CN104593085B - 一种熔渣造粒煤气化炉及煤气制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔渣造粒煤气化炉及煤气制备工艺，煤气化炉主要由承压外壳、渣膜气化装置、环室结构渣池、激冷室、导管、对流冷却段等构成。该气化炉以干粉煤或水煤浆为原料，从旋流气化烧嘴与气化剂一起进入气化室进行燃烧气化。所形成的液态渣在旋流作用下与气化室壁面碰撞，并在重力作用下自上而下流动，进入环室结构的渣池，与从渣池上部送入的氧气发生进一步气化反应后从排渣孔排出；煤气主气流携带形成液滴进入激冷室，冷却至特定温度后通过导管送至对流冷却段进一步降低温度，最后经除尘净化后输出。通过渣池的液态渣滴也冷却形成固体颗粒，由干式集渣器收集并经冷渣器回收热量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于能源化工的煤气化设备及煤气化方法，特别涉及一种气流床煤气化装置及方法。
背景技术
煤气化技术广泛应用于煤制油气、化工合成、钢铁冶金、联合循环发电、燃料电池等领域。煤气化炉是煤基能源化工的龙头设备，近几十年来得到大家的普遍关注，形成了各种技术。固定床气化技术、流化床气化技术和气流床气化技术在国外均已率先开发出来并已经实现工业化。
气流床气化炉的气化温度和气化压力高、负荷大，煤种适应范围较广，是目前煤气化技术发展的主流。固定床气化炉和流化床气化炉的气化强度相对较低，不适合于煤的大规模气化。国外已工业化的气流床煤气化技术主要有以水煤浆为原料的GE(Texaco)气化技术，以干粉煤为原料的Shell气化技术、Prenflo气化技术、GSP气化技术等。我国也先后开发出了四喷嘴水煤浆气流床煤气化、灰熔聚流化床煤气化、非熔渣—熔渣分级气化和两段式煤气化等技术并得到了工业应用。
当前，在煤制天然气工艺里采用最多的是Lurgi固定床气化技术，生成的粗煤气中CH4含量高，可减小后续装置的规模及工艺消耗，降低能耗，有利于降低初投资及运行成本。但该气化技术的煤种适应性差，仅适用于块煤，不适用于末煤，还存在污染严重，大量含酚含油废水无法处理的难题。
对于一些特殊煤种，各种已有的气化炉都存在着技术难题。如新疆准东地区有3900亿吨煤炭资源，由于其煤质的特殊性，碱金属和氯离子含量高，导致常规的燃烧和气化技术无法正常进行，已发现气化炉内壁减薄和对流受热面积灰堵塞等问题。
水煤浆和干煤粉为主要原料的气化炉是大型高效煤气化炉的主要方式，多数已公开的这类气化炉通常采用液态排渣，气化炉在高温高压条件下运行，原料煤适应范围较广，碳转化率较高(>90％)，煤气一般无焦油和酚类，环境污染小，炉内采用水冷壁延长了炉内耐热材料的使用寿命。从实际运行情况来看，气流床气化技术目前还存在以下几个方面的问题。在GSP气化炉中，喷嘴出口处O2和煤粉发生强烈的氧化放热反应，导致主烧嘴容易被烧毁，使用寿命短。在变负荷工况下，炉内温度场和流场不易组织均匀，导致气化炉的实际碳转化率降低。在SHELL气化炉中，采用水淬除渣，降低能源利用效率。另一方面，一些液态排渣的气化炉，在正常运行时，炉内温度通常较高，对耐火材料容易造成烧蚀而威胁到水冷壁的正常运行，此外在负荷波动时也会出现液态排渣不畅的问题。这些气化炉通常煤气中的灰渣含量较高，严重影响后续煤气冷却设备的正常工作。特别是对烧准东煤的气化炉，对流受热面也会导致积灰和高温腐蚀等重大问题而不得不采用昂贵镍基材料。
发明内容
针对湿法排渣除尘强度大，热效率低，残渣含碳量高，渣池堵塞，主烧嘴寿命短等问题，本发明的目的在于提供一种干法排渣的熔渣造粒煤气化炉及煤气制备方法。具有气化强度高、捕渣率及碳转化率高、能源利用效率高、煤质要求低、系统投资低等特点。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种熔渣造粒气化炉，包括一个带水冷壁内衬的承压炉体、一个与该承压炉体通过桥管相连的侧位换热体，其特征在于，所述承压炉体与侧位换热体呈倒“h”型；所述承压炉体内设有渣池，将承压炉体内分成上部气化室和下部激冷室，渣池上方炉体内壁设有切向布置的补氧喷嘴，该渣池设有带中心煤气通道的环形状渣池底座，底座上方与水冷壁内衬形成一个环形空间，补氧喷嘴位于该环形空间上方，中心煤气通道的内环面上开有多个流渣孔；激冷室布置有煤气导管，该煤气导管通过桥管与换热体内下部的转弯气室相连，该转弯气室上部布置换热器；下部布置灰斗及排灰口，换热器上端的换热体顶部出口通过一除尘净化器输出洁净煤气。
上述方案中，所述煤气导管为一个直角弯管，其垂直部分过承压炉体的竖直中心，水平部分沿换热体切线方向联通到换热体内下部的转弯气室。
所述桥管上方、渣池下方的承压炉体外面周向均布至少两个切向引入激冷室的循环冷煤气入口，其通过循环压缩机连通换热体顶部出口。
所述水冷壁内衬为氮化硅内衬。
一种煤气的制备工艺，采用前述熔渣造粒气化炉实现，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将带有水蒸气的氧气气化剂以及水煤浆或CO2携带的干煤粉通过承压炉体顶部的旋流烧嘴，送入气化室中，进行气化反应，生成高温高压的粗煤气，由于气化剂的涡旋运动，大颗粒煤粉和熔渣液滴在离心力的作用下被水冷壁内衬捕捉，边气化边流动，进入环形结构的渣池；
(2)将氧气通过补氧喷嘴送入渣池的环形空间，与其中未燃尽的碳和高温熔渣发生C+1/2O2→CO的放热气化反应，使渣池内温度维持在不低于1300℃，不超过1400℃；
(3)步骤(2)气化反应的粗煤气经过环形渣池的中心煤气通道进入激冷室，液态熔渣从中心煤气通道内环面流渣孔排出，在激冷室中，高温粗煤气与熔渣液滴被冷却至700～1000℃，其中粗煤气经煤气导管沿换热体切向进入转弯气室；熔渣颗粒形成固体颗粒通过激冷室下部的干式集渣器收集后由冷渣器回收热能；
(4)进入转弯气室的煤气向上经换热器，将热量交换给工质水而降温至300℃以下，经除尘净化器除尘、脱硫、脱氨和脱水净化工艺后，成为温度约50℃的洁净煤气，输出后储存或供进一步使用；煤气中残余颗粒通过换热体下部灰斗从排灰口排出。
上述工艺中，所述气化室压力控制在0～9MPa，温度控制在1200～1400℃。
所述水煤浆混合有石灰石。
所述桥管上方、渣池下方的承压炉体外面周向均布至少两个切向引入激冷室的循环冷煤气入口，其通过循环压缩机连通换热体顶部出口，步骤(4)冷却后的一部分煤气由循环压缩机引入激冷室。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、采用分级补氧气化，使得主烧嘴处的氧浓度降低，降低了主烧嘴的温度，有利于主烧嘴寿命的提高。
2、采用环形结构的渣池和补氧喷口，有利于残焦的催化气化和提高转化率。
3、渣池的气化主要为碳氧放热反应，使得渣池处维持局部高温，有利于提高气化强度和提高熔融渣的流动性。
4、渣池的流渣孔将渣分散成多股流出，有利于破碎成液态渣滴为激冷室的渣滴固化提供条件。
5、气化炉的捕渣率高，气化产物中的灰渣浓度低，大大减轻了粗煤气净化系统的除尘负荷。
6、激冷室底部采用中心导管，实现了固体渣粒的分离，固态排渣并回收灰渣热能，有利于提高气化炉热效率。
7、气化炉内衬氮化硅材料，提高了导热率和热震性能。
8、激冷室采用水冷壁辐射冷却和循环冷煤气冷却以及添加石灰石，降低了煤气中的碱金属含量，是液态熔渣迅速固化，减少了后续受热面的积灰、腐蚀和磨损。
附图说明
以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明带环室结构的熔渣造粒气化炉结构示意图，其中(b)图为(a)图的俯视图。
图2为图1中环室渣池的结构图，其中(b)图为(a)图的俯视图。
图3为图1中再循环冷煤气入口的一个具体结构。
图1～图3中：1、承压炉体；2、旋流烧嘴；3、燃料入口；4、气化剂入口；5、气化室；6、水冷壁；7、补氧喷嘴；8、渣池；9、激冷室；10、煤气导管；11、集渣器；12、冷渣器；13、排渣口；14、排灰口；15、灰斗；16、转弯气室；17、冷却剂出口；18、换热管盘；19、冷却剂入口；20、除尘净化器；21、煤气出口；22、流渣孔；23、环形空间；24、渣池底座；25、中心煤气通道；26、循环冷煤气进口；27、循环压缩机。
具体实施方式
参考图1，一种带环室结构的熔渣造粒煤气化炉，包括承压炉体1和侧位换热体，两者呈倒“h”型，为了实现加压气化，承压炉体1顶部设置主旋流烧嘴2连通炉体内上部的气化室5，承压炉体1内四周为带内衬的水冷壁6，在中下部有环形结构的渣池8，渣池8的下部空间是激冷室9，激冷室9内布置有煤气导管10，煤气导管下方的激冷室底部设有干式集渣器11，集渣器下方布置冷渣器12和排渣口13。煤气导管10为一个直角弯管，其垂直部分过承压炉体1的竖直中心，水平部分沿换热体切线方向联通到换热体内下部的转弯气室16，转弯气室下方连通灰斗15和排灰口14。转弯气室上部连接一个或多个螺旋上升的换热管盘18(对流冷却段)，对流换热管盘18上端有冷却剂入口19、下端有冷却剂出口17。相对对流换热管盘上端换热体顶部出口分别连接循环压缩机27和除尘净化器20，除尘净化器上设置煤气出口21。
参见图2，渣池8设有带中心煤气通道25的环形状渣池底座24，该底座上方与水冷壁29(设有氮化硅内衬28)形成一个环形空间23，环形空间23上方炉体内壁设有切向布置的补氧喷嘴7，可以降低旋流烧嘴的氧气供给量，从而降低旋流烧嘴周围的温度，有利于延长烧嘴寿命，同时保证渣池的温度和将渣池内的固体残碳气化完全。补气喷口可沿切向斜向下一些，其倾斜角度为5～15°。
渣池底座24的内环面上开有流渣孔22，熔融渣从渣孔流出并被气流破碎成渣滴。流渣孔22也可由齿形的溢流渣槽代替。
参见图3，与循环压缩机27连接的循环冷煤气入口26，沿炉体周向均布四个，并切向引入激冷室9。
本发明粉煤中的大颗粒和燃烧气化过程形成的液态渣滴在强旋流离心力作用下甩向气化室内壁面上，形成一层高温热源面提供给碳粒气化所需的热量和场所。渣膜形成后，一部分碳粒粘附在渣膜表面上，它们的气化过程即在渣膜表面上进行。碳粒吸收渣膜的热量后迅速达到气化温度，同时气化剂和碳粒的相对速度很高，使气化产物的扩散过程加快，气化速度增加。因此煤粒中的可燃成份在高温下几乎全部气化，气化效率提高。另外由于熔渣运动速度缓慢，延长了碳粒在气化炉中气化反应时间，可以使气化过程中形成的焦油和酚类物质充分分解，粗煤气的有害成份大大减少，因此粗煤气净化流程和设备得以简化。熔渣在重力作用下自上而下流动，进入带有排渣孔的环室结构的渣池。由于渣池的特殊结构，未被渣膜捕捉到的碳粒会聚集到一个"专设"的环形区域内，碳粒一旦进入这个区域将很难离开，因此有足够的时间进行碳粒的气化反应。在这个区域内，补氧喷口送进来的氧气与碳粒发生放热气化反应(C+0.5O2→CO)对于维持环形结构渣池内的局部高温，保证液态熔渣的流动性具有重要作用。含有未完全气化碳的液态渣在渣池内与从渣池上部切向送入的氧气也会发生进一步的气化反应，充分气化后的液态渣由多个排渣孔排出并煤气主气流携带形成液滴进入激冷室。在激冷室内，高温煤气与切向进入的循环冷煤气强烈混合，冷却至特定温度；液态渣滴也在旋风冷气流的作用下冷却形成固体颗粒，并在离心力作用下甩至壁面然后滑落至干式集渣器和出渣设备并经冷渣器回收利用余热。煤气由设置在激冷室中心的导管引至对流冷却段下部的转弯气室，导管切向进入转弯气室有利于煤气中残余颗粒的进一步脱除。煤气经对流式的换热器进一步降低温度，一部分冷却后的烟气再由循环压缩机引入激冷室，其余经除尘净化后输出合成气。
本发明带环室结构的熔渣造粒气化炉的结构特点是：
高温高压下产生的液态熔渣沿气化室氮化硅内壁面在重力和气流动力的联合作用下边气化边流动，渣膜上发生的反应主要为C+CO2以及C+H2O的吸热气化反应。环形结构渣池内，未燃尽的碳主要集中在熔渣上部，在熔渣的催化作用下与补充的氧气发生C+1/2O2→CO的放热反应，有利于残碳的完全气化，提高碳转化率，同时对于保持渣池内的高温使排渣顺利。熔渣表面温度很高，可使焦油和酚类充分分解，使得煤气的净化流程和设备简化。熔渣造成固体颗粒干式排出，可吸收部分碱金属蒸汽，同时激冷煤气使煤气降温，减小了对流受热面积灰的程度。还可以将石灰石随煤一同送入气化室，石灰石及其在高温下的钙基产物在渣膜上和渣池内与灰渣和气相发生反应，可有效降低熔渣的熔点，在熔融状态下可以吸收煤中的氯元素和碱金属，从而有利于碱金属和氯离子含量高的准东煤等特殊煤种的气化。
用图1带环室结构的熔渣造粒气化炉制备煤气的一个具体工艺流程为：
(1)将氧气和水蒸气等气化剂通过气化剂进口4，混合有石灰石的水煤浆或CO2携带的干煤粉由燃料入口3通过主旋流烧嘴2，送入压力为3.5MPa温度为1300℃的气化室5中，煤与氧气水蒸气和CO2发生高温纯氧、水蒸气、CO2气化，经6s～12s的时间生成高温高压的粗煤气。由于气化剂的涡旋运动，在强漩涡的作用下，大颗粒煤粉和熔渣液滴在离心力的作用下被壁面氮化硅内衬膜捕捉，边气化边流动，进入环形结构的渣池8。
(2)渣池的环形空间23内聚集了未燃尽的碳和高温熔渣，与由补氧喷嘴7送入的氧气发生放热气化反应，该反应主要为C+1/2O2→CO的放热反应，提高碳转化率，维持渣池内温度在1400℃。
(3)1300℃～1400℃的高温粗煤气经过环形渣池的中心煤气通道25进入激冷室9，在此过程中，煤气将从流渣孔22排出的液态熔渣破碎成液滴。
(4)在激冷室9中，高温煤气和熔渣液滴被冷却至950℃，熔渣颗粒形成固体颗粒并在旋转离心力的作用下向壁面运动，并被干式集渣器11收集，由冷渣器12回收热能。
(5)降温后的煤气经中心布置的煤气导管10沿换热体切向进入转弯气室16，煤气中残余颗粒在此进一步脱除并经灰斗15和排灰口14排出。
(6)煤气向上经3个串联的对流换热管盘，将热量交换给工质水而降温，并利用其显热。经这一过程后煤气的温度降至300℃以下，一部分冷却后的烟气再由循环压缩机27引入激冷室9，其余经除尘净化器20除尘、脱硫、脱氨和脱水等一系列净化工艺后，成为温度约50℃的洁净煤气，输出后储存或供进一步使用。除尘净化器20可根据后续工艺流程进行选择。
本实施例制备的煤气，经检测，所得洁净煤气成分(体积百分比)见表1：
表1
本发明并不局限于以上实施例，根据煤种，气化炉中煤气压力范围可在0～9MPa、粗煤气温度在1200～1400℃选择，激冷后的煤气的温度可为700～1000℃，除尘净化后的煤气温度为30～200℃。
Claims (7)
1.一种熔渣造粒煤气化炉，包括一个带水冷壁内衬的承压炉体、一个与该承压炉体通过桥管相连的侧位换热体，其特征在于，所述承压炉体与侧位换热体呈倒“h”型；所述承压炉体内设有渣池，将承压炉体内分成上部气化室和下部激冷室，渣池上方炉体内壁设有切向布置的补氧喷嘴，该渣池设有带中心煤气通道的环形状渣池底座，底座上方与水冷壁内衬形成一个环形空间，补氧喷嘴位于该环形空间上方，中心煤气通道的内环面上开有多个流渣孔；激冷室布置有煤气导管，该煤气导管通过桥管与换热体内下部的转弯气室相连，该转弯气室上部布置换热器；下部布置灰斗及排灰口，换热器上端的换热体顶部出口通过一除尘净化器输出洁净煤气；所述桥管上方、渣池下方的承压炉体外面周向均布至少两个切向引入激冷室的循环冷煤气入口，其通过循环压缩机连通换热体顶部出口。
2.如权利要求1所述的熔渣造粒煤气化炉，其特征在于，所述煤气导管为一个直角弯管，其垂直部分过承压炉体的竖直中心，水平部分沿换热体切线方向联通到换热体内下部的转弯气室。
3.如权利要求1所述的熔渣造粒煤气化炉，其特征在于，所述水冷壁内衬为氮化硅内衬。
4.一种煤气的制备工艺，采用权利要求1所述的熔渣造粒煤气化炉实现，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将带有水蒸气的氧气气化剂以及水煤浆，或带有水蒸气的氧气气化剂以及CO2携带的干煤粉通过承压炉体顶部的旋流烧嘴，送入气化室中，进行气化反应，生成高温高压的粗煤气，由于气化剂的涡旋运动，大颗粒煤粉和熔渣液滴在离心力的作用下被水冷壁内衬捕捉，边气化边流动，进入环形结构的渣池；
(2)将氧气通过补氧喷嘴送入渣池的环形空间，与其中未燃尽的碳和高温熔渣发生C+1/2O2→CO的放热气化反应，使渣池内温度维持在不低于1300℃，不超过1400℃；
(3)步骤(2)气化反应的粗煤气经过环形渣池的中心煤气通道进入激冷室，液态熔渣从中心煤气通道内环面流渣孔排出，在激冷室中，高温粗煤气与熔渣液滴被冷却至700～1000℃，其中粗煤气经煤气导管沿换热体切向进入转弯气室；熔渣颗粒形成固体颗粒通过激冷室下部的干式集渣器收集后由冷渣器回收热能；
(4)进入转弯气室的煤气向上经换热器，将热量交换给工质水而降温至300℃以下，经除尘净化器除尘、脱硫、脱氨和脱水净化工艺后，成为温度50℃的洁净煤气，输出后储存或供进一步使用；煤气中残余颗粒通过换热体下部灰斗从排灰口排出。
5.如权利要求4所述的煤气的制备工艺，其特征在于，所述气化室压力控制在0～9MPa，温度控制在1200～1400℃。
6.如权利要求4所述的煤气的制备工艺，其特征在于，所述水煤浆混合有石灰石。
7.如权利要求4所述的煤气的制备工艺，其特征在于，桥管上方、渣池下方的承压炉体外面周向均布至少两个切向引入激冷室的循环冷煤气入口，其通过循环压缩机连通换热体顶部出口，步骤(4)冷却后的一部分煤气由循环压缩机引入激冷室。
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