CN112480969B - 一种流化床气化炉及气化工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种流化床气化炉及气化工艺，包括：自上而下依次连通的气化反应段和富氧燃烧段；所述气化反应段的壁面上部和下部分别开设有负载催化剂的原料煤进口和气化剂进口；富氧燃烧段的壁面上开设有若干氧气喷嘴，且各所述氧气喷嘴沿壁面倾斜向上设置并与富氧燃烧段的氧气进口连通，以旋流的方式向所述富氧燃烧段输送氧气，使得所述气化反应段产生的灰渣与氧气发生燃烧反应，放出大量热并形成高温区，进而使得含催化剂的灰渣在高温下熔融成为液态并使所述液态灰渣沿内壁下行以排出气化炉。本发明不仅能有效催化气化低灰熔点的煤种，大幅提高了煤种适应性，同时实现了灰渣的无害化排放。

Description

一种流化床气化炉及气化工艺
技术领域
本发明涉及煤气化技术领域，具体而言，涉及一种流化床气化炉及气化工艺。
背景技术
流化床煤催化气化属于第三代煤气化技术，通过在煤中添加催化剂，可以有效提高煤气化反应活性，同步催化煤气化、甲烷化和变换三个反应同步进行，达到吸放热反应的热量耦合，大幅提高系统能效。因此，可以有效降低气化炉操作温度，提高气化炉出口的甲烷含量。
碱金属钾、钠以及碱土金属钙的盐类是良好的煤气化催化剂。碱性工业废弃物如化工浓盐水、造纸黑液等含有大量碱金属催化活性成分，是良好的催化剂原料，并且因成本低廉，不需要配套相应的催化剂回收工段。因现有催化气化为流化床固态排渣工艺，碱性废弃物中一些碱金属及微量重金属元素以可溶形式存在，直接排放会对环境造成污染，因此还需要匹配相应的回收工段，主要目的是使灰渣达到无害化排放，这无疑给工业废弃物用于催化气化增加了额外成本。
同时，碱金属和碱土金属催化剂的加入会降低煤灰熔点，加剧气化炉结渣的风险，由于低灰熔点的煤种运行会造成气化炉结渣，因此，这也限制了气化用煤的适用范围。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种流化床气化炉及气化工艺，旨在解决现有煤气化工艺中低灰熔点原料煤无法充分利用的问题。
一个方面，本发明提出了一种流化床气化炉，包括：自上而下依次连通的气化反应段和富氧燃烧段；其中，所述气化反应段的壁面上部和下部分别开设有负载催化剂的原料煤进口和气化剂进口，用以使得负载催化剂的原料煤与气化剂反应得到含催化剂的灰渣；所述富氧燃烧段的壁面上开设有若干氧气喷嘴，且各所述氧气喷嘴沿壁面倾斜向上设置并与所述富氧燃烧段的氧气进口连通，以旋流的方式向所述富氧燃烧段输送氧气，使得所述气化反应段产生的灰渣与氧气发生燃烧反应，放出大量热并形成高温区，进而使得含催化剂的灰渣在高温下熔融成为液态灰渣并使所述液态灰渣沿内壁下行以排出气化炉。
进一步地，上述流化床气化炉中，所述富氧燃烧段为筒体结构，各所述氧气喷嘴均与所述富氧燃烧段的筒体中心轴线之间呈第一预设角度设置。
进一步地，上述流化床气化炉中，所述第一预设角度为60-90°。
进一步地，上述流化床气化炉中，所述富氧燃烧段为筒体结构，每个所述氧气喷嘴在所述富氧燃烧段的筒体截面上的投影线与所述富氧燃烧段段的壁面具有交点，该交点与所述筒体截面的圆心连接形成一半径，该半径与所述投影线之间呈第二预设角度设置。
进一步地，上述流化床气化炉中，所述第二预设角度为30-90°。
进一步地，上述流化床气化炉中，各所述氧气喷嘴沿所述富氧燃烧段的壁面的周向均匀分布。
进一步地，上述流化床气化炉中，所述气化剂进口与射流喷嘴连通，以使气化剂以射流的方式进入所述气化反应段。
进一步地，上述流化床气化炉中，还包括：液态排渣单元；其中，所述液态排渣单元的进口与所述富氧燃烧段的出口连通，用以将所述富氧燃烧段产生的液态灰渣排出。
本发明中，通过在气化炉下部的设置倾斜向上的氧气喷嘴，使得氧气以旋流的方式进入富氧燃烧段与气化反应段产生的灰渣发生燃烧反应产生大量的热，为气化反应段提供热量的同时，保证灰渣呈液态以旋流形式沿气化炉内壁排出，不仅能有效催化气化低灰熔点的煤种，大幅提高了煤种适应性，实现了工业废弃物催化煤气化反应；并且由于催化剂原料中的碱金属和重金属固化于灰渣中，实现了灰渣的无害化排放，提高了催化气化的经济性。
另一方面，本发明还提出了一流化床气化炉气化工艺包括以下步骤：将负载催化剂的原料煤输入气化反应段，与经气化剂进口输入的气化剂在第一预设温度下发生气化反应，得到富甲烷合成气和气化灰渣，将该气化灰渣排入富氧燃烧段；将氧气以旋流的方式倾斜向上输入富氧燃烧段，与进入所述富氧燃烧段的气化灰渣发生燃烧反应，放出大量的热形成高温区，使得含催化剂的灰渣在第二预设温度下熔融成为液态，并以旋流的形式沿内壁下行，排出气化炉。
进一步地，上述流化床气化炉气化工艺中，所述第一预设温度为650-750℃；所述第二预设温度为850-1200℃。
本发明提供的流化床气化炉气化工艺，通过使负载催化剂的煤样气化剂发生气化反应，得到大量的CO、H2、CH4和气化灰渣，进一步使气化灰渣与以旋流方式进入的氧气充分发生燃烧反应，放出大量热并形成高温区，为气化反应段提供热量的同时，保证灰渣熔融为液态并在旋流气的离心作用下直接排出气化炉，工艺简单，不仅能有效催化气化低灰熔点的煤种，并且能将催化剂原料中的碱金属和重金属固化于灰渣中，大幅提高了煤种适应性，提高了催化气化的经济性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的流化床气化炉的结构示意图；
图2为本发明实施例中氧气喷嘴的在气化反应段的筒体壁面上的排布图；
图3为本发明实施例中氧气喷嘴在气化反应段的筒体截面上的排布图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参阅图1和图2，本发明实施例的流化床气化炉包括：自上而下依次连通的气化反应段1和富氧燃烧段2；其中，所述气化反应段1的壁面上部和下部分别开设有负载催化剂的原料煤进口和气化剂进口，用以使得负载催化剂的原料煤与气化剂反应得到含催化剂的灰渣；所述富氧燃烧段2的壁面上开设有若干氧气喷嘴21，且各所述氧气喷嘴21沿壁面倾斜向上设置并与所述富氧燃烧段的氧气进口连通，以旋流的方式向所述富氧燃烧段2输送氧气，使得所述气化反应段产生的灰渣与氧气发生燃烧反应，放出大量热并形成高温区，进而使得含催化剂的灰渣在高温下熔融成为液态灰渣并使所述液态灰渣沿内壁下行以排出气化炉。
具体而言，气化反应段1和富氧燃烧段2均为筒体结构，二者可以一体成型。气化剂入口位于负载催化剂的原料煤进口与氧气喷嘴21之间，并靠近氧气喷嘴21设置。
气化剂为氧/水蒸气混合气，氧浓度低于氧气喷嘴输入的氧气浓度，气化剂主要给气化炉煤气化反应提供蒸汽，以及为满足炉内物料流化提供足够的流化介质。
所述气化剂进口与射流喷嘴连通，以使气化剂以射流的方式进入所述气化反应段，以保证气体分布均匀，实际中，射流喷嘴可以沿气化反应段的筒体壁面倾斜向上设置。
继续参阅图1，氧气喷嘴21设置在气化炉下部，气化炉的大部分氧气都从氧气喷嘴21通入，所述氧气喷嘴21为一个或多个，当氧气喷嘴21为多个时，各氧气喷嘴21沿所述富氧燃烧段2的壁面的周向均匀分布。氧气喷嘴中输送的为氧含量较高的气体，例如富氧蒸汽。
各氧气喷嘴21沿壁面倾斜向上设置并与所述富氧燃烧段2的氧气进口连通，以旋流的方式向所述富氧燃烧段2输送氧气，如此设置的旋流进气可以使气化炉中的煤粉形成向上的旋流，形成高温燃烧区，为气化炉的气化反应提供热量，并且保证气化灰渣呈液态。此外，通过旋流方式输送氧气，使得液态灰渣在离心力的作用下被甩到气化炉内壁上，并且沿着壁面流下，从高温液态排渣口顺利排出。
较具体的，各所述氧气喷嘴21均与所述富氧燃烧段2的筒体中心轴线之间呈第一预设角度α设置。优选的，所述第一预设角度α为60-90°。
参阅图3，每个所述氧气喷嘴21在所述富氧燃烧段2的筒体截面上的投影线与所述富氧燃烧段2的壁面具有交点，该交点与所述筒体截面的圆心连接形成一半径，该半径与所述投影线之间呈第二预设角β度设置。优选的，所述第二预设角度β为30-90°。
本实施还包括：液态排渣单元3；其中，所述液态排渣单元3的进口与所述富氧燃烧段2的出口连通，用以将所述富氧燃烧段2产生的液态灰渣排出。
具体而言，液态排渣单元3可以为渣池，可以向渣池中通入激冷水，以对灰渣破碎降温，从而将灰渣以无害化的方式排出气化炉。也就是说，本实施例中的流化床气化炉为液态排渣流化床气化炉。
上述显然可以得出，本实施例中提供的流化床气化炉，通过在气化炉下部的设置倾斜向上的氧气喷嘴，使得氧气以旋流的方式进入富氧燃烧段与气化反应段产生的灰渣发生燃烧反应产生大量的热，为气化反应段提供热量的同时，保证灰渣呈液态以旋流形式沿气化炉内壁排出，不仅能有效催化气化低灰熔点的煤种，大幅提高了煤种适应性，实现了工业废弃物催化煤气化反应；并且由于催化剂原料中的碱金属和重金属固化于灰渣中，实现了灰渣的无害化排放，提高了催化气化的经济性。
本发明还提供了一种流化床气化炉气化工艺，包括以下步骤：
步骤S1，将负载催化剂的原料煤输入气化反应段，与经气化剂进口输入的气化剂在第一预设温度下发生气化反应，得到富甲烷合成气和气化灰渣，将该气化灰渣排入富氧燃烧段。
具体而言，负载催化剂的原料煤与气化剂水蒸气/氧气发生碳-水气化反应，大部分的热量由燃烧区提供。第一预设温度可以控制在650-750℃，避免低灰熔点煤样发生结渣，在催化剂的催化作用下，原料煤煤中高活性的碳与水蒸气反应生成CO、H2和CH4。
步骤S2，将氧气以旋流的方式倾斜向上输入富氧燃烧段，与进入所述富氧燃烧段的气化灰渣发生燃烧反应，放出大量的热形成高温区，使得含催化剂的灰渣在第二预设温度下熔融成为液态，并以旋流的形式沿内壁下行，排出气化炉。
具体而言，气化残渣进入富氧燃烧段，灰渣中的残碳与氧气发生燃烧反应，燃烧放出大量的热量供给上部气化反应区，控制第二预设温度为850-1200℃，能确保使得灰渣处于熔融的液态，即微量金属元素经过高温熔融固化在灰渣中，处于液态的灰渣在氧气旋流和离心力的作用下，沿富氧燃烧段2的壁面流下进入液态排渣单元，并排出气化炉。
工艺实施例与上述装置实施例中的相关之处可互相参照，此处不再赘述。
显然可以得出的是，本发明提供的流化床气化炉气化工艺，通过使负载催化剂的煤样气化剂发生气化反应，得到大量的CO、H2、CH4和气化灰渣，进一步使气化灰渣与以旋流方式进入的氧气充分发生燃烧反应，放出大量热并形成高温区，为气化反应段提供热量的同时，保证灰渣熔融为液态并在旋流气的离心作用下直接排出气化炉，工艺简单，不仅能有效催化气化低灰熔点的煤种，并且能将催化剂原料中的碱金属和重金属固化于灰渣中，大幅提高了煤种适应性，提高了催化气化的经济性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种流化床气化炉，其特征在于，包括：自上而下依次连通的气化反应段和富氧燃烧段；其中，
所述气化反应段的壁面上部和下部分别开设有负载催化剂的原料煤进口和气化剂进口，用以使得负载催化剂的原料煤与气化剂在第一预设温度下反应得到含催化剂的灰渣；所述第一预设温度为650-750℃；
所述富氧燃烧段的壁面上开设有若干氧气喷嘴，且各所述氧气喷嘴沿壁面倾斜向上设置并与所述富氧燃烧段的氧气进口连通，以旋流的方式向所述富氧燃烧段输送氧气，使得所述气化反应段产生的灰渣与氧气发生燃烧反应，放出大量热并形成高温区，进而使得含催化剂的灰渣在第二预设温度的高温下熔融成为液态灰渣并使所述液态灰渣沿内壁下行以排出气化炉；所述第二预设温度为850-1200℃；
所述气化剂进口与射流喷嘴连通，以使气化剂以射流的方式进入所述气化反应段。
2.根据权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，所述富氧燃烧段为筒体结构，各所述氧气喷嘴均与所述富氧燃烧段的筒体中心轴线之间呈第一预设角度设置。
3.根据权利要求2所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第一预设角度为60-90°。
4.根据权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，所述富氧燃烧段为筒体结构，每个所述氧气喷嘴在所述富氧燃烧段的筒体截面上的投影线与所述富氧燃烧段的壁面具有交点，该交点与所述筒体截面的圆心连接形成一半径，该半径与所述投影线之间呈第二预设角度设置。
5.根据权利要求4所述的流化床气化炉，其特征在于，所述第二预设角度为30-90°。
6.根据权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，各所述氧气喷嘴沿所述富氧燃烧段的壁面的周向均匀分布。
7.根据权利要求1所述的流化床气化炉，其特征在于，还包括：液态排渣单元；其中，
所述液态排渣单元的进口与所述富氧燃烧段的出口连通，用以将所述富氧燃烧段产生的液态灰渣排出。
8.一种采用权利要求1-7任一所述的流化床气化炉的流化床气化炉气化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
将负载催化剂的原料煤输入气化反应段，与经气化剂进口输入的气化剂在第一预设温度下发生气化反应，得到富甲烷合成气和气化灰渣，将该气化灰渣排入富氧燃烧段；
将氧气以旋流的方式倾斜向上输入富氧燃烧段，与进入所述富氧燃烧段的气化灰渣发生燃烧反应，放出大量的热形成高温区，使得含催化剂的灰渣在第二预设温度下熔融成为液态，并以旋流的形式沿内壁下行，排出气化炉；
所述气化剂进口与射流喷嘴连通，以使气化剂以射流的方式进入所述气化反应段；
所述第一预设温度为650-750℃；所述第二预设温度为850-1200℃。
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