CN103060012A

CN103060012A - 一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法

Info

Publication number: CN103060012A
Application number: CN2012105928027A
Authority: CN
Inventors: 金红光; 张筱松
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2032-12-29
Also published as: CN103060012B

Abstract

本发明公开了一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法，该方法基于燃料“组分对口，分级转化”的原则，将煤炭气化分为碳化、生产一氧化碳化、变换产氢三个步骤，首先将煤炭进行碳化提纯，得到粗焦炭，然后与二氧化碳反应生成一氧化碳，最后通过变换反应生成氢气和二氧化碳，二氧化碳供给焦炭一氧化碳化单元。通过氢气、一氧化碳和焦炉煤气混合可以得到不同碳氢比的合成煤气。煤炭的碳化过程和一氧化碳生成过程所需热量由燃煤提供。本发明将煤炭的气化过程分为炼焦，气化和变换产氢三步进行，大大降低了整个气化反应的不可逆性，使得煤炭的气化效率有显著上升；取消了空分装置和废热锅炉，减少了设备投资；燃料分为气化煤和供热煤，大大增加了煤种的适应性。

Description

一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法

技术领域

本发明属于能源动力与煤化工领域，具体地说涉及一种外燃供热的煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法。

背景技术

由于煤炭与气体燃料的品质及其能量转换利用方式的不同，使得燃煤电厂的发电效率比天然气联合循环电站低10～15个百分点。目前，为了实现煤炭的高效洁净利用，无论是化工生产过程还是IGCC发电系统，都必须先将煤气化，为煤炭的高效利用创造必要条件。

煤气化过程是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、二氧化碳、水蒸汽等作气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。煤气化所得的合成气或煤气的成分取决于燃料、气化剂的种类以及进行气化过程的条件。煤气化方法的分类多种多样，应用较为广泛的四种气化炉为鲁奇炉、恩德炉、德士古炉和谢尔炉，其冷煤气效率在65%~80%左右。

现有技术中，煤气化过程由于需要纯氧与煤反应，因此需要空气分离装置。产生的合成气进行净化除尘才能使用，还需要废热锅炉回收余热。这使得煤气化效率较低，投资成本很高。

同时不同煤气化方法对煤种的要求各有不同。我国煤碳可采量约为1万亿吨，分为褐煤、烟煤和无烟煤。鲁奇炉可采用褐煤和部分烟煤（长焰煤、不粘煤、弱粘煤和气煤），可用资源量为5934.5亿吨，占总资源量的58%。德士古炉可采用大部分的烟煤，可用资源量为6728.8亿吨，占总资源量的66%。谢尔炉可采用褐煤和几乎全部的烟煤，资源量为9242亿吨，占总资源量的91%。恩德炉可采用褐煤和少部分烟煤（长焰煤和不粘煤），可用资源量为4479.6亿吨，占总资源量的44%。

本发明中同时还涉及煤炼焦技术，传统的炼焦技术所需要的煤种主要是烟煤中的主焦煤和肥煤，仅占总资源的约9%。而本发明中所使用的为粗炼焦技术，大部分的褐煤和烟煤均可以使用，可用煤种占总资源量的约九成。

综上所述，煤炭的气化过程的应用推广，还存在着气化效率低、设备投资成本高和煤种限制等障碍。因此，无论对于化工行业还是电力部门，如何提高煤炭气化的效率，降低煤炭气化的投资成本，都是亟待解决的难题。对于我国高碳能源低碳化利用以及能源可持续发展也是革新性突破。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出了一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法，该方法基于燃料“组分对口，分级转化”的原则，将煤炭气化分为碳化、生产一氧化碳化、变换产氢三个步骤，如图1所示。本发明提出的煤气化方法首先将煤炭进行碳化提纯，得到粗焦炭，然后与二氧化碳反应生成一氧化碳，最后通过变换反应生成氢气和二氧化碳，二氧化碳供给焦炭一氧化碳化单元。通过氢气、一氧化碳和焦炉煤气混合可以得到不同碳氢比的合成煤气。煤炭的碳化过程和一氧化碳生成过程所需热量由燃煤提供。相比于传统气化方法中的所有反应在气化过程中同时进行，本发明的新气化方法将不同的反应分类，在碳化、一氧化碳化和变换产氢过程中分别进行。而且本发明提出的煤气化方法不需要氧气参与反应，具有气化效率高、设备投资成本低、煤种不受限制以及气化产物可灵活调节等多种优点。

在上述方法的基础上本发明提供了一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法，其特征在于，将煤炭气化过程分为碳化过程、一氧化碳生产过程和变换产氢过程三个步骤。

首先进行碳化过程，该过程对气化煤进行碳化提纯，所需热量由供热煤与高温空气燃烧产生的热量提供，得到粗焦炭、焦炉煤气、焦油等化工产品；

其次进行一氧化碳生产过程，将碳化过程中生产的粗焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，所需热量同样由上述供热煤与高温空气燃烧产生的热量提供；

然后进行变换产氢过程，将上述一氧化碳生产过程中生产的部分一氧化碳与水蒸气变换反应生成二氧化碳和氢气，使用分离装置进行分离得到二氧化碳和纯净的氢气，分离出的二氧化碳返回所述一氧化碳生产过程与焦炭继续反应，一氧化碳生产过程中所需的二氧化碳完全由变换产氢过程中生产的二氧化碳提供；

整个煤炭气化过程的三个步骤分别得到焦炉煤气、一氧化碳和氢气，三种气体灵活配比得到不同碳氢比的煤气化合成气。

本发明提供的煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法，使用该方法的设备主要由外置燃烧单元、传热单元、碳化单元、一氧化碳单元、变换产氢单元、和余热回收单元组成，所述碳化过程在碳化单元中进行，所述一氧化碳生产过程在一氧化碳生产单元中进行，所述变换产氢过程在变换产氢单元中进行，燃料分为供热煤和动力煤，供热煤与高温空气于外置燃烧单元燃烧，产生的高温烟气通过传热单元分别向所述碳化单元和一氧化碳生产单元供入热量，继续向余热回收单元释放余热。气化煤首先进入碳化单元进行粗炼焦后生成粗焦炭，粗焦炭继续与二氧化碳反应生成一氧化碳，根据需求部分一氧化碳通过与水蒸气的变换反应生成二氧化碳和氢气，再经过分离装置分离出纯净的氢气。剩余的二氧化碳返回一氧化碳生成单元与焦炭继续反应。

所述的气化方法，煤炭经碳化过程、焦炭一氧化碳化过程和变换产氢过程构成煤气化，实现了煤炭的“组分对口，分级转化”的新型煤气化方式。

所述的气化方法，煤炭碳化单元使用煤炭外燃的粗炼焦工艺，使用的燃料分为气化煤和供热煤。气化煤可以使用所有的烟煤和褐煤，供热煤可以使用所有煤种。

所述的气化方法，焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，不需要氧气，相对传统煤炭气化过程，省去了用于制氧的空气分离单元。

所述的气化方法，产生的一氧化碳不含灰分等杂质颗粒，可以直接进入变换单元，省去了废热锅炉。

所述的气化方法中，碳化单元的温度降低至600~900°C，比传统炼焦低约200°C，碳化产品为粗焦炭、焦炉煤气和焦油等。变换反应发生的温度约在200~400摄氏度，相对于传统气化的高温（1000摄氏度左右）气化吸热反应，反应的不可逆性可以大幅度降低。

所述的气化方法，经过三步反应，可以分别得到焦炉煤气、一氧化碳和氢气。三种气体的灵活配比可以得到不同碳氢比的煤气化合成气，满足不同工艺要求。

所述的气化方法，燃料分为气化煤和供热煤，气化煤用于产生合成气，供热煤用于提供碳化单元和气化单元吸热所需反应热量。

所述的气化工艺，一氧化碳生产单元所需二氧化碳由变换单元得到。

所述的气化工艺，供热煤燃烧产生高温烟气，经过粗除尘后向碳化单元和气化单元供入热量。

所述的气化工艺，碳化单元也可以为冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉。

本发明的有益效果是：将煤炭的气化过程分为炼焦，气化和变换产氢三步进行，大大降低了整个气化反应的不可逆性，使得煤炭的气化效率有显著上升；取消了空分装置和废热锅炉，减少了设备投资；燃料分为气化煤和供热煤，大大增加了煤种的适应性。根据煤炭的特点不同，用煤炭外燃替代焦炉煤气燃烧向碳化室和气化室提供热量，实现煤炭的合理利用。本发明提出的煤炭分级气化方法与常规气化工艺相比，实现了组分对口、分级气化，其冷煤气效率要比传统煤气化高3个百分点左右。

附图说明

图1为本发明提出的煤炭碳氢组分分级气化方法与传统气化方法的原理对比。

图2为本发明的外燃煤炭的碳氢组分分级气化工艺流程示意图；

上述附图中，各部件及相应的标记为：1-燃烧单元；2-碳化单元；3、4-传热单元；5-一氧化碳生产单元；6-蓄热式换热器；7-间壁式换热器；8、9-隔墙；10-气化煤；11-供热煤；12-高温烟气；13-蓄热室顶部烟气；14-经蓄热室放热后的烟气；15-废气；16-空气；17-间壁式换热预热的空气；18-高温空气；19-焦炉煤气；20-焦炭；21-焦油及其它；22、23-热流；24-一氧化碳；25-变换单元；26-合成气；27-二氧化碳。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

参见图1（b），本发明提供的煤炭的碳氢组分分级气化方法，将煤炭气化过程分为碳化过程、一氧化碳生产过程和变换产氢过程三个步骤，其中，首先进行碳化过程，该过程对气化煤进行碳化提纯，所需热量由供热煤与高温空气燃烧产生的热量提供，得到粗焦炭、焦炉煤气、焦油等化工产品；其次进行一氧化碳生产过程，将碳化过程中生产的粗焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，所需热量同样由上述供热煤与高温空气燃烧产生的热量提供；然后进行变换产氢过程，将上述一氧化碳生产过程中生产的部分一氧化碳与水蒸气变换反应生成二氧化碳和氢气，使用分离装置进行分离得到二氧化碳和纯净的氢气，分离出的二氧化碳返回所述一氧化碳生产过程与焦炭继续反应，一氧化碳生产过程中所需的二氧化碳完全由变换产氢过程中生产的二氧化碳提供；整个煤炭气化过程的三个步骤分别得到焦炉煤气、一氧化碳和氢气，三种气体灵活配比得到不同碳氢比的煤气化合成气。

图2示出了本发明提供的煤炭的碳氢组分分级气化工艺流程，

气化煤首先进入碳化单元进行粗炼焦后生成粗焦炭，粗焦炭继续与二氧化碳反应生成一氧化碳，根据需求部分一氧化碳通过与水蒸气的变换反应生成二氧化碳和氢气，再经过分离装置分离出纯净的氢气。剩余的二氧化碳返回一氧化碳生成单元与焦炭继续反应。

使用该方法的设备主要由燃烧单元1、传热单元3、4、碳化单元2、一氧化碳生产单元5、变换产氢单元25、蓄热式余热回收单元6和间壁式余热回收单元7组成。本发明的碳化过程在碳化单元2中进行，一氧化碳生产过程在一氧化碳生产单元5中进行，变换产氢过程在变换产氢单元25中进行，供热煤11与经蓄热式余热回收单元6和间壁式余热回收单元7预热后的高温空气18在燃烧单元1中燃烧生成高温烟气12，并对高温烟气12进行粗除尘后，送入传热单元3、4，高温烟气通过隔墙8、9分别向碳化单元2和一氧化碳生产单元5释放高温热量后，被送往余热回收单元6、7，并向蓄热式余热回收单元6和间壁式余热回收单元7放热。放热后的烟气即废气15被排放到大气。在碳化单元2内气化煤10吸收热量22在高温下热解，经过粘结过程(包括：干燥脱吸，开始分解，形成胶质体，和胶质体固化过程)以及半焦收缩过程生成焦炭20、焦炉煤气19、焦油21等化工产品，生产的焦炭20进入一氧化碳生产单元5，在该单元焦炭20与二氧化碳27反应生成一氧化碳24。一氧化碳24进入变换产氢单元25与水蒸气反应生成氢气26，同时生成的二氧化碳27提供给一氧化碳生产单元5。在碳化单元2得到的焦炭20(1000℃左右)由一氧化碳生产单元5顶部进入，二氧化碳27由该单元底部进入，两者相遇后发生反应，焦炭20被气化为一氧化碳24，一氧化碳24从单元上部排出。该气化反应为吸热反应，所需热量由燃烧单元1产生的高温烟气12提供。

本发明提供的气化过程(参见图2)与传统气化过程的区别是：传统气化单元中煤炭直接在气化室中反应气化。而本发明提供的气化方式是将煤炭气化过程分步进行，即煤炭碳化、焦炭一氧化碳化和变换反应。煤炭首先进入碳化室进行碳化提纯，同时产生焦炉煤气，提纯后得到的焦炭进入一氧化碳生产单元与二氧化碳反应生成一氧化碳，一氧化碳在变换单元与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳。

本发明提供的焦炭一氧化碳化过程与传统气化过程的区别是：焦炭与二氧化碳反应，生成一氧化碳，不需要空气分离装置。

参见（a）、图1（b），本发明提供的变换产氢单元与传统煤炭气化工艺变换单元的区别是：传统气化工艺中发生的变换反应与其它煤气化反应一同发生在气化炉中，反应温度在1000摄氏度以上。水蒸气在发生变换反应前需要吸收大量的热以达到反应温度。同时其它气体，如氢气、一氧化碳等会减缓变换过程的反应速率。本发明提供的变换反应是单独在变换单元中发生，反应温度在200-400摄氏度左右，水蒸气需要吸收的热量大大减少，同时反应过程没有其它气体的干扰，因此变换反应的不可逆损失远远低于传统气化过程。

从煤炭气化产物来看，本发明提供的气化单元与传统煤炭气化单元的区别是：传统煤炭气化单元需要纯氧和水蒸气对煤炭进行气化，产生的合成气主要是一氧化碳、氢气和二氧化碳的混合气体。而本发明产生的合成气主要有三种：焦炉煤气、一氧化碳和氢气。三种气体可以进行灵活配比，可以满足合成气下游利用的不同碳氢比需求。

本发明提供气化方法中碳化过程与传统炼焦过程的区别是：传统炼焦过程对煤种的要求较高，主要使用主焦煤和肥煤。本发明炼焦过程的产物用于气化，可以降低对煤种的要求，可采用所有种类的烟煤和褐煤，可用煤种占我国煤炭储量的近90%，扩大了煤种适用性。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

比较实施例：

按照图2所示的外燃供热的煤炭的碳氢组分分级气化工艺流程，燃烧单元1的操作条件为：炉内压力取微正压，烟气出炉温度为1400～1700℃，根据换热周期适度的调整。新系统中排烟温度165℃，碳化单元参考实际的焦炉的测试数据（表3），每生产一吨焦的炼焦耗热量为3240MJ/t。取一氧化碳生产单元的温度为900℃，碳转化率为0.95，碳化过程和一氧化碳生产单元过程的换热损失均为5%。

表1给出了煤炭碳化单元热量平衡表。新气化中的煤炭碳化单元生产相同热值的产品可以降低燃料输入约5%。相对于传统的炼焦过程，新气化中的碳化单元生产的产品为粗焦炭，同时使用供热煤替代了焦炉煤气。

表2给出了实施例系统能量平衡表，从燃料输入看，新型气化方式燃料中气化煤约占66%，供热煤约占34%。从能量损失角度看，CO₂分离单元的能量损失最大，占燃料输入能量的3.9%。变换单元，炼焦单元和一氧化碳生产单元的能量损失分别占燃料输入能量的2.6%，2.4%和2.3%。换热单元的能量损失最小，占燃料输入能量的0.5%。

表3给出了实施例中一些主要物流的参数。表中的物流编号与图2想对应，表明了新气化方法各个单元之间的关联关系。

基于表4所示的系统性能比较，新型气化方式的冷煤气效率可以达到83%，比传统气化方式高约3个百分点。新型气化方式的

效率比传统煤炭气化方式（Shell气化方式）高6个百分点。其中，新气化中的炼焦单元和一氧化碳生产单元比传统气化中的气化单元效率提升约2.5个百分点；新气化中变换单元比传统气化的废锅效率提升1.5个百分点；二氧化碳回收比空分单元引起效率提升约2个百分点。

通过表4与Shell气化方式的对比，本发明气化效率提高的原因主要来自两个方面，一是省去了空分装置和废热锅炉，避免了这两个装置带来的

损失；二是煤炭的分级转化减少了气化反应的不可逆性，降低了反应的不可逆损失。

本发明提供的外燃供热的煤炭的碳氢组分分级气化工艺，与传统的煤炭气化工艺相比，具有以下特点：1、焦炭与二氧化碳反应气化生成一氧化碳，省去了制氧所需的空气分离单元；2、变换反应的温度在200-400摄氏度左右，减少了该反应的不可逆损失；3、生成的一氧化碳基本不含杂质，可以直接进入变换单元，省去了废热锅炉；4、燃料分为供热煤和气化煤，气化煤可以使用褐煤和烟煤，供热用煤则对煤种没有要求，因而整个气化工艺可以使用所有煤种。

综上所述，采用本发明所述的外燃供热的煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法，气化效率得到大幅度提高，省去了空气分离装置和废热锅炉，使投资成本大幅度降低，而且所有煤种均适用，是非常有实用前景的。

如上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

表1实施例煤炭碳化单元热量平衡表

表2实施例系统能量平衡表

表3实施例主要物流参数

表4实施例新气化方法和传统气化方法性能比较

Claims

1.一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化方法，其特征在于，将煤炭气化过程分为碳化过程、一氧化碳生产过程和变换产氢过程三个步骤，其中，

然后进行变换产氢过程，将上述一氧化碳生产过程中生产的部分一氧化碳与水蒸气变换反应生成二氧化碳和氢气，使用分离装置进行分离得到二氧化碳和纯净的氢气，分离出的二氧化碳返回所述一氧化碳生产过程与粗焦炭继续反应，一氧化碳生产过程中所需的二氧化碳完全由变换产氢过程中生产的二氧化碳提供；

2.按照权利要求1所述的气化方法，其特征在于：使用该方法的设备主要由外置燃烧单元、传热单元、碳化单元、一氧化碳单元、变换产氢单元和余热回收单元组成，所述碳化过程在碳化单元中进行，所述一氧化碳生产过程在一氧化碳生产单元中进行，所述变换产氢过程在变换产氢单元中进行，燃料分为供热煤和动力煤，供热煤与高温空气于外置燃烧单元燃烧，产生的高温烟气通过传热单元分别向所述碳化单元和一氧化碳生产单元供入热量，继续向余热回收单元释放余热。

3.按照权利要求1或2所述的气化方法，其特征在于：所述气化煤为烟煤或褐煤，所述供热煤为所有煤种。

4.按照权利要求1或2所述的气化方法，其特征在于：所述碳化单元的反应温度降低至600~900°C，产品为粗焦炭、焦炉煤气和焦油等，变换产氢过程中变换反应发生的温度约在200~400摄氏度。

5.按照权利要求1至4所述的气化方法，其特征在于：碳化单元也可以为冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉。

6.按照权利要求2所述的气化方法，其特征在于：所述余热回收单元包括蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元。

7.按照权利要求6所述的气化方法，其特征在于：供热煤与经蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元预热后的高温空气在燃烧单元中燃烧生成高温烟气，并对高温烟气进行粗除尘后，送入传热单元，高温烟气通过传热单元中的隔墙分别向碳化单元和一氧化碳生产单元释放高温热量后，被送往余热回收单元，并向蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元放热。

8.按照权利要求1至7所述的气化方法，其特征在于：在碳化单元得到的焦炭(1000℃左右)由一氧化碳生产单元顶部进入，二氧化碳由该单元底部进入，两者相遇后发生反应，焦炭被气化为一氧化碳，一氧化碳从单元上部排出。