CN103160328A

CN103160328A - 煤干粉气化装置

Info

Publication number: CN103160328A
Application number: CN2011104128829A
Authority: CN
Inventors: 郭屹; 卢洪
Original assignee: National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Current assignee: China Energy Investment Corp Ltd; National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: CN103160328B

Abstract

一种煤干粉气化装置，包括多流道套管顶喷嘴和多个侧喷嘴。套管顶喷嘴包括：用于引入由CO₂、N₂、和/或惰性气体载动的煤干粉的内套管；用于引入氧气、水、和/或水蒸汽的中套管；用于引入富二氧化碳气体的外套管。内套管、中套管以及外套管同轴地设置在干粉气化装置的顶部。多个侧喷嘴均匀地沿干粉气化装置侧壁中部附近的周边偏心设置，用于旋流式引入富二氧化碳气体。通过外套管和侧喷嘴引入的富二氧化碳气体在煤干粉与气化剂进行气化反应的中心反应区与所述干粉气化装置的壁内表面之间形成一个吸热降温的流动气体保护层。该保护层在不降低中心反应区温度的同时降低了炉壁温度，从而延长了炉壁的使用寿命。

Description

煤干粉气化装置

技术领域

本发明涉及一种煤干粉气化装置，尤其涉及一种将富二氧化碳气体用作吸热降温保护气体和气化剂的煤干粉气化装置。

背景技术

近年来，随着工业的高速推进与发展，环境恶化与工业发展之间的矛盾日益突出。为缓和这一矛盾，如何高效清洁地利用消耗量巨大的煤炭资源逐渐成为改善环境的一个重要议题。在现有技术中，对煤炭进行气化以从产生的合成气中获得高热值煤气是清洁而高效地利用煤炭资源的重要途径。然而，煤炭气化所产生的合成气中除可燃烧的煤气外还含有大量的二氧化碳，因此如何回收和利用二氧化碳以减少温室气体的排放是业界亟需解决的问题。

CN200710145776.2公开了一种二氧化碳减排干煤粉气化炉。该气化炉以煤粉、水和氧为主要生产原料从气化炉底部进料，气化产生的热煤气自气化炉的顶部排出。为达到二氧化碳减排的目的，该气化炉的侧壁上设有二氧化碳进料口，与二氧化碳储罐连通，用于向气化炉内单独供给二氧化碳。然而该气化炉的实际应用价值尚待商榷，其一在于热煤气从气化炉的顶部排出，导致气化炉的上部必须增设用于降温的水夹套，从而使气化炉的结构复杂化；再者，该气化炉的主要生产原料是采用对撞的形式完成共混，使得燃烧区四周的炉壁上的耐火砖要同时承受生产原料对撞产生的高冲击力以及燃烧形成的高温，这无疑会降低耐火砖的使用寿命，并最终影响气化炉的生命周期和利用率。

CN200810188170.1公开了一种三相态多原料立体加压对撞煤干粉气化装置及工艺。该干粉气化装置顶部配置有干煤粉和高压二氧化碳气体共用的干煤粉喷嘴，侧壁相对设置有一对水煤浆喷嘴，水煤浆以及高压氧气通过该对水煤浆喷嘴进入气化炉中。该干粉气化装置中燃烧室顶部配置了干煤粉喷嘴，使得从喷嘴进入的干煤粉及二氧化碳反应气流形成倒置的“降落伞”形状，形成一种气膜减轻燃烧室周边喷嘴产生的返混气流对拱顶耐火砖的侵蚀。二氧化碳与碳之间的Boudiuard反应为吸热反应，对气化区域的高温来说，该反应起到了积极的热平衡作用。然而，该干粉气化装置在实际应用中的效果并不理想，主要原因有两点：其一，高压二氧化碳气体通过管线14与干煤粉共混，并作为载气通过干煤粉喷嘴16载动干煤粉喷入气化炉中，这意味着作为载气的二氧化碳气体并不能形成一层包裹干煤粉于其内的气膜；其二，二氧化碳与煤反应的活性非常差，反应进行的比较慢，而水蒸汽与煤反应的速度大概是前者的数倍，这使得激烈的气化反应主要集中在气化炉中部水煤浆对撞区域，而从顶部进入的二氧化碳与干煤粉中的碳所发生的Boudiuard吸热反应主要发生在顶部，其并不能有效降低其它区域，特别是气化反应中心区传给炉壁的热量。

上述所有文献在此全文引入以作参考。

基于以上对现有技术的描述和分析，需要对现行的煤干粉气化装置进行改进，以克服现有技术中的不足，使得通过二氧化碳的引入，减少温室气体排放，在尽可能不降低反应中心区反应温度的同时降低炉壁温度，从而延长炉壁的使用寿命，提高干粉气化装置利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的煤干粉气化装置，其中采用多流道套管顶喷嘴以及多个侧喷嘴引入富二氧化碳气体，使其在煤干粉气化装置的壁内表面与气化反应中心区之间形成一层吸热降温的流动气体保护层，对所述气化装置的壁内表面以及其上的耐火材料衬里实施整体性降温保护，以克服上述现有技术的不足。

根据本发明，提供一种煤干粉气化装置，包括：多流道套管顶喷嘴和多个侧喷嘴。该多流道套管顶喷嘴包括：内套管，用于引入由CO₂、N₂、和/或惰性气体载动的煤干粉；中套管，用于引入氧气、水、和/或水蒸汽；以及外套管，用于引入富二氧化碳气体，其中所述内套管、中套管以及外套管同轴地设置在所述煤干粉气化装置的顶部。多个侧喷嘴均匀地沿所述煤干粉气化装置侧壁中部附近的周边偏心设置，用于旋流式引入富二氧化碳气体。

上述煤干粉气化装置区别于现有技术的实质性技术特征在于：通过所述外套管和侧喷嘴引入的富二氧化碳气体在所述煤干粉与气化剂进行气化反应的中心反应区与所述煤干粉气化装置的壁内表面之间形成一个吸热降温的流动气体保护层。

优选地，所述富二氧化碳气体来源于所述煤气化产生的气态产物，所述富二氧化碳气体由二氧化碳、硫化氢以及微量元素组成。

优选地，所述侧喷嘴向上或向下倾斜与水平面形成3～15度的夹角。

优选地，所述煤干粉气化装置包括上部、下部、设有所述多个侧喷嘴的连接部、以及自所述下部向下进入冷却池的冷却部，所述连接部的直径从上到下逐渐增大。

优选地，所述煤干粉气化装置的壁内表面，除所述冷却部外，均衬有由耐火砖构成的耐火衬里。所述流动气体保护层使所述煤干粉气化装置壁内表面或其上的所述耐火衬里内表面温度降低20～80摄氏度。

同样优选地，所述侧喷嘴穿过所述连接部并向里延伸超出所述耐火衬里的内表面一距离，该距离优选为10mm-50cm。所述外套管和/或侧喷嘴进入所述煤干粉气化装置内的一端优选为喇叭形。

更优选地，所述顶喷嘴的内套管、中套管、外套管的外壁和/或侧喷嘴的外壁设有冷却件。所述外套管和/或侧喷嘴的内壁上设有一涡流产生装置，用于涡流式引入所述富二氧化碳气体。

在本说明书中，煤是一个宽泛的概念，其可包括：煤、煤直接液化残渣、重质渣油、焦、石油焦、油砂、页岩油、碳质工业废料或尾料、生物质、合成塑料、合成聚合物、废轮胎、市政固体垃圾、沥青和/或他们的混合物。

附图说明

图1为本发明煤干粉气化装置的结构示意图；

图2为图1所示煤干粉气化装置沿B-B线的剖面图；

图3为图1所示煤干粉气化装置的顶视图；和

图4为图1所示煤干粉气化装置沿A-A线的剖面图。

具体实施方式

通过下面参考附图的描述进一步详细解释本发明，其中附图所示的相应或等同的部件或特征用相同的标记数表示，同时以下描述仅用于使本发明所述技术领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的原理和精髓，不意味着对本发明进行任何形式的限制。

本发明煤干粉气化装置1的结构如图1-4所示，该干粉气化装置1大体为竖立筒状，自上而下优选地包括以下单元：上部10、下部12、连接上部10和下部12的连接部(中部)11、以及位于下部12下方并与其下端相连的冷却部13。除冷却部13外，干粉气化装置1的内壁均衬有由耐火材料、例如抗渣性较好的含Cr₂O₃主材的耐火砖筑成的耐火衬里14。优选地，可根据需要在耐火衬里14的内壁上增设抗辐射耐热耐磨涂层，以减少气化反应过程中高温火焰和入料对耐火衬里14的热辐射、热蚀损或磨损。

上部10优选为拱形，在其顶部102附近，优选在顶部102中心处，设有套管顶喷嘴104。如图2所示，顶喷嘴104为多流道套管喷嘴，该顶喷嘴104包括：

内套管1040，形成用于引入由CO₂、N₂、和/或惰性气体载动的煤干粉的内流道1041；

中套管1042，套在所述内套管1040外，形成用于引入氧气、水、和/或水蒸汽的、位于所述内套管1040和中套管1042之间的中流道1043；以及

外套管1044，套在所述中套管1042外，形成用于引入富二氧化碳气体的、位于所述中套管1042和外套管1044之间的外流道1045；

其中所述内套管1040、中套管1042以及外套管1044同轴地设置在所述干粉气化装置1的顶部102.

优选地，内套管1040、中套管1042以及外套管1044在所述干粉气化装置1内的端面位于同一个平面，且均向里延伸超出衬在顶部102内壁上的耐火衬里14一距离，该距离优选为10mm-50cm，进而达到避免入料直接冲刷顶部102附近耐火衬里14的目的。更优选地，为延长顶喷嘴104的使用寿命，可分别在内套管1040、中套管1042、和/或外套管1044的外管壁上设置冷却件(未示出)，该冷却件可为任何一种习知的水循环冷却夹套或冷却盘管。更优选地，顶喷嘴104可设置多个中套管1042，例如说，设置两个中套管1042，籍此将增加一个中流道。这样一来，可将氧气、水、和/或水蒸汽通过不同的流道送入干粉气化装置1中，从而进一步优化和调整煤气化反应的操作状况，比如增加氧气的输入量以提高气化反应的温度。优选地，载气选自二氧化碳、氮气或它们的混合物。优选地，所述外套管1044的内壁上设有一公知的涡流产生装置(未图示)，用于将所述富二氧化碳气体涡流式引入所述干粉气化装置1中。

沿连接部(中部)11或其附近的侧壁周边均匀地偏心设置多个侧喷嘴110，用于旋流式引入富二氧化碳气体。具体地，如图2和图4所示，本实施方式的连接部11上设有4个侧喷嘴110，侧喷嘴110的轴线沿逆时针或顺时针方向偏移与其所在连接部横截面的中心线形成夹角α，并优选地向下或向上倾斜与其所在连接部横截面的水平面形成夹角β，籍此使经由侧喷嘴110进入干粉气化装置1中的富二氧化碳气体在干粉气化装置1的上部10和/或下部12形成一股逆时针或顺时针旋转的富二氧化碳气体旋流。当然，如本发明所属技术领域的普通技术人员所理解的，上述夹角α和夹角β的大小可根据干粉气化装置1的直径和高度进行调整，优选地，夹角α为0～90°、例如45°；优选地，夹角β为3～15°、例如10°。连接部11设在上部10的下方并采用变径设计，即连接部11自连接上部10的上端至连接下部12的下端直径逐渐增大。与顶喷嘴104类似，侧喷嘴110的前端向里延伸超出连接部11内壁上的耐火衬里14一距离，该距离优选为10mm-50cm，结合连接部11的变径设计，可最大程度地避免入料以及激烈的气化反应对耐火衬里14的冲刷和烧蚀。此外，虽然本实施方式中采用了四个侧喷嘴110，但在实际应用中，可根据需要调整侧喷嘴110的个数，只要能够达到旋流式引入富二氧化碳气体的功能即可。例如，侧喷嘴110可沿连接部11侧壁周边的切线方向均匀地布置在干粉气化装置1的连接部11或其附近区域。优选地，所述外套管和/或侧喷嘴延伸进入所述干粉气化装置中的一端为喇叭形。

需要说明的是：多个侧喷嘴110可在连接部(中部)11或其附近区域沿侧壁周边均匀地排列成一排，也可均匀地排列成两排或多排。从多流道套管顶喷嘴和侧喷嘴引入的富二氧化碳气体最优选地形成一层覆盖整个煤干粉气化装置壁内表面或其上耐火材料衬里的吸热降温流动气体保护层。

干粉气化装置1的下部12设有气化产物出口120以及排渣口122。气化产生的熔渣顺着排渣口122处的斜坡流入冷却部13的通道130中，最终进入冷却部13的水冷却池132中进行水冷。

通常，以煤干粉为主要入料的干粉气化装置1产生的合成气含有一氧化碳、氢气等有效气体以及二氧化碳和硫化氢之类的酸性气体，因而自出口120排出的合成气需要进行酸性气体脱除处理以分离酸性气体和可燃气体。在本实施方式中，由于通过顶喷嘴104的外流道1045喷入的富二氧化碳气体并非用于携带煤干粉进入干粉气化装置1中，而是用于在中心反应区与耐火材料衬里14之间通过Boudiuard化学吸热反应和物理流动气膜的方式构成一个相对于中心反应区来说吸热降温的流动气体保护膜，因而可直接将酸性气体脱除处理步骤中得到的含有二氧化碳、硫化氢以及微量元素的气体作为形成上述流动气体保护膜的富二氧化碳气体引入到煤干粉气化装置1中。

请再次参阅图1至图4，运行煤干粉气化装置1时，煤干粉与载气通过顶喷嘴104的内流道1041进入上部10的空腔内，氧气、水、和/或水蒸汽通过中流道1043进入该空腔内，富二氧化碳气体通过外流道1045进入该空腔内。载气优选地选自氮气和/或二氧化碳。优选地，煤干粉气化装置的压力为常压至4.5Mpa，气化温度为1300～1500摄氏度。优选地，煤干粉、氧气、和水或水蒸汽、以及富二氧化碳气体被加压至高于干粉气化装置1内的压力0.1～1Mpa、例如0.5Mpa后，通过顶喷嘴104喷入干粉气化装置1中。携载有煤干粉的载气喷出顶喷嘴104的线速度为5～20米/秒；氧气和水蒸汽或水喷出顶喷嘴104的线速度为40～140米/秒；富二氧化碳气体喷出顶喷嘴104和/或侧喷嘴110的线速度为0.4～30米/秒。煤干粉与富二氧化碳气体的重量比约为10∶1～10∶2.5。籍由最外层流道1045进入干粉气化装置1中的富二氧化碳气体在被喷出顶喷嘴104后形成一道贴着耐火材料衬里14的内壁向下流动的气膜，阻挡煤干粉以及熔渣等物质直接冲刷耐火材料衬里14。煤干粉、氧气和水或水蒸汽沿干粉气化装置1的轴向并流下行，并在连接部11及其向上区域附近，即中心反应区，发生激烈的气化反应，通常中心反应区的温度会高达1600摄氏度。通过侧喷嘴110补充富二氧化碳气体，使得这部分富二氧化碳气体中的二氧化碳在中心反应区的外围区域与煤干粉中的碳发生Boudiuard吸热反应，同时这部分富二氧化碳气体形成旋流将煤干粉、氧气、水或水蒸汽裹覆在旋流之内。这样，从顶喷嘴104和侧喷嘴110喷出的富二氧化碳气体共同形成覆盖整个耐火材料衬里14内壁的吸热降温的流动气体保护层，从而延长气化反应时间，以及在吸热降温的同时避免火焰过长而烧蚀中心反应区四周的耐火材料衬里14或其上同样具有保护作用的渣层。由于气化反应的高温区位于上部10和连接部11内，因而一部分侧喷嘴110也可向上倾斜，形成一个向上的富二氧化碳气体旋流，这样就延长了入料和/或反应物在中心反应区或高温区的停留时间，在降低了中心反应区外围区域温度的同时，使得气化反应更加彻底。优选地，上述吸热降温流动气体保护层使得所述煤干粉气化装置的壁内表面或其上的所述耐火材料衬里内表面的温度降低20～80摄氏度。产生的合成气通过气化产物出口120排出，剩余熔渣则沿下部12内壁的斜坡流入冷却部13的水冷却池132中进行冷却。

本发明煤干粉气化装置与现有技术相比，具有以下显著技术进步：

(1)由于二氧化碳本身是气化剂，适当地引入二氧化碳到煤干粉气化装置中，可增加气化效率，提高气化产率。

(2)引入的富二氧化碳气体形成覆盖整个煤干粉气化装置壁内表面或其上耐火材料衬里内表面的吸热降温流动气体保护层，使得煤干粉气化装置的使用寿命或维修周期大大延长。

(3)通过形成吸热降温流动气体保护层，调节煤干粉气化装置壁内表面或其上耐火材料衬里内表面区域附近的温度场分布，可进而调节通常在耐火材料衬里内表面上形成的渣层的温度和/或厚度，从而使气化操作条件或气化状态达到最优。

(4)引入的二氧化碳气体通过Boudiuard化学吸热反应被转化为一氧化碳气体而变为气体燃料，二氧化碳的有效排放量因此而被降低，这有利于环境保护。

实施例

实施例1

用图1-4所示的本发明煤干粉气化装置对其工业分析、元素分析、和灰熔融温度表示在下面表1-表3中的烟煤进行气化。其中工业分析和元素分析的基准均是空气干燥基，而元素分析仅针对有机物进行分析，不包括灰分和水分。

表1

表2

表3

原料煤的可磨性指数HGI(Hardgrove Index)为69；热值Q_net.ar为23.351MJ/kg。原料煤在使用前被干燥至含水量低于2重量％、并被粉磨成以下粒径分布的干粉：

94重量％煤粉粒径≤250微米；100重量％煤粉粒径＜500微米。

上述煤干粉气化装置的上部10直径为4.2米，下部12直径为4.4米，高度为17米，四个侧喷嘴110位于高度的2/3处、并均向下倾斜，其夹角α为5度，夹角β为10度。在离侧喷嘴110的垂直距离为1米的点A处设置测温点。

按以下工艺参数和操作条件运行该煤干粉气化装置：气化压力4Mpa，气化温度1400摄氏度，二氧化碳携载的煤粉喷出线速度为10米/秒，氧气和水蒸汽的喷出线速度为90米/秒，富二氧化碳气体的喷出线速度为20米/秒，载有煤粉的载气中，煤粉的含量为450公斤/立方米，煤粉与富二氧化碳气体的重量比为10∶1。

气化所得脱水合成气的组分、重量百分比以及测温点A的温度分别表示在下面的表4中。

对比实施例1

除了关闭图1所示煤干粉气化装置的侧喷嘴以及套管顶喷嘴的外流道外，重复实施例1的步骤。

气化所得合成气的组分、体积百分比以及测温点A的温度分别表示在下面的表3中。

表3

上述实施例和对比实施例结果表明：通过引入富二氧化碳气体，在耐火材料衬里与中心反应区之间形成了一个吸热降温流动气体保护层，借助二氧化碳与碳之间的吸热反应和流动气膜的作用，耐火材料衬里实际接收的热量明显下降。与此同时，二氧化碳与碳的反应使得气化产物中一氧化碳的含量有所提升。

本说明书所用的术语和表述方式仅被用作描述性、而非限制性的术语和表述方式，在使用这些术语和表述方式时无意将已表示和描述的特征或其组成部分的任何等同物排斥在外。

尽管已表示和描述了本发明的几个实施方式，但本发明不被限制为所描述的实施方式。相反，本领域普通技术人员应当意识到在不脱离本发明原则和精神的情况下可对这些实施方式进行任何变通和改进，本发明的保护范围由所附的权利要求及其等同物所确定。

Claims

1.一种煤干粉气化装置，包括：

多流道套管顶喷嘴，包括：

内套管，用于引入由CO₂、N₂、和/或惰性气体载动的煤干粉；

中套管，用于引入氧气、水、和/或水蒸汽；以及

外套管，用于引入富二氧化碳气体，

其中所述内套管、中套管以及外套管同轴地设置在所述干粉气化装置的顶部，以及

多个侧喷嘴，均匀地沿所述干粉气化装置侧壁中部附近周边偏心设置，用于旋流式引入所述富二氧化碳气体，

其特征在于：

通过所述外套管和侧喷嘴引入的富二氧化碳气体在所述煤干粉与所述气化剂进行气化反应的中心反应区与所述干粉气化装置的壁内表面之间形成一个吸热降温的流动气体保护层。

2.如权利要求1所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述富二氧化碳气体来源于所述煤气化产生的气态产物，所述富二氧化碳气体由二氧化碳、硫化氢以及微量元素组成。

3.如权利要求1所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述侧喷嘴向上或向下倾斜与水平面形成3～15度的夹角。

4.如权利要求1所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述煤干粉气化装置包括上部、下部、设有所述多个侧喷嘴的连接部、以及自所述下部向下延伸进入冷却池的冷却部，所述连接部的直径从上到下逐渐增大。

5.如权利要求4所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述煤干粉气化装置的内壁，除所述冷却部外，均衬有由耐火砖构成的耐火衬里。

6.如权利要求5所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述流动气体保护层使所述煤干粉气化装置壁内表面或其上的所述耐火衬里内表面的温度降低20～80摄氏度。

7.如权利要求5所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述侧喷嘴穿过所述连接部并向里延伸超出所述耐火衬里内表面一距离，该距离为10mm-50cm。

8.如权利要求1-7任何之一所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述外套管和/或侧喷嘴进入所述干粉气化装置内的一端为喇叭形。

9.如权利要求1-7任何之一所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述内套管、中套管、外套管和/或侧喷嘴的外壁设有冷却件。

10.如权利要求1-7任何之一所述的煤干粉气化装置，其特征在于，所述外套管和/或侧喷嘴内壁上设有一涡流产生装置，用于涡流式引入所述富二氧化碳气体。