CN103756731A - 一种交互循环双流化床固体燃料气化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种交互循环双流化床固体燃料气化装置与方法，固体燃料与用于流化与反应的气体在流化床气化反应器内发生热解气化反应，生成可燃气体与未完全发生热解气化反应的固体焦与半焦；热解反应所需热量来源于高温载热循环床料；固体焦/半焦和放出热量后的载热循环床料根据反应器内运行状态通过旋风分离器或溢流装置进入气动返料器中，随后被可控的送至燃烧反应器内；固体焦/半焦在燃烧反应器内燃烧将载热循环床料再次加热；加热后的载热循环床料通过返料装置再次进入气化反应器，为热解气化反应提供热量。气化装置同时适应鼓泡流态化与快速流态化的运行参数，从而实现对多种可燃固体的良好适应性以及整体装置的运行高效率。

Description

一种交互循环双流化床固体燃料气化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种交互循环双流化床固体燃料气化装置，属于固体燃料能源技术领域。该交互循环双流化床固体燃料气化装置适合应用于煤气化、生物质气化等多个方面。

背景技术

随着当今社会的迅速进步，与之发展过程伴随而生的能源与环境问题日益凸显，这对能源生产和消耗方式的改进以及新能源技术的开发利用产生了现实而又紧迫的需求。

具体就我国国情而言，石油、天然气储量相对较少，尤其是石油需求与国内产量相比缺口很大，需要从海外各产油国大量进口，目前我国对外石油依存度已高达60%，对于保障国家能源安全和维护人民安定生活都是一个重要的隐患。相对于石油与天然气资源的短缺，我国煤炭资源储量丰富且产量巨大，目前煤炭占我国能源消费总量的约七成。另一方面，包括生物质在内的可燃固体废弃物在我国的产量也非常大，特别是生物质资源作为清洁可再生能源之一，此类资源的应用对于弥补能源需求缺口和改善能源消费组成结构具有重要作用，对于可持续发展的实现和生态环境的改善也具有重要的现实意义。

固体燃料气化是未来能源、燃料和化工原料工业的基本技术之一，也是当前固体燃料利用的有效技术之一。通过气化技术利用煤、生物质和各类固体废弃物转化生成产品气或合成气。产品气经处理后既可以直接作为燃料，也可以通过进一步的精制以及甲烷化等手段生产合成天然气作为天然气的替代品使用。合成气则可以被广泛地用于各类化工生产中作为化学合成过程的原料气，通过合成可以生产多种基本化工原料以及可用于替代石油产品的各类燃料油。

气化技术的研究开发至今已有一个多世纪的历史，在其发展过程中形成了多种不同的技术。当前气化技术主要包括固定床/移动床技术、流化床技术和气流床技术三类，其中流化床气化技术具有工作温度适中、生产能力较强等优点，但是仍然存在固定碳的对原料要求较高、气化转化效率不高、控制困难、焦油产量大且产气热值较低等缺点。

双流化床气化技术是一种近年来逐渐引起人们重视的特殊流化床气化技术，通过利用双流化床的特殊结构实现对可燃固体物料气化中复杂化学反应网络的解耦控制，从而对气化过程中产出的能量与物质进行高效利用。当前设计用于气化技术的双流化床装置主要包括鼓泡床耦合鼓泡床、鼓泡床耦合循环床、循环床耦合循环床三类，设计时所采用耦合气化床的类型限定了双流化床气化装置的原料和工作参数，此类装置对物料成分和尺寸的变化应对能力相对较差，不能完全适应多种可燃固体原料应用背景下的实际应用。

发明内容

技术问题：

本发明的目的之一在于提供一种交互循环双流化床固体燃料气化装置。该装置具有双流化床交互循环回路，包括流化床气化炉、气化炉旋风分离器、气化炉气动返料装置、流化床燃烧炉、燃烧炉旋风分离器、燃烧炉气动返料装置。两个返料装置的入口管段分别与旋风分离器固体出口以及反应器溢料管连接。返料装置用于将一个反应器产生固体物料可控的送入另一个反应器中从而实现双流化床反应器间的交互循环与耦合。

本发明的目的之一还在于提供交互循环双流化床固体燃料气化方法。固体燃料在气化反应器进行热解气化产生可燃气体。反应产生的焦/半焦通过返料装置被送入燃烧反应器，在混合有热载体颗粒的情况下燃烧放热。加热后的热载体通过循环回路回到气化反应器中提供气化反应所需的热量。通过使用交互循环双反应器的设计解除气化过程中所涉及的各反应间的耦合，使得对各反应间的相互作用区分利用成为可能，从而提高气化过程所产生能量与物质的利用效率并提升可燃气品质。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种交互循环双流化床固体燃料气化装置，该气化装置包括流化床气化反应器和流化床燃烧反应器；

流化床气化反应器上部出口与气化反应器旋风分离器相连接，而后经返料下降管与气化反应器返料器上部一侧相连接；流化床气化反应器中部设置有溢流斜管与返料下降管相连；气化反应器气动返料器通过燃烧反应器返料斜管与流化床燃烧反应器相连；

流化床燃烧反应器上部出口与燃烧反应器旋风分离器相连接，而后经返料下降管与燃烧反应器返料器上部一侧相连接；流化床燃烧反应器中部设置有溢流斜管与返料下降管相连；燃烧反应器气动返料器通过气化反应器返料斜管与流化床气化反应器相连。

优选的，流化床气化反应器运行的表观气速为0.4～5m/s，流化床燃烧反应器运行的表观气速为0.4～5m/s；流化床气化反应器运行的温度为700～900℃，流化床气化反应器运行的温度为800～1000℃。

本发明还提供了一种交互循环双流化床固体燃料气化方法，该方法包括如下步骤，

固体燃料通过螺旋进料器入口加至流化床气化反应器中，并使该固体燃料被由该流化床反应器底部流化气体入口供入的流化气体流化，被流化的固体燃料与高温载热循环床料混合并升温，固体燃料中的挥发分首先析出，随后剩余固体燃料在气化反应器中发生热解气化，产生可燃气和焦/半焦，可燃气经过气化反应器旋风分离器分离输出，包含焦/半焦在内的反应剩余固体物料混合有载热床料根据流化条件不同通过气化反应器旋风分离器或气化反应器溢料斜管经由返料下降管送入气化反应器气动返料器，随后经由燃烧反应器返料斜管被送入燃烧反应器；焦/半焦作为燃料在燃烧反应器中并被由燃烧反应器底部流化气体入口供入的流化气体流化，通过利用流化气体中含有的氧气燃烧，燃烧释放的热量被用于加热载热循环床料，燃烧生成的烟气由燃烧反应器旋风分离器分离排出；升温后的载热循环床料根据流化条件不同通过燃烧反应器旋风分离器或气化反应器溢料斜管经由返料下降管送入燃烧反应器气动返料器，随后经由气化反应器返料斜管又重新进入气化反应器，并释放热量加热固体燃料使其热解气化，从而形成双流化床反应器间的交互循环。

优选的，流化床气化反应器与流化床燃烧反应器均通过对气化反应器溢料斜管和燃烧反应器溢料斜管上所设置的阀门开关使之分别处于鼓泡流态化或快速流态化的运行状态。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的特色及优点：

（1）本发明采用流化床气化反应器与流化床燃烧反应器相结合的交互循环双流化床操作方法，利用固体载热床料实现了固体燃料中高温气化与焦/半焦燃烧的有机结合，将吸热的热解气化反应与放热的燃烧反应放在同一装置内完成，实现了能量与物质的联合产出与分别利用；

（2）本发明所述方法中的固体燃料的热解/气化和燃烧过程分别在两个流化床中进行，可以实现分别控制，易于提高整体***的运行效率；

（3）本发明所述气化装置在采用双流化床反应器，具有流化床反应器对固体燃料种类适应性好、污染排放低、操作简单、处理量大等优点。在此基础上通过特殊设计使得所述装置可以分别适应鼓泡流态化和快速流态化的运行要求，使得所述气化装置能够应对包括煤、生物质等在内的复杂固体燃料，并且通过运行参数的调整能够最大限度的提高燃烧与气化效率，从而实现物质与能量的高效利用；

（4）本发明可以进一步采用多层加料结构与多层溢流结构，根据可燃固体种类以及运行参数的变化对进料与溢料位置进行调整，使得不同种类的可燃固体可以同时在所述装置上使用，有利于固体燃料气化技术的普及与发展。

附图说明

图1是本发明交互循环双流化床气化装置原理示意图；

图2是实施本发明方法的一种结合换热器和净化装置处理产品气和烟气的气化装置结构示意图。

其中有：气化反应器螺旋进料入口1，气化反应器流化气体入口2，流化床气化反应器3，气化反应器旋风分离器4，气化反应器溢料斜管及控制阀门5，气化反应器气动返料器6，燃烧反应器返料斜管7，燃烧反应器螺旋进料入口8，燃烧反应器流化气体入口9，燃烧反应器10，燃烧反应器旋风分离器11，燃烧反应器溢料斜管及控制阀门12，燃烧反应器气动返料器13，气化反应器返料斜管14，气化反应器气动返料器返料气体入口15，燃烧反应器气动返料器返料气体入口16，气化反应器出口17，燃烧反应器出口18，可燃气体出口19，烟气出口20，气化反应器旋风分离器返料下降管21，燃烧反应器旋风分离器返料下降管22，可燃气净化装置A、烟气净化装置B、可燃气换热器C、烟气换热器D。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作更进一步的说明。

参见图1-2，本发明提供的交互循环双流化床固体燃料气化装置，包括流化床气化反应器3和流化床燃烧反应器10；流化床气化反应器上部出口17与气化反应器旋风分离器4相连接，而后经返料下降管21与气化反应器返料器6上部一侧相连接；流化床气化反应器中部设置有溢流斜管5与返料下降管21相连；气化反应器气动返料器6通过燃烧反应器返料斜管7与流化床燃烧反应器相连；流化床燃烧反应器上部出口18与燃烧反应器旋风分离器11相连接，而后经返料下降管22与燃烧反应器返料器13上部一侧相连接；流化床燃烧反应器中部设置有溢流斜管12与返料下降管22相连；燃烧反应器气动返料器13通过气化反应器返料斜管14与流化床气化反应器相连。

固体燃料采用褐煤与生物质混合物料，通过螺旋进料器入口1加至流化床气化反应器3中，并使该固体燃料被由该流化床反应器底部流化气体入口2供入的流化气体流化，被流化的固体燃料与高温载热循环床料混合并升温，固体燃料中的挥发分首先析出，随后剩余固体燃料在气化反应器3中发生热解气化，产生可燃气和固体焦/半焦，可燃气经过气化反应器旋风分离器4分离输出，包含焦/半焦在内的反应剩余固体物料混合有载热床料根据流化条件不同通过气化反应器旋风分离器4或气化反应器溢料斜管5经由返料下降管送入气化反应器气动返料器6，随后经由燃烧反应器返料斜管7被送入燃烧反应器10。焦/半焦作为燃料在燃烧反应器10中并被由燃烧反应器底部流化气体入口9供入的流化气体流化，通过利用流化气体中含有的氧气燃烧，燃烧释放的热量被用于加热载热循环床料，燃烧生成的烟气由燃烧反应器旋风分离器11分离排出。升温后的载热循环床料根据流化条件不同通过燃烧反应器旋风分离器11或气化反应器溢料斜管12经由返料下降管送入燃烧反应器气动返料器13，随后经由气化反应器返料斜管14又重新进入气化反应器3，并释放热量加热固体燃料使其热解气化，从而形成双流化床反应器间的交互循环。

流化床气化反应器3与流化床燃烧反应器10均在设置有上部出口分别与气化反应器旋风分离器4和燃烧反应器旋风分离器11相连，同时均在流化床反应器中部设置有可由阀门控制开关的气化反应器返料斜管5和燃烧反应器返料斜管12，气化反应器返料斜管5与气化反应器旋风分离器返料下降管21汇合后通入气化反应器气动返料器6，燃烧反应器返料斜管12与燃烧反应器旋风分离器返料下降管22汇合后通入燃烧反应器气动返料器13。

流化床气化反应器3与流化床燃烧反应器10均可以通过对气化反应器溢料斜管5和燃烧反应器溢料斜管12上所设置的阀门开关使之分别处于鼓泡流态化或快速流态化的运行状态。

流化床气化反应器3运行的表观气速为0.4～5m/s，流化床燃烧反应器10运行的表观气速为0.4～5m/s；流化床气化反应器3运行的温度为700～900℃，流化床气化反应器10运行的温度为800～1000℃。

当流化床气化反应器3内温度低于设计要求时，可以通过燃烧反应器螺旋进料入口8向流化床燃烧反应器10加入固体燃料或者由燃烧反应器流化气体入口9向流化气体内混入可燃气体，用以提高燃烧反应器10内燃烧强度提高反应器内工作温度。

燃固体选用生物质与褐煤混合物作为原料，打开流化床气化反应器3的溢流斜管5上设置的阀门使之作为鼓泡流化床运行，气化反应器内表观气速设定为0.35～0.45m/s，关闭燃烧反应器10的溢流斜管12上设置的阀门使之作为快速流化床运行，燃烧反应器内表观气速设定为3.5～4m/s。

固体燃料经由燃烧炉螺旋进料器入口8被送入流化床燃烧反应器10，燃烧反应器螺旋进料速度设定为0.5m/s，通过设置在燃烧反应器内的点火装置点火，并控制燃烧反应器内温度为900±20℃。当气化反应器内温度逐渐上升达到设计范围内后，通过气化反应器螺旋进料器入口1加入固体燃料，气化反应器内温度控制为800±20℃。

固体燃料加入气化流化床10后被底部流化气体入口通入的空气与水蒸气混合气体流化，高温载热循环床料对固体燃料加热使其在此环境下热解气化。固体燃料热解气化后一部分成分转化为可燃气，生物质与煤残余部分转化为焦。高温可燃气从气化反应器旋风分离器出口19输出，首先经过可燃气换热器C作为第一级预热加热输入的空气，然后经过可燃气净化装置A做进一步净化处理并分离焦油后得到可燃气产品，作为燃料或者工业原料使用。焦和换热后的床料从溢流口流出经由气化反应器溢料斜管5进入气化反应器返料器6，气化反应器返料器设有流化气体入口15，此处选用空气送入气化反应器返料器6将生物质与煤反应生成的焦和换热后的床料送入流化床燃烧反应器10。

空气作为流化风从流化床燃烧反应器10底部燃烧反应器流化气体入口9送入，辅助燃料从燃烧反应器螺旋进料器入口8进入。生物质与煤气化剩余的焦和辅助燃料在燃烧反应器10内燃烧并释放热量使载热循环床料升温。加热后的载热循环床料和高温烟气上升进入燃烧反应器旋风分离器11，高温烟气在此被分离后由燃烧反应器旋风分离器出口20输出，用于烟气换热器D对空气进行第二级预热，而后经烟气净化装置B处理污染物后排放入环境中。高温载热循环床料则被分离后经由燃烧反应器旋风分离器返料下降管22进入燃烧反应器返料器13，随后由气化反应器返料斜管14返回气化反应器内3。高温载热循环物料和固体燃料通过热对流等传热方式进行换热，同时高温床料起到催化作用。

返料器均为相互连通的双室结构，包括入料室与出料室，可以实现双流化床反应器间物料的可控循环并有效防止气化装置内气体的窜混，通过通入返料器内的空气流量可以控制循环物料的通量。

Claims (4)

1.一种交互循环双流化床固体燃料气化装置，其特征在于，该气化装置包括流化床气化反应器（3）和流化床燃烧反应器（10）；

流化床气化反应器（3）上部出口（17）与气化反应器旋风分离器（4）相连接，而后经返料下降管（21）与气化反应器返料器（6）上部一侧相连接；流化床气化反应器中部设置有溢流斜管（5）与返料下降管（21）相连；气化反应器气动返料器（6）通过燃烧反应器返料斜管（7）与流化床燃烧反应器（10）相连；

流化床燃烧反应器（10）上部出口（18）与燃烧反应器旋风分离器（11）相连接，而后经返料下降管（22）与燃烧反应器返料器（13）上部一侧相连接；流化床燃烧反应器中部设置有溢流斜管（12）与返料下降管（22）相连；燃烧反应器气动返料器（13）通过气化反应器返料斜管（14）与流化床气化反应器相连。

2.根据权利要求1所述的交互循环双流化床固体燃料气化装置，其特征在于，流化床气化反应器（3）运行的表观气速为0.4～5m/s，流化床燃烧反应器（10）运行的表观气速为0.4～5m/s；流化床气化反应器（3）运行的温度为700～900℃，流化床气化反应器（10）运行的温度为800～1000℃。

3.一种交互循环双流化床固体燃料气化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤，

固体燃料通过螺旋进料器入口（1）加至流化床气化反应器（3）中，并使该固体燃料被由该流化床反应器底部流化气体入口（2）供入的流化气体流化，被流化的固体燃料与高温载热循环床料混合并升温，固体燃料中的挥发分首先析出，随后剩余固体燃料在气化反应器（3）中发生热解气化，产生可燃气和焦/半焦，可燃气经过气化反应器旋风分离器（4）分离输出，包含焦/半焦在内的反应剩余固体物料混合有载热床料根据流化条件不同通过气化反应器旋风分离器（4）或气化反应器溢料斜管（5）经由返料下降管送入气化反应器气动返料器（6），随后经由燃烧反应器返料斜管（7）被送入燃烧反应器（10）；焦/半焦作为燃料在燃烧反应器（10）中并被由燃烧反应器底部流化气体入口（9）供入的流化气体流化，通过利用流化气体中含有的氧气燃烧，燃烧释放的热量被用于加热载热循环床料，燃烧生成的烟气由燃烧反应器旋风分离器（11）分离排出；升温后的载热循环床料根据流化条件不同通过燃烧反应器旋风分离器（11）或气化反应器溢料斜管（12）经由返料下降管送入燃烧反应器气动返料器（13），随后经由气化反应器返料斜管（14）又重新进入气化反应器（3），并释放热量加热固体燃料使其热解气化，从而形成双流化床反应器间的交互循环。

4.根据权利要求3所述的交互循环双流化床固体燃料气化装置，其特征在于，流化床气化反应器（3）与流化床燃烧反应器（10）均通过对气化反应器溢料斜管（5）和燃烧反应器溢料斜管（12）上所设置的阀门开关使之分别处于鼓泡流态化或快速流态化的运行状态。

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