CN112239677A - 一种固定床煤气化炉、固定床煤气化及煤气化制氢系统与工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤气化与煤气化制氢设备系统及工艺，具体说是一种固定床气化炉、煤气化与煤气化制氢系统及工艺方法。所述气化炉包括炉体，炉体设有若干并排的气化室，从气化剂发生装置产生的气化剂，经气化室左右两侧墙壁内的气化剂通道和内侧墙体上均匀设有的布气孔直接送入气化室，使气化室内的煤料与高温气化剂接触实现气化。由多煤气化室组成的固定床气化炉与双集气管网构成煤气化系统，通过协调和分时段煤气化工艺过程控制，实现高效煤气化及有效分离和提高煤气中氢气等主要成分的相对比例和纯度，完成煤气化和煤气化制氢等产品生产。本发明所述的固定床气化炉、煤气化与煤气化制氢系统及工艺方法，效率高，能耗低，实现高效煤气化和煤气化制氢。

Description

一种固定床煤气化炉、固定床煤气化及煤气化制氢系统与工 艺方法

技术领域

本发明涉及煤气化设备及工艺，具体说是一种固定床煤气化炉、固定床煤气化及煤气化制氢系统与工艺方法。

背景技术

我国缺油、少气、煤炭资源相对而言比较丰富的自然资源结构，决定了我国能源结构和煤炭长期在工业和经济中的重要地位。如何清洁利用我国相对丰富的煤炭资源，提升我国能源与工业技术水平和发展煤化工已成为国家能源和资源利用的重大发展方向。各种规模的高能耗工业生产和煤化工过程离不开煤气化与合成气的制备，煤气化是实现煤炭清洁和高效利用的主要途径和必要手段。

现有煤气化及其装置和技术，已从最初的常压固定床鲁奇炉技术原理和基本装置结构发展和衍生出种类繁多且不同规模的煤气化技术和装置。一般以气化装置压力可分类为，常压气化和加压气化；以气化温度可分类为，低温气化、中温气化、高温气化；以煤料在气化炉内的移动状态可分类为，固定床、流化床、气流床；以气化煤料的材料状态可分类为，粉煤、块煤、水煤浆；以煤气化采用的氧化剂可分类为，空气、富氧、纯氧；以气化装置煤气产出位置可分类为，一段式、二段式、多段式等等。其中以常压固定床煤气化技术和装置最简单和成本最低。

现有煤气化技术和装置往往是以上多种分类特点的组合和发展，比如常压固定层间歇式无烟煤气化技术、常压固定层无烟煤富氧连续气化技术、鲁奇固定层煤加压气化技术、灰熔聚流化床粉煤气化技术、恩德沸腾层(温克勒)粉煤气化技术、GE德士古(Texaco)水煤浆加压气化技术、多元料浆加压气化技术、多喷嘴(四烧嘴)水煤浆加压气化技术、壳牌(Shell)干煤粉加压气化技术、GSP干煤粉加压气化技术、两段式干煤粉加压气化技术、四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术等等。这些煤气化工艺技术和系统，各有其优缺点和适用范围，完成煤炭气化产生混合煤气。但由于设备系统和技术方法的复杂化，其普及和应用受到设备系统规模和投资规模，以及原料与运行成本等方面的严重限制和制约。

现有固定床煤气化技术及特点

固定床气化炉是最早开发出的煤气化炉，其下部为炉排，用以支撑上面的固定煤层。通常，煤料为块煤，从气化炉的顶部加入；而气化剂(氧或空气和水蒸汽)则从炉子的下部供入，形成气固间的逆向流动。气化剂进入煤气化炉(煤气化装置)，其中的氧与底部的煤料发生燃烧，产生煤气化所需要的热能；通过控制气化剂进入煤气化炉的量，在底部形成和维持一个燃烧-半燃烧层，实现其上方煤层的持续煤干馏和气化反应。这种煤气化技术的特点是技术和炉体结构简单，可为常压或加压气化，但单位容积的煤处理量小、效率低、气化温度低、污染严重、大型化困难。

现有固定床煤气化技术，无论是现有常压还是加压固定床煤气化技术，虽然在规模、效率和设备系统有很大改进，但依然是基于传统固定床煤气化炉结构和原理；其气化剂由氧化剂(空气、富氧或纯氧)和水蒸汽构成，其中氧化剂与煤料在煤气化空间内发生燃烧反应，产生煤料气化所需要的热能；通过控制氧化剂量维持煤料的燃烧-半燃烧状态，生产维持煤气化反应所需要的热能。因而，依然存在设备和生产规模小、效率低、气化温度低和污染严重等问题。

因此，现有固定床煤气化技术和煤气化装置存在以下四个主要缺点：

1)气化剂中的氧与煤气化炉内的部分煤料燃烧生产局部高温；煤气化炉内存在的过高和过低非均匀气化温度分布，导致有效气化温度低、气化与能源效率低和污染排放高，特别是以空气为氧化剂的常压固定床煤气化技术；

2)气化剂中的氧与煤气化炉内的部分煤料燃烧生产的局部高温，直接造成煤气化炉内壁出现局部高温，从而导致局部腐蚀或粘结，严重影响煤气化炉的寿命和运行安全；

3)煤气化炉的运行状态和气化效率是通过控制进入炉内的氧化剂量来实现，具体是通过对煤料的燃烧-半燃烧状态和气化温度的调节和控制。然而，其难以实现有效控制，导致煤气化炉的气化效率和能源效率低；

4)煤料以连续或断续进料方式送入气化炉，产生的是包括煤焦油、甲烷、氢气、一氧化碳等复杂成分的复合煤气，对于煤气成分的提纯和分离非常不利，严重影响煤炭作为重要煤化工原料的清洁和高效利用。

发明内容

针对现有固定床煤气化技术中在煤气化效率、生产规模、污染排放、煤气和氢气成分提纯和分离等方面存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种固定床煤气化炉、固定床煤气化系统及煤气化与煤气化制氢工艺方法，实现大规模、清洁高效、低能耗、低污染、低设备投资、低生产成本，及有效提纯和分离氢气和其他煤气主要成分。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种固定床煤气化炉，包括煤气化室和炉体，其特征在于：

所述固定床煤气化炉采用与内热式煤干馏炉基本相同或相似的专利炉体结构设计和规格，以及相应的专利耐火材料结构设计和规格【1】、【2】，但相应炉体结构具有不同的名称，并实现不同的功能和作用。一般，所述煤气化室(4)宽0.4～0.8m、长10～25m、高4～8m，气化室的顶部设有加煤孔和煤气上升管(对应于焦炉的机侧或焦侧)，气化室的两端用炉门封闭。煤料经加煤车以顶装或捣固侧装的方式加入煤气化室后即与空气隔绝。所述固定床煤气化炉炉体由若干并排的煤气化室(4)组成，每一个煤气化室(4)都构成一个单体固定床煤气化炉，提供煤料气化需要的气化反应空间和条件；从高温气化剂发生装置(1)产生的高温气化剂，经过气化剂通道(6)直接送入各煤气化室(4)，使煤气化室(4)内的煤料与高温气化剂直接接触进行煤气化。

所述的固定床煤气化炉，其特征在于：所述煤气化室(4)的左右两侧墙壁均为气化剂通透墙(7)，所述气化剂通透墙(7)上设有若干均匀分布的布气孔(5)，在气化剂通透墙(7)外侧，沿气化剂通透墙(7)长度方向设有若干均匀间隔的气化剂通道(6)；每条气化剂通道(6)沿煤气化室(4)的高度方向走向，高温气化剂通过布气孔(5)自由地从气化剂通道(6)进入煤气化室(4)；相邻煤气化室(4)的气化剂通道(6)之间由构筑的气化剂通道隔墙(8)分隔。

所述的固定床煤气化炉，其特征在于：所述各煤气化室(4)的气化剂通透墙(7)采用高温耐火砖砌成，且耐火砖在堆砌时通过预留缝隙构成布气孔(5)；或所述气化剂通透墙(7)采用孔型高温耐火砖砌成，所述孔型高温耐火砖上设有若干均匀分布的布气孔(5)；或所述气化剂通透墙(7)采用孔型高温耐火砖和高温耐火砖砌成，而构成若干均匀分布的布气孔(5)。

所述的固定床煤气化炉，其特征在于：每个气化剂通道(6)的底部均与气化剂通道分配管路(3)连接，顶部封闭；所述气化剂通道分配管路(3)和气化剂输配管道(2)连接，气化剂输配管道(2)和高温气化剂发生装置(1)连接。

所述的固定床煤气化炉与相应煤气管路和控制设备系统，构成煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述各煤气化室(4)的顶端均有煤气出口，煤气经煤气出口、上升管和三向阀或具有三向阀功能的设备，三向阀与控制系统(23)导出；根据煤气化和煤气化制氢生产工艺需要，煤气经三向阀与控制系统(23)向左输送，进入荒煤气集气总管系统；或向右输送，进入高纯度混合煤气集气总管系统。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：由气化剂发生装置(1)产生的气化剂，经气化剂输配管道(2)进入固定床煤气化炉(22)的气化剂通道分配管路(3)后，经气化剂通道(6)和通过布气孔(5)直接送入煤气化室(4)，并与煤料发生煤气化反应产生煤气。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述固定床煤气化炉是由各个煤气化室(4)共同构成，每个煤气化室(4)是一个独立的固定床煤气化(炉)单元，其可以单独或与其他煤气化室(4)协同工作，经加煤、气化和出灰等基本操作和工艺环节完成煤料气化。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：每个煤气化室(4)的煤料可以根据煤质特点与气化要求和需要，由煤矸石或褐煤等低阶原煤制备而成，也可以是由气煤或其他原煤制备而成，或是利用不同煤种为满足煤气化和最终或中间产品需要，以适当比例混合配置和制备而成；加入到煤气化室(4)的煤料，可以通过与传统煤焦化工艺的顶装加煤或捣鼓煤饼侧装加煤相同或相似的方式，将煤料加入。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述各煤气化室(4)产生的煤气经煤气出口、上升管和三向阀与控制系统(23)导出，进入荒煤气集气总管系统；煤气经除尘和余热回收利用(24)、煤焦油等成分回收(25)和煤气净化处理系统(26)等主要工艺设备和过程，成为可以作为燃气或化工原料而储存在煤气储气系统(27)。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述各煤气化室(4)产生的煤气经煤气出口、上升管和三向阀与控制系统(23)导出，进入高纯度混合煤气集气总管系统；高纯度混合煤气经除尘和余热回收利用，以及煤气净化处理等工艺过程，成为可以进一步提纯和成分分离生产氢气的混合煤气。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述的固定床煤气化炉(22)由数量为1～100或更多个所述煤气化室(4)构成；在每个煤气化室(4)的气化剂通透墙外侧，根据需要沿长度方向均匀分布30～50或更多个气化剂通道；构成所述固定床煤气化炉(22)的各个煤气化室(4)可单独完成煤气化，也可与其他煤气化室协调完成气化工艺。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述三向阀与控制系统(23)在煤气化过程中，通过分时段或根据煤气成分进行切换控制，使不同时段产生，具有不同主要成分和成分比例的煤气相应地进入荒煤气集气总管系统，或进入高纯度混合煤气集气总管系统；使煤气分别进行和完成相应的煤气处理和生产加工等工艺过程，生产煤气、氢气和其他煤化工产品。

所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统的煤气化工艺方法，其特征在于，煤气化和煤气化制氢过程如下：

步骤1，气化准备工序：在完成顶装或捣固侧装煤料装填工序后，煤气化室(4)处于密闭状态，煤料与空气隔绝；气化剂发生装置(1)开始向煤气化炉输送气化剂，气化剂经气化剂输配管道(2)、气化剂通道分配管路(3)进入各个煤气化室(4)两侧气化剂通透墙外侧的气化剂通道后，经气化剂通透墙上的布气孔进入煤气化室，使气化室内煤料逐渐升温开始煤干燥工序；

步骤2，煤干燥工序：煤气化室(4)中煤料的温度由环境温度升至高于100℃时，煤料中的水分蒸发；温度继续升高到200℃以上时，煤料中结晶水释出，煤气化室(4)排气中含水量至最低，完成煤料的干燥工序；煤气化室(4)在煤干燥工序排出的含水气体或蒸汽，可经回收管路系统进行回收，有效实现煤气化过程气体排放控制和水资源回收利用。

步骤3，荒煤气收集工序：在干燥工序结束后，可开始收集煤气化室(4)中煤料产生的荒煤气，经三向阀与控制系统(23)进入荒煤气集气管系统；在气化剂的作用下，煤气化室(4)内煤料温度继续升高，尤其是达到约350℃以上时，煤料释放出挥发分和煤焦油等主要成分；收集的荒煤气进行除尘和煤气与焦油的分离和回收处理，产生可作为气体燃料的煤气，及作为化工原料的焦油等；在气化剂的持续加热作用下，煤料温度继续升高，并持续释放出荒煤气；煤料温度维持在550℃以上，直至完成荒煤气释放过程，此时煤料已基本成为焦炭或半焦，且荒煤气已基本不含挥发分和煤焦油等成分。

步骤4，煤气化与煤气化制氢工序：在完成煤料荒煤气释放过程和荒煤气收集工序后，三向阀与控制系统(23)切换向混合煤气集气管系统，同时调整气化剂组分，使煤料(已成为焦炭或半焦)与气化剂发生水煤气反应和波尔多反应，产生主要成分为氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合煤气；经提纯和分离工艺，混合煤气可制不同纯度的氢气，以及一氧化碳气和二氧化碳气。

通过有效调节和控制气化剂温度、组分、气量和气化过程与进程，可以满足煤气化与煤气化制氢工艺对不同煤质的煤料的要求和最终产品种类等要求；比如可以单纯完成混合煤气生产，或同时完成混合煤气生产和焦炭或半焦的生产。

步骤5，推灰(或推焦)工序：根据产品生产要求，在完成煤气化与煤气化制氢工艺，实现煤料全部气化后，停止向煤气化室(4)输送气化剂；开启煤气化室(4)两端的密封门，利用推灰装置完成推灰和气化室灰渣清理，做好下次装煤所需要的准备。

如果生产要求是部分完成煤气化与煤气化制氢工艺，煤料部分气化后而成为焦炭或半焦，则采用现有焦化生产工艺的推焦设备，完成推焦和气化室清理工序。

本发明所述的固定床煤气化炉及固定床煤气化设备系统，利用系统气化过程产生或外部提供的气体燃料，清洁高效产生煤气化所需要的气化剂，直接加热和气化煤料产生煤气；通过压力差使气化剂从气化剂发生装置(1)经气化剂输配管道(2)、气化剂通道分配管路(3)、气化剂通道(6)和设有布气孔(5)的气化剂通透墙(7)，直接进入气化室对煤料进行高效的直接加热和实现高效气化。

本发明所述的固定床煤气化炉及固定床煤气化设备系统，充分借鉴和利用发明专利【1】和【2】的内热式煤焦化炉的基本结构设计、系统构成和相关外围设备系统配置的工程技术设计和系统运行特点，并进一步扩展成由众多个固定床煤气化室(4)构成的大型或超大型固定床煤气化炉与固定床煤气化设备系统；其独特的煤气化炉系统结构和工艺技术与控制，在充分提高系统能源效率和热效率的同时，极大地扩大了煤气化炉和煤气化系统规模和生产能力，并大幅度降低了这一新型煤气化炉的设计和建造成本。

本发明所述的固定床煤气化炉及固定床煤气化设备系统，利用与新型的内热式煤焦化【1】、【2】和现有传统煤焦化系统相同的煤料制备、装煤和推焦(推灰)、荒煤气收集与处理等主要成熟工艺设备和工艺步骤，因而便于操作和运行。

本发明所述的固定床煤气化炉、固定床煤气化系统及煤气化工艺方法，在完成单个煤气化室(4)分时气化与煤气收集的工艺过程的同时，与其他煤气化室的协调和有序运行，实现整个固定床煤气化炉全部煤气化室的协同和高效生产；并分别在荒煤气端和混合煤气端，实现多种煤气化产品高效生产，特别是在混合煤气端高效实现氢气和其他煤气成分的有效提纯和分离；其充分简化煤气化产品生产工艺，大幅度降低生产加工设备系统投资和生产运行成本。

附图说明

本发明有如下附图：

图1固定床煤气化炉的结构示意图。

图2固定床煤气化与煤气化制氢系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1和图2对本发明作进一步详细说明。

本发明包括固定床煤气化炉结构设计和工艺两个部分。

实施方式1：新建固定床煤气化炉，固定床煤气化与煤气化制氢系统

本发明所述的固定床煤气化炉，其结构如图1所示(图1中未显示的煤气化炉其他单元、结构、设备、工艺技术和流程均可与新型内热式煤焦化炉或现代传统煤焦化炉相同，采用现有技术实施，不再详述。)，包括：

炉体，所述炉体设有若干并排的煤气化室(4)，煤气化室(4)用于填装待进行煤气化的煤料，煤气化室(4)与新型内热式煤焦化炉或现代煤焦化炉的炭化室的功能和基本结构相同，用于进行煤气化反应，煤气化室(4)的顶部设有1～4个煤气出口；煤气出口通过上升管和三通阀或三通阀功能设备，分别经管路连接到荒煤气回收和处理利用系统，和接到混合煤气回收和处理利用系统；所述荒煤气回收处理利用系统采用与现有焦炉系统相同的技术实施，不再详述；所述混合煤气回收处理利用系统采用与煤气化制氢相同的技术实施，不再详述。

在上述技术方案中，气化剂发生装置(1)根据煤气化工艺过程需要，产生温度在600℃～1000℃的气化剂，经过气化剂通道(6)和气化剂通透墙(7)直接送入各煤气化室(4)，使其内的煤料与气化剂直接接触并发生煤气化。气化剂为利用低热值气体燃料如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气或其他过程燃气，经本发明中气化剂发生装置(1)产生的乏氧气体；其温度、流量和组分中的水和二氧化碳等主要成分，可以根据气化工艺过程和要求进行调节和控制，实现清洁高效固定床煤气化。由于该技术涉及其他领域的技术和设备，且为该领域专业工程人员所熟悉，本发明不再详述。

在上述技术方案的基础上，所述煤气化室(4)的左右两侧墙壁均为气化剂通透墙(7)(亦称为气化剂输导墙)，其前后两侧的相应机侧和焦侧密闭炉门以及上下两侧墙壁的结构、功能和砌墙材质均采用与新型内热式煤焦化炉或现有煤焦化炉相同设计(采用硅砖砌成)，在此不再详述。

所述气化剂通透墙(7)上设有若干均匀分布的布气孔(5)，在气化剂通透墙(7)外侧(外侧指位于煤气化室(4)外面的一侧)，沿气化剂通透墙(7)长度方向设有若干间隔设置的气化剂通道(6)，每条气化剂通道(6)沿煤气化室(4)的高度方向设置(参见图1)，同一侧的若干气化剂通道(6)优选沿气化剂通透墙(7)的长度方向等间隔设置，具体间隔可参考现有煤气化炉的立火道的设置方式，不再详述；高温气化剂能通过布气孔(5)自由地从气化剂通道(6)进入煤气化室(4)。

本发明中，在气化剂通透墙(7)上设置布气孔(5)，目的是将焦煤与周围环境隔绝，只有高温气化剂可以通过合理分布的布气孔(5)从气化剂通道(6)进入气化室。现有的煤焦化炉通过将煤气化室(4)的墙体改造为本发明所述气化剂通透墙(7)，亦可采用本发明所述的技术方案。煤气化室(4)的结构和利用耐火材料筑成气化剂通透墙(7)的结构和设计与专利【1】和【2】所发明的新型内热式煤焦化炉设计相同(采用硅砖砌成)，在此不再详述。

在上述技术方案的基础上，所述煤气化室(4)的数量根据煤气化的种类和要求不同可以为1～90或更多个不等。而且，一般可以在很宽的范围内选择气化室的宽度(W)、高度(H)和长度(L)；比如每个气化室宽度为0.4～0.8m；高度为4～8m；长度为15～25m。为充分利用现有煤焦化炉及其设备系统，实施本发明所述固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其煤气化室(4)和气化炉的尺寸规格可以与现有传统煤焦化炉的炭化室和焦炉主体完全相同。

本发明还给出了一种采用所述固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，如图2所示，具体包括：

固定床煤气化炉(22)，气化剂发生装置(1)通过气化剂输配管道(2)连接到与固定床煤气化炉(22)配套的气化剂通道分配管路(3)，固定床煤气化炉(22)的煤气化室(4)设有煤气出口；煤气经煤气出口、上升管和三向阀或具有三向阀功能的设备，三向阀与控制系统(23)导出；根据煤气化和煤气化制氢生产工艺需要，煤气经三向阀与控制系统(23)向左输送，进入荒煤气集气总管系统；或向右输送，进入高纯度混合煤气集气总管系统。

荒煤气经净化和煤焦油回收等系统处理后产生煤气，其可通过煤气管路输送至气化剂发生装置(1)作为气体燃料或用于其他用途。

如图2所示，所述固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，由两个集气管路系统和相关煤气处理系统构成，即1)荒煤气集气管路系统和荒煤气净化处理和化产品系统，及2)混合煤气集气管路系统与混合煤气制氢提纯和分离系统。

1)所述荒煤气集气管路系统和荒煤气净化处理和化产品系统，包括全部煤气化室(4)产生的煤气经煤气出口、上升管和三向阀与控制系统(23)导出，进入荒煤气集气总管系统；荒煤气经除尘和余热回收利用(24)、煤焦油等成分回收(25)和煤气净化处理系统(26)等主要工艺设备和过程，可以作为燃气或化工原料而储存在煤气储气系统(27)。

2)所述混合煤气集气管路系统与混合煤气制氢提纯和分离系统，包括完成除尘和余热回收利用装置、水气转换反应(Water Gas Shift Reaction)系统、氢气与二氧化碳等分离技术设备系统，实现煤气化制氢生产。

本发明所述固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其与现有传统煤焦化炉在功能和产品生产，以及相应的炉体结构和工艺过程均具有本质上的区别；然而，在煤料选配和制备、装煤、推灰(焦)、荒煤气除尘和回收处理、焦油回收处理等等工序则采用相同的工艺和设备。

本发明所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢的工艺过程如下：

步骤1，气化准备工序：在完成顶装或捣固侧装煤料装填工序后，煤气化室(4)处于密闭状态，煤料与空气隔绝；气化剂发生装置(1)开始向煤气化炉输送气化剂，气化剂经气化剂输配管道(2)、气化剂通道分配管路(3)进入各个煤气化室(4)两侧气化剂通透墙外侧的气化剂通道后，经气化剂通透墙上的布气孔进入煤气化室，使气化室内煤料逐渐升温开始煤干燥工序；

步骤2，煤干燥工序：煤气化室(4)中煤料的温度由环境温度升至高于100℃时，煤料中的水分蒸发；温度继续升高到200℃以上时，煤料中结晶水释出，煤气化室(4)排气中含水量至最低，完成煤料的干燥工序；煤气化室(4)在煤干燥工序排出的含水气体或蒸汽，可经回收管路系统进行回收，有效实现煤气化过程气体排放控制和水资源回收利用。

步骤3，荒煤气收集工序：在干燥工序结束后，可开始收集煤气化室(4)中煤料产生的荒煤气，经三向阀与控制系统(23)进入荒煤气集气管系统；在气化剂的作用下，煤气化室(4)内煤料温度继续升高，尤其是达到约350℃以上时，煤料释放出挥发分和煤焦油等主要成分；收集的荒煤气进行除尘和煤气与焦油的分离和回收处理，产生可作为气体燃料的煤气，及作为化工原料的焦油等；在气化剂的持续加热作用下，煤料温度继续升高，并持续释放出荒煤气；煤料温度维持在550℃以上，直至完成荒煤气释放过程，此时煤料已基本成为焦炭或半焦，且荒煤气已基本不含挥发分和煤焦油等成分。

步骤4，煤气化与煤气化制氢工序：在完成煤料荒煤气释放过程和荒煤气收集工序后，三向阀与控制系统(23)切换向混合煤气集气管系统，同时调整气化剂组分，使煤料(已成为焦炭或半焦)与气化剂发生水煤气反应和波尔多反应，产生主要成分为氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合煤气；经提纯和分离工艺，混合煤气可制不同纯度的氢气，以及一氧化碳气和二氧化碳气。

通过有效调节和控制气化剂温度、组分、气量和气化过程与进程，可以满足煤气化与煤气化制氢工艺对不同煤质的煤料的要求和最终产品种类等要求；比如可以单纯完成混合煤气生产，或同时完成混合煤气生产和焦炭或半焦的生产。

步骤5，推灰(或推焦)工序：根据产品生产要求，在完成煤气化与煤气化制氢工艺，实现煤料全部气化后，停止向煤气化室(4)输送气化剂；开启煤气化室(4)两端的密封门，利用推灰装置完成推灰和气化室灰渣清理，做好下次装煤所需要的准备。

如果生产要求是部分完成煤气化与煤气化制氢工艺，煤料部分气化后而成为焦炭或半焦，则采用现有焦化生产工艺的推焦设备，完成推焦和气化室清理工序。

实施方式2：现有新型内热式煤焦化炉技术升级改造

对于采用专利【1】和【2】所发明的新型内热式煤焦化炉系统，其实施方式主要是通过添加混合煤气集气管道和对集气管网进行技术升级改造而完成。

实施方式3：现有传统煤焦化炉技术升级改造

对于现有传统煤焦化炉，其实施方式包括参照实施方式1，对现有焦炉炉体和炭化室进行技术改造，并通过添加混合煤气集气管道和对集气管网进行技术升级改造而完成。

本发明具有以下优点：固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统

1)由于本发明采用与现有传统煤焦炉及其炭化室相似结构和相同规格的固定床煤气化炉，并利用高温乏氧气体做为气化剂，实现清洁、高效和低成本的大规模至超大规模煤气化和煤气化制氢生产。

2)本发明的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，采用与成熟的现有煤焦化工艺技术相同或相似的煤料选配和制备、装煤、推灰(焦)、荒煤气除尘和回收处理、焦油回收处理等工序和工艺设备进行生产；

3)本发明的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，采用双集气管路系统和相关煤气处理系统，并采用分时集气的方式，有效实现荒煤气集气和荒煤气化产品生产，及混合煤气集气与混合煤气制氢提纯和分离，有效实现多产品和大规模煤化工与氧能源生产；

4)由于本发明固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统是直接利用原煤进行气化生产，其原料成本和生产过程能源消耗低；

5)本发明固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统适用煤种广泛，配合相应的合理煤料制备方法和物料处理手段，其可以有效气化和利用褐煤、煤矸石等低阶煤煤炭资源，进一步降低成本生产；

6)本发明固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统可以有效实现包括冶金焦、氢气、兰炭、煤气、煤焦油和粗苯等多种煤化工产品生产，实现煤炭资源清洁利用和焦化与能源产业绿色转型；

7)这一发明可以通过对已淘汰的现有煤焦化炉进行技术改造而实现，充分利用现有设备系统以显著节约技术改造投资和成本，迅速实现焦化企业技术升级和绿色转型，并显著企业生产利润。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

附件：

参考文献(专利)

1.专利名称：一种内热式煤干馏炉、内热式煤干馏系统及煤干馏工艺方法；

专利发明人：陈晓辉；

专利号：ZL2013106877968；2017年4月12日。

2.专利名称：一种内热式煤干馏炉、内热式煤干馏系统

专利发明人：陈晓辉；

专利号：ZL2013208306995；2014年6月11日。

Claims (10)

1.一种固定床煤气化炉，包括煤气化室和炉体，其特征在于：

所述固定床煤气化炉采用与内热式煤干馏炉基本相同或相似的专利炉体结构设计和规格，以及相应的专利耐火材料结构设计和规格【1】、【2】，但相应炉体结构具有不同的名称，并实现不同的功能和作用。一般，所述煤气化室(4)宽0.4～0.8m、长10～25m、高4～8m，气化室的顶部设有加煤孔和煤气上升管(对应于焦炉的机侧或焦侧)，气化室的两端用炉门封闭。煤料经加煤车以顶装或捣固侧装的方式加入煤气化室后即与空气隔绝。所述固定床煤气化炉炉体由若干并排的煤气化室(4)组成，每一个煤气化室(4)都构成一个单体固定床煤气化炉，提供煤料气化需要的气化反应空间和条件；从高温气化剂发生装置(1)产生的高温气化剂，经过气化剂通道(6)直接送入各煤气化室(4)，使煤气化室(4)内的煤料与高温气化剂直接接触进行煤气化。

所述的固定床煤气化炉，其特征在于：所述煤气化室(4)的左右两侧墙壁均为气化剂通透墙(7)，所述气化剂通透墙(7)上设有若干均匀分布的布气孔(5)，在气化剂通透墙(7)外侧，沿气化剂通透墙(7)长度方向设有若干均匀间隔的气化剂通道(6)；每条气化剂通道(6)沿煤气化室(4)的高度方向走向，高温气化剂通过布气孔(5)自由地从气化剂通道(6)进入煤气化室(4)；相邻煤气化室(4)的气化剂通道(6)之间由构筑的气化剂通道隔墙(8)分隔。

所述的固定床煤气化炉，其特征在于：所述各煤气化室(4)的气化剂通透墙(7)采用高温耐火砖砌成，且耐火砖在堆砌时通过预留缝隙构成布气孔(5)：或所述气化剂通透墙(7)采用孔型高温耐火砖砌成，所述孔型高温耐火砖上设有若干均匀分布的布气孔(5)；或所述气化剂通透墙(7)采用孔型高温耐火砖和高温耐火砖砌成，而构成若干均匀分布的布气孔(5)。

所述的固定床煤气化炉，其特征在于：每个气化剂通道(6)的底部均与气化剂通道分配管路(3)连接，顶部封闭；所述气化剂通道分配管路(3)和气化剂输配管道(2)连接，气化剂输配管道(2)和高温气化剂发生装置(1)连接。

2.如权利要求1所述的固定床煤气化炉与相应煤气管路和控制设备系统，构成煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述各煤气化室(4)的顶端均有煤气出口，煤气经煤气出口、上升管和三向阀或具有三向阀功能的设备，三向阀与控制系统(23)导出；根据煤气化和煤气化制氢生产工艺需要，煤气经三向阀与控制系统(23)向左输送，进入荒煤气集气总管系统；或向右输送，进入高纯度混合煤气集气总管系统。

所述固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，由两个集气管路系统和相关煤气处理系统构成，即1)荒煤气集气管路系统和荒煤气净化处理和化产品系统，及2)混合煤气集气管路系统与混合煤气制氢提纯和分离系统。

1)所述荒煤气集气管路系统和荒煤气净化处理和化产品系统，包括全部煤气化室(4)产生的煤气经煤气出口、上升管和三向阀与控制系统(23)导出，进入荒煤气集气总管系统；荒煤气经除尘和余热回收利用(24)、煤焦油等成分回收(25)和煤气净化处理系统(26)等主要工艺设备和过程，可以作为燃气或化工原料而储存在煤气储气系统(27)。

2)所述混合煤气集气管路系统与混合煤气制氢提纯和分离系统，包括完成除尘和余热回收利用装置、水气转换反应(Water Gas Shift Reaction)系统、氢气与二氧化碳等分离技术设备系统，实现煤气化制氢生产。

3.如权利要求1～2所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：由气化剂发生装置(1)产生的气化剂，经气化剂输配管道(2)进入固定床煤气化炉(22)的气化剂通道分配管路(3)后，经气化剂通道(6)和通过布气孔(5)直接送入煤气化室(4)，并与煤料发生煤气化反应产生煤气。

4.如权利要求1～2所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述固定床煤气化炉是由各个煤气化室(4)共同构成，每个煤气化室(4)是一个独立的固定床煤气化(炉)单元，其可以单独或与其他煤气化室(4)协同工作，经加煤、气化和出灰等基本操作和工艺环节完成煤料气化。

5.如权利要求1～4所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：每个煤气化室(4)的煤料可以根据煤质特点与气化要求和需要，由煤矸石或褐煤等低阶原煤制备而成，也可以是由气煤或其他原煤制备而成，或是利用不同煤种为满足煤气化和最终或中间产品需要，以适当比例混合配置和制备而成；加入到煤气化室(4)的煤料，可以通过与传统煤焦化工艺的顶装加煤或捣鼓煤饼侧装加煤相同或相似的方式，将煤料加入。

6.如权利要求1～5所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述各煤气化室(4)产生的煤气经煤气出口、上升管和三向阀与控制系统(23)导出，进入荒煤气集气总管系统；煤气经除尘和余热回收利用(24)、煤焦油等成分回收(25)和煤气净化处理系统(26)等主要工艺设备和过程，可以作为燃气或化工原料而储存在煤气储气系统(27)。

7.如权利要求1～6所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述各煤气化室(4)产生的煤气经煤气出口、上升管和三向阀与控制系统(23)导出，进入高纯度混合煤气集气总管系统；高纯度混合煤气经除尘和余热回收利用，以及煤气净化处理等工艺过程，成为可以进一步提纯和成分分离以生产氢气的混合煤气。

8.如权利要求1～7所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述的固定床煤气化炉(22)由数量为1～100或更多个所述煤气化室(4)构成；在每个煤气化室(4)的气化剂通透墙外侧，根据需要沿长度方向均匀分布30～50或更多个气化剂通道；构成所述固定床煤气化炉(22)的各个煤气化室(4)可单独完成煤气化，也可与其他煤气化室协调完成气化工艺。

9.如权利要求1～8所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统，其特征在于：所述三向阀与控制系统(23)在煤气化过程中，通过分时段或根据煤气成分进行切换控制，使不同时段产生，具有不同主要成分和成分比例的煤气相应地进入荒煤气集气总管系统，或进入高纯度混合煤气集气总管系统；使煤气分别进行和完成相应的煤气处理和生产加工等工艺过程，生产煤气、氢气和其他煤化工产品。

10.采用权利要求1～9任意之一所述的固定床煤气化炉与煤气化和煤气化制氢设备系统的煤气化工艺方法，其特征在于，煤气化和煤气化制氢过程如下：

步骤1，气化准备工序：在完成顶装或捣固侧装煤料装填工序后，煤气化室(4)处于密闭状态，煤料与空气隔绝；气化剂发生装置(1)开始向煤气化炉输送气化剂，气化剂经气化剂输配管道(2)、气化剂通道分配管路(3)进入各个煤气化室(4)两侧气化剂通透墙外侧的气化剂通道后，经气化剂通透墙上的布气孔进入煤气化室，使气化室内煤料逐渐升温开始煤干燥工序；

步骤2，煤干燥工序：煤气化室(4)中煤料的温度由环境温度升至高于100℃时，煤料中的水分蒸发；温度继续升高到200℃以上时，煤料中结晶水释出，煤气化室(4)排气中含水量至最低，完成煤料的干燥工序；煤气化室(4)在煤干燥工序排出的含水气体或蒸汽，可经回收管路系统进行回收，有效实现煤气化过程气体排放控制和水资源回收利用。

步骤3，荒煤气收集工序：在干燥工序结束后，可开始收集煤气化室(4)中煤料产生的荒煤气，经三向阀与控制系统(23)进入荒煤气集气管系统；在气化剂的作用下，煤气化室(4)内煤料温度继续升高，尤其是达到约350℃以上时，煤料释放出挥发分和煤焦油等主要成分；收集的荒煤气进行除尘和煤气与焦油的分离和回收处理，产生可作为气体燃料的煤气，及作为化工原料的焦油等；在气化剂的持续加热作用下，煤料温度继续升高，并持续释放出荒煤气；煤料温度维持在550℃以上，直至完成荒煤气释放过程，此时煤料已基本成为焦炭或半焦，且荒煤气已基本不含挥发分和煤焦油等成分。

步骤4，煤气化与煤气化制氢工序：在完成煤料荒煤气释放过程和荒煤气收集工序后，三向阀与控制系统(23)切换向混合煤气集气管系统，同时调整气化剂组分，使煤料(已成为焦炭或半焦)与气化剂发生水煤气反应和波尔多反应，产生主要成分为氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合煤气；经提纯和分离工艺，混合煤气可制不同纯度的氢气，以及一氧化碳气和二氧化碳气。

通过有效调节和控制气化剂温度、组分、气量和气化过程与进程，可以满足煤气化与煤气化制氢工艺对不同煤质的煤料的要求和最终产品种类等要求；比如可以单纯完成混合煤气生产，或同时完成混合煤气生产和焦炭或半焦的生产。

步骤5，推灰(或推焦)工序：根据产品生产要求，在完成煤气化与煤气化制氢工艺，实现煤料全部气化后，停止向煤气化室(4)输送气化剂；开启煤气化室(4)两端的密封门，利用推灰装置完成推灰和气化室灰渣清理，做好下次装煤所需要的准备。

如果生产要求是部分完成煤气化与煤气化制氢工艺，煤料部分气化后而成为焦炭或半焦，则采用现有焦化生产工艺的推焦设备，完成推焦和气化室清理工序。

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