CN1916124A - 差速床煤催化气化炉及催化气化方法 - Google Patents

Abstract

差速床煤催化气化炉及催化气化方法是一种适合大规模处理我国储量丰富的高灰、高硫、高灰熔点煤的气化方法和气化炉，炉膛(12)设置在压力壳(6)内，炉膛自下而上分成下炉膛(1)和上炉膛(2)，下炉膛(1)为宽床径膛体，采用低流速和低温方式运行；在下炉膛(1)底部和侧面分别设有空气、煤粉、石灰石、水蒸气、催化剂的进口；由下炉膛(1)上部收缩形成的上炉膛(2)，上炉膛(2)采用高流速和高温方式运行；上炉膛(2)的内径小于下炉膛(1)，上炉膛(2)的高度大于下炉膛(1)；上炉膛(2)的出口连接旋风分离器(3)，旋风分离器(3)下部接有下降管(4)，下降管(4)的下部连有水平布置的“L”阀(5)，“L”阀(5)的另一端接下炉膛(1)的下部侧面。

Description

差速床煤催化气化炉及催化气化方法

技术领域

本发明涉及一种煤催化气化方法和装置，尤其是一种采用差速床进行煤催化气化方法和装置，属于煤气化的技术领域。

背景技术

煤的洁净高效利用是当今我国能源与环境领域一项重大的技术课题，是关系到我国国民经济可持续发展的关键因素之一。煤气化技术是现代诸多洁净能源技术的核心，如煤基多联产、整体煤气化联合循环发电(IGCC)、煤液化等。目前众多的气化炉中，主要有气流床和流化床气化炉两种类型。

德士古(Texaco)气化炉和谢尔(Shell)气化炉是两种主要的气流床气化炉型，它们均采用纯度为85-99％的氧气和水蒸汽为气化剂，前者是水煤浆供料方式，后者为干粉供料方式，其主要优势在于碳转化率高、放大能力强。但缺点也是明显的：如Texaco气化炉对煤质的要求较严格(灰分、灰熔点和成浆性等)，只有神华、大同、华亭和义马等少数煤种可选用，而且气化炉的可用率只有80％-85％；Shell气化炉的主要缺点是：干粉的干燥、制备系统复杂，需要用纯度为99.9％的N₂气输送，气化炉的工作压力一般不宜超过4～4.5MPa；炉体结构与控制系统较复杂，投资费用高。和气流床气化相比，流化床气化具有可直接利用碎粉煤，对煤的灰含量的敏感性不大，适合于高灰劣质煤的利用，可在床内添加固硫剂，实现炉内直接脱硫，煤气中煤焦油含量低。但流化床气化炉不如气流床气化炉那样有很高的气化温度，可以保证气化反应快速进行，因而在煤种上要求使用较高活性的煤和较高灰熔点的煤，同时由于半焦气化反应进行得不够彻底，就带来了排出灰渣及随煤气带出的飞灰含碳量高、损失大的问题，此外，流化床气化炉的放大能力较差，目前世界上商业运行最大规模流化床气化炉日处理煤量在1000t左右，远低于气流床2000t/d的水平。

发明内容

技术问题：鉴于以上两种炉型的缺陷，本发明提出了综合气流床和流化床技术特点的差速床煤催化气化炉及催化气化方法，目的在于提供一种适合大规模处理我国储量丰富的高灰、高硫、高灰熔点煤的气化方法和气化炉。

技术方案：差速床气化炉系统主要由湍流床、上升管、下降管和L阀等组成。炉膛设置在压力壳内，炉膛自下而上分成下炉膛和上炉膛，下炉膛为宽床径膛体，采用低流速和低温方式运行；在下炉膛底部和侧面分别设有煤粉、水蒸气、催化剂、空气或氧气的进口；由下炉膛上部收缩形成的上炉膛，上炉膛采用高流速和高温方式运行；上炉膛的内径小于下炉膛，上炉膛的高度大于下炉膛；上炉膛的出口连接旋风分离器，旋风分离器下部接有下降管，下降管的下部连有水平布置的“L”阀，“L”阀的另一端接下炉膛的下部侧面。旋风分离器、下降管、“L”阀的外壁采用水冷壁的结构形式。所述的低流速和低温方式中，低流速为3-4米/秒，低温为850-950℃；高流速和高温方式中，高流速为8-10米/秒，高温为1100-1200℃。

差速床煤催化气化炉的差速催化气化方法是：在炉膛内采用改变床直径的方法使床内不同区域的气体流速发生变化，即差速，从而改变气固流动状态和反应条件，达到按煤中不同活性的组分进行分级转化，具体方式为：将煤、气化剂的空气或氧气和蒸汽、石灰石和催化剂加入到下炉膛中，煤在床内与空气或氧气发生燃烧反应提供气化反应热量，然后蒸汽与煤中高活性的组分发生水煤气反应生成反应活性低的半焦，下炉膛处于温和气化反应状态即：湍流床运行方式，流速3-4m/s，温度850-950℃；低反应活性的半焦与催化剂被气流携带进入上炉膛，该区具有更高的反应温度和良好的气固效率，有利于低活性半焦的气化，半焦与催化剂在此区域进行深度气化，上炉膛工作条件为气力输送运行方式，流速8-10m/s，温度1100-1200℃；在下炉膛加入催化剂，这些催化剂可以是碱金属、碱土金属盐或镍基化合物，这些催化剂在炉膛中与煤形成络合物，降低反应活化能，提高了气化反应速率和碳转化率。煤、气化剂(氧气/空气和水蒸汽)、石灰石加入到湍流床中，在较低的温度和低流速下进行煤脱挥发分和部分焦炭气化，这部分是煤中反应活性较高的部分，对反应条件要求相对较低；部分气化后的半焦是煤中活性最低且最难气化的部分，这一部分气化份额将决定气化炉最终的碳转化率和气化效率，传统流化床气化炉碳转化率偏低的主要原因是由于较低的炉内反应温度和气化反应速率，导致活性低的半焦不能充分气化。基于此，在湍流床的上部加入部分氧/空气和催化剂，提高反应温度，流速也提高至8-10m/s。半焦和水蒸汽在管中进行煤催化气化反应，温度的提高和催化剂的双重作用将加快了半焦的气化反应进程，提高了煤的一次碳转化率。由分离器分离的颗粒(含未反应的碳和催化剂等)经下降管和L阀回送湍流床进行循环，在提高碳转化率的同时也使催化剂得以循环利用。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下特点：

改变湍流床和上升管的反应条件，将煤中不同活性的组分进行分级转化；具有很强的煤种适应性，特别适用于高灰熔点、高灰分、高含硫量煤；主反应区温度较高，介于气流床和流化床之间，避免了气流床对煤种适应性差和流化床低反应速率的缺点；采用粒径为0.5-1.0mm的煤粒，在提高气化反应速率的同时也降低因磨制煤粉而增加的成本；采用宽截面的湍流床，延长了颗粒在气化炉类的停留时间，有利于碳转化率和污染物脱除效率的提高；采用高气速的上升管，降低颗粒碰撞的几率，避免高温焦的出现；采用合适的催化剂，既能提高煤气化的反应速率和碳转化率，又能控制污染物的生成及其在产物中的分布。

附图说明

图1为本发明差速床煤气化炉结构示意图。

图2为采用本发明所述装置实施煤气化工艺流程图。

以上的图中有：下炉膛1、上炉膛2、旋风分离器3、下降管4、“L”阀5、压力壳6、煤气冷却器7、除尘器8、压缩机9、预热器10、蒸汽过热器11、炉膛12、煤入口A、蒸汽入口B、催化剂入口C、空气或氧气入口D、渣出口E、水入口F。

具体实施方式

参见附图1，该气化炉炉膛分成下炉膛1和上炉膛2两段。下炉膛1为宽床径膛体，气体在该床流速较低(3-4m/s)，气固接触方式为湍流床，在该运行方式下，气固接触良好且没有大气泡生成，在床四周和底部布置煤、石灰石、催化剂和气化剂(空气/氧气和蒸汽)入口以及排渣口，床内运行温度较低(850-950℃)，有利于煤部分气化和石灰石脱硫反应的进行。在下炉膛1的上部，床四周将向内收缩形成一面积较小的反应管形成上炉膛2，面积收缩后，气体流速增加，在上炉膛2的下方，通入空气或氧气，烧掉部分煤气将反应温度提升到1100-1200℃，旨在提高气化反应速率，上炉膛2气体流速控制在8-10m/s，在该流速下，气固流动方式为气力输送，颗粒间碰撞的几率降低，避免了高温下颗粒因碰撞造成的结焦。催化剂从下炉膛1上部加入，大部分催化剂将被气流带入上炉膛2，与气化剂和半焦作用，降低活性低的半焦气化反应活化能，提高碳转化率。从上炉膛2出来的煤气、催化剂和部分未充分反应的半焦将进入旋风分离器3，将煤气和固体颗粒(半焦和催化剂)分离，分离后的催化剂和半焦由下降管4，“L”阀5回送到下炉膛1，实现催化剂和半焦的循环反应，旋风分离器3、下降管4和“L”阀5采用水冷壁结构，将高温煤气和固体颗粒进行冷却。图1中序号1为下炉膛，2为上炉膛，3为旋风分离器，4为下降管，5为“L”阀。

具体结构是：炉膛12设置在压力壳6内，炉膛自下而上分成下炉膛1和上炉膛2，下炉膛1为宽床径膛体，采用低流速和低温方式运行；在下炉膛1底部和侧面分别设有煤粉A、水蒸气B、催化剂C、空气或氧气D的进口；由下炉膛1上部收缩形成的上炉膛2，上炉膛2采用高流速和高温方式运行；上炉膛2的内径小于下炉膛1，上炉膛2的高度大于下炉膛1；上炉膛2的出口连接旋风分离器3，旋风分离器3下部接有下降管4，下降管4的下部连有水平布置的“L”阀5，“L”阀5的另一端接下炉膛1的下部侧面。旋风分离器3、下降管4、“L”阀5的外壁采用水冷壁的结构形式。低流速和低温方式中，低流速为3-4米/秒，低温为850-950℃；高流速和高温方式中，高流速为8-10米/秒，高温为1100-1200℃。

根据本发明而实施的气化工艺流程如图2所示：煤、气化剂(空气/氧气和蒸汽)、催化剂从下炉膛1的底部和侧面直接加入到炉内，煤采用1mm以下的细粉，催化剂粒径范围也和煤粒相当，以提高上炉膛2气力输送能力和减少气化反应的扩散阻力。空气或氧气经压缩机9和预热器10压缩和加热后作为流化气使下炉膛1中的颗粒流化，同时和煤、催化剂进行催化气化反应。下炉膛1中的温度和气流速度分别控制850-950℃和3-4m/s之间，因此在下炉膛1内的气流速度低于快速床和输送床但高于鼓泡床，在延长气固接触时间的同时避免了由于大气泡的生成产生的气固接触恶化的现象，同时反应器在较低温度下运行，有利石灰石的炉内脱硫反应以及煤中的重金属污染物固化到灰渣中排出。在上炉膛2的入口处加入少量空气/氧气，提高反应温度，有利于煤中反应活性最低的半焦的气化，上炉膛2中的温度和气流速度分别控制1100-1200℃和8-10m/s之间，该温度处于流化床气化炉(1000℃)和气流床气化炉(1400℃)中间，而气流速度与气流床相当，在此反应条件下，上炉膛2中气固流动特征为气力输送，这有利于强化了气固间传质、传热和反应。催化剂(一般为碱金属、碱土金属盐或镍基化合物)从下炉膛1上部加入，大部分催化剂将被气流和未反应的半焦一同带入上炉膛2，在此与气化剂和半焦作用，实现半焦的催化气化，提高碳转化率。炉膛(包括下炉膛1和上炉膛2)放置在压力壳6内，以实现煤在压力下气化，提高气化强度，有利于煤的大规模处理。上炉膛2的出口连接着旋风分离器3，该分离器的作用是将煤气中大部分的颗粒(包括催化剂和未燃尽的半焦)与煤气分离，分离下的颗粒进入旋风分离器3下部的下降管4，下降管流型为移动床式，颗粒移动速度为0.5-1.0m/s，然后颗粒通过与下降管底部相连的水平“L”阀5送回床内重新循环反应，以提高催化剂的使用效率和碳转化率，“L”阀采用过热蒸汽作为输送风。旋风分离器3、下降管4、“L”阀5的外壳均采用水冷壁结构形式，既冷却了颗粒避免颗粒间高温结焦，又产生了蒸汽作为气化剂。经初净化的煤气进入煤气冷却器7，产生的蒸汽经蒸汽过热器11过热后送入下炉膛1作为气化剂，冷却后的煤气进入除尘器8进一步净化，净化煤气最后进入煤气燃烧器燃烧发电。

Claims (4)

1.一种差速床煤催化气化炉，其特征是：炉膛(12)设置在压力壳(6)内，炉膛自下而上分成下炉膛(1)和上炉膛(2)，下炉膛(1)为宽床径膛体，采用低流速和低温方式运行；在下炉膛(1)底部和侧面分别设有煤粉(A)、水蒸气(B)、催化剂(C)、空气或氧气(D)的进口；由下炉膛(1)上部收缩形成的上炉膛(2)，上炉膛(2)采用高流速和高温方式运行；上炉膛(2)的内径小于下炉膛(1)，上炉膛(2)的高度大于下炉膛(1)；上炉膛(2)的出口连接旋风分离器(3)，旋风分离器(3)下部接有下降管(4)，下降管(4)的下部连有水平布置的“L”阀(5)，“L”阀(5)的另一端接下炉膛(1)的下部侧面。

2.根据权利要求1所述的差速床煤催化气化炉，其特征是旋风分离器(3)、下降管(4)、“L”阀(5)的外壁采用水冷壁的结构形式。

3.根据权利要求1所述的差速床煤催化气化炉，其特征是所述的低流速和低温方式中，低流速为3-4米/秒，低温为850-950℃；高流速和高温方式中，高流速为8-10米/秒，高温为1100-1200℃。

4.一种如权利要求1所述的差速床煤催化气化炉的差速催化气化方法，其特征是：在炉膛(12)内采用改变床直径的方法使床内不同区域的气体流速发生变化，即差速，从而改变气固流动状态和反应条件，达到按煤中不同活性的组分进行分级转化，具体方式为：将煤、气化剂的空气或氧气和蒸汽、石灰石和催化剂加入到下炉膛(1)中，煤在床内与空气或氧气发生燃烧反应提供气化反应热量，然后蒸汽与煤中高活性的组分发生水煤气反应生成反应活性低的半焦，下炉膛(1)处于温和气化反应状态即：湍流床运行方式，流速3-4m/s，温度850-950℃；低反应活性的半焦与催化剂被气流携带进入上炉膛(2)，该区具有更高的反应温度和良好的气固效率，有利于低活性半焦的气化，半焦与催化剂在此区域进行深度气化，上炉膛(2)工作条件为气力输送运行方式，流速8-10m/s，温度1100-1200℃；在下炉膛(1)加入催化剂，这些催化剂可以是碱金属、碱土金属盐或镍基化合物，这些催化剂在炉膛(12)中与煤形成络合物，降低反应活化能，提高了气化反应速率和碳转化率。

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