专利名称：煤气化设备和方法
技术领域：
本发明涉及将煤转化为替代天然气的设备和方法。更具体地，本发明涉及通过非催化部分氧化，将来自初级气化过程的冷凝液转化为二次合成气，导致将基本上所有副产物流用来生产另外的粗合成气，从而使该气化方法产生的不需要的流出物最少。
背景技术：
煤气化技术是众所周知的方法，例如已在南非投入商业用途多年。最常用的煤气化器是由Lurgi Kohle und Mineraloeltechnik GmbH研制的。Lurgi方法采用固定床气化器，选定粒径的煤与蒸气和氧气的气流逆流输入该气化器。
煤气化过程中伴随产生主要包括油、焦油和酚类的副产物。处理这些副产物导致明显的环境和经济问题。
因此，本领域需要一种装置和方法，能将气化过程的基本上所有副产物用来生产更多的粗气体，使气化方法产生的合成气最大化。
发明内容
因此，一种将煤转化为替代天然气的方法，包括下面步骤将煤原料投入煤气化装置，通过使煤原料处于气化剂和加热下，至少部分煤原料发生气化。在煤气化装置的出口获得初级粗气体，并将至少一部分该粗气体通入非催化的部分氧化装置，保持部分氧化剂和一定温度，使至少该部分初级原料气转化为二次粗合成气，基本上避免产生高级烃。
本发明另一方面，涉及将煤转化为替代天然气的方法，该方法包括将煤原料投入煤气化装置，在煤气化装置中通过使煤原料处于气化剂和加热下，至少部分煤原料发生气化。在煤气化装置的出口获得初级粗气体，并进行骤冷，从中分离含烃的冷凝液体。然后，在部分氧化剂存在下，该液体在足以转化为二次粗合成气的温度下进行非催化部分氧化，基本上避免产生除一氧化碳、二氧化碳和甲烷之外的其他烃。
本发明又一方面，涉及将煤转化为替代天然气的设备，该设备包括多个煤气化装置，每个装置都可运行使送入该装置的煤原料的至少一部分发生气化，在气化装置出口产生初级粗气体。骤冷系统的进口连接到各气化装置的出口，接受气化装置的初级粗气体，并进行从初级粗气体分离可冷凝烃的操作，将液体输送到骤冷系统的液体出口。部分氧化装置进口连接在骤冷系统的液体出口，在该这装置中使接受的液体烃在足以使其转化为二次粗合成气的温度下进行部分氧化，在部分氧化装置的出口基本上避免产生烃。
由下面结合附图的详细说明，本发明的目标和特征是显而易见的。附图中图1所示是按照本发明的煤气化系统的流程框图。
图2所示是初级气化装置和通过任选骤冷系统连接的部分氧化装置的简图。
图3所示是按照本发明排列的采用一个部分氧化装置及四个初级煤气化装置和一个多级骤冷系统的气化工厂的例子的流程简图。
具体实施例方式
在本说明书中，术语“高级烃”指组成为CnHm的烃，其中n和m是2或更大的整数。
参见图1，所示为本发明任选排列的基本框图。初级气化器102在其出口10使粗气体通过管道110A输送至骤冷和液体分离装置106，或通过管道110B输送至非催化部分氧化装置104。如果使用管道110B，则至部分氧化器104的输入物料基本为气体形式。如果使用骤冷和液体分离装置106，则至部分氧化装置104的输入物料116为液体形式，是在装置106中进行冷却时产生的冷凝物。
对本领域技术人员而言是显而易见的，可以只有一部分粗气体110通过任选管道110B被输入部分氧化装置104。
当粗气体110通过管道110A去进行骤冷，然后输入部分氧化器104时，在出口114产生的二次合成气通过管道114A返回到骤冷系统106的进口，进一步冷却。否则，如果在部分氧化之前不进行骤冷，在114的二次粗合成气可通过管道114B至系统的出口112。
本发明与已知气化过程的差别在于包括一个非催化的部分氧化装置104。装置104从气体形式的粗气流110或在其液体形式进料116中存在的焦油和油中生产另外的粗合成气。因此，所有副产物流被用来生产粗气体，使该方法产生的废物最少。
部分氧化器104将高级烃转化为一氧化碳和氢，以及某些很少量(inadvertent)二氧化碳。这是在很高温度下，在低于化学计量氧气氛中采用与热焰燃烧器直接接触来进行，这样可以防止产生的一氧化碳大量转化为二氧化碳。
在替代天然气的最终产物中不需要存在甲烷的那些应用中，可以通过管道110B直接输入粗气体110。然而，在采用骤冷和液体分离系统106时，只有产生的液体通入部分氧化器，而不是管道110中的粗气体。这种类型的应用中，甲烷通常是在系统出口112的合成气体中的所需组分，可以直接通过系统106而不必到部分氧化器104。
参见图2，所示是初级气化器、非催化部分氧化器和任选的骤冷系统212的基本排列。
锁煤斗204是一个加压容器，并能对气化器206间歇加料。锁煤斗204有一个在液压下操作的底部和顶部密封。在锁煤斗204处于大气压力(锥体底部关闭，顶部打开)时，煤通过溜槽202流入锁煤斗204，加料斗204装满后，关闭锥体顶部，用取自气体冷却装置下游的粗气体加压。通过从气化器206顶部至锁煤斗204直接管进行最后加压。
锁煤斗204处于气化器压力时，底部锥体打开，煤通过分布器208开始流入气化器206，分布器较好包括一个旋流套筒。当锁煤斗204放空时，底部锥体关闭，用于再加料。
气化器206是一种双壁加压容器。高压锅炉的进料水保持在由双壁形成的夹套中，以限定夹套和气化器壁的温度。高压锅炉进料水由下水管通过夹套循环。操作时，大量热量从燃料床层转移到夹套中。使夹套内蒸汽增加到高压蒸汽，总的蒸汽与氧气以0.4磅蒸汽/SCF氧气的比例混合。这种气化剂通过旋转炉栅209进入该气化器燃料床层。结果，炉栅209被气化剂冷却。炉栅209由交流电机驱动，首先用来使气化剂通过气化剂环隙分布在气化器206的截面部分。在灰渣层完成该分布。
其次，炉栅206将灰带向锁灰斗210，有助于粉碎灰积聚物和炉灰块成(使灰不堵塞锥体的)最大尺寸。最后，炉栅209能保持燃料床层的运动。
炉栅209由氧气流来自动控制速度，使出灰与灰的产生适配。也可以人工校正炉栅速度。炉栅209的生产容量由插在炉下面的梨片数量以及炉栅209的速度决定。炉栅209连续运行，只在锁灰斗210循环操作开始时短时间停止。
气化剂如管道233中的氧气和管道231中的蒸汽的混合物通过反应器206的下述反应区。
在灰渣层206A中，气化剂被在约2730°F温度下的灰渣离开燃烧区206B过热0假设建立了足够的灰渣层206A，灰渣冷却到比气化剂高的温度，同时气化剂在进入反应器206的入口被加热。
在燃烧区206B，碳和氧转化为二氧化碳和热量。向上的气流和向下沉积的灰渣(碳含量约2％)的温度提高到接近2700°F。
从燃烧区206B向上的气流主要由二氧化碳和蒸汽组成，并在气化区206C中，在约1560°F的平均温度下反应。气化区206C的主要反应是碳和水转化为一氧化碳、氢和热量。甲烷化反应对离开气化区206C的气体组成影响很小。
在干馏区206D，释放出煤中的挥发份。干馏反应是一耗热反应。结果，从气化区206C向上的气化原料气流必须对向下的煤加热，并提供干馏用的热量。此外，在干馏区206D，再循环的粉状焦油裂解为油和焦炭。
锁灰斗210是一个加压容器，具有液压操作的底部和顶部关闭系统。锁灰斗210的作用是从气化器206排出灰渣，并周期操作，每一周期包括下面步骤。
连续运行的炉栅209将气化器206产生的灰渣通过液压驱动的顶部锥体排出到锁灰斗210中，该料斗底部锥体在气化器压力下是关闭的。一旦锁灰斗210装满，停止炉栅209。锁灰斗的顶部锥体关闭并密封后，炉栅209再启动。
然后，降低锁灰斗210的压力至大气压，其底部锥体打开，灰渣从该料斗流出至水槽253中，被淬灭并被液压输送至灰渣车间。
气化器装置206产生的粗气体通过管道235排出至任选的骤冷系统212，该系统出口237含有自骤冷过程的冷凝液体。或者，在直接进料系统，不使用骤冷系统212，粗气体被输入部分氧化装置216。
在任选涤气/冷却设备212中，从管道235中的原料气流中分离出过量水、一些可冷凝烃和少量固体。管道235中的液流用作至部分氧化装置216的原料。
在非催化部分氧化装置216中，该原料与氧在作为粗合成气的调节剂的蒸汽存在下反应。热的粗气体被直接注入的水在骤冷管218和骤冷器220中被水冷却。分离器222将炉渣从其出口249排出。
非催化部分氧化装置216在约2500°F和约435psig压力下部分氧化重馏份。管道239中的氧和管道241中的蒸汽通过部分氧化燃烧装置214加入到管道237的进入原料中。该燃烧装置214确保进料充分混合，这是以高转化率生成所需粗合成气所必需的。
在反应器216的注入区，进料在燃烧器214的火焰中部分氧化。装置216中的总反应分两个阶段基本上将高级烃转化为一氧化碳和氢。
在第一加热和裂解阶段，原料和氧气在各自预热温度下离开燃烧器214。在实际燃烧之前，反应物被火焰反射的热量以及容器216灼热的砌砖进一步加热。原料中的高级烃裂解成自由基。
接下来，在反应阶段，在达到着火温度，一部分烃与氧发生放热反应，形成二氧化碳和水。实际上，能得到的氧在这一阶段全部反应。烃未氧化部分与蒸汽反应，反应产物主要是一氧化碳和氢。
如前面所述，原料、氧和蒸汽通过燃烧器214进入反应器216，燃烧器214安装在反应器216的顶部。燃烧器214较好设计成四喷嘴，有一中心管作为启动燃烧器。启动时，中心管负责点火并启动燃烧器，该燃烧器装备有火焰控制传感器。为加热反应器216，在管道243中把工厂空气和燃料气加到该启动燃烧器。在较高温度下，当需要更高加热负荷时，空气和燃料气也可以通过该燃烧器的四个喷嘴输入。当反应器温度明显高于燃料气体的自点火温度，通常约1470°F时，移去该启动燃烧器，并被一个蒸汽吹扫的管替代。最终加热至约2200°F时，燃料气体和空气通过该燃烧器的四个喷嘴输入。
为使部分氧化反应器216的体积产气能力最大，还可以通过喷枪燃烧器214将粉煤加入液体原料中。
燃烧器214用冷却水和在其中通过的媒介冷却。该反应器出口至骤冷管218也可以冷却，使在此位置的耐火材料磨损最小。
在衬以耐火材料的反应器216中进行烃部分氧化的转化。耐火材料依据原料的灰份含量和灰份性质来选择。灰份必须在反应器的操作温度下熔融，以确保熔融灰渣从反应器216自由流动到骤冷容器220，并且能避免堵塞反应器216和骤冷管218。
来自反应器206的热的第二粗合成气通过骤冷管218输送到骤冷容器220。通过注入水，第二合成气立即从约2470°F冷却到约430°F的平衡温度。液态炉渣流被该合成气固结成颗粒。颗粒被酸性或碱性介质浸提。在下面的骤冷管218和骤冷容器220中气体与过剩的水和炉渣颗粒分离。气体通过另外的喷嘴抽出，收集的炉渣水通过液面控制输送到炉渣分离器222。在具有炉渣分离容器222的炉渣系统中，炉渣与通过管道251离开骤冷器的煤灰水分离。在炉渣分离容器222中重质炉渣颗粒从煤灰水中沉降，并通过管道249收集在用于排放的锥体底部。
收集的煤灰和灰渣混合成煤灰浆料，送入金属灰回收系统，在该系统中，煤灰在浆料罐中闪蒸至大气压。过滤该浆料，得到滤饼和能用来骤冷和涤气操作的洁净水。
图3所示是采用一个非催化的部分氧化装置及四个初级煤气化装置的气化工厂的流程简图。这种类型的排列利用了只有来自初级气化装置产生的粗气体的热解产物被部分氧化的事实。在此，只需要一个能用于多个(最多5个)初级固定床脱气器装置的部分氧化装置。
由图3可知，进行气化的煤源301a-d被分别送入四个固定床气化炉302a-d的各溜槽350。煤从进料溜槽350到加料锁煤斗352，352与气化炉联锁。在入口处，靠近气化炉的顶部，旋流套筒354有助于将向下流动通过该气化炉的煤原料分布成与分别来自氧气源305和蒸汽源307的气化剂流成逆流，气化剂供给各气化炉320a-d的进口。旋转炉栅356分布气化剂并在按图2所述的系统中处理灰渣。
在出口303a-d收集该过程的粗气体，这些出口一起连接在管道313上，作为骤冷系统306的气体进口。如上所述，气化剂是氧气和蒸汽的混合物。
骤冷系统306包括串联的5个热交换器装置308、310、312、314和316。前端的308和310接受相对高温的气体输入，并从热交换过程产生高压蒸汽。来自308和310的冷凝物在液体出口309a和309b从这些装置排出，这些冷凝物主要包含稠厚的焦油和灰渣。
骤冷系统的随后阶段产生中压蒸汽和冷凝轻质油。由图3可知，每一阶段的气体出口连接到后面阶段的气体进口，直到最后阶段316，其输出311形成带有冷却的替代天然气的初级系统输出。
在此，气体出口317连接到热交换器310的进口，其气体出口再连接到热交换器312的进口。312的气体出口321连接到装置313的进口，装置314的出口323连接到最后阶段热交换器装置316的进口。
液体出口309a-e在初级骤冷系统的一个液体出口309连接在一起。
管道309中的液态烃连接到非催化部分氧化装置304的进口。另外，自源305的氧气和自源307的蒸汽连接到装置304的进口，主要包含氢和一氧化碳的二次粗合成气通过管道315从装置304排出，返回到骤冷系统306的进口313，以进一步冷却。
因此，装置输出311含有在约392°F骤冷的粗替代天然气，它基本上不含在初级气化器302a-d中产生的热解产物。
实施例将灰份最高约为50重量％的未反应的煤(即，含大于约30％不燃性杂质的煤)输入图2或3所示排列的初级气化炉中，在该初级气化炉输出中产生的初级粗气体组成如下(体积％)28.2％二氧化碳，0.05％硫化氢，0.69％高级烃，22.66％一氧化碳，38.51％氢，9.5％甲烷和0.39％氮。然后，将如上产生的粗气体送入骤冷系统，在该系统中，热解产物和其他液体从气体流中冷凝，并送入到非催化部分氧化装置的进口，该装置在约2578°F反应温度下操作。然后，自气化器的粗气体在该部分氧化装置中重整、裂解和水解，在气化反应条件下进行该过程，在部分氧化装置的出口产生下面典型气体组分(以体积％表示)1.9％二氧化碳，0.08％硫化氢，52％一氧化碳，45.1％氢，0.3％甲烷和0.62％氮。
参见具体实施方式
描述了本申请，这些具体实施方式
仅用来示例。本发明的范围和精神由权利要求书决定。
权利要求
1.一种将煤转化为替代天然气的方法，该方法包括将煤原料投入煤气化装置；通过使煤原料处于气化剂和加热下，至少部分煤原料发生气化；在煤气化装置的出口获得初级粗气体；并将至少一部分初级原料气通入非催化的部分氧化装置，加入一种部分氧化剂，保持一定温度，使至少一部分初级粗气体有效转化为二次粗合成气，基本上避免产生高级烃。
2.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在初级粗气体中加入二次粗合成气。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一部分初级粗气体进行骤冷，从中分离可冷凝的烃，输送到非催化部分氧化装置，将可冷凝的烃转化为二次用来合成气，基本上避产生高级烃。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，部分氧化剂包括含氧气体和蒸汽的混合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在至少一部分初级粗气体中的基本上所有高级烃在非催化部分氧化装置中被裂解和水解。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在从初级粗气体分离的可冷凝液体中的基本上所有高级烃在非催化部分氧化装置中被裂解和水解。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基本上所有初级粗气体被输入非催化部分氧化装置。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，基本上所有初级粗气体进行骤冷，然后将分离出的可冷凝烃输送到非催化部分氧化装置。
9.一种将煤转化为替代天然气的方法，该方法包括将煤原料投入煤气化装置；通过使煤原料在煤气化装置中处于气化剂和加热下，至少一部分煤原料发生气化；在煤气化装置的出口获得初级粗气体；使初级粗气体骤冷，从中分离含可冷凝的烃的液体；在部分氧化剂存在下，在足以使所述液体转化为二次粗合成气的温度下，使该液体进行非催化的部分氧化，基本上避免产生除一氧化碳、二氧化碳和甲烷之外的烃。
10.如权利要求9所述的方法，该方法还包括在初级粗气体中加入二次粗合成气。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，部分氧化剂包含氧气和蒸汽。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，液体遭受的温度能使该液体中基本上所有高级烃充分裂解和水解。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，液体在约2372-2732°F温度下进行部分氧化。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，液体在约2578°F温度和约400psig压力下进行部分氧化。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，煤原料由包含至少约30重量％不燃性杂质的煤组成。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，初级粗气体包含约28体积％二氧化碳，小于约1体积％的烃，约23体积％一氧化碳，约38.5体积％氢，和约9.5体积％的甲烷。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，二次粗合成气包含小于约2体积％二氧化碳，大于约50体积％一氧化碳和大于约45体积％的氢。
18.如权利要求9所述的方法，其特征在于，煤原料由包含灰份和最多约50重量％不燃性杂质的煤组成。
19.如权利要求9所述的方法，其特征在于，煤原料由氧含量最多约3重量％的煤组成。
20.将煤转化为替代天然气的设备，包括多个煤气化装置，每个装置运行，使送入该装置的煤原料的至少一部分发生气化，在气化装置出口产生初级原料气；骤冷系统，具有连接到各气化装置出口的进口，接受初级粗气体，并进行从初级粗气体中分离出可冷凝烃的操作，将液体输送到骤冷系统的液体出口，并将冷却的粗气体作为合成天然气传送到骤冷系统的气体出口；部分氧化装置，具有连接在骤冷系统液体出口的进口，在该装置中使接受的液体烃在足以使其转化为二次粗合成气的温度下进行部分氧化，在部分氧化装置的出口基本上避免产生烃。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，部分氧化装置的出口连接到骤冷系统进口。
22.如权利要求20所述的设备，其特征在于，每个气化装置包括一个固定床气化炉，该气化炉具有加料锁煤斗，连接有接受煤原料用的进口和出口；加压容器，连接有从加料锁煤斗出口接受煤的煤进口，在加压容器中连接到煤进口的煤分布旋流套筒，和位于该容器的燃烧区的旋转炉栅，用来燃烧一部分煤，并且、将灰向容器的出口分布，以及连接在该旋转炉栅用来接受气化剂的气化进口；锁灰斗，具有连接到该容器固体排出口的进口。
23.如权利要求20所述的设备，其特征在于，骤冷系统还包括多个串联的热交换器装置，每个交换器具有接受输入气体的进口，用于输送从输入气体冷凝的液体的冷凝物出口，和用于输送通过热交换器冷却的气体的气体出口，其中，多个热交换器装置的冷凝物出口连接在一起，形成骤冷系统的液体出口，除了该串联中的最后一个热交换器装置，每个热交换器装置的气体出口连接到下一个热交换器装置的接受气体用的进口，最后一个热交换装置的气体出口包括骤冷系统的气体出口。
全文摘要
一种将煤转化为替代天然气的方法和设备，在一常规煤气化装置中产生粗气体，将至少一部分粗气体通入部分氧化装置，使至少这部分粗气体转化为二次粗合成气，基本上避免了产生高级烃。或者，将该粗气体进行骤冷，只有产生的冷凝物通入部分氧化装置，转化为二次粗合成气。
文档编号C10K3/00GK1782037SQ20051012505
公开日2006年6月7日 申请日期2005年11月17日 优先权日2004年11月17日
发明者K·弗洛克, F·范齐 申请人:科盖思有限公司