專利名稱:一種焦炭冷卻裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種焦炭冷卻裝置及其方法，尤其是一種用于焦炭干熄焦裝置及其干熄焦裝置的焦炭冷卻方法。
背景技術：
干熄焦技術是焦化工業(yè)領域節(jié)能減排的重要技術之一，是將1050°C左右的高溫焦炭裝入密閉的干熄爐內(nèi)，利用循環(huán)的冷卻惰性氣體，逐步置換高溫焦炭的顯熱而將其降溫至200°C，循環(huán)冷卻氣體升溫到800°C經(jīng)廢熱鍋爐換熱后再次進入干熄爐進行熄焦的過程。相對于濕熄焦而言，干法熄焦有諸多優(yōu)點(I)提高焦炭質(zhì)量。焦炭機械強度提高，M40提高
4.66%, MlO降低至1.07%，80臟 25臟塊度增加4%，反應性下降5%、反應后強度提高5.1%。(2)節(jié)約能源。采用干熄焦技術可回收紅焦顯熱的80%，節(jié)約了能源，提高了發(fā)電量。(3)保護環(huán)境。與濕熄焦相比，采用干熄焦技術，各類大氣污染物排放量可減少約60%，同時還節(jié)約了水資源，環(huán)境效益顯著。
公開號為CN1084545A的一種“干熄焦室”的發(fā)明專利，該裝置包括豎式熄焦室、裝料裝置、氣體分配裝置和卸料設備幾大部分組成，而豎式熄焦室的機構主要分為預存段，冷卻段，風帽和卸料錐段斜煙道幾部分。溫度大約1050°C的紅焦炭由裝料裝置裝入預存段，運行中進入冷卻段。冷卻后的焦炭經(jīng)卸料錐段，由卸料設備卸出。冷卻用的氣體經(jīng)氣體分配裝置風帽進入冷卻段冷卻熱焦炭，然后經(jīng)斜煙道排除。冷卻氣體可以是C02、N2等惰性氣體。該裝置的冷卻劑為惰性氣體CO2和N2,主要換熱過程是物理換熱冷卻。
2002年新日本制鐵株式會社國際申請了一種“干熄焦方法及裝置”發(fā)明專利，并于2005年公開，公開號為CN1694943A。該裝置及方法是由冷卻室和其上部的前置室構成熄焦塔，從前置室的上方裝入赤熱焦碳，向前置室中吹入空氣或者蒸汽，以惰性氣體作為媒體在上述冷卻室內(nèi)使上述赤熱焦碳具有的顯熱進行熱交換，以蒸汽的形式用廢熱鍋爐進行熱回收，在這樣的干熄焦方法中，通過使向廢熱鍋爐的進熱量成為目標值那樣調(diào)整吹入上述前置室中的空氣或者蒸汽的量，從而可以使回收蒸氣量保持為恒定，使循環(huán)氣體中的可燃性氣體成分及氧成分保持為最小量，可以防止向傾斜的煙道部的異物附著，可以防止鍋爐管材的熱破損，同時可以防止熱回收效率的降低，可以防止循環(huán)氣體通氣阻力的增大和鍋爐管材的磨損，同時可以使顯熱回收量形成最大化。該專利雖然在裝置前置室上部吹入水蒸氣，但并不是以發(fā)生氣化反應產(chǎn)生水煤氣為主要目的，而是為了調(diào)整前置室溫度，使進入廢熱鍋爐的熱量成為目標值。
2006年由中國科學院過程工程研究所公開了一種“用焦爐煤氣干熄焦和焦炭脫硫的方法”，其公開號為CN1752180A。該專利發(fā)明了干熄焦過程循環(huán)焦爐煤氣實現(xiàn)焦炭脫硫方法即在干熄焦裝置的熄焦爐中循環(huán)焦爐煤氣代替原來工藝中循環(huán)的惰性氣體(主要是氮氣)。煤氣中的甲烷的吸熱裂解反應和焦爐煤氣相對于氮氣的更大的傳熱效率，確保煤氣可 以更高效率的熄焦。煤氣中的氫氣與焦炭中硫化物和有機硫反應生成H2S,從而達到焦炭脫硫目的。該專利應用了焦爐煤氣冷卻焦炭的方法，使焦炭硫含量顯著降低，同時，達到了快速冷卻焦炭的目的。
上述現(xiàn)有干熄焦方法及其裝置，主要是以氮氣作為循環(huán)氣，產(chǎn)生CO、H2和CH4等氣體，既浪費資源，又污染環(huán)境，而且該方法中需要配套制N2設備，其裝置結構復雜，設備成本較高，迫切需要對其熄焦裝置的結構以及熄焦方法進行改進。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于現(xiàn)有干熄焦方法及其裝置存在的問題，對其熄焦裝置結構以及熄焦方法進行改進，以優(yōu)化熄焦結構及其方法為目的，將改進熄焦結構工藝與生產(chǎn)合成氣集為一體，提供一種焦炭冷卻方法及其裝置。
本發(fā)明對其上述要解決的問題和要實現(xiàn)的目的，所采取的技術方案包括預存段、氣化冷卻段、過渡段、物理冷卻段和排料段構成，其特征是上部預存段與氣化冷卻段間由氣化氣捕集通道連通，中部過渡段與物理冷卻段間由高溫冷卻劑捕集通道連通。
其中，所述氣化冷卻段上中部設有冷卻氣化劑入口、冷卻氣化劑分布器、氣化氣捕集通道和高溫氣化氣出口 ；所述氣化氣捕集通道周圍設有環(huán)形氣體收集管道，并開設有高溫氣化氣出口，在氣化冷卻段低部中間設置有冷卻氣化劑分布器，其分布器與下端冷卻氣化劑入口相連通；所述物理冷卻段底部設有冷卻劑入口、冷卻劑分布器、高溫冷卻劑捕集通道和高溫冷卻劑出口 ；所述高溫冷卻劑捕集通道周圍設有環(huán)形氣體收集管道并開設有高溫冷卻劑出口，在物理冷卻段低部中間設置有冷卻劑分布器，該分布器與冷卻劑入口相連通；所述排料段中的振動給料與旋轉(zhuǎn)排料閥相連通，排料閥出口浸沒于濕法液封熄焦槽中，焦炭排出經(jīng)水流除塵后由斗式提升機輸出，或者排料閥出口下設置皮帶機，焦炭通過皮帶機輸出；所述蒸汽從冷卻氣化劑入口通入，經(jīng)冷卻氣化劑分布器進入氣化冷卻段，蒸汽與赤熱焦炭發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生的合成氣經(jīng)氣化氣捕集通道從高溫氣化氣出口排出，經(jīng)過除塵冷卻去合成，或者與吸收焦炭顯熱后的高溫冷卻介質(zhì)氣體(焦爐煤氣)混合、除塵然后進入廢熱鍋爐；所述焦爐煤氣從冷卻劑入口通入，經(jīng)冷卻劑分布器進入物理冷卻段，焦爐煤氣吸收焦炭顯熱后經(jīng)高溫冷卻劑捕集通道從高溫冷卻劑出口經(jīng)除塵進入廢熱鍋爐。
本發(fā)明上述的技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有熄焦與合成氣生產(chǎn)結合為一體的顯著特點，該發(fā)明提出了氣化反應冷卻和物理換熱冷卻分段進行的理念，即將蒸汽通入氣化冷卻段，利用水煤氣氣化反應吸收焦炭熱量，另外將焦爐煤氣通入物理冷卻段，循環(huán)焦爐煤氣與熱焦炭換熱使高溫焦炭冷卻。該發(fā)明分段進行目的主要是利用熱焦炭與蒸汽發(fā)生水煤氣氣化反應，使焦炭的大部分高溫熱量用于水煤氣反應，從而可以生產(chǎn)更多的水煤氣。通入焦爐煤氣的目的一是保證產(chǎn)生水煤氣的純度，二是達到焦炭部分脫硫的目的。因此該技術是集水煤氣制造、焦炭脫硫以及紅焦顯熱回收為一體的干熄焦新技術。
本發(fā)明焦炭冷卻方法及其裝置的優(yōu)點與積極效果還在于，通過熱量平衡計算達到相同的冷卻效果，若通氣速率相同冷卻時間可降低31.7%，每熄It焦炭消耗水蒸氣10. 8m3，消耗碳 50. 3kg，氣化氣組成 CO、CO2, H2 和 H2O 分別為 40. 81%,3. 77%,48. 36%和
7.06%，合成氣增加約33. 4%，醇產(chǎn)量增加29. 4%。利用該方法可回收高溫焦炭顯熱83%，噸焦回收熱量約I. 35GJ。該方法還使焦炭質(zhì)量提高，通過轉(zhuǎn)鼓實驗測得抗碎強度M40提高約4%，使焦炭在高溫下與二氧化碳發(fā)生反應，然后測定反應后焦炭失重率及其機械強度測得焦炭反應性CRI降低0.3%。本發(fā)明高效利用焦炭的高溫熱量，并將其轉(zhuǎn)化為合成氣，并具有回收焦炭顯熱和提高焦炭質(zhì)量的特點，是一種新型焦炭冷卻方法。


圖I是本發(fā)明焦炭冷卻裝置的結構示意圖
圖2是本發(fā)明碳和水蒸氣反應的平衡常數(shù)與溫度的關系圖
圖中1 :預存段；2 :氣化冷卻段；3 :過渡段；4 :物理冷卻段；5 :排料段；6 :焦炭入口 :冷卻氣化劑入口 ；8 :冷卻氣化劑分布器；9 :氣化氣捕集通道；10 :高溫氣化氣出口 ；11 :冷卻劑入口 ；12 :冷卻劑分布器；13 :高溫冷卻劑捕集通道；14 :高溫冷卻劑出口 ；15 :振動給料；16 :旋轉(zhuǎn)排料閥；17 :斗式提升機；18 :濕法液封熄焦槽。
具體實施方式
下面舉例詳細說明本發(fā)明的技術方案，使本領域的技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)為準，同時本具體實施方式
也能夠達到本發(fā)明所述效果。
本發(fā)明焦炭冷卻裝置如圖2所示，該裝置分為五段，從上到下依次是預存段I、氣化冷卻段2、過渡段3、物理冷卻段4和排料段5。上部的預存段I與接下來的氣化冷卻段2之間由氣化氣捕集通道9相連，中部的過渡段3與接下來的物理冷卻段4之間由高溫冷卻劑捕集通道13相連。氣化冷卻段2由裝置上中部的冷卻氣化劑入口 7、冷卻氣化劑分布器
8、氣化氣捕集通道9和高溫氣化氣出口10組成，在氣化氣捕集通道9周圍設有環(huán)形氣體收集管道，并開設高溫氣化氣出口 10，在氣化冷卻段2低部中間設置了冷卻氣化劑分布器8，該分布器與其下面的冷卻氣化劑入口 7相連。物理冷卻段4由裝置底部的冷卻劑入口 11、冷卻劑分布器12、高溫冷卻劑捕集通道13和高溫冷卻劑出口 14組成，在高溫冷卻劑捕集通道13周圍設有環(huán)形氣體收集管道并開設高溫冷卻劑出口 14，在物理冷卻段4低部中間設置了冷卻劑分布器12，該分布器與其下面的冷卻劑入口 11相連。排料段5中振動給料15與旋轉(zhuǎn)排料閥16相連，浸沒于濕法液封熄焦槽18中，焦炭排出經(jīng)水流除塵后由斗式提升機17輸出，或者排料閥出口下設置皮帶機，焦炭通過皮帶機輸出。
本發(fā)明所使用的冷卻方法是將蒸汽和焦爐煤氣分別通入兩段，即蒸汽通入氣化冷卻段2，發(fā)生氣化反應并產(chǎn)生合成氣，焦爐煤氣通入物理冷卻段4，與焦炭進行物理換熱。蒸汽從冷卻氣化劑入口 7通入，經(jīng)冷卻氣化劑分布器8進入氣化冷卻段2，蒸汽與赤熱焦炭發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生的合成氣經(jīng)氣化氣捕集通道9從高溫氣化氣出口 10排出，經(jīng)過除塵冷卻去合成，或者與吸收焦炭顯熱后的高溫冷卻介質(zhì)氣體(焦爐煤氣)混合、除塵然后進入廢熱鍋爐。焦爐煤氣從冷卻劑入口 11通入，經(jīng)冷卻劑分布器12進入物理冷卻段4，焦爐煤氣吸收焦炭顯熱后經(jīng)高溫冷卻劑捕集通道13從高溫冷卻劑出口 14經(jīng)除塵進入廢熱鍋爐。該焦炭冷卻方法是采用氣化冷卻與物理冷卻相結合的方法，其目的是改變產(chǎn)品結構，其產(chǎn)品可用于生產(chǎn)水煤氣。
本發(fā)明利用水蒸汽和焦爐煤氣替代現(xiàn)有的氮氣冷卻焦炭，將兩種氣體分段通入，在上段通入水蒸氣利用氣化反應吸收焦炭熱量，同時產(chǎn)生合成氣，在下段為避免合成氣CO、H2含量的降低，通入焦爐煤氣，同時利用焦爐煤氣中的成分比氮氣比熱高的特點，降低焦炭冷卻時間。本發(fā)明提出了氣化反應冷卻和物理換熱冷卻分段進行的理念，即對高溫焦炭首先進行水煤氣氣化反應冷卻，冷卻到800 V時，進入物理換熱冷卻段。
水煤氣氣化主要進行如下反應
C+H20 = CCHH2-118821 (J/mol)，C+2H20 = C02+2H2-76841 (J/mol)，
隨著水蒸氣的分解和CO2還原反應的進行，H2和CO的生成量不斷增加，水蒸氣和CO2不斷下降。
對氣化有重要意義的碳與水蒸氣反應，大量的研究表明，其初次反應是
C+H20 = CCHH2-Q
但在過量水蒸氣的參與下，又繼而發(fā)生了反應
CCHH2O = C02+H2+Q
把這兩個反應組合在一起，即得二分子水蒸氣與碳的反應
C+2H20 = C02+2H2-Q
這兩個水蒸氣反應的平衡常數(shù)與溫度關系示意圖如圖I所示，兩個反應平衡常數(shù)隨溫度變化趨勢不同，在高溫時一水反應的平衡常數(shù)增加快得多，而在低溫時雙水反應所占比重增加，所以提高溫度可以相對地提高CO含量而降低CO2含量。
下面以It焦炭為基準，在氣化冷卻段焦炭從950°C降到800°C，焦炭溫度降低所釋放的熱量幾乎與上述兩個反應所吸收的熱量相當，再有化學平衡常數(shù)計算式，如下所示
lg^co = ~6^-— + 1.55611grIg^co2 = ^ + 0.6446 Igr + 0.033646rKco = ^1-Kc02 = X^2X.k
^HlO^HlO
按平衡計算，每熄It焦炭需要通入水蒸氣55. 2m3，消耗水蒸氣48. 21m3，消耗碳23. 8kg，產(chǎn)生氣化氣 99. 6m3，其組成為 CO 40. 81%, CO2 3. 77%, H2 48. 36%, H2O 7.06%。
若通入氮氣，在相同條件下設進氣口溫度300°C，出氣口溫度按950°C，由G (C1I1-C2I2) = Y (c' 2t1 2~c1 1 J 得 VN2 = 326. 3m3。
在物理冷卻段，設焦爐煤氣組成為H2 55 %, CH4 25 %, CO 15%，N25%，進氣口溫度300°C，出氣口溫度800°C，焦炭冷卻至250°C。那么根據(jù)熱量平衡G(citrc2t2)=V(c/ 2t/ 2-c/ 1t/ J得所需焦爐煤氣Vsn= 1005. 2m3。若在這階段使用氮氣做冷卻劑，所需氮氣V' = 1225. 2m3。
在整個冷卻階段，水蒸汽和焦爐煤氣共需1060. 2m3，達到相同的冷卻效果氮氣共需1551. 5m3，水蒸汽和焦爐煤氣的用量是氮氣的68. 33%，那么在相同的速率進氣時，使用焦爐煤氣干熄焦技術，冷卻時間可降低31. 7%，或者說在相同的冷卻時間下循環(huán)氣體量可降低31. 7%。
下面通過具體實施進一步詳細描述本發(fā)明提出的一種焦炭冷卻裝置及方法，本專業(yè)的普通技術人員在閱讀了本發(fā)明的具體實施后，能夠理解和實施本發(fā)明，而本具體實施是對本發(fā)明的詳細說明，并不對本發(fā)明作出任何限制。
其具體實施方式
為溫度為900 1050°C的高溫焦炭(亦稱紅焦)從熄焦爐焦炭入口 6進入熄焦爐，在重力作用下經(jīng)預存段1，進入氣化冷卻段2下行；從冷卻氣化劑入口 7通入的溫度為450± 10°C，壓力為3. 5 4. OMPa的過熱蒸汽或溫度為120 200°C，壓力約
0.I I. 5MPa的低壓蒸汽，經(jīng)冷卻氣化劑分布器8進入氣化冷卻段2上行，與下行的高溫焦炭換熱升溫，并與高溫焦炭發(fā)生氣化反應，如C+H20 — C0+H2,C+2H20 — C02+2H2,氣化反應吸收大量的焦炭顯熱，使焦炭溫度降低，該反應主要與焦炭表面的小粒子或棱角部位比表面大的炭反應，對大塊焦炭的影響不大。生成的氣化氣以及沒有反應的水蒸氣經(jīng)氣化氣捕集通道9，高溫氣化氣出口 10輸出，初步冷卻后的焦炭通過過渡段3進入物理冷卻段4，與從下部冷卻劑入口 11，經(jīng)冷卻劑分布器12上升的冷卻劑在物理冷卻段4逆流換熱，換熱后的高溫冷卻劑經(jīng)高溫冷卻劑捕集通道13從高溫冷卻劑出口 14輸出；經(jīng)冷卻后溫度為150 200 0C的焦炭進入排料段經(jīng)振動給料15和旋轉(zhuǎn)排料閥16排入濕法液封熄焦槽18，水流除塵后輸出，或者排料閥出口下設置皮帶機，焦炭通過皮帶機輸出。
高溫焦炭(800 1050°C )首先進行水煤氣氣化反應冷卻，冷卻到800°C時，進入物理換熱冷卻段。首先通入的蒸汽吸收一部分焦炭顯熱，達到一定溫度后，發(fā)生了水煤氣氣化反應，主要進行以下兩個反應(1)C+H20 = C0+H2-118821 (J/mol), (2)C+2H20 =C02+2H2-76841 (J/mol)，由于這兩個反應是吸熱反應，在這過程中不僅降低了焦炭溫度，而且生成了水煤氣。然后進入物理換熱段冷卻部分，本發(fā)明專利通入的氣體是焦爐煤氣，通過焦爐煤氣來吸收焦炭顯熱，其目的一是冷卻焦炭，二是保證合成氣中H2、CO含量較高，這樣醇燃料收率會比較高。
權利要求
1.一種焦炭冷卻裝置，其含有從上至下依次是預存段(I)、氣化冷卻段(2)、過渡段(3)、物理冷卻段(4)和排料段(5)，其特征是上部的預存段(I)與接下來的氣化冷卻段(2)由氣化氣捕集通道(9)連通，中部過渡段(3)與物理冷卻段(4)由高溫冷卻劑捕集通道(13)連通； 所述氣化冷卻段(2)是位于焦炭冷卻裝置的上中部，在氣化冷卻段(2)的底部中間設置有冷卻氣化劑分布器(8)，冷卻氣化劑分布器(8)與下端冷卻氣化劑入口(7)相連通；在氣化冷卻段(2)上部的氣化氣捕集通道(9)周圍設有環(huán)形氣體收集管道，并設有高溫氣化氣出口 (10)； 所述物理冷卻段⑷底部中間設置有冷卻劑分布器(12)，該冷卻劑分布器(12)與冷卻劑入口(11)相連通；在物理冷卻段(4)上部的高溫冷卻劑捕集通道(13)周圍設有環(huán)形氣 體收集管道，并設有高溫冷卻劑出口(14)； 所述排料段(5)中的振動給料(15)與旋轉(zhuǎn)排料閥(16)相連通，排料閥出口浸沒于濕法液封熄焦槽(18)中，焦炭排出經(jīng)水流除塵后由斗式提升機(17)輸出；或者由排料閥出口下設置的皮帶機輸出。
2.一種用于權利要求
I所述的焦炭冷卻裝置的冷卻方法，其特征是將蒸汽和焦爐煤氣分別通入氣化冷卻段(2)和物理冷卻段(4)，與焦炭進行換熱進行冷卻焦炭； 所述蒸汽從冷卻氣化劑入口(7)通入，經(jīng)冷卻氣化劑分布器(8)進入氣化冷卻段(2)，蒸汽與赤熱焦炭發(fā)生氣化反應，產(chǎn)生的合成氣經(jīng)氣化氣捕集通道(9)從高溫氣化氣出口(10)排出，經(jīng)過除塵冷卻與吸收焦炭顯熱后的高溫冷卻焦爐煤氣混合、除塵然后進入廢熱鍋爐； 所述焦爐煤氣從冷卻劑入口(11)通入，經(jīng)冷卻劑分布器(12)進入物理冷卻段(4)，焦爐煤氣吸收焦炭顯熱后經(jīng)高溫冷卻劑捕集通道(13)從高溫冷卻劑出口(14)進入廢熱鍋爐。
專利摘要
一種焦炭冷卻裝置及方法是由預存段、氣化冷卻段、過渡段、物理冷卻段和排料段五段組成。上部預存段與氣化冷卻段間由氣化氣捕集通道連通，中部過渡段與物理冷卻段間由高溫冷卻劑捕集通道連通，排料段的旋轉(zhuǎn)排料閥浸沒于液封熄焦槽中，在液封熄焦槽中還設有焦炭輸送裝置，或者排料閥出口下設置皮帶機，焦炭通過皮帶機輸出。本發(fā)明采用水蒸氣和焦爐煤氣冷卻焦炭的方法是將水蒸氣通入氣化冷卻段，發(fā)生氣化反應并產(chǎn)生合成氣，焦爐煤氣通入物理冷卻段，吸收焦炭顯熱并與焦炭進行物理換熱。本發(fā)明裝置及其方法減少了循環(huán)氣體量，回收了高溫焦炭顯熱，產(chǎn)生了水煤氣，使資源得到了充分利用。
文檔編號C10J3/00GKCN101705101 B發(fā)布類型授權 專利申請?zhí)朇N 200910075859
公開日2012年8月22日 申請日期2009年10月29日
發(fā)明者張永發(fā), 梁言, 王麗秀, 王軍 申請人:太原理工大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (4),