CN106367120B - 一种可提高余热利用率的煤气化移动床及其工作方法 - Google Patents

一种可提高余热利用率的煤气化移动床及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可提高余热利用率的煤气化移动床及其工作方法，能够高效利用煤气化产物合成气中的余热以及煤粉残渣中的余热，从而大幅降低煤气化过程中热损失。所述的可提高余热利用率的煤气化移动床，包括本体、旋风分离器和套管，本体的上部设有煤粉送料口，本体的中部设有合成气出口，本体的底部设有排渣口，本体的下部设有高温CO2进气口和冷态CO2进气口，冷态CO2进气口位于高温CO2进气口下方；旋风分离器的入口与合成气出口连通；套管套装在本体上部外侧，且套管的底部和旋风分离器的上部出气口连通，旋风分离器的底部设有灰尘排出口。

Description

一种可提高余热利用率的煤气化移动床及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种煤气化移动床，具体来说，涉及一种可提高余热利用率的煤气化移动床及其工作方法。
背景技术
煤炭气化能够达到充分利用煤炭资源的目的，是洁净、高效利用煤炭的最主要途径，在电力生产、城市供暖、燃料电池、液体燃料和化工原料合成等方面有着广泛的应用。如煤气化后经过脱硫净化形成不同热值的煤气，是我国民用及工业燃料气的主要来源。与煤直接燃烧相比，煤气的能量转化效率要高很多，同时灰渣及大气污染也得到了有效控制。因此研究煤气化技术对具有重大的意义。
由于当前温室效应等问题，温室气体CO2的捕集与利用技术成为研究热点之一。在具有外界能量输入下时CO2可作为煤气化的介质，发生如下的吸热反应：
C+CO2＝>2CO △H＝172.5kJ/mol
可见煤气化反应的主要产物是CO。CO是清洁的气态燃料及重要化工原料。因此将CO2作为煤气化介质是非常有前景的。
此外当温度低于600℃时，上述反应几乎不发生，而这个温度下，煤的脱挥发反应基本完成，反应如下：
煤→挥发份+焦炭或半焦
在煤气化过程中，煤渣与生成合成气的余热是主要的能量损失。因此有效的在气化过程中利用这两部分能量对于降低气化过程的能耗是非常有意义的。
发明内容
本发明提供的一种可提高余热利用率的煤气化移动床及其工作方法，能够高效利用煤气化产物合成气中的余热以及煤粉残渣中的余热，从而大幅降低煤气化过程中热损失。
为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案为：
一方面，本实施例提供一种可提高余热利用率的煤气化移动床，该煤气化移动床包括本体、旋风分离器和套管，本体的上部设有煤粉送料口，本体的中部设有合成气出口，本体的底部设有排渣口，本体的下部设有高温CO2进气口和冷态CO2进气口，冷态CO2进气口位于高温CO2进气口下方；旋风分离器的入口与合成气出口连通；套管套装在本体上部外侧，且套管的底部和旋风分离器的上部出气口连通，旋风分离器的底部设有灰尘排出口。
作为优选例.按照权利要求1所述的可提高余热利用率的煤气化移动床，其特征在于，所述的本体的上部为脱挥发区，下部为气化反应发生区。
作为优选例，所述的套管采用保温材料制成。
另一方面，本实施例提供一种煤气化移动床的工作方法，该方法包括：
向煤粉送料口中通入煤粉；开启旋风分离器；
向高温CO2进气口通入高温CO2，向冷态CO2进气口通入冷态CO2，并控制高温CO2和冷态CO2的通入量，调节控制本体内部的温度，使得本体的上部为脱挥发区，下部为气化反应发生区。
作为优选例，所述的脱挥发区的温度低于600℃，气化反应发生区高于600℃。
作为优选例，所述的脱挥发区通过外部管套内的合成气对流换热加热。
作为优选例，所述的冷态CO2通过煤渣余热加热后与高温CO2混合共同构成气化介质。
与现有技术相比，本发明实施例的煤气化移动床及其工作方法，能够高效利用煤气化产物合成气中的余热以及煤粉残渣中的余热，从而大幅降低煤气化过程中热损失。本实施例的煤气化移动床内部分为两个反应区，即煤的脱挥发区和炭的气化反应发生区。CO2在移动床内渗透长度变小，也降低了渗透压力。该煤气化移动床能够实现余热的自利用，即通过对合成气中的余热利用以及煤渣余热的利用，以达到能量的高效利用。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明数值试验中，壁面加热不同移动床长度下内部的煤温度分布图；
图3为本发明数值试验中，壁面加热不同移动床直径下内部的煤温度分布图；
图4为本发明试验中，本体中部(即出口处)处的煤平均温度变化趋势图。
图中有：本体1、旋风分离器2、套管3、煤粉送料口101、合成气出口102、排渣口103、高温CO2进气口104、冷态CO2进气口105、灰尘排出口201、脱挥发区4、气化反应发生区5。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明技术方案作详细说明。
本发明实施例的一种可提高余热利用率的煤气化移动床，包括本体1、旋风分离器2和套管3。本体1的上部设有煤粉送料口101，本体1的中部设有合成气出口102，本体1的底部设有排渣口103，本体1的下部设有高温CO2进气口104和冷态CO2进气口105。冷态CO2进气口105位于高温CO2进气口104下方。旋风分离器2的入口与合成气出口102连通。套管3套装在本体1上部外侧，且套管3的底部和旋风分离器2的上部出气口连通，旋风分离器2的底部设有灰尘排出口201。
上述结构的煤气化移动床工作时，首先根据工况设计移动床的尺寸，以及高温CO2及冷态CO2的输入量及输入压力，以保证气化反应的充分进行，合成气按设计气路流动。合成气的流动气路如图1中的箭头所示。随后，根据本体1的中部煤的温度，调整高温CO2与低温CO2的比例，使得移动床按设计分为两个反应区，即煤的脱挥发区4和炭的气化反应发生区5。煤料通过煤粉送料口101送入低温的脱挥发区4，主要发生煤的脱挥发反应。高温CO2渗流加热的气化反应发生区5，主要发生炭的气化反应。最后，根据位于本体1底部的煤渣温度，定期排渣。从本体1下部冷态CO2进气口105输入的冷态CO2用煤渣的余热加热后，与从高温CO2进气口104输入的高温CO2混合共同构成气化介质。
在上述结构的煤气化移动床中，通过控制高温CO2与低温CO2的比例，使得移动床按设计分为两个反应区，即位于本体1的上部的脱挥发区4，位于本体1下部的气化反应发生区5。整个煤气化移动床分区域发生不同的反应。最终生成的合成气通过旋风分离器进入本体1和套管3之间的空隙中。该合成气通过本体1的壁面，将热量传递给本体1，对煤料进行加热，从而有效利用了反应生成的合成气中的热量。为了最大效率的利用合成气中的热量，所述的套管3采用保温材料制成，从而减少合成气中的热量向外界传递。
上述结构的煤气化移动床的工作方法，包括：
向煤粉送料口101中通入煤粉；开启旋风分离器2；
向高温CO2进气口104通入高温CO2，向冷态CO2进气口105通入冷态CO2，并控制高温CO2和冷态CO2的通入量，调节控制本体1内部的温度，使得本体(1)的上部为脱挥发区4，下部为气化反应发生区5。
上述实施例中，作为优选，所述的脱挥发区4的温度低于600℃，气化反应发生区5高于600℃。所述的脱挥发区4通过外部管套3内的合成气对流换热加热，以充分利用合成气的余热。所述的冷态CO2通过煤渣余热加热后与高温CO2混合共同构成气化介质，以充分利用煤渣余热。
本实施例通过温度控制，将移动床脱挥发与气化发应分开，使气化反应平缓进行避免，避免恶劣反应现象出现。
本实施例的移动床，以CO2为介质，采用分段式余热利用。通过控制高温CO2与冷态CO2输入比例，控制本体1中部的温度，将移动床分为主要发生脱挥发反应的脱挥发区4与主要发生炭气化反应的气化反应发生区5。脱挥发区4通过外部管套内生成的合成气对流换热加热。气化反应发生区5通过高温CO2渗流进一步加热。高温CO2带入的能量是整个气化移动穿唯一的能量来源。
其次，移动床内的气流方向按图1所示流动，脱挥发区4内的气流主要是煤挥发分析出造成的渗流，根据挥发分析出的渗流压力，控制两处CO2输入压力，保证生成的合成气按设计路径经过旋风分离器2流入外部管套3。通过对流换热加热脱挥发区4，达到合成气余热自利用的目的。
煤渣的有效排出对于移动床正常运行是非常重要的。从底部输入的冷态CO2将被煤渣余热加热，与高温CO2混合构成气化介质。这达到煤渣余热的自利用。该冷态CO2的输入速度与煤渣排出速度相适应，以达到煤渣余热的尽可能利用。
本发明实施例中，通过外部管套3对流换热的加热是本装置的重要环节，其效果决定了合成气余热利用的程度与好坏。该加热效果与移动床尺寸及煤的给料量密切相关。对于该段的传热进行数值模拟。图2，图3，图4附图给出在壁面加热条件下，移动床内的煤温度分布情况。试验中，将壁面的对流换热抽象为沿床高线性分布的温度分布。煤的进料量为8kg/h,孔隙率为0.4，壁面温度由入口处的400℃线性增加到600℃。
图2和图3给出在该条件下，移动床内煤温度的分布随移动床尺寸的变化情况。图2显示在移动床长度固定为1m时，当移动床直径由0.05m增加到0.09m时，移动床加热效果逐渐变差。图3显示在移动床跨直径固定为0.06m，移动床长度由0.8m增加到1.2m床内加热效果变好。图3给出了出口处煤的平均温度随移动床尺寸的变化情况，该条件将作为移动床尺寸确定的因素。
由模拟结果可知，当移动床尺寸设计合理时，壁面加热能够使移动床中轴线上煤受到良好的加热。在本体1中部，煤的平均温度能够达到设计要求，即600℃±50℃。
根据图3所示的，本体1中部的均温，不低于设计要求时移动床最小尺寸，本试验根均结果选取管长1m，直径为0.06m，本体1中部的均温为578℃。
此外，需要指出煤脱挥发的低温反应区是通过外部管套内的生成气对流换热加热，加热效率主要与移动床尺寸、煤的进料量、合成气流速等有关。管套内生成气的流动方向与煤料移动方向相反，因此移动床该段的温度沿煤料移动方向逐渐升温。为保证生成气的清洁，合成气从移动床流出需先进过旋风分离器2将带出的灰分脱除。该移动床的综合能耗能够显著降低。
本实施例中的煤气化移动床实现了输入能量的高效利用。将煤气化移动床分为两个反应区：脱挥发区与气化反应发生区。脱挥发区4的能量来源于煤气化合成气的余热。脱挥发区4通过外部管套3内合成气的对流换热加热。为保证加热效率，需根据不同设计工况，调整移动床尺寸，保证移动床中轴线与壁面处温差，及调整外部管套尺寸，以调整合成气的对流传热强度。
气化反应发生区5的气化介质分为两个部分输入：高温CO2气体输入和冷态CO2气体输入。高温CO2气体输入时唯一能量来源。冷态CO2通过煤渣区加热达到煤渣余热的高效利用。根据气化工况，调整高温CO2的温度与速度，保证气化反应发生区5气化反应的充分程度。冷态CO2输入应位于移动床下部，气流方向与煤粉移动方向相反，保证煤渣余热的有效利用。
本实施例的煤气化移动床，以CO2为气化介质。通过对合成气中的余热利用以及煤渣余热的利用，以达到能量的高效利用。此外，该发明是一种有效的利用CO2的方法，能达到降低碳排放的目的。
本实施例的煤气化移动床能够高效利用煤气化产物合成气中的余热以及煤粉残渣中的余热，从而大幅降低煤气化过程中热损失。移动床本体1内部主要分为脱挥发区4和气化反应发生区5。其中，脱挥发区4中煤粉利用套管3内合成气对流换加热，从达到利用合成气余热的目的。移动床内气体的流动方向为图1中箭头所示方向。高温CO2进气口104处高温CO2气体渗流加热是整个煤气化移动床唯一能量来源。冷态CO2进气口105处输送一定比例的冷态CO2被煤粉残渣加热后，与高温CO2进气口104处的高温CO2混合共同构成气化介质，达到利用煤渣余热的目的。此外，通过控制高温CO2进气口104与冷态CO2进气口105中CO2的比例，控制移动床3处截面的温度(约500℃～600℃)，使得本体1上部处煤粉主要发生脱挥发反应，气化反应则在本体1下部完成。整个气化装置唯一能量输入为高温CO2，产物合成气与煤粉残渣余热均能得到合理有效。此外由于输入的CO2仅在气化反应发生区5发生渗流，相比不分段有效降低了CO2的渗透压力，工况条件得到改善。移动床内流动属于多孔介质流动，多孔介气体流动压力根据达西定律可得：
其中，ΔP为流动压降，L为多孔介质长度，μ为运动粘度，K为渗透率，u为渗流速度。在其他条件一定时，流动压降与长度为线性关系。因此减小渗流长度，可有效降低渗流压力。
该移动床合理将CO2利用于煤气化，在能够达到较少碳排放的目的的同时，生成重要的化工原料与清洁燃料CO。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种可提高余热利用率的煤气化移动床，其特征在于，该煤气化移动床包括本体(1)、旋风分离器(2)和套管(3)，本体(1)的上部设有煤粉送料口(101)，本体(1)的中部设有合成气出口(102)，本体(1)的底部设有排渣口(103)，本体(1)的下部设有高温CO2进气口(104)和冷态CO2进气口(105)，冷态CO2进气口(105)位于高温CO2进气口(104)下方；旋风分离器(2)的入口与合成气出口(102)连通；套管(3)套装在本体(1)上部外侧，且套管(3)的底部和旋风分离器(2)的上部出气口连通，旋风分离器(2)的底部设有灰尘排出口(201)。
2.按照权利要求1所述的可提高余热利用率的煤气化移动床，其特征在于，所述的本体(1)的上部为脱挥发区(4)，下部为气化反应发生区(5)。
3.按照权利要求1或2所述的可提高余热利用率的煤气化移动床，其特征在于，所述的套管(3)采用保温材料制成。
4.一种权利要求1所述的可提高余热利用率的煤气化移动床的工作方法，其特征在于，该方法包括：
向煤粉送料口(101)中通入煤粉；开启旋风分离器(2)；
向高温CO2进气口(104)通入高温CO2，向冷态CO2进气口(105)通入冷态CO2，并控制高温CO2和冷态CO2的通入量，调节控制本体(1)内部的温度，使得本体(1)的上部为脱挥发区(4)，下部为气化反应发生区(5)。
5.按照权利要求4所述的可提高余热利用率的煤气化移动床的工作方法，其特征在于，所述的脱挥发区(4)的温度低于600℃，气化反应发生区(5)高于600℃。
6.按照权利要求4所述的可提高余热利用率的煤气化移动床的工作方法，其特征在于，所述的脱挥发区(4)通过外部管套(3)内的合成气对流换热加热。
7.按照权利要求4、5或6所述的可提高余热利用率的煤气化移动床的工作方法，其特征在于，所述的冷态CO2通过煤渣余热加热后与高温CO2混合共同构成气化介质。
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