CN106995726A - 用于制备常压燃料气的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制备常压燃料气的设备及方法，其提供了一种洁净、高效、节能地制备燃料气的设备和方法。该设备包括：进料装置、燃烧辐射换热装置和对流换热装置；所述进料装置包括：热风炉和磨煤机，所述燃烧辐射换热装置包括：设置在底部的烧嘴、设置在内壁上的水冷壁以及设置在上部的燃料气出口和汽水混合物出口；所述对流换热装置包括：过热器、蒸汽发生器和省煤器。通过本发明的设备和方法，在燃烧辐射换热装置内部回收绝大部分高温燃料气和高温熔渣的热量，并通过对流换热产生高品质过热蒸汽，最大限度地节约了能耗，总体上降低了燃料气的成本。

Description

用于制备常压燃料气的设备及方法
技术领域
本发明涉及煤制燃料气领域，具体的，涉及一种用于制备常压燃料气的设备。此外，本发明还涉及一种制备常压燃料气的方法。
背景技术
富煤贫油少气的资源禀赋使煤炭长期以来占据中国能源消费的主导地位。如何洁净、高效、节能地利用煤炭资源，是亟待解决的技术问题。
在煤制合成氨、煤制天然气、煤制油、煤制烯烃等煤化工领域，需要有压的合成气(CO+H2)，针对这一需求，多年来研发成功了以粉煤为原料的壳牌炉、航天炉、GSP炉等气流床加压煤气化技术；以水煤浆为原料的德士古、华东理工大学四喷嘴等气流床加压煤气化技术以及以碎煤为原料的鲁奇固定床加压煤气化技术等等，在国内外得到了广泛的应用。
在煤制燃料气领域，需要常压的燃料气，多年来也已经研发成功了U-gas固定床技术、科达流化床技术等等。
加压煤气化技术，产气量大、投资高，适合于煤化工领域，对于需求气量相对较小、常压的燃料气领域并不适用。目前应用的常压燃料气技术采用固定床或流化床技术，对煤种的适应性受到限制，燃料气的余热，尤其是高温段的余热不能很好地利用，造成能源浪费、燃料气成本高，固定床或流化床技术本身的特点，还导致煤制燃料气整个装置的可靠性下降，全年长周期满负荷连续运行时间、累计运行时间与煤化工领域的煤气化装置相比有很大的差距，导致装置整体效益下降、对下游供气不稳定。
公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明就是针对煤制燃料气领域存在的问题，提供了一种洁净、高效、节能地制备燃料气的设备和方法。
本发明涉及一种用于制备常压燃料气的设备，其包括：进料装置、燃烧辐射换热装置和对流换热装置；
所述进料装置包括：热风炉和磨煤机，来自磨煤机的粉煤经热风炉进行加热之后输送至所述燃烧辐射换热装置的下部；
所述燃烧辐射换热装置包括：设置在底部的烧嘴、设置在内壁上的水冷壁以及设置在上部的燃料气出口和汽水混合物出口，所述烧嘴将输送至该燃烧辐射换热装置下部的气化剂和粉煤混合物燃烧，以产生高温燃料气，该高温燃料气经由所述燃料气出口传输至所述对流换热装置；所述水冷壁吸收辐射热量，以产生汽水混合物，该汽水混合物经由所述汽水混合物出口传输至汽包以产生饱和蒸汽；
所述对流换热装置包括：过热器、蒸汽发生器和省煤器；所述过热器用于产生并排出过热蒸汽，所述蒸汽发生器用于产生并排出饱和蒸汽，所述省煤器用于预热锅炉给水；所述高温燃料气依次经过所述过热器、蒸汽发生器和省煤器之后排出。
优选地，所述对流换热装置还包括：氮气加热器，该氮气加热器将供应至其中的氮气进行加热并将加热后的氮气输送至所述热风炉。
优选地，所述燃烧辐射换热装置的底部设有支座，所述烧嘴外侧设有保护套，该保护套设置在支座上。
优选地，该设备还包括：除尘脱硫装置，该除尘脱硫装置包括静电除尘器、袋式过滤器和脱硫装置，从所述对流换热装置底部排出的燃料气依次经过静电除尘器的静电除尘、袋式过滤器的精细除尘和脱硫装置的脱硫后排出。
优选地，所述燃烧辐射换热装置还包括：两台捞渣机，所述捞渣机对称布置在所述辐射换热装置的两侧并且与该辐射换热装置共用水浴。
优选地，所述进料装置还包括：过滤器、粉煤仓、锁斗和给料罐，经过研磨及干燥后的所述粉煤依次经由过滤器、粉煤仓、锁斗和给料罐加压后被输送至所述燃烧辐射换热装置的下部。
本发明还涉及一种用于制备常压燃料气的方法，其包括以下步骤：
a)将来自磨煤机的粉煤经过干燥和加压后输送至燃烧辐射换热装置的下部；
b)利用设置在燃烧辐射换热装置中的烧嘴将气化剂和粉煤的混合物燃烧，以产生高温燃料气；
c)利用设置在燃烧辐射换热装置侧壁上的水冷壁吸收辐射热量，以产生饱和蒸汽；
d)将所述高温燃料气经由设置在燃烧辐射换热装置上部的燃料气出口传输至对流换热装置以及将饱和蒸汽经由设置在燃烧辐射换热装置上部的汽水混合物出口传输至汽包；
e)将所述高温燃料气依次经过所述对流换热装置中的过热器、蒸汽发生器和省煤器之后排出。
优选地，在所述步骤e)中，所述过热器用于产生并排出过热蒸汽，所述蒸汽发生器用于产生并排出饱和蒸汽，所述省煤器用于预热锅炉给水。
优选地，所述对流换热装置还包括：氮气加热器，通过该氮气加热器将供应的氮气进行加热后经由管路将氮气输送至热风炉。
优选地，在所述步骤e)中，从所述对流换热装置底部排出的燃料气依次经过静电除尘器的静电除尘、袋式过滤器的精细除尘和脱硫装置的脱硫后再排出。
本发明采取以上技术方案，其有以下有益效果：
1.通过本发明的设备和方法，在燃烧辐射换热装置内部回收绝大部分高温燃料气和高温熔渣的热量，并通过对流换热产生高品质过热蒸汽，最大限度地节约了能耗，总体上降低了燃料气的成本。
2.本发明以粉煤为原料，以氧气和蒸汽为气化剂，在燃烧辐射换热装置中以气流床方式组织燃烧，其可靠性与煤化工领域的气流床气化技术相当，从根本上解决了目前煤制燃料气领域由于技术本身带来的可靠性问题。
3.本发明以氧气和蒸汽为气化剂，欠氧燃烧，最大限度地减少了氮氧化物的产生。煤中的硫元素全部转化为硫化氢和氧硫化碳(COS)，在后系统脱硫装置中脱除，避免了对环境的污染。
4.本发明以电驱的引风机作为动力，利用静电除尘和袋式除尘两级脱除燃料气中的细灰等粉尘，避免了粉尘对环境的污染。
5.本发明排出的灰渣含碳量低，碳转化率98％以上，高效地利用了煤炭资源。
6.本发明正常运行时利用燃料气余热干燥粉煤，不需要要外补燃料。在装置启动阶段，使用以清洁燃料为燃料气的热风炉为干燥粉煤提供热量；在装置正常生产过程中，用布置在对流换热器底部的氮气加热器吸收燃料气余热，加热空分来的氮气，作为磨煤干燥的热源，充分利用了装置余热，避免了热风炉运行过程中可能对环境造成的废气排放污染，在降低运行成本的同时，达到了洁净环保目的。
7.采用先进的DCS/ESD系统控制，机泵、仪表、阀门选用成熟可靠的产品，整个装置国产化率在90％以上。
附图说明
下文将结合附图对本发明的示例性实施例进行更为详细的说明。为清楚起见，不同附图中相同的部件以相同标号示出。需要说明的是，附图仅起到示意作用，其并不必然按照比例绘制。在附图中：
图1为本发明的用于制备常压燃料气的设备的示意图；
图2为本发明中的燃烧辐射换热装置的结构示意图；
图3为图2中沿A－A线的截面结构示意图；
图4为本发明中的对流换热装置的结构示意图；
图5为本发明的用于制备常压燃料气的方法流程图。
具体实施方式
下面将参考所附附图对本发明的示例性实施例进行详细的描述。
本发明优选地以粉煤为原料，以氧气和蒸汽为气化剂，在集成有辐射换热器的燃烧辐射换热装置内高温燃烧，能够适应从烟煤、无烟煤到褐煤的各种煤种，能够实现原料煤本地化，使企业能够根据煤炭市场行情和煤炭资源供应情况，自由地选择煤种，最大限度地降低原料成本。此外，本发明也可以将石油焦或焦粉等工业可燃物等作为原料进行燃烧。
如图1所示，该种用于制备常压燃料气的设备，其包括：进料装置1、燃烧辐射换热装置2、对流换热装置3和除尘脱硫装置4。
所述进料装置1包括：皮带11、原煤仓12、称重给煤机13、热风炉14、磨煤机15、风机16、过滤器17、粉煤仓18、锁斗19和给料罐20。来自磨煤机15的粉煤被来自热风炉14的高温惰性气体加热后得到常压干燥粉煤，风机16将干燥粉煤和输送气的混合物送至过滤器17进行气固分离，固态粉煤进入粉煤仓18中，输送气返回风机16的入口与预热氮气混合后重复使用。粉煤仓18中的粉煤经锁斗19加压后送入给料罐20，然后经由输送管路被输送至所述燃烧辐射换热装置2的下部。具体的，磨煤机15、热风炉14和风机16安装在水平地面上，其余设备安装在框架上。原料煤在煤场经过破碎后，用输煤皮带11送入原煤仓12中。原煤经过原煤仓12下部的旋转卸料阀，加到称重给煤机13中，计量送入磨煤机15中。热风炉14将风机16送入的循环氮气加热到350℃左右，送入磨煤机15中作为干燥、输送粉煤的气体。合格的微米级干燥粉煤和输送气体进入过滤器17中，粉煤落入粉煤仓18中，输送气体回到风机16入口，循环使用。根据循环气中的水分含量，在过滤器17顶端放空一部分气体，以维持循环气水含量恒定。粉煤仓18中的粉煤经过锁斗19，加压输送到给料罐中。给料罐中的粉煤以2kg/cm2左右的压力，定量送入燃烧辐射换热装置的下部的烧嘴中。
结合图1、图2和图3所示，所述燃烧辐射换热装置2集成有辐射换热器，该辐射换热器包括：设置在辐射换热器底部的烧嘴21、设置在辐射换热器内壁上的水冷壁22以及设置在辐射换热器上部的燃料气出口23和汽水混合物出口24。所述烧嘴21将输送至燃烧辐射换热装置下部的气化剂和粉煤喷射到设备内部进行燃烧，以产生高温燃料气。所述水冷壁22吸收辐射热量，以产生饱和蒸汽。所述高温燃料气经由所述燃料气出口23传输至所述对流换热装置3，汽水混合物MIX经由所述汽水混合物出口24传输至汽包(未示出)产出饱和蒸汽。
具体的，粉煤与空分(即经过空分装置进行空气分离)来的氧气通过烧嘴21燃烧，产生主要成分为一氧化碳和氢气的高温燃料气。燃料气的温度在1200-1600℃，煤中的灰分以熔融液滴形态随气流做向上运动、回流运动、旋流运动，同时降温。水冷壁吸收辐射热量，产生饱和蒸汽，在对流换热器过热后，部分送回烧嘴21，参与反应。约50％左右的灰渣液滴凝聚后，落入渣池，由捞渣机27排出。其余熔渣液滴冷却成细灰颗粒，与燃料气一起，降温至700℃以下，导入对流换热器。
优选地，烧嘴21安装在保护套26中，以便于烧嘴的检修、更换。保护套26安装在支座25上。支座25与四周水冷壁组成激冷、排渣空间，空间中设置水浴，并安装捞渣机27，用于排出水浴中沉降的灰渣。辐射换热器的换热面积设计要确保燃烧辐射换热器出口气体温度低于700℃。优选地，所述捞渣机27对称布置为两台，安装在水平地面上，其水浴与燃烧辐射换热器水浴共用，整体设计。
如图1和图4所示，所述对流换热装置3包括：过热器32、蒸汽发生器33、氮气加热器34和省煤器35。所述过热器32用于产生并排出过热蒸汽STREAM(SH)，所述蒸汽发生器33用于产生并排出饱和蒸汽STREAM(SA)，所述省煤器35用于预热锅炉给水H2O(l)。所述高温燃料气依次通过过热器32、蒸汽发生器33、氮气加热器34和省煤器35后通过设置在对流换热装置底部的燃料气排气出口(未示出)排出。
具体的，含有细灰颗粒的中温燃料气，在对流换热器3中，依次经过过热器32、蒸汽发生器33、氮气加热器34、省煤器35，降低到135℃左右，从对流换热器下端，细灰和燃料气分别排出。过热蒸汽除少量用于烧嘴外，大部分作为产品气，送出界区。锅炉水循环泵将汽包循环水分别送入燃烧辐射换热器水冷壁和对流换热器蒸汽发生器，产生饱和蒸汽。锅炉给水泵将锅炉给水送入对流换热器3的省煤器中加热，给汽包补水。空分来的氮气和循环风机来的氮气共同送入对流换热器3的氮气加热器中，加热到350℃左右，送入热风炉14并进入磨煤机，以循环利用惰性气体。
如图1所示，该除尘脱硫装置4包括静电除尘器41、袋式过滤器42和脱硫装置43，从所述对流换热装置底部排出的燃料气依次经过静电除尘器41的静电除尘、袋式过滤器42的精细除尘和脱硫装置43的脱硫后排出。温度在135℃左右含有细灰的燃料气，首先进入静电除尘器41进行初步除尘，将大部分细灰脱除后，经由风机进入袋式过滤器42，将残余的灰尘脱除。除尘后的干净燃料气进入脱硫装置43，将燃料气中的硫化氢等含硫成分脱除。经过除尘、脱硫后的洁净燃料气送出界区。
如图5所示，本发明还涉及一种用于制备常压燃料气的方法，其包括以下步骤：首先，来自磨煤机的粉煤被来自热风炉的高温惰性气体加热后得到常压干燥粉煤，经锁斗系统加压后被输送至所述燃烧辐射换热装置的下部；利用设置在燃烧辐射换热装置中的烧嘴将输送至燃烧辐射换热装置下部的气化剂和粉煤燃烧，以产生高温燃料气；利用设置在燃烧辐射换热装置侧壁上的水冷壁吸收辐射热量，以产生饱和蒸汽；所述高温燃料气和饱和蒸汽分别经由设置在辐射换热器上部的燃料气出口和汽水混合物出口传输至对流换热装置和汽包；最后，所述高温燃料气依次经由所述对流换热装置中的过热器、蒸汽发生器和省煤器进行降温处理后再依次经过静电除尘器的静电除尘、袋式过滤器的精细除尘和脱硫装置的脱硫后排出。此外，所述过热器用于产生并排出过热蒸汽，所述蒸汽发生器用于产生并排出饱和蒸汽，所述省煤器用于预热锅炉给水。
虽然已示出和描述了本发明的实施方案，本领域技术人员将理解可以在这些实施方案中做出改变而不偏离本发明的原理和精神，本发明的范围在权利要求及其等价形式中限定。

Claims (10)

1.一种用于制备常压燃料气的设备，其特征在于，包括：进料装置(1)、燃烧辐射换热装置(2)和对流换热装置(3)；
所述进料装置(1)包括：热风炉(14)和磨煤机(15)，来自磨煤机(15)的粉煤经热风炉(14)进行加热之后输送至所述燃烧辐射换热装置(2)的下部；
所述燃烧辐射换热装置(2)包括：设置在底部的烧嘴(21)、设置在内壁上的水冷壁(22)以及设置在上部的燃料气出口(23)和汽水混合物出口(24)，所述烧嘴(21)将输送至该燃烧辐射换热装置下部的气化剂和粉煤混合物燃烧，以产生高温燃料气，该高温燃料气经由所述燃料气出口(23)传输至所述对流换热装置(3)；所述水冷壁(22)吸收辐射热量，以产生汽水混合物，该汽水混合物经由所述汽水混合物出口(24)传输至汽包以产生饱和蒸汽；
所述对流换热装置(3)包括：过热器(32)、蒸汽发生器(33)和省煤器(35)；所述过热器(32)用于产生并排出过热蒸汽，所述蒸汽发生器(33)用于产生并排出饱和蒸汽，所述省煤器(35)用于预热锅炉给水；所述高温燃料气依次经过所述过热器(32)、蒸汽发生器(33)和省煤器(35)之后排出。
2.根据权利要求1所述的用于制备常压燃料气的设备，其特征在于：所述对流换热装置(3)还包括：氮气加热器(34)，该氮气加热器(34)将供应至其中的氮气进行加热并将加热后的氮气输送至所述热风炉(14)。
3.根据权利要求1或2所述的用于制备常压燃料气的设备，其特征在于：所述燃烧辐射换热装置的底部设有支座(25)，所述烧嘴(21)外侧设有保护套(26)，该保护套(26)设置在支座(25)上。
4.根据权利要求1或2所述的用于制备常压燃料气的设备，其特征在于还包括：除尘脱硫装置(4)，该除尘脱硫装置(4)包括静电除尘器(41)、袋式过滤器(42)和脱硫装置(43)，从所述对流换热装置底部排出的燃料气依次经过静电除尘器(41)的静电除尘、袋式过滤器(42)的精细除尘和脱硫装置(43)的脱硫后排出。
5.根据权利要求1或2所述的用于制备常压燃料气的设备，其特征在于：所述燃烧辐射换热装置(2)还包括：两台捞渣机(27)，所述捞渣机(27)对称布置在所述辐射换热装置的两侧并且与该辐射换热装置共用水浴。
6.根据权利要求1或2所述的用于制备常压燃料气的设备，其特征在于：所述进料装置(1)还包括：过滤器(17)、粉煤仓(18)、锁斗(19)和给料罐(20)，经过研磨及干燥后的所述粉煤依次经由过滤器(17)、粉煤仓(18)、锁斗(19)和给料罐(20)加压后被输送至所述燃烧辐射换热装置的下部。
7.一种用于制备常压燃料气的方法，其特征在于包括以下步骤：
a)将来自磨煤机的粉煤经过干燥和加压后输送至燃烧辐射换热装置的下部；
b)利用设置在燃烧辐射换热装置中的烧嘴将气化剂和粉煤的混合物燃烧，以产生高温燃料气；
c)利用设置在燃烧辐射换热装置侧壁上的水冷壁吸收辐射热量，以产生饱和蒸汽；
d)将所述高温燃料气经由设置在燃烧辐射换热装置上部的燃料气出口传输至对流换热装置以及将饱和蒸汽经由设置在燃烧辐射换热装置上部的汽水混合物出口传输至汽包；
e)将所述高温燃料气依次经过所述对流换热装置中的过热器、蒸汽发生器和省煤器之后排出。
8.根据权利要求7所述的用于制备常压燃料气的方法，其特征在于：在所述步骤e)中，所述过热器用于产生并排出过热蒸汽，所述蒸汽发生器用于产生并排出饱和蒸汽，所述省煤器用于预热锅炉给水。
9.根据权利要求7所述的用于制备常压燃料气的方法，其特征在于：所述对流换热装置还包括：氮气加热器，通过该氮气加热器将供应的氮气进行加热后经由管路将氮气输送至热风炉。
10.根据权利要求7所述的用于制备常压燃料气的方法，其特征在于：在所述步骤e)中，从所述对流换热装置底部排出的燃料气依次经过静电除尘器的静电除尘、袋式过滤器的精细除尘和脱硫装置的脱硫后再排出。
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