CN1062587C - 多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水煤浆或煤粉气化炉，所说的气化炉是一个多喷嘴对置的竖式气流床，在炉体周边同一水平面或多个水平面对称设置两个或两个以上的喷嘴，煤气与液渣并流且呈向下流动，由气化炉下部的出口排出炉外，所说的气化炉碳转化率可达98%，水蒸汽分解率可达25%，操作周期长，可用于联合循环(IGCC)发电装置，也可用于制备合成氨、合成甲醇、“羰基化法生产醋酸与醋干所需的原料气，海绵铁的生产、一氧化碳的生产、纯氢的生产或可燃垃圾的气化处理。

Description

多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉及其应用

本发明属于煤气化领域，涉及一种水煤浆或煤粉气化炉及其应用。

煤的洁净与高效利用是当今我国能源与环境保护领域中的重大技术课题，也是我国国民经济持续发展的关键技术之一。煤气化是将一次能源转化为洁净的二次能源的主要途径，其产品为燃料气(煤气)、合成气、还原气、氢气、一氧化碳。煤的气化技术在联合循环(IGCC)发电装置、合成氨和合成甲醇工业、羰基化法生产醋酸与醋干工业、海绵铁的生产、纯一氧化碳的制备、纯氢的制备等领域得到了广泛的应用，而气化炉则是煤气化的关键设备。为此，众多的科技人员研究、开发了各种类型的气化炉。目前，在采用气流床(喷流床、携带床)进行气化的技术中，有代表性的主要有两种：采用水煤浆为原料的气化炉有德士古(Texaco)；采用干煤粉为原料的气化炉有谢尔(Shell)，文献U.S.Pat.Nos.4，637，823、4，527，997、5，281，243分别公开了德士古气化炉，该气化炉的几何特征是喷嘴轴线与煤气及液渣出口轴线重合，两者都在气化炉主体轴线上。鉴于该气化炉为气流床，从而导致部分物料(流股)短路。我们的实验测试表明，如果物料在该类型气化炉中平均停留时间为5秒，实际上，其中部分物料停留时间不到1秒即逸出炉外，而另一部分物料在炉中停留时间远远超过5秒。也就是说，物料在该气化炉中的停留时间是一个很宽的分布，有50％-60％的物料小于平均停留时间就逸出炉外。另外，其混合效果并不理想。由于上述原因。德士古气化炉的碳转化率一般不到95％，水蒸气分解率也小于20％；文献U.S.92-960345公开了谢尔气化炉。煤气与液渣呈反向流动，即煤气向上，液渣向下。其缺点有二，其一，液渣因无热煤气伴随，极易凝固而堵塞出渣口；其二，悬浮在煤气流中的细小煤渣要经过较长的管道，且改变流动方向，才能进入下游设备进行余热回收或气固分离，管道及下游设备容易堵塞，两者都会缩短操作周期。

鉴于上两种炉型的缺陷，产业部门迫切希望有关技术人员开发一种高碳转化率、高发气量、长周期稳定生产的气化炉以满足生产的需要。

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，公开一种多喷嘴对置、竖式，液态排渣、煤气与液渣并流且呈向下流动的气流床水煤浆或于煤粉气化炉及其工业应用，使碳转化率达到98％以上，水蒸气分解率达到25％以上。

本发明的构思是这样的：由于水煤浆和煤粉气化效果的好坏，除与煤种的物理、化学性质有关外，在一定的工艺条件下，主要与喷嘴结构及尺寸、喷嘴配置、气化炉结构及尺寸以及三者匹配实现气化时形成的流体流动行为和流场结构有关。也就是说，在煤种和工艺条件一定时，气化效果优劣主要取决于炉内的浓度分布、温度分布以及停留时间分布。在气化炉的高温下，化学反应速率已经相当快，气化过程由传热传质过程控制，传递过程和停留时间分布主要取决于炉内的流体行为与流场结构。因此本发明在竖式的气化炉的壳体周边对称设置两个以上的喷嘴，原料煤(水煤浆或干煤粉)或其他烃类燃料与气化剂，通过喷嘴以射流方式进入炉膛，来自不同喷嘴的射流流股在炉膛中相互撞击，因为惯性，燃料颗粒在炉膛中产生多次阻尼震荡，使燃料颗粒在炉膛中的停留时间增加；同时湍流强度显著增加，使传热传质速率大幅度提高，从而提高了燃料的碳转化率和水蒸汽的分解率。

根据上述的构思，发明人进行了大型冷模试验，并考虑了工业应用时的工作环境、排渣、除尘等因素，提出了一种多喷嘴对置、竖式、液态排渣、煤气与液渣并流且呈向下流动的气流床水煤浆或干煤粉气化炉。

所说的多喷嘴对置是指两个或两个以上的喷嘴在一个或多个水平面上，沿气化炉壳体周边对称设置。

所说的竖式，是指气化炉主体轴线与水平面垂直。

所说的液态排渣，是指在气化条件下，原料(燃料)中的金属氧化物已经熔融，呈液态排出气化炉。

所说的煤气与液渣并流且呈向下流动，是指在宏观上煤气与液渣同向流动，且沿气化炉主体轴线自上而下流动。

下面将通过附图对本发明作详细的阐述。图1为气化炉的结构简图，图2为图1中的A-A向示图。

图中：

1------金属壳体

2----耐火衬里

3----喷嘴室

4----入孔

5----入孔法兰

6----喷嘴

7----液渣和煤气出口

L----两层喷嘴室的间距

H----第一层喷嘴室与炉顶的间距

D----炉膛内直径

本发明所说的气化炉的炉体是一个组合体，它由金属壳体1和耐火衬里2组成。金属壳体1在0℃～350℃下能承受工艺要求的压力(0.1～12Mpa)；气化炉壳体上同一个水平面或多个水平面上沿炉体周边对称设置两个或两个以上的喷嘴室3，喷嘴室3也由金属壳体1和耐火衬里2所组成，中间为空腔，以放置喷嘴6，喷嘴以机械方法固定于喷嘴室中。喷嘴室轴线与喷嘴轴线重合，且与气化炉主体轴线垂直。同一水平面上两个喷嘴如呈180度设置，则两喷嘴轴线应重合，第一层喷嘴室3与炉顶的间距H为炉膛内直径D的0.5～2倍，两层喷嘴室3的间距亦为炉膛内直径D的0.5～2倍；耐火衬里2或为不同性能耐火砖的组合体，或为渣层和耐火浇铸料遮蔽的冷却管组合体，也可以是上述两种方式的组合；气化炉上部为入孔4，运行时，用设有耐火衬里2的法兰5封闭；气化炉下部为出口7，出口7以机械方法与下游设备相联接，煤气和液渣从出口7排出炉外，进入激冷室或余热锅炉。

所说的气化炉可以采用常规的喷嘴，如以水煤浆为原料时，则可优先采用中国专利CN 1125163 A所公开的一种“带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴”；气化炉壳体还设有若干个热电偶孔和表面温度计，附图省略。

所说的气化炉以水煤浆、干煤粉或烃类物质为原料，水煤浆的含固量为50～70％；以干煤粉为原料时还需加入水蒸汽，蒸汽与燃料碳之比为0.05～0.65kg/kg，上述各种原料气化时均以氧含量为93％～99.8％的纯氧、空气或富氧中的一种为氧化剂(也称气化剂)，氧与燃料碳之比为0.4～1.6M³(标准态)/kg，操作压力为0.1～12Mpa，操作温度为1250℃～1550℃。

所说的气化炉可用于联合循环(IGCC)发电装置，也可用于制备合成氨、合成甲醇、羰基化法生产醋酸与醋酐所需的原料气，海绵铁的生产、一氧化碳的生产、纯氢的生产或可燃垃圾的气化处理。

对于上述领域的应用，可用下述化学反应方程进行描述： $\mathrm{CmHn}+(m+\frac{n}{4})O_2=\mathrm{mCO}+\frac{n}{2}{H}_{2}O--------\left(A\right)$ 若n=0，则为碳的燃烧；若m=0，则为氢的燃烧，此外还可以进行其它可燃组份的燃烧，如CO的燃烧反应。燃烧反应产生的热量为煤的气化创造了条件，同时还会进行逆变换反应和甲烷化反应，如下所示：

    (B)

    (C)

    (D)

    (E)以及生成H₂S、COS、NH₃、HCN、HCOOH等反应。

本发明所说的气化炉具有十分显著的优点：

(1)采用多喷嘴对置，在气化炉内形成撞击流，其流体行为和流场结构有利于雾化和弥散，强化了混合，提高了热质传递速率，延长了原料颗粒的平均停留时间，它们都将显著提高气化效果，即提高碳转化率，降低灰渣中可燃物含量，增加单位质量原料的发气量、有效期成分和水蒸气的分解率。碳的转化率可达98％，水蒸气的分解率可达25％；

(2)采用竖炉，为合理设置气化炉耐火衬里结构创造了前提，从而有利于延长耐火衬里的使用寿命，比卧式的气化炉的使用寿命提高一倍以上；

(3)宏观上煤气与液渣沿气化炉主体轴线自上而下流动，有效地抑制了结渣，方便了除尘；

(4)本发明采用气化床(喷流床、携带床)和液态排渣，为使原料呈粉雾状和高温气化创造了条件，也易于提高气化压力，从而使气化炉生产强度显著高于固定(移动)床、硫化床。

实施例：联合循环(IGCC)发电装置的煤气化炉，炉高16米，炉膛内直径3米，一层4喷嘴对置，日处理神府煤2000吨，以水煤浆为原料，含固量为63％，以98％的纯氧为氧化剂，氧碳比为0.75M³(标准态)/kg，操作温度为1380℃，操作压力为4.0Mpa，碳的转化率为98％，水蒸汽的分解率为25％。

Claims (4)

1．一种多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉，包括炉体和喷嘴(6)，其特征是：在气化炉壳体上同一个水平面或多个水平面上沿炉体周边对称设置两个或两个以上的喷嘴室(3)，喷嘴室(3)由金属壳体(1)和耐火衬里(2)所组成，中间为空腔，以放置喷嘴(6)，喷嘴(6)以机械方法固定于喷嘴室(3)中，第一层喷嘴室(3)与炉顶的间距(H)为炉膛内直径(D)的0.5～2倍，两层喷嘴室的间距(L)为炉膛内直径(D)的0.5～2倍；人孔(4)设置于气化炉上部；煤气和液渣出口(7)设置于气化炉下部。

2．如权利要求1所述的气化炉，其特征是：喷嘴室(3)的轴线与喷嘴(6)的轴线重合，且与气化炉主体轴线垂直，同一水平面上两个对称设置的喷嘴(6)呈180度设置，两个喷嘴(6)的轴线相互重合。

3．如权利要求1或2所述的气化炉，其特征是：所说的喷嘴(6)为一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴。

4．权利要求1、2或3所述的气化炉的应用，其特征是：可用于联合循环(IGCC)发电装置、制备合成氨、合成甲醇、羰基化法生产醋酸与醋酐所需的原料气、海绵铁的生产、一氧化碳的生产、纯氢的生产或可燃垃圾的气化处理。

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