CN113583719B - 一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法和系统 - Google Patents

一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法和系统。包括：合成气炉，为U型反应炉，一侧为气化富氢炉，气化富氢炉由上至下设置气化区、富氢区，另一侧为重整热解炉，重整热解炉由上至下设置煤粉热解区、乏气重整区；粉焦分离装置，煤粉热解区顶部的出口连接粉焦分离装置的入口，粉焦分离装置的固相出口与气化区的固相入口连接。提高了煤种的适应性，整个合成气的制备过程分为4步，根据反应的温度不同进行顺序安排，提高合成中CO和H2比例。

Description

一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法和系统
技术领域
本发明属于煤炭及有机废物高效清洁综合利用技术领域，具体涉及一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法和系统。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
合成气是以CO和H2为主要组分，用作化工原料的一种原料气，其来源广泛，可由煤、石油、天然气等通过气化转化合成，也可由生物质、有机废物等通过热解气化合成。合成气作为化工原料，可生产一系列高价值合成品，如合成氨、甲醇、高级脂肪醛和醇等，其在化学工业中具有极为重要的地位。
生产合成气的方法有天然气蒸汽转化法、轻质油蒸汽转化法、天然气部分氧化法、重油部分氧化法、煤化工法等。由于我国的能源结构存在“富煤、缺油、少气”的问题，煤化工法生产合成气工艺越来越受到重视。而煤气化工艺技术主要分为固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术三大类，各种气化技术均有其各自的优缺点，且对原料煤的品质均有一定的要求。并且合成气中减少CO2、H2O(g)的比例，同时提升煤气中H2比例，才能提高合成气的品质，但是在现有的合成气的制备过程中，煤或生物质热解后得到的热解气中含有的CO2含量较高，有的研究中，通过加入氧化钙颗粒、水蒸气利用重整反应或者在催化的作用下，氧化钙与二氧化碳反应去除二氧化碳，但是同时一氧化碳的含量也会降低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法和系统。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，包括：
合成气炉，为U型反应炉，一侧为气化富氢炉，气化富氢炉由上至下设置气化区、富氢区，另一侧为重整热解炉，重整热解炉由上至下设置煤粉热解区、乏气重整区；
粉焦分离装置，煤粉热解区顶部的出口连接粉焦分离装置的入口，粉焦分离装置的固相出口与气化区的固相入口连接。
重整热解炉为立式上行气流床，气化富氢炉为立式下行气流床。
提高了煤种的适应性，煤粉经过热解炭化区后，不仅释放小分子气体，剩余的固体产物还会成为焦粉。虽然不同煤化程度的煤有差异，但经过热解炭化后，形成的都是主要物质为C的焦粉，固体碳在气化区反应形成CO的过程就没有差别了。分成两个阶段，第一阶段只是将挥发分等进行热解得到合成气，不同的煤种都是经过先热解再焦粉炭化的步骤，可以提高不同煤种的适应性。
合成气炉分为两个炉、四个分区，气化富氢炉和重整热解炉，并且通过U型结构相互相通连接，这样生成的物质被气体携带可以接着进入下一个阶段，这样的顺序安排是为了温度的递减变化，气化区温度最高，由焦粉气化产生热量与大量CO。富氢区温度次之，因为水蒸气和剩碳的反应是吸热反应，需要的热量多，要求温度高，反应后温度降低。再次是乏气重整区，H2O和CO2重新转换为H2和CO也是吸热反应，但乏气中H2O和CO2的量较少，吸收的热量相对较少，反应后温度继续降低。温度最低是煤粉热解区，煤粉在1000℃以下即可进行热解，所需温度最低。因此，根据每个阶段的反应需求安排四区的温度顺序。
如果反应的顺序进行更换，不能保证富氢区的温度较高，不利于富氢化。而且，不能保证进入到富氢区的焦粉的量，在气化富氢炉的同一个竖直空间内，焦粉下落正好可以与水蒸气进行反应，有利于富氢化的进行。而且这样的顺序可以使煤粉先后进行热解和焦粉的气化过程，减少煤种的不适应性。
煤粉高速热解产生CO、H2等小分子气体，产生的焦炭通过粉焦分离装置正好落在气化区，利用焦炭的气化反应生成CO，剩碳与高温蒸汽反应产生CO和H2，乏气中少量的CO2和H2O(g)继续与碳反应重新转化为CO和H2，所以整个过程中降低了CO2和H2O的含量，提高了合成气中的CO和H2的比例。
第二方面，一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法，所述方法为：
焦粉与热风在点燃后，发生气化反应得到CO气体；
CO气体和剩余焦粉与水蒸气反应生成的气体混合得到初合成气；
初合成气和未反应的焦粉与乏气接触，乏气与焦粉反应转化为CO和H2，得到中间合成气；
中间合成气与煤粉接触，煤粉发生热解，得到最后的合成气。
合成气的生产过程分为4步连续进行，有效利用了焦粉、水蒸气、乏气和煤粉，使整个反应得到的合成气中CO2和H2O的含量降低，提高CO和H2的比例。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明提高了煤种的适应性，无论是褐煤(需提前干燥)、烟煤、无烟煤，均可适用。本发明也适应于各类有机废物，如农业秸秆、城市垃圾、工业有机固废等。
(2)本发明有效利用了乏气，乏气和合成气反应利用高温环境，促进乏气中的CO2和H2O(g)反应得到CO和H2，反应过程中使合成气的温度降低到1000℃左右，调控气温的同时，实现了乏气重整。
(3)整个合成气的制备过程分为4步，根据反应的温度不同进行顺序安排，分别是焦粉的气化、焦粉和水蒸气的反应、乏气的转化、煤粉的热解过程，充分反应的连贯性、分步进行反应使整个反应过程中减少的CO2的生成，促进生成CO和H2，可有效降低合成气中CO2和H2O(g)比例，提高合成中H2比例。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为一种协同富氢气化与重整热解的还原气(合成气)生产工艺与装备；
其中：1、重整热解炉；2、煤粉热解区；3、煤粉进口；4、乏气重整区；5、乏气进口；6、渣排放斗；7、富氢区；8、气化富氢炉；9、气化区；10、燃烧器；11、粉焦分离装置；12、还原气(合成气)；13、高温热风进口；14、高温空气加热器；15、高温蒸汽进口；16、高温蒸汽加热器；17、烟气出口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，包括：
合成气炉，为U型反应炉，一侧为气化富氢炉，气化富氢炉由上至下设置气化区、富氢区，另一侧为重整热解炉，重整热解炉由上至下设置煤粉热解区、乏气重整区；
粉焦分离装置，煤粉热解区顶部的出口连接粉焦分离装置的入口，粉焦分离装置的固相出口与气化区的固相入口连接。
重整热解炉为立式上行气流床，气化富氢炉为立式下行气流床。
在本发明的一些实施方式中，气化区设置高温热风进口，富氢区设置高温蒸汽进口。气化区主要是和热风进行反应，热风的温度较高有利于和焦粉发生反应，并释放热量为后续的反应提供热量。富氢区设置的高温蒸汽进口为了通入高温水蒸气，水蒸气与焦粉反应，释放出很多的氢气，有利于实现富氢气化。
在本发明的一些实施方式中，煤粉热解区设置煤粉进口，乏气重整区下部设置乏气进口。煤粉热解区通入煤粉，煤粉被下方的气流推着向上走，在这个过程中受到高温的影响，发生热解，得到焦粉和气体，进入到粉焦分离装置进行分离。乏气重整区通入一些乏气，乏气是包含CO2和H2O的组合气体，因为富氢区过来的气体中携带了部分剩余的碳粉，碳粉与CO2和H2O反应生成合成气的小分子，有利于提高合成气的品质。进一步，在重整反应后950-1020℃位置，喷入煤粉。使煤粉在该温度环境下完成快速热解，挥发分析出、分解为CO、H2等，同时制备高温粉焦，该反应区即为煤粉热解区。
在本发明的一些实施方式中，粉焦分离装置为旋风分离装置。
在本发明的一些实施方式中，气化区设置燃烧器。燃烧器用于点燃。
在本发明的一些实施方式中，乏气重整区设置粉焦入口。乏气重整区温度高于1000℃，冷却后再循环回来的乏气从乏气重整区下侧送入，使其中所含的CO2和H2O(g)在高温环境下与残炭重新转化为CO和H2。可在循环乏气中喷入部分粉焦，随乏气携带进入重整区，在高温环境下促进完成CO2和H2O(g)的重整。
在本发明的一些实施方式中，还包括空气加热器，空气加热器与气化区的高温热风进口连接。空气加热器用于加热得到热风。空气加热器热源来自乏气燃烧产生的高温烟气。
在本发明的一些实施方式中，还包括蒸汽加热器，蒸汽加热器与富氢区的高温蒸汽进口连接。进一步，蒸汽加热器设置烟气进口和烟气出口。蒸汽加热器其热源同样来自乏气燃烧产生的高温烟气。
在本发明的一些实施方式中，U型反应炉的底部为渣排放斗。气化富氢炉出口煤气温度在煤灰熔点以上100-150℃，以保证液态排渣。气化富氢炉反应后的熔渣落入渣排放斗。
第二方面，一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法，所述方法为：
焦粉与热风在点燃后，发生气化反应得到CO气体；
CO气体和剩余焦粉与水蒸气反应生成的气体混合得到初合成气；
初合成气和未反应的焦粉与乏气接触，乏气与焦粉反应转化为CO和H2，得到中间合成气；
中间合成气与煤粉接触，煤粉发生热解，得到最后的合成气。
在本发明的一些实施方式中，反应前的焦粉温度为800-920℃。
在本发明的一些实施方式中，焦粉气化过程中热风的温度为600～1200℃。经过点燃和热风的温度配合实现气化区温度高于1500℃，主要气化反应为粉焦中C和高温热风中O2发生不完全燃烧生成CO并释放热量。
在本发明的一些实施方式中，剩余焦粉与水蒸气反应过程中水蒸气的温度为600～1200℃。保证富氢区温度低于1500℃，在富氢区喷入高温蒸汽或含水蒸气的有机气体，与气化区的剩碳完成富氢气化，生成CO和H2，提高了H2含量。
在本发明的一些实施方式中，气化过程的温度为1500～1600℃，气速为3～5m/s。
在本发明的一些实施方式中，与水蒸气反应过程中的温度为1300～1500℃。在本发明的一些实施方式中，乏气反应过程中的温度为1000～1300℃，乏气进气后温度为1200～1300℃。进一步，乏气中附带乏焦。在本发明的一些实施方式中，煤粉热解的温度为800～1000℃，煤粉热解后的温度为800～900℃。能够避免焦油的产生。
实施例1
如图1所示，合成气的生产过程为：
合成气炉气化富氢炉8和重整热解炉1，还包括粉焦分离装置11、高温空气加热器14、高温蒸汽加热器16。
粉焦分离装置11分离的高温粉焦(温度约900℃)进入气化富氢炉8上端，与高温热风13混合进行不完全燃烧(即气化反应)，主要生成CO气体并释放热量，形成气化区9，气化温度在1500℃以上；气化区剩碳随气流携带继续向下，与高温蒸汽15混合后进入富氢区7，剩碳与高温蒸汽反应产生CO和H2，实现富氢气化，反应后煤气温度在煤灰熔点以上100-150℃，以保证液态排渣，且熔渣落入渣排放斗6后排出；
气化富氢炉8生成的煤气从下部进入重整热解炉1，与乏气5混合，乏气中少量的CO2和H2O(g)继续与碳反应重新转化为CO和H2，实现乏气重整反应，回收利用乏气的同时提高了煤气中有效气的比例，乏气重整后煤气温度约1000℃；
煤气继续上行，与煤粉进口3喷入的煤粉混合，在高温环境下，煤粉快速热解，使挥发分析出、分解为CO、H2等小分子气体，进一步提高了煤气中有效气的比例，同时得到高温粉焦；
热解区2后的气固产物进入粉焦分离装置11，分离的固相产物高温粉焦回送至气化富氢炉8作为气化原料，分离的气相产物12为还原气(合成气)，直接或显热回收后用于化工生产。
此外，气化区9所用高温空气(温度约为600～1200℃)来自于高温空气加热器，其热源来自于乏气燃烧；富氢区7所用高温蒸汽(温度约为600～1200℃)来自于高温蒸汽加热器，其热源同样来自于乏气燃烧。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，其特征在于：包括：
合成气炉，为U型反应炉，一侧为气化富氢炉，气化富氢炉由上至下设置气化区、富氢区，另一侧为重整热解炉，重整热解炉由上至下设置煤粉热解区、乏气重整区；
粉焦分离装置，煤粉热解区顶部的出口连接粉焦分离装置的入口，粉焦分离装置的固相出口与气化区的固相入口连接。
2.如权利要求1所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，其特征在于：气化区设置高温热风进口，富氢区设置高温蒸汽进口。
3.如权利要求1所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，其特征在于：煤粉热解区设置煤粉进口，乏气重整区下部设置乏气进口；
或，粉焦分离装置为旋风分离装置。
4.如权利要求1所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，其特征在于：乏气重整区设置粉焦入口。
5.如权利要求1所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，其特征在于：还包括空气加热器，空气加热器与气化区的高温热风进口连接。
6.如权利要求1所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，其特征在于：还包括蒸汽加热器，蒸汽加热器与富氢区的高温蒸汽进口连接。
7.如权利要求1所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产系统，其特征在于：U型反应炉的底部为渣排放斗。
8.一种应用权利要求1-7任一项所述合成气生产系统协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法，其特征在于：所述方法为：
焦粉与热风在点燃后，发生气化反应得到CO气体；
CO气体和剩余焦粉与水蒸气反应生成的气体混合得到初合成气；
初合成气和未反应的焦粉与乏气接触，乏气与焦粉反应转化为CO和H2，得到中间合成气；
中间合成气与煤粉接触，煤粉发生热解，得到最后的合成气。
9.如权利要求8所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法，其特征在于：反应前的焦粉温度为800-920℃；
焦粉气化过程中热风的温度为600～1200℃；
或，剩余焦粉与水蒸气反应过程中水蒸气的温度为600～1200℃。
10.如权利要求8所述的协同富氢气化与重整热解的合成气生产方法，其特征在于：气化过程的温度为1500～1600℃，气速为3～5m/s；
或，与水蒸气反应过程中的温度为1300～1500℃；
或，煤粉热解的温度为800～1000℃，煤粉热解后的温度为800～900℃。
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