CN105255522A

CN105255522A - 高温气化产物激冷变换净化装置及其工艺方法

Info

Publication number: CN105255522A
Application number: CN201510666422.7A
Authority: CN
Inventors: 倪建军; 池国镇; 张翔
Original assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: CN105255522B

Abstract

本发明公开了高温气化产物激冷变换净化装置其工艺方法，包括激冷变换室和洗涤除渣室，所述的激冷变换室洗涤除渣室为同轴设置，所述的激冷变换室内分层设有多种类型激冷环，所述洗涤除渣室设有中心下降管和环形上升通道，以及底部排渣和上部合成气出口，所述的激冷变换净化装置主要用于气流床气化产物冷却、变换和净化处理。本发明具有运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能等特点。

Description

高温气化产物激冷变换净化装置及其工艺方法

技术领域

本发明涉及高温气化产物激冷变换净化装置及其工艺方法，属于能源清洁利用技术领域。

背景技术

气流床气化技术是现代煤化工技术的龙头技术，也是整体煤气化联合循环发电(简称IGCC)的核心技术之一，主要担负着将煤等含碳固体燃料转化成以一氧化碳和氢气为主的合成气的任务。气流床气化过程在高温高压条件进行，气化产物除了一氧化碳和氢气外还伴随有大量的飞灰和熔渣。由于气流床气化过程大多采用高温液态排渣，无论是液态进料方式还是干法粉体进料方式，都将有大量的飞灰颗粒夹带于合成气之中，因此需要对合成气进行降温除灰。另外，干粉气化技术得到的气化产物中有效气含一氧化碳比例远远高于氢气，但是在实际煤化工和IGCC应用中大多以氢气为有效利用组分，因此后续工艺需要设置复杂的合成气变换系统。

当前已经工业化应用的气化技术中，主要采用废锅流程和激冷流程两种气流床气化技术，激冷流程如如Shell公司公开的气化专利CN200780037041，西门子公司公开的气化专利CN101255362，以上专利均采用了洗涤冷却的方法将高温合成气和灰渣直接冷却至200℃左右，灰渣通过水洗的方式从气化炉底部排出，该过程以物理过程为主，即水的蒸发吸热以及与合成气的混合过程。另外一种位废锅流程，如Shell公司公开的专利CN1639306等，该方法主要通过合成气激冷和余热锅炉热回收的方法使合成气得到降温，属于纯物理过程。以上两种以物理过程为主的方法未对合成气中组分进行调整，合成气中各有效气流量基本不变，因此后续工艺需要设置庞大而复杂的合成气变换系统，使一氧化碳按照工艺需求量与水蒸汽反应转换成氢气。

因此，开发一种同时兼含冷却除尘又能兼顾部分合成气变换的高温合成气净化设备将有助于推动气流床气化技术的广泛应用，以及简化系统工艺，降低生产成本。

发明内容

本发明的目的是解决高温合成气的降温除尘和变换一体化过程，对应开发一体化设备，在保证合成气有效降温除尘的基础上进行不依赖于外加化学药品的部分变换反应，从而实现低成本合成气组分调整，有效调整CO/H2值，并与现有气流床气化过程进行匹配。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，包括激冷变换室和洗涤除渣室，以及外部与气化炉一体化设计的承压外壳，所述激冷变换室与气化炉底部相接联通，激冷变换室的下面设有洗涤除渣室，所述气化炉、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置。

优选地，所述的激冷变换室上部设有一激冷环，该激冷环与激冷变换室同轴设置，激冷环由内而外设有1-3层，每层激冷环上设有若干激冷喷头，高压低温水/水蒸汽通过激冷环分配至各激冷喷头，通过激冷喷头雾化后喷入激冷变换室；

所述的激冷喷头与激冷变换室轴线形成一定夹角σ，夹角σ范围设为-45°~45°；

所述喷入水蒸汽/水的温度设为100℃~250℃，优选取值150℃~200℃。

所述的激冷变换室筒体侧面设有若干层激冷喷枪，该激冷喷枪沿激冷变换室筒体圆周布置，每层激冷喷枪设2~16支，优选为4~12支，喷入上述同等液态水或水蒸汽；

所述的激冷喷枪斜向下布置，与水平面形成一夹角α，α角度设为0°~60°，优选为15°~30°；

所述的激冷变换室入口采用扩口式设计，扩口角度ε设为15°~45°。

所述的激冷变换室底部采用锥形缩口设计，锥形缩口角度设为ω，优选范围5°~30°；

所述的锥形缩口上端设有一激冷环，激冷环沿激冷变换室内侧筒体同轴布置，激冷环上设有沿圆周布置的若干开孔，开孔方向与斜向下与锥体内侧相交，激冷水通过激冷喷口喷出沿锥形缩口内侧向下流入洗涤除渣室。

所述的激冷变换室内筒采用夹套室水冷壁设计，或可采用列管/盘管式水冷壁设计，保持水冷壁温度维持在500℃以下；

所述的激冷变换室顶部入口气化产物以合成气为主，夹带一定量灰渣，入口温度为1200℃~1600℃，经过顶部激冷环、侧面喷枪和下部激冷环等三级降温激冷变换，温度降至300℃~1000℃，CO体积流量下降5%~50%，H₂体积流量上升5%~50%。

所述的洗涤除渣室设有中心下降管和环形上升通道，底部设有鼓泡洗涤段，下降管直插如鼓泡池，环形通道设有若干层除泡板，合成气出口设于洗涤除渣室侧上方，底部鼓泡池设有静态破渣栅格，灰渣从底部排出；

所述的洗涤除渣室中心下降管与上部激冷变换室底部锥形缩口连接，激冷变换室直径D₀，下降管直径D₁，直径比D₀/D₁优选范围为1.5~3。

所述的洗涤除渣室渣池侧上方设有循环水入口，侧下方设有黑水出口，主要用于保持渣池液位稳定；

所述的洗涤除渣室上方合成气出口内侧设有除沫器，主要防止合成气带水和带灰。

为了实现上述高温气化产物激冷变换净化装置功能，采用如下工艺方法：

过程一：高温高压合成气夹带着气化过程中产生的液态灰渣通过导引管12进入激冷变换室，在导引管12的导引下，气渣混合物在导引管12下方在来自激冷环14上激冷喷头13的喷淋作用下，合成气迅速降温，熔融态灰渣迅速凝固，固化后向下汇聚流动，并在侧置激冷喷头11侧面偏向中心的喷淋作用下，合成气夹带灰渣流向中心聚集，最终流向洗涤除渣室，此时的合成气及灰渣物流温度通常为500~1000℃，由于温度、压力和水蒸汽分压的变换，在激冷变换室内还发生如下水蒸汽、CO的变换反应：

H₂O+CO≒CO₂+H₂

该反应为放热可逆反应，由于激冷变换室内相比气化炉内温度骤然下降，水蒸汽分压迅速提高，为变换反应提供了动力，根据经典变换反应常数计算可知，该变换反应可是合成气中组分发生明显调整，CO转化成H₂比例约为15%~50%。在底部激冷环的作用下合成气降温至200℃~500℃，进入洗涤除渣室。

过程二：喷淋水/蒸汽在激冷变换室下方的激冷变换室锥形出口6处汇集，向下流动，并在洗涤除渣室的下降管7内壁形成液膜，以进一步保护下降管7免受合成气和灰渣流的冲蚀。经激冷固化的灰渣在合成气的夹带下沿下降管7自上而下流动，在向下流动过程中，合成气夹带的灰渣颗粒被底部渣池9捕集，并经破渣格栅17破渣过滤处理后向下经排渣口10排出气化炉，合成气则经渣池9鼓泡洗涤后进入下降管7与气化炉壳体1之间形成的环隙，并沿环隙向上流动，夹带的泡沫和灰渣颗粒通过破泡板8进一步除去，剩余细灰和泡沫经过静态除沫器24过滤后，合成气充分除渣冷却后经气化炉侧面合成气出口15排出气化炉，此时合成气温度通常保持在200℃左右。

相比现有技术，本发明装置具有如下有益效果：

（1）高温熔渣和合成气在激冷变换室入口被低温物流瞬间激冷，熔渣瞬间固化，可有效避免熔渣形成结渣等恶劣工况，同时对合成气进行有效增湿，为水蒸汽和一氧化碳的变换反应创造有利条件；

（2）在激冷变换室内发生一定程度的水蒸汽和一氧化碳的变换反应，根据煤种和气化条件的不同，变换率达到15%~50%，可有效调整CO和H₂在合成气的摩尔比，可大幅降低后续变换工艺系统设备投资和运行维护成本；

（3）本发明采用先固渣再分离技术，将激冷与洗涤除渣分离，可有效提高低密度飞灰润湿增重后的脱除率，经过渣池鼓泡洗涤，大大降低飞灰夹带率，降低后续设备的积灰堵渣风险。

附图说明

图1为一种高温气化产物激冷变换净化装置的结构示意图；

图2为激冷喷枪界面示意图；

附图标记说明

I-气化区段；II-激冷变换区段；III-洗涤净化区段。

1－气化炉本体；2－激冷变换室；3－洗涤除渣室；4－气化炉下渣口；5－激冷环入口管；6－激冷变换室锥形出口；7－下降管；8－破泡板；9－渣池；10－排渣口；11－激冷喷枪；12－导引管；13－激冷喷头；14－入口激冷环；15－合成气出口；16－底部激冷环；17－破渣格栅；18－激冷变换室锥形出口；19－锥心破渣锥；20－循环洗涤水入口；21－黑水出口；22－承压壳体；23－水冷壁；24－除沫器；25－鼓泡床通道。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明为一种高温气化产物激冷变换净化装置，包括两个主要组成部分，分别为激冷变换室2和洗涤除渣室3。如图1所示，为一种高温气化产物激冷变换净化装置的结构示意图。激冷变换室上方为气化炉本体1，激冷变换室2的下面安置有洗涤除渣室3，气化炉本体1、激冷变换室2和洗涤除渣室3为同轴设置。最终气化产物气相从洗涤除渣室3侧上方流出，固相灰渣从洗涤除渣室3底部排出。

激冷变换室2包括与气化炉本体1出口4相连的导引管12、环形的激冷环14、沿环形布置安装在激冷环14上的激冷喷头13、冷却夹套23、激冷喷枪11、激冷环16、激冷变换室锥形底部18和承压壳体22等组成。在激冷变换室入口处安装有激冷环14和导引管12，激冷环14与导引管12的外侧连接，导引管12的形状为喇叭口状，其扩口角度ε为5～45°。导引管12外侧安装有激冷环14，每圈激冷环14上均安装有64～200个沿激冷环14圆周布置的激冷喷头13，激冷环14设为2～4圈，如图1所示。激冷喷头13的喷头与气化炉轴向形成的夹角角度σ范围设为-45°～45°，且每一圈喷头的轴向喷射角度可不一致。激冷喷头11的喷头与激冷变换室形成的夹角α为0°～60°。激冷环14的下方为激冷变换室锥形底部18，激冷变换室锥形底部18的锥形角度ω为15～75°，锥形设计可确保喷淋水/蒸汽夹带部分灰渣向下流动。锥形底部上扩口端部内侧设有激冷环16，该激冷环喷淋水方向与锥形底部内侧相交，使喷淋水在锥形端面上形成水膜，防止结渣堵渣，激冷变换室锥形底部18与激冷变换室锥形出口6连接。

洗涤除渣室包括与激冷变换室锥形出口6相连的下降管7、渣池9、破渣格栅17、破泡板8、排渣口10和合成气出口15等组成。在洗涤除渣室的中心安装有下降管7，其底部为渣池9，下降管7与激冷变换室同轴设置，均采用圆筒形结构设计。下降管7直径与气化炉本体内径的比值为0.1~0.6。下降管7与气化炉壳体1之间安装有破泡板8，破泡板8采用骨架式设计，破泡板8至少安装有一层。破泡板8上方的洗涤除渣室壳体22上（即在洗涤除渣室侧面中上部）开有合成气出口15，合成气出口内侧设有静态除沫器24，合成气出口15口径根据气化炉装置设计产量确定，控制气化炉合成气出口15流速为5~15m/s。渣池9内安装有破渣器，破渣器包括破渣格栅17和锥心破渣锥19，锥心破渣锥19安装在破渣格栅17的上方，破渣格栅17采用圆拱形格栅设计，且至少设有一层，破渣格栅17的格栅孔径20×20~200×200mm，破渣器下方为排渣口10。洗涤水可从洗涤水入口20进入渣池9，经处理后，将其从洗涤水出口21排出。

高温气化产物激冷变换净化装置的工艺过程主要分两个子过程，分别描述如下：

H₂O+CO≒CO₂+H₂

经以上两个过程，即完成了本发明的完整工艺过程。

下面结合采用本发明提供的高温气化产物激冷变换净化装置进行相应试验得到的结果对本发明作进一步说明：

实施例1

配套一台日处理2000吨煤的干煤粉加压气流床气化炉，使用本发明所述的高温气化产物激冷变换净化装置对合成气进行预处理。

合成气激冷变换室的筒体直径为2800mm，激冷环14设置三层，每激冷喷头13沿激冷环14均匀布置48个，喷淋液态水，外层向外角度15°，中间层垂直向下，内层角度-15°，喷射速度约5m/s。

侧面激冷喷枪设一层均匀布置共8个，喷射速度3.5m/s。

底部激冷环喷入约50t/h冷却水。

洗涤除渣室内采用4.0Mpa下的120℃的液态水进行喷淋。

经过测算，经过激冷变换室后CO体积流量下降30%，H₂体积流量上升94%，原干煤粉气化产物H₂/CO体积比约为0.32，经过激冷变换后调整为0.8857，激冷变换室出口合成气温度为850℃，洗涤除渣室合成气出口温度约为215℃。

与现有技术相比，本发明专利提供的合成气激冷变换净化技术：后系统甲烷化变换反应单元操作负荷降低>20%，操作成本降低>20%，一次性投资成本降低>10%，净化除渣效率提高>10%。

Claims

1.高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，包括激冷变换室（2）和洗涤除渣室（3）两个部分，所述的激冷变换室（2）上部与配套气流床气化炉连通，激冷变换室（2）的下面设有洗涤除渣室（3），所述气化炉本体（1）、激冷变换室（2）和洗涤除渣室（3）为同轴设置，所述的激冷变换室内设有三种激冷装置，分别为入口激冷环（14）、侧面激冷喷枪（11）和底部激冷环（16）；所述的洗涤除渣室为套筒式结构，中间为下降管（7），外部为环形鼓泡床通道（25）。

2.如权利要求1所述的高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，激冷变换室（2）上部设有气化炉出口接管（12），激冷变换室（2）的接管背面设有入口激冷环(14)，激冷变换室（2）的侧上部设有激冷喷枪（11），激冷变换室（2）的底部设有锥形出口（18），激冷变换室（2）的内侧为水冷壁结构（23），锥形出口（18）上端部内侧设有底部激冷环（16）；

所述的洗涤除渣室（3），中心为下降管（7），直接插入底部渣池（9），底部渣池（9）设有静态破渣器（17），洗涤除渣室（3）设有环形鼓泡床通道（25），合成气出口（15）位于洗涤除渣室侧上方，合成气出口（15）内侧设有静态除沫器（24）。

3.如权利要求2所述的高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，所述的上部激冷环（14）设置的激冷喷头（13）至少设有1-3层，激冷喷头（13）射流轴线与激冷变换室轴线形成一定夹角σ，夹角σ范围设为-45°~45°。

4.如权利要求2所述的高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，所述的激冷喷枪（11）斜向下布置，每层激冷喷枪设2~16支与水平面形成一夹角α，α角度设为0°~60°。

5.如权利要求2所述的高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，所述的底部激冷环（16）设有若干激冷水出口，激冷水方向直接贴锥形缩口（18）内侧向下流动。

6.如权利要求2所述的高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，所述的激冷环（14）和激冷喷枪（11）均喷入介质为水或水蒸汽，温度为100℃~250℃。

7.如权利要求4所述的高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，每层激冷喷枪设为4~12支，所述α角度设为15°~30°；所述的激冷环（14）和激冷喷枪（11）均喷入介质为水或水蒸汽，温度为150℃~200℃。

8.高温气化产物激冷变换净化工艺方法，利用如权利要求1所述的高温气化产物激冷变换净化装置，其特征在于，包含如下两个工艺过程：

过程一：高温高压合成气夹带着气化过程中产生的液态灰渣通过导引管（12）进入激冷变换室，在导引管（12）的导引下，气渣混合物在导引管（12）下方在来自激冷环（14）上激冷喷头（13）的喷淋作用下，合成气迅速降温，熔融态灰渣迅速凝固，固化后向下汇聚流动，并在侧置激冷喷头（11）侧面偏向中心的喷淋作用下，合成气夹带灰渣流向中心聚集，最终流向洗涤除渣室，此时的合成气及灰渣物流温度通常为500~1000℃，由于温度、压力和水蒸汽分压的变换，在激冷变换室内还发生如下水蒸汽、CO的变换反应：

H₂O+CO≒CO₂+H₂

该反应为放热可逆反应，由于激冷变换室内相比气化炉内温度骤然下降，水蒸汽分压迅速提高，为变换反应提供了动力，根据经典变换反应常数计算可知，该变换反应可是合成气中组分发生明显调整，CO转化成H2比例约为15%~50%；在底部激冷环的作用下合成气降温至200℃~500℃，进入洗涤除渣室；

过程二：喷淋水/蒸汽在激冷变换室下方的激冷变换室锥形出口（6）处汇集，向下流动，并在洗涤除渣室的下降管（7）内壁形成液膜，以进一步保护下降管（7）免受合成气和灰渣流的冲蚀；经激冷固化的灰渣在合成气的夹带下沿下降管（7）自上而下流动，在向下流动过程中，合成气夹带的灰渣颗粒被底部渣池（9）捕集，并经破渣格栅（17）破渣过滤处理后向下经排渣口（10）排出气化炉，合成气则经渣池（9）鼓泡洗涤后进入下降管（7）与气化炉壳体（1）之间形成的环隙，并沿环隙向上流动，夹带的泡沫和灰渣颗粒通过破泡板（8）进一步除去，剩余细灰和泡沫经过静态除沫器（24）过滤后，合成气充分除渣冷却后经气化炉侧面合成气出口（15）排出气化炉，此时合成气温度通常保持在200℃左右。