固体燃料分级气化-燃烧双床多联产系统与方法

摘要

本发明公开了固体燃料分级气化-燃料双床多联产系统，包括燃烧系统、气化系统、合成气冷却净化系统和合成气甲烷化系统，燃烧系统通过循环回料系统与气化系统关联。燃烧系统主要采用循环流化床燃烧方式，气化系统采用流化床不完全气化方法，产生的半焦回燃烧系统再利用，合成气净化冷却单元采用水循环和可燃物再循环利用，在甲烷化单元中副产的CO

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体燃料分级气化-燃料双床多联产系统与方法，属于多联 产技术领域。

背景技术

以煤炭资源替代部分油、气资源，是我国经济建设可持续发展的必由之路。 我国能源结构的特点决定了寻求油、气的替代能源是我国经济发展与能源战略安 全的长远战略。现代煤化工技术发展以洁净煤利用为前提，正在以煤为原料朝着 多元化利用为目标方向发展。

煤基多联产技术，按照现有技术应用情况可分为两类，一类是以气化技术为 龙头技术，产品以合成气为主，可副产部分中低压蒸汽，该系统可实现合成气用 于燃气轮机发电、蒸汽轮机发电、合成气转化成化工原料合成化学品，以及实现 区域供暖等功能的多联产系统，从技术分类的角度可划分为气流床煤气化技术、 固定床煤气化技术和流化床煤气化技术为核心的煤基多联产技术，如中国山东兖 矿集团建设的我国首座60MW级IGCC发电和24万吨甲醇／年示范工程即以华东 理工大学等开发的气流床煤气化技术为基础。另外一种技术是基于燃烧发电的煤 基多联产技术，联合热解炉实现发电、合成气、煤焦油等为主要产品的多联产系 统，如中国专利CN200910153522和CN201210064139等，具有代表性的技术为 浙江大学等开发的煤基发电-热解多联产技术，该技术在国内已建成了300MW等 级燃煤循环流化床复合热解多联产装置，并投入试运行。以循环流化床锅炉为基 础集成化工反应系统实现的多联产技术相对投资低、技术可靠，但必须充分发挥 热电和化工两个不同专业方向各自的技术优势，将其最佳融合和集成，才能实现 多联产系统的高效、稳定和经济运行。目前已投运的循环流化床-热解多联产技 术存在热解后焦油难分离，导致管道、阀门系统堵塞和腐蚀等问题，热解系统过 分依赖锅炉系统提供的热量，负荷受限，使系统可靠性和稳定性收严重影响。。

发明内容

本发明的目的是提供一种易于执行大型化放大、运行稳定可靠的多联产系 统，同时兼顾发电、供暖和煤化工生产的多联产技术。

为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种固体燃料分级 气化-燃烧双床多联产系统，其特征在于：包括循环流化床燃烧锅炉、循环流化 床气化锅炉、合成气净化单元及甲烷化单元：

在循环流化床燃烧锅炉底部设有燃烧炉下渣口及燃烧炉流化风入口，流化风 进入燃烧炉流化风入口后经由燃烧炉布风单元与循环流化床燃烧锅炉相通，燃料 中的一部分通过燃烧炉燃料给料口进入循环流化床燃烧锅炉内，燃烧产生的烟气 经由烟风道进入至少一级燃烧炉旋风分离单元，分离后的烟气直接排出，分离下 来的灰渣颗粒通过燃烧炉回料腿送回循环流化床燃烧锅炉内，燃烧过程中产生的 热量被用于产生燃烧炉水蒸汽，燃烧炉水蒸汽用于外供及向循环流化床气化锅炉 供应；

在循环流化床气化锅炉底部设有半焦出口及气化炉流化风入口，气化所需的 气化剂被送入进入气化炉流化风入口后经由气化炉布风单元与循环流化床气化 锅炉相通，气化剂中的水蒸汽来自燃烧炉水蒸汽和／或甲烷化单元产生的水蒸汽， 二氧化碳来自甲烷化单元产生的二氧化碳，燃料中的另一部分通过气化炉燃料给 料口进入循环流化床气化锅炉内，气化产生的半焦自半焦出口排出后送入燃烧炉 燃料给料口，合成气则自循环流化床气化锅炉顶部的合成气出口进入至少一级气 化炉旋风分离单元，分离后的合成气被送入合成气净化单元，分离下来的灰渣颗 粒则通过气化炉回料腿送回循环流化床气化锅炉内和／或送至燃烧炉燃料给料 口：

合成气净化单元，对合成气进行初步洗涤除尘，并利用水为冷却介质采用热 交换方式对合成气进行冷却后送至甲烷化单元，对冷却过程中产生的至少部分污 水进行油水分离，分离得到的杂质或送至燃烧炉燃料给料口，或送至气化炉燃料 给料口，或为副产品进行深加工；

甲烷化单元，利用低温甲醇洗过程及甲烷化过程将送入的合成气制成为合成 天然气，将低温甲醇洗过程产生的二氧化碳送至气化炉流化风入口，甲烷化过程 副产的水蒸汽或送至气化炉流化风入口，或补充甲烷化单元自身所需水蒸汽，或 外排作为其他用途。

优选地，所述气化炉旋风分离单元采用由一级旋风分离器及二级旋风分离器 组成的二级旋风分离结构，一级旋风分离器分离下来的灰渣颗粒通过所述气化炉 回料腿送回所述循环流化床气化锅炉内，二级旋风分离器分离下来的灰渣颗粒送 至所述燃烧炉燃料给料口。

优选地，在所述循环流化床气化锅炉上还设有侧气化剂给入口，侧气化剂给 入口位于所述气化炉流化风入口的上方，氧气及水蒸汽被送入该侧气化剂给入 口。

优选地，所述合成气净化单元对所述合成气进行冷却过程中产生的水蒸汽被 引入所述气化炉流化风入口。

优选地，所述合成气净化单元包括洗涤冷却器、废热锅炉、冷却单元、第一 油水分离器、第二油水分离器及污水澄清罐，合成气出所述气化炉旋风分离单元 后或被送入洗涤冷却器，或被送入废热锅炉；

当合成气被送入洗涤冷却器时，洗涤冷却器、废热锅炉及冷却单元依次级联， 由洗涤冷却器对送入的合成气初步洗涤除尘和降温后进入废热锅炉，废热锅炉还 同步通入除盐水，除盐水在废热锅炉内与合成气换热后作为洗涤／冷却水被引入 洗涤冷却器中，换热后的合成气再进入冷却单元，冷却单元还同步接入自污水澄 清罐送出的作为冷却介质的上清液，合成气出冷却单元后被送入所述甲烷化单 元；废热锅炉及冷却单元在换热过程中产生的污水分别通过各自的管路与第一油 水分离器及第二油水分离器相连，第一油水分离器、第二油水分离器及污水澄清 罐依次级联，部分污水经过第一油水分离器分离后作为洗涤／冷却水被引入洗涤 冷却器中，第一油水分离器及第二油水分离器分离得到的杂质或送至燃烧炉燃料 给料口，或送至气化炉燃料给料口，或为副产品进行深加工，部分污水经过第一 油水分离器及第二油水分离器后被污水澄清罐收集，污水澄清罐初步处理后的上 清液送至冷却单元，得到的沉积物送界区外处理，剩余送至界区外进行污水处理；

当合成气被送入废热锅炉时，废热锅炉、洗涤冷却器及冷却单元依次级联， 废热锅炉同步通入除盐水及来自所述气化炉旋风分离单元的合成气，除盐水在废 热锅炉内与合成气换热后形成水蒸汽，该水蒸汽作为气化剂被送入所述气化炉流 化风入口，换热后的合成气送入洗涤冷却器内，由洗涤冷却器对送入的合成气初 步洗涤除尘和降温后进入冷却单元，冷却单元还同步接入自污水澄清罐送出的作 为冷却介质的上清液，合成气出冷却单元后被送入所述甲烷化单元；洗涤冷却器 及冷却单元在换热过程中产生的污水分别通过各自的管路与第一油水分离器及 第二油水分离器相连，第一油水分离器、第二油水分离器及污水澄清罐依次级联， 部分污水经过第一油水分离器分离后作为洗涤／冷却水被引入洗涤冷却器中，第 一油水分离器及第二油水分离器分离得到的杂质或送至燃烧炉燃料给料口，或送 至气化炉燃料给料口，或为副产品进行深加工，部分污水经过第一油水分离器及 第二油水分离器后被污水澄清罐收集，污水澄清罐初步处理后的上清液送至冷却 单元，得到的沉积物送界区外处理，剩余送至界区外进行污水处理。

优选地，当合成气被送入洗涤冷却器时，所述废热锅炉经由换热器与所述第 一油水分离器相连。

优选地，当合成气被送入洗涤冷却器时，合成气经所述洗涤冷却器后出口温 度为150℃～250℃；经所述废热锅炉后出口温度为120℃～180℃；经所述冷却单 元后出口温度为25℃～45℃。

优选地，所述甲烷化单元包括依次级联的变换反应单元、低温甲醇洗单元及 甲烷化单元，合成气依次经过变换反应单元、低温甲醇洗单元及甲烷化单元后形 成合成天然气，低温甲醇洗单元产生的二氧化碳送至所述气化炉流化风入口，甲 烷化单元副产的水蒸汽或送至所述气化炉流化风入口，或补充所述变换反应单元 自身所需水蒸汽，或外排作为其他用途。

本发明的另一个技术方案是提供了一种使用上述的固体燃料分级气化-燃料 双床多联产系统的多联产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：将燃料一分为二，一部分送入燃烧炉燃料给料口，一部分投入气 化炉燃料给料口，燃料在循环流化床燃烧锅炉内燃烧产生的渣从燃烧炉下渣口排 出，产生的烟气从顶部排出，烟气中夹带的部分颗粒物通过燃烧炉旋风分离单元 分离后通过燃烧炉回料腿回循环流化床燃烧锅炉进一步燃烧，循环流化床燃烧锅 炉产生的水蒸汽用于发电、供暖和其他用途，循环流化床燃烧锅炉采用空气作为 流化风和氧化剂；

步骤2)：循环流化床气化锅炉气化产生的半焦从半焦出口排出，被送回循 环流化床燃烧锅炉进一步燃烧利用，合成气则从顶部排出，合成气中夹带有部分 颗粒物，通过气化炉旋风分离单元后收集颗粒物，颗粒物可通过气化炉回料腿回 循环流化床气化锅炉进一步气化利用或返回循环流化床燃烧锅炉燃烧利用；

步骤3)：由合成气净化单元对合成气进行初步洗涤除尘，并利用水为冷却 介质采用热交换方式对合成气进行冷却后送至甲烷化单元，对冷却过程中产生的 至少部分污水进行油水分离，分离得到的杂质或送至燃烧炉燃料给料口，或送至 气化炉燃料给料口，或为副产品进行深加工；

步骤4)：由甲烷化单元利用低温甲醇洗过程及甲烷化过程将送入的合成气 制成为合成天然气，将低温甲醇洗过程产生的二氧化碳送至气化炉流化风入口， 甲烷化过程副产的水蒸汽或送至气化炉流化风入口，或补充甲烷化单元自身所需 水蒸汽，或外排作为其他用途。

优选地，步骤2)中所述循环流化床气化锅炉的操作压力为0～8.0MPa，合 成气出口的温度达到650℃～1050℃。

本发明运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能，相比现有技术，本发明 还具有如下有益效果：

第一、采用双流化床组合实现燃烧、气化的有机结合，可对煤炭等固体燃料 实现分级利用，同时副产电、热、气和油灯多种环保产品，属于多元化利用的清 洁燃煤技术；

第二、利用气化炉还原性气氛下很难实现燃料完全燃烧的特性，解放气化效 率的束缚，将未气化完全的残炭回炉至流化床燃烧炉燃烧，可使系统燃料实现彻 底的利用，碳转化率远远高于本技术领域其他气化技术；

第三、将气化与电站锅炉、化工合成相结合，利用电站锅炉产汽、甲烷化过 程产汽，以及低温甲醇洗过程产CO₂的特性，将水蒸汽与CO₂混合氧气作为气 化炉的气化剂回炉，大大提高了副产物的利用效率；

第四、流化床气化过程相比于热解过程问题提高，焦油产量大大降低，少量 合成气夹带的焦油经初步分离可作为流化床伴烧燃料回炉燃烧，也可作为焦油原 料出售，解决了热解过程大量焦油给合成气处理系统带来的沉重负担，系统黑水 采用内部循环，水资源利用效率高。

本发明适合于富煤缺水的西部地区发展煤基热电气多联产，并具有大规模放 大和推广应用前景。

附图说明

图1为一种气化炉侧面不设置气化剂给入口的固体燃料分级气化-燃料双床 多联产系统示意图；

图2为一种气化炉侧面设置气化剂给入口的固体燃料分级气化-燃料双床多 联产系统示意图；

图3为一种余热回收式固体燃料分级气化-燃料双床多联产系统示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

如图1所示，本实施例公开的一种固体燃料分级气化-燃烧双床多联产系统， 包括循环流化床燃烧锅炉1、循环流化床气化锅炉2、合成气净化单元及甲烷化 单元。

燃料(在本实施例中，燃料为煤、煤矸石、石油焦、生物质等含碳固体燃料 的一种或其混合物)主要被分为两部分给入，从燃烧炉燃料给料口4a和气化炉 燃料给料口4b分别给入循环流化床燃烧锅炉1和循环流化床气化锅炉2。循环 流化床燃烧锅炉1燃烧燃料所需的氧化剂从燃烧炉流化风入口5进入燃烧炉布风 单元6a后进入循环流化床燃烧锅炉1。燃料燃烧过程产生的灰渣从燃烧炉下渣 口7排出，燃烧产生的烟气则从烟风道8进入旋风分离器3a后从其顶部9排出， 被分离下来的灰渣颗粒则通过燃烧炉回料腿10a回入循环流化床燃烧锅炉1中， 燃烧过程产生的热量被用于产生燃烧炉水蒸汽46a，燃烧炉水蒸汽46a可用于供 暖46b、发电47和经由管路46c输往循环流化床气化锅炉2。

循环流化床气化锅炉2的气化所需的气化剂来自经由管路46c送来的燃烧炉 水蒸汽46a和来自甲烷化单元的水蒸汽44，氧气则来自界区外51，二氧化碳53 来自甲烷化单元。气化剂经气化炉流化风入口11a、11b及气化炉布风单元6b进 入循环流化床气化锅炉2，气化产生的半焦从半焦出口49排出，合成气从合成 气出口13经过一级旋风分离器3b和二级旋风分离器3c分离后进入合成气冷却 净化单元，一级旋风分离器3b和二级旋风分离器3c之间连接有合成气导流管 14，二级旋风分离器3c与合成气冷却净化单元之间则连接有合成气管路15。一 级旋风分离器3b分离下来的灰渣颗粒通过气化炉回料腿10b送回循环流化床气 化锅炉2内，二级旋风分离器3c分离下来的灰渣颗粒经由集渣斗12收集后送至 燃烧炉燃料给料口4a或气化炉燃料给料口4b。

合成气净化单元包括洗涤冷却器16、废热锅炉19、冷却单元22、第一油水 分离器25、第二油水分离器26及污水澄清罐36。在本实施例中，洗涤冷却器 16、废热锅炉19及冷却单元22通过合成气管路18、21依次级联，冷却单元22 通过合成气管路23连接甲烷化单元。

合成气首先进入洗涤冷却器16，经过初步洗涤除尘和降温后进入废热锅炉 19，洗涤冷却器16产生的废水48则排出，废热锅炉19同步通入除盐水，除盐 水吸收合成气的部分预热后经由循环水管路17作为洗涤／冷却水接至洗涤冷却器 16。合成气的部分预热被除盐水回收后进入冷却单元22。冷却单元22可设置1～3 级分级冷却。废热锅炉19及冷却单元22在换热过程中产生的污水则分别通过各 自冷凝管24被送至第一油水分离器25、第二油水分离器26，在废热锅炉19与 第一油水分离器25之间的冷凝管上还设置了一个换热器20。第一油水分离器25、 第二油水分离器26及污水澄清罐36则依次通过污水管路34、35级联，部分污 水经由第一油水分离器25进行油水分离后，通过循环水管路27送至洗涤冷却器 16，由第一油水分离器25及第二油水分离器26分离焦油等杂质后产生的杂质 28、29为部分可燃物质，其可燃组分含量可达到5％wt-40％wt，其通过循环回路 30、33经系统燃料混合回路50回循环流化床燃烧锅炉1或循环流化床气化锅炉 2再利用，或作为副产品送深加工31、32。污水澄清罐36收集的污水经过初步 处理后，产生的上清液38通过循环回路38回冷却单元22，部分到界区外进行 污水处理52，剩余沉积物37送界区外处理。合成气经洗涤冷却器16后出口温 度为150℃～250℃；经废热锅炉19后出口温度为120℃～180℃；经冷却单元22 后出口温度为25℃～45℃。

合成气经合成气净化单元的降温除尘等处理后进入甲烷化单元。在本实施例 中，甲烷化单元包括依次级联的变换反应单元39、低温甲醇洗单元41及甲烷化 单元43。变换反应单元39、低温甲醇洗单元41及甲烷化单元43之间分别通过 合成气管路40、42相连。合成气经过低温甲醇洗过程及甲烷化过程后最终得到 合格的人造天然气45。其中低温甲醇洗单元41在低温甲醇洗过程中产生二氧化 碳53可送循环流化床气化锅炉2作为气化剂，也可作为产品用于深加工54，甲 烷化单元43在甲烷化过程中副产的水蒸汽44可送循环流化床气化锅炉2作为气 化剂或作为其他用途。

实施例2

如图2所示，本实施例公开的一种固体燃料分级气化-燃烧双床多联产系统 与实施例1的区别在于，本实施例根据气化负荷和煤种的需求，在循环流化床气 化锅炉2侧面设置侧气化剂给入口11c、11d，氧气及水蒸汽被送入该侧气化剂给 入口11c、11d，增强气化强度，加速气化过程产生的焦油分解，提高系统产气率。

其他结构同实施例1。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：

第一、废热锅炉19、洗涤冷却器16及冷却单元22依次级联，废热锅炉19 同步通入除盐水55及来自二级旋风分离器3c的合成气，除盐水55在废热锅炉 19内与合成气换热后形成水蒸汽，该水蒸汽作为气化剂被送入气化炉流化风入 口11a、11b，换热后的合成气送入洗涤冷却器16内，由洗涤冷却器16对送入的 合成气初步洗涤除尘和降温后进入冷却单元22。洗涤冷却器16在换热过程中产 生的污水通过冷凝管24与第一油水分离器25相连。部分污水经过第一油水分离 器25分离后作为洗涤／冷却水经过循环水管路57被引入洗涤冷却器16中。

第二、在甲烷化单元中，变换反应单元39需要水蒸汽，由甲烷化单元43在 甲烷化过程中副产的水蒸汽44通过管路58送入变换反应单元39。

其他结构同实施例1。

本发明还提供一种采用上述实施例1至4中任意一种固体燃料分级气化-燃 烧双床多联产系统的多联产方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：将燃料一分为二，一部分送入燃烧炉燃料给料口4a，一部分投入 气化炉燃料给料口4b，燃料在循环流化床燃烧锅炉1内燃烧产生的渣从燃烧炉 下渣口7排出，产生的烟气从顶部排出，烟气中夹带的部分颗粒物通过燃烧炉旋 风分离单元分离后通过燃烧炉回料腿10a回循环流化床燃烧锅炉1进一步燃烧， 循环流化床燃烧锅炉1产生的水蒸汽用于发电、供暖和其他用途，循环流化床燃 烧锅炉1采用空气作为流化风和氧化剂；

步骤2)：循环流化床气化锅炉2气化产生的半焦从半焦出口49排出，被送 回循环流化床燃烧锅炉1进一步燃烧利用，合成气则从顶部排出，合成气中夹带 有部分颗粒物，通过气化炉旋风分离单元后收集颗粒物，颗粒物可通过气化炉回 料腿10b回循环流化床气化锅炉2进一步气化利用或返回循环流化床燃烧锅炉1 燃烧利用；循环流化床气化锅炉2可设为常压或者加压系统，其操作压力为 0～8.0MPa，合成气出口的温度达到650℃～1050℃。

步骤3)：由合成气净化单元对合成气进行初步洗涤除尘，并利用水为冷却 介质采用热交换方式对合成气进行冷却后送至甲烷化单元，对冷却过程中产生的 至少部分污水进行油水分离，分离得到的杂质或送至燃烧炉燃料给料口4a，或 送至气化炉燃料给料口4b，或为副产品进行深加工；

步骤4)：由甲烷化单元利用低温甲醇洗过程及甲烷化过程将送入的合成气 制成为合成天然气，天然气中CH4含量达到96％以上，将低温甲醇洗过程产生 的二氧化碳送至气化炉流化风入口11a、11b，甲烷化过程副产的水蒸汽44或送 至气化炉流化风入口11a、11b，或补充甲烷化单元自身所需水蒸汽，或外排作为 其他用途。