下行床-气流床热解-气化一体化方法及装置与流程

本发明属于煤热解-气化分级利用技术领域。具体涉及气化-热解一体化实现利用低阶煤实现焦油和合成气联产的方法。

背景技术：

我国是一个以煤炭为主要能源结构的国家，在未来很长一段时间内不会改变，据统计，我国的一次能源消费结构中，煤炭达到了66％。随着石油资源的日益紧缺，有效利用煤炭资源已成为我国能源可持续发展的一项策略。我国低阶煤储量占煤炭资源总量的55％以上，但其含水分高、煤化程度低，直接燃烧的效率低，不仅浪费资源而且污染环境，造成了酸雨、pm2.5，以及sox和nox等温室气体的排放。

目前，低阶煤即含碳量为75％～90％，挥发物约10％-40％。相对密度1.25～1.35，热值约27170-37200千焦/千克的煤。低阶煤的分级利用是其清洁高效利用的重要方法之一。根据低阶煤的组成和结构特征，把低阶煤的热解、燃烧、气化以及其他过程有机结合已取得了一定的成功经验，通过低阶煤的分级利用将煤炭中的有机质挥发分和固定碳有效分离，获取煤焦油、煤气和高附加值的化学品。低阶煤分级利用技术主要包括低阶煤提质、热解气化分级转化、热解燃烧分级转化等，但其需要在不同的反应设备内进行提质和煤焦的再转化的过程，无法进行物流和热流的耦合，能耗较大。

为解决上述问题，中国发明专利cn102504842a根据煤中不同组分在不同转化阶段反应性不同的特点，以高温循环灰作为固体热载体、热解-燃烧-气化三个流化床为核心装置，旨在提高煤转化率和利用效率。但该工艺存在如下不足：首先，由于高温循环灰粒度很小，存在热解煤气含尘量高的问题；其次，采用高温循环灰作为热载体，灰的热值低、密度小，传热效率不高。日本东京大学(chemicalengineeringjournal,164(2010)221-229；chemicalengineeringscience,66(2011)4212-4220)提出了气化热解分级利用工艺，实现了对热解时间的精确控制，同时在气化炉前实现了热解气固产物分离，避免了挥发分对半焦气化制合成气的抑制作用，但该工艺采用石英砂作为载热物质，导致设备严重磨损。中国发明专利cn104789245a采用三塔式高通量半焦循环流化床工艺，以高温循环半焦颗粒作为热载体，提高了传热效率，同时实现了气固产物的有效分离，但是，由于其热解、气化反应器均采用流化床设计，导致其碳转化率无法保证。

现有的热解-气化一体化技术虽然从一定程度上解决了传统煤炭转化技术中无法有效、清洁利用低阶煤的缺点，但是由于其工艺流程限制或由于外加热载体的原因，致使能耗过大、设备受损以及碳转化率低等问题出现。因此，如何合理提高传热效率、提高碳转化率，是实现真正意义上的热解-气化一体化技术的发展关键。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题之一是克服现有技术低阶煤难以利用以及焦油产率低的缺陷，提供一种适用于低阶煤高效利用的下行床-气流床热解-气化一体化装置，简化了现有技术对热载体的依赖，并且大大提高了碳转化率。

本发明所解决的技术问题之二，是与技术问题一相对应的一种下行床-气流床热解-气化一体化方法。

为解决技术问题一，本发明提供了一种下行床-气流床热解-气化一体化装置，其特征在于：包括下行床热解炉1、气固分离器2、冷凝装置3、料斗4、喷嘴5、气流床气化炉6、渣斗7；下行床热解炉1顶部设有原料a的进口、下行床热解炉1顶部中上部设有气化产品气b的进口，下行床热解炉1底部连接气固分离器2，气固分离器2顶部气体出口与冷凝装置3相连接、气固分离器2底部固体出口连接料斗4，料斗4底部连接喷嘴5，喷嘴5顶部侧面设有气化剂e的进口、喷嘴5底部与气流床气化炉6相连接，气流床气化炉6中下部设有气化产品气b出口、气流床气化炉6底部连接渣斗7。

上述技术方案中，下行床热解炉1距炉顶部1/30-1/5处设置气化产品气b的进口。

优选地，下行床热解炉1距炉顶部1/20-1/15处设置气化产品气b的进口。

上述技术方案中，冷凝装置3采用直接接触式冷凝器，选自喷淋式、喷射式或塔板式冷凝器中的一种。

上述技术方案中，气流床气化炉6距炉底部1/4-1/3处设置气化产品气b的出口。

上述技术方案中，气化产品气b的出口垂直于气流床气化炉6侧面设置，且出口前端设置除尘器，除尘器采用滤芯或沉降器中任意一种或多个组合，以避免气化产品气b中所携带的气流床气化炉6中飞灰进入并堵塞气体管道。

为解决技术问题二，本发明提供了一种下行床-气流床热解-气化一体化方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.下行床热解炉1中的反应：原料a从下行床热解炉1顶部加入，与来自气流床气化炉6的富含co、h2等还原性气体的高温气化产品气b接触，发生剧烈的热解反应，析出co、h2、ch4以及芳烃物质等热解气，并产生煤焦c；煤焦c被气化产品气b以及热解生成的热解气组成的混合气携带，经下行床热解炉1底部进入到气固分离器2；经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，并从冷凝装置3底部排出并被进一步分离和收集，而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；而煤焦c经分离后被送入料斗4中准备作为气流床气化炉6的气化原料继续反应。

b.气流床气化炉6中的反应：料斗4中的煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中发生剧烈的气化反应，生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。

所述的原料a为低阶煤原料，原料a的粒径<250μm。

所述的气化剂e为氧气和二氧化碳的混合气，所述二氧化碳与氧气体积比控制在100:(25-30)。

所述的下行床热解炉1运行温度为600-700℃，气流床反应器的运行温度为1400-1650℃。

本发明的优点简介

本发明将气化和热解耦合于一体，在下行床热解炉进行热解，在气流床气化炉中进行煤焦颗粒的气化反应，并且气化后产品气作为热解所需的热源以及热解介质，循环进入到热解炉中作为热解的热源，降低了整个循环系统的能耗，也节省了传统工艺外加载热体的成本。

采用本发明的技术方案通过低阶煤气化和热解分级利用的设置，合理地解决了传统工艺低阶煤难以利用的问题，气化炉通过采用气流床反应器的设计，提高了碳转化率(达99％)，且气体产品中有效气h2和co的含量达85％以上，同时焦油产率达到20％，并具有气化强度大、能量利用率高、低污染等特点，很大程度上降低了生产成本，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的下行床-气流床热解-气化一体化装置的示意图。

图中，1-下行床热解炉；2-气固分离器；3-冷凝装置；4-料斗；5-喷嘴；6-气流床气化炉；7-渣斗；a-原料；b-气化产品气；c-煤焦；d-产品气；e-气化剂。

下面结合图1，详细描述本发明。

本发明中原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，与气化产品气b接触并发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，并经气体输送进入到喷嘴5与气化剂e预混后喷入至气流床气化炉发生剧烈的气化反应，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉中下部气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明的特点。

【实施例1】

将粒径<250um的褐煤原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，气化产品气b于距下行床热解炉1顶部1/5处引入，并与褐煤原料接触、并流，并在700℃的操作温度下发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，冷凝装置3采用塔板式冷凝器，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，其焦油产率达11％。而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，而煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与二氧化碳与氧气体积比为100:30的气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中在1650℃的操作温度下发生剧烈的气化反应，随着煤焦c中的可燃物快速消耗，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉6炉底1/3处气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。期间，整个系统的原料碳转化率为99％，产品气d中有效成分h2、co含量分别为24.4％、62.3％，其结果详见表1。

【实施例2】

将粒径<250um的褐煤原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，气化产品气b于距下行床热解炉1顶部1/5处引入，并与褐煤原料接触、并流，并在700℃的操作温度下发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，冷凝装置3采用塔板式冷凝器，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，其焦油产率达13％。而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，而煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与二氧化碳与氧气体积比为100:30的气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中在1650℃的操作温度下发生剧烈的气化反应，随着煤焦c中的可燃物快速消耗，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉6炉底1/4处气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。期间，整个系统的原料碳转化率为99％，产品气d中有效成分h2、co含量分别为24.0％、62.6％，其结果详见表1。

【实施例3】

将粒径<250um的褐煤原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，气化产品气b于距下行床热解炉1顶部1/30处引入，并与褐煤原料接触、并流，并在700℃的操作温度下发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，冷凝装置3采用塔板式冷凝器，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，其焦油产率达15％。而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，而煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与二氧化碳与氧气体积比为100:30的气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中在1650℃的操作温度下发生剧烈的气化反应，随着煤焦c中的可燃物快速消耗，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉6炉底1/4处气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。期间，整个系统的原料碳转化率为99％，产品气d中有效成分h2、co含量分别为24.9％、62.8％，其结果详见表1。

【实施例4】

将粒径<250um的褐煤原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，气化产品气b于距下行床热解炉1顶部1/30处引入，并与褐煤原料接触、并流，并在600℃的操作温度下发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，冷凝装置3采用塔板式冷凝器，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，其焦油产率达17％。而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，而煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与二氧化碳与氧气体积比为100:25的气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中在1400℃的操作温度下发生剧烈的气化反应，随着煤焦c中的可燃物快速消耗，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉6炉底1/4处气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。期间，整个系统的原料碳转化率为97％，产品气d中有效成分h2、co含量分别为24.1％、62.1％，其结果详见表1。

【实施例5】

将粒径<250um的褐煤原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，气化产品气b于距下行床热解炉1顶部1/15处引入，并与褐煤原料接触、并流，并在600℃的操作温度下发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，冷凝装置3采用塔板式冷凝器，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，其焦油产率达18％。而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，而煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与二氧化碳与氧气体积比为100:25的气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中在1400℃的操作温度下发生剧烈的气化反应，随着煤焦c中的可燃物快速消耗，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉6炉底1/4处气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。期间，整个系统的原料碳转化率为97％，产品气d中有效成分h2、co含量分别为24.4％、61.4％，其结果详见表1。

【实施例6】

将粒径<250um的褐煤原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，气化产品气b于距下行床热解炉1顶部1/15处引入，并与褐煤原料接触、并流，并在600℃的操作温度下发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，冷凝装置3采用喷淋式冷凝器，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，其焦油产率达20％。而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，而煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与二氧化碳与氧气体积比为100:25的气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中在1400℃的操作温度下发生剧烈的气化反应，随着煤焦c中的可燃物快速消耗，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉6炉底1/4处气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。期间，整个系统的原料碳转化率为97％，产品气d中有效成分h2、co含量分别为23.7％、61.4％，其结果详见表1。

【实施例7】

将粒径<250um的褐煤原料从下行床热解炉1上方的原料入口a输送至其炉膛内，气化产品气b于距下行床热解炉1顶部1/20处引入，并与褐煤原料接触、并流，并在600℃的操作温度下发生热解反应，生成热解气以及煤焦c颗粒。经气固分离，混合气被送往冷凝装置3快速冷却，冷凝装置3采用喷淋式冷凝器，其中可冷凝气体经冷却后成为焦油e，其焦油产率达20％。而不可冷凝气体则从冷凝装置3中上部的气体出口排出，并经过进一步净化处理后，最终得到产品合成气d；煤焦c经分离后被送入料斗4中，而煤焦c经气体输送进入到喷嘴5，并与二氧化碳与氧气体积比为100:25的气化剂e在喷嘴5头部预混后喷入至气流床气化炉6中在1400℃的操作温度下发生剧烈的气化反应，随着煤焦c中的可燃物快速消耗，最终生成气化产品气b以及气化残渣；气化残渣由于重力作用落入至渣斗7中被收集，而高温的气化产品气b则通过距气流床气化炉6炉底1/4处气体出口被送入至下行床热解炉1中作为热解所需的热源以及热解介质。期间，整个系统的原料碳转化率为97％，产品气d中有效成分h2、co含量分别为24..2％、61.6％，其结果详见表1。【比较例1】

采用传统的texco气流床气化技术，原料采用烟煤，气化压力为4.0mpa，气化温度为1400℃，出口有效成分h2+co含量总和约80.0％，碳转化率为97％，但无焦油产品，

其结果详见表1。

【比较例2】

采用传统的gsp气流床气化技术，原料采用褐煤，气化压力为4.0mpa，气化温度为1600℃，出口有效成分h2、co含量分别约为31％、55％，碳转化率为99％，但无焦油产品，其结果详见表1。

【比较例3】

采用中国科学院工程热物理研究所提出的流化床热解气化联合装置，原料采用粒径<1mm的秸秆，气化温度为900℃，热解温度为850℃，碳转化率为95％，焦油产率为20％，但出口气体组分中co+h2含量仅为58.4％，其结果详见表1。

表1