CN104119957B - 固态排渣气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固态排渣气化炉，该气化炉包括气化室，所述气化室上部设有用于喷射燃料和一次氧气的主烧嘴，在所述气化室侧壁的不同高度上设置有多个用于喷射二次氧气的辅助烧嘴，所述气化室的下部为锥形部，所述锥形部中设有膜冷却装置，用于喷出流体，以在锥形部壁面上形成流体保护膜，冷却所述锥形部。本发明通过多级供氧，向气化室吹送气体以实现对排气口附近壁面的气膜冷却，实现固态排渣，能够及时清除积留在炉壁上的灰渣。因此，与现有技术相比，本发明可以实现顺利排渣。

Description

固态排渣气化炉

技术领域

本发明涉及利用含碳原料生产煤气的气化炉，尤其涉及一种固态排渣的气化炉。

背景技术

气流床气化是目前最为普遍的利用煤、石油焦等含碳原料制备煤气的方式，煤炭和氧气等气化剂喷入高温(通常在1300～1700℃)高压(通常在4～8MPa)的炉膛中，煤炭和气化剂发生燃烧和气化反应，生成以CO和H₂为有效成分的合成煤气，并排出气化炉。由于煤炭中含有大量的灰分，因此气化炉设计必须解决灰分如何排出的问题。

目前商业化使用的气化炉均采用了液态排渣的方式。其原因是为了保证在气化炉有限的空间内完成速度较慢的气化反应，需要将气化室内的平均气化温度提高到1250℃以上，而局部火焰的温度则高达1800℃～2000℃，如此高的温度会使得渣处于软化甚至流动状态，为了避免软化状态的渣堵塞排渣口，往往将气化炉气化温度设置得高于渣的流动温度100～150℃。因此气化炉目前的出口温度往往达到1350℃～1650℃。这么高的气化温度已经远高于提高反应速度所需要的温度。这么高的气化温度是通过燃烧煤中的有效成分实现的，而且出口合成气的显热是难以利用的，因此，当煤的熔点较高时f如1500℃～1700℃)，为此会造成非常严重的浪费和效率降低。这种技术要求造成很大一部分高灰熔点煤无法用气流床技术气化。而传统的实现固态排渣的固定床气化炉由于其固有的含酚废水无法处理的问题无法适应当前的环保要求。

如果能实现气化炉的固态排渣，就可以使得高灰熔点煤在1300～1400℃的气化温度区间内气化，大大提高气化效率，增加气化炉的煤种适应性。目前，能够查询到的固态排渣气化炉没有实际工程运行范例。只有部分专利涉及到固态排渣气化炉，和本发明比较相关的专利例如有发明专利ZL200610026335．6、CN200810183198.6和CN201010299229.1。专利ZL200610026335.6给出的解决方案包括排气口采用锥面斜坡，渣口附近采用较快的气流速度，喷水环靠近下渣口配置，中心设置高压气喷管。专利CN200810183198．6给出的解决方案包括调整气化炉高径比，调整排气口锥面坡度，不使用助熔剂。

如前面所述，对于目前喷嘴集中配置的气化炉，虽然固态排渣后平均气化温度降低到了1300℃左右，但喷嘴附近局部区域的温度仍高达1800℃～2000℃，熔融的灰渣在被气流夹带至出气口的过程中被逐渐冷却，由于气化炉内处于高度湍流状态，灰渣的运动十分不规律，在气化炉内的停留时间也各不相同，相应地，被冷却的效果也十分不同，必然有一部份灰渣仍然处于软化态到熔融态之间。这部分灰渣在渣口附近仍然会与炉壁粘连。这种粘连与炉壁的倾角并没有太大关系，甚至垂直的炉壁都可能发生粘黏，从而导致渣口的堵塞。而粘黏堵塞一旦形成，靠渣口附近流速为30～50m／s的气流吹动，基本无法将其吹走。至于停止使用降低灰熔点的助熔剂，本是理所应当的事，但并不能解决该技术问题。

专利CN20１O１0299229.1给出的解决方案包括两段供氧控温及水蒸气控温技术。首先根据计算和相关的经验，两段供氧设计最多可以使最高点温度下降200℃，仍不足以使其降低到低于灰渣软化温度的区间，其次，该设计采用水蒸气做减温剂，而高压水蒸气的制备需要大量的热量，同时为了保证一定的过热度避免凝结，高压水蒸气管道需要采用耐高温合金钢并设置大量保温结构，导致操作环境变得非常复杂和恶劣。

然而气化炉的局部温度高达1800℃～2000℃，导致即使平均气化温度较低，仍然会有部分的渣处于软化、熔融状态，这部分的渣会在炉壁上冷却，粘连，导致渣口堵塞，气化炉无法正常运行。如何避免炉壁及渣口处的熔融渣的堵塞和粘连是固态排渣气化炉必须解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明提出一种固态排渣气化炉，该气化炉包括气化室，所述气化室上部设有用于喷射燃料和一次氧气的主烧嘴，在所述气化室侧壁的不同高度上设置有多个用于喷射二次氧气的辅助烧嘴，所述气化室的下部为锥形部，所述锥形部中设有膜冷却装置，用于喷出流体，以在锥形部壁面上形成流体保护膜，冷却所述锥形部。

优选，所述气化炉还包括环绕炉体的二次氧气总管，在所述二次氧气总管的不同位置处设有多个与所述总管连接的分管，所述辅助喷嘴设置在分管的不同高度上。

优选，所述气化炉还包括能够伸缩的喷嘴，所述喷嘴可以伸入所述气化室中喷出气体，以清除积留在气化室壁面上的灰渣。

优选，喷出的流体为水蒸气、惰性气体、氮气或者由该气化炉产生的合成气。所述辅助喷嘴为对冲设置的。所述辅助烧嘴和所述主烧嘴在高度上的距离为0.8米-3米。所述烧嘴设置在所述锥形部高度的下１/３～１/４位置处。所述膜冷却装置设置在所述锥形部高度的上1／2～3／4位置处。优选，所述气化炉的炉壁由承压外壳和耐火衬两层组成。

从上面的描述可以看出，本发明通过多级供氧，向气化室吹送气体能够降低气化室的温度，实现固态排渣，能够及时清除积留在炉壁上的灰渣。因此，与现有技术相比，本发明实施例的方案可以顺利排渣。

附图说明

本发明的其它特征、特点、优点和益处通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。

图1示出了按照本发明一个实施例的气化炉的结构示意图；

图2示出了按照本发明另外一个实施例的气化炉的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的各个实施例。

如图1所示，气化炉可以采用热壁炉结构，即气化炉的炉壁由承压外壳和耐火衬里两层组成。承压外壳可以为耐压钢壳体，耐火衬里可以采用常用的耐火砖，其可以以贴壁的方式铺设。气化炉的炉内空间主要分成上部的气化室1和下部的激冷室。气化室1的下部为锥形，即本文件中所称的锥形部4。锥形部4的锥角可以为60～75度。该锥角既能够保证渣的顺利下滑，又确保渣口的尺寸可以收得足够小，避免了气化室内热量通过渣口的过度散失。

气化炉炉壁的顶部设置一个主烧嘴2。主烧嘴2可以为组合烧嘴的形式，大体可分为值班烧嘴、中间管和外管。其中值班烧嘴可以通入燃料气和氧气，值班烧嘴就是气化炉领域所谓的“长明灯”，其用于点火，保持火焰和炉膛压力。中间管可以通入一次氧气，外管可以通入煤粉。可以将一部分二氧化碳搀杂在中间管的一次氧气中，以起到降低主烧嘴火焰高温区温度的作用。采用CＯ₂作为减温剂，将CＯ₂与氧气混合后喷出的好处是，一方面提高了氧气出口速度，另一方面降低了出口氧气浓度，导致氧气喷入后产生的火焰远离炉壁，且变得更为弥散。而由于气化炉的主要用途是煤化工生产，CＯ₂在煤化工流程中一般都会有，往往是无用需要排空的废气，采用这种方式加以利用，不用担心CＯ₂的气源，而且可以起到CＯ₂减排的效果。当然，主烧嘴2还可以为其它的形式，例如可以为无值班烧嘴的氧一煤一氧烧嘴或多个独立烧嘴的形式。

主烧嘴2下方侧壁的不同高度上设置有用于喷射二次氧气的多个辅助烧嘴3。这些辅助烧嘴3可以以阵列的方式布置。例如，炉壁上可以对冲布置2组或4组对冲的辅助烧嘴3，每组辅助烧嘴3可以由3～6只上下分布的氧气烧嘴组成。对冲烧嘴可以稍有错开以形成切圆。为了简化气化炉的结构，可以设置一个环绕炉体的氧气总管6，在氧气总管6的2～4个位置处连接分管7，在各个分管7的不同高度上设置3～6个氧气烧嘴。为了避免主烧嘴2的燃烧区域和辅助烧嘴3的燃烧区域重叠，辅助烧嘴3可以离开主烧嘴2一定的距离。优选，辅助烧嘴3和主烧嘴2在高度上相距O.8～3米。辅助烧嘴3和主烧嘴2高度差的选择需要不能影响主烧嘴的燃烧区，从而使得燃烧过程分散而均匀，实现低温燃烧。同时，辅助烧嘴3还需要与气化室1的煤气出口保持足够的距离，以免使得煤气燃烧不充分，降低冷煤气效率。辅助烧嘴3的供氧量优选占总体供氧量的30％～40％。如果辅助烧嘴供氧量太多，会造成生成的CO2和H2O在炉内停留时间过短，来不及与碳粒反应。

在锥形部4中还设置有膜冷却喷嘴5，其略微伸出气化炉的壁面，用于将水蒸气、惰性气体、氮气或者本气化炉产生的合成气作为激冷气贴着气化炉的壁面喷出，激冷气的温度优选为300℃，这样喷出的激冷气可以迅速将靠近壁面的合成气温度降低至800℃左右。申请人经过大量实验和计算发现，锥形部高度的上1／2～3／4位置处容易贴渣，故而优选在锥形部高度的上1／2～3／4位置处设置上述膜冷却喷嘴5。当然，能够喷射高压气体的装置都可以用作膜冷却装置，不限于喷嘴的形式。

为了应付可能出现的堵渣、搭桥等故障，还设置了可伸缩吹渣杆10，吹渣杆的顶端设置有吹渣喷嘴8，其可以喷出流速在100～300m／s的蒸气或合成气，以清除积留在气化室壁面上的灰渣。喷嘴8的方向可以旋转，这样就可以向气化室的各个方向喷射气体，从而可以清楚积留在气化室各个方向上的灰渣。喷嘴8的位置也可以由吹渣杆的伸缩来改变，以确保能够清除渣口各个位置的堵渣。在气化炉正常运行时，吹渣杆可以带动喷嘴8，可以缩入耐火砖内部，以保护喷嘴8不被烧坏。喷嘴8吹出气体的流速优选为100～300m／s。该范围内的流速既能实现冲掉积留的灰渣，又能够对炉膛流场产生尽可能少的影响。申请人经过大量实验和研究发现，在所述锥形部(4)高度的下1／3～1／4这一段最容易出现堵渣搭桥现象，所以最需要紧急冲渣装置。所以喷嘴8优选设置在所述锥形部4高度的下1／3～1／4位置处。吹渣杆10的伸缩可以由气化炉的运行人员观察炉壁是否积留灰渣，进而手动操作吹渣杆，将喷嘴8伸入或者抽出气化室。也可以通过传感器测量气化炉内的压差，利用检测的压差信号借助自动控制装置控制。

下面分析本发明的实施方式能够实现的技术效果。就燃烧方面讲，本发明的实时方式采用多级阵列式喷嘴，煤粉或煤浆通过复合喷嘴从顶部供入，同时供入一小部分的氧气作为气化剂，在烧嘴设计中加大旋流角使其迅速扩散。可以增大氧气出口处旋流叶片的角度来增大氧气出口的旋流角度。这一设计在其他形式的烧嘴中可能带来容易熄火等问题，但由于本发明的实时方式中还设置了值班烧嘴，就避免了熄火的可能性。剩余的氧气由主烧嘴下方的炉壁上对角布置的2组或4组阵列氧喷嘴喷出，每组阵列氧喷嘴由2～6只上下分布的氧气喷嘴组成。喷嘴的分散布置，导致每次喷入的氧量变少，由此产生的局部高温区温度大大降低，且区域更为分散。阵列氧喷嘴的位置，设置在主烧嘴下方一定距离，避开主烧嘴的燃烧区，从而使得燃烧过程分散而均匀，实现低温燃烧。

下面参照图1对本发明气化炉的一种结构进行说明。图1示出的气化炉采用热壁炉结构。燃料为高热值(27～30MJ／kg)、低灰(3～6％)的煤或石油焦，添加阻熔剂后，灰的软化温度达到1600℃。压力壳的内部铺设有贴壁的耐火砖，顶部设置一个主烧嘴2。气化炉上部为气化室1，气化室的下部为锥形4，锥角为60～75度。主烧嘴2的供氧量占总体供氧量的30％～40％，主烧嘴2为一个复合烧嘴，其内的外环氧掺杂有33％的CO₂，以起到降低燃烧温度的效果。

主烧嘴下方的炉壁上对角布置4组对冲的阵列式辅助烧嘴3，每组辅助烧嘴3由2只上下分布的氧气喷嘴组成。每只喷嘴喷出的氧量占总氧量的2～5％。喷入的CO₂量与总氧量的摩尔比为1：1．5～1：2．5，下部喷嘴内的CO₂占总量的30％～40％。

气化炉1锥形部的上2／3位置处设有气膜冷却喷嘴5，其略微伸出气化炉的壁面，用于将该气化炉产生的合成气作为激冷气贴着气化炉的壁面喷出，激冷气的温度为300℃，喷出的激冷气可以迅速将靠近壁面的合成气温度降低至800℃左右。在膜冷却喷嘴5的下方设置有可以伸缩、旋转的高压气吹渣杆10，吹渣杆10上设有喷嘴8，用于在万一发生堵渣时喷射高温气体进行疏通。

合成气在辐射式换热器11里冷却到600℃后由侧面的出气口12流出，一部分较重的灰则落入冷灰斗，经由渣锁斗排出。

下面参照图2对本发明气化炉的另外一种结构进行说明。该气化炉采用热壁炉结构。设计煤种为热值25～27MJ／kg,灰分含量为10％左右的烟煤，加入一定的阻熔剂后使得灰的软化温度达到1500℃。压力壳的内部铺设有贴壁的耐火砖，顶部设置一个主烧嘴1，主烧嘴的中心设置有喷入天然气的值班烧嘴，外层为氧一煤的复合烧嘴。主喷嘴下方的炉壁上对角布置2组对冲的喷射二次氧气的辅助烧嘴3，每组辅助烧嘴由3只上下分布的喷嘴组成。喷入的CO₂量与总氧量的摩尔比为1：4，辅助烧嘴内的CO₂占总量的26％～30％。对角烧嘴的角度稍有错开以形成切圆。

在合成气的出口设置有2～3圈激冷喷水环，将出口的合成气冷却至200℃～300℃。然后经由侧面的出气口12流出，一部分较重的灰则落入冷灰斗，经由渣锁斗排出。

本领域技术人员应当理解，上面公开的各个实施例可以在不偏离发明实质的情况下做出各种变形和修改。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种固态排渣气化炉，该气化炉包括气化室(1)，所述气化室(1)上部设有用于喷射燃料和一次氧气的主烧嘴(2)，在所述气化室(1)侧壁的不同高度上设置有多个用于喷射二次氧气的辅助烧嘴(3)，所述气化室(1)的下部为锥形部(4)，所述锥形部(4)中设有膜冷却装置(5)，用于喷出流体，以在锥形部(4)壁面上形成流体保护膜，冷却所述锥形部(4)。

2.根据权利要求1所述的气化炉，其中所述气化炉还包括环绕炉体的二次氧气总管(6)，在所述二次氧气总管(6)的不同位置处设有多个与所述二次氧气总管(6)连接的分管(7)，所述辅助烧嘴(3)设置在分管(7)的不同高度上。

3.根据权利要求1所述的气化炉，其中所述气化炉还包括能够伸缩的喷嘴(8)，所述喷嘴(8)可以伸入所述气化室(1)中喷射气体，以清除积留在气化室壁面上的灰渣。

4.根据权利要求1所述的气化炉，其中喷出的流体为水蒸气、惰性气体或者由该气化炉产生的合成气。

5.根据权利要求1所述的气化炉，其中所述辅助烧嘴(3)为对冲设置的。

6.根据权利要求1所述的气化炉，其中所述辅助烧嘴(3)和所述主烧嘴(2)在高度上的距离为0.8米-3米。

7.根据权利要求3所述的气化炉，其中所述喷嘴(8)设置在所述锥形部(4)高度的下1/3～1/4位置处。

8.根据权利要求1所述的气化炉，其中所述膜冷却装置(5)设置在所述锥形部(4)高度的上1/2～3/4位置处。

9.根据权利要求1所述的气化炉，其中所述气化炉的炉壁由承压外壳和耐火衬里两层组成。