CN106010666B - 一种循环流化床气化系统及其气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种循环流化床气化系统及其气化方法，包括燃料破碎给料系统、流化床气化系统、排渣系统、合成气余热回收系统、飞灰脱除循环输送利用系统、粗煤气净化分配系统等组成。本发明采用了全余热回收系统和飞灰再利用系统，合成气气化显热全部用于产生饱和水蒸汽和过热蒸汽，飞灰可采用循环回炉气化和送锅炉燃烧两种方案，实现了能源利用效率最大化和水资源消耗最低化，适用于陶瓷、工业窑炉、玻璃窑炉、炼钢等产业燃料气制备系统，具有成为煤制燃料气站主流技术的广阔前景。

Description

一种循环流化床气化系统及其气化方法
技术领域
本发明涉及一种循环流化床气化系统及其气化方法，属于煤气化技术领域。
背景技术
世界上褐煤等低阶煤储量丰富，目前我国褐煤等低阶煤资源约占全国已探明煤炭储量的55％，东南亚地区存量煤80％以上为褐煤，此外，澳洲、非洲等地也有储量丰富的褐煤等低阶煤。褐煤等低阶煤具有低热、高水、高挥发分的显著特征，部分褐煤还伴有低灰、高硫的特征。目前，褐煤主要通过流化床锅炉和煤粉炉燃烧发电利用，其中流化床锅炉应用较为普遍，少量含水偏低的煤种可进行煤粉锅炉燃烧发电。由于大量的褐煤与电力需求产能的不匹配，褐煤作为廉价资源长期得不到有效合理利用。
流化床气化作为最早将煤进行气化后再利用的技术之一，对于褐煤等低阶煤的利用具有独特的优势，类似于流化床锅炉处理低阶煤相对更加经济可行。因此，流化床气化处理褐煤等低阶煤具有如下公认优势：
1.粉体和颗粒混合进料，原料制备和给料系统相对简单；
2.可以处理高水分褐煤，对原料热值、灰分和灰熔点要求较低；
3.产出合成气热值较高，系统效率较低；
4.可采用富氧或者空气气化，公用工程简单，投资低。
但是，流化床气化操作可以复杂，存在如下问题：
1.加压流化床气化炉内床层高度波动较大，碳转化率较低；
2.流化床气化后产物夹带大量颗粒物，余热回收设备使用寿命短；
3.流化床气化多采用循环回料方式，高效旋风分离器设计难度高；
4.流化床气化排渣设计独特，操作工况恶劣，可靠性较低；
5.高温高压操作难度较大，单炉处理量较低；
6.流化床气化后飞灰残炭含量较高，粒径较细，后处理难度大。
因此，有必要开发一种操作条件温和，气化效率高，维护简单，成本低廉的适合于低阶煤等煤炭资源的气化反应器，从而填补气流床和固定床气化高成本或高污染的技术空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种循环流化床气化工艺方法及其气化方法，采用碎煤侧下方进料，底部干法排渣，上部合成气出口，气化剂从底部三个部分进入，分别为中心管、排渣管和布风板。合成气夹带灰渣颗粒通过两级旋风分离器分离后通过回料装置从气化炉侧下方进入气化炉，气化后的高温合成气经过余热回收系统降温除尘，再依次经除尘装置除尘、合成气换热器降温、脱硫系统脱硫后进入气柜产出产品气，流化床气化过程产生的未完全反应灰渣通过回收利用方式实现能源利用效率最大化。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种循环流化床气化工艺方法及其气化方法，包括燃料破碎给料系统、流化床气化系统、排渣系统、合成气余热回收系统、飞灰脱除循环输送利用系统、粗煤气净化分配系统等。
所述的破碎给料系统主要由原煤仓、破碎机、受煤斗和斗提机、碎煤仓、锁斗、给料罐和给料器组成；
所述的流化床气化系统主要由气化炉本体、一级旋风分离器、二级旋风分离器、布风板、中心管、排渣套管和二次气化剂给入口组成；
所述的排渣系统主要由高温加压冷渣器、加压集渣罐、排渣锁斗和常压低温冷渣器组成；
所述的合成气余热回收系统主要包括辐射废锅、对流废锅、省煤器、除盐水预热器组成合汽包组成；
所述的对流废锅设为上段高温过热段和下段低温对流换热段组成；
所述的飞灰脱除循环输送系统主要包括飞灰脱除装置、飞灰收集罐、飞灰锁斗喷吹罐及输送管路组成；
所述的飞灰脱除装置可采用袋式除尘或过滤器除尘等方式；
所述的粗煤气净化分配系统主要由合成气脱硫系统和合成气气柜组成；
所述的粗煤气脱硫系统可采用低温甲醇洗技术、NHD脱硫技术等各类脱硫工艺；
所述的流化床气化系统可采用空气、富氧空气(氧气浓度大于21％)或纯氧进行气化，气化压力0.1～1.0MPa，气化温度900℃～1300℃；
本发明还提出了一种配合上述工艺系统的气化方法。具体步骤如下：
1)经过初步干燥的原煤控制外水不超过5％直接进入原煤仓经过破碎筛分，控制粒度<10mm，进入受煤斗，通过斗提机送往给煤仓；
2)给煤仓在底部流化风作用下送入锁斗，锁斗加压提高压力至给料压力0.1～1.0MPa，在送入给料罐，给料罐通过转动给料设备在输送风的喷吹作用下从气化炉侧下方给入；
3)空气经过分子筛吸附系统将氧气提纯至30％～50％后经过氧气预热器预热至150℃～350℃，与150℃～350℃的过热水蒸汽混合，分别从中心管、布风板和排渣管进入气化炉；
4)其中，中心管以富氧空气为主，约占总氧气的50～80％，混合少量水蒸汽5％～25％，布风板进入氧气占总量5％～25％，进入的水蒸汽占总量的30％～60％，排渣管进入的氧气占总量5％～25％，进入的水蒸汽占总量的40％～70％；
5)合成气出口夹带大量细灰颗粒依次进入一级旋风分离器和二级旋风分离器进行旋风除灰，分离下来的颗粒通过回料腿和回料阀重新从气化炉侧下方进入气化炉，合成气出口温度900℃～1100℃，旋风分离器采用绝热式设计；
6)合成气进入辐射废锅后降温至450℃～600℃，再进入对流废锅降温，过热段降至350℃～500℃，经对流段降温至200℃～350℃，经合成气冷却器降温至100℃～200℃；
7)合成气在进入合成气冷却器之前进行了严格的除尘，将粉尘含量降至30mg/Nm3以下，再进入合成气冷却器降温后进入脱硫系统，脱硫后合成气经过气柜可根据用户需求减压至各等级产品气；
8)经过辐射废锅、对流废锅和飞灰除尘器脱除的细灰采用氮气或其他惰性气体输送至锅炉燃烧或循环回流化床气化炉再气化，当采用循环至气化炉再气化时送入气化炉中心管或二次气化剂喷枪。
本发明运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能，相比现有技术，本发明还具有如下有益效果：
(1)本发明采用循环流化床气化系统可以采用10mm以下碎煤颗粒进料，且在中高温条件下进行加压气化，产生煤气含有3～5％甲烷，热值加高，适合于做燃料气；
(2)采用飞灰再循环利用，提高整体碳转化率和能源利用效率，同时，本系统采用干法排渣和干法除灰技术，无废水排放和处理，环保性能极佳，水耗非常低；
(3)本发明采用了全余热回收系统，合成气中900℃以上高温显热和900℃以上高温灰渣的热量全部被充分吸收再利用，系统能源利用效率提高10％以上；
本发明采用900℃以上温度进行气化，可有效分解焦油等大分子有机物，后系统合成气净化除尘工艺大大简化，有效气产率大大提高，设备运行和维护成本大大降低。
附图说明
图1为一种带飞灰送锅炉系统燃烧利用的循环流化床气化工艺系统示意图；
图2为一种带飞灰再循环气化的循环流化床气化工艺示意图。
附图标记说明
1－原煤；2－原煤仓；3－破碎机；4－受煤斗；5－斗提机；6－给煤仓；7－煤锁斗；8－煤给料罐；9－转动给料机；10－布风板气化剂入口；11－排渣管气化剂入口；12－中心管气化剂入口；13－流化床气化炉本体；14－二次气化剂入口；15－集渣罐；16－排渣锁斗；17－常压低温冷渣器；18a\18b－除盐水；19a－排渣；19b－渣循环回路；20a，20b－回料阀；21a，21b－旋风分离器；22－辐射废锅；23－辐射下降管；24－汽包；25－过热蒸汽进气化炉；26－高温加压冷渣器；27－对流废锅；27a－对流废锅过热段；27b－对流废锅对流段；28a，28b－集灰罐；29a、29b－飞灰气提锁斗；30－飞灰除灰器；31－合成气冷却器；32－辐射上升管；33－对流上升管；34－对流下降管；35－过热段给水管；36－合成气冷却器出水管；37－预热水；38－预热蒸汽；39－蒸汽减压阀；40－除盐水预热器；41－冷凝液；42－饱和蒸汽；43－过热蒸汽；44－脱硫系统；45－气柜；46a，46b，46c－煤气减压阀；47－灰循环管；48－锅炉，；49－输送气；50－空气；51－水蒸汽；52－氧气预热器；53－氧气或富氧空气；54－冷凝液；55－分子筛或空分；56－输送气；57－给料腿；58－回料腿；59a，59b，59c－水夹套上升管；60a，60b，60c－水夹套进水；61－排渣管。
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。
一种循环流化床气化系统，包括燃料破碎给料系统、流化床气化系统、排渣系统、合成气余热回收系统、飞灰脱除循环输送利用系统、粗煤气净化分配系统等组成。
本发明所述的燃料包括所有含碳固体燃料，将燃料1输送至原煤仓2，经过破碎机3破碎后到受煤斗4，通过斗提机5提升至给煤仓6，经煤锁斗7加压后进入煤给料罐8，在输送气56和转动给料机9的作用下通过给料腿57进入气化炉13，气化剂由空气50经空分或分子筛55提高其中氧气浓度后获得富氧空气53经氧气预热器52预热，分三路进入气化炉底部，分别为中心管12、排渣管11和分布板10，在操作需要时，部分富氧空气从气化炉二段气化剂给入口14进入气化炉。合成气夹带颗粒在一级旋风分离器21a和二级旋风分离器21b作用下分离大部分颗粒，分别通过回料阀20a和20b经回料腿58返回气化炉侧下方。粗煤气经辐射废锅22、对流废锅27降温后进入飞灰除尘器30进一步脱除颗粒，再进入合成气冷却器31降温后进入脱硫系统44脱硫和硫回收，至此获得产品燃料气经气柜45可分配给不同用户。其中，气化炉、一级旋风分离器、二级旋风分离器均可设计带有水夹套冷却壁面。另外，考虑到底渣含碳量，可以设置渣循环回路19b将渣循环进入给料装置受煤斗4再次进入气化系统气化，以提高整体碳转化率。
本发明中所述的辐射废锅22、对流废锅27底部飞灰统一收集于集灰罐28a，飞灰除尘器30底部排灰收集于集灰罐28b，分别经由输送气49经气提冷却罐29a和29b输送至锅炉48燃烧或流化床气化炉13二次气化。
本发明所述的余热回收部分脱盐水18c经预热器40预热后进入合成气冷却器31，合成气冷却器31、对流废锅27b、辐射废锅22、气化炉水夹套59、冷渣器26和17等产生的水蒸汽均通过汽包24产出饱和水蒸汽42。
图1中所示的工艺流程将气化后的煤灰通过气力输送直接送煤粉锅炉燃烧利用，图2中所示的工艺流程将气化后的煤灰通过气力输送返回气化炉底部中心管二次进入气化炉，在气化炉内实现再气化利用，实现两个系统的整体碳转化率达到最高水平。
实施例1
以一套日处理煤量500吨(空干基)的循环流化床气化工艺系统为例。燃料煤的煤质数据见表1所示。气化反应装置的设计参数如下：
操作压力：0.3MPaG；
操作温度：1000℃；
气化剂：富氧35％和水蒸汽；
碎煤燃料粒径：0～10mm，平均粒径6mm，总质量占比80％；
粉煤燃料粒径：0～200μm，平均粒径65μm，总质量占比15％，采用N2输送；
飞灰全部送锅炉燃烧处理。
气化剂分配：中心射流气化烧嘴占50％，布风板25％，二段烧嘴室15％、排渣管10％；
排渣温度：950℃；
富氧空气预热至180℃；
余热回收系统富产饱和蒸汽等级：1.5MPa，约30t/h。
表1燃料煤煤质分析数据
Figure GDA0003337629190000051
Figure GDA0003337629190000061
气化反应出口合成气主要气体组成：
CO：22.26；H2：24.13；CH4：3.05；CO2：13.26；H2O：7.97；N2：29.27
合成气流量：55164Nm3/h；
合成气温度：992℃；
水蒸汽消耗：6450kg/h；
氧气消耗：7526kg/h；
氮气消耗：19966Nm3/h；
气化系统碳转化率：90％；
能源利用效率：87％；
飞灰产出：2.07t/h，含残炭65％具有较高的可燃性；
飞灰循环回气化炉再气化时碳转化达到96％以上，粗煤气产出提高5～6的百分点。
从以上数据可以得出，本发明专利所述的循环流化床气化工艺系统及其气化方法在氧气消耗、水蒸汽消耗等消耗指标上优于国内外同类技术，碳转化率高出约5个百分点以上，操作温度适中，当采用实现了粉煤与碎煤同时进料气化，飞灰回锅炉燃烧碳转化率达99％以上，，回气化炉再气化达到96％以上，产生煤灰可作为建材利用并无害化处理。全余热回收系统使热效率提高10～15％，水耗降到最低，全系统无污水和废水排放，实现了超洁净煤气化工艺要求。
综上所述，本发明专利具有明显的技术创新优势，适用于为陶瓷、工业窑炉、玻璃、炼钢等行业提供质优价廉的燃料气，替代高价天然气和高污染的固定床煤气发生炉装置。

Claims (4)

1.一种循环流化床气化方法，特征在于，所述的气化工艺按照如下气化方法进行气化：
1)经过初步干燥的原煤控制外水不超过5％直接进入原煤仓(2)经过破碎筛分，控制粒度<10mm，进入受煤斗(4)，通过斗提机(5)送往给煤仓(6)；
2)给煤仓(6)在底部流化风作用下送入煤锁斗(7)，煤锁斗加压提高压力至给料压力0.1～1.0MPa，在送入煤给料罐(8)，煤给料罐通过转动给料机(9)在输送风的喷吹作用下从气化炉侧下方给入；
3)空气经过分子筛或空风吸附系统将氧气提纯至30％～50％后经过氧气预热器(52)预热至150℃～350℃，与150℃～350℃过热水蒸汽混合，分别从中心管、布风板和排渣管进入气化炉；
4)其中，中心管以富氧空气为主，占总氧气的50～80％，混合少量水蒸汽5％～25％，布风板进入氧气占总量5％～25％，进入的水蒸汽占总量的30％～60％，排渣管进入的氧气占总量5％～25％，进入的水蒸汽占总量的40％～70％；
5)合成气出口夹带大量细灰颗粒依次进入一级旋风分离器和二级旋风分离器进行旋风除灰，分离下来的颗粒通过回料腿和回料阀重新从气化炉侧下方进入气化炉，合成气出口温度900℃～1100℃，旋风分离器采用绝热式设计；
6)合成气进入辐射废锅(22)后降温至450℃～600℃，再进入对流废锅(27)降温，过热段降至350℃～500℃，经对流段降温至200℃～350℃，经合成气冷却器降温至100℃～200℃；
7)合成气在进入合成气冷却器(31)之前进行了严格的除尘，将粉尘含量降至30mg/Nm3以下，再进入合成气冷却器降温后进入脱硫系统，脱硫后合成气经过气柜可根据用户需求减压至各等级产品气；
8)经过辐射废锅(22)、对流废锅(27)和飞灰除尘器脱除的细灰采用氮气或其他惰性气体输送至循环回流化床气化炉再气化，送入气化炉中心管；
所述循环流化床气化方法使用如下循环流化床气化系统：
所述循环流化床气化系统，包括燃料破碎给料系统、流化床气化系统、排渣系统、合成气余热回收系统、飞灰脱除循环输送利用系统、粗煤气净化分配系统；
所述的燃料破碎给料系统主要由原煤仓(2)、破碎机(3)、受煤斗(4)、斗提机(5)、给煤仓(6)、煤锁斗(7)、煤给料罐(8)和转动给料机(9)组成；
所述的流化床气化系统主要由气化炉本体(13)、一级旋风分离器(21a)、二级旋风分离器(21b)、布风板气化剂入口(10)、排渣管气化剂入口(11)、中心管气化剂入口(12)、排渣管(61)和二次气化剂给入口(14)组成；合成气夹带颗粒在一级旋风分离器(21a)和二级旋风分离器(21b)作用下分离大部分颗粒，经回料腿(58)返回气化炉侧下方；
所述的排渣系统主要由高温加压冷渣器(26)、加压集渣罐(15)、排渣锁斗(16)和常压低温冷渣器(17)组成；
所述的合成气余热回收系统包括：辐射废锅(22)、对流废锅(27)、省煤器、除盐水预热器(40)和汽包(24)；
所述的飞灰脱除循环输送系统包括：飞灰除尘器(30)、飞灰收集罐(28a、28b)、飞灰气提锁斗(29a、29b)及输送管路；
所述的粗煤气净化分配系统主要由合成气脱硫系统(44)和合成气气柜(45)组成；
所述的粗煤气脱硫系统(44)可采用低温甲醇洗技术、NHD脱硫技术脱硫工艺。
2.如权利要求1所述的一种循环流化床气化方法，其特征在于，所述的合成气余热回收系统中气化炉水夹套、辐射废锅(27)、对流废锅对流段(27b)、合成气冷却器(31)、高温加压冷渣器(26)和常压低温冷渣器(17)产生的饱和蒸汽全部到对流废锅过热段(27a)进行过热，产生过热蒸汽。
3.如权利要求1所述的一种循环流化床气化方法，其特征在于，所述的气化炉、旋风分离器均采用水夹套设计，并在水夹套热面侧设计耐火防磨材料。
4.如权利要求1所述的一种循环流化床气化方法，其特征在于，所述的气化炉底部排渣部分通过渣循环回路(19b)至受煤斗(4)再次进入气化炉进行再气化，考虑总灰量平衡，部分送至场外运出。
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