CN102433162B

CN102433162B - 分级给氧气流床气化炉及其气化方法

Info

Publication number: CN102433162B
Application number: CN2011100745576A
Authority: CN
Inventors: 刘海峰; 代正华; 许建良; 周志杰; 李伟锋; 梁钦锋; 郭晓镭; 郭庆华; 龚欣; 于广锁; 王辅臣; 王亦飞; 陈雪莉; 王兴军; 刘霞
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-05-06
Also published as: CN102433162A

Abstract

本发明公开了一种分级给氧气流床气化炉，包括气化炉主体、合成气出口、排渣口、集渣池，以及至少两个内设工艺喷嘴的工艺喷嘴室，所述气流床气化炉还包括至少两个内设二次给氧喷嘴的二次给氧喷嘴室，所述二次给氧喷嘴室设置于所述工艺喷嘴室和所述集渣池之间，并对称布置于所述气化炉主体四周，所述二次给氧喷嘴安装在所述二次给氧喷嘴室内。本法还提供了该气流床气化炉的气化方法，在反应过程中对二次给氧喷嘴通入氧化剂，反应生成的粗煤气和液态渣分流。本发明采用合成气出口使气渣分流，从而降低合成气出口温度。适当通入二次氧化剂来提高气化炉渣口熔渣温度，从而大幅降低氧化剂消耗和原料消耗。

Description

分级给氧气流床气化炉及其气化方法

技术领域

本发明涉及一种将含碳物质气化，生产粗煤气的装置及气化方法，特别是涉及一种分级给氧气流床气化炉及其气化方法。

背景技术

煤气化技术是当今煤炭等含碳物质清洁高效利用的关键技术之一，也是将一次能源转化为洁净二次能源的主要途径，该技术主要运用于合成氨、合成甲醇、炼厂制氢、高炉还原炼铁化工冶金行业和联合循环发电装置中。

经过几十年的发展，气流床气化炉的碳转化率已超过95％。但目前的气化炉技术中，无论是水煤浆气化炉还是粉煤气化炉都受到了热力学平衡的限制。

如图1所示，现有技术中的气化炉主体顶端为开口式，气化反应生成的合成气由气化炉顶端的合成气出口排出，而熔渣由气化炉主体底端的排渣口排出。在气化反应过程中，含碳物质与全部的氧化剂同时由工艺喷嘴进入气化炉。为了保证气化炉能顺利排渣，气流床气化炉操作温度均在煤灰熔点(FT)以上。一般操作温度要高于灰熔点50℃～200℃，气流床气化为了实现高温液态排渣，渣的温度提高到1300℃以上。

在这一过程中，因为热力学平衡限制，同时也将大量的合成气温度提高到与熔渣温度一样高。因此，需要通过额外的氧气和合成气的燃烧反应提供热量。这样就导致气化炉的冷煤气效率降低和原料消耗增加。同时也带来了复杂的含熔渣合成气高温显热回收的技术难题。

综上，在合成气与熔渣的热力学平衡限制下，很难兼顾气化过程中熔渣温度为1300℃以上，且合成气的温度相对较低。因此，如何实现两者兼具成为了重要课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术气流床气化炉无法兼顾高温排渣和降低合成气温度的缺陷，提供一种分级给氧气流床气化炉。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种分级给氧气流床气化炉，包括气化炉主体、一位于所述气化炉主体顶部的合成气出口、一位于气化炉主体底部的排渣口、套设于气化炉主体底部的集渣池，以及至少两个内设工艺喷嘴的工艺喷嘴室，所述工艺喷嘴室对称布置于所述气化炉主体的四周，所述工艺喷嘴安装在所述工艺喷嘴室内；

其特点在于，所述气流床气化炉还包括至少两个内设二次给氧喷嘴的二次给氧喷嘴室，所述二次给氧喷嘴室设置于所述工艺喷嘴室和所述集渣池之间，并对称布置于所述气化炉主体四周，所述二次给氧喷嘴安装在所述二次给氧喷嘴室内。

二次给氧喷嘴和二次给氧喷嘴室的设置可以调整进入气化炉的氧气分布，从而降低工艺喷嘴的氧化剂量，并适当提供二次氧化剂量来提高排渣口熔渣的温度，保证液态熔渣的顺利流出。此外，采用二次给氧喷嘴还可以降低氧化剂的消耗和原料的消耗。

较佳地，所述工艺喷嘴室轴线与所述气化炉主体径向的夹角α为0°～45°；所述工艺喷嘴室轴线与所述气化炉主体轴线的夹角β为60°～120°。

较佳地，所述工艺喷嘴轴线与所述工艺喷嘴室轴线在水平面上的夹角r为0°～20°，在垂直面上的夹角δ为0°～20°。

较佳地，所述二次给氧喷嘴室轴线与所述气化炉主体径向的夹角ε为0°～45°；所述二次给氧喷嘴室轴线与所述气化炉主体轴线的夹角ζ为60°～120°。

较佳地，所述二次给氧喷嘴轴线与所述二次给氧喷嘴室轴线在水平面上的夹角η为0°～20°，在垂直面上的夹角θ为0°～20°。

通过工艺喷嘴和工艺喷嘴室、二次给氧喷嘴和二次给氧喷嘴室角度的设置与匹配，可以在炉内形成撞击流来强化混合(热质传递)过程，并在炉内形成不同强度的旋流流场，从而达到良好的工艺与工程效果，有效气体成分高、碳转化率高。

较佳地，所述气化炉主体的内直径为D，所述排渣口内直径为0.05～0.9D，所述合成气出口内直径为0.05～0.9D。

较佳地，所述工艺喷嘴室上部空间的高度为0.5～15D，所述工艺喷嘴室与所述二次给氧喷嘴室间的直段高度为0～2D，所述工艺喷嘴室下部直段高度为0.05～5D。

工艺喷嘴室及二次给氧喷嘴室在气化炉四周布置位置和气化炉主体的内直径有关，在设计上按上述关系得到的气化炉效率较佳，有助于温度的调节，从而充分进行气化反应。

较佳地，所述排渣口和所述合成气出口分别为下锥收缩口和上锥收缩口，其下锥收缩角λ为20°～70°，上锥收缩角

为60°～90°。

较佳地，所述气化炉主体为具有壁面耐火衬里的圆柱形壳体。

较佳地，所述壁面耐火衬里为耐火砖衬里结构和水冷壁衬里结构。

较佳地，所述集渣池的内直径为0.5～2D，高度为0.5～5D。

较佳地，所述集渣池的内壁为防腐耐高温衬里。

本发明还提供了一种采用上述气流床气化炉的气化方法，其包括：将含碳物质和氧化剂通入所述工艺喷嘴中，使其进入气化炉内进行气化反应；

其特点在于，该气化方法还包括：在所述气化反应过程中对二次给氧喷嘴通入氧化剂，促进进一步的气化反应，反应生成的粗煤气往上由合成气出口排出，而液态渣向下由排渣口流出。

较佳地，所述氧化剂为含氧量21％～100％的气体。

氧化剂可以采用空气、纯氧或其他含氧量21％～100％的含氧混合气体。这里主要利用了氧化剂的助燃性，使氧气与含碳物质进行燃烧，以得到有效气体CO和H₂。

较佳地，通入所述工艺喷嘴的氧化剂占操作氧化剂的80％～100％，通入二次给氧喷嘴的氧化剂占操作氧化剂的0％～20％。

将原本100％通入工艺喷嘴的氧化剂分级通入气化炉，这样可以降低合成气的温度，提高冷煤气效率。而二次给氧喷嘴内通入适当的氧化剂可以提高熔渣的温度，保证了熔渣以液态形式排出，避免了堵渣现象。

较佳地，所述含碳物质为浆态含碳物质和粉状含碳物质。

其中，当含碳物质为粉状含碳物质时，氧化剂需要添加水蒸气合成气化剂。通过气化剂提高粉状含碳物质的燃烧效率，便于调整负荷，降低污染排放。

较佳地，所述含碳物质为煤、石油焦、渣油、沥青、生物质或污泥。

本发明的积极进步效果在于：本发明利用气化炉内气一渣相间温度的宏观非平衡性，提出了气渣分流和二次给氧方式，突破了传统的气流床排渣口合成气和熔渣温度相同这一热力学限制。合成气出口使气渣分流，从而降低合成气出口温度。二次给氧喷嘴的设立可以大幅降低工艺喷嘴的氧化剂量，适当通入二次氧化剂来提高气化炉渣口熔渣温度，从而大幅降低氧化剂消耗和原料消耗。

附图说明

图1为现有技术气流床气化炉的轴向剖面图。

图2为本发明分级给氧气流床气化炉的轴向剖面图。

图3为图2中A部分的局部放大图。

图4为图2中B部分的局部放大图。

图5本发明分级给氧气流床气化炉的工艺喷嘴的剖面示意图。

图6本发明分级给氧气流床气化炉的二次给氧喷嘴的剖面示意图

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图2为本发明分级给氧气流床气化炉的轴向剖面图。

参考图2，分级给氧气流床气化炉包括气化炉主体1、至少两个工艺喷嘴2、至少两个工艺喷嘴室3、至少两个二次给氧喷嘴7、至少两个二次给氧喷嘴室8、一位于气化炉主体1顶部的合成气出口6，以及位于气化炉主体底部的排渣口4、套设于气化炉主体1底部的集渣池5，

工艺喷嘴2安装在工艺喷嘴室3内，且工艺喷嘴室3设置于气化炉主体1的下部，均匀地对称布置于气化炉主体1的四周，用于输入含碳物质及部分氧化剂(对于粉状物料为气化剂，即氧化剂和水蒸汽)。

二次给氧喷嘴7安装在二次给氧喷嘴室8内。二次给氧喷嘴室8设置于工艺喷嘴室3和集渣池5之间，并均匀地对称布置于所述气化炉主体四周。

合成气出口6的作用在于将合成气和熔渣分流，从而得到较低温度的合成气，提高冷煤气效率。

二次给氧喷嘴7和二次给氧喷嘴室8的设置可以调整进入气化炉的氧气分布，从而降低工艺喷嘴的氧化剂量，并适当提供二次氧化剂来提高排渣口熔渣的温度，保证液态熔渣的顺利流出。此外，采用二次给氧喷嘴7还可以降低氧化剂的消耗和原料的消耗。

其中，气化炉主体1为具有壁面耐火衬里的圆柱形壳体。通常壁面耐火衬里为耐火砖衬里结构和水冷壁衬里结构。

参考图3-图6，工艺喷嘴室3轴线与气化炉主体1径向的夹角α为0°～45°；工艺喷嘴室3轴线与气化炉主体1轴线的夹角β为60°～120°。工艺喷嘴2轴线与工艺喷嘴室3轴线在水平面上的夹角r为0°～20°，在垂直面上的夹角δ为0°～20°。二次给氧喷嘴室8轴线与气化炉主体1径向的夹角ε为0°～45°；二次给氧喷嘴室8轴线与气化炉主体1轴线的夹角ζ为60°～120°。二次给氧喷嘴7轴线与二次给氧喷嘴室8轴线在水平面上的夹角η为0°～20°，在垂直面上的夹角θ为0°～20°。

此外，排渣口4和合成气出口6分别为下锥收缩口和上锥收缩口，其下锥收缩角λ为20°～70°，上锥收缩角

为60°～90°。

通过工艺喷嘴2和工艺喷嘴室3、二次给氧喷嘴7和二次给氧喷嘴室8角度的设置与匹配，可以在炉内形成撞击流来强化混合(热质传递)过程，并在炉内形成不同强度的旋流流场，从而达到良好的工艺与工程效果，有效气体成分高、碳转化率高。

其中，气化炉主体1的内直径为D，排渣口4内直径为0.05～0.9D，合成气出口6内直径为0.05～0.9D。

如图2所示，工艺喷嘴室3上部空间的高度为0.5～15D，工艺喷嘴室3与二次给氧喷嘴室8之间的直段高度为0～2D，工艺喷嘴室3下部直段高度为0.05～5D。此外，集渣池的内直径为0.5～2D，高度为0.5～5D，且集渣池的内壁为防腐耐高温衬里。

工艺喷嘴室3及二次给氧喷嘴室8在气化炉四周布置位置和气化炉主体1的内直径有关，在设计上按上述关系得到的气化炉效率较佳，有助于温度的调节，从而充分进行气化反应。

本发明还提供了该气流床气化炉的气化方法，其包括如下过程：

以4个喷嘴的分级给氧气流床气化炉为例，含碳物质经隔膜泵加压，通过4个对称布置在气化炉主体上部同一水平面的工艺喷嘴，与含氧量21％～100％的氧化剂(如空气、纯氧或其他含氧量21％～100％的含氧混合气体)一同由工艺喷嘴通入气化炉。

含碳物质在气化炉内的气化过程主要分为一次反应和二次反应：

一次反应发生于燃烧区。当含碳物质混合氧化剂/气化剂由工艺喷嘴进入气化炉燃烧时，含碳物质被雾化。同时由于受到火焰、炉内壁、高温气体、固体物等辐射热，以及回流流股和折流流股的热量影响，含碳物质迅速蒸发，发生热裂解并释放出挥发分。裂解产物、挥发分及其他易燃组分在高温、高氧浓度下完全燃烧，同时放出大量热。

这个过程中，本发明只投入了部分氧化剂，约占操作氧化剂的80％～100％，保证气化反应顺利进行，且合成气的温度无需达到煤灰熔点(FT)以上。由于气化炉内高压的作用，合成气往上走，由气化炉主体顶部的合成气出口排出。合成气在上走的过程中降温，使得合成气出口的气体温度较低。

在上述过程中，通过二次给氧喷嘴向气化炉内通入剩余的氧化剂，约占操作氧化剂的0％～20％。这里的氧化剂进一步促进气化反应，气流床气化炉操作温度上升到煤灰熔点(FT)以上，渣的温度提高到1300℃以上，从而实现高温液态排渣。

接着，燃烧后的混合物进入二次反应。其中，组分中的煤焦、CH₄等与水、CO₂发生气化反应。该气化反应生成有效气体成分CO和H₂。

由于二次反应以吸热为主，可以在一定程度上降低反应区域的温度，相对起到保护耐火衬里的作用。

最后，反应生成的液态熔渣由排渣口排出，避免了堵渣现象的产生。

此外，上述含碳物质可以为浆态含碳物质和粉状含碳物质，如煤、石油焦、渣油、沥青、生物质或污泥。其中，当含碳物质为粉状含碳物质时，氧化剂需要添加水蒸气合成气化剂。通过气化剂使粉状含碳物质的燃烧效率提高，便于调整负荷，降低污染排放。

下面的实施例将对本发明予以进一步的说明：

实施例1

本实施例说明：采用本发明的分级给氧气流床气化炉进行气化试验得到的结果。

一个日处理3000吨煤的分级给氧气化炉，含碳化合物为水煤浆，气化压力6.5MPa，工艺喷嘴为4个，二次给氧喷嘴为4个，壁面为耐火砖结构。其中，气化炉内关键关键尺寸如下表一所示：

表一、气化炉内关键尺寸表

其中，氧化剂为纯氧气，其中二次氧化剂量占5％，液态排渣温度为1350℃，煤浆浓度65％，煤质分析数据如下表二～表五所示：

表二、工业分析表

参数	数值
		空干基水分Mar	2.5％(wt)
干燥基固定碳Mar	57.88％(wt)
		干燥基挥发分Var	34.45％(wt)
干燥基灰分Aar	7.67％(wt)

表三、元素分析表

参数	数值
		干燥基碳Cd	71.16％(wt)
干燥基氢Hd	6.05％(wt)
		干燥基氧Od	13.7％(wt)

干燥基氮Nd	0.92％(wt)
		干燥基全硫St，d	0.50％(wt)

表四、热值和灰熔点表

参数	数值
		干燥基低位发热量Qgr，d	30.15kJ/kg
流动温度FT	1280℃

表五、气化工艺指标和出口气体组成表

实施例2

本实施例说明：采用本发明的多喷嘴分级给氧气流床气化炉进行气化试验得到的结果。

一个日处理3000吨煤的分级给氧气流床气化炉，含碳化合物为粉煤，气化压力4.0MPa，壁面为水冷壁结构，工艺喷嘴为4个，二次给氧喷嘴为4个。其中，气化炉内关键尺寸如下表六所示：

表六、气化炉内关键尺寸表

其中，气化剂为纯氧气，其中二次氧化剂量占7％，所用煤为高灰熔点煤(外加石灰石助融剂)，液态排渣温度为1450℃，煤质数据如下所示：

表七、工业分析表

参数	数值
		空干基水分Mar	0.4％(wt)
干燥基固定碳Mar	63.8％(wt)
		干燥基挥发分Var	10.81％(wt)
干燥基灰分Aar	25.39％(wt)

表八、元素分析表

参数	数值
		干燥基碳Cd	68.13％(wt)
干燥基氢Hd	2.92％(wt)
		干燥基氧Od	2.19％(wt)
干燥基氮Nd	0.99％(wt)
		干燥基全硫St，d	0.369％(wt)

表九、热值和灰熔点表

参数	数值
		干燥基低位发热量Qgr，d	26.50kJ/kg
流动温度FT	1280℃

表十、气化工艺指标和出口气体组成表

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种分级给氧气流床气化炉，包括气化炉主体、一位于所述气化炉主体顶部的合成气出口、一位于气化炉主体底部的排渣口、套设于气化炉主体底部的集渣池，以及至少两个内设工艺喷嘴的工艺喷嘴室，所述工艺喷嘴室对称布置于所述气化炉主体的四周，所述工艺喷嘴安装在所述工艺喷嘴室内；

其特征在于，所述气流床气化炉还包括至少两个内设二次给氧喷嘴的二次给氧喷嘴室，所述二次给氧喷嘴室设置于所述工艺喷嘴室和所述集渣池之间，并对称布置于所述气化炉主体四周，所述二次给氧喷嘴安装在所述二次给氧喷嘴室内；所述气化炉主体的内直径为D，所述排渣口内直径为0.05～0.9D，所述合成气出口内直径为0.05～0.9D；所述工艺喷嘴室上部空间的高度为0.5～15D，所述工艺喷嘴室与所述二次给氧喷嘴室间的直段高度为0.5～2D，所述工艺喷嘴室下部直段高度为1.3～5D。

2.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述工艺喷嘴室轴线与所述气化炉主体径向的夹角α为0°～45°；所述工艺喷嘴室轴线与所述气化炉主体轴线的夹角β为60°～120°。

3.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述工艺喷嘴轴线与所述工艺喷嘴室轴线在水平面上的夹角r为0°～20°，在垂直面上的夹角δ为0°～20°。

4.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述二次给氧喷嘴室轴线与所述气化炉主体径向的夹角ε为0°～45°；所述二次给氧喷嘴室轴线与所述气化炉主体轴线的夹角ζ为60°～120°。

5.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述二次给氧喷嘴轴线与所述二次给氧喷嘴室轴线在水平面上的夹角η为0°～20°，在垂直面上的夹角θ为0°～20°。

6.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述排渣口和所述合成气出口分别为下锥收缩口和上锥收缩口，其下锥收缩角λ为20°～70°，上锥收缩角

为60°～90°。

7.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述气化炉主体为具有壁面耐火衬里的圆柱形壳体。

8.如权利要求7所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述壁面耐火衬里为耐火砖衬里结构和水冷壁衬里结构。

9.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述集渣池的内直径为0.5～2D，高度为0.5～5D。

10.如权利要求1所述的分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述集渣池的内壁为防腐耐高温衬里。

11.一种用权利要求1所述的气流床气化炉的气化方法，其包括：将含碳物质和氧化剂通入所述工艺喷嘴中，使其进入气化炉内进行气化反应；

其特征在于，该气化方法还包括：在所述气化反应过程中对二次给氧喷嘴通入氧化剂，促进进一步的气化反应，反应生成的粗煤气往上由合成气出口排出，而液态渣向下由排渣口流出。

12.如权利要求11所述的气流床气化炉的气化方法，其特征在于，所述氧化剂为含氧量21%～100%的气体。

13.如权利要求11所述的气流床气化炉的气化方法，其特征在于，通入所述工艺喷嘴的氧化剂占操作氧化剂的80%～95%，通入二次给氧喷嘴的氧化剂占操作氧化剂的5%～20%。

14.如权利要求11所述的气流床气化炉的气化方法，其特征在于，所述含碳物质为浆态含碳物质和粉状含碳物质。

15.如权利要求11所述的气流床气化炉的气化方法，其特征在于，所述含碳物质为煤、石油焦、渣油、沥青、生物质或污泥。