直接燃烧加热方法和用于执行它的设备的制造方法
直接燃烧加热方法和用于执行它的设备的制造方法
【专利说明】直接燃烧加热方法和用于执行它的设备
[0001] 本发明涉及工业加热方法，其中将原料引入炉中并通过使燃料在炉中燃烧而加 热。
[0002] 这类工业加热方法为例如：
[0003] -玻璃化，例如玻璃的熔融，
[0004] -金属的熔融，例如金属的二次熔融，和
[0005] -金属的再加热。
[0006] 加热方法可以为连续或分批的。
[0007] 工业加热方法通常采用化石来源的燃料，例如天然气、燃料油或煤。
[0008] 燃烧可以为用空气燃烧或者用具有比空气更大的氧含量的氧化剂如富含氧气的 空气或者基本纯氧气燃烧。用比空气更富含氧气的氧化剂燃烧以富氧燃烧（oxy-combustion)名称已知。
[0009]富氧燃烧相对于用空气燃烧(也称为空气燃烧)具有大量优点：
[0010] -NOx排放减少，
[0011] -产生的烟道气的体积降低，
[0012] -燃料消耗量以及因此化石来源的C02排放减少。
[0013] 然而，当富氧燃烧与能够通过从由燃烧产生的烟道气中回收热而将燃烧空气预热 的空气燃烧方法相比时，燃料消耗量的这一降低是有限的。
[0014] 为改进富氧燃烧的经济性能，通过以下措施进行了降低燃料消耗量的尝试：
[0015] -富氧燃料燃烧器的类型和设计，
[0016] -燃烧室的设计，特别是能够降低炉出口处烟道气的温度、降低热消耗等，
[0017] -通过从产生的烟道气中回收热而将氧化剂和/或燃料预热。
[0018] 然而，这些技术较快地达到最高限度，且富氧燃烧的最有效方法与用预热空气的 最有效燃烧方法之间的差别保持为小的。这限制了富氧燃烧在工业加热方法中的市场。
[0019] US-A-20090011290描述了热化学回收方法。根据该方法，由燃烧炉产生的一部分 烟道气用作用于将燃料重整的反应物。重整的燃料在燃烧炉中燃烧。在用作用于重整的反 应物以前，由炉产生的烟道气在将其引入燃烧炉中的上游的同流换热器中作为换热流体用 于将燃烧氧化剂和重整燃料预热。
[0020] 烟道气在同流换热器中将燃料和燃料氧化剂预热的这一用途在工业装置中仅在 烟道气贫含能够沉积在同流换热器壁上的污染物(可冷凝材料)时是可能的。
[0021] EP-A-1 143 200公开了在炉，例如玻璃熔炉中的燃烧方法，其中使用由吸热化学 反应产生的合成产物如合成气体或合成气作为燃料。所述合成产物的制备在两个再生器中 进行，所述再生器交替地操作并由来自不同于合成产物在其中用作燃料的炉的来源的烟道 气加热。
[0022] 这是因为由玻璃熔炉产生的烟道气重度载有可冷凝材料。烟道气的所述其它来源 可以为产生较干净烟道气的工业场所的另一装置，或者用于燃料与空气燃烧的装置，尤其 提供用于制备用于加热两个再生器的热烟道气。
[0023]如果在炉附近存在产生较干净烟道气的装置，则可预期第一方案，并且在这种情 况下，炉中燃烧方法的使用取决于该另一装置的同时操作。第二方案要求另一燃烧装置的 建造和操作，这是特别昂贵的。
[0024] 在任何情况下，EP-A-1 143 200所述方法不会显著改进炉的能量平衡，只要所述 方法取决于另外的外部热能源。
[0025] 本发明在高温工业加热方法中降低燃料消耗量和降低化石来源的C02排放的技术 方面做出。本发明的目的是克服，至少部分地克服与上述已知方法有关的问题。
[0026] 本发明特别涵盖直接点火加热方法。
[0027]根据该方法，将待加热原料引入炉中。使燃料在炉中与氧化剂燃烧。原料在炉 (300)中用通过该燃烧产生的热加热并将经加热原料从炉中排出。还将由燃烧产生的烟道 气从炉中排出，这些排出的烟道气包含在炉中未被原料吸收的残余热能。
[0028] 根据该方法，还在合成反应器中制备合成气，这通过反应物之间的吸热化学反应 实现，所述反应物包括一方面碳基材料，另一方面蒸汽（102)和/或C0 2。为此，合成反应器包 含至少一个反应区，将反应物引入其中，在其中进行吸热化学反应并从中提取产生的合成 气。
[0029] 根据本发明，从排出的烟道气中回收残余热能并将至少一部分回收的残余热能引 入合成反应器中，在那里，该至少一部分回收的残余热能通过上述吸热化学反应消耗。
[0030] 将通过反应产生的至少一部分合成气引入炉中，适当在炉中燃烧的至少一部分燃 料为由合成反应器产生的合成气。
[0031] 因此，本发明使得可通过用烟道气回收从炉中排出的至少一部分残余能量，通过 在合成气的合成中使用回收的至少一部分残余能量以及通过使用产生的至少一部分合成 气作为燃料在炉中产生热而改进方法的能量效率。
[0032] 根据一个具体实施方案，合成反应器不仅包含至少一个反应区，而且包含至少一 个加热室，将回收的至少一部分残余能量引入所述加热室中。
[0033] 在这种情况下，至少一个加热室相对于至少一个反应区布置，使得回收的热能通 过将反应区与加热室分离的分隔壁从加热室传送至反应区。
[0034] 各反应区例如由相邻加热室围绕或者位于2个相邻加热室之间。根据一个有利实 施方案，合成反应器（1〇〇)具有包含交替的加热室和反应区的层状结构:加热室，其后反应 区，其后加热室，等。所述加热室和所述反应区则位于2个连续板之间。
[0035] 根据一个特别有利的实施方案，关于反应器中产生的合成气，进行另外的热能回 收。
[0036] 为此，使在合成反应结束时得到的热合成气在位于合成反应器内部的加热室(称 为另一加热室）中循环，使得来自产生的合成气的至少一部分热转移至至少一个反应区。所 述转移也通过将另一加热室与至少一个反应区分离的分隔壁进行。
[0037] 本发明这一实施方案特别用于其中在合成气作为燃料用于炉中以前从合成气中 提取水的情况(参见下文）。
[0038] 根据一个具体实施方案，热能通过将一个或多个排出的烟道气料流作为热能来源 引入所述至少一个室中而引入至少一个加热室中。
[0039] 该实施方案在排出的烟道气包含很少或者不包含粉尘且包含很少或者不包含可 能沉积在加热室的内部或者可能在室中流行的温度下，特别是在与反应区的分隔壁处冷凝 的挥发性物质时是特别有用的。
[0040] 原则上可预期在将一个或多个排出的烟道气料流引入加热室中以前在高温下从 排出的烟道气中除去粉尘，但该粉尘脱除方法通常是昂贵的。
[0041] 根据本发明一个实施方案，热能通过与换热流体热交换而从排出的烟道气中回 收。
[0042] 残余热能然后通过与换热流体热交换而从由炉排放的烟道气中回收以得到包含 回收的残余热能的经加热换热流体。随后将至少一部分所述热换热流体引入合成反应器中 并作为热能来源用于吸热化学反应。在这种情况下，热能有利地通过将至少一部分经加热 换热流体引入至少一个加热室中而引入至少一个加热室中。
[0043] 由炉产生的烟道气通常载有粉尘和/或能够在称为"冷凝范围"的温度，通常600°C 至800°C，特别是600°C至700°C下冷凝的挥发性物质。粉尘和/或可冷凝物质可由在炉中进 行的燃烧导致，当合成气不是唯一的燃烧燃料时特别如此。存在于烟道气中的粉尘和/或可 冷凝物质也可具有其它来源，例如待在炉中加热或熔融的一部分原料的夹带或挥发。
[0044] 根据本发明一个优选实施方案，热能回收阶段包括至少在烟道气的第一温度范围 下的第一回收阶段和 在第二温度范围下的第二回收阶段。
[0045] 然后选择第一温度范围使得在这些温度下烟道气中不存在挥发性物质的冷凝。当 由炉产生的烟道气载有如上文所定义的挥发性物质时，因此选择在冷凝范围以上的范围作 为第一温度范围。
[0046] 在第一与第二回收阶段之间，使烟道气经受清洗操作，其包括除去粉尘和/或能够 在第二温度范围的温度下冷凝的挥发性物质。
[0047] 由于在该阶段，烟道气部分冷却的事实，该清洗操作可能为降低的成本。
[0048]当烟道气包含如上文所定义的挥发性物质时，清洗阶段能赋予在第二温度范围下 从烟道气中另外且有效的热能回收，即使该第二范围重叠或者在冷凝范围以下。
[0049] 本发明因此能赋予有效且持续地回收存在于从炉中排放的烟道气中的热能，即使 所述排出的烟道气载有粉尘和/或可冷凝物质。第一和/或第二回收阶段期间残余热能的回 收可特别如上所述通过排出的烟道气与换热流体之间的热交换而进行和/或回收的残余能 量转移至吸热化学反应可借助一个或多个也如上文所述的加热室进行。根据一个具体实施 方案，一种和相同的换热流体用于第一和第二回收阶段中。
[0050] 在这种情况下，换热流体优选通过在阶段的第二回收阶段中，即在烟道气的第二 温度范围下与烟道气热交换而部分地加热。在该第二回收阶段中部分加热的换热流体随后 通过在第一回收阶段中，即在烟道气的第一温度范围下与烟道气热交换而加热，所述第一 温度范围在第二范围以上。
[0051] 吸热化学反应的反应物的碳基材料有利地为气体碳基材料，优选天然气或甲烷。 [0052]有利地使该碳基材料，例如天然气经受在吸热化学反应上游的加氢处理阶段，有 用地：
[0053] ?将H2引入催化加氢反应器中的碳基材料中以将存在于碳基材料中的S转化成 H2S，而且将可能存在于碳基材料中的C1转化成HC1并将不饱和碳基化合物转化成饱和碳基 化合物，
[0054] ?随后将因此形成的H2S和HC1与碳基材料分离。
[0055]形成的H2S和HC1与碳基材料的分离优选通过吸附进行。
[0056]特别是，可将H2S吸附在氧化锌床中以及如果C1存在于碳基材料中的话将HC1吸附 在钾基吸附剂上。当实现给定饱和度时，更换吸附剂床并用新的吸附剂床替代。
[0057]在天然气的情况下，也可使碳基材料经受预备"预重整"阶段，其在专用反应器中 进行且旨在除去重质烃(包含多于2个碳原子）。
[0058] 该阶段可在合成反应器的上游进行以防止通过这些烃在合成反应器中热裂化而 形成固体碳的可能问题。也可以在交替操作的2个合成反应器中制备合成气。
[0059] 根据一个优选实施方案，至少一部分，实际上甚至所有燃料在炉中与富氧氧化剂 燃烧。术语"富氧氧化剂"应当理解意指具有的氧含量大于空气的氧含量的氧化剂。优选，富 氧氧化剂显示出至少80体积％，更优选至少90体积％，仍更优选至少95体积％，实际上甚至 至少99体积％且至100体积％的氧含量。
[0060] 因此，本发明方法可以为使用富氧空气作为氧化剂的方法；富氧促升 (oxyboosting)方法，即其中由燃料在炉中燃烧而产生的热中的至少25 %但少于100 %通过 与具有至少80体积％的氧含量的氧化剂燃烧产生的方法;混合空气-富氧燃烧方法，即其中 由燃料燃烧产生的热中的至少25 %通过在炉中与具有至少80体积％的氧含量的氧化剂燃 烧产生，其余部分通过用空气作为氧化剂燃烧产生的方法;或者还有全富氧(all-oxy)方 法，即其中通过炉中的燃烧产生的所有热用具有至少80体积％的氧含量的氧化剂产生。
[0061] 炉可以为再加热炉或熔炉。炉特别可以为玻璃化炉，例如玻璃熔炉，其包含以下结 构中的至少一种:熔融室、精炼室和玻璃进料器。熔融室也可以为结合熔融区和精炼区的熔 融-精炼室。
[0062] 炉也可以为用于金属熔融的炉，例如用于金属如铝、铅等二次熔融的炉。
[0063] 吸热化学反应通常为SMR(蒸汽甲烷重整)或DMR(干甲烷重整)或者二者的混合物。
[0064] 根据一个实施方案，至少一部分排出的烟道气，实际上甚至在回收阶段得到的净 化烟道气作为反应物用于阶段的制备合成气的吸热化学方法中。
[0065] 这是因为这些净化的烟道气包含⑶2和蒸汽，因此可作为反应物用于吸热化学反 应中。
[0066] 当方法包括第二回收阶段时，来自烟道气的热能有利地至少在回收阶段的第一阶 段中，优选在回收阶段的第一和第二阶段中，通过与换热流体热交换而回收。烟道气与换热 流体之间的热交换有利地借助一个或多个同流换热器进行。
[0067] 因此，有用地使用第一同流换热器用于回收阶段的第一阶段中烟道气与换热流体 之间的热交换，并使用第二同流换热器用于该回收阶段的第二阶段中的该热交换。
[0068] 优选的换热流体为空气、氮气和蒸汽。
[0069] 当换热流体为蒸汽时，可使用在回收阶段中加热的至少一部分换热流体，即因此 在回收阶段中加热的蒸汽作为反应物用于制备合成气的吸热化学方法中。
[0070] 换热流体可用于开放回路中，例如用空气作为换热流体或者当换热流体为蒸汽 时，其随后用作反应物。换热流体也可用于密闭回路中。
[0071] 在这种情况下，至少一部分换热流体在其作为热能源用于吸热化学反应中以后返 回回收阶段中。
[0072] 当从排出的烟道气中回收的热能大于吸热化学反应消耗的热能时，回收的多余热 能可用于与吸热化学反应/合成反应器并行或者在其下游的其它目的。
[0073] 因此，可使用一部分回收的热能以在它作为反应物用于吸热化学反应中以前将碳 基材料预热。
[0074] 另一可能性是使用一部分回收的热能以在它用作吸热化学反应的反应物以前产 生蒸汽和/或使蒸汽过热，和/或使用一部分回收的热能以在它用作吸热化学反应的反应物 以前将C0 2预热。
[0075] 也可使用一部分回收的热能以在其用于燃料燃烧中的上游将氧化剂预热。
[0076] 有利地，在合成气作为燃料用于炉中以前通过冷凝从合成气中提取水。
[0077] 本发明还涉及适于执行根据上述实施方案中任一项的方法的加热装置。
[0078]该装置特别包含以下设备件：
[0079]-用于合成合成气的反应器，
[0080]-具有用于燃料与氧化剂燃烧的一个或多个燃烧器和至少一个烟道气出口的炉，
[0081] -用于通过烟道气与换热流体之间的热交换而回收热能的装置，包含经加热换热 流体的出口。
[0082] 根据本发明，将所述设备件连接以便能够执行本发明方法。这特别暗示：
[0083] -合成反应器与炉连接以便能够将在反应器中产生的合成气作为燃料供入炉的至 少一个燃烧器中，
[0084] -炉的烟道气出口与热能回收装置连接以便能够将由炉产生的烟道气供入所述回 收装置中，
[0085] -热能回收装置的经加热换热流体出口与合成气的合成反应器连接以便能够将至 少一部分经加热换热流体供入合成反应器中。
[0086] 根据一个优选实施方案，回收装置包含用于回收热能的第一设备件和用于回收热 能的第二设备件。第一和第二设备件优选为如上所述换热器。炉的烟道气出口然后与用于 回收热能的第一设备件连接，以便能够将来自第一设备件的由炉产生的烟道气供入所述第 一设备件中。第一设备件有利地与用于清洗烟道气的装置连接，以便能够将来自第一设备 件的烟道气供入清洗装置中。
[0087]清洗装置又与用于回收热能的第二设备件连接，以便能够将来自清洗装 置的净化 烟道气供入回收设备的所述第二设备件中。
[0088] 热能回收装置优选包含至少一个换热器，所述换热器能够通过与换热流体热交换 而从烟道气中回收热能。
[0089] 本发明装置可适用于执行本发明加热方法的实施方案中的任一项。因此，对于燃 料与燃料氧化剂的燃烧，炉不仅与一个或多个燃料来源连接，特别是至少与作为合成气(作 为燃料)来源的合成反应器连接，而且与一个或多个氧化剂来源连接。
[0090] 根据一个有利的实施方案，炉与至少一个氧化剂来源连接，所述氧化剂具有比空 气的氧含量更大的氧含量。将所述氧化剂作为燃料氧化剂供入炉的至少一个燃烧器中。通 常，所述氧化剂显示出大于80体积％ 02，优选大于90体积％ 02，更优选大于95体积％ 02，仍更 优选大于99体积％ 02的氧含量。
[0091] 以下对比例更详细地描述本发明及其优点，其中参考图，所述图为在通过SMR合成 合成气中使用天然气作为碳基材料的本发明加热方法/装置的图示。该图更特别地阐示特 别适于加热玻璃熔炉的本发明方法/装置。
[0092]根据实施例，合成气在合成反应器100中通过预热天然气101与蒸汽102之间的吸 热催化反应合成，这两种反应物具有在反应器100入口处至少300°C，更特别是325°C的温 度。
[0093] 随后将通过在反应器100中催化SMR产生且主要包含H2和⑶的合成气110送入炉 300 (未阐示）中，其中合成气110充当燃料。在炉300中，通过该燃烧产生的热能用于将可玻 璃化材料熔融。表1给出因此由天然气产生的合成气的组成和NCV (净热值），并将产生的 INm3合成气的NCV与制备INm3合成气所消耗的0.209Nm3天然气(CH4)的NCV对比。
[0094]
[0095] ^1
[0096] 可将在反应器100中产生的合成气110直接送入炉300中，或者如在所述情况下，在 它用作燃料以前，可首先经受使存在于合成气中的蒸汽至少部分冷凝的阶段。
[0097]这使得可提高合成气的NCV并控制（降低）炉气氛中的含湿量。该冷凝在冷凝器200 中进行。回收的水201可例如在反应器100上游用于制备蒸汽102。优选，回收水冷凝的能量。 因此可使用冷却水202在冷凝器200中将蒸汽冷凝，并使用由冷凝器200产生的经加热的水/ 蒸汽203在反应器100的上游制备蒸汽102或者更通常地，作为热能来源。
[0098] 随后将由冷凝器200产生的干合成气210送入炉300中，在那里，干合成气210用作 燃料。
[0099] 在所述情况下，合成气为炉300中使用的唯一燃料。炉为全富氧炉（all-oxy furnace )，即炉中使用的唯一燃料氧化剂为具有80体积％至100体积％的氧含量的氧化剂。
[0100] 根据另一实施方案，合成气可与另一燃料组合使用。
[0101]类似地，炉也可将一方面如上文所定义的富氧燃烧与另一方面较贫含氧气的氧化 剂如空气结合。
[0102]将通过燃烧产生的烟道气301从炉300中排出。它们为高温，在所述实施例中为约 1250°C。首先将它们送入称为"高温同流换热器"的第一同流换热器400中。在该第一同流换 热器400中，烟道气用于加热换热流体(在所述情况下，空气）。将因此加热的至少一部分404 换热流体402送入反应器100中，并在其中作为能源用于合成合成气的吸热化学反应中。
[0103]将另一部分405经加热换热流体402送入消耗热的另一设备件中。
[0104]在所述情况下，用作换热流体的空气在第一同流换热器400中加热至800°C的温 度。操作第一同流换热器400使得存在于烟道气301中的挥发性物质在所述第一同流换热器 内部不冷凝。在所述情况下，烟道气403在800°C的温度下从第一同流换热器中排出。
[0105] 当从炉300中排出的烟道气载有颗粒(粉尘)时，则注意将第一同流换热器400内部 所述烟道气的流速保持在足够高的水平以防止所述第一同流换热器400内部的任何颗粒聚 集。
[0106] 将这些调节的(moderated)烟道气403送入清洗装置500中。在该装置中，使所述烟 道气403经受清洗处理，即经受用于除去粉尘的处理和/或除去可冷凝挥发性物质的阶段。
[0107] 选择所用的清洗方法以防止清洗处理期间烟道气的过大冷却，以限制清洗期间的 热能损失。例如，选择借助高温过滤器清洗。
[0108] 将净化的烟道气501送入称为"低温同流换热器"的第二同流换热器600中。
[0109] 在该第二同流换热器中，通过与换热流体602热交换而回收来自净化烟道气501的 残余能量。然后在释放到大气中或者处理和收集以前将经冷却烟道气601送入提取器700 中。
[0110]借助在清洗装置中清洗烟道气，在所述清洗阶段中，将能够在低温同流换热器600 中在烟道气的温度下冷凝的挥发性物质从所述烟道气中除去，可从烟道气中回收残余热能 而不使低温同流换热器600结垢。本发明因此能赋予在炉300的出口处对存在于烟道气301 中的热的最佳回收。 在所述情况下，用于第二同流换热器600的换热流体602为由鼓风机800提供的压 缩空气。
[0112] 可使用两种不同的换热流体401、602用于第一和第二同流换热器400、600，并使用 因此加热的两种换热流体402、603作为热能来源用于本发明方法中，例如合成反应器100 中。
[0113] 在所述情况下，相同的换热流体用于第一和第二同流换热器400、600中。
[0114] 首先将由鼓风机800提供的压缩空气602送入低温同流换热器600中。在所述同流 换热器600中，空气通过与由清洗装置500产生的净化烟道气501热交换而加热。随后将在所 述情况下为约500°C的温度的因此加热的空气(换热流体)603引入高温同流换热器400中。
[0115] 在高温同流换热器400中，由第一低温同流换热器600产生的经加热空气再次通过 与由炉300产生的未清洗烟道气301热交换而加热。在所述情况下，热空气(换热流体)402在 约800°C的温度下离开高温同流换热器。
[0116] 为了能够更好地控制第一同流换热器400和/或清洗装置500入口处的烟道气温度 (例如由于材料的耐热性以及为了使清洗最佳化），提供管用于以可控流速将调节的气体 901、902分别注入在第一同流换热器上游的烟道气301中和/或注入在清洗装置500上游的 烟道气403中。调节的气体可以为例如环境空气和/或在反应器100和/或同流换热器/交换 器10、20或30出口处的一部分换热流体107。
[0117] 存在于反应器100出口处的换热流体103中的残余热能有利地用于将用于本发明 方法中的反应物预热。
[0118] 因此，在所述情况下，将第一部分104换热流体送入同流换热器/锅炉10中以产生 用于合成合成气的蒸汽102。
[0119] 将第二部分105换热流体送入同流换热器20中以将用于合成合成气的碳基材料 (天然气)预热。
[0120]将第三部分106换热流体送入第二同流换热器30以在将它引入炉中以前将燃料氧 化剂(氧气)预热。
[0121] 也可使用由反应器100产生的至少一部分换热流体103在炉300上游将合成气210 预热。
[0122] 如果第二燃料也在炉300中燃烧，则至少一部分换热流体103可用于在炉300上游 将第二燃料和/或合成气210预热。
[0123] 可例如使用在交换器20中预热的一部分天然气作为炉300中的燃料。
[012 4] 目的通常是回收和使用炉出口处烟道气301中存在的最大热能。
[0125] 在所述情况下，换热流体在密闭回路中循环，即由反应器100产生的换热流体作为 换热流体602再用于同流换热器600和400中。也可以在开放回路中使用换热流体。
[0126] 将应用于玻璃熔炉的本发明方法的能量效率与用于玻璃熔融的最有效的已知方 法的能量效率对比。
[0127] 在下表2-3中：
[0128] · AM:涉及根据现有技术的玻璃熔炉，其使用天然气与借助新再生器预热的空气 作为燃料氧化剂燃烧；
[0129] ·ΑΑ2:涉及根据现有技术的玻璃熔炉，其使用天然气与未预热氧气作为燃料氧化 剂燃烧；
[0130] · ΑΑ3:涉及根据现有技术的玻璃熔炉，其使用天然气与借助如ΕΡ-Α-0872690所述 由申请人公司开发的技术预热的氧气燃烧；
[0131] · Inv 1:涉及在玻璃熔炉中以作为炉中的唯一燃料产生的合成气与预热氧气作 为燃料氧化剂燃烧而执行本发明方法。
[0132]表2给出以100Nm3/h的天然气(在炉中用作燃料)的消耗量，对于等于实施例AAi中 产生的技术贡献或熔融方法，本发明方法(实施例1)与三种根据现有技术的方法 之间的对比。
[0133] 表3给出对于玻璃熔炉的相同拉力，本发明方法与三种根据现有技术的方法之间 的对比。
[0134]
[0137]整
【主权项】
1. 直接点火加热方法，在所述方法中： (a) 将待加热原料引入炉中， (b) 使燃料在炉(300)中与氧化剂燃烧，产生热和烟道气， (c) 将原料在炉(300)中加热，产生热， (d) 将产生的经加热原料和烟道气从炉（300)中排出，排出的烟道气（301)包含残余热 能， (e) 在合成反应器(100)中通过包括(i)碳基材料和（ii)蒸汽（102)和/或C02的反应物之 间的吸热化学反应产生合成气（110)，其中合成反应器包含至少一个反应区，将反应物引入 其中，在其中进行吸热化学反应并提取产生的合成气， 其特征在于： ?由从炉(300)中排出的烟道气(301)中回收残余热能，将因此回收的至少一部分残余 热能引入合成反应器(100)中并由阶段(e)的吸热化学反应消耗，且 ?阶段(b)中在炉中燃烧的至少一部分燃料为在阶段(e)中产生的合成气（110、210)。2. 根据权利要求1的方法，其中合成反应器（100)还包含至少一个加热室，将所述至少 一部分回收的残余热能引入所述加热室中，所述至少一个加热室相对于至少一个反应区布 置，使得回收的残余热能通过至少一个加热室与至少一个反应区之间的至少一个分隔壁从 至少一个加热室传送至至少一个反应区中的吸热化学反应。3. 根据权利要求2的方法，其中各个反应区由相邻加热室围绕或者位于2个相邻加热室 之间。4. 根据权利要求2或3的方法，其中合成反应器（100)具有包含交替的加热室和反应区 的层状结构，所述加热室和反应区位于2个连续板之间。5. 根据权利要求1的方法，其中残余热能通过排出的烟道气（301、501)与换热流体 (602、401)之间热交换而从排出的烟道气(301、501)中回收以得到调节的烟道气(601)和包 含回收的残余热能的经加热换热流体(402)，将至少一部分经加热换热流体(402)引入合成 反应器(100)中以将至少一部分回收的残余热能供入阶段(e)的吸热化学反应中。6. 根据权利要求2-4中一项的方法，其中残余热能通过排出的烟道气(301、501)与换热 流体(602、401)之间热交换而从排出的烟道气(301、501)中回收以得到调节的烟道气(601) 和包含回收的残余热能的经加热换热流体(402)，将至少一部分经加热换热流体(402)引入 至少一个加热室中以将至少一部分回收的残余热能通过至少一个分隔壁供入阶段(e)的吸 热化学反应中。7. 根据权利要求1-6中一项的方法，其中排出的烟道气载有粉尘和/或能够在600°C至 800°C的温度下冷凝的挥发性物质且其中由从炉(300)中排放的烟道气(301)中回收残余热 能的回收阶段包括至少在烟道气的第一温度范围下的第一回收阶段和在第一范围以下的 烟道气第二温度范围下的第二回收阶段，且其中： ?在第一温度范围的温度下，不存在烟道气中存在的挥发性物质的冷凝，且 ?使烟道气在第一与第二回收段之间经受清洗操作，所述清洗操作包括除去粉尘和/ 或能够在第二温度范围的温度下冷凝的挥发性物质。8. 根据权利要求7的方法，其中换热流体(602)通过在第二回收阶段中与烟道气（501) 热交换而部分加热，且其中在第一回收阶段中部分加热的换热流体(603、401)通过在第一 回收阶段中与烟道气(301)热交换而加热。9. 根据权利要求7或8的方法，其中换热流体选自空气、氮气和蒸汽(102)。10. 根据前述权利要求中任一项的加热方法，其中至少一部分，优选所有燃料在炉 (300)中与富氧氧化剂燃烧。11. 根据权利要求8的方法，其中炉(300)为玻璃化炉或者用于金属熔融的炉。12. 根据前述权利要求中一项的方法，其中吸热化学反应为SMR或DMR或者二者的混合 物。13. 根据前述权利要求中任一项的方法，其中从排出的烟道气中回收的一部分热能用 于以下目的中的至少一个，优选几个： a) 在碳基材料用作吸热化学反应的反应物以前将碳基材料预热； b) 在蒸汽用作吸热化学反应的反应物以前产生蒸汽和/或使蒸汽过热； c) 在C02用作吸热化学反应的反应物以前将C02预热； d) 在氧化剂用于燃料燃烧的上游将氧化剂预热。14. 根据前述权利要求中任一项的方法，其中在合成气用作炉(300)中的燃料以前通过 冷凝从合成气中提取水。15. 适于执行根据前述权利要求中任一项的方法的加热装置，所述装置包含： -炉(300)，其具有待加热原料入口、经加热原料出口、用于燃料与氧化剂燃烧并产生热 以加热原料的一个或多个燃烧器，和至少一个烟道气出口， -装置(400、500、600)，其用于通过排出的烟道气（301)与换热流体(602)之间热交换而 回收热能且包含经加热换热流体出口，和 -用于合成合成气的反应器（100)， 其特征在于： -合成反应器（100)与炉(300)连接以便能够将在反应器（100)中制备的合成气(210)作 为燃料供入炉(300)的至少一个燃烧器中； -炉(300)的烟道气出口与热能回收装置(400、500、600)连接以便能够将由炉（300)产 生的烟道气(301)供入所述回收装置(400、500、600)中， -来自热能回收装置(400、500、600)的经加热换热流体(402)出口与合成气的合成反应 器(100)连接以便能够将至少一部分经加热换热流体(402)供入合成反应器(100)中。
【专利摘要】本发明涉及直接点火加热方法和执行它的设备。根据所述方法，将装料在炉(300)中用通过燃料与氧化剂燃烧而产生的热加热；将产生的烟从炉(300)中排出，排出的烟(301)包含残余热能；将残余热能从排出的烟(301)中回收并引入制备合成气的合成反应器(100)中；和将至少一部分合成气在炉(300)中燃烧以加热装料。
【IPC分类】C10J3/80, C01B3/34
【公开号】CN105492375
【申请号】CN201480047044
【发明人】P·博杜安, P·戴-嘉罗, M·福林
【申请人】乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年6月26日
【公告号】EP3013740A1, US20160186992, WO2014207391A1
【专利说明】直接燃烧加热方法和用于执行它的设备
[0001] 本发明涉及工业加热方法，其中将原料引入炉中并通过使燃料在炉中燃烧而加 热。
[0002] 这类工业加热方法为例如：
[0003] -玻璃化，例如玻璃的熔融，
[0004] -金属的熔融，例如金属的二次熔融，和
[0005] -金属的再加热。
[0006] 加热方法可以为连续或分批的。
[0007] 工业加热方法通常采用化石来源的燃料，例如天然气、燃料油或煤。
[0008] 燃烧可以为用空气燃烧或者用具有比空气更大的氧含量的氧化剂如富含氧气的 空气或者基本纯氧气燃烧。用比空气更富含氧气的氧化剂燃烧以富氧燃烧（oxy-combustion)名称已知。
[0009]富氧燃烧相对于用空气燃烧(也称为空气燃烧)具有大量优点：
[0010] -NOx排放减少，
[0011] -产生的烟道气的体积降低，
[0012] -燃料消耗量以及因此化石来源的C02排放减少。
[0013] 然而，当富氧燃烧与能够通过从由燃烧产生的烟道气中回收热而将燃烧空气预热 的空气燃烧方法相比时，燃料消耗量的这一降低是有限的。
[0014] 为改进富氧燃烧的经济性能，通过以下措施进行了降低燃料消耗量的尝试：
[0015] -富氧燃料燃烧器的类型和设计，
[0016] -燃烧室的设计，特别是能够降低炉出口处烟道气的温度、降低热消耗等，
[0017] -通过从产生的烟道气中回收热而将氧化剂和/或燃料预热。
[0018] 然而，这些技术较快地达到最高限度，且富氧燃烧的最有效方法与用预热空气的 最有效燃烧方法之间的差别保持为小的。这限制了富氧燃烧在工业加热方法中的市场。
[0019] US-A-20090011290描述了热化学回收方法。根据该方法，由燃烧炉产生的一部分 烟道气用作用于将燃料重整的反应物。重整的燃料在燃烧炉中燃烧。在用作用于重整的反 应物以前，由炉产生的烟道气在将其引入燃烧炉中的上游的同流换热器中作为换热流体用 于将燃烧氧化剂和重整燃料预热。
[0020] 烟道气在同流换热器中将燃料和燃料氧化剂预热的这一用途在工业装置中仅在 烟道气贫含能够沉积在同流换热器壁上的污染物(可冷凝材料)时是可能的。
[0021] EP-A-1 143 200公开了在炉，例如玻璃熔炉中的燃烧方法，其中使用由吸热化学 反应产生的合成产物如合成气体或合成气作为燃料。所述合成产物的制备在两个再生器中 进行，所述再生器交替地操作并由来自不同于合成产物在其中用作燃料的炉的来源的烟道 气加热。
[0022] 这是因为由玻璃熔炉产生的烟道气重度载有可冷凝材料。烟道气的所述其它来源 可以为产生较干净烟道气的工业场所的另一装置，或者用于燃料与空气燃烧的装置，尤其 提供用于制备用于加热两个再生器的热烟道气。
[0023]如果在炉附近存在产生较干净烟道气的装置，则可预期第一方案，并且在这种情 况下，炉中燃烧方法的使用取决于该另一装置的同时操作。第二方案要求另一燃烧装置的 建造和操作，这是特别昂贵的。
[0024] 在任何情况下，EP-A-1 143 200所述方法不会显著改进炉的能量平衡，只要所述 方法取决于另外的外部热能源。
[0025] 本发明在高温工业加热方法中降低燃料消耗量和降低化石来源的C02排放的技术 方面做出。本发明的目的是克服，至少部分地克服与上述已知方法有关的问题。
[0026] 本发明特别涵盖直接点火加热方法。
[0027]根据该方法，将待加热原料引入炉中。使燃料在炉中与氧化剂燃烧。原料在炉 (300)中用通过该燃烧产生的热加热并将经加热原料从炉中排出。还将由燃烧产生的烟道 气从炉中排出，这些排出的烟道气包含在炉中未被原料吸收的残余热能。
[0028] 根据该方法，还在合成反应器中制备合成气，这通过反应物之间的吸热化学反应 实现，所述反应物包括一方面碳基材料，另一方面蒸汽（102)和/或C0 2。为此，合成反应器包 含至少一个反应区，将反应物引入其中，在其中进行吸热化学反应并从中提取产生的合成 气。
[0029] 根据本发明，从排出的烟道气中回收残余热能并将至少一部分回收的残余热能引 入合成反应器中，在那里，该至少一部分回收的残余热能通过上述吸热化学反应消耗。
[0030] 将通过反应产生的至少一部分合成气引入炉中，适当在炉中燃烧的至少一部分燃 料为由合成反应器产生的合成气。
[0031] 因此，本发明使得可通过用烟道气回收从炉中排出的至少一部分残余能量，通过 在合成气的合成中使用回收的至少一部分残余能量以及通过使用产生的至少一部分合成 气作为燃料在炉中产生热而改进方法的能量效率。
[0032] 根据一个具体实施方案，合成反应器不仅包含至少一个反应区，而且包含至少一 个加热室，将回收的至少一部分残余能量引入所述加热室中。
[0033] 在这种情况下，至少一个加热室相对于至少一个反应区布置，使得回收的热能通 过将反应区与加热室分离的分隔壁从加热室传送至反应区。
[0034] 各反应区例如由相邻加热室围绕或者位于2个相邻加热室之间。根据一个有利实 施方案，合成反应器（1〇〇)具有包含交替的加热室和反应区的层状结构:加热室，其后反应 区，其后加热室，等。所述加热室和所述反应区则位于2个连续板之间。
[0035] 根据一个特别有利的实施方案，关于反应器中产生的合成气，进行另外的热能回 收。
[0036] 为此，使在合成反应结束时得到的热合成气在位于合成反应器内部的加热室(称 为另一加热室）中循环，使得来自产生的合成气的至少一部分热转移至至少一个反应区。所 述转移也通过将另一加热室与至少一个反应区分离的分隔壁进行。
[0037] 本发明这一实施方案特别用于其中在合成气作为燃料用于炉中以前从合成气中 提取水的情况(参见下文）。
[0038] 根据一个具体实施方案，热能通过将一个或多个排出的烟道气料流作为热能来源 引入所述至少一个室中而引入至少一个加热室中。
[0039] 该实施方案在排出的烟道气包含很少或者不包含粉尘且包含很少或者不包含可 能沉积在加热室的内部或者可能在室中流行的温度下，特别是在与反应区的分隔壁处冷凝 的挥发性物质时是特别有用的。
[0040] 原则上可预期在将一个或多个排出的烟道气料流引入加热室中以前在高温下从 排出的烟道气中除去粉尘，但该粉尘脱除方法通常是昂贵的。
[0041] 根据本发明一个实施方案，热能通过与换热流体热交换而从排出的烟道气中回 收。
[0042] 残余热能然后通过与换热流体热交换而从由炉排放的烟道气中回收以得到包含 回收的残余热能的经加热换热流体。随后将至少一部分所述热换热流体引入合成反应器中 并作为热能来源用于吸热化学反应。在这种情况下，热能有利地通过将至少一部分经加热 换热流体引入至少一个加热室中而引入至少一个加热室中。
[0043] 由炉产生的烟道气通常载有粉尘和/或能够在称为"冷凝范围"的温度，通常600°C 至800°C，特别是600°C至700°C下冷凝的挥发性物质。粉尘和/或可冷凝物质可由在炉中进 行的燃烧导致，当合成气不是唯一的燃烧燃料时特别如此。存在于烟道气中的粉尘和/或可 冷凝物质也可具有其它来源，例如待在炉中加热或熔融的一部分原料的夹带或挥发。
[0044] 根据本发明一个优选实施方案，热能回收阶段包括至少在烟道气的第一温度范围 下的第一回收阶段和 在第二温度范围下的第二回收阶段。
[0045] 然后选择第一温度范围使得在这些温度下烟道气中不存在挥发性物质的冷凝。当 由炉产生的烟道气载有如上文所定义的挥发性物质时，因此选择在冷凝范围以上的范围作 为第一温度范围。
[0046] 在第一与第二回收阶段之间，使烟道气经受清洗操作，其包括除去粉尘和/或能够 在第二温度范围的温度下冷凝的挥发性物质。
[0047] 由于在该阶段，烟道气部分冷却的事实，该清洗操作可能为降低的成本。
[0048]当烟道气包含如上文所定义的挥发性物质时，清洗阶段能赋予在第二温度范围下 从烟道气中另外且有效的热能回收，即使该第二范围重叠或者在冷凝范围以下。
[0049] 本发明因此能赋予有效且持续地回收存在于从炉中排放的烟道气中的热能，即使 所述排出的烟道气载有粉尘和/或可冷凝物质。第一和/或第二回收阶段期间残余热能的回 收可特别如上所述通过排出的烟道气与换热流体之间的热交换而进行和/或回收的残余能 量转移至吸热化学反应可借助一个或多个也如上文所述的加热室进行。根据一个具体实施 方案，一种和相同的换热流体用于第一和第二回收阶段中。
[0050] 在这种情况下，换热流体优选通过在阶段的第二回收阶段中，即在烟道气的第二 温度范围下与烟道气热交换而部分地加热。在该第二回收阶段中部分加热的换热流体随后 通过在第一回收阶段中，即在烟道气的第一温度范围下与烟道气热交换而加热，所述第一 温度范围在第二范围以上。
[0051] 吸热化学反应的反应物的碳基材料有利地为气体碳基材料，优选天然气或甲烷。 [0052]有利地使该碳基材料，例如天然气经受在吸热化学反应上游的加氢处理阶段，有 用地：
[0053] ?将H2引入催化加氢反应器中的碳基材料中以将存在于碳基材料中的S转化成 H2S，而且将可能存在于碳基材料中的C1转化成HC1并将不饱和碳基化合物转化成饱和碳基 化合物，
[0054] ?随后将因此形成的H2S和HC1与碳基材料分离。
[0055]形成的H2S和HC1与碳基材料的分离优选通过吸附进行。
[0056]特别是，可将H2S吸附在氧化锌床中以及如果C1存在于碳基材料中的话将HC1吸附 在钾基吸附剂上。当实现给定饱和度时，更换吸附剂床并用新的吸附剂床替代。
[0057]在天然气的情况下，也可使碳基材料经受预备"预重整"阶段，其在专用反应器中 进行且旨在除去重质烃(包含多于2个碳原子）。
[0058] 该阶段可在合成反应器的上游进行以防止通过这些烃在合成反应器中热裂化而 形成固体碳的可能问题。也可以在交替操作的2个合成反应器中制备合成气。
[0059] 根据一个优选实施方案，至少一部分，实际上甚至所有燃料在炉中与富氧氧化剂 燃烧。术语"富氧氧化剂"应当理解意指具有的氧含量大于空气的氧含量的氧化剂。优选，富 氧氧化剂显示出至少80体积％，更优选至少90体积％，仍更优选至少95体积％，实际上甚至 至少99体积％且至100体积％的氧含量。
[0060] 因此，本发明方法可以为使用富氧空气作为氧化剂的方法；富氧促升 (oxyboosting)方法，即其中由燃料在炉中燃烧而产生的热中的至少25 %但少于100 %通过 与具有至少80体积％的氧含量的氧化剂燃烧产生的方法;混合空气-富氧燃烧方法，即其中 由燃料燃烧产生的热中的至少25 %通过在炉中与具有至少80体积％的氧含量的氧化剂燃 烧产生，其余部分通过用空气作为氧化剂燃烧产生的方法;或者还有全富氧(all-oxy)方 法，即其中通过炉中的燃烧产生的所有热用具有至少80体积％的氧含量的氧化剂产生。
[0061] 炉可以为再加热炉或熔炉。炉特别可以为玻璃化炉，例如玻璃熔炉，其包含以下结 构中的至少一种:熔融室、精炼室和玻璃进料器。熔融室也可以为结合熔融区和精炼区的熔 融-精炼室。
[0062] 炉也可以为用于金属熔融的炉，例如用于金属如铝、铅等二次熔融的炉。
[0063] 吸热化学反应通常为SMR(蒸汽甲烷重整)或DMR(干甲烷重整)或者二者的混合物。
[0064] 根据一个实施方案，至少一部分排出的烟道气，实际上甚至在回收阶段得到的净 化烟道气作为反应物用于阶段的制备合成气的吸热化学方法中。
[0065] 这是因为这些净化的烟道气包含⑶2和蒸汽，因此可作为反应物用于吸热化学反 应中。
[0066] 当方法包括第二回收阶段时，来自烟道气的热能有利地至少在回收阶段的第一阶 段中，优选在回收阶段的第一和第二阶段中，通过与换热流体热交换而回收。烟道气与换热 流体之间的热交换有利地借助一个或多个同流换热器进行。
[0067] 因此，有用地使用第一同流换热器用于回收阶段的第一阶段中烟道气与换热流体 之间的热交换，并使用第二同流换热器用于该回收阶段的第二阶段中的该热交换。
[0068] 优选的换热流体为空气、氮气和蒸汽。
[0069] 当换热流体为蒸汽时，可使用在回收阶段中加热的至少一部分换热流体，即因此 在回收阶段中加热的蒸汽作为反应物用于制备合成气的吸热化学方法中。
[0070] 换热流体可用于开放回路中，例如用空气作为换热流体或者当换热流体为蒸汽 时，其随后用作反应物。换热流体也可用于密闭回路中。
[0071] 在这种情况下，至少一部分换热流体在其作为热能源用于吸热化学反应中以后返 回回收阶段中。
[0072] 当从排出的烟道气中回收的热能大于吸热化学反应消耗的热能时，回收的多余热 能可用于与吸热化学反应/合成反应器并行或者在其下游的其它目的。
[0073] 因此，可使用一部分回收的热能以在它作为反应物用于吸热化学反应中以前将碳 基材料预热。
[0074] 另一可能性是使用一部分回收的热能以在它用作吸热化学反应的反应物以前产 生蒸汽和/或使蒸汽过热，和/或使用一部分回收的热能以在它用作吸热化学反应的反应物 以前将C0 2预热。
[0075] 也可使用一部分回收的热能以在其用于燃料燃烧中的上游将氧化剂预热。
[0076] 有利地，在合成气作为燃料用于炉中以前通过冷凝从合成气中提取水。
[0077] 本发明还涉及适于执行根据上述实施方案中任一项的方法的加热装置。
[0078]该装置特别包含以下设备件：
[0079]-用于合成合成气的反应器，
[0080]-具有用于燃料与氧化剂燃烧的一个或多个燃烧器和至少一个烟道气出口的炉，
[0081] -用于通过烟道气与换热流体之间的热交换而回收热能的装置，包含经加热换热 流体的出口。
[0082] 根据本发明，将所述设备件连接以便能够执行本发明方法。这特别暗示：
[0083] -合成反应器与炉连接以便能够将在反应器中产生的合成气作为燃料供入炉的至 少一个燃烧器中，
[0084] -炉的烟道气出口与热能回收装置连接以便能够将由炉产生的烟道气供入所述回 收装置中，
[0085] -热能回收装置的经加热换热流体出口与合成气的合成反应器连接以便能够将至 少一部分经加热换热流体供入合成反应器中。
[0086] 根据一个优选实施方案，回收装置包含用于回收热能的第一设备件和用于回收热 能的第二设备件。第一和第二设备件优选为如上所述换热器。炉的烟道气出口然后与用于 回收热能的第一设备件连接，以便能够将来自第一设备件的由炉产生的烟道气供入所述第 一设备件中。第一设备件有利地与用于清洗烟道气的装置连接，以便能够将来自第一设备 件的烟道气供入清洗装置中。
[0087]清洗装置又与用于回收热能的第二设备件连接，以便能够将来自清洗装 置的净化 烟道气供入回收设备的所述第二设备件中。
[0088] 热能回收装置优选包含至少一个换热器，所述换热器能够通过与换热流体热交换 而从烟道气中回收热能。
[0089] 本发明装置可适用于执行本发明加热方法的实施方案中的任一项。因此，对于燃 料与燃料氧化剂的燃烧，炉不仅与一个或多个燃料来源连接，特别是至少与作为合成气(作 为燃料)来源的合成反应器连接，而且与一个或多个氧化剂来源连接。
[0090] 根据一个有利的实施方案，炉与至少一个氧化剂来源连接，所述氧化剂具有比空 气的氧含量更大的氧含量。将所述氧化剂作为燃料氧化剂供入炉的至少一个燃烧器中。通 常，所述氧化剂显示出大于80体积％ 02，优选大于90体积％ 02，更优选大于95体积％ 02，仍更 优选大于99体积％ 02的氧含量。
[0091] 以下对比例更详细地描述本发明及其优点，其中参考图，所述图为在通过SMR合成 合成气中使用天然气作为碳基材料的本发明加热方法/装置的图示。该图更特别地阐示特 别适于加热玻璃熔炉的本发明方法/装置。
[0092]根据实施例，合成气在合成反应器100中通过预热天然气101与蒸汽102之间的吸 热催化反应合成，这两种反应物具有在反应器100入口处至少300°C，更特别是325°C的温 度。
[0093] 随后将通过在反应器100中催化SMR产生且主要包含H2和⑶的合成气110送入炉 300 (未阐示）中，其中合成气110充当燃料。在炉300中，通过该燃烧产生的热能用于将可玻 璃化材料熔融。表1给出因此由天然气产生的合成气的组成和NCV (净热值），并将产生的 INm3合成气的NCV与制备INm3合成气所消耗的0.209Nm3天然气(CH4)的NCV对比。
[0094]
[0095] ^1
[0096] 可将在反应器100中产生的合成气110直接送入炉300中，或者如在所述情况下，在 它用作燃料以前，可首先经受使存在于合成气中的蒸汽至少部分冷凝的阶段。
[0097]这使得可提高合成气的NCV并控制（降低）炉气氛中的含湿量。该冷凝在冷凝器200 中进行。回收的水201可例如在反应器100上游用于制备蒸汽102。优选，回收水冷凝的能量。 因此可使用冷却水202在冷凝器200中将蒸汽冷凝，并使用由冷凝器200产生的经加热的水/ 蒸汽203在反应器100的上游制备蒸汽102或者更通常地，作为热能来源。
[0098] 随后将由冷凝器200产生的干合成气210送入炉300中，在那里，干合成气210用作 燃料。
[0099] 在所述情况下，合成气为炉300中使用的唯一燃料。炉为全富氧炉（all-oxy furnace )，即炉中使用的唯一燃料氧化剂为具有80体积％至100体积％的氧含量的氧化剂。
[0100] 根据另一实施方案，合成气可与另一燃料组合使用。
[0101]类似地，炉也可将一方面如上文所定义的富氧燃烧与另一方面较贫含氧气的氧化 剂如空气结合。
[0102]将通过燃烧产生的烟道气301从炉300中排出。它们为高温，在所述实施例中为约 1250°C。首先将它们送入称为"高温同流换热器"的第一同流换热器400中。在该第一同流换 热器400中，烟道气用于加热换热流体(在所述情况下，空气）。将因此加热的至少一部分404 换热流体402送入反应器100中，并在其中作为能源用于合成合成气的吸热化学反应中。
[0103]将另一部分405经加热换热流体402送入消耗热的另一设备件中。
[0104]在所述情况下，用作换热流体的空气在第一同流换热器400中加热至800°C的温 度。操作第一同流换热器400使得存在于烟道气301中的挥发性物质在所述第一同流换热器 内部不冷凝。在所述情况下，烟道气403在800°C的温度下从第一同流换热器中排出。
[0105] 当从炉300中排出的烟道气载有颗粒(粉尘)时，则注意将第一同流换热器400内部 所述烟道气的流速保持在足够高的水平以防止所述第一同流换热器400内部的任何颗粒聚 集。
[0106] 将这些调节的(moderated)烟道气403送入清洗装置500中。在该装置中，使所述烟 道气403经受清洗处理，即经受用于除去粉尘的处理和/或除去可冷凝挥发性物质的阶段。
[0107] 选择所用的清洗方法以防止清洗处理期间烟道气的过大冷却，以限制清洗期间的 热能损失。例如，选择借助高温过滤器清洗。
[0108] 将净化的烟道气501送入称为"低温同流换热器"的第二同流换热器600中。
[0109] 在该第二同流换热器中，通过与换热流体602热交换而回收来自净化烟道气501的 残余能量。然后在释放到大气中或者处理和收集以前将经冷却烟道气601送入提取器700 中。
[0110]借助在清洗装置中清洗烟道气，在所述清洗阶段中，将能够在低温同流换热器600 中在烟道气的温度下冷凝的挥发性物质从所述烟道气中除去，可从烟道气中回收残余热能 而不使低温同流换热器600结垢。本发明因此能赋予在炉300的出口处对存在于烟道气301 中的热的最佳回收。 在所述情况下，用于第二同流换热器600的换热流体602为由鼓风机800提供的压 缩空气。
[0112] 可使用两种不同的换热流体401、602用于第一和第二同流换热器400、600，并使用 因此加热的两种换热流体402、603作为热能来源用于本发明方法中，例如合成反应器100 中。
[0113] 在所述情况下，相同的换热流体用于第一和第二同流换热器400、600中。
[0114] 首先将由鼓风机800提供的压缩空气602送入低温同流换热器600中。在所述同流 换热器600中，空气通过与由清洗装置500产生的净化烟道气501热交换而加热。随后将在所 述情况下为约500°C的温度的因此加热的空气(换热流体)603引入高温同流换热器400中。
[0115] 在高温同流换热器400中，由第一低温同流换热器600产生的经加热空气再次通过 与由炉300产生的未清洗烟道气301热交换而加热。在所述情况下，热空气(换热流体)402在 约800°C的温度下离开高温同流换热器。
[0116] 为了能够更好地控制第一同流换热器400和/或清洗装置500入口处的烟道气温度 (例如由于材料的耐热性以及为了使清洗最佳化），提供管用于以可控流速将调节的气体 901、902分别注入在第一同流换热器上游的烟道气301中和/或注入在清洗装置500上游的 烟道气403中。调节的气体可以为例如环境空气和/或在反应器100和/或同流换热器/交换 器10、20或30出口处的一部分换热流体107。
[0117] 存在于反应器100出口处的换热流体103中的残余热能有利地用于将用于本发明 方法中的反应物预热。
[0118] 因此，在所述情况下，将第一部分104换热流体送入同流换热器/锅炉10中以产生 用于合成合成气的蒸汽102。
[0119] 将第二部分105换热流体送入同流换热器20中以将用于合成合成气的碳基材料 (天然气)预热。
[0120]将第三部分106换热流体送入第二同流换热器30以在将它引入炉中以前将燃料氧 化剂(氧气)预热。
[0121] 也可使用由反应器100产生的至少一部分换热流体103在炉300上游将合成气210 预热。
[0122] 如果第二燃料也在炉300中燃烧，则至少一部分换热流体103可用于在炉300上游 将第二燃料和/或合成气210预热。
[0123] 可例如使用在交换器20中预热的一部分天然气作为炉300中的燃料。
[012 4] 目的通常是回收和使用炉出口处烟道气301中存在的最大热能。
[0125] 在所述情况下，换热流体在密闭回路中循环，即由反应器100产生的换热流体作为 换热流体602再用于同流换热器600和400中。也可以在开放回路中使用换热流体。
[0126] 将应用于玻璃熔炉的本发明方法的能量效率与用于玻璃熔融的最有效的已知方 法的能量效率对比。
[0127] 在下表2-3中：
[0128] · AM:涉及根据现有技术的玻璃熔炉，其使用天然气与借助新再生器预热的空气 作为燃料氧化剂燃烧；
[0129] ·ΑΑ2:涉及根据现有技术的玻璃熔炉，其使用天然气与未预热氧气作为燃料氧化 剂燃烧；
[0130] · ΑΑ3:涉及根据现有技术的玻璃熔炉，其使用天然气与借助如ΕΡ-Α-0872690所述 由申请人公司开发的技术预热的氧气燃烧；
[0131] · Inv 1:涉及在玻璃熔炉中以作为炉中的唯一燃料产生的合成气与预热氧气作 为燃料氧化剂燃烧而执行本发明方法。
[0132]表2给出以100Nm3/h的天然气(在炉中用作燃料)的消耗量，对于等于实施例AAi中 产生的技术贡献或熔融方法，本发明方法(实施例1)与三种根据现有技术的方法 之间的对比。
[0133] 表3给出对于玻璃熔炉的相同拉力，本发明方法与三种根据现有技术的方法之间 的对比。
[0134]
[0137]整
【主权项】
1. 直接点火加热方法，在所述方法中： (a) 将待加热原料引入炉中， (b) 使燃料在炉(300)中与氧化剂燃烧，产生热和烟道气， (c) 将原料在炉(300)中加热，产生热， (d) 将产生的经加热原料和烟道气从炉（300)中排出，排出的烟道气（301)包含残余热 能， (e) 在合成反应器(100)中通过包括(i)碳基材料和（ii)蒸汽（102)和/或C02的反应物之 间的吸热化学反应产生合成气（110)，其中合成反应器包含至少一个反应区，将反应物引入 其中，在其中进行吸热化学反应并提取产生的合成气， 其特征在于： ?由从炉(300)中排出的烟道气(301)中回收残余热能，将因此回收的至少一部分残余 热能引入合成反应器(100)中并由阶段(e)的吸热化学反应消耗，且 ?阶段(b)中在炉中燃烧的至少一部分燃料为在阶段(e)中产生的合成气（110、210)。2. 根据权利要求1的方法，其中合成反应器（100)还包含至少一个加热室，将所述至少 一部分回收的残余热能引入所述加热室中，所述至少一个加热室相对于至少一个反应区布 置，使得回收的残余热能通过至少一个加热室与至少一个反应区之间的至少一个分隔壁从 至少一个加热室传送至至少一个反应区中的吸热化学反应。3. 根据权利要求2的方法，其中各个反应区由相邻加热室围绕或者位于2个相邻加热室 之间。4. 根据权利要求2或3的方法，其中合成反应器（100)具有包含交替的加热室和反应区 的层状结构，所述加热室和反应区位于2个连续板之间。5. 根据权利要求1的方法，其中残余热能通过排出的烟道气（301、501)与换热流体 (602、401)之间热交换而从排出的烟道气(301、501)中回收以得到调节的烟道气(601)和包 含回收的残余热能的经加热换热流体(402)，将至少一部分经加热换热流体(402)引入合成 反应器(100)中以将至少一部分回收的残余热能供入阶段(e)的吸热化学反应中。6. 根据权利要求2-4中一项的方法，其中残余热能通过排出的烟道气(301、501)与换热 流体(602、401)之间热交换而从排出的烟道气(301、501)中回收以得到调节的烟道气(601) 和包含回收的残余热能的经加热换热流体(402)，将至少一部分经加热换热流体(402)引入 至少一个加热室中以将至少一部分回收的残余热能通过至少一个分隔壁供入阶段(e)的吸 热化学反应中。7. 根据权利要求1-6中一项的方法，其中排出的烟道气载有粉尘和/或能够在600°C至 800°C的温度下冷凝的挥发性物质且其中由从炉(300)中排放的烟道气(301)中回收残余热 能的回收阶段包括至少在烟道气的第一温度范围下的第一回收阶段和在第一范围以下的 烟道气第二温度范围下的第二回收阶段，且其中： ?在第一温度范围的温度下，不存在烟道气中存在的挥发性物质的冷凝，且 ?使烟道气在第一与第二回收段之间经受清洗操作，所述清洗操作包括除去粉尘和/ 或能够在第二温度范围的温度下冷凝的挥发性物质。8. 根据权利要求7的方法，其中换热流体(602)通过在第二回收阶段中与烟道气（501) 热交换而部分加热，且其中在第一回收阶段中部分加热的换热流体(603、401)通过在第一 回收阶段中与烟道气(301)热交换而加热。9. 根据权利要求7或8的方法，其中换热流体选自空气、氮气和蒸汽(102)。10. 根据前述权利要求中任一项的加热方法，其中至少一部分，优选所有燃料在炉 (300)中与富氧氧化剂燃烧。11. 根据权利要求8的方法，其中炉(300)为玻璃化炉或者用于金属熔融的炉。12. 根据前述权利要求中一项的方法，其中吸热化学反应为SMR或DMR或者二者的混合 物。13. 根据前述权利要求中任一项的方法，其中从排出的烟道气中回收的一部分热能用 于以下目的中的至少一个，优选几个： a) 在碳基材料用作吸热化学反应的反应物以前将碳基材料预热； b) 在蒸汽用作吸热化学反应的反应物以前产生蒸汽和/或使蒸汽过热； c) 在C02用作吸热化学反应的反应物以前将C02预热； d) 在氧化剂用于燃料燃烧的上游将氧化剂预热。14. 根据前述权利要求中任一项的方法，其中在合成气用作炉(300)中的燃料以前通过 冷凝从合成气中提取水。15. 适于执行根据前述权利要求中任一项的方法的加热装置，所述装置包含： -炉(300)，其具有待加热原料入口、经加热原料出口、用于燃料与氧化剂燃烧并产生热 以加热原料的一个或多个燃烧器，和至少一个烟道气出口， -装置(400、500、600)，其用于通过排出的烟道气（301)与换热流体(602)之间热交换而 回收热能且包含经加热换热流体出口，和 -用于合成合成气的反应器（100)， 其特征在于： -合成反应器（100)与炉(300)连接以便能够将在反应器（100)中制备的合成气(210)作 为燃料供入炉(300)的至少一个燃烧器中； -炉(300)的烟道气出口与热能回收装置(400、500、600)连接以便能够将由炉（300)产 生的烟道气(301)供入所述回收装置(400、500、600)中， -来自热能回收装置(400、500、600)的经加热换热流体(402)出口与合成气的合成反应 器(100)连接以便能够将至少一部分经加热换热流体(402)供入合成反应器(100)中。
【专利摘要】本发明涉及直接点火加热方法和执行它的设备。根据所述方法，将装料在炉(300)中用通过燃料与氧化剂燃烧而产生的热加热；将产生的烟从炉(300)中排出，排出的烟(301)包含残余热能；将残余热能从排出的烟(301)中回收并引入制备合成气的合成反应器(100)中；和将至少一部分合成气在炉(300)中燃烧以加热装料。
【IPC分类】C10J3/80, C01B3/34
【公开号】CN105492375
【申请号】CN201480047044
【发明人】P·博杜安, P·戴-嘉罗, M·福林
【申请人】乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年6月26日
【公告号】EP3013740A1, US20160186992, WO2014207391A1
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