固體碳質燃料氣化的控制方法

專利名稱:固體碳質燃料氣化的控制方法
本發明涉及固體碳質燃料水漿的部分氧化。特別涉及一種控制方法，用以制造所需固體濃度的、含有固體碳質燃料與再循環含碳固體顆粒的水漿，以供部分氧化氣體發生器使用。
用固體碳質燃料水漿部分氧化生產合成氣、還原氣和燃料氣的方法是一種公知的方法，如在作為對比文獻的第3607157、3764547和3847564號共同轉讓的美國專利中所敘述的。在第4479810號共同轉讓的美國專利中敘述了在送料管上用閥門控制氣體發生器進料的控制系統。用水驟冷并洗滌從氣化器來的原反應熱氣流，除去原反應熱氣流中攜帶的含碳顆粒物質。在第3607157號共同轉讓的美國專利文件中敘述了將顆粒物質的水漿與新的固體碳質燃料共同研磨后再送回氣體發生器的方法。
得克薩克(Texaco)煤的氣化處理產生三種含固體的分流，即粗渣、細渣和沉積槽的底流。從中間試驗車間的試驗運轉中采集的許多數據表明，細渣和沉積槽底流的含碳量比粗渣流的高，因而這兩分流的燃燒值可能較大，尤其是在碳轉化率較低的原油焦碳氣化的情形。此外，沉積槽底流還受到處理水的污染，這種處理水含甲酸鹽、氰酸鹽、溶解的重金屬和其它污染物，隨著底流廢棄物的排放，將會產生很多問題。因此，不論著眼于效率，還是著眼于環境保護，都需要再循環利用細渣和沉積槽底流。以前，固體再循環系統包括通過一個控制閥門控制再循環固體流的流速。從煤的氣化裝置得到的經驗是沉積槽底流有很強的磨蝕性，操作一段短時期后，這些控制閥門就會損壞。以前的固體再循環系統的另一個問題是該系統的控制取決于用密度計測量在線密度?，F在的經驗是密度計用于測流勢是合適的，但用于控制的目的時還不夠準確。
本發明研究出一種改進的生成具有可控固體含量水漿的方法。該方法與以前的相比有以下優點1.不使用控制閥門控制再循環固體流。如上所述，這些閥門易于損壞。
2.不使用密度計控制處理過程。如上所述，密度計用于控制不夠準確。
這種改進的方法用以制造所需固體濃度的、含有固體碳質燃料與再循環的含碳固體顆粒的水漿，以供部分氧化氣化發生器使用。該方法包括(1)將固體碳質燃料直接送入粉碎區，在該區內用稱量帶式供料裝置控制固體碳質燃料進料速率，在稱量帶式進料裝置和粉碎區之間的流動路徑中無閥門裝置;
(2)定時地測量稱量帶式供料器的速度，并依此提供一個以重量為基礎、相應于(1)中固定碳質燃料進料速率的信號;
(3)定時地測定(1)中固體碳質燃料中水分的重量百分率，并產生一個與此相應的信號;
(4)將再循環的含碳固體顆粒水漿直接泵送到粉碎裝置，在管路中沒有閥門裝置;
(5)定時地測量(4)中泵的速度，并依此提供一個相應于再循環固體顆粒水漿的體積進料速率的信號;
(6)定時地測定(4)的水漿中再循環固體顆粒的重量百分率，產生一個相應的信號;
(7)定時地測量(4)中的水漿溫度，提供一個依溫度而變的、相應于該溫度的水的密度的信號。
(8)定時地測定(4)中固體顆粒的密度，產生一個相應的信號;
(9)根據(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)中產生的信號和包括表示上述所需水漿固體濃度的信號在內的直流電壓輸入信號，自動計算出為提供所需固體濃度的水漿需引入上述粉碎區的補充水的流速。與此相應提供給流量記錄器的速率控制裝置一個有關的信號，該裝置向補水管路中的一個閥門發出一個調節信號，從而按所需流速供應補水;
(10)將(1)中的固體碳質燃料進料和(4)中的再循環固體顆粒漿以及(9)中的補水在粉碎區里一塊研磨，生成具有所需固體濃度的水漿，并將該水漿作為燃料進料輸送到部分氧化氣體發生器內。
圖1是根據本發明制定的固體碳質燃料氣化控制方法的簡化方框圖;
圖2是圖1所示的系統控制單元的詳細方框圖。
在Texaco部分氧化煤的氣化過程中，正如在第3，607，157號共同轉讓的美國專利中所說明的，將研磨過的固體碳質燃料或者單獨地、或者伴以基本上可受熱汽化的碳氫化合物和(或)水、或者摻入溫度調節劑(如蒸汽、二氧化碳(CO2)氮氣(N2)和再循環的合成氣)后送入氣體發生器內。例如，以下價廉易得的含灰固體碳質燃料是適合的原料，按照定義它包括煤(即無煙煤、煙煤、次煙煤或褐煤)、碳顆粒、焦煤、石油焦碳、油頁巖、焦油砂、石油瀝青、木瀝青以及它們的混合物。在這里使用的“含游離氧的氣體”這個詞是包括空氣、富氧空氣(即氧含量大于21摩爾%)、和基本上純凈的氧(即氧含量大于95摩爾%，其余成分由N2和稀有氣體構成)。
在襯有耐大材料的自由流動氣體發生器的反應區中，在溫度范圍約為華氏1700°～3000°、壓力范圍約為1～300個大氣壓(譬如在5～200個大氣壓)時發生部分氧化反應。氧與碳的原子比(O/C)的范圍約為0.5～1.7(譬如約為0.7～1.2)。水與燃料的重量比的范圍約為0.1～5.0(譬如約為0.3～3.0)。來自氣體發生器的排出氣流包括H2、CO、CO2和H2O、H2S、COS、N2和Ar之中的至少一種物質。摻入的顆粒物質和渣也可能帶入未處理的煙道氣流中。
參見圖1，管路1處為含碳細渣的水懸浮液或水漿體，其顆粒尺寸為100%通過14目篩;管路3處是含有含碳顆粒物質的沉降槽底流，其顆粒尺寸也應100%通過14目篩。兩股液流在再循環固體漿罐2中相混合。例如，參閱作為對比文件的第3，607，157號共同轉讓的美國專利的附圖，流1、3可分別由連在部分氧化合成氣體發生器12的驟冷罐20底部的管路60和裝在沉積器35底部的管路36流出的水懸浮液或漿分別供給。參見本申請文件圖1，管路7中漿體中的洗滌水量應使由管路11引入粉碎區10所需的補水量最小。也就是說，管路7的漿體中的水加上路徑23上的固體碳質燃料中的水份要比由管路41供給氣化器的漿中所需的水少。管路6和7處的漿內固體含量的范圍約為50～70%(重量)，譬如55～65%(重量)。管路6處懸浮物內固體顆粒大小為100%通過14目篩。
利用排液泵5，將管路4中的含碳固體顆粒懸浮液或漿經過無閥門的管路6、7送入粉碎區10。再循環固體罐的水位由水位指示控制器(LC)12控制，并可以由人工調整泵速控制器13進行調節。對應于所需速度給定點的直流電壓V1由線14輸入到泵速控制指示器與發信器(S)13。所需速度給定點可由人工或計算機計算。對應于泵5速度的信號E1由速度控制指示器與發信器13提供給系統控制單元50。管路7處再循環漿流的容積流速V7等于常數K1乘以泵5的速度。容積流速最好以立方英尺/分為單位。K1的值決定于泵的設計，范圍約在0.05～1.5立方英尺/轉，如約為0.35立方英尺/轉。V3是對應于K1的直流電壓，可手動輸入系統控制單元50。管路6處水懸浮液的溫度可由溫度傳感器15確定，它向溫度指示器與發信器16提供一個電信號。漿內水密度是水懸浮液溫度的函數。濃度單位最好取為磅/立方英尺。根據溫度，很容易從現成的資料人工地或用電學儀器確定密度。請參閱作為參考文獻化學工程師手冊(Chemical Engineers Handbook)，Perry and chilton。信號E2相應于管路6處溫度的水密度，由溫度指示器與發信器16提供給系統控制單元50。
每天至少要測定一次管路7處研磨過的固體水懸浮液中的固體重量百分數。直流電壓V2對應于管路7處被研磨固體的重量百分率，它可手動或電動輸入給系統控制單元50。
在管路20處，具有顆粒大小為100%通過3/4英寸網篩的固體碳質燃料送到進料罐21內。然后靠重力使固體碳質燃料進入常規的稱量帶式進料器22，在那里自動地連續稱重。在列為參考文獻的化學工程師手冊(ChemicalEngineersHandbook，Perryandchilton，FifthEditionMcGrawHillBookCo)的圖7-36中示出了一種合適的散料連續稱重器，它既對流動物質的總重量敏感，也對流動的變化敏感。
固體碳質燃料不斷地帶到連續稱量器的重敏元件上，此稱量器始終監視固體碳質燃料的流動、流動變化并最終計量出總量。敏感器17檢測在傳送帶上通過的固體碳質燃料的重量，并向速度指示器與發信器18提供一個相應于正在供料的固體碳質燃料重量的信號。直流電壓V8相應于人工或計算機計算的所需帶速給定點，通過管路19輸入到速率控制指示器與發信器18。由無閥門路徑23送到粉碎區10的固體碳質燃料的速率由速率指示器與發信器18確定。其單位最好取為磅/分。與其相應的信號E3提供給系統控制單元50。用這個連續稱重器將固體碳質燃料以均勻的測得速率送入粉碎區10。固體碳質燃料離開傳送帶后靠重力通過路徑23落到粉碎區10中。
定時地(例如一天一次)確定稱重帶進料器22上固體碳質燃料內水分的重量百分率。將相應于固體碳質燃料內水份的重量百分率的直流電壓V5，手動或電動地將輸入到系統控制單元50中。
管路11處補水的速率由流速傳感器30測量，并提供一個相應于管路11內即時流速的信號m。流速控制器與發信器31接收信號m，并將它與信號E4比較(信號E4相應于由系統控制單元50確定的，為了提供補水附加重量所需的流速)，以便在管路41處產生具有所需固體含量的水漿。然后，流速控制器與發信器31向閥門32提供一個相應的調節信號n，使得為在管路41處生成具有所需固體濃度的料漿所需的附加補水可以通過管路33流入粉碎區10。其單位最好是為磅/分。閥門32通常最好關閉，除非向它提供一個調節信號。
粉碎區10包括任何適當型號的粉碎設備，例如球磨機。用于固體碳質燃料的常規的粉碎機和碾磨機在ChemicalEngineer′sHandbook(PerryandChilton，FifthEdition，McGrew-HillBookCQ)開頭的第8～16頁已予說明。
粉碎了的固體碳質燃料的水懸浮液通過篩網35。大于4目的固體顆粒由管路36排出，并通過管路20再循環到粉碎區10。剩下的懸浮液中顆粒尺寸可100%通過4目篩，并含有所需重量百分數的磨細的固體，將其排放到卸料罐45中。卸料罐45內水懸浮液的水位由水位控制器37指示，由控制泵39速度的速度控制器38來控制。將懸浮液經過在卸料罐45底部的管路40和管路41泵送到部分氧化氣體發生器(圖中未畫出)內作為燃料。
直流電壓V6對應于管路41處懸浮液中粉碎固體的重量百分率，將其作為給定點輸入到系統控制單元50，此值的計算及輸入均可用人工或計算機進行。
通過管路11供給的補水，由系統控制單元50根據圖1中已說明的輸入信號和以下公式來計算再循環漿流-管路7管路7處再循環漿流中的水和固體分別由公式Ⅰ和Ⅱ確定。
水管7＝ρ7v7(1- (R)/100 ) Ⅰ固體管7＝ρ7v7( (R)/100 ) Ⅱ式中R＝管路7漿流中固體的重量百分率＝信號V2ρ7＝管路7漿的密度(見公式Ⅲ)v7＝容積流速＝K1·泵5的速度＝信號E1·V3
ρT=100100-RρW+Rρ 固體Ⅲ]]>式中ρv＝水密度＝來自信號E2的溫度的函數ρ固體＝固體燃料的密度＝信號V4固體碳質燃料-路徑23路徑23中的固體碳質燃料內的水和固體可分別由公式Ⅳ和Ⅴ確定。
水路徑23＝F( (M)/100 ) Ⅳ固體路徑23＝F(1- (M)/100 ) Ⅴ式中F＝煤的供料速率＝信號E3M＝煤中水分的重量百分率＝信號V5漿生成物-管路41管路41處漿生成物中的水和固體分別由公式Ⅵ和Ⅶ確定水管41＝固體管41( 100/(C) -1) Ⅵ固體管41＝固體管23+固體管7Ⅶ
式中C＝管路41處漿內固體的所需重量百分數＝信號V6補水-管路33管路33處的補水可由公式Ⅷ確定水管33＝水管41-水路徑23-水管7Ⅷ將公式Ⅵ、Ⅳ、Ⅰ分別代入公式Ⅷ中，得到下式Ⅸ水管33＝固體管41( 100/(C) -1)-F( (M)/100 )-ρ7v7(1- (R)/100 ) Ⅸ將固體管41的公式Ⅶ代入公式Ⅸ中，得到7式Ⅹ水管33＝〔F(1- (M)/100 )+ρ7v7( (R)/100 )〕·( 100/(C) -1)-F( (M)/100 )-ρ7v7·(1- (R)/100 ) Ⅹ用于電動計算管路33補水的系統控制單元50示于圖2，具體按公式Ⅹ計算。系統控制單元50的操作說明如下對應于固體碳質燃料供料速率F的信號E3與對應于公式V中(1- (M)/100 )的信號E100在乘法器200中相乘，得出信號E101。信號E101相應于公式Ⅴ中的固體管23。信號E100是這樣得出的在除法器195中將對應于固體碳質燃料供料速率的直流電壓V5除以對應于整數100的直流電壓V15，得出信號E115;然后在減法器196中從對應于整數1的直流電壓信號V20中減去信號E115，得到信號E100。
對應于公式Ⅱ中固體管7的信號E102是由以下信號在乘法器201中相乘得出的(1)信號E103是由對應于再循環固體漿泵速14的信號E1和對應于泵常數K1的直流電壓V
在乘法器202中相乘的結果;(2)對應于公式Ⅲ中管路7處漿密度計算值ρ7的信號E104;(3)對應于再循環固體重量百分率的信號V2;(4)對應于數值0.01的直流電壓V
。
公式Ⅲ中ρ7在信號裝置A中是這樣產生的在減法器203中從對應于整數100的直流電壓V12中減去對應于再循環固體重量百分率的直流電壓信號V2，得到信號E105。在除法器204中，將信號E105除以對應于管路7處漿內水密度的信號E106，得出信號E107。
信號E106是將對應于漿溫的信號E2輸入給密度函數發生器205而產生的。信號E107在加法器206中與信號E108相加，得出信號E109。信號E108是除法器207中將信號V2除以對應于管路7漿中固體物質所測密度的直流電壓信號V4得出的結果。在除法器208中對應于整數100的直流電壓信號V1
除以信號E
，得出對應于管路7中漿密度的信號E104。
表示公式Ⅴ和X中組合(1- (M)/100 )的信號E101和表示公式X和Ⅱ中組合ρ7v7( (R)/100 )的信號E102在加法器215中相加，得出信號E116。在乘法器216中，信號E116與對應于公式X和Ⅵ中( 100/(C) -1)的信號E117相乘得出信號E118。信號E117是在除法器217中，對應于整數100的直流電壓V1 除以對應于管路41中所需漿濃度的信號V6，得出信號E119，然后在減法器218中從信號E119中減去表示整數1的直流電壓信號V17得出的。
表示公式X和Ⅳ中F( (M)/100 )的信號E121是在乘法器219中將信號E3、信號V5和表示數值0.01的直流電壓V21相乘得出的。在減法器220中信號E118減去信號E121，得出信號E120。
信號E103和E104在乘法器225中相乘得出表示ρ7v7的信號E125。在除法器230中信號V2除以表示數值100的直流電壓信號V1 得出信號E126，它表示(R/100)。在減法器231中表示數值1的直流電壓信號V19減去信號E12 得出表示(1- (R)/100 )的信號E127。在乘法器232中將信號E125與E127相乘，得出表示ρ7v7(1- (R)/100 )的信號E123。在減法器233中，信號120減去信號E123得出對應于公式X和管路33的所需補水重量。將來自系統控制單元50的信號E4提供給補水管路11中的流速控制器31。信號E4對應于由管路33提供給粉碎區10的附加補水，以使管路41中的水漿具有所需的固體含量。當公式X中管路33的水為0或更小，則信號E4為0，不需補水，關閉閥門32。在一個實施例中，根據E4值產生一個告警信號。
以下實例說明本發明的一個優選實施例，但不應構成對本發明使用范圍的限制。
實例Ⅰ一種水煤漿在部分氧化自由流動的氣體發生器中反應。由氣化器反應區流出的生成物熱氣流在驟冷室內用水立即冷卻。所有未轉化的煤與碳灰基本上從生成物氣流中分離出來。將由800磅/分的水和大約200磅/分的含碳固體顆粒(如灰細渣)構成的水懸浮液進行分離，以供再循環用。固體物質的顆粒大小為100%(重量)通過14目篩的顆粒大小。固體含量約為20%(重量)。
在再循環固體罐內，上述懸浮液與來自氣體凈化區的578磅/分的沉積槽底流相混合，如第3607157號共同轉讓的美國專利文件中所說明的。沉積槽底流懸浮液的固體含量為20%(重量)，顆粒大小為100%(重量)通過14目篩。
將來自再循環固體罐的固體的水漿泵送到一臺球磨機中。在管路中沒有閥門。應用一臺具有6英寸直徑活塞、8英寸沖程、速度為65.9轉/分的三缸往復泵。檢測泵速，并將一個對應此速度的信號與泵的常數0.385立方英尺/轉一比輸入到系統控制單元。對應于泵常數的直流電壓信號輸入給系統控制單元。水懸浮液的溫度是85°F。對應于此溫度的水密度是62.17磅/立方英尺。對應于漿內固體密度的直流電壓信號輸入到系統控制單元，對應于管路7中漿密度的信號則根據公式Ⅲ自動產生。
同時通過稱重帶，將水含量為10.0%(重量)的煙煤以3500.0磅/分的速度送入球磨機內。在輸煤路徑中無閥門。稱重帶的速度為58英尺/分。根據傳送帶的供料量，將對應于每分鐘供應球磨機的煤重量的信號，與對應于煤內水份重量百分數的直流電壓信號和煤的密度信號一起輸入給系統控制單元。
將對應于球磨機卸出的煤漿的所需固體重量百分數(例如65%)的直流電壓信號與對應于常數1、100和0.01的其它直流電壓一起輸入給系統控制單元。
根據上述輸入信號和上文討論的公式X，系統控制單元產生一個輸出信號，也就是E4，它對應于輸入給球磨機的所需補水量，即253.7磅/分，這樣可從該球磨機以65.0%(重量)固體濃度出漿。
將信號E4輸入給流速控制器，產生一個與補水管路中控制閥門有關的信號。新鮮的煤和再循環固體顆粒的水漿作為原料泵入部分氧化氣體發生器以生產合成氣。
雖然在不違背本發明的要旨和范圍的情況下，可以對本發明進行修改和變動，但是必須受到以下權利要求
的限制。
權利要求
1.一種部分氧化方法，用于在溫度范圍約為1700°～3000°F、壓力范圍約為1～300大氣壓的條件下，在具有耐火襯里的自由流動非催化氣體發生器的反應區內，使含灰固體碳質燃料水漿供料流和含游離氧的氣體供料流反應，生成含有H2、CO、CO2、以及H2O、H2S、COS、N2和Ar之中的至少一種物質、和摻雜的含碳顆粒物質的煙道氣流，在氣體驟冷和凈化區內用水冷卻和清潔煙道氣流，以再循環固體顆粒水分散體的形式，基本上除去所有摻雜的顆粒物質，并生成冷卻的和干凈的煙道氣流；在這種方法中，生成供給部分氧化氣體發生器用的、包括所需固體濃度的固體碳質燃料和再循環含碳固體顆粒的水漿的改進方法包括(1)將固體碳質燃料直接送入粉碎區，在該區內用稱量帶式供料裝置控制固體碳質燃料進料速率，在稱量帶式進料裝置和粉碎區之間的流動路徑中無閥門裝置；(2)定時地測量稱量帶式供料器的速度，并依此提供一個以重量為基礎、相應于(1)中固體碳質燃料進料速率的信號；(3)定時地測定(1)中固體碳質燃料中水分的重量百分率，并產生一個與此相應的信號；(4)將再循環的含碳固體顆粒水漿直接泵送到粉碎裝置，在管路中沒有閥門裝置；(5)定時地測量(4)中泵的速度，并依此提供一個相應于再循環固體顆粒水漿的體積進料速率的信號；(6)定時地測定(4)的水漿中再循環固體顆粒的重量百分率，產生一個相應的信號；(7)定時地測量(4)中的水漿溫度，提供一個依溫度而變的、相應于該溫度的水的密度的信號；(8)定時地測定(4)中固體顆粒的密度，產生一個相應的信號；(9)根據(2)、(3)、(5)、(6)、(7)、(8)中產生的信號和包括表示上述所需水漿固體濃度的信號在內的直流電壓輸入信號，自動計算出為提供所需固體濃度的水漿需引入上述粉碎區的補充水的流速，與此相應提供給流量記錄器的速率控制裝置一個有關的信號，該裝置向補水管路中的一個閥門發出一個調節信號，從而按所需流速供應補水；(10)將(1)中的固體碳質燃料進料和(4)中的再循環固體顆粒漿以及(9)中的補水在粉碎區里一塊研磨，生成具有所需固體濃度的水漿，并將該水漿作為燃料進料輸送到部分氧化氣體發生器內。
2.權利要求
1中的方法，在其步驟(9)中，所需補水流速由公式X決定補充水＝F〔(1- (M)/100 )+ρ7v7( (R)/100 )〕( 100/(C) -1)-F( (M)/100 )-ρ7v7(1- (R)/100 )X式中F＝步驟(1)中固體碳質燃料的供料速率(基于重量)。M＝步驟(1)中固體碳質燃料內水分的重量%。ρ7＝步驟(4)中水漿密度。v7＝步驟(4)中水漿的體積供料速率R＝步驟(4)中水漿內再循環固體的重量%C＝步驟(10)中漿內所需的固體濃度。
3.權利要求
1的方法，其中含灰固體碳質燃料從包括煤(即無煙煤、煙煤、次煙煤或褐煤)、碳顆粒、焦煤、石油焦碳、油頁巖、焦油砂、石油瀝青、木瀝青以及它們的混合物中選取。
4.權利要求
1的方法，其中上述含游離氧的氣體從空氣、富氧空氣(即大于21摩爾%氧)基本上純凈的氧(即大于95摩爾%氧)中選取(其余成分包括N2和稀有氣體)。
5.權利要求
1的方法，其中(1)中固體碳質燃料內和(4)中固體碳質燃料水漿內水的總量比(10)中生成的水漿中的水少。
6.權利要求
2的方法，其中公式X中的補充水為零或更小時，(9)中補水管路中的閥門關閉。
7.權利要求
1的方法，其中告警信號是根據(9)中補水所需流速值而產生的。
專利摘要
在粉碎區內將包含含碳固體顆粒、固體碳質燃料流和定量補水一起研磨生成所需固體濃度、供給部分氧化氣體發生器的固體碳質燃料水漿的控制方法。粉碎區與固體碳質燃料和再循環水漿的供料罐之間的管道或管路上無閥門。系統控制單元自動計算補水量并提供一個相應信號以控制流速。系統控制單元的輸入信號包括相應于稱重帶式供料器速度、固體碳質燃料水份含量、泵速、重量％、溫度和再循環固體顆粒水漿的固體密度的那些信號。
文檔編號C10J3/46GK87103885SQ87103885
公開日1988年1月20日 申請日期1987年5月29日
發明者米歇爾·柴斯利·馬丁 申請人:德克薩科開發公司