飞灰和废水再循环的煤气化方法

　　申请日2016.09.12

　　公开(公告)日2016.12.07

　　IPC分类号C10J3/48; C10K1/02; C10K1/10

　　摘要

　　一种飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统及方法，将气化反应后产生的飞灰一部分及浓缩后的含固废水循环利用以制备水煤浆，经次级喷嘴再次投入气化炉;本发明将合成气净化系统中产生的飞灰及废水同时再循环至煤气化系统中综合利用，可以降低合成气净化系统中废水处理的复杂程度，不需要液固完全分离，同时利用水煤浆进料还可以进一步降低合成气温度，提高碳转化率至接近99%，节约的水蒸汽用来发电则可提高IGCC整体效率约0.2%～0.3%。

　　权利要求书

　　1.一种飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统，其特征在于：包括下端设置有排渣系统(13)的气化炉(9)以及开设在气化炉(9)不同标高处自下向上与气化室(93)相连通的第一级喷嘴(10)，第二级喷嘴(11)和第三级喷嘴(12)，其中第一级喷嘴(10)分别与高压氧气及高压蒸汽(32)、干煤粉燃料供应系统相连，第二级喷嘴(11)与水煤浆供应系统相连通，第三级喷嘴(12)分别与高压蒸汽(33)及干煤粉燃料供应系统相连;

　　所述的气化炉(9)的粗合成气(41)出口依次与废热锅炉(14)、旋风分离式除尘器(15)、洗涤塔(16)及脱硫装置(17)相连产生净化后的合成气(44);

　　所述的旋风分离除尘器(15)收集得到的飞灰一部分经飞灰输送器(21)再循环至水煤浆供应系统，其余飞灰(45)移出系统，洗涤塔(16)产生的工艺废水经汽提塔(18)去除NH3及其他吸收的气体，再经澄清塔(19)澄清，经澄清塔(19)处理后的浓缩含固废水经含固废水再循环泵(20)送入水煤浆供应系统，而澄清后的水则送入洗涤塔(16)及排渣系统(13)的冷却水入口循环使用;

　　所述的排渣系统(13)采用水冷却液态渣(42)成为固态渣(43)排出，排渣系统(13)中的含固废水送至澄清塔(19)澄清。

　　2.根据权利要求1所述的飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统，其特征在于：所述的气化炉(9)采用圆筒形，由成同心圆布置的承压外壳(91)及承压外壳内部的气化室(93)构成，在承压外壳(91)及气化室(93)之间贴近气化室外壁设置有水冷壁(92)。

　　3.根据权利要求1所述的飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统，其特征在于：所述的每一级喷嘴采用周向对称布置，即四个喷嘴分别间隔90°角布置在气化炉(9)外壁圆周上，或者两个喷嘴间隔180°角布置在气化炉(9)外壁圆周上。

　　4.根据权利要求1所述的飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统，其特征在于：所述的第一、第三级喷嘴(10、12)设置有独立的与干煤粉燃料供应系统相连的燃料通道(101)以及设置在燃料通道(101)外侧的独立的气化剂通道(102)。

　　5.根据权利要求4所述的飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统，其特征在于：所述的干煤粉燃料供应系统包括依次相连的煤粉贮仓(1)、煤粉干燥器(2)及煤粉锁斗(3)，其中煤粉锁斗(3)还与高压氮气(31)相连，煤粉锁斗(3)的出口以高压氮气输运的干煤粉(34)与第一、三级喷嘴(10、12)的燃料通道(101)相连。

　　6.根据权利要求1所述的飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统，其特征在于：所述的水煤浆供应系统包括依次相连的煤粉贮仓(1)、磨矿机(4)、水煤浆搅拌器(5)、水煤浆过滤器(6)、水煤浆贮仓(7)及加压泵(8)，其中加压泵(8)的出口形成的水煤浆(35)与第二级喷嘴(11)的喷嘴内水煤浆通道(103)相连，且磨矿机(4)还分别经管路与飞灰输送器(21)、含固废水再循环泵(20)相连。

　　7.一种如权利要求1至6中任意一项系统的飞灰和废水再循环的煤气化、净化方法，其特征在于：

　　平均直径小于100μm的煤粉颗粒一部分由煤粉贮仓(1)进入煤粉干燥器(2)干燥脱除水分再进入煤粉锁斗(3)利用高压氮气(31)进行增压输运至气化炉(9)上第一级喷嘴(10)的喷嘴内燃料通道(101)，同时气化剂高压氧气及水蒸汽(32)从第一级喷嘴(10)的喷嘴内气化剂通道(102)进入气化炉(9)，煤粉与气化剂在气化炉(9)内部发生化学反应生成以CO、H2为主要成分的合成气，同时释放大量热能;

　　另一部分煤粉则从煤粉贮仓(1)进入磨矿机(4)，同时磨矿机(4)中也加入了一部分来自旋风分离除尘器(15)收集到的飞灰以及澄清塔(19)经过处理的含有一定固体的浓缩废水，在磨矿机(4)中研磨至固体平均直径小于50μm，然后进入水煤浆搅拌器(5)搅拌均匀，制得的均匀分散的水煤浆进入水煤浆过滤器(6)过滤掉较大的颗粒，再进入水煤浆贮仓(7)贮存，水煤浆经加压泵(8)加压后再通过气化炉(9)上第二级喷嘴(11)喷射进入气化炉(9)，利用第一级喷嘴(10)进来的燃料及气化剂发生化学反应产生的高温合成气带来的热量，第二级喷嘴(11)进来的水煤浆中的水首先汽化成为蒸汽提供气化剂，第二级喷嘴(11)进来的水煤浆脱除水分后剩余的固体包括煤粉以及含有未燃尽碳的固体颗粒作为燃料，与第一级喷嘴(10)进来的燃料与气化剂气化反应后产生的合成气以及未完全反应的燃料及气化剂发生气化反应进一步生产合成气;

　　气化炉(9)中生产的粗合成气(41)经废热锅炉(14)回收热量冷却，经旋风分离除尘器(15)去除粗合成气中的飞灰，经洗涤塔(16)洗涤除去含有的微量固体以及NH3等气体，经脱硫装置(17)脱除H2S制备得到净化后的合成气(44);

　　煤气化过程中产生的渣以液态形式排至排渣系统(13)，排渣系统(13)利用水来冷却液态渣(42)成为固态渣(43)，排渣系统(13)中的废水送至澄清塔(19)处理，大颗粒的渣则从排渣系统(13)移出;

　　旋风分离除尘器(15)收集得到的飞灰一部分经飞灰输送器(21)再循环至磨矿机(4)，其余飞灰(45)则移出系统，而洗涤塔(16)产生的工艺废水经汽提塔(18)去除NH3及其他吸收的气体，再送至澄清塔(19)进行澄清，同时气化炉排渣系统(13)中产生的含固废水也一并送至澄清塔(19)处理，进澄清塔(19)的含固废水其固体含量不得大于1.5wt%，经澄清塔(19)处理后的水返回洗涤塔(16)、排渣系统(13)循环使用，而浓缩后的含固废水由含固废水再循环泵(20)循环至磨矿机(4)用以制备水煤浆(35)。

　　8.一种如权利要求7所述的飞灰和废水再循环的煤气化、净化方法，其特征在于：所述的气化炉(9)启动并先预热至1300-1500℃，从第一级喷嘴(10)投入干煤粉及氧气、水蒸汽等物料进行气化反应，待粗合成气(41)产量达到稳定水平，即波动小于5%，循环飞灰及含固废水生产水煤浆(35)通过第二级喷嘴(11)投入气化炉(9)直至气化炉(9)稳定运行。

　　9.一种如权利要求7所述的飞灰和废水再循环的煤气化、净化方法，其特征在于：所述的由气化炉(9)第二级喷嘴(11)投入的水煤浆(35)其含灰量由公式(1)确定：

　　${\stackrel{·}{m}}_{ash,recycle}=f\left[\frac{r{\stackrel{·}{m}}_{coal,1}-(r-1){\stackrel{·}{m}}_{coal,2}}{1-c}\right]---\left(1\right)$

　　式(1)所述函数关系，一般接近于线性函数，但其具体取值随煤种的不同而不同，但最大值不得超过下述两者的最小值，即(a)水煤浆(35)中最大含固量减去水煤浆(35)中含煤量;(b)旋风分离式除尘器(15)最大除尘量减去进气化炉(9)总煤量中灰成分变为飞灰的量。如公式(2)所示：

　　${\stackrel{·}{m}}_{ash,recyle}<min(c_{solid}{\stackrel{·}{m}}_{slurry,2}-{\stackrel{·}{m}}_{coal,2},{\stackrel{·}{m}}_{ash,15}-\delta {\stackrel{·}{m}}_{coal})---\left(2\right)$

　　式(1)中分别为经第一级喷嘴(10)，第二级喷嘴(11)进入气化炉(9)的煤的质量流量，c为气化炉(9)中碳的总转化率，r为通过第二级喷嘴(11)进入气化炉(9)的燃料即煤和灰含量相对于总燃料量的最佳值;

　　式(2)中csolid为水煤浆(35)最大含固量，为经第二级喷嘴(11)进入气化炉(9)的水煤浆(35)的质量流量，为经第二级喷嘴(11)进入气化炉(9)的煤的质量流量，为旋风分离式除尘器(15)最大除尘质量流量，为进入气化炉(9)的煤的总质量流量，δ为煤中灰成分成为飞灰的质量分数。

　　说明书

　　一种飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统及方法

　　技术领域

　　本发明涉及应用于整体煤气化联合循环发电系统的合成气制备系统及方法，特别涉及一种飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统及方法。

　　背景技术

　　整体煤气化联合循环(IGCC)是将煤气化技术和燃气蒸汽联合循环相结合的先进发电系统，具有发电效率高及环保优势突出等特点。IGCC由两大部分组成，即煤气化及净化系统和燃气蒸汽联合循环系统。其中煤气化系统主要利用煤为原料，与气化剂(包括但不限于氧气、氢气、空气、水蒸汽等)发生化学反应，产生合成气(主要组分包含CO、H2、CH4)，然后对合成气进行干法除尘，湿法洗涤，脱硫等净化过程，以制备洁净的合成气供给燃气蒸汽联合循环系统使用。气化炉为煤气化系统中的关键设备，目前使用的多级粉煤携带床固态排渣气化炉，干燥后的煤粉以高压N2或者CO2输运分级进入气化炉，相应的O2和水蒸汽等气化剂也分级进入气化炉，即从气化炉本体不同标高处的喷嘴分别喷射进入气化炉，使得进料煤粉与不同气化剂发生分级反应。该气化炉利用分级进料，降低了气化炉内合成气温度，可以大大减少甚至取消用于冷却合成气的再循环冷合成气的用量，同时通过调节不同标高喷嘴的进料物流还可快速改变气化炉负荷。干法除尘过程中会分离出含有未燃尽的碳的飞灰，其中一部分飞灰可以发送到原煤输送系统中再送入气化炉以进一步利用未燃尽的碳，提高碳转化率。在湿法洗涤过程中，会产生大量工艺废水，这部分工艺废水经汽提后与来自排渣系统中的含固废水在经过初步处理并澄清后可返回系统中作为各种工艺用水，而利用带式过滤机过滤增稠后的固体可再循环至原煤输送系统中返回气化炉。由于煤气化系统的限制，合成气净化流程只能将固体物料返回煤气化系统中使用，这需要将液体固体彻底分离，所需设备较多，工艺复杂，经济性较差。

　　发明内容

　　本发明的目的在于提供一种综合利用飞灰、工艺废水及含渣废水，降低处理的复杂度，不需要消耗大量能量的液固彻底分离，并且减少水蒸汽消耗进而提高发电效率的飞灰和废水再循环的煤气化、净化系统及方法。

　　为达到上述目的，本发明的系统包括：下端设置有排渣系统的气化炉以及开设在气化炉不同标高处自下向上与气化室相连通的第一级喷嘴，第二级喷嘴和第三级喷嘴，其中第一级喷嘴分别与高压氧气及高压蒸汽、干煤粉燃料供应系统相连，第二级喷嘴与水煤浆供应系统相连通，第三级喷嘴分别与高压蒸汽及干煤粉燃料供应系统相连;

　　所述的气化炉的粗合成气出口依次与废热锅炉、旋风分离式除尘器、洗涤塔及脱硫装置相连产生净化后的合成气;

　　所述的旋风分离除尘器收集得到的飞灰一部分经飞灰输送器再循环至水煤浆供应系统，其余飞灰移出系统，洗涤塔产生的工艺废水经汽提塔去除NH3及其他吸收的气体，再经澄清塔澄清，经澄清塔处理后的浓缩含固废水经含固废水再循环泵送入水煤浆供应系统，而澄清后的水则可送入洗涤塔及排渣系统的冷却水入口循环使用;

　　所述的排渣系统采用水冷却液态渣成为固态渣排出，排渣系统中的含固废水送至澄清塔澄清。

　　所述的气化炉采用圆筒形，由成同心圆布置的承压外壳及承压外壳内部的气化室构成，在承压外壳及气化室之间贴近气化室外壁设置有水冷壁。

　　所述的每一级喷嘴采用周向对称布置，即四个喷嘴分别间隔90°角布置在气化炉外壁圆周上，或者两个喷嘴间隔180°角布置在气化炉外壁圆周上。

　　所述的第一、第三级喷嘴均设置有独立的与干煤粉燃料供应系统相连的燃料通道以及设置在燃料通道外侧的独立的气化剂通道。

　　所述的干煤粉燃料供应系统包括依次相连的煤粉贮仓、煤粉干燥器及煤粉锁斗，其中煤粉锁斗还与高压氮气相连，煤粉锁斗的出口以高压氮气输运的干煤粉与第一、三级喷嘴的燃料通道相连。

　　所述的水煤浆供应系统包括依次相连的煤粉贮仓、磨矿机、水煤浆搅拌器、水煤浆过滤器、水煤浆贮仓及加压泵，其中加压泵的出口形成的水煤浆与第二级喷嘴的喷嘴内水煤浆通道相连，且磨矿机还分别经管路与飞灰输送器、含固废水再循环泵相连。

　　本发明的飞灰和废水再循环的煤气化、净化方法如下：

　　平均直径小于100um的煤粉颗粒一部分由煤粉贮仓进入煤粉干燥器干燥脱除水分再进入煤粉锁斗利用高压氮气进行增压输运至气化炉上第一级喷嘴的喷嘴内燃料通道，同时气化剂高压氧气及水蒸汽从第一级喷嘴的喷嘴内气化剂通道进入气化炉，煤粉与气化剂在气化炉内部发生化学反应生成以CO、H2为主要成分的合成气，同时释放大量热能;

　　另一部分煤粉则从煤粉贮仓进入磨矿机，同时磨矿机中也加入了来自一部分旋风分离除尘器收集到的飞灰以及澄清塔中经过处理的含有一定固体的浓缩废水，在磨矿机中研磨至固体平均直径小于50μm，然后进入水煤浆搅拌器搅拌均匀，制得的均匀分散的水煤浆进入水煤浆过滤器过滤掉较大的颗粒，再进入水煤浆贮仓贮存，水煤浆经加压泵加压后再通过气化炉上第二级喷嘴喷射进入气化炉，利用第一级喷嘴进来的燃料及气化剂发生化学反应产生的高温合成气带来的热量，第二级喷嘴进来的水煤浆中的水首先汽化成为蒸汽提供气化剂，第二级喷嘴进来的水煤浆脱除水分后剩余的固体包括煤粉以及含有未燃尽碳的固体颗粒作为燃料，与第一级喷嘴进来的燃料与气化剂气化反应后产生的合成气以及未完全反应的燃料及气化剂发生气化反应进一步生产合成气;

　　气化炉中生产的粗合成气经废热锅炉回收热量冷却，经旋风分离除尘器去除粗合成气中的飞灰，经洗涤塔洗涤除去含有的微量固体以及NH3等气体，经脱硫装置脱除H2S制备得到净化后的合成气;

　　煤气化过程中会产生渣以液态形式排至排渣系统，排渣系统利用水来冷却液态渣成为固态渣，排渣系统中的废水送至澄清塔处理，大颗粒的渣则从排渣系统移出;

　　旋风分离除尘器收集得到的飞灰一部分经飞灰输送器再循环至磨矿机，其余飞灰则移出系统，而洗涤塔产生的工艺废水经汽提塔去除NH3及其他吸收的气体，再送至澄清塔进行澄清，同时气化炉排渣系统中产生的含固废水也一并送至澄清塔处理，进澄清塔的含固废水其固体含量不得大于1.5wt%，经澄清塔中处理后的水返回洗涤塔、排渣系统循环使用，而浓缩后的含固废水由含固废水再循环泵循环至磨矿机用以制备水煤浆。

　　所述的气化炉启动并先预热至优选1300-1500℃，从第一级喷嘴投入干煤粉及氧气、水蒸汽等物料进行气化反应，待粗合成气产量达到稳定水平，即波动小于5%，循环飞灰及含固废水生产水煤浆通过第二级喷嘴投入气化炉直至气化炉稳定运行。

　　所述的由气化炉第二级喷嘴投入的水煤浆其含灰量由公式(1)确定：

　　${\stackrel{·}{m}}_{ash,recycle}=f\left[\frac{r{\stackrel{·}{m}}_{coal,1}-(r-1){\stackrel{·}{m}}_{coal,2}}{1-c}\right]---\left(1\right)$

　　式(1)所述函数关系，一般接近于线性函数，但其具体取值随煤种的不同而不同，但最大值不得超过下述两者的最小值，即(a)水煤浆中最大含固量减去水煤浆中含煤量;(b)旋风分离式除尘器最大除尘量减去进气化炉总煤量中灰成分变为飞灰的量。如公式(2)所示：

　　${\stackrel{·}{m}}_{ash,recyle}<min(c_{solid}{\stackrel{·}{m}}_{slurry,2}-{\stackrel{·}{m}}_{coal,2},{\stackrel{·}{m}}_{ash,15}-\delta {\stackrel{·}{m}}_{coal})---\left(2\right)$

　　式(1)中分别为经第一级喷嘴，第二级喷嘴进入气化炉的煤的质量流量，c为气化炉中碳的总转化率，r为通过第二级喷嘴进入气化炉的燃料即煤和灰含量相对于总燃料量的最佳值;

　　式(2)中csolid为水煤浆最大含固量，为经第二级喷嘴进入气化炉的水煤浆的质量流量，为经第二级喷嘴进入气化炉的煤的质量流量，为旋风分离式除尘器最大除尘质量流量，为进入气化炉的煤的总质量流量，δ为煤中灰成分成为飞灰的质量分数。

　　本发明综合利用除尘过程中产生的飞灰，洗涤过程中产生的工艺废水、排渣系统中产生的含渣废水并将其再循环至分级进料的气化炉，可以降低合成气净化系统中废水处理的复杂程度，不需要液固完全分离，同时利用水煤浆进料还可以进一步降低合成气温度，提高碳转化率至接近99%，节约的水蒸汽用来发电则可提高IGCC整体效率约0.2%～0.3%。