CN102942964B - 一种煤粉旋风气流床气化装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种煤粉旋风气流床气化装置及方法，它涉及一种气化炉及气化方法，以解决传统气化炉喷嘴容易过烧，干煤粉在炉内的停留时间短，煤粉气化后形成的液态渣不会停留在壁面上的问题。装置：顶部喷嘴设置在炉顶上，内筒与外筒之间的腔体为水蒸汽喷嘴，四个氧化剂喷嘴沿圆柱形气化室的上端外壁均布设置。方法：一、圆柱形气化室内压力为3Mpa、运行温度为1500℃；二、干煤粉由N₂或CO₂携带以直流或旋流方式经煤粉喷嘴送入炉膛内，水蒸汽由水蒸汽喷嘴送入炉膛内；三、四个氧化剂喷嘴同时将氧气送入炉膛内，在圆柱形气化室内壁形成一层熔渣膜，熔渣膜在高温条件下发生气化还原反应，产生合成气，从而实现了煤粉旋风气化。本发明用于洁净煤气化。

Description

一种煤粉旋风气流床气化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种气化炉及气化方法，具体涉及一种煤粉旋风气流床气化装置及方法。

背景技术

气流床气化技术因具有处理量大，碳转化率、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。气流床气化有两个主要的特点，一是运行温度比较高，大约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。气流床煤气化的进料方式有两种：水煤浆式和干煤粉式。相比于水煤浆式进料，干煤粉气化的煤种适应性更强，炉内气化温度更高，气化产物分解更彻底，产生的主要是CO和H2等小分子化合物，灰渣中几乎没有可溶性有害物质且含碳量很低，更有利于后续的煤化工等利用。

气流床气化技术已成为当今大型煤气化工业应用的首先技术，然而不同的气化技术拥有各自的结构及工艺特点，从而形成不同的炉内流场分布，然而流场分布又决定了炉内相与相之间的混合，既是炉内动量、质量及能量的相互作用，造成炉内停留时间、温度及浓度的不同分布，最终影响了一种气化技术的性能。旋风煤粉气化技术利用旋风流场的特点，强化了炉内传热传质过程，延长了煤粉在炉内的停留时间，提高了炉内的热强度，从而优化了气化性能。此外，旋风流场使炉内煤粉在水冷壁表面发生气化反应，液态熔渣沉积在其表面，避免水冷壁收到高温损害和冲刷磨损；由于气化剂是从侧壁喷嘴切向射入炉内，使得反应区域距离气化炉顶部较远，故对带有顶部喷嘴的气化炉，起到保护其喷嘴的作用。

2004年吕清刚，那永洁等人研究了一种固体燃料气化反应装置。该装置利用旋风炉内的强烈的气固掺混条件，强化气化反应。但是，其气化方式为空气气化，相比于纯氧气化，产气的热值较低；同时，气化炉内所形成的旋转流场由单一喷口维持，不利于形成均匀稳定的渣层及温度场。2008年，唐治国、唐超君等人公开了一种适用于高灰熔点粉煤、液态排渣、合成气和液态渣并流向下流出出渣口的立式加压气流床气化方法及装置。它是将粉煤和气化剂分别由位于炉壁上不同高度的喷嘴以不同入炉方式喷入气化炉内。氧化剂和水蒸气分别从炉体的上部和中下部切向喷入，两部分气体旋转方向相同。但是，其给粉方式为侧喷给粉，在氧化剂与煤粉接触并发生发应瞬间，会造成煤粉喷嘴温度过高，影响喷嘴的使用寿命。2010年，董利、许光文等人公开了一种分级喷粉气流床气化炉及其气化方法。其主要特征在于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。其主要通过分级给粉、布置至少一组燃烧喷嘴的方式来实现煤粉气化。尽管其气化喷嘴布置于气化室顶部，但其同时喷射煤粉与气化剂，其喷嘴使用寿命还有待考证；并且分级给粉的方式无论是在气化炉结构设计上还是运行调节上都比较复杂。

气流床气化技术发展至今，存在的问题主要表现在两个方面：

（1）气化烧嘴寿命不长。无论是干煤粉气化还是水煤浆气化，由于采用纯氧作为气化剂，炉内温度高，传热剧烈，导致气化烧嘴使用寿命有限。因为更换烧嘴的气化炉需要停车，这将影响气化炉的工作可靠性。有资料表明，水煤浆气化炉烧嘴的使用寿命一般在3-6个月，干煤粉气化炉烧嘴寿命长于水煤浆气化炉，但这个数字也远小于煤粉燃烧锅炉燃烧器寿命。

（2）炉壁耐火衬里容易烧损。干煤粉气化一般采用水冷壁型内壁，通过调整灰分的粘温特性，使得形成的液态炉渣粘附在水冷壁表面，“以渣抗渣”来保护水冷壁的工作安全。由于炉内流场的分布，液态熔渣并不能全部沉积在水冷壁表面，甚至在某些部位没有熔渣挂壁，造成壁面高温损害和磨损。如果炉渣在壁面形成的渣膜出现问题，气化炉的工作安全性将受到威胁。水煤浆气化炉采用耐火材料作为内壁，没有水冷壁结构。由于负荷波动等问题，气化炉的内壁工作可靠性不高，容易发生热疲劳导致内壁材料损坏，需要定期更换。

发明内容

本发明的目的是为解决传统气化炉喷嘴容易过烧，干煤粉在炉内的停留时间短，煤粉颗粒气化的碳转化率低，煤粉气化后形成的液态渣不会停留在壁面上，炉壁面易受高温酸性气体的热侵害和化学腐蚀侵害的问题，而提供一种煤粉旋风气流床气化装置。

本发明的是通过以下技术方案来实现的：

装置：所述装置包括圆柱形气化室、渣池、顶部喷嘴、炉顶和四个氧化剂喷嘴，炉顶设置在圆柱形气化室的顶部，渣池设置在圆柱形气化室的底部，圆柱形气化室的下端侧壁设有粗合成气出口，顶部喷嘴设置在炉顶上，且顶部喷嘴的轴线与圆柱形气化室的轴线重合，顶部喷嘴由内筒和外筒组成，内筒设置在外筒中，内筒的内腔为煤粉喷嘴，内筒与外筒之间的腔体为水蒸汽喷嘴，四个氧化剂喷嘴沿圆柱形气化室的上端外壁均布设置并设置在同一高度内，每个氧化剂喷嘴的轴线与圆柱形气化室的直径之间的锐角为25°～50°，四个氧化剂喷嘴的射流延长线均与内接圆相切。

方法：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、设定圆柱形气化室内部的压力为0.1Mpa～4Mpa，圆柱形气化室的运行温度为1400℃～1600℃；

步骤二、干煤粉由N₂或CO₂携带以直流方式或旋流方式经顶部喷嘴上的煤粉喷嘴送入炉膛内部，同时水蒸汽由水蒸汽喷嘴送入炉膛内部，在炉膛顶部形成向下的旋转射流；

步骤三、四个氧化剂喷嘴同时将体积浓度为70%～100%的氧气送入炉膛内部，在圆柱形气化室内壁区域形成一股强劲的旋转气流，这个旋转气流使煤粉射流发生偏斜并被卷吸到圆柱形气化室内壁附近，依附内壁面呈螺旋线轨迹自上而下缓慢运动，粒径小于100μm的煤粉颗粒经过高温干燥和热解，在离心力的作用下被不断抛向圆柱形气化室内壁并在圆柱形气化室内壁上形成一层熔渣膜，随着熔渣膜的渣层流动和迅速加热，以及氧化剂喷嘴喷出的旋流气流的高速冲刷，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，从而实现了煤粉旋风气化，粒径大于80μm的煤粉颗粒容易从高速旋转的气流中分离出来后直接进入渣池，并从底部的排渣口排出。

本发明与现有气化炉相比具有以下效果：

一、从顶部喷嘴喷射出来的煤粉由于没有氧气助燃，不能燃烧放热，在喷嘴出口段射流温度较低，这会有效保护气化煤粉喷嘴不被烧坏。

二、煤粉沿炉壁呈螺旋线运动，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。

三、煤粉气化后形成的液态渣将直接停留在壁面上，有效地保护炉壁面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。

四、氧化剂喷嘴沿圆柱形气化室的高度方向分一层或多层均布四只，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。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一的整体结构主视图（炉顶4为半球形，四个氧化剂喷嘴5布置在同一高度，M为煤粉运行轨迹）；图2是本发明具体实施方式一的整体结构主视图（炉顶4为平板形，四个氧化剂喷嘴5分两层布置）；图3是顶部喷嘴3的截面图；图4是图1的A-A剖视图（四个氧化剂喷嘴5布置在同一高度时，四个氧化剂喷嘴5与圆柱形气化室1的安装位置示意图）；图5是图2的B-B剖视图（具体实施方式三中四个氧化剂喷嘴5与圆柱形气化室1的安装位置示意图）；图6是图2的B-B剖视图（具体实施方式四中四个氧化剂喷嘴5与圆柱形气化室1的安装位置示意图）。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明本实施方式，本实施方式包括圆柱形气化室1、渣池2、顶部喷嘴3、炉顶4和四个氧化剂喷嘴5，炉顶4设置在圆柱形气化室1的顶部，渣池2设置在圆柱形气化室1的底部，圆柱形气化室1的下端侧壁设有粗合成气出口1-1，顶部喷嘴3设置在炉顶4上，且顶部喷嘴3的轴线与圆柱形气化室1的轴线重合，顶部喷嘴3由内筒3-3和外筒3-4组成，内筒3-4设置在外筒3-5中，内筒3-4的内腔为煤粉喷嘴3-1，内筒3-4与外筒3-4之间的腔体为水蒸汽喷嘴3-2，四个氧化剂喷嘴5沿圆柱形气化室1的上端外壁均布设置。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式的四个氧化剂喷嘴5设置在同一高度内，每个氧化剂喷嘴5的轴线与圆柱形气化室1的直径之间的锐角α为25°～50°，四个氧化剂喷嘴5的射流延长线均与内接圆K相切。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的四个氧化剂喷嘴5分两层布置在圆柱形气化室1的侧壁上，每层布置两个氧化剂喷嘴5，上层的氧化剂喷嘴5为上层氧化剂喷嘴5-1，下层的氧化剂喷嘴5为下层氧化剂喷嘴5-2，两个上层氧化剂喷嘴5-1设置在同一高度内，且两个上层氧化剂喷嘴5-1对角设置，两个下层氧化剂喷嘴5-2设置在同一高度内，且两个下层氧化剂喷嘴5-2对角设置，每个氧化剂喷嘴5的轴线与圆柱形气化室1的直径之间的锐角α为25°～50°，两个上层氧化剂喷嘴5-1和两个下层氧化剂喷嘴5-2的射流延长线均与内接圆K相切。如此设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。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式的四个氧化剂喷嘴5分两层布置在圆柱形气化室1的侧壁上，每层布置两个氧化剂喷嘴5，上层的氧化剂喷嘴5为上层氧化剂喷嘴5-1，下层的氧化剂喷嘴5为下层氧化剂喷嘴5-2，两个上层氧化剂喷嘴5-1设置在同一高度内，且两个上层氧化剂喷嘴5-1对角设置，每个上层氧化剂喷嘴5-1的轴线与圆柱形气化室1的直径之间的锐角α为25°～50°，两个上层氧化剂喷嘴5-1的射流延长线与内接圆K相切，两个下层氧化剂喷嘴5-2设置在同一高度内，且两个下层氧化剂喷嘴5-2相对设置。如此设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。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图4～图6说明本实施方式，本实施方式的锐角α为45°。氧化剂喷嘴5的轴线与圆柱形气化室1的直径呈45°，可在圆柱形气化室1内壁区域形成一股强劲的旋转气流。其它组成及连接关系与具体实施方式二、三、四相同。

具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的炉顶4的结构为半球形或平板形。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：

步骤一、设定圆柱形气化室1内部的压力为0.1Mpa～4Mpa，圆柱形气化室1的运行温度为1400℃～1600℃；

步骤二、干煤粉由N₂或CO₂（N₂或CO₂取决于圆柱形气化室1后续流程的要求）携带以直流方式或旋流方式经顶部喷嘴3上的煤粉喷嘴3-1送入炉膛内部，同时水蒸汽由水蒸汽喷嘴3-2送入炉膛内部，在炉膛顶部形成向下的旋转射流；

步骤三、四个氧化剂喷嘴5同时将体积浓度为70%～100%的氧气送入炉膛内部，在圆柱形气化室1内壁区域形成一股强劲的旋转气流，这个旋转气流使煤粉射流发生偏斜并被卷吸到圆柱形气化室1内壁附近，依附内壁面呈螺旋线轨迹M自上而下缓慢运动，粒径小于100μm的煤粉颗粒经过高温干燥和热解，在离心力的作用下被不断抛向圆柱形气化室1内壁并在圆柱形气化室1内壁上形成一层熔渣膜，随着熔渣膜的渣层流动和迅速加热，以及氧化剂喷嘴5喷出的旋流气流的高速冲刷，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，从而实现了煤粉旋风气化，粒径大于80μm的煤粉颗粒容易从高速旋转的气流中分离出来后直接进入渣池2，并从底部的排渣口排出，合成气和灰渣的混合物将通过粗合成气出口1-1和渣池2的底部排渣口排出圆柱形气化室1。

具体实施方式八：本实施方式的步骤一中的圆柱形气化室1内部的压力为2Mpa，圆柱形气化室1的运行温度为1500℃。其它步骤与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式的步骤一中的圆柱形气化室1内部的压力为3Mpa，圆柱形气化室1的运行温度为1550℃。其它步骤与具体实施方式七相同。

具体实施方式十：本实施方式的步骤二中的煤粉喷嘴3-1和水蒸汽喷嘴3-2均以圆柱形气化室1的轴线方向喷射煤粉。其它步骤与具体实施方式七相同。

Claims (9)

1.一种煤粉旋风气流床气化装置，所述装置包括圆柱形气化室（1）、渣池（2）和炉顶（4），炉顶（4）设置在圆柱形气化室（1）的顶部，渣池（2）设置在圆柱形气化室（1）的底部，圆柱形气化室（1）的下端侧壁设有粗合成气出口（1-1），其特征在于：所述装置还包括顶部喷嘴（3）和四个氧化剂喷嘴（5），顶部喷嘴（3）设置在炉顶（4）上，且顶部喷嘴（3）的轴线与圆柱形气化室（1）的轴线重合，顶部喷嘴（3）由内筒（3-3）和外筒（3-4）组成，内筒（3-4）设置在外筒（3-5）中，内筒（3-4）的内腔为煤粉喷嘴（3-1），内筒（3-4）与外筒（3-4）之间的腔体为水蒸汽喷嘴（3-2），四个氧化剂喷嘴（5）沿圆柱形气化室（1）的上端外壁均布设置并设置在同一高度内，每个氧化剂喷嘴（5）的轴线与圆柱形气化室（1）的直径之间的锐角（α）为25°～50°，四个氧化剂喷嘴（5）的射流延长线均与内接圆（K）相切。

2.根据权利要求1所述一种煤粉旋风气流床气化装置，其特征在于：所述四个氧化剂喷嘴（5）分两层布置在圆柱形气化室（1）的侧壁上，每层布置两个氧化剂喷嘴（5），上层的氧化剂喷嘴（5）为上层氧化剂喷嘴（5-1），下层的氧化剂喷嘴（5）为下层氧化剂喷嘴（5-2），两个上层氧化剂喷嘴（5-1）设置在同一高度内，且两个上层氧化剂喷嘴（5-1）对角设置，两个下层氧化剂喷嘴（5-2）设置在同一高度内，且两个下层氧化剂喷嘴（5-2）对角设置，每个氧化剂喷嘴（5）的轴线与圆柱形气化室（1）的直径之间的锐角（α）为25°～50°，两个上层氧化剂喷嘴（5-1）和两个下层氧化剂喷嘴（5-2）的射流延长线均与内接圆（K）相切。

3.根据权利要求1所述一种煤粉旋风气流床气化装置，其特征在于：所述四个氧化剂喷嘴（5）分两层布置在圆柱形气化室（1）的侧壁上，每层布置两个氧化剂喷嘴（5），上层的氧化剂喷嘴（5）为上层氧化剂喷嘴（5-1），下层的氧化剂喷嘴（5）为下层氧化剂喷嘴（5-2），两个上层氧化剂喷嘴（5-1）设置在同一高度内，且两个上层氧化剂喷嘴（5-1）对角设置，每个上层氧化剂喷嘴（5-1）的轴线与圆柱形气化室（1）的直径之间的锐角（α）为25°～50°，两个上层氧化剂喷嘴（5-1）的射流延长线与内接圆（K）相切，两个下层氧化剂喷嘴（5-2）设置在同一高度内，且两个下层氧化剂喷嘴（5-2）相对设置。

4.根据权利要求2或3所述一种煤粉旋风气流床气化装置，其特征在于：所述锐角（α）为45°。

5.根据权利要求1所述一种煤粉旋风气流床气化装置，其特征在于：所述炉顶（3）的结构为半球形、椭球形或平板形。

6.一种利用权利要求1所述装置实现煤粉旋风气流床气化的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、设定圆柱形气化室（1）内部的压力为0.1Mpa～4Mpa，圆柱形气化室（1）的运行温度为1400℃～1600℃；

步骤二、干煤粉由N₂或CO₂携带以直流方式或旋流方式经顶部喷嘴（3）上的煤粉喷嘴（3-1）送入炉膛内部，同时水蒸汽由水蒸汽喷嘴（3-2）送入炉膛内部，在炉膛顶部形成向下的旋转射流；

步骤三、四个氧化剂喷嘴（5）同时将体积浓度为70%～100%的氧气送入炉膛内部，在圆柱形气化室（1）内壁区域形成一股强劲的旋转气流，这个旋转气流使煤粉射流发生偏斜并被卷吸到圆柱形气化室（1）内壁附近，依附内壁面呈螺旋线轨迹（M）自上而下缓慢运动，粒径小于100μm的煤粉颗粒经过高温干燥和热解，在离心力的作用下被不断抛向圆柱形气化室（1）内壁并在圆柱形气化室（1）内壁上形成一层熔渣膜，随着熔渣膜的渣层流动和迅速加热，以及氧化剂喷嘴（5）喷出的旋流气流的高速冲刷，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，从而实现了煤粉旋风气化，粒径大于80μm的煤粉颗粒容易从高速旋转的气流中分离出来后直接进入渣池（2），并从底部的排渣口排出。

7.根据权利要求6所述一种煤粉旋风气流床气化的方法，其特征在于：步骤一中的圆柱形气化室（1）内部的压力为2Mpa，圆柱形气化室（1）的运行温度为1500℃。

8.根据权利要求6所述一种煤粉旋风气流床气化的方法，其特征在于：步骤一中的圆柱形气化室（1）内部的压力为3Mpa，圆柱形气化室（1）的运行温度为1550℃。

9.根据权利要求6所述一种煤粉旋风气流床气化的方法，其特征在于：步骤二中的煤粉喷嘴（3-1）和水蒸汽喷嘴（3-2）均以圆柱形气化室（1）的轴线方向喷射煤粉。