一种褐煤双床气化制备还原气的系统及方法与流程
本发明涉及一种褐煤气化技术，特别涉及褐煤的双床气化，用来高效生产冶金还原气、煤气、以及合成气的系统及方法。
背景技术：
以高炉为主的现代炼铁工艺，已经发展到了非常完善的程度，但存在流程长、投资大、使用焦炭、环境污染严重等缺点。相对于石油和天然气，尽管我国的煤炭资源丰富，但炼焦煤仅占37％，其中主焦煤仅占6％，且分布不均。这就决定了大量消耗焦煤的炼铁技术是不可持续的。直接还原炼铁是以煤、气体或液体燃料为能源和还原剂，在铁矿石软化温度以下，不熔化即将铁矿石中氧化铁还原获得固态直接还原铁的工艺，该工艺不使用焦炭，不用烧结矿，具有优质、低耗、低污染的特点。发展直接还原铁可以节约宝贵的炼焦煤资源，有利于钢铁工业的结构性调整，有利于开发复合铁矿、难选铁矿，可有效处理钢铁厂粉尘和有色冶金含铁渣等含铁废物，具有较好的市场空间和发展前景。其中，气基竖炉工艺在直接还原铁工艺中占主要地位，主要以天然气为原料，经变换成富h2和co的气体后，与铁矿石反应，生产出海绵铁，主要用于盛产石油或天然气的国家。结合我国富煤、贫油、少气的资源条件及钢铁产业发展现状，开发以煤制气+竖炉直接还原炼铁技术是适合我国发展新型炼铁技术的重要方向。
目前，世界上生产规模最大的气基竖炉工艺以midrex法和hyl法为主，对还原气的要求是，h2与co的总体积分数大于90％，
因此，开发适合直接还原炼铁工艺要求的新型气化工艺是非常必要的。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种褐煤双床气化制还原气的系统，利用该系统，可由褐煤为原料制得还原气，该还原气可不经转换装置来调节气体组分用于气基竖炉直接还原炼铁。
本发明的另一目的在于提供一种褐煤双床气化制还原气的方法，该方法采用前述系统。
为实现上述目的，本发明提供一种褐煤双床气化制还原气的系统，其包括燃烧炉、气化炉、气固分离器、返料装置、催化剂罐及煤粉混合装置；
所述燃烧炉设有烟气出口、半焦/灰入口、灰渣出口、空气分布板及空气入口；所述空气分布板设于所述燃烧炉的截面上以将进入的空气均匀分布，所述烟气出口靠近所述燃烧炉顶部，所述半焦/灰入口位于燃烧炉下部，所述灰渣出口位于燃烧炉底部，所述空气入口设于燃烧炉下部，位于由所述空气分布板和灰渣出口形成的腔室的侧壁；所述气固分离器设有进气口、固体出口及气体出口；所述烟气出口与所述气固分离器的进气口相连接，所述气固分离器的固体出口与所述煤粉混合装置相连接；
所述气化炉内设有气化剂分布板、半焦收集板及催化剂支撑板；所述气化炉的侧壁设有半焦/灰出口、半焦出口、催化剂入口及进料口，所述催化剂入口位于所述进料口上方，且位于催化剂支撑板上方，所述半焦出口位于所述进料口下方，所述半焦/灰出口位于所述半焦出口下方；所述气化炉顶端设有还原气出口，底端设有气化剂入口；
所述气化剂分布板设置在所述气化剂入口上方，用于将进入所述气化炉的气化剂均匀分布；
所述半焦收集板为中空板，该半焦收集板板上设置有气体可通过的气孔，其靠所述半焦出口下方设置，该中空板的外周边紧贴连接在所述气化炉的内壁，优选该中空板的内周边设置围堰，更优选该围堰的高度高于所述半焦出口；
所述催化剂支撑板设置在所述进料口与所述催化剂入口之间，其设有使催化剂向气化炉下部流动的孔洞，其还设有气体可通过的气孔，该催化剂支撑板外周可设或不设围堰；当催化剂支撑板为多块时，使催化剂向气化炉下部流动的孔洞沿气化炉的内壁交错布置；
所述半焦/灰出口通过返料装置与所述燃烧炉的半焦/灰入口相连；所述半焦出口与所述催化剂罐的催化剂进口相连，所述催化剂入口与所述催化剂罐的催化剂出口相连；所述进料口与所述煤粉混合装置的出料口相连。
本发明气化炉的功能包括半焦的气化、褐煤的热解、焦油的催化裂解等，生成满足竖炉要求的还原气。
本发明所述半焦收集板为中空板，该半焦收集板板上设置有气体可通过的气孔洞，其靠所述半焦出口下方设置，该中空板的外周边紧贴连接在所述气化炉的内壁，优选该中空板的内周边设置围堰，更优选该围堰的高度高于所述半焦出口。气化煤气作为流化风，将半焦输送到催化剂罐，或将半焦输送到气化炉下部。
当催化剂支撑板为多块时，其沿气化炉的内壁交错布置，既方便气体通过，又使得催化剂能够顺畅的进入气化炉进行处理。
本发明燃烧炉主要发生半焦的燃烧反应，加热循环灰，为气化炉提供热量。
本发明所述燃烧炉单元，灰渣余热加热供入的空气，节省能量，这是由于灰渣出口与气体分布板形成封闭腔室，空气从腔室侧壁进入，与灰渣换热。
本发明所述气固分离器的作用是将废烟气和固体热载体分离。
作为上述系统的一具体实施方式，所述燃烧炉的炉体为耐火砖砌筑的炉体，其外壳为不锈钢外壳。
作为上述系统的一具体实施方式，所述气固分离器(19)为旋风分离器。
作为上述系统的一具体实施方式，所述系统还包括用于将筛分后的煤粉送入所述煤粉混合装置的进料装置；优选地，该进料装置包括螺旋进料器或星型进料器等。
作为上述系统的一具体实施方式，所述系统还包括脱碳装置，其与所述还原气出口连接。
作为上述系统的一具体实施方式，所述返料装置包括机械阀、u阀或l阀等。
另一方面，本发明提供一种褐煤双床气化制还原气的方法，其采用上述的褐煤双床气化制还原气的系统，所述方法包括如下步骤：
(a)将褐煤原煤破碎筛分后的煤粉经或不经进料装置送入所述煤粉混合装置，与来自于所述气固分离器的热载体(循环热半焦/灰)混合并升温；
(b)煤粉和热载体混合后从所述进料口进入所述气化炉中，与来自于所述气化炉下部生成的热煤气接触，热解生成热解煤气、焦油和半焦，该半焦向下流动，该热解煤气和焦油向上流动；该半焦部分落入所述半焦收集板上，部分进入所述气化炉下部，落入半焦收集板上的半焦，在来自于所述气化炉下部煤气作为流化气的作用下，将该半焦连续或间歇性地输送到所述催化剂罐；当不需要输送半焦时，所述半焦收集板上的半焦又可回到所述气化炉下部参加反应；输入到所述催化剂罐的半焦，直接或经负载碱金属和/或碱土金属后从所述催化剂入口向催化剂支撑板供给催化剂；
(c)输送到所述气化炉下部的半焦与从所述气化剂入口通入的水蒸气及可进一步包括的氧气发生气化反应，生成富氢煤气，未反应的半焦和热灰经所述半焦/灰出口进入所述返料装置，富氢煤气与热解煤气和焦油混合一起向上流动，所述催化剂支撑板上的催化剂对其中的焦油进行催化裂解，生成co和h2，同时发生co的变换反应，生成更多的h2，脱除焦油后的还原气经所述还原气出口排出所述气化炉(2)，该还原气可经脱除co2后供竖炉炼铁；
(d)进入所述返料装置的半焦/灰在流化风的作用下输送到所述燃烧炉下部，在空气环境下燃烧，温度为900～1200℃，燃烧后的废烟气、热半焦及热灰经所述烟气出口进入所述气固分离器；
(e)所述气固分离器将分离后的热半焦和灰作为步骤(a)中的热载体输入所述煤粉混合装置，加热煤粉，为所述气化炉的反应提供热量，所分离的废烟气排出。
本发明方法以我国相对丰富、成本低廉的褐煤作为原料，采用新型气化系统生产还原气，不需设置后续的转换装置，可大幅降低直接还原铁成本，是极具竞争力的技术路线。
本发明以储量丰富、反应活性好、富含碱金属和碱土金属的褐煤为原料制备高品位竖炉还原气，为直接还原炼铁提供了新的制气路线。与高阶煤比，褐煤具有氧含量高，富含碱金属碱土金属，挥发分高等特点，其热解或气化产生的半焦具有很好的催化特性，能够催化裂解焦油。本发明方法充分利用了褐煤煤质特性，开发出了适合我国褐煤高水、高活性等煤质特征的新型褐煤气化方法。该方法采用双床气化的方式，合理的实现褐煤的水蒸气气化，主反应为水蒸气气化，生产富氢还原气，所需热量来源于燃烧炉中半焦的燃烧，焦油通过半焦催化剂进行处理，燃烧炉中的灰渣可经灰渣出口排出。所制备还原气工艺不需转换装置，具有热效率高、成本低、能耗低、催化剂的成本低、易处理等，是极具前景的气化方式。本发明将焦油转化为有效组分，催化剂易于处理，产品气品质好等优点。
本发明热解半焦输入催化剂罐，直接或经负载碱金属或碱土金属后从催化剂入口，向催化剂支撑板供给催化剂，不需要复杂的回收和后处理设施，简便易行，易于处理，所述的催化剂来自于褐煤，在气化炉内生成，制造成本低。
本发明步骤(b)中输送半焦的动力来源于下部的煤气，半焦既可以输送到催化剂罐内，又可以输送到气化炉下部。
作为本发明上述方法的一具体实施方式，步骤(a)中褐煤原煤破碎筛分后的煤粉的粒径为10mm以下。自然干燥满足输送即可。
作为本发明上述方法的一具体实施方式，优选地，在该返料装置中，以空气或惰性气体为流化风，实现半焦/灰的输送。
作为本发明上述方法的一具体实施方式，步骤(a)中所述的热载体与煤粉的质量比为3～40:1。
本发明步骤a中所述的煤粉混合装置是使热载体与煤粉混合，使煤粉加热，本发明也可将煤粉直接加入热载体管道，或直接加入所述气化炉中，在气化炉内混合。
本发明步骤(c)中半焦与水蒸气和氧气的气化反应，以水蒸气气化为主，氧气只是作为调节炉温，促进反应的作用。作为本发明上述方法的一具体实施方式，步骤(c)中从所述气化剂入口通入的水蒸气与步骤(b)中进入所述气化炉(2)的煤粉的质量比为0.2～1.2:1；氧气与该煤粉的质量比为0～0.5:1。
作为本发明上述方法的一具体实施方式，步骤(c)中气化反应的温度为700～950℃。
作为本发明上述方法的一具体实施方式，本发明方法包括如下步骤：
褐煤原煤首先进行破碎，筛分后，选取10mm以下颗粒，经进料装置(包括螺旋进料机)，送入煤粉混合装置，与热载体(循环热半焦/灰)混合升温；一起通过所述进料口进入所述气化炉，并与下部生成的热煤气混合，发生热解反应，生成热解煤气、焦油和半焦，半焦向下流动，热解煤气和焦油向上流动；半焦部分落入所述半焦收集板上，部分进入所述气化炉下部发生气化反应，落入所述半焦收集板上的半焦，以来自于所述气化炉下部煤气作为流化气，将半焦输送到所述催化剂罐；不需要输送半焦时，半焦收集板上的半焦又可以回到所述气化炉下部参加气化反应，输送到所述气化炉下部的半焦与通入的水蒸气及可进一步包括的氧气发生气化反应，生成富氢煤气，未反应半焦和热灰经所述半焦/灰出口进入所述返料装置，半焦水蒸气气化生成的富氢煤气与热解煤气和焦油混合一起向上流动，所述催化剂支撑板上的催化剂对其中的焦油进行催化裂解，生成co和h2，也发生co的变换反应，生成更多的h2，脱除焦油后的还原气经脱除co2后供竖炉炼铁，所述催化剂支撑板上催化剂为所述催化剂罐供应的半焦或半焦负载碱金属或碱土金属催化剂，进入所述返料装置的半焦/灰在流化风的作用下输送到所述燃烧炉下部，其在通入的空气下燃烧，温度达到900～1200℃，燃烧后的烟气、半焦、热灰经烟气出口进入所述气固分离器(包括旋风分离器)，分离后的热半焦和灰作为热载体进入所述煤粉混合装置，废气经出口排出。
综上可知，本发明提供了褐煤双床气化制备还原气的系统及方法，合理实现含碳原料的水蒸气气化，催化裂解焦油，催化剂成本低，具有成本低廉，能耗低的优点，具有如下有益效果：
(1)本发明气化炉的水蒸气气化中，可添加少量氧气，气化反应所需要热量来自于燃烧炉提供的热载体，氧气一方面促进了气化反应，另一方面可以灵活调节气化温度，本发明不需设置变换装置，气体组分调节灵活，具有产品气品质好，成本低、能耗低等优点。
(2)本发明的含焦油热煤气在上部催化剂作用下，发生催化裂解反应，一方面除去焦油，另一方面降低了煤气显热，提高了能源利用率，降低能耗。
(3)本发明的所用催化剂来源于褐煤热解半焦，使用后直接在气化炉内反应处理，具有成本低廉，处理简便的优点。
(4)对于传统气化炉及气化方法，煤和气化剂在气化炉内完全气化生产合成气后，需要降温进行后续变换、净化，热损失大，投资大。本发明充分利用褐煤特点不设变换装置，不设催化剂后处理设施，热效率高，投资低。
附图说明
图1为本发明实施例1的褐煤双床气化制备还原气的系统的示意图；
图2为本发明实施例1的半焦收集板俯视图；
图3为本发明实施例1的催化剂支撑板俯视图；
图中标号具有如下意义：
1：燃烧炉；2：气化炉；3：还原气出口；4：催化剂入口；5：催化剂支撑板；6：催化剂罐；7：半焦出口；8：半焦收集板；9：气化剂分布板；10：气化剂入口；11：半焦/灰出口；12：返料装置；13：进料口；14：空气入口；15：灰渣出口；16：半焦/灰入口；17：烟气出口；18：废气出口；19：气固分离器；20：煤粉混合装置。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。
实施例1
请参见图1，其为本实施例的褐煤双床气化制备还原气的系统的示意图，该示意图中标注了物料的进出情况。本实施例提供的褐煤双床气化制还原气的系统包括燃烧炉1、气化炉2、气固分离器19、返料装置12、催化剂罐6及煤粉混合装置20；
所述燃烧炉1设有烟气出口17、半焦/灰入口16、灰渣出口15、空气分布板及空气入口14；所述空气分布板设于所述燃烧炉的截面上以将进入的空气均匀分布，所述烟气出口靠近所述燃烧炉顶部，所述半焦/灰入口位于燃烧炉下部，所述灰渣出口位于燃烧炉底部，所述空气入口设于燃烧炉下部，位于由所述空气分布板和灰渣出口形成的腔室的侧壁；所述气固分离器19设有进气口、固体出口及气体出口18；所述烟气出口17与所述气固分离器19的进气口相连接，所述气固分离器19的固体出口与所述煤粉混合装置20相连接；
所述气化炉2内设有气化剂分布板9、半焦收集板8及催化剂支撑板5；所述气化炉2的侧壁设有半焦/灰出口11、半焦出口7、催化剂入口4及进料口13，所述催化剂入口4位于所述进料口13上方，且位于催化剂支撑板(5)上方，所述半焦出口7位于所述进料口13下方，所述半焦/灰出口11位于所述半焦出口7下方；所述气化炉1顶端设有还原气出口3，底端设有气化剂入口10；
所述气化剂分布板9设置在所述气化剂入口10上方，用于将进入所述气化炉2的气化剂均匀分布；
请参见图2，其为本实施例半焦收集板俯视图，所述半焦收集板8为中空板，该半焦收集板板上设有可供气体通过的气孔，其靠所述半焦出口7下方设置，该中空板的外周边紧贴连接在所述气化炉2的内壁，该中空板的内周边设置围堰，该围堰的高度高于所述半焦出口；
请参见图3，其为本发明实施例的催化剂支撑板俯视图，所述催化剂支撑板5设置在所述进料口13与所述催化剂入口4之间，其设有使催化剂向气化炉下部流动的孔洞，还设置有气体可通过的气孔，该催化剂支撑板5外周设有围堰；本实施例催化剂支撑板5为两块，使催化剂向气化炉下部流动的孔洞沿气化炉2的内壁按如图所示的方式交错布置；
所述半焦/灰出口11通过返料装置12与所述燃烧炉1的半焦/灰入口16相连；所述半焦出口7与所述催化剂罐6的催化剂进口相连，所述催化剂入口4与所述催化剂罐6的催化剂出口相连；所述进料口13与所述煤粉混合装置20的出料口相连。
本实施例所述燃烧炉1的炉体为耐火砖砌筑的炉体，其外壳为不锈钢外壳。
本实施例所述气固分离器19为旋风分离器。
本实施例所述系统还包括用于将筛分后的煤粉送入所述煤粉混合装置20的进料装置(图中未示出)。
本实施例所述系统还包括脱碳装置(图中未示出)，其与所述还原气出口3连接。
本实施例中所述返料装置为u型阀。
具体制备还原气时，按照图1所示，将褐煤经过破碎后，经研磨筛分获得10mm以下的煤粉，通过进料装置加入煤粉混合装置20中，与气固分离器19分离的热半焦/灰混合升温，煤粉进料量100kg/h，热半焦/灰的循环量1000kg/h。煤粉、半焦/灰混合物经进料口13进入气化炉2，气化炉的操作气速为0.6m/s，发生热解反应，生成co、h2、ch4等有效气体，焦油和固体半焦。挥发物和半焦分离，半焦向下流动，一部分落入半焦收集板8，一部分进入气化炉2下部发生水蒸气气化反应，气化反应温度为700～950℃；挥发物和下部气化得到的煤气混合向上流动，与催化剂支撑板上的催化剂发生反应，将焦油催化裂解生成co和h2，同时发生co变换反应，生成更多的h2，脱除焦油后的煤气从还原气出口3到下游工序，经脱碳后供竖炉使用(脱碳后气体组分h2，59.8％；co，33.5％；co2，2.3％；ch4，3.8％；n2，0.6％)；半焦收集板8上的半焦采用下部煤气作为流化风，将半焦输送到催化剂罐6中，未输送到催化剂罐6中的半焦又进入气化炉下部发生气化反应。催化剂罐内的半焦通过催化剂入口4送到催化剂支撑板上与煤气发生反应，供给速率10kg/h。下部半焦与从气化剂入口10通入的o2和h2o发生反应生成富氢煤气，o2与煤粉质量比为0.3，水蒸气与煤粉质量比为1.0。未反应完全的半焦和热灰经半焦/灰出口进入返料装置12，返料装置12以空气为流化风，将半焦/灰输送到燃烧炉。空气被灰渣预热后进入燃烧炉与半焦发生燃烧反应，温度为900～1200℃，加热后的半焦和灰与烟气一起经烟气出口17进入气固分离器19。分离后的废气从废气出口18排出，热半焦/灰进入煤粉混合装置与煤粉混合，为气化炉提供热量。
最后说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的实施过程和特点，而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的保护范围当中。
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