高灰分、高灰熔点烟煤的气化的制作方法
【专利说明】高灰分、高灰熔点烟煤的气化
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张享有于2012年7月9日提交的美国临时申请N0.61/669，451的权益，前述申请的全部内容和实质通过引用结合于本申请中。
[0003]对联邦科研资助的研究或发展的声明
[0004]本发明是在获得美国能源部的协议/合同号为DE-NT0000749的政府资助下进行的。政府在本发明中享有一定的权利。
[0005]发明背景
[0006]1.发明领域
[0007]本发明涉及一种具有高灰熔点的高灰分烟煤的气化。现有流化床气化炉不适合经济地处理这类煤，因为这类煤活性较低导致较低的碳转化率和生成不良成分，如焦油。如果这类煤在排渣气流床气化炉中气化，于更高的温度下处理以提高碳转化率，与炉渣相关的大量能量损失，包含大量的添加剂以降低灰熔点是必不可少的，这使得工艺在经济上不可行。在本发明中，此类煤以两段式气化过程进行处理一一主气化步骤后随之进行残余碳以及少量焦油的高温部分氧化步骤。此过程进一步有益于包含内部循环流化床有效地冷却高温合成气。
[0008]2.背景和相关技术
[0009]煤气化领域的技术人员知道，一些烟煤并不适合经济地或实际上在现有的商业气化炉中使用。通过ASTM D-1857测量的这些烟煤的初始灰分变形温度远高于1500°C。它使得煤灰在气化过程中，气化炉依靠残渣非常难以熔化煤灰，如传统的GE、壳牌和E-Gas气化炉。对于这些以及其它类似的气化炉，气化高灰熔点的煤，即使添加了助熔剂，气化炉的操作温度也太高，而此类操作会缩短气化炉的炉衬寿命。另外，高灰分烟煤在煤中可包含最多约45wt% (重量百分比)的灰分。即使添加，例如，约20被％的助熔剂以降低煤的灰熔点，熔化大量灰分的能量损失简直太高了，并导致低效以及不稳定的气化过程。进一步地，由于混合灰分和助熔剂的大量渣滓气流，操作这些气化炉将十分困难。许多现有的气化技术中已经不适合高灰分、高灰熔点烟煤的气化。
[0010]由于烟煤具有与气化剂非常低的反应活性，在传统流化床气化炉中气化这些煤也是困难的。在流化床中反应活性低的根本原因在于由于形成熔块的倾向，操作温度受到限制。一旦熔块形成，气化炉失去流动化和功能化的能力。尽管灰熔点较高，由于在流化床中，燃烧的煤颗粒的表面温度比实际测得的主体温度更高，气化炉将在低于灰熔点几百摄氏度下形成熔块。此外，由于流化床中某些部分的热点倾向于熔化煤灰颗粒的表面，使得流化床气化炉中的温度很难均衡，导致结块以及最终熔块的形成。因此，尽管煤的灰熔点大大超过约1500°C，但是能在约1100°c上操作却不结垢的流化床气化炉是非常罕见的。由于操作温度的限制，在流化床工艺中，碳转化率一般低于约90%。为了经济可行，剩余的碳必须在燃烧器(使用燃烧装置中的所有相关设备)中燃烧，从而增加了资金以及气化工艺的操作和维护成本。因此，现有的流化床气化炉并不能经济地处理烟煤。另外，烟煤在流化床中的气化在合成气中会产生少量的焦油，而这是难以除去的并且使得合成气的处理变得昂贵。如果不处理合成气中的焦油，下游设备，如合成气冷却器和杂质过滤器容易变脏，导致可靠运行的隐患。
[0011]在移动床气化炉中进行这些类型烟煤的气化是非常困难的。许多烟煤有一些粘结的趋势且移动床气化炉难以处理粘结煤。由于涉及到操作温度的限制，碳转化率甚至比流化床气化炉更低。此外，移动床气化炉会产生大量的焦油以及酚水，需要昂贵的处理工艺才能满足当今环境法规的要求。
[0012]两段式气化是已知的。美国专利号为N0.5，139，535公开了开发了固定床或移动床两段式气化炉以产生两股不同的合成气气流。一股气流包括焦油和干馏煤气以及从煤气化产生的其它合成气产物。由于低容量、合成气产物的低转化率以及高废水产量，两段式移动床气化炉已经淘汰。
[0013]两段式流化床气化系统有多种。其中一种是利用具有燃烧器以及气化炉的两段式-容器布置。来自燃烧器的烟道气与气化炉和燃烧器间的热固体循环一起被送入到气化炉中以提供吸热气化反应的热量。美国专利号为N0.4，386，940公开了这些类型中的一种。然而，气化领域的技术人员明白，问题不在于如何给气化炉提供热量，而是如何将足够多的碳和煤足够转化成理想的合成气成分一一氧化碳和氢气。在此类两段式系统中，在高达约1100°C的正常操作温度范围内，转化成一氧化碳和氢气的转化率非常低且合成气中始终存在不需要的组分，如焦油。因此，燃烧和气化存在于两种独立的容器中，然而将烟道气送至气化炉，实质上与使用具有燃烧器和气化区域的单一气化炉没有什么不同。
[0014]美国专利公开号N0.2013-0056685公开了使用两段式气化炉以实现高的碳转化。第一段气化炉或热解器在约500-700°C下操作，第二段在1400-1500°C下操作。第二段气化炉产生的灰分熔化，并以熔渣排出。这个设想类似于美国专利号为N0.6，455，011中公开的在两段式气化炉系统中气化废料的方法。其中，第一段气化炉是一流动床气化炉，第二段为一涡流或旋流气化炉，且灰分熔化并以熔渣排出。然而，这些方法在处理高灰分、高灰熔点烟煤时与气流床气化炉一样具有难度且不经济。
[0015]美国专利号N0.8，444，724公开了另一种两段式气流床排渣气化炉。由于此类型的气化炉需要熔化并排出灰分和助熔剂，它不能可行地用于此类具有高灰分和高灰熔点的煤。
[0016]因此，显然目前的煤气化技术不能经济地处理具有高灰分和高灰熔点的煤。除了巧妙地气化此类煤，工艺的布局以及下游设备的设计在精巧地产生高产率的用于最终使用的化学合成或发电的几乎无粉尘的合成气中起到了重要作用。
[0017]本发明的目的在于提供用于操作能气化高灰分、高灰熔点烟煤且碳转化率超过约90%，甚至高于98%的工艺、合适的装置以及操作该系列装置的方法，同时为最终使用的化学品或发电的进一步下游处理提供了几乎无焦油的合成气。
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[0019]以优选的方式，简单描述了本发明系统包括气化灰分含量高于15wt%且灰分的初始变形温度高于约1500°C烟煤的装置及方法。所述系统包括在相对较低的温度约900°C至约1100°C下运行、具有氧化剂的循环流化床输送式气化炉，所述氧化剂取决于最终使用的合成气而含有约30%至约100%的氧气。一级输送式气化炉提升管的气体空塔速度范围为约12至约50英尺/秒(ft/s)，且一级气化炉出口处的操作压力范围为约30psia至约lOOOpsia，这也取决于气化产物流的最终用途。这作为初级气化炉，将约90wt %的碳转换成各种合成气组分，包括少量重有机组分，其中包括，焦炭和焦油。来自于流化床处理低活性烟煤产生的焦油占合成气中所有碳的百分比范围可在约3wt%至约10wt%。
[0020]然后，来自于气化炉的残余焦炭和焦油热裂解并在工作温度为较高的约1100°C至约1400°C的高温流化床部分氧化器中转化成有用的合成气组分。二级流化床部分氧化器的工作温度取决于进入到一级输送式气化炉中烟煤的初始灰分变形温度。二级气化炉的气体空塔速度范围为约3ft/s至约6ft/s。
[0021]本发明的两步处理可实现将超过约98%的总碳转化成有用合成气组分，如果不能避免熔块或结块的形成，有益的限制可以延长衬里和输送式气化炉(归因于相对较低的温度)和部分氧化器(归因于焦炭和焦油的低含量)的其它内部构件的寿命。
[0022]来自于二级部分氧化器的高温合成气在内部循环流化床中由惰性介质冷却，所述惰性介质将合成气的热量传递给传热表面。合成气优选不直接接触传热表面，如果不能消除的话，关于腐蚀、侵蚀以及结垢方面的影响是有限的。合成气冷却器的合成气出口温度范围为约300°C至约500 °C。
[0023]必要时，合成气冷却器下游的旋风分离器捕获未转换的焦炭并循环返回至二级部分氧化器。所述旋风分离器还可降低下游杂质过滤单元的负载。对过滤单元收集到的细粉进行冷却及降压处理，且干净的合成气可应用于所需的化学合成或发电。
[0024]本发明改变了传统的输送式气化炉和内循环流化床合成气冷却器以处理高灰分、高灰熔点的烟煤。操作每个装置及系统的特定条件及方法将作为一个整体描述如下。
[0025]在一示例性实施例中，本发明的高灰分、高灰熔点烟煤的气化系统，其包括结合烟煤和氧化剂以产生合成气的气化炉，所述合成气包括至少一种副产物，接收合成气并将至少一部分副产物转换成合成气的部分氧化器，冷却来自于部分氧化器的合成气的合成气冷却器，除去来自