CN105623743B - 一种用于含碳固体燃料的催化气化处理装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于含碳固体燃料的催化气化处理装置及其应用，该装置包括物料混合组件、预热移动床反应器、流化床气化炉、第一气固分离器、第二气固分离器和洗涤塔，其中，该预热移动床反应器包括内壳体和外壳体；流化床气化炉与预热移动床反应器相连；第一气固分离器分别与流化床气化炉和预热移动床反应器连接；第二气固分离器与预热移动床反应器相连；洗涤塔通过气体冷却器与第二气固分离器相连。本发明的装置将含碳固体燃料(如石油焦)与催化剂在进入流化床气化炉之前提前热处理，使得石油焦与催化物质反应生成中间复合物，从而在流化床气化炉中有气流强烈扰动时石油焦与催化物质不易分离得到良好的催化效果。

Description

一种用于含碳固体燃料的催化气化处理装置及其应用
技术领域
本发明属于石油焦催化气化技术领域，更具体地，涉及一种用于含碳固体燃料的催化气化处理装置及其应用，该装置尤其适用于合理高效清洁气化利用石油焦。
背景技术
石油焦是重渣油经过延迟焦化工艺得到的炼油工业的副产品。近年来，随着石油消耗量增加，以及世界原油重质化，炼厂产生的石油焦尤其是高硫石油焦的产量逐年上升。现在国内石油焦尤其是高硫石油焦已经供大于求，传统燃烧利用方式环境友好度差。在这样的大背景之下，如何高效清洁利用石油焦成为一个亟待解决的重要课题。
石油焦气化技术能有效降低固体颗粒物、NOX、SOX等污染物的排放，生产的合成气利用途径广泛，并且能够利用硫回收装置回收高硫石油焦的硫，变废为宝，提高产品利用的经济价值。气化技术由于其良好的环境友好度，优秀的产品品质，被认为是利用高硫石油焦很有前景的利用方式。但是石油焦石墨化程度高、孔隙结构不发达、矿物质含量少，这些物理化学方面的性质导致石油焦的气化活性很差。因此目前工业中石油焦气化均是在很高的温度范围内，约1200℃至1700℃，然而温度高带来的缺点是需要更多燃料来提供热量维持高温，需要更高强度的设备材料。为了减少能量的浪费以及延长设备的运行寿命有必要提高石油焦气化反应活性。
自从1867年英国专利公开煤催化技术以来，已经有众多专利公开碱金属盐和碱土金属盐能提高碳质燃料的气化反应活性、降低气化反应温度、改善煤气组成。对于石油焦，其表面光滑，孔隙结构不发达，传统的石油焦与催化剂机械混合或浸渍添加的方式中，石油焦附着催化剂的能力差。因而在流化床中，由于气固反应的过程中存在剧烈扰动，催化剂易与石油焦分离，大大减少了石油焦与催化剂接触的几率，焦表面的活性中间体难以形成，阻断了催化反应的进行，从而导致流化床中催化剂催化气化石油焦的效果差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于含碳固体燃料的催化气化处理装置及其应用，其中通过对装置中关键的催化气化反应前端组件和后端组件的结构及其设置方式等进行改进，与现有技术相比能够解决流化床中石油焦气化反应速率低以及直接在流化床中添加气化催化剂催化效果差的技术问题，有效的提高含碳固体燃料(尤其是石油焦)与催化剂进行气化反应生成合成气体(如煤气)的气化反应效率；此外，本发明中的催化气化处理装置，能够采用较低的降低含碳固体燃料的催化气化反应温度，并提高整体装置的热量利用率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，包括物料混合组件、预热移动床反应器(5)、流化床气化炉(9)、第一气固分离器(13)、第二气固分离器(15)和洗涤塔(19)，其中，
所述物料混合组件用于将含碳固体燃料与催化剂混合得到混合物料；
所述预热移动床反应器(5)与所述物料混合组件相连，用于预热所述混合物料；该预热移动床反应器(5)包括内壳体(6)和外壳体，该内壳体(6)嵌于所述外壳体的内部，所述内壳体(6)和所述外壳体之间形成有空心的夹层；
所述流化床气化炉(9)与所述预热移动床反应器(5)相连，用于对预热后的所述混合物料进行催化气化反应得到气化反应产物；
所述第一气固分离器(13)分别与所述流化床气化炉(9)和所述预热移动床反应器(5)连接，用于对所述气化反应产物进行第一次气固分离；该第一次气固分离得到的固体通入到该流化床气化炉(9)中继续进行催化气化反应；
所述第二气固分离器(15)与所述预热移动床反应器(5)相连，所述第一次气固分离得到的气体流经所述预热移动床反应器(5)的夹层通入所述第二气固分离器(15)进行第二次气固分离，流经所述预热移动床反应器(5)夹层的所述第一次气固分离得到的气体用于对该预热移动床反应器(5)进行供热；
所述洗涤塔(19)通过气体冷却器(17)与所述第二气固分离器(15)相连，所述气体冷却器(17)用于对所述第二次气固分离得到的气体进行冷却；所述洗涤塔(19)用于对冷却后的所述第二次气固分离得到的气体进行洗涤，最终输出洗涤后的所述第二次气固分离得到的气体。
作为本发明的进一步优选，所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置还包括气体预热器(16)，该气体预热器(16)与所述流化床气化炉(9)相连，用于预热氧气或者空气，并将预热后的所述氧气或者所述空气通入该流化床气化炉(9)参与所述催化气化反应；
所述第二次气固分离得到的气体在通入所述气体冷却器(17)前，流经该气体预热器(16)，并用于对该气体预热器(16)进行供热。
作为本发明的进一步优选，所述流化床气化炉(9)的下端还与冷渣器(11)连接，所述流化床气化炉(9)中催化气化反应得到的灰渣通入该冷渣器(11)进行冷却；所述冷渣器(11)是通过喷淋液态水使所述灰渣冷却，所述液态水吸收所述灰渣的热量汽化形成水蒸气，所述水蒸气通入该流化床气化炉(9)参与所述催化气化反应。
作为本发明的进一步优选，所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置还包括气体净化硫回收装置(18)，该气体净化硫回收装置(18)分别与所述气体冷却器(17)和所述洗涤塔(19)相连，用于对冷却后的所述第二次气固分离得到的气体进行脱硫处理，脱硫后得到的所述第二次气固分离得到的气体再通入所述洗涤塔(19)进行洗涤。
作为本发明的进一步优选，所述预热移动床反应器(5)内部设置有多个物料滑道(7)，所述物料滑道(7)均位于所述内壳体(6)的内部，所述物料滑道(7)与水平面的夹角均为30°～45°。
作为本发明的进一步优选，所述预热移动床反应器(5)的温度为500℃～700℃；所述流化床气化炉(9)的温度为900℃～1000℃。
作为本发明的进一步优选，所述含碳固体燃料为石油焦；优选的，石油焦的颗粒粒径小于等于8mm。
作为本发明的进一步优选，所述催化剂为K2CO3、醋酸钾、K2SO4、KCl、KNO3、CaO、Ca(NO3)2、醋酸钙、CaCl2、Na2CO3、NaNO3、醋酸钠、Na2SO4、NaCl和草木灰中的一种或多种。
按照本发明的另一方面，提供了上述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置在催化气化处理含碳固体燃料中的应用。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1.本发明的工艺方法与装置将含碳固体燃料(如石油焦)与催化剂在进入流化床气化炉之前提前热处理，使得石油焦与催化物质反应生成中间复合物，从而在流化床气化炉中有气流强烈扰动时石油焦与催化物质不易分离得到良好的催化效果；
在碳质燃料与气化催化剂反应过程前期，催化剂中的碱金属或碱土金属与燃料反应生成催化活性中间体CnM、C-O-M。通过在固定床中提前使催化剂与石油焦之间形成强连接，这样在流化床中催化剂不易与石油焦分离，这样催化剂能够起到催化作用从而提高石油焦气化反应活性、降低气化反应温度并改善煤气(即最终得到的气化反应有效产物)组成。
本发明通过将由含碳固体燃料(如石油焦)与催化剂组成的混合物料在500℃～700℃预热，在预热处理的过程中石油焦与催化剂发生反应，会生成三种不同结合力形态的中间复合物，即弱力结合金属氧复合物、中度结合强度金属碳复合物、紧密结合金属氧复合物，经热处理后的燃料进入流化床气化炉后催化剂中的催化成分不易与焦分离，从而起到较佳的催化气化效果。另外，本发明中的含碳固体燃料的催化气化处理装置中，用于进行催化气化反应得到气化反应产物的流化床气化炉，温度控制在900℃～1000℃，大大降低了反应的温度，能够减小能耗，并延长设备的运行寿命。
2.本发明所述的提前热处理特殊移动床中设置有物料滑道，能够使得小颗粒物料在重力作用下移动，在合适的倾斜角度下保证物料热处理的时间；
3.本发明所述的提前热处理特殊移动床的加热源直接利用气化炉生成的气体产物的热量，不仅省去专门的加热设备还能部分降低气体产物的温度；
4.工艺流程能耗少，产品质量高，对环境污染小。
综上，本发明通过在流化床前设置提前热处理特殊移动床，在石油焦与催化剂混合物进入流化床直接进行热处理将催化物质与燃料联结在一起，从而在流化床气化炉中起到更好的催化气化效果。提前热处理利用流化床气化炉产生的热量，并利用喷淋水来冷却灰渣回收利用其显热。由于高硫石油焦中硫含量高，合成气中含硫气体的比例会比较高，本发明设置气体净化硫回收装置来回收硫，变废为宝，不仅能够减少大气污染而且能够创造经济价值。
附图说明
图1是本发明中用于含碳固体燃料的催化气化处理装置的整体结构示意图。
图中各附图标记的含义如下：1为受煤斗，2为斗式提升机，3为催化剂储存罐，4为燃料与催化剂搅拌罐，5为提前热处理特殊移动床(即预热移动床反应器)，6为内壳体，7为物料滑道，8为螺旋给料机，9为流化床气化炉，10为布风板，11为装有喷淋装置的冷渣器，12为喷淋装置，13为一级气固分离器(即第一气固分离器)，14为高温返料器，15为二级气固分离器(即第二气固分离器)，16为空气预热器(即气体预热器)，17为气体冷却器，18为气体净化硫回收装置，19为洗涤塔(如煤气洗涤塔)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明中的用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，包括主要由受煤斗1、斗式提升机2、催化剂储存罐3、燃料与催化剂搅拌罐4组成的物料混合组件，经过物料混合组件部分后，物料将与催化剂充分混合；含碳固体燃料(如石油焦)与催化剂在燃料与催化剂搅拌罐4中进行机械混合；混合好后的物料接着进入提前热处理特殊移动床5进行加热处理，热处理后的物料经螺旋给料机8送至流化床气化炉9，在流化床气化炉9内处理后得到的灰渣经下降管排入装有喷淋装置的冷渣器11；流化床气化炉9上端连接一级气固分离器13，一级气固分离器13上端气体出口连接前方物料混合组件部分中的提前热处理特殊移动床5的夹层，并给提前热处理特殊移动床5提供热量；从提前热处理特殊移动床5夹层的出口连接二级气固分离器15进一步除去固体颗粒，二级气固分离器15的出口连接空气预热器16，继续与空气预热器16连接的是气体冷却器17，经冷却后的气体进入气体净化硫回收装置18，最后回收硫后的气体进入煤气洗涤塔19然后得到可供工业利用的合成气。
本发明的装置在运行时，可采用如下方式：
首先将粒径小于等于8mm的石油焦倒入受煤斗1，经斗式提升机2输送至燃料与催化剂搅拌罐4，石油焦与从催化剂储存罐3落下的催化剂在燃料与催化剂搅拌罐4中混合均匀(催化剂储存罐中的催化剂受重力作用将落入燃料与催化剂搅拌罐内，可以由流量控制阀控制向燃料与催化剂搅拌罐输送的催化剂的量，使催化剂的量满足所需配比；例如，催化剂的添加量可以为石油焦颗粒质量2％～10％，催化剂粒径也小于等于8mm)；然后，混合后的物料运送到位于燃料与催化剂搅拌罐4下方的提前热处理特殊移动床5中(也可采用流量控制阀控制送入提前热处理特殊移动床5中的混合物料量)，并在物料滑道7上移动的过程中进行加热处理，加热温度范围为500-700℃；经热处理后的物料由螺旋给料机8送至流化床气化炉9中催化气化，气化产生的灰渣向下排入流化床气化炉9底部的装有喷淋装置的冷渣器11内，进行冷却，冷渣器11中的喷淋水汽化吸收灰渣显热后进入流化床气化炉9作为气化剂参与气化反应；从流化床气化炉9出来的含有固体颗粒的气体产物向上首先经过一级气固分离器13，经一级气固分离器13分离出的固体颗粒由高温返料器14输送回流化床气化炉9，气体进入提前热处理特殊移动床5的夹层给内壳体6里面的物料加热；从提前热处理特殊移动床5夹层中出来的气体随后进入二级气固分离器15进一步除去固体颗粒，从二级气固分离器15的气体产物经过管壳式空气预热器16给气化剂(即氧气/空气)预热(经该空气预热器16预热后的气化剂随后通入流化床气化炉9参与气化反应)；从空气预热器16出来的气体产物进入气体冷却器17降至常温(或略高于常温)，然后进入气体净化硫回收装置18；气体净化硫回收装置18通过采用CLAUS工艺回收石油焦(特别是高硫石油焦)催化气化生产的合成气中的含硫气体，将含硫气体转化成硫单质进行回收；经过硫回收后的气体产物由煤气洗涤塔19洗涤后得到可供工业利用的合成气产品。
提前热处理特殊移动床5包含内外两个壳体，从一级气固分离器13出来的气体经过内外壳体的夹层加热内壳体6中的物料，所述内壳体6中安装有延长物料加热时间的物料滑道7，每个物料滑道7与水平面的夹角为约30度至45度，物料滑道7首尾相连保证物料均匀顺利加热。提前热处理特殊移动床5能为混合后的物料提供500℃～700℃的预热温度，混合物料进行预热处理的时间为5分钟到15分钟，优选为10分钟。
本发明包括供石油焦与催化剂提前热处理的特殊移动床以及与其相连的流化床气化炉，移动床的出口设置有螺旋给料机，给料机将热处理后的粉焦输送到流化床气化炉。流化床气化炉下端设置有与其相连通的装有喷淋装置的冷渣器，流化床气化炉的底部设置有气体分布器和排渣管，与排渣管下方相连的是装有喷淋装置的冷渣器。装有喷淋装置的冷渣器的冷却介质为液态水，液态水经喷淋装置喷到灰渣表面，吸收灰渣的显热汽化变成水蒸气，水蒸气经上升通道进入气化炉作为气化剂，参与催化气化反应。在含碳燃料的催化气化反应中，添加的气化剂(如水蒸气、空气/氧气等)，均会参与到催化气化反应中，并影响最终输出的合成气的成分；根据需要，可以灵活调整各种气化剂的添加比例。
流化床气化炉顶部连接一级气固分离器，一级气固分离器出来的高温气体经过热处理装置的夹层给其提供热量，然后进入二级气固分离器。二级气固分离器出口连接空气预热器然后经过气体冷却器后连接气体净化硫回收装置，最后连接煤气洗涤塔。一级气固分离器底部设置有高温返料机，能将一级气固分离器分离出的高温的固体颗粒物送回流化床气化炉。
本发明中的流化床气化炉是用于对预热后的所述混合物料进行催化气化反应得到气化反应产物，得到的气化反应产物直接进入第一气固分离器，因此，第一气固分离器中的气体温度也约为900℃～1000℃；第二气固分离器中的气体是第一次气固分离得到的气体向预热移动床反应器放热后进入第二气固分离器的，第二气固分离器中的气体温度约为500℃～800℃(在本发明中用于含碳固体燃料的催化气化处理装置刚刚运行时，预热移动床反应器可以由外部供热，当第一次气固分离得到的气体放热能够维持预热移动床反应器需要的温度时，外部供热可减少或停止)。本发明中的气体净化硫回收装置可以对温度范围为20℃至150℃的气体进行脱硫处理。
本发明通过利用将石油焦与催化剂提前热处理的方法将石油焦与催化剂紧密结合，从而在流化床中气流剧烈扰动的情况下石油焦与催化剂仍然能够良好接触反应，达到提高流化床中石油焦气化反应活性的目的，实现石油焦高效清洁利用。
本发明中的用于含碳固体燃料的催化气化处理装置还适用于与石油焦有类似物理化学性质的其他碳质燃料的催化气化处理。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，包括物料混合组件、预热移动床反应器(5)、流化床气化炉(9)、第一气固分离器(13)、第二气固分离器(15)和洗涤塔(19)，其中，
所述物料混合组件用于将含碳固体燃料与催化剂混合得到混合物料；
所述预热移动床反应器(5)与所述物料混合组件相连，用于预热所述混合物料；该预热移动床反应器(5)包括内壳体(6)和外壳体，该内壳体(6)嵌于所述外壳体的内部，所述内壳体(6)和所述外壳体之间形成有空心的夹层；
所述流化床气化炉(9)与所述预热移动床反应器(5)相连，用于对预热后的所述混合物料进行催化气化反应得到气化反应产物；
所述第一气固分离器(13)分别与所述流化床气化炉(9)和所述预热移动床反应器(5)连接，用于对所述气化反应产物进行第一次气固分离；该第一次气固分离得到的固体通入到该流化床气化炉(9)中继续进行催化气化反应；
所述第二气固分离器(15)与所述预热移动床反应器(5)相连，所述第一次气固分离得到的气体流经所述预热移动床反应器(5)的夹层通入所述第二气固分离器(15)进行第二次气固分离，流经所述预热移动床反应器(5)夹层的所述第一次气固分离得到的气体用于对该预热移动床反应器(5)进行供热；
所述洗涤塔(19)通过气体冷却器(17)与所述第二气固分离器(15)相连，所述气体冷却器(17)用于对所述第二次气固分离得到的气体进行冷却；所述洗涤塔(19)用于对冷却后的所述第二次气固分离得到的气体进行洗涤，最终输出洗涤后的所述第二次气固分离得到的气体。
2.如权利要求1所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置还包括气体预热器(16)，该气体预热器(16)与所述流化床气化炉(9)相连，用于预热氧气或者空气，并将预热后的所述氧气或者所述空气通入该流化床气化炉(9)参与所述催化气化反应；
所述第二次气固分离得到的气体在通入所述气体冷却器(17)前，流经该气体预热器(16)，并用于对该气体预热器(16)进行供热。
3.如权利要求1所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述流化床气化炉(9)的下端还与冷渣器(11)连接，所述流化床气化炉(9)中催化气化反应得到的灰渣通入该冷渣器(11)进行冷却；所述冷渣器(11)是通过喷淋液态水使所述灰渣冷却，所述液态水吸收所述灰渣的热量汽化形成水蒸气，所述水蒸气通入该流化床气化炉(9)参与所述催化气化反应。
4.如权利要求1所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置还包括气体净化硫回收装置(18)，该气体净化硫回收装置(18)分别与所述气体冷却器(17)和所述洗涤塔(19)相连，用于对冷却后的所述第二次气固分离得到的气体进行脱硫处理，脱硫后得到的所述第二次气固分离得到的气体再通入所述洗涤塔(19)进行洗涤。
5.如权利要求1所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述预热移动床反应器(5)内部设置有多个物料滑道(7)，所述物料滑道(7)均位于所述内壳体(6)的内部，所述物料滑道(7)与水平面的夹角均为30°～45°。
6.如权利要求1所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述预热移动床反应器(5)的温度为500℃～700℃；所述流化床气化炉(9)的温度为900℃～1000℃。
7.如权利要求1所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述含碳固体燃料为石油焦。
8.如权利要求7所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述石油焦的颗粒粒径小于等于8mm。
9.如权利要求1所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置，其特征在于，所述催化剂为K2CO3、醋酸钾、K2SO4、KCl、KNO3、CaO、Ca(NO3)2、醋酸钙、CaCl2、Na2CO3、NaNO3、醋酸钠、Na2SO4、NaCl和草木灰中的一种或多种。
10.如权利要求1-9任意一项所述用于含碳固体燃料的催化气化处理装置在催化气化处理含碳固体燃料中的应用。
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