多段分级转化流化床煤气化的方法及装置

摘要

一种多段分级转化流化床煤气化的方法及装置是由备煤、供气、气化、排渣、及细粉输送所组成，多段分级转化流化床气化装置是由熔聚灰分离单元，多段分级流化床热解气化反应器，半焦细粉循环输送单元组成。本发明具有气化炉体积利用率高、处理量大、总碳利用率高的特性，适合煤分级转化集成系统，且可单独使用生产适合于大规模煤基甲烷合成及煤化工用煤气。

说明书

技术领域

本发明属于一种煤气化的方法及装置，具体涉及一种采用热解、气化及燃烧集成的多段分级转化流化床煤气化的方法及装置。

背景技术

煤气化是煤炭高效、清洁利用的核心技术之一，是发展煤基化学品生产、煤基液体燃料、合成天然气(SNG)、IGCC发电、制氢、工业燃气及多联产系统等过程工业的基础。我国是世界上最大的煤气化技术应用市场，但我国大多数企业还在使用落后的常压固定床气化炉，气化能力占总能力70％以上。近年来随着能源的涨价和环保意识增强，大量国外煤气化技术引进中国，我国已引进Texaco水煤浆气化炉30余台，Shell粉煤气化在国外仅有一套，而在我国已签20台多，GSP粉煤气化也已签4套。近十几年来，产学研结合推动了国内自主气化技术的发展，包括：华东理工大学的四喷嘴对置水煤浆气化技术；西北化工研究院的多元料浆气化技术；清华大学的非熔渣-熔渣两段水煤浆气化技术；西安热工院的两段式加压干煤粉气化技术；北京航天石化技术装备工程公司自行研发的HT-L(航天炉)气流床气化技术等。

但这些技术均属于气流床气化技术，须使用低灰熔点(＜1350℃)和低灰含量(＜10～15％)的优质煤炭，而解决高灰熔点煤的方法通常是加入10～30％的助熔剂，使得进料的灰份更高，影响其操作性和经济性。同时，气流床熔渣气化技术过高的操作温度使气流床的投资、维修和操作成本提高。美国电力研究院(EPRI)的研究报告指出，现有工业气流床气化炉不适合高灰、高灰熔点煤的气化，世界需要工业化的流化床气化技术。流化床技术无论燃烧或气化均具有适应高灰熔点、高灰煤种的本性，循环流化床锅炉已成功燃烧煤矸石即为明证。

煤结构和组成的多样性、复杂性，决定了任何单一的转化过程(燃烧、气化)都不可能实现煤的洁净高效利用。因此，煤炭合理的利用方式是根据其组成结构特点，耦合热解、气化和燃烧技术，并针对生产和市场需求，实现煤中不同组分的分级转化利用，而能实现这一过程的煤气化技术只有流化床是最适合的气化炉型。因此在优化液态排渣技术的同时，各国(包括美国、英国、德国、澳大利亚、印度、中国)均在开发温和温度的流化床气化技术，其工作温度在1000℃左右，干法进煤，干法排渣，煤种适应性更强、总系统效率更高而投资和成本较低，如：美国KBR公司的Transport气化技术、Foster-wheel公司的流化床煤气化技术、澳大利亚HRL公司的流化床加压煤气化、英国的ABGC喷动流化床技术以及印度的BHEL流化床技术等均在研发或工业示范阶段。

中科院山西煤炭化学研究所开发成功了“灰熔聚流化床粉煤气化”成套技术，煤种范围宽(从褐煤到无烟煤)，并适合高灰、高灰熔点、高硫煤的气化。目前已完成常压日处理100吨烟煤和0.6MPa加压日处理320吨高硫无烟煤的工业应用，同时在3.0MPa加压气化中试装置上已完成0.6-2.5MPa无烟煤加压灰熔聚气化试验。但与先进气化技术相比尚存在：1)气化炉规模仍不够大(目前工业单炉处理能力300吨煤/日)；2)很好地解决了排灰碳含量问题，但煤气夹带细粉量高，总的碳转化率低(90％左右)；3)气化炉体积利用率低；4)采用底部集中供氧，易出现局部高温形成流化不良和死区。

如何实现气化原料本地化，开发出适合不同煤种特性、下游产品的气化炉对我国的煤化工发展至关重要。现有气化技术的提级，实现煤炭的分级转化，将不同技术集成优化也是煤气化技术发展的一个重要趋势。同时也需要开发出适合除煤炭以外含碳固体物质的气化技术，包括生物质、液化残渣、石油残渣及含碳固体废弃物等。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种可适合于各种煤种的大规模热解、气化及燃烧集成的流化床气化方法。

本发明的第二个目的在于设计一种结构简单，成本低，可生产富甲烷煤气的固态排渣多段分级转化流化床气化装置。

本发明采取大规模集成转化技术思路，以流化床气化实现煤的快速气化，将煤中易转化的物质在较温和的条件下转变为产品气体，不易转化的物质采取燃烧集成方式，改变反应动力学的方式，以提高总的反应速率；增加细粉循环、提高细粉停留时间、强化气固接触，提高反应器体积利用效率，提高处理能力；利用高温煤气、实现煤快速热解，产生高甲烷含量的合成煤气。以追求系统的最高碳转化率和能源效率，降低能源消耗和运行成本，满足不同产品需要，实现高的气化能力为目标。

本发明的多段分级转化流化床煤气化的方法包括如下步骤：

(1)气化原料煤的制备

原料煤破碎后经过干燥和筛分，使褐煤水分＜10wt％，烟煤或无烟煤水分＜5wt％，粒度小于0.5mm的细煤粉送入细煤粉仓，粒度介于0.5mm-6mm的碎煤送入碎煤仓，均作为流化床气化原煤；

(2)气化

a.首先对气化炉进行烘炉，待气化炉下部温度大于900℃，上部温度大于600℃时，在流化床下部气体分布器通入空气、蒸汽，从气化炉下部碎煤进料管连续加入气化碎煤，并按空气煤比2.5～3.5Nm³/kg、蒸汽煤比0.3～0.6kg/kg进行操作，使煤在气化炉内燃烧，并得到半焦炉料，逐渐建立气化炉炉内物料；

b.待气化炉中半焦物料的床层压降达到5-10KPa，系统操作稳定后切换为氧气/蒸汽鼓风，切换过程中温度控制在800～900℃；

c.按氧气煤比0.4～0.5Nm³/kg、蒸汽煤比0.5～1.0kg/kg进行操作气化，气化炉底部温度稳定在900～1100℃范围；

d.待气化炉下部气化稳定后，将细煤粉从气化炉中部的细煤粉进料管连续加入，控制气化炉中部的温度维持在700～900℃；调整气化炉底部进气量，维持气化炉下部温度稳定在900～1100℃范围；同时，向气化炉上部燃气吹气管通入循环煤气和氧气/水蒸气，煤气∶氧气∶水蒸气体积比为：1∶0.3～0.6∶0.2～0.4，维持气化炉上部温度900-1000℃；气化炉操作压力0.4-3.0MPa；

(3)气化炉的排渣

在气化过程中，调节环形分离管气速在5～10m/s，气体中的氧浓度＜25Vol％；中心射流管气速15～30m/s，气体中的氧浓度40～60vol％，通过调整环形分离管气速，控制排渣量，使气化炉内半焦炉料保持床层压差在4～8KPa之间；排出的灰渣经分离后，将富碳的灰渣经气力输送系统送至循环流化床锅炉燃烧，剩余的灰渣排放；

(4)粗煤气的净化和废热回收

在气化炉出口喷入激冷水，保证旋风入口温度＜900℃，粗煤气经一级旋风分离器分离，捕集的半焦细粉经半焦细粉循环立管、半焦细粉循环控制高温阀，吹入到热解气化反应器下部的浓相流化床气化段，再次参与反应；粗煤气进入二级旋风分离器，捕集的半焦细粉经半焦细粉收集/冷却罐、细粉输送器送入循环流化床锅炉燃烧；经粗分离的高温煤气经废热锅炉、蒸汽过热器、脱氧水预热器，煤气温度降至50-170℃进入文丘里水洗器和水冷淋洗塔，进一步降温及除尘后输出至煤气净化工段；

(5)气化炉停车

正常停车时，首先切断气化炉上部燃气吹气管的循环煤气和氧气/水蒸气；停止加煤；切断进入后系统煤气管线，煤气放空，逐渐降压至常压；之后，降低环形分离管气速加大排灰量，同时加大流化床蒸汽用量，关闭氧气阀门，关闭气化炉的下部进煤系统，炉内温度控制在900℃以下，炉料排完后，停止进气，最后系统分别用蒸汽、空气吹扫一遍。

为了实现本发明设计了一种结构简单，成本低的多段分级转化流化床煤气化装置。

本发明的固态排渣多段分级转化流化床气化装置是由熔聚灰分离单元，热解气化反应器，半焦细粉循环输送单元组成，所述的熔聚灰分离单元由圆柱形气室壳体、圆锥分布板、渐缩管、中心射流管、环形分离管、落灰管和分布板气化剂进气管构成，圆锥分布板位于圆柱形气室壳体的上部，呈倒锥状，圆锥分布板上有均匀分布的气体出口；圆锥分布板下部与渐缩管相连，渐缩管下部与环形分离管连接，在圆柱形气室壳体下部有隔热材料，由圆柱形气室壳体、圆锥分布板、渐缩管、环形分离管和隔热材料构成圆锥分布板进气室，中心射流管位于环形分离管中，并位于中轴线，出口与圆锥分布板分布板底部等高，在圆锥分布板进气室中有分布板气化剂进气管，环形分离管的下端在位于圆柱形气室壳体底部之外，并与落灰管相连，落灰管有环形分离管进气口，落灰管底部为排渣口；所述的热解气化反应器由圆形炉体，下部浓相流化床气化段，中部快速热解气化反应段，上部高温焦油裂解段构成，在下部浓相流化床气化段有碎煤进料管，烘炉煤气管和半焦细粉进料管，在中部快速热解气化反应段有细煤粉进料管，在上部高温焦油裂解段有燃气吹气管，炉顶有激冷水管和气化炉煤气出口；所述的半焦细粉循环输送单元是由一级旋风分离器，半焦细粉循环立管，半焦细粉循环控制高温阀组成，一级旋风分离器与气化炉煤气出口相连，一级旋风分离器的下部连接半焦细粉循环立管，半焦细粉循环立管下部连接半焦细粉循环控制高温阀，半焦细粉循环控制高温阀下部通过斜管与半焦细粉进料管连接，在斜管上有细粉返回蒸汽吹气管。

圆锥分布板、渐缩管和环形分离管均由耐火及保温材料构成。

所述圆锥分布板的开孔率为0.5％-2％，孔径为Φ3-5mm，圆锥母线与中心轴的夹角β为20°～50°。

所述的圆形炉体由炉体，保温材料和耐火材料组成，炉体与耐火材料之间是保温材料。

所述渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角γ为5°-20°。

本发明具有如下优点：

1)气化炉操作压力可达到3.0MPa，处理量大，压缩能耗低；

2)采用选择性灰分离，干法排渣，排灰碳含量低，煤气夹带细粉通过高循环比增加停留时间，提高总的气化碳转化率；

3)采用煤分级转化流程，未转化细粉通过CFB锅炉燃烧高效转化，产生高温蒸汽(600℃左右)用作气化剂；可直接使用碎煤，减少磨煤电耗，系统总的能耗低，氧耗低；

4)采用分段进氧，气化炉体积利用率高，结渣风险小；

5)反应器结构简单，无特殊耐火材料，造价低；操作简单，使用寿命长；

6)煤种范围宽，可气化中国大多数煤；

7)煤气中甲烷含量可根据合成气用途调整，最高可达5％以上，适合煤制天然气项目。

附图说明

图1为本发明熔聚灰分离单元示意图

图2为多段分级转化流化床煤气化装置结构示意图

图3为多段分级转化流化床煤气化工艺流程图

如图所示，1为圆柱形气室壳体，2为圆锥分布板，3为渐缩管，4为中心射流管，5为环形分离管，6为分布器连接法兰，7为圆锥分布板进气室，8为圆锥分布板出口，9为隔热材料，10为落灰管，11为分布板气化剂进气管，12为中心管气化剂进气管，13为环形分离管气化剂进气管，14为排渣口，15为炉体，16为保温材料，17为耐火材料，18为上部焦油裂解段，19为中部快速热解气化反应段，20为下部浓相流化床气化段，21气化炉煤气出口，22为一级旋风分离器，23为半焦细粉循环立管，24为半焦细粉循环控制高温阀，25为半焦细粉进料管，26为碎煤进料管，27为烘炉煤气管，28为细煤粉进料管，29为燃气吹气管，30为炉顶激冷水管，31为细粉返回蒸汽吹气管，32为上煤皮带输送机，33为振动筛分机，34为破碎机，35为干燥器，36为干燥细煤粉旋风收集器，37为干燥细煤粉储仓，38为带出细粉捕集器，39为细煤粉输送器，40为干燥碎煤皮带输送机(1)，41为碎煤提升机(1)，42为干燥碎煤储仓，43为干燥碎煤皮带输送机(2)，44为干燥碎煤提升机(2)，45为碎煤进料斗，46为旋转给料器，47为多段分级转化气化炉，48为排灰灰斗，49为二级旋风分离器，50为二级旋风分离器捕集细粉收集罐及输送器，51为热煤气废热回收锅炉，52为锅炉气泡，53为蒸汽过热器，54为脱氧水预热器，55为文丘里洗涤器，56为塔板式水洗塔，57为闪蒸塔，58为气水分离器，59为粗脱硫塔，60为煤气压力调节阀，61为煤气分气缸，62为氧气分气缸，63为过热蒸汽分汽缸，64为空气分气缸。

具体实施方式

本发明的气化方法及其专用设备结合附图说明如下：

实施例1：

由熔聚灰分离单元，热解气化反应器，半焦细粉循环输送单元组成，所述的熔聚灰分离单元由圆柱形气室壳体1，圆锥分布板2，渐缩管3，中心射流管4，环形分离管5，分布器连接法兰6，隔热材料9，为落灰管10，分布板气化剂进气管11，中心管气化剂进气管12，环形分离管气化剂进气管13，排渣口14构成。圆锥分布板2位于圆柱形气室壳体1的上部，呈倒锥状，圆锥分布板2上有均匀分布的气体出口8；圆锥分布板2下部与渐缩管3相连，渐缩管3下部与环形分离管5连接，在圆柱形气室壳体1下部有隔热材料9，由圆柱形气室壳体1、圆锥分布板2、渐缩管3、环形分离管5和隔热材料9构成圆锥分布板进气室7，中心射流管4位于环形分离管5中，并位于中轴线，出口与圆锥分布板2分布板底部等高，在圆锥分布板进气室7中有进气管11，环形分离管(5)的下端在位于圆柱形气室壳体(1)底部之外，并与落灰管(10)相连，落灰管10有环形分离管进气口13，落灰管10底部为排渣口14；所述的热解气化反应器由圆形炉体15，下部浓相流化床气化段20，中部快速热解气化反应段19，上部高温焦油裂解段18构成，在下部浓相流化床气化段20有碎煤进料管26，烘炉煤气管27和半焦细粉进料管25，在中部快速热解气化反应段19有细煤粉进料管28，在上部高温焦油裂解段18有燃气吹气管29，炉顶有激冷水管30和气化炉煤气出口21；所述的半焦细粉循环输送单元是由一级旋风分离器22，半焦细粉循环立管23，半焦细粉循环控制高温阀24组成，一级旋风分离器22与气化炉煤气出口21相连，一级旋风分离器22的下部连接半焦细粉循环立管23，半焦细粉循环立管23下部连接半焦细粉循环控制高温阀24，半焦细粉循环控制高温阀24下部通过斜管与半焦细粉进料管连接25，在斜管上有细粉返回蒸汽吹气管31。

圆锥分布板2、渐缩管3和环形分离管5均由耐火及保温材料构成。

所述圆锥分布板2的开孔率为2％，孔径为Φ5mm，圆锥母线与中心轴的夹角β为20°。

所述的圆形炉体由炉体15，保温材料16和耐火材料组成17，炉体15与耐火材料17之间是保温材料16。

所述渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角γ为5°。

具体气化实施如下：

将陕西彬县原煤经上煤皮带输送机32送入振动筛分机33，粒度大于6mm的原煤经破碎机34破碎至粒度小于6mm的碎煤，与振动筛分机33的筛下原煤一起进入干燥器35干燥。小于0.5mm细煤粉经干燥细煤粉旋风收集器36和带出细粉捕集器38进入干燥细煤粉储仓37待用；0.5mm至6mm的碎煤经干燥碎煤皮带输送机40，碎煤提升机41，进入干燥碎煤储仓43待用。

首先对气化炉进行烘炉，烘炉空气来自空气分气缸64，烘炉煤气来自煤气分气缸61，空气分别通过分布板气化剂进气管11，中心管气化剂进气管12，环形分离管气化剂进气管13进入气化炉，煤气通过烘炉煤气管27进入气化炉。待气化炉下部密相流化床气化段20温度达到900℃，上部焦油裂解段18温度达到600℃后，通过各路进气管11、12、13通入空气2500Nm³/h和蒸汽400kg/h(蒸汽来自于过热蒸汽分汽缸63)，开启旋转给料器46从气化炉碎煤进料管26定量连续加入气化碎煤，保持进煤量1000kg/h，空气量2500Nm³/h，蒸汽量400kg/h。建立床层(床内压差6KPa左右)，当温度、压力、流量系统均达设定条件后切换为氧气/蒸汽鼓风，氧气来自于氧气分气缸62，进氧量500Nm³/h，水蒸汽量1000kg/h，切换过程中温度控制在800～900℃左右，然后缓慢调节氧气、蒸汽流量，保证圆锥分布板2、环形分离管5及中心射流管4需要的流速、氧浓度，逐步调节气化系统压力至0.6MP，同时调节进煤量至1500kg/h，氧气量至750Nm³/h，蒸汽量至1500kg/h，温度稳定在900～1100℃范围的选定值。

系统稳定后，将干燥细煤粉储仓37中的细煤粉通过细煤粉输送器39，从气化炉上部细粉进料管28定量连续加入气化炉上部，进煤量控制在400kg/h左右，控制气化炉中部快速热解气化反应段19的温度维持在700～900℃；调整底部进气量，维持下部密相流化床气化段20温度稳定在900～1100℃范围；同时，向气化炉上部燃气吹气管29通入循环煤气和氧气/水蒸气，比例为：1∶0.5∶0.3(体积比)，循环煤气量120Nm³/h，氧气量60Nm³/h，蒸汽量36kg/h，维持气化炉上部温度900-1000℃。

气化炉47内的灰渣经过气化炉下部落灰管10排入排灰灰斗48中，定期从排灰灰斗48排出灰渣。在运行过程中，通过调整炉顶激冷水管30中的激冷水流量，保证煤气在气化炉出口温度＜900℃。粗煤气经一级旋风分离器22分离，捕集的半焦细粉经半焦细粉循环立管23、半焦细粉循环控制高温阀24，被细粉返回蒸汽吹气管31通入的蒸汽吹入到气化炉密相流化床气化段20，再次参与反应；粗煤气进入二级旋风分离器49，捕集的半焦细粉经二级旋风分离器捕集细粉收集罐及输送器50送入下序工段；粗分离后的高温煤气经热煤气废热回收锅炉51、蒸汽过热器53，脱氧水预热器54，煤气温度降至100℃左右进入文丘里水洗器55、塔板式水洗塔56、气水分离器58、粗脱硫塔59，进一步降温及除尘后经煤气压力调节阀60输出至煤气净化工段。

实施例2：

圆锥分布板的开孔率为1.5％，孔径为Φ4mm，圆锥母线与中心轴的夹角β为30°。渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角γ为7°。

流化床下部碎煤进煤量2000kg/h，进氧量1000Nm³/h，水蒸汽量2000kg/h，气化炉中部细煤粉进料量550kg/h，气化炉压力控制在1.0MPa，上部燃烧喷嘴循环煤气量180Nm³/h，氧气量90Nm³/h，蒸汽量55kg/h，其余同实施例1。

实施例3：圆锥分布板的开孔率为1.0％，孔径为Φ4mm，圆锥母线与中心轴的夹角β为40°。渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角γ为7°。

流化床下部碎煤进煤量2500kg/h，进氧量1250Nm³/h，水蒸汽量2500kg/h，气化炉中部细煤粉进料量650kg/h，气化炉压力控制在1.5MPa，上部燃烧喷嘴循环煤气量230Nm³/h，氧气量115Nm³/h，蒸汽量70kg/h，其余同实施例1。

实施例4：圆锥分布板的开孔率为1.0％，孔径为Φ4mm，圆锥母线与中心轴的夹角β为45°。渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角γ为8°。

流化床下部碎煤进煤量2900kg/h，进氧量1450Nm³/h，水蒸汽量2900kg/h，气化炉中部细煤粉进料量700kg/h，气化炉压力控制在2.0MPa，上部燃烧喷嘴循环煤气量260Nm³/h，氧气量130Nm³/h，蒸汽量80kg/h，其余同实施例1。

实施例5：圆锥分布板的开孔率为0.5％，孔径为Φ4mm，圆锥母线与中心轴的夹角β为50°。渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角γ为9°。

流化床下部碎煤进煤量3200kg/h，进氧量1600Nm³/h，水蒸汽量3200kg/h，气化炉中部细煤粉进料量800kg/h，气化炉压力控制在2.5MPa，上部燃烧喷嘴循环煤气量290Nm³/h，氧气量145Nm³/h，蒸汽量90kg/h，其余同实施例1。

如实施例1-5条件下进行的新型固态排渣干粉气流床煤气化制合成气气体组成列于表1。

表1不同条件下多段分级转化流化床煤气化制合成气气体组成

  实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  气化压力，MPa  0.6  1.0  1.5  2.0  2.5  气化温度，℃  1030  1025  1030  1025  1020  下部进煤量，kg/h  1500  2000  2500  2900  3200  中部进煤量，kg/h  400  550  650  700  800  总进氧量，Nm³/h  810  1090  1365  1580  1745  总蒸汽量，kg/h  1536  2055  2570  2980  3290  干煤气组成Vol.％  H₂  36.43  38.04  37.72  37.23  37.98  N₂  8.8  5.17  5.54  6.05  5.57  CO  24.36  25.62  26.85  26.8  28.16  CH₄  4.61  5.17  5.09  5.32  5.69  CO₂  25.8  26  24.8  24.6  22.6  产气率Nm3/kg  2.04  2.05  2.03  2.02  2.01  煤气热值Kcal/Nm³  2419.66  2566.31  2587.51  2591.59  2695.01  碳转化率％  91  90  90.2  90.1  90.3  冷煤气效率％  73.67  78.52  78.40  78.13  80.85