CN110551529A - 一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法，包括：循环流化床气化炉、换热器、除尘器设备、飞灰熔融炉和高温分离器。在原有循环流化床煤气化炉中配套飞灰熔融炉实现对气化飞灰的资源化处理，从飞灰熔融炉中出来的高温烟气或煤气与部分二级气化剂混合，混合后形成高温混合烟气或煤气，在此过程中可实现对部分二级气化剂的预热，并可实现对高温烟气或煤气的急冷，把烟气或煤气中携带的熔融颗粒物淬化成小球体。气化飞灰中的大部分化学热转变成烟气焓或煤气焓进入气化炉中，实现了热能再利用；高温混合烟气或煤气中的CO2作为补充气化剂参与到气化反应中，能有效提高整个气化系统的碳转化率和冷煤气效率。

Description

一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法
技术领域
本发明涉及一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法，应用在煤气化领域，气化飞灰资源化处理单元与气化炉紧密耦合，实现对气化飞灰的资源化处理以及热能有效再利用。
背景技术
煤气化技术是现代能源、化工领域的重要技术。不同的气化工艺都存在的气化飞灰问题，成为制约煤气化技术发展的关键问题。一般大煤气化工艺中，在产生合格煤气或工业燃气的同时会产生含碳量为30％～50％的气化飞灰，导致气化炉碳转化率偏低，冷煤气效率也受严重影响。
随着工业燃气及合成氨市场需求的日益增长，循环流化床煤气化技术在技术先进性和低成本两个方面优势明显，大量循环流化床煤气化炉投产使用。但如何降低气化飞灰的含碳量，进而实现气化飞灰的资源化处理，在处理过程中如何有效利用气化飞灰的化学热，从而提高整个气化系统的碳转化率，并提高系统的冷煤气效率是循环流化床煤气化技术面临的重大难题。
针对如何降低气化飞灰的含碳量，目前通常采用飞灰回送技术，但该技术降低气化飞灰的含碳量有限，且不能彻底实现气化飞灰的资源化处理。
中国专利申请201310093369.7公开了一种带有飞灰强制回注系统的粉煤气化方法，通过将气体引射器安装在粉煤流化床煤焦粉循环系统垂直下料管与气化炉之间，通过气体引射器将回收的飞灰颗粒通过气体分布板下方，直接进入气化炉中心部位的高温氧化区，再次发生燃烧和气化反应。
中国专利申请201510500635.2公开了流化床飞灰返炉气化设备及方法，飞灰注入装置包括内层通道和外层通道，所述内层通道用于通入含氧气化剂、所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，或所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物、所述外层通道用于通入含氧气化剂，以使飞灰与含氧气化剂在出口处充分混合地注入气化炉内进行燃烧反应。
上述两个专利有异曲同工之处，其核心是通过气体引射器和飞灰注入装置把流化床气化飞灰送入气化炉内，并不能完成把气化飞灰中的碳反应完全，未反应的气化飞灰再次变成低含碳量的飞灰，无法实现飞灰的资源化处理及剩余化学能的有效利用。
美国U-gas气化技术直接把从旋风分离器分离的半焦与旋风除尘器分离的气化飞灰混合后送回气化炉中下部，使气化飞灰继续进入气化炉内参与气化反应，实际上为了延长气化飞灰在炉内的停留时间。
这些技术在降低气化飞灰的含碳量方面有限，未能充分利用气化飞灰剩余的化学热；高含碳量的飞灰资源化利用难度很大，处置也困难。
采用气化飞灰直接送入气化炉再次参与气化反应的技术方案，并未从根本上解决气化飞灰的资源化处理，也并未从实质上解决气化飞灰的处理问题。因气化飞灰从炉内离开后其反应活性已低于刚刚进入炉内的碳颗粒，直接把气化飞灰送回炉内因飞灰的粒径很小，在炉内的停留时间有限，加之温度是气化反应活性的主要影响因素，不能在整体或局部营造高温区，气化飞灰的反应速率基本是定值。因此，为了实现气化飞灰的资源化处理及热能的有效利用，开发出新的气化飞灰处理系统非常必要。
现有技术最主要的技术缺陷：不能完全实现流化床气化飞灰的资源化处理，会带来气化炉碳转化率低，飞灰二次处理污染环境且增加处理成本。
专利201310093369.7公开了一种带有飞灰强制回注系统的粉煤气化方法和专利201510500635.2公开了流化床飞灰返炉气化设备及方法，两个专利有异曲同工之处，其核心是通过气体引射器和飞灰注入装置把流化床气化飞灰送入气化炉内，并不能完成把气化飞灰中的碳反应完全，未反应的气化飞灰再次变成低含碳量的飞灰，无法实现飞灰的资源化处理及剩余化学能的有效利用。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法，实现了热能再利用，能有效提高整个气化系统的碳转化率和冷煤气效率。
本发明技术解决方案：一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法，主要由循环流化床气化炉(1)、除尘器设备(4)、飞灰熔融炉(5)和高温分离器(7)组成。
煤在循环流化床气化炉(1)内进行气化，气化所需的气化剂分别由炉膛底部(2)和炉膛中下部氧化区(8)分级给入，从炉膛底部(2)给入的气化剂作为一级气化剂，从炉膛中下部氧化区(8)不同高度给入的气化剂作为二级气化剂，一级气化剂和二级气化剂量根据工艺要求和气化指标可进行调节，炉膛中下部氧化区给入的二级气化剂量占循环流化床气化炉总气化剂量的20％～30％。
循环流化床气化炉(1)产生的高温煤气进入换热器(3)换热到200～250℃～250℃，低温煤气进入除尘器设备(4)进行除尘，把煤气的含尘量降到30mg/Nm3以下。被旋风除尘器和布袋除尘器捕集的气化飞灰含碳量在30％～40％。
把捕集的气化飞灰送入飞灰熔融炉(5)中，根据煤的灰熔点不同飞灰熔融炉内的温度控制在灰熔点温度以上，一般的，可为1500℃～1800℃，熔融物从飞灰熔融炉的底部排出；1500℃～1800℃含高浓度CO2(40％～50％)的高温烟气从飞灰熔融炉的上部排出，在沿程管路(6)处通入部分二级气化剂，高温烟气遇到冷的二级气化剂被急冷，同时实现对二级气化剂的预热，高温烟气与部分二级气化剂混合后的气体温度控制在900℃～1000℃，高温煤气或烟气中携带的熔融颗粒物在急冷的过程中被淬化成小球体，混合气体经过高温分离器(7)除尘后从炉膛中下部氧化区(8)给入气化炉炉膛参与气化。高温混合烟气或煤气从循环流化床气化炉(1)的不同高度通入。
上述从飞灰熔融炉(5)排出来的高温烟气或煤气与部分二级气化剂混合后不经过高温分离器(7)，直接通入循环流化床气化炉(1)内，被淬化成小球的熔融颗粒物随底渣从循环流化床气化炉(1)底部排出。
高温分离器(7)的耐高温为1500℃～1800℃，其分离形式采用惯性分离或离心分。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在原有循环流化床煤气化炉中配套飞灰熔融炉实现对气化飞灰的资源化处理，飞灰中大部分化学热进入循环流化床气化炉内，提高整个系统的碳转化率和冷煤气效率。飞灰熔融后的固体物质可做建材原料，彻底实现飞灰的资源化处理。
(2)由于本发明用二级气化剂实现对熔融炉高温烟气的急冷，通过急冷把高温烟气中的熔融颗粒物进行淬化，防止熔融颗粒物在缓慢冷却过程中粘附在烟道上；在此过程中实现对二级气化剂的预热。
(3)熔融炉高温烟气中的CO2是气化反应的有效气化剂，把高温烟气通入循环流化床气化炉中能强化气化反应，提高整个系统的冷煤气效率。
附图说明
图1为本发明气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法示意图；
图2为本发明另一个实施例的气化飞灰资源化处理及热能再利用系统及方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加简明易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
本发明的核心思想是：在原有循环流化床煤气化炉中配套飞灰熔融炉实现对气化飞灰的资源化处理，从飞灰熔融炉中出来的高温烟气可实现对气化剂的预热，并可实现对高温烟气的急冷，把烟气中携带的熔融颗粒物淬化成小球体。气化飞灰中的大部分化学热转变成烟气焓进入气化炉中，实现了热能再利用；高温混合烟气中的CO2作为补充气化剂参与到气化反应中，能有效提高整个气化系统的碳转化率和冷煤气效率。
如图1所示，本发明涉及一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统，包括循环流化床气化炉1、换热器3、除尘器设备4、飞灰熔融炉5和高温分离器7。
煤在循环流化床气化炉1内进行气化，气化所需的气化剂分别由炉膛底部2和炉膛中下部氧化区8给入，炉膛底部和炉膛中下部氧化区的气化剂量根据工艺要求和气化指标可进行调节，炉膛中下部氧化区给入的气化剂量占循环流化床气化炉总气化剂量的20％-30％。
循环流化床气化炉1产生的高温煤气进入换热器3换热到200℃左右，低温煤气进入除尘器设备4进行除尘，把煤气的含尘量降到30mg/Nm3以下。被除尘器设备捕集的气化飞灰含碳量在30％-40％。
把捕集的气化飞灰送入飞灰融熔炉5中，根据煤的灰熔点不同飞灰熔融炉内的温度控制在1500℃-1800℃，熔融物从飞灰熔融炉的底部排出；1500℃-1800℃含高浓度CO2的高温煤气或烟气从飞灰熔融炉5的上部排出，在沿程管路6处通入部分气化剂，高温煤气或烟气遇到冷的气化剂被急冷，同时实现对气化剂的预热，煤气或烟气与气化剂混合后的气体温度控制在900℃-1000℃，高温煤气或烟气中携带的熔融颗粒物在急冷的过程中被淬化成小球体，混合气体经过高温分离器7除尘后从炉膛中下部氧化区8给入气化炉炉膛参与气化。
根据工艺和技术要求，发明内容中除尘器4可以是单级分离，也可以是多级分离；高温分离器7可采用其它分离器的形式；二级气化剂与熔融炉高温烟气的混合气体可从循环流化床气化炉1的不同高度通入。
从熔融炉出来的高温烟气与二级气化剂混合后也可不经过高温分离器7，直接通入气化炉内，被淬化成小球的熔融颗粒物随底渣从气化炉底部排出。
在本发明的另一个实施例中，气化飞灰资源化处理及热能再利用系统不设置高温分离器7，即所述系统包括依次相连的循环流化床气化炉1、换热器3、除尘设备4、飞灰熔融炉5，飞灰熔融炉5的出口通过沿程管路6与气化炉炉膛相连通。在气化炉炉膛的底部，设置有底渣出口，气化过程产生的熔渣，自该底渣出口排出。其余过程，与实施例1相同。
总之，本发明在原有循环流化床煤气化炉中配套飞灰熔融炉实现对气化飞灰的资源化处理，从熔融炉中出来的高温烟气可实现对二级气化剂的预热，并可实现对高温烟气的急冷，把烟气中携带的熔融颗粒物淬化成小球体。气化飞灰中的大部分化学热转变成烟气焓进入气化炉中，实现了热能再利用；高温混合烟气中的CO2作为补充二级气化剂参与到气化反应中，能有效提高整个气化系统的碳转化率和冷煤气效率。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种气化飞灰资源化处理及热能再利用系统，其特征在于，包括：循环流化床气化炉(1)、除尘器设备(4)、飞灰熔融炉(5)，所述的循环流化床气化炉(1)出口与除尘设备(4)入口相连通，除尘设备(4)设置有飞灰出口，所述飞灰出口与飞灰熔融炉(5)的入口相连通，飞灰熔融炉(5)设置有高温烟气出口，该高温烟气出口通过连接管路(9)与循环流化床气化炉(1)的炉膛相连通。
2.根据权利要求1所述的气化飞灰资源化处理及热能再利用系统，其特征在于：所述系统还包括高温分离器(7)，所述高温分离器(7)设置在飞灰熔融炉(5)和循环流化床气化炉(1)的连接管路上，其进口与飞灰熔融炉(5)的出口相连通，其出口与循环流化床气化炉(1)相连通。
3.根据权利要求1所述的气化飞灰资源化处理及热能再利用系统，其特征在于：循环流化床气化炉(1)的炉膛设置有至少一个二级气化剂入口，连接管路(9)与至少一个二级气化剂入口连通，且二级气化剂入口设置在炉膛的中下部。
4.根据权利要求1所述的气化飞灰资源化处理及热能再利用系统，其特征在于：在飞灰熔融炉(5)的出口管路上接有沿程管路(6)，沿程管路(6)适于通入二级气化剂。
5.一种气化飞灰资源化处理及热能再利用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：煤在循环流化床气化炉(1)内进行气化，气化所需的气化剂分别由炉膛底部(2)和炉膛中下部氧化区(8)不同高度分级给入，从炉膛底部(2)给入的气化剂作为一级气化剂，从炉膛中下部氧化区(8)不同高度给入的气化剂作为二级气化剂；给入炉膛中下部氧化区(8)的二级气化的剂量占循环流化床气化炉总气化剂量的20％～30％；
步骤2：循环流化床气化炉(1)产生的煤气进入除尘器设备(4)进行除尘，捕集煤气中的飞灰，并将其送入至飞灰熔融炉(5)；
步骤3：除尘器设备(4)捕集的气化飞灰送入飞灰熔融炉(5)中进行熔融，产生高温烟气和熔融物，根据飞灰灰熔点不同将飞灰熔融炉(5)内的温度控制在飞灰灰熔点温度以上，熔融物从飞灰熔融炉(5)的底部排出；高温烟气从飞灰熔融炉(5)的烟气出口排出；
步骤4：在沿程管路(6)处通入部分或全部二级气化剂，高温烟气与该部分或全部二级气化剂混合后形成高温混合烟气，在此过程中高温烟气遇到冷的二级气化剂被急冷，同时实现对该部分或全部二级气化剂的预热，高温混合烟气的气体温度控制在900℃～1000℃，高温煤气中携带的熔融颗粒物在急冷的过程中被淬化成小球体；
步骤5：将高温混合烟气通入循环流化床气化炉(1)，参与气化。
6.根据权利要求5所述的气化飞灰资源化处理及热能再利用方法，其特征在于：高温混合烟气经过高温分离器(7)除尘后从炉膛中下部氧化区(8)送入循环流化床气化炉(1)中参与气化。
7.根据权利要求5所述的气化飞灰资源化处理及热能再利用方法，其特征在于：所述步骤5中，高温混合烟气从循环流化床气化炉(1)的不同高度通入。
8.根据权利要求6所述的气化飞灰资源化处理及热能再利用方法，其特征在于：所述高温分离器(7)的耐高温为1500℃～1800℃，其分离形式采用惯性分离。
9.根据权利要求5所述的气化飞灰资源化处理及热能再利用方法，其特征在于：所述步骤5中，从飞灰熔融炉(5)排出来的高温烟气直接通入循环流化床气化炉(1)内，被淬化成小球的熔融颗粒物随底渣从循环流化床气化炉(1)底部排出。
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