CN1935950B - 一种固体含碳原料的高温气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固体含碳原料的高温气化方法，将燃烧生成气化剂的反应与还原生成合成气的反应分离，将高温气化剂在进入还原室前经过液态排渣处理，且液态渣不流经还原室而直接排掉，使碳粉与高温气化剂在还原室进行还原反应生成CO、H 2的过程中碳粉不会被液态渣所携带，并且分别控制燃烧室和还原室的反应温度。步骤是：1)燃料与氧化剂在单独的燃烧室内燃烧，温度控制在高于含碳原料的灰熔点温度，生成包括CO 2和H 2O的气化剂，液态渣分离到燃烧室的渣池；2)将步骤1)生成的气化剂进行降温及进一步冷凝捕捉气化剂携带的熔渣并送入燃烧室的渣池；3)将经步骤2)降温后的气化剂送入还原室，同时将含碳粉状原料喷入还原室，控制在1000℃～1300℃的平均温度进行还原反应，还原生成含CO、H 2的合成气体。
Description
技术领域
本发明涉一种固体含碳原料的高温气化方法，特别是由可再生燃料、矿物燃料、生物质或垃圾等制造可燃气体、合成气体和还原气体的方法。本发明可使用在动力设施、化学工业和冶金行业中，以高效的制造可燃气体、合成气体和还原气体，用于发动机、合成过程、矿石还原和生铁生产等。
背景技术
目前存在相当多的气化方法，他们基本上可分为固定床气化、流化床气化和气流床气化三大类。
在移动床气化炉里，氧化剂被吹入气化炉底部，产生的粗燃料气通过固定燃料床向上移动，随着床底部的供料消耗，固体燃料逐渐下移。移动床的限定特性是逆向流动，在粗燃料气流经床层时，被进来的给料冷却，而给料被干燥和脱去挥发分。因此在气化炉内上下温度显著不同，底部温度为1000℃或更高，顶部温度大约500℃。燃料在气化过程中脱除挥发分意味着输出的燃料气含大量焦油成分和甲烷，使得后续的处理工序复杂。
流化床气化炉的重要特点是不能让原料灰过热，以防灰熔化黏结在一起导致流化床的流态化作用停滞，一般用空气作为氧化剂，保持温度低于1000℃，适用于灰熔点高的原料气化。
气流床气化炉的主要特性是温度非常高，且均匀，气化炉内的燃料滞留时间非常短，由于这一原因，给进气化炉的固体必须被细分并均化，所以在原料进入反应器之前一般进行低温干馏分离，气流床气化炉内的高温使燃料中的灰溶解，并作为熔溶渣排出。
综合所述，移动床气化炉和流化床气化炉的工作环境相对温和，对材料的性能要求也较低，相应的投资也就低，但生产能力和产品质量较差，气流床气化炉具有燃料适用范围宽、单炉生产能力大和合成气品质高等特点，但对材料的要求高，投资高。如果克服了气流床气化炉的这个缺点，将是气化工艺的首选。
无论是含碳颗粒的燃烧还是气化还原反应，随着反应的进行，灰越来越多，反应速率越来越低，但在相同的温度下，燃烧速度要比气化还原速度高的多，要提高碳的转化率，有几个途径可选：一是提高反应温度，二是提高原料在炉内的停留时间，三是将未完全气化的含碳灰渣回收进入燃烧室将剩余碳燃烧掉。如果提高反应的温度，将极大的缩短耐火材料的寿命，不仅增加了维修费用，还使生产不能长周期连续运行，如果采用水冷管挂渣保护的方法，可以提高设备寿命，维持长周期运行，但不得不在能量方面和气化剂需求方面作出许多妥协，因为要保持一定厚度的固态渣层，水冷管要带走很多有效热能，同时必须借助附加的热保持渣的流动和排出，这些措施导致需要大量的氧气、降低气化气体的热值，并因而导致整个气化过程放热效率低，对于灰熔点低的原料，这种妥协是可以接受的，对于高灰熔点原料是很难接受的。我国目前的高硫、高灰分、高灰熔点煤之所以难以气化，原因就在于此。
在上述各气化设备中的一个共同特点就是氧化和还原反应均在同一个空间内进行，所以，对于采用耐火材料砌衬的气化炉，燃烧区和还原区的耐火材料承受几乎同样的高温，每次维修几乎要更换所有的耐火材料；对于采用水冷壁挂渣保护的气化炉，炉内温度要保证每一部分水冷壁上固态渣的一定厚度和外层渣的流动性，浪费很多的有效能，降低了合成气的热值；同时也很难在这样的气化炉上采取增加原料行程、在整个空间内使含碳颗粒与气化剂充分混合的有效措施。即使有的气化炉将燃烧室和还原室分开设计，但并没有完全分立，并没有避免上述缺陷，如中国专利ZL98810657.4(加德国专利号)，该专利与目前的气流床汽化炉一样还不能真正做到将氧化反应和还原反应分别控温，特别是燃烧室产生的液态渣要经过还原室排出，高速气流必然使部分液态渣弥漫在还原室，喷入还原室的固体含碳粉状原料不可避免与弥漫在还原室中的液态渣滴混合团聚掉入下面渣池，降低碳转化率。因此，寻找一种既不增加维修费用、又能维持长周期运行，同时又能提高碳转化率的方法和设备，使这个方法和设备有宽的原料适用范围和温度范围成为当务之急。
发明内容
本发明的固体含碳原料的高温气化方法的目的之一是利用气流床气化炉具有燃料适用范围宽、单炉生产能力大和合成气品质高的优点，克服其对材料的要求高，投资高的缺点，并解决燃烧产生的液态渣对还原反应的影响，提高碳转化率；目的之二是增加原料反应行程、在整个空间内使含碳颗粒与气化剂充分混合的有效反应，提高碳转化率；目的之三是将燃烧室和还原室完全分开设计，真正作到对燃烧和还原的温度分别控制，降低有效能损失，提高原料适用范围和温度范围。
本发明的技术方案：本发明的固体含碳原料的高温气化方法将燃烧氧化生成气化剂的反应与还原生成合成气的反应分离，高温气化剂进入还原室前经过液态排渣处理，并且分别控制反应温度，其具体步骤是：
1)燃料与氧化剂在单独的燃烧室内燃烧，燃烧室内温度控制在1300℃～1800℃，且高于灰熔点温度100℃～200℃，生成包括CO2和H2O的气化剂，液态渣分离到燃烧室的渣池，并从燃烧室的渣池直接排除；
2)将步骤1)生成的气化剂进一步降温凝渣，降温至1100～1400℃，捕捉的液态渣送入燃烧室的渣池，并从燃烧室的渣池直接排除；
3)将经步骤2)降温除渣后的气化剂送入还原室，同时将含碳粉状原料喷入还原室，同时控制在1000℃～1300℃的平均温度范围进行还原反应，还原生成含CO、H2的合成气体从还原室出口输出。
所述的固体含碳原料的高温气化方法，将从还原室出口输出的合成气体经过降温处理送入除尘器，经除尘后的合成气输出，而将除尘器分离出的未完全反应的含碳灰渣送回燃烧室，碳燃烧而灰生成液态渣排出。
所述的固体含碳原料的高温气化方法，其含碳粉状原料从还原室壁的上下不同位置多层喷入还原室。
所述的固体含碳原料的高温气化方法，合成气体从还原室出口输出前进行骤冷处理，将还原室出口的温度控制在700℃～900℃。
所述的固体含碳原料的高温气化方法，合成气体从还原室出口输出前进行骤冷处理，出口的温度控制在700℃～900℃。
所述的固体含碳原料的高温气化方法，步骤2)降温最佳温度范围是1200～1300℃，步骤3)还原室的最佳温度范围是平均温度控制在1100℃～1200℃。
所述的固体含碳原料的高温气化方法，步骤1)还中采用旋流器对燃烧氧化生成高温气化剂和液态灰渣进行分离，旋流器使燃烧室内产生强烈旋转流场，将大部分液态渣分离到壁面，并流入燃烧室下面的渣池。
本发明的优点：
本发明本着不增加维修费用、维持长周期运行、提高碳转化率、提高原料适用范围和温度范围的原则，提出一种简化的方法和设备，克服上述气化炉的缺陷，尤其对高灰熔点含碳原料的气化具有重要意义：
1.本发明将燃烧室和还原室完全分开，通过组织强旋流场使燃烧室产生的大部分液态渣被甩到燃烧室壁上流入燃烧室下面的渣池不再经过还原室而直接排出，连通通道上设置的凝渣管进一步将未被燃烧室完全捕集的液态渣捕集，避免了燃烧室产生的液态渣对还原室内还原反应的影响，提高了碳转化率。
2.本发明将燃烧室和还原室完全分开，可根据两个反应各自的需要分别设定温度范围，分别设计燃烧室和还原室，还原室的温度通过设置在连同通道上的降温控制装置调节，使还原室的环境相对温和，可采用相对廉价的材料制造，有利于在满足工质要求的前提下降低设备造价，并使有效能损失大大降低；
3.本发明利用燃烧速率比气化速率高很多的原理，设计燃烧和还原的温度环境，保证燃烧室温度高于含碳原料灰熔点温度100℃～200℃，能够将还原室回收的剩余碳全部烧掉，能达到99％以上的碳转化率；
4.灰熔点低的原料气化，燃烧室采用水冷壁挂渣保护，如果原料种类不稳定，灰熔点有高有低，则采用耐火砌衬，燃烧室一备一用的设计思想保证了系统长周期运行，且能够使用相对廉价的耐火材料；
5.单独设立还原室，可以设计迂回式结构或旋流结构，提高含碳颗粒反应行程以及增强湍流反应强度，提高了碳转化率；
6.本发明继承了传统气流床气化器燃料适用范围宽、生产能力大和合成气品质高的优点。
附图说明
图1是本发明使用的分体式反应装置结构图。
图2是还原室导流结构暨图1的A-A剖视图。
图3是本发明方法的流程图。
具体实施方式
如图1：本发明利用分体式反应装置包括燃烧室9及与其结合的组合式燃烧器1，还原室13与燃烧室9分离，还原室13的壁周围分布上下多层粉状燃料的喷射管17、18、19。燃烧室与还原室之间有将气化剂送入还原室的连通通道25，连通通道25上有凝渣降温控制装置11，燃烧室的底部有渣池10及除渣口22，给水口23和溢水口24，还原室的底部有事故渣池12及除渣口22.1，给水口23.1和溢水口24.1。还原室出口16处设有聚冷装置15。图中组合式燃烧器1包括空气进口3、燃料进口4、氧气口7、含碳灰渣和添加物等入口8、点火燃料2、点火用空气5，火焰监测器6。
还原室内有引导气体迂回的导流结构。
如图1、图2：导流结构包括与连通通道气化剂入口连通的中央竖直开口管26和直径大于竖直开口管的钟罩状壳体14与竖直开口管26的开口有一定距离对着开口，同轴罩着竖直开口管26的开口，将还原室分隔成内外多层。还原室壁上的粉状燃料喷射管出口分布在还原室内外多层空间。图2中黑点表示气流向上，圈中加十字表示气流向下。
还原室内的导流结构其目的是提高含碳颗粒反应行程以及增强湍流反应强度，提高碳转化率。因此，为达到上述目的的导流结构可以有很多形式，不限于上述实施例。
一个还原室配置两个燃烧室。一备一用。为了减少热损失，燃烧室壁设有耐火砌衬20，也可设水冷管21，调节燃烧室温度，同时制造水蒸气；
这里使用组合式燃烧器1，燃气通过口4进入燃烧室，燃烧用氧化剂可通过空气口3或氧气口7进入燃烧室，含碳灰渣和添加物等从口8进入，点火用燃料和空气分别从口2、5进入，6为火焰监测器。组合燃烧器头部采用耐热钢，并用流动介质如空气等冷却保护。
图3是本发明方法的流程图：燃料与氧化剂分别从口4、5通过燃烧器1进入燃烧室9内燃烧生成主要成分为CO2和H2O的气化剂，并形成液态渣，掉入下部渣池10，气化剂进入凝渣降温连通通道25进一步捕集未被燃烧室完全捕捉的液态渣并进行降温处理，冷凝捕集的灰渣送回燃烧室渣池10，除渣降温的气化剂进入还原室13与喷射管17喷入还原室13的含碳粉状原料进行还原反应，CO2还原为CO，水蒸气还原为H2，合成气携带未完全转化的灰渣离开反应器还原室的出口16经过换热器29降温，在后续除尘设备27中捕集，净化的含CO、H2的合成气体从除尘设备27的出口输出。除尘器分离出的未完全反应的含碳灰渣由管道8送回燃烧室9将剩余碳烧掉。
除尘器分离出的未完全反应的含碳灰渣由管道8送回燃烧室9将剩余碳烧掉，相同温度和同样的灰含量下，燃烧速度比气化速度大的多，使在燃烧室内快速烧掉剩余碳成为可能。
燃烧室内温度控制在1300℃～1800℃，高于灰熔点温度100℃～200℃，要保证能够将还原室回收的剩余碳充分燃烧并使灰熔化，正因为含碳颗粒在相同温度和相同的灰含量下，燃烧速度比气化速度大的多，才使我们有机会将还原室的剩余碳全部烧掉，燃烧室是采用耐火砌衬还是采用水冷壁挂渣保护，则根据所要求的温度以及经济分析来决定，采用水冷壁挂渣保护，保证长周期运行，但要浪费很多有效能，温度太高时，会使冷气效率变的很低，但相对燃烧和还原在同一空间进行的气化炉来说，浪费掉的有效能要少的多。如选用耐火砌衬，可设计两个燃烧室，一备一用，可在保证整个系统的长周期运行的前提下，选用较经济的耐火材料，但也要考虑维修费用。
在气化剂送入还原室前由凝渣降温度控制装置11进行除渣降温，降温到1100℃～1400℃。
还原室选择较低的温度范围，还原室平均温度控制在1000℃～1300℃，可保证一定的碳转化率前提下，使还原室能够采用相对廉价的材料，以节约投资。还原室采用抗侵蚀耐热不粘渣材料进行迂回式结构设计或旋流结构设计，含碳粉状原料可分级供入，充分利用还原室空间，使每部分反应物都是充分混合的，使反应更加充分，也使温度分布更加缓和，在反应器出口下部可设置骤冷装置15，调节合成气出口温度，也可在外层适当位置喷入含碳粉状原料来冷却合成气，并进一步产生部分合成气。
本发明使燃料的适用范围和温度范围极大扩充，燃烧室的温度可控制在1300℃～1800℃，还原室的平均温度可控制在1000℃～1300℃，灰熔点在1000℃～1650℃的含碳原料均适用。
本发明针对高温气化反应器提出了一种分体式设计方法，提高了原料适用范围和温度范围，尤其对高灰熔点含碳原料的气化具有重要意义。以下列举三个实施例，以具体说明本发明。
实施例1：
本实施例采用灰熔点为1650℃的可再生燃料和矿物燃料、生物质或垃圾等制作的含碳原料。它的具体实施方式如图3所示：
燃气与氧化剂分别经过4、7口进入单独的燃烧室内，在低于化学计量比的情况下燃烧，同时也燃烧从除尘设备27回收的含碳灰渣，将剩余碳燃烧完全，燃烧室温度控制在1750℃～1800℃，确保将灰熔化形成液态渣即可，如果使用更高的燃烧温度，将浪费更多有效能，降低设备寿命。燃烧器要求带有强旋流装置，将液态渣甩到器壁上，并流入下部的渣池10，燃烧生成的主要成分为CO2和H2O的气化剂，气化剂经过凝渣连通通道25，凝渣降温控制装置11将未被燃烧室完全捕集的液态渣冷凝捕捉送回燃烧室渣池10，同时将气化剂温度调节到1300℃左右。将除渣降温的气化剂送入还原室13，与分级喷入还原室含碳粉状原料在1100℃～1200℃的平均温度下进行还原反应，还原生成含CO、H2的合成气体。在这一温度范围内，CO、H2的总生成速率变化不大，但还原温度的高低影响CO和H2的比例，所以选择哪一个具体的还原温度，要根据合成气的用途来定，当然温度越低，设备寿命越长。
还原室13采用特殊的结构设计：采用抗侵蚀、耐热不粘渣材料，将还原室制成迂回式结构，燃料可分级供入，充分利用反应空间并加大粉状燃料的行程提高碳转化率，在还原室出口16处设置骤冷装置15，将出口温度调节到7O0℃～900℃，骤冷剂可以是水蒸汽、冷的合成气，甚至是含碳粉状原料(可生成部分合成气)。然后，合成气带着未完全转化的灰渣离开还原室13，被送入高温除尘器27，净化的合成气从出口28进入下一流程，收集的灰渣由管道8送入燃烧室9，将剩余碳完部烧掉，形成液态渣进入燃烧室9下部的渣池10。
实施例2：
本实施例采用灰熔点为1350℃的可再生燃料和矿物燃料、生物质或垃圾等制作的含碳原料。它的具体实施方式如图3所示：
燃气与氧化剂分别经过4、7口进入单独的燃烧室内，在低于化学计量比的情况下燃烧，同时也燃烧从除尘设备27回收的含碳粉状原料，将剩余碳燃烧完全，燃烧室温度控制在1450℃～1550℃，确保将灰熔化形成液态渣即可，如果使用更高的燃烧温度，将浪费更多有效能，降低设备寿命。燃烧器要求带有强旋流装置，将液态渣甩到器壁上，并流入下部的渣池10，燃烧生成的主要成分为CO2和H2O的气化剂，气化剂经过连通通道25，凝渣降温控制装置11将未被燃烧室完全捕集的液态渣冷凝捕捉送回燃烧室渣池10，同时将气化剂温度调节到1300℃左右。将降温的气化剂送入还原室13，与分级喷入还原室的含碳粉状原料在1100℃～1200℃的平均温度下进行还原反应，还原生成含CO、H2的合成气体。在这一温度范围内，CO、H2的总生成速率变化不大，但还原温度的高低影响CO和H2的比例，所以选择哪一个具体的还原温度，要根据合成气的用途来定，当然温度越低，设备寿命越长。
还原室13采用特殊的结构设计：采用抗侵蚀、耐热不粘渣材料，将还原室制成迂回式结构，燃料可分级供入，充分利用反应空间并加大粉状燃料的行程提高碳转化率，在还原室出口16下部设置骤冷装置15，将出口温度调节到700℃～900℃，骤冷剂可以是水蒸汽、冷的合成气，甚至是含碳粉状原料(可生成部分合成气)。然后，合成气带着未完全转化的灰渣离开还原室13，被送入高温除尘器27，净化的合成气从出口28进入下一流程，收集的灰渣由管道8送入燃烧室9，将剩余碳完部烧掉，形成液态渣进入燃烧室9下部的渣池10。
实施例3：
本实施例采用灰熔点为1000℃的可再生燃料和矿物燃料、生物质或垃圾等制作的含碳原料。它的具体实施方式如图3所示：
燃气与氧化剂分别经过4、7口进入单独的燃烧室内，在低于化学计量比的情况下燃烧，同时也燃烧从除尘设备27回收的含碳粉状原料，将剩余碳燃烧完全，燃烧温度控制在1300℃左右，确保将灰熔化形成液态渣，如果使用更高的燃烧温度，将浪费更多有效能，降低设备寿命。燃烧器要求带有强旋流装置，将液态渣甩到器壁上，并流入下部的渣池10，燃烧生成的主要成分为CO2和H2O的气化剂，由于灰熔点较低，燃烧温度控制的较低，所以连通通道25内不进行换热降温，气化剂通过连通通道进入还原室与分级喷入还原室的含碳粉状燃料在1100℃～1200℃的平均温度下进行还原反应，还原生成含CO、H2的合成气体。在这一温度范围内，CO、H2的总生成速率变化不大，但还原温度的高低影响CO和H2的比例，所以选择哪一个具体的还原温度，要根据合成气的用途来定，当然温度越低，设备寿命越长。这样会有部分燃烧室产生的液态渣进入还原室，影响碳粉的还原反应
还原室13采用特殊的结构设计：采用抗侵蚀、耐热不粘渣材料，将还原室制成迂回式结构，燃料可分级供入，充分利用反应空间并加大粉状燃料的行程提高碳转化率，合成气携带灰渣一起流动，在还原室出口16下部设置骤冷装置15，将出口温度调节到700℃～900℃，骤冷剂可以是水蒸汽、冷的合成气，甚至是含碳粉状原料(可生成部分合成气)。然后，合成气带着未完全转化的灰渣离开还原室13，被送入高温除尘器27，净化的合成气从出口28进入下一流程，收集的灰渣由管道8送入燃烧室9，将剩余碳完部烧掉，形成液态渣进入燃烧室9下部的渣池10。
从上述实施例可见，因为考虑炉体的适应范围，其燃烧温度控制在高于灰熔点温度100℃～200℃以确保灰渣熔解为准，低于该温度范围，灰渣不能完全熔解，高于该温度范围，影响气化炉寿命；而其还原反应平均温度最佳是1100℃～1200℃，也就是说这个范围还原效率较高，低于这个范围，还原效率要低些，高于这个范围效率增加不多，但是势必增加热损失。
综上所述，本发明的核心是将燃烧室与还原室完全分开，将燃烧室内形成的液态渣不经过还原室而直接从燃烧室的渣池排出，并根据燃烧和还原两个反应各自的需要分别设定温度范围。因此，凡是将燃烧室与还原室完全分开，不经过还原室而直接从燃烧室排渣，并根据两个反应分别控制温度的，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种固体含碳原料的高温气化方法，包括气化剂生成、气化剂与含碳粉状原料进行还原反应生成含CO、H2的合成气体，其特征在于：本高温气化方法将燃烧氧化生成气化剂的反应与还原生成合成气的反应分离，高温气化剂进入还原室前经过液态排渣处理，并且分别控制反应温度，其具体步骤是：
1)燃料与氧化剂在单独的燃烧室内燃烧，燃烧室内温度控制在1300℃～1800℃，且高于灰熔点温度100℃～200℃，生成包括CO2和H2O的气化剂，通过燃烧器带有的强旋流装置，将液态渣甩到器壁上，并流入燃烧室下部的渣池，并从燃烧室的渣池直接排除；
2)将步骤1)生成的气化剂进一步降温凝渣，降温至1100～1400℃，捕捉的液态渣送入燃烧室的渣池，并从燃烧室的渣池直接排除；
3)将经步骤2)降温除渣后的气化剂送入还原室，同时将含碳粉状原料喷入还原室，同时控制在1000℃～1300℃的平均温度范围进行还原反应，还原生成含CO、H2的合成气体从还原室出口输出。
2.根据权利要求1所述的固体含碳原料的高温气化方法，其特征在于：
将从还原室出口输出的合成气体经过降温处理送入除尘器，经除尘后的合成气输出，而将除尘器分离出的未完全反应的含碳灰渣送回燃烧室，碳燃烧而灰生成液态渣排出。
3.根据权利要求1或2所述的固体含碳原料的高温气化方法，其特征在于：含碳粉状原料从还原室壁的上下不同位置多层喷入还原室。
4.根据权利要求1或2所述的固体含碳原料的高温气化方法，其特征在于：合成气体从还原室出口输出前进行骤冷处理，将还原室出口的温度控制在700℃～900℃。
5.根据权利要求3所述的固体含碳原料的高温气化方法，其特征在于：合成气体从还原室出口输出前进行骤冷处理，出口的温度控制在700℃～900℃。
6.根据权利要求1所述的固体含碳原料的高温气化方法，其特征在于：步骤2)降温至1200～1300℃，步骤3)还原室的平均温度控制在1100℃～1200℃。
7.根据权利要求1所述的固体含碳原料的高温气化方法，其特征在于：步骤1)中采用旋流器对燃烧氧化生成高温气化剂和液态灰渣进行分离，旋流器使燃烧室内产生强烈旋转流场，将大部分液态渣分离到壁面，并流入燃烧室下面的渣池。
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