产生和加热含碳燃料气化剂的方法和装置的制作方法

专利名称：产生和加热含碳燃料气化剂的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤的气化和其他含碳燃料的气化，其中所述含碳燃料包括化石燃料，如煤、 油砂，以及生物质和有机生活垃圾等。
技术背景含碳燃料的气化指向含碳燃料注入包括02、 H20、 C02和其他物质的气化剂，在一定 温度和压力下使气化剂与含碳燃料发生物理和化学反应生成合成气的技术。以煤气化为例，用空气做气化剂是一种低成本的气化方式，但合成气中含有较多N2， 对后续利用有不利影响。用富氧或纯02做气化剂则制取富氧或纯02的成本较高。以煤为例，用H20和C02做气化剂可以得到不含N2的合成气，合成气中的不燃组分 易于分离。尤其是采用C02做气化剂可以减少煤气化过程中C02的净排放量，有助于保护环境。但是，由于H20和C02与煤的反应为吸热反应，所以只用H20和C02做气化剂时， 除加压加氢气化工艺外，通常需要有供热措施。例如，在授权公告号为CN1062329C，名为《两段式煤炭地下气化工艺》的中国专利 中，在注空气阶段得到N2含量高的合成气，并使煤层升温；在注水蒸气阶段则利用煤层所 蓄热量进行水煤气反应，得到N2含量低的合成气。在
公开日为2007年1月30日，公开号 为CN10112670A，名为《一种煤炭地下气化工艺》的中国专利申请中则提到用为02和C02 的混合物做气化剂以注入的02将煤部分氧化，由氧化反应提供C02还原反应所需热量。 在该方法中纯02耗量比较大。2.化学链燃烧化学链燃烧指不直接利用含02气体助燃，而是使用载氧体中的氧原子燃烧燃料。该类 系统通常包括两个反应器空气反应器和燃料反应器，分别也可称为氧化反应器和还原反 应器。在燃料反应器内，氧化态的载氧体与燃料气体发生还原反应，此过程通常为吸热反 应或弱放热反应，载氧体在燃料反应器内转化为还原态；还原态载氧体送回空气反应器用进料空气中的02氧化，此过程为强放热反应。载氧体在反应器之间循环以实现氧的转移和热量传递。在化学链燃烧方式中，燃料与空气不直接接触，在空气反应器中只要反应温度不大于120(TC就不会产生热力型NOx，燃料燃烧器燃烧产物主要是C02和水蒸气,通过冷凝除去其
中的水蒸气后可以得到几乎纯的C02，可以简单而低能耗地实现C02的分离和捕集，通过 将C02封存或利用可以有效地减少C02排放量。有很多关于载氧体制备和试验的报道，例如，Ishida等人2002年发表于《能源转化和 管理》(Energy Conversion and Management)第43期1469到1478页的文章《1200。C下采 用NiO/NiAl204颗粒循环进行化学链燃烧的试验结果》(Experimental results of chemical-looping combustion with NiO/NiAl2()4 particle circulation at 1200 °C )等。文献报道中最常见的化学链燃烧装置多为循环流化床装置，其中空气反应器为一个提 升管式流化床反应器，在提升管底部注入空气，并加入来自燃料反应器的还原态的载氧体 颗粒，空气挟带载氧体颗粒向上流动，同时将载氧体颗粒氧化并放出大量热。在提升管顶 部的气固混合物经过旋风分离，分离出的气体用于能量回收，固体通过料腿送回到燃料反 应器中。在鼓泡床形式的燃料反应器中通入燃料，对载氧体进行还原，产生的C02和H20 混合气体也经过旋风分离回收载氧体，再经过能量回收，然后冷凝后得到高纯度的C02。 在燃料反应器中的还原态载氧体颗粒通过一斜管进入空气反应器底部，构成一个完整的载 氧体循环。3.制氧目前的工业制氧技术包括深冷制氧、变压或变温吸附制氧及膜分离制氧等方法。 其中氧渗透膜属于膜分离技术的一种。氧渗透膜指可选择性地透过02，使02从高浓 度侧向低浓度侧传递的膜。在名为《膜及其用法(Membrane and use thereof)》的美国专 利USP 6503296中，则提到了用氧渗透膜从含02气体向高H20和(302分压的气体中渗透氧，然后将富集02的H20和C02混合气体用于转化含碳燃料，生产合成气的方法。离子迁移型氧渗透膜是一种低能耗的氧分离装置，可以获得纯度非常高的02，但是目前所用的 离子迁移型氧渗透膜一般都需要在高于600°C的温度下才能达到实用的单位面积氧渗透速 率，多数情况下要达到80(TC以上。变温或变压吸附制氧是通过选择性吸附剂对不同组分吸附能力的差别达到分离目的。 氧选择性吸附剂有碳分子筛和氰钴配位化合物吸附剂，后者可参见名为《固态氰钴配位化 合物(Solid state cyanocobalate complexes)》的美国专利USP 5239098。

发明内容
本发明涉及产生含碳燃料气化剂的方法和装置，可通过以化学链燃烧方式燃烧气化炉 所产部分合成气，并将化学链燃烧的热量在换热网络中回收，在加入外来H20和/或C02 的情况下，得到温度足够高、流量尽可能大的H20和C02混合气体作为气化剂使用；在气 化剂热量不足，转化率过低时，可通过氧分离器从含02气体向气化剂传递02。得到的气 化剂送往地面或地下气化炉与含碳燃料反应，得到不含N2的合成气。采用本发明的方法，可以得到不含N2的合成气；通过调整气化剂组成，可按下游需要 灵活调整合成气组成；整个气化过程C02排放量低；对外界依赖少，气化系统开工正常后， 可以用含碳燃料气化得到的部分合成气燃烧供能持续进行生产。所得到的中间物流便于低 成本地向气化剂中掺入02。本发明也可用于地下气化开采化石燃料，如煤、稠油、油砂等。本发明的主要目的是获得不含N2的气化剂，从而能得到不含N2的合成气。不含N2的合成气主要杂质为H20和C02，分离成本远低于N2的分离成本。而在合成气用于纯02燃烧时，高温下N2易与02反应生成大气污染物NOx (氮氧化合物)，所以不含N2的合成气燃烧对环境污染少。所以，本发明的目标是以消耗部分合成气为代价，产生温度足够高、流量尽可能大的不含N2的气化剂；此外，在气化剂转化率不足时，最好还可以低成本地向气化剂加入02来提高转化率。本发明中，通过采用化学链燃烧系统，在燃料反应器中将合成气转化为主要成分为H20和C02的气体，同时还原载氧体；燃料反应器输入物流中还可注入外来的H20和/或C02， 以便多携带热量，并可以将外来C02送入气化炉中部分转化为CO;在空气反应器中通入 空气，使载氧体氧化，从氧化反应器排出高温贫氧空气；通过使载氧体在燃料反应器和空 气反应器之间循环或是燃料反应器和空气反应器间歇式切换实现氧原子在空气和燃料间 的传递；此外，将高温贫氧气体中的大部分热量回收到化学链燃烧系统的输入物流中，最 终使反应所产生的大部分热量输出到燃料反应器输出物流中，燃料反应器输出物流作为外 输气化剂进入气化炉。用本发明所述方法和装置制得的气化剂也可以作为气化炉气化剂的一部分，例如，再配入H2或02，或只用于某一气化阶段，例如，只用于煤的干馏和热解阶段。因此，本发明涉及一种产生和加热产生和加热含碳燃料气化剂的装置， 一个化学链燃烧系统，鼓风机；换热网络；
所述化学链燃烧系统包括至少一个燃料反应器和至少一个空气反应器，燃料反应器和 空气反应器内都含有化学链燃烧所用载氧体；在燃料反应器和空气反应器之间设有使载氧 体循环的载氧体循环装置；燃料反应器设有从外部接入合成气的燃料入口、空气反应器设 有空气入口、贫氧空气出口；或者所述化学链燃烧系统包括至少一个既作为燃料反应器又作为空气反应器的反应 器；该反应器设有从外部接入合成气的燃料入口、空气入口、贫氧空气出口；贫氧空气出口)连接换热网络；鼓风机出口最终通往空气入口；其特征在于-燃料反应器或上述既作为燃料反应器又作为空气反应器的反应器设有用于从外部接 收H20、 C02或二者的混合物的外来气化剂输入口以及外输气化剂出口)，外输气化剂出口 通往气化炉；所述的换热网络至少连接燃料入口，外来气化剂输入口，空气入口之一；当换热网络 连接空气入口时，换热网络连接鼓风机出口。当化学链燃烧系统至少包括空气反应器和燃料反应器时，通过燃料入口将合成气通入 燃料反应器，还原燃料反应器内载氧体，产生H20、 C02混合气体；外部接收H20、 C02 或二者的混合物的外来气化剂通过外来气化剂输入口(6)通入燃料反应器，与还原燃料反应器内产生的H20、 C02混合气体一起从外输气化剂出口排出；空气从空气入口进入后，氧 化空气反应器内的载氧体，同时产生加热后的贫氧空气从贫氧空气出口通往换热网络；载 氧体在燃料反应器和空气反应器之间循环；当所述化学链燃烧系统(l)包括至少一个既作为燃料反应器又作为空气反应器的反应 器时；该反应器先作为还原反应器运行时，在载氧体达到还原态后，切断合成气，用外来 气化剂吹扫和置换，吹扫和置换后从外输气化剂出口排出，后关闭外输气化剂出口和外来 气化剂输入口；然后打开空气入口和贫氧空气出口通入空气对载氧体进行氧化操作，使载 氧体升温并蓄积热量使载氧体升温到90(TC到120(TC或载氧体达到氧化态后，关闭空气入口，打开外来气化剂输入口进行吹扫置换，吹扫置换后从贫氧空气出口放空；关闭贫氧空气出口，然后打开燃料入口和外输气化剂出口，开始进行还原操作并利用蓄热加热外来气化剂；在还原操作期间载氧体温度开始下降，直到温度降到600到1100。C或载氧体达到还 原态；上述步骤循环重复进行；
所述换热网络至少预热以下气体之一通入燃料入口的从外部接入合成气，通入外来 气化剂输入口的外来气化剂，；从鼓风机出口通往空气入口的空气；外来气化剂为外部的 H20、 C02或二者混合物。所述的换热网络至少连接燃料入口，外来气化剂输入口，空气入口之一，将贫氧空气 出口排出的贫氧空气中的热量回收到化学链燃烧系统的输入物流中；当换热网络连接空气 入口时，换热网络连接鼓风机出口。鼓风机出口的空气经换热网络预热后进入空气反应器 或既作为燃料反应器又作为空气反应器的反应器。换热网络由一系列换热器构成，用于使贫氧空气出口排出的贫氧空气与化学链燃烧系 统的输入物流换热。在通常的化学链燃烧系统中， 一般利用所排出的高温气体做功发电或是发汽。而在本 发明的实施方案中，为了提高气化剂所携带的热量，通过将氧化反应器排出的贫氧空气与 化学链燃烧系统的输入物流换热，将氧化反应器排出的贫氧空气最终排放温度降低使贫氧 空气所携带大部分热量回到化学链燃烧系统中。这样，就可以有更多的热量从燃料反应器 那侧输出到所产生的气化剂中。随注入外来气化剂量、合成气热值和贫氧空气与输入物流 的热交换量的不同，最终得到的气化剂温度可以达到90(TC以上，甚至可以达到1150'C以 上或更高，具体温度随转化反应所需温度确定。这里所说化学链燃烧系统的输入物流包括 输入该系统的空气、合成气、含H20和C02的气体,其中H20优选为蒸汽形态，但也可以包 括液态水。优选用氧化反应器排出的贫氧空气来加热氧化反应器的进料空气，将氧化反应 器的进料空气预热到60(TC以上或更高温度。如果外部不能供蒸汽，则也可选将空气反应 器排出的贫氧空气中的部分热量用来发蒸汽。在本系统中，以空气为氧化剂、合成气为还原剂的化学链燃烧所产生的热量除了部分 损失外，大部分都被燃烧生成气体和外加气化剂携带到气化炉中，其供热效果大致相当于 在有一定热损失的情况下，给气化炉注入了纯02和合成气燃烧发热，并注入一部分外来 H20和/或C02。燃料反应器温度的提高可使燃料反应器排气温度高一些，多携带一些热量，但是，通 常还需要向燃料反应器注入另外的物料来将其余的热量携带出,以免系统超温。本文中将所 注入的来自本装置外部的H20和C02总摩尔含量为80%以上的混合物称为外来气化剂。 注入外来C02可减少C02排放。注入外来气化剂的效果是气化剂可携带到气化炉中的热量增大；另外，通过调整外来气化剂的流量和组成，可以调整最终外输气化剂的组成，从而调整含碳燃料气化所得到
的合成气组成。注入外来气化剂的量取决于所供合成气的成分。如果合成气中已经含有90% 以上摩尔浓度的H20、 C02，则不需要再另外加入H20和C02。本发明化学链燃烧系统包括燃料反应器和空气反应器，其中都装有载氧体。其中的燃 料反应器和空气反应器即可以是不可互换的设备，也可以是可互换的设备，即，同一个反 应器既可充当燃料反应器，又可充当空气反应器切换运行。所述可互换的含义是指一台反 应器上配有燃料反应器和空气反应器的所有连接口，根据内部载氧体的氧化程度和进料的 不同，可在操作周期不同的阶段分别作为燃料反应器或空气反应器使用。在已有的用于燃烧发电的化学链燃烧系统技术方案中，多采用循环流化床技术，缺点 是设备复杂、操作难度高、载氧体磨损大，动力消耗高。为此，本发明还进一步提出了一种结构简单、操作灵活方便的间歇蓄热式反应器，在 不同阶段，同一个反应器既可以当作燃料反应器使用，也可以当作空气反应器使用。该反 应器在氧化反应期间蓄热并氧化载氧体。氧化完成后，用该反应器进行还原反应，在还原 反应期间用所蓄热量来维持载氧体床层温度不致下降过快，并通过加热通过反应器的气 体，使反应器排出的作为外输气化剂的气体温度提高。本发明中，优选采用2个到4个间 歇蓄热式反应器，可用于交替切换操作。以气化剂显热形式携带的热量能量密度比较低，所以，在气化挥发性组分较少、反应 活性较低的含碳燃料时，即使气化剂温度达到U5(TC，转化率仍可能偏低。气化剂转化率 过低会使大量的C02和H20在系统中循环，造成动力能耗升高。所以，在燃料与H20和 C02反应的活性比较低时，为了降低能耗，优选在气化剂注入气化炉的同时加入一定量的 02， 一方面可以氧化含碳燃料使其气化，另一方面也可以供热辅助H20和C02转化为可燃 组分。为此，在本发明装置的一些实施例中，还包括了与化学链燃烧系统耦合的氧分离器。 所述氧分离器可以是基于氧渗透膜的，也可以是变温吸附型或其他类型的。本发明的方法 可得到高温气化剂流，所以可利用汽化剂温度和与空气的02浓度差，低成本地掺入02。 尤其是在本发明的方法中，还有高温的空气流可以用，所以特别适合采用基于离子迁移型 氧渗透膜的氧分离器。在基于氧渗透膜的氧分离器中， 一侧为温度60(TC以上的含O2气体，另一侧为本发明 的装置所产温度为60(TC以上的气化剂，由于两侧温度都足够高，且具有天然的02浓度差， 所以会有一部分02从含02气体侧传递到外输气化剂中。这里所说的温度600°C以上的含 02气体有两种选择， 一种是选择氧化反应器出口排出的贫氧空气，优点是温度高，缺点是02浓度较低；另一种是选择预热到600'C以上的氧化反应器进料空气，优点是02浓度高， 缺点是温度稍低。变温吸附型的氧分离器中，优选采用可在常温下吸附，并具有较高的氧选择性的吸附 剂。该型氧分离器使用中，可先通入常温空气冷却吸附剂床层，并使吸附剂吸附02;然后用外来冷C 02气化剂吹扫放空；最后将外来冷C02气化剂和外输气化剂各分出一部分混合,通过调整混合比例使混合后的气体温度达到使吸附剂上02充分脱附的温度后将其通入 氧分离器，吸附剂床层升温、并吹扫吸附剂，使02脱附；脱附的02与混合气体一起从氧分离器流出，与其余的外输气化剂汇合后一起送往气化炉。 本发明效果如前所述，通常化学链燃烧系统是用于燃烧燃料做热力功，用于驱动透平或者发汽，副产少量C02和H20混合气体。而在本发明中，化学链燃烧系统中燃烧合成气所产生的热量除部分热损失外，全部用于产生和加热气化剂，所用助燃物为空气，但燃烧产生的作为气化剂的气体中不含N2，所达到的总体效果大致相当于间接地给气化炉供应了一些纯02， 因此可以少用或不用纯02就得到不含N2的合成气。据初步估算，在外来气化剂以H20为主，不加纯02地下气化褐煤时，气化剂单程转 化率可达约10%，或者在同等H20转化率的情况下，使气化剂中所需纯02摩尔浓度降低 约4%。而本发明的装置中会产生高温气化剂流和高温空气流，又非常适合通过使用离子 迁移型氧渗透膜、氧吸附剂等，以不需外供能量的方式低成本地给气化剂中掺人纯02，使 气化剂中02摩尔浓度达到10%或更高，所以完全可以不用外供纯02和热量，仅凭本发明 中的气化剂生成和加热装置和与之耦合的简单的氧分离器就使气化剂达到较高的转化率。所以，采用本发明的方法，可以不需另外设专门的制氧装置就得到不含N2的合成气，从而可以大幅降低煤气化装置的建造和运行成本。尤其是在煤地下气化中，往往外部条件 有限，单一地点生产持续时间相对不长，所以特别需要有一种简单、对外部条件依赖少、 设备易于搬迁的装置来进行气化操作。此外，本发明的装置所输出的气化剂组成和温度还非常适合用于含碳燃料的干馏和热 解，也比较适合用于含碳燃料的加氢气化。


图1为本发明中化学链燃烧系统1包括至少一个燃料反应器2和至少一个空气反应器 3时的装置流程图。
图2为本发明实施例1所用间歇蓄热式反应器结构示意图。 图3为本发明实施例2装置示意图。 图4为本发明实施例3装置示意图。
具体实施方式
本发明中的具体实施方法包括以下部分.-(1) 在一个包括空气反应器和燃料反应器的化学链燃烧系统中，将气化炉所产部分合成气通入燃料反应器，还原燃料反应器内载氧体，产生H20和C02混合气体；向燃料反应器注入H20和C02总摩尔浓度大于80%的外来气化剂；加热后的含H20和C02的混合 气体作为外输气化剂送往气化炉；所述燃料反应器和空气反应器既可以是可互换的，也可 以是不可互换的；(2) 将空气经换热网络预热后通入空气反应器，氧化空气反应器内的载氧体，同时 产生温度在800'C以上的贫氧空气；(3) 使载氧体在燃料反应器和空气反应器之间循环，或是间歇地切换燃料反应器和 空气反应器；(4) 将氧化反应器排出的贫氧空气通入换热网络，与化学链燃烧系统的输入物流换 热来回收热量，将氧化反应器排出的贫氧空气的最终排放温度降低到35(TC以下；所述化 学链燃烧系统的输入物流选自输入化学链燃烧系统的空气、合成气和外来气化剂；在本发明中方法的另一个具体实施方案中，除以上所述(1)到(4)的步骤外，还可以进一步包括给气化剂中加入02的步骤。具体实施方法可采用一下两种方法之一 加02措施1:将前面所述外输气化剂通入一个氧渗透膜型氧分离器中，进入氧渗透膜的一侧，与从氧渗透膜渗透过来的o2混合后再送往气化炉；使一股温度在6oo°c以上的含o2气体流经氧分离器中氧渗透膜的另一侧，其中所述温度在600'C以上的含02气体为进入空气反应器前的预热空气或空气反应器排出的贫氧空气； 加02措施2:向一个装有氧选择性吸附剂的氧分离器中通入常温空气冷却吸附剂床层并使吸附剂吸附02;然后将部分冷、热气化剂配制为氧气脱附所需的温度，通入吸附剂床层升温、吹 扫和使02脱附，所得含02气化剂流与其余外输气化剂一起送往气化炉。以下结合图1对本发明实施方式加以总体性的说明。
本发明中产生和加热含碳燃料气化剂的装置包括一个化学链燃烧系统1，所述化学链 燃烧系统1进一步包括至少一个燃料反应器2和至少一个空气反应器3，燃料反应器2和 空气反应器3内都含有化学链燃烧所用载氧体；所述燃料反应器2和空气反应器3既可以 是可互换的，也可以是不可互换的；燃料反应器2和空气反应器3不可互换时，有载氧体 循环装置使载氧体在燃料反应器2和空气反应器3之间循环；燃料反应器2设有燃料入口4、外输气化剂出口5、外来气化剂输入口6，其中燃料入 口 4从外部接入合成气，外输气化剂出口 5通往气化炉，外来气化剂输入口 6从外部接收 H20和C02总摩尔浓度大于80%的外来气化剂；空气反应器3设有空气入口7、贫氧空气出口8;本发明的装置还包括鼓风机9和换热网络10，鼓风机9出口空气最终通到空气反应器 3的空气入口 7;换热网络10高温侧物流包括从空气反应器3的贫氧空气出口 8排出的贫 氧空气，在换热网络10中，从贫氧空气出口 8排出的气体温度降低，最终的排放温度低 于350'C，优选低于20(TC。换热网络10的冷侧物流为化学链燃烧系统1的输入物流，所述化学链燃烧系统的输 入物流可选择输入化学链燃烧系统1的空气、合成气和外来气化剂。优选换热网络10的至少一部分冷侧物流采用来自鼓风机9的空气。在此情况下，预 热后的空气进空气入口 7前的温度为60(TC以上，优选800'C以上。上述换热网络10可由一系列换热器构成。按换热器温度段分，最高操作温度卯(TC以 上时所用的换热器可以采用切换蓄热式换热器或陶瓷转轮式换热器，最高操作温度为 95(TC到50(TC时可采用高温热管换热器，最高操作温度低于60(TC时可采用中温和低温热 管换热器、板翅式换热器等类型的换热器。为了防止高温损坏设备，在换热器高温侧入口 可设注水降温装置，以防止超温损坏换热设备。本段对换热网络10的说明仅为例举，并 不具有限定性。在本发明的一个实施例中，所述化学链燃烧系统1包括一个或多个可互换的间歇蓄热 式反应器，在不同操作阶段同一反应器既可作为燃料反应器2使用，也可作为空气反应器 3使用。反应器内有一个载氧体床层。该间歇蓄热式反应器以交替进行氧化操作和还原操作的方式循环切换使用。对于单个 反应器，所述循环切换操作步骤指(1)作为还原反应器运行的反应器，在载氧体床层将温到设计最低操作温度，或是 达到载氧体床层还原态后，切断入口合成气，如有必要，用外来气化剂将载氧体床层吹扫
和置换一段时间，吹扫气从气化剂出口 5排出，吹扫合格后关闭气化剂出口 5和外来气化 剂输入口 6。然后打开空气入口 7和贫氧空气出口 8通入空气对载氧体床层进行氧化操作， 使载氧体床层升温并蓄积热量，最高可使载氧体床层升温到1200°C。(2)载氧体床层升温到1200。C或载氧体床层达到氧化态后，关闭空气入口7，打开 外来气化剂输入口6进行吹扫置换，吹扫置换气体可从贫氧空气出口8放空。置换合格后 关闭贫氧空气出口8，然后打开燃料入口4和气化剂出口5，开始进行还原操作。在还原 操作期间载氧体床层温度开始下降，直到达到设计最低操作温度或是载氧体床层达到还原 态。以上步骤(1)和(2)循环交替进行。载氧体床层操作温度变化范围为60(TC到1200°C ， 优选在900'C到120(TC之间，其中设计最高操作温度为900'C到1200°C，设计最低操作温 度为600到IIOO'C。其中载氧体床层达到氧化态的判断标志为贫氧空气出口 8排出的贫氧 空气中02浓度开始较快地上升，达到一定值，例如10%摩尔浓度以上；载氧体床层达到 还原态的判断标志为气化剂出口 5排出的外输气化剂内可燃气体的浓度开始较快地上升， 达到一定值，例如，2%摩尔浓度以上。具体的数字随所用载氧体类型、反应器类型和操作 参数的不同而异。所说氧化态和还原态是针对载氧体床层中大部分载氧体而言。通过在间歇蓄热式反应器内加入蓄热体，可使反应器操作周期内载氧体床层温度变化 范围縮小到30(TC以内。蓄热体可以釆用混入载氧体床层的固体颗粒形式，如不含载氧体 的八1203颗粒，也可以采用蓄热结构体的形式，例如使用蓄热墙或其他可蓄积热量的装置。 当然，制备载氧体时多混入惰性支撑材料也可以。在本发明的一个实施方案中，采用2个以上间歇蓄热式反应器，可以在两个反应器中 分别同时进行载氧体床层的还原和氧化操作，通过互相切换实现半连续式的生产。优选采 用3个以上反应器，其中l个反应器可以备用，这样就能在不中断下游气化过程的情况下 轮换对反应器进行检修、加料等操作。在反应器台数较多时，可以通过不同的串联、并联 组合方式的切换使生产过程更为连续化。在本发明的装置另一个实施方案中，间歇蓄热式反应器可以是单台设备运行，间歇地 产生气化剂，但是，由于这种操作方式无法同时提供高温气化剂流和高温含02气体流，难 以进行前述加02措施1。采用间歇蓄热式反应器达到的效果是设备结构简单，易于操作和维护，用于输送流化 气体的动力消耗低，载氧体磨损小，固体粉尘产生量少，载氧体损耗低。特别适合做成便 于移动的橇装式设备，方便野外使用。
实施例1按前述文献《120(TC下采用NiO/NiAl204颗粒循环进行化学链燃烧的试验结果》中所 述方法，制备NiO/NiAl204载氧体颗粒。在载氧体颗粒中掺入粒径与制得载氧体颗粒接近 的不含Ni的八1203颗粒，以提高床层热容量。然后将载氧体颗粒与Al203颗粒的混合物装 入间歇蓄热式反应器。本实施例中，采用3个间歇蓄热式反应器。在操作中， 一个间歇蓄热式反应器进行还 原操作， 一个间歇蓄热式反应器进行氧化操作， 一个间歇蓄热式反应器备用。所用间歇蓄热式反应器结构如图2所示。间歇蓄热式反应器为一有锥底的圆筒，内衬 耐火蓄热材料。锥底有一个喷动进气口 11，锥面处有一个鼓泡进气分布器12。其中鼓泡 进气分布器12可以选用任何公知的形式，如筛板，枝状分布管等。这里采用的形式为分 布管式，具体是将进气总管分为16个支管，连接到锥面上均匀分布的16个孔上。鼓泡进 气分布器12和喷动进气口 11都分别通过阀门和管道与前述空气入口 7相连。鼓泡进气分 布器12还通过阀门和管道与燃料入口 4和外来气化剂入口相连。间歇蓄热式反应器顶部 有一个旋风分离器13，以耐高温材料构筑，用于将气体中的粉尘分离后送回载氧体床层。 旋风分离器13出口经过相应的管道和阀门分别与外输气化剂出口 5和贫氧空气出口 8相 连。间歇蓄热式反应器还有一个底部卸料口 14和一个顶部加料口 15，侧壁开有一个检修 人孔16。在氧化操作期间，预热后的空气一部分从鼓泡进气分布器12进入，以鼓泡方式与载 氧体反应；另一部分预热后的空气从喷动进气口 ll进入，用于使床层循环，以达到使床 层温度均匀的目的。从旋风分离器13出口排出的气体进入换热网络10回收热量。氧化进行到反应器内温度达到1200°C，或是排气氧含量达到10%以上后，停止注入空 气，注入外来气化剂，对床层和空气管道进行吹扫置换，然后关闭贫氧空气出口8，氧化 操作完成。还原操作中，仅通过鼓泡进气分布器12进气，所进气体为合成气和外来气化剂的混 合物。通过以鼓泡方式还原载氧体床层并加热气化剂，床层温度逐渐降低。待床层温度降 低到90(TC，或是所产外输气化剂中可燃组分摩尔浓度达到2%时，停止注入燃料，仅注入 外来气化剂对床层和燃料进行吹扫置换，然后关闭外来气化剂输入口 6和外输气化剂出口 5。进行下一个周期的氧化操作。上述氧化操作和还原操作通过2台以上间歇蓄热式反应 器交替切换半连续式地进行。 在本发明的另一个实施方案中，燃料反应器2和空气反应器3为不可互换的连续式反 应器。所述燃料反应器2和空气反应器3中含有载氧体颗粒。通过采用气力输送、重力输 送或压差输送方式或这些方式的组合使载氧体颗粒在燃料反应器2和空气反应器3之间循环。如果出现气化剂转化率过低的现象，则需要向气化剂中加入02。这里可以采用氧渗透 膜型氧分离器，通过含02气体中02的渗透给来自外输气化剂出口 5的外输气化剂中加入 02。所述含02气体可选进入空气反应器空气入口 7前的预热空气或是来自贫氧空气出口 8 的高温贫氧空气。实施例2如图3所示，氧分离器17为一内装氧渗透膜18的设备，氧渗透膜将氧分离器17内 空间分割为两部分，来自燃料反应器2外输气化剂出口 5的外输气化剂流经氧分离器17 内氧渗透膜的一侧，然后送往气化炉；来自鼓风机，经换热网络10预热后的空气逆流流 经氧渗透膜的另一侧，然后再进空气反应器3的空气入口7。这里的侧为逻辑概念，实际 设备为多层膜夹层结构。在外输气化剂进氧分离器17前，可以设一个分流三通阀19，可 使部分外输气化剂绕过氧分离器17，通过调整分流三通阀19，可以调整气化侧02浓度。所用氧渗透膜为离子迁移型氧渗透膜。气化剂侧设计温度为900到115(TC，空气侧设 计温度为700到850°C。膜面积按气化侧02浓度达到10%摩尔浓度设计。此外，还可以采用氧选择吸附剂变温吸附系统作为氧分离器17给气化剂中加入02。 可以单台间歇式操作氧分离器，也可以采用多台氧分离器交替切换操作。氧分离器17以 空气为供02气体，以外输气化剂、外来气化剂或二者的混合物为脱附吹扫气体。该方法的 缺点是所得到的02中会混有较多N2，所以优选在吸附完之后先以冷外来气化剂吹扫脱除 大部分N2，然后再升温使02脱附。该型氧分离器的具体实施方案如下实施例3如图4所示，氧分离器17内装固态的氧选择性吸附剂20，氧分离器17设有连接到空 气源的空气入口、废气放空口、与外来气化剂管道和化学链燃烧系统外输气化剂管道相连 的气化剂入口，以及与去气化炉的外输气化剂管道相连的含氧气化剂出口。这里以鼓风机 出口空气为空气源。共有两个可互换操作的氧分离器17。在操作期间，其中一个氧分离器 中通入来自鼓风机的空气，冷却吸附剂床层并使吸附剂吸附02，吸附氧以后的空气直接经 废气放空口排放到大气；另一个氧分离器中则先用来自外来气化剂管道的冷外来气化剂吹 扫经废气放空口排出，然后关闭废气放空口，通入部分外来气化剂和少量化学链燃烧装置 所产高温气化剂的混合物，通过调整冷热气化剂配比使混合物温度达到120°C，以加热吸 附剂床层并使吸附剂吸附的02脱附进入气化剂流。所得到的含02气化剂流从含氧气化剂 出口流出，与本装置所产其余外输气化剂汇合后一起送往气化炉。本发明的装置用于地下燃料气化时，所述气化剂的注入温度还受到气化剂注入口耐受 温度的限制。通常，如果注气温度达到32(TC以上，就需要采用特别设计的高温注气口。例如，采用套管形式，内管为耐高温管，外管与内管间隙则起到隔热作用。如果在环形间 隙中通入冷气体，则可以起冷却外管的作用。
权利要求
1. 一种产生和加热产生和加热含碳燃料气化剂的装置，它包括一个化学链燃烧系统(1)，鼓风机(9)；换热网络(10)；所述化学链燃烧系统(1)包括至少一个燃料反应器(2)和至少一个空气反应器(3)，燃料反应器(2)和空气反应器(3)内都含有化学链燃烧所用载氧体；在燃料反应器(2)和空气反应器(3)之间设有使载氧体循环的载氧体循环装置；燃料反应器(2)设有从外部接入合成气的燃料入口(4)、空气反应器(3)设有空气入口(7)、贫氧空气出口(8)；或者所述化学链燃烧系统(1)包括至少一个既作为燃料反应器又作为空气反应器的反应器；该反应器设有从外部接入合成气的燃料入口(4)、空气入口(7)、贫氧空气出口(8)；贫氧空气出口(8)连接换热网络(10)；鼓风机(9)出口最终通往空气入口(7)；其特征在于燃料反应器(2)或上述既作为燃料反应器又作为空气反应器的反应器设有用于从外部接收H2O、CO2或二者的混合物的外来气化剂输入口(6)以及外输气化剂出口(5)，外输气化剂出口(5)通往气化炉；所述的换热网络(10)至少连接燃料入口(4)，外来气化剂输入口(6)，空气入口(7)之一；当换热网络(10)连接空气入口(7)时，换热网络(10)连接鼓风机(9)出口。
2. 根据权利要求1的装置，所述既作为燃料反应器又作为空气反应器的 反应器为间歇蓄热式反应器；所述间歇蓄热式反应器内装有蓄热体。
3. 根据权利要求2的装置，其特征在于所述间歇蓄热式反应器底部为 锥形，锥底有一个喷动进气口(ll)，锥面上有一个鼓泡进气分布器(12)。
4. 根据权利要求l的装置，其特征在于进一步包括氧分离器(17); 所述氧分离器(17)内装氧渗透膜(18)，氧渗透膜将氧分离器(17)内空间分割为两部分；外输气化剂出口(5)连接氧分离器(17)内氧渗透膜的一侧后连接气 化炉；空气入口 (7)或贫氧空气出口 (8)连接氧分离器(17)内氧渗透膜的另 一侧。
5. 应用权利要求1所述装置产生和加热含碳燃料气化剂的方法，其特征 在于，该方法包括当化学链燃烧系统(1)至少包括空气反应器(2)和燃料反应器(3)时，通过燃 料入口(4)将合成气通入燃料反应器(3)，还原燃料反应器内载氧体，产生H20、 C02混合气体；外部接收H2(D、 C02或二者的混合物的外来气化剂通过外来气 化剂输入口(6)通入燃料反应器(3)，与还原燃料反应器内产生的H20、 C02混 合气体一起从外输气化剂出口(5)排出；空气从空气入口(7)进入后，氧化空气 反应器内的载氧体，同时产生加热后的贫氧空气从贫氧空气出口(8)通往换热网络(10);载氧体在燃料反应器(2)和空气反应器(3)之间循环；当所述化学链燃烧系统(l)包括至少一个既作为燃料反应器又作为空气反应器的反应器时；该反应器先作为还原反应器运行时，在载氧体达到还原态 后，切断合成气，用外来气化剂吹扫和置换，吹扫和置换后从外输气化剂出 口(5)排出，后关闭外输气化剂出口(5)和外来气化剂输入口(6);然后打开空气 入口 (7)和贫氧空气出口(8)通入空气对载氧体进行氧化操作，使载氧体升温 并蓄积热量使载氧体升温到90(TC到120(TC或载氧体达到氧化态后，关闭空 气入口 (7)，打开外来气化剂输入口(6)进行吹扫置换，吹扫置换后从贫氧空 气出口(8)放空；关闭贫氧空气出口(8)，然后打开燃料入口(4)和外输气化剂出 口(5)，开始进行还原操作并利用蓄热加热外来气化剂；在还原操作期间载氧 体温度开始下降，直到温度降到600到110(TC或载氧体达到还原态；上述步 骤循环重复进行；所述换热网络(10)至少预热以下气体之一通入燃料入口(4)的从外部 接入合成气，通入外来气化剂输入口 (6)的外来气化剂，；从鼓风机(9)出 口通往空气入口 (7)的空气；外来气化剂为外部的&0、 C02或二者混合物。
6. 如权利要求5所述方法，其特征在于，该方法进一步包括(1) 将外输气化剂通入一个氧渗透膜型氧分离器中，进入氧渗透膜的一侧，与从氧渗透膜渗透过来的02混合后再送往气化炉；(2) 使一股含02气体流经氧分离器中氧渗透膜的另一侧，其中所述含 02气体为进入空气反应器前的预热空气或空气反应器排出的贫氧空气。
7. 如权利要求5所述方法，其特征在于，该方法进一步包括(1 )向一个装有氧选择性吸附剂的氧分离器中通入常温空气冷却吸附剂 并使吸附剂吸附02;(2)部分冷、热气化剂配制为02脱附所需的温度，通入吸附剂升温、 吹扫和使02脱附，所得含02气化剂流与其余外输气化剂一起送往气化炉。
全文摘要
产生和加热含碳燃料气化剂的方法和装置属于含碳燃料的气化领域。本发明通过以化学链燃烧方式燃烧气化炉所产部分合成气，并将化学链燃烧的热量在换热网络中回收，在加入外来H₂O和/或CO₂的情况下，得到温度足够高、流量尽可能大的H₂O和CO₂混合气体作为气化剂使用；在气化剂热量不足，转化率过低时，通过氧分离器从含O₂气体向气化剂传递O₂。本发明得到的气化剂送往地面或地下气化炉与含碳燃料反应，得到不含N₂的合成气。本发明通过调整气化剂组成，可按下游需要灵活调整合成气组成；整个气化过程CO₂排放量低；对外界依赖少，气化系统开工正常后，可用含碳燃料气化得到的部分合成气燃烧供能持续进行生产，得到的中间物流便于低成本地向气化剂中掺入O₂。
文档编号C10J3/20GK101392188SQ20081022554
公开日2009年3月25日 申请日期2008年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者鹏 张 申请人:鹏 张