CN109401791B - 一种气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺,属于煤化工技术领域。利用气化炉内操作温度不低于1500℃，使灰渣处于熔融状态，更有利用气化过程的完全反应，实现提高利用率的目的，在气化过程中，煤气化炉渣(灰渣)在气化过程中起传递氧的作用，同时对气化也具有催化作用。通过与煤配比后在熔融炉中进行共气化，促进废渣气化效率，提高废渣利用率。气化炉生的合成气中CO：50～60％(湿基)；H2:30～35％(湿基)；CO2：2～5％；氧耗：240～270。本发明所述的工艺方法，利用熔融炉协同处理，投资少，占地少，利用效率高，环境效益突出。

Description

一种气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺
技术领域
本发明属于煤化工技术领域，涉及一种气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺。
背景技术
在洁净煤技术领域中，煤炭的气化技术占有举足轻重的作用，其利用从煤气化炉产生的合成气(主要成分为CO2和H2)，进行跨部门、跨行业的生产，以得到多种具有高附加值的化工产品、多种燃料(二甲醇、甲醇、城市煤气、氢气)以及居民用热和发电等。以煤气化为核心的多联产系统很好地解决了尾气脱硫、脱硝和粉尘净化以及节水问题，但煤炭气化的副产品——气化炉灰渣一直没有得到很好的利用。煤气化过程中会产生大量的气化炉灰渣，气化炉灰渣是在煤炭部分氧化以还原为主的高温反应下形成的，残余碳量较高，以SHELL、GSP、HT-L煤气化装置为代表的粉煤加压气化工艺与以GE、华东理工大学四喷嘴为代表的水煤浆工艺等大部分煤化工项目都会在生产过程中产生气化细灰。由于气化反应很难完全，该部分飞灰干基含碳量从15％～45％不等。如神华宁煤集团大甲醇厂采用四喷嘴对置式气化炉，细渣含碳量为20.61％；小甲醇厂采用Texaco气化炉，细渣含碳量高达31.28％；烯烃公司采用GSP气化炉，细渣含碳量为21.44％；神华包头煤化工公司采用GE气化炉，细渣含碳量为22.0％。且每年的灰渣量达到几千万吨，其中仅有20％得到有效的利用，大部分直接堆放在灰渣存放厂中，无论利用与否都会对土地造成侵占，破坏自然景观，另一方面影响农耕面积，使周围的耕地受到污染而不被利用；气化炉灰渣由于堆放、装卸操作及风蚀作用生成的堆场扬尘，在风力、机动车碾压的动力条件作用下进入大气中，造成尘土污染；气化炉灰渣中含有多种多样成分复杂、含量的重金属元素(如Cr，Ni，Zn等)，即使气化炉灰渣本身没有浸出毒性，但是随着降雨喷淋、长时间堆存等外界条件的积累，气化炉灰渣中重金属成分溶解进入土壤或水体，进而对土壤和水体造成一定程度的污染，并对厂区周边地下水资源造成进一步污染。
近些年来，气化炉灰渣在建筑行业等领域得到了一定程度的应用，主要应用于铺路、制备免烧砖、生产混凝土和矿渣硅酸水泥等建筑行业上。煤气化灰渣包括粗渣(气化炉渣)和细渣(黑水滤饼)两部分，根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GBT1596-2005)》国家标准，可用于水泥和混凝土中的粉煤灰的烧失量不得高于15％。而细渣由于含碳量较高，烧失量往往超过20％，不能直接用于上述领域。较高的残碳含量也不利于煤气化炉灰渣用于水泥和混凝土原料，因为残碳本身属于多孔惰性物质，不仅会增加新拌混凝土的需水量，降低强度和耐久性，而且会在颗粒表面形成一层憎水膜，阻碍水化物的胶凝体和结晶体的生长与相互间的联结，破坏混凝土内部结构，从而降低混凝土的性能，特别是降低了混凝土的抗冻性。因此，企业基本无法找到稳定的下游客户，只能作为一般固废处置，一般固废处置费用一般为50-200元/t，即使企业建设渣场按现在环保要求废渣堆放成本也在35-45元/t。因此，如何将数量巨大的资源二次回收利用引起当代洁净煤化工领域研究的热潮。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺，该工艺所用设备简单、占地少，能够实现煤炭资源的能量梯级利用，降低生产成本，处理过程环境友好。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺，包括以下步骤：
1)将煤气化炉排出的灰渣经沉降槽静置；
2)将步骤1)静置处理后的灰渣进行干燥；
3)将步骤2)干燥处理后的灰渣与熔融炉中产生的高温合成气进行换热，使灰渣温度升至1300℃；
4)将步骤3)处理后的灰渣与煤混合输入气化炉中，与氧气、水蒸气发生氧化还原反应，生成粗合成气和二次灰渣。
优选地，步骤1)中，灰渣经沉降槽静置后的水分含量为60％～70％。
优选地，步骤2)中，对静置处理后的灰渣干燥处理至含水量为10％～50％。
优选地，步骤3)中，与灰渣进行换热的高温合成气在经过换热降温后继续经水激冷后温度降至100℃以下。
优选地，步骤3)中，激冷合成气后形成的水蒸气通过蒸汽做功回收能量。
优选地，步骤4)中，灰渣与煤的进料比值为0.3～2。
优选地，步骤4)中，气化炉中操作压力为0.3～0.4MPa，炉膛温度为1400～1550℃。
优选地，生成的粗合成气经过换热后进行脱硫、脱碳处理后被再次利用；
粗合成气中含有CO：50％～60％；H2：30％～35％；CO2：2％～5％；氧耗：240～270Nm3/1000Nm3。
本发明还公开了上述的气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺制得的二次灰渣作为建筑材料原料的应用。
优选地，所述建筑材料为多孔陶瓷或微晶玻璃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的工艺方法，利用气化炉内操作温度不低于1500℃，使灰渣处于熔融状态，更有利用气化过程的完全反应，实现提高利用率的目的，在气化过程中，煤气化炉渣(灰渣)在气化过程中起传递氧的作用，同时对气化也具有催化作用。通过与煤配比后在熔融炉中进行共气化，促进废渣气化效率，提高废渣利用率。气化炉生的合成气中CO：50～60％(湿基)；H2:30～35％(湿基)；CO2：2～5％；氧耗：240～270。本发明所述的工艺方法，利用熔融炉协同处理，投资少，占地少，利用效率高，环境效益突出。
附图说明
图1为本发明的煤气化炉灰渣熔融炉干燥气化工艺流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明的详细工艺流程如图1所示，所述工艺步骤如下：
1)将煤气化炉排出的灰渣经沉降槽静置；
2)将步骤1)静置处理的煤气化炉灰渣进行干燥；
3)将步骤2)干燥处理后的灰渣与与熔融炉中产生的高温合成气进行换热，使炉渣温度升至1300℃，降温后的合成气继续经水激冷后温度降至100℃以下；
4)将步骤3)处理的灰渣与煤混合输入气化炉与氧气与水蒸气发生氧化还原反应生成粗合成气和二次灰渣。
优选地，步骤1)中，将煤气化炉灰渣经沉降槽静置，不同静置时间含水量不同，静置后水分含量为60％～90％。
优选地，步骤2)中，将煤气化炉灰渣进行逐级干燥，干燥后水分含量分别为10％～50％。
优选的，步骤3)中，高温合成气与干燥后的炉渣进行换热，换热后灰渣温度升至1300℃。
步骤3)中，炉渣与煤的进料比0.3～2，熔融炉操作压力0.3-0.4MPa，炉膛温度1400-1550℃。
优选的，步骤4)中，气化炉操作压力0.4Mpa；操作温度为1500℃；煤灰进料比为0.36；将气化炉渣干燥至水分含量为10％。气化后产生的粗合成气含量为91.2％；CO含量为58.6％；H2：32.6％；CO2含量为2.7％；氧耗为268Nm3/1000Nm3。
一般来自煤气化炉的废渣经静置后其含水量为63.1％；灰分含量为74.81％；挥发分为2.81％；硫含量为0.36％；固定碳为8.26％。
实施例1
本实施例工艺步骤如下：
1)缓冲罐静置：来自气化炉的废渣进入缓冲罐，停留时间约8小时，静置后的废渣含水量大约为60％。
2)将静置后的废渣与来自熔融炉的合成气进行换热，换热后灰渣温度升至1300℃。
3)温度为1300℃的灰渣与煤同时进入熔融炉进行气化，其中，煤与灰渣的进料比值为1.87，设计过程规定熔融炉气化温度为1500℃，CO2排量不超过6％。在该设计规定下，气化后产生的粗合成气中CO：49.3％；H2：32.3％；CO2：5.2％；氧耗为263；煤耗比为583；产气量为78772Nm3/hr。
4)经气化后产生的合成气从熔融炉顶部排出与干燥后的灰渣进行换热之后，继续经水激冷至100℃一下，然后通过旋风分离器，将合成气中的飞灰分离，合成气进入变换、净化工艺阶段。经气化后产生的二次灰渣含碳量降低至2.7％，低碳率的灰渣可用于多孔陶瓷、微晶玻璃等建筑材料的原材料。
探究氧进料、煤进料量分别对气化效果的影响，发现有效气(CO+H2)随着煤进料的增加而增加，随着氧进料量的增加而减少，而二氧化碳和熔融炉气化温度都随着煤进料量的增加而减少，随着氧进料量的增加而增加。
探究氧进料和煤进料二者共同变化对气化效果的影响，并在设计规定条件下筛选，获得灰渣与煤的最佳进料比值为2。在该条件下气化后产生的粗合成气中CO：50％；H2：32.5％；CO2：5％；氧耗为262；煤耗比为582；产气量为82176Nm3/hr。
利用本实施例的方法，有效气产量提高1.2％，CO2产量减少3.8％，耗氧量减少0.3％，耗煤量减少0.2％，合成气产量提高4.3％。
实施例2
本实施例工艺步骤如下：
1)缓冲罐静置：来自气化炉的废渣进入缓冲罐，停留时间约9小时，静置后的废渣含水量大约为70％。
2)将静置后的废渣进行干燥，水分干燥至50％后，灰渣与来自熔融炉的合成气进行换热，换热后灰渣温度升至1300℃。
3)温度为1300℃的灰渣与煤同时进入熔融炉进行气化，其中，煤与灰渣的进料比值为1.2，设计过程规定熔融炉气化温度为1500℃，CO2排量不超过5％。在该设计规定下，气化后产生的粗合成气中CO：49.6％；H2：33.4％；CO2：4.8％；氧耗为248；煤耗比为571；产气量为52002Nm3/hr。
4)经气化后产生的合成气从熔融炉顶部排出与干燥后的灰渣进行换热之后，继续经水激冷至100℃一下，然后通过旋风分离器，将合成气中的飞灰分离，合成气进入变换、净化工艺阶段。经气化后产生的二次灰渣含碳量降低至2.1％，低碳率的灰渣可用于多孔陶瓷、微晶玻璃等建筑材料的原材料。
探究氧进料、煤进料量分别对气化效果的影响，发现有效气(CO+H2)随着煤进料的增加而增加，随着氧进料量的增加而减少，而二氧化碳和熔融炉气化温度都随着煤进料量的增加而减少，随着氧进料量的增加而增加。
探究氧进料和煤进料二者共同变化对气化效果的影响，并在设计规定条件下筛选，获得灰渣与煤的最佳进料比值为1.3。在该条件下气化后产生的粗合成气中CO：49.9％；H2：33.3％；CO2：4.7％；氧耗为250；煤耗比为573；产气量为53415Nm3/hr。
利用本实施例的方法，有效气产量提高0.2％，CO2产量减少2％，耗氧量减少0.8％，耗煤量减少0.35％，合成气产量提高2.7％。
实施例3
本实施例工艺步骤如下：：
1)缓冲罐静置：来自气化炉的废渣进入缓冲罐，停留时间约8小时，静置后的废渣含水量大约为65％。
2)将静置后的废渣进行干燥，水分干燥至40％后，灰渣与来自熔融炉的合成气进行换热，换热后灰渣温度升至1300℃。
3)温度为1300℃的灰渣与煤同时进入熔融炉进行气化，其中煤与灰渣的进料比值为0.8，设计过程规定熔融炉气化温度为1500℃，CO2排量不超过5％。在该设计规定下，气化后产生的粗合成气中CO：49.3％；H2：34％；CO2：4.6％；氧耗为240；煤耗比为565；产气量为33843Nm3/hr。
经气化后产生的合成气从熔融炉顶部排出与干燥后的灰渣进行换热之后，继续经水激冷至100℃一下，然后通过旋风分离器，将合成气中的飞灰分离，合成气进入变换、净化工艺阶段。经气化后产生的二次灰渣含碳量降低至1.6％，低碳率的灰渣可用于多孔陶瓷、微晶玻璃等建筑材料的原材料。
探究氧进料、煤进料量分别对气化效果的影响，发现有效气(CO+H2)随着煤进料的增加而增加，随着氧进料量的增加而减少，而二氧化碳和熔融炉气化温度都随着煤进料量的增加而减少，随着氧进料量的增加而增加。
探究氧进料和煤进料二者共同变化对气化效果的影响，并通过涉及规定条件下筛选，获得灰渣与煤的最佳进料比值为0.85。在该条件下气化后产生的粗合成气中CO：50.1％；H2：33.9％；CO2：4.4％；碳转化率99％；氧耗为242；煤耗比为567；产气量为35490Nm3/hr。
利用本实施例的方法，有效气产量提高0.8％，CO2产量减少4.3％，耗氧量减少0.8％，耗煤量减少0.35％，合成气产量提高4.9％。
实施例4
本实施例工艺步骤如下：
1)缓冲罐静置：来自气化炉的废渣进入缓冲罐，停留时间约6小时，静置后的废渣含水量大约为70％。
2)将静置后的废渣进行干燥，水分干燥至30％后，灰渣与来自熔融炉的合成气进行换热，换热后灰渣温度升至1300℃。
3)温度为1300℃的灰渣与煤同时进入熔融炉进行气化，其中煤与灰渣的进料比值为0.6，设计过程规定熔融炉气化温度为1500℃，CO2排量不超过5％。在该设计规定下，气化后产生的粗合成气中CO：51％；H2：33.2％；CO2：4.5％；氧耗为254；煤耗比为576；产气量为24907Nm3/hr。
4)经气化后产生的合成气从熔融炉顶部排出与干燥后的灰渣进行换热之后，继续经水激冷至100℃一下，然后通过旋风分离器，将合成气中的飞灰分离，合成气进入变换、净化工艺阶段。经气化后产生的二次灰渣含碳量降低至1.4％，低碳率的灰渣可用于多孔陶瓷、微晶玻璃等建筑材料的原材料。
探究氧进料、煤进料量分别对气化效果的影响，发现有效气(CO+H2)随着煤进料的增加而增加，随着氧进料量的增加而减少，而二氧化碳和熔融炉气化温度都随着煤进料量的增加而减少，随着氧进料量的增加而增加。
探究氧进料和煤进料二者共同变化对气化效果的影响，在设计规定条件下筛选，获得灰渣与煤的最佳进料比值为0.72。在该条件下气化后产生的粗合成气中CO：54.2％；H2：34.4％；CO2：3.2％；氧耗为241；煤耗比为551；产气量为29526Nm3/hr。
利用本实施例的方法，有效气产量提高5.2％，CO2产量减少29％，耗氧量减少5.1％，耗煤量减少4.3％，合成气产量提高18.5％
实施例5
本实施例工艺步骤如下：
1)缓冲罐静置：来自气化炉的废渣进入缓冲罐，停留时间约6～8小时，静置后的废渣含水量大约为60％。
2)将静置后的废渣进行干燥，水分干燥至20％后，灰渣与来自熔融炉的合成气进行换热，换热后灰渣温度升至1300℃。
3)温度为1300℃的灰渣与煤同时进入熔融炉进行气化，其中煤与灰渣的进料比值为0.5，设计过程规定熔融炉气化温度为1500℃，CO2排量不超过5％。在该设计规定下，气化后产生的粗合成气中CO：54.6％；H2：32.4％；CO2：3.9％；氧耗为269；煤耗比为587；产气量为19562Nm3/hr。
4)经气化后产生的合成气从熔融炉顶部排出与干燥后的灰渣进行换热之后，继续经水激冷至100℃一下，然后通过旋风分离器，将合成气中的飞灰分离，合成气进入变换、净化工艺阶段。经气化后产生的二次灰渣含碳量降低至2.1％，低碳率的灰渣可用于多孔陶瓷、微晶玻璃等建筑材料的原材料。
探究氧进料、煤进料量分别对气化效果的影响，发现有效气(CO+H2)随着煤进料的增加而增加，随着氧进料量的增加而减少，而二氧化碳和熔融炉气化温度都随着煤进料量的增加而减少，随着氧进料量的增加而增加。
探究氧进料和煤进料二者共同变化对气化效果的影响，并在设计规定条件下筛选，获得灰渣与煤的最佳进料比值为0.63。在该条件下气化后产生的粗合成气中CO：57.5％；H2：33.4％；CO2：2.7％；氧耗为257；煤耗比为578；产气量为23989Nm3/hr。
利用本实施例的方法，有效气产量提高4.5％，CO2产量减少30.8％，耗氧量减少4.5％，耗煤量减少1.5％，合成气产量提高22.6％。
实施例6
本实施例工艺步骤如下：
1)缓冲罐静置：来自气化炉的废渣进入缓冲罐，停留时间约6～8小时，静置后的废渣含水量大约为60％。
2)将静置后的废渣进行干燥，水分干燥至10％后，灰渣与来自熔融炉的合成气进行换热，换热后灰渣温度升至1300℃。
3)温度为1300℃的灰渣与煤同时进入熔融炉进行气化，其中煤与灰渣的进料比值为0.3，设计过程规定熔融炉气化温度为1500℃，CO2排量不超过5％。在该设计规定下，气化后产生的粗合成气中CO：55.8％；H2：32.3％；CO2：3.6％；氧耗为271；煤耗比为589；产气量为10235Nm3/hr。
4)经气化后产生的合成气从熔融炉顶部排出与干燥后的灰渣进行换热之后，继续经水激冷至100℃一下，然后通过旋风分离器，将合成气中的飞灰分离，合成气进入变换、净化工艺阶段。经气化后产生的二次灰渣含碳量降低至0.7％，低碳率的灰渣可用于多孔陶瓷、微晶玻璃等建筑材料的原材料。
探究氧进料、煤进料量分别对气化效果的影响，发现有效气(CO+H2)随着煤进料的增加而增加，随着氧进料量的增加而减少，而二氧化碳和熔融炉气化温度都随着煤进料量的增加而减少，随着氧进料量的增加而增加。
探究氧进料和煤进料二者共同变化对气化效果的影响，并在设计规定条件下筛选，获得灰渣与煤的最佳进料比值为0.36。在该条件下气化后产生的粗合成气中CO：58.6％；H2：32.6％；CO2：2.7％；氧耗为268；煤耗比为587；产气量为13452Nm3/hr。
利用本实施例的方法，有效气产量提高3.5％，CO2产量减少25％，耗氧量减少1.1％，耗煤量减少0.17％，合成气产量提高31.4％。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)将煤气化炉排出的灰渣经沉降槽静置，灰渣经沉降槽静置后的水分含量为60％～70％；
2)将步骤1)静置处理后的灰渣进行干燥；对静置处理后的灰渣干燥处理至含水量为10％～50％；
3)将步骤2)干燥处理后的灰渣与熔融炉中产生的高温合成气进行换热，使灰渣温度升至1300℃，与灰渣进行换热的高温合成气在经过换热降温后继续经水激冷后温度降至100℃以下；
4)将步骤3)处理后的灰渣与煤混合输入气化炉中，与氧气和水蒸气发生氧化还原反应，生成粗合成气和二次灰渣；灰渣与煤的进料比值为0.3～2；生成的粗合成气经过换热后进行脱硫、脱碳处理后被再次利用；粗合成气中含有CO：50％～60％；H2：30％～35％；CO2：2％～5％；氧耗：240～270Nm3/1000Nm3；
气化炉中操作压力为0.3～0.4MPa，炉膛温度为1400～1550℃。
2.根据权利要求1所述的气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺，其特征在于，步骤3)中，水激冷合成气后形成的水蒸气通过蒸汽做功回收能量。
3.权利要求1～2中任意一项所述的气化炉灰渣干燥熔融炉气化工艺制得的二次灰渣作为建筑材料原料的应用。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于，所述建筑材料为多孔陶瓷或微晶玻璃。
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