CN1041530C - 变压煤气化生产加压煤气的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压煤气化法及其所用的设备。本发明的方法为在常压下向煤气化炉中加入空气，使煤燃烧，然后在加压下加入水蒸汽，生成加压的煤气，如此交替地进行。该方法可大幅度节省电能及蒸汽，大大提高炉的生产能力，降低成本。广泛地适合我国大中小型氮肥企业和生产燃料煤气企业。

Description

变压煤气化生产加压煤气的方法和设备

本发明属煤炭气化领域，特别是涉及一种煤气化生产加压煤气的方法和设备。

目前工业上使用的煤气化方法主要有两种，一种是常压间歇式固定床煤气化法，其气化剂为常压空气和稍高于常压的水蒸汽，制得的煤气为常压，这种煤气用于合成气和燃料气时，要经气体压缩机压缩提高煤气压力，这要消耗很多的电能，如生产合成氨时，若将煤气从常压加压到32MPa，每生产一吨合成氨压缩气体的电耗近1000千瓦小时。煤气用于合成氨时，还要用蒸汽将煤气中含20-30％的CO气变换为有用的H₂气，此反应称为变换反应。从煤气化炉中产生的煤气温度为300℃左右，由于煤气化时加入的水蒸汽是过量的，有60％左右的水蒸汽没有反应。为了压缩煤气，要将煤气用水直接冷却，这也同时洗去了煤气中的水蒸汽，但煤气在进行变换反应前还要再提高温度，并且再加入大量的水蒸汽，因此，该工艺存在着严重的能源浪费问题。另一种煤气化方法是加压连续煤气化法，直接生产出加压煤气，可以节省压缩煤气的能耗，但是由于反应是连续进行的，就不能采用用空气吹风在炭层蓄热的阶段。为了维持气化反应的热量平衡，气化剂要用氧气(或富氧空气)及水蒸汽。由于制造氧气和富氧空气均需要较多的能量，所以这种工艺能耗并不低，并且其工艺和设备比较复杂，基本建设投资比较高。由于上述原因，我国目前大量采用的还是常压间歇式固定床煤气化法。

为了克服上述问题，本发明的一个目的是提供一种变压煤气化法，以空气和加压水蒸汽为气化剂，采用周期性地变换煤气化压力的方法制造出加压煤气。(包括合成气和燃料气)

本发明的另一个目的是提供一种变压煤气化法所用的设备。

本发明的变压煤气化法为将煤加到煤气化炉中，常压下加入空气，使煤燃烧，然后在加压下加入水蒸汽，生成加压的煤气，如此交替进行。

其中加压下加入的水蒸汽可先从炉底部加入、再从炉顶部加入。所述压力可优选为0．1-6MPa之间。炉的操作可由专用微机及专用软件控制。所用的煤可为块煤、型煤或焦炭。

本发明的变压制造煤气的过程如下：

首先使空气通过燃料层，该燃料层在炉内从上到下分为五个层次区域，即干燥层、干馏层、还原层、氧化层和灰渣层，碳与氧发生放热反应以提高温度，温度一般为800-1200℃，随后使蒸汽通过燃料层，碳与蒸汽或者蒸汽和氧气发生吸热和放热的混合反应，生成煤气(包括合成气和燃料气)。如此间歇交替地进行。

空气通过燃料层反应生成的吹风气，大部分是N₂和CO₂，有用的气体-H₂和CO很少，所以可以回收热量后，从烟囱放空。

蒸汽或者蒸汽与少量空气的混合气通过燃料层，开始有一个升压阶段，反应生成的煤气中，大部分是H₂和CO。制成的煤气经干法净化送至气箱，再送至一氧化碳变换工序。制气结束后，需将变压炉中的气体放空，使炉内压力卸至常压，再进行下一个循环的吹风阶段。

常压吹风和加压制气反复循环的过程中，燃料随着气化反应的延续而不断清耗，可由自动加料机定期地补充，或者在一定的间隔期(如半小时至1小时)内，停止生产，人工加煤。

变压固定床煤气化的工艺循环过程进一步描述为：

(1)吹风阶段：空气经空气鼓风机升压至如0．015MPa，流量如2500-5000m³／m²炉截面积·小时，从变压炉底部鼓入煤层，空气中的氧与煤炭进行燃烧反应，放出热量，提高煤层温度，其气化层温度可达约800-1200℃，反应生成的吹风气温度约500℃，经炉上部排出。为了充分利用吹风气中CO的反应热，可在吹风气通过燃烧室的过程中，向燃烧室送入适量的空气，使CO与O₂反应放出反应热，并被耐火砖吸收贮存起来。在下吹制气时，使气化剂进入燃料层先吸收燃烧室贮存的热量，以提高气化剂进炉之前的温度，从而提高煤气的产量与质量。吹风气中以N₂气和CO₂气为主，最后吹风气从烟囱放空。

(2)升压阶段：入炉的水蒸汽的压力稍大于生产的煤气压力，可在0．1-6MPa范围内选择。蒸汽温度如200℃左右，蒸汽流量如0．4-1．0T／m²炉截面积·小时，蒸汽入炉后，由于炉上部的气体出口阀处于关闭状态，炉内压力逐渐上升，当达到煤气系统压力时，气体出口阀打开，升压阶段结束。

(3)上吹阶段：入炉蒸汽压力、温度、流量如升压阶段所述。水蒸汽自炉底通入，自下而上地通过燃料层，与炉内的温度为约800-1200℃的赤热的煤反应，生成温度如300-350℃的加压的燃料气或合成气，所述气体从炉上部排出，进入净化工序，经高效旋风除尘器使煤气中含尘量由如10g／m³降至如5-20mg／m³，然后送入压力煤气贮罐。如用于合成氨，再将煤气送入CO变换工序，在变换催化剂的作用下，煤气中的CO将煤气中的水蒸汽还原成有用的H₂。

(4)下吹阶段：加压蒸汽从炉顶人炉，从炉底排出，其它方面与上吹阶段相同。

(5)二次上吹：与上述条件相同的蒸汽再次从炉底通入，既吹净炉底残余的煤气，又能生产煤气，而且防止下次吹风时，空气与燃料层空间残留的煤气相遇而有发生爆炸的危险。产生的加压煤气送入煤气后系统。

(6)卸压阶段：为了顺利进行常压吹风，在制气阶段结束后，进行卸压阶段。打开炉出口阀，将炉内煤气或吹风气排出，回收热量后，从烟囱放空，使炉内压力降为常压，此时炉内温度最低。

如果生产的煤气用于生产合成氨时，还可增加空气吹净阶段及上、下吹加N₂措施，以便回收煤气和提供生产合成氨所需要的氮气。

空气吹净阶段是在二次上吹阶段后，将加压空气送入变压炉的底部，将变压炉上部空间、上吹管道中充满的水煤气排除干净并送至煤气后系统。同时还回收一部分生产合成氨所需要的N₂气。

上、下吹加N₂措施是在上、下吹时除加入蒸汽外，还加入少量的压力与蒸汽压力相同的空气，用以改善煤气化的条件，并增加煤气中的氮气含量。

本发明方法中的上述各阶段的时间分配，随燃料的性质和工艺操作的具体要求不同而异。在一般情况下，二次上吹和空气吹净阶段的时间长短，以能够达到排净煤气炉下部空间和上部空间的残留煤气为原则，即安全和节约的原则，因而一般是固定不变的或很少改变的。二次上吹阶段一般只占循环时间的7-9％，空气吹净阶段一般仅占循环时间的3-4％。吹风和制气各阶段时间的分配，总的原则是使吹风后燃料层具有理想的较高温度，而且吹风阶段的时间比较少，以相对增加制气阶段的时间，可以获得较多数量和较高质量的煤气。至于能否用较短的时间达到高温，决定于空气鼓风机能否提供较高的空气流速，以及燃料层是否允许提高气流速度等条件，而这又与燃料的性质有关。上、下吹制气阶段时间的分配，以维持燃料层里气化层的稳定和保持气体的高质量为原则。它们的分配和确定，要考虑燃料的性质、热量和燃料的合理利用，以及维持气化层稳定的工艺操作方法等因素。在一般情况下，由于吹风阶段之后燃料层的温度条件最好，上吹制气的产量和质量都比较高，但是如果上吹制气时间长，不仅消耗气化层中大量的热量，而且使气化层急剧上移或破坏，对以后的制气阶段非常不利。因此，优选下吹制气的时间比上吹制气的时间长得多。在下吹制气阶段里，由于气化剂经过燃烧室预热，它们进入燃料层以前就具有较高的温度，因此生产煤气的数量和质量均比较高，燃料的消耗也比较低。但是，若由于燃料的粒度较小或灰熔点较低，使燃料层具有较大的阻力或不宜维持较高的温度时，下吹时间过长，会造成气化层温度过高，以至超过灰熔点，不仅容易发生灰分熔融粘结引起气化层的破坏，而且气化反应面积急剧减小，引起工艺条件一系列恶化，因而也是不合理的。

循环各阶段时间分配，按燃料品种或粘度的不同分类，其一般范围大致如下表所示。

表1．不同燃料循环时间的分配范围

燃料品种	循环阶段时间T
						吹风	上吹	下吹	二次上吹	空气吹净
	无烟煤粒度25-75mm	24.5-25.5	25-26	36.5-37.5	7-9	3-4
无烟煤粒度15-25mm	25.5-26.5	26-27	35.5-36.5	7-9	3-4
碳化煤球	27.5-29.5	25-26	36.5-37.5	7-9	3-4
焦炭粒度15-50mm	22.5-23.5	24-26	40.5-42.5	7-9	3-4

循环各阶段时间的总和，称为循环时间。循环时间的选定，决定于燃料性质、工艺操作方法和机械性能的允许范围。每一循环过程的时间过长，气化层的温度和生产煤气的数量、质量前后波动比较大。循环时间过短，由于自动阀门的开关动作过于频繁，易造成损坏或需要修理，而且缩短了设备的有效生产时间，亦有不利之处。一般循环时间可为三分钟。

本发明的变压煤气化法所用的设备主要为一种变压固定床煤气化炉。本发明的变压煤气化炉包括有炉体、夹套锅炉、底盘、位于底盘上的机械除灰装置、使机械除灰装置旋转的传动装置、加煤口、空气进口、吹风气出口、蒸汽进口、煤气出口、出灰口和进出气及压力控制阀。

本发明的煤气化炉的炉体的上部根据情况可衬有耐火砖及保温砖(也可以不衬)，下部或全部是夹套锅炉的内壁。夹套锅炉外壁包有保温材料。夹套锅炉主要作用是防止产生挂炉(灰渣粘在炉壁上)，并回收部分热量以产生蒸汽。所述煤气化炉可在顶部设置一个加煤口和一个用作煤气出口、吹风气出口、蒸汽进口的开口，在底部设有一个用作空气进口、蒸汽进口、煤气出口的开口以及出灰口。

本发明的变压煤气化法及其所用设备具有如下优点：

1、由于变压煤气化法生产的是加压(如0．1-6MPa)的热煤气(如200-500℃)，可以大幅度节省煤气的压缩功，一般可节省电耗按每生产一吨合成氨计算为200-400千瓦小时。

2、由于生产的含有大量水蒸汽的热煤气可直接进入CO变换反应炉，在催化剂的作用下加压煤气中的CO与H₂O反应，生成CO₂和有用的H₂，按生产一吨合成氨计算，可节省蒸汽1吨以上。

3、由于气化炉压力升高，使气化反应速度加快，气化炉的生产能力加大，与常压炉相比，同样的规格，变压气化炉一般提高生产能力1-2倍。

4、由于生成的是加压煤气，可以取消气化工序的煤气冷却设备，取消CO变换工序的热水饱和塔，取消一部分压缩机，节省投资。

5、由于节电、节蒸汽，可以使合成氨生产成本下降10％以上。

6、不必另外加入氧气或富氧空气，从而节省制造氧气或富氧空气的费用。

下面结合实施例和附图进一步描述本发明。

附图中标号1表示炉体，2为夹套锅炉，3为底盘，4为机械除灰装置，5和6为开口，7为加煤口，8为出灰口。

实施例1

制造一台内径为∮2400mm的变压固定床煤气化炉。用常压空气和压力为0．8MPa的水蒸汽为气化剂。采用专用的微机及专用软件控制变压炉的操作，生产出压力为0．75MPa的加压半水煤气，炉子生产半水煤气的能力为3500Hm³／小时以上，制得的典型煤气成分含CO₂8％、O₂ 0．5％、N₂ 22％、CH₄ 1％、CO 29％、H₂ 39．2％、Ar 0．3％。在用于制备氨时，煤气经干法除尘，直接送入CO₂变换工序，再去生产合成氨。变压法与常压固定床法相比，每生产1吨合成氨可节省电200千瓦小时以上，节约蒸汽1吨以上，可降低生产成本100元以上。这个规模和技术条件适宜我国小氮肥工业使用

实施例2

除下述外其它同实施例1，炉内径为∮2740mm，生产半水煤气能力为7000Hm³／小时以上，适合中型氮肥工业使用。

实施例3

除下述外其它同实施例1，炉内径为∮3000mm，生产半水煤气的能力为8500Hm³／小时以上，适合大中型氮肥工业使用。

实施例4

除下述外其它同实施例1，炉内径∮2800mm，用常压空气和压力为0．9MPa的水蒸汽为气化剂，生产出压力为0．85MPa的水煤气，炉子的生产水煤气的能力为6000Hm³／小时左右，制得的水煤气典型地含有H₂ 48％、CO 36％、CO₂ 6．6％、N₂ 6％、CH₄ 3％、O₂ 0．4％。与常压法相比，可节省煤气输送管网投资近一半，节能10％左右。

Claims (5)

1、一种变压煤气化生产加压煤气的方法，其特征是包括将煤加到煤气化炉中，常压下加入空气，使煤燃烧，煤气化层温度为800～1200℃，然后在0．1～6MPa的压力下加入水蒸汽，生成加压的煤气，如此交替地进行；具体过程如下：

(1)吹风阶段：空气经鼓风机从变压炉底部鼓入煤层，使煤燃烧，反应生成的吹风气经炉上部排出；

(2)升压阶段：将水蒸汽加入炉中，炉上部的气体出口阀处于关闭状态，炉内压力逐渐上升，当达到煤气系统压力时，气体出口阀打开，升压阶段结束；

(3)上吹阶段：水蒸汽自炉底通入，自下而上地通过燃料层，反应后生成的加压煤气从炉上部排出；

(4)下吹阶段：加压蒸汽从炉顶入炉，生成的煤气从炉底排出；

(5)二次上吹：加压蒸汽再次从炉底通入，既吹净炉底残余的煤气，又能生产煤气；

(6)卸压阶段：在制气阶段结束后进行卸压阶段；打开炉的出口阀，将炉内煤气或吹风气排出，使炉内压力降为常压。

2、如权利要求1的方法，其特征是在二次上吹阶段后进行空气吹净阶段。

3、如权利要求2的方法，其特征是所述空气吹净阶段是将加压空气送入变压炉的底部，将变压炉上部空间、上吹管道中充满的水煤气排除干净并送至煤气后系统，同时还回收部分N₂气。

4、如权利要求1的方法，其特征是在上吹和下吹阶段加入N₂气。

5、如权利要求4的方法，其特征是在上吹和下吹阶段加入N₂气的方法是在上、下吹时除加入蒸汽外，还加入少量的压力与蒸汽压力相同的空气。

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