固态含碳原料的气化 方法和用于该方法的反应器 本发明涉及一种固态含碳原料的气化方法，其中所述气化在一个延长的气化反应器容器中实施，所述反应器容器包括：气化器单元；同轴布置的冷却通道，通过该通道气化器单元的负尘热气体产品从反应器中排出；以及在所述气化器单元的下游为负尘热气体产品提供急冷气的设备。
这种方法在US-A-4859213中有述。该文献描述了一个典型的煤气化方法，所述方法在一个延长的气化反应器容器中实施，其中所述气化反应器容器包括：气化器单元；同轴布置的冷却通道，通过该通道气化器单元的负尘热气体产品从反应器中排出；以及在所述气化器单元的下游为负尘热气体产品提供急冷气的设备。通过燃烧器与含氧气体一起向气化器单元中进料来自煤原料系统的粉碎煤。在气化器中，粉碎煤被氧气部分氧化为含一氧化碳-氢的气体(合成气)，另外其也被称作产品气。为炉渣形式的灰在冷却通道中受重力作用移动至位于延长反应器下端的渣池罐中。含尘埃和夹带液体炉渣液滴的产品气在冷却通道中上升至急冷区。急冷后的产品气通过管道流出气化反应器，进入废热锅炉或合成气冷却器。在所谓地固体脱除区中从所得到的冷却产品气中脱除固体。然后来自固体脱除区的一部分清洁且冷却的气体通过循环气压缩机作为急冷气进料返回至冷却通道中。进入冷却通道的急冷气使产品气冷却，从而当固体和气体流过时使夹带的飞灰炉渣颗粒固化，并且不会粘附在管道或废热锅炉表面上。
在碳气化方法中，例如如US-A-4859213中所述，含碳原料在高温和高压下被转化为热的产品气。在碳中所含的惰性灰组分部分以细小灰尘的形式与热产品气物流一起从气化反应器中排出。因为气化压力高达50bar及更高，所以在气化方法中应用的部件，如气化反应器、急冷设备、冷却通道、管道和下游换热器的加热表面，都必须在压力壁内操作，其中所述压力壁可以通过一个或多个压力容器或压力罩来实现。为了保护反应器的压力罩耐受超过1500℃的合成气高温，急冷管和冷却通道均配有水冷却的冷却表面。负尘的热产品气利用急冷气供应单元提供的冷急冷气冷却至约900℃的温度。在所述急冷单元下游的一个或多个换热器的表面进行进一步的冷却，从而产生蒸汽。
在气化器单元、急冷单元、冷却通道和气化反应器的压力壁之间，形成一个环形空间，如US-A-4859213中所述。
冷却通道的冷却表面只能承受较小的气体侧压差。因此，冷却通道和环形空间的内部压力基本上需要补偿。流体连接冷却通道和环形空间的开孔是冷却通道壁中的滑动点，其用来补偿急冷单元的热膨胀和开孔。
对于这一点，从Dr.G.Keintzel和Dipl.-Ing.Gawlowski在会议EPOS 2000-International Conferencce on Efficiency，Cost，Optimisation，Simulation and Environmental Aspects of Energyand Process Systems，July 5-7，2000，University of Twente，Enschede，The Netherlands上的演讲“气化器和合成气冷却器的设计标准(Criteria for Design of Gasifier and Syngas Cooler)”、图“合成气冷却器中的加热表面(Heating Surfaces in the SyngasCooler)”中可知，为了至少在通过气体屏障而与压力壁分离的热气导流通道段处获得压力补偿，形成与冷却通道开口相连的滑动点，或为其提供气体渗透性活塞。因此，在压力补偿的过程中，负尘热产品气进入环形空间。已经发现，在工业规模的碳气化装置中，因为热气可以在朝向环形空间的冷却表面侧和压力壁处冷却下来，并且冷却后的气体可以通过滑动点流回冷却通道，所以在加入气体的环形空间中在气体侧发生了不希望的流动，即所谓的二级流动。按这种方式，各压力壁的区域将会发生不希望的加热和灰尘沉降。这有可能导致操作失败。
本发明的一个目的是提供一种基本上如上面所描述的气化方法，其中负尘的产品气不会进入环形空间，并因此避免了灰尘的沉积。
下列方法将实现这一目的。一种固态含碳原料的气化方法，其中所述气化在一个延长的气化反应器容器中实施，所述反应器容器包括：气化器单元；同轴布置的冷却通道，通过该通道气化器单元的负尘热气体产品从反应器中排出；和位于所述气化器单元的下游为负尘热气体产品提供急冷气的设备，其中以足够的流量向反应器容器壁和冷却通道间的环形空间中提供无尘气，以确保无负尘热气从冷却通道流入所述环形空间。
申请人已经发现通过向所述环形空间提供这种无尘气，在冷却通道的壁内，如在所述滑动点和急冷提供设备处，不会有负尘热产品气通过开口。将会存在所谓的从环形空间至冷却通道的无尘气的正向流动。为了达到这种正向流动，供给所述环形空间的无尘气的流量优选使所述环形空间中的压力至少等于或刚好高于所述冷却通道中的压力。上述方法也称为压力补偿法。
另外，因为有效地抑制了二级流动，所以在这里也不会发生不允许的压力壁的加热。因此，在包围换热器加热表面的环面上没有大量的灰尘沉降。
虽然利用以前提出的向环中注入负尘热气体可以保持环内的压力在某种程度上低于气体内部的压力，但是本发明的方法却打算向环中注入急冷气，从而使环内的气体压力等于或稍高于气化器单元和通道内的气体压力。
无尘气的温度优选为200-350℃，并且更优选低于300℃。
无尘气优选为气化器单元气体产品的一部分，其中这部分气体产品已经在所述气化反应器的下游脱除了灰尘，例如在固体脱除区得到的无尘产品气。因为这股无尘产品气亦优选用作急冷气，因此已经发现组合向环形空间提供无尘气和向冷却通道提供无尘气是有利的。在这种优选实施方案中，提供急冷气的设备优选配有向冷却通道提供急冷气的气体排放口和向环形空间提供急冷气的气体排放口。已经发现通过在所述提供急冷气的设备中提供足够的开孔，可以实现稳定且可靠的操作。在给定的急冷气压力水平和冷却通道中的压力水平下，本领域的熟练技术人员能够很容易地确定开孔的面积。
在一个优选实施方案中，对于在冷却通道中导流的热产品气来说，在冷却通道中存在的任何滑动点都被气密封。按照本发明的方法，因为用于压力补偿的急冷气从气化反应器和急冷管间的急冷单元引入环中，所以压力补偿功能独立于滑动点的功能。
按照这种方式，压力补偿功能也独立于滑动点的其它两种功能，即膨胀功能和组件分离功能。在各个压力壁和各个冷却部件间的较小的差分膨胀表面上优选可以设置一个或多个气体屏障，从而可以忽略补偿在滑动点处在部件的轴向方向上大量差分膨胀的第二功能。
另外，在合成气冷却器中存在加入冷却的热气体的环也是有用的，所述环由至少一个换热器表面和包围它的压力壁限定，并且其对加入急冷气的环来说是密闭的。
本发明还涉及一种延长的气化反应器容器，该反应器容器可以在上述的方法中应用，其包括：气化器单元；同轴布置的冷却通道，通过该通道气化器单元的负尘热气体产品从反应器中排出；和位于所述气化器单元的下游为负尘热气体产品提供急冷气的设备，其中还存在为反应器容器壁和冷却通道间的环形空间提供无尘气的设备。提供急冷气的设备优选配有将大多数急冷气提供给冷却通道的气体排放口和将少量急冷气提供给环形空间的气体排放口。提供急冷气的设备通常为孔(泄放开口)，其尺寸决定分别流向急冷管和环的气体量。
冷却通道优选配有滑动点，其相对于在冷却通道中导流的热气体被气密封。
在所述急冷气供应单元下游的冷却通道中，优选有一个或多个滑动点。这些滑动点在两个冷却通道段面间和/或在冷却通道的端部。用来封闭环形空间的环形屏障优选位于所述滑动点的下游。
在连接通道面上提供进一步的滑动点也是有用的，并且为了在滑动点的面上更好地应用组件分离功能，该滑动点优选与压力罩的延伸部分相关联。
正如前面所述，在已知的碳气化装置中，为了进一步使气体(产品气)冷却下来，至少一个被压力壁包围的换热器加热表面与冷却通道的下游相连。在这种连接中，有用的是在冷却通道和换热器的加热表面间配备滑动点，另外有用的是用来封闭滑动点下游环的环形屏障位于换热器加热表面的上游或下游。
通常应用在气体侧相互之间依次连接的几个加热表面，并且这些加热表面被同一压力壁所包围。压力补偿优选发生在如下两者之间：换热器加热表面中的气体内部和用以前在换热器加热表面上冷却下来的负尘热气包围的环之间。由于与热气导流通道面上的温度相比明显更低的温度，所以在环中不再发生二级流动以及由此产生的大量灰尘的沉降。
在应用多个换热器加热表面的情况下，有用的是在至少两个相邻的加热表面间插入气密滑动点。
下面结合附图描述本发明，在附图中：
图1表示了碳气化装置的一个实施方案，其中气化器单元位于第一压力容器(气化反应器)中，并且换热器加热表面位于第二压力容器(合成气冷却器)中，其中两个压力容器通过一个上升的连接通道(所谓的管道)相连；和
图2表示了与图1相比具有倾斜的连接通道(管道)的另一个实施方案。
图1中描述的气化装置由气化反应器1、连接管道2和合成气冷却器3组成。气化反应器1包括垂直取向的延长的压力容器4，在该压力容器中布置有冷却通道5、7和急冷气提供单元6。为气化器单元8提供含碳原料如粉碎煤。在9处为急冷气提供装置6进料急冷气Q。急冷后的热产品气HG在急冷气提供装置6下游的冷却通道部件7中流动。冷却通道配有冷却表面。这些冷却表面优选为多个管束，冷却水通过管束流动。一种优选的冷却表面为在US-A-4859213中公开的隔膜壁。
气化反应器1的下端配有气体屏障10。另外，炉渣S在气化反应器1的下端11排出。压力容器4由下部部件4a和带有角法兰4c的上部部件4b组成。压力罩12与其相连。合成气冷却器3包括由容器部件13a、13b、13c组成的压力容器13。所述压力容器部件13包括一个向下取向的角法兰13d，所述角法兰13d与法兰4c和压力罩12一起确定连接通道2。在气体冷却器3内，有三个换热器加热表面14，并且从热气体HG的流动方向看，它们重叠布置。加热表面仅示意性地给出，并且可以为具有冷却气导流罩14a和直的或弯的内件14b的加热表面的形式。在所示的实施方案中，两上上部的加热表面的气体导流罩14a连接在一起形成气体导流罩15，而该气体导流罩15通过气密滑动点16与下部的加热表面的气体导流罩17相连。
冷却通道部件7和气体导流罩15之间的连接通过热气导流通道18来实现，该热气导流通道18在其弯曲部分18a延伸至压力容器4中，以直管部分18b通过压力罩12和法兰13d，并且在其最后部分形成气体偏移室18c。
气体导流通道18在其入口端配有滑动点19，其相对于急冷管7滑动，而所述急冷管7在其出口端配有放大部位7a。这种放大作为一个简单的锥形在图中表示。
冷却通道部件7和气体导流通道18的相对终端均配有补偿器固定器20和21，在这两者之间有一个环形补偿器22延伸，从而滑动点19相对于从急冷管流出的热的热气体气密封。在压力罩12的面中的连接通道2中，在气体导流通道18的两个部分S1和S2之间配有另一个滑动点23，其中S1部分在其出口端具有一个放大部位。滑动点23在设计方面与滑动点19相配。
在位于气体冷却器3中的气体导流通道18的出口端和气体导流罩15的入口之间，配有另一个滑动点24，其在设计上不同于滑动点19和23，不同点在于，沿气体的流动方向看，放大部位15a不是设置在气体导流通道18的出口端，而是设置在导流罩15的入口端。滑动点15在设计方面与滑动点24相配。
也可以将滑动点19和23的放大部位设置在其它气体导流元件上。同样，在滑动点16和24处，可以在气体导流区的下游入口端提供放大部位。
如图1所示，气化反应器5、冷却通道部件7、气体导流通道18、气体导流罩15和气体导流罩17被由压力容器4、压力罩12和压力容器13所确定的环25包围。该环一方面通过气化器单元1中的环形屏障10来限定，另一方面被环形屏障26再分为两个局部的环25a和25b，而所述环形屏障26位于滑动点24和上部加热表面14之间。
因为相对于在气体内件内导流的负尘热气来说，滑动点19、23和24是气密封的，所以在常规操作中，无负尘热气能够进入环25a。
为了为气化反应器1、冷却通道部件7和气体导流通道18的气体内部提供压力补偿，向环25a中注入急冷气Q，所述急冷气从急冷气提供装置6通过出口开孔27进入环25a。按照压力选择出口开孔27的结构，从而使环25a中的压力等于或稍高于气体内部热气体的气压。因为急冷气以比气体导流通道18中的热气体的温度(如900℃)低得多的温度(如250℃)进入环，所以不可能发生各个压力壁的临界加热。因为急冷气不含灰尘，不会发生灰尘的沉降。
环形屏障26下游的环25b用从气体导流罩17下端流出的已经部分冷却的热气向后并向上充气，其中所述热气被冷却至300-250℃。
因为环25b注入的是仍含有灰尘的但明显更冷的气体，所以不会发生由于热气物流的上升和随后冷却而造成的二级流动。
如图1的虚线所示，压力罩12可以有一个放大部位12a，其允许为了检查目的而通过入口开孔12b进入滑动点23。
也可以在一个加热表面14的下游设置环形屏障26，并因此而放大环25a。在滑动点24上方设置环形屏障26也是可以设想的。
图2的实施方案在如下方面不同于图1的实施方案：气化器1和气体冷却器3之间的连接通道不是上升而是下降的。图1和图2的带有上升或下降连接通道12的两种通常设计由US-A-4859214的图1和图2可知。另外，在图2的实施方案中，可以设置放大部位12a。也可以应用其它连接通道，例如水平或弯曲通道。
因此，在这两个实施方案中，在各组件和压力壁之间确定的环25的任何一点都不会由急冷管注入热气体，而是注入冷气体，即一方面以急冷气Q的形式注入，而另一方面用已经冷却下来的热气体注入。为了避免急冷气和冷下来的热气体之间的短路，充气的空间用屏障相互分隔。从热气体的流动方向看，环形屏障的位置可以变化。
图3更为详细地描述了急冷提供单元6。该急冷提供单元是对US-A-4859213中所述的图3和3a的急冷提供单元进行改进的急冷提供单元。改进之处在于加了开孔27，通过该开孔急冷气可以进入环形空间25。图3还描述了冷却通道5和7的隔膜壁部件45、为冷却通道5和7提供急冷气的开孔53和供应通道部件9。