一种等离子煤气化工艺及装置 【技术领域】
本发明涉及一种煤气化的工艺及设备，特别是一种等离子煤气化的工艺及装置。
背景技术
煤气化是煤化工的关键技术之一。现有的煤气化工艺可分为固定床、流化床和气流床三大类。Lurgi技术是固定床煤气化工艺的典型代表，这类技术对煤质要求高，只能用块煤做原料；高温Wenkler技术是流化床工艺的代表，这类技术存在“上吐下泻”的问题，导致其转化率低；气流床工艺可分为干法进料和湿法进料两种，Shell是干法进料的气流床技术，Texaco和Dow是湿法进料的气流床技术，但要求原料煤的灰熔点和气化温度匹配，需将原煤配制成水煤浆，适合气流床工艺使用的煤种范围较窄。开发高效、低投资和适应性广的煤气化技术是实现煤气化的重要方面。
等离子煤气化技术与常规煤气化技术相比，等离子煤气化应用等离子体炬的高温、高能和高密度的活性粒子的特点，这样的体系具有很高的反应性，很容易于煤发生作用而对原料煤没有特殊要求，可用于劣质煤的气化；等离子煤气化的气化程度高达98％以上，而且产物气中CO和H2地含量较常规煤气化有较大的提高，达到97％，产物气的热值达12500KJ/m3；煤中90％以上的硫转化为H2S，易于脱除。
现有的等离子煤气化工艺及装置存在反应器内壁面结焦，其连续运行时间短；单台等离子煤气化装置气化负荷小，其工业化受到限制；作为输送气体的N2在气化装置中生成氮化合物，气化物的后续利用需进行费用较高的脱氮处理；等离子煤气化装置的热效率需进一步提高等问题。
【发明内容】
本发明在上述现有等离子煤气化工艺及装置的基础上，提出一种等离子煤气化工艺及装置，以解决现有等离子煤气化工艺及装置的问题，如反应器内壁面结焦的问题、由于结焦导致连续运行时间短的问题、单台等离子煤气化装置气化负荷小的问题、作为输送气体的N2在气化装置中生成氮化合物及气化物的后续利用需进行费用较高的脱氮处理的问题；等离子煤气化装置的热效率低的问题，以改进和进一步提高煤气化的工艺和煤气化的效率。
本发明解决上述问题和实现上述目的所采取的工艺路线如下：
在等离子发生器中由工作气体入口通入工作气体后施加电源，并以50～80m/s的速度喷入等离子反应器中产生等离子体弧，形成1000℃～2000℃的等离子场；合成气和煤粉作为煤粉气流通过煤粉气流管经预热换热器预热后，由煤粉气流喷嘴将20～100μm的煤粉以4～6m/s的速度和50～90g/min的煤量喷入等离子反应器中的热等离子场进行反应，生成的混合气体经过水汽换热器放热后进入气固分离器中进行气、固分离，分离出的煤灰落入封闭的煤灰槽中，分离出的混合气体在布袋除尘器中进行细飞灰的分离，分离出的飞灰进入封闭的飞灰槽中，分离出的5％～15％的合成气进入合成气管和煤粉气流管经过预热换热器预热后作为等离子反应器的保护气及煤粉气流的载气；85％～95％的合成气由合成气输出管作为合成气产品输出储存；
冷却系统的冷却水经等离子发生器上的循环冷却水套进口进入冷却槽路中冷却等离子发生器的阴阳极，吸收热量后的冷却水通过循环冷却水套出口后，再经水汽换热器入口进入水汽换热器中进行热交换，吸收热量后的150℃～250℃的蒸汽再次进入预热换热器中，预热合成气管中的合成气和煤粉气流管中的煤粉气流，并将120℃～225℃的水蒸汽通过预热换热器水蒸汽出口管送出；
合成气通过合成气管预热后与水蒸汽混合后经合成气水蒸汽喷管沿等离子反应器的内壁面环形喷入，在等离子反应器的内壁面形成合成气阻挡层，阻挡炭碎片在等离子反应器的内壁面的结焦。
本发明实现上述等离子煤气化工艺的装置所采取的技术措施包括电源、工作气体入口、循环冷却水套入口、等离子发生器、等离子反应器、水汽换热器、气固分离器、煤灰槽、预热换热器水蒸汽出口管、预热换热器、煤粉气流管、合成气管、煤粉气流喷管、等离子发生器入口、合成气水蒸汽喷管、循环冷却水套出口、水汽换热器出口、水汽换热器入口、气固分离器出口、布袋除尘器、合成气输出管飞灰槽、合成气阻挡层、等离子弧、煤粉气流、热等离子场、等离子反应器外壳、等离子发生器外壳、等离子阳极棒绝缘子、等离子阳极棒、等离子阴极棒、顶盖、工作气体通道外壳、等离子阴极棒绝缘子、循环冷却水套、工作气体喷出通道，其特征是在发生器的顶盖上设有电源、工作气体、煤粉气流喷管、等离子发生器入口和合成气水蒸汽喷管；在等离子发生器中安装有等离子阴极棒和等离子阴极棒绝缘子以及与等离子阴极棒相对应的等离子阳极棒和等离子阳极棒绝缘子；在等离子发生器中的等离子阴极棒之间设有煤粉气流喷管；在等离子发生器中的周边设有合成气水蒸汽喷管；在等离子发生器中设有循环冷却水套以及循环冷却水套进口和循环冷却水套出口，并由顶盖固定密封，循环冷却水套出口由冷却水管连通水汽换热器的入口，在经水汽换热器出口管连通预热换热器，煤粉气流管和合成气管通过预热换热器预热后送入等离子发生器中；在等离子发生器的下部依次设有等离子反应器、水汽换热器、气固分离器以及煤灰槽；在气固分离器上设有气固分离器出口，并通过管道连通布袋除尘器，后由合成气输出管连通预热换热器和煤气化产品的合成气输出储存。
其中所述的工作气体是氧气或者是空气混合气体；所述的煤粉气流喷管至少是两个或两个以上的煤粉气流喷管构成；所述的合成气水蒸汽喷管是至少两个或两个以上的合成气水蒸汽喷管构成；所述的等离子反应器外壳是由内壁面防结焦层和中间耐高温层以及外壁保温层复合而构成。
本发明在现有等离子煤气化工艺及装置的基础上，对工艺及设备进行了进一步的改进，并从工艺路线上实现高温炭碎片与内壁面的彻底隔离以延长连续运行时间，提高反应区煤粉的局部浓度和接触时间，减少散热及合成气再循环以提供煤转化率及热效率。为实现上述工艺过程，本发明还采用了合成气水蒸汽混合气体沿该等离子反应器装置的内壁面纵向螺旋喷入，作为炭碎片与壁面之间的阻隔层，有效抑制其在反应器内壁面沉积结焦，延长该装置的连续运行时间，为该装置的工业化连续生产提供条件。本发明采用在等离子喷入口中间纵向对称喷入煤粉气流，以增加煤粉与等离子的反应时间，并在等离子场高温区形成滞止浓缩区，提高反应区煤粉的局部浓度和反应时间，由于采用该方式，不需穿过边界层，缩短了煤粉进入等离子火焰高温区的距离，提高煤的转化率。采用混合气体经分离后的合成气作为煤粉输送气体，减少了气化物后续利用所需的脱氮费用，提高系统的经济性；为了工业化连续生产，本发明在等离子发生器中设置了循环水套冷套，水汽换热器和预热换热器，以便利用热能，冷却反应生成的混合气体、加热煤粉气流和合成气，以减少热量损失，有效地利用了热能，该工艺路线合理，设备装置结构紧凑，无环境污染。
本发明由于对现有等离子煤气化装置进行了改进，并实现了等离子煤气化工艺，使得该装置连续运行时间提高了3倍以上，煤的气化率提高了4％～6％，达到了92％～95％，反应器效率提高了10％左右，并解决了反应器内壁面长期以来的结焦问题，取得了令人满意的效果。
通过以上技术的实施，反应装置的负荷提高5倍以上，反应装置的的热效率提高10％。
【附图说明】
图1是等离子体煤气化工艺及装置的整体结构示意图
图2是等离子体煤气化装置主剖面结构示意图
图3是等离子体煤气化装置仰剖面结构示意图
图4是等离子枪剖面结构示意图
其中：1：电源 2：工作气体 3：冷却水套进口 4：等离子发生器 5：等离子反应器 6：水汽换热器 7：气固分离器 8：煤灰槽9：预热换热器水蒸汽出口管 10：预热换热器 11：煤粉气流管 12：合成气管 13：煤粉气流喷管 14：等离子发生器入口 15：合成气水蒸汽喷管 16：冷却水套出口 17：水汽换热器出口 18：水汽换热器入口 19：气固分离器出口 20：布袋除尘器 21：合成气输出管 22：飞灰槽 23：合成气阻挡层 24：等离子弧 25：煤粉气流 26：热等离子场 27：等离子反应器外壳 28：等离子发生器外壳 29：等离子阳极绝缘子 30：等离子阳极棒 31：等离子阴极棒 32：顶盖 33：工作气体通道外壳34：等离子阴极棒绝缘子 35：循环冷却水套 36：工作气体喷出通道
【具体实施方式】
以下结合实施例对本发明作出进一步说明：
实施例1
本发明在原有的工艺及设备的基础上进行了改进，如附图1所示，在等离子发生器(4)上由工作气体(2)入口通入工作气体(氧气)并施加以电源(1)后，在等离子反应器(5)中产生等离子体弧(24)，合成气管(12)、煤粉气流管(11)经预热换热器(10)吸热后，由合成气水蒸汽喷管(15)及煤粉气流喷管(13)喷入等离子反应器(5)中，在等离子反应器(5)中发生反应，其生成物经过水汽换热器(6)放热进入气固分离器(7)中进行气固分离，分离出的煤灰进入封闭煤灰槽(8)中，并将煤灰提升至煤粉供料端进行循环利用，分离出的飞灰作为水泥填料，分离出的混合气体进入布袋除尘器(20)后再次进行分离，分离出的合成气经合成气输出管(21)，将5％～15％的合成气经预热换热器(10)预热后作为等离子反应器(5)的保护气及煤粉气流管(11)的载气，将85％～95％的合成气作为等离子煤气化的产品输出。
给水系统经安装于等离子发生器(4)的冷却水套进口(3)进入冷却槽路中冷却阴阳极，吸收热量后的水经冷却水套出口(16)，再经水汽换热器入口(18)引入水汽换热器(6)中，吸收热量后的150℃～250℃的蒸汽进入预热换热器(10)中，预热合成气管(12)及煤粉气流管(11)，预热换热器水蒸汽出口管(9)的120℃～225℃的蒸汽进行余热利用。
煤粉载气气流、合成气水蒸汽气流及等离子体弧的作用形式见附图2(等离子体煤气化装置主剖面图)、附图3(等离子体煤气化装置仰剖面图)及附图4(等离子枪剖面图)。
合成气水蒸汽喷管(15)沿等离子反应器(5)的内壁面环形喷入，在等离子反应器(5)的内壁面形成合成气阻挡层(23)，在热等离子场(26)的作用下反应形成混合气体，合成气水蒸汽混合气体阻挡层(23)可阻挡炭碎片在等离子反应器(5)内壁面上的结焦，且合成气水蒸汽混合气体阻挡层(23)起到风帘作用，降低了等离子反应器外壳(27)的工作温度。
两支及两支以上等离子枪喷出的等离子弧(24)形成热等离子场(26)，在等离子枪的间隔中布置有两支及两支以上煤粉气流喷管(13)，将煤粉气流(25)喷入热等离子场(26)中，实现煤粉与热等离子场(26)的充分接触，反应形成混合气体经水汽换热器(6)进行换热，水汽换热器(6)中水汽的流动与反应混合气体呈逆流布置，水在水汽换热器(6)吸收热量，转化为水汽换热器出口(17)的水蒸汽，放热后的混合气体排入气固分离器(7)中。
实施例2
用于等离子煤气化工艺的装置，包括电源(1) 工作气体(2) 冷却水套进口(3) 等离子发生器(4) 等离子反应器(5) 水汽换热器(6) 气固分离器(7) 煤灰槽(8) 预热换热器水蒸汽出口管(9) 预热换热器(10)煤粉气流管(11) 合成气管(12) 煤粉气流喷管(13) 等离子发生器入口(14) 合成气水蒸汽喷管(15) 循环冷却水套出口(16) 水汽换热器出口(17) 水汽换热器入口(18) 气固分离器出口(19) 布袋除尘器(20)合成气输出管(21) 飞灰槽(22) 合成气阻挡层(23) 等离子弧(24) 煤粉气流(25) 热等离子场(26) 等离子反应器外壳(27) 等离子发生器外壳(28) 等离子阳极绝缘子(29) 等离子阳极棒 (30)等离子阴极棒(31) 顶盖(32) 工作气体通道外壳(33) 等离子阴极棒绝缘子(34) 循环冷却水套(35) 工作气体喷出通道(36)，该装置的结构是在等离子发生器(4)的顶盖(32)上设有电源(1)、煤粉气流喷管(13)、等离子发生器入口(14)；在等离子发生器(4)中安装有等离子阴极棒(31)和等离子阴极绝缘子(34)以及与等离子阴极棒(31)相对应的等离子阳极棒(30)和等离子阳极绝缘子(29)；在等离子阴极棒(31)之间设有煤粉气流喷管(13)；在等离子发生器(4)的周边设有合成气水蒸汽喷管(15)；在等离子发生器(4)中设有循环水冷却套(35)以及冷却水套进口(3)和冷却水套出口(16)，并由顶盖(32)固定密封，循环冷却水套出口(16)由冷却水管连通水汽换热器(6)的入口，再经水汽换热器(6)的出口管连通预热换热器(10)，煤粉气流管(11)和合成气管(12)通过预热换热器(10)连通等离子发生器(4)；在等离子发生器(4)的下部依次设有水汽换热器(6)、气固分离器(7)以及煤灰槽(8)；气固分离器(7)由管道连通布袋除尘器(20)，分离出的合成气(21)的一部分由管道送入煤粉气流管(11)和合成气管(12)，大部分由管道作为等离子煤气化装置的产品合成气输出。