CN102433164A - 一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统及方法 - Google Patents

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吴玉新
唐菲
吕俊复
张建胜
岳光溪
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Abstract

一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统及方法，属于煤气化和煤炭转换技术领域。本发明的气化系统由带有水冷壁的气流床气化炉、煤粉发料罐、空分装置、水蒸汽输送管和浓相煤粉输送管组成。采用该系统的水蒸汽输送煤粉的气流床气化过程，包括：水冷壁出口的高温过热水蒸汽被输送至煤粉发料罐体或煤粉发料罐出口，加热煤粉，并作为载气携带煤粉通过浓相煤粉输送管送至气流床气化炉内；空分装置向气流床气化炉提供纯氧；纯氧、水蒸汽和煤粉在气流床气化炉内发生气化反应。本发明利用气化反应余热产生高温过热水蒸汽，实现给煤的预加热以及浓相煤粉输送，也能降低现有气流床气化炉的耗氧量，提高整体煤气化效率。

Description

一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统及方法
技术领域
本发明涉及一种煤的气化系统及方法，属于煤气化和煤炭转换技术。 
背景技术
煤气化技术是一种清洁的煤炭转化和利用技术，也是产生工业合成气的重要手段，在化工和能源领域有着重要的应用。气流床煤气化方法是目前一种较为先进的气化方式，具有气化容量大、碳转化率高、可连续气化等优点。气流床气化炉的特点是：气化剂和原料煤被同时高速射入气化炉中，在炉内高温高压的环境下形成高温气化火焰。煤粉或煤浆在气化火焰中被迅速加热，快速完成挥发分脱除、焦炭气化反应等一系列过程。 
气流床气化方法中，根据供料方式主要可以分为水煤浆气化技术和干煤粉气化技术。其中，干煤粉气化技术避免了将水加热成水蒸汽的环节，节约了大量显热，可以达到更高的理论碳转化效率和更高的冷煤气效率，也具有相对较低的耗氧量。但干粉进料的气化方式仍存在着一些缺点和有待改进之处，主要有： 
一、气流床气化炉属于高温气化技术，气流床出口粗煤气温度较高，显热损失比较大，这要求在气化系统中采用合适的余热回收设备，提高整体热效率。 
二、在目前常用的煤粉浓相输送方法中，一般采用惰性气体作为载气，由于惰性气体本身并不参与气化反应，因而它们的加入会造成一定的热损失，也会降低合成气的纯度。 
三、常温下煤粉浓相输送中，煤中的水分会造成输送过程的不稳定，影响气化炉的安全运行，制约了气化炉的热效率和合成气的纯度的提高。如果利用合理手段以高温载气同时对煤粉进行加热和输运，就能抑制或去除液态水分的影响，提高煤粉输送的稳定性。 
四、在现有气流床气化工艺的基础上，如果能够进一步降低气化过程的耗氧量，就可降低空气分离制氧的成本，从而带来巨大的经济效益。 
发明内容
为了实现气化反应余热的合理利用，提高气化炉入口给煤温度并保证稳定的煤粉输送，在保证气化效率的基础上进一步降低氧耗，本发明提出一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统及方法。 
本发明的技术方案如下： 
一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统，包括气流床气化炉、空分装置和煤粉发料罐，煤粉发料罐底部的出口通过浓相煤粉输送管与气流床气化炉顶部的入口相连接，空分装置通过纯氧输送管与气流床煤气化炉顶部的入口相连接，其特征在于：所述的气流床煤气化炉内部敷设有水冷壁，在水冷壁的底部和顶部分别设有给水入口和水蒸汽出口，在所述的水蒸汽出口与煤粉发料罐之间设有一条水蒸汽输送管，该水蒸汽输送管将水蒸汽出口与煤粉发料罐 的内部相连接，或者将该水蒸汽出口与煤粉发料罐底部出口相连接。 
应用所述系统的一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 
1)利用气流床气化炉内气化反应的余热将通入水冷壁(2)中的水加热，产生温度范围为300℃～500℃的高温过热水蒸汽； 
2)该高温过热水蒸汽经水蒸汽输送管输送至煤粉发料罐内部或底部出口，高温过热水蒸汽与煤粉在煤粉发料罐内或煤粉发料罐出口快速混合和传热，混合温度为265℃～270℃，水蒸汽与煤粉的混合物通过浓相煤粉输送管至气流床气化炉内，同时，空分装置分离得到的氧气通过纯氧输送管输送至气流床气化炉内； 
3)在气流床气化炉内，煤粉、氧气和高温过热水蒸汽发生气化反应。 
本发明所述的水蒸汽输送煤粉的气流床气化方法，其特征在于：水蒸汽输送管内的高温过热水蒸汽的质量流量为煤粉输送量的20％～35％。 
本发明具有以下突出优点及突出效果：①通过敷设水冷壁获取高温过热水蒸汽的方式实现气化炉气化反应余热的回收，减少了高温粗合成气的显热损失；②利用①中获得的高温过热水蒸汽作为热源和载气，直接对煤粉进行加热和输送，提高了煤粉的温度，保证了浓相煤粉输送的稳定性；③以高温过热水蒸汽作为煤粉浓相输送的载气，避免了使用惰性气体作为载气的情形下相应的热损失，并且，在气化炉中，水蒸汽作为吸热型氧化剂直接参与气化反应，可以减少气化过程的耗氧量，降低空气分离装置制氧的成本。 
附图说明
图1为本发明提供的气流床气化系统的一种实施例的结构原理示意图。 
图2为本发明的另一种实施例的结构原理示意图。 
1-气流床气化炉；2-水冷壁；3-浓相煤粉输送管；4-纯氧输送管；5-水蒸汽输送管；6-煤粉发料罐；7-空分装置。 
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的原理、结构及实施方式。 
图1为本发明提供的气流床气化系统的一种实施例的结构原理示意图，该系统主要包括气流床气化炉1、空分装置7和煤粉发料罐6，煤粉发料罐6底部的出口通过浓相煤粉输送管3与气流床气化炉1顶部的入口相连接，空分装置7通过纯氧输送管4与气流床煤气化炉1顶部的入口相连接；在所述的气流床煤气化炉内部敷设有水冷壁2，在水冷壁的底部和顶部分别设有给水入口和水蒸汽出口，在该水蒸汽出口与煤粉发料罐6之间设有一条水蒸汽输送管5，该水蒸汽输送管5将水蒸汽出口与煤粉发料罐6的内部相连接。 
图2为本发明的另一种实施例的结构原理示意图，此方案与第一种实施例不同的是，水蒸汽出口与煤粉发料罐6之间的水蒸汽输送管5将该水蒸汽出口与煤粉发料罐6的底部出口相连接。 
在该水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统中，主要实现以下过程： 
在气流床气化炉1内，煤粉、氧气和水蒸汽发生高温气化反应。炉内壁敷设有水冷壁2，利用炉内气化反应的余热，获得300℃～500℃的高温过热水蒸汽。经给料装置预热至180℃～240℃的煤粉被输送至煤粉发料罐6中。在图1所示系统中，该高温过热水蒸汽经水蒸汽输送管5输送至煤粉发料罐6内部，在煤粉发料罐内与煤粉快速混合和传热；或者在图2所示的系统中，上述高温过热水蒸汽经水蒸汽输送管5输送至煤粉发料罐6底部出口处，在煤粉发料罐出口和浓相煤粉输送管3中快速混合和传热。两种情形下，都保证水蒸汽与煤粉的混合温度在265℃～270℃。混合后，水蒸汽携带煤粉，通过浓相煤粉输送管3至气化炉1内。水蒸汽对煤粉的加热和输送过程中，保证不发生煤的快速裂解以及煤粉软化。同时，空分装置7分离制得的纯氧经纯氧输送管4进入气化炉。在气化炉内，上述水蒸汽、纯氧与煤粉发生气化反应。水冷壁2对反应余热进行回收，产生新的300℃～500℃的高温过热水蒸汽，从而实现了系统的连续稳定运行。水冷壁至煤粉发料罐的高温过热水蒸汽质量流量为煤粉输送量的20％～35％。 
该水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统及方法在系统内实现了气化反应余热的回收利用，提高了气化系统热效率；高温过热水蒸汽对煤粉的加热和输运，提高了浓相煤粉输送的稳定性，避免了使用惰性气体作为载气的情形下相应的热损失；在气化炉中，水蒸汽作为吸热型氧化剂直接代替氧气参与气化反应，可以减少气化过程的耗氧量，降低空气分离装置制氧的成本。 
实施例： 
设定气化用煤发热量为29MJ/kg，给煤量为1kg/s，水冷壁产生的高温过热水蒸汽的质量流量为给煤量25％，即0.25kg/s，则水冷壁吸收煤发热量的2％的热量，可将该初始温度为67℃的不饱和水加热为温度为480℃，压力5.5MPa的高温过热水蒸汽。用该高温过热水蒸汽将供给量为1kg/s的初始温度为187℃的煤粉加热，最终形成270℃的水蒸汽与煤粉的混合物。在上述质量比下，水蒸汽与煤粉混合物中煤粉的浓度远低于常规氮气输送煤粉的浓度，从根本上缓解了堵粉事故。以高温过热水蒸汽作为载气，避免了水在炉内相变造成的热量损失，煤粉在进入气化炉之前也得到进一步的加热，而这些输入热量均来自于气化余热，使得低品位的余热代替了煤燃烧释放的热量。另一方面，高温过热水蒸汽为吸热型氧化剂，与焦炭反应生成CO和H2，这一反应所需的热量刚好由整个工艺过程利用的余热进行补偿。高温过热水蒸汽的加入，带入了大量氧原子，余热的利用又提高了整体热效率，因此在保证气化效率的同时，能够降低O2的消耗量，根据反应平衡模型，在上述的假定参数下，计算得到O2消耗量可降低3％左右，具有明显的经济效益。 

Claims (3)

1.一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化系统，包括气流床气化炉(1)、空分装置(7)和煤粉发料罐(6)，煤粉发料罐(6)底部的出口通过浓相煤粉输送管(3)与气流床气化炉(1)顶部的入口相连接，空分装置(7)通过纯氧输送管(4)与气流床煤气化炉(1)顶部的入口相连接，其特征在于：所述的气流床煤气化炉内部敷设有水冷壁(2)，在水冷壁的底部和顶部分别设有给水入口和水蒸汽出口，在所述的水蒸汽出口与煤粉发料罐(6)之间设有一条水蒸汽输送管(5)，该水蒸汽输送管(5)将水蒸汽出口与煤粉发料罐(6)的内部相连接，或者将该水蒸汽出口与煤粉发料罐(6)底部出口相连接。
2.采用如权利要求1所述系统的一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)利用气流床气化炉内气化反应的余热将通入水冷壁(2)中的水加热，产生温度范围为300℃～500℃的高温过热水蒸汽；
2)该高温过热水蒸汽经水蒸汽输送管(5)输送至煤粉发料罐(6)内部或底部出口，高温过热水蒸汽与煤粉在煤粉发料罐内或煤粉发料罐出口快速混合和传热，混合温度为265℃～270℃，水蒸汽与煤粉的混合物通过浓相煤粉输送管(3)至气流床气化炉内，同时，空分装置(7)分离得到的氧气通过纯氧输送管(4)输送至气流床气化炉(1)内；
3)在气流床气化炉内，煤粉、氧气和高温过热水蒸汽发生气化反应。
3.据权利要求2所述的一种水蒸汽输送煤粉的气流床气化方法，其特征在于：水蒸汽输送管(5)内的高温过热水蒸汽的质量流量为煤粉输送量的20％～35％。 
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