CN103740411B - 一种新型褐煤气化反应器和气化系统 - Google Patents

一种新型褐煤气化反应器和气化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型褐煤气化反应器和气化系统，包括进料单元、新型褐煤气化反应器、合成气催化重整单元，气化反应器包括炉体，炉体为双层结构，内层围成的腔为气化炉膛，内层的外表面设置多个加热器，每个加热器设有单独的控温装置；内层的底部敞开，内层与外层间形成夹道，外层的上部设有出气口，出气口与所述夹道的上部相通，夹道内设置煤气测温热电偶；外层的底部设有储渣仓和排渣口，外层的下部的侧壁设有气化剂入口，气化剂包括氧气和水蒸汽；炉体的上端设有气化炉喷嘴。以褐煤为原料，水蒸气和氧气为气化剂，充分利用褐煤自身的特点，采用下行床结合气体折流气化方式，能够有效提高气体品位和半焦转化效率。

Description

一种新型褐煤气化反应器和气化系统
技术领域
本发明涉及一种褐煤气化技术，尤其涉及一种新型褐煤气化反应器和气化系统。
背景技术
能源是社会经济发展的基础，随着社会的发展，人们对能源需求越来越多，能源对社会经济发展的制约日益突出，对赖以生存的自然环境的影响越来越大。目前，煤炭占我国一次能源生产总量的75％，占消费总量的70％。预测表明，未来几十年，煤炭在能源生产和消费结构中的主导作用不会改变，随着高阶煤资源的逐步减少，对低阶煤的开发使用显得越来越紧迫。我国褐煤探明保有资源量为1291.32亿t，占全国探明保有煤炭资源量的12.69%，开发褐煤综合高效利用途径和技术，将会缓解我国能源需求的紧张局势。
褐煤多呈褐色或褐黑色，是煤化程度最浅的煤种，具有水分高、挥发分高、热值低、易风化碎裂、氧化自燃等特性，因此它的应用范围和运输距离受到很大限制，难于进行有效洁净利用。但是，褐煤的低变质性和高反应性使得它是气化的优质原料；煤炭气化技术也是煤炭转化的主要途径，气化所生产的合成气可以用来发电、合成液体燃料和各种化学品。
现有技术中，煤气化反应器可分为固定床、流化床和气流床三种：固定床属于第一代气化炉，结构简单，成本低，操作容易，但是气化效率较低、污染严重，尤其是对块煤的依赖性使其处于被淘汰的边缘；流化床具有传热传质效率高的优势，但是流化床对温度和煤种的限制也最终没有得到很广泛的应用，此外循环流化床中，由于半焦炭与挥发分的二次反应严重，使得循环次数较多，能耗较大；气流床气化反应器具有煤种适应性广、污染低、及碳转化率高等优点，但是所要求实验条件比较苛刻，高温高压使得成本高、操作难、热损失大等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效提高气体品位和半焦转化效率的新型褐煤气化反应器和气化系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的新型褐煤气化反应器，包括炉体，所述炉体为双层结构，内层围成的腔为气化炉膛，所述内层的外表面设置多个加热器，每个加热器设有单独的控温装置；
所述内层的底部敞开，所述内层与外层间形成夹道，所述外层的上部设有出气口，所述出气口与所述夹道的上部相通，所述夹道内设置煤气测温热电偶；
所述外层的底部设有储渣仓和排渣口，所述外层的下部的侧壁设有气化剂入口，所述气化剂包括氧气和水蒸汽；
所述炉体的上端设有气化炉喷嘴，所述气化炉喷嘴的内端伸入到所述气化炉膛内、外端连接有进料口、水蒸汽入口、氧气与惰性气体入口。
本发明的新型褐煤气化系统，该系统包括上述的新型褐煤气化反应器，所述气化炉喷嘴的进料口与进料单元连接，所述出气口与合成气催化重整单元连接。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的新型褐煤气化反应器和气化系统，包括进料单元、新型褐煤气化反应器、合成气催化重整单元，以褐煤为原料，水蒸气和氧气为气化剂，充分利用褐煤自身的特点，采用下行床结合气体折流气化方式，能够有效提高气体品位和半焦转化效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的新型褐煤气化反应器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的新型褐煤气化系统的结构示意图。
图中：1—螺旋进料机；2—气化炉喷嘴；3—控温热电偶；4—炉内测温热电偶；5—煤气测温热电偶；6—出气口；7—气化炉膛；8—加热器；9—煤气夹道；10—气化剂入口；11—排渣口；12—储渣仓；13—新型褐煤气化反应器；14—过滤器；15—焦油催化重整器；16—冷凝器。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的新型褐煤气化反应器，其较佳的具体实施方式是：
包括炉体，所述炉体为双层结构，内层围成的腔为气化炉膛，所述内层的外表面设置多个加热器，每个加热器设有单独的控温装置；
所述内层的底部敞开，所述内层与外层间形成夹道，所述外层的上部设有出气口，所述出气口与所述夹道的上部相通，所述夹道内设置煤气测温热电偶；
所述外层的底部设有储渣仓和排渣口，所述外层的下部的侧壁设有气化剂入口，所述气化剂包括氧气和水蒸汽；
所述炉体的上端设有气化炉喷嘴，所述气化炉喷嘴的内端伸入到所述气化炉膛内、外端连接有进料口、水蒸汽入口、氧气与惰性气体入口。
所述内层采用耐1200℃的不锈钢材料制成，所述外层采用耐1000℃的不锈钢材料制成。
所述加热器的表面设置保温材料，所述外层的外表面设置保温材料。
本发明的新型褐煤气化系统，其较佳的具体实施方式是：
该系统包括上述的新型褐煤气化反应器，所述气化炉喷嘴的进料口与进料单元连接，所述出气口与合成气催化重整单元连接。
所述进料单元包括螺旋进料机，所述螺旋进料机设有惰性气体入口；
所述合成气催化重整单元包括依次连接的过滤器、焦油催化重整器、冷凝器。
所述新型褐煤气化反应器的工作温度在800～1100℃，通过煤粉与氧气、水蒸气发生反应供热，并通过调节水蒸气和氧气的配比，提供气化反应所需热量。
所述焦油催化重整器的顶部和底部分别设有催化剂入口和失活催化剂出口，所用催化剂为褐煤或负载金属褐煤经热解及水蒸气活化所得。
所述焦油催化重整器为一个或多个串联布置。
本发明的新型褐煤气化反应器和气化系统，包括进料单元、反应器单元和合成气催化重整单元组成。进料单元采用螺旋进料机，通过变频器调节转速的大小，进而调节进料量；料仓处设置载气接口，以平衡反应器中的微正压，气化剂可与煤粉同时从上方进入反应器；反应器分为内外两层，内层为反应区，生成的合成气首先向下流动，然后从底端向上从两层套筒之间的夹道内流过，期间可发生水煤气反应，进行一定的气体重整，最后通过设置于炉体上部的出气口排出，反应器内层外表面设置三段加热器，可独立控温，反应器下部设有灰渣储渣仓和气化剂选择入口；合成气催化重整单元有过滤器，冷凝器和焦油催化重整器。焦油催化重整催化剂为褐煤或褐煤负载金属经活化后的半焦炭，具有成本低、无环境污染等特点。本发明在常压中低温(不高于1373K)条件下进行气化，具有效率高、产品气品质好等优点。
本发明的新型褐煤气化反应器（简称反应器）和气化系统以储量丰富、反应活性好、富含碱金属和碱土金属的褐煤为原料在较温和条件下制备高品位合成气，为低阶煤的高效实用提供了新的技术路线。
优选的，在进料单元中，褐煤经过破碎、研磨、干燥、筛分后经螺旋进料机，连续的进入气化反应器；进料机料仓设置平衡气管线，以微正压进料。
优选的，在反应器中，炉体由耐高温不锈钢加工而成的双层结构组成，内层采用耐1200℃不锈钢材料，外层采用耐1000℃不锈钢材料。
内层为煤与气化剂反应区，内层外表面设置三个加热器，每个加热器可单独控温，可灵活调节整个气化反应区的温度分布。
在加热器（丝）表面设置保温材料，在炉体最外层也设置保温材料，以减少热量损失。内层与外层间形成的夹道，为煤气从反应区底部折流后通道，最后从反应器上部导出；夹道内设置热电偶，实时测量煤气温度。
煤粉与气化剂在主反应区并流下行温和气化，在反应器底部挥发分与半焦炭分离，可减少挥发分与半焦的相互作用对半焦炭活性的抑制，同时剩余的半焦炭继续和底部通入的气化剂进行反应。
煤气与挥发分在向上流动过程中，与下部通入的气化剂发生水煤气变换反应，重整气体组分，降低反应器外表面温度，提高冷煤气效率。
优选的，在本发明的反应器单元中，可以采用自热式，通过煤粉与氧气、水蒸气发生反应供热，通过调节氧气、水蒸气的配比，维持反应器温度。也可以通过外部加热器加热供热。
本发明的反应器的工作温度低于1373K，增加炉体寿命。
优选的，在本发明的合成气催化重整单元，其中焦油催化重整器所用催化剂为褐煤或褐煤负载金属经热解及水蒸气活化所得，催化剂原料易得、制备方式简单、失活催化剂处理方便。
在上述焦油催化重整器中，煤气携带焦油及其它杂质，经催化重整后可以将焦油转化为有效合成气体组分，同时去除部分细小固体颗粒物等。
在上述焦油催化重整器，新鲜的催化剂从反应器顶部进入，失活催化剂从底部排出，可以连续的操作，提高总体效率。
在上述合成气净化重整单元，根据需要，焦油催化重整器为一个或多个串联布置。
优选的，在本发明的合成气催化重整单元，经过滤器进行除尘，通过冷凝器降温，去除携带的水蒸气，获得净煤气，进行后续加工利用。
优选的，本发明的褐煤气化反应器和气化系统可用于生产煤气、水煤气和合成气，可用于甲醇、合成氨及IGCC发电、制氢等领域。
优选的，本发明的褐煤气化反应器和气化系统，可用于褐煤、生物质等高活性含碳原料的气化。
本发明采用上述气化反应器和气化系统的创新之处与有益效果是：
1.本发明的新型褐煤气化反应器和气化系统，在常压中低温运行，节省成本，提高效益；
2.本发明的新型褐煤气化反应器和气化系统，产生的半焦和挥发分在底部分离，有利于减少半焦与挥发分的相互作用。相对惰性半焦在底部与从反应器底部加入的气化剂反应，快速气化；挥发分折返向上流动过程中发生水煤气反应，重整了气体组分，降低了反应器外壁的温度，提高了气化效率；
3.本发明的新型褐煤气化反应器和气化系统,煤气中的少量焦油被催化重整，提高了气体的质量和气体产率；
4.本发明的新型褐煤气化反应器和气化系统，热解或气化所得半焦为焦油催化重整催化剂，来源于褐煤，成本低廉，资源得到充分利用。
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
如图1、2所示，褐煤经过破碎、研磨、干燥、筛分后，获得100—200目的水分含量低于10%的煤样。煤样放置料仓内，通过螺旋进料机，与惰性气体一起均速进料，在喷嘴2处与反应气一起进入气化炉。进料前，将加热器8设定到所需温度（800～1100℃），程序升温。煤粉、反应气在炉膛7处发生氧化还原反应，生成CO、H2、CH4等有效气体（统称煤气），少量焦油和固体半焦。煤气和半焦在反应器底部分离，煤气和少量焦油气沿煤气夹道9折返上升，气化剂入口10进入的H2O/O2与煤气发生水煤气反应，通过出气口6排出气化炉；同时，从气化剂入口10进入的气化剂也与残渣中剩余的固体半焦发生气化反应，产生的煤气也通过夹道上升排出气化炉，剩余残渣落入储渣仓12内。煤气进入过滤器，将所携带的少量固体颗粒除去，然后进入焦油催化重整器，煤气和少量的焦油在此被催化重整生成有效气，提高了气体的质量和产率。煤气离开焦油催化重整反应器后，进入冷凝器，将温度降低至100℃以内，净煤气进入下游工艺。残渣储渣仓内的固体，通过排渣口11排出。
实施例2
如图1、2所示，按照实施例1，预先设定加热器8的温度至600-800℃，通入预处理后的煤粉和氧气，在炉膛7内发生燃烧反应，放出大量的热量，通过炉内测温热电偶4进行检测，当温度达到800—1100℃时，调节水蒸气和氧的配比，维持炉内温度恒定，进行气化反应。后续步骤同实施例1。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种新型褐煤气化反应器，其特征在于，包括炉体，所述炉体为双层结构，内层围成的腔为气化炉膛，所述内层的外表面设置多个加热器，每个加热器设有单独的控温装置；
所述内层的底部敞开，所述内层与外层间形成夹道，所述外层的上部设有出气口，所述出气口与所述夹道的上部相通，所述夹道内设置煤气测温热电偶；
所述外层的底部设有储渣仓和排渣口，所述外层的下部的侧壁设有气化剂入口，所述气化剂包括氧气和水蒸汽；
所述炉体的上端设有气化炉喷嘴，所述气化炉喷嘴的内端伸入到所述气化炉膛内、外端连接有进料口、水蒸汽入口、氧气与惰性气体入口；
所述新型褐煤气化反应器的工作温度在800～1100℃，通过煤粉与氧气、水蒸气发生反应供热，并通过调节水蒸气和氧气的配比，提供气化反应所需热量。
2.根据权利要求1所述的新型褐煤气化反应器，其特征在于，所述内层采用耐1200℃的不锈钢材料制成，所述外层采用耐1000℃的不锈钢材料制成。
3.根据权利要求2所述的新型褐煤气化反应器，其特征在于，所述加热器的表面设置保温材料，所述外层的外表面设置保温材料。
4.一种新型褐煤气化系统，其特征在于，该系统包括权利要求1、2或3所述的新型褐煤气化反应器，所述气化炉喷嘴的进料口与进料单元连接，所述出气口与合成气催化重整单元连接。
5.根据权利要求4所述的新型褐煤气化系统，其特征在于，所述进料单元包括螺旋进料机，所述螺旋进料机设有惰性气体入口；
所述合成气催化重整单元包括依次连接的过滤器、焦油催化重整器、冷凝器。
6.根据权利要求5所述的新型褐煤气化系统，其特征在于，所述焦油催化重整器的顶部和底部分别设有催化剂入口和失活催化剂出口，所用催化剂为褐煤或负载金属褐煤经热解及水蒸气活化所得。
7.根据权利要求6所述的新型褐煤气化系统，其特征在于，所述焦油催化重整器为一个或多个串联布置。
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