CN103275760B - 一种气化炉及其工业应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型气化炉及其工业应用，包括：外壳，外壳呈圆柱筒状；气化室，气化室设置于外壳内，并与外壳间隔开；气化室上部呈圆柱体状，下部逐渐收窄；气化喷嘴，气化喷嘴设置在外壳和气化室的顶部，贯穿外壳伸入气化室内；水冷壁，气化室是由中空的水冷壁限定而成的，水冷壁设有穿过外壳与外界相通的冷却水进水口和冷却水出水口；冷却洗涤室，冷却洗涤室设置在外壳底部，与气化室底部通过一洗涤管相连；该气化炉尤其适宜于水煤浆和粉煤的高温气化，生产富含CO和H₂的合成气。生成的合成气可用作化工原料气、燃料气、制氢、合成液体燃料、发电等，用途非常广泛。

Description

一种气化炉及其工业应用

技术领域

本发明涉及一种新型气化炉及其工业应用，可用于气化各种气态、液体或固态的碳氢化合物，如水煤浆、粉煤、褐煤、石油、渣油、天然气、焦炉气等及它们的混合物。 

背景技术

煤炭是地球上蕴藏量最为丰富，分布地域最为广泛的化石燃料。至2006年底，世界煤炭可采资源量已达4.84X10⁴亿吨标准煤，占世界化石燃料可采量的66.8%。世界煤炭探明储量达到9090.04亿吨，储采比为147年。煤炭储量最大的前三个国家依次为美国、俄罗斯和中国。我国是一个富煤少油的国家，煤炭是我国的主要能源，在国民经济中具有重要的地位，是我国能源安全的基石，并且我国以煤为主的能源结构短期内不会改变。2010年煤炭在我国一次能源生产和消费结构中的比重分别为77.2%和70.3%。 

与石油、天然气相比，煤炭是一种较难于清洁利用的化石原料。煤炭是固体燃料，很难通过管道进行长距离的运输。此外，煤炭中的杂质含量相对较高，燃烧过程中会产生较多的有毒副产物，还会产生大量的粉尘，对环境造成较大污染。煤炭气化过程可以将难以加工处理的煤中的C、H元素转化为清洁的合成气或燃料气，把固体燃料变成了更易于运输和利用的气体燃料；同时，除去产物中的有害成分和大量粉尘，使煤炭得到高效清洁的利用，使环境得到最大的保护。 

根据煤炭在气化炉中的移动情况，可以简单的把煤炭气化技术分为固定床气化工艺、流化床气化工艺和气流床气化工艺。在固定床气化工艺中，以一定大小的块煤或成型煤为原料。煤原料从气化炉顶部加入，气化剂从气化炉底部进入，气化剂与煤料逆流接触。反应灰渣和生成气的显热分别预热新鲜的气化剂和煤料。固定床气化炉一般热效率较高。流化床气化工艺是指煤粒在流态化情况下与气化剂反应。在流态化情况下气-固之间的传热和传质更加充分，床层中气固两相混合接近于理想混合反应器，煤粒分布和温度分布都比较均一。在气流床气化工艺中，煤浆或煤粉颗粒与气化介质通过喷嘴高速喷入气化炉内，引起卷吸并高度湍流。气化炉内的充分混合，有利于气化反应的完全进行。气流床气化技术是在高温高压下反应，气化炉内混合较好，反应迅速，这些特点使其在单位时间和单位体积内有很高的生产能力。目前比较成熟的气流床气化工艺有Shell、GSP、Texaco和多喷嘴对置气化炉等。 

2006年，专利CN2905791Y公开了一种固态排灰的气流床气化炉。在该气流床气化炉中，预热烧嘴室设置在气化室顶部，工艺喷嘴室设置在气化室 四周，工艺喷嘴安装在工艺喷嘴室中。工艺喷嘴安装3～6个，均匀分布在气化室四周。该气化炉是一种多喷嘴配置的以耐火材料为衬里的竖式气流床气化炉。2008年，专利CN101245263B公开了一种多喷嘴的竖式气流床。其是一种针对劣质原料的非催化部分氧化气化炉，在该气化炉气化反应室的顶部设有1～5个喷嘴。可以是在顶部中心设置1个喷嘴，可以是围绕顶部中心呈一字形或十字形或梅花形排列设置喷嘴。喷嘴的中心线与气化反应室轴向方向的夹角为0～450。该发明的优点是既可以避免气化反应室上部超温，又可以延长气化反应室下部熔渣出口区域部件的寿命。2004年，华东理工大学的专利CN2756637Y公开了一种粉煤部分氧化制备合成气烧嘴。该烧嘴包括外环喷头、内环喷头、烧嘴中心导管和烧嘴外导管。内环喷头和外环喷头分别为一个截头的锥管。在煤粉气化的过程中，煤粉和气化剂一起向烧嘴中线喷射。1995年，专利CN1024080C公开了一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴。该喷嘴主要由中心喷管、内环喷管、外环喷管、旋流器以及冷却系统诸零部件组合安装而成。在气化过程中，燃料和气化剂通过环形通道一起向喷嘴中轴线方向喷射。在旋流器的作用下，气化剂的雾化角被提高，促进了气化剂与燃料之间的快速混合，有利于提高燃料的转化率及气相中有效组分的含量。另外火焰的燃烧长度也被缩短，能够从整体上延长气化炉的使用寿命。在以上专利中，气化炉中使用的喷嘴有一个共同的特点：燃料和气化剂通过喷嘴的通道一起向喷嘴中轴线方向喷射。 

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种新型气化炉，该气化炉结构简单紧凑，应用广泛，可用于气化各种碳氢化合物。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种新型气化炉，其特征在于，包括： 

外壳，所述外壳呈圆柱筒状； 

气化室，所述气化室设置于所述外壳内，并与所述外壳间隔开；所述气化室上部呈圆柱体状，下部逐渐收窄； 

气化喷嘴，所述气化喷嘴设置在所述外壳和气化室的顶部，贯穿所述外壳伸入所述气化室内； 

水冷壁，所述气化室是由中空的水冷壁限定而成的，所述水冷壁具有穿过所述外壳与外界相通的冷却水进水口和冷却水出水口； 

冷却洗涤室，所述冷却洗涤室设置在所述外壳底部，与所述气化室底部通过一洗涤管相连； 

所述外壳底部设有与所述冷却洗涤室相通的渣水出口；所述外壳底部一侧设有与所述冷却洗涤室相通的冷却洗涤室进水口、与所述洗涤管相连的洗涤管进水口；所述冷却洗涤室上方还设有与所述外壳相通的气体出口。 

所述气化喷嘴包括外圆环体、中圆环体、内圆环体、冷却室和喷头，所述外圆环体、中圆环体和内圆环体组成截面为同心圆的环管状结构，所述喷头位于所述环管状结构的下端；所述外圆环体与中圆环体之间设有外环向内喷射环形通道，所述中圆环体和内圆环体之间设有内环向外喷射环形通道；所述冷却室成环形，设置在外圆环体靠近喷头的一端； 

所述外圆环体的内径在接近所述喷头的位置处呈渐缩式结构； 

所述中圆环体的内径在接近所述喷头的位置处呈渐扩式结构，外径在接近所述喷头的位置处呈渐缩式结构； 

所述内圆环体在接近所述喷头的位置处呈一个直径逐渐扩大的圆台。 

所述洗涤管为中空的圆柱管，所述圆柱管上部的内壁上开有小孔，所述圆柱管底部一圈开有小孔，可对反应生成的粗煤气进行降温除尘。 

所述外环向内喷射环形通道在接近所述喷头处逐渐收窄，从而加大物料的喷射速度。 

所述内环向外喷射环形通道在接近所述喷头处逐渐收窄，从而加大物料的喷射速度。 

所述冷却室有两个对称的接口，一端为进水口，一端为出水口。 

所述外环向内喷射环形通道的外侧倾角为90°-180°之间，所述外环向内喷射环形通道的内侧倾角与外侧倾角和小于180°。 

所述内环向外喷射环形通道的内侧倾角为90°-180°之间，所述内环向外喷射环形通道的外侧倾角与内侧倾角和小于180°。 

所述外环向内喷射环形通道的外侧倾角为115°-165°、内侧倾角为20°-70°。 

所述内环向外喷射环形通道的内侧倾角为115°-165°、外侧倾角为20°-70°。 

本发明的另一目的是提供一种新型气化炉的工业应用，为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种新型气化炉的工业应用，其特征在于：所述气化炉可用于气化气态、液态或固态的碳氢化合物。 

进一步，所述碳氢化合物为水煤浆、粉煤、褐煤、石油、渣油、天然气、焦炉气中一种或几种的混合物。 

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，在本发明公开的气化炉中，使用了一种新型的气化喷嘴。气化喷嘴安装在气化炉的中央顶部。通过该气化喷嘴，煤粉、水煤浆等燃料与气化剂分别向不同的方向高速喷射，燃料与燃料之间、燃料与气化剂之间、气化剂与气化剂之间发生强烈的碰撞。这种强有力的撞击促使燃料及气化剂较为均匀的分散在气化炉的气化室内，同时燃料更容易解离为细小的微体，使燃料与气化剂的接触面积增加，有利于燃料的充分反应燃烧，能够使系统的碳转化率提高到97%～99%。此外，气化炉的空间结构与气化喷嘴结构紧密配合，使气化炉的整个空间得到有效利用，减小气化炉的几何尺寸。气化炉底部的冷却洗涤室内安装有洗 涤管，洗涤管的顶部内壁四周设有小圆孔，冷却水从此喷出，对粗煤气进行降温除尘处理。洗涤管底部设有小圆孔，冷却水从此流出，与气化炉底部渣水混合，进一步降低粗煤气的温度。 

气化炉结构简单紧凑，应用广泛，可用于气化各种碳氢化合物。碳氢化合物可以是气态、液态或固态，如水煤浆、粉煤、褐煤、石油、渣油、天然气、焦炉气等及混合物。气化温度为1200℃～1700℃，气化压力为1MPa～8MPa。反应原料的碳转化率能达到97%～99%。出口有效气CO+H₂为78%～90%。气化剂可以是氧气、水蒸气及混合物。该气化炉尤其适宜于水煤浆和粉煤的高温气化，生产富含CO和H₂的合成气。生成的合成气可用作化工原料气、燃料气、制氢、合成液体燃料、发电等，用途非常广泛。 

附图说明

图1是本发明气化炉的结构示意图 

图2是图1中洗涤管的A向示意图 

图3是图1中洗涤管的B向示意图 

图4是本发明气化喷嘴的结构剖视图 

图5是图4的A-A向示意图 

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：呈圆柱筒状的外壳102； 

气化室106，气化室106设置于外壳102内，并与外壳102间隔开；气化室106上部呈圆柱体状，下部逐渐收窄； 

气化室106与外壳102之间通过若干支撑件105固定连接。 

气化喷嘴101，气化喷嘴101设置在外壳102和气化室106的顶部，贯穿外壳102伸入气化室106内； 

水冷壁103，气化室106是由中空的水冷壁103限定而成的，水冷壁103设有穿过外壳102与外界相通的冷却水进水口104和冷却水出水口113；冷却水可由冷却水进水口104入，冷却水出水口113出，用于降低水冷壁103的温度。 

冷却洗涤室107，冷却洗涤室107设置在外壳102底部，与气化室106底部通过一洗涤管112相连； 

外壳102底部设有与冷却洗涤室107相通的渣水出口110，废渣废水由此出口排除气化炉；外壳102底部一侧设有与冷却洗涤室107相通的冷却洗涤室进水口108、与洗涤管112相连的洗涤管进水口109；冷却洗涤室107上方还设有与外壳102相通的气体出口111。 

如图2、3所示，洗涤管112为中空的圆柱管，圆柱管上部的内壁上开有小孔114，圆柱管底部一圈开有小孔115，可对反应生成的粗煤气进行降 温除尘。 

如图4、5所示，气化喷嘴101，包括外圆环体1、中圆环体2、内圆环体3、冷却室4和喷头5，外圆环体1、中圆环体2和内圆环体3组成截面为同心圆的环管状结构，喷头5位于环管状结构的下端；外圆环体1与中圆环体2之间设有外环向内喷射环形通道6，中圆环体2和内圆环体3之间设有内环向外喷射环形通道7；冷却室4成环形，设置在外圆环1体靠近喷头5的一端。 

外圆环体1的内径在接近喷头5的位置处呈渐缩式结构。 

中圆环体2的内径在接近喷头5的位置处呈渐扩式结构，外径在接近喷头5的位置处呈渐缩式结构。 

内圆环体3在接近喷头5的位置处呈一个直径逐渐扩大的圆台。 

外环向内喷射环形通道6在接近喷头5处逐渐收窄，从而加大物料的喷射速度。此通道既可以通气化剂又可以通燃料，优选通燃料。 

内环向外喷射环形通道7在接近喷头5处逐渐收窄，从而加大物料的喷射速度。此通道既可以通气化剂又可以通燃料，优选通气化剂。 

冷却室4有两个对称的接口，一端为进水口，一端为出水口，可用于降低气化喷嘴底部的温度。 

外环向内喷射环形通道6的外侧倾角α为90°-180°之间，外环向内喷射环形通道6的内侧倾角β与外侧倾角α和小于180°；内环向外喷射环形通道7的内侧倾角γ为90°-180°之间，内环向外喷射环形通道7的外侧倾角θ与内侧倾角γ和小于180°。 

优选的，外环向内喷射环形通道6的外侧倾角α为115°-165°、内侧倾角β为20°-70°；内环向外喷射环形通道7的内侧倾角γ为115°-165°、外侧倾角θ为20°-70°。 

进一步，外环向内喷射环形通道6的外侧倾角α、内侧倾角β、所述内环向外喷射环形通道7的内侧倾角γ、外侧倾角θ均为平滑的圆弧倾角。 

该气化喷嘴101适宜安装在气化炉顶部中央，这样更有利于有效利用气化炉的整个空间。 

本发明气化炉可用于气化气态、液态或固态的碳氢化合物。该碳氢化合物可为水煤浆、粉煤、褐煤、石油、渣油、天然气、焦炉气中一种或几种的混合物。 

本实例的工作过程：气化喷嘴101安装在气化炉的中央顶部，燃料和气化剂一起从喷嘴高速喷入气化室106，在气化室106内发生化学反应。反应生成的粗煤气高速向下移动，进入冷却洗涤室107。冷却洗涤室107内装有洗涤管112，冷却水从洗涤管112进水口流入，一部分从洗涤管112顶部内壁上的小孔114喷出，对高温粗煤气进行冷却降温。高温煤气继续向下移动，进入冷却洗涤室107最下部的水池；高温煤气在这里进一步除尘降温之后， 由外壳102上的气体出口111流出。冷却洗涤室107底部有渣水出口110，灰渣定期从渣水出口110排出气化炉。洗涤管112的底部开有小孔115，部分冷却水由此流出，与渣水混合，用于降低渣水温度。必要时打开冷却洗涤室进水口108，可调节冷却洗涤室107水池温度。 

应用例1： 

浓度为400Kg/m³的煤粉由气化喷嘴101的外环向内喷射的环形通道6高速喷入气化室106，95%的氧气及400℃的过热水蒸气由气化喷嘴101的内环向外喷射环形通道7通入气化室106。气化炉的气化温度为1350℃，气化炉的操作压力为2.8MPa。煤粉在气化炉内充分燃烧气化。生成的粗煤气快速向下移动，进入冷却洗涤室107的洗涤管112。洗涤管112的冷却水由洗涤管进水口109通入，洗涤管112的顶部内壁小孔114有冷却水喷出，对粗煤气进行降温除尘。粗煤气继续向下移动，进入冷却洗涤室107底部的水池，进一步的降温，并除去大部分粉尘。洗涤管112的底部开有小孔115，部分冷却水由此流出，进入冷却洗涤室107。冷却洗涤室107设有冷却洗涤室进水口108。冷却洗涤室107底部有渣水出口110，渣水定期从这里排出气化炉。经过冷却洗涤室107处理过的煤气，温度为900℃，经由气体出口流出气化炉。气体产物的有效气组分CO+H₂的含量为90%。碳转化率达到99%，冷煤气效率为78%。该合成气可用于生产化肥、甲醇、制氢、液体燃料和燃料气等。 

应用例2： 

质量浓度为60%的水煤浆由气化喷嘴101的外环向内喷射的环形通道6高速喷入气化室106，98%的氧气由气化喷嘴101的内环向外喷射环形通道7通入气化室106。气化炉的气化温度为1400℃，气化炉的操作压力为4MPa。原料在气化炉内充分燃烧气化。生成的粗煤气快速向下移动，进入冷却洗涤室107的洗涤管112。洗涤管112的冷却水由洗涤管进水口109通入，洗涤管112的顶部内壁小孔114有冷却水喷出，对粗煤气进行降温除尘。粗煤气继续向下移动，进入冷却洗涤室107底部的水池，进一步的降温，并除去大部分粉尘。洗涤管112的底部开有小孔115，部分冷却水由此流出，进入冷却洗涤室107。冷却洗涤室107设有冷却洗涤室进水口108。冷却洗涤室107底部有渣水出口110，渣水定期从这里排出气化炉。经过冷却洗涤室107处理过的煤气，温度为850℃，经由气体出口流出气化炉。气体产物的有效气组分CO+H₂的含量为80%。碳转化率达到98%，冷煤气效率为75%。该合成气可用于生产化肥、甲醇、制氢、液体燃料和燃料气等。 

以上对本发明的几个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围 所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。 

Claims (8)

1.一种气化炉，其特征在于，包括： 

外壳，所述外壳呈圆柱筒状； 

气化室，所述气化室设置于所述外壳内，并与所述外壳间隔开；所述气化室上部呈圆柱体状，下部逐渐收窄； 

气化喷嘴，所述气化喷嘴设置在所述外壳和气化室的顶部，贯穿所述外壳伸入所述气化室内； 

水冷壁，所述气化室是由中空的水冷壁限定而成的，所述水冷壁具有穿过所述外壳与外界相通的冷却水进水口和冷却水出水口； 

冷却洗涤室，所述冷却洗涤室设置在所述外壳底部，与所述气化室底部通过一洗涤管相连； 

所述外壳底部设有与所述冷却洗涤室相通的渣水出口；所述外壳底部一侧设有与所述冷却洗涤室相通的冷却洗涤室进水口、与所述洗涤管相连的洗涤管进水口；所述冷却洗涤室上方还设有与所述外壳相通的气体出口； 

所述气化喷嘴包括外圆环体、中圆环体、内圆环体、冷却室和喷头，所述外圆环体、中圆环体和内圆环体组成截面为同心圆的环管状结构，所述喷头位于所述环管状结构的下端；所述外圆环体与中圆环体之间设有外环向内喷射环形通道，所述中圆环体和内圆环体之间设有内环向外喷射环形通道；所述冷却室成环形，设置在外圆环体靠近喷头的一端； 

所述外圆环体的内径在接近所述喷头的位置处呈渐缩式结构； 

所述中圆环体的内径在接近所述喷头的位置处呈渐扩式结构，外径在接近所述喷头的位置处呈渐缩式结构； 

所述内圆环体在接近所述喷头的位置处呈一个直径逐渐扩大的圆台。 

2.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于：所述洗涤管为中空的圆柱管，所述圆柱管上部的内壁上开有小孔，所述圆柱管底部一圈开有小孔，可对反应生成的粗煤气进行降温除尘。 

3.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于：所述外环向内喷射环形通道在接近所述喷头处逐渐收窄，从而加大物料的喷射速度； 

所述内环向外喷射环形通道在接近所述喷头处逐渐收窄，从而加大物料的喷射速度。 

4.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于：所述冷却室有两个对称的接口，一端为进水口，一端为出水口。 

5.根据权利要求3所述的气化炉，其特征在于：所述外环向内喷射环形通道的外侧倾角为90°-180°之间，所述外环向内喷射环形通道的内侧倾角与外侧倾角和小于180°。 

所述内环向外喷射环形通道的内侧倾角为90°-180°之间，所述内环向外喷射环形通道的外侧倾角与内侧倾角和小于180°。 

6.根据权利要求5所述的气化炉，其特征在于：所述外环向内喷射 环形通道的外侧倾角为115°-165°、内侧倾角为20°-70°。 

7.根据权利要求5所述的气化炉，其特征在于：所述内环向外喷射环形通道的内侧倾角为115°-165°、外侧倾角为20°-70°。 

8.一种如权利要求1-7任一项所述的气化炉的工业应用，其特征在于：所述气化炉用于气化水煤浆、粉煤、褐煤、石油、渣油、天然气、焦炉气中一种或几种的混合物。