CN110923010A - 一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法，包括：S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；S2、采用第二热量加热焦炭与第一部分二氧化碳，以使焦炭与第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳；S3、将部分一氧化碳与氧化态金属氧载体反应生成第二部分二氧化碳和还原态金属氧载体；S4、将还原态金属氧载体与热空气反应生成氧化态金属氧载体以及高温烟气；S5、将另一部分一氧化碳与水蒸汽反应生成氢气与第三部分二氧化碳；其中，第一部分二氧化碳至少包括第二部分二氧化碳和第三部分二氧化碳。另一方面还提供了一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化装置。
Description
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域，尤其涉及一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法与装置。
背景技术
煤炭相比于气体燃料，具有利用效率低、污染严重等劣势，将煤炭转换为气体燃料能够实现其高效清洁利用。煤气化，即气化剂通过炙热的炭层对煤进行热加工获得煤气的过程。气化剂主要包括氧气(空气、富氧空气和纯氧)、水蒸气、氢气以及二氧化碳，其中，水和纯氧共同作为气化剂进行气化最为常见。煤气化过程是发展煤基化学品合成、液体替代燃料合成、先进IGCC发电***以及多联产***的核心，也是煤高效清洁利用过程中化学能损失最大的单元之一。其能量利用效率低主要是由于气化过程反应剧烈不可逆损失大，且纯氧作为气化剂，制备纯氧所需的空分装置能耗高造成的。在现有的气化技术中，气化冷煤气效率在65％～80％左右。
化学链转化是一种新型的燃料转化技术，通过载氧体在空气与燃料之间交替进行氧化-还原反应而实现氧的转移并释放热量，从而避免了空气与燃料的直接接触。根据化学链转化技术的特点，利用载氧体实现氧元素在空气与煤之间的传递，则可以避免空分能耗的同时完成煤气化。常规化学链转化技术适用燃料一般为气态燃料，若利用常规化学链转化实现煤气化则需要载氧体与煤固体颗粒的直接接触，存在固-固反应问题。固-固反应不但无法实现较高的煤炭转化率，同时还涉及到固-固分离以及载氧体被污染等难题。避免固-固反应，是化学链煤气化需要考虑的主要问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本申请提供了一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法和装置，至少解决以上技术问题。
(二)技术方案
本发明第一方面提供了一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法，包括：S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；S2、采用第二热量加热焦炭与第一部分二氧化碳，以使焦炭与第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳；S3、将部分一氧化碳与氧化态金属氧载体反应生成第二部分二氧化碳和还原态金属氧载体；S4、将还原态金属氧载体与热空气反应生成氧化态金属氧载体以及高温烟气；S5、将另一部分一氧化碳与水蒸汽反应生成氢气与第三部分二氧化碳；其中，第一部分二氧化碳至少包括第二部分二氧化碳和第三部分二氧化碳。
可选地，高温烟气释放第一热量和第二热量。
可选地，高温烟气释放第一热量和第二热量后加热空气生成热空气。
可选地，步骤S3中部分一氧化碳与氧化态金属氧载体反应的反应温度为1200～1700℃。
可选地，步骤S4中还原态金属氧载体与热空气反应的反应温度为1100～1500℃。
本发明另一方面提供了一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化装置，包括：碳化单元，用于采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；焦炭气化单元，用于采用第二热量加热焦炭与第一部分二氧化碳，以使焦炭与第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳；燃料反应单元，用于将部分一氧化碳与氧化态金属氧载体反应生成第二部分二氧化碳和还原态金属氧载体；空气反应单元，用于将还原态金属氧载体与热空气反应生成氧化态金属氧载体以及高温烟气；变换产氢单元，用于将另一部分一氧化碳与水蒸汽反应生成氢气与第三部分二氧化碳；其中，第一部分二氧化碳至少包括所述第二部分二氧化碳和第三部分二氧化碳。
可选地，该装置还包括传热单元，用于高温烟气释放第一热量和第二热量。
可选地，该装置还包括空气预热单元，用于高温烟气释放第一热量和第二热量后加热空气生成热空气。
可选地，碳化单元的反应温度为700～1100℃。
可选地，变换产氢单元的反应温度为200～400℃。
(三)有益效果
本申请中的化学链转换技术与煤气化技术结合，实现了以一氧化碳化学链燃烧产生的二氧化碳作为非金属氧化物氧载体，避免了煤气化过程中载氧体和焦炭之间的固固反应，无固固分离以及载氧体污染问题，提升了煤气化效率，具有广泛的社会效益和工业应用前景。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例中基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法步骤示意图；
图2示意性示出了本公开实施例中基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法，如图1所示，包括：S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；S2、采用第二热量加热焦炭与第一部分二氧化碳，以使焦炭与第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳；S3、将部分一氧化碳与氧化态金属氧载体反应生成第二部分二氧化碳和还原态金属氧载体；S4、将还原态金属氧载体与热空气反应生成氧化态金属氧载体以及高温烟气；S5、将另一部分一氧化碳与水蒸汽反应生成氢气与第三部分二氧化碳；其中，第一部分二氧化碳至少包括第二部分二氧化碳和第三部分二氧化碳。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1，对本发明进一步详细说明。
S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气。
该过程可以表现为煤炭的碳化过程，该过程可以实现对原料煤的碳化提纯，其所需的热量可以由以下步骤S3和S4过程提供，可以得到粗焦炭、焦炉煤气、焦油等化工产品。该过程的反应温度优选为700～1100℃，当温度降为600-900℃，产品为焦炭、焦炉煤气、焦油等。该过程可以在冶金行业的加热炉、均热炉或煅烧炉中实现。
S2、采用第二热量加热焦炭与第一部分二氧化碳，以使焦炭与第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳。
该过程可以实现焦炭的气化，步骤S1得到的焦炭与二氧化碳反应生成一氧化碳，其可以在焦炭气化单元中实现，步骤S1中得到的热焦炭(1000℃左右)由焦炭气化单元的顶部进入，二氧化碳由焦炭气化单元的底部进入，两者相遇后发生气化反应，焦炭被气化为一氧化碳，一氧化碳由焦炭气化单元的上部排出。其所需的热量同样可以由以下步骤S3和S4过程提供。其所需的二氧化碳至少可以由步骤S3和S5提供。焦炭气化反应温度为1100℃，碳转化率为95％。
该过程生成的一氧化碳一部分参与化学链燃烧过程，另一部分参与变换产氢过程。其中，化学链燃烧过程包括燃料反应过程和空气反应过程，分别可以由如下步骤S3和S4实现。变换产氢过程可以由步骤S5实现。
S3、将部分一氧化碳与氧化态金属氧载体反应生成第二部分二氧化碳和还原态金属氧载体。
该过程为化学链燃烧过程中的燃料反应过程。焦炭气化过程生成的一氧化碳的一部分与氧化态金属氧载体反应生成第二部分二氧化碳和还原态金属氧载体。该金属氧载体可以为Fe2O3与Fe3O4。燃料反应过程的反应温度优选为1200～1700℃。
S4、将还原态金属氧载体与热空气反应生成氧化态金属氧载体以及高温烟气。
该过程为化学链燃烧过程中的空气反应过程。步骤S3得到的还原态金属氧载体与热空气反应生成氧化态金属氧载体以及高温烟气。高温烟气经过粗除尘后，可以通过传热单元提供步骤S1和S2所需的第一热量和第二热量。高温烟气释放第一热量和第二热量后加热空气生成本步骤所需的热空气，大约为1050℃，烟气经过余热回收后在200℃以下排放。空气反应过程的温度可以为1100～1500℃之间。
S5、将另一部分一氧化碳与水蒸汽反应生成氢气与第三部分二氧化碳；其中，第一部分二氧化碳至少包括第二部分二氧化碳和第三部分二氧化碳。
将另一部分一氧化碳与水蒸汽反应生成氢气和第三部分二氧化碳，使用分离装置进行分离得到二氧化碳和纯净的氢气，分离出的二氧化碳返回一氧化碳生产过程与焦炭继续反应。变换产氢过程中变换反应发生的温度约在200-400℃。该第三部分二氧化碳与步骤S3生成的第二部分二氧化碳一起参与步骤S2。步骤S2生成的一氧化碳一部分参与步骤S3，另一部分参与步骤S5，还有一部分作为一氧化碳输出。
由以上过程可以得到焦炉煤气、一氧化碳和氢气三种气体。
本申请中的化学链转换技术与煤气化技术结合，实现了煤炭的“组分对口，分级转化”的新型煤气化方式。实现以一氧化碳化学链燃烧产生的二氧化碳作为非金属氧化物氧载体，避免了煤气化过程中载氧体和焦炭之间的固-固反应，无固-固分离以及载氧体污染问题，提升了煤气化效率，具有广泛的社会效益和工业应用前景。
本申请另一方面提供了一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化装置，如图2所示，包括碳化单元1、焦炭气化单元2、空气反应单元4、燃料反应单元5、变换产氢单元3，其中：
碳化单元1，例如可以实现为步骤S1，用于采用第一热量加热煤炭10生成焦炭13与焦炉煤气12。还可生产焦油11。
焦炭气化单元2，例如可以实现为步骤S2，用于采用第二热量加热焦炭13与第一部分二氧化碳，以使焦炭13与第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳。碳化单元的反应温度为700～1100℃。
燃料反应单元5，例如可以实现为步骤S3，用于将部分一氧化碳17与氧化态金属氧载体19反应生成第二部分二氧化碳16和还原态金属氧载体18。
空气反应单元4，例如可以实现为步骤S4，用于将还原态金属氧载体18与热空气21反应生成氧化态金属氧载体19以及高温烟气20。
变换产氢单元3，例如可以实现为步骤S5，用于将另一部分一氧化碳14与水蒸汽25反应生成氢气24与第三部分二氧化碳15。一氧化碳14与水蒸汽25反应生成氢气24与第三部分二氧化碳15。
其中，第一部分二氧化碳至少包括第二部分二氧化碳16和第三部分二氧化碳15。
该煤炭分级气化装置，还包括传热单元7和空气预热单元6。其中，传热单元7用于所述高温烟气20释放所述第一热量和第二热量，空气预热单元6用于高温烟气20释放第一热量和第二热量后加热空气23生成热空气21。通过面式传热单元7，传热过程热损失约为放热量的9％。空气预热单元6包括蓄热式余热回收单元和间壁式余热回收单元。
化学链燃烧过程产生的高温烟气进行粗除尘后，经传热单元7分别通过隔墙8、9向碳化单元1和焦炭气化单元2释放第一热量和第二热量。释放热量后的高温烟气20在空气预热单元6与空气23换热后得到低温烟气22和热空气21，热空气21进入空气反应器4与还原态金属氧载体18进行反应，低温烟气22直接排放。还原态金属氧载体18在空气反应器4被氧化成氧化态金属氧载体19，氧化态金属氧载体19经分离后进入燃料反应器5与焦炭气化过程产生的一氧化碳17进行反应，生成还原态金属氧载体18和二氧化碳16，其中还原态金属氧载体18循环回空气反应器4，二氧化碳16返回焦炭气化单元2与粗焦炭13反应。
表1给出实施例条件下能量输入与输出情况，其中由于采用化学链燃烧技术提供了大部分二氧化碳，变换单元所需二氧化碳分离功则占比例很小。
表1
本申请所提供的基于化学链转化的煤炭分级气化方法冷煤气效率在实施例下可达到89.8％，气化效率为92.7％，相对传统气化具有较高提升。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化方法，包括：
S1、采用第一热量加热煤炭生成焦炭与焦炉煤气；
S2、采用第二热量加热所述焦炭与第一部分二氧化碳，以使所述焦炭与所述第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳；
S3、将部分所述一氧化碳与氧化态金属氧载体反应生成第二部分二氧化碳和还原态金属氧载体；
S4、将所述还原态金属氧载体与热空气反应生成所述氧化态金属氧载体以及高温烟气；
S5、将另一部分所述一氧化碳与水蒸汽反应生成氢气与第三部分二氧化碳；
其中，所述第一部分二氧化碳至少包括所述第二部分二氧化碳和第三部分二氧化碳。
2.根据权利要求1所述的煤炭分级气化方法，所述高温烟气释放所述第一热量和第二热量。
3.根据权利要求2所述的煤炭分级气化方法，所述高温烟气释放所述第一热量和第二热量后加热空气生成所述热空气。
4.根据权利要求1所述的煤炭分级气化方法，所述步骤S3中部分所述一氧化碳与氧化态金属氧载体反应的反应温度为1200～1700℃。
5.根据权利要求1所述的煤炭分级气化方法，所述步骤S4中所述还原态金属氧载体与热空气反应的反应温度为1100～1500℃。
6.一种基于化学链燃烧的煤炭分级气化装置，包括：
碳化单元(1)，用于采用第一热量加热煤炭(10)生成焦炭(13)与焦炉煤气(12)；
焦炭气化单元(2)，用于采用第二热量加热所述焦炭(13)与第一部分二氧化碳，以使所述焦炭(13)与所述第一部分二氧化碳反应生成一氧化碳；
燃料反应单元(5)，用于将部分所述一氧化碳(17)与氧化态金属氧载体(19)反应生成第二部分二氧化碳(16)和还原态金属氧载体(18)；
空气反应单元(4)，用于将所述还原态金属氧载体(18)与热空气(21)反应生成所述氧化态金属氧载体(19)以及高温烟气(20)；
变换产氢单元(3)，用于将另一部分所述一氧化碳(14)与水蒸汽(25)反应生成氢气(24)与第三部分二氧化碳(15)；
其中，所述第一部分二氧化碳至少包括所述第二部分二氧化碳(16)和第三部分二氧化碳(15)。
7.根据权利要求6所述的煤炭分级气化装置，还包括传热单元，用于所述高温烟气(20)释放所述第一热量和第二热量。
8.根据权利要求7所述的煤炭分级气化装置，还包括空气预热单元(6)，用于高温烟气(20)释放所述第一热量和第二热量后加热空气(23)生成所述热空气(21)。
9.根据权利要求6所述的煤炭分级气化装置，所述碳化单元(1)的反应温度为700～1100℃。
10.根据权利要求6所述的煤炭分级气化装置，所述变换产氢单元(3)的反应温度为200～400℃。
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