CN105176594A - 一种用于褐煤气化制还原气的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于褐煤气化制还原气的装置及方法。该装置包括气化重整炉、热解/部分气化炉、高温旋风分离器及半焦储罐；气化重整炉自上至下分为气体转换反应区、重整反应区及完全气化反应区，热解/部分气化炉炉内设有导流筒，该导流筒将热解/部分气化炉分为热解/部分气化区和半焦储仓；热解/部分气化炉炉体顶端设有喷嘴，底端设有半焦出口，炉体两侧对称设有热载体入口、挥发物出口。本发明还提供了一种褐煤气化制还原气的方法。通过本发明的装置及方法制备得到的还原气可以用于直接还原炼铁，合成甲醇，F-T合成及IGCC发电、制氢等领域。本发明具有节能、成本低，挥发分与半焦相互作用小，效率高，还原气品质好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于褐煤气化制还原气的装置及方法，属于冶金技术领域。
背景技术
直接还原炼铁是使用煤、气体或液体燃料为能源和还原剂，在铁矿石软化温度以下，不熔化即将铁矿石中氧化铁还原获得固态直接还原铁的工艺，该工艺不使用焦炭，不用烧结矿，具有优质、低耗、低污染的特点。其中，竖炉气井直接还原炼铁技术是近二十年发展起来的一种新兴非高炉炼铁技术，其依赖于优质的天然气资源和高品位的矿石资源，近几年在国外得到很好的应用发展，但在我国一直未得到较好的发展和应用，这主要受制于国内缺乏廉价的天然气资源和高品位、优质块矿。结合我国富煤、贫油、少气的资源条件及钢铁产业发展现状，开发以煤制气结合竖炉直接还原炼铁技术是适合我国发展新型炼铁技术的重要方向。
一般而言，竖炉直接还原炼铁对还原气的要求是，H2与CO的总体积分数大于90％，为1.0-4.0。现有的煤气化工艺均不能直接提供满足要求的气体组分，需要转换装置来调节气体组分，且普遍存在气化炉压力高，对原料要求苛刻、制气成本高、能耗高等不足。因此，开发适合直接还原炼铁工艺要求的新型气化工艺是非常必要的。以我国相对丰富、成本低廉的褐煤作为原料，采用新型气化工艺生产还原气，可大幅降低直接还原铁成本，是极具竞争力的技术路线。
与高阶煤比，褐煤具有氧含量高，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。褐煤在气化时，产生的活性较高的挥发分与产生的焦颗粒发生相互作用，这种作用将对气化过程产生一定的不利影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于褐煤气化制还原气的装置。
本发明的目的还在于提供一种使用上述用于褐煤气化制还原气装置的褐煤气化制还原气的方法。
为达上述目的，本发明提供了一种用于褐煤气化制还原气装置，其包括：气化重整炉、热解/部分气化炉、高温旋风分离器及半焦储罐；其中：
所述气化重整炉自上至下分为气体转换反应区、重整反应区及完全气化反应区，
所述完全气化反应区下部自上至下设有半焦返料口、气化剂入口及灰渣出口；所述气化剂入口对称设置于完全气化反应区下部；所述完全气化反应区与重整反应区之间对称设有挥发物入口；
所述重整反应区与气体转换反应区之间对称设有催化剂入口；所述催化剂入口通过管路与所述半焦储罐的出口相连；
所述气化重整炉的顶端设有还原气出口，该还原气出口通过管路与所述高温旋风分离器的入口相连；
所述热解/部分气化炉炉内设有导流筒，该导流筒将所述热解/部分气化炉分为热解/部分气化区和半焦储仓；热解/部分气化炉炉体顶端设有喷嘴，底端设有半焦出口，炉体两侧对称设有热载体入口、挥发物出口；
所述半焦出口通过管路与所述半焦储罐的入口及气化重整炉的半焦返料口相连；
所述挥发物出口通过管路与所述气化重整炉的挥发物入口相连；
所述热载体入口通过管路分别与所述高温旋风分离器的底端出口相连。
根据本发明所述的装置，优选地，该装置还包括废热锅炉，所述废热锅炉的入口通过管路与所述高温旋风分离器的顶端出气口相连。
根据本发明所述的装置，优选地，该装置还包括螺旋进料器，该螺旋进料器通过管路与所述喷嘴相连。
根据本发明所述的装置，优选地，所述气化重整炉的完全气化反应区设有气体分布板，该气体分布板位于完全气化反应区的下端，介于所述半焦返料口及气化剂入口之间，且该气体分布板通过出渣管与所述灰渣出口相连。气化过程中使用的气化剂通过气化剂入口进入重整反应炉后，再经气体分布板后与通过半焦返料口进入的半焦混合，发生完全气化反应，该气体分布板的作用是可以使得气化剂分布均匀。
根据本发明所述的装置，优选地，所述催化剂入口下侧安装有导流板，该导流板具有透气性，可以增加反应的时间。
根据本发明所述的装置，优选地，所述高温旋风分离器包括第一高温旋风分离器和第二高温旋风分离器，
所述气化重整炉的还原气出口通过管路与所述第一高温旋风分离器的入口相连，
所述第一高温旋风分离器的顶端出气口与所述第二高温旋风分离器的入口相连，
所述热载体入口通过管路分别与所述第一高温旋风分离器、第二高温旋风分离器的底端出口相连。
根据本发明所述的装置，优选地，所述热解/部分气化炉炉体采用耐火砖砌筑，外壁由不锈钢材料制成。
根据本发明所述的装置，所述导流筒为本领域常规装置，该导流筒为竖直圆筒，圆筒下部直径扩大，导流筒的设置有利于半焦的分离。
本发明还提供了一种褐煤气化制还原气的方法，其是通过使用上述装置实现的，该方法包括以下步骤：
a、将褐煤、热解/部分气化气化剂及热载体混合后，在所述热解/部分气化炉的热解/部分气化区发生不完全气化反应，得到挥发分和半焦；所述挥发分通过挥发物入口进入气化重整炉的重整反应区，所述半焦一部分通过半焦返料口进入气化重整炉的完全气化反应区，另一部分进入半焦储罐；
b、进入气化重整炉完全气化反应区的半焦与完全气化气化剂混合后，在完全气化反应区发生完全气化反应，得到粗煤气；
c、所述粗煤气、半焦、未反应的完全气化气化剂与进入气化重整炉重整反应区的挥发物在重整反应区发生重整反应，得到重整后的产物；
d、所述重整后的产物与催化剂在气化重整炉的气体转换反应区发生气体转换反应，得到合成气；
e、所述合成气经脱除热载体后，得到所述还原气。
根据本发明所述的方法，优选地，步骤a中所述含碳原料的粒径为10mm以下。
根据本发明所述的方法，优选地，以不完全气化反应得到的半焦的总重量为100％计，步骤a中所述通过半焦返料口进入气化重整炉的完全气化反应区的半焦占60％-90％。
根据本发明所述的方法，步骤a中所述的热解/部分气化气化剂包括空气、H2O、O2。该气化剂为本领域常用的气化剂，本领域技术人员还可以根据现场作业需要，在气化剂中添加合适的惰性气体组分，如在本发明的步骤a中，因发生的气化反应为不完全气化反应，所以本发明在步骤a中所用的热解/部分气化气化剂中添加了氮气或二氧化碳，以实现不完全气化反应；
步骤a中所述热载体与褐煤的质量比为1-12:1，热解/部分气化气化剂中的氧气与褐煤的质量比为0-0.5:1，热解/部分气化气化剂中的水蒸气与褐煤的质量比为0-0.6:1。
根据本发明所述的方法，步骤a中，在得到挥发分和半焦的同时，少量的焦油可以随着挥发物进入气化重整炉的重整反应区，进而被催化重整，可以提高气体的质量和气体产率。
根据本发明所述的方法，步骤b中所述的完全气化气化剂包括H2O和O2。该气化剂为本领域常用的气化剂，本领域技术人员还可以根据现场作业需要，在气化剂中添加合适的其它气体组分(如空气、CO2、H2等)，如在本发明的步骤b中，还可以在所用的完全气化气化剂中添加CO2气体；
步骤b所述完全气化气化剂中的氧气与半焦的质量比为0.5-1.0:1，完全气化气化剂中的水蒸气与半焦的质量比为0.3-1.0:1。
本发明褐煤气化制还原气的方法中包括的不完全气化反应、完全气化反应、重整反应及气体转换反应所涉及的反应参数，如反应温度、反应时间等均为本领域的公知技术常识，本发明对上述不完全气化反应、完全气化反应、重整反应及气体转换反应所涉及的反应温度、反应时间均不作要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要，选择合理的反应温度及反应时间进行反应。如，在本发明的优选的实施方式中，步骤a中所述的不完全气化反应的温度为600-900℃，步骤b中所述的完全气化反应的温度为900-1200℃。
根据本发明所述的方法，优选地，步骤d中所述的催化剂包括半焦催化剂或负载有活性组分的半焦催化剂。
根据本发明所述的方法，优选地，所述活性组分包括Fe、Ca、Ni、Na和K中的一种或几种的组合。本发明对负载有活性组分的半焦催化剂的制备方法不作要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要，选择合适的负载方法将上述Fe、Ca、Ni、Na和K等活性组分中的一种或几种的组合负载在半焦上，制备得到本发明所使用的负载有活性组分的半焦催化剂。
根据本发明所述的方法，优选地，所述步骤d为将重整后的产物与催化剂、金属氧化物和/或气体转换反应气化剂在气化重整炉的气体转换反应区发生气体转换反应，得到合成气。
根据本发明所述的方法，优选地，所述金属氧化物包括氧化钙。
根据本发明所述的方法，优选地，步骤d中所述的气体转换反应气化剂包括H2O和O2。该气化剂为本领域常用的气化剂，本领域技术人员还可以根据现场作业需要，在气化剂中添加合适的其它气体组分，如在本发明的步骤d中，还可以在所用的气体转换反应气化剂中添加CO2气体。
根据本发明所述的方法，当步骤d中添加的催化剂包括氧化钙和气化剂时，添加的CaO可以与CO2发生反应，起到脱碳作用，增加H2含量；而CaO与CO2发生反应生成的CaCO3进入完全气化反应区，该区温度较高，生成的CaCO3可以被分解为CaO和CO2，CO2又可以作为气化剂发生反应，CaO则可以脱除部分S后随灰渣而排出。
根据本发明优选的实施方式，上述褐煤气化制还原气的方法可以按照以下具体步骤实现：
a、将褐煤原煤进行破碎、研磨、筛分，得到粒径为10mm以下的煤粉，煤粉通过螺旋进料器，与气化剂(H2O、O2)及惰性气体(N2和CO2)通过喷嘴一并进入热解/部分气化炉的热解/部分气化区，再与通过热载体入口进入的热载体(高温灰)在热解/部分气化区混合，发生不完全气化反应，得到挥发分(CO、H2、CH4及轻质烃类)和半焦；所述挥发分和半焦进入导流筒，在导流筒出口挥发分和半焦进行分离，挥发分通过管路由挥发物出口排出由挥发物入口进入气化重整炉的重整反应区，半焦落入半焦储仓，一部分半焦通过半焦出口进入半焦储罐，另一部分半焦(占比60％-90％)通过返料系统从半焦返料口进入气化重整炉的完全气化反应区；
b、进入气化重整炉完全气化反应区的半焦被通过气化剂入口进入的完全气化气化剂(H2O、O2)流化，在完全气化反应区发生完全气化反应，得到粗煤气；
c、所述粗煤气、半焦、未反应气化剂与进入气化重整炉重整反应区的挥发物在重整反应区发生重整反应，将重质组分分解为轻质组分。
d、所述轻质组分通过导流板进入气化重整炉的气体转换反应区，与通过催化剂入口进入的催化剂、金属氧化物和/或气体转换反应气化剂(H2O、O2等)发生气体转换反应，将气体中的甲烷转换为CO和H2，得到合成气；CO也会与气体转换反应气化剂中的水汽发生变换反应，生成CO2和H2，从而减少CH4，CO的含量，此时可以得到富氢还原气。
所述催化剂包括半焦催化剂或负载有活性组分的半焦催化剂，上述活性组分包括Fe、Ca、Ni、Na和K中的一种或几种的组合。
e、所述合成气经脱除热载体后，得到所述还原气。
根据本发明所述的方法，步骤b中所述的完全气化气化剂(H2O、O2)通过气化剂入口进入后，可以被气化重整炉的出渣管预热，预热后的完全气化气化剂流经气体分布板后与半焦混合，发生完全气化反应。
通过本发明的用于褐煤气化制还原气的装置及方法制备得到的还原气可以用于直接还原炼铁，合成甲醇，F-T合成及IGCC发电、制氢等领域。
本发明将褐煤发生热解/部分气化反应得到的半焦和挥发物在热解/部分气化炉导流筒下端进行分离，有利于减少因半焦与挥发物的相互作用而对半焦活性产生的不利影响，再将半焦和挥发物分别进行气化和重整，并经催化转化，获得不需要转换的、可以直接用于还原炼铁的还原气，本发明在一套气化重整炉内完成气化、气体组分调整、脱硫脱碳，具有热效率高、成本低、得到的产品气品质好等优点。
在气化重整炉完全气化反应区生成的高温粗煤气分别经重质组分重整、催化转化，降低了煤气显热；同时，合成气经旋风分离器分离出的热载体可以为热解/部分气化炉提供热量，提高了能源的利用率，提高了气化效率，拓宽了煤粉粒度。
褐煤发生热解/部分气化反应得到的挥发物中含有少量焦油，该焦油可以随着挥发物进入气化重整炉的重整反应区，进而被催化重整，提高了气体的质量和气体产率。
褐煤发生热解/部分气化反应得到的半焦可以作为重整反应得到的轻质组分催化转化的催化剂，该半焦催化剂来源于褐煤发生热解/部分气化反应得到的产物，其成本低廉，实现了资源的充分利用。
而对于传统气化炉及气化方法，煤和气化剂在气化炉内完全气化生产合成气后，直接进行降温进行后续净化、利用，热损失大，煤气显热得不到有效利用。本发明对褐煤进行了分级气化，气体调整，气化炉内利用煤气显热进行了组分调节，充分利用了热量，所以具有热效率高的优点。
本发明的褐煤气化制还原气的装置及方法不需后续降温、变换等装置，在该方法中采用褐煤为原料，得到的还原气可以用于直接还原炼铁，合成甲醇，F-T合成及IGCC发电、制氢等领域，且成本低廉。
附图说明
图1为本发明褐煤气化制还原气的方法工艺流程图；
图2为本发明的褐煤气化制还原气的装置图。
主要附图标号说明：
1—气化重整炉；2—还原气出口；3—催化剂入口；4—导流板；5—挥发物入口；6—气体分布板；7—灰渣出口；8—气化剂入口；9—半焦返料口；10—第一高温旋风分离器；11—螺旋进料器；12—热载体入口；13—热解/部分气化炉；14—挥发物出口；15—导流筒；16—半焦储仓；17—半焦出口；18—半焦储罐；19—第二高温旋风分离器；20—废热锅炉；21—喷嘴；A—气体转换反应区；B—重整反应区；C—完全气化反应区。
具体实施方式
以下将通过具体的实施例及说明书附图详细地说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，但是不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种用于褐煤气化制还原气的装置，其包括气化重整炉1、热解/部分气化炉13、第一高温旋风分离器10、第二高温旋风分离器19、半焦储罐18及螺旋进料器11；其中：
所述气化重整炉1自上至下分为气体转换反应区A、重整反应区B及完全气化反应区C，
所述完全气化反应区C下部自上至下设有半焦返料口9、气体分布板6、气化剂入口8及灰渣出口7；所述气化剂入口8对称设置于完全气化反应区C下部；该气体分布板6介于所述半焦返料口9及气化剂入口8之间，且该气体分布板6通过出渣管与所述灰渣出口7相连；
所述完全气化反应区C与重整反应区B之间对称设有挥发物入口5；
所述重整反应区B与气体转换反应区A之间对称设有催化剂入口3；该催化剂入口3下侧安装有导流板4；
所述催化剂入口3通过管路与所述半焦储罐18的出口相连；
所述气化重整炉1的顶端设有还原气出口2，该还原气出口2通过管路与所述第一高温旋风分离器10的入口相连；
所述热解/部分气化炉13炉内设有导流筒15，该导流筒15将所述热解/部分气化炉13分为热解/部分气化区和半焦储仓16；热解/部分气化炉13炉体顶端设有喷嘴21，底端设有半焦出口17，炉体两侧对称设有热载体入口12、挥发物出口14；
所述半焦出口17通过管路分别与所述半焦储罐18的入口及气化重整炉1的半焦返料口9相连；
所述挥发物出口14通过管路与所述气化重整炉1的挥发物入口5相连；
所述热载体入口12通过管路分别与所述第一高温旋风分离器10、第二高温旋风分离器19的底端出口相连；
所述第一高温旋风分离器10的顶端出气口与所述第二高温旋风分离器19的入口相连；
所述废热锅炉20的入口通过管路与所述第二高温旋风分离器19的顶端出气口相连；
所述螺旋进料器11通过管路与所述喷嘴21相连，本发明的褐煤气化制还原气的装置图如图2所示。
实施例2
本实施例提供了一种褐煤气化制还原气的方法，该方法是通过使用实施例1所述的装置实现的，其工艺流程图如图1所述，褐煤气化制还原气的方法具体包括以下步骤：
a、将褐煤原煤进行破碎、研磨、筛分，得到粒径为10mm以下的煤粉，煤粉通过螺旋进料器11，与气化剂(H2O、O2)及惰性气体(N2和CO2)通过喷嘴21一并进入热解/部分气化炉13的热解/部分气化区，再与通过热载体入口12进入的热载体(高温灰)在热解/部分气化区混合，在600-900℃下发生不完全气化反应；所述热载体与煤粉的质量比为1-12:1，氧气与混合物料质量比为0-0.5:1，水蒸气与混合物料的质量比为0-0.6:1；得到挥发分(CO、H2、CH4及轻质烃类等)、固体半焦和少量焦油；所述挥发分和半焦进入导流筒15，在导流筒15出口挥发分和半焦进行分离，挥发分通过管路由挥发物出口14排出由挥发物入口5进入气化重整炉1的重整反应区B，半焦落入半焦储仓16，一部分半焦通过半焦出口17进入半焦储罐18，作为催化剂或负载活性组分后作为催化剂，送入气化重整炉1，另一部分占比60％-90％的半焦通过返料系统从半焦返料口9进入气化重整炉1的完全气化反应区C；
b、进入气化重整炉1完全气化反应区C的半焦被通过气化剂入口8进入的完全气化气化剂(H2O、O2)流化，氧气与半焦的质量比为0.5-1.0:1，水蒸气与半焦的质量比在0.3-1.0:1，在完全气化反应区C，在900-1200℃的温度条件下发生完全气化反应，得到粗煤气；
c、所述粗煤气、半焦、未反应气化剂与进入气化重整炉1重整反应区B的挥发物在重整反应区B发生重整反应，将重质组分分解为轻质组分。
d、所述轻质组分通过导流板4进入气化重整炉1的气体转换反应区A，与通过催化剂入口3进入的催化剂、金属氧化物CaO及气化剂发生气体转换反应，将气体中的甲烷转换为CO和H2，得到合成气；加入的催化剂是半焦或半焦负载活性组分(K、Na、Ca、Fe、Ni等)所得的催化剂。添加的CaO有助于H2的生成，脱除部分CO2，将CO2带入气体转换反应区C再次作为气化剂反应，CaO在此区脱除部分S，随灰渣从灰渣出口7排出；
e、所述合成气经气体转换反应区A调整后，得到富氢合成气，进入第一高温旋风分离器10，脱除热载体(高温灰)的还原气进入第二高温旋风分离器19，再次脱除热载体(高温灰)，脱除的高温灰作为热载体从热载体入口12进入热解/部分气化炉13以提供热量，得到的还原气可直接用于竖炉炼铁，根据需要也可进入废热锅炉20进行显热回收后再用于竖炉炼铁。
Claims (10)
1.一种用于褐煤气化制还原气的装置，其包括：气化重整炉、热解/部分气化炉、高温旋风分离器及半焦储罐；其中：
所述气化重整炉自上至下分为气体转换反应区、重整反应区及完全气化反应区，
所述完全气化反应区下部自上至下设有半焦返料口、气化剂入口及灰渣出口；所述气化剂入口对称设置于完全气化反应区下部；所述完全气化反应区与重整反应区之间对称设有挥发物入口；
所述重整反应区与气体转换反应区之间对称设有催化剂入口；所述催化剂入口通过管路与所述半焦储罐的出口相连；
所述气化重整炉的顶端设有还原气出口，该还原气出口通过管路与所述高温旋风分离器的入口相连；
所述热解/部分气化炉炉内设有导流筒，该导流筒将所述热解/部分气化炉分为热解/部分气化区和半焦储仓；热解/部分气化炉炉体顶端设有喷嘴，底端设有半焦出口，炉体两侧对称设有热载体入口、挥发物出口；
所述半焦出口通过管路分别与所述半焦储罐的入口及气化重整炉的半焦返料口相连；
所述挥发物出口通过管路与所述气化重整炉的挥发物入口相连；
所述热载体入口通过管路与所述高温旋风分离器的底端出口相连。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置还包括废热锅炉，所述废热锅炉的入口通过管路与所述高温旋风分离器的顶端出气口相连。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，该装置还包括螺旋进料器，该螺旋进料器通过管路与所述喷嘴相连。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述气化重整炉的完全气化反应区还设有气体分布板，该气体分布板位于完全气化反应区的下端，介于所述半焦返料口及气化剂入口之间，且该气体分布板通过出渣管与所述灰渣出口相连。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述催化剂入口下侧安装有导流板。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述高温旋风分离器包括第一高温旋风分离器和第二高温旋风分离器，
所述气化重整炉的还原气出口通过管路与所述第一高温旋风分离器的入口相连，
所述第一高温旋风分离器的顶端出气口与所述第二高温旋风分离器的入口相连，
所述热载体入口通过管路分别与所述第一高温旋风分离器、第二高温旋风分离器的底端出口相连。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热解/部分气化炉炉体采用耐火砖砌筑，外壁由不锈钢材料制成。
8.一种褐煤气化制还原气的方法，其是采用权利要求1-7任一项所述的褐煤气化制还原气的装置实现的，其中，该方法包括以下步骤：
a、将褐煤原料、热解/部分气化气化剂及热载体混合后，在所述热解/部分气化炉的热解/部分气化区发生不完全气化反应，得到挥发分和半焦；所述挥发分通过挥发物入口进入气化重整炉的重整反应区，所述半焦一部分通过半焦返料口进入气化重整炉的完全气化反应区，另一部分进入半焦储罐；
优选所述褐煤原料的粒径为10mm以下；
还优选以不完全气化反应得到的半焦的总重量为100％计，所述通过半焦返料口进入气化重整炉的完全气化反应区的半焦占60％-90％；
b、进入气化重整炉完全气化反应区的半焦与完全气化气化剂混合后，在完全气化反应区发生完全气化反应，得到粗煤气；
c、所述粗煤气、半焦、未反应的完全气化气化剂与进入气化重整炉重整反应区的挥发物在重整反应区发生重整反应，得到重整后的产物；
d、所述重整后的产物与催化剂在气化重整炉的气体转换反应区发生气体转换反应，得到合成气；
e、所述合成气经脱除热载体后，得到所述还原气。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤d中所述的催化剂包括半焦催化剂或负载有活性组分的半焦催化剂；优选所述活性组分包括Fe、Ca、Ni、Na和K中的一种或几种的组合。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述步骤d为将重整后的产物与催化剂、金属氧化物和/或气体转换反应气化剂在气化重整炉的气体转换反应区发生气体转换反应，得到合成气；
优选所述金属氧化物包括氧化钙；还优选所述的气体转换反应气化剂包括H2O和O2。
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