CN107177383A - 一种以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统及方法，包括气化炉系统、煤气净化系统及二氧化碳封存及利用系统，其中，气化炉系统包括粉煤加压装置、烧嘴及气化炉，煤气净化系统包括煤气冷却器、气体净化系统、激冷气压缩机、二氧化碳分离系统、二氧化碳压缩机及激冷换热器，该系统及方法能够将超临界二氧化碳作为气化剂用于煤炭气化。

Description

一种以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统及方法
技术领域
本发明属于煤炭气化领域，涉及一种以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统及方法。
背景技术
煤炭气化是指在气化炉内，煤在高温下与气化剂反应，生成煤气的过程。煤炭气化过程的基本条件是：气化炉、气化原料和气化剂。气化炉是煤炭气化的核心设备，气化剂为氧气或空气以及水蒸气等。煤气化工艺是煤化工、IGCC、煤炭间接液化等的基础，煤经过气化后制得合成气，有效成分为CO、H2和CH4，用于化工合成或者燃烧发电。现有的气化工艺大多为自热式气化，即气化过程中不需要外界供热，煤与水蒸气进行吸热反应所消耗的热量，是由煤与氧进行的放热反应所提供的，因此在煤气中有相当量的二氧化碳存在。尤其是对于水煤浆气化，由于水煤浆浓度通常低于65％,即35％以上为水，系统耗水量大，且在气化炉中水的气化需要吸收大量的热，为维持气化操作稳定运行，相当量的碳与氧气反应生成二氧化碳，放出热量。在后续的煤气净化过程中，二氧化碳被洗涤分离出来，目前这些二氧化碳在化肥企业可以部分得到利用，其它企业大多作为废气直接排放，不但增加了碳排放，而且还浪费了碳资源。
二氧化碳在高温下可以与碳反应，因此可以作为气化剂用于煤气化，可将二氧化碳部分替代甚至全部替代水蒸气，既实现了二氧化碳的利用，又能够减少水的用量，同时实现节水，同时可以减少气化废水处理量。超临界二氧化碳有很好的换热能力，在煤气冷却的换热器中采用超临界二氧化碳作为冷流体，对煤气有很好的冷却效果。
因此，如果能够开发出一种新的煤气化系统，该系统可以以超临界二氧化碳为气化剂用于煤气化过程，则必然会对我国的传统的煤气化工艺，尤其是对于干旱缺水地区的煤气化工艺带来巨大影响。目前已公开的报道中，如中国专利CN 101381629A公布了一种二氧化碳减排干粉煤气化炉，气化剂仍以水和氧气为主，二氧化碳作为补充气化剂，中国专利CN 103468320A公布了一种二氧化碳煤浆的制备与气化系统，将液态的二氧化碳与煤混合制成煤浆，送入气化炉气化，但还未曾有将超临界二氧化碳作为气化剂用于煤炭气化的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统及方法，该系统及方法能够将超临界二氧化碳作为气化剂用于煤炭气化。
为达到上述目的，本发明所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统包括气化炉系统、煤气净化系统及二氧化碳封存及利用系统，其中，气化炉系统包括粉煤加压装置、烧嘴及气化炉，煤气净化系统包括煤气冷却器、气体净化系统、激冷气压缩机、二氧化碳分离系统、二氧化碳压缩机及激冷换热器；
粉煤加压装置的出口与烧嘴的粉煤入口相连通，烧嘴上设有氧气入口，烧嘴的出口与气化炉的原料入口相连通，气化炉的激冷气入口与激冷气压缩机的出口相连通，气化炉的气体出口与煤气冷却器的热流体入口相连通，煤气冷却器的热流体出口经气体净化系统与二氧化碳分离系统的入口相连通，二氧化碳分离系统的二氧化碳出口与二氧化碳压缩机的入口及二氧化碳封存及利用系统的入口相连通，二氧化碳压缩机的出口分为两路，其中，一路与粉煤加压装置的气体入口相连通，另一路依次经煤气冷却器的低温管路及激冷换热器的低温管路与烧嘴的超临界二氧化碳入口相连通。
气体净化系统包括干法除尘器及湿法洗涤器，其中，煤气冷却器的热流体出口与干法除尘器的入口相连通，干法除尘器的出口与激冷气压缩机的入口及湿法洗涤器的入口相连通，湿法洗涤器的出口与激冷气压缩机的入口及二氧化碳分离系统的入口相连通。
煤气净化系统还包括煤气利用系统，二氧化碳分离系统的可燃组分出口与煤气利用系统的入口相连通。
气化炉的底部设有灰渣出口。
干法除尘器的底部设有飞灰出口。
湿法洗涤器的底部设有酸泥水出口。
本发明所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化方法包括以下步骤：
1)二氧化碳压缩机输出的二氧化碳分为两路，其中一路作为载气进入到粉煤加压装置中，另一路依次经煤气冷却器的低温管路及激冷换热器的低温管路吸热后作为气化用超临界二氧化碳进入烧嘴中，外界环境的氧气进入到烧嘴中，粉煤在粉煤加压装置中经载气加压后输送至烧嘴中，然后经喷嘴与氧气及气化用超临界二氧化碳一起喷入气化炉中，在气化炉中粉煤在氧气及气化用超临界二氧化碳的作用下发生气化反应，生成煤气；
2)激冷气压缩机输出的激冷气进入到气化炉中，在气化炉中煤气与激冷气混合后温度降低，再与激冷换热器低温管路中的二氧化碳进行换热，然后再从气化炉中排出进入到煤气冷却器中；
3)煤气经过煤气冷却器的冷却后进入到气体净化系统中，再经气体净化系统净化后进入到二氧化碳分离系统中，二氧化碳分离系统分离出的二氧化碳进入到二氧化碳压缩机及二氧化碳封存及利用系统中。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统及方法在具体操作时，二氧化碳分离系统分离出来的二氧化碳经二氧化碳压缩机压缩后分为两路，其中一路经煤气冷却器及激冷换热器吸热后作为气化用超临界二氧化碳进入烧嘴中，再经烧嘴与粉煤及氧气一起喷入气化炉中，在气化炉中煤粉在氧气及气化用超临界二氧化碳的作用下发生气化反应，生成煤气，从而将超临界二氧化碳作为气化剂用于煤炭气化，实现二氧化碳利用的同时减少传统气化剂水蒸气的使用，降低气化废水的处理量，同时提高气化反应的速率，提高气化强度，大幅提高单位体积气化炉在单位时间的产气量。另外，超临界二氧化碳具有较好的换热效果，通过在煤气冷却器及激冷换热器中进行热量的交换，实现对高温煤气的冷却。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为激冷气压缩机、2为粉煤加压装置、3为二氧化碳压缩机、4为烧嘴、5为气化炉、6为二氧化碳分离系统、7为激冷换热器、8为煤气冷却器、9为干法除尘器、10为二氧化碳封存及利用系统、11为湿法洗涤器、12为煤气利用系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统包括气化炉系统、煤气净化系统及二氧化碳封存及利用系统10，其中，气化炉系统包括粉煤加压装置2、烧嘴4及气化炉5，煤气净化系统包括煤气冷却器8、气体净化系统、激冷气压缩机1、二氧化碳分离系统6、二氧化碳压缩机3及激冷换热器7；粉煤加压装置2的出口与烧嘴4的粉煤入口相连通，烧嘴4上设有氧气入口，烧嘴4的出口与气化炉5的原料入口相连通，气化炉5的激冷气入口与激冷气压缩机1的出口相连通，气化炉5的气体出口与煤气冷却器8的热流体入口相连通，煤气冷却器8的热流体出口经气体净化系统与二氧化碳分离系统6的入口相连通，二氧化碳分离系统6的二氧化碳出口与二氧化碳压缩机3的入口及二氧化碳封存及利用系统10的入口相连通，二氧化碳压缩机3的出口分为两路，其中，一路与粉煤加压装置2的气体入口相连通，另一路依次经煤气冷却器8的低温管路及激冷换热器7的低温管路与烧嘴4的超临界二氧化碳入口相连通。
气体净化系统包括干法除尘器9及湿法洗涤器11，其中，煤气冷却器8的热流体出口与干法除尘器9的入口相连通，干法除尘器9的出口与激冷气压缩机1的入口及湿法洗涤器11的入口相连通，湿法洗涤器11的出口与激冷气压缩机1的入口及二氧化碳分离系统6的入口相连通；煤气净化系统还包括煤气利用系统12，二氧化碳分离系统6的可燃组分出口与煤气利用系统12的入口相连通。
气化炉5的底部设有灰渣出口；干法除尘器9的底部设有飞灰出口；湿法洗涤器11的底部设有酸泥水出口。
本发明所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化方法包括以下步骤：
1)二氧化碳压缩机3输出的二氧化碳分为两路，其中一路作为载气进入到粉煤加压装置2中，另一路依次经煤气冷却器8的低温管路及激冷换热器7的低温管路吸热后作为气化用超临界二氧化碳进入烧嘴4中，外界环境的氧气进入到烧嘴4中，粉煤在粉煤加压装置2中经载气加压后输送至烧嘴4中，然后经喷嘴与氧气及气化用超临界二氧化碳一起喷入气化炉5中，在气化炉5中粉煤在氧气及气化用超临界二氧化碳的作用下发生气化反应，生成煤气；
2)激冷气压缩机1输出的激冷气进入到气化炉5中，在气化炉5中煤气与激冷气混合后温度降低，再与激冷换热器7低温管路中的二氧化碳进行换热，然后再从气化炉5中排出进入到煤气冷却器8中；
3)煤气经过煤气冷却器8的冷却后进入到气体净化系统中，再经气体净化系统净化后进入到二氧化碳分离系统6中，二氧化碳分离系统6分离出的二氧化碳进入到二氧化碳压缩机3及二氧化碳封存及利用系统10中。
其中，煤气冷却器8输出的煤气进入到干法除尘器9中，并通过干法除尘器9捕集煤气中的飞灰，干法除尘器9输出的煤气分为两路，其中一路进入到激冷气压缩机1中，另一路进入到湿法洗涤器11中除去未被捕集的飞灰及分布杂质气体，湿法洗涤器11的输出煤气分为两路，其中一路进入到激冷气压缩机1中，另一路进入到二氧化碳分离系统6中，二氧化碳分离系统6分离出的可燃组分进入到煤气利用系统12中，二氧化碳分离系统6分离出的二氧化碳进入到二氧化碳压缩机3及二氧化碳封存及利用系统10中。
所述的二氧化碳分离系统6采用低温甲醇洗工艺，煤气利用系统12是燃气轮机发电系统、合成氨系统或合成甲醇系统，所述的二氧化碳封存及利用系统10可以是合成氨制尿素系统。
在实际使用时，可以通过烧嘴4的结构优化，粉煤、氧气与气化用超临界二氧化碳的配比优化，使得煤气化过程中碳转化率不断提高，气化强度不断提高，冷煤气效率效率也会不断提高。
需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如二氧化碳分离系统6的类型，煤气利用系统12的类型，气化用超临界二氧化碳流经各换热器的顺序等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。

Claims (7)

1.一种以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统，其特征在于，包括气化炉系统、煤气净化系统及二氧化碳封存及利用系统(10)，其中，气化炉系统包括粉煤加压装置(2)、烧嘴(4)及气化炉(5)，煤气净化系统包括煤气冷却器(8)、气体净化系统、激冷气压缩机(1)、二氧化碳分离系统(6)、二氧化碳压缩机(3)及激冷换热器(7)；
粉煤加压装置(2)的出口与烧嘴(4)的粉煤入口相连通，烧嘴(4)上设有氧气入口，烧嘴(4)的出口与气化炉(5)的原料入口相连通，气化炉(5)的激冷气入口与激冷气压缩机(1)的出口相连通，气化炉(5)的气体出口与煤气冷却器(8)的热流体入口相连通，煤气冷却器(8)的热流体出口经气体净化系统与二氧化碳分离系统(6)的入口相连通，二氧化碳分离系统(6)的二氧化碳出口与二氧化碳压缩机(3)的入口及二氧化碳封存及利用系统(10)的入口相连通，二氧化碳压缩机(3)的出口分为两路，其中，一路与粉煤加压装置(2)的气体入口相连通，另一路依次经煤气冷却器(8)的低温管路及激冷换热器(7)的低温管路与烧嘴(4)的超临界二氧化碳入口相连通。
2.根据权利要求1所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统，其特征在于，气体净化系统包括干法除尘器(9)及湿法洗涤器(11)，其中，煤气冷却器(8)的热流体出口与干法除尘器(9)的入口相连通，干法除尘器(9)的出口与激冷气压缩机(1)的入口及湿法洗涤器(11)的入口相连通，湿法洗涤器(11)的出口与激冷气压缩机(1)的入口及二氧化碳分离系统(6)的入口相连通。
3.根据权利要求1所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统，其特征在于，煤气净化系统还包括煤气利用系统(12)，二氧化碳分离系统(6)的可燃组分出口与煤气利用系统(12)的入口相连通。
4.根据权利要求1所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统，其特征在于，气化炉(5)的底部设有灰渣出口。
5.根据权利要求1所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统，其特征在于，干法除尘器(9)的底部设有飞灰出口。
6.根据权利要求1所述的以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统，其特征在于，湿法洗涤器(11)的底部设有酸泥水出口。
7.一种以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化方法，其特征在于，基于以超临界二氧化碳为气化剂的煤气化系统，包括以下步骤：
1)二氧化碳压缩机(3)输出的二氧化碳分为两路，其中一路作为载气进入到粉煤加压装置(2)中，另一路依次经煤气冷却器(8)的低温管路及激冷换热器(7)的低温管路吸热后作为气化用超临界二氧化碳进入烧嘴(4)中，外界环境的氧气进入到烧嘴(4)中，粉煤在粉煤加压装置(2)中经载气加压后输送至烧嘴(4)中，然后经喷嘴与氧气及气化用超临界二氧化碳一起喷入气化炉(5)中，在气化炉(5)中粉煤在氧气及气化用超临界二氧化碳的作用下发生气化反应，生成煤气；
2)激冷气压缩机(1)输出的激冷气进入到气化炉(5)中，在气化炉(5)中煤气与激冷气混合后温度降低，再与激冷换热器(7)低温管路中的二氧化碳进行换热，然后再从气化炉(5)中排出进入到煤气冷却器(8)中；
3)煤气经过煤气冷却器(8)的冷却后进入到气体净化系统中，再经气体净化系统净化后进入到二氧化碳分离系统(6)中，二氧化碳分离系统(6)分离出的二氧化碳进入到二氧化碳压缩机(3)及二氧化碳封存及利用系统(10)中。
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