本发明属于含碳原料气化工艺领域，涉及一种含碳原料的气化方法及装置，特别地涉及一种气流床气化方法及采用该方法的装置。
背景技术：
在用于生产合成气或者说气化气的方法中，含碳原料在反应器中部分地被氧化。以煤炭为例，煤气化技术作为一种高效清洁的洁净煤技术是将煤炭等固态一次能源转化为气态清洁二次能源，该技术主要应用于合成氨、合成甲醇、制氢、高炉还原炼铁化工冶金行业、联合循环发电装置以及工业和民用燃气等领域中。
按固体燃料的运动状态分类，现代煤气化工艺主要包括移动床(又称固定床)气化法、气流床气化法和流化床气化法。其中，气流床煤气化炉反应温度高，并且可以采用液态排渣，气化强度高、生产能力大、碳转化率高，已成为现在煤气化技术的主要发展方向之一。
然而，气流床气化炉存在如下问题：(1)烧嘴结构复杂，寿命一般只有三个月到半年，必须定期更换，严重影响运行经济性，寿命较长的烧嘴造价昂贵；(2)气流床气化炉在煤种适应性上受到煤的灰分、水分、反应活性等因素的制约；(3)为了获得较高的反应速率和碳转化率，入炉煤粉粒度要求70％以上小于200目，煤粉制备成本较高，且该粒度要求限制了褐煤、高灰煤的使用；(4)为维持炉内的高反应温度，常采用纯氧做氧化剂，氧耗高，影响经济性；(5)产品气中ch4含量较低，不适用于对ch4含量要求高的合成气的制备。针对上述问题，现有技术试图通过改善烧嘴性能来提高烧嘴寿命，通过加氢催化提高甲烷产率，然而，改善烧嘴性能并不能从根本上解决气流床气化炉存在的问题，加氢催化工艺使得成本升高。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种不受制于烧嘴寿命和定期更换问题的预热式分级气化方法和预热式分级气化装置。
本发明的另一个目的在于提供一种煤种适应性广、煤制备简单、气化效率高、碳转化率高、产品气中富含ch4、且无需使用纯氧的气化技术。
为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：
根据本发明的一个方面的实施例，提出了一种预热式分级气化方法，所述预热式分级气化方法包括如下步骤：
a)将燃料与第一气化剂通入前置预热室进行预热，生成预热后的气固混合物；
b)预热后的气固混合物经过分离装置实现气固分离，形成还原性烟气和预热燃料；
c)将第二气化剂和预热燃料通入气流床气化炉，二者发生气化反应生成粗煤气和底渣；和
d)收集还原性烟气和粗煤气，并且将底渣排出气流床气化炉。
根据本发明的一个优选实施例，所述预热为燃料与第一气化剂发生部分燃烧反应，通过燃烧放热对燃料进行预热。
根据本发明的一个优选实施例，所述预热式分级气化方法不使用烧嘴。
根据本发明的一个优选实施例，所述前置预热室为循环流化床反应器。
根据本发明的一个优选实施例，在前置预热室中没有底渣排出，在步骤b)中生成的预热燃料全部进入气流床气化炉。
根据本发明的一个优选实施例，还原性烟气经过热回收及净化装置形成产品气被收集。
根据本发明的一个优选实施例，预热后的气固混合物的温度在800℃～1300℃的范围内。
根据本发明的一个优选实施例，所述第一气化剂是空气、富氧空气或纯氧，或者前述三者之一与水蒸汽的组合；和/或
所述第二气化剂是空气、富氧空气或纯氧，或者前述三者之一与水蒸汽的组合。
根据本发明的一个优选实施例，通入前置预热室的第一气化剂的温度为常温或已被预热至300℃～1200℃；和/或
通入气流床气化炉的第二气化剂的温度为常温或已被预热至300℃～1200℃。
根据本发明的一个优选实施例，第一气化剂已被预热到600℃；和/或第二气化剂已被预热到600℃。
根据本发明的一个优选实施例，所述燃料为粒径为0～2mm的煤。
根据本发明的一个优选实施例，所述步骤b)中的分离装置为一级或多级。
根据本发明的另一个方面的实施例，提出了一种预热式分级气化装置，所述预热式分级气化装置包括前置预热室、气流床气化炉和分离装置；
其中所述前置预热室设置有燃料入口和第一气化剂入口，以及预热后的气固混合物出口；
在所述分离装置上设置有预热后的气固混合物入口、预热燃料出口和还原性烟气排出口，预热后的气固混合物入口与前置预热室的预热后的气固混合物出口直接或间接连通；
在所述气流床气化炉上设置有预热燃料入口、第二气化剂入口、粗煤气出口和底渣出口，预热燃料入口与分离装置的预热燃料出口连通。
根据本发明的一个优选实施例，所述预热式分级气化装置不具有烧嘴。
根据本发明的一个优选实施例，所述前置预热室为循环流化床反应器。
根据本发明的一个优选实施例，所述前置预热室包括预热室炉膛，还包括分离器和返料器，其中在所述预热炉膛上设置有燃料入口、第一气化剂入口和混合物出口；在所述分离器上设置有混合物进口、固体循环物料出口和预热后的气固混合物排出口，在所述返料器上设置有返料器进口和返料器出口，在所述预热炉膛上还设置有返料口，预热炉膛的混合物出口与分离器的混合物进口连通，分离器的固体循环物料出口与返料器的返料器进口连通，返料器的返料器出口与预热炉膛的返料口连通，分离器的预热后的气固混合物排出口与分离装置上的预热后的气固混合物入口连通。
根据本发明的一个优选实施例，在前置预热室中不设置底渣出口。
根据本发明的一个优选实施例，所述气流床气化炉为液态排渣气流床气化炉或固态排渣气流床气化炉。
根据本发明的一个优选实施例，所述前置预热室为一个或多个。
根据本发明的一个优选实施例，所述分离装置为一级或多级。
根据本发明的一个优选实施例，所述预热式分级气化装置还包括热回收及净化装置，热回收及净化装置包括换热器和除尘器；
在所述热回收及净化装置上设置有还原性烟气入口和产品气出口，还原性烟气入口与分离装置的还原性烟气排出口连通。
根据本发明的一个优选实施例，所述气流床气化炉包括气化炉炉膛，气化炉炉膛还包括附加燃料入口，所述附加燃料入口与除尘器的排灰口连通。
本发明在气流床气化炉前配备前置预热室，使粒径为0～2mm的碎煤在进入气化炉前先行预热。预热以后的燃料温度达到800～1300℃，即便不使用烧嘴，而是将预热后的燃料与气化剂分别单独通入气化炉，也可以快速形成高温区，完成高效的气化反应；
煤颗粒在预热过程中完成挥发分析出和水分析出，颗粒内部孔隙增大，反应表面积增加的同时使气化剂容易扩散到这些反应表面，从而提高了煤的反应活性，解决了气流床气化炉对高灰分、高水分、低反应活性的煤种使用的限制；同时，在预热室中高温下煤颗粒所释放的挥发分在颗粒中集聚，造成煤颗粒中产生较大的压力梯度，引起煤颗粒的破碎，使经过预热后进入气化炉的燃料颗粒粒径减小，从而降低整个气化系统对煤颗粒粒度的要求，大幅降低原料制备成本；
优选的，采用煤在预热室中部分燃烧加热自身的预热方式，前置预热室中为高度缺氧反应，气化剂与煤的比例为折合至氧气量/燃料燃烧理论氧气量＝0.1～0.3(该值由煤的活性、热值、预热温度等决定)，煤在前置预热室中预热后的产物包括高温预热燃料和高温还原性烟气，其中，高温预热燃料含有大量未完全燃烧的碳，高温还原性烟气中富含ch4，ch4含量远高于常规煤气化产品气中的含量。预热后的产物离开前置预热室，并经分离装置分离后，高温预热燃料全部送入气流床气化炉，与通入气流床气化炉的气化剂反应，获得粗煤气；高温还原性烟气经净化、热回收后作为产品气被收集，由于富含ch4的高温还原性烟气不再进入气流床气化炉，ch4不会在气流床气化炉中被燃烧消耗，气流床中的气化反应以碳与气化剂的反应为主，与常规气流床气化相比，有效增加了产品气中的ch4含量。另外，由于进入气流床气化炉的为800～1300℃的高温预热燃料，因此可以使用预热以后的富氧空气而非纯氧作为气化炉气化剂来维持炉内的高反应温度，从而提高系统整体经济性。
优选的，采用循环流化床反应器作为预热室，预热后的燃料除极少量被部分燃烧产生的气体带走外，其余全部进入气流床气化炉，与采用流化床作为前置反应器相比，提高了进入气流床气化炉的碳浓度，有利于有效的气化反应在高温的气流床气化炉中进行；预热室无排渣，提高了整个系统的碳转化率及热效率。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的预热式分级气化方法的示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的预热式分级气化装置的示意图；和
图3为根据本发明的另一个实施例的预热式分级气化装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
根据本发明总体上的发明构思，提出了一种预热式分级气化方法，所述预热式分级气化方法包括如下步骤：
a)将燃料与第一气化剂通入前置预热室进行预热，生成预热后的气固混合物；b)预热后的气固混合物经过分离装置实现气固分离，形成还原性烟气和预热燃料；c)将第二气化剂和预热燃料通入气流床气化炉，二者发生气化反应生成粗煤气和底渣；和d)收集还原性烟气和粗煤气，并且将底渣排出气流床气化炉。
图1为根据本发明的一个实施例的预热式分级气化方法的示意图，如图1所示，本发明的方法包括步骤：
a)将燃料(以煤为例)a与第一气化剂b通入前置预热室2进行预热，生成800～1300℃的预热后的气固混合物cd；
b)预热后的气固混合物cd经过分离装置3后实现气固分离，形成高温还原性烟气c和高温预热燃料d；
c)高温预热燃料d全部送入气流床气化炉1，与通入气流床气化炉1的第二气化剂e在高温下发生气化反应；高温还原性烟气c被收集；
d)气流床气化炉1中发生的气化反应生成的粗煤气g被收集，底渣f排出炉膛。
其中，第一气化剂b和第二气化剂e可以是以下成分或成分的组合：空气、空气+水蒸汽、富氧空气、富氧空气+水蒸汽、纯氧、纯氧+水蒸汽等。第二气化剂e的选择与第一气化剂b的成分、燃料灰熔点、预热后燃料温度、运行温度、气流床排渣方式等相关。
其中，所述步骤b)中的分离装置3为一级或多级。
其中，底渣f可以是液态渣或固态渣。
优选地，所述步骤a)中的第一气化剂b的温度为常温或已被预热至300℃～1200℃。当第一气化剂b为纯氧时，直接以常温通入前置预热室，当第一气化剂b为空气或富氧空气以及氧化剂中含有水蒸汽时，可先预热至300℃～1200℃再通入前置预热室，以更利于反应的进行。
优选地，所述步骤a)中的预热反应为高度缺氧反应，第一气化剂与煤的比例为折合至氧气量/燃料燃烧理论氧气量小于0.2。
优选地，所述步骤b)中不同级的分离装置分离得到的高温预热燃料从气流床气化炉1的不同位置送入气化炉炉膛。
优选地，所述步骤c)中的第二气化剂e的温度为常温或已被预热至300℃～1200℃。当第二气化剂e为纯氧时，直接以常温通入前置预热室，当第二气化剂e为空气或富氧空气以及氧化剂中含有水蒸汽时，可先预热至300℃～1200℃，以更利于预热反应的进行。
本发明的实施例在气流床气化炉前配备前置预热室，使粒径为0～2mm的碎煤在进入气流床气化炉前先行预热。在预热室中，煤部分燃烧放热，燃料被加热至800～1300℃；加热后的煤除极少量被部分燃烧产生的气体带走外，其余全部进入气流床气化炉，且预热室无排渣；同时，在高温下，煤颗粒完成破碎、挥发分析出和水分析出、颗粒内部孔隙增大的历程，粒径减小，反应活性提高；煤经预热生成高温预热燃料和高温还原性烟气，经分离装置分离后，高温还原性烟气可经净化、热回收后作为产品气。由于高温还原性烟气为煤在高度缺氧条件下预热后生成，烟气中富含ch4，且该有效气体成分不会在气流床气化炉中被消耗，从而有效提高了产品气中ch4含量；高温预热燃料全部送入气流床气化炉，与通入气流床气化炉的气化剂反应，获得粗煤气。其中，气化剂可以是预热以后的空气、富氧空气、纯氧或上述成分与水蒸汽的组合。
本发明的实施例具有如下优点：
1)通过将煤预热后再行气化，形成了无需采用烧嘴的气流床气化技术，彻底解决了目前气流床气化技术烧嘴结构复杂、寿命短、造价高的技术难题。
2)煤颗粒在预热过程中完成活化，提高反应活性，解决了目前气流床气化存在的在高灰熔点、高灰分、高水分、低反应活性的煤种应用方面的限制。
3)大粒径的煤颗粒在预热过程中完成热破碎，因此无须将煤制备为煤粉，只需破碎筛分至0～2mm碎煤即可，从而解决了气流床气化炉煤粉制备成本高的问题。
4)由于进入气流床气化炉的为高温预热燃料，因此可以使用预热以后的富氧空气而非纯氧作为气化炉气化剂来维持炉内的高反应温度，提高了系统的经济性。
5)预热过程中生成的ch4直接被回收，不参与气流床气化炉中的高温反应，从而提高了产品气中ch4含量。
本发明的煤气化方法不仅可用于原煤的气化，也可用于生物质、垃圾等碳基燃料的气化过程。
另一方面，根据本发明总体上的发明构思，还提出了一种预热式分级气化装置，所述预热式分级气化装置包括前置预热室、气流床气化炉和分离装置，其中所述前置预热室设置有燃料入口和第一气化剂入口，以及预热后的气固混合物出口；所述前置预热室被配置为使通入预热室的燃料和第一气化剂发生部分燃烧反应，对燃料进行预热，生成还原性烟气和预热燃料，并将生成的还原性烟气和预热燃料通过预热后的气固混合物出口排出；在所述分离装置上设置有预热后的气固混合物入口、预热燃料出口和还原性烟气排出口，预热后的气固混合物入口与前置预热室的预热后的混合物出口直接或间接连通，所述分离装置被配置为分离通过前置预热室的出口接收的预热后的气固混合物，形成还原性烟气和预热燃料；在所述气化炉炉膛上设置有预热燃料入口、第二气化剂入口、粗煤气出口和底渣出口，预热燃料入口与分离装置的预热燃料出口连通，所述气化炉炉膛被配置为使通过预热燃料入口通入的预热燃料与通过第二气化剂入口通入的第二气化剂发生气化反应，生成粗煤气和底渣，并将粗煤气从粗煤气出口排出，将底渣从底渣出口排出。
优选地，所述预热式分级气化装置还包括热回收及净化装置，在所述热回收及净化装置上设置有还原性烟气入口和产品气出口，还原性烟气入口与分离装置的还原性烟气排出口连通，所述热回收及净化装置被配置为回收还原性烟气的热量并净化还原性烟气，得到产品气；
图2为根据本发明的一个实施例的预热式分级气化装置的示意图，如图2所示，所述预热式分级气化装置包括前置预热室2、气流床气化炉1、分离装置3和热回收及净化装置4，前置预热室2包括预热炉膛20，还包括与预热炉膛20依次相连的分离器21和返料器22；气流床气化炉1包括气化炉炉膛10。其中，所述前置预热室2的入口设置在预热炉膛20上，包括燃料入口和第一气化剂入口，出口为分离器21的烟气出口。所述前置预热室2被配置为使通入预热炉膛20的燃料a和第一气化剂b发生部分燃烧反应，对燃料进行预热，生气固混合物，并将生成的气固混合物通过分离器21分离，形成预热后的气固混合物cd，并将预热后的气固混合物cd从分离器21的烟气出口排出；在所述分离装置3上设置有预热后的气固混合物cd入口、预热燃料d出口和还原性烟气c排出口，预热后的气固混合物cd入口与分离器21的烟气出口直接或间接连通，所述分离装置3被配置为分离通过前置预热室2的出口接收的预热后的气固混合物cd，形成还原性烟气c和预热燃料d；在所述热回收及净化装置4上设置有还原性烟气c入口和产品气c1出口，还原性烟气入口与分离装置3的还原性烟气排出口连通，所述热回收及净化装置4被配置为回收还原性烟气c的热量并净化还原性烟气c，得到产品气c1；在所述气化炉炉膛10上设置有预热燃料入口、第二气化剂入口、粗煤气出口和底渣出口，预热燃料入口与分离装置3的预热燃料出口连通，所述气化炉炉膛10被ib168148f
配置为使通过预热燃料入口通入的预热燃料d与通过第二气化剂入口通入的第二气化剂e发生气化反应，生成粗煤气g和底渣f，并将粗煤气g从粗煤气出口排出，将底渣f从底渣出口排出。
根据该实施例的预热式分级气化装置，燃料(以煤为例)a与第一气化剂b在前置预热室2中反应生成800～1300℃的预热后的气固混合物cd；分离装置3将高温气固混合物cd分离，形成高温还原性烟气c和高温预热燃料d；热回收及净化装置4将高温还原性烟气c中的显热回收，并对其进行除尘净化，获得产品气c1；气流床气化炉1用于将高温预热燃料d与第二气化剂e进行气流床气化反应，得到最终产物。
如图2所示，在所述预热式分级气化装置中不具有烧嘴，优选地，所述前置预热室2为循环流化床反应器，并且在前置预热室2中不设置底渣出口。可选地，所述气流床气化炉1可以为液态排渣气流床气化炉，也可以为固态排渣气流床气化炉。所述前置预热室2可以为一个或多个，本发明不对前置预热室的数量加以限制。所述步骤b)中的分离装置3为一级或多级。
根据本发明的实施例，热回收及净化装置4包括换热器41和除尘器42，换热器41位于分离装置3和除尘器42之间，其可以是空气预热器、煤气冷却器等换热装置，设置有高温气进口、出口以及冷却介质进口、出口，高温气进口连通分离装置3的还原性烟气排出口，出口连通除尘器42的入口，除尘器42可以为布袋式除尘器，其设置有进口、排灰口以及洁净气出口，其进口与换热器41的高温气出口相通，通入除尘器42的还原性烟气c经过除尘后，产品气c1从洁净气出口排出，固体颗粒d1从排灰口排出。
在附图2所示的实施例中，所述气化炉炉膛10还包括附加燃料入口，所述附加燃料入口与除尘器42的排灰口连通。
进一步地，所述气流床气化炉1还可以包括水冷渣池，在水冷渣池上设置有底渣入口、激冷水入口、排渣口和冷却水出口，气化炉炉膛10的底渣出口与水冷渣池的底渣入口连通，激冷水入口设置在底渣入口附近。
根据该实施例，在预热式分级气化装置的工作过程中，燃料(煤)a由燃料入口加入循环流化床反应器(前置预热室2)的预热炉膛20中，预热到600℃的富氧空气+水蒸汽第一气化剂b由第一气化剂入口进入预热炉膛20，第一气化剂b与煤的比例为折合至氧气量/燃料燃烧理论氧气量＝0.17。二者在预热炉膛20内完成预热反应，生成的950℃高温还原性烟气c携带全部未完全反应的小颗粒碳和灰经过分离器21后，其中较大颗粒的未完全反应的碳和灰被分离器21分离，经返料器22返回预热炉膛20，形成主循环回路物料循环；其余未完全反应的较小颗粒碳和灰作为高温预热燃料d被高温还原性烟气c携带，进入分离装置3，完成气固分离，其中，高温预热燃料d进入气流床气化炉的气化炉炉膛10，与通入气化炉炉膛的预热到600℃的富氧空气+水蒸汽气化剂发生高温气化反应，生成富含co和h2的粗煤气g以及液态熔渣f；含有少量固体颗粒的高温还原性烟气c离开气化系统，经过换热器41及布袋式除尘器进行净化及显热回收后，作为产品气c1被收集，被布袋式除尘器分离的固体颗粒d1作为燃料送入气流床气化炉。由于高温还原性烟气c为煤在高度缺氧条件下预热后生成，烟气中富含ch4，且该高温烟气不再进入气流床气化炉，上述有效气体不会消耗，从而有效提高了产品气中ch4含量。
图3为根据本发明的另一个实施例的预热式分级气化装置的示意图，该实施例与图2所示实施例基本相同，下面仅描述与图2所示实施例的不同，不同之处在于：图3所示实施例采用活性较差的煤作为燃料，燃料(煤)a由燃料入口加入循环流化床反应器(前置预热室2)的预热炉膛20中，预热到600℃的空气气化剂(第一气化剂b)由第一气化剂入口进入预热炉膛20，第一气化剂b与燃料a的比例为折合至氧气量/燃料燃烧理论氧气量＝0.2。其中，被布袋式除尘器42分离的固体颗粒d1由于温度较低，直接排出系统，不再送入气流床气化炉作为燃料，以最大程度地保证气流床气化炉内反应温度。
本发明的预热式分级气化方法和装置无需采用烧嘴，彻底解决了目前气流床气化技术烧嘴结构复杂，寿命短的技术难题；解决了高灰熔点、高灰分、高水分、低反应活性的煤种适应性问题；解决了煤粉制备成本高的问题；气化剂不需要使用纯氧，提高了经济性；煤预热后全部进入气化炉参与反应，提高了碳转化率及煤气效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。
附图标记列表：
a燃料(煤)
b第一气化剂
cd预热后的气固混合物
c还原性烟气
c1产品气
d预热燃料
d1固体颗粒
e第二气化剂
f底渣
g粗煤气
1气流床气化炉
2前置预热室
3分离装置
4热回收及净化装置
10气化炉炉膛
20预热炉膛
21分离器
22返料器
41换热器
42除尘器