一种粉煤高压气化热解一体化装置的制作方法

本实用新型涉及粉煤气化技术领域，涉及煤的分质分级清洁高效综合利用技术，具体涉及一种粉煤高压气化热解一体化装置。

背景技术：

我国煤炭资源储量丰富，而石油、天然气资源相对短缺，2010年我国石油的对外依存度已经高达55％。另外，我国每年消费的石油里面约有20％是用作化工原料生产化工产品。因此，利用储量相对丰富的煤炭资源生产替代油品、化工产品和煤气，缓解我国石油进口压力和天然气消费压力，具有十分重要的意义。而在世界范围内以褐煤、长焰煤为代表的低阶煤又占有很大的比例。据测算，全世界褐煤地质储量约为4万亿吨，中国已探明褐煤保有储量为1311.42亿吨，约占煤炭保有储量的13％。中国褐煤资源主要分布在内蒙古自治区东部和云南省境内。褐煤中水分、灰分及含氧量、含油率较高，含碳量、含硫量低，挥发分一般在45％～55％，无黏结性，热稳定性差，化学反应强，含有不等量的腐植酸，燃烧时热值低，储存时易风化自燃，单位能量运输成本高，不利于长距离运输和储存。基于褐煤性质的特殊性，其加工利用方式主要有：燃烧发电、气化、液化、热解、炼焦、制取化工产品腐植酸等。由于褐煤水分高，用于坑口发电热值较低，降低了褐煤的利用率，且燃烧时产生大量粉尘和CO，严重污染环境，因此褐煤提质成为褐煤利用的首要前提。特别是对低阶煤中的大量粉煤如何实现综合利用更成为难以解决的问题。

现有技术中褐煤提质主要采用的技术以直立方炉、旋转床和移动床为代表的固定床，该项技术已经有一定的应用案例(例如嘉华炉)，但该种技术只能利用3-8mm以上的块煤。而目前对于粉状的低阶煤，目前主要方法包括以粉煤燃烧为热源和以低压合成气为热源两种方法。以烟气或通过烟气加热半焦为热源的粉煤热解技术会消耗一定量的半焦，而且热解后的半焦还必须冷却到室温，这一过程会造成半焦内的灰分大大增加。而以低压合成气为热源的热解过程，由于低压气化炉的产能规模有限，造成热解炉的热源受限无法增大规模，因此该方法的热解炉产能受限。

公开号为CN 203373318 U的中国实用新型文献公开了一种粉煤流化床热解系统，其包括流化床热解炉、气体分布器、半焦料斗、多级旋风分离器、净化分离器、导焦管，气体分布器位于流化床热解炉内，多级旋风分离器与气体分布器连接，半焦料斗通过导焦管与气体分布器连接，净化分离器与多级旋风分离器连接。该粉煤流化床热解系统利用高温气体的显热作为流化床热解的热源，解决高温气体显热的利用效率问题，同时将粉煤热解分级提质转化为煤气、半焦和煤焦油。该粉煤流化床热解系统通过优化流化床中利用底部的煤与氧气产生部分燃烧，利用烟气的显热进行热解，减少了高温气体输送难题，同时通过气体与粉煤直接接触增大了换热效率；但是由于该专利采用了粉煤部分燃烧的方法燃烧过程中会产生大量的灰渣，而这些灰渣与半焦混合在一起共同排出，会大大增加半焦中的灰分含量，其次由于燃烧温度较高会造成粉焦的粒径增大，从而增加后期半焦的利用难度；最后由于燃烧会产生大量的烟气，这会大大降低热解气的品质。

公开号为CN 106987281A的中国发明专利文献公开了粉煤热解气化一体化反应器和处理粉煤的方法。粉煤热解气化一体化反应器包括：热解炉体，其内限定有多热解腔室，热解腔室内设置有多个辐射管，热解炉体的顶端具有粉煤入口，热解炉体的底端具有半焦出口，热解炉体上具有合成气出口，热解炉体的侧壁具有连通辐射管的燃料入口和烟气出口；气化炉体，其内限定有气化腔室，气化炉体上具有气化剂入口，气化炉体的顶端具有半焦入口，气化炉体的底端具有灰渣出口，气化炉体位于热解炉体下方，且半焦入口与出口相连。采用该粉煤热解气化一体化反应器可以将粉煤热解得到的半焦直接转化为合成气，并充分利用合成气的显热，同时解决半焦的利用问题。该粉煤热解气化一体化反应器利用了热解炉和气化炉进行耦合得到了一体化装置，能够充分利用合成气的显热和充分利用半焦。但是，首先，该装置采用的是间接加热的方式，导致装置的传热效率较低，单炉处理量受到一定的限制，无法实现快速热解。其次，该装置热解炉在气化炉的上部，物料通过自身重力实现下落进入气化炉，因此，该装置不能处理粒径达到几十微米级别的沫煤，这也通过后面的专利要求中10mm的粒径要求得到了证实；最后，两个炉体上下排布会造成整体装置很高(总体高度在100m左右)，为框架搭建和保证设施安全增加了难度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种能够实现低阶煤高效梯级利用同时产出煤焦油和气化气的粉煤高压气化热解一体化装置，用以解决现有技术中所存在的以烟气或通过烟气加热半焦为热源的粉煤热解技术会消耗一定量的半焦，而且热解后的半焦还必须冷却到室温，这一过程会造成半焦内的灰分大大增加，或以低压合成气为热源的热解过程，由于低压气化炉的产能规模有限，造成热解炉的热源受限无法增大规模，导致其热解炉产能受限的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种能够实现高压直接加氢热解气化的粉煤高压气化热解一体化装置，包括依次连接构成闭路循环结构的气化炉的气化段、激冷段、热解段、冷却分离段和半焦再循环段；

所述气化段包括气化段壳体、气化段耐火料、水蒸气喷嘴、原煤烧嘴和灰渣出口；所述气化段耐火料设置在所述气化段壳体的内部，所述水蒸气喷嘴、所述原煤烧嘴和所述灰渣出口分别设置在所述气化段壳体上；

所述激冷段包括位于外侧的承压的激冷段壳体和位于所述激冷段壳体内部的用于承受高温的激冷段耐火料，及至少两个用于冷却高温气体的激冷气喷嘴；所述激冷气喷嘴设置在所述激冷段壳体上；

所述热解段包括热解段壳体、热解段耐火料、一段原煤烧嘴、热解段内构件和二段氢气喷嘴；所述热解段耐火料设置在所述热解段壳体内，所述一段原煤烧嘴、所述热解段内构件和所述二段氢气喷嘴由上至下依次设置在所述热解段壳体上；

冷却分离段包括承压壳体，所述承压壳体内设置有冷却分离段耐火料，所述承压壳体的顶端开孔与热解段底端的内筒相连通，所述承压壳体内部通过隔板分为两个腔室，所述腔室上部设置有至少两个与热解段的内筒相连接的内旋风；内旋风的气体出口设置在上部所述腔室处，气体汇集后通过热解气与合成气的所述气体出口排出；内旋风的料腿穿过所述隔板伸入下部所述腔室的料层内；用作半焦冷却的下部所述腔室内的所述料层上布设有盘管或排管冷却器，以通过管内的冷却水对半焦进行间接冷却，以根据半焦卸料阀的要求将半焦降温，下部所述腔室通过松动气入口和松动气出口通有松动气；

所述半焦再循环段包括半焦发送罐，所述半焦发送罐上设置有半焦输送管，所述半焦发送罐的上部设置有半焦入口，所述半焦发送罐的中部设置有输送气入口，所述半焦发送罐的底部设置有半焦应急卸料口。

可选地，所述高压粉煤气化热解一体化的气化段与热解段采用并列布置，气化段采用上行气流床，热解段采用下行气流床操作组合。

可选地，所述激冷段设置在所述气化段的上方位置处。

可选地，所述热解段在所述激冷段的右侧位置处与气化段并列布置。

可选地，所述冷却分离段设置在所述热解段的下方位置处。

可选地，所述半焦再循环段设置在所述冷却分离段的下方位置处。

可选地，内旋风设置为耐高温金属或陶瓷材质。

可选地，所述盘管或排管冷却器通过管内的冷却水对半焦进行间接冷却，将半焦降温至℃。

可选地，所述水蒸气喷嘴和所述原煤烧嘴由上至下依次设置在所述气化段壳体的下部。

可选地，所述灰渣出口设置在所述气化段壳体的底部。

本实用新型具有如下优点：

本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置，能够解决现有技术中所存在的以烟气或通过烟气加热半焦为热源的粉煤热解技术会消耗一定量的半焦，而且热解后的半焦还必须冷却到室温，这一过程会造成半焦内的灰分大大增加，或以低压合成气为热源的热解过程，由于低压气化炉的产能规模有限，造成热解炉的热源受限无法增大规模，导致其热解炉产能受限的问题；其通过将上行气流床气化与下行气流床热解进行有机组合，实现了低阶煤高压快速热解和气化一体化，获得了单炉处理量高，焦油产率高，轻油组分多等优点，同时通过在设备内部添加气固分离和半焦冷却等部件有效地降低了产品气含尘量大油尘分离困难和半焦输送的难度，最后本装置通过热解炉和气化炉独特的操作方式组合，使得热解炉和气化炉能够并排运行，大大的缩短了高温气体和半焦的输送距离，提高了设备的安全性，并且降低了整体设备的高度。

附图说明

图1是本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置的结构示意图。

图2是本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置的气化段的结构示意图。

图3是本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置的激冷段的结构示意图。

图4是本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置的热解段的结构示意图。

图5是本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置的冷却分离段的结构示意图。

图6是本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置的半焦再循环段的结构示意图。

图7是本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置的工作原理示意图。

图中，1为气化段，2为激冷段，3为热解段，4为冷却分离段，5为半焦再循环段；1-1为气化段壳体，1-2为气化段耐火料，1-3为水蒸气喷嘴。1-4为原煤烧嘴，1-5为灰渣出口；2-1为激冷段壳体，2-2为激冷段耐火料，2-3为激冷气喷嘴；3-1为热解段壳体，3-2为热解段耐火料，3-3为一段原煤烧嘴，3-4为热解段内构件，3-5为二段氢气喷嘴；4-1为内筒，4-2为承压壳体，4-3为冷却分离段耐火料，4-4为内旋风，4-5为隔板，4-6为盘管或排管冷却器，4-7为松动气入口，4-8为半焦卸料阀，4-9为松动气出口，4-10为气体出口，5-1为半焦入口，5-2为半焦发送罐，5-3为输送气入口，5-4为半焦应急卸料口，5-5为半焦输送管。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例

一种粉煤高压气化热解一体化装置，参见图1，包括依次连接构成闭路循环结构的气化炉的气化段1、激冷段2、热解段3、冷却分离段4和半焦再循环段5；

参见图2，所述气化段1包括气化段壳体1-1、气化段耐火料1-2、水蒸气喷嘴1-3、原煤烧嘴1-4和灰渣出口1-5；所述气化段耐火料1-2设置在所述气化段壳体1-1的内部，所述水蒸气喷嘴1-3、所述原煤烧嘴1-4和所述灰渣出口1-5分别设置在所述气化段壳体1-1上；

参见图3，所述激冷段2包括位于外侧的承压的激冷段壳体2-1和位于所述激冷段壳体2-1内部的用于承受高温的激冷段耐火料2-2，及至少两个用于冷却高温气体的激冷气喷嘴2-3；所述激冷气喷嘴2-3设置在所述激冷段壳体2-1上；

参见图4，所述热解段3包括热解段壳体3-1、热解段耐火料3-2、一段原煤烧嘴3-3、热解段内构件3-4和二段氢气喷嘴3-5；所述热解段耐火料3-2设置在所述热解段壳体3-1内，所述一段原煤烧嘴3-3、所述热解段内构件3-4和所述二段氢气喷嘴3-5由上至下依次设置在所述热解段壳体3-1上；

参见图5，冷却分离段4包括承压壳体4-2，所述承压壳体4-2内设置有冷却分离段耐火料4-3，所述承压壳体4-2的顶端开孔与热解段3底端的内筒4-1相连通，所述承压壳体4-2内部通过隔板4-5分为两个腔室，所述腔室上部设置有至少两个与热解段3的内筒4-1相连接的内旋风4-4；内旋风4-4的气体出口设置在上部所述腔室处，气体汇集后通过热解气与合成气的所述气体出口4-10排出；内旋风4-4的料腿穿过所述隔板4-5伸入下部所述腔室的料层内；用作半焦冷却的下部所述腔室内的所述料层上布设有盘管或排管冷却器4-6，以通过管内的冷却水对半焦进行间接冷却，以根据半焦卸料阀4-8的要求将半焦降温，下部所述腔室通过松动气入口4-7和松动气出口4-9通有松动气；

参见图6，所述半焦再循环段5包括半焦发送罐5-2，所述半焦发送罐5-2上设置有半焦输送管5-5，所述半焦发送罐5-2的上部设置有半焦入口5-1，所述半焦发送罐5-2的中部设置有输送气入口5-3，所述半焦发送罐5-2的底部设置有半焦应急卸料口5-4。

本实施例的粉煤高压气化热解一体化装置，气化段壳体1-1主要用于承受压力，而在气化段1内部具有一定厚度的气化段耐火材料1-2用于承受气化反应的高温以及气流床快速的冲刷。激冷段2的激冷段壳体2-1位于外侧且用于承压，激冷段耐火料2-2位于内部且用于承受高温，激冷气喷嘴2-3用于冷却高温气体。热解段壳体3-1和热解段耐火料3-2的作用分别为承压和耐受热解的高温及粉煤冲刷，一段原煤烧嘴3-3的作用主要是喷入原煤，与高温合成气混合发生热解，热解段内构件3-4的作用主要是提升混合效率，提高传热效果，二段氢气喷嘴3-5的作用是提高氢气分压，实现高温加氢热解，提高轻油组分含量。热解段3下端连接的冷却分离段4和半焦再循环段5，其主要作用是在高温和高压下实现气体和半焦粉煤的预分离以及半焦的冷却。内旋风4-4主要起气固分离作用，由于旋风内外压差不大，因此，内旋风4-4基本不承受压力，可选用耐高温金属或陶瓷作为材料。冷却分离段4的下部腔室主要作用为半焦的冷却，在下部腔室内的料层被布有盘管或排管冷却器4-6，通过管内的冷却水对半焦进行间接冷却，将半焦降温至300℃左右以便满足半焦卸料阀4-8的要求，同时为了提高半焦的传热系数和流动性，在下部腔室通过松动气入口4-7和松动气出口4-9通有松动气。

本实施例的粉煤高压气化热解一体化装置，参见图7，原煤和氧气通过气化段1侧壁的多个原煤烧嘴1-4进入到气化段1内发生高温燃烧，从而为装置提供热源，而后未反应的原煤以及来自半焦输送管的半焦和水蒸气发生气化反应，生成高温合成气主要成分为CO和H2，整体反应在压力4MPa，温度1100-1400℃条件下进行，气化反应中产成的渣以液态形式向下自底部出口排出，1300℃左右高温合成气向上进入激冷段2。进入激冷段2的高温合成气通过与来自多个激冷气喷嘴2-3的200℃左右的激冷气进行混合逐步降温至800℃左右通过顶部弯管后进入热解段。在热解段3的800℃左右的合成气通过与一段原煤喷嘴3-3的原煤混合降温至500℃左右发生快速热解反应，热解反应为气固下行并流气流床反应，反应停留时间约为4s，同时在热解段3通入高温氢气发生加氢反应，进行焦油轻质化。反应后的气体和半焦通过与热解段3下端相连的多个内旋风4-4进行气固分离，气体通过内旋风4-4上部的气体出口汇集到冷却分离段4上部集气室后自产品气出口排出，进行进一步气固分离和焦油冷却获得干净合成气和焦油。分离出的半焦通过内旋风4-4的料腿排入冷却分离段4下部集尘室，而后通过与埋入料仓的盘管或排管冷却器4-6发生间接换热进行冷却，冷却至约300℃的半焦通过半焦卸料阀4-8卸入半焦发送罐，通过输送气输送入气化炉作为气化原料煤进行气化反应。

本实施例的粉煤高压气化热解一体化装置，通过将干煤粉气流床上行气化炉与下行气流床快速热解相结合，实现了粉煤高压快速热解与半焦高压气化耦合一体化多联产。该装置具有粉煤处理量大、操作成熟稳定、富氢快速热解、焦油产率高、轻油含量高等特点，特别是能利用热解产生的高温半焦进行气化反应生成高温高压合成气，而该股合成气的热量又能作为低阶煤热解反应的热源，能量直接合理利用，消耗低。本装置与以直立方炉、旋转床和移动床为代表的固定床及以气体和固体热载体的流化床热解相比，其首先通过将气化炉和热解炉进行了有机组合，通过气化炉合成气上行，热解炉原煤下行的方案，实现对粉煤的处理且规模大；其次，本装置产品气在热解段3停留时间只有5s左右，与含有大量氢气的合成气直接接触换热反应，且热解压力较高(4MPa)，实现了加氢快速热解，因此本装置的焦油产率明显提高，且轻油比重大大增加；再次，本装置通过气化炉和热解炉组合充分的利用了气化合成气和热解半焦的显热，同时两段不同运行方向的组合，大大缩短了高温半焦和高温合成气的输送距离以及整体的装置高度，从而实现了一体化装置；最后，在本装置中还设有内旋风4-4、内置的盘管或排管冷却器4-6等装置，从而大大降低了出本装置的气体的含尘量和半焦的温度，为后续阶段气体中的焦油分离和半焦输送降低了难度。本装置针对当前技术的不足提出的利用上行气流床气化和下行热解炉热解的粉煤高压热解气化一体化装置，通过上述方案能够达到处理粒径小于50um左右的粉煤的要求，该装置具充分利用高温合成气和热解半焦显热，装置处理量大，焦油产率高，轻油含量高，装置高度低，焦油含量量小，一体化多联产设计等优点。

在另一个具体实施例中，所述气化段1设置在所述粉煤高压气化热解一体化装置的左侧底部位置处。

在另一个具体实施例中，所述高压粉煤气化热解一体化的气化段1与热解段3采用并列布置，气化段1采用上行气流床，热解段3采用下行气流床操作组合；其在有效降低设备高度的同时大大减小了高温气化气和高温半焦的输送距离，减少了高温管道和阀门的制造难度。

在另一个具体实施例中，所述激冷段2设置在所述气化段1的上方位置处。

在另一个具体实施例中，所述热解段3在所述激冷段2的右侧位置处与气化段1并列布置。

在另一个具体实施例中，所述冷却分离段4设置在所述热解段3的下方位置处，且冷却分离段实现了半焦的分离、除尘、冷却在同一壳体段完成，避免了高温高压半焦的输送难题，同时减少了壳体的投资。

在另一个具体实施例中，所述半焦再循环段5设置在所述冷却分离段4的下方位置处。

在另一个具体实施例中，内旋风4-4设置为耐高温金属或陶瓷材质。

在另一个具体实施例中，所述盘管或排管冷却器4-6通过管内的冷却水对半焦进行间接冷却，将半焦降温至300℃。

在另一个具体实施例中，所述水蒸气喷嘴1-3和所述原煤烧嘴1-4由上至下依次设置在所述气化段壳体1-1的下部。

在另一个具体实施例中，所述灰渣出口1-5设置在所述气化段壳体1-1的底部。

本实用新型的粉煤高压气化热解一体化装置，其另一个具体实施方式中：采用直径为4米，高为16米的气化炉与直径为2米高为20米的热解段3并排布置的一体化装置在4MPa、1300℃下对28t/h的半焦和12t/h的原煤进行气化，能够获得90000Nm³/h的高温合成气，通过与90000Nm³/h的300℃低温合成气进行激冷混合能够获得180000Nm³/h的800℃合成气。该合成气与40t/h的干燥褐煤混合在500℃时发生热解，能够获得28t/h的半焦进入气化炉，同时获得7500Nm³/h的热解气，2.4t/h的焦油。整个装置采用平均粒度直径50μm左右的干煤粉进料，处理褐煤。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。