專利名稱：一種煤炭的碳?xì)浣M分分級轉(zhuǎn)化的氣化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于能源動力與煤化工領(lǐng)域，具體地說涉及一種外燃供熱的煤炭的碳?xì)浣M分分級轉(zhuǎn)化的氣化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于煤炭與氣體燃料的品質(zhì)及其能量轉(zhuǎn)換利用方式的不同，使得燃煤電廠的發(fā)電效率比天然氣聯(lián)合循環(huán)電站低10 15個百分點。目前，為了實現(xiàn)煤炭的高效潔凈利用，無論是化工生產(chǎn)過程還是IGCC發(fā)電系統(tǒng)，都必須先將煤氣化，為煤炭的高效利用創(chuàng)造必要條件。煤氣化過程是以煤或煤焦為原料，以氧氣(空氣、富氧或工業(yè)純氧)、二氧化碳、水蒸汽等作氣化劑(或稱氣化介質(zhì))，在高溫條件下通過化學(xué)反應(yīng)將煤或煤焦中的可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃性氣體的工藝過程。煤氣化所得的合成氣或煤氣的成分取決于燃料、氣化劑的種類以及進(jìn)行氣化過程的條件。煤氣化方法的分類多種多樣，應(yīng)用較為廣泛的四種氣化爐為魯奇爐、恩德爐、德士古爐和謝爾爐，其冷煤氣效率在65°/Γ80%左右?，F(xiàn)有技術(shù)中，煤氣化過程由于需要純氧與煤反應(yīng)，因此需要空氣分離裝置。產(chǎn)生的合成氣進(jìn)行凈化除塵才能使用，還需要廢熱鍋爐回收余熱。這使得煤氣化效率較低，投資成本很高。同時不同煤氣化方法對煤種的要求各有不同。我國煤碳可采量約為I萬億噸，分為褐煤、煙煤和無煙煤。魯奇爐可采用褐煤和部分煙煤(長焰煤、不粘煤、弱粘煤和氣煤)，可用資源量為5934.5億噸，占總資源量的58%。德士古爐可采用大部分的煙煤，可用資源量為6728.8億噸，占總資源量的66%。謝爾爐可采用褐煤和幾乎全部的煙煤，資源量為9242億噸，占總資源量的91%。 恩德爐可采用褐煤和少部分煙煤(長焰煤和不粘煤)，可用資源量為4479.6億噸，占總資源量的44%。本實用新型中同時還涉及煤煉焦技術(shù)，傳統(tǒng)的煉焦技術(shù)所需要的煤種主要是煙煤中的主焦煤和肥煤，僅占總資源的約9%。而本實用新型中所使用的為粗煉焦技術(shù)，大部分的褐煤和煙煤均可以使用，可用煤種占總資源量的約九成。綜上所述，煤炭的氣化過程的應(yīng)用推廣，還存在著氣化效率低、設(shè)備投資成本高和煤種限制等障礙。因此，無論對于化工行業(yè)還是電力部門，如何提高煤炭氣化的效率，降低煤炭氣化的投資成本，都是亟待解決的難題。對于我國高碳能源低碳化利用以及能源可持續(xù)發(fā)展也是革新性突破。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點和不足，本實用新型提出了一種煤炭的碳?xì)浣M分分級轉(zhuǎn)化的氣化系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于燃料“組分對口，分級轉(zhuǎn)化”的原則，將煤炭氣化分為碳化、生產(chǎn)一氧化碳化、變換產(chǎn)氫三個步驟。本實用新型提出的煤氣化系統(tǒng)中，首先將煤炭進(jìn)行碳化提純，得到粗焦炭，然后與二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳，最后通過變換反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳，二氧化碳供給焦炭一氧化碳化單元。通過氫氣、一氧化碳和焦?fàn)t煤氣混合可以得到不同碳?xì)浔鹊暮铣擅簹?。煤炭的碳化過程和一氧化碳生成過程所需熱量由燃煤提供。相比于傳統(tǒng)氣化方法中的所有反應(yīng)在氣化過程中同時進(jìn)行，本實用新型的新氣化系統(tǒng)將不同的反應(yīng)分類，在碳化、一氧化碳化和變換產(chǎn)氫過程中分別進(jìn)行。而且本實用新型提出的煤氣化系統(tǒng)不需要氧氣參與反應(yīng)，具有氣化效率高、設(shè)備投資成本低、煤種不受限制以及氣化產(chǎn)物可靈活調(diào)節(jié)等多種優(yōu)點。本實用新型為解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案具體如下:一種煤炭的碳?xì)浣M分分級轉(zhuǎn)化的氣化系統(tǒng)，包括燃燒單元、傳熱單元、碳化單元、一氧化碳生產(chǎn)單元、變換產(chǎn)氫單元、余熱回收單元，其特征在于，所述燃燒單元包括供熱煤入口和高溫空氣入口，其通過高溫?zé)煔夤苈放c傳熱單元連通；所述傳熱單元包括至少一個傳熱隔墻I和至少另一個傳熱隔墻II，所述傳熱隔墻I的一側(cè)為所述傳熱單元的高溫?zé)煔馇唬硪粋?cè)為所述碳化單元，所述至少另一個傳熱隔墻II的一側(cè)為所述傳熱單元的高溫?zé)煔馇?，另一?cè)為所述一氧化碳生產(chǎn)單元；所述碳化單元包括氣化煤入口，所述碳化單元的焦炭出口、所述變換產(chǎn)氫單元的二氧化碳出口分別經(jīng)管路與所述一氧化碳生產(chǎn)單元連通；所述一氧化碳生產(chǎn)單元生成的部分一氧化碳經(jīng)管路通入所述變換產(chǎn)氫單元。優(yōu)選地，所述傳熱單元的尾氣經(jīng)過所述余熱回收單元的熱側(cè)后經(jīng)廢氣管路排出；所述余熱回收單元的冷側(cè)進(jìn)口通入空氣，冷側(cè)出口的經(jīng)預(yù)熱后的空氣通過高溫空氣管路與所述燃燒單元的高溫空氣入口連通。優(yōu)選地,所述傳熱單元包括傳熱單元I和傳熱單元II,傳熱單元I包括所述傳熱隔墻I，傳熱單元II包括所述傳熱隔墻II。優(yōu)選地，所述余熱回收單元包括依次連接的`蓄熱式余熱回收單元和間壁式余熱回收單元。優(yōu)選地，所述高溫?zé)煔夤苈分性O(shè)置除塵裝置。用以對高溫?zé)煔膺M(jìn)行粗除塵。優(yōu)選地,所述碳化單元還包括焦?fàn)t煤氣出口和焦油出口。優(yōu)選地，所述變換產(chǎn)氫單元還包括水蒸氣入口和氫氣出口。優(yōu)選地，所述一氧化碳生產(chǎn)單元的頂部設(shè)置焦炭進(jìn)口和一氧化碳出口，底部設(shè)置
二氧化碳進(jìn)口。優(yōu)選地，所述碳化單元為加熱爐、均熱爐或煅燒爐。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括二氧化碳分離單元，其進(jìn)口與所述變換產(chǎn)氫單元連通，其出口之一與所述一氧化碳生產(chǎn)單元的二氧化碳進(jìn)口連通。優(yōu)選地，所述氣化煤為煙煤或褐煤，所述供熱煤為所有煤種。本實用新型的煤氣化系統(tǒng)將煤炭氣化過程分為碳化過程、一氧化碳生產(chǎn)過程和變換產(chǎn)氫過程三個步驟。首先進(jìn)行碳化過程，該過程對氣化煤進(jìn)行碳化提純，所需熱量由供熱煤與高溫空氣燃燒產(chǎn)生的熱量提供，得到粗焦炭、焦?fàn)t煤氣、焦油等化工產(chǎn)品；其次進(jìn)行一氧化碳生產(chǎn)過程，將碳化過程中生產(chǎn)的粗焦炭與二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳，所需熱量同樣由上述供熱煤與高溫空氣燃燒產(chǎn)生的熱量提供；然后進(jìn)行變換產(chǎn)氫過程，將上述一氧化碳生產(chǎn)過程中生產(chǎn)的部分一氧化碳與水蒸氣變換反應(yīng)生成二氧化碳和氫氣，使用分離裝置進(jìn)行分離得到二氧化碳和純凈的氫氣，分離出的二氧化碳返回所述一氧化碳生產(chǎn)過程與焦炭反應(yīng)，一氧化碳生產(chǎn)過程中所需的二氧化碳完全由變換產(chǎn)氫過程中生產(chǎn)的二氧化碳提供；整個煤炭氣化過程的三個步驟分別得到焦?fàn)t煤氣、一氧化碳和氫氣，三種氣體靈活配比得到不同碳?xì)浔鹊拿簹饣铣蓺?。本實用新型的氣化系統(tǒng)中，碳化單元的溫度降低至60(Γ900° C，比傳統(tǒng)煉焦低約200° C，碳化產(chǎn)品為粗焦炭、焦?fàn)t煤氣和焦油等。變換反應(yīng)發(fā)生的溫度約在20(Γ400攝氏度，相對于傳統(tǒng)氣化的高溫(1000攝氏度左右)氣化吸熱反應(yīng)，反應(yīng)的不可逆性可大幅降低。本實用新型的有益效果是:將煤炭的氣化過程分為煉焦，氣化和變換產(chǎn)氫三步進(jìn)行，大大降低了整個氣化反應(yīng)的不可逆性，使得煤炭的氣化效率有顯著上升；取消了空分裝置和廢熱鍋爐，減少了設(shè)備投資；燃料分為氣化煤和供熱煤，大大增加了煤種的適應(yīng)性。根據(jù)煤炭的特點不同，用煤炭外燃替代焦?fàn)t煤氣燃燒向碳化室和氣化室提供熱量，實現(xiàn)煤炭的合理利用。

圖1為本實用新型的外燃煤炭的碳?xì)浣M分分級氣化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本實用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1示出了本實用新型提供的煤炭的碳?xì)浣M分分級氣化系統(tǒng)的工藝流程。包括燃燒單元1、傳熱單元I 3、傳熱單元II 4、碳化單元2、一氧化碳生產(chǎn)單元5、變換產(chǎn)氫單元25、蓄熱式余熱回收單元6和間壁式余熱回收單元7，燃燒單元I包括供熱煤入口和高溫空氣入口，供熱煤11和高溫空氣18通過所述供熱煤入口和高溫空氣入口進(jìn)入燃燒單元I并在其中燃燒生成高溫?zé)煔?2，通過高溫?zé)煔夤苈芳安荚O(shè)在其中的除塵裝置對高溫?zé)煔膺M(jìn)行粗除塵后將高溫?zé)煔馔ㄈ雮鳠釂卧狪 3、傳熱單元II 4的高溫?zé)煔馇?，傳熱單元I 3通過傳熱隔墻I 8將熱量22導(dǎo)入碳化單元2、傳熱單元II 4，通過傳熱隔墻II 9將熱量23導(dǎo)入一氧化碳生產(chǎn)單元5，釋放高溫?zé)崃亢蟮臒煔?3，被送往余熱回收單元，向蓄熱式余熱回收單元6和間壁式余熱回收單元7放熱，放熱后的煙氣15被排放到大氣。氣化煤通過氣化煤入口進(jìn)入碳化單元2并在其中吸收熱量在高溫下熱解，經(jīng)過粘結(jié)過程(包括:干燥脫吸，開始分解，形成膠質(zhì)體，和膠質(zhì)體固化過程)以及半焦收縮過程生成焦炭20、焦?fàn)t煤氣19、焦油21等化工產(chǎn)品，生產(chǎn)的焦炭20經(jīng)焦炭出口進(jìn)入一氧化碳生產(chǎn)單元5,變換產(chǎn)氫單元25生成的二氧化碳27也通入一氧化碳生產(chǎn)單元5,在該單元5中焦炭20與二氧化碳27反應(yīng)生成一氧化碳24。一氧化碳24進(jìn)入變換產(chǎn)氫單元25與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣26，同時生成的二氧化碳27提供給一氧化碳生產(chǎn)單元5。在碳化單元得到的焦炭20(1000°C左右)由一氧化碳生產(chǎn)單元5頂部進(jìn)入，二氧化碳27由該單元5底部進(jìn)入，兩者相遇后發(fā)生反應(yīng)，焦炭20被氣化為一氧化碳24，一氧化碳24從單元上部排出。該氣化反應(yīng)為吸熱反應(yīng),所需熱量由燃燒單元I產(chǎn)生的高溫?zé)煔?2提供。本實用新型提供的氣化過程與傳統(tǒng)氣化過程的區(qū)別是:傳統(tǒng)氣化單元中煤炭直接在氣化室中反應(yīng)氣化。而本實用新型提供的氣化方式是將煤炭氣化過程分步進(jìn)行，即煤炭碳化、焦炭一氧化碳化和變換反應(yīng)。煤炭首先進(jìn)入碳化室進(jìn)行碳化提純，同時產(chǎn)生焦?fàn)t煤氣，提純后得到的焦炭進(jìn)入一氧化碳生產(chǎn)單元與二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳，一氧化碳在變換單元與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。本實用新型提供的焦炭一氧化碳化過程與傳統(tǒng)氣化過程的區(qū)別是:焦炭與二氧化碳反應(yīng)，生成一氧化碳，不需要空氣分離裝置。本實用新型提供的變換產(chǎn)氫單元與傳統(tǒng)煤炭氣化工藝變換單元的區(qū)別是:傳統(tǒng)氣化工藝中發(fā)生的變換反應(yīng)與其它煤氣化反應(yīng)一同發(fā)生在氣化爐中，反應(yīng)溫度在1000攝氏度以上。水蒸氣在發(fā)生變換反應(yīng)前需要吸收大量的熱以達(dá)到反應(yīng)溫度。同時其它氣體，如氫氣、一氧化碳等會減緩變換過程的反應(yīng)速率。本實用新型提供的變換反應(yīng)是單獨在變換單元中發(fā)生，反應(yīng)溫度在200-400攝氏度左右，水蒸氣需要吸收的熱量大大減少，同時反應(yīng)過程沒有其它氣體的干擾，因此變換反應(yīng)的不可逆損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)氣化過程。從煤炭氣化產(chǎn)物來看，本實用新型提供的氣化單元與傳統(tǒng)煤炭氣化單元的區(qū)別是:傳統(tǒng)煤炭氣化單元需要純氧和水蒸氣對煤炭進(jìn)行氣化，產(chǎn)生的合成氣主要是一氧化碳、氫氣和二氧化碳的混合氣體。而本實用新型產(chǎn)生的合成氣主要有三種:焦?fàn)t煤氣、一氧化碳和氫氣。三種氣體可以進(jìn)行靈活配比，可以滿足合成氣下游利用的不同碳?xì)浔刃枨?。如上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型保護(hù)的范 圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種煤炭的碳?xì)浣M分分級轉(zhuǎn)化的氣化系統(tǒng)，包括燃燒單元、傳熱單元、碳化單元、一氧化碳生產(chǎn)單元、變換產(chǎn)氫單元、余熱回收單元，其特征在于， 所述燃燒單元包括供熱煤入口和高溫空氣入口，其通過高溫?zé)煔夤苈放c傳熱單元連通； 所述傳熱單元包括傳熱隔墻I和傳熱隔墻II，所述傳熱隔墻I的一側(cè)為所述傳熱單元的高溫?zé)煔馇?，另一?cè)為所述碳化單元，所述傳熱隔墻II的一側(cè)為所述傳熱單元的高溫?zé)煔馇?，另一?cè)為所述一氧化碳生產(chǎn)單元； 所述碳化單元包括氣化煤入口，所述碳化單元的焦炭出口、所述變換產(chǎn)氫單元的二氧化碳出口分別經(jīng)管路與所述一氧化碳生產(chǎn)單元連通；所述一氧化碳生產(chǎn)單元生成的部分一氧化碳經(jīng)管路通入所述變換產(chǎn)氫單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于，所述傳熱單元的尾氣經(jīng)所述余熱回收單元的熱側(cè)后經(jīng)廢氣管路排出；所述余熱回收單元的冷側(cè)進(jìn)口通入空氣，冷側(cè)出口的經(jīng)預(yù)熱后的空氣通過高溫空氣管路與所述燃燒單元的高溫空氣入口連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于，所述余熱回收單元包括依次連接的蓄熱式余熱回收單元和間壁式余熱回收單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于，所述高溫?zé)煔夤苈分性O(shè)置除塵裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于，所述碳化單元還包括焦?fàn)t煤氣出口和焦油出口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于，所述變換產(chǎn)氫單元還包括水蒸氣入口和氫氣出口。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于，所述一氧化碳生產(chǎn)單元的頂部設(shè)置焦炭進(jìn)口和一氧化碳出口，底部設(shè)置二氧化碳進(jìn)口。
8.按照權(quán)利要求1至7任一項所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于:所述碳化單元為加熱爐、均熱爐或煅燒爐。
9.按照權(quán)利要求1至7任一項所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于:所述傳熱單元包括傳熱單元I和傳熱單元II，所述傳熱單元I包括所述傳熱隔墻I，所述傳熱單元II包括所述傳熱隔墻II。
10.按照權(quán)利要求1至7任一項所述的氣化系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)還包括二氧化碳分離單元，其進(jìn)口與所述變換產(chǎn)氫單元連通，其出口之一與所述一氧化碳生產(chǎn)單元的二氧化碳進(jìn)口連通。
專利摘要本實用新型公開了一種煤炭的碳?xì)浣M分分級轉(zhuǎn)化的氣化系統(tǒng)，包括燃燒單元、傳熱單元、碳化單元、一氧化碳生產(chǎn)單元、變換產(chǎn)氫單元、余熱回收單元，燃燒單元與傳熱單元連通；傳熱單元包括傳熱隔墻Ⅰ和傳熱隔墻Ⅱ，傳熱隔墻Ⅰ一側(cè)為高溫?zé)煔馇?，另一?cè)為碳化單元，傳熱隔墻Ⅱ一側(cè)為高溫?zé)煔馇?，另一?cè)為一氧化碳生產(chǎn)單元；碳化單元、變換產(chǎn)氫單元分別與一氧化碳生產(chǎn)單元連通；一氧化碳生產(chǎn)單元生成的部分一氧化碳通入變換產(chǎn)氫單元。本實用新型的煤炭氣化過程，大大降低了整個氣化反應(yīng)的不可逆性，使得煤炭的氣化效率有顯著上升；取消了空分裝置和廢熱鍋爐，減少了設(shè)備投資；燃料分為氣化煤和供熱煤，大大增加了煤種的適應(yīng)性。
文檔編號C10J3/72GK203096005SQ201220748788
公開日2013年7月31日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月29日
發(fā)明者金紅光, 張筱松 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所