喷动流化床煤加压气化的大型化方法与装置

摘要

喷动流化床煤加压气化装置的大型化方法与装置是一种体积小、煤处理量大、气化效率高，对煤种的适应性好，粒径范围宽，适合处理目前机械化开采的碎煤的方法与装置，其方法是将较大直径的喷动流化床子单元(1)并列设置在一个压力壳(3)内，构成一个大型的喷动流化床煤加压气化装置，该装置下部的密相区由多个子单元紧密构成，单元数大于3，煤的气化反应在各自的单元内完成，单元之间互不干扰；上部的稀相区为一个共用的悬浮空间(2)。该方法很大程度上改善了床径增大以后两区之间热质交换和传递变差的问题，使单炉的煤处理量大幅度增大，从而实现大型化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种喷动流化床煤加压气化装置的大型化方法与装置，属于流化床技术领域。

技术背景

煤气化是诸多新一代洁净煤技术的基础，如以煤气化为龙头的多联产能源系统、整体煤气化联合循环(IGCC)、加压部分气化燃气/蒸汽联合循环(PPGC-CC)，和以煤气化为基础的制氢与收集埋存CO₂相耦合技术等。煤气化不仅可以很大程度上解决直接燃烧过程中的污染问题，而且能形成高价值的产品，在我国能源战略中起着非常重要的地位。

当前国内外的煤气化装置向大型化发展，以提高单设备的生产能力，满足大型联合循环电站发电以及大规模多联产能源系统的需求。目前，移动床气化炉(如鲁奇炉)和气流床气化炉(如Texaco炉和Shell炉)已成功大型化，单炉日处理煤可达千吨以上，其中Texaco炉最大的一套日处理能力达2400吨，但这些气化炉的气固传热传质不够理想。流化床气化炉(如HTW炉、U-gas炉和KRW炉，其中U-gas炉和KRW炉属于喷动流化床气化炉，在流化床中有一股中心射流扰动，以加强床内的热质交换和传递，射流区的氧气含量高，主要发生燃烧反应，为周边环形区发生的气化反应提供能量)具有良好的传热和传质特性，气化效率高等优点，受到世界各国政府和研究机构的积极关注。然而，流化床煤气化炉都存在大型化的困难，最大日处理能力仅达800吨，特别是后两种炉型在放大到工业装置时均不成功，因为床径的增大使得中心喷动区和周边环形区的热质交换和传递变差。为满足新一代洁净煤技术的需求，世界各国特别是发达国家纷纷寻求新的思路，研制具备大规模处理能力的流化床煤气化装置。

发明内容

技术问题：针对喷动流化床煤气化炉大型化的困难，本发明旨在提供一种喷动流化床煤加压气化的大型化装置与方法，该装置的体积小、煤处理量大、气化效率高，对煤种的适应性好，粒径范围宽，适合处理目前机械化开采的碎煤。

技术方案：通过不断增加床体的直径来达到喷动流化床煤气化炉大型化的目的，从目前来看是有困难的，因为床径的增大使中心喷动区和周边环形区的热质交换和传递变差。本发明从另一个角度，提出一种喷动流化床煤加压气化装置的大型化方法与装置。其基本思路如下：将目前可成功运行的、较大直径的喷动流化床作为子单元，来构建一个大型的喷动流化床煤加压气化装置。该装置下部的密相区为多个独立的喷动流化床子单元紧密构成，上部的稀相区为一个共用的悬浮空间。煤的气化反应在各自的单元内完成，单元之间互不干扰。该技术路线很大程度上改善了床径增大以后两区之间热质交换和传递变差的问题，使单炉的煤处理量大幅度增大，从而实现大型化。

具体方法是将较大直径的喷动流化床子单元并列设置在一个压力壳内，构成一个大型的喷动流化床煤加压气化装置，该装置下部的密相区由多个子单元紧密构成，单元数大于3，煤的气化反应在各自的单元内完成，单元之间互不干扰；上部的稀相区为一个共用的悬浮空间。

该装置是将较大直径的喷动流化床子单元并列设置在一个压力壳内，构成一个大型的喷动流化床煤加压气化装置，该装置下部的密相区由多个子单元紧密构成，被套在密相区壳体内，喷动流化床子单元的底部内设有流化板，底部外为共用的气化介质/高温燃气气室和渣斗；该装置上部的稀相区为一个共用的悬浮空间，喷动流化床子单元上方的悬浮空间沿压力壳圆周方向均匀分布多个与压力壳轴线成12°～15°的返料口，分别对应于多个喷动流化床子单元，循环的飞灰通过返料口进入各子单元内；悬浮空间的上部设有粗煤气出口；压力壳的顶部装有防爆门。所述的喷动流化床子单元的流化板为锥角60°的圆台面均匀拓孔而成，上部为斜孔，下部为直孔，总开孔率为1.1％～1.25％。

有益效果：本发明的装置与方法具有如下的特色及优点：

1、与传统增加床体的直径来达到流化床煤气化炉大型化的思路不同，本发明提出：将目前可成功运行的、较大直径的喷动流化床作为子单元，来构建一个大型的喷动流化床煤加压气化装置；装置下部的密相区由多个独立运行的喷动流化床子单元(单元数大于3)紧密构成、上部的稀相区为一个共用的悬浮空间的思路来实现大型化。

2、本发明的大型喷动流化床煤加压气化装置，克服了密相区由于直径增大带来的流动和传热传质恶化的缺点。

3、喷动流化床子单元采用了与传统结构不同的异型结构流化板，可加强射流区和周边环形区的热质传递。

4、采用加压气化，装置的体积小、煤处理量大、气化效率高。

5、对煤种的适应性好，粒径范围宽，适合处理目前机械化开采的碎煤。而移动床气化炉只能处理块煤，气流床气化炉只适合处理煤粉，对煤粉制备系统要求也较高。

附图说明

图1是本发明的大型喷动流化床煤加压气化装置结构示意图。

图2是本发明中大型喷动流化床煤加压气化装置密相区横截面的示意图。

图3是喷动流化床子单元1的结构示意图。

图4是喷动流化床子单元1中流化板7的结构示意图。

图5是本发明的大型喷动流化床煤加压气化装置实施系统示意图。

以上的图中有：喷动流化床子单元1、悬浮段2、压力壳3、气化介质入口4、高温燃气进口5、气化介质/高温燃气气室6、流化板7、喷动管8、渣斗9、排渣口10、粗煤气出口11、返料口12、保温层13、防爆门14、混合器15、启动燃烧室16、粗煤气冷却室17、飞灰分离装置18、返料器19、煤气净化装置20、灰污收集罐21和水冷排渣装置22、排料管23、浇注料24、密相区壳体25、筒体26、圆台面27、直孔28、斜孔29。煤A、脱硫剂B、燃料C、空气D、高温燃气E、过热蒸汽F、高度预热空气G、气化剂H、粗煤气I、飞灰J、煤气K、精煤气L、杂质M、灰渣N。

具体实施方式

下面参照图1～图4具体说明本发明的技术路线和目标的实现：

该大型喷动流化床煤加压气化装置下部的密相区由4个喷动流化床子单元1组成，套在密相区壳体25内，在密相区横截面视图2上，喷动流化床子单元1的中心连线成正方形；子单元之间以及子单元与密相区壳体25之间的空隙用浇注料24浇注，浇注的高度从流化板7顶端至这些子单元的出口处；喷动流化床子单元1是简体26直径为2m、高为6m的喷动流化床，筒体26内壁浇注一层100mm厚的耐热耐磨层(白刚玉或棕刚玉)；排渣管23的中间套有直径为0.2m的喷动管8，喷动管8的出口与排渣管23的入口在同一水平面上；从排渣管23的底面往上，喷动流化床子单元1的总高度为6m，材质为厚10mm的不锈钢(1Cr18Ni9Ti)。

流化板7顶端与喷动流化床子单元1的底部之间有一个各单元共用的气化介质/高温燃气气室6，气室的一侧开有气化介质入口4，另一侧开有高温燃气进口5，运行时高温燃气和气化剂由此进入气室6后，再通过流化板7分别进入各子单元。流化板7是由锥角60°的圆台面27上拓孔而成的与传统结构不同的异型结构流化板；圆台顶面直径为2m、底面直径为0.8m、高度为1.04m、台面的厚度为110mm，拓有25层小孔而成，其中下部20层为直孔28、下部5层为斜孔29，小孔的直径为5mm，小孔在圆台面的展开图上呈均匀分布，总开孔率为1.2％；气化介质入口4和高温燃气进口5均为DN500的钢管，材质为1Cr18Ni9Ti。

各喷动流化床子单元1的渣先由流化板7底部的排渣管23排入气化介质/高温燃气气室6下方的渣斗9，再由底部的排渣口10排出床内。子单元的排渣管23的直径为0.8m、高度为0.54m，内壁浇注一层100mm厚的耐热耐磨层；渣斗9上部的直径为5m、与密相区的壳体25相接，下部的直径为1.5m、与接排渣口10相接，渣斗9的高度为2.5m，排渣口10的高度为2m，材质均为10mm厚的Q235A钢，内壁浇注一层100mm厚的耐热耐磨层。

在稀相区，这些喷动流化床子单元1共用一个悬浮空间2，悬浮空间2的壳体与密相区的壳体25为一个整体，直径为5m，由Q235A钢卷制而成。悬浮空间2的高度为14m，内壁浇注有110mm厚的耐热耐磨层。在喷动流化床子单元1上方的1.2m处的悬浮空间2，沿圆周方向均匀分布4个与装置轴线成12°～15°的返料口12(图1中仅以1个作示例)，分别对应于4个喷动流化床子单元1，循环的飞灰通过返料口12进入各子单元1内，返料口12为DN150的Q235A钢管；在距悬浮空间2顶部0.5m处的侧面有由厚度10mm的235A钢卷制而成、直径500mm的粗煤气出口11；为了在加压条件下进行煤气化，由4个喷动流化床子单元1构成的密相区、稀相区2、气化介质/高温燃气气室6和渣斗9组成的装置主体置于压力壳3内，压力壳的总高度为25.6m、直径为5.6m，由10mm的235A钢卷制而成；主体与压力壳3之间用保温料13(如硅酸铝纤维)填充；压力壳3的顶部装有防爆门14，当装置内的压力远远高大于1.5倍的设计压力时，防爆门14自动开启并泄除装置的压力，以防止意外事故发生。

本发明的大型喷动流化床煤加压气化装置的主要技术参数如下：气化介质为空气+蒸汽、气化压力0.5～1.5MPa、气化温度950℃～1050℃、碳转化率75~85％、日处理煤量1200～1600吨、煤气热值(HHV)4.5～4.8MJ/Nm³。

参照图5来详细说明本发明的喷动流化床煤加压气化装置的大型化方法与装置的运行过程。

采用床下点火启动方式，燃料C(柴油或天然气)和空气D在启动燃烧室16燃烧后产生高温燃气E(温度1000℃左右)，经高温燃气进口5进入气化介质/高温燃气气室6，再从流化板7的小孔进入喷动流化床子单元。然后通过气力输送(输送风为空气或氮气)将床料(循环流化床的底渣)分均匀的4路由喷动管8输送进入各单元，每个单元600kg。当床料被高温燃气加热到480℃左右时，将煤A和脱硫剂B(石灰石，以脱除煤气中的H₂S)采用与输送床料相同的方式加入喷动流化床子单元1。这时煤A逐渐燃烧，床温不断升高，当床温达到800℃左右时，停止投燃料C和空气D。此时，增大煤A和脱硫剂B的量至每单元加煤量16吨/小时、Ca/S比为2.5。以此同时，将高度预热空气G(压力1.2MPa，温度650℃)和过热蒸汽F(压力1.2MPa，温度350℃)在混合器15充分混合(混合后的压力1.2MPa，温度为450～500℃)，形成高温空气/蒸汽气化剂H，经气化介质入口4进入气化介质/高温燃气气室6，再从流化板7的小孔进入喷动流化床子单元1，调节系统的压力至1.0MPa；使床内的化学反应由常压燃烧向加压气化切换。

在每个单元内，气固的流动呈现中心稀相射流区和周边密相环形区的两区流动结构，由于空气通过喷管与煤一并进入炉内，中心稀相射流区氧气充足，煤迅速完成着火、燃烧并释放出大量热量，产生的热量通过颗粒内循环和气体扩散传递给周边环形区，环形区与蒸汽发生气化还原反应，生成煤气。中心射流区的温度高，达到灰的熔点，产生灰团渣聚，灰渣团聚后粒径增大，重量增加，射流支撑不了团聚灰渣的重量，团聚灰渣N从排渣管23落入渣斗9，再通过水冷排渣装置22冷却降压后将其排出床外。生成的粗煤气I与未反应完的飞灰，从粗煤气出口11导出进入粗煤气冷却室17冷却后，进入飞灰分离装置18，分离后的飞灰J经返料器19(气控非机械阀)，从返料口12返回床内继续反应，以提高碳转化率。经过一级除尘后的煤气K，送入煤气净化装置20，煤气的含尘量以一及酸性碱性腐蚀性物质的含量大大降低，粗煤气中分离下来的杂质M由煤气净化装置20的底部排出，生成的精煤气L可进入燃气轮机发电，或作为多联产能源系统的化工原料或燃料气等使用。