CN103695041A - 一种煤气化系统黑水的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种煤气化系统黑水的处理方法,通过至少将部分高温黑水脱灰后直接返回至合成气洗涤塔循环利用,经固液分离器分离出所携带的细灰后,直接泵送至合成气洗涤塔作为合成气洗涤水。出气化装置合成气的水气比提高,有助于CO变换装置的运行和通过副产蒸汽回收气化装置的能量,同时CO变换装置也会返回更多的变换冷凝液至合成气洗涤塔,以保证出气化装置合成气的洗涤效果;减少了去黑水处理单元的黑水量,降低了黑水处理单元的动力消耗、设备尺寸及其投资。通过本发明,使得气化系统中合成气洗涤和黑水处理达到了物质和能量高效利用的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤气化系统黑水的处理方法,具体涉及一种通过至少将部分高温黑水脱灰后直接返回至合成气洗涤塔循环利用,以降低气化系统高位能量损失,提高出气化系统合成气水气比(即合成气中水蒸汽体积流量与干气体体积流量的比值)和降低黑水处理单元循环冷却水消耗的方法。
技术背景
固体或液体含碳原料的气流床气化工艺主要包括固体或液体含碳原料的气化、合成气的处理和黑水处理三个单元。
固体或液体含碳原料与气化剂(空气、富氧空气或氧气)在水蒸汽或水的参与下在气流床气化炉内进行反应,从气化炉气化室出来的粗合成气(主要成分为CO、H2及CO2等)含有粗渣细灰等固体颗粒物,且出口合成气温度很高,一般1200~1600℃。
为了除去固体颗粒物,同时回收高温合成气的热量,一般气流床气化炉气化室出口高温合成气的处理方法有:一是采用废锅流程,通过高温合成气的显热副产高品位的中高压蒸汽;二是采用激冷流程,通过高温合成气与激冷水直接接触,使高温合成气的显热转化为水蒸汽饱和在合成气中;三是采用废热锅炉和激冷流程结合的处理方法,即通过废热锅炉回收高温合成气的部分显热。在这些工艺流程中,均有合成气的水洗涤过程以保证出气化装置合成气中的含固量尽可能低。如Shell公司粉煤气化工艺采用“对流废锅+合成气干法过滤+合成气洗涤塔”的处理方法,GE公司水煤浆气化废热锅炉工艺采用“辐射锅炉+对流锅炉+合成气洗涤塔”的处理方法,多喷嘴对置式水煤浆或粉煤气化工艺采用“激冷室+旋风分离器+合成气洗涤塔”的处理方法,GE公司水煤浆气化激冷工艺采用“激冷室+合成气洗涤塔”的处理方法,Simens粉煤气化工艺采用“激冷室+文丘里洗涤器+合成气洗涤塔”的处理方法。合成气洗涤塔一般最上层加入来自CO变换装置返回的变换冷凝液,中下层加入的是来自黑水处理单元返回的温度较低的合成气洗涤水。
出气化炉气化室合成气处理单元中的每一个水洗涤或者分离设备均会排出大量黑水去黑水处理单元,如多喷嘴对置式水煤浆或粉煤气化工艺中的气化炉激冷室、旋风分离器和合成气洗涤塔,黑水量大且温度较高,黑水需要经处理后返回至合成气处理单元重复使用。一般黑水处理单元设置2~4级低压闪蒸器和澄清槽,出澄清槽的灰水部分通过与第1级闪蒸器闪蒸的蒸汽直接接触或间接接触加热后返回至合成气洗涤塔作为合成气洗涤水,合成气洗涤水的温度已较合成气处理单元排出的高温黑水的温度大大降低。
出气化装置合成气洗涤塔的合成气一般要求含尘量<1mg/Nm3,以满足下游CO变换等装置的要求,这就要求使用大量的合成气洗涤水。特别是对采用含灰量高的煤的气化装置,合成气的洗涤水量要求非常大,由于洗涤水较合成气温度低,这就使得合成气的温度降低,相应的水气比较低,不能满足后续CO变换装置的要求,同时黑水处理单元低压闪蒸器闪蒸的大量低压水蒸汽需要通过循环冷却水冷凝而消耗大量循环冷却水。对石油焦等热值高的气化原料,由于气化消耗指标低,同样存在出气化装置的合成气水气比低的问题。
中国专利(申请号:200810039551.3)涉及一种激冷式浆态或粉态含碳物料的气化方法,出气化炉激冷室的高温黑水、旋风分离器的高温黑水和合成气洗涤塔的高温黑水经减压阀减压后进入蒸发热水塔,副产低压蒸汽、低压蒸汽与补充的脱氧水和回用的低温灰水通过直接混合加热升温,然后通过高温灰水泵加压后进入合成气洗涤塔作为合成气洗涤水。由于蒸发热水塔的操作压力较低,使得合成气洗涤水的温度较低,最终使得出水洗塔的合成气水气比较低;同时,出蒸发热水塔的黑水的物流量较大,使得物流的进一步闪蒸后对闪蒸低压蒸汽冷凝所消耗的循环冷却水量大。
因此,为了进一步提高气化系统高位能量的利用率,提高现有合成气洗涤流程出气化装置合成气的水气比,以及降低黑水处理单元循环冷却水的消耗,达到气化系统中物质和能量高效利用的目的,本发明提出了一种通过至少将部分高温黑水脱灰后,直接返回至合成气洗涤塔循环利用的煤气化系统黑水处理方法。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种煤气化系统黑水的处理方法,通过至少将部分高温黑水脱灰后直接返回至合成气洗涤塔循环利用,以提高出气化装置合成气水气比的方法。具体方案如下:
一种煤气化系统黑水的处理方法,通过至少将部分高温黑水脱灰后直接返回至合成气洗涤塔循环利用,包括如下步骤:
来自气化炉激冷室2的高温黑水S6、旋风分离器4的高温黑水S9和合成气洗涤塔5的高温黑水S14中的一股或者多股、或某一股黑水中的部分经固液分离器10分离出含固量低的物流S22和含固量高的物流S21,含固量低的物流S22经高温灰水泵11加压;或不经固液分离器10分离而直接经高温灰水泵11加压;高温灰水泵11出口的物流S23与或不与高温灰水S13混合后进入合成气洗涤塔5作为合成气洗涤水;含固量高的物流S21经减压阀7减压后进入蒸发热水塔8;
其中:
固液分离器10的操作压力与气化炉激冷室2的操作压力相同,压力为0.1~12MPa,温度为100~325℃,该温度不高于所在操作压力下对应的水饱和温度;出固液分离器10的含固量低的物流S22中的固体量为入固液分离器10的总高温黑水S15中总固体量的1~20%,含固量低的物流S22中的水量为入固液分离器10的总高温黑水S15中总水量的30~80%。
所述固液分离器10选择性的对至少部分高温黑水进行分离后循环利用,可选择气化炉激冷室2的高温黑水S6、旋风分离器4的高温黑水S9和合成气洗涤塔5的高温黑水S14中的一股或者多股黑水进行固液分离循环利用,也可选择性的对每股高温黑水的部分进行固液分离后循环利用。
所述固液分离器10是高压连续的固液分离设备。
所述高压连续的固液分离设备是采用离心分离、沉降分离、过滤分离或它们的组合形式进行分离的装置,如水力旋流器等。
高温灰水泵11出口的物流S23可加至入气化炉激冷室2的激冷水S4、入混合器3的黑水S8,部分或全部代替S4和S8物流。
本发明的有益效果:由于采用高温的合成气洗涤水,使得出气化装置合成气的水气比提高,这有助于CO变换装置的运行和通过副产低压蒸汽回收气化装置的能量,同时CO变换装置也会返回更多的变换冷凝液以保证出气化装置合成气的洗涤效果;减少了去黑水处理单元的黑水量,这有助于减少用于冷却黑水处理单元低压闪蒸器闪蒸的大量低压水蒸汽所消耗的大量循环冷却水,同时黑水量的减少也降低了黑水处理单元的动力消耗、设备尺寸及其投资,使得气化系统中合成气洗涤和黑水处理达到了物质和能量高效利用的目的。
附图说明
图1是实施例中合成气洗涤及黑水处理流程示意图。
符号说明
1 气化炉气化室;2 气化炉激冷室;3 混合器;4 旋风分离器;
5 合成气洗涤塔;6 激冷水泵;7 黑水减压阀;8 蒸发热水塔;
9 高温灰水泵;10 固液分离器;11 高温灰水泵;
S1 入气化炉粉煤及载气/入气化炉煤浆;S2 氧化剂/氧化剂+气化剂;
S3 出气化炉气化室高温合成气及熔渣;S4 入气化炉激冷室激冷水;
S5 出气化炉激冷室高温合成气;S6 出气化炉激冷室高温黑水;
S7 出气化炉激冷室灰渣;S8 入混合器黑水;S9 出旋风分离器黑水;
S10 出旋风分离器合成气;S11 出合成气洗涤塔合成气;
S12 入合成气洗涤塔变换冷凝液;S13 入合成气洗涤塔高温灰水;
S14 出合成气洗涤塔高温黑水;S15 总高温黑水;
S16 蒸发热水塔闪蒸室闪蒸蒸汽;S17 出蒸发热水塔黑水;
S18 入蒸发热水塔脱氧水;S19 循环低温灰水;S20 未冷凝气体;
S21 高温黑水分离器去减压阀黑水;S22 出高温黑水分离器循环灰水;
S23 出高温灰水泵去水洗塔合成气洗涤水。
具体实施方式
以下为本发明的实施例,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,其目的仅在于更好地理解本发明的内容。因此本发明的保护范围不受所举实施例的限制。
参见图1,本申请的黑水处理工艺的核心内容是至少将部分高温黑水脱细灰后返回至合成气洗涤塔循环利用的方法。
来自气化炉激冷室2的高温黑水S6、旋风分离器4的高温黑水S9和合成气洗涤塔5的高温黑水S14中的一股或者多股、或某一股黑水中的部分经固液分离器10分离出含固量低的物流S22和含固量高的物流S21;含固量低的物流S22经高温灰水泵11加压,高温灰水泵11出口的物流S23与或不与高温灰水S13混合后进入合成气洗涤塔5作为合成气洗涤水;含固量高的物流S21经减压阀7减压后进入蒸发热水塔8。由于物流S23温度高,使得出合成气洗涤塔5的合成气S11水气比较高;同时,入黑水减压阀7的物流量大大减少,使得物流S17的进一步闪蒸后对闪蒸低压蒸汽冷凝所消耗的循环冷却水也大大减少。
可全部采用物流S23作为合成气洗涤水,而不需要补充黑水处理单元返回的高温灰水S13。
固液分离器10可由多个固液分离设备并联组成,可实现多个固液分离设备的切换和冲洗、以及通过减少固液分离设备尺寸以提高固液分离效率,达到固液分离器10的稳定连续操作。固液分离器10也可由多个固液分离设备串联组成,以提高固液分离效率。
固液分离器10是将黑水所含的灰分除去,因此所设置的固液分离器10可以单独为一个设备,或是与气化炉激冷室2等黑水产生设备进行集成所组成的装置。
本发明并不限于图1所示的利用方法,其他高温黑水直接循环利用的型式也在本发明保护的范围内。
实施例1
对以石油焦和煤混合为原料的制氢装置,采用湿法进料的气化技术。气化炉压力为6.5MPaG,温度为1300℃,浆浓度为63%,有效气(CO+H2)产量为100000Nm3/h,气化炉采用耐火砖衬里。表1为石油焦和煤混合后的分析数据。表2为主要的气化工艺指标。
表1 石油焦和煤混合后的分析数据
工业分析 | |
Mar,wt% | 10.63 |
FCd,wt% | 85.93 |
Vd,wt% | 11.24 |
Ad,wt% | 2.84 |
元素分析 | |
Cd,wt% | 84.58 |
Hd,wt% | 4.13 |
Nd,wt% | 1.40 |
Sd,wt% | 4.16 |
Od,wt% | 2.88 |
表2 主要气化工艺指标
碳转化率 | % | 97 |
有效气成分 | % | 84.72 |
比氧耗 | Nm3/kNm3(CO+H2) | 347.0 |
比煤(焦)耗(干基) | kg/kNm3(CO+H2) | 491.5 |
采用本发明专利技术的固液分离器分离黑水,直接回用的高温灰水流量为激冷室、旋风分离器、水洗塔三股黑水总量的60%,固体分离效率为85%。表3和表4分别为采用专利ZL200810039551.3的技术和本发明处理方法的主要物流数据。
表3 采用专利技术ZL200810039551.3的主要物流数据
S4 | S12 | S13 | S11 | S15 | |
温度,℃ | 234.51 | 144.33 | 172.99 | 230.23 | 234.32 |
压力,MPag | 7.05 | 6.86 | 6.78 | 6.36 | 6.37 |
流体流量 | |||||
摩尔流量,kmol/h | |||||
H2 | 2.40 | 0.00 | 0.02 | 1938.31 | 2.04 |
CO | 1.93 | 0.00 | 0.01 | 2816.94 | 1.63 |
CO2 | 7.87 | 0.00 | 0.54 | 745.30 | 6.68 |
H2S | 0.39 | 0.00 | 0.04 | 63.90 | 0.32 |
COS | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 3.69 | 0.00 |
CH4 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 4.41 | 0.00 |
N2 | 0.01 | 0.00 | 0.00 | 25.56 | 0.01 |
AR | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 6.11 | 0.00 |
NH3 | 0.16 | 0.00 | 0.09 | 2.05 | 0.13 |
H2O | 15118.46 | 3060.57 | 11327.34 | 5231.86 | 12041.43 |
S4 | S12 | S13 | S11 | S15 | |
总流量,kmol/h | 15131.73 | 3060.57 | 11328.63 | 10838.15 | 12052.95 |
总流量,kg/h | 272800.00 | 55136.98 | 204109.00 | 213331.00 | 217307.00 |
总流量,cum/h | 331.16 | 59.58 | 227.29 | 6595.10 | 263.95 |
固体流量 | |||||
质量流量,kg/h | |||||
ASH | 1.20 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 407.86 |
表4 采用本发明处理方法的主要物流数据
在激冷水量、洗涤水量、废水量基本不变的情况下,通过采用本发明的处理方法,入合成气洗涤塔的冷凝体积液量增加约30%,水气比由0.93增加到1.10;入合成气洗涤塔循环高温灰水减少约63%,将其由低压加压到高压的动力消耗大大减少;去闪蒸黑水量减少约60%,后续低压闪蒸的蒸汽量会大大降低使得循环冷却水消减少,以及使得后续设备尺寸和动力消耗也大大减小。
实施例2
对以煤为原料的制氢装置,采用干法进料的气化技术。气化炉压力为4.0MPaG,温度为1344℃,粉煤采用氮气作为输送介质,有效气(CO+H2)产量为60000Nm3/h,气化炉采用水冷壁衬里。表5为入炉粉煤的分析数据,表6为主要的气化工艺指标。
表5 粉煤分析数据
工业分析 | |
Mar,wt% | 4 |
FCd,wt% | 48.38 |
Vd,wt% | 35.96 |
Ad,wt% | 15.66 |
元素分析 | |
Cd,wt% | 65.57 |
Hd,wt% | 5.41 |
Nd,wt% | 0.84 |
Sd,wt% | 0.25 |
Od,wt% | 12.24 |
表6 主要气化工艺指标
碳转化率 | % | 99 |
有效气成分 | % | 88.6 |
比氧耗 | Nm3/kNm3(CO+H2) | 308 |
比煤耗(干基) | kg/kNm3(CO+H2) | 567 |
采用本发明处理方法的固液分离器分离黑水,直接回用的高温灰水流量为激冷室、旋风分离器、水洗塔黑水总量的50%,固体分离效率为85%。表7和表8分别为采用专利技术ZL200810039551.3和本发明处理方法的主要物流数据。
表7采用专利技术ZL200810039551.3的主要物流数据
表8 采用本发明处理方法的主要物流数据
S4 | S12 | S13 | S23 | S11 | S21 | |
温度,℃ | 207.20 | 185.00 | 153.21 | 208.73 | 206.69 | 208.73 |
压力,MPag | 4.37 | 4.50 | 4.67 | 4.67 | 3.84 | 3.86 |
流体流量 | ||||||
摩尔流量,kmol/h | ||||||
H2 | 0.82 | 0.00 | 0.00 | 0.44 | 957.09 | 0.44 |
CO | 1.05 | 0.00 | 0.00 | 0.56 | 1722.97 | 0.56 |
CO2 | 0.98 | 0.00 | 0.06 | 0.53 | 115.69 | 0.53 |
H2S | 0.05 | 0.00 | 0.01 | 0.03 | 2.48 | 0.03 |
COS | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.15 | 0.00 |
CH4 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 1.40 | 0.00 |
N2 | 0.09 | 0.00 | 0.00 | 0.05 | 220.71 | 0.05 |
AR | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 3.06 | 0.00 |
NH3 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
H2O | 10548.67 | 2331.35 | 4653.94 | 5287.75 | 2832.22 | 5287.75 |
总流量,kmol/h | 10553.81 | 2331.35 | 4655.05 | 5291.04 | 5855.86 | 5291.04 |
总流量,kg/h | 190174.00 | 42000.00 | 83872.77 | 95347.70 | 112729.00 | 95347.70 |
总流量,cum/h | 221.73 | 47.51 | 91.54 | 111.47 | 5685.54 | 111.47 |
固体流量 | ||||||
质量流量,kg/h | ||||||
ASH | 34.30 | 0.00 | 0.00 | 320.24 | 0.00 | 1814.67 |
在激冷水量、洗涤水量、废水量基本不变的情况下,通过采用本发明的处理方法,水气比由0.74增加到0.94;入合成气洗涤塔循环高温灰水减少约49%,将其由低压加压到高压的动力消耗大大减少;去闪蒸黑水量减少约49%,后续低压闪蒸的蒸汽量会大大降低使得循环冷却水消耗减少,以及使得后续设备尺寸和动力消耗也大大减小。
Claims (5)
1.一种煤气化系统黑水的处理方法,通过至少将部分高温黑水脱灰后直接返回至合成气洗涤塔循环利用,其特征在于,包括如下步骤:
来自气化炉激冷室(2)的高温黑水(S6)、旋风分离器(4)的高温黑水(S9)和合成气洗涤塔(5)的高温黑水(S14)中的一股或者多股、或某一股黑水中的部分经固液分离器(10)分离出含固量低的物流(S22)和含固量高的物流(S21),含固量低的物流(S22)经高温灰水泵(11)加压;或不经固液分离器(10)分离而直接经高温灰水泵(11)加压;高温灰水泵(11)出口的物流(S23)与或不与高温灰水(S13)混合后进入合成气洗涤塔(5)作为合成气洗涤水;含固量高的物流(S21)经减压阀(7)减压后进入蒸发热水塔(8);
其中:
固液分离器(10)的操作压力与气化炉激冷室(2)的操作压力相同,压力为0.1~12MPa,温度为100~325℃,该温度不高于所在操作压力下对应的水饱和温度;出固液分离器(10)的含固量低的物流(S22)中的固体量为入固液分离器(10)的总高温黑水(S15)中总固体量的1~20%,含固量低的物流(S22)中的水量为入固液分离器(10)的总高温黑水(S15)中总水量的30~80%。
2.根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,所述固液分离器(10)选择性的对至少部分高温黑水进行分离后循环利用,可选择气化炉激冷室(2)的高温黑水(S6)、旋风分离器(4)的高温黑水(S9)和合成气洗涤塔(5)的高温黑水(S14)中的一股或者多股黑水进行固液分离循环利用,也可选择性的对每股高温黑水的部分进行固液分离后循环利用。
3.根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,所述固液分离器(10)是高压连续的固液分离设备。
4.根据权利要求3所述的处理方法,其特征在于,所述高压连续的固液分离设备是采用离心分离、沉降分离、过滤分离或它们的组合形式进行分离的装置。
5.根据权利要求1所述的处理方法,其特征在于,高温灰水泵(11)出口的物流(S23)可加至入气化炉激冷室(2)的激冷水(S4)、入混合器(3)的黑水(S8),部分或全部代替(S4)和(S8)物流。
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