CN107118806A

CN107118806A - 两段式水煤浆气流床反应器及两段式水煤浆气化方法

Info

Publication number: CN107118806A
Application number: CN201710508427.6A
Authority: CN
Inventors: 彭忆平; 薛磊; 李长安
Original assignee: Beijing Gold And Engineering Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Gold And Engineering Technology Co Ltd
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2017-09-01

Abstract

本发明提供了两段式水煤浆气流床反应器及两段式水煤浆气化方法。本发明两段式水煤浆气流床反应器包括：下部一段反应区、上部二段反应区、底部灰渣激冷室，下部反应区的两端设置有原料和气化剂喷入口；上部反应区设置有二次原料喷和气化剂喷入口；上部反应区顶部设置有气体出口；底部灰渣激冷室设置有出渣口。所述的两段式水煤浆气流床反应器能够使得产出煤气中甲烷含量可调，从而解决气流床气化装置产出煤气产品不适合用作燃料使用，从而不适合煤制天然气、LNG、SNG等领域的问题。

Description

两段式水煤浆气流床反应器及两段式水煤浆气化方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术应用领域，具体而言，涉及两段式水煤浆气流床反应器及两段式水煤浆气化方法。

背景技术

煤气化是煤炭高效与清洁利用的重要途径，也是实现社会经济与环境协调发展的关键技术之一。煤气化能够将煤炭这种一次能源转化为清洁的二次能源，随着人们对于环境保护的日益重视，煤炭气化这种清洁能源技术也得到了迅速的发展。

煤炭气化的主要应用技术包括移动床、流化床以及气流化床等，气流化床技术由于具有气化处理能力强，对环境压力小等优点，因而应用更为广泛。

气流化床气化的主要特点是高温、加压、入料细度细，根据进料形式、炉壳内衬、烧嘴数目以及结构布置的不同，气流化床气化技术还可以进一步细化分类。目前，主要的水煤浆气流床气化技术有德士古水煤浆气化技术、四喷嘴水煤浆气化技术和晋华炉水冷壁水煤浆气化技术。而在现有的水煤浆气流床气化技术中，大多是通过将原料预制成一定浓度的煤浆，加压后的煤浆同纯氧一同通过烧嘴喷入到反应器内进行部分氧化反应。然而，由于原料在反应器内停留时间短，使得原料中的碳转化率不够高；同时，反应产生的大量的反应热并没有被充分利用，这也使得产出的气体中甲烷含量非常低，煤气热值较低；进一步的，产生的高温煤气直接进行水浴激冷降温，使得大量的显热被浪费，综合能效较低。

以上总总因素使得现有的水煤浆气流床气化技术的应用被限制在用于生产氨、甲醇等化工原料领域中，而不适合应用在生产I GCC、LNG等将制的气体用作燃料的工业领域中。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种两段式水煤浆气流床反应器，所述通过设置两段式反应器结构，从而能够有效利用原料气化所产生的显热，提高综合能效。

本发明的第二目的在于提供一种两段式水煤浆气化方法，该方法中使用本发明所述两段式水煤浆气流床反应器进行水煤浆气化，不仅能够有效提高气化反应中热能的利用率，同时还能够有效调节控制煤气中甲烷的含量，扩大合成气的应用范围。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种两段式水煤浆气流床反应器，所述两段式水煤浆气流床反应器包括下部一段反应区和上部二段反应区；

其中，原料浆料与气化剂在下部一段反应区内进行反应。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气流床反应器中，所述下部一段反应区为主反应区，所述下部反应区的两端相对设置有两个喷嘴；

原料浆料和气化剂分别通过两个喷嘴加入下部反应区中进行反应，原料煤浆在气化剂高流速作用下，以雾化形式进入，从而使得原料料浆与气化剂之间能够充分接触。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气流床反应器中，所述下部一段反应区的下部还设置有灰渣激冷处理装置；

在下部一段反应区内反应产生的熔融灰渣在灰渣激冷处理装置中激冷后固化，并通过排渣口排出炉外。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气流床反应器中，所述上部二段反应区为辅助反应区，所述辅助反应区的下部设置有二次原料浆料加入口，并经由所述二次原料浆料加入口加入二次原料浆料和蒸汽，通过与蒸汽一同喷入使原料料浆雾化，所加入的二次原料浆料与下部一段反应区中反应产生的混合体系进行二次反应。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气流床反应器中，下部一段反应区和上部二段反应区的内部均设置有隔热耐磨衬里。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气流床反应器中，所述下部一段反应区、上部二段反应区以及底部的灰渣激冷处理装置均为工作压力为0.5～10MPa的压力容器。

同时，本发明还提供了一种两段式水煤浆气化方法，所述两段式水煤浆气化方法应用本发明所述的两段式水煤浆气流床反应器；

所述两段式水煤浆气化方法包括如下步骤：将原料浆料和气化剂分别加入下部第一反应区中进行部分氧化反应，反应所产生的熔融灰渣激冷后固化排出；

同时，反应所生成的由高温气体、水蒸气以及未反应原料颗粒所形成的混合体系进入到上部二段反应区中，并在上部二段反应区与二次原料浆料混合进行二次气化反应。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气化方法中，所述下部一段主反应区加入气化剂为纯氧，上部二段辅助反应区加入气化剂为蒸汽；

和/或，所述原料浆料和二次原料浆料为烟煤、次烟煤、褐煤、石油焦或者重油中的一种或几种通过与水研磨所形成的浆体，都来自于同一料浆输送设备。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气化方法中，所述浆体的质量浓度为55～65％。

可选的，本发明所述两段式水煤浆气化方法中，二次原料浆料与气化剂同时喷入到上部二段反应区中，原料煤浆在气化剂高流速作用下，以雾化形式进入；在上部二段反应区中与下部一段反应区进入的混合体系进行充分接触与反应；

优选的，可以通过控制二次原料浆料的加入量以调控所生成合成气中的甲烷含量。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明两段式水煤浆气流床反应器在工作过程中，装置的下部一段主反应区中原料料浆和气化剂发生剧烈的部分氧化反应，产生了大量的反应热和以CO、CO2、H₂为主的气体，同时原料料浆中的液态水瞬间被汽化形成水蒸汽，高温气体、水蒸气和未反应的原料颗粒进入到反应器上部的二段辅助反应区中；在高温条件下，加入到上部二段辅助反应区中的二次原料料浆中的水瞬间汽化变成蒸汽，在无氧条件下，利用所带入的大量显热，高温气体中的CO与水蒸气、氢气发生大量吸热反应，大量生成甲烷，从而提高了所制备的合成气中CH₄组分的含量；

同时，由于CO与水蒸气能发生反应生成氢气，因而能够调节气体中H₂/CO比例，进而可以降低后续变换装置的生产负荷；

进一步的，由于在上部二段辅助反应区内发生的反应均为吸热反应，所以可以充分利用下部一段主反应区中产生的大量反应热来进行反应，不但能节省消耗，同时还能起到对高温合成气进行降温的作用。

(2)与现有水煤浆气流床技术相比，本发明提供的两段式水煤浆气化方法能够实现产出气体中甲烷含量的可调，并能够利用大量反应热进行反应，节省大量的能耗，提高了原料转化利用率、出反应器气体仍然有很高温度以及较大显热，可以利用显热副产高压蒸汽，从而提高热利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的两段式水煤浆气流床反应器；

其中，1-下部一段主反应区；2-上部二段辅助反应区；3-灰渣激冷室；4-气体出口；5-二次原料料浆喷嘴；6-一次原料料浆喷嘴；7-集灰罐；8-冷却水进口；9-灰水出口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

鉴于目前气流床气化技术中所存在着的热量并未充分利用，以及所制备的合成气中甲烷含量过低所导致的其应用受限等问题，本发明特提供了一种新型两段式水煤浆气流床反应器，并通过采用两段反应的方法以解决现有技术中所存在的上述问题，

具体的，本发明所提供两段式水煤浆气流床反应器是由一种下部一段主反应区和上部二段辅助反应区两部分所组成的水煤浆气流床气化反应器，这种水煤浆气流床气化反应器是一种压力反应装置，其工作压力为0.5～10.0MPa；

其中，下部一段主反应区的两端相对设置有两个喷嘴，原料浆料和气化剂共同通过喷嘴加入到下部一段主反应区中，并通过喷嘴的相对高速喷射进行撞击雾化实现充分混合；

其中，所述原料浆料为烟煤、次烟煤、褐煤、石油焦、重油中的一种或几种的混合物通过与水研磨制备成的浆体，优选的，浆体的质量浓度为55～65％；

同时，所述下部一段主反应区加入的气化剂为纯氧，所述上部二段辅助反应区加入的气化剂为蒸汽；

原料料浆与气化剂在下部一段主反应区内发生部分氧化反应，在温度达到1350℃左右下产生炉渣和气体产物(包括通过气化生成的合成气，以及浆料中水蒸发所产生的水蒸气)，而所产生的高温气体和夹带的未参加反应的原料颗粒会随着气流上升，并进入到上部二段反应区中；

在上部二段反应区的下部设置有二次原料料浆和气化剂加入口，而来自于一段反应区气体产物(即合成气)、未反应的固体原料颗粒和水蒸气带有大量来自于一段主反应区中所产生的显热，并能够使得上部二段反应区能够达到较高的体系温度；

在由下部一段主反应区中显热所能够带来1250℃～1350℃的温度条件下，从上部反应区中所加入的二次原料浆料与下部一段主反应区来的气体产物反应会再次吸收大量的热量，其中所包含的水分通过吸热变成水蒸气，二次原料浆料中的含碳原料也会反应生成合成气，同时碳原料与水蒸气吸热发生水蒸气分解反应；与此同时，随着上部二段辅助反应区内反应的进行，体系温度逐渐降低，使得生成甲烷的反应变得更加容易，从而使得上部二段辅助反应区内会有大量的甲烷生成，从而提高了合成气中甲烷含量。

其中，二次原料浆料为烟煤、次烟煤、褐煤、石油焦、重油中的一种或几种的混合物通过与水研磨制备成的浆体，与一次原料浆料来自与同一输送设备。优选的，浆体的质量浓度为55～65％；

同时，还可以通过控制二次原料浆料的用量，从而实现对于所生成气体中甲烷含量进行调控的目的，而本发明中，也可以进一步将最终所制备合成气中的甲烷含量在1～10％之间进行调整；

而在上部二段辅助反应区反应后的所产生的可直接送出反应器，并通过干法除灰后进行显热回收，而这也能够达到回收副产中高压蒸汽的作用，实现了大量反应热回收利用的目的。

进一步的，本发明两段式水煤浆气流床反应器的内部设置有耐热耐磨衬里；

其中，由于两段式水煤浆气流床反应器的下部主反应区内反应环境较为剧烈，冲刷较为严重，所以耐热耐磨衬里需要进行多层铺设，例如铺设的层数可以为3层；而上部辅助反应区内反应环境较为平缓，气体流速相对较慢，温度也相对较低，所以对耐热耐磨要求相对较低，可以采取要求较低的形式进行铺设耐热衬里，例如，铺设的层数可以为2层。

进一步地，本发明两段式水煤浆气流床反应器中，其下部一段主反应区下部设置有灰渣激冷室，在下部一段主反应区内产生的高温熔融灰渣在激冷室内进行水浴激冷固化后，所得固态灰渣进入集灰罐进行收集，然后进入排渣锁斗系统中，并通过排渣锁斗系统排出炉外。

实施例1

如图1所示，本发明所提供的两段式水煤浆气流床反应器包括：下部一段主反应区1、上部二段辅助反应区2、灰渣激冷室3、一次原料料浆加入喷嘴6、二次原料料浆加入喷嘴5；

气流床气化装置为压力容器，其工作压力为0.5～10.0MPa；由下部一段主反应区1、上部二段辅助反应区2和灰渣激冷室3三部分所组成；

原料料浆通过料浆输送设备加压后，与加压气化剂共同通过一次原料料浆喷嘴6喷入到下部一段主反应区1内，在下部一段主反应区1内发生部分氧化反应，在温度达到1350℃左右下产生炉渣和气体产物，产生的高温气体和夹带的未参加反应的原料颗粒进入到上部二段辅助反应区2中；

上部二段辅助反应区2的下部设置有二次原料料浆喷嘴5，来自于料浆输送设备加压后，与加压蒸汽一同通过二次料浆喷嘴5加入。来自于下部一段主反应区1气体产物、未反应的固体原料颗粒和蒸汽利用从下部一段主反应区1带入的大量显热，在1250℃-1350℃之间温度下，对二次原料料浆进行加热，而二次原料浆料也发生大量吸热反应，在此过程中，随着上部二段辅助反应区内反应的进行，体系温度逐渐降低，使得生成甲烷的反应变得更加容易，从而使得上部二段辅助反应区内会有大量的甲烷生成，从而提高了合成气中甲烷含量。使其能够在更为广泛的燃气领域中应用；

在上部二段辅助反应区2反应后的气体温度下降到1000℃左右，通过气体出口4直接送出气流床气化装置，并通过干法除灰后进行显热回收，从而达到能够副产中高压蒸汽的效果，步步高实现大量反应热回收利用的目的；

在下部一段主反应区1内反应产生的高温熔融灰渣进入到灰渣激冷室3中，外界管网来的冷却水从进口8进入激冷室3，在激冷室3内形成水浴液位，灰渣在水浴激冷下固化，变成固态灰渣；固态灰渣通过集灰罐7收集，然后进入排渣锁斗系统中排出炉外。

与现有水煤浆气流床技术相比，本发明提供的两段式水煤浆气流床反应器，可以通过控制上部二段辅助反应区的二次原料料浆加入量，能够实现产出气体中甲烷含量的可调，甲烷体积含量可调范围可达1％-10％。从而使得本发明提供的两段式水煤浆气流床气化反应生产的气体产品能够被适用于LNG、CNG、I GCC等作为燃料气的行业领域；

同时利用大量的反应热提供的热量，在无氧的环境下使得气体进一步发生反应，产生更高热值的煤气，这样能进一步提高冷煤气效率和原料转化利用率，降低消耗，提高了综合能效。

送出的气体仍然带有大量的显热，利用显热副产中高压蒸汽，使得气体降温的同时，提高了热利用效率。

实验例1

以质量浓度为60％的浆体为原料浆料，所述原料浆料是由烟煤和水通过研磨制备，并以纯氧为气化剂；

同时，以质量浓度为60％的浆体为二次原料浆体，所述二次原料浆体同样是由烟煤和水通过研磨制备，并以蒸汽为气化剂；

其中，二次原料浆体与原料浆体的比例控制在15％-20％；

然后，按照实施例1中所述的两段式水煤浆气化方法，并以实施例1中所述两段式水煤浆气流床反应器进行气化反应，最终所得合成气中甲烷的含量为6-8％。

实验例2

以质量浓度为60％的浆体为原料浆料，所述原料浆料是由褐煤和水通过研磨制备，并以纯氧为气化剂；

同时，以质量浓度为60％的浆体为二次原料浆体，所述二次原料浆体同样是由褐煤和水通过研磨制备，并以蒸汽为气化剂；

其中，二次原料浆体与原料浆体的比例控制在10％-15％；

然后，按照实施例1中所述的两段式水煤浆气化方法，并以实施例1中所述两段式水煤浆气流床反应器进行气化反应，最终所得合成气中甲烷的含量为4-6％。

实验例3

以质量浓度为60％的浆体为原料浆料，所述原料浆料是由次烟煤和水通过研磨制备，并以纯氧为气化剂；

同时，以质量浓度为60％的浆体为二次原料浆体，所述二次原料浆体同样是由次烟煤和水通过研磨制备，并以蒸汽为气化剂；

其中，二次原料浆体与原料浆体的比例控制在＜10％；

然后，按照实施例1中所述的两段式水煤浆气化方法，并以实施例1中所述两段式水煤浆气流床反应器进行气化反应，最终所得合成气中甲烷的含量为1-4％。

与现有技术相比，本发明所提供的两段式水煤浆气流床气化反应器具有更高能效、更低氧耗、更高冷煤气效率和综合能效、无污染、环保好、碳有效利用率高、流程简单、占地少、设备结构合理及维修投资省等多项优势。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种两段式水煤浆气流床反应器，其特征在于，所述两段式水煤浆气流床反应器包括下部一段反应区和上部二段反应区；

其中，原料浆料与气化剂在下部一段反应区内进行反应。

2.根据权利要求1所述的两段式水煤浆气流床反应器，其特征在于，所述下部一段反应区为主反应区，所述下部反应区的两端相对设置有两个喷嘴；

3.根据权利要求2所述的两段式水煤浆气流床反应器，其特征在于，所述下部一段反应区的下部还设置有灰渣激冷处理装置；

4.根据权利要求1所述的两段式水煤浆气流床反应器，其特征在于，所述上部二段反应区为辅助反应区，所述辅助反应区的下部设置有二次原料浆料加入口，并经由所述二次原料浆料加入口加入二次原料浆料和蒸汽，通过与蒸汽一同喷入使原料料浆雾化，所加入的二次原料浆料与下部一段反应区中反应产生的混合体系进行二次反应。

5.根据权利要求1所述的两段式水煤浆气流床反应器，其特征在于，下部一段反应区和上部二段反应区的内部均设置有隔热耐磨衬里。

6.根据权利要求1所述的两段式水煤浆气流床反应器，其特征在于，所述下部一段反应区、上部二段反应区以及底部的灰渣激冷处理装置均为工作压力为0.5～10MPa的压力容器。

7.一种两段式水煤浆气化方法，其特征在于，所述两段式水煤浆气化方法应用权利要求1-6中任一项所述的两段式水煤浆气流床反应器；

8.根据权利要求7所述的两段式水煤浆气化方法，其特征在于，所述下部一段主反应区加入气化剂为纯氧，上部二段辅助反应区加入气化剂为蒸汽；

9.根据权利要求8所述的两段式水煤浆气化方法，其特征在于，所述浆体的质量浓度为55～65％。

10.根据权利要求7所述的两段式水煤浆气化方法，其特征在于，二次原料浆料与气化剂同时喷入到上部二段反应区中，原料煤浆在气化剂高流速作用下，以雾化形式进入；在上部二段反应区中与下部一段反应区进入的混合体系进行充分接触与反应；

优选的，可以通过控制二次原料浆料的加入量以调控所生成合成气中的甲烷含量。