CN106987281A - 粉煤热解气化一体化反应器和处理粉煤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了粉煤热解气化一体化反应器和处理粉煤的方法。粉煤热解气化一体化反应器包括：热解炉体，其内限定有热解腔室，热解腔室内设置有多个辐射管，热解炉体的顶端具有粉煤入口、热解炉体的底端具有半焦出口，热解炉体上具有合成气出口，热解炉体的侧壁具有连通辐射管的燃料入口和烟气出口；气化炉体，其内限定有气化腔室，气化炉体上具有气化剂入口，气化炉体的顶端具有半焦入口，气化炉体的底端具有灰渣出口，气化炉体位于热解炉体的下方，且半焦入口与半焦出口相连。采用该粉煤热解气化一体化反应器可以将粉煤热解得到的半焦直接转化为合成气，并充分利用合成气的显热，同时解决半焦难以利用的问题。
Description
技术领域
本发明涉及能源化工领域，具体而言，本发明涉及粉煤热解气化一体化反应器和处理粉煤的方法。
背景技术
煤炭是世界上探明储量最为丰富的常规资源之一，我国作为世界上最大的煤炭生产和消费国，能源结构特点是富煤、贫油、少气。在我国煤炭资源结构中，挥发份较高的低阶煤又占有较大的比例，其中褐煤探明保有储量约为1300亿吨，占全国探明保有资源量的12.69％左右，长焰煤、不黏煤和弱黏煤等低阶变质烟煤，约占煤炭储量的42.46％。低阶煤是煤化作用初期的产物，因具有水分高、低灰、低硫、低发热量、挥发分高、密度小、粘结性差和活性强等特点，使得其综合利用受到很大程度地限制。现有低阶煤的主要利用方式有：直接燃烧发电、热解提质、直接液化、气化以及制取化学品等。其中，直接燃烧发电是其最为常见的利用方式之一，据不完全统计，我国约有90％的低阶煤直接用于电站锅炉和各种工业锅炉。而褐煤作为动力燃料直接燃烧效率低，温室气体排放量高，污染严重，且浪费了煤炭中蕴含的丰富油气资源。
同时随着现代化采煤综合技术的广泛使用，使得块煤产率下降，粉煤产率升高(达60％以上)。因粉煤易扬尘，堆积时易燃易爆，综合利用难度大，致使其销路不佳而大量积压。煤的热解是低阶煤洁净高效利用的重要途径之一，是煤在隔绝空气或惰性气氛条件下持续加热至较高温度时，发生的一系列物理变化和化学反应，包括煤中有机质的裂解，裂解产物中轻质组分的挥发，裂解残留物的缩聚，挥发分产物在逸出过程中的分解、化合，缩聚产物的进一步分解，再缩聚等过程。在煤气化、液化、焦化和燃烧过程中都要经过或发生热解过程。
然而，现有的处理粉煤的手段仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出粉煤热解气化一体化反应器和处理粉煤的方法。采用该粉煤热解气化一体化反应器可以将粉煤热解得到的半焦直接转化为合成气，并充分利用合成气的显热，同时解决半焦难以利用的问题。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种粉煤热解气化一体化反应器。根据本发明的实施例，该煤热解气化一体化反应器包括：热解炉体，所述热解炉体内限定有热解腔室，所述热解腔室内设置有多个辐射管，所述热解炉体的顶端具有粉煤入口、所述热解炉体的底端具有半焦出口，所述热解炉体上具有合成气出口，所述热解炉体的侧壁具有连通所述辐射管的燃料入口和烟气出口；气化炉体，所述气化炉体内限定有气化腔室，所述气化炉体上具有气化剂入口，所述气化炉体的顶端具有半焦入口，所述气化炉体的底端具有灰渣出口，所述气化炉体位于所述热解炉体的下方，且所述半焦入口与所述半焦出口相连。
根据本发明实施例的粉煤热解气化一体化反应器通过将待热解粉煤供给至热解炉体的热解腔室内进行热解，得到半焦，使半焦在重力作用下落入气化炉体的气化腔室内，并在气化剂的作用下发生气化反应，得到合成气；进而合成气可以直接返回热解腔室中，利用合成气的显热为粉煤的热解提供热量，之后由热解炉体上的合成气出口排出，收集储存。由此，采用该粉煤热解气化一体化反应器通过将粉煤热解得到的半焦直接转化为合成气，并充分利用合成气的显热进行粉煤热解，从而显著提高了热利用率，并得到合成气产品，解决半焦难以利用的问题。
另外，根据本发明上述实施例的粉煤热解气化一体化反应器还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述热解炉体的宽度为2～6m，所述热解炉体的高度为9～60m；所述气化炉体的宽度为2～6m，所述气化炉体的高度为20～55m。
在本发明的一些实施例中，所述热解炉体与所述气化炉体的纵向中心轴重合。
在本发明的一些实施例中，所述多个辐射管在所述热解腔室内的纵向方向上呈多层布置，且相邻两层之间层间距为230～770mm，每层内相邻两个辐射管的间距为220～730mm。
在本发明的一些实施例中，所述气化剂入口设置在气化炉体的下部，所述合成气出口设置在所述热解炉体的上部。
在本发明的一些实施例中，所述粉煤热解气化一体化反应器进一步包括：进料漏斗；以及进料螺旋，所述进料螺旋分别与所述进料漏斗和所述粉煤入口相连。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种采用上述实施例的粉煤热解气化一体化反应器处理粉煤的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将粉煤输送至热解炉体内，并在热解腔室内进行热解，以便得到半焦；使所述半焦在重力作用下落入气化炉体，并在气化腔室内气化剂的作用下发生气化反应，以便得到合成气；使所述合成气由所述气化腔室进入所述热解腔室为所述热解提供热量后排出。
由此，根据本发明实施例的处理粉煤的方法通过将待热解粉煤供给至热解炉体的热解腔室内进行热解，得到半焦，使半焦在重力作用下落入气化炉体的气化腔室内，并在气化剂的作用下发生气化反应，得到合成气；进而合成气可以直接返回热解腔室中，利用合成气的显热为粉煤的热解提供热量，之后由热解炉体上的合成气出口排出，收集储存。由此，该方法通过将粉煤热解得到的半焦直接转化为合成气，并充分利用合成气的显热进行粉煤热解，从而显著提高了热利用率，并得到合成气产品，解决半焦难以利用的问题。
另外，根据本发明上述实施例的处理粉煤的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述粉煤的平均粒径不大于10mm。由此，可以进一步提高热解的效率。
在本发明的一些实施例中，所述热解的温度为550～900℃，。由此，可以进一步提高热解的效率。
在本发明的一些实施例中，所述合成气的温度为500～900℃。由此，可以利用所述合成气的显热充分为热解提供热量，从而进一步降低工艺的能耗。
在本发明的一些实施例中，所述气化反应的温度为1100～1400℃。由此，可以进一步提高气化反应的效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的粉煤热解气化一体化反应器结构示意图；
图2是根据本发明再一个实施例的粉煤热解气化一体化反应器结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的处理粉煤的方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连通”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种粉煤热解气化一体化反应器。根据本发明的实施例，参考图1～2，该煤热解气化一体化反应器包括：热解炉体100和气化炉体200。其中，热解炉体100内限定有热解腔室110，热解腔室110内设置有多个辐射管120，热解炉体100的顶端具有粉煤入口101、热解炉体200的底端具有半焦出口102，热解炉体100上具有合成气出口103，热解炉体100的侧壁具有连通辐射管120的燃料入口104和烟气出口105；气化炉体200内限定有气化腔室210，气化炉体200上具有气化剂入口201，气化炉体200的顶端具有半焦入口202，气化炉体200的底端具有灰渣出口203，气化炉体200位于热解炉体100的下方，且半焦入口202与半焦出口102相连。
下面参考图1～2对根据本发明实施例的粉煤热解气化一体化反应器进行详细描述：
根据本发明的实施例，热解炉体100内限定有热解腔室110，热解腔室110内设置有多个辐射管120，热解炉体100的顶端具有粉煤入口101、热解炉体200的底端具有半焦出口102，热解炉体100上具有合成气出口103，热解炉体100的侧壁具有连通辐射管120的燃料入口104和烟气出口105，热解炉体100适于将待热解粉煤在热解腔室110中进行热解，以便得到半焦。
根据本发明的实施例，热解炉体的宽度可以为2～6m，高度可以为9～60m。
根据本发明的实施例，热解既可以通过后续半焦气化得到的高温合成气提供热量，也可以通过辐射管120提供热量。根据本发明的具体实施例，多个辐射管120可以在热解腔室110内的纵向方向上呈多层布置，且相邻两层之间层间距可以为230～770mm，每层内相邻两个辐射管的间距可以为220～730mm。由此，可以进一步提高热解腔室110内热量分布的均匀度。
根据本发明的实施例，粉煤的粒径并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，粉煤的平均粒径可以为不大于10mm，由此，可以进一步提高热解效率。
根据本发明的实施例，热解的温度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，热解的温度可以为550～900℃，，由此，可以进一步提高热解效率。
根据本发明的一个具体实施例，上述辐射管可以为DN200～390规格的圆形管，由此，可以进一步提高热解腔室内热量分布的均匀度。
根据本发明的实施例，气化炉体200内限定有气化腔室210，气化炉体200上具有气化剂入口201，气化炉体200的顶端具有半焦入口202，气化炉体200的底端具有灰渣出口203，气化炉体200位于热解炉体100的下方，且半焦入口202与半焦出口102相连，气化炉体200适于将半焦在气化腔室210内进行气化反应，以便得到合成气。具体地，热解腔室110内粉煤热解得到的半焦可以在重力作用下落入气化炉体200的气化腔室210内，而半焦气化得到的高温合成气可以直接返回热解腔室110内，并利用其显热为粉煤热解提供热量，从而可以显著降低辐射管的能耗，并减少污染气体的排放，后续合成气可以从热解炉体100上的合成气出口103排出，并进行收集储存。
根据本发明的实施例，气化炉体200的宽度可以为2～6m，气化炉体200的高度可以为20～55m。
根据本发明的具体实施例，热解炉体100与气化炉体200的纵向中心轴重合。
根据本发明的一个具体实施例，半焦入口202可以位于半焦出口102的正下方，由此，可以进一步有效地使热解腔室110中得到的半焦直接落入气化腔室210中。
根据本发明的具体实施例，气化剂入口201设置在气化炉体200的下部，合成气出口103设置在热解炉体100的上部，由此，可以进一步提高气化腔室210和热解腔室110中的传热传质效率，提高热利用率。需要说明的是，术语“下部”是指气化炉体中部的下方。
根据本发明的具体实施例，气化反应的温度可以为1100～1400℃。由此，可以进一步提高气化反应的效率。
根据本发明的具体实施例，合成气的温度为500～900℃。由此，可以有效利用合成气的显热充分为热解提供热量，从而进一步降低工艺的能耗。
根据本发明的一个具体实施例，气化剂可以包括选择氧气、空气、二氧化碳和水蒸气中的一种或多种，由此，可以进一步提高合成气的产率。
参考图2，上述粉煤热解气化一体化反应器还可以进一步包括：进料漏斗300和进料螺旋400。
根据本发明的实施例，进料螺旋400分别与进料漏斗300和粉煤入口101相连，由此，可以将待热解粉煤加入至进料漏斗300中，并通过进料螺旋400供给至热解炉体100内，从而进一步提高生产效率。
由此，根据本发明实施例的粉煤热解气化一体化反应器通过将待热解粉煤供给至热解炉体的热解腔室内进行热解，得到半焦，使半焦在重力作用下落入气化炉体的气化腔室内，并在气化剂的作用下发生气化反应，得到合成气；进而合成气可以直接返回热解腔室中，利用合成气的显热为粉煤的热解提供热量，从而可以显著降低辐射管的能耗和污染气体排放，之后由热解炉体上的合成气出口排出，进行收集储存。由此，采用该粉煤热解气化一体化反应器通过将粉煤热解得到的半焦直接转化为合成气，并充分利用合成气的显热进行粉煤热解，从而显著提高了热利用率，并得到合成气产品，解决半焦难以利用的问题。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种采用上述实施例的粉煤热解气化一体化反应器处理粉煤的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将粉煤输送至热解炉体内，并在热解腔室内进行热解，以便得到半焦；使半焦在重力作用下落入气化炉体，并在气化腔室内气化剂的作用下发生气化反应，以便得到合成气；使合成气由气化腔室进入热解腔室为热解提供热量后排出。
下面参考图3对根据本发明实施例的处理粉煤的方法进行详细描述。根据本发明的实施例，该方法包括：
S100：热解
该步骤中，将粉煤输送至热解炉体内，并在热解腔室内进行热解，以便得到半焦。
根据本发明的实施例，热解炉体的宽度可以为2～6m，高度可以为9～60m。
根据本发明的实施例，热解既可以通过后续半焦气化得到的高温合成气提供热量，也可以通过辐射管提供热量。根据本发明的具体实施例，多个辐射管可以在热解腔室内的纵向方向上呈多层布置，且相邻两层之间层间距可以为230～770mm，每层内相邻两个辐射管的间距可以为220～730mm。由此，可以进一步提高热解腔室内热量分布的均匀度。
根据本发明的实施例，粉煤的粒径并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，粉煤的平均粒径可以为不大于10mm，由此，可以进一步提高热解效率。
根据本发明的实施例，热解的温度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的具体实施例，热解的温度可以为550～900℃，由此，可以进一步提高热解效率。
根据本发明的一个具体实施例，上述辐射管可以为DN200～390规格的圆形管，由此，可以进一步提高热解腔室内热量分布的均匀度。
S200：气化
该步骤中，使半焦在重力作用下落入气化炉体，并在气化腔室内气化剂的作用下发生气化反应，以便得到合成气。
根据本发明的实施例，气化炉体的宽度可以为2～6m，气化炉体的高度可以为20～55m。
根据本发明的具体实施例，热解炉体与气化炉体的纵向中心轴重合。
根据本发明的一个具体实施例，半焦入口可以位于半焦出口的正下方，由此，可以进一步有效地使热解腔室中得到的半焦直接落入气化腔室中。
根据本发明的具体实施例，气化剂入口设置在气化炉体的下部，合成气出口设置在热解炉体的上部，由此，可以进一步提高气化腔室和热解腔室中的传热传质效率，提高热利用率。需要说明的是，术语“下部”是指气化炉体中部的下方。
根据本发明的具体实施例，气化反应的温度可以为1100～1400℃。由此，可以进一步提高气化反应的效率。
根据本发明的具体实施例，合成气的温度为500～900℃。由此，可以有效利用合成气的显热充分为热解提供热量，从而进一步降低工艺的能耗。
根据本发明的一个具体实施例，气化剂可以包括选择氧气、空气、二氧化碳和水蒸气中的一种或多种，由此，可以进一步提高合成气的产率。
S300：收集合成气
根据本发明的实施例，通过使合成气由气化腔室进入热解腔室为热解提供热量后排出，可以显著降低辐射管的能耗，并减少污染气体的排放。
由此，根据本发明实施例的处理粉煤的方法通过将待热解粉煤供给至热解炉体的热解腔室内进行热解，得到半焦，使半焦在重力作用下落入气化炉体的气化腔室内，并在气化剂的作用下发生气化反应，得到合成气；进而合成气可以直接返回热解腔室中，利用合成气的显热为粉煤的热解提供热量，从而可以显著降低辐射管的能耗和污染气体排放，之后由热解炉体上的合成气出口排出，进行收集储存。由此，该方法通过将粉煤热解得到的半焦直接转化为合成气，并充分利用合成气的显热进行粉煤热解，从而显著提高了热利用率，并得到合成气产品，解决半焦难以利用的问题。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例
将粉碎至平均粒径小于10mm的内蒙褐煤在进料漏斗中经进料螺旋送入热解腔室，热解腔室通过来自气化腔室的合成气加热，温度控制在900℃，热量不足时由热解腔室中的蓄热式辐射管补充热量，同时通过燃气调节阀控制管壁温度，物料在反应器中自上而下停留0.1秒～10分钟，并加热到900℃，完成热解过程，热解产生的半焦经半焦出口落入气化腔室中，气化剂通过气化剂入口输送至气化腔室中，气化剂可以是氧气、空气、二氧化碳、水蒸气等，气化反应的温度为1200℃，半焦在气化剂的作用下气化生成合成气，合成气返回热解腔室作为加热源，气化产生的高温灰渣通过灰渣出口排出气化腔室。其中，待处理褐煤的工业分析如表1所示，合成气的组成如表2所示。
表1待处理褐煤工业分析/wt％
| Mad | Vad | Aad | Fcad |
| 13.29 | 32.21 | 15.82 | 38.68 |
表2合成气组成/v％
| CH4 | H2 | CO | CO2 | 其他 |
| 7.8 | 42.1 | 39.5 | 10.02 | 5.98 |
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种粉煤热解气化一体化反应器，其特征在于，包括：
热解炉体，所述热解炉体内限定有热解腔室，所述热解腔室内设置有多个辐射管，所述热解炉体的顶端具有粉煤入口、所述热解炉体的底端具有半焦出口，所述热解炉体上具有合成气出口，所述热解炉体的侧壁具有连通所述辐射管的燃料入口和烟气出口；
气化炉体，所述气化炉体内限定有气化腔室，所述气化炉体上具有气化剂入口，所述气化炉体的顶端具有半焦入口，所述气化炉体的底端具有灰渣出口，所述气化炉体位于所述热解炉体的下方，且所述半焦入口与所述半焦出口相连。
2.根据权利要求1所述的粉煤热解气化一体化反应器，其特征在于，所述热解炉体的宽度为2～6m，所述热解炉体的高度为9～60m；所述气化炉体的宽度为2～6m，所述气化炉体的高度为20～55m。
3.根据权利要求1所述的粉煤热解气化一体化反应器，其特征在于，所述热解炉体与所述气化炉体的纵向中心轴重合。
4.根据权利要求1所述的粉煤热解气化一体化反应器，其特征在于，所述多个辐射管在所述热解腔室内的纵向方向上呈多层布置，且相邻两层之间层间距为230～770mm，每层内相邻两个辐射管的间距为220～730mm。
5.根据权利要求1所述的粉煤热解气化一体化反应器，其特征在于，所述气化剂入口设置在气化炉体的下部，所述合成气出口设置在所述热解炉体的上部。
6.根据权利要求1所述的粉煤热解气化一体化反应器，其特征在于，进一步包括：
进料漏斗；以及
进料螺旋，所述进料螺旋分别与所述进料漏斗和所述粉煤入口相连。
7.一种采用权利要求1～6任一项所述粉煤热解气化一体化反应器处理粉煤的方法，包括：
将粉煤输送至热解炉体内，并在热解腔室内进行热解，以便得到半焦；
使所述半焦在重力作用下落入气化炉体，并在气化腔室内气化剂的作用下发生气化反应，以便得到合成气；
使所述合成气由所述气化腔室进入所述热解腔室为所述热解提供热量后排出。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述粉煤的平均粒径不大于10mm。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热解的温度为550～900℃，所述合成气的温度为500～900℃。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述气化反应的温度为1100～1400℃。
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