本發(fā)明涉及煤化工領(lǐng)域，具體地，涉及一種煤氣化裝置及其煤氣化方法，能夠產(chǎn)出更高氫氣含量的合成氣。
背景技術(shù)：
：煤制氫技術(shù)主要以煤氣化制氫為主。煤氣化制氫是先將煤炭氣化得到以一氧化碳、氫氣、水、二氧化碳為主要成份的合成氣，然后經(jīng)過凈化，一氧化碳(CO)變換和分離，提純等處理而獲得一定純度的產(chǎn)品氫。煤氣化制氫技術(shù)的工藝過程一般包括煤的氣化、煤氣凈化、CO的變換以及H2提純等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。煤氣化裝置是煤氣化制氫的關(guān)鍵設(shè)備。含碳燃料(即煤燃料，如干煤粉或水煤漿等)在煤氣化裝置內(nèi)燃燒并氣化反應(yīng)，得到上述的以一氧化碳、氫氣、水、二氧化碳為主要成份的合成氣。現(xiàn)有技術(shù)中，煤氣化裝置一般具有單個燃燒氣化室，煤燃料、氣化劑(如氧氣)等在燃燒氣化室內(nèi)燃燒和氣化，得到的合成氣流出煤氣化裝置并進入下級工藝設(shè)備。然而，現(xiàn)有技術(shù)的煤氣化裝置產(chǎn)出的合成氣中的氫氣含量普遍不高，例如一般干煤粉氣化所產(chǎn)合成氣中H2含量通常不高于30％?，F(xiàn)有技術(shù)中已對此進行了一定研究，例如美國專利文獻US.2005/0039400A1中公開了一種在流化床氣化爐內(nèi)設(shè)置氫氣選擇性透過膜的制氫裝置，氣化爐內(nèi)流出的合成氣通過氫氣選擇性透過膜的過濾，得到更高氫氣含量的產(chǎn)出氣體。但不足之處就是流化床氣化爐的氣化強度低，負荷低，爐內(nèi)分離膜易受到飛灰污染堵塞，氣化爐內(nèi)高溫高壓條件下對H2分離膜材料要求高，分離膜使用條件苛刻。此外，中國專利文獻CN202430187U公開了一種三級流化床制氫裝置，分為耦合煤氣化、鈣基吸附劑捕捉二氧化碳和碳酸鈣煅燒三個過程，通過鈣基吸附劑捕捉二氧化碳以提高氫氣含量。該類型煤氣化制氫裝置存在的缺點一是反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二是流化床氣化反應(yīng)強度低，鈣基吸附劑循環(huán)再生量大，整體熱效率不高，所需的氣化爐反應(yīng)器體積較大。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷或不足，本發(fā)明提供了一種新型煤氣化裝置及采用該煤氣化裝置的富產(chǎn)氫氣的煤氣化方法，該煤氣化裝置的結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)能大，產(chǎn)出的合成氣中的氫氣含量高。為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種煤氣化裝置，該煤氣化裝置包括相互連通的上段氣化室和下段燃燒氣化室，所述上段氣化室設(shè)有合成氣出口，所述下段氣化室設(shè)有排渣口，并且所述上段氣化室的周壁上設(shè)有沿周向間隔布置且伸入所述上段氣化室內(nèi)的上噴嘴，所述下段燃燒氣化室的周壁上設(shè)有沿周向間隔布置且伸入所述下段燃燒氣化室內(nèi)的下噴嘴，其中上噴嘴能夠噴入水蒸汽以產(chǎn)生水煤氣變換。優(yōu)選地，所述上噴嘴和所述下噴嘴均大于兩個且分別沿周向等間隔布置。優(yōu)選地，所述上段氣化室和下段燃燒氣化室均形成為圓柱形腔室，多個所述上噴嘴均以偏離所述上段氣化室的徑向的偏心方向伸入所述上段氣化室內(nèi)，多個所述下噴嘴均以偏離所述下段燃燒氣化室的徑向的偏心方向伸入所述下段燃燒氣化室內(nèi)，以使得噴出物料能夠在所述上段氣化室和下段燃燒氣化室內(nèi)形成渦流。優(yōu)選地，所述上噴嘴和下噴嘴偏離所述徑向的偏心角均為0～30°。優(yōu)選地，煤氣化裝置包括位于所述上段氣化室下方且相互連通的多個所述下段燃燒氣化室，和/或所述煤氣化裝置包括在所述下段燃燒氣化室上方相互連通的多個所述上段氣化室。優(yōu)選地，所述煤氣化裝置還包括合成氣體管道，該合成氣體管道的底端連接于所述上段氣化室的所述合成氣出口。優(yōu)選地，所述上段氣化室和下段燃燒氣化室均為直徑為D的圓柱形腔室，所述上段氣化室與所述下段燃燒氣化室之間通過徑向縮小的喉口段相連；其中，所述下段燃燒氣化室的軸向高度為1D～5D，所述上段氣化室的軸向高度為1D～3D，所述合成氣體管道的直徑為0.05D～0.5D且軸向高度為1.5D～8D。優(yōu)選地，所述上段氣化室和/或所述合成氣體管道中還設(shè)置有CaO吸附劑。優(yōu)選地，所述上段氣化室和下段燃燒氣化室的殼體均為耐火磚襯里結(jié)構(gòu)或水冷壁襯里結(jié)構(gòu)的豎直圓柱形殼體，所述煤氣化裝置還包括徑向間隔地圍繞所述豎直圓柱形殼體外設(shè)置的壓力容器殼體，該壓力容器殼體與所述豎直圓柱形殼體之間形成有惰性氣體充壓室。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種采用上述煤氣化裝置的富產(chǎn)氫氣的煤氣化方法，該方法包括：在所述下段燃燒氣化室被預(yù)熱后，通過所述下噴嘴往所述下段燃燒氣化室內(nèi)通入煤燃料和氣化劑，以產(chǎn)生燃燒和氣化反應(yīng)，并且通過所述上噴嘴往所述上段氣化室內(nèi)通入水蒸汽，以產(chǎn)生進一步的水煤氣變換反應(yīng)。優(yōu)選地，所述下段燃燒氣化室內(nèi)的反應(yīng)溫度控制為為1200°～1400°，所述上段氣化室內(nèi)的反應(yīng)溫度控制為700°～1000°。優(yōu)選地，所述下噴嘴噴入的所述煤燃料與所述上噴嘴噴入的所述水蒸汽之間的質(zhì)量比為1:1.5-2.0。優(yōu)選地，所述下段燃燒氣化室內(nèi)的反應(yīng)氣體的停留時間為2～5秒，所述上段氣化室內(nèi)的反應(yīng)氣體的停留時間為2～4秒；并且所述合成氣出口連接有合成氣體管道，反應(yīng)氣體在所述合成氣體管道內(nèi)的停留時間為1～3秒。根據(jù)上述技術(shù)方案，在本發(fā)明的煤氣化裝置及其煤氣化方法中，采用了分區(qū)氣化，以優(yōu)化爐內(nèi)溫度分布，在高溫的下段燃燒氣化室中適于進行煤燃料的燃燒和氣化，在相對低溫的上段氣化室中，提供噴入高壓水蒸汽，可強化水煤氣變換反應(yīng)，增加氫氣產(chǎn)量，使得產(chǎn)出的合成氣中氫氣含量顯著高于當(dāng)前主流的氣流床氣化爐，可降低下游變換工藝的負荷，適合以氫氣作為最終目標產(chǎn)品的煤化工工藝流程。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。附圖說明附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：圖1為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的煤氣化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示的煤氣化裝置的橫截面示意圖，圖示了上噴嘴或下噴嘴在豎直圓柱形殼體上的分布和安裝角度。附圖標記說明1下段燃燒氣化室2上段氣化室3喉口段4合成氣出口5渣池6排渣口7豎直圓柱形殼體8a下噴嘴8b上噴嘴9合成氣體管道10壓力容器殼體11惰性氣體充壓室H1下段燃燒氣化室的軸向高度a偏心角H2上段氣化室的軸向高度D直徑具體實施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。在本發(fā)明中，在未作相反說明的情況下，使用的方位詞如“上、下、頂、底”通常是針對附圖所示的方向而言的或者是針對豎直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置關(guān)系描述用詞；“豎直方向”指的是圖示的紙面上下方向，“橫向”值得是圖示的大致水平的紙面左右方向；“內(nèi)、外”通常指的是相對于腔室而言的腔室內(nèi)外或相對于圓心而言的徑向內(nèi)外。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種新型煤氣化裝置，該煤氣化裝置(或稱“氣化爐”)包括相互連通的上段氣化室2和下段燃燒氣化室1，上段氣化室2設(shè)有合成氣出口4，下段氣化室1設(shè)有渣池5和排渣口6，并且上段氣化室2的周壁上設(shè)有沿周向間隔布置且伸入上段氣化室2內(nèi)的上噴嘴8b，下段燃燒氣化室1的周壁上設(shè)有沿周向間隔布置且伸入下段燃燒氣化室1內(nèi)的下噴嘴8a。在此煤氣化裝置中，不再采用單一的燃燒氣化室，而是利用分區(qū)氣化，以優(yōu)化爐內(nèi)溫度分布。下段燃燒氣化室1的溫度較高，可進行煤燃料的燃燒氣化反應(yīng)，上噴嘴8b在噴入可選擇的介質(zhì)后，可進一步參與要求溫度相對更低的氣化反應(yīng)，以符合工藝要求。下段燃燒氣化室1可以是單個氣化燃燒室，也可以是相互連通的多個氣化燃燒室，氣化燃燒室內(nèi)進行燃燒和氣化反應(yīng)后產(chǎn)生的合成氣(煤和氣化劑反應(yīng)生成主要含有氫氣和一氧化碳的合成氣)全部進入上段氣化室2內(nèi)，進行后續(xù)的反應(yīng)，例如水煤氣變換反應(yīng)等。同樣的，上段氣化室2也可以是單個或多個。此外，上段氣化室2與下段燃燒氣化室1之間的最大區(qū)別在于下段燃燒氣化室1為煤的燃燒室，而上段氣化室2中無需煤的參與。進一步地，上段氣化室2和下段燃燒氣化室1可采用多級多噴嘴設(shè)計，其中的噴嘴數(shù)量以及噴出物料均可調(diào)節(jié)，以使得氣化爐的整體操作負荷彈性大，操作靈活。在本實施方式中，多個上噴嘴8b中的至少一個為能夠向上段氣化室2內(nèi)噴入水蒸汽的水蒸汽噴嘴。這是由于在煤氣化反應(yīng)過程的水煤氣變換反應(yīng)(CO+H2O→CO2+H2)是產(chǎn)生氫氣的重要反應(yīng)，該氣化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，從熱力學(xué)平衡角度分析，降低溫度和增大水氣比會有利于反應(yīng)平衡向右移動。因此在上段氣化室2內(nèi)噴入高壓水蒸汽后，增強了水煤氣變換反應(yīng)，能夠產(chǎn)出更多的氫氣。因此，上段氣化室2內(nèi)噴入水蒸汽，可強化水煤氣變換反應(yīng)，增加氫氣產(chǎn)量，靈活調(diào)節(jié)氫/碳比，滿足后續(xù)工藝要求。同時降低合成氣出口4的溫度，減少熔渣夾帶，充分利用煤氣顯熱。其中，上段氣化室2和下段燃燒氣化室1均優(yōu)選為圓柱形腔室，多個上噴嘴8b均以偏離上段氣化室2的徑向的偏心方向伸入上段氣化室2內(nèi)，多個下噴嘴8a均以偏離下段燃燒氣化室1的徑向的偏心方向伸入下段燃燒氣化室1內(nèi)，以使得噴出物料能夠在上段氣化室2和下段燃燒氣化室1內(nèi)形成渦流。這樣，通過多噴嘴的偏心設(shè)置，以形成渦流，延長了燃料顆粒在爐內(nèi)的盤旋停留時間，減少噴嘴之間火焰直接對沖，避免噴嘴燒損，延長噴嘴壽命，改進了裝置性能。具體地，在如圖2所示的本實施方式中，上噴嘴8b和下噴嘴8a均大于兩個(圖示為4個)且分別沿周向等間隔布置。其中，上噴嘴8b和下噴嘴8a偏離徑向的偏心角a均優(yōu)選為0～30°，以形成圍繞豎直圓柱形殼體7內(nèi)壁的大尺寸渦流或撞擊流，強化煤燃料顆粒與氣化劑或水蒸汽等的混合過程并提高燃料顆粒在爐內(nèi)的停留時間，從而達到良好的工藝與工程效果，實現(xiàn)有效氣體成分高、碳轉(zhuǎn)化率高且爐壁耐火襯里壽命長的優(yōu)點。進一步地，本發(fā)明的煤氣化裝置還優(yōu)選地包括合成氣體管道9，該合成氣體管道9的底端連接于上段氣化室2的合成氣出口4。從合成氣出口4流出的合成氣在長度較長的合成氣體管道9中可進一步產(chǎn)生少量的氣化反應(yīng)，從而增加氫氣產(chǎn)量。優(yōu)選地，上段氣化室2和/或合成氣體管道9中還可設(shè)置有CaO吸附劑。通過CaO吸附劑等吸收合成氣中的主要成分二氧化碳等，提高最終的氫氣純度。例如可以在合成氣體管道9的兩端設(shè)置篩板，篩板之間填充CaO吸附劑例如氧化鈣顆粒，合成氣通過篩孔進入合成氣管道，向上流動時與氧化鈣顆粒接觸。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，也可采用其他方式，例如使合成氣通過石灰水噴淋塔以脫除CO2，進而通過膜分離實現(xiàn)高氫/碳比的合成氣等。在本實施方式中，更優(yōu)選的，為便于設(shè)置或維護CaO吸附劑等，更可將上段氣化室2或合成氣體管道9相應(yīng)設(shè)置為可拆裝的兩段式結(jié)構(gòu)。參見圖1，上段氣化室2和下段燃燒氣化室1均優(yōu)選為圓柱形腔室，其直徑為D，上段氣化室2與下段燃燒氣化室1之間通過徑向縮小的喉口段3相連，以相互區(qū)隔并增強渦流在各氣化室內(nèi)的停留時間。其中，根據(jù)燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的火焰溫度等確定下段燃燒氣化室1的軸向高度H1，一般優(yōu)選為1D～5D，相應(yīng)地，上段氣化室2的軸向高度H2優(yōu)選為1D～3D，合成氣體管道9的直徑優(yōu)選為0.05D～0.5D且軸向高度優(yōu)選為1.5D～8D。各反應(yīng)腔室的上述優(yōu)選尺寸比例意在優(yōu)化內(nèi)部流場和反應(yīng)停留時間，使反應(yīng)腔室內(nèi)形成旋流，利用旋流產(chǎn)生的離心力將熔渣帶到氣化室側(cè)壁，形成一定厚度的渣層保護器壁。此外在進行下述的煤氣化反應(yīng)時，下段燃燒氣化室1、上段氣化室2以及合成氣體管道9的長度應(yīng)滿足：使下段燃燒氣化室1內(nèi)的反應(yīng)氣體的停留時間為大約2～5秒，上段氣化室2內(nèi)的反應(yīng)氣體的停留時間大約為2～4秒；并且合成氣體在合成氣體管道9內(nèi)的停留時間大約為1～3秒。這種停留時間設(shè)計可保證充分的碳燃盡率以及水煤氣變換反應(yīng)。當(dāng)然，以上各管道腔室的尺寸設(shè)置并不限于此，可根據(jù)不同的工藝要求進行相應(yīng)調(diào)整。在本實施方式中，上段氣化室2和下段燃燒氣化室1的殼體均優(yōu)選為耐火磚襯里結(jié)構(gòu)或水冷壁襯里結(jié)構(gòu)的豎直圓柱形殼體7，徑向間隔地圍繞豎直圓柱形殼體7外設(shè)置有壓力容器殼體10，該壓力容器殼體10與豎直圓柱形殼體7之間形成有惰性氣體充壓室11，以保證豎直圓柱形殼體7的內(nèi)外壓力均衡，即保護豎直圓柱形殼體7避免受壓，而將壓力轉(zhuǎn)移至壓力容器殼體10，使其承受大致2～6.5MPa的內(nèi)外壓力差。根據(jù)上述煤氣化裝置，以下闡述采用圖1所示的煤氣化裝置的富產(chǎn)氫氣的煤氣化方法，該方法包括：在下段燃燒氣化室1被預(yù)熱后，通過下噴嘴8a往下段燃燒氣化室1內(nèi)通入煤燃料和氣化劑，以產(chǎn)生燃燒和氣化反應(yīng)，并且通過上噴嘴8b往上段氣化室2內(nèi)通入水蒸汽，以產(chǎn)生進一步的水煤氣變換反應(yīng)。含碳燃料(例如干煤粉)經(jīng)輸送系統(tǒng)，與氣化劑(氧氣)從下噴嘴8a噴入煤氣化裝置的下段燃燒氣化室1；高壓水蒸汽從上噴嘴8b噴入上段氣化室2。含碳物質(zhì)在煤氣化裝置內(nèi)的反應(yīng)過程主要分為以下幾個階段：1)、燃料與氧氣在下段燃燒氣化室1產(chǎn)生以燃燒為主并伴隨有氣化的高溫反應(yīng)，反應(yīng)溫度可達到1200℃～1400℃甚至以上，確保排渣溫度高于燃料灰熔點并形成流動態(tài)灰渣向底部渣池5排入，反應(yīng)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庀蛏狭鲃舆M入上段氣化室2，燃料顆粒隨氣流在爐內(nèi)形成渦流流場，提高了顆粒的停留時間；2)、約300℃的高壓過熱蒸汽由上段氣化室2的四個上噴嘴8b送入上段氣化室2并形成渦流流場，與從下段燃燒氣化室1產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c未燃盡顆粒混合，發(fā)生以水煤氣變換反應(yīng)、重整反應(yīng)為主的氣化反應(yīng)，控制上段氣化室2內(nèi)的反應(yīng)溫度在700℃～1000℃左右；3)、在上段氣化室2仍未燃盡的大顆粒由于重力等的作用向下落入下段燃燒氣化室1進行以燃燒為主的反應(yīng)，并將其所含殘?zhí)繌氐兹急M。細小飛灰顆粒隨氣流向上流動，與合成氣一同從上部的合成氣出口4流出；4)、在煤氣化裝置的上部的相對溫度較低的合成氣管道9的內(nèi)部空間中，還可發(fā)生少量的氣化和變換反應(yīng)，進一步增加合成氣中氫氣的含量。其中，由于采用兩段式反應(yīng)分區(qū)，并在煤氣化裝置內(nèi)合理組織了高溫燃燒和氣化兩類反應(yīng)，使煤氣化裝置的整體碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率等大大提高，爐內(nèi)溫度得到合理優(yōu)化，最終的合成氣產(chǎn)物中的氫氣含量顯著提高，非常適合以氫氣為目標產(chǎn)品的大型煤化工工藝。具體實施例采用圖1和圖2所示的煤氣化裝置，下噴嘴8a噴入的煤燃料為干煤粉和純氧，上噴嘴8b噴入的為300℃的高壓過熱蒸汽。其中，氧煤比＝0.78，汽煤比＝2，下噴嘴8a噴入的煤燃料與上噴嘴8b噴入的水蒸汽之間的所述汽煤比(質(zhì)量比)優(yōu)選為介于1:1.5-2.0，一般可使得上段氣化室2內(nèi)的溫度介于650-950℃之間。檢測結(jié)果表明：下段燃燒氣化室1中的碳轉(zhuǎn)化率為98％，上段氣化室2的碳轉(zhuǎn)化率為99％。其中，下段氣化室1的反應(yīng)溫度1401℃，下段氣化室1排入上段氣化室2的合成氣的組成見表1。表1：下段氣化室1排出的合成氣的組成合成氣組成(干基)N210.5％H224.9％CO63.1％CO21.1％H2S0.1％CH40.2％上段氣化室2內(nèi)的反應(yīng)溫度928℃，其合成氣出口4流出的合成氣的組成見表2。表2：合成氣出口4排出的合成氣的組成合成氣組成(干基)N27.9％H241.5％CO17.5％CO230.0％H2S0.1％CH42.9％此煤氣化裝置最終所產(chǎn)出的合成氣中，H2的摩爾含量大于40％，而一般氣化爐中的干煤粉氣化所產(chǎn)出的合成氣中的H2含量普遍不高于30％，因此本發(fā)明的煤氣化裝置及其煤氣化方法可較大幅度的提高最終合成氣的氫氣含量。以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均未超出本發(fā)明的構(gòu)思，因而均屬于本發(fā)明的保護范圍。另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。當(dāng)前第1頁1 2 3