本发明属于煤炭气化领域，具体涉及一种循环流化床和气流床气化分段的气化方法及装置。
背景技术：
我国是一个以煤炭为主要能源结构的国家，在未来很长一段时间内不会改变，据统计，我国的一次能源消费结构中，煤炭达到了66％。随着石油资源的日益紧缺，有效利用煤炭资源已成为我国能源可持续发展的一项策略。我国低阶煤储量占煤炭资源总量的55％以上，但其含水分高、煤化程度低，直接燃烧的效率低，不仅浪费资源而且污染环境，造成了酸雨、pm2.5，以及sox和nox等温室气体的排放。因此，以减少污染为目的的煤炭转化技术受到了极大的重视。在众多的煤炭利用技术中，煤气化是煤炭能源转化的基础技术，也是煤化工发展中最重要的工艺过程。实现煤炭的高效洁净利用是我国实现能源可持续发展的关键，也是解决全球面临的能源和环境问题的有效途径。
典型煤气化技术可分为三类：固定床气化、气流床气化及流化床气化。固定床气化特点在于适用于块煤或碎煤气化产气，并具有设备投资成本小、技术成熟等优点；但其煤种限制严格，仅适用于优质块煤或碎煤，造成生产成本高等缺点。气流床气化虽解决了生产成本高的问题，并具备污染少、可连续产气等特点，但其煤种适应性较差，无法处理热值低、灰分高、水分高的低阶劣质煤。流化床气化则不仅可以满足煤炭气化连续产气的特点，而且生产能力适中、环境污染小、可以直接使用廉价的各种粉体原料。因此，流化床气化的高效利用，是解决低阶煤以及其他各种廉价粉体原料的有效途径，也是低成本、高效率的产气途径之一。但传统的流化床气化的颗粒停留时间低于固定床、气化反应温度低于原料的灰熔点，致使其碳转化率相对较低。如今，大多流化床气化技术的碳转化率仅为65-85％，从而导致煤灰、煤渣中存在相当一部分的残炭无法有效利用。
为解决上述传统工艺中的弊端，中国发明专利cn201010279560.7公布了一种多层流化床催化气化工艺，将气化炉分为合成气产生段、煤甲烷化段和合成气甲烷化段。使燃烧、气化、甲烷化反应和热解反应分段进行，控制各段的反应程度和温度分布。虽然随着催化剂的添加以及煤炭分段分段处理使得碳转化率有所提高，且产品组分控制程度高。然而气化炉上方的热解段中，细小的粉煤未经反应就从气化炉跑出，使得飞灰的碳含量较高，并且未反应完全的煤焦返混至气化炉底部渣口，直接从气化炉排出，导致反应过程中的碳转化率较低。碳转化率基本仍在90％以下。
中国发明专利cn201410499747.6提出了一种干法排渣流化床气化反应装置，同时采用两段式气化方法将炉膛分为上下两段，未反应颗粒在第二段反应室中继续进行气化反应，从而有效提高了碳转化率(达90-95％)。
现有的流化床技术或专利虽在一定程度上提高了传统流化床气化碳转化率低的状况，但其仍无法达到固定床和气流床碳转化率99％的水平，灰渣中仍存在不少残炭。因此，有必要解决流化床气化灰渣中残炭过高的问题。
技术实现要素：
本发明所解决的技术问题之一是克服现有技术的缺陷，提供一种循环流化床-气流床联合气化装置，该装置有效提高了气化整体的碳转化率，并且解决了低阶煤难以利用的问题，并实现了气化产品多样化的特点。
本发明所解决的技术问题之二，是与技术问题一相对应的一种循环流化床-气流床联合气化方法。
为解决技术问题一，本发明提供了一种循环流化床-气流床联合气化装置，其特征在于：包括循环流化床提升管1、第一旋风分离器2、气体分离设备3、循环流化床下降管4、返料管5、气体分布器6、第一渣斗7、第一喷嘴8、气流床反应器9、第二喷嘴10、第二渣斗11、第二旋风分离器12、水洗塔13；循环流化床提升管1中上部设有第一原料a的进口，循环流化床提升管1上部侧面连接第一旋风分离器2、第一旋风分离器2后连接气体分离设备3；第一旋风分离器2下部连接循环流化床下降管4；距循环流化床下降管4底部1/10-1/8处设有松动风c进气口，循环流化床下降管4下部侧面连接返料管5；返料管5下部连接循环流化床提升管1的中下部；循环流化床提升管1的下部设有供第一气化剂b进入的气体分布器6；气体分布器6下部连接第一渣斗7；第一渣斗7下部与第一喷嘴8相连；第一喷嘴8一侧设有第二气化剂f的入口，另一侧连接气流床反应器9；气流床反应器9中上部与第一喷嘴8相对一侧连接第二喷嘴10，气流床反应器9底部连接第二渣斗11，气流床反应器9中下部侧面连接第二旋风分离器12、第二旋风分离器12后连接水洗塔13。
上述技术方案中，第一喷嘴(8)、第二喷嘴(10)的结构均采用双流道结构，其中一侧流道供第二气化剂(f)通过，另一侧流道供原料粉体颗粒及输送载气通过。
上述技术方案中，第一喷嘴(8)与第二喷嘴(10)为对置布置；喷嘴垂直气流床反应器(9)进口方向与水平面之间的角度为-5°～5°。
为解决技术问题二，本发明提供了一种循环流化床-气流床联合气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.循环流化床提升管1中的反应：第一原料a从循环流化床提升管1中上部加入，与来自返料管5的循环半焦混合，并与从气体分布器6所送入的第一气化剂b接触实现催化气化反应，生成富含甲烷的合成气以及高温半焦颗粒，高温半焦颗粒被合成气所携带进入第一旋风分离器2，合成气经分离后被送入气体分离设备3进行净化、分离处理，并获得第一产品气d以及co2，而高温半焦颗粒经第一旋风分离器2分离后被送入循环流化床下降管4继续反应；所述的第一原料a为含有催化剂的低阶煤原料；
b.循环流化床下降管4中的反应：高温半焦颗粒进入到循环流化床下降管4，并与来自循环流化床下降管4中下部的松动风c接触，发生微弱的气化反应，并在松动风c的作用下被继续经由返料管5送入到循环流化床提升管1进行循环气化反应；
c.循环流化床反应器的灰渣处理：高温半焦颗粒不断进行着步骤a、步骤b的过程，并最终随着颗粒中可燃物的消耗，形成第一灰渣e，并通过自身重力从循环流化床提升管1中经由气体分布器6下落至第一渣斗7中；第一灰渣e由气体分离设备3所分离出的co2输送至气流床反应器的第一喷嘴8，作为气流床反应器的原料及催化剂继续进行反应；
d.气流床反应器9中的反应：第一灰渣e与第二气化剂f在第一喷嘴8头部预混，并被射入气流床反应器9，并与来自第二喷嘴10中预混的第二原料g和第二气化剂f撞击，第一灰渣e中含有的矿物质以及未反应的第一原料a中的催化剂在第二原料g表面发生催化作用，发生剧烈的催化气化反应，生成粗合成气、飞灰和第二灰渣；
e.气流床反应器9中反应产物的处理：第二灰渣通过自身重力下落至第二渣斗11被收集，而飞灰则被粗合成气携带送入第二旋风分离器12进行气固分离，分离后粗合成气进一步被送入水洗塔13进行净化加工处理，并最终获得第二产品气h。
所述的第一原料a为含有催化剂的低阶煤原料，第二原料g为高阶煤或石油焦。其中，低阶煤原料为褐煤，高阶煤原料为无烟煤，催化剂为廉价的造纸黑液、工业废碱或草木灰中的一种。
所述的第一原料a中的褐煤及催化剂粒径均<300μm，第二原料g的平均粒径<250μm左右。
所述的第一气化剂b由水蒸气和氧气组成，所述水蒸气与氧气体积比控制在100:20-25。松动风c由水蒸气和氧气组成，所述水蒸气与氧气体积比控制在100:5-10。第二气化剂f则为空气。
所述的循环流化床反应器及气流床反应器的操作压力均为≥4.0mpa，循环流化床反应器运行温度为700-850℃，气流床反应器的运行温度为1400-1650℃。
所述的循环流化床反应器中气化反应所生成的富甲烷的合成气，依次经第一旋风分离器2、气体分离设备3分离后得到的co2为气流床反应器9中第一喷嘴8与第二喷嘴10的原料输送气，并一同进入气流床反应器9中参与气化反应。
本发明的优点简介
本发明将循环流化床反应器与气流床反应器联合使用，在循环流化床反应器中主要进行低阶煤的催化气化反应，生成富含甲烷的合成气；在气流床反应器中通入高阶煤、乃至石油焦以及循环流化床反应器的气化灰渣，运用灰渣中所含有的矿物质以及未反应的催化剂，实现高阶煤或石油焦的催化气化以及循环流化床反应器中的灰渣二次利用。循环流化床反应器中反应生成的co2经分离后作为输送气将循环流化床反应器的气化灰渣送入气流床反应器，并作为气化剂在气流床反应器中使原料进行反应，降低了外加n2、ar等传统输送气的成本。
采用本发明的技术方案通过气流床反应器中喷嘴采用对置分布，且对置的喷嘴采用不同原料，一侧为高阶煤或石油焦等反应性较差的含碳物质，另一侧为循环流化床反应器气化后所得到的含有催化剂的灰渣的方法，使得循环流化床反应器气化生成的灰渣以及未反应的催化剂得以二次利用，解决了循环流化床气化灰渣中的残炭利用问题，并且利用其催化作用提高了高阶煤或石油焦气化反应的速率，提高了碳转化率，使联合装置的碳转化率高达99％。另外，本发明将循环流化床反应器与气流床反应器耦合于一体，提高了煤种适应性，使其能处理从低阶劣质煤到高阶煤、乃至石油焦的广泛跨度的原料，并实现了催化气化产富甲烷的气体产品，在气流床反应器中实现了气化产合成气，达到了产品多样化的目的，同时具备了气化强度大等特点，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的循环流化床-气流床联合气化装置的示意图。
图中，1-循环流化床提升管；2-第一旋风分离器；3-气体分离设备；4-循环流化床下降管；5-返料管；6-气体分布器；7-第一渣斗；8-第一喷嘴；9-气流床气化炉；10-第二喷嘴；11-第二渣斗；12-第二旋风分离器；13-水洗塔；a-第一原料；b-第一气化剂；c-松动风；d-第一产品气；e-第一灰渣；f-第二气化剂；g-第二原料；h-第二产品气。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详述本发明的特点。
【实施例1】
含有造纸黑液的褐煤原料从循环流化床提升管1原料入口输送至其炉膛内，与来自气体分布器6的氧气与水蒸气配比为20:100的气化剂在700℃的操作温度下发生反应，生成富含甲烷的合成气以及高温半焦颗粒，经第一旋风分离器2分离后，获得可作为工业燃料的富甲烷的第一产品气d以及co2，其中第一产品气d有效成分h2、co以及ch4含量分别为41.3％、19.6％、6.5％。而高温半焦颗粒继续在循环流化床反应器中进行气化反应。随着高温半焦颗粒中的可燃物不断消耗，最终形成第一灰渣e，并从循环流化床提升管1中经由气体分布器6下落至第一渣斗7中。第一灰渣e由气体分离设备3所分离出的co2输送至气流床反应器的第一喷嘴8，作为气流床反应器的原料及催化剂继续进行反应。第一灰渣e与第二气化剂f在第一喷嘴8头部预混，并被射入气流床反应器9，并与来自第二喷嘴10中预混的无烟煤原料g和空气发生撞击，第一喷嘴8与第二喷嘴10垂直气流床反应器(9)进口方向与水平面之间的角度为0°，在1400℃的操作温度下发生剧烈的催化气化反应生成合成气，该合成气中有效成分h2、co含量分别为24.5％、63.4％。期间，整个系统的原料碳转化率为99％。
【实施例2】
含有造纸黑液的褐煤原料从循环流化床提升管1原料入口输送至其炉膛内，与来自气体分布器6的氧气与水蒸气配比为25:100的气化剂在850℃的操作温度下发生反应，生成富含甲烷的合成气以及高温半焦颗粒，经第一旋风分离器2分离后，获得可作为工业燃料的富甲烷的第一产品气d以及co2，其中第一产品气d有效成分h2、co以及ch4含量分别为39.9％、20.1％、7.1％。而高温半焦颗粒继续在循环流化床反应器中进行气化反应。随着高温半焦颗粒中的可燃物不断消耗，最终形成第一灰渣e，并从循环流化床提升管1中经由气体分布器6下落至第一渣斗7中。第一灰渣e由气体分离设备3所分离出的co2输送至气流床反应器的第一喷嘴8，作为气流床反应器的原料及催化剂继续进行反应。第一灰渣e与第二气化剂f在第一喷嘴8头部预混，并被射入气流床反应器9，并与来自第二喷嘴10中预混的无烟煤原料g和空气发生撞击，第一喷嘴8与第二喷嘴10垂直气流床反应器(9)进口方向与水平面之间的角度为0°，在1650℃的操作温度下发生剧烈的催化气化反应生成合成气，该合成气中有效成分h2、co含量分别为24.1％、64.4％。期间，整个系统的原料碳转化率为99％。
【实施例3】
含有造纸黑液的褐煤原料从循环流化床提升管1原料入口输送至其炉膛内，与来自气体分布器6的氧气与水蒸气配比为25:100的气化剂在850℃的操作温度下发生反应，生成富含甲烷的合成气以及高温半焦颗粒，经第一旋风分离器2分离后，获得可作为工业燃料的富甲烷的第一产品气d以及co2，其中第一产品气d有效成分h2、co以及ch4含量分别为39.9％、20.1％、7.1％。而高温半焦颗粒继续在循环流化床反应器中进行气化反应。随着高温半焦颗粒中的可燃物不断消耗，最终形成第一灰渣e，并从循环流化床提升管1中经由气体分布器6下落至第一渣斗7中。第一灰渣e由气体分离设备3所分离出的co2输送至气流床反应器的第一喷嘴8，作为气流床反应器的原料及催化剂继续进行反应。第一灰渣e与第二气化剂f在第一喷嘴8头部预混，并被射入气流床反应器9，并与来自第二喷嘴10中预混的石油焦原料g和空气发生撞击，第一喷嘴8与第二喷嘴10垂直气流床反应器(9)进口方向与水平面之间的角度为0°，在1650℃的操作温度下发生剧烈的催化气化反应生成合成气，该合成气中有效成分h2、co含量分别为28.2％、61.0％。期间，整个系统的原料碳转化率为99％。
【实施例4】
含有造纸黑液的褐煤原料从循环流化床提升管1原料入口输送至其炉膛内，与来自气体分布器6的氧气与水蒸气配比为25:100的气化剂在850℃的操作温度下发生反应，生成富含甲烷的合成气以及高温半焦颗粒，经第一旋风分离器2分离后，获得可作为工业燃料的富甲烷的第一产品气d以及co2，其中第一产品气d有效成分h2、co以及ch4含量分别为39.9％、20.1％、7.1％。而高温半焦颗粒继续在循环流化床反应器中进行气化反应。随着高温半焦颗粒中的可燃物不断消耗，最终形成第一灰渣e，并从循环流化床提升管1中经由气体分布器6下落至第一渣斗7中。第一灰渣e由气体分离设备3所分离出的co2输送至气流床反应器的第一喷嘴8，作为气流床反应器的原料及催化剂继续进行反应。第一灰渣e与第二气化剂f在第一喷嘴8头部预混，并被射入气流床反应器9，并与来自第二喷嘴10中预混的无烟煤原料g和空气发生撞击，第一喷嘴8与第二喷嘴10垂直气流床反应器(9)进口方向与水平面之间的角度为15°，在1650℃的操作温度下发生剧烈的催化气化反应生成合成气，该合成气中有效成分h2、co含量分别为21.0％、61.4％。期间，整个系统的原料碳转化率为86％。
【实施例5】
含有造纸黑液的褐煤原料从循环流化床提升管1原料入口输送至其炉膛内，与来自气体分布器6的氧气与水蒸气配比为25:100的气化剂在850℃的操作温度下发生反应，生成富含甲烷的合成气以及高温半焦颗粒，经第一旋风分离器2分离后，获得可作为工业燃料的富甲烷的第一产品气d以及co2，其中第一产品气d有效成分h2、co以及ch4含量分别为39.9％、20.1％、7.1％。而高温半焦颗粒继续在循环流化床反应器中进行气化反应。随着高温半焦颗粒中的可燃物不断消耗，最终形成第一灰渣e，并从循环流化床提升管1中经由气体分布器6下落至第一渣斗7中。第一灰渣e由外加的n2输送至气流床反应器的第一喷嘴8，作为气流床反应器的原料及催化剂继续进行反应。第一灰渣e与第二气化剂f在第一喷嘴8头部预混，并被射入气流床反应器9，并与来自第二喷嘴10中预混的无烟煤原料g和空气发生撞击，第一喷嘴8与第二喷嘴10垂直气流床反应器(9)进口方向与水平面之间的角度为0°，在1650℃的操作温度下发生剧烈的催化气化反应生成合成气，该合成气中有效成分h2、co含量分别为23.8％、62.1％。期间，整个系统的原料碳转化率为97％。
【比较例1】
采用传统的温克勒流化床非催化气化技术，原料采用褐煤，气化压力为0.1mpa，气化温度为850℃，出口有效成分h2、co以及ch4含量总和达78.5％，但碳转化率仅为81％。
【比较例2】
采用山西煤化所所提出的灰融聚流化床气化装置，原来采用褐煤，气化压力为1.0mpa，气化温度为1100℃，出口有效成分h2、co以及ch4含量总和达85％，但碳转化率仅为70-90％。
【比较例3】
采用上海锅炉厂有限公司所提出的二段式干法排渣流化床气化装置，原料褐煤，气化压力为0.5mpa，气化温度为1000℃，出口有效成分h2、co以及ch4含量总和高达91％，碳转化率为90-95％。
从上述表的技术对比中，可以得出，本发明技术的原料适应性非常广，优于传统技术以及国内外同类技术，而且实现了组合式气化，碳转化案率高达99％，高出同类技术5个百分点以上。