本实用新型涉及煤化工技术应用领域，特别涉及一种联合气化干馏制备低焦油燃气装置。
背景技术：
煤化工以煤为原料，经物理加工制备固体燃料、经化学加工使煤转化为气体燃料、液体燃料、焦炭以及化学品，包括了煤的气化、液化、焦化等利用路线。煤热解是煤加工转化，如气化、液化、焦化等工艺极为重要的中间过程，在绝氧或缺氧条件下可实现煤的部分气化和液化，制得煤气和焦油。
煤气化主要分为固定床气化、流化床气化和气流床气化。流化床煤气化技术因其大规模、高效、煤种适应性强成为气化技术发展的主要方向，流化床气化炉高温合成气的显热回收是气化技术的难题之一，出气化炉高温合成气温度在1000℃以上，合成气高温显热回收方式主要有废热锅炉、水激冷和化学热回收。化学热回收可通过煤的热解吸收能量来回收出气化炉一段高温合成气的显热。流化床气化炉可采用固态排渣和液态排渣两种方式，固态排渣碳转化率较低、所需排渣系统及操作成本高；液态排渣可减少灰渣中碳含量，但所需能耗高，系统热能利用效率低。申请人经过全面的检索及深入的研究，现有技术尚未提供一种易于大型化生产、运行稳定、煤炭转化率高、合成气显热回收高效、系统热效能高、燃气含焦低、灰尘少的煤炭气化干馏联产系统及方法。
技术实现要素：
为了克服现有技术中煤炭热转化效率低、燃气含焦含尘量高、燃气显热利用不合理、系统热效能低、设备易于结渣、无法用同一套系统适用于煤炭的催化转化及非催化转化制备燃气的技术问题，有必要设计出能解决上述问题的煤炭气化干馏联产装置及方法。
本实用新型的所提供的一种联合气化干馏制备低焦油燃气装置，包括煤气化系统(1)和煤干馏系统(2)。其中，所述煤气化系统(1)包括：流化床气化炉(3)、旋风分离器(4)、炉渣收集装置(5)和气化剂供应系统；所述流化床气化炉(3)包括炉体(6)和外壳(10)，炉体(6)内下部设置锥形分布板(7)， 锥形分布板(7)上方设置的煤料入口(8)以及灰焦入口(9)；所述气化炉(3)上部设置贯穿所述炉体(6)和外壳(10)的合成气出口(11)，炉膛(6)和外壳(10)形成的环形空腔，所述环形空腔内设置微波加热装置(12)，所述微波加热装置(12)设置在锥形分布板(7)与合成气出口(11)之间；锥形分布板(7)中部开设排渣口(13)，排渣口(13)通过排渣管(14)与炉渣收集装置(5)连通；锥形分布板(7)下方与外壳(10)下封头之间形成气室(15)，气化剂进气管(16)贯穿所述外壳(10)和炉体(6)设置。所述煤干馏系统(2)包括流化床干馏炉(2-1)、气固分离器(2-2)和合成气煤气处理器(2-3)；所述流化床干馏炉(2-1)包括第一炉体(2-4)、第一炉体(2-4)内下部设置第一锥形分布板(2-5)、第一锥形分布板(2-5)上方设置的第一煤料入口(2-6)；第一锥形分布板(2-5)中部开设排焦口(2-7)，排焦口(2-7)通过第一排焦管(2-8)与所述灰焦入口(9)连通；第一锥形分布板(2-5)下方与第一炉体(2-4)内壁之间形成流化气体分布室(2-9)；贯穿第一炉体(2-4)外壁上设置与所述流化气体分布室(2-9)连通的流化气体进风管(2-10)；所述气固分离器(2-2)内置于所述流化床干馏炉(2-1)的顶部，所述气固分离器(2-2)气体出口通过管道与合成气煤气处理器(2-3)进气口连通；合成气煤气处理器(2-3)顶部设置多个第一等离子炬(2-11)，合成气煤气处理器(2-3)气体出口通过第一燃气管道依次连接锅炉(2-12)和气体缓冲存储罐(2-13)。所述旋风分离器(4)进气口和出气口分别与所述合成气出口管道(11)和所述流化气体进风管(2-10)连通；所述旋风分离器(4)固体排料口与所述灰焦入口(9)连通。
优选地，所述气固分离器(2-2)包括相互连通离心除尘器和过滤元件。更优选地，过滤元件(2-13)为陶瓷多孔材料或铁铝金属烧结多孔材料。
优选地，所述流化床气化炉(3)的排渣管(14)上还设有两根对称分布的第二等离子炬(17)，且第二等离子炬(17)与排渣管(14)轴线成30-60度角开口斜向上设置。更优选地，第二等离子炬(17)与所述排渣管(14)轴线成45度角开口斜向上设置。
优选地，所述合成气煤气处理器(2-3)上方设置多个第一等离子炬(2-11)的数量为3-5支，且成圆周对称布置。更优选地，所述第一等离子炬(2-11)的数量为4支，所述第一等离子炬(2-11)与所述合成气煤气处理器(2-3)竖直方向 轴线成45度角开口斜向下设置。
优选地、所述流化床气化炉(3)的气化剂进气管(16)的数量为4-10根且为偶数，所述多根气化剂进气管(16)成圆周对称分布，所述气化剂进气管(16)为套管形式，中心内管用于通过含氧气体，内管与外管之间的环隙通入不含氧气的水蒸汽或者还原性气体例如干馏燃气。更优选地，贯穿所述锥形分布板(7)设置2-5个喷嘴(19)，所述喷嘴(19)位于同一圆周上且均匀设置。所述喷嘴(19)为套筒结构，所述喷嘴(19)的中心内管用于通过含氧气体，中心内管与外管之间的环隙通入不含氧气的水蒸汽；所述喷嘴(19)中心内管前端面与其外管前端面间的距离L为20-35mm，即贯穿所述锥形分布板(7)伸入气化炉炉腔内的所述喷嘴(19)的中心内管前端面长于其外管前端面；所述喷嘴(19)通过连接构件例如法兰与所述气化剂进气管(16)间隔地连接。具体他，例如当气化剂进气管(16)的数量为4根时，所述喷嘴(19)的数量为2根，第一个喷嘴、第二个喷嘴分别连接于第一根气化剂进气管和第三根气化剂进气管，第二根气化剂进气管和第四根气化剂进气管送入的气化剂进入所述气室(15)，所述气室(15)内的气化剂通过所述锥形分布板(7)上的小孔进入炉体(6)炉膛内。以此类推。
优选地、所述流化床干馏炉(2-1)的流化气体进风管(2-10)的数量为4-10根且为偶数，所述流化气体进风管(2-10)成圆周对称分布。更优选地，贯穿所述第一锥形分布板(2-5)设置2-5个第一喷管(2-14)，所述第一喷管(2-14)位于同一圆周上且均匀设置。
优选地，所述炉渣收集装置(5)为套筒结构，其由内筒、中筒和外筒组成，内筒与中筒之间的环隙流通蒸汽，外筒与中筒之间的环隙流通氧气。
用于所述流化床气化炉(3)的气化剂流经该炉渣收集装置(5)回收热量后进入所述气化剂进气管(16)。优选地，所述炉渣收集装置(5)由内筒和外筒组成，的套筒结构环形空腔内设置两组蛇管换热管，第一组蛇管换热管用于流通空气分离设备分离出的氧气形成预热的氧化剂之氧气，水源(自来水或含有机物的污水)经锅炉(2-12)副产的蒸汽经第二组蛇管换热管换热后形成过热蒸汽，预热的氧气和过热蒸汽分别进入所述气化剂进气管(16)的中心内管和内管与外管之间的环隙。
优选地，所述排渣管(14)由耐高温材料制成。优选地，所述耐高温材料 包含氧化锆和氧化硅。
优选地，所述排渣管(14)还设有细灰入口(20)，细灰入口(20)位于所述第二等离子炬(17)上方；所述细灰入口(20)与所述第二等离子炬(17)的垂直高度为0.15-0.3m。更优选地，所述两根喷管(18)在圆周上对称分布且开口向下与水平面成40度角设置。
优选地、所述煤煤气化系统(1)的旋风分离器(4)包括第一旋风分离器和第二旋风分离器，所述合成气出口(11)、第一旋风分离器、第二旋风分离器依次连接，第二旋风分离器的进气口与出气口分别与第一旋风分离器的出气口和煤干馏系统(2)中的所述流化气体进风管(2-10)连通；所述第一旋风分离器固体出料口与所述灰焦入口(9)连通，所述第二旋风分离器固体细灰出料口与设置在所述排渣管(14)上的细灰入口(20)连通，所述细灰入口(20)位于所述第二等离子炬(17)上方；所述细灰入口(20)与所述第二等离子炬(17)的垂直高度为0.15-0.3m。
一种联合气化干馏制备低焦油燃气的方法，所述方法包括：(a)、混有催化剂或不混有催化剂的煤粉经流化床气化炉(3)的煤料入口(8)送入所述气化炉(3)炉膛，预热的气化剂经所述流化床气化炉(3)的锥形分布板(7)送入所述气化炉(3)炉膛流化所述煤粉，煤粉气化所需的热量由位于气化炉(3)的炉体(6)和外壳(10)环形空腔内的微波加热装置(12)提供，流化床气化炉(3)内形成的高温合成气通过所述气化炉(3)上的合成气出口(11)引出；(b)、所述高温合成气经旋风分离器(4)处理后经流化床干馏炉(2-1)的流化气体进风管(2-10)及第一锥形分布板(2-5)进入所述流化床干馏炉(2-1)炉膛用于充当流化介质及热载体使通过位于所述第一锥形分布板(2-5)上方设置的第一煤料入口(2-6)进入所述流化床干馏炉(2-1)炉膛内的煤粉流化、干馏形成燃气，所述燃气经流化床干馏炉(2-1)炉顶内置的气固分离器(2-2)除尘后送入合成气煤气处理器(2-3)；(c)、合成气煤气处理器(2-3)顶部设置的第一等离子炬(2-11)通过电弧放电产出2500℃以上的等离子体使燃气中的焦油、重质烃裂解形成小分子可燃气体，经合成气煤气处理器(2-3)处理后的燃气分为至少两部分，一部分引入所述流化床气化炉(3)用于流化炉内煤料，另一部分经锅炉(2-12)回收热量副产蒸汽后送入气体缓冲存储罐(2-13)。
优选地，上述联合气化干馏制备低焦油燃气的方法使用本实用新型上述的联合气化干馏制备低焦油燃气装置实施。
优选地，上述预热的气化剂的包含氧气和蒸汽，所述氧气由空分设备分离制得，所述蒸汽为过热蒸汽。更优选地，所述过热蒸汽包括水源经锅炉(2-12)加热副产蒸汽再经所述流化床气化炉(3)炉渣收集装置(5)的夹套式结构的夹层空腔回收热量后形成的过热蒸汽，所述水源包括自来水和/或含有有机物的污水。
优选地，所述煤煤气化系统(1)的旋风分离器(4)包括第一旋风分离器和第二旋风分离器，第一旋风分离器分离的固体颗粒以及经流化床干馏炉(2-1)第一排焦管(2-8)排出的半焦通过流化床气化炉(3)上的灰焦入口(9)循环进入流化床气化炉(3)；第二旋风分离器分离出的细灰送入所述排渣管(14)上的细灰入口(20)，位于所述细灰入口(20)下方的第二等离子炬(17)产出3000℃以上中心火焰，使细灰及经流化床气化炉(3)所述锥形分布板(7)排渣口(13)排出的灰渣熔融、在所述排渣管(14)上设有的两根喷管(18)喷入水蒸汽作用下进一步气化形成合成气。
与现有技术煤炭转化装置相比，本实用新型的具有如下优点：
(一)、本实用新型装置能实现煤气化、干馏联产，采用独立运行的流化床气化炉和流化床热解炉分别实施气化和干馏操作，容易控制且适合大型化生产。
(二)、气化炉采用微波加热、使煤炭能从内部到外部同时加热，加热效率高、改善气化反应，通过微波加热可精确控制气化反应温度，尤其对煤的催化气化反应效果更明显；实用新型提供的装置能同时适用于煤炭催化气化干馏联产及煤炭非催化气化干馏联产。
(三)、本实用新型装置将高温气化合成气作为流化床干馏炉的流化介质及热载体，充分利用系统中的热能来增加燃气的生产，同时避免采用水激冷降温造成的能量损失和形成废水污染；也减少了采用锅炉回收热量带来的投资及维护成本。
(四)、流化床热解炉内置气固分离器包括相互连通离心除尘器和过滤元件能使出自流化床热解炉的燃气含尘量小于8mg/Nm3，将上述气固分离器内置流化床热解炉可显著地降低焦油在过滤元件表面的积聚造成堵塞，延长过滤元件使用寿命，由于流化床干馏炉内炉顶温度保持高于550℃，燃气中的焦油几乎不与细灰 凝聚。
(五)、通过顶部设有的第一等离子炬的合成气煤气处理器对经过除尘燃气热裂解，第一等离子炬电弧放电产出2500℃以上的等离子体使燃气中的焦油、重质烃裂解形成小分子可燃气体，增加了燃气热值，经处理热裂解后燃气中焦油含量小于5ppm，可直接用于发动机或发电机燃烧发电。
(六)、合成气煤气处理器后设置锅炉副产蒸汽作为流化床气化炉气化剂，实现了热效利用；将经回收热量后的部分净化燃气作为流化床气化炉流化介质，降低了流化床介质的投入、增加了燃气有效组分浓度提高了燃气热值。
(七)、流化床气化炉的旋风分离器包含串联的第一旋风分离器和第二旋风分离器用于深度分离高温合成气夹带的固体颗粒，降低了流化床干馏炉内置气固分离运行压力；将第一旋风分离器分离的粗颗粒及流化床干馏炉排焦口排出的焦炭循环送入流化床气化炉气化，提高了碳的转化率。流化床气化炉排渣管上设置多根对称分布的开口斜向上设置的第二等离子炬能产生3000℃以上中心火焰，第二旋风分离器分离出的细灰送入流化床气化炉排渣管上的细灰入口与排渣口排出的炉渣混合，在3000℃以上条件下熔融，通过排渣管上设有的喷管喷入蒸汽既充当冷却剂对熔渣冷却又充当气化剂与熔融的碳料气化形成合成气。
(八)、流化床气化炉分布板上贯穿设置套筒结构的喷嘴，强化了炉膛内煤粉与气化剂的混合效果，避免分布板附近区域形成死区，造成烧结损坏分布板。流化床干馏炉分布板上贯穿设置喷管，强化了炉膛内煤粉与热载体的湍流混合效果，加热均匀，减少焦油的形成。
附图说明
图1是本实用新型的联合气化干馏制备低焦油燃气装置示意图。
图中，1、煤气化系统；2、煤干馏系统；3、流化床气化炉；4、旋风分离器；5、炉渣收集装置；6、炉体；7、锥形分布板；8、煤料入口；9、灰焦入口；10、外壳；11、合成气出口；12、微波加热装置；13、排渣口；14、排渣管；15、气室；16、气化剂进气管；17、第二等离子炬；18、喷管；19、喷嘴；20、细灰入口；2-1、流化床干馏炉；2-2、气固分离器；2-3、合成气煤气处理器；2-4、第一炉体；2-5第一锥形分布板；2-6、第一煤料入口；2-7、排焦口；2-8、第一排焦管；2-9、流化气体分布室；2-10、流化气体进风管；2-11、第一等离子炬；2-12、 锅炉；2-13、气体缓冲存储罐；2-14、第一喷管。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：原料煤(褐煤、无烟煤或长焰煤)经干燥处理后含水量为6-10wt％，脱水后的原料煤经粉碎、过筛分离出大于10mm小于16mm的碎煤A和4-10mm的碎煤B，碎煤B与催化剂混合形成混合煤C，其中，催化剂为碱金属或碱土金属催化剂，碎煤B与催化剂的质量比为80-200:1，混合煤C通过流化床气化炉3的煤料入口8送入流化床气化炉内，经预热的气化剂(氧气和蒸汽)经气化剂进气管16通过炉内煤料入口8下方的锥形分布板7上的孔隙及贯穿所述锥形分布板7的喷嘴19送入流化床气化炉3炉膛流化所述混合煤C，其中，控制蒸汽与煤的质量比为0.3-0.8:1，氧气与煤的质量比为0.3-0.6:1，调节微波加热装置12的功率控制气化炉3内的温度在700-850℃，控制炉内压力为0.1-0.4MPa，其中，在气化炉炉体6的顶部、中部和下部各设热电偶，气化炉3内气化形成的高温合成气通过合成气出口11引出所述炉体6，经旋风分离器4除尘后通过管道送入流化床干馏炉2-1的流化气体进风管2-10，其中，旋风分离器4包括串联连接的第一旋风分离器和第二旋风分离器；高温合成气经所述流化床干馏炉2-1的第一锥形分布板2-5及贯穿所述第一锥形分布板2-5的喷管(2-14)用于流化、加热经第一煤料入口2-6送入碎煤A，干馏产生的燃气经内置于所述流化床干馏炉2-1的顶部的气固分离器2-2净化后、通过与所述气固分离器2-2顶部气体出口连接的管道送入合成气煤气处理器2-3；其中，所述气固分离器2-2包括相互连通的离心除尘器2-12和过滤元件2-13，合成气煤气处理器2-3顶部设置的多个第一等离子炬2-11放电产出高于2500℃的等离子体将燃气中的焦油、重质烃裂解形成小分子可燃气体，经合成气煤气处理器2-3处理后的燃气分成至少两部分，一部分燃气经管道输送至未与所述喷嘴19通过法兰连接的气化剂进气管16(优选套管结构的气化剂进气管16中的外管)进入气化炉3的气室15，该部分燃气经所述锥形分布板7上的孔隙用于流化炉膛内的固体物料；一部分燃气经锅炉(2-12)换热并副产蒸汽后送入气体缓冲存储罐(2-13)。其中，流化床干馏炉2-1内形成的半焦经第一锥形分布板2-5中部开设的排焦口2-7、与所述排焦口2-7连通的第一排焦管2-8送入所述流化 床气化炉3上的灰焦入口9；其中，所述灰焦入口9对置于所述煤料入口8下方；旋风分离器4中的第一旋风分离器分离出的粗颗粒经所述灰焦入口9送入气化炉3内循环气化；第二旋风分离器分离出的细灰则送入流化床气化炉3的排渣管14上设置的细灰入口20，流化床气化炉3气化产生的灰渣通过锥形分布板7中部开设的排渣口13进入所述排渣管14，所述灰渣及细灰在重力作用下经过细灰入口20下方设置的多个第二等离子炬17形成高温区域加热熔融，其中，所述第二等离子炬17产出3000℃以上中心火焰，经锅炉(2-12)副产的一部蒸汽经所述排渣管14上于所述第二等离子炬17下方设置的喷管18喷入排渣管14，在热力作用下，经喷管18喷射的蒸汽成V型运动，熔融的灰渣及细灰与排渣管14内向上流动的蒸汽进一步气化反应形成合成气经排渣管14进入流化床气化炉3内，排渣管14内经初冷却的熔渣进入炉渣收集装置5；其中，所述炉渣收集装置5为套筒结构，其可由内筒和外筒组成，外筒与内筒的环形空腔内设置两组独立的蛇形换热管；或者由内筒、中筒和外筒组成，内筒与中筒之间的环隙流通蒸汽，外筒与中筒之间的环隙流通氧气；经空气分离装置得到的O2及锅炉(2-12)副产的另一部蒸汽分别经炉渣收集装置5上的气体入口进入换热构件中与高温炉渣换热，加热后的O2和过热蒸汽分别送入与所述喷嘴19通过法兰连接的气化剂进气管16的内管和外管。经检测，炉渣收集装置5中碳含量小于4wt％，未经合成气煤气处理器2-3处理的燃气含焦油量大于1500ppm，气体缓冲存储罐(2-13)中燃气含焦油量小于5ppm，固体颗粒含尘量小于8mg/Nm3，煤处理量大于180吨/d，系统热效率大于80％，可连续运行2年无焦油堵塞过滤元件造成系统停车。
实施例2：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置相同，区别在于：直接将碎煤B通过流化床气化炉3的煤料入口8送入流化床气化炉内进行非催化气化，气化温度控制为在830-1150℃。经检测，炉渣收集装置5中碳含量小于3.85wt％，未经合成气煤气处理器2-3处理的燃气含焦油量大于1378ppm，气体缓冲存储罐(2-13)中燃气含焦油量小于4.8ppm，固体颗粒含尘量小于7.8mg/Nm3，煤处理量大于180吨/d，系统热效率大于82％，连续运行2年无因焦油堵塞过滤元件造成系统停车。
实施例3：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置不同，区别在于：将流化床干馏炉内置的所述气固分离器 2-2外置，即通过管道连接于流化床干馏炉炉顶气体出口，连接管道长0.3-0.6m；其它工艺参数与实施例1相同，系统连续运行13个月因过滤元件焦油堵塞造成系统停车。
实施例4：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置不同，区别在于：流化床干馏炉内置的所述气固分离器2-2为两个串联的离心除尘器，其它工艺参数与实施例1相同。经检测，炉渣收集装置5中碳含量小于4wt％，未经合成气煤气处理器2-3处理的燃气含焦油量大于1760ppm，气体缓冲存储罐(2-13)中燃气含焦油量小于6.5ppm，固体颗粒含尘量大于169mg/Nm3，煤处理量大于180吨/d，系统热效率大于80％，可连续运行2年无焦油堵塞过滤元件造成系统停车。
实施例5：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置不同，区别在于：流化床干馏炉内置的所述气固分离器2-2为两个串联的过滤原件，其它工艺参数与实施例1相同。系统连续运行6个月因过滤元件堵塞造成系统停车。
实施例6：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置不同，区别在于：将第二旋风分离器分离的细灰同样通过灰焦入口9送入流化床气化炉，其它工艺参数与实施例1相同。经检测，系统热效率小于74％，系统运行11个月因过滤元件堵塞造成系统停车；炉渣收集装置5中碳含量小于4wt％，未经合成气煤气处理器2-3处理的燃气含焦油量大于1500ppm，气体缓冲存储罐(2-13)中燃气含焦油量小于5ppm，固体颗粒含尘量小于8mg/Nm3，煤处理量大于180吨/d，系统热效率小于74％，可连续运行2年无焦油堵塞过滤元件造成系统停车。
实施例7：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置不同，区别在于：流化床气化炉排渣管上不设置第二等离子炬，将第二旋风分离器分离的细灰通过灰焦入口9送入流化床气化炉，其它工艺参数与实施例1相同。经检测，炉渣收集装置5中碳含量大于10wt％，碳利用率低。
实施例8：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置不同，区别在于：流化床气化炉锥形分布板7上不设贯穿 所述锥形分布板的喷嘴19，即预热后的气化剂(氧气和过热蒸汽)及用于充当流化介质的部分循环燃气通过气化剂进气管16经所述锥形分布板7上的孔隙进入气化炉炉膛，其它工艺参数与实施例1相同。经检测，炉渣收集装置5中碳含量小于4.5wt％，系统运行14个月流化床气化炉锥形分布板结渣严重，造成系统被迫停车。
实施例9：该实施例进行联合气化干馏制备低焦油燃气的方法与实施例1所进行的方法选用的装置不同，区别在于：流化床气化炉炉渣收集装置5为非套筒结构，即气化剂不经炉渣收集装置5换热回收热量直接送入气化剂进气管16，其它工艺参数与实施例1相同。经检测，系统热效率小于50％，炉渣收集装置5中碳含量小于4.1wt％，未经合成气煤气处理器2-3处理的燃气含焦油量大于1700ppm，气体缓冲存储罐(2-13)中燃气含焦油量小于5.3ppm，固体颗粒含尘量小于10mg/Nm3，煤处理量大于180吨/d，可连续运行2年无焦油堵塞过滤元件造成系统停车。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。