CN103232860A

CN103232860A - 一种高强度的气化反应器

Info

Publication number: CN103232860A
Application number: CN2012105692211A
Authority: CN
Inventors: 徐颂; 李季伟; 张光学
Original assignee: Zhejiang Asroad Highway Construction & Maintenance Machinery Co Ltd; HANGZHOU QUANHE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Asroad Highway Construction & Maintenance Machinery Co., Ltd.
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN103232860B

Abstract

本发明公开了一种具备极高单位容积气化强度的粉煤（或其他含碳燃料）气化反应器，包括气化炉直段炉体、上锥、下缩口、燃料燃烧器、至少一个以上的气化剂烧嘴、粗煤气出口、排渣口等几部分。所述的高强度气化反应器，燃烧器设置在气化炉的上锥顶部，通过燃烧器向炉内提供气化燃料，分布在气化炉直段炉体四周的工艺烧嘴向炉内提供气化剂，粗煤气从气化炉的下缩口中心流出，熔渣从气化炉下缩口的底部排除。本发明的气化反应器在工作时，燃料颗粒与气化剂主要在炉膛壁面熔融的渣膜上进行气固液三相强烈反应，炉内存在多个旋转流场与回流，因此气化炉单位容积的气化强度大，燃料在炉内停留时间长，碳转换率高，炉型体积小。非常适合于利用煤粉、生物质等燃料制备工业燃气所用的气化设备，也适合于煤化工等其他场合所需的气化装置。

Description

一种高强度的气化反应器

技术领域：

本发明涉及一种煤与生物质等有机燃料的气化反应装置，气化反应是指燃料（煤、石油焦、生物质等含碳有机物的一种或者几种的混合物）与气化剂（空气、富氧、纯氧、水蒸汽）在高温下反应，生成CO、H2的一个过程。

背景技术：

工业燃气广泛使用于冶金、锻造、陶瓷、玻璃、氧化铝等行业，业内称为发生炉煤气，其煤粉发生炉为一种固定床（或移动床）的气化炉，其优点是结构简单、造价低、煤气出口温度低、设备热效率高，当前在工业燃气制备中广泛使用。然而固定床的气化炉存在单炉产量低、煤种要求高、碳转化率低、使用操控性差、煤气中存在焦油等诸多问题，尤其当前对环境日益提出更高要求的时候，分散型的小型固定床气化炉的焦油处置问题，成了环保部门的管理重点，市场迫切需要对固定床气化炉进行升级换代。

气流床气化炉具备单炉产量大、出口煤气不含焦油、碳转化率高、操控性好、对煤种的要求低等优点，成了替代固定床气化炉的优先方案。然而，气流床气化炉技术应用到工业燃气的制备上来，当前存在着相当多的问题。

首先，当前气流床气化炉的开发理论与实践经验都是给予纯氧加压气化，应用的领域主要在煤化工行业。而在大多数的工业燃气制备行业一般采用空气（或者富氧）作为气化剂，从系统安全简洁以及能耗角度考虑一般采用常压操作。同样是气流床方式，由于炉内气相与固液二相占的体积浓度比例相差很大、不同的气化剂、常压与高压等等原因，二者存在很大的区别。

按照现行的气流床气化炉设计理论以及实践经验，都是基于典型的气流床反应器来模拟与设计的，都假设煤粉颗粒与气化剂在炉内均匀混合，煤粉颗粒在炉内需要停留5s时间才能达到相应的较高的碳转化率。如果按此要求进行设计，常压操作的气流床气化炉的体积会非常庞大，冷煤气效率会非常低，直接限制了气流床气化炉在工业燃气制备行业的应用。因此气流床气化炉在工业燃气制备行业的推广，需要用一种区别于与现行气化炉设计理念所不同的方法，开发出一种高单位容积气化强度的气化炉，以便于在工业燃气制备行业中应用。

另外，在很多工业燃气应用场合，对燃气中含尘量要求越低越好。按照传统典型设计的气流床液态排渣炉，出口的粗煤气中含尘量也是相当高的，炉内捕渣率约为20～40％，对一些工业炉窑来说，不能直接应用。开发一种高捕渣率的气化炉，提高燃气的品质，对气流床气化炉应用在工业燃气制备上，也有着重要的价值。

发明内容：

本发明旨在解决如何在常压或高压、空气（富氧或者纯氧）气化的情况下提高气化炉单位容积下的气化强度，大幅度减小气化炉的体积，并尽可能提高气化炉的捕渣率，本发明提供一种高强度的气化反应器。

本发明区别于传统典型设计的纯氧高压下的煤气化炉流场方式，建立一个新的气流床气化炉反应模型，一方面兼顾燃料颗粒在气化炉中的停留时间，使其有充分的反应时间，保证高的碳转化率；另一方面，缩短气相（气化剂、粗煤气）反应物在炉内的停留时间，并保证气化剂与燃料能够充分接触、快速反应，以此来提高气化炉的气化强度，大幅度缩小气化炉的体积，便于应用到工业燃气的制备中。

本发明的一种全新的气化炉炉型，所述的气化炉由直段炉体、上锥、下缩口、燃烧器、气化剂喷嘴、排渣口、粗煤气出口几部分组成，直段炉体的上端设置上锥、下端设置下缩口，气化剂喷嘴设置在直段炉体的侧边，燃烧器设置在上锥上，下缩口的中部设置粗煤气出口，下缩口的侧边设置排渣口。

气化剂以割向或者切向方向高速喷入炉膛，在炉内形成一个高速的旋转场，从燃烧器中喷入炉膛的煤粉颗粒随之被抛到炉膛周边，并迅速被炉膛壁面上熔融的渣膜所捕捉，被捕捉的煤粉颗粒很难再返回到气化炉的空间中。在炉内的高温下，气化剂与炉壁上的熔渣、煤颗粒进行强烈的气固液三相的混合气化反应，然后气相离开炉壁与熔融的液态渣分离，而熔融的煤渣沿着炉壁上缓慢向下流动，使得煤颗粒在炉内停留相当长的时间，促使煤粉充分反应。更加重要的是：本反应器内部存在三个轴向气流，除贴壁的强旋转气流外，还存在较强的环室回流、中心回流，使得很细的煤粉颗粒以及被抛出的熔渣细粒在环室回流、中心回流中也得到充分反应。

本发明的气化炉，燃料颗粒在炉内停留较长的时间，使得燃料得到很高的转化率，大部分燃料颗粒不会随着炉内气流很快排出炉外。粒径很细的燃料颗粒，由于炉内存在三个轴向气流，即使不能被渣膜捕捉，也能够得到很高的碳转化率。本反应器的特点是单位容积的气化强度大，对比传统的气化炉设计方式，本发明的气化炉体积大幅度地缩小了4～6倍，碳转化率在99％以上，冷煤气效率达到66％，捕渣率可以达到70～90％以上，非常适合制备工业燃气所需的场合，是替代固定床气化炉的理想炉型。

与传统气流床气化炉设计不同的是：传统气流床气化炉设计时，是基于炉内气化剂与煤粉气固二相均匀混合来反应的，但实际在液态排渣的气化炉炉内，结合煤粉熔渣的团聚、粘壁等等现象，炉内其实不是一个简单的气流床反应器，而是一个气固液三相的反应，加上熔融的煤渣其粘度也不同，反应机理十分复杂，也很难精确模拟。

本发明给出的气化炉，区别于传统设计理念的气流床气化反应器，其气化反应主要集中在气化炉壁面的熔融渣膜上，渣膜捕捉了燃料颗粒，气化剂在强旋转的流场驱动下，与燃料颗粒强烈的扰动下实现快速的气化反应，提高了了气化炉的气化强度。

另外，本发明的气化炉可以使用0.1～5mm的粗煤粉颗粒，而传统的气流床气化炉需要将煤磨制成为0.1mm以下的细颗粒，因此大幅度地降低了煤粉的磨制成本，一般而言，煤矿坑口筛分后的末煤（面煤）无需磨制，即可作为气化炉的燃料，有效地降低了用户的燃料成本。

本发明的气化炉的优选方案中，煤粉从气化炉的顶部仅仅只使用一个煤粉烧嘴，气化剂的喷嘴仅仅只需要喷入气化剂一个功能，因此烧嘴都比较简单。其次，本发明的气化炉粗煤气出口与煤渣出口分为二个通道向下排出，非常有利于粗煤气的后续处理装置的布置，有效地减小了气化装置的体积。

所述的气化炉由直段炉体1、上锥2、下缩口3、燃烧器4、气化剂喷嘴5、排渣口6、粗煤气出口7几部分组成，

直段炉体长度L与直径D1之比为1.0～1.8，较佳的取1.2～1.4；

上锥位于直段炉体的上部，上锥的顶部开设一个圆孔，用来安装燃烧器，燃烧器用来点火启动气化炉，也可以向炉膛内喷入气化燃料；

上锥的锥角α1为90～130゜，较佳的为120～130゜；选择合适的锥角，便于炉内热烟气卷吸到燃烧器出口处，非常有利于燃料的稳定着火。

下缩口位于直段炉体的下部，下缩口向炉膛内部缩进一定的距离（ls），缩口的中心部位开设气化炉粗煤气的出口，粗煤气向下排出；

下缩口的结构对炉内流场有十分重要的影响，缩口的大小直接影响了炉内气流的切向速度、径向位置以及中心回流的强度，下缩口的直径D2与气化炉直段炉体直径D1之比为0.2～0.6，较佳的取0.4～0.45；

下缩口向内缩进的距离ls直接影响环室回流与中心回流的强度，一般情况下，ls与直段炉体长度L之比为0～0.35，较佳的取0.25；

下缩口椎体的锥角α2一般为30～45゜。缩口顶端与直段筒体下边缘采用折线连接，或者圆弧状连接。

气化剂喷嘴安装在直段炉体的上半部位，安装范围从直段炉体顶部向下1/3～1/2的范围内。气化剂喷嘴可以设置一排，也可以设置多排。

每排气化剂烧嘴沿周边可以设置一个以上的喷嘴，喷嘴可以切向喷入，也可以割向喷入，喷嘴与气化炉径向轴线的夹角β1为30～80゜，较佳的为40～70゜。

每个气化剂喷嘴与气化炉径向水平面的夹角β2为0～20゜，较佳的为0～10゜。排渣口设置在下缩口的底部，可以设置一个，也可以沿周边设置多个排渣口。液态渣通过排渣口掉入下边的渣池，经水激冷。

所述燃料、气化燃料可以是煤、石油焦、重质油、生物质（秸秆、锯末、淤泥、生活垃圾等）、废旧塑料橡胶等的一种或者几种混合物，广泛地是指一切含碳的有机物；燃料可以是粉状、颗粒状、浆状；

所述的气化剂是指空气、纯氧、含氧量为21～90％以上的富氧、水（水蒸气、液态水）的一种或者几种的混合物；

气化燃料可以从安装在上锥顶部的燃烧器中喷入炉内，也可以从安装在直段炉体侧面的气化剂喷嘴喷入；

工作时，气化燃料从位于上锥的燃烧器喷入炉体，随即开始着火；气化剂从安装在直段炉体侧面上的喷嘴割向（或者切向）喷入，在炉内形成强旋流场，在该强旋流场的带动下，燃料颗粒立刻被带到了炉膛周边，炉膛壁面上熔融的渣膜随即捕捉到了这些燃料颗粒。强旋流的气流与燃料颗粒在炉壁周边上形成了准刚体旋转运动，旋流的径向迁移量很小，气固二相紊流扰动十分强烈，因此气化反应主要集中在炉膛的壁面上，而且气化反应相对于传统的气流床气化炉要强烈得多。

在炉内形成的准刚体旋转运动，是一个由上往下的运动，其间在其径向内侧存在轴线向上移动的环室回流，环室回流对燃料在炉内空间的滞留起到十分重要的作用，使得燃料颗粒得到充分的反应。炉内中心位置存在由上往下的中心回流，燃料气化之后形成的粗煤气在中心回流的带动下，由粗煤气出口排出。

本发明的气化炉可以在常压、高压条件下，用空气作为气化剂，生产满足工业炉窑所需的热值的工业燃气；也可以在常压、高压条件下，用富氧、纯氧作为气化剂生产高热值的工业燃气。不仅如此，本发明也可以应用在高压、纯氧环境下快速反应生成煤化工等行业所需的粗煤气。

附图说明：

附图1为本发明高强度气化反应器的结构示意图。

附图2为本发明中下缩口方式一结构示意图。

附图3为本发明中下缩口方式二结构示意图。

附图4为本发明中下缩口方式三结构示意图。

附图5为本发明中下缩口方式四结构示意图。

附图6为本发明中气化剂喷嘴的安装范围示意图。

附图7为本发明中气化剂喷嘴的径向剖面图。

附图8为本发明中气化剂喷嘴的轴向剖面图。

附图9为本发明中排渣口的结构示意图。

附图10为本发明高强度气化反应器的喷入气化燃料运行轨迹图。

附图11为本发明高强度气化反应器的气化反应流场轨迹图。

具体实施方式：

下面结合附图给出本发明较佳的实施例，以详细说明本发明的技术方案：

实施例1：

如图1所示，本发明的高强度气化反应器是由直段炉体1、上锥2、下缩口3、燃烧器4、气化剂喷嘴5、排渣口6、粗煤气出口7几部分组成。其中燃烧器4连接在气化反应器的顶部，气化反应器的底部还有渣池。

直段炉体的长度L与直径D1之比为1.2～1.4，上锥位于直段炉体的上部，上锥的顶部开设一个圆孔，用来安装燃烧器，燃烧器用来点火启动气化炉。上锥的锥角α1为120～130゜；炉内热烟气卷吸到燃烧器出口处，非常有利于燃料的稳定着火。

如图2-5所示，下缩口位于直段炉体的下部，下缩口炉膛内部缩进一定的距离（ls）来保证环室回流与中心回流的强度，ls与直段炉体长度L之比为0.25。下缩口的直径D2与气化炉直段炉体直径D1之比为0.4～0.45，缩口保证了炉内气流的切向速度、径向位置以及中心回流的强度，对炉内流场有十分重要的作用。下缩口椎体的锥角α2一般为30～45゜。缩口顶端与直段筒体下边缘采用“方式二”连接。缩口的中心位置设置气化炉的粗煤气出口，粗煤气向下排出。

如图6～图8所示，优选地，气化剂喷嘴安装在直段炉体的上半部分位置（从直段炉体顶部向下1/3～1/2 L的范围）的范围内。气化剂喷嘴设置4排，每排气化剂烧嘴沿周边设置4个喷嘴，喷嘴采用割向喷入，喷嘴与气化炉径向轴线的夹角β1为45゜。每个气化剂喷嘴与气化炉径向水平面的夹角β2为0～5゜。

如图9所示，排渣口设置在下缩口的底部，设置6个排渣口。液态渣通过排渣口掉入下边的渣池，经水激冷。

如图10所示，工作时，燃烧器点火后，为炉内升温；待炉内上升到一定温度，气化剂和燃料从安装在直段炉体上的喷嘴割向喷入，在炉内形成强旋流场，在该强旋流场的带动下，燃料颗粒立刻被带到了炉膛周边，炉膛壁面上熔融的渣膜随即捕捉到了这些燃料颗粒。强旋流的气流与燃料颗粒在炉壁周边上形成了准刚体旋转运动，旋流的径向迁移量很小，气固二相紊流扰动十分强烈。

如图11所示，在炉内形成的准刚体旋转运动，是一个由上往下的运动，其间在其径向内侧存在轴线向上移动的环室回流，环室回流对燃料在炉内空间的滞留起到十分重要的作用，使得燃料颗粒得到充分的反应。炉内中心位置存在由上往下的中心回流，燃料气化之后形成的粗煤气在中心回流的带动下，由粗煤气出口排出。

气化反应生成的液态熔渣由炉内排渣口排到渣池，经过渣池水的激冷形成小块渣块，从渣池底部的出口定期排放。

以日处理燃料为75吨煤的规模，采用微正压空气气化反应为例。煤质分析如下表所示。

气化炉直径D1为1800mm，长度L为2400mm。

工艺操作条件和燃气指标如下：

气化系统压力0.03MPa（G），采用空气为氧化剂，空气预热温度：190℃，合成气出口温度：900℃，燃气中：CO+H₂+CH₄含量为：31.78% ，碳转化率：98% ，煤气热值：4234kJ/Nm³ 。

实施例2、

高强度气化反应器的结构与实施例1的结构相同。

工作时，顶部燃烧器点火后，为炉内升温；待炉内上升到一定温度，燃料从顶部燃烧器内进入，气化剂从安装在直段炉体上的喷嘴割向喷入，在炉内形成强旋流场，在该强旋流场的带动下，燃料颗粒立刻被带到了炉膛周边，炉膛壁面上熔融的渣膜随即捕捉到了这些燃料颗粒。强旋流的气流与燃料颗粒在炉壁周边上形成了准刚体旋转运动，旋流的径向迁移量很小，气固二相紊流扰动十分强烈。

最后，气化反应生成的液态熔渣由炉内排渣口排到渣池，经过渣池水的激冷形成小块渣块，从渣池底部的出口定期排放。

以日处理燃料为75吨煤的规模，采用微正压富氧（50%氧气）气化反应为例。煤质分析与实施例1相同。

气化炉直径D1为1200mm，长度L为1500mm。

工艺操作条件和燃气指标如下：

气化系统压力0.03MPa（G），采用富氧（50%氧气）为氧化剂，燃气中：CO+H₂+CH₄含量为：72.65%，碳转化率:99% ，煤气热值：9872kJ/Nm³ 。

进一步地，所述气化反应过程中的气化操作压力可以为0-4.0MPa。增大气化炉的气化产能，则所需的气化操作压力也需相应加大。因此，该气化操作压力需要根据实际情况和用户要求来确定。

此外，上述燃料、气化燃料可以是煤、石油焦、重质油、生物质（秸秆、锯末、淤泥、生活垃圾等）、废旧塑料橡胶等的一种或者几种混合物，广泛地是指一切含碳的有机物；燃料可以是粉状、颗粒状、浆状；所述的气化剂是指空气、纯氧、含氧量为21～90％以上的富氧、水（水蒸气、液态水）的一种或者几种的混合物。气化燃料可以从燃烧器中喷入炉内，也可以从气化剂喷嘴喷入。

由此可见：本发明的气化反应器，单位容积的气化强度大，燃料在炉内停留时间长，碳转换率高，炉型体积小，非常适合于利用煤粉、生物质等燃料制备工业燃气所用的气化设备，也适合于煤化工等其他场合所需的气化装置。

虽然以上描述了本专利的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本专利的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对本实施方式做出多种变更和修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.高强度的气化反应器，其特征在于：是由直段炉体、上锥、下缩口、燃烧器、气化剂喷嘴、排渣口、粗煤气出口等几部分组成，直段炉体的上端设置上锥、下端设置下缩口，气化剂喷嘴设置在直段炉体的侧边，燃烧器设置在上锥的顶部，下缩口的中部设置粗煤气出口，下缩口的底部设置排渣口。

2.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：直段炉体的直段高度L与直径D1之比（L/D1）为1.0～1.8，较佳的取1.2～1.4。

3.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：下缩口顶部的直径D2与气化炉直段炉体直径D1之比（D2/D1）为0.2～0.6，较佳的取0.4～0.45。

4.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：下缩口顶部向炉膛内缩进的距离（ls）与直段炉体长度L之比（ls/L）为0～0.35，较佳的取0.25。

5.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：下缩口顶端与直段筒体下边缘采用折线连接，或者圆弧状连接，下缩口的锥角α2为30～45゜。

6.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：上锥的顶部用来安装燃烧器，上锥的锥角α1为90～130゜，较佳的为120～130゜。

7.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：气化剂喷嘴设置在气化炉直段炉体周边，喷嘴设置在直段炉体的上半部位，范围为直段炉体顶部以下1/3～1/2的高度范围内。

8.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：气化剂喷嘴沿直段炉体的高度方向可以分成一排以及多排设置。

9.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：气化剂喷嘴每排可以沿直段炉体周边设置一个或者多个喷嘴。

10.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：在沿气化炉直段炉体的径向剖面上，气化剂喷嘴与气化炉直段炉体径向轴线的角度β1为30～90゜，气化剂可以割向喷入炉膛，也可以切向喷入。

11.根据权利要求1所述的高强度的气化反应器，其特征在于：在沿气化炉直段炉体轴线剖面上，气化剂喷嘴与气化炉直段炉体水平剖面的角度β2为0～20゜。