CN104893761B - 一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉，属于煤催化气化领域，能够在保证甲烷产量的前提下，提高碳质原料的转化率及热解程度，从而提高焦油产量，尤其是轻质焦油的产量。所述气化炉包括热解段及位于所述热解段下方的气化段，所述热解段的直径大于所述气化段的直径，所述气化段的上部嵌套在所述热解段的底部，并通过倒锥形热解段分布板连接至所述热解段的内壁，所述气化段的上部、所述倒锥形热解段分布板与所述热解段的底部内壁限定了热解段气室。本发明可用于联产甲烷及轻质焦油的气化工艺中。

Description

一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉

技术领域

本发明涉及煤催化气化领域，尤其涉及一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉。

背景技术

煤催化气化技术是煤洁净高效利用的一种重要方式。现有的煤催化气化炉包括一段床气化炉、两段床气化炉及三段床气化炉。在上述这些气化炉中，通常采用负载催化剂的碳质原料为原料，碳质原料在气化炉内经热解段提质后，会在气化段中在一定压力温度下与气化剂在催化剂的作用下进行催化气化反应，以在生成高浓度甲烷的同时，得到了高经济价值的煤焦油。

但在实际生产中，现有的气化炉中热解段设计并没有充分利用催化气化热解的特性，使得碳质原料在热解段内并未与气化剂得到有效接触，从而降低了碳质原料的转化率及热解程度，致使热解反应不充分，使最终获得的煤焦油产量低，尤其是具有高经济附加值的轻质焦油产量更低。因此，如何能够在保证甲烷产量的前提下提高焦油产量，尤其是轻质焦油的产量将是本领域技术人员所面临的重要课题。

发明内容

本发明提供了一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉，能够在保证甲烷产量的前提下，提高碳质原料的转化率及热解程度，从而提高焦油产量，尤其是轻质焦油的产量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉，所述气化炉包括热解段及位于所述热解段下方的气化段，所述热解段的直径大于所述气化段的直径，所述气化段的上部嵌套在所述热解段的底部，并通过倒锥形热解段分布板连接至所述热解段的内壁，所述气化段的上部、所述倒锥形热解段分布板与所述热解段的底部内壁限定了热解段气室。

所述热解段与所述气化段的直径比为2-3:1，所述热解段与所述气化段的高度比为0.4-0.5:1。

在与所述倒锥形热解段分布板相连地所述气化段的上部内壁还环设有喉管。

所述喉管具有文丘里管结构。

所述热解段气室内通入有含甲烷的热解流化气。

所述热解流化气包括气化炉出口处的合成气、焦炉煤气和经甲烷合成后的高浓度甲烷气中的至少一种，或者是CO、CO₂、H₂、N₂和水蒸气中的至少一种与甲烷的组合气。

所述倒锥形热解段分布板与水平面之间的夹角呈20°-70°。

所述倒锥形热解段分布板上设有开孔方向为竖直方向的分布板气孔。

所述分布板气孔的开孔率为0.2％-1％。

所述分布板气孔的孔径为0.4-2mm。

本发明提供了一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉，与现有技术中热解段与气化段的直径相同的气化炉相比，本申请中的气化炉增大了热解段的直径，这样可有效减小热解段内的气流速度，增长热解段中热解气化剂与碳质原料的接触时间，并且，在倒锥形热解段分布板布入的热解流化气的作用下，还可进一步增加热解流化气与碳质原料的接触时间及接触表面积，从而一方面促进煤热解的深度，生成更多的甲烷，另一方面，通过甲烷裂解出的活性基团与煤表面的官能团的结合，促进轻质焦油的生成。本发明所提供的气化炉通过合理设计热解段与气化段的直径比例及分布板结构，可使气化炉整体气化效率得到有效提高。

附图说明

图1为本发明实施例提供的联产甲烷及轻质焦油的气化炉的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的具有文丘里结构的喉管的气化炉的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的倒锥形热解分布板气孔的结构示意图；

图4为由对比例提供的气化炉结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉，所述气化炉包括热解段及位于热解段Y下方的气化段，热解段Y的直径大于气化段W的直径，气化段W的上部嵌套在热解段Y的底部，并通过倒锥形热解段分布板A连接至热解段Y的内壁，气化段W的上部、所述倒锥形热解段分布板A与热解段Y的底部内壁限定了热解段气室B。

在本发明实施例中，气化炉由上至下依次包括热解段Y和气化段W，其中，气化段的上部嵌套在热解段Y的底部，并采用光滑处理通过倒锥形热解段分布板A连接至热解段Y的内壁。在热解段上部的外侧壁上设有进料口E，在气化段的底部包括有气化段气室D以及布入气化段气室D中气化剂G的气化段分布板C。碳质原料(以下将以煤为例进行说明)在经由进料口E进入热解段后，首先经热解段提质得到热解气体和焦油产物，然后落入到气化炉气化段中与经气化段分布板布入的气化剂发生气化反应，生成高浓度甲烷合成气，包括甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳等。最后，气化炉内的高浓度甲烷合成气同热解气体与焦油产物一起从气化炉顶端排出气化炉系统，而原料渣则从气化炉底部的中心管H排出。

在上述过程中，由于热解段的直径增大，可使其内的气流速度有效减小，从而增长热解段中热解气化剂与碳质原料的接触时间。更主要的是，气化段的上部嵌套在热解段的底部，且与倒锥形热解段分布板A、热解段的底部内壁限定了热解段气室B。在本发明实施例中，热解段气室B内通入有含甲烷的热解流化气F，这样，在热解段提质过程中可进一步增加通过热解段气室B向热解段布入的热解流化气F与碳质颗粒的接触时间和接触表面。在本发明一优选实施例中，含甲烷的热解流化气F可以是气化炉出口处的合成气、焦炉煤气和经甲烷合成后的高浓度甲烷气中至少一种，或者是CO、CO₂、H₂、N₂和水蒸气中的至少一种与甲烷的组合气。可以理解的是，对于具体的热解流化气的选用，本领域技术人员可根据实际生产条件进行选用，只要热解流化气中含有一定浓度的甲烷气体即可。由于增长了热解流化气与碳质颗粒的接触时间以及增大了接触表面积，使得甲烷的活性裂解能力得到大大增强，这样水蒸气轻质化反应以及少部分的氢气和一氧化碳的轻质化反应的程度就可得到深化，从而可提高焦油产量，尤其是其中轻质焦油的产量。

在上述气化炉内，由于热解段与气化段内发生的反应不同，对二者的设计要求也有所不同，例如，热解段是为了增大热解流化气与碳质原料颗粒的接触面积，使最终获得的热解焦油轻质化程度更好，所以要求气速不易过高，所以其直径不易过小；而气化段内气化温度较高，要求气化段内返混程度高、传质传热速率快，因此要求气速高，气化段直径不易过大。所以，在本发明上述实施例的进一实施例中，热解段Y与气化段W的直径比为2-3:1，热解段Y与气化段W的高度比为0.4-0.5:1。但这里需要说明的是，气化段、热解段的直径、高度均由碳质原料的催化气化反应动力学决定，根据所反应的碳质原料的种类、性质的不同，可对气化段、热解段的直径、高度范围进行不断优化，所以在本实施例中并不做具体限定，只是结合本发明优选按上述参数设计。

正如上所述，通入到气化炉内热解段的碳质原料的种类、性质会有所不同，尤其是在其由进料口E进入到气化炉热解段后，原料颗粒会迅速被加热至500℃左右，此时，根据碳质原料的热稳定性的不同，可分为热稳定性差的原料和热稳定性好的原料。由于热稳定性不同，所以发生破碎的程度也大为不同。为了能够应对不同破碎程度的碳质原料颗粒由热解段落入到气化段的落入量，在上述进一实施例中，在与所述倒锥形热解段分布板A相连地气化段W的上部内壁还环设有喉管。

在上述实施例中，设置喉管可有效控制破碎程度不同的碳质原料颗粒落入到气化段的落入量。例如，热稳定性差的原料，其发生破碎的程度很高，从而产生了大量的粉煤。由于粒度变小，气化表面积增大，气化和热解速率加快，所以要求热解段中原料很快地落入到气化段中，即如图1所示结构。而针对热稳定性相对较高的原料而言，其热破碎程度低，且同时由于煤的变质程度较高、气化活性较低，所以要求热解段向气化段的落料量低，此时，就可通过在气化段顶部加装喉管来调控落入量，如图2所示。本领域技术人员知晓的是，上述热稳定性差的原料可以是褐煤或者热稳定性差的次烟煤，热稳定性相对较高的原料可以是无烟煤或烟煤。

在上述实施例的优选实施例中，所述喉管可具有文丘里管结构。这样可有效地控制落入到气化段的落入量，从而可使落入至气化段的碳质原料颗粒在气化段内能够提高与气化剂的接触面积，从而得到充分反应。可以理解的是，本实施例中并不对文丘里结构的设计参数做具体规定，可根据实际应用中待处理碳质原料的性质，由本领域技术人员对文丘里结构进行计算确定。

在本申请中，设置倒锥形热解段分布板是为了使热解段气室中的热解流化气更为均匀有效地布入到热解段中，但为了避免入炉的热解流化气体向中心发生聚并，减少气固接触表面积，在本发明的一优选实施例中，倒锥形热解段分布板A与水平面之间的夹角α呈20°-70°。在该角度范围内，可在加强热解段中气固接触的同时，将热解得到的半焦排入到气化段，从而避免入炉的流化气体向中心发生聚并。通过冷态测试结果表明，倒锥形热解段分布板角度α在20°-70°为易，优选为38°-55°。可以理解的是，本领域技术人员可根据生产中的实际情况对该角度进行调整，以确保热解段中的原料有效地落入到气化段中。

在本发明一优选实施例中，倒锥形热解段分布板A上设有开孔方向为竖直方向的分布板气孔L。这主要是因为分布板的开孔方向决定了气流的运动方向，合理的是，在热解段气流方向应减少水平方向的动量，以减少入炉的热解流化气与下部气化段产生的合成气气泡的聚并，故热解段分布板上方开孔的方向优选采用竖直方向的开孔方向，以达到布气均匀的目的，如图3所示。在本实施例中，分布板气孔L的开孔率为0.2％-1％，优选采用0.4％-0.6％。将分布板气孔的开孔率设置在上述范围内，可有效减少入炉的含甲烷的热解流化气与下部气化段产生的合成气气泡的聚并，从而增强热解流化气的有效布入。在一优选实施例中，分布板气孔L的孔径可为0.4-2mm，优选0.5-1.5mm。将分布板气孔的孔径在开孔率的基础上进一步设置在上述范围内，可进一步确保含甲烷的热解流化气从热解段气室中经由倒锥形热解段分布板布入到热解段内。

下面将结合具体实施例更详细地描述本发明所提供的联产甲烷及轻质焦油的气化炉。

实施例1

采用本发明所述的分布板流化床气化炉，其中热解段Y与气化段W的直径比为2，热解段Y与气化段W的高度比为0.5。采用如图2所示的热解段Y分布板设计，热解段Y分布板角度为45°；热解段Y分布板开孔率为0.4％，孔径为1mm。采用粒径为2mm以下的劣质褐煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt％。热解流化气采用气化炉出口干气，热解流化气量为气化炉出口气量的7％。气化炉操作压力为3.0mpa，试验过程中，监测各区域温度并对气化炉出口气体进行组分分析，试验持续进行72小时。

试验结果如下：

各区域监测温度为：热解区：520-600℃、气化区：720-780℃

气化产品产率值如表1所示：

表1 实施例1气化指标及气体组成均值表

炉内温度场分布均匀，排渣正常，气化炉整体稳定正常运行。

实施例2

采用本发明所述分布板流化床气化炉，其中热解段Y与气化段W的直径比为2.3，热解段Y与气化段W的高度比为0.4。采用如图3所示的热解分布板设计，热解段Y分布板角度为40°；热解段Y分布板开孔率为0.52％，孔径为0.8mm。采用粒径为1mm以下的劣次烟煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt％。热解流化气采用气化炉出口干气，热解流化气量为气化炉出口气量8％。气化炉操作压力为3.5mpa，试验过程中，监测各区域温度并对气化炉出口气体进行组分分析，试验持续进行80小时。

试验结果如下：

各区域监测温度为：热解区：550-650℃、气化区：750-800℃

气化产品产率值如表2所示：

表2 实施例2气化指标及气体组成均值表

炉内温度场分布均匀，排渣正常，气化炉整体稳定正常运行。

实施例3

采用本发明所述分布板流化床气化炉，其中热解段Y与气化段W的直径比为2.6，热解段Y与气化段W的高度比为0.45。采用如图2所示的热解分布板设计，热解段Y分布板角度为55°；热解段Y分布板开孔率为0.4％，孔径为1.5mm。采用粒径为1mm以下的烟煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt％。热解流化气采用气化炉出口干气，热解流化气量为气化炉出口气量8％。压力为3.0mpa，试验过程中，监测各区域温度并对气化炉出口气体进行组分分析，试验持续进行80小时。

试验结果如下：

各区域监测温度为：热解区：580-630℃、气化区：780-820℃、

气化产品产率值如表3所示：

表3 实施例3气化指标及气体组成均值表

炉内温度场分布均匀，排渣正常，气化炉整体稳定正常运行。

对比例

采用常规气化炉，其中热解段与气化段的直径比为1:1，热解段与气化段的高度比为0.5，内部采用溢流管设计(如图4所示)。热解段和气化段由一平板分布板(平板上开孔)分开，物料由进料口进入至热解段，累积达到一定高度后，热解后物料由溢流管下落至气化段，气化段产生的气体经过平板分布板使热解段物料保持流化状态。平板分布板开孔率为1％。采用粒径为2mm以下的劣质褐煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt％。热解流化气采用气化炉出口干气，热解流化气量为气化炉出口气量7％。气化炉操作压力为3.0mpa，试验过程中，监测各区域温度并对气化炉出口气体进行组分分析，试验持续进行72小时。

试验结果如下：

各区域监测温度为：热解区：520-600℃、气化区：720-780℃

气化产品产率值如表4所示：

表4 对比例气化指标及气体组成均值表

炉内温度场分布均匀，排渣正常，气化炉整体稳定正常运行。

在上述对比例和本发明实施例1-3中，碳转化率代表了整个气化炉的对碳质原料的处理能力，焦油产率及正己烷溶出率代表了所得到的焦油数量与品质，其中正己烷溶出率可以表示了焦油中轻质焦油的比重，甲烷收率则代表了所得到的甲烷产率(该产率排除了气化炉中灰分的影响)。由对比例和本发明实施例1-3可看出，对比上述任一指标，均发现在本发明实施例1-3中所提供的气化炉中均在产生高浓度甲烷的同时实现了提高催化热解轻质焦油产率，使得热解反应更加充分，从而得到更多的热解产品(包括焦油、甲烷)。

本发明所提供的气化炉通过合理设计热解段与气化段直径比例及分布板结构，使气化炉催化热解与催化气化段热量及能量相匹配，从而使气化炉的整体气化效率得到大幅提高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。

Claims (9)

1.一种联产甲烷及轻质焦油的气化炉，其特征在于，所述气化炉包括热解段及位于所述热解段下方的气化段，所述热解段的直径大于所述气化段的直径，所述气化段的上部嵌套在所述热解段的底部，并通过倒锥形热解段分布板连接至所述热解段的内壁，所述气化段的上部、所述倒锥形热解段分布板与所述热解段的底部内壁限定了热解段气室，其中，所述热解段气室内通入有含甲烷的热解流化气。

2.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述热解段与所述气化段的直径比为2-3:1，所述热解段与所述气化段的高度比为0.4-0.5:1。

3.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，在与所述倒锥形热解段分布板相连地所述气化段的上部内壁还环设有喉管。

4.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于，所述喉管具有文丘里管结构。

5.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述含甲烷的热解流化气包括气化炉出口处的合成气、焦炉煤气和经甲烷合成后的高浓度甲烷气中的至少一种，或者是CO、CO₂、H₂、N₂和水蒸气中的至少一种与甲烷的组合气。

6.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述倒锥形热解段分布板与水平面之间的夹角呈20°-70°。

7.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述倒锥形热解段分布板上设有开孔方向为竖直方向的分布板气孔。

8.根据权利要求7所述的气化炉，其特征在于，所述分布板气孔的开孔率为0.2％-1％。

9.根据权利要求8所述的气化炉，其特征在于，所述分布板气孔的孔径为0.4-2mm。