CN103874748A - 非熔融和部分熔融型气流床气化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆柱形非熔融和部分熔融型气流床气化炉，其顶部安装有一个或多个燃烧器，用于向其中供应煤粉原料和氧化剂，其中每个所述燃烧器包括三或四个管线，以形成中心供应管线用于通过载料气体将煤粉喷射进所述气化炉，围绕所述中心供应管线的主氧化剂环形区域，具有多个主氧化剂供应孔用于以与所述煤粉经所述中心供应管线供应至的喷射区域垂直地或一定角度地喷射主氧化剂，以使所述煤粉朝向所述中心区域，以及环绕所述主氧化剂环形区域的外冷却环形区域，用于冷却水流动，根据煤的性质，所述气化炉优选在1250-1450℃或1150-1500℃温度范围内工作。根据本发明，所述煤粉和所述氧化剂恰当地混合，所述煤粉朝向所述气化炉的中间，以便反应在灰分全部熔融或部分熔融情况下完成。

Description

非熔融和部分熔融型气流床气化炉
技术领域
本发明涉及一种非熔融和部分熔融型气流床气化炉，更具体地，涉及这样一种非熔融和部分熔融型气流床气化炉，其用于通过以下方式生产主要成分为一氧化碳（CO）和氢气（H2）的合成气：经设置在所述气化炉顶部的燃烧器供应煤或者诸如重渣油的低品级烃原料，并允许供应的原料与独立于所述原料供应提供的氧化剂反应以气化供应的原料。
背景技术
众所周知，在本领域中气化技术是一种通过将煤、生物质或者诸如重渣油的低品级烃馏分气化生产合成气的清洁能源生产技术。所生产的合成气用于IGCC（整体气化联合循环）、用于生产化工原料，如甲醇或DME（二甲醚）、合成石油和合成天然气等。
传统煤气化炉的典型例子包括在1400℃或更高温度下工作的液态排渣气化炉以及非排渣模式下工作的流化床或固定床气化炉。
有机物，如煤或重渣油能够在1300℃温度下转化成合成气，液态排渣气化炉在1400℃到1600℃温度范围内工作以熔融灰分。与这些气化炉不同，为了避免灰分在熔渣上粘附，流化床或固定床气化炉在低于灰分结渣温度的1000℃或更低温度下工作。
大部分设计为气化诸如煤的固体颗粒物料或者诸如重渣油的含有灰分的液体物料生产清洁能源的气化技术是基于以下的气流床气化技术，其中尺寸很小的煤粉颗粒被携带入氧化剂流（氧气或氧气和蒸汽的混合气体）以促进气化反应。
在大多数气化技术中，因为供应了相对大量的氧化剂，气化炉的工作温度高达1400-1600℃，气化反应在该高温环境中进行。因此具有反应所需时间较短的优点。
此外，气流床气化技术在该高温环境中使用结渣灰分的技术，以形成熔渣。
因此，气流床气化技术具有碳转化率高的优点，因为在大部分的煤粉以熔融状态沿所述气化炉的内壁流动的过程中，煤粉的碳几乎全部被转化成气态。
另一方面，在这种气流床气化炉情况中，以如下方式制造的反应器被频繁使用：在压力容器的内壁上内衬厚的耐火材料以保护气化炉不被高温熔融灰分损坏。
因为高温熔融灰分熔渣沿所述气化炉的壁表面流动，耐火材料会在相对较短的时间内被腐蚀破坏。进一步地，引起原料的气化反应，并以一氧化碳（CO）和氢气（H2）为主要成分的合成气还包含含硫气体，如腐蚀性硫化氢（H2S），它会增加高温合成气的腐蚀性，大大缩短耐火材料的使用寿命。
在许多工业气化设备中，耐火材料的使用寿命的确很短，因此需要在更换新的耐火材料过程中花费大量的成本和时间，从而降低了工业设备的利用率。
结果是，由于较短的耐火材料使用寿命，在将煤粉气化以操作联合动力装置的整体气化联合循环（IGCC）系统中，年度营运天数减少，由此带来经济方面的问题。此外，在利用由煤粉气化产生的合成气生产合成石油或化工原料的设备中，产品的年产量下降，由此带来经济方面的问题。
与这种排渣型气化炉相反的技术包括非排渣型气化技术，这种非排渣型气化技术的典型例子包括流化床气化技术。
在所有流化床气化技术中，额外提供了固态流体介质（通常为沙或煤灰），以便氧化剂和压碎的煤颗粒与所述固体流体介质在反应器中直接接触和混合，促进气化反应。
然而，在这种流化床气化技术中，所述流体介质不能熔融，为此，与气流床气化炉情况相比，仅提供相对较小量的氧化剂，因此流化床气化炉的工作温度大体约为950℃或更低且不能超过1000℃。因此，流化床气化技术具有耐火材料的使用寿命较长的优点。
然而，流化床气化技术具有以下缺点：由于比气流床气化技术更低的工作温度，气化反应很费时；碳的转化率比气流床气化技术低。
此外，它还具有以下缺陷：为了补偿低工作温度，反应器的尺寸需要增加，随着反应器尺寸增加，与大气接触的反应器的外壁面积也会增加，导致热量流失增加。而且，由于相对较低的工作温度，原料没有完全转化为合成气，产生一些液体焦油，引起操作失败或产量较少。
在一些情况下会出现污垢，导致操作失败。
关于本发明的背景技术，例如，注册号为10-1096632的韩国专利（2011年10月21日公布）公开了一种顶部供料的双涡流气化炉，包括：供料管线，利用氮气经该管线供应煤粉；分流器，用于分流供应的煤粉；燃烧器喷嘴，用于供应在分流器中分流的煤粉和氧化剂；压力反应器，用于使煤粉与氧化剂反应，产生以一氧化碳（CO）和氢气（H2）为主要成分的合成气；涡流发生器，用于向供应至所述压力反应器的氧化剂施加涡流力；设置于所述压力反应器下方的熔渣冷却和储存容器，其中每个用于供应煤粉和氧化剂的燃烧器喷嘴由三重管组成。所述煤粉和载料气体被供应至中央区域，所述氧化剂被供应至围绕所述中央区域的环形区域。
根据这种配置，因为所述氧化剂在所述环形区域中通过涡流发生器施加了涡流力。促进了原料煤粉和氧化剂的混合，从而气化反应快速完成。由此减小了气化炉的体积，并且在反应器中停留很长时间的情况下，由煤粉颗粒的出渣和聚集形成的熔渣在涡流产生的离心力的作用下沿所述气化炉的内壁流动，由此提高碳转化率。进一步的，所述煤粉颗粒能被处理为熔渣副产物，并由此确保经济性。
以上专利涉及一种在排渣模式下工作的气流床气化炉。根据该发明所披露的内容，气化炉的顶部设置有由多个三重管形式的燃烧器组成的整体燃烧器单元，每个燃烧器的中心区域设置有物料供应管线以注入煤粉。另外，围绕所述物料供应管线的环形区域中设置有涡流发生器以向围绕物料的主氧化剂施加涡流力，从而在气化炉中形成涡流，并且冷却水流向每个燃烧器环形区域，保护燃烧器不被高温环境损坏。此外，次氧化剂供应至气化炉顶部的圆形截面区域，该区域不包括设置有多个燃烧器的区域，通过这种方式还可以将涡流力施加到次氧化剂。此外，由于主氧化剂的流量和次氧化剂的流量可以单独控制，原料经所述多个燃烧器供应，并且涡流力被施加到从每个燃烧器供应的主氧化剂，同时也被施加到流经围绕所述燃烧器的区域的次氧化剂，煤粉流据此倾向于朝向所述气化炉的内壁，由此存在于煤粉中的大分部灰分能以熔融的状态被处理，从而提高碳转化率。
传统的气流床气化技术包括采用排渣型技术的上述专利并具有以上所述优点。
尽管传统的气流床气化技术具有以上优点，然而，能够抵抗气流床气化炉的高温环境1或2年或更长时间的极好的耐火材料并不存在，而且还需要非常特殊的材料，其价格并不适合商业应用。鉴于这些事实，除了发生合成气引起的腐蚀之外，在发生熔融的熔渣过度地朝所述气化炉的内壁移动引起的腐蚀的环境中，气化炉无法长时间工作。
在属于另一种类的传统技术的流化床气化技术中，流化床气化技术的工作温度约在不会使灰分熔融的950℃或更低，并且温度不会超过1000℃。由此，该技术具有耐火材料使用寿命长的优点，并由此可以长时间工作，但是它具有以下缺陷：由于较低工作温度，与气流床气化技术相比，它需要大量气化反应时间，碳转化率低于气流床气化技术，并且需要增加反应器的尺寸。
此外，由于较低的工作温度，会产生一些液体焦油，引起操作失败或者降低产量，并且在一些情况下会出现污垢，导致操作失败。
发明内容
技术问题
因此，为解决上述现有技术中出现的问题作出本发明，本发明的目的是提供一种非熔融和部分熔融型气流床气化炉，所述气化炉中以大于非熔融气化炉的供应量但是小于熔融型气化炉的供应量供应氧气，供应至所述熔化型气化炉中的氧化剂远大于非熔化型气化炉，所述非熔融和部分熔融型气流床气化炉据此能够在灰分不熔融或部分熔融状态下在所述两种类型的气化炉的工作温度的中间值：1250-1450℃温度下工作，从而大部分有机材料能够转化为气态，根据不同性质煤的反应性和灰分的流化温度，所述非熔融和部分熔融型气流床气化炉还可以在灰分不熔融或部分熔融状态下在1150-1500℃温度下工作，从而所述非熔融和部分熔融型气流床气化炉不会暴露在1500℃或以上的高温下，从而提高所述气化炉材料的耐久性并降低所述气化炉的制造成本。
本发明的另一个目的是提供一种具有高反应率的气流床形式的非熔融和部分熔融型气流床气化炉，在需要时能够使未转化的含碳灰分循环使用以获得高的碳转化率，并能够产生用作再生材料而不循环至所述气化过程中的灰分。
技术方案
为了能够实现上述目的，一方面，本发明提供一种非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其中经设置在所述气化炉顶部的一个或多个燃烧器供应作为原料的煤粉和氧化剂。其中每个燃烧器由三重管组成，并且包括：最中心区域的原料供应管线，经该原料供应管线，通过载料气体将所述煤粉喷射入所述气化炉；主氧化剂区域，该区域为设置为环绕所述原料供应管线的环形区域，其中形成有多个主氧化剂供应孔，主氧化剂通过所述主氧化剂供应孔以与所述煤粉经所述原料供应管线供应至的区域垂直地或呈角度地喷射，以便所述煤粉朝向所述中心区域；以及冷却水区域，该区域为设置为环绕所述主氧化剂区域的最外环形区域，经所述冷却水区域将冷却水引入到所述气化炉中或从所述气化炉中排出，根据所述煤粉的性质，所述气化炉优选地在1250-1450℃温度范围内工作或者在1150-1500℃温度范围内工作。
在本发明中，每个所述燃烧器可以由四重管组成，并进一步包括次氧化剂区域，该区域设置为环绕所述主氧化剂区域的环形区域，其中形成有多个次氧化剂供应孔，次氧化剂通过所述次氧化剂供应孔以与所述煤粉经所述原料供应管线供应至的区域垂直地或呈角度地喷射，以便所述煤粉朝向所述中心区域。
所述氧化剂可以以约-20°至+20°的角度喷射至所述煤粉喷射至的区域，以便控制所述煤粉和所述氧化剂的混合程度。
考虑到所述煤粉反应性的程度(反应度)以及所述煤粉颗粒的移动方向，可以以氧化剂供应总量的50-100%的量供应所述主氧化剂，可以以氧化剂供应总量的0-50%的量供应所述次氧化剂。
所述气化炉的反应区域的长径比（L/D）为5-10，其中L和D分别为所述反应区域的长度和直径。
在所述煤粉为反应性差的高品级煤时，所述氧化剂以0°到+20°的角度喷射并且几乎全部由主氧化剂组成，当所述煤粉为反应性好的低品级煤时，所述氧化剂以-20°到0°的角度喷射并由主氧化剂和次氧化剂组成，控制所喷射的所述主氧化剂和所述次氧化剂之间的比例，以便所述煤粉的气化相对于仅供应所述主氧化剂时更缓慢地发生。
优选地，所述次氧化剂供应孔的数量比所述主氧化剂供应孔数量多2-3倍，并且所述次氧化剂供应孔直径为所述主氧化剂供应孔直径的1/2-1/3。
有利效果
根据本发明，煤粉和氧化剂相互适当地混合，同时煤粉颗粒的路径指向所述气化炉的中心。因此，所有灰分在保持非熔融状态或部分熔融状态时被完全气化。
附图说明
图1为示出了根据本发明实施例的非熔融和部分熔融气流床气化炉的配置的示意图；
图2示出了图1所示的气化炉的实例，并且为示出了三重管型燃烧器的水平截面的概念视图，其中煤粉和氧化剂经所述三重管型燃烧器供应；
图3示出了图1所示的气化炉的另一实例，并且为示出了四重管型燃烧器的水平截面的概念视图，其中煤粉和氧化剂经所述四重管型燃烧器供应；
图4为示出了图3所示的燃烧器的垂直截面的概念视图，并且示出了主氧化剂和次氧化剂供应的方向；
图5为示出了图2或图3中所示的三重管型燃烧器或四重管型燃烧器以及所述燃烧器中耐火材料内衬的设置的一组水平截面视图；
图6为示出了图2或图3中所示的三重管型燃烧器或四重管型燃烧器以及所述燃烧器中耐火材料内衬的设置的水平截面视图；
图7为示出了当所述气化炉下面设置淬火器区域时，合成气、非熔融灰分和熔融灰分在本发明的所述气化炉中的流动的概念视图；
图8为示出了当所述气化炉下面设置淬火器区域时，合成气、非熔融灰分和熔融灰分在本发明的所述气化炉中的流动的概念视图；以及
图9示出了本发明的气化炉中颗粒轨迹的计算分析结果。
具体实施方式
以下将参考附图对本发明进行详细描述。进一步，在以下说明中，当详细描述所涉及的已知功能和配置会使本发明的主题变得不清楚时，这样的详细描述将会省略。
图1为示出了本发明实施例的非排渣和部分排渣型气流床气化炉的配置的示意图；图2示出了图1所示的气化炉的实例，并且为示出了三重管型燃烧器的水平截面的概念视图，其中煤粉和氧化剂经所述三重管型燃烧器供应；图3示出了图1所示的气化炉的另一实例，并且为示出了四重管型燃烧器的水平截面的概念视图，其中煤粉和氧化剂经所述四重管型燃烧器供应；图4为示出了图3所示的燃烧器的垂直截面的概念视图，并且示出了主氧化剂和次氧化剂供应的方向。图2和3详细示出了三重型燃烧器和四重型燃烧器的形状，包括喷嘴的厚度，并且当所述燃烧器为三重管型燃烧管时，图4中可以没有次氧化剂区域。
如图1所示，根据本发明的非排渣和部分排渣型气流床气化炉为圆柱形气化炉10，其顶部整体设置有一个或多个燃烧器20，其底部连接有淬火器30。每个所述燃烧器20可以包括三重或四重管，作为原料的煤粉和氧化剂经所述燃烧器20提供。在所述淬火器30处，用于从所述淬火器30排出合成气的合成气排出管32与所述淬火器30连接，冷却水从所述淬火器30的下部引入或排出。
如图2-4所示，当每个燃烧器20均为三重管时，其包括位于最中心区域的原料供应管线22，围绕所述原料供应管线22的环形区域的主氧化剂区域24，以及设置在最外侧环形区域并用于为冷却水提供通道的冷却水区域28。当每个燃烧器20为四重管时，其进一步包括环绕所述主氧化剂区域24的环形区域，即在所述主氧化剂24和所述冷却水区域28之间的次氧化剂区域26。
在所述主和次氧化剂区域24和26，以恒定间距形成有多个供应孔23和25。当采用四重管燃烧器20时，供应次氧化剂的供应孔25形成在形成供应主氧化剂的供应孔23位置的外侧，因此所述次氧化剂供应孔25的数量优选大于所述主氧化剂供应孔23的数量。具体地，所述次氧化剂供应孔25的数量约为次氧化剂供应孔23的2-3倍。
如前所述，次氧化剂的量小于主氧化剂的量，但是次氧化剂供应孔25的数量更多。因此，为了将所述主氧化剂与所述次氧化剂的供应流速维持在相似水平，所述次氧化剂供应孔25的直径优选小于所述主氧化剂供应孔23的直径。具体地，所述次氧化剂供应孔25的直径约为所述主氧化剂供应孔23的1/2至1/3。
原料煤粉经所述原料供应管线22通过氮气或二氧化碳载料气体喷射入所述气化炉10，并在三重管燃烧器情况下与经供应孔23供应的主氧化剂混合和反应或者在四重管燃烧器情况下经与在所述主和次氧化剂区域24和26中形成的多个供应孔23和25供应的主和次氧化剂混合和反应，由此产生含一氧化碳（CO）和氢气（H2）为主要成分的合成气。所产生的合成气向下移动。
冷却水流经冷却水区域28，形成由三重或四重管组成的各燃烧器20的最外部区域，防止所述煤粉和氧化剂供应区域被高温环境加热。
如前所述，根据本发明，经多个供应孔23和25垂直向下供应的主和次氧化剂与所述煤粉适当地混合，以促进气化反应，所述多个供应孔23和25形成在围绕供应所述原料和所述载料气体的中心喷嘴的环形区域中。此外，所供应的主和次氧化剂引起所述煤粉向所述气化炉10的中心区域移动，以便所述煤粉不与所述气化炉的内壁以及以非熔融状态或部分熔融状态移动的灰分粘附。
通过该适当的混合，可以促进所述煤粉的反应，由此能够保证约80-95%或95%或更高的碳转化率。同时能够保护所述气化炉10的内壁，由此保证所述气化炉的工作连续性，以便提高整个气化设备的实用性，由此保证经济效益。
在本发明的实施例中，所述氧化剂被向下喷射。具体地，根据煤粉的反应性，以垂直或者以-20°至20°角度朝所述煤粉所喷射入的中心区域喷射所述氧化剂。因此，在控制所述煤粉和所述氧化剂的混合程度的同时，所述煤粉沿所述气化炉的中心区域向下移动。
具体地，当向下喷射所述主氧化剂（使用三重燃烧器时为100%）而使用反应性很差的煤粉时，可以以0°至20°的角度朝所述煤粉所喷射入的中心区域喷射所述主氧化剂，从而促进所述煤粉和所述主氧化剂的混合。
另一方面，当使用具有较好反应性的煤作为原料时，可以以-20°至0°的角度朝所述煤粉所喷射入的中心区域喷射所述主氧化剂，以便使所述煤粉和所述氧化剂的混合相对较慢。
此外，考虑到煤粉颗粒的反应性的程度及其移动方向，主氧化剂供应量被控制在氧化剂总供应量的50%-100%。当使用具有相对较差反应性的高品级煤作为原料时，采用三重管燃烧器，仅供应主氧化剂。可选地，如果采用四重管燃烧器，次氧化剂的供应量约为氧化剂只占总供应量的20%。
与上述情况相反，当使用具有较好的反应性的低品级煤作为原料时，尤其当使用具有很好反应性的褐煤和亚烟煤作为原料时，如果仅供应主氧化剂，气化反应将仅在所述气化炉的上部局部发生，因此高温将集中在所述气化炉的较高部分。为防止出现这种现象，可以采用四重燃烧器。在这种情况下，可以经多个供应孔25供应约为氧化剂总重量的0-50%的次氧化剂，所述多个供应孔25形成在所述次氧化剂区域26，即围绕所述主氧化剂供应至的区域的环形区域，从而防止气化反应在所述气化炉的上部环绕燃烧器局部发生，并据此使气化反应与仅供应主氧化剂相比能够相对较慢地进行，从而保证整个气化炉中的温度分布均衡。
如前所述，通过将所述主氧化剂的相对于所述煤粉的喷射角度选择为与所述煤粉流向相同方向向下喷射，并控制主氧化剂和第二制剂中每个的量，可以构造出能够应用于各种根据其含水量、灰分含量以及含氧量而具有不同反应性的煤的气化炉。
此外，当设计气化炉以便煤粉颗粒朝向中心区域时，可以呈现灰分不熔融的非排渣型气化炉或者灰分部分熔融的部分排渣型气化炉。
在煤气化技术中，仅供应氧气作为氧化剂，或者供应氧气和蒸汽的组合物以及氧气和二氧化碳的组合物作为氧化剂。在本发明中，因为主氧化剂的供应和次氧化剂的供应为单独控制的，可以以不同比例向所述主氧化剂和次氧化剂添加蒸汽或二氧化碳，以满足煤气化的不同工作条件。
此外，大部分煤粉颗粒移动至所述气化炉的中心区域，因此本发明气化炉中的耐火材料的腐蚀和侵蚀率明显低于煤粉颗粒以熔渣状态流过内壁的排渣型气化炉。因此，本发明的气化炉可以长时间稳定工作。
同时，从所述气化炉的排放口排出的合成气被冷却水冷却，所述冷却水经设置在所述气化炉10下面的淬火器30的外壁喷射出。本文中，所述冷却水的量可被控制，使得合成气的温度能控制在适合后续处理的温度，所述后续处理包括合成气冷却系统、高温飞灰集尘器和水气交换器，根据设备的预期用途，它们可以具有不同的配置。
同时，其他处理经所述气化炉的排放口排出的合成气的方法包括利用压力容器，该压力容器设置在所述气化炉10的下面，具有由耐火材料制成的外壁并且其底部装满沙或灰分。在产生少量熔渣的情况下，能通过闭锁式料斗系统定期排出灰分，所述闭锁式料斗系统能在存储少量熔渣和一些灰分的同时，在其工作期间使用设置在底部的两个或多个阀执行压力控制和排出，而不使用通过喷射水控制合成气温度的淬火器。
尽管至今已知的气化技术几乎全部用氮气作为载料气体，本发明中可以利用二氧化碳代替氮气作为载料气体。对于围绕所述煤粉供应区域的环形区域，主氧化剂经多个同心设置的供应孔23供应，供应的量在三重管燃烧器的情况下为氧化剂总量的100%，在四重管的情况下为氧化剂总量的50-100%。当使用四重管燃烧器时，同样经多个同心设置的供应孔25以氧化剂总量的0-50%的量向围绕所述主氧化剂供应至的环形区域的第二环形区域供应次氧化剂。
同时，为了使大部分喷射入所述中心区域的煤粉移动至中心区域而不斜向所述气化炉10的内壁，同时满足所述气化反应所需的停留时间，所述气化炉的反应区域的长径比（L/D）约为5-10，其中L和D分别表示所述反应区域的长度和直径。
围绕一个或多个燃烧器的所述气化炉的上部区域由耐火材料制成，以保证稳定性。在上述注册号为10-1096632的韩国专利情况中，次氧化剂被供应到该大区域，因此在正常工作中不会出现问题，但是在所述气化炉中出现流量和反应性能变化，合成气和氧化剂会彼此相遇引发剧烈反应，由此造成事故。然而，在本发明中，可以通过在本区域中提供耐火材料保证安全。
由于移向所述气化炉的内壁的煤粉颗粒的量很小，可以显著地降低或避免对所述气化炉的内壁的损坏。因此，所述气化炉的内壁可以由不同材料制成，包括厚的耐火材料、水冷壁或其上应用有薄的耐火材料的水冷壁。在传统的气化技术情况中，煤粉颗粒朝所述气化炉的内壁移动并与所述内壁相撞，由此降低了所述耐火材料的使用寿命，或者所述气化炉的价格因使用了由具有高抗腐蚀性的高质量材料制成的水冷壁而提高。
图5为示出了图2或3中所示的三重管型燃烧器或四重管型燃烧器以及所述燃烧器的耐火材料内衬的设置的一组水平截面视图，图6为示出了图2或3中所示的三重管型燃烧器或四重管型燃烧器以及所述燃烧器的耐火材料内衬的设置的水平截面视图。
为了呈现灰分熔融的非排渣型气化炉或者灰分部分熔融的部分排渣型气化炉，尽可能地靠近所述气化炉的中心区域设置一个或多个燃烧器20。所述燃烧器的数量根据处理煤粉的能力选择。如图5左侧所示，如果处理煤粉的能力较低，优选设置一个燃烧器20，如图5右侧所示，如果处理煤粉的能力较强，优选设置一个或多个燃烧器20。
此外，为了将每个设置在长时间工作的所述气化炉中的燃烧器20维持在安全状态，环绕每个燃烧器20设置耐火材料40。
当以上述方式供应煤粉并且以上述合适的比例和角度供应所述主氧化剂和次氧化剂，所述煤粉和所述氧化剂在所述气化炉中相互混合并反应，然后大部分灰分以非熔融状态与合成气一起被排出所述气化炉。
尽管没有在附图中具体示出，在本实施例中，所排出的灰分被收集入设置在合成气流下游气化炉外部的集尘器中。在本文中，所述灰分包含一些未反应的固定碳，即它仍包含能量。在这种情况下，包含未转化碳的灰分可以通过合适的方法用于不同的应用中。
作为利用包含未转化碳的灰分的方法，可以采用通过将所述灰分与由载料气体供应的煤粉混合而将其再次供应至所述气化炉中的方法，由此保证提高碳转化率。
如果在所述气化设备中或环绕其设置煤粉燃烧系统，灰分可以与煤粉混合并用作辅助燃料，因为它为干燥颗粒状态。如果所述气化设备安装在例如产煤区周围的地方，因此原料价格会很低，灰分也可以仅用作低品级燃料成分，而不用构造需要额外费用的如前述两种方法中所述的系统。
图7示出了合成气、非熔融灰分和熔融灰分在本发明的所述气化炉中的流动。
如图7所示，大部分灰分以非熔融状态与合成气一起被排出所述气化炉10，然而部分灰分会在局部高温区域熔融，并且熔融灰分颗粒会由于合成气的湍流而相互聚集以形成更大颗粒。
如前所述的一些具有变大的颗粒尺寸的灰分被收集在图7所示的设置在所述气化炉10下面的熔渣冷却和存储容器中，或者收集在图8所示的灰分存储容器中，并在所述气化炉的工作过程中定期排出。如上所述，在制备合成气的气化炉中的大部分灰分以非熔融的状态与合成气一起排出，而一些灰分以凝固熔渣状态或灰分状态被收集入所述气化炉下面的存储容器。
当应用本发明时，所述气化炉可以在大部分灰分以非熔融状态在所述气化炉中被处理或者部分灰分以熔融状态被处理的情况下稳定工作。具体地，当大部分灰分以非熔融状态被处理时，可以以非常稳定的方式保护所述气化炉的内壁。
此外，在碳转化率因工作温度稍微低于传统的排渣型气流床气化炉而较低或者所述气化设备的碳转化率应该很高的情况下，可以通过回收一些如前所述的以非熔融状态从所述气化炉排出的含碳灰分保证足够商业应用的碳转化率。
因此，能够解决与商业气化炉中因长期修护耐火材料而导致的气化炉设备实用性降低相关的问题，并能够显著提高所述设备的年运行时间。话句话说，通过显著提高所述设备的实用性可以保证经济效益。
此外，因为本发明的气化炉在低于那些传统气流床气化技术的温度下工作，可以选择比传统气流床气化炉所使用的材料更便宜的材料，并因此降低所述气化炉的价格。
图9示出了本发明的气化炉中颗粒轨迹的计算分析结果。
为了确认本发明的技术是否能够可靠地保护所述耐火材料，利用计算流体动力学方法执行图9所示的计算分析。在设置一个燃烧器的情况下同样执行所述计算分析。
在图9上部所示的颗粒轨迹为煤粉颗粒随时间的主轨迹(mean track)，从此处可以看出，大部分颗粒从所述气化炉排出，而不倾向所述气化炉的外壁。
然而，在实际自然环境中，颗粒会因合成气的湍流而有轻微散开的倾向。图9的下部示出了考虑到该倾向而获得的计算分析结果，从此处可以看出，尽管一些颗粒循环至所述上部或与所述气化炉的内壁相撞，大部分颗粒从所述气化炉排出而不与所述气化炉的内壁相撞。
该计算分析结果表明，当应用本发明的技术时，所述气化炉可以通过处理非熔融或部分熔融状态的灰分而稳定工作。
如前所述，本发明的非排渣或部分排渣型气流床气化炉为这样一种装置，其具有高反应率的气流床配置并且其中未转化的含碳灰分在需要时能够循环使用以获得高碳转化率。根据其性质，在所述气化炉中产生的灰分可以用作循环使用材料，而并不循环使用。因为所述气化炉并不暴露于1500℃或更高温度，可以提高其材料的耐久性并降低其制造成本。
此外，根据本发明，气流床气化技术在适当控制煤粉和氧化剂的混合以及适当控制煤粉的移动路径的情况下应用。本发明的气化炉在1250-1450℃温度范围内工作，略低于传统排渣型气流床气化炉的工作温度并高于流态化床气化炉的工作温度。根据煤的性质，本发明的气化炉还可以在1150-1500℃温度范围内工作。因此，根据所使用的煤的种类，本发明的气化炉在略低于灰分的熔融温度的温度下工作，以便所述灰分保持在非熔融状态。因此，它是一种非排渣或部分排渣型气化炉。
传统气化技术无法采用这种工作温度的原因是灰分会弄污所述气化炉的壁，并且一些灰分熔融成熔渣，这些熔渣沿所述壁流动并在略低的温度下固化，从而导致操作失败。
本发明提供了一种气化炉和燃烧器的组合结构，其中气化反应可以主要发生在所述气化炉的中心区域，以使得灰分不会粘附于所述气化炉的壁，为此，所述气化炉的反应区域可以具有合适的长径比（L/D；L=反应区域的长度，D=反应区域的直径），所述燃烧器可以具有简单的结构并且倾向于设置在所述气化炉的顶部的中心区域。
当使用本发明所提供的所述气化炉和所述燃烧器时，在循环使用反应后的颗粒之前，可以通过单循环反应获得约80-95%或95%或更高的碳转化率。达到该碳转化率后，根据原料煤的种类而具有约20-60%的未转化碳含量的灰分可以在需要时循环进入所述气化炉以获得99%或更高的碳转化率。此外，未转化含碳灰分为干燥颗粒状态，因此，如果所述气化设备中或环绕其具有煤粉燃烧系统，干燥的灰分颗粒可以与作为燃烧系统原料的煤粉混合，并可以完全燃烧，从而提高能源效率。在一些情况下，所述干燥灰分颗粒还可以用作生产低品级燃料的组分。
非排渣型气化系统的适当工作温度优选略低于煤中灰分的熔融温度。
在本发明的技术中，所述气化炉配置成具有以下不同以便煤粉和氧化剂能够适当地相互混合，同时，煤粉颗粒流朝向所述气化炉的中心区域，从而在所有灰分保持在非熔融状态或部分熔融状态时完成所述气化反应。
用于实现上述效果的煤气化系统要素是燃烧器。具体地，在本发明的煤气化系统中的燃烧器包括：设置在所述燃烧器中心的煤粉喷嘴；环绕所述喷射嘴形成并用作供应主氧化剂的多个孔；形成在所述主氧化剂供应孔外部并用作供应次氧化剂的多个附加孔。该燃烧器使得能够控制所述主氧化剂量与所述次氧化剂量的比例，以控制煤粉和所述氧化剂的混合程度并能够控制煤粉的流动路径。本发明的气化炉被配置为在最小化灰分与所述气化炉的壁之间的接触的同时在所述气化反应器中实现有机材料的充分转化。具体地，本发明提供了一种用于处理非熔融或部分熔融状态的灰分的气化炉。
尽管参考具体实施例对本发明进行了描述，这些实施例仅用于说明目的，并不用于限制本发明的范围。本领域技术人员能够理解，可以在不背离本发明范围的情况下改变或修改所描述的实施例。在说明书中描述的元件可以替换为不同的已知元件并可以单独呈现或结合呈现。因此，本发明的范围不应该由所描述的实施例确定，而应该由所附实施例及其等同物确定。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其中经设置在所述气化炉顶部的一个或多个燃烧器向所述气化炉供应作为原料的煤粉和氧化剂，
其中每个燃烧器由三重管组成，并且包括：
最中心区域的原料供应管线，经该原料供应管线，通过载料气体将所述煤粉喷射入所述气化炉；
主氧化剂区域，该区域设置为环绕所述原料供应管线的环形区域，其中形成有多个主氧化剂供应孔，主氧化剂通过所述主氧化剂供应孔以与所述煤粉经所述原料供应管线供应至的区域垂直地或呈-20°至+20°的角度地喷射，以便所述煤粉朝向所述中心区域；以及
冷却水区域，该区域设置为环绕所述主氧化剂区域的最外环形区域，经所述冷却水区域将冷却水引入到所述气化炉中或从所述气化炉中排出，
其中，考虑到所述煤粉的反应度和所述煤粉颗粒的移动方向，以氧化剂供应总量的50-100%的量供应所述主氧化剂并且所述气化炉在1250-1450℃温度范围内工作。
2.根据权利要求1所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，每个所述燃烧器由四重管组成，并进一步包括次氧化剂区域，该区域设置为环绕所述主氧化剂区域的环形区域，其中形成有多个次氧化剂供应孔，次氧化剂通过所述次氧化剂供应孔以朝所述煤粉经所述原料供应管线喷射至的区域垂直地或呈约-20°至+20°的角度地喷射，以便所述煤粉朝向所述中心区域;
其中，考虑到所述煤粉的反应度和所述煤粉颗粒的移动方向，以氧化剂供应总量的0-50%的量供应所述次氧化剂。
3.根据权利要求1或2所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，所述气化炉的反应区域的长径比（L/D）为5-10，其中L和D分别为所述反应区域的长度和直径。
4.根据权利要求2所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，在所述煤粉为反应性差的高品级煤时，所述氧化剂以0°到+20°的角度喷射并且几乎全部由主氧化剂组成，当所述煤粉为反应性好的低品级煤时，所述氧化剂以-20°到0°的角度喷射并由主氧化剂和次氧化剂组成，控制所喷射的所述主氧化剂和所述次氧化剂之间的比例，以便所述煤粉的气化与仅供应主氧化剂相比能相对较慢地发生。
5.根据权利要求2所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，所述次氧化剂供应孔的数量比所述主氧化剂供应孔数量多2-3倍，并且所述次氧化剂供应孔直径为所述主氧化剂供应孔直径的1/2-1/3。

Claims (7)

1.一种非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其中经设置在所述气化炉顶部的一个或多个燃烧器向所述气化炉供应作为原料的煤粉和氧化剂，
其中每个燃烧器由三重管组成，并且包括：
最中心区域的原料供应管线，经该原料供应管线，通过载料气体将所述煤粉喷射入所述气化炉；
主氧化剂区域，该区域设置为环绕所述原料供应管线的环形区域，其中形成有多个主氧化剂供应孔，主氧化剂通过所述主氧化剂供应孔以与所述煤粉经所述原料供应管线供应至的区域垂直地或呈角度地喷射，以便所述煤粉朝向所述中心区域；以及
冷却水区域，该区域设置为环绕所述主氧化剂区域的最外环形区域，经所述冷却水区域将冷却水引入到所述气化炉中或从所述气化炉中排出，
根据所述煤粉的性质，所述气化炉优选地在1250-1450℃温度范围内工作或者在1150-1500℃温度范围内工作。
2.根据权利要求1所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，每个所述燃烧器由四重管组成，并进一步包括次氧化剂区域，该区域设置为环绕所述主氧化剂区域的环形区域，其中形成有多个次氧化剂供应孔，次氧化剂通过所述次氧化剂供应孔以与所述煤粉经所述原料供应管线供应至的区域垂直地或呈角度地喷射，以便所述煤粉朝向所述中心区域。
3.根据权利要求1或2所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，所述氧化剂以约-20°至+20°的角度喷射至所述煤粉喷射至的区域，以便控制所述煤粉和所述氧化剂的混合程度。
4.根据权利要求1或2所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，考虑到所述煤粉的反应度以及所述煤粉颗粒的移动方向，以氧化剂供应总量的50-100%的量供应所述主氧化剂，以氧化剂供应总量的0-50%的量供应所述次氧化剂。
5.根据权利要求1或2所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，所述气化炉的反应区域的长径比（L/D）为5-10，其中L和D分别为所述反应区域的长度和直径。
6.根据权利要求3所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，在所述煤粉为反应性差的高品级煤时，所述氧化剂以0°到+20°的角度喷射并且几乎全部由主氧化剂组成，当所述煤粉为反应性好的低品级煤时，所述氧化剂以-20°到0°的角度喷射并由主氧化剂和次氧化剂组成，控制所喷射的所述主氧化剂和所述次氧化剂之间的比例，以便所述煤粉的气化与仅供应主氧化剂相比能相对较慢地发生。
7.根据权利要求2所述的非熔融和部分熔融型气流床圆柱形气化炉，其特征在于，所述次氧化剂供应孔的数量比所述主氧化剂供应孔数量多2-3倍，并且所述次氧化剂供应孔直径为所述主氧化剂供应孔直径的1/2-1/3。
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