含碳物料氣化—重整變換轉化爐及製備富氫合成氣的方法
2023-04-30 14:12:26 2
專利名稱：含碳物料氣化—重整變換轉化爐及製備富氫合成氣的方法
技術領域：
本發明涉及一種含碳物料氣化一重整變換轉化爐及製備富氫合成氣的方法。
背景技術：
煤、生物質、石油焦等含碳物料氣化技術是發展煤化學品、液態燃料、聯合循環發電、多聯產、制氫等過程工業的基礎，是這些行業的關鍵技術、共性技術和先導技術。含碳物料氣化工藝按反應室中物料的運動狀態可分為移動床、流化床和氣流床三種。而其中氣流床相比其他兩種工藝，具有單爐氣化反應室處理能力大、煤種適應性廣、碳轉化率高等優點。目前氣流床煤氣化技術有幹法進料和溼法進料兩種工藝。然而，目前的氣化技術都存在氣化產生的合成氣中一氧化碳/氫氣比值較大,一氧化碳含量高的特點，典型的有shell氣化爐，GSP氣化爐，專利號為200810246578.x中國專利中提到的航天爐，以及申請號為200810047879.X和申請號為200810047878.5中國專利中提到的五環爐。對於生產化工產品工藝來說，合成氣中C0/H2組分比例偏大，一氧化碳含量高，後續變換工藝系統需要加入大量蒸汽，能耗較高。因此，現有的粉煤氣化工藝很難滿足特定的工藝要求，尤其是對於合成氣生產化工產品的流程，如何從工藝和裝置上進一步減少設備投資、縮短工藝流程、減少能耗，是急待解決的問題。
發明內容
本發明是為了克服現有技術存在的上述問題而提供的一種含碳物料氣化一重整變換轉化爐及製備富氫合成氣的方法，本發明能有效的提高含碳物料氣化得到的合成氣中一氧化碳的變換轉化率 ，從而提高氫氣的含量，並提高含碳物料的碳轉化率，大大減少後續工序的能耗，更加適合應用於化工產品生產領域。本發明採取的技術方案是:含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特點是，包括氣化反應室、重整設備、變換反應室、以及合成氣輸出管道；
所述的氣化反應室設有至少一個燒嘴；
所述的重整設備設置在所述氣化反應室的輸出端；
所述的變換反應室設置在所述重整設備的輸出端；
所述的合成氣輸出管道連接在所述變換反應室的輸出端。上述含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其中，還包括一輸出處理部件，與所述的合成氣輸出管的輸出端連接。上述含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其中，所述氣化反應室的燒嘴數量為4 6個，成切圓對稱布置，並與氣化反應室斷面中心線成4 6°夾角。一種含碳物料氣化一重整變換轉化爐製備富氫合成氣的方法，其特點是，包括: 步驟一、含碳物料與氧化劑發生反應生成合成氣的步驟:在氣化反應室中，含碳物料與
氧化劑發生反應，在高溫高壓環境下生成主要成份為一氧化碳和氫的合成氣；步驟二、對生成的合成氣進行組分重組的步驟:在所述的氣化反應室的合成氣出口布置合成氣組分重整設備，通過噴入重整劑對從氣化反應室合成氣出口排出的高溫高壓合成氣進行組分重整，並將合成氣從1200 1700°C降低到900 1100°C ；
步驟三、對重組的合成氣進行變換反應的步驟:經重整後的合成氣進入後續的變換反應室，在其中發生高溫環境下的一氧化碳變換反應，提高氫氣含量，製備富氫合成氣，同時合成氣中攜帶的殘碳也可進一步參加反應，提高碳轉化率；
步驟四、輸出合成氣的步驟:反應後的富氫合成氣通過合成氣輸出管道輸出。上述製備富氫合成氣的方法，其中，還包括一輸出處理部件，與所述的合成氣輸出管的輸出端連接。本發明由於採用了以上的技術方案，其產生的技術效果是明顯的:
1、當含碳物料(例如乾粉或水煤漿)與氧化劑(例如氧氣，水蒸汽)在氣化反應室中發生氣化反應(第一反應)，在高溫高壓環境下生成主要成份為一氧化碳和氫的合成氣。將氣化後的合成氣經重整劑重整到適當的溫度和組分後，進入變換反應室發生變換反應(第二反應)，在其中充分發生一氧化碳變換反應，提高一氧化碳的變換率，從而大大增加合成氣中氫氣的含量;
2、在由耐火澆鑄料或水冷壁組成的反應室內，在其反應室側部布置4 6個燒嘴，燒嘴水平布置，同時在燒咀布置平面與氣化反應室斷面中心線成4 6。夾角，從四(或六)個燒嘴噴出的氣流發生碰撞，在反應室中產生旋流，氣流旋流可使反應室內火焰的充滿度較好溫度場也較為均勻；煤粉中的灰在高溫環境中主要以熔融渣的形態靠慣性作用被氣化反應室壁捕捉下來，再沿氣化反應室壁面流淌匯集到氣化反應室膛底部的流渣口，排到位於氣化反應室底部的渣池中淬冷。其餘的飛灰被合成氣夾帶從氣化反應室合成氣出口排出；
3、氣化反應室合成氣出口布置 合成氣組分重整設備，通過噴入重整劑(例如經霧化的水/汽)對從氣化反應室合成氣出口排出的高溫高壓合成氣進行組分重整，並將合成氣從1200 1700°C降低到900 1100°C以利於熔渣固化，同時確保進入變換反應室的必要溫度；
4、經重整後的合成氣進入後續的變換反應室，在其中發生高溫環境下(900 IlO(TC)的一氧化碳變換反應，達到降低一氧化碳含量，提高氫氣含量製備富氫合成氣的目的，同時合成氣中攜帶的殘碳也可進一步參加反應，提高碳轉化率；
5、反應後的合成氣通過合成氣輸送通道進入輸出處理部件，例如噴射激冷區域和/或浸沒式水浴激冷裝置。浸沒式激冷室採用噴淋+水浴方式冷卻除灰，水浴後合成氣通過除泡裝置以便破除合成氣攜帶的液滴和氣泡。這種設計不僅大大地強化了激冷效果，降低了激冷室高度。
圖1是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的原理示意圖。圖2是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐製備富氫合成氣的方法的流程示意圖。圖3是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的實施例之一的結構示意圖。圖4是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的實施例之二的結構示意圖。
圖5是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的實施例之三的結構示意圖。圖6是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的實施例之四的結構示意圖。圖7是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的實施例之五的結構示意圖。圖8是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的氣化反應室的截面示意圖(顯示噴嘴的布置方式)。
具體實施例方式為了能更好地對本發明進行理解，下面通過具體的實施案例並結合附圖進行詳細地說明:
請參閱圖1，圖1是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的原理示意圖。本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐，包括同軸設置的氣化反應室12、重整設備13、變換反應室14、以及合成氣輸出管道15 ;所述的氣化反應室設有至少一個燒嘴；所述的重整設備設置在所述氣化反應室的輸出端；所述的變換反應室設置在所述重整設備的輸出端；所述的合成氣輸出管是一直管，連接在所述變換反應室的輸出端。為進一步處理合成氣，本發明還包括一輸出處理部件16，與所述的合成氣輸出管的輸出端連接。請參閱圖2。本發明採用含碳物料氣化一重整變換轉化爐製備富氫合成氣的方法，包括以下步驟:
S1、含碳物料與氧化劑發生反應生成合成氣的步驟:在氣化反應室中，含碳物料與氧化劑發生反應，在高溫高壓環境下生成主要成份為一氧化碳和氫的合成氣；所述的含碳物料包括幹煤粉或水煤漿，所述的氣化劑包括氧氣、水蒸汽。所述的在氣化反應室內布置的燒嘴為4 6個，呈水平布置，並且，各燒`嘴布置的平面與氣化反應室斷面中心線成4 6°夾角。S2、對生成的合成氣進行組分重組的步驟:在所述的氣化反應室的合成氣出口布置合成氣組分重整設備，通過噴入重整劑對從氣化反應室合成氣出口排出的高溫高壓合成氣進行組分重整，並將合成氣從1200 1700°C降低到900 1100°C;所述的噴入重整劑包括經霧化的水/汽；
53、對重組的合成氣進行變換反應的步驟:經重整後的合成氣進入後續的變換反應室，在其中發生高溫環境下的一氧化碳變換反應，同時合成氣中攜帶的殘碳也可進一步參加反應；
54、輸出合成氣的步驟:反應後的合成氣通過合成氣輸送通道輸出。本發明還可以包括將所述的合成氣輸出通道的輸出端連接輸出處理裝置的步驟
S5;所述的輸出處理裝置包括噴射激冷區域和/或浸沒式水浴激冷裝置，或者是換熱裝置。所述的浸沒式激冷室採用噴淋加水浴方式冷卻除灰，水浴後合成氣通過除泡裝置以便破除合成氣攜帶的液滴和氣泡。煤粉中的灰在高溫環境中主要以熔融渣的形態靠慣性作用被氣化反應室壁捕捉下來，再沿氣化反應室壁面流淌匯集到氣化反應室膛底部的流渣口，排到位於氣化反應室底部的渣池中淬冷；其餘的飛灰被合成氣夾帶從氣化反應室的合成氣出口排出。請參閱圖3，圖3是本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐的實施例之一的結構示意圖。本發明含碳物料氣化一重整變換轉化爐包括殼體21和同軸設置在殼體內的氣化反應室22、重整設備23、變換反應室24、合成氣輸出管道25以及輸出處理部件26，氣化反應室22中設有噴嘴221。本實施例中，所述的重整設備23設置在所述氣化反應室的頂部，與所述氣化反應室的輸出端連接；所述的變換反應室24設置在所述重整設備的頂部，與所述重整設備的輸出端連接；所述的輸出管道25設置在所述變換反應室的頂部，與所述變換反應室的輸出端連接。所述的輸出處理部件26由激冷除塵裝置構成，連接在所述輸出管道的輸出端；所述的激冷除塵裝置包括連接通道261、下降管262、激冷池263、上升通道264、除泡部件265、折流部件266、灰水排放口 267、以及合成氣輸出口 268 ;所述的連接通道設置在所述的輸出管道出口端；所述的下降管設置在所述連接通道的出口端，其底部開口，淹沒在所述激冷池中；所述上升通道設置在所述下降管周圍；所述的除泡部件設置在所述激冷裝置殼體的位於上升通道的上段管壁內側；所述的折流部件設置在合成氣輸出口周圍；所述的灰水排放口設置在所述激冷池的底部，以供灰水排放；所述的合成氣輸出口設置在位於所述折流部件外側的所述輸出激冷部的殼體壁上。還包括多個水·激冷噴水霧化噴嘴269，布置在所述激冷池的下降管入口處和/或連接通道內，本實施例是分別設置在所述激冷池的下降管的入口處。還包括一渣池27和一渣出口 28。所述的渣池27設置在所述氣化反應室的下方；所述渣池的底部設有渣出口 28。本實施例的工作原理是:含碳物料(幹煤粉或水煤漿)與氣化劑(氧氣，水蒸汽)一起由氣化反應室上的噴嘴進入氣化反應室I的氣化反應室膛，在氣化反應室內劇烈反應產生高溫高壓的合成氣，主要為一氧化碳和氫氣的混合氣，溫度約為1200-1700°c。產生的合成氣在反應室中產生向上旋流，氣流旋流向上，可使反應室內火焰的充滿度較好，溫度場也較為均勻。煤粉中的灰在高溫環境中主要以熔融渣的形態靠慣性作用被氣化反應室單元上部錐形結構捕捉下來，再豎直筒壁面流淌匯集到反應室底部的流渣口，排到位於氣化反應室下方的渣池中淬冷，然後排出氣化裝置外部。其餘的飛灰被合成氣夾帶從氣化反應室上部排出。氣化反應室上部出口布置合成氣組分重整設備，通過霧化的水/汽對從氣化反應室頂部排出的高溫高壓合成氣進行組分重整，並將合成氣從1200 1700°C降低到900 1100°C以利於熔渣固化，既避免合成氣攜帶熔渣進入下遊設備，又達到高溫變換適宜的溫度環境和合成氣組分。經組分重整後的合成氣向下遊進入變換反應室，在其中進行一氧化碳的變換反應，使其合成氣中的一氧化碳儘量地轉化為氫氣。下表是以某種煤質進行計算，得到進入和排出變換反應室的合成氣組分:
表1，進入和排出變換反應室的合成氣組分__
項目_進入變換反應室排出變換反應室
壓力/MPa2 42 4
Uk /0C900 1100900 1100
合成氣成分典型值(幹基)WV%
~6937.4 46.2
~2334.4 38.8
CQ^丨7.5|l8.9 23.權利要求
1.含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，包括氣化反應室、重整設備、變換反應室、以及合成氣輸出管道； 所述的氣化反應室設有至少一個燒嘴； 所述的重整設備設置在所述氣化反應室的輸出端； 所述的變換反應室設置在所述重整設備的輸出端； 所述的合成氣輸出管道連接在所述變換反應室的輸出端。
2.根據權利要求1所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，還包括一輸出處理部件，與所述的合成氣輸出管道的輸出端連接。
3.根據權利要求2所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於， 所述的重整設備設置在所述氣化反應室的頂部； 所述的變換反應室設置在所述重整設備的頂部； 所述的輸出管道設置在所述變換反應室的頂部； 所述的輸出處理部件由激冷除塵裝置構成，連接在所述輸出管道的頂部；所述的激冷除塵裝置包括連接通道、下降管、激冷池、上升通道、除泡部件、折流部件、灰水排放口、以及合成氣輸出口 ；所述的連接通道設置在所述的輸出管道出口端；所述的下降管設置在所述連接通道的出口端，其底部開口，淹沒在所述激冷池中；所述上升通道設置在所述下降管周圍；所述的除泡部件設置在所述激冷裝置殼體的位於上升通道的上段管壁內側；所述的折流部件設置在合成氣輸出口周圍；所述的灰水排放口設置在所述激冷池的底部，以供灰水排放；所述的合 成氣輸出口設置在位於所述折流部件外側的所述輸出激冷部的殼體壁上。
4.根據權利要求2所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於， 所述的重整設備設置在所述氣化反應室的底部； 所述的變換反應室設置在所述重整設備的底部； 所述的輸出管道設置在所述變換反應室的底部； 所述的輸出處理部件由激冷除塵裝置構成，連接在所述輸出管道的底部；所述的激冷除塵裝置包括下降管，激冷池、上升通道、除泡部件、折流部件、以及合成氣輸出口 ；所述的下降管設置在所述的輸出管道的出口端；所述的激冷池設置在該激冷除塵裝置的底部，所述上升通道設置在所述下降管周圍；所述的除泡部件設置在所述激冷除塵裝置殼體的位於上升通道的上段管壁內側；所述的折流部件設置在合成氣輸出口周圍；所述的合成氣輸出口設置在位於所述折流部件外側的所述激冷除塵裝置的殼體壁上。
5.根據權利要求2所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，所述的重整設備設置在所述氣化反應室的頂部； 所述的變換反應室設置在所述重整設備的頂部； 所述的輸出管道是一個可改變合成氣流向的彎形管，其輸入端與所述變換反應室的頂部連接；所述的輸出處理部件由激冷除塵裝置構成，其輸入端連接在所述輸出管道的底部；所述的激冷除塵裝置包括下降管，激冷池、上升通道、除泡部件、折流部件、以及合成氣輸出口 ；所述的下降管設置在所述的輸出管道的出口端；所述的激冷池設置在該激冷除塵裝置的底部，所述上升通道設置在所述下降管周圍；所述的除泡部件設置在所述激冷除塵裝置殼體的位於上升通道的上段管壁內側；所述的折流部件設置在合成氣輸出口周圍；所述的合成氣輸出口設置在位於所述折流部件外側的所述激冷除塵裝置的殼體壁上。
6.根據權利要求3或5所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，還包括一渣池，設置在所述氣化反應室的下方；所述渣池的底部設有渣出口。
7.根據權利要求3 6所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，還包括一級或多級水/汽激冷霧化噴嘴，布置在位於所述下降管的入口處。
8.根據權利要求4或5所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，還包括一灰水排出口，設置在所述激冷除塵裝置的殼體上，位於該殼體壁的下部或底部。
9.根據權利要求2所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於， 所述的重整設備設置在所述氣化反應室的頂部； 所述的變換反應室設置在所述重整設備的頂部； 所述的輸出管道設置在所述變換反應室的頂部； 所述的輸出處理部件由換熱裝置構成，連接在所述輸出管道的輸出端；在所述換熱裝置的輸出端設有合成氣輸出口。
10.根據權利要求2所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於， 所述的重整設備設置在所述氣化反應室的底部； 所述的變換反應室設置在所述重整設備的底部； 所述的輸出管道設置在所述變換反應室的底部； 所述的輸出處理部件由換熱裝置構成，連接在所述輸出管道的輸出端；在所述換熱裝置的輸出端設有合成氣輸出口。
11.根據權利要求1 5、9 10任一項所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，所述氣化反應室的燒嘴數量為4 6個，成切圓對稱布置，並與氣化反應室斷面中心線成4 6°夾角。
12.根據權利要求1 5、9 10任一項所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐，其特徵在於，所述氣化反應室和合成氣變換反應室的殼體、以及合成氣輸出管均採用耐火澆鑄料或水冷壁結構一體構成，或分段組合構成。
13.採用權利要求1 12任一項所述的含碳物料氣化一重整變換轉化爐製備富氫合成氣的方法，其特徵在於，包括: 步驟一、含碳物料與氧化劑發生反應生成合成氣的步驟:在氣化反應室中，含碳物料與氧化劑發生反應，在高溫高壓環境下生成主要成份為一氧化碳和氫的合成氣； 步驟二、對生成的合成氣進行組分重組的步驟:在所述的氣化反應室的合成氣出口布置合成氣組分重整設備，通過噴入重整劑對從氣化反應室合成氣出口排出的高溫高壓合成氣進行組分重整，並將合成氣從1200 1700°C降低到900 1100°C ； 步驟三、對重組的合成氣進行變換反應的步驟:經重整後的合成氣進入後續的變換反應室，在其中發生高溫環境下的一氧化碳變換反應，提高氫氣含量，製備富氫合成氣，同時合成氣中攜帶的殘碳也可進一步參加反應，提高碳轉化率； 步驟四、輸出合成氣的步驟:反應後的富氫合成氣通過合成氣輸出管道輸出。
14.根據權利要求13所述的製備富氫合成氣的方法，其特徵在於，步驟一所述的在氣化反應室內布置的燒嘴為4 6個，呈水平布置，並且，各燒嘴布置的平面與氣化反應室斷面中心線成4 6°夾角。
15.根據權利要求13所述的製備富氫合成氣的方法，其特徵在於，步驟一所述的含碳物料包括幹煤粉或水煤漿，所述的氣化劑包括氧氣、水蒸汽。
16.根據權利要求13所述的製備富氫合成氣的方法，其特徵在於，步驟三所述的噴入重整劑包括經霧化的水/汽。
17.根據權利要求13所述的製備富氫合成氣的方法，其特徵在於，還包括步驟五，所述的合成氣輸出管道的輸出端還連接輸出處理裝置；所述的輸出處理裝置包括噴射激冷區域和/或浸沒式水浴激冷裝置；浸沒式激冷室採用噴淋加水浴方式冷卻除灰，水浴後合成氣通過除泡裝置以便破除合成氣攜帶的液滴和氣泡。
18.根據權利要求13所述的製備富氫合成氣的方法，其特徵在於，還包括步驟五，所述的合成氣輸出管道的輸出端還連接`輸出處理裝置；所述的輸出處理裝置包括換熱裝置。
全文摘要
本發明公開了含碳物料氣化—重整變換轉化爐，其特點是，包括氣化反應室、重整設備、變換反應室、以及合成氣輸出管道；氣化反應室設有至少一個燒嘴；重整設備設置在所述氣化反應室的輸出端；變換反應室設置在所述重整設備的輸出端；合成氣輸出管道連接在所述變換反應室的輸出端。本發明還公開了一種製備富氫合成氣的方法，含碳物料與氧化劑在氣化反應室中發生氣化反應(第一反應)，在高溫高壓環境下生成主要成份為一氧化碳和氫的合成氣，將氣化後的合成氣經重整劑重整到適當的溫度和組分後，進入變換反應室發生變換反應(第二反應)，在其中充分發生一氧化碳變換反應，提高一氧化碳的變換率，從而大大降低合成氣中一氧化碳的含量，提高氫氣含量，使製備的合成氣富氫。
文檔編號C10J3/46GK103242906SQ20131021255
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月31日 優先權日2013年5月31日
發明者張世程, 朱惠春, 張金亮, 張先裕, 朱國慶 申請人:中國船舶重工集團公司第七一一研究所