CN102134512A - 一种分级喷粉气流床气化炉及其气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分级喷粉气流床气化炉，包括：一气化室和一激冷室，其特征在于：所述气化室还包括一气化喷嘴，设置于气化室顶部，其轴线与气化室轴线重合；所述气化室还包括若干燃烧喷嘴，沿气化室上部周边均匀设置于气化室上部壁面上，其轴线与气化室的轴线呈0-90°的角度。本发明还涉及一种用于在上述气化炉中气化粉状固体燃料的方法，将一部分燃料随氧化剂从燃烧喷嘴喷入气化室并燃烧，在气化室上部形成高温区，将另一部分燃料与气化剂从气化喷嘴进入气化炉，在气化室顶部预热后进入高温区气化。本发明能够有效增加喷嘴的工作寿命，能够延长燃料在气化炉中的停留时间，能够实现较高的碳转化率，并能够处理粘结性较强的燃料。

Description

一种分级喷粉气流床气化炉及其气化方法

技术领域

本发明属于含碳燃料的清洁利用技术领域，特别是涉及一种分级喷粉气流床气化炉，具体地说是涉及一种利用粉状含碳燃料制造一氧化碳、氢气为主的粗煤气的、分级喷粉的气流床气化炉，及其气化方法。

背景技术

气化是指在特定的设备内，在一定温度及压力下使含碳燃料(煤或生物质)中有机质与气化剂(如蒸汽/空气或氧气等)发生一系列化学反应，将固体燃料转化为含有CO、H₂、CH₄等可燃气体的过程。随着世界天然气、石油资源的日益紧缺，世界各国纷纷把煤或生物质的气化作为替代能源的主要方法开展了工艺开发和产业化研究。

气流床气化是气化的主要方法之一，气化原料以粉状或流体状送入气化炉，与气化剂在炉内充分混合后进行燃烧、气化反应。由于气流床气化中，固体颗粒与气化剂之间的混合强烈，气流床气化被广泛应用于大型气化设备中。具有代表性的干粉气流床技术主要有：

(1)K-T气化炉：K-T气化炉为常压气化，干粉煤进料，以氧气为气化剂，气化温度为1400-1600℃，煤气中CO和H₂总量达到85-88％。

(2)Shell气化炉：Shell气化炉是荷兰Shell国际石油公司开发的干煤粉气化技术，工作压力为干煤粉从气化炉下部的气化喷嘴中进入气化炉，气化剂为95％的纯氧和水蒸汽，气化温度为1400-1600℃，采用液态排渣，碳转化率可达99％。

(3)GSP气化炉：GSP气化炉采用气化炉上部进料、纯氧喷流床气化、粗合成气激冷工艺。气化炉的操作压力为2.5-4.0MPa，气化温度为1350-1600℃，液态排渣，其对煤种适应性强，气化效率高。

(4)Prenflo气化炉：Prenflo气化炉基本上与Shell炉相仿，但用纯度为85％的氧气作为气化剂，其煤气冷却系统与Shell不同，工作温度为1500-200℃，液态排渣。

上述几种干煤粉气流床气化炉中，K-T气化炉是第一代气流床气化的典型代表，而Shell、GSP、Prenflo气化炉等成为现有干煤粉气化工艺的典型代表，其主要特点是加压、利用纯氧气化，但这些技术因其温度、压力要求严格，对设备加工要求高，设备投资大。

多喷嘴对置式气流床加压气化技术(专利CN1775920A)和两段式干煤粉加压气化技术(专利CN1721511A)是我国自主研发的气流床气化技术。多喷嘴对置式气流床加压气化炉在上部具有四个呈水平对置式布置的喷嘴，使物料进入气化炉后形成撞击流，强化传热、传质，气化剂为氧气和水蒸汽，操作压力为2.0-2.5MPa，温度为1300-1400℃。两段式干煤粉加压气化将气化炉由下至上分为两段反应区，气化炉下段为第一反应区，在此煤粉与氧气、水蒸汽反应，温度为1400-1700℃，而气化炉第二反应区中喷入少量煤粉和水蒸汽，利用第一反应区的高温煤气显热，温度为1000-1200℃。多喷嘴对置式气流床加压气化炉内虽然具有较强的撞击流，但由于对冲布置，很难在炉内得到稳定、均匀的气固流场，而且喷嘴处于贫氧状态，使用寿命受到限制。两段式干粉加压气化技术由于采用由下至上的流动方式，煤气与液态灰渣呈反向运动，液态灰渣容易在出渣口凝固并堵塞，而且细小灰渣也容易堵塞下游设备，导致操作周期短。

发明内容

本发明的目的在于基本上克服了上述现有技术中的粉煤气化技术的缺点，提供一种用于将粉状固体燃料气化的分级喷粉气流床气化炉。

本发明的另一个目的在于提供一种用于上述粉状固体燃料气流床气化的气化方法。

本发明提供了一种分级喷粉气流床气化炉，包括：

一气化室，和一位于其下方的激冷室，所述气化室通过一位于气化室底部的气化室出口与激冷室相通；所述激冷室包括依次设置于气化室出口下的激冷环和导流板，分别用于将从气化室出来的气体和灰渣冷却，并引导气体和灰渣进入激冷室下部的水池中；所述激冷室还包括设置于激冷室上部的进水口和粗煤气出口，设置于激冷室底部的排水口和排渣口；

所述气化室还包括一气化喷嘴，设置于气化室顶部，其轴线与气化室轴线重合；

所述气化室还包括若干个燃烧喷嘴，沿气化室上部周边均匀设置于气化室上部壁面上，其轴线与气化室的轴线呈0-90°的角度。

在本发明的技术方案中，所述气化炉的截面可为圆形或正方形，气化炉的炉体可为等截面炉体或不等截面炉体，顶部可以是半球形穹顶或平顶。

在本发明的技术方案中，所述气化喷嘴可以采用多种形式，如直流喷嘴或旋流喷嘴，固体粉状燃料在气化剂的携带下经由气化喷嘴从气化炉顶部被送入。

在本发明的技术方案中，所述燃烧喷嘴为2-6个，可以采用多种形式的喷嘴，如直流喷嘴或旋流喷嘴，所述燃烧喷嘴沿气化室周边采用对冲、交错或切圆布置方式，固体粉状燃料与空气或氧气在燃烧喷嘴内混合后被送入气化炉内燃烧。

在本发明的技术方案中，还可任选地包括1-6个气化剂补充口，沿气化室周边采用对冲、交错或切圆布置方式设置于燃烧喷嘴的下部的壁面上。

本发明提供了一种用于在上述分级喷粉气流床气化炉中气化粉状固体燃料的方法，包括以下步骤：

(1)将处理量5-50％的粉状固体燃料与氧化剂一起从燃烧喷嘴中送入气化炉中燃烧，在气化炉上部形成一个高温燃烧区，其气化温度为1000-1800℃，气化压力为0.1-10MPa；

所述粉状固体燃料为煤、生物质、石油焦、或垃圾等含碳固体燃料；

所述氧化剂为氧气或空气；

(2)将处理量50-95％的粉状固体燃料与气化剂从位于气化炉顶部的气化喷嘴中一起喷入，喷入的粉状固体燃料在气化炉上部燃烧喷嘴附近先被预热，随后进入高温燃烧区与气化剂反应开始气化；

所述气化剂为氧气(氧气浓度＞65％)、空气、和水蒸汽中的一种或几种；

(3)在高温燃烧区内未反应的粉状固体燃料在高温气流的带动下向下流动的同时进一步气化反应，反应生成的粗煤气与灰渣从气化室下部经由气化室出口进入激冷室，在激冷环喷水被冷却，经导流板被引导进入激冷室下部的水池，然后于水池进一步降温、冷渣后，气化产生的粗煤气从粗煤气出口流出；

(4)生成的灰渣(固态或液态灰渣)沉淀于激冷室下部的水池中，并从激冷室底部的排渣口排出。

本发明的分级喷粉气流床气化炉在气化炉上部增加了若干个燃烧喷嘴，与现有技术仅在顶部设置气化喷嘴的气化炉相比具有如下优点：

(1)通过在气化炉上部增加燃烧喷嘴，可以在气化喷嘴与粗煤气出口之间形成高温区，而从气化喷嘴喷入的燃料首先经过一个温度相对较低的低温预热区后再进入高温燃烧区，能够避免燃料直接进入高温区而导致的挥发分快速析出，可以处理结焦性相对较高的燃料，增加了该气化炉对燃料的适应性；

(2)气化炉的温度主要由从燃烧喷嘴中喷入的燃料燃烧维持，而燃烧喷嘴中空气与燃料的当量比大于1，从而使燃烧喷嘴附近处于氧化气氛中，可延长燃烧喷嘴的使用寿命；

(3)气化喷嘴位于气化炉顶部，喷嘴附近的温度相对较低，能够有效保护气化喷嘴，减少高温烧结以及燃料粘结的现象，延长气化喷嘴的使用寿命，并且可以简化气化喷嘴结构，降低制作成本；

(4)通过合理布置燃烧喷嘴，可以在气化炉中形成稳定、均匀的气固流场，从而均匀气化炉内温度、气化剂的分布，而且通过组织各个燃烧喷嘴的流动，还可以延长燃料粉粒在气化炉高温区的停留时间，能够在利用空气气化固体粉状燃料时实现较高的燃料转化率。

附图说明

图1为本发明实施例1的半圆形穹顶、非等截面、布置四个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉示意图；

图2为本发明实施例2的半圆形穹顶、等截面、布置三个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉示意图；

图3为本发明实施例3的半圆形穹顶、等截面、对冲布置两个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉示意图；

图4为本发明实施例4的平顶、等截面、交错布置两个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉示意图；

其中，

1-气化炉      2-气化室        3-激冷室

4-气化喷嘴    5-燃烧喷嘴      6-气化室出口

7-激冷环      8-导流板        9-水池

10-进水口     11-排水口       12-粗煤气出口

13-排渣口     14-气化剂补充口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

本实施例的半圆形穹顶、非等截面、沿气化炉布置四个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉1如图1所示，包括：气化室2和激冷室3。

所述气化室2为截面为圆形，气化室2上部截面小、下部截面大、带有半圆形穹顶，气化室2中包括一气化喷嘴4、四个燃烧喷嘴5、气化室出口6。气化喷嘴4位于气化室2的半圆形穹顶上，燃烧喷嘴5在气化室2上部沿气化室2截面对称分布。气化室2中的气化喷嘴4的轴线与气化室2的轴线重合，四个沿气化室截面对称分布的燃烧喷嘴5形成的截面与气化室轴线90°。本实施例中的气化喷嘴和燃烧喷嘴均采用直流喷嘴。

所述激冷室3设置在气化室2下部，激冷室3包括激冷环7、导流板8、水池9、进水口10、排水口11、粗煤气出口12和排渣口13。所述激冷环7设置在气化室出口6下方，导流板8设置在激冷环7下方，水池9位于激冷室3下方，水池9设置有进水口10和排水口11，排渣口13设置在激冷室3底部；所述粗煤气出口12设置在激冷室上部。

气化过程中，总燃料中的5-50％燃料与空气/氧气按照过量空气系数0.7-1.5的比例混合后从燃烧喷嘴5中先喷入气化室2内燃烧预热气化室2，待气化室2内温度高于1000℃后，将剩余的中占总燃料50-95％的燃料与气化剂(空气/氧气和/或水蒸汽和/或二氧化碳)混合后从位于气化室2顶部的气化喷嘴4中送入气化室2中，经过短暂的预热后与下部燃料燃烧形成的高温烟气混合，在1000-1800℃的温度范围内进行气化。气化生成的粗煤气和灰渣从气化室出口6中流出气化室2，进入激冷室3中，在从激冷环7喷入的激冷水的冷却下降温，并使熔融或高温的灰渣凝固或冷却落入激冷室3下方的水池9中沉积。经过激冷环冷却后的粗煤气在导流板的作用下进入水池9中的水中进一步冷却，粗煤气中细小的灰渣可以在气体流经水池后可以被洗涤下来，从水池9中溢出的粗煤气则从粗煤气出口12中流出气化炉。

气化过程中，用于预热燃烧的燃料和空气/氧气的混合物分别从四个燃烧喷嘴5中按照一定角度(沿气化炉中一假象切圆)喷入到气化炉中，使气化炉中的气流呈螺旋下降的运动轨迹，不仅可以形成较大的气流场卷吸喷入的气化燃料，在气化炉截面上形成较为均匀的气固分布，还能够延长气流在气化炉内的停留时间。因此，采用本实施例能够利用燃烧喷嘴的预燃烧在气化室2中形成稳定的高温区域，从而可以利用空气实施粉状固体燃料的气化。

实施例2

本实施例的半圆形穹顶、等截面、沿气化炉布置三个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉1如图2所示。与实施例1不同的是，本实施实例中的气化室2为等截面气化室，在气化室2中布置的燃烧喷嘴5为三个，沿气化室2截面均匀布置。此外，在燃烧喷嘴5下方设置有三个气化剂补充口14，按照与燃烧喷嘴5相同的角度布置，其截面轴线与气化炉2的轴线垂直。

与实施例1不同的是，在气化过程中，用于预热燃烧的燃料和空气/氧气的混合物分别从三个燃烧喷嘴5中按照一定角度(沿气化炉中一假象切圆)喷入到气化炉中形成稳定、均匀的气固流场；一定量的氧气/空气从气化剂补充口14喷入气化室2中，以进一步提高气化炉内的温度，增加气化炉中的高温区域，延长燃料在高温区域的停留时间，促进燃料转化率。为了减少从气化剂补充口14从入气化室2的气体对气化室2内气流场的影响，从气化剂补充口14送入气化室2内的气体流动方向与燃烧喷嘴5中的一致。

实施例3

本实施例的半圆形穹顶、等截面、对冲布置两个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉1如图3所示。与实施例1不同的是，本实施例所采用的气化室2为等截面气化室，在气化室2上部设置了两个燃烧喷嘴5，采用对冲布置，燃烧喷嘴5的轴线与气化炉2的轴线垂直。

气化过程中，用于预热燃烧的燃料和空气/氧气的混合物分别从两个燃烧喷嘴5中对冲喷出并燃烧，在气化炉上方形成较强的扰动和撞击，增加了气固之间的传质和传热。

实施例4

本实施例的平顶、等截面、交错布置两个燃烧喷嘴的分级喷粉的气流床气化炉1如图4所示，与实施例1不同的是，本实施例采用的是等截面的、平顶气化室，气化室2上部设置两个燃烧喷嘴5，采用交错布置。

气化过程中，用于预热燃烧的燃料和空气/氧气的混合物分别从两个燃烧喷嘴5中按照交错喷出，在气化炉截面上能够形成较强的回流，增加气化室2内气固混合和传热，从而加快气化反应速度，提高燃料转化率。

本发明所述的分级喷粉的气流床气化炉将气化喷嘴设置于气化室顶部，并在气化炉内增加若干设置于气化室上部的燃烧喷嘴，利用部分燃料随氧化剂从燃烧喷嘴喷入气化室并完全燃烧释放的热量在气化炉中形成稳定的高温区域，而其余部分燃料与气化剂从气化喷嘴进入气化炉，在气化室顶部预热后进入该高温区域气化。通过合理组织燃烧喷嘴的射流，能够在气化炉中形成稳定、均匀的气固流场和温度场，延长燃料颗粒在气化炉中的停留时间，因而能够在利用空气为气化剂时获得较高的碳转化率。而且，由于可以为气化燃料提供一预热区域，能够使燃料提前预热，而不是立刻进入1000℃以上的高温区中，能够处理粘结性较强的燃料，提高气化炉对燃料的适应性。此外，燃烧喷嘴附近的氧气量较高，而气化喷嘴附近温度较低，能够有效保护喷嘴，延长喷嘴的工作寿命，延长气化炉维修周期。

因此，本发明能够有效克服现有气化炉喷嘴寿命短，难以处理粘结性强燃料的问题，煤种适应性强，而且能够在空气作为气化剂时实现较高的碳转化率，减少现有气化技术由于必须使用纯氧而导致的投资、运行成本高的问题，因此具有很强的应用推广性。

Claims (10)

1.一种分级喷粉气流床气化炉，包括：

一气化室，和一位于其下方的激冷室，所述气化室通过一位于气化室底部的气化室出口与激冷室相通；

所述激冷室包括依次设置于气化室出口下的激冷环和导流板，以及设置于激冷室上部的进水口和粗煤气出口，设置于激冷室底部的排水口和排渣口；

其特征在于：所述气化室还包括一气化喷嘴，设置于气化室顶部，其轴线与气化室轴线重合；

所述气化室还包括若干个燃烧喷嘴，沿气化室上部周边均匀设置于气化室上部的壁面上，其轴线与气化室的轴线呈0-90°的角度。

2.根据权利要求1所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：所述气化炉的截面为圆形或正方形。

3.根据权利要求1或2所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：所述气化炉的炉体为等截面炉体或不等截面炉体。

4.根据权利要求1或2所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：所述气化炉的顶部为半球形穹顶或平顶。

5.根据权利要求1所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：所述气化喷嘴为直流喷嘴或旋流喷嘴。

6.根据权利要求1所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：所述燃烧喷嘴为2-6个。

7.根据权利要求1或6所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：所述燃烧喷嘴为沿气化室周边采用对冲、交错或切圆的方式布置。

8.根据权利要求1所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：所述燃烧喷嘴为直流喷嘴或旋流喷嘴。

9.根据权利要求1所述的分级喷粉气流床气化炉，其特征在于：还包括1-6个气化剂补充口，沿气化室周边采用对冲、交错或切圆布置方式设置于燃烧喷嘴的下方的壁面上。

10.一种用于在权利要求1所述的分级喷粉气流床气化炉中气化粉状固体燃料的方法，包括以下步骤：

(1)将处理量5-50％的粉状固体燃料与氧化剂一起从燃烧喷嘴中送入气化炉中燃烧，在气化炉上部形成一个高温燃烧区，其气化温度为1000-1800℃，气化压力为0.1-10MPa；

所述粉状固体燃料为煤、生物质、石油焦、或垃圾；

所述氧化剂为氧气或空气；

(2)将处理量50-95％的粉状固体燃料与气化剂从位于气化炉顶部的气化喷嘴中一起喷入，喷入的粉状固体燃料在气化炉上部燃烧喷嘴附近先被预热，随后进入高温燃烧区与气化剂反应开始气化；

所述气化剂为氧气、空气、和水蒸汽中的一种或几种；

(3)在高温燃烧区内未反应的粉状固体燃料在高温气流的带动下向下流动的同时进一步气化反应，反应生成的粗煤气与灰渣从气化室下部经由气化室出口进入激冷室，在激冷环喷水被冷却，经导流板被引导进入激冷室下部的水池，然后于水池进一步降温、冷渣后，气化产生的粗煤气从粗煤气出口流出；

(4)生成的灰渣沉淀于激冷室下部的水池中，并从激冷室底部的排渣口排出。

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