CN1262309A - 煤基两段组合式气化工艺及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种煤基两段组合式气化工艺及其装置。本发明将一段炉高温煤气中的水蒸汽、二氧化碳与煤再进行一次气化反应,既回收了高温段的煤气显热,又充分利用了煤气中无效组分(水蒸汽与二氧化碳),达到了提高冷煤气效率和降低投资之目的。不论一段炉用水煤浆还是干粉煤为原料,冷煤气效率都将达到84%～86%,且设备投资低,为一种具有广阔应用前景的煤气化工艺和装置。

Description

煤基两段组合式气化工艺及其装置

本发明属于煤气化领域，涉及一种煤气化工艺及其装置。

煤气化是煤炭高效与洁净利用的重要途径，也是实施可持续发展战略做到经济与环境协调发展的关键技术之一。煤气化将一次能源转化为洁净的二次能源，其产品气可作为燃气(煤气)、合成气、还原气、氢气、一氧化碳等的来源，煤的气化技术广泛应用于合成氨、合成甲醇、海绵铁生产等领域，其潜在的最大市场是整体煤气化联合循环(IGCC)发电领域。

自从七十年代初国际石油危机之后，国际上诸多大公司和科技人员研究开发了高性能的气流床煤气化技术，迄今已经商业化，显示出碳转化率高和良好的环境保护优势。有代表性的是采用水煤浆为原料的德士古(Texaco)和以干煤粉为原料的谢尔(Shell)技术。美国专利U.S.Pat.Nos.4,228,604、4,251,228、2,871,114、4,110,359、4,197,281分别公开了德士古煤气化工艺与装置，在实际应用过程中发现，其明显不足是，碳转化率较低，约95％左右。因为是激冷流程，用于生产合成气是合适的，用于发电则效率较低，冷水电站(Cool water)净发电效率仅为约36％。用于发电时，德士古为了提高发电效率，则采用辐射废热锅炉回收煤气显热方案。其缺点是：回收煤气显热投资大，一个日处理2000吨煤装置的辐射锅炉投资达2亿人民币；塔帕(Tampa)电站还经常堵渣，设备利用率低；煤气中的水蒸汽与二氧化碳(约各占16％)不能充分利用；该工艺的冷煤气效率较低，一般仅约74％，净发电效率为约41％(低热值，LHV)。

专利DE P3714915.6(在中国的公开号为88102581)、US738,727(在中国的公开号为86103455)分别公开了谢尔干煤粉气化工艺，已经商业化的装置是建于荷兰布根伦(Buggenum)的日处理2000吨煤气化装置，其明显不足是：为防止煤气携带熔渣堵塞管道，而采用循环煤气激冷，使煤气由约1500℃降至900℃，此举增加了循环压缩机及其压缩功，丧失传热推动力；为回收煤气显热设置了500吨重的废热锅炉(煤气冷却器)，投资大，且易于堵塞。

鉴于上述煤气化工艺与装置的缺陷，产业部门特别是作为煤能源为主的电力行业，迫切希望有关科技人员开发一种碳转化率高、冷煤气效率高即发电效率高、投资低、长期稳定运转的煤气化技术以满足发电行业优化升级的需要。

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，公开一种碳转化率高、冷煤气效率高即发电效率高、投资低、长期稳定运转的煤基两段组合式煤气化工艺；

本发明的目的之二在于公开一种煤基两段组合式煤气化装置。

本发明的构思是这样的：

在以水煤浆或干煤粉和氧化剂、气化剂为原料生产煤气的气化反应过程中，为提高碳转化率，耦合的燃烧反应放热，使煤气的出口温度可达1200～1600℃。为了提高气化效率，除提高碳转化率外，主要途径是有效回收煤气显热，并充分利用煤气中的水蒸汽与二氧化碳。

由于碳的气化反应是吸热反应，其反应式为：

        $\mathrm{\ΔH}=131\×{10}^{3\mathrm{KJ}}{/}_{\mathrm{Kmol}}$

              $\mathrm{\ΔH}=173\×10^3/_{\mathrm{Kmol}}^{\mathrm{KJ}}$

因此，发明人认为可将高温煤气中的水蒸汽、二氧化碳与煤再进行一次气化反应，将二个反应过程相互串联，无需向第二反应过程补加氧化剂，利用一段炉来的煤气显热为上述反应提供热量，即可进行气化反应。这样既回收了高温段的煤气显热，又充分利用了煤气中无效组分(水蒸汽与二氧化碳)，达到了提高冷煤气效率和降低投资之目的。

与Texaco、Shell采用冷却方式回收水煤气显热不同，本发明采用化学反应方法回收煤气显热。

根据上述构思，发明人提出了以下的技术方案：

本发明所说的工艺主要包括原料煤的气化和通过煤气化反应实现高温煤气的显热回收两个部分：

①首先使煤粉或水煤浆与氧化剂、气化剂在一段炉中进行气化，气化压力为0.5～12.0Mpa，通过进料配比对气化温度进行控制，使气化温度达到1200～1600℃。该操作过程对本领域的技术人员来说，是很容易实现的。出口煤气的主要成分为：H₂＝20～35％，CO＝40～65％，CO₂＝3～22％，水蒸汽＝2～20％，以及灰熔渣等。其反应式为：

(以C表示)+挥发份(以CH₄为代表)    (1)

                                         (2)

                             (3)

                                      (4)

                                         (5)

                                  (6)

                                  (7)以及生成H₂S、COS、HCN和NH₃等反应。

上述式(2)、(3)为放热反应，其余为吸热反应，式(4)、(5)为目的反应，式(2)、(3)为其耦合反应，即由它放出热量，为目的反应的进行创造条件。火焰温度高达1500～1900℃，煤中灰渣呈熔融态沿炉壁流下，与煤气一道经出口离开一段炉，其温度约为1200℃～1600℃。因煤种、工艺条件、气化炉型式的不同，一段炉的碳转化率为95％～99％，冷煤气效率为65％～83％；

煤气与熔渣在煤气与熔渣管道分离器中，借助惯性力实现两者分离，熔渣沿壁流至出口，水激冷后进入渣池排出炉外；

②一段炉的高温煤气则进入二段炉，与进入二段炉的煤进行反应，回收来自一段炉的煤气的显热。

进入二段炉的煤借助来自一段炉的煤气在二段炉中，温度迅速升温到约1350℃，同时进行干燥、热解过程。生成挥发份与半焦，因为温度高，不会生成稳定的焦油、酚、萘等环状或多环化合物。同时也进行如式(4)与(5)所示的吸热反应，使温度逐渐降低，反应后生成的灰渣经炉蓖将灰排至灰锁，煤气中携带的灰渣则在气固分离器中分离，煤气送往后工段。

二段炉的操作工艺条件是这样的：

进料煤的尺寸为5～50mm；压力略低于一段炉，为0.3MPa～11Mpa；气化温度因煤种而异，上部为1350～1500℃，下部为950～1000℃，可以通过在二段炉前补加适量的气化剂如水蒸汽、水或二氧化碳等来进行调节；二段炉加煤量占总加煤量的10％～25％；气化介质在二段炉中的反应停留时间为10秒～20秒，煤的停留时间为1小时～2小时；

煤灰熔点因煤种而异，差异悬殊，常见为1300℃～1500℃，最高可达1600℃以上。为了防止因煤灰熔融导致二段炉结疤，所以在一段炉煤气进入二段炉之前，通过喷嘴喷入适量的水蒸汽、水或二氧化碳等介质，使进气温度略低于二段炉使用煤种的灰熔点；

如果一段炉采用干粉煤为原料，出口煤气中水蒸汽、二氧化碳含量都很少，二者进行式(4)和(5)的反应量还不足以回收一段炉煤气显热使之降为950℃～1000℃，此时，即便二段炉煤的灰熔点很高，也应在一段炉煤气进入二段炉之前，通过喷嘴喷入适量的水蒸汽、水或二氧化碳等介质，以便能充分回收煤气中的显热；

二段炉碳转化率可达98％以上，水蒸汽与二氧化碳的转化率为5～75％，温度可降至950℃～1000℃，实现了利用一段炉煤气显热，提高CO、H₂和甲烷在煤气中含量之目的。换句话说，在二段炉中不进行燃烧(氧化)反应，只进行气化反应，热源来自一段炉煤气显热，不需再耦合放热反应，煤中的碳大部分都转化为有效的一氧化碳和甲烷，而不再生成无效的二氧化碳，使冷煤气效率显著提高。

以下将通过附图对本发明作详细阐述。

图1所说的煤基两段组合式气化工艺流程图。图中：

1—— 一段炉

2—— 一段炉进料喷嘴

3—— 一段炉煤气与熔渣出口

4—— 煤气与熔渣管道分离器下降管

5—— 煤气与熔渣管道分离器上升管

6—— 火嘴

7—— 熔渣出口

8——  补充介质喷嘴

9——  煤锁

10—— 二段炉

11—— 炉蓖

12—— 灰锁

13—— 二段炉煤气出口

14—— 气固分离器

15—— 煤气出口

由图1可见，原料煤(水煤浆或干煤粉)、氧化剂和气化剂通过一段炉进料喷嘴2进入一段炉1：

如果以水煤浆为原料，则该水煤浆与氧化剂(例如含O₂＝95～99％的气体，不需补加气化剂)通过一段炉喷嘴2进入一段炉1；

如果以干煤粉为原料，则该干煤粉与氧化剂、气化剂(H₂O、CO₂)通过一段炉喷嘴2一起进入一段炉1。略高于常温的原料通过一段炉喷嘴2射出的流股在一段炉1中形成受限撞击流，加快传热、传质与混合过程，煤粒随着温度升高进行蒸发、热解、燃烧及气化反应等物理化学过程；

上述反应是在0.5～12Mpa条件下进行的，火焰温度为1500℃～1900℃，煤中灰渣呈熔融态沿炉壁流下，与煤气一起经一段炉煤气与熔渣出口3离开一段炉1，其温度约为1200℃～1600℃。因煤种、工艺条件、气化炉型式的不同，一段炉1的碳转化率为95％～99％，冷煤气效率为65～83％。煤气主要成分为：H₂＝20～35％、CO＝40～65％、CO₂＝3～22％，水蒸汽＝2～22％；

然后，煤气与熔渣通过一段炉的煤气与熔渣出口3进入煤气与熔渣管道分离器下降管4和煤气与熔渣管道分离器上升管5，借助惯性力实现两者分离，熔渣沿壁由熔渣出口7流出煤气与熔渣管道分离器下降管4，煤气则进入二段炉10，与来自煤锁9的煤碳一起进入二段炉10再进行气化反应，煤气的温度降至950℃～1000℃；

在二段炉10中反应后生成的灰渣通过炉蓖11由灰锁12排出，煤气由二段炉10底部的二段炉煤气出口13进入气固分离器14，分离出灰分后，煤气送往后工段；

补加的水、水蒸汽或二氧化碳可通过补充介质喷嘴8加入系统；

在煤气与熔渣管道分离器上升管5的轴线上设有火嘴6，通入适量的氧化剂，以防止因熔渣冷却而堵塞管道，氧化剂的通入量以不堵塞管道为标准。

由图1同时可见，上述公开的工艺可在主要包括一段炉1、二段炉10、一段炉进料喷嘴2、补充介质喷嘴8、煤气与熔渣管道分离器下降管4和煤气与熔渣管道分离器上升管5等设备构成的装置中进行。

所说的一段炉1可以采用常规的、已经商业化的煤气化炉，最好采用熔渣与煤气并流向下的气流床，但可优选采用发明人在中国专利CN 1186840A中提供的“多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉”；

所说的二段炉10为一移动床，顶部设有一个用于加煤的煤锁9；底部设有一个可旋转的炉蓖11，所说的炉蓖11具有排灰、破渣、调节煤在炉堂中的停留时间和均布气流的作用；

一段炉1的底部的一段炉煤气与熔渣出口3与二段炉10之间用煤气与熔渣管道分离器下降管4和煤气与熔渣管道分离器上升管5相连接，一段炉1的熔渣由设置在煤气与熔渣管道分离器下降管4下部的熔渣出口7排出一段炉1；

临近二段炉10的煤气与熔渣管道分离器上升管5上设有补充介质喷嘴8，用于一段炉1高温煤气降温或补充二段炉10反应所需的水、水蒸汽或二氧化碳；

在煤气与熔渣管道分离器上升管5的同一轴线上设有火嘴6，用于通入适量的氧化剂，以防止因熔渣冷却而堵塞管道；

煤碳自二段炉10顶部的煤锁9加入，与进入二段炉10的来自一段炉1的煤气一起，自上而下流动，进行反应，反应后的灰渣排入灰锁12，生成的煤气则由二段炉10的煤气出口13送往气固分离器14，分出灰分后，煤气由煤气出口15送往后序工段。

在上述装置中进行的所说的煤气化，不论一段炉用水煤浆还是干粉煤为原料，冷煤气效率都将显著增加，视煤种而异可以达到84％甚至86％，比现有商业化气流床装置(德士古、谢尔)高出5～8个百分点，且设备投资低，为一种具有广阔应用前景的煤气化工艺和装置。以下将通过实施例对本发明作进一步的说明。

                      实施例1以水煤浆为一段炉气化原料两段组合式气化工艺。采用煤种元素分析(质量％)如下：

C                       76.996

H                       5.286

N                       1.218

S                       2.989

O                       4.935

Ash                     8.576

采用的工艺条件如下：

煤浆浓度(含固量)65.7％，煤浆密度1174kg/m³，氧纯度99％(体积)，气化压力：3.0Mpa，吨煤加入氧量为677.3Nm³。一段炉(多喷嘴对置式水煤浆气化炉)1出口3的煤气温度为1345℃，一段炉1出口的煤气成分为：H₂O＝12.33％、H₂＝33.58％、CO＝39.31％、CO₂＝13.16％、H₂S＝0.76％、COS＝0.04％、CH₄＝0.1％、NH₃＝0.18％、N₂+Ar＝0.54％，碳转化率为98％，冷煤气效率为75.5％(HHV)，煤气中携带的熔渣在煤气与熔渣管道分离器下降管4和煤气与熔渣管道分离器上升管5中约95％被分离，熔渣经熔渣出口7排出；因煤气在进入二段炉10之前的温度为1345℃，且含水蒸汽0.323Nm³/kg、CO₂为0.345Nm³/kg，所以无需补加任何物质，在这种条件下喷嘴8不再设置。上述气体与自煤锁9加入的煤在二段炉10中进行干燥、热解、气化等物理化学过程，煤气温度逐渐降低，出口13处温度为1000℃，压力约为2.6Mpa，气体成分(干基)H₂＝39.37％，CO＝47.65％，CO₂＝10.22％，H₂S＝0.84％，COS＝0.04％，CH₄＝1.12％，N₂+Ar＝0.55％，NH₃+HCN＝0.21％。冷煤气效率为84.1％(HHV)，比段炉1提高了8.6个百分点，二段炉碳转化率为98％，蒸汽转化率为60％，CO₂转化率为29.7％。即一段炉煤气中水蒸汽的60％和CO₂的29.7％在二段炉中进行气化反应，达到回收其显热目的，使其温度由1345℃降至1000℃。

                      实施例2

以干煤粉为一段炉原料两段组合式气化工艺。

煤种与实例1相同，入炉煤含水量为2％，氧纯度为95％，氧煤比为0.650Nm³/kg，蒸汽氧比0.1974kg/Nm³。一段炉(多喷嘴对置式水煤浆气化炉CN 1186840A)1出口3的煤气温度为1500℃，碳转化率为99％，湿基煤气成分(体积)为：H₂＝28.77％，CO＝58.35％，CO₂＝2.76％，H₂S＝0.85％，COS＝0.07％，CH₄＝0.01％，N₂＝3.16％，Ar＝0.88％，NH₃＝0.19％，H₂O＝4.96％，冷煤气效率为80.5％(HHV)。

上述煤气中CO₂、水蒸汽含量很小，通过气化反应式(4)和(5)吸热不足以回收煤气1000℃以上的显热。在进二段炉10之前采用补加水蒸汽的方案，以二段炉10的用煤为基准，其质量比为1.016kg/kg，使进二段炉10的混合气体温度降至1350℃，同时满足防止熔渣结疤要求。混合气体与加入二段炉10的煤自上而下并流，进行干燥、热解、气化反应。出二段炉10时煤气的温度为1000℃，碳转化率为98％，蒸汽转化率为69％，CO₂的转化率为19.6％，煤气成分(干基)为：H₂＝32.08％，CO＝59.03％，CO₂＝2.29％，H₂S＝0.89％，COS＝0.05％，CH₄＝1.82％，N₂＝2.85％，Ar＝0.78％，NH₃+HCN＝0.21％。冷煤气效率达到86.1％。比一段炉的冷煤气效率提高了5.6个百分点。

Claims (9)

1.一种煤基两段组合式气化工艺，主要包括原料煤的气化和通过煤气化反应实现高温煤气的显热回收两个部分，其特征在于：

温度为1200℃～1600℃的一段炉(1)煤气与熔渣一起通过一段炉煤气与熔渣出口(3)离开一段炉(1)，进入煤气与熔渣管道分离器下降管(4)与煤气与熔渣管道分离器上升管(5)，熔渣沿壁由熔渣出口(7)流出煤气与熔渣管道分离器下降管(4)，煤气则进入二段炉(10)，与来自煤锁(9)的煤一起进入二段炉(10)再进行气化反应；

二段炉(10)反应后生成的灰渣通过炉蓖(11)由灰锁(12)排出，煤气由二段炉(10)底部的二段炉煤气出口(13)进入气固分离器(14)，分离出灰分后，送往后工段。

2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，可通过补充介质喷嘴(8)补加水、水蒸汽或(和)二氧化碳。

3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，通过火嘴(6)通入氧化剂。

4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，二段炉(10)操作压力低于一段炉(1)，上部气化温度为1350℃～1500℃，下部为950～1000℃，气化介质反应停留时间为10秒～20秒；煤的停留时间为1～2小时，二段炉(10)煤的加入量为加煤总量的10％～25％。

5.如权利要求4所述的工艺，其特征在于，二段炉(10)的操作压力为0.3MPa～11Mpa。

6.一种煤基两段组合式气化装置，其特征在于主要包括一段炉(1)、二段炉(10)、一段炉进料喷嘴(2)、补充介质喷嘴(8)、煤气与熔渣管道分离器下降管(4)和煤气与熔渣管道分离器上升管(5)；

所说的一段炉(1)可以采用常规的、已经商业化的、熔渣与煤气并流向下的气流床；

所说的二段炉(10)的顶部设有一个用于加煤的煤锁(9)，底部设有一个可旋转的炉蓖(11)；

所说的一段炉(1)的底部的一段炉煤气与熔渣出口(3)与二段炉(10)之间用煤气与熔渣管道分离器下降管(4)和煤气与熔渣管道分离器上升管(5)相连接，煤气与熔渣管道分离器下降管(4)的下部为熔渣出口(7)；

二段炉(10)的煤气出口(13)与气固分离器(14)相连接。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，临近二段炉(10)的煤气与熔渣管道分离器上升管(5)上设有补充介质喷嘴(8)。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在煤气与熔渣管道分离器上升管(5)的同一轴线上设有火嘴(6)。

9.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所说的一段炉(1)采用中国专利CN 1186840A中提供的“多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉”。

Images