CN105861069B - 固体燃料双流化床部分气化分级转化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体燃料制取合成气技术，旨在提供一种固体燃料双流化床部分气化分级转化装置及方法。该装置由常压或加压流化床气化炉和流化床燃烧炉组成，加压运行时压力为0.1‑5MPa。该方法是以氧气、水蒸气或二氧化碳作为气化剂，先将固体燃料在流化床气化炉中进行气化，产生合成气，再将气化产生的半焦送至流化床燃烧炉中进行燃烧。本发明采用双流化床同时产生合成气与高温烟气，实现了固体燃料的分级转化；具有更强的燃料适应性，污染物排放低，操作简单，处理量大，易于实现规模生产。产生的合成气中焦油含量少，热值较高。与完全气化技术相比，不强调过高的碳转化率，所需氧耗显著降低，同时可以降低反应，减少了设备造价，在经济性上具有更大优势。

Description

固体燃料双流化床部分气化分级转化装置及方法

技术领域

本发明涉及固体燃料制取合成气技术，特别涉及一种固体燃料双流化床部分气化分级转化装置及方法。

背景技术

我国的能源结构为富煤、少油、缺气。我国煤炭资源丰富，产量巨大，煤炭占我国能源消费总量的70％；但是，煤炭的直接燃烧导致严重的环境污染，对国家经济可持续发展及人民生活都造成了较大的影响。另外，作为清洁可再生能源之一的生物质资源，在我国的储量也十分丰富。因此，利用较为清洁的煤气化技术，将相对比较丰富的煤、生物质等固体燃料用于发电及合成气生产，可以减少环境的污染，同时缓解了我国天然气进口的压力，因此具有重要的现实意义。

然而，现有的气化技术基本都采用完全气化方式，需要在高温高压的条件下达到极高的碳转化率，苛刻的反应条件极大的提高了反应装备的制造成本及维护成本。同时，完全气化技术的耗氧量大，需要配备大规模的空气分离单元，建造成本大大增加。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种固体燃料双流化床部分气化分级转化装置及方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种固体燃料双流化床部分气化分级转化装置，包括流化床燃烧炉和流化床气化炉；

所述流化床气化炉的底部设气化剂入口，中下部设固体燃料给料口，中部设溢流口，顶部设合成气出口；所述流化床燃烧炉的底部设空气入口，中下部设半焦物料入口，顶部设烟气出口；所述溢流口通过管路经第四返料器接至半焦物料入口；

在与合成气出口相接的合成气排放管路上，设有第一旋风分离器；第一旋风分离器的底部通过第一返料器接至半焦物料入口，或接至设于流化床气化炉中下部的循环物料入口；

在与烟气出口相接的管路上设有第二旋风分离器；第二旋风分离器的底部通过第二返料器接至半焦物料入口。

本发明中，还包括设于第一旋风分离器顶部出口合成气排放管路上的第三旋风分离器；第三旋风分离器的顶部接合成气排放管路，其底部接至第一返料器出口的管路，或通过第三返料器接至半焦物料入口。

本发明中，所述流化床气化炉的内部由下至上分为风室、密相区和稀相区；其中，气化剂入口与风室相连，固体燃料给料口位于密相区中部，溢流口位于密相区顶部，合成气出口位于稀相区顶部；所述流化床燃烧炉的内部由下至上分为风室、密相区和稀相区；其中，空气入口与风室连接，半焦物料入口位于密相区中部，烟气出口位于稀相区顶部。

本发明进一步提供了基于前述装置的固体燃料双流化床部分气化分级转化方法，包括：

(1)将煤粉和/或生物质干粉通过固体燃料给料口添加至流化床气化炉，在密相区与来自底部的气化剂混合并发生气化反应，产生合成气；

控制固体燃料和气化剂的质量比例，使固体燃料发生部分气化；气化剂是水蒸汽-氧气混合物或二氧化碳-氧气混合物；流化床气化炉为常压或加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa，运行温度为900-1000℃；气化剂中，水蒸汽与固体燃料的质量比例为0.1-0.5，氧气与固体燃料的质量比例为0.3-1，二氧化碳与固体燃料的质量比例为0.2-0.8；

(2)流化床气化炉排放的合成气经一级或两级旋风分离器除尘，然后送至排放管路；分离所得粉尘由返料器送至流化床燃烧炉的半焦物料入口，或送回流化床气化炉的密相区重新进行反应；

(3)气化反应所得半焦物料从流化床气化炉密相区顶部的溢流口排出，并由返料器送至流化床燃烧炉的半焦物料入口；在流化床燃烧炉内的密相区，半焦物料与来自底部的空气发生燃烧反应，生成温度为900-950℃的高温烟气；

控制底部空气与半焦物料入口的物料的质量比例为1-1.2，使半焦物料发生完全燃烧；流化床燃烧炉为常压或加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa；运行温度为900-950℃；

(4)流化床燃烧炉排放的烟气由旋风分离器进行除尘后再送至排放管路，分离所得粉尘由返料器送回至流化床燃烧炉的半焦物料入口，重新进行燃烧反应。

本发明中，所述生物质干粉是指农作物秸秆的干粉，其粒度为10mm以下；所述煤粉的粒度为8mm以下。

发明原理描述：

本发明结合煤、生物质等固体燃料的化学结构特点，首先将其中活性较好易于气化的部分转化为合成气，然后将所产生的不易气化的半焦作为原料进行燃烧，生产高温烟气以用于后续工艺中生产高温蒸汽用于发电，从而实现煤和生物质等固体燃料的部分气化分级转化。较于目前的完全气化或直接燃烧相比，固体燃料部分气化技术具有耗氧量低、设备造价低等优点。采用该方法获得的合成气不仅可用于燃气轮机发电，也可作为化工合成生产的原料。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1、采用流化床气化炉和流化床燃烧炉相结合的双流化床操作方法，同时产生合成气与高温烟气，实现了固体燃料的分级转化。

2、采用流化床气化炉及燃烧炉作为反应器，具有更强的燃料适应性，污染物排放低，操作简单，处理量大，易于实现规模生产。

3、采用流化床气化炉进行固体燃料与氧气/水蒸汽或水蒸汽/二氧化碳的气化反应，产生的合成气中焦油含量少，热值较高，可用做工业或民用燃料；半焦物料在流化床燃烧炉中进行燃烧，形成高温烟气，可用于生产高温高压蒸气以实现发电。

4、采用流化床部分气化技术处理固体燃料，与完全气化技术相比，不强调过高的碳转化率，所需氧耗显著降低，同时可以降低反应，减少了设备造价，在经济性上具有更大优势。

附图说明

图1为本发明所述装置的第一种实现方案的示意图。

图2为本发明所述装置的另一种实现方案的示意图(在图1装置中增加了一个返料器)。

图中：固体燃料给料口1，气化剂入口2，流化床气化炉3，第一返料器4，第一旋风分离器5，第三旋风分离器6，合成气排放管路7，第二旋风分离器8，第二返料器9，流化床燃烧炉10，空气入口11，烟气排放管路12，溢流口13，第三返料器14，半焦物料入口15，循环物料入口16，第四返料器17。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实现方式进行描述。

本发明所述固体燃料双流化床部分气化分级转化装置，包括流化床燃烧炉10和流化床气化炉3。流化床气化炉3的底部设气化剂入口2，中下部设固体燃料给料口1，中部设溢流口13，顶部设合成气出口。流化床燃烧炉10的底部设空气入口11，中下部设半焦物料入口15，顶部设烟气出口；所述溢流口13通过管路经第四返料器14接至半焦物料入口15。

在与合成气出口相接的合成气排放管路上，设有第一旋风分离器5；第一旋风分离器5的底部通过第一返料器4接至半焦物料入口15(如图1中所示)，或接至设于流化床气化炉3中下部的循环物料入口16(如图2中所示)；

在与烟气出口相接的管路上设有第二旋风分离器8；第二旋风分离器8的底部通过第二返料器9接至半焦物料入口15，顶部接烟气排放管路12。

为了进一步分离粉尘，还在可以在第一旋风分离器5顶部出口合成气排放管路上设置第三旋风分离器6。第三旋风分离器6的顶部接合成气排放管路7，其底部接至第一返料器4出口的管路，将收集的粉尘送至半焦物料入口15(如图1中所示)，或送至循环物料入口16。在第一返料器4连接至循环物料入口16的情况下，也可以在第三旋风分离器6的底部单独设置第四返料器17，直接将粉尘送至半焦物料入口15(如图2中所示)。

流化床气化炉3的内部由下至上分为风室、密相区和稀相区；其中，气化剂入口2与风室相连，固体燃料给料口1位于密相区中部，溢流口13位于密相区顶部，合成气出口位于稀相区顶部。流化床燃烧炉10的内部由下至上也分为风室、密相区和稀相区；其中，空气入口11与风室连接，半焦物料入口15位于密相区中部，烟气出口位于稀相区顶部。

利用上述装置实现固体燃料双流化床部分气化分级转化的方法，具体包括：

(1)将煤粉和/或生物质干粉通过固体燃料给料口1添加至流化床气化炉3，在密相区与来自底部的气化剂混合并发生气化反应，产生合成气；

控制固体燃料和气化剂的质量比例，使固体燃料发生部分气化；气化剂是水蒸汽-氧气混合物或二氧化碳-氧气混合物；流化床气化炉为常压或加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa，运行温度为900-1000℃；气化剂中，水蒸汽与固体燃料的质量比例为0.1-0.5，氧气与固体燃料的质量比例为0.3-1，二氧化碳与固体燃料的质量比例为0.2-0.8；

(2)流化床气化炉3排放的合成气经一级或两级旋风分离器5、6除尘，然后送至排放管路；分离所得粉尘由第一返料器4或第四返料器17送至流化床燃烧炉的半焦物料入口，或送回流化床气化炉3的密相区重新进行反应；

(3)气化反应所得半焦物料从流化床气化炉3密相区顶部的溢流口排出，并由返料器14送至流化床燃烧炉的半焦物料入口；在流化床燃烧炉内的密相区，半焦物料与来自底部的空气发生燃烧反应，生成温度为900-950℃的高温烟气；

控制底部空气与半焦物料入口的物料的质量比例为1-1.2，使半焦物料发生完全燃烧；流化床燃烧炉10为常压或加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa；运行温度为900-950℃；

(4)流化床燃烧炉10排放的烟气由旋风分离器8进行除尘后再送至排放管路，分离所得粉尘由返料器9送回至流化床燃烧炉10的半焦物料入口15，重新进行燃烧反应。

本发明中，作为固体燃料的可以是生物质干粉或煤粉。生物质干粉是指农作物秸秆的干粉，其粒度为10mm以下；煤粉的粒度为8mm以下。

具体应用实例：

将煤粉通过固体燃料给料口1加至流化床气化炉3的密相区，给煤量为4320t/d，与来自底部的水蒸气/氧气混合，氧煤比为0.46，蒸汽煤比为0.15。为了控制气化产生的焦油量，流化床气化炉3温度控制在980℃左右。流化床气化炉为常压或加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa。在流化床气化炉3中，煤粉与水蒸气、氧气发生气化反应，生成合成气。合成气流量为286955.26m³/h，经过两级旋风分离器离开流化床气化炉。合成气可用于发电、民用煤气等用途，而经两级旋风分离器分离下来的半焦及飞灰则经过第一返料器4输送至流化床燃烧炉10进行燃烧。流化床燃烧炉10的主要进料是来自于流化床气化炉3的半焦物料。流化床气化炉3中，固体燃料部分气化产生的半焦物料从密相区顶部的溢流口13溢出，并经第三返料器14直接输送至流化床燃烧炉10，半焦物料进料量为17804.9kg/h。在流化床燃烧炉10中，半焦物料与空气进行燃烧产生高温烟气，空气流量为17804.9-21365.9kg/h，燃烧产生的高温烟气携带着高温物料进入第二旋风分离器8，分离得到的高温物料经第二返料器9送回至流化床燃烧炉10。流化床燃烧炉10的运行温度为900-950℃，为常压或者加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa。

Claims (3)

1.一种固体燃料双流化床部分气化分级转化装置，包括设有排渣口的流化床燃烧炉，其特征在于，还包括流化床气化炉；

所述流化床气化炉的底部设气化剂入口，中下部设固体燃料给料口，中部设溢流口，顶部设合成气出口；所述流化床燃烧炉的底部设空气入口，中下部设半焦物料入口，顶部设烟气出口；所述溢流口通过管路经第四返料器接至半焦物料入口；

在与合成气出口相接的合成气排放管路上，设有第一旋风分离器；第一旋风分离器的底部通过第一返料器接至半焦物料入口，或接至设于流化床气化炉中下部的循环物料入口；

在与烟气出口相接的管路上设有第二旋风分离器；第二旋风分离器的底部通过第二返料器接至半焦物料入口；

所述流化床气化炉的内部由下至上分为风室、密相区和稀相区；其中，气化剂入口与风室相连，固体燃料给料口位于密相区中部，溢流口位于密相区顶部，合成气出口位于稀相区顶部；所述流化床燃烧炉的内部由下至上分为风室、密相区和稀相区；其中，空气入口与风室连接，半焦物料入口位于密相区中部，烟气出口位于稀相区顶部；

第一旋风分离器顶部出口合成气排放管路上设有第三旋风分离器；第三旋风分离器的顶部接合成气排放管路，其底部接至第一返料器出口的管路，或通过第三返料器接至半焦物料入口。

2.基于权利要求1所述装置的固体燃料双流化床部分气化分级转化方法，其特征在于，包括：

(1)将煤粉或生物质干粉通过固体燃料给料口添加至流化床气化炉，在密相区与来自底部的气化剂混合并发生气化反应，产生合成气；

控制固体燃料和气化剂的质量比例，使固体燃料发生部分气化；气化剂是水蒸汽-氧气混合物或二氧化碳-氧气混合物；流化床气化炉为常压或加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa，运行温度为900-1000℃；气化剂中，水蒸汽与固体燃料的质量比例为0.1-0.5，氧气与固体燃料的质量比例为0.3-1，二氧化碳与固体燃料的质量比例为0.2-0.8；

(2)流化床气化炉排放的合成气经一级或两级旋风分离器除尘，然后送至排放管路；分离所得粉尘由返料器送至流化床燃烧炉的半焦物料入口，或送回流化床气化炉的密相区重新进行反应；

(3)气化反应所得半焦物料从流化床气化炉密相区顶部的溢流口排出，并由返料器送至流化床燃烧炉的半焦物料入口；在流化床燃烧炉内的密相区，半焦物料与来自底部的空气发生燃烧反应，生成温度为900-950℃的高温烟气；

控制底部空气与半焦物料入口的物料的质量比例为1-1.2，使半焦物料发生完全燃烧；流化床燃烧炉为常压或加压运行，加压运行时压力为0.1-5MPa；运行温度为900-950℃；

(4)流化床燃烧炉排放的烟气由旋风分离器进行除尘后再送至排放管路，分离所得粉尘由返料器送回至流化床燃烧炉的半焦物料入口，重新进行燃烧反应。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生物质干粉是指农作物秸秆的干粉，其粒度为10mm以下；所述煤粉的粒度为8mm以下。