CN106318466A - 多烧嘴冷壁式水煤浆气化炉及气化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶部设置多个烧嘴的冷壁式水煤浆气化炉,包括一个承压炉体,炉体顶部设置法兰连接的顶盖,设置在顶盖中心的一个点火烧嘴和周边三个煤烧嘴的安装口,炉体内部用水冷壁隔离出来一个反应器,设置在反应器底部渣口下面的激冷水喷淋环,安装有下降管和上升套管的激冷室。本发明还涉及使用该气化炉的气化工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于煤化工领域的煤气化设备和气化方法,特别涉及一种使用水冷壁反应器的多烧嘴顶喷式水煤浆气化炉及气化方法。
背景技术
煤气化技术广泛应用于煤制氢气或是煤制合成氨、合成甲醇、合成油和天然气,以及煤气化联合循环发电等生产过程。煤气化炉是煤化工装置的核心设备,目前存在多种技术,固定床、流化床、气流床煤气化技术已经实现工业化。
气流床气化炉的气化温度和气化压力高、单炉负荷大、煤种适应范围广,随着环保要求的不断提高,采用液态排渣的气流床煤气化技术越来越显示出其优秀的环保性能,成为煤气化技术发展的主流方向。国外已工业化的气流床煤气化技术主要有以水煤浆为原料的GE公司的Texaco气化技术,以干粉煤为原料的Shell公司的SCGP气化技术、西门子公司的GSP技术等。我国也先后开发出了多喷嘴对置式水煤浆气化炉、灰熔聚流化床气化炉、两段式气化炉、航天炉、清华炉、东方炉、五环炉等煤气化技术。
水煤浆气化技术操作参数控制容易,易于做到稳定运行,但受制于耐火砖的温度适用性约束,不能气化灰熔点高于1400℃的原料煤。而采用水冷壁形式的干粉煤气化技术由于其气化反应温度高,对煤种适应性强,气化反应彻底,副反应少,但是干粉煤气化技术由于其复杂的煤粉制备流程增加了设备投资,煤粉干燥过程中需要向大气排放尾气,操作中存在安全风险,而在气化过程中由于粉煤流量测量和控制比较困难,容易造成炉内反应温度的波动,损伤设备引发停车,较难做到连续稳定操作。
当前,在煤制天然气工艺里采用最多的是鲁奇固定床气化技术,生成的粗煤气中含有约5%的甲烷,可减小后续装置的负荷,但该气化技术的煤种适应性差,只能使用块煤,不能使用粉煤,且不能使用灰熔点低于1200℃的煤种,还存在污染严重、大量含酚废水无法处理的难题。如果在煤制天然气工厂设置一台水煤浆气化炉,使用鲁奇炉产生的含酚废水参与原料煤制浆,可以有效减少煤制天然气工厂的废水排放。
发明内容
针对耐火砖形式水煤浆气化炉不能气化高灰熔点煤的问题,本发明提供了一种采用水冷壁反应器的多烧嘴顶喷式水煤浆气化设备及气化工艺。具备煤种适应性广、碳转化率高、单炉能力大、负荷调节弹性大、生产运行稳定、设备投资节省、维护检修简单、环保性能好等特点。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案如下:
一种多烧嘴冷壁式水煤浆气化炉,包括一个承压炉体,设置于炉体顶部的端头顶盖,顶盖上设有点火烧嘴和周边多个煤烧嘴的安装口,炉体内部用水冷壁隔离出的反应器,设置在反应器底部渣口下面的激冷水喷淋环,和安装有下降管和上升套管的激冷室。
该冷壁式水煤浆气化炉反应器以整体方式置于承压外壳中,壳体上封头与壳体采用法兰连接,壳体上封头中央位置设置以法兰形式连接的端头顶盖,端头顶盖上设置一个点火烧嘴和三个煤烧嘴的法兰式安装口。
炉体内上半部分由水冷壁盘管围出反应器腔体,腔体上方开口为烧嘴喷射入口,腔体下方开口为渣口,水冷壁盘管在反应器内侧表面均匀布置长度为10-20毫米的销钉,以销钉为附着物在水冷壁内侧敷设一层碳化硅耐火材料,水冷壁盘管与炉体承压外壳之间留有隔热环隙,环隙内设置惰性气体吹扫接口。
炉体内位于反应器下方的空间形成激冷室,激冷室底部开口为渣水出口,激冷室上部侧面开口为合成气出口,激冷室下部侧面开口为黑水出口,激冷室内设置下降管和上升套管,激冷水喷淋环管位于渣口与下降管之间,喷淋环向下降管内壁沿切线方向喷入激冷水。
本发明还提供所述多烧嘴冷壁式水煤浆气化炉的气化工艺,包括:(1)点火烧嘴使用预热并加压后的燃气作为燃料,混配惰性气体的氧气作为助燃剂;(2)点火烧嘴从气化炉顶端中心部位向下将喷入火焰对炉膛进行预热;(3)煤烧嘴使用水煤浆作为燃料,氧气作为气化剂;(4)水煤浆通过三条管线分别进入三个煤烧嘴喷入气化炉;(5)三个煤烧嘴全部由气化炉顶端将水煤浆和氧气向下方喷射入炉发生气化反应;(6)合成气和液态渣由反应器下部渣口进入激冷室下降管;(7)渣口和下降管之间切向喷水到金属材质的下降管内侧形成均匀水膜,将合成气和液态渣降温;(8)固体渣从激冷室底部的渣水出口离开气化炉;(9)合成气从下降管下端口齿状开口进入上升管,与激冷水分离后从位于激冷室上部的合成气出口离开气化炉。
所述气化工艺,水煤浆通过三条通道分别进入三个煤烧嘴,氧气通过三条管线分别进入三个煤烧嘴,经过煤烧嘴将水煤浆与氧气混合并雾化后喷射入气化炉。
所述气化工艺,水煤浆浓度为55%到65%,点火烧嘴对炉膛预热温度设定为800℃到900℃,反应器内部气化温度为1500℃到1700℃。
所述气化工艺,煤烧嘴投用后点火烧嘴作为长明灯继续燃烧。
与现有技术相比,本发明的优点是:
1、将水冷壁反应器和水煤浆气化工艺结合在一起,克服了传统水煤浆气化炉需要频繁修补耐火砖的缺点。
2、拓宽了气化温度的选择窗口,可以根据原料煤的灰熔点性质选取合适的气化温度,可以使用各种原料煤种进行气化生产。
3、在点火烧嘴燃烧的同时投用煤烧嘴,降低了水煤浆烧嘴的点火难度,消除了水煤浆烧嘴点火期间发生燃爆的现象,减低了气化炉发生设备故障的频率。
4、将多烧嘴设计应用在顶喷型气化炉,改善了气化炉调节负荷的灵活性,便于开车期间煤气化工段和后续工段的衔接操作,减少了开车期间合成气向火炬的排放量,改善了开车期间装置运行的经济性。合理的煤烧嘴喷射角度设计允许单台烧嘴运行,可以实现煤气化装置在从20%到120%范围的任意负荷下长期稳定生产,很好地适应下游装置的负荷波动工况。
附图说明
图1所示为多烧嘴冷壁式水煤浆气化炉设备结构示意图。
图2所示为多烧嘴冷壁式水煤浆气化技术工艺流程图。
具体实施方式
下文将结合附图对本发明进行示例说明。
图1示出了本发明的冷壁式水煤浆气化炉的一种典型结构。
如图2所示,粒径不大于50毫米的原料煤送入棒磨机加水研磨成水煤浆,水煤浆进入缓冲罐储存,缓冲罐内设置搅拌设施保持水煤浆组成均匀。根据气化工况的需求,水煤浆经浆料泵加压后通过煤烧嘴与氧气混合并雾化,在气化炉内发生燃烧和气化反应,生成合成气。
启动气化炉时首先点燃点火烧嘴将炉膛升温到900℃,然后逐个投用煤烧嘴,水煤浆与纯氧发生不完全燃烧生成粗合成气,调节氧气与水煤浆的流量比例,升温到1500℃,炉膛温度采用水冷壁产生蒸汽流量计算得到。气化过程中未发生反应的灰组分,高温状态下熔化成液滴状态,在重力作用下随气流或者沿水冷壁表面流到反应器底部,经渣口落入激冷水池形成颗粒状渣,使用渣锁斗间歇排出,从渣中分离出来的灰水返回制浆系统循环使用。高温合成气经过位于反应器下方的水激冷区域降温和除尘,从水激冷区域上部引出产品合成气。
煤气化产生的合成气温度和组成适合于直接进入下游一氧化碳变换反应器发生中温耐硫变换反应,通过对变换深度的控制可以调节产品合成气中的氢气和一氧化碳比例,经过低温甲醇洗工段将合成气中的二氧化碳分离脱除后,合成气进入相应的合成反应器以生产各种下游产品。
实施例:某煤气化制合成氨尿素项目
某日产1000吨合成氨中间产品及1740吨尿素项目,需要煤气化每小时产生8.8万标方有效合成气(CO+H2)。
原料煤使用国内某大宗商品煤种,收到基水分含量14%,干基灰分含量7%,无水无灰基元素分析含碳80.72%、氢4.83%、氮1.03%、硫0.45%,收到基低位热值25MJ/kg。
设置2台日投煤量750吨规格的多烧嘴冷壁式水煤浆气化炉。
每小时平均消耗60吨原料煤,在制浆系统内使用棒磨机研磨制成水煤浆,储存在水煤浆罐。
经料浆泵加压后,水煤浆罐内的水煤浆分3条管线分别控制流量并从布置在气化炉顶部的3个煤烧嘴喷入气化炉与氧气发生煤气化反应,气化炉正常操作压力为4.0MPag。
气化炉使用纯度为97.5%的氧气作为气化剂,由水冷壁包围起来的炉膛温度在1500℃到1700℃范围。
水煤浆进料中包含的无机盐矿物质则形成液态的渣汇集在水冷壁并向下流入激冷水池,经过渣锁斗排放到捞渣机,将水分离后的固体渣作为副产品送出厂外,每小时约产生含水量50%的湿渣8吨。
在气化炉的高温反应区,水煤浆中所有的有机物都能够发生气化反应转化成合成气,下行穿过激冷水区域降温,出气化炉后经过文丘里洗涤器以及水洗塔洗涤后作为产品合成气,送下游装置。
出水洗塔的合成气温度为218℃,压力3.8MPag。
全部2台气化炉每小时生产粗合成气总量为272460Nm3,其中每小时生产有效合成气H2+CO的量为88000Nm3。粗合成气组成:一氧化碳17.93%、氢气14.37%、二氧化碳7.45%、水蒸气57.25%,微量组分可忽略不计。
以上虽结合附图对本发明作了详细说明,但以上内容旨在对本发明进行示例说明,不应理解为是对本发明的限制。其中所使用的术语均为解释性而非限制性的,本发明的保护范围以随附的权利要求书限定内容为准。另外,本领域技术人员可以理解本发明的明显变型或其它等同方式,这些亦在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多烧嘴冷壁式水煤浆气化炉,包括一个承压炉体,设置于炉体顶部的端头顶盖,顶盖上设有点火烧嘴和周边多个煤烧嘴的安装口,炉体内部用水冷壁隔离出的反应器,设置在反应器底部渣口下面的激冷水喷淋环,和安装有下降管和上升套管的激冷室。
2.根据权利要求1所述的冷壁式水煤浆气化炉,其特征在于,该冷壁式水煤浆气化炉反应器以整体方式置于承压外壳中,壳体上封头与壳体采用法兰连接,壳体上封头中央位置设置以法兰形式连接的端头顶盖,端头顶盖上设置一个点火烧嘴和三个煤烧嘴的法兰式安装口,点火烧嘴喷射方向为竖直向下,煤烧嘴的喷射方向为自上而下,煤烧嘴轴线延长线经过反应器腔体中心点。
3.根据权利要求1所述的冷壁式水煤浆气化炉,其特征在于,炉体内上半部分由水冷壁盘管围出反应器腔体,腔体上方开口为烧嘴喷射入口,腔体下方开口为渣口,水冷壁盘管在反应器内侧表面均匀布置长度为10-20毫米的销钉,以销钉为附着物在水冷壁内侧敷设一层碳化硅耐火材料,水冷壁盘管与炉体承压外壳之间留有隔热环隙,环隙内设置惰性气体吹扫接口。
4.根据权利要求1-3任一项所述的冷壁式水煤浆气化炉,其特征在于,炉体内位于反应器下方的空间形成激冷室,激冷室底部开口为渣水出口,激冷室上部侧面开口为合成气出口,激冷室下部侧面开口为黑水出口,激冷室内设置下降管和上升套管,激冷水喷淋环管位于渣口与下降管之间,喷淋环向下降管内壁沿切线方向喷入激冷水。
5.一种采用权利要求1至4任一项所述的冷壁式水煤浆气化炉的气化工艺,包括:(1)点火烧嘴使用预热并加压后的燃气作为燃料,混配惰性气体的氧气作为助燃剂;(2)点火烧嘴从气化炉顶端中心部位向下将喷入火焰对炉膛进行预热;(3)煤烧嘴使用水煤浆作为燃料,氧气作为气化剂;(4)水煤浆通过三条管线分别进入三个煤烧嘴喷入气化炉;(5)三个煤烧嘴全部由气化炉顶端将水煤浆和氧气向下方喷射入炉发生气化反应;(6)合成气和液态渣由反应器下部渣口进入激冷室下降管;(7)渣口和下降管之间切向喷水到金属材质的下降管内侧形成均匀水膜,将合成气和液态渣降温;(8)固体渣从激冷室底部的渣水出口离开气化炉;(9)合成气从下降管下端口齿状开口进入上升管,与激冷水分离后从位于激冷室上部的合成气出口离开气化炉。
6.根据权利要求5所述的气化工艺,水煤浆通过三条通道分别进入三个煤烧嘴,氧气通过三条管线分别进入三个煤烧嘴,经过煤烧嘴将水煤浆与氧气混合并雾化后喷射入气化炉。
7.根据权利要求5所述的气化工艺,水煤浆浓度为55%到65%,点火烧嘴对炉膛预热温度设定为800℃到900℃,反应器内部气化温度为1500℃到1700℃。
8.根据权利要求5-7任一项所述的气化工艺,煤烧嘴投用后点火烧嘴作为长明灯继续燃烧。
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