CN104804769A - 复合炉衬和气流床气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合炉衬，该复合炉衬包括水冷壁层（3）和敷设在水冷壁层的内壁面上的中间层（4），中间层的内壁面上敷设有向火层（10），并且向火层的材质的最高使用温度高于中间层的材质的最高使用温度。本发明还公开了一种气流床气化炉，包括炉体（1）和由炉体（1）包围形成的炉腔，炉腔的上部形成气化室（2），在与气化室位置对应的炉体的内侧壁上，安装有上述的复合炉衬。本发明的复合炉衬可以实现气化反应形成的高温流态熔渣容易地附着在向火层上并且在向火层上形成顺畅的流动。由此使得“以渣抗渣”的动态过程更加稳定，从而由向火层和熔渣形成的抗高温保护层能够对中间层和水冷壁层形成有效的保护。

Description

复合炉衬和气流床气化炉

技术领域

本发明涉及煤化工领域，具体地，涉及一种复合炉衬和气流床气化炉。 

背景技术

煤气化技术是发展煤基化学品、液体燃料、IGCC发电、制氢等过程的基础，是煤化工产业的龙头技术。由于合成氨、甲醇、二甲醚、煤制油、煤制烯烃等产业的快速发展，中国的煤炭气化工艺正由老式的UGI炉块煤间歇气化迅速向先进的粉煤气化工艺过渡，呈现出对各类粉煤气化技术装备的强劲需求。与固定床和流化床煤气化技术相比，气流床煤气化技术具有生产能力大、碳转化率高、合成气中有效气体（CO和H₂）成分高、煤种适应广、污染小等优点，是大规模煤气化技术的发展趋势。 

目前大多数气流床气化炉的炉体内侧壁上设置水冷壁层。水冷壁层外表面附着一层耐火材料，内置金属销钉。气化过程中，高温熔融下的流态熔渣沿着水冷壁层在重力作用下向下流动。当渣层较薄时，由于耐火材料和金属销钉具有很好的热传导作用，因此渣层的外表层能够冷却至灰熔点并且固化附着。当渣层增厚到一定程度时，热阻增大，传热减慢，因此渣层的外表层温度会升高到灰熔点以上，使得熔渣流淌，渣层减薄。当渣层减薄到一定厚度时，热阻减小，传热量增大，因此渣层的外表层温度会降低到灰熔点以下，使得熔渣聚积增厚。这样，不断地进行动态平衡，实现了水冷壁层“以渣抗渣”的功能。在物料的氧碳比不出现大的波动的情况下，渣层厚度在动态中相对稳定，炉内温度就不会出现大幅度波动，从而有效保护水冷壁层不受反应腐蚀、不受高温烧蚀、不受熔渣磨蚀，以保证气流床气化炉的使用寿命。 

然而，在气流床气化炉的运行过程中，氧碳比并不容易控制。因为氧碳 比的配置除了对煤粉粒径有一定的要求外，还需关注入炉煤粉的灰熔点和粘温特性。一般对于灰熔点较高的原煤，在制粉前应添加一定比例的助熔剂来降低灰熔点，才能实现合适的氧碳比并实现满意的熔渣流动，以及获得良好的水冷壁层挂渣和气化炉下部渣池顺利排渣。如果其中某一环节控制不当，就会使气化炉内的温度出现较大波动。一旦气化温度与粉煤灰熔点之间温差过大时，就会损坏水冷壁层上的保护渣层。当保护渣层减薄到一定程度时，将失去对水冷壁层的保护而出现烧穿现象，进而会伤害到设备本体，使气化炉反应热平衡失衡。 

根据上述，现有技术中的水冷壁层仅在氧碳比不出现大的波动、从而炉内温度保持比较稳定的情况下才能正常工作。但实际中的工况是氧碳比不易控制，炉内的温度可能出现大幅度波动，因此导致现有技术中的水冷壁层结构经常会因无法抵御炉内温度的波动而发生严重故障。 

发明内容

本发明的目的是提供一种复合炉衬和气流床气化炉，用以提高水冷壁层抵御炉内温度波动的能力，并且提高气化反应的碳转化率。 

为了实现上述目的，本发明提供一种复合炉衬，该复合炉衬包括水冷壁层和敷设在水冷壁层的内壁面上的中间层，中间层的内壁面上敷设有向火层，并且向火层的材质的最高使用温度高于中间层的材质的最高使用温度。 

优选地，向火层的材质包括灰渣、灰渣提炼物、碳-碳化硅、碳-陶和碳化硼中的一种或者多种。 

优选地，向火层的材质为灰渣、灰渣提炼物、碳-碳化硅、碳-陶和碳化硼中的一种或者多种与高温耐火可塑料相混合后形成的混合物。 

优选地，向火层的材质为气化炉的灰渣和/或灰渣的提炼物。 

优选地，中间层的厚度大于向火层的厚度，并且向火层和中间层的总厚 度不大于300mm。 

优选地，中间层的材质为刚玉、硅、镁、铬、锆和碳化硅中的一者或者多者任意组合所形成的高温耐火可塑料。 

另一方面，本发明还提供一种气流床气化炉，包括炉体和由炉体包围形成的炉腔，炉腔的上部形成气化室，在与气化室位置对应的炉体的内侧壁上，安装有上述的复合炉衬。 

优选地，炉体的顶部的中心部位设置有喷口朝向气化室的顶喷嘴。 

优选地，沿着炉体的周向方向设置有喷口朝向气化室的多个侧喷嘴，其中，多个侧喷嘴设置于顶喷嘴的火焰尾部。 

优选地，顶喷嘴和侧喷嘴喷射气化原料和气化剂，其中，顶喷嘴喷射的气化剂的量大于气化反应所需的气化剂的总量的50%，并且侧喷嘴喷射的气化原料和气化剂的量可调。 

优选地，气化室由侧喷嘴分隔为位于侧喷嘴上方的靠近炉体顶部的第一段气化室和位于侧喷嘴下方的靠近炉体底部的第二段气化室，其中，复合炉衬设置在与第一段气化室位置对应的炉体的内侧壁上。 

优选地，炉腔的下部的中心位置设置有与气化室相连通的下降管，下降管的内径小于气化室的直径，并且下降管的外侧壁与炉体的内侧壁相间隔地设置。 

优选地，下降管的外侧壁上敷设有冷却水管，其中，在冷却水管的靠近炉体底部的一端设置有冷水进口，在冷却水管的靠近炉体顶部的一端设置有喷口朝向下降管的中心部位的冷却喷嘴。 

优选地，炉体的底部设置有排渣室，排渣室中注有排渣液，其中，下降管的底端位于排渣液的液面的上方并且与排渣液的液面相间隔。 

通过上述技术方案，本发明提供一种新型的复合炉衬以及安装有该复合炉衬的气流床气化炉。该复合炉衬在水冷壁层的内壁面上敷设中间层，并且 在中间层的内壁面上敷设向火层。藉此，气化反应形成的高温流态熔渣可以容易地附着在向火层上，并且可以在向火层上形成顺畅的流动。由此使得“以渣抗渣”的动态过程更加稳定，从而由向火层和熔渣形成的抗高温保护层能够对中间层和水冷壁层形成有效的保护。因此，本发明的复合炉衬能够有效提高水冷壁层抵御炉内温度波动的能力。另外，由于本发明设置有侧喷嘴结构，因此在顶喷嘴喷射的物料进行气化反应后，还可以通过侧喷嘴喷射的物料进行另一气化反应。从而，可以有效延长气化反应的反应时间，提高气化反应的碳转化率。 

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。 

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中： 

图1是根据本发明的气流床气化炉的沿纵向方向剖开的剖视图； 

图2是根据本发明的气流床气化炉的俯视图，示出侧喷嘴的设置方式； 

图3是根据本发明的气流床气化炉的局部剖视图。 

附图标记说明 

1炉体            2气化室            3水冷壁层 

4中间层          5顶喷嘴            6侧喷嘴 

7下降管 

8冷却水管        81冷却水进口       82冷却喷嘴 

9排渣室          10向火层           11保温层 

12合成气排出口 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。 

参考图1，本发明提供一种复合炉衬。该复合炉衬包括位于最外层的水冷壁层3。当复合炉衬安装在气化炉中时，水冷壁层3紧贴气化炉的炉体内壁设置，从而形成炉体内壁的保护层。根据本发明的实施例，水冷壁层3的内壁面上敷设有中间层4，用以对水冷壁层3形成保护，并且在水冷壁层3和熔渣之间进行换热。根据本发明的实施例，在中间层4的内壁面上敷设有向火层10。向火层10的材质为耐高温材料，可以采用诸如浇注、粘贴等方式将向火层10敷设并且定型在中间层4上。进一步，根据本发明的实施例，向火层10的材质的最高使用温度高于中间层4的材质的最高使用温度。藉此，可以使得向火层10形成对中间层4和水冷壁层3的保护。 

也就是说，根据本发明，在气化炉投入运行前先在复合炉衬的内壁面上设置向火层10，为熔渣的附着和顺畅流动做好准备。这样，在气化炉投入运行后，气化反应形成的高温熔融下的流态熔渣可以容易地附着在向火层10上。并且，由于向火层10的存在，即使高温熔融下的流态熔渣的厚度发生一些变化，整个渣层能够始终保持较为稳定的整体厚度。藉此，不仅可以使水冷壁层3上的“以渣抗渣”的动态过程更加稳定，还可以对中间层4和水冷壁层3形成有效的保护，从而提高水冷壁层3抵御炉内温度波动的能力。 

根据本发明的实施例，向火层10的材质包括灰渣、灰渣提炼物、碳-碳化硅、碳-陶和碳化硼中的一种或者多种。优选地，向火层10的材质为灰渣、灰渣提炼物、碳-碳化硅、碳-陶和碳化硼中的一种或者多种与高温耐火可塑料相混合后形成的混合物。高温耐火可塑料可以是刚玉、硅、镁、铬、锆和碳化硅中的一者或者多者任意组合而形成，而上述的混合物中的高温耐火可 塑料可以是一种高温耐火可塑料，也可以是多种高温耐火可塑料的混合物。优选地，向火层10的材质为气化炉的灰渣或者灰渣的提炼物。灰渣是经过高温气化后的残渣，其所含有的成分（诸如SiO₂，Al₂O₃，Fe₂O₃，CaO等）具有很高的熔点，同时又与气化反应形成的流态熔渣具有相同的成分。因此，用气化炉的灰渣作为向火层10的材质，在降低熔渣的附着难度和提高向火层10的抗高温能力方面都具有较好的效果。另外，根据本发明的实施例，还可以进一步优选采用灰渣的提炼物作为向火层10的材质。提炼过程中可以将灰渣中的熔点高的成分优选出来，并且可以在提炼过程中向灰渣中添加其他高熔点的物料以更有效地提高灰渣的抗高温性能。 

另外，根据本发明的实施例，中间层4的材质可以为刚玉、硅、镁、铬、锆和碳化硅中的一者或者多者任意组合所形成的高温耐火可塑料。另外，为了充分发挥水冷壁层3的导热作用，根据本发明的实施例，向火层10和中间层4的总厚度不大于300mm。其中，中间层4的厚度大于向火层10的厚度。这样，中间层4具有足够的厚度以在抵御炉内温度波动时发挥重要作用，而向火层10则具有适当的厚度以与中间层4保持良好的粘附性（确保不会垮塌）并在抵御炉内温度波动时发挥其抗高温性能。 

另一方面，参考图1至图3，本发明还提供一种气流床气化炉。该气流床气化炉包括炉体1，以及由炉体1包围形成的炉腔。根据本发明的实施例，炉腔分为上部和下部。其中，炉腔的上部形成气化室2，用作气化反应的主要场所；炉腔的下部设置下降管7，用作气化反应的产物的下行通道。根据本发明的实施例，在与气化室2位置对应的炉体1的内侧壁上，安装有上述的复合炉衬，用以保护炉体1。另外，根据本发明的实施例，还可以在复合炉衬的水冷壁层3和炉体1之间设置保温层，用以减小水冷壁层3和炉体1的接触应力，并且将水冷壁层3和炉体1隔热，以防止炉体1经受高温。 

根据本发明的实施例，炉体1的顶部的中心部位设置有喷口朝向气化室 2的顶喷嘴5，并且沿着炉体1的周向方向设置有喷口朝向气化室2的多个侧喷嘴6。其中，侧喷嘴6的高度设置方案优选为将侧喷嘴6设置于顶喷嘴5的火焰尾部。顶喷嘴5和侧喷嘴6都喷射气化原料和气化剂。这样，物料在从顶喷嘴5喷入气化室2后进行第一阶段的气化反应，从侧喷嘴6喷入气化室2后还可以进行第二阶段的气化反应。藉此可以有效延长气化反应的反应时间，从而提高气化反应的碳转化率。另外，根据本发明的优选实施例，顶喷嘴5喷射的气化剂的量大于气化反应所需的气化剂的总量的50%。也就是说，气化反应所需的大部分物料从顶喷嘴5中进入气化室2，其他部分物料则从各个侧喷嘴6进入气化室2。并且，根据本发明的实施例，响应于顶喷嘴5的喷料量和炉内温度的变化情况，可以对侧喷嘴6喷射的气化原料和气化剂的量进行调节。从而，可以更有效地制约炉内温度的波动，相当于提高了复合炉衬抵御炉内温度波动的能力。 

进一步，根据本发明的实施例，侧喷嘴6的数量可以优选为2个至4个，并且沿着炉体1的周向方向均匀设置。优选地，如图2中所示，从炉体1的横截面观察，在侧喷嘴6与炉体1的连接部位，侧喷嘴6的轴向中心线与炉体1的径向方向之间具有旋流夹角α，其中，0°＜α＜45°。如图1中所示，从炉体1的纵截面观察，侧喷嘴6的喷口朝向炉体1的底部倾斜设置，即，侧喷嘴6的轴向中心线沿着自炉体1外部至炉体1内部的方向、逐渐朝向靠近炉体1的底部的方向延伸。通过侧喷嘴6在竖直方向和水平方向两个方向上的倾斜，可以使未反应的物料旋流回高温气化区继续进行气化，从而延长气化反应的持续时间，提高气化反应的碳转化率。 

更优选地，根据本发明的实施例，气化室2由侧喷嘴6分隔为位于侧喷嘴6上方的更靠近炉体1的顶部的第一段气化室和位于侧喷嘴6下方的更靠近炉体1的底部的第二段气化室。可以发现，第一段气化室是顶喷嘴5喷入的物料进行气化反应的主要场所，第二段气化室是侧喷嘴6喷入的物料进行 气化反应的主要场所。根据本发明的实施例，复合炉衬设置在与第一段气化室位置对应的炉体1的内侧壁上。而在与第二段气化室位置对应的炉体1的内侧壁上，可以设置现有技术中的不具有向火层10的炉衬。也就是说，优选只在气化反应温度更高的部位敷设向火层10，藉此利用降低气化炉的制造成本，并且向火层10的使用效率最高。 

参考图1，根据本发明的实施例，下降管7设置在炉腔的下部的中心位置，作为第二段气化室的延续部分，以供气化反应产生的合成气和灰渣下行通过。根据本发明的实施例，下降管7的内径小于气化室2的直径，并且下降管7的外侧壁与炉体1的内侧壁相间隔地设置。也就是说，下降管7相当于与炉体2同心地套设在炉体2中，下降管7的纵向中心线基本与顶喷嘴5的纵向中心线重合。这样，可以使气化反应的产物顺利地下行。另外，在炉体1的底部设置有排渣室9，排渣室9中注有排渣液。其中，下降管7的底端位于排渣液的液面的上方并且与排渣液的液面相间隔。也就是说，下降管7的底端并未直接伸入到排渣液中。从下降管7下行的反应产物中，合成气沿着下降管7的外侧壁与炉体1的内侧壁之间的间隔继续行进，并且从开设在炉体1的侧壁上的合成气排出口12排出至炉体1外部；灰渣则通过在下降管7中的除尘而落入排渣室9中。与将下降管7直接伸入到排渣液中进行除尘的方式相比，本发明的方案由于合成气并未进入到排渣液中而产生气泡，因此也不必为了将合成气从排渣液中释放而设置破泡装置，从而可以降低制造成本。 

进一步，根据本发明的实施例，下降管7的外侧壁上敷设有冷却水管8。即，冷却水管8设置在下降管7的外侧壁和炉体1的内侧壁之间的间隔空间中。根据本发明的实施例，在冷却水管8的靠近炉体1底部的一端设置有冷却水进口81，在冷却水管8的靠近炉体1顶部的一端设置有冷却喷嘴82。该冷却喷嘴82的喷口朝向下降管7的中心部位，从而能够向下降管7中喷 洒循环水。从气化室2下行至下降管7中的反应产物通过冷却喷嘴82所喷洒的循环水而得到除尘。并且，反应产物还能够在下降管7中与循环水进行水冷逆流和喷洒激冷的双重换热。即，一方面可以与冷却喷嘴82所喷洒的循环水进行喷洒激冷换热，另一方面还可以与冷却水管8中沿着下降管7的外侧壁逆流而行的循环水进行水冷逆流换热。经过双重换热后，从冷却喷嘴82喷洒的循环水经过充分吸热，一部分可以形成水蒸汽重新进入到第二段气化室中，为第二段气化室提供气化剂。从而，可以节约运行成本，降低水蒸汽能耗。 

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。 

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。 

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。 

Claims (14)

1.一种复合炉衬，该复合炉衬包括水冷壁层（3）和敷设在所述水冷壁层（3）的内壁面上的中间层（4），其特征在于，所述中间层（4）的内壁面上敷设有向火层（10），并且所述向火层（10）的材质的最高使用温度高于所述中间层（4）的材质的最高使用温度。

2.根据权利要求1所述的复合炉衬，其特征在于，所述向火层（10）的材质包括灰渣、灰渣提炼物、碳-碳化硅、碳-陶和碳化硼中的一种或者多种。

3.根据权利要求2所述的复合炉衬，其特征在于，所述向火层（10）的材质为所述灰渣、灰渣提炼物、碳-碳化硅、碳-陶和碳化硼中的一种或者多种与高温耐火可塑料相混合后形成的混合物。

4.根据权利要求2所述的复合炉衬，其特征在于，所述向火层（10）的材质为气化炉的灰渣和/或所述灰渣的提炼物。

5.根据权利要求2所述的复合炉衬，其特征在于，所述中间层（4）的厚度大于所述向火层（10）的厚度，并且所述向火层（10）和所述中间层（4）的总厚度不大于300mm。

6.根据权利要求5所述的复合炉衬，其特征在于，所述中间层（4）的材质为刚玉、硅、镁、铬、锆和碳化硅中的一者或者多者任意组合所形成的高温耐火可塑料。

7.一种气流床气化炉，包括炉体（1）和由所述炉体（1）包围形成的炉腔，所述炉腔的上部形成气化室（2），其特征在于，在与所述气化室（2）位置对应的所述炉体（1）的内侧壁上，安装有权利要求1-6中任意一项所述的复合炉衬。

8.根据权利要求7所述的气流床气化炉，其特征在于，所述炉体（1）的顶部的中心部位设置有喷口朝向所述气化室（2）的顶喷嘴（5）。

9.根据权利要求8所述的气流床气化炉，沿着所述炉体（1）的周向方向设置有喷口朝向所述气化室（2）的多个侧喷嘴（6），其中，多个所述侧喷嘴（6）设置于所述顶喷嘴（5）的火焰尾部。

10.根据权利要求9所述的气流床气化炉，其特征在于，所述顶喷嘴（5）和所述侧喷嘴（6）喷射气化原料和气化剂，其中，所述顶喷嘴（5）喷射的气化剂的量大于气化反应所需的气化剂的总量的50%，并且所述侧喷嘴（6）喷射的所述气化原料和气化剂的量可调。

11.根据权利要求9或10所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化室（2）由所述侧喷嘴（6）分隔为位于所述侧喷嘴（6）上方的靠近所述炉体（1）顶部的第一段气化室和位于所述侧喷嘴（6）下方的靠近所述炉体（1）底部的第二段气化室，其中，所述复合炉衬设置在与所述第一段气化室位置对应的所述炉体（1）的内侧壁上。

12.根据权利要求7所述的气流床气化炉，其特征在于，所述炉腔的下部的中心位置设置有与所述气化室（2）相连通的下降管（7），所述下降管（7）的内径小于所述气化室（2）的直径，并且所述下降管（7）的外侧壁与所述炉体（1）的内侧壁相间隔地设置。

13.根据权利要求12所述的气流床气化炉，其特征在于，所述下降管（7）的外侧壁上敷设有冷却水管（8），其中，在所述冷却水管（8）的靠近所述炉体（1）底部的一端设置有冷水进口（81），在所述冷却水管（8）的靠近所述炉体（1）顶部的一端设置有喷口朝向所述下降管（7）的中心部位的冷却喷嘴（82）。

14.根据权利要求10或11所述的气流床气化炉，其特征在于，所述炉体（1）的底部设置有排渣室（9），所述排渣室（9）中注有排渣液，其中，所述下降管（7）的底端位于所述排渣液的液面的上方并且与所述排渣液的液面相间隔。