CN111088078B - 一种气流床气化炉及碳质原料的气化方法 - Google Patents

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Abstract

一种气流床气化炉及碳质原料的气化方法，所述气流床气化炉包括第一进料系统、第二进料系统、竖直炉体和出渣口，所述第一进料系统用于第一碳质原料进料，所述第二进料系统用于第二碳质原料进料，在所述竖直炉体的下方设置至少一个用于排出粗煤气和液态渣的出渣口。本发明提供的气流床气化炉和气化方法既合理利用了碳质原料进料的热能，又提高了气流床气化炉中碳质原料的转化率。

Description

一种气流床气化炉及碳质原料的气化方法
技术领域
本发明涉及一种气流床气化炉及气化方法，更具体地说，是一种加工碳质原料的气流床气化炉和气化方法。
背景技术
煤炭热解可以生产半焦、煤焦油和煤气，但热解需要外供热能，使原料煤能在一定温度下进行热解反应。供热的方法之一就是利用高温半焦或高温灰直接与原料煤接触，换热并发生热解反应。如果以生产焦炭为目的，则产生的高温焦炭还需要冷却，热能损失严重。如果以生产煤焦油为目的，则产生的高温半焦，也需要冷却后，再进一步处理，同样造成热能损失。
气化技术是以煤等含碳物质为原料，以氧气和水蒸气作为气化剂，在高温条件下，碳和水蒸气通过化学反应转化为一氧化碳和氢气的过程。煤气化技术经过多年发展，先后产生了固定床、流化床和气流床等各种气化炉类型。气流床气化技术是通过喷嘴将煤粉颗粒或煤粉浆液以高速射流的方式通入气化炉内，其特点是反应温度高、反应压力高、反应速度快，有利于装置大型化和环保。
近年，随着煤炭开采中低阶煤的占比越来越高，低阶煤越来越多的应用于气化技术中。但是低阶煤有着高水分、高灰分、高挥发分的特点，直接将其作为气流床气化炉的进料有诸多弊端。其它碳质原料如生物质、污泥等也有着能量密度低的缺点，不能直接应用于气流床气化。现有技术的热解工艺可以将低阶煤中的挥发分以焦油的形式得到，但是生成的半焦需要进一步寻找利用用途。流化床气化工艺适用于低阶煤气化，但是流化床气化温度低，飞灰和渣中的残炭较高，环保性不如气流床气化工艺。
CN106118750A提供了梯级组合床气化工艺，物料先经过一级流化床气化，流化床气化后剩余的固体物料再进入二级气流床气化炉进行气化。通过一级流化床气化的方式解决了气流床技术的煤粉制备问题，通过二级气流床二次气化的高温反应解决了流化床技术转化率低的问题。
CN202968502U提供了一种粉煤组合式循环流化床分级热解气化炉，该气化炉实现了粉煤在不同条件下分阶段热解气化，煤粉先进入流化床气化，流化床底部连接旋流式气流床气化炉，旋流床气化炉的进料为流化床气化炉产生的粗粉和细粉。该技术使用气流床气化炉避免流化床的排渣困难问题。
目前现有技术在煤炭梯级转化和联产加工碳质原料过程中，存在碳转化率低、能耗高、环保性差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种加工碳质原料的气流床气化炉和气化方法，以解决现有技术中存在的煤炭梯级转化和联产技术在碳质原料加工过程中碳转化率低、能耗高、环保性差等问题。
本发明提供了一种气流床气化炉，所述气流床气化炉包括第一进料系统、第二进料系统、竖直炉体和出渣口，所述第一进料系统用于第一碳质原料和气化剂进料，所述第二进料系统用于第二碳质原料和气化剂进料；所述第一进料系统包括进料筒体、主进料管和辅进料管，所述进料筒体位于竖直炉体的上方，且二者同轴，在进料筒体的侧壁上设置一个用于第一碳质原料进料的主进料管，在所述进料筒体的上部设置一个用于气化剂进料的辅进料管；所述第二进料系统设置在竖直炉体的侧壁上，由至少两个用于第二碳质原料和气化剂同时进料的烧嘴组成；在所述竖直炉体的下方设置至少一个用于排出粗煤气和液态渣的出渣口。
本发明提供的气化炉设置两个进料系统，第一进料系统设置在气化炉顶部，第二进料系统设置在气化炉的侧壁上。通过两个分别设置的进料系统，能够将适宜气流床气化炉直接进料的碳质原料和不适宜直接进料的碳质原料分别从不同的进料系统进入气流床气化炉，同时进行气化反应，既合理利用了碳质原料进料的热能，又提高了气流床气化炉中碳质原料的转化率。
本发明提供的气流床气化炉中，优选所述进料筒体为同径圆筒体，所述竖直炉体为同径圆筒体，进料筒体与竖直炉体的内径比为0.1～0.6：1；进料筒体与竖直炉体的高度比为0.1～0.4：1。
所述主进料管设置在进料筒体的侧壁上，为同径圆筒体，在本发明的其中一种实施方式中，主进料管沿进料方向的轴心线与进料筒体沿进料方向的轴心线相交，其之间的夹角为锐角，优选该夹角在15°～65°之间。
在本发明的另一中实施方式中，所述主进料管为同径圆筒体，主进料管的轴心线与进料筒体的内壁圆周相切，或者与该内壁圆周的切线平行。从而使第一碳质原料以螺旋下行的形式下落，进入气化炉的竖直炉体内。
优选在主进料管的外壁设置保温材料，以防向外界散热造成热损失。优选在主进料管的内壁设置耐火材料，耐火材料可以为刚玉或其它耐高温的耐火材料。
优选所述辅进料管与进料筒体同轴，所述辅进料管的下端口不超过进料筒体的下端口，辅进料管与进料筒体的内径比为0.02～0.2：1，所述辅进料管的外部设置水夹套和/或耐火材料。
优选所述烧嘴设置于所述竖直炉体中上段的侧壁上，所述烧嘴在筒体径向上均匀分布，所述烧嘴的数量为偶数。进一步优选，所述烧嘴的数量为2～8之间的偶数，更优选为4。
本发明提供的流化床气化炉中，主进料管中进料为第一碳质原料，优选所述第一碳质原料为第三碳质原料经热转化过程后产生的含碳副产品，如热解半焦、流化床飞灰等，但并不仅限于上述列举的原料。所述第三碳质原料选自煤、石油焦、渣油、沥青、生物质和污泥中的一种或多种，所述的热转化过程包括但并不限于热解、焦化或气化。烧嘴中进料为第二碳质原料，优选为常规气流床气化炉的直接进料的碳质原料。为了更好地发挥本发明所述气流床气化炉的特点，优选所述主进料管内物料流速低于烧嘴内物料流速；主进料管内物料温度高于烧嘴内物料温度。
本发明不限制气流床气化炉壁的形式，所述气流床气化炉可以是冷壁炉，也可以是热壁炉。
本发明还提供一种碳质原料的气化方法，采用上述的气流床气化炉进行，并包括以下步骤：
第一碳质原料通过主进料管进入进料筒体，再进入竖直炉体中，部分气化剂通过辅进料管进入进料筒体，然后进入竖直炉体中；
另一部分气化剂和第二碳质原料通过烧嘴进入竖直炉体中，在竖直炉体内，第一碳质原料、第二碳质原料和气化剂进行气化反应，生成粗煤气和液态渣；
气化生成的粗煤气和液态渣从气化炉的出渣口排出后，进行冷却和分离。
在本发明中，所述第一碳质原料为第三碳质原料经热转化过程后产生的含碳副产品，所述第三碳质原料选自煤、石油焦、渣油、沥青、生物质和污泥中的一种或多种，所述的热转化过程包括但并不限于热解、焦化或气化，所述的含碳副产品包括热解半焦、流化床飞灰等。优选，第一碳质原料为粉末状，颗粒粒径小于等于0.5mm。
优选所述第二碳质原料选自煤、石油焦、渣油、沥青、生物质和污泥中的一种或多种；进一步优选，第二碳质原料为粉末状或者为浆液状，颗粒粒径小于等于0.15mm。
在本发明的其中一个实施方式中，所述第一碳质原料与第二碳质原料的质量比为1：0.8～10，优选1：1～4。
在本发明的气化方法中，优选所述的气化剂由氧化剂和水组成，氧化剂中氧气含量至少为21体积％。
在本发明的气化方法中，优选气流床气化炉内的气化反应条件为：气化温度在900～1500℃之间，气化压力在0.1～8.3MPa之间，进一步优选，气化温度在1100～1400℃之间，气化压力在0.5～4.1MPa之间。
本发明中，气化生成的粗煤气和液态渣从气流床气化炉的出渣口排出后，进行冷却和分离。本发明不限制其冷却形式，可以是激冷，也可以是废热锅炉。
为了更好地发挥本发明所述气流床气化炉和气化方法的特点，优选，主进料管内物料流速低于烧嘴内物料流速；主进料管内物料温度高于烧嘴内物料温度。进一步优选，主进料管内第一碳质原料的温度在500～950℃之间，流速在0.1～20m/s之间。在本发明其中一种实施方式中，主进料管内还加入输送介质，优选加入为密相输送所需的惰性气体或二氧化碳。
本发明提供的碳质原料的气化方法，将适于气流床气化炉直接进料的第二碳质原料通过本发明气流床气化炉的第二进料系统直接进入本发明的气化炉内，将不适于气流床气化炉直接进料的第一碳质原料通过本发明气流床气化炉的第一进料系统进入本发明的气化炉内，同时，第一碳质原料本身是其他热加工过程的含碳副产品，携带大量的热能。因此，本发明提供的气化方法既合理利用了碳质原料进料的热能，又有效地将含碳副产品进一步的碳转化利用，提高了整体碳加工过程的热效率、碳转化率和环保性。
附图说明
图1是本发明提供的气流床气化炉结构示意简图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
下面结合附图对本发明所提供的气流床气化炉予以进一步的说明，但本发明并不因此受到任何限制。图中省略了许多气流床气化炉的辅助结构但这对本领域普通技术人员是公知的。
如图1所示，本发明所述气流床气化炉包括第一进料系统、第二进料系统、竖直炉体101和出渣口103，所述第一进料系统用于第一碳质原料和气化剂进料，所述第二进料系统用于第二碳质原料和气化剂进料；所述第一进料系统包括进料筒体201、主进料管202和辅进料管203，所述进料筒体201位于竖直炉体101的上方，且二者同轴，在进料筒体201的侧壁上设置一个用于第一碳质原料进料的主进料管202，在所述进料筒体的上部设置一个用于气化剂进料的辅进料管203；所述第二进料系统设置在竖直炉体101的侧壁上，由至少两个用于第二碳质原料和气化剂同时进料的烧嘴102组成；在所述竖直炉体的下方设置至少一个用于排出粗煤气和液态渣的出渣口103。
本发明还提供一种碳质原料的气化方法，采用上述的气化炉进行，并包括以下步骤：
第一碳质原料通过主进料管202进入进料筒体201，再进入竖直炉体101中，部分气化剂通过辅进料管203进入进料筒体201，然后进入竖直炉体101中；
另一部分气化剂和第二碳质原料通过烧嘴102进入竖直炉体101中，在竖直炉体101内，第一碳质原料、第二碳质原料和气化剂进行气化反应，生成粗煤气和液态渣；
气化生成的粗煤气和液态渣从气化炉的出渣口103排出后，进行冷却和分离。
下面结合实施例对本发明的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的气体和液体的体积数值均为25℃和1个标准大气压下的数值。
在本发明实施例中，有效气体体积分数为：氢气和一氧化碳占粗煤气的体积分数之和。
比煤耗为：生产标准状态下每立方米氢气和一氧化碳所消耗的碳质原料的质量。所述的碳质原料的质量为进入气化炉的第一碳质原料和第二碳质原料的质量之和。
比氧耗为：生产标准状态下每立方米氢气和一氧化碳所消耗的氧气的体积。
实施例1
使用煤炭A作为第三碳质原料，煤炭A样品的分析结果如表1所示。将煤炭A使用固体热载体热解炉进行热解，将600℃时热解产生的半焦作为第一碳质原料，其粒度范围在0.1～0.45mm之间，第一碳质原料的分析结果如表2所示。将煤炭A进行干燥和破碎，得到第二碳质原料，其粒度为小于等于0.15mm。
采用本发明提供的气流床气化炉，所述气流床气化炉包括第一进料系统、第二进料系统、竖直炉体和出渣口。其中，第一进料系统包括进料筒体、主进料管和辅进料管，进料筒体与竖直炉体的内径比为0.3：1，进料筒体与竖直炉体的高度比为0.15：1。所述辅进料管与进料筒体同轴，所述辅进料管的下端口不超过进料筒体的下端口，辅进料管与进料筒体的内径比为0.05：1。在进料筒体侧壁设置1个主进料管，主进料管沿进料方向的轴心线与进料筒体沿进料方向的轴心线相交，其之间的夹角为锐角，该夹角在30℃。在竖直炉体中上段的侧壁上设置4个烧嘴，其在筒体径向上均匀分布。
第一碳质原料的进料温度为550℃，由主进料管进入进料筒体，然后进入竖直炉体。第二碳质原料的进料温度为40℃，从烧嘴进入竖直炉体。第一碳质原料与第二碳质原料的质量比为0.5：1。第一碳质原料在进料管内的流速为2.0m/s，第二碳质原料在烧嘴内的流速为80m/s。
气化剂为氧气和水蒸气，气化剂中氧气含量为23体积％。部分气化剂由辅进料管进入进料筒体，另一部分气化剂由烧嘴进入竖直炉体。由辅进料管进入气化炉和由烧嘴进入气化炉的气化剂的体积比例为0.4：1。
第一碳质原料、第二碳质原料和气化剂进行气化反应，生成粗煤气和液态渣。气流床气化炉内的气化反应条件为：气化温度为1350℃，气化压力为4.0MPa。
气化生成的粗煤气和液态渣从气流床气化炉的出渣口排出后，进行冷却和分离。
按照上述的气化炉和气化方法，得到的气化反应指标见表3。
表1煤炭A样品的煤质分析结果
分析项目 分析数据
工业分析(重量百分比)GB/T 212
M<sub>ad</sub>/％ 2.95
A<sub>d</sub>/％ 5.76
V<sub>daf</sub>/％ 34.45
FC<sub>daf</sub>/％ 65.55
元素分析(重量百分比)GB/T 476
C/％ 78.96
H/％ 3.47
N/％ 0.90
S/％ 0.83
O/％* 15.84
*差减法
表2第一碳质原料的分析结果
分析项目 分析数据
工业分析(重量百分比)GB/T 212
M<sub>ad</sub>/％ 0.80
A<sub>d</sub>/％ 9.10
V<sub>daf</sub>/％ 17.80
FC<sub>daf</sub>/％ 82.20
元素分析(重量百分比)GB/T 476
C/％ 91.92
H/％ 2.68
N/％ 1.01
S/％ 0.29
O/％* 4.10
*差减法
表3气化反应指标
项目 数据
有效气体体积分数/％ 82.2
比煤耗/(kg/km<sup>3</sup>(CO+H<sub>2</sub>)) 426.4
比氧耗/(m<sup>3</sup>/km<sup>3</sup>(CO+H<sub>2</sub>)) 275.9
实施例2
同样使用煤炭A作为第三碳质原料。将煤炭A使用流化床气化炉进行部分气化，将气化剩余物即含碳副产品作为第一碳质原料，其粒度范围在0.1～0.45mm之间，第一碳质原料的分析结果如表4所示。将煤炭A进行干燥和破碎，得到第二碳质原料，其粒度为小于等于0.15mm。
采用与实施例1相同的气流床气化炉进行气化反应。
第一碳质原料的进料温度为850℃，由主进料管进入进料筒体，然后进入竖直炉体。第二碳质原料的进料温度为40℃，从烧嘴进入竖直炉体。第一碳质原料与第二碳质原料的质量比为0.3：1。
气化剂为氧气和水蒸气，气化剂中氧气含量为23体积％。部分气化剂由辅进料管进入进料筒体，另一部分气化剂由烧嘴进入竖直炉体。由辅进料管进入气化炉和由烧嘴进入气化炉的气化剂的体积比例为0.4：1。
第一碳质原料、第二碳质原料和气化剂进行气化反应，生成粗煤气和液态渣。气化炉内的气化反应条件为：气化温度为1350℃，气化压力为4.0MPa。
气化生成的粗煤气和液态渣从气化炉的出渣口排出后，进行冷却和分离。
按照上述的气化炉和气化方法，得到的气化反应指标见表5。
表4第一碳质原料的分析结果
分析项目 分析数据
工业分析(重量百分比)GB/T 212
M<sub>ad</sub>/％ 0.78
A<sub>d</sub>/％ 29.72
V<sub>daf</sub>/％ 6.59
FC<sub>daf</sub>/％ 93.41
元素分析(重量百分比)GB/T 476
C/％ 97.20
H/％ 0.83
N/％ 1.13
S/％ 0.52
O/％* 0.32
*差减法
表5气化反应指标
项目 数据
有效气体体积分数/％ 84.2
比煤耗/(kg/km<sup>3</sup>(CO+H<sub>2</sub>)) 441.5
比氧耗/(m<sup>3</sup>/km<sup>3</sup>(CO+H<sub>2</sub>)) 252.6

Claims (14)

1.一种碳质原料的气化方法，其特征在于，采用气流床气化炉进行气化，
所述气流床气化炉包括第一进料系统、第二进料系统、竖直炉体和出渣口，所述第一进料系统用于第一碳质原料和气化剂进料，所述第二进料系统用于第二碳质原料和气化剂进料；所述第一进料系统包括进料筒体、主进料管和辅进料管，所述进料筒体位于竖直炉体的上方，且二者同轴，进料筒体与竖直炉体的内径比为0.1～0.6：1，在进料筒体的侧壁上设置一个用于第一碳质原料进料的主进料管，在所述进料筒体的上部设置一个用于气化剂进料的辅进料管，所述主进料管为同径圆筒体，主进料管沿进料方向的轴心线与进料筒体沿进料方向的轴心线相交，其之间的夹角为锐角，所述辅进料管与进料筒体同轴，所述辅进料管的下端口不低于进料筒体的下端口，辅进料管与进料筒体的内径比为0.02～0.2：1；所述第二进料系统设置在竖直炉体的侧壁上，由至少两个用于第二碳质原料和气化剂同时进料的烧嘴组成；在所述竖直炉体的下方设置至少一个用于排出粗煤气和液态渣的出渣口；
并包括以下步骤：
第一碳质原料通过主进料管进入进料筒体，再进入竖直炉体中，部分气化剂通过辅进料管进入进料筒体，然后进入竖直炉体中；
另一部分气化剂和第二碳质原料通过烧嘴进入竖直炉体中，在竖直炉体内，第一碳质原料、第二碳质原料和气化剂进行气化反应，生成粗煤气和液态渣；
气化生成的粗煤气和液态渣从气化炉的出渣口排出后，进行冷却和分离；
所述第一碳质原料为第三碳质原料经热转化过程后产生的含碳副产品，所述第三碳质原料选自煤、石油焦、渣油、沥青、生物质中的一种或多种；
所述第二碳质原料选自煤、石油焦、渣油、沥青、生物质中的一种或多种；
主进料管内第一碳质原料的温度在500～950℃之间，流速在0.1～20m/s之间；
主进料管内物料流速低于烧嘴内物料流速；主进料管内物料温度高于烧嘴内物料温度。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第一碳质原料为粉末状，颗粒粒径小于等于0.5mm。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第二碳质原料为粉末状或者为浆液状，颗粒粒径小于等于0.15mm。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一碳质原料与第二碳质原料的质量比为1：0.8～10。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一碳质原料与第二碳质原料的质量比为1：1～4。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，气化剂由氧化剂和水组成，氧化剂中氧气含量至少为21体积％。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，气流床气化炉内的气化反应条件为：气化温度在900～1500℃之间，气化压力在0.1～8.3MPa之间。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进料筒体为同径圆筒体，所述竖直炉体为同径圆筒体；进料筒体与竖直炉体的高度比为0.1～0.4：1。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧嘴设置于所述竖直炉体中上段的侧壁上，所述烧嘴在筒体径向上均匀分布，所述烧嘴的数量为偶数。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述烧嘴的数量为2～8之间的偶数。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述烧嘴的数量为4。
12.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，主进料管沿进料方向的轴心线与进料筒体沿进料方向的轴心线相交，其之间的夹角在15°～65°之间。
13.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主进料管为同径圆筒体，主进料管的轴心线与进料筒体的内壁圆周相切，或者与该内壁圆周的切线平行。
14.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述辅进料管的外部设置水夹套和/或耐火材料。
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