CN100535087C - 一种固态排灰的气流床气化炉及其工业应用 - Google Patents

一种固态排灰的气流床气化炉及其工业应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以含碳含灰化合物为原料制备煤气的装置，公开了一种固态排灰的气流床气化炉及其工业应用。所说的气化炉是一种多喷嘴配置的以耐火材料为衬里的竖式气流床气化炉，耐火衬里采用锥面斜坡，使灰不易存留在气化室中；在渣口附近，形成较快的气流速度，使煤气更多的携带灰尘，弱化渣的分离沉降；喷水环靠近下渣口配置，弱化堵塞，喷水环有两排孔，方向各异，使灰渣及早混入冷却水，不粘附于器壁；设置高压气喷管，一旦渣口的阻力增加时，可以通过吹高压气疏通。它特别适用于高灰熔点(＞1400℃)、高含灰量(含灰＞15%wt)、高硫(含硫＞4%wt)的煤和处理量大(1000～3000t/天)的气化装置。

Description

一种固态排灰的气流床气化炉及其工业应用
技术领域
本发明涉及一种以含碳含灰化合物为原料制备煤气的装置及其工业应用，尤其涉及一种气流床气化炉。
背景技术
气化是含碳化合物高效、洁净利用的主要途径。气化的主要产物是煤气，其组分主要包括CO和H2，可用于生产NH3、CH3OH、(CH3)2O、液体燃料、发电(IGCC)、海绵铁等领域。
现代大型煤气化工业装置普遍采用气流床气化炉，而含碳化合物中的灰分都采用液态排出法。如美国专利4637823(GE-Texaco)、中国专利90103807.5(shell)、以及申请人所持专利ZL.98110616.1所公开的技术。
但是客观上，很多煤灰含量高，灰熔点高，要采用液态排渣，反应温度较高，例如1400～1700℃，在如此高的温度下，炉内的耐火材料难于耐抗。一旦降温就又会引起下渣口的堵塞。因此，设计一种能够有效地利用灰熔点高、含灰量大的煤气化后的固态排灰装置，将具有重大的工业应用意义，也是煤气化领域十分关注的课题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种固态排灰的气流床气化炉及其工业应用，以克服现有技术存在的上述缺陷。
本发明的构思是这样的：
针对降低气化温度(低于含碳原料灰熔点以下50～200℃)达到耐火材料能够承受的温度，其致命弱点是堵塞渣口的诱因，本发明采用了四项工程对策：
(一)在气化室中不形成存渣的台阶，而采用锥面斜坡，使灰不易存留在气化室中；
(二)在渣口附近，形成较快的气流速度，使煤气更多的携带灰尘，弱化渣的分离沉降；
(三)喷水环尽量靠近下渣口配置，弱化堵塞，喷水环有两排孔，方向各异，使灰渣及早混入冷却水，不粘附于器壁；
(四)设置高压气喷管，一旦渣口的阻力增加时，可以通过吹高压气疏通。
本发明的固态排灰的气流床气化炉包括：
圆柱形筒体；
设置在圆柱形筒体上部的气化室和设置在圆柱形筒体下部的洗涤冷却室；
所说的气化室包括工艺喷嘴室、预热烧嘴室、托砖架和耐火衬里，工艺喷嘴室设置在气化室的周边，工艺喷嘴以机械方式安装在工艺喷嘴室中，预热烧嘴室设置在气化室顶部，预热烧嘴垂直设置在预热烧嘴室中，耐火衬里设置在圆柱形筒体的内壁，工艺喷嘴室处为直筒，直筒以下为上大下小的截头锥，直筒以上为向上抛起的半球形穹顶，托砖架设置在气化室底部，用于支撑耐火衬里，气化室下部为煤气与灰渣出口；所说的工艺喷嘴采用多种形式，如以浆态含碳化合物为原料采用申请人在中国专利95111750.5和97235458.1所提出的结构，如以干粉态含碳化合物为原料采用申请人在中国专利200420114032.6和200510025050.6所提出的结构，有关的技术人员可以根据需要进行选择；
所说的洗涤冷却室包括喷水环、洗涤冷却管、破泡条、高压气喷嘴和冷却环形管；
所说的喷水环设置在洗涤冷却室的上部，与圆柱形筒体上的洗涤冷却水进口相连通，喷水环设有沿环周的上孔和下孔；所说的洗涤冷却管通过托砖架固定在喷水环的下方，破泡条设置在洗涤冷却管与圆柱形筒体之间的空腔中，破泡条的主要作用破除大气泡强化洗涤效果；冷却环形管设置在托砖架的下方、洗涤冷却管的上方，与设置在圆柱形筒体上的喷水口相连通，冷却环形管沿圆周设有开孔；高压气喷嘴设置在洗涤冷却管中部，通过管线与圆柱形筒体上的高压气进口相连通；合成气出口设置在洗涤冷却管上部的圆柱形筒体上，圆柱形筒体的底部为渣水出口。
本发明的固态排灰的气流床气化炉可以用于以含碳含灰化合物为原料制备煤气，将粒径为＜200μm的浆态或干粉态的含碳化合物(例如煤)输送到工艺喷嘴，浆态的含碳化合物用高压泵输送，干粉态的含碳化合物用载气输送如氮气；气化介质和/或工艺蒸汽也同时进入工艺喷嘴混合，以90～140米/秒的流速，喷出工艺喷嘴，将含碳化合物雾化或者弥散后进入气化室气化为煤气，如含碳含灰化合物为浆态进料时，不用蒸汽；当煤气携带粉尘进入截头锥状的耐火衬里时，气体速度增加，出煤气与灰渣出口时的煤气的气速为0.5～10m/s。
气化温度为1100～1400℃，气化压力为1.0～10.0MPa；
所说的气化介质选用空分氧，其氧气的体积浓度为＞85％；
气化介质与含碳含灰化合物的比例为(氧煤比)：400～750Nm3气化介质/1000kg含碳含灰化合物；
采用干粉态进料时，工艺蒸汽与含碳含灰化合物的比例为(蒸汽煤比)：0～500kg工艺蒸汽/1000kg含碳含灰化合物；载气与含碳化合物的比例为(固气比)：100～600kg含碳含灰化合物/m3载气；
煤气与灰渣出口的前后压差为0～0.1MPa；
携带粉尘的温度为1100～1400℃的煤气然后穿过喷水环进入洗涤冷却室，温度为165～300℃的冷却水从喷水环的上孔和下孔中喷出，煤气在洗涤冷却室中被冷却水冷却洗涤降温至温度为175～310℃，洗涤后的煤气与冷却洗涤过程中被汽化的冷却水从合成气出口进入下游工序；大部分粉尘灰在破泡条的作用下，被分离进入液相，然后自渣水出口进入下游设备。这一过程如发明人在专利ZL.01112880.1中所述是相同的。
当煤气与灰渣出口的前后压差超过0.04MPa时，则通入高压气，吹掉积灰，所说的高压气选自氮气或煤气，压力为5.0～12.0MPa；
进一步，托砖架温度超过260～350℃，则将冷却水通入喷水口，而后从冷却环形管中喷出，对托砖架降温。
采用本发明的装置制备煤气，可以选择高灰熔点高灰含量的含碳化合物为原料，例如灰熔点1400～1700℃的煤，可以进行固态排灰。该气化装置的优点是原料适用性广、气化装置能稳定长周期运行、碳转化率和有效气成分高、投资省，特别适合于处理高灰熔点(＞1400℃)、高含灰量(含灰＞15％wt)、高硫(含硫＞4％wt)的煤和日处理1000吨以上的大规模气化生产工艺，具有重大的工业应用意义。
附图说明
图1一种固态排渣的气流床气化炉。
图2图1中D-D向示意图。
图3喷水环示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明的固态排灰的气流床气化炉包括：
圆柱形筒体1；
设置在圆柱形筒体1上部的气化室5和设置在圆柱形筒体1下部的洗涤冷却室11；
所说的气化室5包括工艺喷嘴室21、预热烧嘴室4、托砖架6和耐火衬里3，工艺喷嘴室21设置在气化室5的周遍，最好设置3～6个，均匀排列，工艺喷嘴以机械方式安装在工艺喷嘴室21中，预热烧嘴室4设置在气化室5顶部，预热烧嘴垂直设置在预热烧嘴室4中，其轴线最好与气化室5的轴线相重合，耐火衬里3设置在气化室5的内壁，工艺喷嘴室21的上段和下段为直筒，直筒以下为截头锥体，见图1中的A点起至气化室5的底端，其与截头锥体与水平线之间的夹角β为75～89°，上部最好为向上抛起的半球形穹顶；气化室下部为煤气与灰渣出口17；
所说的洗涤冷却室11包括喷水环7、洗涤冷却管8、破泡条9、高压气喷嘴15和冷却环形管18；
所说的喷水环7设置在洗涤冷却室11的上部，由图3可见，所说喷水环7与圆柱形筒体1上的洗涤冷却水进口10相连通，喷水环7设有沿环周的上孔71和下孔72，上孔71的中心线与垂直线之间的夹角为40～50°，下孔72的中心线与垂直线之间的夹角为18～22°；
所说的洗涤冷却管8通过托砖架6固定在喷水环7的下方，破泡条9设置在洗涤冷却管8与圆柱形筒体1之间的空腔中，破泡条9的主要作用是破除大气泡强化洗涤效果。
冷却环形管18设置在托砖架6的下方、洗涤冷却管8的上方，与设置在圆柱形筒体1上的喷水口13相连通，冷却环形管18沿圆周设有小孔，开孔中心线最好与气化室5的中心线垂直；
高压气喷嘴15设置在洗涤冷却管8中部，通过管线与圆柱形筒体1上的高压气进口14相连通；
合成气出口12设置在洗涤冷却管8上部的圆柱形筒体1上，圆柱形筒体1的底部为渣水出口16。
实施例1
一个日处理1200(干基)吨煤的多喷嘴粉煤气化炉，采用氮气作粉煤输送介质，气化压力为4.0MPa，气化温度为1350℃，气化剂为氧气和水蒸汽，氧气总耗量为25800Nm3/h，蒸汽总耗量为12500kg/h，出气化室气体总流量100466Nm3/h。碳转化率＞98％，有效气(CO+H2)成分＞90％。
煤气与灰渣出口的前后压差为＜0.04MPa；
载气为氮气，载气与含碳化合物的比例为(固气比)：400kg含碳含灰化合物/m3载气；
携带粉尘的温度为1350℃的煤气穿过喷水环进入洗涤冷却室，温度为～218℃的冷却水从喷水环的上孔和下孔中喷出，煤气在洗涤冷却室中被冷却水冷却洗涤降温至温度为220℃，洗涤后的煤气与冷却洗涤过程中被汽化的冷却水从合成气出口进入下游工序；大部分粉尘灰被分离进入液相，然后自渣水出口进入下游设备。
设备结构如图1～图3，主要参数如下：
气化室壳体内直径为Φ3400mm，气化室直段反应区内直径D＝Φ2200mm，喷嘴室上部直段长度1.6D，喷嘴室下段直段长度0.5D，气化室截头锥段长度4D，气化室下渣口直径0.5D。
设有4个工艺喷嘴，均采用中国专利200420114032.6提出的技术。
耐火衬里3的截头锥体与水平线之间的夹角β为86.42°，上部为向上抛起的半球形穹顶。
煤质分析
  元素分析(wt％，干基)
  C   70.78
  H   2.36
  N   0.86
  S   4.5
  O   1.50
  Ash   20
  灰熔点℃   1450
出气化炉洗涤冷却室气体成分(vol％，干基)
  H<sub>2</sub>   26.80
  CO   63.29
  CO<sub>2</sub>   2.04
  H<sub>2</sub>S   1.42
  COS   0.15
  CH<sub>4</sub>   0.14
  N<sub>2</sub>   6.14

Claims (5)

1.一种固态排灰的气流床气化炉，包括：圆柱形筒体(1)，设置在圆柱形筒体(1)上部的气化室(5)和设置在圆柱形筒体(1)下部的洗涤冷却室(11)，所说的气化室(5)包括工艺喷嘴室(21)、预热烧嘴室(4)、托砖架(6)和耐火衬里(3)，工艺喷嘴室(21)设置在气化室(5)的周遍，设置3～6个，均匀排列，工艺喷嘴以机械方式安装在工艺喷嘴室(21)中，预热烧嘴室(4)设置在气化室(5)顶部，预热烧嘴垂直设置在预热烧嘴室(4)中，其轴线与气化室(5)的轴线相重合，耐火衬里(3)设置在气化室(5)的内壁，气化室下部为煤气与灰渣出口(17)；
其特征在于：耐火衬里(3)在工艺喷嘴室(21)的上段和下段为直筒，直筒以下为截头锥体；
所说的洗涤冷却室(11)包括喷水环(7)、洗涤冷却管(8)、破泡条(9)、高压气喷嘴(15)和冷却环形管(18)；
所说的喷水环(7)设置在洗涤冷却室(11)的上部，喷水环(7)与圆柱形筒体(1)上的洗涤冷却水进口(10)相连通，喷水环(7)设有沿环周的上孔(71)和下孔(72)；
所说的洗涤冷却管(8)通过托砖架(6)固定在喷水环(7)的下方，破泡条(9)设置在洗涤冷却管(8)与圆柱形筒体(1)之间的空腔中，
冷却环形管(18)设置在托砖架(6)的下方、洗涤冷却管(8)的上方，与设置在圆柱形筒体(1)上的喷水口(13)相连通，冷却环形管(18)沿圆周设有小孔；
高压气喷嘴(15)设置在洗涤冷却管(8)中部，通过管线与圆柱形筒体(1)上的高压气进口(14)相连通；
合成气出口(12)设置在洗涤冷却管(8)上部的圆柱形筒体(1)上，圆柱形筒体(1)的底部为渣水出口(16)。
2.根据权利要求1所述的固态排灰的气流床气化炉，其特征在于，耐火衬里(3)的截头锥体与水平线之间的夹角β为75～89°。
3.根据权利要求2所述的固态排灰的气流床气化炉，其特征在于，耐火衬里(3)的上部为向上抛起的半球形穹顶。
4.根据权利要求1所述的固态排灰的气流床气化炉，其特征在于，上孔(71)的中心线与垂直线之间的夹角为40～50°，下孔(72)的中心线与垂直线之间的夹角为18～22°。
5.根据权利要求1所述的固态排灰的气流床气化炉的应用，其特征在于，用于以含碳含灰化合物为原料制备煤气。
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