CN102399595A - 多层流化床气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层流化床气化炉，该流化床气化炉包括：气化炉壳体，垂直于所述纵轴线并在沿着所述纵轴线的不同高度处布置的至少两层呈孔板形式的气体分布器，将内部空间分隔为上层空间、中间层空间和下层空间；原料入口；位于所述壳体的底部的灰渣出口、气化剂入口；位于所述壳体顶部的煤气出口；所述第一和第二气体分布器上分别贯通设有呈两端开放的管状形式的第一和第二溢流装置，用于使所述原料沿曲折线路自上而下，从所述上层空间通过所述第一溢流装置流向所述中间层空间，再由所述中间层空间通过所述第二溢流装置流入所述下层空间。第一和第二溢流装置的上端与气化炉内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间。

Description

多层流化床气化炉

技术领域

总体而言，本发明涉及气化炉，具体地说，本发明涉及一种煤炭气化制取富甲烷气体的多层流化床气化炉。

背景技术

本发明涉及一种粉煤多层流化床气化制备富含甲烷气体的多层流化床气化炉装置。

我国是富煤贫油少气的国家，随着社会、经济的快速发展，我国天然气需求急剧攀升，在能源结构中的比例迅速增加。而国内天然气仍处于勘探开发早期，进口也处于起步阶段，供应能力严重滞后，导致天然气供需矛盾日益突出。利用我国资源优势相对较大的煤炭，对其加以气化来产生燃气，不仅能促进煤炭的高效、清洁利用；而且可利用已有的天然气管道，以较低的经济代价，有效缓解天然气的供需矛盾，这是煤炭资源进行综合利用的有力措施。

通常的煤炭气化制甲烷过程，即煤在高温下与氧气(或空气)和/或水蒸汽(H₂O)组成的气化剂在单层的气化炉中进行气化反应，生成含有少量甲烷(CH₄)的合成气(主要是氢气、一氧化碳和二氧化碳)，之后进行水气变换及甲烷化工序，采用两步法制备甲烷。此类煤气化过程所存在的缺点在于：气化反应能耗大、对设备要求高，且需三个反应装置、工艺较复杂，等等。

煤催化气化制备甲烷技术是煤洁净高效利用的一种重要方式，采用煤催化气化技术，煤在相对较低的温度下与主要成分为水蒸汽(H₂O)、氢气(H₂)、一氧化碳(CO)的气体混合物在催化剂的催化作用下进行气化反应，生成高浓度的甲烷(CH₄)。

目前，相关专利中提到的煤催化气化制备甲烷技术采用深冷分离将产气中的甲烷与一氧化碳、氢气进行分离，将反应气体中的氢气和一氧化碳循环到气化炉中，使之在气化炉中进行甲烷化反应转化为甲烷，从而提高系统甲烷的产量。这种煤催化气化过程可以在单层的气化炉中完成，但是所存在的缺点在于气化反应速率低、反应时间长，碳转化率较低，气体分离系统投资高，等等；而且，为满足反应器热平衡的需要，这种煤催化气化过程需将进炉过热蒸汽加热到较高温度，蒸汽过热系统及热交换系统负荷较高，经济性差。

美国专利4,077,778提出采用多级流化床来实现煤的催化气化，提高碳转化率。主流化床操作气速较高，将部分碳颗粒夹带至二级流化床，在较低气速下进行气化反应，增长固相停留时间，最大限度提高碳转化率。与单级气化相比，采用多级气化可将碳利用率由70～85％提高至95％以上。多级流化床煤催化气化工艺采用多级流化床，设备投资高，操作较复杂。

美国专利4,094,650提到在碱金属的催化作用下，可将含碳固体气化，制备甲烷，催化剂需回收再用。通过多级水洗回收水溶性催化剂，石灰消化回收非溶性催化剂。美国专利0277437在美国专利4,094,650基础上，采用一级处理将碱金属物质从反应器固体残渣中分离，简化了碱金属催化剂回收过程，改善了催化气化工艺的经济性及总效率，但该回收系统仍然较复杂，回收方法较昂贵。

美国Exxon公司对煤一步法制甲烷技术进行了大量的实验研究。美国专利4318712公开了一种煤直接甲烷化的整个工艺流程，将煤事先与催化剂进行预混合后，进入煤炭气化炉反应器，通入的过热蒸汽不但作为气化剂，同时作为热源，维持炉内反应温度，控制炉内温度在700℃左右，过热蒸汽温度850℃，气化炉反应压力3.5MPa，煤在催化剂的作用下与过热蒸汽发生反应，直接得到产品富甲烷气体。美国GPE公司在EXXON工艺技术的基础上进行了进一步研究，美国专利20070000177A1也公开了煤直接甲烷化的工艺，催化剂是碱金属碳酸盐或碱金属氢氧化物，气化剂是水蒸气，其主要技术特征除了加入高效的甲烷化催化剂之外，还将氧化钙加入到反应的煤粉当中，用以吸收反应过程产生的二氧化碳，从而进一步提高甲烷的含量。在这种工艺中，虽然加入了促进甲烷生成的催化剂，但由于高温不利于甲烷的生成，反应温度一般控制在700℃左右，反应速度慢，碳的转化率低，没有外部供热系统热量很难维持，且增加了催化剂回收单元操作，催化剂回收效果直接影响生产成本。

另外，为了充分利用热量以制取煤气，美国专利5,064,444提出加压水蒸气气化的情况下将流化床气化炉分为热解段、气化段、冷却段，各段用隔板分开。气化炉内热解段、气化段放置蛇状盘管(蛇管换热器)，其中通入900℃～950℃的高温气体(如燃料燃烧后的气体)来加热煤粉，提供气化、热解所需热量，以制取煤气。该流化床气化炉可以为立式，也可为卧式，以700℃～800℃的过热蒸汽为气化剂，冷却段通入饱和蒸汽，气动进料。该装置延长煤粉的停留时间，有利于固相加工，热能利用率高，但是气化炉内的反应体积利用率低，影响固相加工；立式炉操作时残渣中含碳量较高，难以有效利用；与气固接触传热相比，传热速度慢，床层内固相受热不均；同时设备繁杂，特别是卧式炉。

因此，研究煤质高效利用的气化技术，开发相应的低投资、工艺简单的煤炭气化制备富含甲烷气体的气化装置具有深远意义。

发明内容

有鉴于上述情况，本发明致力于提供一种低投资、工艺简单的采用煤炭气化工艺来制备富含甲烷气体的气化装置。

为实现上述目的，本发明提供一种煤炭气化制取富甲烷气体的多层流化床气化炉，该流化床气化炉包括：

气化炉壳体，该壳体具有竖向的纵轴线，并在其中限定一个内部空间；

在所述壳体的所述内部空间中垂直于所述纵轴线并在沿着所述纵轴线的不同高度处布置的至少两层呈孔板形式的气体分布器，所述至少两层气体分布器包括第一气体分布器和位于所述第一分布器下方的第二气体分布器，所述第一气体分布器和所述第二分布器将所述壳体的所述内部空间分隔为上层空间、中间层空间和下层空间；

设置于所述壳体的侧面上部的原料入口，该原料入口通向所述上层空间，用于将原料输入所述上层空间，所述原料的总体流向是沿着所述纵轴线自上而下；

位于所述壳体的底部的灰渣出口；

位于所述壳体的底部的所述灰渣出口的侧面附近的用于气化剂进入的气化剂入口，所述气化剂的总体流向是沿着所述纵轴线自下而上；

位于所述壳体顶部的煤气出口；

所述第一气体分布器上贯通设有呈两端开放的管状形式的第一溢流装置，所述第二气体分布器上贯通设有呈两端开放的管状形式的第二溢流装置，所述第一溢流装置和第二溢流装置用于使所述原料沿曲折线路自上而下，从所述上层空间通过所述第一溢流装置流向所述中间层空间，再由所述中间层空间通过所述第二溢流装置流入所述下层空间，

所述第一溢流装置的下端与所述第二溢流装置的上端之间在垂直于所述纵轴线的水平方向上相互间隔开，以避免物料直通而下，

所述第一溢流装置的上端与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间、且优选为在1/3倍至1/2倍之间，而下端出口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在1/10倍至1/6倍之间，并且

所述第二溢流装置的上端与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间、且优选为在1/3倍至1/2倍之间，而下端出口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在1/10倍至1/6倍之间。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第一溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。在本发明的一种优选实施方式中，所述第一溢流装置包括上段和下段，所述第一溢流装置的上段与所述纵轴线平行，所述第一溢流装置的下段与所述纵轴线形成小于或等于60°的夹角，其中所述第一溢流装置的下段与所述纵轴线优选形成30°至50°的夹角，最优选形成45°的夹角(在实际生产中，煤原料的休止角根据其颗粒度的变化而变化，可以根据煤原料的具体休止角，来选择该夹角的范围或具体值)，所述第一溢流装置的上段和下段之间以圆弧过渡段相连接。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第二溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。在本发明的一种优选实施方式中，所述第二溢流装置包括上段和下段，所述第二溢流装置的上段与所述纵轴线平行，所述第二溢流装置的下段与所述纵轴线形成小于或等于60°的夹角，其中所述第二溢流装置的下段与所述纵轴线优选形成30°至50°的夹角，最优选形成45°的夹角(在实际生产中，煤原料的休止角根据其颗粒度的变化而变化，可以根据煤原料的具体休止角，来选择该夹角的范围或具体值)，所述第二溢流装置的上段和下段之间以圆弧过渡段相连接。

在本发明的一种优选实施方式中，所述壳体的纵向中部或纵向下部中的至少一个部分还设有辅助进料口。

在本发明的一种优选实施方式中，所述上层空间、中间层空间和下层空间中的任一个空间中还设有用于对该空间进一步加以分隔的至少一层气体分布器以及贯通该至少一层气体分布器而布置的溢流装置。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述壳体中，所述第二气体分布器的下方，还设有第三气体分布器。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第三气体分布器呈漏斗形。

在本发明的一种优选实施方式中，所述溢流装置上端高出气体分布器的部分为溢流堰，该溢流堰的高度由固相加工时间和床层持料量决定，用下式计算：

h＝4w/[πD²ρ(1- ε)]

h---特定层的溢流堰高度，单位为m

w---该层固体颗粒进料量，单位为kg/h

t----该层固相加工时间，单位为h

D----该层炉体的内径，单位为m

ρ----该层床层在操作条件下的密度，单位为kg/m³

ε-----该层床层在操作条件下的孔隙率。

在本发明的一种优选实施方式中，

两个相邻气体分布器之间的距离由处于它们之间的溢流装置的高度和床层持料量的高度决定，用下式计算：

H＝H₁+h₁-h₂

其中

H----两个相邻气体分布器之间的距离，单位为m；

H₁---处于两气体分布器之间的溢流装置的高度，单位为m；

h₁----处于两气体分布器之间的料层持料量的高度，单位为m；

h₂----处于两气体分布器之间的溢流装置的埋入料层深度，单位为m。

使用本发明的设备所采用的工艺过程简述

在旋转给料器的作用下将浸渍催化剂煤粉加入三层式流化床气化炉中间层空间B(催化气化区)；原煤从反应器上部热解段加入，依次经过多层流化床气化炉上层空间A(部分热解区)，中间层空间B(催化气化区)和最下层C(残渣气化区)。在部分热解区中，反应产生的高温热气体对进料冷煤粉进行加热，使之发生部分热解，生成富含甲烷的热解气体及焦油等产物。之后，经过部分热解的煤粉进入催化气化区，在催化剂的作用下发生催化气化、甲烷化等反应，生成甲烷，一氧化碳，氢气等有效气体成分及二氧化碳、少量的硫化氢和氨等。未充分反应的煤残渣进入残渣气化区，在氧气和水蒸汽的作用下气化生成一氧化碳、氢气、二氧化碳等气体，而一氧化碳、氢气进入上段催化气化区，在催化剂的作用下发生甲烷化反应，增加系统甲烷产率，产生的高温水蒸气为催化气化区提供部分热量。控制残渣气化区工艺条件，实现灰、焦、催化剂的分离，高温下部分催化剂呈气态形式进入上段催化气化区参与气化反应，气态催化剂进入部分热解区，温度的降低使催化剂的存在形态发生变化，与气体产物分离，留在炉内继续参与气化反应，实现炉内催化剂的循环利用。气化炉出口气体经过等温粉尘过滤单元，过滤出的粉尘被返送回到气化炉继续进行气化反应，而过滤后的气体被送到气液冷却分离单元进行气液分离，得到低温焦油及粗煤气。之后，粗煤气进入气体净化装置，脱除二氧化碳及硫化氢等酸性气体，从而得到富含甲烷的煤气。

本发明的优点简介

(1)保留了催化气化特色和优势，得到较高含量的甲烷，克服了单独催化气化的难点，如反应时间较长、排出的灰渣碳含量较高等；

(2)多层耦合气化，在多层流化床气化炉上层空间A(部分热解区)中，利用催化气化产气的余温加热刚进入的粉煤，使得该粉煤部分热解，产生甲烷气体等产品，在没有增加能耗的条件下增加了甲烷和焦油产出；在中间层空间B(催化气化区)中，发生催化气化主反应；在最下层C(残渣气化区)中，在通入气化剂的同时通入少量氧来气化剩余残渣，通过对残渣的燃烧、气化，提供了催化气化所需要的热量，同时提供有利于催化气化反应的氢气和CO；

(3)与两步法制备甲烷相比，该装置集三个反应器于一体，实现物流耦合、热量耦合，自供反应热降低过热蒸汽的能耗，解决了残渣含碳的问题；延长了平均停留时间，增大了气体产能，提高了碳转化率。

(4)从整个过程看，利用该多层流化床气化炉气化制备富含甲烷气体，热效率较高，固相加工深度较高，气体产物中甲烷含量较高，设备精简，易操作。

(5)该多层床最上层将抑止焦油生成改为促进焦油生成，减少催化剂用量，降低催化剂成本；同时可以利用部分工业废弃物作为催化剂原料，提高甲烷含量。

(6)由于各溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的间距较大(各上端入口与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间)，可以避免“物料流动缓慢、形成滞留以至流化死区”的问题，同时，由于各溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于纵轴线的水平面上的投影相互间隔开(例如各溢流装置采用局部倾斜管的方式)，可以使得例如在第一溢流装置的下段出口与第二溢流装置的上段入口之间的横向距离最大化，从而使得物料在各层空间中的横向流动路径的长度尽可能地延长，这能够促进物料的流化反应进行得更为充分，从而能够有效地提高流化床的总体效率。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的结构图；

图2、图3、图4分别为本发明其它各实施例的结构图。

图5为本发明的溢流装置的各种变化布置方式的示意性结构图，其中，图5a是对于图1-4中的垂直布置的溢流装置的布置方式的简化图示，而图5b和图5c中的溢流装置的布置则是更为有利和优选的方式。

具体实施方式

如各附图所示，本发明提供一种煤炭气化制取富甲烷气体的多层流化床气化炉，该流化床气化炉包括：

气化炉壳体3，该壳体具有竖向的纵轴线，并在其中限定一个内部空间；

在所述壳体3的所述内部空间中垂直于所述纵轴线并在沿着所述纵轴线的不同高度处布置的至少两层呈孔板形式的气体分布器2，所述至少两层气体分布器2包括第一气体分布器和位于所述第一分布器下方的第二气体分布器，所述第一气体分布器和所述第二分布器将所述壳体的所述内部空间分隔为上层空间A、中间层空间B和下层空间C；

设置于所述壳体的侧面上部的原料入口4，该原料入口通向所述上层空间A，用于将原料输入所述上层空间A，所述原料的总体流向是沿着所述纵轴线自上而下；

位于所述壳体3的底部的灰渣出口7；

位于所述壳体的底部的所述灰渣出口7的侧面附近的用于气化剂进入的气化剂入口，所述气化剂的总体流向是沿着所述纵轴线自下而上；

位于所述壳体3顶部的煤气出口；

在本发明的各个附图中，溢流装置用数字1概括地表示，其中，位于上方的溢流装置称为第一溢流装置，位于下方的溢流装置称为第二溢流装置，所述第一气体分布器上贯通设有呈两端开放的管状形式的第一溢流装置，所述第二气体分布器上贯通设有呈两端开放的管状形式的第二溢流装置，所述第一溢流装置和第二溢流装置用于使所述原料沿曲折线路自上而下，从所述上层空间A通过所述第一溢流装置流向所述中间层空间B，再由所述中间层空间B通过所述第二溢流装置流入所述下层空间C，所述第一溢流装置的下端与所述第二溢流装置的上端之间在垂直于所述纵轴线的水平方向上相互间隔开，以避免物料直通而下，

如图5b和图5c所示，所述第一溢流装置的上端与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间，并且所述第二溢流装置的上端与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间。在图5b中例示性地示出的各个最短距离是气化炉壳体的内径的大约1/3倍，而在图5c中例示性地示出的各个最短距离是气化炉壳体的内径的大约1/2倍。适用于本发明的最短距离是气化炉壳体的内径的比值可以在1/2倍至1/5倍(包括这两个端点值)之间变化。

在图5a中，各溢流装置与气化炉壳体的内壁之间的间距很小，这样，各个溢流装置在垂直于所述纵轴线的水平方向上相互间隔开的距离比较大，该较大的距离对于防止物料流动短路、并促进物料的充分反应这一方面而言是有利的。然而，各溢流装置紧邻气化炉壳体的内壁(换言之，溢流装置的上端入口与壳体内壁之间距离过近)，在流化过程期间，由于在气体分布器板上的所有区域上的物料均朝向该气体分布器板上的溢流装置的上端入口流动，在溢流装置的上端入口与气化炉壳体的内壁之间的部分区域中，由于溢流装置和气化炉壳体的内壁之间空间狭小，形成的阻力大于其他区域，导致气体短路不从此处流过，使得该部分区域中的物料的流动趋于缓慢，导致流动停滞而形成流化死区。这对于流化床的总体效率是明显不利的，甚至造成结焦成块堵塞分布器等不利局面。例如，在典型规格的流化床气化炉中，当各溢流装置的上端与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍(临界点)时，物料的流动趋于缓慢，倾向于形成流化死区。当所述最短距离小于气化炉壳体的内径的1/5倍时，明确地形成流化死区。

采用图5b和图5c中的溢流装置的布置方式，各溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的间距较大，而不是象图5a中那样紧邻气化炉壳体的内壁(亦即，所述最短距离小于气化炉壳体的内径的1/5倍)，这样，可以避免“物料流动缓慢、形成滞留以至流化死区”的问题，从而能够有效地提高流化床的总体效率。在本发明的一种优选实施方式中，所述第一溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。此外，所述第一溢流装置包括上段和下段，所述第一溢流装置的上段与所述纵轴线平行，所述第一溢流装置的下段与所述纵轴线形成小于或等于60°的夹角，其中所述第一溢流装置的下段与所述纵轴线优选形成30°至50°的夹角，最优选形成45°的夹角(在实际生产中，煤原料的休止角根据其颗粒度的变化而变化，可以根据煤原料的具体休止角，来选择该夹角的范围或具体值)，所述第一溢流装置的上段和下段之间以圆弧过渡段相连接。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第二溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。此外，所述第二溢流装置包括上段和下段，所述第二溢流装置的上段与所述纵轴线平行，所述第二溢流装置的下段与所述纵轴线形成小于或等于60°的夹角，其中所述第二溢流装置的下段与所述纵轴线优选形成30°至50°的夹角，最优选形成45°的夹角(在实际生产中，煤原料的休止角根据其颗粒度的变化而变化，可以根据煤原料的具体休止角，来选择该夹角的范围或具体值)，所述第二溢流装置的上段和下段之间以圆弧过渡段相连接。

例如，在如图5b所示的构造中，第一溢流装置和第二溢流装置的上段均与纵轴线平行，而各下段与纵轴线形成的夹角约为45°，并且均朝向图左侧的方向倾斜。在如图5c所示的构造中，第一溢流装置和第二溢流装置的上段均与纵轴线平行，而各下段与纵轴线形成的夹角约为45°，但各下段分别朝向图左侧和右侧倾斜。可以看出，在图5b和图5c中，第一溢流装置的下端与第二溢流装置的上端之间在垂直于所述纵轴线的水平方向上相互间隔开，从而可以避免物料直通而下；另外，第一溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开，并且第二溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。这些结构设置能够在防止物料滞留的同时，防止物料流动短路并促进物料的充分反应，从而保证流化工艺顺利有效地进行。

另外，根据实际工艺条件的特点或需要，各溢流装置也可以简单地采用整体式倾斜管的形式，也就是说，上段和下段在一条直线上，该直线与气化炉壳体的纵轴线形成上述夹角范围内的各种夹角。在这种情况下，也能满足“溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开”这一条件并实现其技术效果。

在每一溢流装置的下端出口处，下行的物料具有一定的速度，不会在溢流装置内形成物料滞留。此外，在每一溢流装置的下端出口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在所述气化炉内径的1/10倍至1/6倍之间，也就是说，与最近的炉壁之间保持足够的距离保证颗粒在此是流动的(例如，在图5b中，第一溢流装置的下端出口与炉壁之间的最短距离为所述气化炉内径的1/10倍)，因而，也不会趋向于形成滞留。同时，每一溢流装置的下端出口与下一溢流装置的上端入口保持一定的距离，如图5b和图5c所示，以尽可能延长在第一溢流装置的下端出口和第二溢流装置的上端入口之间的物料横向流动路径的长度，以期促进物料的充分反应。

另外，在实践中，在根据具体工艺要求对各溢流装置的具体位置做出具体布置时，也要考虑气化炉的其它方面的设置情况，例如，在图1至图4中，原煤入口的数量、负载有催化剂的原煤的入口都可能是不同的。图5b和图5c中的具体溢流装置布置位置和方式可以结合图1至图4中所示的气化炉以及其它未示出的气化炉而进行优化设计。例如，在图1中示出的原煤入口4与负载有催化剂的原煤的入口分别位于气化炉的两侧，然而实践中也可以将这两个入口设置在气化炉的同一侧并且在周向上处于同一位置，在这种情况下，图1中的两层溢流装置的具体布置可以采用图5b中的具体位置以及形式。这种布置可以使得各层中的溢流装置的布置更为方便地兼顾对“物料滞留-流化死区”的预防和对物料横向流动路径的长度的尽可能延长这两方面的要求。

如图5b和图5c所示，各层溢流装置的上段和下段之间具有圆弧过渡段，该圆弧过渡段的曲率半径可以根据具体设计条件而设定并且可以在合理范围内变化。

此外，在本发明的一种优选实施方式中，每一溢流装置总体可以呈管状，溢流装置的上段的横截面可以为圆形，溢流装置的下段的横截面可以为椭圆形(从俯视图看，椭圆形的长轴应与下段的延伸方向保持一致，以有利于物料沿该延伸方向的流动截面最大化，而椭圆形的短轴方向的内径应与上段的圆形横截面内径一致)，而上段和下段之间的圆弧过渡段是一种变径接头管，使得上段的圆形横截面和下段的椭圆形横截面自然流畅地过渡，以使得物料在各个段中的流动阻力最小化。

此外，每一溢流装置的上段和下段的长度可以设计为：上段的长度小于下段的长度，具体地说，上段的长度可以是下段的轴向投影长度的0.2倍至0.6倍。每一溢流装置的上段和下段之间的圆弧过渡段的曲率可以根据溢流装置的有效截面积以及上述的上段和下段之间的具体长度比例而确定。

在本发明的一种优选实施方式中，所述壳体的纵向中部还设有辅助性的中部进料口4。

在本发明的一种优选实施方式中，所述壳体的纵向下部还设有辅助性的下部进料口5(见图2)。

在本发明的一种优选实施方式中，所述上层空间A、中间层空间B和下层空间C中的任一个空间中还设有用于对该空间进一步加以分隔的至少一层气体分布器以及贯通该至少一层气体分布器而布置的溢流装置。

在本发明的一种优选实施方式中，在所述壳体中，所述第二气体分布器的下方，还设有第三气体分布器。

在本发明的一种优选实施方式中，所述第三气体分布器呈漏斗形(见图3)。

参见图1，本发明提供一种气化设备，可以应用于多层流化床煤炭气化制取富甲烷气体系统中，该设备为多层流化床气化炉，包括：上层空间A(部分热解区)、中间层空间B(催化气化区)、最下层C(残渣气化区)。

原煤通过多层流化床上层空间A的进料口4进入上层空间A，也就是部分热解区。在部分热解区中，进料冷煤粉被下端反应所产生的高温热气体加热，从而发生部分热解。原煤的热解产生富含甲烷的热解气、焦油及半焦。进入上层空间A(部分热解区)的气态催化剂由于温度的降低而导致其存在形态发生变化，与气体产物分离，留在炉内继续参与气化反应，实现炉内催化剂的循环利用。

煤与催化剂的混合物通过中间层空间B的进料口4进入中间层空间B，也就是气化炉的催化气化区，在此，煤与催化剂的混合物与通过溢流装置1来自上层空间A的部分热解的煤粉相混合，在催化剂的作用下与气化剂发生气化反应，生成CH₄，CO，H₂等有效气体成分及CO₂、少量的H₂S和NH₃等。主要反应如下：

2C+2H₂O→2H₂+2CO    (1)

CO+H₂O→CO₂+H₂     (2)

3H₂+CO→CH₄+H₂O    (3)

C+2H₂→CH₄(4)

最下层C(残渣气化区)产生的CO、H₂可进入上段中间层空间B(催化气化区)，在催化剂的作用下发生甲烷化反应，增加系统甲烷产率，另外，最下层C(残渣气化区)所产生的高温水蒸气为中间层空间B(催化气化区)提供部分反应所需热量。

中间层空间B(催化气化区)中未充分反应的煤残渣进入最下层C(残渣气化区)，在O₂和水蒸汽的作用下气化生成CO、H₂、CO₂等气体。主要反应如下所示：

C+O₂→CO₂     (5)

C+CO₂→2CO    (6)

C+H₂O→CO+H₂  (7)

CO+H₂O→CO₂+H₂(8)

如上所述，在气化炉最下层C(残渣气化区)中产生的CO、H₂可进入上段中间层空间B(催化气化区)，在催化剂的作用下发生甲烷化反应，因而增大了系统甲烷产率，另外，所产生的高温气体及水蒸气能够为中间层空间B(催化气化区)提供部分热量，从而能够降低灰渣碳含量，并提高进料煤粉综合利用率。

在最下层C(残渣气化区)中的温度较高，使得部分催化剂以气态形式挥发至中间层空间B(催化气化区)，流化床内催化剂的循环使用可减少催化剂在初始煤粉中的添加量，降低催化剂回收系统的负担，甚至无需另外配置催化剂回收系统。

气化剂过热蒸汽和少量氧气从气化炉底部进入残渣气化区，与残渣发生燃烧、气化反应，同时为中间层空间B(催化气化区)提供所需的热量。

多层流化床气化炉的下方连接有排渣设备，该排渣设备用于排出残渣气化区气化后的灰渣。

多层流化床气化炉产生的高温炉气由炉顶排出，进入后续分离净化工序。如上所述，气化炉出口气体(高温炉气)经过等温粉尘过滤单元，过滤出的粉尘被返送回到气化炉继续进行气化反应，而过滤后的气体被送到气液冷却分离单元进行气液分离，得到低温焦油及粗煤气。之后，粗煤气进入气体净化装置，脱除二氧化碳及硫化氢等酸性气体，从而得到富含甲烷的煤气。

实施例1：

参见图2，在结构图1的基础上，如仅靠残渣气化产生的热量难以满足催化气化所需温度要求，可在多层流化床的最下层C(残渣气化区)的炉体3侧壁上设一进料口5，通过该进料口将少量原煤加到残渣气化区，该少量原煤在最下层C(残渣气化区)中的燃烧能够提供辅助能量，以满足催化气化所需温度要求。

实施例2：

参见图3，在结构图1的基础上，为满足排灰或工艺操作条件的需要，可以更换多层流化床最下层C的分布板，使用漏斗形分布板，通过进气口6、7分别调控排灰气速和流化气速。

实施例3：

参见图4，在结构图1的基础上，为了避免气体的反串，实现床层间的连续稳定溢流，同时便于控制物料的溢流流量，可以使用其他形式的溢流装置，如带机械传动装置的堵头式溢流装置。通过机械传动装置调节堵头8的位置，改变气体方向和下料口截面大小，实现顺利溢流。

在结合图1-4所示并在上文中描述的各个实施例中，可以对图中的比例设置加以改进(也就是说，经改进之后的比例设置不同于在图1-4中示出的比例)，从而使得第一溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间，并且第二溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间。

实施例4：

参见图5b，在前几个实施例的基础上，对溢流装置的布置加以改进和优化。在如图5b所示的构造中，位于上方的第一溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间，并且位于下方的第二溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间。在图5b中例示性地示出的各个最短距离是气化炉壳体的内径的大约1/3倍。在如图5b所示的构造中，第一溢流装置和第二溢流装置的上段均与纵轴线平行，而各下段与纵轴线形成的夹角约为45°，并且均朝向图左侧的方向倾斜。

实施例5：

参见图5c，在前几个实施例的基础上，对溢流装置的布置加以改进和优化。在如图5c所示的构造中，位于上方的第一溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间，并且位于下方的第二溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间。在图5c中例示性地示出的各个最短距离是气化炉壳体的内径的大约1/2倍。在如图5c所示的构造中，第一溢流装置和第二溢流装置的上段均与纵轴线平行，而各下段与纵轴线形成的夹角约为45°，但各下段分别朝向图左侧和右侧倾斜。

在本发明的各个实施例中，可以根据需要来结合使用如在附图4中示出的带机械传动装置的堵头式溢流装置。

在本发明的各个实施例中，溢流堰(溢流装置上端高出气体分布器的部分)的高度由固相加工时间和床层持料量决定，用下式计算：

h＝4wt/[πD²ρ(1-ε)]

h---某层溢流堰高度，单位为m

w---该层固体颗粒进料量，单位为kg/h

t----该层固相加工时间，单位为h

D----该层炉体的内径，单位为m

ρ----该层床层在操作条件下的密度，单位为kg/m³

ε-----该层床层在操作条件下的孔隙率

在本发明的各个实施例中，两个相邻气体分布器之间的距离由处于它们之间的溢流装置的高度和床层持料量的高度决定，用下式计算：

H＝H₁+h₁-h₂

其中

H----两个相邻气体分布器之间的距离，单位为m；

H₁---处于两气体分布器之间的溢流装置的高度，单位为m；

h₁----处于两气体分布器之间的料层持料量的高度，单位为m；

h₂----处于两气体分布器之间的溢流装置的埋入料层深度，单位为m。

本发明的核心技术点：

1、多层流化床的一体性：气化剂从气化炉底部通入，原煤从反应器上部热解段加入并依次经过多层流化床的上层空间A、中间层空间B、最下层C。在多层流化床的上层空间A(部分热解区)中，进料冷煤粉被在中间层空间B(催化气化区)中的催化气化反应所产生的高温热气体所加热，使该煤粉发生部分热解，生成富含CH₄的热解气体及焦油等产物。之后，经过部分热解的煤粉通过第一溢流装置向下进入多层流化床的中间层空间B(催化气化区)，在催化剂的作用下发生催化气化、甲烷化等反应，生成CH₄，CO，H₂等有效气体成分及CO₂、少量的H₂S和NH₃等。继而，在中间层空间B(催化气化区)中未充分反应的煤残渣通过第二溢流装置向下进入多层流化床的最下层C(残渣气化区)，在O₂和水蒸汽的作用下气化生成CO、H₂、CO₂等气体。

2、多层流化床最下层C与中间层空间B的紧密关联：在多层流化床的最下层C(残渣气化区)，残渣与氧气反应发出大量热量，为中间层空间B(催化气化段)提供所需的热量，从而能够降低灰渣碳含量，并提高进料煤粉综合利用率；同时，在最下层C(残渣气化区)的高温作用下，部分催化剂以气态形式挥发至多层流化床的中间层空间B(催化气化区)，从而实现了催化剂在流化床内的循环使用。流化床内催化剂的这种循环使用的效果是：能够减少初始煤粉中催化剂添加量，降低催化剂回收系统的负担，甚至无需另外配置催化剂回收系统；在气化炉残渣气化区(多层流化床最下层C)中产生的CO、H₂可进入多层流化床中间层空间B(催化气化区)，在催化剂的作用下发生甲烷化反应，从而能够增加系统甲烷产率，另外，所产生的高温水蒸气能够为催化气化区提供部分热量，从而能够降低灰渣碳含量，并提高进料煤粉综合利用率。

3、多层流化床的进料口的选择：根据系统热量平衡和工艺操作条件的需要，除多层流化床的最上层进料口外，可以在中间层、最下层炉体3的不同位置处增设进料口。

4、多层床的层数：可以根据停留时间和工艺操作条件的需要，将多层流化床气化炉的部分热解区、催化气化区、残渣气化区，分别划分成单层或多层，各层间用气体分布器2隔开，安装溢流装置1。

5、各溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间。各溢流装置可以是机械式溢流装置，如在溢流装置的下端安装堵头、阀门，也可以是气控式溢流装置，如直管，锥形管，L形阀。在本发明的优选方式中，各溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。在本发明的进一步优选方式中，各溢流装置包括上段和下段，上段与纵轴线平行，下段与纵轴线形成小于或等于60°的夹角，上段和下段之间以圆弧过渡段相连接。

6、气体分布器：多层流化床中的上部的用于固定各溢流装置1的气体分布器2可以是平板分布板、倾斜分布板或漏斗形分布板，或它们的组合形式。多层流化床的下部气体进口处的气体分布器2可以是平板分布板、倾斜分布板、漏斗形分布板，或带射流的气体分布板。

7、该多层流化床气化炉可于常压、加压下使用。

本发明解决的技术问题和的有益效果

本发明的目的是提供一种粉煤气化制备富含甲烷气体的多层流化床气化炉，该气化炉通过溢流装置1实现多层流化床层间的连续稳定溢流，将热解、气化、燃烧耦合于多层流化床中，实现分级转化，以催化气化制甲烷为中心进行能量分配，实现全价开发。

首先，与美国专利4,077,778的多级流化床相比，在一个(一级)流化床中，延长了固相停留时间，最大限度提高碳转化率，减少设备投资，同时易于操作；

其次，与其他专利中的装置相比，通过多层床最下层C的残渣气化区的气化反应向中间层的催化气化区提供氢气和一氧化碳，促进甲烷化反应的进行，无需用于分离氢气和一氧化碳的气体分离系统，能够大大减少设备投资，简化操作；同时在多层床最下层C通入气化剂和少量氧气使部分残渣燃烧，向中间层空间B的催化气化反应提供反应所需的部分热量，既可以降低进口水蒸气温度，降低蒸汽过热系统及热交换系统负荷，也解决了残渣含碳的问题。

另外，在多层床上层空间A热解段生成的甲烷直接选出气化炉，能够避免氧化并增加气相产物中甲烷含量，同时可以得到经热解生成的多种其他产物。从热量的角度来看，充分利用了来自中间层空间B的气体的热能，具有较高的热效率，也为后续处理系统带来方便。

由于各溢流装置的上端与气化炉壳体的内壁之间的间距较大(各上端入口与气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间)，可以避免“物料流动缓慢、形成滞留以至流化死区”的问题。另外，由于各溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于纵轴线的水平面上的投影相互间隔开(例如各溢流装置采用局部倾斜管的方式)，可以使得例如在第一溢流装置的下段出口与第二溢流装置的上段入口之间的横向距离最大化，从而使得物料在各层空间中的横向流动路径的长度尽可能地延长，这能够促进物料的流化反应进行得更为充分，从而能够有效地提高流化床的总体效率。

最后，就催化剂的利用而言，该多层床最上层将抑止焦油生成改为促进焦油生成，减少催化剂用量，降低催化剂成本；同时可以利用部分工业废弃物作为催化剂原料，提高甲烷含量。

Claims (15)

1.一种煤炭气化制取富甲烷气体的多层流化床气化炉，该流化床气化炉包括：

气化炉壳体，该壳体具有竖向的纵轴线，并在其中限定一个内部空间；

在所述壳体的所述内部空间中垂直于所述纵轴线并在沿着所述纵轴线的不同高度处布置的至少两层呈孔板形式的气体分布器，所述至少两层气体分布器包括第一气体分布器和位于所述第一分布器下方的第二气体分布器，所述第一气体分布器和所述第二分布器将所述壳体的所述内部空间分隔为上层空间、中间层空间和下层空间；

设置于所述壳体的侧面上部的原料入口，该原料入口通向所述上层空间，用于将原料输入所述上层空间，所述原料的总体流向是沿着所述纵轴线自上而下；

位于所述壳体的底部的灰渣出口；

位于所述壳体的底部的所述灰渣出口的侧面附近的用于气化剂进入的气化剂入口，所述气化剂的总体流向是沿着所述纵轴线自下而上；

位于所述壳体顶部的煤气出口；

所述第一气体分布器上贯通设有呈两端开放的管状形式的第一溢流装置，所述第二气体分布器上贯通设有呈两端开放的管状形式的第二溢流装置，所述第一溢流装置和第二溢流装置用于使所述原料沿曲折线路自上而下，从所述上层空间通过所述第一溢流装置流向所述中间层空间，再由所述中间层空间通过所述第二溢流装置流入所述下层空间，

所述第一溢流装置的下端出口与所述第二溢流装置的上端入口之间在垂直于所述纵轴线的水平方向上相互间隔开，以避免物料直通而下，

所述第一溢流装置的上端入口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间，并且

所述第二溢流装置的上端入口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/5倍至1/2倍之间。

2.如权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，

所述第一溢流装置的上端入口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/3倍至1/2倍之间，并且

所述第二溢流装置的上端入口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在气化炉壳体的内径的1/3倍至1/2倍之间。

3.如权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第一溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。

4.如权利要求3所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第一溢流装置包括上段和下段，所述第一溢流装置的上段与所述纵轴线平行，所述第一溢流装置的下段与所述纵轴线形成小于或等于60°的夹角，所述第一溢流装置的上段和下段之间以圆弧过渡段相连接。

5.如权利要求4所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第一溢流装置的下段与所述纵轴线形成30°至50°的夹角。

6.如权利要求3所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第一溢流装置的下端出口与所述气化炉壳体的内壁之间的最短距离在1/10倍至1/6倍之间。

7.如权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第二溢流装置的上端入口和下端出口在垂直于所述纵轴线的水平面上的投影相互间隔开。

8.如权利要求7所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第二溢流装置包括上段和下段，所述第二溢流装置的上段与所述纵轴线平行，所述第二溢流装置的下段与所述纵轴线形成小于或等于60°的夹角，所述第二溢流装置的上段和下段之间以圆弧过渡段相连接。

9.如权利要求8所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第二溢流装置的下段与所述纵轴线形成30°至50°的夹角。

10.如权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，所述壳体的纵向中部或纵向下部中的至少一个还设有辅助进料口。

11.如权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，所述上层空间、中间层空间和下层空间中的任一个空间中还设有用于对该空间进一步加以分隔的至少一层气体分布器以及贯通该至少一层气体分布器而布置的溢流装置。

12.如权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，在所述壳体中，所述第二气体分布器的下方，还设有第三气体分布器。

13.如权利要求12所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第三气体分布器呈漏斗形。

14.如权利要求1至13任一项所述的流化床气化炉，其特征在于，

所述溢流装置上端高出气体分布器的部分为溢流堰，该溢流堰的高度由固相加工时间和床层持料量决定，用下式计算：

h＝4wt/[πD²ρ(1-ε)]

h---特定层的溢流堰高度，单位为m；

w---该层固体颗粒进料量，单位为kg/h；

t----该层固相加工时间，单位为h；

D----该层炉体的内径，单位为m；

ρ----该层床层在操作条件下的密度，单位为kg/m³；

ε-----该层床层在操作条件下的孔隙率。

15.如权利要求1至13任一项所述的流化床气化炉，其特征在于，

两个相邻气体分布器之间的距离由处于它们之间的溢流装置的高度和床层持料量的高度决定，用下式计算：

H＝H₁+h₁-h₂

其中

H----两个相邻气体分布器之间的距离，单位为m；

H₁---处于两气体分布器之间的溢流装置的高度，单位为m；

h₁----处于两气体分布器之间的料层持料量的高度，单位为m；

h₂----处于两气体分布器之间的溢流装置的埋入料层深度，单位为m。

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