一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统的制作方法

1.本发明属于煤化工领域，特别涉及一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统。


背景技术：

2.粉煤加压气化技术是一种洁净、高效将各类煤炭及石油焦等固体燃料在高温高压环境下转化成主要成分为氢气和一氧化碳的合成气的先进技术，其基本原理是将高碳原料磨制成粒度合适的干燥的粉料，用高温的二氧化碳/氮气连续送入气化炉，同时补充氧气与水蒸汽，在高温高压条件下共同参与反应，生成粗合成气氢气和一氧化碳的工艺过程。粉煤加压气化炉有两种基本型式：纯激冷式气化炉和带热量回收的废锅式气化炉。
3.粉煤加压气化工艺由于原料中均含有一定量的灰分，无法转化成合成气产品，最终生成的高温合成气中会携带大量的高温飞灰，不仅给合成气的净化处理带来困难，还由于高温飞灰具有较强的粘结性，很容易造成废锅式气化炉的换热管粘腐，影响换热效率甚至有爆管风险；一般气化技术采用水激冷、气激冷的方式将合成气和飞灰降温，水激冷一般联合水浴的型式，将大量降温的飞灰捕集到激冷水中，实现合成气的初步除灰；气激冷一般采用下游循环回的低温合成气作为激冷气通入气化炉燃烧室下游空间，利用气气换热将合成气和飞灰初步降温，飞灰降温后粘结性将大大降低，降低了换热器沾污的风险。
4.粉煤加压气化工艺由于以高碳原料为主，生成的粗合成气中co含量远高于h2含量，而一般煤化工的产品都是含氢量较高，所以传统的煤化工生产工艺一般会在气化装置下游配置合成气变换装置，利用水煤气反应将气化粗合成气中的一部分co转换成h2,以满足生产产品的h/c比；在变换过程中，消耗一氧化碳和水蒸汽的同时生成二氧化碳和氢气，变换过程是以煤化工企业碳排放的主要源头之一。
5.现有气化技术针对粗合成气的冷却一般采用水激冷或气激冷的型式，水激冷式是指在气化炉气化室下游由激冷环喷雾、激冷室水浴等型式直接将粗合成气冷却至250℃以下，结构简单且粗合成气水气比高，十分适合气化装置下游产品需要深度变换的工艺，缺点是合成气中的大量热量未回收、气化灰水处理系统冷却水消耗较大，且由于下游经过变换装置反应后排碳强度较高，不适合未来煤化工低碳节能的发展方向。
6.气激冷式是指在气化炉气化室下游由一股激冷气将粗合成气冷却后再进入合成气冷却器回收热量，目前的气激冷技术一般是由出合成气冷却器后的低温合成气以及后续经水洗后的低温饱和合成气混合后循环回气化炉作为激冷气，此工艺路线气化装置热效率较高，但由于循环合成气中带有h2s、nh4+、cl-等易腐蚀或易结晶杂质，使循环气压缩机的核心部件很容易被腐蚀或结垢，影响压缩机的使用。而且采用循环合成气作为激冷气的热回收式气化炉水气比较低，现有装置中需要在下游变换装置重新补入蒸汽，使气化回收热量的价值大大降低。在现有技术中，可以采用惰性气或水蒸汽代替循环合成气，但实施难度较大，且惰性气的加入将降低有效气的含量，水蒸汽的加入可能会增强气化炉内的变换反应，导致二氧化碳含量增加，变换反应为放热反应，也会降低水蒸汽的降温效果。
7.通过上述分析发现，在现有气化技术中，水激冷型式整体效率较低，而气激冷型式循环气压缩机容易腐蚀、结垢影响使用，两种型式的气化技术均需要在下游变换装置实施调节粗合成气h/c比，导致排碳强度大，无法满足未来节能减排的客观需求。


技术实现要素：

8.鉴于现有技术中存在的上述问题，本公开提供了一种可以将高温粗合成气冷却、实现气化炉热量回收及通过补充氢气直接调整h/c原子比的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统。
9.为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案是：
10.提供一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其包括合成气反应路；沿所述合成气反应路设有彼此连通的氢气压缩装置、气化炉；其中，所述气化炉包括：顺序连通的气化室、激冷混合室、合成气冷却器；所述氢气压缩装置与所述激冷混合室连通；所述氢气压缩装置用于将氢气压缩至预设压力，并输送至所述激冷混合室；在原料进入所述气化室进行气化反应的状态下，形成高温合成气；所述高温合成气从所述气化室进入所述激冷混合室，并与低温氢气混合及降温，以形成混合合成气；所述粗合成气从所述激冷混合室进入所述合成气冷却器，经过水冷换热降温，形成低温粗合成气，并从所述气化炉流出。
11.在本公开的一些实施例中，所述氢气压缩装置与所述合成气冷却器连通；部分所述合成气冷却器生成的蒸汽回流至所述氢气压缩装置，以作为驱动蒸汽。
12.在本公开的一些实施例中，所述利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统还包括与所述合成气冷却器连通的锅炉水管线；所述锅炉水管线向所述合成气冷却器输送间接冷却用锅炉水，用于与高温粗合成气进行热交换，以产生中压蒸汽或高压蒸汽。
13.在本公开的一些实施例中，所述合成气冷却器生成的中压蒸汽或高压蒸汽的压力区间设置为5.0～9.8mpag。
14.在本公开的一些实施例中，所述合成气冷却器采用2～3段换热器结构，将所述中压或高压蒸汽分段换热，以产生中压或高压过热蒸汽。
15.在本公开的一些实施例中，将从所述氢气压缩装置进入所述激冷混合室的氢气与从所述气化室进入所述激冷混合室的粗合成气以预设的h/c原子比输入。
16.在本公开的一些实施例中，所述激冷混合室内经混合后的粗合成气的温度设置为700-900℃。
17.在本公开的一些实施例中，所述氢气压缩装置的氢气压缩机采用汽轮机驱动。
18.在本公开的一些实施例中，所述原料为煤粉、氧、蒸汽、二氧化碳/氮气以预设配比混合形成。
19.与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：
20.本发明实施例的一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，将外界输入的氢气进行压缩作为气化炉的激冷气，直接进入气化炉的激冷混合室，并在激冷混合室内调整h/c原子比，省却了水煤气变换流程，降低或免除下游变换工艺带来的能量消耗和高碳排放；同时，达到将通过气化室进入激冷混合室的粗合成气降温的目的，有效避免高温飞灰粘结在合成气冷却器的换热表面形成积灰，粗合成气中的热量也得到有效回收。
21.本发明实施例的一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，特别适合与电
解水制氢、焦炉气制氢、丙烷脱氢、废气回收提纯等多种制氢方式耦合，既适用于新建气化装置，也适用于现有气化装置改造，可有效提高煤化工工厂整体能效，并降低整体碳排放量，符合煤化工低碳节能、多能耦合的长远发展方向。
22.此外，本发明实施例的一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统还能够有效降低气化炉的气化室的尺寸和投资。
附图说明
23.图1为本发明实施例的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统的结构示意图。
24.附图标记说明
25.1-氢气压缩装置；2-气化室；3-激冷混合室；4-合成气冷却器
具体实施方式
26.下面，结合附图对本发明的具体实施例进行详细的描述，但不作为本发明的限定。为使本领域技术人员更好的理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作详细说明。下面结合附图和具体实施例对本公开的实施例作进一步详细描述，但不作为对本公开的限定。
27.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
28.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
29.为解决传统水激冷气化炉热量利用率低，传统气激冷气化炉循环气压缩机易腐蚀或结垢、产出的蒸汽回注下游装置造成热量损耗，以及气化炉下游为调整合成气h/c比而进行变换反应造成的大量二氧化碳排放和能量消耗的问题，本发明提供一种解决方案，具体如下。
30.参见图1，提供一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其包括合成气反应路；沿所述合成气反应路设有彼此连通的氢气压缩装置1、气化炉；其中，所述气化炉包括：顺序连通的气化室2、激冷混合室3、合成气冷却器4；氢气压缩装置1与激冷混合室3连通；氢气压缩装置1用于将氢气压缩至预设压力，并输送至激冷混合室3；在原料进入气化室2进行气化反应的状态下，形成高温合成气；所述高温合成气从气化室2进入激冷混合室3，并与低温氢气混合及降温，以形成粗合成气；在此，激冷混合室3内经混合后的粗合成气的温度设置为700-900℃，优选地，设置为800℃，但不限于此，可根据需求进行相应调整；所述粗合成气从所述激冷混合室进入合成气冷却器4，经过水冷换热降温，形成低温粗合成气，并从所述气化炉流出。
31.通过本发明实施例的所述利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，既可以将粗合成气中的飞灰冷却，又实现气化炉的热量回收，并通过补充氢气直接在激冷混合室3内调整h/c原子比，降低或免除由于下游可能出现变换工艺的情况所带来的能量消耗和高碳
排放。
32.进一步地，在本实施例中，从氢气压缩装置1进入激冷混合室3的氢气与从气化室2进入激冷混合室3的粗合成气可以以预设的h/c原子比输入。而在实际应用中，h/c原子比还可以按产品工艺要求确定，在此不做限定。
33.在上述实施例中，所述原料为煤粉、氧、蒸汽、二氧化碳/氮气以预设配比混合形成。在实际应用中，可根据不同的配比需求进行调整，还可以根据生产的产品及不同规格的中间产品进行相应调整对应的配比。
34.进一步地，参见图1，氢气压缩装置1还与合成气冷却器4连通；部分所述蒸汽从合成气冷却器4流出，并循环进入氢气压缩装置1，作为氢气压缩机的驱动蒸汽。通过该设置方式，充分循环利用合成气冷却器生产的部分蒸汽所具有的能量，将其作为驱动蒸汽，达到节能减排的效果。
35.在一实施例中，参见图1，所述利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统还包括与合成气冷却器4连通的锅炉水管线；所述锅炉水管线向合成气冷却器4输送间接冷却用锅炉水，用于与高温粗合成气进行热交换，以产生中压蒸汽或高压蒸汽，冷却用锅炉水在经过换热后生成蒸汽送出；其中一部分蒸汽作为氢气压缩装置的驱动蒸汽，而另一部蒸汽直接送出并进入下游工序。结合上述实施例，激冷混合室3将来自氢气压缩装置1的氢气和来自气化室2的原料混合冷却后以高温带灰的高温粗合成气的方式送至气化炉的合成气冷却器4；此过程，氢气基本不参与气化反应，仅用作冷却气和调节合成气的成分，其中，极少量氢气与二氧化碳发生逆变换反应生成一氧化碳和水蒸汽，但对合成气总体成分的影响不大，而且由于逆变换反应为吸热反应，还有利于粗合成气降温；合成气冷却器4通过锅炉水间接换热的型式将粗合成气的温度降低，回收热量后送出。
36.进一步地，在前述实施例中，所述合成气冷却器生成的中压蒸汽或高压蒸汽的压力区间设置为5.0～9.8mpag。在实际应用中，可根据下游需求及具体应用场景相应调整压力值，具体选择适合的压力值，在此不做进一步限定。
37.在一实施例中，合成气冷却器4采用2～3段换热器结构，通过将所述中压或高压蒸汽分段换热，以产生中压或高压过热蒸汽。具体采用何种方式的换热器结构，可根据现场应用场景做相应调整。
38.综上，通过本实施例的一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，能够带来如下有益效果，例如，一方面将在激冷混合室3混合形成的粗合成气和携带的飞灰降温，另一方面，可按照产品要求调整合成气的h/c比。
39.此外，尽管在此描述了说明性的实施例，但是范围包括具有基于本公开的等效要素、修改、省略、组合(例如，跨各种实施例的方案的组合)、调整或变更的任何和所有实施例。权利要求中的要素将基于权利要求中使用的语言进行宽泛地解释，而不限于本说明书中或在本技术的存续期间描述的示例。此外，所公开的方法的步骤可以以任何方式进行修改，包括通过重新排序步骤或插入或删除步骤。因此，意图仅仅将描述视为例子，真正的范围由以下权利要求及其全部等同范围表示。
40.以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在阅读以上描述之后，例如本领域普通技术人员可以使用其他实施例。而且，在以上详细描述中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图
未请求保护的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。因此，以下权利要求作为示例或实施例结合到具体实施方式中，其中每个权利要求自身作为单独的实施例，并且可以预期这些实施例可以以各种组合或置换彼此组合。应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定本发明的范围。

技术特征：
1.一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，其包括合成气反应路；沿所述合成气反应路设有彼此连通的氢气压缩装置、气化炉；其中，所述气化炉包括：顺序连通的气化室、激冷混合室、合成气冷却器；所述氢气压缩装置与所述激冷混合室连通；所述氢气压缩装置用于将氢气压缩至预设压力，并输送至所述激冷混合室；在原料进入所述气化室进行气化反应的状态下，形成高温合成气；所述高温合成气从所述气化室进入所述激冷混合室，并与低温氢气混合及降温，以形成粗合成气；所述粗合成气从所述激冷混合室进入所述合成气冷却器，经过水冷换热降温，形成低温粗合成气，并从所述气化炉流出。2.根据权利要求1所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，所述氢气压缩装置与所述合成气冷却器连通；部分所述合成气冷却器生成的蒸汽回流至所述氢气压缩装置，以作为驱动蒸汽。3.根据权利要求1所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，还包括与所述合成气冷却器连通的锅炉水管线；所述锅炉水管线向所述合成气冷却器输送间接冷却用锅炉水，用于与高温粗合成气进行热交换，以产生中压蒸汽或高压蒸汽。4.根据权利要求3所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，所述合成气冷却器生成的中压蒸汽或高压蒸汽的压力区间设置为5.0～9.8mpag。5.根据权利要求3所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，所述合成气冷却器采用2～3段换热器结构，将所述中压或高压蒸汽分段换热，以产生中压或高压过热蒸汽。6.根据权利要求1所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，将从所述氢气压缩装置进入所述激冷混合室的氢气与从所述气化室进入所述激冷混合室的粗合成气以预设的h/c原子比输入。7.根据权利要求1所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，所述激冷混合室内经混合后的粗合成气的温度设置为700～900℃。8.根据权利要求1所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，所述氢气压缩装置的氢气压缩机采用汽轮机驱动。9.根据权利要求1至8中任一项所述的利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其特征在于，所述原料为煤粉、氧、蒸汽、二氧化碳/氮气以预设配比混合形成。

技术总结
本发明提供一种利用氢气作为冷却气和调节气的气化炉系统，其包括彼此连通的氢气压缩装置、气化炉；气化炉包括：顺序连通的气化室、激冷混合室、合成气冷却器；氢气压缩装置与激冷混合室连通；在原料进入气化室进行气化反应的状态下，形成高温合成气，高温合成气从气化室进入激冷混合室，并与低温氢气混合及降温，以形成粗合成气；粗合成气从激冷混合室进入合成气冷却器，经过水冷间接换热降温，形成低温粗合成气，并从气化炉流出；本公开的气化炉系统，直接在气化炉内调整好H/C原子比，省却了水煤气变换流程，同时将粗合成气在气化炉内降温，避免高温飞灰粘结在合成气冷却器的换热表面形成积灰。面形成积灰。面形成积灰。


技术研发人员：吕品 刘明亮 杨振中 罗涛 广翠
受保护的技术使用者：航天长征化学工程股份有限公司
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/23