一种气化与热解耦合装置及气化热解方法与流程

本发明属于煤气化热解
技术领域：
，具体涉及一种气化与热解耦合装置及气化热解方法。
背景技术：
：基于我国能源供给和消费结构现状，煤炭作为我国主体能源的地位不会发生根本性转变。目前，我国主要以直接燃烧为主的煤炭资源利用方式，基本上只利用了煤炭的燃烧属性，造成煤炭高附加值的组分当燃料烧掉并严重污染环境。因此，开发多种技术相耦合，能够梯级利用煤炭资源，清洁、高效的煤炭分质转化利用技术，是当前我国煤化工必须解决的一个问题。根据煤炭的结构及理化性质，实施以热解为龙头，煤、油、气、电、化一体化多联产的煤炭分质利用技术，注重整体资源转化效率的最大化，实现转化过程中污染物的集中、综合治理，可大幅提高煤炭转化过程中的经济、社会和环境效益。近年来，国内外研究开发出数十种煤热解技术，根据不同的加热方式、炉型结构、热载体形式，煤热解技术也各具特色。有的处于实验室研究阶段，有的处于小试、中试阶段，有的处于工业化示范阶段，现有煤热解技术存在的主要问题是有的装置投资巨大、经济效益差；有的投资较小但污染环境；有的资源利用率及能源转化效率低等。煤炭热解产生的高热值的煤气、煤焦油及高活性的洁净半焦，是煤炭梯级利用的重要一环，但热解的荒煤气除尘一直是制约该类工艺大型工业化的瓶颈。直立炉热解利用块煤或籽煤，将燃烧、部分气化、热解、荒煤气冷却集于一体的热解装置，克服了荒煤气的除尘问题，该工艺结构紧凑、热效率高、投资小，已产业化，但煤气的热值低、水熄焦环境污染大，干熄焦固体显热的回收和利用非常困难，急需优化完善。煤炭气化是煤或焦炭与气化剂在高温下发生化学反应将煤或焦炭转变为煤气的过程。大型高压连续气化已广泛应用生产中，但其投资大且运行费用较大。常规的粒煤或粒焦常压富氧、纯氧连续气化技术也已相当成熟，因投资较小、运行费用低被广泛应用于实际生产，但是气化过程热效率和冷煤气效率较低。技术实现要素：基于以上不足，本发明提供了一种气化与热解耦合装置，将煤热解与半焦气化耦合在一起，利用半焦在气化单元气化产生的高温煤气显热，为低阶煤的热解提供所需的能量，在立式热解单元内使煤转化为高品质的中低温煤焦油和煤气，实现了粉煤热解、半焦气化的分级转化和优化集成，并富产高品质煤焦油和煤气，同时降低了煤炭热解与气化工艺所需的燃料消耗，提高了系统的能源利用效率，并拓宽了半焦的利用途径，实现了煤化工行业高效低耗的目标。同时本申请还提供了利用上述气化与热解耦合装置实现的气化热解方法。本发明采用的技术方案是：一种气化与热解耦合装置，其包括立式热解单元和与之连通的气化单元；所述立式热解单元，包括炉体，所述炉体自上而下分为集气腔1、热解腔2、余热回收腔3和冷却腔4；所述热解腔2上开设有煤气入口和高温半焦导出口；热解腔2的下侧开设有高温半焦导出口，高温半焦导出口与气化单元的进料口连通；所述余热回收腔3的高温介质出口与气化单元的气化剂入口连通；所述热解腔2的煤气入口与气化单元的煤气导出口连通，使热解腔2热解产生的半焦一部分作为气化单元产生高温煤气的反应原料参与气化反应，另一部分在余热回收腔3内与气化单元的气化剂逆流换热。进一步限定，所述气化单元包括气化反应器5以及设置在气化反应器5内腔底部的排渣机构7和设置在气化反应器5底端外侧的夹套蒸汽腔6，在气化反应器5的底部开设有气化剂入口，排渣机构7设置在气化剂入口的正上方，使气化反应的灰渣经排渣机构7从气化剂入口的外侧排出；所述夹套蒸汽腔6上开设蒸汽出口，蒸汽出口通过管道与余热回收腔3的混合气入口连通；所述气化反应器5上部开设煤气导出口，煤气导出口通过管道与热解腔2的煤气入口连通，在气化反应器5中以高温半焦为反应热源，与气化剂反应产生高温煤气显热，进入热解腔2为低阶煤的热解直接提供所需的能量，并改变热解环境，提高半焦品质。进一步限定，所述气化单元还包括灰渣缓冲仓8，所述灰渣缓冲仓8的入口与排渣机构7的排渣口连通，将气化反应后产生的灰渣冷却后排出。进一步限定，所述余热回收腔3内设置有竖直排列的换热管31，换热管31的水平间距为30-80mm，每排相邻两换热管之间用板连接；排与排间距为150-300mm，通过余热回收腔的设立和换热管的排布，提高换热效率和余热回收效率。进一步限定，所述立式热解单元的冷却腔4的下方设置有推焦器41，所述推焦器41的半焦出口端设置有锁气器。一种利用上述的气化与热解耦合装置实现的气化热解方法，其包括以下步骤：(1)6-80mm原料籽煤在重力作用下进入立式热解单元，籽煤在立式热解单元的热解腔2与气化单元产生的800～1200℃的高温煤气逆流换热，逐步升温至500～800℃发生热解反应，产生的荒煤气随气化煤气一起经集气腔1排出；(2)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，反应后产生的高温煤气从气化单元导出后进入立式热解单元的热解腔2进行热解反应；另一部分半焦直接进入余热回收腔3，在余热回收腔3与气化单元排出的水蒸汽换热，使半焦冷却后排出，而水蒸汽升温至300～450℃后返回气化单元作为气化剂回用。进一步限定，所述步骤(2)具体为：(2.1)热解后的500～700℃半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，另一部分直接进入余热回收腔3；进入气化单元的半焦与进入余热回收腔3的半焦的流量比为1：0.5～1；(2.2)气化反应后的余热被气化单元的夹套蒸汽腔6内的除氧水吸收，产生中压水蒸汽被输送至余热回收腔3，而气化反应后产生的高温煤气自下向上导出后进入立式热解单元的热解腔2底部，并通过气体分布器21在热解腔2底部均匀分布，在自下而上流动过程中与籽煤逆流接触，完成步骤(1)的热解反应；(2.3)进入余热回收腔3的半焦，与夹套蒸汽腔6产生的中压水蒸汽换热，使半焦预冷却，而中压水蒸汽换热升温后从高温介质出口输出经管道输送进入气化单元的气化反应器5作为气化剂参与气化反应，如此循环；(2.4)预冷却的半焦进入冷却腔4冷却后排出。进一步限定，所述步骤(2.3)具体为：进入余热回收腔3的半焦，与夹套蒸汽腔6产生的中压水蒸汽纵向换热，使半焦预冷却至300～450℃，而中压水蒸汽换热升温至300～450℃后从高温介质出口输出经管道输送进入气化单元的气化反应器5作为气化剂参与气化反应，如此循环。与现有技术相比，本申请的优点是：(1)本申请将煤热解与半焦气化耦合在一起，利用半焦在气化单元气化产生的高温煤气显热，为低阶煤的热解直接提供所需的能量，在立式热解单元内使煤转化为高品质的中低温煤焦油和煤气，实现了粉煤热解、半焦气化的分级转化和优化集成，并富产高品质煤焦油和煤气；而热解过程中产生的半焦直接进入气化单元进行气化，实现了热解过程和气化过程物料和能量的耦合，同时，利用半焦冷却前与气化剂进行换热，提高气化剂的入炉温度，提高了热能利用率。(2)本申请的气化单元与热解炉耦合气化热解技术，采用气化单元的高温气化气进入热解段进行直接热解，不发生燃烧反应，提高了半焦的品质，降低了半焦的灰分，能够将常规内燃立式热解单元产品半焦灰分15％-20％的指标降低至半焦灰分到5-10％，降低了煤炭热解与气化工艺所需的燃料消耗，提高了系统的能源利用效率，并拓宽了半焦的利用途径，实现了煤化工行业高效低耗的目标。(3)本申请实现了能量、物料、产品、工艺、装置的有效耦合，集成优化，大幅度提高了能量转化效率，有着比常规热解工艺以及煤炭其它转化技术高的能量转化效率。(4)本申请中，由于气化单元的加入，改善了热解炉的热解环境，因而改变了热解焦油和热解气的品质，同时，能够增加焦油和热解气的产率，能够将焦油产率提高至煤格金产率的120％以上，采用气化产生的高温煤气作为气体热载体，与常规的采用烟气做热载体技术对比，无其他气体介入，单位产品的二氧化碳排放量明显降低，产生的热解气主要成分为co、ch4、h2(三者含量高达80％)，煤气中基本不含氮气，热值高，热解气品质良好，克服了常规直立炉热解以燃烧烟气为热载体致使产生的热解气中n2、co2含量很高的问题。(5)本申请中，利用气化产生的高温水煤气做系统的气体热载体，与热解后的高温半焦直接气化，与常规的采用烟气做热载体技术对比，单位产品的二氧化碳排放量明显降低。(6)本申请在半焦冷却前先利用余热回收腔3对半焦进行预冷却，使余热回收，而且大大提高半焦的冷却效果，并且有单独通道，半焦气化后的灰分单独排出，可有效的降低半焦的灰分，提高产品半焦的品质。(7)与常规的气化单元技术相比，本申请取消了顶部加煤和上段的预热段的结构设计，增加集气系统，降低了炉体高度，减小了设备尺寸，节省了装置投资，降低了运行成本，减少了热损失，与热解炉耦合，有效提高了装置制气能力以及热效率。附图说明图1为本申请的气化与热解耦合装置结构示意图。具体实施方式现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。本申请的高效气化热解的方法，用来处理粒径为6-80mm籽煤，煤矿经过筛分或洗选后小于80mm原煤，入炉前再次筛分去除6mm以下的粉煤。该方法主要由以下步骤实现：(1)6-80mm原料籽煤在重力作用下进入立式热解单元，籽煤在立式热解单元的热解腔2与气化单元产生的800～1200℃的高温煤气逆流换热，逐步升温至500～800℃发生热解反应，产生的荒煤气随气化煤气一起经集气腔1排出；(2)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，反应后产生的高温煤气从气化单元导出后进入立式热解单元的热解腔2进行热解反应；另一部分半焦直接进入余热回收腔3，在余热回收腔3上部与气化单元排出的气化剂换热、下部与脱盐水换热，使半焦冷却后排出，而气化剂升温后返回气化单元回用。为了实现上述高效气化热解的方法，可以通过下述的气化与热解耦合装置来实现。本申请的气化与热解耦合装置包括立式热解单元和与之连通的气化单元，气化单元的高温煤气通过管道输送至立式热解单元内参与籽煤热解反应，气化单元的中压水蒸汽进入立式热解单元内与热解后的半焦换热，对半焦实现预冷却，而中压水蒸汽加热升温后返回气化单元作为气化剂参与气化反应，实现热解与气化的耦合。上述的立式热解单元，包括炉体，所述炉体自上而下分为集气腔1、热解腔2、余热回收腔3和冷却腔4；所述热解腔2上开设有煤气入口和高温半焦导出口；热解腔2的下侧开设有高温半焦导出口，高温半焦导出口与气化单元的进料口连通；所述余热回收腔3的高温介质出口与气化单元的气化剂入口连通；所述热解腔2的煤气入口与气化单元的煤气导出口连通，使热解腔2热解产生的半焦一部分作为气化单元产生高温煤气的反应原料参与气化反应，另一部分在余热回收腔3内与气化单元的气化剂逆流换热；上述余热回收腔3内设置有竖直排列的多排换热管31，换热管31与换热管之间的水平间距为30-80mm，每排相邻两换热管之间用板连接，每排换热管与相邻一排换热管之间的间距为150-300mm，方便半焦换热预冷却后下落。上述气化单元包括气化反应器5以及设置在气化反应器5内腔底部的排渣机构7、设置在气化反应器5底端外侧的夹套蒸汽腔6、与排渣机构7连通的灰渣缓冲仓8；在气化反应器5的底部开设有气化剂入口，排渣机构7设置在气化剂入口的正上方，使气化反应的灰渣经排渣机构7从气化剂入口的外侧排出；所述夹套蒸汽腔6上开设蒸汽出口，蒸汽出口通过管道与余热回收腔3的混合气入口连通；所述气化反应器5上部开设煤气导出口，煤气导出口通过管道与热解腔2的煤气入口连通。实施例1参见图1，本实施例的气化与热解耦合装置，其包括立式热解单元和与之连通的气化单元；立式热解单元，包括炉体，所述炉体自上而下分为集气腔1、热解腔2、余热回收腔3和冷却腔4；在集气腔1内设置集气分布管11，将自下而上聚集的荒煤气经籽煤过滤后从开设在集气腔1腔体上的荒煤气出口排出。在集气腔1下方是热解腔2，热解腔2的腔体高度是5000mm，热解腔2的作用是籽煤与气化单元产生的800～1200℃的高温煤气在此逆流换热，使籽煤逐步升温至500～800℃发生热解反应，热解后的荒煤气上升至集气腔1，而热解的籽煤进一步下落至余热回收腔3。该热解腔2上开设有煤气入口和高温半焦导出口；热解腔2的下侧开设有高温半焦导出口，高温半焦导出口与气化单元的进料口连通，将热解后的半焦一部分排放至气化单元内。在热解腔2内下部还设置有气体分布器21，该气体分布器21的进气口与气化单元连通，将气化单元产生的高温煤气通过气体分布器21直接导入热解腔2内，从热解腔2内径向分布，使高温煤气在热解腔2内均匀分布且与自上而下移动的籽煤形成逆流接触换热，使籽煤热解，而反应后产生的荒煤气自下而上经籽煤或半焦过滤后进入集气腔1。为了保证热解效果，气体分布器21应设置在高温半焦导出口的上方，使籽煤热解后产生半焦，经高温半焦导出口导出，进入气化单元。热解后的高温半焦一部分经经高温半焦导出口导出，另一部分直接下落进入余热回收腔3。本实施例的余热回收腔3与热解腔2同径布设，余热回收腔3的腔体高度为2000mm，主要用于对热解后的半焦进行预冷却，在余热回收腔3的侧壁上开设有高温介质出口和混合气入口，余热回收腔3的内腔侧壁设置有竖直排列的换热管31，换热管31的水平间距60mm，每排相邻两换热管之间用板连接；排间距200mm，换热管31的出口与高温介质出口连通，换热管31的入口与混合气入口连通，使余热回收腔3内通过混合气入口与气化单元的蒸汽出口连通，向腔体内通入中压水蒸汽和氧气的混合气，形成换热气体通道，利用中压水蒸汽和氧气的混合气作为换热介质与高温半焦逆流换热，降低半焦的温度，而换热后的高温气体通过与高温介质出口连通的管道输送至气化单元，作为气化单元的气化剂循环回用。预冷却的半焦降温后进入冷却腔4，在冷却腔4内通过脱盐水换热冷却降温，在冷却腔4的下方设置有推焦器41，推焦器41的半焦出口端设置有锁气器，利用锁气器将半焦排出，而隔绝气体，冷却的半焦通过推焦器41排出，经刮料板送入互锁的锁气器，最后最为产品排出。本实施例的气化单元包括气化反应器5以及设置在气化反应器5内腔底部的排渣机构7和设置在气化反应器5底端外侧的夹套蒸汽腔6、与排渣机构7连通的灰渣缓冲仓8；在气化反应器5的底部开设有气化剂入口，排渣机构7设置在气化剂入口的正上方，使气化反应的灰渣经排渣机构7从气化剂入口的外侧排出；灰渣缓冲仓8的入口与排渣机构7的排渣口连通，将灰渣排至灰渣缓冲仓8缓存，冷却后排出。夹套蒸汽腔6上开设蒸汽出口，蒸汽出口通过管道与余热回收腔3的混合气入口连通；在气化反应器5的上部开设煤气导出口，在气化反应器5内正对煤气导出口的位置也设置有集气分布管11，该集气分布管11与热解腔2的集气分布管11结构相同，其主要作用是使气化反应产生的煤气顺利通过煤气导出口导出，该煤气导出口通过管道与热解腔2的煤气入口连通，将高温煤气导入热解腔2，改变热解腔2内的热解环境，直接显热，作为气体热载体，与热解后的高温半焦直接换热并发生热解反应。本实施例用上述立式气化与热解耦合装置对籽煤气化热解，具体方法及检测结果如下：(1)6-80mm原料籽煤在重力作用下进入立式热解单元，籽煤在立式热解单元置的热解腔2与气化单元产生的1000℃左右的高温煤气逆流换热，逐步升温至800℃左右发生热解反应，产生的荒煤气随气化煤气一起经集气腔1排出；(2)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，反应后产生的高温煤气从气化单元导出后进入立式热解单元的热解腔2进行热解反应；另一部分半焦直接进入余热回收腔3，在余热回收腔3上部与气化单元排出的气化剂换热、下部与脱盐水换热，使半焦冷却后排出，而气化剂升温后返回气化单元回用，具体为：(2.1)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，另一部分直接进入余热回收腔3；进入气化单元的半焦与进入余热回收腔3的半焦的流量比为1：0.8；(2.2)气化反应后的余热被气化单元的夹套蒸汽腔6内的除氧水吸收，产生中压水蒸汽作为气化剂与氧气混合后被输送至余热回收腔3，而气化反应后产生的高温煤气自下向上导出后进入立式热解单元的热解腔2底部，并通过气体分布器21在热解腔2底部均匀分布，在自下而上流动过程中与籽煤或半焦逆流接触，为籽煤的热解提供所需的能量，不发生燃烧反应，完成步骤(1)的热解反应，改善了热解环境，能够增加焦油和热解气的产率，能够将焦油产率提高至煤格金产率的120％以上；(2.3)进入余热回收腔3的半焦，与夹套蒸汽腔6产生的中压水蒸汽纵向换热，使半焦预冷却至400℃左右，而中压水蒸汽换热升温至400℃左右后从高温介质出口输出经管道输送进入气化单元的气化反应器5作为气化剂参与气化反应，达到热量充分发挥，如此循环。(2.4)预冷却的半焦进入冷却腔4与脱盐水换热冷却后经推焦器41刮料板送入互锁的锁气器，排出。表1为原料籽煤的工业分析表2为本实施例的半焦工业分析检测指标水分mad灰分ad挥发分vdaf固定碳fcad检测结果(％)0.59.14.982表3为本实施例的煤气组成分析由上述表1和表2分析可知，本实施例的方法所产的半焦挥发分低至4.9％，半焦灰分9.1％，指标均优于常规内燃式直立炉半焦，属优质洁净煤，煤气的有效成分(h2+co+ch4)达80.46％，指标也优于常规内燃式直立炉所产煤气(有效成分40％左右)。实施例2本实施例的气化与热解耦合装置的结构与实施例1的不同之处在于：本实施例的热解腔2的腔体高度是3500mm，余热回收腔3的腔体高度为1500mm，余热回收腔3的内腔侧壁设置有竖直排列的换热管31，换热管31的水平间距80mm，每排相邻两换热管之间用板连接；排间距150mm，其他部件均与实施例1相同。本实施例对籽煤气化热解，具体方法如下：(1)6-80mm原料籽煤在重力作用下进入立式热解单元，籽煤在立式热解单元的热解腔2与气化单元产生的800℃的高温煤气逆流换热，逐步升温至500℃发生热解反应，产生的荒煤气随气化煤气一起经集气腔1排出；(2)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，反应后产生的高温煤气从气化单元导出后进入立式热解单元的热解腔2进行热解反应；另一部分半焦直接进入余热回收腔3，在余热回收腔3上部与气化单元排出的气化剂换热、下部与脱盐水换热，使半焦冷却后排出，而气化剂升温后返回气化单元回用，具体为：(2.1)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，另一部分直接进入余热回收腔3；进入气化单元的半焦与进入余热回收腔3的半焦的流量比为1：0.5；(2.2)气化反应后的余热被气化单元的夹套蒸汽腔6内的除氧水吸收，产生中压水蒸汽作为气化剂与氧气混合后被输送至余热回收腔3，而气化反应后产生的高温煤气自下向上导出后进入立式热解单元的热解腔2底部，并通过气体分布器21在热解腔2底部均匀分布，在自下而上流动过程中与籽煤或半焦逆流接触，为籽煤的热解提供所需的能量，不发生燃烧反应，完成步骤(1)的热解反应，改善了热解环境，能够增加焦油和热解气的产率，能够将焦油产率提高至煤格金产率的150％以上；(2.3)进入余热回收腔3的半焦，与夹套蒸汽腔6产生的中压水蒸汽纵向换热，使半焦预冷却至300℃，而中压水蒸汽换热升温至300℃后从高温介质出口输出经管道输送进入气化单元的气化反应器5作为气化剂参与气化反应，达到热量充分发挥，如此循环。(2.4)预冷却的半焦进入冷却腔4与脱盐水换热冷却后经推焦器41刮料板送入互锁的锁气器，排出。实施例3本实施例的立式气化与热解耦合装置的结构与实施例1的不同之处在于：本实施例的热解腔2的腔体高度是8000mm，余热回收腔3的腔体高度为3000mm，余热回收腔3的内腔侧壁设置有竖直排列的换热管31，换热管31的水平间距30mm，每排相邻两换热管之间用板连接；排间距200mm，其他部件均与实施例1相同。本实施例对籽煤气化热解，具体方法及检测结果如下：(1)6-80mm原料籽煤在重力作用下进入立式热解单元，籽煤在立式热解单元的热解腔2与气化单元产生的1200℃的高温煤气逆流换热，逐步升温至800℃发生热解反应，产生的荒煤气随气化煤气一起经集气腔1排出；(2)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，反应后产生的高温煤气从气化单元导出后进入立式热解单元的热解腔2进行热解反应；另一部分半焦直接进入余热回收腔3，在余热回收腔3上部与气化单元排出的气化剂换热、下部与脱盐水换热，使半焦冷却后排出，而气化剂升温后返回气化单元回用，具体为：(2.1)热解后的半焦在重力作用下一部分直接进入气化单元，与底部通入的气化剂发生气化反应，另一部分直接进入余热回收腔3；进入气化单元的半焦与进入余热回收腔3的半焦的流量比为1：1；(2.2)气化反应后的余热被气化单元的夹套蒸汽腔6内的除氧水吸收，产生中压水蒸汽作为气化剂与氧气混合后被输送至余热回收腔3，而气化反应后产生的高温煤气自下向上导出后进入立式热解单元的热解腔2底部，并通过气体分布器21在热解腔2底部均匀分布，在自下而上流动过程中与籽煤或半焦逆流接触，为籽煤的热解提供所需的能量，不发生燃烧反应，完成步骤(1)的热解反应，改善了热解环境，能够增加焦油和热解气的产率，能够将焦油产率提高至煤格金产率的150％以上；(2.3)进入余热回收腔3的半焦，与夹套蒸汽腔6产生的中压水蒸汽纵向换热，使半焦预冷却至450℃，而中压水蒸汽换热升温至450℃后从高温介质出口输出经管道输送进入气化单元的气化反应器5作为气化剂参与气化反应，达到热量充分发挥，如此循环。(2.4)预冷却的半焦进入冷却腔4与脱盐水换热冷却后经推焦器41刮料板送入互锁的锁气器，排出。本申请提供的一种气化与热解耦合方法，主要将热解与气化耦合，一部分半焦直接进入气化单元进行气化，使立式热解单元与半焦气化单元耦合在一起，利用半焦在气化单元气化产生的高温煤气显热，为立式热解单元煤热解提供所需的能量，在立式热解单元内使煤转化为高品质的中低温煤焦油和煤气，实现了粉煤热解、半焦气化的分级转化和优化集成，并富产高品质煤焦油；而热解过程中产生的部分半焦直接进入气化区域进行气化，实现了热解过程和气化过程物料和能量的耦合。同时，利用半焦冷却前与气化剂进行换热，回收利用了高温半焦的显热，提高气化剂的入炉温度，有效提高了热能利用率。当前第1页12