫水，然后用在1000℃回收的灰的熱能及廢氣的熱能進(jìn)行熱交換，以使最后回收的廢氣溫度降至180-300℃，來加熱固體燃料到180-300℃。
用在180-300℃的固體燃料如褐煤開始熱解處理，當(dāng)要熱解時(shí)，需溫度450-600℃。用如下熱源達(dá)到上述溫度a)與在1000℃回收的氧化氣體(冷卻到600℃)熱交換，可提供200℃給熱解物質(zhì)；b)利用放熱熱解反應(yīng)生成的熱能，它能將溫度升高200-300℃，用這些熱能使熱解處理達(dá)到600℃或更高。如果需要，在褐煤進(jìn)料處設(shè)置加熱裝置來補(bǔ)償熱解處理的能量，然而這很大程度取決于熱解和氧化氣化處理的相對(duì)程度。
用氧或優(yōu)選氧氣-蒸汽氣化時(shí)，加入600℃的、高炭純度且為多孔狀的炭質(zhì)熱解殘余物，它們非常劇烈地進(jìn)行反應(yīng)，使所含的炭進(jìn)行定量轉(zhuǎn)化并快速提高溫度到900-1000℃。在氧化處理中的熱能損失比較低，小于12％，這指的是總量的50％。實(shí)際熱能損耗在6％以下，對(duì)于整個(gè)氣化處理這是很低的，并得到高能量效益。
一種來自于熱解、一種來自于氧氣或氧氣-蒸汽氣化的二種氣流，在回收它們時(shí)或在輪機(jī)中能量交換利用之后混合。然后進(jìn)入在壓力下操作的克勞斯裝置。在克勞斯裝置內(nèi)，中和含硫氣體，并回收沒有腐蝕氣體的燃料氣流。
分析用幾種希臘產(chǎn)褐煤和泥煤在進(jìn)行熱解和氧氣氣化的二個(gè)反應(yīng)器中產(chǎn)生的氣體，在下表2中給出其最大和最小組成。
表2熱解和氧氣氣化的氣體燃料組成熱解，％氧氣氣化，％甲烷20-35一氧化碳30-35 一氧化碳35-40二氧化碳2-6 二氧化碳16-22氫16-22 氫40-60硫化氫1-3 二氧化硫1-2幾種低熱值固體燃料熱解反應(yīng)過程得到的結(jié)果列于表3。
表3低熱值褐煤和泥煤的熱解反應(yīng)，以％計(jì)(無灰，干燥)
本發(fā)明工藝流程圖示出利用產(chǎn)生的氣體產(chǎn)生電能的流程，顯而易見，具有創(chuàng)造性并可獲得能量收益。
生產(chǎn)工序由二個(gè)壓力反應(yīng)器組成，一個(gè)是熱解反應(yīng)器，一個(gè)是用氧氣氣化的反應(yīng)器。熱解反應(yīng)器設(shè)計(jì)操作壓力為50atm，操作溫度為700℃，是流化床型，采用自動(dòng)加煤和排出得到的產(chǎn)品(炭質(zhì)殘余物和燃?xì)?的系統(tǒng)。
氣化反應(yīng)器設(shè)計(jì)操作溫度高達(dá)1200℃，壓力高達(dá)50atm，是固定床型，設(shè)有自動(dòng)進(jìn)料和引入氧氣并釋放出灰和生成氣的系統(tǒng)。
應(yīng)用本發(fā)明的另一可能性是熱解處理和在現(xiàn)有的生產(chǎn)壓力蒸汽的鍋爐內(nèi)燃燒炭質(zhì)殘余物相結(jié)合。
按照這種方案，把固體燃料如褐煤和泥煤引入熱解反應(yīng)器內(nèi)，含至多60％的水或是干狀的，或是半干狀的，生成的燃?xì)馑腿胼啓C(jī)以利用它們的熱機(jī)能量，然后洗滌，并用公知的方法如與Stretford方法相結(jié)合來中和存在的硫化氫。之后，燃燒該燃?xì)?，在改進(jìn)的聯(lián)合系統(tǒng)中生成大量電能。在這種情況下，在現(xiàn)有鍋爐中燃燒炭質(zhì)殘余物以生產(chǎn)壓力蒸汽，用來運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)有的蒸汽輪機(jī)或新的裝置。按照該方法，電能產(chǎn)量大約是現(xiàn)有技術(shù)得到電能的三倍以上，而脫硫達(dá)到固體燃料中存在的硫總量的70％。
在本發(fā)明描述的系統(tǒng)中，具有創(chuàng)造性并被實(shí)踐證明，熱解處理不受存在的灰的水分的影響，而且，這種處理將能量轉(zhuǎn)換形式、能量利用生成的產(chǎn)物、氣體和炭質(zhì)殘余物表現(xiàn)出來，并且生成的蒸汽實(shí)際上明顯增加了氣體的體積和它們的能量。除了通過生物精制(biorefining)而使固體燃料達(dá)到最佳利用外，放熱反應(yīng)明顯地增加了能量并作為熱源。
將從反應(yīng)器出來的燃?xì)饣旌?，并進(jìn)入輪機(jī)，釋放出部分熱機(jī)能量作為電能，然后引入克勞斯反應(yīng)裝置內(nèi)。在克勞斯裝置內(nèi)，氣體應(yīng)有400-450℃的溫度和工作壓力。熱機(jī)能量也可通過熱交換用于產(chǎn)生蒸汽。
在最后，燃?xì)夂械臒崮苓_(dá)到生物精制使用的最初固體燃料熱能的95％，并且還有放熱反應(yīng)的能量。
將燃?xì)馑腿敫倪M(jìn)的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，用于產(chǎn)生電能。按照本發(fā)明，與輪機(jī)一起，對(duì)熱機(jī)能量利用可超過65％。
目前，電能的產(chǎn)率是1.1Kg300Kcal褐煤每KWh，或用熱含量800-1200Kcal/Kg的褐煤和泥煤，其生產(chǎn)率是1.8-4.1Kg/KW電能。按照本發(fā)明，電的生產(chǎn)能力給人的印象是很深刻的，達(dá)到0.41-0.62Kg褐煤或泥煤/KWh，因?yàn)楦鶕?jù)褐煤和泥煤在干燥狀態(tài)時(shí)的能量含量利用低熱值的褐煤和泥煤，并另外通過適度放熱反應(yīng)的影響又可增加能量20-30％。從上述結(jié)論看出，本發(fā)明在使用具有30-80％的熱解趨勢的低熱值固體燃料方面，提高了電能生產(chǎn)產(chǎn)率，它與高熱值固體燃料及油相當(dāng)，并且在操作中完全沒有污染。
因此，本發(fā)明介紹一種用地球上分布很廣的低熱值固體燃料低成本產(chǎn)生電能的方法，并且在操作時(shí)產(chǎn)生大量的電能，但沒有引入飛灰、SO2污染，并且也可以使其沒有氧化氮，這就完全消除了污染。也使得每生產(chǎn)單元CO2的釋放降低75％。
權(quán)利要求
1.一種利用低熱值固體燃料的方法，其特征在于將這些燃料炭質(zhì)部分的40-80％熱解，然后將剩余部分用氧或氧蒸汽氣化或燃燒，并不生成焦油或副產(chǎn)物，其具有總的高熱量、內(nèi)部的污染控制、并優(yōu)質(zhì)大量地生產(chǎn)用于改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽動(dòng)力聯(lián)合系統(tǒng)中產(chǎn)生電能的燃?xì)狻?br>
2.按權(quán)利要求1的利用低熱值固體燃料的方法，其特征在于熱解處理是還原性的，氣化的硫是硫化氫，剩余部分的氣化是氧化性的，在克勞斯反應(yīng)有效操作條件下混合上述二種氣態(tài)物流，通過克勞斯反應(yīng)，中和這些含硫氣體，定量地形成分子硫。
3.一種改進(jìn)熱處理的方法，其操作溫度為450-600℃，進(jìn)行強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，每公斤褐煤或泥煤產(chǎn)生250-600Kcal熱量，其與熱解程度有關(guān)，并形成壓力下操作的條件。
4，一種用氧氣或用氧-蒸汽將熱解炭質(zhì)殘余物氣化的方法，其在600℃，用干燥的、高純度和高表面活性的物料完成，以便迅速進(jìn)行氧化處理，使熱能消耗低，形成高達(dá)1100℃的溫度或燃燒該炭質(zhì)殘余物，以有效地生成壓力蒸汽。
5.分為熱解和氣化的兩步方法，其中，低熱值固體燃料可熱解40％或更高，它的含水量至多為60％，熱解處理可作為有效的脫水步驟操作。
6.按權(quán)利要求1、2、3、4和5的方法，其中，在450-600℃操作的熱解反應(yīng)所需的熱能，由放熱反應(yīng)給出200-300℃的能量，通過與氣化氣熱交換可給出200℃溫升，還有引入180-320℃的固體燃料所含的熱能，如果需要，還可加熱提供能量。
7.一種方法，其中進(jìn)入熱解處理裝置的固體燃料通過與廢氣或底灰進(jìn)行熱能交換、以粉料的形式被干燥，利用該方法，使引入的褐煤溫度達(dá)到180-320℃，脫水60-90％。
8.按照權(quán)利要求3、4、5和6的方法，其中，因?yàn)槔脧U棄的熱能進(jìn)行熱解，并且利用氧和氧-蒸汽的氣化只消耗6％的炭質(zhì)，所以能達(dá)到高的熱能效率，這樣，總的熱能產(chǎn)量達(dá)到引入的固體燃料能量含量的95％，并且由于放熱反應(yīng)的影響使得到的能量超過基礎(chǔ)熱量的100％。
9.按照前述權(quán)利要求的方法，在分為熱解和氣化二步過程中，低熱值的固體燃料在熱解步驟熱解40％以上，然后在氣化步驟用氧或氧-蒸汽氣化炭質(zhì)殘余物，生成燃?xì)?，該燃?xì)庠诳藙谒狗磻?yīng)中很容易而且很有利的除去所含的含硫氣體并產(chǎn)生600-800℃的溫度和20-30atm的壓力，使其具有高熱機(jī)能量，然后進(jìn)入輪機(jī)中，由熱能產(chǎn)生電能。
10.按照前述權(quán)利要求特別是權(quán)利要求9的方法，其中燃?xì)庠诒皇褂弥蠛驮诳藙谒狗磻?yīng)運(yùn)行之后用水洗滌，然后送入聯(lián)合循環(huán)裝置中，以產(chǎn)生超過氣體熱量50％的能量。
11.一種在分為熱解和氣化的二步工藝中使用低熱值燃料的方法，其中，該方法可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部污染控制并產(chǎn)生至少兩倍于目前用燃燒該燃料的方法的電能，并每一生產(chǎn)單元減少至少75％的二氧化碳排放物，從而降低形成“溫室效應(yīng)”的污染。
12.按照權(quán)利要求1-10的方法，其中低熱值固體燃料在分為熱解和用氧或氧-蒸汽氣化的二步方法中氣化，并在600-800℃的溫度和20-30atm的壓力下回收該氣體物流，并在克勞斯反應(yīng)裝置內(nèi)中和所含的含硫氣體，將燃?xì)馑腿胼啓C(jī)中利用它們的熱機(jī)能，然后在聯(lián)合循環(huán)裝置中用它們作燃料，通過該方法產(chǎn)生的電能是引入固體燃料熱值的55-75％，用該熱電裝置操作，沒有污染破壞，不生成含硫氣體，或飛灰(和通過氧化氮裝置)，并且每生產(chǎn)單元減少75％二氧化碳排放物。
全文摘要
一種新穎的利用低熱值固體燃料產(chǎn)生電能的方法，它在二個(gè)串聯(lián)的壓力反應(yīng)器中操作，第一個(gè)是流化床型，是生成硫化氫的還原方法。第二個(gè)壓力反應(yīng)器是固定床反應(yīng)器，在此直接用氧或氧-蒸汽氣化碳的殘余物，硫被氧化成二氧化硫。二種氣態(tài)物流通過克勞斯反應(yīng)中和，在600℃—800℃和20—30atm下生成燃?xì)?，在外部輪機(jī)中使用該燃?xì)猱a(chǎn)生電能和壓力蒸汽。
文檔編號(hào)F01K23/06GK1113086SQ94190559
公開日1995年12月6日 申請(qǐng)日期1994年6月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月4日
發(fā)明者G·N·瓦克納斯 申請(qǐng)人:伯克特公司