生产合成气的方法和系统

摘要

本发明涉及一种使用含氧物流(4)从含碳物流(3)生产包含CO、CO2和H2的合成气的方法，所述方法包括至少如下步骤：(a)将含碳物流(3)和含氧物流(4)注入气化反应器(2)；(b)在所述气化反应器(2)中至少部分氧化所述含碳物流(3)，因此获得粗合成气；(c)从所述气化反应器(2)取出步骤(b)中获得的所述粗合成气并送入急冷段(6)；和(d)以雾状物的形式向所述急冷段(2)中注入液体(17)、优选水。在进一步的方面本发明涉及实施该方法的系统(1)。

权利要求

1.一种使用含氧物流由含碳物流生产包含CO、CO2和H2的合成气的方法，所述方法包括至少如下步骤：(a)将含碳物流和含氧物流注入气化反应器；

(b)在1200-1800℃的温度下和在20-100bar的压力下在所述气化反应器中至少部分氧化所述含碳物流，因此获得粗合成气；

(c)将步骤(b)中获得的所述粗合成气从所述气化反应器经出口移入急冷段，其中所述急冷段设置在气化反应器之上，和其中所述出口设置在气化反应器顶部；和(d)沿离开所述气化反应器的方向以雾状物的形式向所述急冷段中注入液体水，其中所述雾状物包含直径为50-200μm的微滴。

2.权利要求1的方法，其中注入的液体水的温度大于150℃。

3.权利要求2的方法，其中注入的液体水的温度低于在所述粗合成气压力下所述液体水的泡点至多50℃。

4.权利要求1或2的方法，其中采用30-100m/s的速度注入所述雾状物。

5.权利要求4的方法，其中采用40-60m/s的速度注入所述雾状物。

6.权利要求1或2的方法，其中采用高于所述粗合成气压力20-60bar的注入压力注入所述雾状物。

7.权利要求1或2的方法，其中选择注入雾状物的数量使得离开急冷段的所述粗合成气包含40-60vol％H2O。

8.权利要求7的方法，其中离开急冷段的所述粗合成气包含45-55vol％H2O。

9.权利要求1或2的方法，其中在相对于与所述急冷段的纵轴垂直的平面成30-60°的角度下注入所述雾状物。

10.权利要求1或2的方法，其中注入的雾状物至少部分被屏蔽流体包围。

11.权利要求10的方法，其中所述屏蔽流体选自N2、CO2、合成气、蒸汽及其组合。

12.权利要求1或2的方法，其中离开所述急冷段的所述粗合成气进行变换，由此使至少一部分水与CO反应以产生CO2和H2从而获得变换的合成气物流。

13.权利要求12的方法，其中在变换所述粗合成气之前，所述粗合成气在换热器中用所述变换的合成气物流加热。

14.权利要求12的方法，其中所述雾状物在步骤(d)中注入之前通过与所述变换的合成气物流间接换热而被加热。

15.权利要求13的方法，其中所述雾状物在步骤(d)中注入之前通过与所述变换的合成气物流间接换热而被加热。

16.权利要求1或2的方法，其中所述含碳物流为固体高含碳原料，它包含＞90wt％的天然煤或合成焦炭。

说明书

生产合成气的方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种使用含氧物流由含碳物流生产包含CO、CO2和H2的合成气的方法。本发明还涉及实施该方法的改进气化反应器。本发明还涉及实施该方法的气化系统。

背景技术

[0002] 生产合成气的方法从实施来看是公知的。生产合成气的方法的例子在EP-A-0400740中有描述。通常使用含氧气体如基本纯氧或(任选富氧的)空气等使含碳物流如煤、褐煤、泥炭、木材、焦炭、烟灰或其它气体、液体或固体燃料或其混合物在气化反应器中部分燃烧，因此获得a.o.合成气(CO和H2)、CO2和熔渣。在部分燃烧期间形成的熔渣向下滴落和通过在或靠近反应器底部设置的出口排出。

[0003] 热产品气体即粗合成气通常包含在冷却时失去其粘性的粘性颗粒。粗合成气中的这些粘性颗粒可能在其中进一步处理粗合成气的气化反应器下游产生问题，这是由于粘性颗粒在例如壁、阀门或出口上不希望的沉积可能不利地影响工艺过程。另外这种沉积物难以脱除。

[0004] 因此使粗合成气在气化反应器下游设置的急冷段中急冷。在急冷段中将合适的急冷介质如水蒸汽引入粗合成气以将其冷却。

[0005] 生产合成气的问题在于它是非常耗能的工艺。因此一直需要改进所述工艺的效率，同时最小化所需的资本投资。

发明内容

[0006] 本发明的目的是至少最小化以上问题。

[0007] 进一步的目的是提供生产合成气的替代方法。

[0008] 可以根据本发明通过提供一种使用含氧物流由含碳物流生产包含CO、CO2和H2的合成气的方法而达到以上一个或多个或其它目的，所述方法包括至少如下步骤：

[0009] (a)将含碳物流和含氧物流注入气化反应器；

[0010] (b)在所述气化反应器中至少部分氧化所述含碳物流，因此获得粗合成气；

[0011] (c)将步骤(b)中获得的所述粗合成气从所述气化反应器移入急冷段；和[0012] (d)以雾状物的形式向所述急冷段中注入液体。

[0013] 已经令人惊奇地发现，通过以雾状物的形式注入液体、优选水，可以更有效地实施整个方法。

[0014] 此外已经发现，非常有效率地冷却粗合成气，这是由于该冷却而在气化反应器的下游出现较少的粘性颗粒沉积物。

[0015] 液体可以是具有合适粘度以被雾化的任何液体。要注入液体的非限制性例子是烃液体、废物流等。优选液体包含至少50％水。最优选液体基本由水组成(即＞95vol％)。在优选的实施方案中，在可能的下游合成气洗涤器中获得的也称为黑水的废水用作所述液体。

[0016] 本领域技术人员容易理解术语“含碳物流”、“含氧物流”、“气化反应器”和“急冷段”的含义。因此不再进一步讨论这些术语。根据本发明，优选将固体、高含碳原料用作含碳物流；更优选它基本(即＞90wt％)由天然煤或合成焦炭组成。

[0017] 术语“粗合成气”表示使此产品物流可能-和通常地-如在干燥固体脱除器、湿气体洗涤器、变换器等中进一步处理。

[0018] 术语“雾状物”表示以小的微滴形式注入液体。液体可包含少量蒸气。如果水要用作液体，则优选大于80％、更优选大于90％的水为液态。

[0019] 优选注入的雾状物的温度低于在注入点的通常压力下的泡点至多50℃，特别地低于泡点至多15℃、甚至更优选至多10℃。为此目的，如果注入的液体是水，它的温度通常大于90℃，优选大于150℃，更优选为200-230℃。该温度明显依赖于气化反应器的操作压力，即以下进一步规定的粗合成气的压力。由此使注入的雾状物快速蒸发，同时避免冷点。结果是降低在气化反应器中氯化铵沉积物和灰分局部吸引的危险。

[0020] 此外，优选雾状物包含直径为50-200μm、优选100-150μm的微滴。优选，至少80vol％的注入液体的形式为具有所示尺寸的微滴。

[0021] 为强化粗合成气的急冷，优选采用30-90m/s、优选40-60m/s的速度注入雾状物。

[0022] 也优选采用大于粗合成气压力至少10bar、优选大于粗合成气压力20-60bar、更优选大于粗合成气压力约40bar的注入压力注入雾状物。如果采用大于粗合成气压力10bar以下的注入压力注入雾状物，雾状物的微滴可能变得太大。可以通过使用可以是如N2、CO2、蒸汽或合成气的雾化气体至少部分抵消后者。使用雾化气体具有的附加优点是可能降低在注入压力和粗合成气压力之间的差异。

[0023] 根据特别优选的实施方案，选择注入的雾状物的数量使得离开急冷段的粗合成气包含至少40vol％H2O，优选40-60vol％H2O，更优选45-55vol％H2O。

[0024] 在另一个优选的实施方案中，相对于粗合成气加入的水量甚至高于如果选择实施所谓过急冷以上的优选范围。在过急冷类型工艺中加入的水量使得不是所有的液体水均蒸发和一些液体水将保留在冷却的粗合成气中。由于可以省略下游干燥固体脱除系统，这种方法是有利的。在这种方法中离开气化反应器的粗合成气由水饱和。粗合成气和注入水的比例可以为1∶1至1∶4。

[0025] 已经发现，由于不需要在气化反应器的下游另外加入水，因此可以明显降低资本成本。

[0026] 此外，已经发现当沿着离开气化反应器的方向注入雾状物时是特别合适的，或另外当沿着粗合成气的流动方向注入雾状物时是特别合适的。因此在急冷段的壁上导致局部沉积物的死区不会出现或出现较少。优选在相对于与急冷段的纵轴垂直的平面成30-60°、更优选约45°的角度下注入雾状物。

[0027] 根据进一步优选的实施方案，注入的雾状物至少部分由屏蔽流体包围。因此降低形成局部沉积物的危险。屏蔽流体可以是任何合适的流体，但优选选自惰性气体如N2和CO2、合成气、蒸汽及其组合。

[0028] 在本发明的方法中，通常将离开急冷段的粗合成气变换，由此使至少一部分水与CO反应以产生CO2和H2从而获得变换的合成气物流。由于本领域技术人员容易理解变换器的含义，不再进一步讨论变换器。优选在变换粗合成气之前，将粗合成气在换热器中用变换的合成气物流加热。因此进一步降低该方法的能量消耗。在此方面也优选在将雾状物在步骤(d)中注入之前通过与变换的合成气物流间接换热而被加热。

[0029] 本发明的另一方面提供适于实施本发明方法的系统，所述系统至少包括：

[0030] -气化反应器，其具有含氧物流的入口、含碳物流的入口和在所述气化反应器下游在所述气化反应器中产生的粗合成气的出口；

[0031] -连接到所述气化反应器的用于所述粗合成气的出口的急冷段；

[0032] 其中所述急冷段包含至少一个适于在所述急冷段中注入雾状物形式的液体、优选水的第一注射器。

[0033] 本领域技术人员容易理解如何选择第一注射器以获得所需的雾状物。也可能存在一个以上第一注射器。

[0034] 优选使用第一注射器沿离开气化反应器的方向、通常沿部分向上的方向注入雾状物。为此目的，由第一注射器注入的雾状物的中心线相对于与急冷段的纵轴垂直的平面形成30-60°、更优选约45°的角度。

[0035] 此外，优选急冷段包含适于注入屏蔽流体的第二注射器，所述屏蔽流体至少部分包围由至少一个第一注射器注入的雾状物。同样在此情况下，本领域技术人员容易理解如何调整第二注射器达到所需的效果。例如，第一注射器的喷嘴可以部分由第二注射器的喷嘴包围。

[0036] 由于在急冷段中冷却气化反应器中产生的粗合成气，可以使其中注入液体雾状物的急冷段位于气化反应器之上、之下或旁边，条件是它是气化反应器的下游。优选将急冷段设置在气化反应器之上；为此目的，在气化反应器的顶部设置气化反应器的出口。

[0037] 在优选的实施方案中，在根据本发明注入雾状物形式的液体之前，将粗合气冷却到低于非气体组分固化温度的温度。粗合成气中非气体组分的固化温度依赖于碳质原料和通常为600-1200℃和对于煤类原料更特别地为500-1000℃。可以根据本发明通过注入温度低于粗合成气的合成气、二氧化碳或蒸汽或通过注入雾状物形式的液体实施此初始冷却。在这种两步冷却方法中，可以在下游单独设备中或更优选在与其中发生气化的相同设备中实施步骤(b)。图3描述了其中可以采用相同压力外壳实施第一和第二注射的优选气化反应器。图4描述了其中在单独急冷容器中实施第二注射的优选实施方案。

[0038] 本发明涉及如下所述适于实施本发明方法的新的气化反应器。气化反应器包括：

[0039] -保持压力高于大气压的压力外壳；

[0040] -位于所述压力外壳下部的熔渣浴；

[0041] -确定其中可能在操作期间形成合成气的气化腔的设置在所述压力外壳内部的气化器壁，所述气化器壁的下部开放部分与所述熔渣浴流体连通和所述气化器壁的开放上端与急冷区流体连通；

[0042] -包含管状成型部件的急冷区，所述管状成型部件设置在所述压力外壳中、在其下端和上端开放和直径小于所述压力外壳因此确定在所述管状部件周围的环形空间，其中所述下部开放端流体连接到所述气化器壁的上端和所述上部开放端流体连通到所述环形空间；

[0043] -其中在所述管状部件的下端存在用于注入液体或气体冷却介质的注入设备，和其中在所述环形空间中存在注入雾状物形式的液体的注入设备，和其中在所述压力外壳的壁中存在流体连接到所述环形空间的合成气出口。

[0044] 本发明还涉及适于实施本发明方法的包括气化反应器和急冷容器的新的气化系统，其中所述气化反应器包括：

[0045] -保持压力高于大气压的压力外壳；

[0046] -位于所述压力外壳下部的熔渣浴；

[0047] -确定其中可能在操作期间形成合成气的气化腔的设置在所述压力外壳内部的气化器壁，所述气化器壁的下部开放部分与所述熔渣浴流体连通和所述气化器壁的开放上端与垂直延伸的管状部件流体连通，所述管状部件在其下端和上端开放，所述上端与所述急冷容器的合成气入口流体连通，和其中所述管状部件在其下端配有加入液体或气体冷却介质的设备；

[0048] -其中所述急冷容器在其顶端配有合成气入口、向所述合成气中注入雾状物形式的液体的注入设备和合成气出口。

附图说明

[0049] 现在通过实施例更详细地参考非限制性附图描述本发明，其中：

[0050] 图1示意性给出实施本发明方法的工艺流程；和

[0051] 图2示意性给出用于本发明系统的气化反应器的纵向截面。

[0052] 图3示意性给出可用于本发明的优选系统的优选气化反应器的纵向截面。

[0053] 图4给出使用下游单独设备而实施两步冷却方法的气化反应器系统。

[0054] 以下使用的相同参考号表示相似的结构元件。

具体实施方式

[0055] 参考图1。图1示意性给出生产合成气的系统1。在气化反应器2中可以分别通过管线3、4加入含碳物流和含氧物流。

[0056] 将含碳物流在气化反应器2中至少部分氧化，因此获得粗合成气和熔渣。为此目的通常在气化反应器2中存在几个燃烧器(未示出)。气化中的部分氧化通常在1200-1800℃的温度下和在1-200bar、优选20-100bar的压力下进行。

[0057] 将产生的粗合成气通过管线5进料至急冷段6；在此通常将粗合成气冷却到约400℃。使熔渣向下滴落和通过管线7排出以进行任选的进一步处理。

[0058] 急冷段6可具有任何合适的形状，但通常具有管状形式。向急冷段6中通过管线17注入雾状物形式的液体水，如以下在图2中进一步讨论的。

[0059] 要在急冷段6中注入的雾状物的量依赖于各种因素条件，包括离开急冷段6的粗合成气的所需温度。根据本发明的优选实施方案，选择注入的雾状物的量使得离开急冷段6的粗合成气的H2O含量为45-55vol％。

[0060] 如图1的实施方案中所示，将离开急冷段6的粗合成气进一步处理。为此目的，将其通过管线8进料入干燥固体脱除单元9以至少部分脱除粗合成气中的干燥灰分。由于干燥固体脱除单元9自身是已知的，在此不再进一步讨论该单元。通过管线18从干燥固体脱除单元脱除干燥灰分。

[0061] 在干燥固体脱除单元9之后可以将粗合成气通过管线10进料至湿气体洗涤器11和随后通过管线12进料至变换器13以使至少部分水与CO反应产生CO2和H2，因此获得管线14中的变换的气体物流。由于湿气体洗涤器11和变换器13自身是已知的，在此不详细讨论它们。将来自气体洗涤器11的废水通过管线22除去和任选通过管线23部分循环至气体洗涤器11。

[0062] 已经令人惊奇地发现，根据本发明，在管线8中离开急冷段6的物流的水vol％已经使湿气体洗涤器11的能力可能明显降低，导致资本支出的明显下降。

[0063] 当将管线12中的粗合成气在换热器15中用离开变换器13的管线14中的变换合成气加热时，达到进一步的改进。

[0064] 此外，根据本发明优选使离开换热器15的管线16的物流中包含的能量用于使要在急冷段6中注入的管线17中的水升温。为此目的，可以将管线16中的物流进料至间接换热器19以与管线17中的物流间接换热。

[0065] 如图1的实施方案中所示，管线14中的物流在通过管线16进入间接换热器19之前首先进料至换热器15。但是本领域技术人员容易理解如需要可以省去换热器15或将管线14中的物流在换热器15中换热之前首先进料至间接换热器19。

[0066] 如需要可以对管线20中离开间接换热器19的物流进一步处理以进行进一步的热量回收和气体处理。

[0067] 如需要管线17中的受热物流也可以部分用作到气体洗涤器11的进料(管线21)。

[0068] 图2给出用于图1的系统1的气化反应器2的纵向截面。

[0069] 气化反应器2具有含碳物流的入口3和含氧气体的入口4。

[0070] 通常几个燃烧器(示意性地由26表示)在气化反应器2中存在以实施部分氧化反应。但是由于简化的原因，在此仅给出两个燃烧器26。

[0071] 此外，气化反应器2包括通过管线7脱除在部分氧化反应过程中形成的熔渣的出口25。

[0072] 此外，气化反应器2包括用于所生产的粗合成气的出口27，该出口27与急冷段6连接。本领域技术人员容易理解在出口27和急冷段6之间可以存在一些管路(如示意性地用图1中的管线5表示)。但是通常将急冷段6直接连接到气化反应器2，如图2所示。

[0073] 急冷段6包括适于在急冷段中注入雾状物形式的含水物流的(连接到管线17的)第一注射器28。

[0074] 如图2所示，使用中的第一注射器沿离开气化反应器2的出口27的方向中注入雾状物。为此目的，由第一注射器28注入的雾状物的中心线X相对于与急冷段6的纵轴B-B垂直的平面A-A形成30-60°、更优选约45°的α角度。

[0075] 优选地，急冷段也包含适于注入屏蔽流体的第二注射器29(通过管线30连接到屏蔽气源)，所述屏蔽流体至少部分包围由至少一个第一注射器28注入的雾状物。如图2的实施方案中所示，第一注射器28为此目的部分由第二注射器29包围。

[0076] 如以上关于图1已经讨论的，可以进一步处理通过管线8离开急冷段6的粗合成气。

[0077] 图3描述了包含如下元件的优选气化反应器：

[0078] -保持压力高于大气压的压力外壳(31)；

[0079] -位于所述压力外壳(31)下部(优选通过所谓熔渣浴)用于脱除熔渣的出口25；

[0080] -确定其中可能在操作期间形成合成气的气化腔(33)的设置在所述压力外壳(31)内部的气化器壁(32)，所述气化器壁(32)的下部开放部分与所述脱除熔渣的出口(25)流体连通。所述气化器壁(32)的开放上端(34)与急冷区(35)流体连通；

[0081] -包含管状成型部件(36)的急冷区(35)，所述管状成型部件(36)设置在所述压力外壳(31)中、在其下端和上端开放和直径小于所述压力外壳(31)，因此确定在所述管状部件(36)周围的环形空间(37)。所述管状成型部件(36)的下部开放端流体连接到所述气化器壁(32)的上端。所述管状成型部件(36)的上部开放端通过转向装置空间(38)与所述环形空间(37)流体连通。

[0082] 在所述管状部件(36)的下端存在用于注入液体或气体冷却介质的注入设备(39)。优选地，在液体注入的情况下，在图2中描述了该注入的方向。在所述环形空间(37)中存在注入设备(40)，用于当合成气流过所述环形空间(37)时优选沿向下的方向向其中注入雾状物形式的流体。图3进一步给出在所述压力外壳(31)的壁中存在流体连接到所述环形空间(37)的下端的合成气出口(41)。优选地，急冷区配有清洁设备(42)和/或(43)，所述清洁设备优选是机械振动器，其通过振动而避免分别在管状部件和/或环形空间的表面上累积固体和/或将其除去。

[0083] 图3的反应器的优点是其紧凑性与其简单设计组合。通过采用雾状物形式的液体在环形空间中冷却可以在反应器的所述部件中省略另外的冷却设备，这使得反应器更为简单。优选通过注射器(39)和注射器(40)两者，根据本发明的方法将液体、优选水以雾状物的形式注入。

[0084] 图4描述了使用单独设备实施两步冷却方法的实施方案。图4给出WO-A-2004/005438的图1的气化反应器(43)，其结合通过转移管道(45)流体连接的下游急冷容器(44)。图4的系统与WO-A-2004/005438的图1中公开的系统的不同之处在于所述图1的合成气冷却器3被省略并由包含加入液体冷却介质的设备(46)的简单容器替代。
在图4中所示的是气化器壁(47)，气化器壁(47)与管状部件(51)相连，管状部件(51)接着连接到在急冷容器(44)中存在的上部壁部分(52)。在管状部件(51)的下端存在用于注入液体或气体冷却介质的注射设备(48)。急冷容器(44)进一步配有用于冷却的合成气的出口(49)。图4还给出燃烧器(50)。燃烧器配置可以合适地如EP-A-0400740中所述，该参考文献在此引入作为参考。气化反应器(43)和转移管道(45)以及急冷容器(44)的上部设计的各种其它细节优选如对于WO-A-2004/005438的图1的设备所公开的。

[0085] 当通过用急冷容器(44)替代现有技术公开文献的合成气冷却器而更新现有的气化反应器时或当人们希望采用本发明的方法同时保持现有技术的实际气化反应器时，优选图4的实施方案。

[0086] 本领域技术人员容易理解可以采用各种方式改进本发明而不背离以下权利要求所述的本发明的精神和范围。