用于摻合無水漿料的混合物和設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于摻合無水漿料的混合物和設(shè)備
[0001] 發(fā)明背景 本文公開的主題涉及漿料的氣化。更具體地，本發(fā)明公開的實施方案涉及制備進(jìn)料漿 料并將進(jìn)料漿料遞送至氣化器。
[0002] 可將化石燃料（例如煤或石油）氣化用于生產(chǎn)電、化學(xué)品、合成燃料或用于多種其 它的應(yīng)用。氣化涉及在高溫和壓力下使含碳燃料與亞化學(xué)計量的量的氧反應(yīng)，以產(chǎn)生合成 氣，所述合成氣是一種主要含有一氧化碳和氫氣的氣體燃料，其比它的初始狀態(tài)的燃料更 有效地燃燒并且更為清潔。
[0003] 已知氣化過程通過以下方法攻克了將固體含碳燃料（例如煤）進(jìn)料至高壓汽化器 的挑戰(zhàn)：通過將煤碾磨為細(xì)粉并將該粉末與水混合以形成含水煤漿，所述含水煤漿可使用 常規(guī)加工設(shè)備（例如變?nèi)菡婵绽酰┻\(yùn)送至汽化器。一般使用該方法進(jìn)料至汽化器的漿料必 須滿足至少兩個條件。首先，燃料本身必須具有相對高的總熱值。其次，含水漿料的固體含 量必須使得固體燃料的能含量（如同它以前的能含量）沒有通過過量水的存在而被稀釋。
[0004] 總熱值是當(dāng)燃料通過燃燒反應(yīng)與氧氣完全反應(yīng)時將釋放的熱能的量的度量。它包 括當(dāng)燃燒產(chǎn)物中所有的水從蒸汽冷凝為液體時所釋放的能量。使用具有相對高的總熱值的 燃料對于有效且經(jīng)濟(jì)的氣化過程而言是重要的。當(dāng)含碳燃料（例如煤）與氧氣在氣化器中 反應(yīng)時，一些煤通過燃燒反應(yīng)完全氧化為二氧化碳和水，且一些煤通過數(shù)個氣化反應(yīng)（例 如11 20和032與固體碳的反應(yīng)）部分氧化為一氧化碳和氫氣。所述燃燒反應(yīng)為放熱的，這表 示它釋放熱能。所述氣化反應(yīng)為吸熱的，這表示它們需要熱能輸入來進(jìn)行反應(yīng)。因此，在操 作的氣化器中，含碳燃料同時燃燒并氣化。燃燒的燃料的一部分供給驅(qū)動氣化反應(yīng)的熱能， 以及將反應(yīng)物（燃料、氧化劑和水）從環(huán)境溫度加熱至高溫（在該溫度下在氣化器內(nèi)部進(jìn) 行反應(yīng)）的能量。如果燃料的熱值過低，更大部分的燃料必須通過燃燒反應(yīng)反應(yīng)，以供給充 分的熱能來加熱反應(yīng)物和驅(qū)動氣化反應(yīng)。但這通過將更多的氣體移至二氧化碳和水，并遠(yuǎn) 離更期望的一氧化碳和氫氣產(chǎn)物，而使產(chǎn)物合成氣組合物降解。同樣，如果漿料含有過多的 水，更多的燃料必須通過燃燒反應(yīng)反應(yīng)，以提供額外的能量來加熱過量的水。
[0005] 石油焦炭、無煙煤和煙煤是可有效氣化的具有高總熱值的燃料的實例。也可將它 們制成具有相對高的固體含量的含水漿料，因此它們代表高品質(zhì)的氣化燃料。相反，褐煤和 一些次煙煤具有較低的總熱值。此外，它們中的許多可具有高的內(nèi)部水分含量，因此它們產(chǎn) 生具有較低固體含量的含水漿料。兩方面的這些因素使得褐煤和次煙煤為氣化器的較不理 想的進(jìn)料。類似次煙煤和褐煤，大多數(shù)生物質(zhì)具有相對低的總熱值并產(chǎn)生具有低固體含量 的含水漿料。然而，生物質(zhì)為碳中性的、可再生的原料，并且低階煤（例如褐煤和次煙煤） 比高階煤（例如無煙煤和煙煤）更為低廉。因此，理想的是開發(fā)用于氣化低總熱值燃料和 高水分含量燃料（包括生物質(zhì)和低階煤）的混合物、系統(tǒng)和方法。
[0006] 發(fā)明簡述 以下概述了與最初要求保護(hù)的發(fā)明的范圍相當(dāng)?shù)哪承嵤┓桨?。這些實施方案不旨在 限制請求保護(hù)的發(fā)明的范圍，而是這些實施方案僅旨在提供本發(fā)明的可能形式的簡述。實 際上，本發(fā)明可包括可類似或不同于下述實施方案的多種形式。
[0007] 在第一個實施方案中，氣化原料包括具有小于約20兆焦耳/千克（MJ/kg)總熱值 的固體和具有大于約14MJ/kg熱值的無水液體（以濕基表示）的混合物。
[0008] 在第二個實施方案中，系統(tǒng)包括固體進(jìn)料供給和液體進(jìn)料供給，所述固體進(jìn)料供 給經(jīng)配置以供給具有低總熱值的固體，所述液體進(jìn)料供給經(jīng)配置以供給具有高總熱值的液 體。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括與固體進(jìn)料供給和液體進(jìn)料供給連接的原料混合槽，其中所述原 料混合槽經(jīng)配置以混合固體和液體來提供氣化原料。
[0009] 在第三個實施方案中，系統(tǒng)包括原料混合控制器，所述原料混合控制器經(jīng)配置以 調(diào)節(jié)液體原料和固體原料的比例來獲得氣化原料，其中固體原料包含以濕基表示的至少小 于約20兆焦耳/千克（MJ/kg)的第一總熱值，且氣化原料具有以濕基表示的至少大于16 MJ/kg的第三總熱值。
[0010] 附圖簡述 當(dāng)參考附圖閱讀以下詳述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特點、方面和優(yōu)點，其 中在全部附圖中相同的字符表示相同的部分，其中： 圖1說明依照本發(fā)明技術(shù)的實施方案的綜合氣化組合循環(huán)（IGCC)發(fā)電廠的實施方案 的框圖。
[0011] 圖2說明圖1中描繪的依照本發(fā)明技術(shù)的實施方案的固-液混合系統(tǒng)； 圖3描繪依照本發(fā)明技術(shù)的實施方案，用于混合無水漿料的工序的流程圖。
[0012] 圖4描繪圖3中依照本發(fā)明技術(shù)的實施方案的工序的流程圖續(xù)篇。
[0013] 發(fā)明詳述 以下將描述一個或多個本發(fā)明的具體實施方案。企圖提供對這些實施方案的簡明描 述，實際實踐的所有特點不可能全都描述于該說明書。應(yīng)理解，在任何這類實際實踐的研發(fā) 中，如同在任何工程或設(shè)計項目中一樣，必須作出許多實踐-特定的決定，以實現(xiàn)研發(fā)者的 特定目標(biāo)，例如符合系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的約束，所述約束可隨一個到另一個實踐而變化。 此外，應(yīng)理解，盡管這類研發(fā)計劃可為復(fù)雜且費時的，但無論如何，對于從本公開內(nèi)容獲得 益處的普通技術(shù)人員而言，其為設(shè)計、建造和制造的常規(guī)工作。
[0014] 當(dāng)引入本發(fā)明的多個實施方案的要素時，冠詞"8"、"811"、"也6"和"所述"意指存 在一個或多個所述要素。術(shù)語"包含"、"包括"和"具有"意指包含在內(nèi)，并表示除列出的要 素之外還可存在另外的要素。
[0015] 本公開實施方案包括用于通過加入高總熱值無水液體（例如，植物油、熱解油、奧 里油（orimulsion)、生物柴油、液體化石燃料、石油衍生液體等），將例如低總熱值的固體 和高水分含量的固體（例如生物質(zhì)和高水分煤）用作氣化器原料的混合物、系統(tǒng)和方法。所 述燃料的水分含量是指燃料中存在的水，且通常作為水的重量％來計量。所述燃料的總熱 量是所述燃料能含量的度量，并通常以兆焦耳/千克（MJ/kg)計量。低階煤，例如包括具有 低總熱值（例如以濕基表示的小于約20MJ/kg)的煤。實施例包括煤，例如褐煤和一些次煙 煤。一些低階煤還可含有高水分含量，在一些情況下為約20重量％-40重量％或更多。表1 示出延燃石油焦碳、煙煤（Illinois#_6)、兩種次煙煤（Wyodak和MontanaRosebud)和褐煤 的典型組成和總熱值數(shù)據(jù)。表中所述燃料的水分含量從左至右上升，如期望地，總熱值通常 隨水分含量的升高而下降。表中底下四行顯示可較容易通過市售可得的栗傳送至氣化器的 典型的含水漿料濃度的范圍，和在所述范圍的最小值與最大值處的所述漿料的總熱值。對 于延燃焦煤和Illin〇is#_6煤，可使用漿料濃度范圍的中間到上部分的含水漿料濃度實現(xiàn) 經(jīng)濟(jì)的氣化器操作。然而，對于經(jīng)濟(jì)的氣化器操作而言，次煙煤和褐煤漿料的總熱值在含水 漿料濃度范圍內(nèi)（換言之，約16MJ/kg和更低的含水漿料總熱值）的任一點上可能太低。
[0016] 表 1。
[0017] 生物質(zhì)燃料可包括各類燃料，例如玉米殼、稻谷殼、柳枝稷、芒草、甘蔗渣、高粱渣、 木材和木制品、藻類、糞肥、其它農(nóng)產(chǎn)品和城市固體廢物。如同低階煤，一些生物質(zhì)可含有相 當(dāng)多的水分含量，其范圍為約5-30重量％，或甚至在一些情況下高達(dá)90重量％。表2示出 5種典型生物質(zhì)燃料的典型組成和總熱值數(shù)據(jù)。如同表1中的煤，水分含量從左至右提升， 隨著水分含量升高，燃料的能含量降低。在稻谷廢料的情況中，高灰分含量補(bǔ)償下降的水分 含量，在該意義上來說，類似水分的灰分稀釋了有機(jī)物質(zhì)的能含量。同樣如表1，表2的底下 4行顯示，可較可靠地產(chǎn)生并通過市售可得的栗運(yùn)送至氣化器的典型的含水漿料濃度范圍， 以及在那些范圍的最小值和最大值處的漿料總熱值。由于所有生物質(zhì)燃料的低漿料濃度， 對于經(jīng)濟(jì)的氣化器操作而言，所有生物質(zhì)漿料的總熱值可能太低。
[0018] 表 2。
[0019] 如示于表1和表2,次煙煤、褐煤和生物質(zhì)漿料具有比石油焦炭和煙煤漿料更低的 總熱值和更高的含水量。如以上解釋，氣化具有低總熱值和高含水量的原料可產(chǎn)生氣化器 低效和不經(jīng)濟(jì)的操作。一種除去水分的方法是在用水混漿高水分的、低能量的材料之前將 它們干燥。然而，通過干燥除去水可需要高量的能量，這可負(fù)面影響氣化裝置的總能效。然 而，可通過將漿料介質(zhì)從水（具有約為0的能含量）改變?yōu)闊o水液體（可向無水漿料貢獻(xiàn) 能含量），生產(chǎn)更為期望的氣化進(jìn)料。（注意到，以下論述的無水液體被稱為具有高總熱值， 即便在一些情況中，它們可具有比漿料的固體燃料組分更低的總熱值。對此的理由是，無水 液體的總熱值是與水相比，而非與固體燃料相比。水具有為0的能含量，并因此不能向含水 漿料貢獻(xiàn)任何能含量。然而，根據(jù)具有至少一些可測量的總熱值，相較于水，無水液體為高 總熱值液體）。
[0020] 通過審慎地選擇需要的