專利名稱：一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流化床氣化爐的制作方法
一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流化床氣化爐技術(shù)領(lǐng)域
總體而言，本發(fā)明涉及氣化爐，具體地說，本發(fā)明涉及一種煤炭氣化制取富甲 烷氣體的多層流化床氣化爐。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種粉煤多層流化床氣化制備富含甲烷氣體的多層流化床氣化爐裝置。
我國是富煤貧油少氣的國家，隨著社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國天然氣需求急 劇攀升，在能源結(jié)構(gòu)中的比例迅速增加。而國內(nèi)天然氣仍處于勘探開發(fā)早期，進口也處 于起步階段，供應(yīng)能力嚴重滯后，導(dǎo)致天然氣供需矛盾日益突出。利用我國資源優(yōu)勢相 對較大的煤炭，對其加以氣化來產(chǎn)生燃氣，不僅能促進煤炭的高效、清潔利用；而且可 利用已有的天然氣管道，以較低的經(jīng)濟代價，有效緩解天然氣的供需矛盾，這是煤炭資 源進行綜合利用的有力措施。
通常的煤炭氣化制甲烷過程，即煤在高溫下與氧氣(或空氣)和/或水蒸汽 (H2O)組成的氣化劑在單層的氣化爐中進行氣化反應(yīng)，生成含有少量甲烷(CH4)的合成 氣(主要是氫氣、一氧化碳和二氧化碳)，之后進行水氣變換及甲烷化工序，采用兩步法 制備甲烷。該煤過程具有氣化反應(yīng)能耗大、對設(shè)備要求高，且需三個反應(yīng)裝置、工藝較 復(fù)雜等缺點。
煤催化氣化制備甲烷技術(shù)是煤潔凈高效利用的一種重要方式，采用煤催化氣化 技術(shù)，煤在相對較低的溫度下與主要成分為水蒸汽(H2O)、氫氣(H2)、一氧化碳(CO)的 氣體混合物在催化劑的催化作用下進行氣化反應(yīng)，生成高濃度的甲烷(CH4)。
目前，相關(guān)專利中提到的煤催化氣化制備甲烷技術(shù)采用深冷分離將產(chǎn)氣中的甲 烷與一氧化碳、氫氣進行分離，將反應(yīng)氣體中的氫氣和一氧化碳循環(huán)到氣化爐中，使之 在氣化爐中進行甲烷化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為甲烷，從而提高系統(tǒng)甲烷的產(chǎn)量。該煤催化氣化過程 可以在單層的氣化爐中完成，但是氣化反應(yīng)速率低、反應(yīng)時間長，碳轉(zhuǎn)化率較低，氣體 分離系統(tǒng)投資高等缺點；為滿足反應(yīng)器熱平衡的需要，需將進爐過熱蒸汽加熱到較高溫 度，蒸汽過熱系統(tǒng)及熱交換系統(tǒng)負荷較高，經(jīng)濟性差。
美國專利4,077,778提出采用多級流化床來實現(xiàn)煤的催化氣化，提高碳轉(zhuǎn)化率。 主流化床操作氣速較高，將部分碳顆粒夾帶至二級流化床，在較低氣速下進行氣化反 應(yīng)，增長固相停留時間，最大限度提高碳轉(zhuǎn)化率。采用多級氣化較之單級氣化可將碳利 用率由70 85%提高至95%以上。多級流化床煤催化氣化工藝采用多級流化床，設(shè)備 投資高，操作較復(fù)雜。
美國專利4,094,650提到在堿金屬的催化作用下，可將含碳固體氣化，制備甲 烷，催化劑需回收再用。通過多級水洗回收水溶性催化劑，石灰消化回收非溶性催化 劑。美國專利0277437在美國專利4,094,650基礎(chǔ)上，采用一級處理將堿金屬物質(zhì)從反應(yīng) 器固體殘渣中分離，簡化了堿金屬催化劑回收過程，改善了催化氣化工藝的經(jīng)濟性及總4效率，但該回收系統(tǒng)仍然較復(fù)雜，回收方法較昂貴。
美國Exxon公司對煤一步法制甲烷技術(shù)進行了大量的實驗研究，美國專利 4318712公開了一種煤直接甲烷化的整個工藝流程，將煤事先與催化劑進行預(yù)混合后，進 入煤炭氣化爐反應(yīng)器，通入的過熱蒸汽不但作為氣化劑，同時作為熱源，維持爐內(nèi)反應(yīng) 溫度，控制爐內(nèi)溫度在700°C左右，過熱蒸汽溫度850°C，氣化爐反應(yīng)壓力3.5MPa，煤 在催化劑的作用下與過熱蒸汽發(fā)生反應(yīng)，直接得到產(chǎn)品富甲烷氣體。美國GPE公司在 EXXON工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了進一步研究，美國專利20070000177A1也公開了煤直 接甲烷化的工藝，催化劑是堿金屬碳酸鹽或堿金屬氫氧化物，氣化劑是水蒸氣，其主要 技術(shù)特征除了加入高效的甲烷化催化劑之外，還加入了氧化鈣到反應(yīng)的煤粉當中，吸收 反應(yīng)過程產(chǎn)生的二氧化碳，從而進一步提高甲烷的含量。由于加入促進甲烷生成的催化 劑，但高溫不利于甲烷的生成，反應(yīng)溫度一般控制在700°C左右，反應(yīng)速度慢，碳的轉(zhuǎn)化 率低，沒有外部供熱系統(tǒng)熱量很難維持，且增加了催化劑回收單元操作，催化劑回收效 果直接影響生產(chǎn)成本。
另外，為了充分利用熱量，制取煤氣，美國專利5,064,444提出加壓水蒸氣氣化 的情況下將流化床氣化爐分為熱解段、氣化段、冷卻段，各段用隔板分開。氣化爐內(nèi)熱 解段、氣化段放置蛇狀盤管(蛇管換熱器)，其中通入900°C 950°C的高溫氣體如燃料燃 燒后的氣體加熱煤粉，提供氣化、熱解所需熱量，制取煤氣。該流化床氣化爐可以為立 式，也可為臥式，以700°C 800°C的過熱蒸汽為氣化劑，冷卻段通入飽和蒸汽，氣動進 料。該裝置延長煤粉的停留時間，有利固相加工，熱能利用率高，但是氣化爐內(nèi)的反應(yīng) 體積利用率低，影響固相加工；立式爐操作時殘渣中含碳量較高，難以有效利用；與氣 固接觸傳熱相比，傳熱速度慢，床層內(nèi)固相受熱不均；同時設(shè)備繁雜，特別是臥式爐。
因此，研究煤質(zhì)高效利用的氣化技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的低投資、工藝簡單的煤炭氣 化制備富含甲烷氣體的氣化裝置具有深遠意義。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于上述情況，本發(fā)明致力于提供一種低投資、工藝簡單的采用煤炭氣化工 藝來制備富含甲烷氣體的氣化裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在第一方面提供一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層 流化床氣化爐，該流化床氣化爐包括
氣化爐殼體，該殼體具有豎向的縱軸線，并在其中限定一個內(nèi)部空間；
在所述殼體的所述內(nèi)部空間中垂直于所述縱軸線并在沿著所述縱軸線的不同高 度處布置的至少兩層呈孔板形式的氣體分布器，所述至少兩層氣體分布器包括第一氣體 分布器和位于所述第一分布器下方的第二氣體分布器，所述第一氣體分布器和所述第二 分布器將所述殼體的所述內(nèi)部空間分隔為上層空間、中間層空間和下層空間；
設(shè)置于所述殼體的側(cè)面上部的原料入口，該原料入口通向所述上層空間，用于 將原料輸入所述上層空間，所述原料的總體流向是沿著所述縱軸線自上而下；
位于所述殼體的底部的灰渣出口；
位于所述殼體的底部的所述灰渣出口的側(cè)面附近的用于氣化劑進入的氣化劑入 口，所述氣化劑的總體流向是沿著所述縱軸線自下而上；
位于所述殼體頂部的煤氣出口 ；
所述第一氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的第一溢流裝置，所述 第二氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的第二溢流裝置，所述第一溢流裝置 和第二溢流裝置用于使所述原料沿曲折線路自上而下，從所述上層空間通過所述第一溢 流裝置流向所述中間層空間，再由所述中間層空間通過所述第二溢流裝置流入所述下層 空間。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述第一溢流裝置的下端與所述第二溢流裝 置的上端之間在垂直于所述縱軸線的水平方向上相互間隔開，以避免物料直通而下。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述殼體的縱向中部還設(shè)有中部進料口。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述殼體的縱向下部還設(shè)有下部進料口。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述上層空間、中間層空間和下層空間中的 任一個空間中還設(shè)有用于對該空間進一步加以分隔的至少一層氣體分布器以及貫通該至 少一層氣體分布器而布置的溢流裝置。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，在所述殼體中，所述第二氣體分布器的下 方，還設(shè)有第三氣體分布器。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述第三氣體分布器呈漏斗形。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述溢流裝置與水平方向的夾角大于或等于 30°。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述溢流裝置上端高出氣體分布器的部分為 溢流堰，該溢流堰的高度由固相加工時間和床層持料量決定，用下式計算
h = 4wt/[Ji D2P (1- ε )]
h—特定層的溢流堰高度，單位為m
w—該層固體顆粒進料量，單位為kg/h
t—該層固相加工時間，單位為h
D——該層爐體的內(nèi)徑，單位為m
ρ 該層床層在操作條件下的密度，單位為kg/m3
ε——該層床層在操作條件下的孔隙率。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，
兩個相鄰氣體分布器之間的距離由處于它們之間的溢流管的高度和床層持料量 的高度決定，用下式計算
H = HJh1-Ii2
其中
H兩個相鄰氣體分布器之間的距離，單位為m;
H1-處于兩氣體分布器之間的溢流管的高度，單位為m ；
Ii1處于兩氣體分布器之間的料層持料量的高度，單位為m ；
h2處于兩氣體分布器之間的溢流管的埋入料層深度，單位為m。
在本發(fā)明的第二方面，提供一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流化床氣化 爐，該流化床氣化爐包括
氣化爐殼體，該殼體具有豎向的縱軸線，并在其中限定一個內(nèi)部空間；6
在所述殼體的所述內(nèi)部空間中垂直于所述縱軸線布置的一層呈孔板形式的氣體 分布器，所述氣體分布器將所述殼體的所述內(nèi)部空間分隔為上層空間和下層空間；
設(shè)置于所述殼體的側(cè)面上部的原料入口，該原料入口通向所述上層空間，用于 將原料輸入所述上層空間，所述原料的總體流向是沿著所述縱軸線自上而下；
位于所述殼體的底部的灰渣出口；
位于所述殼體的底部的所述灰渣出口的側(cè)面附近的用于氣化劑進入的氣化劑入 口，所述氣化劑的總體流向是沿著所述縱軸線自下而上；
位于所述殼體頂部的煤氣出口 ；
所述氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的溢流裝置，所述溢流裝置 用于使所述原料自上而下，從所述上層空間通過所述溢流裝置流向所述下層空間。
與本發(fā)明的第一方面提供的流化床氣化爐(需要設(shè)置至少兩層氣體分布器)相 比，本發(fā)明的第二方面提供的流化床氣化爐最低僅僅需要設(shè)置一層氣體分布器，以將氣 化爐的內(nèi)部空間分成上層空間和下層空間。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供的流化床氣化爐可以具有根據(jù)本發(fā)明的第一方面提 供的流化床氣化爐的優(yōu)選特征中的一個或多個特征。
明的設(shè)各所采用階工藝過藍簡沭(以:^發(fā)明的H一方面提供的、流化床 氣化爐為例)
在旋轉(zhuǎn)給料器的作用下將浸漬催化劑煤粉加入三層式流化床氣化爐中間層空間 B(催化氣化區(qū))；原煤從反應(yīng)器上部熱解段加入，依次經(jīng)過多層流化床氣化爐上層空間 A(部分熱解區(qū))，中間層空間B (催化氣化區(qū))和最下層C (殘渣氣化區(qū))。部分熱解區(qū)， 反應(yīng)產(chǎn)生的高溫熱氣體加熱進料冷煤粉，使之發(fā)生部分熱解，生成富含甲烷的熱解氣體 及焦油等產(chǎn)物。之后，經(jīng)過部分熱解的煤粉進入催化氣化區(qū)，在催化劑的作用下發(fā)生催 化氣化、甲烷化等反應(yīng)，生成甲烷，一氧化碳，氫氣等有效氣體成分及二氧化碳、少量 的硫化氫和氨等。未充分反應(yīng)的煤殘渣進入殘渣氣化區(qū)，在氧氣和水蒸汽的作用下氣化 生成一氧化碳、氫氣、二氧化碳等氣體，而一氧化碳、氫氣進入上段催化氣化區(qū)，在催 化劑的作用下發(fā)生甲烷化反應(yīng)，增加系統(tǒng)甲烷產(chǎn)率，產(chǎn)生的高溫水蒸氣為催化氣化區(qū)提 供部分熱量?？刂茪堅鼩饣瘏^(qū)工藝條件，實現(xiàn)灰、焦、催化劑的分離，高溫下部分催化 劑呈氣態(tài)形式進入上段催化氣化區(qū)參與氣化反應(yīng)，氣態(tài)催化劑進入部分熱解區(qū)，溫度的 降低使之存在形態(tài)發(fā)生變化，與氣體產(chǎn)物分離，留在爐內(nèi)繼續(xù)參與氣化反應(yīng)，實現(xiàn)爐內(nèi) 催化劑的循環(huán)利用。氣化爐出口氣體經(jīng)等溫粉塵過濾單元，粉塵返回氣化爐進行氣化反 應(yīng)，氣體經(jīng)氣液冷卻分離單元進行氣液分離，得到低溫焦油及粗煤氣。之后進入氣體凈 化裝置，脫除二氧化碳及硫化氫等酸性氣體，得到富含甲烷的煤氣。
本發(fā)明的優(yōu)點簡介
(1)保留了催化氣化特色和優(yōu)勢，得到較高含量的甲烷，克服了單獨催化氣化的 難點，如反應(yīng)時間較長、排出的灰渣碳含量較高等；
( 多層耦合氣化，多層流化床氣化爐上層空間A(部分熱解區(qū))，利用催化氣化 產(chǎn)氣的余溫加熱剛進入的粉煤，進行部分熱解，產(chǎn)生甲烷氣體等產(chǎn)品，在沒有增加能耗 的條件下增加了甲烷和焦油；中間層空間B，發(fā)生催化氣化主反應(yīng)；最下層C，通入氣 化劑的同時，通入少量氧來氣化剩余殘渣，通過對殘渣的燃燒、氣化提供了催化氣化需要的熱量，同時提供氫氣和CO有利于催化氣化反應(yīng)；
(3)與兩步法制備甲烷相比，該裝置集三個反應(yīng)器于一體，實現(xiàn)物流耦合、熱 量耦合，自供反應(yīng)熱降低過熱蒸汽的能耗，解決了殘渣含碳的問題；延長了平均停留時 間，增大了氣體產(chǎn)能，提高了碳轉(zhuǎn)化率。
(4)從整個過程看，利用該多層流化床氣化爐氣化制備富含甲烷氣體，熱效率較 高，固相加工深度較高，氣體產(chǎn)物中甲烷含量較高，設(shè)備精簡，易操作。
(5)該多層床最上層將抑止焦油生成改為促進焦油生成，減少催化劑用量，降低 催化劑成本；同時可以利用部分工業(yè)廢棄物作為催化劑原料，提高甲烷含量。


圖1為本發(fā)明的一個實施例的結(jié)構(gòu)圖2、圖3、圖4分別為本發(fā)明其它各實施例的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
如各附圖所示，本發(fā)明的第一方面提供一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流 化床氣化爐，該流化床氣化爐包括
氣化爐殼體3，該殼體具有豎向的縱軸線，并在其中限定一個內(nèi)部空間；
在所述殼體3的所述內(nèi)部空間中垂直于所述縱軸線并在沿著所述縱軸線的不同 高度處布置的至少兩層呈孔板形式的氣體分布器2，所述至少兩層氣體分布器2包括第 一氣體分布器和位于所述第一分布器下方的第二氣體分布器，所述第一氣體分布器和所 述第二分布器將所述殼體的所述內(nèi)部空間分隔為上層空間A、中間層空間B和下層空間 C ；
設(shè)置于所述殼體的側(cè)面上部的原料入口 4，該原料入口通向所述上層空間A，用 于將原料輸入所述上層空間A，所述原料的總體流向是沿著所述縱軸線自上而下；
位于所述殼體3的底部的灰渣出口 7 ；
位于所述殼體的底部的所述灰渣出口 7的側(cè)面附近的用于氣化劑進入的氣化劑 入口，所述氣化劑的總體流向是沿著所述縱軸線自下而上；
位于所述殼體3頂部的煤氣出口 ；
所述第一氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的第一溢流裝置1，所述 第二氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的第二溢流裝置1，所述第一溢流裝置 和第二溢流裝置用于使所述原料沿曲折線路自上而下，從所述上層空間A通過所述第一 溢流裝置流向所述中間層空間B，再由所述中間層空間B通過所述第二溢流裝置流入所述 下層空間C。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述第一溢流裝置的下端與所述第二溢流裝 置的上端之間在垂直于所述縱軸線的水平方向上相互間隔開，以避免物料直通而下。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述殼體的縱向中部還設(shè)有中部進料口 4。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述殼體的縱向下部還設(shè)有下部進料口 5(見 圖2)。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述上層空間A、中間層空間B和下層空間C中的任一個空間中還設(shè)有用于對該空間進一步加以分隔的至少一層氣體分布器以及貫通 該至少一層氣體分布器而布置的溢流裝置。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，在所述殼體中，所述第二氣體分布器的下 方，還設(shè)有第三氣體分布器。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述第三氣體分布器呈漏斗形(見圖3)。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述溢流裝置與水平方向的夾角大于或等于 30°。
本發(fā)明的第二方面提供一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流化床氣化爐(未 示出)，該流化床氣化爐包括
氣化爐殼體，該殼體具有豎向的縱軸線，并在其中限定一個內(nèi)部空間；
在所述殼體的所述內(nèi)部空間中垂直于所述縱軸線布置的一層呈孔板形式的氣體 分布器，所述氣體分布器將所述殼體的所述內(nèi)部空間分隔為上層空間和下層空間；
設(shè)置于所述殼體的側(cè)面上部的原料入口，該原料入口通向所述上層空間，用于 將原料輸入所述上層空間，所述原料的總體流向是沿著所述縱軸線自上而下；
位于所述殼體的底部的灰渣出口；
位于所述殼體的底部的所述灰渣出口的側(cè)面附近的用于氣化劑進入的氣化劑入 口，所述氣化劑的總體流向是沿著所述縱軸線自下而上；
位于所述殼體頂部的煤氣出口 ；
所述氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的溢流裝置，所述溢流裝置 用于使所述原料自上而下，從所述上層空間通過所述溢流裝置流向所述下層空間。
與本發(fā)明的第一方面提供的流化床氣化爐(需要設(shè)置至少兩層氣體分布器)相 比，本發(fā)明的第二方面提供的流化床氣化爐最低僅僅需要設(shè)置一層氣體分布器，以將氣 化爐內(nèi)部空間分成上層空間和下層空間。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面提供的流化床氣化爐可以具有根據(jù)本發(fā)明的第一方面提 供的流化床氣化爐的優(yōu)選特征中的一個或多個特征。
參見圖1，本發(fā)明的第一方面提供一種氣化設(shè)備，可以應(yīng)用于多層流化床煤炭氣 化制取富甲烷氣體系統(tǒng)中，該設(shè)備為多層流化床氣化爐，包括上層空間A(部分熱解 區(qū))、中間層空間B (催化氣化區(qū))、最下層C (殘渣氣化區(qū))。
原煤通過多層流化床上層空間A的進料口 4進入部分熱解區(qū)，通過下端反應(yīng)產(chǎn)生 的高溫熱氣體加熱進料冷煤粉，使之發(fā)生部分熱解。原煤熱解得到富含甲烷的熱解氣、 焦油及半焦。氣態(tài)催化劑進入上層空間A(部分熱解區(qū))，溫度的降低使之存在形態(tài)發(fā)生 變化，與氣體產(chǎn)物分離，留在爐內(nèi)繼續(xù)參與氣化反應(yīng)，實現(xiàn)爐內(nèi)催化劑的循環(huán)利用。
煤與催化劑的混合物通過中間層空間B的進料口 4進入氣化爐催化氣化區(qū)，與通 過溢流管1來自上層空間A的部分熱解的煤粉混合，在催化劑的作用下與氣化劑發(fā)生氣化 反應(yīng)，生成CH4, CO, H2等有效氣體成分及C02、少量的H2S和NH3等。主要反應(yīng)如 下
2C+2H20 — 2H2+2CO (1)
C0+H20 — C02+H2 (2)
3H2+CO — CH4+H20 (3)
C+2H2 — CH4 (4)
最下層C (殘渣氣化區(qū))，產(chǎn)生的CO、H2,可進入上段中間層空間B (催化氣化 區(qū))，在催化劑的作用下發(fā)生甲烷化反應(yīng)，增加系統(tǒng)甲烷產(chǎn)率，另外產(chǎn)生的高溫水蒸氣為 中間層空間B (催化氣化區(qū))，提供部分反應(yīng)所需熱量。
未充分反應(yīng)的煤殘渣進入殘渣氣化區(qū)，在O2和水蒸汽的作用下氣化生成CO、 H2、CO2等氣體。主要反應(yīng)如下所示
C+02 — CO2 (5)
C+C02 — 2CO (6)
C+H20 —CO+H2 (7)
C0+H20 — C02+H2 (8)
氣化爐殘渣氣化區(qū)C產(chǎn)生的CO、H2,可進入上段中間層空間B (催化氣化區(qū))， 在催化劑的作用下發(fā)生甲烷化反應(yīng)，增加系統(tǒng)甲烷產(chǎn)率，另外產(chǎn)生的高溫氣體及水蒸氣 為催化氣化區(qū)提供部分熱量，降低了灰渣碳含量，提高進料煤粉綜合利用率。
最下層C(殘渣氣化區(qū))，溫度較高，部分催化劑以氣態(tài)形式揮發(fā)至中間層空間 B (催化氣化區(qū))，流化床內(nèi)催化劑的循環(huán)使用可減少初始煤粉中催化劑添加量，降低催 化劑回收系統(tǒng)的負擔，或無需另外配置催化劑回收系統(tǒng)。
氣化劑過熱蒸汽和少量氧氣從氣化爐底部進入殘渣氣化區(qū)，與殘渣發(fā)生燃燒、 氣化反應(yīng)，為中間層空間B(催化氣化區(qū))提供所需的熱量。
多層流化床氣化爐下連排渣設(shè)備，用于排出殘渣氣化區(qū)氣化后的灰渣。
多層流化床氣化爐產(chǎn)生的高溫爐氣由爐頂排出，進入后續(xù)分離凈化工序。
實施例1
參見圖2，在結(jié)構(gòu)圖1的基礎(chǔ)上，如僅靠殘渣氣化產(chǎn)生的熱量難以滿足催化氣化 所需溫度要求，可在多層流化床的最下層C的爐體3上設(shè)一進料口 5，通過該進料口加少 量原煤到殘渣氣化區(qū)。
實施例2
參見圖3，在結(jié)構(gòu)圖1的基礎(chǔ)上，為滿足排灰或工藝操作條件的需要，可以更換 多層流化床最下層C的分布板，使用漏斗形分布板，通過進氣口 6、7分別調(diào)控排灰氣速 和流化氣速。
實施例3
參見圖4，在結(jié)構(gòu)圖1的基礎(chǔ)上，為了避免氣體的反串，實現(xiàn)床層間的連續(xù)穩(wěn)定 溢流，同時便于控制物料的溢流流量，可以使用其他形式的溢流管，如帶機械傳動裝置 的堵頭式溢流管。通過機械傳動裝置調(diào)節(jié)堵頭8的位置，改變氣體方向和下料口截面大 小，實現(xiàn)順利溢流。
關(guān)于溢流裝置和氣體分布器的相對位置
1.溢流管可以安裝在氣體分布器2任意水平截面處，可以豎直安裝，也可傾斜安 裝，與水平面的夾角大于等于30° ；為避免固體顆粒在兩溢流管間流動時發(fā)生短路，上 端溢流管的出口應(yīng)與下端溢流管的進口在水平方向上保持一定的距離，盡量避免距離太 小(如兩溢流管均安置于氣體分布器中心)。
2.溢流堰(溢流管上端高出氣體分布器的部分)的高度由固相加工時間和床層持10料量決定，用下式計算h = 4wt/[3i D2P (1- ε )]h—某層溢流堰高度，單位為mw—該層固體顆粒進料量，單位為kg/ht該層固相加工時間，單位為hD――該層爐體的內(nèi)徑，單位為mρ 一一該層床層在操作條件下的密度，單位為kg/m3ε——該層床層在操作條件下的孔隙率3.兩個相鄰氣體分布器之間的距離由處于它們之間的溢流管的高度和床層持料 量的高度決定，用下式計算H = HJVh2其中H兩個相鄰氣體分布器之間的距離，單位為m;H1-處于兩氣體分布器之間的溢流管的高度，單位為m ；Ii1一一處于兩氣體分布器之間的料層持料量的高度，單位為m ；h2處于兩氣體分布器之間的溢流管的埋入料層深度，單位為m。本發(fā)明的核心技術(shù)點1、多層流化床的一體性氣化劑從氣化爐底部通入，原煤從反應(yīng)器上部熱解段 加入，依次經(jīng)過多層流化床的上層空間A、中間層空間B、最下層C。多層流化床的上 層空間A(部分熱解區(qū))，反應(yīng)產(chǎn)生的高溫熱氣體加熱進料冷煤粉，使之發(fā)生部分熱解， 生成富含CH4的熱解氣體及焦油等產(chǎn)物。之后，經(jīng)過部分熱解的煤粉進入多層流化床 的中間層空間B(催化氣化區(qū))，在催化劑的作用下發(fā)生催化氣化、甲烷化等反應(yīng)，生成 CH4, CO, H2等有效氣體成分及C02、少量的H2S和NH3等。未充分反應(yīng)的煤殘渣進入 多層流化床的最下層C (殘渣氣化區(qū))，在O2和水蒸汽的作用下氣化生成CO、H2、CO2 等氣體。2、多層流化床最下層C與中間層空間B的緊密關(guān)聯(lián)在多層流化床的最下層 C(殘渣氣化區(qū))，殘渣與氧氣反應(yīng)發(fā)出大量熱量，為中間層空間B，催化氣化段，提供 所需的熱量，降低灰渣碳含量，提高進料煤粉綜合利用率；同時，在高溫下部分催化劑 以氣態(tài)形式揮發(fā)至多層流化床的中間層空間B (催化氣化區(qū))，流化床內(nèi)催化劑的循環(huán)使 用可減少初始煤粉中催化劑添加量，降低催化劑回收系統(tǒng)的負擔，或無需另外配置催化 劑回收系統(tǒng)；氣化爐殘渣氣化區(qū)，多層流化床最下層C，產(chǎn)生的CO、H2,可進入多層流 化床中間層空間B(催化氣化區(qū))，在催化劑的作用下發(fā)生甲烷化反應(yīng)，增加系統(tǒng)甲烷產(chǎn) 率，另外產(chǎn)生的高溫水蒸氣為催化氣化區(qū)提供部分熱量。3、多層流化床的進料口的選擇根據(jù)系統(tǒng)熱量平衡和工藝操作條件的需要， 除多層流化床的最上層進料口外，可以在中間層、最下層爐體3的不同位置處增設(shè)進料4、多層床的層數(shù)可以根據(jù)停留時間和工藝操作條件的需要，將多層流化床氣 化爐的部分熱解區(qū)、催化氣化區(qū)、殘渣氣化區(qū)，分別劃分成單層或多層，各層間用氣體 分布器2隔開，安裝溢流裝置1。
5、溢流裝置1:可以是機械式溢流裝置，如在溢流管的下端安裝堵頭、閥門， 也可以是氣控式溢流裝置，如直管，錐形管，L形閥。6、氣體分布器2 多層流化床中上部固定溢流管1的氣體分布器2可以是平板 分布板、傾斜分布板或漏斗形分布板，或它們的組合形式。多層流化床下部氣體進口處 的氣體分布器2可以是平板分布板、傾斜分布板、漏斗形分布板，或帶射流的氣體分布 板。7、該多層流化床氣化爐可于常壓、加壓下使用。絲日月■隨#丨、口 是頁禾口纏捕劃批白賄織果本發(fā)明的目的是提供一種粉煤氣化制備富含甲烷氣體的多層流化床氣化爐，該 氣化爐通過溢流裝置1實現(xiàn)多層流化床層間的連續(xù)穩(wěn)定溢流，將熱解、氣化、燃燒耦合 于多層流化床中，實現(xiàn)分級轉(zhuǎn)化，以催化氣化制甲烷為中心進行能量分配，實現(xiàn)金價開 發(fā)。首先，與美國專利4,077,778的多級流化床相比，在一個(一級)流化床中，延 長了固相停留時間，最大限度提高碳轉(zhuǎn)化率，減少設(shè)備投資，同時易于操作；其次，與其他專利中的裝置相比，通過多層床最下層C的殘渣氣化區(qū)的氣化反 應(yīng)向中間層的催化氣化區(qū)提供氫氣和一氧化碳，促進甲烷化反應(yīng)的進行，無需分離氫氣 和一氧化碳氣體分離系統(tǒng)，大大減少設(shè)備投資，簡化操作；同時在多層床最下層C，通 入氣化劑和少量氧氣，部分殘渣燃燒，向中間層空間B的催化氣化反應(yīng)提供反應(yīng)所需的 部分熱量，既可以降低進口水蒸氣溫度，降低蒸汽過熱系統(tǒng)及熱交換系統(tǒng)負荷，也解決 了殘渣含碳的問題。另外，多層床上層空間A熱解段生成的甲烷，直接逸出氣化爐，避免氧化，增 加氣相產(chǎn)物中甲烷含量，同時可以得到經(jīng)熱解生成的多種其他產(chǎn)物。從熱量的角度來 看，充分利用了來自中間層空間B的氣體的熱能，具有較高的熱效率，也為后序處理系 統(tǒng)帶來方便。最后，就催化劑的利用而言，該多層床最上層將抑止焦油生成改為促進焦油生 成，減少催化劑用量，降低催化劑成本；同時可以利用部分工業(yè)廢棄物作為催化劑原 料，提高甲烷含量。
權(quán)利要求
1.一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流化床氣化爐，該流化床氣化爐包括 氣化爐殼體，該殼體具有豎向的縱軸線，并在其中限定一個內(nèi)部空間；在所述殼體的所述內(nèi)部空間中垂直于所述縱軸線并在沿著所述縱軸線的不同高度處 布置的至少兩層呈孔板形式的氣體分布器，所述至少兩層氣體分布器包括第一氣體分布 器和位于所述第一分布器下方的第二氣體分布器，所述第一氣體分布器和所述第二分布 器將所述殼體的所述內(nèi)部空間分隔為上層空間、中間層空間和下層空間；設(shè)置于所述殼體的側(cè)面上部的原料入口，該原料入口通向所述上層空間，用于將原 料輸入所述上層空間，所述原料的總體流向是沿著所述縱軸線自上而下； 位于所述殼體的底部的灰渣出口；位于所述殼體的底部的所述灰渣出口的側(cè)面附近的用于氣化劑進入的氣化劑入口， 所述氣化劑的總體流向是沿著所述縱軸線自下而上； 位于所述殼體頂部的煤氣出口；所述第一氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的第一溢流裝置，所述第 二氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的第二溢流裝置，所述第一溢流裝置和 第二溢流裝置用于使所述原料沿曲折線路自上而下，從所述上層空間通過所述第一溢流 裝置流向所述中間層空間，再由所述中間層空間通過所述第二溢流裝置流入所述下層空 間。
2.如權(quán)利要求1所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述第一溢流裝置的下端與所述 第二溢流裝置的上端之間在垂直于所述縱軸線的水平方向上相互間隔開，以避免物料直 通而下。
3.如權(quán)利要求1所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述殼體的縱向中部還設(shè)有中部 進料口。
4.如權(quán)利要求1所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述殼體的縱向下部還設(shè)有下部 進料口。
5.如權(quán)利要求1所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述上層空間、中間層空間和下 層空間中的任一個空間中還設(shè)有用于對該空間進一步加以分隔的至少一層氣體分布器以 及貫通該至少一層氣體分布器而布置的溢流裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的流化床氣化爐，其特征在于，在所述殼體中，所述第二氣體分 布器的下方，還設(shè)有第三氣體分布器。
7.如權(quán)利要求6所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述第三氣體分布器呈漏斗形。
8.如權(quán)利要求1至7任一項所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述溢流裝置與水平 方向的夾角大于或等于30°。
9.如權(quán)利要求1至7任一項所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述溢流裝置上端高出氣體分布器的部分為溢流堰，該溢流堰的高度由固相加工時 間和床層持料量決定，用下式計算 h = 4wt/[ π D2 P (1- ε )] h—特定層的溢流堰高度，單位為m; W—該層固體顆粒進料量，單位為kg/h; t該層固相加工時間，單位為h;D一一該層爐體的內(nèi)徑，單位為m; P 一一該層床層在操作條件下的密度，單位為kg/m3; ε——該層床層在操作條件下的孔隙率。
10.如權(quán)利要求1至7任一項所述的流化床氣化爐，其特征在于，兩個相鄰氣體分布器之間的距離由處于它們之間的溢流管的高度和床層持料量的高 度決定，用下式計算 H = H^hrh2 其中H兩個相鄰氣體分布器之間的距離，單位為m; H1-處于兩氣體分布器之間的溢流管的高度，單位為m ； hi一一處于兩氣體分布器之間的料層持料量的高度，單位為m ； h2—一處于兩氣體分布器之間的溢流管的埋入料層深度，單位為m。
11.一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流化床氣化爐，該流化床氣化爐包括 氣化爐殼體，該殼體具有豎向的縱軸線，并在其中限定一個內(nèi)部空間；在所述殼體的所述內(nèi)部空間中垂直于所述縱軸線布置的一層呈孔板形式的氣體分布 器，所述氣體分布器將所述殼體的所述內(nèi)部空間分隔為上層空間和下層空間；設(shè)置于所述殼體的側(cè)面上部的原料入口，該原料入口通向所述上層空間，用于將原 料輸入所述上層空間，所述原料的總體流向是沿著所述縱軸線自上而下； 位于所述殼體的底部的灰渣出口；位于所述殼體的底部的所述灰渣出口的側(cè)面附近的用于氣化劑進入的氣化劑入口， 所述氣化劑的總體流向是沿著所述縱軸線自下而上； 位于所述殼體頂部的煤氣出口；所述氣體分布器上貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的溢流裝置，所述溢流裝置用于 使所述原料自上而下，從所述上層空間通過所述溢流裝置流向所述下層空間。
12.如權(quán)利要求11所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述殼體的縱向中部還設(shè)有中 部進料口。
13.如權(quán)利要求11所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述殼體的縱向下部還設(shè)有下 部進料口。
14.如權(quán)利要求11所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述上層空間和下層空間中的 任一個空間中還設(shè)有用于對該空間進一步加以分隔的至少一層氣體分布器以及貫通該至 少一層氣體分布器而布置的溢流裝置。
15.如權(quán)利要求11至14任一項所述的流化床氣化爐，其特征在于，所述溢流裝置與 水平方向的夾角大于或等于30°。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種煤炭氣化制取富甲烷氣體的多層流化床氣化爐，該流化床氣化爐包括氣化爐殼體，垂直于所述縱軸線并在沿著所述縱軸線的不同高度處布置的至少兩層呈孔板形式的氣體分布器，將內(nèi)部空間分隔為上層空間、中間層空間和下層空間；原料入口；位于所述殼體的底部的灰渣出口、氣化劑入口；位于所述殼體頂部的煤氣出口；所述第一和第二氣體分布器上分別貫通設(shè)有呈兩端開放的管狀形式的第一和第二溢流裝置，用于使所述原料沿曲折線路自上而下，從所述上層空間通過所述第一溢流裝置流向所述中間層空間，再由所述中間層空間通過所述第二溢流裝置流入所述下層空間。
文檔編號C10J3/56GK102021038SQ20091017038
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者孫東凱, 張 榮, 李克忠, 李金來, 畢繼誠, 甘中學(xué), 程相龍 申請人:新奧科技發(fā)展有限公司