CN103224813A

CN103224813A - 煤炭气化的加压流化床工艺及加压流化床系统

Info

Publication number: CN103224813A
Application number: CN2013101285282A
Authority: CN
Inventors: 张宗飞; 汤连英; 王光友
Original assignee: China Wuhuan Engineering Co Ltd
Current assignee: China Wuhuan Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2033-04-15
Also published as: CN103224813B

Abstract

本发明涉及煤炭气化的加压流化床工艺及其系统，解决了现有工艺存在的系统不稳定、除杂除尘排渣不佳的问题。工艺步骤为将煤粉加压输送至加压流化床气化炉内，与气化剂直接接触反应在炉内上部形成密相段，下部形成稀相段，反应后的粗煤气先经有机物分解装置分解煤气中含有的有机物，然后再经旋风除尘后送入废热锅炉降温至300－350℃，再经高温过滤器进一步除尘，除尘后的粗煤气进入洗涤塔中洗涤得到含尘量≤1mg/Nm³粗煤气送下游装置。系统中加压流化床气化炉的反应气出口依次连接有机物分解装置、旋风除尘器、废热锅炉、高温过滤器及洗涤塔。本发明工艺简单、操作简便、可靠性高、运行成本低、产品煤气品质优秀、系统运行稳定。

Description

煤炭气化的加压流化床工艺及加压流化床系统

技术领域

本发明涉及一种煤炭气化工艺及系统，具体的说是一种煤炭气化的加压流化床工艺及加压流化床系统。

背景技术

我国是一个少油、缺气，煤炭相对丰富的国家。高水份、高灰分低质煤占很大比重。近十几年，我国煤炭气化生产工艺技术取得了长足发展，各种煤炭工艺技术也不断提高和改善，随着国家对节能减排力度的增加，煤炭气化技术越来越受到各方面的重视。

将煤炭气化简单分为三类，包括有：固定床气化，流化床气化和气流床气化。固定床气化中常压间歇气化由于污染等问题已被国家叫停，加压固定床气化以鲁奇炉为代表也存在废水处理困难等问题；气流床气化中有湿法GE-德士古气化炉，华东理工大学四喷嘴气化炉为代表，干法为代表的有Shell、GSP、航天炉、两段炉等，前者对煤种质量要求较高，后者投资相对较高，以Shell气化为例，单台投煤量2000吨/天的气化炉投资约8亿，且建设周期较长；目前的流化床气化中目前具有代表性的有：恩德炉、U-GAS、KBR、灰熔聚等，除恩德炉为常压气化外，其他加压流化床暂未有大型工业化示范运行装置，均处于建设阶段，未被得到成功示范。而目前我国煤炭的主要产地新疆、内蒙等地的大量劣质煤中在煤种适应性方面均需要采用投资较少、处理能力较大的加压流化床气化炉对其进行气化以生产化工产品。

目前流化床装置在常压气化基本成熟，但在加压方面一直未得到成功，主要在于以下方面：1为进料系统的不稳定和不安全性，传统的流化床采用螺旋加煤机对气化炉进行进料，此进料方式在加压气化时存在给料不均匀、容易堵塞故障和泄露的风险，如煤粉一旦泄露会导致煤粉的燃烧极不安全；2为由于流化床操作温度在900-1000℃,生产的粗煤气中具有较多的焦油、酚、萘、苯等有机物，此类物质会使得后续的净化装置处理困难，特别是经过水洗涤后，含焦油、酚的废水处理极为困难，且投资和消耗均较高；3为气化排渣方面，目前传统的常压流化床均采用冷渣机排渣，如采用加压气化会使得冷渣机密封泄露及卡死，排渣温度无法降低而导致停车；4为粗煤气化除尘方面，目前传统的流化床通过旋风分离器除尘、废热回收后直接进入洗涤塔进行水洗，然后再用文丘里进行水膜除尘达到粗煤气中含尘≤35mg/Nm³，此类工艺除尘效果较差，且产生的较多含尘废水处理成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、操作简便、可靠性高、运行成本低、产品煤气品质优秀、系统运行稳定的煤炭气化的加压流化床工艺。

本发明还提供一种用于上述工艺的设备投资低、系统可靠性高、安全性好、操作维护简便的加压流化床系统。

技术方案包括以下步骤：将煤粉加压输送至加压流化床气化炉内，与气化剂直接接触反应在炉内上部形成密相段，下部形成稀相段，反应后的粗煤气先经有机物分解装置分解煤气中含有的有机物，然后再经旋风除尘后送入废热锅炉降温至300－350℃，再经高温过滤器进一步除尘，除尘后的粗煤气进入洗涤塔中洗涤得到含尘量≤1mg/Nm³粗煤气送如下游装置。优选密相段的反应温度为950-1000℃，气化压力为3.0-4.0MpaG。

所述反应后的粗煤气在有机物分解装置中的停留时间为3~15s，以充分分解煤气中含有的有机物，然后再经旋风除尘后送入废热锅炉。

所述煤粉经煤锁斗加压后，通过气力输送的方式在煤粉发送罐的发送下将煤粉送入加压流化床气化炉内。

所述加压流化床气化炉内反应后的炉渣降至炉底，经激冷室激冷到300-450℃,再经料封仓、排渣减压装置送入减压罐降压到0.2MPa(G)以下，最终通过冷渣机进行再次冷却后排出系统。

经所述旋风除尘后收集的灰尘经非机械阀在松动气的作用下返回至加压流化床气化炉的下段，再次参加气化反应。

当所述有机物分解装置内附着的焦油过多时，则短时间内提高加压流化床气化炉的出炉气体温度，使有机物分解装置内的焦油迅速分解后再回到正常操作温度，所述提高出炉气体温度的幅度为50-100℃。

本发明加压流化床系统，包括加压流化床，所述加压流化床气化炉的反应气出口依次连接有机物分解装置、旋风除尘器、废热锅炉、高温过滤器及洗涤塔。

所述有机物分解装置包括涂覆有耐火涂料层的筒体，所述筒体两端设进口和出口，所述筒体内间隔设有至少一个填料区。

所述筒体的直径是煤气输送管道直径的6～10倍。

所述填料区包括多层安装在固定板网中的规整填料层，所述多层规整填料层上交错开有通孔，所述通孔孔径为50-100mm，每层规整填料层之间的间距为600-1000mm。

所述固定板网为可通入冷却水的水冷夹套固定板网。

所述加压流化床气化炉的灰渣出口依次与激冷室、封料仓、排渣减压装置、减压罐及冷渣机连接。

所述排渣减压装置包括减压管以及位于减压管下方的放空管，所述减压管具有缩径段，所述放空管的管壁由内至外包括过滤层、环形空腔和外管，所述环形空腔与放空阀连通。

所述环形空腔还与反吹管连通。

所述排渣减压装置有依次串联的至少2个。

所述旋风除尘器的灰粉出口经非机械阀与加压流化床气化炉的下段连接。

发明人对现有的加压流化床工艺中出反应炉的粗煤气进行分析发现为了得到高品质的煤气，并且利于后续装置的正常运行，将粗煤气中含有的焦油、酚、萘、苯等有机物有效去除是非常必要的，而这类有机物在高温下、一定时间内可迅速分解。而由于加压流化床工艺为高温高压工况，管道内粗煤气的流速快、压力大，在降温前难以满足有机物高温分解的条件，理论上讲，若需要实现有机物分解，煤气输送管道需达到80m以上甚至更长，难以在工业上实现，因此考虑增设一个有机物分解装置，从而满足粗煤气在高温下的停留时间，气化反应后的粗煤气先在有机物分解装置内停留一段时间后将焦油、酚、萘、苯等有机物在高温下分解后，再进行旋风除尘除去大颗粒的灰尘，由于粗煤气中的有机物基本已被除去，不存在焦油等有机物降温后堵塞管道的问题，因此可以通过废热锅炉换热降温后再用高温过滤器滤除细小的灰尘，从而降低设备的投资成本（耐高温材料的性能要求较低），提高了系统可靠性和安全性能，也提高了副产细灰的品质。

所述机物分解装置可以为一个直径较粗的空筒，空筒内设置填料区，以保证粗煤气在该装置内的停留时间即可，但考虑到粗煤气流速高、温度高、压力高的特点，为保证粗煤气中的有机物充分分解，填料区优选采和多层安装在固定板网中的规整填料，所述多层的规整填料上交错开有通孔，所述通孔孔径为50-100mm，孔径过大会起不到停留作用，过小会使得煤气中的飞灰在此处堵塞；每层规整填料之间的间距为600-1000mm，间距过大会使得本设备长度加长，间距过小会使得煤气无法分布均匀，所述通孔采用交错布置可进一步降低粗煤气的流速，提高分解效率，使少量未来得及分解而凝出的焦油也能以附着的形式留在填料层间的表面，最终保证粗煤气中的有机物在此得到充分分解和附着。

对于长时间运行后附着于填料层上的焦油等有机物而言，附着厚度过大，则会堵塞填料层影响分解效果，因此当所述有机物分解装置内附着的焦油过多时，则短时间内提高加压流化床气化炉的出炉气体温度，使有机物分解装置内的焦油迅速分解后再回到正常操作温度，所述提出炉气体温度的幅度为50-100℃。通过短时提高出炉气体的温度可以加速焦油等有机物的分解，使附着在填料层上的焦油等有机物迅速分解，并且由于提高炉温的时间较短（通常不超过15分钟），因而也不会影响加压流化床气化炉内正常的反应操作。所述水冷夹套固定板网可通入冷却水，利用冷却水移去在固定板网在高温气体辐射下的热量，提高固定板网的使用寿命。

进一步的，炉渣属于不可压缩物质，本身不具有压力，具有压力的是含在渣与渣间缝隙的气体，若直接排放，炉渣的高温及气体高压会使冷渣机密封泄露及卡死、排渣温度无法降低而导致停车的问题。本发明中通过激冷室使炉渣降温的同时，还同时降低了夹杂的气体温度，具有减压的作用，从而满足了后续排渣减压装置的进料要求，经过激冷的炉渣温度达300-450℃，仍含有少量气体，此时可利用减压管通过管径缩小方式对含少量气体的温度在300～350℃的固态的炉渣进行第一次减压（优选缩径段的管径为10-50mm），减压后气体速度加快，对设备材料磨损严重。因此含气的高速固态的炉渣不适合再用减压管进行继续减压，而是在减压管下方设放空管，经过第一次减压后的物料（固态的炉渣）通过放空管时，随着管壁中过滤层的过滤作用下，固态物料在管内继续运动，所夹带的气体则可通过过滤层、环形空腔经放气阀被排出管外，从而起到再次降压的作用。包括减压管和放气管的排渣减压装置可根据需要设置一组或串联的多组，以保证减压效果。

进一步的，加压流化床气化炉内反应后的炉渣经激冷室激冷后再进入料封仓有以下目的，（1）由于炉渣温度高，采用激冷的方式可以产生大量蒸汽，激冷产生的蒸汽直接上升至炉内，可减少流化床气化炉内蒸汽的加入量，有利于系统节能降耗；（2）对高温炉渣进行降温，从而降低后续排渣减压装置的耐温耐压要求，降低后续设备和装置的材料成本。

本发明中，采用通过气力输送的方式在煤粉发送罐的发送下将煤粉送入加压流化床气化炉内，通过气力输送煤粉的方式使得原料煤进入更为稳定，加压流化床气化炉内温度更易于控制。

进一步的干法除灰方面，发明人特别选用了旋风分离器和高温过滤器（优选高温飞灰过滤器）配合除尘的方法，利用旋风分离器针对性主要除去粗煤气中大颗粒灰尘（占粗煤气中灰尘总含量的质量百分数65－80%），而高温过滤器则具有除去各种粒径范围的灰尘，特别是针对粒径小于5μm的灰尘颗粒除尘效果好的特点，能将经旋风分离器除尘后的粗煤气中的余量灰尘（极少量大颗粒灰尘及大量细小灰尘）高效去除，因此最终得到的产品煤气（洁净煤气）中含尘量极少（≤ 20 mg/Nm³），以提高煤气品质并回收了飞灰。这种两级除尘的配合不仅除尘效率高，而且从投备制造体积、制造成本、使用寿命考虑，是最为优化的选择。旋风分离器可以为串联的一台、两台或多台，分离出的干灰可通过非机械阀在松动气的作用下回送至加压流化床气化炉的下段，再次参加炉内的气化反应。

有益效果：

（1）通过气力输送煤粉的方式可改善气化炉进行时料时给料不均匀、容易堵塞故障和泄露的问题。

（2）通过采用有机物分解装置可以通过增加停留时间的方式将加压流化床气化炉在生产粗煤气过程中副产的焦油、酚、萘、苯等有机物进行分解，以减少对此类物质的净化装置投资，并减少后续洗涤水处理的投资和消耗；

（3）通过采用激冷水对炉渣进行初步降温、减压排渣装置进一步减压以及冷渣机的组合方式对高温炉渣进行处理，尽管投资较单用冷渣机要高，但根本性解决了直接采用冷渣机密封泄露及卡死，排渣温度无法降低而导致停车的问题，保证了系统的安全稳定运行。

（4）将废热锅炉置于高温飞灰过滤器之前，可以降低高温飞灰过滤器的设备材料投资，在提高了对粗煤气中飞灰净化效果（含尘量≤ 20 mg/Nm³），且采用高温飞灰过滤器可以得到干的飞灰，有利于环境的同时提高了整个系统的经济效益。以煤处理量为50万吨/年流化床装置为例，一般传统常压流化床工艺废水约45万吨；若采用本方明的新工艺，废水量仅为8万吨。按1吨含焦油、酚等有机物废水的处理成本为25～33元计算，每年仅废水处理即可节省925～1220万元，节约装置费用5000万，获得干灰10000 吨，产生附加效益200万元。

（5）本发明工艺步骤简单，净化效果好，从洗涤塔顶部排出的的洁净粗煤气可直接用于下游工序，而无需作进一步处理，简化了工艺步骤、进一步降低了生产成本，缩短了生产周期。

附图说明

图1本发明工艺流程图暨系统图。

图2为本发明有机物分解装置的结构示意图。

图3为填料区的结构示意图。

图4为水冷夹套固定板网的示意图。

图5为排渣减压装置的结构示意图。

其中，1-常压煤仓、2-煤锁斗、3-煤粉发送罐、4-有机物分解装置、4.1-进口、4.2-出口、4.3-填料区、4.4-规整填料层、4.5-通孔、4.6-水冷夹套固定板网、4.7-冷却水进口、4.8-冷却水出口、4.9-筒体、5-激冷室、6-料封仓、7-排渣减压装置、7.1-减压管、7.2-缩径段、7.3-放空管、7.4-过滤层、7.5-环形空腔、7.6-外管、7.7-反吹管、7.8-放空阀、8-减压罐、9-冷渣机、10-一级旋风除尘器、 11-二级旋风除尘器、12-废热锅炉、13-灰收集罐、14-灰锁斗、15-常压灰仓、16-文丘里、17-洗涤塔、18-加压流化床气化炉、19-高温过滤器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明：

参照图1，常压煤仓1依次与煤锁斗2、煤粉发送罐3、加压流化床气化炉18的煤粉进口连接，所述加压流化床气化炉18的反应气出口依次与有机物分解装置4、一级旋风除尘器10、二级旋风除尘器11、废热锅炉12、高温过滤器19的进气口连接，所述高温过滤器12的出气口依次与文丘里16、洗涤塔17连接；所述加压流化床气化炉18的炉渣出口依次与激冷室5、料封仓6、排渣减压装置7、减压罐8、冷渣机9连接；所述一级旋风除尘器10和二级旋风除尘器11的灰粉出口经非机械阀20与加压流化床气化炉18的下段连接；所述高温过滤器19的灰出口依次与灰收集罐13、灰锁斗14、常压灰仓15连接。

参照图2-图4，其中，所述有机物分解装置4包括涂覆有耐火涂料层的筒体4.9，所述筒体4.9的直径是粗煤气输送管道直径的6～10倍，所述筒体4.9两端设进口4.1和出口4.2，所述筒体4.9内间隔设有至少一个填料区4.3（本实施例中设有两个填料区4.3），所述填料区4.3包括多层安装在固定板网中的规整填料层4.4，所述多层规整填料层4.4上交错开有通孔4.5，所述通孔4.5孔径为50-100mm，每层规整填料层4.4之间的间距L为600-1000mm。所述固定板网为可通入冷却水的水冷夹套固定板网4.6，冷却水可经水冷夹套固定板网4.6上的冷却水进口4.7流入，换热后由冷却水出口4.8流出。

参照图5，其中，所述排渣减压装置7包括减压管7.1以及位于减压管下方的放空管7.3，所述减压管7.1具有缩径段7.2，所述放空管7.3的管壁由内至外包括过滤层7.4、环形空腔7.5和外管7.6，所述环形空腔7.5与放空阀7.8及反吹管7.7连通，所述排渣减压装置7设置可根据减压要求设计串联的多组，如依次串联的至少2组。

工艺过程：

将存储于常压煤仓1中粒径≤8mm的煤粉在通过煤锁斗2加压至3.5-5.0 MPa(G)后，通过气力输送的方式，在输送气的作用下通过煤粉发送罐3将煤粉送入加压流化床气化炉18内，粉煤和炉内的气化剂直接接触反应，在炉内上部形成密相段，下部形成稀相段，密相段温度分布均匀，气化炉内反应温度950-1000℃，气化压力为3.0-4.0MPa(G)。反应后的炉渣落到炉底，被激冷室5通入的降温水激冷到300-450℃,再经料封仓6送入排渣减压装置7，利用减压管7.1通过管径缩小方式对含少量气体的降温后的固态炉渣进行第一次减压（优选缩径段7.2的管径为10-50mm），减压后气体速度加快，进入管径较粗的放空管7.3，由于放空管7.3的管壁具有过滤层7.4、环形空腔7.5和外管7.6，且放空阀7.8与环形空腔7.5连通，开启放空阀7.8时，固态炉渣中夹渣的气体可经过滤层7.4过滤掉细灰后经环形空腔7.5、放空阀7.8排出，从而达到降低管内压力和固态炉渣流速的目的；当长时间工作，细灰过多附着于过滤层7.4表面会堵塞过滤层7.4时，则通过反吹管短时加压向环形空腔7.5内通入反吹气，使细灰在反吹气的作用下受震动及反吹压力由过滤层7.4表面脱开，避免过滤层7.5堵塞影响放空效果。固态炉渣经排渣减压装置7一次减压后，再送入减压罐8继续降压到0.2MPa(G)以下，最终通过冷渣机9进行再次冷却后排出系统。

反应后的粗煤气（含有灰尘）先送入机物分解装置4分解煤气中含有的有机物，粗煤气由进口4.1进入筒体4.9内，在填料区4.3经交错布置的通孔4.5依次通过多层的规整填料层4.4，由于筒体4.9的直径粗，且填料区4.3的特别设计，可使粗煤气的流速在筒体4.9内被减缓，满足了粗煤气在高温下的要求的停留时间（停留时间为 3~15s），焦油等有机物在此被高温分解，从而达到为粗煤气除杂降焦的目的，规整填料层4.4表面附着的未来得及分解的焦油等有机物过多时，则短时间内提高加压流化床气化炉18的出炉气体温度，使有机物分解装置4内的焦油等有机物迅速分解后再回到正常操作温度，所述提高出炉气体温度的幅度为50-100℃。经机物分解装置4对含有的焦油等有机物高温分解后粗煤气中的焦油含量可降至100ppm以下，然后再经两级旋风除尘器10、11除尘后送入废热锅炉降温至300－350℃，再经高温过滤器19进一步除尘，除尘后的粗煤气经文丘里16使得煤气中的飞灰团聚，再进入洗涤塔17中洗涤后粗煤气中含尘量≤1mg/Nm³送入下游装置。

由串联的所述一级旋风除尘器10和二级旋风除尘器11收集的灰尘经非机械阀20在松动气的作用下依靠重力返回至加压流化床气化炉18的下段，再次参加气化反应，以提高总碳转化率，降低飞灰中含碳量。

经所述高温过滤器19过滤得到的飞灰通过灰收集罐13、灰锁斗14及常压灰仓15进行降压回收。

经本发明工艺处理后的粗煤气中含尘量≤1mg/Nm³，有机物含量小于100ppm，焦油含量小于100ppm，总碳转化率为95%以上。系统稳定运行20年。

Claims

1.一种煤炭气化的加压流化床工艺，其特征在于，包括以下步骤：将煤粉加压输送至加压流化床气化炉内，与气化剂直接接触反应在炉内上部形成密相段，下部形成稀相段，反应后的粗煤气先经有机物分解装置分解煤气中含有的有机物，然后再经旋风除尘后送入废热锅炉降温至300－350℃，再经高温过滤器进一步除尘，除尘后的粗煤气进入洗涤塔中洗涤得到含尘量≤1mg/Nm³粗煤气送下游装置。

2.如权利要1所述的煤炭气化的加压流化床工艺，其特征在于，所述反应后的粗煤气在有机物分解装置中的停留时间为3~15s，以充分分解煤气中含有的有机物，然后再经旋风除尘后送入废热锅炉。

3.如权利要1所述的煤炭气化的加压流化床工艺，其特征在于，煤粉经煤锁斗加压后，通过气力输送的方式在煤粉发送罐的发送下将煤粉送入加压流化床气化炉内。

4.如权利要求1所述的煤炭气化的加压流化床工艺，其特征在于，所述加压流化床气化炉内反应后的炉渣降至炉底，经激冷室激冷到300-450℃,再经料封仓、排渣减压装置送入减压罐降压到0.2MPa(G)以下，最终通过冷渣机进行再次冷却后排出系统。

5.如权利要求1-4任一项所述的煤炭气化的加压流化床工艺，其特征在于，经所述旋风除尘后收集的灰尘经非机械阀在松动气的作用下返回至加压流化床气化炉的下段，再次参加气化反应。

6.如权利要求1所述的煤炭气化的加压流化床工艺，其特征在于，当所述有机物分解装置内附着的焦油过多时，则短时间内提高加压流化床气化炉的出炉气体温度，使有机物分解装置内的焦油迅速分解后再回到正常操作温度，所述提高出炉气体温度的幅度为50-100℃。

7.一种加压流化床系统，包括加压流化床，其特征在于，所述加压流化床气化炉的反应气出口依次连接有机物分解装置、旋风除尘器、废热锅炉、高温过滤器及洗涤塔。

8.如权利要求7所述的加压流化床系统，其特征在于，所述有机物分解装置包括涂覆有耐火涂料层的筒体，所述筒体两端设进口和出口，所述筒体内间隔设有至少一个填料区。

9.如权利要求8所述的加压流化床系统，其特征在于，所述筒体的直径是煤气输送管道直径的6～10倍。

10.如权利要求8所述的加压流化床系统，其特征在于，所述填料区包括多层安装在固定板网中的规整填料层，所述多层规整填料层上交错开有通孔，所述通孔孔径为50-100mm，每层规整填料层之间的间距为600-1000mm。

11.如权利要求8所述的加压流化床系统，其特征在于，所述固定板网为可通入冷却水的水冷夹套固定板网。

12.如权利要求7-11任一项所述的加压流化床系统，其特征在于，所述加压流化床气化炉的灰渣出口依次与激冷室、封料仓、排渣减压装置、减压罐及冷渣机连接。

13.如权利要12所述的加压流化床系统，其特征在于，所述排渣减压装置包括减压管以及位于减压管下方的放空管，所述减压管具有缩径段，所述放空管的管壁由内至外包括过滤层、环形空腔和外管，所述环形空腔与放空阀连通。

14.如权利要求13所述的加压流化床系统，其特征在于，所述环形空腔还与反吹管连通。

15.如权利要求13或14所述的加压流化床系统，其特征在于，所述排渣减压装置有依次串联的至少2个。

16.如权利要求7-11任一项所述的加压流化床系统，其特征在于，所述旋风除尘器的灰粉出口经非机械阀与加压流化床气化炉的下段连接。