CN110240944B - 粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法及装置 - Google Patents

粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及粉煤综合利用技术，旨在提供一种粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法及装置。该装置中，在高温裂解气化炉的炉顶设环形喷嘴，其中心设气化剂喷口，炉底为粗煤气半焦混合物出口；在炉胆侧壁沿轴向布置数对气化剂喷口，用于分段送入气化剂；底部出口接至高温气固分离器，后者设有半焦出口和粗煤气出口，粗煤气出口经管路接至煤气净化装置。本发明通过常压气化法使粉煤在高温下发生裂解和气化反应，产生煤气和半焦，且不产焦油。煤气中有效气成分的体积百分比可达90％以上，煤气热值较高。具有系统简单、投资小、煤种适用性广、产物可定向调控等优点。现有的煤粉炉不需较大改动就能进行改造，经济环保，有利于推广。

Description

粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法及装置
技术领域
本发明涉及粉煤的高效综合利用领域，具体为一种适用于粉煤的常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法及装置。
背景技术
我国能源储量以煤炭为主，石油及天然气资源严重短缺。在对煤炭的应用过程中，80％的煤炭被直接燃烧，不仅利用效率极低而且对环境的污染较为严重。因而，将煤视作一种资源，发展煤的多联产技术可同时解决我国天然气资源紧缺问题和日益严峻的大气污染问题。以煤部分气化为核心的多联产技术是先提取粉煤煤中易热解气化的部分转化为清洁合成气，没有被气化的半焦可作为优质活性炭原料出售或送入锅炉燃烧用来发电或供热，实现了粉煤的清洁高效利用。与空气气化技术相比，富氧气化技术通过降低气化剂中N2含量，可显著提高煤气中有效气(CO+H2)成分的比例。当炉内温度相同时，采取富氧气化可减小反应所需设备的体积，同时煤气热值、碳转化率和气化效率均得到明显提升。
与固定床和流化床相比，气流床气化技术具有高温、高压、混合较好等特点，决定了它有在单位时间、单位体积内提高生产能力的最大潜能，符合大型化工装置单系列、大型化的发展趋势，代表了煤气化技术发展的主流方向。然而高压运行条件对气流床设备加工及运行维护的要求较高，因而这样的设备系统复杂，造价昂贵，不利于这类技术的广泛应用。
综上所述，有必要开发一种在高温、常压，以富氧介质为气化剂的工况下，能够同时产出大量煤气与半焦的方法及装置，大幅提升粉煤的资源综合利用效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法及装置。该方法能实现粉煤的高效综合利用，操作简单、适用性广。
为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的装置，包括煤粉仓和用作气流床反应器的高温裂解气化炉；其特征在于，所述高温裂解气化炉的内部为直筒形炉胆，外部设保温层；在炉顶设置朝下的环形喷嘴，其中心设置气化剂喷口，炉底为粗煤气半焦混合物的出口；在炉胆侧壁沿轴向布置数对气化剂喷口，用于分段送入气化剂；
该装置还包括空气分离装置、高温气固分离器和煤气净化装置；煤粉仓的底部出口接至高温裂解气化炉的环形喷嘴；空气分离装置的氮气出口经管路接至煤粉仓用于输送粉煤，其氧气出口经管路接至氧气喷口；高温裂解气化炉的底部出口接至高温气固分离器，后者设有半焦出口和粗煤气出口，粗煤气出口经管路接至煤气净化装置。
本发明中，该装置还包括余热回收装置，高温气固分离器的粗煤气出口经管路依次连接余热回收装置和煤气净化装置。
本发明中，该装置还包括设有半焦入口和/或煤气入口的燃烧锅炉，其水蒸气出口通过管路接至高温裂解气化炉的气化剂喷口。
本发明中，煤气净化装置的清洁煤气出口设置旁路接口，并通过管路接至煤粉仓，用于输送粉煤。
本发明中，所述炉胆为刚玉材质，在炉胆外部设金属外壳，两者之间填充石英棉作为保温层。
本发明中，所述高温裂解气化炉的炉胆是由多段筒形结构组合而成。
本发明进一步提供了利用前述装置实现粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法，包括：
(1)以空气分离装置产生的氮气和/或煤气净化装置产生的清洁煤气作为输送介质，将粉煤送至高温裂解气化炉的顶部，由环形喷嘴向下喷入炉内；
空气分离装置产生的氧气从顶部和侧部喷入高温裂解气化炉内，燃烧锅炉产生的水蒸气从侧部喷入高温裂解气化炉内，粉煤在炉内与氧气发生燃烧、裂解和气化反应，产生煤气和半焦；控制氧煤进料的化学当量比为0.15～0.4，炉内温度800～1400℃，压力为常压，粉煤在炉内停留时间为0.5～3s；
(2)高温裂解气化炉的底部出料为粗煤气与半焦的混合物，经高温气固分离器的处理后得到半焦产品和粗煤气；高温气固分离器的运行温度为800～1200℃；
(3)粗煤气经煤气净化装置处理后，得到清洁煤气产品。
本发明中，还包括：将半焦产品和/或清洁煤气送至燃烧锅炉充分燃烧，生产的水蒸气送至高温裂解气化炉。
本发明中，所述煤粉的含水率小于10％，粒径范围10～100um。
本发明中，在高温裂解气化炉内，气化剂是纯氧，或纯氧与水蒸气组成的混合气；在混合气中，水蒸气的体积百分比为5～15％。
发明原理描述：
本发明中，干燥的粉煤经空气分离装置产生的氮气或净化后的煤气输送进入高温裂解气化炉，与经空气分离装置产生的氧气在炉内高温、常压的环境下进行裂解和气化反应，产生煤气和半焦。气化介质进口布置在裂解气化炉顶部及炉体沿程，可实现氧气和水蒸气的集中或分段送入。反应产物经高温气固分离后，气态粗煤气进入余热回收系统和煤气净化系统，得到洁净煤气产品供民用或下游化工合成，固态半焦可作为优质活性炭原料出售或送入锅炉燃烧利用。
本发明中的高温裂解气化炉虽然也归属于气流床反应器，但与常规需运行在高温(1350～1600℃)、高压(2～6.5MPa)工艺条件下的气流床反应器不同，本发明中的高温裂解气化炉的运行工艺条件为中高温(800～1400℃)、常压(0.1MPa)。
其深层原因是：本发明将煤粉的高温裂解过程与部分气化过程相结合，煤粉通过裂解炉顶部燃烧器外围环形喷嘴送入、中心喷嘴喷入氧气，利用煤粉的遮挡效应，促进早期的煤粉高温裂解，与氧气中后期混合后再进一步发生气化反应，固体半焦和煤气出炉后进入气固分离和余热回收单元。与已有的高温高压气流床气化炉不同的是，本发明后续利用锅炉设备将难气化的半焦进行燃烧利用，不追求完全气化，所以可以运行在常压环境，且温度适中(800～1400℃)。半焦以固态形式排出炉膛，可避免传统气流床气化炉液体排渣运行、维护困难的难题，且煤粉进样无高压要求，设备及运行、维护简单、可靠。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的常压气化的方法能使得粉煤在高温下发生裂解和气化反应，产生煤气和半焦，且不产焦油。联产的固态半焦可作为优质活性炭原料出售或送入锅炉燃烧利用。经实际验证，富氧气化与空气气化相比可大幅提升合成气中有效气(CO+H2)的占比，其他各项气化指标均有所增加。粉煤在燃料在炉内的停留时间为0.5～3s，煤气中有效气(CO+H2)成分的体积百分比可达90％以上，煤气热值较高。
2、本发明所述方法还可以通过改变反应温度、氧煤比、水蒸气和氧气等气化剂的比例和送入方式实现产物的定向调控，且系统不产生焦油，可避免煤气下游设备的沾污、堵塞，简化煤气净化设备。本发明可实现粉煤的煤气、半焦分级分质联产利用，大幅提高粉煤的资源综合利用效益。
3、本发明的高温裂解气化炉具有系统简单、投资小、煤种适用性广、产物可定向调控等优点。现有的煤粉炉不需较大改动就能进行改造，经济环保，有利于推广。
附图说明
图1为本发明的第一种流程示意图(氮气作为输送煤粉的介质)；
图2为本发明的第二种流程示意图(洁净的粗煤气作为输送煤粉的介质)。
图3为高温裂解气化炉的结构示意图。
图中：1 高温裂解气化炉、2 煤粉仓、3 空气分离装置、4 高温气固分离器、5 余热回收装置、6 煤气净化装置、7 燃烧锅炉。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述；
粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的装置如图所示，包括高温裂解气化炉1、煤粉仓2、空气分离装置3、高温气固分离器4、余热回收装置5、煤气净化装置6和燃烧锅炉7。
高温裂解气化炉1用作气流床反应器的，其内部为直筒形炉胆，外部设保温层；在炉顶设置朝下的环形喷嘴，其中心设置氧气喷口，炉底为粗煤气半焦混合物的出口；在炉胆侧壁沿轴向布置数对气化剂喷口，用于分段送入气化剂；炉胆为刚玉材质，可以由多段筒形结构组合而成。在炉胆外部设不锈钢外壳，两者之间填充石英棉作为保温层。
煤粉仓2的底部出口接至高温裂解气化炉1的环形喷嘴；空气分离装置3的氮气出口经管路接至煤粉仓2用于输送粉煤，其氧气出口经管路接至高温裂解气化炉1的氧气喷口；高温裂解气化炉1的底部出口接至高温气固分离器4，后者设有半焦出口和粗煤气出口，粗煤气出口经管路依次连接余热回收装置5和煤气净化装置6。也可以选择从煤气净化装置6的清洁煤气出口引一路管路接至煤粉仓2(图2)，用于输送粉煤。燃烧锅炉7设有半焦入口和/或煤气入口，其水蒸气出口通过管路接至高温裂解气化炉1的气化剂喷口。
利用前述装置实现粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法，包括：
(1)以空气分离装置3产生的氮气和/或煤气净化装置6产生的清洁煤气作为输送介质，将粉煤送至高温裂解气化炉1的顶部，由环形喷嘴向下喷入炉内；煤粉的含水率小于10％，粒径范围10～100um。
空气分离装置3产生的氧气从顶部和侧部喷入高温裂解气化炉1内部，燃烧锅炉7产生的水蒸气从侧部喷入高温裂解气化炉1内部，粉煤在炉内与氧气发生燃烧、裂解和气化反应，产生煤气和半焦；控制氧煤进料的化学当量比为0.15～0.4，炉内温度800～1400℃，压力为常压，粉煤在炉内停留时间为0.5～3s；在高温裂解气化炉1内，气化剂可以是纯氧，或纯氧与水蒸气组成的混合气；在混合气中，水蒸气的体积百分比为5～15％。
(2)高温裂解气化炉1的底部出料为粗煤气与半焦的混合物，经高温气固分离器4的处理后得到半焦产品和粗煤气；高温气固分离器4的运行温度为800～1200℃；粗煤气经余热回收装置5回收热量后送至煤气净化装置6，回收的热量后可用来预加热气化介质或加热锅炉7给水，达到减少燃料消耗并提高气化效率的目的。
(3)粗煤气经煤气净化装置6处理后，得到清洁煤气产品。将半焦产品和/或清洁煤气送至燃烧锅炉7充分燃烧，生产的水蒸气送至高温裂解气化炉1。净化煤气装置6设置有飞灰出口，净化剩余的飞灰也被送入燃烧锅炉7实现循环燃烧。
本发明中，特定结构的高温裂解气化炉有利于提高局部温度，从而促进焦油的裂解，提高气化效率。位于裂解气化炉顶部及炉体轴向沿程布置的多个气化剂入口能够实现气化介质的集中或分段送入。沿程的气化剂入口延轴向布置于每段裂解气化炉的中部，送入比例控制为总气化剂比例的0～15％。气化剂的沿程供入不仅可以在烘炉时使炉体整体保持较为均匀的温度，还保证煤粉和气化剂在炉内的反应时间，强化了气化过程。通过改变反应温度、氧煤比、水蒸气和氧气等气化剂的比例和送入方式可控制气化过程，实现产物的定向调控。
由于粉煤在气化过程中挥发分逸出，留下的半焦具有良好的孔隙结构和丰富的表面基团，因此可作为优质活性焦原料出售。半焦还可送入锅炉燃烧利用，产生的水蒸气可用来供热、发电或集中或作为气化介质。
具体实施方式1(图1)
干粉煤经空气分离装置3产生的氮气的输送进入高温裂解气化炉1，与经空气分离装置3产生的氧气在炉内高温、常压的环境下进行裂解和气化反应，产生煤气和半焦。气化介质的进口布置于高温裂解气化炉1顶部及炉体沿程，可实现氧气和水蒸气的集中或分段送入。反应产物经高温气固分离器4分离后，气态粗煤气相继进入余热回收装置5和煤气净化装置6以回收高温煤气的显热并输出清洁煤气；固态半焦作为优质活性炭原料出售或送入燃烧锅炉7燃烧利用。
具体实施方式2(图2)
干粉煤经来自煤气净化装置6的洁净煤气的输送进入高温裂解气化炉1，与经空气分离装置3产生的氧气在炉内高温、常压的环境下进行裂解和气化反应，产生煤气和半焦。气化介质的进口布置在炉顶部及炉体沿程，可实现氧气和水蒸气的集中或分段送入。反应产物经高温气固分离器4分离后，气态粗煤气相继进入余热回收装置5和煤气净化装置6以回收高温煤气的显热并输出清洁煤气；固态半焦作为优质活性炭原料出售或送入燃烧锅炉7燃烧利用。
最后，需注意以上列举的仅是本发明的具体实施例，但本发明不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法，其特征在于，是基于下述装置实现的：该装置包括煤粉仓和用作气流床反应器的高温裂解气化炉；高温裂解气化炉的内部为直筒形炉胆，外部设保温层；在炉顶设置朝下的环形喷嘴，其中心设置气化剂喷口，炉底为粗煤气半焦混合物的出口；在炉胆侧壁沿轴向布置数对气化剂喷口，用于分段送入气化剂；
该装置还包括空气分离装置、燃烧锅炉、高温气固分离器和煤气净化装置；煤粉仓的底部出口接至高温裂解气化炉的环形喷嘴；高温裂解气化炉的底部出口接至高温气固分离器，后者设有半焦出口和粗煤气出口，粗煤气出口经管路接至煤气净化装置；燃烧锅炉设有半焦入口和/或煤气入口，其水蒸气出口通过管路接至高温裂解气化炉的气化剂喷口；
所述粉煤常压高温裂解富氧气化联产煤气和半焦的方法具体包括以下步骤：
（1）以空气分离装置产生的氮气和/或煤气净化装置产生的清洁煤气作为输送介质，将粉煤送至高温裂解气化炉的顶部，由环形喷嘴向下喷入炉内；
空气分离装置产生的氧气从顶部和侧部喷入高温裂解气化炉内，燃烧锅炉产生的水蒸气从侧部喷入高温裂解气化炉内，粉煤在炉内与氧气发生燃烧、裂解和气化反应，产生煤气和半焦；控制氧煤进料的化学当量比为0.15~0.4，炉内温度800~1400°C，压力为常压，粉煤在炉内停留时间为0.5~3s；
（2）高温裂解气化炉的底部出料为粗煤气与半焦的混合物，经高温气固分离器的处理后得到半焦产品和粗煤气；高温气固分离器的运行温度为800~1200℃；将半焦产品和/或清洁煤气送至燃烧锅炉充分燃烧，生产的水蒸气送至高温裂解气化炉；
（3）粗煤气经煤气净化装置处理后，得到清洁煤气产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该装置还包括余热回收装置，高温气固分离器的粗煤气出口经管路依次连接余热回收装置和煤气净化装置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉胆为刚玉材质，在炉胆外部设金属外壳，两者之间填充石英棉作为保温层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高温裂解气化炉的炉胆是由多段筒形结构组合而成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉煤的含水率小于10%，粒径范围10~100um。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从侧部喷入的气化剂是纯氧与水蒸气组成的混合气；在混合气中，水蒸气的体积百分比为5~15%。
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