CN203096005U

CN203096005U - 一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化系统

Info

Publication number: CN203096005U
Application number: CN2012207487880U
Authority: CN
Inventors: 金红光; 张筱松
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-12-29

Abstract

本实用新型公开了一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化系统，包括燃烧单元、传热单元、碳化单元、一氧化碳生产单元、变换产氢单元、余热回收单元，燃烧单元与传热单元连通；传热单元包括传热隔墙Ⅰ和传热隔墙Ⅱ，传热隔墙Ⅰ一侧为高温烟气腔，另一侧为碳化单元，传热隔墙Ⅱ一侧为高温烟气腔，另一侧为一氧化碳生产单元；碳化单元、变换产氢单元分别与一氧化碳生产单元连通；一氧化碳生产单元生成的部分一氧化碳通入变换产氢单元。本实用新型的煤炭气化过程，大大降低了整个气化反应的不可逆性，使得煤炭的气化效率有显著上升；取消了空分装置和废热锅炉，减少了设备投资；燃料分为气化煤和供热煤，大大增加了煤种的适应性。

Description

一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化系统

技术领域

本实用新型属于能源动力与煤化工领域，具体地说涉及一种外燃供热的煤炭的碳氢组分分级转化的气化系统。

背景技术

由于煤炭与气体燃料的品质及其能量转换利用方式的不同，使得燃煤电厂的发电效率比天然气联合循环电站低10～15个百分点。目前，为了实现煤炭的高效洁净利用，无论是化工生产过程还是IGCC发电系统，都必须先将煤气化，为煤炭的高效利用创造必要条件。

煤气化过程是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、二氧化碳、水蒸汽等作气化剂（或称气化介质），在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。煤气化所得的合成气或煤气的成分取决于燃料、气化剂的种类以及进行气化过程的条件。煤气化方法的分类多种多样，应用较为广泛的四种气化炉为鲁奇炉、恩德炉、德士古炉和谢尔炉，其冷煤气效率在65%~80%左右。

现有技术中，煤气化过程由于需要纯氧与煤反应，因此需要空气分离装置。产生的合成气进行净化除尘才能使用，还需要废热锅炉回收余热。这使得煤气化效率较低，投资成本很高。

同时不同煤气化方法对煤种的要求各有不同。我国煤碳可采量约为1万亿吨，分为褐煤、烟煤和无烟煤。鲁奇炉可采用褐煤和部分烟煤（长焰煤、不粘煤、弱粘煤和气煤），可用资源量为5934.5亿吨，占总资源量的58%。德士古炉可采用大部分的烟煤，可用资源量为6728.8亿吨，占总资源量的66%。谢尔炉可采用褐煤和几乎全部的烟煤，资源量为9242亿吨，占总资源量的91%。恩德炉可采用褐煤和少部分烟煤（长焰煤和不粘煤），可用资源量为4479.6亿吨，占总资源量的44%。

本实用新型中同时还涉及煤炼焦技术，传统的炼焦技术所需要的煤种主要是烟煤中的主焦煤和肥煤，仅占总资源的约9%。而本实用新型中所使用的为粗炼焦技术，大部分的褐煤和烟煤均可以使用，可用煤种占总资源量的约九成。

综上所述，煤炭的气化过程的应用推广，还存在着气化效率低、设备投资成本高和煤种限制等障碍。因此，无论对于化工行业还是电力部门，如何提高煤炭气化的效率，降低煤炭气化的投资成本，都是亟待解决的难题。对于我国高碳能源低碳化利用以及能源可持续发展也是革新性突破。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本实用新型提出了一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化系统，该系统基于燃料“组分对口，分级转化”的原则，将煤炭气化分为碳化、生产一氧化碳化、变换产氢三个步骤。本实用新型提出的煤气化系统中，首先将煤炭进行碳化提纯，得到粗焦炭，然后与二氧化碳反应生成一氧化碳，最后通过变换反应生成氢气和二氧化碳，二氧化碳供给焦炭一氧化碳化单元。通过氢气、一氧化碳和焦炉煤气混合可以得到不同碳氢比的合成煤气。煤炭的碳化过程和一氧化碳生成过程所需热量由燃煤提供。相比于传统气化方法中的所有反应在气化过程中同时进行，本实用新型的新气化系统将不同的反应分类，在碳化、一氧化碳化和变换产氢过程中分别进行。而且本实用新型提出的煤气化系统不需要氧气参与反应，具有气化效率高、设备投资成本低、煤种不受限制以及气化产物可灵活调节等多种优点。

本实用新型为解决其技术问题的技术方案具体如下：

一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化系统，包括燃烧单元、传热单元、碳化单元、一氧化碳生产单元、变换产氢单元、余热回收单元，其特征在于，所述燃烧单元包括供热煤入口和高温空气入口，其通过高温烟气管路与传热单元连通；所述传热单元包括至少一个传热隔墙Ⅰ和至少另一个传热隔墙Ⅱ，所述传热隔墙Ⅰ的一侧为所述传热单元的高温烟气腔，另一侧为所述碳化单元，所述至少另一个传热隔墙Ⅱ的一侧为所述传热单元的高温烟气腔，另一侧为所述一氧化碳生产单元；所述碳化单元包括气化煤入口，所述碳化单元的焦炭出口、所述变换产氢单元的二氧化碳出口分别经管路与所述一氧化碳生产单元连通；所述一氧化碳生产单元生成的部分一氧化碳经管路通入所述变换产氢单元。

优选地，所述传热单元的尾气经过所述余热回收单元的热侧后经废气管路排出；所述余热回收单元的冷侧进口通入空气，冷侧出口的经预热后的空气通过高温空气管路与所述燃烧单元的高温空气入口连通。

优选地，所述传热单元包括传热单元Ⅰ和传热单元Ⅱ，传热单元Ⅰ包括所述传热隔墙Ⅰ，传热单元Ⅱ包括所述传热隔墙Ⅱ。

优选地，所述余热回收单元包括依次连接的蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元。

优选地，所述高温烟气管路中设置除尘装置。用以对高温烟气进行粗除尘。

优选地，所述碳化单元还包括焦炉煤气出口和焦油出口。

优选地，所述变换产氢单元还包括水蒸气入口和氢气出口。

优选地，所述一氧化碳生产单元的顶部设置焦炭进口和一氧化碳出口，底部设置二氧化碳进口。

优选地，所述碳化单元为加热炉、均热炉或煅烧炉。

优选地，所述系统还包括二氧化碳分离单元，其进口与所述变换产氢单元连通，其出口之一与所述一氧化碳生产单元的二氧化碳进口连通。

优选地，所述气化煤为烟煤或褐煤，所述供热煤为所有煤种。

本实用新型的煤气化系统将煤炭气化过程分为碳化过程、一氧化碳生产过程和变换产氢过程三个步骤。首先进行碳化过程，该过程对气化煤进行碳化提纯，所需热量由供热煤与高温空气燃烧产生的热量提供，得到粗焦炭、焦炉煤气、焦油等化工产品；其次进行一氧化碳生产过程，将碳化过程中生产的粗焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，所需热量同样由上述供热煤与高温空气燃烧产生的热量提供；然后进行变换产氢过程，将上述一氧化碳生产过程中生产的部分一氧化碳与水蒸气变换反应生成二氧化碳和氢气，使用分离装置进行分离得到二氧化碳和纯净的氢气，分离出的二氧化碳返回所述一氧化碳生产过程与焦炭反应，一氧化碳生产过程中所需的二氧化碳完全由变换产氢过程中生产的二氧化碳提供；整个煤炭气化过程的三个步骤分别得到焦炉煤气、一氧化碳和氢气，三种气体灵活配比得到不同碳氢比的煤气化合成气。

本实用新型的气化系统中，碳化单元的温度降低至600~900°C，比传统炼焦低约200°C，碳化产品为粗焦炭、焦炉煤气和焦油等。变换反应发生的温度约在200~400摄氏度，相对于传统气化的高温（1000摄氏度左右）气化吸热反应，反应的不可逆性可大幅降低。

本实用新型的有益效果是：将煤炭的气化过程分为炼焦，气化和变换产氢三步进行，大大降低了整个气化反应的不可逆性，使得煤炭的气化效率有显著上升；取消了空分装置和废热锅炉，减少了设备投资；燃料分为气化煤和供热煤，大大增加了煤种的适应性。根据煤炭的特点不同，用煤炭外燃替代焦炉煤气燃烧向碳化室和气化室提供热量，实现煤炭的合理利用。

附图说明

图1为本实用新型的外燃煤炭的碳氢组分分级气化系统结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

图1示出了本实用新型提供的煤炭的碳氢组分分级气化系统的工艺流程。包括燃烧单元1、传热单元Ⅰ3、传热单元Ⅱ4、碳化单元2、一氧化碳生产单元5、变换产氢单元25、蓄热式余热回收单元6和间壁式余热回收单元7，燃烧单元1包括供热煤入口和高温空气入口，供热煤11和高温空气18通过所述供热煤入口和高温空气入口进入燃烧单元1并在其中燃烧生成高温烟气12，通过高温烟气管路及布设在其中的除尘装置对高温烟气进行粗除尘后将高温烟气通入传热单元Ⅰ3、传热单元Ⅱ4的高温烟气腔，传热单元Ⅰ3通过传热隔墙Ⅰ8将热量22导入碳化单元2、传热单元Ⅱ4，通过传热隔墙Ⅱ9将热量23导入一氧化碳生产单元5，释放高温热量后的烟气13，被送往余热回收单元，向蓄热式余热回收单元6和间壁式余热回收单元7放热，放热后的烟气15被排放到大气。

气化煤通过气化煤入口进入碳化单元2并在其中吸收热量在高温下热解，经过粘结过程(包括：干燥脱吸，开始分解，形成胶质体，和胶质体固化过程)以及半焦收缩过程生成焦炭20、焦炉煤气19、焦油21等化工产品，生产的焦炭20经焦炭出口进入一氧化碳生产单元5，变换产氢单元25生成的二氧化碳27也通入一氧化碳生产单元5，在该单元5中焦炭20与二氧化碳27反应生成一氧化碳24。一氧化碳24进入变换产氢单元25与水蒸气反应生成氢气26，同时生成的二氧化碳27提供给一氧化碳生产单元5。

在碳化单元得到的焦炭20(1000℃左右)由一氧化碳生产单元5顶部进入，二氧化碳27由该单元5底部进入，两者相遇后发生反应，焦炭20被气化为一氧化碳24，一氧化碳24从单元上部排出。该气化反应为吸热反应，所需热量由燃烧单元1产生的高温烟气12提供。

本实用新型提供的气化过程与传统气化过程的区别是：传统气化单元中煤炭直接在气化室中反应气化。而本实用新型提供的气化方式是将煤炭气化过程分步进行，即煤炭碳化、焦炭一氧化碳化和变换反应。煤炭首先进入碳化室进行碳化提纯，同时产生焦炉煤气，提纯后得到的焦炭进入一氧化碳生产单元与二氧化碳反应生成一氧化碳，一氧化碳在变换单元与水蒸气反应生成氢气和二氧化碳。

本实用新型提供的焦炭一氧化碳化过程与传统气化过程的区别是：焦炭与二氧化碳反应，生成一氧化碳，不需要空气分离装置。

本实用新型提供的变换产氢单元与传统煤炭气化工艺变换单元的区别是：传统气化工艺中发生的变换反应与其它煤气化反应一同发生在气化炉中，反应温度在1000摄氏度以上。水蒸气在发生变换反应前需要吸收大量的热以达到反应温度。同时其它气体，如氢气、一氧化碳等会减缓变换过程的反应速率。本实用新型提供的变换反应是单独在变换单元中发生，反应温度在200-400摄氏度左右，水蒸气需要吸收的热量大大减少，同时反应过程没有其它气体的干扰，因此变换反应的不可逆损失远远低于传统气化过程。

从煤炭气化产物来看，本实用新型提供的气化单元与传统煤炭气化单元的区别是：传统煤炭气化单元需要纯氧和水蒸气对煤炭进行气化，产生的合成气主要是一氧化碳、氢气和二氧化碳的混合气体。而本实用新型产生的合成气主要有三种：焦炉煤气、一氧化碳和氢气。三种气体可以进行灵活配比，可以满足合成气下游利用的不同碳氢比需求。

如上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。

Claims

1.一种煤炭的碳氢组分分级转化的气化系统，包括燃烧单元、传热单元、碳化单元、一氧化碳生产单元、变换产氢单元、余热回收单元，其特征在于，

所述燃烧单元包括供热煤入口和高温空气入口，其通过高温烟气管路与传热单元连通；

所述传热单元包括传热隔墙Ⅰ和传热隔墙Ⅱ，所述传热隔墙Ⅰ的一侧为所述传热单元的高温烟气腔，另一侧为所述碳化单元，所述传热隔墙Ⅱ的一侧为所述传热单元的高温烟气腔，另一侧为所述一氧化碳生产单元；

所述碳化单元包括气化煤入口，所述碳化单元的焦炭出口、所述变换产氢单元的二氧化碳出口分别经管路与所述一氧化碳生产单元连通；所述一氧化碳生产单元生成的部分一氧化碳经管路通入所述变换产氢单元。

2.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述传热单元的尾气经所述余热回收单元的热侧后经废气管路排出；所述余热回收单元的冷侧进口通入空气，冷侧出口的经预热后的空气通过高温空气管路与所述燃烧单元的高温空气入口连通。

3.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述余热回收单元包括依次连接的蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元。

4.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述高温烟气管路中设置除尘装置。

5.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述碳化单元还包括焦炉煤气出口和焦油出口。

6.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述变换产氢单元还包括水蒸气入口和氢气出口。

7.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述一氧化碳生产单元的顶部设置焦炭进口和一氧化碳出口，底部设置二氧化碳进口。

8.按照权利要求1至7任一项所述的气化系统，其特征在于：所述碳化单元为加热炉、均热炉或煅烧炉。

9.按照权利要求1至7任一项所述的气化系统，其特征在于：所述传热单元包括传热单元Ⅰ和传热单元Ⅱ，所述传热单元Ⅰ包括所述传热隔墙Ⅰ，所述传热单元Ⅱ包括所述传热隔墙Ⅱ。

10.按照权利要求1至7任一项所述的气化系统，其特征在于：所述系统还包括二氧化碳分离单元，其进口与所述变换产氢单元连通，其出口之一与所述一氧化碳生产单元的二氧化碳进口连通。