CN105132039B - 流化床飞灰返炉气化设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流化床飞灰返炉气化设备及方法，属于煤气化技术领域，能够使返炉飞灰在高效转化的同时，气化炉内的流场分布更加均匀。所述飞灰返炉气化设备，包括飞灰注入装置，所述飞灰注入装置包括内层通道和外层通道，所述内层通道用于通入含氧气化剂、所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，或所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物、所述外层通道用于通入含氧气化剂，以使飞灰与含氧气化剂在出口处充分混合地注入气化炉内进行燃烧反应。本发明可用于煤气化过程的飞灰处理中。

Description

流化床飞灰返炉气化设备及方法

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，尤其涉及一种流化床飞灰返炉气化设备及方法。

背景技术

中国以煤为主的能源结构在未来较长时期内难以根本改变，如何加强煤的清洁高效综合利用是煤化工技术发展的重要方向，在众多的技术中，煤气化是煤炭高效、清洁利用的核心技术之一。

目前较为先进的流化床气化工艺具有气固物料混合充分的特点，利于传热、传质和气化反应，是煤炭气化工艺中最为成熟的工艺。流化床是指将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有流体的某些表观特征，这种流固接触状态也称为固体流态化。然而，在流化床气化工艺中，所产生的煤气中所夹带的飞灰含碳量很高，如果不能对飞灰进行再利用，会造成能源的浪费和整个工艺成本的提高，因此，有必要对流化床气化炉飞灰进行高效再利用。

飞灰利用形式主要有回收燃烧和气化两种。其中，回收燃烧是将旋风分离器补集到的飞灰通入另外一台设备中再燃烧的过程，此工艺虽然能够提高飞灰的转化率，但主要是利用飞灰的热值，使得飞灰总体利用率较低。

在上述基础上，开发了飞灰的气化再利用技术，即将飞灰通过返灰系统送入气化炉进行再次气化的过程。但如图1所示，在现有的飞灰气化技术中，分离后的飞灰在返灰吹送气的推动下是送入到气化区中，而非送入到燃烧区中，从而不能在含氧气化剂的作用下燃烧完全，降低了飞灰的碳转化率。并且，飞灰是从气化炉的一侧通入气化区，飞灰气流的通入会造成气化炉内流场产生偏流、短路现象，从而造成炉内温度分布不均匀，情况严重时，还会产生炉内结渣、无法返灰等现象，从而影响气化炉的正常操作。

因此研究开发一种既能将返炉飞灰高效转化又能使气化炉内流场分布更加均匀的方法和设备显得十分重要。

发明内容

本发明提供了一种流化床飞灰返炉气化设备及方法，能够使返炉飞灰在高效转化的同时，气化炉内的流场分布更加均匀。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种流化床飞灰返炉气化设备，包括飞灰注入装置，所述飞灰注入装置包括内层通道和外层通道，所述内层通道用于通入含氧气化剂、所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，或所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物、所述外层通道用于通入含氧气化剂，以使飞灰与含氧气化剂在所述飞灰注入装置的出口处充分混合地从气化炉的底部注入气化炉内进行燃烧反应。

优选的，所述内层通道的出口设有外倒角，所述外层通道的出口设有与所述内层通道的出口外倒角角度一致的缩口。

可选的，所述内层通道和所述外层通道为“L”型。

可选的，所述内层通道和所述外层通道的竖直段长度应满足通道出口处气体均匀分布。

优选的，所述外层通道的竖直段长度大于所述内层通道的竖直段长度。

可选的，所述内层通道和所述外层通道竖直段与水平段的连接位置分别位于通道竖直段的下部，且在通道竖直段底部留有气体涡流缓冲空间。

优选的，所述内层通道的底部设有实心半球状流线补强结构，且半球直径与所述内层通道的外部直径相同。

可选的，所述外层通道与所述内层通道的直径比例为2-4.5倍。

可选的，所述内层通道的出口处的外倒角为45°-75°。

优选的，所述外层通道的缩口的直径尺寸为所述内层通道出口的直径尺寸的1.0-1.2倍。

可选的，当返灰量的固体体积分数≥0.3时，所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，所述外层通道用于通入含氧气化剂；

当返灰量的固体体积分数＜0.3时，所述内层通道用于通入含氧气化剂，所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物。

可选的，还包括：

气化炉；

飞灰分离装置，用于对气化炉中排出的带有飞灰的产品气进行气固分离；

飞灰储存装置，用于收集分离后的飞灰，并在返灰吹送气的推动下将飞灰送入所述飞灰注入装置中。

一种流化床飞灰返炉气化方法，包括步骤：

1)对气化炉中排出的带有飞灰的产品气经气固分离装置进行气固分离；

2)将气固分离后的飞灰在返灰吹送气的推动下，与含氧气化剂一起经由飞灰注入装置注入气化炉内进行燃烧反应。

优选的，所述含氧气化剂中氧气的体积浓度为20％-60％。

本发明提供了一种流化床飞灰返炉气化设备，在该设备中，返炉飞灰在吹送气的推动下，同含氧气化剂一起经由飞灰注入装置从气化炉底部注入到气化炉的富氧燃烧高温区中进行燃烧。由于飞灰注入装置分为内外两层通道，分别通入返灰吹送气与飞灰的混合物和含氧气化剂，使得含氧气化剂气流可在通道出口处对飞灰进行有效撞击、扰动，从而与飞灰充分混合，这样不但可延长飞灰在含氧气氛中的停留时间，使其充分燃烧，有效提高飞灰中的碳转化率，还可利用气化炉底部经由飞灰注入装置注入的气流来增强气化炉内的物料流动，从而有利于气化炉内的流场分布更加均匀。

附图说明

图1为现有技术中流化床飞灰气化设备的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的飞灰注入装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种飞灰注入装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的流化床飞灰气化设备的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的流化床飞灰返炉气化方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种流化床飞灰返炉气化设备，包括飞灰注入装置，所述飞灰注入装置包括内层通道和外层通道，所述内层通道用于通入含氧气化剂、所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，或所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物、所述外层通道用于通入含氧气化剂，以使飞灰与含氧气化剂在所述飞灰注入装置的出口处充分混合地从气化炉的底部注入气化炉内进行燃烧反应。

本发明提供了一种流化床飞灰返炉气化设备，在该设备中，返炉飞灰在吹送气的推动下，同含氧气化剂一起经由飞灰注入装置从气化炉底部注入到气化炉的富氧燃烧高温区中进行燃烧。由于飞灰注入装置分为内外两层通道，分别通入返灰吹送气与飞灰的混合物和含氧气化剂，使得含氧气化剂气流可在通道出口处对飞灰进行有效撞击、扰动，从而与飞灰充分混合，这样不但可延长飞灰在含氧气氛中的停留时间，使其充分燃烧，有效提高飞灰中的碳转化率，还可利用气化炉底部经由飞灰注入装置注入的气流来增强气化炉内的物料流动，从而有利于气化炉内的流场分布更加均匀。

在本发明的上述实施例中，所述内层通道的出口设有外倒角，所述外层通道的出口设有与所述内层通道的出口外倒角角度一致的缩口。在本实施例中，将内层通道的出口设置为外倒角形式，不仅可有效避免外层通道内的气流在流经内层通道出口时对内层通道出口外侧造成的冲蚀，还可减小内层通道外侧的管壁对外层通道内的摩擦，从而减小射流阻力。进一步，在内层通道的出口设有外倒角的基础上，在外层通道的出口设有与所述内层通道的出口外倒角角度一致的缩口，可使外层通道中的气流与内层通道中的气流最终实现在同一平面内进行混合，从而可使飞灰与含氧气化剂实现有效撞击。

在本发明的上述实施例中，所述内层通道和所述外层通道为“L”型。在本实施例中，飞灰注入装置包括内层通道和外层通道，且内外层通道均设计为“L”型，在内层通道和外层通道中根据需要可分别通入返灰吹送气与飞灰的混合物或含氧气化剂。需说明的是，如“L”型所示，可分别从内层通道和外层通道的水平段通入返灰吹送气与飞灰的混合物或含氧气化剂，以竖直段出口为气流出口，飞灰与含氧气化剂在出口处相互撞击，从而充分混合。另外，将内层通道和外层通道设计为“L”型，还可确保各自通道内的气流在出口处速度的均匀性，有利于二者的均匀混合。

在本发明的上述实施例中，所述内层通道和所述外层通道的竖直段长度应满足通道出口处气体均匀分布。为了使内外层通道中的气流能够在出口处实现均匀分布，内外层通道中应设有一定的竖直段长度，这样可使内外层中的气流在达到竖直段通道内时首先在竖直段通道内均匀分散，以保证在达到竖直段出口处时实现均匀分布。可以理解的是，在本实施例中，所述内层通道的竖直段长度可设置为所述内层通道直径的5-8倍，可以为5倍、6倍、7倍、8倍等，所述外层通道的竖直段长度为可设置为外层通道直径的6-12倍，可以为6倍、7倍、8倍、9倍、10倍、11倍、12倍等。

但可以理解的是，在本实施例中提及上述比例的目的并不在于通过限定通道直径来具体限定飞灰注入装置的大小，而是为了让本领域技术人员能够在上述比例的前提下，通过结合所处理的返灰量的具体处理量以及夹带飞灰的含氧气化剂气流射入气化炉中富氧燃烧区的射流速率来具体设定通道的直径，以获得所需要的飞灰注入装置的大小，从而可确保所选定的飞灰注入装置能够更为合理地用于整个气化设备中。

在本发明的优选实施例中，所述外层通道的竖直段长度大于内层通道的竖直段长度。如上述实施例中所提到的比例可知，在本发明实施例所限定的飞灰注入装置中，外层通道的长度可大于或小于内层通道的长度，但优选外层通道的长度优选大于内层通道的长度，以获得如图2和图3中所示的飞灰注入装置，这样不但可实现本申请所预期的技术效果，还可提高飞灰注入装置的耐用性。但可以理解的是，在本发明实施例所限定的飞灰注入装置中，内层通道的长度也可大于外层通道的长度，相应的，在以这种方式形成的飞灰注入装置中，在内层通道的底部就无需再设置实心半球状流线补强结构。但需说明的是，该种结构形式的飞灰注入装置虽也可实现含氧气化剂与飞灰的有效碰撞，达到充分混合的目的，但由于外层通道中的气流会对内层通道的管壁造成冲蚀，因此，在本申请实施例中，并不推荐由该种结构形成的飞灰注入装置。

在本发明的上述实施例中，所述内层通道和所述外层通道中竖直段与水平段的连接位置分别位于通道竖直段的下部，且在通道竖直段底部留有气体涡流缓冲空间。

在本实施例中，内层通道和外层通道中的水平段可设置为如图2所示，即水平段位于竖直段的下部，而非底部，水平段管面下部的位置可距离竖直段下部的封闭面一定距离，即气体涡流缓冲空间，这样可缓冲从水平段射入的高速气流在射入后所产生的涡流冲击。其中，内层通道和外层通道中水平段管面下部的位置距离竖直段下部的封闭面的距离为各自通道直径的0.5-2倍即可，例如0.8倍、1倍、1.2倍、1.5倍、1.8倍。可以理解的是，上述距离不应过大，否则可能会造成通入的飞灰在下部封闭面处的不必要的沉积。

在本发明的上述实施例中，所述内层通道的底部设有实心半球状流线补强结构，且半球直径与所述内层通道的外部直径相同。在本实施例中，在内层通道的底部设有实心半球状流线补强结构，这样可防止外层通道中的高速流体对内层通道的冲蚀，从而可提高装置的耐用性。

在本发明的上述实施例中，所述外层通道与所述内层通道的直径比例为2-4.5倍。这样设置可限定出外层通道与内层通道之间的气体流动空间，以保证外层通道内的气流在通过外层通道竖直段时，也能够在足够的流动空间内实现均匀分布。

为了使内层通道和外层通道中射入的气流能够更加集中，以及从内外层通道中喷出的飞灰和含氧气化剂能够得到有效撞击及扰动，在本发明的上述实施例中，所述内层通道的出口处的外倒角为45°-75°。需说明的是，由于外层通道设有与内层通道的出口外倒角角度一致的缩口，即外层通道出口处的缩口与内层通道出口处的外倒角处于同一平面中，所以为了确保有效量的飞灰能够得到处理，内层通道的出口处的外倒角的角度范围设置的不宜过大或过小，过大则会导致飞灰与含氧气化剂在出口处就发生碰撞，堵塞出口，使飞灰处理量降低，过小则会导致飞灰与含氧气化剂得不到有效撞击，降低飞灰转化效率。

在本发明的上述实施例中，所述外层通道的缩口的直径尺寸为所述内层通道出口的直径尺寸的1.0-1.2倍。在本实施例中，外层通道的缩口的直径尺寸可与内层通道出口的直径尺寸相同，或略大于内层通道出口的直径尺寸，从而可确保飞灰能够与含氧气化剂充分接触，以延长飞灰在含氧气氛中的停留时间，使其燃烧反应更加充分，从而提高飞灰中的碳转化率。

在本发明的上述实施例中，当返灰量的固体体积分数≥0.3时，所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，所述外层通道用于通入含氧气化剂；当返灰量的固体体积分数＜0.3时，所述内层通道用于通入含氧气化剂，所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物。在本实施例中，当返灰量较大时，如图2所示，优选在内层通道中通入返灰吹送气与飞灰的混合物，这样可减小飞灰气流的阻力，使含氧气化剂气流对飞灰气流进行更好地扰动，以混合均匀；而在飞灰量较小时，如图3所示，则优选在外层通道中通入返灰吹送气与飞灰的混合物，以使飞灰更好地分散在含氧气化剂中实现混合均匀。

如图4所示，在本发明的上述实施例中，流化床飞灰返炉气化设备还包括：气化炉200；飞灰分离装置300，用于对气化炉中排出的带有飞灰的产品气进行气固分离；飞灰储存装置400，用于收集分离后的飞灰，并在返灰吹送气的推动下将飞灰送入所述飞灰注入装置中。

图5为本发明实施例提供的流化床飞灰返炉气化方法的流程图。如图5所示，本发明实施例提供了一种流化床飞灰返炉气化方法，包括步骤：

S1：对气化炉中排出的带有飞灰的产品气经气固分离装置进行气固分离；

S2：将气固分离后的飞灰在返灰吹送气的推动下，与含氧气化剂一起经由飞灰注入装置注入气化炉内进行燃烧反应。

在本步骤中，含氧气化剂可为水蒸气、氮气、二氧化碳中的一种或多种与氧气的混合物，也可为水蒸气、二氧化碳中的一种或多种与空气的混合物；返灰吹送气可为水蒸气、氮气、二氧化碳中的一种或多种。

本发明实施例提供了一种流化床飞灰返炉气化方法，在该方法中，收集的飞灰在吹送气的推动下，同含氧气化剂一起经由飞灰注入装置从气化炉底部注入到气化炉的富氧燃烧高温区中进行燃烧。由于收集的飞灰与含氧气化剂在注入装置出口处充分混合后进入富氧燃烧高温区中，这样一方面可保证飞灰的燃烧反应时间，另一方面还可保证飞灰燃烧的均匀性和彻底性。利用该方法在实现飞灰高效利用前提下，还能借助射入气流来增强气化炉内的物料流动，从而将燃烧产生的热量快速分散，避免高温区域产生。

本发明实施例所提供的流化床飞灰返炉气化方法的具体流程如下：在气化炉200正常工作时，产生的煤气夹带粒径较小的颗粒从气化炉顶部流出，经过飞灰分离装置300气固分离后，大部分的夹带颗粒被捕获收集，这部分捕获的颗粒称为飞灰，通过飞灰分离装置下部管道落入飞灰储存装置400中，而煤气则夹带一小部分粒径更小的颗粒通过飞灰分离装置顶部出口流出进入后续流程。捕获收集的飞灰在返灰吹送气的推动下送入飞灰注入装置中，并与含氧气化剂一起经由飞灰注入装置100快速混合地注入气化炉内进行燃烧反应。

在本发明的一个实施例中，所述含氧气化剂中氧气的体积浓度为20％-60％。在该实施例中，设定的含氧气化剂中氧气的体积浓度较大，这样可确保飞灰在该含氧气化剂的作用下即可在燃烧区中燃烧反应完全。可以理解的是，上述浓度的含氧气化剂实质上可使绝大部分的飞灰燃烧反应完全，如果还留有残渣，则可借助经由气化炉下部的分布板通入到气化炉内的第二含氧气化剂的含氧气氛反应完全。其中，第二含氧气化剂与经由飞灰注入装置与飞灰一起注入气化炉内进行燃烧反应的含氧气化剂的组成成分相同，但含氧浓度较小，通常氧气的体积浓度约为10％-20％。

还可以理解的是，在本步骤中，含氧气化剂中氧气的浓度可根据气化反应类型的不同进行相应的调节。例如，当该方法适用于原煤气化反应中时，含氧气化剂中氧气的体积浓度为20％-60％，射流区温度可控制在850℃-1200℃左右；而当该方法适用于催化气化反应中时，含氧气化剂中氧气的体积浓度可调节为25％-40％，射流区温度可相应降低，控制在750℃-900℃左右即可。有关上述参数的具体调节方法，本领域技术人员可根据实际生产情况进行调节。

下面将结合具体实施例及附图更详细地描述本发明所提供的流化床飞灰返炉气化设备及方法。

实施例1

采用如图4所示的流化床飞灰返炉气化设备，其中，所用飞灰注入装置如图2所示，即内层通道用于通入飞灰及返灰吹送气的混合物，外层通道用于通入含氧气化剂，混合有飞灰的含氧气化剂气流注入到气化炉下部，即燃烧反应区中。

实施例2

采用如图4所示的流化床飞灰返炉气化设备，其中，所用飞灰注入装置如图3所示，即内层通道用于通入含氧气化剂，外层通道用于通入飞灰及吹送气的混合物，混合有飞灰的含氧气化剂气流注入到气化炉下部，即燃烧反应区中。

对比例

采用如图1所示的现有技术中的流化床飞灰返炉气化设备，其中，飞灰及返灰吹送气的混合物注入到气化炉一侧的下部，即气化反应区中。

为了客观地评价本发明的效果，在下面试验中对本发明中的实施例与现有技术中的对比例进行了比较。具体方法为：待装置稳定运行后，分别设定相同的试验物料、装置运行时间，设定气化炉射流区温度为850℃-900℃，待试验结束后对飞灰进行取样分析，并从装置运行情况、飞灰碳转化率与气化炉温度场情况进行对比测试，测试结果如表1所示。

表1

由表1可知，在试验物料、装置运行时间相同的情况下，气化炉射流区温度为850℃-900℃，实施例1和实施例2中的飞灰碳转化率均高于对比例约27-30％，这说明通过飞灰注入装置在气化炉底部的燃烧区返料能够实现飞灰高效转化。另外从气化炉运行过程中的温度分布来看，气化炉炉体单侧返料会影响气化炉流场的对称性，容易形成偏流，导致气化炉非正常工作被迫停车，而实施例1和实施例2中则未出现上述情况，流场比较均匀，这说明本发明实施例提供的方法和设备能够实现飞灰返炉的高效利用。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围。

Claims (13)

1.一种流化床飞灰返炉气化设备，其特征在于，包括飞灰注入装置，所述飞灰注入装置包括内层通道和外层通道，所述内层通道用于通入含氧气化剂、所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，或所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物、所述外层通道用于通入含氧气化剂，以使飞灰与含氧气化剂在所述飞灰注入装置的出口处充分混合地从气化炉的底部注入气化炉内进行燃烧反应，

其中，所述内层通道的出口设有外倒角，所述外层通道的出口设有与所述内层通道的出口外倒角角度一致的缩口。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述内层通道和所述外层通道为“L”型。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述内层通道和所述外层通道的竖直段长度应满足通道出口处气体均匀分布。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述外层通道的竖直段长度大于所述内层通道的竖直段长度。

5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述内层通道和所述外层通道竖直段与水平段的连接位置分别位于通道竖直段的下部，且在通道竖直段底部留有气体涡流缓冲空间。

6.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述内层通道的底部设有实心半球状流线补强结构，且半球直径与所述内层通道的外部直径相同。

7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述外层通道与所述内层通道的直径比例为2-4.5倍。

8.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述内层通道的出口处的外倒角为45°-75°。

9.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述外层通道的缩口的直径尺寸为所述内层通道出口的直径尺寸的1.0-1.2倍。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，

当返灰量的固体体积分数≥0.3时，所述内层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物，所述外层通道用于通入含氧气化剂；

当返灰量的固体体积分数＜0.3时，所述内层通道用于通入含氧气化剂，所述外层通道用于通入返灰吹送气与飞灰的混合物。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：

气化炉；

飞灰分离装置，用于对气化炉中排出的带有飞灰的产品气进行气固分离；

飞灰储存装置，用于收集分离后的飞灰，并在返灰吹送气的推动下将飞灰送入所述飞灰注入装置中。

12.一种流化床飞灰返炉气化方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-11中任一项所述的流化床飞灰返炉气化设备，包括步骤：

1)对气化炉中排出的带有飞灰的产品气经气固分离装置进行气固分离；

2)将气固分离后的飞灰在返灰吹送气的推动下，与含氧气化剂一起经由飞灰注入装置注入气化炉内进行燃烧反应。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述含氧气化剂中氧气的体积浓度为20％-60％。