CN109401797B - 一种熔融气化炉及基于其处理气化炉灰渣的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔融气化炉及基于其处理气化炉灰渣的工艺，属于煤化工技术领域，本发明公开的熔融气化炉，为贯通的立式结构，包括炉膛、熔融区和排渣区，采用两段式结构，结构设计合理，气化效率高，占地面积小，使用方便。本发明所述的工艺方法，利用干燥熔融炉气化，将气化炉灰渣经熔融炉气化后降低其残碳量作为建筑原料备用，干燥灰渣后的合成气通过换热器将温度降至100℃作为下游产品原料备用，经换热器排出的蒸气可通过气轮机做功利用。此工艺不仅实现了灰渣的二次利用，节约了灰渣处理的占地以及费用，还避免了灰渣所带来的污染，达到了高效率、低能耗的目的。

Description

一种熔融气化炉及基于其处理气化炉灰渣的工艺

技术领域

本发明属于煤化工技术领域，涉及一种熔融气化炉及基于其处理气化炉灰渣的工艺。

背景技术

煤制甲醇、煤制油、煤制烯烃等以煤气化为龙头的新型煤化工产业，是煤炭清洁利用的重要手段，而气化主流技术气流床气化工艺在煤气化过程中会产生大量的气化灰渣，煤气化灰渣包括粗渣(气化炉渣)和细渣(黑水滤饼)两部分，灰渣成分与气化原料煤灰分含量、组成及气化工艺等相关，主要为SiO₂、Al₂O₃、CaO和残余碳等，平均残炭量在20％以上，据统计2016年全国约产生细渣1200万吨，粗渣2000万吨。根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰(GBT1596-2017)》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10％。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。

大型煤气化装置产生的炉渣总量十分庞大，而目前相对于废水、废气，煤化工固体废物的管理相对滞后。气化炉渣目前应用比较单一，主要用来生产建筑材料，但由于其具有较高的残炭率(烧失率)而在一定程度上应用受到限制，因此有效处理程度不高，其处理不但增加运输成本，而且会造成侵占土地、扬尘污染等环境问题。由于炉渣综合利用的途径有限，目前在新疆等地区，一般对其进行填埋处理，若选址不合理或防渗措施不到位，炉渣中的重金属元素可能对水体和土壤造成污染。

我国水资源匮乏和煤水资源分布严重不协调的现状，使得水资源成为制约煤化工产业发展的重要因素之一。如果能有效回收气化废渣(含水约50％)中大量水分，再生利用，不仅可为企业节省用水费用，还可以缓解煤化工项目用水压力，有效降低水耗指标。因此，循环利用煤气化废渣不仅可以为企业节省处理废渣的成本，降低废渣对环境的污染并节约宝贵的土地资源，而且可以回收利用宝贵的水资源并缓解煤化工发展与水资源短缺这一矛盾。如果处置不当，不仅环保效益差，而且成本高昂，企业负担沉重。因此，对其进行资源化利用是整个煤化工项目及相关企业实现环保效益和经济效益的关键所在。

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熔融气化炉及基于其处理气化炉细渣的工艺，该熔融气化炉结构设计合理，气化效率高，占地面积小，使用方便；该工艺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。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种熔融气化炉，包括炉体，炉体顶端开设有排气口，炉体为两段式结构，且炉体上段的直径大于炉体下段直径；在炉体下段的侧壁布设若干进料管道，炉体下段底部为熔渣区，熔渣区底部开设有排渣口，排渣口通过耐火通道连接有贮渣池相连，贮渣池底部开设出料口，贮渣池设置在炉体一侧且与炉体存在高度差。

优选地，炉体上段由铬铝锆耐火材料制成，炉体下段由碳化硅耐火材料制成。

优选地，进料管道与炉体呈20°～60°的夹角；进料管道为6个，且6个进料管道等距离均布在炉体下段的侧壁上。

本发明还公开了采用上述的熔融气化炉处理气化炉灰渣的工艺，包括以下步骤：

1)将气化炉排出的灰渣通入沉降槽静置6～8h；

2)将步骤1)静置处理后的灰渣与所述熔融气化炉气化产生的高温合成气进行换热，使灰渣温度升至1300℃，降温后的合成气经水激冷后温度降至低于100℃；

3)将步骤2)换热处理后的高温灰渣与适量配比的煤混合输入所述熔融炉中，与氧气、水蒸气发生氧化还原反应，生成高温粗合成气和二次灰渣，高温粗合成气从熔融气化炉顶部的排气口排出，产生的二次灰渣通过炉底的耐火通道排至贮渣池中。

优选地，步骤1)中，灰渣经沉降槽静置处理后，水分含量为40％～60％；残碳含量20～40％。

优选地，步骤2)中，高温灰渣与煤的进料比为1.8～2。

优选地，步骤3)中，所述熔融气化炉的操作压力范围为0.3～0.5MPa，炉膛温度为1450～1580℃。

优选地，步骤3)中，熔融气化炉的操作压力为0.4MPa；气化温度为1500℃；煤灰进料比为2；经气化后产生的粗合成气的有效气体含量达82.6％；其中，CO：50％；H₂：32.5％；CO₂：5％；比氧耗为262Nm³/1000Nm³；比煤耗为582kg/1000Nm³。

本发明还公开了上述的气化炉灰渣处理工艺制得的二次灰渣制备微晶玻璃陶瓷的应用。

优选地，所述熔融气化炉作为微晶玻璃陶瓷制备过程中的玻璃窑炉，熔融气化炉产生的二次灰渣作为熔制玻璃料，再经成型、退火、切割、铺料、烧结及抛光工艺，制得微晶玻璃陶瓷。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的熔融气化炉，为贯通的立式结构，包括炉膛、熔融区和排渣区，采用两段式结构，是由于选用一段式结构时熔渣区将产生大量的气体，其中包括部分进料的氧气，熔渣炉的温度高达1500℃，在此氛围中碳化硅耐火材料与氧的接触会加速此材料的磨损，对熔渣炉造成不可逆转的损害，给生产带来巨大损失。该熔融气化炉结构设计合理，气化效率高，占地面积小，使用方便。

进一步地，本发明的熔融气化炉的两段式结构中，炉膛及至底部材料选用碳化硅耐火材料，炉体上部选用铬铝锆砖(德士古气化炉材料)选用碳化硅作为熔融区的耐火材料，其耐高温、化学稳定性和耐磨性强，是较好的密封材料，同时碳化硅材料还具有密度低、硬度高的特点，碳化硅的化学性质稳定，可抵抗多种化学物质的腐蚀，具备高级不锈钢所不具备的性能。在熔融炉上部排气部分选用铬铝锆型砖材料，此材料克服了碳化硅在高温与氧接触氛围中的弊端，具有耐腐蚀、抗渣性能好、机械强度好，抗热震性能良好的特点。

进一步地，外界的煤、灰渣等原料首先被粉碎、筛分，然后被输送至进料管中，由于进料管道与炉壁呈20°至60°的夹角，原料以自身的速度带动搅拌，起到搅拌的功能。

进一步地，本发明的熔融炉炉内无搅拌装置，仅通过设计6个同壁成切线的进料管，各个反应原料均分布在两个不同的进料管内，每个进料管间隔一定距离，原料以一定的速度进入炉内，依靠进料的速度以及进料管的角度分布，使得原料在炉内旋转充分反应。

进一步地，利用贮渣池与熔融气化炉底部用有一定倾斜角度的耐火通道连接，设计采用非连续排渣法，由于熔融气化炉与贮渣池之间存在高度差，即贮渣池设置在气化熔融炉炉体一侧，且位置较炉体低，因此，待熔融炉中反应产生的炉渣储存达到一定高度时，通过耐火通道输送炉渣至贮渣池。由于不断加料，在输送过程中，熔融气化炉中的炉渣处于未全部输送到贮渣池的状态，在炉内留有一定高度的炉渣能够作为反应热源。

本发明的工艺方法，为了使灰渣在气化过程中处于熔融状态，熔融气化炉内的操作温度高达1500℃，使灰渣处于熔融状态，更有利用气化过程的完全反应；气化炉生的合成气CO：50～60％(湿基)；H₂:30～35％(湿基)；CO₂：2～5％；氧耗：240～270。在熔融状态，灰渣中的残碳可更好地进行氧化反应，提高气化效率，达到灰渣高效利用的目的；对灰渣与煤进行合适的配比之后再熔融床气化炉中与氧气共同完成气化过程，达到提高灰渣利用率的目的。利用本发明结构创新的熔融气化炉协同处理煤气化炉渣，具有操作费用低，占地面积少，经济环境效益高的优势。

附图说明

图1为本发明的处理气化炉灰渣的化工艺流程图；

图2为本发明的熔融气化炉的结构示意图。

其中，1为排气口；2为进料管道；3为排渣口；4为炉体下段；5为炉体上段；6为贮渣池；7为出料口；8为熔渣区。

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)将气化炉排出的灰渣通入沉降槽静置6～8h；

2)将步骤1)静置处理后的灰渣与所述熔融炉气化产生的高温合成气进行换热，使灰渣温度升至1300℃，降温后的合成气经水激冷后温度降至低于100℃；

3)将步骤2)换热处理后的高温灰渣与适量配比的煤混合输入所述熔融炉中，与氧气与水蒸气发生氧化还原反应，生成高温粗合成气和二次灰渣，高温粗合成气从熔融气化炉顶部的排气口排出，产生的二次灰渣通过炉底的耐火通道排至贮渣池中。根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：步骤2)中，炉渣与煤的进料比1.8-2之间，熔融炉的操作压力范围为0.3-0.4MPa，熔融炉气化温度范围为1450-1550℃。

优选的，步骤3)中，熔融床气化炉的操作压力为0.4MPa；气化温度为1500℃；煤灰进料比为2；经气化后产生的粗合成气的有效气体含量高达82.6％；其中CO：50％；H₂：32.5％；CO₂：5％；比氧耗为262；比煤耗为582。

步骤3)中，在煤-灰渣共气化过程中，灰渣在气化过程中不仅具有传递氧的的作用，同时还气化过程具有一定的催化作用。用于激冷合成气的水经激冷后形成的水蒸气可通过汽轮机做功利用，达到回收能量的目的。

参见图2，为本发明的一种熔融气化炉，其进料采用侧置的方式，包括炉体，炉体顶端开设有排气口1，炉体为两段式结构，且炉体上段5的直径大于炉体下段4直径；在炉体下段4的侧壁布设若干进料管道2，炉体下段4底部为熔渣区8，熔渣区8底部开设有排渣口3，排渣口3通过炉底的耐火通道连接有贮渣池6，贮渣池6设置在炉体一侧且与炉体存在高度差，设置高度低于炉体，贮渣池6一侧壁下端开设出料口7。

上述两段式结构中炉体上段5采用铬铝锆砖则克服了碳化硅在此氛围中的缺陷，在气体的排出过程中气体含有部分渣，部分细小的渣则会付粘在熔渣炉上部的材料表面，这样延长了耐火的使用寿命。

炉体下段4即熔融区所在位置选用碳化硅作为耐火材料，其耐高温、化学稳定性和耐磨性强，是较好的密封材料，同时碳化硅材料还具有密度低、硬度高的特点，碳化硅的化学性质稳定，可抵抗多种化学物质的腐蚀，具备高级不锈钢所不具备的性能。在熔融炉上部排气部分选用铬铝锆型砖材料，此材料克服了碳化硅在高温与氧接触氛围中的弊端，具有耐腐蚀、抗渣性能好、机械强度好，抗热震性能良好的特点。

优选地，所述熔融气化炉内无搅拌装置，设计6个同壁成切线的进料管道2，各个反应原料均分布在两个不同的进料管道2内，每个进料管道2间隔一定距离，原料以一定的速度进入炉内，依靠进料的速度以及进料管道2的角度分布，使得原料在炉内旋转充分反应，炉温为1500℃。

利用贮渣池6与熔融气化炉底部用有一定倾斜角度的耐火通道连接，设计采用非连续排渣法，由于熔融气化炉与贮渣池之间存在高度差，即贮渣池6设置在气化熔融炉炉体一侧，且位置较炉体低，因此，待熔融气化炉中反应产生的炉渣储存达到一定高度时，通过耐火通道输送炉渣至贮渣池6。由于不断加料，在输送过程中，熔融气化炉中的炉渣处于未全部输送到贮渣池6的状态，在炉内留有一定高度的炉渣能够作为反应热源。

本发明的熔融气化炉在使用时：外界的煤、灰渣等原料首先进行破碎成煤粉颗粒，然后被输送至进料管道2当中，进入的原料带有一定的速度，进料管道2与炉体呈20°-60°的夹角，原料以自身的速度带动搅拌，起到搅拌的功能，原料在熔渣区8处进行燃烧熔融，产生的气体则从排气口1排出，反应后的熔渣则从炉体底部的排渣口3排出，通过耐火通道传输至贮渣池6，利用炉体和贮渣池6之间的高度差持续排出熔渣进行后续的工艺生产。当然，并非所有的熔渣都一次性的排出，每一次的排渣都将熔融的渣留一部分在熔渣炉里面作为热源继续进行对后续原料的燃烧熔融。

实施例1

通常经静置后的煤气化炉渣含量为水：63.1％，灰分：74.81％，挥发分：2.81％；硫：0.36％；固定碳：8.26％。

本实施例工艺步骤如下：

1)静置：来自气化炉的灰渣在缓冲罐中静置6～8小时后，其含水量约为60％。。

2)将水含量为60％的灰渣与熔融气化炉顶部排出的高温合成气进行换热，使得灰渣温度升至1300℃，同时达到降低粗合成气温度的目的。

3)将煤与温度被升为1300℃的灰渣进行配比，然后与适量的氧气同时通入熔融气化炉进行氧化反应，其中煤与灰渣的进料比值为1.87，氧煤进料比值为1.64。工艺模拟过程规定熔融气化炉的气化温度为1500℃，CO₂排放量小于6％。在该设计规定下，工艺模拟结果显示生成的粗合成气中CO的摩尔分数为49.3％；H₂的摩尔分数为32.3％；CO₂的摩尔分数为5.2％；气化过程中比氧耗为263；比煤耗比为583；出合成气的产气量为78772Nm³/hr。。

4)煤气化炉渣与煤经熔融气化炉气化后产生的出合成气从熔融气化炉的顶部排出，然后与静置后的灰渣进行热交换，因温度偏高，继续利用水将合成气温度激冷至100℃以下，再经旋风分离器将飞灰从合成气中分离，然后进入变换、净化阶段，为下游产品做准备。

煤气化炉渣与煤经熔融炉气化后产生的二次灰渣碳含量降低至2.7％，低含碳率的灰渣可作为建筑原材料进行利用，例如多孔陶瓷、微晶玻璃等建筑材料。

其中，探究氧进料量与煤进料量各自对工艺过程的影响，研究结果表明，灰渣与煤进行配比并在熔融炉中气化后产生的有效气体(CO+H₂)的摩尔分数与煤进料量成正比，与氧进料量成反比。而CO₂的摩尔分数和熔融炉的气化温度与煤进料量成反比，与氧进料量成正比。

探究氧进料量和煤进料量二者共同变化对工艺过程的影响，并在设计规定范围内筛选出工艺过程最优参数，即煤气化炉渣与煤的进料比值最优为2，在最优参数条件下，熔融炉气化产生的合成气中CO的摩尔分数为50％；H₂的摩尔分数为32.5％；CO₂的摩尔分数为5％；工艺过程中碳转化率为99％；比氧耗为262；比煤耗为582；出合成气的产气量为82176Nm³/hr。

实施例2

气化炉渣主要由SiO₂、Al₂O₃、CaO和残炭等组成，组成与微晶玻璃液组成很相似，所以将气化炉灰渣制作微晶玻璃陶瓷，熔融气化炉出来的熔融物即为熔制玻璃料，后续再经成型，退火，切割等工序即可制作成微晶玻璃陶瓷。制作微晶玻璃陶瓷的工艺流程大致是：基础玻璃料配制-研磨-混料-熔制-澄清-成型-退火-切割-铺料-烧结-抛光-包装。将此流程与本发明的熔融气化炉连接使用则大大降低微晶玻璃陶瓷的制作成本，熔融气化炉即可作为玻璃窑炉的熔制过程，后续的成型，退火等过程则可连续的制作，同时微晶玻璃因晶核剂的不同可制作出不同的微晶玻璃，比如主晶相为β-硅灰石(β-Ca-SiO3)，晶核剂为CaF₂，CaF₂在这个过程中不仅作为晶核剂使用，且还可以改善基础玻璃的熔制性能等。其加工简单，可根据客户的不用要求制作不同的产品。

微晶玻璃陶瓷具有良好的加工性能、耐化学腐蚀、耐高温，具有高机械强度，同时具有电绝缘特性，电性能微晶玻璃陶瓷是一种优良的高温电绝缘材料，在许多的电设备中应用，具有很高的电绝缘强度。微晶玻璃陶瓷的应用很广泛，在汽车、军工、航空航天、精密仪器、医疗设备、纺织机械器等领域均有应用。

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)

1.一种熔融气化炉，其特征在于，包括炉体，炉体顶端开设有排气口(1)，炉体为两段式结构，且炉体上段(5)的直径大于炉体下段(4)直径；在炉体下段(4)的侧壁布设若干进料管道(2)，炉体下段(4)底部为熔渣区(8)，熔渣区(8)底部开设有排渣口(3)，排渣口(3)通过耐火通道连接有贮渣池(6)相连，贮渣池(6)底部开设出料口(7)，贮渣池(6)设置在炉体一侧且与炉体存在高度差；进料管道(2)与炉体呈20°～60°的夹角；进料管道(2)为6个，且6个进料管道(2)等距离均布在炉体下段(4)的侧壁上，6个进料管道同壁成切线，每个进料管间隔一定距离；贮渣池与熔融气化炉底部用有一定倾斜角度的耐火通道连接，采用非连续排渣法；

炉体上段(5)由铬铝锆耐火材料制成，炉体下段(4)由碳化硅耐火材料制成。

2.采用权利要求1所述的熔融气化炉处理气化炉灰渣的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)将气化炉排出的灰渣通入沉降槽静置6～8h；灰渣经沉降槽静置处理后，水分含量为40％～60％；残碳含量20～40％；

2)将步骤1)静置处理后的灰渣与所述熔融气化炉气化产生的高温合成气进行换热，使灰渣温度升至1300℃，降温后的合成气经水激冷后温度降至低于100℃；高温灰渣与煤的进料比为1.8～2；

3)将步骤2)换热处理后的高温灰渣与适量配比的煤混合输入所述熔融炉中，与氧气和水蒸气发生氧化还原反应，生成高温粗合成气和二次灰渣，高温粗合成气从熔融气化炉顶部的排气口排出，产生的二次灰渣通过炉底的耐火通道排至贮渣池中；

熔融气化炉的操作压力为0.4MPa；气化温度为1500℃；煤灰进料比为2；经气化后产生的粗合成气的有效气体含量达82.6％；其中，CO：50％；H₂：32.5％；CO₂：5％；比氧耗为262Nm³/1000Nm³；比煤耗为582kg/1000Nm³。

3.权利要求2所述的气化炉灰渣处理工艺制得的二次灰渣制备微晶玻璃陶瓷的应用。

4.如权利要求3所述的应用，其特征在于，所述熔融气化炉作为微晶玻璃陶瓷制备过程中的玻璃窑炉，熔融气化炉产生的二次灰渣作为熔制玻璃料，再经成型、退火、切割、铺料、烧结及抛光工艺，制得微晶玻璃陶瓷。

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