CN102786962A - 一种化学熄焦装置、熄焦介质及其工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种化学熄焦装置、熄焦介质及其工艺，属于高温炼焦技术领域，本发明利用熄焦介质发生化学吸热反应对红焦进行冷却，同时化学反应又生成化工基本合成的原料气，即一氧化碳和氢气，其携带的热能通过余热锅炉间壁换热副产水蒸汽；主要包括在熄焦装置中运用化学吸热反应和气体循环实施对红焦的冷却；熄焦炉、与熄焦炉连接的利用化学反应生成的气体热能带动的生成气余热锅炉及利用循环熄焦介质热能带动的循环气余热锅炉；熄焦介质为甲烷和二氧化碳的混合气体；余热锅炉用于制备水蒸汽。

Description

一种化学熄焦装置、熄焦介质及其工艺

技术领域

本发明属于高温炼焦技术领域，具体涉及一种化学熄焦装置、熄焦介质及其工艺。

背景技术

高温炼焦过程，刚出炉的红焦温度可达1000℃以上。1000℃左右的焦炭含有的显热大约为1.6MJ/kg，该热量相当于整个炼焦耗热量的36％～40％。对于红焦的冷却，最原始和简单的方法是采用喷淋水冷却。采用喷淋水冷却，每吨红焦用水大约2m³，其中大约20％的水量要蒸发到大气中。这不仅浪费资源，而且还污染环境。为改善这一状况，熄焦随之又发展有压力蒸汽熄焦、低水分熄焦等，这些方法均被称为湿法熄焦。20世纪60年代后，随着能源危机的出现和对能源利用的进一步认识，干法熄焦技术在前苏联和日本有了长足的发展。其基本原理是利用不活泼气体与红焦循环接触，不活泼气体一般多用氮气(N₂),把焦炭的热量带出，使焦炭冷却，同时把升温后的气体送入锅炉，再换热生产水蒸汽。冷却气体的动力由系统的循环风机提供。干法熄焦技术不仅有效地回收了红焦的显热，对焦炭的质量也有明显提高，所以，近年来得以大力发展。

湿法熄焦和N₂干法熄焦简单地均可归属于物理过程。

发明内容

本发明提出了一种新的熄焦理念和方法，即一种化学熄焦装置、熄焦介质及其工艺。在熄焦同时可制备原料气一氧化碳和氢气以及副产水蒸汽。

本发明采取的技术方案是：

一种化学熄焦装置，该装置包括熄焦炉、生成气余热锅炉及循环气余热锅炉；其特征是：所述熄焦炉由大小直径的圆筒连接而成，在其内部根据红焦的热能和移动过程，自上而下划分为存焦段、反应段（称高位热能区）、冷却段（称低位热能区）和排焦段；

在所述熄焦炉上部位于存焦段与反应段之间设有生成气体出口管，该出口管通过管道与生成气余热锅炉的一端连通，该生成气余热锅炉的另一端通过管道与生成气引风机连接；

在所述熄焦炉中部位于反应段与冷却段之间设有熄焦介质循环出口，位于冷却段与排焦段之间设有熄焦介质循环入口，在熄焦介质循环出口与熄焦介质循环入口之间连接有循环气余热锅炉及循环气鼓风机；

在所述熄焦炉下部排焦段的中部设有熄焦介质入口；

所述循环气余热锅炉与生成气余热锅炉的水和蒸汽系统是一个整体系统。

一种化学熄焦介质，其特征是：该熄焦介质为甲烷和二氧化碳的混合气体。所述混合气体的甲烷与二氧化碳的摩尔比为1∶1。

使用上述化学熄焦装置与介质的熄焦工艺，冷却和反应用熄焦介质为甲烷和二氧化碳气体，所述甲烷和二氧化碳的混合气体在高温及炭催化作用下，反应生成的产物为一氧化碳和氢气，熄焦过程副产水蒸汽。

该熄焦工艺具体步骤及操作过程如下：

a）赤热的红焦在熄焦炉顶部被装入，靠自重从上向下移动，熄焦介质在熄焦炉下部由熄焦介质入口送入，从下向上流动，两者在炉内进行逆流接触发生化学反应同时冷却焦炭。最后，被冷却的焦炭从熄焦炉的底部排出，化学反应生成的生成气体从熄焦炉的顶部被引出；

b）在熄焦炉中的反应段（称高位热能区），红焦的温度控制在1052℃～650℃(根据操作可调整)；反应气体的温度控制在420℃～927℃(根据操作可调整)；

c）在熄焦炉中冷却段（称低位热能区），红焦的温度控制在650℃～200℃(根据操作可调整)，冷却气体（即打循环的熄焦介质）的温度控制在130℃～420℃(根据操作可调整)；

d）从反应段上部被引出的生成气体和从冷却段上部被引出的循环气体所带有的热量分别通过生成气余热锅炉和循环气余热锅炉进行间壁换热副产水蒸汽；生成气余热锅炉和循环气余热锅炉的水和蒸汽系统是一个整体系统；锅炉给水和产品蒸汽的规格根据要求可以调整；

e）熄焦炉操作的过程及生成气余热锅炉和循环气余热锅炉的操作过程属于密闭状态，反应段和冷却段的操作压力处于微负压，反应气和循环气的动力由各自的引风机和鼓风机提供；

其中:生成气体：为一氧化碳和氢气；循环气体：为甲烷和二氧化碳气体。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

由于本发明采用化学吸热反应在熄焦装置中实施对红焦的冷却，同时可制备化工原料气——一氧化碳和氢气(习惯被称作合成气)；同时可将冷却介质及生成气体的热能利用余热锅炉制备水蒸汽，有效利用了红焦的显热。

附图说明

图1为本发明装置及熄焦过程原理示意图；

图中：1—熄焦炉；2—存焦段；3—反应段；4—冷却段；5—排焦段；6—熄焦介质入口；7—循环气体入口管；8—循环气鼓风机；9—循环气余热锅炉；10—总给水管；11—循环气体出口管；12—生成气体引风机；13—生成气余热锅炉；14—过热蒸汽出口；15—生成气体出口管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种化学熄焦装置，该装置主要由熄焦炉1、生成气余热锅炉13及循环气余热锅炉9组成；所述熄焦炉1由大小直径的圆筒连接而成，根据红焦的热能和移动过程，自上而下划分为存焦段2、反应段（称高位热能区）3、冷却段（称低位热能区）4和排焦段5；

在所述熄焦炉1上部位于存焦段2与反应段3之间设有生成气体出口管15，该出口管通过管道与生成气余热锅炉13相连，在生成气余热锅炉的气体出口端设有生成气引风机12；

在所述熄焦炉1中部位于反应段3与冷却段4之间设有熄焦介质循环出口11，位于冷却段4与排焦段5之间设有熄焦介质循环入口7，在熄焦介质循环出口与熄焦介质循环入口之间连接有循环气余热锅炉9及循环气鼓风机8；

在所述熄焦炉1下部排焦段5的中部设有熄焦介质入口6；

所述循环气余热锅炉9与生成气余热锅炉13的水和蒸汽系统是一个整体系统。

一种化学熄焦介质，该熄焦介质为甲烷和二氧化碳的混合气体。所述混合气体的甲烷与二氧化碳的摩尔比为1∶1。

一种化学熄焦工艺，冷却和反应用熄焦介质为甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)气体，所述甲烷和二氧化碳的混合气体在高温及炭催化作用下，反应过程的产物为一氧化碳(CO)和氢气(H₂)，冷却过程的副产物为水蒸汽。

该化学熄焦工艺具体步骤及操作过程如下：

a）赤热的红焦在熄焦炉顶部被装入，靠自重从上向下移动，熄焦介质在熄焦炉下部由熄焦介质入口6送入，从下向上流动，两者在炉内进行接触发生化学反应同时冷却焦炭；最后，被冷却的焦炭从熄焦炉的底部排出，化学反应生成的生成气体从熄焦炉的顶部被引出；

b）在熄焦炉中的反应段（称高位热能区），红焦的温度控制在1052℃～650℃(根据操作可调整)；反应气体的温度控制在420℃～927℃(根据操作可调整)；

c）在熄焦炉中冷却段4（称低位热能区），红焦的温度控制在650℃～200℃(根据操作可调整)，冷却气体的温度控制在130℃～420℃(根据操作可调整)；

d）从反应段上部被引出的生成气体和从冷却段上部被引出的循环气体所带有的热量分别通过生成气余热锅炉和循环气余热锅炉进行间壁换热副产水蒸汽；锅炉给水和产品蒸汽的规格根据要求可以调整；

e）熄焦炉的操作过程及生成气余热锅炉和循环气余热锅炉的操作过程属于密闭状态，反应段和冷却段的操作压力处于微负压，生成气体和循环气体的动力由各自的引风机和鼓风机提供；

其中:生成气体：为一氧化碳和氢气；循环气体：为甲烷和二氧化碳气体。

本发明是一种运用化学吸热反应实施对红焦的冷却过程。冷却和反应用介质为甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)气体，反应过程的产物为一氧化碳(CO)和氢气(H₂)，熄焦过程的副产物为水蒸汽。

红焦由熄焦炉上部靠自重下行依次穿过存焦段2、反应段3、冷却段4和排焦段5从底部排出。混合气体由下部送入上行依次穿过排焦段5、冷却段4(部分气体在此需进行打循环)和反应段3，与红焦逆流接触进行换热和发生化学反应，最后从反应段的上部引出。

在存焦段2，刚装入的红焦经过一定的停留时间，可以得到进一步的熟化和稳定，使各点温度趋于均匀；在反应段3，红焦与上升的甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)气体接触，提供热量或催化(有炭催化作用)，发生化学反应，生成一氧化碳(CO)和氢气(H₂)；在冷却段4，经化学反应降温后的焦炭，与打循环的甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)气体继续接触冷却，同时又通过打循环把热量间壁传热给锅炉里的水，生产蒸汽；在排焦段5，准备排出的焦炭与加入的新鲜气甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)气体(温度约25℃)进行最终换热，最后被排出。

反应段3和冷却段4是本熄焦炉熄焦过程的核心。在反应段3（称高位热能区），红焦的温度一般控制在1052℃～650℃(根据操作可调整)，反应气体的温度一般控制在420℃～927℃(根据操作可调整)。甲烷与二氧化碳发生化学反应生成一氧化碳和氢气的反应过程是一个强吸热反应过程，其基本化学反应式如下：

CH₄+CO₂＝2CO+2H₂     ΔH₂₉₈ ⁰＝247.4kJ/mol

红焦的存在充当了热载体和催化剂(有炭催化作用)。产物一氧化碳(CO)和氢气(H₂)作为化工基本合成的原料(习惯被称作为合成气)有着广泛的用途。在冷却段4（称低位热能区），焦炭的温度一般控制在650℃～200℃，循环气体的温度一般控制在130℃～420℃。进行打循环操作的甲烷和二氧化碳混合气体一方面将焦炭的热量继续带走，使其降温，一方面又把吸收的热量间壁传热给锅炉里的水，生产蒸汽，当然，借助于焦炭中的热量，循环气体中的甲烷与二氧化碳也会部分发生化学反应生成一氧化碳和氢气，吸热反应对焦炭也是一个降温过程。

本熄焦装置蒸汽余热锅炉的热源有两股，一股是从反应段3上部引出的CO和H₂产品混合气，一股是从冷却段4上部引出的CH₄和CO₂循环气。根据热源气体的温度，对其也划分为了两个热位能区，927℃～420℃称为高位热能区，420℃～130℃称为低位热能区。低位热能区的热可用于生产饱和蒸汽，高位热能区的热可用于生产过热蒸汽。当然，根据产品蒸汽的规格需求，热位能区的温度范围划分也是可以变化或调整的。余热锅炉给水分两股先进入低位热能区产生饱和蒸汽，然后汇集再进入高位热能区产生过热蒸汽，最后被从过热蒸汽出口14送出。

化学（反应）熄焦装置的操作过程属于密闭状态。在反应段3和冷却段4的操作压力基本处于微负压，反应气和循环气的动力由各自的引风机或鼓风机提供。反应气气量和循环气气量两者之间设置有比例调节。在整个操作系统(包括余热锅炉)，设置有温度、压力、流量、液位和料位、气体成分等在线监测仪表和控制仪表。锅炉给水由总给水管10送入，其动力由锅炉给水泵提供。

熄焦装置的操作过程涉及到的一氧化碳(CO)、氢气(H₂)和甲烷(CH₄)等气体属于易燃易爆介质。操作过程除应控制这些气体在爆炸极限(在空气中)范围以外，系统还单独设置有氮气(N₂)保护设施，以便在事故状态、开停车和检修状态时使用。

熄焦炉中的红焦含有相当数量的焦尘或焦屑，它们会随着气流进入管道和锅炉，造成严重的磨损。根据粉尘粒径的分布和气流参数，除尘将选用重力分离和离心分离相结合的方法。

红焦在1000℃左右装入，200℃左右排出，温度变化幅度达800℃，对炉体的结构和散热损失影响很大。熄焦炉的衬里结构分两段设计，存焦段2、反应段3作为高温区，衬里材料选用莫来石碳化硅砖砌筑；冷却段4、排焦段5作为低温区，衬里材料选用金属水夹套挂耐磨铸铁板。同理，对生成气体的出口管路系统和循环气体的管路系统也可依据上述原则选择合理的材料。

具体实施例：

本发明所提供的工艺数据，不应理解为唯一数据。

图1所示，以1000kg红焦，温度为1052℃，显热为1572214kJ为基本参数和计算基准。红焦由接焦罐、提升机从顶部装入本化学（反应）熄焦炉中；冷却和化学反应用甲烷(CH₄)和二氧化碳(CO₂)气体，温度约25℃，从下部被送入本熄焦炉。红焦下行，气体上行，两者在炉腔中实行逆流接触，进行换热和发生化学反应，冷却后的焦炭(温度约185℃)从熄焦炉的底部排出，化学反应后生成的产品气(主要为CO和H₂，温度约927℃)从熄焦炉反应段的上部引出。红焦的装入为间歇操作，冷焦的排出为连续操作，存焦段中的红焦存量是间歇操作向连续操作过渡的调整空间，所以熄焦过程是连续的。在装焦和排焦等操作过程会有少量的空气漏入熄焦炉，这些在系统平衡计算中均予以了考虑。

在反应段红焦温度控制在1052℃～650℃，反应气体温度控制在420℃～927℃，反应前后的气体(产品气)成分见表1化学(反应)熄焦装置气体参数。在冷却段，焦炭温度控制在650℃～200℃，循环冷却气体温度控制在130℃～420℃，循环冷却的气体成分见表1化学（反应）熄焦装置气体参数。在熄焦装置蒸汽余热锅炉，饱和蒸汽的生产：水温控制在80℃～250℃，压力3.9MPa，产量275kg；过热蒸汽的生产：蒸汽温度控制在250℃～450℃，压力3.9MPa，产量275kg。

表1化学(反应)熄焦装置气体参数

Claims (4)

1.一种化学熄焦装置，该装置包括熄焦炉（1）、生成气余热锅炉（13）及循环气余热锅炉（9）；其特征是：所述熄焦炉（1）由大小直径的圆筒连接而成，根据红焦的热能和移动过程，自上而下划分为存焦段（2）、反应段（称高位热能区）（3）、冷却段（称低位热能区）（4）和排焦段（5）；

在所述熄焦炉（1）中部位于存焦段（2）与反应段（3）之间设有生成气体出口管（15），该出口管（15）通过管道与生成气余热锅炉（13）相连，在生成气余热锅炉的气体出口端设有生成气引风机（12）；

在所述熄焦炉（1）中部位于反应段（3）与冷却段（4）之间设有熄焦介质循环出口（11），位于冷却段（4）与排焦段（5）之间设有熄焦介质循环入口（7），在熄焦介质循环出口与熄焦介质循环入口之间连接有循环气余热锅炉（9）及循环气鼓风机（8）；

在所述熄焦炉（1）下部排焦段（5）的中部设有熄焦介质入口（6）；

所述循环气余热锅炉（9）与生成气余热锅炉（13）的水和蒸汽系统是一个整体系统。

2.一种化学熄焦介质，其特征是：该熄焦介质为甲烷和二氧化碳的混合气体。

3.一种使用权利要求1或2的化学熄焦装置与介质的熄焦工艺，其特征是：冷却和反应用熄焦介质为甲烷和二氧化碳气体，所述甲烷和二氧化碳的混合气体在高温及炭催化作用下，反应过程的产物为一氧化碳和氢气，熄焦过程副产物为水蒸汽。

4.依据权利要求3使用所述的化学熄焦装置与介质的熄焦工艺，其特征是：该熄焦工艺具体步骤及操作过程如下：

a）赤热的红焦在熄焦炉顶部被装入，靠自重从上向下移动，熄焦介质在熄焦炉下部由熄焦介质入口（5）送入，从下向上流动，两者在炉内进行逆流接触发生化学反应同时冷却焦炭，最后，被冷却的焦炭从熄焦炉的底部排出，化学反应生成的产品气体从熄焦炉的顶部被引出；

b）在熄焦炉中的反应段（3）（称高位热能区），红焦的温度控制在1052℃～650℃(根据操作可调整)；反应气体的温度控制在420℃～927℃(根据操作可调整)；

c）在熄焦炉中冷却段（4）（称低位热能区），红焦的温度控制在650℃～200℃(根据操作可调整)，冷却气体（即打循环的熄焦介质）的温度控制在130℃～420℃(根据操作可调整)；

d）从反应段上部被引出的生成气体和从冷却段上部被引出的循环气体所带有的热量分别通过生成气余热锅炉和循环气余热锅炉进行间壁换热副产水蒸汽；锅炉给水和产品蒸汽的规格根据要求可以调整；

e）熄焦炉的操作过程及生成气余热锅炉和循环气余热锅炉的操作过程属于密闭状态，反应段和冷却段的操作压力处于微负压，生成气体和循环气体的动力由各自的引风机和鼓风机提供；

其中:生成气体：为一氧化碳和氢气；循环气体：为甲烷和二氧化碳气体。

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