CN102245744A - 用于在循环流化床中气化固体燃料的启动程序 - Google Patents

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Abstract

一种用于在具有循环流化床的气化器中气化固体燃料的方法和设备。利用受控的氧气供应在气化器中形成和保持用于持续气化固体燃料的条件。在启动过程中，基本使用蒸汽来流化和循环流化床。为此，所述设备设有用于蒸汽的供应管道。

Description

用于在循环流化床中气化固体燃料的启动程序
技术领域
本发明涉及用于在循环流化床中气化固体燃料的方法和设备。更具体地，本发明涉及用于气化例如废木料的木头，以在燃烧燃料的发电站中生产能量的方法和设备。
背景技术
通常在基于流化床原理的装备中对不易磨碎的燃料进行气化。这个工艺在燃料成分和热值变化方面是相对宽松的。一种已知的此类方法是欧洲专利文件EP 0239589的主题。
这种方法中使用的气化器包括非制冷钢容器，在该容器中，不同的耐熔衬里层抵靠壁设置。在气化器作为其一部分的反应器***中包括用于固体的回收气旋，利用该回收气旋，形成流化床的床料经由回收管道和“气封”(例如U形气隔)回收到气化器中。这样，在气化***中保持床料的循环。通常使用沙子作为床料，尽管具有在设备上磨损的不利条件，但沙子具有良好的传热性并且相对于待气化的燃料是惰性的。
燃料和燃烧空气(或者氧气)被供应的比率为使燃料在700和950℃之间的温度发生转化(从固态转化为气态)。就可燃成分的主要部分而言，由此产生的气体包括一氧化碳、甲烷和氢气。
产生的气体在经上述的回收气旋离开气化反应器后，于气体净化步骤之前在热交换器中进行冷却，在此热能被传递至例如蒸汽***。经过此冷却后，气体可由气旋或过滤器完全或部分净化，也可以随后用进一步的净化步骤、例如水淬净化。
该已知的气化过程的启动是通过利用布置在气化器本身中或者紧挨其布置的一个或多个燃油或燃气的启动燃烧器的帮助(长期)预热气化***来完成，其中热烟气直接经过气化器。在加热过程中，气化器被供应诸如沙子的床料，通过持续空气供应来循环床料。自然地，该材料接着也被启动燃烧器的热烟气加热。
经验表明，所描述的方法和设备具有很多不足。基于循环流化床原理的气化装备被设计为在最大高达1000℃的温度操作。这意味着，一方面，在加热过程(作为启动程序的一部分)中也不能使用更高的温度。因此，燃油或燃气的加热燃烧器必须在过量空气下操作，否则烟气温度就会(远)超过装备的设计温度。在装备的加热过程中使用过量空气意味着接下来气化器中的(烟)气体含有相当比例的氧气。
在固体燃料在循环流化床中气化时会形成飞灰，飞灰与产生的气体一起被带走。一部分飞灰沉积在气体流经的装备部分中，特别是沉积在气体冷却器和管道***中。飞灰、特别是对于惰性物质含量低的燃料，含有大比例的碳。这意味着在气化器下游的整个装备中，具有细小可燃粉末的(局部甚至相当多的)堆积。当之前已经操作且其气体冷却器和管道***因此被(可燃)飞灰污染的气化器再次启动时，热的含氧烟气经过这些装备部分。一旦飞灰堆积物位置处的温度超过飞灰的着火温度，这些堆积物将会着火，引起(内)火，因此出现不允许的高温。实践表明，这种现象是不可避免的，在这种情况下，事实上不可能将发生的温度控制在允许限度内。因此，没有办法只能停止启动燃烧器，并且利用氮气冲洗装备来灭火。之后，可再次尝试进一步加热装备(该装备已经由于冲洗极大地冷却)，直到剩余的飞灰再次着火且温度变得可控为止。显然，考虑到装备的安全性和完整性方面，这种试错式的启动方法是极不可取的。另外，涉及的能量浪费也是不能接受的。在再次启动还温着的装备时，飞灰实际上可能在启动燃烧器之前，即甚至在燃烧器被点燃之前的必要的(利用空气)冲洗过程中已经着火。
除了在加热过程中装备中存在的飞灰着火的现象外，还具有在含氧(烟)气体经过时在装备中形成***性混合物的危险。这是因为飞灰非常细小并且非常容易点燃，这样在加热过程中由于某些原因装备中出现尘云时，容易形成含氧气体和飞灰的***混合物。从安全角度看这显然是不允许的(除非能够主动并且确定地排除火源的存在)。
在传统的工艺操作中，加热装备后启动气化是与最大允许温度(1000℃)相结合通过使燃料在充分过量空气下燃烧来实现的。于是烟气含有相当比例的氧气，因此存在于装备中的飞灰沉积物会燃烧。由此，通过提高燃料供应或者减少空气供应，操作继续以进行气化。这伴随着只有通过冷却，例如通过注水，才能有限控制的高温。而且，发生从富氧烟气到不含氧且富CO烟气的转变，如果迅速地发生这种转变，则在装备的“死角”中会出现***性尘云。
还已确定，在启动或气化过程中的高温下，在设备中会形成床料的凝块。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于消除或改善现有技术中的至少一个不足。本发明的另一目的在于提供一种实施更简单且能够相对有利地付诸实施的替代方案。替代地，本发明的一个目的在于提供一种至少有用的选择。
为此，本发明提供一种用于在具有循环流化床的气化器中气化固体燃料的方法，其中，利用受控的氧气供应在气化器中形成和保持用于持续气化固体燃料的条件，并且在启动过程中基本使用惰性气氛(例如基本是蒸汽)来流化和循环所述流化床。
根据本发明的用于气化的方法的另一特征，使用加热燃烧器以启动气化。特别地，加热燃烧器操作在燃料的稳定燃烧区域是有利的。更特别地，加热燃烧器可以利用天然气操作，其始终以次理想配比燃烧。在以此方式执行的气化过程中，利用蒸汽形成的惰性气氛作为用于在点燃加热燃烧器之前冲洗气化器的冲洗介质是有利的。
根据本发明的特别特征，使用外部加热燃烧器作为加热燃烧器。利用该外部加热燃烧器，能够更好地控制工艺参数。
根据本发明的方法的另一特征，使用蒸汽作为用于控制(烟)气体温度的冷却介质。非常有利的是使用蒸汽来形成惰性气氛，有可能还利用氮气来补充。从成本和在燃烧燃料发电站容易获得的角度看，蒸汽是经济上极具吸引力的选择。
如果氧气的供应在所有条件下在整个负荷区域都以受控的方式进行并且在需要时可以完全中断，则根据本发明的方法还可进一步有利地操作。
另外，根据本发明的方法能够在利用控制算法对气化器中的当前条件进行监控和传输时有利地操作。特别地，可以利用控制算法对气化器中的氧气比例进行测量和传输。最主要地，出于安全原因，确定氧气比例已经足够了。更特别地，可以利用控制算法对气化器中的内部温度进行测量和传输。更特别地，优选在启动气化时使用加热燃烧器，然后检查气化器的内部温度的值是否低于在100至120℃的范围内选择的第一温度。为了流化和循环流化床，当气化器的内部温度低于第一温度时，可以使用空气。当气化器的内部温度高于所述第一温度但低于针对飞灰的燃烧温度选择的作为安全下限的第二温度时，使用空气或者蒸汽。如果气化器的内部温度高于针对飞灰的燃烧温度选择的作为安全下限的第二温度时，那么，只要在加热过程中尚未进行气化，就只使用蒸汽来流化和循环流化床。
本发明还提供一种气化固体燃料的设备，具有用于利用氧气(空气形式的)供应形成并保持固体燃料持续气化的循环流化床，其中，所述设备设有用于蒸汽的供应管道，以进行流化床的流化和循环。有利地，该设备可设有用于启动气化的加热燃烧器。加热燃烧器可设有次理想配比氧气供应装置。另外，本发明还提供一种设有这种设备和布置为执行所述方法的处理单元的***。特别地，所述处理单元可设有计算机，例如PC类型的标准计算机。
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种方法和设备，在使用中，原则上要防止任何时候在装备中出现以下情况，即飞灰沉积物着火或者装备中出现***性飞灰尘云。这是通过(原则上无一例外)一旦装备中的温度超过限定的限制值就使用无氧条件来实现的，其中，限定的限制值比飞灰能燃烧的温度低一安全距离。为此，在启动(加热)过程中，主要使用蒸汽(代替空气)作为惰性气氛，用于在点燃加热燃烧器或启动燃烧器之前对装备进行必要冲洗。蒸汽还可以代替过量空气用于流化床的流化以及用于冷却和/或温度控制启动燃烧器的燃料气体。此外，启动燃烧器次理想配比地操作以防止烟气本身含有任何氧气。只有装备仍处于大约110℃以上的温度时才能使用方才描述的加热方法。当启动完全冷却的装备时，利用过量空气而不利用蒸汽来完成第一部分加热(至＞110℃)。这是因为蒸汽在冷装备中会凝结。由于这时装备的温度仍然很低—在任何情况下都远低于飞灰的着火温度，因此在第一部分加热范围内，装备中允许有氧气。
一旦装备处于气化条件必须的操作温度，就进行直接启动，燃料以希望的燃料/空气比气化。在气化操作中，停止启动燃烧器以及冷却蒸汽(温度控制)的供应，并且用空气代替流化蒸汽，空气随后也用作气化介质。这样，在正常的气化操作过程中，从工艺技术的角度看，保持了与传统方法中相同的情况。
根据本发明的方法还利用新的自动控制程序。启动和停止装备现在包括驱动空气和蒸汽流化和冷却/温度控制之间的转变的所有步骤，以及此外根据装备的条件(特别是温度)利用空气、或者蒸汽或者氮气冲洗装备的程序步骤。
因此，装备的工艺技术保护比现有的方法简单得多。在现有方法中，装备必须能够在含氧条件以及无氧条件下操作和受到保护。在前一种情况下，需要监控没有CO存在，在后一种情况下要监控O2。存在不同监控标准和标准之间的必要切换是非常不希望的。在新开发的无氧气化方法中，只适用一种统一的保护模式，只要求针对O2的保护(关于气体成分)。另外，限制值是统一的并且只取决于装备的温度。
本发明还提供一种设备，其中蒸汽管道和结头布置在空气供应装置中。通过该布置，气化器中的蒸汽在主要空气供应中作为流化介质，在辅助空气供应中作为冲洗介质，并且在加热燃烧器的空气供应中作为用于烟气温度控制的冷却介质。
此外，该设备设有控制程序，其：
(i)根据装备的温度，选择是否可以使用空气，或者选择必须使用蒸汽或者可能的氮气。
(ii)如果利用空气来完成启动(因此烟气中具有O2)，则在加热过程中且在达到飞灰沉积物的着火温度之前，进行从空气到蒸汽的平稳切换，因此提供无氧操作。
(iii)如果启动必须在增加的装备温度完成，则装备必须从开始启动不间断地以无氧的方式操作。利用蒸汽、或可能的氮气来完成冲洗，并且加热燃烧器以次理想配比启动。
(iv)始终以固定的燃料空气比进行气化。
无氧操作的最重要的结果是：
(1)仅取决于装备中的温度的统一、简单的保护方法。
(2)装备中不会有飞灰沉积物燃烧，因此装备中也没有不受控的高温。
(3)装备中不可能有危险的操作情况/气体混合物。
(4)统一的启动方法/启动顺序，进行中没有飞灰沉积物燃烧造成的中断。
(5)装备中/装备的良好的温度控制。
(6)无氧条件下启动的加热燃烧器在利用蒸汽冲洗后可能具有次理想配比(因此任何时候结束时装备中都没有氧)。
(7)始终是相同的气化条件(相同的燃料/空气比)。
(8)开始时的气化负荷从非常小的起始值升高。
(9)由于防止了温度偏移(在飞灰沉积物着火时)和装备频繁的冷冲洗(关闭时)，极大地提高了装备的完备性。
附图说明
现在基于附图中所示的示例性实施方式对本发明进行详细说明，其中：
图1是根据本发明的气化装备的示意图；
图2是表示温度相对于空气-燃料比的图表；以及
图3是控制***经过的步骤的流程图。
具体实施方式
在图1中，气化反应器用附图标记1来表示。气化反应器1具有床料供给装置3，其能够将用于流化床的沙子经第一闸5供应至气化反应器。尽管沙子具有会随时间在装备装造成磨损的不足，但由于其能够很好地保热和分配热，因此是一种在气化装备中形成流化床的合适材料。但是，气化反应器1由钢容器形成，在钢容器中，抵靠壁施加不同的耐熔层，以将沙子造成的磨损控制在可接受的限度内。此外，气化反应器1设有第一流化介质的第一供应装置7，通过该供应装置(也可能在压缩机的帮助下)可以分别供应氧化或相对惰性的气体，例如空气，或蒸汽(或可能的氮气)。还具有固体燃料的供应装置，例如筒仓9，其中可包含具有特定尺寸范围的木片。该筒仓9经可选的筛分装备11和第二闸13连接至气化反应器1。第一闸5也可以组合用于供应固体燃料，这样就使第二闸13成为多余的了。用于外部加热燃烧器14的燃料供应是通过天然气供应装置15实现的。外部加热燃烧器14的出口与气化器1直接连接。为了向加热燃烧器14供应燃烧空气，可以设置单独的压缩机17，但压缩机17也可以用来向反应器供应流化介质。气化反应器1的下端经第三闸19连接至用于底灰21的排放口。在气化反应器1的下端进一步具有流化介质或者气化介质的第二供应装置23，该第二供应装置又可以任意地用于空气或蒸汽。气化反应器1中的流化床借助用于床料的回收气旋25循环。随即，床料经由具有“气封”(例如U形气隔)的回收管道27返回气化反应器1的下端。回收管道27设有用于例如也为空气或蒸汽或其混合物的流化气体的第三供应装置29。在气旋25中产生气体与固体材料、例如床料和灰剩余物的分离。气体产物主要包括CO、H2、CH4，也可以另外包括C2H6和NH3，并沿着箭头31的方向被排出至热交换器33，气体利用热交换器冷却。离开回收气旋25的气体可具有850℃的温度。热交换器33设有用于供给水的供应装置35和结合到发电站的蒸汽***且用于蒸汽的排出口37。离开热交换器33的下端39的气体已经被冷却到450℃和510℃之间的温度。该气体由此被供应至气体净化气旋41，在此飞灰经第四闸43通过飞灰排出口45排出。由此仍然具有450-510℃的温度的经净化和冷却的木气然后经由连接管道47供应至例如发电站的蒸汽锅炉49。
图2中显示了气化反应器中可能发生的取决于氧化气体和燃料量的温度曲线。原则上，在气化中，供应的燃料和氧气(空气)的比率使得在高于700℃(图2的例子中的T2)、在700和950℃之间的范围，例如850℃的温度下发生不完全的转化。由此获得的气体主要包括可燃成分CO(一氧化碳)、CH4(甲烷)和H2(氢气)。要设置这个过程，对***的长期预热是必要的。在该加热阶段会出现图2所示的温度曲线。在理想配比空气燃料比(λ＝1)情况下会出现的温度是不允许的。这些温度在1300-1600℃的级别，例如1300-1400℃(图2的例子中的T3)，更特别地在1500-1600℃的范围，但是气化装备通常只允许最高为约1000℃的操作温度。而且，这会导致床料的结块。因此，始终要避免如此高的气体温度，否则会造成操作故障。流化介质的选择和供应以及氧化剂的次理想配比供应确保了本发明中气化器中的温度在所有工艺阶段都保持在1000℃以下。
专用于此的控制是根据图3的流程图设计的。过程开始于步骤101。在接下来的步骤103中，确定是否接收到关闭装备的命令。如果是，则在步骤105中激活关闭程序，这最终造成在步骤107中关闭装备。如果在步骤103中确定没有停止装备的命令，则过程继续进行到步骤109。在步骤109中，确定操作温度T(根据图2)是否仍低于100至120℃的第一限制值T1。如果是，则步骤111检查加热燃烧器是否已经被启动。当加热燃烧器尚未被启动时，在步骤113中启动该加热燃烧器。当加热燃烧器已经被启动，则过程继续进行至步骤115，选择空气作为流化介质。当过程经过步骤109且操作温度T不再低于T1，过程继续进行至步骤117。在步骤117，检查操作温度T(见图2)是否仍低于大约250℃的第二限制值。如果是，则过程继续进行至子程序119，通过其确定仍由空气形成的流化介质是否要被蒸汽取代。如果是，则过程继续进行至步骤123，减少流化介质中的氧化气体(实践中通常为空气)的比例，并用蒸汽或者可能的N2来代替。当操作温度T已经达到250℃的第二限制值时，则在步骤125中检查是否实现了气化条件。如果步骤125确定已经实现了气化条件，当达到700℃的第三限制值时，过程继续进行至步骤131，为空气燃料比设定预定值(例如，图2中的λ＝0.3)。过程继续进行至步骤127，其中检查加热燃烧器是否仍然启动。如果需要，经过步骤129关掉加热燃烧器。此后，过程继续至步骤121，监控烟气中没有氧气(O2)。一旦烟气中出现氧气，就立即通过步骤123停止在流化介质中供应空气。由此停止气化或加热过程。在步骤125发现尚没有实现气化条件的情况下，步骤133确保只有蒸汽用作流化介质。如图3中所示，步骤103、109、117、121、125和127在气化操作中连续进行。即时检测气化操作的中断和偏离并利用合适的措施防止这些中断和偏离。
在停止气化过程中，也可采用相同的限制值来冷却。
相信通过前面的描述能够清楚本发明的构造和操作。本发明并不局限于这里描述的任何实施方式，在本领域技术人员的认识范围内可进行改变，这些改变包含在保护范围内。此外，所有动态的逆转被理解为包含在本发明的保护范围内。当用在本说明书或权利要求中时，诸如“包含”的表述应该被认为不是一个详尽的列举，而是作为一个具有包容性的含义。诸如“用于…的部件”应当被解读为“被构造用于…的部件”或“构建为…的元件”，并且应当被理解为覆盖了描述的结构的所有等同结构。诸如“关键的”、“有利的”，“希望的”等表述的使用不是为了限制本发明。另外，在不背离保护范围的情况下，也可以包括在根据本发明的结构中没有特别或明确描述或要求的特征。

Claims (21)

1.一种用于在具有循环流化床的气化器中气化固体燃料的方法，其中，利用受控的氧气供应在气化器中形成和保持用于持续气化这些固体燃料的条件，并且在启动过程中基本使用蒸汽来流化和循环所述流化床。
2.如权利要求1所述的方法，其中，使用加热燃烧器以启动气化。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述加热燃烧器在所述燃料的稳定燃烧区域操作。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述加热燃烧器利用天然气操作。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述天然气始终以次理想配比燃烧。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使用外部加热燃烧器。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使用蒸汽作为冲洗介质来在点燃加热燃烧器之前冲洗所述气化器。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，使用蒸汽作为用于控制烟气温度的冷却介质。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，除蒸汽外还使用氮气。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在所有条件下在整个负荷区域都以受控的方式进行氧气的供应。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，利用控制算法监控和传输所述气化器中的当前条件。
12.如权利要求11所述的方法，其中，利用控制算法测量和传输所述气化器中的氧气比例。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中，利用控制算法测量和传输所述气化器中的内部温度。
14.如权利要求13所述的方法，其中，使用加热燃烧器以启动气化，并且检查所述气化器的内部温度的值是否低于在100至120℃的范围内选择的第一温度。
15.如权利要求14所述的方法，其中，当所述气化器的内部温度低于所述第一温度时，使用空气以用于所述流化床的流化和循环。
16.如权利要求14所述的方法，其中，当所述气化器的内部温度高于所述第一温度但低于针对飞灰的燃烧温度选择的作为安全下限的第二温度时，使用空气或者蒸汽以用于所述流化床的流化和循环。
17.如权利要求14所述的方法，其中，当所述气化器的内部温度高于针对飞灰的燃烧温度选择的作为安全下限的第二温度时，只使用蒸汽以用于所述流化床的流化和循环。
18.一种用于气化固体燃料的设备，其具有用于利用氧气供应形成并保持固体燃料持续气化的循环流化床，其中，所述设备设有用于蒸汽的供应管道，以进行所述流化床的流化和循环。
19.如权利要求18所述的设备，其中，所述设备设有用于启动气化的加热燃烧器。
20.如权利要求19所述的设备，其中，所述加热燃烧器设有次理想配比氧气供应装置。
21.一种***，其设有如权利要求18-20中的任一项所述的设备和布置成用于执行权利要求1-7中的任一项所述的方法的处理单元。
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