煤气化装置及采用该煤气化装置的富产氢气的煤气化方法

摘要

本发明公开了一种煤气化装置及采用该煤气化装置的富产氢气的煤气化方法，煤气化装置包括上段气化室(2)和下段燃烧气化室(1)，上段气化室的周壁上设有多个上喷嘴(8b)，下段燃烧气化室的周壁上设有多个下喷嘴(8a)，多个上喷嘴(8b)中的至少一个为水蒸汽喷嘴。该煤气化方法包括：在下段燃烧气化室(1)被预热后，通过下喷嘴(8a)往下段燃烧气化室(1)内通入煤燃料和气化剂，以产生燃烧和气化反应，并且通过上喷嘴(8b)往上段气化室(2)内通入水蒸汽，以产生水煤气变换反应。在本发明的煤气化装置及其煤气化方法中，可强化水煤气变换反应，增加氢气产量，使得产出的合成气中氢气含量显著高于当前主流的气流床气化炉。

说明书

技术领域

本发明涉及煤化工领域，具体地，涉及一种煤气化装置及其煤气化方法，能够产出更高氢气含量的合成气。

背景技术

煤制氢技术主要以煤气化制氢为主。煤气化制氢是先将煤炭气化得到以一氧化碳、氢气、水、二氧化碳为主要成份的合成气，然后经过净化，一氧化碳(CO)变换和分离，提纯等处理而获得一定纯度的产品氢。煤气化制氢技术的工艺过程一般包括煤的气化、煤气净化、CO的变换以及H₂提纯等主要生产环节。

煤气化装置是煤气化制氢的关键设备。含碳燃料(即煤燃料，如干煤粉或水煤浆等)在煤气化装置内燃烧并气化反应，得到上述的以一氧化碳、氢气、水、二氧化碳为主要成份的合成气。现有技术中，煤气化装置一般具有单个燃烧气化室，煤燃料、气化剂(如氧气)等在燃烧气化室内燃烧和气化，得到的合成气流出煤气化装置并进入下级工艺设备。然而，现有技术的煤气化装置产出的合成气中的氢气含量普遍不高，例如一般干煤粉气化所产合成气中H₂含量通常不高于30％。

现有技术中已对此进行了一定研究，例如美国专利文献US.2005/0039400 A1中公开了一种在流化床气化炉内设置氢气选择性透过膜的制氢装置，气化炉内流出的合成气通过氢气选择性透过膜的过滤，得到更高氢气含量的产出气体。但不足之处就是流化床气化炉的气化强度低，负荷低，炉内分离膜易受到飞灰污染堵塞，气化炉内高温高压条件下对H₂分离膜材料要求高，分离膜使用条件苛刻。

此外，中国专利文献CN 202430187 U公开了一种三级流化床制氢装置，分为耦合煤气化、钙基吸附剂捕捉二氧化碳和碳酸钙煅烧三个过程，通过钙基吸附剂捕捉二氧化碳以提高氢气含量。该类型煤气化制氢装置存在的缺点一是反应器结构复杂，二是流化床气化反应强度低，钙基吸附剂循环再生量大，整体热效率不高，所需的气化炉反应器体积较大。

发明内容

针对现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种新型煤气化装置及采用该煤气化装置的富产氢气的煤气化方法，该煤气化装置的结构简单、产能大，产出的合成气中的氢气含量高。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种煤气化装置，该煤气化装置包括相互连通的上段气化室和下段燃烧气化室，所述上段气化室设有合成气出口，所述下段气化室设有排渣口，并且所述上段气化室的周壁上设有沿周向间隔布置且伸入所述上段气化室内的上喷嘴，所述下段燃烧气化室的周壁上设有沿周向间隔布置且伸入所述下段燃烧气化室内的下喷嘴，其中上喷嘴能够喷入水蒸汽以产生水煤气变换。

优选地，所述上喷嘴和所述下喷嘴均大于两个且分别沿周向等间隔布置。

优选地，所述上段气化室和下段燃烧气化室均形成为圆柱形腔室，多个所述上喷嘴均以偏离所述上段气化室的径向的偏心方向伸入所述上段气化室内，多个所述下喷嘴均以偏离所述下段燃烧气化室的径向的偏心方向伸入所述下段燃烧气化室内，以使得喷出物料能够在所述上段气化室和下段燃烧气化室内形成涡流。

优选地，所述上喷嘴和下喷嘴偏离所述径向的偏心角均为0～30°。

优选地，煤气化装置包括位于所述上段气化室下方且相互连通的多个所述下段燃烧气化室，和/或所述煤气化装置包括在所述下段燃烧气化室上方相互连通的多个所述上段气化室。

优选地，所述煤气化装置还包括合成气体管道，该合成气体管道的底端连接于所述上段气化室的所述合成气出口。

优选地，所述上段气化室和下段燃烧气化室均为直径为D的圆柱形腔室，所述上段气化室与所述下段燃烧气化室之间通过径向缩小的喉口段相连；其中，所述下段燃烧气化室的轴向高度为1D～5D，所述上段气化室的轴向高度为1D～3D，所述合成气体管道的直径为0.05D～0.5D且轴向高度为1.5D～8D。

优选地，所述上段气化室和/或所述合成气体管道中还设置有CaO吸附剂。

优选地，所述上段气化室和下段燃烧气化室的壳体均为耐火砖衬里结构或水冷壁衬里结构的竖直圆柱形壳体，所述煤气化装置还包括径向间隔地围绕所述竖直圆柱形壳体外设置的压力容器壳体，该压力容器壳体与所述竖直圆柱形壳体之间形成有惰性气体充压室。

根据本发明的另一方面，还提供了一种采用上述煤气化装置的富产氢气的煤气化方法，该方法包括：在所述下段燃烧气化室被预热后，通过所述下喷嘴往所述下段燃烧气化室内通入煤燃料和气化剂，以产生燃烧和气化反应，并且通过所述上喷嘴往所述上段气化室内通入水蒸汽，以产生进一步的水煤气变换反应。

优选地，所述下段燃烧气化室内的反应温度控制为为1200°～1400°，所述上段气化室内的反应温度控制为700°～1000°。

优选地，所述下喷嘴喷入的所述煤燃料与所述上喷嘴喷入的所述水蒸汽之间的质量比为1:1.5-2.0。

优选地，所述下段燃烧气化室内的反应气体的停留时间为2～5秒，所述上段气化室内的反应气体的停留时间为2～4秒；并且所述合成气出口连接有合成气体管道，反应气体在所述合成气体管道内的停留时间为1～3秒。

根据上述技术方案，在本发明的煤气化装置及其煤气化方法中，采用了分区气化，以优化炉内温度分布，在高温的下段燃烧气化室中适于进行煤燃料的燃烧和气化，在相对低温的上段气化室中，提供喷入高压水蒸汽，可强化水煤气变换反应，增加氢气产量，使得产出的合成气中氢气含量显著高于当前主流的气流床气化炉，可降低下游变换工艺的负荷，适合以氢气作为最终目标产品的煤化工工艺流程。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的优选实施方式的煤气化装置的结构示意图；

图2为图1所示的煤气化装置的横截面示意图，图示了上喷嘴或下喷嘴在竖直圆柱形壳体上的分布和安装角度。

附图标记说明

1下段燃烧气化室2 上段气化室

3喉口段4 合成气出口

5渣池6 排渣口

7竖直圆柱形壳体8a下喷嘴

8b 上喷嘴9 合成气体管道

10 压力容器壳体11惰性气体充压室

H1 下段燃烧气化室的轴向高度a 偏心角

H2 上段气化室的轴向高度D 直径

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词；“竖直方向”指的是图示的纸面上下方向，“横向”值得是图示的大致水平的纸面左右方向；“内、外”通常指的是相对于腔室而言的腔室内外或相对于圆心而言的径向内外。

如图1所示，本发明提供了一种新型煤气化装置，该煤气化装置(或称“气化炉”)包括相互连通的上段气化室2和下段燃烧气化室1，上段气化室2设有合成气出口4，下段气化室1设有渣池5和排渣口6，并且上段气化室2的周壁上设有沿周向间隔布置且伸入上段气化室2内的上喷嘴8b，下段燃烧气化室1的周壁上设有沿周向间隔布置且伸入下段燃烧气化室1内的下喷嘴8a。

在此煤气化装置中，不再采用单一的燃烧气化室，而是利用分区气化，以优化炉内温度分布。下段燃烧气化室1的温度较高，可进行煤燃料的燃烧气化反应，上喷嘴8b在喷入可选择的介质后，可进一步参与要求温度相对更低的气化反应，以符合工艺要求。下段燃烧气化室1可以是单个气化燃烧室，也可以是相互连通的多个气化燃烧室，气化燃烧室内进行燃烧和气化反应后产生的合成气(煤和气化剂反应生成主要含有氢气和一氧化碳的合成气)全部进入上段气化室2内，进行后续的反应，例如水煤气变换反应等。同样的，上段气化室2也可以是单个或多个。此外，上段气化室2与下段燃烧气化室1之间的最大区别在于下段燃烧气化室1为煤的燃烧室，而上段气化室2中无需煤的参与。

进一步地，上段气化室2和下段燃烧气化室1可采用多级多喷嘴设计，其中的喷嘴数量以及喷出物料均可调节，以使得气化炉的整体操作负荷弹性大，操作灵活。

在本实施方式中，多个上喷嘴8b中的至少一个为能够向上段气化室2内喷入水蒸汽的水蒸汽喷嘴。这是由于在煤气化反应过程的水煤气变换反应(CO+H₂O→CO₂+H₂)是产生氢气的重要反应，该气化反应为放热反应，从热力学平衡角度分析，降低温度和增大水气比会有利于反应平衡向右移动。因此在上段气化室2内喷入高压水蒸汽后，增强了水煤气变换反应，能够产出更多的氢气。因此，上段气化室2内喷入水蒸汽，可强化水煤气变换反应，增加氢气产量，灵活调节氢/碳比，满足后续工艺要求。同时降低合成气出口4的温度，减少熔渣夹带，充分利用煤气显热。

其中，上段气化室2和下段燃烧气化室1均优选为圆柱形腔室，多个上喷嘴8b均以偏离上段气化室2的径向的偏心方向伸入上段气化室2内，多个下喷嘴8a均以偏离下段燃烧气化室1的径向的偏心方向伸入下段燃烧气化室1内，以使得喷出物料能够在上段气化室2和下段燃烧气化室1内形成涡流。这样，通过多喷嘴的偏心设置，以形成涡流，延长了燃料颗粒在炉内的盘旋停留时间，减少喷嘴之间火焰直接对冲，避免喷嘴烧损，延长喷嘴寿命，改进了装置性能。

具体地，在如图2所示的本实施方式中，上喷嘴8b和下喷嘴8a均大于两个(图示为4个)且分别沿周向等间隔布置。其中，上喷嘴8b和下喷嘴8a偏离径向的偏心角a均优选为0～30°，以形成围绕竖直圆柱形壳体7内壁的大尺寸涡流或撞击流，强化煤燃料颗粒与气化剂或水蒸汽等的混合过程并提高燃料颗粒在炉内的停留时间，从而达到良好的工艺与工程效果，实现有效气体成分高、碳转化率高且炉壁耐火衬里寿命长的优点。

进一步地，本发明的煤气化装置还优选地包括合成气体管道9，该合成气体管道9的底端连接于上段气化室2的合成气出口4。从合成气出口4流出的合成气在长度较长的合成气体管道9中可进一步产生少量的气化反应，从而增加氢气产量。

优选地，上段气化室2和/或合成气体管道9中还可设置有CaO吸附剂。通过CaO吸附剂等吸收合成气中的主要成分二氧化碳等，提高最终的氢气纯度。例如可以在合成气体管道9的两端设置筛板，筛板之间填充CaO吸附剂例如氧化钙颗粒，合成气通过筛孔进入合成气管道，向上流动时与氧化钙颗粒接触。本领域技术人员能够理解的是，也可采用其他方式，例如使合成气通过石灰水喷淋塔以脱除CO₂，进而通过膜分离实现高氢/碳比的合成气等。在本实施方式中，更优选的，为便于设置或维护CaO吸附剂等，更可将上段气化室2或合成气体管道9相应设置为可拆装的两段式结构。

参见图1，上段气化室2和下段燃烧气化室1均优选为圆柱形腔室，其直径为D，上段气化室2与下段燃烧气化室1之间通过径向缩小的喉口段3相连，以相互区隔并增强涡流在各气化室内的停留时间。其中，根据燃烧反应产生的火焰温度等确定下段燃烧气化室1的轴向高度H1，一般优选为1D～5D，相应地，上段气化室2的轴向高度H2优选为1D～3D，合成气体管道9的直径优选为0.05D～0.5D且轴向高度优选为1.5D～8D。各反应腔室的上述优选尺寸比例意在优化内部流场和反应停留时间，使反应腔室内形成旋流，利用旋流产生的离心力将熔渣带到气化室侧壁，形成一定厚度的渣层保护器壁。此外在进行下述的煤气化反应时，下段燃烧气化室1、上段气化室2以及合成气体管道9的长度应满足：使下段燃烧气化室1内的反应气体的停留时间为大约2～5秒，上段气化室2内的反应气体的停留时间大约为2～4秒；并且合成气体在合成气体管道9内的停留时间大约为1～3秒。这种停留时间设计可保证充分的碳燃尽率以及水煤气变换反应。当然，以上各管道腔室的尺寸设置并不限于此，可根据不同的工艺要求进行相应调整。

在本实施方式中，上段气化室2和下段燃烧气化室1的壳体均优选为耐火砖衬里结构或水冷壁衬里结构的竖直圆柱形壳体7，径向间隔地围绕竖直圆柱形壳体7外设置有压力容器壳体10，该压力容器壳体10与竖直圆柱形壳体7之间形成有惰性气体充压室11，以保证竖直圆柱形壳体7的内外压力均衡，即保护竖直圆柱形壳体7避免受压，而将压力转移至压力容器壳体10，使其承受大致2～6.5MPa的内外压力差。

根据上述煤气化装置，以下阐述采用图1所示的煤气化装置的富产氢气的煤气化方法，该方法包括：在下段燃烧气化室1被预热后，通过下喷嘴8a往下段燃烧气化室1内通入煤燃料和气化剂，以产生燃烧和气化反应，并且通过上喷嘴8b往上段气化室2内通入水蒸汽，以产生进一步的水煤气变换反应。

含碳燃料(例如干煤粉)经输送系统，与气化剂(氧气)从下喷嘴8a喷入煤气化装置的下段燃烧气化室1；高压水蒸汽从上喷嘴8b喷入上段气化室2。

含碳物质在煤气化装置内的反应过程主要分为以下几个阶段：

1)、燃料与氧气在下段燃烧气化室1产生以燃烧为主并伴随有气化的高温反应，反应温度可达到1200℃～1400℃甚至以上，确保排渣温度高于燃料灰熔点并形成流动态灰渣向底部渣池5排入，反应产生的高温烟气向上流动进入上段气化室2，燃料颗粒随气流在炉内形成涡流流场，提高了颗粒的停留时间；

2)、约300℃的高压过热蒸汽由上段气化室2的四个上喷嘴8b送入上段气化室2并形成涡流流场，与从下段燃烧气化室1产生的高温烟气与未燃尽颗粒混合，发生以水煤气变换反应、重整反应为主的气化反应，控制上段气化室2内的反应温度在700℃～1000℃左右；

3)、在上段气化室2仍未燃尽的大颗粒由于重力等的作用向下落入下段燃烧气化室1进行以燃烧为主的反应，并将其所含残炭彻底燃尽。细小飞灰颗粒随气流向上流动，与合成气一同从上部的合成气出口4流出；

4)、在煤气化装置的上部的相对温度较低的合成气管道9的内部空间中，还可发生少量的气化和变换反应，进一步增加合成气中氢气的含量。

其中，由于采用两段式反应分区，并在煤气化装置内合理组织了高温燃烧和气化两类反应，使煤气化装置的整体碳转化率、冷煤气效率等大大提高，炉内温度得到合理优化，最终的合成气产物中的氢气含量显著提高，非常适合以氢气为目标产品的大型煤化工工艺。

具体实施例

采用图1和图2所示的煤气化装置，下喷嘴8a喷入的煤燃料为干煤粉和纯氧，上喷嘴8b喷入的为300℃的高压过热蒸汽。

其中，氧煤比＝0.78，汽煤比＝2，下喷嘴8a喷入的煤燃料与上喷嘴8b喷入的水蒸汽之间的所述汽煤比(质量比)优选为介于1:1.5-2.0，一般可使得上段气化室2内的温度介于650-950℃之间。

检测结果表明：下段燃烧气化室1中的碳转化率为98％，上段气化室2的碳转化率为99％。

其中，下段气化室1的反应温度1401℃，下段气化室1排入上段气化室2的合成气的组成见表1。

表1：下段气化室1排出的合成气的组成

合成气组成(干基)

N₂10.5％H₂24.9％CO63.1％CO₂1.1％H₂S0.1％CH₄0.2％

上段气化室2内的反应温度928℃，其合成气出口4流出的合成气的组成见表2。

表2：合成气出口4排出的合成气的组成

合成气组成(干基)N₂7.9％H₂41.5％CO17.5％CO₂30.0％H₂S0.1％CH₄2.9％

此煤气化装置最终所产出的合成气中，H₂的摩尔含量大于40％，而一般气化炉中的干煤粉气化所产出的合成气中的H₂含量普遍不高于30％，因此本发明的煤气化装置及其煤气化方法可较大幅度的提高最终合成气的氢气含量。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均未超出本发明的构思，因而均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。