CN106221814B - 一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置及气化方法 - Google Patents

Abstract

一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置及气化方法，涉及洁净能源煤气化技术领域。解决了现有的气化装置物料适应性差、负荷适应性低、氧耗高、碳转化率低、不易放大、渣膜薄且不均、需用备用炉、初投资和运行费用高及H₂/CO比例不可调的问题。本发明气化装置包括加料装置、双涡快速流化床、气化气循环泵、旋风气化炉、水冷系统、激冷器和碎渣机；本发明气化方法为将单段气化解耦成热解、碳转化并串联耦合的两段气化，双涡快速流化床专用于低温段固体颗粒物料流化、破碎、热解，形成荒煤气，旋风气化炉专用于高温段将荒煤气弱旋、燃烧、气化，实现碳转化；本发明主要用于低熔点劣质煤、生物质及其混合物的洁净、高效、经济、可靠的分段耦合气化。

Description

一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置及气化方法

技术领域

本发明涉及洁净能源煤气化技术领域，具体地涉及一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置及气化方法。

背景技术

煤气化技术是现代煤化工的基础，是通过煤间接液化制取油品或以气化气为原料制取甲醇、合成油、甲烷等及以甲醇为原料制得乙烯、丙烯等化工产品的核心技术。作为煤化工产业链中的“龙头”装置，煤气化装置具有投入大、可靠性要求高、对整个产业链经济效益影响大等特点。目前国内外气化技术众多，各种技术都有其特点和特定的适用场合，它们工业化应用程度及可靠性存在差异。开发劣质煤及与下游产品相适宜的新型煤气化工艺技术是现代煤化工产业发展的重大挑战。

煤气化技术和产业的发展必须以煤资源的高效利用、环境友好为前提。因此，高效和洁净的煤气化技术是当今煤气化技术发展的主流。

气流床技术具有大型化、洁净、碳转化率高、煤种适应性较强等特点，是当今煤气化发展的主要方向，但在劣质煤、特别是低灰熔点煤及其与生物质混合物的气化方面，平推式气流床面临物料适应性差、负荷适应性低、氧耗高、渣膜薄而不均、需用备用炉、初投资和运行费用高、H2/CO比例不可调等问题，强旋气流床由于回流区上冲、气固分离、停留时间短，不利于保护烧嘴、顺畅排渣和保证高碳转化率。

流化床煤气化使煤颗粒通过气化介质达到流态化，较高的气-固之间的传热、传质速率，使床内温度分布比较均匀，便于操作控制；直接利用碎粉煤，备煤加工费用最低；可在原料中加固硫剂，实现满意的床内脱硫效果；炉内运动部件少，维护工作量小，氧耗比气流床低；物料适应性强。但流化床特别是鼓泡床气化存在碳转化率低、合成气中焦油和飞灰含量高、不易放大的固有缺点。

国外自上世纪80年代已经开始进行两段气化的实验研究，德国CGT(Carbon GasTeohnologie)公司开发了一种二段气化法。它把流化床和气流床结合在一个反应器内。煤和氧气/蒸汽一起加到流化床区域内，由于流化床的混合特性，煤在均匀的1000℃下进行干燥、脱挥发分和气化过程。从流化床上升气流夹带的颗粒,通过炉上部的出口进入旋风分离器而分离下来,通过锁斗系统贮在料斗中。这些粉尘用气化剂送到气流床上段,并在那里进一步气化,熔融的灰落入到流化床,固化后随干灰一起在气化炉底排出。炉体运行后，碳转化率95％，气化效率为85％。德国CGT气化炉，由于结构的特殊性，气流床气化炉内置在流化床气化炉中，导致每次煤气化的量有限，所以整体气化产率较低。

此外,韩国首尔大学(University of Seoul)开发了一个耦合流化床气化炉和上吸式固定床焦油处理器的两段气化技术,原料颗粒首先在流化床内热解气化,产生的气化气体在流过安置有活性炭的上吸式固定床床层，当气体流过活性炭时，气体中的焦油被吸附，从而降低气化气中的焦油含量，达到净化气体的作用。韩国首尔大学开发的两段气化技术,虽然可以大规模对原料进行处理,然而由于反应中产生的大量半焦没有利用，直接排出后使用商业活性炭进行净化，大大增加生产成本，整体经济效益比较差。

国内从上世纪90年代中期开始进行两段气化方面的研究,并取得了一定的进展。中国专利CN1583956A公开了一种联合循环流化床气化炉和下吸式固定床气化炉的生物质两段气化工艺。前段生成的气化气与后段供入的生物质燃料在下吸式固定床中共气化。首先生物质物料在循环流化床内进行热解气化，使在前气化阶段产生的气化气进入下吸式气化装置，与加入其中的原料一起进行共气化反应。

中国专利CN1583956A的生物质两段气化工艺,由于缺少前气化段所生产半焦的催化作用,导致焦油的脱除率较低，最终的气化产品焦油含量依然较高，致使碳转化率较低。

此外，中国专利CN101440307A公开的生物质两段气化工艺。由于流化床的高温热裂解对产品的焦油脱除作用有限,而且热裂解反应后气体中含有较高的炭黑,造成反应的碳转化率低,为后续气体的净化造成不小压力，无形中增加了经济成本。

综上，亟需提供一种气化装置及气化方法解决现有的气化装置原料适应性差、负荷适应性低、氧耗高、碳转化率低、不易放大、渣膜薄且不均需用备用炉、初投资和运行费用高、H2/CO比例不可调等问题，实现对劣质煤难、生物质及其混合物的洁净、高效、经济、可靠气化。

发明内容

本发明针对现有的气化装置原料适应性差、负荷适应性低、氧耗高、碳转化率低、不易放大、渣膜薄且不均需用备用炉、初投资和运行费用高及H2/CO比例不可调的问题，本发明提供了一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置及气化方法，实现煤特别是低熔点劣质煤、生物质及其混合物的洁净、高效、经济、可靠气化。

一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，它包括加料装置、双涡快速流化床、气化气循环泵和旋风气化炉，双涡快速流化床用于使固体颗粒物料流化、破碎、热解，形成荒煤气；所述的荒煤气是指来自双涡快速流化床的热解气和大量小于100微米的飞灰；旋风气化炉用于使荒煤气弱旋、燃烧、气化，实现碳转化；双涡快速流化床与旋风气化炉串联耦合。

还包括水冷系统、激冷器和碎渣机；

所述的水冷系统包括锅筒、下降管、下集箱、上集箱、上升管、竖管水冷壁和水循环泵；

竖管水冷壁、下集箱和上集箱位于旋风气化炉的内部，锅筒、下降管、上升管、水循环泵和碎渣机位于旋风气化炉的外部，且所述的竖管水冷壁设置在旋风气化炉的侧壁上，

竖管水冷壁上端口依次通过上集箱、上升管、锅筒、下降管、水循环泵和下集箱，与其竖管水冷壁下端口连通；

激冷器位于旋风气化炉下部，碎渣机位于旋风气化炉底部，激冷器用于将熔渣和气化气冷却，碎渣机用于炉渣破碎，并排出旋风气化炉；

旋风气化炉上设有4个1号进料口，且4个1号进料口沿着旋风气化炉的周向均匀分布，该4个1号进料口设置在旋风气化炉侧壁的上半部，旋风气化炉的顶部中心设置有小火焰烧嘴，旋风气化炉侧壁的下半部设有2号气化剂入口和出气口；

加料装置的出料口与双涡快速流化床的进料口连通，

双涡快速流化床底部设有1号气化剂入口，双涡快速流化床顶部出料口同时与旋风气化炉的4个1号进料口和小火焰烧嘴连通；

出气口输出的气化气分为两路，其中，一路气化气通过气化气循环泵泵入到双涡快速流化床的1号气化剂入口内，另一路气化气用于化工合成或发电，

双涡快速流化床的1号气化剂入口还用于输入气化剂，且从其1号气化剂入口进入的气体，呈螺旋状向上运动，

所述的双涡快速流化床的工作温度为500℃至980℃，旋风气化炉的工作温度为1400℃至1700℃；

从4个1号进料口引入来自双涡快速流化床的荒煤气，且引入的荒煤气在同一平面内射流进入旋风气化炉内，并围绕旋风气化炉中心轴弱旋旋转，

从小火焰烧嘴引入来自双涡快速流化床的荒煤气，且引入的荒煤气以旋流或直流方式，从上至下喷射到旋风气化炉内，

从4个1号进料口引入的荒煤气的运动状态与从小火焰烧嘴引入的荒煤气的运动状态的综合作用，使得旋风气化炉内的荒煤气由上至下，呈螺旋状向下运动，

从4个1号进料口引入的荒煤气的流量为从小火焰烧嘴引入的荒煤气流量的二倍。

优选的，所述的旋风气化炉的最佳工作温度为1550℃。

优选的，所述的双涡快速流化床分为上部和下部两部分，且从下部至上部逐渐变窄，双涡快速流化床底部中心设有锥形体。

优选的，双涡快速流化床的个数不超过9个。

优选的，所述的激冷器采用水激冷或循环气化气激冷方式实现。

优选的，所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，它还包括加热器，且加热器位于加料装置和双涡快速流化床之间，用于对从加料装置送至双涡快速流化床的物料进行干燥。

优选的，所述的出气口所在的管路上设有阀门。优选的，所述的通入至双涡快速流化床和旋风气化炉内的气化剂为纯氧、富氧空气、空气、水蒸汽、氢气、一氧化碳或二氧化碳中的一种或多种。

所述的通入至双涡快速流化床的物料是低灰熔点劣质煤、生物质及其混合物颗粒物料、也可以是低灰熔点优质煤颗粒物料，颗粒物料直径需小于10毫米，为了保证在旋风气化炉中实现充分碳转化，双涡快速流化床产生的荒煤气中的固体颗粒需小于100微米。

优选的，所述的水冷系统采用自然循环方式强制循环运行，其中，竖管水冷壁也可改用盘管式强制循环水冷壁替代。

优选的，所述的从双涡快速流化床的1号气化剂入口进入的气体呈螺旋状由下至上运动。

采用权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置实现的气化方法，该方法的具体过程为：

步骤一：将直径小于10mm劣质煤颗粒物料经过加料装置用N₂或CO₂加压到3MPa至4MPa送入双涡快速流化床中，同时通过双涡快速流化床底部的1号气化剂入口切向送入气化剂，使双涡快速流化床内部的工作温度在500℃至980℃范围内，对劣质煤颗粒物料进行流化、破碎、热解，生成的荒煤气在双涡快速流化床内呈螺旋状向上运动，喷射到旋风气化炉内；

步骤二：利用水冷系统进行强制水循环，使旋风气化炉的工作温度在1400℃至1700℃范围内，从旋风气化炉的小火焰烧嘴送入荒煤气和气化剂，同时从旋风气化炉内的4个1号进料口送入荒煤气和气化剂，使旋风气化炉内由荒煤气和气化剂形成的多相流体呈螺旋状由上向下运动，同时小火焰烧嘴对荒煤气和气化剂进行引燃至稳燃，旋风气化炉内的荒煤气弱旋、燃烧、气化，最终实现碳转化，碳转化后产生的液态炉渣通过激冷器激冷，转化为固态，碎渣机对炉渣进行破碎，并排出旋风气化炉；

碳转化后产生的气化气一部分用于化工合成或发电，另一部分通过循环泵泵入到双涡快速流化床内，从而完成对劣质煤水冷壁炉的分段耦合气化。

本发明带来的有益效果是，与现有的气流床相比，本发明将高温热解改为低温的双涡快速流化床热解，旋风气化炉专注于碳转化，改善了结渣特性，降低了对煤粘温特性的要求，减少了氧耗，耦合了高温段反应器，使流化床气化适应了大型化。

本发明方法专注于劣质煤或低阶煤、特别是低灰熔点煤、煤与生物质混合、生物质小、中、大规模的定向气化，更为灵活的适用多种原料的气化，体现其优良的经济适用性。

本发明耦合气化的核心目的是要充分发挥流化床气化优势。因为流化床不需要考虑焦油、飞灰、碳转化率等问题，可以调节炉内的反应温度等条件，得到预期的热解效果。

本发明的气化技术具有碳转化率高、耗氧量低、合成气无焦油、原料适应性强、与生物质混和气化时H2/CO比例可调、可靠性高等鲜明特点。

本发明主要用于低灰熔点煤、褐煤、生物质及其与生物质混合物的小、中、大规模气化，同时也可以应用于优质煤的气化。本发明方法利用流化床和气流床的各自优势，使用恰当的耦合方法，保证气化效率，改善原料的适用性，提高操作稳定性，使耦合气化装置更容易实现，使装置更容易放大使用。

通过有效耦合与独立控制，就会发挥各自的优点并且克服各自的缺点，使每个反应器各尽所能，彼此之间相得益彰。这为开发高效、低成本、环境友好、物料适应性强、可靠的新型多联产气化技术提供巨大空间和潜能。

将传统的煤气化过程分为热解和碳转化两个子过程,并分别在上游的双涡快速流化床和下游的旋风气化炉内分别进行。充分发挥每个气化炉的优势，使本发明还具有以下突出的技术特点：

物料适应性强(粘结性煤除外)，从生物质到各阶煤、能适应配煤品质的波动、流化床气化不再限于高活性煤，兼具破碎性能，而且适于生物质与煤混和气化。既解决生物质因季节性和收集困难无法大规模化利用问题，又可发挥混和气化的协同作用以定向气化。

本发明在氢电联产的IGCC和Cl化工合成方面，煤与生物质混合物分段定向气化可灵活提高H2/CO比例，克服一段气流床无法根本调整H2/CO比例的弱点。结合固定床后,可对机械化采煤中的粉煤直接气化实现焦炭、焦油、合成气多联产。

负荷适应性强。低负荷时旋风气流床因使用荒煤气烧嘴能稳定运行；高负荷时流化床因低温运行也不会结渣。

双涡快速流化床和旋风气化炉独立控制，温度、压力、气化剂均可不同。低温段采用O₂/H₂O气化剂、高温段采用O₂/H₂O气化剂，与生物质混合气化可省去耗能的WGS工艺，提高带CCS的IGCC发电效率，使IGCC成为半封闭CCSU的IGCC。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的原理示意图；

图2为具体实施方式三所述的双涡快速流化床的结构示意图；

图3为具体实施方式四所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的结构示意图；附图标记A表示气化剂，附图标记D、E表示出气口输出的气化气；

图4为旋风气化炉内部a-a断面切圆喷射示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，它包括加料装置1、双涡快速流化床2、气化气循环泵3和旋风气化炉5，双涡快速流化床2用于使固体物料流化、破碎、热解，形成荒煤气；旋风气化炉5用于使荒煤气弱旋、燃烧、气化，实现碳转化；双涡快速流化床2与旋风气化炉5串联耦合,

它还包括水冷系统6、激冷器4和碎渣机7；

所述的水冷系统6包括锅筒6-1、下降管6-2、下集箱6-3、上集箱6-4、上升管6-5、竖管水冷壁6-6和水循环泵6-7；

竖管水冷壁6-6、下集箱6-3和上集箱6-4位于旋风气化炉5的内部，锅筒6-1、下降管6-2、上升管6-5、水循环泵6-7和碎渣机7位于旋风气化炉5的外部，且所述的竖管水冷壁6-6设置在旋风气化炉5的侧壁上，

竖管水冷壁6-6上端口依次通过上集箱6-4、上升管6-5、锅筒6-1、下降管6-2、水循环泵6-7和下集箱6-3，与其竖管水冷壁6-6下端口连通；

激冷器4位于旋风气化炉5下部，碎渣机7位于旋风气化炉5底部，激冷器4用于将熔渣和气化气冷却，碎渣机7用于炉渣破碎，并排出旋风气化炉5；

旋风气化炉5上设有4个1号进料口5-1，且4个1号进料口5-1沿着旋风气化炉5的周向均匀分布，该4个1号进料口5-1设置在旋风气化炉5侧壁的上半部，旋风气化炉5的顶部中心设置有小火焰烧嘴5-4，旋风气化炉5侧壁的下半部设有2号气化剂入口5-2和出气口5-3；

加料装置1的出料口与双涡快速流化床2的进料口连通，

双涡快速流化床2底部设有1号气化剂入口2-1，双涡快速流化床2顶部出料口2-2同时与旋风气化炉5的4个1号进料口5-1和小火焰烧嘴5-4连通；

出气口5-3输出的气化气分为两路，其中，一路气化气通过气化气循环泵3泵入到双涡快速流化床2的1号气化剂入口2-1内，另一路气化气用于化工合成或发电，

双涡快速流化床2的1号气化剂入口2-1还用于输入气化剂，且从其1号气化剂入口2-1进入的气体，呈螺旋状向上运动，

所述的双涡快速流化床2的工作温度为500℃至980℃，旋风气化炉5的工作温度为1400℃至1700℃；

从4个1号进料口5-1引入来自双涡快速流化床2的荒煤气，且引入的荒煤气在同一平面内射流进入旋风气化炉5内，并围绕旋风气化炉5中心轴弱旋旋转，

从小火焰烧嘴5-4引入来自双涡快速流化床2的荒煤气，且引入的荒煤气以旋流或直流方式，从上至下喷射到旋风气化炉5内，

从4个1号进料口5-1引入的荒煤气的运动状态与从小火焰烧嘴5-4引入的荒煤气的运动状态的综合作用，使得旋风气化炉5内的荒煤气由上至下，呈螺旋状向下运动，

从4个1号进料口5-1引入的荒煤气的流量为从小火焰烧嘴5-4引入的荒煤气流量的二倍。

本实施方式，旋风气化炉5内设有竖管水冷壁6-6，炉体底部装有碎渣机7，保证正常的排渣工作；为了防止出渣口堵塞，在下部5-2通入气化剂，可以通入纯氧，以利正常排渣。

从4个1号进料口5-1引入的荒煤气在同一平面内射流进入旋风气化炉5，并围绕旋风气化炉5中心轴旋转，且每个1号进料口5-1射入的荒煤气形成的多相流流向与旋风气化炉5中心轴相切。

本发明将煤特别是低灰熔点劣质煤及与生物质混合物单段气化分为低温双涡快速流化床2专门热解和高温旋风气化炉5专门碳转化的分段气化、及通过结构设计进行有效串联耦合。

从4个1号进料口5-1引入的荒煤气在旋风气化炉5内的运动状态和从小火焰烧嘴5-4引入的荒煤气在旋风气化炉5内的运动状态综合，使旋风气化炉5内的荒煤气中的飞灰呈螺旋状由上向下运动，增加荒煤气中的飞灰在旋风气化炉5内运动的路程，使荒煤气在旋风气化炉5内弱旋、燃烧、气化，实现碳转化。

本发明装置的原料主要是低灰熔点劣质煤、生物质及其混合物颗粒物料、也可以是低灰熔点优质煤颗粒物料，其中所述固体物料为原料颗粒，且其直径需小于10毫米，为了保证在旋风气化炉5中实现充分碳转化，双涡快速流化床2产生的荒煤气中的固体颗粒需要小于100微米。

为增加荒煤气在旋风气化炉5的停留时间、改善充满度和气固混合，采用切向进料、弱旋、切圆式布置。旋风气化炉5的任务是对来自于双涡快速流化床2的荒煤气进行高温碳转化精加工，旋风气化炉5操作温度为1400℃至1700℃。针对低灰熔点煤，综合考虑后，旋风气化炉5的设计为水冷壁炉壁炉、液态排渣并设有竖管水冷壁6-6、锅筒6-1、下降管6-2、水循环泵6-7、下集箱6-3、上集箱6-4和上升管6-5。

旋风气化炉5内a-a截面形成切圆式喷射，具体参见图4，增加荒煤气在旋风气化炉5内停留时间，而且可以避免对冲式布置对旋风炉顶的热冲击、磨蚀。约1/3双涡快速流化床2的荒煤气由位于旋风气化炉5的顶部中心小火焰烧嘴5-4喷入，主要用于燃烧，提供碳转化所需的热量。

小火焰烧嘴5-4实为荒煤气小火焰烧嘴，着火与稳燃会改善，烧嘴耐磨损性能会改善，便于冷却的小火焰烧嘴会改善耐热冲击性能。切圆进入的荒煤气可采用多股射流喷口适当浓淡分离喷入以利于渣膜的形成。

本发明是利用解耦思想将单段的燃料干燥、热解、部分气化与半焦化和焦油重整及碳转化解耦为双涡快速流化床2热解和旋风气化炉5碳转化的分段气化方法。

将气化原料由加料装置1加入到双涡快速流化床2内，热解气化剂由双涡快速流化床2底部的气化剂入口通入，使双涡快速流化床2内部的物料稳定流化并破碎，进行物料的低温热解；生成的热解产物为含焦油、半焦、水蒸汽、飞灰等荒煤气利用压力送入到旋风气化炉5进行高温碳转化；

碳转化所需的气化剂分三部分进入旋风气化炉5：一部分气化剂由旋风气化炉5顶部与来自双涡快速流化床2的约1/3荒煤气通过小火焰烧嘴5-4送入，第二部分随来自双涡快速流化床2的约2/3荒煤气一起由4个1号进料口5-1切向送入，第三部分气化剂从旋风气化炉5下部气化剂入口5-2直流或切向送入。

碳转化气化剂分三部分的目的是保护烧嘴、改善旋风气化炉5温度均匀性、防止出渣口堵塞以实现荒煤气高效充分的高温碳转化。气化产物最终由位于旋风气化炉5底部出口排出：小部分气化气作为循环气以保证双涡快速流化床2稳定流化，大部分气化气用于化工合成或发电；反应后炉渣为液态炉渣，经过激冷器4激冷，转化为固态，碎渣机7对固态炉渣进行破碎后排出。

具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的旋风气化炉5的最佳工作温度为1550℃。

本实施方式，平衡分析表明，采用内蒙褐煤为原料时，在双涡快速流化床工作温度为800℃时，旋风气化炉5的最佳工作温度为1554℃,碳转化率高达98.9％、氧耗为0.301、有效气比例为96.8％、冷煤气效率为83％。

具体实施方式三:参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的双涡快速流化床2分为上部和下部两部分，且从下部至上部逐渐变窄，双涡快速流化床2底部中心设有锥形体2-3。

本实施方式中，所述的双涡快速流化床2上部和下部两部分之间为渐缩过渡部分。本发明的设计考虑到气化时两个反应器双涡快速流化床2和旋风气化炉5需有效耦合，现有技术中沸腾床慢而循环流化床结构复杂，都不合适，湍流快速床较适合。然而，快速床意味着物料停留时间短、床温不稳，不能充分发挥流化床气化优势。为了增加物料停留时间和稳定流化并加强颗粒破碎，本发明通过扩大床层区截面并内置锥形体2-3便可为密相区构造一个环形流化空间。

在双涡快速流化床2底部四周采用水平切向布风并使射流相互交叉，可实现切向稳定流化四周物料和加强颗粒相互破碎；利用自身重力和切向流化的向上携带，中心部物料沿锥形体2-3壁面切向向下移动形成床层区内漩涡；荒煤气会含带“大量”飞灰旋转流向快速的稀相区(双涡快速流化床顶部)，离心力会使大颗粒重新回到密相区，也会加强物料在稀相区外循环，形成稀相区的外漩涡，双漩涡的作用是增加物料停留时间、改善温度均匀性、颗粒自动破碎与分选、强化热解性能。双涡快速流化床2专门完成热解、颗粒破碎、稀相气力输送，为旋风气化炉生产荒煤气原料。

双涡快速流化床2的操作温度500℃至980℃，原则上不需要排渣，但是也可以采用间歇式排渣方式。

根据本发明的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化方法，其中，双涡快速流化床在床层底部四周采用水平切向布风并使射流相互交叉，可实现切向稳定流化四周物料和加强颗粒相互破碎；利用自身重力和切向流化的向上携带，中心部物料沿锥体切向向下移动；通过调节流化床达到控制物料的破碎和热解的程度。

采用所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，在双涡快速流化床2内可以利用旋风气化炉出口高温合成气对原料进行稳定流化、干燥及预热，通过调节气量的大小，控制热解反应速率。

所述的旋风气化炉5由于采用液态排渣，从里到外采用耐火砖、水冷壁、保温层、压力壳传统结构。

具体实施方式四：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的双涡快速流化床2的个数不超过9个。

本实施方式中，3个双涡快速流化床2和1个旋风气化炉5构成的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，气化效果最佳。

具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的激冷器4采用水激冷或循环气化气激冷方式实现冷却。

本实施方式，对于化工合成，采用水激冷或循环气化气激冷；对于IGCC,采用水激冷或循环气化气激冷配合废锅回收显热方式调控气化气出口温度。

具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，它还包括加热器8，且加热器8位于加料装置1和双涡快速流化床2之间，用于对从加料装置1送至双涡快速流化床2的物料进行干燥。

本实施方式，加热器8位于加料装置1和双涡快速流化床2之间，促进物料的干燥、热解。

具体实施方式七：参见图3说明本实施方式，本实施方式1与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的出气口5-3所在的管路上设有阀门9。

具体实施方式八：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的通入至双涡快速流化床2和旋风气化炉5内的气化剂为纯氧、富氧空气、空气、水蒸汽、氢气、一氧化碳或二氧化碳中的一种或多种。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的水冷系统6采用自然循环方式强制循环运行，其中，竖管水冷壁6-6可采用盘管式强制循环水冷壁替代。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置的区别在于，所述的从双涡快速流化床2的1号气化剂入口2-1进入的气体呈螺旋状由下至上运动。

具体实施方式十一：采用具体实施方式一所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置实现的气化方法，该方法的具体过程为：

步骤一：将直径小于10mm劣质煤颗粒物料经过加料装置1用N₂或CO₂加压到3MPa至4MPa送入双涡快速流化床2中，同时通过双涡快速流化床2底部的1号气化剂入口2-1切向送入气化剂，使双涡快速流化床2内部的工作温度在500℃至980℃范围内，对劣质煤颗粒物料进行流化、破碎、热解，生成的荒煤气在双涡快速流化床2内呈螺旋状向上运动，喷射到旋风气化炉5内；

步骤二：利用水冷系统6进行强制水循环，使旋风气化炉5的工作温度在1400℃至1700℃范围内，从旋风气化炉5的小火焰烧嘴5-4送入荒煤气和气化剂，同时从旋风气化炉5内的4个1号进料口5-1送入荒煤气和气化剂，使旋风气化炉5内由荒煤气和气化剂形成的多相流体呈螺旋状由上向下运动，同时小火焰烧嘴5-4对荒煤气和气化剂进行引燃至稳燃,实现旋风气化炉5内的荒煤气弱旋、燃烧、气化，最终实现碳转化，

由于弱旋旋转，降低了对粘温特性的要求，改善充满度的同时，延长了碳转化时间，改善了强旋的不利影响，保证高碳转化率，

碳转化后产生的液态炉渣通过激冷器4激冷，转化为固态，碎渣机7对固态炉渣进行破碎，并排出旋风气化炉5；

碳转化后产生的气化气一部分用于化工合成或发电，另一部分通过循环泵3泵入到双涡快速流化床2内，从而完成对劣质煤水冷壁炉的分段耦合气化。

Claims (10)

1.一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，它包括加料装置(1)、双涡快速流化床(2)、气化气循环泵(3)和旋风气化炉(5)，双涡快速流化床(2)用于使固体颗粒物料流化、破碎、热解，形成荒煤气；旋风气化炉(5)用于使荒煤气进行弱旋、燃烧、气化，实现碳转化；双涡快速流化床(2)与旋风气化炉(5)串联耦合；

其特征在于，还包括水冷系统(6)、激冷器(4)和碎渣机(7)；

所述的水冷系统(6)包括锅筒(6-1)、下降管(6-2)、下集箱(6-3)、上集箱(6-4)、上升管(6-5)、竖管水冷壁(6-6)和水循环泵(6-7)；

竖管水冷壁(6-6)、下集箱(6-3)和上集箱(6-4)位于旋风气化炉(5)的内部，锅筒(6-1)、下降管(6-2)、上升管(6-5)、水循环泵(6-7)和碎渣机(7)位于旋风气化炉(5)的外部，且所述的竖管水冷壁(6-6)设置在旋风气化炉(5)的侧壁上，

竖管水冷壁(6-6)上端口依次通过上集箱(6-4)、上升管(6-5)、锅筒(6-1)、下降管(6-2)、水循环泵(6-7)和下集箱(6-3)，与其竖管水冷壁(6-6)下端口连通；

激冷器(4)位于旋风气化炉(5)下部，碎渣机(7)位于旋风气化炉(5)底部，激冷器(4)用于将熔渣和气化气冷却，碎渣机(7)用于炉渣破碎；

旋风气化炉(5)上设有4个1号进料口(5-1)，且4个1号进料口(5-1)沿着旋风气化炉(5)的周向均匀分布，该4个1号进料口(5-1)设置在旋风气化炉(5)侧壁的上半部，旋风气化炉(5)的顶部中心设置有小火焰烧嘴(5-4)，旋风气化炉(5)侧壁的下半部设有2号气化剂入口(5-2)和出气口(5-3)；

加料装置(1)的出料口与双涡快速流化床(2)的进料口连通，

双涡快速流化床(2)底部设有1号气化剂入口(2-1)，双涡快速流化床(2)顶部出料口(2-2)同时与旋风气化炉(5)的4个1号进料口(5-1)和小火焰烧嘴(5-4)连通；

出气口(5-3)输出的气化气分为两路，其中，一路气化气通过气化气循环泵(3)泵入到双涡快速流化床(2)的1号气化剂入口(2-1)内，另一路气化气用于化工合成或发电，

双涡快速流化床(2)的1号气化剂入口(2-1)还用于输入气化剂，且从其1号气化剂入口(2-1)进入的气体，呈螺旋状向上运动，

所述的双涡快速流化床(2)的工作温度为500℃至980℃，旋风气化炉(5)的工作温度为1400℃至1700℃；

从4个1号进料口(5-1)引入来自双涡快速流化床(2)的荒煤气，且引入的荒煤气在同一平面内射流进入旋风气化炉(5)内，并围绕旋风气化炉(5)中心轴弱旋旋转，

从小火焰烧嘴(5-4)引入来自双涡快速流化床(2)的荒煤气，且引入的荒煤气以旋流或直流方式，从上至下喷射到旋风气化炉(5)内，

从4个1号进料口(5-1)引入的荒煤气的运动状态与从小火焰烧嘴(5-4)引入的荒煤气的运动状态的综合作用，使得旋风气化炉(5)内的荒煤气由上至下，呈螺旋状向下运动，

从4个1号进料口(5-1)引入的荒煤气的流量为从小火焰烧嘴(5-4)引入的荒煤气流量的二倍。

2.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，所述的旋风气化炉(5)的工作温度为1550℃。

3.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，所述的双涡快速流化床(2)分为上部和下部两部分，且从下部至上部逐渐变窄，双涡快速流化床(2)底部中心设有锥形体(2-3)。

4.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，所述的双涡快速流化床(2)的个数不超过9个。

5.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，所述的激冷器(4)采用水激冷或循环气化气激冷方式实现冷却。

6.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，它还包括加热器(8)，且加热器(8)位于加料装置(1)和双涡快速流化床(2)之间，用于对从加料装置(1)送至双涡快速流化床(2)的物料进行干燥。

7.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，所述的出气口(5-3)所在的管路上设有阀门(9)。

8.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，通入至双涡快速流化床(2)和旋风气化炉(5)内的气化剂为纯氧、富氧空气、空气、水蒸汽、氢气、一氧化碳或二氧化碳中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置，其特征在于，所述的水冷系统(6)采用自然循环方式、强制循环运行，其中，竖管水冷壁(6-6)可采用盘管式强制循环水冷壁替代。

10.采用权利要求1所述的一种劣质煤水冷壁炉分段耦合气化装置实现的气化方法，其特征在于，该方法的具体过程为：

步骤一：将直径小于10mm劣质煤颗粒物料经过加料装置(1)用N₂或CO₂加压到3MPa至4MPa送入双涡快速流化床(2)中，同时通过双涡快速流化床(2)底部的1号气化剂入口(2-1)切向送入气化剂，使双涡快速流化床(2)内部的工作温度在500℃至980℃范围内，对劣质煤颗粒物料进行流化、破碎、热解，生成的荒煤气在双涡快速流化床(2)内呈螺旋状向上运动，喷射到旋风气化炉(5)内；

步骤二：利用水冷系统(6)进行强制水循环，使旋风气化炉(5)的工作温度在1400℃至1700℃范围内，从旋风气化炉(5)的小火焰烧嘴(5-4)送入荒煤气和气化剂，同时从旋风气化炉(5)内的4个1号进料口(5-1)送入荒煤气和气化剂，使旋风气化炉(5)内由荒煤气和气化剂形成的多相流体呈螺旋状由上向下运动，同时小火焰烧嘴(5-4)对荒煤气和气化剂进行引燃至稳燃，实现旋风气化炉(5)内的荒煤气弱旋、燃烧、气化，最终实现碳转化，碳转化后产生的液态炉渣通过激冷器(4)激冷，转化为固态，碎渣机(7)对炉渣进行破碎，并排出旋风气化炉(5)；

碳转化后产生的气化气一部分用于化工合成或发电，另一部分通过循环泵(3)泵入到双涡快速流化床(2)内，从而完成对劣质煤水冷壁炉的分段耦合气化。