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，也是實施可持續發展戰略做到經濟與環境協調發展的關鍵技術之一。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合循環(IGCC)發電領域。
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了高性能的氣流床煤氣化技術，迄今已經商業化，顯示出碳轉化率高和良好的環境保護優勢。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現，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，用于發電則效率較低，冷水電站(Cool water)凈發電效率僅為約36％。用于發電時，德士古為了提高發電效率，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，而采用循環煤氣激冷，使煤氣由約1500℃降至900℃，此舉增加了循環壓縮機及其壓縮功，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，產業部門特別是作為煤能源為主的電力行業，迫切希望有關科技人員開發一種碳轉化率高、冷煤氣效率高即發電效率高、投資低、長期穩定運轉的煤氣化技術以滿足發電行業優化升級的需要。
本發明的目的之一在于克服現有技術的不足，公開一種碳轉化率高、冷煤氣效率高即發電效率高、投資低、長期穩定運轉的煤基兩段組合式煤氣化工藝；本發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，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，本發明采用化學反應方法回收煤氣顯熱。
根據上述構思，發明人提出了以下的技術方案本發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造條件。火焰溫度高達1500～1900℃，煤中灰渣呈熔融態沿爐壁流下，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。生成揮發份與半焦，因為溫度高，不會生成穩定的焦油、酚、萘等環狀或多環化合物。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；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、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；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可以采用常規的、已經商業化的煤氣化爐，最好采用熔渣與煤氣并流向下的氣流床，但可優選采用發明人在中國專利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％，比現有商業化氣流床裝置(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)可以采用常規的、已經商業化的、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
本發明提供了一種煤基兩段組合式氣化工藝及其裝置。本發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 優先權日2000年1月13日
發明者于遵宏, 劉海峰, 王輔臣, 龔欣, 于廣鎖, 施軍民 申請人:華東理工大學