CN106753574A - 一种气流床气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气流床气化炉，本发明的气流床气化炉包括一气化室和一可拆卸地连接于气化室底部的辐射废锅，气化室的顶部设有主工艺烧嘴，气化室具有一炉体，炉体外壁上设有若干排副工艺烧嘴，炉体内设有炉膛，炉体与炉膛之间设有气化室冷却壁，辐射废锅的外壁上、中心轴线处分别设有外层冷却壁、内层冷却壁；辐射废锅的底部设有一渣池，并连通一循环水管路，用以向渣池内补充渣池循环水。本发明提供的气流床气化炉气化效率高、安全性高、清洁环保、操作简便、启停快速。

Description

一种气流床气化炉

技术领域

本发明属于工业燃气制备技术领域，具体涉及一种气流床气化炉。

背景技术

我国分布广泛的筑路、建筑、建材、交通、陶瓷、玻璃、冶金、机械制造和轻纺等行业有大量的工业燃气的需求，用于加热各种窑、炉或直接加热产品或半成品。这些行业的工业燃气需求具有热值较低、负荷变化大、规模较小、分布零散的特点。这些特点使得工业燃气用户难以与民用工业燃气网路连接，往往采用分布式工业燃气制备与应用方式，即由生产企业建立独立的小型人工工业燃气制备装置满足自身工业燃气消耗需要。加之国内天然气资源有限、价格较高，因此采用储量丰富的煤炭通过气化技术制取并提供稳定的人工工业燃气，是符合我国国情且能够满足国内日益增长的工业燃气需求的一条重要途径。

目前煤气化制工业燃气技术主要有固定床、流化床和气流床三种流派。目前小规模工业燃气制备采用较多的是固定床气化技术，该技术开发应用时间较早，主要存在煤种适应性差、碳转化率低、工业燃气净化难、环境污染严重等缺点，无法满足国家煤炭高效清洁利用的能源和环境要求。相比固定床，流化床气化技术煤种适应性较好、炉内温度分布均匀。但是其飞灰循环量大、对原料粒度分布要求较高、流态化状态难以控制、操作难度大，这些缺点都限制了流化床技术的应用和发展。目前最为成熟的是气流床煤气化技术，其煤种适应性强、碳转化率高、环境污染小，已成为煤气化技术主要的发展方向。

但是，现有的气流床气化炉主要为大型化和高温、高压条件的化工生产而设计，具有如下特点：1、下游合成均为带压操作，要求气化装置高压操作以便与下游工艺衔接；2、重点追求合成气品质，特别是CO和H₂等有效气含量。因此，现有工艺采用纯氧气化，冷煤气效率高；3、现有工艺需求合成气中的水蒸气含量(便于下游CO变换制H₂)，普遍采用激冷工艺。使得副产蒸汽量降低，且增加庞大的渣水处理系统。这些特点使得现有气流床气化工艺投资巨大、操作复杂、安全联锁系统要求高，并不符合工业燃气制备用户要求气化工艺简单、气化炉体积小、反应效率高、安全性高、清洁环保、操作简便、启停快速的需求，无法将现有煤化工技术直接应用于燃气制备领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有的气流床气化炉主要应用于大型化、高温、高压条件下的化工生产，导致投资巨大、操作复杂、安全联锁系统要求高而不适用于低压、小型化工业燃气制备的缺陷，提供了一种气流床气化炉，本发明提供的气流床气化炉成本低、高效、安全，适用于工业化推广。

本发明是通过如下技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供了一种气流床气化炉，其包括一气化室和一可拆卸地连接于所述气化室底部的辐射废锅，所述气化室的顶部设有一主工艺烧嘴，所述气化室具有一炉体，所述炉体的外壁上垂直穿设有若干排副工艺烧嘴，所述炉体内设有一炉膛，所述炉体与所述炉膛之间设有一气化室冷却壁，所述炉膛的底部设有一气化室出口；所述辐射废锅包括一进料口、一渣水出口和一工业燃气出口，所述进料口、所述渣水出口和所述工业燃气出口分别设于所述辐射废锅的顶部、底部和中上部，所述进料口与所述气化室出口相连通，所述辐射废锅的外壁上、中心轴线处分别设有一外层冷却壁、一内层冷却壁；所述辐射废锅的底部设有一渣池，并连通一循环水管路，通过渣水循环口向渣池内补充渣池循环水。

本发明中，所述气流床气化炉的气化室和辐射废锅可使用同一金属壳体或分别使用单独的金属壳体；当二者分别使用单独的金属壳体时，较佳地，二者通过法兰连接。

本发明中，所述炉膛由一半球形空间、一直筒段及一锥段依次连接而成；所述半球形空间顶部设置有所述主工艺烧嘴，所述锥段连接所述气化室出口，所述半球形空间、所述直筒段和所述锥段连接处的内径相等；所述炉膛内发生气化反应，产生工业燃气及熔渣，所述工业燃气及所述熔渣进入所述气化室出口；所述直筒段的高径比为本领域常规，较佳地为(2～10)：1，更佳地为(3～5)：1。

本发明中，所述气化室出口的直径与所述炉膛的内径的比例关系为本领域常规，较佳地，所述气化室出口的直径为所述炉膛的内径的0.2～0.6倍。

本发明中，所述辐射废锅由一上锥段、一圆柱段及一下锥段依次连接而成；所述上锥段顶部设置有所述进料口，所述工业燃气出口设置于所述圆柱段的上部的壁面上，所述下锥段设置有所述渣池，所述渣水出口设置于所述下锥段的底部，所述循环水管路设置于所述渣池的中部；所述上锥段、所述圆柱段及所述下锥段连接处的内径相等。

其中，所述上锥段的锥面与所述辐射废锅的轴向的夹角较佳地为30°～60°；所述下锥段的锥面与所述辐射废锅的轴向的夹角较佳地为30～60°，更佳地为40～50°。

其中，所述圆柱段的高径比为本领域常规，较佳地为(2～8)：1。

本发明中，所述辐射废锅设有所述内层冷却壁和所述外层冷却壁，所述外层冷却壁设置于所述辐射废锅的金属壳体内侧，所述内层冷却壁设置于所述辐射废锅的内部，为竖直放置的圆筒状；所述进料口与所述气化室出口相连通，由所述气化室出口进入所述进料口的工业燃气和熔渣经所述内层冷却壁初步冷却后从内层冷却壁下端流出，熔渣经初步冷却后变为固化灰渣落入辐射废锅下部渣水中通过渣水出口排出，工业燃气向上折返后进入内层冷却壁与外层冷却壁间的夹层，经所述夹层进一步冷却后由所述工业燃气出口排出。

其中，所述内层冷却壁的内径较佳地为所述气化室出口内径的2～5倍，所述内层冷却壁的高径比较佳地为(3～10)：1。

本发明中，所述工艺烧嘴为具有多个通道的复合式设备，用于将气化原料和/或气化剂以射流形式引入气化室，利用射流高速剪切作用实现雾化和弥散，强化物料混合。

其中，所述主工艺烧嘴用于气化炉开工点火及正常进料；根据实际的设计工况，所述主工艺烧嘴可作为气化原料和/或气化剂的入口。

所述副工艺烧嘴排布于所述气化室的炉壁的四周，根据实际的设计工况，分为1～4排，所述的副工艺烧嘴的任一排均匀分布于炉壁同一横截面上，每排包含4、6或8个副工艺烧嘴；所述副工艺烧嘴作为气化剂入口；所述副工艺烧嘴与气化炉的径向夹角为0～10°，可根据工艺条件的需要控制气化炉小角度旋流-撞击流流场的旋流度。

本发明中，所述气化室冷却壁、内层冷却壁、外层冷却壁可分别选自冷却夹套或水冷管，其作用在于隔绝气化室内、辐射废锅内高温，保护金属壳体，冷却工业燃气及熔渣。

所述水冷管为盘管式水冷管或列管式水冷管。

较佳地，所述气化室冷却壁为气化室冷却夹套，所述气化室冷却夹套是由气化炉金属壳体与气化室冷却夹套壳体构成的环形空间，其内部设置有导流片，并充满导热介质；导热介质通过环形空间内的导流片均匀、稳定地流动；所述导热介质为本领域常规，较佳地为水、导热油或熔盐。所述气化室冷却夹套的壁面结构按从炉膛中心向外依次分布耐火材料、耐火涂层、气化室冷却夹套金属壁、导热介质通道、气化炉金属壳体，所述冷却夹套金属壁向炉膛一侧焊有销钉，用以加固耐火材料，以防止其脱落。

较佳地，所述外层冷却装置为外层冷却夹套，所述内层冷却装置为内层冷却夹套。所述内层冷却夹套、所述外层冷却夹套的结构与所述气化室冷却夹套的结构相似，其内部均设置有导流片，并充满导热介质，所述导热介质为本领域常规，较佳地为水、导热油或熔盐。

当气化炉或导热介质压力较高时，所述气化室冷却壁、内层冷却壁和外层冷却壁均选用水冷管。所述气化室的水冷管的壁面结构按从炉膛中心向外依次分布耐火材料、耐火涂层、盘管或列管、气化炉金属壳体，所述盘管或列管向炉膛一侧焊有销钉，用以加固耐火材料，以防止其脱落。

所述耐火材料为由SiC、SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、MgO、P₂O₅和Fe₂O₃中的一种或几种组成的混合物，敷设在气化炉冷却夹套或水冷管靠近炉膛一侧的壁面内，起到抵抗炉内高温气体的作用，其厚度为本领域常规，较佳地为2～10cm，更佳地为3～6cm。

所述耐火涂层为由微小的氧化铝空心球构成的高温耐火涂料，涂抹在气化炉冷却夹套或水冷管靠近炉膛一侧的壁面上，用于增加热阻，降低气化炉壁面传热量，提高热效率，所述耐火涂层的厚度为本领域常规，较佳地为0.5～5mm，更佳地为1～2mm。

本发明中，所述渣池位于所述辐射废锅的下部，所述渣池内盛有渣池水，经所述内层冷却壁冷却固化后形成的固化灰渣在渣池循环水中完全固化冷却，并收集。所述渣池的底部设置有渣水出口，用以排放固化灰渣和渣池循环水，所述渣池的侧部设置有渣水循环口，用以补充渣池内渣池循环水。

本发明中，所述气化室与所述辐射废锅分离后也可单独使用，在气化室下部连接燃气管道或者气渣分离设备可将工业燃气用于直接燃烧等用途。

在具体的生产过程中，当气化剂流量较大时，本发明特定的副工艺烧嘴布局可以使部分气化剂采用侧向进料方式，降低气化炉顶部主工艺烧嘴负荷和射流速度，同时通过形成小角度旋流-撞击流流场，消除顶部主工艺烧嘴射流形成的短路并强化物料混合，提高了气化炉容积效率，同时通过烧嘴结构和布置在炉膛内形成旋流流场，延长物流停留时间、提高碳转化率，经本发明气流床气化炉制备的工业燃气中不含焦油，S元素在工业燃气中以H₂S形式赋存，有利于下游回收。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

(1)通过副工艺烧嘴的布置，在气化室内形成小角度旋流-撞击流流场，有利于延长物料停留时间、提高单位容积效率及气化炉挂渣；同时降低了单个烧嘴的投料负荷、减少烧嘴烧蚀、使气化室内温度分布更加均匀，有利于稳定排渣并延长气化炉耐火材料寿命。

(2)由冷却夹套或水冷管构成的冷却壁结构隔热效果好，对于相同金属壳体直径的气化炉而言，具有更大的有效容积，并且当采用冷却夹套作为冷却壁时，加工难度小，制造成本低、维修便捷。

(3)采用辐射废锅回收工业燃气高温显热，热效率高，可根据具体应用需求副产不同等级蒸汽或预热气化原料；同时，气化炉辐射废锅部分的双层冷却壁设计具有换热效果好、检修方便、节省空间的优点。

附图说明

图1为实施例1的气流床气化炉的结构示意图。

图2为实施例1的气流床气化炉的气化室冷却夹套的壁面结构示意图。

附图标记说明：

气化室1；炉膛101；主工艺烧嘴102；

副工艺烧嘴103；气化室冷却夹套104；气化室出口105；

辐射废锅2；工业燃气出口201；内层冷却夹套202；

外层冷却夹套203；渣池204；渣水出口205；

渣水循环口206；销钉3；耐火材料4；

耐火涂层5；导热介质通道6；气化炉金属壳体7；

气化室冷却夹套金属壁8。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

本实施例的气流床气化炉的冷却壁均采用冷却夹套的形式，辐射废锅与气化室组合使用。

本实施例的气流床气化炉包括气化室1和可拆卸地连接于所述气化室1底部的辐射废锅2，所述气化室1的顶部设有一主工艺烧嘴102，所述气化室1具有炉体，所述炉体的外壁上垂直穿设有若干排副工艺烧嘴103，所述炉体内设有炉膛101，所述炉体与所述炉膛101之间设有气化室冷却夹套104，所述炉膛1的底部设有气化室出口105；所述辐射废锅2包括进料口、渣水出口205和工业燃气出口201，所述进料口、所述渣水出口205和所述工业燃气出口201分别设于所述辐射废锅2的顶部、底部和中上部，所述进料口与所述气化室出口105相连通，所述辐射废锅2的外壁上、中心轴线处分别设有一外层冷却夹套203、一内层冷却夹套202；所述辐射废锅2的底部还设有一渣池204，并连通一循环水管路，用以向渣池204内补充渣池循环水。

本实施例中，气化原料和部分气化剂从主工艺烧嘴102进入气化室1，部分气化剂从副工艺烧嘴103进入气化室，与气化原料在炉膛1内进行反应，反应后的工业燃气和熔渣由气化室出口105进入进料口，再进入辐射废锅2中，工业燃气和熔渣经内层冷却夹套202初步冷却后从内层冷却夹套202下端流出，熔渣经初步冷却后变为固化灰渣落入辐射废锅2下部渣池204中通过渣水出口排出，工业燃气向上折返后进入内层冷却夹套202与外层冷却夹套203间的夹层，经夹层进一步冷却后由工业燃气出口201排出。

本实施例的气流床气化炉的气化室冷却夹套104的壁面结构按从炉膛1中心向外依次分布耐火材料4、耐火涂层5、气化室冷却夹套金属壁8、导热介质通道6、气化炉金属壳体7，所述气化室冷却夹套金属壁8向炉膛一侧焊有销钉3；所述耐火材料4为SiC、SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、MgO、P₂O₅和Fe₂O₃组成的混合物，其厚度为5cm；所述耐火涂层5为由微小的氧化铝空心球构成的高温耐火涂料，所述耐火涂层5的厚度为1.5mm。

以某煤制工业燃气项目为例，该项目采用本发明的气流床气化炉以粉煤和空气为原料生产低热值工业燃气，气化炉煤处理量为200t(干基煤)/d。

本实施例中，气化原料和25％的气化剂从主工艺烧嘴102进入气化室1，75％的气化剂从副工艺烧嘴103进入气化室。

所采用的原料粉煤煤质分析结果如表1所示，粉煤的平均粒度为100μm。

表1原料煤煤质分析结果

表2为本实施例的气化条件、工业燃气组成及装置工艺性能。

表2气化条件、工业燃气组成及装置工艺性能

实施例2

本实施例的气流床气化炉采用实施例1的结构。

以某煤制工业燃气项目为例，该项目采用本发明气化炉以粉煤和富氧为原料生产中热值工业燃气，气化炉煤处理量为200t(干基煤)/d。

本实施例中，气化原料和50％的气化剂从主工艺烧嘴102进入气化室1，50％的气化剂从副工艺烧嘴103进入气化室。

所采用的原料粉煤煤质分析结果如表1所示，粉煤的平均粒度为100μm。

表3为本实施例的气化条件、工业燃气组成及装置工艺性能。

表3气化条件、工业燃气组成及装置工艺性能

实施例3

本实施例的气流床气化炉采用实施例1的结构。

以某石油焦制工业燃气项目为例，该项目采用本发明气化炉以石油焦和95％纯氧为原料生产中热值工业燃气，气化炉石油焦处理量为200t(干基)/d。

本实施例中，气化原料和90％以上的气化剂从主工艺烧嘴102进入气化室1，10％以下的气化剂从副工艺烧嘴103进入气化室。

所采用的原料石油焦分析结果如表4所示，石油焦粉的平均粒度为100μm。

表4石油焦分析结果

表5为本实施例的气化条件、工业燃气组成及装置工艺性能。

表5气化条件、工业燃气组成及装置工艺性能

对比实施例1

本对比实施例的气流床气化炉采用现有的常规气化炉，具有一气化室，一设置于气化室顶部的工艺烧嘴，一气化室出口，一设于气化室内部的冷却装置，气化室出口下接一激冷室，通过水激冷冷却燃气。

本对比实施例采用现有常规气流床粉煤气化技术，气化装置煤处理量为200t(干基煤)/d，操作条件、原料条件和燃气需求与实施例2相同。本对比实施例与实施例2对比结果如表6所示。

表6现有技术与实施例2对比

*注：以出气化室燃气为基准计算。

比较该对比实施例1及实施例2可以看出：

在低压富氧气化条件下，由于气化炉内物料的操作态体积显著增大，可能产生停留时间降低、混合效果变差的不利影响，其直接后果将导致气化炉碳转化率降低。然而，由于碳转化率是物料停留时间、混合和流动状态的综合作用结果，现有技术无法通过单纯的放大或操作条件调整克服这一问题。本专利通过改进气化炉烧嘴及其布置方式，优化烧嘴与气化炉炉体结构匹配，在强化炉内混合的同时提高炉膛空间利用率、消除短路，确保了在此工况下气化炉碳转化率仍然可达98％以上。并且通过对气化炉冷却壁结构的改进，优化了气化炉挂渣排渣状况，降低了气化炉原料消耗。此外，由于本发明采用废锅对合成气进行冷却，相比现有的激冷方法，气化炉冷却壁和辐射废锅可副产大量饱和蒸汽，热煤气效率可达89.6％。相对地，现有气化炉采用激冷工艺将燃气所含高温显热用于加热激冷水，使出气化炉的燃气水蒸气含量大幅度升高，不仅使燃气热值大大降低，无效气体流量大幅增加，还需补充大量激冷水，并配置庞大的渣水处理系统，大幅增加了新鲜水的消耗和设备投资。

从上述对比可以看出，本发明在碳转化率、原料消耗、燃气热值、气化炉热煤气效率等方面全面优于现有技术，并大幅降低了原料成本、设备投资和控制难度，特别适合于小规模工业燃气领域的生产需求。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种气流床气化炉，其特征在于，其包括一气化室和一可拆卸地连接于所述气化室底部的辐射废锅，所述气化室的顶部设有一主工艺烧嘴，所述气化室具有一炉体，所述炉体的外壁上垂直穿设有若干排副工艺烧嘴，所述炉体内设有一炉膛，所述炉体与所述炉膛之间设有一气化室冷却壁，所述炉膛的底部设有一气化室出口；所述辐射废锅包括一进料口、一渣水出口和一工业燃气出口，所述进料口、所述渣水出口和所述工业燃气出口分别设于所述辐射废锅的顶部、底部和中上部，所述进料口与所述气化室出口相连通，所述辐射废锅的外壁上、中心轴线处分别设有一外层冷却壁、一内层冷却壁；所述辐射废锅的底部设有一渣池，并连通一循环水管路，通过渣水循环口向渣池内补充渣池循环水。

2.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述炉膛由一半球形空间、一直筒段及一锥段依次连接而成；所述半球形空间顶部设置有所述主工艺烧嘴，所述锥段连接所述气化室出口，所述半球形空间、所述直筒段和所述锥段连接处的内径相等；所述直筒段的高径比为(2～10)：1，较佳地为(3～5)：1。

3.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述辐射废锅由一上锥段、一圆柱段及一下锥段依次连接而成；所述上锥段顶部设置有所述进料口，所述工业燃气出口设置于所述圆柱段的上部的壁面上，所述下锥段设置有所述渣池，所述渣水出口设置于所述下锥段的底部，所述循环水管路设置于所述渣池的中部；所述上锥段、所述圆柱段及所述下锥段连接处的内径相等；所述上锥段的锥面与所述辐射废锅的轴向的夹角为30°～60°；所述下锥段的锥面与所述辐射废锅的轴向的夹角为30～60°，较佳地为40～50°；所述圆柱段的高径比为(2～8)：1。

4.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述内层冷却壁的内径为所述气化室出口的内径的2～5倍，所述内层冷却壁的高径比为(3～10)：1。

5.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化室出口的直径为所述炉膛的内径的0.2～0.6倍。

6.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述副工艺烧嘴分为1～4排，所述的副工艺烧嘴的任一排均匀分布于炉壁同一横截面上，每排包含4、6或8个副工艺烧嘴，所述副工艺烧嘴与所述气化室的径向夹角为0～10°。

7.如权利要求1所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化室冷却壁、内层冷却壁、外层冷却壁分别选自冷却夹套或水冷管，所述水冷管为盘管式水冷管或列管式水冷管。

8.如权利要求7所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化室冷却壁为气化室冷却夹套、所述外层冷却壁为外层冷却夹套、所述内层冷却壁为内层冷却夹套；所述气化室冷却夹套内部设置有导流片，并充满导热介质。

9.如权利要求8所述的气流床气化炉，其特征在于，所述气化室冷却夹套的壁面结构按从炉膛中心向外依次分布耐火材料、耐火涂层、气化室冷却夹套金属壁、导热介质通道、气化炉金属壳体，所述冷却夹套金属壁向炉膛一侧焊有销钉。

10.如权利要求9所述气流床气化炉，其特征在于，所述耐火材料为SiC、SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、MgO、P₂O₅和Fe₂O₃中的一种或几种组成的混合物，其厚度为2～10cm，较佳地为3～6cm；所述耐火涂层为由氧化铝空心球构成的高温耐火涂料，所述耐火涂层的厚度为0.5～5mm，较佳地为1～2mm。