CN101985568B - 两段供氧干排渣加压气流床气化炉 - Google Patents

两段供氧干排渣加压气流床气化炉 Download PDF

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Abstract

一种煤气煤炭技术领域的两段供氧干排渣加压气流床气化炉，包括：圆柱形承压外壳、设置在圆柱形承压外壳内的气化室、合成气冷却室、机械式碎渣机和锁渣罐，气化室与合成气冷却室分别置于圆柱形承压外壳内的上部和下部，机械式碎渣机位于气化炉底部下方，锁渣罐位于机械式碎渣机的下方。本发明通过采用两段供氧控温技术与水蒸气控温技术，并结合合理的干排渣结构以及必要的自控手段，实现了我国“双高”煤种大规模加压气流床气化的固态排渣，特别适合我国高灰(25～27％)、高灰熔点(FT＞1400℃)的“双高”煤种，日处理量可达2000t/d左右。

Description

两段供氧干排渣加压气流床气化炉
技术领域
本发明涉及的是一种煤气煤炭技术领域的气流床气化炉，尤其是一种适合我国高灰(25～27％)、高灰熔点(FT＞1400℃)“双高”煤种的两段供氧干排渣加压气流床气化炉。
背景技术
大规模加压气流床煤气化技术是未来洁净煤技术的核心，是发展煤基化工产品(合成氨、制甲醇、二甲醚等)、煤基多联产、IGCC发电、大规模制氢、燃料电池等工业过程的基础，是实现污染物近零排放的煤基高效能源系统的核心技术和龙头技术，代表了当今煤气化技术的发展方向。其中Texaco、E-gas、Shell、Prenflo和GSP等大型加压气流床煤气化工艺已实现2000t/d规模的工业示范，并达到商业化水平。但上述加压气流床气化技术均采用液态排渣方式，对入炉煤的灰熔融温度有严格的要求，一般要求煤灰熔融温度FT低于1400℃以下，否则必须添加助熔剂或提高气化温度来满足液态排渣工艺的需要，而采用上述两种措施则相应增加排渣量、排渣热损失、氧耗量，同时降低了气化炉的使用寿命。
我国动力用煤具有高灰(平均灰含量达25～27％)、高灰熔点的“双高”特点。大量“双高”煤种无法满足现有以Shell和Texaco为代表的液态排渣型加压气流床气化技术的排渣工艺要求。针对现有液态排渣型加压气流床气化技术无法适用我国大量“双高”煤种的难题，开发适合我国“双高”煤种的新型加压气流床气化装置，可弥补现有液态排渣型加压气流床气化装置对“双高”煤种具有一定限制要求的不足，扩大加压气流床气化技术对煤种的适应性要求。对实现大规模加压气流床气化技术在我国的大面积应用，实现煤炭清洁、高效利用具有十分重要的现实意义和广阔的发展前景。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种两段供氧干排渣加压气流床气化炉，实现我国“双高”煤种在大规模加压气流床气化装置上的工业应用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：圆柱形承压外壳、设置在圆柱形承压外壳内的气化室、合成气冷却室、机械式碎渣机和锁渣罐，其中：气化室与合成气冷却室分别置于圆柱形承压外壳内的上部和下部，机械式碎渣机位于气化炉底部下方，锁渣罐位于机械式碎渣机的下方。
所述的气化室包括：燃料喷嘴、水蒸气喷嘴、二段氧气-水蒸气喷嘴、耐火衬里、托架和，气化室出口其中：燃料喷嘴置于气化室顶部且与气化室轴线重合，燃料喷嘴下方垂直于炉膛轴线方向水平对冲设置两个水蒸气喷嘴，水蒸气喷嘴下方垂直于炉膛轴线方向水平对冲设置两个二段氧气-水蒸气喷嘴，耐火衬里敷设在圆柱形承压外壳内壁和托架之上，托架位于气化室底部支撑耐火衬里，在气化室底部布置有锥形缩口的气化室出口。
所述的水蒸气喷嘴的轴线与二段氧气-水蒸气喷嘴的轴线所成的空间夹角为90°；
所述的气化室出口，其锥形缩口的锥面与气化室中心线的夹角为55～70°。
所述的合成气冷却室包括：合成气冷却室入口、第一激冷环、第二激冷环、第一洗涤冷却器、第二洗涤冷却器、旋流挡板、渣水出口、黑水出口、合成气出口。合成气冷却室入口位于合成器冷却室顶部并与气化室出口相连通，合成气冷却室入口上布置有第一激冷环、第二激冷环以及位于两层第一激冷环和第二激冷环之间的第一洗涤冷却器，第二激冷环下方布置有与之连通的第二洗涤冷却器，第二洗涤冷却器与承压外壳之间设置旋流板，渣水出口和黑水出口、合成气出口依次设置在第二洗涤冷却器出口后的工位。
所述的合成气冷却室入口结构为向下扩展的喇叭口结构，喇叭口与合成气冷却室中心线夹角为17～22°。
所述的第一洗涤冷却器为锥形膜式水冷壁结构；所述的第二洗涤冷却器为圆柱形膜式水冷壁结构。
在第一激冷环、第二激冷环和第一洗涤冷却器上分别沿周向和管长方向设有一排或多排激冷水喷嘴，射流出来的激冷水将进入合成气冷却室入口的高温含灰粗煤气中的灰渣迅速激冷、固化。
在第二激冷环上沿管长方向设有一排或多排激冷水喷嘴，由第二激冷环下来的激冷水沿管长方向逐级喷射激冷水，通过逐级洗涤、冷却作用将激冷后的合成气进一步冷却至370℃以下，同时在管壁上形成水膜以保护第二洗涤冷却器。
本发明工作原理为采用两段供氧控温与水蒸气控温相结合的技术措施，并结合必要的先进自控手段(可基于炉内合成气组成及时调节氧/煤比、一段/二段供氧比例，以防止炉内瞬间高温的发生)，达到削平炉内燃烧区域的尖锋温度分布、延长炉内燃烧区域、降低燃烧强度及火焰温度的目的，确保炉内燃烧区域温度低于煤灰熔融温度以下80～150℃，从而保证了气化室出口的灰渣为非熔融的固态渣，防止气化室出口发生结渣、堵塞现象；通过空间夹角成90°的两个水蒸气喷嘴(对冲布置)与两个二段氧气-水蒸气喷嘴(对冲布置)的高速射流撞击作用，还可进一步增强炉内煤焦颗粒与气化剂的混合强度及煤焦表面灰壳的破碎机率，极大地延长了煤焦颗粒在燃烧区域内的平均停留时间，在相当大程度上提高了气化反应速率和碳转化率；采用合理的干排渣结构，确保干排渣长期、安全、稳定进行。
本发明采取如下三项措施：
第一，两段供氧控温与水蒸气控温：采用两段供氧气化方式与水蒸气控温相结合，通过两段供氧气化方式，使煤粉燃烧反应初期氧量不足，燃烧区域温度较低(控制在煤灰熔融温度以下80～150℃)，随着剩余氧量在二段氧气-水蒸气喷嘴的及时补入，氧气与热解产物、合成气等迅速发生气相反应，形成二次高温区以提供煤焦-CO2/H2O等气化反应所需的热量；通过调节一段供氧与二段供氧之间的比例，可在氧/煤比保持不变的情况下进一步实现炉内燃烧区域温度在150℃温度范围内的调节；另外，通过在燃料喷嘴火焰中心附近设置对冲布置的水蒸气喷嘴，一方面可为煤气化提供必要的水蒸气，另一方面可根据需要及时调节水蒸气流量，以防止炉内瞬间高温的产生，确保炉内灰渣为非熔融的固态渣。
第二，基于炉内合成气成分调节供氧/水蒸气：为防止运行过程中因瞬间O/C摩尔比过大而导致的炉内燃烧区域温度过高(高于煤灰熔融温度)、部分煤灰发生熔融现象，采用先进的自控手段，根据气化炉出口合成气组成的变化及时调节氧/煤比、一段供氧与二段供氧之间的比例(必要时还可适当增加水蒸气喷入量)，及时调整炉内气化温度，使气化温度长期稳定在低于入炉煤灰熔融温度以下80～150℃，确保干排渣长期、安全、稳定进行。
第三，采用合理的干排渣结构：气化室出口结构采用锥形缩口结构，使得含灰粗煤气在气化室出口附近具有较快的流速，能够携带更多的灰进入下游合成气冷却室，降低灰渣的分离沉降作用，有效防止灰渣在缩口附近发生沉积；合成气冷却室入口为向下扩展的喇叭口形结构，其上布置有两层分级激冷环(第一激冷环和第二激冷环)和第一洗涤冷却器，第一、第二激冷环与第一洗涤冷却器分别沿周向和管长方向开有一排或多排激冷水喷嘴，沿各个方向上喷射200～300℃的激冷水，激冷水将进入合成气冷却室入口的高温含灰粗煤气中的灰渣迅速逐级激冷、固化，有效防止灰渣在合成气冷却室入口附近管壁上发生沾污和堵塞；激冷后的合成气通过位于第二激冷环下方与之连通的圆柱形膜式水冷壁结构的第二洗涤冷却器的逐级洗涤、冷却作用被进一步冷却至370℃以下；从第二洗涤冷却器出来的含灰合成气进入渣池，其中绝大部分灰渣沉积在渣水出口底部，经渣水出口底部碎渣机的进一步破碎后进入锁渣罐，然后通过锁渣罐的排渣口定期排出气化炉外；由渣池出来的合成气通过设置在第二洗涤冷却器与承压外壳之间旋流板的旋流作用使合成气中的水蒸气和细小飞灰得到进一步分离，强化洗涤、分离效果，经分离后的合成气由合成气出口离开气化炉，进入下游工序。
本发明的两段供氧干排渣加压气流床气化炉采用两段供氧控温技术、水蒸气控温技术、基于炉内合成气组成变化及时调节供氧-水蒸气流量的调温技术、非熔渣干排渣技术的有机集成，有效地解决了现有液态排渣型加压气流床气化炉燃用我国“双高”煤种所面临的排渣困难等一系列难题，扩大了加压气流床气化技术对我国“双高”煤种的适应性。本发明的两段供氧干排渣加压气流床气化炉，能够满足我国大量“双高”煤种(高灰(25～27％)，高灰熔点(FT＞1400℃))大规模气化的需要，具有较高的碳转化率和冷煤气效率，日处理量可达2000t/d左右，具有十分重要的现实和工业应用意义。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2图1中A-A向结构示意图。
图3图1中B-B向结构示意图。
图4图1中局部结构示意图；
图中：圆柱形承压外壳1、耐火衬里2、燃料喷嘴3、水蒸气喷嘴4、二段氧气-水蒸气喷嘴5、气化室6、气化室出口7、托架8、合成气冷却室入口9、激冷水进水管路10、第一激冷环11、第二激冷环12、第一洗涤冷却器13、第二洗涤冷却器14、洗涤冷却器罩壳15、旋流挡板16、合成气冷却室17、渣水出口18、黑水出口19、机械式碎渣机20、锁渣罐21、阀门22、合成气出口23、第一激冷水喷嘴24、第二激冷水喷嘴25、第一洗涤冷却器喷嘴26、第二洗涤冷却器喷嘴27。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1、2、3、4所示，本实施例包括：圆柱形承压外壳1、设置在圆柱形承压外壳1内的气化室6和合成气冷却室17、机械式碎渣机20、锁渣罐21。气化室6与合成气冷却室17分别置于圆柱形承压外壳1内的上部和下部；机械式碎渣机20位于气化炉底部渣水出口18的下方；锁渣罐21位于机械式碎渣机20的下方，机械式碎渣机20与锁渣罐21之间设置有阀门22用于定期排渣。
所述的气化室6包括燃料喷嘴3、水蒸气喷嘴4、二段氧气-水蒸气喷嘴5、耐火衬里2、托架8、气化室出口7，其中：燃料喷嘴3置于气化室6顶部且与气化室轴线重合，燃料喷嘴3下方垂直于炉膛轴线方向水平对冲布置两个水蒸气喷嘴4，水蒸气喷嘴4下方垂直于炉膛轴线方向水平对冲布置两个二段氧气-水蒸气喷嘴5，水蒸气喷嘴4的轴线与二段氧气-水蒸气喷嘴5的轴线所成的空间夹角为90°，通过调节进入燃料喷嘴3与两个二段氧气-水蒸气喷嘴5之间的氧量比，实现两段供氧控温；耐火衬里2敷设在圆柱形承压外壳1内壁和托架8之上，并在气化室6下部围成锥形缩口，构成气化室出口7，使含灰粗煤气以较大的流速进入下游的合成气冷却室17；托架8位于气化室6底部，用于部分支撑耐火衬里2。
合成气冷却室17包括合成器冷却室入口9、激冷水进水管路10、第一激冷环11、第二激冷环12，第一洗涤冷却器13、第二洗涤冷却器14、洗涤冷却器罩壳15、旋流挡板16、渣水出口18、黑水出口19、合成气出口23。合成气冷却室入口9位于合成器冷却室17顶部并与气化室出口7相连通，合成气冷却室入口9结构为向下扩展的喇叭口结构(喇叭口与合成气冷却室中心线夹角为17～22°)，合成气冷却室入口9上布置有第一激冷环11、第二激冷环12以及位于第一、第二激冷环两层之间的锥形膜式水冷壁结构的第一洗涤冷却器13，第一激冷环11、第二激冷环12和第一洗涤冷却器13分别沿周向和管长反向开有一排或多排激冷水喷嘴24、25、26，从喷嘴射流出来的激冷水将进入合成气冷却室入口9的高温含灰粗煤气中的灰渣迅速激冷、固化，有效防止了灰渣在合成气冷却室入口9附近管壁上的沾污和堵塞；第二激冷环12下方布置有与之连通的第二洗涤冷却器14，第二激冷环12结构为圆柱形膜式水冷壁，沿管长方向开有一排或多排喷嘴27，由第二激冷环12下来的激冷水可沿管长方向逐级喷射激冷水，通过逐级洗涤、冷却作用将激冷后的合成气温度进一步冷却至370℃以下，同时在管壁上形成一定厚度的水膜以保护第二洗涤冷却器14；从第二洗涤冷却器14出来的含灰合成气进入渣池，其中绝大部分灰渣沉积在渣水出口18和黑水出口19底部，经渣水出口底部碎渣机20的进一步破碎后进入锁渣罐21，然后通过锁渣罐21的排渣口定期排出气化炉外；由渣池出来的合成气通过设置在第二洗涤冷却器14与承压外壳1之间旋流板16的旋流作用使合成气中的水蒸气和细小飞灰得到进一步分离，强化洗涤、分离效果，经分离后的合成气由合成气出口23离开气化炉，进入下游工序。
本实施例的采用干煤粉或水煤浆输送实施流程为：平均粒径＜100μm的干煤粉(氮气输送)或水煤浆与部分O2一起通过位于气化炉顶部的燃料喷嘴进入气化炉，煤粉气流被高温回流气体迅速加热，发生脱挥发分、热解产物燃烧以及煤焦的部分燃烧与气化反应等过程；由于采用两段供氧气化方式和水蒸气控温方式，煤粉燃烧反应初期氧量不足，燃烧区域温度相对较低(控制在煤灰熔融温度以下80～150℃，以保证气化室出口处的灰渣为非熔融的固态渣)，在燃料喷嘴下方，煤粉火焰中心附近喷入适量的水蒸气，一方面为煤气化提供必要的水蒸气，另一方面，可进一步控制炉内火焰中心区域温度低于煤灰熔融温度80～150℃以下，确保炉内煤灰始终为非熔融的固态灰渣；随着剩余O2量在水蒸气喷嘴下方二段氧气-水蒸气喷嘴的及时补入，O2与热解产物、合成气等迅速发生气相反应，形成二次高温区以提供煤焦-CO2/H2O等主要气化反应所需的热量；由于两个水蒸气喷嘴(对冲布置)与两个氧气-水蒸气喷嘴(对冲布置)成90°空间夹角，改变了气流床气化炉内气流的空气动力场布局，极大地增强了炉内煤焦颗粒与气化剂的混合强度以及煤焦表面灰壳的破碎机率，延长了煤焦颗粒在炉内高温区域内的平均停留时间，在相当大程度上提高了气化反应速率和碳转化率；
通过两段供氧气化方式将原先煤粉燃烧反应的集中放热变为分期放热，一方面，有效地降低了燃烧强度及火焰温度，使炉内燃烧区域温度控制在煤灰熔融温度以下(低于煤灰熔融温度以下80～150℃)，防止因火焰温度过高导致煤灰发生局部熔融现象，确保气化室出口的灰渣为非熔融的固态渣，另一方面，由于采用分段供氧，入炉煤中的燃烧份额并未因降低火焰温度而发生改变，且由于水蒸气喷嘴与二段氧气-水蒸气喷嘴的高速射流撞击作用，极大地增强了煤焦颗粒与气化剂(CO2/H2O)及O2的混合强度、增加了煤焦表面灰壳破碎的机率、延长了煤焦颗粒在炉内高温区域的平均停留时间，在相当大程度上提高了气化反应速率和碳转化率；为防止气化炉运行过程中因瞬间O/C摩尔比过大而导致的炉内燃烧区域温度过高(高于煤灰熔融温度)、部分煤灰发生熔融现象，采用先进的自控手段，可根据气化炉出口合成气组成的变化及时调节氧/煤比、一段供氧与二段供氧之间的比例(必要时还可适当增加水蒸气喷入量)，及时调整炉内气化温度，使气化温度长期稳定在低于入炉煤灰熔融温度以下80～150℃，确保干排渣长期、安全、稳定进行；
由气化室出口出来的900～1000℃左右含灰粗煤气中的灰渣在合成气冷却室入口通过第一、第二激冷环以及第一洗涤冷却器的逐级激冷作用被迅速激冷、固化，有效防止了灰渣在合成气冷却室入口附近管壁上发生粘污和堵塞；激冷后的合成气通过位于第二激冷环下方第二洗涤冷却器的逐级洗涤、冷却作用被进一步冷却至370℃以下；从第二洗涤冷却器出来的含灰合成气进入渣池，绝大部分灰渣沉积在渣水出口底部，经渣水出口底部碎渣机的进一步破碎后进入锁渣罐，然后通过锁渣罐的排渣口定期排出气化炉外；由渣池出来的合成气通过设置在第二洗涤冷却器与承压外壳之间旋流板的旋流作用使合成气中的水蒸气和细小飞灰得到进一步分离，强化洗涤、分离效果，经分离后的合成气由合成气出口离开气化炉，进入下游工序。
本实施例两段供氧干排渣加压气流床气化炉，能够满足我国大量“双高”煤种(高灰(25～27％)，高灰熔点(FT＞1400℃))大规模气化的需要，具有较高的碳转化率和冷煤气效率。

Claims (6)

1.一种两段供氧干排渣加压气流床气化炉，其特征在于，包括：圆柱形承压外壳、设置在圆柱形承压外壳内的气化室和合成气冷却室、机械式碎渣机和锁渣罐，其中：气化室与合成气冷却室分别置于圆柱形承压外壳内的上部和下部，机械式碎渣机位于气化炉底部下方，锁渣罐位于机械式碎渣机的下方；
所述的气化室包括：燃料喷嘴、水蒸气喷嘴、二段氧气-水蒸气喷嘴、耐火衬里、托架和，气化室出口，其中：燃料喷嘴置于气化室顶部且与气化室轴线重合，燃料喷嘴下方垂直于炉膛轴线方向水平对冲设置两个水蒸气喷嘴，水蒸气喷嘴下方垂直于炉膛轴线方向水平对冲设置两个二段氧气-水蒸气喷嘴，耐火衬里敷设在圆柱形承压外壳内壁和托架之上，托架位于气化室底部支撑耐火衬里，在气化室底部布置有锥形缩口的气化室出口；
所述的水蒸气喷嘴的轴线与二段氧气-水蒸气喷嘴的轴线所成的空间夹角为90°；
所述的气化室出口，其锥形缩口的锥面与气化室中心线的夹角为55～70°。
2.根据权利要求1所述的两段供氧干排渣加压气流床气化炉，其特征是，所述的合成气冷却室包括：合成气冷却室入口、第一激冷环、第二激冷环、第一洗涤冷却器、第二洗涤冷却器、旋流挡板、渣水出口、黑水出口、合成气出口，合成气冷却室入口位于合成器冷却室顶部并与气化室出口相连通，合成气冷却室入口上布置有第一激冷环 、第二激冷环以及位于两层第一激冷环和第二激冷环之间的第一洗涤冷却器，第二激冷环下方布置有与之连通的第二洗涤冷却器，第二洗涤冷却器与承压外壳之间设置旋流板，渣水出口和黑水出口、合成气出口依次设置在第二洗涤冷却器出口后的工位。 
3.根据权利要求2所述的两段供氧干排渣加压气流床气化炉，其特征是，所述的合成气冷却室入口结构为向下扩展的喇叭口结构，喇叭口与合成气冷却室中心线夹角为17～22°。
4.根据权利要求2所述的两段供氧干排渣加压气流床气化炉，其特征是，所述的第一洗涤冷却器为锥形膜式水冷壁结构。
5.根据权利要求2所述的两段供氧干排渣加压气流床气化炉，其特征是，所述的第一激 冷环、第二激冷环和第一洗涤冷却器上分别沿周向和管长方向设有一排或多排激冷水喷嘴，射流出来的激冷水将进入合成气冷却室入口的高温含灰粗煤气中的灰渣迅速激冷、固化。
6.根据权利要求2所述的两段供氧干排渣加压气流床气化炉，其特征是，所述的第二激冷环为圆柱形膜式水冷壁，在第二激冷环上沿管长方向设有一排或多排激冷水喷嘴，由第二激冷环下来的激冷水沿管长方向逐级喷射激冷水，通过逐级洗涤、冷却作用将激冷后的合成气进一步冷却至370℃以下，同时在管壁上形成水膜以保护第二洗涤冷却器。 
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