一种固定床高温红焦两级气化装置及工艺的制作方法

本发明属于煤气化，尤其涉及一种固定床高温红焦两级气化装置及工艺。

背景技术：

1、2022年我国焦炭总产量达4.73亿吨，产能5.58亿吨，独立焦化企业产能严重过剩，焦化陷入全行业亏损状态，在相当长一段时间内，焦化行业整体运行状况难以好转。如何使这部分固定资产能够充分利用和盘活保值，实现全行业扭亏为盈，是焦化行业发展的重要课题，而本发明的研究和开发为解决焦化过剩产能转型发展提供了新技术和新途径。

2、以煤为原料，在隔绝空气条件下，加热到1000℃左右，在焦炉内经高温干馏生产出焦炭。由于其在此高温状态下表观颜色为红色，被称为红焦。采用红焦直接气化，能够有效解决焦化企业产能过剩的问题。然而，现有煤气化技术主要是将常温的焦炭与氧化剂喷射入气化炉，经历常温到高温的加热过程，需要消耗大量的能源。如果将焦炉生产的红焦在传统气化炉内气化时，需要先将红焦进行冷却降至常温，再与水蒸气和氧气等气化剂发生化学反应生成co和h2等合成气。可以看出，这一过程经过了高温—常温—高温转变，将浪费大量热量，丧失了红焦直接气化的优势。

技术实现思路

1、为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种固定床高温红焦两级气化装置及工艺，可解决独立焦化企业焦炭产能过程的问题，具有红焦热量利用率高、节能降耗、资源高效利用等优势。该方案的特点在于：高温红焦与水蒸气在一段反应室内进行高温气化反应，生成含co、h2、ch4等气体的粗合成气，控制反应温度在600℃以上，红焦气化率在40%左右；粗合成气与以氧气和水蒸气为主要成分的气化剂在二段反应室内进一步气化，气化区温度在1100℃~1300℃范围，生成含h2和co2的合成气。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、为了实现本发明的目的，本发明设计了一种固定床高温红焦两级气化装置，包括红焦加料段、一段气化反应室和二段气化反应室；所述一段气化反应室上端设置有所述红焦加料段，下端设置有所述二段气化反应室。红焦加料段的骨架由钢板与型钢组成，在骨架内部铺设耐热钢衬板，通过导轨和提升机，将装满红焦的焦罐运至红焦加料段顶部，然后，打开焦罐底部阀门，红焦落至红焦加料段内，加料完成后，关闭红焦加料段顶部盖板，形成密闭环境。

4、所述红焦加料段是由红焦输运装置和第一加煤锁构成，所述红焦输运装置是将焦化厂高温红焦直接加入气化反应室进行气化；煤锁是气化领域的常规结构，加煤时，该结构下移；停止加煤时，该结构上移，封闭孔隙。

5、所述一段气化反应室的顶部进口设置有第一布料器，底部出口端设置有第二加煤锁，一段气化反应室底部四周设置有多组蒸汽雾化喷嘴，一段气化反应室侧壁中上部设置有粗合成气出口。

6、所述二段气化反应室为固定床结构，其上端设置有第二布料器，侧壁下部设置有一段气化反应室生成的粗合成气进口，侧壁中上部设置有合成气出口，下端设置有固态排渣口，所述固态排渣口处设置环形燃烧器，所述排渣口上部周向布置一圈氧蒸汽喷嘴，二段气化反应室内部从上至下依次为干燥区、还原区、氧化区和固态渣层。

7、在一段反应室内，高温红焦进料温度在1100℃左右。固定量的红焦与注入的水蒸汽进行气化反应，由于反应过程为吸热反应，当反应室排出的粗合成气温度降至600℃左右时，关闭水蒸气进口，停止注入水蒸气。

8、一种固定床高温红焦两级气化装置的气化工艺，包括以下步骤：

9、1）红焦输运系统：从焦炉出来的红焦由输送装置送至一段气化反应室，红焦全部进入一段气化反应室后，输送装置下阀关闭进行泄压，一段气化反应室每小时进红焦1次；

10、2）蒸汽氧气供给系统：蒸汽通过一段气化反应室炉体下部的多个喷嘴进入一段气化炉内，将蒸汽、氧气通过调节后混合，从二段气化反应室炉体下部的多个喷嘴进入内炉体，进入喷嘴的每条气化剂管线上均设有三阀阻断结构，防止炉体非正常工况下的回火，气化剂高速进入炉体内形成富氧燃烧区，燃烧气体在炉内均匀分布依次通过还原区和干燥区，最后450℃的合成气从炉体上部合成气出口进入洗涤冷却器；

11、3）气化炉辅助系统：一段气化反应室和二段气化反应室外均设有夹套，夹套采用强制循环形式，炉顶汽水混合物出来后进行分离，经过分离的饱和锅炉水通过夹套废锅产生低压蒸汽，降温后通过夹套循环泵重新进入夹套；

12、4）合成气净化系统：粗合成气进入废热锅炉与低压锅炉给水进行热量交换，粗合成气中的部分水蒸汽将以合成气中的细尘和焦油滴为核发生冷凝，起到进一步除尘的作用；废热锅炉出口的粗合成气经粗合成气汽液分离之后，送下游变换装置。

13、进一步的，所述氧气与投煤量的质量比为0.8，蒸汽与投煤量的质量比为0.68，蒸汽氧气混合后采用环管形式输送至各喷嘴，还包含开车空气管线和氮气吹扫管线。

14、机理如下：

15、1）控制气化反应温度：通过二段气化反应室底部周向一圈氧蒸汽喷嘴，以旋流状态向反应室内均匀喷入氧气和蒸汽，会发生高温燃烧过程，炉内设置热电偶，通过调节注入氧蒸气量来控制反应温度；

16、2）氧气喷射的参数都是如何控制：氧蒸气喷嘴为单通道旋流喷嘴，氧气和蒸汽的混合气通过喷嘴内的旋流片实现高效混合，周向各个喷嘴的流量保持一致；

17、3）整个反应过程中涉及到的化学反应过程和机理：

18、a）氧化区，也叫燃烧区，在此红焦与氧充分接触燃烧，形成高温区，也为上面各层反应提供所需的所有热量。主要化学反应：

19、2c+o2→2co；c+o2→co2；2c+h2o→ch4+co2

20、b）还原区。温度越高越有利于还原反应，主要化学反应及副反应如下：

21、主反应：c+h2o→co+h2；c+co2→2co

22、副反应：c+2h2→ch4；co+3h2→ch4+h2o

23、本发明具有的优点是：

24、1.本发明固定床高温红焦两级气化装置，整体结构成熟可靠，节能效果明显；可利用高温红焦显热进行两级高温变换反应，显著提升了合成气的转化率；此外，高温红焦经过一段反应器后温度控制在600℃左右，提升了其在二段反应室内与纯氧燃烧过程的安全性，具有广阔的市场前景；

25、2.氧耗低，气化炉采用分段及逆流气化的整体流程原理，提高了气化热效率，使气化过程的氧耗较其他气化技术的氧耗大幅度降低，显著节省了对空分等设备的投资；

26、3.有效气（h2+co）产气率高，红焦气化有效气>84%；

27、4.气化强度高，气化炉内壁加入耐火砖衬，形成水夹套保护层，在炉下部沿周向装置了一组氧蒸汽喷嘴，将混合氧气/水蒸气高速喷入炉内，形成炉内局部高温燃烧区，气化区温度控制在1100-1300℃，较大幅度提高了气化率和气化强度，喷入炉内的水蒸气绝大部分参与气化，蒸汽分解率超过90%，蒸汽使用量大幅度减少；

28、5.废热回收成本低，粗气的出口温度仅为300～550℃，提高了气化过程的热效率，节省了氧气消耗，大幅度降低了废热回收的需求和设备成本；

29、6.设备制造、运输、安装成本低，本气化技术的设计特点，炉内靠近炉壁处温度和粗气出口处温度较低，气化炉炉体和附属设备可采用常规压力容器钢材，大幅度降低了制造，运输和安装的成本，大大缩短了建设周期；

30、7.资源利用率高，不带来污染，99.5％以上的碳转化为气体后，红焦中剩余的矿物质在高温下排出，排出的熔渣无污染，可作为副产品在建筑和筑路中使用，或安全地回填或深埋。