夹带床煤气化反应器和煤气化方法 本发明涉及一种夹带床煤气化反应器和煤气化的方法，还涉及一种具有夹带床煤气化反应器的燃烧室发电系统和组合式发电系统。
具体讲，本发明涉及一种夹带床煤气化反应器和能产生有恒定组成的可燃性气体的煤气化方法，这样，当整个发电厂的负荷按发电要求而改变时，诸如燃气轮机、燃烧室等的发电设备也能保持稳定运行。
煤气化反应器是一种通过煤与氧化剂，诸如氧或空气在高温下接触，形成由氢、一氧化碳、甲烷和某些其他气体组成的可燃性气体的装置。各种煤气化反应器中，夹带床煤气化反应器是一种适宜于环境保护的反应器类型，其原因是这类夹带床反应器能使煤和氧化快速进行反应，提高煤气化效率，同时，又能熔化煤中所含的灰份，并能使煤灰中所含的有害金属内封。
当负荷，即煤气化反应器中煤流速改变时，热损失随负荷而变化。其原因在于即使在同一反应器中负荷减少，反应器内的表面积是恒定的，且吸热量保持不变。因此，发热率随煤流速减小而降低，从而使热损失比相对增加。因此，产品气体的组成和发热率也会改变。诸如产品气体组成、发热率等特性的改变会使燃气轮机的燃烧及燃烧室的运行不稳定。所以，当运行时，整个体系的效率和可靠性均会降低。此外，由于产品气体的组成不稳定，会产生随后的负荷能力的问题，所以要求整个体系长期处于稳定状态。
为了克服上述问题，日本专利申请特开昭59-172589(1984)提出了一种煤气化的方法。该方法是选定送入夹带床气化反应器上燃烧器的氧流速与煤的供给速度之比，这样使温度不超过煤灰熔点，选定送入下燃烧器地氧流速与煤的供给速度之比大于其上燃烧器之比，以使温度超过煤灰熔点。日本专利申请特开昭63-297736(1988)提出了气化煤的另一方法。该方法为按1∶1的比例，将煤送到夹带床气化反应器的上下区，使送到下区的氧化剂流速与煤流速之比保持恒定，维持温度高于煤的熔点，使送到上区的氧化剂流速与煤的流速之比控制在使温度不超过煤的熔点的范围之内，以消除负荷波动的影响。此外，日本专利申请特开平4-342832(1992)提出了一种通过将煤气化产生的气体与液体燃料混合，来消除不正常状态的方法。
虽然日本专利申请特开昭59-172589(1984)和63-297736(1988)中披露的夹带床气化方法是一种有效的消除负荷波动影响的方法，但由于没考虑热损失，所以还真正存在随负荷波动的问题。
日本专利申请特开平4-342832(1992)中公开的方法需要一些辅助设备，所以系统就变复杂了。
本发明的第一目的是提供一种能够通过控制煤气化反应器中热损失来有效克服负荷波动的夹带床煤气化反应器。
本发明的第二目的是提供一种能够通过控制煤气化反应器中热损失来有效克服负荷波动而无诸如液体燃料储存器之类大型辅助设备的夹带床煤气化反应器。
本发明的第三目的是提供一种实现第一目的的夹带床煤气化的方法。
本发明的第四目的是提供一种实现第二目的的夹带床煤气化的方法。
本发明的第五目的是提供一种实现第一和第二目的的有夹带床煤气化反应器的发电系统。
通过提供一种包括将煤和氧化剂喷入上下气化室两体系产生可燃气体的燃烧器、减少底部横截面积的排渣口和使煤与送入上燃烧器的氧化剂的比控制在使温度不超过煤灰的熔化温度和使煤与送入下燃烧器的氧化剂的比控制在使温度超过煤灰的熔化温度的煤/氧化剂流速控制装置的夹带床气化反应器来实现本发明的第一和第二目的。所说反应器还包括根据负荷改变上燃烧器所形成的上反应区的体积与下燃烧器所形成的下反应区的体积之比，使下反应区的体积比随负荷增加而增加的反应区控制装置。
同样，通过提供一种包括将煤和氧化剂喷入气化室上下二个体系以产生可燃气体的燃烧器(多个上燃烧器和多个下燃烧器中的每一燃烧器设置于该气化室切线方向，以形成涡流)，减少气化室顶部横截面积的产品气体排放口、减少底部横截面积的排渣口、使煤与送入上燃烧器的氧化剂的比控制在使温度不超过煤灰的熔化温度，和使煤与送入下燃烧器的氧化剂的比控制在使温度超过煤灰的熔化温度的煤/氧化剂流速控制装置的夹带床气化反应器来实现本发明的第一和第二目的，所说反应器还包括根据负荷改变上燃烧器所形成的上反应区的体积与下燃烧器所形成的下反应区的体积比，以使下反应区的体积比随负荷增加而增加的反应区控制装置。
可用下述(a)-(d)装置作为所说的反应区控制装置。
(a)一种根据负荷改变上燃烧器与下燃烧器的涡流力比，以使下燃烧器的涡流力随负荷增加而增加的装置。
(b)一种改变送入上燃烧器的煤的流速与送入下燃烧器的煤的流速比，以使送入下燃烧器的煤的流速比随负荷增加而增加的装置。
(c)一种根据负荷，改变送入上燃烧器的煤和氧化剂的喷入速度同送入下燃烧器的煤和氧化剂的喷入速度比，以使送入下燃烧器的煤和氧化剂的喷入速度随负荷增加而增加的装置。
(d)一种按下述方式基本上控制氧化剂-煤比，即，使送入上燃烧器的氧化剂和煤的比保持恒定，并通过增加送入下燃烧器的煤的流速比，和减少送入上燃烧器的煤流速比来使送入下燃烧器的氧化剂和煤的比随负荷增加而增加的装置。
可用下述(e)-(f)装置来代替装置(a)-(d)或与装置(a)-(d)一起来使用。
(e)一种设置于下燃烧器附近的蒸汽喷嘴和一种根据负荷来改变送入该蒸汽喷嘴的蒸汽流速，以使蒸汽流速随负荷增加而增加的装置。在这种情况下，虽然必须设置蒸汽喷嘴，但可以实现本发明的第一目的。
(f)一种设置于下燃烧器附近的空气喷嘴和一种根据负荷来改变送入该空气喷嘴的空气流速使空气流速随负荷增加而增加的装置。在这种情况下，虽然必须设置蒸汽喷嘴，但可以实现本发明的第一目的。
本发明的第三和第四目的可通过提供夹带床气化的方法来实现，其中从设置于在其顶部有减少横截面积的产品气体排放口和在其底部有减少横截面积的炉渣排放口的气化室上、下区的每区的两个体系燃烧室喷入煤和氧化剂，煤和氧化剂通过选定上燃烧器的氧化剂/煤的比使温度不超过煤灰的熔化温度和选定下燃烧器的氧化剂/煤的比以使温度超过煤灰的熔化温度来进行反应形成可燃气体，其中所说上燃烧器形成的上反应区的体积和按所说下燃烧器形成的下反应区的体积之比随负荷而变化，这样，下反应区的体积比随负荷增加而增加。
而且，本发明的第三和第四目的可通过提供夹带床气化的方法来实现，其中从设置于在其顶部有减少表面积的产品气体排放口和其底部有减少横截面积的炉渣排放口的气化室上下区的每区的两个体系燃烧室喷入煤和氧化剂，煤和氧化剂通过选定上燃烧器的氧化剂/煤的比使温度不超过煤灰的熔化温度和选定下燃烧器的氧化剂/煤的比使温度超过煤灰的熔化温度来进行反应形成可燃气体，其中所说上燃烧器形成的上反应区的体积和所说下燃烧器形成的下反应区的体积之比随负荷而变化，这样，下反应区的比随负荷增加而增加。
可以用上述(a)-(d)中所述的方法来改变上下反应区的体积，该方法用来控制涡流力之比、煤流速之比、煤和氧化剂喷入速度之比等。
可使用上述(e)项的方法，其中下燃烧器附近设置有蒸汽喷嘴并具有一种根据负荷改变送入此蒸汽喷嘴的蒸汽流速以使蒸汽的流速随负荷增加而增加的装置。
可使用上述(f)项的方法，其中下燃烧器附近设置有空气喷嘴以代替蒸汽喷嘴，并具有一种根据负荷改变送入此空气喷嘴的空气流速，使空气的流速随负荷增加而增加的装置。
在这些情况下，也可实现本发明的第四目的。
可用煤气化燃烧室发电系统来实现本发明的第五目的，该系统包括煤气化反应器和用气化反应器产生的可燃气体发电的燃烧室发电装置，该系统还包括上述煤气化反应器的夹带床气化反应器。此外，还可用煤气化组合式发电系统来实现本发明的第五目的，该系统包括煤气化反应器和组合式发电装置，其中气化反应器产生的可燃气体在燃气轮机中燃烧和用燃烧的气体的热能驱动蒸汽轮机，该系统还包括上述煤气化反应器的夹带床气化反应器。
本发明的共同点是通过有效控制气化反应器中的热损失来使产品气体的热值保持恒定。使用夹带床气化方法时，在反应器壁和反应区之间形成有煤的隔热层。为了使产品气体的热值保持恒定，通过负荷改变隔热层来控制从反应器壁释出热量使热损失保持恒定。
可用下述化学反应式来表示煤的基本气化反应：
煤→气体(CH4、CO、H2)＋碳(C)···(1)
碳 ···(2)
碳 ···(3)
(煤，碳) ···(4)
这些反应中，式(1)、(2)、(3)反应是吸热反应，式(4)反应是放热反应。一般而言，(1)式最初形成挥发性成分，产生碳，同时燃烧挥发性成分，使环境温度上升。几乎在同时，煤和氧按(4)式直接反应也使环境温度上升，同时形成CO和CO2。高温气氛下，挥发性成分燃烧形成的H2O和CO2与碳按(2)和(3)式反应，形成可燃性气体H2和CO。在此反应工艺中，通过使反应器高温保持到足以熔化煤中的灰和包封玻璃化灰份中的有害金属，夹带床气化反应器的煤所含灰份则被熔化以液渣形式排出。
在两个区的气化型夹带床气化反应器中，从煤气化反应器上区送入煤和少量氧化剂，从煤气化反应器下区送入煤和大量氧化剂。进行气化反应使下区温度保持到足以能熔化灰份的温度和使上区温度保持到不能熔化煤中灰份的温度。于是气化反应能充分进行。同时，又可抑制灰份粘于反应器上部的反应器壁上，这样既能处理灰份，又可获得高的效率。
在两区气化型中，上下每一区的反应阶段决定着热损失，虽然每一区的热损失是由反应器温度、发热区的表面温度和表面积决定的，但可通过改变两反应区接触表面比，来使总热损失率保持恒定。即，可粗略地用下式表示热损失：Q=K·A(T4-TW4)……(5)]]>该式中Q为吸收的热量，A为表面积，T为反应器温度，Tw为反应器表面温度。K为辐射系数。如果温差大，吸热就大，并发生放热反应。总热损失中的大部分发生在气体温度高的下部。这样，在低负荷其间，为了减少热损失，可通过减少相当于下反应区的传热面积来获得一定的热损失。
图1是根据本发明的煤气化反应器一实施方案的俯视剖面图。
图2为表明涡流力对上下反应区尺寸的影响的曲线图。
图3是表明负荷与氧流速同煤流速间的比的关系及负荷与煤流速间的关系曲线图。
图4(a)、4(b)、4(c)表明根据负荷改变上下反应区尺寸的图。
图5是根据本发明的煤气化反应器另一实施方案的俯视剖面图。
图6是根据本发明的煤气化组合发电体系的一实施方案作的简图。
图7是根据本发明的煤气化反应器另一实施方案的局部剖面俯视图。
图8是根据本发明的煤气化燃烧室发电体系的一实施方案作的简图。
图9是根据本发明的煤气化反应器另外一实施方案的局部剖面俯视图。
图10是根据本发明的煤气化反应器另一实施方案的局部俯视图。
下面将参照图1来介绍本发明的实施方案。
气化反应器是由周围环绕有容器51的耐热壁50制的圆柱型反应器。整个气化反应器是由设置于反应器顶部的气体冷却室11、设置于反应器底部的炉渣冷却室15和气化室13组成。气化室13的反应器壁具有喷入煤和氧化剂的上下燃烧器两体系。上燃烧器21和下燃烧器31优选在切线方向设置，这样以形成涡流。还优选在上下每一区设置多个燃烧器。上下燃烧器的涡流方向应相同。气化室和气体冷却室间的横截面积随缩小部分12而减少。同样，气化室和炉渣冷却室间的横截面积，即排渣口14也缩小。炉渣冷却室中设置有炉渣冷却槽16。煤和氧化剂送入上燃烧器和下燃烧器。将细粉化的煤用作所说煤，氧和空气用作所说氧化剂。此实施方案中，用空气。为了将煤输送到燃烧器，用惰性气体，如氮作载气。在图1中的标号22表示了输送到上燃烧器的氧，标号23为输送到其中的煤。同样，标号32为输送到下燃烧器的氧，标号33为煤。上反应区1由上燃烧器形成，下反应区2由下燃烧器形成。上下反应区的体积随负荷而变化。图1中，上下反应区之间的边界是由标号3粗略表示的。
按照不熔化煤中的灰的煤-氧化剂的比，从上燃烧器21输送入煤和氧化剂。由于煤中灰的熔点一般在1400℃左右，或稍高于1400℃，优选将温度控制在1400℃以下。按照熔化煤中的灰的煤-氧化剂的比，从下燃烧器输送入煤和氧化剂。通过增加氧化剂同煤的比来使反应区升温。59-172589(1984)号特开昭记载了通过将送入到上燃烧器的供氧速率和供煤速率的比控制在0.36-0.38(kg/kg)条件下，即可使上燃烧器附近的温度在1310℃，和通过将送入到下燃烧器的供氧速率和供煤速率的比控制在1.26-1.28(kg/kg)条件下，可使下燃烧器附近的温度在1880℃。在本发明中，也可控制送入到上燃烧器的供氧速率和供煤速率的比。然而，一般讲，总是优选将送入到上下燃烧器的供氧速率和供煤速率的比控制在一个恒定的数据，不随负荷变化而变化。
通过控制输送到上燃烧器的氧-煤比来使其温度不超过灰熔点，这样可在气化室上部形成温度低于煤灰熔点的上反应区1，未燃的碳4停留在该区的反应器壁表面，气化室下部形成温度高于煤灰熔点的下反应区2，吸附在该区反应器壁表面上的熔渣5下流到炉渣冷却室。熔化炉渣具有高的导热性，由于炉渣已经熔化，所以熔化的炉渣本身无吸热能力，因此下反应区的热损失大。
另一方面，由于上反应区1的温度低，所以从上反应区的反应器壁上损失的热量要比下反应区小。虽然上反应区热量最初传到未燃烧的碳4，但是未燃烧的碳气化反应吸收的热量用作转化为可燃性气体的吸热。因此该热量并未从反应器壁上损失。
下面将介绍通过改变未燃烧的碳4的停留区来改变传热面积的方法。虽然由于使用同一反应器，总的传热面积是恒定的，但可改变在总热损失中起主要作用的面向下反应区2的面积比。图2示出了上下反应区体积变化的特点。横坐标是下反应区涡流力与总涡流力之比，纵坐标是上反应区和下反应区之间的反应边界，两者均用无量纲值表示。涡流力是由燃烧器的喷入速度、喷入质量速度和涡流半径的乘积产生的。从图2中可以清楚看出，如果下反应区的涡流力增加，下反应区的体积增加。
图3示出了输送到上燃烧器和下燃烧器的煤流速和氧/煤比的变化特点。输送到上燃烧器的氧-煤比保持恒定，且输送到整个上燃烧器和下燃烧器的氧/煤比也保持恒定。图4示出了按图3运行所引起的气化反应器内状态的变化。当按负荷变到最大负荷的100％、75％、50％，来减少送入上燃烧器的煤的流速和增加送入下燃烧器的煤的流速时，如(a)、(b)和(c)所示，上反应区的体积逐渐增加和由吸热大的熔融炉渣5覆盖的下反应区的体积逐渐减少。因此由于吸热随送到整个反应器的热量的减少而减少，所以热损失保持恒定且产品气体的组成即使在反应器的负荷减少时也不改变，该实施方案具体的结果是送到下燃烧器的氧-煤比随负荷减少而增加，使反应器下部的燃烧率增加，以防止温度的降低。所以保持了炉渣下流所需的温度。
图5示出了具有由送到下燃烧器附近的蒸汽喷射产生涡流力的蒸汽喷嘴的实施方案。
虽然，一般在低负荷状态下进行运行，但负荷增加时，送入蒸汽41。此操作可与图3的操作一起进行。这样做可获得图4所示的同样效果。该实施方案的特殊效果在于可通过送入蒸汽41来抑制下反应区由于负荷增加所引起的不正常的升温，且由于蒸汽本身的反应也会使气化效率提高。
图5中用空气喷嘴代替蒸汽喷嘴。这样做可获得蒸汽喷嘴同样的效果。这样做的特殊效果在于由于当负荷增加时，空气送入到反应器的下区，所以减少了产生氧所需的动力。
图6示出了有煤气化反应器的组合发电系统的实施方案，该系统由煤气化反应器82、燃气轮机85、汽轮机87、煤-氧化剂流速控制装置99、气化反应器的反应区控制装置91等组成。煤气化反应器82中形成的产品气体用洗涤器83和脱硫器84除去产品气体中的灰尘和硫，然后在燃气轮机85中燃烧发电。废气通过热回收锅炉86生产蒸汽和用汽轮机87进行蒸汽发电。在此实施方案中，水在气化反应器82中转变为蒸汽，蒸汽送到热回收锅炉86。气轮机85的压缩机生产的压缩空气89被送到制氧装置81分离成氮和氧。氮用作煤料仓80的压缩氮，氧用作气化反应器的氧化剂。也存在某些情况，其中部分压缩空气从气化反应器的下燃烧器附近的位置直接送到气化反应器，来改变气化反应器的上下反应区的体积。反应区控制装置91决定着按负荷要求送到上下燃烧器的煤流速。送到煤-氧化剂流速控制装置99的信号决定着供煤速度和送到上燃烧器的氧化剂与煤重量之比，及也决定着供煤速度和送到下燃烧器的氧化剂与煤重量之比。反应区控制装置根据这些信号控制上燃烧器的煤流速调节装置92和氧化剂流速调节装置94，也控制下燃烧器的煤流速调节装置93和氧化剂流速调节装置95。在这种情况下，可由下式导出供煤速度。
(上燃烧器的煤流速)
＝F·(总煤流速)
(下燃烧器的煤流速)
＝(总煤流速)-(上燃烧器的煤流速)其中的函数F一般是用有负梯度的线性表达式表示，该梯度由图2所示的经验值和测定值的热平衡导出。该实施方案的特殊效果在于由于使用由气轮机85的压缩机生产的压缩空气，所以可减少压缩氧化剂和压缩氮的能量，因此整个体系的效率提高了。
图7表示了一种实施方案，其中反应器壁是由冷却水71冷却。由于使用了水冷却的壁，所以反应器壁被有效冷却，而熔融炉渣5又防止了反应器壁的腐蚀，此实施方案具有的效果在于使反应器壁的可靠性和耐久性提高。
图8表示按煤气化燃烧室发电系统实施方案作的示意图。煤气化反应器82中形成的产品气体流过洗涤器83和脱硫器84，以除去产品气体中的灰尘和流，然后用燃烧室90发电。空气送入氧发生装置81，以分离成氮和氧。氮用作煤料仓80的压缩氮，氧用作气化反应器的氧化剂。虽然本文未对根据负荷控制上下反应区的体积的方法进行详细介绍，但该方法与图6所示的方法相同。该实施方案的特殊效果在于使用燃烧室使整个系统的效率得到了提高。该系统是一效率高的系统。
图9表示的气化反应器特征在于具有上喷咀驱动装置97和下喷咀驱动装置98。该装置改变此喷咀末端的横截面积，以按负荷改变喷入速度，从而获得有恒定组成的产品气体。该实施方案的具体效果在于由于仅用机械操作，并且不改变物质的供给速率实现控制，所以在无辅助设备的情况下，简化了系统。
下面将介绍图10的气化反应器。由于该气化反应器不是涡流型的，所以，上燃烧器21是朝下安装以形成上反应区。下燃烧器31是水平方向安装的。上下反应区的体积是通过上燃烧器21送入的煤流速和下燃烧器31送入的煤流速之比的改变来改变的。详细讲，总的来说，负荷增加，送到下燃烧器的煤流速增加，送到上燃烧器的煤流速减少。该实施方案的具体效果在于可改变上、下反应区的体积，而在反应器内不形成涡流。
根据本发明，由于即使改变负荷，也可使发热率和产品气体的组成变化小，所以可使具有煤气化反应器作为主要装置的气化发电系统在负荷波动情况下也能稳定运行。