CN104321413B - 冷环形气体收集器 - Google Patents

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Abstract

在将含碳固体在固定床中用氧气和/或蒸汽气化中，必须连续地将在压力下操作的反应器(10)中装入固体。这些固体借助在顶部和在底部开口的环形裙板(1)从锁中供入固定床(12)中。该裙板(1)包含内部和外部夹套使得形成具有至少一个冷却介质入口和/或出口的冷却间隙。

Description

冷环形气体收集器
本发明涉及用于向在压力下操作的反应器中装入含碳固体的设备，其中将固体在固定床中用氧气和/或蒸汽气化，其中设备包含在顶部和底部开口的环形裙板，固体通过锁(lock)供入其中，此外，涉及带有该设备的固定床气化反应器，和操作该反应器的方法。
气化应当理解为将含碳固体或液体物质(例如煤、生物质或石油)用气化介质(氧气/空气、蒸汽)转化成所谓的合成气。作为主要组分，该合成气包含氢气(H2)、水(H2O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)。CO和H2是用于多种化学合成的起始物质，基于该起始物质，然后可产生更长链产物，例如汽油和柴油如所谓的CtL燃料(煤制液)，或者其它有价值材料(SNG＝代用天然气，用于氨/肥料/尿素的H2、甲醇等)。
然而，合成气还包含硫化氢(H2S)、氧硫化碳(COS)、盐酸(HCl)、氨(NH3)、氢氰酸(HCN)、部分氟化氢(HF)以及可能的高级烃和焦油。气体的组成取决于如所选择的气化方法规定的原料组成、所用气化介质的种类和质量、反应条件和存在的反应的动力学边界条件。
原则上，三类不同的固体气化方法是已知的：在流化床中气化、在由固体形成的固定床中气化，以及最后在夹带床(entrained bed)反应器中气化。不同的气化技术施加对燃料的不同要求，在选择燃料或燃料加工概念中必须相应地考虑这一点。
当实际反应器设计为固定床反应器时，它包括具有外部水夹套的基本圆柱形立式反应器。固体含碳燃料，通常煤或生物质通过锁从上面引入存在于反应器内部的煤分配器中，在那里形成固定床，其停留在排列在反应器下部区域中的回转炉蓖(rotary grate)上。从该下部区域，将氧气和蒸汽吹入固定床中。
这些热气体从下至上流过固定床，而固体通过锁***从上面再填入。因此，还提及逆流固定床气化。由于再填充的固体具有约40℃的温度，整个固定床具有这样的温度状态，其中最热的部分位于回转炉蓖附近，且温度向上朝向固体供应降低。相应于该温度状态，在固定床内部进行不同的反应。因此，通常还提及这样的反应区，在那里不存在清楚地分离的单独的区，而是各个区并入彼此中。在再填充固体附近的气化器上部中，进行物理吸着的气体的干燥和解吸。所谓的反应区位于干燥区以下，在其上部中进行固体的除气。除气之后是固体根据Boudouard反应以及水煤气和水煤气轮换反应的实际气化。在随后的区中，进行固体的燃烧。
特别是在燃烧期间得到的灰下降通过回转炉蓖并进一步从那里排出。反应物的未转化气体部分，主要是蒸汽、氮气和氩气与形成的合成气一起经由在固定床以上提供的气体取出口取出。
用于将燃料供入反应器中的锁***是必要的，因为反应器在至多100barg，优选至多60barg的压力下，特别优选在至少50barg的操作压力下操作，因此固体必须在压力下引入。借助锁***引入不连续地进行，其中首先将燃料在大气条件下引入由反应器终止的锁中，然后在锁***中加压并在该压力下填入反应器中。随后再次将反应器相对于锁***封闭。为了能够仍在恒定条件下以稳态操作，因此必须在反应器内部提供另外的固体储集器，这确保固体床总是具有相同的高度。为此，已知例如来自或VEB PKM AnlagenbauLeipzig的各种内部构件，例如所谓的煤分配器。已经尝试过通过这些设备的各种设计选择性地影响煤颗粒谱的自然分离。结果仅有限程度地适于实现改进的气化。颗粒谱和分解行为非常依赖于煤的类型和性能。
该设备例如描述于DE 112005002983T5中。这是圆柱形或向内锥形(inwardlytapering)，即具有开口端的中空反转截头圆锥裙板(hollow inversely frustoconicalapron)，其从反应器头部垂下，使得从煤锁中排出的煤沿着裙板内部移动，以分布于固体床中。裙板的下端通常位于固定床内部。在裙板与气体发生器的壁之间形成环形气体收集区，从那里收集的粗气体通过气体出口侧向取出。
在目前操作的最大装置中，煤在固定床气化方法中主要转化成合成气，其中出口和反应末端温度平均如此低以致所得合成气在200-300℃(对于潮湿的褐煤)或400-450℃(对于未成熟的硬煤(young hard coal))的温度下从反应器中取出。此处必须区别平均温度与由固定床的不均匀性导致的温度峰。平均温度对腐蚀以及因此组件的使用寿命而言是决定性的。温度峰决定热和机械负荷，因此必须不超过极限值。
迄今为止，用于在固定床中煤气化的设备的有限价值必须被这样地限定，以便在650或670℃的温度峰下反应器的功率降低或者甚至停工变成必要的，以限制粗气体出口的热负荷。差的煤质量或性能和高负荷提高该温度峰的振幅和频率。
由于化石原料越来越短缺，未来必须设计固体气化器以致不仅可将例如湿褐煤或未成熟的硬煤，而且将具有更高反应末端温度和较差性能的其它煤气化。另外，再生原料或二次原料的固定床气化正在获得重要性，其主要具有在固定床气化方面的较差性能。此处产生的温度可导致至少700℃，优选至多800℃，部分地甚至至多1000℃的气体出口温度。在这些温度下，所用裙板暴露于明显更大的材料应力下。
另外，具有高硫或卤素含量的煤被更高程度地气化。如已提到的，这导致所得粗合成气中如H2S、COS、HCl和HF的化合物。与位于迄今常用温度以上的温度(例如湿褐煤约250℃，未成熟硬煤约450℃，与较老硬煤450-550℃、无烟煤550-600℃相比)一起，这导致裙板处更强的腐蚀。向这些典型的操作温度上还必须增加温度峰，其取决于煤的质量和颗粒谱。使褐煤极大地解体例如由于高的细粒含量导致沟流(channeling)，这导致CO2和温度峰。为更换裙板，必须将装置停车，使得发生产量损失。另一方面，裙板如此大以致耐高温材料的使用会导致投资成本相当地提高，因此是更加不经济的，因为耐高温材料的使用仅会有限程度地防止例如通过卤化氢的腐蚀。
因此，本发明的目的是设计称为环形气体收集器的裙板使得甚至在450℃以上的气化温度下和/或当使用含有硫和/或卤素的燃料时，装置的长使用寿命变得可能的。同时，频繁的温度峰必须是被耐受的而不施以负荷降低或者反应器的简短或更长期停机。
根据本发明，该目的用根据权利要求1的装料装置解决。将裙板冷却，为此，包含内部夹套和外部夹套，其间形成具有至少一个用于供入和排出冷却介质的入口和出口的冷却间隙。
根据本发明的发展，形成旋转对称，特别是圆柱形、圆锥形或部分圆锥形的裙板。圆柱形的优点是通过锁***引入的燃料散布于燃料床的整个横截面上。另外，因此可使煤进料槽的体积最大化，使得用相同的填充体积，其具有相当短的长度且有效反应器高度不会决定性地降低。然而，可以接受连接两个煤锁操作之间的时间以及气化和进料的可能误差所需的煤量。
当裙板夹套为圆锥形的时，装料装置应朝向固定床缩小。这具有来自固定床的粗气体的自由出口表面尽可能大的优点。通过提供尽可能大的出口表面，可使各气体速度和因此粉尘的夹带量最小化。另外，所得气体收集空间具有尽可能大的体积，使得粗气体的流动速度在气体收集空间中也降低，并改进粉尘保持力。最后，必须将出口表面设计得尽可能大，使得粗气体可更均匀地流过燃料床的整个横截面，并使煤颗粒的夹带最小化。应使错流降低，以确保整个固定床中均匀的反应条件。
安装在圆柱形部件上的部分圆锥形结构结合了两种设计的优点。
在正在进行的操作中，将冷却间隙中装入冷却剂，优选锅炉给水。如果使用水，水必须满足蒸汽发生器的准则，以防止碳酸盐或锅炉积垢的沉积。原则上，必须设计冷却间隙使得冷却剂的输入流在一个边上提供，且冷却剂的输出流在相对边上。然而，优选设计冷却间隙以便在一边上是液体不可透过的，即内部和外部夹套在此处以液体密闭方式连接。优选地，该边面向固定床，即排列在反应器的底部。将冷却间隙中装入冷却剂可借助共同的供应和排出导管进行，或者提供至少一个入口和一个出口。
在背离固定床的裙板边上，即在上部边上，冷却间隙由优选环形盖封闭，其中提供大量开口以引入和排出冷却介质。然后可将冷却介质在裙板的整个外周上引入冷却间隙中。当将冷却介质如水通过上升通过裙板外部的热合成气加热时，它蒸发并上升到顶部，以蒸气形式通过盖的开口从冷却间隙中逸出。
优选地，内部和外部夹套并行延伸，因为设备因此可容易地制造，且所得冷却间隙在各点具有相同的宽度。以相同的方式，此处可方便地形成冷却间隙以使得在沿着裙板的气体体积流量和因此待消散的热量特别高的那些点处，它具有比很少横过的点具有更大的宽度。例如，面对气体出口的区域经受大的负荷。因此，可确保实际上整个裙板充分地冷却。
在本发明的特别优选方面，在裙板的内部与外部夹套之间提供隔壁(bulkhead)，其优选平行于内部和外部夹套延伸，以用冷却液均匀填充。通过隔壁，形成内部和外部冷却间隙，其至少在一个点上，优选在裙板的整个外周上相互连接。
内部与外部冷却间隙之间的连接特别容易实现，因为在隔壁与连接内部夹套和外部夹套的夹套部分之间提供了自由空间，即隔壁不向下延伸到裙板的底部。以该设计，可实现冷却剂流过裙板而不需要泵：外部冷却间隙连接裙板的外部夹套，其与气体收集空间直接接触并暴露于上升的热粗合成气的温度下，使得它相应地被加热。借助内部夹套，内部冷却间隙中的冷却剂与仅具有约40℃的温度的再填充固体连接。外部冷却间隙中的冷却剂因此暴露于明显比内部冷却间隙中冷却剂更高的热传递下，使得由于对流发生通过冷却间隙的定向流。
现在当水用作冷却液时，水的沸点位于热粗合成气的温度以下。这也是冷却***在压力下操作时的情况(30bara：沸点234℃；51bara：265℃)。所得蒸汽总是向上流入出口。在特别优选的方面，将冷却剂供入内部冷却间隙中并从外部冷却间隙中取出。因此，通过内部冷却间隙引入的冷却水通过与隔壁接触而轻微加热，并使该热向上进入裙板内部中的再填充固体中，这甚至微小程度地导致冷却水温度的降低，然后进入外部冷却间隙中。由于与裙板的热外部夹套接触，水在那里蒸发，因此将热从***中取出。所得蒸汽从在外部冷却间隙中提供的蒸汽出口中流出。由于蒸汽的逸出，新的冷却水连续地从内部冷却间隙输送至外部冷却间隙中。在该***中，内部和外部冷却间隙因此通过自然对流而横向移动(traverse)。自然对流由入口中的水柱与出口中的蒸汽-水柱的密度差限定。这产生作为蒸汽产生与水循环的商的所谓循环数，这由给定几何学的压力损失限制。当以反应器的垂直结构，冷却水的输入流和输出流在裙板的上部边进行时，设备特别有效地操作。
优选地，设计隔壁以使得内部冷却间隙具有比外部冷却间隙更小的宽度。这在使用水作为冷却剂时具有所得蒸汽提供外部冷却间隙中的足够体积的优点。因此，可使得水/蒸汽的最佳循环数称为可能并可使压力损失最小化。
本发明的主题还有用于将含碳固体用权利要求7的特征的反应器用氧气和蒸汽气化。该反应器包含在底部附件的回转炉蓖和在反应器头部的固体锁，其后是上述裙板。
有利地，形成反应器以使得裙板的冷却间隙的入口和/或出口与反应器本身的冷却***连接。这具有以下优点：为冷却裙板，不必安装分开的冷却回路并可因此降低资本成本，另外，提高了冷却***的可靠性和操作安全性。优选地，反应器本身也具有冷却夹套，裙板的冷却夹套并入所述冷却夹套中。
此外，裙板和反应器优选相互焊接。这变得可能，因为通过冷却设备，内部和外部夹套的温度与未冷却的裙板相比可明显降低。当51bara以下的水用作冷却液时，沸点温度为约265℃，因此明显位于由此日益发生对碳钢的热气体腐蚀的300℃的临界温度以下。由于冷却保护裙板以防腐蚀，而且还防止由于煤向下移动而导致的腐蚀，不再必须定期置换它，使得昂贵的可解除连接不再是必要的。
最后，本发明的思想还延伸至具有权利要求10的特征的用氧气和蒸汽将含碳固体气化的方法。气化在固定床中进行，其中将固体经由锁分批地引入反应器的固定床中，然后连续地通过本发明装料装置。冷却介质以液体形式引入夹套中并至少部分地以蒸气形式取出。通过该冷却，可有效地保护设备以防腐蚀，同时可进行对热粗合成气的轻微最初冷却，使得随后的组件也负载较少。
当取出的蒸汽可作为反应物/气化介质在方法内部有利地再使用时，该冷却特别有利。在固定床气化中，蒸汽充当“调节剂”，以限制燃烧温度使得煤灰不熔融。蒸汽必须过量加入。
当水用作冷却液且以蒸气形式取出的冷却水本身可用作反应物，即在固定床中将固体气化所需的蒸汽流部分地用冷却中产生的蒸汽供入时，蒸汽的使用证明是非常特别有利的。由此可降低方法的蒸汽需求，这降低操作成本。当反应器本身还包含水冷夹套且还在那里形成蒸汽时，所需总蒸汽量的约20体积％可通过从所有冷却组件中收集的蒸汽再循环而节约。
本发明的其它特征、优点和可能应用也可从以下对典型实施方案和图的描述中取得。描述或阐述的所有特征本身或者以任何组合形成本发明的主题，而不取决于它们是否包括在权利要求或其反向参考中。
在图中：
图1示意性地显示逆流操作的固定床反应器，
图2显示本发明环形气体收集器，
图3显示本发明环形气体收集器的盖。
图1示意性地显示反应器10。它是逆流操作的立式固定床反应器，其包含在底部附近的回转炉蓖11。在该回转炉蓖11上，在操作中形成固体床12。借助给料器13，将蒸汽和/或含氧介质如空气、富氧空气或者以及纯氧气从下面均匀分布地引入和注入床12中。由固定床12中的反应形成的灰通过回转炉蓖11排出并经由带有随后的灰锁的灰取出口14除去。反应器10是水冷的，并包含在外部夹套18与内部夹套19之间的冷却间隙17(图2)。
在反应器10上提供锁20，借助其供入煤或其它含碳固体。锁20之后是图2所示的裙板30，其用作固体储集器，使得反应器10中的固定床12具有均匀且足够的填充水平，但煤的装入通过锁20不连续地进行。在固定床12上提供围绕裙板30的自由空间，其中收集反应气体以及未使用的蒸汽。在该气体收集空间15中收集的气体经由气体取出口16取出。
图2示意性且以截面显示本发明装料装置1的右半部分。气体取出口16主要仅在反应器的一边上提供。
装料装置1包含双壁裙板30，其具有内部夹套31和外部夹套32，其间形成冷却间隙33。在面对固定床12的裙板30的下端，内部夹套31和外部夹套32通过夹套部分35以液体密闭的方式连接。在裙板30内部，在内部夹套31与外部夹套32之间提供隔壁34。该隔壁34将在内部夹套31与外部夹套32之间形成的冷却间隙33分成内部冷却间隙33i和外部冷却间隙33a。在正在进行的操作中，内部冷却间隙33i借助内部夹套31连接保留在裙板30中的固体，而外部冷却间隙33a借助外部夹套32连接气体收集空间15和固定床12。
在隔壁34与连接内部夹套31和外部夹套32的夹套部分35之间提供自由空间36，内部冷却间隙33i和外部冷却间隙33a在裙板30的下端通过所述自由空间彼此连接。
优选水的冷却液引入隔壁34与内部夹套31之间，通过重力向下流动并与在裙板内部提供的冷煤(约40℃)热交换。由于隔壁34不用夹套部分35终止冲洗，水可在裙板30的下部边上进入外部冷却间隙33a中。在外部夹套32中，冷却液与气体收集空间15中的热气体直接热交换。由于至多700℃，优选至多800℃的气体温度，将水加热至各自的沸点温度(在51bara的操作压力下约265℃)并蒸发。由于其明显更低的密度，蒸汽在外部冷却间隙33a中向上上升(对流)并可在冷却间隙33a的上端取出。外部夹套32的表面温度会比冷却水温度高至多30°(取决于气体温度和负荷)，因为热传递在气体侧上是高的。在外部夹套32处，仍得到轻微低于300℃的温度，这明显在基本相当于气体温度的未冷却环形气体收集器中所得温度以下。可避免或者至少极大地降低碳钢的热气体腐蚀。
当反应器10本身还包含水冷夹套时，裙板30的冷却间隙33优选与反应器10的冷却***，以连接使得来自反应器10的外部夹套18与内部夹套19之间的冷却间隙17的冷却水也可用于装入裙板30的冷却间隙33中。
图3显示安装在装料装置1上，优选焊接在其上的环形盖40，同时表示冷却剂的输入流和输出流以及在反应器10上的连接。
在盖40的中心提供圆形开口41，固体可通过所述开口从锁***20进入装料装置1中。向外部偏移并与裙板30的夹套关联，在同心圆上提供两排开口42，43，分别借助所述开口将冷却剂引入内部冷却间隙33i中并从外部冷却间隙33a中取出。借助外周凸起(projection)44，可将盖40连接，例如焊接在反应器10的内部夹套19上(参见图2)。
在本发明冷环形气体收集器中，由于煤不断通过导致的内部夹套磨损通过较低的壁温度极大地降低，由此延长可能的使用寿命。由于较低的温度，避免或极大地降低了外部夹套上的热气体腐蚀，而不取决于粗气体中腐蚀性组分的浓度。粗气体中的腐蚀性组分由煤组成决定。
另外，气体在环形气体收集器的外部夹套处轻微冷却，这产生随后装置部分较低的温度负荷。通过在环形气体收集器冷却气体，将热在一个点从方法中取出并将冷却剂蒸发。
当水用作冷却剂时，可随后将形成的蒸汽作为气化用蒸汽供入***中，由此可降低待供入的反应物的成本。
参考数字列表：
1 装料装置
10 反应器
11 回转炉蓖
12 固定床
13 含氧气体和/或蒸汽的进料
14 灰取出口
15 气体收集空间
16 气体取出口
17 冷却间隙
18 反应器的外部夹套
19 反应器的内部夹套
20 锁
30 裙板
31 内部夹套
32 外部夹套
33 冷却间隙
33a 外部冷却间隙
33i 内部冷却间隙
34 隔壁
35 夹套部分
36 自由空间
40 盖
41 开口
42 开口
43 开口
44 凸起

Claims (11)

1.用于向在压力下操作的反应器(10)中装入含碳固体的设备(1)，其中将固体在固定床(12)中用氧气和/或蒸汽气化，其中设备包含在顶部和在底部开口的环形裙板(30)，固体通过锁(20)供入其中，其特征在于裙板(30)包含内部夹套(31)和外部夹套(32)，其间形成具有至少一个用于提供和排出冷却介质的入口和/或出口的冷却间隙(33)；
其中在裙板(30)的内部夹套(31)与外部夹套(32)之间提供隔壁(34)，使得形成内部和外部冷却间隙(33i，33a)，其中内部和外部冷却间隙(33i，33a)至少在一个点彼此连接；
其中在于在隔壁(34)与连接内部夹套(31)和外部夹套(32)的夹套部分(35)之间提供自由空间(36)；
其中冷却剂是水并且内部冷却间隙(33i)具有比外部冷却间隙(33a)更小的宽度。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于形成旋转对称的裙板(30)。
3.根据权利要求1的设备，其特征在于形成圆柱形、圆锥形或部分圆锥形的裙板(30)。
4.根据权利要求1的设备，其特征在于裙板(30)的内部夹套(31)和外部夹套(32)在面对反应器(10)中的固定床(12)的下侧上彼此连接。
5.根据权利要求2的设备，其特征在于裙板(30)的内部夹套(31)和外部夹套(32)在面对反应器(10)中的固定床(12)的下侧上彼此连接。
6.根据权利要求3的设备，其特征在于裙板(30)的内部夹套(31)和外部夹套(32)在面对反应器(10)中的固定床(12)的下侧上彼此连接。
7.根据前述权利要求中任一项的设备，其特征在于在面对固定床(12)的裙板(30)的上部边上，冷却间隙(33)被包含多个开口(42，43)以提供和排出冷却介质的盖(40)封闭。
8.根据权利要求1的设备，其特征在于内部和外部冷却间隙(33i，33a)在裙板(30)的整个外周上彼此连接。
9.用于将含碳固体在固定床中用氧气和/或蒸汽气化的反应器(10)，其包含根据前述权利要求中任一项的设备(1)。
10.根据权利要求9的反应器，其特征在于设备(1)的冷却间隙(33)的入口和/或出口与在反应器(10)的内部夹套(19)与外部夹套(18)之间的冷却间隙(17)连接。
11.将含碳固体用氧气和蒸汽气化的方法，其中气化在在压力下操作的固定床反应器中进行并将固体经由锁通过根据权利要求1-9中任一项的设备(1)引入固定床中，其特征在于冷却介质以液体形式引入设备(1)的冷却间隙中且冷却介质至少部分地以蒸气形式从冷却间隙中取出。
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