CN102796566A - 一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方法 - Google Patents

Abstract

一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方法，属于煤气化设备技术领域。本发明包括顶部喷嘴、炉顶、气化室、排气口和底部排渣口。顶部喷嘴为带有内外旋流叶片的环形通道结构，在气化室侧壁布置至少一层四角切圆O₂喷嘴。煤粉气流和水蒸气通过顶部喷嘴旋流进料，炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流；纯氧通过气化室侧壁四角切圆O₂喷嘴进气，在近壁区域形成切向高速旋转气流。煤粉颗粒在高速旋转气流的离心力作用下在炉壁表面形成的液态渣膜上发生膜式气化。本发明有效增加了喷嘴寿命；增加煤粉在炉内停留时间，提高了碳转化率；形成的液态渣停留在壁面上，有效地保护炉壁；多层布置的四角切圆O₂喷嘴有效分散热负荷，提高气化炉工作可靠性。

Description

一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方法

技术领域

本发明涉及旋风气流床气化炉及其气化方法，特别涉及一种干煤粉旋风气流床气化炉，属于煤气化设备技术领域。

背景技术

煤炭气化技术是发展煤基化学品生产、煤基液体燃料（合成油品、甲醇、二甲醚等）、合成天然气（SNG）、IGCC发电、制氢、燃料电池、直接还原炼铁及多联产系统等过程工业的基础，是这些行业的公共技术、关键技术和龙头技术。煤气化工艺一般分为移动床（也称为固定床）、流化床和气流床三种。这其中，气流床气化技术因具有处理量大，碳转化率高、冷煤气效率高等优点已成为现代煤气化技术的主要发展方向。

气流床煤气化的进料方式有两种：水煤浆式和干煤粉式。干煤粉气流床气化技术的典型代表有壳牌（Shell）、普伦弗洛（Prenflo）和日立气化炉等，相对于水煤浆进料，干煤粉气化的煤种适应性更强，炉内气化温度更高，冷煤气效率高等优点而取得快速的发展。典型的干煤粉气流床气化炉如图1所示，主要由喷嘴、炉顶、气化室、排气口和排渣口等组成，经过干燥和制粉处理的煤粉自气化炉上部的喷嘴由N₂（或CO₂）携带进入气化炉，与O₂和水蒸气一起在气化炉中进行反应。煤粉进入气化炉后经历了热解和挥发分燃烧、半焦燃烧气化反应和气化还原反应等主要过程。生成的粗煤气经过冷却、除尘、脱硫后收集，液态灰渣经过冷却、破碎后由排渣口排出。

气流床气化有两个主要特点，一是运行温度比较高，约为1300～1600℃，在炉内形成的灰渣为液态，其排渣方式为液态排渣；另外一个特点是在气化炉内，为了保护炉壁材料和减少热损失，采用“以渣抗渣”技术，即气化产生的液态渣粘附在炉壁表面形成渣膜，利用其导热系数小的特点作为耐火衬里。

从实际运行情况来看，气流床气化技术目前还存在以下两个方面的主要问题。一方面，由于喷嘴出口处干煤粉与O₂发生燃烧氧化放热反应，导致气化烧嘴使用寿命不长。干煤粉气化炉的烧嘴寿命一般只有1年左右，远小于煤粉燃烧锅炉的燃烧器平均4-5年的使用寿命。另一方面，干煤粉气化技术采用水冷内壁结合“以渣抗渣”技术，由于负荷波动易造成在壁面上形成的渣膜出现问题，给气化炉的工作安全带来严重威胁。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方法，在不降低气流床气化经济性的同时，解决现有干煤粉气化炉喷嘴使用寿命不长和液态渣膜不稳定的问题，提高煤气化过程的工作可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种干煤粉旋风气流床气化炉，包括气化室、位于气化室上部的炉顶、位于炉顶上部的顶部喷嘴、布置在气化室下部的排气口和底部排渣口，其特征在于：所述的顶部喷嘴采用环形通道结构，在内通道布置内旋流叶片，在外通道布置外旋流叶片；所述气化室侧壁沿高度方向布置至少一层四角切圆O₂喷嘴。

本发明所述的炉顶采用半球形，所述的气化室采用圆柱形，所述的底部排渣口采用圆锥形。

本发明还提供一种干煤粉旋风气化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）煤粉由N₂或CO₂携带，通过顶部喷嘴中环形通道的内旋流叶片进入炉顶，水蒸气通过外旋流叶片进入炉顶，在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流；

2）气化用O₂通过所述的气化室侧壁上的四角切圆O₂喷嘴切向进入气化室，在离心力作用下煤粉气流在近炉壁区呈螺旋线轨迹自上向下缓慢运动，煤颗粒在炉壁表面的液态渣膜上发生膜式气化；

3）气化生成的粗煤气通过所述排气口排出气化室，生成的灰渣通过底部排渣口排出气化炉。

本发明具有以下突出优点及效果：①从顶部喷嘴喷射出的煤粉由于没有O₂助燃不能燃烧放热，在喷嘴出口处射流温度较低，有效保护顶部喷嘴不被烧坏。煤粉射流和氧气射流的混合位置和交叉射流结构可以通过流场优化确定，实现灵活度较大；②煤粉沿炉壁成螺旋线运动，受壁面液态渣粘滞力的影响，运动缓慢，大大延长了在炉内的停留时间，同时壁面处气流线速度最高，气固混合传热传质强烈，有利于提高煤粉颗粒气化的碳转化率；③煤粉气化后形成的液态渣将直接停留在壁面上，有效地保护炉壁不受高温酸性气体的热侵害和化学腐蚀侵害，提高了气化炉的工作安全性；④四角切圆O₂喷嘴沿高度方向分一层或者多层布置，能够有效分散热负荷，形成均匀的炉内温度场，提高了气化炉工作可靠性。旋风气流床气化炉能够有效解决当前煤粉气化炉在运行中暴露的问题，在维持气流床气化炉高效率的同时提高煤气化过程的可靠性。

附图说明

图1为现有典型干煤粉气流床气化炉结构示意图。

图2为本发明提出的一种干煤粉旋风气流床气化炉实施例的结构示意图。

图3为顶部旋流喷嘴示意图。

图4为球形炉顶内煤粉气流运动轨迹示意图。

图5为侧壁四角切圆O₂啧嘴结构和旋转射流示意图。

图6为气化室内煤粉气流运动轨迹示意图。

图中标记：1-顶部喷嘴；2-炉顶；3-气化室；4-排气口；5-底部排渣口；6a-内旋流叶片；6b-外旋流叶片；7-四角切圆O₂喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的原理、结构及实施方式。

如图2所示，本发明提供的一种干煤粉旋风气流床气化炉，包括气化室3、位于气化室上部的炉顶2、位于炉顶上部的顶部喷嘴1、布置在气化室下部的排气口4和底部排渣口5。所述的顶部喷嘴1为一旋流喷嘴，如图3所示，采用环形通道结构，在内通道布置内旋流叶片6a，在外通道布置外旋流叶片6b；所述气化室侧壁沿高度方向布置至少一层四角切圆O₂喷嘴7。

煤粉由N₂或CO₂（取决于气化炉后续流程的要求）携带，通过顶部喷嘴1中环形通道的内旋流叶片6a进入炉顶2，水蒸气通过外旋流叶片6b进入炉顶2，煤粉气流和水蒸气在气化炉顶部区域形成向下的煤粉气流（如图4所示）。

在气化室3侧壁上沿高度方向安装有至少一层四角切圆O₂喷嘴7，在气化室横截面上，四角切圆O₂喷嘴沿圆周方向均布四只（如图5所示）；气化用O₂通过所述的气化室3侧壁上的四角切圆O₂喷嘴7切向进入气化室，四角切圆O₂喷嘴中的射流与直径方向成一定角度进入气化室，喷嘴的射流延长线相交成内接圆，在气化室近壁区域形成一股强劲的旋转气流。这个旋转流场使煤粉气流发生偏斜并被卷吸到气化室壁面附近，依附壁面成螺旋线轨迹自上向下缓慢运动，如图6所示。气化炉热态运行时，会在筒壁上形成一层熔渣膜。当煤粉气流进入气化室3后，粒径较大的煤粉颗粒被从高速旋转的气流中分离出来，经过高温区干燥和热解，在离心力的作用下被不断抛向筒壁的熔渣膜。随着渣层的流动和迅速加热，以及二次风旋流的高速冲刷，煤粉、纯氧和水蒸汽在高温条件下发生气化还原反应，产生合成气。最终气化生成的粗煤气通过所述排气口4排出气化室，生成的灰渣通过底部排渣口5排出气化炉。

相对于传统气流床气化炉，本发明提出的一种干煤粉旋风气流床气化炉，由于采用了煤粉通过顶部喷嘴旋流进料，纯氧通过气化室侧壁的四角切圆O₂喷嘴切向进气的设计，避免了顶部喷嘴处煤粉与O₂燃烧放热反应，有效解决了干煤粉气流床气化炉喷嘴寿命不长的问题。利用高速旋转射流的离心力作用将煤粉颗粒分离出来并不断抛向熔融的液态渣膜上，使得气化室壁面液态渣层稳定，有效保护了炉壁不受高温酸性气体的热侵害和化学腐蚀侵害。沿壁面成螺旋线运动的煤粉在液态渣粘滞力的作用下运动缓慢，大大增加了在气化炉内的停留时间，同时壁面气固传热传质强烈，提高了煤粉颗粒气化的碳转化率。本发明提出的干煤粉旋风气流床气化炉在不降低气流床气化经济性的同时，解决现有干煤粉气化炉的问题，提高煤气化过程的工作可靠性。

Claims (4)

1.一种干煤粉旋风气流床气化炉，包括气化室（3）、位于气化室上部的炉顶（2）、位于炉顶上部的顶部喷嘴（1）、布置在气化室下部的排气口（4）和底部排渣口（5），其特征在于：所述的顶部喷嘴（1）采用环形通道结构，在内通道布置内旋流叶片（6a），在外通道布置外旋流叶片（6b）；所述气化室侧壁沿高度方向布置至少一层四角切圆O₂喷嘴（7）。

2.如权利要求1所述的一种干煤粉旋风气流床气化炉，其特征在于：所述的炉顶（2）采用半球形。

3.如权利要求1所述的一种干煤粉旋风气流床气化炉，其特征在于：所述的气化室（3）采用圆柱形，所述的底部排渣口（5）采用圆锥形。

4.一种采用如权利要求1所述气流床气化炉的干煤粉旋风气化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1）煤粉由N₂或CO₂携带，通过顶部喷嘴中环形通道的内旋流叶片（6a）进入炉顶，水蒸气通过外旋流叶片（6b）进入炉顶，在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流；

2）气化用O₂通过所述的气化室（3）侧壁上的四角切圆O₂喷嘴（7）切向进入气化室(3)，在离心力作用下旋转向下的煤粉气流在近炉壁区呈螺旋线轨迹自上向下缓慢运动，煤颗粒在炉壁表面的生成的液态渣膜上发生膜式气化；

3）气化生成的粗煤气通过所述排气口（4）排出气化室，生成的灰渣通过底部排渣口（5）排出气化炉。

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