CN105396518A - 一种煤气化灰渣氧化脱碳的组合循环流化床反应器 - Google Patents

Abstract

一种煤气化灰渣氧化脱碳的组合循环流化床反应器装置，由快速流化床和湍动流化床组合而成；快速流化床下端设置气化灰渣入口、流化气入口、循环灰入口和换热介质入口，上端设置换热介质出口和流体出口，内部设置板式气体分布器和换热管束；密相流化床下端设置循环灰出口、灰分出口和流化气入口，床层段设置换热介质入口和换热介质出口，上端设置流体入口和烟气出口，内部设置环管式气体分布器、换热管束和气灰分离器；快速流化床上端所设置流体出口通过管路与密相流化床上端所设置流体入口联接；密相流化床下端所设置循环灰出口与快速流化床下端所设置循环灰入口联接。本发明装置具有操作稳定、反应脱碳率高、反应效率高和换热能力强等优势。

Description

一种煤气化灰渣氧化脱碳的组合循环流化床反应器

技术领域

本发明属于煤气化灰渣回收领域，特别涉及一种煤气化灰渣氧化脱碳的组合循环流化床反应器。

背景技术

我国化石能源呈现“富煤贫油少气”的资源禀赋，以煤炭为原料制石油化工替代产品的新型煤化工产业得以快速发展，同时也造成了严峻的环境污染。煤炭制石化替代产品主要以合成气-甲醇为关键平台原料。煤气化是煤化工产业的源头，相关技术发展迅速。Lurgi炉、BGL炉、GE气化炉、多喷嘴炉、清华炉、航天炉、Shell炉、GSP炉等多种煤气化炉取得了丰富的产业化成果。典型的煤气化技术主要以煤粉或水煤浆形式进料。不同煤种经不同煤气化技术气化后均会得到大量气化灰渣。气化灰渣主要由气化炉炉底灰渣和炉顶飞灰两部分组成。煤气化过程中产生的大量灰渣，不仅要占用大量土地储存，而且其渗滤液会对土壤和水体造成污染。煤气化灰渣含碳量一般高于20％,不能直接用于生产建筑材料、回填或作肥料。煤气化灰渣的资源化利用成为煤化工产业亟需解决的关键课题，尤其气化灰渣回收过程的反应器研发具有重要的工业应用价值。

在各种煤气化技术中，气化灰渣的副产是一个普遍存在的问题。煤气化灰渣的资源化回收利用既能提高灰渣的经济价值，又能解决灰渣储存带来的环境问题。CN104759249A提出将煤气化灰渣回收可溶性钾，并得到活性残渣的方法。CN103991898A提出将煤气化灰渣中的碱金属催化剂和稀有金属Ga同时回收的方法。CN102980195A提出将气化灰渣与煤泥按一定比例均匀掺混，然后加入白泥浆，在流化床锅炉内燃烧得以回收利用。研发煤气化灰渣氧化脱碳专用的反应器具有重要的工业应用前景，可以高效地实现气化灰渣的资源化回收利用，所得灰分可制作建筑材料，而灰渣中的碳燃烧释放热可能回收利用，例如联产蒸汽。

发明内容

针对上述技术流程复杂和成本高等不足，本发明提供了一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置。本发明组合循环流化床装置适合煤气化灰渣氧化脱碳的需求，具有操作稳定、反应脱碳率高、反应效率高和换热能力强等优势。

一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，所述组合循环流化床装置包括一个快速流化床和一个密相流化床组合而成；所述快速流化床为提升管式床体，优选为直径统一的提升管式床体；所述密相流化床包括床层段、锥形连接段和扩大段；所述快速流化床下端设置气化灰渣入口101、流化气入口102、循环灰入口104和换热介质入口105，上端设置换热介质出口107和流体出口108，内部设置板式气体分布器103和换热管束106；所述密相流化床下端设置循环灰出口113、灰分出口114、和流化气入口115，床层段设置换热介质入口116和换热介质出口110，上端设置流体入口109和烟气出口118，内部设置环管式气体分布器112、换热管束111和气灰分离器117；快速流化床上端所设置流体出口108通过管路与密相流化床上端所设置流体入口联接；密相流化床下端所设置循环灰出口113与快速流化床下端所设置循环灰入口104联接。

所述快速流化床内部设置的板式气体分布器103设置多个孔或多个喷嘴；所述板式气体分布器103的开孔率占分布板横截面积的0.1％～20％。

所述密相流化床内部设置的管式气体分布器112为环数为1～5环的环式结构，每个环上设置多个孔或多个喷嘴：所述管式气体分布器112的开孔面积或喷嘴面积占密相流化床床层段横截面积的0.1％～20％。

所述换热管束平行于流化床轴向排列；快速流化床内换热管束横截面积占床层横截面积的0.1～25％；密相流化床内换热管束横截面积占床层段横截面积的0.1～25％。

所述换热介质为冷却水、热水、蒸汽或导热油的一种或多种；

所述气灰分离器为旋风分离器、丝网过滤器或烧结管过滤器的一种或多种；

所述流化床装置的材质为耐高温碳钢或不锈钢。

所述流化床装置的床层温度为550℃～850℃。

所述流化床装置的床层操作压力为常压～0.5MPa。

所述流化气为空气或氧气；流化气同时起到氧化剂作用。

所述流化床的操作方法为：

a.气化灰渣从灰渣入口101投料入快速流化床，热灰分从循环灰入口104进入快速流化床，流化气从流化气入口102进入快速流化床后经气体分布器103分布后将气化灰渣和循环灰混合提升，在提升过程中部分流化气与灰渣发生氧化脱碳反应，然后混合流体从流体出口108离开快速流化床，混合流体可以包括烟气、灰分及未脱碳灰渣；与此同时，换热介质通过换热介质入口105进入流化床内的换热管束106，吸收反应热后从换热介质出口107离开快速流化床；

b.离开快速流化床的混合流体从流体入口109进入密相流化床床层，流化气从流化气入口115进入密相流化床后经气体分布器112分布后使床层密相流化，流化过程中流化气与未脱碳灰渣继续发生氧化脱碳反应，灰分分别经循环灰出口113和灰分出口114离开密相流化床，烟气经气灰分离器117之后由烟气出口118离开密相流化床；与此同时，换热介质通过换热介质入口116进入密相流化床内的换热管束111，吸收反应热后从换热介质出口110离开快速流化床。

根据本发明的另一方面，提供了一种对煤气化灰渣进行处理的流化床装置，包括：一个快速流化床和一个密相流化床；快速流化床下端设置气化灰渣入口(101)、流化气入口(102)、循环灰入口(104)和换热介质入口(105)，上端设置换热介质出口(107)和流体出口(108)，快速流化床还设置有第一换热器(106)；所述密相流化床下端设置循环灰出口(113)、灰分出口(114)、和流化气入口(115)，密相流化床上设置有换热介质入口(116)、换热介质出口(110)、流体入口(109)，密相流化床上端设置有烟气出口(118)，内部设置有气灰分离器(117)，密相流化床还设置有第二换热器(111)；快速流化床上端所设置的流体出口(108)通过管路与密相流化床上所设置的流体入口(109)联接；密相流化床下端所设置的循环灰出口(113)与快速流化床下端所设置的循环灰入口(104)联接，以及所述流化气包含空气或氧气作为氧化剂。

在一个示例中，所述快速流化床为直径统一的提升管式床体。

在一个示例中，所述密相流化床为湍动流化床，包括床层段、锥形连接段和扩大段。

在一个示例中，所述第一换热器为换热管束，设置在快速流化床内部，所述第二换热器为换热管束，设置在湍动流化床内部。

在一个示例中，所述快速流化床内部设置有板式气体分布器(103)，所述湍动流化床内部设置环管式气体分布器(112)。

当流化气不包含空气或氧气或者包含的空气或氧气不足以进行氧化脱碳反应时，在快速流化床和湍动流化床上设置有氧化剂入口，用于通入氧化剂。

根据本发明的另一方面，提供了一种对煤气化灰渣进行处理的流化床装置，包括一个密相流化床，密相流化床设置有气化灰渣入口、流化气入口、氧化剂入口、循环灰入口和换热介质入口、换热介质出口、烟气出口和换热器；所述密相流化床还设置有循环灰出口、灰分出口；其中循环灰出口通过外部管路连接到循环灰入口，以及流化气通过流化气入口进入，氧化剂通过氧化剂入口进入。在一个示例中，所述密相流化床是湍动流化床。在一个示例中，流化气中包含空气或氧气时，空气或氧气兼用作氧化剂，流化气入口与氧化剂入口为同一入口。

本发明的有益效果为：

本发明煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，能够实现不同煤种气化灰渣氧化脱碳制灰分并回收利用热能技术从实验室研究到大规模工业化的突破。

本发明煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，将快速流化床和密相流化床组合起来，灰渣氧化脱碳反应充分，保证了高脱碳率；流化床处理能力大，换热能力强。

附图说明

图1为本发明的一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置的结构示意图；

图中标号：101-灰渣入口；102、115-流化气入口；103、112-气体分布器；104-循环灰入口；105、116-换热介质入口；106、111-换热管束；107、110-换热介质出口；108-流体出口；109-流体入口；113-循环灰入口；114-灰分出口；117-气灰分离器；118-烟气出口；

具体实施方式

本发明提供了一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

需要说明的是，本文中的“气化灰渣”是指各种煤种以水煤浆或煤粉形式经各种气化炉所得气化灰渣，但不限于上述气化灰渣，也适用于其他工艺副产一定含碳率的灰渣。

根据本发明的一个实施例，提供了一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，所述组合循环流化床装置包括一个快速流化床和一个密相流化床组合而成；所述快速流化床为直径统一的提升管式床体；所述密相流化床包括床层段、锥形连接段和扩大段；所述快速流化床下端设置气化灰渣入口101、流化气入口102、循环灰入口104和换热介质入口105，上端设置换热介质出口107和流体出口108，内部设置板式气体分布器103和换热管束106；所述密相流化床下端设置循环灰出口113、灰分出口114、和流化气入口115，床层段设置换热介质入口116和换热介质出口110，上端设置流体入口109和烟气出口118，内部设置环管式气体分布器112、换热管束111和气灰分离器117；快速流化床上端所设置流体出口108通过管路与密相流化床上端所设置流体入口联接；密相流化床下端所设置循环灰出口113与快速流化床下端所设置循环灰入口104联接。

本实施例中采用快速流化床和密相流化床组合的循环流化床的发明理念在于，(1)快速流化床内，进入的气化灰渣、循环灰在流化气体的作用下形成快速床流动状态，流化气体包含空气或氧气，兼做氧化剂，与进料的气化灰渣和/或循环灰未完全氧化的部分发生氧化脱碳反应，然后气体携带着固体组成的混合流体离开快速流化床，进入密相流化床；(2)密相流化床内流化气速较慢，适于使得灰渣中未发生氧化脱碳的部分与流化气充分接触、充分进行氧化脱碳反应；(3)密相流化床所得灰分中的一部分作为循环灰返回到快速流化床，循环灰所携带的热传给进料的气化灰渣，从而使得在稳态运行时，能够不需要外加的热源。

上面的示例中，快速流化床被说明为直径统一的提升管式流化床，不过这仅为示例，本发明并不局限于此，快速流化床可以是非直径统一形式的提升管式流化床，也可以是不同于提升管的其它形式的快速流化床，例如锥形提升管。

在上面的示例中，快速流化床之后连接了密相流化床，例如湍动流化床。在替代的实施例中，快速流化床之后也可以连接其他类型的密相流化床，例如鼓泡流化床。

在上面的示例中，密相流化床被举例为包括床层段、锥形连接段和扩大段。不过此为优选示例，密相流化床可以为其他形式，例如具有更多的段或者更少的段。

上述从流体出口离开的流体是混合流体，可以包括各种气体、灰分、未完全反应的灰渣、循环灰等中的一种或多种。这里的各种气体可以包括未反应的流化气体和烟气。快速流化床中的气体快速携带灰分等从气体出口离开，经流体入口109进入密相流化床。

上面的示例中，采用了快速流化床和密相流化床的组合循环流化床，作为进行煤气化灰渣氧化脱碳同时进行热量回收的优选方案。在替代的实施例中，可以只采用单个密相流化床来进行上述氧化脱碳反应。

上面的示例中，组合循环流化床采用了一个快速流化床和一个密相流化床，作为进行煤气化灰渣氧化脱碳同时进行热量回收的优选方案。在替代的实施例中，组合方式可以采用不止一个(即多个)快速流化床和一个密相流化床，一个快速流化床和多个密相流化床，多个快速流化床和多个密相流化床的形式。

循环灰的量可以根据进料的气化灰渣的量来调节，使得能够将充分的热传给气化灰渣。优选地，循环灰的量大于气化灰渣的量，例如两者的比例可以为40:1～120:1。

上面的示例中，以空气或氧气兼作流化气体和氧化剂，此为优选示例。在替代实施例中，可以以其他气体作为流化气本身或者作为补充流化气，例如惰性气体氦气、氪气等，而以专门的纯氧或空气作为氧化剂。此时，流化气体和氧化剂可以从分开的两个入口进入，也可以在混合后经由一个气体入口输入。

在氧气供应充足情况下，采用氧气为流化气和氧化剂可以缩小反应器尺寸并相应降低设备费用。

所述快速流化床内部设置的板式气体分布器103设置多个孔或多个喷嘴；所述板式气体分布器103的开孔率占分布板横截面积的0.1％～20％。

所述密相流化床内部设置的管式气体分布器112为环数为1～5环的环式结构，每个环上设置多个孔或多个喷嘴：所述管式气体分布器112的开孔面积或喷嘴面积占密相流化床床层段横截面积的0.1％～20％。

所述换热管束平行于流化床轴向排列；快速流化床内换热管束横截面积占床层横截面积的0.1～25％；密相流化床内换热管束横截面积占床层段横截面积的0.1～25％。

所述换热介质为冷却水、热水、蒸汽或导热油的一种或多种；

所述气灰分离器117为旋风分离器、丝网过滤器或烧结管过滤器的一种或多种；

所述流化床装置的材质为耐高温碳钢或不锈钢。

所述流化床装置的床层温度为550℃～850℃。

所述流化床装置的床层操作压力为常压～0.5MPa。

所述流化气为空气或氧气；流化气同时起到氧化剂作用。

在稳态下，所述流化床的操作过程为：

a.气化灰渣从灰渣入口101投料入快速流化床，热灰分从循环灰入口104进入快速流化床，流化气从流化气入口102进入快速流化床后经气体分布器103分布后将气化灰渣和循环灰混合提升，在提升过程中部分流化气与灰渣发生氧化脱碳反应，然后混合流体从流体出口108离开快速流化床；与此同时，换热介质通过换热介质入口105进入流化床内的换热管束106，吸收反应热后从换热介质出口107离开快速流化床；

b.离开快速流化床的混合流体从流体入口109进入密相流化床床层，流化气从流化气入口115进入密相流化床后经气体分布器112分布后使床层密相流化，流化过程中流化气与未氧化灰渣继续发生氧化脱碳反应，灰分分别经循环灰出口113和灰分出口114离开密相流化床，烟气经气灰分离器117之后由烟气出口118离开密相流化床；与此同时，换热介质通过换热介质入口116进入流化床内的换热管束111，吸收反应热后从换热介质出口110离开快速流化床。

实施例1：

本实施例煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置结构如图1所示，在该实施例中组合循环流化床装置包括一个快速流化床和一个密相流化床组合而成；所述快速流化床为直径统一的提升管式床体；密相流化床包括床层段、锥形连接段和扩大段；快速流化床下端设置气化灰渣入口101、流化气入口102、循环灰入口104和换热介质入口105，上端设置换热介质出口107和流体出口108，内部设置板式气体分布器103和换热管束106；密相流化床下端设置循环灰出口113、灰分出口114、和流化气入口115，床层段设置换热介质入口116和换热介质出口110，上端设置流体入口109和烟气出口118，内部设置环管式气体分布器112、换热管束111和气灰分离器117；快速流化床上端所设置流体出口108通过管路与密相流化床上端所设置流体入口联接；密相流化床下端所设置循环灰出口113与快速流化床下端所设置循环灰入口104联接。

本实施例中，快速流化床内部设置的板式气体分布器103设置多个孔或多个喷嘴；板式气体分布器103的开孔率占分布板横截面积的0.1％～20％，优选0.1～5％，更优选为2％～4％。

本实施例中，密相流化床内部设置的管式气体分布器112为环数为1～5环，优选2～3环，的环式结构，每个环上设置多个孔或多个喷嘴：所述管式气体分布器112的开孔面积或喷嘴面积占密相流化床床层段横截面积的0.1％～20％，优选0.1～5％，更优选为2％～3％。

本实施例中，换热管束平行于流化床轴向排列；快速流化床内换热管束横截面积占床层横截面积的0.1～25％，优选0.1～5％，更优选为3％～5％；密相流化床内换热管束横截面积占床层段横截面积的0.1～25％，优选0.1～5％，更优选为3％～5％。

本实施例中，换热介质为冷却水、热水、蒸汽或导热油的一种或多种；

本实施例中，气灰分离器117可以采用旋风分离器、丝网过滤器或烧结管过滤器；

本实施例中，流化床装置的材质为耐高温碳钢或不锈钢。

本实施例中，流化床装置的床层温度为550℃～850℃，优选650℃～750℃。

本实施例中，流化床装置的床层操作压力为常压～0.5MPa，优选常压～0.3MPa。

本实施例中，流化气为空气或氧气；流化气同时起到氧化剂作用。

本实施例中，流化床的具体操作方法为：

a.气化灰渣从灰渣入口101投料入快速流化床，热灰分从循环灰入口104进入快速流化床，流化气从流化气入口102进入快速流化床后经气体分布器103分布后将气化灰渣和循环灰混合提升，在提升过程中部分流化气与灰渣发生氧化脱碳反应，然后混合流体从流体出口108离开快速流化床；与此同时，换热介质通过换热介质入口105进入流化床内的换热管束106，吸收反应热后从换热介质出口107离开快速流化床；

b.离开快速流化床的混合流体从流体入口109进入密相流化床床层，流化气从流化气入口115进入密相流化床后经气体分布器112分布后使床层密相流化，流化过程中流化气与未氧化灰渣继续发生氧化脱碳反应，灰分分别经循环灰出口113和灰分出口114离开密相流化床，烟气经气灰分离器117之后由烟气出口118离开密相流化床；与此同时，换热介质通过换热介质入口116进入流化床内的换热管束111，吸收反应热后从换热介质出口110离开快速流化床。

根据本实施例的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，能够实现各煤种气化灰渣氧化脱碳制灰分并回收利用热能，而且能够实现从实验室研究到大规模工业化的突破。

根据本实施例的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，将快速流化床和湍动流化床组合起来，灰渣氧化脱碳反应充分，保证了高脱碳率；流化床处理能力大，换热能力强。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述组合循环流化床装置包括一个快速流化床和一个密相流化床组合而成；密相流化床密相流化床所述快速流化床下端设置气化灰渣入口(101)、流化气入口(102)、循环灰入口(104)和换热介质入口(105)，上端设置换热介质出口(107和流体出口108)，内部设置板式气体分布器(103)和换热管束(106)；所述密相流化床下端设置循环灰出口(113)、灰分出口(114)、和流化气入口(115)，床层段设置换热介质入口(116)和换热介质出口(110)，上端设置流体入口(109)和烟气出口(118)，内部设置环管式气体分布器(112)、换热管束(111)和气灰分离器(117)；快速流化床上端所设置流体出口(108)通过管路与密相流化床上端所设置流体入口联接；密相流化床下端所设置循环灰出口(113)与快速流化床下端所设置循环灰入口(104)联接。

2.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述快速流化床内部设置的板式气体分布器设置多个孔或多个喷嘴。

3.根据权利要求1或2所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于，所述板式气体分布器的开孔率占分布板横截面积的0.1％～20％。

4.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述密相流化床内部设置的管式气体分布器为环数为1～5环的环式结构，每个环上设置多个孔或多个喷嘴。

5.根据权利要求1或4所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述管式气体分布器的开孔面积或喷嘴面积占密相流化床床层段横截面积的0.1％～20％。

6.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述换热管束平行于流化床轴向排列；快速流化床内换热管束横截面积占床层横截面积的0.1～25％；密相流化床内换热管束横截面积占床层段横截面积的0.1～25％。

7.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述换热介质为冷却水、热水、蒸汽或导热油的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述气灰分离器为旋风分离器、丝网过滤器或烧结管过滤器的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述流化床装置的材质为耐高温碳钢或不锈钢。

10.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述流化床装置的床层温度为550℃～850℃。

11.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述流化床装置的床层操作压力为常压～0.5MPa。

12.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：所述流化气为空气或氧气；流化气同时起到氧化剂作用。

13.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，其特征在于：

a.气化灰渣从灰渣入口(101)投料入快速流化床，热灰分从循环灰入口(104)进入快速流化床，流化气从流化气入口(102)进入快速流化床后经气体分布器(103)分布后将气化灰渣和循环灰混合提升，在提升过程中部分流化气与灰渣发生氧化脱碳反应，然后混合流体从流体出口(108)离开快速流化床；与此同时，换热介质通过换热介质入口(105)进入流化床内的换热管束(106)，吸收反应热后从换热介质出口(107)离开快速流化床；

b.离开快速流化床的混合流体从流体入口(109)进入密相流化床床层，流化气从流化气入口(115)进入密相流化床后经气体分布器(112)分布后使床层密相流化，流化过程中流化气与未氧化灰渣继续发生氧化脱碳反应，灰分分别经循环灰出口(113)和灰分出口(114)离开密相流化床，烟气经气灰分离器(117)之后由烟气出口(118)离开密相流化床；与此同时，换热介质通过换热介质入口(116)进入流化床内的换热管束(111)，吸收反应热后从换热介质出口(110)离开快速流化床。

14.根据权利要求1所述的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置，所述快速流化床为提升管式床体，所述密相流化床包括床层段、锥形连接段和扩大段。