CN1221446A - 煤气化装置、煤气化方法及煤气化复合发电系统 - Google Patents
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Abstract
煤气化装置,是将气化炉和热量回收部设置于同一容器内成一体的装置,其中热量回收部是回收气化炉中因煤的气化反应所产生的热量,而对后续设备不造成负担。上述热量回收部设于气化炉的正上方,而且是由与生成气体气流呈正交的传热管组成。上述气化炉则由炉上部和炉下部组成,在炉上部配置上段喷管,炉下部配置下段喷管。炉下部由下段喷管供给煤和多量的氧化剂,以保证达到熔化灰分的足够温度,而炉上部则由上段喷管供给煤和少量氧化剂,使其处于不熔化灰分的温度,从而抑制灰分附着至炉壁或热量回收部。此外,将组成上述热量回收部的传热管,按其表面温度的不同分二段设置,从而能有效地降低生成气体的温度,并能减少对后续设备材料的影响。
Description
本发明涉及应用煤气化装置,将气化后的燃料供给燃气轮机进行发电的煤气化复合发电系统,其中主要是关于煤气化装置及煤气化方法。
作为从煤中提取能量进行发电的方式,目前最广泛使用的是将煤燃烧变换成热能,产生水蒸气再回收的方式。
与此相反,煤气化不是将煤直接燃烧,而是通过氧化剂在气化反应中变换成可燃性气体,然后将其直接供给燃气轮机或燃料电池等发电设备,变换成电能的方式。此外,这一工艺流程中产生的热量可供给蒸气轮机,从而也可变换成电能。
这种方式,与以往直接燃烧煤,产生水蒸气进行发电的方式比较,由于通过煤气直接驱动燃气轮机或燃料电池,故效率高,进而,可与蒸气轮机并用发电,所以能进一步提高效率。
基于以上理由,借助煤气化的发电系统,有望成为新一代的高效发电系统。
煤气化技术是使煤在高温下与作为氧化剂的氧,水蒸气等接触,产生由氢、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、水蒸气等组成的可燃性气体。
作为实现这种煤气化的煤气化装置,有气流层(喷流层)装置。所谓气流层,是将煤粉碎成几十微米左右的微粒,从而提高与气体接触效率的装置。由于反应速度快,该装置的气化炉内呈高温,可快速地完成反应。
此外,由于气化炉内处于高温(1400~1800℃),可使煤中含有的灰分熔化,灰分一旦熔化,含有的有害金属被封闭于熔渣中,故有利于环境保护。因此,气流层型气化装置是既高效又利于环保的煤气化装置。
然而,由于使煤在高温(1400~1800℃)下反应,所以生成气体也处于高温。此外,在生成气体中,含有因煤不能完全起反应而残存的未反应的碳,含在煤中的灰分,以及具有腐蚀性的硫化氢、氨。如果处于1500℃以上的高温状态下,煤中的灰分也处于熔化状态(熔化后的灰分称为熔渣),并将附着至各种设备上,故需要采取措施。
为将高温的生成气体供给燃气轮机,就目前使用的燃气轮机的结构材料而言,需要冷却至约400℃以下。
针对上述要求,提出了各种高温生成气体的冷却方案。在冷却方式中,有吸收从传热面散发的辐射热的,和利用生成气体对流的传热面进行热交换的方式。
特开昭61-228093号公报提出直接与气化炉连接设置热交换器(但并非设置在同一容器内)。
但为避免从气化炉飞散的熔渣附着在热交换器上,采用不阻挡气流,而围绕气流周围的结构来配置热交换器,即与气流平行地设置热交换器,然后,在熔渣冷却固化位置高密度地配置遮挡气流的热交换器。
在这种围绕气流的热交换器的配置方式中,使气流不会无规则流动,而能回收热量。尤其是,即使在生成气体中存在熔渣等悬浮物,由其所致的故障也并不多。但由于围绕气流设置,热交换器热交换部分的单位体积传热量减少,产生热交换器自身大型化的问题,因而,作为装置整体而言,成本将提高。
此外,由于大型化的结果,需设置多个热交换器部分,又由于与这些部分连接的部分也处于高温,因此选材,结构设计均变得复杂。尤其是气化炉气体由下而上流通时,传热部分通过连接管则自上而下流动,其结果飞散的微粒将滞留在传热部的下部,成为装置的一个问题。
特开平7-97579号公报提出,不仅以辐射还通过传热达到回收热量的目的,即设置对流传热面的方式。在这一方式中,由于可紧凑地安装多量的传热管,利于装置的小型化。然而,问题在于气流中的熔渣附着在对流传热面上,导致气体流路堵塞或形成局部高温状态。
还有将冷却用气体混合至生成气体中冷却的方式。这一方式,只要冷却用气体能很好地混合,则无需热交换器也行,但需要大量的冷却用气体来混合,因而气体总量增加,后续设置的气体处理量也将增加,其结果该设备将大型化。
上述的后续设备中包括除尘、脱硫设备等,一旦这些设备大型化,则关系到整个装置系统的大型化。
另外,还有使煤等混合至生成气体中,通过反应吸热回收热量的方式。因而这是在吸热反应时回收热量,所以可有效地提高气化效率。
但是,由于未反应的生成物混入生成气体中,对其分离回收25需要特别的装置,具体地说,需旋风分离器,过滤器等。分离这样的未反应生成物需在高温下进行,因而装置复杂。
尤其是以发电为目的时,这一分离部分的应答迟缓,其结果相对于负荷变动的气体供给量将不能保证。
本发明的目的是,提供能以低成本回收煤气化反应所产生的热量,从而减少后续设备负担的煤气化装置及煤气化方法,以及提供使用上述煤气化装置的煤气化复合发电系统。
为达到上述目的,本发明的要点如下。
煤气化装置,具有煤的气化反应部及回收该反应部热量的热量回收部,其特征是上述热量回收部与气化反应部的后段直接连接设置,而且是由通过辐射及对流传热的传热管组成,该传热管相对气流实际上呈正交设置,此外,热量回收部和气化反应部设置于一个容器内。
该煤气化装置中的气化反应部包括上部反应区和下部反应区。
此外,该煤气化装置中与气化反应部的后段直接连接而设置的热量回收部,是由第1热量回收部和第2热量回收部组成。第2热量回收部设置在第1热量回收部后段,其表面的温度比第1热量回收部表面温度低。
第1热量回收部将生成气体温度约从1400℃冷却至900℃左右,而在第2热量回收部则将900℃的气体冷却至400℃左右。
另外,该煤气化装置还具有调节供碳的措施,即在上述气化反应部和热量回收部之间,通过供给的碳,调节生成气体中的碳和灰分的比例。
此外,煤气化方法,应用上述煤气化装置(即,将煤进行气化的反应部和回收反应部热量的热量回收部设置于同一容器内的装置),
其中,热量回收部与气化反应部的后段直接连接设置,而且是由通过辐射及对流进行传热的传热管组成,该传热管相对气流实际上是正交设置的,
上述反应部包括上部反应区和下部反应区,在上部反应区中,供给的氧化剂量是使该区温度不至于使煤中的含有灰分熔化,而下部反应区供给的氧化剂量是,由上部和下部供给的全部煤变换成一氧化碳及氢所需的氧化剂量,减去供给上部的氧化剂量。此外,此法通过与上述反应部直接连接而设置的,采用辐射及对流传热的热量回收部来回收反应热。
此外,气化反应部的结构采取减少上端和下端的断面积,在气化反应部内使煤和氧化剂反应,从气化反应部下端排出熔化灰分,而气化反应部上端产生的可燃性气体,则通过与其上部直接连接设置的热量回收部冷却。其中,在气化部下部供给的氧化剂量,应使该部温度达到能使供给的煤的灰分熔化,而气化反应部上部所供给的氧化剂量则是使该部的温度不至于熔化煤中含有的灰分,而且,该煤气化方法在气化反应部和热量回收部之间,通过设置的供碳措施供给碳,即,为使灰分不附着在热量回收部来控制供给的碳量。
附图的简要说明
图1是本发明气化装置的气化反应状态模式图;图2是煤气化装置的灰分中碳与灰分的比例,以及温度与灰分附着性的关系图;图3为实施例1的煤气化装置纵向断面模式图;图4为实施例1的煤气化装置横断面模式图;图5是应用实施例1的煤气化装置的煤气化复合发电系统流程图;图6为本实施例和以往例的煤气化装置运转温度比较图;图7是本实施例和以往例的煤气化装置大小比较图;图8为实施例2的煤气化装置纵向断面模式图;图9则为实施例3的煤气化装置纵向断面模式图。
为更详细地说明本发明,按照附图加以说明。
首先,煤的主要气化反应可按(1)~(4)式表示。
上述(1)~(3)为吸热反应,而(4)为放热反应。
一般来说,开始在(1)反应中产生挥发物质,并在炭产生的同时挥发物质燃烧,炉内温度上升。此外,发生(4)反应,即煤与氧反应,同样炉内温度上升并产生CO,CO2。
在挥发物质燃烧时产生的H2O和CO2,如(2)、(3)式所示那样,在高温下和未燃烧的碳(炭)反应,形成可燃性气体H2及CO。
在气流层型气化装置中,在反应阶段为了熔化煤中的灰分,需足够的温度,使灰分熔化呈液态熔渣排出,再通过冷却成玻璃状,并将有害金属封闭其中然后排出。
本发明的煤气化装置是气流层型的二段气化装置,气化炉内分成上下二段,从上段供给煤和少量氧化剂,而从下段则供给煤和多量氧化剂,从而在下段就能达到为熔化煤中灰分的足够温度。
而上段的温度则不使灰分熔化,从而可抑制因气化反应所致灰分附着在炉壁上。这样就可达到灰分处理和气化均高效的结果。
图1是本发明气化装置的气化反应状态模式图。
从下段燃烧器供给的煤与多量的氧化剂反应,产生生成气体和熔化灰分(熔渣),而从上段燃烧器供给的煤因吸热反应产生微小的炭。
在气化炉上部产生的炭呈粉末状,附着在气化炉下部产生的熔渣的表面上,其结果具有抑制灰分附着至炉壁或热量回收部等处的作用效果。正因如此,本发明的煤气化装置,尤其是在气化炉内产生的熔渣的附着性少,可防止其附着至热量回收部,因而可将气化炉和热量回收部(传热管)成一体结构。
图2表示煤灰分(炭)中碳和灰分的比例,以及温度和灰分附着性的关系图。横坐标表示煤灰分中的碳浓度,纵坐标表示温度。
暗影线所示区域为灰分附着性高,即在温度高、灰分中碳浓度低的区域,生成气体中的灰分容易附着在热量回收部(传热管),而温度低(900℃以下)或灰分中碳浓度高(10%以上)时,生成气体中的灰分附着性小,即难以附着在传热管上。
由上可知,相对生成气体中的灰分而言,碳的比例增大可抑制灰分附着至传热管等热量回收部。这样,就可将回收反应热的热量回收部紧接在气化炉后段成一体配置,从而可提供结构紧凑的煤气化装置。
此外,如按照本发明的煤气化装置,无需供给冷却气体等,即使需要,其供给量也很少。因为多余气体很少混入后续设备,生成气体可在最低限度,所以后续设备可实现小型化。
与气化反应部后段直接连接设置的本发明热量回收部的结构,是由第1热量回收部和第2热量回收部组成,第2热量回收部比第1热量回收部的表面温度低,且设置于第1热量回收部的后段。第1、第2热量回收部与气流中气体的流动方向呈正交设置。在第1热量回收部中,将生成气体的温度从1400℃冷却至900℃,在此可获得高温水蒸气,而在第2热量回收部,将生成气体的温度从900℃冷却至400℃。
之所以采取这样的结构,是因为为了提高传热效率,以及更有效地利用其容积。此外,采用温度不同的二段热量回收部的原因则是为最有效地回收生成气体的热量。
热量回收部的具体形状优选螺旋状或波纹状的金属传热管,其间隔密度可根据气化炉容量任意设定。
在第1热量回收部的传热管及第2热量回收部的传热管中,分别通入高温水(或高温水蒸气)及比第1传热管温度低的低温水(或低温水蒸气),回收气化反应产生的热量,即第1热量回收部作为蒸发器或过热器,第2热量回收部作为蒸发器或炉水预热器使用。
以下根据具体的实施例进一步说明本发明。
〔实施例1〕
图3为本发明煤气化装置的纵向断面模式图。煤气化装置包括收纳于容器51内的气化反应部和与其后段直接连接配置的热量回收部。气化反应部(以下称为气化炉)由炉上部28和炉下部29组成,在炉上部28及炉下部29分别设有上段喷管31和喷管32。
在气化炉25的上端部设有再循环喷管6,而在气化炉25的下端部设有出渣口26,在这一部分气化炉25的直径缩小。此外,在气化炉25的下方设有熔渣水冷槽30,而紧靠气化炉25上方设置高温热量回收部23,低温热量回收部22。气化炉25的内壁有水冷却的水冷内层24及在其表面用耐火材料60加以保护。
图4表示气化炉横断面图。(a)图为有供给再循环气体用的再循环喷管6部位的配置情况;(b)为有上段喷管31部位的配置情况;(c)则为有下段喷管32部位的配置情况。
如图所示的气流旋转的直径41~43那样,按(a)、(b)、(c)顺序,各个喷管沿着逐渐接近中心部供给气体来进行配置。这样,就可以从离炉壁近处开始,按照再循环气体,上段生成气体、下段生成气体的顺序覆盖炉壁,即,使温度更低的气体贴近炉壁一侧,从而保护炉壁44。
以上段喷管31,在不使煤中的灰分熔化温度下,将煤9和氧气8两者按所定比例供给,而从下段喷管32,则在使灰分熔化的温度下,将煤9和氧气8两者按所定比例供给。
在此,在供给煤的同时,也可供给使灰分熔点降低,或为促进炉内脱硫等反应、由石灰石等组成的添加剂11。此外也可供给调节炉内温度及作为氧化剂的水蒸气10。
此外,在煤气化装置的后续设备(除尘设备)中回收的再循环炭13,经气化炉下方供给,由于这样,在炉上部28形成了比灰分熔点低的低温反应区,而在炉下部29则形成比灰分熔点高的高温反应区,在这高温反应区和炉壁间形成熔渣。上述再循环炭的主要成分是未燃烧的炭和灰分。
上述煤气化装置的操作条件一例,如下表1所示。
表1
上段 | 煤供给量氧气供给量氧气/煤的比例温度 | 1024t/d590t/d0.58980℃ |
下段 | 煤供给量氧气供给量氧气/煤的比例温度 | 1024t/d1048t/d1.021560℃ |
整体 | 煤供给量氧气供给量氧气/煤的比例温度 | 2048t/d1638t/d0.801340℃ |
在这一操作条件中,煤在炉上部28和炉下部29等量供给,而氧气则为使供给的煤进行气化的充分的供给量。此外,本操作条件中的全部氧气和全部煤的比例,按重量比计为0.8。
在炉上部28中供给的氧气量,是应使其温度处在不熔化煤中灰分的状态,氧气和煤的比例定为0.58。
供给炉下部29的氧气量是将总氧气量减去供给炉上部的氧气量。因此,本操作条件中,炉下部29的氧气和煤的比例为1.02。此外,供给炉下部29的氧气量也包括与再循环炭一起供应的氧气。
在上述操作条件中,炉下部29的温度约为1560℃,这是足以使中煤灰分熔化的温度。而炉上部28是比灰分熔点低的低温区(900~1400℃),因此产生炭,这种炭呈粉末状附着在炉下部产生的熔渣表面上,由于这样,熔渣即使到达设置在气化炉25上方的热量回收部23,22(传热管),也不会附着在传热管上,因此,可以改善因传热管表面熔渣附着所致传热效率降低的问题。
此外,在传热管表面,由于上述碳粉利于该附着物边界层的破坏,故也能良好地保持传热管的传热系数。
这种生成气体(即含有被碳粉包覆、附着性少的熔渣的气体)由气化炉25的出口变径部27排出,最初被高温热量回收部23冷却,而回收的热量将高温水5变成高压水蒸气4。然后,被低温热交换器22进一步冷却,其回收的热量将低温水3加热成低压水蒸气2。经上述热量回收被冷却的生成气体,由气化装置出口21送至设置其后的设备。
在本实施例中,因为热量回收部和气化炉25成一体设置在容器51内,所以气化装置整体可小型化。
其次,应用煤气化装置的煤气化复合发电系统的本实施例的组成如图5所示。
本发电系统由煤气化装置,气体精制装置,燃气轮机、蒸气轮机复合发电机等组成。
对于煤气化装置82,由氧气制造装置81供给其氧气,而煤经粉碎由贮煤料计80供给,即通过氧气制造装置81所产生的剩余氮气进行加压,由煤气化装置82的上段喷管31及下段喷管32供给。上段喷管31的煤供应量通过上段煤供给量控制装置92调节,下段喷管32的煤供给量同样通过下段煤供给量控制装置93调节。然后,在煤气化装置82内的气化炉25中,利用对流及辐射吸热的热量回收部(图3的22,23),以低压水蒸气2的形式回收热量。在这一部分,由于传热管与气流呈正交配置,所以与高温气体能充分地进行热交换,可将生成气体从1400℃以上的高温冷却至400℃。
生成气体通过由旋风分离器,高温袋滤器或高温电除尘器组成的除尘设备83除去粉尘,然后,通过利用吸收液脱硫的湿式脱硫装置或利用固态硫化剂脱硫的干式脱硫装置84,除去H2S或COS等硫化物。
经这样去除了粉尘、硫化物精制得到的生成气体供给燃气轮机85的燃烧器,直接燃烧,驱动透平,变换成电力。燃气轮机的入口温度,从阀门的可靠性等因素考虑应在400℃以下。在燃气轮机85中,空气61被压缩成加压空气,供给氧气制造装置81或煤气化装置82。
此外,精制气体的一部分,通过压缩机101加压,由再循环喷管6供给煤气化装置82,这是用来冷却气化炉25中的生成气体。
从燃气轮机85排出的高温气体,通过热量回收锅炉86,以水蒸气形式回收,回收的水蒸气供给蒸气轮机87,变换成电力。
与上述气化炉直接连接的热交换器所产生的水蒸气也供给这一蒸气轮机,进行发电。
如上所述,本发明的煤气化装置中,通过直接连接设置的热量回收部,可高效地冷却生成气体,所以能减少冷却用的气体供给量。因而通过除尘设备83及脱硫装置84的煤气以外的气体量少,所以这些气体精制装置也可小型化,从而,煤气化复合发电系统整体可实现小型化。
图6是本实施例和以往例的煤气化装置运转温度的比较图。
以往方式的气化炉出口气体温度为1500℃左右的高温,因此,生成气体到达热交换器之前需要降至900℃以下,故需要大量的冷却气体。这一温度如图2所示。
与此相对,如按本实施例的二段反应的气化方式,气化炉25出口处27的温度已是较低的400℃。此外,由于生成气体的煤灰分中碳的比例大,可抑制附着至热量回收部等处。另外,进入热量回收部的温度以1200℃左右为好,因此在供给冷却气体时其量也少。
图7为本实施例和以往例的煤气化装置大小(包括热量回收部)的比较图。
以往例1是在一段反应型气化炉中应用辐射式热量回收部,由于每单位断面积的辐射面不可能大,所以炉的尺寸大。
以往例2为二段反应型气化炉,因为炉的出口温度可降低,所以热量回收部较小型化。
而热量回收部与气化炉成一体的本实施例的煤气化装置中,其热量回收部除辐射传热部分之外还使用对流传热,故气化装置尺寸可明显地小型化。
〔实施例2〕
通过图8说明本实施例。气化炉分上下二段气化区,在上段反应区仅供给煤,在该区形成的灰分全部排至炉外,在设备外捕集未反应的碳炭,再将捕集的这种碳作为再循环炭,供给下段反应区。此外,在下段反应区中供给氧气8及煤9,主要发生燃烧反应,而在反应炉25内上部形成的反应区28中,主要发生气化反应。
本实施例的特有效果是,使上段反应区28中形成的可燃性气体,不和氧化剂完全接触而排出,所以可提高生成气体的发热量。
〔实施例3〕
通过图9说明实施例3。本实施例是一段反应型煤气化装置,煤9和氧气8供给反应区33,氧气相对煤的比例小,使其形成未反应的碳,从而抑制附着至热量回收部,而未反应的碳通过后续的除尘设备回收,作为再循环炭供给。
此外,再循环炭13的供给位置设置在紧靠热量回收部23的下方,因这种炭的存在,能抑制熔渣的附着。
本实施例的特有效果是,因反应区(33)为一段,故其结构简单,且可达到降低装置成本的目的。
如按本发明,通过气化炉中产生的未燃碳或炭的供给,可抑制灰分熔渣的附着,从而可实现热量回收部和气化炉成一体化,即可达到煤气化装置的小型化。
此外,由于无特别需要供给冷却气体,所以多余的气体不会混入后续设备,因而系统整体可简单化。
Claims (13)
1.煤气化装置,在具有煤气化反应部及回收该反应部热量的热量回收部的装置中,其特征在于热量回收部直接连接设置在气化反应部的后段,且是由采用辐射及对流传热方式的传热管组成,该传热管相对气流实际上呈正交配置,热量回收部和气化反应部设置于同一容器内。
2.权利要求1记载的煤气化装置,其中煤气化反应部包括上部反应区和下部反应区,在这二个反应区分别设置煤供给手段。
3.权利要求1或2记载的煤气化装置,其中煤气化反应部由内衬耐火材料的水冷器壁构成,热量回收部由水冷管组成。
4.权利要求1~3任一项记载的煤气化装置,其中直接连接设置在气化反应部后段的热量回收部包括第1热量回收部和第2热量回收部,其中设置在第1热量回收部后段的第2热量回收部,其表面温度比第1热量回收部表面温度低。
5.权利要求1~4任一项记载的煤气化装置,具有可调节的供碳措施,即在气化反应部和热量回收部之间,通过供给碳,调节生成气体中的碳和灰分的比例。
6.煤气化方法,应用煤气化装置,该装置是将煤气化的反应部和回收该反应部热量的热量回收部设置于一个容器内,
其特征在于热量回收部直接连接设置在气化反应部后段,而且是由采用辐射及对流传热方式的传热管组成,该传热管相对气流实际上呈正交配置,
上述反应部包括上部反应区和下部反应区,在上部反应区,供给的氧化剂量是使该区温度不至于熔化煤中含有的灰分,而下部反应区供给的氧化剂量是,由上部和下部供给的全部煤转变成一氧化碳及氢所需的氧化剂量,减去供给上部的氧化剂量;此外,通过与上述反应部直接连接而设置的、采用辐射及对流传热的热量回收部,回收反应热。
7.煤气化方法,在上端和下端的断面积减少所构成的气化反应部内,使煤与氧化剂反应,由气化反应部下端排出熔化的灰分,而通过与其上部直接连接设置的热量回收部,冷却由气化反应部上端产生的可燃性气体,
其特征在于,上述热量回收部是采用辐射及对流传热方式的传热管组成,该传热管相对气流实际上呈正交配置,
气化反应部下部供给的氧化剂量,是使该部温度达到能熔化供给煤的灰分,而气化反应部上部供给的氧化剂量,则是使该部温度不至于熔化煤中含有的灰分;此外,在气化反应部和热量回收部之间,采用供碳措施,通过供碳,即控制碳量,使灰分不附着至热量回收部。
8.权利要求6或7记载的煤气化方法,通过除尘设备分离气化后的煤气,然后将上述煤气中含碳的灰分在气化反应部进行再循环、混合。
9.权利要求6~8任一项记载的煤气化方法,其中直接连接设置于上述煤气化反应部后段的热量回收部,是由第1热量回收部和第2热量回收部,即二段热量回收部组成,其中第2热量回收部设置于第1热量回收部后段,且其表面温度比第1热量回收部低。
10.煤气化复合发电系统,由煤气化装置,氧气制造装置,气体精制装置及燃气轮机发电装置组成,
其特征在于,煤气化装置具有煤的气化反应部及回收该反应部热量的热量回收部,而热量回收部直接连接设置在气化反应部后段,且是由利用辐射及对流传热方式的传热管组成,该传热管相对气流实际上呈正交配置;此外,上述热量回收部和气体反应部设置在一个容器内。
11.权利要求10记载的煤气化复合发电系统,其中直接连接设置于气体反应部后段的热量回收部,包括第1热量回收部和第2热量回收部,其中第2热量回收部设于第1热量回收部后段,且其表面温度较第1热量回收部低。
12.权利要求10或11记载的煤气化复合发电系统,其中在气化反应部和热量回收部之间,具有供碳措施,即通过供给碳,调节生成气体中的碳和灰分的比例。
13.权利要求10~12任一项记载的煤气化复合发电系统,其中通过气体精制装置分离气化后的煤气,然后将上述煤气中含碳的灰分,在气化反应部进行再循环、混合。
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