[发明专利]膜式水冷壁气化反应器中全馏分原油气化和发电的整合方法

说明书

相关申请

本申请要求2012年3月27日提交的美国申请序列号61/616,179的优先权，其公开内容在此通过参考引入。

技术领域

本发明涉及在膜式水冷壁气化反应器中部分氧化全馏分原油原料以产生合成气和电的方法。

背景技术

气化在本领域中是公知的和在全世界实施用于固体和重液态化石燃料，包括炼厂渣油。气化方法使用部分氧化用氧气将含碳材料如碳、石油、生物燃料或生物质在高温即高于800℃下转化为合成气、蒸汽和电。由一氧化碳和氢组成的合成气可以在内燃机中直接燃烧，或用于通过已知的合成方法制备各种化学品如甲醇和通过费-托方法制备合成燃料。

在炼厂操作中，主要工艺流程被称为整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)，它将原料转化为氢气、电和蒸汽。图1给出了现有技术的常规IGCC的工艺流程图，它包括原料准备阶段102、气化反应器104、空气分离装置180、合成气淬冷和冷却装置110、水煤气变换反应器120、酸性气体脱除(AGR)和硫回收装置(SRU)130、燃气轮机140、热回收蒸汽发生器(HRSG)150和蒸汽轮机160。

在常规的IGCC中，原料通过原料管线101引入原料准备阶段102。然后准备好的原料与从空气分离装置180产生的预定量的氧气103一起通入气化反应器104。原料在气化反应器104中部分氧化以产生热合成气106，所述热合成气106被输送到合成气淬冷和冷却装置110。热合成气106用锅炉给水156冷却以产生冷却合成气114和蒸汽。部分蒸汽112通入和用于在水煤气变换反应器120中产生变换气122，和剩余部分蒸汽116在HRSG 150中被消耗。变换气122在AGR/SRU 130中被处理以分离和排出二氧化碳136、硫138及在132回收的部分氢合成气。第二部分氢合成气作为燃气轮机原料134与空气原料142一起被送到燃气轮机140并被燃烧产生电144。来自燃气轮机140的高压燃烧气体排放146被输送到HRSG 150以产生蒸汽，该蒸汽被用于蒸汽涡轮160中以产生另外的电162。

空气分离装置180和大部分下游工艺利用高投入生产稳定因素的成熟技术。然而，气化反应器104有相对有限的使用期，可能短至3-18个月，取决于原料的特性和反应器的设计。

三种主要类型的气化反应器技术是移动床、流化床和夹带流系统。三类中的每一种都可以利用固体燃料，但只有夹带流反应器被证实可有效处理液体燃料。在夹带流反应器中，燃料、氧气和蒸汽在气化器的顶部通过套管式燃烧器注入。气化通常在耐火材料衬里的容器中发生，所述容器在压力约40-60bar和温度1300-1700℃下操作。

有两种类型的气化器壁结构：耐火材料和膜。气化器通常使用耐火内衬来保护反应器容器以防腐蚀性炉渣、热循环和1400-1700℃的高温。耐火材料经受来自合成气和炉渣产生的腐蚀组分的渗透和随后的反应，其中反应试剂经历导致耐火材料强度劣化的明显体积变化。更换劣化的耐火内衬每年会花费数百万美元及给定反应器数周的停工期。直到现在，解决方法是安装第二个或平行的气化器以提供在维修停工期内必要的持续操作能力，但这种重复的不希望结果与装置操作相关的资金成本显著增加。

替代的膜式水冷壁气化器技术使用通过耐火材料层保护的冷却屏以提供熔渣凝固和向下流到反应器底部淬冷区的表面。膜式水冷壁反应器的优势包括：相比于其它系统缩小的反应器尺寸；相比于耐火壁反应器50％的投入生产时间，明显更大的90％的平均投入生产时间；不需要如耐火壁反应器中一样需要平行反应器来维持连续操作；和积累的固态和液态炉渣层为水冷壁段提供自我保护。

在膜式水冷壁气化器中，在壁上累积的固化矿物灰分炉渣层起到额外的保护表面和绝缘体的作用以最小化或降低耐火材料劣化和通过壁的热损失。水冷反应器设计也避免了“热壁”气化器操作，这种操作要求厚的多层昂贵的容易劣化的耐火材料结构。在膜式水冷壁反应器中，用沉积在相对冷的表面的固体连续更新炉渣层。进一步的优势包括：较短的启动/停车时间；比耐火型反应器较低的维护成本；和气化具有高灰分含量的原料以在处理较宽范围的煤、石油焦、煤炭/石油焦混合物、生物质共进料和液体原料时提供更大灵活性的能力。