CN101665724A - 水煤浆气化方法及气化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种煤气化的方法，包括将水煤浆引入到气化炉的气化室中以进行气化反应，该方法通过流动的气态介质实现与气化室的热交换，并且气态介质处于一个与气化室相隔绝的气冷空间中。在本发明的另一个方面，提供一种用于煤气化的气化炉，包括位于气化炉上部的用于气化水煤浆的气化室和位于气化炉下部的冷却室，该气化炉还包括与该气化室相隔绝、可供气态介质流动的气冷空间，该气冷空间与该气化室进行热交换。采用本发明披露的水煤浆煤气化方法和气化炉，不用使用耐火砖作气化室内衬材料，能够有效降低水煤浆气化炉的维护成本，提高气化炉的可靠性和可生产时间。

Description

水煤浆气化方法及气化炉
技术领域
本发明涉及一种煤气化方法以及应用该方法的气化炉。
背景技术
煤炭是我国最主要的一次能源，其清洁高效利用对于我国至关重要。煤炭气化技术作为一种先进的清洁煤炭利用技术，是煤气化发电(主要是IGCC)、煤化工(包括煤制油、煤制烯烃、煤制甲醇、合成氨和尿素、煤气化制氢等)、煤气化多联产等工艺的基础，是能源领域的重大技术，受到许多国家的重视。
经过几十年的发展，世界上已经形成了四种类型的煤气化技术：固定床气化、流化床气化、气流床气化和熔融床气化技术。气流床气化技术具有效率高、规模大、合成气成分相对简单、有效气成分(CO+H2)含量高等优点，成为研究开发的重点。尤其是随着近年来新型煤化工产业的发展，气流床气化技术迅速推广应用。
大型气流床气化炉依据给料方式主要分两种：水煤浆气化炉和干煤粉气化炉。
水煤浆气化炉典型代表是德士古气化炉(即GE气化技术)，其它大型气流床水煤浆气化炉还有两段式的E-Gas气化炉，国内华东理工大学开发了多喷嘴对置式水煤浆气化炉、清华大学开发了两段式水煤浆气化炉，并投入了工业应用。德士古气化炉由上下两部分组成，上部是气化室，气化炉的下部因冷却方式不同有两种形式，一种是激冷型，另一种是全热回收型。气化室由多层耐火砖形成，外壁为圆筒形高压容器，其内壁(形成气化室)和外壁分别承担耐高温和耐高压的职能。水煤浆与氧气通过顶端的入口(喷嘴)进入气化室气化，气化后熔渣和合成气进入冷却区。
上述气化法的一个重要缺陷是，炉壁内衬长期在高温下工作，经受高速煤浆冲刷，容易磨损，其寿命约为1年，因此需要定期更换耐火砖。为了避免更换耐火砖期间的停工，煤气厂通常会准备一套备用气化炉，以供在前述更换耐火砖期间使用。这无疑会增加大量的设备投入。增加了生产运行成本。耐火砖难以忍受1400℃的高温，因此通常要求气化炉操作温度不超过1400℃，气化用煤的灰熔点不超过1350℃；此外，由于耐火砖容易受CaO等碱性物质腐蚀，要求煤中CaO含量较低，但CaO含量低的煤炭灰熔点偏高。这些因素都限制了煤种适应性。
干煤粉气化炉的典型代表是壳牌(Shell)气化炉，此外还有西门子的GSP气化炉，国内西安热工研究院开发了两段式干煤粉加压气化炉，并将应用于华能绿色煤电天津IGCC示范电站。
在Shell煤气化方法中，来自制粉***的干煤粉由加压氮气送入两个相对布置的气化烧嘴，喷入气化炉内。气化炉在1400-1700℃范围内运行。气化炉操作压力为2-4MPa。在气化炉内煤中的灰分以熔渣形式排出。绝大部分熔渣从炉底离开气化炉，经冷渣池冷却后，再经破渣机进入渣锁***。出气化炉的粗煤气夹带着熔渣粒子由循环冷却煤气所激冷，使熔渣固化而不致黏在合成气冷却壁上，然后再从煤气中脱除。合成气冷却器采用水管式废热锅炉，用来产生中压饱和蒸汽或过热蒸汽。
Shell气化炉主要由内筒和外筒两部分构成。内筒采用水冷壁结构，仅在向火面涂有一层薄的耐火材料，正常操作时，依靠挂在水冷壁上的熔渣层保护水冷壁。内筒和外筒之间有空隙气层，内筒仅承受微小压差，气化炉可根据能力由4～8个喷嘴沿中心对称分布。
以Shell法为代表的干法加压煤气化具有气化效率高，煤种适应性广、气化操作温度高、氧耗低、热效率高等优点，但是也有以下不足：(1)受加压进料的影响，最高气化压力没有湿法气化压力高。湿法气化操作压力一般为2.8-6.5MPa，最高可达8.5MPa，有利于节能。干法气化由于受煤粉加料方式的限制，气化压力一般为3.0MPa。(2)煤粉制备投资高、能耗高，且没有水煤浆制备环境好。粉煤制备对原料含水量要求比较严格，需进行干燥，能量消耗高。粉末制备一般采用气流分离，排放器需进行洗涤除尘，否则易带来环境污染，这样使制粉***投资增加。(3)煤粉供料难以稳定控制，安全操作性不如湿法气化。主要体现在粉煤的加压进料稳定性不如湿法进料，会对安全操作带来不良影响。湿法气化由于将粉煤制成水煤浆，易于加压、输送。(4)工艺流程中加压送粉、飞灰净化、废热锅炉等设备复杂，造价昂贵。
发明内容
本发明的目的是解决水煤浆气化法的耐火砖寿命短、运行维护成本高、煤种适应性差的缺点，也避免干煤粉气化炉造价高、可控性差的缺点。
本发明因此提供一种煤气化的方法，包括将水煤浆引入到气化炉的气化室中以进行气化反应，该方法通过流动的气态介质实现与气化室的热交换，并且气态介质处于一个与气化室相隔绝的气冷空间中。
用于本发明方法的气态介质可以为水蒸气、氮气、空气或二氧化碳。
在本发明方法的一个具体实施方式中，该气冷空间环绕该气化室。
在本发明的另一个方面，提供一种用于煤气化的气化炉，包括位于气化炉上部的用于气化水煤浆的气化室和位于气化炉下部的冷却室。该气化炉还包括与该气化室相隔绝、可供气态介质流动的气冷空间，该气冷空间与该气化室进行热交换。
在一种具体实施方式中，该气冷空间是介于气化炉外壳与气化室之间的夹层，位于该夹层与气化室之间的隔层为气冷壁。作为优选，该气冷壁由金属材料形成。
在另一种具体实施方式中，该气冷空间是由一个盘管的内腔所限定，该盘管是环绕该气化炉外壳的内壁并对应于该气化室而设置，以便实现与气化室之间的热交换。更具体地，该盘管的股与股之间相互接触，在朝向所述气化室的一面形成一个连续的气冷壁。作为替代，该盘管的股与股之间可以相互分离，所述气冷壁为所述盘管的全部外表面。
在根据本发明的气化炉的一种实施方式中，用于输入水煤浆的进口为一个，并且设置在所述气化室的顶部。该进口也可以为多个，它们可以均匀设置在所述气化室的侧壁。
采用本发明披露的水煤浆煤气化方法和气化炉，不用使用耐火砖作气化室内衬材料，能够有效降低水煤浆气化炉的维护成本，提高气化炉的可靠性和可生产时间。采用水煤浆给料，可以有效提高气化炉压力，从而减小气化炉体积，而较高的压力有利于同后续工艺结合。在一个优选的实施方案中，由于采用激冷方案，合成气中的水蒸气含量较高，特别适合制氢工艺，因而在煤气化制氢、合成氨、甲醇生产、煤制油、煤气化多联产和绿色煤电氢能发电等工艺中具有优势。
附图说明
图1示出根据本发明的气化炉的一个代表性实施例；
图2示出根据本发明的气化炉的另一个代表性实施例；
图3示出煤浆浓度与黏度之间的关系；
图4表示在不同温度下，煤浆浓度与气化效率的关系；
图5示出了一套生产能力达2000吨/天的气化***用于氢气生产流程的图示。
具体实施方式
在本发明的用于水煤浆气化法的气化炉中，提供单独的气冷空间，该气冷空间形成一个暴露于气化室中的气冷壁，通过气体在该气冷空间内的流动，气冷壁与气化室中的合成气之间的热交换得以进行而达到冷却合成气的目的。
在本发明的一种具体实施方式中，该气冷空间是一个介于气化炉外壳与气化室之间的夹层，用于将夹层与气化室隔绝开的导热层形成气冷壁。蒸汽(优选为高压蒸汽)流动在该环形气冷空间中，以冷却气化室中的合成气。
在本发明的一种具体实施方式中，该气冷壁是由螺旋上升的盘管形成，该盘管可以是由一根空心管以类似于螺旋弹簧的方式盘绕而成，也可以由多根空心管并列地盘绕而成，盘管内为气冷空间，其内流动气态介质。盘旋管的单股与单股之间可以是彼此相接而形成一个连续的气冷壁，也可以是彼此之间留有适当间隙，而让合成气接触盘管的全部表面。
在本发明的另一种具体实施方式中，该气冷壁是由多根垂直上升的管并排“拼接”而成，形成膜式气冷壁，气冷壁管内流动气态介质，用于冷却。
明显地，本发明的气冷壁可以不局限于上述方式，只要是能够提供一个能让蒸汽在其中流动以便与气化室进行热交换而且不会阻挡气化室内介质流动的结构，皆可以用于本发明。
气冷壁是本发明的一个重要特征，首先要保证其包裹的气化室的空间、形状满足气化反应的需要；再者还需要考虑维持气化操作温度，以提高反应效率和顺利排渣，这就要求冷却介质带走的热量不能太多；此外还需要保证气冷壁温度不能超过材料忍受的极限，这又要求冷却介质带走较多热量。因此，设计气冷壁时需要根据煤种特性选择适当的操作条件(温度、压力参数)，根据动力学计算和传热校核结果，适当选择气冷壁内冷却介质的种类和流速、设定气冷壁的材料和尺寸。在水煤浆气化时，为保证气化温度，要求带走的热量不能太多，常采用饱和蒸汽或湿蒸汽作为冷却介质。在操作过程中，则可以根据运行条件和要求，调节进料速度、氧煤比、气冷壁内冷却介质的流速等参数，保证装置的平稳、高效运行。
在本发明中，可以用作冷却介质的气体包括但不限于水蒸气、氮气、空气和二氧化碳。
在本发明中，上述气冷空间中冷却介质可以被导引到一个外***中，以便回收部分余热。例如，气冷壁内生成的过热蒸汽可用于驱动工厂内的动力设备，或者用于发电，或者用于需要消耗中、高压蒸汽的化工反应。
由于本发明在用于水煤浆气化法的气化炉中引入了气冷壁，不仅可以方便可靠地维持气化室的温度，使得气化反应安全、稳定地进行，而且省却了在气化室内设置耐火材料，从而避免了定期更换耐火材料的不便，提升了气化炉的运行寿命，此外还可以部分回收气化反应的显热，提高了能量利用率。相对于干煤粉气化，该气化炉保留了水煤浆供料可靠、气化压力高的优点，避免了干煤粉供料设备造价昂贵、浓度波动较大的缺点。
根据本发明的气化炉通常由上、下两部分组成，上部分为气化室，下部为冷却室。在上部分中设有气冷空间，其提供用于与气化室进行热交换的气冷壁。在冷却室中的冷却方式既可以是激冷型，也可以是全热回收型。在激冷型冷却方式中，熔渣和合成气在激冷室与冷却水直接接触而降温，粗煤气温度激冷到200～260℃，熔渣通过出渣口排出，合成气通过合成气出口排出。显然，在激冷过程中粗煤气会损失一部分物理显热。在全热回收型冷却方式中，熔渣和合成气在气化室下方的冷却区通过与热辐射冷却器接触，将粗煤气的温度降到400℃左右，回收的热可以供蒸汽轮使用，从而比激冷型提高了热煤气的效率。
作为优选，在本发明中采用激冷型冷却方式，虽然此方式比全热回收型在热利用率方面要低一些，但是具备以下优势：(1)设备数量减少，可靠性提高，投资降低；(2)激冷后合成气中含有较多水蒸汽，有利于后续变换流程，变换过程无需再加入水蒸气；(3)激冷起到初步除灰、除尘的作用，后续净化设备体积减小。
本发明还可以采用两段式气化室。例如，可以将E-Gas气化炉的两段式特征引入到根据本发明的气化炉中，气冷壁可以设置在至少一段气化室中，优选地设置在第一段气化室中。在这里，第一段是指气化室中被输入大部分(约85～90％重量比)水煤浆的一段，其通常为水平设置，第二段是指气化室中被输入较小部分(约10～15％重量比)水煤浆的一段，其通常垂至于第一段设置。E-Gas气化炉的结构在现有技术中是熟知的，例如在许世森等的《大规模煤气化技术》(化学工业出版社)一书中第178页有详细披露。
图1示出根据本发明的气化炉的一个代表性实施例。气化炉10包括上部气化室110和下部的激冷室120，外壳130整体地封闭气化室110和激冷室120。气化室110是由螺旋管116围成，由此形成的气化室的壁即为气冷壁。螺旋管内腔形成气冷空间，以允许流体介质在其中流动。工艺烧嘴设置在气化炉的顶端进口140处，用于将加压的水煤浆和氧气喷入气化室110。气化室110通过其下端的第一出口112将合成气和熔渣排入激冷室120。在激冷室靠近气化室出口112处设有激冷水喷嘴，该喷嘴至少有两个，且基本对称分布在激冷环130下表面，喷嘴开口方向向下，其位置使得喷入的激冷水能与进入激冷室的熔渣和合成气充分接触。被激冷的合成气通过第二出口136排出，煤渣则通过下端的第三出口138排出。这种单喷嘴气化炉适合于1000吨/天规模以下的气化炉；对于气化规模大于1000吨/天的气化炉，采用多喷嘴的布置(通常为4个喷嘴)其技术经济性能会更优，多喷嘴气冷壁水煤浆气化炉如图2所示，其与图1唯一的区别是有四个喷嘴，四个喷嘴沿气化室对称布置，喷嘴轴线稍微向下，与水平面成0-45度的夹角a。
图2示出图1所示实施例的一个变型，其不同之处在于，该气化炉的进口140设置在气化室的侧壁的上部，并且该进口140为多个。图2中示出的进口为4个，其分别两两对称地穿过壳体和气冷壁而设置。
煤炭等燃料经过处理后形成一定浓度的水煤浆(煤浆浓度一般在60-80％之间)。煤浆经泵送到气化烧嘴，同时送入的还有来自空气分离单元的氧气。氧气和煤浆在气化室110内发生不完全燃烧反应，生产氢气和一氧化碳。气化温度在1200-1600℃之间，生成的炉渣在高温下熔化并顺着气冷壁114往下流入渣池，同时部分热量被气冷壁中的饱和水蒸气带走。生成的高温合成气(温度约1000℃)进入激冷室，被喷淋的激冷水冷却。
激冷后的合成气由合成气出口136导出，进入后续净化和工艺流程。灰渣被激冷后落入灰渣池。操作条件
主要操作条件包括煤浆浓度(质量分数)、气化温度、气化压力、氧碳比
煤浆浓度
煤浆浓度与煤种、煤粉的细度、固含量、添加剂种类等参数一起影响着水煤浆的黏度。煤浆浓度与黏度之间的关系见图3。煤粒度愈小，煤浆浓度愈高，黏度愈大。考虑煤浆的流变性质是选用输送煤浆管径的需要。管径太小，压头损失大，相反过大又会输送不稳定，固体会发生沉降。一般水煤浆黏度控制在1Pa·S左右。
图4表示在不同温度下，煤浆浓度与气化效率的关系。可见在较低的气化温度下，增加煤浆浓度，同样可以提高气化效率。一般煤粒度愈细，煤浆浓度愈高，碳转化率或气化效率愈高，但是也会引起煤浆黏度剧增，给气化炉加料带来困难，因此不同的煤种都有一个最佳的粒度和浓度，需预先进行实验选择。
为了提高气化效率，在保证煤浆流动性和稳定性的条件下，尽可能提高煤浆的浓度。一般来说煤浆的成浆性能在60～80％的范围。气化温度和气化压力
气化温度和压力对于气化过程的影响是很显著的。为了提高气化温度和气化效率，缩短反应时间，应该采用较高的气化温度，而且通常高于煤的灰熔点，以便实现液态排渣。但是温度也不能过高，否则，不仅会缩短气化炉气冷壁的寿命，而且需要消耗更多的氧气和煤碳，其经济性会下降。因此，在本发明中，对于气化温度一般维持在1200～1600℃之间，通常比煤的灰熔点高50～80℃。当灰熔点高于1500℃时，就要添加助熔剂，使其灰熔点降低到1500℃以下。
气化炉的生产能力与压力P的1/2次方成正比。升高压力，有利于提高气化炉的单炉生产能力，一般在10MPa以下。炉内气化压力高低的确定还取决于产品煤气的用途。例如用于合成甲醇则为6～7MPa为适宜，这样后面的工序不需再增压。在本发明的一个具体实施方式中，生产用于制氢的合成煤气，气化压力是在6.5MPa左右。
氧碳比
氧碳比是指气化过程中氧耗量与煤中碳消耗量的比值。它与煤的性质、煤浆浓度、煤浆粒度分布有关，其值一般在0.9～0.95之间。显然，氧碳比愈高氧消耗量就愈大，这将影响经济指标。
应用案例
图5示出了一套生产能力达2000吨/天的气化***用于氢气生产流程的图示。该气化炉操作压力6.5MPa，温度1370℃；气化室直径约3,600mm，氧气耗量约50,000Nm3/h，粗合成气产量约180,000Nm3/h，相应的氢气产量约150,000Nm3/h。
相对同等规模的干煤粉气化装置，采用这种新型气化技术的投资可大幅度降低，估计一套2000吨/天的装置可节省投资2～3亿元(如表1所示)。此外，该气化炉出口合成气成分中CO含量较低，H2和H2O含量较高，后续制氢工艺中的水煤气变换装置规模可以缩小，注入的蒸汽量可减少；再者，水煤浆供料便于控制，运行更稳定。
表1本发明相对干煤粉气化炉的投资优势(2000吨/天规模)
  项目   本发明投资   干煤粉气化投资   节约投资
  备煤与输煤   10000万   14000万   4000万
  气化炉   20000万(激冷流程)   36000万(废锅流程)   16000万
  除灰   4000万   10000万   6000万
  合计   34000万   60000万   26000万
同现有采用耐火砖的水煤浆气化炉相比，每年可节约数百万元的耐火砖维修费用，单炉的运行时间增长、可靠性增加，运营维护费用降低，经济性改善；此外，还能产生部分过热蒸汽，可用于驱动空分装置压缩机、煤浆泵等动力设备。
在本发明中，由于采用气冷壁，能够有效降低水煤浆气化炉的造价，提高气化炉的可靠性和可用率。采用水煤浆给料，可以有效提高气化炉压力，从而减小气化炉体积，降低气化炉造价，且较高的压力有利于同后续工艺结合。在一个优选的实施方案中，由于采用激冷方案，合成气中的水蒸气含量较高，特别适合制氢工艺，因而在煤气化制氢、合成氨、甲醇生产、煤制油、煤气化多联产和绿色煤电氢能发电等工艺中具有优势。

Claims (12)

1.一种水煤浆气化的方法，包括将水煤浆引入到气化炉的气化室中以进行气化反应，其特征在于，通过流动的气态介质实现与所述气化室的热交换，并且所述气态介质处于一个与所述气化室相隔绝的气冷空间中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气态介质为水蒸气、氮气、空气或二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气冷空间环绕所述气化室。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，采用激冷法冷却气化室中产生的合成气和熔渣。
5.一种用于气化水煤浆的气化炉，包括位于所述气化炉上部的用于气化水煤浆的气化室，和位于所述气化炉下部的冷却室，其特征在于，所述气化炉中还包括与所述气化室相隔绝、可供气态介质流动的气冷空间，所述气冷空间与所述气化室进行热交换。
6.根据权利要求5所述的气化炉，其中，所述气冷空间是介于所述气化炉外壳与所述气化室之间的夹层，位于所述夹层与气化室之间的隔层为气冷壁。
7.根据权利要求6所述的气化炉，其中，所述气冷壁由金属材料形成。
8.根据权利要求5所述的气化炉，其中，所述气冷空间是由一个盘管的内腔所限定，所述盘管是环绕所述气化炉外壳的内壁并对应于所述气化室而设置，以便实现与所述气化室之间的热交换。
9.根据权利要求8所述的气化炉，其中，所述盘管的股与股之间相互接触，在朝向所述气化室的一面形成一个连续的气冷壁。
10.根据权利要求8所述的气化炉，其中，所述盘管的股与股之间相互分离，所述气冷壁为所述盘管的全部外表面。
11.根据权利要求5所述的气化炉，其中，用于输入水煤浆的进口为一个，并且设置在所述气化室的顶部。
12.根据权利要求8所述的气化炉，其中，用于输入水煤浆的进口为多个，并且均匀设置在所述气化室的侧壁。
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