專利名稱：用于循環(huán)流化床輸送式氣化器和反應(yīng)器的裝置、部件和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及加壓循環(huán)流化床輸送式反應(yīng)器(pressurizedcirculating fluidized bed transport reactor)，并且更具體地，涉及輸送式氣化器回路(transport gasifier loop)中的各種部件。背景在 Higman 禾口 van de Burgt 的書(氣化(Gasification), 2003, Elsevier)中看至Ij 的各種氣化技術(shù)中，變得明顯的是，期望新技術(shù)，以改進氣化低級煤，特別是具有高潮濕和/ 或高灰分含量的煤例如褐煤或次煙煤的經(jīng)濟性。夾帶流氣化器(entrained flow gasifier)使用干式供給系統(tǒng)或漿料供給系統(tǒng)供給具有小于75微米的粒度的煤。對于干式供給方法來說，煤潮濕必須小于5%，以防止煤顆粒形成餅并且在供給系統(tǒng)中橋接，特別是在供給系統(tǒng)的閉鎖容器(lock vessel)中。對于漿料供給系統(tǒng)，必須加入約35wt. %的水以制作煤漿。必需的是，在制作漿之前將煤干燥至非常低的潮濕水平，以避免漿中的總水分大于40%。通常，低級煤含有大于30%的潮濕； 將煤干燥至小于5%的潮濕需要昂貴的干燥設(shè)施，具有高操作成本，從而降低了總體過程效率。高度期望的是減少處理低級煤時的干燥任務(wù)和操作擔憂。美國專利第6，631，698號公開了可以用于氣化低級煤的循環(huán)流化床反應(yīng)器。然而，裝置僅可以在大氣應(yīng)用中使用，并且需要大的覆蓋面積(foot-print)，以生產(chǎn)安裝了煤氣化器的現(xiàn)代化工廠或發(fā)電廠所需要的大量合成燃料。美國專利第號5，560，900公開了基于加壓循環(huán)流化床反應(yīng)器的也意在部分氧化低級煤的方法。這種為了處理煤而提出的構(gòu)思是基于石油工業(yè)中的低壓流體催化裂化 (FCC)過程的超過五十年的經(jīng)驗。因此，反應(yīng)器系統(tǒng)，如已經(jīng)公開的，使用提升器(riser)， 因為具有熱解反應(yīng)所必需的大量熱的熱解器被圍繞反應(yīng)器回路循環(huán)的精細地分割的耐火材料攜帶。如何分離在過程中從攜帶熱的材料產(chǎn)生的煤灰是很難處理的問題中的一個，并且該專利回避了這個問題。此外，該反應(yīng)器具有在熱分解區(qū)下方的混合區(qū)，所述混合區(qū)的直徑比提升器直徑大得多，以確保加熱被供給混合區(qū)中的煤顆粒的足夠的停留時間。從混合區(qū)夾帶循環(huán)的固體顆粒所必需的最小氣體速度使輸送式提升器中的氣體速度異乎尋常地高，從而導致對任何內(nèi)部零件例如溫度計套管的迅速腐蝕以及對旋風分離器壁的腐蝕。此夕卜，因為熱解反應(yīng)需要對于完成來說長得多的停留時間并且防止在產(chǎn)物合成氣(合成氣)中焦油的形成，所以提升器必須是在工業(yè)過程中對于專利中提出的反應(yīng)器來說不切實際地高的。此外，該方法沒有教導如何在工業(yè)規(guī)模氣化器的橫截面上合適地分布氣體(蒸汽和空氣或氧氣)。 移動床氣化器已經(jīng)在超過100年間用于氣化低級煤。尤其是，Lurgi氣化器已經(jīng)廣泛地用于生產(chǎn)用于化學合成的合成氣。然而，移動床氣化器需要塊煤作為供給物，并且不能利用豐富的但是經(jīng)常幾乎沒有在其附近的使用者的細煤粉。這種技術(shù)的另一個缺點是， 煤中的很多被轉(zhuǎn)化為焦油而不是有用的合成氣。此外，所有這些氣化器都具有復雜的內(nèi)部零件。移動床氣化器具有精密的旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格系統(tǒng)以及攪拌機構(gòu)，作為用于使煤成餅的內(nèi)部零件。流化床氣化器具有各種類型的復雜的內(nèi)部氣化劑分布器，這些復雜的內(nèi)部氣化劑分布器由稀有的合金制造，以忍耐高至 iioo°c的氣化器操作溫度。雖然在設(shè)計分布網(wǎng)格和選擇昂貴的高溫合金材料方面作出了大量的努力，但是這些網(wǎng)格仍然發(fā)生商業(yè)上不可接受的故障。對于夾帶流氣化器的情況，問題最嚴重的內(nèi)部零件是作為在過程中需要最高的維護強度的部件之一的煤燃燒器。本發(fā)明提供改進的用于多種循環(huán)流化床應(yīng)用，包括低級煤例如褐煤和次煙煤的氣化的裝置。發(fā)明概述本發(fā)明提供了用于在一類被稱為輸送式氣化器的加壓循環(huán)流化床反應(yīng)器中氣化低級煤的可靠的裝置和方法。本發(fā)明的實施方案克服了現(xiàn)有技術(shù)氣化器的上述的問題。輸送式氣化器回路包括氣化劑分布系統(tǒng)、混合區(qū)、提升器、被稱為預(yù)鹽化器旋風分離器 (presalter cyclone)的第一級旋風分離器、被稱為立管旋風分離器的第二級旋風分離器、 用于將預(yù)鹽化器旋風分離器中收集的固體返回至立管的料封管以及用于使固體從立管移動至混合區(qū)并且同時實質(zhì)上減少或防止氣體的逆向流的非機械閥。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的氣化劑供給系統(tǒng)可以幾乎沒有或沒有內(nèi)部零件 (internal)地實施。分布系統(tǒng)可以實質(zhì)上減少或防止熱固體回流。氣化器內(nèi)部的固體顆粒運動幫助氣化劑遍及氣化器的橫截面的均一分布。輸送式氣化器的實施方案還可以包括將氣體供給氣化器中的噴嘴，其機理是實質(zhì)上減少或防止在氣化器出于過程或安全性原因而突然被關(guān)閉時噴嘴堵塞。在關(guān)閉期間在噴嘴中沉降的固體可以在氣體重新開始流向噴嘴時被簡單地吹回氣化器。因此，輸送式氣化器噴嘴可以避免被堵塞。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的輸送式氣化器還可以采用可以分離運載氣體中的高承載量的固體以及實質(zhì)上減少或防止旋風分離器壁被這樣的高固體承載量腐蝕的第一級預(yù)鹽化器旋風分離器。此外，與現(xiàn)有技術(shù)的旋風分離器相比，根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的在第一級中的預(yù)鹽化器旋風分離器可以在沒有渦流探測器以及沒有頂板(roof)的情況下采用。這些構(gòu)思可以減少在工業(yè)的高壓、高溫的第一級旋風分離器設(shè)計、操作和長期運行中遇到的可靠性問題。被預(yù)鹽化器旋風分離器收集的固體可以經(jīng)過料封管流向立管。在輸送式氣化器的各種實施方案中的料封管的位置和設(shè)計利用了自然壓力梯度，以最小化向料封管和氣化器回路中的氣體加入。立管旋風分離器可以從氣體流收集顆粒，并且然后由立管旋風分離器收集的細固體可以與由預(yù)鹽化器旋風分離器收集的固體合并并且通過立管返回至提升器。
輸送式氣化器的實施方案可以減少或避免在細固體沿立管向下流動時與細固體有關(guān)的流動性問題。此夕卜，本發(fā)明幫助在由預(yù)鹽化器旋風分離器收集的粗固體通過料封管流向立管時的較細固體與所述粗固體的混合。在本公開內(nèi)容的各種實施方案中，氣化劑、氧氣和/或空氣中的某些與蒸汽一起可以在第一級或第二級旋風分離器的出口被注入，以提高氣體出口溫度并且減少粉煤灰中的碳含量。氣化劑注入還可以減少甲烷含量并且提高產(chǎn)品氣體中的一氧化碳和氫含量。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的輸送式氣化器還允許曝氣噴嘴(aeratiormozzle) 在立管中的地點的相對于現(xiàn)有技術(shù)的更優(yōu)化的配置。對于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，曝氣氣體 (aeration gas)可以在大直徑立管的底部中或在大直徑立管的底部附近采用，使得曝氣氣體可以被分布并且有利于固體通過非機械閥從立管向提升器流動。在一個實施方案中，提升器中的堆積密度可以在約5_201b/ft3的范圍內(nèi)。在一種情況下，循環(huán)固體與進料(feedstock)的質(zhì)量比也可以在約50至200之間。該寬范圍有益于優(yōu)化對具有不同的煤特性的進料的設(shè)計和操作。輸送式氣化器提供用于以高的期望的固體通量和提升器密度以及以在回路中的持續(xù)的高固體循環(huán)速率來控制立管中的固體水平并且操作氣化器的方法，從而導致對以最大的合成氣生產(chǎn)速率使煤向合成氣轉(zhuǎn)化的顯著的改進。附圖簡述

圖1是輸送式氣化器回路的圖示。圖2是作為下混合區(qū)的一部分的氣體分布器的略圖，氣化劑的一部分通過下混合區(qū)被引入氣化器中。圖3是下混合區(qū)、上混合區(qū)、提升器的下部分以及通向氣化器混合區(qū)的非機械閥入口的圖示，其與煤注入噴嘴以及供給氣體分布一起來管理熱釋放并獲得煤顆粒的均一且迅速的加熱。圖4是連接提升器和傾斜轉(zhuǎn)換接頭(inclined crossover)的提升器彎頭(riser bend)的圖示，氣體流中鹽析出的(salted out)固體通過提升器彎頭以切線方向進入預(yù)鹽化器旋風分離器。圖5是將預(yù)鹽化器旋風分離器連接于立管的料封管的略圖。圖6是以向上方向流入輸送式氣化器中的氣體流的典型的曝氣噴嘴設(shè)計的圖示。圖7是被設(shè)計為抵抗輸送式氣化器的高壓、高溫和腐蝕性環(huán)境的立管旋風分離器的圖示。圖8是在旋風分離器出口的用于有效地調(diào)節(jié)氣化器出口溫度并且略微改進總碳轉(zhuǎn)化率的氧化劑注入的圖示。圖9是用于大直徑輸送式氣化器立管的曝氣分布器的圖示。圖10是用于降低輸送式氣化器的總高度的L+J非機械閥構(gòu)思的圖示。實施方案的詳細描述通過實施例和圖示描述根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的輸送式氣化器回路的各種實施方案和圖示。圖1圖示了輸送式氣化器回路100。氣化器容器壁可以由碳鋼制造，并且殼還可以構(gòu)成氣化器的壓力邊界。氣化器回路100可以在約lOO-lOOOpsia之間的壓力下操作，取決于利用在下游得到的合成氣的單元的工藝要求。在氣化器回路100的殼內(nèi)部，可以有兩層耐火材料襯里。與固體的循環(huán)床接觸的內(nèi)層可以包括一層抗腐蝕的耐火材料，以保護 軟的隔離耐火材料和容器壁。外隔離層可以在一側(cè)與氣化器回路100的殼接觸并且在另一側(cè)與抗腐蝕的耐火材料接觸。隔離耐火材料保護殼不過熱。輸送式氣化器回路100的一個實施方案可以包括接近氣化器的底部的氣體分布器、下混合區(qū)、上混合區(qū)、提升器、傾斜轉(zhuǎn)換接頭、第一級(預(yù)鹽化器)旋風分離器、第二級立管旋風分離器、立管、連接預(yù)鹽化器旋風分離器和立管的料封管以及連接立管和混合區(qū)的非機械閥，這將在本文中以另外的細節(jié)描述。圖2是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施方案的輸送式氣化器回路100的下混合區(qū)(LMZ) 200 的圖示，用于氣化反應(yīng)的氣體(例如空氣、氧氣和/或蒸汽)的約25-100%通過下混合區(qū) 200被注入。進料的特征決定了需要被注入LMZ中的氣體的量，并且剩余部分可以被沿混合區(qū)的高度(例如下混合區(qū)和上混合區(qū)二者)分布。在圖2所示的實施方案中，LMZ 200包括噴射氣體分布器或氣體入口部分225。進入LMZ的氣體的約70% -95%可以通過噴嘴入口 210被注入分布器部分中。被注入LMZ中的氣體的其余的5%至30%可以通過沿分布器的圓錐部分240位于各種高度的多個噴嘴270被供給。噴嘴的數(shù)目、取向和高度可以根據(jù)進料的類型和氣化器大小變化，如可以意識到的。共同地，流動通過氣體入口部分225和噴嘴 270的氣體提供引入氣化劑并且將氣化劑遍及氣化器的整個橫截面分布而沒有任何內(nèi)部零件的途徑。噴嘴入口 210使用將氣體從其源傳遞的金屬管為氣體分布器的耐火材料襯里管 (refractory lined pipe)劃界。圖2所示的實施方案中的U形耐火材料襯里管具有豎直部分215以及另一豎直部分230，氣體通過豎直部分215向下流動并且其連接于水平部分 220，而氣體在進入分布器的圓錐部分之前通過另一豎直部分230朝向喉管向上流動。所有這些部分可以由耐火材料襯里管制造。當由于安全或工藝原因氣化器關(guān)閉時，在氣化器混合區(qū)和/或提升器部分中滯留的固體將下降并且沉降到氣化器的下部分，填充豎直部分 230以及水平部分220的一部分。水平部分220的設(shè)計使得固體將不到達豎直部分215。這種設(shè)計安全地保護了在入口 210處連接的金屬管不受熱沉降固體影響，該熱沉降固體的溫度范圍可以高至2000° F。此外，可以采用水平部分220的至少四的長度直徑比，使得沉降的固體可以在氣化操作的恢復時被吹回氣化器。由于減少和/或消除了主要的氣化劑供給管線的堵塞，所以很大程度地減小了操作性和安全性的擔憂。流動通過入口部分225的氣化劑進入LMZ 200的圓錐部分240。在入口 225中的喉管處的表觀氣速(superficial gas velocity)可以在約50ft/s_300ft/s之間。可以用于將氣化劑引入氣化器中的速度的寬范圍通過提供從啟動至滿負荷地引入和分布氣化劑的方法而提高了操作的靈活性。氣化劑可以與回流并且落入LMZ 200的底部的固體混合。 在回流固體中的焦炭碳(char carbon)被氣化劑中的氧化劑燃燒。在操作裝置時，關(guān)于固體是否被良好地回流和混合，尤其是一直向著圓錐部分的正底部良好地回流和混合的指示可以從一組溫度指示280推斷。如果足夠量的固體已經(jīng)回流入LMZ的下底部部分中，那么溫度指示280將與氣化器內(nèi)部的其他溫度指示幾乎相同。如果回流入LMZ的底部中的熱固體少于期望的，那么立管中的固體水平可以通過降低灰分排放的速率或通過向氣化器中加入更多惰性固體來升高。這提高了從立管向混合區(qū)中再循環(huán)的固體流的速率，增加了 LMZ200中的固體的密度，這提高了穿過LMZ 200回流的熱固體的速率。氣化劑流入LMZ 200的圓柱形部分250中，并且氣化劑中其余的氧氣將被循環(huán)固體中的焦炭碳消耗。在被適當?shù)夭僮鞯臍饣髦?，這組溫度指示285和290將與該組溫度指示280幾乎相同。進入LMZ 200的氣體流以及由燃燒和氣化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體在出口 260 流出LMZ。在出口 260離開LMZ的表觀氣速可以在約5ft/s至15ft/s的范圍內(nèi)，這對于氣體將相當大的 量的固體夾帶出LMZ來說是足夠的。這允許從立管流動來的新鮮的再循環(huán)固體回流貫穿LMZ。當焦炭被連續(xù)地引入LMZ中且新鮮的固體向下回流時，LMZ中的溫度曲線在燃燒和氣化反應(yīng)期間被保持。LMZ中的床密度可以在15-40磅每立方英尺之間?？梢酝ㄟ^調(diào)整立管中的固體水平和通氣速率(影響固體從立管至混合區(qū)的速率)以及通過調(diào)整氣體在LMZ和上混合區(qū)300之間的分布(影響LMZ中的表觀氣速)來獲得LMZ中的這樣的床
也/又。被注入LMZ中的氣體向上流動至上混合區(qū)(UMZ) 300，如圖3所示。來自LMZ的供給氣體中的未反應(yīng)的氧氣可以首先在LMZ的上部分和UMZ的下部分遇到焦炭碳。焦炭碳可以在本質(zhì)上是耐火材料(例如，從氣化觀點來看是不反應(yīng)的)并且存在于通過非機械閥800 從立管700(圖1)再循環(huán)的循環(huán)固體中。在圖3所示的實施方案中，可以利用焦炭碳產(chǎn)生對于在提升器400中發(fā)生的高度吸熱氣化反應(yīng)可能所必需的熱能。當所產(chǎn)生的燃燒熱通過在離開氣化器的合成氣中的可感熱(sensible heat)、熱損失和氣化反應(yīng)吸熱性被消耗時， 氣化器溫度曲線被保持。由于潛在地顯著高的固體循環(huán)速率(與高質(zhì)量通量)，循環(huán)固體中的焦炭碳含量可以在約0. 至4%的范圍內(nèi)，這大于足夠消耗供給氣體中的所有氧的量。 由于從立管流入混合區(qū)的再循環(huán)固體可以在約1600-2000° F的范圍內(nèi)，所以焦炭燃燒反應(yīng)的速率幾乎是瞬時的。來自下混合區(qū)的氧氣可以在遇到焦炭碳時被迅速地消耗。對于某些應(yīng)用來說，額外的氧化劑對于消耗循環(huán)固體中的任何過量的焦炭碳來說可能是必需的。這伴隨有將氧化劑1500直接加入UMZ 300中，如圖3中的實施方案所示的。 循環(huán)固體中的焦炭碳含量的百分比由固體循環(huán)速率、煤供給速率、總氣化器溫度以及沿氣化器的高度的溫度分布控制。氧化劑在供給氣體中的分布對于控制沿氣化器回路的下部分的熱釋放是有幫助的。高固體循環(huán)速率以及均一的且被分布的熱釋放防止熱點(hotspot)。 熱點對于氣化器操作來說可能是高度有害的，因為它們將導致結(jié)塊、結(jié)渣和熔塊形成。高固體回流和相等地高的固體循環(huán)速率有利于圍繞氣化器回路100的均勻地高的操作溫度，從而導致具有期望的氣態(tài)產(chǎn)物的高熱氣體效率。圍繞氣化器回路循環(huán)的熱固體可以被認為是熱飛輪(thermal flywheel)，在熱飛輪中，能量通過焦炭燃燒被加入并且通過氣化反應(yīng)、熱損失和可感熱被消耗。在圍繞氣化器回路的一個完整循環(huán)中，約5%的熱能在混合區(qū)中被加入熱飛輪，其在提升器和氣化器的其他部分中被最終消耗。因為被加入和消耗的能量僅占圍繞氣化器回路循環(huán)的熱能的小百分比，所以圍繞回路的氣化器溫度是幾乎均一的。來自供給器1600的煤或其他含碳固體可以被加入UMZ 300的上部分中，如圖3中的輸送式氣化器的供給部分實施方案所示。取決于供給物固體的反應(yīng)性，供給物固體的質(zhì)量平均直徑(MMD)可以在200至500微米的范圍內(nèi)。趨于具有高反應(yīng)性的低級煤的MMD可以在350微米至500微米的范圍內(nèi)。這樣的大供給物大小降低了研磨成本并且還產(chǎn)生了在適合于保持輸送式氣化器回路中的高固體(灰分)循環(huán)速率的尺寸范圍內(nèi)的灰分。
由于所有被供給氣化器中的氧氣都可以在LMZ中和在UMZ的下部分中被循環(huán)固體中的焦炭碳消耗，所以被供給氣化器中的煤可以不接觸供給氣體中的任何氧氣。對于大多數(shù)的化學應(yīng)用，煤被CO2或氮氣傳遞至氣化器。由于新鮮的煤不與氧氣接觸，所以可以避免局部熱點并且可以消除熔塊形成的可能性。對于用于一體化氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)應(yīng)用的氣化器的由空氣吹動的操作來說，使用空氣傳遞煤可能是有利的。用于這樣的傳遞的空氣的量小于在這樣的應(yīng)用中被注入氣化器中的總空氣的約15%。氣化器回路中高固體循環(huán)速率以及煤在UMZ 300的上部分中的不同高度的注入可以迅速地將氧氣分散在傳遞空氣中， 并且在氣化器中形成任何熱點的可能性被最小化。由于輸送式氣化器的實施方案 中的高固體循環(huán)速率，所以煤顆粒在氣化器的提升器400的下部分中以高速率(例如，以約50，000° F/秒的速率)被加熱。這樣的高加熱速率導致供給物的大部分作為揮發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生，并且在提升器中發(fā)生揮發(fā)物質(zhì)的熱裂化中的許多以及氣化反應(yīng)。提升器中的向有用的氣態(tài)產(chǎn)物的碳轉(zhuǎn)化在通過提升器的第一通過時可以在65-80%的范圍內(nèi)。未反應(yīng)的焦炭碳可以被旋風分離器系統(tǒng)收集并且返回至混合區(qū)，以與被供給混合區(qū)的下部分中的氧化劑反應(yīng)。由混合區(qū)中的部分氧化或完全氧化釋放的熱將氣化器保持在期望的溫度。圍繞氣化器回路循環(huán)的惰性固體的密度在提升器中可以在15至201bs/cu ft的范圍內(nèi)。在本公開內(nèi)容的實施方案中的提升器中的固體的質(zhì)量平均直徑可以在75微米至100微米的范圍內(nèi)，該固體的這樣高的密度提供大量的表面積， 并且對于從煤到期望的CO和氫的合成氣組分裂化小的有機分子和其他除去揮發(fā)物的產(chǎn)物 (devolatalized product)來說是有效的。對于高度反應(yīng)性的燃料例如低級煤來說，輸送式氣化器的配置可以具有與LMZ、 UMZ和提升器相同或相似的內(nèi)徑。對于較低反應(yīng)性的燃料來說，LMZ內(nèi)徑比氣化器的上部分大。因為LMZ將處理更多的來自較低反應(yīng)性的燃料的焦炭碳，所以LMZ的功能性變化為優(yōu)化部分氧化和蒸汽氣化反應(yīng)。未反應(yīng)的焦炭碳和循環(huán)惰性固體沿提升器400移動至頂部并且通過連接提升器 400與傾斜轉(zhuǎn)換接頭550的專門設(shè)計的彎頭450離開提升器400。彎頭的例子在圖4中圖示。彎頭450的結(jié)構(gòu)和設(shè)計最小化壓力降并且避免傾斜轉(zhuǎn)換接頭550和彎頭450的腐蝕。 構(gòu)成輸送式氣化器中的高質(zhì)量循環(huán)固體的固體顆粒可以被連續(xù)地從在氣化器中由進料煤得到的灰分產(chǎn)生。它們可以具有不規(guī)則形狀并且是磨蝕性的。如果彎頭不被小心地設(shè)計， 那么即使抗腐蝕的耐火材料也將持續(xù)其意圖的壽命的僅小部分。固體和氣體流以15至 35ft/s速度進入彎頭450。如果使用基于其他限制的技術(shù)上可行的長半徑彎頭450，那么循環(huán)固體流撞擊并且趨于腐蝕彎頭的上部分。如果使用T形或十字形彎頭，那么彎頭的上部分和下部分都趨于腐蝕。在輸送式氣化器的一個實施方案中使用的圖4的實施方案中， 循環(huán)流的小部分進入彎頭的延伸部分。這種流在彎頭的延伸部分中圍繞循環(huán)，并且進入傾斜轉(zhuǎn)換接頭550，推動進入傾斜轉(zhuǎn)換接頭550的主要循環(huán)流遠離轉(zhuǎn)換接頭550的上部分。 這些行為導致主要循環(huán)流被朝向轉(zhuǎn)換接頭550的下部分引導，并且接觸點被稱為第一觸底 (touch-down) 0這樣的接觸(例如第二觸底等等)可能發(fā)生在被不適當?shù)卦O(shè)計的系統(tǒng)中。 在一個實施方案中，彎頭450的延伸部分與傾斜轉(zhuǎn)換接頭550 —起被設(shè)計為減少或消除轉(zhuǎn)換接頭550耐火材料的上部分的腐蝕以及觸底的影響。通過彎頭450離開提升器400的固體和氣體混合物進入第一級旋風分離器，即預(yù)鹽化器旋風分離器500。如圖4所示，連接提升器彎頭450和預(yù)鹽化器旋風分離器550的轉(zhuǎn)換接頭550是向下傾斜的。傾斜角<a>可以在約15度至60度的范圍內(nèi)，取決于在氣化器回路中循環(huán)的固體的特征。傾斜將使固體在轉(zhuǎn)換接頭550中與氣體分離，并且鹽析出固體(salting-outsolid)的塊體將沿轉(zhuǎn)換接頭的底部流動并且直接進入預(yù)鹽化器旋風分離器500的筒，而沒有沿壁的很多的旋轉(zhuǎn)；固體的這種行為與專利7，771，585中所描述的其他構(gòu)思共同地可以降低旋風分離器壁的腐蝕的可能性，7，771，585在此以其整體以引用方式并入本文。構(gòu)思預(yù)鹽化器旋風分離器的目的是為了對于循環(huán)加壓流化床氣化器性能來說關(guān)鍵的高固體循環(huán)速率和質(zhì)量通量。圖4中的預(yù)鹽化器旋風分離器可以在沒有渦流探測器以及沒有頂板的情況下被實施。這些構(gòu)思減少或消除在工業(yè)的高壓、高溫旋風分離器設(shè)計、操作和長期運行中遇到的很多可靠性問題。然后，被預(yù)鹽化器旋風分離器500收集的固體可以流入料封管900中，如圖5所示，圖5示出了用于旋風分離器系統(tǒng)的子回路，包括預(yù)鹽化器旋風分離器、料封管900和在預(yù)鹽化器旋風分離器500和立管旋風分離器600之間的轉(zhuǎn)換接頭。料封管包括在一端上將預(yù)鹽化器旋風分離器的圓錐連接于水平支管部分930的下導管(dOwncOmer)910、豎直料封管提升器部分920和連接料封管提升器與氣化器立管710的傾斜部分940。水平支管部分 930的長度可以是水平支管的內(nèi)徑的約2-10倍，并且取決于氣化器回路中的固體循環(huán)速率和特征。固體通過短豎直支管(料封管提升器920)離開水平支管并且向上流動；料封管提升器的高度將取決于料封管回路中的其他部分的設(shè)計。在輸送式氣化器的一個實施方案中，料封管提升器920的高度將使得料封管下導管910中的固體水平可以小于下導管直徑的約4-10倍。在某些實施方案中，預(yù)鹽化器旋風分離器入口 510和立管旋風分離器入口 590之間的壓力差可以與510和向著立管的料封管出口 990之間的壓力差幾乎相同。料封管下導管中的額外的流動阻力(flow resistance)以下導管中的固體水平915的形式得到反映。流動阻力越高，下導管中的固體水平就越高。可以使用對料封管提升器高度的設(shè)計來調(diào)整料封管中的流動阻力以及下導管中的固體水平。

料封管900的一個目的可以是實質(zhì)上確保工藝氣體從預(yù)鹽化器旋風分離器向上流動至立管旋風分離器入口。這使用料封管中的固體的流動柱來實現(xiàn)，流動柱防止工藝氣體流至立管的短路。正常地，通過料封管的固體流由下導管中的固體的柱驅(qū)動。在本公開內(nèi)容的實施方案中，固體流由預(yù)鹽化器旋風分離器和立管之間的壓力差以及下導管中的固體的柱二者驅(qū)動。由于這種壓力差和/或固體的柱，所以通過在下導管中具有最小固體水平的料封管以及以對固體曝氣的最低要求可以實現(xiàn)較高的固體通量。對于需要高固體循環(huán)速率例如在氣化的情況中的循環(huán)固體回路來說，本公開內(nèi)容的實施方案導致對于大規(guī)模工業(yè)氣化器來說可行的緊湊的料封管設(shè)計。此外，下導管中的固體水平915還可以通過從510 通過轉(zhuǎn)換接頭彎頭520向立管旋風分離器入口 590的流動路徑的阻力來調(diào)整?？赡芷谕氖牵黾踊芈返倪@部分中的流動阻力，使得料封管下導管中的固體水平可以進一步被最小化，以減少通氣速率并且最大化料封管中的固體通量。為了確保氣化器回路中的高固體循環(huán)速率，可能期望的是，固體順暢地流動通過料封管。這可以通過向料封管中注入最少量的再循環(huán)氣體來實現(xiàn)。再循環(huán)氣體特征可以與氣化器中生產(chǎn)的合成氣幾乎相同，但是再循環(huán)氣體已經(jīng)經(jīng)受冷卻、凈化和再壓縮。在本實施方案中，向著料封管的曝氣氣體980被分成三個支流。向著料封管下導管910的曝氣流大體上向下傾斜，并且表觀速度(superficial velocity)在料封管下導管的橫截面區(qū)域中在 0. 03-0. lft/s 之間。向著水平部分930的曝氣氣體950可以通過具有如圖6所示的設(shè)計的噴嘴1100 來實現(xiàn)。輸送式氣化器的這部分包括兩個支管并且被稱為狗腿式噴嘴(dog-le g nozzle)。 氣體供給支管1120與排放/凈化支管1130形成實質(zhì)上的直角。這種類型的曝氣噴嘴實施方案可以用于耐火材料襯里管，如果使用了現(xiàn)有技術(shù)的直噴嘴的話，所述耐火材料襯里管可以具有通常大于20的長度與直徑(L/D)比。這樣的高L/D比導致對于操作來說有害的噴嘴堵塞。如圖6所示，由于循環(huán)流化床氣化器的典型的高壓、高溫和腐蝕性的環(huán)境，所以管通常具有兩層耐火材料。內(nèi)層1140通過流動通道1110與循環(huán)固體接觸，并且包含抗腐蝕的耐火材料。外層1150與管的殼1160接觸并且包含隔離耐火材料，以確保殼金屬溫度低于300° F。內(nèi)通道壁1115和在凈化支管1130和氣體供給支管1120之間的互連點之間的距離可以在噴嘴的內(nèi)徑的約4-8倍的范圍內(nèi)。因為本實施方案的L/D比，所以即使噴嘴被固體填充，來自氣體供給支管1120的曝氣氣體也可以將固體從噴嘴推出并且推入流動通道中。本實施方案在其中曝氣氣體和氣化劑流動方向是向上的輸送式氣化器噴嘴中得到成功的使用。在停機或關(guān)閉之后保持噴嘴清潔可以幫助確保曝氣氣體流動以流化固體并且保持通過料封管的高固體流?；谒街Ч艿臋M截面積以及氣化器操作壓力和溫度，向著料封管的水平支管的通氣速率可以在約0. 03-0. lft/s之間。曝氣氣體950的另一個支流被供給料封管提升器。在正常的情況下，向料封管提升器的曝氣不是必需的。唯一一次可能需要曝氣氣體的情況是當固體通量高于約4501b/ft2s時。在本輸送式氣化器的發(fā)明中提出的料封管的對于由差壓和下導管固體柱二者驅(qū)動的固體流的正常容量在約200-5001b/ ft2s的范圍內(nèi)。具有被極大減少了的顆粒承載的氣體從預(yù)鹽化器旋風分離器500的頂部離開并且進入位于立管700的頂部的另一個旋風分離器。圖7給出了輸送式氣化器的立管旋風分離器600的略圖。在本非限制性的實施方案中，立管旋風分離器600不具有圓錐并且具有與立管相同的直徑，這簡化了設(shè)計和構(gòu)造。其簡單地具有向著立管的切向入口。由于立管旋風分離器600入口接收氣體流中的低濃度的精細顆粒，所以該旋風分離器具有渦流探測器，以確保高捕獲效率。在輸送式氣化器的高壓(高至約IOOOpsig)和高溫(高至約2000° F)環(huán)境中，支持渦流探測器的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計是不足的。如圖7所示，本公開內(nèi)容的實施方案在該氣化環(huán)境中令人滿意地操作。渦流探測器管在內(nèi)部和外部二者上具有耐火材料的薄層，以保護不受腐蝕。用于渦流探測器的支持物被嵌入隔熱耐火材料內(nèi)部，而隔熱耐火材料則用膨脹環(huán) (expansionloop)附接于殼。支持物地點和膨脹環(huán)處的相對低的溫度確保支持物經(jīng)受由熱膨脹導致的最小的額外的應(yīng)力。組合的兩個旋風分離器的收集效率可以超過99. 999%。這樣的高收集效率有利于氣化器中的高碳轉(zhuǎn)化，因為通過旋風分離器系統(tǒng)的焦炭碳的損失被最小化。美國專利第 7，771，585號提出的預(yù)鹽化器旋風分離器構(gòu)思與本公開內(nèi)容的實施方案共同地幫助在苛刻的氣化環(huán)境中達到高收集效率，同時保護旋風分離器耐火材料不受腐蝕并且減少在使用現(xiàn)有技術(shù)旋風分離器時固有的嚴重故障。
某些應(yīng)用，例如發(fā)電，以及其他應(yīng)用可能需要對從冷卻來自氣化器的熱合成氣的期望的蒸汽發(fā)生速率的精確控制以及確保設(shè)計功率輸出被保持。然而，有許多設(shè)計的不確定性以及設(shè)備的老化可以使實際的蒸汽發(fā)生速率與設(shè)計速率不同。期望的特征中的一個， 并且也是有效的可行方法，是調(diào)節(jié)氣化器出口溫度以實現(xiàn)對蒸汽發(fā)生速率的精確控制。整個氣化器回路的操作溫度可以被改變的程度以及為實現(xiàn)和保持期望的氣化器出口溫度所作的變化的速度是受限制的。如圖8所示，輸送式氣化器出口溫度可以通過向預(yù)鹽化器旋風分離器500或立管旋風分離器600出口注入小部分的氧化劑1500來容易地調(diào)節(jié)，在所述出口處，固體濃度低并且固體中的碳濃度相對高。氧化劑1500的被注入的部分小于進入氣化器的總氧化劑的約5%。在輸送式氣化器的本實施方案中，氧化劑注入還略微提高了氣化器回路中的碳 轉(zhuǎn)化，并且減少了合成氣中的任何芳香烴成分。對于氣化器回路中的固體循環(huán)的傾向性(propensity)取決于立管中的固體的靜壓頭。立管中的固體可能需要處在流化狀態(tài)。這通過由在立管中向下流動的固體夾帶的氣體以及通過以在立管中通過噴嘴和分布器的再循環(huán)氣體流化二者來實現(xiàn)。在煤處理中， 循環(huán)固體是來自煤自身的灰分，并且固體的質(zhì)量平均直徑的范圍可以在約75微米至100微米，取決于灰分特征以及旋風分離器作用效率。當該尺寸范圍內(nèi)的固體通過料封管從預(yù)鹽化器旋風分離器向立管流動，在該尺寸范圍內(nèi)的固體自然地夾帶一定量的氣體。此外，如圖 9的實施方案所示的在大直徑立管的底部有利地圍繞立管和曝氣網(wǎng)格定位的噴嘴提供足夠的流化和靜壓頭，以保持圍繞氣化器回路的高固體循環(huán)速率。曝氣氣體1700流動通過通常位于非機械閥800下方約六至十八英寸的分布網(wǎng)格。立管中的固體水平通過從料封管提升器的底部移除較粗的灰分以及在輸送式氣化器的下游移除較精細的灰分而被保持為實質(zhì)上恒定的。非機械閥800將立管連接于混合區(qū)，如圖10所示。非機械閥的一個目的是減少或防止氣體從混合區(qū)向立管中的逆向流動。已經(jīng)在實際中使用的典型的非機械閥被稱為J形支管、L形支管和Y形支管。對于J形支管和Y形支管二者來說，傾斜角根據(jù)固體的循環(huán)床的特征變化。如果煤處理量很低，那么氣化器尺寸小并且提升器和立管之間的中心線距離相對小。在這些條件下，J形支管是優(yōu)選的配置。當提升器和立管之間的中心線距離增加時， 那么為克服J形支管阻力所必需的立管靜液壓也增加。這使氣化器的高度的增加以及結(jié)構(gòu)高度和因此導致的資金成本的相應(yīng)增加成為必然。對于需要較大處理量的輸送式氣化器來說，如圖10所示的并且被稱為L+J形支管的新的配置提供了潛在的優(yōu)勢。在圖示的實施方案中的短L部分將作為減少或防止氣體的逆向流動的非機械閥。傾斜的J部分將成為混合區(qū)/提升器的一部分，以此方式使得氧化劑1500和蒸汽混合物可以被引入J部分中并且焦炭燃燒反應(yīng)可以被初始化。以這種方式，由于非機械閥阻力導致的靜壓頭損失被顯著地減少，并且因此使減少立管的高度成為可行的。此外，在本實施方案中，氣化器的在其中燃燒和氣化反應(yīng)以與在混合區(qū)和提升器中的燃燒和氣化反應(yīng)相似地進行的額外的容積(L+J支管的J部分)成為可行的。這減少了氣化器的提升器部分的高度?？傮w上，圖示的L+J實施方案可以減少氣化器的高度，這對大規(guī)模工業(yè)氣化器設(shè)計可能是有益的。
實施例以下描述圖1圖示的輸送式氣化器的被構(gòu)造和廣泛地測試的工程規(guī)模測試單元的一個非限制性的實施例。本實施例中的描述、范圍或其他信息中的任何一個都不應(yīng)當被認為限制了上文的公開內(nèi)容的范圍。測試單元氣化器具有在3，OOO至6，OOOlbs/hr之間的標稱煤供給速率，并且使用空氣和氧氣二者作為氧化劑以與循環(huán)固體中的焦炭碳反應(yīng)以提供用于氣化反應(yīng)的熱。在使用煤在工程規(guī)模單元中測試之前，首先在具有相似的配置的大冷流測試單元中測試輸送式氣化器的各種實施方案。測試了很多不同的低級煤。啟動固體清單包括從以前的測試運行從氣化器排放的粗灰分。在測試設(shè)施的固體流中的材料有時包括具有100-120微米的平均粒度的砂。在兩天的時間內(nèi)，逐漸地用從進料煤產(chǎn)生的灰分代替砂。煤灰的粒度略微地取決于煤性質(zhì)并且?guī)缀酹毩⒂谠谒鶞y試的范圍內(nèi)的進料粒度。表 I示出了對于兩種不同的進料的循環(huán)固體的典型的粒度。中位數(shù)質(zhì)量直徑對于在輸送式氣化器測試的次煙煤來說是約100微米并且對于所測試的褐煤來說80微米。由于數(shù)據(jù)是通過在不同的測試條件下操作氣化器收集的，所以提升器中的固體通量在75-3501b/ft2s的范圍內(nèi)變化。提升器中的堆積密度從5至151b/ft3變化，這比其他循環(huán)流化床提升器高很多。因為提升器中的高堆積密度，所以遍及整個提升器的溫度是幾乎均一的。提升器中的所測試的表觀氣速在160-250psig的范圍內(nèi)的操作壓力下在20-35ft/s的范圍內(nèi)。 表 I循環(huán)固體中的粒度
權(quán)利要求
1.一種輸送式氣化器回路，包括下混合區(qū)，其耦合于下氣體入口部分，所述下混合區(qū)被配置為經(jīng)過所述氣體入口部分接收至少一種氣化劑；上混合區(qū)，其耦合于所述下混合區(qū)，所述上混合區(qū)包括被配置為接收循環(huán)固體的混合物以及所述至少一種氣化劑的上氣體入口部分，所述上混合區(qū)還耦合于固體供給器；提升器，其耦合于所述上混合區(qū)，所述提升器被配置為從所述上混合區(qū)接收所述循環(huán)固體的混合物、所述氣化劑以及氣態(tài)產(chǎn)物，所述提升器還包括將所述提升器耦合于傾斜轉(zhuǎn)換接頭的彎頭，其中，所述氣態(tài)產(chǎn)物來自于所述循環(huán)固體的混合物和所述至少一種氣化劑之間的反應(yīng)；預(yù)鹽化器旋風分離器，其耦合于所述傾斜轉(zhuǎn)換接頭，所述預(yù)鹽化器旋風分離器被配置為從所述氣態(tài)產(chǎn)物分離固體顆粒；料封管，其耦合于所述預(yù)鹽化器旋風分離器的下部分，所述料封管被配置為從所述預(yù)鹽化器旋風分離器接收固體；立管旋風分離器，其耦合于所述預(yù)鹽化器旋風分離器的輸出，所述立管旋風分離器被配置為從所述氣態(tài)產(chǎn)物分離較細的顆粒；以及立管，其耦合于所述料封管、所述立管旋風分離器以及所述預(yù)鹽化器旋風分離器，所述立管被配置為通過所述料封管從所述預(yù)鹽化器旋風分離器接收固體顆粒以及從所述立管旋風分離器接收所述較細的顆粒，所述立管還被配置為向所述下混合區(qū)和所述上混合區(qū)中的至少一個再循環(huán)所述循環(huán)固體的混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，還包括曝氣分布組件，其耦合于所述立管并且被配置為有利于所述循環(huán)固體的混合物從所述立管向非機械閥的再循環(huán)，其中，所述曝氣分布組件位于所述固體出口下方約六英寸至十八英寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，還包括非機械閥，其被配置為將所述立管耦合于下混合區(qū)和所述上混合區(qū)，所述非機械閥還被配置為減少氣態(tài)材料進入所述立管的逆向流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，還包括氧化劑入口，其耦合于所述預(yù)鹽化器旋風分離器和所述立管旋風分離器中的至少一個的出口，所述氧化劑入口被配置為接收氧化劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述下氣體入口還包括噴射喉管，其耦合于U形耐火材料襯里管，所述U形耐火材料襯里管還耦合于所述下混合區(qū)的入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輸送式氣化器回路，其中，所述U形耐火材料襯里管的水平部分的長度為所述U形耐火材料襯里管的內(nèi)徑的約四至八倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述下混合區(qū)具有至少等于所述上混合區(qū)和所述提升器中的至少一個的直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述固體入口還包括多個噴嘴，其被配置為注入含碳材料，所述噴嘴被定向為相對于水平基準線成約十五至七十五度的向下角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述上氣體入口還包括多個噴嘴，其被配置為向所述上混合區(qū)中注入所述氣化劑，其中，所述氣化劑的分布產(chǎn)生實質(zhì)上均勻的熱釋放。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述上氣體入口還包括多個噴嘴，其被配置為具有向上進入所述氣化器中的氣體流動方向，所述噴嘴具有在第一端連接于氣體源的向下噴嘴以及在第二端形成T形接頭的進入所述氣化器的向上流噴嘴；其中，所述T形接頭和進入所述氣化器中的噴嘴出口之間的距離是所述向上噴嘴的內(nèi)徑的約四至八倍。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述料封管還包括料封管提升器，其具有約十二英寸至三十六英寸的高度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述料封管還包括下導管，其耦合于所述預(yù)鹽化器旋風分離器的輸出以及所述料封管的輸入，所述下導管被配置為從所述預(yù)鹽化器旋風分離器接收固體，所述下導管還被配置為保持最小的固體水平。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述立管旋風分離器還包括由附接于所述立管的外部殼的膨脹回路支持的渦流探測器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸送式氣化器回路，其中，所述非機械閥還包括短L形支管以及長J形支管，所述短L形支管被配置為提供抵抗氣體的逆向流的固體密封。
15.一種使用輸送式氣化器回路的方法，所述輸送式氣化器回路包括下混合區(qū)，其耦合于下氣體入口部分，所述下混合區(qū)被配置為經(jīng)過所述氣體入口部分接收至少一種氣化劑；上混合區(qū)，其耦合于所述下混合區(qū)，所述上混合區(qū)包括被配置為接收循環(huán)固體的混合物以及所述至少一種氣化劑的上氣體入口部分，所述上混合區(qū)還耦合于固體供給器；提升器， 其耦合于所述上混合區(qū)，所述提升器被配置為從所述上混合區(qū)接收所述循環(huán)固體的混合物、所述氣化劑以及氣態(tài)產(chǎn)物，所述提升器還包括將所述提升器耦合于傾斜轉(zhuǎn)換接頭的彎頭，其中，所述氣態(tài)產(chǎn)物來自于所述循環(huán)固體的混合物和所述至少一種氣化劑之間的反應(yīng)； 預(yù)鹽化器旋風分離器，其耦合于所述傾斜轉(zhuǎn)換接頭，所述預(yù)鹽化器旋風分離器被配置為從所述氣態(tài)產(chǎn)物分離固體顆粒；料封管，其耦合于所述預(yù)鹽化器旋風分離器的下部分，所述料封管被配置為從所述預(yù)鹽化器旋風分離器接收固體；立管旋風分離器，其耦合于所述預(yù)鹽化器旋風分離器的輸出，所述立管旋風分離器被配置為從所述氣態(tài)產(chǎn)物分離較細的顆粒； 以及立管，其耦合于所述料封管、所述立管旋風分離器以及所述預(yù)鹽化器旋風分離器，所述立管被配置為通過所述料封管從所述預(yù)鹽化器旋風分離器接收固體顆粒以及從所述立管旋風分離器接收所述較細的顆粒，所述立管還被配置為向所述下混合區(qū)和所述上混合區(qū)中的至少一個再循環(huán)所述循環(huán)固體的混合物，所述方法包括以下步驟通過控制經(jīng)過所述固體供給器輸入的固體的粒度以及粗灰分從所述輸送式氣化器回路的排出來控制進入所述立管的固體水平和流率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括步驟通過循環(huán)所述固體來保持所述輸送式氣化器回路中的實質(zhì)上均一的溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述固體以約一百至四百磅每平方英尺每秒的速率被循環(huán)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括步驟在所述上混合區(qū)和所述下混合區(qū)之間均勻地分布所述氣化劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括步驟通過噴射分布器以約五十至三百ft/s 的喉管速度向所述下混合區(qū)中供給所述氣化劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，還包括步驟通過在所述預(yù)鹽化器旋風分離器和所述立管旋風分離器中的至少一個的出口處注入氧化劑來調(diào)節(jié)氣化器出口溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及循環(huán)流化床輸送式氣化器和反應(yīng)器的裝置、部件和操作方法。本發(fā)明提出的改進提供在被稱為“輸送式氣化器”的加壓循環(huán)流化床反應(yīng)器類中氣化低級煤的可靠裝置和方法。實施方案克服了現(xiàn)有氣化器的很多可操作性和可靠性問題。系統(tǒng)和方法解決了以下有關(guān)問題在不使用內(nèi)部零件的情況下分布氣化劑、管理熱釋放以避免任何結(jié)塊和熔渣生成、抵抗由高固體顆粒循環(huán)速率導致的高度腐蝕性環(huán)境的彎頭的具體設(shè)計、抵抗高溫氣化環(huán)境的立管旋風分離器的設(shè)計、可處理大質(zhì)量固體通量的料封管的緊湊設(shè)計、消除了堵塞的噴嘴的設(shè)計、大直徑立管的均一曝氣、在旋風分離器出口有效地調(diào)節(jié)氣化器出口溫度的氧化劑注入以及用改進的非機械閥減少氣化器的總高度。
文檔編號C10J3/84GK102154030SQ20101061491
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
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