CN101885989B - 一种可控制煤炭连续气化的煤炭气化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可控制煤炭连续气化的煤炭气化装置,包括压力壳,气化室,气化器壁底部为会聚形成排渣口的会聚壁部分,还包括两端分别连接传感器和贯穿会聚壁部分导波杆,传感器通过信号处理装置与控制喷嘴的控制器连接;信号处理装置不断提取所述振动信号的能量E或特征频段的能量分率Ei并传输给控制器,控制器控制喷嘴使得0.5E0≤E≤1.5E0或Ei≤0.1,本发明装置通过检测会聚壁部分的振动信号,不断提取振动信号的能量或振动信号特征频段的能量分率,并通过控制器控制喷嘴输送原料的输送量或组成,使得振动信号能量或振动信号特征频段的能量分率满足相应要求,以达到连续运行的目的,不仅结构简单,而且控制操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭气化技术领域,尤其涉及一种可控制煤炭连续气化的煤炭气化装置。
背景技术
我国煤炭资源丰富,是世界上最大的煤炭生产国和消费国,也是世界上少数几个以煤为主要一次性能源的国家之一。煤炭在我国能源消费总量中占到70%,并且这一状况在未来的30-50年内不会有大的改变。而我国煤炭利用技术普遍落后导致环境污染严重。目前,我国已成为世界上环境污染最严重的国家之一,这不仅严重地威胁到生态环境和人类健康,而且由于环境污染而造成的直接和间接经济损失也是非常巨大的。因此,如何提高煤炭的洁净高效利用是关系到我国国民经济和社会发展的重要问题。而采用先进成熟的煤炭气化技术是解决这一问题的正确选择。
煤炭气化是采用空气、富氧空气、氧气和水蒸汽等作为气化剂,煤基燃料在一定的温度与压力下与气化剂发生不完全燃烧反应(气化反应),生成以氢气和一氧化碳为主要成分的粗煤气。
气流床燃料气化装置因其煤种适应性较宽,碳转化率、有效气含量和冷煤气效率均较高而备受人们关注,已成为煤气化的首选技术。中国专利200580039681.1公开了一种燃料气化装置,包括:压力壳;渣池;设置在压力壳内并限定气化室的气化器壁,该气化器壁包括具有排渣口的会聚壁部分,该会聚壁部分位于渣池内的淬火液上方;用于炉渣的自由落体轨道;设置在自由落体轨道与压力壳之间的、渣池上方的热挡板,所述热挡板包括允许冷却流体通过的壁结构,该壁结构包括上壁部分和下壁部分。热挡板的下壁部分基本上是不耐火的。
上述燃料气化装置(shell炉)是一种经典设备,具有操作弹性大、原料适用性强、环保性能好、碳转化率高、维护工作量小等特点,吸引了国内一些企业纷纷引进,目前已有十余家。2006年第一批shell炉开车以来,积累了不少运行和管理经验,不少厂家连续运行周期也逐步延长到80-90天,2009年柳州柳化达到114天,与开工初期相比取得了长足进步。但是,由于燃料气化装置堵渣造成的停工,在经过了4年多时间仍然没有得到根本性改变。
造成燃料气化装置发生堵渣的原因主要有以下两点:1、燃料气化装置由于负荷降低或者其它原因,造成炉膛温度较大程度的下降,排渣口部位温度就会相应降低很多,渣层的厚度增加,甚至熔渣在这里全部固化,从而造成出渣口堵塞。2、炉膛温度过高或其它原因使燃料气化装置发生垮渣,一方面由于排渣口直径比较小,直径较大的块渣在排渣口积累形成堵渣,另一方面气化器壁发生垮渣后,无法实现以渣抗渣,熔渣对气化器壁的腐蚀加剧,不利于燃料气化装置持续运行。然而目前尚未有可行的方法实现燃料气化装置的堵渣检测以及控制燃料气化装置的稳定持续运行。
发明内容
本发明提供了一种可控制煤炭连续气化的煤炭气化装置,解决了现有煤炭气化装置容易堵渣而导致运行中断的问题。
一种可控制煤炭连续气化的煤炭气化装置,包括压力壳,压力壳内设有由气化器壁围成的气化室,气化器壁底部为会聚形成排渣口的会聚壁部分,气化室下方设有与排渣口衔接的自由落体轨道,自由落体轨道下方设有内盛淬火液的渣池,气化室顶部设有往气化室输送原料的喷嘴,所述的原料包括煤粉、蒸汽和氧气;还包括用于传导会聚壁部分的振动信号的导波杆,导波杆一端穿过会聚壁部分并与会聚壁部分上的渣层接触,另一端连接用于接受会聚壁部分的振动信号的传感器,传感器通过信号处理装置与控制喷嘴的控制器连接;
运行过程中,信号处理装置不断提取所述振动信号的能量E或特征频段的能量分率Ei并传输给控制器,控制器控制喷嘴输送的原料量、原料中的氧气/煤粉比以及蒸汽/煤粉比,使得0.5E0≤E≤1.5E0或Ei≤0.1,其中E0为煤炭气化装置正常运行时振动信号的平均能量。
传感器首先获得振动信号随时间变化的曲线,为了计算振动信号的能量,振动信号的能量是指振动信号某时刻的能量,为了计算方便一般选取该时刻周围5s内的振动信号曲线,经快速傅立叶变换和积分求得该5s内的能量,作为该时刻的能量。
特征频段是指其能量分率与气化装置内固相熔渣含量相关的频段,根据Nowok等(Energy & Fuels 7,1135-1140(1993).)对煤熔渣的研究结果可知,燃料气化装置正常运行时,熔渣为纯液相,代表固相撞击壁面的频度能量分率几乎为0。燃料气化装置排渣口温度过低时,熔渣由纯液相转变为液固两相,代表固相撞击壁面的频度能量从正常状态下的微弱信号变成一个中等强度的信号能量,能量分率相应的升高,大小为0.1~02,不占主导地位。当燃料气化装置发生垮渣时,代表固相撞击壁面的频度能量从正常状态下的微弱信号变成强烈的信号,能量分率相应的升高,大小接近0.9,占主导地位。
导波杆可以选择多个,装置体积越大,导波杆数量越多,因为体积大的时候,有可能出现不同处的振动信号差异较大的问题。喷嘴的数量一般选择4个以上,最理想的情况导波杆的数量与喷嘴数量相同且一一对应,那么控制器可以将相对应的导波杆和喷嘴联动起来,达到精确控制的目的。
由于在气化装置连续正常运行时,振动信号的能量和特征频段的能量分率是比较稳定的,可以随机选取某一时刻的振动信号能量或取有限个时刻振动信号能量的平均数作为正常运行时的振动信号的平均能量。
所述的导波杆可以由金属合金或陶瓷材料制成,金属合金可以为Pt/Rh合金、Pt/Ir合金或镉镍铁合金,陶瓷材料可以为陶瓷材料为四氮化三硅或碳化硅。他们均是较好的耐高温耐腐蚀材料。在选用金属合金时,可以在其表面涂覆陶瓷材料。
在正常状态下,气化装置排出的熔渣为小颗粒状,如气化装置发生垮渣现象,则在排出的熔渣中大块渣的含量会瞬间提高,如排渣口温度过低,熔渣在排渣口聚集,排出的熔渣量会立刻减小,本领域技术人员主要通过这两点来判断垮渣和温度过低现象。
本发明装置通过检测会聚壁部分的振动信号,提取能量或振动信号特征频段的能量分率,并通过控制器控制喷嘴输送原料的输送量或组成,使得振动信号能量或振动信号特征频段的能量分率满足相应要求,以达到连续运行的目的,不仅结构简单,而且控制操作方便。
附图说明
图1为气化装置排渣口温度过低时振动信号的能量变化图,其中t1为正常状态和垮渣状态的分界点;
图2为气化装置存在垮渣时振动信号的能量变化图,其中t2为正常状态和垮渣状态的分界点;
图3为实施例1中气化装置发生垮渣前后振动信号能量和大块渣在总渣中比例随时间的变化图;
图4为实施例1中气化装置排渣口温度过低前后振动信号能量和渣的数量随时间的变化图;
图5为实施例2各个频段能量分率随气化装置运行情况的变化图;
图6为实施例2中燃料气化装置发生垮渣前后d7频段能量分率和大块渣在总渣中比例随时间的变化图;
图7为实施例2中气化装置排渣口温度过低前后d7频段能量分率和渣的数量随时间的变化图;
图8为实施例3气化装置发生垮渣前后振动信号能量和大块渣在总渣中比例随时间的变化图;
图9为实施例3中气化装置排渣口温度过低前后振动信号能量和渣的数量随时间的变化图;
图10为本发明煤炭气化装置的结构示意图。
具体实施方式
如图10所示,一种煤炭气化装置,该装置的主体结构与中国专利200580039681.1所公开燃料气化装置相同,它包括压力壳1,压力壳1的形状纵向截面大致为椭圆形,其内部气压为7~70bar,底部设有排出口18,用于排出熔渣和水。
压力壳1内设有由气化器壁4围成的气化室2,气化器壁4为用于循环冷却流体的膜式壁结构,膜式壁结构由多个水平设置的环形管组成。气化室上2方设有燃烧器(图中未示出),其内部设有4个喷嘴12,喷嘴12主要向气化室输送原料,原料主要包括水蒸气、氧气以及煤粉。
气化器壁4底部为会聚壁部分14,会聚壁部分14会聚形成排渣口5,排渣口5下方设有与会聚壁部分14衔接的自由落体轨道10,自由落体轨道10下方设有内置淬火液的渣池15,渣池底端形成漏斗6与排出口18连通,渣池15与自由落体轨道10之间设有若干喷洒环7,将小颗粒熔渣沉降至渣池15的底部而排出。同时自由落体轨道壁面不仅包括允许冷却流体通过的膜式壁结构,还在其内侧设置了耐火材料。
从燃烧室出来的物料沿气化器壁4流动,气化器壁4上形成炉渣,尤其在会聚壁部分14形成炉渣层11,在气化装置运行时,大量的炉渣回从排渣口5落入渣池内部,但当出现温度过低时,炉渣就会在排渣口5聚集,从而堵塞排渣口5,当温度过高时,渣层从会聚壁部分14大块脱落,不仅同样会堵塞排渣口5,同时有可能损坏会聚壁部分的冷却流体通过的膜式壁结构。
为了获取会聚壁部分14的渣层11的情况,在压力壳内1设置了由四氮化三硅制成的导波杆3,导波杆一端穿过会聚壁部分14与渣层11接触,另一端连接用于接收会会聚壁部分14的振动信号传感器9,传感器9可以是发射传感器或加速传感器,传感器9通过信号处理装置与控制喷嘴的控制器连接。
实施例1
选用气化室2直径为300mm的中试装置,采用云冈煤为原料,运行过程中,信号处理装置间隔50s获取一个时刻的振动信号的能量,同时调整喷嘴中水蒸气、氧气以及煤粉的输入量以及比例,使得渣层垮塌或熔渣聚集,观测振动信号的检测结果,如图1和图2所示,在发生渣层垮塌和熔渣聚集时刻,振动信号能量会发生突变,而且变化量均超过了正常运行时振动信号能量的50%,因此设定振动信号的能量E变化范围为0.5E0≤E≤1.5E0,E0为图1和图2正常运行过程中所有测试点的平均值。
在对该装置进行长期监控,截取到图如3和图4所示振动信号随时间变化的情况。如图3所示,运行至t1时刻,振动信号的能量突然增加,该时刻以及其后的400s振动信号的能量增加幅度超过了50%,而且此时大块渣在总渣中的比例也瞬间提高,说明此时渣层垮塌,控制器发出信号,增加了蒸汽/煤粉比,增加了输送量以及减小了氧气/煤粉比,在t2时刻振动信号能量又发生突变,恢复到0.5E0~1.5E0的水平,大块渣在总渣中的比例也恢复到原先的水平,说明装置可以连续运行。
如图4所示,运行至t1时刻,振动信号的能量突然减小,该时刻以及其后的300s振动信号的能量减小幅度超过了50%,此时渣的数量也突然变少,说明排渣口5温度过低,大量熔渣在排渣口聚集,控制器发出信号,减小了蒸汽/煤粉比,减小输送量以及增加氧气/煤粉比,在t2时刻振动信号能量又发生突变,恢复到0.5E0~1.5E0的水平,渣的数量也恢复到原有水平,排渣口不在聚集熔渣,说明装置能够连续运行。
说明将振动信号的能量E控制在0.5E0~1.5E0的水平,可以有效保证气化装置的连续运行,一旦超出这个范围,可以通过调整蒸汽/煤粉比,原料输送量以及氧气/煤粉比,使它恢复到该范围内。
实施例2
选用气化室2直径为300mm的中试装置,采用云冈煤为原料,运行过程中,信号处理装置接收会聚壁部分14的振动信号,将该振动信号分为8个频段,同时计算8个频段排渣口温度过低时(d、e、f),正常连续运行(a、b、c)时以及垮渣时(g、i、h)隔3个时刻的能量分率,结果如图5所示,发现d7频段与固相熔渣的行为一致,因此选取d7频段作为特征频段。
相同条件下,对气化运行装置进行长期监控,截取到如图6和图7所示的d7频段的能量分率随时间的变化分布情况,在正常运行过程中,出渣量一直非常稳定,d7频段的能量分率也基本维持在0左右。如图6所示,运行至t1时刻,d7频段的能量分率瞬间超过了0.5,大块渣在总渣含量大幅度提高,说明此时出现垮渣,控制器发出信号,增加蒸汽/煤粉比,增加输送量以及减小氧气/煤粉比,在t2时刻振动信号能量又发生突变,又低于0.1,大块渣在总渣含量也恢复至正常水平,表面气化装置处于稳定运行状态。
如图7所示,运行至t1时刻,d7频段的能量分率瞬间超过了0.1,但低于0.5,熔渣含量大幅度降低,说明此时排渣口5温度过低,熔渣大量积聚在排渣口,控制器发出信号,减小蒸汽/煤粉比,减小输送量以及增加氧气/煤粉比,在t2时刻振动信号能量又发生突变,又低于0.1,熔渣量也恢复至正常水平,表面气化装置处于稳定运行状态。
实施例3
对单炉投煤量2000t/d燃料气化工业装置进行长期监控,检测会聚壁部分14振动信号能量的变化情况,截取如图8和图9所示的部分图谱。
如图8所示,运行至t1时刻,振动信号的能量突然增加,该时刻以及其后的400s振动信号的能量增加幅度超过了50%,而且此时大块渣在总渣中的比例也瞬间提高,说明此时渣层垮塌,控制器发出信号,增加了蒸汽/煤粉比,增加了输送量以及减小了氧气/煤粉比,在t2时刻振动信号能量又发生突变,恢复到0.5E0~1.5E0的水平,大块渣在总渣中的比例也恢复到原先的水平,说明装置可以连续运行,E0为图8和图9正常运行过程中所有测试点的平均值。
如图9所示,运行至t1时刻,振动信号的能量突然减小,该时刻以及其后的300s振动信号的能量减小幅度超过了50%,此时渣的数量也突然变少,说明排渣口5温度过低,大量熔渣在排渣口聚集,控制器发出信号,减小了蒸汽/煤粉比,减小输送量以及增加氧气/煤粉比,在t2时刻振动信号能量又发生突变,恢复到0.5E0~1.5E0的水平,渣的数量也恢复到原有水平,排渣口不在聚集熔渣,说明装置能够连续运行。
Claims (5)
1.一种可控制煤炭连续气化的煤炭气化装置,包括压力壳,压力壳内设有由气化器壁围成的气化室,气化器壁底部为会聚形成排渣口的会聚壁部分,气化室下方设有与排渣口衔接的自由落体轨道,自由落体轨道下方设有内盛淬火液的渣池,气化室顶部设有往气化室输送原料的喷嘴,所述的原料包括煤粉、蒸汽和氧气;其特征在于:包括用于传导会聚壁部分的振动信号的导波杆,导波杆一端穿过会聚壁部分并与会聚壁部分上的渣层接触,另一端连接用于接受会聚壁部分的振动信号的传感器,传感器通过信号处理装置与控制喷嘴的控制器连接;
运行过程中,信号处理装置不断提取所述振动信号的能量E或特征频段的能量分率Ei并传输给控制器,控制器控制喷嘴输送的原料量、原料中的氧气/煤粉比以及蒸汽/煤粉比,使得0.5E0≤E≤1.5E0或Ei≤0.1,其中E0为煤炭气化装置正常运行时振动信号的平均能量。
2.根据权利要求1所述的煤炭气化装置,其特征在于:所述的导波杆由金属合金或陶瓷材料制成。
3.根据权利要求2所述的煤炭气化装置,其特征在于:所述的金属合金为Pt/Rh合金、Pt/Ir合金或镉镍铁合金。
4.根据权利要求2所述的煤炭气化装置,其特征在于:所述的陶瓷材料为四氮化三硅或碳化硅。
5.根据权利要求2所述的煤炭气化装置,其特征在于:所述的由金属制成的导波杆上外壁涂覆有陶瓷材料。
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