CN104673397B - 一种流化床气体分布器及气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化工设备技术领域，尤其涉及一种流化床气体分布器及气化炉。所述分布器包括至少两个流化区。通过对流化区的分布板进行分区设计，针对流化床中不同部位物料的特性设计不同的流化分布板，通过控制各流化区的角度与各区的开孔特征达到优化流场分布的目的。可用于气化炉，提高气化效率，降低气化炉的运行维护成本。

Description

一种流化床气体分布器及气化炉

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，尤其涉及一种流化床气体分布器及气化炉。

背景技术

流化床煤气化技术作为最早工业化的气化工艺之一，其工艺为原料煤在自下而上的气化剂的作用下保持着连续不断的沸腾和悬浮状态运动，迅速进行混合与热交换的气化技术。

气化剂分布装置(一般称“分布板”或“分布器”)作为流化床设备中的主要构件，起着均匀布气和支撑固相颗粒的重要作用，其形状结构极大影响着设备的传热与传质等生产操作性能。

工业规模的流化床所应用的气化剂分布板多为平板分布板和锥形分布板(角度多为45度)，分布板布满小孔，小孔方面垂直于板面且孔径较小。平板分布板的气流方向正对床层，易使床层造成沟流，并且平板分布板在操作过程中，小孔易被物料堵塞，停车时又易漏料，因此平板分布板在工业应用中比较少。锥形分布板在一定程度上克服了平板分布板的缺点，但在煤催化气化应用过程中，由于加压气化锥形分布板小孔气速相对减小，射流比较弱，易使分布板区域流化状况欠佳。

特别是在宽粒径分布原料煤的气化过程中使用现有气体分布器存在如下问题：

由于锥形分布板区速度变化梯度较大，炉内流场分布不均，大颗粒很容易失流化形成流动死区；锥形分布板与气化炉筒体连接处由于流化受限也容易形成流动死区，如图5所示；另外，由于常规分布板通常采用一个孔径尺寸均一分布，没有考虑到分布板区由于直径、床高的改变而导致的分布板压差的变化，往往会导致布气不均匀进而导致分布板区出现流动死区。在通氧情况下，由于存在流动死区氧浓度扩散受阻，导致煤粉剧烈燃烧局部过热、煤颗粒发生黏结，使得气化炉气化效率降低，甚至在分布板上引起结渣而致使气化炉无法实现排渣，最终导致整个装置非正常停车。

发明内容

本发明提供了一种流化床气体分布器，通过对分布板进行分区设计，针对流化床中不同部位物料的特性设计不同的流化分布板，其能均匀分布气化剂流体，保证在分布板附近形成良好的气固接触条件，以及所有颗粒都处于运动状态，从而消除流动死区，提高气化效率，也能降低气化炉的运行维护成本。

一种流化床气体分布器，包括流化区，所述流化区至少包括第一流化区和第二流化区，第一流化区分布板的下端与第二流化区分布板的上端相连，所述第一流化区分布板与第二流化区分布板的夹角为钝角。

上述方案优选的是，所述第二流化区分布板为一块直板或多块折板。

上述任一方案优选的是，所述第二流化床分布板上的开孔为竖直开孔与水平开孔和/或垂直开孔相结合的方式布孔，且所述开孔至少有一排为竖直开孔。

上述任一方案优选的是，所述开孔在第二流化区分布板上的不同环面采用不同的孔径分布。

上述任一方案优选的是，所述第一流化区分布板与第二流化区分布板的垂直高度比为0.2-1。

上述任一方案优选的是，所述第一流化区分布板上设有旋孔。

上述任一方案优选的是，所述旋孔设置在所述第一流化区分布板的中间环面上。

上述任一方案优选的是，所述第一流化区分布板的开孔率为0.2-2％。

上述任一方案优选的是，所述第二流化区分布板总的开孔率为0.1-0.8％。

上述任一方案优选的是，所述第一流化区分布板的上端与气化炉壁相连，所述第一流化区分布板与所述气化炉壁的夹角a为8-30度。

上述任一方案优选的是，所述第二流化区分布板与分布器中心线的夹角b为40-60度。

上述任一方案优选的是，所述第一流化区分布板与所述第二流化区分布板的连接处采用弧形过渡，和/或所述第二流化区分布板与渐扩管的连接处采用弧形过渡。

一种含有上述任一流化床气体分布器的气化炉。

本发明的流化床气体分布器对分布板进行合理分区设计，结合气化反应发生的不同位置及物料性质分别设计不同的流场进行气化控制，一方面使分布板区速度梯度变化减小，解决了分布板区大颗粒失流化、边界死区等问题，同时使得分布板区流场分布更加均一，有效的避免结渣；另一方面通过对分布板进行有效的分区，减少了分布板的设计高度，降低了分布板的加工难度及运行维护成本；与大锥角分布板相比分区设计使得分布板的有效高度降低20-30％，气化炉的设计运行维护成本降低15-23％；第一流化区分布板和第二流化区分布板的设计进一步提高了气化炉的气化效率，同时降低了排灰管附近的结渣风险。通过采用渐扩管、排灰管设计使得床料以移动床的形式由螺旋出料机控制将物料排出，可以准确随意的控制排料量。本发明为气化炉稳定运行提供了可靠保障。

本发明中流化床气体分布器的第一流化区分布板和第二流化区分布板及其各自的开孔设计不限于只有两个流化区，本领域技术人员根据实际操作，可应用于其他多个流化区。本发明中所述开孔率，是指分布板孔面积占每个流化区分布板面积的比率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种流化床气体分布器的部分截面图；

图2为本发明实施例提供的一种含流化床气体分布器的气化炉剖面图；

图3为图2所示实施例的流化床气体分布器的俯视图；

图4为本发明实施例提供的另一种含流化床气体分布器的气化炉剖面图；

图5为现有技术的含流化床气体分布器的气化炉的剖面图。

图中：

1-第一流化区分布板，2-第二流化区分布板，3-渐扩管，4-排灰管，5-旋孔，6-竖直开孔，7-水平开孔，8-第二流化区分布板的第一块折板，9-第二流化区分布板的第二块折板，10-气化炉壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例流化床气体分布器及气化炉进行详细描述。

实施例中，所述气体组成，是指各气体组分占总气体的体积百分比。

实施例1

一种流化床气体分布器，如图1所示，包括流化区，所述流化区至少包括第一流化区和第二流化区，第一流化区分布板1的下端与第二流化区分布板2的上端相连，所述第一流化区分布板1与第二流化区分布板2的夹角位钝角。

根据不同流化床的要求及原料的性质，做出至少两个流化区分布板，进而形成多个流化区。多个流化区分布板可以顺次相连，也可以根据不同要求进行其他方式连接。为了使第一流化区上的物料能够顺利流入第二流化区，第一流化区分布板1与第二流化区分布板2的夹角采用钝角。

本发明的流化床气体分布器对分布板进行合理分区设计，结合气化反应发生的不同位置及物料性质分别设计不同的流场进行气化控制，一方面使分布板区速度梯度变化减小，解决了分布板区大颗粒失流化、边界死区等问题，同时使得分布板区流场分布更加均一，有效的避免结渣；另一方面通过对分布板进行有效的分区，减少了分布板的设计高度，降低了分布板的加工难度及运行维护成本。本发明为气化炉稳定运行提供了可靠保障。

较佳地，第二流化区分布板2可为一块直板或多块折板。当第二流化区分布板采取多块折板时，每块折板的角度可不做具体限定，本专业技术人员需根据物料性质确定具体相关角度，目的以有利于提高气化效率和有利于灰渣排出为准则。

其中，第二流化区分布板2上设有开孔。所述第二流化区位于第一流化区的下端，主要是处理经过第一流化区后下落的大颗粒，这些颗粒与第二流化区通入的气化剂发生进一步气化反应以提高气化炉的气化效率。

优选的是，第二流化区分布板2上的开孔方式采用竖直开孔6与水平开孔7和/或垂直开孔相结合的方式布孔。竖直开孔，即为开孔方向为竖直方向；水平开孔，即为开孔方向为水平方向；垂直开孔，即垂直于第二流化区分布板方向的垂直开孔。竖直开孔，可减少由于流化受限造成的死区；水平开孔或垂直于第二流化区分布板方向的垂直开孔，均可以提供水平方向的动力，可以促使气泡尽量在中心处发生聚集，并形成内循环，增加了物料在第二流化区的停留时间，加强对第一流化区排出的灰渣的残炭进行进一步气化。同时来源于开孔的射流，提供足够的动力避免主反应区(第一流化区)下落的渣块发生团聚，增加了分布板区的流化强度。进一步，第二流化区分布板2上的开孔至少有一排为竖直开孔6。实际应用中具体形式不受限定，例如：可以在第二流化区分布板上沿两排孔都为竖直开孔，其余为水平开孔\垂直开孔；或竖直开孔与水平开孔\垂直开孔间隔排布。可优选的是，所述第二流化区分布板为多块折板时，每块折板的开孔特征为竖直开孔与水平开孔和/或垂直开孔相结合的方式布孔。

优选的是，所述开孔在第二流化区分布板上的不同环面采用不同的孔径分布。不同的孔径分布可以减少由于锥形变径带来的不同环面上分布板阻力各异的问题。实际应用中孔径的选择可以根据需要进行设定，只要有渐变趋势即可。

其中，第一流化区分布板1与第二流化区分布板2的垂直高度可以根据实际物料的流化性质进行设计，以避免不同流化区间流场脱节或流场相互交叠干扰为目的。优选的是，第一流化区分布板1与第二流化区分布板2的垂直高度比为0.2-1。

为了使气化炉提供充足的流化动力，本领域技术人员可以采取多种方式。优选的是，第一流化区分布板1上设有旋孔5。第一流化区分布板1的开孔方式为具有一定仰角和斜角的旋孔，仰角和斜角的范围不做限定。采用旋孔其目的在于为气化炉提供充足的流化动力，形成内旋流场，强化炉内流化程度。旋孔5的孔径一般可选为0.8-20mm；更进一步，旋孔5的孔径为4-8mm。

可以根据实际情况设定所述旋孔的具体位置，优先设定在第一流化区分布板1的中间环面上。所述第一流化区分布板的旋孔个数可以根据不同需求进行设计，一般选择均匀分布，进一步地，可选择4-6个均匀分布。设定在中间环面上和均匀分布可以使得流场的气流均匀，避免留下死角。

优选的是，第一流化区分布板1的开孔率为0.2-2％。

进一步优选的是，第二流化区分布板总的开孔率为0.1-0.8％。也可以根据实际情况，设定分布板的开孔率。第二流化区分布板2为一块直板时，总的开孔率可选为0.12-0.8％，进一步可为0.2-0.55％；所述第二流化区分布板为多块折板时，第二流化区分布板总的开孔率可为0.1-0.75％，进一步可为0.15-0.45％。

第一流化区分布板1的上端与气化炉壁10相连，第一流化区分布板1与所述气化炉壁的夹角a为8-30度。第一流化区分布板1与气化炉壁夹角a根据不同床料的安息角及床层气速大小设计选定，既满足气化炉壁与分布板间的边界过渡要求，又通过利用床料颗粒自身的性质减少了流动死区，同时缓慢降低分布板区气速变化梯度，使得物料顺利进入第一主反应区。优选的是，第一流化区分布板1与所述气化炉壁的夹角a为15-20度。

较佳地，第二流化区分布板2与分布器中心线夹角b为40-60度。更优选的是，所述第二流化区分布板2与分布器中心线夹角b为45-55度。通过本发明实施例第二流化区分布板2与分布器中心线夹角b的设计，有利于解决大颗粒失流化、边界死区等问题。

进一步地，第一流化区分布板1与第二流化区分布板2的连接处采用弧形过渡。弧形过渡可以减少因流化受限造成的流动死区。

现有技术的物料排出还不能精确控制，通过本发明实施例第二流化区分布板2与分布器中心线夹角b的设计，不仅有利于解决大颗粒失流化、边界死区等问题，还有利于控制排出物料质量。第二流化区分布板2的下端与渐扩管3相连，渐扩管3的下端与排灰管4相连，排灰管3连接有螺旋出料机。在渐扩管3与排灰管4内灰渣呈移动床的形式向下运动，且可通过调节螺旋出料机转速，精确控制排出物料质量。优选的是，所述第二流化区分布板2与渐扩管3的连接处采用弧形过渡；弧形过渡可以减少因流化受限造成的流动死区。渐扩管3与分布器中心线角度c的设计更利于物料的排出以及精确控制排出物料质量。优选的是，渐扩管3与气化炉中心线角度c范围为5-15度；更有选的是，渐扩管3与分布器中心线角度c范围为8-13度。

本发明一实施例中，第二流化区分布板2为一块直板时，第二流化区分布板上的开孔孔径范围可选为1-6mm，进一步可优选为1.5-4mm。第二流化区分布板为多块折板时，第二流化区分布板上的开孔孔径范围可优选为1-5mm，进一步可优选为1.2-3mm。

气体可对高温的灰渣进行降温，降低后续工艺装置的选型难度；同时气体产生的曳力对灰渣起到简单的分选作用，将易于造成架桥的细小灰颗粒返回第二流化区参与灰团聚反应。优选的是，所述排灰管内通入气体，所述气体为饱和水蒸气、氮气、二氧化碳中的任一种或几种组合；更有选的是，所述气体为饱和水蒸气，水的比热较大，通入饱和水蒸气更易对高温的灰渣进行降温。

本发明实施例还提供一种含有上述流化床气体分布器的气化炉。采用该气化炉可以实现宽粒径分布原料煤的气化，不仅能够降低原料煤破碎筛分的成本，还能保证分布板区大颗粒的正常流化，有效的避免了通氧情况下的结渣问题；同时进一步提高了气化效率，降低了分布板的有效高度，降低了气化炉的维护运行成本。本领域技术人员可以根据煤粉粒径分布情况及煤的变质程度对不同流化区的角度、旋孔和小孔的数量进行优化配置。

本发明的流化床气体分布器对分布板进行合理分区设计，结合气化反应发生的不同位置及物料性质分别设计不同的流场进行气化控制，一方面使分布板区速度梯度变化减小，解决了分布板区大颗粒失流化、边界死区等问题，同时使得分布板区流场分布更加均一，有效的避免结渣；另一方面通过对分布板进行有效的分区，减少了分布板的设计高度，降低了分布板的加工难度及运行维护成本。与大锥角分布板相比分区设计使得分布板的有效高度降低20-30％，气化炉的设计运行维护成本降低15-23％；第一流化区分布板和第二流化区分布板的设计进一步提高了气化炉的气化效率，同时降低了排灰管附近的结渣风险。通过采用渐扩管、排灰管设计使得床料以移动床的形式由螺旋出料机控制将物料排出，可以准确随意的控制排料量。本发明为气化炉稳定运行提供了可靠保障。

实施例2

一种含流化床气体分布器的气化炉，如图2所示，所述流化床气体分布器与实施例1的基本相同，不同之处为：

本实施例中，所述流化床气体分布器有两个流化区。如图3所示，第一流化区分布板1与第二流化区分布板2的垂直高度比为1；第一流化区分布板1设有4个旋孔5，旋孔孔径5mm，开孔率为0.5％；所述旋孔5置于第一流化区分布板1的中间环面上。如图1所示，第二流化区分布板2采用一块折板的形式，第二流化区分布板2与分布器中心线夹角b为45度，第二流化区分布板2的小孔采用竖直开孔与水平开孔相结合的方式布孔，在第二流化区分布板2上沿一排孔为竖直开孔6，其余为水平开孔7，开孔孔径为1.5mm、2.0mm、2.2mm三种，第二流化区分布板2总开孔率为0.22％。

本实施例中，第一流化区分布板1的上端与气化炉壁10相连，第一流化区分布板1与气化炉壁10夹角a为16度。

本实施例中，渐扩管3与分布器中心线角度为12度；排灰管4内采用低温饱和水蒸气控制排灰温度。

采用该气化炉可以实现宽粒径分布原料煤的气化，不仅能够降低原料煤破碎筛分的成本，还能保证分布板区大颗粒的正常流化，有效的避免了通氧情况下的结渣问题；同时进一步提高了气化效率，降低了分布板的有效高度，降低了气化炉的维护运行成本。

本实施例中，对一种粒径为2mm以下的劣质烟煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt％。试验过程中，监测各区域温度并对气化炉出口气体进行组分分析，试验持续进行30小时。

试验结果如下：

各区域监测温度为：第一流化区：700-730℃、第二流化区：680-710℃、渐扩管区域：610-560℃

气化指标及气体组成均值如下表1所示：

表1实施例2气化指标及气体组成均值表

实施例2的对比试验：该对比实验采用现有技术中常规45度分布板的气化炉，其他实验条件与本实施例相同，试验结果如表2。

表2采用常规45度分布板气体组成均值表

由试验结果，可以看出碳转化率及甲烷收率比采用常规45度斜板气体分布器的产品气(见表2)有明显提高，炉内温度场分布均匀，排渣正常，气化炉整体稳定正常运行。

实施例3

一种含流化床气体分布器的气化炉，如图4所示，所述流化床气体分布器与实施例2的基本相同，不同之处为：

本实施例中，第一流化区分布板1与第二流化区垂直高度比为0.2，第一流化区分布板1采用6个旋孔，旋孔5孔径为4mm，开孔率为0.6％。

如图4所示，第二流化区分布板2采用两块折板的形式，第二流化区的第一块折板8与分布器中心线夹角bⅠ为31度，第二块折板9与分布器中心线夹角bⅡ为52度，第二流化区的第一块折板8和第二块折板9的小孔分别采用竖直开孔与水平开孔或垂直开孔相结合的方式布孔。本实施例中，第二流化区分布板2总的开孔率为0.2％；开孔孔径分别为为1.2mm、1.4mm、1.6mm三种。

如图4所示，第一流化区分布板1的上端与气化炉壁10相连，第一流化区分布板1与气化炉壁10夹角a为20度；渐扩管3与分布器中心线角度为8度。

本实施例中，对一种粒径为1mm以下的褐煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt％。试验过程中，监测各区域温度并对气化炉出口气体进行组分分析，试验持续进行48小时。

试验结果如下：

各区域监测温度为：第一流化区：720-750℃、第二流化区：700-720℃、渐扩管区域：630-580℃

气化指标及气体组成均值如下表2所示：

表3实施例3气化指标及气体组成均值表

实施例3的对比试验：该对比实验采用现有技术中大锥角(75℃)分布板的气化炉，其他实验条件与本实施例相同，试验结果如表4。

表4采用大锥角分布板气体组成均值表

由试验结果，可以看出碳转化率及甲烷收率比采用大锥角75度斜板气体分布器的产品气(见表4)有明显提高，炉内温度场分布均匀，排渣正常，气化炉整体稳定正常运行。并且采用该分布板的高度与大锥角分布板相比降低27％，设计运行维护成本降低18％。

实施例4

一种含流化床气体分布器的气化炉，所述流化床气体分布器与实施例2的基本相同，不同之处为：

本实施例中，第一流化区分布板1与第二流化区分布板2垂直高度比为0.5，第一流化分布板1与气化炉壁10夹角a为18度，采用5个旋孔5，旋孔5孔径7mm，开孔率为0.8％。第二流化区分布板2的小孔孔径为1.0mm、1.3mm、1.5mm三种，第二流化区分布板2总开孔率为0.2％。渐扩管3与分布器中心线角度为11度。

本实施例对一种粒径为2mm以下的烟煤进行催化气化试验，催化剂采用碳酸钾，负载量为10wt％。试验过程中，监测各区域温度并对气化炉出口气体进行组分分析，试验持续进行72小时。

试验结果如下：

各区域监测温度为：第一流化区：750-770℃、第二流化区：730-760℃、渐扩管区域：650-600℃

气化指标及气体组成均值如下表3所示：

表5实施例4气化指标及气体组成均值表

实施例4的对比试验：该对比实验采用现有技术中常规45度分布板的气化炉，其他实验条件与本实施例相同，试验结果如表6。

表6采用常规45度分布板气体组成均值表

由试验结果，可以看出碳转化率及甲烷收率比采用普通45度斜板气体分布器的产品气(见表6)有明显提高，炉内温度场分布均匀，排渣正常，气化炉整体稳定正常运行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种流化床气体分布器，包括流化区，其特征在于，所述流化区至少包括第一流化区和第二流化区，第一流化区分布板的下端与第二流化区分布板的上端相连，所述第一流化区分布板与第二流化区分布板的夹角为钝角；

所述第二流化床分布板上的开孔为竖直开孔与水平开孔和/或垂直开孔相结合的方式布孔，且所述开孔至少有一排为竖直开孔。

2.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第二流化区分布板为一块直板或多块折板。

3.根据权利要求2所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述开孔在第二流化区分布板上的不同环面采用不同的孔径分布。

4.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第一流化区分布板与第二流化区分布板的垂直高度比为0.2-1。

5.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第一流化区分布板上设有旋孔。

6.根据权利要求5所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述旋孔设置在所述第一流化区分布板的中间环面上。

7.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第一流化区分布板的开孔率为0.2-2％。

8.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第二流化区分布板总的开孔率为0.1-0.8％。

9.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第一流化区分布板的上端与气化炉壁相连，所述第一流化区分布板与所述气化炉壁的夹角a为8-30度。

10.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第二流化区分布板与分布器中心线的夹角b为40-60度。

11.根据权利要求1所述的流化床气体分布器，其特征在于，所述第一流化区分布板与所述第二流化区分布板的连接处采用弧形过渡，和/或所述第二流化区分布板与渐扩管的连接处采用弧形过渡。

12.一种含有权利要求1-11中的任一流化床气体分布器的气化炉。