一種粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置及方法
【專利摘要】一種粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置及方法，該轉(zhuǎn)化裝置包括轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、返料系統(tǒng)、料封系統(tǒng)三部分。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)主要由固體顆粒分布區(qū)、部分氧化區(qū)、深度處理區(qū)組成。返料系統(tǒng)由氣固分流裝置、固體顆粒捕集裝置、直立料腿組成。料封系統(tǒng)由密封料位控制裝置、環(huán)形封口、返料斜管組成。本發(fā)明通過(guò)氣化劑與粗煤氣中攜帶的焦油組份及含碳顆粒發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為煤氣，從而達(dá)到對(duì)粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的深度轉(zhuǎn)化處理，大幅提高了能源轉(zhuǎn)化效率。具有操作過(guò)程簡(jiǎn)單、設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用低、轉(zhuǎn)化效率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
【專利說(shuō)明】一種粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤及生物質(zhì)制粗合成氣的深度凈化處理技術(shù)，具體涉及一種粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]潔凈煤技術(shù)主要是指通過(guò)煤的熱解、氣化工藝，碳一化學(xué)與不同單元過(guò)程的優(yōu)化集成組合，用于生產(chǎn)各種石油基替代燃料、高附加值化工產(chǎn)品的工藝技術(shù)體系。煤氣化技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的核心及關(guān)鍵技術(shù)之一。煤的氣化產(chǎn)物在電力生產(chǎn)、城市供暖、燃料電池、液體燃料及化工原料合成等方面有著極其廣泛的應(yīng)用。從這個(gè)意義上講，煤氣化是發(fā)展煤基多聯(lián)產(chǎn)工藝系統(tǒng)(如IGCC)、煤基化工和清潔能源系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。作為煤基化工合成工業(yè)體系的龍頭的煤制合成氣，不僅可以用于制取清潔汽油、柴油、醇醚等液體燃料，也可以將產(chǎn)業(yè)鏈拓展至合成氨及其后端產(chǎn)品甲醇、乙二醇、低碳烯烴等的生產(chǎn)。此外，以合成氣為原料，還可以合成光氣、二甲基甲酰胺、二甲醚、甲胺、甲酸、醋酸等重要的化工原料及產(chǎn)品。
[0003]迄今為止，煤氣化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了 200多年，按照氣化爐內(nèi)物料的接觸方式進(jìn)行分類，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的氣化爐分為固定床氣化爐、流化床氣化爐及氣流床氣化爐三種。按照操作壓力區(qū)分，氣化爐又可以分為常壓氣化爐及加壓氣化爐。常壓氣化爐主要有UGI固態(tài)排洛固定床氣化 爐、Winkler流化床氣化爐和Koppers-Totzek氣流床氣化爐；加壓氣化爐主要有Lurgi液態(tài)排渣固定床氣化爐(BGL)、HWT以及Texaco (水煤漿氣化)、GSP、Shell、E-gas氣流床氣化爐等。固定床氣化爐以Lurgi加壓氣化爐為代表,雖然具有生產(chǎn)能力大，煤種適應(yīng)性廣，出口煤氣溫度低，冷煤氣效率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其出口煤氣中甲烷、焦油、酚等含量較高，煤氣成份中CH4含量高達(dá)16~18%，且會(huì)產(chǎn)生大量需要處理的冷凝水，冷凝水中含大量的焦油、酚、脂肪酸及氰化物等污染物。原料應(yīng)為5~55mm的塊煤，并且不能處理粘結(jié)煤。因此若用于制取合成氣，存在原料和氣體凈化所需費(fèi)用較高的不足之處。以Winkler氣化爐及高溫Winkler-HTW氣化爐為代表的流化床氣化爐工藝則具有處理量大、氣化強(qiáng)度大(比固定床氣化爐高2~3倍)爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)效果好、粗煤氣中焦油及酚類物質(zhì)含量低的優(yōu)點(diǎn)。其不足之處在于為防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣，保持正常流態(tài)化，操作溫度較低(850~1000oC)o因此，要取得比較合理的碳轉(zhuǎn)化率，入爐煤必須具有很好的反應(yīng)活性，也就要求反應(yīng)溫度在1000°c左右，此時(shí)碳的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到95%以上。能夠達(dá)到這種反應(yīng)活性的煤種只有褐煤。如將低活性煤及其他低活性燃料加入氣化爐中，則其相應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率會(huì)很低，同時(shí)，床內(nèi)灰渣和飛灰中的碳含量較高(達(dá)煤量的20%)，煤氣和過(guò)程利用效率低，必須另設(shè)鍋爐燃燒。氣流床氣化爐是另一種氣化裝置。這種氣化爐的操作溫度在煤灰的熔融溫度以上(或者煤渣的粘度小于250P)。雖然所得煤氣不含焦油、酚類等，但氣流床氣化爐中氣固并流流動(dòng)，煤氣出口溫度過(guò)高(1400~1500°C )，因其床層溫度高，導(dǎo)致氧耗增大，同時(shí)煤氣出口溫度偏高，使部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，煤氣顯熱損失增大。由于所有的煤灰都要被熔化到低于一定的粘度，這種氣化爐很難適合高灰熔點(diǎn)的煤種。此外，氣流床氣化爐對(duì)耐火材料也有苛刻要求，廢熱回收的設(shè)備的投資也進(jìn)一步提高了該氣化工藝的運(yùn)行費(fèi)用和投資成本。[0004]對(duì)于以生產(chǎn)合成氣為目的的氣化爐，最理想的氣化爐應(yīng)當(dāng)是:所產(chǎn)煤氣中不含任何焦油組份及甲烷，同時(shí)具有廣泛的煤種適應(yīng)性。還可以最大限度的將煤中的能量轉(zhuǎn)化成煤氣的化學(xué)能，而不是轉(zhuǎn)化為顯熱。這就出現(xiàn)了所謂分段氣化的概念。其中具有代表性的工藝就是日本的Ebara過(guò)程(US Patent6902711)。在此兩段氣化爐中，一段爐是一個(gè)流化床氣化爐，二段爐是一個(gè)熔融床的氣流床氣化爐。雖然此氣化爐具有一段容易進(jìn)料、二段無(wú)甲烷和焦油產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)，但是由于所有的飛灰都要在二段爐熔化，氧耗較高，并且很難適用于高灰熔點(diǎn)的煤種等缺點(diǎn)。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有的煤氣化技術(shù)都不同程度的存在著氣化產(chǎn)生的煤氣中粉塵、焦油含量超標(biāo)的問(wèn)題，現(xiàn)階段，煤氣化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要是圍繞降低氣化溫度和能耗、減少煤氣中焦油含量、改善氣體品質(zhì)和提高氣化過(guò)程綜合效率等問(wèn)題，開發(fā)原料適應(yīng)性廣，尤其是適用于劣質(zhì)煤和生物質(zhì)等低能量密度原料且工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好的新型氣化工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決現(xiàn)有煤氣化工藝中產(chǎn)生的煤氣中焦油及含碳粉塵濃度較高，煤氣品質(zhì)較差的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，在相對(duì)較低溫度下運(yùn)行，高效去除粗煤氣中焦油、烴類組份及前段未完全轉(zhuǎn)化的含碳顆粒的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置及方法。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的轉(zhuǎn)化裝置包括:包括轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、返料系統(tǒng)及料封系統(tǒng)；
[0008]所述的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括自下而上設(shè)置的相互連通的固體顆粒分布區(qū)、部分氧化區(qū)和深度處理區(qū)，在固體顆粒分布區(qū)上開設(shè)有與粗煤氣相連通的粗煤氣入口、循環(huán)顆粒返回口和與開工床料注入裝置相連通的用于加入固體顆粒的轉(zhuǎn)化床料注入口，在部分氧化區(qū)上開設(shè)有氣化劑注入口，深 度處理區(qū)上開設(shè)有含顆粒煤氣出口，氧氣和蒸汽分別經(jīng)管道與氣體混合器相連通，氣體混合器的出口經(jīng)管道與氣化劑注入口相連通；
[0009]所述的返料系統(tǒng)包括自上而上設(shè)置的相連通的固體顆粒捕集裝置和直立料腿，其中固體顆粒捕集裝置上設(shè)置有與含顆粒煤氣出口相連通的氣固分流裝置及轉(zhuǎn)化煤氣出口，直立料腿上設(shè)有返料床料注入口、固體顆粒料位測(cè)量裝置和返料系統(tǒng)排渣口，其中返料床料注入口經(jīng)管道與開工床料注入裝置相連通；
[0010]所述的料封系統(tǒng)包括相連通的環(huán)形封口、密封料位控制裝置和返料斜管，其中環(huán)形封口與直立料腿的下端相連通，返料斜管與循環(huán)顆粒返回口相連通。
[0011]所述的深度處理區(qū)上還開設(shè)有與氣體混合器相連通的深度處理區(qū)氧化劑入口。
[0012]所述的直立料腿下端開設(shè)有直立料腿煤氣吹掃口，該直立料腿煤氣吹掃口經(jīng)管道與循環(huán)煤氣相連通。
[0013]所述的環(huán)形封口上開設(shè)有返料煤氣吹送口，該返料煤氣吹送口經(jīng)管道與循環(huán)煤氣相連通。
[0014]所述的部分氧化區(qū)的下端為錐形結(jié)構(gòu)，氧化劑注入口開設(shè)在錐形結(jié)構(gòu)上。
[0015]所述的固體顆粒分布區(qū)內(nèi)固體顆粒質(zhì)量是粗煤氣質(zhì)量的20~25倍。
[0016]本發(fā)明的轉(zhuǎn)化方法，其特征在于:包括如下步驟:
[0017]I)通過(guò)開工床料注入裝置經(jīng)轉(zhuǎn)化床料注入口和返料床料注入口將開工床料分別加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)和返料系統(tǒng)的直立料腿底部；[0018]2)含有焦油組份和含碳顆粒的粗煤氣通過(guò)粗煤氣入口加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)；
[0019]3)粗煤氣與高于其質(zhì)量20~25倍的固體顆粒相混合，從而使其溫度增加到接近部分氧化區(qū)或整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的正常操作溫度；
[0020]4)在固體顆粒分布區(qū)內(nèi)，粗煤氣中的焦油組份與含碳顆粒已及與粗煤氣自身攜帶的蒸汽開始發(fā)生氣化反應(yīng)，從而使這些組份轉(zhuǎn)化為有用的合成氣；
[0021]5)氧氣和蒸汽分別進(jìn)入氣體混合器混合后，通過(guò)氣化劑注入口進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的部分氧化區(qū)，粗煤氣和氣-固混合物的最大溫升小于35°C ；
[0022]6)氧氣和蒸汽與混合在固體中的粗煤氣中的焦油組份和含碳顆粒在部分氧化區(qū)發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)，將焦油組份和含碳顆粒中的碳轉(zhuǎn)化為主要含一氧化碳、二氧化碳、氫氣的合成氣組份；
[0023]7)轉(zhuǎn)化后的煤氣攜帶有部分床料以及經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后的不含碳顆粒，經(jīng)氣體分流裝置進(jìn)入返料系統(tǒng)的固體顆粒捕集裝置，所捕集的固體顆粒進(jìn)入直立料腿，直立料腿中的返回固體顆粒料位由固體顆粒料位測(cè)量裝置進(jìn)行控制，除去顆粒后的轉(zhuǎn)化煤氣進(jìn)入后系統(tǒng)；
[0024]8)直立料腿中的固體顆粒依次通過(guò)料封系統(tǒng)的環(huán)形封口、密封料位控制裝置、返料斜管以及循環(huán)顆粒返回口進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)，從而形成一個(gè)固體顆粒循環(huán)。
[0025]所述的循環(huán)煤氣通過(guò)直立料腿煤氣吹掃口和返料煤氣吹掃口對(duì)固體顆粒進(jìn)行吹掃和松動(dòng)。
`[0026]所述的粗煤氣的溫度為300~1100°C，壓力為0.01~9.0MPa,開工床料的粒度范圍為40~991 μ m。
[0027]所述的氧氣和蒸汽的比例為0.5~3Nm3 (氧氣)/kg (蒸汽)。
[0028]本發(fā)明通過(guò)氣化劑與粗煤氣中的焦油組份及含碳顆粒發(fā)生部分氧化反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為煤氣，具有非常高的固體顆粒循環(huán)倍率，可顯著增大循環(huán)物料的總熱容，可大幅提高裝置內(nèi)介質(zhì)間的傳熱及傳質(zhì)效率，在部分氧化區(qū)內(nèi)，氧氣注入?yún)^(qū)的溫升幅度很小。從而使床內(nèi)溫度局部過(guò)熱的幾率大大降低。因而，該轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的操作溫度可以更接近于煤灰的熔點(diǎn)而不會(huì)結(jié)渣，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的深度轉(zhuǎn)化處理的目的。由于轉(zhuǎn)化系統(tǒng)操作溫度低于煤的灰熔點(diǎn)，操作溫度要比氣流床氣化爐低200~400°C，耗氧量也低于氣流床氣化爐。同時(shí)由于物料充分混合，操作溫度也足夠高，因此可以取得比氣流床氣化爐更高的碳轉(zhuǎn)化率。另外，本發(fā)明還具有操作過(guò)程簡(jiǎn)單、設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用低、轉(zhuǎn)化效率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖中:1、粗煤氣2、粗煤氣入口 3、顆粒分布區(qū)4、轉(zhuǎn)化床料注入口 5、氣化劑注入口
6、氧氣7、蒸汽8、氣體混合器9、部分氧化區(qū)10、深度處理區(qū)11、含顆粒煤氣出口 12、氣固分流裝置13、轉(zhuǎn)化煤氣出口 14、轉(zhuǎn)化煤氣15、固體顆粒捕集裝置16、直立料腿17、返料床料注入口 18、開工床料注入裝置19、固體顆粒料位測(cè)量裝置20、直立料腿煤氣吹掃口 21、循環(huán)煤氣22、返料系統(tǒng)排渣口 23、焦渣24、返料煤氣吹送口 25、環(huán)形封口 26、密封料位測(cè)量裝置27、返料斜管28、循環(huán)顆粒返回口 29、深度處理區(qū)氣化劑入口。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0032]參見圖1，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、返料系統(tǒng)及料封系統(tǒng)；
[0033]所述的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括自下而上設(shè)置的相互連通的固體顆粒分布區(qū)3、部分氧化區(qū)9和深度處理區(qū)10，在固體顆粒分布區(qū)3上開設(shè)有與粗煤氣I相連通的粗煤氣入口 2、循環(huán)顆粒返回口 28和與開工床料注入裝置18相連通的用于加入固體顆粒的轉(zhuǎn)化床料注入口 4，固體顆粒分布區(qū)3內(nèi)固體顆粒質(zhì)量是粗煤氣I質(zhì)量的20~25倍，在部分氧化區(qū)9的下端為錐形結(jié)構(gòu)并開設(shè)有氣化劑注入口 5，深度處理區(qū)10上開設(shè)有含顆粒煤氣出口 11和深度處理區(qū)氧化劑入口 29，氧氣6和蒸汽7分別經(jīng)管道與氣體混合器8相連通，氣體混合器8的出口經(jīng)管道分別與氣化劑注入口 5和深度處理區(qū)氧化劑入口 29相連通；
[0034]所述的返料系統(tǒng)包括自上而上設(shè)置的相連通的固體顆粒捕集裝置15和直立料腿16，其中固體顆粒捕集裝置15上設(shè)置有與含顆粒煤氣出口 11相連通的氣固分流裝置12及轉(zhuǎn)化煤氣出口 13，直立料腿16上設(shè)有返料床料注入口 17、固體顆粒料位測(cè)量裝置19和返料系統(tǒng)排渣口 22，其中返料床料注入口 17經(jīng)管道與開工床料注入裝置18相連通；直立料腿16下端還開設(shè)有直立料腿煤氣吹掃口 20，該直立料腿煤氣吹掃口 20經(jīng)管道與循環(huán)煤氣21相連通；
[0035]所述的料封系統(tǒng)包括相連通的環(huán)形封口 25、密封料位控制裝置26和返料斜管27，其中環(huán)形封口 25與直立料腿16的下端相連通，返料斜管27與循環(huán)顆粒返回口 28相連通，環(huán)形封口 25上開設(shè)有返料煤氣吹送口 24，該返料煤氣吹送口 24經(jīng)管道與循環(huán)煤氣21相連通。
[0036]固體顆粒分布區(qū)3使粗煤氣與來(lái)自`料封系統(tǒng)的循環(huán)固體顆粒迅速混合。
[0037]所述的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的操作溫度為1000~1350°C，反應(yīng)壓力為0.01~9.0MPa0
[0038]所述的氧氣由氣化劑注入口加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的部分氧化區(qū)的錐體部分，從而增加了固體顆粒的內(nèi)部循環(huán)。
[0039]所述的氧氣和蒸汽加入部分氧化區(qū)之后，會(huì)使來(lái)自固體顆粒分布區(qū)的氣-固混合物的溫度增加10~35°C。
[0040]所述的深度處理區(qū)內(nèi)可以注入氧氣和蒸汽，通過(guò)提升轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的溫度而進(jìn)一步提高系統(tǒng)裝置的碳轉(zhuǎn)化率。
[0041]所述的氣固分流裝置中部分固體顆?？膳c氣體分流，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的固體顆粒捕集效率。
[0042]所述的固體顆粒循環(huán)量是粗煤氣流量的20~25倍。
[0043]所述的粗煤氣與循環(huán)固體顆?；旌虾鬁囟炔粫?huì)比轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的正常操作溫度低35。。。
[0044]本發(fā)明的方法如下:
[0045]本發(fā)明的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行處理的粗煤氣I來(lái)源于另一個(gè)氣化爐如Lurgi (魯奇)爐、U-gas氣化爐及其他的任一種固定床及流化床氣化爐。其中魯奇爐是一種煤氣化行業(yè)中應(yīng)用非常成熟的工藝，但它的最突出缺點(diǎn)是煤氣中含有大量的粉塵、焦油及其他不需要的組份。同時(shí)，由于魯奇爐產(chǎn)生的煤氣中水份含量很高(最高可達(dá)35vol%左右),大部分的煤氣水份來(lái)自于氣化爐用于控溫而隨氧氣加入的，少部分來(lái)自于入爐煤所含的水份。這些水份在被冷凝分離后，會(huì)產(chǎn)生三種不利的后果:首先，會(huì)產(chǎn)生大量的焦油與水的混合物，焦油從水中分離之后會(huì)產(chǎn)生大量的含酚廢水，需要投入大量的資金進(jìn)行含酚廢水的處理；其次，煤氣冷卻及焦油分離設(shè)備復(fù)雜，操作難度加大，因?yàn)槔鋮s分離需要循環(huán)水，因此會(huì)耗費(fèi)大量的水資源。此外，由于煤氣中的水份冷凝過(guò)程會(huì)放出大量的熱，從而需要大量的循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷凝，而產(chǎn)生的熱水在實(shí)際工藝中又無(wú)法重復(fù)利用。因此，盡管魯奇爐的表觀熱效率很高，但若將循環(huán)冷卻水及產(chǎn)生的入爐蒸汽考慮進(jìn)去，則魯奇爐的實(shí)際熱效率會(huì)低很多。第三，分離所得的重質(zhì)焦油和粉塵的混合物很難處理，雖然運(yùn)行過(guò)程中可以將產(chǎn)生的混合物循環(huán)返回氣化爐中進(jìn)行處理，但最終產(chǎn)生的煤氣中總含塵量還是遠(yuǎn)高于不進(jìn)行焦油循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的煤氣。因此，上述操作會(huì)增加除塵及冷凝系統(tǒng)的負(fù)荷。
[0046]如果將魯奇爐產(chǎn)生的粗煤氣送入本發(fā)明的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中進(jìn)行處理，原來(lái)用于煤氣出口噴淋、煤氣冷卻、焦油-水冷卻分離及焦油循環(huán)系統(tǒng)都可以省去?？纱蠓档驮O(shè)備的整體投資及占地面積。當(dāng)魯奇爐中產(chǎn)生的粗煤氣直接進(jìn)入本發(fā)明的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)后，煤氣中的焦油組份、含碳顆粒及其他芳香族化合物都將被轉(zhuǎn)化為CO和H2。與此同時(shí)，粗煤氣中的水蒸汽也會(huì)參與有機(jī)物的重整反應(yīng)，由此實(shí)現(xiàn)水蒸汽中氫的合理充分利用。此外，經(jīng)過(guò)深度轉(zhuǎn)化處理的煤氣經(jīng)除塵凈化后，雖然含有少量的粉塵，但不含熔融態(tài)的灰渣，可直接對(duì)其顯熱進(jìn)行回收，產(chǎn)生大量的高品位水蒸汽，所產(chǎn)生的水蒸氣既可用于發(fā)電也可用于轉(zhuǎn)化過(guò)程的蒸汽補(bǔ)充，最重要的是，產(chǎn)生的這些蒸汽7可以直接作為氣化爐的氣化劑。
[0047]本發(fā)明的轉(zhuǎn)化方法如下:
[0048]I)通過(guò)開工床料注入裝置18經(jīng)轉(zhuǎn)化床料注入口 4和返料床料注入口 17將開工床料分別加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)3和返料系統(tǒng)的直立料腿16底部；
[0049]2)含有焦油組份和含碳顆粒的粗煤氣I通過(guò)粗煤氣入口 2加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)3 ；
[0050]3)粗煤氣I與高于其質(zhì)量20~25倍`的固體顆粒相混合，從而使其溫度增加到接近部分氧化區(qū)9或整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的正常操作溫度；
[0051]4)在固體顆粒分布區(qū)3內(nèi)，粗煤氣I中的焦油組份與含碳顆粒已及與粗煤氣I自身攜帶的蒸汽開始發(fā)生氣化反應(yīng)，從而使這些組份轉(zhuǎn)化為有用的合成氣；
[0052]5)氧氣6和蒸汽7分別進(jìn)入氣體混合器8混合后，通過(guò)氣化劑注入口 5進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的部分氧化區(qū)9，粗煤氣和氣-固混合物的最大溫升小于35°C ；
[0053]6)氧氣6和蒸汽7與混合在固體中的粗煤氣I中的焦油組份和含碳顆粒在部分氧化區(qū)9發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)，將焦油組份和含碳顆粒中的碳轉(zhuǎn)化為主要含一氧化碳、二氧化碳、氫氣的合成氣組份；
[0054]7)轉(zhuǎn)化后的煤氣攜帶有部分床料以及經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后的不含碳顆粒，經(jīng)氣體分流裝置12進(jìn)入返料系統(tǒng)的固體顆粒捕集裝置15，所捕集的固體顆粒進(jìn)入直立料腿16，直立料腿16中的返回固體顆粒料位由固體顆粒料位測(cè)量裝置19進(jìn)行控制，除去顆粒后的轉(zhuǎn)化煤氣14進(jìn)入后系統(tǒng)；
[0055]8)直立料腿16中的固體顆粒依次通過(guò)料封系統(tǒng)的環(huán)形封口 25、密封料位控制裝置26、返料斜管27以及循環(huán)顆粒返回口 28進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)3，從而形成一個(gè)固體顆粒循環(huán)。
[0056]所述的循環(huán)煤氣21通過(guò)直立料腿煤氣吹掃口 20和返料煤氣吹掃口 24對(duì)固體顆粒進(jìn)行吹掃和松動(dòng)。
[0057]所述的粗煤氣I的溫度為300~1100°C，壓力為0.01~9.0MPa,開工床料的粒度范圍為40~991 μ m。
[0058]所述的氧氣6和蒸汽7的比例為0.5~3Nm3 (氧氣)/kg (蒸汽)。
[0059]當(dāng)以魯奇爐產(chǎn)生的粗煤氣I作為本發(fā)明轉(zhuǎn)化裝置原料時(shí)，其入口溫度為300~600°C、壓力為3.0~9.0MPa,并且含有焦油組份和含碳顆粒，通過(guò)粗煤氣入口 2進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)后的粗煤氣I在固體顆粒分布區(qū)3與返料斜管27中的高于其質(zhì)量20倍的高溫循環(huán)固體顆粒相混合，此處最佳的固體顆粒循環(huán)量為粗煤氣流量的25倍，從而使其溫度增加到接近部分氧化區(qū)9或整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的正常操作溫度。在固體顆粒分布區(qū)3內(nèi)，粗煤氣I中的焦油組份與含碳顆粒已經(jīng)與粗煤氣I自身攜帶的蒸汽開始發(fā)生氣化反應(yīng)，從而使這些組份轉(zhuǎn)化為有用的合成氣；
[0060]經(jīng)過(guò)氣-固兩相的充分混合，粗煤氣的溫度幾乎瞬間就升高至接近氣化爐的操作溫度。當(dāng)煤氣攜帶的固體顆粒進(jìn)入部分氧化區(qū)9之后，粗煤氣與氧氣將直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)而沒(méi)有爆炸的危險(xiǎn)。這就凸現(xiàn)了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)中的固體顆粒分布區(qū)3的優(yōu)點(diǎn)。如果沒(méi)有固體顆粒分布區(qū)3，煤氣遇氧就會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。這也是返料系統(tǒng)采用料封的原因。實(shí)踐證明，本發(fā)明的料封系統(tǒng)可靠性極高，這有力保證了循環(huán)固體顆粒順利返回固體顆粒分布區(qū)3。一旦固體顆粒循環(huán)停止，固 體顆粒分布區(qū)3的物料仍然會(huì)延續(xù)一段時(shí)間，保證了煤氣的溫度不會(huì)很快降低，從而給自動(dòng)切換系統(tǒng)預(yù)留了足夠多的時(shí)間進(jìn)行氧氣6的切斷，保障了整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
[0061]本發(fā)明也可以用來(lái)處理流化床氣化爐產(chǎn)生的粗煤氣，當(dāng)以高灰分、高灰熔點(diǎn)的煙煤作為流化床氣化爐的原料時(shí)，粗煤氣中的甲烷含量高達(dá)5wt%，粉塵含量可達(dá)煤氣的7wt%，而這些粉塵中的碳含量有時(shí)會(huì)高達(dá)60~70wt%，同時(shí)煤氣中會(huì)含有相當(dāng)數(shù)量的焦油組份(超過(guò)煤氣的lwt%)。這些粉塵會(huì)給粗煤氣的處理帶來(lái)很大的壓力:首先，較高的粉塵含量會(huì)造成煤氣冷卻系統(tǒng)鋼材的腐蝕、結(jié)垢，導(dǎo)致設(shè)備的損壞，致使整個(gè)系統(tǒng)裝置操作不正常，蒸汽達(dá)不到期望的產(chǎn)量及參數(shù)；其次，焦油和粉塵共同粘結(jié)在換熱器的內(nèi)壁面及過(guò)濾器的孔隙內(nèi)。由于焦油和粉塵集結(jié)在過(guò)濾器孔隙內(nèi)，過(guò)濾器壓降增加，會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)允許的壓差，導(dǎo)致過(guò)濾器無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。即使使用文丘里洗滌器，焦油和粉塵也會(huì)在文丘里洗滌器內(nèi)結(jié)垢，導(dǎo)致文丘里洗滌器也無(wú)法正常運(yùn)行。相比之下，本發(fā)明涉及的轉(zhuǎn)化裝置所處理的來(lái)自流化床氣化爐的粗煤氣溫度在800~1100°C左右，壓力為0.01~9.0MPa，粗煤氣一旦在固體顆粒分布區(qū)3內(nèi)與循環(huán)固體顆?？焖倩旌希纬傻臍?固混合物料的溫度就接近于轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的操作溫度，此時(shí)粗煤氣I中的焦油組份便開始與蒸汽7進(jìn)行重整反應(yīng)，生成主要組成為CO和仏的合成氣。
[0062]另外，本發(fā)明也可以用來(lái)處理煤制天然氣領(lǐng)域產(chǎn)生的粗煤氣。作為液化石油氣和常規(guī)天然氣的替代和補(bǔ)充，煤制天然氣技術(shù)現(xiàn)階段在中國(guó)的發(fā)展也方興未艾，其工藝流程主要是先采用煤加壓氣化技術(shù)生產(chǎn)粗合成氣。
[0063]將粒度范圍為40~991 μ m的開工床料通過(guò)開工床料注入裝置18經(jīng)轉(zhuǎn)化床料注入口 4和返料床料注入口 17分別加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分散區(qū)3和返料系統(tǒng)的直立料腿16底部。氧氣6和蒸汽7按0.5~3Nm3 (氧氣)/kg (蒸汽)的比例進(jìn)入氣體混合器8混合，混合后的氣化劑通過(guò)氣化劑注入口 5進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的部分氧化區(qū)9，粗煤氣I和氣-固混合物的最大溫升一般要小于35°C。氧氣6和蒸汽7進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)后，會(huì)與混合在固體中的粗煤氣中的焦油組份和含碳顆粒在部分氧化區(qū)9發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)，將焦油組份和含碳顆粒中的碳轉(zhuǎn)化為主要含一氧化碳、二氧化碳、氫氣的合成氣。
[0064]如圖1所示，氧氣6和蒸汽7注入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的錐體部位，所形成的氣-固混合物再?gòu)墓腆w顆粒分布區(qū)3進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的中心區(qū)。氧氣6和蒸汽7進(jìn)入錐體部位后，主要流動(dòng)方向是斜向下的，從而帶動(dòng)一部分固體顆粒與氣化劑一起進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的中心區(qū)，發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)。轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的操作溫度取決于粉塵的反應(yīng)活性。一般是以碳轉(zhuǎn)化率98%為操作溫度的控制點(diǎn)，但必須低于煤灰的熔融溫度。一般只需在灰熔點(diǎn)以下10~20°C。
[0065]氧氣6和蒸汽7的加入及流化床的自然流動(dòng)狀態(tài)都會(huì)導(dǎo)致固體顆粒在流化床內(nèi)部的循環(huán)。內(nèi)部循環(huán)是通過(guò)中心區(qū)向上流動(dòng)，邊壁區(qū)向下流動(dòng)。向下流動(dòng)的固體顆粒中含有非常少量的碳，這些碳遇到氧氣后，在1000~1350°C的反應(yīng)溫度下，會(huì)很快消耗大部分氧氣。雖然固體顆粒中的碳含量很低，遠(yuǎn)低于1?丨％甚至低于0.5wt%，有時(shí)會(huì)低于0.2wt%，但由于內(nèi)部循環(huán)量非常大，這是本發(fā)明對(duì)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)。固體顆粒分布區(qū)3內(nèi)氣-固混合物流的表觀速度為8~16m/s，這個(gè)速度在剛進(jìn)入部分氧化區(qū)9的錐體部分時(shí)基本不變。由這股物流帶來(lái)的射流效應(yīng)，必然會(huì)導(dǎo)致部分氧化區(qū)9的中心區(qū)域氣-固兩相的床料密度很低，而部分氧化區(qū)9邊壁區(qū)顆粒的床料密度則接近最小流化床密度。在重力與床層內(nèi)顆粒密度差的共同作用下，固體顆粒必然會(huì)進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)。雖然此內(nèi)循環(huán)在流化床反應(yīng)器中都會(huì)出現(xiàn)，但本發(fā)明卻實(shí)現(xiàn)了高倍率內(nèi)循環(huán)。
[0066]為了促進(jìn)固體顆粒的內(nèi)部循環(huán)，此轉(zhuǎn)化裝置的部分氧化區(qū)9和固體顆粒分布區(qū)3的內(nèi)徑尺寸有所差異，部分氧化區(qū) 9的內(nèi)徑是固體顆粒分布區(qū)3內(nèi)徑尺寸的1.3~1.5倍。在部分氧化區(qū)9內(nèi)，氣-固兩相的表觀速度為4~8m/s，床層表觀密度為300~1000kg/m3。此處部分氧化區(qū)9的高床層密度得以保持主要有兩個(gè)原因:一是直立料腿16中的固體顆粒料位一定要高于部分氧化區(qū)9 ;二是外部固體循環(huán)速率要足夠大，以及時(shí)的補(bǔ)充部分氧化區(qū)9中帶出的顆粒量。
[0067]在部分氧化區(qū)9的上部，床層的密度開始下降。此區(qū)域?qū)儆谏疃忍幚韰^(qū)10。任何未完全反應(yīng)及相對(duì)較小的顆粒都會(huì)出現(xiàn)在此區(qū)域。在正常運(yùn)行中，一旦發(fā)現(xiàn)粉塵含碳量仍然高于期望值，則部分氧化區(qū)9內(nèi)的氧氣6和蒸汽7也可以加入到這個(gè)區(qū)域內(nèi)。由于含碳粉塵的顆粒粒徑非常小，一般都小于ΙΟμπι。即使這些顆粒的溫度高于灰熔點(diǎn)，他們也會(huì)吸附在其他的惰性顆粒表面，從而產(chǎn)生團(tuán)聚的顆粒，卻不會(huì)結(jié)渣。團(tuán)聚形成的大顆?？梢詮拇矊又信懦觯陨疃忍幚韰^(qū)10可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的碳轉(zhuǎn)化率。
[0068]轉(zhuǎn)化后的煤氣攜帶有部分顆粒以及經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后的幾乎不含碳顆粒，通過(guò)含顆粒煤氣出口 11，由內(nèi)含耐高溫襯里的管道輸送進(jìn)入氣固分流裝置12。氣固分流裝置12的作用是通過(guò)其內(nèi)部特殊的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改變氣-固兩相混合流體的流向和流場(chǎng)，從而達(dá)到提高顆粒分離效率的目的。具體而言，將轉(zhuǎn)化系統(tǒng)到固體顆粒捕集裝置的連接管線的內(nèi)部設(shè)計(jì)成長(zhǎng)方體，長(zhǎng)邊位于垂直方向，并且讓整個(gè)長(zhǎng)方體的底面向下傾斜，上表面水平。整個(gè)管線的垂直方向不斷增長(zhǎng)。為了保持管線內(nèi)流體的流速不致于過(guò)低，長(zhǎng)方體橫向的距離可以適當(dāng)減小。其它分流方法也可以實(shí)施。[0069]氣-固兩相混合流體經(jīng)氣固分流裝置12進(jìn)入返料系統(tǒng)的固體顆粒捕集裝置15，所捕集的固體顆粒進(jìn)入直立料腿16，直立料腿16中的返回固體顆粒料位由固體顆粒料位測(cè)量裝置19進(jìn)行測(cè)量，除去顆粒后的轉(zhuǎn)化煤氣14通過(guò)轉(zhuǎn)化煤氣出口 13進(jìn)入后系統(tǒng)，干煤氣中甲烷含量不高于0.5%，且不含焦油組份。直立料腿16的料位高度是由整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的物料量來(lái)決定的，最理想的料位高度是保證部分氧化區(qū)9在密相區(qū)。在給定料位的前提下，固體循環(huán)速率是由固體顆粒分布區(qū)3內(nèi)流體速度及直立料腿16內(nèi)吹掃氣的流量來(lái)決定的，并以此為依據(jù)通過(guò)調(diào)整直立料腿煤氣吹掃口 20和設(shè)置在環(huán)形封口 25上的返料煤氣吹掃口24中的循環(huán)煤氣21對(duì)固體顆粒進(jìn)行吹掃和松動(dòng)，從而達(dá)到控制直立料腿16中固體顆粒料位的目的。
[0070]直立料腿16中的固體顆粒依次通過(guò)料封系統(tǒng)中環(huán)形封口 25、密封料位控制裝置26、返料斜管27以及循環(huán)顆粒返回口 28進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)3，從而形成一個(gè)固體顆粒循環(huán)。部分反應(yīng)所生成的焦渣23可由返料系統(tǒng)排渣口 22排出。
[0071]為了確保固體顆粒在轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、返料系統(tǒng)及料封系統(tǒng)中順利循環(huán)，循環(huán)煤氣21作為流化氣及松動(dòng)氣，通過(guò)直立料腿煤氣吹掃口 20和設(shè)置在環(huán)形封口 25上的返料煤氣吹掃口 24對(duì)固體顆粒進(jìn)行吹掃和松動(dòng)。用以消除固體顆粒間以及顆粒與設(shè)備內(nèi)壁面間的靜摩擦作用，確保下降顆粒能充分流化及流動(dòng)，順利返回轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。同時(shí)也可以保持返料系統(tǒng)直立料腿16內(nèi)有一定的固體料位，以產(chǎn)生一`定的靜壓，有效防止氣體倒流現(xiàn)象的發(fā)生。
【權(quán)利要求】
1.一種粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于:包括轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、返料系統(tǒng)及料封系統(tǒng)； 所述的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)包括自下而上設(shè)置的相互連通的固體顆粒分布區(qū)(3)、部分氧化區(qū)(9)和深度處理區(qū)(10)，在固體顆粒分布區(qū)(3)上開設(shè)有與粗煤氣(I)相連通的粗煤氣入口(2)、循環(huán)顆粒返回口(28)和與開工床料注入裝置(18)相連通的用于加入固體顆粒的轉(zhuǎn)化床料注入口(4)，在部分氧化區(qū)(9)上開設(shè)有氣化劑注入口(5)，深度處理區(qū)(10)上開設(shè)有含顆粒煤氣出口(11)，氧氣(6)和蒸汽(7)分別經(jīng)管道與氣體混合器(8)相連通，氣體混合器(8)的出口經(jīng)管道與氣化劑注入口(5)相連通； 所述的返料系統(tǒng)包括自上而上設(shè)置的相連通的固體顆粒捕集裝置(15)和直立料腿(16)，其中固體顆粒捕集裝置15上設(shè)置有與含顆粒煤氣出口(11)相連通的氣固分流裝置(12)及轉(zhuǎn)化煤氣出口( 13 )，直立料腿(16)上設(shè)有返料床料注入口( 17 )、固體顆粒料位測(cè)量裝置(19)和返料系統(tǒng)排渣口(22)，其中返料床料注入口( 17)經(jīng)管道與開工床料注入裝置(18)相連通； 所述的料封系統(tǒng)包括相連通的環(huán)形封口(25)、密封料位控制裝置(26)和返料斜管(27)，其中環(huán)形封口(25)與直立料腿(16)的下端相連通，返料斜管(27)與循環(huán)顆粒返回口(28)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于:所述的深度處理區(qū)(10)上還開設(shè)有與氣體混合器(8)相連通的深度處理區(qū)氧化劑入口(29)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于:所述的直立料腿(16)下端開設(shè)有直立料腿煤氣吹掃口(20)，該直立料腿煤氣吹掃口(20)經(jīng)管道與循環(huán)煤氣(21)相連通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于:所述的環(huán)形封口(25)上開設(shè)有返料煤氣吹送口(24)，該返料煤氣吹送口(24)經(jīng)管道與循環(huán)煤氣(21)相連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述的部分氧化區(qū)(9)的下端為錐形結(jié)構(gòu)，氧化劑注入口開設(shè)在錐形結(jié)構(gòu)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述的固體顆粒分布區(qū)(3)內(nèi)固體顆粒質(zhì)量是粗煤氣(I)質(zhì)量的20~25倍。
7.—種如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)化裝置的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化方法，其特征在于:包括如下步驟: . 1)通過(guò)開工床料注入裝置(18)經(jīng)轉(zhuǎn)化床料注入口(4)和返料床料注入口(17)將開工床料分別加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)(3)和返料系統(tǒng)的直立料腿(16)底部； .2)含有焦油組份和含碳顆粒的粗煤氣(1)通過(guò)粗煤氣入口(2)加入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)(3)； .3)粗煤氣(I)與高于其質(zhì)量20~25倍的固體顆粒相混合，從而使其溫度增加到接近部分氧化區(qū)(9)或整個(gè)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的正常操作溫度； .4)在固體顆粒分布區(qū)(3)內(nèi)，粗煤氣(1)中的焦油組份與含碳顆粒已及與粗煤氣(I)自身攜帶的蒸汽開始發(fā)生氣化反 應(yīng)，從而使這些組份轉(zhuǎn)化為有用的合成氣； . 5 )氧氣(6 )和蒸汽(7 )分別進(jìn)入氣體混合器(8 )混合后，通過(guò)氣化劑注入口( 5 )進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的部分氧化區(qū)(9)，粗煤氣和氣-固混合物的最大溫升小于35°C ； 6)氧氣(6)和蒸汽(7)與混合在固體中的粗煤氣(I)中的焦油組份和含碳顆粒在部分氧化區(qū)(9)發(fā)生部分氧化還原反應(yīng)，將焦油組份和含碳顆粒中的碳轉(zhuǎn)化為主要含一氧化碳、二氧化碳、氫氣的合成氣組份； 7)轉(zhuǎn)化后的煤氣攜帶有部分床料以及經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后的不含碳顆粒，經(jīng)氣體分流裝置(12)進(jìn)入返料系統(tǒng)的固體顆粒捕集裝置(15)，所捕集的固體顆粒進(jìn)入直立料腿(16)，直立料腿(16)中的返回固體顆粒料位由固體顆粒料位測(cè)量裝置(19)進(jìn)行控制，除去顆粒后的轉(zhuǎn)化煤氣(14)進(jìn)入后系統(tǒng)； 8)直立料腿(16)中的固體顆粒依次通過(guò)料封系統(tǒng)的環(huán)形封口(25)、密封料位控制裝置(26)、返料斜管(27)以及循環(huán)顆粒返回口(28)進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的固體顆粒分布區(qū)(3)，從而形成一個(gè)固體顆粒循環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化方法，其特征在于:所述的循環(huán)煤氣(21)通過(guò)直立料腿煤氣吹掃口(20)和返料煤氣吹掃口(24)對(duì)固體顆粒進(jìn)行吹掃和松動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化方法，其特征在于，所述的粗煤氣(I)的溫度為300~1100°C，壓力為0.01~9.0MPa,開工床料的粒度范圍為40 ~991 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的粗煤氣中焦油組份及含碳顆粒的轉(zhuǎn)化方法，其特征在于，所述的氧氣(6)和蒸汽(7)的比`例為0.5~3Nm3 (氧氣)/kg (蒸汽)。
【文檔編號(hào)】C10J3/46GK103820170SQ201410060633
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月21日
【發(fā)明者】劉國(guó)海, 李大鵬, 王寧波, 王明峰, 姚曉虹, 楊會(huì)民, 任健 申請(qǐng)人:陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心