碳质材料的气化的制作方法

专利名称：碳质材料的气化的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳质材料的气化，具体地，本发明涉及用于气化颗粒碳质原料的方法。
背景技术：
将碳质原料，通常且主要是煤，转化为原煤气的气化炉的使用已为众所周知，所述原煤气含有水蒸气、二氧化碳、氢气、一氧化碳、甲烷和宽范围的烃类如重油、焦油和沥青。这种气化炉的一个实例为固定床固态排渣气化炉(fixed bed dry bottom gasifier)(也称为移动床干灰气化炉)。这些气化炉可以使用块煤，而块煤的典型颗粒尺寸分布范围从约4mm或8mm至约70mm或100mm。这些气化炉的便利之处在于无需进行过多的原料制备。其特点在于颗粒最大尺寸由用于粉碎原料的粉碎机的粉碎机口决定，而颗粒最小尺寸由通常位于气化设备之前的筛分设备的底部筛孔决定。
虽然前述的气化技术的处理能力很强大，能处理很宽且在一定范围内变化的原料，通过仔细控制原料的颗粒尺寸分布、避免使用煤层外(out-of-seam)或非碳质物质可以改善操作。虽然有些非碳质物质可以在精选步骤或选矿步骤除去，但这些步骤增加了气化方法的总资本和操作成本。部分碳质材料会随着被精选步骤丢弃的材料而损失，并且为防止自燃和由于酸性岩排放物而污染地下水，丢弃的材料必须以环境友好的方式处理掉。

发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于气化碳质颗粒原料的方法，所述方法包括将碳质颗粒原料分为至少两个原料部分，每个原料部分包括预定颗粒尺寸范围内的颗粒原料，从而至少得到具有较小颗粒尺寸的原料和较大颗粒尺寸的原料；和将较小颗粒尺寸的原料给料于至少一个气化炉中，以及将较大颗粒尺寸的原料给料于另外的至少一个气化炉中。
因此，根据本发明，一台气化炉通常只接纳一种原料，并且通常没有气化炉接纳一种以上的原料。所述碳质颗粒原料通常为煤。
可以理解的是，相对于作为起来源的各原料部分的碳质颗粒原料，每个原料部分具有较窄的颗粒尺寸分布范围。
所述较小颗粒尺寸的原料可以具有这样的颗粒尺寸分布其上限至少约为其下限的5倍，优选至少约为其下限的6倍，更优选约为其下限的7倍，例如为其下限的约8至约9倍之间。下限和上限通常由用于制备两种或多种原料的筛的尺寸决定，所述的原料具有预定的颗粒尺寸范围。
所述较大颗粒尺寸的原料可以具有这样的颗粒尺寸分布其上限至少约为其下限的1.5倍，优选至少约为其下限的2倍，更优选约为其下限的2.5倍，例如为其下限的约2.6至约3倍之间。
因此前述的颗粒尺寸分布范围比常规煤原料的颗粒尺寸分布范围窄很多，常规煤原料颗粒尺寸的上限通常至少为该尺寸范围颗粒下限的约12倍，例如约为15倍。
可以理解的是，当使用两种原料时，较小颗粒尺寸原料的颗粒尺寸分布范围的上限通常与较大颗粒尺寸原料的颗粒尺寸分布范围的下限大约相同。因此，位于较小颗粒尺寸原料的颗粒尺寸分布范围的下限和较大颗粒尺寸原料的颗粒尺寸分布范围的上限之间的上述颗粒尺寸取决于许多因素，例如采矿方法对于原煤的颗粒尺寸分布的影响、煤沉积的机械强度以及供给每个原料部分的气化炉数目。
优选地，将较小颗粒尺寸的原料给料至一个或多个气化炉，其质量流速至少为给料于一个或多个气化炉的较大颗粒尺寸原料质量流速的约2倍，优选至少为约2.5倍，更优选至少为约2.75倍，例如3倍。
与所述较小颗粒尺寸的原料相比，所述较大颗粒尺寸的原料中可以含有更多质量百分数的非碳质材料，例如煤层外物质。由于在采矿中煤层的基底和顶部被意外采掘，或者由于在煤层内部煤矿床含有矿物侵入，它们会随着煤被意外采掘，使得煤原料中经常含有非碳质材料。
本发明的方法可包括至少将较大颗粒尺寸的原料进行选矿步骤或精选步骤的处理。所述精选步骤可以包括至少从较大颗粒尺寸的原料中除去部分非碳质材料。所述精选步骤可以包括重介质分离步骤。
所述精选步骤可以包括尺寸缩小步骤，经过该步骤使得较大颗粒尺寸原料的颗粒碳质材料的平均颗粒尺寸减少。
以较小颗粒尺寸的原料给料的一个或多个气化炉可以使用氧气与纯煤气的体积比在0.19-0.21之间、以煤作原料进行操作，气化炉可以产生含有26-28摩尔％CO2，优选在27-28摩尔％CO2的未净化气体，纯煤气产量至少为1640Nm3/t干燥无灰煤(DAF煤)，优选至少为1660Nm3/t干燥无灰煤。纯煤气产量产生的标准偏差不大于28Nm3/t干燥无灰煤，优选不大于17Nm3/t干燥无灰煤。
下面仅通过实施例和附图对本发明进行描述和说明，进行测试的结果显示出利用本发明方法的优点。


图1为煤原料的矿石含量图；图2示出使用70×4mm的宽颗粒尺寸分布原料的气化炉的操作方法的可行范围；图3示出使用35×4mm的窄颗粒尺寸分布原料的气化炉的操作方法的可行范围；图4示出使用35×4mm的窄颗粒尺寸分布原料、以矿石含量作为一个参数的气化炉的操作方法的可行范围；图5显示参比试验和本发明试验中氧气/纯煤气比对未净化气体的CO2浓度的曲线；
图6显示参比试验和本发明试验中纯煤气产量对未净化气体的CO2浓度的曲线；图7显示参比试验和本发明试验中纯煤气产量对煤原料的矿石含量的曲线；以及图8显示参比试验和本发明试验中气化炉床压降对氧负载量的曲线。
具体实施例方式
显示本发明优点的气化炉试验煤制备本发明的所有试验都在试验气化炉中进行，使用南非的六个矿采掘的煤混合物。原料通过斗轮堆取料机(Stacker & Reclaimers)混合，随后使用与普通煤给料相同的方法、标准和混匀度，将原料供给商购的气化设备。
因为用于这些试验的混匀方法是普通原料的有代表性的方法，因而称为“标准混合方法”。将本发明的试验与参比试验进行对比，其中参比试验也采用上述标准混匀原料进行。
给料至试验气化炉的煤的最终颗粒尺寸分布通过干、湿法筛选得到。原煤首先用35mm的筛进行干法筛选，筛的上部得到的是粗的部分(100×35mm)或试验材料，筛的下部得到的是细组分或试验材料(小于35mm)。制备的第二步骤是筛选小于35mm的材料以除去小于4mm的碎块，得到细的试验材料(35×4mm)。该粉碎步骤通过湿法筛选步骤进行。可以在配备有多个筛的单一筛选单元中制备得到多个尺寸分布。
粗的试验材料通过生产某些细材料的机器进行处理和储存。粗的实验材料也可以通过湿法筛选处理以除去小于10mm的材料。
本发明所有的试验都可以使所使用的在煤老化的预定期限内顺利完成，以防止煤降解。
试验气化炉的操作根据统计学设计的试验程序手动操作试验气化炉。一些最关键的测量，包括煤气水的流量、未净化气体中CO2的含量，通过附加的测量进行校验。通过在线分析器和频繁的手工取样获得可靠的原煤气组分的测定结果。这些数据用于确定物料平衡。
通过专门的计算机系统记录所有相关数据，该计算机系统独立操作于设备处理仪器系统。物料平衡的计算和解释都基于这些数据。所有的原始数据和计算数据记录在数据库中以用于评估。
定时采集煤、煤气、焦油、煤气水和灰分样品。在内部实验室以及可靠的商业实验室进行分析。所有其他的数据可以使用专门的在线仪器连续进行测量。
试验程序参比试验参比试验在下述条件下进行煤 标准混合原料颗粒尺寸分布100×5mm，湿法筛选设备供给气化炉 Sasol-Lurgi Mark IV氧气负载条件为大约10kNm3/h至13kNm3/h。未净化气体中CO2的浓度为干燥的未净化气体的±26％至±28％CO2。参比试验采用的试验条件列于表1中。
表1 参比试验采用的试验条件

本发明试验采用的试验条件列于表2中。
表2 本发明试验采用的试验条件

试验结果煤的性质35×4mm的煤混合物的煤的一般性质通常与参比试验中使用的标准混合物的性质十分相似。35×70mm部分的一些性质与标准混合物的性质不同。具体而言，已经发现该部分的灰分明显更高，说明无机材料更易选择存在于较粗的部分中。
参考图1，矿石含量(定义具有相对密度为1.95的沉在下部的煤)图示性的解释了35×70mm煤部分具有更高的灰分含量。富集于粗的部分中的矿石含量达到±24％，为标准煤混合物中矿石含量的两倍以上。相对于35×4mm部分和前面的参比试验，35×70mm部分的矿石含量的变化更大。在本发明的试验中，粗的部分没有经过选矿或粉碎，而是用作气化的煤原料。
没有发现35×4mm和35×70mm煤部分的灰熔融温度有明显差异，其与前面参比试验中的灰熔融温度相近。
气化炉操作稳定性本发明的所有试验通过相对稳定的气化炉操作完成。经历的不稳定是由于常规的机械操作困难所引起的。
数据评估在此该部分中，将本发明35×4mm和35×70mm煤部分的试验结果与参比试验的试验结果进行了比较。
比较下面的工艺参数动力消耗量总蒸汽、氧气产品的产量每吨干燥无灰煤中的纯煤气(PG/t DAF)＝[干燥的未净化气体×(100-摩尔％CO2-摩尔％H2S)]/100床压降通过气化床的压力降1998年，萨索公司(Sasol)决定在Secunda厂址单独建立了一个固定床固态排渣气化炉作为试验气化炉。从1998年9月至2000年3月共进行了31个全面的试验。这些试验被称为历史性试验。这些历史性试验根据统计试验的程序设计和进行。在多因素试验设计中，考察和使用的工艺变量是矿石含量、煤颗粒尺寸的上限和下限、氧气的负载量(氧气的给料速度)和未净化气体中CO2浓度。基于所述的历史性试验数据建立的统计模型用于预测方法变量在特定值时气化炉的性能。
此外，通过统计学稳健性研究进一步开发了一些统计模型，并用于确定适宜的操作条件。图3显示相对于标准煤混合物的宽颗粒部分(70×4mm)，当使用35×4mm的煤颗粒尺寸部分时，气化炉具有改进的稳健性(图2)。图3显示根据用于纯煤气(PG)产量的特定标准以及纯煤气产量的标准偏差(SD)的操作条件的可行区域。标准偏差表示由于气化炉不稳定性引起纯煤气产量的变化。标准偏差越小，获得更稳定或更稳健的纯煤气产量。观察到如下现象●对于35×4mm的部分，中至高负载时观察到很大的可行区域。因此，对于35×4mm的部分，操作性条件是扩展的。标准偏差也降低。
●因此，可以得出结论对于35×4mm部分的煤获得高纯煤气产量最为稳定。应当注意的是这些条件提供了稳定的高纯煤气产量，该产量与煤中存在的矿石量无关，多因素试验设计中设定的最大值为10％的矿石(图4)。
基于统计模型的预测，将本发明的试验与参比试验比较。该统计模型不能用于35×70mm部分的预测，因为该种尺寸部分没有包括在史性试验中而被该试验所测试。计算合并的35×4mm和35×70mm部分试验的纯煤气产量和动力消耗量的加权平均值，并与参比试验(70×4mm)的预测结果相比较。当标准原料的颗粒尺寸分布筛选为35×4mm部分和35×70mm部分时，发现有75％的材料是35×4mm部分，只有25％的材料是35×70mm部分。因此，计算加权平均值时，使用下列公式参数的均值＝75％×(35×4mm部分的参数预测值)+25％×(35×70mm部分的参数实测值)由O2/纯煤气比显示的氧气消耗量图5是O2/纯煤气比值的曲线。35×4mm和35×70mm煤部分的比值都位于历史性数据的正常散布范围内。出人意料的是，本发明的试验显示对于粗的部分(35×70mm)，并不象预期的那样需要很高的氧气消耗量。
纯煤气产量如图6和图7所示，可观察到纯煤气产量的基本趋势。由于决定纯煤气产量的参数之间存在相互作用，当从图6和图7显示的二维曲线中得出结论时必须谨慎考虑。
图6表明相对于参比试验中使用的正常宽颗粒尺寸分布，35×70mm部分获得较低的纯煤气产量，35×4mm部分的纯煤气产量高于参比试验中获得的值。
虽然35×70mm煤部分获得较低的纯煤气产量，图7中的矿石含量趋势表明纯煤气产量高于预期值。35×70mm部分的纯煤气产量十分明显的高于预期值。确信35×70mm部分的纯煤气产量高于预期值缘于较窄的颗粒尺寸分布。这一结果使本发明取得突出的、意想不到的优点。
根据本发明，通过所述气化方法处理分开原料颗粒尺寸的原料，预期可使纯煤气产量提高2.5-3.0％。虽然这些改进9不在具有统计学意义的90％的置信区间，但对实际应用的重要性而言已足够大。纯煤气产量的改进归因于更好的C转化(即灰分损失中C更少)，但应当注意到，颗粒尺寸分布变化对焦油产量的影响，以及最终对纯煤气产量的影响不能使用安装在试验气化炉上的现有硬件进行定量。
床压降绘制气化炉床压降的基本趋势，以确定使用更细的煤原料部分是否得到不能接受的ΔP。由图8可知与使用正常的煤混合物得到的数据相比，在某些情况下，使用35×4mm混合物得到的ΔP略高，但还不足以引起关注。
结论●35×4mm煤混合物的煤的一般性质与参比试验所使用的标准混合物非常相似。35×70mm部分的一些性质不同于标准混合物。
●矿石含量说明了35×70mm煤部分具有较高的灰分含量。富集于粗的部分的矿石含量为±24％，是标准煤混合物中矿石含量的两倍以上，同时相对于35×4mm部分和前面的参比试验的矿石含量，35×70mm部分的矿石含量具有更大的变化。然而由于35×70mm煤部分比35×4mm煤部分少很多，其设备的投资成本仅仅是对较大颗粒部分进行选矿，低于用常规方法处理全部煤原料的设备投资成本，但可以得到类似的总收益。
●对于35×4mm的部分，操作性条件是可扩展的。标准偏差也降低。
●使用35×4mm部分的煤获得的高纯煤气产量最稳定。
●与预期相反，对于粗的部分(35×70mm)并不需要特别高的氧气消耗量。
●相对于参比试验中使用的正常的宽颗粒尺寸分布，35×70mm部分获得较低的纯煤气产量，35×4mm部分的纯煤气产量高于参比试验中获得的值。
●通过用所述气化方法处理分开原料颗粒尺寸的原料，预期可使纯煤气产量提高2.5-3.0％。虽然这些改进不在具有统计学意义的90％的置信区间，但对实际应用的重要性而言已足够大。所述纯煤气产量的改进归因于更好的C转化(即灰分损失中C更少)，但应当注意到，颗粒尺寸分布变化对焦油产量的影响，以及最终对纯煤气产量的影响不能使用安装在试验气化炉上的现有硬件进行定量。
●与使用正常的煤混合物得到的数据相比，在某些情况下，使用35×4mm混合物得到的ΔP略高，但还不足以引起关注。
权利要求
1.一种气化碳质颗粒原料的方法，所述方法包括将碳质颗粒原料分为至少两个原料部分，每个原料部分包括预定颗粒尺寸范围内的颗粒原料，从而至少得到具有较小颗粒尺寸的原料和较大颗粒尺寸的原料；和将所述较小颗粒尺寸的原料给料于至少一个气化炉中，以及将所述较大颗粒尺寸的原料给料于另外的至少一个气化炉中。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个气化炉只接纳一种原料，以及没有气化炉接纳一种以上的原料。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述较小颗粒尺寸的原料具有上限至少约为其下限5倍的颗粒尺寸分布。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述上限至少为所述下限的6倍。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述上限至少为所述下限的7倍。
6.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述较大颗粒尺寸的原料具有上限至少约为其下限1.5倍的颗粒尺寸分布。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述上限至少为所述下限的2倍。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述上限至少为所述下限的2.5倍。
9.如前述任一项权利要求所述的方法，其中将所述较小颗粒尺寸的原料给料至一个或多个气化炉，其质量流速至少约为给料于一个或多个气化炉的较大颗粒尺寸原料质量流速的2倍。
10.如前述任一项权利要求所述的方法，其中与较小颗粒尺寸的原料相比，较大颗粒尺寸的原料中含有更多质量百分数的非碳质材料，所述方法包括至少使较大颗粒尺寸的原料经过选矿步骤或精选步骤进行处理。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述精选步骤包括尺寸缩小步骤，在该尺寸缩小步骤中，将较大颗粒尺寸原料的颗粒碳质材料的平均颗粒尺寸降低。
12.如前述任一项权利要求所述的方法，其中以较小颗粒尺寸的原料给料的一个或多个气化炉使用的氧气与纯煤气的体积比在0.19-0.21之间，和以煤作原料进行操作，产生含有27-28摩尔％CO2的未净化气体，纯煤气产量至少为1660Nm3/吨干燥无灰煤。
13.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述的气化炉为固定床固态排渣气化炉。
14.如前述任一项权利要求所述的方法，其中所述的较小颗粒尺寸的原料具有下限大于4mm的颗粒尺寸分布。
全文摘要
本发明涉及碳质颗粒原料的气化方法，包括将碳质颗粒原料分为至少两个原料部分，每个原料部分包括预定颗粒尺寸范围内的颗粒原料，从而使得至少具有较小颗粒尺寸的原料和较大颗粒尺寸的原料。将较小颗粒尺寸的原料给料于至少一个气化炉中，将较大颗粒尺寸的原料给料于另外的至少一个气化炉中。
文档编号C10J3/06GK1930272SQ200580007653
公开日2007年3月14日 申请日期2005年3月7日 优先权日2004年3月11日
发明者马丁·雅各布斯·基舍, 鲁洛·洛德韦克·雅库布什·库切泽, 约翰尼斯·克里斯托弗·范达克 申请人:萨索尔技术(控股)有限公司