控制合成气制备的方法.pdf

本发明涉及通过含碳物流部分氧化制备合成气的方法，其中使用氧碳比(O/C比)控制所述部分氧化，该方法至少包括以下步骤：(a)将含碳物流和含氧物流以选定的O/C比进料到气化反应器中；(b)在气化反应器中至少部分氧化所述含碳物流，由此得到至少包含合成气、CO2和CH4的气态产物流；(c)测定步骤(b)中得到的产物流中CO2的含量；(d)将步骤(c)中测定的含量与预定含量进行比较，由此可能得到步骤(c)中测定的含量和预定含量之间的差值；(e)基于步骤(d)中得到的差值调节步骤(a)中的O/C比。

1.  通过含碳物流部分氧化制备合成气的方法，其中使用氧碳比(O/C比)控制所述部分氧化，该方法至少包括以下步骤：
(a)将含碳物流和含氧物流以选定的O/C比进料到气化反应器中；
(b)在气化反应器中至少部分氧化所述含碳物流，由此得到至少包含合成气、CO₂和CH₄的气态产物流；
(c)测定步骤(b)中得到的产物流中CO₂的含量；
(d)将步骤(c)中测定的含量与预定含量进行比较，由此可能得到步骤(c)中测定的含量和预定含量之间的差值；
(e)基于步骤(d)中得到的差值调节步骤(a)中的O/C比。

2.  权利要求1的方法，其中步骤(d)中可能得到的差值是在产物流中CO₂的含量与预定CO₂含量之间比较的基础上得到的。

3.  权利要求2的方法，其中所述差值表示为产物流中CO₂的含量与预定CO₂含量之间的绝对差值相对于预定CO₂含量的百分比，以及其中当所述差值超过预定值时进行步骤(e)，以及其中所述预定值为0.5～5％。

4.  前述权利要求中一项或多项的方法，其中步骤(a)中进料的含碳物流包括颗粒状煤。

5.  前述权利要求中一项或多项的方法，其中在步骤(e)中通过调节步骤(a)中进料的所述含碳物流和所述含氧物流其中之一的流量或其组合来调节O/C比。

6.  权利要求5的方法，其中通过调节所述含碳物流的流量同时保持所述含氧物流恒定来调节O/C比。

7.  适于进行前述权利要求中一项或多项的方法的系统(1)，该系统(1)至少包括：
-气化反应器(2)，其具有用于含氧物流(10)的入口(3)、用于含碳物流(20)的入口(4)和在气化反应器(2)下游的用于在气化反应器(2)内制备的产物流(30)的出口(5)；
-用于控制进入气化反应器(2)的含氧物流(10)的流量的第一流量控制器(7)；
-用于控制进入气化反应器(2)的含碳物流(20)的流量的第二流量控制器(8)；
-用于检测产物流(30)中CO₂含量并将其与预定CO₂含量进行比较由此可能得到差值的质量控制器(9)；
其中质量控制器(9)与第一和第二流量控制器(7，8)在功能上耦连，以及其中质量控制器(9)可以根据所述差值调节第一和第二流量控制器(7，8)中的流量的至少一个。

控制合成气制备的方法
技术领域
本发明涉及通过含碳物流部分氧化制备合成气的方法。
背景技术
通过部分氧化制备合成气的方法是实践中公知的。
通常，使用含氧气体(例如基本纯的氧气或(任选富氧的)空气等)在气化反应器中部分燃烧(或以其它方式部分氧化)含碳(烃质)物流(例如煤、褐煤、泥煤、木材、焦炭、烟煤或其它气态、液态或固态燃料或它们的混合物)，由此得到包含合成气(即CO和H₂)和CO₂等的产物流。
通常进一步处理该产物流，例如用于在骤冷段中冷却该产物流，和去除不需要的组分。而且，根据该产物流或其部分的最终用途，该产物流可以经过变换转化、湿气洗涤等。
制备合成气的已知方法的问题在于得到的产物流的质量可能会不同，这是由于例如进料到该气化反应器中的含碳物流和含氧物流、含碳物流中的灰量等的扰动或变化。如果例如使用煤作为含碳物流，煤的H₂O含量的变化会导致气化反应器中工艺条件的变化，因此产物流的组成也会变化。已知有多种控制部分氧化工艺的方法。例如GB-A-837074描述了一种方法，其中测定部分氧化工艺的产物气体中的二氧化碳来控制蒸汽流量。
US-A-2941877描述了一种控制部分氧化反应器中氧碳进料比的方法。通过使用红外测量技术测定产物气体中的甲烷含量来控制该氧碳进料比。使用甲烷作为控制输入的缺点在于该信号不是尖锐信号，使得控制不够精确。
如果产物流(部分)的最终用户需要其中仅具有非常有限的变化的恒定质量时，上述问题甚至更加相关。
发明内容
本发明的一个目的是使上述问题至少最小化。
本发明的另一个目的是提供一种用于制备合成气的替代方法。
依照本发明，可以通过提供一种通过含碳物流部分氧化制备合成气的方法实现上述或其它目的中的一个或多个，其中使用氧碳比(O/C比)控制所述部分氧化，该方法至少包括以下步骤：
(a)将含碳物流和含氧物流以选定的O/C比进料到气化反应器中；
(b)在气化反应器中至少部分氧化所述含碳物流，由此得到至少包含合成气、CO₂和CH₄的气态产物流；
(c)测定步骤(b)中得到的产物流中CO₂的含量；
(d)将步骤(c)中测定的含量与预定含量进行比较，由此可能得到步骤(c)中测定的含量和预定含量之间的差值；
(e)基于步骤(d)中得到的差值调节步骤(a)中的O/C比。
已经令人惊奇地发现，通过在产物流中CO₂含量的基础上控制O/C比，可以在以非常简单的方式控制气化反应器中的工艺条件(例如气化温度)以及由此控制产物流的质量。
申请人进一步发现与通过红外测定的CH₄的信号相比，CO₂含量给出了灵敏的信号，使其更适合控制该工艺。申请人进一步发现为了获得其中仅具有非常有限变化的具有恒定质量的产物流，控制C/O比比控制正物流流量有效得多。
依照本发明，该含碳物流可以是任意适用于部分氧化由此得到包含合成气的产物流的适合的液态、气态或固态物流(包括浆液)。术语“含碳”的含义也包括“烃质”。已经发现如果使用优选为固态、颗粒状、高含碳量的原料作为含碳物流，本发明的方法特别适用。优选的原料是固态含碳原料。这种原料的实例为煤、生物质，例如木材和废物，优选为煤。更优选该固态含碳原料主要(即＞90wt.％)由自然形成的煤或合成的(石油)焦炭构成。适合的煤包括褐煤(lignite)、烟煤、次烟煤、无烟煤和褐煤(brown coal)。该固态含碳原料可以作为在水中的浆液或更优选地作为原料和适合的载气的混合物进料到该工艺中。适合的载气是氮气。
作为含氧物流，可以使用任意适合物流。通常将使用基本纯的氧气(例如使用空气分离单元得到的)。但也可以使用空气或富氧空气。
本领域的技术人员将容易理解如何为步骤(a)中进料的特定含碳物流选择适合的选定O/C比。对于本发明，O/C比具有以下含义，其中“O”是含氧物流中存在的分子氧O₂的重量流量，其中“C”是排除任何任选的载气或水(在浆液的情况下)的含碳原料的重量流量。所需的选定的O/C比可以例如通过对于特定含碳原料使用已知的能含量数据(例如以J/kg计的原料的热值)确定。通常，确定了所需的选定O/C比，将确定含氧物流中的O₂含量，以及确定含碳和含氧原料物流的适合流量，以得到所需的O/C比。
优选地，使用红外测定CO₂含量，尽管也可以使用其它测量技术。为了明显的控制原因，CO₂的含量优选在尽可能接近部分氧化步骤的气流中测定。然而申请人发现当在水气洗涤器的下游测定CO₂含量时，仍能有效控制该工艺。因为该洗涤器将包含更少的酸使得分析更简单，因此这是有利的。而且，本领域的技术人员将理解如何可以进行步骤(c)中的含量测定，因此这里将不再进行进一步的讨论。
可以手动比较步骤(d)中产物流的含量与预定含量。然而，通常使用例如适合的计算机程序。该预定含量通常对应于如果没有发生变化或扰动，在选定的O/C比的基础上得到的预期产物组合物的含量(或者其中一种或多种组分的预期含量)。如果产物流的实际含量和预定含量之间存在差别(即差值)，那么例如通过调节原料物流的流量在一定程度上调节O/C比。作为调节O/C比的结果，该工艺条件将发生改变(重复步骤(c)～(e))，直至实际含量达到所需值。
本领域的技术人员将理解，如果需要，仅在该差值超过预先选定值的情况下才调节O/C比。此外，O/C比的调节将取决于产物流组成与预定组成的偏差程度。
依照本发明，已经发现产物流含量中的CO₂含量特别适用于比较目的。因此，优选地，针对CO₂在产物流中的含量和预定含量之间比较的基础上得到步骤(c)中可能得到的差值。
优选地，依照本发明，如果发生差值(任选高于预定值)，在步骤(e)中通过调节步骤(a)中进料的含碳物流和含氧物流其中之一的流量或其组合来调节O/C比。优选地在步骤(e)中调节该含碳物流。
在另一方面，本发明提供了一种适用于进行前述权利要求中一项或多项的方法的系统，该系统至少包括：
-气化反应器，其具有用于含氧物流的入口、用于含碳物流的入口和在该气化反应器下游的用于在该气化反应器内制备的产物流的出口；
-用于控制进入该气化反应器的含氧物流的流量的第一流量控制器；
-用于控制进入该气化反应器的含碳物流的流量的第二流量控制器；
-用于确定产物流的组成并将其与预定组成进行比较由此可能得到差值的质量控制器；
其中该质量控制器与第一和第二流量控制器在功能上耦连，以及其中该质量控制器可以根据所述差值调节第一和第二流量控制器中的流量。
附图说明
现在通过实施例的方式参考非限定性的附图对本发明进行更详细的描述，其中：
图1示意性给出了用于进行本发明的方法的系统。
具体实施方式
为了本说明书的目的，管线以及在该管线中传送的物流只给出一个参考标记。相同的参考标记表示相似的结构元件。
参考图1。图1示意性给出了制备合成气的系统1。在气化反应器2中，分别在入口4、3以选定的O/C比将含碳物流20(例如煤)和含氧物流10(例如空气)引入。在图1示出的实施方式中，通过第一和第二流量控制器7、8得到选定的O/C比。该第一和第二流量控制器7、8操作连接(如虚线21所示)。此外，第一和第二流量控制器7、8都包括阀门，用参考标记11和12示意性表示。
在该气化反应器2中将煤20至少部分氧化，由此得到至少包含合成气(即CO+H₂)、CO₂和CH₄的气态产物流30。为此，在气化反应器2中通常存在几个燃烧器(未示出)。由于使用煤作为含碳物流20，因此会形成炉渣，其通过管线50去除用于进一步处理。
通常，气化反应器2中的部分氧化是在范围为1200～1800℃的温度和范围为1～200巴(通常为40巴)的压力下进行的。
如图1中的实施方式中所示，将所生产的包含合成气的产物流30进料到骤冷段6，在此通常将物流30冷却到约350℃。骤冷段6可以具有任意适合的形状，但通常具有管状的形状。
本领域的技术人员将容易理解可以对离开骤冷段6的产物流30进行进一步的处理。为此，可以将其进料到例如干固体去除单元(未示出)、湿气洗涤器(未示出)、变换转化器(未示出)等中。
离开骤冷段6(优选离开进一步的下游湿气洗涤器)的包含合成气的产物流30进料到质量控制器9，在其中测定产物流30的CO₂含量，并与预定的CO₂含量进行比较。该预定的CO₂含量可以例如对应于如果没有发生变化或扰动，在选定的O/C比的基础上得到的产物流30的CO₂的预期含量。
如果产物流30的组成与预定的CO₂含量不同，则调节物流10和20的O/C比，由此也影响气化反应器2中的工艺条件。本领域的技术人员将理解，如果需要，可以仅在所述偏差(例如差值)超过预定值的情况下才调节O/C比。
为了实现物流10和20的O/C比的所需调节，质量控制器9操作流量控制器7和8(如虚线22和23所示)，因此调节物流10和/或20的流量。因此，改变气化反应器2中的工艺条件(特别是气化温度)，从而也改变产物流30中的CO₂含量。只要产物流30中的CO₂含量与预定的CO₂含量不同，就可以进行对O/C比的这些调节。
下面讨论了本发明方法的非限定性实施例。
实施例
使用通常如图1中所示的方式，通过最初进料到气化反应器中的固态颗粒状的煤物流的部分氧化制备合成气。使用基本纯的氧气(获自ASU)作为含氧物流。
为了(暂时)得到约0.713的选定O/C比，进料煤和氧物流。在约1500℃的温度和约40巴的压力下在气化反应器中部分氧化煤物流之后，得到了气态产物流。测定该气态产物流的组成，并在下表I中给出(表示为“实际组成”)。
在该实施例中，通过红外测定技术测定产物流中的CO₂含量，并与产物流中CO₂的(计算的)预定含量(也示于表I中)进行比较，因此得到实际组成和预定组成中CO₂含量之间的差值(在该情况下为0.74mol％)。由于认为所述CO₂差值过高(超过了预定值，例如超出预定含量1％)，因此通过修正煤物流的流量同时保持氧物流的流量恒定来调节进料到气化反应器中的煤和氧物流的O/C比。只要产物气体中实际的CO₂含量和预定的CO₂含量之间的差值小于1％的预定值，就对此进行重复。
很明显，如果需要，可以选择与1％不同的的预定值(例如0.5％)。优选地，该预定值为0.5～5％。
表I.气态产物流的组成