CN105647591B - 固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置及方法。该装置和方法可对煤、生物质、固体废弃物等进行热解气化燃烧分级转化以制取热解气、焦油、合成气和热量。该装置主要由流化床热解炉和多层流化床气化燃烧炉组成。该方法将固体燃料在流化床热解炉中热解，以焦油和热解气的形式提取挥发分，热解剩余的半焦送入多层流化床气化燃烧炉，在气化层中与氧气和水蒸汽发生部分气化反应，生成合成气并输出，部分气化后半焦再送入燃烧层与空气燃烧并释放热量，燃烧后的热灰作为热载体送回热解炉，提供固体燃料热解所需的热量。本发明对固体燃料进行分级转化利用，尤其是对半焦进一步实施了气化燃烧分级转化。
Description
技术领域
本发明涉及一种固体燃料热解气化燃烧制取油、气、热领域，特别涉及一种固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置及方法。
背景技术
我国的煤和生物质资源储量丰富，煤和生物质在我国能源消费中占有重要地位，且将在较长一段时间内仍保持主导地位。而我国的废旧塑料、废旧轮胎和废旧纺织物等固体废弃物每年的产量也十分巨大，且急需得到有效利用。若从煤、生物质、固体废弃物等固体燃料中通过热解提取焦油，同时采用气化和燃烧的方法生产热解气、合成气和热量等产品，不但可以有效利用各种固体燃料，还可以提高产品价值。焦油可通过加氢改性生产燃料油，或提取酚类等多种高价值化合物，热解气和合成气可用于化工合成或燃气，热量可用于生产蒸汽以供热或发电。
国家发明专利CN201110090600.8公开了一种固体燃料双流化床热解气化分级转化装置及方法，该装置主要由一个鼓泡流化床热解炉和一个循环流化床气化炉构成。固体燃料在流化床热解炉内进行热解，析出挥发分，挥发分经净化、冷却后分离出焦油和热解气，热解剩余的半焦送入流化床气化炉内在氧气和水蒸汽气氛下完全气化，生产合成气。该装置和方法对热解半焦采用的是完全气化的转化工艺，只能同时生产焦油、热解气和合成气，且半焦完全气化的转化难度较大，价格昂贵的氧化剂的消耗量也较大，合成气的有效成分也较低。
国家发明专利CN201210181304.3公开了一种低阶粉煤分级转化与热电联产项目结合的方法。该方法将低阶煤通过热解提取液体燃料和有机化工原料，剩余的半焦分成两部分，一部分送至燃煤发电锅炉燃烧发电，另一部分送至半焦气化炉进行气化。在该方法中，半焦是分别进行完全燃烧和完全气化，而非先部分气化再燃烧，因此并未对半焦进行分级利用，且半焦完全气化的转化难度也较大。此外，采用的炉型也非流化床，固体燃料适应性较差。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用流化床进行固体燃料热解气化燃烧分级转化制取热解气、焦油、合成气和热量的装置及方法。
为解决上述问题，本发明固体燃料热解气化分级转化装置包括：流化床热解炉、多层流化床、热解炉旋风分离器、飞灰返料器、半焦返料器、多层流化床旋风分离器、热灰返料器，其中，流化床热解炉上部为稀相区，下部为密相区，密相区顶部设有半焦溢流口，所述的半焦溢流口与半焦返料器的入料室相连；流化床热解炉底部布置有热解炉风室，该热解炉风室连接循环热解气进口，热解炉风室顶部安装有热解炉风帽，热解炉风室底部设有热解炉放灰口；流化床热解炉上部出口与热解炉旋风分离器进口相连接，热解炉旋风分离器上部设有挥发分出口，下部出口与飞灰返料器进料室相连接，多层流化床旋风分离器上部设有烟气出口，下部出口与热灰返料器相连接，热灰返料器的返料室出口与流化床热解炉的密相区相连接。
多层流化床上部为稀相区，下部为密相区，所述的多层流化床被隔为外层的气化层及内层的燃烧层；在气化层与燃烧层之间设有料腿层，所述的料腿层联通气化层与燃烧层，料腿层上端设置在稀相区并连接气化层，料腿层下端延伸至密相区并连接燃烧层；所述的半焦返料器的出料室与飞灰返料器出料室通过共同的出口通道连接多层流化床的密相区；多层流化床燃烧层顶部的出口与多层流化床旋风分离器相连。
进一步的，多层流化床的燃烧层设置以下结构，其底部开有燃烧层放灰口，底部还设有燃烧层风室，燃烧层风室设有空气入口，在燃烧层风室外侧为松动风风室，该松动风风室的下端设有松动风入口，在松动风风室上端设有松动风喷口，所述的松动风喷口对应料腿的半焦出口处。燃烧层风室上安装有燃烧层风帽。
进一步的，多层流化床的气化层设置以下结构，其底部设有多个放灰口，底部还设有气化层风室，在所述的气化层风室设置了气化剂入口；在气化层的顶部设有合成气出口，所述的合成气出口连接气固分离装置，气固分离装置设置在料腿的合成气入口处。气化层风室上安装有气化层风帽。
进一步的，多层流化床外壳设置为圆柱形，则气化层和燃烧层为同心圆柱结构。
进一步的，在流化床热解炉的侧壁上连接固体燃料给料机。
为解决上述问题，本发明新型固体燃料热解气化分级转化方法为：固体燃料通过给料机加至流化床热解炉密相区，与从多层流化床旋风分离器分离下来的热灰相混合，被加热后发生热解，析出挥发分，挥发分经热解炉旋风分离器与飞灰分离后进入净化冷却装置，分离出液态的焦油和气态的热解气，焦油可用于生产燃料油或提取高价值化工产品，热解气一部分循环回流化床热解炉作为流化气，另一部分输出作为化工合成原料气或燃气，热解炉旋风分离器分离下来的飞灰进入飞灰返料器，然后输送至多层流化床气化层，热解剩下的半焦从密相区顶部的溢流口流出，经半焦返料器输送至多层流化床的气化层，并在该层内与水蒸气和氧气进行部分气化反应，生成合成气，合成气夹带部分气化后半焦颗粒进入气固分离装置，与颗粒分离后输出作为化工合成原料气或燃气，部分气化后的半焦颗粒分离后进入料腿，在料腿底部被松动风吹入燃烧层，在燃烧层内与空气发生燃烧反应，燃烧生成的烟气和热灰进入多层流化床旋风分离器，烟气由旋风分离器上部出口排出，热灰由分离器下部出口进入热灰返料器，然后输送回流化床热解炉，以提供固体燃料热解所需要的热量；流化床热解炉的运行温度为450-750℃，多层流化床气化层的运行温度为850-1000℃，燃烧层的运行温度为900-1200℃，整套装置可在常用或加压条件下运行，运行时压力范围为0.1-5.0MPa。
本发明相比与现有技术相比具有如下显著优点：
1、本发明提供的装置可实现煤、生物质、固体废弃物等固体燃料的热解气化燃烧分级转化，同时生产出热解气、焦油、合成气和热量，其中焦油可用于生产燃料油或提取高价值化工产品，热解气和合成气可用于化工合成或燃气，热量可用于生产蒸汽以供热或发电，可实现固体燃料多重利用，具有极高的经济价值；
2、该装置采用多层流化床内层燃烧，外层气化的结构，通过管壁传递热量，由于燃烧层温度较高，气化层温度较低，多层流化床的各层布置符合热量的传递方向，故热量利用效果优良；
3、本发明采用多层流化床对热解半焦进一步实施气化燃烧分级转化，相较传统的分级转化技术中半焦完全气化方案，价格昂贵的氧化剂消耗量较少，且合成气有效成分也较高。
附图说明
图1是固体燃料热解气化燃烧分级转化装置的结构示意图；
图2是本发明中采用圆形外壳截面的多层流化床截面示意图；
图3是本发明中采用管式料腿层的多层流化床截面示意图；
其中：1-流化床热解炉、2-多层流化床气化燃烧炉、3-气化层、4-燃烧层、5-热解炉旋风分离器、6-多层流化床旋风分离器、7-飞灰返料器、8-半焦返料器、9-热灰返料器、10-气固分离器、11-料腿层、12-松动风喷口、13-热解炉风帽、14-热解炉风室、15-松动风风室、16-气化层风室、17-燃烧层气室、18-气化层风帽、19-燃烧层风帽、20-半焦溢流口、21-固体燃料给料机、22-热灰进口、23-循环热解气进口、24-热解炉放灰口、25-挥发分出口、26-气化剂进口、27-气化层放灰口、28-松动风进口、29-空气进口、30-燃烧层放灰口、31-合成气出口、32-烟气出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述：
本发明为固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置。如附图1所示，包括：流化床热解炉1、热解炉旋风分离器5、飞灰返料器7、半焦返料器8、多层流化床旋风分离器6、热灰返料器9，其中，流化床热解炉1上部为稀相区，下部为密相区，密相区顶部设有半焦溢流口20，所述的半焦溢流口20与半焦返料器8的入料室相连；流化床热解炉1底部布置有热解炉风室14，该热解炉风室14连接循环热解气进口23，热解炉风室14顶部安装有热解炉风帽13，热解炉风室14底部设有热解炉放灰口24；流化床热解炉1上部出口与热解炉旋风分离器5进口相连接，热解炉旋风分离器5上部设有挥发分出口25，下部出口与飞灰返料器7进料室相连接，多层流化床旋风分离器6上部设有烟气出口32，下部出口与热灰返料器9相连接，热灰返料器9的返料室出口与流化床热解炉的密相区相连接，该装置还包括多层流化床2；多层流化床2上部为稀相区，下部为密相区，所述的多层流化床2被隔为外层的气化层3及内层的燃烧层4；设有料腿11联通气化层3与燃烧层4，该料腿11下端延伸至密相区以防止气体反窜；所述的半焦返料器8的出料室与飞灰返料器7出料室通过共同的出口通道连接多层流化床2的密相区；多层流化床2燃烧层顶部的出口与多层流化床旋风分离器6相连。
燃烧层4底部开有燃烧层放灰口30，其底部还设有燃烧层风室17，燃烧层风室17设有空气入口29，在燃烧层风室17外侧为松动风风室15，该松动风风室15的下端设有松动风入口28，在松动风风室15上端设有松动风喷口12防止固体颗粒堆积堵塞，所述的松动风喷口12对应料腿11的半焦出口处。
气化层3底部设有多个放灰口27，其底部还设有气化层风室16，在所述的气化层风室16侧壁处设置了气化剂入口26；在气化层3的顶部设有合成气出口31，所述的合成气出口31连接气固分离装置10，所述的气固分离装置10设置在料腿11的合成气入口处。
本发明中的燃烧层风室17上安装有燃烧层风帽19，燃烧层风帽19均以燃烧层4中心轴为中心呈环式布置。气化层风室16上安装有气化层风帽18，气化层风帽18以燃烧层4中心轴为中心呈环式布置。
本发明提供的多层流化床外壳设置为圆柱形，气化层3和燃烧层4为同心圆柱结构，则流化床各层的截面呈环状，如图2所示。
则气化层3为环形空腔，燃烧层4为中心圆柱形空腔，料腿层11为气化层3与燃烧层4之间层状结构的环形空隙。则上述各层底部设置的热气化层风室16、松动风气室15、燃烧层气室17均相应的采用环状结构。
本发明另外提供了其他的多层流化床外壳结构，其截面还可以设置为方形或其它多边形。
本发明在在流化床热解炉1的侧壁的进料口处上连接固体燃料给料机21来实现装置进料。
除上述形式外，本发明还提供另一种料腿层形式，即气化层3与燃烧层4之间设置多个管式的料腿的结构，则在料腿的进料口处对应设置气固分离装置即可。
在固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置中，气固分离装置10可采用迷宫式惯性分离器或其他各种撞击式惯性分离器，分离器可根据分离效率要求设置若干排，合成气出口31设置在分离器之后。
基于本发明的装置提供了一种固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化方法中，固体燃料通过固体燃料给料机21加至流化床热解炉1，与热灰返料器9输送回的热灰混合，固体燃料被热灰加热后升温，并发生热解，析出挥发分，挥发分夹带固体颗粒进入热解炉热解炉旋风分离器5，固体颗粒被分离进入飞灰返料器7，挥发分由挥发分出口25送出，进入后续净化、冷却和焦油电捕集装置，得到焦油和热解气，部分热解气循环回流化床热解炉1底部，由循环热解气进口23送入气室14，作为热解炉流化气；流化床热解炉1中固体燃料热解后生成的半焦通过半焦溢流口20，由半焦返料器8输送至多层流化床2中，其中，部分热解半焦首先在气化层3中与气化介质进行部分气化，生成合成气，所述的气化介质由气化剂入口26进入气化层气室16，然后由气化层风帽18进入气化层；气化层3生成的合成气夹带着部分气化后半焦进入气固分离装置10，部分气化后半焦经分离后进入料腿11，合成气经分离后由合成气出口31送出；空气作为松动风由松动风进口28送入松动风气室15，再由松动风喷口12喷出，料腿11中的部分气化后半焦经松动风松动后进入燃烧层4燃烧；
另再通入空气由空气进口29送入燃烧层风室17，由燃烧层风帽19送入燃烧层4，部分气化后半焦在燃烧层4中完全燃烧，产生烟气和灰渣，进入旋风分离器6，分离后的烟气由烟气出口32排出，灰渣由热灰返料器9送入流化床热解炉1中提供固体燃料热解所需要的热量；
流化床热解炉1的运行温度在450-750℃之间，多层流化床气化层3的运行温度为850-1000℃，燃烧层4的运行温度为900-1200℃，整套装置可在常用或加压条件下运行，加压运行时最大压力为0.1-5.0MPa。
本发明提供的装置及方法可同时生产热解气、焦油、合成气和热量，可根据固体燃料不同组分的反应性和经济价值开展分级转化利用，尤其是对热解半焦进一步实施气化燃烧分级转化。故气化剂消耗较完全气化要少，合成气有效成分含量也较高。这是由于本发明所设置的多层流化床2工作时采用了半焦部分气化，只气化半焦中反应活性较高的无序化结构的碳，而对于反应活性较差的石墨化结构的碳采用燃烧进行转化。因此，不需要通入大量的气化剂，也不需要提高气化温度来气化活性较差的石墨化碳，故部分气化反应中，半焦的燃烧份额较小，生成的二氧化碳较少，有合成气有效成分含量较高。
Claims (10)
1.一种固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，包括流化床热解炉(1)、热解炉旋风分离器(5)、飞灰返料器(7)、半焦返料器(8)、多层流化床旋风分离器(6)、热灰返料器(9)，其中，流化床热解炉(1)上部为稀相区，下部为密相区，密相区顶部设有半焦溢流口(20)，所述的半焦溢流口(20)与半焦返料器(8)的入料室相连；流化床热解炉(1)底部布置有热解炉风室(14)，该热解炉风室(14)连接循环热解气进口(23)，热解炉风室(14)顶部安装有热解炉风帽(13)，热解炉风室(14)底部设有热解炉放灰口(24)；流化床热解炉(1)上部出口与热解炉旋风分离器(5)进口相连接，热解炉旋风分离器(5)上部设有挥发分出口(25)，下部出口与飞灰返料器(7)进料室相连接，多层流化床旋风分离器(6)上部设有烟气出口(32)，下部出口与热灰返料器(9)相连接，热灰返料器(9)的返料室出口与流化床热解炉(1)的密相区相连接，其特征在于，该装置还包括多层流化床(2)；多层流化床(2)上部为稀相区，下部为密相区，所述的多层流化床(2)被隔为外层的气化层(3)及内层的燃烧层(4)；在气化层(3)与燃烧层(4)之间设有料腿层(11)，所述的料腿层(11)联通气化层(3)与燃烧层(4)，料腿层(11)上端设置在稀相区并连通气化层(3)，料腿层(11)下端延伸至密相区并连通燃烧层(4)；所述的半焦返料器(8)的出料室与飞灰返料器(7)出料室通过共同的出口通道连接多层流化床(2)的密相区；多层流化床(2)燃烧层(4)顶部的出口与多层流化床旋风分离器(6)相连。
2.根据权利要求1所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的燃烧层(4)底部开有燃烧层放灰口(30)，其底部还设有燃烧层风室(17)，燃烧层风室(17)设有空气入口(29)，在燃烧层风室(17)外侧为松动风风室(15)，该松动风风室(15)的下端设有松动风入口(28)，在松动风风室(15)上端设有松动风喷口(12)，所述的松动风喷口(12)对应料腿层(11)的半焦出口处。
3.根据权利要求1所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的气化层(3)底部设有放灰口(27)，其底部还设有气化层风室(16)，在所述的气化层风室(16)设置了气化剂入口(26)；在气化层(3)的顶部设有合成气出口(31)，所述的合成气出口(31)连接气固分离装置(10)，所述的气固分离装置(10)设置在料腿层(11)的合成气入口处。
4.根据权利要求2所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的燃烧层风室(17)上安装有燃烧层风帽(19)，燃烧层风帽(19)以燃烧层(4)中心轴为中心呈环式布置。
5.根据权利要求3所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的气化层风室(16)上安装有气化层风帽(18)，气化层风帽(18)以燃烧层(4)中心轴为中心呈环式布置。
6.根据权利要求1所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，多层流化床(2)外壳设置为圆柱形，所述的气化层(3)和燃烧层(4)为同心圆柱结构。
7.根据权利要求1所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的多层流化床(2)外壳的截面还可以设置为方形或其它多边形。
8.根据权利要求1所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置，其特征在于，所述的流化床热解炉(1)的侧壁上连接固体燃料给料机(21)。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置的转化方法，其特征在于，固体燃料通过固体燃料给料机(21)加至流化床热解炉(1)，与热灰返料器(9)输送回的热灰混合，固体燃料被热灰加热后升温，并发生热解，析出挥发分，挥发分夹带固体颗粒进入热解炉旋风分离器(5)，固体颗粒被分离进入飞灰返料器(7)，挥发分由挥发分出口(25)送出，进入后续净化、冷却和焦油电捕集装置，得到焦油和热解气，部分热解气循环回流化床热解炉(1)底部，由循环热解气进口(23)送入气室(14)，作为热解炉流化气；流化床热解炉(1)中固体燃料热解后生成的半焦通过半焦溢流口(20)，由半焦返料器(8)输送至多层流化床(2)中，其中，热解半焦首先在气化层(3)中与气化介质进行部分气化，生成合成气，所述的气化介质由气化剂入口(26)进入气化层气室(16)，然后由气化层风帽(18)进入气化层；气化层(3)生成的合成气夹带着部分气化后半焦进入气固分离装置(10)，部分气化后半焦经分离后进入料腿层(11)，合成气经分离后由合成气出口(31)送出；空气作为松动风由松动风进口(28)送入松动风气室(15)，再由松动风喷口(12)喷出，料腿层(11)中的部分气化后半焦经松动风松动后进入燃烧层(4)燃烧，
另再通入空气由空气进口(29)送入燃烧层风室(17)，由燃烧层风帽(19)送入燃烧层(4)，部分气化后半焦在燃烧层(4)中完全燃烧，产生烟气和灰渣，进入旋风分离器(6)，分离后的烟气由烟气出口(32)排出，灰渣由热灰返料器(9)送入流化床热解炉(1)中提供固体燃料热解所需要的热量；
流化床热解炉(1)的运行温度在450-750℃之间，多层流化床气化层(3)的运行温度为850-1000℃，燃烧层(4)的运行温度为900-1200℃，整套装置可在常用或加压条件下运行，加压运行时最大压力为0.1-5.0MPa。
10.根据权利要求9所述的基于固体燃料流化床热解气化燃烧分级转化装置的转化方法，其特征在于，所述的气化介质为氧气和水蒸汽。
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