CN110923011A - 一种煤炭分级转化气化方法与装置 - Google Patents

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金红光
洪慧
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Abstract

本发明提供了一种煤炭分级转化气化方法，包括：S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；S2、采用第二热量加热焦炭和二氧化碳，以使焦炭部分气化，生成一氧化碳；S3、将未气化的焦炭与热空气燃烧产生热量，其中，热量至少包括所述第一热量和第二热量；S4、将部分一氧化碳与水蒸汽反应生成步骤S2中二氧化碳和氢气。另一方面提供了一种煤炭分级转化气化装置。

Description

一种煤炭分级转化气化方法与装置
技术领域
本发明涉及能源动力领域，尤其涉及一种煤炭分级转化气化方法与装置。
背景技术
煤作为我国能源结构转型中不可或缺的一次燃料，相比气体燃料，具有利用效率低下、污染严重等劣势，将煤炭转化为气体燃料是实现其高效清洁利用的必要条件。
煤气化，即气化剂通过炙热的炭层对煤进行热加工获得煤气的过程。气化剂主要包括氧气(空气、富氧空气和纯氧)，水蒸气，氢气以及二氧化碳，其中水和纯氧共同作为气化剂进行气化最为常见。煤气化过程是发展煤基化学品合成、液体替代燃料合成、先进IGCC发电系统以及多联产系统的核心，也是煤高效清洁利用过程中化学能损失最大的单元之一。其能量利用效率低主要是由于气化过程反应剧烈不可逆损失大，且纯氧作为气化剂，制备纯氧所需的空分装置能耗高造成的。在现有的气化技术中，气化冷煤气效率在65％～80％左右。
综上所述，煤炭气化过程由于过分追求碳转化率，存在冷煤气效率低等问题，本发明提出基于抽碳的煤炭分级气化方法，在焦炭气化过程不追求高碳转化率，将未反应焦炭进行燃烧供热，可以有效地降低气化过程的不可逆性，提升气化冷煤气效率，具有广泛的社会效益和工业应用前景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种煤炭分级转化气化方法与装置，至少解决以上技术问题。
(二)技术方案
本申请第一方面提供了一种煤炭分级转化气化方法，包括：S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；S2、采用第二热量加热焦炭和二氧化碳，以使焦炭部分气化，生成一氧化碳；S3、将未气化的焦炭与热空气燃烧产生热量，其中，热量至少包括第一热量和第二热量；S4、将部分一氧化碳与水蒸汽反应生成步骤S2中二氧化碳和氢气。
可选地，步骤S3具体为：将未气化的焦炭与热空气燃烧产生高温烟气；高温烟气释放热量。
可选地，高温烟气释放热量后加热空气以得到步骤S3中热空气。
可选地，步骤S4中所述一氧化碳与水蒸汽反应的温度为200～400℃。
可选地，所述步骤S1的反应温度为600～900℃。
本申请另一方面提供了一种煤炭分级转化气化装置，包括：碳化单元1，用于采用第一热量24加热煤炭10生产焦炭13与焦炉煤气12；部分气化单元2，用于采用第二热量25加热焦炭13和二氧化碳19，以使焦炭13部分气化，生成一氧化碳20；焦炭燃烧单元3，用于将未气化的焦炭14与热空气17燃烧产生热量23，其中，热量23至少包括第一热量24和第二热量25；变换产氢单元4，用于将部分一氧化碳20与水蒸汽21反应生成部分气化单元中二氧化碳19和氢气22。
可选地，该装置还包括传热单元6，7，焦炭燃烧单元3产生高温烟气15通过传热单元6，7释放第一热量24和第二热量25。
可选地，该装置还包括空气预热单元5，高温烟气15释放第一热量24和第二热量25后通过空气预热单元5加热空气18，以生成焦炭燃烧单元所需热空气17。
可选地，碳化单元1为加热炉、均热炉或煅烧炉之一。
可选地，焦炭13由部分气化单元2的顶部进入，二氧化碳19由部分气化单元2的底部进入。
(三)有益效果
本申请将煤炭的气化过程分为炼焦、气化、未气化焦炭燃烧和变换产氢四步进行，大大降低了整个气化反应的不可逆性，使得煤炭的气化效率有显著上升。产生的一氧化碳不含灰分等杂质颗粒，可以直接进入变换单元，省去了废热锅炉，焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，不需要氧气，相对于传统煤炭气化过程，省去了用于制氧的空气分离单元，减少了设备投资。利用未反应焦炭燃烧为碳化室和气化室提供热量，实现煤炭的“组分对口，分级利用”。本发明提出的煤炭分级气化方法与常规气化工艺相比，其冷煤气效率要比传统煤气化高7个百分点左右。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例中煤炭分级转化气化方法步骤示意图；
图2示意性示出了本公开实施例中煤炭分级转化气化方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种煤炭分级转化气化方法，如图1所示，包括：S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；S2、采用第二热量加热焦炭和二氧化碳，以使焦炭部分气化，生成一氧化碳；S3、将未气化的焦炭与热空气燃烧产生热量，其中，热量至少包括第一热量和第二热量；S4、将部分一氧化碳与水蒸汽反应生成步骤S2中二氧化碳和氢气。
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，对本发明进一步详细说明。
S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气。
该过程可以表现为煤炭的碳化过程，该过程可以实现对原料煤的碳化提纯。所需热量由以下步骤S3提供，当温度降为600-900℃，可以得到粗焦炭、焦炉煤气、焦油等化工产品。该过程可以在冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉中实现。
S2、采用第二热量加热焦炭和二氧化碳，以使焦炭部分气化，生成一氧化碳。
该过程可以表现为焦炭的气化过程。该过程可以实现焦炭的部分气化，例如，可以为焦炭和二氧化碳反应生成一氧化碳。所需热量同样可以由以下步骤S3提供。
S3、将未气化的焦炭与热空气燃烧产生热量，其中，热量至少包括第一热量和第二热量。
步骤S2中未气化的焦炭与热空气燃烧生成高温烟气，该高温烟气释放步骤S1和S2中所需的第一热量和第二热量。高温烟气释放第一热量和第二热量后加热空气生成热空气。该热空气与未气化的焦炭一起燃烧。
S4、将部分一氧化碳与水蒸汽反应生成步骤S2中二氧化碳和氢气。
将部分步骤S2中生成的一氧化碳与水蒸汽进行反应生成二氧化碳和氢气，一氧化碳与水蒸汽反应的温度为200～400℃，使用分离装置进行分离得到二氧化碳和纯净的氢气，分离出的二氧化碳返回步骤S2与焦炭反应，步骤S2所需的二氧化碳由步骤S4提供。
由上过程可以得到焦炉煤炭、一氧化碳和氢气，三种气体灵活配比可以得到不同碳氢比的煤气合成气。
气化方法中，碳化单元的温度降低至600～900℃，比传统炼焦低约200℃，碳化产品为粗焦炭、焦炉煤气和焦油等。变换反应发生的温度约在200～400℃，相对于传统气化的高温(1300℃左右)气化吸热反应，反应的不可逆性可以大幅度降低。
本申请将煤炭的气化过程分为炼焦、气化、未气化焦炭燃烧和变换产氢四步进行，大大降低了整个气化反应的不可逆性，使得煤炭的气化效率有显著上升。产生的一氧化碳不含灰分等杂质颗粒，可以直接进入变换单元，省去了废热锅炉，焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，不需要氧气，相对于传统煤炭气化过程，省去了用于制氧的空气分离单元，减少了设备投资。利用未反应焦炭燃烧为碳化室和气化室提供热量，实现煤炭的“组分对口，分级利用”。本发明提出的煤炭分级气化方法与常规气化工艺相比，其冷煤气效率要比传统煤气化高7个百分点左右。
本发明另一方面提供了一种煤炭分级转化气化装置，由图2所示，包括碳化单元1、部分气化单元2、焦炭燃烧单元3、变换产氢单元4，其中：
碳化单元1，可以实现为以上步骤S1，用于采用第一热量24加热煤炭10生产焦炭13与焦炉煤气12。
原料煤10在碳化单元1吸收热量23在高温下热解，经过粘结过程(包括干燥脱吸、开始分解，形成胶质体，和胶质体固化过程)以及半焦收缩过程生成焦炭13、焦炉煤气12以及焦油11等化工产品，生产的粗焦炭13进入部分气化单元2。碳化单元1也可以为冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉。
部分气化单元2，可以实现为以上步骤S2，用于采用第二热量25加热焦炭13和二氧化碳19，以使焦炭部分气化，生成一氧化碳20。
为保证热量平衡，焦炭13只进行部分气化，其中未反应焦炭14进入焦炭燃烧单元3与高温空气17进行燃烧反应。
在碳化单元1得到的焦炭(900℃)由部分气化单元2顶部进入，二氧化碳19由该部分气化单元底部进入，两者相遇后发生反应，部分焦炭被气化为一氧化碳20并从单元上部排出，未反应焦炭14经旋风分离器分离后进入未反应焦炭燃烧单元3。
焦炭燃烧单元3，可以实现为以上步骤S3，用于将未气化的焦炭14与热空气17燃烧产生热量，其中，热量23至少包括第一热量24和第二热量25。
该煤炭分级转化气化装置还包括传热单元6、7。焦炭燃烧单元3燃烧产生高温烟气15可以通过隔墙8、9向碳化单元1和部分气化单元2提供第一热量24和第二热量25。高温烟气15经过粗除尘后释放第一热量24和第二热量25后在空气预热单元5中加热空气18生成热空气17，热空气17与未气化的焦炭14一起燃烧，实现循环。加热空气18后的低温烟气16被排放至大气。
变换产氢单元4，可以实现为以上步骤S4，用于将部分一氧化碳20与水蒸汽21反应生成部分气化单元中二氧化碳19和氢气22。二氧化碳19返回部分气化单元2参与反应。
碳化单元1可以借鉴现有炼焦工艺，炼焦过程在压力约为1atm、炼焦温度为700-1000℃。取部分气化单元2温度为1100℃。焦炭燃烧单元3的操作条件为：炉内压力取微正压，烟气出炉温度为1150-1700℃，根据换热周期适度的调整。新系统中排烟温度180℃，面式换热损失参照钢铁冶金行业炼焦过程散热损失，近似为供热量的9.0％。
表1给出了实施例系统能量平衡表，从能量损失角度看，变换损失和CO2分离单元损失较大，分别占总输入的2.4％和2.3％。散热损失和废热损失分别占1.1％和2.0％。基于抽碳的煤炭分级气化技术冷煤气效率可达90.9％，热效率可达92.9％，气化效率得到有效的提升。
Figure BDA0002310343620000061
表1
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，所应理解的是，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 (10)

1.一种煤炭分级转化气化方法，包括：
S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；
S2、采用第二热量加热所述焦炭和二氧化碳，以使所述焦炭部分气化，生成一氧化碳；
S3、将未气化的焦炭与热空气燃烧产生热量，其中，所述热量至少包括所述第一热量和第二热量；
S4、将部分所述一氧化碳与水蒸汽反应生成步骤S2中所述二氧化碳和氢气。
2.根据权利要求1所述的煤炭分级转化气化方法，步骤S3具体为：
将未气化的焦炭与热空气燃烧产生高温烟气；
所述高温烟气释放所述热量。
3.根据权利要求2所述的煤炭分级转化气化方法，所述高温烟气释放所述热量后加热空气以得到步骤S3中所述热空气。
4.根据权利要求1所述的煤炭分级转化气化方法，所述步骤S4中所述一氧化碳与水蒸汽反应的温度为200～400℃。
5.根据权利要求1所述的煤炭分级转化气化方法，所述步骤S1的反应温度为600～900℃。
6.一种煤炭分级转化气化装置，包括：
碳化单元(1)，用于采用第一热量(24)加热煤炭(10)生产焦炭(13)与焦炉煤气(12)；
部分气化单元(2)，用于采用第二热量(25)加热所述焦炭(13)和二氧化碳(19)，以使所述焦炭(13)部分气化，生成一氧化碳(20)；
焦炭燃烧单元(3)，用于将未气化的焦炭(14)与热空气(17)燃烧产生热量(23)，其中，所述热量(23)至少包括所述第一热量(24)和第二热量(25)；
变换产氢单元(4)，用于将部分所述一氧化碳(20)与水蒸汽(21)反应生成部分气化单元中所述二氧化碳(19)和氢气(22)。
7.根据权利要求6所述的煤炭分级转化气化装置，还包括传热单元(6，7)，所述焦炭燃烧单元(3)产生高温烟气(15)通过所述传热单元(6，7)释放所述第一热量(24)和第二热量(25)。
8.根据权利要求7所述的煤炭分级转化气化装置，还包括空气预热单元(5)，所述高温烟气(15)释放所述第一热量(24)和第二热量(25)后通过所述空气预热单元(5)加热所述空气(18)，以生成所述焦炭燃烧单元(3)所需热空气(17)。
9.根据权利要求6所述的煤炭分级转化气化装置，所述碳化单元(1)为加热炉、均热炉或煅烧炉之一。
10.根据权利要求6所述的煤炭分级转化气化装置，所述焦炭(13)由所述部分气化单元(2)的顶部进入，所述二氧化碳(19)由所述部分气化单元(2)的底部进入。
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