[发明专利]供给粒状或细粒材料的高压供给器和操作方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年12月21日递交的美国临时专利申请第61/288,534号的权益，其通过引用特此并入。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

本发明是在由美国能源部授予的第DE-FC21-90MC25140号合作协议下通过政府支持进行的。美国政府在本发明中具有一定的权利。

发明领域

本公开内容涉及将混合尺寸的粒状或细粒材料供给到高压容器的设备和操作方法。

背景

将具有适量水分的粒状或粉煤供给到高压气化器(high pressuregasifier)中的一个难题包括设计可靠的方法以使煤流的压力从大气压力增加到操作压力，同时精确地测量煤的供给速率。实际上，已实践了三种方法：煤浆供给系统(slurry coal feed system)、具有闸容器(lock vessel)和旋转测量设备的干粉供给系统，以及煤泵(coal pump)。

对于煤浆供给器，浆包括添加到粉煤的32-40wt％的水，以使煤浆粘度足够低以用泵抽到高压气化器中。这种方法的一个基本问题是将低阶煤(low rank coal)干燥为几乎无水分状态的成本非常高，因为干燥工艺可能非常冗长。例如，美国专利第6,162,265号讨论了干燥和制备具有低阶煤的浆。此工艺非常复杂并且使资金、操作和维护成本增加到一定水平，使得气化设施在经济上变得无吸引力。从煤中除去表面水分相对地容易；但是，从煤中除去包括固有水分的几乎所有的水分所需的干燥设施非常大。在从煤中除去几乎所有的水分之后，再次添加水以制成浆。除干燥煤的高成本之外，气化工艺的热效率将是低的，因为添加到使得几乎干燥的煤成为浆的水需要在气化器中被蒸发。因此，在煤干燥和浆供给的结合过程中，在煤中的和煤具有的水分经历两次蒸发。在气化器中蒸发水所需的能量增加了氧气消耗，以及相关的资金和操作成本。如果煤在成浆前不被干燥，那么在气化器中需要被蒸发的水的量几乎加倍，因为低阶煤包含可占到按煤的重量计的30％到45％范围的相当高的程度的水分。在气化器中双重用途的水分蒸发显著地降低了工艺效率和有用的合成气产量，并且增加了高氧气消耗的操作成本和使水分从合成气冷凝的较高冷却负荷。因此，使用浆方法以将低阶煤提供到高压气化器在经济上是不能实行的。这可能是为什么没有已知的商业实践存在的根本原因。

如在现有技术中操作的，使用闸容器来供给粒状煤并且用旋转设备如螺旋式或螺旋供给器来测量煤也遇到了问题。闸容器是当煤从储存箱中的大气压力移动到供给容器中的操作压力时增加压力的装置。增加压力的闸容器方法是基于使压力在大气压力和操作压力之间循环地摆动。闸容器具有两个阀：一个连接大气压力储存箱，煤从该大气压力储存箱被供给到闸容器；而另一个连接到煤供给容器，该煤供给容器接收来自闸容器的煤且被维持在气化器的操作压力下。在循环运行中，当闸容器准备接收来自大气容器的煤时，入口阀开启。一旦煤到达预定水平，入口阀就关闭。然后使用氮气或任何其他相对惰性的气体如CO₂来使闸容器加压。当闸容器压力等于供给容器压力时，出口阀开启。闸容器中的煤被设想为在重力下流入供给容器。并且大部分时候，确实如此。但是，当煤水分增加到5％以上时，当闸容器被加压时，磨得很细的煤颗粒易于堆积在闸容器中。闸容器中堆积的煤将不会离开闸容器进入加压的供给容器。供给容器将逐渐倒空，最后中断到气化器的煤供给。煤供给的失败影响气化器操作，因为气化器不得不被关闭并重新启动，从而增加了操作成本并且导致产量的损失。

测量设备通常是旋转设备，该旋转设备需要适当的密封以防止煤粉泄漏到大气中。由于煤粉尘的存在和设备的恒定旋转，机械上开发持久可靠的密封用于存在于供给器和大气之间的高压差异是困难的。此外，由于煤块密度的变化，测量的精确性变得困难。对于某些类型的煤供给器来说，旋转设备和壳体被煤颗粒腐蚀是重大问题。

使用煤泵来直接将煤提供到高压气化器已发展多年；但是，设备尚未开发成足以用于商业应用。根本问题是煤粉或粒状材料的特性上的广泛变化。因为压力密封是为某一窄范围的煤颗粒设计的，所以很难一直在高压下密封自然变化的供给特性的磨碎煤(ground coal)。由于原煤的变化，压碎和磨操作中的变化以及储存和输送过程中煤颗粒的隔离，所以磨碎煤的特性会变化。任何供给的中断或热可燃过程气体的反吹以及气化器床材料(gasifier bed material)可能对煤泵系统是高度不安全的。

概述