CN110938472A - 气化炉及煤气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤气化技术领域，提供了一种气化炉及煤气化方法。该气化炉包括炉体，炉体的腔体形成有下部区域和上部区域，上部区域设有粉体分布装置，吹送介质带动吸收剂流通于粉体分布装置的通道，通道的末端与分离净化系统连通。煤气化方法包括以下步骤：物料进入到炉体内；下部区域内的物料与气化剂燃烧产生的含有CO₂的混合气体并进入到上部区域继续反应生产粗煤气；在上部区域设置粉体分布装置，吹送介质带动吸收剂通过粉体分布装置与粗煤气混合，经吸收剂吸收CO₂后的粗煤气与吸收剂和吹送介质进入到分离净化系统。本申请，在炉体内设置粉体分布装置，用于引入吸收剂，通过引入的吸收剂吸收CO₂，提高合成气品质以及煤制气效率。

Description

气化炉及煤气化方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，具体涉及一种气化炉及煤气化方法。

背景技术

煤制合成天然气过程是通过煤气化将煤转化为粗煤气(主要含有CO、H₂、CH₄等有效组分及杂质)，粗煤气经过净化冷却后，进入水蒸气变换工段调整氢碳比，最后经过合成甲烷化反应，得到甲烷含量大于94％的合成天然气。其中煤气化过程是核心，该过程以蒸汽、氧气为气化剂，与原料煤反应生成粗煤气，粗煤气中有效气成分含量越高，则后续合成甲烷化效率越高。煤气化按照反应器类型进行分类，主要分为固定床、流化床以及气流床。其中固定床煤气化过程，粗煤气中CO₂含量较高，可达到干基气体组成的30％以上，如果能够优化粗煤气组成，降低CO₂的含量，同时增加甲烷含量，将会进一步提高煤制气效率。

其中，CaO可以在煤炭转化过程中吸收CO₂，促使煤气化反应向CH₄生成方向进行，得到主要包含H₂和CH₄，且碳氧化物含量较低的粗煤气。固定床煤气化过程中，气化炉内的煤颗粒以堆积形式存在，随着气化炉底部灰渣不断排出，整体床层逐渐向下移动，新鲜的原料煤从反应器顶部补充，原料气与煤逆流接触。气化炉的内部形成有下部区域和上部区域，其中，下部区域用于原料的燃烧，上部区域又可由下至上依次分为气化区、干馏区和干燥区，同时，气化炉内由上到下，根据反应过程不同，温度逐渐升高。原料煤从上部进入到炉体内部后分别发生干燥、热解、气化反应后得到碳颗粒，碳颗粒进入到燃烧区域。

CaO吸收CO₂的反应需要避开气化炉底部的高温区，所以CaO不能与原料煤混合加入，只能在气化炉中下部单独加入，进入气化炉后与粗合成气并流向上运动，在上部区域吸收粗煤气中的CO₂。但由于密堆积的煤颗粒间空隙有限，因此CaO如何均匀分散在各个煤颗粒的间隙内，以及避开煤颗粒的阻碍，与气流充分混合后向上顺畅运动是亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种气化炉及煤气化方法。

上述的气化炉包括炉体，炉体的腔体由下至上形成有下部区域和上部区域，物料堆积在下部区域和上部区域，上部区域设有粉体分布装置，粉体分布装置的进料口穿设在炉体的侧壁上，用于引入吹送介质和吸收剂，粉体分布装置上设有与腔体连通的通孔，以使吸收剂与上部区域产生的粗煤气混合。

可选的，粉体分布装置包括至少一根导管，导管的内部中空形成供吹送介质带动吸收剂流通的通道，导管的第一端穿设在所述炉体的侧壁上，形成所述粉体分布装置的进料口，导管的第二端与气化炉的煤气出口连通，通孔设置在导管的管壁上。

可选的，导管包括：

第一管体，设置在炉体的侧壁上，形成粉体分布装置的进料口；

第二管体，用于与煤气出口连通；

第三管体，两端分别与第一管体和第二管体连通，第三管体沿竖直方向设置并穿过上部区域，通孔设置在第三管体的侧壁上。

可选的，第三管体的外周沿竖直方向设置有多个环形凸起，环形凸起的截面呈锯齿状，且环形凸起的底部与斜边的夹角小于或等于90°，通孔设置在环形凸起的底部。

可选的，粉体分布装置包括设置在炉体内壁上的围板，围板与炉体的内壁之间围成可供吹送介质充入的容纳腔，通孔设置在围板上，以连通腔体和容纳腔，围板的中间设有连通腔体上、下区域的下料通道。

可选的，围板的顶部朝向炉体的侧壁方向倾斜，通孔设置在围板的倾斜面上。

可选的，围板的底部设有排料口。

可选的，粉体分布装置的进料口通过送料管连接有鼓风装置，送料管上连接有用于输送吸收剂的送料仓，送料管上设有用于控制吹送介质压力大小的压力阀。

上述的煤气化方法包括以下步骤：

物料进入到炉体的腔体，并堆积在炉体的下部区域和上部区域；

炉体的底部向上充入气化剂，下部区域内的物料与气化剂燃烧产生含有CO₂的混合气体，混合气体与气化剂携带热量向上流动，进入到上部区域继续反应生成粗煤气；

在上部区域设置粉体分布装置，吹送介质带动吸收剂通过粉体分布装置与上部区域产生的粗煤气混合，经吸收剂吸收CO₂后的粗煤气与吸收剂和吹送介质进入到分离净化系统。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请，在炉体内设置粉体分布装置，用于引入吸收剂，并通过吹送介质带动吸收剂均匀分散，使得气化区域产生的粗煤气与吸收剂混合，进而通过吸收剂吸收粗煤气内的CO₂，再进入到分离净化系统，以此提高合成气品质以及煤制气效率。

附图说明

图1是本发明一实施方式中气化炉的示意图；

图2是本发明一实施方式中导管的设置方式的示意图；

图3是本发明一实施方式中第三管体的设置方式的示意图；

图4是本发明一实施方式中围板的设置方式的示意图；

图5是本发明一实施方式中围板的设置方式的俯视图。

附图标记：

1、炉体；11、煤仓；12、灰仓；13、煤分配器；14、炉箅；15、下料通道；2、腔体；3、分离净化系统；4、导管；41、第一管体；42、第二管体；43、第三管体；431、环形凸起；5、围板。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供的气化炉包括炉体1，炉体1为圆柱体状，炉体1的内部设有腔体2，炉体1的顶部和底部分别设有与腔体2连通的煤仓11和灰仓12，物料储存在煤仓11内，腔体2的顶部设有煤分配器13。本申请的物料指储存在煤仓11内的原料煤，原料煤进入到腔体2前，需经过煤分配器13将其均匀分散，经过分散的原料煤堆积在腔体2内进行燃烧气化。腔体2的底部设有炉箅14，其中，炉箅14为塔形，起到支撑物料的作用，且炉箅14多层环孔布气，气化剂通过炉体1的底部进入，并通过各层炉箅14均匀分布在炉膛的断面上，使得气化剂向上移动。其中，气化剂优选为蒸汽和氧气。

经燃烧产生的灰渣进入到灰仓12，经燃烧气化产生的粗煤气进入到设置在炉体1顶部的分离净化系统3内进行分离净化。随着灰渣从气化炉的底部排出，堆积在腔体2内的物料逐渐向下移动，气化剂与物料逆流接触，新鲜的原料煤从顶部补充，原料煤向下移动过程中，分别发生干燥、热解和气化等反应，使得进入到腔体2下部的物料为反应剩余的碳，碳在该区域进行燃烧。

腔体2内由下至上形成有下部区域和上部区域，其中，下部区域包括燃烧区，上部区域又可由下至上依次划分为气化区、干馏区和干燥区。燃烧区的温度为1000至1100℃、气化区的温度为550至1000℃、干馏区的温度为350至550℃、干燥区的温度为300至350℃。燃烧区的温度最高，燃烧区内的物料与气化剂燃烧后产生大量CO₂，携带热量向上流动。进入气化区后，经干燥和干馏的物料与大量H₂O和CO₂发生吸热的还原反应，因此该区域温度有所下降，同时产生H₂和CO，发生甲烷化反应产生CH₄。气化区产生的高温气体继续向上流动，与干馏区和干燥区内的原料煤接触，分别发生原料煤的干馏和干燥过程，最终排出气化炉进入后续分离净化系统3。

为了降低粗煤气中CO₂的含量，以此提高合成气品质以及煤制气效率。本申请向腔体2内引入吸收剂，其中，吸收剂优选为CaO和CaCO₃等。而CaO与CaCO₃的碳酸化-分解平衡受反应温度和压力影响，为了促进CaO吸收CO₂，使平衡向碳酸化合成CaCO₃的方向移动，需要创造合适的条件。公式lgP_co2,eq＝7.089-8308/T，给出了反应体系内CO₂平衡分压与温度的关系。随着温度升高，平衡分压升高。所以低温条件下更容易发生CaO的碳酸化反应，而高温条件下更容易发生CaCO₃分解反应。利用上述公式计算得出，700℃、900℃和1000℃对应的CO₂平衡分压分别为0.03、1.0和3.6atm。

因此，本申请在上部区域设置粉体分布装置，物料堆积在下部区域和上部区域，粉体分布装置的进料口穿设在炉体1的侧壁上，用于引入吹送介质和吸收剂，吹送介质带动吸收剂通过进料口进入到粉体分布装置内，粉体分布装置上设有与腔体2连通的通孔，该通孔可供吸收剂和气体穿过，以使吸收剂与物料经燃烧气化产生的粗煤气混合。其中，炉体1上连接有分离净化系统3，粗煤气与吸收剂混合后进入到分离净化系统3。由于上部区域的温度较低，因此CO₂的平衡分压均较低，有利于CaO碳酸化过程。因此在上部区域内加入吸收剂，可有效吸收由燃烧区产生的大量的CO₂，促进最终粗煤气中的CH₄产率的提高。

其中，吸收剂还可包括Ca(OH)₂、焙烧活化后的石灰石或白云石等。吸收剂通过吹送介质将其引入到粉体分布装置内，再与粗煤气混合起到吸收CO₂的效果。其中吹送介质可以为水蒸气、N₂、CO、H₂、分离出CH₄的循环合成气中的一种或多种的混合物。

为了便于原理的说明，下面以CaO作为吸收剂为例进行描述。

吸收剂可以促使煤气化反应向CH₄生成方向进行，得到主要包含H₂、CH₄和碳氧化物含量较低的粗煤气。主要利用的化学反应是CaO+CO₂＝CaCO₃。

具体地，在上部区域设置粉体分布装置，用于引入吸收剂，并通过吹送介质带动吸收剂均匀分散，使得气化区域产生的粗煤气与吸收剂混合，进而通过吸收剂吸收粗煤气内的CO₂，再进入到分离净化系统3，以此提高合成气品质以及煤制气效率。

本申请的粉体分布装置的进料口通过送料管连接有用于吹出吹送介质的鼓风装置，送料管上连接有用于输送吸收剂的送料仓，送料管上设有用于控制吹送介质压力大小的压力阀。可通过控制压力阀的开度进而控制吹送介质的流量与流速，操作方便，同时，可在送料管上设置压力表，用于精准测量进入到粉体分布装置内部的压力的大小，进而控制吸收剂与粗煤气接触的时间。

在一些实施例中，粉体分布装置包括至少一根导管4，导管4的内部中空形成供吹送介质带动吸收剂流通的通道，导管4的第一端穿过炉壁与鼓风装置连接，导管4的第二端与气化炉的煤气出口连通，使得吹送介质带动吸收剂和粗煤气进入到分离净化系统3，导管4内部的压力小于腔体2内部的压力，通孔设置在导管4的管壁上，使得粗煤气能够通过通孔进入到导管4内，并与吸收剂充分混合，经吸收剂处理的粗煤气带动吸收剂进入到分离净化系统3。该种设计方式可避免吸收剂与煤颗粒直接接触，使得吸收剂避开煤颗粒的阻碍，能够与粗煤气充分接触，增加CO₂的吸收效果。

如图2所示，导管4包括第一管体41、第二管体42和第三管体43。第一管体41设置在炉体1的侧壁上，形成粉体分布装置的进料口，用于与鼓风装置连接。第二管体42用于与煤气出口连通，即第二管体42的端部与分离净化系统3连通。第三管体43两端分别与第一管体41和第二管体42连通，第三管体43沿竖直方向设置并穿过上部区域，通孔设置在第三管体43的侧壁上。物料堆积在第三管体43的外侧与炉体1的内壁形成的环形间隙内，且第三管体43沿着其径向方向横截面的面积为炉体1的横截面面积的10％至30％。

进一步优化地，如图3所示，第三管体43的外周沿竖直方向设置为多个环形凸起431，环形凸起431的截面呈锯齿状，且环形凸起431的底部与斜边的夹角小于或等于90°，环形凸起431的底部与斜边的夹角越大，环形凸起431的坡度越大，便于煤颗粒滑落。而当环形凸起431的底部与斜边的夹角为90°时，环形凸起431的斜边沿竖直方向设置或环形凸起的底部非水平设置，使得环形凸起431形成环状，且环形凸起431的外径由上至下逐渐增大，通孔设置在环形凸起431的底部。其中，环形凸起431的底部水平设置，环形凸起431的斜边与竖直方向之间的角度优选为20至40°。当煤颗粒运动到第三管体43的侧面，将会沿着环形凸起431的斜面滑落，使得环形凸起431的底部形成局部空隙，避免了煤颗粒堆积，保障了气体的流通。通孔设置在环形凸起431的底部，且该处通孔的设计尺寸小于1mm。燃烧气化产生的粗煤气通过通孔进入到第三管体43，与导管4内流动的带有吸收剂的吹送介质混合，CO₂被吸收剂吸收，吹送介质带动改善后的粗煤气和吸收剂进入到分离净化系统3。

其中，炉体1内部与导管4内部的压差控制在20至100kPa。如果压差过大，则气化区产生的粗煤气将不会继续向上通过床层，起不到干馏和干燥原料煤的作用。可通过控制吹送介质的流速进而增加吸收剂与粗煤气接触的时间，增加CO₂的吸收效果。而炉体1内部的压力可通过气化炉内部的压力控制系统进行调节，导管4内流通吹送介质的压力可通过控制压力阀的流量进行调节，用于控制炉体1内部与导管4内部的压差，确保煤气化过程顺利进行，并能够通过吸收剂吸收CO₂。

粉体分布装置也可设置成其他形状，只要其两端能够分别与鼓风装置和分离净化系统3连接即可。

在另一些实施例中，结合图4和图5所示，粉体分布装置包括设置在炉体1内壁上的围板5，围板5与炉体1的内壁之间围成可供吹送介质充入的容纳腔，通孔设置在围板5上，以连通腔体2和容纳腔。容纳腔与进料口连通，吹送介质带动吸收剂通过进料口进入到容纳腔内，再通过通孔进入到腔体2内，避免因通孔过长导致吸收剂堵塞在通孔内的现象发生。吹送介质带动吸收剂喷入腔体2内，物料经燃烧气化后产生的粗煤气向上流动，并与吸收剂混合后带动吸收剂进入到分离净化系统内。围板5的中间设有连通腔体2的上、下区域的下料通道15，使得从上部区域加入的物料可以下移到下部区域。

如图4所示，围板5的顶部朝向炉体1的侧壁方向倾斜，使得围板5的倾斜面朝向炉体1的中心线方向设置，通孔设置在围板5的倾斜面上，使得吹送介质带动吸收剂朝向炉体1的中心线方向吹送。优选的，围板5的顶部与炉体1的侧壁之间的夹角为20至40°。围板5沿着炉体1径向方向的长度占炉体1内径的15％至30％，围板5的底部与炉体1的内壁密封连接。进一步优化地，围板5的底部设有排料口。优选的，排料口为2至4个，便于停炉拆检时，清理容纳腔中的吸收剂。通孔优选为2至4个，吹送介质带动吸收剂穿过通孔，使得吸收剂被喷射进入碎煤颗粒间隙中，随后被上升的粗煤气带动，均匀分散于反应体系内，继续向炉体1的上部移动，最终进入到分离净化系统3。

本申请的煤气化的方法包括以下步骤：

步骤一，物料进入到炉体1的腔体2，并堆积在炉体1的下部区域和上部区域。具体地，以8至40mm的块煤为原料，自煤仓11进入到炉体1的腔体2内。

步骤二，炉体1的底部向上充入气化剂，下部区域内的物料与气化剂燃烧产生含有CO₂的混合气体，混合气体与气化剂携带热量向上流动，进入到上部区域继续反应生成粗煤气。随着灰渣从炉体1的底部排出，物料逐渐向下移动，原料煤逐渐从煤仓11内补充。在下部区域中，主要反应为碳的燃烧，产生CO₂的量较大。

步骤三，在上部区域设置粉体分布装置，吹送介质带动吸收剂通过粉体分布装置与上部区域产生的粗煤气混合，经吸收剂吸收CO₂后的粗煤气与吸收剂和吹送介质进入到分离净化系统。

吸收剂的粒径控制在0.2至1mm，如果颗粒过大，所需要的粗煤气或吹送介质的气流增加，将会影响工况的稳定性；如果颗粒过小，则吸收剂移动的速度加快，在腔体2内的停留时间减小，将会影响CO₂的吸收效果。且为了达到较好的CO₂的吸收效果，控制吸收剂在腔体2内停留的时间为1至10S。气化区的温度控制在550至1000℃，系统压力为1.5至4Mpa。CaO与物料的质量比为0.05至0.2。其中，气化炉在现有技术中较为成熟，气化炉的腔体2的内部设有压力检测系统、压力控制系统、温度控制系统和温度反馈单元，用于控制腔体2内压力和温度的变化，因此未作过多描述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种气化炉，其特征在于，包括炉体，所述炉体的腔体由下至上形成有下部区域和上部区域，物料堆积在所述下部区域和所述上部区域，所述上部区域设有粉体分布装置，所述粉体分布装置的进料口穿设在所述炉体的侧壁上，用于引入吹送介质和吸收剂，所述粉体分布装置上设有与所述腔体连通的通孔，以使所述吸收剂与所述上部区域产生的粗煤气混合。

2.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述粉体分布装置包括至少一根导管，所述导管的内部中空形成供所述吹送介质带动所述吸收剂流通的通道，所述导管的第一端穿设在所述炉体的侧壁上，形成所述粉体分布装置的进料口，所述导管的第二端与气化炉的煤气出口连通，所述通孔设置在所述导管的管壁上。

3.根据权利要求2所述的气化炉，其特征在于，所述导管包括：

第一管体，设置在所述炉体的侧壁上，形成粉体分布装置的进料口；

第二管体，用于与所述煤气出口连通；

第三管体，两端分别与所述第一管体和所述第二管体连通，所述第三管体沿竖直方向设置并穿过所述上部区域，所述通孔设置在所述第三管体的侧壁上。

4.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于，所述第三管体的外周沿竖直方向设置为多个环形凸起，所述环形凸起的截面呈锯齿状，且所述环形凸起的底部与斜边的夹角小于或等于90°，所述通孔设置在所述环形凸起的底部。

5.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述粉体分布装置包括设置在所述炉体内壁上的围板，所述围板所述炉体的内壁之间围成可供吹送介质充入的容纳腔，所述通孔设置在所述围板上，以连通所述腔体和所述容纳腔，围板的中间设有连通所述腔体上、下区域的下料通道。

6.根据权利要求5所述的气化炉，其特征在于，所述围板的顶部朝向所述炉体的侧壁方向倾斜，所述通孔设置在所述围板的倾斜面上。

7.根据权利要求6所述的气化炉，其特征在于，所述围板的底部设有排料口。

8.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述粉体分布装置的进料口通过送料管连接有鼓风装置，所述送料管上连接有用于输送所述吸收剂的送料仓，所述送料管上设有用于控制所述吹送介质压力大小的压力阀。

9.一种煤气化方法，其特征在于，包括以下步骤：

物料进入到炉体的腔体，并堆积在炉体的下部区域和上部区域；

炉体的底部向上充入气化剂，下部区域内的物料与气化剂燃烧产生含有CO₂的混合气体，混合气体与气化剂携带热量向上流动，进入到上部区域继续反应生成粗煤气；

在上部区域设置粉体分布装置，吹送介质带动吸收剂通过粉体分布装置与上部区域产生的粗煤气混合，经吸收剂吸收CO₂后的粗煤气与吸收剂和吹送介质进入到分离净化系统。

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