CN108753360B - 一种排渣系统、煤催化气化系统及煤催化气化方法 - Google Patents

一种排渣系统、煤催化气化系统及煤催化气化方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种排渣系统、煤催化气化系统及煤催化气化方法，涉及煤催化气化领域，该排渣系统可以将排渣与催化剂回收工段耦合在一起，促进非水溶性催化剂转化为水溶性催化剂，提高水洗回收率、且简化系统、降低能耗。该排渣系统用于对气化炉排出的灰渣进行处理；该排渣系统包括：第一排渣单元；连通气化炉与第一排渣单元的排渣管；设置在第一排渣单元内部且靠近第一排渣单元的底部出口的第一排气元件；第一排气元件具有使进入第一排渣单元内部的灰渣排向底部出口的第一下沉通道；第一排气元件用于向第一排渣单元内部通入预设气体，以使灰渣中负载的非水溶性催化剂与预设气体反应后转变为水溶性催化剂。用于煤催化气化工艺。

Description

一种排渣系统、煤催化气化系统及煤催化气化方法
技术领域
本发明涉及煤催化气化领域，尤其涉及一种排渣系统、煤催化气化系统及煤催化气化方法。
背景技术
随着经济的迅速发展以及环保要求的日益严格，对天然气这一清洁能源的需求量正呈现高速地增长。
目前，催化气化技术是洁净高效利用煤的一种重要方式。采用催化气化技术，可以使得煤在相对较低的温度下与气化剂在催化剂的催化作用下进行气化反应，生成高浓度的甲烷。
原料煤在气化炉内经气化反应后生成灰渣，灰渣中负载有大量催化剂。灰渣经排渣系统排出后，需要对其中的水溶性催化剂先进行水洗回收，再对非水溶性催化剂进行消解法回收。催化剂回收率较低、且整体系统复杂、能耗较高。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术的问题，本发明的实施例提供一种排渣系统、煤催化气化系统及煤催化气化方法，该排渣系统可以将排渣与催化剂回收工段耦合在一起，促进非水溶性催化剂转化为水溶性催化剂，提高水洗回收率、且简化系统、降低能耗。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面、本发明实施例提供了一种排渣系统，所述排渣系统用于对气化炉排出的灰渣进行处理；所述排渣系统包括：第一排渣单元；连通所述气化炉与所述第一排渣单元的排渣管；设置在所述第一排渣单元内部且靠近所述第一排渣单元的底部出口的第一排气元件；所述第一排气元件具有使进入所述第一排渣单元内部的所述灰渣排向所述底部出口的第一下沉通道；所述第一排气元件用于向所述第一排渣单元内部通入预设气体，以使所述灰渣中负载的非水溶性催化剂与所述预设气体反应后转变为水溶性催化剂。
可选的，所述第一排气元件包括：第一排气环管；其中，所述第一下沉通道为所述第一排气环管的内环围成的空腔；所述第一排气环管朝向所述第一排渣单元的顶部一侧的上半部分开设有多个第一排气孔；所述第一排渣单元的侧壁外部开设有连通所述第一排气环管的第一预设气体供气管。
可选的，所述多个第一排气孔朝向不同角度开孔。
可选的，所述排渣管从所述第一排渣单元的顶部穿设进所述第一排渣单元的内部；所述排渣系统还包括：设置在所述排渣管的出口端的冷却水环管；所述冷却水环管上开设有多个排水孔，用于向从所述排渣管的出口端排出的所述灰渣喷洒冷却水；连通所述冷却水环管的冷却水补水管线；所述冷却水补水管线至少有部分管段设置于所述第一排渣单元内部，所述冷却水补水管线的补水口开设在所述第一排渣单元的侧壁上或侧壁外部；开设在所述第一排渣单元的侧壁上的溢流水出口；所述溢流水出口的位置低于所述冷却水环管且高于所述第一排气元件；连通所述冷却水补水管线的补水口与所述溢流水出口的冷却水循环处理单元。
可选的，所述排渣系统还包括：用于向所述冷却水环管下方的液面喷洒所述预设气体的第二排气元件；所述第二排气元件的位置位于所述冷却水环管与所述溢流水出口之间，且靠近所述溢流水出口；所述第二排气元件与所述第一排渣单元的侧壁之间留有使所述灰渣排向所述底部出口的第二下沉通道，或者，所述第二排气元件具有使所述灰渣排向所述底部出口的第二下沉通道；所述第一排渣单元的侧壁外部开设有连通所述第二排气元件的第二预设气体供气管。
可选的，所述第二排气元件包括：中空圆柱片；其中，所述中空圆柱片包括：具有封闭结构的上圆形表面和开设有多个第二排气孔的下圆形表面；所述下圆形表面朝向所述第一排渣单元的底部出口一侧设置；所述中空圆柱片的截面圆面积小于所述中空圆柱片设置位置处的所述第一排渣单元的截面面积，以形成所述第二下沉通道。
可选的，所述第二排气元件包括：第二排气环管；其中，所述第二下沉通道为所述第二排气环管的内环围成的空腔；所述第二排气环管朝向所述第一排渣单元的底部出口一侧的下半部分开设有多个第二排气孔。
可选的，所述排渣系统还包括：设置在所述冷却水环管下方的圆台形挡板；其中，所述圆台形挡板包括：相互贯通的小径端口与大径端口；所述大径端口朝向所述第一排渣单元的底部出口一侧设置。
可选的，所述排渣系统还包括：套设在所述排渣管上的第一布气室；所述第一布气室靠近所述排渣管的出口端设置；所述第一布气室与所述排渣管连接的区域上设置有多个布气管；连通所述第一布气室的第一气化剂进气管线；所述第一气化剂进气管线至少有部分管段设置于所述第一排渣单元内部，所述第一气化剂进气管线的进气口开设在所述第一排渣单元的侧壁上或侧壁外部。
可选的，所述第一布气室为环管或者中空的圆柱。
可选的，所述多个布气管中的至少一个布气管的中心线与水平方向呈锐角设置。
可选的，所述锐角为20～45°。
可选的，所述多个布气管的数量至少为4个，且圆周分布在所述第一布气室与所述排渣管连接的区域上。
可选的，所述排渣系统还包括：通过第一连接管道与所述第一排渣单元连通的第二排渣单元；通过第二连接管道与所述第二排渣单元连通的储存单元；其中，所述第一连接管道上设置有至少一个第一阀门；所述第二连接管道上设置有至少一个第二阀门；所述第二排渣单元上设置有充压阀和泄压阀。
可选的，所述第一排渣单元为高压渣斗；所述第二排渣单元为变压渣锁；所述储存单元为渣水罐。
第二方面、本发明实施例提供了一种煤催化气化系统，包括气化炉和上述任一项所述的排渣系统。
可选的，所述气化炉包括设置在底部的锥形分布板；所述排渣管穿设于所述底部，并与所述锥形分布板的底部连接；所述排渣系统还包括：依次穿设所述第一排渣单元的侧壁、所述排渣管的气化剂中心射流管；所述气化剂中心射流管的出气口伸入到所述锥形分布板的底部；其中，所述气化剂中心射流管的管径小于所述排渣管的管径；所述气化剂中心射流管穿设所述排渣管的位置靠近所述第一排渣单元的顶部。
可选的，所述锥形分布板的板面与所述底部形成第二布气室，所述锥形分布板的板面上开设有多个分布板气孔；所述气化炉还包括：开设在所述底部上用于连通所述第二布气室的第二气化剂进气管线。
可选的，所述气化炉的顶部设置有顶部气体出口，所述气化炉的炉壁上设置有原料煤进口；所述煤催化气化系统还包括：与原料煤进口连通的进料系统。
第三方面、本发明实施例提供了一种煤催化气化方法，应用于上述任一项所述的煤催化气化系统，所述煤催化气化方法包括：将原料煤与气化剂在所述气化炉内部进行催化气化反应，生成粗煤气与灰渣；所述灰渣通过所述排渣管进入所述第一排渣单元的内部；至少通过所述第一排气元件向所述第一排渣单元的内部通入所述预设气体；所述预设气体用于使所述灰渣中负载的非水溶性催化剂转变为水溶性催化剂，且所述预设气体通过所述排渣管进入所述气化炉内部以提高所述粗煤气中甲烷的含量。
可选的，在所述排渣系统还包括所述第二排气元件的情况下，所述至少通过所述第一排气元件向所述第一排渣单元的内部通入所述预设气体，包括：通过所述第一排气元件和所述第二排气元件向所述第一排渣单元的内部共同通入所述预设气体。
可选的，在所述排渣系统还包括所述第一气化剂进气管线的情况下，所述气化剂包括：从所述第一气化剂进气管线通过所述排渣管进入到所述气化炉内部的过热水蒸气；所述预设气体为二氧化碳气体；所述二氧化碳气体的温度为预设温度，所述预设温度为使得所述二氧化碳气体与所述过热水蒸气混合后的温度高于对应的混合蒸气分压露点温度100℃以上。
可选的，所述预设气体为二氧化碳气体；所述预设气体通过所述排渣管进入所述气化炉内部以提高所述粗煤气中甲烷的含量，包括：所述二氧化碳气体通过所述排渣管进入所述气化炉内部调控所述气化炉内部和从所述气化炉的顶部气体出口中氢气与一氧化碳气体的摩尔比为2.7～3.3。
基于此，通过本发明实施例提供的上述排渣系统，利用设置在第一排渣单元内部且靠近底部出口的第一排气元件向第一排渣单元内部通入预设气体，使得通过排渣管从气化炉排除的灰渣进入到第一排渣单元内部后，灰渣中负载的非水溶性催化剂与预设气体反应转变为水溶性催化剂，促进非水溶性催化剂转化为水溶性催化剂，提高水洗回收率。并且，通过将排渣与催化剂回收工段耦合在一起，简化系统、降低能耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一些实施例提供的一种排渣系统的配置结构示意图一；
图2为图1中圆台形挡板的放大结构示意图；
图3A为本发明的一些实施例提供的一种排渣系统中第二排气元件的放大结构示意图一；
图3B为本发明的一些实施例提供的一种排渣系统中第二排气元件的放大结构示意图二；
图4为本发明的一些实施例提供的一种排渣系统中第一排气元件的俯视结构示意图；
图5为图1中局部结构的放大示意图；
图6为本发明的一些实施例提供的一种排渣系统的配置结构示意图二；
图7为本发明的一些实施例提供的一种煤催化气化系统的配置结构示意图。
附图标记：
01-排渣系统；10-第一排渣单元；10a-底部出口；11-排渣管；12-第一排气元件；12a-第一下沉通道；13-冷却水环管；14-冷却水补水管线；14a-补水口；14b-溢流水出口；15-圆台形挡板；15a-小径端口；15b-大径端口；16-第二排气元件；160-中空圆柱片；160a-上圆形表面；160b-第二排气孔；160c-下圆形表面；16a-第二下沉通道；161-第二排气环管；17-第二预设气体供气管；18-第一预设气体供气管；19-第一布气室；20-布气管；21-第一气化剂进气管线；21a-进气口；22-第一连接管道；22a-第一阀门；23-第二排渣单元；24-第二连接管道；24a-第二阀门；25-储存单元；02-气化炉；02a-密相区；02b-稀相区；02c-顶部气体出口；26-锥形分布板；27-气化剂中心射流管；28-第二布气室；29-第二气化剂进气管线；30-下部进料口；31-上部进料口；03-进料系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“上/上方”、“下/下方”、等指示的方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于说明本发明的技术方案的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供了一种排渣系统01，该排渣系统01用于对气化炉排出的灰渣进行处理；该排渣系统包括：第一排渣单元10；连通气化炉(图1中未示意出)与第一排渣单元10的排渣管11；设置在第一排渣单元10内部且靠近第一排渣单元的底部出口10a的第一排气元件12；该第一排气元件12具有使进入第一排渣单元10内部的灰渣排向底部出口10a的第一下沉通道12a；该第一排气元件12用于向第一排渣单元10内部通入预设气体，以使灰渣中负载的非水溶性催化剂与预设气体反应后转变为水溶性催化剂。
需要说明的是，第一、上述第一排渣单元10具体可以为高压渣斗，即与气化炉通过排渣管11直接相连通的第一级排渣单元。
第二、第一排气元件12设置在第一排渣单元10内部且靠近底部出口10a是为了使得通过排渣管11进入第一排渣单元10内部的灰渣尽可能多地与第一排气元件12排除的预设气体相接触。
并且，由于第一排气元件12靠近底部出口10a设置，为了使得第一排气元件12不堵塞住底部出口10a，使得进入第一排渣单元10内部的灰渣能够从底部出口10a排出以进入后续处理工段，故第一排气元件12具有使进入第一排渣单元10内部的灰渣排向底部出口10a的第一下沉通道12a。
可以理解的是，上述图1中仅示意出第一排气元件12与其中的第一下沉通道12a的一种可能的结构示意图，本发明实施例对第一排气元件12以及其中的第一下沉通道12a的具体结构不作限定，只要使得第一排渣单元10内部能够被通入预设气体，且灰渣能够通过第一下沉通道12a排向底部出口10a即可。
这里，预设气体具体是使灰渣中负载的非水溶性催化剂转变为水溶性催化剂的材料。
示例的，以灰渣中负载的非水溶性催化剂具体为硅铝酸盐(如硅铝酸钾，KAlSiO4)、预设气体具体为二氧化碳气体(CO2)为例，非水溶性的KAlSiO4与CO2接触后发生以下反应(1)：
KAlSiO4+CO2→K2CO3+KHCO3+Al2O3+SiO2；
即通过以上反应(1)可以使得非水溶性KAlSiO4转变为水溶性K2CO3、KHCO3。
上述第一排气元件12即为二氧化碳分布元件。
基于此，通过本发明实施例提供的上述排渣系统，利用设置在第一排渣单元内部且靠近底部出口的第一排气元件向第一排渣单元内部通入预设气体，使得通过排渣管从气化炉排除的灰渣进入到第一排渣单元内部后，灰渣中负载的非水溶性催化剂与预设气体反应转变为水溶性催化剂，促进非水溶性催化剂转化为水溶性催化剂，提高水洗回收率。并且，通过将排渣与催化剂回收工段耦合在一起，简化系统、降低能耗。
进一步的，在现有的催化气化工艺中，气化炉底部通入的气化剂主要为水蒸气(H2O)和氧气，炉煤在气化炉内同气化剂发生反应，产生以甲烷(CH4)为主的粗煤气，具体反应如下：
2C+2H2O→2H2+2CO； 反应(2)
CO+H2O→CO2+H2； 反应(3)
3H2+CO→CH4+H2O； 反应(4)
气化剂中水蒸气占比例较高，炉内水煤气变换反应较快地能够达到平衡，产生较多的氢气(H2)和二氧化碳(CO2)，导致气体产物粗煤气中CH4含量较低。由于上述反应(3)的反应速度更快，当H2O含量增加后，会导致更多的CO与H2O反应生成CO2，进而导致CO与H2的摩尔比过低，使得CO难以有效地与H2反应生成CH4，影响甲烷化反应(4)的进行。
因此，现有的煤催化气化工艺还存在受制于水煤比而导致氢气和一氧化碳比例调控困难的问题。
针对上述问题，在本发明实施例提供的上述排渣系统中，由于第一排渣单元是通过排渣管与气化炉相连通的，通过第一排气元件向第一排渣单元内部通入的预设气体还可以从下向上逐步上行进入到气化炉内。
上述的从下向上的方向是以灰渣向第一排渣单元的底部出口排出为向下的方向参考。
当上述预设气体具体为二氧化碳气体时，二氧化碳能够调节炉内水煤气变换反应的平衡，抑制上述反应(3)向右进行，避免气化炉内过多的CO转化为CO2。通过调节从排渣管进入到气化炉内的二氧化碳的量，能够使得H2与CO的摩尔比被控制在2.7～3.3范围内，有利于甲烷化反应的进行。
这样一来，当本发明实施例提供的上述排渣系统与气化炉相配合使用时，可实现气化炉内氢气、一氧化碳比例可控，从而最大限度提高产物粗煤气中的甲烷收率；并且，在气化炉排渣的同时，还可实现水溶性催化剂的回收，从而可获得更高的催化剂回收率，提高回收催化剂的催化活性。
进一步的，下面对上述排渣系统中的各结构及进一步包括的结构作详细说明。
冷却水环管
参考图1所示，上述排渣管11从第一排渣单元10的顶部穿设进第一排渣单元10的内部。
由于从气化炉排出的灰渣温度较高，为便于对灰渣进行后续处理，需要对其进行冷却、降温。因此，上述排渣系统01还包括以下各结构：
设置在排渣管11的出口端的冷却水环管13；冷却水环管13上开设有多个排水孔，用于向从排渣管11的出口端排出的灰渣喷洒冷却水；
连通冷却水环管13的冷却水补水管线14；冷却水补水管线14至少有部分管段设置于第一排渣单元内部10，冷却水补水管线14的补水口14a开设在第一排渣单元10的侧壁上或侧壁外部；
开设在第一排渣单元10的侧壁上的溢流水出口14b；溢流水出口14b的位置低于冷却水环管13且高于第一排气元件12；
连通冷却水补水管线的补水口14a与溢流水出口14b的冷却水循环处理单元(图中未示意出)。
需要说明的是，第一、上述排渣管11具体是从第一排渣单元10的顶部中心穿设进第一排渣单元10的内部中心位置处。
第二、冷却水环管13为内部中空的圆管弯转一周形成的圆环状管子。其中心圆形空腔应尽量设置地较大，从而不会阻碍灰渣从排渣管11的出口端的顺畅下落。
排水孔用于均匀喷洒雾化的冷却水(又称为激冷水)，使得冷却水直接与从排渣管11下落的高温灰渣相接触，对灰渣进行冷却降温。
第三、冷却水补水管线14用于为冷却水环管13提供冷却水。
其中，当冷却水补水管线14有部分管段设置于第一排渣单元内部10时，冷却水补水管线14的补水口14a是开设在第一排渣单元10的侧壁外部，即参考图1所示的，冷却水补水管线14还有部分连接补水口14a的管段设置在第一排渣单元10的侧壁外部。或者，当冷却水补水管线14全部设置于第一排渣单元内部10时，冷却水补水管线14的补水口14a即是直接开设在第一排渣单元10的侧壁上，具体结构附图请参考前述图1，本发明实施例对此不作赘述。
第四、溢流水出口14b的位置低于冷却水环管13且高于第一排气元件12，从而使得第一排渣单元10的下部充满由灰渣和冷却水构成的渣水。
这样一来，第一排渣单元10内部高于溢流水出口14b位置的换热后的高温水经溢流水出口14b排出后，经过冷却水循环处理单元对换热后的高温水进行换热、冷却后，再经前述的冷却水补水管线14的补水口14a返回第一排渣单元10内部，以循环使用。
其中，冷却水循环处理单元的具体结构及工作原理可参见相关技术，本发明实施例对此不作限定。
圆台形挡板
进一步的，为增加灰渣与冷却水在第一排渣单元10内部中心区域的接触换热程度，请继续参考图1所示，上述排渣系统01还包括：设置在冷却水环管13下方的圆台形挡板15；其中，如图2所示，该圆台形挡板15包括：相互贯通的小径端口15a与大径端口15b；大径端口15b朝向第一排渣单元的底部出口一侧设置。
这样一来，灰渣与冷却水可以在圆台形挡板15限定的贯通空间内得到充分的接触，随后灰渣与冷却水经圆台形挡板15分散后均匀一并向下流动。
第二排气元件
在上述基础上进一步的，为加强灰渣与水之间的搅拌及混合程度，进一步提高灰渣中负载的催化剂的回收，参考图1所示，上述排渣系统01还包括：
用于向冷却水环管13下方的液面喷洒预设气体的第二排气元件16；该第二排气元件16的位置位于冷却水环管13与溢流水出口14b之间，且靠近溢流水出口14b；其中，第二排气元件16与第一排渣单元10的侧壁之间留有使灰渣排向底部出口10a的第二下沉通道16a，或者，第二排气元件16具有使灰渣排向底部出口10a的第二下沉通道16a；
第一排渣单元10的侧壁外部开设有连通上述第二排气元件16的第二预设气体供气管17，用于向第二排气元件16提供上述预设气体。
这里，灰渣与冷却水构成的渣水充满在第一排渣单元10的下部，渣水液面表面上会沉积一层灰渣细粉，由于灰渣的亲水能力较差，会浮在水面上，容易造成溢流水出口14b堵塞。
通过上述第二排气元件16向液面直接喷洒预设气体，喷射出来的二氧化碳气体能够强化液面上细粉的扰动、有利于灰渣细粉与冷却水相混合并下沉，减少渣水液面上细粉的沉积。同时，喷射进入的二氧化碳气体进入第一排渣单元10下部渣水中，同灰渣接触后，能够加强灰渣与水的搅拌及混合程度，有利于催化剂的回收。
这里，当上述预设气体具体为CO2时，第二排气元件16具体则为二氧化碳喷洒搅拌元件。
上述第二排气元件16的具体结构可以包括、但不限于以下两种可能的实施方式。
作为一种可能的实施方式，如图3A所示，第二排气元件16包括：厚度尽可能薄的中空圆柱片160；其中，中空圆柱片160包括：具有封闭结构的上圆形表面160a和开设有多个第二排气孔160b的下圆形表面160c；下圆形表面160c朝向第一排渣单元的底部出口一侧设置；中空圆柱片160的截面圆面积小于中空圆柱片160设置位置处的第一排渣单元的截面面积，即中空圆柱片160与第一排渣单元的侧壁之间具有间隙，以形成第二下沉通道16a(此处第二下沉通道16a的结构请参考前述图1所示)。
这样一来，预设气体通过第二预设气体供气管进入中空圆柱片160的中心空腔后，经下圆形表面160c上开设的多个第二排气孔160b喷射到液面上。
作为另一种可能的实施方式，如图3B所示，第二排气元件16包括：第二排气环管161；其中，第二下沉通道16a为第二排气环管161的内环围成的空腔；第二排气环管161朝向第一排渣单元的底部出口一侧的下半部分开设有多个第二排气孔160b(即图3B中以虚线圆框示意出的部分)。
这里，上述第二排气环管161即为内部中空的圆管弯转一周形成的圆环状管子。其中心圆形空腔应尽量设置地较大，从而不会阻碍渣水的顺畅下落。
这样一来，预设气体通过第二预设气体供气管进入第二排气环管161中后，经下半部分上开设的多个第二排气孔160b喷射到液面上。
可以理解的是，上述图3A和图3B仅示意出第二排气孔160b的可能的形状和/或可能的数量，本发明实施例对第二排气孔160b的形状与数量均不作限定，具体形状与数量可根据第二排气元件的尺寸灵活设置，只要使得预设气体喷射到液面上，以搅动漂浮在液面上的灰渣细粉即可。
第一排气元件
如图4所示，第一排气元件12包括：第一排气环管120；其中，第一下沉通道12a为第一排气环管120的内环围成的空腔；第一排气环管120朝向第一排渣单元的顶部一侧的上半部分开设有多个第一排气孔12b；第一排渣单元10的侧壁外部开设有连通第一排气环管120的第一预设气体供气管18，从而向第一排气环管120供气(第一预设气体供气管18的结构请参考前述的图1)。
需要说明的是，第一、上述第一排气环管120即为内部中空的圆管弯转一周形成的圆环状管子。其中心圆形空腔应尽量设置地较大，从而不会阻碍第一排渣单元10中灰渣的顺畅下落。
第二、由于第一排气元件12设置在第一排渣单元10内部且靠近第一排渣单元的底部出口10a位置处，为了使得能够通过第一排气孔12b向第一排渣单元10内部通入预设气体，故第一排气孔12b开设在第一排气环管120朝向第一排渣单元的顶部一侧的上半部分上。
这里，为使得第一排气元件12的排气分布更为均匀，上述多个第一排气孔12b朝向不同角度开孔。
从靠近第一排渣单元10的底部出口10a的第一排气元件12排出的预设气体与第一排渣单元10底部的渣水接触后，可以避免灰渣在第一排渣单元10底部的沉积，进而堵塞第一排渣单元10的底部出口10a，造成渣水无法通过相应的下渣管线通入到下一级的排渣单元内；同时，经第一排气元件12进入的预设气体，还可以强化第一排渣单元10中渣水的混合、扰动程度，有利于灰渣中催化剂的回收。
第三、当通入到上述第一排气环管120中的预设气体具体为二氧化碳气体时，第一排气元件12即为二氧化碳分布元件。
进一步的，由于上述第一排气元件12与前述的第二排气元件16内通入的均为同一预设气体，故向第一排气元件12供气的第一预设气体供气管18可以与向第二排气元件16供气的第二预设气体供气管17连接在同一个供气单元上。
这样一来，通过设置在第一排渣单元10内的提供预设气体的两个元件，即第一排气元件12和第二排气元件16向第一排渣单元10内排出的预设气体，有利于强化第一排渣单元10内渣水接触及混合程度；同时，在预设气体(例如为二氧化碳)的气氛下，可以去除灰渣中负载的更多的非水溶性催化剂(例如为硅铝酸钾)，使得灰渣中更多催化剂离子(如钾离子)以水溶性催化剂(如碳酸钾、碳酸氢钾)的形式存在，有利于灰渣中水溶性催化剂的回收。
同时，通过第一排气元件12和第二排气元件16向第一排渣单元10内排出的二氧化碳气体经排渣管11向上进入气化炉内后，能够参与气化炉内的气化反应。二氧化碳的存在能够改变气化炉内碳水反应、水煤气变换反应的平衡，利用气化炉内存在的更多的二氧化碳气体抑制一氧化碳与水蒸气变换生成氢气的反应，进而避免气化炉内部及出口气中氢气含量过高、而一氧化碳含量低、炉内甲烷化反应平衡受限等问题的发生。
通过控制由第一排渣单元10向气化炉通入的二氧化碳气体的量，可以调控气化炉内部及出口处氢气与一氧化碳之间的摩尔比，将摩尔比控制在2.7～3.3间，有利于气化炉内甲烷化反应的发生，提高气化炉出口甲烷收率。
第一布气室
参考图1所示，上述排渣系统01还包括：套设在排渣管11上的第一布气室19；第一布气室19靠近排渣管11的出口端设置；第一布气室19与排渣管11连接的区域上设置有多个布气管20(如放大示意图5所示)；连通第一布气室19的第一气化剂进气管线21；第一气化剂进气管线21至少有部分管段设置于第一排渣单元10内部，第一气化剂进气管线21的进气口21a开设在第一排渣单元10的侧壁上或侧壁外部。
可以理解的是，当第一气化剂进气管线21有部分管段设置于第一排渣单元10内部时，第一气化剂进气管线21的进气口21a是开设在第一排渣单元10的侧壁外部，即参考图1所示的，第一气化剂进气管线21还有部分连接补水口14a的管段设置在第一排渣单元10的侧壁外部。或者，当第一气化剂进气管线21全部设置于第一排渣单元内部10时，第一气化剂进气管线21的补水口14a即是直接开设在第一排渣单元10的侧壁上，具体结构附图请参考前述图1，本发明实施例对此不作赘述。
这里，第一气化剂进气管线21通入的气体例如可以为过热水蒸气，过热水蒸气通过第一气化剂进气管线21先集中通入到第一布气室19中，再通过第一布气室19与排渣管11连接区域上设置的多个布气管20通入到排渣管11中，与从排渣管11下落的灰渣相接触，有利于实现排渣稳定、均匀。
由于从第一排气元件12或从第一排气元件12与第二排气元件16向第一排渣单元10内通入的预设气体(例如为二氧化碳气体)会经排渣管11向上通入到气化炉内，会与第一气化剂进气管线21通入的过热水蒸气相接触。为了避免排渣管11内出现蒸气冷凝、堵塞问题，通入的例如二氧化碳气体的温度为预设温度，该预设温度为使得二氧化碳气体与过热水蒸气混合后的温度高于对应的混合蒸气分压露点温度100℃以上。
示例的，上述排渣系统01采用的例如二氧化碳气体的温度可以为25～120℃，具体可根据第一排渣单元10内温度的控制要求和二氧化碳气体用量确定。
进一步的，第一布气室19可以为环管或者中空的圆柱，从而为通入的水蒸气提供一个缓冲空间。
其中，参考图5所示，上述多个布气管20中的至少一个布气管20的中心线与水平方向呈锐角(图5中标记为θ)设置，即向下排出水蒸气，以提高与排渣管11中下落的灰渣相接触的程度。
示例的，上述锐角θ可以为20～45°。
根据与上述排渣系统01相匹配的气化炉规模及排渣管11的管径尺寸，上述多个布气管20的数量至少为4个，且圆周分布在第一布气室19与排渣管11连接的区域上。
进一步的，通过调整第一气化剂进气管线21通入的气量，可以对排渣的颗粒大小进行选择性控制，有利于实现排渣的颗粒大小可控性。
第二排渣单元及储存单元
在上述基础上，如图6所示，上述排渣系统01还包括：通过第一连接管道22与第一排渣单元10连通的第二排渣单元23；通过第二连接管道24与第二排渣单元23连通的储存单元25；其中，第一连接管道22上设置有至少一个第一阀门22a；第二连接管道24上设置有至少一个第二阀门24a；第二排渣单元23上设置有充压阀和泄压阀(图6中未示意出)。
正常操作时，开启第一连接管道22上设置的第一阀门22a，使得第一排渣单元10与第二排渣单元23贯通，关闭第二连接管道24上设置的第二阀门24a，从而使得第二排渣单元23内充满水、第一排渣单元10的下半部分充满水，并且第一排渣单元10内不断有冷却水进入、高温渣水溢流排出，以保持第一排渣单元10及第二排渣单元23内的温度恒定。
这里，控制第一排渣单元10及第二排渣单元23内温度恒定在60～90℃范围内，有利于水溶性催化剂的回收处理。
经气化炉排出的高温灰渣经第一排渣单元10直接落入下部的第二排渣单元23中，在第一排渣单元10、第二排渣单元23内进行降温和水溶性催化剂回收处理。第二排渣单元23定期进行排渣操作，需要排渣时关闭第一排渣单元10与第二排渣单元23之间的第一阀门22a，开启第二排渣单元23与储存单元25之间的第二阀门24a，将渣水排入储存单元25内。
示例的，可以控制上述排渣系统中水渣质量比为2～5，渣水接触时间为20～30分钟，20～30分钟后开启第二连接管道24上设置的第二阀门24a，以使第二排渣单元23中的渣水排入下方的储存单元25中，从而将上述渣水送入后续工段进行灰渣中负载的不可溶性催化剂的回收处理。
这里，上述第一排渣单元10为与气化炉直接相连的第一级排渣单元，具体为高压渣斗；第二排渣单元23为与第一排渣单元10相连的第二级排渣单元，通过充压阀和泄压阀进行充压和泄压，具体为变压渣锁；储存单元25具体为渣水罐。
在上述基础上，如图7所示，本发明实施例还提供了一种煤催化气化系统，包括气化炉02和上述排渣系统01。
上述气化炉02具体为具有变径圆柱+圆台组合结构的流化床气化炉。
参考图7所示，上述气化炉02包括设置在底部的锥形分布板26；排渣管11穿设于底部，并与锥形分布板26的底部连接；上述排渣系统01还包括：依次穿设第一排渣单元10的侧壁、排渣管的气化剂中心射流管27；气化剂中心射流管27的出气口伸入到锥形分布板26的底部；其中，气化剂中心射流管27的管径小于排渣管11的管径；气化剂中心射流管27穿设排渣管11的位置靠近第一排渣单元10的顶部。
这里，气化剂中心射流管27穿过第一排渣单元10的顶部中心，直接深入气化炉下部锥形分布板26的中心位置，用于通入过热水蒸气与氧气混合的气化剂，强化气化炉中心区域气固湍动程度、强化流化效果。
气化剂中心射流管27呈类似字母“L”形。水平方向与竖直方向的管段相连接的位置位于第一排渣单元10，距离第一排渣单元10的底部出口较远，从而可避免高速下落的灰渣撞击管段相连接处，对气化剂中心射流管27造成磨损。
由于气化剂中心射流管27的管径小于排渣管11的管径，从锥形分布板26排出的气化后灰渣即是通过排渣管11与气化剂中心射流管27之间的环状区域落进上述第一排渣单元10内的。
进一步的，请继续参考图7所示，上述锥形分布板26的板面与气化炉02的底部之间形成第二布气室28，锥形分布板26的板面上开设有多个分布板气孔(图7中未示意出)；上述气化炉02还包括：开设在底部上用于连通第二布气室28的第二气化剂进气管线29。
这里，第二气化剂进气管线29用于通入过热水蒸气与氧气混合的气化剂，混合气体先通过第二气化剂进气管线29进入作为缓冲空间的第二布气室28中进行均匀分散后，再通过开设在锥形分布板26的锥形板面上的多个分布板气孔进入炉内，与床料进行反应。
锥形分布板26的锥形板面上开设的分布板气孔的孔径示例的可以为2～5mm；并且，为避免灰渣堵塞分布板气孔，可以将分布板气孔的开孔方向设置为水平方向。
进一步的，上述气化炉02从下到上包括下部有固相床料的密相区02a和上部无床料的稀相区02b。
气化炉02的顶部设置有顶部气体出口02c，用于排出含尘粗煤气，排出的含尘粗煤气进入后续气固分离系统(图7中未示意出)进行后续处理。
气化炉02的炉壁上设置有原料煤进口，原料煤进口具体可以包括开设在密相区02a的下部进料口30和开设在稀相区02b的上部进料口31。
进一步的，上述煤催化气化系统还包括：与原料煤进口连通的进料系统03。
来自进料系统03的粒径在5mm以下的负载催化剂的炉煤，水分含量小于5wt％，经上述进料系统03通过下部进料口30和/或上部进料口31通入气化炉02中，进料口的选择可根据气化反应的具体设置灵活调整，本发明实施例对此不作限定。
气化炉02的操作压力示例的可以为2～4MPa，反应温度为700～800℃，水蒸气与炉煤质量比为0.5～1.2。气化炉内及顶部出口气中氢气与一氧化碳摩尔比可以通过从上述排渣系统01通入的预设气体调节为2.7～3.3。
在上述基础上进一步的，本发明实施例还提供了一种煤催化气化方法，应用于上述的煤催化气化系统，该煤催化气化方法包括：
将原料煤与气化剂在气化炉内部进行催化气化反应，生成粗煤气与灰渣；灰渣通过排渣管进入第一排渣单元的内部；
至少通过第一排气元件向第一排渣单元的内部通入预设气体；预设气体用于使灰渣中负载的非水溶性催化剂转变为水溶性催化剂，且预设气体通过排渣管进入气化炉内部以提高粗煤气中甲烷的含量。
这里，粉状的原料煤与催化剂首先在上述进料系统中进行破碎、筛分、混合、干燥处理，得到粒度小于5mm、含水量小于5wt％的炉煤；处理后的炉煤经原料煤进口送入气化炉内。
进一步的，在上述排渣系统还包括第二排气元件的情况下，上述的至少通过第一排气元件向第一排渣单元的内部通入预设气体，包括：
通过第一排气元件和第二排气元件向第一排渣单元的内部共同通入预设气体。
进一步的，在上述排渣系统还包括第一气化剂进气管线的情况下，气化剂包括：从第一气化剂进气管线通过排渣管进入到气化炉内部的过热水蒸气；预设气体为二氧化碳气体；二氧化碳气体的温度为预设温度，预设温度为使得二氧化碳气体与过热水蒸气混合后的温度高于对应的混合蒸气分压露点温度100℃以上，以避免排渣管内产生冷凝、堵塞。
通过前述的第一气化剂进气管线、气化剂中心射流管以及第二气化剂进气管线这三种途径进入到上述气化炉内的气化剂过热水蒸气与氧气的混合气体，与床料混合接触后发生如下气化反应：
2C+2H2O→2H2+2CO； 反应(2)
CO+H2O→CO2+H2； 反应(3)
3H2+CO→CH4+H2O； 反应(4)
通过上述排渣系统中的第一排气元件或第一排气元件与第二排气元件进入气化炉内的预设气体(具体为二氧化碳气体)能够调节炉内水煤气变换反应的平衡，抑制上述反应(3)向右进行，避免气化炉内过多的CO转化为CO2。通过调节从排渣管进入到气化炉内的二氧化碳的量，能够使得H2与CO的摩尔比被控制在2.7～3.3范围内，有利于甲烷化反应的进行。
下面提供一现有催化气化工艺与本发明实施例提供的上述催化气化工艺的对比实施例，采用负载碳酸钾催化剂的煤粉于流化床气化炉进行气化评价，工艺保持参数一致，对比结果如下表1所示：
表1.现有催化气化工艺与本发明实施例提供的催化气化工艺对比实施例.
Figure BDA0001682409500000191
由以上表1可以得出：采用本发明实施例提供的上述催化气化系统和方法，可以将排渣与催化剂回收耦合在一套系统中，流程简单、节省设备投资。并且，通过在第一排渣单元中设置的第一排气元件或第一排气元件与第二排气元件，向第一排渣单元内通入二氧化碳气体，提高排渣系统灰渣负载的催化剂的水洗回收率，同时还可调控气化炉内一氧化碳与氢气的比例，使得气化炉出口甲烷含量更高，可达21％。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种排渣系统，所述排渣系统用于对气化炉排出的灰渣进行处理；其特征在于，所述排渣系统包括：
第一排渣单元；
连通所述气化炉与所述第一排渣单元的排渣管；
设置在所述第一排渣单元内部且靠近所述第一排渣单元的底部出口的第一排气元件；所述第一排气元件具有使进入所述第一排渣单元内部的所述灰渣排向所述底部出口的第一下沉通道；所述第一排气元件用于向所述第一排渣单元内部通入预设气体，以使所述灰渣中负载的非水溶性催化剂与所述预设气体反应后转变为水溶性催化剂；
设置在所述排渣管的出口端的冷却水环管；
开设在所述第一排渣单元的侧壁上的溢流水出口，所述溢流水出口的位置低于所述冷却水环管且高于所述第一排气元件；以及
用于向所述冷却水环管下方的液面喷洒所述预设气体的第二排气元件；所述第二排气元件的位置位于所述冷却水环管与所述溢流水出口之间，且靠近所述溢流水出口；
其中，所述预设气体通过所述排渣管进入所述气化炉内部；
其中，所述预设气体为二氧化碳气体。
2.根据权利要求1所述的排渣系统，其特征在于，
所述第一排气元件包括：第一排气环管；其中，所述第一下沉通道为所述第一排气环管的内环围成的空腔；所述第一排气环管朝向所述第一排渣单元的顶部一侧的上半部分开设有多个第一排气孔；
所述第一排渣单元的侧壁外部开设有连通所述第一排气环管的第一预设气体供气管。
3.根据权利要求2所述的排渣系统，其特征在于，所述多个第一排气孔朝向不同角度开孔。
4.根据权利要求1所述的排渣系统，其特征在于，所述排渣管从所述第一排渣单元的顶部穿设进所述第一排渣单元的内部；
所述冷却水环管上开设有多个排水孔，用于向从所述排渣管的出口端排出的所述灰渣喷洒冷却水；
连通所述冷却水环管的冷却水补水管线；所述冷却水补水管线至少有部分管段设置于所述第一排渣单元内部，所述冷却水补水管线的补水口开设在所述第一排渣单元的侧壁上或侧壁外部；
连通所述冷却水补水管线的补水口与所述溢流水出口的冷却水循环处理单元。
5.根据权利要求4所述的排渣系统，其特征在于，所述第二排气元件与所述第一排渣单元的侧壁之间留有使所述灰渣排向所述底部出口的第二下沉通道，或者，所述第二排气元件具有使所述灰渣排向所述底部出口的第二下沉通道；
所述第一排渣单元的侧壁外部开设有连通所述第二排气元件的第二预设气体供气管。
6.根据权利要求5所述的排渣系统，其特征在于，所述第二排气元件包括：中空圆柱片；其中，
所述中空圆柱片包括：具有封闭结构的上圆形表面和开设有多个第二排气孔的下圆形表面；所述下圆形表面朝向所述第一排渣单元的底部出口一侧设置；
所述中空圆柱片的截面圆面积小于所述中空圆柱片设置位置处的所述第一排渣单元的截面面积，以形成所述第二下沉通道。
7.根据权利要求5所述的排渣系统，其特征在于，所述第二排气元件包括：第二排气环管；其中，
所述第二下沉通道为所述第二排气环管的内环围成的空腔；所述第二排气环管朝向所述第一排渣单元的底部出口一侧的下半部分开设有多个第二排气孔。
8.根据权利要求4所述的排渣系统，其特征在于，所述排渣系统还包括：设置在所述冷却水环管下方的圆台形挡板；其中，所述圆台形挡板包括：相互贯通的小径端口与大径端口；所述大径端口朝向所述第一排渣单元的底部出口一侧设置。
9.根据权利要求4所述的排渣系统，其特征在于，所述排渣系统还包括：
套设在所述排渣管上的第一布气室；所述第一布气室靠近所述排渣管的出口端设置；所述第一布气室与所述排渣管连接的区域上设置有多个布气管；
连通所述第一布气室的第一气化剂进气管线；所述第一气化剂进气管线至少有部分管段设置于所述第一排渣单元内部，所述第一气化剂进气管线的进气口开设在所述第一排渣单元的侧壁上或侧壁外部。
10.根据权利要求9所述的排渣系统，其特征在于，所述第一布气室为环管或者中空的圆柱。
11.根据权利要求9所述的排渣系统，其特征在于，所述多个布气管中的至少一个布气管的中心线与水平方向呈锐角设置。
12.根据权利要求11所述的排渣系统，其特征在于，所述锐角为20~45°。
13.根据权利要求9所述的排渣系统，其特征在于，所述多个布气管的数量至少为4个，且圆周分布在所述第一布气室与所述排渣管连接的区域上。
14.根据权利要求1所述的排渣系统，其特征在于，所述排渣系统还包括：
通过第一连接管道与所述第一排渣单元连通的第二排渣单元；
通过第二连接管道与所述第二排渣单元连通的储存单元；
其中，所述第一连接管道上设置有至少一个第一阀门；所述第二连接管道上设置有至少一个第二阀门；所述第二排渣单元上设置有充压阀和泄压阀。
15.根据权利要求14所述的排渣系统，其特征在于，所述第一排渣单元为高压渣斗；所述第二排渣单元为变压渣锁；所述储存单元为渣水罐。
16.一种煤催化气化系统，其特征在于，包括气化炉和如权利要求1至15任一项所述的排渣系统。
17.根据权利要求16所述的煤催化气化系统，其特征在于，
所述气化炉包括设置在底部的锥形分布板；所述排渣管穿设于所述底部，并与所述锥形分布板的底部连接；
所述排渣系统还包括：依次穿设所述第一排渣单元的侧壁、所述排渣管的气化剂中心射流管；所述气化剂中心射流管的出气口伸入到所述锥形分布板的底部；
其中，所述气化剂中心射流管的管径小于所述排渣管的管径；
所述气化剂中心射流管穿设所述排渣管的位置靠近所述第一排渣单元的顶部。
18.根据权利要求17所述的煤催化气化系统，其特征在于，所述锥形分布板的板面与所述底部形成第二布气室，所述锥形分布板的板面上开设有多个分布板气孔；
所述气化炉还包括：开设在所述底部上用于连通所述第二布气室的第二气化剂进气管线。
19.根据权利要求17所述的煤催化气化系统，其特征在于，所述气化炉的顶部设置有顶部气体出口，所述气化炉的炉壁上设置有原料煤进口；
所述煤催化气化系统还包括：与原料煤进口连通的进料系统。
20.一种煤催化气化方法，其特征在于，应用于如权利要求16至19任一项所述的煤催化气化系统，所述煤催化气化方法包括：
将原料煤与气化剂在所述气化炉内部进行催化气化反应，生成粗煤气与灰渣；所述灰渣通过所述排渣管进入所述第一排渣单元的内部；
通过所述第一排气元件和所述第二排气元件向所述第一排渣单元的内部共同通入所述预设气体；所述预设气体用于使所述灰渣中负载的非水溶性催化剂转变为水溶性催化剂，且所述预设气体通过所述排渣管进入所述气化炉内部以提高所述粗煤气中甲烷的含量。
21.根据权利要求20所述的煤催化气化方法，其特征在于，在所述排渣系统还包括所述第一气化剂进气管线的情况下，
所述气化剂包括：从所述第一气化剂进气管线通过所述排渣管进入到所述气化炉内部的过热水蒸气；
所述预设气体为二氧化碳气体；
所述二氧化碳气体的温度为预设温度，所述预设温度为使得所述二氧化碳气体与所述过热水蒸气混合后的温度高于对应的混合蒸气分压露点温度100℃以上。
22.根据权利要求20所述的煤催化气化方法，其特征在于，
所述预设气体为二氧化碳气体；
所述预设气体通过所述排渣管进入所述气化炉内部以提高 所述粗煤气中甲烷的含量，包括：
所述二氧化碳气体通过所述排渣管进入所述气化炉内部调控所述气化炉内部和从所述气化炉的顶部气体出口中氢气与一氧化碳气体的摩尔比为2.7~3.3。
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