一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化工艺及其设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型的灰分循环的流化床褐煤气化工艺及其设备，干燥后的褐煤原料进入流化床气化炉中，气化剂进入气化炉体中与褐煤混合反应，褐煤与气化剂反应生成的合成气经分离、过滤后，离开气化炉体去下游工段，分离下的细粉则通过管道返回气化炉体内；褐煤燃烧生成的灰分部分返回气化炉体进行进一步燃烧；部分从气化炉底部排出；灰分返回气化炉进一步燃烧可采用两种形式，一是气流输送形式，二是机械输送形式。本发明利用气流输送或机械输送两种灰分循环方式，使灰分可返回气化炉继续燃烧，以降低灰分上残碳量，提高褐煤原料转换为合成气的碳利用率。工艺与设备简单可靠，可有效减少投资，增加运行可靠性，环境友好，污染物排放少。
【专利说明】一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化工艺及其设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤气化【技术领域】，具体的说，是涉及由固态含碳物料，特别是用褐煤生产发生炉煤气、水煤气以及合成气的工艺流程技术。
【背景技术】
[0002]我国的褐煤资源丰富，已探明的保有储量达1291亿吨，约占全国煤炭储量的13%，在我国煤炭资源中占有重要地位。有效利用褐煤资源对于保障我国能源稳定供给有十分重要的意义。但由于褐煤水分含量高、热值较低、且热稳定性较差、不宜长距离运输，直接作为大规模气化原料又有很大局限性，目前仅作为局部地区动力燃料，开发率较低，目前仅占全国煤炭产量的4-5%。但随着我国国民经济的飞速发展，高热值的优质煤种已被大量利用，因此褐煤深加工对于保障国家能源供应具有非常重要的意义。
[0003]褐煤气化技术是煤化工合成、煤液化、IGCC技术等高新洁净煤利用技术的先导性技术。但目前国内外褐煤利用的主要手段仍然是作为电站、工业锅炉的直接燃料，附加值不高；另有少部分褐煤通过提质转变为烟煤、型煤或半焦，但还需粉碎、制浆后才能气化，总体上存在工艺路线长、投资大 等不利因素。总之，由于目前尚不存在一种将褐煤直接转化为合成气的成熟工艺，极大地限制了褐煤的洁净、高附加值利用。
[0004]专利CN201024156Y公开了一种褐煤气化炉，其特征在于炉膛上部固定安装有一个储料仓，煤气出口位于储料仓和炉膛之间的空腔中。专利CN1295305C公开了一种加压气化反应器及其工业应用，在该反应器中，褐煤等固态含碳物料在高温下燃烧，生成的合成气与融熔态灰分以并流方式从反应器底部出口排出。本专利发明人也公开了一种褐煤气化反应器(CN103131477A)，将高温合成气直接用于褐煤的干燥。在以上这些专利中，气化产生的灰分直接外排或去下游余热锅炉燃烧产生蒸汽。由于褐煤灰分含量高，煤质复杂不易燃烧完全，灰分上残碳含量较高，这就导致灰分上带走的碳总量较多，碳转换为合成气的效率低。另外，采用余热锅炉也使得设备数目增加，流程相对复杂。对于褐煤气化工艺中采用灰分循环燃烧，提高碳转化率目前还没有相关研究及报道。
【发明内容】
[0005]针对以上褐煤气化中存在碳转换为合成气的效率低、流程相对复杂的问题，本发明克服了褐煤灰分呈固体态情况下不易循环，以及褐煤气化设备处于高温态对灰分循环不利的因素，开发了一种新型的灰分循环的流化床褐煤气化工艺及其设备，该发明能够使气化炉排出的灰分循环返回气化炉继续燃烧，使碳转化效率达到99%以上。
[0006]本发明的技术方案如下:
[0007]—种新型的灰分循环的流化床褐煤气化工艺，具体过程为:干燥后的褐煤原料进入流化床气化炉中，氧气与蒸汽作为气化剂进入气化炉体中与褐煤混合反应，褐煤与气化剂反应生成的合成气(主要组分为CO、氢气、水以及少量C02等)经分离、过滤后，离开气化炉体去下游工段，分离下的细粉则通过管道返回气化炉体内；褐煤燃烧生成的灰分部分返回气化炉体进行进一步燃烧；部分外排。
[0008]在上述技术方案基础之上，一种优选的方案为，干燥后的褐煤原料含水量小于10% ；
[0009]在上述技术方案基础之上，一种优选的方案为，干燥后的褐煤原料以小于6mm的平均粒径通过料仓、增压料仓、星型阀、螺杆喂料器等进入流化床气化炉中。
[0010]在上述技术方案基础之上，一种优选的方案为，灰分返回气化炉进一步燃烧可采用两种形式，一是气流输送形式，二是机械输送形式。
[0011]在上述技术方案基础之上，一种优选的方案为，返回气化炉与外排的灰分的比例在0.01-300之间，外排灰分上的碳含量在0.01%-50%之间。
[0012]采用气流输送形式的优点是无需动设备，结构简单，且灰分无需降温，而且可以利用气流输送介质的流量来调节灰分的输送速率。机械输送形式是利用动设备，如螺杆喂料器以及固体粉料提升机来完成灰分的输送，并利用阀门开度或是螺杆喂料器转速的变化来控制灰分的输送速率。这两种方法在现有工业设备的基础上需通过一定的改造来实现。
[0013]在气化过程中，褐煤中所含的非碳元素将形成灰分。由于褐煤灰分含量较高且组分复杂，不易燃烧完全，因此灰分含有较多残碳。工业上一般将排出的含碳灰分送入余热锅炉进一步燃烧产生蒸汽。在本发明中，采用将含碳灰分返回流化床气化炉进一步燃烧的方法来提高碳的利用率。
[0014]进一步，本发明的流化床气化炉，一般选取气化炉内的总表观气速在0.1-1.6m/s范围内在0.1-1.6m/s范围内，更优选的在0.6-0.8m/s范围内，操作在湍动流化床状态下，使得气相以分散相而非大气泡的形式与煤粉接触，反应效率较高。此外，在此气速范围内，炉内能维持一个稳定的密相床层，煤粉的停留时间较为均一。若以更高气速操作，煤粉被大量夹带出，后继气固分离设备`的操作负荷和磨损都较大。
[0015]进一步，本发明中气化炉的工作温度为800-1200°C，可采用耐火砖材料作为衬里，也可使用水冷壁内衬里，用于副产蒸汽，根据实际需求可以灵活选择。在1000°c左右的反应温度下，出口合成气所含的大分子物质很少，合成气洗涤水中的酚类等有机物较少，排放易于达标。
[0016]本发明还提供一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，包括气化炉体和灰分循环管道，气化炉体外部设置灰分循环管道；气化炉体上设有原料入口、气化剂喷嘴、粗合成气出口、外排灰分出口 ；所述灰分循环管道包括循环灰分下料管、提升立管、回料管，它们依次相连通；所述循环灰分下料管与气化炉体底部连通，作为循环灰分的下料通道；所述回料管与气化炉体中部连通，作为循环灰分返回气化炉的通道。气化炉体底部还设有外排灰分出口，外排灰分的质量流率可由煤气化通常的方法来控制，例如调节卸料星型阀或者螺杆卸料器的转速。
[0017]采用气流输送形式时，在循环灰分提升立管下部设有扩大段、输运气管、输运气入口和松动气入口，其中输运气管位于所述扩大段的中心，其出口稍高于循环灰分下料管最下端的出口 ；灰分通过循环灰分下料管进入扩大段；松动气从松动气入口进入扩大段，推动灰分向上运动；输运气从输运气入口进入输运气管；当灰分向上运动到输运气管出口位置时，即被夹带入输运气，并与输运气一起向上高速运动，依次通过提升立管、回料管后，最后返回气化炉体进行循环燃烧气化。所述输运气可采用蒸汽，也可采用循环合成气。[0018]其中，循环灰分回料管优选为水平管；回料管返回气化炉的位置一般位于气化炉的中部，位置过高会使得灰分进入旋风分离器的量太大，位置过低又会使得灰分与氧气接触时间不够，不利于灰分上残碳的燃烧。循环灰分的质量流率在一定范围内可由输运气的流量来控制，其计算公式可由一般的流态化原理得到。
[0019]采用机械输送形式时，循环灰分提升立管设置为立式螺杆喂料机，循环灰分回气化炉管优选为向下斜管，且斜管与垂线的角度小于30° ;循环灰分被提升一定高度后，通过斜管返回气化炉体。另外，由于立式螺杆喂料机不耐高温，需要在循环灰分下料斜管外部设置冷却夹套。循环灰分的质量流率可由立式螺杆喂料机的转速来控制。
[0020]进一步，原料入口可设置为单个或多个，小规模气化炉可采用单个褐煤原料入口，对于大直径炉，也可以采用多个原料入口使得褐煤在整个床层内均布。
[0021]进一步，气化剂喷嘴设置为高低不同多个形式进入气化炉，与褐煤原料充分混合，提高褐煤的转化率。
[0022]进一步，循环灰分返回气化炉的位置为I-100个。
[0023]本发明的创新之处与积极效果是:
[0024]本发明的一种新型的灰分循环的流化床褐煤气化工艺及其设备，利用气流输送或机械输送两种灰分循环方式，使灰分可返回气化炉继续燃烧，以降低灰分上残碳量，提高褐煤原料转换为合成气的碳利用率。所述工艺与设备简单可靠，可有效减少投资，增加运行可靠性，环境友好，污染物排放少。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的带灰分循环的流化床褐煤气化工艺流程示意图；
[0026]图2为实施例1中使用气流输送形式时煤粉循环返回的气化炉结构示意图；
[0027]图3为实施例2中使用机械输送形式时煤粉循环返回的气化炉结构示意图。
[0028]其中:
[0029]NI褐煤原料入口 ；N2气化剂喷嘴；N3粗合成气出口 ；N4外排灰分出口 ；
[0030]N5输运气入口 ；N6松动气入口 ；N7循环合成气入口。
[0031]①循环灰分下料管；②输运气管扩大段；④提升立管回料管；⑥立式螺杆
[0032]喂料机；@斜管。
具体实施方案
[0033]下面结合附图1-3对本发明作进一步的说明:
[0034]一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，包括气化炉体和灰分循环管道，气化炉体外部设置灰分循环管道；气化炉体上设有褐煤原料入口 N1、气化剂喷嘴N2、粗合成气出口 N3、外排灰分出口 N4 ;所述灰分循环管道包括循环灰分下料管①，提升立管④，回料管⑤，它们依次相连通；所述循环灰分下料管①与气化炉体底部连通，作为循环灰分的下料通道，所述回料管⑤与气化炉体中部连通，作为循环灰分返回气化炉的通道。气化炉体底部还设有外排灰分出口 N4，外排灰分的质量流率可由煤气化通常的方法来控制，例如调节卸料星型阀或者螺杆卸料器的转速。(参见图1)
[0035]采用气流输送形式时(参见图2)，在提升立管④下部设有扩大段③、输运气管②、输运气入口 N5和松动气入口 N6，其中输运气管②位于所述扩大段③的中心，其出口稍高于循环灰分下料管①最下端的出口 ；灰分通过循环灰分下料管①进入扩大段③；松动气从松动气入口 N6进入扩大段③，推动灰分向上运动；输运气从输运气入口 N5进入输运气管；当灰分向上运动到输运气管出口位置时，即被夹带入输运气，并与输运气一起向上高速运动，依次通过提升立管④、回料管⑤后，最后返回气化炉体进行循环燃烧气化。
[0036]所述输运气可采用蒸汽，也可采用循环合成气。
[0037]其中，循环灰分回料管⑤为水平管；回料管⑤的位置一般位于气化炉的中部，位置过高会使得灰分进入旋风分离器的量太大，位置过低又会使得灰分与氧气接触时间不够，不利于灰分上残碳的燃烧。循环灰分的质量流率在一定范围内可由输运气的流量来控制，其计算公式可由一般的流态化原理得到。
[0038]采用机械输送形式时(参见图3)，循环灰分提升立管设置为立式螺杆喂料机⑥，循环灰分回气化炉管优选为向下斜管，且斜管与垂线的角度小于30° ;循环灰分被提升一定高度后，通过斜管⑦返回气化炉体。另外，由于立式螺杆喂料机不耐高温，需要在循环灰分下料斜管外部设置冷却夹套。循环灰分的质量流率可由立式螺杆喂料机的转速来控制。
[0039]实施例1:
[0040]一个每小时处理2.5kg干基的中试规模褐煤气化试验工艺，采用如图2所示的气流输送式灰分循环。
[0041]其中气化炉温度约1000°C，压力为0.3MPa。干燥后的褐煤粉料(煤质组成如表一所示，粒径小于6_)通过料仓、增压料仓以及螺杆进料器，通过干燥褐煤原料入口 NI 口送入气化炉。冷却后的循环合成气由循环合成气入口 N7进入气化炉底部，调整其气量使得其表观气速在0.lm/s左右。循环合成气的作用是作为松动风，推动煤粉向上提升。加热后的氧气(约lNm3/h)与水蒸汽(约lkg/h)通过不同高度的气化剂喷嘴N2进入气化炉，与煤粉发生气化反应，生成合成气。粗合成`气从粗合成气出口 N3进入设在气化炉外的旋风分离器，它将生成的粗合成气中夹带的煤粉分离下来，并由旋风料腿返回气化炉底部继续燃烧。粗合成气(组分如表二)再通过滤器进一步分离煤粉后，送往干燥工段(图中未画出)，利用合成气的高温热值直接干燥褐煤原料。
[0042]循环灰分通过气化炉底部的下料管①流到提升立管④的底部扩大段③。松动气通过松动气入口 N6进入扩大段，推动灰分向上运动。本例采用蒸汽作为松动气，松动风在扩大段内的表观气速约0.lm/s。输运气通过输运气进口 N5及输运气管②进入扩大段，夹带灰分高速向上运动。本例采用循环合成气作为输送气，输送气在提升立管内的表观气速在5-10m/S内调节。循环灰分被输送气夹带后，高速通过提升立管④、回料管⑤返回气化炉体继续燃烧。
[0043]外排灰分通过气化炉的外排灰分出口 N4排出。外排灰分的质量流率由卸料星型阀的转速控制。循环灰分的质量流率由输运气的流量控制。本例中循环灰分和外排灰分的质量流率比例控制在13左右。
[0044]本例外排灰分上的碳含量不高于1.5%，褐煤原料中的碳转化为合成气的效率不小于 99.5%ο
[0045]表一:褐煤煤质表
【权利要求】
1.一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化工艺，其特征在于:干燥后的褐煤原料进入流化床气化炉中，氧气与蒸汽作为气化剂进入气化炉体中与褐煤混合反应，褐煤与气化剂反应生成的合成气经分离、过滤后，离开气化炉体去下游工段，分离下的细粉则通过管道返回气化炉体内；褐煤燃烧生成的灰分部分返回气化炉体进行进一步燃烧；部分从气化炉底部排出。
2.根据权利要求1所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化工艺，其特征在于:灰分部分返回气化炉体进行进一步燃烧可采用两种形式，一是气流输送形式，二是机械输送形式。
3.根据权利要求1所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化工艺，其特征在于:所述气化炉内的总表观气速在0.1-1.6m/s范围内。
4.根据权利要求1所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化工艺，其特征在于:返回气化炉与外排灰分的比例在0.0l-300之间,外排灰分的碳含量在0.01%-50%之间。
5.一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，其特征在于:包括气化炉体和灰分循环管道，气化炉体外部设置灰分循环管道；气化炉体上设有原料入口、气化剂喷嘴、粗合成气出口、外排灰分出口 ；所述灰分循环管道包括循环灰分下料管、提升立管、回料管，它们依次相连通；所述循环灰分下料管与气化炉体底部连通，所述回料管与气化炉体的中部连通，气化炉体底部还设有外排灰分出口。
6.根据权利要求5所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，其特征在于:采用气流输送形式时，在循环灰分提升立管下部设有扩大段、输运气管、输运气入口和松动气入口，其中输运气管位于所述扩大段的中心，其出口稍高于循环灰分下料管最下端的出口 ；灰分通过循环灰分下料管进入扩大段；松动气从松动气入口进入扩大段，推动灰分向上运动；输运气从输运气入口进入输运气管；当灰分向上运动到输运气管出口位置时，即被夹带入输运气， 并与输运气一起向上高速运动，依次通过提升立管、回料管后，最后返回气化炉体进行循环燃烧气化。
7.根据权利要求5所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，其特征在于:采用机械输送形式时，循环灰分提升立管设置为立式螺杆喂料机，循环灰分回料管为向下的斜管，循环灰分被提升一定高度后，通过斜管返回气化炉体。
8.根据权利要求5所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，其特征在于:所述原料入口可设置为单个或多个。
9.根据权利要求5所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，其特征在于:所述气化剂喷嘴设置为高低不同多个形式进入气化炉。
10.根据权利要求5所述的一种新型的带有灰分循环的流化床褐煤气化设备，其特征在于:所述循环灰分返回气化炉的位置为I-100个。
【文档编号】C10J3/84GK103450947SQ201310393867
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】钱震, 王海国, 刘俊生, 张蒙, 陈晨, 李玉龙, 刘 文, 王元平, 石华, 张舜光, 左宜赞, 史文涛, 马国栋, 耿玉侠 申请人:中国天辰工程有限公司, 天津天辰绿色能源工程技术研发有限公司