CN105441131B - 一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法 - Google Patents

一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法，包括氧化脱碳过程，能量利用过程和烟气净化过程。以煤气化灰渣为原料，采用快床‑密床组合床循环反应器，与氧化剂发生氧化脱碳反应制灰分并联产蒸汽，原料利用率高；能量利用过程主要包括组合床循环反应器内移热联产中压蒸汽，余热锅炉回收高温烟气余热联产低压蒸汽，高温灰分与流化气换热同时实现灰渣冷却和流化气预热。本发明简单有效地实现了气化灰渣所含无机灰分和化学能的资源化利用，反应效率高，工艺流程简单，生产成本低，整个生产过程基本无废弃物产生。

Description

一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法
技术领域
本发明属于煤气化灰渣回收领域，特别涉及一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法。
背景技术
我国经济发展正面临着日益凸显的能源短缺和环境污染的双重压力。能源短缺，尤其是石油资源短缺对能源经济发展和国家能源安全提出了严峻挑战。2014年的《BP世界能源统计年鉴》指出，我国一次能源消费总量居世界首位，但人均一次能源消费量仍仅为美国等发达国家的1/3。可预见在未来较长时期内我国能源消费总量仍将保持快速增长。我国化石能源呈现“富煤贫油少气”的资源禀赋，以煤炭为原料制石油化工替代产品的新型煤化工产业得以快速发展。
煤炭制石化替代产品主要以合成气-甲醇为关键平台原料。煤气化是煤化工产业的源头，相关技术发展迅速。Lurgi炉、BGL炉、GE气化炉、多喷嘴炉、清华炉、航天炉、Shell炉、GSP炉等多种煤气化炉取得了丰富的产业化成果。典型的煤气化技术主要以煤粉或水煤浆形式进料。不同煤种经不同煤气化技术气化后均会得到大量气化灰渣。气化灰渣主要由气化炉炉底灰渣和炉顶飞灰两部分组成。煤气化过程中产生的大量灰渣，不仅要占用大量土地储存，而且其渗滤液会对土壤和水体造成污染。煤气化灰渣含碳量一般高于20％,不能直接用于生产建筑材料、回填或作肥料。煤气化灰渣的资源化利用成为煤化工产业亟需解决的关键课题。
发明内容
在各种煤气化技术中，气化灰渣的副产是一个普遍存在的问题。煤气化灰渣的资源化回收利用既能提高灰渣的经济价值，又能解决灰渣储存带来的环境问题。CN104759249A提出将煤气化灰渣回收可溶性钾，并得到活性残渣的方法。CN 103991898A提出将煤气化灰渣中的碱金属催化剂和稀有金属Ga同时回收的方法。CN 102980195A提出将气化灰渣与煤泥按一定比例均匀掺混，然后加入白泥浆，在流化床锅炉内燃烧得以回收利用。
针对现有技术不足，本发明提供了一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法。本方法可以实现气化灰渣的资源化回收利用，所得灰分可制作建筑材料，而灰渣中的碳燃烧释放热能而联产蒸汽。
一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)氧化脱碳过程：灰渣中的碳与氧化剂发生氧化脱碳反应生成碳氧化物并释放反应热，脱碳后得到灰分；
(2)能量利用过程：主要包括组合循环流化床内移热联产中压蒸汽，余热锅炉回收高温烟气余热联产低压蒸汽，高温灰分与流化气换热同时实现灰渣冷却和流化气预热。
(3)烟气净化过程：余热锅炉出口的烟气经水膜除尘器净化后排放。
在一个示例中，所述煤气化灰渣为各种煤质煤粉或水煤浆气化所得灰渣的一种或多种混合物。
在一个示例中，所述脱碳反应过程采用快床-密床组合循环流化床。
在一个示例中，所述快床系快速流化床，密床系密相流化床。
在一个示例中，所述快床-密床组合循环流化床采用空气或氧气为流化气。
在一个示例中，所述组合循环流化床内采用水作换热介质通过换热管束移热联产中压蒸汽。
在一个示例中，所述联产的中压蒸汽的压力为1～3MPa。
在一个示例中，所述氧化剂为空气或氧气。
在一个示例中，所述余热锅炉采用水作换热介质通过换热管束回收高温烟气余热，并联产低压蒸汽。
在一个示例中，所述联产的低压蒸汽的压力为0.3～0.8MPa，烟气被冷却至100～200℃。
在一个示例中，所述高温灰分与流化气在气固换热器中换热。
在一个示例中，所述气固换热器系流化床换热器，流化气被预热到500～750℃,灰渣被冷却到100～200℃。
在一个示例中，氧化脱碳反应温度为550～850℃。
根据本发明的另一方面，提供了一种煤气化灰渣处理方法，包括：(1)利用流化床对煤气化灰渣进行氧化脱碳处理，得到灰分和高温烟气；以及(2)在进行氧化脱碳的同时，利用流化床上设置的换热器回收氧化脱碳反应释放的反应热。
在一个示例中，煤气化灰渣处理方法还包括：利用余热锅炉回收高温烟气余热联产低压蒸汽。
在一个示例中，煤气化灰渣处理方法还包括：利用气固换热器对所述流化床输出的灰分进行冷却以及同时对流化气进行预热，其中预热后的流化气输入到所述流化床。
在一个示例中，所述气固换热器是流化床换热器，流化气被预热到500～750℃,灰分被冷却到100～200℃。
在一个示例中，煤气化灰渣处理方法还包括：通过水膜除尘器对余热锅炉排出的烟气进行净化后排放。
在一个示例中，所述利用流化床上设置的换热器回收氧化脱碳反应释放的反应热包括：以水作为换热介质通过换热器移热联产中压蒸汽。
在一个示例中，所述流化床为下列项目中的一种：密相流化床；快速流化床与密相流化床串联组合的组合循环流化床。
在一个示例中，所述流化床采用空气或氧气兼作流化气和氧化剂。
在一个示例中，煤气化灰渣处理方法还包括：将流化床输出的灰分中一部分作为循环灰输入到流化床。
本发明实施例的有益效果为：
本发明实施例的方法工艺流程将气化灰渣通过氧化脱碳得到灰分，同时通过能量回收副产蒸汽，简单有效地实现了气化灰渣所含无机灰分和化学能的资源化利用，反应效率高，工艺流程简单，生产成本低，整个生产过程基本无废弃物产生。
附图说明
图1为本发明实施例的气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的工艺过程示意图；
图2为根据本发明实施例的根据本发明实施例的一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置的示例性结构。
图中标号：1-快床反应器；2-密床反应器；3-气固换热器；4-余热锅炉；5-水膜除尘器；
101-灰渣入口；102、115-流化气入口；103、112-气体分布器；104-循环灰入口；105、116-换热介质入口；106、111-换热管束；107、110-换热介质出口；108-流体出口；109-流体入口；113-循环灰入口；114-灰分出口；117-气灰分离器；118-烟气出口。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步说明。
需要说明的是，本文中的“气化灰渣”是指各种煤种以水煤浆或煤粉形式经各种气化炉所得气化灰渣，但不限于上述气化灰渣，也适用于其他工艺副产一定含碳率的灰渣。
在本文中，“快床”指快速流化床，“密床”指密相流化床。
在介绍本发明实施例的煤气化灰渣处理方法之前，举例说明根据本发明实施例提出的对煤气化灰渣进行氧化脱碳同时回收热量的流化床***。
图1示出了根据本发明实施例的一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床***。
本实施例的组合循环流化床***包括由快速流化床1和密相流化床2组成的组合循环流化床10、气固换热器3、余热锅炉4、水膜除尘器5。
根据本实施例的煤气化灰渣处理工艺，利用组合循环流化床10对煤气化灰渣进行氧化脱碳处理，得到灰分和高温烟气；以及在进行氧化脱碳的同时，利用流化床上设置的换热器回收氧化脱碳反应释放的反应热。
根据本实施例的煤气化灰渣处理工艺，利用余热锅炉4回收高温烟气余热联产低压蒸汽；利用气固换热器3对所述流化床输出的灰分进行冷却以及同时对流化气进行预热，其中预热后的流化气输入到所述流化床。在一个示例中，气固换热器是流化床换热器，流化气被预热到500～750℃,灰分被冷却到100～200℃，如此冷却后的灰分可以作为建筑材料使用，例如用来制砖，也可以直接进行掩埋，而不会造成污染。通过水膜除尘器5对余热锅炉排出的烟气进行净化后排放。流化床上设置的换热器可以为换热管束，可以以水作为换热介质通过换热器移热联产中压蒸汽。
需要说明的是，图1所示的***组合循环流化床***仅为示例，可以根据需要对其中的构件进行更改、替换或去除。
在一个示例中，组合循环流化床10可以采用空气或氧气兼作流化气和氧化剂。在一个示例中，可以将流化床输出的灰分中一部分作为循环灰输入到流化床。
为清楚地说明本发明，下面结合图2说明根据本发明实施例的煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置10的示例性结构和操作。
图2示出了根据本发明实施例的一种煤气化灰渣氧化脱碳组合循环流化床装置的示例性结构，所述组合循环流化床装置包括一个快速流化床1和一个密相流化床2；所述快速流化床1为直径统一的提升管式床体；所述密相流化床2包括床层段、锥形连接段和扩大段；所述快速流化床下端设置气化灰渣入口101、流化气入口102、循环灰入口104和换热介质入口105，上端设置换热介质出口107和流体出口108，内部设置板式气体分布器103和换热管束106；所述密相流化床下端设置循环灰出口113、灰分出口114、和流化气入口115，床层段设置换热介质入口116和换热介质出口110，上端设置流体入口109和烟气出口118，内部设置环管式气体分布器112、换热管束111和气灰分离器117；快速流化床上端所设置流体出口108通过管路与密相流化床上端所设置流体入口联接；密相流化床下端所设置循环灰出口113与快速流化床下端所设置循环灰入口104联接。
本实施例中采用快速流化床和密相流化床组合的循环流化床的发明理念在于，(1)快速流化床内，进入的气化灰渣、循环灰在流化气体的作用下形成快速床流动状态，流化气体包含空气或氧气，兼做氧化剂，与进料的气化灰渣和/或循环灰未完全氧化的部分发生氧化脱碳反应，然后气体携带着固体组成的混合流体离开快速流化床，进入密相流化床；(2)密相流化床内流化气速较慢，适于使得灰渣中未发生氧化脱碳的部分与流化气充分接触、充分进行氧化脱碳反应；(3)密相流化床所得灰分中的一部分作为循环灰返回到快速流化床，循环灰所携带的热传给进料的气化灰渣，从而使得在稳态运行时，能够不需要外加的热源。
上面的示例中，快速流化床被说明为直径统一的提升管式流化床，不过这仅为示例，本发明并不局限于此，快速流化床可以是非直径统一形式的提升管式流化床，也可以是不同于提升管的其它形式的快速流化床，例如锥形提升管。
在上面的示例中，快速流化床之后连接了密相流化床，例如湍动流化床。在替代的实施例中，快速流化床之后也可以连接其他类型的密相流化床，例如鼓泡流化床。
在上面的示例中，密相流化床被举例为包括床层段、锥形连接段和扩大段。不过此为优选示例，密相流化床可以为其他形式，例如具有更多的段或者更少的段。
上述从流体出口离开的流体是混合流体，可以包括各种气体、灰分、未完全反应的灰渣、循环灰等中的一种或多种。这里的各种气体可以包括未反应的流化气体，烟气。快速流化床中的气体快速携带灰分等从气体出口离开，经流体入口109进入密相流化床。
上面的示例中，采用了快速流化床和密相流化床的组合循环流化床，作为进行煤气化灰渣氧化脱碳同时进行热量回收的优选方案。在替代的实施例中，可以只采用单个密相流化床来进行上述氧化脱碳反应。
上面的示例中，组合循环流化床采用了一个快速流化床和一个密相流化床，作为进行煤气化灰渣氧化脱碳同时进行热量回收的优选方案。在替代的实施例中，组合方式可以采用不止一个(即多个)快速流化床和一个密相流化床，一个快速流化床和多个密相流化床，多个快速流化床和多个密相流化床的形式。
在上面的示例中，除尘器采用了水膜除尘器，不过这仅为示例，可以采用其他形式的除尘装置。
循环灰的量可以根据进料的气化灰渣的量来调节，使得能够将充分的热传给气化灰渣。优选地，循环灰的量大于气化灰渣的量，例如两者的比例可以为40:1～120:1。
上面的示例中，以空气或氧气兼作流化气体和氧化剂，此为优选示例。在替代实施例中，可以以其他气体作为流化气本身或者作为补充流化气，例如惰性气体氦气、氪气等，而以专门的纯氧或空气作为氧化剂。流化气体和氧化剂可以从分开的两个入口进入，也可以在混合后经由一个气体入口输入。
在氧气供应充足区域，采用氧气为流化气和氧化剂可以缩小反应器尺寸并相应降低设备费用。
所述快速流化床内部设置的板式气体分布器103设置多个孔或多个喷嘴；所述板式气体分布器103的开孔率占分布板横截面积的0.1％～20％。
所述密相流化床内部设置的管式气体分布器112为环数为1～5环的环式结构，每个环上设置多个孔或多个喷嘴：所述管式气体分布器112的开孔面积或喷嘴面积占密相流化床床层段横截面积的0.1％～20％。
所述换热管束平行于流化床轴向排列；快速流化床内换热管束横截面积占床层横截面积的0.1～25％；密相流化床内换热管束横截面积占床层段横截面积的0.1～25％。
所述换热介质为冷却水、热水、蒸汽或导热油的一种或多种；
所述气灰分离器117为旋风分离器、丝网过滤器或烧结管过滤器的一种或多种；
所述流化床装置的材质为耐高温碳钢或不锈钢。
所述流化床装置的床层温度为550℃～850℃。
所述流化床装置的床层操作压力为常压～0.5MPa。
所述流化气为空气或氧气；流化气同时起到氧化剂作用。
作为本发明的一个实施例，提供了一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)氧化脱碳过程：灰渣中的碳与氧化剂发生氧化脱碳反应生成碳氧化物并释放反应热，脱碳后得到灰分；
(2)能量利用过程：主要包括组合循环流化床内移热联产中压蒸汽，余热锅炉回收高温烟气余热联产低压蒸汽，高温灰分与流化气换热同时实现灰渣冷却和流化气预热。
(3)烟气净化过程：余热锅炉出口的烟气经水膜除尘器净化后排放。
本发明实施例的方法仅仅通过氧化脱碳组合床反应器简单有效地实现了气化灰渣所含无机灰分和化学能的资源化利用，反应效率高，工艺流程简单，生产成本低，整个生产过程基本无废弃物产生。
在一个示例中，以水煤浆气化所得灰渣作原料；
在一个示例中，脱碳反应过程采用快床-密床组合循环流化床；快床系快速流化床，密床系密相流化床；
在一个示例中，快床-密床组合循环流化床采用空气为流化气，尤其在氧气配套不足的地区适用。
组合循环流化床内采用水作换热介质通过换热管束移热联产中压蒸汽；
在一个示例中，联产的中压蒸汽的压力为1～3MPa，优选1～1.5MPa。
在一个示例中，氧化剂为空气；空气既作流化气又作氧化剂。
在一个示例中，余热锅炉采用水作换热介质通过换热管束回收高温烟气余热，并联产低压蒸汽；联产的低压蒸汽的压力为0.3～0.8MPa，优选0.3～0.5MPa,烟气被冷却至100～200℃，优选100-150℃。
在一个示例中，高温灰分与流化气在气固换热器中换热；气固换热器系流化床换热器，流化气被预热到500～750℃,优选550-650℃,灰渣被冷却到100～200℃，优选100-150℃。
在一个示例中，氧化脱碳反应温度为550～850℃，优选600-750℃。
示例1:
如图1所示，气化灰渣被投料进入快床反应器101中，氧化脱碳率80％。部分脱碳后的灰渣流化离开快床反应器101进入密床反应器102中，氧化脱碳率达到99％。密床反应器102底部的灰分一部分循环进入快床反应器101中，另一部分进入气固换热器103中。快床-密床组合循环流化床的氧化脱碳温度在650℃，不过此仅为示例。组合循环流化床内采用水作换热介质通过换热管束移热联产1.0MPa中压蒸汽
650℃的热灰分经气固换热器103冷却到150℃后排出，与此同时，流化气空气被预热至550℃。
650℃高温烟气在余热锅炉104中与水通过换热管束换热，联产0.3MPa低压蒸汽，烟气温度被冷却至110℃
余热锅炉出口的烟气经水膜除尘器105净化后排放。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种煤气化灰渣氧化脱碳制灰分联产蒸汽的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)氧化脱碳过程：灰渣中的碳与氧化剂在组合循环流化床中发生氧化脱碳反应生成碳氧化物并释放反应热，脱碳后得到灰分，所述氧化脱碳过程采用快床-密床组合循环流化床，氧化脱碳反应温度为550～850℃；
(2)能量利用过程：包括组合循环流化床内移热联产中压蒸汽，余热锅炉回收高温烟气余热联产低压蒸汽，高温灰分与流化气换热同时实现灰渣冷却和流化气预热，高温灰分与流化气在气固换热器中换热，气固换热器系流化床换热器，流化气被预热到500～750℃,灰渣被冷却到100～200℃；
(3)烟气净化过程：余热锅炉出口的烟气经除尘器净化后排放。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述煤气化灰渣系各种煤质煤粉或水煤浆气化所得灰渣的一种或多种混合物。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述快床-密床组合循环流化床采用空气或氧气为流化气。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述组合循环流化床内采用水作换热介质通过换热管束移热联产中压蒸汽。
5.根据权利要求1或4的方法，其特征在于，所述联产的中压蒸汽的压力为1～3MPa。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述氧化剂为空气或氧气。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述余热锅炉采用水作换热介质通过换热管束回收高温烟气余热，并联产低压蒸汽。
8.根据权利要求1或7的方法，其特征在于，所述联产的低压蒸汽的压力为0.3～0.8MPa，烟气被冷却至100～200℃。
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