专利名称:固体碳质燃料气化的控制方法
本发明涉及固体碳质燃料水浆的部分氧化。特别涉及一种控制方法，用以制造所需固体浓度的、含有固体碳质燃料与再循环含碳固体颗粒的水浆，以供部分氧化气体发生器使用。
用固体碳质燃料水浆部分氧化生产合成气、还原气和燃料气的方法是一种公知的方法，如在作为对比文献的第3607157、3764547和3847564号共同转让的美国专利中所叙述的。在第4479810号共同转让的美国专利中叙述了在送料管上用阀门控制气体发生器进料的控制系统。用水骤冷并洗涤从气化器来的原反应热气流，除去原反应热气流中携带的含碳颗粒物质。在第3607157号共同转让的美国专利文件中叙述了将颗粒物质的水浆与新的固体碳质燃料共同研磨后再送回气体发生器的方法。
得克萨克(Texaco)煤的气化处理产生三种含固体的分流，即粗渣、细渣和沉积槽的底流。从中间试验车间的试验运转中采集的许多数据表明，细渣和沉积槽底流的含碳量比粗渣流的高，因而这两分流的燃烧值可能较大，尤其是在碳转化率较低的原油焦碳气化的情形。此外，沉积槽底流还受到处理水的污染，这种处理水含甲酸盐、氰酸盐、溶解的重金属和其它污染物，随着底流废弃物的排放，将会产生很多问题。因此，不论着眼于效率，还是着眼于环境保护，都需要再循环利用细渣和沉积槽底流。以前，固体再循环系统包括通过一个控制阀门控制再循环固体流的流速。从煤的气化装置得到的经验是沉积槽底流有很强的磨蚀性，操作一段短时期后，这些控制阀门就会损坏。以前的固体再循环系统的另一个问题是该系统的控制取决于用密度计测量在线密度。现在的经验是密度计用于测流势是合适的，但用于控制的目的时还不够准确。
本发明研究出一种改进的生成具有可控固体含量水浆的方法。该方法与以前的相比有以下优点1.不使用控制阀门控制再循环固体流。如上所述，这些阀门易于损坏。
2.不使用密度计控制处理过程。如上所述，密度计用于控制不够准确。
这种改进的方法用以制造所需固体浓度的、含有固体碳质燃料与再循环的含碳固体颗粒的水浆，以供部分氧化气化发生器使用。该方法包括(1)将固体碳质燃料直接送入粉碎区，在该区内用称量带式供料装置控制固体碳质燃料进料速率，在称量带式进料装置和粉碎区之间的流动路径中无阀门装置;
(2)定时地测量称量带式供料器的速度，并依此提供一个以重量为基础、相应于(1)中固定碳质燃料进料速率的信号;
(3)定时地测定(1)中固体碳质燃料中水分的重量百分率，并产生一个与此相应的信号;
(4)将再循环的含碳固体颗粒水浆直接泵送到粉碎装置，在管路中没有阀门装置;
(5)定时地测量(4)中泵的速度，并依此提供一个相应于再循环固体颗粒水浆的体积进料速率的信号;
(6)定时地测定(4)的水浆中再循环固体颗粒的重量百分率，产生一个相应的信号;
(7)定时地测量(4)中的水浆温度，提供一个依温度而变的、相应于该温度的水的密度的信号。
(8)定时地测定(4)中固体颗粒的密度，产生一个相应的信号;
(9)根据(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)中产生的信号和包括表示上述所需水浆固体浓度的信号在内的直流电压输入信号，自动计算出为提供所需固体浓度的水浆需引入上述粉碎区的补充水的流速。与此相应提供给流量记录器的速率控制装置一个有关的信号，该装置向补水管路中的一个阀门发出一个调节信号，从而按所需流速供应补水;
(10)将(1)中的固体碳质燃料进料和(4)中的再循环固体颗粒浆以及(9)中的补水在粉碎区里一块研磨，生成具有所需固体浓度的水浆，并将该水浆作为燃料进料输送到部分氧化气体发生器内。
图1是根据本发明制定的固体碳质燃料气化控制方法的简化方框图;
图2是图1所示的系统控制单元的详细方框图。
在Texaco部分氧化煤的气化过程中，正如在第3，607，157号共同转让的美国专利中所说明的，将研磨过的固体碳质燃料或者单独地、或者伴以基本上可受热汽化的碳氢化合物和(或)水、或者掺入温度调节剂(如蒸汽、二氧化碳(CO2)氮气(N2)和再循环的合成气)后送入气体发生器内。例如，以下价廉易得的含灰固体碳质燃料是适合的原料，按照定义它包括煤(即无烟煤、烟煤、次烟煤或褐煤)、碳颗粒、焦煤、石油焦碳、油页岩、焦油砂、石油沥青、木沥青以及它们的混合物。在这里使用的“含游离氧的气体”这个词是包括空气、富氧空气(即氧含量大于21摩尔%)、和基本上纯净的氧(即氧含量大于95摩尔%，其余成分由N2和稀有气体构成)。
在衬有耐大材料的自由流动气体发生器的反应区中，在温度范围约为华氏1700°～3000°、压力范围约为1～300个大气压(譬如在5～200个大气压)时发生部分氧化反应。氧与碳的原子比(O/C)的范围约为0.5～1.7(譬如约为0.7～1.2)。水与燃料的重量比的范围约为0.1～5.0(譬如约为0.3～3.0)。来自气体发生器的排出气流包括H2、CO、CO2和H2O、H2S、COS、N2和Ar之中的至少一种物质。掺入的颗粒物质和渣也可能带入未处理的烟道气流中。
参见图1，管路1处为含碳细渣的水悬浮液或水浆体，其颗粒尺寸为100%通过14目筛;管路3处是含有含碳颗粒物质的沉降槽底流，其颗粒尺寸也应100%通过14目筛。两股液流在再循环固体浆罐2中相混合。例如，参阅作为对比文件的第3，607，157号共同转让的美国专利的附图，流1、3可分别由连在部分氧化合成气体发生器12的骤冷罐20底部的管路60和装在沉积器35底部的管路36流出的水悬浮液或浆分别供给。参见本申请文件图1，管路7中浆体中的洗涤水量应使由管路11引入粉碎区10所需的补水量最小。也就是说，管路7的浆体中的水加上路径23上的固体碳质燃料中的水份要比由管路41供给气化器的浆中所需的水少。管路6和7处的浆内固体含量的范围约为50～70%(重量)，譬如55～65%(重量)。管路6处悬浮物内固体颗粒大小为100%通过14目筛。
利用排液泵5，将管路4中的含碳固体颗粒悬浮液或浆经过无阀门的管路6、7送入粉碎区10。再循环固体罐的水位由水位指示控制器(LC)12控制，并可以由人工调整泵速控制器13进行调节。对应于所需速度给定点的直流电压V1由线14输入到泵速控制指示器与发信器(S)13。所需速度给定点可由人工或计算机计算。对应于泵5速度的信号E1由速度控制指示器与发信器13提供给系统控制单元50。管路7处再循环浆流的容积流速V7等于常数K1乘以泵5的速度。容积流速最好以立方英尺/分为单位。K1的值决定于泵的设计，范围约在0.05～1.5立方英尺/转，如约为0.35立方英尺/转。V3是对应于K1的直流电压，可手动输入系统控制单元50。管路6处水悬浮液的温度可由温度传感器15确定，它向温度指示器与发信器16提供一个电信号。浆内水密度是水悬浮液温度的函数。浓度单位最好取为磅/立方英尺。根据温度，很容易从现成的资料人工地或用电学仪器确定密度。请参阅作为参考文献化学工程师手册(Chemical Engineers Handbook)，Perry and chilton。信号E2相应于管路6处温度的水密度，由温度指示器与发信器16提供给系统控制单元50。
每天至少要测定一次管路7处研磨过的固体水悬浮液中的固体重量百分数。直流电压V2对应于管路7处被研磨固体的重量百分率，它可手动或电动输入给系统控制单元50。
在管路20处，具有颗粒大小为100%通过3/4英寸网筛的固体碳质燃料送到进料罐21内。然后靠重力使固体碳质燃料进入常规的称量带式进料器22，在那里自动地连续称重。在列为参考文献的化学工程师手册(Chemical Engineers Handbook，Perry and chilton，Fifth Edition McGrawHill Book Co)的图7-36中示出了一种合适的散料连续称重器，它既对流动物质的总重量敏感，也对流动的变化敏感。
固体碳质燃料不断地带到连续称量器的重敏元件上，此称量器始终监视固体碳质燃料的流动、流动变化并最终计量出总量。敏感器17检测在传送带上通过的固体碳质燃料的重量，并向速度指示器与发信器18提供一个相应于正在供料的固体碳质燃料重量的信号。直流电压V8相应于人工或计算机计算的所需带速给定点，通过管路19输入到速率控制指示器与发信器18。由无阀门路径23送到粉碎区10的固体碳质燃料的速率由速率指示器与发信器18确定。其单位最好取为磅/分。与其相应的信号E3提供给系统控制单元50。用这个连续称重器将固体碳质燃料以均匀的测得速率送入粉碎区10。固体碳质燃料离开传送带后靠重力通过路径23落到粉碎区10中。
定时地(例如一天一次)确定称重带进料器22上固体碳质燃料内水分的重量百分率。将相应于固体碳质燃料内水份的重量百分率的直流电压V5，手动或电动地将输入到系统控制单元50中。
管路11处补水的速率由流速传感器30测量，并提供一个相应于管路11内即时流速的信号m。流速控制器与发信器31接收信号m，并将它与信号E4比较(信号E4相应于由系统控制单元50确定的，为了提供补水附加重量所需的流速)，以便在管路41处产生具有所需固体含量的水浆。然后，流速控制器与发信器31向阀门32提供一个相应的调节信号n，使得为在管路41处生成具有所需固体浓度的料浆所需的附加补水可以通过管路33流入粉碎区10。其单位最好是为磅/分。阀门32通常最好关闭，除非向它提供一个调节信号。
粉碎区10包括任何适当型号的粉碎设备，例如球磨机。用于固体碳质燃料的常规的粉碎机和碾磨机在Chemical Engineer′sHandbook(Perry and Chilton，Fifth Edition，McGrew-Hill Book CQ)开头的第8～16页已予说明。
粉碎了的固体碳质燃料的水悬浮液通过筛网35。大于4目的固体颗粒由管路36排出，并通过管路20再循环到粉碎区10。剩下的悬浮液中颗粒尺寸可100%通过4目筛，并含有所需重量百分数的磨细的固体，将其排放到卸料罐45中。卸料罐45内水悬浮液的水位由水位控制器37指示，由控制泵39速度的速度控制器38来控制。将悬浮液经过在卸料罐45底部的管路40和管路41泵送到部分氧化气体发生器(图中未画出)内作为燃料。
直流电压V6对应于管路41处悬浮液中粉碎固体的重量百分率，将其作为给定点输入到系统控制单元50，此值的计算及输入均可用人工或计算机进行。
通过管路11供给的补水，由系统控制单元50根据图1中已说明的输入信号和以下公式来计算再循环浆流-管路7管路7处再循环浆流中的水和固体分别由公式Ⅰ和Ⅱ确定。
水管7＝ρ7v7(1- (R)/100 ) Ⅰ固体管7＝ρ7v7( (R)/100 ) Ⅱ式中R＝管路7浆流中固体的重量百分率＝信号V2ρ7＝管路7浆的密度(见公式Ⅲ)v7＝容积流速＝K1·泵5的速度＝信号E1·V3
ρT=100100-RρW+Rρ 固体Ⅲ]]>式中ρv＝水密度＝来自信号E2的温度的函数ρ固体＝固体燃料的密度＝信号V4固体碳质燃料-路径23路径23中的固体碳质燃料内的水和固体可分别由公式Ⅳ和Ⅴ确定。
水路径23＝F( (M)/100 ) Ⅳ固体路径23＝F(1- (M)/100 ) Ⅴ式中F＝煤的供料速率＝信号E3M＝煤中水分的重量百分率＝信号V5浆生成物-管路41管路41处浆生成物中的水和固体分别由公式Ⅵ和Ⅶ确定水管41＝固体管41( 100/(C) -1) Ⅵ固体管41＝固体管23+固体管7Ⅶ
式中C＝管路41处浆内固体的所需重量百分数＝信号V6补水-管路33管路33处的补水可由公式Ⅷ确定水管33＝水管41-水路径23-水管7Ⅷ将公式Ⅵ、Ⅳ、Ⅰ分别代入公式Ⅷ中，得到下式Ⅸ水管33＝固体管41( 100/(C) -1)-F( (M)/100 )-ρ7v7(1- (R)/100 ) Ⅸ将固体管41的公式Ⅶ代入公式Ⅸ中，得到7式Ⅹ水管33＝〔F(1- (M)/100 )+ρ7v7( (R)/100 )〕·( 100/(C) -1)-F( (M)/100 )-ρ7v7·(1- (R)/100 ) Ⅹ用于电动计算管路33补水的系统控制单元50示于图2，具体按公式Ⅹ计算。系统控制单元50的操作说明如下对应于固体碳质燃料供料速率F的信号E3与对应于公式V中(1- (M)/100 )的信号E100在乘法器200中相乘，得出信号E101。信号E101相应于公式Ⅴ中的固体管23。信号E100是这样得出的在除法器195中将对应于固体碳质燃料供料速率的直流电压V5除以对应于整数100的直流电压V15，得出信号E115;然后在减法器196中从对应于整数1的直流电压信号V20中减去信号E115，得到信号E100。
对应于公式Ⅱ中固体管7的信号E102是由以下信号在乘法器201中相乘得出的(1)信号E103是由对应于再循环固体浆泵速14的信号E1和对应于泵常数K1的直流电压V
在乘法器202中相乘的结果;(2)对应于公式Ⅲ中管路7处浆密度计算值ρ7的信号E104;(3)对应于再循环固体重量百分率的信号V2;(4)对应于数值0.01的直流电压V
。
公式Ⅲ中ρ7在信号装置A中是这样产生的在减法器203中从对应于整数100的直流电压V12中减去对应于再循环固体重量百分率的直流电压信号V2，得到信号E105。在除法器204中，将信号E105除以对应于管路7处浆内水密度的信号E106，得出信号E107。
信号E106是将对应于浆温的信号E2输入给密度函数发生器205而产生的。信号E107在加法器206中与信号E108相加，得出信号E109。信号E108是除法器207中将信号V2除以对应于管路7浆中固体物质所测密度的直流电压信号V4得出的结果。在除法器208中对应于整数100的直流电压信号V1
除以信号E
，得出对应于管路7中浆密度的信号E104。
表示公式Ⅴ和X中组合(1- (M)/100 )的信号E101和表示公式X和Ⅱ中组合ρ7v7( (R)/100 )的信号E102在加法器215中相加，得出信号E116。在乘法器216中，信号E116与对应于公式X和Ⅵ中( 100/(C) -1)的信号E117相乘得出信号E118。信号E117是在除法器217中，对应于整数100的直流电压V1 除以对应于管路41中所需浆浓度的信号V6，得出信号E119，然后在减法器218中从信号E119中减去表示整数1的直流电压信号V17得出的。
表示公式X和Ⅳ中F( (M)/100 )的信号E121是在乘法器219中将信号E3、信号V5和表示数值0.01的直流电压V21相乘得出的。在减法器220中信号E118减去信号E121，得出信号E120。
信号E103和E104在乘法器225中相乘得出表示ρ7v7的信号E125。在除法器230中信号V2除以表示数值100的直流电压信号V1 得出信号E126，它表示(R/100)。在减法器231中表示数值1的直流电压信号V19减去信号E12 得出表示(1- (R)/100 )的信号E127。在乘法器232中将信号E125与E127相乘，得出表示ρ7v7(1- (R)/100 )的信号E123。在减法器233中，信号120减去信号E123得出对应于公式X和管路33的所需补水重量。将来自系统控制单元50的信号E4提供给补水管路11中的流速控制器31。信号E4对应于由管路33提供给粉碎区10的附加补水，以使管路41中的水浆具有所需的固体含量。当公式X中管路33的水为0或更小，则信号E4为0，不需补水，关闭阀门32。在一个实施例中，根据E4值产生一个告警信号。
以下实例说明本发明的一个优选实施例，但不应构成对本发明使用范围的限制。
实例Ⅰ一种水煤浆在部分氧化自由流动的气体发生器中反应。由气化器反应区流出的生成物热气流在骤冷室内用水立即冷却。所有未转化的煤与碳灰基本上从生成物气流中分离出来。将由800磅/分的水和大约200磅/分的含碳固体颗粒(如灰细渣)构成的水悬浮液进行分离，以供再循环用。固体物质的颗粒大小为100%(重量)通过14目筛的颗粒大小。固体含量约为20%(重量)。
在再循环固体罐内，上述悬浮液与来自气体净化区的578磅/分的沉积槽底流相混合，如第3607157号共同转让的美国专利文件中所说明的。沉积槽底流悬浮液的固体含量为20%(重量)，颗粒大小为100%(重量)通过14目筛。
将来自再循环固体罐的固体的水浆泵送到一台球磨机中。在管路中没有阀门。应用一台具有6英寸直径活塞、8英寸冲程、速度为65.9转/分的三缸往复泵。检测泵速，并将一个对应此速度的信号与泵的常数0.385立方英尺/转一比输入到系统控制单元。对应于泵常数的直流电压信号输入给系统控制单元。水悬浮液的温度是85°F。对应于此温度的水密度是62.17磅/立方英尺。对应于浆内固体密度的直流电压信号输入到系统控制单元，对应于管路7中浆密度的信号则根据公式Ⅲ自动产生。
同时通过称重带，将水含量为10.0%(重量)的烟煤以3500.0磅/分的速度送入球磨机内。在输煤路径中无阀门。称重带的速度为58英尺/分。根据传送带的供料量，将对应于每分钟供应球磨机的煤重量的信号，与对应于煤内水份重量百分数的直流电压信号和煤的密度信号一起输入给系统控制单元。
将对应于球磨机卸出的煤浆的所需固体重量百分数(例如65%)的直流电压信号与对应于常数1、100和0.01的其它直流电压一起输入给系统控制单元。
根据上述输入信号和上文讨论的公式X，系统控制单元产生一个输出信号，也就是E4，它对应于输入给球磨机的所需补水量，即253.7磅/分，这样可从该球磨机以65.0%(重量)固体浓度出浆。
将信号E4输入给流速控制器，产生一个与补水管路中控制阀门有关的信号。新鲜的煤和再循环固体颗粒的水浆作为原料泵入部分氧化气体发生器以生产合成气。
虽然在不违背本发明的要旨和范围的情况下，可以对本发明进行修改和变动，但是必须受到以下权利要求
的限制。
权利要求
1.一种部分氧化方法，用于在温度范围约为1700°～3000°F、压力范围约为1～300大气压的条件下，在具有耐火衬里的自由流动非催化气体发生器的反应区内，使含灰固体碳质燃料水浆供料流和含游离氧的气体供料流反应，生成含有H2、CO、CO2、以及H2O、H2S、COS、N2和Ar之中的至少一种物质、和掺杂的含碳颗粒物质的烟道气流，在气体骤冷和净化区内用水冷却和清洁烟道气流，以再循环固体颗粒水分散体的形式，基本上除去所有掺杂的颗粒物质，并生成冷却的和干净的烟道气流；在这种方法中，生成供给部分氧化气体发生器用的、包括所需固体浓度的固体碳质燃料和再循环含碳固体颗粒的水浆的改进方法包括(1)将固体碳质燃料直接送入粉碎区，在该区内用称量带式供料装置控制固体碳质燃料进料速率，在称量带式进料装置和粉碎区之间的流动路径中无阀门装置；(2)定时地测量称量带式供料器的速度，并依此提供一个以重量为基础、相应于(1)中固体碳质燃料进料速率的信号；(3)定时地测定(1)中固体碳质燃料中水分的重量百分率，并产生一个与此相应的信号；(4)将再循环的含碳固体颗粒水浆直接泵送到粉碎装置，在管路中没有阀门装置；(5)定时地测量(4)中泵的速度，并依此提供一个相应于再循环固体颗粒水浆的体积进料速率的信号；(6)定时地测定(4)的水浆中再循环固体颗粒的重量百分率，产生一个相应的信号；(7)定时地测量(4)中的水浆温度，提供一个依温度而变的、相应于该温度的水的密度的信号；(8)定时地测定(4)中固体颗粒的密度，产生一个相应的信号；(9)根据(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)中产生的信号和包括表示上述所需水浆固体浓度的信号在内的直流电压输入信号，自动计算出为提供所需固体浓度的水浆需引入上述粉碎区的补充水的流速，与此相应提供给流量记录器的速率控制装置一个有关的信号，该装置向补水管路中的一个阀门发出一个调节信号，从而按所需流速供应补水；(10)将(1)中的固体碳质燃料进料和(4)中的再循环固体颗粒浆以及(9)中的补水在粉碎区里一块研磨，生成具有所需固体浓度的水浆，并将该水浆作为燃料进料输送到部分氧化气体发生器内。
2.权利要求
1中的方法，在其步骤(9)中，所需补水流速由公式X决定补充水＝F〔(1- (M)/100 )+ρ7v7( (R)/100 )〕( 100/(C) -1)-F( (M)/100 )-ρ7v7(1- (R)/100 )X式中F＝步骤(1)中固体碳质燃料的供料速率(基于重量)。M＝步骤(1)中固体碳质燃料内水分的重量%。ρ7＝步骤(4)中水浆密度。v7＝步骤(4)中水浆的体积供料速率R＝步骤(4)中水浆内再循环固体的重量%C＝步骤(10)中浆内所需的固体浓度。
3.权利要求
1的方法，其中含灰固体碳质燃料从包括煤(即无烟煤、烟煤、次烟煤或褐煤)、碳颗粒、焦煤、石油焦碳、油页岩、焦油砂、石油沥青、木沥青以及它们的混合物中选取。
4.权利要求
1的方法，其中上述含游离氧的气体从空气、富氧空气(即大于21摩尔%氧)基本上纯净的氧(即大于95摩尔%氧)中选取(其余成分包括N2和稀有气体)。
5.权利要求
1的方法，其中(1)中固体碳质燃料内和(4)中固体碳质燃料水浆内水的总量比(10)中生成的水浆中的水少。
6.权利要求
2的方法，其中公式X中的补充水为零或更小时，(9)中补水管路中的阀门关闭。
7.权利要求
1的方法，其中告警信号是根据(9)中补水所需流速值而产生的。
专利摘要
在粉碎区内将包含含碳固体颗粒、固体碳质燃料流和定量补水一起研磨生成所需固体浓度、供给部分氧化气体发生器的固体碳质燃料水浆的控制方法。粉碎区与固体碳质燃料和再循环水浆的供料罐之间的管道或管路上无阀门。系统控制单元自动计算补水量并提供一个相应信号以控制流速。系统控制单元的输入信号包括相应于称重带式供料器速度、固体碳质燃料水份含量、泵速、重量％、温度和再循环固体颗粒水浆的固体密度的那些信号。
文档编号C10J3/46GK87103885SQ87103885
公开日1988年1月20日 申请日期1987年5月29日
发明者米歇尔·柴斯利·马丁 申请人:德克萨科开发公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan