專利名稱：燃料氣化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于氣化燃料的氣化爐，以及應(yīng)用這種氣化爐的氣化系統(tǒng)，燃料包括煤、城市垃圾等的。
背景技術(shù)：
目前，許多國家都致力于開發(fā)用煤作燃料的高效發(fā)電系統(tǒng)。為了提高發(fā)電效率，重要的是高效率地將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。然而，近年來，如何開發(fā)高效發(fā)電系統(tǒng)已被人們忽略。集成氣化綜合循環(huán)(integrated gasification combined cycle)(IGCC)技術(shù)通過氣化將煤轉(zhuǎn)化為清潔的化學(xué)能，然后，用燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，或者利用化學(xué)能使燃?xì)廨啓C(jī)在高溫下旋轉(zhuǎn)以高效地產(chǎn)生電能。然而，因為IGCC技術(shù)是以使煤完全氣化為導(dǎo)向的，氣化溫度必須提高到將灰分熔化的高溫，因此導(dǎo)致了許多與排放熔渣和耐火材料耐久性相關(guān)的問題。此外，為熔化灰分，要消耗一部分熱能，盡管生成氣體(generatedgas)在高溫的狀態(tài)下排出，為了純化氣體，生成氣體的溫度必須降低到如450℃的溫度，引起了大量的顯熱損失。另一個問題是為了實現(xiàn)穩(wěn)定的高溫，必須供應(yīng)氧氣或富氧氣體。由于這些原因，凈能轉(zhuǎn)化效率沒有提高，利用產(chǎn)生氣體的方法沒有一種技術(shù)能高效地產(chǎn)生電能。目前，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，凈能轉(zhuǎn)化效率都不高。
在集成氣化綜合循環(huán)(IGCC)中，在最終將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)上存在一個效率上限，導(dǎo)致在試圖提高總效率上存在瓶頸。因此，在近年來引人注意的高效發(fā)電技術(shù)簡單地產(chǎn)生了盡可能大量的氣體，同時保持氣輪機(jī)入口溫度為上限，以提高從氣輪機(jī)產(chǎn)生的輸出能量的比率。高效發(fā)電技術(shù)的典型實例包括前置(topping)循環(huán)發(fā)生系統(tǒng)和使用改進(jìn)加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)。
在使用改進(jìn)加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)中，煤首先被加壓氣化爐氣化，所產(chǎn)生的未燃燒碳(也稱之為焦炭(char))通過加壓焦炭燃燒器燃燒。當(dāng)來自焦炭燃燒器的燃燒氣體和來自氣化爐的生成氣體被凈化后，它們被混合，并經(jīng)前置燃燒器燃燒，以產(chǎn)生高溫氣體來驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)。在這種發(fā)電系統(tǒng)中，重要的是如何提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的氣體量。影響進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的氣體流量升高的極限的最重要的條件是所產(chǎn)生氣體的凈化。
從在還原氣氛中脫硫的最優(yōu)溫度來看，為了凈化生成氣體，通常需要將生成氣體冷卻到約450℃。另一方面，因為氣體的溫度越高，燃?xì)廨啓C(jī)的效率也越高，所以燃?xì)廨啓C(jī)的氣體入口溫度必須盡可能高。目前，將燃?xì)廨啓C(jī)入口處的氣體溫度提高到1200℃或稍低(由于燃?xì)廨啓C(jī)材料的耐熱耐腐蝕所致的極限溫度)是常用的方法。因此，生成氣體必須具有足夠高的熱值以將氣體溫度從氣體凈化所需的450℃提高到燃?xì)廨啓C(jī)入口處所需的1200℃。
因此，為了開發(fā)使用改進(jìn)的加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)，人們致力于獲得其量盡可能少而其熱值盡可能高的生成氣體。作出這種努力的原因是如果在450℃下凈化的生成氣體量下降，冷卻所損失的顯熱減少，生成氣體所需要的最低熱值也就下降了。如果生成氣體的熱值高于為將氣體溫度提高到燃?xì)廨啓C(jī)入口處所需的氣體溫度所必需的熱值，則可以提高燃燒空氣的比率，以提高進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的氣體流量，從而進(jìn)一步提高發(fā)電效率。
近年來，還開發(fā)了高效廢物燃燒發(fā)電技術(shù)以利用城市垃圾等作為燃料。然而，高效廢物燃燒發(fā)電技術(shù)的一個問題是廢物中可能含有高濃度的氯，用于回收熱量的蒸汽溫度不能超過400℃，否則有可能腐蝕傳熱管。因此，需要開發(fā)一種技術(shù)以克服以上困難。
用煤等作為燃料的典型常規(guī)氣化爐是附圖17所示的雙塔循環(huán)型氣化爐。雙床熱解反應(yīng)器系統(tǒng)包括兩個爐(塔)，即氣化爐和焦炭燃燒爐。流化介質(zhì)和焦炭在氣化爐和焦炭燃燒爐之間循環(huán)，氣化所需的熱量以流化介質(zhì)的顯熱形式供應(yīng)到氣化爐中，由于焦炭在焦炭燃燒爐中燃燒，流化介質(zhì)被加熱。由于在氣化爐中生成的氣體不必燃燒，所以生成氣體的熱值保持在較高的水平。然而，雙床熱解反應(yīng)器系統(tǒng)作為大規(guī)模設(shè)備實際上沒有工業(yè)化，這是因為存在與處理高溫顆粒有關(guān)的問題，如在氣化爐與焦炭燃燒爐之間獲得足夠量的顆粒循環(huán)，控制顆粒循環(huán)量，和穩(wěn)定操作，以及與操作有關(guān)的問題，如獨(dú)立于其它操作的焦炭燃燒爐的溫度失控。
最近提出了一種系統(tǒng)，其中從焦炭燃燒爐排出的所有燃燒氣體均導(dǎo)入氣化爐以補(bǔ)充氣化熱的短缺，氣化熱不能全由循環(huán)顆粒的顯熱來提供，如附圖18所示。正因為所提出的這一系統(tǒng)將從焦炭燃燒爐排出的所有燃燒氣體輸送到氣化爐中，這與使用改進(jìn)的加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)的原理相反，該原理是要求以盡可能少的量和盡可能高的熱值獲得生成氣體。這樣，如果焦炭燃燒氣體的量大于氣化爐中氣化或流化所需的時，則由于生成氣體被過量的焦炭燃燒氣體所稀釋，熱值被降低，為了在還原性氣氛中進(jìn)行凈化，混合的過量焦炭燃燒氣體也被冷卻到450℃，其結(jié)果是將氣體的溫度升高到燃?xì)廨啓C(jī)入口的適當(dāng)溫度所需的熱量也增加了。與此相反，如果焦炭燃燒氣體的量變少了，則氣化爐中的流化變得不充分，或者氣化爐中的溫度下降，導(dǎo)致了需要向氣化爐中供應(yīng)空氣。因此，為了實施這一系統(tǒng)，必須在適合于該系統(tǒng)的有限的煤中進(jìn)行選擇‘’一種煤。如果選擇的煤稍微不同于限制的煤范圍，則過量的焦炭燃燒氣體必須冷卻到450℃，或者因為向氣化爐中引入空氣而使生成氣體的熱值降低，其結(jié)果是整個系統(tǒng)的效率下降。
在這一系統(tǒng)中，通過改變床高以改變床中的傳熱面積來控制焦炭燃燒爐中的溫度。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)荷低時，因為燃燒氣體被暴露于床的傳熱管所冷卻，氣化爐的溫度和流化氣體的速度發(fā)生改變，影響了氣化反應(yīng)速度，使得系統(tǒng)難于穩(wěn)定操作。
根據(jù)上面這些缺點(diǎn)，本發(fā)明人設(shè)計了一種包括單一流化床爐的集成氣化爐，所述的流化床爐具有氣化室、焦炭燃燒室，以及由隔板分隔的低溫燃燒室。焦炭燃燒室、氣化室和低溫燃燒室彼此相鄰設(shè)置。本發(fā)明人發(fā)明了集成氣化爐以克服上述雙床熱解反應(yīng)器系統(tǒng)的缺點(diǎn)。集成氣化爐允許大量流化介質(zhì)在焦炭燃燒爐與氣化爐之間循環(huán)。結(jié)果，充分的用于氣化的熱可僅通過流化介質(zhì)的顯熱提供。集成氣化爐可能特別容易地實現(xiàn)使用改進(jìn)加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)的原理，即獲得其量盡可能少、并且熱值盡可能高的生成氣體。
然而，集成氣化爐也有問題，如果氣化室和焦炭燃燒室之間的壓力不能很好地保持平衡，因為在焦炭燃燒氣體與生成氣體體之間沒有完全密封，燃燒氣體與生成氣體可能相互混合，從而降低生成氣體的性能。
在廢物燃燒發(fā)電領(lǐng)域中，已提出熱解廢物并蒸發(fā)氯組分和其它揮發(fā)性組分，用大大降低了氯含量的剩余焦炭的燃燒熱使蒸汽過熱，以高效地發(fā)電。然而，城市垃圾熱解生產(chǎn)的焦炭量少，因此不能獲得使蒸汽過熱所需的焦炭燃燒熱。作為熱介質(zhì)的流化介質(zhì)焦炭從氣化爐流入焦炭燃燒爐，并且需要相同量的流化介質(zhì)從焦炭燃燒爐返回氣化爐以實現(xiàn)質(zhì)量平衡。按照可利用的傳統(tǒng)方法，流化介質(zhì)必須由傳送裝置等機(jī)械地傳送，導(dǎo)致的問題是難以處理高溫顆粒并且顯熱損失大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對的是上述常規(guī)問題。本發(fā)明的一個目的是提供一種燃料氣化爐，在氣化爐與焦炭燃燒爐之間的壓力平衡不需特別控制，不需要機(jī)械裝置來處理流化介質(zhì)，這種燃料氣化爐可以穩(wěn)定地獲得高質(zhì)量的生成氣體，可以高效地回收能量。本發(fā)明的另一目的是提供一種集成氣化爐，即使作為燃料的可燃廢物材料含有氯，也能夠降低對蒸汽過熱器(管)等的腐蝕，能夠高效地發(fā)電。
為了實現(xiàn)上述目的，權(quán)利要求1限定的本發(fā)明燃料氣化系統(tǒng)如圖1和13所示，包括氣化室1，用于流化其中的高溫流化介質(zhì)以形成具有界面的氣化室流化床，并在氣化室流化床內(nèi)氣化燃料；焦炭燃燒室2，用于流化其中的高溫流化介質(zhì)以形成具有界面的焦炭燃燒室流化床，并在焦炭燃燒室流化床內(nèi)燃燒由氣化室1中氣化產(chǎn)生的焦炭以加熱流化介質(zhì)；第一能量回收裝置109，用以使用氣化室1中生成的氣體作為燃料；氣化室1和焦炭燃燒室2相互形成整體；氣化室1和焦炭燃燒室2由第一隔板15分隔開，以防止各自流化床界面垂直上方之間的氣體流動；第一隔板15在其下部具有第一開口25，第一開口25用于連通氣化室1和焦炭燃燒室2，允許在焦炭燃燒室2中被加熱的流化介質(zhì)經(jīng)第一開口從焦炭燃燒室2流入氣化室。
有了上述結(jié)構(gòu)，因為氣化室和焦炭燃燒室形成整體，可以在氣化室和焦炭燃燒室之間容易地處理流化介質(zhì)。因為氣化室和焦炭燃燒室由第一隔板相互分隔開，防止各自流化床界面上方之間的氣體流動，氣化室的生成氣體和焦炭燃燒室的燃燒氣體幾乎不會相互混合。由于提供了能量回收裝置—如氣輪機(jī)的能量回收裝置，能量可以這樣的方式回收，如驅(qū)動如空氣壓縮機(jī)或發(fā)電機(jī)的流體機(jī)器(fluid machine)。
按照權(quán)利要求1的燃料氣化系統(tǒng)中的流化床包括位于垂直向下部區(qū)域的密相床層，它含有高濃度的流化介質(zhì)，以及位于密相床層垂直上部的噴射區(qū)，其中含有流化介質(zhì)和大量氣體。流化床上方，即噴射區(qū)的上方，存在一個幾乎不含流化介質(zhì)、但主要由氣體組成的澄清區(qū)(freeboard)。按照本發(fā)明，界面是指具有一定厚度的噴射區(qū)。然而，界面可以理解為位于噴射區(qū)上表面與噴射區(qū)下表面(密相床層上表面)之間的假想平面。優(yōu)選地，這些室由隔板相互隔開，以至于密相床層上方之間沒有氣體流動。
按照權(quán)利要求2，在權(quán)利要求1限定的燃燒氣化系統(tǒng)中，氣化室1和焦炭燃燒室2由第二隔板11相互隔開，以防止各自流化床界面垂直上方之間的氣體流動，第二隔板11下部具有第二開口21，第二開口用于連通氣化室1和焦炭燃燒室2，允許加熱的流化介質(zhì)經(jīng)第二開口21從氣化室1流入焦炭燃燒室2。
有了上述結(jié)構(gòu)，因為流化介質(zhì)從氣化室1經(jīng)第二開口21流入焦炭燃燒室2，當(dāng)在氣化室1中產(chǎn)生了焦炭時，焦炭與流化介質(zhì)一起流入焦炭燃燒室2，保持了氣化室1與焦炭燃燒室2之間的流化介質(zhì)的質(zhì)量平衡。
按照權(quán)利要求3，上述燃燒氣化系統(tǒng)進(jìn)一步包括與氣化室1和焦炭燃燒室2形成整體的熱回收室3，氣化室1和熱回收室2相互隔開，或者不相互接觸，以至于氣體在其間不直接流動。有了這種結(jié)構(gòu)可以回收熱量，而不會引起氣化室中生成的氣體和燃燒氣體在熱回收室中的相互混合。由于提供了熱回收室，即使當(dāng)氣化室中產(chǎn)生的焦炭量與在焦炭燃燒室中加熱流化介質(zhì)所需的焦炭量不平衡，這種量之間的差異也可以通過提高或降低熱回收室中回收的熱量來調(diào)節(jié)。
按照權(quán)利要求4，在權(quán)利要求1-3中任何一項所限定的燃料燃燒室可以包括鍋爐111，其燃料氣體來自第一能量回收裝置109、燃燒氣體來自焦炭燃燒室2。通常，第一能量回收裝置是燃?xì)廨啓C(jī)單元109或其燃?xì)廨啓C(jī)106，作為燃料的氣體是在氣輪機(jī)單元的燃燒器105中燃燒的廢氣，通過燃?xì)廨啓C(jī)106從中回收能量。由于廢氣中含有大量的熱能，熱能通過鍋爐111回收。
在上述系統(tǒng)中，優(yōu)選使用無氧氣體作為氣化室1的流化氣體。無氧氣體是指含有少量氧氣的氣體，其氧氣濃度不足以使氣化爐中生成的氣體完全燃燒。因為使用無氧氣體，生成氣體沒有完全燃燒，具有高的熱值。
按照權(quán)利要求5，如圖14所示，在權(quán)利要求1-3中任何項所限定的燃料氣化系統(tǒng)中，氣化室和焦炭燃燒室被加壓到高于大氣壓，燃料氣化系統(tǒng)進(jìn)一步包括第二能量回收裝置141，第二能量回收裝置由來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體驅(qū)動，向鍋爐111供應(yīng)來自第一能量回收裝置109的廢氣和來自第二能量回收裝置141的燃燒氣體。
有了上述結(jié)構(gòu)，因為來自焦炭燃燒室的燃燒氣體具有高壓能量和高溫能量，第二能量回收裝置，通常是回收能量的渦輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)與燃?xì)廨啓C(jī)單元中的燃?xì)廨啓C(jī)相同，可以從燃燒氣體中回收能量。在氣化室中生成的氣體可以直接導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)單元的燃燒器105，不需通過氣體壓縮機(jī)，來自燃燒器105的燃燒氣體引入到燃?xì)廨啓C(jī)單元的燃?xì)廨啓C(jī)106用于發(fā)電。因此，可以省去與燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合的氣體壓縮機(jī)。然而，如果燃?xì)廨啓C(jī)所需的壓力與生成氣體的壓力不同，則可以提供氣體壓縮機(jī)以提高壓力補(bǔ)償這個壓力差。
為了實現(xiàn)上述目的，按照權(quán)利要求6的燃料氣化系統(tǒng)，如圖1和11所示，包括氣化室1，用于流化其中的高溫流化介質(zhì)以形成具有界面的氣化室流化床，并在氣化室流化床內(nèi)氣化燃料；焦炭燃燒室2，用于流化高溫流化介質(zhì)以形成具有界面的焦炭燃燒室流化床，并在焦炭燃燒室流化床中燃燒由氣化室1中的氣化所產(chǎn)生的焦炭，以加熱流化介質(zhì)并產(chǎn)生燃燒氣體；穩(wěn)定燃燒室53，用于燃燒在氣化室1中生成的氣體，以加熱在焦炭燃燒室2中產(chǎn)生的燃燒氣體；能量回收裝置55，用于從在穩(wěn)定燃燒室53中加熱的燃燒氣體中回收能量；氣化室1和焦炭燃燒室2相互形成整體，并加壓到高于大氣壓的壓力；氣化室1和焦炭燃燒室2由第一隔板15相互隔開，以防止各自流化床界面垂直上方的流化床之間的氣體流動；第一隔板15在其下部具有第一開口25，第一開口25用于連通氣化室1和焦炭燃燒室2，允許在焦炭燃燒室2中被加熱的流化介質(zhì)經(jīng)第一開口25從焦炭燃燒室2流入氣化室1。
有了這種結(jié)構(gòu)，因為氣化室1和焦炭燃燒室2相互形成整體，并被加壓到高于大氣壓，可以升高焦炭燃燒室中的氧氣分壓以維持良好的燃燒狀態(tài)，可以利用能量回收裝置—如包括能量回收渦輪機(jī)—從來自焦炭燃燒室的燃燒氣體中回收能量。當(dāng)來自氣化室的生成氣體在穩(wěn)定燃燒室中燃燒時，來自焦炭燃燒室的燃燒氣體可以被加熱到如1200℃的高溫。因此，可以利用能量回收渦輪機(jī)高效地回收能量。
按照權(quán)利要求7，在權(quán)利要求6限定的燃料氣化系統(tǒng)中，氣化室1和焦炭燃燒室2由第二隔板11相互隔開，以防止各自流化床界面垂直上方的流化床之間的氣體流動，第二隔板11下部具有第二開口21，第二開口用于連通氣化室1和焦炭燃燒室2，允許加熱的流化介質(zhì)經(jīng)第二開口21從氣化室1流入焦炭燃燒室2。
按照權(quán)利要求8，權(quán)利要求6或7限定的燃料氣化系統(tǒng)進(jìn)一步包括與氣化室1和焦炭燃燒室2形成整體的熱回收室3，氣化室1和熱回收室3相互隔開，或者不相互接觸，以至于氣體在其間不直接流動。
按照權(quán)利要求9，權(quán)利要求6-8中任何一項所限定的燃料氣化系統(tǒng)進(jìn)一步包括鍋爐58，從向鍋爐中供應(yīng)氣體中，通過能量回收裝置58回收能量。即使在通過能量回收裝置58回收能量后，也還可以從廢氣中回收熱量，廢氣中含有能用鍋爐回收的熱量。
按照權(quán)利要求10，如圖15和16所示，在權(quán)利要求4、5和9的任何一項所限定的燃料氣化系統(tǒng)中，鍋爐58可以燃燒除供給氣體之外的其它燃料。即使當(dāng)鍋爐所需的熱量和焦炭燃燒室供給的熱量不平衡，其差值也可以通過其它燃料來補(bǔ)償。因此，可以使用現(xiàn)有的鍋爐131用作所述鍋爐。
為了實現(xiàn)上述目的，向權(quán)利要求11的現(xiàn)有鍋爐重新分配能量的方法，如圖15或16所示，包括提供現(xiàn)有鍋爐131的步驟；提供權(quán)利要求1-3、6-8任何一項中的燃料氣化系統(tǒng)，向現(xiàn)有鍋爐131中供應(yīng)燃燒氣體的步驟。
按照上述方法，燃料氣化系統(tǒng)與現(xiàn)有鍋爐相連，用于向現(xiàn)有鍋爐中供應(yīng)燃燒氣體。因此，效率低、排放大量二氧化碳的鍋爐，如使用粉煤作為燃料的現(xiàn)有鍋爐，被改進(jìn)，即能量重新匹配，成了高效產(chǎn)能系統(tǒng)。


圖1是展示本發(fā)明集成氣化爐的基本概念的示意圖；圖2是展示對圖1所示集成氣化爐改進(jìn)的示意圖，該爐具有傾斜的爐底和帶有凸出部分的隔板；圖3A和3B是展示本發(fā)明集成氣化爐的壓力控制作用的示意圖；圖4是展示包含本發(fā)明集成氣化爐的圓柱形爐的示意圖；圖5是圖4所示圓柱形爐的流化床的水平橫截面圖；圖6是展示對圖5所示流化床的改進(jìn)的水平橫截面圖；圖7是展示包含本發(fā)明集成氣化爐的矩形爐的水平橫截面圖；圖8是展示對圖7所示矩形爐的改進(jìn)的水平橫截面圖；圖9是本發(fā)明常壓型集成氣化爐的示意圖；圖10是綜合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)使用了如圖9所示集成氣化爐；圖11是綜合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)使用了本發(fā)明的集成氣化爐；圖12展示了對圖11所示綜合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)；圖13是展示從來自常壓型集成氣化爐的生成氣體中回收能量的系統(tǒng)的示意圖；圖14是展示從來自加壓型集成氣化爐的生成氣體中回收能量的系統(tǒng)的示意圖；圖15是展示從來自常壓型集成氣化爐的生成氣體和現(xiàn)有鍋爐回收能量的綜合系統(tǒng)的示意圖；圖16是展示從來自加壓型集成氣化爐的生成氣體和現(xiàn)有鍋爐回收能量的綜合系統(tǒng)的示意圖；圖17是傳統(tǒng)雙床熱解反應(yīng)器系統(tǒng)的示意圖；和圖18是應(yīng)用傳統(tǒng)流化床爐的綜合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
以下將參照圖1-16對本發(fā)明方案進(jìn)行描述。
圖1示意地展示了本發(fā)明氣化爐的基本結(jié)構(gòu)。圖1所示方案的集成氣化爐101具有氣化室1，焦炭燃燒爐2和熱量回收室3，分別完成熱解即氣化、焦炭燃燒、熱量回收三項功能，這些室容納(house)在如圓柱形或矩形的爐內(nèi)。氣化室1、焦炭燃燒室2和熱量回收室3由隔板11、12、13、14、15隔開形成了流化床，每一個流化床都在其底部各自包括含有流化介質(zhì)的密相床層。向流化介質(zhì)中吹入流化氣體的氣體擴(kuò)散器設(shè)置在室1、2、3的底部，用于使流化介質(zhì)在室1、2、3的流化床—即氣化室流化床、焦炭燃燒室流化床、熱量回收室流化床中流化。每個氣體擴(kuò)散器包括，例如，設(shè)置爐底部的多孔板。氣體擴(kuò)散器被分成多個間隔艙(compartment)。為了改變每一室中不同部分的空速，從氣體擴(kuò)散器的間隔艙中排出的流化氣體穿過多孔板時的速度可以改變。因為相對于室內(nèi)不同部分的空速不同，在室內(nèi)的不同部分，流化介質(zhì)以不同條件流動，因此，導(dǎo)致了內(nèi)部旋流(revolving flows)。在圖1中，氣體擴(kuò)散器中的空心箭頭代表了所排出流化氣體的速度。例如，2b所示的粗箭頭表示排出的流化氣體的速度高于2a所示細(xì)箭頭表示的速度。
氣化室1和焦炭燃燒室2由隔板11相互隔開，焦炭燃燒室2和熱量回收室3由隔板12相互隔開，氣化室1和熱量回收室3由隔板13相互隔開。這些室不是以獨(dú)立的爐安裝的，而是以單一爐安裝的。在氣化爐101中，隔板11用作本發(fā)明的第二隔板。用于使流化介質(zhì)沉降的沉降焦炭燃燒室4設(shè)置在靠近焦炭燃燒室2的地方，并與氣化室1接觸。因此，焦炭燃燒室2被分割成沉降焦炭燃燒室4和焦炭燃燒室2的另一部分(主焦炭燃燒室)。沉降焦炭燃燒室4由隔板14從焦炭燃燒室2(主焦炭燃燒室)分割下來。沉降焦炭燃燒室4和氣化室1由隔板15相互隔開，隔板15用作本發(fā)明的第一隔板。
下面描述流化床和界面。流化床包括密相床層和噴射區(qū)，密相床層位于其垂直下部，含有高濃度的流化介質(zhì)(例如二氧化硅砂)，由流化氣體保持在流化狀態(tài)，噴射區(qū)位于密相床層的垂直上部，含有流化介質(zhì)和大量氣體，流化介質(zhì)劇烈地噴射。在流化床的上方，即噴射區(qū)的上方，是澄清區(qū)，幾乎不含有流化介質(zhì)，主要由氣體組成。按照本發(fā)明，界面是指具有一定厚度的噴射區(qū)。另外，界面也可以理解為位于噴射區(qū)上表面與噴射區(qū)下表面(密相床層上表面)之間的假想平面。
此外，關(guān)于“室由隔板相互隔開，以至于不允許氣體從流化床界面垂直向上流動”，優(yōu)選在密相床層上表面界面以下沒有氣體流動。
氣化室1與焦炭燃燒室2之間的隔板11基本上在從爐頂19到爐底(氣體擴(kuò)散器的多孔板)的整個范圍內(nèi)延伸。然而，隔板11的下端不與爐底接觸，在靠近爐底處有第二開口21。然而，開口21的上端不延伸超過氣化室流化床界面和焦炭燃燒室流化床界面中的任何一個。優(yōu)選地，開口21的上端不延伸超過氣化室流化床的密相床層上表面和焦炭燃燒室流化床的密相床層上表面中的任何一個。也就是說，開口21優(yōu)選總是淹沒在密相床層中。因此，氣化室1和焦炭燃燒室2由隔板相互隔開，以至于至少在澄清區(qū)內(nèi)，或者在界面之上，或者更優(yōu)選在密相床層上表面之上，它們之間沒有氣體流動。
位于焦炭燃燒室2與熱量回收室3之間的隔板12的上端靠近界面，即在密相床層上表面之上，但位于噴射區(qū)上表面之下。隔板12的下端延伸到爐底附近，但不與爐底接觸，這一點(diǎn)與隔板11相同。隔板12在爐底附近有開口22，它不延伸超過密相床層的上表面。
氣化室1與熱量回收室3之間的隔板13在從爐底到爐頂?shù)恼麄€范圍內(nèi)延伸。分割焦炭燃燒室2提供沉降焦炭燃燒室4的隔板14的上端位于流化床界面附近，下端與爐底接觸。隔板14上端與流化床之間的相互關(guān)系與隔板12與流化床之間的相互關(guān)系相同。將沉降焦炭燃燒室4與氣化室1相互分割的隔板15與隔板11相同。隔板15在從爐頂?shù)綘t底的整個范圍內(nèi)延伸。隔板15的下端不與爐底接觸，在靠近爐底處具有第一開口25。開口25的上端位于密相床層上表面的下方。因此，第一開口25與流化床之間的相互關(guān)系與第二開口21與流化床之間的相互關(guān)系相同。
加入到氣化室中的燃料，包括煤、廢物等，被流化介質(zhì)加熱，并熱解和氣化。在氣化室1中，燃料通常不燃燒，但碳化。剩余的碳化焦炭和流化介質(zhì)經(jīng)隔板11下部的開口21流入焦炭燃燒室2。從氣化爐1引入的焦炭在焦炭燃燒室2中燃燒以加熱流化介質(zhì)。在焦炭燃燒爐2中由于焦炭的燃燒熱加熱的流化介質(zhì)流過隔板12的上端，進(jìn)入熱量回收室3。在熱量回收室3中，流化介質(zhì)的熱量通過設(shè)置在熱量回收室3中的界面之下的淹沒傳熱管41除去，因此流化介質(zhì)被冷卻。流化介質(zhì)從隔板12中的下部開口22流入焦炭燃燒室2。
加入到氣化室1中的可燃揮發(fā)性組分基本上被氣化，固體碳(焦炭)氣化得相對較慢。因此，焦炭在氣化室1中停留時間，即從焦炭加入到氣化室的時刻到焦炭流入燃燒室2的時刻，對于確定燃料氣化速率(焦炭轉(zhuǎn)化效率)可能是一個重要的因素。
當(dāng)二氧化硅砂用作流化介質(zhì)時，因為焦炭的比重小于流化介質(zhì)的比重，焦炭主要積累在床的上部。如果爐子具有這樣的結(jié)構(gòu)流化介質(zhì)流入氣化室，并經(jīng)隔板下部開口從氣化室流入焦炭燃燒室，則與焦炭主要存在于床的上部相比，主要存在于床下部的流化介質(zhì)可以更容易地從氣化室流入焦炭燃燒室，與此相反，焦炭難于從氣化室流入焦炭燃燒室。因此，與在氣化室發(fā)展成了完全混合床相比，可以在氣化室中保持較長的平均停留時間。
從沉降焦炭燃燒室4流入氣化室1的流化介質(zhì)與氣化室1中的床不會很好地混合，而主要通過氣化室1的下部流入焦炭燃燒室2。即使在這種情況下，從氣化室底部供應(yīng)的流化氣體和流化介質(zhì)也能完成熱交換，將熱量從流化氣體傳遞給焦炭，以至于用于氣化焦炭的熱量可以間接由流化介質(zhì)顯熱供應(yīng)。
進(jìn)一步說，可以通過調(diào)節(jié)氣化室中流化氣體的流量來改變氣化室中流化介質(zhì)和焦炭的混合條件，從而控制氣化室中的旋流狀態(tài)，進(jìn)一步控制焦炭在氣化室中的平均停留時間。
有了本發(fā)明的爐結(jié)構(gòu)，通過控制氣化室和焦炭燃燒室之間的壓差可以自由地改變氣化室中流化床的高度。按照這種方法，可以控制焦炭在氣化室中的平均滯留時間。
按照本發(fā)明，對于燃料氣化系統(tǒng)來說，熱量回收室3并不是必不可少的。特別是在氣化室1中氣化掉揮發(fā)性組分后剩余的主要由碳組成的焦炭量與在焦炭燃燒室2中加熱流化介質(zhì)所需的焦炭量基本上相等時，則從流化介質(zhì)提取熱量的熱量回收室3是不必要的。如果上述焦炭量的差小，則氣化室1中的氣化溫度變得更高，使得氣化室1中生成的CO氣體量增加，從而在氣化室1中保持碳的平衡。
在使用圖1所示的熱量回收室3的情況下，集成氣化爐可以處理寬范圍的燃料，從產(chǎn)生大量焦炭的煤到產(chǎn)生少量焦炭的城市垃圾。因此，不管使用何種燃料，可以通過適當(dāng)?shù)乜刂茻崃炕厥帐?中回收的熱量，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)焦炭燃燒室2中的燃燒溫度，從而保持流化介質(zhì)的溫度。
在焦炭燃燒室2中加熱的流化介質(zhì)從第四隔板14上端流入沉降焦炭燃燒室4，然后，流過隔板15下部的開口25進(jìn)入氣化室1。
以下描述流化介質(zhì)在室間的流動狀態(tài)和運(yùn)動。
在氣化室1中，靠近并接觸氣化室1與沉降焦炭燃燒室4之間的隔板15的區(qū)域是強(qiáng)流化區(qū)域1b，其流化狀態(tài)比沉降焦炭燃燒室4中的流化狀態(tài)更劇烈。流化氣體的空速可以可以根據(jù)不同位置進(jìn)行改變，以促進(jìn)加入的燃料以及流化介質(zhì)的混合和分散。例如，如圖1所示，除了強(qiáng)流化區(qū)域1b外，還可以產(chǎn)生弱的流化區(qū)域1a以形成旋流。
焦炭燃燒室2可以具有中心弱流化區(qū)域2a和周邊強(qiáng)流化區(qū)域2b，以使得流化介質(zhì)和焦炭形成內(nèi)部旋流。優(yōu)選地，在氣化室1和焦炭燃燒室2內(nèi)的強(qiáng)流化區(qū)域內(nèi)氣體的流化速度為5Umf或更高，弱流化區(qū)域內(nèi)的氣體流化速度為5Umf或更低。然而，如果在弱流化區(qū)域的流速度與強(qiáng)流化區(qū)域的流化速度之間提供了一個相對明顯的差，氣體的流化速度可以超出這些范圍。在焦炭燃燒室2內(nèi)，強(qiáng)流化區(qū)域2b可以安排在靠近熱量回收室3和沉降焦炭燃燒室4的區(qū)域。如果必要的話，爐底可以具有斜坡，爐底從弱流化區(qū)域向強(qiáng)流化區(qū)域傾斜(如圖2所示)。在這里，“Umf”代表流化介質(zhì)的最小流化速度(發(fā)生流化時的氣體速度)。因此，5Umf表示五倍于流化介質(zhì)的流化速度最小值的速度。
如上所述，焦炭燃燒室2中靠近焦炭燃燒室2與熱量回收室3之間的隔板12處的流化狀態(tài)相對于熱量回收室3中的流化狀態(tài)要強(qiáng)一些。因此，流化介質(zhì)經(jīng)過位于流化床界面附近的、隔板12的上端從焦炭燃燒室2流入熱量回收室3。在熱量回收室3中，由于相對弱的流化狀態(tài)，即高密度相，已流入熱量回收室3的流化介質(zhì)向下移動(朝爐底)，然后，經(jīng)過隔板12下端的、靠近爐底的開口22從熱量回收室3移動到焦炭燃燒室2。
類似地，與沉降焦炭燃燒室4中的流化狀態(tài)相比，在焦炭燃燒室2的主要部分，即靠近焦炭燃燒室2的主要部分與沉降焦炭燃燒室4之間的隔板14的部分，流化狀態(tài)相對較強(qiáng)。因此，流化介質(zhì)經(jīng)過位于流化床界面附近的、隔板14的上端從焦炭燃燒室2的主要部分流入沉降焦炭燃燒室4。在沉降焦炭燃燒室4中，由于相對弱的流化狀態(tài)，即高密度相，已流入沉降焦炭燃燒室4的流化介質(zhì)向下移動(朝爐底)，然后，經(jīng)過隔板15下端的、靠近爐底的開口25從沉降焦炭燃燒室4移動到氣化室1。與在沉降焦炭燃燒室4中的流化狀態(tài)相比，在氣化室1中靠近氣化室1和沉降焦炭燃燒室4之間的隔板15的流化狀態(tài)要相對弱一些。這種相對弱的流化狀態(tài)因引導(dǎo)而促使流化介質(zhì)從沉降燃燒室4進(jìn)入氣化室1。
類似地，與氣化室1中的流化狀態(tài)相比，在焦炭燃燒室2中的靠近氣化室1與焦炭燃燒室2之間的隔板11處的流化狀態(tài)相對較強(qiáng)。因此，流化介質(zhì)流過隔板11上的流化床界面下的、優(yōu)選在密相床層上表面之下的開口21(淹沒在密相床層中)進(jìn)入焦炭燃燒室2。
通常，如果兩個室A、B由隔板X相互分隔，隔板的上端位于界面附近，流化介質(zhì)在兩室A、B之間的移動取決于隔板X附近的室A、B中的流化狀態(tài)。例如，如果在室A中的流化狀態(tài)強(qiáng)于室B中的流化狀態(tài)，流化介質(zhì)經(jīng)隔板X上端從室A流入室B。如果兩個室A、B由隔板Y相互分隔，隔板的下端(淹沒在密相床層中)位于界面之下、優(yōu)選在密相床層的上表面之下，正因為隔板Y的開口位于界面之下或淹沒在密相床層中，流化介質(zhì)在兩室A、B之間的移動取決于隔板Y附近的室A、B中的流化強(qiáng)度。例如，當(dāng)在室A中的流化狀態(tài)強(qiáng)于B室中的流化狀態(tài)時，流化介質(zhì)經(jīng)隔板Y下端的開口從室B流入室A。流化介質(zhì)的移動可以由室A中的流化介質(zhì)的相對強(qiáng)的流化狀態(tài)所導(dǎo)致，或者，在室B中流化介質(zhì)的流化狀態(tài)相對弱，由于室B中流化介質(zhì)的密度高于室A中流化介質(zhì)的密度所致。當(dāng)流化介質(zhì)在室間的上述移動在某處發(fā)生時，室間的質(zhì)量平衡將被打破，但流化介質(zhì)在另外的某處發(fā)生室間移動，以保持質(zhì)量平衡。
至于限定一個室的隔板以及隔板X上端與隔板Y下端之間的相互關(guān)系，流化介質(zhì)所流過的隔板X的上端位于流化介質(zhì)所流過的隔板Y的下端的垂直上方。通過設(shè)置上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)流化介質(zhì)填充了室并被流化時，填充室的流化介質(zhì)的量可以適當(dāng)?shù)卮_定，上端位于流化床的界面附近，下端淹沒在密相床層之中。通過按照以上方法適當(dāng)?shù)卦O(shè)定隔板附近的流化強(qiáng)度，流化介質(zhì)可以相對于隔板X或隔板Y在所希望的方向上移動，由隔板Y相互隔開的兩室之間的氣體流動可以被排除。
上述方法可以按如下方式施用于圖1所示的氣化爐焦炭燃燒室2和熱量回收室3由隔板12相互隔開，其上端位于界面高度附近，其下端淹沒在密相床層中，焦炭燃燒室2中靠近隔板12處的流化狀態(tài)強(qiáng)于熱量回收室3中靠近隔板12處的流化狀態(tài)。因此，流化介質(zhì)經(jīng)隔板12的上方從焦炭燃燒室2流入熱量回收室3，然后，經(jīng)隔板12下端從熱量回收室3流入焦炭燃燒室2。
焦炭燃燒室2和氣化室1由隔板15相互隔開，其下端淹沒在密相床層中。沉降焦炭燃燒室4位于焦炭燃燒室2中靠近隔板15的地方，沉降焦炭燃燒室4被隔板14所包圍，隔板14的上端位于界面高度和隔板15附近?？拷舭?4的焦炭燃燒室2的主要部分中的流化狀態(tài)強(qiáng)于沉降焦炭燃燒室4中靠近隔板14處的流化狀態(tài)。因此，流化介質(zhì)經(jīng)隔板14的上端從焦炭燃燒室2流入沉降焦炭燃燒室4。有了這種結(jié)構(gòu)，已經(jīng)流入沉降焦炭燃燒室4中的流化介質(zhì)經(jīng)隔板15的下端從沉降焦炭燃燒室4流入氣化室1以至少維持質(zhì)量平衡。這時，如果氣化室1中靠近隔板15處的流化狀態(tài)強(qiáng)于沉降焦炭燃燒室4中靠近隔板15的流化狀態(tài)，則由于引導(dǎo)作用，流化介質(zhì)的移動得以促進(jìn)。
氣化室1和焦炭燃燒室2的主要部分由第二隔板11相互隔開，其下端被淹沒在密相床層之中。已經(jīng)從沉降焦炭燃燒室4流入氣化室1中的流化介質(zhì)經(jīng)隔板11的下端流入焦炭燃燒室2中，以維持上述質(zhì)量平衡。這時，如果焦炭燃燒室2中靠近隔板11處的流化狀態(tài)強(qiáng)于氣化爐1中靠近隔板11處的流化狀態(tài)，則流化介質(zhì)的流動不僅維持了上述質(zhì)量平衡，而且，還會由于強(qiáng)烈的流化狀態(tài)而被引導(dǎo)流入焦炭燃燒爐2。
在圖1所示方案中，流化介質(zhì)在沉降焦炭燃燒室4(它是焦炭燃燒室2的一部分)中下降。也可以在氣化室1的一部分中提供類似沉降氣化室的結(jié)構(gòu)(未示出)，特別是在開口21處。也就是說，使沉降焦炭氣化室中的流化狀態(tài)弱于氣化室主要部分中的流化狀態(tài)，引起氣化室主要部分中的流化介質(zhì)經(jīng)隔板上端流入沉降氣化室，而沉降后的流化介質(zhì)經(jīng)開口21流入焦炭燃燒室。這時，沉降焦炭燃燒室4可以與沉降氣化室一起被提供，也可不一起被提供。通過應(yīng)用沉降氣化室，在如圖1所示的氣化爐的情況下，流化介質(zhì)經(jīng)開口25從焦炭燃燒室2流入氣化室1，然后，經(jīng)開口21從氣化室1流入焦炭燃燒室2。
熱量回收室3被均勻流化，并維持其最大值弱于與熱量回收室相接觸的焦炭燃燒室2中的流化狀態(tài)。熱量回收室3中流化氣體的空速控制在0-3Umf范圍內(nèi)，流化介質(zhì)的流化較弱，形成了沉降的流化層?？账贋?Umf表示流化氣體被停止了。以這種方式，熱量回收室3中的熱量回收可能最小。也就是說，通過從最大值到最小值改變流化介質(zhì)的流化狀態(tài)，可以調(diào)節(jié)熱量回收室3中回收的熱量。在熱量回收室3中，流化可以被引發(fā)或終止，或者在整個室內(nèi)均勻地調(diào)節(jié)其強(qiáng)度，可以停止室內(nèi)某個區(qū)域內(nèi)的流化，而在其它區(qū)域保持流化，或者在室內(nèi)的某個區(qū)域調(diào)節(jié)其流化強(qiáng)度。
室間的隔板通常是垂直的隔板。必要時，隔板可以具有凸起，例如，如圖2所示，隔板12、14可以在焦炭燃燒室2靠近界面附近中具有凸起32，以改變隔板附近流化介質(zhì)的流動方向，從而促進(jìn)內(nèi)部旋流。燃料中相對大的不可燃物從不可燃物排出口33中排出，這一排出口設(shè)置在氣化室1的爐底。每個室的爐底可以是水平的，但是，爐底可以沿流化介質(zhì)的流動方向在爐底附近傾斜，從而使流化介質(zhì)的流動保持通暢，如圖2所示。不僅可以在氣化室1的爐底提供不可燃物排出口，還可以在焦炭燃燒室2或熱量回收室3的爐底提供。
特別優(yōu)選的是，氣化室1中的流化氣體可以含有循環(huán)使用的壓縮生成氣體。在流化氣體含有生成氣體的情況下，由氣化室排出的氣體只有由燃料生成的氣體，因此，可以獲得非常高質(zhì)量的氣體。在流化氣體不可能是生成氣體的情況下，則它包含含有盡可能少的氧氣(無氧氣體)的氣體，如水蒸汽等。如果由于氣化所致的吸熱反應(yīng)，流化介質(zhì)的床溫降低，則除無氧氣體外，可以供應(yīng)氧氣或含氧氣體，如空氣，以燃燒一部分生成氣體。供應(yīng)到焦炭燃燒室2的流化氣體包括含氧氣體，如空氣，或氧氣與蒸汽的混合氣體，這是燃燒焦炭所要求的。供應(yīng)到熱量回收室3的流化氣體包括空氣、水蒸汽，燃燒廢氣等。
氣化室1和焦炭燃燒室2的流化床表面(噴射區(qū)上表面)以上的區(qū)域，即澄清區(qū)，完全被隔板所隔開。特別是，流化床密相床層表面以上的區(qū)域，即噴射區(qū)和澄清區(qū)完全被隔板隔開。因此，如圖3A和3B所示，當(dāng)焦炭燃燒室2和氣化爐1中的壓力P1、P2突破平衡時，可以通過稍微改變各室中流化床界面之間的位置差，或者密相床層表面之間的位置差，即床高來緩解壓差。特別地，氣化爐1和焦炭燃燒室2被隔板15相互分開，即使這些室中的當(dāng)壓力P1、P2發(fā)生改變，壓差也能被床高差所緩解，直到其中一個床降低到開口25的上端。因此，焦炭燃燒室2和氣化爐1中澄清區(qū)之間的、可以被床高差緩解的壓差(P1-P2或P2-P1)上限基本上等于從開口25上端的氣化室流化床的壓頭與開口25上端的焦炭燃燒室流化床的壓頭之間的差。
在上述方案的集成氣化爐101中，由隔板相互隔開的三個室，即氣化室、焦炭燃燒室和熱量回收室設(shè)置在一個流化床爐中，焦炭燃燒室和氣化室相互鄰接，焦炭燃燒室與熱量回收室相互鄰接。因為集成氣化爐101不同于雙床熱解反應(yīng)系器統(tǒng)，其中可以在焦炭燃燒室和氣化室之間循環(huán)大量流化介質(zhì)，僅由流化介質(zhì)的顯熱就足以供應(yīng)氣化所需的熱量。因此，使用改進(jìn)的加壓流化床爐可以極其容易地實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的原理，改進(jìn)的加壓流化床爐可以獲得盡可能少量的具有盡可能高熱值的生成氣體。
在這一方案中，因為在焦炭燃燒氣體與生成氣體之間提供了完全密封，氣化室與焦炭燃燒室之間的壓力平衡很好地受到了控制，不會引起燃燒氣體與生成氣體之間的相互混合從而降低生成氣體的性能。
作為傳熱介質(zhì)的流化介質(zhì)以及焦炭從氣化室1流入焦炭燃燒室2，相同量的流化介質(zhì)從焦炭燃燒室2返回氣化室1。因此，輸入和輸出的流化介質(zhì)自然平衡。不必使用如傳送器等的機(jī)械輸送裝置，流化介質(zhì)從焦炭燃燒室2返回氣化室1。因此，本方案不存在難于處理高溫顆粒的困難和大量顯熱損失的問題。
如上所述，按照圖1所示方案，在具有三種功能—熱解和氣化燃料、焦炭燃燒、淹沒回收熱量共存于一流化床爐—的集成氣化爐中，將焦炭燃燒室中的高溫流化介質(zhì)作為傳熱介質(zhì)供應(yīng)到氣化室中用作熱解和氣化的熱源，氣化室和熱量回收室由從爐底至爐頂延伸的隔板完全隔開或者不相互接觸，氣化室和焦炭燃燒室中流化床界面上方完全由隔板隔開，氣化室中靠近隔板處的流化強(qiáng)度以及焦炭燃燒室中的流化強(qiáng)度保持預(yù)定的關(guān)系，從而使流化介質(zhì)經(jīng)隔板上的爐底附近的開口從焦炭燃燒室流入氣化室，并使流化介質(zhì)從氣化室流入焦炭燃燒室。
在該方案中，因為氣化室和焦炭燃燒室在流化床界面以上由隔板完全隔開，即使這些室內(nèi)的氣體壓力發(fā)生變化，這些室間的氣體密封得以保持，防止了燃燒氣體與生成氣體之間的相互混合。因此，不必特殊的控制來實現(xiàn)氣化室與焦炭燃燒室之間的氣體密封。為了保持氣化室中隔板附近的預(yù)定流化強(qiáng)度以及焦炭燃燒室中的流化強(qiáng)度，流化介質(zhì)可以穩(wěn)定地通過隔板上靠近爐底的開口從焦炭燃燒室大量地流入到氣化室。因此，不需處理高溫顆粒的機(jī)械裝置來將流化介質(zhì)從焦炭燃燒室移動到氣化室。
在集成氣化爐中，焦炭燃燒室中的、與氣化室相接觸的強(qiáng)流化區(qū)域可以作為沉降焦炭燃燒室，沉降焦炭燃燒室可以通過從爐底延伸到流化床界面附近的隔板與焦炭燃燒室的主要部分隔開?？梢越固咳紵摇⒊两到固咳紵液蜌饣业拿恳粋€室中限定強(qiáng)流化區(qū)和弱流化區(qū)，以在每個室內(nèi)產(chǎn)生流化介質(zhì)的內(nèi)部旋流。
在上述集成氣化爐中，熱量回收室可以設(shè)置與焦炭燃燒室的強(qiáng)流化區(qū)接觸，熱量回收室和焦炭燃燒室可以在爐底附近具有開口，并由上端達(dá)到流化床界面附近的隔板相互隔開，焦炭燃燒室中隔板附近的流化狀態(tài)可以強(qiáng)于熱量回收室中的流化狀態(tài)，以產(chǎn)生流化介質(zhì)循環(huán)所需的力?；蛘撸瑹崃炕厥帐铱梢栽O(shè)置與沉降焦炭燃燒室中的強(qiáng)流化區(qū)域接觸，熱量回收室和沉降焦炭燃燒室可以在爐底附近具有開口，并可經(jīng)由上端達(dá)到流化床界面附近的隔板相互隔開，沉降焦炭燃燒室中隔板附近的流化狀態(tài)可以強(qiáng)于熱量回收室中的流化狀態(tài)，以產(chǎn)生流化介質(zhì)循環(huán)所需的力。
氣化室中的流化氣體包括無氧氣體。該無氧氣體可以包括根本不含有氧的氣體，如水蒸汽等。
氣化室、焦炭燃燒室和熱量回收室的每一個的爐底可以沿流化介質(zhì)的流動方向在爐底附近傾斜。氣化室的溫度可以通過控制焦炭燃燒室中與氣室接觸的弱流化區(qū)的流化狀態(tài)來調(diào)節(jié)。
圖4示出了將本發(fā)明的用于具有垂直軸的圓柱形爐的方案。圓柱形集成氣化爐10中具有一個與外壁同心的圓柱形隔板10a，隔板10a限定了其內(nèi)的焦炭燃燒室2。沉降焦炭燃燒室4、氣化室1和熱量回收室3；每一個都為扇形(在兩個同心環(huán)之間限定的環(huán)形區(qū)域內(nèi)由兩個半徑所限定的形狀)；設(shè)置在從圍繞焦炭燃燒室2的隔板10a向外延伸的環(huán)形區(qū)域內(nèi)。氣化室1和熱量回收室3相對設(shè)置，沉降焦炭燃燒室4位于兩者之間。上述圓柱形氣化爐能容易地安裝(house)在圖11所示集成氣化爐的壓力容器內(nèi)。該集成氣化爐10具有類似于圖1所示的氣化爐101的基本結(jié)構(gòu)，例外的是它是加壓的，其設(shè)計結(jié)構(gòu)易于安裝在壓力容器50內(nèi)。
圖5是圖4所示方案中流化床的水平橫截面圖。焦炭燃燒室2位于中心，氣化室1位于周邊區(qū)域，熱量回收室3與氣化室1相對，兩個扇形沉降焦炭燃燒室4位于氣化室1與熱量回收室3之間。在扇形氣化室1的爐底設(shè)置有多個氣體擴(kuò)散器，在相對的兩端具有強(qiáng)流化區(qū)1b用于提高的空速，在其中央具有弱流化區(qū)1a用于降低的空速。流化介質(zhì)在氣化爐內(nèi)形成內(nèi)部旋流，在強(qiáng)流化區(qū)1b中升起并在弱流化區(qū)1a中降落。旋流使加入到氣化室1中的燃料F在氣爐1內(nèi)完全擴(kuò)散，因此，使得燃料能被有效利用。
氣化室1中的流化氣體主要包括循環(huán)使用的生成氣體或無氧氣體，無氧氣體的例子有水蒸汽或燃燒廢氣。當(dāng)氣化室的溫度過分下降時，可以將氧氣或如空氣的含氧氣體與流化氣體混合。氣化室1與焦炭燃燒室2之間的隔板11在爐底附近有一開口21，并將氣化室1和焦炭燃燒室2除開口21外一直到頂完全相互隔開。在氣化室1中熱解和氣化的燃料F流過開口21進(jìn)入焦炭燃燒室2。開口21可以在整個氣化室1上提供，也可以只在弱流化區(qū)提供。在圖5中，黑箭頭表示流化介質(zhì)沉降流通過隔板上爐底的開口的移動路徑。而灰箭頭表示流化介質(zhì)上升流越過隔板上端的移動路徑。
氣化爐1的操作溫度可以相對于每一種燃料調(diào)節(jié)到最優(yōu)溫度。如果燃料具有相對低的氣化率并產(chǎn)生大量焦炭，如煤，則通過將溫度維持在800-900℃，氣化室1可以獲得高氣化率。如果燃料產(chǎn)生少量的焦炭，如城市垃圾，則通過將床溫維持在350-450℃，氣化爐1可以獲得穩(wěn)定的操作，同時除去氯和控制揮發(fā)物釋放速度。
焦炭燃燒室2爐底的氣體擴(kuò)散器被分割成中心區(qū)和周邊區(qū)，將流化氣體分散形成中心弱流化區(qū)2a和周邊強(qiáng)流化區(qū)2b。強(qiáng)流化區(qū)2b形成提升流化床，流化介質(zhì)在其中上升，弱流化區(qū)2a形成沉降流化床，流化介質(zhì)在其中下落。
焦炭燃燒室2應(yīng)當(dāng)維持在盡可能高的溫度，優(yōu)選床溫為約900℃，以促進(jìn)焦炭的燃燒并向氣化室1供應(yīng)顯熱。在流化床燃燒伴隨吸熱反應(yīng)的情況下，在900℃附近溫度形成積聚(agglomeration)的可能性通常會增加。然而，在這一方案中，焦炭燃燒室中形成的旋流促進(jìn)熱量擴(kuò)散和焦炭擴(kuò)散，可以使焦炭穩(wěn)定地燃燒而不形成積聚。積聚是指由于流化介質(zhì)和燃料灰分熔融形成的固化團(tuán)塊。
沉降焦炭燃燒室4優(yōu)選應(yīng)當(dāng)完全保持弱流化狀態(tài)，以形成沉降流化層。然而，如圖4所示，沉降焦炭燃燒室4的每一個可能具有弱流化區(qū)4a和強(qiáng)流化區(qū)4b以促進(jìn)熱擴(kuò)散，并且可以形成內(nèi)部旋流，以在接觸氣化爐1的區(qū)域形成沉降流化層。
在這方案中，如圖4所示，沉降焦炭燃燒室4和熱量回收室3之間的隔板16的下端達(dá)到爐底，上端比流化床的界面高得很多，防止流化介質(zhì)在沉降焦炭燃燒室4與熱量回收室3之間流動。這是因為燃料含有高固定碳，如煤，從沉降焦炭燃燒室流入氣化室的流化介質(zhì)應(yīng)當(dāng)優(yōu)選具有盡可能高的溫度，不希望在熱量回收室3中被冷卻的流化介質(zhì)與之混合，也不希望流入氣化室1中的高溫流化介質(zhì)流入熱量回收室3。
在該方案的集成氣化爐用于廢物材料的氣化時，隔板16的上端可以位于流化床界面附近，并在爐底附近提供開口以使流化介質(zhì)在沉降焦炭燃燒室4與熱量回收室3之間循環(huán)。這是因為如廢物的燃料產(chǎn)生的焦炭率低，除非降低氣化室中的溫度以減少氣體的生成率，否則不能維持焦炭燃燒室的燃燒溫度。在這種情況中，如圖6所示，熱量回收室3爐底的氣體擴(kuò)散器被分割，熱量回收室被隔板16a隔開，一部分用作焦炭燃燒室，另一部分用作沉降焦炭燃燒室，因此，可以分別單獨(dú)控制焦炭燃燒室和氣化室的溫度。每個沉降焦炭燃燒室4爐底的氣體擴(kuò)散器被分割以形成與熱量回收室3接觸的強(qiáng)流化區(qū)4b。
淹沒的徑向傳熱管41設(shè)置在熱量回收室3中。經(jīng)隔板12上方從焦炭燃燒室2流入的流化介質(zhì)被傳熱管41所冷卻，然后，經(jīng)隔板12下部的開口22返回焦炭燃燒室2。因為淹沒的傳熱管向周邊區(qū)域傾斜(pitch)并間隔，在周邊區(qū)域中對流過淹沒的傳熱管的流化介質(zhì)的阻力較小。因此，流入焦炭燃燒室2中的流化介質(zhì)均勻地分散在周邊區(qū)域，能有效地利用整個熱量回收室3的體積。因此，集成氣化爐作為一個整體具有緊湊的結(jié)構(gòu)。
圖7示出了體現(xiàn)本發(fā)明集成氣化爐的矩形爐。當(dāng)集成氣化爐在常壓下使用時，氣化爐的外壁不必是承壓結(jié)構(gòu)。由于這一原因，從制造的角度來看，矩形爐也是優(yōu)選的。
在燃料的種類適合于在低溫下操作集成氣化爐的情況下，如圖7所示，通過隔板13、16將熱量回收室3與焦炭燃燒室和沉降焦炭燃燒室分割開來，這樣，供應(yīng)到氣化室1和焦炭燃燒室2中的流化介質(zhì)的溫度可以獨(dú)立控制。
在圖7所示矩形爐中，焦炭燃燒室2內(nèi)弱流化區(qū)的流化介質(zhì)以及與焦炭燃燒室2中弱流化區(qū)接觸的熱量回收室3中的流化介質(zhì)都處于弱流化狀態(tài)。因此，流化介質(zhì)不會以明確的方向移動，不會有效地發(fā)揮其作為傳熱介質(zhì)的作用。在這種情況下，如圖8所示，熱量回收室3中與焦炭燃燒室2內(nèi)弱流化區(qū)接觸的區(qū)域可以朝爐外敞開，敞開區(qū)域可以有效地利用，如作為循環(huán)焦炭的供料口。
圖9示出了本發(fā)明中用于常壓型流化床爐的方案。
在這一方案中，即使燃料中含有氯，熱量回收室3中淹沒的傳熱管41以及焦炭燃燒室的澄清區(qū)中的傳熱管42都幾乎不會暴露于氯，以至于蒸汽溫度可以提高到350℃或更高，甚至達(dá)到500℃或更高，350℃是常規(guī)廢物焚燒器的最高蒸汽溫度。在燃燒氣體從焦炭燃燒室2吹入氣化室1的區(qū)域內(nèi)，燃燒氣體中剩余的氧氣與可燃?xì)怏w反應(yīng)，導(dǎo)致了高溫。因此，在這一區(qū)域內(nèi)，焦炭的燃燒和石灰石的脫羧作用得到促進(jìn)，提高了燃燒效率和脫硫效率。當(dāng)燃燒氣體從焦炭燃燒室2吹入氣化室1時，引起的壓力損失在約200-400mmAq的范圍內(nèi)。因為從隔板15下端至流化床界面的流化床壓頭通常在1500-2000mmAq的范圍內(nèi)，當(dāng)氣化室中的床高稍低于焦炭燃燒室中的床高時，壓差可以自動維持，如圖3A和3B所示，因此不需特別控制。
圖10示出了使用本發(fā)明集成氣化爐中生成的氣體熔化飛灰的方法流程。在該方案中，常壓爐10具有氣化室1、焦炭燃燒室2、熱量回收室3和沉降焦炭燃燒室4。當(dāng)大量流化介質(zhì)通過這些室循環(huán)時，集成氣化爐與前述方案一樣穩(wěn)定地操作。在該方案中，來自氣化室1中的一部分熱解氣體引入造渣燃燒爐(a slagging combustionfurnace)54以熔化飛灰。廢熱鍋爐從剩余的熱解氣體中除去熱量，剩余的熱解氣體與焦炭燃燒氣體一起由除塵器52除塵，然后向外排放。
圖11示出了應(yīng)用本發(fā)明集成氣化爐的綜合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。
集成氣化爐10設(shè)置在壓力容器50中，在加壓條件下操作。集成氣化爐10可以具有整體結(jié)構(gòu)，以至于集成氣化爐10的外壁作為壓力容器。在氣化爐1中生成的一部分可燃?xì)怏w在常壓條件下供應(yīng)到造渣燃燒爐54，用于向熔化飛灰提供熱量。剩余的可燃?xì)怏w與焦炭燃燒氣體一起在高溫集塵器51中除塵，然后，導(dǎo)入作為穩(wěn)定燃燒器的頂上(toping)燃燒器53，在其中產(chǎn)生高溫廢氣，并供應(yīng)到作為能量回收裝置的燃?xì)廨啓C(jī)55。燃?xì)廨啓C(jī)55的結(jié)構(gòu)與常用燃?xì)廨啓C(jī)單元中的燃?xì)廨啓C(jī)相同，被稱之為能量回收氣輪機(jī)。
傳熱管42可以安裝在焦炭燃燒室2的上部。即使燃料中含有氯，因為幾乎所有的氯都含于氣化爐1里生成的氣體中，在該方案中，焦炭燃燒氣體中幾乎不含氯。因此，傳熱管42可以用作蒸汽過熱器來使蒸汽過熱到500℃或更高的溫度。因為與傳熱管42相比，在熱量回收室3中設(shè)置的淹沒的傳熱管41較少地暴露于腐蝕性環(huán)境，所以與傳熱管42相比，淹沒的傳熱管41可以在更高的溫度下用作過熱蒸汽的過熱器。如果燃料中氯的濃度相對高，則因為可燃?xì)怏w中氯的濃度也較高，應(yīng)將所有可燃?xì)怏w導(dǎo)入造渣燃燒爐54中以防止頂部(topping)燃燒器53和燃?xì)廨啓C(jī)55被腐蝕。
應(yīng)用圖11所示加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)按如下方式操作首先，煤在加壓氣化爐中氣化，生成的未燃碳(也稱焦炭)在加壓焦炭燃燒室2中燃燒。來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體和來自氣化室1的生成氣體分別在高溫集塵器51、52中凈化，然后混合并在頂部燃燒器53中燃燒，其中產(chǎn)生了驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)55的高溫氣體。每一個高溫集塵器51、52都可以包括陶瓷過濾器、耐熱合金的金屬過濾器、旋風(fēng)分離器等。
對于應(yīng)用加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)，如何將進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)55的氣體溫度升高到每個燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計最大允許溫度是重要的。影響進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)55氣體的溫度升高的最大限制是生成氣體的凈化。生成氣體的凈化是通過如脫硫來進(jìn)行的。為保護(hù)例如燃?xì)廨啓C(jī)的槳葉，脫硫是必要的。
為了凈化生成氣體，從在還原氣氛進(jìn)行脫硫反應(yīng)的最優(yōu)溫度的觀點(diǎn)來看，生成氣體通常需要冷卻到約450℃。另一方面，燃?xì)廨啓C(jī)的入口氣體溫度應(yīng)當(dāng)盡量高，因為氣體溫度越高燃?xì)廨啓C(jī)的效率也越高。目前，首先應(yīng)當(dāng)將燃?xì)廨啓C(jī)入口處的氣體溫度提高到1200℃或稍低于燃?xì)廨啓C(jī)材料的耐熱、耐腐性能的極限溫度的溫度。因此，要求生成氣體具有足夠高的熱值以將氣體溫度從凈化時的450℃提高到燃?xì)廨啓C(jī)入口處的1200℃。盡管在圖11中未示出，在氣化室1與高溫除塵器52之間的氣體管線上提供了冷卻器以將氣體冷卻到如450℃，還在氣體管線中還提供了脫硫器。然而，從焦炭燃燒室出來的管線上不需氣體冷卻器和脫硫器，因為向爐中加入了石灰石，并與流化介質(zhì)一起循環(huán)，而且焦炭燃燒室2中存在氧氣處于氧化氣氛中，以至于硫以CaSO4被除去。
因此，為了開發(fā)使用改進(jìn)加壓流化床爐的發(fā)電系統(tǒng)，人們努力去獲得其量盡可能少熱值盡可能高的生成氣體體。其原因如下如果在450℃下凈化的生成氣體的量減少，由于冷卻顯熱的損失就降低，所需要的生成氣體的最小熱值就降低。當(dāng)生成氣體的熱值高于為將氣體溫度提高到燃?xì)廨啓C(jī)入口所希望的溫度所需熱值時，可以提高燃燒空氣的比率從而提高流入燃?xì)廨啓C(jī)的氣體量，進(jìn)而提高發(fā)電效率。
在圖11所示系統(tǒng)中，來自焦炭燃燒爐2的燃燒氣體在包括陶瓷過濾器等的高溫集塵器51中除塵，然后，導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)55以回收能量。盡管燃燒氣體可以直接導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)55，但能量回收效率不一定總是較高，因為燃燒氣體的溫度不太高。所以，來自集塵器51的燃燒氣體被導(dǎo)入頂部燃燒器53。來自氣化室1中的生成氣體(可燃?xì)怏w)在包括陶瓷過濾器等的高溫集塵器52中除塵，然后，導(dǎo)入頂部燃燒器53并在其中燃燒。生成氣體在頂部燃燒器53中的燃燒用作來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體的穩(wěn)定燃燒。因為在頂部燃燒器53中產(chǎn)生的燃燒熱，來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體(以及用于穩(wěn)定燃燒的燃燒氣體)達(dá)到約1200℃的高溫(可能達(dá)到1300℃但取決于燃?xì)廨啓C(jī)的耐熱性能)。高溫氣體被供應(yīng)到燃?xì)廨啓C(jī)(能量回收裝置)55。焦炭燃燒室2和頂部燃燒器53的結(jié)合相當(dāng)于普通燃?xì)廨啓C(jī)單元中的燃燒器。
直接或通過減速器連接到燃?xì)廨啓C(jī)旋轉(zhuǎn)軸上的發(fā)電機(jī)57被驅(qū)動以產(chǎn)生電能。在圖11所示方案中，壓縮機(jī)(通常是軸流空氣壓縮機(jī))56直接連接到燃?xì)廨啓C(jī)55旋轉(zhuǎn)軸上以生產(chǎn)壓縮空氣。來自壓縮機(jī)56的壓縮空氣被供應(yīng)到焦炭燃燒室2作為焦炭燃燒室2的燃燒空氣。一部分壓縮空氣被供應(yīng)到頂部燃燒器53中。然而，頂部燃燒器53可以用殘留在來自于焦炭燃燒室2的廢氣中的氧氣燃燒生成氣體。在該方案中，壓力容器50內(nèi)部被加壓到5-10kg/cm2(0.5-1.0MPa)的范圍內(nèi)。不過，按照燃?xì)廨啓C(jī)55的操作規(guī)程，壓力容器50的內(nèi)部可以加壓到約30kg/cm2。
在圖11所示方案中，因為來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體和來自氣化室1的生成氣體被導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)55，需要頂部燃燒器53作為混合這些氣體的預(yù)混室。在只有來自氣化室1的生成氣體被導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)55的情況下，生成氣體可以直接引入與燃?xì)廨啓C(jī)單元109組合的燃燒器105中，燃?xì)廨啓C(jī)單元如圖14所示，并將在后面進(jìn)行描述。在只有來自氣化室1的生成氣體被導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)55的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)55可以用高熱值氣體作為燃料來操作。
從燃?xì)廨啓C(jī)55排出的廢氣經(jīng)管線125導(dǎo)入廢熱鍋爐58，廢氣再經(jīng)管線128流過脫硫器、脫硝器(未示出)然后從煙囪(未示出)排出。
廢熱鍋爐58從廢氣中回收熱量并產(chǎn)生水蒸汽，產(chǎn)生的水蒸汽流過水蒸汽管線127到達(dá)蒸汽輪機(jī)112。直接或通過減速器與蒸汽輪機(jī)112的旋轉(zhuǎn)軸連接的發(fā)電機(jī)113被開動以發(fā)電。供應(yīng)到蒸汽輪機(jī)112中的水蒸汽可以包括來自傳熱管41、42中的水蒸汽。
圖12示出了用于綜合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的本發(fā)明的另一集成氣化爐方案。
當(dāng)燃料具有相對高的熱值，如煤時，有可能將溫度提高到足以熔化—在造渣燃燒爐內(nèi)未實現(xiàn)完全燃燒的—飛灰的溫度。因此，在這方案中，用能產(chǎn)生氣體的造渣氣化爐60取代造渣燃燒爐54是有效的。造渣氣化爐可以優(yōu)選為允許氣體和爐渣向下流動的氣化爐，用氣體的熱量加熱爐渣，并將氣體導(dǎo)入水中以急冷氣體，同時防止?fàn)t渣由于冷卻而損失流動性。生產(chǎn)的氣體幾乎不含氯，可以用作化學(xué)品的粗原料也可以作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料。與圖11所示方案一樣，在圖12所示方案中，燃?xì)廨啓C(jī)55與頂部燃燒器53連接，提供空氣壓縮機(jī)56和廢熱鍋爐58。與圖11所示方案一樣，進(jìn)一步使用蒸汽輪機(jī)112和發(fā)電機(jī)113以回收能量。
以下參照圖13描述本發(fā)明常壓型集成氣化爐(常壓ICFG)與發(fā)電裝置結(jié)合的方案。該方案的系統(tǒng)稱之為ICFG綜合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。例如，如圖1所述的集成氣化室101中的氣化室1與生成氣體管線121連接以輸送生成氣體，在管線121上依次提供生成氣體冷卻器102、焦炭收集器103。導(dǎo)管122連接到焦炭收集器103下部，使收集的焦炭返回焦炭燃燒室2。焦炭收集器103與導(dǎo)管123連接以將已經(jīng)分離出焦炭而得以凈化的生成氣體導(dǎo)入燃?xì)廨啓C(jī)單元的燃燒室105。生成氣體壓縮機(jī)104連接到導(dǎo)管123上，用于將氣化爐中在常壓下生成的壓力幾乎等于一個大氣壓的常壓的氣體壓力提高到燃?xì)廨啓C(jī)106所需的壓力。壓縮機(jī)104可以是往復(fù)式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)，這取決于流量和氣體的排出壓力。因為要被壓縮的氣體是在氣化爐中生成的氣體，即相對少量的高熱值燃料，壓縮機(jī)104的能量升高不多。
在該方案中，作為第一能量回收裝置的燃?xì)廨啓C(jī)單元109僅使用來自氣化室1的高熱值生成氣體，不使用來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體。也就是說，生成氣體不與來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體混合，不用于加熱燃燒氣體，但作為燃料獨(dú)立于燃燒氣體被導(dǎo)入第一能量回收裝置。
空氣壓縮機(jī)107直接連接到燃?xì)廨啓C(jī)106的旋轉(zhuǎn)軸上。由空氣壓縮機(jī)107供應(yīng)的空氣以及由壓縮機(jī)104壓縮的生成氣體在燃燒器105中燃燒，在約1200℃的高溫下產(chǎn)生燃燒氣體并被供應(yīng)到燃?xì)廨啓C(jī)106中用于發(fā)電。發(fā)電機(jī)108的旋轉(zhuǎn)軸直接或經(jīng)過減速器連接到燃?xì)廨啓C(jī)106的旋轉(zhuǎn)軸上以電能的形式回收能量。來自燃?xì)廨啓C(jī)106的燃燒氣體(廢氣)經(jīng)管線125排放。
另一方面，來自焦炭燃燒室2和熱量回收室3的燃燒氣體(廢氣)具有要回收的顯熱，但不具有作為燃料的熱值和可作為能量回收的壓力。燃燒氣體經(jīng)管線124排放。管線124、125合并成管線126，并與廢熱鍋爐111連接。廢熱鍋爐111利用廢氣的熱量產(chǎn)生水蒸汽，產(chǎn)生的水蒸汽經(jīng)水蒸汽管線127導(dǎo)入蒸汽輪機(jī)112。發(fā)電機(jī)113的旋轉(zhuǎn)軸與蒸汽輪機(jī)112的旋轉(zhuǎn)軸直接或通過減速器連接，以電能的形式回收能量。
已在廢熱鍋爐111中被回收了熱量的低溫燃燒氣體(廢氣)流經(jīng)管線128，經(jīng)至少一個脫硫器、脫硝器、除塵器凈化，然后從煙囪中115排放。
如圖15所示，集成氣化爐10或101可以連接到一個已有的鍋爐131上而不是新的廢氣(廢熱)鍋爐111。已有鍋爐所需燃料量與由集成氣化爐101供應(yīng)的生成氣體和燃燒氣體的量之間的差可以通過燃料供應(yīng)管線132供應(yīng)額外的燃料，如粉煤等來補(bǔ)償。這樣，有可能提供一種從生成氣體回收能量的設(shè)備，并從廢氣中廉價地回收能量。有了這種結(jié)構(gòu)，相對于所生產(chǎn)的電能，排放相對大量CO2氣體的已有鍋爐可以轉(zhuǎn)化為一個高效系統(tǒng)。這是給已有鍋爐的重新匹配動力。
在上述方案中，燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)106用作能量回收裝置。然而，也可以應(yīng)用使用氣體燃料的柴油機(jī)，這取決于作為燃料的生成氣體量。
在以下參照圖14描述本發(fā)明加壓型集成氣化爐與能量回收裝置結(jié)合的一種方案。按照這一方案，盡管圖13所示常壓型集成氣化爐基本上是在常壓下操作，集成氣化爐10設(shè)置在壓力容器50中，在高于大氣壓下操作。這一特征與圖11所示集成氣化爐的相同。因為氣化爐1保持在壓力下，不需氣體壓縮機(jī)104來將生成氣體輸送到燃?xì)廨啓C(jī)單元109，這一點(diǎn)與圖13所示方案不同。因此，在管線123中沒有氣體壓縮機(jī)104。然而，如果燃?xì)廨啓C(jī)包括標(biāo)準(zhǔn)型燃?xì)廨啓C(jī)，其操作壓力高于加壓型集成氣化爐，則氣體壓縮機(jī)用于提高壓力以補(bǔ)償壓差。這一氣體壓縮機(jī)的壓縮比可以低于圖13所示的情況。
因為來自焦炭燃燒室2的燃燒氣體的壓力高于大氣壓，燃燒氣體經(jīng)管線124導(dǎo)入如陶瓷過濾器等的集塵器110。燃燒氣體通過集塵器110凈化后，壓縮氣體被供應(yīng)到作為第二能量回收裝置的能量回收渦輪機(jī)141中?；厥漳芰康臏u輪機(jī)141與普通燃?xì)廨啓C(jī)單元中的燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)相同?？諝鈮嚎s機(jī)(通常是軸流空氣壓縮機(jī))142與能量回收渦輪機(jī)141的旋轉(zhuǎn)軸直接連接。來自壓縮機(jī)142的壓縮空氣用作焦炭燃燒室2和熱量回收室3中的流化空氣。發(fā)電機(jī)143與能量回收渦輪機(jī)141的旋轉(zhuǎn)軸直接或通過減速器連接用于發(fā)電。
已經(jīng)利用能量回收渦輪機(jī)141從其中回收了壓力能的廢氣經(jīng)管線131排放，并與經(jīng)管線125燃?xì)廨啓C(jī)106的廢氣合并，被導(dǎo)入廢熱鍋爐111。圖14所示方案中的其它細(xì)節(jié)與圖13所示方案相同，在這里不再描述。
如圖16所示，圖14所示廢氣鍋爐111可以包括使用如粉煤作為燃料的已有鍋爐。圖16所示方案與圖14所示方案之間的相互關(guān)系與圖15所示方案與圖13所示方案之間的相互關(guān)系相同。
按照本發(fā)明，如上所述，因為氣化室中的燃料在由來自焦炭燃燒室的高溫流化介質(zhì)形成的流化床中氣化，從氣化室中排出的氣體幾乎是只由燃料生成的氣體或者是燃料生成氣體和氣化室流化氣體的混合氣體，因此，具有高的熱值。因為焦炭燃燒氣體與生成氣體不相互混合，可以獲得高熱值的氣體，通過能量回收裝置可以從生成氣體中回收能量如電能。
有可能容易地獲得與焦炭燃燒氣體混合的高溫氣體，并將其導(dǎo)入能量回收裝置，通常是如燃?xì)廨啓C(jī)的能量回收裝置，以提高如發(fā)電等的能量回收效率。即使是燃料是任何含有很不相同的比率的揮發(fā)性組分的各種燃料，因為焦炭燃燒室和氣化室的溫度易于控制，不需對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)就可以使用燃料。
即使使用如城市垃圾的含氯燃料，燃料中的大部分氯在氣化室里排入了氣體中，不會留在流入焦炭燃燒室的焦炭中。因此，焦炭燃燒室和熱量回收室的氣體中的氯濃度保持在相當(dāng)?shù)偷乃?。即使?dāng)熱量回收室中的淹沒管用作過熱管以回收高溫蒸汽，不會有熱腐蝕的危險。因此，高溫蒸汽回收和能量回收裝置一起可以高效地回收能量。
對于氣化和燃燒包括煤、城市垃圾等在內(nèi)的燃料并回收能量系統(tǒng)，本發(fā)明是有益的。
權(quán)利要求
1.一種氣化爐，其具有用于熱解和氣化燃料以制得可燃?xì)怏w和焦炭的氣化室，其特征在于流化介質(zhì)被流化以形成具有一個界面的流化床；在所述氣化室內(nèi)產(chǎn)生流化介質(zhì)的內(nèi)部旋流；所述流化介質(zhì)在低于所述流化床的所述界面的位置處從所述氣化室退回；和所述流化介質(zhì)在低于所述界面的位置處返回到所述氣化室中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氣化爐，其特征在于，所述位置位于所述氣化爐的密相床層的上表面的下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的氣化爐，其特征在于，所述位置位于所述氣化爐的爐底附近。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一的氣化爐，其特征在于，所述退回的流化介質(zhì)與焦炭一起供給至所述焦炭燃燒室中，且所述焦炭在所述焦炭燃燒室中燃燒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一的氣化爐，其特征在于，在所述氣化室中形成強(qiáng)流化區(qū)和弱流化區(qū)，以在所述氣化室內(nèi)產(chǎn)生流化介質(zhì)的內(nèi)部旋流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一的氣化爐，其特征在于，在所述氣化室中有一沉降氣化室，且所述流化介質(zhì)在通過該沉降氣化室后從所述氣化室退回。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5的氣化爐，其特征在于，在所述焦炭燃燒室中有一沉降焦炭燃燒室，且所述退回的流化介質(zhì)在通過該沉降焦炭燃燒室后返回到所述氣化室中。
8.根據(jù)權(quán)利要求4-7之一的氣化爐，其特征在于，在所述焦炭燃燒室中形成所述流化介質(zhì)的內(nèi)部旋流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的氣化爐，其特征在于，所述流化介質(zhì)在低于所述流化床的所述界面的位置處從所述焦炭燃燒室退回；和所述流化介質(zhì)在低于所述界面的位置處返回到所述焦炭燃燒室中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一的氣化爐，其特征在于，在所述流化床的上方有可燃材料供給口以向所述流化床供給可燃材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10之一的氣化爐，其特征在于，提供一個不可燃材料排出口以排出包含在來自所述氣化爐的所述可燃材料中的不可燃材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-9之一的氣化爐，其特征在于，提供一熱回收室以從所述流化介質(zhì)中回收熱量。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-12之一的氣化爐，其特征在于，向所述氣化室供給包含具有非氧分子的氣化劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13之一的氣化爐，其特征在于，向所述焦炭氣化室供給含有氧分子的氧化劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14之一的氣化爐，其特征在于，提供一燃料供給口以將輔助燃料供給至所述焦炭燃燒室中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15之一的氣化爐，其特征在于，將從所述氣化室排出的所述可燃?xì)怏w和所述焦炭引入至造渣爐中，且包含在所述可燃?xì)怏w和所述焦炭中的灰分在所述造渣爐中熔融。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16之一的氣化爐，其特征在于，從由所述焦炭燃燒室排出的廢氣中回收灰分，且將所回收的灰分引入至所述造渣爐中。
18.一種用于熱解和氣化燃料的氣化方法，其特征在于，將燃料供給至流化床氣化室中；使所述燃料熱解和氣化以產(chǎn)生可燃?xì)怏w和焦炭；通過流化介質(zhì)的內(nèi)部旋流使所產(chǎn)生的焦炭沉降；從所述氣化室排出所沉降的焦炭和流化介質(zhì)；在有從所述氣化室排出的所述流化介質(zhì)存在的情況下燃燒所述焦炭；和在所述焦炭燃燒后，在所述氣化室的所述流化床的界面之下的位置處將所述流化介質(zhì)返回到所述氣化室。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的氣化方法，其特征在于，所述位置位于所述氣化室的密相床層的上表面的下方。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19的氣化方法，其特征在于，所述位置位于所述氣化爐的爐底附近。
21.根據(jù)權(quán)利要求18-20之一的氣化方法，其特征在于，在所述焦炭燃燒時，提供輔助燃料以加熱所述流化介質(zhì)。
22.根據(jù)權(quán)利要求18-21之一的氣化方法，其特征在于，所述熱解和氣化燃料的步驟是通過使用含有非氧分子的氣體作為氣化劑而實施。
23.根據(jù)權(quán)利要求18-22之一的氣化方法，其特征在于，所述燃燒焦炭的步驟是通過使用含有氧分子的氣體而實施。
24.根據(jù)權(quán)利要求18-23之一的氣化方法，其特征在于，通過在至少兩個區(qū)域改變流化氣體的速度而形成流化介質(zhì)的所述內(nèi)部旋流。
25.根據(jù)權(quán)利要求18-24之一的氣化方法，其特征在于，從所述氣化室排出所沉降的焦炭和流化介質(zhì)的步驟是在所述氣化室中所述流化床的弱流化區(qū)實施。
26.根據(jù)權(quán)利要求18-25之一的氣化方法，其特征在于，將所述流化介質(zhì)返回至所述氣化室的步驟是在所述氣化室中所述流化床的強(qiáng)流化區(qū)實施。
27.根據(jù)權(quán)利要求18-26之一的氣化方法，其特征在于，所述熱解和氣化燃料的步驟是在高于大氣壓的壓力下實施。
28.一種氣化爐，其具有用于熱解和氣化燃料以產(chǎn)生可燃?xì)怏w和焦炭的氣化室、和用于燃燒從所述氣化室供給的焦炭的焦炭燃燒室，其特征在于所述氣化室和所述焦炭燃燒室在所述流化床的界面之上由一隔板相互隔開；所述氣化室和所述焦炭燃燒室的至少之一是由另一個隔板隔開以至于形成沉降氣化室和沉降焦炭燃燒室的至少之一；所述第一隔板具有開口，該開口允許從所述氣化室和所述焦炭燃燒室進(jìn)入的流化介質(zhì)越過所述另一隔板到達(dá)所述沉降氣化室或所述沉降焦炭燃燒室，而從中通過；且所述沉降氣化室或所述沉降焦炭燃燒室的爐底向所述開口傾斜。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的氣化爐，其特征在于，所述隔板的下端浸沒在密相床層中。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29的氣化爐，其特征在于，所述另一個隔板延伸至爐底。
31.根據(jù)權(quán)利要求28至30之一的氣化爐，其特征在于，所述另一個隔板具有高于密相床層的上表面的高度。
32.根據(jù)權(quán)利要求28至31之一的氣化爐，其特征在于，在流化床中形成流化介質(zhì)的向上流，該流化床與另一個隔板的面向所述沉降氣化室或所述沉降焦炭燃燒室的表面的相反面接觸。
33.根據(jù)權(quán)利要求28至32之一的氣化爐，其特征在于，流化氣體被供給至所述沉降氣化室或所述沉降焦炭燃燒室。
34.根據(jù)權(quán)利要求28至33之一的氣化爐，其特征在于，所述開口處于爐底附近。
35.根據(jù)權(quán)利要求28至34之一的氣化爐，其特征在于，在所述氣化室和所述焦炭燃燒室的至少之一中形成流化介質(zhì)的內(nèi)部旋流。
36.根據(jù)權(quán)利要求28至35之一的氣化爐，其特征在于，所述氣化室的爐底向不可燃材料排出口傾斜。
37.根據(jù)權(quán)利要求28至36之一的氣化爐，其特征在于，在所述氣化室或所述焦炭燃燒室中從所述隔板的所述開口之下的位置供給到所述隔板的所述開口附近的位置的流化氣體的速度，高于供給到所述沉降氣化室或所述沉降焦炭燃燒室的流化氣體的速度。
38.一種氣化爐，其具有用于熱解和氣化燃料以產(chǎn)生可燃?xì)怏w和焦炭的氣化室，和用于燃燒從所述氣化室供給的焦炭的焦炭燃燒室，其特征在于所述氣化室和所述焦炭燃燒室是由流化床的界面上方的隔板相互隔開；所述隔板具有允許流化介質(zhì)從所述氣化室流到所述焦炭燃燒室的一個開口，和允許流化介質(zhì)從所述焦炭燃燒室流到所述氣化室的另一個開口；在所述氣化室下面具有一氣體擴(kuò)散器以將流化氣體供給至所述氣化室的、允許流化介質(zhì)從所述氣化室流到所述焦炭燃燒室的所述開口附近的一位置處，所述流化氣體的速度是低于供給至在所述焦炭燃燒室中所述開口附近的一位置處的流化氣體的速度；和在所述焦炭燃燒室下面具有一氣體擴(kuò)散器以將流化氣體供給至所述焦炭燃燒室的、允許流化介質(zhì)從所述焦炭燃燒室流到所述氣化室的所述開口附近的一位置處，所述流化氣體的速度是低于供給至在所述氣化室中所述開口附近的一位置處的流化氣體的速度。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的氣化爐，其特征在于，所述隔板的下端浸沒在密相床層中。
40.根據(jù)權(quán)利要求38或39的氣化爐，其特征在于，在所述氣化室和所述焦炭燃燒室的至少之一中形成流化介質(zhì)的內(nèi)部旋流。
41.根據(jù)權(quán)利要求38至40之一的氣化爐，其特征在于，所述氣化室的爐底向不可燃材料排出口傾斜。
42.根據(jù)權(quán)利要求38至41之一的氣化爐，其特征在于，所述速度是流化速度。
全文摘要
一種集成氣化爐包括氣化室(1)，用于氣化其中的流化介質(zhì)以形成具有界面的氣化室流化床，焦炭燃燒室(2)，用于燃燒在氣化室中氣化生成的焦炭，并加熱流化介質(zhì)以形成類似的具有界面的流化床，和能量回收裝置(3)，其中，(1)和(2)整體構(gòu)建，并由在流化床界面垂直上方的位置的隔板隔開，并且，在隔板的下部提供連通(1)和(2)開孔，由此，在(2)中被加熱的流化介質(zhì)經(jīng)此開口從(2)流入(1)。上述設(shè)置消除了對氣化爐與焦炭燃燒爐之間的壓力平衡控制和機(jī)械流化介質(zhì)處理裝置的需求，確保了質(zhì)量優(yōu)異的生成氣體的穩(wěn)定供應(yīng)，并提供了能高效地回收能量的燃料氣化方法。即使使用含有氯的可燃廢物材料作為燃料，也能使蒸汽過熱器(管)的腐蝕最低化，并高效地發(fā)電。
文檔編號C10J3/54GK1515654SQ20031010135
公開日2004年7月28日 申請日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月18日
發(fā)明者三好敬久, 豐田誠一郎, 細(xì)田修吾, 鹿嶌信孝, 成瀨克利, 青木克行, 關(guān)川真司, 永東秀一, 橋本裕, 一, 一郎, 利, 司, 吾, 孝, 行 申請人:株式會社荏原制作所