CN105482852B - 一种气化炉及煤加氢气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气化炉及煤加氢气化方法，涉及煤气化技术领域，用于解决在煤加氢气化过程中，对半焦进行再次气化时能量浪费的问题。所述气化炉包括：炉体、煤粉喷嘴和含氢气体喷嘴，煤粉喷嘴和含氢气体喷嘴均安装在炉体的底部，还包括：安装在炉体内下部的顶部开口的反应内筒，且煤粉喷嘴和含氢气体喷嘴分别与其内部相通，反应内筒用于煤加氢气化反应生成粗煤气和半焦；与反应内筒和炉体之间的环形空间底部相通的气化剂入口，气化剂入口所通入的气化剂的气速能够使半焦落入环形空间内，并与气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。本发明提供的气化炉及煤加氢气化方法用于进行煤加氢气化及低阶煤分级转化。

Description

一种气化炉及煤加氢气化方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种气化炉及煤加氢气化方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富，其中将近80％的煤炭为低阶煤，这些低阶煤的直接使用会对环境造成严重污染，为了提高煤炭的利用价值，同时减少环境污染，可运用煤气化技术将煤转化为煤气和焦油，进而对煤气和焦油进行利用。

煤气化技术中较为常用的一种技术是煤加氢气化，请参阅图1，通常用于煤加氢气化的气化炉10包括炉体11、煤粉喷嘴12、数个含氢气体喷嘴13、粗煤气出口14和半焦出口15，煤粉喷嘴12安装在炉体11顶部的中心，含氢气体喷嘴13均匀分布在煤粉喷嘴12周围，粗煤气出口14安装在炉体11的侧壁上，半焦出口15安装在炉体11底部的中心。煤加氢气化时，煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13分别向炉体11内喷入煤粉和氢气，煤粉和氢气进入炉体11内后，在高温、高压条件发生煤加氢气化反应，反应生成粗煤气和半焦(一种含碳的固态产物，单位质量半焦中的含碳量高达80％以上)，所生成的粗煤气经粗煤气出口14排出气化炉10，所生成的半焦经半焦出口15排出气化炉10，排出的粗煤气经后续处理得到煤气和焦油。

采用上述气化炉进行煤加氢气化时，碳利用率通常只有50％左右，也就是说，煤加氢气化的半焦产量占进料量(加入煤的质量)的50％左右。为了提高煤加氢气化的碳利用率，可将由煤加氢气化产生的半焦作为气化原料进行再次气化，生成粗煤气，以实现对半焦中所含碳的利用。现有技术中，对半焦进行再次气化的过程一般为：首先将半焦从气化炉10中排出，然后对半焦进行冷却，接着将冷却后的半焦通入另一气化炉内，使半焦和气化剂在高温、高压条件下进行再次气化反应，生成粗煤气，从而实现对半焦的高效利用。

上述对半焦进行再次气化的过程中，对半焦进行冷却会散失一部分热量，而将冷却后的半焦进行再次气化时，又需要高温的条件，这又会消耗大量热量，造成能量不必要的浪费。

发明内容

为克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种气化炉及煤加氢气化方法，以解决煤加氢气化过程中，对半焦进行再次气化时能量浪费的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气化炉，包括：炉体、煤粉喷嘴和含氢气体喷嘴，所述煤粉喷嘴和所述含氢气体喷嘴均安装在所述炉体的底部，所述气化炉还包括：安装在所述炉体内下部的反应内筒，所述煤粉喷嘴和所述含氢气体喷嘴分别与所述反应内筒相通，所述反应内筒的顶部开口，所述反应内筒用于进行煤加氢气化反应，生成粗煤气和半焦；与所述反应内筒和所述炉体之间的环形空间底部相通的气化剂入口，所述气化剂入口所通入的气化剂的气速能够使所述半焦落入所述环形空间内，并与所述气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。

本发明所提供的气化炉中，将煤粉喷嘴和含氢气体喷嘴设置在炉体底部，且在炉体内的下部安装了反应内筒，煤粉喷嘴和含氢气体喷嘴分别与该反应内筒相通，并设置了与反应内筒和炉体之间的环形空间的底部相通的气化剂入口，由煤粉喷嘴喷出的煤粉和由含氢气体喷嘴喷出的氢气能够在反应内筒内发生煤加氢气化反应，生成粗煤气和半焦，所生成的半焦在粗煤气的携带作用下离开该反应内筒，之后粗煤气的气速降低，此时通过控制气化剂入口所通入的气化剂的气速能够使半焦落入环形空间内，半焦落入环形空间后与所通入的气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。本发明将煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应设置在同一气化炉内进行，使煤加氢气化反应生成的高温的半焦直接进行再次气化反应，从而避免了上述两个反应在两个气化炉进行所产生不必要的能量浪费，节约了能源。

另一方面，本发明还提供了一种煤加氢气化方法，所述煤加氢气化方法应用于上述的气化炉，所述煤加氢气化方法包括：将煤粉和氢气通入所述气化炉的反应内筒中，所述煤粉和所述氢气在所述反应内筒中发生煤加氢气化反应，生成粗煤气和半焦；将气化剂通入所述反应内筒和所述气化炉的炉体之间的环形空间内，同时控制所述气化剂的气速，使所述半焦落入所述环形空间内，与所述气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。

本发明所提供的煤加氢气化方法的有益效果与上述气化炉的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中的气化炉的结构图；

图2为本发明实施例中的气化炉的一种结构图；

图3为本发明实施例中的气化炉的另一种结构图。

附图标记：

10-气化炉； 11-炉体； 12-煤粉喷嘴；

13-含氢气体喷嘴； 14-粗煤气出口； 15-半焦出口；

21-反应内筒； 22-环形空间； 221-气化剂分布气室；

222-反应室； 23-气化剂入口； 24-折流板；

25-气体分布板； 26-排渣口。

具体实施方式

为使本发明所提出的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图，对本发明所提出的技术方案的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明实施例中所提供的气化炉10，包括炉体11、煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13，煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13均安装在炉体11底部，气化炉10还包括反应内筒21，反应内筒21安装在炉体11内的下部，进一步的可位于炉体11内下部的中间区域，并且煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13分别与反应内筒21相通，在煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13向反应内筒21内部通入煤粉和氢气后，煤粉和氢气在反应内筒21内发生煤加氢气化反应，生成粗煤气和半焦；另外，反应内筒21的顶部为开口设置，向上喷射的煤粉和氢气形成向上的气流，从而使在反应内筒21内生成的粗煤气携带半焦一起从该开口流出反应内筒21，因粗煤气从反应内筒21流入反应内筒21上方的炉体11内之后，空间扩大，从而粗煤气的气速降低，进而半焦会在重力的作用下开始下落。反应内筒21的外侧壁和炉体11的内侧壁之间形成一环形空间22，本实施例中的气化炉10还设置有气化剂入口23，该气化剂入口23与该环形空间22底部相通，用于向环形空间22通入气化剂，在通入气化剂的过程中，通过控制气化剂的气速，使环形空间22内部及上方的气速小于反应内筒21内部及上方的气速，从而能够使半焦落入气速较小的环形空间22内，并且使气化剂的气速小于能够将半焦带出环形空间22的气速，同时大于半焦的最小流化速度，从而半焦落入环形空间22内之后呈流化状态，与通入的气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。

需要说明的是，半焦在炉体11内的运动轨迹如图2中的虚线所示。本实施例中，可通过控制通入气化剂入口23的气化剂的流量来控制环形空间22内部及上方的气速，实现使流出反应内筒21后的半焦落入环形空间22内的目的。此外，可通过控制煤粉喷嘴喷出煤粉的气速和含氢气体喷嘴13喷出氢气的气速，使反应生成的半焦流出反应内筒21，但不至于被粗煤气携带出粗煤气出口1，保证反应生成的半焦绝大部分能够落入环形空间22内。

由上面的气化炉10及其工作过程不难看出，本实施例实现了将煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应设置在同一气化炉内进行，使煤加氢气化反应生成的高温的半焦能够直接进行再次气化反应，无需将煤加氢气化反应生成的高温的半焦从一个气化炉中排出，进行降温，然后再通入另一气化炉中，进行升温，以便对半焦进行再次气化反应，从而避免了煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应在两个气化炉进行所产生不必要的能量浪费，节约了能源。

值得一提的是，本实施例中通过反应内筒21的筒壁将煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应相隔，使煤加氢气化产生的半焦直接进行再次气化反应，一方面半焦温度较高，有利于再次气化反应的发生，另一方面煤加氢气化反应产生的热量可通过筒壁传递到半焦的再次气化反应中，提高了半焦的再次气化反应的反应温度，有利于半焦的气化；同时，半焦的再次气化反应产生的热量也可以通过筒壁传递到煤加氢气反应中，有利于煤加氢气化，从而实现了煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应的相互促进，有效的利用了热量。

反应内筒21的尺寸在本实施例中并不做限定，以下所提供的方案仅供参考。具体的，反应内筒21与炉体11的直径比可为1:2～1:10；反应内筒21的长度可根据气煤比和进煤量的大小来确定，反应内筒21的长度最好能使煤粉颗粒在反应内筒21内的停留时间在5s～30s内，以保证煤加氢气化反应充分。

为了实现气化剂入口23环向形空间22内通入气化剂的功能，需将气化剂入口23的一端与环形空间22相通，另一端与气化炉10外部的气化剂源相通，因而可将气化剂入口23设置在炉体11的炉壁上。

请参阅图2，本实施例中的气化炉10还包括粗煤气出口14，该粗煤气出口14设置于炉体11的顶部，在气化炉10内进行煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应所生成的粗煤气均通过该粗煤气出口14排出气化炉10。

请参阅图3，为了更好的使煤加氢气化反应生成的半焦落入环形空间22内，以降低粗煤气中半焦的夹带量，可在炉体11内反应内筒21的上方安装折流板24，折流板24可在反应内筒21上方改变煤加氢气化反应生成的粗煤气和半焦的运动方向：粗煤气在折流板24的阻挡下，会绕过折流板24后继续向上流动，而大部分半焦在折流板24的阻挡下无法绕过折流板24继续向上运动，由于环形空间22内部及上方的气速较小，因此半焦会落入环形空间22内。

请继续参阅图3，值得一提的是，半焦在被折流板24阻挡后，仍会有部分小颗粒半焦随粗煤气上升，这部分小颗粒半焦会在折流板24上方发生一定程度的沉降，从而落在折流板24上表面。为了避免半焦在折流板24上表面堆积，折流板24可为向上鼓起的球面状，从而使落在折流板24上表面的半焦颗粒顺着球面滑落至环形空间22内。另一方面，折流板24优选的满足其在反应内筒21的顶部所在的平面上的正投影覆盖反应内筒21的顶部，以更全面的阻挡从反应内筒21流出的半焦；具体的，可优选为折流板24在反应内筒21的顶部所在的平面上的正投影为圆形，反应内筒21为圆柱状，进一步的折流板21大小可为：折流板24在反应内筒21的顶部所在的平面上的正投影的直径为反应内筒21直径的1.2倍～1.5倍。此外，折流板24的顶部与反应内筒21顶部之间要保持足够的间距，以为半焦从反应内筒21上方流向环形空间22上方提供足够的运动空间；具体的，折流板24的顶部与反应内筒21顶部之间的距离可为反应内筒21直径的0.8倍～1.2倍，优选1倍。

折流板24可通过支架安装在炉体11的内壁上或者反应内筒21上。当然，折流板24的固定方式也可为其它形式，本实施例中并不做限定。

请参阅图2和图3，为了使气化剂入口23能够均匀向环形空间22内通入气化剂，从而实现半焦的稳定气化，本实施例中可在环形空间22内设置气体分布板25，在气体分布板25上分布有若干气孔，气体分布板25的一侧抵在炉体11的内壁上，另一侧抵在反应内筒21上，从而将环形空间22分割成位于气体分布板25下部的气化剂分布气室221和位于气体分布板25上部的反应室222，气化剂分布气室221与气化剂入口23相通。气化剂入口23通入气化剂分布气室221的气化剂可通过气体分布板25上的气孔均匀进入反应室222内，煤加氢气化反应中生成的半焦会直接落入反应室222内，在反应室222内与气化剂发生再次气化反应。

请继续参阅图2和图3，在上述环形空间22内安装气体分布板25的方案中，为了实现气化剂通过气体分布板25上的气孔均匀进入反应室222，可将气体分布板25倾斜设置，且气体分布板25抵在反应内筒21上的一侧低于抵在炉体11内壁上的一侧，在气化剂入口23设置于炉体11侧面的炉壁上时，气化剂从气化剂分布气室221一侧通入，气体分布板25的倾斜设置能够使位于气体分布板25各区域的气孔与气化剂入口23的距离趋于一致，从而使通过气体分布板25各区域的气孔的气化剂的流量基本相同，提高了通入反应室222内的气化剂的均匀性。具体的，气体分布板25的相对于炉体11的侧壁倾斜角度为30°～60°，且气体分布板25上的气孔均匀分布，以提高通入反应室222内的气化剂的均匀性。

值得一提的是，气体分布板25还可以水平设置，即气体分布板25抵在反应内筒21上的一侧与抵在炉体11内壁上的一侧处于同一水平高度。此时，为了提高通入反应室222内的气化剂的均匀性，可使气体分布板25上气孔的分布密度随气孔与气化剂入口23的距离的增大而增大，以保证通过气体分布板25各区域的气孔的气化剂的流量基本相同。

为了环形空间22内气化剂与半焦接触均匀充分，本实施例中可设置气化剂入口23的数量为多个，且将多个气化剂入口23均匀分布于环形空间22的周围。

请继续参阅图2和图3，为了处理半焦的再次气化反应中产生的残渣，可在气化炉10上设置至少一个排渣口26，排渣口26与环形空间22相通。

请参阅图2和图3，为了使煤粉和氢气在反应内筒21内充分反应，可对煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13进行设置，具体可如下：煤粉喷嘴12垂直向上安装在反应内筒21底部中心，多个含氢气体喷嘴13均相对于煤粉喷嘴12倾斜30°～45°，并均匀分布在煤粉喷嘴12四周，以保证喷入的所有煤粉都进入反应内筒21内，同时不同含氢气体喷嘴13喷入的氢气和煤粉喷嘴12喷入的煤粉在反应内筒21的底部相互碰撞，将煤粉均匀分散，使煤粉快速加热至反应所需温度。当然，煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13还可采用其它的设置方式，本实施例不再一一赘述。

结合上述的气化炉10，为了将碳转化率提高在90％以上，需要使半焦在环形空间22内停留一定的时间，以使半焦充分发生再次气化反应，半焦在环形空间22的平均停留时间可根据煤种、气化剂的不同来确定，一般为1min～30min。

优选的，本实施例中的气化剂可为除尘之后的粗煤气，该粗煤气含有大量的氢气，有利于半焦进行加氢气化，采用该气化剂，最终产生的气体主要为一氧化碳、氢气和甲烷；气化剂还可为水蒸气和氧气，或者水蒸气和空气，则半焦气化产生的气体主要为一氧化碳和氢气，同时由于半焦本身的温度较高，因此对氧气的需求量远远降低，从而可减少气化剂中氧气或者空气的用量。

为了更好的控制不同反应的温度，煤加氢气化反应的温度可由含氢气体喷嘴13喷入的氢气的温度来控制；半焦的再次气化反应的反应温度可由气化剂的量来调节控制。

值得一提的是，反应内筒21的安装平面(即炉体11内用来固定反应内筒21的部位)与炉体11底部之间可设有保温层，以防止炉体11内热量的散失。基于这种结构，煤粉喷嘴12和含氢气体喷嘴13需穿过保温层通入反应内筒21内。

基于本实施例所提供的气化炉10，本实施例中还提供了一种煤加氢气化方法，该煤加氢气化方法应用于本实施例所提供的气化炉10，该煤加氢气化方法包括以下步骤：

将煤粉和氢气通入上述气化炉10的反应内筒21中，煤粉和氢气在反应内筒21中发生煤加氢气化反应，生成粗煤气和半焦；

将气化剂通入反应内筒21和气化炉10的炉体11之间的环形空间22内，同时控制所述气化剂的气速，使半焦落入环形空间22内，与气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。

上述煤加氢气化方法可使煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应在一个气化炉内实现，实现了煤炭资源的梯级高效利用，提高了碳利用率，同时避免了在两个气化炉内分别进行煤加氢气化反应和半焦的再次气化反应所产生的不必要的能量浪费，节省了能源。

上述煤加氢气化方法应用在本实施例中的气化炉10中，具体可为：

煤气喷嘴12和含氢气体喷嘴13同时往反应内筒21内喷入煤粉和氢气，煤粉和氢气进入反应内筒21后，发生煤加氢气化反应，经充分反应，生成粗煤气和半焦，所生成的粗煤气携带半焦一起从反应内筒21流出，之后因粗煤气气速减小，粗煤气和半焦开始分离，最终粗煤气从气化炉10顶部的粗煤气出口14排出，而半焦则在重力作用下开始下落；

气化剂入口23向反应内筒21和气化炉10的炉体11之间的环形空间22内通入气化剂，在通入气化剂的过程中，通过控制所通入的气化剂的气速，使半焦落入环形空间22内，并且使落入环形空间22内的半焦呈流化状态，与气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气，所生成的粗煤气从粗煤气出口14排出，实现了对半焦中所含碳的利用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种气化炉，包括：炉体、煤粉喷嘴和含氢气体喷嘴，其特征在于，所述煤粉喷嘴和所述含氢气体喷嘴均安装在所述炉体的底部，所述气化炉还包括：

安装在所述炉体内下部的反应内筒，所述煤粉喷嘴和所述含氢气体喷嘴分别与所述反应内筒相通，所述反应内筒的顶部开口，所述反应内筒用于进行煤加氢气化反应，生成粗煤气和半焦；

与所述反应内筒和所述炉体之间的环形空间底部相通的气化剂入口，所述气化剂入口所通入的气化剂的气速能够使所述半焦落入所述环形空间内，并与所述气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。

2.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述气化炉还包括安装在所述炉体内的折流板，所述折流板位于所述反应内筒的上方，以阻挡所述半焦向上运动。

3.根据权利要求2所述的气化炉，其特征在于，所述折流板为向上鼓起的球面状，且所述折流板在所述反应内筒的顶部所在平面上的正投影覆盖所述反应内筒的顶部。

4.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于，所述折流板在所述反应内筒的顶部所在平面上的正投影为圆形，所述反应内筒为圆柱状，所述折流板在所述反应内筒的顶部所在平面上的正投影的直径为所述反应内筒直径的1.2倍～1.5倍，所述折流板的顶部与所述反应内筒顶部之间的距离为所述反应内筒直径的0.8倍～1.2倍。

5.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述气化炉还包括设置于所述环形空间内的气体分布板，所述气体分布板上分布有若干气孔；

所述气体分布板的一侧抵在所述炉体的内壁上，另一侧抵在所述反应内筒上，将所述环形空间分割成位于下部的气化剂分布气室和位于上部的反应室；

所述气化剂分布气室与所述气化剂入口相通，所述反应室用于使所述半焦发生再次气化反应。

6.根据权利要求5所述的气化炉，其特征在于，所述气体分布板倾斜设置，且所述气体分布板抵在所述反应内筒上的一侧低于抵在所述炉体内壁上的一侧。

7.根据权利要求6所述的气化炉，其特征在于，所述气体分布板相对于所述炉体侧壁的倾斜角度为30°～60°，且所述气体分布板上的气孔均匀分布。

8.根据权利要求1～7任一项所述的气化炉，其特征在于，所述气化剂入口的数量为多个，且多个所述气化剂入口均匀分布于所述环形空间的周围。

9.根据权利要求1～7任一项所述的气化炉，其特征在于，所述气化炉还包括至少一个排渣口，所述排渣口与所述环形空间相通。

10.一种煤加氢气化方法，其特征在于，所述煤加氢气化方法应用于权利要求1～9任一项所述的气化炉，所述煤加氢气化方法包括：

将煤粉和氢气通入所述气化炉的反应内筒中，所述煤粉和所述氢气在所述反应内筒中发生煤加氢气化反应，生成粗煤气和半焦；

将气化剂通入所述反应内筒和所述气化炉的炉体之间的环形空间内，同时控制所述气化剂的气速，使所述环形空间内部及上方的气速小于所述反应内筒内部及上方的气速，并且使所述气化剂的气速小于能够将所述半焦带出所述环形空间的气速，同时大于所述半焦的最小流化速度，从而使所述半焦落入所述环形空间内，与所述气化剂发生再次气化反应，生成粗煤气。