CN101955801B - L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺，步骤包括：煤炭粉碎，加入到一立式气化炉中，析出易挥发物质；煤炭进入下一气化炉，析出焦油；煤炭进入卧式回转炉进行充分气化；将各个气化炉中产生的气体先进行分别净化，然后综合脱硫处理，得洁净气体。本发明的工艺大幅度提高了煤炭利用效率、碳转化率、冷媒气效率等性能指标，适合于联合循环发电、城市居民燃气、工业燃气及交通供应燃气供应等行业。本发明还公开了该工艺所用的生产系统，本系统吸收了固定床流化床喷流床工艺的优势，它具备了运行稳定，能耗低和日气化煤量多，产气量大且对煤种要求极为宽泛的优势，大大降低了煤气化生产系统的建设造价和运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤炭气化的生产方法及其专用煤炭气化设备系统，具体涉及一种日气化煤量多产气量大、碳转化率高、冷煤气效率高、耗能低、可以气化劣质煤炭的L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺及其专用煤气化生产系统。
背景技术
煤资源过快消耗和环境污染的双重压力日益加大。中国、美国、印度等80％的电力来自于直接燃煤。迅速改变燃煤电厂（锅炉直接燃煤蒸汽间接做功）的传统落后工艺是节能减排、遏制气候变化、发展低碳经济的一个重要突破点。传统的煤气化固定床、流化床、喷流床的技术工艺的主要性能数据在下表中列举了出来：
从表中可以看出，固定床、流化床和喷流床都有各自的特点和优势，但它们的日气化煤量一般只能在 500-1000 吨左右，其建设造价、碳转化率、气体热值组分、冷媒气效率等气化数据效果也有这样那样的缺陷，目前的这些工艺技术方法，很难解决现在煤炭使用效率低，消耗过快以及大型用气的需求等问题。煤气化联合循环是燃煤电厂提高用煤效率、控制污染排放、节能节水的有效方法。它从工艺结构上根本改变了“锅炉直接燃煤造成的污染和蒸汽间接做功的低效”，煤资源清洁利用效率提高35％-45% ，水资源节约 40% ，还可以有效控制污染物及 CO2的排放，代表着燃煤电厂的发展方向。这项技术源于上世纪90年代欧美国家，它在提高运行效率，减少污染排放等方面都显示出明显的优势，但由于缺少经济适用的、能效合理的日气化煤量大的煤气化工艺技术，妨碍了这项技术的推广。目前，各国都在对积极研发之中。因此，寻找发明一种能效合理的日气化煤量大，设备运行可靠，经济适用的煤气化技术是转变电力及燃气等行业煤炭低效使用污染浪费严重的一个关键突破点。
发明内容
本发明为了克服和弥补了现有固定床产气量较小，喷流床耗能高，冷煤气效率低、运行成本高等缺陷，而提供了一种L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺，该工艺大幅度提高了煤炭利用效率、碳转化率、冷媒气效率、污染排放控制等性能指标，适合于联合循环发电、城市居民燃气工业及交通燃气供应等行业。
本发明还提供了本工艺的专用L型卧式回转波浪床煤气化生产系统，本煤气化生产系统吸收了固定床运行稳定能耗低的优势和喷流床日产气量大的优势，对煤种要求极为宽泛，大大降低了建设造价和运行成本，克服了现有煤气化工艺所用设备运行控制难、建设造价高的缺陷。
本发明是通过以下措施实现的：
一种L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺，其特征是至少包括以下步骤：
A． 煤炭分级气化
（1）煤炭粉碎，加入到一立式气化炉中，在压力8-11公斤、温度400-550℃下与氧气和水蒸气反应完成第一次气化，将煤炭中的易挥发物质气化析出；
（2）煤炭从上述立式气化炉中流出进入另一立式气化炉，在压力13-16公斤、温度500-650℃下进行第二次气化，将煤炭中的焦油析出；
（3）煤炭从步骤（2）的立式气化炉流出进入一卧式回转炉，该卧式回转炉的耐火衬为波浪形，在回转炉的运动下，煤炭不停地呈波浪形从顶部向低部翻腾移动，完成第三次气化；炉内压力为23-25公斤，温度为700-1110℃；
B． 气体净化：将步骤（1）、（2）、（3）产生的气体分别同时进行以下处理，然后再将处理后的气体混合，进行综合脱硫处理，得洁净气体：
b1.将步骤（1）产生的气体进行除尘处理；
b2.将步骤（2）产生的气体进行捕焦处理；
b3.将步骤（3）产生的气体进行脱硫等污染物的处理。
上述煤气化生产工艺中，煤炭的流量为40-140吨/小时；一级气化炉中氧气流量为4000-8000 m3/h，水蒸气流量为3-6吨/小时；二级气化炉中氧气流量为4000-8000 m3/h，水蒸气流量为3-6吨/小时；三级气化炉中氧气流量为8000-16000 m3/h，水蒸气流量为6-12吨/小时。
上述煤气化生产工艺中，所述煤炭粉碎后的粒径为0.1-6mm，粉碎的煤炭中煤末的含量在20%-30%之间。
上述煤气化生产工艺中，三级气化炉的回转速度为2-20转/分。
上述煤气化生产工艺中，煤炭的日气化量为1000-3000吨。
本发明专用的L型卧式回转波浪床煤气化生产系统包括依次连接的三个气化炉，依次为一级气化炉、二级气化炉和三级气化炉，其特征是：一级气化炉为立式气化炉，用于气化煤炭中的挥发分，二级气化炉为立式气化炉，用于气化析出煤炭中的焦油，三级气化炉为卧式回转炉，用于煤炭的充分气化；其中，一级气化炉的底部与二级气化炉的顶部相连，二级气化炉的底部与三级气化炉的顶部相连；所述三级气化炉的顶部高于底部，三级气化炉内设有波浪形耐火衬，使进入的煤炭呈波浪形从顶部向底部翻腾移动。气化炉采用立卧结合式连接，煤炭中的各种有效成分分级析出，大大提高了污染物的排放及煤炭的转化率，此外，三级气化炉采用回转炉，且耐火衬为波浪形，使煤炭的受热更均匀，反应更充分，冷煤气效率更高。
本发明所述的L型卧式回转波浪床的中的L型指的是三个气化炉呈L型连接，卧式回转波浪床的指的是带有波浪形耐火衬的三级气化炉，波浪床是以煤炭在炉中的运动形式来命名的，命名方式与固定床、喷流床类似。
上述煤气化生产系统中，所述一级气化炉的上部设有一级出气口，二级气化炉的上部设有二级出气口，三级气化炉的上部设有三级出气口；所述一级、二级和三级气化炉的下部均设有氧气喷入口和水蒸气喷入口。
上述煤气化生产系统中，还包括净化系统，净化系统包括对各级气化炉中产生的气体进行单独净化的分级净化系统和对气体进行综合脱硫处理的综合净化系统，其中分级净化系统包括各自独立的除尘设施、捕焦设施和脱硫设施，所述除尘设施的一端与一级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连，捕焦设施的一端与二级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连，脱硫设施的一端与三级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连。净化系统采用分级净化的设计理念，先将每级气化炉中产生的气体进行具有针对性的分级净化，然后再综合脱硫，净化效果更好，污染排放更低。
上述煤气化生产系统中，一级、二级和三级气化炉的顶部和底部均设有压力锁，用于控制煤流量及气化炉之间的连接；三级气化炉与地面成5°-25°角，三级气化炉和地面所成的角度可根据实际情况进行调节。
提高煤炭中的碳转化率和冷媒气效率是衡量气化工艺优劣的一项重要数据，以往实现较高碳转化率的煤气化工艺，一般都是通过提高压力和温度或者改变煤炭的外形来实现（如煤浆、煤粉等），但冷媒气效率一般都偏低。本发明将改变点放在工艺本身上，在设计工艺流程时，根据生产实践，将第一和第二气化炉内的温度分别设定为煤炭挥发分和焦油的最佳析出时间，使煤炭的相应能量得到充分得释放、转换和利用，同时可以以最小的代价，有针对性的控制相应污染物粉尘及废水的排放。此外，针对煤炭转化率和冷煤气效率低的问题，本发明对煤气化系统也进行了改进，本发明的第三级气化炉采用卧式回转炉，炉内耐火衬采用波浪形设计，通过回转炉的回转运动，使煤炭在炉内形成波浪形流动式翻腾，形成波浪床，使煤炭更加均匀的得到氧气、空气、蒸汽、压力、温度等有利气化条件，使煤炭得到充分转化，同时减少了废气废渣的排放，大大提高了煤炭转化率和冷煤气效率。
有益效果：本方法将煤炭进行多级气化，将煤炭中的成分进行了充分的利用，减少了资源的浪费，碳转化率可达99%以上，冷煤气效率可高于92%，污染排放符合并低于目前各国最为严格的排放标准。本发明采用独有的生产系统对煤炭进行气化，原料煤的要求低，无需进行复杂的预处理，气化能耗比目前同规模气化工艺降低30％-50%。本发明的煤气系统效率高、设备寿命长、运行成本低，日气化煤量可达1000-3000吨，可为煤气化联合循环发电技术提供科学、合理的工艺技术支持，有利于现有煤气技术的进步，实现了以最小的能耗充分实现了煤炭的能量转换，以合理的代价最有效的控制了污染。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中三级气化炉的竖截面示意图；
图中，1、一级气化炉，2、二级气化炉，3、三级气化炉，4、波浪形耐火衬，5、一级出气口，6、二级出气口，7、三级出气口，8、氧气喷入口，9、水蒸气喷入口，10、除尘设施，11、捕焦设施，12、脱硫设施，13、综合净化系统，14、压力锁。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步阐述，应该明白的是，下述说明仅是为了更好的解释本发明，并不对其内容进行限定，具体保护范围还以权利要求书中记载的为准。
实施例1
如图1所示的L型卧式回转波浪床煤气化生产系统，包括依次连接的三个气化炉，一级气化炉1为立式气化炉主要用于析出煤炭中的挥发分，二级气化炉2为立式气化炉主要用于析出煤炭中的焦油，三级气化炉3为卧式回转炉用于煤炭的充分气化；其中，一级气化炉的底与二级气化炉的顶部相连，二级气化炉的底部与三级气化炉的顶部相连，三级气化炉的顶部高于底部，可与地面成5至25°角，该角度可根据气化煤量进行适当调节；每级气化炉的顶部和底部均设有压力锁14，它不仅能够调节煤炭的流量，还能将各级气化炉连接到一起。每级气化炉的上部均设有出气口，一级气化炉的出气口为一级出气口5，二级气化炉的出气口为二级出气口6，三级气化炉的出气口为三级出气口7，每级气化炉的下部均设有氧气喷入口8和水蒸气喷入口9。另外，如图2所示，三级气化炉内的耐火衬为波浪形耐火衬4，耐火材料沿炉顶到炉底的方向呈波浪形排列，这样，在三级气化炉做回转运动时，炉内的煤炭会呈波浪形从炉顶部向底部翻腾移动，使煤炭受热均匀，与氧气和水蒸气的接触面积均匀，有益于煤炭的充分气化。
本发明的煤气化系统还包括净化系统，净化系统包括对各级气化炉中产生的气体进行单独净化的分级净化系统和对气体进行综合脱硫处理的综合净化系统13，其中分级净化系统包括各自独立的除尘设施10、捕焦设施11和脱硫设施12，所述除尘设施的一端与一级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连，捕焦设施的一端与二级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连，脱硫设施的一端与三级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连。本发明净化系统的创新点为将三级气化炉中产生的气体进行单独的、具有针对性的净化处理，即将除尘设施、捕焦设施和脱硫设施进行分离，分别净化不同气化炉中产生的气体，这样处理的气体比现有工艺中净化后的气体更洁净。净化系统中的除尘设施、捕焦设施、脱硫设施和对气体进行综合脱硫处理的综合净化系统等净化设施和采取的净化工艺还是采用现有设施和工艺，均是现有煤气化工艺中常用技术手段，本领域技术人员可根据对粉尘、焦油及含硫污染物的处理程度进行选择。例如，除尘设施可以选择旋风除尘器或布袋除尘器，捕焦设施可以选择电捕焦油器，脱硫设施及综合净化系统中的脱硫手段可以选择炉内脱硫、干法湿法等脱硫工艺。
实施例2
以5500-6000大卡的普通烟煤为列，采用实施例1的煤气化系统进行煤气化生产，三级卧式气化炉与地面成5°-10°角，其过程至少包括以下步骤：
A．煤炭分级气化
（1）将烟煤粉碎至粒径为0.1-6mm，粉碎后的烟煤中可以含有20%--30%的煤末；然后将粉碎的烟煤（按日气化煤量1000吨/天的量）每小时按40-50吨流量加入到一级气化炉中进行第一次气化，使烟煤中的挥发分充分析出；其中炉内压力10-11公斤、温度为400℃、氧气流量为4000-5000m3/h和水蒸气流量为3-3.5吨/小时；
（2） 烟煤从一级气化炉进入二级气化炉，在炉进行第二次气化，使烟煤中的焦油充分析出；其中，炉内压力为15-16公斤、温度为550℃-650℃、氧气流量为4000-5000 m3/h和水蒸气流量为3-3.5吨/小时；
（3）烟煤从二级气化炉进入三级气化炉，三级气化炉在电动机的作用下按每分钟5-10圈进行回转运动，使烟煤随着炉子的运动不停地呈波浪形从顶部向低部翻腾移动，完成第三次气化，从炉底部留出的炉渣若气化不充分回用于气化工艺，若气化充分用做建筑材料；气化炉转速为5-10转/分钟、炉内压力为24-25公斤、温度为1100℃、氧气流量为8000-9000m3/h、水蒸气流量为5.5-6吨/小时；
B．气体净化：气化炉中产生的气体分别进入净化系统中进行净化，具体为，第一气化炉中的气体进入除尘设施进行除尘净化，第二气化炉中的气体进入捕获焦油设施进行捕焦净化，第三气化炉中的气体进入脱硫设施进行脱硫净化，经分别净化后的气体进入综合净化系统进行综合脱除硫等污染物的处理，处理后得到洁净气体，可用于联合循环发电及供热、城市燃气、交通燃气和富氢产品开发行业。
本工艺煤炭转化率在99.5%以上，冷煤气效率在95%以上，有效气体产量95000-115000 m3/h之间。
实施例3
以含煤量在30%的煤矸石为例，采用实施例1的煤气化系统进行煤气化生产，三级气化炉与地面成15-25°角，其过程至少包括以下步骤：
A．煤炭分级气化
（1）煤矸石粉碎至粒径为0.1-6mm，粉碎后的煤矸石中可以含有20%--30%的煤末；然后将粉碎的煤矸石按日气化煤量3000吨/天的量按每小时120-140吨流量加入到一级气化炉中进行第一次气化，使煤矸石中的挥发分充分析出；其中炉内压力10公斤、温度为400-450℃、氧气流量为8000-9000m3/h和水蒸气流量为6-6.5吨/小时；
（2）煤碳从一级气化炉进入二级气化炉，在炉进行第二次气化，使煤矸石中的焦油充分析出；其中，炉内压力为13-16公斤、温度为550-600℃、氧气流量为8000-9000 m3/h和水蒸气流量为6-6.5吨/小时；
（3）煤碳从二级气化炉进入三级气化炉，三级气化炉在电动机的作用下进行回转运动，煤矸石随着炉子的运动不停地呈波浪形从顶部向低部翻腾移动，完成第三次气化，从炉底部留出的炉渣若气化不充分回用于气化工艺，若气化充分用做建筑材料；气化炉转速为15-20转/分钟、炉内压力为23-25公斤、温度为800-1100℃、氧气流量为15000-16000m3/h、水蒸气流量为11-12吨/小时；
B．气体净化：同实施例2。
本工艺煤炭转化率在99%以上，冷煤气效率在93%以上，有效气体产量285000-345000 m3/h之间。
实施例4
以含碳量在30-50%的泥煤为例，采用实施例1的煤气化系统进行煤气化生产，三级气化炉与地面成10°-15°角，其过程至少包括以下步骤：
A．煤炭分级气化
（1）将煤碳粉碎至粒径为0.1-6mm，粉碎后的泥煤中可以含有20%--30%的煤末；然后将粉碎的泥煤按日气化煤量2000吨/天的量按每小时80-90吨流量加入到一级气化炉中进行第一次气化，使泥煤中的挥发分充分析出；其中炉内压力8-10公斤、温度为500-550℃、氧气流量为6000-6500m3/h和水蒸气流量为4.5-5吨/小时；
（2）煤碳从一级气化炉进入二级气化炉，在炉进行第二次气化，使泥煤中的焦油充分析出；其中，炉内压力为13-15公斤、温度为500-550℃、氧气流量为6000-6500 m3/h和水蒸气流量为4.5-5吨/小时；
（3）煤碳从二级气化炉进入三级气化炉，三级气化炉在电动机的作用下进行回转运动，泥煤随着炉子的运动不停地呈波浪形从顶部向低部翻腾移动，完成第三次气化，从炉底部留出的炉渣若气化不充分回用于气化工艺，若气化充分用做建筑材料；气化炉转速为10-15转/分钟、炉内压力为23-25公斤、温度为700-1000℃、氧气流量为11500-12500m3/h、水蒸气流量为8.5-9.5吨/小时；
B．气体净化：同实施例2。
本工艺煤炭转化率在99.3%以上，冷煤气效率在94%以上，有效气体产量190000-23000 m3/h之间。
实施例5
以含碳量在40-60%的褐煤为例，采用实施例1的煤气化系统进行煤气化生产，三级气化炉与地面成5-10°角，其过程至少包括以下步骤：
A．煤炭分级气化
（1）将煤炭粉碎至粒径为0.1-6mm，粉碎后的褐煤中可以含有20%--30%的煤末；然后将粉碎的褐煤按日气化煤量1000吨/天的量按每小时40-50吨流量加入到一级气化炉中进行第一次气化，使褐煤中的挥发分充分析出；其中炉内压力8-11公斤、温度为450-500℃、氧气流量为4000-4500m3/h和水蒸气流量为3-3.5吨/小时；
（2）煤碳从一级气化炉进入二级气化炉，在炉进行第二次气化，使褐煤中的焦油充分析出；其中，炉内压力为13-16公斤、温度为500-550℃、氧气流量为4000-4500m3/h和水蒸气流量为3-3.5吨/小时；
（3）煤炭从二级气化炉进入三级气化炉，三级气化炉在电动机的作用下进行回转运动，褐煤随着炉子的运动不停地呈波浪形从顶部向低部翻腾移动，完成第三次气化，从炉底部留出的炉渣若气化不充分回用于气化工艺，若气化充分用做建筑材料；气化炉转速为2-8转/分钟、炉内压力为23-25公斤、温度为1000-1100℃、氧气流量为8000-8500m3/h、水蒸气流量为6-7吨/小时；
B．气体净化：同实施例2。
本工艺煤炭转化率在99.5%以上，冷煤气效率在95%以上，有效气体产量95000-115000 m3/h之间。
下表是经过长期目前固定床气化炉、流化床气化炉、喷流床气化炉工艺的相关技术参数：
从上表及实施例可以看出，本发明的冷煤气效率和碳转化率均高于现有煤气化技术中的冷煤气效率和碳转化率，且本发明无需将煤炭磨成煤粉或制成煤浆，能耗远低于现有工艺，本发明工艺中使用的煤炭为普通烟煤无煤炭，也可以是煤矸石，对煤炭的要求低，控制系统简便，降低了运行成本。
Claims (8)
1.一种L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺，其特征是至少包括以下步骤：
A.煤炭分级气化
（1）煤炭粉碎后，加入到一立式气化炉中，在压力8-11公斤、温度400-550℃下与氧气和水蒸气反应完成第一次气化，将煤炭中的易挥发物质气化析出；
（2）煤炭从上述立式气化炉中流出进入另一立式气化炉，在压力13-16公斤、温度500-690℃下进行第二次气化，将煤炭中的焦油析出；
（3）煤炭从步骤（2）的立式气化炉流出进入一卧式回转炉，该卧式回转炉的耐火衬为波浪形，在回转炉的运动下，煤炭不停地呈波浪形从顶部向低部翻腾移动，完成第三次气化；炉内压力为23-25公斤，温度为700-1110℃；
B.气体净化：将步骤（1）、（2）和（3）产生的气体分别同时进行以下处理，然后再将处理后的气体混合，进行综合脱硫处理，得到洁净气体：
b1.将步骤（1）进行除尘处理；
b2.将步骤（2）产生的气体进行捕焦处理；
b3.将步骤（3）产生的气体进行脱硫处理；
煤炭的流量为40-140吨/小时；一级气化炉中氧气流量为4000-8000 m3/h，水蒸气流量为3-6吨/小时；二级气化炉中氧气流量为4000-8000 m3/h，水蒸气流量为3-6吨/小时；三级气化炉中氧气流量为8000-16000 m3/h，水蒸气流量为6-12吨/小时。
2.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征是：煤炭的日气化煤量为1000-3000吨。
3.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征是：所述煤碳粉碎后的粒径为0.1-6mm，粉碎的煤炭中煤末的含量在20%-30%之间。
4.根据权利要求1所述的生产工艺，其特征是：三级气化炉的回转速度为2-20转/分。
5.一种用于权利要求1-4中任一项所述的L型卧式回转波浪床煤气化生产工艺的生产系统，包括依次连接的三个气化炉，其特征是：一级气化炉（1）为立式气化炉，用于气化煤炭中的挥发分，二级气化炉（2）为立式气化炉，用于析出煤炭中的焦油，三级气化炉（3）为卧式回转炉，用于煤炭的充分气化；其中，一级气化炉的底部与二级气化炉的顶部相连，二级气化炉的底部与三级气化炉的顶部相连；所述三级气化炉的顶部高于底部，三级气化炉内设有波浪形耐火衬（4），三级气化炉与地面成5°-25°角。
6.根据权利要求5所述的生产系统，其特征是：所述一级气化炉的上部设有一级出气口（5），二级气化炉的上部设有二级出气口（6），三级气化炉的上部设有三级出气口（7）；所述一级、二级和三级气化炉的下部均设有氧气喷入口（8）和水蒸气喷入口（9）。
7.根据权利要求5所述的生产系统，其特征是： 还包括净化系统，净化系统包括对各级气化炉中产生的气体进行单独净化的分级净化系统和对气体进行综合脱硫处理的综合净化系统（13），其中分级净化系统包括各自独立的除尘设施（10）、捕焦设施（11）和脱硫设施（12），所述除尘设施的一端与一级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连，捕焦设施的一端与二级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连，脱硫设施的一端与三级出气口相连，另一端通过管道与综合净化系统相连。
8.根据权利要求5所述的生产系统，其特征是：一级、二级和三级气化炉的顶部和底部均设有压力锁（14），用于气化炉之间的连接和控制煤流量。
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