用于使含碳固體氣化的設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于使含碳固體氣化的方法和設(shè)備，其中在第一方法步驟中固體 在氣化期間至少部分地轉(zhuǎn)化為CO和H 2，在第二方法步驟中分離含水流，并且在第三方法步 驟中將在第二方法步驟中獲得的含水流經(jīng)歷水凈化。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣化稱為化學-物理過程，在該化學-物理過程中固體物質(zhì)的至少一部分轉(zhuǎn)移至 氣態(tài)最終產(chǎn)物中。氣態(tài)的最終產(chǎn)物是主要由一氧化碳（CO)和氫（H 2)組成的混合物。許多 迄今為止僅不完全地了解的反應(yīng)同時進行。實際的氣化由固體的放熱燃燒實現(xiàn)。該反應(yīng)的 產(chǎn)物可與固體和另外引導的蒸汽進一步反應(yīng)或彼此之間進行反應(yīng)。除燃燒反應(yīng)外，所有基 本反應(yīng)為平衡反應(yīng)，使得轉(zhuǎn)化也能夠以逆向進行。在煤氣化反應(yīng)中比較高的溫度（600至 1600°C)下，產(chǎn)物氣體的組分通常非常接近平衡。
[0003] 原則上，已知三種不同類型的用于固體氣化的方法：在流化床中的氣化、在由固體 構(gòu)成的固定床中的氣化和最后在氣流床反應(yīng)器中的氣化。
[0004] 不管如何實現(xiàn)氣化反應(yīng)，隨后都必須凈化所述方法中獲得的合成氣體CO和H2。由 于在反應(yīng)期間需要蒸汽作為離析物并且水為可能的反應(yīng)產(chǎn)物之一，所以尤其必須從氣體流 除去水。
[0005] 在分離的水流中含有諸如固體、氨、酚類化合物等其它雜質(zhì)，使得水流必須被凈 化。
[0006] 例如從DE 41 07 109Cl中已知這種方法。使用含有氧和蒸汽的氣化介質(zhì)在10 至100巴的范圍內(nèi)的壓力下使固體燃料氣化以產(chǎn)生粗煤氣（raw gas)。來自氣化器的粗 煤氣冷卻到20至200°C的溫度，由此獲得富含水的冷凝物。使冷凝物分離并至少部分地蒸 發(fā)，其中分別取出冷凝物蒸汽和含鹽的鹵水。燃燒含鹽的鹵水，將冷凝物蒸汽部分地加入至 經(jīng)凈化的粗煤氣。
[0007] DE 35 15 484描述了在充有循環(huán)水的洗滌器-冷卻器中冷卻在產(chǎn)物氣體的逐步 冷卻時獲得冷凝物，由此將大部分鹵素洗出。具有在120至220°C的溫度的用過的洗滌水膨 脹至較低壓力，由此獲得閃蒸蒸汽和液相。排出幾乎沒有鹵素的閃蒸蒸汽，使大部分液相再 次進入洗滌器-冷卻器，并且將殘留液相供給到處置裝置。
[0008] DE 32 07 779 Al描述了使從合成氣體獲得的冷凝物膨脹并且供給到分離機件， 從該分離機件取出主要由水組成的冷凝相。在冷凝相用于冷卻粗煤氣流之前，冷凝相與較 冷的氣體直接接觸而冷卻。受熱的、含有蒸汽的冷卻氣體供給至燃燒器且例如用于加熱反 應(yīng)器。
[0009] DD 147679描述了大體由水組成的流的再循環(huán)，所述流源于水流旋流器，在該水 流旋流器中從固體含量低的流分離固體含量高的流。固體含量低的溢流流（overflow stream)與氣化器的離析物流混合并用作反應(yīng)中所需的蒸汽的源。固體含量高的底流流 (underflow stream)在大氣壓力下蒸餾以進一步凈化。
[0010] 最后，GB 2 198 744 A描述了固定床中的煤氣化，在所述固定床中，在氣體分離之 后廢水流引導至蒸發(fā)機件中。氣態(tài)成分從所述蒸發(fā)機件再循環(huán)至作為氣化介質(zhì)的反應(yīng)器 中。
[0011] 另外，從完全不同的方法中已知部分地含有大部分固體的水流的再循環(huán)。例如，US 5, 586, 510描述在回轉(zhuǎn)爐中生產(chǎn)水泥，在回轉(zhuǎn)爐中在水泥生產(chǎn)時所獲得的淤泥再循環(huán)至回 轉(zhuǎn)爐中，在回轉(zhuǎn)爐中霧化/原子化并且燃燒。
[0012] 所有所述方法的共同之處是大量廢水不能在方法中進一步利用。因此，需要昂貴 和高成本的廢水后處理裝置以便處理一個或多個流，使得在處置期間遵守環(huán)境標準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 因此，本發(fā)明的目的是減少固體氣化時產(chǎn)生的廢水。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明，通過具有權(quán)利要求1的特征的方法實現(xiàn)該目的。含碳固體物質(zhì)在存 在氧和蒸汽的情況下氣化并至少部分地轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫。然后，所產(chǎn)生的氣體混合物 供給至分離裝置，在分離裝置中從氣態(tài)部分分離液態(tài)部分，由此獲得所謂的粗煤氣流和含 水流。最后含水液體流經(jīng)歷水凈化。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，實現(xiàn)水凈化以獲得不同純度的三個流。第一流的純度最高，幾乎僅由 水組成，并具有以下組分：
[0016] 表1 :第一流中包含的物質(zhì)
[0017]
[0018] 因此，該流適合用于蒸汽發(fā)生。當該流未達到這些極限值時，第一流可用作設(shè)備內(nèi) 部的冷卻水。
[0019] 第二流具有中等純度。
[0020] 表2:第二流中包含的物質(zhì)
[0021]
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的方法提供了這三個流中的每個流的再循環(huán)。將具有最高純度的水流 供給至蒸汽發(fā)生器的進水口；將具有中等純度的水流供給至氣化反應(yīng)器中所獲得的灰燼的 另外的處理裝置；和/或具有最低純度的并且固體含量高的水流引導回氣化反應(yīng)器中。
[0026] 特別有利的是，所有三個流在氣化單元本身的內(nèi)部再循環(huán)。在該方法中所獲得的 廢水的量不僅可大大減小，而是實際上可完全地降至零。
[0027] 同時，具有中等純度和最低純度的流也能共同地再循環(huán)至氣化區(qū)中，由此可實現(xiàn) 所包含的有機成分的特別高的利用率。
[0028] 在某種程度上，第一流的純度未達到蒸汽發(fā)生所需的純度。在pH值相同的情況 下，它的組分與表1所示的濃度相比，各個成分的濃度為三倍，個別甚至為六倍。具有該組 分的流可在工藝的任意位置用作冷卻水流而所述冷卻水不會蒸發(fā)或可加入至氣化設(shè)備的 冷卻塔。
[0029] 在本發(fā)明的一個有利的方面，通過在第一步驟中具有最低純度的流由傾析來分 離?？梢岳缤ㄟ^蒸發(fā)進一步地降低含水量。在第二步驟中，隨后剩余流供給至反滲透裝 置。反滲透是用于濃縮溶解在液體中的物質(zhì)的物理過程，在反滲透中利用壓力將自然滲透 過程反向。特定物質(zhì)的濃度應(yīng)該降低的介質(zhì)由半滲透膜與所述濃度應(yīng)該提高的介質(zhì)分離。 在本實例的情況下，進入的水流中固體的濃度應(yīng)該降低且在具有最低純度的離開流中應(yīng)該 提高。濃度應(yīng)該提高的介質(zhì)暴露于必須比由濃度均衡所需的滲透而獲得的壓力高的壓力。 這導致顆粒與傳播方向相反地迀移。在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選得到的經(jīng)凈化的第一流再次 經(jīng)歷第二次反滲透，以便獲得具有最高純度的流和具有中等純度的流。
[0030] 也可通過位于反滲透裝置上游的離子交換器來獲得具有中等純度的流的一部分。 隨后將來自離子交換器和反滲透裝置的具有中等純度的兩個部分流混合。
[0031] 在分離三個流之前和/或在分離具有最低純度的流一一其含水量低于89wt_%、 優(yōu)選低于50wt_%且特別優(yōu)選低于30wt_% -一與反滲透裝置之間，可提供更多凈化步驟， 例如脫氮、硝化和/或有機化合物的除去。
[0032] 脫氮應(yīng)理解為通過粘附于膜的特定非自養(yǎng)細菌和一些自養(yǎng)細菌將硝酸鹽（NO3 ) 中的氮轉(zhuǎn)化為氮分子（N2)。在利用細菌來產(chǎn)生能量的該過程中，在不存在氧分子（O2)的情 況下（缺氧狀況）使用硝酸鹽作為氧化劑（氧化劑）來使諸如有機物質(zhì)、硫化氫（H 2S)和 氫分子（H2)的各種可氧化物質(zhì)（電子施主）氧化。
[0033] 硝化表示氨（NH3)細菌氧化為硝酸鹽（NO3)。它由兩個連結(jié)的局部過程組成：在第 一局部過程中，使氨氧化為亞硝酸鹽，該亞硝酸鹽在第二局部過程中氧化為硝酸鹽。
[0034] 優(yōu)選通過在無氧環(huán)境中使用細菌進行的厭氧處理來實現(xiàn)有機化合物的除去。
[0035] 此外，發(fā)現(xiàn)有利的是將用于氣化過程的蒸汽供給系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸 汽例如用于預(yù)熱例如蒸餾過程中的離析物和/或?qū)⒄羝糜诋a(chǎn)生例如用于運轉(zhuǎn)渦輪機的 電能。因而，可以降低所述方法對水的需求。有利地，蒸汽發(fā)生器經(jīng)由將所產(chǎn)生的蒸汽引導 至下游渦輪機的管道連接至下游渦輪機。
[0036] 特別地，當在固定床反應(yīng)器中實現(xiàn)氣化時，應(yīng)該沖掉在固定床反應(yīng)器中獲得的灰 燼。為此，根據(jù)本發(fā)明的一個方案，使用具有中等純度的水流。
[0037] 在固定床氣化中，該灰燼通過諸如煤或生物質(zhì)之類的含碳固體的反應(yīng)獲得并且經(jīng) 設(shè)置在固定床的底部區(qū)域內(nèi)的格柵落下。為了進一步輸送灰燼，引入水并因此沖掉灰燼。
[0038] 在于流化床中執(zhí)行的氣化過程中，發(fā)現(xiàn)特別有利的是還使中等純度的流再循環(huán)至 反應(yīng)器中。
[0039] 在氣流床氣化中，推薦的是使具有中等純度的流與作為漿狀物引導至反應(yīng)器中的 離析物混合和/或在急冷后與渣/廢水流混合。
[0040] 此外，可能有必要使具有最高純度的水流和/或中等純度的水流在再循環(huán)至蒸汽 發(fā)生器或另一灰燼處理裝置中之前經(jīng)歷進一步凈化。這種進一步凈化提供用于即使在大量 污物由所使用的固體起始材料引導至該過程中時仍可大量地使廢水流再循環(huán)。
[0041] 用于進一步凈化的可能的過程可以是諸如芬頓反應(yīng)（使用通過鐵鹽催化的酸性 介質(zhì)中的過氧化氫使有機基質(zhì)氧化）、臭氧化（通過引導入臭氧消毒）、使用活性炭（作為 吸附劑）和/或添加氫氧化鈣（用于通過離子交換降低水硬度）的化學過程。也可設(shè)想使 用其它沉淀劑或凝結(jié)劑。此外，還可使用分離器和/或污水處理設(shè)備。
[0042] 此外，本發(fā)明的一個有利的方面提供了固體在固定床中氣化。
[0043] 在固定床氣化中，發(fā)現(xiàn)有利的是將具有最低純度的水流引導至固定床上方，其中 盡可能精細分布地噴射該流。
[0044] 當使用氣流床反應(yīng)器時，可設(shè)想將具有最低純度的水流經(jīng)由供給管道直接進給至 燃燒器火焰中。在流化床反應(yīng)器中，還應(yīng)該考慮流化床上方的霧化。當燃料在氣流床氣化 中作為漿狀物供給時，推薦的是流在進入反應(yīng)器區(qū)域之前與該漿狀物混合。
[0045] 作為固體物質(zhì)，一方面可使用煤。煤氣化過程已實施數(shù)十年。另一方面，生物質(zhì)也 可用作原始材料，由此可將可再生的原材料轉(zhuǎn)化為合成氣體。特別地，在生物質(zhì)氣化時上述 過程很重要，因為大部分不可燃燒的材料通過水流排出。
[0046] 本發(fā)明還包括一種具有權(quán)利要求9的特征的用于使含碳固體物質(zhì)氣化的設(shè)備。相 應(yīng)地，該設(shè)備包括氣化反應(yīng)器、分離裝置和水凈化裝置，在所述氣化反應(yīng)器中固體至少部分 地轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫，在所述分離裝置中從液態(tài)水流分離粗煤氣，在所述水凈化裝置中 凈化在分離裝置中獲得的液態(tài)水流。在水凈化時，水分離成具有不同