雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置及方法

2023-06-30 13:08:06

雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置及方法
【專利摘要】雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置及方法，它涉及一種燃燒裝置及方法，裝置：旋風熱解爐通過反料裝置、熱解半焦通道與旋風氣化爐連通，旋風氣化爐通過高溫粗煤氣通道與旋風熱解爐連通，旋風熱解爐通過熱解混氣通道與冷卻裝置連通，旋風氣化爐外壁安裝有氧化劑噴嘴和水蒸氣噴嘴。方法：一、煤粉在高溫粗煤氣的吹送下進入旋風熱解爐；二、煤粉在旋風熱解爐內發生熱解，熱解出的混合氣排至冷卻裝置中冷卻，熱解出的半焦被輸送迴旋風氣化爐；三、氧化劑噴嘴和水蒸氣噴嘴同時向旋風氣化爐內噴射氧化劑和水蒸氣，產生的高溫粗煤氣作為煤熱解的氣體熱載體再次送入旋風熱解爐中，旋風氣化爐中的煤渣以固態或液態形式經灰渣排出口排出。本發明用於潔淨煤氣化。
【專利說明】雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃燒裝置及方法，具體涉及一種雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置及方法。
【背景技術】
[0002]氣流床氣化技術因具有處理量大、碳轉化率高、冷煤氣效率高等優點已成為現代煤氣化技術的主要發展方向。爐內的高溫、高壓、混合好的特點決定了它有在單位時間、單位體積內提高生產能力的最大潛能，符合化工裝置大型化的發展趨勢。然而該技術也面臨一些重要問題:
[0003](I)、大型化是煤氣化技術發展的首要問題。由於受製造、運輸、安裝等客觀因素的限制，必須在有限的設備尺寸上，通過提高單位時間、單位體積的處理能力和處理效率實現大規模高效產業化，其途徑一般為提高氣化溫度、增加壓力、強化混合。然而氣化爐由於高壓又會帶來的昂貴的設備費用以及操作、安全等問題。
[0004](2)、實現能量的高效轉化與合理回收是煤氣化過程需要解決的迫切問題，即合理回收煤氣高溫顯熱。現今回收煤氣顯熱的技術有兩種，即激冷工藝和廢熱鍋爐工藝，激冷工藝設備簡單，投資省，但能量回收效率低。廢熱鍋爐回收熱量效率高，但設備龐大，投資巨大，工作可靠性不穩定，因此開發新的熱量回收技術勢在必行。
[0005](3)、由於不同的氣流床氣化技術擁有各自的結構及工藝特點，煤粉旋風氣化技術利用旋風流場旋流強度高，湍流混合強烈的特點，強化了爐內傳熱傳質過程，延長了煤粉在爐內的停留時間，提高了爐內的熱強度，從而優化了氣化性能。2004年呂清剛、那永潔等人公布了一種固體燃料氣化反應裝置。該裝置旨在利用旋風爐內的強烈的氣固摻混條件，強化氣化反應，提高氣化效率。2013年哈爾濱工業大學邱朋華等人公布了一種煤粉旋風氣流床氣化裝置，旨在解決傳統氣化爐噴嘴容易過燒，幹煤粉在爐內的停留時間短，煤粉顆粒氣化的碳轉化率低等問題。
[0006](4)、根據煤中不同組分在不同轉化階段的反應性差異的特點，進行煤熱解、氣化的分級轉化，即先採用煤熱解工藝，先將煤中容易熱解的高活性部分在熱解爐中轉化為焦油和煤氣，然後將熱解過程所產生的活性較低的半焦用於氣化，可以在煤氣化過程中減少投資，降低成本，也有可能實現更高效的利用能源利用。中國科學院工程熱物理研究公開了一種熱解氣化聯合方法，使燃料在低速床熱解爐中熱解，產生的半焦送入循環流化床氣化爐中氣化，並用固體熱載體為燃料熱解提供熱量。浙江大學公開了一種循環流化床煤分級轉化煤氣焦油半焦多聯產裝置及方法，該方法用雙循環流化床作為煤分級轉化裝置，分別為循環流化床氣化爐和流化床乾餾爐，乾餾爐吸熱由循環流化床氣化爐的高溫熱循環物料來提供。以上方法均採用固體循環物料提供熱解所需熱量。
[0007](5)、在各種煤熱解工藝中，氣體熱載體煤熱解工藝因其熱解效率高，單元裝置小，設備投資費用低，反應條件溫和，反應時間短，對煤種無特殊要求特點而得到越來越多的重視。浙江大學公開了一種氣體熱載體煤熱解製取焦油煤氣半焦的方法，該方法以高溫煙氣為熱載體，在流化床熱解爐中對煤進行熱解，析出揮發分，揮發分經冷凝分離得到焦油和粗熱解煤氣，而熱解得到的半焦，一部分送到循環流化床進行燃燒，產生高溫煙氣作為熱載體提聞了煤的熱解效率。

【發明內容】

[0008]本發明為解決現有氣化爐不能合理回收利用氣流床氣化爐所產生煤氣的高溫顯熱的問題，而提出了一種雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置及方法。
[0009]本發明的雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置包括旋風熱解爐、反料裝置、熱解半焦通道、旋風氣化爐、高溫粗煤氣通道、旋風熱解爐排氣管、熱解混氣通道、冷卻裝置、粗合成氣接管、進煤接管、料腿、數個氧化劑噴嘴和數個水蒸氣噴嘴，進煤接管安裝在旋風熱解爐的上端，旋風熱解爐排氣管安裝在旋風熱解爐的頂部，進煤接管上設有給煤入口，旋風熱解爐的下端通過料腿與反料裝置連通，熱解半焦通道的一端與反料裝置連通，熱解半焦通道的另一端與旋風氣化爐的下部連通，高溫粗煤氣通道的一端與進煤接管連通，高溫粗煤氣通道的另一端與旋風氣化 爐的上端連通，熱解混氣通道的一端與旋風熱解爐排氣管的上端連通，熱解混氣通道的另一端與冷卻裝置連通，粗合成氣接管安裝在冷卻裝置上，冷卻裝置的底端設有焦油出口，旋風氣化爐的底部設有灰渣排出口，數個氧化劑噴嘴沿旋風氣化爐的外壁均布設置，數個氧化劑噴嘴設置在同一高度上，每個氧化劑噴嘴的軸線與旋風氣化爐的直徑之間的銳角為25°~50°，數個氧化劑噴嘴的射流延長線均與內接圓相切，數個水蒸氣噴嘴沿旋風氣化爐的外壁均布設置，數個水蒸氣噴嘴設置在同一高度上，每個水蒸氣噴嘴的軸線與旋風氣化爐的直徑之間的銳角為25°~50°，數個水蒸氣噴嘴的射流延長線均與內接圓相切。
[0010]方法:雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法是通過以下步驟實現的:
[0011]步驟一、煤粉由給煤入口進入進煤接管中，煤粉在高溫粗煤氣的吹送下進入旋風熱解爐，旋風熱解爐內的壓力為0.1Mpa~4Mpa，旋風熱解爐的運行溫度為600°C~900°C ；
[0012]步驟二、煤粉在旋風熱解爐內發生熱解，熱解出的混合氣由旋風熱解爐排氣管排至冷卻裝置中冷卻，冷卻後分離其中焦油成為中高熱值的粗合成氣並由粗合成氣接管排出；熱解出的半焦通過反料裝置被輸送迴旋風氣化爐，旋風氣化爐內的壓力為0.1Mpa~4Mpa，旋風氣化爐的運行溫度為1000°C~1500°C ；
[0013]步驟三、氧化劑噴嘴和水蒸氣噴嘴同時向旋風氣化爐內噴射氧化劑和水蒸氣，水蒸氣溫度為100°C~250°C，半焦在氧化劑噴嘴和水蒸氣噴嘴共同作用下發生氣化反應，產生的高溫粗煤氣作為煤熱解的氣體熱載體再次送入旋風熱解爐中，旋風氣化爐中的煤渣以固態或液態形式經灰渣排出口排出。
[0014]本發明與現有方法相比具有以下有益效果:
[0015]一、熱解爐和氣化爐均採用了旋風爐的形式，在熱解爐內強化了氣固摻混，保證熱解的充分，析出更多揮發分和焦油，在氣化爐內強化了氣化反應，提高了碳轉化率和氣化效率，提高了能源的利用率。
[0016]二、本發明通過高溫粗煤氣對煤的加熱、乾燥、熱解，降低了粗煤氣的溫度，合理回收利用了旋風氣化爐所產生煤氣的高溫顯熱，以高溫粗煤氣為氣體熱載體提供煤熱解所需熱量，有效降低粗煤氣溫度400°C -70(TC。同時用雙旋風爐加強了氣化和熱解反應，實現了高效的煤熱解氣化分級轉化。
[0017]三、根據煤中不同組分反應性差異，利用氣體熱載體熱解效率高，反應條件溫和，反應時間短，對煤種適應性強的特點，實現煤的熱解、氣化分級轉化，在較低溫度下析出活性較好的揮發分，在較高溫度下氣化反應性差的熱解半焦。提高了能量轉換效率，也降低了投資成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置整體結構示意圖(其中旋風氣化爐為立式旋風氣化爐)；
[0019]圖2是本發明的雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置整體結構示意圖(其中旋風氣化爐為臥式旋風氣化爐)；
[0020]圖3是圖1或圖2的A-A剖視圖。
【具體實施方式】
[0021]【具體實施方式】一:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式包括旋風熱解爐
2、反料裝置3、熱解半焦通道4、旋風氣化爐5、高溫粗煤氣通道10、旋風熱解爐排氣管11、熱解混氣通道12、冷卻裝置13、粗合成氣接管15、進煤接管16、料腿17、數個氧化劑噴嘴7和數個水蒸氣噴嘴8，進煤接管16安裝在旋風熱解爐2的上端，旋風熱解爐排氣管11安裝在旋風熱解爐2的頂部，進煤接管16上設有給煤入口 1，旋風熱解爐2的下端通過料腿17與反料裝置3連通，熱解半焦通道4的一端與反料裝置3連通，熱解半焦通道4的另一端與旋風氣化爐5的下部連通，高溫粗煤氣通道10的一端與進煤接管16連通，高溫粗煤氣通道10的另一端與旋風氣化爐5的上端連通，熱解混氣通道12的一端與旋風熱解爐排氣管11的上端連通，熱解混氣通道12的另一端與冷卻裝置13連通，粗合成氣接管15安裝在冷卻裝置13上，冷卻裝置13的底端設有焦油出口 14，旋風氣化爐5的底部設有灰渣排出口 9，數個氧化劑噴嘴7沿旋風氣化爐5的外壁均布設置，數個氧化劑噴嘴7設置在同一高度上，每個氧化劑噴嘴7的軸線與旋風氣化爐5的直徑之間的銳角(α)為25°~50°，數個氧化劑噴嘴7的射流延長線均與內接圓K相切，數個水蒸氣噴嘴8沿旋風氣化爐5的外壁均布設置，數個水蒸氣噴嘴8設置在同一高度上，每個水蒸氣噴嘴8的軸線與旋風氣化爐5的直徑之間的銳角(α)為25°~50°，數個水蒸氣噴嘴8的射流延長線均與內接圓K相切。旋風氣化爐5為圓柱形，旋風熱解爐2為高分離效率的旋風分離器。冷卻裝置13可以用低溫水作為冷卻劑，吸熱後用來產生氣化爐所需水蒸氣。
[0022]【具體實施方式】二:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的旋風氣化爐5採用立式旋風氣化爐或臥式旋 風氣化爐。立式風氣化爐適用於氣化粒徑較小煤粉，臥式旋風氣化爐適用於氣化粒徑較大煤粒。其它組成及連接關係與【具體實施方式】一相同。
[0023]【具體實施方式】三:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的料腿17為圓錐形，圓錐形的上端直徑大於下端直徑，料腿17的高度為Im~2m。較長的料腿17可以起到密封作用，保證旋風熱解爐2與旋風氣化爐5之間壓差。其它組成及連接關係與【具體實施方式】一或二相同。
[0024]【具體實施方式】四:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是通過以下步驟實現的:
[0025]步驟一、煤粉由給煤入口 I進入進煤接管16中，煤粉在高溫粗煤氣(系統啟動階段使用液體或氣體燃料，由布置在熱解半焦入口附近的點火油槍噴入燃料，與氣化劑作用產生高溫氣體)的吹送下進入旋風熱解爐2，旋風熱解爐2內的壓力為0.1Mpa~4Mpa，旋風熱解爐2的運行溫度為600°C~900°C ；
[0026]步驟二、煤粉在旋風熱解爐2內發生熱解，以高溫粗煤氣為氣體熱載體提供熱解所需熱量在旋風熱解爐2內發生煤的乾燥及熱解，析出揮發分，並產生半焦，熱解出的混合氣由旋風熱解爐排氣管11排至冷卻裝置13中冷卻，冷卻後分離其中焦油成為中高熱值的粗合成氣並由粗合 成氣接管15排出；熱解出的半焦通過反料裝置3被輸送迴旋風氣化爐5，旋風氣化爐5內的壓力為0.1Mpa~4Mpa，旋風氣化爐5的運行溫度為1000°C~1500°C;
[0027]步驟三、氧化劑噴嘴7和水蒸氣噴嘴8同時向旋風氣化爐5內噴射氧化劑和水蒸氣，水蒸氣溫度為100°C~250°C，半焦在氧化劑噴嘴7和水蒸氣噴嘴8共同作用下發生氣化反應，產生的高溫粗煤氣作為煤熱解的氣體熱載體再次送入旋風熱解爐2中，旋風氣化爐5中的煤渣以固態或液態形式經灰渣排出口 9排出。
[0028]【具體實施方式】五:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟一中的煤粉的粒徑為0.01mm~1mm。其它步驟與【具體實施方式】四相同。
[0029]【具體實施方式】六:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟一中旋風熱解爐2內的壓力為IMpa，旋風熱解爐2的運行溫度700°C。其它步驟與【具體實施方式】四或五相同。
[0030]【具體實施方式】七:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟二中旋風氣化爐5內的壓力為IMpa，旋風氣化爐5的運行溫度為1200°C。其它步驟與【具體實施方式】四相同。
[0031]【具體實施方式】八:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟二中冷卻裝置13可以用低溫水作為冷卻劑，吸熱後用來產生氣化爐所需水蒸氣。其它步驟與【具體實施方式】四或七相同。
[0032]【具體實施方式】九:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟二中反料裝置3使用氮氣、二氧化碳或水蒸氣作為流化風。其它步驟與【具體實施方式】四相同。
[0033]【具體實施方式】十:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式是步驟三中氧化劑為空氣、富氧空氣或氧氣體積濃度70%~100%的純氧。其它步驟與【具體實施方式】四相同。
[0034]本發明的應用實例:
[0035]⑴、如圖1所示，旋風氣化爐5採用立式旋風氣化爐，25°C~100°C的煤粉或煤粒在10000C -1500°C的高溫粗煤氣的吹送下進入旋風熱解爐2，熱解爐的溫度為600°C~900°C，壓力為0.1Mpa~4Mpa，以高溫粗煤氣為氣體熱載體提供熱解所需熱量，在爐內發生煤的乾燥及熱解，析出揮發分，並產生半焦，此時旋風熱解爐排氣口的混合氣溫度較入口降低了400°C~700°C。煤粉在熱解爐前與高溫粗煤氣充分混合後沿熱解的切向入口進入，之後再旋風流場作用下被甩向壁面，到達熱解爐下部縮口段後與混合氣分離，進入料腿17。
[0036]由於氣體熱載體來熱解煤時有熱解效率高，反應條件溫和，反應時間短，對煤種適應性強的特點，加上旋風爐中旋流流場強化了氣固摻混，保證熱解的充分，析出更多揮發分和焦油。旋風熱解爐採用高分離效率的旋風分離器，使熱解半焦能被分離下來進入料腿17。[0037]被分離下來的固體半焦落入料腿17，料腿17和反料裝置3用於密封熱解半焦，實現熱解爐和氣化爐之間的壓力平衡。熱解半焦通過流化風的鬆動和輸送作用進入旋風氣化爐5，流化風可以採用氮氣、二氧化碳或水蒸氣。
[0038]熱解半焦被送入旋風氣化爐5，在氧氣和水蒸氣的作用下充分氣化。氣化爐運行溫度為1000°C~1500°C，運行壓力為0.1Mpa~4Mpa，在較低溫度時可實現固態排渣，在較高溫度時採用液態排渣。數個氧化劑噴嘴7和數個水蒸氣噴嘴8產生強勁旋轉氣流，實現熱解半焦和氣化氣的充分混合，進行充分燃燒和氣化。其中氧化劑為空氣或氧氣為體積濃度70%~100%的純氧或富氧空氣，水蒸氣溫度為100~250°C，採用兩者不同比例用以調節氣化溫度。產生的高溫粗合成氣從頂部離開氣化爐。
[0039]攜帶揮發分的熱解混合氣從旋風熱解爐上排氣口離開，經冷卻設備冷卻，分離其中焦油成為中高熱值的粗合成氣。冷卻裝置可以用低溫水作為冷卻劑，吸熱後用來產生氣化爐所需部分水蒸氣。
[0040] (2)、如圖2所示，旋風氣化爐5採用臥式旋風氣化爐，由於臥式氣化爐氣體動力場複雜，紊流擾動強度高，所以臥式旋風氣化爐適用於氣化粒徑較大的煤粒。臥式氣化爐在筒體出口端部布置了一個錐臺形縮口，使得旋轉氣流進入到筒體環形空間後，又受阻而重新折回筒體前部，從而形成複雜流場，強化了氣固反應。其它工作過程與⑴相同。
【權利要求】
1.一種雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置，所述裝置包括旋風熱解爐(2)、旋風熱解爐排氣管(11)和進煤接管(16)，進煤接管(16)安裝在旋風熱解爐(2)的上端，旋風熱解爐排氣管(11)安裝在旋風熱解爐(2)的頂部，進煤接管(16)上設有給煤入口(I)，其特徵在於:所述裝置還包括反料裝置(3)、熱解半焦通道(4)、旋風氣化爐(5)、高溫粗煤氣通道(10)、熱解混氣通道(12)、冷卻裝置(13)、粗合成氣接管(15)、料腿(17)、數個氧化劑噴嘴(7)和數個水蒸氣噴嘴(8)，旋風熱解爐(2)的下端通過料腿(17)與反料裝置(3)連通，熱解半焦通道(4)的一端與反料裝置(3)連通，熱解半焦通道(4)的另一端與旋風氣化爐(5)的下部連通，高溫粗煤氣通道(10)的一端與進煤接管(16)連通，高溫粗煤氣通道(10)的另一端與旋風氣化爐(5)的上端連通，熱解混氣通道(12)的一端與旋風熱解爐排氣管(11)的上端連通，熱解混氣通道(12)的另一端與冷卻裝置(13)連通，粗合成氣接管(15)安裝在冷卻裝置(13)上，冷卻裝置(13)的底端設有焦油出口(14)，旋風氣化爐(5)的底部設有灰渣排出口(9)，數個氧化劑噴嘴(7)沿旋風氣化爐(5)的外壁均布設置，數個氧化劑噴嘴(7)設置在同一高度上，每個氧化劑噴嘴(7)的軸線與旋風氣化爐(5)的直徑之間的銳角(α)為25°~50°，數個氧化劑噴嘴(7)的射流延長線均與內接圓(K)相切，數個水蒸氣噴嘴(8)沿旋風氣化爐(5)的外壁均布設置，數個水蒸氣噴嘴(8)設置在同一高度上，每個水蒸氣噴嘴(8)的軸線與旋風氣化爐(5)的直徑之間的銳角(α)為25。~50°，數個水蒸氣噴嘴(8)的射流延長線均與內接圓(K)相切。
2.根據權利要求1所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置，其特徵在於:所述旋風氣化爐(5)採用立式旋 風氣化爐或臥式旋風氣化爐。
3.根據權利要求1或2所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置，其特徵在於:所述料腿(17)為圓錐形，圓錐形的上端直徑大於下端直徑，料腿(17)的高度為Im~2m。
4.一種利用權利要求1所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化裝置實現雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法，其特徵在於:所述方法是通過以下步驟實現的: 步驟一、煤粉由給煤入口(I)進入進煤接管(16)中，煤粉在高溫粗煤氣的吹送下進入旋風熱解爐(2)，旋風熱解爐(2)內的壓力為0.1Mpa~4Mpa，旋風熱解爐(2)的運行溫度為 600。。~900。。； 步驟二、煤粉在旋風熱解爐(2)內發生熱解，熱解出的混合氣由旋風熱解爐排氣管(11)排至冷卻裝置(13)中冷卻，冷卻後分離其中焦油成為中高熱值的粗合成氣並由粗合成氣接管(15)排出；熱解出的半焦通過反料裝置(3)被輸送迴旋風氣化爐(5)，旋風氣化爐(5)內的壓力為0.1Mpa~4Mpa，旋風氣化爐(5)的運行溫度為1000°C~1500°C ； 步驟三、氧化劑噴嘴(7)和水蒸氣噴嘴(8)同時向旋風氣化爐(5)內噴射氧化劑和水蒸氣，水蒸氣溫度為100°C~250°C，半焦在氧化劑噴嘴(7)和水蒸氣噴嘴(8)共同作用下發生氣化反應，產生的高溫粗煤氣作為煤熱解的氣體熱載體再次送入旋風熱解爐(2)中，旋風氣化爐(5)中的煤渣以固態或液態形式經灰渣排出口(9)排出。
5.根據權利要求4所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法，其特徵在於:所述步驟一中的煤粉的粒徑為0.01mm~1mm。
6.根據權利要求4或5所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法，其特徵在於:所述步驟一中旋風熱解爐(2)內的壓力為IMpa，旋風熱解爐(2)的運行溫度700°C。
7.根據權利要求4所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法，其特徵在於:所述步驟二中旋風氣化爐(5)內的壓力為IMpa，旋風氣化爐(5)的運行溫度為1200°C。
8.根據權利要求4或7所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法，其特徵在於:所述步驟二中冷卻裝置(13)可以用低溫水作為冷卻劑，吸熱後用來產生氣化爐所需水蒸氣。
9.根據權利要求4所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法，其特徵在於:所述步驟二中反料裝置(3)使用氮氣、二氧化碳或水蒸氣作為流化風。
10.根據權利要求4所述雙旋風煤熱解氣化分級轉化的方法，其特徵在於:所述步驟三中氧化劑為空氣 、富氧空氣或氧氣體積濃度70%~100%的純氧。
【文檔編號】C10J3/66GK103992824SQ201410230857
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月28日 優先權日:2014年5月28日
【發明者】邱朋華, 徐健健, 劉慄, 李丹丹, 劉歡鵬, 吳少華 申請人:哈爾濱工業大學