[发明专利]多级循环流化床合成气冷却

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年8月27日提交的美国临时申请号61/693,707根据35USC119(e)的权益，其通过引用以其全文结合在此。

关于联邦政府赞助的研究或发展的陈述

本发明是在美国能源部颁布的协议/合约号DE-NT0000749下通过政府支持而做出的。政府对于本发明具有某些权利。

技术领域

本发明涉及一种用于对来自反应器的热气流进行冷却同时产生饱和蒸汽和过热蒸汽二者的多级循环流体床（CFB）冷却器。更确切地说，本发明是与一种对来自处理碳质材料如煤、生物质或城市废物作为馈入的气化炉的热合成气进行冷却的冷却器相关联的，该冷却器同时产生高压饱和且过热的蒸汽用于发电。冷却器使熔融灰滴聚结，这些灰滴通常存在于造渣气化炉所产生的合成气。本多级CFB合成气冷却器还使传热表面免于与通过造渣以及其他类型气化炉生产的合成气中的脏污、侵蚀性以及腐蚀性物质进行接触。

背景技术

对于合成气冷却领域中的普通技术人员而言，使合成气直接与传热表面接触时对合成气进行冷却的困难是众所周知的，包括：由于合成气中夹带的物质而堵塞气体流动路径，由于细小熔融灰滴的沉积以及合成气中焦油成分而使这些传热表面脏污，由于气化炉中夹带的细灰和焦油而引起的侵蚀，以及由于合成气中的例如氢的硫化物和氢的氯化物成分而引起的腐蚀。

与合成气冷却有关的另一个困难是，对可兼容高温及保护相对昂贵的传热表面用于可靠操作的传热表面的构造材料进行识别和处理。

当前，试图绕过可靠冷却合成气的许多困难的选项大大牺牲了处理效率。例如，为了不超过常规对流合成气冷却器的构造材料的温度极限，气化炉离开流最初必须通过与大量相对较凉的再循环气体相混合来进行冷却。牺牲处理效率以便适应离开合成气冷却器的其他实例包括：上游淬火冷却、在气化炉的上部部分中喷射煤以便降低气化炉离开温度，以及在伴有低碳转化率的较低温度下操作气化炉。

美国专利No.8,197,564披露了对夹杂流气化炉以及辐射式合成气冷却器下游合成气进行淬火冷却的一个实例，以便限制通常与细灰和熔渣相关联的下游堵塞和脏污问题，细灰和熔渣是通过沉淀或者通过直接与水接触的表面冷却而从气流中被分离出的。这种淬火冷却系统包括用来使颗粒分离并且把水作为淬火消耗用水来对待的昂贵的辐射式合成气冷却器以及多个不太可靠的水处理系统，淬火消耗用水本质上具有高腐蚀性和侵蚀性，从而增加了用来冷却合成气的总成本。另外，实际经验表明，合成气的辐射式冷却和淬火式冷却的组合对于限制（避免）下游对流冷却器的堵塞问题不是完全有效的。

与夹杂流气化炉相比，从流化床气化炉中产生的合成气以相对较低的温度（约1000°C）离开气化炉。虽然情况如此，用来冷却离开这种气化炉的合成气的合成气冷却器，由于使用特殊合金用于这些冷却管道，从而是相对昂贵的设备。在接近1000°C在高压条件下接触合成气的常规对流式冷却器中，必须使用这种特殊且昂贵的合金。对来自流化床气化炉中的合成气进行冷却的另一个困难是其中夹带的对这些冷却管道表面具有腐蚀性倾向的细灰和焦油颗粒。沉积和脏污使冷却效率逐渐降低并且导致了不太令人希望的过热蒸汽条件，从而对整体煤气化联合循环（IGCC）电站的发电容量产生影响。为了处理这些困难以及入口合成气冷却器条件，必须使用包含特殊合金的厚壁设计以便用于冷却器传热表面构造材料。

合成气冷却器由于内部流体动力学、压降以及限制其物理尺寸的其他处理因素而使冷却能力受到限制。在一些应用中，如在300MWe额定容量的IGCC过程中，对来自单一气化炉的合成气进行冷却需要多个并行的多级合成气冷却器。工艺管线中的多个并行合成气冷却器不可避免地增加了成本以及在处理近1000°C的高压合成气的布局的复杂性。

对一些流化床气化炉中的生物质以及含沥青的煤进行处理导致合成气离开气化炉时夹带着形成的焦油。这些焦油成份沉积在合成气冷却器传热表面上以及下游设备上并且恶化的脏污条件最终导致不可操作的过程。在对含有较高碱金属百分比的煤矿中的煤进行处理时也会遇到类似的困难。即便在成本增加以及处理效率整体减小的情况下，常规合成气冷却器还是不能可靠地用于这些在上游具有已知缓解措施的工艺。