CN106833750B

CN106833750B - 新型固体燃料气化装置及其应用

Info

Publication number: CN106833750B
Application number: CN201710053528.9A
Authority: CN
Inventors: 谢玉荣; 周宇昊; 孙利鹏; 俞铁铭
Original assignee: Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd
Current assignee: Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd
Priority date: 2017-01-22
Filing date: 2017-01-22
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2037-01-22
Also published as: CN106833750A

Abstract

本发明涉及一种新型固体燃料气化装置及其应用，包括燃烧反应器、热解反应器、气化反应器、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一返料器、第二返料器、第二加料器、第三加料器、第一排气管、第二排气管、第三排气管、第四排气管、第五排气管、第一料腿、第二料腿、第一进气管、第二进气管、第三进气管、热解气进气管和热解气连接管，本发明还可以进一步增加第一加料器、布风装置和排渣管，利于整体系统的有效运用。本发明实现了气化系统装置自供热，有利于降低气化系统投资成本；将热解过程产生的焦油作为自供热燃料，变废为宝，同时不存在需要净化处理气化产物中焦油的难题。

Description

新型固体燃料气化装置及其应用

技术领域

本发明涉及燃料气化技术领域，具体为一种新型固体燃料气化装置及其应用。

背景技术

近年来，国内外针对煤、生物质、垃圾等固体燃料气化技术研究越来越多。在现有气化技术中，存在诸多技术难点，相关难点制约固体燃料气化技术的应用和推广，其中比较典型的难点有自供热问题和床料(本发明中所述的床料即催化剂)失活再生问题。

传统气化技术常采用外供热方式供热，导致气化反应器内部温度场不均匀，反应器内部气化过程不可控，难以保障气化生成物的品质，为保障反应器内部温度场均匀，需要严格控制反应器的规模，另外传统气化反应器内容易结焦、结渣，甚至导致气化反应器难以实现长期、稳定运行。

此外，在固体燃料气化过程中，反应器床料积碳失活严重，在连续操作过程中，难以实现连续稳定再生，需要定期停炉更换新床料或者再生床料，严重影响固体料气化装置的日常生产。

结合固体燃料气化过程特点，本发明可以解决现有气化技术相关难点，可实现大容量固体燃料气化装置稳定、连续运行。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种新型固体燃料气化装置及其应用，其充分结合固体燃料气化过程特点，实现气化过程自供热和床料失活再生。

一种新型固体燃料气化装置，其特征为，由以下部件组成：燃烧反应器、热解反应器、气化反应器、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一返料器、第二返料器、第二加料器、第三加料器、第一排气管、第二排气管、第三排气管、第四排气管、第五排气管、第一料腿、第二料腿、第一进气管、第二进气管、第三进气管、热解气进气管和热解气连接管，所述燃烧反应器通过第一排气管、第二旋风分离器、第二料腿与所述气化反应器连接，通过第一返料器与所述热解反应器连接；热解反应器通过第二排气管、第二旋风分离器、第一料腿、第二返料器与所述气化反应器相连；所述第三排气管通过热解气连接管与所述热解气进气管相连；所述第四排气管与所述第二旋风分离器相连；所述第五排气管与所述气化反应器相连；所述第一进气管、第二进气管、第三进气管分别与所述燃烧反应器、热解反应器、气化反应器相连；第二加料器与热解反应器相连，主要用于向热解反应器中加入用于气化的固体燃料；第三加料器与气化反应器相连，主要用于向气化反应器中加入床料。

优选的是，还在燃烧反应器上安装有第一加料器。增加第一加料器，可以根据不同的操作情况，加入补燃燃料，这样可以改善气化系统的调节功能，改善气化系统实用性。比如在气化固体燃料所产生的热解气热值偏低的情况下，热解气燃烧所产生的热量难以维持半焦气化所需热量，在此情况下，需要进行补燃，此处的补燃燃料可以为低品质煤矸石、生物质和生活垃圾等，实现系统稳定运行。进一步，所述第一加料器为固体加料器、液体加料器或气体加料器，加料器名称与床料形态没有关系，仅与所加燃料形态有关。

优选的是，燃烧反应器、热解反应器和气化反应器采用流化床反应器。采用流化床反应器主要有两个方面好处：1)实现确保反应物和床料的均匀混合，避免反应器内温度场不均匀，影响反应效果；2)由于三个反应器的反应温度在600-950℃，床料需要通过流化床反应器流态化才可以实现在三个反应器内连续循环，采用流化床反应器的效果比较好。

优选的是，第一旋风分离器及第二旋风分离器中的一个或两个可以采用一级或多级旋风分离器。采用多级旋风分离器分离效果好，但要看投资和收益情况，有的情形未必一定要求多级分离，也可以节约资金，采用一级旋风分离器就行。

优选的是，所述第一返料器或/和第二返料器采用自然流化或机械的方式返料。如果投资费用有限，一般选择采用自然流化返料。

优选的是，在满足运输床料的功能下，第一料腿或/和第二料腿设置在气化反应器顶部上方。料腿是将旋风分离器中固体物料添加到气化反应器重，返料器作用是气化反应器的固体物料转移到热解反应器、热解反应器的固体物料转移到燃烧反应器。设计的目的是将旋风分离器的固体床料借助自身重力自由下落并进入气化反应器，因此要求料腿设置反应器上方，可以为正上方或侧上方。

优选的是，第一进气管、第二进气管或/和第三进气管可以采用单根或多根进气管。进一步，第一进气管、第二进气管或/和第三进气管分别设置在对应的燃烧反应器、热解反应器、气化反应器底部下方。这样做是因为流化床反应器结构特征需要这样设置，进气管可以设置在反应器下部或侧下方。

优选的是，燃烧反应器、热解反应器和气化反应器中的一个或者多个中还可以设计有检修通道，这样可以增强整个系统的适应性。按照系统的整体设计思路，系统中所有的固态燃料到流化床内是粉状的，气化后残留物随烟气、气化气排出反应器，但随着使用时间的增长，可能会在反应器内壁凝结有固体残渣，通过在反应器的主体上设计检修通道，便于人员在停机状态下进入反应器内部对反应器进行清洁维护，有利于延长整个系统的寿命。

优选的是，燃烧反应器、热解反应器和气化反应器中的一个或者多个中还设计有布风装置及排渣管，这样可以增强整个系统的适应性和运行稳定性。在气化和/或补燃加料时，燃料中可能存在大粒径、高密度的杂质，影响反应器流化效果，此时可通过布风装置及排渣管组成的系统将杂质排出反应器；另外在运行异常且需要排出床料的情况下，便于全部排出反应器内的床料。

同时，本发明还提供一种利用新型固体燃料气化装置对固体燃料进行气化的方法，其主要的步骤为：①固体燃料通过第二加料器进入热解反应器，在热解反应器内热解生成热解气和半焦，热解气和半焦经第二排气管进入第一旋风分离器分离，热解气进入燃烧反应器燃烧，半焦经第一料腿进入气化反应器气化，同时部分来自热解反应器的低温床料进入燃烧反应器进行换热和催化活性再生；②床料通过第三加料器进入气化反应器，在气化反应器内，来自第一料腿的半焦与气化介质发生气化反应，来自第二料腿的高温床料为该反应提供反应所需热量和催化作用，同时部分来自气化反应器的高温床料经第二返料器进入热解反应器换热；③在燃烧反应器内，热解气燃烧放出燃烧热，加热来自热解反应器的低温、低活性床料，高温烟气和床料经第一排气管进入第二旋风分离器分离，高温床料经第二料腿进入气化反应器，高温烟气经后续处理后排空；通过燃烧来自热解反应器的低活性床料表面的积碳，实现床料催化活性连续再生。

本申请中所述的流化介质是专业术语，是使固体颗粒流化的气体、液体的统称，因气化过程追求气体成分差异而不同。比如说，通过第一进气管进入燃烧反应器中的流化介质可以为空气；通过第二进气管进入热解反应器中的流化介质可以是惰性气体、高温烟气、混合气体等；通过第三进气管进入气化反应器的可以是以水蒸气、二氧化碳、氧气或多者混合物等气体。流化介质I、II、III可按照实际生产工艺操作流程要求按序或同时加入相应反应器。

相对于现有技术，本发明具有如下特点：1)传统气化装置主要采用外供热，本发明成功实现了气化系统装置自供热，有利于降低气化系统投资成本；2)采用流化床解决了反应器内部温度场不均匀的难题，避免因温度场不均匀导致反应过程难以控制，使气化过程生成物品质不高，增加后续净化处理成本；3)相比传统气化装置，气化产物中焦油含量高，难以净化处理的难题，本发明将热解过程产生的焦油作为自供热燃料，变废为宝，同时不存在需要净化处理气化产物中焦油的难题；4)在传统气化过程中，床料积碳失活严重，需要定期停炉更换新床料或者再生床料，严重影响固体料气化装置的日常生产，采用本发明可以实现床料不停炉连续再生，降低了气化工艺运维费用，提升了气化装置运行稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是对本发明的实施例的描述，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据技术方案进行简单变形或者名称变化，或者是采取惯用手段，也可以实现发明目的。

图1为新型固体燃料气化装置示意图。

图2为改进型的固体燃料气化装置示意图

图中：1-第一加料器、2-燃烧反应器、3-第一排气管、4-第一进气管、5-热解气进气管、6-第二加料器、7-第一返料器、8-热解反应器、9-第二排气管、10-第二进气管、11-第二返料器、12-气化反应器、13-第一料腿、14-第一旋风分离器、15-热解气连接管、16-第三排气管、17-第二旋风分离器、18-第四排气管、19-第三进气管、20-第五排气管、21-第二料腿、22-第三检修通道、23-第二检修通道、24-第一检修通道、25-第三排渣管、26-第三布风装置、27-第三加料器、28-第二排渣器、29-第二布风装置、30-第一排渣管、31-第一布风装置。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

参见图1，本实施例中一种新型固体燃料气化装置和方法包括第一加料器1、燃烧反应器2、第一排气管3、第一进气管4、热解气进气管5、第二加料器6、第一返料器7、热解反应器8、第二排气管9、第二进气管10、第二返料器11、气化反应器12、第一料腿13、第一旋风分离器14、热解气连接管15、第三排气管16、第二旋风分离器17、第四排气管18、第三进气管19、第五排气管20、第二料腿21、第三加料器27。

燃烧反应器2内的床料通过第二旋风分离器17、第二料腿21进入气化反应器12，气化反应器12内的床料通过第二返料器11进入热解反应器8，热解反应器8内的床料经第一返料器7进入燃烧反应器2；热解反应器8产生的热解气和半焦通过第一旋风分离器14分离，热解气从第三排气管16排出，经过热解气连接管15、热解气进气管5进入燃烧反应器2燃烧，半焦进入气化反应器12气化。

本实施例中燃烧反应器2采用流化床反应器，通过燃烧热解气进气管5输入的热解气和第一加料器1输入的补燃燃料，这里的补燃燃料可以为低品质煤矸石、生物质和生活垃圾等固体燃料、气体燃料或液体燃料，加热燃烧反应器2中的床料；通过第一进气管4进入燃烧反应器2的流化介质I，这里的流化介质I为空气，使来自第一返料器7的床料进入燃烧反应器2进行换热和再生，同时实现高温床料的经第一排气管3向第二旋风分离器17运输，并经第二料腿21进入气化反应器12，经第二旋风分离器17分离的烟气由第四排气管18排出。

本实施例中热解反应器8采用流化床反应器，热解经第二加料器6进入热解反应器8的固体燃料，这里的固体燃料包括煤、生物质、垃圾等，生成热解气和半焦；通过第二进气管10进入热解反应器8的流化介质II，这里的流化介质II可以是惰性气体，高温烟气、混合气体等，使来自第二返料器11的床料进入热解反应器8进行换热，使热解反应器8的床料进入第一返料器7，同时实现热解气和半焦经第二排气管9向第二旋风分离器14运输，半焦经第一料腿13进入气化反应器12，经第三排气管16排出的热解气送入燃烧反应器2。

本实施例中气化反应器12采用流化床反应器，吸收经第二料腿21进入气化反应器12的床料携带热，气化来自第一料腿13的半焦；通过第三进气管19进入气化反应器的流化介质III，这里的流化介质III可以是水蒸气、二氧化碳、氧气等为主，或者是几者的混合物，使气化反应器12的床料进入第二返料器11，反应后生成的气化气经第五排气管排出，排出的气化气还可以经过换热器进行换热。

本实施例中第一旋风分离器14和第二旋风分离器17都采用一级旋风分离器，第一旋风分离器14分离来自热解反应器8的半焦和热解气，使热解气进入燃烧反应器2燃烧，半焦进入气化反应器12气化；第二旋风分离器17分离来自燃烧反应器2的床料和烟气，使高温烟气进入后续装置处理后排空，高温床料进入气化反应器12换热。如果条件允许，也可以将第一旋风分离器14和第二旋风分离器17更换为多级旋风分离器。

本实施例中第一返料器7实现热解反应器8向燃烧反应器2传输床料；第二返料器11实现气化反应器12向热解反应器8传输床料。

通过第二加料器6加入的固体燃料在热解反应器8内热解生成热解气和半焦，热解气和半焦经第二排气管9进入第一旋风分离器14分离，热解气进入燃烧反应器2燃烧，半焦经第一料腿13进入气化反应器12气化，同时部分低温床料进入燃烧反应器2进行换热和催化活性再生；在气化反应器12内，来自第一料腿13的半焦与气化介质发生气化反应，来自第二料腿21的高温床料为该反应提供反应所需热量和催化作用，同时部分高温床料经第二返料器11进入热解反应器8换热；气化反应器12外接第三加料器27，实现向系统添加床料，满足投运时床料要求以及补充后续床料的损耗；在燃烧反应器2内，热解气燃烧放出燃烧热，加热来自热解反应器8的低温、低活性床料，高温烟气和床料经第一排气管3进入第二旋风分离器17分离，高温床料经第二料腿21进入气化反应器12，高温烟气经后续处理后排空；燃烧反应器2外接第一加料器1，通过添加补燃燃料满足不同气化工况的热量需求。气化反应器产生的气化气通过第五排气管20排出。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，在燃烧反应器2、热解反应器8和气化反应器12的壁上还分别设计了第一检修通道24、第二检修通道23、第三检修通道22。根据系统设计的整体思路，系统在运行过程中，随着系统运行时间的增长，在反应器的内壁中容易发生结渣或磨损等问题，通过增加第一检修通道24、第二检修通道23、第三检修通道22，可以在停机状态下，让工作人员进入反应器内部对残渣进行清洁维护，增加了整个系统的可操作性。另外，在燃烧反应器2、热解反应器8和气化反应器12内有大粒径、高密度渣时，可以通过第一布风装置31、第二布风装置29、第三布风装置26，第一排渣管30、第二排渣管28和第三排渣管25排出反应器。此外，在系统发生发生其他故障的情况下，需要放空床料，也可以通过第一排渣管30、第二排渣管28和第三排渣管25排出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的变动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种新型固体燃料气化装置，其特征为，包括以下部件组成：燃烧反应器、热解反应器、气化反应器、第一旋风分离器、第二旋风分离器、第一返料器、第二返料器、第二加料器、第三加料器、第一排气管、第二排气管、第三排气管、第四排气管、第五排气管、第一料腿、第二料腿、第一进气管、第二进气管、第三进气管、热解气进气管和热解气连接管，所述燃烧反应器通过第一排气管、第二旋风分离器、第二料腿与所述气化反应器连接，通过第一返料器与所述热解反应器连接；热解反应器通过第二排气管、第一旋风分离器、第一料腿、第二返料器与所述气化反应器相连；所述第三排气管通过所述热解气连接管与所述热解气进气管相连；所述第四排气管与所述第二旋风分离器相连；所述第五排气管与所述气化反应器相连；所述第一进气管、第二进气管、第三进气管分别与所述燃烧反应器、热解反应器、气化反应器相连；第二加料器与热解反应器相连，主要用于向热解反应器中加入用于气化的固体燃料；第三加料器与气化反应器相连，主要用于向气化反应器中加入床料。

2.如权利要求1所述的一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，还包括与所述燃烧反应器相连接的第一加料器。

3.如权利要求2所述的一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，所述第一加料器为固体加料器、液体加料器或气体加料器。

4.如权利要求1至3所述的任意一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，所述燃烧反应器、热解反应器和/或气化反应器采用流化床反应器。

5.如权利要求1至3所述的任意一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，所述第一旋风分离器或/和第二旋风分离器采用多级旋风分离器。

6.如权利要求1至3所述的任意一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，所述第一返料器或/和第二返料器采用自然流化或机械方式返料。

7.如权利要求1至3所述的任意一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，所述第一料腿或/和第二料腿设置在气化反应器顶部上方。

8.如权利要求1至3所述的任意一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，所述燃烧反应器、热解反应器和/或气化反应器上安装有布风装置和排渣管。

9.如权利要求1至3所述的任意一种新型固体燃料气化装置，其特征在于，所述燃烧反应器、热解反应器和/或气化反应器安装有检修通道。

10.一种新型固体燃料气化的方法，其特征在于，采用如权利要求1至3所述的任意一种新型固体燃料气化装置，工作流程为：①固体燃料通过第二加料器加入到热解反应器，在热解反应器内热解生成热解气和半焦，热解气和半焦经第二排气管进入第一旋风分离器分离，热解气进入燃烧反应器燃烧，半焦经第一料腿进入气化反应器气化，同时部分低温床料进入燃烧反应器进行换热和催化活性再生；②床料第过第三加料器加入气化反应器，在气化反应器内，来自第一料腿的半焦与气化介质发生气化反应，来自第二料腿的高温床料为该反应提供反应所需热量和催化作用，同时部分高温床料经返料器进入热解反应器换热；③在燃烧反应器内，热解气燃烧放出燃烧热，加热来自热解反应器的低温、低活性床料，高温烟气和床料经第一排气管进入第二旋风分离器分离，高温床料经第二料腿进入气化反应器，高温烟气经后续处理后排空；通过燃烧来自热解反应器的低活性床料表面的积碳，实现床料催化活性连续再生。