专利名称：碳转化率高的煤气化装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高密度增压流化床煤气化装置，属于煤气化技术领域。 技术背景
煤气化可以更好地解决煤直接燃烧过程中的污染问题，如整体煤气化联合循环是最洁净 的燃煤发电方式；不仅如此，煤气化还能形成高价值的产品，如以煤为原料的化工生产，尤 其是以生产合成氨、甲醇、制H2和液体燃料等，在我国能源战略中起着非常重要的地位。
目前，工业化的煤气化装置主要有固定床、流化床和气流床气化炉三大类型。这些气化 工艺都有其有缺点和适用范围(1)气流床气化炉是当前发展较快的气化工艺，它的特点是
碳转化率高，冷煤气效率和热效率较之其它气化工艺高，且适于大型化生产，最大单台气化
炉的日处理煤量可达2000 3000吨；但由于它是液态排渣，因此只适用于灰熔点小于1400 度的煤，对高灰、高灰熔点的煤也不适用；此外气化氧耗也较之其它工艺高；(2)固定床气 化炉的优点是单位能耗比较小，对煤种有较宽的适应范围，热效率较高；但是固定床气化工 艺对煤的粒度有较严格的要求，仅适用于弱粘结性块煤或型煤的气化，且为防止结渣，操作 温度较低，水蒸汽用量大，产生的副产物焦油和酚难以处理；此外，由于其气化强度较低， 大型化受到一定的限制；(3)流化床气化炉的特点是对煤种适应性相对比较广，包括高灰、 低热值和高灰熔点的煤种，气化过程氧耗较低，适合于空气气化和富氧气化；目前存在的问 题是对煤种适应性较好且已经工业化的KRW和U-Gas炉型的放大性能受到一定的限制； 增压鼓泡流化床(如HTW)和循环流化床气化炉已经成功放大到日处理煤量740吨，当二者 仅适用于粘性较好的煤。
我国的煤炭资源不仅分布广、类型多，而且三高煤(高灰熔点、高灰、高硫)在煤的总 储量中占很大的比例,其中高灰熔点煤约占总储量的50% ，含硫量超过2%的高硫煤约占20 40%，煤炭中的平均含灰量大于20%。现有的气化工艺无法直接应用于我国储量丰富的高硫、 高灰、高灰熔点煤的气化，因此亟需开发对煤种适应性广特别适合于处理我国储量丰富的高 硫、高灰、高灰熔点煤，且气化过程碳转化率高、煤气热值高、投资低、环保性能优越的先 进气化技术。
发明内容
技术问厘针对目前各种气化技术在高硫、高灰、高灰熔点煤气化上存在的问题，本实 用新型提出一种碳转化率高的煤气化装置，目的在于提供一种对煤种适应性广，特别是适合 于处理我国储量丰富的高硫、高灰、高灰熔点煤，且气化过程碳转化率高、煤气热值高、投资低、环保性能优越的气化装置。
技术方案本实用新型的碳转化率高的煤气化装置主要由气化反应器、两级高效旋风分 离器、两级返料阀等组成。气化反应器由耐火砖砌筑或耐火材料浇注而成，设置在压力壳内， 压力壳与反应器之间填有保温层；反应器自下而上分为密相湍流流化段、高密度环核流动段、 高密度快速流动段。密相湍流流化段的上部设有一级返料口，下部设有煤和石灰石进口，底 部设有布风板和排渣管为了密相湍流流化段布风均匀、排渣顺畅和防止高温结焦，布风板 上装有中间定向风帽和周边流化风帽，布风板下部为风室，风室由中间风室和周边风室组成； 中间风室底部设有细排灰口和过热蒸汽入口；周边风室设有主气化剂进口，底部设置有两个 粗排灰口；排渣管穿过中间风室和压力壳通向炉外。高密度环核流动段为密相湍流流化段和 高密度快速流动段之间的放大膛体，下部设有一级二次气化剂进口，中部设有二级二次气化 剂进口， 二级返料口设置在一级二次气化剂进口上方。高密度快速流动段的直径与密相湍流 流化段段相同，其上部侧面的反应器出口与一级高效旋风分离器相连，分离器的底部接有一 级落料管，落料管的下部接有一级返料阀，其返料管与反应器轴线成30 45度连接一级返料 口 一级高效旋风分离器上部的出口接有二级高效旋风分离器,与一级高效旋风分离器成60 90度且在较高的位置布置，分离器的底部接有二级落料管，落料管的下部接有二级返料阀， 其返料管与反应器轴线成30 45度连接二级返料口。
有益效果本实用新型的装置与方法针对目前各种气化技术在高硫、高灰、高灰熔点煤 气化上存在的问题，结合了流化床和气流床气化工艺的优点，且具有如下的特色及优点
1、 反应器采用密相湍流流化段、高密度环核流动段和高密度快速流动段三段设计，在不同特 征的流态下进行加压分段气化，保证了粗颗粒煤、细颗粒煤和脱硫剂在不同区段都有充分 的反应时间，且这些区段的流动动力特征放大性能好。
2、 风室分区设置，布风板上装有中间定向风帽和周边流化风帽，使密相湍流流化段布风均匀、 排渣顺畅和有效防止高温结焦。
3、 根据煤气化后续的生产对象，气化剂可采用蒸汽加空气、富氧空气或纯氧等多种形式。
4、 气化剂采用分级加入的方式，有利于气化器内温度的合理分布；其中，下部密相湍流流化 段气化温度较低，可防止局部温度过高而结焦，中部高密度环核流动段和上部高密度快速 流动段采用较高反应温度，有利于提高气化反应的碳转化率，克服一般流化床气化碳转化 率偏低的弱点。
5、 采用加压气化，大幅度提高了单位面积的气化强度，縮小了气化装置的体积。
6、 采用两级高效旋风分离器，可高效分离煤气中粒径10微米以上的细颗粒，总分离效率达 99%以上； 一方面使煤气的品质高，特别适合于高灰煤种的气化；另一方面高的分离效率 为形成高的循环倍率创造了条件。
7、 考虑了第一、二级旋风分离器的压差，采用两级独立返料方式，便于控制；此外，在返料 管中添加一定量的惰性细床料可提高循环物料在旋风分离器下部落料管的流动性能和返 料的顺畅，形成高的循环倍率，保证了高密度环核流动段和高密度快速流动段具有高的颗粒浓度，促进碳转化率提高。
8、 采用0 10國宽筛分煤，粒径范围宽，适合处理目前机械化开采的碎煤，对煤粉制备系统 要求较低。
9、 对煤种的适应性好，特别适合气化我国储量丰富的高硫、高灰、高灰熔点煤。
图1是本实用新型的碳转化率高的煤气化装置总体结构示意图。 图2是本实用新型的碳转化率高的煤气化装置底部结构放大示意图。 图3是本实用新型的碳转化率高的煤气化装置实施系统示意图。
以上的图中有气化反应器l、压力壳2、 一级高效旋风分离器3、 一级落料管4、 一级 返料阀5、 二级高效旋风分离器6、 二级落料管7、 二级返料阀8、密相湍流流化段9、高密度 环核流动段10、高密度快速流动段11、辅助气化剂进口 12、煤和石灰石进口 13、 一级返料 口 14、布风板15、排渣管16、风室17、中间定向风帽18、周边流化风帽19、中间风室20、 周边风室21、细排灰口22、蒸汽入口23、主气化剂进口24、粗排灰口 25、 一级二次气化剂 进口26、 二级二次气化剂进口27、 二级返料口28、反应器出口29、 一级返料管30、 二级返 料管31、 一级惰性床料加入口32、 二级惰性床料加入口33、保温层34、余热锅炉35、除尘 净化设备36、化工生产设备37、 CFB锅炉38、加热器39、混合器40。煤和石灰石A、主气 化剂B、 二次气化剂C、空气或纯氧或富氧空气D、气固混合物E、粗煤气F、 一级分离料G、 一级返料H、 一级净化煤气I、 二级分离料J、 二级返料K、高温净煤气L、渣粒M、进中间 风室细灰或渣或惰性床料N、进周边风室细灰或渣或惰性床料O、过热蒸汽P、气化剂Q、低 温蒸汽R、高温蒸汽S、低温净煤气T、排灰U、精煤气V、化工产品W。
具体实施方式
参见附图1和图2气化反应器1分为密相湍流流化段9、高密度环核流动段10、高密度 快速流动段11,根据高硫、高灰、高灰熔点煤的气化特征进行加压分段气化，气化压力为1. 0 2.5MPa。密相湍流流化段9为颗粒体积浓度0.3 0.45、料层高度为2 5m的密相区，采用温 度850 1050度、气速l 1.5m/s的湍流流化运行方式，其功能是实现床料、煤和石灰石A、 气化剂Q和一级返料H的良好混合和热质传递，以及进行煤的脱挥发份、燃烧和部分气化反 应；床料采用粒径为0 3mm惰性床料，如石英砂；煤和石灰石A从密相湍流流化段9加入， 采用粒径为0 10mm的颗粒；气化剂Q为气化所需的80 93%的过热蒸汽P和100%的空气 或纯氧或富氧空气D混合而成，气化剂Q采用分级加入的方式，30 50X的二次气化剂C从 高密度环核流动段10的一级二次气化剂进口 26和二级二次气化剂进口 27加入，50 70%的 主气化剂B从周边环形风室21的主气化剂进口 24加入；密相湍流流化段9煤挥发份脱出和 空气或氧气发生燃烧反应提供气化反应热量，然后蒸汽与煤发生部分气化反应，产生煤气和 半焦。高密度环核流动段10和高密度快速流动段11是气化反应和脱硫反应的主要区段，密
5相湍流流化段9部分气化后生成的半焦在此区段气化，石灰石将气化过程产生的H2S脱除。高 密度环核流动段IO和高密度快速流动段11是气化反应和脱硫反应的主要区段，密相湍流流 化段9部分气化后生成的半焦在此区段气化，石灰石将气化过程产生的H2S脱除。高密度环核 流动段10高度为5 8m、采用温度1000 1200度、颗粒体积浓度为0.1 0.2和气速1. 5 2m/s 的高密度环核流动运行方式该区段截面较大，通过在该区段中、下部加入二次气化剂C和 下部加入二级返料K，形成高密度环核流动，近壁面区气固的滑移和返混加强了气固之间的相 互作用，可提高气化反应和含硫污染物脱除速率。高密度快速流动段ll高度为3 5m，采用 温度1100度左右、颗粒体积浓度大于0.1和气速2. 5~3m/s的高密度快速流动运行方式；足 够高的反应区段和高密度快速流动所形成的湍动，保证了颗粒的提留时间，使碳转化率和污 染物脱除效率提高。采用两级高效旋风分离器来分离生成的煤气中的固体颗粒(主要为飞灰、 未反应完全的焦碳、脱硫产生的CaS和细惰性床料等)，使粒径为IO微米以上的颗粒全部被 分离下来，总分离效率大于99%，其中第一级大于95%，第二级大于85%。采取独立返料方 式， 一级返料H进入密相湍流流化段9, 二级返料K进入高密度环核流动段10,两级返料互 不干扰；返料风采用气化所需的2 5%过热蒸汽P;此外，为提高返料的流动性，在返料管 中添加一定量的粒径200微米以下惰性细床料.以保证两级返料总共达到50以上的高循环倍 率，使没有反应完全半焦和石灰石通过不断的循环来提高碳的转化率和含硫污染物的脱除效 率。气化过程产生的渣粒M由排渣管排16出，气化所需的5 15%过热蒸汽P通入中间风室 20,经由中间定向风帽18进入气化器1，气化产生的渣粒M在过热蒸汽P的定向吹动下顺利 进入排渣管16，由排渣设备间断或连续排出，该过热蒸汽P还可起到调温作用，通过加入过 热蒸汽P的量调节布风板15区域的温度，防止高温结焦；由于气化反应器1内气固脉动落入 中间风室20的细灰或渣或惰性床料N由其底部的细排灰口 22排出，而落入周边风室的细灰 或渣或惰性床料O由其底部的粗排灰口 25排出。
具体结构是气化反应器1由耐火砖砌筑或耐火材料浇注而成，设置在压力壳2内，压 力壳2与气化反应器1之间填有保温层34;气化反应器1自下而上分为密相湍流流化段9、 高密度环核流动段IO、高密度快速流动段ll。密相湍流流化段的上部设有一级返料口 14,下 部设有煤和石灰石进口 13，底部设有布风板15和排渣管16;为了密相湍流流化段9布风均 匀、排渣顺畅和防止高温结焦，布风板15上装有中间定向风帽18和周边流化风帽19;布风 板15下部为风室17,风室17由中间风室20和周边风室21组成；中间风室20底部设有细排 灰口 22和过热蒸汽入口 23;周边风室21的侧面设有主气化剂进口 24,底部设置有两个粗排 灰口 25;排渣管16穿过中间风室20和压力壳2通向炉外。高密度环核流动段10为密相湍流 流化段9和高密度快速流动段11之间的放大膛体，下部侧面设有一级二次气化剂进口 26，中 部设有二级二次气化剂进口 27， 二级返料口 28设置在一级二次气化剂进口 26上方。高密度 快速流动段11的直径与密相湍流流化段9相同，其上部侧面的反应器出口 29与一级高效旋 风分离器3相连，分离器的底部接有一级落料管4,落料管的下部接有一级返料阀5, —级返 料管30与反应器轴线成30 45度连接一级返料口 14， 一级返料管30上设有一级惰性床料加入口 32; —级高效旋风分离器3上部的出口接有二级高效旋风分离器6，与一级高效旋风分 离器3成60 90度且在较高的位置布置，分离器的底部接有二级落料管7，落料管的下部接 有二级返料阀8, 二级返料管31与反应器轴线成30~45度连接二级返料口 28， 二级返料管 31上设有二级惰性床料加入口 33。
参照图3，根据本实用新型而实施的日处理量为200吨的高硫、高灰、高灰熔点煤气化 工艺的具体过程为
主体结构上，气化反应器1总高18m，其中密相湍流流化段9高5m直径lm、高密度环 核流动段10高8m直径1.3m、高密度快速流动段11高5m直径lm;气化反应器1由耐火材 料(白刚玉或棕刚玉)浇注而成，厚约100nmi;设置在压力壳2内，压力壳2与气化反应器1 之间填有150mm厚的保温层34 (如保温砖或硅酸铝纤维)；煤和石灰石进口 13设置在布风板 15上方1. 5m髙度处， 一级返料口 14设置在布风板15上方2. 5m高度处； 一级二次气化剂进 口 26和二级二次气化剂进口 27分别设置在高密度环核流动段10的0.8m和4m高度处，二 级返料口 28设置在该区段的lm高度处；粗煤气出口设置在高密度快速流动段ll距上部0.8m 高度处。
具体工艺流程上，先通过螺旋给料装置，从密相湍流流化段9的煤和石灰石进口 13加 入粒度为0 6 nini左右的惰性床料(如石英砂或循环流化床的底渣)，在该区段先形成4.5 5m的密相区；采用床下点火启动方式，柴油或天然气和空气在启动燃烧室燃烧后产生IOOO'C 左右高温燃气，借助主气化剂进口24，将高温燃气送入周边风室21,高温燃气穿过布风板15 的周边流化风帽19后进入密相湍流流化段9加热惰性床料；此时先采用N2作为返料风，启 动物料循环，使一级落料管4、 一级返料阀5和二级落料管7、 二级返料阀8中都充满一定量 的惰性床料，并且能够顺利循环起来。当惰性床料被高温燃气加热到50(TC左右时，将平均粒 径为0 10mm的煤从煤和石灰石进口 13加到密相湍流流化段9;惰性床料迅速加热煤粒，煤 挥发份脱出和空气或氧气发生燃烧反应提供气化反应热量，床温不断升高；期间在中间风室 20底部的过热蒸汽入口 23通入一定量过热蒸汽P (压力2.2MPa，温度45(TC)，为了防止布 风板区域局部高温结焦和启动排渣；当床温达到800'C左右时，停止加入高温燃气，增大煤和 石灰石的量(8. 3吨/小时、Ca/S比为2. 5)并投入气化剂Q，同时调节气化反应器1的压力 至2.0MPa，此时气化反应器l内的化学反应由常压燃烧向加压气化切换气化剂Q与煤发生 部分气化反应，产生煤气和半焦；气化剂Q由气化所需的88X的过热蒸汽P (压力2.2 MPa, 温度450'C)和100%的氧气(压力2. 2 MPa，温度600'C )在混合器40混合而成，压力约为 2.2MPa、温度约为550'C;气化剂Q采用分级加入的方式，40%的二次气化剂C从高密度环 核流动段10的一级二次气化剂进口 26和二级二次气化剂进口 27加入，60%的主气化剂B从 周边环形风室21的主气化剂进口 24加入；此时两级返料的返料风改用过热蒸汽P，总量占气 化所需过热蒸汽P的3 5X。
启动加压气化后，密相湍流流化段9、高密度环核流动段IO和高密度快速流动段11的 运行方式分别控制在密相湍流流化段9为颗粒体积浓度0.4、料层高度为4m的密相区，采用温度950度、气速1. 2m/s的湍流流化运行方式；高密度环核流动段10颗粒体积浓度为0.15， 采用温度1150度、气速1. 8 m/s的高密度环核流动运行方式；高密度快速流动段颗粒体积浓 度大于O.l，采用温度1100度、气速2.7 m/s的高密度快速流动运行方式。
气化生成的粗煤气F经过两级高效旋风分离器来分离其中的固体颗粒(主要为飞灰、未 反应完全的焦碳、脱硫产生的CaS和细床料等)，使粒径为10微米以上的颗粒全部被分离下 来，总分离效率大于99%;采取独立返料方式，两级返料器互不干扰；在返料管中添加一定 量的100微米以下惰性细床料来保证50以上的高循环倍率，使没有反应完全半焦和石灰石通 过不断的循环来提高碳的转化率和含硫污染物的脱除效率。气化过程产生的渣粒M由排渣管 排16出，气化所需的5~15%过热蒸汽P通入中间风室20，经由中间定向风帽18进入气化 器1，气化产生的渣粒M在过热蒸汽P的定向吹动下顺利进入排渣管16，由排渣设备间断或 连续排出，该过热蒸汽P还可起到调温作用，通过加入过热蒸汽P的量调节布风板15区域的 温度，防止高温结焦；由于气化反应器1内气固脉动落入中间风室20的细灰或渣或惰性床料 N由其底部的细排灰口 22排出，而落入周边风室的细灰或渣或惰性床料O由其底部的粗排灰 口 25排出。
根据本实用新型实施的日处理量为200吨的高硫、高灰、高灰熔点煤气化装置和工艺的 主要技术参数如下气化介质为纯氧+蒸汽、气化压力2.0MPa、气化炉温度下部95(TC中部 115(TC上部1100。C、氧耗280Nm3 O2/1000Nm3(CO+H2+CH4)、碳转化率95%、无水无灰基 气耗0.34kg/kg、无水无灰基煤耗0.65kg/Nm3、粗煤气有效成分(CO、 H2、 CH4) 78%。
在后续工艺中，粗煤气F经两级高效旋风分离器净化后成为带有一定粉尘的高温净煤气 L，高温净煤气L进入余热锅炉35降温，高温净煤气L的显热经换热后产生低温蒸汽R和低 温净煤气T，低温净煤气T经除尘净化设备36后变成精煤气V，供化工生产设备37生产化 工产品W;除尘净化设备36的排灰U和气化器1的排渣M、落入中间风室20的细灰或渣或 惰性床料N和落入周边风室的细灰或渣或惰性床料0由其底部的粗排灰口 25排出，送入CFB 锅炉38中燃烧，产生高温蒸汽S,高温蒸汽S和余热锅炉35产生的低温蒸汽R并在一起再 经过加热器39加热后，成过热蒸汽P;过热蒸汽P—部分化工生产设备37使用， 一部分供 定向排渣用， 一部分与空气或氧气在混合器38混合后形成气化剂Q。
权利要求1.一种碳转化率高的煤气化装置，其特征是气化反应器(1)设置在压力壳(2)内，自下而上分为密相湍流流化段(9)、高密度环核流动段(10)和密度快速流动段(11)，其中密相湍流流化段(9)上部设有一级返料口(14)、下部设有煤和石灰石进口(13)，底部设有布风板(15)和排渣管(16)，布风板(15)上装有中间定向风帽(18)和周边流化风帽(19)，布风板(15)下部为风室(17)，风室(17)由中间风室(20)和周边风室(21)组成；中间风室(20)底部设有细排灰口(22)和蒸汽入口(23)，周边风室(21)的侧面设有主气化剂进口(24)，底部设置有两个粗排灰口(25)，排渣管(16)穿过中间风室(20)和压力壳(2)通向炉外；高密度环核流动段(10)位于密相湍流流化段(9)和高密度快速流动段(11)之间，下部设有一级二次气化剂进口(26)，中部设有二级二次气化剂进口(27)，二级返料口(28)设置在一级二次气化剂进口(26)上方；高密度快速流动段(11)的直径与密相湍流流化段(9)相同，其上部的反应器出口(29)与一级高效旋风分离器(3)相连，分离器的底部接有一级落料管(4)，落料管的下部接有一级返料阀(5)，一级返料管(30)与气化反应器(1)轴线成30～45度连接一级返料口(14)，一级返料管(30)设有一级惰性床料加入口(32)；一级高效旋风分离器(3)上部的出口接有二级高效旋风分离器(6)，分离器的底部接有二级落料管(7)，落料管的下部接有二级返料阀(8)，二级返料管(31)与反应器轴线成30～45度连接二级返料口(28)，二级返料管(31)设有二级惰性床料加入口(33)。
专利摘要碳转化率高的煤气化装置是一种对煤种适应性广特别适合于高效处理我国储量丰富的高硫、高灰、高灰熔点煤，且气化过程碳转化率高、煤气热值高、投资低、环保性能优越的气化装置及方法。气化反应器(1)设置在压力壳(2)内，自下而上分为密相湍流流化段(9)、高密度环核流动段(10)和密度快速流动段(11)，根据高硫、高灰、高灰熔点煤的气化特征，自下而上依次采用不同特征的流态进行加压分段气化，气化压力为1.0～2.5MPa。
文档编号C10J3/56GK201276544SQ20082016184
公开日2009年7月22日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者仲兆平, 朴桂林, 熊源泉, 章名耀, 睿 肖, 金保升, 钟文琪, 黄亚继 申请人:东南大学