本发明属于煤炭清洁利用设备领域，特别是涉及一种高通量循环流化床低阶煤气化装置及方法。
背景技术：
“富煤贫油少气”的资源禀赋决定了煤炭在可预见的未来仍然是我国重要的基础能源，其中气化技术是煤炭清洁高效利用的重要途径之一。据报道，我国以褐煤和长焰煤为主的低阶煤约占剩余煤炭可采储量的45％，但褐煤等低阶煤的“两高三低”(挥发分高、水分高、灰熔点低、密度低、热值低)特点导致其严重污染环境，难以得到大规模利用缺点，因此，开发低阶煤的气化技术是实现能源清洁转化和利用的重要支撑与保障。
现已商业化的煤气化技术可以分为固定床、气流床和流化床三种。其中，固定床气化以弱粘结块煤为原料，煤气中甲烷含量高、冷煤气效率高，尤其适合于煤制天然气，但焦油废水净化系统相对复杂；气流床在高温下操作，气化强度和合成气品质较高，但通常以低灰分的煤粉为原料，同时氧耗和设备投资较高；流化床气化以小颗粒煤为原料，气固接触面积相对较大，反应温度适中，氧耗低，投资低，尤其适合于反应活性高的褐煤和长焰煤等低阶煤。因此，开发适合于低阶煤的流化床气化技术无疑是一项十分重要的工作。
现有的流化床气化技术在气化褐煤、长焰煤等低阶煤时，难免会遇到以下困难：1.碳的转化率较低(90％左右)；2.气化强度较低；3.底部排灰困难。
技术实现要素：
本发明的目的提供一种高通量循环流化床低阶煤气化装置及方法，其特征在于，
所述高通量循环流化床低阶煤气化装置主要包括射流强化底灰分离区A，低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B，残炭提升管深度气化区C，两级旋风分离器和返料机构。
所述的射流强化底灰分离区A由V型气体分布板1、V型分布板气室2、分布板进气管3、中心射流管4、流化分离柱5、排渣口6和分离柱进气口7构成；其中V型气体分布板1位于V型分布板气室2的上部，呈漏斗状，V型分布板1上分布着气体出口，下部与流化分离柱5连接；在V型分布板气室2中有分布板进气管3；中心射流管4位于流化分离柱5的中轴线上；流化分离柱5的下部与排渣口6相连，其底部设有分离柱进气口7；
所述的低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B和残炭提升管深度气化区C是流化床气化炉的主体部分，低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B位于射流强化底灰分离区A和残炭提升管深度气化区C之间，在低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B和残炭提升管深度气化区C自下而上依次有一级循环灰返料单元8、入炉煤进料管9、气化剂进气管10、二级循环灰返料单元11，其中入炉煤进料管9位于低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B中部，气化剂进气管10位于低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B上部；二级循环灰返料单元11连接在残炭提升管深度气化区C下部。
所述的两级旋风分离器和返料机构是循环灰的输送单元，一级旋风分离器13与气化炉顶端出口12通过管道相连，其下端依次连接一级循环立管14、U型阀15、一级循环灰返料单元8，然后返回到低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B；一级旋风分离器13的排气口经管道与二级旋风分离器16相连，二级旋风分离器16顶端为合成气出口17，下端连接有二级循环立管18、二级循环灰返料单元11，最终返回至残炭提升管深度气化区C下部。
所述的残炭提升管深度气化区C与低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B截面积之比为0.5:1--0.75:1。
所述的二级循环灰返料单元11中设有松动风进气管19和输送风进气管20，实现该单元的锁气进料功能。一种高通量循环流化床低阶煤气化装置的低阶煤气化方法，其特征在于通过高速射流气体和二级返料机构直接连接残炭提升管深度气化区C，实现细灰中残炭在高通量条件下的深度气化；在气化炉下部引入高速射流气体，促进底灰熔融成球后，经分离柱高效分离；包括如下步骤：
将水分小于10wt％和粒度小于15mm的入炉煤由进料管9连续加入气化炉，同时在气化炉底部的射流强化底灰分离区A的分布板进气管3、中心射流管4和分离柱进气口7连续通入空气，低阶煤首先破裂或热解，然后部分发生气化或燃烧反应，生成粒径较小的高温半焦在气流夹带下进入提升管气化区C，与氧气和水蒸汽组成的气化剂发生反应；气化炉顶部带出的固体颗粒经两级旋风分离器和返料机构先后返回到气化炉，其中粒径较大的颗粒在一级旋风分离器13实现气固分离后，由一级循环灰返料单元8送入强混合热解、气化、燃烧区B，被进一步气化、燃烧；粒径较小的颗粒则经二级旋风分离器16和二级循环灰返料单元11进入提升管气化区C，小颗粒中的残炭实现有效深度气化，低阶煤整体气化效率得到提高；在二级旋风分离器16顶端的合成气出口17得到含尘浓度极低的高品质合成气。
所述在射流强化底灰分离区A中，采用高速射流管和分离柱耦合结构实现底灰的高效分离；空气和氧气由中心射流管4引入，在射流喷口附近形成高温燃烧区，促使灰渣团聚成球；在V型气体分布板1通入空气使床层维持流化状态，进而由分离柱进气口7通入的空气在适宜的气速下使灰团与半焦等床料分离，然后灰团排出气化炉；排渣量可以通过调整分离柱气速与调节中心射流管出口高度予以控制。
本发明的有益效果：与现有技术相比具有如下优点：
(1)未充分气化的煤和半焦在气化炉内多次循环，增长了停留时间，有效提高碳转化率；
(2)循环流化床气化炉在高通量条件下操作，装置处理能力和气化强度显著提升；
(3)采用高速射流管和分离柱耦合结构，解决了底部排灰的难题，尤其适合于灰含量较高的低阶煤。
附图说明
图1为本发明高通量循环流化床低阶煤气化的装置示意图。
如图所示，1-V型气体分布板，2-V型分布板气室，3-分布板进气管，4-中心射流管，5-流化分离柱，6-排渣口，7-分离柱进气口，8-一级循环灰返料单元，9-入炉煤进料管，10-气化剂进气管，11-二级循环灰返料单元，12-气化炉出口，13-一级旋风分离器，14-一级循环立管，15-U型阀，16-二级旋风分离器，17-合成气出口，18-二级循环立管，19-松动风进气管，20-输送风进气管；A-射流强化底灰分离区，B-低阶煤强混合热解/气化/燃烧区，C-残炭提升管深度气化区。
具体实施方式
本发明提出一种高通量循环流化床低阶煤气化装置及方法，下面结合附图和予以进一步说明。
图1所示为高通量循环流化床低阶煤气化装置。该装置主要由射流强化底灰分离区A，低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B，残炭提升管深度气化区C，两级旋风分离器和返料机构组成。
射流强化底灰分离区A由V型气体分布板1、V型分布板气室2、分布板进气管3、中心射流管4、流化分离柱5、排渣口6和分离柱进气口7构成。其中V型气体分布板1位于V型分布板气室2的上部，呈漏斗状，V型分布板1上分布着气体出口，下部与流化分离柱5连接；在V型分布板气室2中有分布板进气管3；中心射流管4位于流化分离柱5的中轴线上，中心射流管4出口与V型气体分布板1的底部等高。
流化分离柱5的下部与排渣口6相连，其底部设有分离柱进气口7。低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B和残炭提升管深度气化区C是流化床气化炉的主体部分，低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B位于射流强化底灰分离区A和残炭提升管深度气化区C之间，其中残炭提升管深度气化区C与低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B截面积之比为0.5:1。在低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B和残炭提升管深度气化区C自下而上依次有一级循环灰返料单元8、入炉煤进料管9、气化剂进气管10、二级循环灰返料单元11，其中入炉煤进料管9位于低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B中部，气化剂进气管10位于低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B上部；二级循环灰返料单元11连接残炭提升管深度气化区C下部。两级旋风分离器和返料机构是循环灰的输送单元，一级旋风分离器13与气化炉顶端出口12通过管道相连，其下端依次连接一级循环立管14、U型阀15、一级循环灰返料单元8，然后返回到气化炉的低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B；一级旋风分离器13的排气口经管道与二级旋风分离器16相连，二级旋风分离器16顶端为合成气出口17，下端连接有二级循环立管18、二级循环灰返料单元11，最终返回至残炭提升管深度气化区C下部。二级循环灰返料单元11中设有松动风进气管19和输送风进气管20，实现该单元的锁气进料功能。
实施例1
本实施例中，残炭提升管深度气化区C与低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B截面积之比为0.5:1，中心射流管4出口与V型气体分布板1的底部等高。
将蒙东褐煤送入制粉系统，经磨煤机破碎和干燥器干燥后，使其满足粒度小于15mm，水分小于10wt％；入炉煤经低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B中部的入炉煤进料管9连续加入，同时在气化炉底部的分布板进气管3，中心射流管4，分离柱进气口7连续通入空气，低阶煤首先破裂或热解，然后部分发生气化或燃烧反应，生成粒径较小的高温半焦在气流夹带下进入提升管气化区C；氧气和水蒸汽组成的气化剂由气化剂进气管10注入，与提升管内的高温半焦颗粒并流向上发生气化反应；维持提升管气化区C的温度控制在850～1000℃。在低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B所发生的气固反应主要包括：煤热解反应：Coal→C+H2+CH4+H2O+CO2+CO，etc。残炭提升管深度气化区C煤气化过程的独立反应有：C+O2→CO，C+O2→CO2，C+CO2→CO，C+H2O→CO+H2，C+H2→CH4，CO+H2O→H2+CO2。气化剂10以及气化炉底部的各个进气维持适宜的操作气速，使提升管内获得较高的固体通量。
气化生成的合成气经气化炉出口12进入一级旋风分离器13，一级旋风分离器13捕集合成气所夹带的灰、焦等固体颗粒，绝大部分固体颗粒通过一级循环立管14，落入U型阀15，由一级循环灰返料单元8送入低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B下部；其中小部分细颗粒经一级旋风分离器13的排气口进入二级旋风分离器16，经二级旋风分离器16捕获后，细颗粒落入二级循环立管18，经具有锁气进料功能的二级循环灰返料单元11被送至提升管气化区C下部；被送回气化炉的固体颗粒再次参与反应和循环，最终在二级旋风分离器16顶端的合成气出口17得到含尘浓度极低的高品质合成气。
在射流强化底灰分离区A，空气、氧气由中心射流管4引入，在射流喷口附近形成1100～1300℃的高温燃烧区域促使灰渣团聚成球；在V型气体分布板1通入空气使床层维持流化状态，进而由分离柱进气口7通入的空气在适宜的气速下使灰球与半焦等床料分离，然后灰球排出气化炉。排渣量可以通过调整分离柱气速与调节中心射流管出口高度予以控制。
实施例2：
提升管气化区C与强混合热解、气化、燃烧区B截面积之比为0.75:1；中心射流管4出口略高于V型气体分布板1的底部。其余装置与实施例1中的装置相同。
本实例中，将阜新长焰煤送入制粉系统，经磨煤机破碎和干燥器干燥后，使其满足粒度小于15mm，水分小于10wt％；入炉煤经低阶煤强混合热解/气化/燃烧区B中部的入炉煤进料管9连续加入，同时在气化炉底部的分布板进气管3、中心射流管4、分离柱进气口7连续通入空气，低阶煤首先破裂或热解，然后部分发生气化或燃烧反应，生成粒径较小的高温半焦在气流夹带下进入提升管气化区C；氧气和水蒸汽的组成的气化剂由气化剂进气管10注入，与提升管内的高温半焦颗粒并流向上发生气化反应；维持提升管气化区C的温度控制在900～1050℃。在低阶煤强混合热解/气化/燃烧区B所发生的气固反应主要包括：煤热解反应：Coal→C+H2+CH4+H2O+CO2+CO，etc。残炭提升管深度气化区C煤气化过程的独立反应有：C+O2→CO，C+O2→CO2，C+CO2→CO，C+H2O→CO+H2，C+H2→CH4，CO+H2O→H2+CO2。气化剂10以及气化炉底部的各个进气维持适宜的操作气速，使提升管内获得较高的固体通量。
气化生成的合成气经气化炉出口12进入一级旋风分离器13，一级旋风分离器13捕集合成气所夹带的灰/焦等固体颗粒，绝大部分固体颗粒通过一级循环立管14，落入U型阀15，由一级循环灰返料单元8送入低阶煤强混合热解、气化、燃烧区B下部；其中小部分细颗粒经一级旋风分离器13的排气口进入二级旋风分离器16，经二级旋风分离器16捕获后，细颗粒落入二级循环立管18，经具有锁气进料功能的二级循环灰返料单元11被送至提升管气化区C下部；被送回气化炉的固体颗粒再次参与反应和循环。最终在二级旋风分离器16顶端的合成气出口17得到含尘浓度极低的高品质合成气。
在射流强化底灰分离区A，空气/氧气由中心射流管4引入，在射流喷口附近形成1100～1300℃的高温燃烧区域促使灰渣团聚成球；在V型气体分布板1通入空气使床层维持流化状态，进而由分离柱进气口7通入的空气在适宜的气速下使灰球与半焦等床料分离，然后灰球排出气化炉。排渣量可以通过调整分离柱气速与调节中心射流管出口高度予以控制。