CN109233912A - 一种低阶煤低温快速气化方法及鼓泡床反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低阶煤低温快速气化方法及鼓泡床反应系统，低阶煤粉采用气吹方式进入反应器中的鼓泡床段，低阶煤粉在进入鼓泡床段前与浓度不高于13.5％的氧气接触以对低阶煤粉进行改性，增加低阶煤粉的半焦的比表面、含氧结构以及活性位；同时，鼓泡床段中设置有赤泥，赤泥作为气化剂中水蒸气和改性后的低阶煤粉之间反应的催化剂。改性后形成的低阶煤半焦的比表面、含氧结构、活性位显著增多，导致水蒸气气化反应的速率增大。而且用赤泥这种工业废料作为水蒸气气化的催化剂，也大大加速了气化速率。赤泥作为催化剂，赤泥和灰渣一并排出，无需回收，解决了赤泥这种工业废料的存放和环境污染问题，变废为宝。

Description

一种低阶煤低温快速气化方法及鼓泡床反应系统
技术领域
本发明涉及煤炭气化设备领域，具体涉及一种低阶煤低温快速气化方法及鼓泡床反应系统。
背景技术
煤炭是我国的主要能源，分别占一次能源生产和消费总量的76％和69％。我国煤炭具有“三高”特点，高灰、高硫、高灰熔点，近年来，随着对其大规模开采利用，优质煤炭资源越来越少，大量的劣质煤资源，尤其是褐煤资源，在剩余资源中比例增大。国内已探明煤炭储量中杂质含量较高的褐煤、长焰煤等低阶煤占有较大比重。这些低阶煤虽然活性高，但是灰分高、水含量高、热值低，易风化，易碎裂，造成块煤量少，细粒煤和粉煤多，难以得到有效利用。如果对这些高灰粉煤进行大规模高效利用，将在一定程度上缓解能源危机且具创造可观的经济价值。鼓泡床气化是一种高效的煤炭气化方法，近年来获得较大发展，可以处理这些低阶煤，具有传质传热均匀的特点。但是，鼓泡床气化存在气化速率低、气化温度高(1000-1200℃)、气化效率低等问题。为此，研究者正在研究催化气化技术，但是催化剂的回收等问题成为制约催化气化的关键难题。
采用拜耳法生产氧化铝时，生产1吨氧化铝会产生1.1-1.5吨赤泥，目前全球每年的赤泥排放量已超过1.5亿吨。大量赤泥的堆放一方面占用大量土地，同时大量的废碱液渗透到地下，造成土壤碱化、地下水污染等生态环境问题，另一方面赤泥中有用成分也白白浪费。长期以来，一些学者对赤泥的利用进行了大量研究，但是由于技术及经济性的原因，都未能实现工业化利用。因此赤泥的堆存管理难度及环境风险越来越大，同时赤泥的堆放会花费大量的输送费用、堆场建设和维护费用。但是，赤泥中富含碱金属和碱土金属，如河南某氧化铝企业，赤泥中氧化铁16％、氧化钙17％、氧化钾钠9％。碱金属和碱土金属对C-H2O反应具有显著的催化作用，尤其是碱金属。
最新研究发现，在褐煤气化过程中，O2+H2O复合气氛下褐煤的转化率明显大于O2气氛和H2O气氛下褐煤转化率之和，所以目前的反应器都是同时通入O2和H2O的混合气作为气化剂，研究同时指出氧化反应对水蒸气气化反应具有促进作用，而现有的反应器在设计过程中均没有考虑C-O2反应对C-H2O反应的促进作用，导致C-H2O的水蒸气气化反应的速率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种低阶煤低温快速气化方法，以解决现有技术中反应器的气化速率低以及赤泥难以处理的问题；同时，本发明的目的还在于提供一种使用上述方法的低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统。
为实现上述目的，本发明的一种低阶煤低温快速气化方法采用如下技术方案：一种低阶煤低温快速气化方法，低阶煤粉采用气吹方式进入反应器中的鼓泡床段，低阶煤粉在进入鼓泡床段前与浓度不高于13.5％的氧气接触以对低阶煤粉进行改性，增加低阶煤粉的半焦的比表面、含氧结构以及活性位；同时，鼓泡床段中设置有赤泥，赤泥作为气化剂中水蒸气和改性后的低阶煤粉之间反应的催化剂。
所述气化剂进入鼓泡床段的表观气速不大于赤泥最小流化速度的3.0倍。
所述赤泥含水质量分数不大于10％，由压滤风干后的干赤泥经过1000℃以上温度煅烧1.5-2.5小时，然后用水喷洒激冷制得。
所述赤泥最小流化速度计算公式如下，
u为赤泥流化速度，d为赤泥颗粒直径，ρ代表赤泥颗粒的密度或气化剂的密度，μ为气化剂的粘度(Pa·S)，f代表气化剂，p代表赤泥颗粒，mf为临界流化态。
本发明的一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统采用如下技术方案：一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统，包括由上至下依次设置的低阶煤粉进入段、煤改性段、自由下落段、鼓泡床段和排渣段；低阶煤粉进入段包括供低阶煤粉及吹送气进入的进料管；煤改性段包括壳体，壳体中设置有环形孔板，环形孔板的内腔形成供低阶煤粉及吹送气通过的通道，环形孔板与壳体之间形成环形空腔，环形空腔的腔壁上设置有供浓度不高于13.5％的氧气进入的氧气进口；鼓泡床段的下端设置有锥形结构的孔板，锥形结构的孔板和鼓泡床段的腔体壁之间形成密封腔，密封腔的腔壁上设置有气化剂进口，气化剂由锥形结构的孔板进入鼓泡床段中，鼓泡床段中于锥形结构的孔板的上方形成供赤泥放置的赤泥腔，鼓泡床段上于赤泥腔的上方设置有气化煤气出口。
所述吹送气采用二氧化碳、氮气、含一氧化碳和氢气的荒煤气、含一氧化碳和氢气的精煤气(脱硫脱碳后的煤气)中的至少一种。
所述进料管包括外套管和内套管，内套管用于供低阶煤粉和部分吹送气通过，外套管和内套管之间的间隙供另一部分吹送气通过，两股吹送气在进入下方煤改性段中时气速相同。
所述排渣段包括设置于反应器下端的排渣管，排渣管的内径为低阶煤粉颗粒直径的1.5-3.5倍。
所述自由下落段的高度不低于煤改性段的高度的0.5倍，不高于煤改性段的高度的2.5倍。
所述赤泥的高度不大于鼓泡床段腔体直径的3.0倍，鼓泡床段腔体中于赤泥和低阶煤颗粒组成的混合物的上方设有高度为鼓泡床段腔体直径的0.5-2.0倍的自由空域，该自由空域的顶部与自由下落段的底部相连，在该自由空域竖直方向从下向上的1/3-2/3处的鼓泡床段腔体上设置有所述气化煤气出口。
本发明的有益效果：煤改性段的设置也就是让低阶煤粉在进入鼓泡床段前与浓度不高于13.5％的氧气接触以对低阶煤粉进行改性，改性后形成的低阶煤半焦的比表面、含氧结构、活性位显著增多，导致水蒸气气化反应的速率增大。同时，挥发份在此处析出，通过气化煤气出口离开该气化系统，不会阻碍鼓泡床段中的半焦水蒸气气化反应；而且用赤泥这种工业废料作为水蒸气气化的催化剂，也大大加速了气化速率。赤泥作为催化剂，赤泥和灰渣一并排出，无需回收，解决了赤泥这种工业废料的存放和环境污染问题，变废为宝。
附图说明
图1是本发明的一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统的实施例一的结构示意图；
图2是本发明的一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统的实施例二的结构示意图；
图3是本发明的一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统的实施例三的结构示意图；
具体实施方式
本发明的一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统的实施例一，如图1所示，包括由上至下依次连接的低阶煤粉进入段A、煤改性段B、自由下落段C、鼓泡床段D和排渣段E，低阶煤粉进入段A包括设置于煤改性段8上端的供低阶煤粉及吹送气进入的进料管1，煤改性段B上设置有低氧气浓度的氧气进口5，本实施例中低氧气浓度定义为浓度不高于13.5％的氧气，鼓泡床段D上设置有气化煤气出口8，排渣段E为设置于鼓泡床段D下端的排渣管13。进料管1采用单管结构如图1所示，采用单管时，煤粉颗粒在吹送气作用下进入煤改性段B，吹送气可以采用CO2。
煤改性段B包括壳体2，壳体2中设置有环形孔板3，环形孔板3的内腔形成供低阶煤粉及吹送气通过的通道4，环形孔板3与壳体2之间形成环形空腔，环形空腔的腔壁上设置有供浓度不高于13.5％的氧气进入的氧气进口5。环形孔板3的开孔率小于15％，孔呈正三角形排列。壳体2上对称设置偶数个氧气进口5，本实施例中氧气进口5的数量为两个并对称布置，氧气进口5位于气壳体的竖直方向的1/2处。氧气进口中氧气的浓度不高于13.5％，用氮气作为平衡气。
自由下落段包括筒体6，筒体6的高度不低于煤改性段B的高度的0.5倍，不高于煤改性段B的高度的2.5倍。筒体6直径与煤改性段B的直径相等。鼓泡床段D的下端设置有锥形结构的孔板10，锥形结构的孔板10和鼓泡床段的腔体壁7之间形成密封腔11，密封腔11的腔体壁上设置有气化剂进口12，孔板10的开孔率不大于5％，开孔方向竖直向上，孔呈正三角形排列，锥形结构的孔板的锥角位于75-115度之间。本实施例中气化剂进口12的数量对称设置有2个或者沿周向均匀间隔设置有4个。气化剂为氧气和水蒸气混合气体，气化剂由锥形结构的孔板进入鼓泡床段中，鼓泡床段中于锥形结构的孔板的上方形成供赤泥9放置的赤泥腔。气化剂穿过锥形结构的孔板10进入鼓泡床层后的表观气速不大于赤泥最小流化速度的3.0倍，保持床层(指赤泥和低阶煤颗粒的混合物)处于鼓泡床。床层在鼓泡床段内在气化剂的气流作用下处于沸腾状。赤泥的高度不大于床层直径的3.0倍，鼓泡床段腔体中于赤泥和低阶煤颗粒组成的混合物(即床层)的上方设有高度为鼓泡床段腔体直径的0.5-2.0倍的自由空域，该自由空域的顶部与自由段C的底部相连，在该自由空域竖直方向的1/3-2/3处(从下向上)设置有气化煤气出口8。赤泥是拜耳法工艺生产氧化铝产生的废渣，其含水质量分数不大于10％，是压滤风干后的干赤泥；优选经过1000℃以上煅烧1.5-2.5小时，然后经过水喷洒激冷的干赤泥。排渣管为圆形管，其直径根据入炉煤颗粒的直径来确定，优选排渣管的内径为低阶煤粉颗粒直径的1.5-3.5倍。
本发明的一种低阶煤低温快速气化方法如下：低阶煤粉采用气吹方式进入反应器中的鼓泡床段，低阶煤粉在进入鼓泡床段前与浓度不高于13.5％的氧气接触以对低阶煤粉进行改性，增加低阶煤粉的半焦的比表面、含氧结构以及活性位；同时，鼓泡床段中设置有赤泥，赤泥作为气化剂中水蒸气和改性后的低阶煤粉之间反应的催化剂。气化剂进入鼓泡床段的表观气速不大于赤泥最小流化速度的3.0倍。赤泥含水质量分数不大于10％，赤泥是压滤风干后的干赤泥，干赤泥经过1000℃以上煅烧1.5-2.5小时，然后经过水喷洒激冷形成。
以上赤泥最小流化速度通过一下公式进行计算：
u为赤泥流化速度，d为赤泥颗粒直径，ρ代表赤泥颗粒的密度或气化剂的密度，μ为气化剂的粘度(Pa·S)，f代表气化剂，p代表赤泥颗粒，mf为临界流化态。
本发明的一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统的实施例二与实施例一的区别在于，自由下落段C也可采用圆台形，如图2所示，圆台顶部直径与煤改性段B的直径相等，圆台底部直径与鼓泡段D的直径相等。
本发明的一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统的实施例三与实施例一的区别在于，进料管采用双套管结构如图3所示。采用双套管时煤粉颗粒及部分吹送气走内管，另一部分吹送气走内管和外管之间的间隙，两股吹送气在进入煤改性段B时气速必须保持一致，据此分配两股吹送气的流量。内管和外管内径之比不小于0.35，吹送气可以采用CO2。
本发明的有益效果是：设置煤改性段B，充分考虑了氧化反应对水蒸气气化反应的促进作用，使褐煤等低阶煤改性，改性后形成的低阶煤半焦的比表面、含氧结构、活性位显著增多，导致水蒸气气化反应的速率增大；同时，挥发份在此处析出，通过气化煤气出口离开，不会阻碍鼓泡段D中的半焦水蒸气气化反应；用赤泥这种工业废料作为水蒸气气化的催化剂，也大大加速了气化速率。因此，本发明提出的气化系统的气化速率较高，气化温度较低，气化炉处理能力显著提高。而且用赤泥这种工业废料作为水蒸气气化的催化剂，赤泥和灰渣一并排出，无需回收，且催化剂无需专门的制备车间，原料易得，相比其他催化气化工艺，该气化系统更简单，且经济性和盈利能力更好，过程的能耗更低，便于催化气化技术的工业化应用，不但节省了赤泥的处理费和相关费用，而且减少了环境污染，具有明显经济效益、生态效益、社会效益。本发明提出的气化系统由于气化速率快，气化温度明显较低，在500-650℃之间，显著低于传统气化的900-1500℃，大大降低了气化设备的材质要求，便于加工制造，且延长了设备寿命。
在本发明的其他实施例中，吹送气也可以采用N2；吹送气也可以采用含CO+H2的粗煤气(荒煤气)；吹送气也可以为含CO+H2的精煤气(脱硫脱碳后的煤气)；吹送气也可以采用CO2、N2、含CO+H2的粗煤气(荒煤气)及含CO+H2的精煤气(脱硫脱碳后的煤气)中的至少两种气体的混合物。

Claims (10)

1.一种低阶煤低温快速气化方法，其特征在于：低阶煤粉采用气吹方式进入反应器中的鼓泡床段，低阶煤粉在进入鼓泡床段前与浓度不高于13.5％的氧气接触以对低阶煤粉进行改性，增加低阶煤粉的半焦的比表面、含氧结构以及活性位；同时，鼓泡床段中设置有赤泥，赤泥作为气化剂中水蒸气和改性后的低阶煤粉之间反应的催化剂。
2.根据权利要求1所述的低阶煤低温快速气化方法，其特征在于：所述气化剂进入鼓泡床段的表观气速不大于赤泥最小流化速度的3.0倍。
3.根据权利要求2所述的低阶煤低温快速气化方法，其特征在于：所述赤泥含水质量分数不大于10％，由压滤风干后的干赤泥经过1000℃以上温度煅烧1.5-2.5小时，然后用水喷洒激冷制得。
4.根据权利要求2或3所述的低阶煤低温快速气化方法，其特征在于：所述赤泥最小流化速度计算公式如下，
u为赤泥流化速度，d为赤泥颗粒直径，ρ代表赤泥颗粒的密度或气化剂的密度，μ为气化剂的粘度(Pa·S)，f代表气化剂，p代表赤泥颗粒，mf为临界流化态。
5.一种低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统，其特征在于：包括由上至下依次设置的低阶煤粉进入段、煤改性段、自由下落段、鼓泡床段和排渣段；低阶煤粉进入段包括供低阶煤粉及吹送气进入的进料管；煤改性段包括壳体，壳体中设置有环形孔板，环形孔板的内腔形成供低阶煤粉及吹送气通过的通道，环形孔板与壳体之间形成环形空腔，环形空腔的腔壁上设置有供浓度不高于13.5％的氧气进入的氧气进口；鼓泡床段的下端设置有锥形结构的孔板，锥形结构的孔板和鼓泡床段的腔体壁之间形成密封腔，密封腔的腔壁上设置有气化剂进口，气化剂由锥形结构的孔板进入鼓泡床段中，鼓泡床段中于锥形结构的孔板的上方形成供赤泥放置的赤泥腔，鼓泡床段上于赤泥腔的上方设置有气化煤气出口。
6.根据权利要求5所述的低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统，其特征在于：所述吹送气采用二氧化碳、氮气、含一氧化碳和氢气的荒煤气、含一氧化碳和氢气的精煤气(脱硫脱碳后的煤气)中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统，其特征在于：所述进料管包括外套管和内套管，内套管用于供低阶煤粉和部分吹送气通过，外套管和内套管之间的间隙供另一部分吹送气通过，两股吹送气在进入下方煤改性段中时气速相同。
8.根据权利要求5所述的低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统，其特征在于：所述排渣段包括设置于反应器下端的排渣管，排渣管的内径为低阶煤粉颗粒直径的1.5-3.5倍。
9.根据权利要求5所述的低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统，其特征在于：所述自由下落段的高度不低于煤改性段的高度的0.5倍，不高于煤改性段的高度的2.5倍。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的低阶煤低温快速气化鼓泡床反应系统，其特征在于：所述赤泥的高度不大于鼓泡床段腔体直径的3.0倍，鼓泡床段腔体中于赤泥和低阶煤颗粒组成的混合物的上方设有高度为鼓泡床段腔体直径的0.5-2.0倍的自由空域，该自由空域的顶部与自由下落段的底部相连，在该自由空域竖直方向从下向上的1/3-2/3处的鼓泡床段腔体上设置有所述气化煤气出口。
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