CN1017998B - 外热式煤气化方法及实施该方法的沸腾床气化炉 - Google Patents

外热式煤气化方法及实施该方法的沸腾床气化炉

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Abstract

在内装热载体介质换热管的煤气化炉中，在加压下用水蒸汽外热的煤气化方法，先将经由换热管进入换热管进入煤气化炉的高温热载体介质导入气化段，接着被输送至热解段，并将欲气化的煤逆向输入通过煤气化炉，为了煤的预热和热解，使用业已冷却的热载体流，同时从仍热的热载体流中抽取气化热，为了实施这种方法，可采用适当设计的卧式或立式煤气化炉。

Description

本发明涉及一种外热式的在一装有载热介质换热管的煤气化炉中，在加压下用水蒸汽进行煤气化的工艺方法，并涉及实施该工艺方法用的沸腾床煤气化炉。
固体燃料的气化原则上在高温下进行。加热和转化所需的热量藉部分燃烧（内热法）抑或供给外来热量（外热法）提供。外热式气化较之内热式优越，即气化室中的燃料不必为提供热量而进行部分燃烧。外热式气化时，热量可取自任何外界热源，例如高温核反应堆，当然也取自燃烧室中的燃烧部分自产煤气。此优点不仅在于煤气化有高的转化率，而且也在于在部分气化时除了煤气外还生产出粉焦-例如用于与煤气联合生产生铁的工艺过程。
卧式和立式的外热式沸腾床煤气化炉本身是已知的，例如由西德专利说明书2423951.8、西德专利说明书2549784.1、西德专利说明书3112708.8以及西德专利说明书3042142都是已知的。这些发明的出发点是，在煤气化炉的全部区域平行导入具有高初始温度的热载体，举例来说，在煤的定量进料区域也是如此。
在此区域中，输入的煤被预热，先释出煤中所含的挥发分。各个煤颗粒在此时从结构或化学组成上转变成焦炭颗粒的状态。所释出的挥发分，特别是所形成的焦油在二次反应中继续分解，在此同时所形成的焦炭开始气化。人们把实际促进气化过程的挥发性物质释放和焦炭形成过程称为热解反应。下文中将煤气化炉中实际进行该热解反应的相应段称为热解段。
本发明赖以为基础的任务是，进一步发展上述种类的工艺方法，以便最佳地利用所供给的热量，并为此制造相宜的煤气化炉。
该任务拟用（权利要求1的）工艺方法来完成，即先将经由换热管进入煤气化炉的高温热载体介质导入气化段，接着通入热解段，并将欲气化的煤逆向导入，通过煤气化炉，因而为了煤的预热和热解使用了业已冷却的热载体流。同时从仍热的热载体流中取出气化热。
由于气化段和热解段的热载体串联，因之此全部能量在高温下供给了气化段-在高温时对气化动力学即速度极为有利。接着具有较低温度的全部热载体进到热解区，并在此提供满足加热和热解过程需要用的热量。逆向导入热载体和气化剂，具有明显改善热载体介质的能量利用效果。下降的温度在动力学上不会对热解反应产生不利影响，因为此处很少依赖高温，而是依赖产生足够的热量。通过热载体的大量流量和换热器的适宜尺寸保证了足够的热量。
水蒸汽除用作气化剂之外，还用作另外的热载体介质和煤的流化剂（权利要求2）。
实现煤的进料是藉助粗煤气的回流或者藉助过热的水蒸汽，以约700℃至800℃的过热水蒸汽为佳（权利要求3）。
推荐藉助过热水蒸汽来使煤颗粒流化，水蒸汽以700℃-800℃的温度引入气化段为佳（权利要求4）。
灰分颗粒的流化与冷却可以分隔的冷却段藉水蒸汽进行，水蒸汽温度以高于随压力而异的露点20℃-100℃为佳（权利要求5）。
灰分颗粒的冷却用水蒸汽进行，以在移动层中进行为佳（权利要求6）。
加煤以在热解段为佳，并藉一个或多个喷射加料管来进行（权利要求7）。此类喷射加料管，举例来说，由西德公开说明书3136645已知。冷却灰分相宜的经由卸料闸计量排离冷却段（权利要求8）。这样的一种卸料闸，举例来说，由西德专利说明书3339061已知。
建议使用烟道气作为热载体，以温度约950℃烟道气为佳（权利要求9）。
可用氦作为热载体气体，它可取自温度约900℃的高温反应堆第二级循环，或者取自低于950℃的第一级循环（权利要求10）。
下述沸腾床煤气化炉适于用来实施上述工艺方法：
实施该工艺方法用的第一种沸腾床煤气化炉实施方式，其特征在于，卧式煤气化炉的圆筒形压力容器分为一预热段和热解段、一隔离的气化段以及一隔离的冷却段，该预热段和热解段装有构成作为喷射管的多个煤加料孔，此煤加料孔具有粗煤气回流导入口或水蒸汽导入口，气化段有与炉底相连的水蒸汽导入口，在冷却段上装有与炉底相连的水蒸汽导入口以及一卸料闸，在预热段和热解段中装有热载体气体导入口和换热管，以及一设置于炉内或 炉处的接管;后者与气化段中的换热管和热载体气体出口相接，在气化段与预热段热解段之间装有气体物质和固体物质不能通过的间壁，同时在气化段与冷却段之间装有气体物质和固体物质不能通过的间壁，而在各段上方是带有煤气导出口的集气室（权利要求11）。
在卧式煤气化炉的实施中，由于输入气化段的水蒸汽在各段经部分反应后，同来自预热段和热解段的粗煤气汇集在一起，并部分的经回流换热后流入热解段，因而使煤气化炉的热解段不需补充任何水蒸汽，从而达到显著节省水蒸汽的目的。同下述立式煤气化炉一样，气化区域水蒸汽含量很高，这又有利于反应动力学。未经反应的水蒸汽完全足以经部分回流作为含水粗煤气来满足预热段热解段中第二级热解反应的要求。
煤气化炉具有固体物质不能通过的间壁的，其卧式安装的较之下述立式实施方式还有一个附带的优点，因为该种煤气化炉中不仅可分成二段，而且还使气化段中能附带分级段。使所谓的返混受到更为强烈的抑制。
对卧式安装的沸腾床煤气化炉可推荐，在预热段和热解段中安装附加的粗煤气回流气导入口和环吹炉底，并将换热器和气体泵装入煤气回流管路中（权利要求12）。
实施该工艺方法用的沸腾床煤气化炉的第二个实施方案，特征在于，立式煤气化炉的圆筒形压力容器分成位于容器上部的一预热段和热解段、一位于该段下方的隔离的气化段，以及一位于其下方的隔离的冷却段。该预热段和热解段装有构成作为喷射加料管的多个煤加料孔，该煤加料孔具有粗煤气回流导入口或水蒸汽导入口，气化段有连通环吹炉底的水蒸汽导入口，冷却段装有连通环吹炉底的水蒸汽导入口以及卸料口，在预热段和热解段中装有热载体气体导入口和换热管以及接管，后者与气化段中的换热管和热载体气体出口相连，在气化段与预热段和热解段之间设有气体物质和固体物质能通过的间壁，并在预热段和热解段上方有一个带煤气输出口的集气室（权利要求13）。
在立式煤气化炉中，由于输入气化段的水蒸汽在该段中经部分反应后与所产生的煤气一起直接流入热解区域，使该段实际上不需要补充任何水蒸汽，从而节省大量水蒸汽，这是优点所在。
同时，由于同样在气化段可有很高的水蒸汽含量，这同样有利于动力学，因而产生另一优点。在气化段未转化的水蒸汽完全足以满足热解区域中焦油分解之需。
立式煤气化炉还有一个优点是，热解区域和气化区域的上下衔接，使这二段可以由一种能通过气体物质和固体物质的间壁分隔开来。这样所分隔开来的两段（段联）明显减少了新输入燃料与气化段燃料不希望发生的混合（所谓的返混），因此使高转化率的气化也成为可能。
同其他一些工艺方法相比，不仅卧式的而且立式的煤气化炉实施方式由于残余焦炭在冷却段冷却而产生了另外一些优点。
在卧式实施方式中，残余焦炭在其从气化段转入冷却段之后用产物气体或低温水蒸汽加以冷却。在立式实施方式中，这种冷却当然以用水蒸汽进行为佳，水蒸汽温度高于露点20-100℃，以避免在冷却段上方的气化段中，反应被产物气体抑制。一方面，藉此达到使残余焦炭冷却到某个温度，以使焦炭在工艺上能较简便地计量排出。另一方面，由于-尤其在部分气化的情况下-有可能有效的利用生成的焦炭粉的显热而呈现出更大的优点。
下面根据附图来进一步阐述本发明。附图示出，
图1    本发明原理，示出一种立式煤气化炉;
图2    本发明原理，示出一种卧式煤气化炉。
图1示出压力容器1，它分为四段，在立式煤气化炉19中，这四段上下重叠连接，最上一段为集气室15，煤气可经由接合管21抽离此段。在下一段，即预热段和热解段2中，经由接合管6，藉喷射加料管5气动计量导入温度低于软化点的细煤粉作为气化原料及作为气化剂的温度约为700℃至800℃的水蒸汽。该供料装置的细节在西德公开说明书3136645中作了说明。第二段的圆筒部分有一根导出热载体气体用的接合管9，它与换热管10连通。热解段2的直径与气体流速匹配，气体流速根据下方气化段的气体排出量和喷射供料的气体量来安排。热载体介质逆着由气化段3出来的气化燃料流动方向以较低温度水平导入热解段2。
气化段3位于压力容器中部。该段下部设有一根导入过热蒸汽用的接合管7，上部设有一根导入高温热载体介质用的接合管13。该介质以高温（约 900℃至950℃）输入换热管12中，并将其显热传递给气化燃料，使之转化成气体。经由管道11，冷却了的热载体气体输到预热段和热解段2内的换热管10中，并经由接合管9以约750℃至800℃再从压力容器中出来。约700℃至800℃的过热蒸汽经由环吹炉底8导向沸腾床，进入第3段。根据此处来以图示出的一种结构方案，供热载体气体出入用的接合管9及13也可以并排装在总出口接合管范围内。
气化段及热解段3或2用可通过气体物质和固体物质的间壁14互相隔开，以改善气化剂停留时间（减少返混）。间壁14设计得在其外侧近壁处最好使煤粉从热解段2流入气化段3，促进固体物质流动，形成沸腾床。
气化段3之下，仍在压力容器1的圆筒状部分，接着是冷却燃料残渣的冷却段4。冷却段4经由接合管16及环吹炉底17通入水蒸汽，水蒸汽温度高于露点20-100℃。冷却段4以移动床方式操作为佳，残渣当然也可藉提高水蒸汽喷入量来流化。环吹炉底17之下，压力容器成锥形缩小到接合管18，该管是用于卸出已冷却残余物的，卸料按西德专利说明书3339061经由未在此以图示出的卸料口进行。
图2示出卧式煤气化炉20。压力容器1同样分为四段，其中三段前后相接排列。最前一段，即预热段和热解段2经由接合管6藉喷射加料管以气动方式计量加入细煤粉。通过接合管6用回流换热法或在此处未以图示出的燃烧中加热到高温的，继续返回循环的湿粗煤气或者过热水蒸汽输入炉内。该气体用于流化和最初所形成的煤热解产物的转化。在压力容器1的上部有一根与换热管10相通的接合管9，用以导出热载体介质。
在压力容器1的中部设有气化段3。该区域的下面有一根接合管7，用以导入过热蒸汽。过热蒸汽经由环吹炉底8输入气化段3中的沸腾床。实施例中在气化段热载体侧平行的装有一些换热管12，从而在整个区域内存在着高温热载体介质。
高温热载体介质经由接合管13抵达气化段3，在那里流过换热管12，然后经过接合管27及接管11（该管在实施例中位于压力容器1的外部）从气化段3出来，经接合管28以较低的温度导入热解段2。
气化段和热解段3或2为改善停留时间（减少返混），用一在此情况下位于2段和3段区域内的，不能通过气体物质和固体物质的间壁14a隔离开。
气化段3同样用不能通气体物质和固体物质的间隔14b同相邻的冷却段4隔离开。冷却段4为冷却焦炭残渣及必要时为进行流化起见，经由接合管16和环吹炉底17供以接近饱和蒸汽温度的水蒸汽或者最好供以干燥的产物气体。冷却段上方装有煤气出口接合管21。该接合管与集气室15相通，集气室长向延伸于前后排列的2、3、4各区域上方。
经由接合管22，湿粗煤气可通过环吹炉底23被输入到预热段和热解段2。在该实施例中该回流气体经由换热器24、25进行预热，并经鼓风机26输回接合管22。
残渣经由接合管18，从冷却段卸出，比较好的是经由在此未以图示出的西德专利说明书3339061所述卸料口卸出。
对比例
下面用外热式煤气化新工艺方法的主要数据同迄今已知的水蒸汽煤气化工艺方法（参见西德专利说明书2423951.8、西德专利说明书2549784.1、西德专利说明书3112708.8等）进行对比。为有较好的可比性，热源热功率以340MW为基准。对于完全气化（表1），将现有技术中卧式煤气化炉的工艺方法与本发明中卧式或立式煤气化炉的工艺方法进行对比。在立式煤气化炉特别适用的部分气化（表2）情况下，只在现有技术工艺方法与使用本发明立式煤气化炉的新工艺方法之间进行对比。
由表1可以看出，本发明的工艺方法在所供给的热源功率同样为340MW，煤转化率同样为95%时，立式煤气化炉在稍高的煤处理量时，需要比相应现有技术工艺方法小得多的蒸汽输入量。这主要是由于本发明的各特征，并由于压力降低所致。在卧式煤气化炉的情况下，除了水蒸汽输入量方面的同样优点外，还有煤处理量大约翻一翻的优点，而且有明显改善了高温热量利用率的效果。
只进行部分气化，同时生产炭粉的情况下（表2），呈现类似的优点。如果人们用相应的现有技术与该方法进行比较，则95%转化率的气化，对于立式煤气化炉，在转化率为50%时相比，仍然有 煤处理量高得多的优点。（见表1、2）
1    压力容器
2    预热段和热解段
3    气化段
4    冷却段
5    喷射加料管（煤导入口及蒸汽导入口）
6    接合管（煤导入口及蒸汽导入口）
7    接合管（蒸汽导入口）
8    环吹炉底
9    接合管（热载体气体出口）
10    换热管
11    接管
12    换热管
13    接合管（热载体气体出口）
14    间壁
14a    间壁
14b    间壁
15    集气室
16    接合管（蒸汽导入口-饱和蒸汽）
17    环吹炉底
18    接合管（残渣）
19    立式煤气化炉
20    卧式煤气化炉
21    接合管（煤气出口）
22    接合管（蒸汽和回流煤气导入口）
23    环吹炉底
24    换热器
25    换热器
26    煤气泵
27    接合管（热载体气体出口）
28    接合管（热载体气体出口）
表1
完全气化（95%转化率）时的对比
本发明的工艺方法    现有技术工艺
方法，卧式炉
卧式炉    立式炉
热源的热功率    HW    4×85＝340    2×170＝340    1×340
煤气化炉数目    4    2    1
煤气化炉尺寸
长度/高度    m    18    20    33
外径    m    5,0    7,0    7,0
压力    bar    21    11    44
煤的转化率    %    95    95    95
煤处理量    t/h    60,0    30,5    27,3
单位水蒸汽输入量 (tH2O)/(t煤，输入) 2,67 2,53 5,95
水蒸汽分解率    %    49    52    13
高温热量利用率    %    21,6    10,0    9,4
表2    部分气化（50%转化率）时的比较
本发明工艺方法，    现有技术工艺方法，
立式煤气化炉    卧式煤气化炉
热源的热功率
Figure 87107590_IMG2
2×170＝340 1×340
煤气化炉数目    2    1
煤气化炉尺寸
长度/高度    m    20    33
外径    m    7,0    7,0
压力    bar    21    44
煤的转化率    %    50    50
煤处理量    t/h    112,0    84,6
单位水蒸汽输入量 (tH2O)/(t煤，输入) 0,99 2,44
水蒸汽分解率    %    52,0    21,1
高温热量利用率    %    19,6    13,7
＊）在测定煤气化高温热量利用率时，用煤气化炉热载体介质的△θ与热载体的总△θ相比，故而举例来说，由二次氦的正流温度和回流温度来测定在核煤气化时总的△θ

Claims (13)

1、在内装热载体介质换热管的煤气化炉中，在加压下用水蒸汽外热的煤气化方法，其特征在于，先将经由换热管进入煤气化炉的高温的热载体介质导入气化段，接着其大量流量被输送至热解段；并且将欲气化的煤逆向输入通过煤气化炉，这样，已冷却的温度为700℃至800℃的热载体流用于煤的预热和热解，同时，气化热从仍热的温度为900℃至950℃的热载体流中除去。
2、权利要求1所述的方法，其特征在于，水蒸汽除了用作气化剂外，还用作另一种热载体介质和煤的流化剂。
3、权利要求2所述的方法，其特征在于，煤藉助粗煤气回流气，或者用过热水蒸汽，最好用约700℃至800℃的水蒸汽来输入煤。
4、权利要求2所述的方法，其特征在于，煤颗粒的流化藉过热水蒸汽来进行，所述过热水蒸汽以700-800℃导入气化段为佳。
5、权利要求2所述的方法，其特征在于，灰分颗粒的流化和冷却在隔离的冷却段中藉水蒸汽来进行，水蒸汽的温度以高于随压力而异的露点20-100℃为佳。
6、权利要求2所述的方法，其特征在于，灰分颗粒的冷却藉水蒸汽在移动层中进行。
7、权利要求3所述的方法，其特征在于，煤的供给在热解段中进行，并藉一个或多个喷射加料管来进行。
8、权利要求5所述的方法，其特征在于，冷却的灰分定量排料经由卸料闸排离冷却段。
9、权利要求1所述的方法，其特征在于，烟气以约950℃用作热载体气体为佳。
10、权利要求1所述的方法，其特征在于，用来自高温反应堆第二级循环、温度约900℃的氦或来自高温反应堆第一级循环、温度低于950℃的氦作为热载体气体。
11、实施权利要求1所述的方法用的沸腾床煤气化炉，包括卧式煤气化炉的（20）的柱状压力容器（1），其上设置有加煤的开口（5）、与环吹炉底（8）相连的水蒸汽导入口（7）和卸料口（18），还设置有热载体气体导入口（13）、换热管（12）和热载体气体导出口（9），还有设置在沸腾床上的间壁（14a，14b）、和带有煤气导出口（21）的集气区（15），其特征在于，卧式煤气化炉（20）的圆筒形压力容器（1）分为预热段和热解段（2）、隔离的气化段（3）及隔离的冷却段（4），预热段和热解段（2）装有构成作为喷射加料管（5）的多个煤加料孔，该煤加料孔具有粗煤气回流气导入口或水蒸汽导入口（6），气化段（3）有连通环吹炉底（8）的水蒸汽导入口（7），而冷却段（4）装有连通环吹炉底（17）的水蒸汽导入口（16）以及卸料口（18），在预热段和热解段（2）中装有热载体气体导入（13）和换热管（12）以及置于炉内或炉外的接管（11），后者与气化段（3）中的第二换热管10和热载体气体导出口（9）相通，在气化段（3）与预热段和热解段（2）之间装有气体物质和固体物质不能通过的间壁（14a），同时在气化段（3）与冷却段（4）之间装有气体物质和固体物质不能通过的间壁（14b），而在各段（2、3、4）上方是带有煤气导出口（21）的集气室（15）。
12、权利要求11所述的沸腾床煤气化炉，其特征在于，在预热段和热解段（2）中装有附加的粗煤气回流气体导入口（22）和环吹炉底（23），并在煤气回输管线上装有换热器（24、25）和气体泵（26）。
13、实施权利要求1所述的方法用的沸腾床煤气化炉，包括立式煤气化炉（19）的圆柱形压力容器（1），其上设置有加煤开口（5），与环吹炉底（8）相连的水蒸汽导入口（7）和卸料口（18），还设置有热载体气体导入口（13），换热管（12）和热载体气体导出口（9），还有设置在沸腾床上的间壁（14），和带有煤气导出口（21）的集气区（15），其特征在于，立式煤气化炉（19）的容器（1）分成位于容器上部的预热段和热解段（2）、位于该段下方的隔离的气化段（3）以及位于其下方的隔离的冷却段（4），预热段和热解段（2）装有构成作为喷射加料管（5）的煤加料孔，该煤加料孔具有粗煤气回流气导入口或水蒸汽导入口（6），气化段（3）有连通环吹炉底（8）的水蒸汽导入口（7），而冷却段（4）装有连通环吹炉底（17）的水蒸汽导入口（16）以及卸料口（18），在预热段和热解段（2）中装有热载体导出口（9）和换热管（10）以及接管（11），后者与气化段（3）与预热段和热解段之间设有气体物质和固体物质能通过的间壁（14），并在预热段和热解段（2）上方有一个带煤气出口（2）的集气室（15）。
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