CN103627440A - 一种旋流干煤粉气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋流干煤粉气化炉，包括旋流煤粉烧嘴、反应室、排渣口、激冷室、外壳和保护环。旋流煤粉烧嘴的冷却循环水通道在向火端螺旋盘绕，冷却效果出色，排渣口的上部与下部分别与反应室的下部和保护环的上部连通，保护环的下部与激冷室的下降管上部连通，排渣口的直径与反应室的直径的比例为1:3～1:4。激冷室包括激冷环、下降管和破泡板，破泡板设置在下降管与外壳之间，反应室及排渣口的外部设有冷却水盘管。本发明的旋流干煤粉气化炉结构简单，特别适合日处理2000～3000吨的大规模煤气化生产工艺，同时碳转化率可达到98%以上。

Description

一种旋流干煤粉气化炉

技术领域

本发明涉及干煤粉气化领域，特别涉及一种干煤粉气化炉。

背景技术

煤的洁净与高效利用是当今世界能源与环境保护领域中的重大技术课题，也是我国国民经济可持续发展的关键技术之一，煤气化是将一次能源转化成洁净的二次能源的主要途径，大规模高效煤气化技术是发展煤基化学品生产、煤基液体燃料（合成油品、甲醇、二甲醚等）、先进的整体煤气化联合循环（IGCC）发电系统、多联产系统、制氢、燃料电池以及直接还原炼铁等过程工业的基础,是这些行业的公共技术、关键技术和龙头技术。

目前采用干煤粉气化的技术中，有代表性的主要有Shell、GSP、航天炉等干煤粉气化技术。Shell干煤粉气化炉采用四个煤粉烧嘴，为废锅流程，投资高，制造难度大，制造周期长；GSP为单喷嘴煤粉气化炉，但其激冷采用喷嘴喷淋方式，粗煤气中灰含量大；航天炉干煤气化炉在处理煤粉规模上还没有达到2000吨/天，且排渣口与反应室直径比例较大（1:2～1:2.5），碳转化率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋流干煤粉气化炉，实现大规模的干粉气化，提高碳转化率。

为实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：

本发明提供了一种旋流干煤粉气化炉，包括旋流煤粉烧嘴、反应室、排渣口、激冷室、外壳和保护环。所述旋流煤粉烧嘴设置在所述反应室的上部，所述反应室的下部与所述排渣口的上部连通，所述激冷室包括激冷环、下降管和破泡板，所述破泡板设置在所述下降管与所述外壳之间，所述激冷环设置在所述下降管的上端，所述反应室及所述排渣口的外部设有冷却水盘管。所述排渣口的下端和所述下降管的上端分别与所述保护环的上端与下端连通。所述旋流煤粉烧嘴由内到外依次包括点火通道、第一冷却循环水通道、氧气与蒸汽通道、煤粉通道和第二冷却循环水通道，所述第一冷却循环水通道与所述第二冷却循环水通道分别在向火端螺旋盘绕，所述氧气与蒸汽通道内设有旋流叶片，所述旋流叶片与所述旋流煤粉烧嘴的纵轴夹角为20～30°。所述排渣口的直径与所述反应室的直径的比例为1:3～1:4。所述第一冷却循环水通道与所述第二冷却循环水通道在向火端处分别通过螺旋盘绕的部分使冷却水高速螺旋流动，减薄甚至破坏湍流流动的层流底层，提高了导热系数，提高了冷却件的换热效果，保护了烧嘴端部；相应缩小了排渣口的直径，在保证排渣口不堵塞的前提下延长了干煤粉在反应室内的停留时间，提高了碳转化率；增加的保护环实现了排渣口与下降管的过渡，进一步保护了下降管，同时便于后续的检修。

优选地，所述煤粉通道包括4-6根煤粉管线，例如5根，所述煤粉管线沿所述旋流煤粉烧嘴的纵轴均匀分布，所述煤粉管线使得干煤粉在进入反应室前混合均匀，从而在与氧气混合进入反应室后能够充分燃烧，有利于提高碳转化率。

优选地，所述排渣口的直径与所述反应室的直径的比例为1:3.3～1:3.8，例如1:3.5或1:3.6。

优选地，在所述氧气与蒸汽通道内设有12～20个所述旋流叶片，所述旋流叶片高度为60～120mm，例如75～110mm，所述煤粉管线螺旋延伸至距离所述旋流煤粉烧嘴向火端出口20～40mm处，例如25～35mm，这样的设置方式使得氧气湍动更强，与煤粉混合更均匀。

优选地，所述反应室的直径与所述下降管的直径的比例为2:0.8～2:1.2，进一步优选为2:0.9～2:1.1，例如2:1。

优选地，所述破泡板为3～6层。

优选地，所述保护环为独立冷却水盘管，形状为圆筒状或喇叭口形，所述保护环的内表面堆焊有镍基合金材料，以提高保护环的寿命。进一步优选地，当所述保护环为圆筒状时，所述排渣口的直径＜所述保护环的直径≤所述下降管的直径；当所述保护环为喇叭口形时，所述保护环的小口端与所述排渣口的下端连通，所述保护环的大口端与所述下降管的上端连通，所述保护环的小口端的直径>所述排渣口的直径，所述保护环的大口端的直径≤所述下降管的直径。

优选地，所述下降管内侧壁与所述激冷环之间形成环形的激冷水出口，所述激冷水出口的环宽为5～15mm，例如8～12mm，从而使得激冷水的宽度合适，既不会浪费过多的水同时又能达到理想的激冷效果。

优选地，所述外壳与所述排渣口之间设有支撑板，所述下降管的下部通过固定杆与所述旋流干煤粉气化炉的外壳固定。

优选地，所述反应室由膜式水冷壁包绕，所述膜式水冷壁由冷却水盘管或竖直管构成，所述膜式水冷壁的内表面焊有长1～3cm，直径3～15mm的圆柱状不锈钢抓钉，抓钉上涂有1～3cm厚的碳化硅涂层。

本发明的旋流干煤粉气化炉煤粉在炉内弥散充分，停留时间长，碳转化率高，激冷洗涤除尘效果好，设备投资省，特别适合日处理2000～3000吨的大规模煤气化生产工艺。

附图说明

图1为本发明的旋流干煤粉气化炉示意图；

图2为本发明的旋流煤粉烧嘴的剖面图；

图3为图1所示激冷环的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个优选实施例作进一步描述。

如图1所示，本发明的旋流干煤粉气化炉包括旋流煤粉烧嘴1、反应室2、排渣口3、支撑板4、保护环5和激冷室6，外部设有外壳23。旋流煤粉烧嘴1设置在反应室2的顶部中心，其结构如图2所示，由内向外依次包括呈环状的点火通道11、第一冷却循环水通道12、氧气与蒸汽通道13、煤粉通道14和第二冷却循环水通道15。为提高旋流煤粉烧嘴1向火端处的冷却效果，第一冷却循环水通道12和第二冷却循环水通道15分别包括沿向火端螺旋盘绕的第一螺旋冷却管121和第二螺旋冷却管151，其前端面由1～4mm的高温合金薄壁构成，冷却水通过第一冷却循环水通道12的入口及第二冷却循环水通道15的入口流入，分别流入第一螺旋冷却管121和第二螺旋冷却管151内高速螺旋流动，再分别从第一冷却循环水通道12的出口及第二冷却循环水通道15的出口流出，冷却效果明显提高。煤粉通道14包括4根煤粉管线，相对于旋流煤粉烧嘴1的纵轴均匀分布，煤粉管线螺旋延伸至距离旋流煤粉烧嘴1出口L处，此时在图2中L为30mm。氧气与蒸汽通道13内设有18个均匀分布的旋流叶片16，旋流叶片16与旋流煤粉烧嘴1的纵轴的夹角为25°，旋流叶片16的高度为100mm。

反应室2由膜式水冷壁21包绕，膜式水冷壁21由冷却水盘管构成，膜式水冷壁21的内表面焊有长1.5cm，直径10mm的圆柱状不锈钢抓钉，抓钉上涂有2cm厚的碳化硅涂层。排渣口3的外部也设有膜式水冷壁，排渣口3的直径D2与反应室2的直径D1的比例为1:3.5。排渣口3与外壳23之间设有支撑反应室2的支撑板4。膜式水冷壁21与外壳23之间设有空腔，可以防止高温向外辐射，同时空腔中有吹扫气，可以带走冷却水盘管的热量，防止冷却水盘管热疲劳及寿命下降。保护环5呈圆筒状，内表面堆焊镍基合金材料，使保护环5能够承受高温。排渣口3的上端与下端分别与反应室2的下端和保护环5的上端连通，连通处的缝隙用耐高温的碳纤维填充，保护环5通过螺栓与支撑板4固定连接。由于排渣口3及保护环5处容易受高温腐蚀，容易损坏，这种连接方式可便于检修。反应室2与激冷室6通过支撑板4隔开。由于排渣口3的直径D2为了增加碳转化率的目的而相应缩小，而下降管62的直径D4为了实现激冷的目的又不能过小，因此保护环5的直径D3需要满足D2＜D3≤D4的条件。

如图3所示，激冷环61设置在下降管62的上端，激冷水入口65位于下降管62外侧，激冷水出口66为下降管62内侧壁与激冷环61之间形成的环形缺口，激冷水出口66的环宽为8mm。保护环5的下端与下降管62的上端连通，中间缝隙由碳纤维填充。下降管62与外壳23之间设有4层破泡板63，下降管62的下部通过固定杆64与外壳23固定连接。激冷室6的下端设有渣出口7，激冷室6的下端侧部设有黑水出口8，激冷室6的位于破泡板63上方的侧部设有粗煤气出口9。下降管62的直径D4与反应室2的直径D1的比例为2:1。

本发明的旋流干煤粉气化炉的工作过程如下：干煤粉与氧气和水蒸气一起经旋流煤粉烧嘴1由炉顶入口旋流进入反应室2，即以单喷嘴方式进料，在反应室2内发生剧烈的气化反应，气化压力在2～5MPa之间，气化温度在1300～1650℃之间。干煤粉在反应室2停留时间为2～8秒，生成的液态灰渣被甩到碳化硅涂层上，立即固化，固化层增加至约2～3cm时，达到平衡，甩至固化层上的液态渣由于重量及气流带动下从排渣口3排出。粗合成气及灰渣进入排渣口3，经保护环5后进入下降管62中，经激冷环61喷出的激冷水冷却、洗涤、固化，大部分激冷水会沿着下降管62内壁形成水膜保护下降管，灰渣最后进入了渣池，粗煤气经渣池上层液体进一步洗涤、除尘、折流向上，经破泡板63破除大量气泡，经粗煤气出口9流出。渣池中的灰渣最终通过渣出口7排出气化炉，激冷水与部分灰渣的混合物（即所谓的“黑水”）通过黑水出口8流出。由于排渣口与反应室的直径比较合理，既保证了排渣口不会堵塞，又提高了干煤粉在反应室2中停留的时间，有利于碳的充分转化。在采用本发明的一个实施例中，气化炉投煤量为70t/h，其中煤中含灰15%，反应完后，从旋流干煤粉气化炉排出的粗渣与细渣比例为1:1，其中粗渣含残碳1%，细渣含残碳20%，由此算得未转化的碳为70*0.15/2*1%+70*0.15/2*20%=1.1025t/h，因此碳转化率为（1-1.1025/70）*100%=98.5%，比航天炉干煤气化炉的碳转化率高出2%左右。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。

Claims (10)

1.一种旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述旋流干煤粉气化炉包括旋流煤粉烧嘴、反应室、排渣口、激冷室、外壳和保护环；

所述旋流煤粉烧嘴设置在所述反应室的上部，所述反应室的下部与所述排渣口的上部连通，所述激冷室包括激冷环、下降管和破泡板，所述破泡板设置在所述下降管与所述外壳之间，所述激冷环设置在所述下降管的上端，所述反应室及所述排渣口的外部设有冷却水盘管；

所述排渣口的下端和所述下降管的上端分别与所述保护环的上端与下端连通；

所述旋流煤粉烧嘴由内到外依次包括点火通道、第一冷却循环水通道、氧气与蒸汽通道、煤粉通道和第二冷却循环水通道，所述第一冷却循环水通道与所述第二冷却循环水通道分别在向火端螺旋盘绕，所述氧气与蒸汽通道内设有旋流叶片，所述旋流叶片与所述旋流煤粉烧嘴的纵轴夹角为20～30°；

所述排渣口的直径与所述反应室的直径的比例为1:3～1:4。

2.根据权利要求1所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述煤粉通道包括4-6根煤粉管线，所述煤粉管线沿所述旋流煤粉烧嘴的纵轴均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述排渣口的直径与所述反应室的直径的比例为1:3.3～1:3.8。

4.根据权利要求2所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，在所述氧气与蒸汽通道内设有12～20个所述旋流叶片，所述旋流叶片高度为60～120mm，所述煤粉通道螺旋延伸至距离所述旋流煤粉烧嘴向火端出口20～40mm处。

5.根据权利要求1所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述反应室的直径与所述下降管的直径的比例为2:0.8～2:1.2。

6.根据权利要求5所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述反应室的直径与所述下降管的直径的比例为2:0.9～2:1.1。

7.根据权利要求1所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述保护环为独立冷却水盘管，形状为圆筒状或喇叭口形，所述保护环的内表面堆焊有镍基合金材料。

8.根据权利要求7所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，当所述保护环为圆筒状时，所述排渣口的直径＜所述保护环的直径≤所述下降管的直径；

当所述保护环为喇叭口形时，所述保护环的小口端与所述排渣口的下端连通，所述保护环的大口端与所述下降管的上端连通，所述保护环的小口端的直径>所述排渣口的直径，所述保护环的大口端的直径≤所述下降管的直径。

9.根据权利要求1或8所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述下降管内侧壁与所述激冷环之间形成环形的激冷水出口，所述激冷水出口的环宽为5～15mm。

10.根据权利要求1所述的旋流干煤粉气化炉，其特征在于，所述外壳与所述排渣口之间设有支撑板，所述下降管的下部通过固定杆与所述旋流干煤粉气化炉的外壳固定。

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