CN110923015A

CN110923015A - 一种热解-气化一体化处理装置及方法

Info

Publication number: CN110923015A
Application number: CN201911248333.5A
Authority: CN
Inventors: 郝成浩; 高学顺; 王阳; 胡耀峰; 张宏科; 朱宝
Original assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd
Current assignee: Wanhua Chemical Group Co Ltd; Wanhua Chemical Ningbo Co Ltd
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2039-12-09
Also published as: CN110923015B

Abstract

本发明涉及一种热解‑气化一体化处理装置及方法，将两段气化与一段热解装置组合设计，第一段气化与热解两个炉体同轴分布，第一、二两段气化上下分布。利用一、二两段气化生成富氢气体的高温对煤热解段产成的焦油进行完全裂解，用于调整出口合成气中的氢碳比，以及减少焦油在后续废水中带来的环保问题；同时使用两段气化技术，进一步提高灰渣中的残碳，提高原料的碳转化率。在此基础上热解部分设置三股进料、导流堰、导流板等，实现对热解焦油全部裂解，碳转化率高，避免了热解半焦与熔渣粘附现象产生以及炉体底部熔渣聚集发生堵渣的风险，适用于低阶煤提质，劣质煤气化和固废裂解资源化利用。

Description

一种热解-气化一体化处理装置及方法

技术领域

本发明属于煤气化及固废处理利用技术领域，涉及一种热解-气化一体化处理装置及方法。

背景技术

随着我国煤化工行业的发展，优质煤炭资源逐渐减少，而低阶煤由于含水量高，反应性强，在空气中容易风化，不易存储和运输，燃烧对空气产生严重污染。目前低阶煤如褐煤主要用于燃烧发电，少量用于化工用煤，造成大量资源浪费的同时，也浪费了输送动力，因此，寻找褐煤等低阶煤提质的煤清洁利用方法，对于提高低阶煤有效利用，减少环境污染方面，具有重要作用。

目前煤气化技术主要分为移动床、流化床和气流床；不同气化技术操作温度区间不同，导致产品组成的不同；固定床气化温度控制在800-1000℃，煤存在干馏段，导致合成气中含有大量焦油；流化床气化操作温度一般为950℃左右，因其物料处于流化状态，温度分布较为均匀，产品气中不含焦油及酚类物质；气流床操作温度在1000℃以上，局部温度甚至超过1200℃，因此合成气中无焦油类物质。有学者研究煤气化-热解一体化技术，利用气化预热进行热解反应，提高热量利用率的同时，回收热解过程中焦油类产品；然而焦油中组分非常复杂，提炼困难，需要进一步加氢裂解以制取轻质焦油；对焦油的冷却，加热再裂解过程必然导致能量的浪费，因此，部分学者转而研究热态焦油的催化裂解。

专利CN109054901A涉及一种下行床-流化床串联式气化方法及装置，热解原料沿壁面旋流而下，采用粉煤气化产生的高温合成气及熔渣热量对原料进行热解，但存在熔渣在炉体底部聚集发生堵渣风险，且热解半焦与熔渣在炉壁有粘附，降低在气流床气化过程中的碳转化率等缺点；专利CN106085507A涉及一种带有排渣装置的熔渣气化炉，采用的水激冷的方式对渣样进行冷却，在进行热转化过程中热量转化为激冷水温度的提高，降低了对热量的充分利用。

鉴于目前煤气化技术、气化与热解技术结合工艺还存在诸多缺点，如何克服现有气化技术的这些缺点，研发出绿色高效的煤气化工艺，尤其是适合低阶煤提质的气化方法是很有必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种热解-气化一体化处理装置及方法：将两段气化与一段热解装置组合设计，第一段气化与热解两个炉体同轴分布，第一、二两段气化上下分布。不但体积小、节约空间、相同规模下具有更强的处理能力，还可充分利用合成气的高温提高对焦油的裂解效率，节省原料消耗，减少热量损失，以及消除焦油在后续废水中带来的环保问题；同时使用两段气化技术，进一步降低灰渣中的残碳，提高原料的碳转化率。在此基础上热解部分设置三股进料、导流堰、导流板等，实现对热解焦油完全裂解，碳转化率高，避免了热解半焦与熔渣粘附现象产生以及炉体底部熔渣聚集发生堵渣的风险，适用于低阶煤提质，劣质煤气化和固废裂解资源化利用。

本发明技术方案如下：

一种热解-气化一体化处理装置，该装置包括气化炉和热解炉，气化炉设置于热解炉炉腔内的上部区域，两个炉体同轴分布；所述气化炉顶部设有粉煤进料口，底部设有气化出料口；

所述热解炉炉腔上部设有热解原料入口和合成气出口，底部有气化剂入口和排渣口。

优选地，所述气化炉高径比为2～3：1，优选2.5～2.8：1，如2.65:1；热解炉高径比为2.0～3.8：1，优选2.5～3.0：1，如2.75：1；所述气化炉高度与热解炉炉腔内的高度比为1：1.3～2.5，优选1：1.3～1.9，如1.6:1；所述气化炉与热解炉炉腔内的直径比为1:2～5，优选1：2.2～2.5，如1：2.35。

优选地，所述热解原料入口沿炉壁切线向下倾斜5°～30°，优选15°～20°。

优选地，所述热解-气化一体化处理装置还包含旋风分离器，旋风分离器进口与合成气出口相连接，旋风分离器底部与热解炉底部相连通；所述旋风分离器的顶部设有气体出口。

优选地，所述热解炉炉腔上部设有不少于2个热解原料入口，优选3个；所述热解原料入口在同一平面沿热解炉外壁均匀分布。

优选地，所述热解炉，在与气化炉的炉体外壁之间的炉腔内壁上设有导流堰；所述导流堰沿热解炉炉腔内壁面安装，优选为螺旋形，螺距50～100cm，优选80cm，堰高5～10cm，优选6cm；所述导流堰固定在热解炉的炉腔内壁上，优选采用焊接方式，材质优选采用钢板。

优选地，所述热解炉在合成气出口上方设置有环形导流板，所述环形导流板将热解炉与气化炉之间的环形空间间隙密封封堵。

进一步优选地，所述环形导流板具有弧度，呈喇叭口状，优选为90°圆弧，圆弧半径为气化炉与热解炉间隙宽度；所述环形导流板上沿与合成气出口上方平齐，固定于热解炉炉腔内壁上，下沿固定于气化炉炉体外壁上；优选采用焊接方式固定，并加补强。本发明环形导流板用于改变合成气流向，气流随导流板弧度改变流动方向，减少对炉顶的冲刷以及动力损失，还可以截留部分颗粒物，减少旋风分离负荷。

一种采用上述装置的热解-气化一体化处理方法，步骤包括：

1)包含两段气化和一段热解，其中：气化炉炉腔内为一段气化区域；热解炉炉腔的上部分，位于热解炉内壁与气化炉外壁的间隙为热解区域；热解炉炉腔的下部分，位于气化炉炉体下方位置为二段气化区域；

2)一段气化区域：粉煤和气化气由气化炉顶部粉煤进料口进入气化炉炉腔内发生气化反应，生成一段富氢气体和一段灰渣，由气化出料口排出一段气化区域，一段富氢气体折流向上进入热解区域，一段灰渣落入下方的二段气化区域；

3)热解区域：热解原料通过载气携带，由热解原料入口，沿炉壁切线向下与径向夹角5°～30°进入热解区域，旋流下行，与来自一、二两段气化区域的上行高温富氢气体逆流接触发生热解反应，生成热解气、气态焦油和热解熔渣；同时，热解生成的气态焦油与富氢气体发生裂解重整反应，生成富含C₁～C₄烃类的气体，与热解区域生成的热解气混合，在上行气流携带下，由热解炉炉腔上部的合成气出口排出得到合成气，热解熔渣落入下方的二段气化区域；

4)二段气化区域：来自一段气化区域的灰渣和煤热解区域的热解熔渣进入二段气化区域，与热解炉底部气化剂入口通入的气化剂发生气化反应，生成二段富氢气体和二段灰渣，二段富氢气体与一段富氢气体混合向上进入热解区域，二段灰渣由热解炉底部的排渣口排出装置；

5)可选地，合成气出口排出的合成气进入旋风分离器，分离出固体颗粒，分离出的固体颗粒由旋风分离器底部返回二段气化区域，进行气化反应，分离后的气体由旋风分离器顶部的气体出口排出装置。

优选地，步骤2)一段气化区域中：

所述气化气包括氧气和水蒸气；所述氧气加入量，主要通过炉温控制，确保粉煤气化过程中气化炉温高于粉煤原煤灰熔点50～100℃；一段气化区域气化温度为1200～1300℃；所述水蒸气加入量，根据气化要求，控制水蒸气与氧气质量比为0.15～0.50：1，结合实际工况，调节气化剂中蒸汽/氧比。本发明根据煤种的不同，氧气与粉煤(体积/质量)比通常控制在0.3～0.9：1；水蒸气与粉煤质量比在0.08～0.20：1；

所述粉煤由载气输送，载气为N₂或CO₂，载气流量300～600Nm³/h，其中固/气比为20～30(kg/Nm3)，优选固气比25，；气化过程中粉煤进料速度为10～15m/s；停留时间范围9～11s，优选10s；

所述一段富氢气体体积百分含量组成为H₂ 22～26％，CO 60～68％左右，CO₂ 3～5％左右，CH₄ 0.2～0.5％左右，及其它含硫、含氮气体；

所述粉煤气化过程中，要求粉煤粒度＜1mm，粉煤原煤灰分含量在1～20％之间，灰熔点低于1500℃。粉煤原煤选自烟煤、无烟煤及石油焦等，其水分含量要求在2wt％以下，但不适合年轻烟煤或褐煤。在该粒径范围内的粉煤在一段气化区域内基本完全气化，最高碳转化率在99％左右；一段粉煤气化过程灰渣中碳含量与原煤矿物质含量和碳含量相关，残碳范围约在9～13wt％之间。

优选地，步骤3)热解区域中：

所述热解原料选择范围较广，包括反应性较好的年轻烟煤、灰熔点1150℃～1300℃活性较差的无烟煤、不含氯元素的固体废弃物中的一种或多种，优选地，所述热解原料质量百分含量组成包含以空气干燥基计，碳含量60～90％、氢含量2～5％、氮含量0.5～2.5％、氧含量2～15％、硫含量<3％；所述热解原料进料粒径<6mm，进料线速度为5～10m/s，优选如6m/s，热解过程停留时间9～10s，优选如10s；

优选地，所述热解原料进料炉壁切线向下与径向夹角为15°～20°；所述热解原料进料不少于2股，优选3股进料，更优选3股进料均匀分布在同一平面互呈120°。所述进料方式能够在延长停留时间的同时，使得热解原料充分与高温气体接触，为热解、重整反应提供原料及热量。

所述载气为N₂/CO₂混合气，其中N₂与CO₂体积比为1～10：1，优选2.5～5：1，每股进料载气流量为100～300Nm³/h，固/气比10～20(kg/Nm³)，优选固/气比15，输送的热解原料同时可作为碳源，参与气化过程中的碳反应。

优选地，所述热解原料进入热解区域后，沿导流堰旋流下行。导流堰使热解原料沿确定轨迹下行，有效减少上升气流的颗粒夹带，并与高温气体充分接触。优选地，合成气先经环形导流板改变气流方向后，再由合成气出口排出。环形导流板设置在合成气出口处，用于减少合成气对气化炉顶部冲刷，截留合成气中夹带的颗粒，同时改变气流方向，减少动力损失。

所述热解过程为高温快速热裂解反应，热源由一段、二段气化反应生成气体携带的热量提供，气体温度范围约为900～1000℃，热解过程中原料升温速率约1000℃/s；

在本发明热解区域，一段粉煤气化后高温富含氢气的合成气进入热解区域，与外壁输入的原料发生热解反应，富氢气在原煤矿物质作用(铁、钴、镍、铜、铝等金属元素及半焦)高温下与热解挥发分发生反应，提高合成气中轻油组分，脂肪烃和芳香烃含量提高，氢气、甲烷及C₂～C₄烃类气体含量增加；经热解区域后其中氢气含量提高约1～4％，CH₄含量提高约1～2％。

根据热解原料的区别，热解过程中焦油产率在5～10％，气态焦油在与富氢气体接触发生时发生重整反应，焦油全部被分解，生成H₂、CH₄及C₂～C₄烃类组分；合成气中H₂可进一步提高约1～4％、CH₄提高约0.5～1.0％，以及同时将C₂～C₄烃类降低至1％以下。

本发明方法制备的合成气，即由热解炉炉腔上部的合成气出口排出得到合成气，其体积百分含量组成包括H₂ 33～40％，CO 45～51％，CO₂ 9～15％，CH₄0.8～1.5％，C₂～C₄组分<1％；合成气中H₂/CO体积比约为0.65～0.85；

优选地，步骤4)二段气化区域中：

所述气化剂组成为水蒸气与氧气，体积比为0.15～0.5:1，氧煤比0.8-1.0：1。

二段气化区域的气化温度为1200～1300℃，产生局部高温，在气化过程中，含有10～15wt％左右残碳的一段灰渣在二段气化过程中进一步反应，气化后生成的二段灰渣中残碳含量低于5wt％；二段灰渣熔融聚集产生大颗粒，通过重力沉降炉底，排渣口排出；排出的二段灰渣中残碳含量低于5wt％。

二段气化区域中生成的二段富氢气体组成包括：H₂ 28～36％、CO 35～40％，CO₂20～26％、CH₄ 0.8～2％及其它含硫、含氮气体等；

在二段气化区域中，一段气化灰渣及热解熔渣残留的碳发生进一步气化消耗，碳转化率提高至99％以上，减少灰渣中残碳，提高原煤碳转化率；

本发明技术方案，具有以下优点：

1、使用粉煤气化耦合灰熔聚的气化方式，将气化产生高温合成气作为热解原料热源，气化过程中碳转化率由98％提高到99％，同时实现对热解焦油进行全部裂解，提高合成气产率，减少焦油类物质对环境的污染，同时可以减少变换过程中CO的消耗和热量的损失，从而实现资源的节约；

2、热解原料沿导流堰旋流而下，与高温合成气接触换热发生热解，同时减少因高速气流产生的粉末夹带；

3、粉煤气化产生的液态高温熔渣直接落入二次气化区域作为气化热源，二次气化区域为局部高温区域温度，同时一次气化及热解为二次气化提供熔渣，达到气化过程对熔渣量的要求。

附图说明

图1为实施例1中热解-气化一体化处理装置示意图；

图中：1、气化炉，2、热解炉，3、粉煤进料口，4、热解原料入口，5、气化出料口，6、排渣口，7、气化剂入口，，8、旋风分离器，9、气体出口，10、合成气出口，11、环形导流板，12、导流堰；其中箭头表示气流及物料的流动轨迹；

图2为粉煤进料口位置示意图；

图3为导流板结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于以下实施例。

一：热解—气化一体化装置原料来源及组成：

1、神华煤(烟煤)，以空气干燥基计，元素质量百分含量组成分别为碳73％、氢4.5％、氮0.80％、硫0.65％、氧11％、灰分10％，灰熔点1200℃。空气干燥基水分含量＜2％。

2、不含氯元素的TDI焦油固废，灰熔点1250℃，质量百分含量组成包含以空气干燥基计，碳75％、氢5％、氮1.5％、氧13％、硫2％，灰分含量8％；来源于万华化学TDI生产工艺。

二：热解—气化一体化装置产品组成测试方法及碳转化率、残碳计算方法：

通过测量合成气组成及灰渣碳含量计算气化效率。基于合成气的碳转化率计算方法如下式：

ηc—碳转化率，％

CO％—出口合成气中CO体积含量，vol％；

m—原料中的碳质量含量，wt/％；

G—(标态下)产品气产率，Nm³/kg；

残碳含量通过测试灰渣中碳含量获得。

实施例1

一种热解—气化一体化处理装置，如图1所示，该装置包括气化炉1和热解炉2，气化炉1设置于热解炉2炉腔内的上部区域，两个炉体同轴分布；所述气化炉1顶部设有粉煤进料口3，底部设有气化出料口5；

所述热解炉2炉腔上部设有3个热解原料入口4和合成气出口10，底部有气化剂入口7和排渣口6；3个热解原料入口4在同一平面沿热解炉外壁均匀分布(如图2所示)。

旋风分离器8进口与合成气出口10相连接，旋风分离器8底部与热解炉2底部相连通；所述旋风分离器8的顶部设有气体出口9。

其中，气化炉1高径比2.65，高8m，直径3m；热解炉2高径比2.65，高10.5m，直径3.96m；两炉间隙约0.5m；气化出料口4直径1.2m。

所述热解原料入口沿炉壁切线向下倾斜20°。

热解炉2，在与气化炉1的炉体外壁之间的炉腔内壁上设有螺旋形的导流堰12，相邻导流堰间距(螺距)80cm，堰高6cm；导流堰12焊接在热解炉2的炉腔内壁上，材质为钢板。

热解炉2在合成气出口10上方还设置有环形导流板11，环形导流板11将热解炉2与气化炉1之间的环形空间间隙密封封堵，环形导流板呈喇叭口状，圆弧弧度为90°，圆弧半径为气化炉1与热解炉2间隙宽度(0.5m)；环形导流板12的喇叭口上沿与合成气出口10上方平齐，焊接在热解炉2炉腔内壁上，下沿焊接在气化炉1炉体外壁上，并加补强。

实施例2

一种采用实施例1装置的热解-气化一体化处理方法，步骤包括：

1)包含两段气化和一段热解，其中：气化炉1炉腔内为一段气化区域；热解炉2炉腔的上部分，位于热解炉2内壁与气化炉1外壁的间隙为热解区域；热解炉2炉腔的下部分，位于气化炉1炉体下方位置为二段气化区域；

2)一段气化区域：粉煤(神华煤)和气化气由气化炉1顶部粉煤进料口3通过喷嘴进入气化炉1炉腔内，在发生1250～1300℃气化反应，生成一段富氢气体和一段灰渣，由气化出料口5排出一段气化区域，一段富氢气体折流向上进入热解区域，一段灰渣落入下方的二段气化区域；

所述气化气包括氧气和水蒸气；粉煤粒度＜1mm，氧气与粉煤(体积/质量)比为0.85；水蒸汽与粉煤质量比为0.15：1；粉煤由载气输送，载气为N₂，载气流量400Nm³/h；气化过程中粉煤进料速度为10～15m/s；停留时间10s；

制得一段富氢气体体积百分含量组成为H₂ 24％左右，CO 68％左右，CO₂ 4％左右，CH₄ 0.2％左右，及其它含硫、含氮气体；一段灰渣残碳约在9～13wt％。一段气化富氢气出口温度1100℃左右；

3)热解区域：热解原料(不含氯TDI焦油固废)通过载气携带，由热解原料入口4，沿炉壁切线向下与径向夹角20°分3股互呈120°进料进入热解区域，沿导流堰12旋流下行，与来自一、二两段气化区域的上行高温富氢气体逆流接触，以约1000℃/s的速率升温至900～1000℃，发生热解反应，生成热解气、气态焦油和热解熔渣；同时，热解生成的气态焦油与富氢气体发生裂解重整反应，生成富含C₁～C₄烃类的气体，与热解区域生成的热解气混合，在上行气流携带下，经环形导流板11改变气流方向后，由热解炉2炉腔上部的合成气出口10排出得到合成气，热解熔渣落入下方的二段气化区域；

热解原料进料粒径<6mm，进料线速度为6m/s，热解过程停留时间10s。

载气N₂/CO₂混合气，其中N₂与CO₂体积比为3：1，每股进料载气流量为200Nm³/h，固/气比15kg/Nm³。

经热解区域后其中氢气含量提高约2.5％，CH₄含量提高约1.5％，C₂～C₄烃类降低至1％，合成气出口温度约800℃左右。

4)二段气化区域：来自一段气化区域的灰渣和煤热解区域的热解熔渣进入二段气化区域，与热解炉2底部气化剂入口7通入的气化剂在1200～1300℃发生气化反应，生成二段富氢气体和二段灰渣，二段富氢气体与一段富氢气体混合向上进入热解区域，二段灰渣熔融聚集产生大颗粒，通过重力沉降炉底，由热解炉2底部的排渣口6排出装置；

所述气化剂组成为水蒸气与氧气，比例为0.15:1；氧煤比约为0.9：1。

二段气化区域中生成的二段富氢气体组成包括：H₂ 36％左右、CO 39％左右，CO₂20％左右、CH₄ 1.2％左右及其它含硫、含氮气体等，富氢气温度约1150℃；

5)合成气出口10排出的合成气进入旋风分离器8，分离出固体颗粒，分离出的固体颗粒由旋风分离器8底部返回二段气化区域，进行气化反应，分离后的气体由旋风分离器8顶部的气体出口9排出装置。

本发明方法制备的合成气，其体积百分含量组成包括H₂ 38.8％，CO 49％，CO₂10％，CH₄ 1.0％，C₂～C₄组分<1％及其它含硫含氮气体；合成气中H₂/CO体积比约为0.792；

排渣口6排出的二段灰渣中残碳含量5wt％原料碳转化率99％以上。

6)气化炉热量利用核算

为核算气化过程中的热量利用率，对一段富氢气、二段富氢气及合成气出口气热量进行计算：查表得到0～1400℃合成气中主要组分的平均定压比热容和热值，如表1所示：

合成气主要组分平均定压比热容/[kcal/(m³.℃)]

组分	CO	CO<sub>2</sub>	H<sub>2</sub>	CH<sub>4</sub>	H<sub>2</sub>S	N<sub>2</sub>
							数值	0.347	0.554	0.324	0.725	0.433	0.343

通过碳平衡物料衡算计算出一段气化富氢气产气量为189.46m³/100kg煤，二段气化富氢气产气量为225.13m³/100kg煤；

根据装置载气流量确定一段气化进煤量/二段气化进煤量质量比为1.48；对应一段富氢气/二段富氢气体积比1.25；

核算可得：

Q1(一段富氢气)＝2.94*10⁵kJ/100kg

Q₁(一段富氢气)＝(V_H2*0.324+V_CO*0.324+V_CO2*0.324+V_CH4*0.324+V_H2S*0.324+V_N2*0.324)*V_V1*T₁(忽略飞灰及部分水蒸气携带热量)

Q2(二段富氢气)＝4.28*10⁵kJ/100kg

Q₂(二段富氢气)＝(V_H2*0.324+V_CO*0.324+V_CO2*0.324+V_CH4*0.324+V_H2S*0.324+V_N2*0.324)*V_V2*T₂(忽略飞灰及部分水蒸气携带热量)

Q3(出口合成气)＝Q1*m1+Q2*m2

Q₃(出口合成气)＝(V_H2*0.324+V_CO*0.324+V_CO2*0.324+V_CH4*0.324+V_H2S*0.324+V_N2*0.324)*V_合成气*T_合成气(忽略飞灰及部分水蒸气携带热量)

η＝1-Q₃/(Q₁+Q₂)

其中Q₁一段富氢气100kg煤产生的热量kJ；

T₁—一段富氢气温度，℃；

V₁—一段富氢气体积，m³；

Q₂—二段富氢气100kg煤产生的热量kJ；

T₂—二段富氢气温度，℃；

V₂—二段富氢气体积，m³；

Q₃—合成气出口总热量kJ；

T_合成气—合成气出口温度，℃；

V_合成气—出口合成气体积，m³；

η—热量利用率，％；

核算可得热量利用率约37.20％。

实施例3

与实施例2仅在于下述不同之处：

步骤2)中调整氧气与粉煤(体积/质量)比为0.7：1；水蒸气与粉煤质量比为0.18：1；粉煤改由CO₂输送；

步骤3)热解原料采用神华煤粉与不含氯TDI焦油固废以1:1混合进料，混合料灰熔点约1200℃，调整载气N₂/CO₂载气比例为1:1。

制得一段富氢气体体积百分含量组成包括H₂ 24％左右，CO 62％左右，CO₂5％左右，CH₄ 0.4％左右，及其它含硫、含氮气体；一段灰渣残碳约在9～13wt％，富氢气温度约1100℃。

经热解区域后其中氢气含量提高约3％，CH₄含量提高约2％，C₂～C₄烃类降低至1％。

二段气化区域中生成的二段富氢气体组成包括：H₂ 32％左右、CO 38％左右，CO₂23％左右、CH₄ 2％左右及其它含硫、含氮气体等；

本发明方法制备的合成气，其体积百分含量组成包括H₂ 33.8％，CO 50％，CO₂14％，CH₄ 1.2％，C₂～C₄组分<1％；合成气中H₂/CO体积比约为0.676；

排渣口8排出的二段灰渣中残碳含量5wt％原料碳转化率99％以上。

合成气热量利用率(计算方法参照实施例2)约35％左右。

实施例4

与实施例1不同之处在于，去掉实施例1装置中热解段导流堰，具体操作与实施例2相同。

结果显示热解段合成气对粉煤的夹带增大，且炉壁有热解半焦与熔渣粘附现象；对一段粉煤气化无影响，一段气化出口合成气组成H₂ 24％左右，CO 66％左右，CO₂ 4％左右，CH₄ 0.2％左右，灰渣残碳含量约13％；熔渣气化段由于热解段粉煤带出量增加，旋风分离负荷增大，旋风分离后粉煤量增大，30％粉煤未经过热解反应直接气化，二段熔渣气化合成气H₂含量提高1％左右，其他组分变化不大，灰渣残碳5％，原料碳转化率略有降低，约99％。

合成气热量利用率(计算方法参照实施例2)也有降低，约32％。

对比例1

采用下行床-流化床串联式气化的装置(专利CN109054901A实施例3所示)，粉煤进料，在下行床中热解，产生的半焦进入后端流化床发生气化，整个过程碳转化率97％，合成气体积组成包括CO 36％左右、H₂ 40％左右、CO₂20％左右以及CH₄3.5％左右，灰渣中残碳含量约8wt％左右，较本发明高；下行床出口主要组分为粉煤气化产生的粗煤气和灰渣、利用气化热量进行煤热解产生的半焦、焦油，进入流化床中焦油发生进一步分解，因此，粉煤气化热量主要用于煤热解过程；流化床床部分通过调节气化剂比例确保温度不低于900℃，因此针对合成气携带热量计算(针对气体热量利用率计算)，热量利用率为(1200℃-900℃)/1200℃*100＝25％，合成气热量利用率(计算方法参照实施例2)明显降低，约为25％。

气体组分的不同主要原因为该装置下行床产生的出合成气经过流化床气化区域，导致发生裂解及与水蒸气等的反应；而本发明利用富氢气的热量进行裂解等反应，参与反应的介质存在区别，从而导致合成气组分的差别；

而本发明气化过程中碳转化率均在99％，合成气中H₂ 35％左右，CO 50％左右，CO₂10％左右，CH₄ 1.2％左右及其它含硫、含氮气体，具有合成气热量利用率高，出口合成气中CO含量较高等优点，本发明方法在煤气化过程中具有更高的碳转化率以及更高的合成气热量利用率。

Claims

1.一种热解-气化一体化处理装置及方法，其特征在于，包括气化炉(1)和热解炉(2)，气化炉(1)设置于热解炉(2)炉腔内的上部区域，两个炉体同轴分布；所述气化炉(1)顶部设有粉煤进料口(3)，底部设有气化出料口(5)；

所述热解炉(2)炉腔上部设有热解原料入口(4)和合成气出口(10)，底部有气化剂入口(7)和排渣口(6)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气化炉(1)高径比为2～3：1，优选2.5～2.8：1；热解炉(2)高径比为2.0～3.8：1，优选2.5～3.0：1；和/或

所述气化炉(1)高度与热解炉(2)炉腔内的高度比为1：1.3～2.5，优选1：1.3～1.9；所述气化炉(1)与热解炉(2)炉腔内的直径比为1：2～5，优选1：2.2～2.5；和/或

所述气化出料口(5)，其直径与气化炉(1)炉腔内径比为1：3～6，优选1：5～6；和/或

所述热解原料入口(4)沿炉壁切线向下倾斜5°～30°；优选地，所述热解炉(2)炉腔上部设有不少于2个热解原料入口(4)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述热解炉(2)，在与气化炉(1)的炉体外壁之间的炉腔内壁上设有导流堰(12)；所述导流堰(12)沿热解炉(2)炉腔内壁面安装，优选为螺旋形，螺距50～100cm，堰高5～10cm；优选地，所述导流堰(12)固定在热解炉(2)的炉腔内壁上；和/或

所述热解炉(2)在合成气出口(10)上方设置有环形导流板(11)，所述环形导流板(11)将热解炉(2)与气化炉(1)之间的环形空间间隙密封封堵；

优选地，所述环形导流板(11)具有弧度，呈喇叭口状，优选为90°圆弧，圆弧半径优选为气化炉(1)与热解炉(2)间隙宽度；所述环形导流板(11)上沿与合成气出口(10)上方平齐，固定于热解炉(2)炉腔内壁上，下沿固定于气化炉(1)炉体外壁上。

4.根据权利要求1～3任一项所述的装置，其特征在于，还包含旋风分离器(8)，旋风分离器(8)进口与合成气出口(10)相连接，旋风分离器(8)底部与热解炉(2)底部相连通；所述旋风分离器(8)的顶部设有气体出口(9)。

5.一种热解-气化一体化处理方法，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述的装置，步骤包括：

1)包含两段气化和一段热解，其中：气化炉(1)炉腔内为一段气化区域；热解炉(2)炉腔的上部分，位于热解炉(2)内壁与气化炉(1)外壁的间隙为热解区域；热解炉(2)炉腔的下部分，位于气化炉1炉体下方位置为二段气化区域；

2)一段气化区域：粉煤和气化气由气化炉(1)顶部粉煤进料口(3)进入气化炉(1)炉腔内发生气化反应，生成一段富氢气体和一段灰渣，由气化出料口5排出一段气化区域，一段富氢气体折流向上进入热解区域，一段灰渣落入下方的二段气化区域；

3)热解区域：热解原料通过载气携带，由热解原料入口(4)，沿炉壁切线向下与径向夹角5°～30°进入热解区域，旋流下行，与来自一、二两段气化区域的上行高温富氢气体逆流接触发生热解反应，生成热解气、气态焦油和热解熔渣；同时，热解生成的气态焦油与富氢气体发生裂解重整反应，生成富含C₁～C₄烃类的气体，与热解区域生成的热解气混合，在上行气流携带下，由热解炉(2)炉腔上部的合成气出口(10)排出得到合成气，热解熔渣落入下方的二段气化区域；

4)二段气化区域：来自一段气化区域的灰渣和煤热解区域的热解熔渣进入二段气化区域，与热解炉(2)底部气化剂入口(7)通入的气化剂发生气化反应，生成二段富氢气体和二段灰渣，二段富氢气体与一段富氢气体混合向上进入热解区域，二段灰渣由热解炉(2)底部的排渣口(6)排出装置；

5)可选地，合成气出口(10)排出的合成气进入旋风分离器(8)，分离出固体颗粒，分离出的固体颗粒由旋风分离器(8)底部返回二段气化区域，进行气化反应，分离后的气体由旋风分离器(8)顶部的气体出口(9)排出装置。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)一段气化区域中，气化温度为1200～1300℃；和/或

所述气化气包括氧气和水蒸气；所述氧气加入量通过炉温控制，确保粉煤气化过程中气化炉温高于粉煤原煤灰熔点50～100℃；所述水蒸气加入量与氧气质量比为0.15～0.50：1；和/或

所述粉煤由载气输送，载气为N₂或CO₂，载气流量300～600Nm³/h；气化过程中粉煤进料速度为10～15m/s；停留时间范围9～11s；和/或

所述粉煤粒度＜1mm，粉煤原煤灰分含量在1～20％，灰熔点低于1500℃。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，步骤3)热解区域中：

所述热解原料，包括年轻烟煤、灰熔点1150～1300℃的无烟煤、不含氯元素的固体废弃物中的一种或多种，优选地，所述热解原料质量百分含量组成包含以干燥无灰基计(daf)，碳含量60～90％、氢含量2～5％(daf)、氮含量0.5～2.5％(daf)、氧含量2～15％(daf)、硫含量<3％；和/或

所述热解原料进料粒径<6mm，进料线速度为5～10m/s，热解过程停留时间9～10s；和/或

所述热解原料进料炉壁切线向下与径向夹角为15°～20°；和/或

所述热解原料进料不少于2股，优选3股进料，更优选3股进料均匀分布在同一平面互呈120°；和/或

所述载气为N₂/CO₂混合气，其中N₂与CO₂体积比为2.5～10：1，优选2.5～5：1，每股进料载气流量为100～300Nm³/h。

8.根据权利要求5～7任一项所述的方法，其特征在于，步骤3)热解区域中：所述热解原料进入热解区域后，沿导流堰(12)旋流下行；和/或

合成气先经环形导流板(11)改变气流方向后，再由合成气出口(10)排出。

9.根据权利要求5～8任一项所述的方法，其特征在于，步骤4)二段气化区域中：

二段气化区域的气化温度为1200～1300℃；和/或

所述气化剂组成为水蒸气与氧气，二者体积比为0.15～0.5:1；氧气体积与灰渣和热解熔渣质量和比例为0.8～1.0：1。

10.根据权利要求5～9任一项所述的方法，其特征在于，制备的合成气，其体积百分含量组成包括H₂ 33～40％，CO 45～51％，CO₂ 9～15％，CH₄ 0.8～1.5％，C2～C4组分<1％；所述合成气中H₂/CO体积比优选为0.65～0.85：1；排出的二段灰渣中残碳含量低于5wt％。