含焦固体颗粒的气化方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油化工工艺，具体是含焦固体颗粒连续气化生产合成气的工艺方法及实现含焦固体颗粒连续气化生产合成气的装置。
【背景技术】
[0002]重质油的催化裂化和热转化过程中，使用流化床反应器是很重要的一个方向，例如流化催化裂化，流化焦化等。此类过程中，流化的固体颗粒，即催化剂或者是热载体，在反应进行中表面会产生积炭，积炭较多时可能影响固体颗粒的效果，需要将焦炭燃烧去除。含焦固体颗粒的燃烧再生不仅限于炼油过程，容易产生积炭的流化床反应器中经常涉及该问题。一般解决方法是将固体颗粒连续的输送进入另一个流化床反应器，引入空气或含氧气体在600-700 °C左右烧焦，烧焦完成的固体颗粒再连续的输送返回到流化床反应器中。
[0003]烧焦可以在一个流化床反应器中完成，也有使用两段流化床的。美国专利US3844973公开了典型两段烧焦的方法，待生的含焦颗粒首先进入高气速的烧焦罐，烧焦罐上部设置缩径的稀相输送管，输送管末端设置气固分离设备，在烧焦罐较高的气速和分离设备的作用下，烧焦罐中部分烧焦的颗粒进入到第二个流化床的密相中，称为二密相区，烧焦罐烟气则进入第二个流化床的稀相中。申请号为9712179.5的中国发明专利申请提出利用轴向重叠布置的两个流化床先上后下进行两段烧焦。上述专利及一些改进的烧焦方法都是为了更好的恢复催化剂的活性，提高再生效果。
[0004]当固体颗粒中焦炭含量较高时，烧焦产生的热量超过了系统所需，取热负荷增大，此时焦炭可用于气化生产合成气，满足炼厂燃料气和氢气的需求。灵活焦化技术就是在流化焦化的基础上，增加了生焦直接气化的步骤。气化过程与烧焦过程有一定的相似性，但需要更高的温度和使用水蒸气作为气化剂，条件更为苛刻。
[0005]美国专利US3759676公开了灵活焦化技术的气化反应过程。气化部分使用了类似烧焦罐的快速流化床，待气化的焦炭颗粒从烧焦罐底部和上部稀相输送段同时进入，上段进入起到原流化焦化中加热器的作用，完成气化的焦炭上行到顶部沉降段，沉降段和快速流化床隔开，沉降段底部未气化的焦炭可以作为焦炭产品出厂，部分返回到焦化反应器中作为热载体反应。该技术中气化流化床虽然设置了两层，上层实际作为排出固体颗粒所用，本质上是单床层气化。其它灵活焦化方面的专利如US3752658等均为单床层气化。美国专利US3661543对灵活焦化技术做了改进，将加热器和气化器两个流化床同轴安置，上面是加热器，下面是气化器，待气化颗粒先进入加热器，在重力作用下落入气化器中，发生气化反应，本质上仍是单床层气化。NPRA年会(1982)公开了一种双气路灵活焦化方法，该方法将气化分成两段，一段采用空气/水蒸气气化，二段采用纯氧/水蒸气气化，两段气化采用了两个并列的床层流化床，通过颗粒输送管交换固体颗粒。传统的灵活焦化采用空气气化，生成的燃气热值低，利用率不高。而采用纯氧气化也有问题，由于气化不仅是产气还要起到供热作用，纯氧用于燃烧供热显然不经济。分成两段，一段空气主要用于供热加生产低热值燃气，二段可生产高热值的合成气，经济性更好。但是采用双气路气化，加上焦化反应器和加热器，共有4个并列的相互之间有颗粒输送的流化床，操作过于复杂。
[0006]申请号为 03157570.6，200710178843.0，200910244214.2，201210169277.8 等的中国专利申请公开了重油热接触裂化和气化耦合的技术，这些技术重点在于流化热裂化和气化过程的耦合，包括反应的耦合和热平衡的问题，在气化方面均采用简单的单床层气化。
[0007]固体热载体与油品热接触裂化生成的焦炭，其气化反应中存在两个阶段，第一是含氢量较高的活性焦炭的气化，该阶段气化速率快，第二是残留的石墨化程度较高的焦炭的气化，这些焦炭的气化难度较高，完全气化需要较长的时间和较高的温度。上述技术中普遍采用单床层气化，在较低的苛刻度下气化需要较大的气化反应器并且焦炭大量外排，较高苛刻度下气化则对设备要求提出了更高的要求，以及更高的能耗。因此，根据焦炭气化反应规律合理设计气化反应过程，对于这一类技术的经济性会有更大的提高。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是，提供一种含焦固体颗粒的气化方法，该方法可提尚焦炭的气化强度和提尚热量利用效率。
[0009]为了达到上述目的，本发明的含焦固体颗粒的气化方法，采用两级串联的流化床反应器实现连续气化，包括如下步骤:
[0010]待气化的含焦固体颗粒连续进入到第一流化床反应器中，跟循环返回的高温固体颗粒混合后与第一气化剂在Tl温度下发生第一级气化反应，Tl为800-900°C ；
[0011]含未转化焦炭的固体颗粒及气体上行进入至第二流化床反应器中，未转化焦炭与第二气化剂在T2温度下发生第二级气化反应，T2为900-1000°C ；
[0012]第二流化床反应器中的部分高温固体颗粒通过外循环方式部分返回到第一流化床反应器中以提升第一流化床反应器中固体颗粒的温度，部分高温固体颗粒连续移出第二流化床反应器，作为完成气化过程的产物。
[0013]根据本发明提供的方法，采用两段流化床反应器实现焦炭的气化反应，第一流化床反应器中部分热量来自第二流化床反应器，从而可以在第一级气化反应得到高于常规气化过程的高热值合成气。更，本发明提供的方法基于重油生焦连续气化反应的特征(重油生焦连续气化反应中存在两个阶段，第一是含氢量较高的活性焦炭的气化，该阶段气化速率快，第二是残留的石墨化程度较高的焦炭的气化，这些焦炭的气化难度较高，完全气化需要较长的时间和较高的温度)，使第二级气化反应的温度比第一级气化反应的温度高100-200°C，从而第一级气化反应能完成高活性焦炭的气化，第二级气化反应能完成残留难气化焦炭的气化。
[0014]上述的含焦固体颗粒的气化方法，其中，所述第一气化剂包括氧气和水蒸气，且所述氧气体积占第一气化剂总体积的2-20%。所述第二气化剂包括氧气和水蒸气，且所述氧气体积占第二气化剂总体积的12-35%。也就是说，第一气化剂可以米用较低的氧气含量。第二气化剂需要相比第一气化剂更高的氧气含量，以更高的温度和更快的反应速率将焦炭转化，这样，在较高的氧气浓度下的第二级气化反应可以快速的将焦炭转化，减小了气化反应器的设备尺寸，可减少设备投资费用。
[0015]上述的含焦固体颗粒的气化方法，其中，所述第一气化剂或/和所述第二气化剂是空气和水蒸气的混合气体，以节约纯氧的用量，降低运行成本。
[0016]上述的含焦固体颗粒的气化方法，其中，在第一级气化反应之后第二级气化反应之前，还包括将进入至第二流化床反应器中的含未转化焦炭的固体颗粒及气体进行气固分离以得到第一级气体产品和分离出的固体颗粒步骤，这样，分离出的固体颗粒与第二流化床反应器内的固体颗粒混合，在第二流化床反应器内中继续发生第二级气化反应，生成第二级气体产品。第一级气体产品为高有效气含量的气体，可用作制氢或者高热值燃气；第二级气体产品可用作低热值燃气。
[0017]本发明进一步提供一种能实现上述含焦固体颗粒气化方法的装置，包括:
[0018]第一流化床反应器，所述第一流化床反应器上具有物料进口及第一气化剂入口 ；
[0019]第二流化床反应器，位于所述第一流化床反应器的上方，所述第二流化床反应器上具有第二气化剂入口、气体产品出口及再生固体颗粒排出口 ；
[0020]外循环管，一端连接至所述第一流化床反应器，另一端连接至所述第二流化床反应器，将所述第二流化床反应器中的部分高温固体颗粒通过外循环方式返回到所述第一流化床反应器中；以及
[0021]稀相输送管，一端连接至所述第一流化床反应器，另一端连接至所述第二流化床反应器，将所述第一流化床反应器中的气体和固体颗粒通过稀相输送方式上行至所述第二流化床反应器中；
[0022]其中，所述第一硫化床反应器为上行式流化床反应器，所述第二流化床反应器为床层流化床反应器，且所述第二流化床反应器与所述第一流化床反应器通过所述外循环管及所述稀相输送管串联连接。
[0023]上述的含焦固体颗粒的气化装置，其中，所述稀相输送管容置于所述第二流化床反应器的内部。
[0024]上述的含焦固体颗粒的气化装置，其中，所述稀相输送管的顶部具有多个开口，所述多个开口直接连通所述第二流化床反应器内部，所述第二流化床反应器内具有多个旋风分离器，所述多个旋风分离器分别具有分离气体出口，所述分离气体出口与所述气体产品出口相连。
[0025]上述的含焦固体颗粒的气化装置，其中，所述稀相输送管的顶部具有多个开口，所述第二流化床反应器内具有多个旋风分离器，所述多个旋风分离器分别具有分离气体出口，多个开口与多个旋风分离器中的部分旋风分离器对应连通，与开口连通的旋风分离器的分离气体出口与外界连接，其余旋风分离器的分离气体出口与所述气体产品出口相连。
[0026]上述的含焦固体颗粒的气化装置，其中，所述第一流化床反应器内部下方布置有气体分配器，所述气体分