CN107474882B - 一种煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法。本发明的方法为，气化炉产生的高温煤气经旋风分离器分离后进入列管换热器管程，低温空气进入列管换热器壳程并吸收换热管内煤气传出的热能，升温后的高温空气进入气化炉底部供气化用，换热后低温煤气出换热器进入后续流程。本发明的方法提高了进入气化炉参与气化反应的空气的温度，由此大幅提高煤气的热值，且工艺操作安全性高。

Description

一种煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法
技术领域
本发明属于煤气化领域，尤其是涉及一种煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法。
背景技术
根据煤气化炉的结构特点和燃料在气化炉中进行转化时的运动方式可以将煤气化工艺分为三种类型：固定床（移动床）、流化床和气流床。
固定床气化炉中，通常煤从炉顶部加入，气化剂从炉底部送入。炉中一般分为干燥层、干馏层、还原层和燃烧层，在不同的区域中，各个反应过程所对应的反应区域界面比较明显。传统的常压固定床煤气化炉以空气（或富氧）和水蒸汽为气化剂，大多以无烟块煤为原料；加压固定床气化炉在高于大气压力下进行煤的气化操作，以氧气和水蒸汽为气化剂，以褐煤、长焰煤或不粘煤为原料。代表性的固定床煤气化技术有Lurgi加压气化、BGL熔渣气化等。
固定床工艺中，Lurgi加压气化采用氧气和水蒸气作为气化剂，气化炉产生的粗煤气首先进行洗涤冷却，再进入废热锅炉进一步回收粗煤气中的热量。BGL熔渣气化是将Lurgi气化中的固态排渣改为熔融态排渣，粗煤气热量回收方法与Lurgi工艺类似。
流化床气化炉采用粉煤为原料，用气化剂来进行床层的流化。气化炉生成的气固混合物经过旋风分离器分离后，固体又循环回床层中反应。代表性流化床气化技术有Winkler煤气化、恩德粉煤常压气化、U-gas气化等。
流化床工艺中，恩德粉煤常压气化技术是在Winkler气化技术基础上改造形成的气化技术，该技术以富氧空气和蒸汽为气化剂，生成的煤气与未反应的碳及灰分经旋风分离器分离，之后煤气进入废热锅炉回收热量。U-gas是一种灰熔聚流化床气化技术，以水蒸气和空气为气化剂，气化炉出口煤气经旋风分离器后进入废热锅炉回收热量。
气流床气化是一种并流式气化，气化剂与煤粉或煤浆经喷嘴进入气化室，煤的热解、燃烧以及气化反应几乎同时进行，高温保证了煤的完全气化，煤中的矿物质成为熔渣后离开气化炉。代表性的气流床气化技术有GSP、Texaco、Shell以及MHI等。
气流床煤气化工艺多采用氧气和蒸汽为气化剂，采用激冷流程回收高温煤气热能，例如GSP工艺。GSP气化炉上部为反应室，反应室下部连接激冷室，气化原料为水煤浆或干煤粉，气化剂为氧气和蒸汽，气化原料与气化剂从气化室顶部的喷嘴喷射进气化室进行气化反应，生成的高温煤气从气化室底部通道进入激冷室，被激冷水降温除尘。气流床气化工艺中，MHI煤气化技术采用空气为气化剂、采用废锅流程回收高温煤气的热能，空气由燃气燃烧的废气预热。
也有部分气流床煤气化工艺可选择性采用废锅流程回收高温煤气热能。例如，Texaco、Shell气流床煤气化工艺。Texaco气化炉排出的高温煤气依次经过辐射废锅和对流废锅回收热能，并副产高压蒸汽。Shell气化炉排出的高温煤气经过废热锅炉回收热能，副产高压或中压蒸汽。
由现有煤气化技术的分析可知，气化炉出口高温煤气的热量回收主要有两种方法，一种是废锅流程，另一种是激冷流程。废锅流程中，出炉的高温煤气经旋风分离后即直接进入废热锅炉间接换热回收高温煤气的热能，并通过废热锅炉副产蒸汽。激冷流程是在气化炉气化室煤气出口设激冷室，通过激冷水对高温煤气进行降温除尘。
废锅流程采用废热锅炉吸收高温煤气的热量并产生饱和蒸汽，而现有技术中，主要的气化剂是空气、富氧空气或纯氧，蒸汽只是起辅助作用的气化剂，除了少部分蒸汽可用作气化炉气化剂外，其余蒸汽均外供。因此回收的热量只有少部分可用于提高煤气热值。而只有提高空气、富氧空气或纯氧的温度，才能大幅度提高煤气热值。
以空气为气化剂的煤气化技术中，空气多经气化流程中的烟气预热，或通过废锅产生的蒸汽预热，或利用氮气作为中间热载体、从高温煤气中吸热、再预热空气。采用烟气或蒸汽预热空气达到的温度有限；而氮气系统又造价昂贵，成本较高。如果像普通锅炉的空气预热器那样，直接用高温煤气预热空气，将极大的提高空气温度，进而大幅度提高煤气热值。但出炉煤气为高温燃气，而空气为煤气的助燃气体，一旦空气预热器发生泄露，将很可能发生爆炸。因此，本领域普遍认为利用出炉的高温煤气预热空气的方法是应当避免的，因此，现有的煤气化技术中极少采用高温煤气来预热空气，也就影响了煤气热值的提高。
发明内容
本发明提供了一种煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，本发明的方法中，气化炉排出的高温煤气经旋风分离后，不经过废热锅炉即与空气进行换热，从而提高了进入气化炉参与气化反应的空气的温度，由此大幅提高煤气的热值。
本发明的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法为：气化炉产生的高温煤气经旋风分离器分离后进入列管换热器管程，低温空气进入列管换热器壳程并吸收换热管内煤气传出的热能，升温后的高温空气进入气化炉底部供气化用，换热后低温煤气出换热器进入后续流程，其中，壳程空气的压力高于管程煤气的压力，且管程煤气和壳程空气的压力差为15kPa～25kPa，换热后低温煤气的温度比煤气的燃点高50℃～130℃。
进一步地，所述气化炉为循环流化床气化炉。
进一步地，进入列管换热器管程的高温煤气的温度为850℃～950℃，换热后低温煤气的温度为650℃～730℃；进入列管换热器壳程的低温空气的温度为15℃～50℃，换热后高温空气的温度为580℃～650℃。
进一步地，高温煤气由列管换热器底部进入管程，换热后低温煤气由列管换热器顶部排出管程，低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由列管换热器中部排出。
进一步地，高温煤气由列管换热器顶部进入管程，换热后低温煤气由列管换热器底部排出管程；低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由列管换热器中部排出壳程；或者，低温空气由列管换热器下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由列管换热器上部排出壳程。
进一步地，在列管换热器壳程空气出口处和管程煤气出口处设置测温测压仪，监控出口空气和煤气的温度和压力。
进一步地，所述空气中氧气的比例为21%～35%。
本发明的技术原理是：出气化炉的高温煤气和气化剂分别进入列管换热器的管程和壳程进行换热，整个管程内煤气的温度都高于煤气的燃点，且壳程中气化剂空气的压力高于管程内煤气的压力。换热器一旦发生泄漏，泄漏点的空气即由壳程进入管程煤气中，由于管程煤气的温度高于煤气的燃点，因此，泄漏进管程的空气与煤气迅速发生燃烧，空气被迅速消耗掉。只有当煤气在空气、煤气混合物中的含量达到爆炸浓度极限，遇到明火才会引爆。本发明的方法使得泄漏的空气被迅速消耗，不会形成爆炸混合物，由此避免了因换热器泄漏造成的爆炸事故，同时充分利用了出气化炉的高温煤气的热量，将作为气化剂的空气加热至较高的温度参与反应，极大的提高了煤气的热值。
煤气发生炉煤气的燃点约为600℃。换热器管程中的煤气温度从入口处至出口处逐渐降低，出口处为换热后的低温煤气，控制管程出口低温煤气的温度，使其高于煤气燃点50℃～130℃，并将管程煤气和壳程空气的压力差控制在15kPa～25kPa，有利于促进泄漏进管程中的氧气的迅速燃烧和消耗，提高系统的安全性。此外，所述压力差可以较好地覆盖煤气侧压力波动，例如尾部加压机故障造成的管程煤气压力波动，进一步保证换热的安全性。且所述压力差不宜过大，因压力差过高会显著增加系统电耗，进而增加系统运行成本。
本发明的工艺优选用于以空气作为气化剂的煤气化反应中，特别是用于循环流化床煤气化工艺中。本发明中作为气化剂的空气可以为氧气体积分数为21%正常空气，也可以是氧气体积分数35%以下的富氧空气。
本发明的方法中，列管换热器可以带有多道折流板，以强化换热。
现有的列管换热器中，高温烟气从换热器底部进入、顶部排出，冷风从上部进入、下部排出。因此，换热器下端承担着全部的换热管热胀阻力。此外，由于列管式换热器为直立安装的设备，换热器下端还需要承受全部换热管的重力，因此，换热器下端较易发生设备故障。
本发明的方法中，高温煤气优选由列管换热器顶部进入管程，换热后低温煤气由换热器底部排出；低温空气由列管换热器下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由换热器上部排出壳程；或者，低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由列管换热器中部排出壳程。所述换热方式中，高温煤气入口设置在换热器顶部，使得高温区集中在换热器上部，可以减少换热器下端的热胀阻力，从而减少管路开裂、泄漏等事故。
或者，高温煤气也可以由列管换热器底部进入管程，换热后低温煤气由换热器顶部排出，这种情况下，低温空气优选分别由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，换热后的高温空气由换热器中部排出。这种换热方式同样有利于降低预热器下端的工作温度和热胀阻力，避免设备故障的发生。
在气化进行过程中，为了及时发现、迅速处理换热器的泄漏事故，进一步保障设备的安全运行，可以在换热器壳程空气出口处和煤气出口处设置测温测压仪，监控出口空气和煤气的温度和压力。本发明的方法克服了出炉的高温煤气预热空气的技术难点，通过控制和调节换热煤气和空气的温度和压力，来避免换热器泄漏造成的爆炸事故，操作简便可行。利用高温煤气预热的空气温度可以达到600℃左右，作为气化剂通入气化炉可以极大的促进气化反应的进行，也使充分提高煤气的热值成为可能。
附图说明
图1是本发明的实施例1示意图。
图2是本发明的实施例2示意图。
图3是本发明的实施例3示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示。本实施例的工作过程：采用循环流化床煤气化工艺，出气化炉的高温煤气经旋风分离器分离后以850℃由列管换热器底部进入管程，换热后低温煤气的温度为660℃，由列管换热器顶部排出管程；20℃的低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，升温至590℃，升温后的高温空气由列管换热器中部排出壳程，进入气化炉底以供气化用。
壳程空气的压力为32kPa，管程煤气的压力17kPa。
换热器壳程空气出口处和煤气出口处设置测温测压仪，监控出口空气和煤气的温度和压力。
实施例2
如图2所示。本实施例的工作过程：采用循环流化床煤气化工艺，出气化炉的高温煤气经旋风分离器分离后以930℃由列管换热器顶部进入管程，换热后低温煤气的温度为700℃，由列管换热器底部排出管程；35℃的低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，升温至600℃，升温后的高温空气由列管换热器中部排出壳程，进入气化炉底以供气化用。
壳程空气的压力为30kPa，管程煤气的压力10kPa。
换热器壳程空气出口处和煤气出口处设置测温测压仪，监控出口空气和煤气的温度和压力。
实施例3
如图3所示。本实施例的工作过程：采用循环流化床煤气化工艺，出气化炉的高温煤气经旋风分离器分离后以940℃由列管换热器顶部进入管程，换热后低温煤气的温度为730℃。由列管换热器底部排出管程；42℃的低温空气由列管换热器下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，升温至650℃，升温后的高温空气后由列管换热器上部排出壳程，进入气化炉底以供气化用。
壳程空气的压力为35kPa，管程煤气的压力10kPa。
换热器壳程空气出口处和煤气出口处设置测温测压仪，监控出口空气和煤气的温度和压力。
虽然以上描述了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：所述气化炉为循环流化床气化炉；气化炉产生的高温煤气经旋风分离器分离后进入列管换热器管程，低温空气进入列管换热器壳程并吸收换热管内煤气传出的热能，升温后的高温空气进入气化炉底部供气化用，换热后低温煤气出换热器进入后续流程；其中，壳程空气的压力高于管程煤气的压力，壳程空气的压力为30kPa～35kPa，管程煤气的压力为10kPa～17kPa，且管程煤气和壳程空气的压力差为15kPa～25kPa；进入列管换热器管程的高温煤气的温度为850℃～950℃，换热后低温煤气的温度为650℃～730℃，换热后低温煤气的温度比煤气的燃点高50℃～130℃；进入列管换热器壳程的低温空气的温度为15℃～50℃，换热后高温空气的温度为580℃～650℃；在列管换热器壳程空气出口处和管程煤气出口处设置测温测压仪，监控出口空气和煤气的温度和压力。
2.根据权利要求1所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：高温煤气由列管换热器底部进入管程，换热后低温煤气由列管换热器顶部排出管程，低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由列管换热器中部排出。
3.根据权利要求2所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：由列管换热器底部进入管程的高温煤气为850℃，换热后低温煤气的温度为660℃；进入壳程换热的低温空气为20℃，升温后的高温空气为590℃，进入气化炉底以供气化用，壳程空气的压力为32kPa，管程煤气的压力17kPa。
4.根据权利要求1所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：高温煤气由列管换热器顶部进入管程，换热后低温煤气由列管换热器底部排出管程。
5.根据权利要求4所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由列管换热器中部排出壳程。
6.根据权利要求5所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：由列管换热器顶部进入管程的高温煤气为930℃，换热后低温煤气的温度为700℃；35℃的低温空气由列管换热器上部和下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，升温至600℃，升温后的高温空气由列管换热器中部排出壳程，进入气化炉底以供气化用；壳程空气的压力为30kPa，管程煤气的压力10kPa。
7.根据权利要求4所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：低温空气由列管换热器下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，高温空气由列管换热器上部排出壳程。
8.根据权利要求7所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：由列管换热器顶部进入管程的高温煤气为940℃，换热后低温煤气的温度为730℃；42℃的低温空气由列管换热器下部进入壳程换热，经过多道折流板折返，升温至650℃，升温后的高温空气后由列管换热器上部排出壳程，进入气化炉底以供气化用；壳程空气的压力为35kPa，管程煤气的压力10kPa。
9.根据权利要求1所述的煤气化工艺中高温煤气热量回收及空气预热方法，其特征在于：所述空气中氧气的比例为21%～35%。
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