一种煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法[发明专利]

[19]
中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[11]公开号CN 101161792A [43]公开日2008年4月16日
[21]申请号200710175473.5[22]申请日2007.09.29
[21]申请号200710175473.5
[71]申请人上海惠生化工工程有限公司
地址201203上海市浦东张江高科技园区张衡路
1399号
[72]发明人方邦吾 李保有 邹永胜 赵丙国 [74]专利代理机构北京方韬法业专利代理事务所代理人吴景曾
[51]Int.CI.C10J 3/86 (2006.01)
权利要求书 3 页 说明书 9 页 附图 2 页
[54]发明名称
一种煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法
[57]摘要
本发明公开了一种煤气化制合成气过程的热量
回收工艺方法，该方法包括：在煤气化炉气化室中
产生的高温合成气与熔渣，在其出口处通过一级激
冷器喷入激冷水，将合成气与熔渣激冷至灰熔点T1
以下，激冷后的合成气与灰渣进入第一蒸汽发生器、
蒸汽过热器和第二蒸汽发生器回收合成气的余热，
并经除尘分离器除去部分细灰渣，再经锅炉给水预
热器进一步回收热量后，进入二级激冷器除去剩余
的细灰渣，同时，使合成气增湿，经本方法处理后
的合成气进入后续工艺单元。

本发明提高了回收热
能的利用价值，避免了熔渣在第一蒸汽发生器的管
壁上凝固，可使装置的能耗进一步降低。

200710175473.5权 利 要 求 书第1/3页 1.一种煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法，其特征在于：该方法包括以下次序的工艺步骤：
(1)将煤原料与氧化剂一起进入煤气化炉(1)的气化室(5)内，在气化室(5)内发生部分氧化反应，生成高温合成气；
(2)从气化室(5)中出来的温度为1200-1500℃的合成气与熔渣，经过一级激冷器(7)进行激冷后，被冷却至原料煤的灰熔点T1以下；
(3)经步骤(2)激冷后的高温合成气，进入第一蒸汽发生器(8)的管程，与其壳程的来自汽包(14)的压力为4.0～16MPa的水进行热交换，由水产生的汽水混合物再返回汽包(14)，管程的合成气在第一蒸汽发生器的出口处被冷却至650-1000℃；
(4)来自第一蒸汽发生器(8)出口的合成气及灰渣，在激冷室的下部空间进行重力分离，灰渣沉降在激冷室的底部，之后排至锁渣罐(16)中，而合成气在第一蒸汽发生器(8)的外壳与气化炉激冷室衬里(3)之间的通道折流向上，经煤气化炉合成气出口(15)出气化炉，然后被送至蒸汽过热器(9)，合成气在蒸汽过热器(9)中，与来自汽包(14)的饱和蒸汽进行热交换，将饱和蒸汽过热至330-590℃，送蒸汽用户使用，而合成气被冷却至500-900℃；
(5)经步骤(4)冷却的合成气进入第二蒸汽发生器(10)，与来自汽包(14)的压力为4.0～16MPa的水进行热交换，由水产生的汽水混合物再返回汽包(14)，合成气被冷却到300-600℃；
(6)经步骤(5)冷却的合成气进入除尘分离器(11)，合成气中的细灰渣在除尘分离器(11)中被进一步分离，经排渣口排出后送灰渣处理单元进行处理；
(7)经步骤(6)除尘后的合成气进入锅炉给水预热器(12)，与来自水处
理单元的锅炉给水进行热交换，被进一步冷却至250～400℃，并将锅炉给水预热至110～330℃，预热后的锅炉给水送入汽包(14)中；
(8)经步骤(7)冷却后的合成气进入二级激冷器(13)，合成气在二级激冷器(13)中，通过喷入激冷水，将合成气中的细灰渣进一步清除，含有细灰渣的渣水送渣水处理单元进行处理，同时，喷入的激冷水部分汽化，补充到合成气中，使合成气中水蒸汽的含量达到饱和，从二级激冷器(13)出来的合成气温度为200～250℃并被送往后续工艺单元；
所述的汽包(14)用于分离步骤(3)中来自第一蒸汽发生器(8)和步骤(5)中来自第二蒸汽发生器(10)的汽水混合物，并用于接收步骤(7)中来自锅炉给水预热器(12)的锅炉给水，另外，汽包(14)用于步骤(3)中向第一蒸汽发生器(8)和步骤(5)中向第二蒸汽发生器(10)提供锅炉给水，还用于步骤(4)中向蒸汽过热器(9)提供饱和蒸汽。

2.根据权利要求1所述的煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法，其特征在于：采用两级激冷方法与废锅流程相结合的工艺流程；所述的两级激冷方法为合成气经过一级激冷器(7)和二级激冷器(13)进行激冷的方法；所述的废锅流程为合成气进入第一蒸汽发生器(8)、蒸汽过热器(9)和第二蒸汽发生器(10)的流程。

3.根据权利要求1所述的煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法，其特征在于：首先采用一级激冷器将高温合成气的温度冷却至煤的灰熔点T1以下。

4.根据权利要求1所述的煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法，其特征在于：高温合成气在激冷室(4)中的第一蒸汽发生器(8)管程自上而下的运动，第一蒸汽发生器(8)采用火管式蒸汽发生器进行热量回收。

5.根据权利要求1所述的煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法，其特
征在于：从第一蒸汽发生器(8)出来的合成气，在第一蒸汽发生器的外壳与激冷室衬里(3)之间的通道折流向上，并从气化炉的合成气出口(15)出气化炉，而灰渣等固体颗粒沉降在激冷室(4)的底部，并排至锁渣罐(16)。

200710175473.5说 明 书第1/9页一种煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法
技术领域
本发明涉及一种煤气化工艺过程，具体涉及一种煤气化制合成气热量回收工艺方法。

背景技术
煤炭是世界储量最多分布最广的化石能源，在高油价的背景下，煤炭资源的比价优势日益明显，而且世界煤炭可开采储量及开采年限明显大于石油和天然气，这为煤化工行业提供了良好的发展环境。

煤的洁净与高效利用是当今能源与环境保护领域中的重大技术课题，也是我国国民经济持续发展的关键技术之一。

近二十年来，国外很多公司为了提高燃煤电厂热效率，对煤气化联合循环发电技术进行了开发研究工作，促进了煤气化技术的发展。

目前国际上技术比较成熟、工艺指标先进、业绩较多具有代表性的有荷兰壳牌(Shell)公司的干煤粉气化工艺(ZL88102581、ZL02829258.8、ZL200480010079.0)和美国GE(原德士古(Texaco))公司的水煤浆煤气化工艺(ZL94106474.3、ZL94117093.4、ZL98807310.2)。

在已建成的工业装置中，高温合成气的热量回收方法有两种常见的流程，一种是以Shell干煤粉气化炉为代表的废锅流程，另一种是以GE水煤浆气化炉为代表的激冷流程。

所谓废锅流程是指利用热交换设备(即废热锅炉)直接回收高温合成气显热，并产生高温高压蒸汽的工艺流程。

激冷流程是指高温合成气首先用水激冷至较低的温度而后再利用热交换设备回收激冷后合成气的潜热，发生较低温度、压力的蒸汽，此种蒸汽的利用范围不如高温高压的蒸汽广泛，利用价值也相对较低。

Shell在专利US4859213中公开的一种煤气化工艺，熔渣在重力作用下落入气化室下方的渣池罐，高温合成气夹带着粉尘上升至急冷区，在气化炉出口处被再循环的冷合成气冷激至900℃左右，然后进入合成气冷却器进一步回收热量，根据合成气的用途不同，合成气温度被冷却至250-400℃左右。

合成气冷却器采用水管式废热锅炉，用来生产高压蒸汽、中压蒸气或过热蒸汽。

合成气出合成气冷却器经干法除尘后，一部分经过循环气压缩机压缩后进入急冷区，用于激冷气化炉出口的高温合成气，其余的合成气送至下游工序。

Shell的煤气化工艺存在冷煤气效率低，设备投资增加，压缩机功耗大，用于激冷的合成气需循环除尘等缺点。

GE在ZL94117093.4中公开一种水煤浆煤气化工艺，其合成气热量回收有两种形式，即直接激冷方式的气化炉或者装有辐射式冷却器的气化炉。

在直接激冷式气化炉中，高温合成气在激冷室中用水喷淋，被激冷到130～260℃，在洗涤的同时将合成气的显热直接转化成蒸汽。

这种将高温热源转化成低品位的低温热能来使用，在热能的利用上是极不合理的，热量回收的利用价值也不高。

GE在美国专利US4436530，US4377132公开了两种装有辐射式冷却器的气化炉，其辐射式冷却器分别采用水冷壁结构和水管式结构。

高温合成气先经过辐射式冷却器的下降通道辐射换热后，把合成气的温度降到250-600℃的范围内，再用水激冷除渣。

这种热量回收方式中，熔融的灰渣容易在水冷壁表面或水管壁表面粘结，严重时会降低辐射式冷却器的传热效率。

发明内容
针对现有流程中存在的技术缺陷，本发明的目的是：提供一种煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法，该工艺方案结合了激冷流程与废锅流程的优点，将现有工艺中的回收低品位的低温热能改为回收高品位的高温
热能，提高热能的使用价值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法，该方法包括以下次序的工艺步骤：
(1)将煤原料与氧化剂一起进入煤气化炉1的气化室5内，在气化室5内发生部分氧化反应，生成高温合成气；
(2)从气化室5中出来的温度为1200-1500℃合的成气与熔渣，经过一级激冷器7进行激冷后，被冷却至原料煤的灰熔点T1以下；
(3)经步骤(2)激冷后的高温合成气，进入第一蒸汽发生器8的管程，与其壳程的来自汽包14的压力为4.0～16MPa的水进行热交换，由水产生的汽水混合物再返回汽包14，管程的合成气在第一蒸汽发生器的出口处被冷却至650-1000℃；
(4)来自第一蒸汽发生器8出口的合成气及灰渣，在激冷室的下部空间进行重力分离，灰渣沉降在激冷室的底部，之后排至锁渣罐16中，而合成气在第一蒸汽发生器8的外壳与气化炉激冷室衬里3之间的通道折流向上，经煤气化炉合成气出口15出气化炉，然后，被送至蒸汽过热器9，合成气在蒸汽过热器9中，与来自汽包14的饱和蒸汽进行热交换，将饱和蒸汽过热至330-590℃，送蒸汽用户使用，而合成气被冷却至500-900℃；
(5)经步骤(4)冷却的合成气进入第二蒸汽发生器10，与来自汽包14的压力为4.0～16MPa的水进行热交换，由水产生的汽水混合物再返回汽包14，合成气被冷却到300-600℃；
(6)经步骤(5)冷却的合成气进入除尘分离器11，合成气中的细灰
渣在除尘分离器11中被进一步分离，经排渣口排出后送灰渣处理单元进行处理；
(7)经步骤(6)除尘后的合成气进入锅炉给水预热器12，与来自水处理单元的锅炉给水进行热交换，被进一步冷却至250～400℃，并将锅炉给水预热至110～330℃，预热后的锅炉给水送入汽包14中；
(8)经步骤(7)冷却后的合成气进入二级激冷器13，合成气在二级激冷器13中，通过喷入激冷水，将合成气中的细灰渣进一步清除，含有细灰渣的渣水送渣水处理单元进行处理，同时，喷入的激冷水部分汽化，补充到合成气中，使合成气中水蒸汽的含量达到饱和，从二级激冷器13出来的合成气温度为200～250℃并被送往后续工艺单元；
本技术方法中所涉及的设备主要包括：气化炉1、下降管2、激冷室衬里3、激冷室4、气化室5、一级激冷器7、第一蒸汽发生器8、蒸汽过热器9、第二蒸汽发生器10、除尘分离器11、锅炉给水预热器12、二级激冷器13、汽包14及锁渣罐16。

其中：
第一蒸汽发生汽8、蒸汽过热器9、第二蒸汽发生器10及锅炉给水预热器12可以是普通的管壳式换热器，合成气走管程，其它介质走壳程。

此行业的技术人员对此设备都很熟知；
除尘分离器11为一干法旋风分离器，将合成气中的细灰渣分离出来，在旋风分离器的底部排出，合成气从旋风分离器的顶部出来，实现气体与固体的分离，此设备也是化工行业常用设备之一。

汽包14是将产生的蒸汽与饱和水分离开的设备，此设备为化工行业常用设备之一，此行业技术人员对此熟知。

本发明中的汽包14用于分离步骤
(3)中来自第一蒸汽发生器8和步骤(5)中来自第二蒸汽发生器10的汽水混合物，并用于接收步骤(7)中来自锅炉给水预热器12的锅炉给水，另外，汽包14用于步骤(3)中向第一蒸汽发生器8和步骤(5)中向第二蒸汽发生器10提供锅炉给水，还用于步骤(4)中向蒸汽过热器9提供饱和蒸汽。

气化炉1是指采用水煤浆或粉煤等方法制合成气的设备，它通常包括：气化室5、激冷室4，激冷室4包括激冷室衬里3、一级激冷器7及下降管2。

煤在气化室5内，在氧化剂存在条件下进行气化生成合成气；一级激冷器7为一多喷嘴雾化设备，可以将激冷水以雾状喷入合成气物流中，均匀快速地将合成气进行冷却，冷却后的合成气沿下降管2向下进入与其相连的第一蒸汽发生器8；激冷室衬里3为耐高温非金属隔热材料，用以保护气化炉的金属外壳。

锁渣罐16为一容器，其上部与激冷室的下部相联接，合成气中的灰渣在激冷室的下部沉降后落入锁渣罐中，在锁渣罐中喷入激冷水使灰渣冷却，然后排出锁渣罐至灰渣处理单元。

本发明方法采用了两级激冷(一级激冷器7和二级激冷器13)方法与废锅(第一蒸汽发生器8、蒸汽过热器9和第二蒸汽发生器10)流程相结合的工艺流程。

本发明技术方案的构思和原理是：将煤原料(包括粉煤或水煤浆)与氧化剂(氧气、空气、水蒸气等)一起进入煤气化炉1，在气化室5内发生部分氧化反应，生成粗合成气，反应释放出的热量使灰渣处于熔融状态，合成气夹带着熔融的灰渣向下通过气化室5，在气化室出口6处的一级激冷
器7中被循环冷却水激冷，熔渣凝固成灰渣，合成气与灰渣进入设置在气化室正下方同轴位置的第一蒸汽发生器8的管程，与壳程的来自汽包14的锅炉给水进行换热，被冷却的合成气及灰渣在激冷室4的下部空间进行重力分离，灰渣沉降在激冷室的底部，之后排至锁渣罐中，而合成气在第一蒸汽发生器8的外壳与气化炉激冷室衬里3之间的通道折流向上，经煤气化炉合成气出口15出气化炉，然后，被送至蒸汽过热器9，合成气体在蒸汽过热器9中，与来自汽包14的饱和蒸汽进行热交换，将饱和蒸汽过热至330-590℃，送蒸汽用户使用，而合成气被冷却至500-900℃，然后进入第二蒸汽发生器10交换热量后，进入除尘分离器11，除去合成气中携带的大部分细灰渣，再进入锅炉给水换热器12，进一步回收热量后，再进入二级激冷器13，用水将合成气充分洗涤除去残留的细灰渣后，进入后续工艺单元。

通过第一蒸汽发生器8、蒸汽过热器9及第二蒸汽发生器10回收的合成气的高品位热量，用来产生超高压过热蒸汽，供后续装置进一步使用。

锅炉给水经锅炉给水预热器12预热后，送入汽包14。

由汽包14出来的饱和水分别进入第一蒸汽发生器8和第二蒸汽发生器10，换热后产生的汽水混合物返回汽包进行汽水分离，饱和蒸汽输送至蒸汽过热器9，过热至指定温度后输出，供蒸汽用户使用。

本方法中副产的超高压蒸汽可并入蒸汽管网输出，也可用来驱动汽轮机来带动其他转动设备或发电。

本发明的工艺方法吸取了现有的激冷流程与废锅流程的优点，并将二者结合在一起，将现有工艺中的回收低品位的低温热能改为回收高品位的
高温热能，提高热能的使用价值，具有显著的优点：
(1)本发明在气化室5的出口6处用少量水激冷高温的合成气与熔渣，使熔渣处于灰熔点T1以下，避免了熔渣在后续的蒸汽发生器的管壁上粘结，稳定合成气与蒸汽发生器间的传热效率。

(2)本发明将出气化室的高温合成气的显热直接进行回收并转化为高温高压的蒸汽，提高了回收的合成气显热的利用价值，扩大了回收热能的应用范围，有效地降低了装置的能耗。

(3)本发明采用干法除尘分离设备将合成气携带的细灰渣分离出来，降低了热量回收过程中激冷水与洗涤水的消耗，减少了装置黑水的处理量与排放量，有利于节能环保。

附图说明
图1是本发明煤气化过程的热量回收工艺流程图
图2是图1的工艺流程框图
图中，1.气化炉2.下降管3.耐火衬里4.激冷室5.气化室6.气化室出口7.一级激冷器8.第一蒸汽发生器9.蒸汽过热器10.第二蒸汽发生器11.除尘分离器12.锅炉给水预热器13.二级激冷器14.汽包15.气化炉出口16.锁渣罐
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以煤处理量35吨/小时的气化炉为例，参照图1，该装置的煤气化炉1内设有气化室5和激冷室4；在气化室与激冷室的过渡连接段设有一级激冷器7，一级激冷器7由20支雾化喷嘴组成。

气化室5产生的合成气压力为
6.5MPa，温度为1250～1350℃，从气化室的出口6进入一级激冷器7，一级激冷器7将激冷水以雾状均匀喷入合成气的物流中，这样可以使合成气均匀、迅速地被冷却，从而可以避免熔渣结块，激冷后的合成气的压力为6.5MPa，温度为1050～1150℃，激冷后的合成气与灰渣沿下降管2向下，进入与下降管2相连接的第一蒸汽发生器8；高温合成气在激冷室4中的第一蒸汽发生器8管程自上而下的运动，第一蒸汽发生器8采用火管式蒸汽发生器进行热量回收。

第一蒸汽发生器8设在煤气化炉的下部，在气化室5的正下方同轴位置处，它实际是一个管壳式换热器，由密布的换热管与管壳组成，两端有管板，合成气走管程，饱和锅炉水走壳程，管内的合成气与壳程的饱和水进行换热后，合成气被冷却到850～900℃；在激冷室4的内壁设有耐温隔热衬里3，该耐温隔热衬里3为耐火材料或耐火材料加水冷壁的复合结构；从第一蒸汽发生器8出来的合成气与灰渣的混合物，在其下部腔体内，部分灰渣沉降到激冷室4的底部，并进入锁渣罐16，合成气则经过第一蒸汽发生器8的外壳与激冷室衬里3之间形成的通道折流向上，在煤气化炉激冷室中上部设有煤气化炉的出口15，合成气从此口出气化炉。

从气化炉出口15来的合成气，通过管道连接进入蒸汽过热器9，将汽包14产生的压力为13.5MPa的饱和蒸汽过热到510～540℃，此蒸汽可送往蒸汽用户使用；合成气被冷却到压力为6.5MPa，温度为600～650℃，然后进入第二蒸汽发生器10，继续发生压力为13.5MPa的饱和蒸汽，同时，合成气被进一步冷却到压力为6.45MPa，温度为450℃；然后，合成气进入除尘分离器11，此除尘分离器实际为干法旋风分离器，将合成气中的细灰渣
分离出来，在分离器的底部排出，送灰渣处理单元进行处理，合成气则从分离器的顶部引出，用管道送到锅炉给水预热器12，将锅炉给水预热到250℃左右，预热后的锅炉给水送往汽包14，同时合成气被冷却到压力为6.40MPa，温度为350℃，然后进入二级激冷器13，在此设备中，通过喷入激冷水将合成气中的细粉尘进一步洗涤，洗涤后形成的渣水混合物(称为：黑水)在其下部排出，送渣水处理单元进行处理，洗涤冷却后的合成气压力为6.40MPa，温度为245℃，冷却后的合成气被送往后续工艺单元。

上述工艺流程框图如图2所示。

本实施例中副产超高蒸汽的产量及参数见表1。

表1副产蒸汽量及参数
合成气进第一蒸℃1100
气发生器的温度
副产蒸汽温度℃520
副产蒸汽压力MPa13.5
蒸汽产量kg/h41300
结合图1与实施例的详细说明可更好地理解本发明的目的和特征，但不作为限制本发明的依据。

200710175473.5说 明 书 附 图第1/2页
200710175473.5说 明 书 附 图 第2/2页。