一種用於氣流床的幹法排渣裝置及方法

2023-09-16 08:02:20 4

專利名稱：一種用於氣流床的幹法排渣裝置及方法
技術領域：
本發明涉及煤氣化技術領域，尤其涉及一種用於氣流床的幹法排渣裝置及方法。本發明尤其適用於煤加氫氣化等對氣態產物和固體產物冷凝溫度有不同要求的生產過程。
背景技術：
煤氣化技術已成為實現煤炭潔淨轉化的一項重要技術，正向著大型化、粉煤適應性強、低汙染、易淨化的方向發展。近年來氣流床氣化技術因其原料適應性強、碳轉化率高、冷煤氣效率高的優點而受到越來越多的重視，成為氣化技術發展的主流。現有的幾種主流氣流床氣化技術流程基本相近，選擇高溫高壓的反應條件，液態排渣，爐底設置渣池，對液態的焦渣進行冷卻。隨著技術發展，液態排渣的缺點逐漸被人們所認識，如氧耗高、液膜不利於氣化介質擴散而影響碳轉化率、不適用於高灰熔點煤種等，因此，固態排渣流化床氣化技術得到不斷發展。但無論是液態排渣還是固態排渣均採用爐底設置渣池的方式對灰渣進行最終的冷卻，以達到排渣溫度要求，減少對閥門和管路的高溫磨損。在這一冷卻過程中會產生大量的黑水，其中含有大量的汙染物需要進一步處理，在增加生產成本的同時增加了氣化過程的水耗，不利於氣化技術的發展。特別是對於氣流床加氫氣化技術而言，反應後生成的固體產物半焦和氣態產物，氣態產物中除含有合成氣產物外還包含油品產物，如氣態產物冷卻溫度過低則油品產物會冷凝析出，粘附於管路中，不僅大大降低油品收率，而且極易堵塞管路，造成事故隱患，為提聞油品收率、減少管路堵塞危險並保證半焦排禮:溫度不聞於300°C，需要對固體產物和氣態產物分別進行冷卻，此外加氫氣化過程的半焦產物特點是多孔而且密度小，粉狀半焦會浮於水面之上，爐底設置焦渣池方法無法實現加氫氣化焦渣產物的正常排出。 CN 1405277A中公布了一種固態排渣乾粉氣流床氣化過程及裝置，其特點是將高溫操作氣流床氣化反應器與中溫操作的流化床氣化反應器相結合，利用中溫操作的流化床排焦溫度低的特點進行排渣，但是該方法中氣態產物和固體產物仍是同時冷卻，無法應用於氣態產物和固體產物分別冷凝到不同溫度的情況，無法滿足氣流床加氫氣化過程中對產物冷卻的要求，此外該技朮忽略了流化床與氣流床正常操作時對原料顆粒粒徑要求不同，難於選擇適當的流化氣速實現正常、穩定操作。該技術在原理上可以實現以焦冷渣，幹法條件下排渣，避免黑水的產生，但該裝置中氣流床反應段和流化床反應段所用原料的粒徑相差較大，小粒徑顆粒的加入使流化床流化狀態不斷受到擾動，難以實現穩定操作，同時由於氣流床所形成的灰渣顆粒較小，在大顆粒流化床的操作氣速下極易被產物氣體帶出流化床，從而使產物氣體淨化段難度增加，此夕卜，氣流床與流化床組合的形式處理量有限，難以實現工程放大滿足現代煤氣化技術大型化的要求。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，利用氣體折流實現氣態產物和固體產物的初步分離，再對固體焦渣和氣態產物分別進行冷卻，以滿足將固體產物和氣態產物冷卻至不同溫度的要求；將氣流床操作與移動床操作相結合，替代現有氣流床下部的渣池對焦渣進行冷卻，有效減少黑水排放量，實現煤炭資源的潔淨轉化。為達此目的，本發明採用以下技術方案—種用於氣流床的幹法排渣裝置，所述裝置從上至下依次分為反應段、冷卻段及排渣段；所述反應段包括內筒，所述內筒固定於反應段頂壁上並向下開口，所述頂壁貫穿設置有向內筒內部空間開口的進料噴嘴；所述反應段側壁上設有產物氣體出口。本發明利用氣化反應後的產物在內筒出口處形成折流區，實現氣態產物和焦渣產物的初步分離，再對氣態產物和焦渣產物分別進行冷卻，以滿足將氣態產物和焦渣產物冷卻至不同溫度的工藝要求。在保證焦渣冷卻到較低溫度的同時，保證氣態產物在適宜的溫度下排出反應器，尤其有利於類似氣流床加氫氣化需要回收液相產物的工藝過程。本發明所述內筒出口處設有擴口狀濾網。所述濾網布置於內筒外緣與氣化爐耐火磚層的環隙中，氣態產物折流後夾雜部分未分離的固體顆粒的氣態產物流過濾網，用於減少氣態產物中夾雜固體顆粒量。氣態產物在內筒出口折流後，通過濾網後與反應段下部的冷氣體相混合、降溫，從產物氣體出口中進入後處理系統；。本發明所述的濾網能夠減少氣體帶出焦渣顆粒的量，進而減少氣態產物後處理工序的處理量。本發明所述冷卻段的側壁上布置有多個冷卻劑噴嘴。冷卻段的作用是通過冷卻劑噴嘴向冷卻段噴入冷卻劑，對分離出的焦渣產物進行冷卻降溫。本發明所述「多個」可以由本領域技術人員根據氣化反應溫度、焦渣處理量、冷卻段的溫度要求、所用冷卻劑的溫度等確定，例如一個，三個，四個，六個，八個等，優選對稱布置八個冷卻劑噴嘴，本發明並無特殊限制。本發明所述排渣段包括移動床段及相連的錐形底，所述錐形底的內部空間中設有氣體分布器，所述錐形底的底部貫穿設置有排渣口。優選地，所述排渣口出口處設有旋轉排渣器。旋轉排渣器的轉速由移動床的高度控制，保證整個反應系統連續穩定運轉。由於焦渣產物的顆粒粒徑較小，容易發生團聚、搭橋而嚴重影響其流動性，使其無法順利排出，因此在錐形底的內部空間設有氣體分布器，冷卻氣體通過氣體分布器進入移動床段，冷卻氣的加入有效增強了焦渣的流動性，保證焦渣順暢地排出，此外冷卻氣的加入可以對焦渣進一步降溫，降低焦渣出口溫度，增加排渣設備的穩定性。本發明所述氣體分布器的形式可由本領域技術人員從現有技術中獲知，並結合本發明裝置的結構進行具體設計，保證通入冷卻氣後能夠起到增強焦渣流動性及降溫功能即可。另外，由於排渣口設於裝置底部，氣體分布器還需要留有焦渣通道，以便冷卻後的焦渣產物能夠順利從排渣口排出。本發明提供了幾種氣體分布器的具體形式如下I)所述氣體分布器包括與錐形底相配合的錐形支架，所述錐形支架上鑲嵌有多孔材料；所述錐形支架與錐形底側壁之間形成氣體空腔，錐形底側壁上設有開口於氣體空腔的冷卻器入口 ；所述排渣口貫穿設置於錐形底和錐形支架的底部；優選地，所述多孔材料為燒結金屬多孔材料或多孔陶瓷材料。在上述氣體分布器中，錐形支架主要起到支撐作用，多孔材料依照氣體流量需求可選擇不同的孔隙率，氣體空腔中對應氣化爐操作壓力需保持一定的正壓以便保證冷卻氣體的均勻分布。
2)所述氣體分布器設置於移動床段與錐形底之間界面上；所述氣體分布器為相互貫通的冷卻氣管路，所述管路朝向錐形底的內部空間一側設有多個出氣孔。這種氣體分布器的冷卻氣入口即為管路埠。在運行中，冷卻氣經氣體分布器後進入移動床底部，可以對移動床內的焦渣物料起到疏鬆作用，從而有效減少焦渣排出時因「架橋、團聚」而堵塞管路的現象，並降低焦渣溫度。所述反應段、冷卻段與移動床段的內側壁均設置有耐火磚層。所述產物氣體出口以上的耐火磚層與內筒之間還設有保溫材料層。所述移動床上表面與冷卻段的流量控制閥之前連接有溫度控制單元，用於控制通過噴嘴的冷卻劑加入量。所述移動床上表面與旋轉排渣器之間連接有料位控制單元，所述料位控制單元與旋轉排渣器之間連接有變頻電機。變頻電機用於控制焦渣排出量，進而調節移動床床層高度。本發明還提供了一種利用如上所述裝置進行幹法排渣的方法原料煤粉以及氣化劑自進料噴嘴噴入內筒內發生氣化反應，反應後的氣態產物與焦渣產物共同向下移出內筒後，流通面積的增大使氣體流速迅速降低，在內筒出口下部空間形成折流區，沿內筒外壁與反 應段側壁間隙向上流動，並與反應段下部的冷氣體相混合、降溫，從產物氣體出口進入後續淨化處理階段；焦渣產物向下運動進入冷卻段，被冷卻後進入移動床段；經移動床段進入錐形底後，焦渣產物經排渣口排出。所述氣化劑為空氣、氧氣、水蒸氣或氫氣中的一種或至少兩種的組合，例如氧氣，氫氣，空氣與水蒸氣的組合，氧氣與水蒸氣的組合，空氣和氫氣的組合，氧氣、氫氣和水蒸氣的組合等，皆可用於實施本發明。優選地，通過冷卻劑噴嘴將冷卻劑噴入冷卻段，對焦渣產物進行降溫。優選地，所述冷卻劑為水和/或氣體；所述氣體優選C02、N2或氣態產物中的一種或至少兩種的組合。所述溫度控制單元根據落入移動床段上表面焦渣物料的溫度來調節冷卻劑的加入量；所述料位控制單元根據移動床的高度通過變頻電機控制旋轉排渣器的轉速。一種用於氣流床的幹法排渣方法，具體如下原料煤粉以及氣化劑自進料噴嘴噴入內筒內發生氣化反應，反應後的氣態產物與焦渣產物共同向下移出內筒後，流通面積的增大使氣體流速迅速降低，在內筒出口下部空間形成折流區，折流後經濾網沿內筒外壁與反應段側壁間隙向上流動，並與反應段下部的冷氣體相混合、降溫，從產物氣體出口進入後續淨化處理階段；焦渣產物向下運動進入冷卻段，冷卻劑通過冷卻劑噴嘴進入冷卻段，對焦渣產物進行冷卻降溫；被冷卻後的焦渣產物進入移動床段，經移動床段進入錐形底；冷卻氣體從冷卻氣入口進入氣體空腔中，經多孔材料進行分布，進一步冷卻焦渣產物；最終，焦渣產物進入排渣口，經旋轉排渣器排出。與已有技術方案相比，本發明具有以下有益效果本發明提供了一種操作簡單、穩定並應用於氣流床氣化過程的幹法排渣裝置及方法，尤其針對於類似氣流床加氫氣化需要將固體產物和氣態產物冷卻至不同溫度，以便回收液體產物的過程。在保證焦渣正常排渣溫度的同時保證氣態產物不會因冷卻溫度過低出現液態產品冷凝，大大增加液體產物回收率，此外，通過這一方法實現幹法固態排渣，在降低氣化技術水耗的同時避免黑水對環境的汙染，大大降低氣化工藝中黑水的產生量，減少汙水處理量，進一步實現煤炭資源的清潔轉化。


圖1是本發明具體實施例的結構示意圖；圖2是多孔材料與金屬支架鑲嵌部分的細節示意圖；圖3是氣體分布器的一種形式；圖4是氣體分布器的另一種形式。其中，圖3、圖4中的粗線代表氣體管路。圖中TC_溫度控制單元；LC_料位控制單元；M-變頻電機；1-進料噴嘴；2_反應段側壁；4_內筒；5_產物氣體出口 ；6_冷卻劑管路；7_冷卻劑噴嘴；8_移動床段；9_氣體分布器；10-冷卻氣入口 ； 11-旋轉排渣器；12-錐形支架；13-多孔材料；14_濾網；15-氣體空腔；16_耐火磚層；17_保溫材料層。下面對本發明進一步詳細說明。但下述的實例僅僅是本發明的簡易例子，並不代表或限制本發明的權利保護範圍，本發明的保護範圍以權利要求書為準。
具體實施例方式為更好地說明本發明，便於理解本發明的技術方案，本發明的典型但非限制性的實施例如下如圖1所示，一種用於氣流床的幹法排渣裝置，所述裝置從上至下依次分為反應段、冷卻段及排渣段；所述反應段包括內筒4，所述內筒4固定於反應段頂壁上並向下開口，所述頂壁貫穿設置有向內筒4內部空間開口的進料噴嘴I ;所述反應段側壁2上設有產物氣體出口 5。所述內筒4出口處設有濾網14。所述冷卻段的側壁上對稱布置有八個冷卻劑噴嘴7。所述排渣段包括移動床段8及相連的錐形底，所述錐形底的內部空間中設有氣體分布器9，所述錐形底的底部貫穿設置有排渣口，所述排渣口出口處設有旋轉排渣器11。所述氣體分布器9包括與錐形底相配合的錐形支架12，所述錐形支架12上鑲嵌有多孔材料13 ;所述錐形支架12與錐形底側壁之間形成氣體空腔15，錐形底側壁上設有開口於氣體空腔15的冷卻氣入口 10 ;所述排渣口貫穿設置於錐形底和錐形支架12的底部；所述多孔材料13為燒結金屬多孔材料或多孔陶瓷材料。所述氣體分布器9還可以採取以下形式設置於移動床段8與錐形底之間界面上；所述氣體分布器9為相互貫通的冷卻氣管路，所述管路朝向錐形底的內部空間一側設有多個出氣孔。冷卻氣管路樣式可採用圖3、圖4所示的形式。所述反應段、冷卻段與移動床段8的內側壁均設置有耐火磚層16，所述產物氣體出口 5以上的耐火磚層與內筒4之間還設有保溫材料層17。所述移動床上表面與冷卻段的流量閥之前連接有溫度控制單元TC。所述移動床上表面與旋轉排渣器11之間連接有料位控制單元LC，所述料位控制單元LC與旋轉排渣器11之間連接有變頻電機M。以氣流床加氫氣化過程為例，對本發明裝置的幹法排渣方法進行具體說明氣流床加氫氣化過程的產物包括固體焦渣、合成氣以及液態油品，其中，在氣化爐內部液態油品產物以氣態形式存在，該過程最大的特點就是要求將氣態產物和固體焦渣產物冷卻至不同溫度，在保證固體焦渣產物排渣時冷卻至低於300°C範圍內，同時保證氣態產物溫度不會降低至液態油品產物冷凝析出溫度以下，以保證油品回收率。本實施例中選用粒徑小於200目(< 75 μ m)的煤粉作為氣化原料，煤粉加入量為5t/d，加氫氣化反應溫度為850。。。原料煤粉和高溫氫氣通過進料噴嘴I加入反應段內筒4，在內筒4所形成的反應區內發生加氫氣化反·應，生成氣態產物和固體半焦產物，出內筒4反應區後，流通面積的增大使氣體流速迅速降低，在內筒4出口下部空間形成折流區，氣態產物沿內筒外壁與氣化爐耐火磚層16的間隙向上流動，而固體半焦則保持一定速度向下運動，進入冷卻段，進而實現氣固產物的初步分離。向上的折流中可能夾雜部分未來得及分離的半焦顆粒，因此在內筒出口處設有濾網14，氣態產物通過濾網14後與反應段下部的冷氣體相混合、降溫後從產物氣體出口 5中進入後處理系統，半焦經濾網過濾後與氣態產物分離下落至冷卻段。在冷卻段側壁上設置冷卻劑噴嘴7，以水為冷卻劑，通過冷卻劑管路6進入冷卻劑噴嘴7，噴入冷卻段，半焦在這一段空間內被冷卻降溫，冷卻劑的加入量由冷卻後進入移動床的半焦溫度控制。半焦經過冷卻後溫度降到300°C左右，進入排渣段。由於氣流床加氫氣化所採用的原料為小於200目的微粉，氣化固體產物半焦顆粒粒徑較小，容易發生團聚、搭橋而嚴重影響半焦流動性，使其無法順利排出爐外，因此裝置底部設有氣體分布器9，作為冷卻氣的N2通過冷卻氣入口 10進入氣體分布器9，再進入半焦移動床中，N2的加入有效增強了半焦的流動性，保證半焦順暢排出爐外，此外N2的加入可以對焦渣進一步降溫，增加排焦設備的穩定性，焦渣通過氣體分布器9後由旋轉排渣器11排出，排渣速率由焦渣床層高度控制，具體實施結果如下表I所示表I
權利要求
1.一種用於氣流床的幹法排渣裝置，其特徵在於，所述裝置從上至下依次分為反應段、冷卻段及排渣段； 所述反應段包括內筒(4)，所述內筒(4)固定於反應段頂壁上並向下開口，所述反應段頂壁貫穿設置有向內筒(4)內部空間開口的進料噴嘴(I);所述反應段側壁(2)上設有產物氣體出口(5)。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述內筒(4)出口處設有擴口狀濾網(14); 優選地，所述冷卻段的側壁上布置有多個冷卻劑噴嘴(7)，進一步優選分兩層對稱布置八個冷卻劑噴嘴(7);所述冷卻劑噴嘴(7)與流量控制閥相連； 優選地，所述排渣段包括移動床段(8)及相連的錐形底，所述錐形底的內部空間中設有氣體分布器(9)，所述錐形底的底部貫穿設置有排渣口 ； 優選地，所述排渣口出口處設有旋轉排渣器(11)。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述氣體分布器(9)包括與錐形底相配合的錐形支架(12)，所述錐形支架(12)上鑲嵌有多孔材料(13);所述錐形支架(12)與錐形底側壁之間形成氣體空腔(15)，錐形底側壁上設有開口於氣體空腔(15)的冷卻氣入口(10);所述排渣口貫穿設置於錐形底和錐形支架(12)的底部；優選地，所述多孔材料(13)為燒結金屬多孔材料或多孔陶瓷材料。
4.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述氣體分布器(9)設置於移動床段(8)與錐形底之間的界面上；所述氣體分布器(9)為相互貫通的冷卻氣管路，所述管路朝向錐形底的內部空間一側設有多個出氣孔。
5.如權利要求1-4之一所述的裝置，其特徵在於，所述反應段、冷卻段與移動床段(8)的內側壁均設置有耐火磚層(16);優選地，所述產物氣體出口(5)以上的耐火磚層(16)與內筒(4 )之間還設有保溫材料層(17)。
6.如權利要求2-5之一所述的裝置，其特徵在於，所述移動床上表面與冷卻段的流量控制閥之前連接有溫度控制單元(TC)； 優選地，所述移動床上表面與旋轉排渣器(11)之間連接有料位控制單元(LC)； 優選地，所述料位控制單元(LC)與旋轉排渣器(11)之間連接有變頻電機(M)。
7.一種利用如權利要求1-6之一所述裝置進行幹法排渣的方法，其特徵在於， 原料煤粉以及氣化劑自進料噴嘴(I)噴入內筒(4)內發生氣化反應，反應後的氣態產物與焦渣產物共同向下移出內筒(4)後，流通面積的增大使氣體流速迅速降低，在內筒(4)出口下部空間形成折流區，沿內筒外壁與反應段側壁間隙向上流動，並與反應段下部的冷氣體相混合、降溫，從產物氣體出口(5)進入後續淨化處理階段；焦渣產物向下運動進入冷卻段，被冷卻後進入移動床段(8);經移動床段(8)進入錐形底後，焦渣產物經排渣口排出。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述氣化劑為空氣、氧氣、水蒸氣或氫氣中的一種或至少兩種的組合； 優選地，通過冷卻劑噴嘴(7)將冷卻劑噴入冷卻段，對焦渣產物進行降溫； 優選地，所述冷卻劑為水和/或氣體；所述氣體優選C02、N2或氣態產物中的一種或至少兩種的組合。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於，所述溫度控制單元(TC)根據落入移動床段(8)上表面焦渣物料的溫度來調節冷卻劑的加入量；所述料位控制單元(LC)根據移動床的高度通過變頻電機(M)控制旋轉排渣器(11)的轉速。
10.如權利要求7-9之一所述的方法，其特徵在於，原料煤粉以及氣化劑自進料噴嘴(O噴入內筒(4)內發生氣化反應，反應後的氣態產物與焦渣產物共同向下移出內筒(4)後，流通面積的增大使氣體流速迅速降低，在內筒(4)出口下部空間形成折流區，折流後經濾網(14)沿內筒外壁與耐火磚層(16)間隙向上流動，並與反應段下部的冷氣體相混合、降溫，從產物氣體出口(5)進入後續淨化處理階段； 焦渣產物向下運動進入冷卻段，冷卻劑通過冷卻劑噴嘴(7)進入冷卻段，對焦渣產物進行冷卻降溫； 被冷卻後的焦渣產物進入移動床段(8)，經移動床段(8)進入錐形底；冷卻氣體從冷卻氣入口( 10)進入氣體空腔(15)中，經多孔材料(13)進行分布，進一步冷卻焦渣產物；最終，焦渣產物進入排渣口，經旋轉排渣器(11)排出。
全文摘要
本發明涉及一種用於氣流床的幹法排渣裝置及方法。所述裝置從上至下依次分為反應段、冷卻段及排渣段；所述反應段包括內筒，所述內筒固定於反應段頂壁上並向下開口，所述反應段頂壁貫穿設置有向內筒內部空間開口的進料噴嘴；所述反應段側壁上設有產物氣體出口。本發明利用氣體折流實現氣態產物和固體產物的初步分離，再對固體焦渣和氣態產物分別進行冷卻，以滿足將固體產物和氣態產物冷卻至不同溫度的要求；將氣流床操作與移動床操作相結合，替代現有氣流床下部的渣池對焦渣進行進一步冷卻，有效減少黑水排放量，實現煤炭資源的潔淨轉化。
文檔編號C10J3/52GK103031156SQ20121053863
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者汪國慶, 馬志超, 方科學, 周三, 馬麗榮 申請人:新奧科技發展有限公司