梯级组合床气化系统的制作方法

本实用新型涉及煤气化系统，尤其涉及一种梯级组合床气化系统，属于煤的清洁高效利用技术领域。

背景技术：

煤气化技术是将难以加工处理、难以脱除无用组分的固体煤转化为易于净化、易于应用的气体的过程，简言之，是将煤种的碳元素、氢元素转化为清洁燃料气或合成气的过程。

现有煤气化技术，按照煤和气化剂的接触方式，可以分为固定床、流化床和气流床。固定床由于煤种要求高(粒径为38mm的块煤)，煤气含有焦油、酚氰等污染物，已经逐渐被淘汰；流化床技术虽然对于煤种要求低(粒径小于10mm的粉煤)，但由于反应温度低(1000℃左右)，碳转化率较低；而气流床气化技术由于碳转化率高，煤气不含焦油、酚氰等有害物质，近年来成为煤气化技术的发展的主要方向。但气流床技术要求煤粉粒径小于100μm，需要增加复杂的煤粉制备系统，增加了系统投资。

目前，还没有一种既对煤的处理要求低(预处理到粒径小于10mm)，又可以达到较高的碳转化率的煤气化技术和系统。

技术实现要素：

针对上述缺陷，本实用新型提供一种梯级组合床气化系统，该系统可以对煤炭进行梯级气化，在不增加磨煤系统的前提下，能够有效提高煤的转化率。

本实用新型提供一种梯级组合床气化系统，包括：煤输送单元、一级流化床气化单元、二级气流床气化单元、余热回收单元、废渣收集单元；

所述煤输送单元与所述一级流化床气化单元连通，所述一级流化床气化单元连通与所述二级气流床气化单元连通，所述二级气流床气化单元与所述余热回收单元连通，所述余热回收单元与所述废渣收集单元连通。

在一实施方式中，所述煤输送单元包括锁斗、煤仓、给煤机；所述锁斗与所述煤仓连通，所述煤仓与所述给煤机连通，所述给煤机与所述一级流化床气化单元连通。

在一实施方式中，所述一级流化床气化单元包括一级流化床气化炉、布风板和一级气化室；所述一级流化床气化炉通过所述布风板与所述一级气化室连通，所述一级气化室设置一接收一级气化剂的一级气化剂入口。

在一实施方式中，所述二级气流床气化单元包括二级气流床气化炉和二级气化剂烧嘴，所述二级气化剂烧嘴设置在所述二级气流床气化炉上部并向所述二级气流床气化炉注入二级气化剂。

在一实施方式中，所述余热回收单元与所述二级气流床气化单元连接；

所述余热回收单元包括由内至外依次套设的辐射换热室和对流换热室，所述辐射换热室与所述二级气流床气化单元连通用于接收所述二级气流床气化单元中生成的煤气，所述辐射换热室外部设置有第一水冷壁，用于所述对流换热室外部设置有第二水冷壁；所述对流换热室至少设置有一个煤气出口，所述煤气出口穿设于所述第二水冷壁；

所述废渣收集单元包括水冷渣池和出渣口。

在一实施方式中，所述梯级组合床气化系统内部的压力为10kPa-4.2MPa。

在一实施方式中，所述煤输送单元中粒径小于10mm的煤占全部煤重量的90％。

在一实施方式中，所述一级气化剂选择空气、低富氧空气和氧气蒸汽混合气体中的一种或多种；所述二级气化剂选自高富氧空气和氧气蒸汽混合气体中的一种或两种；

其中，所述低富氧空气中氧气的体积含量为25-50％，所述高富氧空气中氧气的体积含量为60-99.6％。

在一实施方式中，所述一级流化床气化炉的截面平均流速为5-25m/s。

在一实施方式中，所述二级气化剂烧嘴为4-12个并且均匀分布在所述二级气流床气化炉上部。

本实用新型的梯级组合床气化系统结合了流化床和气流床的优势，既可以采用简单处理的粉煤，又可以在减少设备投入的基础上达到较高的碳转化率，是一种经济高效的煤气化系统。

附图说明

图1为本实用新型梯级组合床气化系统的模块示意图；

图2为本实用新型梯级组合床气化系统的具体结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型梯级组合床气化系统的模块示意图，请参考图1，本实用新型的梯级组合床气化系统包括煤输送单元1、一级流化床气化单元2、二级气流床气化单元3、余热回收单元4、废渣收集单元5；煤输送单元1与一级流化床气化单元2连通，一级流化床气化单元2连通与二级气流床气化单元3连通，二级气流床气化单元3与余热回收单元4连通，余热回收单元4与废渣收集单元5连通。

煤输送单元1用于向系统内输送待转化的煤原料，具体地，当煤输送单元1中盛有待转化的煤原料后，煤输送单元1会将煤原料输送至一级流化床气化单元2使煤原料在一级流化床气化单元2中反应生成煤气，接着，在一级流化床气化单元2中生成的煤气和未被转化的煤原料会进入二级气流床气化单元3。在二级气流床气化单元3中，未转被化的煤原料会充分反应生成煤气，最终达到平衡状态，此时，二级气流床气化单元3中的内容物为煤气和废渣。最后，煤气和废渣会分别进入余热回收单元4和废渣收集单元5中被收集处理。

由于本实用新型的梯级组合床气化系统结合了流化床和气流床的优势，煤原料首先进入流化床进行反应，因此对煤原料的粒径要求不高，不需要增加复杂的煤粉制备系统，同时气流床又能够对煤原料中的小颗粒煤进行高转化率的气化处理。因此，本实用新型的梯级组合床气化系统能够在低成本的前提下完成煤原料的高效率碳转化生成煤气。

图2为本实用新型梯级组合床气化系统的具体结构示意图，请参考图2，煤输送单元1包括锁斗11、煤仓12、给煤机13；锁斗11与煤仓12连通，煤仓12与给煤机13连通，给煤机13与一级流化床气化单元2连通。

其中，锁斗11包括一加入煤原料的开口，在加入煤原料的过程中，锁斗11向煤仓12出煤的出煤口是关闭的，当煤原料加入完毕后，可以打开煤出口使煤原料在重力的作用下进入煤仓12中，由于本实用新型中使用了流化床，因此对煤原料的粒径不做过多限制，一般，煤原料的总重量的90％的煤的粒径小于10mm即可。煤仓12的出口与给煤机13连通，煤仓12中的煤原料在重力作用下会输送至给煤机13上，由给煤机13输送至一级流化床气化单元2中。具体地，该给煤机13可以采用螺旋式给料机。

继续参考图2，本实用新型的一级流化床气化单元2包括一级流化床气化炉21、布风板22和一级气化室23；一级流化床气化炉21通过布风板22与一级气化室23连通，一级气化室23设置一接收一级气化剂的一级气化剂入口24。一级气化室23用于接收一级气化剂。

具体地，给煤机13与一级流化床气化单元2中的一级流化床气化炉21连通，因此给煤机13直接将煤原料输送至一级流化床气化炉21中。当一级流化床气化炉21中有煤原料后，一级气化室23中的一级气化剂会在布风板22的作用下均匀布满整个一级流化床气化炉21，从而使煤原料与一级气化剂在一级流化床气化炉21中发生反应，得到煤气。其中，一级气化剂选择空气、低富氧空气和氧气蒸汽混合气体中的一种或多种，低富氧空气中氧气的体积含量为25-50％。

可以想到的是，一级流化床气化炉21中有加热装置，一般的，一级流化床气化炉21中的反应温度为600-1000℃，并且，一级流化床气化炉21的截面平均流速可以限定为5-25m/s。但是，一级流化床气化单元2不可能将给煤机13输入的所有煤原料都反应完，因此在一级流化床气化炉21中除了反应生成的煤气外，还有未反应的煤原料。

在一级流化床气化炉21中反应生成的煤气和未反应的煤原料会通过连接管25进入二级气流床气化单元3。本实用新型的二级气流床气化单元3包括二级气流床气化炉31和二级气化剂烧嘴32，二级气化剂烧嘴32设置在二级气流床气化炉31上部并向二级气流床气化炉31注入二级气化剂。一般的，可以在二级气流床气化炉31上方设置4-12个二级气化剂烧嘴32，为了进一步增强气化效果，优选将多个二级气化剂烧嘴32均匀设置在二级气流床气化炉31的上部。

当一级流化床气化炉21中反应生成的煤气和未反应的煤原料进入二级气流床气化单元3中的二级气流床气化炉31后，二级气化剂烧嘴32会向二级气流床气化炉31中均匀喷射二级气化剂，从而使未反应的煤原料继续与二级气化剂反应生成煤气。其中，二级气化剂选自高富氧空气和氧气蒸汽混合气体中的一种或两种，高富氧空气中氧气的体积含量为60-99.6％。

一般的，二级气流床气化炉中的反应温度至少为1500℃。由于气流床的碳转化效率高，因此在二级气流床气化炉31中能够将在一级流化床气化炉21中未反应的煤原料全部反应生成煤气。此时，二级气流床气化炉31中的内容物包括煤气和废渣。本实用新型对二级气流床气化炉31的种类不做具体限制，但是为了保证气化效果，可以优选水冷壁结构或者耐火砖结构的二级气流床气化炉31，使废渣能够以熔融态的形式排放出二级气流床气化炉31。

进一步地，余热回收单元4与二级气流床气化单元3连接；余热回收单元4包括由内至外依次套设的辐射换热室41和对流换热室42，辐射换热室41与二级气流床气化单元3连通用于接收二级气流床气化单元3中生成的煤气，辐射换热室41外部设置有第一水冷壁43，对流换热室42外部设置有第二水冷壁44；对流换热室42至少设置有一个煤气出口45，煤气出口45穿设于第二水冷壁44；废渣收集单元5包括水冷渣池51和出渣口52。其中，第一水冷壁43用于回收煤气中的高温显热，第二水冷壁44用于回收煤气中的中温显热。

具体地，当煤原料在二级气流床气化炉31中反应完毕后，生成的煤气和废渣会从二级气流床气化单元3输出，废渣会在重力的作用下直接进入设置在余热回收单元4下部的废渣收集单元5的水冷渣池51中，水冷渣池51中的水会吸收废渣的热量然后从出渣口52将水与废渣排出，完成熔渣的冷却。

煤气会从二级气流床气化炉31中输出至余热回收单元4的辐射换热室41中，在辐射换热室41中，煤气会沿着辐射换热室41向下运动，逐渐被第一水冷壁43间接冷却，煤气中的热量被部分回收。之后，被第一水冷壁43冷却的煤气会从辐射换热室41的下部出来，再从对流换热室42的下部进入对流换热室42中，在对流换热室42中被第二水冷壁44和第一水冷壁43再次间接冷却，煤气中的剩余热量被回收。然后煤气通过煤气出口45从对流换热室42输出至煤气储存单元。至此，完成煤原料的转化。

值得注意的是，为了提高转化速度，本系统内部可以具有一定压力，一般的压力设定为10kPa-4.2MPa。当系统内部有压力时，为了能够易于将煤原料加入至锁斗11中，通常也向锁斗11充压，使锁斗11压力略高于气化炉压力，便于煤原料的加入。

本实用新型的梯级组合床气化系统结合了流化床和气流床的优势，通过流化床一次气化的化学方法解决了气流床技术的煤粉制备问题，通过气流床二次气化的高温反应解决了流化床技术的碳转化率低的问题，同时可以充分回收煤气和废渣熔渣的热量，提高了系统的热效率，是一种经济高效的煤气化系统。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。