CN104910969A - 一种新型褐煤气化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型褐煤气化系统及方法，包括气化炉、分离器、催化重整器、冷凝器，气化炉内自上而下分为上部区域、中部区域和下部区域，上部区域与中部区域之间设有缩径，上部区域的内设有下端开口的内筒，内筒内的空间为二次干燥区，中部区域为气化区，下部区域为储渣仓和排渣口；气化炉的顶端设有气化炉喷嘴，与螺旋进料机和空气介质的干法分选装置连接，侧壁设有高温煤气入口、出气口和气化剂入口；出气口与分离器、催化重整器、冷凝器依次连接。将干法分选、干燥、温和气化有机结合，具有节水、节能、气化效率高、产品气品质好等优点，可用于褐煤及高反应性含碳原料的温和气化，用来高效生产煤气、水煤气以及合成气。
Description
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系统及方法。
背景技术
能源是社会经济发展的基础，随着社会的发展，人们对能源的需求越来越多，能源的利用和开发制约着经济社会的发展，影响着人类赖以生存的自然环境。中国经济目前正处在从高速发展向平稳增长转型的关键阶段，处于工业化、城镇化发展的阶段，对能源的需求更加紧迫。目前，煤炭占我国一次能源生产和消费总量的75％和70％。这种生产和消费结构决定了未来几十年内，煤炭的主导地位不会改变，同时生产和利用煤炭所引起的环境问题也会日益突出。随着高阶煤资源的逐步减少，对低阶煤的开发和清洁利用更加紧迫。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方法，将会缓解我国能源需求的紧张局势。
褐煤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、灰分高等特性，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。
与高阶煤比，褐煤还具有氧含量高，富含碱金属碱土金属，挥发分高等特点，在热解和气化时的反应特性不同。褐煤等低阶煤在气化时，产生的活性较高的挥发分不能及时排出，与产生的焦颗粒发生相互作用。这种作用将会导致碱金属和碱土金属的挥发，改变半焦的结构(特别是促进芳环的缩聚反应)，改变催化剂的分布，最终改变焦的反应活性。
利用现有技术中的气化工艺(固定床、流化床和气流床气化工艺)气化褐煤等低阶煤时，都不同程度上受挥发分-焦相互作用的不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种节水、节能、气化效率高、产品气品质好的新型褐煤气化系统及方法。
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系统，包括气化炉、分离器、催化重整器、冷凝器，所述气化炉内自上而下分为上部区域、中部区域和下部区域，所述上部区域与中部区域之间设有缩径，所述上部区域的内设有下端开口的内筒，所述内筒内的空间为二次干燥区，所述中部区域为气化区，所述下部区域为储渣仓，所述储渣仓的底部设有排渣口；
所述气化炉的顶端设有气化炉喷嘴，所述气化炉喷嘴的下端伸入到所述内筒中，所述气化炉喷嘴的上端与螺旋进料机和空气介质的干法分选装置连接，所述上部区域的侧壁设有高温煤气入口；
所述中部区域的的上部为直筒状、下部为锥形状，所述直筒状的侧壁设有出气口，所述锥形状的侧壁设有气化剂入口；
所述出气口与所述分离器连接，所述分离器上端的气体出口分别与所述高温煤气入口和所述催化重整器的进口连接，所述催化重整器的出口与所述冷凝器连接；
所述分离器的下端设有含碳颗粒出口，所述催化重整器的上端和下端分别设有催化剂进口和失活催化剂出口，所述冷凝器设有煤气出口和循环水进、出口。
本发明的上述的新型褐煤气化系统实现褐煤气化的方法，采用褐煤为原料依次进行如下步骤：
以空气为介质脱除煤粉中的灰分和外水，并采用螺旋进料机输送至所述气化炉的二次干燥区；
在所述二次干燥区，煤粉进行二次干燥并与气化剂进行气化反应，所生成的挥发分和半焦并流进入所述气化区，所需热量来自内筒外部的高温煤气；
在所述气化区，半焦被分离和完全气化，固体部分进入所述储渣仓并通过所述排渣口排出；
在所述气化区生成的粗煤气和挥发分进入分离器，将煤气和含碳颗粒分离，分离的粗煤气一部分进入气化炉为二次干燥提供热量，含碳颗粒再次进入所述气化炉发生气化反应；
分离的粗煤气另一部分依次进入所述催化重整器和冷凝器，经过催化重整器进行净化，通过冷凝器降温，去除携带的水蒸气，获得净煤气，进入后续加工。
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系统及方法，将干法分选、干燥、温和气化有机结合，利用空气分选，高温煤气干燥，可在常压中低温(不高于1373K)条件下进行气化，具有节水、节能、气化效率高、产品气品质好等优点，可用于褐煤及高反应性含碳原料(如生物质)的温和气化，用来高效生产煤气、水煤气以及合成气。
附图说明
图1为本发明实施例提供的新型褐煤气化方法的流程示意图。
图2为本发明实施例提供的新型褐煤气化系统结构示意图。
图中：
1—螺旋进料机；2—气化炉喷嘴；3—高温煤气入口；4—内筒；5—二次干燥区；6—出气口；7—气化区；8—气化剂入口；9—储渣仓；10—排渣口；11—分离器；12—催化重整器；13—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系统，其较佳的具体实施方式是：
包括气化炉、分离器、催化重整器、冷凝器，所述气化炉内自上而下分为上部区域、中部区域和下部区域，所述上部区域与中部区域之间设有缩径，所述上部区域的内设有下端开口的内筒，所述内筒内的空间为二次干燥区，所述中部区域为气化区，所述下部区域为储渣仓，所述储渣仓的底部设有排渣口；
所述气化炉的顶端设有气化炉喷嘴，所述气化炉喷嘴的下端伸入到所述内筒中，所述气化炉喷嘴的上端与螺旋进料机和空气介质的干法分选装置连接，所述上部区域的侧壁设有高温煤气入口；
所述中部区域的的上部为直筒状、下部为锥形状，所述直筒状的侧壁设有出气口，所述锥形状的侧壁设有气化剂入口；
所述出气口与所述分离器连接，所述分离器上端的气体出口分别与所述高温煤气入口和所述催化重整器的进口连接，所述催化重整器的出口与所述冷凝器连接；
所述分离器的下端设有含碳颗粒出口，所述催化重整器的上端和下端分别设有催化剂进口和失活催化剂出口，所述冷凝器设有煤气出口和循环水进、出口。
所述气化炉的炉体采用耐火砖砌筑，外壁采用不锈钢材料。
所述催化重整器为一个或多个串联布置。
本发明的上述的新型褐煤气化系统实现褐煤气化的方法，其较佳的具体实施方式是：
采用褐煤为原料依次进行如下步骤：
以空气为介质脱除煤粉中的灰分和外水，并采用螺旋进料机输送至所述气化炉的二次干燥区；
在所述二次干燥区，煤粉进行二次干燥并与气化剂进行气化反应，所生成的挥发分和半焦并流进入所述气化区，所需热量来自内筒外部的高温煤气；
在所述气化区，半焦被分离和完全气化，固体部分进入所述储渣仓并通过所述排渣口排出；
在所述气化区生成的粗煤气和挥发分进入分离器，将煤气和含碳颗粒分离，分离的粗煤气一部分进入气化炉为二次干燥提供热量，含碳颗粒再次进入所述气化炉发生气化反应；
分离的粗煤气另一部分依次进入所述催化重整器和冷凝器，经过催化重整器进行净化，通过冷凝器降温，去除携带的水蒸气，获得净煤气，进入后续加工。
气化过程中采用的气化剂为H2O、O2及其混合气，所述气化炉采用自热式，并通过调节氧气、水蒸气的配比，维持反应温度。
所述气化炉的工作温度在800～1100℃。
所述催化重整器所用的催化剂为褐煤或负载金属褐煤经热解及水蒸气活化所得。
该方法生产煤气、水煤气及合成气能应用于甲醇、合成氨的生产、发电、化工领域。
为充分利用褐煤煤质特性，本发明的新型褐煤气化系统及方法，将褐煤的干燥、分选和气化有机结合，开发出了适合我国褐煤高灰、高水、高活性及易碎裂粉化等煤质特征的新型褐煤气化工艺系统(简称“DDI”气化技术)。以褐煤为原料，水蒸气和氧气为气化剂，采用下行床干燥、气化结合的方式，能够有效提高气体的质量和半焦转化效率。
能够有效气化褐煤和高转化率。
本发明的新型褐煤气化系统及方法，气化系统包括干法分选、二次干燥、温和气化炉和催化重整单元等。褐煤原煤首先进行破碎，送入干法分选装置在空气条件下脱灰脱水；分选后的原料经螺旋进料机，送入温和气化炉；煤粉和气化剂(H2O、O2、N2、CO2等)一起从气化炉顶部喷嘴并流进入气化炉，气化炉内设有内筒，煤粉和气化剂在内筒发生二次干燥和部分气化，生成挥发分和半焦，内筒外部由高温煤气提供热量；气化炉分为三个区域，上部区域主要发生二次干燥和部分气化反应，在中部区域，半焦和挥发分分离，半焦发生完全气化反应，下部区域为储渣仓和排渣口；生成的半焦和挥发分从上部区域进入中部区域，在此挥发分和半焦分离，半焦与二次通入的气化剂(H2O/O2)发生完全气化反应，生成的粗煤气和挥发分一起经出气口排出；粗煤气经分离器脱除含碳颗粒后，一部分从气化炉上部进入为二次干燥提供热量，另一部分进入催化重整装置，将少量的焦油催化转化为轻质气体，冷凝后得到高质量的合成气，分离器排出的含碳颗粒再次进入气化炉进行气化；在气化炉中部区域，半焦完全气化产生的灰渣进入储渣仓，通过排渣口排出。催化重整装置所用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。本发明将干法分选、干燥、温和气化有机结合，利用空气分选，高温煤气干燥，在常压中低温(不高于1373K)条件下进行气化，具有节水、节能、气化效率高、产品气品质好等优点。
具体包括：
新型褐煤气化系统及方法(包括干法分选、二次干燥、温和气化和合成气催化重整单元)，以储量丰富、含水含灰量大、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，为低阶煤的高效清洁利用提供了新的技术路线。
优选的，在本工艺系统的干法分选单元中，褐煤经过破碎后在空气条件下进行分选，脱除灰分和外水，准备煤样。
上述干法分选单元，采用空气为分选介质，而不采用水，节省水资源，分选效率高。
优选的，在本工艺系统的二次干燥单元中，褐煤经螺旋进料机，与气化剂一起连续地进入气化炉，在内筒发生二次干燥和部分气化反应；热量来自气化炉所产生的高温煤气。
上述二次干燥单元，内筒设置于气化炉内部，采用导热性好的材料；煤粉与气化剂并流向下流动；内筒外部为气化炉所产高温煤气。
优选的，在本工艺系统的气化炉单元中，炉体采用耐火砖砌筑，外壁采用不锈钢材料；气化炉分为三个区域：上部区域发生二次干燥和部分气化反应，在中部区域半焦得以分离和完全气化，下部区域为储渣仓和排渣口。
上述气化炉，煤粉和气化剂在内筒发生二次干燥和气化反应，所生成的挥发分和半焦并流进入中部区域，在此挥发分和半焦炭分离，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。
上述气化炉，在中部区域，分离的半焦和二次通入的气化剂(H2O、O2及其混合气)发生气化反应，生成粗煤气，与挥发分一起从出气口排出。
优选的，在本工艺的气化炉单元中，采用自热式。通过调节氧气、水蒸气的配比，维持反应器温度。
本工艺气化炉的工作温度低于1373K,增加炉体寿命。
优选的，在本工艺系统的气化炉单元，包括分离器；气化炉生成的粗煤气进入分离器，脱除其中的含碳颗粒；分离的粗煤气一部分进入气化炉为二次干燥提供热量，含碳颗粒再次进入气化炉发生气化反应。
上述气化炉单元中，粗煤气进入气化炉为二次干燥提供热量，提高了能源利用率，提高了气化效率。
上述气化炉单元中，经分离的含碳颗粒再次进入气化炉气化，减少了后续除尘负担，拓宽了进料粒度范围。
优选的，在合成气催化重整单元，其中焦油催化重整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装置中，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装置，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。
在上述合成气催化重整单元，根据需要，焦油催化重整装置为一个或多个串联布置。
优选的，在本工艺系统的合成气催化重整单元，经过催化重整，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。
优选的，本发明的褐煤气化系统及方法可用于生产煤气、水煤气和合成气，可用于甲醇、合成氨及IGCC发电，制氢等领域，可用于发电、化工多联产，资源配置合理。
优选的，本发明的褐煤气化系统，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工艺系统及方法的创新之处与有益效果是：
1.本发明的新型褐煤工艺系统及方法，采用干法分选、二次干燥、常压中低温气化，节省水资源、能源利用率高，节省成本，效益高；
2.本发明的新型褐煤气化系统及方法，产生的半焦和挥发分在中部区域分离，有利于减少半焦与挥发分相互作用的不利影响。半焦在底部与新加入的气化剂反应，快速气化；经分离器所得的含碳颗粒再次进入气化炉气化，高温煤气进入气化炉为二次干燥提供热量，提高了气化效率，拓宽了煤粉粒度。
3.本发明的新型褐煤气化系统及方法，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系统及方法，热解或气化所得半焦碳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。
具体实施例：
如图1、图2所示，褐煤经过破碎后进入干法分选装置，获得脱灰脱水后的煤样，经研磨筛分后获得60目—200目的煤粉，通过螺旋进料机，与惰性气体一起匀速进料，在喷嘴2处与反应气一起进入气化炉。进料前，将气化炉温度提高到所需温度(800～1100℃)。煤粉、反应气在二次干燥区5处干燥，发生氧化还原反应，生成CO、H2、CH4等有效气体，少量焦油和固体半焦。煤气和半焦在气化炉中部分离，煤气和少量焦油气从出气口6排出，气化剂入口8进入的H2O/O2与半焦发生完全气化反应，产生的煤气也通过出气口6排出气化炉，剩余残渣落入储渣仓9内，通过排渣口10排出，进行后续分析。煤气进入分离器，将所携带的少量固体颗粒除去，一部分从进气口3进入气化炉为二次干燥提供热量，一部分进入催化重整器，煤气和少量的焦油在碱金属和碱土金属的催化作用下生成有效气，提高了气体的质量，分离的含碳颗粒再次进入气化炉发生气化反应。煤气出焦油催化重整器后，进入冷凝器，将温度降低至100℃以内，净煤气进入下游工艺。通过煤气取样口，进行采样，分析组分。
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 (8)
1.一种新型褐煤气化系统，其特征在于，包括气化炉、分离器、催化重整器、冷凝器，所述气化炉内自上而下分为上部区域、中部区域和下部区域，所述上部区域与中部区域之间设有缩径，所述上部区域的内设有下端开口的内筒，所述内筒内的空间为二次干燥区，所述中部区域为气化区，所述下部区域为储渣仓，所述储渣仓的底部设有排渣口；
所述气化炉的顶端设有气化炉喷嘴，所述气化炉喷嘴的下端伸入到所述内筒中，所述气化炉喷嘴的上端与螺旋进料机和空气介质的干法分选装置连接，所述上部区域的侧壁设有高温煤气入口；
所述中部区域的的上部为直筒状、下部为锥形状，所述直筒状的侧壁设有出气口，所述锥形状的侧壁设有气化剂入口；
所述出气口与所述分离器连接，所述分离器上端的气体出口分别与所述高温煤气入口和所述催化重整器的进口连接，所述催化重整器的出口与所述冷凝器连接；
所述分离器的下端设有含碳颗粒出口，所述催化重整器的上端和下端分别设有催化剂进口和失活催化剂出口，所述冷凝器设有煤气出口和循环水进、出口。
2.根据权利要求1所述的新型褐煤气化系统，其特征在于，所述气化炉的炉体采用耐火砖砌筑，外壁采用不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的新型褐煤气化系统，其特征在于，所述催化重整器为一个或多个串联布置。
4.一种权利要求1、2或3所述的新型褐煤气化系统实现褐煤气化的方法，其特征在于，采用褐煤为原料依次进行如下步骤：
以空气为介质脱除煤粉中的灰分和外水，并采用螺旋进料机输送至所述气化炉的二次干燥区；
在所述二次干燥区，煤粉进行二次干燥并与气化剂进行气化反应，所生成的挥发分和半焦并流进入所述气化区，所需热量来自内筒外部的高温煤气；
在所述气化区，半焦被分离和完全气化，固体部分进入所述储渣仓并通过所述排渣口排出；
在所述气化区生成的粗煤气和挥发分进入分离器，将煤气和含碳颗粒分离，分离的粗煤气一部分进入气化炉为二次干燥提供热量，含碳颗粒再次进入所述气化炉发生气化反应；
分离的粗煤气另一部分依次进入所述催化重整器和冷凝器，经过催化重整器进行净化，通过冷凝器降温，去除携带的水蒸气，获得净煤气，进入后续加工。
5.根据权利要求4所述的褐煤气化的方法，其特征在于，气化过程中采用的气化剂为H2O、O2及其混合气，所述气化炉采用自热式，并通过调节氧气、水蒸气的配比，维持反应温度。
6.根据权利要求5所述的褐煤气化的方法，其特征在于，所述气化炉的工作温度在800～1100℃。
7.根据权利要求6所述的褐煤气化的方法，其特征在于，所述催化重整器所用的催化剂为褐煤或负载金属褐煤经热解及水蒸气活化所得。
8.根据权利要求7所述的褐煤气化的方法，其特征在于，该方法生产煤气、水煤气及合成气能应用于甲醇、合成氨的生产、发电、化工领域。
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