CN108546569B - 气流床气化炉及气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种气流床气化炉及气化方法。该气流床气化炉包括气化室、旋风分离室和收集室；气化室的侧壁均匀布设有第一喷嘴；气化室的顶部设有合成气出口；旋风分离室具有直筒段和下锥分离段，合成气出口与直筒段连通，直筒段的顶部设有工业燃气出口，下锥分离段的底部设有飞灰出口，旋风分离室还设有从直筒段内引出的旋风升气管；气化室的侧壁均匀布设有第二喷嘴；气化室的底部设有液态熔渣出口；收集室用于收集液态熔渣出口排出的液态熔渣进而阻挡气化室的底部与外界的连通。该气流床气化炉及气化方法，制得的合成气中甲烷的含量进一步提高，且比煤耗及比氧耗进一步降低。

Description

气流床气化炉及气化方法
技术领域
本发明涉及一种气流床气化炉及气化方法。
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，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。流化床气化炉因对炉内颗粒进行流态化，且反应温度较低，颗粒停留时间较短，要求原料煤具有较高的硬度和挥发分。气流床气化温度高，产物清洁，煤中有机质均转化为CO、H2、CO2，但对用于工业燃气，其高热值的甲烷含量较低。中国专利申请CN201410257589.3、中国专利申请CN201710313601.1及中国专利申请CN201710542845.7均提出了一种煤粉与氧气分开加入的煤气化炉，利用氧气与部分煤或焦炭高温气化产生的显热，让煤粉热解，从而生成浓度较高的CH4。然而，上述三篇中国专利申请中公开的气流床气化炉及气化方法，制得的合成气中甲烷的含量较低，且比煤耗及比氧耗均高的缺陷，而提供一种新型的气流床气化炉及气化方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有的气流床气化炉及气化方法，制得的合成气中甲烷的含量较低，且比煤耗及比氧耗均高的缺陷，而提供一种新型的气流床气化炉及气化方法。该气流床气化炉及气化方法，制得的合成气中甲烷的含量进一步提高，且比煤耗及比氧耗进一步降低。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
本发明提供一种气流床气化炉，所述气流床气化炉包括气化炉主体和旋风分离室；
所述气化炉主体具有气化室和位于所述气化室下部的收集室；所述气化室的侧壁均匀布设有第一喷嘴，所述第一喷嘴用于将煤粉和氧化剂通入所述气化室内；所述气化室的顶部设有合成气出口；
所述旋风分离室具有直筒段和位于所述直筒段下方的与所述直筒段连通的下锥分离段，所述合成气出口与所述直筒段连通，所述直筒段的顶部设有工业燃气出口，所述下锥分离段的底部设有飞灰出口，所述旋风分离室还设有从所述直筒段内经所述工业燃气出口引出的旋风升气管；所述旋风分离室用于分离经所述合成气出口送入的合成气进而获得工业燃气和飞灰；
所述气化室的侧壁均匀布设有位于所述第一喷嘴下方的第二喷嘴，所述第二喷嘴用于将氧化剂、水蒸气和所述飞灰出口排出的飞灰通入所述气化室内；所述气化室的底部设有液态熔渣出口；
所述收集室用于收集所述液态熔渣出口排出的液态熔渣进而阻挡所述气化室的底部与外界的连通以维持所述气流床气化炉的操作压力。
上述气流床气化炉中，所述氧化剂可为本领域常规使用的氧气和/或富氧。
上述气流床气化炉中，所述气化室用于经所述第二喷嘴送入的飞灰、氧气和水蒸气发生气化反应进而获得气化气及液态熔渣；所述气化室还用于经所述第一喷嘴送入的煤粉、氧气及所述气化气的热解与气化反应进而获得合成气。
其中，所述液态熔渣经所述液态熔渣出口排入所述收集室内；所述合成气经所述合成气出口进入所述旋风分离室内，发生分离，获得工业燃气和飞灰，所述工业燃气经所述工业燃气出口排出，所述飞灰经所述第二喷嘴进入所述气化室。
上述气流床气化炉中，所述气化室按本领域常规可具有收缩的顶部和底部。
上述气流床气化炉中，所述气化室的高度指的是所述合成气出口与所述液态熔渣出口之间的距离，且所述气化室的高度可为现有技术中所采用的高度，较佳地为5-8D，其中，D指的是所述气化室的圆筒段的内径。
上述气流床气化炉中，所述第一喷嘴距所述气化室的顶部的距离可为现有技术中的距离，较佳地为2-6D，其中，D指的是所述气化室的圆筒段的内径。
上述气流床气化炉中，所述第一喷嘴例如可为现有技术中的两通道喷嘴，较佳地，所述第一喷嘴的内层通道用于将煤粉与输送用惰性气体通入所述气化室内，所述第一喷嘴的外层通道用于将氧气或富氧通入所述气化室内。其中，经所述第一喷嘴送入所述气化室的输送用惰性气体可为氮气和/或二氧化碳。
上述气流床气化炉中，所述第一喷嘴的设置方式可为现有技术中的设置方式，所述第一喷嘴的中心线处于同一高度。
其中，所述第一喷嘴的轴线与所述第一喷嘴所在的喷嘴室的轴线的夹角可为现有技术中的夹角，例如可为8-15°，较佳地为10°。上述所示的夹角能够实现煤的高效转化。
其中，所述第一喷嘴的数量例如可为2n个，较佳地为4个。
上述气流床气化炉中，所述第二喷嘴例如可为现有技术中的两通道喷嘴，较佳地，所述第二喷嘴的内层通道用于将飞灰与输送用惰性气体通入所述气化室内，所述第二喷嘴的外层通道用于将氧气和水蒸气，或者，富氧和水蒸气通入所述气化室内。其中，经所述第二喷嘴送入所述气化室的输送用惰性气体可为氮气、二氧化碳和所述工业燃气中的一种或多种。
上述气流床气化炉中，所述第二喷嘴例如可为现有技术中的三通道喷嘴，较佳地，所述第二喷嘴的内层通道用于将飞灰与输送用惰性气体通入所述气化室内，所述第二喷嘴的中层通道用于将氧气或富氧通入所述气化室内，所述第二喷嘴的外层通道用于将水蒸气通入所述气化室内。其中，所述输送用惰性气体可为氮气、二氧化碳和所述工业燃气中的一种或多种。
上述气流床气化炉中，所述第二喷嘴的设置方式可为现有技术中的设置方式，所述第二喷嘴的中心线处于同一高度。
其中，所述第二喷嘴的轴线与所述第二喷嘴所在的喷嘴室的轴线的夹角可为现有技术中的夹角，例如可为8-15°，较佳地为10°。上述所示的夹角能够实现飞灰的高效转化，同时降低合成气中的飞灰含量。
其中，所述第二喷嘴的数量例如可为2n个，较佳地为4个。
上述气流床气化炉中，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的间距可为现有技术中所采用的间距，较佳地为1-2D，其中，D指的是所述气化室的圆筒段的内径。
上述气流床气化炉中，较佳地，所述气化炉主体还具有整流室，所述整流室位于所述气化室的正上方，所述整流室的侧壁设有斜向下的与所述旋风分离室连通的导气管，所述整流室用于接收从竖直设置的所述合成气出口排出的合成气并将其转向后经所述导气管输送至所述旋风分离室。上述整流室的设置方式，能够降低气流中携带的颗粒对导气管的磨损，同时吸收膨胀。
上述气流床气化炉中，根据气化规模的不同，所述旋风分离室可设置不同的数量。较佳地，当气化规模/气流床气化炉的操作压力≤1500t干基煤/天/MPa时，所述旋风分离室的数量为一个；当气化规模/气流床气化炉的操作压力＞1500t干基煤/天/MPa时，所述旋风分离室的数量为≥(气化规模/气化压力)/(1500t干基煤/天/MPa)的正整数，例如，当气化压力为0.2MPa，规模为600t干基煤/天时，所述旋风分离室的数量为2个，计算公式为(600t干基煤/天/0.2)/(1500t干基煤/天/MPa)＝2；其中，所述气流床气化炉的操作压力指的是绝压。
上述气流床气化炉中，较佳地，所述飞灰出口与所述第二喷嘴连通的管道上设有文丘里喷射器，所述文丘里喷射器的工作流体为输送用惰性气体。其中，所述输送用惰性气体可为氮气、二氧化碳和所述工业燃气中的一种或多种。
上述气流床气化炉中，所述气化室、所述整流室、所述导气管和所述旋风分离室的内壁均可按现有技术的设置方式设置耐火衬里，所述耐火衬里可为耐火砖，也可为水冷壁，较佳地为水冷壁。
本发明还提供一种采用前述的气流床气化炉的气化方法，所述气化方法包括如下步骤：
(1)经所述第二喷嘴送入的飞灰、氧气和水蒸气发生气化反应进而获得气化气及液态熔渣；
其中，所述气化气上升与经所述第一喷嘴送入的煤粉和氧气汇合在700～900℃下发生热解与气化反应进而获得合成气；
其中，所述液态熔渣经所述液态熔渣出口排入所述收集室内；
(2)所述合成气经所述合成气出口进入所述旋风分离室内，发生分离，获得工业燃气和飞灰，所述工业燃气经所述工业燃气出口排出，所述飞灰经所述第二喷嘴进入所述气化室。
上述气化方法中，较佳地，所述热解与气化反应的温度为720-800℃。
上述气化方法中，较佳地，所述气流床气化炉的操作压力为0.2-6.5MPa，更佳地为0.5-4.1MPa，其中，所述气流床气化炉的操作压力指的是绝压。
在不违背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：本发明公开一种气流床气化炉及气化方法。该气流床气化炉，将飞灰自循环到气化室，进而实现煤粉的高效热解与气化，合成气中不含焦油。该气化方法，在更低的温度下，实现煤粉的热解，进而使得制得的合成气中甲烷的含量进一步提高，且比煤耗及比氧耗进一步降低。
附图说明
图1为实施例1的气流床气化炉的结构示意图。
图2为实施例2的气流床气化炉的结构示意图。
图3为实施例1和实施例2的第一喷嘴与第二喷嘴的轴线所在平面的剖视图。
附图标记说明：
气化炉主体10
气化室11
第一喷嘴111
第二喷嘴112
合成气出口113
液态熔渣出口114
收集室12
旋风分离室20
直筒段21
工业燃气出口211
下锥分离段22
飞灰出口221
旋风升气管23
整流室30
导气管40
文丘里喷射器50
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。
表1为下述实施例中经第一喷嘴送入的煤粉的性质参数。
表1煤粉的性质
实施例1
(1)气流床气化炉
如图1所示的气流床气化炉，气流床气化炉包括气化炉主体10和旋风分离室20；气化炉主体10具有气化室11和位于气化室11下部的收集室12；气化室11的侧壁均匀布设有第一喷嘴111，第一喷嘴111用于将煤粉和氧气通入气化室11内；气化室11的顶部设有合成气出口113；旋风分离室20具有直筒段21和位于直筒段21下方的与直筒段21连通的下锥分离段22，合成气出口113与直筒段21连通，直筒段21的顶部设有工业燃气出口211，下锥分离段22的底部设有飞灰出口221，旋风分离室20还设有从直筒段21内经工业燃气出口211引出的旋风升气管23；旋风分离室20用于分离经合成气出口113送入的合成气进而获得工业燃气和飞灰；气化室11的侧壁均匀布设有位于第一喷嘴111下方的第二喷嘴112，第二喷嘴112用于将氧气、水蒸气和飞灰出口221排出的飞灰通入气化室11内；气化室11的底部设有液态熔渣出口114；收集室12用于收集液态熔渣出口114排出的液态熔渣进而阻挡气化室11的底部与外界的连通以维持气流床气化炉的操作压力。
其中，气化室11用于经第二喷嘴112送入的飞灰、氧气和水蒸气发生气化反应进而获得气化气及液态熔渣；气化室11还用于经第一喷嘴111送入的煤粉、氧气及气化气的热解与气化反应进而获得合成气。
其中，液态熔渣经液态熔渣出口114排入收集室12内；合成气经合成气出口113进入旋风分离室20内，发生分离，获得工业燃气和飞灰，工业燃气经工业燃气出口211排出，飞灰经第二喷嘴112进入气化室11。
其中，气化室11具有收缩的顶部和底部。
其中，气化室11的高度为5D，其中，D指的是气化室11的圆筒段的内径。
其中，第一喷嘴111距气化室11的顶部的距离为2D，其中，D指的是气化室11的圆筒段的内径。
其中，第一喷嘴111为两通道喷嘴，第一喷嘴111的内层通道用于将煤粉与输送用惰性气体通入气化室11内，第一喷嘴111的外层通道用于将氧气通入气化室11内。其中，经第一喷嘴111送入气化室11的输送用惰性气体为氮气，固气比为300kg/m3。
其中，第一喷嘴111的轴线与第一喷嘴111所在的喷嘴室的轴线的夹角α为10°(如图3所示)。
其中，第一喷嘴111的数量为4个。
其中，飞灰出口221与第二喷嘴112连通的管道上设有文丘里喷射器50，文丘里喷射器50的工作流体为输送用惰性气体。
其中，第二喷嘴112为两通道喷嘴，第二喷嘴112的内层通道用于将飞灰与输送用惰性气体通入气化室11内，第二喷嘴112的外层通道用于将氧气和水蒸气通入气化室11内，其中蒸汽飞灰比为321kg/kg。其中，经第二喷嘴112送入气化室11的输送用惰性气体为氮气，固气比为320kg/m3。
其中，第二喷嘴112的轴线与第二喷嘴112所在的喷嘴室的轴线的夹角α为10°(如图3所示)。
其中，第二喷嘴112的数量为4个。
其中，第一喷嘴111和第二喷嘴112的间距为1D，其中，D指的是气化室11的圆筒段的内径。
其中，气化炉主体10还具有整流室30，整流室30位于气化室11的正上方，整流室30用于接收从竖直设置的合成气出口113排出的合成气并将其转向后经斜向下设置的导气管40输送至旋风分离室20。
其中，气化规模为1500t干基煤/天，气流床气化炉的操作压力为4.0MPaG，绝压为4.1MPa，气化规模/气流床气化炉的操作压力＜1500t干基煤/天/MPa时，故本实施例中旋风分离室20的数量为一个。
其中，气化室11、整流室30、导气管40和旋风分离室20的内壁均设有耐火衬里，耐火衬里为水冷壁。
(2)气化方法
采用上述气流床气化炉的气化方法，气化方法包括如下步骤：
(1)经第二喷嘴112送入的飞灰、氧气和水蒸气发生气化反应进而获得气化气及液态熔渣；
其中，气化气上升与经第一喷嘴111送入的煤粉和氧气汇合在800℃下发生热解与气化反应进而获得合成气；
其中，液态熔渣经液态熔渣出口114排入收集室12内；
(2)合成气经合成气出口113进入旋风分离室20内，发生分离，获得工业燃气和飞灰，工业燃气经工业燃气出口211排出，飞灰经第二喷嘴112进入气化室11；
其中，气流床气化炉的操作压力为4.0MPaG，该气流床气化炉的气化规模大约为1500t干基煤/天，氧气的消耗量为26700Nm3/h，通过第一喷嘴111加入的氧气量为氧气总量的30％，通过第二喷嘴112加入的氧气量为氧气总量的70％。
实施例2
(1)气流床气化炉
如图2所示的气流床气化炉，气化室11的高度为8D，第一喷嘴111距气化室11的顶部的距离为6D，第一喷嘴111和第二喷嘴112的间距为2D；其中，气化规模为1500t干基煤/天，气流床气化炉的操作压力为0.4MPaG，绝压为0.5MPa，气化规模/气流床气化炉的操作压力＞1500t干基煤/天/MPa，旋风分离室20的数量为≥(1500t干基煤/天/0.5MPa)/(1500t干基煤/天/MPa)的正整数，故本实施例中旋风分离室20的数量为2个；其余均同实施例1的气流床气化炉。
(2)气化方法
采用上述气流床气化炉的气化方法，氧气的消耗量为25700Nm3/h，通过第一喷嘴111加入的氧气量为氧气总量的25％，通过第二喷嘴112加入的氧气量为氧气总量的75％，其余均同实施例1的气化方法。
下表中，蒸汽煤比，指的是从第二喷嘴112通入的水蒸气的质量与从第一喷嘴111通入的煤粉的干基质量的比值。
表2实施例与对比例的气化条件和工艺指标的比较
表2中，对比例1为现有的气流床粉煤气化激冷技术；对比例2为中国专利申请CN201410257589.3公开的实施例1的气化方法；对比例3为中国专利申请CN201710542845.7公开的实施例1的气化方法。
对比例4
采用实施例1的气流床气化炉的气化方法，气化气上升与经第一喷嘴111送入的煤粉和氧气汇合在965℃下发生热解与气化反应进而获得合成气；通过第一喷嘴111加入的氧气量为氧气总量的40％，通过第二喷嘴112加入的氧气量为氧气总量的60％；其余均同实施例1的气化方法。
从表2可以看出，本实施例的气流床气化炉的比煤耗、比氧耗比对比例2分别降低了2.58％、5.14％，冷煤气效率提高了1.35个百分点；与对比例3相比，冷煤气效率提高了2.73个百分点。
由此可见，本实施例的气化方法优于对比例1、对比例2及对比例3的气化方法。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，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，可以对这些实施方式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 (13)

1.一种气流床气化炉，其特征在于，所述气流床气化炉包括气化炉主体和旋风分离室；
所述气化炉主体具有气化室和位于所述气化室下部的收集室；所述气化室的侧壁均匀布设有第一喷嘴，所述第一喷嘴用于将煤粉和氧化剂通入所述气化室内；所述气化室的顶部设有合成气出口；所述第一喷嘴距所述气化室的顶部的距离为2-6D，其中，D指的是所述气化室的圆筒段的内径；
所述旋风分离室具有直筒段和位于所述直筒段下方的与所述直筒段连通的下锥分离段，所述合成气出口与所述直筒段连通，所述直筒段的顶部设有工业燃气出口，所述下锥分离段的底部设有飞灰出口，所述旋风分离室还设有从所述直筒段内经所述工业燃气出口引出的旋风升气管；所述旋风分离室用于分离经所述合成气出口送入的合成气进而获得工业燃气和飞灰；
所述气化室的侧壁均匀布设有位于所述第一喷嘴下方的第二喷嘴，所述第二喷嘴用于将氧化剂、水蒸气和所述飞灰出口排出的飞灰通入所述气化室内；所述气化室的底部设有液态熔渣出口；
所述收集室用于收集所述液态熔渣出口排出的液态熔渣进而阻挡所述气化室的底部与外界的连通以维持所述气流床气化炉的操作压力；
所述第一喷嘴的轴线与所述第一喷嘴所在的喷嘴室的轴线的夹角为10°；所述第一喷嘴的数量为2n个；所述第一喷嘴的中心线处于同一高度；
所述第二喷嘴的轴线与所述第二喷嘴所在的喷嘴室的轴线的夹角为10°；所述第二喷嘴的数量为2n个；所述第二喷嘴的中心线处于同一高度；
所述第一喷嘴和所述第二喷嘴的间距为1-2D，其中，D指的是所述气化室的圆筒段的内径。
2.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化室的高度为5-8D，其中，D指的是所述气化室的圆筒段的内径；
和/或，所述第一喷嘴为两通道喷嘴，所述第一喷嘴的内层通道用于将煤粉与输送用惰性气体通入所述气化室内，所述第一喷嘴的外层通道用于将氧气或富氧通入所述气化室内；
和/或，所述第一喷嘴的数量为4个。
3.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述第二喷嘴为两通道喷嘴；
或者，所述第二喷嘴为三通道喷嘴。
4.如权利要求3所述的气流床气化炉，其特征在于，所述第二喷嘴的内层通道用于将飞灰与输送用惰性气体通入所述气化室内，所述第二喷嘴的外层通道用于将氧气和水蒸气，或者，富氧和水蒸气通入所述气化室内；
或者，所述第二喷嘴的内层通道用于将飞灰与输送用惰性气体通入所述气化室内，所述第二喷嘴的中层通道用于将氧气或富氧通入所述气化室内，所述第二喷嘴的外层通道用于将水蒸气通入所述气化室内。
5.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述第二喷嘴的数量为4个。
6.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化炉主体还具有整流室，所述整流室位于所述气化室的正上方，所述整流室的侧壁设有斜向下的与所述旋风分离室连通的导气管，所述整流室用于接收从竖直设置的所述合成气出口排出的合成气并将其转向后经所述导气管输送至所述旋风分离室。
7.如权利要求6所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化室、所述整流室、所述导气管和所述旋风分离室的内壁设置耐火衬里。
8.如权利要求7所述的气流床气化炉，其特征在于，所述耐火衬里为水冷壁。
9.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，当气化规模/气流床气化炉的操作压力≤1500t干基煤/天/MPa时，所述旋风分离室的数量为一个；当气化规模/气流床气化炉的操作压力＞1500t干基煤/天/MPa时，所述旋风分离室的数量为≥（气化规模/气化压力）/（1500t干基煤/天/MPa）的正整数；其中，所述气流床气化炉的操作压力指的是绝压。
10.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述飞灰出口与所述第二喷嘴连通的管道上设有文丘里喷射器，所述文丘里喷射器的工作流体为输送用惰性气体。
11.一种气化方法，其特征在于，所述气化方法采用如权利要求1-10任一项所述的气流床气化炉，所述气化方法包括如下步骤：
（1）经所述第二喷嘴送入的飞灰、氧气和水蒸气发生气化反应进而获得气化气及液态熔渣；
其中，所述气化气上升与经所述第一喷嘴送入的煤粉和氧气汇合在700~900℃下发生热解与气化反应进而获得合成气；
其中，所述液态熔渣经所述液态熔渣出口排入所述收集室内；
（2）所述合成气经所述合成气出口进入所述旋风分离室内，发生分离，获得工业燃气和飞灰，所述工业燃气经所述工业燃气出口排出，所述飞灰经所述第二喷嘴进入所述气化室。
12.如权利要求11所述的气化方法，其特征在于，所述热解与气化反应的温度为720-800℃；
和/或，所述气流床气化炉的操作压力为0.2-6.5MPa，其中，所述气流床气化炉的操作压力指的是绝压。
13.如权利要求12所述的气化方法，其特征在于，所述气流床气化炉的操作压力为0.5-4.1MPa。
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