专利名称：向加压反应器供应微粒固体材料的方法
技术领域：
本发明涉及向加压反应器供应微粒固体材料的方法。
背景技术：
US-A-3402684涉及从大气压部分向低于大气压部分供应树皮的方法。W0-A-99/66008描述了用于市政垃圾处理的固定床气化反应器。在煤的气化方法中，粉煤以干燥固体的形式或者以浆的形式被输送至加压气化 反应器。对干燥粉煤进行加压的商用方法借助于闭锁料斗进行，如在Elsevier Science, Burlington MA 于 2003 年所出版的、作者为 Christopher Higman 禾口 Maarten van der Burgt 的((Gasification))第 6. 2 节第 173-177 页(Chapter 6. 2 in Gasification, by Christopher Higman and Maarten van der Burgt,2003, Elsevier Science, Burlington MA,Pages 173-177)中所描述的。使用这种闭锁料斗设计的一个不足在于多批罐的循环、在 一个这种罐离线而另一个开始时出现的中断以及相当数量加压气体的排通。同一教科书在 第182-183页提到了作为替代方式的固体泵送。描述了已开发出许多类型的设备，但迄今 为止均未非常成功，这是因为它们都易受腐蚀和污垢的影响。EP-A-038597和EP-A-029262 是固体泵系统的两个例子，其中该参考书的作者之一，Maarten van der Burgt，是发明人。US-A-5657704中所描述的固体泵对于实际的商业应用看似具有更多的潜力。这 是因为相比于早先的、前面提到的设计，该固体泵的设计较不易受腐蚀和污垢的影响。该 公开文献描述了使用固体泵从低压储藏器向高压进料罐连续供应固体的方法。固体从 进料罐传送到高压鼓风炉。根据该公开文献的固体泵优选为可从STAMET股份有限公司 (STAMET Incorporated)得到的高压固体泵。记述这种泵的公开文献有US-A-4516674、 US-A-4988239 和 US-A-5051041。US-A-5657704中的方法的一个不足在于固体泵和加压反应器之间的高压进料罐 的存在。由于该中间进料罐的存在，不可能通过控制固体泵自身的旋转速度来直接控制固 体向加压反应器的流动。在加压反应器是气化反应器时，固体的控制尤其重要。在这种方 法中，氧与碳的比率必须保持在一定范围内，以便使一氧化碳和氢的产量最大化。
发明内容
本发明的方法的一个目的在于提供一种向加压气化反应器供应微粒固体含碳材 料的方法，它不存在上述问题。下面的方法提供了上述问题的一种解决方案。一种向加压气化反应器供应微粒固 体含碳材料的方法通过执行如下步骤实现(a)使用散装材料(bulk materials)泵从第一较低压区域向较高压区域传送固 体材料，该散装材料泵包括壳体，该壳体具有用于固体原料的流动路径，该流动路径位于所 述壳体的与第一较低压区域流体连接的入口和与较高压区域流体连接的出口之间，其中所 述壳体中的所述流动路径进一步由位于两个彼此隔开的可旋转驱动盘之间的空间来限定，并且其中在出口处在所述驱动盘之间具有材料刮刀，用以将正在所述驱动盘之间传送的固 体材料块按规定路线送至传送管道，该传送管道流体连接所述壳体的出口和气化反应器中 存在的燃烧器；(b)在固体材料块从壳体中排放出并且进入传送管道的位置处，将气流注入固体 材料块，以及(C)将传送管道中的固体材料和气流传送到燃烧器。申请人:已发现，根据本发明的方法使得可以直接将微粒固体材料输送到加压反应 器中。气流的使用是有益的，因为它在从固体泵排放出压实块时使压实块裂开。气流随后 携带固体以固体和气体的均勻混合物形式通过传送管道作为稳定流到达加压反应器。下一 优点在于，能够通过改变驱动盘的旋转速度来直接影响固体向反应器的流动。术语较低压区域是指含碳固体材料在被送入本发明方法的步骤(a)之前处于的 区域。适当地，该区域的压力为环境压力或近似的环境压力，也即，lbara。术语较高压区域 是指直接位于散装材料泵下游的区域。较高压区域的压力范围适当地等于为气化反应器所 指定的优选压力范围。微粒固体含碳材料优选是煤、石油焦炭或固体生物质。适当煤类型的例子有无烟 煤(anthracite)、褐色煤(brown coal)、烟煤(bitumous coal)、亚烟煤(sub-bitumous coal)禾口褐煤(lignite)。固体生物质微粒物质优选通过对生物质源的烘焙得到。烘焙是无氧条件下的热处 理，优选在200°C到300°C之间的温度进行。烘焙优选与压缩或制粒步骤组合，以便使生物 质进料更适于气化方法，在该气化方法中生物质进料以所谓的干燥形式供应。生物质源材 料的烘焙是公知的，例如在2002年5月吉隆坡第六届亚太燃烧和能源利用国际研讨会上由 M. Pach、R. Zanz i 禾口 E. Bjftrnbom所发表的 Torrefied Biomass a Substitute for Wood and Charcoal (M. Pach, R. Zanzi and E. Bjombom, Torrefied Biomass a Substitute for Wood and Charcoal. 6th Asia-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization. May 2002, Kuala Lumpur) Φ^ δ ^^^ Bergman^ P. C. A ^ ECN Report, ECN-C-05-073, Petten,2005 ψ ^"Torrefaction in combination with pelIetisation-the TOP process"(Bergman,P. C. A,"Torrefaction in combination with pelletisation-the TOP process", ECN Report, ECN-C-05-073, Petten,2005)中Mifii^ 的。适当的生物质源是由光合作用产生的所有固体材料。这种固体材料的例子有木材、禾 杆、草、(微)藻类、杂草或农业生产的残余物。适当的残余产品的例子有棕榈油生产、谷物 生产、生物柴油生产、林业生产、木材加工生产和造纸生产中所产生的流。在固体材料是煤的情形中，微粒固体材料优选具有如下的粒子大小分布其中至 少约90%重量百分比的材料小于90 μ m并且其中含水量的重量百分比典型地在2-12%之 间，优选小于约5%的重量百分比。在固体材料是生物质微粒物质的情形中，粒子大小的分 布可与上面关于煤所述的相似或者可包括大到1000 μ m的较大的粒子大小。用在根据本发明的方法中的材料泵包括壳体，该壳体具有位于所述壳体的入 口和出口之间的用于固体原料的流动路径。所述壳体中的流动路径进一步由位于彼此 隔开的两个可旋转驱动盘之间的空间限定。在所述驱动盘之间存在材料刮刀，用以将 正在所述驱动盘之间传送的固体材料块按规定路线送至该泵的壳体的出口并进入传送管道。传送管道与所述壳体的出口及反应器流体连接。描述了这种泵的公开文献有 US-A-4516674、US-A-4988239、US-A-5551553、US-B-7044288、EP-A-1152963、US-A-5381886 和 US-A-5051041。优选使用一种材料泵，其中两个驱动盘的旋转轴相对于彼此倾斜。这样将会导致 入口处在所述驱动盘之间的距离大于出口处在所述盘之间的距离。因为驱动盘沿分开且倾 斜的轴旋转，所以实现了对散装材料更有效的捕获和压缩。较高的效率使得只需要较少的 能量输入。另一优势在于，由于对材料的压实，因此在驱动盘之间得到更好的气密性。这两个驱动盘的面对该优选散装材料泵的流动路径的表面优选成形为使得在出 口处，这两个面对的表面相对于彼此大致平行，而在入口处，这两个表面相对于彼此成一定 角度。这种表面可以是球形的或更优选为圆锥形的。圆锥形也意味着是这样一种形状，其 中面对散装材料的流动路径的表面由共同形成大致圆锥形的许多馅饼形表面构成。材料刮刀可以是位于驱动盘之间且靠近散装材料出口固定至该泵的壳体的固定 装置。该刮刀优选向上延伸超过这两个旋转轴在这两个驱动盘之间相遇的点。该材料刮刀 适当地是在出口处部分地位于所述驱动盘之间的第三可旋转盘，并且其中所有三个盘的旋 转方向相同。通过使用旋转盘作为刮刀，实现了固体从这两个盘之间更有效的排放。步骤(b)中注入的气流可以是适于携带微粒固体材料通过传送管道的任何类型。 适当的气体的例子有氮、二氧化碳和蒸汽。所添加的气流的量优选地使得传送管道中得到 在50-800kg/m3之间的固体密度，更优选在250-500kg/m3之间。该气流适于在散装材料泵 的出口处，沿与所述壳体的出口平行、与所述壳体的出口垂直或成任意中间角度的方向被 注入材料块。传送管道中的质量流优选选择成得到在3-30m/s之间的微粒材料速度，更优选 在5-lOm/s之间。优选该反应器是气化反应器。该气化反应器是气流床气化反应器。这 种反应器例如是 Elsevier Science, Burlington MA2003 年出版的、作者为 Christopher Higman 禾口 Maarten van der Burgt 的〈〈Gasification〉〉第 109-128 页(Gasification, by Christopher Higman and Maarten van der Burgt,2003, Elsevier Science, Burlington MA, Pages 109-128)中所描述的。气流床反应器具有一个或多个燃烧器，燃烧器直接与传送 管道连接。按照这种方式，微粒材料和气流被直接输送到燃烧器。适当的燃烧器的例子在 US-A-4523529和US-A-4510874中得到描述。在这种燃烧器中，微粒材料流通过中心通道排 放到反应器内部。高速含氧气体流被从所述燃烧器的同轴通道排放到从中心通道排放的微 粒材料中。燃烧器可位于反应器顶部并向下定向，例如如US-A-20070079554中所描述的， 或者水平定向，如EP-A-0400740中所描述的，或者该反应器可同时包括顶部点火燃烧器和 水平点火燃烧器，如CN-A-1775920中所描述的。在顶部点火构造的情形中，能够使用一个 或多个燃烧器。在水平点火的情形中，典型的是使用一对或多对径向定位的燃烧器。对于 所有类型的反应器构造，优选一个反应器由一个专用的散装材料泵和传送管道进料。按照 这种方式，能够得到更易控的微粒材料流。反应器中的气化温度优选在1100-1800°C之间，而压力范围为从10到lOObar，优 选在30-100bar之间，更优选高于35bar且低于70bar的压力。本发明还涉及起动如上所述的方法的方法，其中存在于传送管道中的加压固体流 首先被转到第二较低压区域，并且仅在该管道中的固体材料的质量流已达到稳定值之后，操作传送管道中存在的阀以将固体材料转到反应器中。优选该第二较低压区域是第一较低 压区域。 本发明还涉及执行上述起动方法的系统，其包括与如上所述的散装材料泵的入 口流体连接的低压存储容器，在附图中，传送管道的第一部分将散装材料泵的出口直接连 接到换向阀的入口，传送管道的第二部分将换向阀的出口连接到反应器容器中存在的燃烧 器，其中所述换向阀设置有使再循环管道与低压存储容器连接的第二出口，并且能够调节 该换向阀以使微粒材料从散装材料泵流向燃烧器或者使微粒材料从散装材料泵流向低压 存储容器。
图1是具有旋转刮刀的散装材料泵的剖开侧视图。
图Ia是用于添加气流的一个替代实施例。
图2是图1所示散装材料泵的剖开正视图。
图3是具有固定刮刀的散装材料泵的剖开侧视图。
图4是图2所示散装材料泵的剖开正视图。
图5是示出向气化反应器供应微粒物质的系统的排列图。
图5a示出图5所示排列图的细节。
图6示出图5中示例说明的传送管道中的优选内部构件情况。
具体实施例方式图1示出具有壳体2的散装材料泵1。其中存在位于所述壳体2的入口 4和出口 5之间的用于散装材料6的流动路径3。该散装材料泵的方位优选为图1所描绘的，入口在 顶端而出口在底端。按照这种方式，散装材料将借助重力从入口进入并从出口排出。所述 壳体2中的流动路径3存在于两个可旋转驱动盘7和8之间，其中仅驱动盘7在图1中示 出。流动路径3进一步由定位在所述驱动盘7和8之间的可旋转材料刮刀9来限定。盘7、 8和刮刀9的旋转方式使得所述盘7、8和刮刀9的部分地限定了流动路径3的表面如图所 示沿流动路径3的方向运动。这样会促进材料6的运动和材料6在出口 5处从盘7和8之 间的排放。可旋转材料刮刀9向上延伸到两个旋转轴10和11在这两个盘7和8之间相遇的 点13，如图2所示。图1还示出壳体的出口 5与传送管道17的上流端连接。该端设置有气流的供应 管道18，其经由开口 19从传送管道17中引出。图Ia示出传送管道17的上端的一个替代实施例18a。在该实施例中，气流经由入 口 21供应到由内部透气管状部分22和外部不透气部分20形成的环形空间23中。管状部 分22形成传送管道的内部。当将其从散装材料泵1排放出时，气流将被经由透气部分22 注入微粒物质块中。图2图示分别具有旋转轴10和11的驱动盘7和8。盘7和8具有面对流动路径 3的优选的圆锥形表面。如图所示，盘7和8相对于彼此倾斜。优选地，盘面对流动路径3 的竖立面与如图2所示的竖直面之间的角α在5-45°之间。角α的值要依赖于材料6的
7压实率。轴10和11与水平线12成α/2的角度。轴10和11因而不同轴，而是成一定角度。由于盘7和8的倾斜定位，在泵1入口端处所述盘之间的距离‘η’大于出口 5处 所述盘之间的距离‘m’。在使用中，进入泵中的材料将会在某一位置被捕获在这些盘之间， 在该位置，所述盘之间的距离‘η’是大的。当材料在这些盘的引导下运动时，所述盘之间的 空间将连续从距离‘η’减小到较短的距离‘m’。在所述盘之间传送的材料将会被压缩。这 样将会提供自然的气体闭锁，这是克服入口 4处的较低压环境和出口 5处的较高压环境之 间的压差所需要的。在位置14处，可有利地存在密封面，以避免气体从高压环境向低压环境流动。该 密封面优选由所谓的耐磨抗撕裂材料制成。这种材料是公知的，特氟纶是这种材料的一个 例子。马达(未示出)将驱动轴10和11。存在弹簧负载15，用以将盘7、8和刮刀9定 位到其附近。图3和4示出具有固定材料刮刀16的散装材料泵，固定材料刮刀16部分地位于 所述驱动盘7和8之间并固定至壳体2。其余附图标记与图1和2中所指相同。图5示出一种执行如上所述的起动方法的系统。该系统包括经由供应管道25与 散装材料泵1的入口 4流体连接的低压存储容器24。供应管道25可以可选地设置有除气 装置，例如如US-A-5657704中所描述的。传送管道17的第一部分17a将散装材料泵1的 出口 5与换向阀27的入口 26直接连接。传送管道17的第二部分17b将换向阀27的出口 28与反应器容器30中存在的燃烧器29直接连接。如图5a更详细地图示的，换向阀27还 设置有第二出口 31。该出口 31使再循环管道32与低压存储容器24连接。该再循环管道 设置有压降阀33。换向阀27可例如是根据US-A-4952100的阀。能够对如图5a所示的这种阀进行 调节，以使微粒材料从散装材料泵1向燃烧器29流动或者使微粒材料从散装材料泵1向低 压存储容器24流动。低压存储容器24设置有微粒材料的供应管道34、气体排出通道35和流态气体的 供应36。如图所示的气化反应器30设置有两对径向定位的燃烧器29、膜壁37、炉渣排放口 38和气化方法的气体产品的出口 39，该气体产品主要包括一氧化碳和氢。图5示出用于两个燃烧器29的两个分开的供应系统。为清楚起见，图5省略了用 于另两个燃烧器的其余两个系统。图6a、6b和6c示出一种优选的传送管道17的一部分，其设置有一个或多个内部 构件40，内部构件40具有用于固体含碳材料的开口 41并从传送管道壁开始延伸。内部构 件40适当地从传送管道17的内壁的整个圆周开始延伸。内部构件40在万一散装材料泵 的密封失效以及传送管道17中的流动方向直接从正常方向44变成相反方向45时起到安 全装置的作用。内部构件40的设计成使得当沿正常方向44流动时，固体几乎没有难度地 经过该内部构件。另外，内部构件40还设计成使得当固体沿相反方向45流动时，固体会立 即聚集在内部构件40上并且形成固体含碳材料构成的桥46。桥46将会避免存在于加压气 化反应器中的气体进入图5所示的低压存储容器24。我们发现，这种桥46的形成在安全阀必须关闭时更快地发生。如图6a所示，内部构件在面对散装材料泵的端部处具有斜面，该 斜面与传送管道的轴线成斜角β。斜角β优选使得当气体和固体沿方向44流动时，材料 构成的桥将不会出现。优选β在1-60°之间，更优选在10-30°之间。开口 41优选选择 成使得在所述传送管道17中至少维持所谓的密相输送流动状态。内部构件40可以是如图 6c所示的截头圆锥形部分40’，或者是如图6a和6b所示的闭合部分，其中该内部构件还具 有面对燃烧器的表面，其与传送管道的轴线成斜角Y，如图6a所示。斜角γ要大于斜角 β。斜角Y优选在30-135°之间，更优选为90°。当使用如图5所示的系统时，这一个或多个内部构件40优选位于管道17的上游 部分，或在管道部分17a中。这是为了确保充足的固体材料存在于管道17的下游部分中， 以在流动方向反转的情况下形成桥46。为此，管道17的长度应当足以确保存在足够的固体 材料来形成桥46。所需长度将依赖于传送管道中的密度和速度并且能够由本领域技术人员 通过简单的计算和/或实验得到。气流的供应管道18在散装材料泵1和内部构件40之间在传送管道中引出。优选 在外部冷却传送管道17，以便在流动方向反转到方向45的情况下耐受来自气化反应器的 高温气体。该具有内部构件40的优选传送管道17也可与其它散装材料泵的结合应用。本发 明因而也涉及包含任意散装材料泵、具有一个或多个内部构件40的传送管道17的系统，传 送管道17使所述泵与气化反应器中存在的燃烧器流体连接。除了特定的泵的细节之外，上 述所有优选实施例也可应用于此进一步的发明。
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权利要求
一种向加压气化反应器供应微粒固体含碳材料的方法，其通过执行如下步骤实现(a)使用散装材料泵从第一较低压区域向较高压区域传送固体材料，该散装材料泵包括壳体，该壳体具有用于固体原料的流动路径，该流动路径位于所述壳体的与第一较低压区域流体连接的入口和与较高压区域流体连接的出口之间，其中所述壳体中的所述流动路径进一步由位于两个彼此隔开的可旋转驱动盘之间的空间来限定，并且其中在出口处在所述驱动盘之间具有材料刮刀，用以将正在所述驱动盘之间传送的固体材料块按规定路线送至传送管道，该传送管道流体连接所述壳体的出口和气化反应器中存在的燃烧器；(b)在固体材料块从壳体中排放出并且进入传送管道的位置处，将气流注入固体材料块，以及(c)将传送管道中的固体材料和气流传送到燃烧器。
2.如权利要求1所述的方法，其中所注入的气体运送介质的量导致所产生的材料-气 体运送介质的密度在50-800kg/m3之间。
3.如权利要求2所述的方法，其中含碳材料是煤、石油焦炭或由通过对生物质源的烘 焙得到的固体生物质。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中该气流是氮、二氧化碳、合成气或与碳氢 化合物混合的合成气的气流。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中反应器中的气化温度在1100-1800°C之 间，而反应器中的压力在30-100bar之间。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中固体材料和气流经由存在于燃烧器中的 中心通道被排放到反应器内部，并且其中含氧气体流被从所述燃烧器的同轴通道排放到从 中心通道排放的固体材料中。
7.如权利要求3-6中任一项所述的方法，其中固体含碳材料是具有如下粒子大小分 布的煤，其中至少约90%重量百分比的材料小于90 μ m，其中煤的含水量的重量百分比在 2-12%之间，其中传送管道中的固体密度在250-500kg/m3之间并且其中传送管道中的微粒 材料的速度在3-30m/s之间。
8.用于起动如权利要求1-7中任一项所述的方法的方法，其中存在于传送管道中的加 压固体流首先被转到第二较低压区域，并且仅在该管道中的固体材料的质量流已达到稳定 值之后，操作传送管道中存在的阀以将固体材料转到反应器中。
9.一种向加压气化反应器供应微粒固体含碳材料的系统，其包括与散装材料泵的入口 流体连接的低压存储容器，一传送管道的第一部分使该散装材料泵的出口与一换向阀的入 口直接连接，该传送管道的第二部分使该换向阀的出口与存在于反应器容器中的燃烧器连 接，其中所述换向阀设置有使再循环管道与该低压存储容器连接的第二出口，并且能够调 节该换向阀以使该散装材料泵与燃烧器流体连接或者使该散装材料泵与低压存储容器流 体连接。
10.如权利要求9所述的系统，其中用于气流的供应管道在传送管道的第一部分中引出ο
11.如权利要求9-10中任一项所述的系统，其中该散装材料泵包括壳体，该壳体具有 位于所述壳体的入口和出口之间的用于固体原料的流动路径，其中所述壳体中的所述流动 路径进一步由位于两个彼此隔开的可旋转驱动盘之间的空间来限定，并且其中在出口处在所述驱动盘之间具有材料刮刀，当使用该固体泵时，该刮刀用于将正在所述驱动盘之间传 送的固体材料块按规定路线送至传送管道的第一部分。
12.—种向加压气化反应器供应微粒固体含碳材料的系统，其包含与散装材料泵的入 口流体连接的低压存储容器，一传送管道使该散装材料泵的出口直接与存在于反应器容器 中的燃烧器连接，其中所述传送管道设置有一个或多个内部构件，该内部构件设计成使得 在使用中，当沿正常方向流动时，固体几乎没有难度地经过该内部构件，而当沿相反方向流 动时，固体立即聚集在该内部构件上并且形成固体含碳材料构成的桥，并且其中用于气流 的供应管道在该散装材料泵和该内部构件之间在传送管道中引出。
13.如权利要求12所述的系统，其中该传送管道包括使该散装材料泵的出口与一换向 阀的入口直接连接的传送管道第一部分，该传送管道的第二部分使该换向阀的出口与存在 于反应器容器中的燃烧器连接，其中所述换向阀设置有使再循环管道与该低压存储容器连 接的第二出口，并且能够调节该换向阀以使该散装材料泵与该燃烧器流体连接或者使该散 装材料泵与该低压存储容器流体连接，并且其中所述内部构件存在于该传送管道的第一部 分中。
全文摘要
本发明涉及一种向加压气化反应器供应微粒固体含碳材料的方法，其通过执行如下步骤实现(a)使用散装材料泵从第一较低压区域向较高压区域传送固体材料，该散装材料泵包括壳体，该壳体具有用于固体原料的流动路径，该流动路径位于所述壳体的与第一较低压区域流体连接的入口和与较高压区域流体连接的出口之间，其中所述壳体中的所述流动路径进一步由位于两个彼此隔开的可旋转驱动盘之间的空间来限定，并且其中在出口处在所述驱动盘之间具有材料刮刀，用以将正在所述驱动盘之间传送的固体材料块按规定路线送至传送管道，该传送管道流体连接所述壳体的出口和气化反应器中存在的燃烧器；(b)在固体材料块从壳体中排放出并且进入传送管道的位置处，将气流注入固体材料块，以及(c)将传送管道中的固体材料和气流传送到燃烧器。
文档编号C10J3/50GK101909738SQ200980102243
公开日2010年12月8日 申请日期2009年1月15日 优先权日2008年1月16日
发明者G·G·P·范德普勒格 申请人:国际壳牌研究有限公司