CN107429176B - 煤炭气化系统的运转方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤炭气化系统(1)的运转方法，其特征在于：所述煤炭气化系统(1)具有二段结构的煤炭气化反应炉(20)，所述煤炭气化反应炉(20)具有配置于下段且使煤炭部分氧化的部分氧化部(21)、以及与部分氧化部(21)连通而配置于上段且使煤炭热分解的热分解部(22)；所述运转方法使用煤炭气化系统(1)，通过使煤炭气化而至少制造氢气以及一氧化碳气体；其中，向部分氧化部(21)内供给煤炭以及煤焦，同时向热分解部(22)内供给煤炭以及煤焦，在由供给至部分氧化部(21)内的煤炭产生且供给至热分解部(22)的灰分的重量增加时，使向热分解部(22)内的固定碳的供给量增加。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤炭气化系统的运转方法。
本申请基于2015年5月22日提出的日本专利申请特愿2015-104747号并主张其优先权，这里引用其内容。
背景技术
以前，为了使煤炭气化而制造氢气以及一氧化碳气体，人们对具有气流床(entrained-flow)二室二段型煤炭气化反应炉的煤炭气化系统进行了研究(例如参照专利文献1以及2)。
这种煤炭气化反应炉具有配置于下段且使煤炭部分氧化的部分氧化部、和配置于上段且使煤炭热分解的热分解部。
向下段即部分氧化部内投入煤炭和氧(氧化剤)，通过让煤炭部分氧化而使煤炭气化。在煤炭发生气化的同时，煤炭中含有的炉渣(slag：灰分)发生熔融。熔融的炉渣从部分氧化部的下部的出渣口向体系外排出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-241105号公报
专利文献2：日本特开2014-136764号公报
发明内容
发明所要解决的课题
所述熔融的炉渣的一部分与气体相伴而向上段即热分解部内飞散。此时，往往产生飞散的炉渣附着在热分解部内的结渣(slagging)。
通过向煤炭气化反应炉的热分解部内吹入(供给)煤炭，可以某种程度地捕获(集中)熔融且飞散的炉渣而防止结渣。吹入热分解部内的煤炭通过从部分氧化部上升而来的无氧高温气体的显热而分解为挥发分和煤焦(char)。挥发分作为气体加以回收，煤焦作为从部分氧化部向热分解部飞散的灰分的捕获材料发挥作用。也就是说，吹入热分解部内的煤炭中除去了挥发分的部分即煤焦对炉渣的捕获发挥效果。但是，在防止该结渣的方法中，在利用近年成为气化对象的、且煤炭中的灰分的质量相对于煤炭的质量之比即灰分量为10％以上的高灰分炭的情况下，部分氧化部飞散而来的炉渣增多，因而必须增加吹入热分解部的煤炭的量。热分解部内的煤炭的反应一般为吸热反应。因此，如果使吹入热分解部的煤炭的量增多，则热分解部内的温度降低，产生焦油而使热分解气体的生成量并不充分。
此外，在专利文献2的热分解部设置水冷壁，从而热分解部内的炉渣在壁面骤冷而不会附着在壁面上。
通过使煤炭气化反应炉的构成与热分解部为耐火材料结构即专利文献1的煤炭气化反应炉不同，专利文献2的热分解部便难以产生结渣的问题。
本发明是鉴于这样的问题点而完成的，其目的在于提供一种煤炭气化系统的运转方法，其一面抑制了热分解部内的温度的降低，一面抑制了炉渣在热分解部内的附着。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，该发明提出了以下的手段。
本发明涉及一种煤炭气化系统的运转方法，其特征在于：所述煤炭气化系统具有二段结构的煤炭气化反应炉，所述煤炭气化反应炉具有配置于下段且使煤炭部分氧化的部分氧化部、以及与所述部分氧化部连通而配置于上段且使所述煤炭热分解的热分解部；所述运转方法使用所述煤炭气化系统，通过使所述煤炭气化而至少制造氢气以及一氧化碳气体；其中，向所述部分氧化部内供给所述煤炭以及煤焦，同时向所述热分解部内供给所述煤炭以及所述煤焦，在由供给至所述部分氧化部内的所述煤炭产生且供给至所述热分解部的灰分的重量增加时，使向所述热分解部内的固定碳的供给量增加。
另外，本发明还涉及另一种煤炭气化系统的运转方法，其特征在于：所述煤炭气化系统具有二段结构的煤炭气化反应炉，所述煤炭气化反应炉具有配置于下段且使煤炭部分氧化的部分氧化部、以及与所述部分氧化部连通而配置于上段且使所述煤炭热分解的热分解部；所述运转方法使用所述煤炭气化系统，通过使所述煤炭气化而至少制造氢气以及一氧化碳气体；其中，向所述部分氧化部内供给所述煤炭以及煤焦，同时向所述热分解部内供给所述煤炭以及所述煤焦，并使供给至所述热分解部内的固定碳的重量至少与由供给至所述部分氧化部内的所述煤炭产生且供给至所述热分解部的灰分的重量成正比地增加。
根据这些发明，供给至部分氧化部内的煤炭中的灰分以熔融炉渣的形式存在，该炉渣的一部分从部分氧化部内上升至热分解部内。
通过用煤炭以及煤焦中的固定碳将该飞散的熔融炉渣捕获，便使结渣得以防止。在此，如果向热分解部投入煤焦，则由于煤焦中的挥发分被消除，因而投入热分解部内的部分直接作为捕获材料发挥效果。因此，与仅将具有挥发分的煤炭吹入热分解部内的情况相比，可以使吹入热分解部内的煤炭的量降低，从而可以抑制热分解部的温度降低。另外，由煤炭分解出挥发分而变成煤焦的反应一般为吸热反应。因此，与仅将煤炭吹入热分解部内的情况相比，可以抑制热分解部的温度降低。
另外，在部分氧化部内，由供给的煤炭分解出挥发分而变成煤焦。而且煤焦中的固定碳瞬时气化，从而煤焦中的灰分成为熔融炉渣。
发明的效果
在本发明中，根据权利要求1以及2所述的煤炭气化系统的运转方法，可以抑制热分解部内的温度因挥发分所夺取的气化热而降低。另外，由于煤焦将灰分捕获，因而可以抑制炉渣附着在热分解部内。
另外，供给至热分解部内的灰分的重量即使增加，也可以通过增加向热分解部内的供给量的固定碳来捕获炉渣。
附图说明
图1是本发明的实施方式的煤炭气化系统的方块图。
图2是用于说明该煤炭气化系统的煤炭气化反应炉的作用的剖视图。
图3是在本发明的实施方式的煤炭气化系统中表示固定碳捕获炉渣的状态的图。
图4是在比较例的煤炭气化系统中表示发生了结渣的热分解部内的情况的图。
具体实施方式
下面参照图1～图4，就本发明的煤炭气化系统(以下也简称为系统)的一实施方式进行说明。此外，与本系统的说明一起，也就本实施方式的系统的运转方法进行说明。
本实施方式的系统是将煤炭用作原料，通过使煤炭气化而制造氢气以及一氧化碳气体等的成套设备。
如图1所示，本实施方式的系统1具有煤炭粉碎干燥器10、袋式过滤器11、煤炭供给加料斗12、下段煤炭供给器13、上段煤炭供给器14、煤炭气化反应炉20、热回收器25、除尘机26、煤焦回收设备(煤焦回收装置)27以及煤焦供给器(煤焦供给装置)28。
本实施方式的系统1可以使用烟煤-次烟煤和褐煤等种类各种各样的煤炭。本系统1不仅可以优选使用前述的灰分量低于10％的煤炭，而且也可以优选使用灰分量在10％以上的高灰分炭。
一般地说，煤炭的外径并不均匀，在烟煤-次烟煤和褐煤中，含有例如高达10～60％左右的大量水分。于是，在煤炭粉碎干燥器10中，使煤炭粉碎并干燥。将煤炭粉碎成微粉状，使其外径例如为10μm(微米)～100μm左右，将煤炭干燥至含有水分例如为2％～20％。
这样粉碎并干燥过的煤炭通过以二氧化碳气体等为输送气体的气流输送而供给至袋式过滤器11。
袋式过滤器11具有公知的构成。袋式过滤器11将处在微粉状煤炭中的尘埃等除去。用袋式过滤器11除去了尘埃等的煤炭被供给至煤炭供给加料斗12。
煤炭供给加料斗12在其内部蓄积煤炭的同时，将蓄积的煤炭供给至下段煤炭供给器13以及上段煤炭供给器14。
下段煤炭供给器13采用气流输送将微粉状煤炭供给至煤炭气化反应炉20的后述的气化燃烧器21a。同样，上段煤炭供给器14采用气流输送将微粉状煤炭供给至煤炭气化反应炉20的后述的供给喷嘴22a。
煤炭气化反应炉20为二段结构：其具有配置于下段的部分氧化部21、以及与部分氧化部21连通而配置于上段的热分解部22。在部分氧化部21的更下方，设置有与部分氧化部21连通的未图示的炉渣冷却水槽。
部分氧化部21以及热分解部22是分别形成有未图示的内部空间的反应容器。部分氧化部21的内部空间与热分解部22的内部空间连通。
部分氧化部21、热分解部22以及炉渣冷却水槽用耐热性的耐火材料形成。在部分氧化部21的外周面，也可以设置用于冷却部分氧化部21的水冷壁(水冷装置)。在本实施方式中，热分解部22不具有水冷壁。但是，在热分解部22也可以设置水冷壁。
在部分氧化部21中，设置有气化燃烧器21a以及煤焦燃烧器21b。由气化燃烧器21a以及煤焦燃烧器21b构成第一供给部21c。
在系统1的运转方法中，采用下段煤炭供给器13并通过气化燃烧器21a，将煤炭、在未图示的空气分离器分离的氧气、以及在热回收器25产生的水蒸气分别供给至(吹入)部分氧化部21内。从煤焦燃烧器21b向部分氧化部21内供给煤焦。煤焦是水分以及挥发分由煤炭分解了的固定碳(碳分)。煤焦有时含有灰分。
供给至部分氧化部21内的微粉状煤炭、煤焦、氧气以及水蒸气一边在部分氧化部21内旋转一边上升。此时，部分氧化部21内处于高温、高压(例如部分氧化部21的内部空间的温度为1250℃～1500℃，压力为2MPa(兆帕)～5MPa)。在该环境下，煤炭以及煤焦发生气化，通过下述的化学反应式(1)～(4)而产生高温的一氧化碳气体、二氧化碳气体、氢气以及炉渣(灰分)。
2C+O2→2CO (1)
C+O2→CO2 (2)
C+H2O→CO+H2 (3)
C+CO2→2CO (4)
由供给至部分氧化部21内的煤炭分解出水分以及挥发分，从而产生煤焦。煤焦瞬时发生气化，煤焦中的灰分成为熔融炉渣。
在部分氧化部21内产生的气体、煤焦以及炉渣等一边在部分氧化部21内旋转一边上升，向热分解部22内移动。图2示出了从部分氧化部21内向热分解部22内移动的炉渣W1。
在部分氧化部21内产生的炉渣W1的一部分附着于部分氧化部21的内表面(参照图2)，并沿着煤炭气化反应炉20的壁而落在炉渣冷却水槽内的水中，从而进行冷却和回收。
在部分氧化部21内，于氧不足的不完全燃烧的状态下使煤炭部分氧化。
如图1所示，在热分解部22上设置有供给喷嘴22a以及煤焦供给喷嘴22b。由供给喷嘴22a以及煤焦供给喷嘴22b构成第二供给部22c。
在系统1的运转方法中，通过供给喷嘴22a而向热分解部22内供给煤炭。此外，在向热分解部22内供给煤炭的同时，也可以将在热回收器25产生的规定量的水蒸气供给至热分解部22内。从煤焦供给喷嘴22b向热分解部22内供给煤焦。
在本实施方式中，热分解部22的内部空间的温度被调节为950℃～1100℃(优选大约为1000℃)。如果热分解部22内的温度低于950℃，则焦油的发生量急剧增加，进而难以发生焦油在热分解部22内的分解反应。此外，在该温度下，炉渣不会熔融而呈固态。
供给至热分解部22内的煤炭中的碳以及水蒸气通过前述的化学反应式(3)而发生反应，从而分解为一氧化碳气体和氢气。
另外，供给至热分解部22内的煤炭中的碳的一部分与热分解部22内的二氧化碳气体反应，通过上述的化学反应式(4)而成为一氧化碳气体。
这样一来，在热分解部22内煤炭发生热分解。
从煤焦供给喷嘴22b供给至热分解部22内的煤焦如图2以及图3所示，煤焦W2中的固定碳将炉渣W1捕获。
煤焦中的挥发分被消除，因而投入热分解部内的部分直接作为捕获材料发挥效果。因此，与仅将具有挥发分的煤炭吹入热分解部22内的比较例的情况相比，可以使吹入热分解部22内的煤炭的量降低，从而可以抑制热分解部22内的温度降低。
在系统1的运转方法中，通过煤炭以及煤焦而供给至热分解部22内的固定碳的重量也可以与由供给至部分氧化部21内的煤炭以及煤焦产生并供给至热分解部22的炉渣W1的重量(质量)成正比地增加。也就是说，捕获炉渣W1的固定碳的重量也可以与供给至热分解部22的炉渣W1的重量成正比地增加。
在作为比较例示出的不从煤焦供给喷嘴22b向热分解部22内供给煤焦的情况下，在热分解部22内飞散的炉渣不能被充分地捕获。在此情况下，如图4所示，产生炉渣W1附着于热分解部22内的结渣。此外，图4示出了在比较例的煤炭气化反应炉中，从部分氧化部21和热分解部22的连接部侧观察到的热分解部22内的情况。
与此相对照，在本实施方式的系统1以及系统1的运转方法中，在热分解部22内飞散的炉渣被煤焦所捕获，因而可以抑制炉渣附着于热分解部22内。
而且在热分解部22产生的由氢气、一氧化碳气体以及二氧化碳气体等构成的高温的生成气体与捕获了炉渣W1的煤焦W2一起被输送，供给至图1所示的热回收器25。此外，生成气体以一氧化碳气体以及氢气为主成分。
在热回收器25中，于热分解部22产生的生成气体以及煤焦与冷却水进行热交换而进行冷却，同时冷却水成为水蒸气。在热回收器25产生的规定量的水蒸气被供给至部分氧化部21以及热分解部22。
在热回收器25冷却的生成气体以及煤焦供给至除尘机26。除尘机26呈旋风分离器结构，生成气体以及煤焦在除尘机26内进行离心分离。煤焦回收设备27将在除尘机26回收的煤焦进行回收。煤焦回收设备27所回收的煤焦供给至煤焦供给器28。
煤焦供给器28将煤焦供给至煤焦燃烧器21b以及煤焦供给喷嘴22b。
另一方面，通过除尘机26的生成气体供给至变换反应器(未图示)。而且为了将生成气体中的氢气相对于一氧化碳气体的比率提高至一定的值，在进入变换反应器中之前供给规定的量的水蒸气，从而按下述的化学反应式(5)所示的变换反应(shift reaction)，生成气体中的一氧化碳气体与水蒸气反应而产生氢气和二氧化碳气体。
CO+H2O→CO2+H2 (5)
在变换反应器中调节了成分的生成气体供给至气体冷却-气体精制器(未图示)，从而回收以生成气体中含有的硫化合物为代表的杂质成分气体等。
通过气体冷却-气体精制器的生成气体输送至下游的工序，从而制造出甲烷和甲醇等合成气体。
正如以上所说明的那样，根据本实施方式的系统1以及系统1的运转方法，供给至部分氧化部21内的煤炭以及煤焦中的灰分以熔融的状态存在，该炉渣的一部分从部分氧化部21内向热分解部22内上升。但是，由于煤焦将该飞散炉渣捕获，因而可以抑制炉渣附着于热分解部22内。
通过将煤焦供给至热分解部22内(回收再利用)，捕获炉渣的固定碳便由煤焦供给，因而可以降低供给至热分解部22内的煤炭的量。
附着于热分解部内的炉渣呈玻璃状。为了将该炉渣从热分解部除去，使系统1的运转停止一次而拆开煤炭气化反应炉20。然后，需要将附着于热分解部内的炉渣錾凿下来(削除)。从该热分解部将炉渣錾凿下来的作业例如需要几天的时间。
煤焦虽然在温度比较高的部分氧化部21内气化，但在温度比较低的热分解部22内不会气化。因此，即使将煤焦供给至热分解部22内，煤焦也不会气化，因而气化效率下降。这里所说的所谓气化效率，是指由投入煤炭可以制造的氢气以及一氧化碳气体等的卡路里相对于该煤炭卡路里的比例。
但是，通过将煤焦供给至热分解部22内，在热分解部22难以产生结渣，从而可以使系统1的运转稳定且连续地进行。
部分氧化部21的内部空间的温度为1250℃～1500℃，热分解部22的内部空间的温度为950℃～1100℃。因此，可以使炉渣在部分氧化部21内熔融，而且可以抑制在热分解部22内的焦油的发生。
使供给至热分解部22内的固定碳的重量与供给至热分解部22的炉渣的重量成正比地增加。由此，即使供给至热分解部22内的炉渣的重量增加，也可以通过使向热分解部22内的供给量增加的固定碳而捕获炉渣。
以上参照附图，就本发明的一实施方式进行了详细叙述，但具体的构成并不局限于该实施方式，还包含不脱离本发明的要旨的范围内的构成的变更、组合以及删除等。
例如，在所述实施方式中，采用煤焦供给器28将在煤焦回收设备27回收的煤焦供给至煤焦燃烧器21b以及煤焦供给喷嘴22b。然而，也可以采用气流输送等将在煤焦回收设备27回收的煤焦供给至袋式过滤器11。在此情况下，煤焦在煤炭供给加料斗12内与煤炭混合，混合有煤焦的煤炭采用下段煤炭供给器13、上段煤炭供给器14分别供给至部分氧化部21内、热分解部22内。煤焦供给喷嘴22b可以不配置在热分解部22上。第二供给部成为供给喷嘴22a。
通过这样地构成，为了将煤焦供给至热分解部22内，不需要在热分解部22上设置煤焦供给喷嘴22b，从而可以使系统1的设备得以简化。
(实施例)
下面，具体示出本发明的实施例以及比较例而进行更详细的说明，但本发明并不局限于以下的实施例。
使用灰分量为6％、8％、10％、12％的煤炭，就本发明的实施例以及比较例进行了试验。
对向上段即热分解部22的煤炭以及煤焦的合计供给量(吹入量)进行调节，使其大约为200kg/h(千克/小时)。对向下段即部分氧化部21的煤炭以及煤焦的合计供给量进行调节，使其大约为560kg/h。
对向热分解部22的煤焦的供给量(回收再利用量)进行调节，使其相对于煤炭的各灰分量，为0kg/h(不供给煤焦)、大约为29kg/h。
此外，在将向热分解部22的煤焦的供给量设定为0kg/h时，将向部分氧化部21的煤焦的供给量设定为大约80.5kg/h。在将向热分解部22的煤焦的供给量设定为大约29kg/h时，将向部分氧化部21的煤焦的供给量设定为大约52.0kg/h。
相对于4种各灰分量，改变2种向热分解部22的煤焦的供给量，在表1所示的运转条件No.1～8的条件下进行了实验。
例如，在运转条件No.1下，没有向热分解部22供给煤焦。因此，向热分解部22的煤炭的供给量与向热分解部22的煤炭以及煤焦的合计供给量相同，为200.4kg/h。
在运转条件No.2下，向热分解部22的煤焦的供给量为28.9kg/h。由此，向热分解部22的煤炭的供给量为从向热分解部22的煤炭以及煤焦的合计供给量201.1kg/h中减去28.9kg/h所得到的172.2kg/h。
向热分解部22供给煤焦的运转条件No.2、4、6、8为本发明的实施例。没有向热分解部22供给煤焦的运转条件No.1、3、5、7为本发明的比较例。
例如在运转条件No.1下，向热分解部22的煤炭的供给量为200.4kg/h，但在向热分解部22供给煤焦的运转条件No.2下，向热分解部22的煤炭的供给量为172.2kg/h，比运转条件No.1有所减少。
这是因为在运转条件No.2下，作为捕获炉渣的固定碳，不仅可以使用向热分解部22供给的煤焦中的碳，而且也可以使用向热分解部22供给的碳中的碳。另外，还因为如果不减少向热分解部22的煤炭的供给量，则热分解部22内的温度容易变为使焦油的发生量增加的低于950℃。
可知在向热分解部22供给煤焦的运转条件No.2、4、6、8下，无论灰分量为6％、8％、10％、12％中的哪一种，在热分解部22内不会产生结渣。另一方面，可知在没有向热分解部22供给煤焦的运转条件No.1、3、5、7下，在灰分量为10％以及12％时产生结渣。
这样一来，可知本实施方式的煤炭气化系统以及煤炭气化系统的运转方法可以不依赖于煤炭的灰分量而加以应用，但特别优选应用于灰分量为10％以上的煤炭。
符号说明：
1 系统(煤炭气化系统)
20 煤炭气化反应炉
21 部分氧化部
21c 第一供给部
22 热分解部
22c 第二供给部
Claims (2)
1.一种煤炭气化系统的运转方法，其特征在于：
所述煤炭气化系统具有二段结构的煤炭气化反应炉，所述煤炭气化反应炉具有配置于下段且使煤炭部分氧化的部分氧化部、以及与所述部分氧化部连通而配置于上段且使所述煤炭热分解的热分解部；所述运转方法使用所述煤炭气化系统，通过使所述煤炭气化而至少制造氢气以及一氧化碳气体；其中，
向所述部分氧化部内供给所述煤炭以及煤焦，同时向所述热分解部内供给所述煤炭以及所述煤焦；
在由供给至所述部分氧化部内的所述煤炭产生且供给至所述热分解部的灰分的重量增加时，使向所述热分解部内的所述煤炭以及所述煤焦中含有的固定碳的供给量增加。
2.一种煤炭气化系统的运转方法，其特征在于：
所述煤炭气化系统具有二段结构的煤炭气化反应炉，所述煤炭气化反应炉具有配置于下段且使煤炭部分氧化的部分氧化部、以及与所述部分氧化部连通而配置于上段且使所述煤炭热分解的热分解部；所述运转方法使用所述煤炭气化系统，通过使所述煤炭气化而至少制造氢气以及一氧化碳气体；其中，
向所述部分氧化部内供给所述煤炭以及煤焦，同时向所述热分解部内供给所述煤炭以及所述煤焦；
使供给至所述热分解部内的所述煤炭以及所述煤焦中含有的固定碳的重量至少与由供给至所述部分氧化部内的所述煤炭产生且供给至所述热分解部的灰分的重量成正比地增加。
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