CN108822896B - 一种气化方法以及气化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种气化方法以及气化装置。能够在不降低载体颗粒活性的同时不断使载体颗粒恢复至合适的尺寸，提高载体颗粒的利用率以及固体物料的流动性，避免发生堵塞。一种气化方法，包括：将待气化固体物料在第一固体物料的存在下发生气化反应，生成第一气体产物、灰渣和第二固体物料，其中，第一固体物料为碳载体和/或氧载体，第二固体物料为失活后的碳载体和/或氧载体；对第二固体物料进行再生处理，获得第一固体物料；对灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和第一固体物料发生粘结，获得粒径在预设范围内的第三固体物料；将第三固体物料返回继续进行气化反应。本发明实施例用于煤气化制甲烷。

Description

一种气化方法以及气化装置
技术领域
本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种气化方法以及气化装置。
背景技术
煤化学链气化是一种新型高效能的清洁煤气化技术，利用循环载体进行物质和能量的转换与传递。按照循环载体的功能不同，可以分为氧载体(主要成分为氧化铁)和碳载体(主要成分为氧化钙)。在煤化学链气化过程中，氧载体为气化反应提供氧，可以避免使用纯氧，在工业化阶段可以减少空分装置的投资，节约成本。碳载体的作用为吸收气化反应产生的二氧化碳对气化过程具有促进作用，提高甲烷和合成气等有效组分的产率。循环载体是保障化学链气化过程高效稳定运行的关键。
然而，在现有技术中，随着载体的循环使用，载体颗粒分别在气化反应器和载体再生反应器中发生相应的化学反应的同时，会与固体物料和反应器壁发生碰撞，且在高速气流的流化作用下，载体颗粒不可避免地产生磨损。一方面，部分磨损后产生的粉末通常会由旋风分离装置带出，使得载体的利用率下降。另一方面，随着载体颗粒循环次数增多，载体颗粒的粒径越来越小，使得固体物料在反应器之间的流动性减弱，甚至会导致循环系统发生堵塞。
目前解决磨损问题的方法主要聚焦于载体材料的制备工艺上，通过人工合成或向天然材料中掺杂惰性粘结组分，以提高载体颗粒的抗磨损性能。但通过这些方法制得的材料相比于天然矿石，成本更加昂贵，并且制造工艺更加复杂，不利于工业应用。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种气化方法以及气化装置，能够在不降低载体颗粒活性的同时不断使载体颗粒恢复至合适的尺寸，提高载体颗粒的利用率以及固体物料的流动性，避免发生堵塞。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供一种气化方法，包括：
步骤1)将待气化固体物料在第一固体物料的存在下发生气化反应，生成第一气体产物、灰渣和第二固体物料，其中，第一固体物料为碳载体和/或氧载体，第二固体物料为失活后的碳载体和/或氧载体；
步骤2)对第二固体物料进行再生处理，获得第一固体物料；
步骤3)对灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，获得粒径在预设范围内的第三固体物料；
步骤4)将第三固体物料返回继续进行气化反应。
可选的，在步骤3)之前，所述方法还包括：将再生后的粒径在预设范围内的第一固体物料分离出来直接返回继续进行气化反应。
可选的，预设范围为0.2-2mm。
可选的，熔融处理的温度为900-1300℃。
可选的，在流化气体的流化作用下使得灰渣和再生后的第一固体物料处于流化状态，并在流化状态下对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热，以对灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理。
可选的，通过燃料气与富氧气体混合燃烧产生的热量对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
可选的，富氧气体为氧气浓度为20％-40％的富氧空气。
可选的，流化气体的流化速度为0.5-3m/s。
另一方面，本发明实施例提供一种气化装置，包括：
依次循环连通的化学链气化装置、第一气固分离装置以及加热装置；
其中，加热装置包括壳体，加热装置通过连接在壳体底部的排渣管与化学链气化装置连通；
化学链气化装置用于使待气化固体物料在第一固体物料的存在下发生气化反应，生成第一气体产物、灰渣和第二固体物料，并对第二固体物料进行再生处理，获得第二气体产物和第一固体物料；其中，第一固体物料为碳载体和/或氧载体，第二固体物料为失活后的碳载体和/或氧载体；
第一气固分离装置用于对第二气体产物、灰渣和再生后的第一固体物料进行气固分离，并将灰渣和再生后的第一固体物料输送至加热装置中；
加热装置用于对进入加热装置中的灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，获得粒径在预设范围内的第三固体物料，第三固体物料可在重力作用下通过排渣管下落，并被输送至化学链气化装置中继续进行气化反应。
可选的，气化装置还包括连接在化学链气化装置和第一气固分离装置之间的第二气固分离装置，第二气固分离装置的固体出口与气化反应器连通，第二气固分离装置用于将粒径在预设范围内的第一固体物料分离出来直接输送至化学链气化装置中继续进行气化反应。
可选的，壳体内空间从上到下依次包括：进料缓冲区、加热区以及排渣区；
壳体的底部设置有流化气体入口，流化气体入口用于向壳体内通入流化气体，对进入加热区中的灰渣和再生后的第一固体物料进行流化，以使得灰渣和再生后的第一固体物料处于流化状态，加热区用于对处于流化状态的灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
可选的，壳体上设置有进气管，进气管用于向加热区通入富氧气体和燃料气，通过燃料气的富氧燃烧对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
本发明实施例提供一种气化方法以及气化装置，通过对灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，能够将磨损后粒度较细的载体颗粒重新塑造成粒径在预设范围内的第三固体物料，这样一来，能够在不降低载体颗粒活性的同时不断使载体颗粒恢复至合适的尺寸，提高载体颗粒的利用率以及固体物料的流动性，避免发生堵塞。
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为本发明实施例提供的一种气化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种气化装置的结构示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
一方面，本发明实施例提供一种气化方法，参见图1，包括：
步骤1)将待气化固体物料在第一固体物料的存在下发生气化反应，生成第一气体产物、灰渣和第二固体物料，其中，第一固体物料为碳载体和/或氧载体，第二固体物料为失活后的碳载体和/或氧载体；
步骤2)对第二固体物料进行再生处理，获得第一固体物料；
步骤3)对灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，获得粒径在预设范围内的第三固体物料；
步骤4)将第三固体物料返回继续进行气化反应。
其中，待气化固体物料通常为含碳物质如煤、半焦等，待气化固体物料发生气化反应生成甲烷、一氧化碳、氢气和灰渣(灰渣即煤完全燃烧后的残留物，是煤中矿物质经过一系列复杂反应后剩下的残渣，主要包含硅、铝等元素)，同时产生二氧化碳，其方程式如下式(1)，(2)所示，碳载体用于吸收气化反应产生的二氧化碳，使得方程式(1)和(2)的平衡向右移动，促进甲烷等有效组分的生成，其中，碳载体可以为氧化钙。氧载体则能够为气化反应提供氧，从而不需要在气化过程中引入纯氧，这里以氧载体为氧化铁为例，反应方程式如下式(3)和(4)所示。
2C+3H2O＝CO+3H2+CO2式(1)
2C+2H2O＝CO2+CH4式(2)
C+H2O＝CO+H2式(3)
2Fe2O3+3CO+3H2＝4Fe+3CO2+3H2O式(4)
通常情况下，以碳载体为氧化钙为例，在碳载体吸收气化反应产生的二氧化碳后，变为碳酸钙，可以通过加热分解的方式对碳酸钙进行再生处理。以氧载体为氧化铁为例，在氧载体对气化反应提供氧之后变为铁单质，可以通过加热并通入空气的方式对铁单质进行氧化以实现再生。
本发明实施例提供一种气化方法，通过对灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，能够将磨损后粒度较细的载体颗粒重新塑造成粒径在预设范围内的第三固体物料，这样一来，能够在不降低载体颗粒活性的同时不断使载体颗粒恢复至合适的尺寸，提高载体颗粒的利用率以及固体物料的流动性，避免发生堵塞。
优选的，在步骤3)之前，气化方法还包括：将再生后的粒径在预设范围内的第一固体物料分离出来直接返回继续进行气化反应。一方面，能够节省熔融处理时所消耗的能量。另一方面，能够避免合适尺寸的载体颗粒表面包覆灰渣而降低载体颗粒的化学活性。
本发明的一实施例中，预设范围为0.2-2mm。通过将载体颗粒的粒径控制在预设范围内，在进行气化反应时流化效果最好，既能够使载体颗粒在气化剂的流化作用下处于流化状态，避免提前下落，又能够保持一定的停留时间，避免被旋风分离装置提前抽出，从而能够提高载体颗粒的利用率，提高固体物料的流动性，避免颗粒过细而发生堵塞。
其中，对熔融处理的温度不做限定，只要能够使灰渣和再生后的第一固体物料发生熔融即可。
由于待气化固体物料所产生的灰渣中通常含有硅、铝等氧化物，因此，优选的，熔融处理的温度为900-1300℃。在此温度下，能够使灰渣发生熔融而与再生后的第一固体物料发生粘结。
本发明的一实施例中，在流化气体的流化作用下使得灰渣和再生后的第一固体物料处于流化状态，并在流化状态下对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热，以对灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理。
固体颗粒在气体作用下表现出类似流体状态的现象称为流态化，也就是流化。在本发明实施例中，通过在流化状态下对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热，能够使灰渣和再生后的第一固体物料在流化状态下熔融并发生粘结，从而能够获得较大粒径的第三固体物料。
其中，流化气体的流化速度决定了灰渣和再生后的第一固体物料熔融和粘结的程度，从而决定了第三固体物料的粒径。
本发明的又一实施例中，流化气体的流化速度为0.5-3m/s。通过将流化气体的流化速度控制在以上范围内，能够使重量较轻的灰渣和再生后的第一固体物料被气流托住不会下落，而随着灰渣和再生后的第一固体物料粘结成粒径在预设范围内的第三固体物料之后，在该流化速度下，气流难以支撑第三固体物料的流化，使得第三固体物料能够在重力作用下下落，从而得以返回继续进行气化反应。
其中，流化气体可以为空气，也可以为氮气等惰性气体。
其中，对熔融处理的加热方式不做限定，可以通过电加热法对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热，也可以通过等离子体对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热，还可以通过燃烧法对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热，只要能够使加热的温度达到900-1300℃即可。
本发明的一优选实施例中，通过燃料气与富氧气体混合燃烧产生的热量对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
优选的，所述富氧气体为氧气浓度为20％-40％的富氧空气。富氧空气方便易得。
另一方面，本发明实施例提供一种气化装置，参见图2，包括：依次循环连通的化学链气化装置1、第一气固分离装置2以及加热装置3；其中，加热装置3包括壳体31，加热装置3通过连接在壳体31底部的排渣管32与化学链气化装置1连通；化学链气化装置1用于使待气化固体物料在第一固体物料的存在下发生气化反应，生成第一气体产物、灰渣和第二固体物料，并对第二固体物料进行再生处理，获得第二气体产物和第一固体物料；其中，第一固体物料为碳载体或氧载体，第二固体物料为失活后的碳载体和/或氧载体；第一气固分离装置2用于对第二气体产物、灰渣和再生后的第一固体物料进行气固分离，并将灰渣和再生后的第一固体物料输送至加热装置3中；加热装置3用于对进入加热装置3中的灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，获得粒径在预设范围内的第三固体物料，第三固体物料可在重力作用下通过排渣管32下落，并被输送至化学链气化装置1中继续进行气化反应。
其中，需要说明的是，在实际应用中，化学链气化利用载体进行物质和能量的转换与传递。即在化学链气化反应中，氧载体为气化反应提供氧，碳载体吸收气化反应中产生的二氧化碳，促使气化反应生成甲烷、一氧化碳、氢气等，而后再通过对氧载体和/或碳载体进行再生，以实现载体的循环利用。
在实际操作中，为了对载体进行再生处理，化学链气化装置1通常包括相互连通的气化反应器11和载体再生反应器12，在气化反应器11中通入流化气体，在流化气体的流化作用下使得待气化固体物料发生气化反应，由于气化反应中产生的甲烷、一氧化碳和氢气均为易燃易爆气体，且载体再生反应器12通常为空气反应器，因此，在将气化反应产生的灰渣和失活的碳载体和/或氧载体输送至载体再生反应器12中时，需要进行气固分离，以避免气化反应产生的第一气体产物进入载体再生反应器12中发生爆炸。
而由上述方程式可知，在对第二固体物料进行再生处理时，若第二固体物料为碳酸钙，则碳酸钙经过加热分解放出二氧化碳，若第二固体物料为铁单质，则通常通入空气对铁单质进行氧化以实现再生，因此，在本发明实施例中，通过设置第一气固分离装置2，将再生后的第二气体产物分离出去，实现固体物料(灰渣和再生后的第一固体物料)的循环。
本发明实施例提供一种气化装置，通过加热装置3对灰渣和再生处理后的第一固体物料进行熔融处理，使得灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，能够将磨损后粒度较细的载体颗粒重新塑造成粒径在预设范围内的第三固体物料，这样一来，能够在不降低载体颗粒的活性的同时不断使载体颗粒恢复至合适的尺寸，提高载体颗粒的利用率以及固体物料的流动性，避免发生堵塞。
本发明的一优选实施例中，气化装置还包括连接在化学链气化装置1和第一气固分离装置2之间的第二气固分离装置4，第二气固分离装置4的固体出口与化学链气化装置1连通，第二气固分离装置4用于将粒径在预设范围内的第一固体物料分离出来直接输送至化学链气化装置1中继续进行气化反应。
在本发明实施例中，通过将粒径在预设范围内的第一固体物料分离出来直接输送至化学链气化装置1中继续进行气化反应，一方面，能够减少再生后的第一固体物料进入加热装置3中的通入量，从而能够节省熔融处理时所消耗的能量。另一方面，能够避免合适尺寸的载体颗粒表面包覆灰渣而降低载体颗粒的化学活性。
本发明的又一实施例中，壳体31内空间从上到下依次包括：进料缓冲区A、加热区B以及排渣区C；壳体31的底部设置有流化气体入口33，流化气体入口33用于向壳体31内空间通入流化气体，对进入加热区B中的灰渣和再生后的第一固体物料进行流化，以使得灰渣和再生后的第一固体物料处于流化状态，加热区B用于对处于流化状态的灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
在本发明实施例中，灰渣和再生后的第一固体物料被输送至加热装置3中，依次进入进料缓冲区A、加热区B和排渣区C，在加热区B，通过将流化气体的流化速度控制在一定的范围内，灰渣和再生后的第一固体物料被气流托住不会下落，便于灰渣和再生后的第一固体物料粘结成颗粒状的第三固体物料，而通过对流化气体的流化速度进行控制，随着灰渣和再生后的第一固体物料粘结成粒径在预设范围内的第三固体物料之后，使得流化气体的流化速度难以支撑第三固体物料的流化，这样一来，第三固体物料就可在重力作用下下落至排渣区C，最终通过排渣管32排出。
优选的，流化气体入口33设置在排渣管32上。这样一来，当第三固体物料在重力作用下通过排渣管32下落时，流化气体能够对排渣管32进行疏通，使得第三固体物料下落后造成的空隙很快被周围的颗粒填补，从而能够使熔融粘结过程得以连续进行。
其中，对加热区B的加热方式不做限定，可以在加热区B设置等离子体炬或者电加热器，对加热区B进行加热，在此不做限定，只要能够使灰渣和第一固体物料在流化状态下发生熔融即可。
本发明的一实施例中，加热区B设置有进气管34，进气管34用于向加热区B通入富氧气体和燃料气，通过燃料气的燃烧对灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
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 (12)

1.一种气化方法，其特征在于，包括：
步骤1)将待气化固体物料在第一固体物料的存在下发生气化反应，生成第一气体产物、灰渣和第二固体物料，其中，所述第一固体物料为碳载体和/或氧载体，第二固体物料为失活后的碳载体和/或氧载体；
步骤2)对第二固体物料进行再生处理，获得所述第一固体物料；
步骤3)在流化状态下对所述灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得所述灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，获得粒径在预设范围内的第三固体物料；
步骤4)将所述第三固体物料返回继续进行气化反应。
2.根据权利要求1所述的气化方法，其特征在于，
在步骤3)之前，所述方法还包括：将再生后的粒径在所述预设范围内的第一固体物料分离出来直接返回继续进行气化反应。
3.根据权利要求1所述的气化方法，其特征在于，
所述预设范围为0.2-2mm。
4.根据权利要求1所述的气化方法，其特征在于，
所述熔融处理的温度为900-1300℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的气化方法，其特征在于，
在流化气体的流化作用下使得所述灰渣和再生后的第一固体物料处于流化状态，并在流化状态下对所述灰渣和再生后的第一固体物料进行加热，以对所述灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理。
6.根据权利要求5所述的气化方法，其特征在于，
所述流化气体的流化速度为0.5-3m/s。
7.根据权利要求5所述的气化方法，其特征在于，
通过燃料气与富氧气体混合燃烧产生的热量对所述灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
8.根据权利要求7所述的气化方法，其特征在于，
所述富氧气体为氧气浓度为20％-40％的富氧空气。
9.一种气化装置，其特征在于，包括：
依次循环连通的化学链气化装置、第一气固分离装置以及加热装置；
其中，所述加热装置包括壳体，所述加热装置通过连接在所述壳体的底部的排渣管与所述化学链气化装置连通；
所述化学链气化装置用于使待气化固体物料在第一固体物料的存在下发生气化反应，生成第一气体产物、灰渣和第二固体物料，并对第二固体物料进行再生处理，获得第二气体产物和第一固体物料，其中，所述第一固体物料为碳载体和/或氧载体，第二固体物料为失活后的碳载体和/或氧载体；
所述第一气固分离装置用于对第二气体产物、灰渣和再生后的第一固体物料进行气固分离，并将灰渣和再生后的第一固体物料输送至所述加热装置中；
所述加热装置用于对进入所述加热装置中的所述灰渣和再生后的第一固体物料进行熔融处理，使得所述灰渣和再生后的第一固体物料处于流化状态，所述灰渣和再生后的第一固体物料发生粘结，获得粒径在预设范围内的第三固体物料，所述第三固体物料可在重力作用下通过所述排渣管下落，并被输送至所述化学链气化装置中继续进行气化反应。
10.根据权利要求9所述的气化装置，其特征在于，
所述气化装置还包括连接在所述化学链气化装置和所述第一气固分离装置之间的第二气固分离装置，所述第二气固分离装置的固体出口与气化反应器连通，所述第二气固分离装置用于将粒径在所述预设范围内的第一固体物料分离出来直接输送至所述化学链气化装置中继续进行气化反应。
11.根据权利要求9或10所述的气化装置，其特征在于，
所述壳体内空间从上到下依次包括：进料缓冲区、加热区以及排渣区；
所述壳体的底部设置有流化气体入口，所述流化气体入口用于向所述壳体内通入流化气体，对进入所述加热区中的灰渣和再生后的第一固体物料进行流化，以使得所述灰渣和再生后的第一固体物料处于流化状态，所述加热区用于对处于流化状态的灰渣和再生后的第一固体物料进行加热。
12.根据权利要求11所述的气化装置，其特征在于，
所述壳体上设置有进气管，所述进气管用于向所述加热区通入富氧气体和燃料气，通过燃料气的富氧燃烧对所述灰渣和所述第一固体物料进行加热。
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