CN1219857C - 一种固态排渣干粉气流床气化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种固态排渣干粉气流床气化方法及气化装置,其方法由备煤、供气、气化、排渣、除尘和废热回收六个部分所组成,在备煤过程中,将原煤分为8mm以下碎煤和0.09mm以下粉煤两部分。所述固态排渣干粉气流床气化装置由熔聚灰分离单元、对喷气流床气化单元组成。本发明实现了高温气流床气化与流化床气化相结合,利用流化床浓相段中半焦及产生粗煤气冷却气流床产生的高温灰渣和高温煤气,实现以焦冷渣、干法排渣、氧耗低、充分利用显热的气化过程。本发明反应器结构简单,无特殊耐火材料,造价低,对煤灰特性要求放宽,无复杂的激冷水处理系统。
Description
技术领域:
本发明属于一种气流床气化方法及装置,具体地说涉及一种固态排渣干粉气流床气化方法及其装置。
背景技术:
从当前国内外煤气化技术发展趋势上看,大型化、加压、适应多种粉煤、低污染、易净化是煤气化发展方向。国外新开发的气化炉主要采用高温、加压气化工艺,其优点是:提高气化强度;单炉产量高;适应多种煤粉。国外现有加压气化炉型主要分为三类:加压固定床气化炉(如Lurgi炉)、加压流化床气化炉(HTW)和加压气流床气化炉(Texaco,DOW,Shell,Prenflo)。这三类气化炉各有其优点,产业化程度以鲁奇(Lurgi)、德士古(Texaco)最为成熟,Shell,Prenflo也已完成示范厂开发,日处理量达400~2500吨的量级。鲁奇加压固定床气化炉以弱粘结块煤为原料,冷煤气效率最高,但净化系统复杂(焦油处理);德士古气化炉需以低灰、低灰熔点煤为原料,高温操作,气化强度和气体品质较高,但氧耗高、设备投资高;干粉进料的Shell气化技术比Texaco气化技术气化效率增加两个百分点,近年来,气流床干法进料气化技术因原料适应性广、冷煤气效率高、碳转化率高、单台生产能力高被人们所重视。
目前世界上已有的几种干粉气流床气化流程相近:原煤经粉碎、干燥至适宜的水含量(如:褐煤8%~10%,烟煤1%~2%),粒度小于0.1mm,入常压煤仓和加压煤仓,粉煤用氮气通过气动输送系统浓相(煤粉∶输送气体=20~30kg/kg)输入气化炉。气化炉设置安装对称烧嘴,蒸汽、氧气和煤粉在炉内反应温度超过1370℃。煤中大部分灰分在高温火焰区被溶化,以熔渣的形式沿气化炉壁下流,进入熔渣水浴而固化、成粒状,由出灰机、灰锁斗而排出气化系统。粗煤气含有少量的未燃烬碳和相当量的熔融灰,在进入废热锅炉前,通常利用激冷方法将粗煤气冷却到1100℃以下,以避免粘性灰渣进入废热锅炉而粘结在锅炉管壁上。煤气出废热锅炉之后,进入除尘和水洗系统,除去绝大部分灰尘,同时煤气温度被冷却到35℃。
气流床气化的很大特点在于煤粒能各自被气流隔开,燃料颗粒不易在塑性阶段凝聚,从而燃料的粘结性对气化过程没有影响。煤粉和气化剂进行并流气化,反应物之间的相对速度小,接触时间短。为了提高反应速度,一般用纯氧蒸汽为气化剂,并且将煤粉磨得很细,增加反应表面积;为了使碳转化完全,必须提高反应温度,炉温一般较灰熔点高100-150℃,因此,灰分通常以熔融状态排出,在选择燃烧时还必须注意灰分的粘温特性。由于气化反应是在高温状态下进行,必须考虑气化炉的耐高温材料。
K-T炉目前采用加压喷涂含铬耐火混凝土,一次喷成,寿命可达3-5年,但衬里的下半部因有熔渣流动侵蚀,易于损坏;Shell和GSP气化炉采用了膜式水冷壁,增加了耐火砖的使用寿命,但由于复杂的水冷壁、挂渣技术及液态排渣系统,设备造价较高;Prenflo内衬耐火砖,其外为蒸汽夹套,上部为废热锅炉。K-T炉和GSP采用水激冷的方法降低粗煤气出口温度,而Shell气化炉和Prenflo气化炉则采用循环冷煤气激冷的办法。
根据煤气化反应热力学平衡和动力学分析,在1200℃~1300℃温度范围内,煤气化反应可以完全进行,达到最大平衡点。而目前世界上的气流床气化技术均采用1400℃以上的温度操作,其目的是为了增加液渣的流动性,实现液态排渣。但液渣的液膜不利于气化介质的扩散,影响碳转化率;过高的温度致使氧耗高、冷煤气效率降低、耐火材料要求高。另外,目前已有的干粉气流床气化煤气中以CO为主,易发生岐化反应,不适于现有化工合成需求;液态排渣,需增设碎渣机,并要严格控制激冷水槽温度,水处理系统复杂;气体出口温度过高,废热回收系统昂贵;耐火砖寿命短,而采用膜式水冷壁结构复杂、昂贵;煤处理系统庞大、耗电高;中国煤高灰、高灰熔点的特性更不利于液态排渣气流床气化。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种操作简单,使用寿命长,运行成本低的固态排渣干法气流床气化的方法。
本发明的第二个目的在于设计一种结构简单,成本低的固态排渣干粉气流床气化装置。
本发明是将气流床与流化床气化过程相结合,干煤粉在气流床段高温条件下气化,产生的熔融灰渣随高温煤气被携带进入流化床与气流床交汇段,并迅速与流化床中的“低温”半焦和所产生的“低温”煤气混合。熔融的灰渣被冷却成固态渣与半焦混合,并通过流化床下部的熔聚灰分离系统以固态形式有选择性地被排出气化炉。
本发明的固态排渣干粉气流床气化的方法包括如下步骤:
(1).气化原料煤的制备
原料煤破碎后经过筛分,小于8mm的煤干燥到水份<5wt%,一部分干燥的碎煤送入碎煤仓,做为流化床气化原煤;另一部分碎煤再粉碎至小于0.09mm,送入细煤粉煤仓,做为气流床气化原煤;
(2).气化
a.首先对气化炉进行烘炉,待气化炉底部和气流床中部温度大于900℃,顶部温度大于400℃时,在流化床底部通入空气、蒸汽及碎煤,并按空气煤比2∶5~3.5Nm3/kg、蒸汽煤比0.3~0.6kg/kg进行操作;
b.待流化床浓相段中半焦物料的静床高度与床层直径相等,系统操作稳定后切换为氧气/蒸汽鼓风,切换过程中温度控制在800~900℃;
c.按氧气煤比0.4~0.5Nm3/kg、蒸汽煤比0.5~1.0kg/kg进行操作,温度稳定在900~1100℃范围;
d.流化床部分系统稳定后,将粒径小于0.09mm的干煤粉由细煤粉煤仓输送至气流床燃煤喷嘴,再向燃煤喷嘴通入氧气和蒸汽,按氧气干煤粉比0.5~0.7Nm3/kg、蒸汽煤比0.1~0.3kg/kg进行操作,气流床部分操作温度在1200~1400℃范围。流化床与气流床交汇段及上部扩大段温度在1150~1300℃范围。
(3).气化炉的排渣
在气化过程中,调节环形管气速在5~10m/s,氧浓度<25Vol%;中心射流管气速10~30m/s,氧浓度40~60vol%,控制排渣量;
(4).粗煤气的净化和废热回收
在气化炉出口加入激冷水蒸汽或热量回收系统,保证气化炉出口温度<900℃。粗煤气经旋风分离器分离,捕集的半焦细粉经半焦细粉收集/冷却罐、细粉输送系统等送入原料细煤粉输送罐,再次参与反应;经粗分离的高温煤气经废热锅炉、换热器,煤气温度降至170℃左右进入水冷淋洗塔,进一步降温及除尘后输出;
5.气化炉停车
正常停车时,首先切断进入后系统煤气管线,煤气放空;关闭气流床燃煤喷嘴氧气,再关闭燃煤喷嘴干煤粉,同时开大喷嘴蒸汽量,起到保护喷嘴、吹扫和气流床部分降温的作用;之后,降低流化床环形管气速加大排灰量,同时加大流化床蒸汽用量,关闭氧气阀门,关闭流化床的碎煤,炉内温度控制在900℃以下。炉料排完后,停止进气,最后系统分别用蒸汽、空气吹扫一遍。
为了实现本发明设计一种结构简单,成本低的专用固态排渣干粉气流床气化装置。
本发明的固态排渣干粉气流床气化装置是由熔聚灰分离单元、固态排渣干粉气流床气化单元及废热回收单元组成,所述的熔聚灰分离单元由圆锥分布板、渐缩管、中心射流管、立式分离管、圆柱形气室、气化剂进气管构成;所述的废热回收单元由列管式锅炉构成;所述的固态排渣干粉气流床气化单元由下部的流化床气化段,对喷气流床气化段和上部的扩大段组成,对喷气流床气化段由两个对称干粉气流床反应筒体,细煤粉燃嘴,气化剂进气管及细煤粉浓相输送管构成。
所述分布板的圆锥母线与中心轴的夹角β为20~50度,分布板上的孔为圆形。
所述渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角γ为5-20度。
所述对喷干粉气流床中心轴与垂直反应器主体中心轴夹角α为0~30度,两中心轴切点距流化床分布器上沿高度L=0.5-2D,D为流化床浓相段直径。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1).实现以焦冷渣,干法排渣,省去激冷水处理系统;
2).“低温”操作,气化炉主体温度在1100~1300℃,以低温煤气取代循环冷煤气,减小氧耗,提高冷煤气效率;
3).充分利用显热,将煤气和热灰显热用于煤气化反应;
4).调节煤气中的CO和H2比例,符合化工合成;
5).反应器结构简单,无特殊耐火材料,造价低;
6).对煤灰特性要求放宽,根据煤种特性调节温度,适应大多数中国煤特性;
7).可直接使用部分碎煤,减少磨煤电耗。
8).操作简单,使用寿命长。
本发明的气化方法及其专用设备结合附图说明如下:
附图说明
图1为固态排渣干粉气流床粉煤气化流程图
图2为固态排渣干粉气流床粉煤气化装置结构示意图
图3为熔聚灰分离单元示意图
具体实施方式
实施例1:如图所示,固态排渣干粉气流床气化单元由炉体1、保温材料2及耐火材料3,上部扩大段20,密相流化段17,对喷干粉气流床18,碎煤进料管12及细煤粉喷嘴15构成;炉内废热回收设备由列管式锅炉16构成;熔聚灰分离单元由圆锥分布板4、渐缩管5、中心射流管6、立式分离管8、圆柱形气室7、气化剂进气管9、10及11构成;对喷干粉气流床单元由两个对称干粉气流床反应筒体18,细煤粉燃嘴15,气化剂进气管14及细煤粉浓相输送管13构成。21为皮带输送机,22为破碎机,23为埋刮板,24为振筛机,25为回转干燥器,26为振筛机,27为风选式粉碎及分离器,28为细粉振筛机,29为埋刮板,30为干细粉储仓,31、32为浓相气力输送罐,33为埋刮板,34为碎煤储仓,35为振动给料机,36为斗提机,37、38、39为碎煤进料仓,40为螺旋进料器,41为气化炉,42为灰斗,43为一、二级旋风分离器,44为飞灰冷却器,45为飞灰循环增压罐,46为废热回收,47为空气预热器,48为水洗塔,49为气化剂分气缸,50为原煤,51为锅炉软水,52为蒸汽,53为循环洗涤水,54为煤气,55为空气,56为水蒸汽,57为氧气,58为灰渣。
分别将陕西彬县原煤破碎至粒度小于8mm的碎煤和小于0.09mm的细煤粉,干燥后装入煤斗34和30待用。加热使流化床气化炉底部17温度及对喷干粉气流床炉体18温度达到900℃,气化炉顶部20温度达到400℃。开启空气/蒸汽鼓风系统和进煤螺旋进料器40,将原煤经由煤斗39加入气化炉41内,进煤量40kg/h,空气量120Nm3/h,蒸汽量20kg/h。建立床层后当温度、压力、流量系统均达设定条件后切换为氧气/蒸汽鼓风,进氧量20Nm3/h,水蒸汽量37kg/h,切换过程中温度控制在800~900℃左右,然后缓慢调节氧气、蒸汽流量,保证分布器4、环管8及中心射流管6需要的流速、氧浓度,最后温度稳定在900~1100℃范围的选定值。
系统稳定后,开启细粉输送系统31或32,确保细煤粉正常输送后,开启喷嘴气化剂进气管14,两个对称气流床总细粉量60kg/h,氧气量36Nm3/h,蒸汽量8kg/h,气流床部分温度由900℃逐渐提高到1300~1400℃范围,稳定操作。在气流床部分稳定后,通过调节流化床气化段气化剂量和碎煤进煤量控制流化床与气流床交汇段及上部扩大段温度至要求值。氧气与碎煤之比为0.5Nm3/kg,氧气与细煤粉比为0.6Nm3/kg,水蒸汽碎煤之比为0.925kg/kg,水蒸汽与细煤粉比为0.133kg/kg。气化炉交汇段温度控制在1214℃
气化炉41内的灰渣经过气化炉下部排入灰斗42中,定期从灰斗42排出灰渣。在运行过程中,通过在炉出口适当加入激冷水蒸汽,保证气化炉出口温度<900℃。粗煤气经旋风分离器分离43,捕集的半焦细粉经半焦细粉收集及冷却罐44、细粉输送系统45等细粉循环系统送入原料细煤粉输送罐31或32,再次参与反应;经粗分离的高温煤气经废热锅炉46、换热器47,煤气温度降至170℃左右进入水冷淋洗塔48,进一步降温及除尘后输出。过程所用气化剂(氧气、蒸汽)各分4路进入流化床灰渣冷却浴气体分布器7、射流管6、灰分离器管8及气流床燃煤喷嘴15,以保证炉内气化、流化、熔渣冷却及灰分离过程的进行。
实施例2:流化床部分碎煤进煤量42kg/h,进氧量21Nm3/h,水蒸汽量38kg/h;气流床总细粉量43kg/h,氧气量26Nm3/h,蒸汽量6kg/h;气化炉交汇段温度控制在1173℃,其余同实施例1。
实施例3:流化床部分碎煤进煤量40kg/h,进氧量21Nm3/h,水蒸汽量38kg/h;气流床总细粉量100kg/h,氧气量59Nm3/h,蒸汽量15kg/h;气化炉交汇段温度控制在1255℃,其余同实施例1。
实施例4:流化床部分碎煤进煤量42kg/h,进氧量21Nm3/h,水蒸汽量39kg/h;气流床总细粉量170kg/h,氧气量102Nm3/h,蒸汽量25kg/h;气化炉交汇段温度控制在1302℃,其余同实施例1。
如实施例1-4条件下进行的新型固态排渣干粉气流床煤气化制合成气气体组成列于表1。
表1不同条件下新型固态排渣干粉气流床煤气化制合成气气体组成
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | |
总进煤量kg/h | 100 | 85 | 140 | 212 |
总进氧量Nm3/h | 56 | 47 | 80 | 123 |
总蒸汽量kg/h | 44 | 45 | 53 | 64 |
氧煤比Nm3/kg | 0.560 | 0.553 | 0.571 | 0.580 |
蒸汽煤比kg/kg | 0.45 | 0.529 | 0.379 | 0.302 |
混合反应温度℃ | 1214 | 1173 | 1255 | 1302 |
干煤气组成Vol.% | ||||
CO2 | 11.430 | 9.68 | 7.923 | 5.985 |
H2 | 37.009 | 35.86 | 34.737 | 33.481 |
CO | 46.673 | 49.63 | 52.597 | 55.870 |
CH4 | 0.728 | 0.59 | 0.457 | 0.307 |
N2 | 4.025 | 4.09 | 4.156 | 4.229 |
产气率Nm3/kg | 2.04 | 2.05 | 2.03 | 2.02 |
煤气热值Kcal/Nm3 | 2610.88 | 2652.77 | 2694.87 | 2741.28 |
碳转化率% | 99 | 99 | 99 | 99 |
冷煤气效率% | 82.41 | 82.24 | 82.08 | 81.90 |
Claims (6)
1.一种固态排渣干粉气流床气化方法,由备煤、气化、排渣、粗煤气的净化和废热回收组成,其特征在于:
(1)气化原料煤的制备
原料煤破碎后经过筛分,小于8mm的煤干燥到水份<5wt%,一部分干燥的碎煤送入碎煤仓,做为流化床气化原煤;另一部分碎煤再粉碎至小于0.09mm,送入细煤粉煤仓,做为气流床气化原煤;
(2)气化
a.首先对气化炉进行烘炉,待气化炉底部和气流床中部温度大于900℃,顶部温度大于400℃时,在流化床底部通入空气、蒸汽及碎煤,并按空气煤比2.5~3.5Nm3/kg、蒸汽煤比0.3~0.6kg/kg进行操作;
b.待流化床浓相段中半焦物料的静床高度与床层直径相等,系统操作稳定后切换为氧气/蒸汽鼓风,切换过程中温度控制在800~900℃;
c.按氧气煤比0.4~0.5Nm3/kg、蒸汽煤比0.5~1.0kg/kg进行操作,温度稳定在900~1100℃范围;
d.流化床部分系统稳定后,将粒径小于0.09mm的干煤粉由细煤粉煤仓输送至气流床燃煤喷嘴,再向燃煤喷嘴通入氧气和蒸汽,按氧气干煤粉比0.5~0.7Nm3/kg、蒸汽煤比0.1~0.3kg/kg进行操作,气流床部分操作温度在1200~1400℃范围。流化床与气流床交汇段及上部扩大段温度在1150~1300℃范围。
(3)气化炉的排渣
在气化过程中,调节环形管气速在5~10m/s,氧浓度<25Vol%;中心射流管气速10~30m/s,氧浓度40~60vol%控制排渣量。
2.如权利要求1所述一种固态排渣干粉气流床气化方法的装置,其特征在于是由熔聚灰分离单元、固态排渣干粉气流床气化单元及废热回收单元组成,所述的熔聚灰分离单元由圆锥分布板(4)、渐缩管(5)、中心射流管(6)、立式分离管(8)、圆柱形气室(7)、气化剂进气管(9,10,11)构成;所述的废热回收单元由列管式锅炉(16)构成;所述的固态排渣干粉气流床气化单元由下部的流化床气化段(17),对喷气流床气化段(18)和上部的扩大段(20)组成,对喷气流床气化段由两个对称干粉气流床反应筒体(18),细煤粉燃嘴(15),气化剂进气管(14)及细煤粉浓相输送管(13)构成。
3.如权利要求2所述一种固态排渣干粉气流床气化方法的装置,其特征在于所述分布板(4)的圆锥母线与中心轴的夹角β为20~50度,分布板(4)上的孔为圆形。
4.如权利要求2或3所述一种固态排渣干粉气流床气化方法的装置,其特征在于所述渐缩管(5)的圆锥母线与中心轴的夹角γ为5-20度。
5.如权利要求2或3所述一种固态排渣干粉气流床气化方法的装置,其特征在于所述对喷干粉气流床中心轴与垂直反应器主体中心轴夹角α为0~30度,两中心轴切点距流化床分布器上沿高度L=0.5-2D,D为流化床浓相段直径。
6、如权利要求4所述一种固态排渣干粉气流床气化方法的装置,其特征在于所述对喷干粉气流床中心轴与垂直反应器主体中心轴夹角α为0~30度,两中心轴切点距流化床分布器上沿高度L=0.5-2D,D为流化床浓相段直径。
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