CN103756729B - 脉冲下吸式固定床高温气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲下吸式固定床高温气化炉，属于热能工程领域。本发明气化炉炉体上设有脉冲气进气通道、高温蒸汽进气通道和产品气出气通道，气化炉炉体的喉口处对称设有高温蒸汽进气通道，所述高温蒸汽进气通道上方设有脉冲气进气通道，气化炉炉体下部设有产品气出气通道。本发明可对生物质、城市生活垃圾及医疗垃圾等高热值固体燃料进行气化，气化效率高，气化强度大，燃气品质高，可实现垃圾的无害化、减量化和资源化处理，其环境保护效果显著，经济利用效益巨大，市场前景广阔。

Description

脉冲下吸式固定床高温气化炉

技术领域

本发明涉及一种脉冲下吸式固定床高温气化炉，属于热能工程领域。

背景技术

目前，生物质、城市生活垃圾和医疗垃圾等固体废物的有效利用可以缓解环境问题和能源问题。热解气化技术在对固体废物资源化处理方面有着较大的优势，尤其在高热值固体废物（包括城市生活垃圾、医疗垃圾）方面同时具备资源化、减量化和无害化等优势。下吸式气化炉的喉口延长了气相停留时间，使焦油在高温区裂解，生成的气体中焦油含量比较少，同时物料中的水分参加反应，使产品气中H₂含量增加，但气化过程中物料流动性较差，很容易发生物料架桥，使气化过程不稳定。一般的下吸式固定床气化炉蒸汽气化过程中，由于没有氧化反应提供热量，需要提供外加热源或者以蒸汽作为热载体，若以蒸汽作为热载体，往往带入的热量满足不了气化过程所需热量，有时需要配入一些氧气，以提供反应热量。另外，采用固定床气化炉时，固体料层常出现搭桥现象，需定时对内部的料层进行拨火操作，导致额外的人员利用。本发明针对传统下吸式固定床气化炉的这些缺点，提出本发明专利脉冲下吸式固定床高温气化炉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够增强气化过程中物料的流动性，提高气化过程的稳定性，降低焦油含量，增强气化强度，使的产品气中H₂含量达50%的脉冲下吸式固定床高温气化炉。

技术解决方案：

本发明包括气化炉炉体，气化炉炉体上设有脉冲气进气通道、高温蒸汽进气通道和产品气出气通道，气化炉炉体的喉口处对称设有高温蒸汽进气通道，所述高温蒸汽进气通道上方设有脉冲气进气通道，气化炉炉体下部设有产品气出气通道。

进一步：脉冲气进气通道位于气化炉喉口上半部分，采用两侧对称布置，脉冲气进气通道的进气口位于喉口上部倾斜面上，该倾斜面与气化炉炉体轴线呈45度夹角，脉冲气进气通道的进气口与该倾斜面呈90度直角，根据物料的不同，脉冲气以固定的间隔时间喷入气化炉内，所输送的脉冲气可以是空气、氧气、400℃-1000℃的高温烟气及600℃-1000℃的高温蒸汽。

进一步：高温蒸汽进气通道位于气化炉喉口处，采用两侧对称布置，对称设置的高温蒸汽进气通道的蒸汽进口与气化炉炉体法向呈15度的角度喷入气化炉内。

进一步：气化炉炉体外部与喉口相对应位置处设有高温蒸汽制备装置，高温蒸汽制备装置包括：加热腔体和螺旋管，加热腔体内壁上下侧设有硅碳棒，螺旋管位于加热腔体中间，螺旋管一端与低温蒸汽管连接，另一端与高温蒸汽进气通道连接。

进一步：气化炉炉体内径分为四个部分：一是连接给料装置的部分，其内径最大；二是喉口部分，其内径最小；三是接近喉口位置的反应区，内径介于前面两者之间；四是接近产品气出气通道的炉体，其内径与连接给料装置部分的炉体内径一致。

进一步：炉体内壁采用高热钢，外壁为耐火砖，并在耐火砖中靠近炉体内壁的地方嵌入硅碳棒。

进一步：炉体底部设有可升降炉排，升降炉排包括升降架和炉排，升降架上放置炉排。

本发明通过向气化炉内喷入脉冲气（氧气，或400℃-1000℃的高温烟气，或空气），不仅可以满足炉内反应所需热量，而且能够满足料层拨火要求，解决了固定床气化炉气化过程中存在的问题。此外，本气化炉对原料的适应性广，可对生物质、城市垃圾和医疗垃圾等固体废物进行气化，通过在炉体喉部通入高温蒸汽，实现了固体废弃物无害化、减量化和资源化处理，产生出富含氢气的燃气，达到最大化回收废弃物潜在能量的目的。本发明所解决的技术问题主要包括：（1）采用脉冲气进行拨火，避免了机械拨火方式造成的系统复杂、维修困难等问题（如专利CN101198676A采用的搅拌方式）；（2）脉冲气（氧气，或400℃-1000℃的高温烟气，或空气）与碳发生反应放出热量，可实现部分热量的补充；（3）焚烧法所带来二噁英、氮氧化物等危险气体的排放问题；（4）固体废物填埋、堆肥等处理方法中存在的减容问题；（5）热解气化过程中产生的焦油问题。

本技术的优点主要有以下几个方面：

（1）脉冲下吸式固定床高温气化炉采用高温蒸汽与氧气（或400℃-1000℃的高温烟气，或空气）联合气化的方法，具有反应过程温度高，焦油含量少，燃气品质高，富含氢气等特点。避免了低温蒸汽气化过程中焦油含量大的缺点，以及采用空气作为气化剂时产生的产品气品质差的缺点。同时，反应中部分氧化反应可提供气化反应所需的热量，比低温蒸汽气化反应耗能低。

（2）本发明所采用的方法解决了传统高温蒸汽制备过程能耗大、换热效率低、蒸汽温度较低等缺点，极大地降低了能源消耗。

（3）通过引入炉体加热系统，便于对反应区的温度进行适时控制，使气化过程在特定的温度下进行，气化效率高，气化强度大，气化过程稳定。

（4）脉冲气的喷入破坏了固体燃料气化过程中由于高温而在气化炉内产生的搭桥现象，起到了搅拌作用。而且，高温促进了热解产生的焦油等长链化合物的分解，提高了产气量，降低了焦油含量。同时，通入的氧气（或400℃-1000℃的高温烟气，或空气）可与热解产气及固定碳发生部分氧化反应，提供部分热源，维持炉内温度在较高的水平，实现焦油的进一步裂解。

（5）可升降炉排的设计，可随气化过程调节总体堆积高度，从而控制反应计量，便于实验研究及生产控制。

附图说明

图1为本发明俯视图；

图2为图1的A-A剖面；

图3为图1中B-B剖面。

具体实施方式

下面结合附图对本气化炉和气化工艺作进一步说明。

脉冲下吸式固定床高温气化炉，如图1、图2和图3所示，自上而下包括：给料装置1，蝶阀1-1，料斗1-2，蝶阀1-3；上部分气化炉炉体2，耐火砖保温层2-1，高热钢内胆2-2，上下部分炉体连接法兰2-3；下部分气化炉炉体3，脉冲气进气通道3-1，高温蒸汽进气通道3-2，产品气出气通道3-3，耐火砖保温层3-4；硅碳棒加热装置4；温度监测及气体采样点5；高温蒸汽制备装置6，硅碳棒6-1，低温蒸汽进口6-2，螺旋管6-3，高温蒸汽出口6-4；可升降炉排7，炉排7-1，升降架7-2；集渣装置8。

本发明上部分气化炉炉体2与给料装置1通过法兰连接，上部分气化炉炉体2与下部分气化炉炉体3通过上下部分炉体连接法兰2-3连接，下部分气化炉炉体3与集渣装置8通过法兰连接，集渣装置8上面的法兰上放置可升降炉排7，可升降炉排7包括炉排7-1和升降架7-2，升降架7-2上放置炉排7-1。

气化炉炉体包括上部分气化炉炉体2和下部分气化炉炉体3，内径分为四个部分：一是连接给料装置8的上部分气化炉炉体2，其内径最大；二是下部分气化炉炉体3的喉口部分，其内径最小；三是下部分气化炉炉体3接近喉口位置的反应区，内径介于前面两者之间；四是下部分气化炉炉体3接近产品气出气通道3-3的炉体，其内径与上部分气化炉炉体2的内径一致。所述气化炉炉体内壁采用高热钢内胆2-2，外壁为耐火砖保温层2-1和3-4，并在耐火砖保温层2-1和3-4中靠近气化炉炉体内壁高热钢内胆2-2的地方嵌入硅碳棒加热装置4，硅碳棒加热装置4从上至下均布在热解气化反应区内。

所述气化炉炉体上设有脉冲气进气通道3-1，高温蒸汽进气通道3-2，产品气出气通道3-3，气化炉炉体的喉口处对称设有高温蒸汽进气通道3-1，高温蒸汽进气通道3-2位于气化炉炉体的喉口处，采用两侧对称布置，对称设置的高温蒸汽进气通道3-2的蒸汽进口与气化炉炉体法向呈15度的角度喷入气化炉内。所述高温蒸汽进气通道3-2上方设有脉冲气进气通道3-1，脉冲气进气通道3-1位于气化炉炉体的喉口上半部分，采用两侧对称布置，脉冲气进气通道3-1进气口位于喉口上部倾斜面上，该倾斜面与气化炉炉体轴线呈45度夹角，脉冲气进气通道3-1进气口与该倾斜面呈90度直角，根据物料的不同，脉冲气以固定的间隔时间喷入气化炉内，所输送的脉冲气可以是空气、氧气、400℃-1000℃的高温烟气；气化炉炉体下部设有产品气出气通道3-3。

所述气化炉炉体外部与喉口相对应位置处设有高温蒸汽制备装置6，高温蒸汽制备装置包括：加热腔体和螺旋管6-3，加热腔体内壁上下侧设有硅碳棒6-1，螺旋管6-3位于加热腔体中间，螺旋管6-3一端与低温蒸汽管连接，另一端与高温蒸汽进气通道3-2连接。

本发明所述给料装置1，位于气化炉顶部，如图2所示，填料时蝶阀1-1打开，蝶阀1-3关闭，待料斗1-2装满后，蝶阀1-1关闭，蝶阀1-3打开，从而实现加料过程。如此，既可满足密闭加料的要求，又能够连续加料。

所述气化炉炉体由上部分气化炉炉体2和下部分气化炉炉体3组成，如图1和图2所示，两者由上下部分炉体连接法兰2-3密封连接。物料由给料装置1进入气化炉后，依靠重力逐渐向下移动，燃料床层承托在可升降炉排7上，灰渣由气化炉底部排入到集渣装置8内。气化剂高温蒸汽由气化炉炉体中部喉口处的高温蒸汽通道3-2喷入气化炉内，然后向下流动，反应层由上到下依次为干燥层、热解层、氧化层和还原层。其中，干燥层和热解层主要在上部分气化炉炉体2处，氧化层和还原层主要在下部分气化炉炉体3与炉排7-1之间。

所述高温蒸汽制备装置6主要部件为硅碳棒6-1和螺旋管6-3，可将低温蒸汽加热到800℃以上的高温，其实现工艺为：硅碳棒6-1接通电源后温度可达1300℃以上，通过辐射换热和对流换热将螺旋管6-3加热，然后低温蒸汽由低温蒸汽进口6-2接入螺旋管6-3，低温蒸汽在螺旋管6-3内通过辐射换热和对流换热后，温度可达到800℃以上，最后通过高温蒸汽出口6-4进入到高温蒸汽进气通道3-2，然后被喷入到气化炉内。接入到高温蒸汽制备装置6的低温蒸汽一般为120℃左右，可由普通的蒸汽发生器制取得到，不在本发明保护范围内。

所述气化炉的气化工艺，包括以下几个步骤：

（1）给料和调节可升降炉排7：首先对固体燃料进行前处理，干燥至含水率低于15%，破碎至粒径范围为10-30mm，进料过程需要保证在密闭条件下进行。由于本气化炉可实现生物质、城市生活垃圾及医疗垃圾等高热值固体废物的气化处理，因此根据处理原料的不同，需相应调节可升降炉排7的高度。一般情况下，对于塑料、橡胶等高挥发性的物质可升降炉排7的位置可相对高一点，更接近气化炉炉体的喉口部位；对于生物质等固定碳含量高的物质，可升降炉排7位置应适当离气化炉炉体的喉口位置远一点，以保证气化效率。

（2）气化过程：固体燃料填入到气化炉内后，从上至下可分为四个层，分别为：干燥层、热解层、氧化层和还原层，气化炉中分布的温度监测及气体采样点5中的热电偶可即时传输各个燃料层的温度，根据温度的变化可调整进料速度、蒸汽流量及脉冲气的喷入量和间隔时间，从而控制各个燃料层维持在一个相对稳定的水平。下面对各个层的反应过程进行描述：

①干燥层：温度在100℃—300℃，该层主要是固体燃料的干燥过程，其热量主要由下层热解层热传导和热辐射提供，固体燃料蒸发出其体内的水分，变成干物料。

②热解层：温度在500℃—800℃，随着物料的消耗而下移进入热解层，由于硅碳棒加热装置4提供热量，该层温度达到了挥发分的溢出温度，固体燃料开始发生热解，干物料逐渐裂解为炭、挥发分及焦油等物质。

③氧化层：温度在1000℃—1200℃，随着反应的进一步进行，热解层产生的炭、挥发分及焦油等物质继续向下移动而进入氧化层，该层主要是脉冲气中的氧气与热解区生成的炭发生燃烧反应生成CO和CO₂，并放出热量。由于脉冲气中的氧气较少，因此床层较薄，脉冲气在此有三个作用：一是反应放热可提供部分热量，减少能量消耗；二是脉冲气的间断喷入，可防止料层出现搭桥现象；三是脉冲气的量较少，不会对产品气的品质产生较大影响。主要反应为：

C+O₂→CO₂

2C+O₂→2CO

④还原层：温度在800℃—1000℃，氧化层中未反应的碳与挥发分及焦油等物质继续下移进入还原区，与从气化炉喉口进入的高温蒸汽反应生成富含氢气的高热值气体。该区域内主要发生两类反应：一是碳与水蒸气及CO₂发生的气—固反应；一是挥发分及焦油等物质与水蒸气发生的气—气反应。高温蒸汽在此有两个作用：首先是提供反应所需的部分热量；其次是对焦油的重整作用，生成氢气、甲烷及CO等不可凝小分子物质。此外，喉口下部的硅碳棒加热装置4也提供部分热量，并通过温度监测及气体采样点5中的热电偶监测温度，使气化反应维持在一个相对稳定的状态。主要反应为：

C+H₂O→CO+H₂

C+2H₂O→CO₂+2H₂

C+CO₂→2CO

CO+H₂O→2CO₂+H₂

CO+3H₂→CH₄+H₂O

以上所述为本发明的气化工艺，但本发明的保护范围并不局限于此，任何与本发明所采用的技术方案及发明构思相同或相似的技术或工艺，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.脉冲下吸式固定床高温气化炉，包括气化炉炉体，其特征在于，气化炉炉体内径分为四个部分：一是连接给料装置的部分，其内径最大；二是喉口部分，其内径最小；三是接近喉口位置的反应区，内径介于前面两者之间；四是接近产品气出气通道的炉体，其内径与连接给料装置的部分的炉体内径一致；

气化炉炉体上设有脉冲气进气通道、高温蒸汽进气通道和产品气出气通道，气化炉炉体的喉口处对称设有高温蒸汽进气通道，所述高温蒸汽进气通道上方设有脉冲气进气通道，气化炉炉体下部设有产品气出气通道；

所述脉冲气进气通道位于气化炉喉口上半部分，采用两侧对称布置，脉冲气进气通道的进气口位于喉口上部倾斜面上，该倾斜面与气化炉炉体轴线呈45度夹角，脉冲气进气通道的进气口与该倾斜面呈90度直角，根据物料的不同，脉冲气以固定的间隔时间喷入气化炉内，所输送的脉冲气可以是空气、氧气、400℃-1000℃的高温烟气；

高温蒸汽进气通道位于气化炉喉口处，采用两侧对称布置，对称设置的高温蒸汽进气通道的蒸汽进口与气化炉炉体法向呈15度的角度喷入气化炉内。

2.根据权利要求1所述的脉冲下吸式固定床高温气化炉，其特征在于，气化炉炉体外部与喉口相对应位置处设有高温蒸汽制备装置，高温蒸汽制备装置包括加热腔体和螺旋管，加热腔体内壁上下侧设有硅碳棒，螺旋管位于加热腔体中间，螺旋管一端与低温蒸汽管连接，另一端与高温蒸汽进气通道连接。

3.根据权利要求1所述的脉冲下吸式固定床高温气化炉，其特征在于，炉体内壁采用高热钢，外壁为耐火砖，并在耐火砖中靠近炉体内壁的地方嵌入硅碳棒。

4.根据权利要求1所述的脉冲下吸式固定床高温气化炉，其特征在于，炉体底部设有可升降炉排，升降炉排包括升降架和炉排，升降架上放置炉排。