CN1014420B - 煤的高温气化法 - Google Patents

Abstract

煤的高温气化法属于煤气化领域，其特征在于它是以1000-1600℃的高温空气-蒸汽混合气代替氧气-蒸汽作煤的气化剂以生产廉价的燃料气和原料气，必要时也可采用1000-1600℃的高温富氧空气-蒸汽混合气作煤的气化剂、高温气化剂中绝大部分是蒸汽，蒸汽体积比占40-75%，以用在沸腾气化炉量佳。高温气化剂是利用蓄热式热风炉预热的，热风炉的燃料则由气化炉自产煤气部分回烧供给，目前世界热风炉预热温度已较普遍地达到了1000-1600℃，最高达2000℃，从而为煤的高温气化法提供了可靠的实施条件。

Description

本发明属煤气化领域。

对比文献：1980年4期煤炭综合利用译丛第31页，“U-Gas工艺的开发”。70年代美国煤气工艺研究所（IGT）发展了煤末灰团聚沸腾气化（即流化床气化），使碳的利用率由30年代的70%提高到95%，但用常温空气一蒸汽气化所得到的煤气热值仍很低，只有1075千卡/标米³，仍停留在30年代的水平上（表1），其他用空气一蒸汽气化的沸腾气化炉如西德温克勒炉，美国KRW炉和苏联吉阿普炉煤气热值也都不超过1100千卡/标米³，都达不到燃料气1400千卡/标米³的要求，更达不到原料气的要求，其煤气热值之所以普遍较低的原因，是由于随气化剂中空气带入的大量氮气冲淡了煤气中可燃成份的浓度，煤气中的氮含量均高达50%以上（表1）。上述沸腾气化炉在改用氧气一蒸汽气化后，由于气化剂中不含氮气，生成的煤气中氮含量降至0～1%，煤气热值普遍提高到2000～2200千卡/标米³。鉴于空气一蒸汽气化均达不到工业生产要求，目前世界各国煤气化都纷纷转向了氧气一蒸汽气化。但氧气一蒸汽气化，投资大，成本高，难以普遍推广。

因此，如何以最经济的手段有效地减少或除掉煤气中的氮，浓缩煤气成份，以提高煤气热值，是煤气化的一个中心问题。

本发明“煤的高温气化法”的任务是：在不用氧气或少用氧气的条件下生产廉价的燃料气和原料气（包括工业燃料气、联合发电燃料气、城市煤气、合成氨原料气和化工合成原料气）。其特征是用800

～2300℃的高温空气一蒸汽混合气或800～2300℃的高温富氧空气一蒸汽混合气代替氧气一蒸汽作煤的气化剂，高温气化剂的最佳温度为1000～1600℃。高温气化剂中绝大部分是蒸汽，蒸汽体积比随气化剂预热温度不同而不同，其最佳蒸汽体积比为40～75%，以用在沸腾气化炉效果最佳。

提高气化剂预热温度的目的是为了促进炉内蒸汽气化，减少空气气化，以减少随空气带入的氮气，达到在不用氧气或少用氧气的情况下提高煤气热值的目的。

由水煤气反应式（1）可知：

蒸汽气化生成的水煤气中只含Co+H₂，同样不含惰性气体氮气，因此煤气浓度同样较大，其热值相当于氧气煤气。显然，在有碳存在的条件下，从水蒸汽分解获取纯氧（H₂O→H₂+ 1/2 O₂）（并产生对煤气有用的氢气），比利用制氧机获取纯氧要简单而且经济得多。但蒸汽气化是吸热反应，没有外供热量，反应将因温度的不断下降而中止进行，外供热量愈大，蒸汽气化所占比例愈大，煤气热值愈高。

现有技术中，水煤气发生炉就是利用块煤作热载体为蒸汽气化提供外供热量的。但这种以块煤作热载体的生产方式的缺点是：（1）间歇性生产，当红热块煤所积蓄的热量被水蒸汽吸热反应带走后，必须切换工序，重新把块煤加热后，才能再次气化，因此工艺复杂，气化强度低;（2）必须用块煤作原料（资源短缺）;（3）必须用固定床气化，有干馏物污染（环保差）。

本方法实际上是以高温空气一蒸汽混合气或高温富氧空气一蒸汽混合气作热载体代替以块煤作热载体的现有技术，为蒸汽气化提供热 源。优点是可连续气化，可用资源丰富的劣质煤末代替优质块煤，并达到消除污染的目的。

虽然普通钢管预热器的预热温度只能达到350℃，耐热钢管预热器的最高预热温度也只有700～800℃，但随着现代科学技术的发展，以耐火材料为材质的高炉蓄热式热风炉的预热温度则已普遍达到了1000～1300℃，磁流体发电的蓄热式热风炉进一步达到了1600℃，最高达2000℃，从而为煤的高温气化法奠定了可靠的实施条件。

气化剂温度愈高，所含的热量愈多。当气化剂预热到2100～2300℃时，高温气化剂所带入的物理显热可满足100%蒸汽气化所需的外供热量要求，即可达到纯蒸汽气化，煤气热值可提高到2350千卡/标米³。但目前世界热风炉的预热温度一般情况下只能达到1000～1600℃，1600℃以上难度较大，尚不易达到。因此高温气化剂所能提供的显热只能满足部分蒸汽气化所需的热量，一部分气化仍需由不需外供热的空气气化来完成。这就是本方法提出的用高温空气一蒸汽混合气或高温富氧空气一蒸汽混合气而不是用单纯的高温蒸汽作煤的气化剂的理由。

如果高温气化剂采用的是富氧空气一蒸汽混合气，煤气热值将进一步得到提高;当所要求的煤气热值相同时，则可适当降低气化剂的温度，以降低热风炉对耐火材质的要求。例如，既要求煤气热值达到2000千卡/标米³，又要求热风炉预热温度不超过1600℃时，可适当配以富氧。加富氧的目的是为了进一步提高煤气热值，起局部调整作用。

煤的高温气化法适用于各种气化炉：如气流床、流化床（即沸腾 床）、固定床和熔渣床等气化炉，也适用于地下煤气化。其中以用于沸腾气化炉效果最佳，原因是：

（1）沸腾气化炉炉温适中为1000℃左右，比1500～1700℃炉温的气流床或熔渣床低，自身消耗的热量少，可有更多的显热用于蒸汽气化，因此所得的煤气热值较高，气化效率也较高。

（2）炉温低，耐火材料好解决，炉子寿命长。

（3）沸腾炉没有固定床的低温干馏段，酚和焦油在1000℃的炉温下被全部分解，不存在污染问题。

（4）炉内有大量过剩煤末，不易产生过剩氧的危险，操作安全，控制容易，经得起波动。

（5）可直接用0～6毫米煤末，既可不用块煤，资源丰富，也不用磨成细粉，动力费节省

图1为及图2为煤的高温气化法用于沸腾气化炉的最佳实施例。

从鼓风机〔1〕出来的冷空气或富氧空气首先通过热风炉尾部的烟道低温预热器〔3〕预热到100～200℃（其目的在于防止冷空气或冷的富氧空气与蒸汽混合后，由于冷空气或冷富氧空气的降温造成蒸汽饱和水份在管道内或热风炉底部析出，冷空气或冷富氧空气也可由余热锅炉〔8〕预热至100～200℃），然后与从余热锅炉〔8〕出来的低温过热蒸汽混合，送入二座以上轮流切换加热的蓄热式热风炉〔4〕预热至800～2000℃后，进入沸腾气化炉〔9〕进行气化，从气化炉出来的高温粗煤气（约900℃）经余热锅炉〔8〕冷却至200℃后再经布袋除尘器或电除尘器〔7〕进一步除尘，以满足热风炉对煤气含尘量的要求（5～15毫克/标米³以下，防止热风炉耐火材料被渣化侵蚀），然后经洗涤塔〔6〕除去水 份，变成冷的干煤气通过煤气排送机〔5〕输出，一部份煤气回输作热风炉的燃料，其燃烧生成的废气由烟囟〔2〕排入大气。不作回烧热风炉的煤气没有特殊要求的也可不经布袋除尘器或电除尘器〔7〕，而直接由余热锅炉进入另外的洗涤塔洗涤后输出。由布袋除尘器或电除尘器〔7〕出来的200℃左右的湿热煤气如含水量不大，热值能满足要求时，也可不经洗涤塔，直接以湿热煤气输出。

蓄热式热风炉分格子砖式和石球式二种，煤气化用的热风炉因其规模不如高炉热风炉大，以采用石球式热风炉为佳，其优点是风温高，投资少，体积也小。

为便于操作和制造，空气及蒸汽的调节阀门都分别安装在冷空气管道及低温蒸汽管道上。〔10〕为空气调节阀，〔12〕为低温蒸汽调节阀，〔11〕为混合气调节阀。

本方法所用的气化剂主要是蒸汽，可主要由气化炉的余热锅炉供给。例如，气化剂温度为1000℃时，蒸汽基本自给还富余约5%，1300℃时蒸汽量不足11%，1600℃时蒸汽量不足26%，需要另加锅炉供给。在煤气化规模较大的工厂，如联合发电厂，合成氨化肥厂或城市煤气厂等，蒸汽供给的最佳方案是在余热锅炉和烧煤锅炉中先发生高压蒸汽，经发电或驱动透平鼓风机后，再利用其背压蒸汽供给煤气化用。这有利于进一步提高煤气化的热效率。

表2列出了高温空气一蒸汽常压沸腾气化数学模型的计算结果。

^＊1.表2数学模型中采用U-Gas法所用的美国伊黎诺斯6号烟煤同一种煤种为计算依据。100℃常温空气一蒸汽气化所得煤气热值为1073千卡/标米³，与表1中U-Gas常温空气一蒸汽气化实际操作所得的1075千卡/标米³相当吻合。表2中的各项模型计算数据，就是在此基础上，即在其他参数都不变的条件下，如煤种、

散热系数、蒸汽分解率、反应温度等参数都不变的条件下，仅改变气化剂的温度变数输入数学模型而得到的。它是建立在实际操作数据基础上的，因此有一定参考价值。

^＊2.当气化剂温度超过1000℃的炉温后，未分解的水蒸汽的入炉温度大于出炉温度，它由原来的热支出项变为热收入项，故气化效率在气化剂温度超过1000℃以上时由下降转为上升趋势。

由上述高温煤气化数学模型得到的初步定量分析中至少可得出以下几点结论：

（1）常压空气-蒸汽气化，气化剂温度由100℃常温提高到1000～1600℃高温时，煤气热值可由1073提高到1437～1887千卡/标米³，可满足工业燃料气和联合发电燃料气的要求。

（2）1500～1600℃的常压空气-蒸汽气化，煤气中的氢氮比（ (CO+H₂)/(N₂) ）可超过3.1，达到生产合成氨原料气的要求。蒸气分解量愈大，分解的氢愈多，带进的氮愈少，愈有利于氢氮比的提高。

（3）加压时的1600℃高温空气-蒸汽气化，煤气中的甲烷含量将有所增加，再经CO转换，CO₂高压水洗后，热值可提高到3000～3500千卡/标米³。因此高温空气-蒸汽气化在不用氧气的情况下同样可生成热值较高的城市煤气。如果增加一些富氧，热值可进一步达到4000千卡/标米³以上。

（4）高温气化剂的一个重要特性是气化剂中绝大部份是蒸汽，例如1300℃时气化剂中蒸汽体积比占2/3，1600℃时占3/4，温度愈高，蒸汽体积比愈高（见表2）。这对加压气化来说是极为重 要的。因为蒸汽加压到10～40个大气压是很容易的，只须在蒸汽锅炉阀门调节下继续增温就可达到，不费什么动力。与常温空气一蒸汽加压气化相比，动力费可节约2/3。联合发电燃料气，合成氨原料气和城市煤气都要求加压气化，因此煤的高温气化法将充分显示其优越性。

（5）气化剂温度每提高100℃，热值提高40～70千卡/标米³，相当于增加1～4.5%的富氧。温度区间愈高，每100℃的热值增加幅度愈大，富氧置换率也愈高（见表3）。

气化剂预热温度与热值及富氧度关系    表3

气化剂预热温度区间℃    100～200    1200～1300    1500～1600

气化剂每提高100℃，    40    65    70

煤气热值提高数，千卡/标

米³

每100℃相当的富氧数%    0.9    3    4.5

（6）利用自产煤气回烧热风炉，即从气化炉输出端回输一个△Q通过热风炉给气化炉输入端，并不会因此而降低煤的气化效率。如图2所示，这是因为当输入端增加了一个△Q能量（能量不灭，并假定不计热风炉的损失），此时输出端的总能量已变为Q+△Q，然后从Q+△Q中扣掉回输的△Q，其净输出能量仍等于Q，而不是Q-△Q，故气化效率并不因一部分能量的回输而降低。实际上它只是一个自身的内部循环。热风炉是热交换器而不是耗热器，损失有限。假定30%的煤气回输（见表2）经热风炉损失掉其中的15%（热风炉热效率在有尾气预热器的情况下为85%），则热风炉的损失仅占总能量的 4.5%（30%×0.15＝4.5%），以这一点代价代替了氧气气化，在经济上无疑是可取的。

（7）高温煤气化既没有从外部另外加入能量（热风炉是靠自产煤气回烧内部循环的），其输出能量自然不可能有任何增加，所不同的是：煤气热值提高了，净输出煤气量减少了，输出能量（E＝热值×煤气量）并没有改变，例如气化剂温度由100℃提高到1600℃时，煤气热值由1073提高到1887千卡/标米³，而净煤气输出量却由4.2减少到2.2标米³/公斤煤（表2）。净输出能量则由4515减少为4152千卡/公斤煤。高温煤气化净输出能量因热风炉多损耗了一部分热量，实际上在提高煤气热值时是稍有所降低的。因此，提高煤气热值不等于提高煤气的输出能量，从能量平衡来说也是成立的。

高温煤气化的作用在于把含氮量高的空气煤气通过热风炉燃烧放掉，而把这部分热能转移给气化剂以得到不含氮的蒸汽煤气，煤气热值的提高只是减少了氮的结果。

（8）高温气化剂中绝大部分是蒸汽，入炉后其温度立即被蒸汽气化吸热反应所降低，故尽管气化剂的温度远高于炉温，也不致于造成炉内超温结渣现象（正如氧气-蒸汽气化一样，最初的氧化区温度也远大于炉温，但立即被蒸汽的吸热反应所降低）。而且沸腾炉具有极高的传热、传质速度，风口受热的灰渣在未达到熔化温度前，即被吹起抛向炉子上部较冷的区域，从而得到冷却。

（9）高温气化剂可以大大加快蒸汽气化反应速度，并提高蒸汽的分解率。常温蒸汽入炉后，必须经过一段预热时间才能进行气化，这就 延长了气化反应的时间，以致部分水蒸汽由于来不及反应而逸出炉外，相应降低了蒸汽分解率。而1000～1600℃的高温蒸汽入炉后，则几乎立即进行反应，有利于提高气化强度和减少未分解的蒸汽消耗量。

综上所述，煤的高温气化法的优点是：

（1）可使空气一蒸汽气化的煤气热值提高到氧气气化的水平。

（2）投资和制气成本与氧气法相比可大幅度降低。

（3）加压气化动力费可得到显著节约。

由于以下二项现有技术也与本发明主题密切相关，特作比较说明如下：

（1）本发明人在中国《煤炭综合利用》1980年2期刊物上发表过一篇文章-煤末超高温空气煤气。其特点是用1350℃高温空气气化煤粉，预热空气的目的是为了空气气化反应后的温度能够提高到液态排渣气化炉所要求的1700℃炉温。但这种方法并不能达到除氮提高煤气热值的目的，因为所用的气化剂仍然是含有大量氮气的空气。

（2）1977年美国的一项专利-煤气化过程，专利号4，013，428。其特征是先用燃料和氧或空气在预燃烧炉中燃烧，然后在燃烧生成气中加入蒸汽，使蒸汽达到高温，再与煤粉在气化炉中进行气化。此种方法的缺点是气化剂中除了高温蒸汽外，还含有大量燃烧生成气（CO₂，H₂O，N₂），而CO₂，H₂O和N₂是不可燃的，势必和空气气化一样，会降低煤气中可燃成份的浓度，限制了煤气热值的提高。

Claims (8)

1、一种以高温气体作煤的气化剂的煤的高温气化法，其特征在于它是以800°～2300℃的高温空气-蒸汽混合气或800°～2300℃的高温富氧空气-蒸汽混合气作煤的气化剂。此高温气化剂中大部份是蒸汽，气化剂温度愈高，气化剂中的蒸汽体积比允许愈高。

2、按权利要求1所述的煤的高温气化法，其特征在于它可适用于气流床、沸腾床、固定床和熔渣床等各种气化炉。

3、按权利要求1所述的煤的高温气化法，其特征在于高温气化剂的最佳温度为1000～1600℃。

4、按权利要求1所述的煤的高温气化法，其特征在于高温气化剂的最佳蒸汽体积比为40～75%。

5、按权利要求1所述的高温气化法，其特征在于它有二座以上轮流切换预热空气-蒸汽混合气或预热富氧空气-蒸汽混合气的，利用气化炉自产煤气回烧作燃料的蓄热式热风炉〔4〕。

6、按权利要求1所述的煤的高温气化法，其特征是在冷空气或冷的富氧空气与低温过热蒸汽混合进入蓄热式热风炉〔4〕之前，有一个把冷空气或冷富氧空气首先预热至100～200℃的装在热风炉尾部烟道里的低温空气预热器〔3〕，此低温空气预热器也可以是冷却热煤气用的余热锅炉〔8〕。

7、按权利要求5所述的煤的高温气化法，其特征在于所说的蓄热式热风炉的最佳型式是石球式热风炉。

8、按权利要求1所述的煤的高温气化法，其特征是有一台产生气化剂所需蒸汽的余热锅炉〔8〕，必要时还有一台辅助锅炉。蒸汽供给的最佳方案是采用发电后或驱动透平风机后的背压蒸汽。

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