CN110819392A - 气化炉及部分气化方法 - Google Patents

Abstract

一种气化炉及部分气化方法，该方法包括燃料与气化剂发生部分气化反应，得到第一半焦产品、第二半焦和半成气；第二半焦与半成气发生焦油脱除反应，得到气体产品。本发明的部分气化区与焦油脱除区位于同一反应器内，装置简单；采用流化床作为反应器，反应条件温和，具有燃料适应性广且易于放大的优点；半焦为工艺的产品之一，有效解决了焦油脱除反应所需半焦的来源问题，不需要添加额外催化剂，运行成本低。

Description

气化炉及部分气化方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，具体地涉及一种气化炉及部分气化方法。

背景技术

煤炭气化技术是是高效、洁净利用煤炭的主要途径之一，已成为众多现代能源和化工系统的核心技术。煤部分气化技术充分利用了煤的不同组分的不同反应特性，实现煤炭分级利用，将煤中易于气化的部分进行气化提取作为高附加值煤气，部分气化后的产物焦炭用作冶金、机械与化工的重要原料或燃料。

煤部分气化技术的目标产品是高附加值煤气及半焦产品该技术的关键问题在于解决煤气中的焦油脱出问题。脱除方法主要包括生物脱除法、物理脱除法和化学脱除法。其中，化学脱除法是在一定温度和特定气氛下通过化学反应将焦油转化为小分子气体化合物，可充分将焦油转化为有效气，主要包含热裂解脱除法、部分氧化脱除法、催化重整脱除法等。其中催化重整法是煤焦油在催化剂作用下将焦油催化转化为有用气体组分的方法。催化重整法对反应设备、温度要求不苛刻，对煤气热值没有影响，是一种效果良好的方法，当选用半焦作为催化剂时，优势更为明显，半焦原料来源广泛，价格低廉，且失活后直接进入气化炉气化不用考虑活化和再生，成本低、反应过程易于控制。

现有技术中，采用两段床气化技术对燃料进行部分气化，将部分气化过程中产生的半焦作为催化剂，或进一步添加催化剂，对部分气化过程中产生的焦油进行催化重整，以降低煤气中焦油含量。但到目前为止，半焦作为催化剂的部分气化技术的成功应用的工程案例特别少，关键在于焦油脱除不理想，煤气中焦油含量过高；同时，采用两段床气化技术，工艺复杂，放大困难；需要额外添加催化剂，增加运行成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种气化炉及部分气化方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种部分气化方法，包括：

燃料与气化剂发生部分气化反应，得到第一半焦产品、第二半焦和半成气；

第二半焦与半成气发生焦油脱除反应。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种执行如上所述方法的气化炉，包括：

提升管，包括部分气化区和焦油脱除区；

部分气化区，位于提升管下部，其内发生部分气化反应，其上设有第一燃料进口、第一气化剂进口和第一产品出口，分别用于将燃料送入提升管、将气化剂送入提升管和将第一半焦产品排出；

焦油脱除区，位于提升管上部，其内发生焦油脱除反应；以及

分离返料装置，包括相连通的分离单元和返料单元，分离单元入口与焦油脱除区连通，用于接收来自焦油脱除区的气固混合物并进行气固分离，返料单元与提升管(即气化炉炉膛)相连，用于将第二半焦返回提升管，所述分离返料装置还设置有第二产品出口，用于排出气体产品。

基于上述技术方案可知，本发明的气化炉及部分气化方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、整个部分气化分为两个阶段，第一阶段为部分气化阶段，可产生半焦作为产品，同时生成了含有焦油的半成气，第二阶段为焦油脱除阶段，利用第一阶段产生的半焦作催化剂对半成气进行催化重整，将产品气中的焦油催化裂解和吸附脱除；

2、通过气化炉结构的创新，利用分离返料装置，将半焦返回至焦油脱除区，强化焦油与半焦的充分掺混和反应，实现产品气中焦油含量低于30mg/Nm³；

3、部分气化区与焦油脱除区位于同一反应器内，装置简单；采用流化床作为反应器，反应条件温和，具有燃料适应性广且易于放大的优点；

4、半焦为工艺的产品之一，有效解决了第二阶段焦油脱除反应中所需半焦的来源问题，不需要添加额外催化剂，运行成本低；参与焦油脱除反应的半焦温度与焦油脱除区温度相当，有利于反应进行。

附图说明

图1为本发明实施例的气化炉的结构示意图；

图2为本发明另一实施例的气化炉的结构示意图；

图3为本发明另一实施例中设有第二燃料进口和第二气化剂进口的气化炉的结构示意图；

图4为本发明另一实施例中设有第二燃料进口和第二气化剂进口的气化炉的结构示意图。

附图标记说明：

10-部分气化区；11-第一燃料进口；12-第一气化剂进口；13-第一产品出口；14-第二产品出口 20-焦油脱除区；21-第二燃料进口；22-第二气化剂进口；30-第一级气固分离组件；31-第二级气固分离组件；40-第一级返料组件；41-第二级返料组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种部分气化方法，包括步骤：

燃料与气化剂发生部分气化反应，得到第一半焦产品、第二半焦和半成气；

第二半焦与半成气发生焦油脱除反应。

在本发明的一些实施例中，所述第一半焦产品的粒径为1至8mm；

在本发明的一些实施例中，所述第二半焦的粒径小于1mm。

在本发明的一些实施例中，所述部分气化反应中当量氧气系数为0.05至0.4，还可以为0.1至0.2。

在本发明的一些实施例中，所述部分气化反应的反应温度为600至1000℃，还可以为800至950℃；

在本发明的一些实施例中，所述部分气化反应发生在部分气化区，所述部分气化区气化剂的表观风速为1至6m/s，还可以为3至5m/s；

在本发明的一些实施例中，所述焦油脱除反应的反应温度为800至1200℃，还可以为900至1050℃；

在本发明的一些实施例中，所述焦油脱除反应发生在焦油脱除区，所述焦油脱除区气体的表观风速为3至8m/s，还可以为3至5m/s。

本发明还公开了一种执行如上所述部分气化方法的气化炉，包括：

提升管，包括部分气化区和焦油脱除区；

部分气化区，位于提升管下部，其内发生部分气化反应，其上设有第一燃料进口、第一气化剂进口和第一产品出口，分别用于将燃料送入提升管、将气化剂送入提升管和将第一半焦产品排出；

焦油脱除区，位于提升管上部，其内发生焦油脱除反应；以及

分离返料装置，包括相连通的分离单元和返料单元，分离单元入口与焦油脱除区连通，用于接收来自焦油脱除区的气固混合物并进行气固分离，返料单元与提升管(气化炉炉膛)相连，用于将第二半焦返回气化炉炉膛，所述分离返料装置还设置有第二产品出口，用于排出气体产品。

在本发明的一些实施例中，所述气化炉还包括第二燃料进口和第二气化剂进口，所述第二燃料进口和第二气化剂进口设置在焦油脱除区上；

在本发明的一些实施例中，所述第二燃料进口设置在第二气化剂进口上方。

在本发明的一些实施例中，所述分离单元包括第一级气固分离组件和第二级气固分离组件；

所述第一级气固分离组件的入口与焦油脱除区相连，所述第一级气固分离组件的气体出口与所述第二级气固分离组件的入口相连；

所述第二产品出口设置在第二级气固分离组件上。

在本发明的一些实施例中，所述第一级气固分离组件和第二级气固分离组件均设置在提升管的外部；

所述返料单元包括第一级返料组件和第二级返料组件；第一级返料组件的出口与部分气化区相连，第二级返料组件的出口与焦油脱除区相连。

在本发明的一些实施例中，所述第一级气固分离组件设置在提升管内的上部，第二级气固分离组件设置在提升管的外部；

所述返料单元包括第二级返料组件，所述第二级返料组件与部分气化区相连。

在本发明的一些实施例中，所述的第一级气固分离组件为内置式旋风分离器。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，部分气化方法共包含两个阶段：发生于提升管下部的部分气化区10的部分气化阶段；发生于提升管上部的焦油脱除区20的焦油脱除阶段。燃料(固体可燃物，主要指煤)与气化剂(氧气、空气或氧气、空气、水蒸气中二者或三者的混合物)分别从第一燃料进口11和第一气化剂进口12进入提升管下部的部分气化区10，进行部分气化反应，反应温度为600-1000℃，优选为800-950℃，在该温和反应条件下保证气化反应进行的同时可降低焦油产量。当量氧气系数(所提供氧气与燃料刚好完全燃烧所需氧气的比值)为0.05-0.4，优选为0.1-0.2，可提高半焦产量。提升管下部的部分气化区10炉膛内表观风速为1-6m/s，优选为3-5m/s。生成的颗粒较大的半焦(第一半焦产品)作为产品直接从部分气化区10的第一产品出口13排出，生成的颗粒较细的半焦(第二半焦)与含有焦油的半成气一起进入富含半焦颗粒的焦油脱除区20，半成气中的焦油在焦油脱除区20内半焦的催化作用下被脱除。经过焦油脱除反应的半成气已经脱除了焦油，转化为煤气，携带一部分半焦进入气固分离装置，首先进入第一级气固分离组件30，其中的大部分半焦被第一级气固分离组件30捕集，经第一级返料组件40进入部分气化区10参与部分气化反应，未被捕集的半焦随煤气从第一级气固分离组件30的气体出口离开，进入第二级气固分离组件31，其中被第二级气固分离单元31捕集的半焦经第二级返料组件41进入焦油脱除区20，合格的产品煤气则从第二级气固分离组件31顶部的第二产品出口14排出。

参与焦油脱除区的焦油脱除反应中，第二级返料组件41将大量半焦返回至焦油脱除区20内，增加了该区域的半焦浓度，在该区域半焦的作用下，半成气中的焦油发生裂解变为小分子气体进入煤气，从而实现了半成气焦油脱除，半成气被转化为煤气，生成焦油含量低于30mg/Nm³的产品煤气。通过在焦油脱除区20直接通入气化剂或通过在第二返料组件41中通入气化剂提高进入焦油脱除区20的大量半焦方法，使得焦油脱除区中反应温度为800-1200℃，优选的，可以为900-1050℃，通过在焦油脱除区20直接通入气化剂或减小焦油脱除区20的炉膛截面直径，使得气体表观风速为3-8m/s，优选的可以为3-5m/s。焦油脱除区20物料为上行，保证物料有效掺混，提高焦油脱除率。

在本发明的另一实施例中，第一级气固分离组件30替换为内置式旋风分离器，内置式旋风分离器设置在提升管内部上方，第一级返料组件40省略为向下的管路，直接与气化炉的焦油脱除区20相连通，如图2、图3所示，此时，经过焦油脱除区20的物料先进入内置式旋风分离器(即第一级气固分离组件30)，经过内置式旋风分离器的分离作用后，被捕集的半焦进入到焦油脱除区20，其余半焦在煤气的携带下，进入第二级气固分离组件31和第二级返料组件41内，其中半焦被第二级气固分离组件31捕集，经第二级返料组件41进入部分气化区10参与部分气化反应，产品煤气则从第二级气固分离组件40顶部的第二产品出口14排出。

在优选的内置式旋风分离器的技术方案中，由于内置式旋风分离器体积小，不占用外部空间，可有效降低建设成本。通过将半焦送回至气化炉的焦油脱除区，利用自产半焦提高流化床提升管中上部半焦颗粒浓度，改善流化床提升管中半焦颗粒分布，增强半焦脱除焦油作用效果，进一步减少产品气中的焦油含量。

在本发明的一些实施例中，流化床提升管中上部可设置第二燃料进口21和第二气化剂进口22，如图3、图4所示，可提高流化床提升管中上部反应温度，同时可进一步提高流化床提升管中上部半焦颗粒浓度。当本发明采用内置式旋风分离器时，如图3所示，第二燃料进口21和第二气化剂进口22设置在焦油脱除区20上；当本发明第二级气固分离组件和第二级返料组件的两级气固分离装置均为外置式时，如图4所示，第二燃料进口21和第二气化剂进口22设置在第二级返料组件41与提升管连接处的下方。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种部分气化方法，包括步骤：

燃料与气化剂发生部分气化反应，得到第一半焦产品、第二半焦和半成气；

第二半焦与半成气发生焦油脱除反应。

2.根据权利要求1所述的部分气化方法，其特征在于，

所述第一半焦产品的粒径为1至8mm；

所述第二半焦的粒径小于1mm。

3.根据权利要求1所述的部分气化方法，其特征在于，

所述部分气化反应中当量氧气系数为0.05至0.4。

4.根据权利要求3所述的部分气化方法，其特征在于，

所述部分气化反应中当量氧气系数为0.1至0.2。

5.根据权利要求1所述的部分气化方法，其特征在于，

所述部分气化反应的反应温度为600至1000℃；

所述部分气化反应发生在部分气化区，所述部分气化区气化剂的表观风速为1至6m/s；

所述焦油脱除反应的反应温度为800至1200℃；

所述焦油脱除反应发生在焦油脱除区，所述焦油脱除区气体的表观风速为3至8m/s。

6.根据权利要求5所述的部分气化方法，其特征在于，

所述部分气化反应的反应温度为800至950℃；

所述部分气化区气化剂的表观风速为3至5m/s；

所述焦油脱除反应的反应温度为900至1050℃；

所述焦油脱除区气体的表观风速为3至5m/s。

7.一种执行如权利要求1至6任一项所述部分气化方法的气化炉，其特征在于，包括：

提升管，包括部分气化区和焦油脱除区；

部分气化区，位于提升管下部，其内发生部分气化反应，其上设有第一燃料进口、第一气化剂进口和第一产品出口，分别用于将燃料送入提升管、将气化剂送入提升管和将第一半焦产品排出；

焦油脱除区，位于提升管上部，其内发生焦油脱除反应；以及

分离返料装置，包括相连通的分离单元和返料单元，分离单元入口与焦油脱除区连通，用于接收来自焦油脱除区的气固混合物并进行气固分离，返料单元与提升管相连，用于将第二半焦返回提升管，所述分离返料装置还设置有第二产品出口，用于排出气体产品。

8.根据权利要求7所述的气化炉，其特征在于，

所述气化炉还包括第二燃料进口和第二气化剂进口，所述第二燃料进口和第二气化剂进口设置在焦油脱除区上；

其中，所述第二燃料进口设置在第二气化剂进口上方。

9.根据权利要求7或8所述的气化炉，其特征在于，

所述分离单元包括第一级气固分离组件和第二级气固分离组件；

所述第一级气固分离组件的入口与焦油脱除区相连，所述第一级气固分离组件的气体出口与所述第二级气固分离组件的入口相连；

所述第二产品出口设置在第二级气固分离组件上。

10.根据权利要求9所述的气化炉，其特征在于，

所述第一级气固分离组件和第二级气固分离组件均设置在提升管的外部；

所述返料单元包括第一级返料组件和第二级返料组件；第一级返料组件的出口与部分气化区相连，第二级返料组件的出口与焦油脱除区相连。

11.根据权利要求9所述的气化炉，其特征在于，

所述第一级气固分离组件设置在提升管内的上部，第二级气固分离组件设置在提升管的外部；

所述返料单元包括第二级返料组件，所述第二级返料组件与部分气化区相连。

12.根据权利要求11所述的气化炉，其特征在于，

所述的第一级气固分离组件为内置式旋风分离器。

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