灰熔聚流化床气化过程及装置 本发明涉及一种灰熔聚流化床煤气化过程及其装置。
国内外近年来研究开发的煤气化装置大致可分为三大类：高压固定床气化(以Lurgi炉为代表)、气流床气化(Texac、Dow等)和加压流化床气化等。本发明属于一种加压(或常压)流化床气化技术。
流化床气化能使被气化的物料与气化剂充分混合，有利于传热、传质和气化反应，有利于粉状物料的利用，但同时也带来了捧灰及飞灰中碳损失较高的缺点。后来研究开发的流化床气化大致上是从捧灰方法(特别是采用灰溶聚法捧灰)、煤的预处理、飞灰循环及废热利用几个方面着手。
USP，906,608早在60年代末就提出了一种采用灰熔聚法排灰的密相流化床气化技术，它是根据射流原理，在流化床底部设计了熔聚灰的分离装置，形成床内局部高温，使灰渣团聚成球，借助重量差异，达到灰球与含碳物料的分离，从而提高了原料的碳利用率。其主要结构是：在密相流化床的底部有圆锥形分布板，其下部接一个圆锥角小于前者的渐缩管，该管与文丘里管段相连，文丘里管与垂直分离管相接，在分离管下部适当部位，连接一水平气化剂进气管。在所述的分布板、渐缩管与文丘里管周围，有一圆柱形气室，部分气化剂经气室进入流化床。控制文丘里喉管的气速，可以控制下落灰球的大小或重量。
USP4,057,402提出了一种流化床气化过程。此过程先将煤进行予处理：煤在流化床予处理器中，在700-800°F的温度下进行煤的予处理；被处理后的煤直接进入流化床气化反应器，采用灰熔聚法排除灰渣，飞灰先经炉内旋风分离器分离，再经炉外旋风分离器分离，循环含碳飞灰从熔聚灰分离管返回气化装置，在煤的予处理器中，为防止结焦和控制予处理温度，要喷洒相当数量的水，废热锅炉置于煤的予处理器中。所述的气化过程，增设煤地予处理装置，增加了能量的消耗。所述的飞灰循环，要先经过处于高温状态下的炉内旋风分离器，所以对它的材质要求高，飞灰通过熔聚灰的分离器进行循环，操作控制困难。废热锅炉设在予处理器中，回收煤气的废热，其方案也未必合理。
对于气化装置的改进，主要涉及熔聚灰分离的构件上，灰熔聚分离技术的必要技术特征或关键发明点在文丘里喉管结构，美国专利USP3,935,825；USP4,057,402；USP4,229,289； USP4,369,45；USP4,023,280；USP4,191,539等都采用了文丘里喉管结构，这些专利的形成主要是改变文丘里管的结构参数或在其中增设分配板或射流管等结构，因而使操作或结构更为复杂。
USP4,229,289和USP4,554,375介绍了一种文丘里管中插入一个可以通入氧气或空气的射流管，以便造成流化床的局部高温。它仍然保留了结构复杂、加工制造麻烦的文丘里喉管。
本发明的第一个目的在于开发一种原料煤不需予处理的飞灰循环操作控制方便的、废热回收经济合理的灰熔聚流化床气化床气化的方法。
本发明的第二个目的在于设计一种熔聚排灰结构简单、飞灰循环操作控制方便并带有废热回收的灰熔聚流化床气化装置。
本发明所述的气化方法由备煤、供气、除尘及废热回收五个部分组成。该方法涉及的主要设备有回转干燥炉、气化炉、旋风除尘器、水冷淋洗塔、辐射及对流废热锅炉。所述的备煤过程中，勿需将煤预破粘。
灰熔聚化床气化的工艺过程如下：
实验用的原料煤经汽车送入煤棚，然后经皮带输送机、除铁器后进入双辊破碎机，破碎后的煤经过筛分，小于6mm的煤送入回转干燥炉，干燥到水份＜5％，再经埋刮板输送机送入煤仓备用，用于实验过程的焦粉也以同样方式制备并储于焦仓。在试验过程中，焦粉或煤经电磁振动给料器、斗式提升机送到计量煤斗，经电子秤计量后进入中间煤斗，经升压后进入中间煤斗，由此稳定地经过螺旋给料器进入进料管，用气力送入气化炉。
每次实验，首先用柴油烘炉至800-1000℃，然后启动螺旋进料器，控制一定的进料量，调节空气、蒸汽流量开始运行。过程生成的煤气夹带部分细粉经辐射式废热锅炉后(其温度降至750℃左右)进入一级及二级旋风分离器，在此大部分细粉得以捕集并经相应的立管系统返回气化炉浓相段进一步燃烧、气化，以便提高碳的转化率，细粉循环量由电动平板阀控制。携带有少量细粉的煤气进入对流式废热锅炉及列管式空气预热器，煤气温度降至170℃左右进入水冷淋洗涤塔，进一步降温及降尘后输出。废热锅炉所产生的蒸汽除一部分自用外，大部分输出，过程所用空气来自压缩机，经预热后(150℃左右)分三路进入气体分布器、射流管及灰分离管，以保证炉内流化、气化及灰分离过程的进行。
本过程中的物料流量、压力、温度和重量分别用孔板流量计、压力(压差)传感器、热电偶温度计、电子秤等测量，信号全部送入日本横河电机公司的μXL超级小型集散式控制系统进行处理、控制、显示、打印。
实验过程中的煤气组成采用日本岛津公司的气相色谱仪(GC-RIA)定时分析，排灰碳含量采用美国LECO公司的CR-12定碳仪测定，水分析委托太原市环保监测部按国标方法进行测定。
所述的灰熔聚流化床气化炉的结构如下：
该装置由熔聚灰分离单元、流化床气化单元、飞灰循环单元及废热回收单元四个部分组成。
所述熔聚灰分离单元由圆锥形分布板、圆锥形渐缩管、垂直分离管及其水平进气管、圆柱形气室及其水平气化剂进气管以及中心射流管(氧化剂进气管)构成，其特征在于，垂直分离管与渐缩管直接相连，省去了结构复杂、加工困难的文丘里管段。所述的飞灰分离循环单元由炉外旋风分离器、立式循环管、差压监测仪、灰循环量调节阀及气力输送所构成。夹带飞灰的煤气先经过炉内废热回收设备降温后从气化炉顶导出，经旋风分离，粗煤气进净化系统，飞灰由旋风分离器进下部立式循环管，经调节阀和气力输送管进入流化床气化单元。
所述的气化炉内的废热回收设备是列管式锅炉系统。
所述的流化床气化单元由下部的密相，流化段和上部的扩大段组成，原始物及循环物料直接进入密相段。
本发明的气化方法及其主要设备结合附图说明如下。
图1为灰熔聚流化床粉煤气化流程图
图2为灰熔聚流化床气化装置总体结构示意图
图3为熔聚灰分离单元示意图
图4为分布板顶视示意图
图5为熔聚灰分离单元局部断面图
气化炉结构如图所示，流化床气化单元由炉体1、上部扩大段17、进料管9、密相流化段16构成；炉内废热回收设备由列管式锅炉8构成；飞灰分离循环单元由煤气管15、差压计6、立式循环管19、飞灰循环量调节阀7、气力输送管14构成；熔聚灰分离单元由圆锥形分布板2、渐缩管3、中心射流管4、立式分离管5、圆柱形气室18、气化剂进气管12、10及11、排灰管13构成。
所述分布板的圆锥母线与中心抽的夹角45度，分布板16上的孔为圆形。
所述渐缩管的圆锥母线与中心轴的夹角为10-25度。
气化过程的设备如图所示：
21为皮带输送机，22为埋刮板，23为回转干燥器，24为煤仓或焦仓，25为斗提机，26为煤，27为气化炉，28为灰斗，29为一、二级旋风分离器，30为废热回收，31为空气预热器，32为水洗塔，33为螺旋进料器，34为破碎机。
灰熔聚流化床气化装置的特点如下：
(1)在这单一的装置中实现了煤的破粘、脱挥发份、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解。
(2)气化剂水蒸汽从分布板进入气化段，使分布板处保持一定氧浓度，形成相对低温区，有效地防止了炉内结渣。
(3)部分氧气或空气从中心射流管喷入气化区，使炉内形成一局部高温，促使灰团聚成球，促使灰与煤有效分离，提高了碳的利用率。
(4)增设了飞灰分离循环单元，使飞灰中的碳进一步气化，提高了碳的利用率。
(5)高温煤气先经废热回收，产生蒸气用作气化剂，然后还可用于空气或氧气的予热，提高了过程的总热效率。
(6)试验结果表明，本装置的煤种适应性广(焦炭、无烟煤、烟煤及劣质煤等)、气化强度高(固定床的3-10倍)，操作温度适中。
(7)对高硫煤能在炉内脱硫，简化了煤气净化系统。
(8)产品气中不含焦油，含酚量低。
此外，本装置加工制造容易，操作控制简单。
本发明的试验结果与同类炉的比较列于表1。本发明不同煤种的性质及其试验结果列于表2和表3。
表1.同类炉型研究方面的代表性结果
美国 美国 美国 中国 中国
IGT IGT KRW 山西煤化所 山西煤化所
内径：0.9 内径：0.9 外径：1.2 内径：1.0 内径：1.0 气化炉尺寸 m 高度：7.6 高度：7.6 高度：15 高度：14 高度：14
气化剂 空气-蒸汽 氧气-蒸汽 空气-蒸汽 空气-蒸汽 氧气-蒸汽
进煤量 Kg/h 281-359 438-859 500-780 500-1050 500-1000反应控制温度 ℃ 950-1200 1011-1032 760-1040 1060-1100 1085-1095 气化炉压力 MPa 0.16-0.39 0.078-0.13 0.98-1.67 0.1-0.3 0.035-0.18 排灰碳含量 ％ 5-30 10 5-25 ＜10 碳转化率 ％ 70-98 74.9-897 70-90 ＞80
空气/煤 Kg/Kg 2.80-3.25 2.49-4.33 3.48-4.26
蒸汽/煤 Kg/Kg 0.46-0.83 0.28-1.58 0.2-0.5 0.45-0.65 1.20-1.40
氧气/煤 Kg/Kg 0.19-0.770. 75-0.89
煤气组成 V％
CO 14.55-20.50 23.8-33.9 16.2-21.5 10.21-15.38 22-28
CO2 9.0-10.9 21.0-28.8 13.4-16.9 11.81-16.72 24-35
CH4 0.21-1.0 2.5-5.7 1.2-2.2 0.86-1.68 1.3-2.3
H2 9.47-17.50 39.9-43.0 11.4-11.9 12.14-21.42 40-46
N2 52.9-63.9 51.6-53.3 54.16-60.79煤气热值(HHV) KJ/Nm3 4436-4585 9305-11046 4195-4375 3912-4548 8727-10227
表2.气化原料分析数据
原料 焦炭 洗中煤 瘦煤 气煤工 Mad 1.42 1.53 0.68 4.42业 Aad 24.14 41.36 21.25 5.99分 Vad 2.16 18.49 14.85 32.15析 焦渣特性 1 4 5 3Wt％元 Cad 70.57 45.92 67.51 73.98素 Had 1.21 2.97 3.56 4.46分 Oad 1.21 7.03 2.82 9.70析 Nad 0.46 0.74 0.97 1.24Wt％ Stad 0.99 0.45 3.21 0.21灰 DT ＞1500 ＞1500 1500 1200熔 ST ＞1500 ＞1500 ＞1500 1220点 FT ＞1500 ＞1500 ＞1500 1240℃热值 Qne.V.adMJ/kg 24.84 23.71 27.10 29.34灰 SiO2 50.50 49.11 45.36 41.39
Al2O3 35.97 39.07 33.70 14.25组 Fe2O3 6.97 5.02 13.08 4.77
CaO 2.42 2.29 3.13 29.71成 MgO 0.71 0.62 0.71 2.26
TiO2 0.67 1.59 1.28 0.83Wt％ SO3 115 0.45 0.75 3.00
K2O - 1.15 0.35 0.88
Na2O - 0.l0 0.10 1.00
P2O5 - 0.20 - 0.92
表3.典型实验结果
瘦煤 瘦煤 气煤 洗中煤 瘦煤 瘦煤气化剂 空气-蒸汽 空气-蒸汽 空气-蒸汽 空气-蒸汽 氧气-蒸汽 氧气-蒸汽进煤量 Kg/h 640 1021 474 529 518 1080反应控制温度 ℃ 1100 1081 1068 1080 1090 1085气化炉压力 KPa 251 300 40 22 36 153排灰碳含量 ％ 3.41 9.92 19.46 17.82 8.03 32.68碳转化率 ％ 87.7 82.9 83.4 79.19 83.1 91.8空气量 Nm3/h 1848 2787 1271 1096蒸汽量 Kg/h 331 500 193 150 600 1296氧气量 Nm3/h 261 498煤产气率 Nm3/kg 3.96 3.77 3.74 2.70 2.16 2.21煤气组成 V％
CO 15.34 15.03 14.49 11.70 22.65 27.10
CO2 11.21 11.28 11.28 12.60 27.00 25.54
CH4 1.35 1.41 0.80 0.07 1.32 2.23
H2 14.32 14.85 16.57 13.79 35.25 37.42
N2 57.77 57.43 56.86 51.04 13.77 7.70煤气热值(HHV) KJ/Nm3 4298 4350 4261 856 7871 9066