一种含碳物料分级转化装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种含碳物料分级转化装置及方法，涉及煤及生物质等含碳物料的气化【技术领域】，该含碳物料分级转化装置结构及安装简单、操作简单，且不会因物料无法在各反应区域流动造成被迫停车。本发明公开的含碳物料分级转化装置包括：炉体，所述炉体下部倾斜设有气体分布器，所述气体分布器上孔的开口方向与所述气体分布器表面的垂线呈预定角度，以使通过所述气体分布器射入所述炉体内的气化剂和/或燃烧剂在高度方向上形成稳定的单循环流场；所述炉体底部边缘、与所述气体分布器的低水平面相连接的位置处设有排渣口；所述炉体的侧壁上与所述排渣口相对的一侧设有进料口。本发明公开的含碳物料分级转化装置及方法适用于含碳物料的分级转化过程。
【专利说明】一种含碳物料分级转化装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及煤及生物质等含碳物料的气化【技术领域】，尤其涉及一种含碳物料分级 转化装置及方法。
【背景技术】
[0002] 煤的分级转化利用技术是将煤的提质、热解、气化、燃烧等多个过程有机结合，从 而获得不同过程的化学品和副产品，并且能够实现污染物的耦合抑制和有效脱除，从而用 更加经济的方法解决煤利用过程中污染物的控制问题，从而实现煤的综合高效利用。
[0003] 现有技术中公开的分级转化装置及方法，基本上都是通过具体的设备结构将煤的 分级转化各阶段进行区分，具体为：在气化炉壳体内至少设置两层呈孔板形式的气体分布 器，将气化炉的内部空间分隔为上层空间、中层空间和下层空间，这三个空间从上到下依次 对应煤分级转化中的部分热解区、催化气化区和残渣气化区。煤催化气化过程中，煤粉在 部分热解区与来自催化气化区的气体物流接触以部分热解煤粉，生成含甲烷的气体物流和 部分热解的煤粉；部分热解的煤粉下落至催化气化区，在催化剂的存在下与来自残渣气化 区的气体物流接触，生成气体物流和未充分反应的煤残渣，其中，气体物流上升至部分热解 区，未充分反应的煤残渣下落至残渣气化区；煤残渣在残渣气化区与气化剂接触，生成气体 物流和灰渣，其中，气体物流上升至催化气化区，灰渣排出气化炉。在上述气化过程中，固 体物料是通过气化炉壳体内设置的气体分布器上的溢流管在各空间之间进行流动，操作过 程中无法准确控制物料溢流，容易导致溢流管气塞，阻断物料在各空间之间的流动，无法实 现煤粉在炉内的分级转化，从而被迫停车；并且，上述气化炉结构复杂，内构件加工、安装困 难。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于，提供一种含碳物料分级转化装置及方法，结构及安装简 单、操作简单，且不会因物料无法在各反应区域流动造成被迫停车。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -方面，本发明提供了一种含碳物料分级转化装置，包括炉体，所述炉体下部倾斜 设有气体分布器，所述气体分布器上孔的开口方向与所述气体分布器表面的垂线呈预定角 度，以使通过所述气体分布器射入所述炉体内的气化剂和/或燃烧剂在高度方向上形成稳 定的单循环流场；
[0007] 所述炉体底部边缘、与所述气体分布器的低水平面相连接的位置处设有排渣口；
[0008] 所述炉体的侧壁上与所述排渣口相对的一侧设有进料口。
[0009] 可选地，所述气体分布器与水平面的夹角为5?30°。
[0010] 优选地，所述气体分布器与水平面的夹角为10?20°。
[0011] 可选地，所述气体分布器上孔的开口方向与所述气体分布器表面的垂线呈〇? 90。。
[0012] 进一步地，所述气体分布器下表面与所述炉体底壁之间设有至少一个气室。
[0013] 优选地，所述气体分布器下表面与所述炉体底壁之间设有第一气室和第二气室； 所述第一气室与所述排渣口相邻设置，所述第二气室与所述排渣口相对设置。
[0014] 另一方面，本发明实施例还提供了一种含碳物料分级转化方法，使用了上述任一 技术方案所述的含碳物料分级转化装置，所述方法包括：
[0015] 通过进料口向炉体内通入含碳物料；
[0016] 通过倾斜设置的气体分布器向所述炉体内通入气化剂和/或燃烧剂，所述气化剂 和/或燃烧剂在所述炉体内的高度方向上形成稳定的单循环流场，并且，在所述炉体内自 上而下依次形成至少一个反应区。
[0017] 具体地，所述至少一个反应区具体包括：温度区间相同或不同的热解区、气化区、 燃烧区。
[0018] 可选地，所述通过倾斜设置的气体分布器向所述炉体内通入气化剂和/或燃烧剂 具体包括：
[0019] 通过气体分布器下部与排渣口相邻设置的第一气室经由倾斜设置的所述气体分 布器向所述炉体内通入燃烧剂；通过气体分布器下部与排渣口相对设置的第二气室经由倾 斜设置的所述气体分布器向所述炉体内通入气化剂；或者，
[0020] 通过气体分布器下部的第一气室和第二气室经由倾斜设置的所述气体分布器向 所述炉体内通入气化剂和燃烧剂。
[0021] 另外，含碳物料分级转化过程中，所述炉体内的压力为0. 1?7. OMPa。
[0022] 本发明实施例提供的含碳物料分级转化装置及方法，气体分布器倾斜设置，且气 体分布器上孔的开口方向与气体分布器表面的垂线呈预定角度，这样，气化过程中，通过气 体分布器射入炉体内的气化剂和/或燃烧剂等气体能够在炉体内的高度方向上形成稳定 的单循环流场，通过控制气化剂和/或燃烧剂等气体中的氧气浓度，能够使炉体内不同流 场区域的温度与含碳物料分级转化反应所需的温度范围相匹配，从而在炉体内自上而下依 次形成至少一个反应区，实现了含碳物料的分级转化高效利用；也就是说，本发明实施例 提供的含碳物料分级转化装置及方法，通过气化剂和/或燃烧剂的单循环流场及对气化剂 和/或燃烧剂中氧气浓度的控制即可在炉体内形成含碳物料所需的各个反应区，而不需要 在炉体内部通过额外设置隔板等硬件设置方式将炉体的内部空间分割成各个实体空间，因 此，本发明提供的含碳物料分级转化装置结构及安装简单、操作简单，且气化过程中含碳物 料流动顺畅，不会因含碳物料无法在各个反应区域流动而造成被迫停车。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1为本发明实施例提供的一种含碳物料分级转化装置结构示意图；
[0025] 图2为本发明实施例提供的一种含碳物料分级转化方法流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027] 如图1所示，本发明实施例提供了一种含碳物料分级转化装置，包括炉体15,炉体 15下部倾斜设有气体分布器17,气体分布器17上孔的开口方向与气体分布器17表面的垂 线呈预定角度，以使通过气体分布器17射入炉体15内的气化剂和/或燃烧剂在高度方向 上形成稳定的单循环流场；炉体15底部边缘、与气体分布器17的低水平面相连接的位置处 设有排渣口 19 ;炉体15的侧壁上与排渣口 19相对的一侧设有进料口 13。
[0028] 本发明实施例提供的含碳物料分级转化装置，气体分布器17倾斜设置，且气体分 布器17上孔的开口方向与气体分布器17表面的垂线呈预定角度，这样，气化过程中，通过 气体分布器17射入炉体15内的气化剂和/或燃烧剂等气体能够在炉体15内的高度方向 上形成稳定的单循环流场，通过控制气化剂和/或燃烧剂等气体中的氧气浓度，能够使炉 体15内不同流场区域的温度与含碳物料分级转化反应所需的温度范围相匹配，从而在炉 体15内自上而下依次形成至少一个反应区，实现了含碳物料的分级转化高效利用；也就是 说，本发明实施例提供的含碳物料分级转化装置，通过气化剂和/或燃烧剂的单循环流场 及对气化剂和/或燃烧剂中氧气浓度的控制即可在炉体内形成含碳物料所需的各个反应 区，而不需要在炉体内部通过额外设置隔板等硬件设置方式将炉体的内部空间分割成各个 实体空间，因此，本发明提供的含碳物料分级转化装置结构及安装简单、操作简单，且气化 过程中含碳物料流动顺畅，不会因含碳物料无法在各个反应区域流动而造成被迫停车。
[0029] 需要说明的是，气化过程中，通过控制气化剂和/或燃烧剂等气体中的氧气浓度， 从而使炉体15内不同流场区域的温度与含碳物料分级转化反应所需的温度范围相匹配， 是本领域技术人员根据实际操作过程中含碳物料的种类、含碳物料的粒径分布以及含碳物 料处理量等实际情况、以及自身的操作经验能够确定的，本发明对此不再详细赘述。
[0030] 具体地，在炉体15内自上而下依次形成的至少一个反应区具体可以包括温度区 间相同或不同的热解区、气化区和燃烧区。
[0031] 本发明实施例中，只要气体分布器17的倾斜设置与气体分布器17上孔的开口方 向的设置相互配合，能够使通过气体分布器17射入炉体15内的气体能够在高度方向上形 成如图1所示的稳定的单循环流场即可，对于它们各自的具体设置可以以多种方式实现。
[0032] 例如，倾斜设置的气体分布器17与水平面的夹角可以为5?30°，优选为10? 20。，比如可以为 5。、8。、10。、12。、15。、18。、20。、22。、25。、28。或 30°。
[0033] 气体分布器17上孔的开口方向与气体分布器17表面的垂线可以呈0?90°，比 如0°，即气体分布器17上孔的开口方向可以垂直于气体分布器17表面，也可以大于0° 小于等于 90°，比如 10°、20。、30。、45。、60。、75。或 90°。
[0034] 具体地，气体分布器17可以为气体分布板，比如可以为平板分布板。本发明实施 例对气体分布器17的开孔率及开孔尺寸等参数不作限定，本领域技术人员可以根据炉体 规模、物料处理量等实际情况具体选择。
[0035] 炉体15可以如图1所示为圆柱形的，也可以为其它形状，比如可以为长方体、六边 柱形或八边柱形等，总之，只要其能够容纳一定量的含碳物料即可，本发明实施例对此不作 限定。
[0036] 炉体15上进料口 13设在与排渣口 19相对的一侧，即设在气体分布器17的高水 平面一侧；炉体15上进料口 13的高度，即进料口 13到炉体15底部的距离，可以根据炉体 15的处理量即炉内持料量高度确定，例如，若炉体15的物料处理量较大时，进料口 13可以 适当的高些；若炉体15的物料处理量较小时，进料口 13可以适当的低些，总之，只要能够满 足物料的处理量需求即可，本发明对此不作限定。
[0037] 气体分布器17下表面与炉体15底壁之间可以设有至少一个气室。例如，如图1 所不，气体分布器17下表面与炉体15底壁之间可以设有第一气室I和第二气室II，且第一 气室I与排渣口 19相邻设置，第二气室II与排渣口 19相对设置，即将气体分布器17下表 面与炉体15底壁之间的空间分割成靠近排渣口 19的第一气室I和远离排渣口 19的第二 气室II ;或者，不对气体分布器17下表面与炉体15底壁之间的空间进行分割，而直接将该 空间作为一个气室使用。
[0038] 本发明实施例中，通过利用炉体15内流场特征和温度梯度的变化，与含碳物料分 级转化相耦合，通过炉体15内气-固两相流动接触进行相关反应。气体分布器17倾斜设 置，使炉体15内流场类型为单循环流动，利用单循环流动将燃烧的热量进行带动分散，实 现温度的梯度分布，进入炉体15内的含碳物料在单循环流场的带动下，在不同的温度区停 留发生相应的化学反应，如图1所示。
[0039] 具体反应流程可以为：含碳物料通过进料管13进入炉体15内，刚刚入炉的含碳物 料在温度约为550°C (温度区间一般为400?600°C )的低温热解区（如图1中C区所示 位置）发生热解反应，产生含有一定量焦油和甲烷的气相产物和热解后的半焦，热解生成 的气相产物跟随气流通过排气口 11带出炉体15外，热解后的半焦则随着气固循环进入温 度约为700°C (温度区间一般为600-1000°C)的中温气化区，即如图1中B区所示位置，在 中温气化区，半焦与从第二气室II中通入的气化剂接触并发生气化反应，生成含有氢气、 一氧化碳、甲烷和二氧化碳的气体产物和具有一定碳含量的气化渣，气体产物跟随气流带 出炉体外，气化渣跟随气固循环进入温度约为850°C (温度区间一般为800-1300°C)的高 温燃烧区，即如图1中A区所示位置，气化渣与从第一气室I中通入的燃烧剂接触并充分燃 烧，燃烧后的气体产物跟随气流被带出炉体外，燃烧后的残渣通过炉体15底部的排渣口 19 排出炉体外，从而完成含碳物料的分级转化。
[0040] 或者，含碳物料分级转化过程中，还可以将中温气化区和高温燃烧区并在一起，这 主要取决于气化剂或燃烧剂的通入区域，即当第一气室I和第二气室II合为一体或者这两 个气室通入相同的气化剂和燃烧剂时，含碳物料分级转化装置炉体15内主要分为温度区 间约为400?600°C的低温热解区和温度区间约为600?1300°C的气化和燃烧区。
[0041] 本发明实施例提供的含碳物料分级转化装置，利用气化炉内流场特征和温度梯度 的变化，与含碳物料分级转化相耦合，通过炉内气-固两相流动接触进行相关反应，合理利 用了含碳物料中的高附加值物质的产生规律，运行稳定，含碳物料转化率和甲烷含量更高， 另外，设备内无复杂的内构件，设备简单。
[0042] 相应地，如图2所示，本发明实施例还提供了一种含碳物料分级转化方法，使用了 本发明实施例提供的任意一种含碳物料分级转化装置，所述方法可以包括：
[0043] S1、通过进料口向炉体内通入含碳物料；
[0044] S2、通过倾斜设置的气体分布器向炉体内通入气化剂和/或燃烧剂，所述气化剂 和/或燃烧剂在炉体内的高度方向上形成稳定的单循环流场，并且，在炉体内自上而下依 次形成至少一个反应区。
[0045] 本发明实施例提供的含碳物料分级转化方法，通过倾斜设置的气体分布器向炉体 内通入气化剂和/或燃烧剂，能够使气化剂和/或燃烧剂在炉体内的高度方向上形成稳定 的单循环流场，通过控制气化剂和/或燃烧剂中的氧气浓度，能够使炉体内不同流场区域 的温度与含碳物料分级转化反应所需的温度范围相匹配，从而在炉体内自上而下依次形成 至少一个反应区，实现了含碳物料的分级转化利用；也就是说，本发明实施例提供的含碳物 料分级转化方法，通过气化剂和/或燃烧剂等气体的单循环流场及对气化剂和/或燃烧剂 中氧气浓度的控制即可在炉体内形成含碳物料所需的各个反应区，而不需要在炉体内部通 过额外设置隔板等硬件设置方式将炉体的内部空间分割成各个实体空间，因此，本发明提 供的含碳物料分级转化装置方法操作简单，且气化过程中含碳物料流动顺畅，不会因含碳 物料无法在各个反应区域流动而造成被迫停车。
[0046] 具体地，上述步骤S2中，在炉体内自上而下依次形成的至少一个反应区具体可以 包括：温度区间相同或不同的热解区、气化区、燃烧区。
[0047] 上述步骤S2中，所述的通过倾斜设置的气体分布器向炉体内通入气化剂和/或燃 烧剂具体可以包括：
[0048] 通过气体分布器下部与排渣口相邻设置的第一气室经由倾斜设置的气体分布器 向炉体内通入燃烧剂；通过气体分布器下部与排渣口相对设置的第二气室经由倾斜设置的 气体分布器向炉体内通入气化剂；或者，
[0049] 通过气体分布器下部的第一气室和第二气室经由倾斜设置的气体分布器向炉体 内通入气化剂和燃烧剂。
[0050] 也就是说，燃烧剂和气化剂可以分别通过各自的气室通入，也可以混合在一起同 时通过气室通入。
[0051 ] 具体地，本发明实施例中的气化剂可以为过热蒸汽，或者为02、C0或H2中的至少一 种与过热蒸汽的混合气体。典型但非限制性的例子可以为，气化剂可以为过热蒸汽，过热蒸 汽与〇2的组合，过热蒸汽与CO的组合，过热蒸汽与H 2的组合，过热蒸汽、CO与H 2的组合或 者过热蒸汽、〇2、CO与4的组合等，皆可用于实施本发明。
[0052] 燃烧剂可以为02或空气中的一种，为了调节氧浓度，燃烧剂中还可以配入一定量 的过热蒸汽或氮气中的至少一种，即燃烧剂还可以为含有一定量过热蒸汽和/或氮气的〇 2 或空气。
[0053] 含碳物料可以包括具有预定粒径分布的粉煤、负载有催化剂的具有预定粒径分布 的粉煤、混合有生物质粉末的具有预定粒径分布的粉煤、或者既负载有催化剂又混合有生 物质粉末的具有预定粒径分布的粉煤，总之，只要为需要进行分级转化的含碳物料即可，本 发明对此不作限定。
[0054] 含碳物料分级转化过程中，炉体内的压力可以为0. 1?7. OMPa，比如0. IMPa、 0. 5MPa、lMPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa或7MPa。这样可根据目标产物和含碳物料种类 的不同，通过控制炉内压力，使分级转化的产率更高，比如对于挥发份较高的褐煤，一般将 压力控制到l.OMPa即可，有利于焦油和甲烷的产生；如果是生物质或煤质较高的无烟煤， 则压力多大于3MPa，有利于甲烷的生成；若目标产物是合成气，可在压力范围内任意选择， 同时考虑设备投资情况。
[0055] 下面通过具体实施例对本发明提供的含碳物料分级转化装置及方法进行进一步 详细描述。
[0056] 对比例1
[0057] 采用现有技术中如本发明【背景技术】中所述的分级转化装置，即：在气化炉壳体内 设置两层呈孔板形式的气体分布器，将气化炉的内部空间分隔为上层空间、中层空间和下 层空间，这三个空间从上到下依次对应煤分级转化中的部分热解区、催化气化区和残渣气 化区，对一种粒径为2mm以下的劣质烟煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为 10wt%，气化压力为2. 5MPa。试验过程中向炉体内通入燃烧剂和气化剂，其中，燃烧剂为氧 气浓度为15%的氧气和过热蒸汽的混合气，气化剂为氧气浓度为3%的氧气和过热蒸汽的 混合气。通过控制进料速率，保证炉体内氧煤比为0. 35Nm3/kg，水煤比为1. lkg/kg，炉体内 煤粉呈3倍以上流化数流动。试验过程中，监测各区域温度并对炉体出口气体进行组分分 析，试验持续进行10小时。
[0058] 实施例1
[0059] 采用本发明实施例图1所示的含碳物料分级转化装置及图2所示的含碳物料分级 转化方法，其中气体分布器采用多孔平板分布板，安装倾斜角度为15°，开孔率为3%，对 一种粒径为2mm以下的劣质烟煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt%， 气化压力为2. 5MPa。试验过程中通过第一气室I向炉体15内通入燃烧剂，该燃烧剂为氧气 浓度为15%的氧气和过热蒸汽的混合气，通过第二气室II向炉体15内通入气化剂，该气化 剂为氧气浓度为3%的氧气和过热蒸汽的混合气。通过控制进料速率，保证炉体内氧煤比为 0. 35Nm3/kg，水煤比为1. lkg/kg，炉体内煤粉呈3倍以上流化数流动。试验过程中，监测各 区域温度并对炉体出口气体进行组分分析，试验持续进行10小时。
[0060] 也就是说，实施例1与对比例1中，除了所采用的分级转化装置不同，其他参数均 相同。
[0061] 试验结果分析
[0062] 对比例1及实施例1中，各区域监测温度如表1所示：
[0063] 表1对比例1及实施例1中各区域监测温度
[0064]
【权利要求】
1. 一种含碳物料分级转化装置，包括炉体，其特征在于，所述炉体下部倾斜设有气体分 布器，所述气体分布器上孔的开口方向与所述气体分布器表面的垂线呈预定角度，以使通 过所述气体分布器射入所述炉体内的气化剂和/或燃烧剂在高度方向上形成稳定的单循 环流场； 所述炉体底部边缘、与所述气体分布器的低水平面相连接的位置处设有排渣口； 所述炉体的侧壁上与所述排渣口相对的一侧设有进料口。
2. 根据权利要求1所述的含碳物料分级转化装置，其特征在于，所述气体分布器与水 平面的夹角为5?30°。
3. 根据权利要求2所述的含碳物料分级转化装置，其特征在于，所述气体分布器与水 平面的夹角为10?20°。
4. 根据权利要求1所述的含碳物料分级转化装置，其特征在于，所述气体分布器上孔 的开口方向与所述气体分布器表面的垂线呈〇?90°。
5. 根据权利要求1所述的含碳物料分级转化装置，其特征在于，所述气体分布器下表 面与所述炉体底壁之间设有至少一个气室。
6. 根据权利要求5所述的含碳物料分级转化装置，其特征在于，所述气体分布器下表 面与所述炉体底壁之间设有第一气室和第二气室；所述第一气室与所述排渣口相邻设置， 所述第二气室与所述排渣口相对设置。
7. -种含碳物料分级转化方法，其特征在于，使用了如权利要求1?6任一项所述含碳 物料分级转化装置，所述方法包括： 通过进料口向炉体内通入含碳物料； 通过倾斜设置的气体分布器向所述炉体内通入气化剂和/或燃烧剂，所述气化剂和/ 或燃烧剂在所述炉体内的高度方向上形成稳定的单循环流场，并且，在所述炉体内自上而 下依次形成至少一个反应区。
8. 根据权利要求7所述的含碳物料分级转化方法，其特征在于，所述至少一个反应区 具体包括：温度区间相同或不同的热解区、气化区、燃烧区。
9. 根据权利要求7所述的含碳物料分级转化方法，其特征在于，所述通过倾斜设置的 气体分布器向所述炉体内通入气化剂和/或燃烧剂具体包括： 通过气体分布器下部与排渣口相邻设置的第一气室经由倾斜设置的所述气体分布器 向所述炉体内通入燃烧剂；通过气体分布器下部与排渣口相对设置的第二气室经由倾斜设 置的所述气体分布器向所述炉体内通入气化剂；或者， 通过气体分布器下部的第一气室和第二气室经由倾斜设置的所述气体分布器向所述 炉体内通入气化剂和燃烧剂。
10. 根据权利要求7所述的含碳物料分级转化方法，其特征在于，含碳物料分级转化过 程中，所述炉体内的压力为〇? 1?7.0MPa。
【文档编号】C10J3/48GK104449861SQ201410647204
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月14日 优先权日:2014年11月14日
【发明者】武恒, 李克忠, 郑岩, 宋新朝, 金亚丹, 湛月平, 胡利彦, 毕继诚 申请人:新奥科技发展有限公司