CN103525465B - 一种采用高温富氧与高温蒸汽为气化剂的煤气生产方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化工煤制气技术领域，具体为一种采用高温富氧与高温蒸汽为气化剂的煤气生产方法与装置。本发明采用氧气浓度25～30%、氧气温度120～220℃的富氧空气与温度120～220℃的高温蒸汽为气化剂来生产煤气；相应地，在原有煤气生产装置中，增设富氧空气源及有关换热器和控制阀门与管线。本发明较好的克服了传统常压固定床煤气发生炉制气的技术缺陷，提高了煤气炉产量与煤气热值，降低了灰渣含碳量，减少了显热损失，煤气单耗降低了10～30%。
Description
技术领域
本发明属于化工煤制气技术领域，具体涉及一种煤气生产方法及装置。
背景技术
常压固定床煤气发生炉（也称混合煤气发生炉）通常以空气和水蒸汽的混合气体作为气化剂来生产煤气，其工作过程通常是将燃料由煤气发生炉顶部加入，然后从炉底通入空气或富氧与固体燃料燃烧，将热量积蓄在燃料层，再向燃料层通入蒸汽与碳反应生成水煤气，制取煤气的过程主要在气化层，一般的，气化层的主要化学反应有如下氧化与还原反应：
C+ O2 = CO2 + Q (1)
2C + O2 = 2CO + Q (2)
C + H2O(汽) = CO + H2 – Q (3)
C + 2H2O(汽) = CO2 + 2H2 - Q (4)
C + CO2 = 2CO – Q (5)
理论上，如能保持氧化反应释放热量与还原反应吸收的热量，制气过程即可持续进行，因此，基于上述机理的制气工艺流程一般有上下行制气流程以及连续式上行制气流程：
（1）上下行式制气流程：
采用空气与蒸汽作为气化剂，氧化反应产生的热量积蓄在炭层中，上下行均产气，因这种方法采用空气为气化剂带入的氮含量较高，制取的煤气中通常也含有过高的氮含量， CO+H2的量相对较低，在40%左右，煤气热值较低；
而且，在这种制气过程中，通常，过高的氮含量在很多场合是不被允许的，此时，只能将采用将部分煤气放空的方法来提高气质，但显然，这种操作不仅浪费了显热和潜热，同时也降低了产气量，且严重地污染了环境。
此外，这种煤气发生炉蒸汽分解率较低，在上吹制气时蒸汽分解率一般为40%～50%,下吹制气时蒸汽分解率一般为30%～35%，造成大量高温蒸汽的浪费，除了废热锅炉能回收少量显热外，大量的蒸汽潜热浪费于洗气塔中，还大大加重了循环洗涤水系统的负荷。
（2）连续式上行制气流程
为平衡放热与吸热过程，达到连续制气的目的，采用富氧空气(以下简称富氧)为气化剂是较为有效的方法，这种生产工艺因无须放空，对大气污染少，但因为单一的气流走向热量难以积蓄在炭层，煤气出口温度较高，显热损失大，且煤气中夹杂着大量的粉尘物质，对后工段处理提出了很高的要求，对终端用气不利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种效率高、质量好、环境友好的煤气生产方法与装置。
本发明采用氧气浓度25～30%、氧气温度120～220℃的富氧空气与温度120～220℃的高温蒸汽为气化剂来生产煤气，较好的克服了传统常压固定床煤气发生炉制气的技术缺陷，提高了煤气炉产量与煤气热值，降低了灰渣含碳量，减少了显热损失，煤气单耗降低了10～30%（单位热值所消耗的标煤）。
本发明提供的采用高温富氧与高温蒸汽为气化剂的煤气发生装置，如图1所示，它包括：
（1）至少一套煤气发生炉本体02，以及如公知技术所知的与主体匹配的辅助设备，包括：煤仓01，煤气发生炉02，混合器04，夹套汽包05，除尘器06，电捕焦07，空气冷却器08，洗涤冷却器09 ；
（2）至少一个富氧空气源03，富氧空气源03提供的富氧空气，其氧气浓度为25～30%（v/v，体积百分比），其余组分为氮气与小于1%的氩气等其它微量组分；
（3）至少一个第一换热器，该第一换热器与除尘器06集成设计，安装在除尘器06之内，或者该第一换热器顺序安装在除尘器06之后，空气冷却器08之前，煤气发生炉02自产蒸汽与来自煤气发生炉02下煤气出口的煤气经过该第一换热器进行一次热交换，以回收该部分的热能，并将该蒸汽预热成120～220℃温度的高温蒸汽，作为气化剂；
（4）至少一个第二换热器，该第二换热器与除尘器06集成设计，安装在除尘器06之内，前述第一换热器之后，或者该第二换热器与煤气发生炉系统本身具有的空气冷却器08集成设计，安装在空气冷却器08之内，或空气冷却器08之前；该第二换热器用于将来自富氧空气源03的富氧空气，与上述经与蒸汽气化剂进行了一次热交换的来自煤气发生炉02下煤气出口的煤气再进行一次热交换，并将该富氧空气提升至120～220℃的温度，作为气化剂；
进一步，优选富氧空气作为该第二换热器或者冷却器的换热工质，如果流量不足，则可以辅助采用空气甚至水冷为换热工质进行换热补偿；
（5）优选但非必要的至少一个用以控制自夹套汽包05至前述换热器的控制阀门以及必要的工艺管线；
（6）优选但非必要的至少一个用以控制自前述换热器至混合器04的调节阀门以及必要的工艺管线；
（7）优选但非必要的至少一个用以控制自夹套汽包05至混合器04的阀门以及必要的工艺管线；
（8）优选但非必要的至少一个用以控制自混合器04至煤气发生炉02下部的调节阀门以及必要的工艺管线；
（9）优选但非必要的至少一个用以控制自混合器04至煤气发生炉02上部的调节阀门以及必要的工艺管线；
（10）如公知技术，系统还需包含必要的控制组件，以使得系统动力设备能够运行，控制阀门能够按照要求进行切换等。
基于上述煤气发生装置，本发明的煤气发生方法，具体过程如下：
将煤炭由具有常压固定床的煤气发生炉02的炉顶煤仓01加入煤气发生炉02，经过焦化后进入气化层气化；
富氧空气源03向煤气发生炉02的气化层提供氧气浓度为25～30%的富氧空气，与煤气发生炉02自产的蒸汽一起，作为气化层气化剂；其中，来自煤气发生炉02下煤气出口的煤气与煤气发生炉02内自产蒸汽首先在第一换热器经过一次热交换，以回收该部分的热能，并将该蒸汽预热成120～220℃温度的高温蒸汽；来自富氧空气源03的富氧空气与上述已进行了一次热交换的来自下煤气出口的煤气经过第二换热器再进行一次热交换，并将该富氧空气温度提升至120～220℃；
前述高温蒸汽和富氧空气两部分气体进入炉底的混合器04，经混合之后作为气化剂，通过调节阀门进入煤气发生炉02的下部（或煤气发生炉02的上部）；在煤气发生炉02中，气化剂在炉里与煤进行气化还原反应，产生煤气；
从下煤气出口的煤气进入除尘器06经除尘，然后进入第一换热器，再经与煤气发生炉02自产蒸汽换热，再经空气冷却器08与富氧空气或/和其它工质换热并冷却后，并与上煤气出口来的经电捕焦07后的焦化煤气混合，然后进入如公知技术的净化等后工段工序处理后供用户使用。
本发明适用上下行式制气流程或连续式上行制气流程，优选适用上下行式制气流程；
并且，在上、下行阶段的气化剂为富氧或/和蒸汽；
该富氧气化剂的氧气浓度为25～30%（v/v，体积百分比）；
该气化剂中的蒸汽与来自下煤气出口的煤气（通常为大约600℃的温度）进行了一次热交换，以将该蒸汽（通常为100～110℃的温度）提升至120～220℃的温度，该热交换器可与除尘器集成设计，安装在除尘器之内，也可顺序安装在除尘器之后，空气冷却器之前。
该气化剂中的富氧与上述经与蒸汽气化剂进行了一次热交换的来自下煤气出口的煤气再进行一次热交换，并将该富氧提升至120～220℃的温度，该热交换器可与除尘器集成设计，安装在除尘器之内，前述换热器之后，并且，也可与煤气发生炉本身具有的空气冷却器集成设计，安装在空气冷却器之内，或空气冷却器之前。
经上述进行了热交换的富氧与蒸汽形成了氧气浓度25～30%、氧气温度120～220℃的富氧空气与温度120～220℃的高温蒸汽气化剂，经混合器混合之后作为气化剂进入煤气发生炉的下部。
对需要采用下行制气的工艺，经上述热交换的富氧与蒸汽形成了氧气浓度25～30%、氧气温度120～220℃的富氧空气与温度120～220℃的高温蒸汽气化剂，经混合器混合之后作为气化剂进入煤气发生炉的上部。
本发明采用2个换热器，先后将气化剂中的蒸汽与富氧空气预热至120～220℃的温度，不仅回收了下行煤气带出的热能，减轻了后级空气冷却器、洗涤冷却塔的负荷，更为重要的是因为形成了氧气浓度25～30%、氧气温度120～220℃的富氧空气与温度120～220℃的高温蒸汽气化剂，所以：
（1）提高了入炉氧化反应物氧气的浓度和入炉气体的温度，有利于提高炉温，强化制气，并且有利于煤气炉气化反应，有利于CO的生成；
（2）提高了入炉氧化反应物氧气的浓度，减少了N2 含量，从而减少了热量损失，同时减少了煤气中无用气体的比例，增加了可燃气体比例，增加了煤气的热值；
（3）提高了入炉蒸汽的温度，显著提高了蒸汽分解率，从而增加了煤气热值；
（4）燃烧气化反应更完全彻底，煤炭燃烧更完全彻底，降低了灰渣含碳量；
（5）增加了煤气中可燃气体，相应的废气排放量减少。
本发明较为全面的克服了传统常压固定床煤气发生炉制气的技术缺陷，提高了煤气炉产量与煤气热值，降低了灰渣含碳量，减少了显热损失，显著降低了煤气单耗（单位热值所消耗的标煤耗降低达10～30%）。
附图说明
图1是采用高温富氧与高温蒸汽为气化剂的煤气发生方法与装置图示。
图2是传统的采用空气与蒸汽为气化剂的煤气发生方法与装置图示。
图中标号：01为煤仓，02为煤气发生炉，03为富氧空气源，04为混合器，05为夹套汽包，06除为尘器，07为电捕焦，08为空气冷却器，09为洗涤冷却器，10为换热器；11为鼓风机，V01、V02、，V101、V102A、V102B是调节阀。
具体实施方式
下面结合附图以说明本发明与现有技术的不同，并进一步描述本发明。
图1是采用高温富氧与高温蒸汽为气化剂的煤气发生方法与装置图示，组成包括：
煤仓01，煤气发生炉02，富氧空气源03（本发明技术），混合器04，夹套汽包05，除尘器06，电捕焦07，空气冷却器08，洗涤冷却器09，换热器10（包括第一、第二换热器）。
图2是传统的采用空气与蒸汽为气化剂的煤气发生方法与装置图示，作为对比例，组成包括：
煤仓01，煤气发生炉02，鼓风机11（现有技术），混合器04，夹套汽包05，除尘器06，电捕焦07，空气冷却器08，洗涤冷却器09。
本发明中，所用富氧空气源03可以是一切可提供氧气浓度25～30%的富氧源，典型的，如采用膜分离制氧设备、PSA/VPSA/VSA制氧设备、深冷空分制氧设备、瓶装氧气/液氧等氧源独立提供该纯度的氧气源，或采用前述设备提供更高纯度的氧气再与空气混合后形成的富氧空气源。
传统工艺中下煤气出口的煤气通常为大约600℃的温度，这部分热能仅能在后续工段中获得有限的回收，并需在空气冷却器、洗涤冷却器中冷却后供后工段使用，热能被大量浪费。本发明中，该下煤气出口的煤气与炉内自产蒸汽首先经过一次热交换，以回收该部分的热能并将该蒸汽预热成120～220℃的温度的高温蒸汽，作为气化剂，该第一换热器可与除尘器集成设计，安装在除尘器之内，也可顺序安装在除尘器之后，空气冷却器之前。
传统工艺中采用的是空气，并且，该空气直接进入混合器作为气化剂。本发明中，采用的是氧气浓度25～30%的富氧空气，并且，该富氧与上述经与蒸汽气化剂进行了一次热交换的来自下煤气出口的煤气再进行一次热交换，并将该富氧提升至120～220℃的温度，作为气化剂；该第二换热器可与除尘器集成设计，安装在除尘器之内，前述第一换热器之后，并且，也可与煤气发生炉本身具有的空气冷却器集成设计，安装在空气冷却器之内，或空气冷却器之前。
如附图1、2所示，空气冷却器本身是传统煤气发生炉具有的设备，本发明中，优选富氧空气作为该冷却器的换热工质，如果流量不足，则可以辅助采用空气甚至水冷为换热工质进行换热补偿。
本发明中，上述两次换热是顺序连接的，蒸汽气化剂换热在前，富氧空气换热在后，以优化梯次能源利用。
作为一个优选的制气工艺流程，如图1所示，蒸汽换热器10接收来自夹套汽包05的蒸汽，并经预热之后送入混合器04, 其中，夹套汽包05至蒸汽换热器10之间，以及蒸汽换热器10至混合器04之间，均安装了调节阀V102A,V102B，以控制、调节气化剂的流量与温度；并且，优选保留与原技术相同的自夹套汽包05至混合器04之间的调节阀V101，以作为备用或者采用前述两个通路以调节、控制进入混合器04的蒸汽流量与温度；
同时，作为一个优选的制气工艺流程，与附图1中未示出的自混合器04进入煤气发生炉02的为上、下行气化剂进入的通路，优选安装了调节阀V01，V02，用以分别控制进入炉内下部或上部的气化剂流量。
V01、V02、，V101、V102A、V102B，是调节阀，这些阀门可以是各种形式的阀门，如各种手动、自动控制、调节的截止阀、蝶阀、闸阀等，优选采用各种形式的自动调节阀，可以是气动的、电动的、液动的，它们可根据预先设定的逻辑，如按照监测的温度、流量、煤气组分等进行控制调节。
如图2所示，通常，传统的常压固定床煤气发生炉02，煤炭由炉顶煤仓01加入经过焦化后进入气化层气化，气化剂来自于空气与煤气炉自产的蒸汽，其中，空气经鼓风机11增压送到炉底混合器04，并与炉夹套汽包05自产的饱和蒸汽经混合器04混合进入煤气发生炉02，经过灰渣层预热后在炉里气化还原反应后，从下煤气出口到除尘器06除尘、空气冷却器08冷却后与上煤气出口来的经电捕焦07后的焦化煤气混合后进入后工段净化后使用。
本发明中，常压固定床煤气发生炉02，煤炭由炉顶煤仓01加入经过焦化后进入气化层气化，气化剂来自于氧气浓度25～30%的富氧空气与煤气炉02自产的蒸汽，其中，自产蒸汽与富氧空气先后与下煤气出口出来的温度达600℃的温度的煤气依次进行热交换将温度提升至120～220℃的温度的高温蒸汽与高温富氧空气作为气化剂，该下煤气出口的煤气与炉内自产蒸汽首先在第一换热器经过一次热交换，以回收该部分的热能并将该蒸汽预热成120～220℃的温度的高温蒸汽作为气化剂，该第一换热器可与除尘器06集成设计，安装在除尘器之内，也可顺序安装在除尘器之后，空气冷却器08之前；此外，本发明中，富氧与上述经与蒸汽气化剂进行了一次热交换的来自下煤气出口的煤气再进行一次热交换，并将该富氧提升至120～220℃的温度，该第二换热器可与除尘器06集成设计，安装在除尘器之内，前述的第一换热器之后，并且，也可与煤气发生炉本身具有的空气冷却器08集成设计，安装在空气冷却器之内，或空气冷却器之前。
如附图1,2，空气冷却器08本身是传统煤气发生炉具有的设备，本发明中，优选富氧空气作为该冷却器的换热工质，如果流量不足，则可以辅助采用空气甚至水冷为换热工质进行换热补偿；其中，前述高温富氧与高温蒸汽气化剂进入炉底混合器04混合后，可按要求分别通过阀V01/V02进入煤气发生炉02，经过灰渣层预热后在炉里气化还原反应后，从下煤气出口到除尘器06除尘、换热器10与自产蒸汽换热、空气冷却器08与富氧空气或/和其它工质换热并冷却后与上煤气出口来的经电捕焦07后的焦化煤气混合后进入后工段净化后使用。
本发明优先应用于产生燃料煤气，但是所公开的基本原则可用于很多其它场合。通过本发明的方法可以实现以煤气发生炉产生如合成氨工业所需的原料气，为满足该合成气需要，该气体对氮气含量有特定的要求，可通过调整富氧空气中氧气与氮气的比例以及上、下行工序时间、放空部分气体等来满足要求。
上面所描述的实施方式仅阐述本发明的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本发明结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本发明的一个应用实例，一切不违反本发明阐述的实质的其它变化也属于本发明的范畴，本发明的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。
Claims (1)
1.一种煤气生产装置的煤气生产方法，该方法采用高温富氧与高温蒸汽为气化剂的煤气生产装置，包括：
（1）至少一套煤气发生炉本体，以及与主体匹配的辅助设备，包括：煤仓（01），煤气发生炉（02），混合器（04），夹套汽包（05），除尘器（06），电捕焦（07），空气冷却器（08），洗涤冷却器（09） ； 其特征在于，还包括：
（2）至少一个富氧空气源（03），富氧空气源（03）提供的富氧空气，其氧气浓度为25～30%，v/v，体积百分比；其余组分为氮气、微量的氩气；
（3）至少一个第一换热器，该第一换热器与除尘器（06）集成设计，安装在除尘器（06）之内，或者该第一换热器顺序安装在除尘器（06）之后，空气冷却器（08）之前，煤气发生炉（02）自产蒸汽与来自煤气发生炉（02）下煤气出口的煤气经过该第一换热器进行一次热交换，以回收该部分的热能并将该蒸汽预热成120～220℃温度的高温蒸汽，作为气化剂；
（4）至少一个第二换热器，该第二换热器与除尘器（06）集成设计，安装在除尘器（06）之内，前述第一换热器之后，或者该第二换热器与煤气发生炉系统本身具有的空气冷却器（08）集成设计，安装在空气冷却器（08）之内，或空气冷却器（08）之前；该第二换热器用于将来自富氧空气源（03）的富氧空气，与上述经与蒸汽气化剂进行了一次热交换的来自煤气发生炉（02）下煤气出口的煤气再进行一次热交换，并将该富氧空气提升至120～220℃的温度，作为气化剂；
（5）至少一个用以控制自夹套汽包（05）至前述换热器的调节阀门及工艺管线；
（6）至少一个用以控制自前述换热器至混合器（04）的调节阀门及工艺管线；
（7）至少一个用以控制自夹套汽包（05）至混合器（04）的调节阀门及工艺管线；
（8）至少一个用以控制自混合器（04）至煤气发生炉（02）下部的调节阀门及工艺管线；
（9）至少一个用以控制自混合器（04）至煤气发生炉（02）上部的调节阀门及工艺管线；
其特征在于具体过程为：
将煤炭由具有常压固定床的煤气发生炉（02）的炉顶煤仓（01）加入煤气发生炉（02），经过焦化后进入气化层气化；
富氧空气源（03）向煤气发生炉（02）的气化层提供氧气浓度为25～30%的富氧空气，与煤气发生炉（02）自产的蒸汽一起，作为气化层气化剂；其中，来自煤气发生炉（02）下煤气出口的煤气与煤气发生炉（02）内自产蒸汽首先在第一换热器经过一次热交换，以回收该部分的热能，并将该蒸汽预热成120～220℃温度的高温蒸汽；来自富氧空气源（03）的富氧空气与上述已进行了一次热交换的来自下煤气出口的煤气经过第二换热器再进行一次热交换，并将该富氧空气温度提升至120～220℃；
前述高温蒸汽和富氧空气两部分气体进入炉底的混合器（04），经混合之后作为气化剂，通过调节阀门进入煤气发生炉（02）的下部；在煤气发生炉（02）中，经过灰渣层预热后在炉里进行气化还原反应，产生煤气；
煤气从下煤气出口进入除尘器（06）除尘，然后进入换热器，与煤气发生炉（02）自产蒸汽换热，再经空气冷却器（08）与富氧空气或/和其它工质换热并冷却后与上煤气出口来的经电捕焦（07）后的焦化煤气混合，然后进入后工段净化，供用户使用。
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