CN101747941B - 气化设备的干式与湿式两用的进料系统 - Google Patents

Abstract

一种用于一气化炉的进料系统。该进料系统包含一煤仓本体，具有一侧壁；一排气装置，其与该煤仓本体连接；一斜向进气装置，设置于该煤仓本体的该侧壁上；以及一输送管，用以连接该煤仓本体及该气化炉。

Description

气化设备的干式与湿式两用的进料系统

技术领域

本发明是关于一种气化装置的进料系统，尤其是指一种适合干式与湿式两用的进料系统。

背景技术

近年来由于全球同时面临环保与能源问题，以致于各国政府及工业界非常重视关于高能源效率及低污染的净煤技术(clean coal technology)的研发。如何提升煤炭的使用效率，以及降低煤炭污染为目前使用净煤技术发展的首要课题。在各种净煤技术中，气化技术(gasificationtechnique)最受瞩目，可利用将各种燃料如煤炭、石油焦、生质能及废弃物等作为进料，且生产的合成气(syngas)可多元化应用，如产生电力、当作燃料与转化成化学品等，因此各国均积极发展此技术。

煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质与氧化剂(如蒸汽/空气或氧气等)发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有CO、H₂、CH₄等可燃气体和CO₂、N₂等非可燃气体的过程；煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、氧化剂、供给热量，三者缺一不可。氧化剂的选择主要在于氧气与空气两种，氧气将有利于合成气热值的提升，但相对需要提供制氧设备的成本，相反的空气则不需提供制气设备，但所获得的合成气热值则相对较低。至于气化炉的商业化技术中，主要有干式固定床(fixed-bed)、流体化床(fluidized-bed)与挟带床(entrained-bed)；其中挟带床属于较近期所发展出的技术，若再依照其进料特性则又可区分为干式与湿式的进料方式。干式进料主要是以干煤粉、水蒸气与氧气做为进料原料，湿式进料则主要是以水煤浆(coal waterslurry)或生质能浆与氧气做为进料；其中干式进料所获得的合成气热值高于湿式进料，但是湿式进料的优点在于进料种类更具多元性，举凡只要能够调配成液态具有热值的流体均可以使用湿式进料气化。

相较于属于早期技术的干式固定床气化炉，挟带床气化炉在使用干式的粉煤进料时对于煤炭的选择性较低，也就是只要能够研磨成粉体的含碳的物质均能使用；请参阅图1，其为公知干式进料的挟带床气化设备10。如图1所示，公知干式进料的挟带床气化设备10包含一进料系统11以及一气化炉12，而该进料系统11包含用来存放粉煤的一煤仓111、一螺旋进料器112、一进气装置113以及一喷嘴114，其中该螺旋进料器112为置放于一输送管中的螺旋结构，以一马达1121转动该螺旋结构而可利用机械式的方式来进行粉煤输送，最后再利用进气装置113在该螺旋进料器112后端将粉煤吹送进入该气化炉12内进行气化反应。

此种利用螺旋进料器输送的技术虽然较为简单，但是由于螺旋结构和输送管壁间存有间隙，容易造成粉体的分布不均，在进料量控制的准确度无法达到相当准确，尤其在高压操作上为了能够让粉体顺利输送，会在该煤仓111内的压力和该气化炉12内的压力维持一定的压差，以利粉煤顺利输送，但若压差发生变化时或炉压不稳定时，其进料量可能发生变化，导致气化系统发生不稳定；另外，当该气化炉12的温度过高时，可能会使该喷嘴114无法承受而堵料，进而产生回火的危险。综上所述，公知使用螺旋进料器的干式进料技术若考虑长距离输送时会有其相当高的困难性。

至于公知湿式的水煤浆进料技术，相对干式进料就较为简单；请参阅图2，为公知湿式进料的挟带床气化设备20。如图2所示，公知干式进料的挟带床气化设备20包含一进料系统21以及一气化炉22，而该进料系统21包含用来存放水煤浆的一储槽211、一高压泵212、一进气装置213以及一喷嘴214。水煤浆主要是将水与粉煤和相关化学剂以不同比例混合而制成，在混合过程与储放中为了能让水煤浆在储槽中能够维持均匀混合，不至于发生硬沉淀现象(即煤-水分离)，除了在混合时加入相关分散剂与稳定剂外，一般是在该储槽211内装设一搅拌机械设备2111进行搅拌，混合均匀的水煤浆再利用该高压泵212配合该进气装置213而将水煤浆及氧气输送到该气化炉22进行气化。此外，在水煤浆输送到该气化炉22进行气化的前必须先经过雾化的处理，因此，在一般公知湿式进料的挟带床气化设备20中，该喷嘴214都会设有特殊的撞击装置，用以产生雾化的效果。

上述公知干式与湿式进料的挟带床气化设备均是针对大型的气化设备(1000～2000吨/天)而设计，且其设计无兼容性，即只能单一运用在某一型态(干式或湿式)系统。在使用需求量不高情况下，若直接将公知的大型气化设备按比例缩小制造，上述大型设备中所出现的问题及缺陷在缩小的设备操作时则会更加严重，然而商业化的气化炉要求的操作稳定度应要相当高，不能容许在输送进料中发生不稳定现象或是堵料的情况。

综上所述，在考虑中、小型气化炉(50吨以下/天)的商业发展潜力之下，业界亟需一种气化设备的干式与湿式两用的进料系统，不仅可配合目前气化炉在高效率与高经济性的发展趋势，对于气化炉的商业发展更将扮演相当重要的角色。

鉴于公知技术的缺失，本发明提出一种气化设备的干式与湿式两用的进料系统，用以改善上述公知技术的缺失。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种气化设备的进料系统，通过将储料仓进行流体化的改良，取代原先使用的机械式输送及搅拌设备，而可成为干式与湿式两用的进料系统。

为实现上述目的，本发明提供的用于一气化炉的进料系统，该进料系统包含一煤仓本体、一排气装置、一斜向进气装置以及一输送管；其中该煤仓本体具有一侧壁，该排气装置与该煤仓本体连接，该斜向进气装置设置于该煤仓本体的该侧壁上，该输送管则用以连接该煤仓本体及该气化炉。

如所述的进料系统，还包含多个斜向进气装置设置于该煤仓本体的该侧壁的一同一横切面。

如所述的进料系统，其中该多个斜向进气装置相对于该侧壁的切线的设置角度及设置方向具有一致性，使得该煤仓本体中的气体能形成一涡流现象。

如所述的进料系统，还包含多个斜向进气装置，该多个斜向进气装置分别设置于该煤仓本体的该侧壁的不同横切面上。

如所述的进料系统，其中该多个斜向进气装置相对于该侧壁的切线的设置角度及设置方向彼此之间不一致。

如所述的进料系统，其中该斜向进气装置系设置于该煤仓本体的该侧壁的底部。

如所述的进料系统，其中该煤仓本体是用以存放煤料，该斜向进气装置的进气口处设有一单向阀，用以防止该煤料回堵该进气口。

如所述的进料系统，其中该煤料为粉状煤料及液态煤料其中之一。

如所述的进料系统，其中该煤仓本体系用以存放一粉状煤料，且该排气装置是一旋风分离器，用以分离排出的空气及该粉状煤料，并将该粉状煤料回收至该煤仓本体中。

如所述的进料系统，其中该输送管的内壁具有一螺旋状纹路。

如所述的进料系统，其中该输送管设置在该侧壁上。

如所述的进料系统，其中包含一加压装置，其与该输送管及该煤仓本体连接，用以加压。

如所述的进料系统，其中包含一压力控制器，其与该煤仓本体及该气化炉连接，用以控制该煤仓本体及该气化炉之间的压差。

如所述的进料系统，其中包含一喷嘴，其连接于该输送管及该气化炉之间，该喷嘴具有一螺蚊结构。

如所述的进料系统，其中包含一喷嘴，其连接于该输送管及该气化炉之间，该喷嘴具有一雾化功能。

根据本发明的构想，本发明还提供一种用于一气化炉的进料系统，该进料系统包含一煤仓本体以及一输送管，该输送管连接于该煤仓本体及该气化炉之间，且该输送管的内壁具有一螺旋状纹路。

根据本发明的构想，本发明另提供一种用于一气化炉的煤仓，其包含一煤仓本体、一排气装置以及一斜向进气装置；其中该煤仓本体具有一侧壁，该排气装置与该煤仓本体连接，该斜向进气装置设置于该煤仓本体的该侧壁上。

如所述的煤仓，其中包含多个斜向进气装置设置于该煤仓本体的该侧壁的一同一横切面上，且该多个斜向进气装置相对于该侧壁的切线的设置角度及设置方向具有一致性，使得该煤仓本体中的气体能形成一涡流现象。

如所述的煤仓，其中包含多个斜向进气装置，该多个斜向进气装置分别设置于该煤仓本体的该侧壁的不同高度的横切面上。

如所述的煤仓，其中该多个斜向进气装置相对于该侧壁的切线的设置角度及设置方向彼此之间不一致。

如所述的煤仓，其中该煤仓本体是用以存放一煤料，该斜向进气装置的一进气口处设有一单向阀，用以防止该煤料回堵该进气口。

如所述的煤仓，其中该煤料为粉状煤料及液态煤料其中之一。

综上所述，本发明的气化设备的干式与湿式两用的进料系统针对了气化设备中的储煤仓和进料方式进行重新设计，将整个储煤仓改良为流体化储煤仓。当储煤仓所储存的煤料是干式的粉状煤料时，利用气体(氮气)通入煤仓让粉体可以保持流体化；当储煤仓所储存的煤料是湿式的液态煤料时，可以利用气流产生搅拌的效果，防止沉淀的情形发生。流体化储煤仓可取代公知技术中使用机械式设备进行输送或搅拌，不仅提升整个进料系统的操作安全性，并简化系统的复杂度与不同形式进料的兼容性，对于整体的气化碳转换率(carbon conversion efficiency)与冷煤气效率(cold gas efficiency)分别可以至95％与70％左右；且本发明能兼具有适用于干式与湿式的气化流程，适合小型气化炉(～10吨/天)的模块化发展。本发明显然较目前存在的各种公知技术具有明显的创造性。

附图说明

图1是公知技术的干式进料的挟带床气化设备的示意图。

图2是公知技术的湿式进料的挟带床气化设备的示意图。

图3是本发明一较佳实施例的气化设备的干式与湿式两用的进料系统的示意图。

图4是本发明另一较佳实施例的气化设备的干式与湿式两用的进料系统的煤仓本体于一横切面的俯视图。

图5是本发明又一较佳实施例的气化设备的干式与湿式两用的进料系统的输送管的透视图。

附图中主要组件符号说明

10                公知干式进料的挟带床气化设备

11、21、31        进料系统

111、211、311     煤仓

112               螺旋进料器

1121              马达

113、213          进气装置

114、214、314     喷嘴

12、22、32        气化炉

20                公知湿式进料的挟带床气化设备

211               储槽

2111              搅拌机械设备

212               高压泵

30                干湿两用的气化设备

311               煤仓本体

312               输送管

3121              开关阀

3122              螺旋状纹路

313a～313d        斜向进气装置

3131              单向阀

315               排气装置

316               加压装置

317               压力控制器

E                 涡流

X、Y              横切面

具体实施方式

以下针对本发明的气化设备的干式与湿式两用的进料系统的较佳实施例进行描述，请参考附图，但实际的配置及所实行的方法并不必须完全符合所描述的内容，本领域技术人员当能在不脱离本发明的实际精神及范围的情况下，做出种种变化及修改。

请参阅图3，是本发明一较佳实施例的气化设备的干式与湿式两用的进料系统的示意图，其目的之一在于将整个储煤仓更改为流体化的储煤仓。如图3所示，本发明的气化设备30包含一进料系统31以及一气化炉32，而该进料系统31包含用来存放一煤料的一煤仓本体311、一输送管312、一斜向进气装置313a、一喷嘴314、一排气装置315以及一压力控制器317；其中该斜向进气装置313a是一种气体喷流装置可喷出氮气，设置于该煤仓本体311的侧壁上，可使该煤仓本体311内的气体产生流体化的涡流(eddy)现象，进而带动该煤料的流体化。同时，为了避免煤料的回堵，可在该斜向进气装置313a的进气口处设置一单向阀3131，以防止该煤料回堵该进气口。

此外，该进料系统31还可设置多个斜向进气装置以增强涡流E的流动性，如图3中所示，可将多个斜向进气装置313a、313b分别设置在该煤仓本体311的不同高度的横切面X、Y上，其中该斜向进气装置313a是设置在靠近该煤仓本体311底部的侧壁上；且该多个斜向进气装置313a、313b相对于该侧壁的切线的角度及方向可设置为彼此不一致。或是如图4中所示，是于另一实施例中，该煤仓本体311于横切面X的俯视图，在此另一实施例中，可将多个斜向进气装置313a、313c、313d设置在该煤仓本体311的同一高度的横切面的侧壁上。值得注意的是，为了有效增强涡流E的流动性，其中该多个斜向进气装置313a、313c、313d设置在同一横切面时，其相对于该侧壁的切线的设置角度及设置方向彼此之间具有一致性为较佳。

请继续参阅图3，由于该斜向进气装置313a、313b会将气体不断地打入该煤仓本体311内，为了让煤仓本体311内的气体可产生对流，需要以该排气装置315将多余的气体排出，并用以维持该煤仓本体311内的压力。该压力控制器317可为一种压差器，用以控制该煤仓本体311与该气化炉32之间的压差以进行流体化煤料的输送，并直接由该输送管312输送至该气化炉32，并经由该喷嘴314喷入该气化炉32内进行煤料的气化；该输送管312可设置一开关阀3121，用以打开或关闭煤料的输送。为了使煤料的输送方向是由该煤仓本体311朝向该气化炉32输送，该煤仓本体311的压力会设定成较该气化炉32高，例如当该气化炉32的压力设为10kg/cm²时，可将该煤仓本体311的压力设定为10.2kg/cm²，该煤仓本体311与该气化炉32之间的压差即为0.2kg/cm²，利用控制压差以及该开关阀3121打开的时间，即可控制输送至该气化炉32的煤料量。依此概念，本领域技术人员可依其需求调整设定的煤仓及炉仓压力大小、压差以及输送时间，不限于上述所举例的压力设定。

本发明的气化设备的进料系统可为干湿两用，换言之，存放于该煤仓本体311内的煤料可为粉状煤料(如粉煤)或液态煤料(如水煤浆或生质能浆)。此外，该排气装置315可为一旋风分离器，当该煤料为粉状煤料时，该旋风分离器可将排出的空气及该粉状煤料分离，并将该粉状煤料回收至该煤仓本体311中；而该煤仓本体311中所产生的流体化涡流E作用在干式的粉状煤料时，可以增加粉煤粒子间的粒径距离，利于粉煤流体化的输送，减少气化不完全的结渣伤害。同时，在该输送管312的内壁可设计具有螺旋状的结构，请参阅图5，是该输送管312的透视图，该输送管312的内壁具有一螺旋状纹路3122；此外，这种螺旋状的内壁设计可延伸至该喷嘴314(请见图3)，换言之，该喷嘴314亦可具有一螺蚊结构。这种输送管路的螺旋纹路设计可以使得由气体带动的该粉状煤料产生气旋的效果，配合流体化的进料，将有效的减少堵料的情形发生，也有利于长距离的进料输送，并且能大幅的增加进料的选择性，适合多元进料的气化技术发展趋势。

另外，在公知技术的干式进料挟带床气化设备中(请参阅图1)，若利用螺旋进料器112进行煤料输送，其控制煤料运送流量的方式是利用冷模实验，找出煤仓111以及气化炉12之间的最佳压差以及进气装置113的最佳气送量，实际运作时再固定所述压差以及气送量，并由控制螺旋进料器112的转速以及运转的时间来控制煤料的输送量；因此，公知技术在控制输送量时所需考虑的变因较多，故造成气化设备系统不稳定的可能因素也较多。此外，基于安全考虑，在公知技术的干式进料气化系统中，粉煤的进料管线都会设计成同轴式(coaxial)的内外管进料器(图未示)，即内管用来以氮气输送粉煤，外管用以输送氧化剂，并在进料管线的后端将煤料及氧化剂混合而喷入气化炉12内，故公知技术的干式气化系统中的进料管线设计也较为复杂。

至于本发明的气化设备的干式与湿式两用的进料系统(请参阅图3)运用在干式进料时，于煤仓本体311的侧壁增设了斜向进气装置313a、313b，使得储存于煤仓本体311中的煤料流体化，不需于输送管中设置机械设备(如螺旋进料器)以帮助煤料的运送，减低了因设置机械输送装置而容易发生堵料的情况；换言之，本发明的气化设备的干式与湿式两用的进料系统相较于公知技术少了螺旋进料器转速以及输送管后端进气量的变因，而只需控制煤仓本体311和气化炉32之间的压差，即可控制煤料的输送流量。因此，本发明不仅提升整个进料系统的操作安全性，并简化了系统的复杂度。

请继续参阅图3，当本发明的气化设备的进料系统运用在湿式进料时，该斜向进气装置313a、313b所产生的该涡流气体E可用以搅拌液态煤料，有利于该液态煤料不断的在该煤仓本体311内混合，不至于发生沉淀，并同时带动该液态煤料的流体化，而该进料系统还可包含一加压装置316，当该喷嘴314具有雾化功能时，可以将其利用来进行该煤仓本体311的增压工作，有利于配合冲击雾化进料技术一起使用。同样地，本发明在应用在湿式进料时，可使用同轴式的内外管进料器，内管用来输送液态煤料，外管用以输送氧化剂，并在进料管线的后端将煤料及氧化剂混合而喷入气化炉内。

此外，值得注意的是，在公知技术中的煤仓未进行流体化设计，其输送管必须设置于煤仓的底部，故进入输送管以及气化炉的煤料通常为位于煤仓底部密度较高的煤料；即在粉状煤料而言，粉体之间的距离较小、较压缩，而在液态煤料而言，则会取到较浓稠甚至已沉淀的煤料，因此也容易造成输送管或喷嘴的堵塞。由于本发明利用了斜向进气装置所产生的涡流气体使粉状煤料以及液态煤料均可形成流体化，故在本发明的进料系统中，用以输送煤料的输送管可设置在煤仓的侧壁上，可避免进料时采取到密度过高的煤料，进而减少堵料的情况发生。

上述实施例仅为了方便说明而举例，本领域技术人员所作的诸般修饰，均不脱离本发明申请的权利要求所保护的范围。

Claims (13)

1.一种用于一气化炉的进料系统，其包含：

一煤仓本体，具有一侧壁；

一排气装置，其与该煤仓本体连接；

多个斜向进气装置，设置于该煤仓本体的该侧壁的一同一横切面，且该多个斜向进气装置相对于该侧壁的切线的设置角度及设置方向具有一致性，使得该煤仓本体中的气体能形成一涡流现象；以及

一输送管，设置在该侧壁上，用以连接该煤仓本体及该气化炉。

2.如权利要求1所述的进料系统，其中，该斜向进气装置设置于该煤仓本体的该侧壁的底部。

3.如权利要求1所述的进料系统，其中，该煤仓本体用以存放煤料，该斜向进气装置的进气口处设有一单向阀，用以防止该煤料回堵该进气口。

4.如权利要求3所述的进料系统，其中，该煤料为粉状煤料及液态煤料其中之一。

5.如权利要求1所述的进料系统，其中，该煤仓本体用以存放粉状煤料，且该排气装置是旋风分离器，用以分离排出的空气及该粉状煤料，并将该粉状煤料回收至该煤仓本体中。

6.如权利要求1所述的进料系统，其中，该输送管的内壁具有螺旋状纹路。

7.如权利要求1所述的进料系统，其中，包含一加压装置，其与该输送管及该煤仓本体连接，用以加压。

8.如权利要求1所述的进料系统，其中，包含一压力控制器，其与该煤仓本体及该气化炉连接，用以控制该煤仓本体及该气化炉之间的压差。

9.如权利要求1所述的进料系统，其中，包含一喷嘴，其连接于该输送管及该气化炉之间，该喷嘴具有螺蚊结构。

10.如权利要求1所述的进料系统，其中，包含一喷嘴，其连接于该输送管及该气化炉之间，该喷嘴具有雾化功能。

11.一种用于气化炉的煤仓，其包含：

一煤仓本体，其具有一侧壁；

一排气装置，与该煤仓本体连接；以及

多个斜向进气装置，设置于该煤仓本体的该侧壁的同一横切面上，且该多个斜向进气装置相对于该侧壁的切线的设置角度及设置方向具有一致性，使得该煤仓本体中的气体能形成涡流现象。

12.如权利要求11所述的煤仓，其中，该煤仓本体用以存放一煤料，该斜向进气装置的进气口处设有一单向阀，用以防止该煤料回堵该进气口。

13.如权利要求12所述的煤仓，其中，该煤料为粉状煤料及液态煤料其中之一。

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