CN102453550A - 多喷嘴分级给氧气流床气化炉及其气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多喷嘴分级给氧气流床气化炉，包括顶部封闭式气化炉主体、点火喷嘴室、气化炉出口，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气化炉出口之间，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。本发明还公开了该气化炉的气化方法，在反应过程中对二次给氧喷嘴通入氧化剂，促进进一步的气化反应。本发明通过多喷嘴对气化炉分级给氧，使得气化炉上部空间耐火砖结构的寿命大幅延长，极大地提高了气化炉的开工率和性能。此外，其还确保了气化炉液态排渣，避免出口堵渣现象。

Description

多喷嘴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，特别是涉及一种多喷嘴分级给氧气流床气化炉及其气化方法。
背景技术
气化过程是煤炭的一个热化学加工过程。它是以煤或煤焦为原料，以氧气(空气、富氧或工业纯氧)、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。气化时所得的可燃气体成为煤气，对于做化工原料用的煤气一般称为合成气(合成气除了以煤炭为原料外，还可以采用天然气、重质石油组分等为原料)，进行气化的设备称为煤气发生炉或气化炉。
其中，气流床气化是一种高效洁净煤气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类。在气化炉内，煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生化学反应，同时处于不充分的氧化条件下。因此，其热解、燃烧及吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流输送”，故称为气流床气化。
气流床气化炉为高温高压多相反应体系，因此其壁面需要采用特殊的耐火衬里来确保气化炉的安全运行。在传统气流床气化炉中，如图1所示，含碳化合物与全部的氧化剂同时由工艺喷嘴进入气化炉。由于气流床气化炉内的火焰分布主要与氧气分布有关，导致耐火衬里各个部分的受热不均匀。在工艺喷嘴室附近，由于氧化剂充足，导致火焰及其下游区域温度较高，这样使得壁面局部区域耐火衬里寿命偏短。
从目前运行的以耐火砖为衬里的气化炉来看，局部区域耐火砖的最短寿命是气化炉整体耐火砖平均寿命的一半。因此，当气化炉下部耐火衬里还具有较长的寿命时，上部耐火衬里已经需要更换了，这就增加了更换成本。此外，整体更换气化炉耐火衬里需要至少2个多月的时间，期间生产线需要停产，对生产造成了严重的损失。
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内温度分布不合理，造成壁面局部区域耐火衬里寿命偏短的缺陷，提供一种将氧化剂分级加入到气化炉内的多喷嘴分级给氧气流床气化炉，以及其气化方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种多喷嘴分级给氧气流床气化炉，包括顶部封闭式气化炉主体、位于气化炉主体顶部的点火喷嘴室和底部的气化炉出口，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气化炉出口之间，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，达到合理调节炉内温度的目的。这样可以避免上部工艺喷嘴室一次性给氧造成的炉内上部温度过高，从而提高上部耐火衬里的寿命。
此外，二次给氧喷嘴设置在气化炉中下部，有助于提高气化炉中下部的温度，促进中下部的气化反应，同时确保气化炉液态排渣。
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λ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、碳转化率高且耐火衬里寿命长。
较佳地，所述气化炉主体的内直径为D，所述气化炉出口内直径为0.05～0.9D，所述点火喷嘴室内直径为0.01～0.1D。
较佳地，所述工艺喷嘴室上部空间的高度为1～3D，所述工艺喷嘴室与所述二次给氧喷嘴室间的直段高度为1～3D，所述工艺喷嘴室下部直段高度为4～8D。
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，所述气化炉出口为下锥收缩口，其下锥收缩角λ为20°～70°。
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。
本发明还提供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，反应生成的粗煤气及液态渣并流向下，由气化炉出口排出；
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。
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，这样可以避免气化炉上部温度过高而降低耐火衬里的寿命。而下部由于氧化剂的作用，适当提高了下部气化炉的温度，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。通过氧化剂和水蒸气的的混合物(即气化剂)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：本发明将氧化剂分级加入到气化炉内，从而改变气化炉内的温度分布，使得气化炉上部空间耐火砖结构的寿命大幅延长，极大地提高了气化炉的开工率和性能。此外，由于二次给氧喷嘴设置在气化炉中下部，因此适当提高了气化炉中下部的温度，促进中下部的气化反应，同时确保气化炉液态排渣，避免出口堵渣现象。
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为本发明多喷嘴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本发明多喷嘴分级给氧气流床气化炉的工艺喷嘴的剖面示意图。
图6本发明多喷嘴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为本发明多喷嘴分级给氧气流床气化炉的轴向剖面图。
参考图2，多喷嘴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4、至少两个二次给氧喷嘴室5，以及位于气化炉主体1顶部的点火喷嘴室6和底部的气化炉出口7。
工艺喷嘴2安装在工艺喷嘴室3内，且工艺喷嘴室3设置在气化炉中上部，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4安装在二次给氧喷嘴室5内。二次给氧喷嘴室5设置于工艺喷嘴室3和气化炉出口7之间，并均匀地对称布置于气化炉主体1的四周。
二次给氧喷嘴4和二次给氧喷嘴室5的设置可以调整进入气化炉的氧气分布，达到合理调节炉内温度的目的。这样可以避免上部工艺喷嘴室一次性给氧造成的炉内上部温度过高，从而提高上部耐火衬里的寿命。
此外，二次给氧喷嘴4设置在气化炉中下部，有助于提高气化炉中下部的温度，促进中下部的气化反应，同时确保气化炉液态排渣。
其中，气化炉主体1为具有壁面耐火衬里的圆柱形壳体。通常壁面耐火衬里采用耐火砖衬里结构和水冷壁衬里结构。
如图3-图6所示，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5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5轴线与气化炉主1体轴线的夹角λ为60°～120°。二次给氧喷嘴4轴线与二次给氧喷嘴室5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，气化炉出口为下锥收缩口，其下锥收缩角λ为20°～70°。
对工艺喷嘴2和工艺喷嘴室3、二次给氧喷嘴4和二次给氧喷嘴室5进行角度的设置与匹配，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，有效气成分高、碳转化率高且耐火衬里寿命长。
其中，气化炉主体1的内直径为D，而气化炉出口7内直径为0.05～0.9D，点火喷嘴室6内直径为0.01～0.1D。
参考图2，工艺喷嘴室3上部空间的高度为1～3D，工艺喷嘴室3与二次给氧喷嘴室5间的直段高度为1～3D，工艺喷嘴室3下部直段高度为4～8D。
工艺喷嘴室3及二次给氧喷嘴室5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。
针对上述多喷嘴分级给氧气流床气化炉，本发明采用以下气化方法：
以4个喷嘴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并点燃后，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。
这个过程相当短暂，当氧气消耗殆尽后立即结束。因此，与现有技术相比，由于本发明只投入了部分氧化剂，约占操作氧化剂的80％～100％，使得炉内火焰相对较小，从而降低了炉内流体温度。避免气化炉上部燃烧过旺而降低耐火衬里的寿命。
在此过程中，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％。经过气化炉上部燃烧后，含碳物质和氧化剂的混合物中已含有煤焦、CO2、CH4、水、CO及H2等。而剩余未燃烧尽的含碳物质和再次通入的氧化剂进一步发生气化反应。
这个区域的一次反应可以适当提高下部气化炉的温度，保证了熔渣以液态形式排出，避免了堵渣现象。
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，反应生成的粗煤气及液态渣并流向下，由气化炉出口排出。
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吨煤的水煤浆气化炉，气化压力6.5MPa，壁面为耐火砖结构，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一所示：
表一、气化炉内关键尺寸表
Figure BSA00000460348100081
其中，氧化剂为纯氧气，二次给氧的氧化剂量占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、气化工艺指标表
  参数   数值
  气化炉出口温度℃   1330
  气化炉顶部壁面附近最高温度℃   1240
  碳转化率％   99
  氧煤比Nm3/1000kg煤(干)   653
  干气产率Nm3/1000kg煤(干)   2.12
  冷煤气效率％   73.97
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吨煤的粉煤气化炉，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，二次给氧的氧化剂量占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℃，煤质分析数据如下表七～表十所示：
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、气化工艺指标表
  参数   数值
  气化炉出口温度℃   1450
  顶部壁面附近温度℃   1280
  碳转化率％   99
  氧煤比Nm3/1000kg煤(干)   560
  蒸汽煤比kg/1000kg煤(干)   190
  干气产率Nm3/1000kg煤(干)   1.86
  冷煤气效率％   78.96
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 (15)

1.一种多喷嘴分级给氧气流床气化炉，包括顶部封闭式气化炉主体、位于所述气化炉主体顶部的点火喷嘴室和底部的气化炉出口，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气化炉出口之间，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。
2.如权利要求1所述的多喷嘴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所述的多喷嘴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所述的多喷嘴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λ为60°～120°。
5.如权利要求1所述的多喷嘴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所述的多喷嘴分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述气化炉主体的内直径为D，所述气化炉出口内直径为0.05～0.9D，所述点火喷嘴室内直径为0.01～0.1D。
7.如权利要求6所述的多喷嘴分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述工艺喷嘴室上部空间的高度为1～3D，所述工艺喷嘴室与所述二次给氧喷嘴室间的直段高度为1～3D，所述工艺喷嘴室下部直段高度为4～8D。
8.如权利要求6或7所述的多喷嘴分级给氧气流床气化炉，其特征在于，所述气化炉出口为下锥收缩口，其下锥收缩角λ为20°～70°。
9.如权利要求1所述的多喷嘴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。
10.如权利要求9所述的多喷嘴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。
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，反应生成的粗煤气及液态渣并流向下，由气化炉出口排出；
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。
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％～100％，通入二次给氧喷嘴的氧化剂占操作氧化剂的0％～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。
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