CN103031156A - 一种用于气流床的干法排渣装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气流床的干法排渣装置及方法。所述装置从上至下依次分为反应段、冷却段及排渣段；所述反应段包括内筒，所述内筒固定于反应段顶壁上并向下开口，所述反应段顶壁贯穿设置有向内筒内部空间开口的进料喷嘴；所述反应段侧壁上设有产物气体出口。本发明利用气体折流实现气态产物和固体产物的初步分离，再对固体焦渣和气态产物分别进行冷却，以满足将固体产物和气态产物冷却至不同温度的要求；将气流床操作与移动床操作相结合，替代现有气流床下部的渣池对焦渣进行进一步冷却，有效减少黑水排放量，实现煤炭资源的洁净转化。

Description

一种用于气流床的干法排渣装置及方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种用于气流床的干法排渣装置及方法。本发明尤其适用于煤加氢气化等对气态产物和固体产物冷凝温度有不同要求的生产过程。

背景技术

煤气化技术已成为实现煤炭洁净转化的一项重要技术，正向着大型化、粉煤适应性强、低污染、易净化的方向发展。近年来气流床气化技术因其原料适应性强、碳转化率高、冷煤气效率高的优点而受到越来越多的重视，成为气化技术发展的主流。现有的几种主流气流床气化技术流程基本相近，选择高温高压的反应条件，液态排渣，炉底设置渣池，对液态的焦渣进行冷却。随着技术发展，液态排渣的缺点逐渐被人们所认识，如氧耗高、液膜不利于气化介质扩散而影响碳转化率、不适用于高灰熔点煤种等，因此，固态排渣流化床气化技术得到不断发展。但无论是液态排渣还是固态排渣均采用炉底设置渣池的方式对灰渣进行最终的冷却，以达到排渣温度要求，减少对阀门和管路的高温磨损。在这一冷却过程中会产生大量的黑水，其中含有大量的污染物需要进一步处理，在增加生产成本的同时增加了气化过程的水耗，不利于气化技术的发展。特别是对于气流床加氢气化技术而言，反应后生成的固体产物半焦和气态产物，气态产物中除含有合成气产物外还包含油品产物，如气态产物冷却温度过低则油品产物会冷凝析出，粘附于管路中，不仅大大降低油品收率，而且极易堵塞管路，造成事故隐患，为提高油品收率、减少管路堵塞危险并保证半焦排渣温度不高于300℃，需要对固体产物和气态产物分别进行冷却，此外加氢气化过程的半焦产物特点是多孔而且密度小，粉状半焦会浮于水面之上，炉底设置焦渣池方法无法实现加氢气化焦渣产物的正常排出。

CN 1405277A中公布了一种固态排渣干粉气流床气化过程及装置，其特点是将高温操作气流床气化反应器与中温操作的流化床气化反应器相结合，利用中温操作的流化床排焦温度低的特点进行排渣，但是该方法中气态产物和固体产物仍是同时冷却，无法应用于气态产物和固体产物分别冷凝到不同温度的情况，无法满足气流床加氢气化过程中对产物冷却的要求，此外该技术忽略了流化床与气流床正常操作时对原料颗粒粒径要求不同，难于选择适当的流化气速实现正常、稳定操作。

该技术在原理上可以实现以焦冷渣，干法条件下排渣，避免黑水的产生，但该装置中气流床反应段和流化床反应段所用原料的粒径相差较大，小粒径颗粒的加入使流化床流化状态不断受到扰动，难以实现稳定操作，同时由于气流床所形成的灰渣颗粒较小，在大颗粒流化床的操作气速下极易被产物气体带出流化床，从而使产物气体净化段难度增加，此外，气流床与流化床组合的形式处理量有限，难以实现工程放大满足现代煤气化技术大型化的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，利用气体折流实现气态产物和固体产物的初步分离，再对固体焦渣和气态产物分别进行冷却，以满足将固体产物和气态产物冷却至不同温度的要求；将气流床操作与移动床操作相结合，替代现有气流床下部的渣池对焦渣进行冷却，有效减少黑水排放量，实现煤炭资源的洁净转化。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于气流床的干法排渣装置，所述装置从上至下依次分为反应段、冷却段及排渣段；所述反应段包括内筒，所述内筒固定于反应段顶壁上并向下开口，所述顶壁贯穿设置有向内筒内部空间开口的进料喷嘴；所述反应段侧壁上设有产物气体出口。

本发明利用气化反应后的产物在内筒出口处形成折流区，实现气态产物和焦渣产物的初步分离，再对气态产物和焦渣产物分别进行冷却，以满足将气态产物和焦渣产物冷却至不同温度的工艺要求。在保证焦渣冷却到较低温度的同时，保证气态产物在适宜的温度下排出反应器，尤其有利于类似气流床加氢气化需要回收液相产物的工艺过程。

本发明所述内筒出口处设有扩口状滤网。所述滤网布置于内筒外缘与气化炉耐火砖层的环隙中，气态产物折流后夹杂部分未分离的固体颗粒的气态产物流过滤网，用于减少气态产物中夹杂固体颗粒量。气态产物在内筒出口折流后，通过滤网后与反应段下部的冷气体相混合、降温，从产物气体出口中进入后处理系统；。本发明所述的滤网能够减少气体带出焦渣颗粒的量，进而减少气态产物后处理工序的处理量。

本发明所述冷却段的侧壁上布置有多个冷却剂喷嘴。冷却段的作用是通过冷却剂喷嘴向冷却段喷入冷却剂，对分离出的焦渣产物进行冷却降温。本发明所述“多个”可以由本领域技术人员根据气化反应温度、焦渣处理量、冷却段的温度要求、所用冷却剂的温度等确定，例如一个，三个，四个，六个，八个等，优选对称布置八个冷却剂喷嘴，本发明并无特殊限制。

本发明所述排渣段包括移动床段及相连的锥形底，所述锥形底的内部空间中设有气体分布器，所述锥形底的底部贯穿设置有排渣口。优选地，所述排渣口出口处设有旋转排渣器。旋转排渣器的转速由移动床的高度控制，保证整个反应系统连续稳定运转。

由于焦渣产物的颗粒粒径较小，容易发生团聚、搭桥而严重影响其流动性，使其无法顺利排出，因此在锥形底的内部空间设有气体分布器，冷却气体通过气体分布器进入移动床段，冷却气的加入有效增强了焦渣的流动性，保证焦渣顺畅地排出，此外冷却气的加入可以对焦渣进一步降温，降低焦渣出口温度，增加排渣设备的稳定性。

本发明所述气体分布器的形式可由本领域技术人员从现有技术中获知，并结合本发明装置的结构进行具体设计，保证通入冷却气后能够起到增强焦渣流动性及降温功能即可。另外，由于排渣口设于装置底部，气体分布器还需要留有焦渣通道，以便冷却后的焦渣产物能够顺利从排渣口排出。本发明提供了几种气体分布器的具体形式如下：

1）所述气体分布器包括与锥形底相配合的锥形支架，所述锥形支架上镶嵌有多孔材料；所述锥形支架与锥形底侧壁之间形成气体空腔，锥形底侧壁上设有开口于气体空腔的冷却器入口；所述排渣口贯穿设置于锥形底和锥形支架的底部；优选地，所述多孔材料为烧结金属多孔材料或多孔陶瓷材料。

在上述气体分布器中，锥形支架主要起到支撑作用，多孔材料依照气体流量需求可选择不同的孔隙率，气体空腔中对应气化炉操作压力需保持一定的正压以便保证冷却气体的均匀分布。

2）所述气体分布器设置于移动床段与锥形底之间界面上；所述气体分布器为相互贯通的冷却气管路，所述管路朝向锥形底的内部空间一侧设有多个出气孔。这种气体分布器的冷却气入口即为管路端口。

在运行中，冷却气经气体分布器后进入移动床底部，可以对移动床内的焦渣物料起到疏松作用，从而有效减少焦渣排出时因“架桥、团聚”而堵塞管路的现象，并降低焦渣温度。

所述反应段、冷却段与移动床段的内侧壁均设置有耐火砖层。所述产物气体出口以上的耐火砖层与内筒之间还设有保温材料层。

所述移动床上表面与冷却段的流量控制阀之前连接有温度控制单元，用于控制通过喷嘴的冷却剂加入量。所述移动床上表面与旋转排渣器之间连接有料位控制单元，所述料位控制单元与旋转排渣器之间连接有变频电机。变频电机用于控制焦渣排出量，进而调节移动床床层高度。

本发明还提供了一种利用如上所述装置进行干法排渣的方法：

原料煤粉以及气化剂自进料喷嘴喷入内筒内发生气化反应，反应后的气态产物与焦渣产物共同向下移出内筒后，流通面积的增大使气体流速迅速降低，在内筒出口下部空间形成折流区，沿内筒外壁与反应段侧壁间隙向上流动，并与反应段下部的冷气体相混合、降温，从产物气体出口进入后续净化处理阶段；焦渣产物向下运动进入冷却段，被冷却后进入移动床段；经移动床段进入锥形底后，焦渣产物经排渣口排出。

所述气化剂为空气、氧气、水蒸气或氢气中的一种或至少两种的组合，例如氧气，氢气，空气与水蒸气的组合，氧气与水蒸气的组合，空气和氢气的组合，氧气、氢气和水蒸气的组合等，皆可用于实施本发明。

优选地，通过冷却剂喷嘴将冷却剂喷入冷却段，对焦渣产物进行降温。

优选地，所述冷却剂为水和/或气体；所述气体优选CO₂、N₂或气态产物中的一种或至少两种的组合。

所述温度控制单元根据落入移动床段上表面焦渣物料的温度来调节冷却剂的加入量；所述料位控制单元根据移动床的高度通过变频电机控制旋转排渣器的转速。

一种用于气流床的干法排渣方法，具体如下：原料煤粉以及气化剂自进料喷嘴喷入内筒内发生气化反应，反应后的气态产物与焦渣产物共同向下移出内筒后，流通面积的增大使气体流速迅速降低，在内筒出口下部空间形成折流区，折流后经滤网沿内筒外壁与反应段侧壁间隙向上流动，并与反应段下部的冷气体相混合、降温，从产物气体出口进入后续净化处理阶段；

焦渣产物向下运动进入冷却段，冷却剂通过冷却剂喷嘴进入冷却段，对焦渣产物进行冷却降温；

被冷却后的焦渣产物进入移动床段，经移动床段进入锥形底；冷却气体从冷却气入口进入气体空腔中，经多孔材料进行分布，进一步冷却焦渣产物；最终，焦渣产物进入排渣口，经旋转排渣器排出。

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种操作简单、稳定并应用于气流床气化过程的干法排渣装置及方法，尤其针对于类似气流床加氢气化需要将固体产物和气态产物冷却至不同温度，以便回收液体产物的过程。在保证焦渣正常排渣温度的同时保证气态产物不会因冷却温度过低出现液态产品冷凝，大大增加液体产物回收率，此外，通过这一方法实现干法固态排渣，在降低气化技术水耗的同时避免黑水对环境的污染，大大降低气化工艺中黑水的产生量，减少污水处理量，进一步实现煤炭资源的清洁转化。

附图说明

图1是本发明具体实施例的结构示意图；

图2是多孔材料与金属支架镶嵌部分的细节示意图；

图3是气体分布器的一种形式；

图4是气体分布器的另一种形式。

其中，图3、图4中的粗线代表气体管路。

图中：TC-温度控制单元；LC-料位控制单元；M-变频电机；1-进料喷嘴；2-反应段侧壁；4-内筒；5-产物气体出口；6-冷却剂管路；7-冷却剂喷嘴；8-移动床段；9-气体分布器；10-冷却气入口；11-旋转排渣器；12-锥形支架；13-多孔材料；14-滤网；15-气体空腔；16-耐火砖层；17-保温材料层。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

如图1所示，一种用于气流床的干法排渣装置，所述装置从上至下依次分为反应段、冷却段及排渣段；

所述反应段包括内筒4，所述内筒4固定于反应段顶壁上并向下开口，所述顶壁贯穿设置有向内筒4内部空间开口的进料喷嘴1；所述反应段侧壁2上设有产物气体出口5。所述内筒4出口处设有滤网14。

所述冷却段的侧壁上对称布置有八个冷却剂喷嘴7。

所述排渣段包括移动床段8及相连的锥形底，所述锥形底的内部空间中设有气体分布器9，所述锥形底的底部贯穿设置有排渣口，所述排渣口出口处设有旋转排渣器11。所述气体分布器9包括与锥形底相配合的锥形支架12，所述锥形支架12上镶嵌有多孔材料13；所述锥形支架12与锥形底侧壁之间形成气体空腔15，锥形底侧壁上设有开口于气体空腔15的冷却气入口10；所述排渣口贯穿设置于锥形底和锥形支架12的底部；所述多孔材料13为烧结金属多孔材料或多孔陶瓷材料。

所述气体分布器9还可以采取以下形式：设置于移动床段8与锥形底之间界面上；所述气体分布器9为相互贯通的冷却气管路，所述管路朝向锥形底的内部空间一侧设有多个出气孔。冷却气管路样式可采用图3、图4所示的形式。

所述反应段、冷却段与移动床段8的内侧壁均设置有耐火砖层16，所述产物气体出口5以上的耐火砖层与内筒4之间还设有保温材料层17。

所述移动床上表面与冷却段的流量阀之前连接有温度控制单元TC。所述移动床上表面与旋转排渣器11之间连接有料位控制单元LC，所述料位控制单元LC与旋转排渣器11之间连接有变频电机M。

以气流床加氢气化过程为例，对本发明装置的干法排渣方法进行具体说明：

气流床加氢气化过程的产物包括固体焦渣、合成气以及液态油品，其中，在气化炉内部液态油品产物以气态形式存在，该过程最大的特点就是要求将气态产物和固体焦渣产物冷却至不同温度，在保证固体焦渣产物排渣时冷却至低于300℃范围内，同时保证气态产物温度不会降低至液态油品产物冷凝析出温度以下，以保证油品回收率。本实施例中选用粒径小于200目（≤75μm）的煤粉作为气化原料，煤粉加入量为5t/d，加氢气化反应温度为850℃。

原料煤粉和高温氢气通过进料喷嘴1加入反应段内筒4，在内筒4所形成的反应区内发生加氢气化反应，生成气态产物和固体半焦产物，出内筒4反应区后，流通面积的增大使气体流速迅速降低，在内筒4出口下部空间形成折流区，气态产物沿内筒外壁与气化炉耐火砖层16的间隙向上流动，而固体半焦则保持一定速度向下运动，进入冷却段，进而实现气固产物的初步分离。向上的折流中可能夹杂部分未来得及分离的半焦颗粒，因此在内筒出口处设有滤网14，气态产物通过滤网14后与反应段下部的冷气体相混合、降温后从产物气体出口5中进入后处理系统，半焦经滤网过滤后与气态产物分离下落至冷却段。在冷却段侧壁上设置冷却剂喷嘴7，以水为冷却剂，通过冷却剂管路6进入冷却剂喷嘴7，喷入冷却段，半焦在这一段空间内被冷却降温，冷却剂的加入量由冷却后进入移动床的半焦温度控制。半焦经过冷却后温度降到300℃左右，进入排渣段。

由于气流床加氢气化所采用的原料为小于200目的微粉，气化固体产物半焦颗粒粒径较小，容易发生团聚、搭桥而严重影响半焦流动性，使其无法顺利排出炉外，因此装置底部设有气体分布器9，作为冷却气的N₂通过冷却气入口10进入气体分布器9，再进入半焦移动床中，N₂的加入有效增强了半焦的流动性，保证半焦顺畅排出炉外，此外N₂的加入可以对焦渣进一步降温，增加排焦设备的稳定性，焦渣通过气体分布器9后由旋转排渣器11排出，排渣速率由焦渣床层高度控制，具体实施结果如下表1所示：

表1

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及排渣方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及排渣方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及排渣方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种用于气流床的干法排渣装置，其特征在于，所述装置从上至下依次分为反应段、冷却段及排渣段；

所述反应段包括内筒（4），所述内筒（4）固定于反应段顶壁上并向下开口，所述反应段顶壁贯穿设置有向内筒（4）内部空间开口的进料喷嘴（1）；所述反应段侧壁（2）上设有产物气体出口（5）。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内筒（4）出口处设有扩口状滤网（14）；

优选地，所述冷却段的侧壁上布置有多个冷却剂喷嘴（7），进一步优选分两层对称布置八个冷却剂喷嘴（7）；所述冷却剂喷嘴（7）与流量控制阀相连；

优选地，所述排渣段包括移动床段（8）及相连的锥形底，所述锥形底的内部空间中设有气体分布器（9），所述锥形底的底部贯穿设置有排渣口；

优选地，所述排渣口出口处设有旋转排渣器（11）。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述气体分布器（9）包括与锥形底相配合的锥形支架（12），所述锥形支架（12）上镶嵌有多孔材料（13）；所述锥形支架（12）与锥形底侧壁之间形成气体空腔（15），锥形底侧壁上设有开口于气体空腔（15）的冷却气入口（10）；所述排渣口贯穿设置于锥形底和锥形支架（12）的底部；优选地，所述多孔材料（13）为烧结金属多孔材料或多孔陶瓷材料。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述气体分布器（9）设置于移动床段（8）与锥形底之间的界面上；所述气体分布器（9）为相互贯通的冷却气管路，所述管路朝向锥形底的内部空间一侧设有多个出气孔。

5.如权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述反应段、冷却段与移动床段（8）的内侧壁均设置有耐火砖层（16）；优选地，所述产物气体出口（5）以上的耐火砖层（16）与内筒（4）之间还设有保温材料层（17）。

6.如权利要求2-5之一所述的装置，其特征在于，所述移动床上表面与冷却段的流量控制阀之前连接有温度控制单元（TC）；

优选地，所述移动床上表面与旋转排渣器（11）之间连接有料位控制单元（LC）；

优选地，所述料位控制单元（LC）与旋转排渣器（11）之间连接有变频电机（M）。

7.一种利用如权利要求1-6之一所述装置进行干法排渣的方法，其特征在于，

原料煤粉以及气化剂自进料喷嘴（1）喷入内筒（4）内发生气化反应，反应后的气态产物与焦渣产物共同向下移出内筒（4）后，流通面积的增大使气体流速迅速降低，在内筒（4）出口下部空间形成折流区，沿内筒外壁与反应段侧壁间隙向上流动，并与反应段下部的冷气体相混合、降温，从产物气体出口（5）进入后续净化处理阶段；焦渣产物向下运动进入冷却段，被冷却后进入移动床段（8）；经移动床段（8）进入锥形底后，焦渣产物经排渣口排出。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气化剂为空气、氧气、水蒸气或氢气中的一种或至少两种的组合；

优选地，通过冷却剂喷嘴（7）将冷却剂喷入冷却段，对焦渣产物进行降温；

优选地，所述冷却剂为水和/或气体；所述气体优选CO₂、N₂或气态产物中的一种或至少两种的组合。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述温度控制单元（TC）根据落入移动床段（8）上表面焦渣物料的温度来调节冷却剂的加入量；所述料位控制单元（LC）根据移动床的高度通过变频电机（M）控制旋转排渣器（11）的转速。

10.如权利要求7-9之一所述的方法，其特征在于，原料煤粉以及气化剂自进料喷嘴（1）喷入内筒（4）内发生气化反应，反应后的气态产物与焦渣产物共同向下移出内筒（4）后，流通面积的增大使气体流速迅速降低，在内筒（4）出口下部空间形成折流区，折流后经滤网（14）沿内筒外壁与耐火砖层（16）间隙向上流动，并与反应段下部的冷气体相混合、降温，从产物气体出口（5）进入后续净化处理阶段；

焦渣产物向下运动进入冷却段，冷却剂通过冷却剂喷嘴（7）进入冷却段，对焦渣产物进行冷却降温；

被冷却后的焦渣产物进入移动床段（8），经移动床段（8）进入锥形底；冷却气体从冷却气入口（10）进入气体空腔（15）中，经多孔材料（13）进行分布，进一步冷却焦渣产物；最终，焦渣产物进入排渣口，经旋转排渣器（11）排出。

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