专利名称：一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤的清洁能源利用领域，具体地，涉及一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法及装置，特别涉及一种利用焦油高温裂解和重整的方法脱除固定床两段炉上段气中所含焦油来制备低焦油工业煤气的方法及装置。
背景技术：
气化是指以含碳燃料(煤、煤焦或生物质等)为原料，以氧气(空气、富氧或工业纯氧)、水蒸汽或氢气等作气化剂，在特定的设备内，在一定温度及压力下发生一系列化学反应，将固体燃料转化为含有co、h2、ch4等可燃气体的过程。随着世界天然气、石油资源的日益紧缺，世界各国纷纷把煤或生物质的气化作为替代能源的主要方法开展了工艺开发和 产业化研究。现存气化技术通常分为固定床气化、流化床气化和气流床气化三大类。固定床气化，也称移动床气化是指煤在与生成气逆向逐渐下移过程中被从气化炉底部供入的气化剂所气化的一种技术，其气化生成气的显热被有效利用，生成气的出口温度低，从气化炉底部排出的渣含碳量低，固定床气化实际上代表了至今效率最高的气化技术。典型的固定床气化技术包括加压Lurgi炉和常压两段气化炉，在世界上被广泛应用。在我国各地，尤其是广东、山东、广西、河南等地，由于大量铝业和陶瓷业的兴起，建造了数千台常压两段气化炉用于生产工业煤气。两段气化炉分为混合发生炉煤气两段炉和水煤气两段炉两种。当前，混合发生炉煤气两段炉应用比较普遍，混合发生炉煤气两段炉是以煤为原料，由顶部加入，进入干馏段(即上段)，依靠下段的热量使其加热，进行低温干馏(温度低于500°C )，产生低温干馏的煤气与焦油，再与从下段上升到部分气化段煤气混合而成上段煤气。煤经低温干馏后成为半焦，下降至气化段与鼓入的气化剂(空气+蒸汽)进行氧化和还原反应，生成下段煤气，此煤气一部分进入干馏段，对煤直接加热，另一部分通过由垂直通道组成的隔墙将热量传给干馏段内的煤，然后排出。两段炉体结构上分为两段，生成气也分为两种，即不同热值的上段煤气和下段煤气。下段煤气的出口温度在500-600°C范围之内，几乎不含焦油(焦油都已在上段产生)，洗涤水中含酚量非常少，很容易处理，而上段煤气的出口温度为120°C左右，虽然由于温度较低，可以避免直接水洗而用间接冷却，但由于在煤气净化的环节中，温度的不断下降，所以富含焦油的上段气中水分就不断凝结下来，这种凝结水中的含酚量较高，在一次除焦油、二次除轻油，间冷塔的水封以及煤气加压机中都会有含酚凝结水排出。一般情况下，气化I吨煤会析出50-80kg的含酚凝结水(含酚量> 6000mg/L)，虽然量不太大，但危害极大，决不能外排。目前，对这种酚水的处理方式主要是焚烧法，即采用焦油为主要燃料，混入酚水后进行燃烧，但这种方式不仅增加了系统的复杂性，而且需要许多热量来蒸发燃烧中的水分，所以利用效率不高
发明内容
本发明 为解决上述两段炉气化方法生产煤气过程中产生含酚凝结水的问题，提供了一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法及装置。本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，包括以下步骤I)将固定床两段炉上段的富含焦油的上段煤气与含氧气体同时通入高温裂解重整器，使上段煤气温度提高到800-1500°C，以使其中的焦油发生高温裂解反应，生成轻质气体；2)使经过高温裂解重整器的上段煤气进入高温换热设备，将上段煤气温度降低到100°C以下后排出。来自两段炉上段的富含焦油的上段煤气(排出温度为120°C左右)首先通入高温裂解重整器，同时含氧气体也通入高温裂解重整器，这些含氧气体与上段煤气中所含可燃组分(包括H2、CO、CH4以及其他碳氢化合物气体)发生燃烧反应释放热量，使上段煤气温度从120°C左右提高到800-1500°C，使上段煤气中所含焦油中的大分子有机化合物发生高温裂解反应，生成轻质气体，包括CH4、CO、CO2等。同时，在高温环境下，焦油还会与上段煤气中的H2O和CO2发生如下的重整反应以及变换反应蒸汽重整-CnHJnH2O^nC0+(n+m/2)H2(I)干气重整=CnHJnCO2— (2n) CO+(m/2) H2(2)水气变换CCHH2O— C02+H2(3)经过高温裂解和重整的高温无焦油上段煤气，进入高温换热设备，把热量传递给常温含氧气体或水，使含氧气体或水(蒸汽)的温度从常温升高到200-800°C,而混合煤气的温度则从800-1500°C降低到100°C以下，然后进入下游的其它处理设备。根据本发明的固定床两段炉气化方法，其中，所述的高温换热设备中通入常温含氧气体或水，用于对经过高温裂解重整器的上段煤气进行降温；其中，常温含氧气体升温至200-800 V后，部分升温后的含氧气体通入高温裂解重整器，另一部分升温后的含氧气体通入固定床两段炉的下段，作为含氧气化剂参与半焦气化反应；或，水升温至200-800°C后，升温后的水蒸气全部通入固定床两段炉的下段，作为气化剂参与半焦气化反应。在高温换热设备中，如果使上段煤气与含氧气体换热，则把温度升高后的含氧气体一部分通入高温裂解重整器提供燃烧所需的氧气，另一部分通入两段炉的气化段作为含氧气化剂参与半焦气化反应，如果使上段煤气与水换热，则把温度升高后的水蒸汽全部通入两段炉的气化段作为气化剂参与半焦气化反应。根据本发明的固定床两段炉气化方法，其中，所述高温换热设备为换热器或废热锅炉。根据本发明的固定床两段炉气化方法，其中，所述含氧气体为空气、氧气、或空气和氧气的混合气。本发明还提供了一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置，包括高温裂解重整器I、高温换热设备2、固定床两段炉3，所述固定床两段炉3的上段顺序连接高温裂解重整器I和高温换热设备2。根据本发明的装置，其中，所述装置还包括旋风分离器4，固定床两段炉下段顺序连接旋风分离器4和另一台高温换热设备2。根据本发明的装置，其中，所述高温裂解重整器I和旋风分离器4并联后与同一台高温换热设备2相连接。本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置组，包括高温裂解重整器I、高温换热设备2和若干固定床两段炉3，其中，若干固定床两段炉3并联后，上段顺序连接高温裂解重整器I和高温换热设备2。根据本发明的装置组，其中，所述装置组还包括旋风分离器4，若干固定床两 段炉3并联后，下段顺序连接旋风分离器4合另一台高温换热设备2。根据本发明的装置组，其中，所述高温裂解重整器I和旋风分离器4并联后与同一台高温换热设备2相连接。本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法及装置，仅仅利用上述两段炉的上段煤气中所含焦油(热值可达40000kJ/kg)与含氧气体进行燃烧反应所释放的热量就可以把上段煤气的温度从120°C提高到1300°C左右，同时，经过高温煤气又把热量传递给了常温含氧气体或水。因此，使上段煤气温度升高所消耗的大部分热量又通过高温换热设备得到了回收。另外，重整反应所需的H2O和CO2都是上段煤气本身所含的气体组分，重整反应消耗上段煤气中的H2O能够减少下游煤气处理设备的凝结废水，同时消耗上段煤气中的CO2也有利于上段煤气热值的提高。因此，本发明利用了本会导致酚水产生的焦油本身的热量，对固定床两段炉的上段煤气中所含焦油进行了高温裂解和重整，形成了制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，但由于回收了高温煤气中的大部分显热，所以对上述两段炉气化系统的总体能源利用效率影响不大。
图I为本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法的简易流程图。图2为本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置的结构示意图一，其中，一台固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且固定床两段炉上段煤气和下段煤气分开通入各自一台高温换热设备。图3为本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置的结构示意图二，其中，一台固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且上段煤气和下段煤气混合后一起通入一台高温换热设备。图4为本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置组一，其中，多台(两台以上)固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且固定床两段炉上段煤气和下段煤气分开通入各自一台高温换热设备。图5为本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置组二，其中，多台(两台以上)固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且上段煤气和下段煤气混合后一起通入一台高温换热设备。附图标识I.高温裂解重整器 2.高温换热设备
3.固定床两段炉4.旋风分离器
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，如图I所示，包括以下步骤1)将固定床两段炉上段的富含焦油的上段煤气与含氧气体同时通入高温裂解重整器，使上段煤气温度提高到800-1500°C，以使其中的焦油发生高温裂解反应，生成轻质气体；2)使经过高温裂解重整器的上段煤气进入高温换热设备，将上段煤气温度降低到100°C以下后排出。所述的高温换热设备中通入常温含氧气体或水，用于对经过高温裂解重整器 的上段煤气进行降温；其中，如果上段煤气与常温含氧气体换热，常温含氧气体升温至200-800°C后，部分升温后的含氧气体通入高温裂解重整器，另一部分升温后的含氧气体通入固定床两段炉的下段，作为含氧气化剂参与半焦气化反应；如果上段煤气与水换热，水升温至200-800°C后，升温后的水蒸气全部通入固定床两段炉的下段，作为气化剂参与半焦气化反应。上述高温换热设备为换热器或废热锅炉。上述含氧气体为空气、氧气、或空气和氧气的混合气。本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置(图2)，包括高温裂解重整器I、高温换热设备2、固定床两段炉3，所述固定床两段炉3的上段顺序连接高温裂解重整器I合高温换热设备2。所述装置还包括旋风分离器4，固定床两段炉下段顺序连接旋风分离器4和另一台高温换热设备2。本发明所述装置的高温裂解重整器I和旋风分离器4还可以并联后与同一台高温换热设备2相连接(图3)。本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置组(图4)，包括高温裂解重整器I、高温换热设备2和若干固定床两段炉3，若干固定床两段炉3并联后，上段顺序连接高温裂解重整器I和高温换热设备2。所述装置组还包括旋风分离器4，若干固定床两段炉3并联后，下段顺序连接旋风分离器4和另一台高温换热设备2。本发明所述高温裂解重整器I和旋风分离器4还可以并联后与同一台高温换热设备2相连接(图5)。实施例I如图2所示，本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置，由一台固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且上段煤气和下段煤气分开通入各自一台高温换热设备。煤在固定床两段炉3中的上段干馏生成上段煤气，排出温度为120°C，干馏后的半焦在下段气化生成下段煤气，排出温度为在500°C和600°C之间。上段煤气先进入一个高温裂解重整器1，同时将含氧气体也通入高温裂解重整器I与上段煤气中可燃组分发生燃烧反应，使上段煤气的温度提高到800-1500°C，从而使上段煤气中焦油发生高温裂解和重整反应。然后，发生高温裂解和重整反应后的上段煤气进入高温换热设备2与常温含氧气体或水进行换热，使含氧气体或水的温度升高到200-800°C左右。如果使用常温含氧气体换热，则将高温含氧气体一部分通入高温裂解重整器I中与上段煤气中可燃组分发生燃烧反应，另一部分通入固定床两段炉3下段参与半焦气化反应；如果使用水换热，则将水蒸汽全部通入固定床两段炉3的下段，作为气化剂参与半焦气化反应。同时，经过旋风分离器4除尘后的下段煤气进入另一台高温换热设备2与常温空气进行换热，使空气的温度升高到200-500°C左右，这些高温空气可通入固定床两段炉3下段参与半焦气化反应。上段煤气和下段煤气分别经过高温换热设备2后，温度降到100°C以下，然后进入下游的处理设备。本实施例的焦油脱除率 可达95%以上。
实施例2如图3所示，本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置，由一台固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且上段煤气和下段煤气混合后一起通入一台高温换热设备。本实施例的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，把发生高温裂解和重整反应后的上段煤气和经过旋风分离器4除尘后的下段煤气混合后一起通入一台高温换热设备2，然后与高温含氧气体进行换热，其它步骤及后面的流程与工艺参数同实施例
I。本实施例的焦油脱除率可达95%以上。实施例3如图4所示，本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置组，由多台(两台以上)固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且上段煤气和下段煤气分开通入各自一台高温换热设备。本实施例的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，采用了多台(两台以上)固定床两段炉3进行并联，多台固定床两段炉3产生的上段煤气汇总到各自一条总管路后进入一个高温裂解重整器I以及一台高温换热设备2中，而多台固定床两段炉3产生的下段煤气也汇总到一条总管路后进入一个旋风分离器4以及一台高温换热设备2中，其它步骤及后面的流程与工艺参数同实施例I。本实施例的焦油脱除率可达95%以上。实施例4如图5所示，本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置组，由多台(两台以上)固定床两段炉配置一个高温裂解重整器并且上段煤气和下段煤气混合后一起通入一台高温换热设备。本实施例的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，采用了多台(两台以上)固定床两段炉3进行并联，多台固定床两段炉3产生的上段煤气汇总到各自一条总管路后进入一个高温裂解重整器I中，而多台固定床两段炉3产生的下段煤气也汇总到一条总管路后进入一个旋风分离器4中，然后上段煤气和下段煤气混合后一起进入一台高温换热设备2中，其它步骤及后面的流程与工艺参数同实施例I。本实施例的焦油脱除率可达95%以上。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，其特征在于，包括以下步骤1)将固定床两段炉上段的富含焦油的上段煤气与含氧气体同时通入高温裂解重整器，使上段煤气温度提高到800-1500°C，以使其中的焦油发生高温裂解反应，生成轻质气体； 2)使经过高温裂解重整器的上段煤气进入高温换热设备，将上段煤气温度降低到100°C以下后排出。
2.根据权利要求I所述固定床两段炉气化方法，其特征在于，所述的高温换热设备中通入常温含氧气体或水，用于对经过高温裂解重整器的上段煤气进行降温； 其中，常温含氧气体升温至200-800°C后，部分升温后的含氧气体通入高温裂解重整器，另一部分升温后的含氧气体通入固定床两段炉的下段，作为含氧气化剂参与半焦气化反应; 或，水升温至200-800°C后，升温后的水蒸气全部通入固定床两段炉的下段，作为气化剂参与半焦气化反应。
3.根据权利要求I所述固定床两段炉气化方法，其特征在于，所述高温换热设备为换热器或废热锅炉。
4.根据权利要求2所述固定床两段炉气化方法，其特征在于，所述含氧气体为空气、氧气、或空气和氧气的混合气。
5.一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置，包括高温裂解重整器(I)、高温换热设备(2)、固定床两段炉(3)，其特征在于，所述固定床两段炉(3)的上段顺序连接高温裂解重整器(I)和高温换热设备(2)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括旋风分离器(4)，固定床两段炉下段顺序连接旋风分离器(4)和另一台高温换热设备(2)。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述高温裂解重整器(I)和旋风分离器(4)并联后与同一台高温换热设备(2)相连接。
8.一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化装置组，包括高温裂解重整器(I)、高温换热设备(2)和若干固定床两段炉(3)，其特征在于，若干固定床两段炉(3)并联后，上段顺序连接高温裂解重整器(I)和高温换热设备(2)。
9.根据权利要求8所述的装置组，其特征在于，所述装置组还包括旋风分离器(4)，若干固定床两段炉(3)并联后，下段顺序连接旋风分离器(4)和另一台高温换热设备(2)。
10.根据权利要求8或9所述的装置组，其特征在于，所述高温裂解重整器(I)和旋风分离器(4)并联后与同一台高温换热设备(2)相连接。
全文摘要
本发明涉及煤的清洁能源利用领域，具体地，涉及一种制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法及装置。本发明的制备低焦油工业煤气的固定床两段炉气化方法，包括以下步骤1)将固定床两段炉上段的富含焦油的上段煤气与含氧气体同时通入高温裂解重整器(1)，以使其中的焦油发生高温裂解反应，生成轻质气体；2)使经过高温裂解重整器的上段煤气进入高温换热设备(2)，同时通入常温含氧气体或水。本发明利用了本会导致酚水产生的焦油本身的热量，对固定床两段炉的上段煤气中所含焦油进行了高温裂解和重整，由于回收了高温煤气中的大部分显热，所以对上述两段炉气化系统的总体能源利用效率影响不大。
文档编号C10J1/02GK102634372SQ20121009985
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者张聚伟, 曾玺, 武荣成, 汪印, 许光文 申请人:中国科学院过程工程研究所