CN102517088A - 一种新型加压气流床气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型加压气流床气化炉，包括直径较大的下段气化室、直径较小的上段气化室，下段气化室和上段气化室之间连接有炉拱，炉拱上沿气化炉轴线中心对称布置有燃料喷嘴，燃料喷嘴的轴线与气化炉中轴线具有夹角。采用本技术方案，燃料(干煤粉/水煤浆)通过布置在炉拱上沿气化炉中心轴线对称布置的燃料喷嘴斜向下喷入下段气化室，与同时喷入的氧气和水蒸气进行部分燃烧与气化反应，煤粉气流着火后向下伸展，在下段气化室中下部沿圆弧转折向上，再顺中心轴线上升而形成W型火焰，这种新型W火焰气化方式，极大地延长了煤焦颗粒在炉内的停留时间，并增强了炉内煤粉气流的湍流强度，极大地提高了碳转换率与冷煤气效率。

Description

一种新型加压气流床气化炉

技术领域

本发明属于能源领域新的大规模加压气流床气化技术，尤其涉及一种加压气流床气化装置。

背景技术

大规模加压气流床煤气化技术是煤基化工(合成氨、制甲醇、二甲醚等)、煤基多联产、IGCC发电等煤的清洁利用关键技术。按煤气化过程中煤在气化炉内的流动形式可分为固定床气化、流化床气化与气流床气化三种类型，与固定床和流化床气化相比，气流床气化具有较好的煤种与粒度适应性和更易大规模化等优势，是大规模、高效、清洁燃气与气化合成气制备装置的首选技术。为此，众多的科技人员研究开发了各种类型的气化炉。有代表性的主要有两种，一种是以德士古和我国华东理工为代表的顶喷式水煤浆气化炉，另外一种是以Shell和西安热工院为代表的下喷式干煤粉气化炉。采用顶喷式的德士古气化炉由于喷嘴与煤气及液渣出口轴线重合，且采用单喷嘴顶喷布置方式，从而容易导致部分物料(流股)短路和大射流回流区现象的发生，使得气化炉顶部流场和温度场分布不尽合理，燃料喷嘴附近高温区域易发生耐火砖脱落和燃料喷嘴烧坏等问题，大大影响了设备的可用率；华东理工大学在德士古的基础上进行了改进，形成多喷嘴气化炉技术，在一定程度上提高了碳转化率和设备可用率，但由于采用侧面喷嘴对置方式，由于四股较强的射流撞击燃烧后将形成明显撞击火焰，向上撞击火焰直接威胁气化炉顶部耐火材料的使用寿命，且由于操作问题容易使得火焰中心偏离气化炉中心轴线而发生偏移，容易导致某只燃料喷嘴由于距离中心火焰过近而发生烧坏等现象。Shell气化炉和两段式干煤粉气化炉均采用煤气与熔融态渣呈逆向流动，悬浮在气流中的细渣易被合成气气流携带进入合成气冷却器和后续冷却净化设备，容易导致后续设备和管道中容易形成积灰和堵塞。由于上述加压气流床气化炉均采用液态排渣方式，对入炉煤的灰熔融温度有着严格的要求，一般要求煤灰熔融温度FT低于1400℃以下，否则及易发生堵渣等现象的发生，煤种适应性较差。

综上所述，尽管已有多种不同形式的气化炉成功实现了工业化应用，但均不同程度地存在反应物停留时间分布不合理、碳转化率不理想、炉内温度场不均匀、易堵渣等问题。因此，有必要开发出一种炉内温度分布可调、具有较长停留时间的新型加压气流床气化炉，以扩大气化炉对煤种的适应性和进一步提高碳转化率的需要。

发明内容

本发明所要解决的问题是，提供一种炉内煤焦颗粒具有较长停留时间的新型加压气流床气化炉。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种新型加压气流床气化炉，包括直径较大的下段气化室、直径较小的上段气化室，下段气化室和上段气化室之间连接有炉拱，炉拱上沿气化炉轴线中心对称布置有燃料喷嘴，燃料喷嘴的轴线与气化炉中轴线具有夹角。采用本技术方案，燃料(干煤粉/水煤浆)通过布置在炉拱上沿气化炉中心轴线对称布置的燃料喷嘴斜向下喷入下段气化室，与同时喷入的氧气和水蒸气进行部分燃烧与气化反应，煤粉气流着火后向下伸展，在下段气化室中下部沿圆弧转折向上，再顺中心轴线上升而形成W型火焰。这种新型W火焰气化方式，极大地延长了煤焦颗粒在炉内的停留时间，并增强了炉内煤粉气流的湍流强度，极大地提高了碳转换率与冷煤气效率。

燃料喷嘴与气化炉中轴线的夹角为5～65°。

燃料喷嘴设置成可摆动的或者安装时是可以调节角度的结构，因此燃料喷嘴轴线与气化炉中轴线的夹角可调。采用本技术方案，气化炉可根据入炉煤的煤质情况，通过调节布置在炉拱上的多只喷嘴与气化炉中心线间的夹角，实现炉内下段气化室内火焰中心位置以及下段气化室出口温度的可调，在一定程度上扩大了气化炉对煤种的适应性。

本发明所述的上段气化室可根据不同需要选用膜式水冷避结构或耐火衬里结构。在上段气化室顶部布置有锥形缩口的气化室出口，锥形缩口锥面与上段气化室中心线的夹角为15～25°。从下段气化室出口出来的夹带有未反应碳粒和飞灰的高温粗煤气(1300～1400℃)进入上段气化室内，在上段气化室内粗煤气中的未反应碳粒继续与CO₂和蒸汽等发生气化反应，粒径较大的碳颗粒灰渣由于重力作用重新回落至下段气化室内继续燃烧、破碎，破碎后的细小颗粒被携带至上段气化室内继续气化，从而极大程度地提高了气化炉的碳转换效率。

本发明的合成气冷却室包括：膜式水冷壁(辐射受热面)、水冷壁入口集箱、水冷壁出口集箱、合成气导向水冷壁、合成气出口、吹灰器。从上段气化室出来的高温合成气进入合成气冷却室，高温合成气在合成气冷却室内被进一步冷却，最后冷却后的合成气向上经合成气导向板进入内、外膜式水冷壁间的环形通道往下至气化炉合成气出口排出，进入下道工序。

与现有技术相比，本发明所提供的气化炉及其气化方法具有十分明显的优势。本发明具有以下主要创新点：

本气化炉创新地采用W火焰气化方式，燃料由布置在气化炉底部炉拱，沿气化炉中心线对称布置的多只燃料喷嘴(至少2只)以W火焰的形式进入炉膛，一方面可大幅度增加碳颗粒在炉内的停留时间、进一步增强了炉内煤粉气流的湍流强度，极大地提高了碳转化率和冷煤气效率；另一方面，由于可以通过调节布置在炉拱上的多只燃料喷嘴与气化炉中心线间的夹角θ，实现下段气化室内火焰中心标高位置与下段气化室出口粗合成气温度的可调；在一定程度上扩大了气化炉对煤种的适应性，由于本气化炉可采用多种方式进行气化室内火焰温度和火焰位置的可调，有效地防止气化室出口结渣、堵塞等现象的发生，从而进一步扩大了煤种适应性、提高了气化炉的可用率，是一种具有高煤种适应性、高碳转化率、高冷煤气效率的新型加压气流床气化技术。

附图说明

图1为本发明干煤粉W火焰加压气流床气化炉结构示意图。

图2为图1中A-A向放大示意图。

图中：圆柱形承压外壳1、燃料喷嘴2、炉拱3、下段气化室4、下段气化室膜式水冷壁5、下段气化室的排渣口6、渣池7、黑水出口8、渣水出口9、下段气化室出口10、上段气化室11、上段气化室膜式水冷壁或耐火衬里12、上段气化室出口13、合成气冷却室水冷壁冷却水进口集箱14、合成气冷却室水冷壁冷却水出口集箱15、合成气高压气体吹灰器16、合成气冷却室的内膜式水冷壁17、合成气冷却室的外膜式水冷壁18、合成气冷却室19、合成气冷却室返向室20、气化炉顶部人孔门21、合成气冷气室合成气导向水冷壁22、气化炉合成气出口23。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：

参见附图1，本发明的新型加压气流床气化炉主要包括：圆柱形承压外壳1、以及由下至上设置在承压外壳1内的渣池7、直径较大的下段气化室4、直径较小的上段气化室11、合成气冷却室19等构成。其中，渣池7、下段气化室4、合成气冷却室19采用膜式壁水冷壁结构；上段气化室11可根据不同需要既可以采用膜式水冷壁结构也可以采用耐火衬里结构。

下段气化室4主要由炉拱3、燃料喷嘴2、膜式水冷壁5、下段气化室出口10、下段气化室排渣口6等构成，其中，布置在下段气化室4上部的炉拱3为向上渐缩的锥形缩口结构(炉拱锥面与气化炉中轴线的夹角为25～75°)，布置在下段气化室4底部的排渣口6为向下渐缩的锥形缩口结构(排渣口锥面与气化室中心线的夹角为45～65°)，从而形成两端窄中间宽的腔体。燃料(干煤粉/水煤浆)通过布置在下段气化室4上部的炉拱3上沿气化炉中心轴线对称布置的多只燃料喷嘴2(≥2只)(燃料喷嘴2与气化炉中轴线的夹角为5～65°)斜向下喷入下段气化室4内，与同时喷入的氧气和水蒸气进行部分燃烧与气化反应，煤粉气流着火后向下伸展，在下段气化室4中下部沿圆弧转折向上，再顺中心轴线上升而形成W型火焰。由于采用对称的W火焰气化方式，可通过调节燃料喷嘴2与气化炉中轴线间的夹角θ(5°≤θ≤65°)，实现下段气化室4内火焰中心标高与下段气化室出口10合成气温度的可调，在一定程度上扩大了气化炉对煤种的适应性，且由于采用W火焰燃烧方式，极大程度上地提高了碳粒在炉内的停留时间，提高了气化炉的碳转化效率；燃料在下段气化室4内部分燃烧、气化所形成的高温灰渣经下段气化室排渣口6进入与之相连的渣池7，高温灰渣经渣池冷却、固化后沉积在渣水出口9，经渣水出口9底部碎渣机进一步破碎后，进入锁渣罐，然后通过锁渣罐的排渣口定期排出气化炉外；从下段气化室出口10出来的高温含灰粗煤气进入位于下段气化室4上部的上段气化室11内，在上段气化室11内粗煤气中的未反应碳粒继续与CO₂和蒸汽等气化剂发生气化反应，粒径较大的碳颗粒灰渣由于重力作用重新回落至下段气化室4内，受W火焰气流的冲击继续燃烧、破碎，破碎后的细小颗粒被携带至上段气化室11内继续气化，从而进一步提高了整个气化炉的碳转换效率。

上段气化室11为竖直型圆筒结构，可根据不同应用需要既可以采用膜式水冷壁结构也可以采用耐火衬里结构，在上段气化室顶部布置有锥形缩口结构的上段气化室出口13(合成气出口锥面与上段气化室中心线间的夹角为5～30°)。从下段气化室出口10出来的夹带有未反应碳粒以及飞灰的高温粗煤气(1100～1400℃)进入上段气化室11内，并继续向上流动，在上段气化室11内粗煤气中的未反应碳粒继续与CO₂和蒸汽等气化剂发生气化反应，粒径较大的碳颗粒灰渣由于重力作用重新回落至下段气化室4内继续燃烧、破碎，破碎后的细小颗粒被携带至上段气化室11内继续气化，从而进一步提高了整个气化炉的碳转换效率。

从上段气化室出口13出来的高温合成气继续向上进入合成气冷却室19，通过布置在合成气冷却室19内的合成气冷却室内膜式水冷壁17和合成气冷却室外膜式水冷壁18双层受热面，将高温合成气冷却至550～600℃，同时附产高压/中压蒸汽，以提高整个能源利用效率。高温合成气首先由下向上进入竖直圆筒型结构的合成气冷却室内膜式水冷壁17，由于气流与煤灰气流呈逆向流动，颗粒较大的煤灰在重力的作用下重新回落至上段气化室11内，使得合成气中的飞灰得到有效的分离，有效防止了大颗粒飞灰进入下游，避免了造成对流废锅受热面堵塞现象的发生。通过合成气冷却室内膜式水冷壁17将合成气冷却至650～750℃左右，随后高温合成气通过合成气冷却室返向室20转向后进入由内膜式水冷壁17和外膜式水冷壁18所围成的环形空间内继续换热，最终冷却至550～600℃，从气化炉合成气出口23离开气化炉进入下游工序。

在内膜式水冷壁17和外膜式水冷壁18之间的下部设置有吹灰器16。

本发明的新型加压气流床气化炉，采用新型W火焰加压气化方式，有效地解决了现有气化炉煤种适应性小、碳转化率低等难题，具有煤种适应性广、碳转化率高、占地面积小等特点，日处理量可达2000t/d。该新型W火焰加压气流床气化炉可根据入炉煤的煤质情况，通过调节布置在炉拱上的多只喷嘴与气化炉中心线间的夹角，实现炉内下段气化室内火焰中心位置以及下段气化室出口温度的可调，在一定程度上扩大了气化炉对煤种的适应性；另一方面，由于采用新型W火焰气化方式，极大地延长了煤焦颗粒在炉内的停留时间，并增强了炉内煤粉气流的湍流强度，极大地提高了碳转换率与冷煤气效率。

Claims (8)

1.一种新型加压气流床气化炉，包括下段气化室(4)、上段气化室(11)、合成气冷却室(19)，其特征在于，下段气化室(4)直径较大、上段气化室(11)直径较小，下段气化室(4)和上段气化室(11)之间连接有炉拱(3)，炉拱(3)上沿气化炉轴线中心对称布置有燃料喷嘴(2)，燃料喷嘴(2)的轴线与气化炉中轴线具有夹角。

2.根据权利要求1所述的新型加压气流床气化炉，其特征在于，所述燃料喷嘴(2)轴线与气化炉中轴线的夹角可调。

3.根据权力要求1所述的新型加压气流床气化炉，其特征在于，所述燃料喷嘴(2)与气化炉中轴线的夹角为5～65°。

4.根据权利要求1所述的新型加压气流床气化炉，其特征在于，所述炉拱(3)具有锥面，所述锥面与气化炉中轴线的夹角为25～75°。

5.根据权利要求1所述的新型加压气流床气化炉，其特征在于，所述下段气化室(4)具有锥形排渣口(6)，锥形排渣口(6)的缩口锥面与气化炉中轴线的夹角为45～65°。

6.根据权利要求1所述的新型加压气流床气化炉，其特征在于，所述上段气化室(11)顶部布置有锥形缩口的气化室出口(13)，气化室出口(13)的缩口锥面与气化炉中轴线的夹角为5～30°。

7.根据权利要求1所述的新型加压气流床气化炉，其特征是，所述的合成气冷却室(19)包括：内膜式水冷壁(17)、外膜式水冷壁(18)、水冷壁入口集箱(14)、水冷壁出口集箱(15)、合成气冷却室导向室(20)、合成气导向水冷壁(22)、合成气出口(23)；从上段气化室(11)出来的高温合成气进入合成气冷却室(19)，经内膜式壁水冷壁(17)冷却，冷却后的合成气向上经合成气冷却室导向室(20)并被合成气导向水冷壁(22)冷却和导向，向下进入内外膜式水冷壁(17、18)间的环形通道，最后从合成气出口(23)排出气化炉，进入下道工序。

8.根据权利要求7所述的新型加压气流床气化炉，其特征是，在内外模式水冷壁(17、18)之间的下部设置有吹灰器(16)。

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