CN218058893U - 一种利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，包括干熄焦装置和采出气流净化分离装置；以二氧化碳气为原料气，在干熄焦的同时生产一氧化碳气；是一种技术上可行、经济上合理的碳减排工艺装置，具有显著的经济效益，较易实施，有一定的应用前景。

Description

一种利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统

技术领域

本实用新型属煤化工技术领域，具体涉及一种利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统。

背景技术

炼焦过程中，将高温红焦冷却的过程称为熄焦，熄焦方法有湿熄焦法和干熄焦法两种。

湿熄焦法是直接用水浇洒在高温红焦上降温的工艺，该工艺技术简单，投资少，但不能回收焦炭显热，对环境污染较大。

干熄焦法是利用低温气流，在具有立式结构的干熄炉内与炽热的红焦逆流换热，将红焦冷却的工艺；干熄炉的焦炭料层，中上部为预存段，红焦在此预存段保温提质，中下部为冷却段，低温气流与红焦的逆流换热过程主要发生在冷却段。干熄焦过程中，如950-1100℃的红焦从干熄炉顶部间歇装入，在预存段的平均停留时间1h左右，随干熄炉底部出料而连续下移，进入冷却段后与逆流的循环气流换热至低于200℃，从干熄炉底部排出；低温如130℃左右的循环气流，经干熄炉底部的气流分布部件，大体均匀地流入冷却段底部焦层，向上流动并吸收焦层显热，升温至如950℃左右后从预存段、冷却段间斜道区外上部的环形烟道排出干熄炉，经一次除尘器收集大部分焦粉尤其是外形尺寸0.8mm以上的焦粉后，进余热锅炉换热产生中高压蒸汽，冷却至如160℃左右后经二次除尘器收集剩余的少部分焦粉后，再由循环风机加压，经余热锅炉给水预热器进一步换热降温至如130℃左右，重新进入干熄炉底部的气流分布部件，形成气流循环。干熄焦法的优点，一是对焦炉所产高温红焦的保温提质作用，使焦炉具有较高的产能和操作弹性；二是循环气流将70%以上的红焦显热带出，经余热锅炉产生中高压蒸汽可外供和/或通过汽轮机发电，产生一定经济效益。我国现有干熄焦装置三百余套，产能产量都超过湿熄焦法装置，污染也较轻。

循环气流的成分情况和控制方法，是干熄焦装置运行控制的重要内容；其中，一氧化碳、氢气含量情况涉及干熄焦装置的运行安全，二氧化碳、氧气含量情况与焦炭烧损率密切相关。循环气流在进入干熄炉冷却段底部焦层时的成分及含量情况，一般为一氧化碳3-15v%，氢气≤5v%，二氧化碳7-20v%，甲烷≤0.5v%，氧气≤0.5v%，其余基本为氮气；根据装置设备水平、高温红焦入炉条件，和对系统安全、焦炭烧损率等工艺控制目的不同，各干熄焦装置对循环气流各成分含量范围的控制差异很大。循环气流的所述的成分及含量情况，源于预存段红焦保温提质过程中的继续热解和残余挥发分转化释放的一氧化碳及少量氢气、甲烷，与主要在如环形烟道连续导入的空气所含氧气、水气与高温循环气流成分的持续反应产物和氮气剩余。很多常规干熄焦法的干熄炉预存段上部还设置空气导入口，连续或间歇导入少量空气，将预存段红焦提质过程中释放的一氧化碳、氢气全部或部分烧掉，以控制预存段料层内及上部空间中可燃成分的浓度，降低干熄炉顶部气体泄漏的燃爆风险；有的装置还在红焦装入前和/或红焦装入过程中加大该空气导入口的空气流量，控制预存段上部空间中可燃成分的浓度，进一步降低装料口打开后高温气体逸出或与空气交换时的燃爆风险。

循环气流成分的控制方法一般主要包括在高温的环形烟道连续导入所需流量的氮气和/或空气，有些装置还考虑和控制一次除尘器和循环风机间的空气漏入量，同时将循环气流平衡裕量的少部分在干熄炉下出料组元的旋转密封阀连续排出，大部分在余热锅炉给水预热器降温后连续排出。如红焦处理能力140t/h干熄焦装置的循环气流量，约为190000-220000Nm³/h；各厂家操作中向环形烟道连续导入的空气流量，根据装置条件和工艺控制目的不同而差异很大，有的为8000Nm³/h左右，有的为10000Nm³/h左右，有的为15000Nm³/h左右；旋转密封阀的排气流量一般是1000-2000Nm³/h，平衡裕量的其余部分在余热锅炉给水预热器后排出。有些干熄焦装置在环形烟道至循环风机入口，采用微负压条件操作，在该负压段气密性变差时期会持续漏入少量空气。

所述循环气流系统，采用中等或以下水平的设备防爆等级设计及工艺控制，包括ⅡBT2以下中低等级的电气设计。

所述常规干熄焦法的一个缺点，是循环气流采出气或排放气中氮气含量较高，一氧化碳、氢气含量低，热值也较低，较难利用，即便一氧化碳体积含量10-15%时也不易得到合理利用，造成了资源浪费。一氧化碳是重要的碳一化工原料，可合成甲醇、醋酸、醋酐、乙二醇、异氰酸酯、甲酸、甲酸甲酯、DMF、碳酸二甲酯、草酸酯、光气等多种化工产品及其系列下游产品。

同时焦化企业炼焦过程中需要大量燃料燃烧供热，实现和维持所需高温，焦炉烟囱烟气的二氧化碳排放量很大，急需二氧化碳捕集后的利用工艺，将捕集的二氧化碳以技术上可行、经济上合理的方式融入其他工艺生产过程，达到节能减排的目的。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，包括干熄焦装置和采出气流净化分离装置；

干熄焦装置的单元设备包括干熄炉、进焦装置、出焦装置、一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、循环气流风机、余热锅炉给水预热器，及可选的焦粉造气单元；干熄炉具有立式结构，进焦装置、出焦装置分别设置于干熄炉之上、之下并与干熄炉分别密闭连通，出焦装置包括振动给料器和旋转密封阀；干熄炉内的焦炭料层，中上部为红焦保温提质的预存段，中下部为与循环气流逆流接触的冷却段，预存段、冷却段间的炉壁为供高温循环气流排出焦层的斜道，斜道外设置汇集高温循环气流的环形烟道；冷却段底部焦层内设置气流分布部件，与设置在干熄炉底部的低温循环气流入口连通；预存段焦层最高位置以上空间的炉顶和/或侧壁，设置预存段上部空间气氛控制气流的多路进气管及可选的布气部件；环形烟道气流出口、一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、循环气流风机、余热锅炉给水预热器、低温循环气流入口之间分别设置循环气流的依次连通管路；在循环气流风机出口、低温循环气流入口间的连通管路，优选在余热锅炉给水预热器出气口、低温循环气流入口间的连通管路连接循环气流裕量的采出气管路；在振动给料器入口和旋转密封阀出口间设置通入二氧化碳气的出焦气氛控制部件，出焦气氛控制部件具有多路二氧化碳气进气管；

所述采出气流净化分离装置的单元设备包括依次连通的脱二氧化硫塔、第一冷却器、可选的气柜、压缩机、可选的加热器、有机硫水解塔、精脱硫塔、第二冷却器、PSA脱二氧化碳单元、PSA提一氧化碳单元；

由干熄焦装置引出的循环气流裕量的采出气管路，与脱二氧化硫塔的进气口连通，使循环气流的一部分所需流量流向采出气流净化分离装置；

PSA脱二氧化碳单元与干熄炉间，设置富二氧化碳气输送管路，将分离所得一氧化碳含量≤10v%的富二氧化碳气，返回干熄焦装置作为所述循环气流的二氧化碳进气；PSA提一氧化碳单元与压缩机进气口间设置CO置换尾气输送管路，将CO置换尾气返回压缩机进气口利用；还设置将PSA提一氧化碳单元所产含氢气尾气输送到焦炉的管路，将含氢气尾气送到焦炉燃烧利用。

干熄焦装置中，所述循环气流的补充气，为氢气+水气含量≤4v%的二氧化碳气，和采出气流净化分离装置分离出来的一氧化碳含量≤10v%的富二氧化碳气；所述二氧化碳气的总进气流量，为循环气流量如风机出口气流量的3-15v%优选5-10v%；其中，将二氧化碳气流量的0-30%作为上进气，与所需量的空气、富氧空气、氧气中一种或多种的含氧气，经预存段上部气氛控制气流进气管，通入预存段焦层之上的空间，将该空间气体中的可燃成分控制到所需浓度水平以下，如一氧化碳含量≤3v%；含氧气的流量为二氧化碳气总流量的0-10%；将二氧化碳气总流量的20-40%作为出焦气氛控制进气，通入所述出焦气氛控制部件，作为出焦气氛控制气流；所述出焦气氛控制气流量的一部分，如其中的30-50v%，随出焦携带和旋转密封阀的正常泄漏而损失，其余起反洗气流的作用，将焦粒内孔、焦粒间气体所含二氧化碳以外的大部分成分如可燃成分和硫化物的80v%以上，优选90v%以上，更优选95v%以上，吹回冷却段焦层的循环气流。

所述可选的焦粉造气单元，设置于干熄炉外或干熄炉内，利用一次除尘器、二次除尘器分离所得焦粉的全部或一部分，及可选的其它来源焦粉，以所需流量的所述二氧化碳气和/或所述富二氧化碳气，和所需流量的氧气作为气化剂，燃烧产生的一氧化碳含量60v%以上的富一氧化碳气流并入循环气流；其中干熄炉外焦粉造气单元所产富一氧化碳气流并入余热锅炉入口前的循环气流；干熄炉内焦粉造气单元设置于冷却段焦层的500-1000℃优选700-1000℃更优选750-1000℃温区内，排出的富一氧化碳气流分布进入800-1000℃优选850-1000℃焦层的循环气流中。

其余流量的所述二氧化碳气和/或所述富二氧化碳气作为下进气，与来自低温循环气流入口的循环气流初步混合后经所述气流分布部件进入从冷却段底部进入焦层。

在冷却段焦层垂直方向一半高度以下，或800℃优选700℃温度曲面以下，所述反洗气、下进气、来自低温循环气流入口的循环气流混合至混匀度80%以上；冷却段温度≥800℃焦层的平均高度，为气流分布部件之上冷却段焦层平均高度的25-35%。

所述干熄焦装置的正常运转过程中，来自焦炉的950-1100℃红焦，经进焦装置从干熄炉顶部间歇或连续装入预存段，随出焦装置的出料而连续下移，出焦平均温度≤200℃，易达到≤160℃；低温循环气流入口温度控制为≤130℃，更优选≤110℃。

采出气流净化分离装置，将由采出气管路导出的循环气流裕量，依次经干法脱硫、压缩、PSA脱二氧化碳、PSA提一氧化碳等处理操作，分离获得纯度≥98v%的一氧化碳的产品气，和一氧化碳含量≤10v%的富二氧化碳气，返回干熄焦装置作为所述循环气流的二氧化碳进气。其中气流流向或处理过程的基本先后顺序为：脱二氧化硫塔、第一冷却器、气柜、压缩机、加热器、有机硫水解塔、精脱硫塔、第二冷却器、PSA脱二氧化碳单元、PSA提一氧化碳单元。

所述脱二氧化硫塔中装填以氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙为主要脱硫成分的脱硫剂。

所述有机硫水解塔装填如青岛华表新材料科技有限公司的水解催化剂HB-SJ3和HB-SJ2，二者分上下层装填；其中HB-SJ3为第一级水解剂，所起作用主要是有机硫的粗转化、氧的脱除、氰化物的转化；HB-SJ2为第二级剂，所起作用主要是剩余有机硫的深度水解；催化剂床层温度130-300℃，有机硫的转化产物为硫化氢。

所述精脱硫塔可装填如青岛华表新材料科技有限公司的氧化锌脱硫剂HB-ZT201，脱硫剂床层温度130-300℃，脱硫塔一开一备，可并可串，出口总硫0.1ppm以下。

所述压缩机的主排气压力为1.0-2.0MPa，该压力为PSA脱二氧化碳单元、PSA提一氧化碳单元的基本操作压力，这两个PSA单元的运行程序中，都可包括抽真空操作过程。

本实用新型利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，还包括根据需要设置在各单元设备、管路的温度、流量、压力等检测/控制部件包括仪表和自动阀，及进行系统控制的DCS；各进气管、出气管根据需要设置用以控制气流量的调节阀。

干熄焦装置中，出焦气氛控制部件、冷却段下部焦层的通气、混气结构，与出焦装置的结构，应相互匹配，既要保证冷却段中下部焦层的气流量均布和混气效果，又要控制出焦过程中可燃成分、硫化物等剧毒异味成分的泄漏量和泄漏浓度，在干熄炉下部仅需较低的防爆安全等级设计及工艺控制。

所述气流分布部件，或包含所述气流分布部件的供气部件，其结构可包括十字风道和十字风道之上连通设置的多层布气风帽。

所述下进气与循环气流的初步混合，可在低温循环气流进入所述气流分布部件之前进行，如在低温循环气流入口与余热锅炉给水预热器间连通管路中设置单流向气体混合器；所述单流向气体混合器中设置开口朝向干熄炉低温循环气流入口、平行于循环气流流向的多个喷管，利用二氧化碳气和/或富二氧化碳气的压头，将下进气与低温循环气流混合，流向干熄炉及所述气流分布部件，避免下进气的反流；此时所述循环气流裕量的采出管路可与循环气流风机、余热锅炉给水预热器间的循环气流管路连通，也可余热锅炉给水预热器、单流向气体混合器间的循环气流管路连通，都可避免下进气反流对循环气流裕量采出的影响。

所述下进气与循环气流的初步混合，也可在所述两个气流进入所述气流分布部件前的干熄炉底的气流通道中进行，之后再进入所述气流分布部件；气流通道中可具有适当结构，利用所述两个气流的流向和压头进行初步混合。此时所述气流通道同时连接下进气管路和低温循环气流入口。

循环气流中的氢气含量，如循环气流风机出口气流中的氢气含量，应控制为≤5v%，优选控制为≤3v%，进一步优选控制为≤2v%，主要通过控制二氧化碳气的水气含量、入炉红焦的氢气释放量实现。

所述二氧化碳上进气与所述含氧气，经预存段上部气氛控制气流入口进入预存段焦层上部空间，将预存段释放和冷却段上部循环气流扩散过来的一氧化碳、氢气、硫化物等成分进行稀释、燃烧、下压，目的是在保证预存段上层红焦温度不低于所需值如950℃和/或保证提质效果的条件下，控制预存段焦层以上空间中及焦层内可燃成分的浓度到所需保证防爆等级的浓度水平以下，如将一氧化碳含量控制为≤10v%、氢气含量控制为≤3v%，以降低干熄炉顶部气体泄漏的燃爆风险，尤其是红焦装入前和/或红焦装入过程中因盖板启闭而向大气开口时气体交换的燃爆风险；红焦装入前和/或红焦装入过程中，优选将预存段焦层以上空间气体中的一氧化碳含量控制为≤5v%甚至≤2v%、氢气含量控制为≤2v%甚至≤1v%。预存段红焦保温提质过程中会释放一定量的一氧化碳、氢气、硫化物等可燃、有毒异味成分，若不适当处理，很难控制到所述安全水平。红焦装入前、装入过程中可通入适当大流量的二氧化碳上进气。通入含氧气的优点是将该空间气体所含一氧化碳、氢气、硫化物等大部分燃烧掉，还能有利于将预热段焦层上部空间及焦层温度控制到不低于如950℃以上温度，以保证红焦的保温提质效果。在干熄炉两次进红焦的操作间隙，通入适量或适当流量的二氧化碳上进气，可将预存段焦层上部空间气体下压进入预存段焦层和环形烟道中，进焦温度较高如1000℃以上时适用；但当较多二氧化碳进入焦层后，会因发生生成一氧化碳的吸热反应而降温，在进焦温度较低如950℃时会降低红焦的提质效果，这时应同时或单独进含氧气，既烧掉可燃成分，又产热维持预存段上部空间温度，有利于兼顾红焦的提质效果和防爆安全效果。

所述二氧化碳气、富二氧化碳气，都应是工业上可经济获得的高二氧化碳含量气体。二氧化碳气中，一氧化碳与氢气的总含量≤0.5v%优选≤0.2v%，甲烷等烃含量≤0.5wt%，水以外的成分中二氧化碳应占98v%以上；其它末提及杂质成分应不高于常规值，如氧气含量应≤1v%，更优选≤0.5v%；再如硫化物折成硫的含量应≤0.1wt%，更优选≤0.05wt%。所述二氧化碳气包括烟道气如焦炉烟道气经胺法或PSA法回收的二氧化碳气，及煤制甲醇装置的低温甲醇洗副产二氧化碳气；湿法的有机胺吸收-蒸汽解析工艺所得二氧化碳气，应控制到二氧化碳体积含量≥96%、水气的体积含量≤4%；干法的变压吸附工艺所得二氧化碳气，可控制到二氧化碳体积含量≥99%、水气的体积含量≤1%；煤制甲醇装置的低温甲醇洗副产二氧化碳气不含水。所述富二氧化碳气中，氢气、水气、一氧化碳以外从成分中，二氧化碳应占95v%以上，优选占98v%以上。

所述富氧空气中的氧气含量，可为30-60v%；所述含氧气，其氧气含量可为18-100v%，含水气≤5v%，其余主要为氮气。

干熄焦装置的正常运行过程中，干熄炉内焦炭自上而下移动、气流自下而上流动。所述950-1100℃的红焦通过进焦装置装入干熄炉，在预存段的平均停留时间可为1h以上，进行保温提质，随干熄炉底部出料而连续下移，进入冷却段后与逆流的气流反应耗热、换热而降温，冷却后通过出焦装置排出。所述如≤130℃的低温气流进入冷却段底部焦层后，向上流动并吸收焦层显热，升温至750℃左右之后所含二氧化碳开始与红焦反应生成一氧化碳，升温至800℃后二氧化碳与红焦生成一氧化碳的反应加快，升温至850℃后二氧化碳与红焦生成一氧化碳的反应进一步加快；所述二氧化碳与红焦生成一氧化碳的反应为高吸热反应，850℃后的反应吸热量显著高于物理换热的升温吸热量。从预存段、冷却段间的斜道区环形烟道排出干熄炉的如950℃左右的高温循环气流，经一次除尘收集大部分焦粉尤其是外形尺寸0.8mm以上的焦粉、余热锅炉热交换产生蒸汽，冷却后气流再经二次除尘收集剩余的少部分焦粉及采用焦粉造气单元时的灰粉，再由循环风机加压重新鼓入干熄炉底部，形成气流循环。

循环气流中一氧化碳、氢气以外的成分，二氧化碳占95v%以上甚至98v%以上。循环气流中一氧化碳含量的高低，主要取决于红焦入炉温度与粒度分布及与二氧化碳的反应活性、循环气流的流量与红焦处理量的比例、二氧化碳气的进气流量与红焦处理量的比例三个因素，其中前两个因素的影响更为显著；红焦与二氧化碳的反应活性，主要取决于焦炭品种和质量要求。用于如冶金焦的干熄处理时，因与二氧化碳的反应活性较低，循环气流中一氧化碳的浓度可以达到30-50v%，采用焦粉造气单元时风机出口循环气流中一氧化碳的浓度可以达到45-60v%。用于如造气焦的干熄处理时，因与二氧化碳的反应活性较高，循环气流中一氧化碳的浓度可以达到50v%以上甚至80v%，采用焦粉造气单元时风机出口循环气流中一氧化碳的浓度可以达到60-80v%。

一次除尘器，可具有重力式除尘结构，可带挡墙或不带挡墙，主要收集外形尺寸如0.8mm以上的焦粉，防止余热锅炉循环气流通道中的焦粉沉积，以保证余热锅炉的换热效率和产汽能力；一般将气流含尘量处理到如8g/m³以下。

二次除尘器，可采用具有多个轴流式旋风分离结构的除尘器，一般将气流含尘量处理到如1g/m³以下。

余热锅炉，将循环气流降温和回收热量，所产蒸汽可外供和/或通过汽轮机发电产生经济效益；余热锅炉给水预热器，将循环气流进一步降温和回收热量，将余热锅炉用水如脱盐水预热后，送至余热锅炉，预热后脱盐水可经脱氧器处理再送至余热锅炉。

所述干熄炉中，能将冷却段温度≥800℃焦层的平均高度，控制为气流分布部件之上冷却段焦层平均高度的25-35%以上，其原因包括：（1）所含二氧化碳的比热比氮气、一氧化碳高，二氧化碳、氮气、一氧化碳的常压比热分别为300℃: 46.5、29.9、30.3J/mol·K，600℃：52.4、31.9、32.4J/mol·K,900℃: 56.1、33.6、34.1J/mol·K，因而本实用新型方法中循环气流的冷却能力较大，尤其在二氧化碳含量40v%以上时；（2）采用较低的冷却段风料比即冷却段循环气流量与红焦进料量的比例；（3）较好的冷却段下部进气的混合分布，可采用如CN205653397U、CN208266112U等的结构和相应控制方法。常规干熄焦法的操作控制目的，是采用较高的气料比，将冷却段温度≥800℃焦层的平均高度，控制为气流分布部件之上冷却段焦层平均高度的20%以下，一般为15%以下，甚至10%以下，以降低循环气流在温度≥800℃焦层的平均停留时间和一氧化碳生成量，冷却段的下部进气只有循环气流及其分布，没有反洗气、下进气与低温循环气流的混合分布问题。

在干熄炉进焦温度、小时进焦量相同的条件下，和常规干熄焦法相比，本实用新型的干熄焦方法中，循环气流在温度≥800℃焦层的平均停留时间多一倍甚至三四倍，焦粒内表面成为更重要的反应场所，又因采用所需二氧化碳含量较高的补充气流且循环气流中基本不含氮气，因而一氧化碳产生量显著增大，循环气流中的一氧化碳含量可达到30v%以上，将更大比例的红焦热量转化为CO的化学能。

如红焦处理能力140t/h左右的干熄焦装置，循环气流量可为约120000-170000Nm³/h；不采用焦粉造气单元时，锅炉给水预热器后或风机后连续采出的循环气流裕量，即采出气流量可为13000-20000Nm³/h。环形烟道不再导入空气。循环气流采出气中氮气含量≤5v%甚至≤1v%，便于净化后气流的分离、利用。

在现有干熄焦装置运行数据和小型试验结果的基础上，通过Aspen、Fluent软件的模拟计算，改二氧化碳气时的效果情况，可完全证明、说明上述技术效果。通过模拟计算，还发现冷却段温度850℃以上红焦层内的温度偏析程度可显著降低，原因是过气量小的区域一氧化碳生成量高一些吸热多，过气量大的区域一氧化碳生成量低吸热少，从而在一定程度上降低了红焦装入干熄炉时的布料要求和对红焦粒度分布的要求。

CN101845307A公开的干熄焦节能减排装置，包括顺序风道连接的风机、还原冷却器、除尘器和余热锅炉，在还原冷却器前放置风机，其特征在于：所述还原冷却器自上而下分为燃烧室、还原段和冷却段，所述燃烧室顶部设置炉盖，所述燃烧室中下部炉壁上开有空气入口；所述还原段的上部炉壁上开有气体出口，所述气体出口通过除尘器与余热锅炉连通；所述冷却段向下逐渐收缩形成排焦出口，所述出料器为螺旋出料器，所述排焦出口与水封的螺旋出料器连通。所述冷却段炉壁为水冷壁，所述水冷壁，壁内设置排列分布的水冷管，内通冷却水，所述水冷壁内涂耐磨材料。所述冷却段内部设置内部水冷壁，所述内部水冷壁呈十字交叉或横排排列，且内部水冷壁中水管和炉身的水管相通。所述内部水冷壁以一定间隔安插翅片，所述翅片的宽度为50～100mm，相邻翅片之间的间隔为50～80mm，所述翅片的长度为冷却段高度。

CN101845307A披露了利用二氧化碳与红焦生成一氧化碳的吸热反应和思路，但其技术方案和效果都与本实用新型存在显著差异。其冷却段相当于本实用新型冷却段的中下段，还原段相当于本实用新型冷却段的温度≥800℃焦层，二氧化碳气直通反应一次，不进行循环，其前置风机只起到了鼓入二氧化碳气的作用。其冷却段250～350℃的焦炭最后落入水封时会产生大量蒸汽（150-250Nm³常压蒸汽/t焦炭）并全部进入二氧化碳气流中，因蒸汽与焦炭生成氢气+1个一氧化碳的吸热反应在800℃以下温度焦层即可大量进行，且在800℃以上温度焦层的反应速度也显著高于二氧化碳与焦炭生成2个一氧化碳的吸热反应，因而蒸汽的产生不仅导致如≥10v%氢气的生成，故而在顶层红焦温度相同时，其单位重量红焦的一氧化碳产量显著低于本实用新型。

CN101845307A工艺还存在焦炭降温速度慢、干熄炉单位空间产能低等问题，不适于大型装置。本实用新型干熄焦方法焦炭降温速度快、干熄炉单位空间产能高，适于大型装置；且干熄炉顶部的通入空气、富氧空气、氧气、二氧化碳中的一种或多种，是在不降低红焦的保温提质效果的条件下，将预存段焦层上部空间气体中的可燃成分限制到所需保证安全等级的浓度水平以下，不造成红焦的直接氧化烧损。

所述干熄焦装置中，一次除尘器、二次除尘器分离的焦粉约占焦炭总产量的1.5-3wt%，和常规干熄焦法的焦粉产量情况相近。因焦粉价格远低于焦炭产品，且外运过程中的环境污染较为严重，故通过焦粉气化炉进行利用并增产一氧化碳。

焦粉造气单元的第一种方案，其主体设备为独立造气炉，造气炉反应区温度为900-1100℃，在侧壁或炉膛内设置一个或多个气化喷嘴，气化喷嘴采用带冷却夹套的三套管烧嘴，外套管和中心管各进所需压力和流量的氧气，中间套管进所需压力和流量的二氧化碳进气并作为载气输送焦粉或磨细后焦粉入造气炉，焦粉、二氧化碳和氧气高速喷入炉膛，混合并迅速反应，产出气流含一氧化碳60-80v%，温度850-1000℃，连同灰粉，经造气炉顶部或侧壁的排气口并入余热锅炉入口前的循环气流；所述灰粉主要在二次除尘器中分离。

焦粉造气单元的第二种方案，其主体设备为设置在一次除尘器下方的结合式造气炉，造气炉顶部与一次除尘器下方的灰斗连接，造气炉和灰斗间设置焦粉进料阀，焦粉通过重力从灰斗落入造气炉中，灰斗中保持一定的焦粉料位，防止造气炉中的气流倒吹入灰斗中，灰斗中的料位通过焦粉进料阀控制；造气炉侧壁设置二氧化碳进气、氧气的进气口，另一侧设置造气出气口；造气炉底部设置排渣口，定期排出炉灰；造气炉反应区温度为900-1000℃，反应压力为微正压；造气炉出口气流含一氧化碳65-85%，温度约为900-950℃，经造气炉顶部或侧壁的排气口并入余热锅炉入口前的循环气流。

焦粉造气单元的第三种方案，其主体设备为设置在干熄炉内部的气化通道，气化通道水平放置，横穿干熄炉，一端封闭，一端设置一个或多个气化喷嘴，顶部为倒V形尖顶，防止焦炭积聚；侧壁或底部设多个排气孔。气化通道反应区温度为900-1100℃，气化喷嘴采用带冷却夹套的三套管烧嘴，外套管和中心管各进所需压力和流量的氧气，中间套管进所需压力和流量的二氧化碳进气并作为载气输送焦粉或磨细后焦粉入气化通道，焦粉、二氧化碳进气和氧气高速喷入气化通道中，混合并迅速反应，产出气流含一氧化碳60-80v%，温度850-1000℃。该方案优点为产出气流所含气体通过焦炭床层，未反应的二氧化碳可进一步和红焦反应，产出气流所含灰粉灰粒可被焦炭床层进行过滤粘附，大多随焦炭下移从干熄炉底部排出。

本实用新型中，干熄炉冷却段上部反应吸热加快降温速度，但结合实践经验，评估认为对焦炭产品质量的影响很小。不采用焦粉造气单元时，余热锅炉的蒸汽产量有所降低，但干熄焦装置的整体热效率提高，整体经济效益提高。采用焦粉造气单元时，余热锅炉的蒸汽产量可得以弥补，干熄焦装置的整体经济效益进一步提高。所述干熄焦装置可在已有干熄焦装置的基础上低成本改造而得，或由湿熄焦装置改建而得。干熄焦装置在焦炭产能基本不变的条件下，焦炭排出温度更稳定并可显著降低，红焦的热量回收率得以提高，循环气流流量或循环气流风机耗电量也可显著降低。因冷却段的热量回收率得以提高，在维持焦炭排出温度不升高的条件下，干熄焦装置的焦炭产能可有一定程度的提高，便于焦炉装置在高产能状态运行或适当扩产。干熄焦装置的设备防爆等级设计及工艺控制要求，与通过大量导入空气维持循环气流组成和控制燃爆风险的所述常规干熄焦法相同，电气设计可采用ⅡBT2以下等级。

本实用新型利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，是一种技术上可行、经济上合理的碳减排工艺装置；并具有显著的经济效益，较易实施，有一定的应用前景。

附图说明

附图1为实施例1中设计的干熄焦装置及制备一氧化碳气系统的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不构成对本实用新型的限制。

实施例1

某焦炭厂建有2×60孔捣固焦炉和配套的干熄焦装置，年产焦炭120万吨，已运行6年。干熄焦装置主要单元设备包括干熄炉、进焦装置、出焦装置、一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、循环气流风机、余热锅炉给水预热器；干熄炉具有立式结构，进焦装置、出焦装置分别设置于干熄炉之上、之下并与干熄炉分别密闭连通，出焦装置包括振动给料器和旋转密封阀；干熄炉内的焦炭料层，中上部为红焦保温提质的预存段，中下部为与循环气流逆流接触的冷却段，预存段、冷却段间的炉壁为供高温循环气流排出焦层的斜道，斜道外设置汇集高温循环气流的环形烟道；冷却段底部焦层内设置气流分布部件，与设置在干熄炉底部的低温循环气流入口连通；预存段焦层最高位置以上空间的侧壁，设置控制预存段上部空间气氛的多个空气流入口及多孔喷嘴；环形烟道内设多个带喷孔的空气流布气管；环形烟道气流出口、一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、循环气流风机、余热锅炉给水预热器、低温循环气流入口之间分别设置循环气流的依次连通管路；在余热锅炉给水预热器出气口、低温循环气流入口间的连通管路连接循环气流裕量的采出气管路；冷却段下部的进气分布部件，具有CN205653397U所记载的结构。该厂的主要焦炭产品为冶金焦和化工焦，根据市场需求切换生产。

所述干熄炉的冷却段内直径9.0m，高度约7.8m（由冷却段下部的进气分布部件上风帽顶面之上计）。

所述干熄焦装置在冶金焦生产过程中的典型正常操作条件为：干熄炉红焦进炉温度1000℃，进焦量140t/h，经进焦装置从干熄炉顶部间歇装入预存段，随出焦装置的出料而连续下移，出焦温度190-200℃；低温循环气流入口的循环气流量约为200000-210000Nm³/h，环形烟道的空气流量8000-9000Nm³/h（含水气平均1.8v%），低温循环气流入口温度125-130℃；焦炭当量直径5.6cm，孔隙率0.47；低温循环气流入口的气体成分为二氧化碳15.7v%、一氧化碳3.2v%、氢气2.1v%、氧气0.1v%、水气0.06v%、甲烷0.05v%，二氧化硫700mg/m³、硫化氢230mg/m³、羰基硫180mg/m³、二硫化碳330mg/m³，余为氮气约79v%。

所述干熄焦装置在化工焦生产过程中的典型正常操作条件为：干熄炉红焦进炉温度950-1100℃，进焦量140t/h，经进焦装置从干熄炉顶部间歇装入预存段，随出焦装置的出料而连续下移，出焦温度190-200℃；低温循环气流入口的循环气流量约为210000-220000Nm³/h，环形烟道的空气流量10000-11000Nm³/h（含水气平均2.0v%），低温循环气流入口温度125-130℃；焦炭当量直径5.1cm，孔隙率0.41；低温循环气流入口的气体成分为二氧化碳11.3v%、一氧化碳5.6v%、氢气2.8v%、氧气0.1v%、水气0.0v%、甲烷0.0v%，二氧化硫900mg/m³、硫化氢340mg/m³、羰基硫170mg/m³、二硫化碳290mg/m³，余为氮气约80v%。

所述干熄焦装置，各单元设备采用中等或以下水平的设备防爆等级设计及工艺控制，包括ⅡBT2以下中低等级的电气设计，在过去的6年中一直稳定、安全运行。

利用一套自制的小型试验装置，分别对所述典型的冶金焦和化工焦进干熄炉前红焦，进行了二氧化碳反应活性实验。该试验装置的主体为筒形碳钢罐，容积100L，高径比1.0，外壁保温；红焦装罐后温度各为980-1000℃；由顶壁通气管通入电加热至红焦温度的99.8v%二氧化碳气流；检测在二氧化碳气流停留时间2.5s时，由筒底排气管排出气流中的一氧化碳含量。各进行三次平行实验，结果是冶金焦反应排出气的成分含量为一氧化碳34.2v%、二氧化碳65.7v%，化工焦反应排出气的成分含量为一氧化碳75.7v%、二氧化碳24.0v%。

在所述干熄焦装置已有运行数据和小型试验结果的基础上，结合Aspen、Fluent软件的模拟计算，设计了一套利用该干熄焦装置，将循环气流所补空气改补二氧化碳气，并将采出气进一步净化分离制备一氧化碳气的系统；该系统包括干熄焦装置和和采出气流净化分离装置；所述干熄焦装置，在现有工业装置的基础上，取消环形烟道内设的空气流布气管和空气进气；在预存段焦层最高位置以上空间的顶壁和侧壁，分别设置控制预存段上部空间气氛的多路带调节阀的进气管，各进气管深入炉膛内20-25cm并具有多个布气喷口，作为上进气部件，将二氧化碳气流量的20-30%作为上进气；在振动给料器入口和旋转密封阀出口间设置出焦气氛控制部件，出焦气氛控制部件具有多路带调节阀的进气管，将二氧化碳气流量的30-40%作为出焦气氛控制进气，通入所述出焦气氛控制部件；在低温循环气流入口与余热锅炉给水预热器间连通管路中设置单流向气体混合器，所述单流向气体混合器中具有开口朝向干熄炉低温循环气流入口、平行于循环气流流向的多个喷管，利用二氧化碳气和/或富二氧化碳气的压头，将下进气与低温循环气流混合，将其余二氧化碳气和全部富二氧化碳气，通过该单流向气体混合器补入循环气流。该设计中，干熄炉红焦进炉温度1000℃，进焦量140t/h，二氧化碳气的补入量为5000-8000Nm³/h，富二氧化碳气来自于采出气流净化分离装置的PSA 脱二氧化碳单元；循环气流量为约120000-170000Nm³/h，采出气流量为10000-20000Nm³/h。

所述采出气流净化分离装置的单元设备包括依次连通的脱二氧化硫塔、第一冷却器、气柜、压缩机、加热器、有机硫水解塔、精脱硫塔、第二冷却器、PSA 脱二氧化碳单元、PSA提一氧化碳单元。

由干熄焦装置引出的循环气流裕量的采出气管路，连通脱二氧化硫塔的进气口，使循环气流的部分所需流量流向采出气流净化分离装置；PSA 脱二氧化碳单元分离所得一氧化碳含量≤5v%的富二氧化碳气，返回干熄焦装置作为所述循环气流的二氧化碳进气；PSA提一氧化碳单元的CO置换尾气，返回压缩机进气口利用；PSA提一氧化碳单元的含氢气尾气，去焦炉燃烧利用。

采出气流净化分离装置的气流流向或处理过程的先后顺序为：脱二氧化硫塔、第一冷却器、气柜、压缩机、加热器、有机硫水解塔、精脱硫塔（2个）、第二冷却器、PSA 脱二氧化碳单元、PSA 提一氧化碳单元。

所述脱二氧化硫塔中装填以超细碳酸钙为主要脱硫成分的脱硫剂。

所述有机硫水解塔装填青岛华表新材料科技有限公司的水解催化剂HB-SJ3和HB-SJ2各30m³，二者分上下层装填；其中HB-SJ3为第一级水解剂，所起作用主要是有机硫的粗转化、氧的脱除、氰化物的转化；HB-SJ2为第二级剂，所起作用主要是剩余有机硫的深度水解；催化剂床层温度200-230℃，有机硫的转化产物为硫化氢。

所述精脱硫塔各装填青岛华表新材料科技有限公司的氧化锌脱硫剂HB-ZT201，脱硫剂床层温度200-230℃，脱硫塔可并可串或一开一备，出口总硫0.1ppm以下。

压缩机的主排气压力为1.0MPa；PSA 脱二氧化碳单元、PSA 提一氧化碳单元的运行程序中，都包括抽真空操作过程。

所设计的干熄焦装置及采出气流净化分离装置，还包括根据需要设置在各单元设备、管路的温度、流量、压力等检测/控制部件包括仪表和自动阀，及进行系统控制的DCS。

新设计干熄焦装置及采出气进一步净化分离制备一氧化碳气的系统，采用二氧化碳气为100v%和96v%二氧化碳+4v%水气两种，在以冷却段焦层垂直方向一半高度以下，或800℃、700℃温度曲面以下，所述反洗气、下进气、来自低温循环气流入口的循环气流混合至混匀度80%以上的限定条件下，以所述干熄焦装置已有运行数据和小型试验结果的为基础，其Aspen、Fluent软件的模拟计算结果，都包括：

出焦平均温度≤160℃，低温循环气流入口温度110-115℃；

出焦气氛控制部件所进二氧化碳气流，可将焦粒内孔、焦粒间气体所含二氧化碳以外的大部分成分如可燃成分和硫化物的85v%以上，吹回冷却段焦层的循环气流；

冷却段温度≥800℃焦层的平均高度，为气流分布部件之上冷却段焦层平均高度的30-31%；

干熄冶金焦时采出气的成分含量为一氧化碳30-40v%，采出气流净化分离装置的98.5v%一氧化碳气产量可达7000Nm³/h；干熄化工焦时采出气的成分含量为一氧化碳65-78v%，采出气流净化分离装置的98.5v%一氧化碳气产量可达11000Nm³/h；采用二氧化碳气为100v%和化工焦、采用96v%二氧化碳+4v%水气和冶金焦时，采出气中的氢气含量都≤5v%；

冷却段温度850℃以上红焦层内的温度偏析程度可显著降低。

所述干熄焦装置各单元设备原有的中等或以下水平的设备防爆等级设计及工艺控制，包括ⅡBT2以下中低等级的电气设计，在所述新设计中即可满足要求，旧装置改造较为方便。

实施例2

在实施例1所述新设计干熄焦装置的基础上，设计了本实施例2干熄焦装置及采出气进一步净化分离制备一氧化碳气的系统，主要区别在于：干熄炉冷却段高度增加1.0m，并在冷却段焦层的800-950℃温区增设焦粉气化通道，气化通道水平放置，横穿干熄炉，一端封闭，一端设置一个或多个气化喷嘴，顶部为倒V形尖顶，外形尺寸为高1.2m、宽1.0m、长10.5m，内膛尺寸为高0.7m、宽0.5m、长9.5m，在侧壁设20个排气孔。气化通道内反应区温度为900-1100℃，气化喷嘴采用带冷却夹套的三套管烧嘴，外套管和中心管各进压力0.4MPa和所需流量的氧气，中间套管进压力0.4MPa和所需流量的富二氧化碳气并作为载气输送磨细后焦粉入气化通道，焦粉、二氧化碳进气和氧气高速喷入气化通道中，混合并迅速反应，产出气流含一氧化碳73-75v%，其余基本为二氧化碳，温度900-950℃。所用富二氧化碳气由PSA 脱二氧化碳单元分离所得，一氧化碳含量≤5v%。所用焦粉为一次除尘器、二次除尘器分离所得焦粉的全部，及其它来源焦粉。

对本实施例2干熄焦装置及采出气进一步净化分离制备一氧化碳气的系统进行模拟计算，结果包括：焦粉气化通道的造气量以一氧化碳计为2000-6000Nm³/h，对干熄炉冷却段温度分布的影响较小，冷却段温度≥800℃焦层的平均高度，为气流分布部件之上冷却段焦层平均高度的33%；出焦平均温度≤160℃，低温循环气流入口温度115-120℃；干熄冶金焦时采出气的成分含量为一氧化碳35-55v%，98.5v%一氧化碳气的产量上限为13000Nm³/h；干熄化工焦时采出气的成分含量为一氧化碳67-77v%， 98.5v%一氧化碳气的产量上限为17000Nm³/h。

Claims (6)

1.一种利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，包括干熄焦装置和采出气流净化分离装置；

干熄焦装置的单元设备包括干熄炉、进焦装置、出焦装置、一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、循环气流风机、余热锅炉给水预热器，及可选的焦粉造气单元；干熄炉具有立式结构，进焦装置、出焦装置分别设置于干熄炉之上、之下并与干熄炉分别密闭连通，出焦装置包括振动给料器和旋转密封阀；干熄炉内的焦炭料层，中上部为红焦保温提质的预存段，中下部为与循环气流逆流接触的冷却段，预存段、冷却段间的炉壁为供高温循环气流排出焦层的斜道，斜道外设置汇集高温循环气流的环形烟道；冷却段底部焦层内设置气流分布部件，与设置在干熄炉底部的低温循环气流入口连通；环形烟道气流出口、一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、循环气流风机、余热锅炉给水预热器、低温循环气流入口之间分别设置循环气流的依次连通管路；在循环气流风机出口、低温循环气流入口间的连通管路，连接循环气流裕量的采出气管路；

所述采出气流净化分离装置的单元设备包括依次连通的脱二氧化硫塔、第一冷却器、可选的气柜、压缩机、可选的加热器、有机硫水解塔、精脱硫塔、第二冷却器、PSA脱二氧化碳单元、PSA提一氧化碳单元；

由干熄焦装置引出的循环气流裕量的采出气管路，与脱二氧化硫塔的进气口连通；

PSA脱二氧化碳单元与干熄炉间，设置富二氧化碳气输送管路；PSA提一氧化碳单元与压缩机进气口间设置CO置换尾气输送管路；还设置将PSA提一氧化碳单元所产含氢气尾气输送到焦炉的管路；

其特征在于，干熄炉预存段焦层最高位置以上空间的炉顶和/或侧壁，设置预存段上部空间气氛控制气流的多路进气管及可选的布气部件；振动给料器入口和旋转密封阀出口间设置通入二氧化碳气的出焦气氛控制部件，出焦气氛控制部件具有多路二氧化碳气进气管。

2.如权利要求1所述利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，其特征在于，所述气流分布部件，其结构包括十字风道和十字风道之上连通设置的多层布气风帽。

3.如权利要求1所述利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，其特征在于，在低温循环气流入口与余热锅炉给水预热器间连通管路中设置单流向气体混合器，所述单流向气体混合器中设置开口朝向干熄炉低温循环气流入口、平行于循环气流流向的多个二氧化碳气和/或富二氧化碳气喷管。

4.如权利要求1所述利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，其特征在于，所述焦粉造气单元的主体设备为独立造气炉，在侧壁或炉膛内设置一个或多个气化喷嘴，气化喷嘴为带冷却夹套的三套管烧嘴，外套管和中心管各进所需压力和流量的氧气，中间套管进所需压力和流量的二氧化碳或富二氧化碳气并作为载气输送焦粉或磨细后焦粉入造气炉；造气炉顶部或侧壁设置与余热锅炉入口前的循环气流管路连通的排气口；

或者所述焦粉造气单元的主体设备为设置在一次除尘器下方的结合式造气炉，造气炉顶部与一次除尘器下方的灰斗连接，造气炉和灰斗间设置焦粉进料阀，焦粉进料阀可使焦粉通过重力从灰斗落入造气炉中，并保持灰斗中焦粉料位；造气炉侧壁设置二氧化碳和/或富二氧化碳气、氧气的进气口，另一侧设置造气排气口；造气炉底部设置定期排出炉灰的排渣口；造气炉排气口与余热锅炉入口前的循环气流管路连通；

或者所述焦粉造气单元的主体设备为设置在干熄炉内部的气化通道，气化通道水平放置，横穿干熄炉，一端封闭，一端设置一个或多个气化喷嘴，顶部为倒V形尖顶；侧壁和/或底部设置多个排气孔；气化喷嘴为带冷却夹套的三套管烧嘴，外套管和中心管各进所需压力和流量的氧气，中间套管进所需压力和流量的二氧化碳进气并作为载气输送焦粉或磨细后焦粉入气化通道。

5.如权利要求1所述利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，其特征在于，有机硫水解塔分上下层装填有机硫水解催化剂HB-SJ3和HB-SJ2。

6.如权利要求1所述利用干熄焦装置生产一氧化碳的系统，其特征在于，在余热锅炉给水预热器出气口、低温循环气流入口间的连通管路连接循环气流裕量的采出气管路。

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