CN104531224B - 一种洁净煤加压流化床熔渣气化工艺及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种洁净煤加压流化床熔渣气化工艺及系统，解决了现有加压流化床工气化工艺存在的工艺复杂、煤种适应性差、气化压力低、生产能力小、气化效率低，环境污染的问题。技术方案包括原料煤粉经加压后经进料口送入流化床气化炉内与气化剂进行气化反应得到粗合成气和煤粉灰渣，所述粗合成气上升由流化床气化炉的顶部出口送入多管式旋风分离器除尘，通过两次气化喷嘴喷入流化剂提高气化效率，煤粉灰渣经熔渣装置熔化并形成熔渣后由流化床气化炉的底部出口进入渣激冷罐激冷，再经渣锁斗排出。本发明工艺简单、操作简便、煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高，对环境友好。

Description

一种洁净煤加压流化床熔渣气化工艺及系统
技术领域
本发明涉及一种煤气化工艺及系统，具体的说是一种洁净煤加压流化床熔渣气化工艺及系统。
背景技术
煤气化技术按气化炉的结构特点和燃料在气化炉中转化时的运动方式可分为固定床气化、流化床气化和气流床气化三种气化技术。针对目前我国已广泛应用的各种固定床、流化床和气流床煤气化技术进行调查和分析可知，固定床气化技术虽然投资较低，但由于环保问题，使其在发展上受到一定的限制，而气流床气化技术虽然先进和洁净环保，但受投资高的影响，很多中小企业尚无法接受和使用。流化床气化技术发展较慢，技术相对不成熟，应用较少，但由于其规模适中，投资不高，逐渐成为了煤气化技术的一个发展方向，近几年得到了一定的发展。但当前已工业化应用的流化床气化技术仍主要存在以下几个方面的缺点和不足：1)当前流化床气化技术煤种适应性普遍较差，其受气化温度较低和干法排渣的影响，一般只适合处理反应活性好、结渣性较弱的煤种；2)由于当前流化床气化技术气化压力低，粗煤气粉尘带出量高，除尘效果差，导致后续采用废热锅炉回收粗煤气热量时，易造成废热锅炉堵塞和磨蚀等问题；3)由于当前流化床气化技术气化温度较低，粗煤气中容易携带焦油等大分子有机物，易造成后续管道和设备的堵塞；4)由于采用干法排渣，不适合气化低灰熔点的煤种，且其为了控制气化反应温度，蒸汽耗量较大，废水排放量大；5)当前流化床气化技术干法排渣系统问题较多，影响了气化炉的长周期稳定运行；6)气化炉内的碳转化率和气化效率不高，煤中未反应的残碳较多，渣和灰中的含碳量高；7)由于气化效率不高，粗煤气中粉尘带出量偏高，易携带焦油等大分子有机物，导致后续污水处理难度较大。
发明内容
本发明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、煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高，对环境友好的加压流化床熔渣煤气化工艺。
本发明还提供一种用于上述工艺的系统，具有系统流程简单、气化效率高、投资省、操作可靠、安全性好的优点。
本发明工艺中，原料煤粉经加压后经进料口送入流化床气化炉内与气化剂进行气化反应得到粗合成气和煤粉灰渣，所述粗合成气上升由流化床气化炉的顶部出口送入多管式旋风分离器除尘，所述流化床气化炉在中部设有中部变径段，下部设有下部变径段，所述气化剂分别由设于下部变径段的一次喷嘴接口和设于中部变径段的二次喷嘴接口喷入流化床气化炉中，所述进料口位于中部变径段和下部变径段之间；所述原料煤粉进入流化床气化炉后，先被下部变径段的一次喷嘴接口喷入的气化剂流化并发生气化反应，生成的粗煤气夹带煤粉上升，在中部变径段再次被从气化炉中部的二次喷嘴接口通入的气化剂二次流化和发生进一步的气化反应，得到的粗合成气由顶部出口排出；所述煤粉灰渣下降被被位于流化床气化炉底部的熔渣装置熔化并形成熔渣后由流化床气化炉的底部出口进入渣激冷罐激冷，再经渣锁斗排出。
所述流化床气化炉内反应生成的粗合成气上升被流化床气化炉顶部环形设置的喷淋激冷装置喷出的激冷介质除渣激冷至750～850℃后再由顶部出口送出。
所述粗合成送入多管式旋风分离器分离出粒径大于5μm以上的粉尘，除尘后的粗合成气出多管式旋风分离器进入下游工序，分离出的煤粉由多管式旋风分离器底部出口排出经流化床气化炉的下部返料口进入流化床气化炉内，随煤粉灰渣一起被熔渣装置熔化并形成熔渣后由流化床气化炉的底部出口进入渣激冷罐激冷；所述返料口位于一次喷嘴接口和熔渣装置之间。
原料煤粉加压至1.0～5.0MpaG，控制气化炉内的反应温度在1000～1300℃，溶渣温度控制在1500～2000℃。
所述原料煤粉在气化炉内的反应停留时间为20～90s。
用于上述工艺的洁净煤加压流化床熔渣气化系统，包括流化床气化炉，所述流化床气化炉的顶部出口与多管式旋风分离器连接，底部出口依次连接渣激冷罐和渣锁斗，所述流化床的中部设有中部变径段，下部设有设有下部变径段，底部设有熔渣装置，所述下部变径段均匀设有多个一次喷嘴接口、下部变径段设有均匀设有多个二次喷嘴接口，进料口位于中部变径段和下部变径段之间。
所述流化床气化炉下部一次喷嘴接口和熔渣装置之间设有返料口，所述多管式旋风分离器的底部出口与流化床气化炉上的返料口连接。
所述流化床气化炉顶部出口下方环形设置有喷淋激冷装置。
所述一次喷嘴接口向上倾斜，与流化床气化炉的竖直中轴线成30～60°夹角；所述二次喷嘴接口向上倾斜，与化床气化炉的竖直中轴线成45～90°夹角。
所述熔渣装置包括多个均匀分布的燃料气烧嘴，所述燃料气烧嘴向上倾斜，与气化炉竖直中轴线成45～90°夹角。
本发明通过在流化床气化炉顶部环形设置的喷淋激冷装置，可将生成粗煤气中可能携带的熔融态煤粉灰渣激冷成凝固态，并让其返回至气化炉内，使未完全反应的煤粉进一步反应，大大减少出气化炉粗煤气的灰渣及其残炭的夹带。通过炉顶激冷过程将粗煤气降温至750～850℃，在保证出气化炉合成气中灰渣的有效凝固和返回的同时，又可以尽量多地回收合成气携带的热量，提高气化热效率。
本发明在流化床气化炉上设置两个变径段，由上至下炉径逐级减小，在中部设置中部变径段，是为了保证入炉煤粉尽可能反应完全，提高碳转化率，在下部设置下部变径段是为了保证煤粉充分流化的同时，使炉底热量尽可能集中，提高反应效率和熔渣效果。两个变径段共同作用，可有效提高气化炉的碳转化率和气化反应效率；进一步的，发明人采用一次喷嘴接口和二次喷嘴接口喷出气化剂，在气化炉内实现二次气化，所述气化剂为常用的氧气和蒸汽混合气化剂，喷入气化剂的作用①是对进入气化炉的煤粉进行有效的流化，使其能形成流化床，②是在通入气化剂的情况下，让煤粉与气化剂发生气化反应，生成粗粗煤气。本发明中，限定将二次喷嘴接口设置在中部变径段(从上至下看为缩径)上，一次喷嘴接口设置在下部变径段(从上至下看为缩径)上，可使进料煤粉在流化床气化炉内形成一个合理的分布梯度，同时使煤粉更好地集中和流化。特别地，喷嘴设置在变径段处配合其安装角度的设置，可保证气化炉内煤粉分布更加均匀。使气化剂与煤粉的接触更加充分，从而使气化炉内能量分布更加均匀，使气化反应更加充分，可有效提高煤粉的碳转化率和气化反应效率。从而解决气化炉内的碳转化率和气化效率不高的问题。所述一次喷嘴接口倾斜，与流化床气化炉的竖直中轴线成30～60°夹角，角度过大或过小都将无法保证气化剂与煤粉的充分有效接触反应，从而影响气化反应效率；所述二次喷嘴接口向上倾斜，与化床气化炉的竖直中轴线成45～90°夹角，角度过大或过小都将无法保证煤粉的充分有效流化，从而影响整个流化床气化反应的有效进行。
进一步的，对反应后的煤粉灰渣通过熔渣装置熔化形成熔渣后再排出，这样做的优点是：对于两次气化反应后煤粉灰渣进行高温熔化，熔渣以液态排出，可以保证气化炉内和旋风分离下来的灰渣中未反应的残碳得到充分反应，从而提高气化炉的整体碳转化率和气化效率。此外，由于采用熔渣方式，可保证煤中灰渣形成无毒的玻璃体渣，有利于灰渣的充分利用，同时，可以采用渣锁斗的排渣方式，可有效避免干法排渣的各种问题，从而保证气化炉的长周期稳定运行。
对于多管式旋风分离器分离出的粉尘通过返料口回送至流化床气化炉，回送至熔渣装置与二次喷嘴接口之间的位置，采用熔渣再气化的方式，可有效降低灰渣中的残碳量，提高气化炉的碳转化率。
有益效果：
1.本发明的方法采用锁斗加压给料的方式，能有效提高流化床气化炉(以下简称气化炉)的操作压力，使气化炉处理能力显著增加，单炉处理原料煤(入炉基)的公称能力最大可达2000t/d；
2.本发明的方法较常规的流化床气化技术相比，气化温度提高了100～250℃，气化压力提高了1.0～4.5MpaG，蒸汽分解率高、耗量少，并且采用气化炉底部熔渣再气化的方式，可不受原料煤反应活性的限制，原料适应性更广，可处理褐煤、次烟煤、烟煤等；
3.本发明的方法在气化炉顶部设置喷淋激冷装置，可有效防止熔融态的煤粉灰渣带出气化炉，同时采用多管式旋风分离器，对出气化炉粗煤气进行高效旋风除尘，可明显降低出气化炉粗煤气粉尘的夹带量，从而有效降低后续管道和设备堵塞和发生故障的风险；
4.本发明的方法对气化炉内未反应的煤粉灰渣和经高效旋风分离下来的高含碳量的飞灰采用熔渣再气化的方式，可有效降低灰渣中的残碳量，提高气化炉的碳转化率；
5.本发明的方法粗煤气中不含焦油等大分子有机物，产品气体洁净，同时避免了后续设备和管道因焦油等物质而发生堵塞的风险。
6.本发明的方法在气化炉中部设置了二次喷嘴再气化，使气化炉内反应温度流场分布更加均匀，气化反应更加完全，有效地提高了气化反应效率和热效率。
7.本发明的方法采用液态排渣方式，废水排放量较传统干法排渣的流化床气化技术少，污水处理负荷可显著降低，处理工艺也相对简单可靠；气化炉底部生成的融渣，经激冷固化后形成玻璃体渣，性质稳定，可用于建筑材料，填埋时对环境也无影响。
8.本发明的方法工艺流程简单、系统操作灵活简便，安全可靠、效率高、能耗低、对环境友好。
附图说明
图1为本发明方法工艺流程图暨系统图；
图2为本发明流化床气化炉结构示意图；
图3为本发明流化床气化炉俯视图。
其中：1—煤粉仓，2—煤粉锁斗，3—煤粉给料罐，4—流化床气化炉，4.1—顶部出口、4.2—喷淋激冷装置、4.3—二次喷嘴接口、4.4—进料口、4.5—一次喷嘴接口、4.6—返料口、4.7—燃料气烧嘴、4.8—底部出口、4.9-中部变径段、4.10-下部变径段，5—多管式旋风分离器，6—渣激冷罐，7—渣锁斗。
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，煤粉仓1、煤粉锁斗2、煤粉给料罐3和流化床气化炉4的进料口4.4依次连接，将原料煤粉用气流输送至流化床气化炉4进行气化反应，气化剂(氧气和蒸汽的混合物)经气化炉一次喷嘴接口4.5和二次喷嘴接口4.3进入流化床气化炉4内，与进入流化床气化炉4的原料煤粉进行气化反应，所述流化床气化炉4的顶部出口与多管式旋风分离器5连接，底部出口依次连接渣激冷罐6和渣锁斗7，所述多管式旋风分离器5的底部出口与流化床气化炉4的返料口连接。
参照图2和图3，所述气化炉4顶部设有粗煤气出口4.1和喷淋激冷装置4.2，所述喷淋激冷装置4.2具有在气化炉顶部成环状均匀分布的6～12个喷淋激冷接口，所述气化炉4具有中部变径段8和下部变径段9，在中部变径段4.9处设有16～32个二次喷嘴接口4.3，所述二次喷嘴接口4.3沿气化炉体在同一水平面上成环状均布，且每个二次喷嘴接口4.3斜向上与气化炉竖直中轴线成45～90°夹角a。所述气化炉4中部变径段4.9和下部变径段4.10之间设有进料口4.4，多个进料口4.4在流化床气化炉4同一水平面上成环状均布。所述下部变径段4.10处设有6～12个一次喷嘴接口4.5，所述一次喷嘴接口4.5沿气化炉体在同一水平面上成环状均布，且每个一次喷嘴接口4.5斜向上与气化炉竖直中轴线成30～60°夹角b。所述气化炉底部设有熔渣装置,所述熔渣装置为1～3层设置的3～9个燃料气烧嘴4.7，所述燃料气烧嘴4.7向上倾斜，与气化炉竖直中轴线成45～90°的夹角c,用于向炉内喷入燃料燃烧；返料口4.6位于下部变径段4.10和熔渣装置之间，斜向下与气化炉竖直中轴线成45～90°夹角，气化炉内反应后的煤粉灰渣及多管式旋风分离器5中通过返料口4.6返回的粉尘合并后，经气化炉底部的熔渣装置熔融成液态，再由气化炉底部出口4.8排出气化炉。
工艺过程与方法：
将原料煤经过破碎和磨煤干燥至粒度≤6mm，含水分≤10wt％的原料煤粉后，送入到煤粉仓1中，并由此进入到煤粉锁斗2中进行加压，采用高压氮气或高压二氧化碳气体，通过锁斗2加压系统将煤粉加压至1.0～5.0MPaG后，由输送载气(氮气/二氧化碳)经由煤粉给料罐3和气化炉进料口4.4送入到气化炉4内进行气化反应。进入到气化炉4中的煤粉被从下部变径段4.10上的一次喷嘴接口4.5喷入的气化剂(氧气/蒸汽)流化，形成流化床，煤粉与气化剂在流化状态下发生一系列的燃烧和气化反应，生成的粗煤气夹带煤粉上升，在气化炉中部变径段4.9再次被从气化炉中部二次喷嘴接口4.3通入的气化剂二次流化和发生进一步的气化反应，使由进料口4.4进入的煤粉充分气化生成粗煤气，并沿气化炉流化上升至气化炉顶部，在气化炉顶部被设置的喷淋激冷装置4.2喷出的激冷介质(锅炉水/蒸气)进行喷淋激冷至750～850℃后，由气化炉顶部出口4.1离开气化炉。气化炉内的反应温度可通过控制进入气化炉的煤粉、气化剂(氧气和蒸汽)的进料流量和比例来控制，通过合理调节，控制气化炉内的反应温度在1000～1300℃，并通过控制一次喷嘴接口4.5和二次喷嘴接口4.3进入的氧气和蒸汽的流速，控制煤粉在气化炉内的反应停留时间在20～90s，保证气化反应效果。流化床气化炉4顶部的喷淋激冷装置4.2可将粗煤气中可能携带的熔融态煤粉灰渣激冷成凝固态，并让其返回至气化炉内，使粗煤气中夹带的未完全反应的煤粉进一步反应，可减少出气化炉粗煤气的灰渣及其残炭夹带，同时提高气化反应的碳转化率。
从气化炉顶部出口4.1出来的粗煤气进入到与气化炉4相连的多管式多管式旋风除尘器5进行旋风除尘。该多管式旋风除尘器5可将气化炉出口粗煤气中粒径大于5μm以上的粉尘分离下来，分离效率可达99％以上。流化床气化炉4生成的粗煤气经过气化炉顶部的喷淋激冷装置和气化炉出口的多管式旋风分离器5除尘后，可将粗煤气中的粉尘大部分除去，并将含尘浓度降低至≤50mg/Nm3后，送下游工序进一步净化处理。
多管式旋风分离器5底部的返料管与气化炉底部的返料口4.6相连接，旋风分离器分离下来的粉尘，经分离器底部的返料管全部返回至气化炉底部，与气化炉内底部落下的未完全反应的残渣和煤粉混合物一起通过气化炉底部的熔渣装置4.7，进行高温气化和熔渣后(溶渣温度控制在1500～2000℃)，形成液态熔渣，从气化炉底部的熔渣出口4.8排出流化床气化炉4。气化炉底部的熔渣装置4.7具有燃料气喷嘴口，燃料气经由燃料气喷嘴口喷入燃烧，所使用的燃料气可以是天然气、液化石油气、或经处理后的粗煤气(热值要求≥2000KCal/Nm3)等，通过燃料气供给，将气化炉底部熔渣处的温度控制在1500～2000℃，保证落入到气化炉底部的固体物料(主要为灰渣和未完全反应的煤粉)能完全熔化形成液流，并顺利排出气化炉4。从气化炉底部出口4.8排出的熔融态渣，落入到与气化炉底部相连的的渣激冷罐6进行激冷至160～250℃后，再通过渣锁斗的排渣方式，将渣水混合物进一步冷却降温至50～80℃后排出气化系统。
经本发明生成的粗煤气送后续工序进行净化处理后，可送往下游装置用于燃烧发电或供热、化工产品生产、制氢和制取液体燃料等。采用本发明方法处理后的粗合成气中含尘量≤50mg/Nm3，再经后续常规的合成气洗涤工艺洗涤除尘后，可控制含尘量≤1mg/Nm3，气化炉底部排出的熔渣中的残碳量≤1.5％(干基)，气化炉的碳转化率≥96％，后续工序采用废热锅炉回收合成气中的热量，气化炉整体热效率≥98％。

Claims (7)

1.一种洁净煤加压流化床熔渣气化工艺，原料煤粉经加压后经进料口送入流化床气化炉内与气化剂进行气化反应得到粗合成气和煤粉灰渣，所述粗合成气上升由流化床气化炉的顶部出口送入多管式旋风分离器除尘，其特征在于，所述流化床气化炉在中部设有中部变径段，下部设有下部变径段，所述气化剂分别由设于下部变径段的一次喷嘴接口和设于中部变径段的二次喷嘴接口喷入流化床气化炉中，所述进料口位于中部变径段和下部变径段之间；所述原料煤粉进入流化床气化炉后，先被下部变径段的一次喷嘴接口喷入的气化剂流化并发生气化反应，生成的粗煤气夹带煤粉上升，在中部变径段再次被从气化炉中部的二次喷嘴接口通入的气化剂二次流化和发生进一步的气化反应，得到的粗合成气上升被流化床气化炉顶部环形设置的喷淋激冷装置喷出的激冷介质除渣激冷至750～850℃后再由顶部出口排出；所述煤粉灰渣下降被位于流化床气化炉底部的熔渣装置熔化并形成熔渣后由流化床气化炉的底部出口进入渣激冷罐激冷，再经渣锁斗排出，所述熔渣装置包括多个均匀分布的燃料气烧嘴，所述燃料气烧嘴向上倾斜，与气化炉竖直中轴线成45°～90°夹角。
2.如权利要求1所述的洁净煤加压流化床熔渣气化工艺，其特征在于，所述粗合成送入多管式旋风分离器分离出粒径大于5μm以上的粉尘，除尘后的粗合成气出多管式旋风分离器进入下游工序，分离出的煤粉由多管式旋风分离器底部出口排出经流化床气化炉的下部返料口进入流化床气化炉内，随煤粉灰渣一起被熔渣装置熔化并形成熔渣后由流化床气化炉的底部出口进入渣激冷罐激冷；所述返料口位于一次喷嘴接口和熔渣装置之间。
3.如权利要求1或2所述的洁净煤加压流化床熔渣气化工艺，其特征在于，原料煤粉加压至1.0～5.0MPaG，控制气化炉内的反应温度在1000～1300℃，溶渣温度控制在1500～2000℃。
4.如权利要求1或2所述的洁净煤加压流化床熔渣气化工艺，其特征在于，所述原料煤粉在气化炉内的反应停留时间为20～90s。
5.一种洁净煤加压流化床熔渣气化系统，包括流化床气化炉，其特征在于，所述流化床气化炉顶部出口下方环形设置有喷淋激冷装置，所述流化床气化炉的顶部出口与多管式旋风分离器连接，底部出口依次连接渣激冷罐和渣锁斗，所述流化床气化炉的中部设有中部变径段，下部设有下部变径段，底部设有熔渣装置，所述下部变径段均匀设有6～12个一次喷嘴接口、中部变径段均匀设有16～32个二次喷嘴接口，进料口位于中部变径段和下部变径段之间，所述熔渣装置包括多个均匀分布的燃料气烧嘴，所述燃料气烧嘴向上倾斜，与气化炉竖直中轴线成45°～90°夹角。
6.如权利要求5所述的洁净煤加压流化床熔渣气化系统，其特征在于，所述流化床气化炉下部一次喷嘴接口和熔渣装置之间设有返料口，所述多管式旋风分离器的底部出口与流化床气化炉上的返料口连接。
7.如权利要求5或6所述的洁净煤加压流化床熔渣气化系统，其特征在于，所述一次喷嘴接口向上倾斜，与流化床气化炉的竖直中轴线成30°～60°夹角；所述二次喷嘴接口向上倾斜，与化床气化炉的竖直中轴线成45°～90°夹角。
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