專利名稱：固態(tài)含碳原料的氣化方法和用于該方法的反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)含碳原料的氣化方法，其中所述氣化在一個延長的氣化反應(yīng)器容器中實施，所述反應(yīng)器容器包括氣化器單元；同軸布置的冷卻通道，通過該通道氣化器單元的負塵熱氣體產(chǎn)品從反應(yīng)器中排出；以及在所述氣化器單元的下游為負塵熱氣體產(chǎn)品提供急冷氣的設(shè)備。
這種方法在US-A-4859213中有述。該文獻描述了一個典型的煤氣化方法，所述方法在一個延長的氣化反應(yīng)器容器中實施，其中所述氣化反應(yīng)器容器包括氣化器單元；同軸布置的冷卻通道，通過該通道氣化器單元的負塵熱氣體產(chǎn)品從反應(yīng)器中排出；以及在所述氣化器單元的下游為負塵熱氣體產(chǎn)品提供急冷氣的設(shè)備。通過燃燒器與含氧氣體一起向氣化器單元中進料來自煤原料系統(tǒng)的粉碎煤。在氣化器中，粉碎煤被氧氣部分氧化為含一氧化碳-氫的氣體(合成氣)，另外其也被稱作產(chǎn)品氣。為爐渣形式的灰在冷卻通道中受重力作用移動至位于延長反應(yīng)器下端的渣池罐中。含塵埃和夾帶液體爐渣液滴的產(chǎn)品氣在冷卻通道中上升至急冷區(qū)。急冷后的產(chǎn)品氣通過管道流出氣化反應(yīng)器，進入廢熱鍋爐或合成氣冷卻器。在所謂的固體脫除區(qū)中從所得到的冷卻產(chǎn)品氣中脫除固體。然后來自固體脫除區(qū)的一部分清潔且冷卻的氣體通過循環(huán)氣壓縮機作為急冷氣進料返回至冷卻通道中。進入冷卻通道的急冷氣使產(chǎn)品氣冷卻，從而當固體和氣體流過時使夾帶的飛灰爐渣顆粒固化，并且不會粘附在管道或廢熱鍋爐表面上。
在碳氣化方法中，例如如US-A-4859213中所述，含碳原料在高溫和高壓下被轉(zhuǎn)化為熱的產(chǎn)品氣。在碳中所含的惰性灰組分部分以細小灰塵的形式與熱產(chǎn)品氣物流一起從氣化反應(yīng)器中排出。因為氣化壓力高達50bar及更高，所以在氣化方法中應(yīng)用的部件，如氣化反應(yīng)器、急冷設(shè)備、冷卻通道、管道和下游換熱器的加熱表面，都必須在壓力壁內(nèi)操作，其中所述壓力壁可以通過一個或多個壓力容器或壓力罩來實現(xiàn)。為了保護反應(yīng)器的壓力罩耐受超過1500℃的合成氣高溫，急冷管和冷卻通道均配有水冷卻的冷卻表面。負塵的熱產(chǎn)品氣利用急冷氣供應(yīng)單元提供的冷急冷氣冷卻至約900℃的溫度。在所述急冷單元下游的一個或多個換熱器的表面進行進一步的冷卻，從而產(chǎn)生蒸汽。
在氣化器單元、急冷單元、冷卻通道和氣化反應(yīng)器的壓力壁之間，形成一個環(huán)形空間，如US-A-4859213中所述。
冷卻通道的冷卻表面只能承受較小的氣體側(cè)壓差。因此，冷卻通道和環(huán)形空間的內(nèi)部壓力基本上需要補償。流體連接冷卻通道和環(huán)形空間的開孔是冷卻通道壁中的滑動點，其用來補償急冷單元的熱膨脹和開孔。
對于這一點，從Dr.G.Keintzel和Dipl.-Ing.Gawlowski在會議EPOS 2000-International Conferencce on Efficiency，Cost，Optimisation，Simulation and Environmental Aspects of Energyand Process Systems，July 5-7，2000，University of Twente，Enschede，The Netherlands上的演講“氣化器和合成氣冷卻器的設(shè)計標準(Criteria for Design of Gasifier and Syngas Cooler)”、圖“合成氣冷卻器中的加熱表面(Heating Surfaces in the SyngasCooler)”中可知，為了至少在通過氣體屏障而與壓力壁分離的熱氣導(dǎo)流通道段處獲得壓力補償，形成與冷卻通道開口相連的滑動點，或為其提供氣體滲透性活塞。因此，在壓力補償?shù)倪^程中，負塵熱產(chǎn)品氣進入環(huán)形空間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)規(guī)模的碳氣化裝置中，因為熱氣可以在朝向環(huán)形空間的冷卻表面?zhèn)群蛪毫Ρ谔幚鋮s下來，并且冷卻后的氣體可以通過滑動點流回冷卻通道，所以在加入氣體的環(huán)形空間中在氣體側(cè)發(fā)生了不希望的流動，即所謂的二級流動。按這種方式，各壓力壁的區(qū)域?qū)l(fā)生不希望的加熱和灰塵沉降。這有可能導(dǎo)致操作失敗。
本發(fā)明的一個目的是提供一種基本上如上面所描述的氣化方法，其中負塵的產(chǎn)品氣不會進入環(huán)形空間，并因此避免了灰塵的沉積。
下列方法將實現(xiàn)這一目的。一種固態(tài)含碳原料的氣化方法，其中所述氣化在一個延長的氣化反應(yīng)器容器中實施，所述反應(yīng)器容器包括氣化器單元；同軸布置的冷卻通道，通過該通道氣化器單元的負塵熱氣體產(chǎn)品從反應(yīng)器中排出；和位于所述氣化器單元的下游為負塵熱氣體產(chǎn)品提供急冷氣的設(shè)備，其中以足夠的流量向反應(yīng)器容器壁和冷卻通道間的環(huán)形空間中提供無塵氣，以確保無負塵熱氣從冷卻通道流入所述環(huán)形空間。
申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過向所述環(huán)形空間提供這種無塵氣，在冷卻通道的壁內(nèi)，如在所述滑動點和急冷提供設(shè)備處，不會有負塵熱產(chǎn)品氣通過開口。將會存在所謂的從環(huán)形空間至冷卻通道的無塵氣的正向流動。為了達到這種正向流動，供給所述環(huán)形空間的無塵氣的流量優(yōu)選使所述環(huán)形空間中的壓力至少等于或剛好高于所述冷卻通道中的壓力。上述方法也稱為壓力補償法。
另外，因為有效地抑制了二級流動，所以在這里也不會發(fā)生不允許的壓力壁的加熱。因此，在包圍換熱器加熱表面的環(huán)面上沒有大量的灰塵沉降。
雖然利用以前提出的向環(huán)中注入負塵熱氣體可以保持環(huán)內(nèi)的壓力在某種程度上低于氣體內(nèi)部的壓力，但是本發(fā)明的方法卻打算向環(huán)中注入急冷氣，從而使環(huán)內(nèi)的氣體壓力等于或稍高于氣化器單元和通道內(nèi)的氣體壓力。
無塵氣的溫度優(yōu)選為200-350℃，并且更優(yōu)選低于300℃。
無塵氣優(yōu)選為氣化器單元氣體產(chǎn)品的一部分，其中這部分氣體產(chǎn)品已經(jīng)在所述氣化反應(yīng)器的下游脫除了灰塵，例如在固體脫除區(qū)得到的無塵產(chǎn)品氣。因為這股無塵產(chǎn)品氣亦優(yōu)選用作急冷氣，因此已經(jīng)發(fā)現(xiàn)組合向環(huán)形空間提供無塵氣和向冷卻通道提供無塵氣是有利的。在這種優(yōu)選實施方案中，提供急冷氣的設(shè)備優(yōu)選配有向冷卻通道提供急冷氣的氣體排放口和向環(huán)形空間提供急冷氣的氣體排放口。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過在所述提供急冷氣的設(shè)備中提供足夠的開孔，可以實現(xiàn)穩(wěn)定且可靠的操作。在給定的急冷氣壓力水平和冷卻通道中的壓力水平下，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員能夠很容易地確定開孔的面積。
在一個優(yōu)選實施方案中，對于在冷卻通道中導(dǎo)流的熱產(chǎn)品氣來說，在冷卻通道中存在的任何滑動點都被氣密封。按照本發(fā)明的方法，因為用于壓力補償?shù)募崩錃鈴臍饣磻?yīng)器和急冷管間的急冷單元引入環(huán)中，所以壓力補償功能獨立于滑動點的功能。
按照這種方式，壓力補償功能也獨立于滑動點的其它兩種功能，即膨脹功能和組件分離功能。在各個壓力壁和各個冷卻部件間的較小的差分膨脹表面上優(yōu)選可以設(shè)置一個或多個氣體屏障，從而可以忽略補償在滑動點處在部件的軸向方向上大量差分膨脹的第二功能。
另外，在合成氣冷卻器中存在加入冷卻的熱氣體的環(huán)也是有用的，所述環(huán)由至少一個換熱器表面和包圍它的壓力壁限定，并且其對加入急冷氣的環(huán)來說是密閉的。
本發(fā)明還涉及一種延長的氣化反應(yīng)器容器，該反應(yīng)器容器可以在上述的方法中應(yīng)用，其包括氣化器單元；同軸布置的冷卻通道，通過該通道氣化器單元的負塵熱氣體產(chǎn)品從反應(yīng)器中排出；和位于所述氣化器單元的下游為負塵熱氣體產(chǎn)品提供急冷氣的設(shè)備，其中還存在為反應(yīng)器容器壁和冷卻通道間的環(huán)形空間提供無塵氣的設(shè)備。提供急冷氣的設(shè)備優(yōu)選配有將大多數(shù)急冷氣提供給冷卻通道的氣體排放口和將少量急冷氣提供給環(huán)形空間的氣體排放口。提供急冷氣的設(shè)備通常為孔(泄放開口)，其尺寸決定分別流向急冷管和環(huán)的氣體量。
冷卻通道優(yōu)選配有滑動點，其相對于在冷卻通道中導(dǎo)流的熱氣體被氣密封。
在所述急冷氣供應(yīng)單元下游的冷卻通道中，優(yōu)選有一個或多個滑動點。這些滑動點在兩個冷卻通道段面間和/或在冷卻通道的端部。用來封閉環(huán)形空間的環(huán)形屏障優(yōu)選位于所述滑動點的下游。
在連接通道面上提供進一步的滑動點也是有用的，并且為了在滑動點的面上更好地應(yīng)用組件分離功能，該滑動點優(yōu)選與壓力罩的延伸部分相關(guān)聯(lián)。
正如前面所述，在已知的碳氣化裝置中，為了進一步使氣體(產(chǎn)品氣)冷卻下來，至少一個被壓力壁包圍的換熱器加熱表面與冷卻通道的下游相連。在這種連接中，有用的是在冷卻通道和換熱器的加熱表面間配備滑動點，另外有用的是用來封閉滑動點下游環(huán)的環(huán)形屏障位于換熱器加熱表面的上游或下游。
通常應(yīng)用在氣體側(cè)相互之間依次連接的幾個加熱表面，并且這些加熱表面被同一壓力壁所包圍。壓力補償優(yōu)選發(fā)生在如下兩者之間換熱器加熱表面中的氣體內(nèi)部和用以前在換熱器加熱表面上冷卻下來的負塵熱氣包圍的環(huán)之間。由于與熱氣導(dǎo)流通道面上的溫度相比明顯更低的溫度，所以在環(huán)中不再發(fā)生二級流動以及由此產(chǎn)生的大量灰塵的沉降。
在應(yīng)用多個換熱器加熱表面的情況下，有用的是在至少兩個相鄰的加熱表面間插入氣密滑動點。
下面結(jié)合附圖描述本發(fā)明，在附圖中

圖1表示了碳氣化裝置的一個實施方案，其中氣化器單元位于第一壓力容器(氣化反應(yīng)器)中，并且換熱器加熱表面位于第二壓力容器(合成氣冷卻器)中，其中兩個壓力容器通過一個上升的連接通道(所謂的管道)相連；和圖2表示了與圖1相比具有傾斜的連接通道(管道)的另一個實施方案。
圖1中描述的氣化裝置由氣化反應(yīng)器1、連接管道2和合成氣冷卻器3組成。氣化反應(yīng)器1包括垂直取向的延長的壓力容器4，在該壓力容器中布置有冷卻通道5、7和急冷氣提供單元6。為氣化器單元8提供含碳原料如粉碎煤。在9處為急冷氣提供裝置6進料急冷氣Q。急冷后的熱產(chǎn)品氣HG在急冷氣提供裝置6下游的冷卻通道部件7中流動。冷卻通道配有冷卻表面。這些冷卻表面優(yōu)選為多個管束，冷卻水通過管束流動。一種優(yōu)選的冷卻表面為在US-A-4859213中公開的隔膜壁。
氣化反應(yīng)器1的下端配有氣體屏障10。另外，爐渣S在氣化反應(yīng)器1的下端11排出。壓力容器4由下部部件4a和帶有角法蘭4c的上部部件4b組成。壓力罩12與其相連。合成氣冷卻器3包括由容器部件13a、13b、13c組成的壓力容器13。所述壓力容器部件13包括一個向下取向的角法蘭13d，所述角法蘭13d與法蘭4c和壓力罩12一起確定連接通道2。在氣體冷卻器3內(nèi)，有三個換熱器加熱表面14，并且從熱氣體HG的流動方向看，它們重疊布置。加熱表面僅示意性地給出，并且可以為具有冷卻氣導(dǎo)流罩14a和直的或彎的內(nèi)件14b的加熱表面的形式。在所示的實施方案中，兩上上部的加熱表面的氣體導(dǎo)流罩14a連接在一起形成氣體導(dǎo)流罩15，而該氣體導(dǎo)流罩15通過氣密滑動點16與下部的加熱表面的氣體導(dǎo)流罩17相連。
冷卻通道部件7和氣體導(dǎo)流罩15之間的連接通過熱氣導(dǎo)流通道18來實現(xiàn)，該熱氣導(dǎo)流通道18在其彎曲部分18a延伸至壓力容器4中，以直管部分18b通過壓力罩12和法蘭13d，并且在其最后部分形成氣體偏移室18c。
氣體導(dǎo)流通道18在其入口端配有滑動點19，其相對于急冷管7滑動，而所述急冷管7在其出口端配有放大部位7a。這種放大作為一個簡單的錐形在圖中表示。
冷卻通道部件7和氣體導(dǎo)流通道18的相對終端均配有補償器固定器20和21，在這兩者之間有一個環(huán)形補償器22延伸，從而滑動點19相對于從急冷管流出的熱的熱氣體氣密封。在壓力罩12的面中的連接通道2中，在氣體導(dǎo)流通道18的兩個部分S1和S2之間配有另一個滑動點23，其中S1部分在其出口端具有一個放大部位?；瑒狱c23在設(shè)計方面與滑動點19相配。
在位于氣體冷卻器3中的氣體導(dǎo)流通道18的出口端和氣體導(dǎo)流罩15的入口之間，配有另一個滑動點24，其在設(shè)計上不同于滑動點19和23，不同點在于，沿氣體的流動方向看，放大部位15a不是設(shè)置在氣體導(dǎo)流通道18的出口端，而是設(shè)置在導(dǎo)流罩15的入口端?；瑒狱c15在設(shè)計方面與滑動點24相配。
也可以將滑動點19和23的放大部位設(shè)置在其它氣體導(dǎo)流元件上。同樣，在滑動點16和24處，可以在氣體導(dǎo)流區(qū)的下游入口端提供放大部位。
如圖1所示，氣化反應(yīng)器5、冷卻通道部件7、氣體導(dǎo)流通道18、氣體導(dǎo)流罩15和氣體導(dǎo)流罩17被由壓力容器4、壓力罩12和壓力容器13所確定的環(huán)25包圍。該環(huán)一方面通過氣化器單元1中的環(huán)形屏障10來限定，另一方面被環(huán)形屏障26再分為兩個局部的環(huán)25a和25b，而所述環(huán)形屏障26位于滑動點24和上部加熱表面14之間。
因為相對于在氣體內(nèi)件內(nèi)導(dǎo)流的負塵熱氣來說，滑動點19、23和24是氣密封的，所以在常規(guī)操作中，無負塵熱氣能夠進入環(huán)25a。
為了為氣化反應(yīng)器1、冷卻通道部件7和氣體導(dǎo)流通道18的氣體內(nèi)部提供壓力補償，向環(huán)25a中注入急冷氣Q，所述急冷氣從急冷氣提供裝置6通過出口開孔27進入環(huán)25a。按照壓力選擇出口開孔27的結(jié)構(gòu)，從而使環(huán)25a中的壓力等于或稍高于氣體內(nèi)部熱氣體的氣壓。因為急冷氣以比氣體導(dǎo)流通道18中的熱氣體的溫度(如900℃)低得多的溫度(如250℃)進入環(huán)，所以不可能發(fā)生各個壓力壁的臨界加熱。因為急冷氣不含灰塵，不會發(fā)生灰塵的沉降。
環(huán)形屏障26下游的環(huán)25b用從氣體導(dǎo)流罩17下端流出的已經(jīng)部分冷卻的熱氣向后并向上充氣，其中所述熱氣被冷卻至300-250℃。
因為環(huán)25b注入的是仍含有灰塵的但明顯更冷的氣體，所以不會發(fā)生由于熱氣物流的上升和隨后冷卻而造成的二級流動。
如圖1的虛線所示，壓力罩12可以有一個放大部位12a，其允許為了檢查目的而通過入口開孔12b進入滑動點23。
也可以在一個加熱表面14的下游設(shè)置環(huán)形屏障26，并因此而放大環(huán)25a。在滑動點24上方設(shè)置環(huán)形屏障26也是可以設(shè)想的。
圖2的實施方案在如下方面不同于圖1的實施方案氣化器1和氣體冷卻器3之間的連接通道不是上升而是下降的。圖1和圖2的帶有上升或下降連接通道12的兩種通常設(shè)計由US-A-4859214的圖1和圖2可知。另外，在圖2的實施方案中，可以設(shè)置放大部位12a。也可以應(yīng)用其它連接通道，例如水平或彎曲通道。
因此，在這兩個實施方案中，在各組件和壓力壁之間確定的環(huán)25的任何一點都不會由急冷管注入熱氣體，而是注入冷氣體，即一方面以急冷氣Q的形式注入，而另一方面用已經(jīng)冷卻下來的熱氣體注入。為了避免急冷氣和冷下來的熱氣體之間的短路，充氣的空間用屏障相互分隔。從熱氣體的流動方向看，環(huán)形屏障的位置可以變化。
圖3更為詳細地描述了急冷提供單元6。該急冷提供單元是對US-A-4859213中所述的圖3和3a的急冷提供單元進行改進的急冷提供單元。改進之處在于加了開孔27，通過該開孔急冷氣可以進入環(huán)形空間25。圖3還描述了冷卻通道5和7的隔膜壁部件45、為冷卻通道5和7提供急冷氣的開孔53和供應(yīng)通道部件9。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)含碳原料的氣化方法，其中所述氣化在一個延長的氣化反應(yīng)器容器中實施，所述反應(yīng)器容器包括氣化器單元；同軸布置的冷卻通道，通過該通道氣化器單元的負塵熱氣體產(chǎn)品從反應(yīng)器中排出；和在所述氣化器單元的下游為負塵熱氣體產(chǎn)品提供急冷氣的設(shè)備；其中向反應(yīng)器容器壁和冷卻通道之間的環(huán)形空間中以足夠的流量提供無塵氣，從而確保沒有負塵熱氣體從冷卻通道流入所述環(huán)形空間。
2.權(quán)利要求1所述方法，其中環(huán)形空間中的壓力等于或高于冷卻通道中的壓力。
3.權(quán)利要求1-2任一項的方法，其中所述無塵氣的溫度為200-350℃。
4.權(quán)利要求1-3任一項的方法，其中所述無塵氣是氣化器單元的氣體產(chǎn)品的一部分，其中這部分氣體已經(jīng)在氣化反應(yīng)器下游脫除了灰塵。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述無塵氣是急冷氣的一部分。
6.權(quán)利要求5的方法，其中提供急冷氣的設(shè)備配有為冷卻通道提供急冷氣的氣體排出口和為環(huán)形空間提供急冷氣的氣體排出口。
7.一種延長的氣化反應(yīng)器容器，包括氣化器單元；同軸布置的冷卻通道，通過該通道氣化器單元的負塵熱氣體產(chǎn)品從反應(yīng)器中排出；和在所述氣化器單元的下游為負塵熱氣體產(chǎn)品提供急冷氣的設(shè)備，其中還有為反應(yīng)器容器壁和冷卻通道之間的環(huán)形空間提供無塵氣的設(shè)備。
8.權(quán)利要求7的反應(yīng)器，其中提供急冷氣的設(shè)備配有為冷卻通道提供急冷氣的氣體排放口和為環(huán)形空間提供急冷氣的氣體排放口。
全文摘要
一種固態(tài)含碳原料的氣化方法，其中所述氣化在一個延長的氣化反應(yīng)器容器中實施，所述反應(yīng)器容器包括氣化器單元；同軸布置的冷卻通道，通過該通道氣化器單元的負塵熱氣體產(chǎn)品從反應(yīng)器中排出；和在所述氣化器單元的下游為負塵熱氣體產(chǎn)品提供急冷氣的設(shè)備；其中向反應(yīng)器容器壁和冷卻通道之間的環(huán)形空間中以足夠的流量提供無塵氣，從而確保無負塵熱氣體從冷卻通道流入所述環(huán)形空間。
文檔編號C10J3/78GK1639306SQ02829258
公開日2005年7月13日 申請日期2002年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月2日
發(fā)明者J·H·斯蒂爾 申請人:國際殼牌研究有限公司