CN1994865B - 两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置和应用 - Google Patents

两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，包括：圆筒形壳体、自上而下共轴线设置在圆筒形壳体中的气流床气化室、固定床气化室、废热锅炉和煤气冷却洗涤室。本发明的气化装置，可同时用于气化气态、液态或固态、浆态或粉态的含烃物质。其显著优点是：在无需另加氧化剂的条件下，出气流床气化室的高温煤气的显热转化为化学能储藏于产品煤气中，二氧化碳、水蒸汽由于进一步与煤气反应，得到充分利用，冷煤气效率可达84～86％。又因为其结构简单、紧凑、投资省、易于操作而备受青睐，特别适宜于IGCC发电***以及下游不设变换工序的***。

Description

两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置和应用
技术领域
本发明涉及涉及一种气化装置，具体涉及一种用于含烃物质气化的气化装置。
背景技术
随着社会的发展，能源、环境两大难题已成为社会进步的瓶颈。人们在能源效率、保护环境方面倾注了大量心血，近30年来国际上兴起了气流床煤气化，并在此基础上形成了IGCC(Integrated gasification combined cycle)发电，使得能源利用率、环境保护较之传统发电技术有长足进步。国际上有代表性的以煤气化为基础的IGCC发电：GE(前Texaco)气化技术的Tampa电站、以Shell气化技术Beggenum电站。有关GE(前Texaco)技术在专利(U.S.pat.4,228,604，U.S.pat.4,251,228，U.S.pat.2,871,114，U.S.pat.4,110,359，U.S.pat.4,110,359，U.S.pat.4,197,281)、有关Shell技术在专利(DE.P.3714915.6(中国专利公开号88102581)，U.S.pat.738727(中国专利公开号86103455))中已经公开。
人们普遍认为，GE(前Texaco)、Shell气化技术在环保、能源利用率方面比其他气化技术有很大提高，特别环保指标极为优秀，但也存在若干不足，例如GE(前Texaco)采用激冷流程，冷煤气效率仅70～73％，对发电技术是不相宜的；Shell采用废热锅炉流程，冷煤气效率为～78％，较GE(前Texaco)有所改善，但因采用废锅及陶瓷过滤器除尘等方案，致使投资大大提高，约为GE(前Texaco)投资比的2倍，因此企业界热切盼望有一种更高效、设备简洁、紧凑的气化技术。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置和应用，以克服现有技术存在的上述缺陷，满足企业界的需要。
本发明是这样构思的：
以来自浆态进料气流床气化炉的高温煤气为例，煤气中含H2O(g)＝12～14％，H2＝33～34％，CO＝39～41％，CO2＝13～15％以及其他微量组分H2S、NH3、N2、Ar等，温度～1350℃，GE(前Texaco)采用激冷流程，使煤气显热转化为汽态水，除变换反应外，用途不大；(Shell采用循环压缩的合成气将高温煤气从～1600℃冷激至～900℃后进废锅，产生3.0MPa蒸汽用于发电)。本发明将高温煤气送入固定床气化炉，继续进行气化反应：
C+H2O＝CO+H2 ΔH＝131×103KJ/Kmol    (1)
C+CO2＝CO    ΔH＝173×103KJ/Kmol    (2)
高温煤气的显热转化为化学能储藏于煤气中，而煤气中的H2O(g)、CO2也成为气化的原料，得到充分利用。在二段气化中不需添加氧化剂(如O2)，冷煤气效率可提高到84～86％，相应的干煤气成分H2＝36～40％，CO＝45～49％，CO2＝11～12％。
本发明提出的两段气化并耦合废热锅炉、洗涤冷却塔于一体的气化装置包括：圆筒形壳体、自上而下共轴线设置在圆筒形壳体中的气流床气化室、固定床气化室、废热锅炉和煤气冷却洗涤室；
所说的气流床气化室周边和/或顶部设有工艺喷嘴室，工艺喷嘴室中设有工艺喷嘴，设置在气流床气化室周边的工艺喷嘴与水平面平行或呈1～10度交角，进工艺喷嘴含烃物质为气态、液态或固态(浆态或粉态)；设置在气流床气化室顶部中心的加热烧嘴室中的工艺喷嘴的轴线与气流床气化室轴线平行或重合，用于提高炉温，当停止加热时，将烘炉烧嘴拔出，换上炉塞，炉塞为耐火材料制成；
气流床气化室和固定床气化室(18)结合处设有加料锁斗，加料锁斗通过加料流道与固定床气化室相连通；
所说的固定床气化室下部中央设有带水冷夹套的偏心炉蓖，炉蓖连接在灰盘上，灰盘通过传动机构与电机连接，电机的转动，将带动灰盘的转动，从而带动偏心炉蓖的转动，灰盘上设有刮灰刀以及下渣孔，灰盘下方设有灰渣通道，灰渣通道入口处设有吹灰器，吹灰器与高压氮气管道相连通，用于吹除粘附在灰渣通道上的集灰；
固定床反应室与废热锅炉的圆筒形壳体设有水夹套；
所说的洗涤冷却室的上部设有上大下小的锥斗，锥斗的上部设有洗涤冷却水分布器，洗涤冷却水通过洗涤冷却水分布器进入锥斗，锥斗的下部设有***洗涤冷却室的导气管，洗涤冷却室中、导气管外设有破泡板，破泡板通过支架固接于壳体内侧，并与导气管的外侧之间设有间隙，破泡板的作用是破除大气泡，强化液固接触和洗涤效果；洗涤冷却室的上部设有气体出口，洗涤冷却室的下部设有黑水出口，洗涤冷却室的底部设有渣水出口。
本发明的气化装置，可同时用于气化气态、液态或固态(浆态或粉态)的含烃物质，其中，气流床气化室主要用于气化气态、液态或固态(浆态或粉态)的含烃物质，固定床气化室主要用于气化固态含烃物质(例如煤焦)。
流程是这样的：
烃类(例如煤)经加工后自工艺喷嘴进入气流床气化室，在其中完成燃烧、气化反应，出口温度为1200～1700℃，进入固定床反应室再次进行气化反应，反应需要的热量由煤气显热提供，反应介质由气流床出口煤气中的CO2、H2O(g)提供，
将气态或者粒径为＜200μm的浆态或干粉态的含烃物质(例如煤)输送到工艺喷嘴，浆态的含碳化合物用高压泵输送，干粉态的含烃物质用载气输送如氮气、CO2；气化介质和也同时进入工艺喷嘴混合，以30～200米/秒的流速，喷出工艺喷嘴，通过对置的多个向下微倾的工艺喷嘴形成撞击流强化扩散与混合，将含烃物质雾化或者弥散后进入气流床气化室气化为煤气。
出加料锁斗的固态含烃物质(例如煤焦)进入固定床气化室，与气流床气化室出口的灰渣与高温煤气在顶部接触，完成第二次化学反应后，煤气降温至～900℃，进入废热锅炉，出废热锅炉的煤气、出灰渣通道的灰渣，经炉蓖刮灰和下灰通道进洗涤冷却室，在其中进一步除尘、降温，煤气进下游工序进一步净化，灰渣排出，灰水经热量回收处理后，循环使用，粗渣自气化炉进入排渣装置排出，黑水自气化炉黑水出口进入下游水处理工序。
上述装置的操作压力为0.1～12MPa，气流床气化室的操作温度为1200～1700℃，固定床气化室的出口温度为～900℃，废热锅炉的合成气出口温度为～300℃。
该反应器与目前公开的气化炉相比，其显著优点是：在无需另加氧化剂(氧气)的条件下，出气流床气化室的高温煤气的显热转化为化学能储藏于产品煤气中，二氧化碳、水蒸汽由于进一步与煤气反应，得到充分利用，冷煤气效率可达84～86％。又因为其结构简单、紧凑、投资省、易于操作而备受青睐，特别适宜于IGCC发电***以及下游不设变换工序的***。
附图说明
图1一种两段气化并耦合废热锅炉、洗涤冷却塔于一体的气化装置。
具体实施方式
参见图1，本发明提出的一种两段气化并耦合废热锅炉、洗涤冷却塔于一体的气化装置包括：圆筒形壳体7、自上而下共轴线设置在圆筒形壳体7中的气流床气化室1、固定床气化室18、废热锅炉19和煤气冷却洗涤室14；
参见图1，所说的气流床气化室1处的壳体7的内侧设有耐火衬里8，耐火衬里8形成的空腔即为气流床气化室1，所说的耐火衬里8可以是冷壁型，也可以是热壁型，所说的冷壁型的耐火衬里8在ZL200410067212.8专利中有详细的描述，图1即为热壁型，所说的热壁型耐火衬里8在ZL98110616.1专利中有详细的描述。当采用热壁型耐火衬里8时，在热壁型衬里层中设置托砖架6，用于支撑热壁型耐火衬里8，托砖架的层数为1～4层，托砖架6的周边用耐火纤维包裹，设置在气化炉托砖架6处壳体外测的条形散热片17，每个托砖支架处设置一个，条形散热片的高度与托砖支架的高度相同；
参见图1，所说的气流床气化室1周边和/或顶部设有工艺喷嘴室3，工艺喷嘴室3中设有工艺喷嘴2，工艺喷嘴室3与工艺喷嘴2二者共轴线，设置在气流床气化室1顶部工艺喷嘴2的轴线与气流床气化室1轴线平行或重合，工艺喷嘴室3的数量为1～20个，设置在气流床气化室1周边的工艺喷嘴2与气流床气化室1顶部的距离为H，H＝1～2D，D为气流床气化室1的内直径，且工艺喷嘴2两两对称布置，设置在气流床气化室1周边的工艺喷嘴2与水平面平行或呈1～10度交角，进工艺喷嘴含烃物质为气态、液态或固态(浆态或粉态)；设置在气流床气化室1顶部中心的加热烧嘴室5中的工艺喷嘴，用于提高炉温，当停止加热时，将烘炉烧嘴拔出，换上炉塞，炉塞为耐火材料制成，内设冷却盘管；所说的工艺喷嘴2指的是具有多个通道的喷嘴，可以采用多种气化喷嘴型式，例如内混式或外混式，如采用浆态含碳化合物为原料时，可采用ZL95111750.5专利公开的技术，如采用干粉态含碳化合物为原料时，可采用ZL200420114032.6专利公开的技术；而采用其他的喷嘴也能够达到本发明的目的。
参见图1，气流床气化室1和固定床气化室(18)结合处设有加料锁斗25，加料锁斗25两端设有启闭单向阀24、26，用于控制锁斗25的加料过程，加料锁斗25通过加料流道35与固定床气化室18相连通；优选的，所说的气流床气化室1与所说的固定床气化室18可通过法兰31相连接；
参见图1，所说的固定床气化室18下部中央设有带水冷夹套的偏心炉蓖10，炉蓖10连接在灰盘11上，灰盘11通过传动机构与电机36连接，电机36的转动，将带动灰盘11的转动，从而带动偏心炉蓖10的转动，优选的，灰盘11周边设有牙齿，与齿轮12呈啮合状，齿轮12与所说的电机36相连接，灰盘11上设有刮灰刀以及下渣孔，灰盘11下方设有灰渣通道13，灰渣通道13入口处设有吹灰器27，吹灰器27与高压氮气管道相连通，用于吹除粘附在灰渣通道上的集灰；
参见图1，所说的废热锅炉19内部设有格栅30，水管锅炉水管29安装在格栅30上，锅炉水自下部进入，蒸汽自上部溢出，水管29上部设有水管吹灰器28，水管吹灰器28与高压氮气管道相连通，用于吹除粘附在灰渣通道上的细灰；
参见图1，固定床反应室18与废热锅炉19的圆筒形壳体7设有水夹套9；
参见图1，所说的洗涤冷却室14的上部设有上大下小的锥斗22，锥斗22的上部设有洗涤冷却水分布器34，洗涤冷却水通过洗涤冷却水分布器34进入锥斗22，锥斗22的下部设有***洗涤冷却室14的导气管20，优选的，洗涤冷却室14通过法兰31与废热锅炉19相连接，洗涤冷却室14中、导气管20外设有破泡板21，破泡板21通过支架32固接于壳体7内侧，并与导气管20的外侧之间设有间隙，破泡板21的作用是破除大气泡，强化液固接触和洗涤效果；洗涤冷却室14的上部设有气体出口15，洗涤冷却室14的下部设有黑水出口23，洗涤冷却室14的底部设有渣水出口16。
                实施例1
采用如图1的气化装置，以水煤浆为原料，气流床气化室采用热壁型耐火衬里。
气流床气化室1气化压力为4.0MPa，总高度为9米，气流床气化室1内直径为2.7米；
固定床气化室18总高度为7.6米，直径为3.8米，煤气冷却洗涤室14总高度为8米，直径为3.8米；
所说的气流床气化室1周边设有工艺喷嘴2，工艺喷嘴2与气流床气化室1顶部的距离为4米，工艺喷嘴2两两对称布置，工艺喷嘴2与水平面平行或呈5度交角，所说的工艺喷嘴2采用ZL95111750.5专利公开的技术，为具有多个通道的喷嘴，共设置1层，每层4个。
气流床气化室1的煤处理量为2000吨/天，固定床气化室的煤处理量为300吨/天。
采用煤种元素分析(质量％)如下：
C            76.996
H            5.286
N            1.218
S            2.989
O            4.935
ASH          8.576
采用的工艺条件如下：
煤浆浓度(含固量)65.7％，煤浆密度1174kg/m3，氧纯度99％(体积)，气化压力：4.0MPa，吨煤加入氧量为677.3Nm3。出气流床气化室的煤气温度为1345℃，湿基煤气成份(体积)为：H2O＝12.33％、H2＝33.58％、CO＝39.31％、CO2＝13.16％、H2S＝0.76％、COS＝0.04％、CH4＝0.1％、NH3＝0.18％、N2+Ar＝0.54％，碳转化率为98％，冷煤气效率为75.5％(HHV)。
出气流床气化室的煤气与灰渣与固定床气化室的煤在顶部接触，完成第二次化学反应，而灰渣被拦截在固定床气化室中。因煤气在进入固定床气化室之前的温度为1345℃，且含水蒸汽0.323Nm3/kg、CO2为0.345Nm3/kg，所以无需补加任何物质。出固定床气化室中炉蓖进入废热锅炉的煤气的温度为900℃，压力约为3.6MPa，气体成分(干基)H2＝39.37％、CO＝47.65％、CO2＝10.22％、H2S＝0.76％、COS＝0.04％、CH4＝1.12％、N2+Ar＝0.55％、NH3+HCN＝0.21％。冷煤气效率为84.1％(HHV)，比气流床气化室提高了8.6个百分点，固定床气化室的碳转化率为98％，蒸汽转化率为60％，CO2转化率为29.7％。即出气流床气化室高温煤气中60％的水蒸汽和29.7％的CO2在固定床气化室中进行气化反应，使其温度由1345℃降到900℃，达到回收其显热目的。
                    实施例2
气流床气化室1气化压力为4.0MPa，总高度为8.5米，气流床气化室1内直径为2.5米；
固定床气化室18总高度为5米，直径为2.5米，煤气冷却洗涤室14总高度为7.5米，直径为2.5米；
所说的气流床气化室1周边和顶部设有工艺喷嘴2，周边的工艺喷嘴2与气流床气化室1顶部的距离为3.7米，工艺喷嘴2两两对称布置，工艺喷嘴2与水平面平行或呈8度交角，所说的工艺喷嘴2采用ZL200420114032.6专利公开的技术，为具有多个通道的喷嘴，共设置1层，每层4个。
气流床气化室1的煤处理量为2000吨/天，固定床气化室的煤处理量为200吨/天。
以干煤粉为原料，气流床气化室采用冷壁型耐火衬里。
煤种与实例1相同，入炉煤含水量为2％，氧纯度为95％，氧煤比为0.650Nm3/kg，蒸汽氧比0.1974kg/Nm3。出气流床气化室的煤气温度为1345℃，碳转化率为99％，湿基煤气成份(体积)为：H2＝28.77％、CO＝58.35％、CO2＝2.76％、H2S＝0.85％、COS＝0.07％、CH4＝0.01％、N2＝3.16％、NH3＝0.19％、H2O＝4.96％，冷煤气效率为80.5％(HHV)。
在不补充氧化剂(如O2)的情况下，出气流床气化室的煤气与灰渣与固定床气化室的煤在顶部接触，完成第二次化学反应，而灰渣被拦截在固定床气化室中。出固定床气化室中炉蓖进入废热锅炉的煤气的温度为900℃，固定床气化室的碳转化率为98％，蒸汽转化率为69％，CO2的转化率为19.6％，煤气成分(干基)为：H2＝32.08％、CO＝59.03％、CO2＝2.29％、H2S＝0.89％、COS＝0.05％、CH4＝1.82％、N2＝2.85％、Ar＝0.78％、NH3+HCN＝0.21％。冷煤气效率达到86.1％。比气流床气化室的冷煤气效率提高5.6个百分点。

Claims (9)

1.一种两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，其特征在于，包括：圆筒形壳体(7)、自上而下共轴线设置在圆筒形壳体(7)中的气流床气化室(1)、固定床气化室(18)、废热锅炉(19)和煤气冷却洗涤室(14)； 
所说的气流床气化室(1)周边和/或顶部设有工艺喷嘴室(3)，工艺喷嘴室(3)中设有工艺喷嘴(2)，工艺喷嘴室(3)与工艺喷嘴(2)二者共轴线，设置在气流床气化室(1)顶部的工艺喷嘴(2)的轴线与气流床气化室(1)轴线平行或重合，设置在气流床气化室(1)周边的工艺喷嘴(2)与水平面平行或呈1～10度交角； 
所说的气流床气化室(1)和固定床气化室(18)结合处设有加料锁斗(25)； 
所说的固定床气化室(18)下部中央设有带水冷夹套的偏心炉蓖(10)，炉蓖(10)连接在灰盘(11)上，灰盘(11)通过传动机构与电机(36)连接；灰盘(11)上设有刮灰刀以及下渣孔，灰盘(11)下方设有灰渣通道(13)，灰渣通道(13)入口处设有吹灰器(27)； 
所说的洗涤冷却室(14)的上部设有上大下小的锥斗(22)，锥斗(22)的上部设有洗涤冷却水分布器(34)，洗涤冷却水通过洗涤冷却水分布器(34)进入锥斗(22)，锥斗(22)的下部设有***洗涤冷却室(14)的导气管(20)，洗涤冷却室(14)中、导气管(20)外设有破泡板(21)，破泡板(21)通过支架(32)固接于壳体(7)内侧，并与导气管(20)的外侧之间设有间隙，洗涤冷却室(14)的上部设有气体出口(15)，洗涤冷却室(14)的下部设有黑水出口(23)，洗涤冷却室(14)的底部设有渣水出口(16)。 
2.根据权利要求1所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气 化装置，其特征在于，所说的气流床气化室(1)的壳体(7)的内侧设有耐火衬里(8)，耐火衬里(8)形成的空腔即为气流床气化室(1)。 
3.根据权利要求2所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，其特征在于，所说的耐火衬里(8)是冷壁型或是热壁型。
4.根据权利要求3所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，其特征在于，在热壁型衬里层中设置托砖架(6)，托砖架的层数为1～4层，托砖架(6)的周边用耐火纤维包裹，气化炉托砖架(6)处壳体的外侧设有条形散热片(17)。
5.根据权利要求1所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，其特征在于，所说的工艺喷嘴(2)采用具有多个通道的喷嘴。
6.根据权利要求1所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，其特征在于，所说的加料锁斗(25)两端设有启闭单向阀(24、26)，加料锁斗(25)通过加料流道(35)与固定床气化室(18)相连通。
7.根据权利要求1所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，其特征在于，灰盘(11)周边设有牙齿，与齿轮(12)呈啮合状，齿轮(12)与所说的电机(36)相连接。
8.根据权利要求1所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置，其特征在于，所说的废热锅炉(19)内部设有格栅(30)，水管锅炉水管(29)安装在格栅(30)上，锅炉水自下部进入，蒸汽自上部溢出，水冷却管(29)上部设有水管锅炉水管吹灰器(28)，水管锅炉水管吹灰器(28)与高压氮气管道相连通，固定床反应室(18)与废热锅炉(19)的圆筒形壳体(7)设有水夹套(9)。
9.根据权利要求1～8任一项所述的两段气化并耦合热量回收和洗涤于一体的气化装置的应用，其特征在于，用于气化气态、液态、固态或浆态或的含烃物质。 
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