CN103087776B - 一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法与装置 - Google Patents

一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法与装置。所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置，包括空气反应器，空气反应器连接气固分离装置，气固分离装置的固体出口连接燃料反应器的入口，燃料反应器的固体出口连接空气反应器，燃料反应器的气体出口连接水蒸气冷凝装置，水蒸气冷凝装置连接冷凝水储罐，冷凝水储罐连接气化炉的激冷水入口，水蒸气冷凝装置的气体出口连接粉煤输送装置，过热蒸汽发生装置、空气分离装置以及粉煤输送装置连接气化喷嘴，气化喷嘴与气化炉相连，气化炉连接排渣装置。本发明可以实现CO2的近零排放；CO2作为输送介质与气化剂，有利于提高合成气的含量和热值。

Description

一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法与装置
技术领域
本发明涉及一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法与装置，用于煤化工或者整体煤气化联合循环发电(IGCC)的气流床气化工艺。
背景技术
煤气化技术是未来洁净煤技术的核心，是发展煤基化工产品(合成氨、制甲醇、二甲醚等)、煤基多联产、先进的IGCC发电、大规模制氢、燃料电池等工业过程的基础，是实现污染物近零排放的煤基高效能源系统的核心技术和龙头技术。
气流床气化技术因煤种适应范围比较广、气化温度、压力高、易于大型化，成为煤气化技术发展的主流方向。国际上有代表性的气流床气化技术主要有以水煤浆为原料的GE(Texaco)气化技术、E-Gas气化技术，以干煤粉为原料的Shell气化技术、Prenflo气化技术及GSP气化技术。国内的气化技术有：多喷嘴对置式水煤浆和粉煤气化、多元料浆气化技术、HT-L气化技术、分级给氧熔渣-非熔渣气化技术、两段式粉煤气化技术等。
专利CN1637118介绍了一种多元料浆加压气化工艺，该工艺包括多元料浆制备、加压气化、粗煤气净化、灰渣排放和灰水处理五部分，该工艺具有原料适应性广泛、气化指标良好、工艺装置设备少、装置投资少、操作简便和环保的优点；专利CN101570699提供了一种固体燃料气化装置，通过多次降温、除杂和热量回收，提高了最终获得的合成气的纯净度，该装置不仅碳转化率高，而且余能余热回收效果好、水耗低、无污染。
专利CN1775920介绍了一种用于水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉。气化室由壳体、工艺喷嘴室、工艺喷嘴、预热烧嘴室、预热烧嘴组成，壳体内衬耐火砖，而洗涤冷却室由激冷环、下降管、破泡条及下渣口组成。专利CN101003754介绍了一种气流床气化及其气化方法，包括以下构件：炉壳、炉胆、激冷环、水封槽、导流筒、折流筒、气化原料和气化剂入口、粗煤气出口以及出渣口。该发明不仅结构简单，节约建设费用，而且便于设备的检修和维护。
化学链燃烧(chemical looping combustion)是一种崭新的燃烧理念，燃料不直接与空气接触燃烧，而是以载氧体在两个反应器之间的循环交替反应来实现燃料的燃烧过程；载氧体在空气中进行氧化反应，然后与燃料进行还原反应，还原后的气相反应产物只有CO2和H2O(汽)，通过冷凝凝结出水，得到高纯CO2。
专利CN102589147A介绍了一种化学链燃烧固体燃料的方法及其装置，气化反应器布置在空气反应器内部，煤与水蒸汽在气化反应器中气化，所需热量来自外围空气反应器放热；气化反应器内生成的合成气进入燃料反应器；载氧体NiO在燃料反应器与合成气反应，固体产物为低价态Ni，气体产物为水蒸汽与CO2，冷凝分离出其中的水后，得到纯净的CO2；低价态Ni进入空气反应器被空气重新氧化成高价态的NiO，释放出热量，载氧体NiO实现循环利用。
专利CN102183014A介绍了一种煤加压高密度循环流化床化学链燃烧分离CO2的方法，煤颗粒和气化剂在加压高密度循环流化床燃料反应器内发生气化反应，气化产物与返回燃料反应器的载氧体发生燃烧反应，生成CO2和H2O；反应产生的烟气携带失氧载氧体和含碳煤灰，进入一级旋风分离器进行分离，分离下来的失氧载氧体在错流移动床空气反应器内与横向通过的空气相互接触反应获得再生，通过一级返料器返回燃料反应器继续参与燃烧反应；一级旋风分离器分离出烟气进一步进入二级旋风分离器分离，二次分离出的固体颗粒经二级返料器返回燃料反应器继续参与燃烧反应，分离出的气体经冷凝剔除H2O后获得高纯度的CO2。
但是集成化学链燃烧与气流床气化技术的发明目前较少，本发明利用化学链燃烧产生的比较纯净的CO2和水蒸汽作为干煤粉加压气流床气化的气化剂和输送介质，提出了一种基于化学链燃烧的新型的干煤粉气流床气化工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法与装置，针对现有气流床气化工艺很少采用CO2作为气化剂和输送介质的缺点，采用化学链燃烧产生的CO2作为气化剂和粉煤的输送介质，充分利用系统中产生的CO2，减排温室气体对气候变化的影响；产生的水蒸汽通过冷凝成水用作气化产生的合成气与熔渣的急冷水。CO2气化剂与碳反应生成CO气体，气化反应后的气体成分主要是CO和H2，CO2含量很少。
本发明提供了一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置，其特征在于，包括空气反应器，空气反应器的出口连接气固分离装置的入口，气固分离装置的固体出口连接燃料反应器的入口，燃料反应器的固体产物出口连接氧载体循环装置，氧载体循环装置连接空气反应器，燃料反应器的气体产物出口连接水蒸汽冷凝装置，水蒸汽冷凝装置的冷凝水出口连接冷凝水储罐的入口，冷凝水储罐的出口连接气化炉的激冷水入口，水蒸汽冷凝装置的气体出口连接粉煤输送装置，过热蒸汽发生装置的蒸汽出口、空气分离装置的氧气出口以及粉煤输送装置的煤粉出口连接气化喷嘴，气化喷嘴与气化炉相连，气化炉连接排渣装置。
本发明还提供了一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，采用上述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置，具体步骤为：在空气反应器中氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1与从空气反应器底部进入的空气发生氧化反应生成氧载体MxOy，氮气和未反应完全的氧气以及氧载体进入气固分离装置进行气固分离，分离出的气体直接排空，氧载体进入燃料反应器，固体燃料或者气体燃料在燃料反应器中与氧载体发生还原反应，生成CO2和水蒸汽以及氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1，氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1通过氧载体循环装置返回空气反应器循环利用再生氧载体，燃料反应器产生的CO2和水蒸汽进入水蒸汽冷凝装置，水蒸汽冷凝成冷凝水，冷凝水进入冷凝水储罐，冷凝水储罐出口的水分进入气化炉作为气化反应产生的高温合成气和液态熔渣的冷却与洗涤介质；空气分离装置将空气分离成氮气和氧气，过热蒸汽发生装置产生的水蒸汽与来自空气分离装置的氧气混合进入气化喷嘴，来自水蒸汽冷凝装置的CO2进入煤粉输送装置用于输送煤粉进入气化喷嘴，气化喷嘴将氧气与水蒸汽的混合物以及CO2和煤粉喷入气流床气化炉发生气化反应，CO2作为气化反应的气化剂，反应产生的大量热量使得熔渣呈现液态，合成气夹带熔渣进入激冷装置，冷凝水储罐出口的水输入激冷装置作为冷却与洗涤介质，激冷后的合成气通过合成气出口进入后续处理单元，产生的玻璃态化的熔渣通过排渣装置排出。
进一步地，所述的氧载体MxOy为金属氧载体或非金属氧载体。
更进一步地，所述的金属氧载体优选为CuO、NiO、Fe2O3、MnO2或CoO。
更进一步地，所述的非金属氧载体优选为CaSO4、BaSO4或SrSO4。
进一步地，所述的氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1为Fe3O4、Ni、Cu2O、MnO、CaS、BaS或SrS。
进一步地，所述的固体燃料为煤，生物质，石油焦，或它们中两种以上的混合物。
进一步地，所述的气体燃料为天然气，合成气，氢气，或它们中两种以上的混合物。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)采用化学链燃烧与气流床气化集成的方法利用温室气体CO2，可以实现CO2的近零排放；CO2作为输送介质与气化剂，有利于提高合成气的含量和热值；
(2)化学链燃烧产生的水蒸汽冷凝水可以作为气化反应产生的高温合成气与熔渣的激冷水，既节能又环保。
(3)整个系统工艺流程简单、可靠，有利于节约能源和资源，本气流床气化工艺可以用于煤化工或者IGCC发电，对煤的清洁高效利用具有重要意义。
附图说明
图1为基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1所示，为基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置示意图，所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置由空气发生器、气固分离装置、燃料反应器、水蒸汽冷凝装置、冷凝水储罐、氧载体循环装置、煤粉输送装置、过热蒸汽发生装置、气化喷嘴、空气分离装置、气化炉和排渣装置组成。空气反应器的出口连接气固分离装置的入口，气固分离装置的固体出口连接燃料反应器的入口，气固分离装置的气体出口连接大气，燃料反应器的固体产物出口连接氧载体循环装置，氧载体循环装置连接空气反应器，燃料反应器的气体产物出口连接水蒸汽冷凝装置，水蒸汽冷凝装置的冷凝水出口连接冷凝水储罐的入口，冷凝水储罐的出口连接气化炉的激冷水入口，水蒸汽冷凝装置的气体出口连接粉煤输送装置，过热蒸汽发生装置的蒸汽出口、空气分离装置的氧气出口以及粉煤输送装置的煤粉出口连接气化喷嘴，气化喷嘴与气化炉相连，气化炉具有气化喷嘴、合成气出口、排渣口和激冷水入口和出口，气化炉连接排渣装置。
采用上述装置的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法的具体步骤为：在空气反应器中氧载体还原后形成的低价态物质Cu2O与从空气反应器底部进入的空气发生氧化反应生成氧载体CuO，氮气和未反应完全的氧气以及氧载体进入气固分离装置进行气固分离，分离出的气体直接排空，氧载体进入燃料反应器，煤在燃料反应器中与氧载体发生还原反应，生成CO2和水蒸汽以及氧载体还原后形成的低价态物质Cu2O，氧载体还原后形成的低价态物质Cu2O通过氧载体循环装置返回空气反应器循环利用再生氧载体。
燃料反应器产生的CO2和水蒸汽进入水蒸汽冷凝装置分离CO2和水蒸气，水蒸汽冷凝成冷凝水，冷凝水进入冷凝水储罐，冷凝水储罐出口的水分进入气化炉作为气化反应产生的高温合成气和液态熔渣的冷却与洗涤介质；空气分离装置将空气分离成氮气和氧气，蒸汽发生装置产生的水蒸汽与来自空气分离装置的氧气混合进入气化喷嘴，来自水蒸汽冷凝装置的CO2进入煤粉输送装置用于输送煤粉进入气化喷嘴，气化喷嘴将氧气与水蒸汽的混合物以及CO2和煤粉喷入气流床气化炉发生气化反应，CO2作为气化反应的气化剂，反应产生的大量热量使得熔渣呈现液态，合成气夹带熔渣进入激冷装置，冷凝水储罐出口的水输入激冷装置作为冷却与洗涤介质，激冷后的合成气通过合成气出口进入后续处理单元，产生的玻璃态化的熔渣通过排渣装置排出。
本发明的核心思想是利用化学链燃烧产生的CO2作为干煤粉加压气流床气化炉的煤粉输送介质与气化反应的气化剂。冷凝产生的水作为合成气和熔渣的洗涤与冷却介质。气化炉内发生的反应主要有：
CO2+C＝2CO+172MJ/kmol    (1)
H2O+C＝H2+CO+131MJ/kmol    (2)
本发明解决了目前的气流床气化的一些主要缺点，由于采用化学链燃烧产生的CO2作为气化剂，在不降低冷煤气效率的情况下，大幅度降低了整个气化过程的耗氧量，从而降低了空分装置的投资；采用CO2作为气化剂和输送煤粉有利于提高合成气的产量和CO含量，对以甲醇等为目标产品的煤化工生产企业比较有利；二氧化碳气化反应是吸热反应，能够降低气化反应生成的合成气温度，减轻了下游的合成气冷却器的负担，降低了生产过程的可用能损失，提高了热量的利用效率。同时利用气化反应消耗CO2，利用产生的合成气生成化工产品或者发电，有利于实现CO2的减排，CO2无需压缩干燥后封存，从而减少压缩和封存CO2的能量损失，降低封存的CO2泄露的风险。

Claims (8)

1.一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置，其特征在于，包括空气反应器，空气反应器的出口连接气固分离装置的入口，气固分离装置的固体出口连接燃料反应器的入口，燃料反应器的固体产物出口连接氧载体循环装置，氧载体循环装置连接空气反应器，燃料反应器的气体产物出口连接水蒸汽冷凝装置，水蒸汽冷凝装置的冷凝水出口连接冷凝水储罐的入口，冷凝水储罐的出口连接气化炉的激冷水入口，水蒸汽冷凝装置的气体出口连接粉煤输送装置，过热蒸汽发生装置的蒸汽出口、空气分离装置的氧气出口以及粉煤输送装置的煤粉出口连接气化喷嘴，气化喷嘴与气化炉相连，气化炉连接排渣装置。
2.一种基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，采用权利要求1所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化装置，具体步骤为：在空气反应器中氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1与从空气反应器底部进入的空气发生氧化反应生成氧载体MxOy，氮气和未反应完全的氧气以及氧载体进入气固分离装置进行气固分离，分离出的气体直接排空，氧载体进入燃料反应器，固体燃料或者气体燃料在燃料反应器中与氧载体发生还原反应，生成CO2和水蒸汽以及氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1，氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1通过氧载体循环装置返回空气反应器循环利用再生氧载体，燃料反应器产生的CO2和水蒸汽进入水蒸汽冷凝装置，水蒸汽冷凝成冷凝水，冷凝水进入冷凝水储罐，冷凝水储罐出口的水分进入气化炉作为气化反应产生的高温合成气和液态熔渣的冷却与洗涤介质；空气分离装置将空气分离成氮气和氧气，蒸汽发生装置产生的水蒸汽与来自空气分离装置的氧气混合进入气化喷嘴，来自水蒸汽冷凝装置的CO2进入煤粉输送装置用于输送煤粉进入气化喷嘴，气化喷嘴将氧气与水蒸汽的混合物以及CO2和煤粉喷入气流床气化炉发生气化反应，CO2作为气化反应的气化剂，反应产生的大量热量使得熔渣呈现液态，合成气夹带熔渣进入激冷装置，冷凝水储罐出口的水输入激冷装置作为冷却与洗涤介质，激冷后的合成气通过合成气出口进入后续处理单元，产生的玻璃态化的熔渣通过排渣装置排出。
3.如权利要求2所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，所述的氧载体MxOy为金属氧载体或非金属氧载体。
4.如权利要求3所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，所述的金属氧载体为CuO、NiO、Fe2O3、MnO2或CoO。
5.如权利要求3所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，所述的非金属氧载体为CaSO4、BaSO4或SrSO4。
6.如权利要求2所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，所述的氧载体还原后形成的低价态物质MxOy-1为Fe3O4、Ni、Cu2O、MnO、CaS、BaS或SrS。
7.如权利要求2所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，所述的固体燃料为煤，生物质，石油焦，或它们中两种以上的混合物。
8.如权利要求2所述的基于化学链燃烧的干煤粉加压气流床气化方法，其特征在于，所述的气体燃料为天然气，合成气，氢气，或它们中两种以上的混合物。
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