CN103756730B - 一种蓄热式粉煤气流床气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓄热式粉煤气流床气化方法。目前粉煤气流床气化技术中，没有一种能够很好地回收粗煤气显热并将其用来提高气化剂温度的方法。本发明的气化方法所用的系统包括气化反应单元、A组蓄热除杂单元和B组蓄热除杂单元，A、B组蓄热除杂单元均由依次连接的凝渣器、过滤器和蓄热器组成；气化反应单元内设有A、B两组工艺喷嘴，分别与A组和B组蓄热除杂单元中的凝渣器连接；气化剂和含碳燃料从气化反应器一端工艺喷嘴通入反应器后进行反应，反应完毕后的粗煤气通过另一端工艺喷嘴排出气化反应器，两组工艺烧嘴功能在下一个工艺周期工艺互换。本发明有效回收了气化炉出口粗煤气的高温显热，并且将气化剂预热到与粗煤气相当的高温。
Description
技术领域
本发明涉及适用于粉煤或其他含碳燃料的高温气化剂气化方法，尤其是一种对粗煤气进行蓄热并给气化剂加温的气流床气化方法。
背景技术
煤气化技术是当今煤炭、生物质、石油焦等固态含碳燃料清洁高效利用的关键技术之一，也是将一次能源转化为洁净二次能源的主要途径。气流床煤气化技术具备碳转换率高、煤气中不含焦油、煤种要求不高、全自动化操控等诸多优势，非常适应于大规模的煤气化产业。然而，气流床气化炉出口煤气温度偏高，导致气化炉冷煤气效率偏低、煤气显热得不到很好的利用，成为气流床气化炉推广应用的最大障碍。
在煤化工行业，冷煤气效率是气化工艺最主要的经济技术指标，它用来衡量将煤炭资源转化成合成气的效率，该指标直接影响工厂的经济效益。在煤制工业燃气行业，气流床气化炉出口煤气温度高，煤气热值低，高温煤气降温后产生的蒸汽往往得不到很好的利用因此产生巨大的浪费，这些因素都限制了气流床气化技术在工业煤气制备上的应用。如果能够开发一种既能回收高温煤气的显热、又能将气化剂预热到与出口煤气相当的高温，就可以大幅度提高煤气的热值，并且无须对煤气降温，这样才能使气化床气化技术得到更加广泛的应用。
目前的一种提高冷煤气效率方法是通常提高气化剂温度，首先利用余热锅炉回收粗煤气中的显热，将煤气显热变成高温蒸汽，然后利用高温蒸汽通过换热器预热气化剂。然而这样的方法，不仅是设备庞大、投资金额不菲，而且由于通过换热器不能将气化剂预热到很高的温度（一般小于300℃），因此，有很多的蒸汽热量在系统中得不到充分的利用，粗煤气中的显热利用率不高，煤气热值、冷煤气效率也得不到较大的提高。
另一种是采用粗煤气与气化剂直接换热的方式，这样的做法能够提高气化剂的温度，但是由于高温煤气与气化剂接触后非常易燃，具备很大的安全隐患。一般情况下，不能设计这样的流程。
目前的煤气化行业中，没有其它能够很好回收粗煤气显热来提高气化剂温度的方法，因此，开发一种能够高效利用粗煤气显热并最大限度提高气化剂入炉温度、降低粗煤气出口温度、提高煤气中CO、H2、CH4含量的气化方法，能够提高能源利用率、降低污染，对经济、社会都具备很重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蓄热式粉煤气流床气化方法，其能够有效回收气流床气化炉出口粗煤气的高温显热、并且将气化剂预热到与出口粗煤气相当的高温，通过提高入炉气化剂的温度，提高粗煤气中CO、H2等有效气体的含量，大幅度提高冷煤气效率、煤气热值；同时降低粗煤气后续的出口温度，净化合成气灰尘及杂质，省却传统气流床气化工艺中后续的废热锅炉、除尘设备等装备，节约投资。
为此，本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：一种蓄热式粉煤气流床气化方法，其特征在于，该气化方法所用的系统包括气化反应单元、A组蓄热除杂单元和B组蓄热除杂单元，A、B组蓄热除杂单元均由依次连接的凝渣器、过滤器和蓄热器组成；气化反应单元内设有A、B两组工艺喷嘴，分别与A组和B组蓄热除杂单元中的凝渣器连接；所述气化方法的具体步骤依次如下：
步骤1），工作时，气化剂进入A组蓄热除杂单元中的蓄热器并得到预热，然后依次通过A组的过滤器、凝渣器进入气化反应单元，此时气化剂会反吹清洗之前残留在A组过滤器、凝渣器内的灰分与含碳颗粒，并随着气化剂进入气化反应单元，与喷入气化反应单元的气化燃料相遇发生气化反应，熔渣从气化反应单元的渣口排出，气化后产生的合成气经B组工艺喷嘴喷入B组蓄热除杂单元中的凝渣器，在B组凝渣器内合成气所携带的熔融状的熔渣得到冷却，温度降到灰分的变形温度DT以下，然后进入B组过滤器，在B组过滤器中过滤合成气中所含的灰分以及未反应完全的碳颗粒，清洁的合成气经过B组蓄热器蓄热、降低温度后从B组蓄热器的出口排出；
步骤2），工作一段时间后，待B组蓄热除杂单元中的蓄热器蓄热接近饱和，停止A组气化剂的供应，气化剂改为从B组蓄热除杂单元进入，气化剂进入B组的蓄热器并得到预热，然后依次通过B组的过滤器、凝渣器进入气化反应单元，此时气化剂会反吹清洗之前残留在B组过滤器、凝渣器内的灰分与含碳颗粒，并随着气化剂进入气化反应单元，与喷入气化反应单元的气化燃料相遇发生气化反应，熔渣从气化反应单元的渣口排出，气化后产生的合成气经A组工艺喷嘴喷入A组蓄热除杂单元中的凝渣器，在A组凝渣器内合成气所携带的熔融状的熔渣得到冷却，温度降到灰分的变形温度DT以下，然后进入A组过滤器，在过滤器中过滤了合成气中所含的灰分以及未反应完全的碳颗粒，清洁的合成气经过A组蓄热器蓄热、降低温度后从A组蓄热器的出口排出；
步骤3），工作一段时间后，待A组蓄热除杂单元中的蓄热器蓄热接近饱和，停止B组气化剂的供应，气化剂改为从A组蓄热除杂单元进入，重复步骤1）和2）的操作，连续生产合成气。
本发明设置气化反应单元，气化剂和气化燃料在气化反应单元进行氧化和气化反应，生成粗煤气；设置凝渣器，粉煤气化后的液态残渣在凝渣器进行收集和降温，液态渣降至变形温度以下；设置过滤器，粗煤气中携带的灰尘和未收集的固态渣将被完全过滤，经过过滤器后粗煤气含尘量已经达到后续工艺使用要求；设置蓄热器，主要实现粗煤气和气化剂的热交换，高温粗煤气流过蓄热器温度被降至300℃以下，热量被储存在蓄热器内，常温气化剂流过蓄热体器气化剂被加热至900℃以上，蓄热器能量传递给气化剂。
气化反应单元（即气化反应器）设置两组工艺烧嘴，一组为气化介质喷入烧嘴，另外一组为气化产物排出烧嘴，两组烧嘴根据工艺流程交替运行，在本反应阶段为气化介质喷入烧嘴，下一反应阶段为气化产物排出烧嘴。同时凝渣器、过滤器和蓄热器都设置两组，通过两组装置的交替运行，来实现一蓄热器粗煤气流过时蓄热、另一蓄热器气化剂通过时放热的过程。这样保证通入气化反应单元的气化剂都为900℃以上高温，合成气出口温度在300℃以下，从而提高了气化反应的粗煤气中CO、H2、CH4的含量，不仅大幅度提高了冷煤气效率与煤气热值，具备很高的碳转化率，而且出口煤气是低温的、洁净无尘的煤气，省去了传统煤气化工艺后续的废热锅炉以及煤气除尘净化设备。
本发明所述的气化剂为空气、含氧量21～90%以上的富氧、含氧量100%的纯氧、水蒸汽、二氧化碳中的一种或者任几种的混合物；所述的气化燃料为煤粉、石油焦粉、生物质颗粒、污泥等所有含碳物质中的任一种或几种的混合物。
所述的凝渣器可以采用蓄热材料制成，也可以采用锅炉行业的凝渣管制成；所述的过滤器可以是颗粒层过滤器、金属毡或者烧结金属丝网制成的过滤器等高温气体过滤器的一种或者几种的组合体，所述的蓄热器可以是蜂窝陶瓷蓄热体，也可以是其他蓄热材料做成的蓄热体。
本发明所述的煤粉中掺有生物质颗粒。
本发明气化剂进入气化反应单元中的温度优选在900℃以上；清洁的合成气经过蓄热器蓄热、降低温度后从蓄热器的出口排出的温度优选在150℃以下。
综上所述，本发明具有的有益效果在于：首次，本发明通过气化反应单元设置两组工艺喷嘴，每组喷嘴分别连接凝渣器、过滤器和蓄热器，两组工艺烧嘴交替喷入气化剂和气化燃料，喷出粗煤气。流过高温粗煤气的一组蓄热器在蓄热使粗煤气降温，流过气化剂的一组蓄热器在放热使气化剂升温。通过以上方式来提高气化剂温度、降低粗煤气温度，从而大幅度提高粗煤气的冷煤气效率，并且提高了合成气中有效气体（一氧化碳、氢气）的成分。
其次，利用本发明的气化方法所生产的合成气为经过除尘的、洁净的煤气，也是经过蓄热、降温后的煤气，因此本发明气化反应单元所排出的合成气为高热值的、低温的、洁净的合成气，可以省却常规粉煤气化工艺中后续的余热锅炉、合成气净化装置，大幅度地简化了工艺流程，降低设备的造价，具备十分明显的经济效益。
再次，利用本发明的气化方法生产合成气，具备十分高的碳转化率。由于合成气的飞灰在出口经过过滤器过滤，未反应完全的碳颗粒被过滤下来，并在下次循环中，这些碳颗粒被再次吹入气化反应单元得到充分的反应，残渣通过其渣口落入渣池内。另外，由于采用了高温气化剂气化，在气化炉内反应初期温度很高，也非常有利于将活性较低部分的碳颗粒转化完全。因此，本发明的气化方法具备非常高的碳转化率（>99.9%）。
此外，本发明可以得到干净的粗煤气、低温或常温粗煤气；同时，过滤器、凝渣器也有一定蓄热功能。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图给出本发明较佳的实施例，以详细说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示的蓄热式粉煤气流床气化方法，其所用的系统由气化反应单元，两组凝渣器、过滤器和蓄热器组成。气化反应单元的两端分别依次连接一组凝渣器、过滤器和蓄热器。
气化反应单元为高温空气气化反应的主反应器，气化剂和含碳燃料从气化反应器一端工艺喷嘴通入反应器后进行反应，反应完毕后通过另一端工艺喷嘴排出气化反应器，两组工艺烧嘴功能在下一个工艺周期工艺互换。
凝渣器为含碳燃料液态渣渣收集器，并把渣从液态降至变形温度以下。过滤器为把所有杂质、灰尘过滤掉，其可以采用金属丝网或金属毡等材料做成。蓄热器为把高温粗煤气气热量传递给常温空气，高温粗煤气经过时，蓄热器吸热降低粗煤气温度，待经过一段时间流程切换，常温气化剂经过蓄热器时，蓄热器释放热量来加热气化剂。
实施例2
下面的实施例将结合粉煤气化制备高热值粗煤气的具体工艺过程，对本发明予以进一步说明。
步骤1：气化反应单元的气化反应器经过点火、升温到合适温度。
步骤2：气化剂依次经过A组蓄热器、过滤器和凝渣器后进入气化反应器，煤粉也从A组工艺烧嘴喷入气化反应器，气化反应器内气化剂和煤粉开始进行粉煤气化反应。生成的1100～1300℃的高温粗煤气从B组工艺喷嘴中排出，依次经过B组凝渣器、过滤器和蓄热器，在蓄热器单元经过蓄热器的换热后排出的粗煤气温度在150℃以下。
步骤3：停止从A组工艺烧嘴喷入气化剂和煤粉，从B组煤气出口通入水蒸汽或惰性气体，置换B组管道及设备内的粗煤气。
步骤4：气化剂从B组蓄热器、过滤器和凝渣器后温度上升为900～1300℃，进入气化反应器，煤粉也从B组工艺烧嘴喷入气化反应器，气化反应器内气化剂和煤粉开始进行粉煤气化反应。生成的1100～1300℃的高温粗煤气从A组工艺喷嘴中排出，依次经过A组凝渣器、过滤器和蓄热器，经过蓄热器的换热后排出的粗煤气温度在150℃以下。
步骤5：停止从B组工艺烧嘴喷入气化剂和煤粉，从A组煤气出口通入水蒸汽或惰性气体，置换A组管道及设备内的粗煤气。
步骤6：重复步骤2到步骤5，系统正常运行。
实施例3
下面的实施例将结合粉煤气化制备高热值粗煤气的另一种方法具体工艺过程，对本发明予以进一步说明。
步骤1：气化反应单元的气化反应器经过点火、升温到合适温度。
步骤2：空气依次经过A组蓄热器、过滤器和凝渣器后进入气化反应器，煤粉也从A组工艺烧嘴喷入气化反应器，气化反应器内空气和煤粉开始进行粉煤氧化燃烧反应。生成的1100～1300℃的高温烟气从B组工艺喷嘴中排出，依次经过B组凝渣器、过滤器和蓄热器，经过蓄热器的换热后排出的粗煤气温度在120℃以下,本过程主要作用是加热B组蓄热器，烟气排空。
步骤3：停止从A组工艺烧嘴喷入气化剂和煤粉，从B组煤气出口通入水蒸汽，水蒸气经过蓄热器、过滤器和凝渣器后温度上升为900～1300℃，进入气化反应器，煤粉也从B组工艺烧嘴喷入气化反应器，气化反应器内水蒸气和煤粉开始进行粉煤气化反应。生成的1100～1300℃的高温粗煤气从A组工艺喷嘴中排出，依次经过A组凝渣器、过滤器和蓄热器，经过蓄热器的换热后排出的粗煤气温度在120℃以下。
步骤4：停止从B组工艺烧嘴喷入水蒸气和煤粉，从A组煤气出口通入水蒸汽或惰性气体，置换A组管道及设备内的粗煤气。
步骤5：重复步骤2到步骤4，系统正常运行。
Claims (4)
1.一种蓄热式粉煤气流床气化方法，其特征在于，该气化方法所用的系统包括气化反应单元、A组蓄热除杂单元和B组蓄热除杂单元，A、B组蓄热除杂单元均由依次连接的凝渣器、过滤器和蓄热器组成；气化反应单元内设有A、B两组工艺喷嘴，分别与A组和B组蓄热除杂单元中的凝渣器连接；所述气化方法的具体步骤依次如下：
步骤1），工作时，气化剂进入A组蓄热除杂单元中的蓄热器并得到预热，然后依次通过A组的过滤器、凝渣器进入气化反应单元，此时气化剂会反吹清洗之前残留在A组过滤器、凝渣器内的灰分与含碳颗粒，并随着气化剂进入气化反应单元，与喷入气化反应单元的气化燃料相遇发生气化反应，熔渣从气化反应单元的渣口排出，气化后产生的合成气经B组工艺喷嘴喷入B组蓄热除杂单元中的凝渣器，在B组凝渣器内合成气所携带的熔融状的熔渣得到冷却，温度降到灰分的变形温度DT以下，然后进入B组过滤器，在B组过滤器中过滤合成气中所含的灰分以及未反应完全的碳颗粒，清洁的合成气经过B组蓄热器蓄热、降低温度后从B组蓄热器的出口排出；
步骤2），工作一段时间后，待B组蓄热除杂单元中的蓄热器蓄热接近饱和，停止A组气化剂的供应，气化剂改为从B组蓄热除杂单元进入，气化剂进入B组的蓄热器并得到预热，然后依次通过B组的过滤器、凝渣器进入气化反应单元，此时气化剂会反吹清洗之前残留在B组过滤器、凝渣器内的灰分与含碳颗粒，并随着气化剂进入气化反应单元，与喷入气化反应单元的气化燃料相遇发生气化反应，熔渣从气化反应单元的渣口排出，气化后产生的合成气经A组工艺喷嘴喷入A组蓄热除杂单元中的凝渣器，在A组凝渣器内合成气所携带的熔融状的熔渣得到冷却，温度降到灰分的变形温度DT以下，然后进入A组过滤器，在过滤器中过滤了合成气中所含的灰分以及未反应完全的碳颗粒，清洁的合成气经过A组蓄热器蓄热、降低温度后从A组蓄热器的出口排出；
步骤3），工作一段时间后，待A组蓄热除杂单元中的蓄热器蓄热接近饱和，停止B组气化剂的供应，气化剂改为从A组蓄热除杂单元进入，重复步骤1）和2）的操作，连续生产合成气。
2.根据权利要求1所述的蓄热式粉煤气流床气化方法，其特征在于，所述的气化剂为空气、含氧量21～90%的富氧、含氧量100%的纯氧、水蒸汽、二氧化碳中的一种或者任几种的混合物；所述的气化燃料为煤粉、石油焦粉、生物质颗粒、污泥中的任一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的蓄热式粉煤气流床气化方法，其特征在于，所述的凝渣器采用蓄热材料制成或采用锅炉行业的凝渣管制成；所述的过滤器为颗粒层过滤器、金属毡或者烧结金属丝网制成的过滤器中一种或者几种的组合体，所述的蓄热器为蜂窝陶瓷蓄热体。
4.根据权利要求1或2所述的蓄热式粉煤气流床气化方法，其特征在于，气化剂进入气化反应单元中的温度在900℃以上；清洁的合成气经过蓄热器蓄热、降低温度后从蓄热器的出口排出的温度在150℃以下。
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