CN105154140A

CN105154140A - 一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法及设备

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Publication number: CN105154140A
Application number: CN201510655258.XA
Authority: CN
Inventors: 赵建涛; 房倚天; 黄戒介; 陈寒石; 张林仙; 李春玉; 郭金霞; 方惠斌; 张磊
Original assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Current assignee: Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2015-10-10
Filing date: 2015-10-10
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: CN105154140B

Abstract

一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法是干煤粉和气化剂从多段气流床气化炉的烧嘴垂直喷入高温气化段进行煤气化反应，产生的热煤气和熔渣向下流动高温变换段，变换喷淋水或低温蒸气从雾化喷头喷入气化炉经高温水蒸气变换反应生成H₂，煤气和灰渣通过导流管进入激冷段，煤气经冷却洗涤从粗煤气出口排出气化炉，送后系统净化处理。本发明具有易操作，热效率高，煤气氢含量高，煤种适应性好的优点。

Description

一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种干煤粉气流床气化技术，尤其涉及一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法及其设备。

背景技术

煤气化技术是煤化工产业的核心和龙头技术，也是实现煤炭高效洁净利用的关键技术之一。煤化工市场的迅速扩张，更促进了煤气化技术的长足进步，加压、大型化、原料适应性强是先进气化技术的发展方向。

气化技术按照气固接触的方式可分为固定床、流化床和气流床气化炉。其中，气流床气化炉具有生产能力大、碳转化率高、环境污染小的优点，是目前大规模煤化工过程的首选气化工艺。气流床气化工艺有干煤粉进料和水煤浆进料两种形式。比较而言，干煤粉进料可降低氧耗约15-20％，粗合成气中有效气(CO+H₂)浓度达90-93％，冷煤气效率78-83％，碳转化率>99％，在煤种适应性、碳转化率、氧耗、气化效率方面更有优势。主要的炉型包括：K-T炉、Shell炉、Prenflo炉和GSP炉等，国内的航天炉、TPRI以及东方炉等。

尽管干煤粉气流床气化技术已工业化成熟应用，但仍存在一些缺点：(1)普遍采用煤气高温激冷工艺，1200-1500℃的粗煤气激冷降温至200-250℃，煤气显热损失大；(2)粗煤气中CO浓度达65％以上，H₂含量低，对于需要氢气的化工合成过程，如合成氨、合成甲醇、合成油，后系统CO变换负荷大；(3)对于煤灰熔点高、黏温特性高的煤种，易造成排灰口堵塞，因此一般只适用于灰熔点小于1300℃的煤种。为改善上述缺点，科研技术人员提出了一些改进的气流床气化工艺。专利ZL01131780.9提出了两段式干煤粉气化炉，煤粉和氧气分两段加入气化炉，一段为高温气化段气化温度1300-1500℃，二段低温气化段气化温度900-1200℃，可以利用约500℃温差的煤气显热，提高了煤的气化效率。但实际操作中因二段煤粉反应不完全，碳转化率较低。ZL02131307.5提出了一种固体排渣的气流床气化装置，该气化炉结合了气流床和流化床气化炉特点，可利用高温气化的煤气和灰渣的显热，提高系统热效率，但气化炉的结构非常复杂。公开专利CN103998580A提出一种在压力下对固体燃料进行气流床气化的方法和装置，气化炉由两段组成，固体燃料和气化剂从顶部和中部多个喷嘴喷入气化炉，两段的温度可灵活控制，适应不同的物料。公开专利CN102676228A和CN102134512A分别提出采用顶部和上部多个烧嘴分级进料的气流床煤气化炉，有利于扩大气化炉的生产能力。但多喷嘴进料方式也造成控制系统复杂，增加了操作难度，而且不能解决高温显热利用的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种易操作，热效率高，煤气氢含量高，煤种适应性好的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法及设备。

本发明针对目前高温气流床煤气化炉存在的上述缺点，提出了耦合高温水煤气变换反应的气流床煤气化的方法及设备，其特点在于：首先煤与以氧气为主要成分的气化剂进行高温气化反应生成1200-1500℃富含CO的高温煤气；然后喷入水或蒸汽，煤气温度激冷降温至700-900℃，同时CO与高温水蒸气进行水煤气高温变换反应生成H₂和CO₂；最后富氢煤气经激冷降温排出气化炉。本发明方法可利用煤气显热进行高温变换反应，煤气中部分CO经高温水蒸气变换反应生成H₂，从而降低后系统的变换工艺的生产负荷15-30％，减少水蒸气消耗量，提高系统整体热效率，尤其适用于煤气化制富氢合成气的化学品合成和燃料生产过程。

本发明的方法是包括以下步骤：

(1)粒径小于200μm的干煤粉和气化剂从多段气流床气化炉顶部中心的烧嘴垂直喷入气化炉上部的高温气化段进行煤的气化反应，气化反应温度1200-1800℃，压力0.1-6.5MPa，气固接触时间5-20s；

(2)高温气化产生的热煤气和熔渣向下流动经扩口段至气化炉中部的高温变换段，变换喷淋水或低温蒸气从位于扩口段的雾化喷头喷入气化炉，降温至700-900℃，煤气中部分CO经高温水蒸气变换反应生成H₂，气体停留时间5-20s；

(3)高温变换后的煤气和灰渣通过导流管进入激冷段，导流管内通入激冷水，煤气经冷却洗涤，降温至100-300℃，同时煤气中的灰渣被循环渣水洗涤捕集；

(4)降温除渣后的粗煤气从气化炉激冷段上部的粗煤气出口排出气化炉，送后系统净化处理；灰渣由气化炉底部的下渣口排出，送灰水系统处理。

如上所述步骤(1)的气化剂由氧气、水蒸气、二氧化碳组成，氧气的体积百分含量70-90％，水蒸气的体积百分含量0-30％，二氧化碳的体积百分含量0-30％。

如上所述步骤(1)的氧气与干煤粉之间的比例为0.7-1.0kg氧气/kg煤。

所述步骤(2)的喷入高温变换段的变换喷淋水是20-60℃的煤气洗涤水、工业自来水、工业软化水或100-200℃的锅炉饱和水，用量为0.10-0.3kg水/kg煤。

所述步骤(2)的喷入高温变换段的低温蒸气的温度100-250℃，用量为0.8-1.2kg水蒸气/kg煤。

如上所述步骤(3)的激冷水是20-60℃的煤气洗涤水，用量为10kg-20kg水/kg煤。

如上所述步骤(4)的排出气化炉的粗煤气的干组成为，H₂的体积百分含量30-40％，CO的体积百分含量35-45％，CO₂的体积百分含量15-25％，N₂及其它杂质气体的体积百分含量2-7％。

为了实现本发明的目的，发明人设计了多段气流床气化炉，它包括炉体，高温气化段，高温变换段和激冷段，其特征在于炉体分为高温气化段，高温变换段和激冷段，高温气化段的内壁为水冷壁，外壁为圆柱形壳体，高温气化段顶部有煤粉和气化剂进口，高温气化段下部通过扩口段与高温变换段连接，扩口段的锥面均布雾化喷头，高温变换段下部变为收缩段，扩口段和高温变换段的内壁是耐火衬里，外壁为圆柱形壳体，收缩段内壁是耐火衬里，收缩段出口连接导流管，激冷段由收缩段，圆柱形壳体和导流管组成，导流管上部有激冷环，位于激冷段的圆柱形壳体上有激冷水进口，激冷水进口与激冷环连接，激冷段内下部有不少于2层的挡板，激冷段下部有从上到下依次有渣水进口和渣水出口，激冷段上部有粗煤气出口，底部有排渣口。

如上所述的高温气化段与高温变换段直径比为1:1.1-2，高度比1:0.5-1.5。

如上所述的扩口段的锥顶角α为60-150°。

如上所述的雾化喷头沿扩口段的锥面圆周均布4-20个，与水平面的夹角0-90°。

如上所述的激冷段内的挡板由多排水平倾斜45-75°的叶片、外圈和内圈组成，外圈与气化炉壳体连接，内圈形成中心孔，导流管穿过中心孔，并与内圈连接。

如上所述的激冷段内的挡板14的层数为2-20层。

本发明具有以下技术特点和优点：(1)高温气化段采用高温气化技术，碳转化率可达99％；(2)高温变换段加入变换喷淋水，可利用部分煤气显热产生水蒸气，提高系统热效率；(3)煤气中的水蒸气与CO进行水蒸气变换反应，生成H₂，可降低后系统变换负荷，减小后系统投资和操作成本；(4)高温气化段与变换段之间的扩口结构有利于熔渣的流动，可提高气化炉的煤种适应性；(5)煤气激冷段灰渣温度低，可避免下渣口和激冷环的损毁，有利于延长设备的运行周期。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步的详细说明。

图1是本发明多段气流床气化炉的结构示意图；

图2是本发明A－A结构示意图

图3是本发明挡板的正视结构示意图。

图4是本发明挡板的俯视结构示意图。

如图所示，1是气化炉炉体，2是高温气化段，3是高温变换段，4是激冷段，5是干煤粉和气化剂进口，6是水冷壁，7是气化炉外壳体，8是扩口段，9是收缩段，10是雾化喷头，11是耐火衬里，12是导流管，13是激冷环，14是挡板，15是激冷水进口，16是渣水进口，17是渣水出口，18是粗煤气出口，19是排渣口，20是挡板的叶片，21是挡板的外圈，22是挡板的内圈，23是挡板的中心孔。

具体实施方式

实施例1

多段气流床气化炉，它包括炉体1，高温气化段2，高温变换段3和激冷段4，其特征在于炉体1分为高温气化段2，高温变换段3和激冷段4，高温气化段2的内壁为水冷壁6，外壁为圆柱形壳体7，高温气化段2顶部有煤粉和气化剂进口5，高温气化段2下部通过扩口段8与高温变换段3连接，扩口段8的锥面均布变换喷淋水或低温蒸气的雾化喷头10，高温变换段3下部变为收缩段9，扩口段8和高温变换段3的内壁是耐火衬里11，外壁为圆柱形壳体7，收缩段9壁是耐火衬里11，收缩段9出口通过导流管12连接激冷段4，激冷段4由收缩段9，圆柱形壳体7和导流管12组成，导流管12上部有激冷环13，位于激冷段4的圆柱形壳体7上有激冷水进口15，激冷水进口15与激冷环13连接，激冷段4内下部有不少于2层的挡板14，激冷段4下部有从上到下依次有渣水进口16和渣水出口17，激冷段4上部有粗煤气出口18，底部有排渣口19，激冷段4内的挡板14由多排水平倾斜叶片20、外圈21和内圈22组成，挡板14的外圈21与气化炉壳体7连接，挡板14的内圈22形成中心孔23，导流管12穿过中心孔23，内圈22与导流管12连接。

多段气流床煤气化炉炉体总高10600mm。其中，高温气化段高度4500mm，内径450mm，器壁为盘管式水冷壁结构；高温变换段高度2500mm，内径750mm，器壁为刚玉耐火衬里结构；激冷段高度3600mm，内径750mm；扩口段锥顶角α为120°，沿扩口段的锥面圆周均布变换喷淋水雾化喷头4个，两两相对水平布置；激冷段内布置挡板5层，挡板叶片与水平面夹角成45°。

气化煤种为陕西烟煤，煤质分析结果见下表：

按照本发明所述的气化方法，粒径小于150μm的煤粉和气化剂(氧气和水蒸汽)从气化炉顶部中心的煤粉和气化剂进口5进入高温气化段2中进行气化反应，气化炉处理煤量和气化剂用量如下表所示。高温气化段2的气化温度1420℃，气化压力3.0MPa，反应生成的高温煤气和液态熔融灰渣并流向下通过扩口段8进入高温变换段3，30-40℃的煤气洗涤水从位于扩张口8锥面均布的4个雾化喷头10喷入高温煤气中，调节水量控制高温变换段3的操作温度900℃，煤气中部分CO与水蒸气进行变换反应生成H₂，同时液态灰渣冷却固化；富氢的变换煤气和灰渣通过导流管12进入激冷段4，激冷水通过位于导流管12上部的激冷环13通入激冷段4冷却煤气；洗涤循环渣水从激冷段中部的渣水进口16进入激冷段4中，从激冷段下部的渣水出口17排出气化炉；煤气穿过挡板14从渣水池中逸出，煤气中的灰渣被循环渣水洗涤捕集，同时进一步降低煤气温度至230℃；降温除渣后的粗煤气从气化炉激冷段上部的粗煤气出口18排出气化炉，灰渣从气化炉底部的下渣口19排出，送灰水系统处理。

气流床气化炉主要操作条件如下表：

气化实验结果如下表所示：

实施例2

多段气流床煤气化炉总高13800mm。其中，高温气化段高度5200mm，内径450mm，器壁为盘管式水冷壁结构；高温变换段高度4100mm，内径900mm，器壁为刚玉耐火衬里结构；激冷段高度4500mm，内径900mm；扩口段锥顶角α为60°，沿扩口段的锥面圆周均布变换喷淋水雾化喷头8个，水平向下45°两两相对布置；激冷段内布置挡板10层，挡板叶片与水平面夹角成60°，多段气流床煤气化炉其余同实施例1。

实验煤种性质如实施例1所述。按照本发明所述的气化方法，控制气化炉气化段温度1470℃，变换段温度700℃，激冷后煤气温度210℃，其余同实施例1。

气流床气化炉主要操作条件如下表：

气化实验结果如下表所示：

实施例3

多段气流床煤气化炉炉体总高14300mm。其中，高温气化段高度5500mm，内径800mm，器壁为盘管式水冷壁结构；高温变换段高度3700mm，内径1200mm，器壁为刚玉耐火衬里结构；激冷段高度5100mm，内径1200mm；扩口段锥顶角α为150°，沿扩口段的锥面圆周均布变换喷淋水雾化喷头12个，水平向下60°两两相对布置；激冷段内布置挡板15层，挡板叶片与水平面夹角成75°，多段气流床煤气化炉其余同实施例1。

实验煤种为新疆次烟煤，按照本发明所述的气化方法，控制气化炉气化段温度1360℃，变换段温度800℃，激冷后煤气温度210℃，其余同实施例1。

气化煤种新疆次烟煤的煤质分析结果见下表。

气流床气化炉主要操作条件如下表：

气化实验结果如下表所示：

实施例4

气化炉结构如实施例1所述，实验煤种性质如实施例3所述。按照本发明所述的气化方法，气化剂为氧气和二氧化碳，控制气化炉气化段温度1390℃，变换段温度700℃，激冷后煤气温度220℃，其余同实施例1。

气流床气化炉主要操作条件如下表：

气化实验结果如下表所示：

Claims

1.一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）粒径小于200μm的干煤粉和气化剂从多段气流床气化炉顶部中心的烧嘴垂直喷入气化炉上部的高温气化段进行煤的气化反应，气化反应温度1200-1800℃，压力0.1-6.5MPa，气固接触时间5-20s；

（2）高温气化产生的热煤气和熔渣向下流动经扩口段至气化炉中部的高温变换段，变换喷淋水或低温蒸气从位于扩口段的雾化喷头喷入气化炉，降温至700-900℃，煤气中部分CO经高温水蒸气变换反应生成H₂，气体停留时间5-20s；

（3）高温变换后的煤气和灰渣通过导流管进入激冷段，导流管内通入激冷水，煤气经冷却洗涤，降温至100-300℃，同时煤气中的灰渣被循环渣水洗涤捕集；

（4）降温除渣后的粗煤气从气化炉激冷段上部的粗煤气出口排出气化炉，送后系统净化处理；灰渣由气化炉底部的下渣口排出，送灰水系统处理。

2.如权利要求1所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法，其特征在于所述步骤（1）的气化剂由氧气、水蒸气、二氧化碳组成，氧气的体积百分含量70-90%，水蒸气的体积百分含量0-30%，二氧化碳的体积百分含量0-30%。

3.如权利要求2所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法，其特征在于所述步骤（1）的氧气与干煤粉之间的比例为0.7-1.0kg氧气/kg煤。

4.如权利要求1所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法，其特征在于所述步骤（2）的喷入高温变换段的变换喷淋水是20-60℃的煤气洗涤水、工业自来水、工业软化水或100-200℃的锅炉饱和水，用量为0.10-0.3kg水/kg煤。

5.如权利要求1所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法，其特征在于所述步骤（2）的喷入高温变换段的低温蒸气的温度100-250℃，用量为0.8-1.2kg水蒸气/kg煤。

6.如权利要求1所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法，其特征在于所述步骤（3）的激冷水是20-60℃的煤气洗涤水，用量为10kg-20kg水/kg煤。

7.如权利要求1－6任所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法，其特征在于所述步骤（4）的排出气化炉的粗煤气的干组成为，H₂的体积百分含量30-40%，CO的体积百分含量35-45%，CO₂的体积百分含量15-25%，N₂及其它杂质气体的体积百分含量2-7%。

8.如权利要求1－6任所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法使用的多段气流床气化炉，其特征在于它包括炉体（1），高温气化段（2），高温变换段（3）和激冷段（4），炉体（1）分为高温气化段（2），高温变换段（3）和激冷段（4），高温气化段（2）的内壁为水冷壁（6），外壁为圆柱形壳体（7），高温气化段2顶部有煤粉和气化剂进口（5），高温气化段（2）下部通过扩口段（8）与高温变换段（3）连接，扩口段（8）的锥面均布雾化喷头（10），高温变换段（3）下部变为收缩段（9），扩口段（8）和高温变换段（3）的内壁是耐火衬里（11），外壁为圆柱形壳体（7），收缩段（9）内壁是耐火衬里（11），收缩段（9）出口连接导流管（12），激冷段4由收缩段（9），圆柱形壳体（7）和导流管（12）组成，导流管（12）上部有激冷环（13），位于激冷段（4）的圆柱形壳体（7）上有激冷水进口（15），激冷水进口（15）与激冷环（13）连接，激冷段（4）内下部有不少于2层的挡板（14），激冷段（4）下部有从上到下依次有渣水进口（16）和渣水出口（17），激冷段（4）上部有粗煤气出口（18），底部有排渣口（19）。

9.如权利要求8所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法使用的多段气流床气化炉，其特征在于所述的高温气化段（2）与高温变换段（3）直径比为1:1.1-2，高度比1:0.5-1.5。

10.如权利要求8所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法使用的多段气流床气化炉，其特征在于所述的扩口段（8）的锥顶角α为60-150^o。

11.如权利要求8所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法使用的多段气流床气化炉，其特征在于所述的雾化喷头（10）沿扩口段（8）的锥面圆周均布4-20个，与水平面的夹角0-90^o。

12.如权利要求8所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法使用的多段气流床气化炉，其特征在于所述的挡板（14）由多排水平倾斜45-75^o的叶片（20）、外圈（21）和内圈（22）组成，外圈（21）与气化炉壳体（7）连接，内圈（22）形成中心孔（23），导流管（12）穿过中心孔（23），并与内圈（22）连接。

13.如权利要求8所述的一种耦合高温变换的多段气流床煤气化的方法使用的多段气流床气化炉，其特征在于所述挡板（14）的层数为2-20层。