專利名稱：在制備合成氣時用于碳注射和合成氣再循環(huán)的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在用固體碳顆粒制備合成氣時用于碳注射和氣體再循環(huán)的方法和設備，其中所述碳顆粒優(yōu)選通過以下方式獲得在碳顆粒所在的同一空間中在過程氣體存在的情況下，通過間接加熱碳顆粒，從而實現(xiàn)碳顆粒的熱解和氣化，用于再循環(huán)的反應產物和氣化過程中產生的合成氣從所述空間中排出。為了達到最佳的效果，所述裝置包括拉瓦爾噴嘴，所述拉瓦爾噴嘴能夠將氣體加速到超音速、能夠產生用于粉末狀碳注射的負壓并讓氣體和粉末狀碳在氣化反應器中停留更長時間。
背景技術：
要求生產合成氣時的碳注射裝置能夠使含碳材料在氣化過程中氣化。氣化是由固體燃料制備氣態(tài)燃料的方法。該技術通常被用于煤、煤的剩余產物、石 油殘渣、廢物和生物質。該反應是基于氧化性氣體(例如CO2和H2O)被通過不完全燃燒加熱，然后與碳([C]還原劑)反應，隨著一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的形成，熱量被消耗，反應得以進行，該反應是吸熱的。一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的氣體混合物通常被稱為合成氣。一種常見的氣化方法是在供應過熱蒸汽的同時，含碳材料的高度亞化學計量燃燒(substoichiometric combustion)。燃燒為系統(tǒng)提供熱量和煙道氣(CO2和H2O)。沒有燃燒但處于過熱狀態(tài)的碳與煙道氣和供應的蒸汽發(fā)生反應。碳(C)將二氧化碳(CO2)還原成一氧化碳(CO)并將水蒸氣(H2O)還原成氫氣(H2)。熱量消耗導致溫度降低并且反應活性下降。碳的反應活性高度依賴于溫度，同時反應的平衡也依賴于溫度。雖然也發(fā)現(xiàn)基于空氣的燃燒，但是基于氧的燃燒是目前與氣化相關的主要燃燒方法。大多數(shù)方法基于加壓系統(tǒng)。蒸氣和氧易被加壓，很少引起問題。將例如粉末材料引入到反應器中意味著需要克服氣化反應器外部的氣壓和反應器內的壓力之間的壓力差。如上所述，含碳材料，例如煤、煤的剩余產物、石油殘渣、廢物和生物質，其氣化所存在的問題在于維持足夠高的溫度持續(xù)足夠長的時間從而實現(xiàn)含碳材料的完全氣化，影響氧化性氣體(CO2和H2O)與還原劑(碳)的充分混合并克服氣化反應器外部與內部氣壓之間的壓力差。如果不能維持時間和溫度，那么反應將進行的不徹底，混合不充分也會導致反應不徹底。本發(fā)明涉及一種在生產合成氣時用于碳注射的裝置，所述裝置通過管狀注射器注射粉狀材料，其中固體材料進入到管狀噴嘴的中心，用于氧化性氣體的拉瓦爾類型的外圍噴嘴裝置產生強負壓，其將碳吸入注射器中并將其分散在氣化反應器中，實現(xiàn)了壓力的增大，延長在反應器中的停留時間并在其中形成均勻的混合物。氧化性氣體的強沖力使得氣化反應器中的合成氣與輸入的氧化氣體和粉狀材料劇烈混合。為此目的，通過再循環(huán)氣化反應器中的部分合成氣經過通道中的注射器，從而可以控制氣體沖力所形成的負壓。發(fā)明目的和特征本發(fā)明的第一個目的是提供在引言部分限定的裝置，本發(fā)明的基本原理是通過形成負壓以便通過注射器將粉狀材料引入到氣化反應器中。
本發(fā)明的另一個目的是當氧化性氣體和粉狀材料被引入到氣化反應器中時，使二者產生劇烈攪拌，以及在氣化反應器中再循環(huán)合成氣，從而實現(xiàn)溫度和成分的均勻。這會導致在氣化反應器中更長的停留時間并實現(xiàn)更緊湊的反應器設計。本發(fā)明的另一個目的是再循環(huán)合成氣通過注射器以及當粉狀材料被以這種方式弓I入到氣化反應器中時對負壓的控制。至少本發(fā)明第一個目的是通過具有所附的獨立權利要求I限定特征的裝置來實現(xiàn)的。本發(fā)明的優(yōu)選實施方案限定在從屬權利要求中。


下面參照附圖來描述本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明在制備合成氣時用于碳注射的裝置的概略圖，所述概略圖以示意圖的方式顯示了實施碳注射的裝置的組成單元，圖2是根據(jù)本發(fā)明在制備合成氣時用于碳注射的裝置的一個實施方案的概略圖，所述概略圖也以示意圖的方式顯示了實施碳注射的裝置的組成單元。發(fā)明詳述圖I是氣化方法中用于碳注射的裝置的示意圖，在該裝置中粉末狀碳C被送入到注射噴嘴I中，粉末狀碳C與過程氣體P (優(yōu)選蒸汽)和再循環(huán)反應產物Rs (合成氣)混合。來自注射噴嘴I的混合物被加熱并在間接加熱的氣化反應器2中反應。為此，氣化反應器2包括在氣化反應器2的氣化空間5中延伸的燃燒器4，所述燃燒器4對氣化反應器2間接加熱。過程氣體P被加壓和加速到超音速(馬赫數(shù)> I)通過并入注射噴嘴I中的環(huán)狀拉瓦爾噴嘴15。所述拉瓦爾噴嘴15在注射噴嘴I的中心形成強負壓，并入注射噴嘴I的用于粉末碳C和再循環(huán)反應產物Rs (合成氣)的中心管/中小通道6朝向氣化反應器2開口。注射噴嘴I的中心管6朝向氣化反應器2開口的區(qū)域限定出粉末狀碳C的入口區(qū)。在注射噴嘴I的中心/入口區(qū)的負壓吸出粉末狀碳C和再循環(huán)的反應產物Rs，三股物流混合，氣化反應開始進行。以超音速流經環(huán)狀拉瓦爾噴嘴15的過程氣體P使得其從拉瓦爾噴嘴15的外圍進行再循環(huán)。進一步的反應產物在緊靠注射噴嘴I自身前的混合區(qū)M的中心 被并入到來自注射噴嘴I的氣化混合物中。來自再循環(huán)反應產物Rs的熱量對氣化反應器2進行間接輻射加熱，使得注射的粉末狀碳C和過程氣體P的溫度迅速提升到氣化過程的反應溫度。連接設備的單元的管線、管道等沒有詳細記載也沒有在附圖中顯示。所述管線、管道等被以合適的方式設計來實現(xiàn)其相應的功能，即在本設備的各部件之間傳送氣體和固體物質。附圖I顯示了注射噴嘴I連接到間接加熱的氣化反應器2上的原理，通常所述的氣化反應器2是具有陶瓷內襯的反應器。注射噴嘴I具有將過程氣體P加速到超音速的拉瓦爾噴嘴15。環(huán)狀拉瓦爾噴嘴15布置在中心管/中心通道6的外側。過程中的合成氣S主要在氣化反應器2中產生。固體碳顆粒C和過程氣體P以及一部分再循環(huán)二次反應產物Rs被輸送到注射噴嘴I中。由于二次反應產物Rs流經注射噴嘴I的分流通道14，使得用于碳注射的負壓有時可控。碳顆粒C優(yōu)選源自氣化之前的熱解過程。優(yōu)選調節(jié)所述碳顆粒C的尺寸以在反應器中達到最快可能的反應。過程氣體P可以是蒸汽或者經回收凈化的例如來自加熱反應器的燃燒段的煙道氣。如果過程氣體P是回收的煙道氣，則其含有水蒸氣(H2O)和二氧化碳(CO2)。過程氣體P通常被從下游熱交換器中輸出的合成氣S中回收的熱量預熱。所述過程氣體P通常具有超壓，該超壓相對于反應器壓力足夠高從而達到超音速。速度馬赫數(shù)> I的過程氣體P在氣化反應器2中產生強勁沖力。蒸汽的壓力取決于上述熱交換器出口的溫度。如果采用煙道氣取代蒸汽，再循環(huán)煙道氣的壓力通常由壓縮機產生。從注射噴嘴I出來的過程氣體P的沖力使二次反應產物Rs再循環(huán)被吸入到混合區(qū)M中的反應區(qū)R。在氣化反應器2中發(fā)生的反應是 碳C將過程氣體P (H2O和CO2)中的成分還原成合成氣S (H2和CO)，該還原消耗通過間接加熱的燃燒器4為該過程供應的熱量。通過燃燒器4的輻射向氣化反應供應熱量，燃料F和氧化劑0在輻射管內發(fā)生燃燒產生煙道氣FG，即其與氣化流是隔離開的。在燃燒器4和過程氣體P或它的反應產物之間的氣化反應器2中沒有直接產生氣體。通過使過程氣體P達到超音速，注射噴嘴I在反應器2中產生更長的停留時間并且氣化反應的進行可以更接近平衡。這也使得碳顆粒C在最大可能的程度上燒盡。
輸出的合成氣S可以被用作燃燒用的原料氣或者進一步精煉成液體燃料(用于典型車用燃料的費-托法，甲烷生產等)的原料氣。注射噴嘴I設計用來處理氣化反應器2中不同的系統(tǒng)壓力?？梢钥刂圃跉饣磻?中的壓力為大氣壓力到非常高的壓力(> 100巴)。注射噴嘴I 一般被設計成具有陶瓷部件和外部部件，所述陶瓷部件與氣化反應器2的陶瓷襯里相適應，所述外部部件由耐熱鋼制成，用于輸送碳(C)、過程氣體(P)和再循環(huán)反應氣(Rs)的管道位于其中，三種物質最終一起離開噴嘴的下端。所述注射噴嘴必須始終具有高于氣化反應器2中系統(tǒng)壓力的用于過程氣體P的進料壓力。壓力差還產生負壓，吸出碳顆粒C并輸送二次反應產物Rs。由于相對于帶有直管的標準注射器的壓力更高，所以拉瓦爾噴嘴15形成與過程氣體P的質量流相關的強負壓。拉瓦爾噴嘴15產生的強負壓有利于控制在氣化反應器2中的碳C和過程氣體P之間的質量流量比例，從而獲得最佳的反應條件。為了獲得最大的合成氣S的收率，制造注射噴嘴I的材料的選擇取決于氣化反應器2中的溫度，該溫度反過來又取決于反應溫度。典型的溫度范圍是900 1300°C。用于制造注射噴嘴I的陶瓷部件和金屬部件選擇的材料要適應于選定的溫度。相對于使用普通注射噴嘴，在反應區(qū)R能更快地實現(xiàn)溫度均勻，由于反應氣Rs部分再循環(huán)通過注射噴嘴I中的管道3，并且部分通過混合區(qū)M。取決于輸入的過程氣體P的組成和選定的溫度，來自氣化反應器2的合成氣S(H2和CO)含有氫氣和一氧化碳，以及一定量的二氧化碳和甲燒。圖2顯示了在制備合成氣時用于碳注射的裝置的實施方案。注射噴嘴I由金屬部件11和形成一個單元的陶瓷部件13組成。注射噴嘴具有使過程氣體P加壓加速到超音速的拉瓦爾噴嘴15。粉末狀碳C通常通過螺旋進料機和活塞式流動的方式進料到中心管/中心通道6中，在此,粉末與經過另外通道(further channels) 14吸入的再循環(huán)反應產物Rs混合。過程氣體P(優(yōu)選蒸氣)通過連接件12以及同心管一直被輸送到拉瓦爾噴嘴15中，在此，拉瓦爾噴嘴15將過程氣體(蒸氣)以超壓猛烈地加速到超音速(馬赫數(shù)> I)從噴嘴(+P)中膨脹出來，并且在中心形成負壓(-P)，將粉末狀碳C和再循環(huán)反應產物Rs吸入到混合區(qū)M，在此拉瓦爾噴嘴15的外圍也形成負壓(-P)并將反應產物Rs在混合區(qū)M中進行再循環(huán)。發(fā)明的可能改變在一個可選的實施方案中，所述注射噴嘴可以與上述過程氣體和添加的氧氣的混合物一起使用，這會顯著提高混合區(qū)M和反應區(qū)R的溫度。在另一可選的實施方案中，所述注射噴嘴是水平的，只要方法允許，碳C的注入在水平平面或者接近水平的平面內進行。用液壓活塞代替上文在附圖2中描述的螺旋進料機用于粉末狀碳C的進料。另一個可選方式是，粉末狀碳C通過閘式進料器(air locker)，經氣密性流化通道轉移到注射噴嘴中的垂直管道進料。當使用受負壓影響的氣密性碳進料系統(tǒng)時，附圖2中的壓力調節(jié)通道14可以減少或取消。 在上文記載的實施方案中，二次反應產物Rs通過注射噴嘴I中布置的通道14而被再循環(huán)。這種布置的可替代方式是，從氣化反應器2中排出的合成氣S可在注射噴嘴I的中心管/中心通道6中再循環(huán)。從純實用的角度來看，借助于設置在氣化反應器2外的再循環(huán)管可以實現(xiàn)此目的。
權利要求
1.將粉狀材料(C)引入到氣化反應器(2)中的方法，其中通過粉狀材料(C)，將供給到氣化反應器(2)中的過程氣體(P)還原成合成氣(S)，并且粉狀材料(C)經由入口區(qū)被引入到氣化反應器(2)中，在入口區(qū)產生的負壓使得粉狀材料(C)通過拉瓦爾噴嘴(15)，并且產生的負壓使得過程氣體(P)通過拉瓦爾噴嘴(15)，其特征在于所述過程氣體(P)在氣化反應器(2)中的氣化空間(5)膨脹。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于所述粉狀材料由粉末狀碳(C)組成，當粉末狀碳(C)被引入到氣化反應器⑵中時，二次反應產物(Rs)與粉末狀碳(C)混合。
3.如權利要求1-2中任一項所述的方法，其特征在于在入口區(qū)產生的負壓吸入位于氣化反應器(2)中的氣體和顆粒，從而延長氣體和顆粒在氣化反應器(2)中的停留時間。
4.如權利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于在入口區(qū)產生的負壓導致氣體和顆粒在氣化反應器(2)中循環(huán)，從而補償氣體組成的濃度差，補償由于氣化反應導致的溫度變化，使設置在氣化反應器(2)中的燃燒器(4)周圍的固定床最小化。
5.將粉狀材料(C)引入到氣化反應器(2)中的裝置，其中通過粉狀材料(C)將供給到氣化反應器(2)中的過程氣體(P)還原成合成氣(S)，所述裝置由注射噴嘴(I)組成，所述注射噴嘴(I)具有中心管/中心通道(6)用來將粉狀材料(C)引入到氣化反應器(2)中，并且所述注射噴嘴(I)包括設置在中心通道(6)外部的拉瓦爾噴嘴(15)，其特征在于所述中心管/中心通道(6)直接朝向氣化反應器(2)中的氣化空間(5)開口。
6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于所述拉瓦爾噴嘴(15)設置在注射噴嘴(I)的端部，朝向氣化反應器(2)中的氣化空間(5)。
7.如權利要求5或6所述的裝置，其特征在于所述注射噴嘴(I)包括用于再循環(huán)二次反應產物(Rs)的另外通道(14)，并且在背離氣化反應器(2)的氣化空間(5)的注射噴嘴(I)的端部區(qū)域中，所述另外通道(14)與所述中心管/中心通道(6)連通。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于所述另外通道(14)的橫截面尺寸可以改變，從而調節(jié)由拉瓦爾噴嘴(15)產生的負壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將粉狀材料(C)引入到氣化反應器(2)中的方法，其中通過粉狀材料(C)，將供給到氣化反應器(2)中的過程氣體(P)還原成合成氣(S)，并且粉狀材料(C)經由入口區(qū)被引入到氣化反應器(2)中，在入口區(qū)產生的負壓使得粉狀材料(C)通過拉瓦爾噴嘴(15)，并且產生的負壓使得過程氣體(P)通過拉瓦爾噴嘴(15)，其特征在于所述過程氣體(P)在氣化反應器(2)中的氣化空間(5)膨脹。本發(fā)明還涉及一種將粉狀材料(C)引入到氣化反應器(2)中的裝置。根據(jù)本發(fā)明的方法的特征在于過程氣體(P)在氣化反應器(2)內的氣化空間(5)中膨脹。
文檔編號C10J3/50GK102985516SQ201180022912
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權日2010年5月6日
發(fā)明者R·永格倫 申請人:科特斯公司