專利名稱：煤基兩段組合式氣化工藝及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于煤氣化領域，涉及一種煤氣化工藝及其裝置。
煤氣化是煤炭高效與潔凈利用的重要途徑，也是實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做到經濟與環(huán)境協(xié)調發(fā)展的關鍵技術之一。煤氣化將一次能源轉化為潔凈的二次能源，其產品氣可作為燃氣(煤氣)、合成氣、還原氣、氫氣、一氧化碳等的來源，煤的氣化技術廣泛應用于合成氨、合成甲醇、海綿鐵生產等領域，其潛在的最大市場是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電領域。
自從七十年代初國際石油危機之后，國際上諸多大公司和科技人員研究開發(fā)了高性能的氣流床煤氣化技術，迄今已經商業(yè)化，顯示出碳轉化率高和良好的環(huán)境保護優(yōu)勢。有代表性的是采用水煤漿為原料的德士古(Texaco)和以干煤粉為原料的謝爾(Shell)技術。美國專利U.S.Pat.Nos.4,228,604、4,251,228、2,871,114、4,110,359、4,197,281分別公開了德士古煤氣化工藝與裝置，在實際應用過程中發(fā)現(xiàn)，其明顯不足是，碳轉化率較低，約95％左右。因為是激冷流程，用于生產合成氣是合適的，用于發(fā)電則效率較低，冷水電站(Cool water)凈發(fā)電效率僅為約36％。用于發(fā)電時，德士古為了提高發(fā)電效率，則采用輻射廢熱鍋爐回收煤氣顯熱方案。其缺點是回收煤氣顯熱投資大，一個日處理2000噸煤裝置的輻射鍋爐投資達2億人民幣；塔帕(Tampa)電站還經常堵渣，設備利用率低；煤氣中的水蒸汽與二氧化碳(約各占16％)不能充分利用；該工藝的冷煤氣效率較低，一般僅約74％，凈發(fā)電效率為約41％(低熱值，LHV)。
專利DE P3714915.6(在中國的公開號為88102581)、US738,727(在中國的公開號為86103455)分別公開了謝爾干煤粉氣化工藝，已經商業(yè)化的裝置是建于荷蘭布根倫(Buggenum)的日處理2000噸煤氣化裝置，其明顯不足是為防止煤氣攜帶熔渣堵塞管道，而采用循環(huán)煤氣激冷，使煤氣由約1500℃降至900℃，此舉增加了循環(huán)壓縮機及其壓縮功，喪失傳熱推動力；為回收煤氣顯熱設置了500噸重的廢熱鍋爐(煤氣冷卻器)，投資大，且易于堵塞。
鑒于上述煤氣化工藝與裝置的缺陷，產業(yè)部門特別是作為煤能源為主的電力行業(yè)，迫切希望有關科技人員開發(fā)一種碳轉化率高、冷煤氣效率高即發(fā)電效率高、投資低、長期穩(wěn)定運轉的煤氣化技術以滿足發(fā)電行業(yè)優(yōu)化升級的需要。
本發(fā)明的目的之一在于克服現(xiàn)有技術的不足，公開一種碳轉化率高、冷煤氣效率高即發(fā)電效率高、投資低、長期穩(wěn)定運轉的煤基兩段組合式煤氣化工藝；本發(fā)明的目的之二在于公開一種煤基兩段組合式煤氣化裝置。
本發(fā)明的構思是這樣的在以水煤漿或干煤粉和氧化劑、氣化劑為原料生產煤氣的氣化反應過程中，為提高碳轉化率，耦合的燃燒反應放熱，使煤氣的出口溫度可達1200～1600℃。為了提高氣化效率，除提高碳轉化率外，主要途徑是有效回收煤氣顯熱，并充分利用煤氣中的水蒸汽與二氧化碳。
由于碳的氣化反應是吸熱反應，其反應式為ΔH=131×103KJ/Kmol]]>ΔH=173×103/KmolKJ]]>因此，發(fā)明人認為可將高溫煤氣中的水蒸汽、二氧化碳與煤再進行一次氣化反應，將二個反應過程相互串聯(lián)，無需向第二反應過程補加氧化劑，利用一段爐來的煤氣顯熱為上述反應提供熱量，即可進行氣化反應。這樣既回收了高溫段的煤氣顯熱，又充分利用了煤氣中無效組分(水蒸汽與二氧化碳)，達到了提高冷煤氣效率和降低投資之目的。
與Texaco、Shell采用冷卻方式回收水煤氣顯熱不同，本發(fā)明采用化學反應方法回收煤氣顯熱。
根據上述構思，發(fā)明人提出了以下的技術方案本發(fā)明所說的工藝主要包括原料煤的氣化和通過煤氣化反應實現(xiàn)高溫煤氣的顯熱回收兩個部分①首先使煤粉或水煤漿與氧化劑、氣化劑在一段爐中進行氣化，氣化壓力為0.5～12.0Mpa，通過進料配比對氣化溫度進行控制，使氣化溫度達到1200～1600℃。該操作過程對本領域的技術人員來說，是很容易實現(xiàn)的。出口煤氣的主要成分為H2＝20～35％，CO＝40～65％，CO2＝3～22％，水蒸汽＝2～20％，以及灰熔渣等。其反應式為
(以C表示)+揮發(fā)份(以CH4為代表)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)以及生成H2S、COS、HCN和NH3等反應。
上述式(2)、(3)為放熱反應，其余為吸熱反應，式(4)、(5)為目的反應，式(2)、(3)為其耦合反應，即由它放出熱量，為目的反應的進行創(chuàng)造條件?；鹧鏈囟雀哌_1500～1900℃，煤中灰渣呈熔融態(tài)沿爐壁流下，與煤氣一道經出口離開一段爐，其溫度約為1200℃～1600℃。因煤種、工藝條件、氣化爐型式的不同，一段爐的碳轉化率為95％～99％，冷煤氣效率為65％～83％；煤氣與熔渣在煤氣與熔渣管道分離器中，借助慣性力實現(xiàn)兩者分離，熔渣沿壁流至出口，水激冷后進入渣池排出爐外；②一段爐的高溫煤氣則進入二段爐，與進入二段爐的煤進行反應，回收來自一段爐的煤氣的顯熱。
進入二段爐的煤借助來自一段爐的煤氣在二段爐中，溫度迅速升溫到約1350℃，同時進行干燥、熱解過程。生成揮發(fā)份與半焦，因為溫度高，不會生成穩(wěn)定的焦油、酚、萘等環(huán)狀或多環(huán)化合物。同時也進行如式(4)與(5)所示的吸熱反應，使溫度逐漸降低，反應后生成的灰渣經爐蓖將灰排至灰鎖，煤氣中攜帶的灰渣則在氣固分離器中分離，煤氣送往后工段。
二段爐的操作工藝條件是這樣的進料煤的尺寸為5～50mm；壓力略低于一段爐，為0.3MPa～11Mpa；氣化溫度因煤種而異，上部為1350～1500℃，下部為950～1000℃，可以通過在二段爐前補加適量的氣化劑如水蒸汽、水或二氧化碳等來進行調節(jié)；二段爐加煤量占總加煤量的10％～25％；氣化介質在二段爐中的反應停留時間為10秒～20秒，煤的停留時間為1小時～2小時；煤灰熔點因煤種而異，差異懸殊，常見為1300℃～1500℃，最高可達1600℃以上。為了防止因煤灰熔融導致二段爐結疤，所以在一段爐煤氣進入二段爐之前，通過噴嘴噴入適量的水蒸汽、水或二氧化碳等介質，使進氣溫度略低于二段爐使用煤種的灰熔點；如果一段爐采用干粉煤為原料，出口煤氣中水蒸汽、二氧化碳含量都很少，二者進行式(4)和(5)的反應量還不足以回收一段爐煤氣顯熱使之降為950℃～1000℃，此時，即便二段爐煤的灰熔點很高，也應在一段爐煤氣進入二段爐之前，通過噴嘴噴入適量的水蒸汽、水或二氧化碳等介質，以便能充分回收煤氣中的顯熱；二段爐碳轉化率可達98％以上，水蒸汽與二氧化碳的轉化率為5～75％，溫度可降至950℃～1000℃，實現(xiàn)了利用一段爐煤氣顯熱，提高CO、H2和甲烷在煤氣中含量之目的。換句話說，在二段爐中不進行燃燒(氧化)反應，只進行氣化反應，熱源來自一段爐煤氣顯熱，不需再耦合放熱反應，煤中的碳大部分都轉化為有效的一氧化碳和甲烷，而不再生成無效的二氧化碳，使冷煤氣效率顯著提高。
以下將通過附圖對本發(fā)明作詳細闡述。


圖1所說的煤基兩段組合式氣化工藝流程圖。圖中1—— 一段爐2—— 一段爐進料噴嘴3—— 一段爐煤氣與熔渣出口4—— 煤氣與熔渣管道分離器下降管5—— 煤氣與熔渣管道分離器上升管6—— 火嘴7—— 熔渣出口
8—— 補充介質噴嘴9—— 煤鎖10—— 二段爐11—— 爐蓖12—— 灰鎖13—— 二段爐煤氣出口14—— 氣固分離器15—— 煤氣出口由圖1可見，原料煤(水煤漿或干煤粉)、氧化劑和氣化劑通過一段爐進料噴嘴2進入一段爐1如果以水煤漿為原料，則該水煤漿與氧化劑(例如含O2＝95～99％的氣體，不需補加氣化劑)通過一段爐噴嘴2進入一段爐1；如果以干煤粉為原料，則該干煤粉與氧化劑、氣化劑(H2O、CO2)通過一段爐噴嘴2一起進入一段爐1。略高于常溫的原料通過一段爐噴嘴2射出的流股在一段爐1中形成受限撞擊流，加快傳熱、傳質與混合過程，煤粒隨著溫度升高進行蒸發(fā)、熱解、燃燒及氣化反應等物理化學過程；上述反應是在0.5～12Mpa條件下進行的，火焰溫度為1500℃～1900℃，煤中灰渣呈熔融態(tài)沿爐壁流下，與煤氣一起經一段爐煤氣與熔渣出口3離開一段爐1，其溫度約為1200℃～1600℃。因煤種、工藝條件、氣化爐型式的不同，一段爐1的碳轉化率為95％～99％，冷煤氣效率為65～83％。煤氣主要成分為H2＝20～35％、CO＝40～65％、CO2＝3～22％，水蒸汽＝2～22％；然后，煤氣與熔渣通過一段爐的煤氣與熔渣出口3進入煤氣與熔渣管道分離器下降管4和煤氣與熔渣管道分離器上升管5，借助慣性力實現(xiàn)兩者分離，熔渣沿壁由熔渣出口7流出煤氣與熔渣管道分離器下降管4，煤氣則進入二段爐10，與來自煤鎖9的煤碳一起進入二段爐10再進行氣化反應，煤氣的溫度降至950℃～1000℃；在二段爐10中反應后生成的灰渣通過爐蓖11由灰鎖12排出，煤氣由二段爐10底部的二段爐煤氣出口13進入氣固分離器14，分離出灰分后，煤氣送往后工段；補加的水、水蒸汽或二氧化碳可通過補充介質噴嘴8加入系統(tǒng)；在煤氣與熔渣管道分離器上升管5的軸線上設有火嘴6，通入適量的氧化劑，以防止因熔渣冷卻而堵塞管道，氧化劑的通入量以不堵塞管道為標準。
由圖1同時可見，上述公開的工藝可在主要包括一段爐1、二段爐10、一段爐進料噴嘴2、補充介質噴嘴8、煤氣與熔渣管道分離器下降管4和煤氣與熔渣管道分離器上升管5等設備構成的裝置中進行。
所說的一段爐1可以采用常規(guī)的、已經商業(yè)化的煤氣化爐，最好采用熔渣與煤氣并流向下的氣流床，但可優(yōu)選采用發(fā)明人在中國專利CN 1186840A中提供的“多噴嘴對置式水煤漿或煤粉氣化爐”；所說的二段爐10為一移動床，頂部設有一個用于加煤的煤鎖9；底部設有一個可旋轉的爐蓖11，所說的爐蓖11具有排灰、破渣、調節(jié)煤在爐堂中的停留時間和均布氣流的作用；一段爐1的底部的一段爐煤氣與熔渣出口3與二段爐10之間用煤氣與熔渣管道分離器下降管4和煤氣與熔渣管道分離器上升管5相連接，一段爐1的熔渣由設置在煤氣與熔渣管道分離器下降管4下部的熔渣出口7排出一段爐1；臨近二段爐10的煤氣與熔渣管道分離器上升管5上設有補充介質噴嘴8，用于一段爐1高溫煤氣降溫或補充二段爐10反應所需的水、水蒸汽或二氧化碳；在煤氣與熔渣管道分離器上升管5的同一軸線上設有火嘴6，用于通入適量的氧化劑，以防止因熔渣冷卻而堵塞管道；煤碳自二段爐10頂部的煤鎖9加入，與進入二段爐10的來自一段爐1的煤氣一起，自上而下流動，進行反應，反應后的灰渣排入灰鎖12，生成的煤氣則由二段爐10的煤氣出口13送往氣固分離器14，分出灰分后，煤氣由煤氣出口15送往后序工段。
在上述裝置中進行的所說的煤氣化，不論一段爐用水煤漿還是干粉煤為原料，冷煤氣效率都將顯著增加，視煤種而異可以達到84％甚至86％，比現(xiàn)有商業(yè)化氣流床裝置(德士古、謝爾)高出5～8個百分點，且設備投資低，為一種具有廣闊應用前景的煤氣化工藝和裝置。以下將通過實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例1以水煤漿為一段爐氣化原料兩段組合式氣化工藝。采用煤種元素分析(質量％)如下C 76.996H 5.286N 1.218S 2.989O 4.935Ash 8.576采用的工藝條件如下煤漿濃度(含固量)65.7％，煤漿密度1174kg/m3，氧純度99％(體積)，氣化壓力3.0Mpa，噸煤加入氧量為677.3Nm3。一段爐(多噴嘴對置式水煤漿氣化爐)1出口3的煤氣溫度為1345℃，一段爐1出口的煤氣成分為H2O＝12.33％、H2＝33.58％、CO＝39.31％、CO2＝13.16％、H2S＝0.76％、COS＝0.04％、CH4＝0.1％、NH3＝0.18％、N2+Ar＝0.54％，碳轉化率為98％，冷煤氣效率為75.5％(HHV)，煤氣中攜帶的熔渣在煤氣與熔渣管道分離器下降管4和煤氣與熔渣管道分離器上升管5中約95％被分離，熔渣經熔渣出口7排出；因煤氣在進入二段爐10之前的溫度為1345℃，且含水蒸汽0.323Nm3/kg、CO2為0.345Nm3/kg，所以無需補加任何物質，在這種條件下噴嘴8不再設置。上述氣體與自煤鎖9加入的煤在二段爐10中進行干燥、熱解、氣化等物理化學過程，煤氣溫度逐漸降低，出口13處溫度為1000℃，壓力約為2.6Mpa，氣體成分(干基)H2＝39.37％，CO＝47.65％，CO2＝10.22％，H2S＝0.84％，COS＝0.04％，CH4＝1.12％，N2+Ar＝0.55％，NH3+HCN＝0.21％。冷煤氣效率為84.1％(HHV)，比段爐1提高了8.6個百分點，二段爐碳轉化率為98％，蒸汽轉化率為60％，CO2轉化率為29.7％。即一段爐煤氣中水蒸汽的60％和CO2的29.7％在二段爐中進行氣化反應，達到回收其顯熱目的，使其溫度由1345℃降至1000℃。
實施例2以干煤粉為一段爐原料兩段組合式氣化工藝。
煤種與實例1相同，入爐煤含水量為2％，氧純度為95％，氧煤比為0.650Nm3/kg，蒸汽氧比0.1974kg/Nm3。一段爐(多噴嘴對置式水煤漿氣化爐CN 1186840A)1出口3的煤氣溫度為1500℃，碳轉化率為99％，濕基煤氣成分(體積)為H2＝28.77％，CO＝58.35％，CO2＝2.76％，H2S＝0.85％，COS＝0.07％，CH4＝0.01％，N2＝3.16％，Ar＝0.88％，NH3＝0.19％，H2O＝4.96％，冷煤氣效率為80.5％(HHV)。
上述煤氣中CO2、水蒸汽含量很小，通過氣化反應式(4)和(5)吸熱不足以回收煤氣1000℃以上的顯熱。在進二段爐10之前采用補加水蒸汽的方案，以二段爐10的用煤為基準，其質量比為1.016kg/kg，使進二段爐10的混合氣體溫度降至1350℃，同時滿足防止熔渣結疤要求。混合氣體與加入二段爐10的煤自上而下并流，進行干燥、熱解、氣化反應。出二段爐10時煤氣的溫度為1000℃，碳轉化率為98％，蒸汽轉化率為69％，CO2的轉化率為19.6％，煤氣成分(干基)為H2＝32.08％，CO＝59.03％，CO2＝2.29％，H2S＝0.89％，COS＝0.05％，CH4＝1.82％，N2＝2.85％，Ar＝0.78％，NH3+HCN＝0.21％。冷煤氣效率達到86.1％。比一段爐的冷煤氣效率提高了5.6個百分點。
權利要求
1.一種煤基兩段組合式氣化工藝，主要包括原料煤的氣化和通過煤氣化反應實現(xiàn)高溫煤氣的顯熱回收兩個部分，其特征在于溫度為1200℃～1600℃的一段爐(1)煤氣與熔渣一起通過一段爐煤氣與熔渣出口(3)離開一段爐(1)，進入煤氣與熔渣管道分離器下降管(4)與煤氣與熔渣管道分離器上升管(5)，熔渣沿壁由熔渣出口(7)流出煤氣與熔渣管道分離器下降管(4)，煤氣則進入二段爐(10)，與來自煤鎖(9)的煤一起進入二段爐(10)再進行氣化反應；二段爐(10)反應后生成的灰渣通過爐蓖(11)由灰鎖(12)排出，煤氣由二段爐(10)底部的二段爐煤氣出口(13)進入氣固分離器(14)，分離出灰分后，送往后工段。
2.如權利要求1所述的工藝，其特征在于，可通過補充介質噴嘴(8)補加水、水蒸汽或(和)二氧化碳。
3.如權利要求1所述的工藝，其特征在于，通過火嘴(6)通入氧化劑。
4.如權利要求1所述的工藝，其特征在于，二段爐(10)操作壓力低于一段爐(1)，上部氣化溫度為1350℃～1500℃，下部為950～1000℃，氣化介質反應停留時間為10秒～20秒；煤的停留時間為1～2小時，二段爐(10)煤的加入量為加煤總量的10％～25％。
5.如權利要求4所述的工藝，其特征在于，二段爐(10)的操作壓力為0.3MPa～11Mpa。
6.一種煤基兩段組合式氣化裝置，其特征在于主要包括一段爐(1)、二段爐(10)、一段爐進料噴嘴(2)、補充介質噴嘴(8)、煤氣與熔渣管道分離器下降管(4)和煤氣與熔渣管道分離器上升管(5)；所說的一段爐(1)可以采用常規(guī)的、已經商業(yè)化的、熔渣與煤氣并流向下的氣流床；所說的二段爐(10)的頂部設有一個用于加煤的煤鎖(9)，底部設有一個可旋轉的爐蓖(11)；所說的一段爐(1)的底部的一段爐煤氣與熔渣出口(3)與二段爐(10)之間用煤氣與熔渣管道分離器下降管(4)和煤氣與熔渣管道分離器上升管(5)相連接，煤氣與熔渣管道分離器下降管(4)的下部為熔渣出口(7)；二段爐(10)的煤氣出口(13)與氣固分離器(14)相連接。
7.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，臨近二段爐(10)的煤氣與熔渣管道分離器上升管(5)上設有補充介質噴嘴(8)。
8.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，在煤氣與熔渣管道分離器上升管(5)的同一軸線上設有火嘴(6)。
9.如權利要求5所述的裝置，其特征在于所說的一段爐(1)采用中國專利CN 1186840A中提供的“多噴嘴對置式水煤漿或煤粉氣化爐”。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種煤基兩段組合式氣化工藝及其裝置。本發(fā)明將一段爐高溫煤氣中的水蒸汽、二氧化碳與煤再進行一次氣化反應,既回收了高溫段的煤氣顯熱,又充分利用了煤氣中無效組分(水蒸汽與二氧化碳),達到了提高冷煤氣效率和降低投資之目的。不論一段爐用水煤漿還是干粉煤為原料,冷煤氣效率都將達到84%～86%,且設備投資低,為一種具有廣闊應用前景的煤氣化工藝和裝置。
文檔編號C10J3/00GK1262309SQ0011143
公開日2000年8月9日 申請日期2000年1月13日 優(yōu)先權日2000年1月13日
發(fā)明者于遵宏, 劉海峰, 王輔臣, 龔欣, 于廣鎖, 施軍民 申請人:華東理工大學