煤焦粉Y型气流床清洁高效气化多联产工艺的制作方法

本发明涉及煤化工领域，特别地，涉及煤气流床气化。

二、

背景技术：

煤气化是煤的洁净与高效利用的龙头和关键技术。气流床气化是最近几十年发展起来的新型煤并流式气化技术，气化剂与煤粉或煤浆经喷嘴进入气化室，煤的热解、燃烧以及气化反应几乎同时进行，高温保证了煤的完全气化，煤中的矿物质成为熔渣后离开气化炉。与传统气化技术相比，加压气流床气化温度高、处理能力大、气体有效成分高、气化效率高，是未来煤气化技术发展方向，也是目前国内外应用最广、代表世界先进水平的煤化工标志性技术之一。

但是煤化工一直因高水耗和高能耗饱受诟病，作为煤化工的龙头---煤气化技术高耗水和高耗能是其主要原因，然而其中用于煤气化反应过程的化学耗水量仅为激冷和洗涤等工艺过程的物理耗水量的1/5，因此气流床气化节水的关键是避免和降低物理耗水量。然而现有气流床气化，不论干粉气化还是水煤浆气化，均存在着熔渣湿排和碳洗塔增湿洗涤，一方面耗水量大且产生大量难处理的黑水及含盐废水，结晶废盐为难处理的危化品；另一方面造成反应过程的高温余热未能有效利用，能耗较高；另外湿渣和含碳较高的灰饼脱水困难影响了综合利用，填埋极易造成二次污染，这些均成为国内外煤化工产业实现提质增效和清洁高效低碳发展的最大瓶颈。

通过调控灰分组成，利用粉煤燃烧联产水泥熟料的多联产技术是国内外研究的热点。但由于燃烧温度处于水泥临界反应温度、停留时间短，从而导致固固反应强度和时间不足或灰分调控困难，目前仅有少量工艺进行了工业中试或示范，加之所产水泥熟料未达到理想效果，目前仍在研究探索中。气化炉的还原性气氛和燃烧炉的氧化性气氛使得煤粉气化炉渣联产水泥熟料的难度加大，现有气化炉中固体停留时间短、灰渣掺混，直接影响联产水泥的性能，加之均采用湿法排渣极易发生水化反应，形成结块堵塞。但是一旦实现气化炉渣年产水泥熟料，将解决煤气化固废大规模高附加值资源化利用难题。

因此，如何减少物理耗水、充分回收热能和汽化炉渣高附加值资源化利用成为未来气流床清洁高效气化技术开发的关键和重点。

三、

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服现有气流床气化炉联产水泥技术存在的上述重大缺陷和不足而提供一种煤焦粉y型气流床清洁高效气化多联产工艺，具有煤种适应性广，固体高温区停留与反应时间长、灰渣分离、碳的转化率高，水冷壁挂渣容易、处理量调节幅度大、热量回收率高，干法排渣副产高性能新型胶结材料，能耗和投资低、消除了含盐废水、黑水和废渣，二次污染少、结构简单、使用寿命长等优点，可满足产业部门对高效大型化合成型气化炉的要求。

本发明的技术方案：

本发明提供煤焦粉y型气流床清洁高效气化多联产工艺，根据煤中灰分组成利用掺混石灰粉调控钙铝比为2-4：1、钙硅比为1-4：1和钙铁比为1-3：1从而制备水煤浆或粉煤；从原料煤粉仓来的水煤浆或粉煤与氧气站来的气化剂以及水蒸气经y型气化炉的顶喷嘴和径向倾斜的侧喷嘴喷入气化室，在1300-2000℃的温度下燃烧气化；顶喷嘴和侧喷嘴产生多股射流在炉膛中心相互碰撞形成y型旋转撞击区，相互点火、湍流搅拌混合、形成高温反应区，残留灰渣抛向气化室的炉壁，旋流向下，灰渣在高温区的停留与固固反应时间延长10倍以上，水冷壁挂渣在耐火层表面结一层凝固渣层形成以渣抗渣；粗合成气和熔渣通过气化炉分段锥形封头中心的气化产物排出口，流到激冷室，与气化产物排出口外侧的激冷水喷头高速喷射的水雾旋流混合换热，液渣干法固化，粗合成气温度控制在500-950℃；在离心旋转过程固渣由于惯性大甩到激冷室壁，汇集后沿锥型封头到流化床取热器，而残炭含量较高、惯性小的细灰被向上流动的粗合成气带出激冷室；排入流化床取热器的高温固渣在流化蒸汽和雾化水雾或取热套管的作用下降温到120-500℃，同时按照比重和粒度实现灰渣分离，蒸汽和灰向上混入合成气，低温气化渣通过两级压力锁斗间歇式排入流化床换热器、移动床换热器或冷渣机进一步冷却到小于80℃后排出作为新型胶结材料；从激冷室流出的含灰粗合成气通过气灰分离器分离，粗合成气进入对流废锅回收热量后进入下步预处理工序，残炭含量较高的分出灰通过排灰口排入移动床换热器，冷却到小于500℃后，最后通过两级锁斗间歇式干法排出，返回到原料煤粉仓循环利用。

y型气化炉分为气化室和激冷室，中间通过分段锥形封头隔开；气化室壳体从外向内依次是隔热材料层、冷却套和耐磨材料层；在气化室底部设置冷却液进口，顶部设置冷却液出口；气化室顶部中心设置顶喷嘴，上部沿圆周均匀设置3个以及3个以上侧喷嘴，侧喷嘴与水平方向夹角为-15°～15°、与径向夹角为2°～75°；分段锥形封头中心设置气化产物排出口，通入激冷室；激冷室底部带有开孔的锥形封头中心设置固体下料管通入流化床取热器，激冷室上部设置粗合成气出口接入气灰分离器；流化床取热器和气灰分离器的出口均分别设置有移动床换热器和两级锁斗排料器，气灰分离器的两级锁斗排料器排出细灰返回原料煤粉仓循环使用。

冷却套为冷却夹套、冷却环管或冷却列管。

顶喷嘴与侧喷嘴的原料煤处理量之比为1～4:1。

气化室的高径比为2-5:1，侧喷嘴喷口距气化室顶部高度为500-2500mm，气化室的耐磨材料层为碳化硅或镁铝尖晶石材料浇注。

激冷室使用普通隔热耐磨材料浇注，高径比为2～8:1，煤气出口距激冷室顶部高度为100-1000mm，激冷室底部锥形封头的开孔率为3％-25％。

流化床取热器的底部设有水蒸气或惰性气体分布器，固体渣排出管距离水蒸气或惰性气体分布器100-500mm，流化床内安装有各自独立的冷却水雾化取热喷头或取热套管；取热套管的进水管分别通过阀门与进水管联通，出水管分别通过阀门与蒸汽包联通。

四、附图说明

图1是本发明的煤焦粉y型气流床清洁高效气化多联产工艺流程示意图。

附图的图面设明如下：1.气化炉壳体、2.冷却套、3.耐火材料层、4.顶喷嘴、5.侧喷嘴、6.气化室、7.冷却液进口、8.冷却液出口、9.气化产物排出口、10.隔热材料层、11.分段锥形封头、12.激冷室、13.旋流冷却套、14.激冷水喷头、15.粗煤气出口、16.气灰分离器、17.固体下料管、18.流化床取热器、19.分布器、20.排渣口、21.移动床换热器、22.一级锁斗、23.二级锁斗、24.煤气出口、25.取热套管、26.原料煤粉仓、27.气化剂线、28.煤粉线、29排灰口、30冷却水雾化取热喷头。

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的煤焦粉y型气流床清洁高效气化多联产工艺是根据煤中灰分组成利用掺混石灰粉调控钙铝比为2-4：1、钙硅比为1-4：1和钙铁比为1-3：1从而制备水煤浆或粉煤；从原料煤粉仓(26)来的水煤浆或粉煤与氧气站来的气化剂以及水蒸气经y型气化炉的顶喷嘴(4)和径向倾斜的侧喷嘴(5)喷入气化室(6)，在1300-2000℃的温度下燃烧气化；顶喷嘴(4)和侧喷嘴(5)产生多股射流在气化室(6)炉膛中心相互碰撞形成y型旋转撞击区，相互点火、湍流搅拌混合、形成高温反应区，残留灰渣抛向气化室(6)的炉壁，旋流向下，灰渣在高温反应区的停留时间延长10倍以上，冷却套(2)形成水冷壁，挂渣在耐火材料层(3)表面结一层凝固渣层形成以渣抗渣；粗合成气和熔渣通过气化炉分段锥形封头(11)中心的气化产物排出口(9)，流到激冷室(12)，与气化产物排出口(9)外侧的激冷水喷头(14)高速喷射的水雾旋流混合换热，液渣干法固化，粗合成气温度控制在500-950℃；在离心旋转过程固渣由于惯性大甩到激冷室(12)壁，通过流化床取热器(18)换热后的蒸汽分选后沿锥型封头到固体下料管(17)，而残炭含量较高的灰惯性小被向上流动的粗合成气带出激冷室(12)，灰渣分离；高温固渣通过激冷室(12)中的固体下料管(17)排入流化床取热器(18)，在流化蒸汽的作用下通过各自独立设置冷却水雾化取热喷头(30)或换热套管(25)再次回收热量，然后通过排渣口(20)和移动床换热器(21)将渣冷却到小于80℃后，最后通过两级锁斗(22、23)间歇式干法排出作为新型胶结材料；含灰的粗合成气流到气灰分离器(16)，分出的较高残炭含量灰通过排灰口(29)排入移动床换热器(18)，冷却到小于100℃后，最后通过两级锁斗(22、23)间歇式干法排出，返回到原料煤粉仓(26)循环利用，净化后的合成气进入下步预处理工序。

y型气化炉分为气化室(6)和激冷室(12)，中间通过分段锥形封头(11)隔开；气化室(6)壳体从外向内依次是隔热材料层(3)、冷却套(2)和耐磨材料层(10)；在气化室(6)底部设置冷却液进口(7)，顶部设置冷却液出口(8)；气化室(6)顶部中心设置顶喷嘴(4)，上部沿圆周均匀设置3个以及3个以上侧喷嘴(5)，侧喷嘴(5)与水平方向夹角为-15°～15°、与径向夹角为2°～75°；分段锥形封头(11)中心设置气化产物排出口(9)，通入激冷室(12)；激冷室(12)底部带有开孔的锥形封头中心设置固体下料管(17)通入流化床取热器(18)，激冷室(12)上部设置粗合成气出口(15)接入气灰分离器(16)；流化床取热器(18)和气灰分离器(16)的出口均分别设置有移动床换热器(21)和两级锁斗排料器(22、23)，气灰分离器(16)的两级锁斗排料器(22、23)排出细灰返回原料煤粉仓(26)循环使用。

冷却套(2)为冷却夹套、冷却环管或冷却列管；

顶喷嘴(4)与侧喷嘴(5)的原料处理量之比为1～4:1。

气化室(6)的高径比为2-5:1，侧喷嘴(5)喷口距气化室(6)顶部高度为500-2500mm，气化室(6)的耐火材料层为碳化硅或镁铝尖晶石材料浇注。

激冷室(12)使用普通隔热耐磨材料浇注，高径比为2～8:1，粗煤气出口距激冷室(12)顶部高度为100-1000mm，激冷室(12)底部锥形封头的开孔率为3％-25％。

流化床取热器(18)的底部设有水蒸气或惰性气体分布器(19)，固体下料管(17)距离水蒸气或惰性气体分布器(19)100-500mm，流化床内安装有各自独立的冷却水雾化取热喷头(30)或取热套管(20)；取热套管(20)的进水管分别通过阀门与进水管联通，出水管分别通过阀门与蒸汽包联通。

在实际操作中，煤焦y型气流床清洁高效气化装置工作时，根据煤中灰分组成利用掺混石灰粉调控钙铝比为2-4：1、钙硅比为1-4：1和钙铁比为1-3：1调配的水煤浆或粉煤与气化剂经顶喷嘴和径向倾斜的侧喷嘴入炉，多股射流在炉膛中心相互碰撞形成y型旋转撞击区，相互点火、湍流搅拌混合、形成高温反应区，煤粉在高温反应区的停留时间延长10倍以上，强化了热质传递与混合过程以及用作水泥胶结料的反应强度，改善了着火稳定性，提高碳转化率和扩大适用煤种的范围以及处理量调节幅度；而且水冷壁挂渣容易，耐火层表面结一层凝固渣层，以渣抗渣、提高了气化炉的寿命；同时由于顶喷嘴的作用，火焰方向向下，高达2000℃的火焰不会冲击炉顶部耐火材料；另外顶喷嘴同时具有点火和反应功能，消除单一顶喷嘴气化炉开工爆震造成的安全隐患和降低炉膛保护层寿命的缺陷以及点火喷嘴和反应喷嘴高温更换的危险和繁重；生成的煤气与熔融灰渣并流高速旋转，经分段锥形封头中心的气化产物排出口进入下游的旋流冷却室。气化产物由原来的一次水激冷过程，变为雾化水激冷与流化床取热和移动床换热，操作条件和对设备的要求苛刻度大大缓和。

通过旋流冷却套上部高速喷射的水雾与进入冷却室的粗煤气和液渣旋流混合换热，液渣固化，在旋流冷却套下部出口气固分离；固体渣从激冷室底部中心的固体下料口排出；粗煤气由于惯性小携带炭黑向上流动，充分利用气化产物余热，消除了下行气流床气化炉激冷渣产生的黑水和含盐废水难题。

通过旋流冷却套上部，雾化水从气化产物排出口外侧的激冷水喷头高速雾状喷出与气化产物排出口并流高速旋转喷射出来的煤气与熔融灰渣快速混合、灰渣激冷固化效果远优于气体激冷；由于水的相变热大，相对用量少，冷却能耗远低于冷煤气循环激冷，对废热锅炉的负荷影响也较小；在离心旋转过程固渣由于惯性大甩到旋流冷却室壁，通过流化床换热后的蒸汽分选后沿锥型封头到固体下料口，而残炭含量较高的灰惯性小被向上流动的合成气带出旋流冷却室，从而实现了灰渣分离，消除了气渣并流下行气流炉的水激冷产生的后续极难处理的黑水、后续处理管线结堵和二次污染严重、下降管内的激冷环极易损坏的共性难题。从激冷室上部的粗煤气出口流出进入气灰分离器以及下游的废锅换热工序和中温煤气水洗脱碳黑工序。熔渣固化放出大量的相变热、外排的粗合成气温度降到800℃以内，便于设置废热锅炉同时回收利用灰、渣和合成气的的热量，余热回收率大大提高；冷却室温度降到800℃以内并且为干式结构，还简化了激冷室结构、降低了隔热耐磨材料的苛刻度和成本。

已形成胶结材料的固化渣从固渣激冷室中的固体下料口排入流化床取热器，800℃左右的激冷渣在流化蒸汽的作用下通过各自独立设置的冷却水雾化取热喷头或换热套管再次回收热量，然后通过排渣口和移动床换热器将渣冷却到小于80℃后，最后通过两级锁斗间歇式干法排出，消除了气流床气化炉激冷产生的含盐废水难题。另外在排渣管无需使用激冷环，也就避免了目前气渣并流下行气流炉水激冷流程中普遍存在的激冷环极易损坏，影响长周期运行的难题。

从气灰分离器分出的较高残炭含量灰通过排灰口排入移动床换热器，冷却到小于100℃后，最后通过两级锁斗间歇式干法排出，返回到原料煤粉仓循环利用，大幅度提高了碳的转化率。

从中试实验结果来看，消除黑水和含盐废水处理，碳气化率高达99％以上、综合热回收率85％以上、气化渣作为胶结料强度达到625水泥的要求，投资降低30％以上，处理量调节幅度60％-150％，冷却剂用量减少80％左右，废热锅炉的负荷降低30％以上，对煤种的挥发分无要求，水冷壁挂渣容易且均匀，气化灰循环利用，能满足产业部门对高效大型化合成型气化炉的要求。