CN107418632A - 同时生产甲烷热解气和合成气的气化系统和气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时生产甲烷热解气和合成气的气化系统和气化方法。气化系统中气化炉的结构为：上封头顶部设有热解气出口，上直筒段均匀环设有至少2个热解氧气与粉煤喷嘴，其上方的直筒段高度为3～10D，其轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为6～10°；下直筒段上均匀环设有至少2个气化氧气喷嘴，下封头的底部设有合成气与熔渣出口，气化氧气喷嘴距离热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为1～3D，气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2～3D，气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0或4.5°，热解气出口与合成气与熔渣出口的直径之比为1/2.5～1/4。该气化系统能同时制备甲烷热解气和合成气。

Description

同时生产甲烷热解气和合成气的气化系统和气化方法
技术领域
本发明涉及一种同时生产甲烷热解气和合成气的气化系统和气化方法。
背景技术
煤炭气化过程是以氧气(空气、富氧或工业纯氧)、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程，其中气流床气化技术因其良好的技术指标、高处理负荷和环境有好等特点，成为当今煤炭气化的主流技术。
传统煤气化工艺可分为固定床常压(加压)气化工艺、流化床煤气化工艺和气流床煤气化工艺。这些煤气化工艺，主要是由于炉型特点、物料反应进程不同而导致的工艺性能的不同。煤是由含碳有机物、无机矿物质组成，其中含碳有机物因反应或热解温度的不同，最终产物组成及分布也不同。固定床因气化温度较低，产物富含CH4，但含有焦油等难处理的污染物；气流床气化温度高，产物清洁，但煤中有机质均转化为CO、H2、CO2。
随着对煤碳资源分级利用的提高，以煤制天然气为产品的高CH4含量煤气化技术越来越得到重视。目前的煤制天然气技术主要基于固定床气化炉，如加压鲁奇气化技术。此类气化技术特点是氧气与焦炭反应产生的高温合成气与进入气化炉的煤颗粒接触，发生热解反应，热解后的热解气与底部上来的合成气混合后出气化炉。
一方面由于温度较低，使得出气化炉合成气含有一定量的焦油；另一方面热解气与合成气混合，使得合成气在进行化学品合成时需要进行分离或浓缩放空。
因此现代煤化工急需开发一种清洁的富含甲烷热解气和不含甲烷合成气的煤气化技术，以实现煤清洁高效气化和煤分级利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的同一气化炉中生产的合成气与热解气难以实现相互分离后排出气化炉的缺陷，而提供了一种同时生产甲烷热解气和合成气的气化系统和气化方法。本发明提供的气化系统能够同时生产高浓度的甲烷热解气，以及含低浓度甲烷的合成气，且冷煤气效率和碳转化率都很高。
本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的：
本发明提供了一种同时生产甲烷热解气和合成气的气化系统，其特点在于，所述气化系统包括一热解与气化解耦气化炉，所述气化炉包括一金属壳体，其分为一上壳体和一下壳体，所述上壳体包括一上封头和一上直筒段，所述下壳体包括一下直筒段和一下封头，所述上直筒段和所述下直筒段等径设置，所述上封头的顶部设有一热解气出口，在所述上直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个热解氧气与粉煤喷嘴，所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为3～10D，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为6°～10°；在所述下直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个气化氧气喷嘴，所述下封头的底部还设有一合成气与熔渣出口，所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为1～3D，所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2～3D，所述气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角β为0°或4.5°，所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/2.5～1/4；
所述热解氧气与粉煤喷嘴还分别与一热解氧气进气管、一煤粉进料管连接，所述气化氧气喷嘴还与一气化氧气进气管连接，所述热解气出口与一热解气冷却/除尘单元连接，所述合成气与熔渣出口的下方还设有一冷却室，所述冷却室的顶部气体出口处还设有一合成气除尘净化单元。
下面，对所述热解与气化解耦气化炉的结构作进一步说明：
较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴的个数为2～4个，更佳地为4个。具体数量可以根据气化炉处理负荷进行确定。
较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为5D。
较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为8°。该夹角的设置是为了降低顶部的热解气出口处煤焦飞灰颗粒含量。
较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°，更佳地为6°。
较佳地，所述气化氧气喷嘴的个数为2～6个，更佳地为4个。
较佳地，所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为2D。
较佳地，所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2.5D。
本发明中，对于气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角β的选择，对于高灰熔点煤，夹角β较佳地为0°；对于低灰熔点煤，夹角β较佳地为4.5°。按照常规理解，高灰熔点煤的流动温度FT≥1400°，低灰熔点煤的流动温度FT＜1400°。
较佳地，所述气化氧气喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°。
较佳地，所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/3。按照本领域常规，所述合成气与熔渣出口的直径按出口气体速度进行设置，一般控制在出口气速10～20m/s进行设置，较佳地为15m/s。
较佳地，所述合成气与熔渣出口为下锥收缩口，其下锥收缩角为20～70°。
本发明中，按照本领域常规，所述热解氧气与粉煤喷嘴设于一第一喷嘴室内，其为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入含碳物质，外通道用于通入热解氧气；所述气化氧气喷嘴设于一第二喷嘴室内，其为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入氧气，外通道用于通入气化用蒸汽。
较佳地，所述第一喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第一喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°，更佳地为6°。所述第二喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第二喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°，更佳地为6°。
本发明中，按照本领域常规，至少2个热解氧气与粉煤喷嘴是设置在气化炉的同一高度的炉体上的，至少2个气化氧气喷嘴的设置方式也是如此。上壳体和下壳体的分界线是以上下两层喷嘴(即热解氧气与粉煤喷嘴、气化氧气喷嘴)的中线进行分割的。
本发明中，D是指气化炉中的上直筒段和下直筒段的内径；另外，如无特殊说明，提及的直径均指内径。
本发明的气化炉的工作原理：不同于现有气化炉具有的“顶部空间和下部空间的作用基本相同，气化炉整体发生以气化为主的化学反应，下部空间和上部空间产生的富含CO和H2及极少量CH4的合成气要么均从气化炉顶部出口、要么均从底部出口流出气化炉，熔渣从底部出口排出”的结构，本发明的气化炉的上壳体内主要发生热解反应，生成富含CH4的热解气从上封头顶部的热解气出口流出气化炉，下壳体主要发生热解后焦炭与CO2和H2O的气化反应，生成富含CO和H2及极少量CH4的合成气与熔渣从下封头底部的合成气与熔渣出口流出气化炉。可见，整个气化炉中的物料走向是有较大差异的。
本发明的气化炉中，所述上壳体为热解段，所述下壳体为气化段，所述热解段与所述气化段位于同一金属壳体内。本发明的气化炉适用于处理浆态含碳物质或粉状含碳物质，尤其是烟煤、褐煤等高挥发分煤。
采用本发明的气化系统进行气化反应时，煤粉和热解氧气从气化炉上部加入气化炉，煤粉在气化炉上部发生高温热解，氧气与卷吸收的合成气和热解气中的H2发生燃烧反应，为高温热解提供能量，并产生富含CH4、不含焦油的热解气，热解气经过气体冷却、除尘净化后出界区。所述的热解气流出气化炉后，可以进入干法除灰单元或湿法除灰单元，以除去热解气携带的飞灰颗粒。飞灰颗粒返回气化炉二次气化，也可送到锅炉进行燃烧处理，也可直接送出界区处理。
气化氧气从气化炉下部加入气化炉，其功能是维持气化炉反应所需的热量，气化氧气与热解后的焦炭发生气化反应，产生CH4含量低的合成气。热解气从气化炉上部流出气化炉，合成气与熔渣并流从气化炉下部排渣口流出气化炉。所述的合成气，为下部气化反应产生，气化温度根据煤灰熔点进行控制，确保液态排渣。底部出来的合成气，经激冷、洗涤、除尘后出界区。
下面，对所述气化系统的其他部分做进一步说明：
较佳地，所述热解氧气进气管上设有流量控制器，所述气化氧气进气管设有流量控制器，所述流量控制器包括依次连通的一流量变送器和一流量控制阀。
较佳地，所述热解气冷却/除尘单元和所述合成气除尘净化单元分别与一流量控制系统连接，所述流量控制系统包括依次连通的一压力变送器、一流量变送器和一流量控制阀。两个所述流量控制系统用于调控管路上阀门的开度，从而控制顶部热解气的流量或比例，进而控制热解气中的甲烷浓度。所述的热解气从气化炉上部流出气化炉，为了提高热解气甲烷含量，该股流量通过压降或顶部出口面积进行调节。所述的合成气流量与热解气量可流量控制、或压力控制、或节流控制进行调节，以确保顶部热解气中甲烷的含量。
较佳地，所述冷却室的底部还连接有一固态粗渣排渣单元，所述合成气除尘净化单元、所述冷却室的下方废液出口以及所述固态粗渣排渣单元均与一气化黑水处理单元连接。
较佳地，所述冷却室的冷却方式为废锅冷却和/或激冷冷却。所述的合成气经排渣口，可进入辐射废锅回收热量，或经激冷环、下降管进入激冷室进行激冷，或其二者组合方式。冷却、除尘、除渣后的合成气经计量后送入后系统进行利用。
本发明还提供了一种同时生产甲烷热解气和合成气的气化方法，其特点在于，所述气化方法使用上述气化系统进行，煤粉和热解氧气从气化炉上部的热解氧气与粉煤喷嘴喷入气化炉，煤粉在气化炉上部发生高温热解，并产生热解气，并从所述热解气出口流出，进入所述热解气冷却/除尘单元；
气化氧气从气化炉下部的气化氧气喷嘴喷入气化炉，与热解后的焦炭发生气化反应，产生合成气与熔渣，并流从气化炉下部的合成气与熔渣出口流出，合成气经所述冷却室后进入所述合成气除尘净化单元；
从所述热解氧气与粉煤喷嘴喷入的热解氧气的量占总氧量的5％～20％。
较佳地，从所述热解氧气与粉煤喷嘴喷入的热解氧气的量占总氧量的10％～15％。即，从所述气化氧气喷嘴喷入的气化氧气的量占总氧量的80～95％，较佳地为85％～90％，所述百分比为体积百分比。
较佳地，所述气化炉的热解段的气化温度为900℃，气化段的气化温度为(FT+50℃)，其中FT为含碳物质的流动温度。
较佳地，所述的热解氧气和气化氧气为纯氧，因为在纯氧作用下生产的热解气中的甲烷浓度最高。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：本发明制备的热解气含有高达30％(湿基，干基约达40％)甲烷，温度高于900℃，以确保不含焦油。
附图说明
图1为本申请实施例1的气化系统的工艺流程图。
图2为实施例1中气化炉的结构示意图。
图3为实施例1中热解氧气与粉煤喷嘴的剖面示意图。
图4为实施例1中气化氧气喷嘴的剖面示意图。
附图标记说明如下：
气化炉 1
热解氧气与粉煤喷嘴 2
第一喷嘴室 3
气化氧气喷嘴 4
第二喷嘴室 5
热解气出口 6
合成气与熔渣出口 7
冷却室 8
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例中，气化系统的工艺流程图如图1所示，其包括一热解与气化解耦气化炉和其他辅助系统。气化炉的结构如图2～4所示，其中，气化炉1包括一金属壳体，其分为一上壳体和一下壳体，上壳体包括一上封头和一上直筒段，下壳体包括一下直筒段和一下封头，上直筒段和所述下直筒段等径设置，上封头的顶部还设有一热解气出口6，在上直筒段的同一高度上还均匀环设有4个热解氧气与粉煤喷嘴2，热解氧气与粉煤喷嘴2设于第一喷嘴室3内，在下直筒段的同一高度上还均匀环还设有4个气化氧气喷嘴4，气化氧气喷嘴4设于第二喷嘴室5内，所述下封头的底部还设有一合成气与熔渣出口7。
辅助系统结构如下：热解氧气与粉煤喷嘴2还分别与一热解氧气进气管、一煤粉进料管连接，气化氧气喷嘴4还与一气化氧气进气管连接，热解气出口6与一热解气冷却/除尘单元连接，合成气与熔渣出口7的下方还设有一冷却室8，冷却室8的顶部气体出口处还设有一合成气除尘净化单元。所述热解氧气进气管上设有流量控制器，所述气化氧气进气管设有流量控制器，所述流量控制器包括依次连通的一流量变送器和一流量控制阀。所述热解气冷却/除尘单元和所述合成气除尘净化单元分别与一流量控制系统连接，所述流量控制系统包括依次连通的一压力变送器、一流量变送器和一流量控制阀。
图1中，各符号表示的含义如下：FIA-流量显示报警器；FT-流量变送器；FC-流量控制；FV-流量控制阀；PIA-压力显示报警器；PT-压力变送器。
所述冷却室的底部还连接有一固态粗渣排渣单元，所述合成气除尘净化单元、所述冷却室的下方废液出口以及所述固态粗渣排渣单元均与一气化黑水处理单元连接。
本实施例中，将热解气的参数控制与下部合成气参数控制联合应用，其中FV102A和FV102B两个阀门之间还设有DFFIC为热解气与合成气比例控制器，用于计算两个流量差，或流量分配计算，从而调控FV102A和FV102B的开度，用于控制顶部热解气的流量或比例，进而控制热解气的甲烷浓度。
其中，煤粉在气化炉上部发生高温热解反应，其中可挥发有机质全部热解为小分子，不含焦油。
本实施例为一个日处理1100吨煤的气化系统，以神府煤为原料，采用干粉进料，气化压力为4.0MPa；进入系统总氧量为23800Nm3/h，上部热解氧气流量为总氧量的10％，下部热解氧气流量为总氧量的90％。气化室直径D为2400mm，表1给出本实施例气化炉数据。煤质数据如表2-4所示，气化试验结果见表5。
表1实施例1的气化炉数据
表2工业分析表
参数 数值
空干基水分Mar 1.4％(wt)
干燥基固定碳Md 63.08％(wt)
干燥基挥发分Vd 24.31(wt)
干燥基灰分Ad 12.61％(wt)
表3元素分析表
表4热值、灰熔点及熔渣物性
表5实施例1气化炉性能
实施例2
一个日处理3000吨煤的气化系统，气化压力4.0MPa，壁面为水冷壁结构，气化炉的结构与实施例1相同，不同的参数如表6所示，其中热解氧气与粉煤喷嘴为4个，气化氧气喷嘴为4个。气化剂为纯氧气，其中，上部热解氧气流量为总氧量的7％，下部气化氧气流量为总氧量的93％，所用煤为高灰熔点煤(外加石灰石助融剂)，煤质数据如表7所示，液态排渣温度为1400℃。气化试验结果见表8。
表6实施例2的气化炉数据
表7煤质数据
对比实施例1
按照申请号CN201110074557.6的专利申请(公开号：CN102433162A)实施例1公开的气化炉结构处理实施例2的高灰熔点煤，得到的结果见表8。
表8实施例2和对比实施例1的气化试验结果
从上述分析可以看出，本申请的气化炉既适用于高灰熔点煤，也适用于低灰熔点煤，另外，表8的结果还表明，在选用现有技术公开的气化炉处理相同的煤时，在其他气化条件都相同的前提下，冷煤气效率差于本发明。

Claims (10)

1.一种同时生产甲烷热解气和合成气的气化系统，其特征在于，所述气化系统包括一热解与气化解耦气化炉，所述气化炉包括一金属壳体，其分为一上壳体和一下壳体，所述上壳体包括一上封头和一上直筒段，所述下壳体包括一下直筒段和一下封头，所述上直筒段和所述下直筒段等径设置，所述上封头的顶部设有一热解气出口，在所述上直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个热解氧气与粉煤喷嘴，所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为3～10D，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为6°～10°；在所述下直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个气化氧气喷嘴，所述下封头的底部还设有一合成气与熔渣出口，所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为1～3D，所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2～3D，所述气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角β为0°或4.5°，所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/2.5～1/4；
所述热解氧气与粉煤喷嘴还分别与一热解氧气进气管、一煤粉进料管连接，所述气化氧气喷嘴还与一气化氧气进气管连接，所述热解气出口与一热解气冷却/除尘单元连接，所述合成气与熔渣出口的下方还设有一冷却室，所述冷却室的顶部气体出口处还设有一合成气除尘净化单元。
2.如权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述热解氧气与粉煤喷嘴的个数为2～4个；所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为5D；所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为8°；所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°；所述气化氧气喷嘴的个数为2～6个。
3.如权利要求2所述的气化系统，其特征在于，所述气化氧气喷嘴的个数为4个；所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为2D；
所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2.5D；所述气化氧气喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°；
所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/3；所述合成气与熔渣出口为下锥收缩口，其下锥收缩角为20～70°。
4.如权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述热解氧气与粉煤喷嘴设于一第一喷嘴室内，所述第一喷嘴室为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入含碳物质，外通道用于通入热解氧气；所述气化氧气喷嘴设于一第二喷嘴室内，所述第二喷嘴室为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入氧气，外通道用于通入气化用蒸汽。
5.如权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述第一喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第一喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°；所述第二喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第二喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°。
6.如权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述热解氧气进气管上设有流量控制器，所述气化氧气进气管设有流量控制器，所述流量控制器包括依次连通的一流量变送器和一流量控制阀；
所述热解气冷却/除尘单元和所述合成气除尘净化单元分别与一流量控制系统连接，所述流量控制系统包括依次连通的一压力变送器、一流量变送器和一流量控制阀。
7.如权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述冷却室的底部还连接有一固态粗渣排渣单元，所述合成气除尘净化单元、所述冷却室的下方废液出口以及所述固态粗渣排渣单元均与一气化黑水处理单元连接。
8.一种同时生产甲烷热解气和合成气的气化方法，其特征在于，所述气化方法使用如权利要求1～7任意一项所述的气化系统进行，煤粉和热解氧气从气化炉上部的热解氧气与粉煤喷嘴喷入气化炉，煤粉在气化炉上部发生高温热解，产生热解气，并从所述热解气出口流出，进入所述热解气冷却/除尘单元；
气化氧气从气化炉下部的气化氧气喷嘴喷入气化炉，与热解后的焦炭发生气化反应，产生合成气与熔渣，并流从气化炉下部的合成气与熔渣出口流出，合成气经所述冷却室后进入所述合成气除尘净化单元；
从所述热解氧气与粉煤喷嘴喷入的热解氧气的量占总氧量的5％～20％。
9.如权利要求8所述的气化方法，其特征在于，从所述热解氧气与粉煤喷嘴喷入的热解氧气的量占总氧量的10％～15％。
10.如权利要求8所述的气化方法，其特征在于，所述气化炉的热解段的气化温度为900℃，气化段的气化温度为FT+50℃。
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