气化系统的制作方法

本公开涉及一种通过使含碳进料部分燃烧来生产合成气的气化系统。本公开还涉及使用所述系统的气化方法。

背景技术：

含碳进料可(例如)包括煤粉、生物质，石油焦或任何其它类型的固体含碳进料或其混合物。特别地，含碳进料以固体干燥原料的形式提供。

通常，含碳进料与含氧气流以及(可选地)慢化剂气体一起提供给气化反应器的一个或多个燃烧器。在反应器中，进料被部分氧化以便提供合成气。合成气随后在骤冷段中冷却。冷却的合成气通常被处理，以便例如去除灰分和其它污染物。

如本文所用的合成气或合成气体是包含氢气和一氧化碳以及一些二氧化碳的气体混合物。(经处理的)合成气可(例如)用作燃料，或用作中间产物，或用作其他化学过程的原料，所述中间产物用于生成合成天然气(SNG)或用于生产氨、甲醇、氢、蜡、合成的烃燃料或石油产品。

合成气可以在下游工艺路径中进一步处理，以便将合成气转化成所选的烃产品。下游工艺路径可以包含费-托合成反应器，以便转化该合成气并使得能够从一系列烃产品(包括但不限于甲醇和蜡)生产所选的产品。

费-托法通常涉及可产生各种烃的一系列化学反应，所述烃理想地具有化学式(C_nH_(2n+2))。在此最重要的是水气变换反应，其通过消耗一氧化碳而提供氢气源：

H₂O+CO→H₂+CO₂

费-托法能够按下式生产例如烷烃：

(2n+1)H₂+nCO→C_nH_(2n+2)+nH₂O

式中n通常在10至20的范围内。甲烷(n＝1)的形成是不期望的。生产的大多数烷烃倾向于是直链，适合作为柴油机燃料。除了烷烃形成之外，竞争反应可以提供烯烃，以及醇和其它含氧烃。

WO-2004/005438公开了描述的气化装置，该气化装置包括气化反应器、连接管和合成气冷却器。气化反应器包括竖直取向的细长压力容器，冷却通道和骤冷气体供应单元位于该细长压力容器中。气化器单元被供以含碳进料，例如煤粉。骤冷气体供给单元供给有骤冷气体。被骤冷的热产品气在骤冷气体供给单元下游的冷却通道部分中流动。冷却通道设有冷却表面。优选地，这些冷却表面是管束，冷却水通过管束流动。随后，合成气被引导到合成气冷却器，该合成气冷却器包括三个热交换器加热表面，当在热气体的流动方向上观察时，它们一个在另一个上方就位。

在WO-2004/005438的系统中，合成气冷却器入口可被烧结的飞灰堵塞，这可能导致在合成气冷却器上的压降和第一热交换器束的性能不佳。

为了防止合成气冷却器(SGC)入口的堵塞，已经采取了硬件改变(例如US9267744中公开的飞灰爆破器)和操作优化。

US4950308公开了一种用于在高压气化过程中从细粒度含碳物质生产生成气的装置。该装置包括：竖向的气化与辐射冷却装置；竖向的对流冷却通道，通过该竖向的对流冷却通道产生从顶部至底部的流动；以及在对流冷却装置的头部和气化与辐射冷却装置的头部之间的连接管。气化与辐射冷却装置包括管状轴、下部炉渣出口和用于连接管的上部锥形连接部。所述管状轴被构造为等速流动通道，其不装备用于供给其它冷却方式，而是被设计成通过辐射冷却来使得与产品气一起行进的伴随炉渣固化。

在实践中，合成气中的固体仍然可沉积在合成气冷却器单元的入口部分(其包括最上部的第一热交换器的入口)上。沉积的固体可生长并最终桥接成大块。一旦这些块的大小超过一定的阈值，就无法通过反吹(即反向压力脉冲)来去除它们。这需要关闭系统的操作，以便从第一热交换器去除这些飞灰块。

技术实现要素：

本公开的一个目的是提供一种改进的气化系统和方法，以便限制用于清理或维护的系统停机时间。

本申请提供了一种用于气化固体含碳进料的气化系统，该气化系统包括：

-气化反应器，所述气化反应器用于在反应温度下部分地氧化所述含碳进料以便产生合成气；

-合成气出口，所述合成气出口设置在所述气化反应器的顶端；

-排气管，所述排气管从所述合成气出口基本向上延伸；

-预冷器单元，所述预冷器单元设置在所述排气管中或连接到排气管，用于预冷所述合成气；

-连接管，所述连接管在所述预冷器单元的下游连接到所述排气管；和

-合成气冷却器单元，所述合成气冷却器单元用于从所述连接管接收所述合成气，并用于将所述合成气冷却至阈值温度以下，以便使所述合成气适合进一步处理。

在一个实施例中，所述排气管包括在所述合成气出口与所述预冷器单元之间的排气管下段，所述排气管下段的长度足以将所述合成气冷却至相对于反应温度降低的第一温度，在所述降低的第一温度下，所述合成气中的污染物开始凝固。

在另一个实施例中，所述排气管包括在所述预冷器单元与所述连接管的入口之间延伸的排气管上段，所述连接管具有向下的指向。

在又一实施例中，所述排气管上段延伸超过所述连接管的入口。

本公开的设计使得充满飞灰的合成气能够向上流动通过第一冷却器束(其可称为预冷器单元)，而不是直接向下流入合成气冷却器单元的第一热交换器。在此，附着在预冷器单元底部的飞灰可(例如)通过定期敲击来相对容易地除去。在合成气从下到上流过预冷器之后，温度将在该合成气向下流过合成气冷却器单元并通过合成气冷却单元的热交换器之前下降到“安全范围”内。

在一个实施例中，合成气冷却器单元可以设置有过热器热交换器。在此，过热蒸汽的温度可得到保证，而不会阻塞皆知易出问题的顶部热交换器束。因此，热交换器的堵塞被降低，维护之间的正常运行时间能够更长，从而降低了总体运行支出。

在一个有益的实施例中，预冷器单元设置有多个热交换表面，每个热交换表面具有面向气化反应器的下端，该下端与相邻热交换表面的下端错开。

在一个实施例中，预冷器单元的热交换表面的下端设置有用于去除沉积的固体团块的敲击装置。

根据另一方面，本公开提供了一种用于气化固体含碳进料的方法。

附图说明

本公开的这些和其他特征、方面和优点将从以下参考附图的详细描述中而变得显而易见，在全部附图中相同的字符表示相同的部件，其中：

图1示出了现有技术的气化系统的剖面图；

图2示出了本公开的气化系统的剖面图；

图3示出了本公开的气化系统的一个实施例的剖面图；

图4示出了本公开的预冷器单元的一个实施例的剖面图；

图5示出了本公开的预冷器单元的一个实施例的透视图；以及

图6示出了合成气冷却器单元的顶部部分的一个实施例的细部的剖面图。

具体实施方式

本公开涉及一种用于气化含碳进料的系统和方法。在一个优选实施例中，含碳进料至少包括干煤粉。

在下文中，使用相同的附图标记表示相似的特征。

图1以剖面图示意性地示出了用于生产合成气的气化系统100，其中该系统包括至少一个气化反应器101，含碳原料在该气化反应器中被部分氧化而产生合成气。

气化反应器101通常设置在压力容器或压力壳110的内部。在一个优选实施例中，气化反应器101被冷却壁112(例如膜式壁)包围。气化反应器101被供应有含碳进料，例如煤粉。

反应器101的顶端包括合成气出口106。合成气出口敞开到气体管107。排气管107适用于将热产品气向上引导并引导到连接管103。用于所产合成气的向上倾斜的连接管或排放段103敞开到热交换单元104的顶部部分，所产合成气在该热交换单元中被冷却。骤冷器件(通常是洒水器)也可以存在于排放段103中。

热交换单元104包括封闭的圆柱形外壁2，该圆柱形外壁形成压力壳并封套至少一个热交换装置1。热交换单元104可以包括管3，该管(例如)形成圆柱形内通道壁。热交换单元104可以包括一个或多个串联的热交换装置。热交换器1(如图1所示)将是所述串联的热交换装置的第一热交换器。

气化器单元的排放管103敞开到流动通道3的入口。合成气沿箭头A的方向流动。例如，向上通过排放段103进入热交换单元104的顶端，通过流动通道3到在流动通道3的下端处的出口。

对于示例性气化系统的更详细的描述，参考(例如)WO-2004/005438或US20140223823。热交换装置1的更详细的示例性描述例如在US9267744中提供。

将理解的是，图1是示意图。为了清楚起见，许多细节没有示出，例如燃烧器、氧气、燃料、炉渣、冷却流体的供应和排放管线、骤冷装置等。

图2示出了根据本公开的气化系统200的一个实施例。所述气化系统包括气化器101和单独的合成气冷却器单元2。合成气冷却器2可以设置有串联的(例如)三个热交换单元201A至201C。可使用任何适宜数量的热交换器201。

排气管207从反应器101的合成气出口106基本向上延伸。预冷器单元220设置在排气管207内或连接到排气管207上。这里的排气管207比较长。排气管207包括介于合成气出口106与预冷器220之间的下段222，该下段在长度上与图1的实施例的排气管107相当。排气管的上段224在预冷器与向下指向的连接管203的入口之间延伸。

第一连接部230将排气管的上段224以锐角连接到向下倾斜的连接管203。第二连接部232将连接管203的相对端部连接到合成气冷却器管3。优选地，连接部232设置有光滑且修圆的壁，大体上无中断。因此，连接部232为合成气提供从连接管203到合成气冷却器2的平滑过渡。在一个优选实施例中，连接部232成钝角。

冷却器管3可以延伸通过所述至少一个热交换装置201。在另一个实施例中，冷却器管3的各段可以互连后续的热交换器201。替代地，可以将所述至少一个热交换器201布置在冷却器管3的内部。

在本公开的系统中，气化反应器段的总高度H1通常可基本等于、或小于合成气冷却器单元2的总高度H2。合成气冷却器的有限高度还使得能够限制整个系统的高度。预冷器220使得能够降低气化系统200的总高度和/或降低合成气冷却器的高度H2。

图3示出了根据本实用新型的气化系统300。在这里，气化反应器101的合成气出口106设置有骤冷装置240。骤冷装置可以包括骤冷环或多个骤冷喷嘴，用于将骤冷流体喷施或供应到在出口106处或附近的合成气。在(例如)US4859213和US9234147中描述了适宜的骤冷环。此外，气化反应器段的高度H1约等于合成气冷却器单元2的高度H2。

图4示出了预冷器热交换装置220的一个实施例。热交换器220可以布置在排气管207的内部、或连接到排气管207。该排气管如示出的那样具有中心轴线R。排气管207的壁可以包括平行的冷却液体管，冷却液体管可互连以便形成气密的管状膜式壁。诸如水的冷却介质可以流过膜式壁的管，以便提供排气管207的冷却壁。

气化反应器101的合成气出口106敞开到流动通道207的入口。合成气沿着箭头A的方向(还参见图1)从合成气出口106向上流入排气管207并通过预冷器单元220。

在一个实施例中，排气管207的膜式壁包围预冷器220。预冷器220包括一组嵌套的同轴热交换表面5a～5e。所述组可以包括任何适宜数量的热交换表面。在一个示例性实施例中，所述组包括四至六个嵌套的热交换表面，例如五个表面5a、5b、5c、5d和5e。在实践中，可以使用两个或更多个热交换表面，例如热交换表面5a和5b。

热交换表面5a至5e可以包括用于冷却流体的管，以便形成相应的膜式壁。因此，一个或多个热交换表面5a～5e可包括相应的膜式壁，所述膜式壁可由所述膜式壁的管内的冷却流体流来冷却。例如，热交换表面5a至5e的膜式壁的管或管道能够(例如)以螺旋形式或彼此平行地布置。

热交换表面5a至5e的膜式壁提供了用于冷却流体的流动路径。冷却流体可经由一个或多个冷却剂供应管线11供应，冷却剂供应管线可以经由一个或多个歧管或分配器12分离成单独的冷却剂供应管线13。供应管线13可与用于相应的热交换表面5a～5e的膜式壁的冷却流体的管流体连接。热交换装置220可以包括分开的冷却剂排放管线14，其可以经由一个或多个歧管或集管15组合成一个或多个组合的冷却剂排放管线16。冷却流体的流动方向以及供应管线和排放管线的布置(如图4所示)也可颠倒。

可以设置支撑结构20以便支撑热交换表面5a至5e。支撑结构可以具有任何适宜的形式。在WO2011/003889中公开了一种支撑结构的示例。支撑结构可以包括径向向外延伸的三个、四个或更多个支撑臂。支撑臂可以附接到(例如)排气管207的壁。

最内的热交换表面5e可以设置有能够在打开位置和关闭位置之间移动的关闭阀17。关闭阀17可打开或关闭用于合成气的流动路径，从而使得能够调节合成气的流动。

在一个优选实施例中，每个热交换表面5b～5e的下端分别延伸超过相邻的外部热交换表面的下端。这样，每个单独的热交换表面可以单独地清理，例如通过使用敲击器装置250a～250d(图5所示)的机械作用来清理。敲击器装置250可以(例如)周期性地向热交换表面的下端提供机械脉冲，这样能够释放沉积于其上的尘土和/或灰。从热交换表面释放的尘土和/或灰的团块可以由于重力而通过排气管207下降并进入气化反应器101。

图6示出了连接部232，其提供从连接管203到合成气冷却器2的管3的平滑过渡。连接部232提供平滑的流动路径。连接部处的流动路径大体上没有障碍物，以便限制固体的沉积。连接管向下倾斜。连接部232提供平滑的曲线。连接管203的内径大体上等于管3的上端的内径。

在使用中，含碳进料在反应器101中气化，产生反应产物(通常为合成气)。所产合成气通常向上运动，通过出口106离开反应器。反应产物中的未燃烧固体(诸如炉渣)可向下落入水浴中。包括飞灰在内的未燃烧固体的一部分可与合成气向上运动。

可选地，出口可以设置有骤冷环，以便通过喷施骤冷流体或将骤冷液体喷入气体来预冷热产品气体。通常，将水喷入合成气中。

合成气通过管207向上运动到预冷器热交换器220。预冷器热交换器将合成气预冷却至预定的低温。预冷器热交换器间的温度梯度可以处于约200至600℃的量级。

可能包括在合成气中的飞灰和其它固体的一部分可沉积在预冷器热交换器220的热交换表面上。与在合成气冷却器中的第一热交换器201A的入口处的合成气的温度相比，在预冷器热交换器220处的合成气的温度较高。结果，沉积在块中的尘土和灰在预冷器热交换器处更快地进行。但是，与热交换器201A不同，预冷器热交换器设置有清理装置，例如图5所示的敲击器。该清理装置定期地操作，以便从预冷器220的热交换器表面释放所沉积的固体块。释放的固体由于重力而向下落回到反应器101中，在反应器中，固体将被燃烧或进一步向下落入水浴。

由预冷器220冷却后，合成气继续向上，并拐进管203中。在一个优选实施例(图3)中，管224向上延伸超过连接管203的入口。由于固体与合成气之间的密度差异，在预冷器220之后仍然残留在合成气中的一部分固体将由于科里奥利力而继续向上超过所述入口，而较轻的合成气将进入连接管。这些固体将最终掉落入预冷器中，并进一步回到反应器中。因此，甚至可以从合成气中除去更多的固体，防止这些固体进入合成气冷却器2并堵塞在合成气冷却器2中的热交换器201。

通过向下倾斜的连接管203，合成气现在将经由平滑的连接部232运动到合成气冷却器2并通过一个或多个热交换器201，以便进一步冷却至预定的低温。

利用本公开的系统，通过在气化器的出口管中安装预冷器热交换器(例如一束圆筒)而显著地提高冷却效果。预冷器可以布置在出口管的顶部。预冷器热交换器可以布置在出口管的顶部。预冷器可以布置在初始喷施骤冷段之后。

在一个实施例中，预冷器220布置在出口管207的顶部。因此，合成气(例如)由于用洒水器骤冷和/或由于穿过管207的距离而已经得到一些冷却。由于降低的温度，合成气中的飞灰颗粒被固化。此外，热合成气与相对冷的骤冷气体(例如水蒸气)已经很好地混合。

连接管203将向下安装，直接连接到合成气冷却器2。通过这种改变，在连接管内和/或在通向合成气冷却器的连接部232处或附近的保护性耐火材料的量可以减少，在管中某些位置甚至可以免除。与现有技术的设计相比，冷却将得到增强。

预冷器设计可防止在合成气冷却器热交换器201的入口处例如因固体而结垢。预冷器热交换器的底部可(例如)通过敲击器而相对容易地清理。当需要时，敲击器可从预冷器热交换器的入口(通常是下部)去除飞灰。益处是，在预冷器热交换器处的敲击将比在合成气冷却器热交换器处更有效，因为飞灰将容易落下。

使用本公开的系统可显著降低系统的总高度。例如，水冷、反应器、出口、和预冷器热交换器的总高度可显著低于图1所示的现有技术系统的高度。后者的总高度可以处于40米的量级。本实用新型的系统可以具有减小的高度，其比现有技术的系统低约10％至30％。减少的高度有助于降低成本，节省设备和材料。它也可使维护更容易。

本公开不限于如上所述的实施例，其中在所附权利要求的范围内可以想到许多改型。各个实施例的特征可以(例如)组合起来。