兩段式水煤漿氣流床反應器及兩段式水煤漿氣化方法與流程
2023-10-10 06:57:39
本發明涉及煤氣化技術應用領域，具體而言，涉及兩段式水煤漿氣流床反應器及兩段式水煤漿氣化方法。
背景技術：
煤氣化是煤炭高效與清潔利用的重要途徑，也是實現社會經濟與環境協調發展的關鍵技術之一。煤氣化能夠將煤炭這種一次能源轉化為清潔的二次能源，隨著人們對於環境保護的日益重視，煤炭氣化這種清潔能源技術也得到了迅速的發展。
煤炭氣化的主要應用技術包括移動床、流化床以及氣流化床等，氣流化床技術由於具有氣化處理能力強，對環境壓力小等優點，因而應用更為廣泛。
氣流化床氣化的主要特點是高溫、加壓、入料細度細，根據進料形式、爐殼內襯、燒嘴數目以及結構布置的不同，氣流化床氣化技術還可以進一步細化分類。目前，主要的水煤漿氣流床氣化技術有德士古水煤漿氣化技術、四噴嘴水煤漿氣化技術和晉華爐水冷壁水煤漿氣化技術。而在現有的水煤漿氣流床氣化技術中，大多是通過將原料預製成一定濃度的煤漿，加壓後的煤漿同純氧一同通過燒嘴噴入到反應器內進行部分氧化反應。然而，由於原料在反應器內停留時間短，使得原料中的碳轉化率不夠高；同時，反應產生的大量的反應熱並沒有被充分利用，這也使得產出的氣體中甲烷含量非常低，煤氣熱值較低；進一步的，產生的高溫煤氣直接進行水浴激冷降溫，使得大量的顯熱被浪費，綜合能效較低。
以上總總因素使得現有的水煤漿氣流床氣化技術的應用被限制在用於生產氨、甲醇等化工原料領域中，而不適合應用在生產igcc、lng等將制的氣體用作燃料的工業領域中。
有鑑於此，特提出本發明。
技術實現要素：
本發明的第一目的在於提供一種兩段式水煤漿氣流床反應器，所述通過設置兩段式反應器結構，從而能夠有效利用原料氣化所產生的顯熱，提高綜合能效。
本發明的第二目的在於提供一種兩段式水煤漿氣化方法，該方法中使用本發明所述兩段式水煤漿氣流床反應器進行水煤漿氣化，不僅能夠有效提高氣化反應中熱能的利用率，同時還能夠有效調節控制煤氣中甲烷的含量，擴大合成氣的應用範圍。
為了實現本發明的上述目的，特採用以下技術方案：
一種兩段式水煤漿氣流床反應器，所述兩段式水煤漿氣流床反應器包括下部一段反應區和上部二段反應區；
其中，原料漿料與氣化劑在下部一段反應區內進行反應。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣流床反應器中，所述下部一段反應區為主反應區，所述下部反應區的兩端相對設置有兩個噴嘴；
原料漿料和氣化劑分別通過兩個噴嘴加入下部反應區中進行反應，原料煤漿在氣化劑高流速作用下，以霧化形式進入，從而使得原料料漿與氣化劑之間能夠充分接觸。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣流床反應器中，所述下部一段反應區的下部還設置有灰渣激冷處理裝置；
在下部一段反應區內反應產生的熔融灰渣在灰渣激冷處理裝置中激冷後固化，並通過排渣口排出爐外。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣流床反應器中，所述上部二段反應區為輔助反應區，所述輔助反應區的下部設置有二次原料漿料加入口，並經由所述二次原料漿料加入口加入二次原料漿料和蒸汽，通過與蒸汽一同噴入使原料料漿霧化，所加入的二次原料漿料與下部一段反應區中反應產生的混合體系進行二次反應。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣流床反應器中，下部一段反應區和上部二段反應區的內部均設置有隔熱耐磨襯裡。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣流床反應器中，所述下部一段反應區、上部二段反應區以及底部的灰渣激冷處理裝置均為工作壓力為0.5～10mpa的壓力容器。
同時，本發明還提供了一種兩段式水煤漿氣化方法，所述兩段式水煤漿氣化方法應用本發明所述的兩段式水煤漿氣流床反應器；
所述兩段式水煤漿氣化方法包括如下步驟：將原料漿料和氣化劑分別加入下部第一反應區中進行部分氧化反應，反應所產生的熔融灰渣激冷後固化排出；
同時，反應所生成的由高溫氣體、水蒸氣以及未反應原料顆粒所形成的混合體系進入到上部二段反應區中，並在上部二段反應區與二次原料漿料混合進行二次氣化反應。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣化方法中，所述下部一段主反應區加入氣化劑為純氧，上部二段輔助反應區加入氣化劑為蒸汽；
和/或，所述原料漿料和二次原料漿料為煙煤、次煙煤、褐煤、石油焦或者重油中的一種或幾種通過與水研磨所形成的漿體，都來自於同一料漿輸送設備。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣化方法中，所述漿體的質量濃度為55～65％。
可選的，本發明所述兩段式水煤漿氣化方法中，二次原料漿料與氣化劑同時噴入到上部二段反應區中，原料煤漿在氣化劑高流速作用下，以霧化形式進入；在上部二段反應區中與下部一段反應區進入的混合體系進行充分接觸與反應；
優選的，可以通過控制二次原料漿料的加入量以調控所生成合成氣中的甲烷含量。與現有技術相比，本發明的有益效果為：
(1)本發明兩段式水煤漿氣流床反應器在工作過程中，裝置的下部一段主反應區中原料料漿和氣化劑發生劇烈的部分氧化反應，產生了大量的反應熱和以co、co2、h2為主的氣體，同時原料料漿中的液態水瞬間被汽化形成水蒸汽，高溫氣體、水蒸氣和未反應的原料顆粒進入到反應器上部的二段輔助反應區中；在高溫條件下，加入到上部二段輔助反應區中的二次原料料漿中的水瞬間汽化變成蒸汽，在無氧條件下，利用所帶入的大量顯熱，高溫氣體中的co與水蒸氣、氫氣發生大量吸熱反應，大量生成甲烷，從而提高了所製備的合成氣中ch4組分的含量；
同時，由於co與水蒸氣能發生反應生成氫氣，因而能夠調節氣體中h2/co比例，進而可以降低後續變換裝置的生產負荷；
進一步的，由於在上部二段輔助反應區內發生的反應均為吸熱反應，所以可以充分利用下部一段主反應區中產生的大量反應熱來進行反應，不但能節省消耗，同時還能起到對高溫合成氣進行降溫的作用。
(2)與現有水煤漿氣流床技術相比，本發明提供的兩段式水煤漿氣化方法能夠實現產出氣體中甲烷含量的可調，並能夠利用大量反應熱進行反應，節省大量的能耗，提高了原料轉化利用率、出反應器氣體仍然有很高溫度以及較大顯熱，可以利用顯熱副產高壓蒸汽，從而提高熱利用效率。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明實施例提供的兩段式水煤漿氣流床反應器；
其中，1-下部一段主反應區；2-上部二段輔助反應區；3-灰渣激冷室；4-氣體出口；5-二次原料料漿噴嘴；6-一次原料料漿噴嘴；7-集灰罐；8-冷卻水進口；9-灰水出口。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
鑑於目前氣流床氣化技術中所存在著的熱量並未充分利用，以及所製備的合成氣中甲烷含量過低所導致的其應用受限等問題，本發明特提供了一種新型兩段式水煤漿氣流床反應器，並通過採用兩段反應的方法以解決現有技術中所存在的上述問題，
具體的，本發明所提供兩段式水煤漿氣流床反應器是由一種下部一段主反應區和上部二段輔助反應區兩部分所組成的水煤漿氣流床氣化反應器，這種水煤漿氣流床氣化反應器是一種壓力反應裝置，其工作壓力為0.5～10.0mpa；
其中，下部一段主反應區的兩端相對設置有兩個噴嘴，原料漿料和氣化劑共同通過噴嘴加入到下部一段主反應區中，並通過噴嘴的相對高速噴射進行撞擊霧化實現充分混合；
其中，所述原料漿料為煙煤、次煙煤、褐煤、石油焦、重油中的一種或幾種的混合物通過與水研磨製備成的漿體，優選的，漿體的質量濃度為55～65％；
同時，所述下部一段主反應區加入的氣化劑為純氧，所述上部二段輔助反應區加入的氣化劑為蒸汽；
原料料漿與氣化劑在下部一段主反應區內發生部分氧化反應，在溫度達到1350℃左右下產生爐渣和氣體產物(包括通過氣化生成的合成氣，以及漿料中水蒸發所產生的水蒸氣)，而所產生的高溫氣體和夾帶的未參加反應的原料顆粒會隨著氣流上升，並進入到上部二段反應區中；
在上部二段反應區的下部設置有二次原料料漿和氣化劑加入口，而來自於一段反應區氣體產物(即合成氣)、未反應的固體原料顆粒和水蒸氣帶有大量來自於一段主反應區中所產生的顯熱，並能夠使得上部二段反應區能夠達到較高的體系溫度；
在由下部一段主反應區中顯熱所能夠帶來1250℃～1350℃的溫度條件下，從上部反應區中所加入的二次原料漿料與下部一段主反應區來的氣體產物反應會再次吸收大量的熱量，其中所包含的水分通過吸熱變成水蒸氣，二次原料漿料中的含碳原料也會反應生成合成氣，同時碳原料與水蒸氣吸熱發生水蒸氣分解反應；與此同時，隨著上部二段輔助反應區內反應的進行，體系溫度逐漸降低，使得生成甲烷的反應變得更加容易，從而使得上部二段輔助反應區內會有大量的甲烷生成，從而提高了合成氣中甲烷含量。
其中，二次原料漿料為煙煤、次煙煤、褐煤、石油焦、重油中的一種或幾種的混合物通過與水研磨製備成的漿體，與一次原料漿料來自與同一輸送設備。優選的，漿體的質量濃度為55～65％；
同時，還可以通過控制二次原料漿料的用量，從而實現對於所生成氣體中甲烷含量進行調控的目的，而本發明中，也可以進一步將最終所製備合成氣中的甲烷含量在1～10％之間進行調整；
而在上部二段輔助反應區反應後的所產生的可直接送出反應器，並通過幹法除灰後進行顯熱回收，而這也能夠達到回收副產中高壓蒸汽的作用，實現了大量反應熱回收利用的目的。
進一步的，本發明兩段式水煤漿氣流床反應器的內部設置有耐熱耐磨襯裡；
其中，由於兩段式水煤漿氣流床反應器的下部主反應區內反應環境較為劇烈，衝刷較為嚴重，所以耐熱耐磨襯裡需要進行多層鋪設，例如鋪設的層數可以為3層；而上部輔助反應區內反應環境較為平緩，氣體流速相對較慢，溫度也相對較低，所以對耐熱耐磨要求相對較低，可以採取要求較低的形式進行鋪設耐熱襯裡，例如，鋪設的層數可以為2層。
進一步地，本發明兩段式水煤漿氣流床反應器中，其下部一段主反應區下部設置有灰渣激冷室，在下部一段主反應區內產生的高溫熔融灰渣在激冷室內進行水浴激冷固化後，所得固態灰渣進入集灰罐進行收集，然後進入排渣鎖鬥系統中，並通過排渣鎖鬥系統排出爐外。
實施例1
如圖1所示，本發明所提供的兩段式水煤漿氣流床反應器包括：下部一段主反應區1、上部二段輔助反應區2、灰渣激冷室3、一次原料料漿加入噴嘴6、二次原料料漿加入噴嘴5；
氣流床氣化裝置為壓力容器，其工作壓力為0.5～10.0mpa；由下部一段主反應區1、上部二段輔助反應區2和灰渣激冷室3三部分所組成；
原料料漿通過料漿輸送設備加壓後，與加壓氣化劑共同通過一次原料料漿噴嘴6噴入到下部一段主反應區1內，在下部一段主反應區1內發生部分氧化反應，在溫度達到1350℃左右下產生爐渣和氣體產物，產生的高溫氣體和夾帶的未參加反應的原料顆粒進入到上部二段輔助反應區2中；
上部二段輔助反應區2的下部設置有二次原料料漿噴嘴5，來自於料漿輸送設備加壓後，與加壓蒸汽一同通過二次料漿噴嘴5加入。來自於下部一段主反應區1氣體產物、未反應的固體原料顆粒和蒸汽利用從下部一段主反應區1帶入的大量顯熱，在1250℃-1350℃之間溫度下，對二次原料料漿進行加熱，而二次原料漿料也發生大量吸熱反應，在此過程中，隨著上部二段輔助反應區內反應的進行，體系溫度逐漸降低，使得生成甲烷的反應變得更加容易，從而使得上部二段輔助反應區內會有大量的甲烷生成，從而提高了合成氣中甲烷含量。使其能夠在更為廣泛的燃氣領域中應用；
在上部二段輔助反應區2反應後的氣體溫度下降到1000℃左右，通過氣體出口4直接送出氣流床氣化裝置，並通過幹法除灰後進行顯熱回收，從而達到能夠副產中高壓蒸汽的效果，步步高實現大量反應熱回收利用的目的；
在下部一段主反應區1內反應產生的高溫熔融灰渣進入到灰渣激冷室3中，外界管網來的冷卻水從進口8進入激冷室3，在激冷室3內形成水浴液位，灰渣在水浴激冷下固化，變成固態灰渣；固態灰渣通過集灰罐7收集，然後進入排渣鎖鬥系統中排出爐外。
與現有水煤漿氣流床技術相比，本發明提供的兩段式水煤漿氣流床反應器，可以通過控制上部二段輔助反應區的二次原料料漿加入量，能夠實現產出氣體中甲烷含量的可調，甲烷體積含量可調範圍可達1％-10％。從而使得本發明提供的兩段式水煤漿氣流床氣化反應生產的氣體產品能夠被適用於lng、cng、igcc等作為燃料氣的行業領域；
同時利用大量的反應熱提供的熱量，在無氧的環境下使得氣體進一步發生反應，產生更高熱值的煤氣，這樣能進一步提高冷煤氣效率和原料轉化利用率，降低消耗，提高了綜合能效。
送出的氣體仍然帶有大量的顯熱，利用顯熱副產中高壓蒸汽，使得氣體降溫的同時，提高了熱利用效率。
實驗例1
以質量濃度為60％的漿體為原料漿料，所述原料漿料是由煙煤和水通過研磨製備，並以純氧為氣化劑；
同時，以質量濃度為60％的漿體為二次原料漿體，所述二次原料漿體同樣是由煙煤和水通過研磨製備，並以蒸汽為氣化劑；
其中，二次原料漿體與原料漿體的比例控制在15％-20％；
然後，按照實施例1中所述的兩段式水煤漿氣化方法，並以實施例1中所述兩段式水煤漿氣流床反應器進行氣化反應，最終所得合成氣中甲烷的含量為6-8％。
實驗例2
以質量濃度為60％的漿體為原料漿料，所述原料漿料是由褐煤和水通過研磨製備，並以純氧為氣化劑；
同時，以質量濃度為60％的漿體為二次原料漿體，所述二次原料漿體同樣是由褐煤和水通過研磨製備，並以蒸汽為氣化劑；
其中，二次原料漿體與原料漿體的比例控制在10％-15％；
然後，按照實施例1中所述的兩段式水煤漿氣化方法，並以實施例1中所述兩段式水煤漿氣流床反應器進行氣化反應，最終所得合成氣中甲烷的含量為4-6％。
實驗例3
以質量濃度為60％的漿體為原料漿料，所述原料漿料是由次煙煤和水通過研磨製備，並以純氧為氣化劑；
同時，以質量濃度為60％的漿體為二次原料漿體，所述二次原料漿體同樣是由次煙煤和水通過研磨製備，並以蒸汽為氣化劑；
其中，二次原料漿體與原料漿體的比例控制在＜10％；
然後，按照實施例1中所述的兩段式水煤漿氣化方法，並以實施例1中所述兩段式水煤漿氣流床反應器進行氣化反應，最終所得合成氣中甲烷的含量為1-4％。
與現有技術相比，本發明所提供的兩段式水煤漿氣流床氣化反應器具有更高能效、更低氧耗、更高冷煤氣效率和綜合能效、無汙染、環保好、碳有效利用率高、流程簡單、佔地少、設備結構合理及維修投資省等多項優勢。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。