一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统

1.本发明属于煤炭高效利用和碳捕集技术领域，特别涉及一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统。


背景技术：

2.以准东煤为典型代表的高碱煤在我国的储量十分丰富，促进高碱煤的高效清洁安全利用对推动我国经济社会发展和维护我国能源安全意义重大。富氧燃烧是一种清洁高效的燃烧技术，可以有效地实现二氧化碳的减排并同时减少氮氧化物等大气污染物的排放，所以适用于高碱煤的富氧燃烧技术具有广阔的发展前景。由于高碱煤中含有较多的碱金属和碱土金属，燃用高碱煤时容易造成积灰结渣现象，威胁着锅炉的安全稳定运行；煤地下气化工艺是一种将气化剂导入地下煤层，使煤与气化剂反应生成包含一氧化碳、甲烷和氢气等可燃气体在内的合成气，然后将合成气输送到地表的煤炭原位开采技术。
3.专利申请cn115287100a公开了一种富油煤地下原位气化-热解-余热利用一体化系统，包括气化输入井、气化输出井、气化水平井、热解输入井、热解输出井、热解水平井、空气分离装置、co2捕集装置、气液分离装置、热解产物气液分离器和燃烧室等。针对单一地下原位技术无法有效利用富油煤块分解产生的大量热量，该发明结合富油煤地下原位气化和原位热解技术，将气化过程的放热及气化产物的能量用于富油煤的热解，使整个系统在不额外输入能量的情况下，自发地发生热解反应。最后，将反应生成的co2通入上一地块进行封存，实现了co2零排放。该系统在气化-热解共采过程中，避免了热量浪费，对能量进行了梯级利用，实现富油煤的清洁高效转化。但是对于如何结合煤地下气化工艺燃用高碱煤，避免锅炉积灰结渣现象，实现锅炉安全稳定运行，以及避免煤炭机械开采过程中造成的资源浪费和环境破坏问题，尚无较好的解决方案。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，通过将煤地下气化工艺与富氧燃烧耦合，对高碱煤而言，富含碱金属和碱土金属的煤灰颗粒一部分留在地下，另一部分被合成气携带到地表后可以通过气固分离方法除去，此时合成气中碱金属和碱土金属的含量较低，送入锅炉燃烧时可以有效地避免积灰结渣缓解燃用高碱煤时的积灰结渣问题；煤地下气化工艺可以有效地避免煤炭机械开采过程中造成的资源浪费和环境破坏等问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，包括地下气化炉3，地下气化炉3的进气口通过进气井10与进气泵2的出气端连接，地下气化炉3的出气口通过出气井11与空分装置1的合成气进口a相连接，所述空分装置1的空气进口b接入空气，空分装置1的氧气出口c分为两支，第一支与进气泵2的进气端相连接，第二支与给风机5的进气端相连接，给风机5的出气端接入锅炉7内安装的空预器6的进气端；空预器6的助燃气体出口d分为两支
分别接入锅炉7的主燃区12和燃尽区14，空预器6的烟气出口e分为两支，第一支与烟气净化装置8的入口相连接，第二支接入进气泵2进气端；空分装置1的合成气出口f通过合成气净化装置4分为两支，分别接入锅炉7的主燃区12和再燃区13。
7.所述烟气净化装置8的第一烟气净化出口g经给风机5接入空预器6进气端，第二烟气净化出口h接入碳捕集和储存装置9的进口端，进行二氧化碳的捕集和储存。
8.所述空分装置1分离出空气中的氧气，从空分装置1的氧气出气口c排出，一部分氧气与空预器6的烟气出口e排出的锅炉烟气混合，由进气泵2经进气井10送入地下气化炉3作为气化反应的气化剂；一部分氧气与烟气净化装置8净化处理后的烟气混合作为助燃气体，由给风机5送入空预器6的进气端预热，预热后的一部分助燃气体与合成气净化装置4第一合成气净化出口i的合成气混合后进入锅炉7的主燃区12，另一部分助燃气体送入燃尽区14。
9.所述地下气化炉3中，高碱煤与气化剂发生反应生成具有热值的合成气，合成气由出气井11排出后与空分装置1中的低温氧气换热，然后通过合成气净化装置4除去合成气携带的包括焦油、水、煤灰和焦炭杂质，净化后的合成气一部分经合成气净化装置4第一合成气净化出口i与锅炉经空预器6助燃气体出口d排出的助燃气体混合后送入锅炉7中的主燃区12燃烧，另一部分经合成气净化装置4第二合成气净化出口j送入锅炉7中的再燃区13燃烧。
10.与现有技术先比，本发明具有以下有益效果：
11.1.本发明将煤地下气化工艺与富氧燃烧耦合，在有效地避免煤炭机械开采过程中造成的资源浪费和环境破坏等问题的同时，还可以实现二氧化碳的大规模捕集以及氮氧化物等大气污染物的减排。
12.2.本发明中的空分装置可以同时为煤地下气化工艺和富氧燃烧提供氧气，由空分设备得到的一部分氧气与净化后的烟气按一定比例混合后送入锅炉作为助燃气体，另一部分氧气与锅炉直接排出的烟气(主要成分为二氧化碳和水)混合后送入地下气化炉作为气化反应的气化剂，氧气、二氧化碳和水均可以与煤发生反应生成可燃气体，得到的合成气热值较高。
13.3.本发明可以缓解燃用高碱煤时容易引起锅炉内积灰结渣的问题。高碱煤在地下气化炉中发生气化反应后，生成的煤灰一部分留在地下气化炉中，另一部分被合成气携带至地面后由合成气净化装置分离出来，从而大大减少了送入锅炉内的碱金属和碱土金属的数量，可以有效缓解锅炉内的积灰结渣问题。
14.4.本发明通过合成气与空分装置中的低温氧气换热，一方面加热氧气，避免锅炉效率和地下气化炉效率的降低；另一方面使得合成气携带的水蒸气和气态焦油冷凝，便于在合成气净化装置中分离出去。
15.5.本发明将一部分合成气送入锅炉的再燃区燃烧，在再燃区形成还原性气氛，以促进氮氧化物的还原，可以进一步降低氮氧化物的排放。
16.综上，本发明将煤地下气化工艺与富氧燃烧耦合，有望在煤炭高效清洁利用的基础上，缓解高碱煤容易引起锅炉积灰结渣的问题。
附图说明
17.图1是本发明的系统构造主视图。
18.图中：1、空分装置，2、进气泵，3、地下气化炉，4、合成气净化装置，5、给风机，6、空预器，7、锅炉本体，8、烟气净化装置，9、碳捕集和储存装置，10、进气井，11、出气井，12、主燃区，13、再燃区，14、燃尽区。
具体实施方式
19.下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
20.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例的实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
22.如图1所示，一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，包括地下气化炉3，地下气化炉3的进气口通过进气井10与进气泵2的出气端连接，地下气化炉3的出气口通过出气井11与空分装置1的合成气进口a相连接，所述空分装置1的空气进口b接入空气，空分装置1的氧气出口c分为两支，第一支与进气泵2的进气端相连接，第二支与给风机5的进气端相连接，给风机5的出气端接入锅炉7内安装的空预器6的进气端；空预器6的助燃气体出口d分为两支分别接入锅炉7的主燃区12和燃尽区14，空预器6的烟气出口e分为两支，第一支与烟气净化装置8的入口相连接，第二支接入进气泵2进气端；空分装置1的合成气出口f通过合成气净化装置4分为两支，分别接入锅炉7的主燃区12和再燃区13。
23.所述烟气净化装置8的第一烟气净化出口g经给风机5接入空预器6进气端，第二烟气净化出口h接入碳捕集和储存装置9的进口端，进行二氧化碳的捕集和储存；从而减少二氧化碳的排放。
24.所述空分装置1分离出空气中的氧气，从空分装置1的氧气出气口c排出，一部分氧气与空预器6的烟气出口e排出的锅炉烟气混合，由进气泵2经进气井10送入地下气化炉3作为气化反应的气化剂；一部分氧气与烟气净化装置8净化处理后的烟气混合作为助燃气体，由给风机5送入空预器6的进气端预热，预热后的一部分助燃气体与合成气净化装置4第一合成气净化出口i的合成气混合后进入锅炉7的主燃区12，另一部分助燃气体送入燃尽区14。
25.所述地下气化炉3中，高碱煤与气化剂发生反应生成具有热值的合成气，合成气由出气井11排出后与空分装置1中的低温氧气换热，然后通过合成气净化装置4除去合成气携带的包括焦油、水、煤灰和焦炭杂质，净化后的合成气一部分经合成气净化装置4第一合成气净化出口i与锅炉经空预器6助燃气体出口d排出的助燃气体混合后送入锅炉7中的主燃区12燃烧，另一部分经合成气净化装置4第二合成气净化出口j送入锅炉7中的再燃区13燃烧。合成气在合成气净化装置4除去携带的煤灰颗粒后送入锅炉7作为燃料，减少了锅炉内碱金属和碱土金属的数量，从而缓解了积灰结渣问题。
26.本发明工作原理为：
27.空分装置的空气进口b接入空气，从空气中分离出氧气，一部分氧气与空预器6的烟气出口e排出的锅炉烟气混合，由进气泵2经进气井10送入地下气化炉3作为气化反应的气化剂；一部分氧气与烟气净化装置8净化处理后的烟气混合作为助燃气体，由给风机5送入空预器6预热，预热后的一部分助燃气体与合成气净化装置4第一合成气净化出口i的合成气混合后进入锅炉7的主燃区12，另一部分助燃气体送入燃尽区14；锅炉排出的剩余烟气送入碳捕集与储存装置9进行二氧化碳的捕集和储存，从而减少二氧化碳的排放；高碱煤在地下气化炉3内发生气化反应生成合成气，然后经出气井11输送至地表进行利用，合成气在合成气净化装置4除去携带的煤灰颗粒后送入锅炉7作为燃料，减少了锅炉内碱金属和碱土金属的数量，从而缓解了积灰结渣问题。
28.以上所述，仅是本发明较佳的实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，包括地下气化炉(3)，地下气化炉(3)的进气口通过进气井(10)与进气泵(2)的出气端连接，地下气化炉(3)的出气口通过出气井(11)与空分装置(1)的合成气进口a相连接，其特征在于：所述空分装置(1)的空气进口b接入空气，空分装置(1)的氧气出口c分为两支，第一支与进气泵(2)的进气端相连接，第二支与给风机(5)的进气端相连接，给风机(5)的出气端接入锅炉(7)内安装的空预器(6)的进气端；空预器(6)的助燃气体出口d分为两支分别接入锅炉(7)的主燃区(12)和燃尽区(14)，空预器(6)的烟气出口e分为两支，第一支与烟气净化装置(8)的入口相连接，第二支接入进气泵(2)进气端；空分装置(1)的合成气出口f通过合成气净化装置(4)分为两支，分别接入锅炉(7)的主燃区(12)和再燃区(13)。2.根据权利要求1所述的一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，其特征在于：所述烟气净化装置(8)的第一烟气净化出口g经给风机(5)接入空预器(6)进气端，第二烟气净化出口h接入碳捕集和储存装置(9)的进口端，进行二氧化碳的捕集和储存。3.根据权利要求1所述的一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，其特征在于：所述空分装置(1)分离出空气中的氧气，从空分装置(1)的氧气出气口c排出，一部分氧气与空预器(6)的烟气出口e排出的锅炉烟气混合，由进气泵(2)经进气井(10)送入地下气化炉(3)作为气化反应的气化剂；一部分氧气与烟气净化装置(8)净化处理后的烟气混合作为助燃气体，由给风机(5)送入空预器(6)的进气端预热，预热后的一部分助燃气体与合成气净化装置(4)第一合成气净化出口i的合成气混合后进入锅炉(7)的主燃区(12)，另一部分助燃气体送入燃尽区(14)。4.根据权利要求1所述的一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，其特征在于：所述地下气化炉(3)中，高碱煤与气化剂发生反应生成具有热值的合成气，合成气由出气井(11)排出后与空分装置(1)中的低温氧气换热，然后通过合成气净化装置(4)除去合成气携带的包括焦油、水、煤灰和焦炭杂质，净化后的合成气一部分经合成气净化装置(4)第一合成气净化出口i与锅炉经空预器(6)助燃气体出口d排出的助燃气体混合后送入锅炉(7)中的主燃区(12)燃烧，另一部分经合成气净化装置(4)第二合成气净化出口j送入锅炉(7)中的再燃区(13)燃烧。

技术总结
一种耦合煤地下气化工艺的高碱煤富氧燃烧系统，包括空分装置、地下气化炉、合成气净化装置、锅炉及内部的空预器、烟气净化装置和碳捕集与储存装置；本发明将煤地下气化工艺与高碱煤富氧燃烧耦合，空分装置同时为富氧燃烧锅炉和地下气化炉提供氧气，氧气与锅炉排出的烟气混合后作为锅炉内富氧燃烧的助燃气体和地下气化炉内气化反应的气化剂，锅炉排出的剩余烟气送入碳捕集与储存装置进行二氧化碳的捕集和储存，从而减少二氧化碳的排放；高碱煤在地下气化炉内发生气化反应生成合成气，然后输送至地表进行利用，是一种环境友好型的开采方式；合成气在除去携带的煤灰颗粒后送入锅炉作为燃料，减少了锅炉内碱金属和碱土金属的数量，从而缓解了积灰结渣问题。从而缓解了积灰结渣问题。从而缓解了积灰结渣问题。


技术研发人员：王长安 赵林 赵鹏勃 袁天霖 戴良旭 罗茂芸 车得福
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/13