CN105132035B - 一种气化剂强旋转煤粉气化方法 - Google Patents

Abstract

一种气化剂强旋转煤粉气化装置及气化方法，它涉及一种煤粉气化装置及气化方法，具体涉及一种气化剂强旋转煤粉气化装置及气化方法。本发明为了解决现有技术中气化炉壁面挂渣不均匀，造成气化炉内壁面烧损、腐蚀的问题。本发明的水冷壁安装在气化炉体内，水冷壁由多根竖直圆管组成，水冷壁围成回转体气化炉膛，气化炉体的底部设有渣池，合成气通道插装在气化炉体的下部，气化剂喷口设置在气化炉体的上部，且气化剂喷口沿气化炉膛的切线方向插入气化炉膛内，煤粉烧嘴安装在气化炉体的顶部，且煤粉烧嘴的轴线与气化炉膛的轴线重合，煤粉烧嘴内设有横截面为环形的煤粉通道。本发明用于煤气化领域。

Description

一种气化剂强旋转煤粉气化方法

技术领域

本发明涉及一种煤粉气化方法，具体涉及一种气化剂强旋转煤粉气化方法，属于煤气化领域。

背景技术

煤气化技术是高效清洁的洁净煤技术。当前的煤气化技术主要分为移动床气化、流化床气化、气流床气化和熔融床气化四类。其中，气流床气化技术因其气化强度高、生产能力大、碳转化率高等优点已成为现在煤气化技术的主要发展方向。气流床气化有两个主要特点，一是运行温度高，约为1300～1600℃，煤粉进入炉内后形成液态渣，排渣方式为液态排渣；另外一个特点是采用“以渣抗渣”技术来保护炉壁和减少热损失。气流床气化炉存在主要问题是：第一、烧嘴寿命短。煤粉气化炉的烧嘴寿命一般只有一年左右。第二、气化炉内壁面易烧损。以上问题导致气化炉经常停车，而气化炉作为化工企业的生产源头，一旦停车，导致整个生产线全部停运，整个生产线停运一次给企业造成巨额经济损失。例如:一套造气量80000Nm³/h的煤气化生产线停运一次经济损失达4000万元以上。

发明内容

本发明为解决现有技术中气化炉壁面挂渣不均匀，造成气化炉内壁面烧损、腐蚀的问题，进而提出一种气化剂强旋转煤粉气化方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述装置包括煤粉烧嘴、气化炉体、水冷壁、合成气通道和气化剂喷口，气化炉体由半球体和圆柱体组合而成，水冷壁安装在气化炉体内，水冷壁由多根竖直圆管组成，水冷壁围成回转体气化炉膛，气化炉体的底部设有渣池，合成气通道插装在气化炉体的下部，气化剂喷口设置在气化炉体的上部，且气化剂喷口沿气化炉膛的切线方向插入气化炉膛内，煤粉烧嘴安装在气化炉体的顶部，且煤粉烧嘴的轴线与气化炉膛的轴线重合，煤粉烧嘴内设有横截面为环形的煤粉通道。

本发明所述气化方法的具体步骤如下：步骤一、设定气化炉膛内部压力为0.1～4MPa，气化炉膛的运行温度为1250～1600℃；

步骤二、温度为25～100℃的干煤粉由氮气或二氧化碳携带以旋流方式经煤粉烧嘴上的煤粉通道送入炉膛内部，煤粉所占的体积分数为1％～25％，在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流；

步骤三、煤粉气流接触到中心回流区卷吸回来的高温合成气后，被其点燃，在炉膛顶部燃烧形成熔渣；

步骤四、温度为20～400℃的气化剂通过所述气化剂喷口以100～200m/s的速度切向喷入炉膛，高速的气化剂气流冲入炉膛后形成强烈旋转气流，在离心力的作用下，约80％的熔渣被甩在炉壁面形成较厚的渣层，渣层均匀，旋转气流不断冲刷炉膛壁面上的渣层，并与其发生强烈气化反应；

步骤五、化生成的粗煤气通过所述合成气通道流出炉膛，生成的液态渣沿壁面流入渣池，冷却后通过底部排渣口排出气化炉。

本发明的有益效果是：

1、本发明中渣层由离心力作用形成：现有技术中，煤粉与气化剂均从气化炉顶部喷入炉膛，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，熔渣与气化剂气流一起同向一般以直流的方式流向炉膛底部。在流动过程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于气流脉动粘到壁面上形成渣膜；而本发明中，煤粉从气化炉顶部喷入，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，以100～200m/s的速度切向喷入炉膛的气化剂在炉内形成强烈的旋转气流，熔渣与气化剂一起在近壁面区高速旋转向下流动，约80％的熔渣受强旋产生的离心力作用不断地被甩到壁面上形成渣层；

2、本发明中粘附在炉壁上的渣量多，渣层厚度大：现有技术中，煤粉与气化剂均从气化炉顶部喷入炉膛，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，熔渣与气化剂气流一起同向一般以直流的方式流向炉膛底部。在流动过程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于气流脉动粘到壁面上形成渣膜，离壁面较远处的熔渣无法粘到壁面上，因此只有约10％左右的熔渣能够粘到壁面形成渣膜，由于粘附在炉壁上的渣量小，导致壁面渣膜较薄，一般渣膜厚度为2～3mm；本发明依靠离心力将熔渣甩到壁面形成渣层，气化剂以100～200m/s的速度切向喷入炉膛，形成强烈的旋转气流，产生的离心力足以将熔渣甩在壁面上形成渣层，气化过程中约占80％左右的熔渣都被甩在壁面上形成渣层，由于粘附在炉壁上的渣量多，因此壁面渣层较厚，渣层厚度可达5～6mm；

3、本发明中壁面渣层厚度比较均匀：现有技术中，煤粉与气化剂均从气化炉顶部喷入炉膛，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，熔渣与气化剂气流一起同向一般以直流的方式流向炉膛底部。在流动过程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于气流脉动粘到壁面上形成渣膜，离壁面较远处的熔渣无法粘到壁面上，因此只有约10％左右的熔渣能够粘到壁面形成渣膜，由于粘附在炉壁上的渣量小，当沿气化炉圆周方向的气量分布不均时，沿圆周方向壁面熔渣粘附情况不均，导致圆周方向壁面渣膜厚度不均匀。而本发明中，煤粉从气化炉顶部喷入，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，以100～200m/s的切向速度喷入的气化剂在炉内形成强烈的旋转气流，熔渣与气化剂一起在近壁面区高速旋转向下流动。本发明中气流速度高，湍流强度大，有利于气化剂与熔渣的混合。熔渣与气化剂沿圆周方向混合均匀后在强旋产生的离心力作用下甩到壁面形成渣层，壁面渣层厚度比较均匀；

4、本发明能更有效保护气化炉内壁面：壁面渣层主要成分为SiO₂，SiO₂导热系数约为7.6W/mk，常用耐火砖的导热系数约为20～28W/mk，渣层导热系数比耐火砖小很多，因此渣层的隔热效果好。现有技术中壁面渣膜较薄，渣膜厚度一般为2～3mm，而且沿圆周方向渣膜厚度不均匀，易导致部分内壁面没有渣膜覆盖，气化炉内壁面裸露于高温烟气环境中，容易出现超温而被烧损。气化炉内气体中含有60％～70％的一氧化碳，高温的一氧化碳为腐蚀性气体，气化炉内壁面裸露于高温且富含一氧化碳的环境下，容易发生化学腐蚀。本发明中壁面渣层厚，渣层厚度高达5～6mm，是现有技术的2～3倍，同时渣层厚度比较均匀，避免气化炉内壁面裸露于高温烟气中，更能有效保护气化炉内壁面不被高温气体烧损；而且较厚的渣层将气化炉内壁面与炉内气体含有60％～70％的一氧化碳隔开，能保护气化炉内壁面不受一氧化碳气体的化学腐蚀；

5、本发明氧气消耗量少：现有技术中壁面挂渣薄而且不均匀，渣膜厚度一般为2～3mm；本发明中壁面挂渣厚且均匀，渣层厚度高达5～6mm，是现有技术的2～3倍,而渣层导热系数小，隔热性好，因此本发明能够减小壁面热损失。碳与氧气反应生成一氧化碳放热112.1kJ/mol，碳与氧气反应生成二氧化碳放热395kJ/mol，显然碳与氧气反应生成二氧化碳放热是生成一氧化碳放出的热量的3.52倍。煤粉气化需要在较高温度(1250～1600℃)下才能迅速反应，虽然期望得到的煤气化产物是一氧化碳，但为了维持较高炉内温度，必须通入过量的氧气生成二氧化碳来提高温度。现有技术中壁面热损失较大，实际运行时调整氧与碳的当量比为1.05～1.1时，也就是说多通入5％～10％的氧气生成二氧化碳维持炉温。而本发明中渣层厚，壁面热损失小，调整氧与碳的当量比为1.01～1.05即可维持同样的炉内高温，与现有技术相比氧的消耗量降低约5％。氧气是从空气中分离出来的，分离过程耗电量大，本发明降低大量氧的消耗量，相应节省大量电能；

6、本发明的煤种适用性强：熔渣气化炉想要达到“以渣抗渣”的技术路线保护水冷壁，则必须保证水冷壁面处存在较厚的渣层。现有技术中，水冷壁面处熔渣膜的形成仅仅依靠粘附靠近壁面处的熔渣，其粘附在壁面上的渣量极少。在粘附在壁面上的渣量极少的条件下，为达到一定厚度的渣层，则必须对煤灰的粘温特性提出苛刻的要求：在气化温度范围内，煤灰粘度不能过低或者过高。煤灰粘度过低则熔渣流动性好，渣膜较薄，不能起到保护水冷壁的作用；煤灰粘度过高则熔渣流动性减弱，在出渣口流动缓慢，排渣不畅。对煤灰的粘温特性要求苛刻，则意味着现有气化炉煤种适用性较差，必须选择合适的煤种才能正常运行。本发明中，80％的熔渣被甩至壁面处，水冷壁面形成一定厚度的渣层，渣层厚度对煤灰的粘温特性不敏感，因此本发明煤种适用性极强。在市场煤价波动的时期，气化炉对煤种的“不挑剔性”，能够为生产企业提供多重选择，大大提高企业的盈利能力；

7、相同容积、压力下，本发明中煤粉炉内停留时间长，气化时间长，气化速率高：(1)相同炉膛容积、压力下，相比现有技术的气化炉，本发明中煤粉在炉内停留时间长，气化时间长。现有技术中，气化剂携带着煤粉从气化炉顶端直接流向底端，由于煤粉颗粒一般小于75微米，气流对煤粉的携带能力极强，煤粉在炉内停留时间即携带着煤粉的气化剂从气化炉顶端直接流至底端的时间，停留时间很短，约4～6s；本发明中熔渣在离心力的作用下，大部分约占80％左右的熔渣甩到壁面上形成渣层，煤粉在炉内的停留时间为液态熔渣从气化炉顶部沿壁面缓慢流动至底部的时间。由于气化剂沿切向喷入炉内，在炉内做旋转流动，气化剂对沿壁面向下流动的液态熔渣携带能力较弱，并且液态熔渣粘度较大，沿着壁面缓慢向下流动，这就大大延长了煤粉在气化炉内停留时间，停留时间约为12～16s，相同炉膛容积、压力下煤粉停留时间是现有技术的2～4倍。2本发明气化反应速率高。气化炉内温度较高，气化反应属于扩散控制区，所述扩散控制区是指在较高温度下，反应速率极快，以致任何气体一到达煤焦颗粒表面，就立即与碳元素反应而迅速耗尽。这时穿过边界层的扩散就成为控制因素，而穿过边界层的扩散是由煤粉与气化剂的相对速度决定的，因此气化炉中煤粉与气化剂的相对速度决定着气化反应的速率。现有技术中煤粉与气化剂由烧嘴喷出后，约占总量10％的熔渣粘附在壁面处形成渣膜，剩余熔渣与气化剂一起同向流动。约占总量90％的熔渣与气化剂一起以较低速度同向流动，流动速度约为0.4～0.6m/s，两者相对速度更低，约为0.08～0.12m/s，在壁面处形成渣膜的熔渣与贴近壁面的气化剂气流发生气化反应，两者相对速度近似于气化剂气流的流动速度，约为0.4～0.6m/s，相对速度较低，气体扩散到颗粒表面缓慢，气化反应速率低。本发明中由于强旋气流的作用，约占总量80％的熔渣在壁面上形成渣层，剩余熔渣随气化剂在炉内旋转流动。渣层沿着壁面向下流动，而气化剂则高速旋转冲刷渣层，气化剂入口处气化剂气流切向速度为100～200m/s，随着流动过程逐渐衰减，合成气出口处气化剂气流切向速度衰减为50～100m/s，气化剂平均切向速度约为75～150m/s。壁面上的熔渣与气化剂的相对速度近似于气化剂的切向速度，平均为75～150m/s，为现有技术的900～1200倍。约占总量20％的熔渣随气化剂在炉内做旋转流动，气化剂平均速度为75～150m/s，气化剂速度大，湍流强度大，气化反应速率高。由此可见本发明中气化剂速度大，煤粉与气化剂的相对速度大，气体扩散到颗粒表面的速度大，所以本发明的气化效率远高于现有技术的气化炉；

8、本发明中依靠回流的高温合成气点火，着火稳定：现有技术中煤粉喷入炉膛后与气化剂一起向下流动，在向下流动过程中，煤粉不断受到高温合成气的辐射，温度逐渐升高，当其温度升高到高于其燃点时便被点燃。由于炉膛内流场的扰动及温度场的波动等原因，煤粉着火位置、着火时间随之波动，着火不稳定。本发明由于旋转气流在近壁面区流动，炉膛中心压力较低，炉膛底部的高温合成气被卷吸到炉膛中心向上流动，形成稳定的高温中心回流区，高温中心回流区内高温合成气回流到煤粉烧嘴根部，与煤粉气流混合，点燃煤粉，可保证煤粉稳定着火；

9、本发明节省投资：由优点7可知，本发明的煤粉在炉内停留时间、气化反应速率均远高于现有技术，气化强度大。因此在相同压力、相同造气量的情况下，本发明中气化炉设备远小于现有技术的气化炉设备，并且气化强度与现有技术相当甚至优于现有技术。从而节省了大量设备投资。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图1中10-煤粉和N2(CO2)，11-煤粉气流，12-渣层，13-气化剂，14-回流的合成气，15-中心回流区边界，16-出渣口；

图2是图1中A-A向剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气化剂强旋转煤粉气化装置包括煤粉烧嘴1、气化炉体2、水冷壁4、合成气通道5和气化剂喷口7，气化炉体2由半球体和圆柱体组合而成，水冷壁4安装在气化炉体2内，水冷壁4由多根竖直圆管组成，水冷壁4围成回转体气化炉膛3，气化炉体2的底部设有渣池6，合成气通道5插装在气化炉体2的下部，气化剂喷口7设置在气化炉体2的上部，且气化剂喷口7沿气化炉膛3的切线方向插入气化炉膛3内，煤粉烧嘴1安装在气化炉体2的顶部，且煤粉烧嘴1的轴线与气化炉膛3的轴线重合，煤粉烧嘴1内设有横截面为环形的煤粉通道8。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气化剂强旋转煤粉气化装置的煤粉通道8的进火端设有旋流叶片9。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式是所述一种气化剂强旋转煤粉气化方法的具体步骤如下：

步骤一、设定气化炉膛3内部压力为0.1～4MPa，气化炉膛3的运行温度为1250～1600℃；

步骤二、温度为25～100℃的干煤粉由氮气或二氧化碳携带以旋流方式经煤粉烧嘴1上的煤粉通道8送入炉膛3内部，煤粉所占的体积分数为1％～25％，在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流；

步骤三、煤粉气流接触到中心回流区卷吸回来的高温合成气后，被其点燃，在炉膛3顶部燃烧形成熔渣；

步骤四、温度为20～400℃的气化剂通过所述气化剂喷口7以100～200m/s的速度切向喷入炉膛3，高速的气化剂气流冲入炉膛后形成强烈旋转气流，在离心力的作用下，约80％的熔渣被甩在炉壁面形成较厚的渣层，渣层均匀，旋转气流不断冲刷炉膛壁面上的渣层，并与其发生强烈气化反应；

步骤五、化生成的粗煤气通过所述合成气通道5流出炉膛3，生成的液态渣沿壁面流入渣池6，冷却后通过底部排渣口排出气化炉。

工作原理

N₂携带着煤粉吹进煤粉烧嘴1中的煤粉通道8，流过旋流叶片9后旋转喷入炉膛3，在炉膛3顶端形成旋转向下的煤粉气流。煤粉气流与中心回流区卷吸回来的高温合成气混合后，被其点燃，在炉膛3顶部燃烧形成熔渣。预热后的气化剂经气化剂喷口7高速切向喷入炉膛3，在炉膛3内受到炉壁的限制，形成强烈旋转的气化剂气流。在这股强烈旋转气化剂气流的引射下，煤粉燃烧形成的熔渣、卷吸的高温合成气与气化剂气流一起在近壁面区旋转向下流动；受到强烈旋转产生的离心力的作用，约80％的熔渣被甩到壁面上，形成一层均匀的较厚的液态渣层。剩余的约20％的熔渣、卷吸的高温合成气及气化剂气流混合在一起继续在近壁面区旋转向下流动。渣层沿着壁面缓慢向下流动，强烈旋转的混合气流则不断冲刷壁面渣层，在此过程中，混合气流中的气化剂不断地与壁面渣层、混合气流中的熔渣发生强烈气化反应。反应后的壁面渣层沿壁面继续向下流动，进入渣池冷却后由排渣口排出。旋转向下的混合气流不断发生气化反应，到达气化炉底端时变为高温的合成气气流。由于混合气流在近炉壁区旋转流动，炉膛中心的压力相对较低，气化炉底端的合成气受到卷吸作用，在炉膛中心向上流动，形成稳定的高温中心回流区。高温中心回流区卷吸的高温合成气回流到气化炉顶端，点燃由煤粉烧嘴1喷入的煤粉气流，然后再次进入近壁区旋转向下运动。最终，生成的合成气从合成气通道5流出。

实施例一：

一台应用本发明的80000Nm³/h造气量的气化炉，预计运行4年水冷壁不发生烧损，可保证持续运营4年不停车，相比其它技术，减少经济损失1.6亿元。数值计算验证得知：本台气化炉壁面渣层厚度为6mm，渣层较厚且均匀，煤粉炉内停留时间为14s，停留时间较长，气化剂入口处煤粉与气化剂相对速度约为150m/s，合成气出口处煤粉与气化剂相对速度约为75m/s，煤粉与气化剂平均相对速度约为115m/s，煤粉与气化剂相对速度高，气体扩散到颗粒表面迅速，反应速率高。

某化工厂采用一般技术的一台80000Nm³/h造气量的气化炉，煤粉在炉内停留时间约为5s，气化剂与熔渣的相对速度约为0.1m/s，水冷壁面渣膜厚度较薄，约2mm，渣膜厚度不均匀，部分内壁面裸露于高温烟气环境中，内壁面易烧损，平均每年因为内壁面烧损而停车一次，每停车一次造成总经济损失4000万元左右。

Claims (1)

1.一种气化剂强旋转煤粉气化方法，其特征在于：所述一种气化剂强旋转煤粉气化方法的具体步骤如下：

步骤一、设定气化炉膛(3)内部压力为0.1～4MPa，气化炉膛(3)的运行温度为1250～1600℃；

步骤二、温度为25～100℃的干煤粉由氮气或二氧化碳携带以旋流方式经煤粉烧嘴(1)上的煤粉通道(8)送入炉膛(3)内部，煤粉所占的体积分数为1％～25％，在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流；

步骤三、煤粉气流接触到中心回流区卷吸回来的高温合成气后，被其点燃，在炉膛(3)顶部燃烧形成熔渣；

步骤四、温度为20～400℃的气化剂通过所述气化剂喷口(7)以100～200m/s的速度切向喷入炉膛(3)，高速的气化剂气流冲入炉膛后形成强烈旋转气流，在离心力的作用下，约80％的熔渣被甩在炉壁面形成较厚的渣层，渣层均匀，旋转气流不断冲刷炉膛壁面上的渣层，并与其发生强烈气化反应；渣层厚度为5～6mm；

步骤五、气 化生成的粗煤气通过所述合成气通道(5)流出炉膛(3)，生成的液态渣沿壁面流入渣池(6)，冷却后通过底部排渣口排出气化炉。