CN103146433B

CN103146433B - 单喷嘴气流床气化炉

Info

Publication number: CN103146433B
Application number: CN201310069503.XA
Authority: CN
Inventors: 倪建军; 张建文; 程相宣; 池国镇
Original assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Current assignee: Shanghai Boiler Works Co Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: CN103146433A

Abstract

本发明公开了一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，包括气化炉本体，所述的气化炉本体的下面设有激冷变换室，激冷变换室的下面设有洗涤除渣室，所述气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置，所述的气化炉本体内设有工艺烧嘴室，所述的激冷变换室内设有激冷环。本发明具有易于大型化放大应用、运行稳定可靠、环保节能等特点。

Description

单喷嘴气流床气化炉

技术领域

本发明涉及一种单喷嘴气流床气化炉，属于能源清洁利用技术领域。

背景技术

燃料气化技术发展至今已有过百年的历史，气化技术也随着技术的不断进步和应用需求的不断变化出现了较多的技术门类，从现今气化技术的推广应用和发展规模可以看出，气流床煤气化技术逐渐从众多煤气化技术中脱颖而出，成为第三代或者最先进级别气化技术的典型代表技术之一。

气化炉作为化工、燃料电池、发电等行业的龙头技术，其技术可靠性、运行稳定性、设备投资成本以及能源利用效率是其技术不断向前发展的主要推动力。而从目前气化技术的应用状况看，煤气化技术无疑是整个气化领域应用最多，技术最成熟的主要技术，特别是在煤化工领域的应用尤为突出。

国内外具有代表性的气流床气化技术主要有：

1.水煤浆气化技术

美国GE公司的GE水煤浆气化技术US4778483、中国华东理工大学等的多喷嘴水煤浆气化技术CN200510111484.8，中国清华大学开发的分级给氧水煤浆气化技术CN200610114039.1等等，以上三项专利技术在国内外水煤浆气化技术中应用最为广泛，当该技术应用于煤化工领域时，其采用了相同的洗涤冷却室直接洗涤激冷的方法；

2.干煤粉气化技术

荷兰壳牌公司的Shell干煤粉气化技术CN90103807.5、德国西门子公司的GSP干煤粉气化技术CN101255362、中国华能集团的两段式干煤粉气化技术CN01131780.9以及中国华东理工大学等开发的单喷嘴干煤粉气化技术CN200520047972.2等等，虽然干煤粉气化技术的工业应用比水煤浆气化技术要晚得多，但是干煤粉气化技术采用水冷壁气化技术，其具有气化炉使用寿命、气化炉冷煤气效率以及煤种适应性广等优势，是气流床气化技术今后的发展方向。以上四种干煤粉气化技术都得到了工业应用，但Shell气化技术和华能两段式气化技术由于采用余热回收式方法在化工应用中会遇到或者已经遇到很多问题，GSP气化炉虽然采用了激冷流程，但是其灰渣夹带问题严重影响了其系统稳定性和可用率，华东理工大学等开发的单喷嘴干煤粉气化技术采用激冷流程，尚未得到工业运行的检验，直接高温合成气夹带熔融态灰渣进入洗涤冷却室带来的下降管烧蚀问题可能依旧存在。

因此，开发一种易于执行大型化放大、运行稳定可靠的大规模高效气化技术，是提高我国煤炭等含碳物质气化技术可靠性的关键技术途径之一。

发明内容

本发明的目的是解决高温合成气夹带熔融态灰渣进入洗涤冷却室，导致下降管烧蚀，严重影响了系统稳定性和可用率等问题，提供一种易于大型化放大应用、运行稳定可靠、环保节能的单喷嘴气流床气化炉。

为了达到上述目的，本发明提供了一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，包括气化炉本体，所述的气化炉本体的下面设有激冷变换室，激冷变换室的下面设有洗涤除渣室，所述气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置，所述的气化炉本体内设有工艺烧嘴室，所述的激冷变换室内设有激冷环。

优选地，所述的气化炉本体包括气化炉壳体，气化炉壳体内的上部设有气化炉炉壁，气化炉炉壁的顶部设有工艺烧嘴室，气化炉炉壁的内部为气化炉炉膛，气化炉炉膛的底部设有气化炉下渣口，气化炉下渣口穿过气化炉本体出口；

所述的激冷变换室包括与气化炉本体出口相连的导引管，导引管的外侧与激冷环连接，激冷环上设有激冷喷头，激冷环的下方设有激冷变换室锥形底部，激冷变换室锥形底部与激冷变换室锥形出口连接；

所述的洗涤除渣室包括与激冷变换室锥形出口相连的下降管，下降管的下方设有渣池，下降管与气化炉壳体之间设有破泡板，破泡板上方的气化炉壳体上设有合成气出口，渣池内设有破渣器，破渣器包括破渣格栅，破渣格栅上方设有锥心破渣锥，破渣器下方设有排渣口。

优选地，所述的气化炉下渣口为锥形状，其锥形角度为15～75°。

优选地，所述的导引管的外侧设有至少一圈激冷环，每圈激冷环上均设有64～200个沿环形布置的激冷喷头。

优选地，所述激冷喷头的喷头与气化炉轴向和径向分别形成的第一夹角角度和第二夹角角度，第一夹角角度为0～60°，第二夹角角度为-60～60°。

优选地，所述的激冷变换室锥形底部的锥形角度15～75°。

优选地，所述的导引管的形状为喇叭口状，其扩口角度为5～45°。

优选地，所述的工艺烧嘴室贯穿气化炉壳体的顶部且与气化炉本体同轴设置，工艺烧嘴室可设为工艺烧嘴、点火烧嘴或烘炉烧嘴共用烧嘴室。

优选地，所述的破泡板至少设有一层，每层破泡板包括骨架破泡条和外围破泡条，骨架破泡条和外围破泡条的下面均设有向下的锥形破泡齿。

优选地，所述的破渣格栅为圆拱形，且至少设有一层，破渣格栅的格栅孔径20×20～200×200mm。

优选地，所述的下降管为圆筒状，且与激冷变换室同轴，下降管直径与气化炉本体内径的比值为0.1～0.6。

相比现有技术，本发明置具有如下有益效果：

(1)采用激冷变换室和洗涤除渣室分离联用系统，大大提高了气化产物降温、洗涤净化的效率，并可使设备运行稳定性和可靠性大大提高，既解决了合成气出口带灰问题，也解决了下降管高温腐蚀和烧蚀等问题，还可为水蒸汽、CO变换反应提供物流条件和反应空间，且可使气化炉下部合成气冷却处理系统结渣、堵渣概率大大降低；

(2)采用了气化炉上置式，使合成气与灰渣同向向下流动，并在下渣口位置进行大空间喷淋激冷，可有效清除合成气中灰渣，并迅速使其固化，与气、渣逆向分流式气化炉相比，大大简化了设备结构，降低了设备投资，既环保又节能；

(3)采用的气化炉本体采用单喷嘴顶置式设计，结构简单易于加工，且易于大型化放大应用，降低了多喷嘴工艺的运行稳定性，降低了总设备投资。

附图说明

图1为一种单喷嘴气流床气化炉的结构示意图；

图2为图1的B-B剖视图；

图3为破泡板的截面示意图。

附图标记说明

1-气化炉壳体；2-气化炉炉壁；3-气化炉炉膛；4-气化炉下渣口；5-气化炉本体出口；6-激冷变换室锥形出口；7-下降管；8-破泡板；8a-外围破泡条；8b-骨架破泡条；9-渣池；10-排渣口；11-工艺烧嘴室；12-导引管；13-激冷喷头；14-激冷环；15-合成气出口；16-工艺烧嘴；17-破渣格栅；18-激冷变换室锥形底部；19-锥心破渣锥，20-洗涤水入口，21-洗涤水出口。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明为一种单喷嘴气流床气化炉，包括三个主要组成部分，分别为气化炉本体(气化区域I)、激冷变换室(冷却区域II)和洗涤除渣室(洗涤除渣区域III)。如图1所示，为一种单喷嘴气流床气化炉的结构示意图。气化炉本体的下面安置有激冷变换室，激冷变换室的下面安置有洗涤除渣室，气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置。气化炉顶部采用圆拱形设计，其直径与气化炉筒体直径一致，气化炉下部采用直段式设计。

气化炉本体包括气化炉壳体1、炉内胆耐火衬里(可为水冷壁衬里或耐火材料衬里)、气化炉炉膛3和气化炉顶部的工艺烧嘴室11，以及气化炉下渣口4等组成。气化炉壳体1内的上部安装有气化炉炉壁2，气化炉炉壁2的顶部安装有工艺烧嘴室11，工艺烧嘴室11贯穿气化炉壳体1的顶部且与气化炉本体同轴设置。工艺烧嘴室11可作为工艺烧嘴室，也可作为点火烧嘴室或烘炉烧嘴室等辅助烧嘴室，或作为人孔。气化炉炉壁2的内部为气化炉炉膛3，气化炉炉膛3的底部为气化炉下渣口4，气化炉下渣口4为锥形状，其锥形角度6为15～75°。气化炉下渣口4穿过气化炉本体出口5。

激冷变换室包括与气化炉本体出口5相连的导引管12、环形的激冷环14、沿环形布置安装在激冷环14上的激冷喷头13和激冷变换室锥形底部18等组成。在激冷变换室入口处安装有激冷环14和导引管12，激冷环14与导引管12的外侧连接，导引管12的形状为喇叭口状，其扩口角度ε为5～45°。导引管12外侧安装有至少一圈激冷环14，每圈激冷环14上均安装有64～200个沿激冷环14圆周布置的激冷喷头13，如图2所示。激冷喷头13的喷头与气化炉轴向形成的第一夹角角度λ为0～60°，且每一圈喷头的轴向喷射角度可不一致。激冷喷头13的喷头与气化炉径向形成的第二夹角角度α为-60～60°。激冷环14的下方为激冷变换室锥形底部18，激冷变换室锥形底部18的锥形角度ω15～75°，锥形设计可确保喷淋水/蒸汽夹带部分灰渣向下流动。激冷变换室锥形底部18与激冷变换室锥形出口6连接。

洗涤除渣室包括与激冷变换室锥形出口6相连的下降管7、渣池9、破渣格栅17、破泡板8、排渣口10和合成气出口15等组成。在洗涤除渣室的中心安装有下降管7，其底部为渣池9，下降管7与激冷变换室同轴设置，均采用圆筒形结构设计。下降管7直径与气化炉本体内径的比值为0.1～0.6。下降管7与气化炉壳体1之间安装有破泡板8，破泡板8采用骨架式设计，破泡板8至少安装有一层，每层破泡板8由骨架破泡条8b和外围破泡条8a组成，如图3所示。骨架破泡条8b和外围破泡条8a的下面均安装有向下的锥形破泡齿。破泡板8上方的气化炉壳体1上(即在洗涤除渣室侧面中上部)开有合成气出口15，合成气出口15口径根据气化炉装置设计产量确定，控制气化炉合成气出口15流速为3～15m/s。渣池9内安装有破渣器，破渣器包括破渣格栅17和锥心破渣锥19，锥心破渣锥19安装在破渣格栅17的上方，破渣格栅17采用圆拱形格栅设计，且至少设有一层，破渣格栅17的格栅孔径20×20～200×200mm，破渣器下方为排渣口10。洗涤水可从洗涤水入口20进入渣池9，经处理后，将其从洗涤水出口21排出。

单喷嘴气流床气化炉的工艺过程主要分三个子过程，分别描述如下：

过程一：气化燃料和气化剂同时通过工艺烧嘴16从气化炉顶部的工艺烧嘴室11喷入气化炉，在气化炉炉膛3内发生高温、高压复杂气化反应，熔融态灰渣颗粒在顶部射流扩散后射向气化炉炉壁2，形成稳定的液态渣膜，以利于液态排渣，同时大大提高停留时间和碳转化率。气化后的产物经气化炉下渣口4进入激冷变换室，气化炉下渣口4物流温度根据煤种灰熔融特性差异，一般保持在1200℃以上。

过程二：高温高压合成气夹带着气化过程中产生的液态灰渣通过导引管12进入激冷变换室，在导引管12的导引下，气渣混合物在导引管12下方在来自激冷环14上激冷喷头13的喷淋作用下，合成气迅速降温，熔融态灰渣迅速凝固，固化后向下汇聚流动，并在激冷喷头13侧面偏向中心的喷淋作用下，合成气夹带灰渣流向中心聚集，最终流向洗涤除渣室，此时的合成气及灰渣物流温度通常为250～500℃之间，同时在激冷变换室内还发生一定的水蒸汽、CO的变换反应，为下游化工合成或制氢做好准备，此过程完成了大部分的合成气变换反应，并为后续工艺需要提供了大量水蒸汽。

过程三：喷淋水/蒸汽在激冷变换室下方的激冷变换室锥形出口6处汇集，向下流动，并在洗涤除渣室的下降管7内壁形成液膜，以进一步保护下降管7免受合成气和灰渣流的冲蚀。经激冷固化的灰渣在合成气的夹带下沿下降管7自上而下流动，在向下流动过程中，合成气夹带的灰渣颗粒被底部渣池9捕集，并经破渣格栅17破渣过滤处理后向下经排渣口10排出气化炉，合成气则经渣池9鼓泡洗涤后进入下降管7与气化炉壳体1之间形成的环隙，并沿环隙向上流动，夹带的泡沫和灰渣颗粒通过破泡板8进一步除去，充分除渣冷却后经气化炉侧面合成气出口15排出气化炉，此时合成气温度通常保持在200℃左右，此过程完成了合成气初步净化和进一步洗涤降温的过程。

经以上三个过程，即完成了本发明的完整工艺过程。

本发明所采用的燃料适应性广，可选为煤等含碳固体燃料或其配制而成的浆体液态燃料，即其燃料形态可为固体粉末或液态浆体；采用的气化剂可选为水蒸汽、空气、纯氧或氧气浓度大于21％的富氧空气。气化炉炉壁2的材料可采用水冷壁结构或耐火砖结构设计，水冷壁结构可选用列管式、盘管式或其组合形式。

下面结合采用本发明提供的单喷嘴气流床气化炉进行相应试验得到的结果对本发明作进一步说明：

实施例1

一套日处理3000吨煤的干煤粉加压单喷嘴气流床气化炉，气化反应室壳体(即气化炉炉壁2)的内直径为3850mm，气化炉下渣口4内径1100mm。气化炉本体顶部的工艺烧嘴16共喷入100％的煤粉、100％的水蒸汽以及100％纯氧气，顶部工艺烧嘴室11作为点火/开工烧嘴。

合成气激冷变换室的筒体直径为4800mm，激冷环14设置一层，激冷喷头13沿激冷环14均匀布置128个，喷淋液态水，共设有一层，激冷喷头13轴向喷射的第一夹角角度λ为15°，径向喷射的第二夹角角度α为-3°，喷射速度约5m/s。

激冷变换室导引管12扩口角度ε设为15°。

洗涤除渣室下降管7直径1500mm，设有3层破泡板8和一层破渣格栅17，格栅孔径150×150mm。

气化炉本体合成气出口15直径650mm。

气化炉炉壁2采用水冷壁设计。

洗涤除渣室内采用4.0Mpa下的120℃的液态水进行喷淋。

由上述气化反应装置可以得到煤质分析(如表1所示)及气化反应装置出口合成气的分析数据(如表2所示)：

表1煤质分析表

其他主要操作条件：

操作温度：1623K；

操作压力：4.0MPa；

煤粉输送载气介质：氮气；

氧煤比：0.48kg/kg；

蒸汽煤比：0.03kg/kg；

蒸汽入口温度：623K；

氧气入口温度：298K；

氧气纯度：99.6％。

气化反应装置出口合成气分析数据为：

表2气化炉本体出口合成气成分(Vol％)与下渣口处温度(K)数据

H₂	CO	CO₂	H₂O	CH₄	H₂S	COS	N₂	T
									29.95	59.67	2.28	3.87	0.31	0.50	0.01	3.41	1732

气化反应装置出口合成气温度：478K；

碳转化率：99.5％；

气化反应装置出口煤气中有效成分含量(H₂+CO)：93.23％(干基)；

整体冷煤气效率：83.5％。

与现有技术相比，本发明提供的气化技术比：碳转化率提高≥2％，冷煤气效率提高≥5％，合成气有效气成分比例提高≥5％，比氧耗(Nm³/kNm³(H₂+CO))降低≥12，比煤耗(kg/kNm³(H₂+CO))降低≥55，运行费用降低≥10％，投资费用降低≥10％。

实施例2

一套日处理3000吨煤的水煤浆加压单喷嘴气流床气化炉，气化炉本体内径(即气化炉炉壁2)为4000mm，气化炉下渣口4内径1000mm。气化炉本体顶部工艺烧嘴室11内的工艺烧嘴16共喷入100％的水煤浆和100％纯氧气。

合成气激冷变换室的筒体直径为4800mm，激冷环14设置一层，激冷喷头13沿激冷环14均匀布置128个，共设有一层，激冷喷头13轴向喷射的第一夹角角度λ为30°，径向喷射的第二夹角角度α为-0.5°，喷射速度约8m/s。

激冷变换室导引管12扩口角度ε设为30°。

洗涤除渣室下降管7直径1400mm，设有3层破泡板8和一层破渣格栅17，格栅孔径180×180mm。

气化炉本体合成气出口15直径680mm。

气化炉炉壁2采用耐火砖设计。

所用的水煤浆浓度64％。

洗涤除渣室内采用6.5Mpa下的130℃的水蒸汽进行喷淋。

由上述气化反应装置可以得到煤质分析(如表3所示)及气化反应装置出口合成气的分析数据(如表4所示)：

表3煤质分析表

其他主要工艺操作条件：

操作温度：1573K；

操作压力：6.5MPa；

水煤浆配置介质：工业水和化学添加剂；

氧碳原子比：0.95g；

氧气入口温度：298K；

氧气纯度：99.6％。

气化反应装置出口合成气分析数据为：

表2气化装置出口合成气成分(Vol％)与下渣口处温度(K)数据

H₂	CO	CO₂	H₂O	CH₄	H₂S	COS	N₂	T
									16.16	17.23	4.62	61.98	0.003	0.001	0.001	0.003	471

气化反应装置出口合成气温度：471K；

碳转化率：98.5％；

煤气中有效成分含量(H₂+CO)：87.82％(干基)；

整体冷煤气效率：80.6％。

与现有技术相比，本发明提供的气化技术比：碳转化率提高≥1％，冷煤气效率提高≥2％，合成气有效气成分比例提高≥4％，比氧耗(Nm³/kNm³(H₂+CO))降低≥10，比煤耗(kg/kNm³(H₂+CO))降低≥50，运行费用降低≥15％，投资费用降低≥15％。

Claims

1.一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，包括气化炉本体，所述的气化炉本体的下面设有激冷变换室，激冷变换室的下面设有洗涤除渣室，所述气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置，所述的气化炉本体内设有工艺烧嘴室(11)，所述的激冷变换室内设有激冷环(14)，

所述的气化炉本体包括气化炉壳体(1)，气化炉壳体(1)内的上部设有气化炉炉壁(2)，气化炉炉壁(2)的顶部设有工艺烧嘴室(11)，气化炉炉壁(2)的内部为气化炉炉膛(3)，气化炉炉膛(3)的底部设有气化炉下渣口(4)，气化炉下渣口(4)穿过气化炉本体出口(5)；

所述的激冷变换室包括与气化炉本体出口(5)相连的导引管(12)，导引管(12)的外侧与激冷环(14)连接，激冷环(14)上设有激冷喷头(13)，激冷环(14)的下方设有激冷变换室锥形底部(18)，激冷变换室锥形底部(18)与激冷变换室锥形出口(6)连接；

所述的洗涤除渣室包括与激冷变换室锥形出口(6)相连的下降管(7)，下降管(7)的下方设有渣池(9)，下降管(7)与气化炉壳体(1)之间设有破泡板(8)，破泡板(8)上方的气化炉壳体(1)上设有合成气出口(15)，渣池(9)内设有破渣器，破渣器包括破渣格栅(17)，破渣格栅(17)上方设有锥心破渣锥(19)，破渣器下方设有排渣口(10)。

2.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的气化炉下渣口(4)为锥形状，其锥形角度(δ)为15～75°。

3.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的导引管(12)的外侧设有至少一圈激冷环(14)，每圈激冷环(14)上均设有64～200个沿环形布置的激冷喷头(13)。

4.如权利要求3所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述激冷喷头(13)的喷头与气化炉轴向和径向分别形成的第一夹角角度(λ)和第二夹角角度(α)，第一夹角角度(λ)为0～60°，第二夹角角度(α)为-60～60°。

5.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的激冷变换室锥形底部(18)的锥形角度(ω)15～75°。

6.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的导引管(12)的形状为喇叭口状，其扩口角度(ε)为5～45°。

7.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的工艺烧嘴室(11)贯穿气化炉壳体(1)的顶部且与气化炉本体同轴设置，工艺烧嘴室(11)可设为工艺烧嘴、点火烧嘴或烘炉烧嘴共用烧嘴室。

8.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的破泡板(8)至少设有一层，每层破泡板(8)包括骨架破泡条(8b)和外围破泡条(8a)，骨架破泡条(8b)和外围破泡条(8a)的下面均设有向下的锥形破泡齿。

9.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的破渣格栅(17)为圆拱形，且至少设有一层，破渣格栅(17)的格栅孔径20×20～200×200mm。

10.如权利要求1所述的一种单喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的下降管(7)为圆筒状，且与激冷变换室同轴，下降管(7)直径与气化炉本体内径的比值为0.1～0.6。