CN107099337A - 一种u形煤气化反应装置及利用该装置进行煤气化的工艺 - Google Patents

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Abstract

一种U形煤气化反应装置及利用该装置进行煤气化的工艺，它涉及一种U形煤气化反应装置及利用该装置进行煤气化的工艺。本发明是要解决现有气流床气化炉飞灰生成量大、飞灰含碳量高、碳转化率低以及能源利用率低的问题。U形煤气化反应装置由气化炉体、水平烟道和废锅组成；所述气化炉体由气化炉烧嘴、气化炉膛、水冷壁管和渣池组成；所述废锅由中间炉墙分隔为辐射换热室和对流换热室；所述气化炉体、水平烟道和二次气化室组成U形的煤气化反应区。本发明用于煤气化。

Description

一种U形煤气化反应装置及利用该装置进行煤气化的工艺
技术领域
本发明涉及一种U形煤气化反应装置及利用该装置进行煤气化的工艺。
背景技术
我国是世界煤炭生产和消费大国，目前，煤炭在我国一次能源消费结构中占70％左右，其中一半以上的煤炭都是采用直接燃烧的方式加以利用，由此产生的燃煤污染物对生态环境造成了严重的污染。煤气化技术是最重要的洁净煤技术之一，利用煤气化技术可以生产工业燃料气、民用燃料气、化工合成原料气、合成燃料油原料气、氢燃料电池、合成天然气、火箭燃料等。当前主要的煤气化技术有移动床(固定床)气化、流化床气化、气流床气化和熔融床气化，其中，气流床气化技术因其气化强度高、单炉生产能力大、煤种适应范围广、碳转化率高等优点已成为煤炭气化技术的主要发展方向。
当前已经工业化的气化技术中，主要采用激冷流程和废锅流程两种气流床气化技术。激冷流程如由上海锅炉厂有限公司公开的气化专利CN105255522A、西门子公司公开的气化专利CN204097415U、CN101255362A所述，在合成气离开气化室后，采用洗涤冷却的方法将温度为1200℃～1600℃的高温合成气和灰渣冷却至约200℃，合成气中大部分显热被激冷水带走，能源有效利用率低。另外一种为废锅流程，如Shell公司公开的气化专利CN1639306 所述，通过循环合成气激冷和废锅热回收的方法使合成气降温。该流程虽然能够回收合成气显热，但在运行过程中经常出现废锅积灰结垢、堵塞合成气通道的问题，迫使工厂非计划停车，此外该流程的后续工段中需要复杂的工艺设备来处理含尘合成气，成本较高。
另外，现有气化技术中，煤粉在气化炉内的停留时间短，导致煤粉中的碳未能完全反应，随合成气排出气化炉的飞灰量大，飞灰含碳量高，气化炉碳转化率低，增加了气化的成本。例如：一套耗煤量为1000吨/天的煤气化装置，年生成飞灰量约为2万吨，飞灰含碳量约为 10％～30％，每年生成的飞灰中浪费掉的碳的质量约为2000～6000吨，折算成耗煤成本约为 100～300万元。
发明内容
本发明是要解决现有气流床气化炉飞灰生成量大、飞灰含碳量高、碳转化率低以及能源利用率低的问题，而提供一种U形煤气化反应装置及利用该装置进行煤气化的工艺。
本发明一种U形煤气化反应装置由气化炉体、水平烟道和废锅组成；所述气化炉体由气化炉烧嘴、气化炉膛、水冷壁管和渣池组成；所述废锅由辐射换热室、对流换热室、中间炉墙和合成气出口组成；所述气化炉体内设置有气化炉膛，所述气化炉膛由水冷壁管围成，所述气化炉体的上部设置有气化炉烧嘴，所述气化炉烧嘴与气化炉膛相连通，所述气化炉体的底部设置有渣池，所述渣池与气化炉膛相连通；所述废锅由中间炉墙分隔为辐射换热室和对流换热室，所述废锅的上部设置有烟气通道用以连通辐射换热室和对流换热室，所述辐射换热室的下部为二次气化室，所述二次气化室的底部设置有废锅入口，所述二次气化室内设置有反C形气流转向装置，所述反C形气流转向装置设置在废锅入口相对的中间炉墙上，所述对流换热室内设置有若干组对流受热面，所述对流换热室的底部设置有合成气出口；所述气化炉体与废锅通过水平烟道相连通，所述水平烟道的两端分别与气化炉膛和二次气化室相连通，所述气化炉体、水平烟道和二次气化室组成U形的煤气化反应区；所述U形的煤气化反应区的内壁均敷设有一层耐火保温材料层。
本装置的工作原理：本发明中煤气化反应发生在气化炉体与水平烟道以及二次气化区三者组成的U形煤气化反应区中。煤粉和气化剂由气化炉烧嘴进入气化炉膛，在气化炉膛内发生气化反应。伴随着气化反应的进行，煤粉颗粒内的灰分在高温状态下迅速熔融，形成液态熔渣，一部分液态渣沉积在气化炉膛的内壁面，并沿气化炉膛的内壁面流入渣池，在渣池中冷却后排出，剩余液态熔渣与反应生成的合成气及未反应气化剂组成混合气流。进入二次气化室后，混合气流受到反C形气流转向装置的阻挡，气流快速转向，使得混合气流中夹带的液态渣在惯性力作用下从气流中分离出来，沉积到二次气化室的底部，同时，在反C形气流转向装置的强烈扰动作用下，气流混合强度增大，液态熔渣中的未反应碳和气化剂在二次气化室内发生二次气化反应。经过二次气化反应后，液态熔渣中的残碳和气化剂已经完全反应。最终生成的合成气流经废锅，向对流受热面传递热量，最后由合成气出口流出。
利用上述装置进行煤气化的工艺是按以下步骤进行：
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℃；
二、将煤粉与气化剂由气化炉烧嘴送入气化炉膛内，在气化炉膛内发生气化反应；当煤粉颗粒内的灰分在高温状态下迅速熔融，形成液态熔渣；所述液态熔渣一部分液态熔渣沉积在气化炉膛的内壁面上，并沿气化炉膛的内壁面流入渣池，在渣池中冷却后排出；剩余液态熔渣、反应生成的合成气和未反应气化剂组成混合气流；混合气流经过水平烟道进入二次气化室，在二次气化室内受到反C形气流转向装置的阻挡，气流快速转向，夹带的液态熔渣从气流中分离出来，沉积到二次气化室的底部，然后流入渣池，同时，反应生成的合成气和未反应气化剂在二次气化室内发生二次气化反应，得到最终生成的合成气；
三、最终生成的合成气经过废锅上部的气孔进入对流受热区，在对流受热区内通过对流受热面传递热量，然后由由合成气出口流出。
本发明的有益效果是：
一、本发明能够提高捕渣效率。
如采用激冷流程的气化技术中，夹带着飞灰的合成气气流经过简单的喷水激冷后即流出气化炉，飞灰很容易被带出，因此排出气化炉的飞灰量大，气化炉实际运行时排出的灰渣比一般在3:7～5:5之间。本发明中在二次气化室迎风侧的炉墙上增设反C形气流转向装置，混合气流在二次气化室内受到反C形气流转向装置的阻挡，气流快速转向，混合气流中夹带的液态熔渣在惯性力作用下从气流中分离出来，沉积到反C形气流转向装置上，并沿水冷壁管向下流动，最终由气化炉膛底部的下渣口排出。因此，本发明能够降低排出气化炉的飞灰量，灰渣比能够达到1:9，捕渣效率高。
二、本发明能有效避免废锅积灰结垢问题。
如采用废锅流程的气化技术中，在气化炉顶部采用循环低温合成气激冷，使合成气温度降低至900℃左右，然后在废锅中进一步对合成气进行热量回收。当气化炉负荷波动或者调整工艺参数时，易导致废锅入口合成气温度升高，而合成气中携带的大量飞灰在高温下具有一定的粘附性，诱发废锅积灰结垢，影响其对合成气的热量回收，废锅产过热蒸汽温度降低，导致大量蒸汽不能并网只能排空，造成严重浪费。此外废锅积灰严重时还会造成合成气通道堵塞，导致气化炉爆炸，引发严重事故。本发明采用反C形气流转向装置强化气化炉的捕渣能力，能够捕集合成气中携带的90％以上的液态熔渣，而被捕集下来的液态灰渣经水平烟道流入气化炉膛底部的渣池，不会跟随合成气进入到废锅中；而剩余约10％的灰渣随合成气流出二次气化室时，其温度已经降低至约900℃，此时灰渣的粘附性已经极其微弱，流经废锅流对流换热面时也不会粘附在管壁上。可见，本发明能有效避免废锅积灰结垢问题。
三、本发明扩大了气化反应空间，延长了煤粉与气化剂在炉内的停留时间，有利于气化反应的充分进行，提高气化装置的碳转化率。
如干煤粉气流床煤气化装置普遍采用激冷流程，为了保证下渣口处能够流畅的液态排渣，渣口温度要高于灰熔点，因此排渣温度为1200℃～1600℃，液态熔渣进入下渣口后进行喷水激冷，熔渣温度迅速降低。可见现有技术的排渣温度远高于煤气化有效反应停止温度(约 900℃)，现有技术强制去除熔渣在900℃至排渣温度之间的有效反应温度区间内的停留过程，熔渣中的未反应碳无法在该温度区间内发生气化反应，因此其气化反应时间短，气化反应未能进行完全，导致灰渣含碳量高。本发明中煤气化反应发生在气化炉体与水平烟道以及二次气化室三者组成的U形煤气化反应区中。在废锅入口处设置二次气化室，二次气化室的水冷壁管向火侧敷设耐火保温材料，利用耐火保温材料减少炉壁吸热量以维持二次气化室处于较高温度(900℃以上)，在气化炉膛中未反应的液态熔渣内的残碳与气化剂可以在此空间中发生气化反应，以此增加气化有效反应空间，延长气化反应时间，保证煤粉与气化剂充分反应，提高气化装置的碳转化率。
四、本发明可以回收合成气显热，提高能源有效利用率。
如干煤粉气流床煤气化装置采用激冷流程对高温合成气直接进行冷却，激冷水与高温合成气直接接触，合成气中含有的大量显热被激冷水所带走，由此造成能源的巨大浪费，气化装置的热煤气效率(合成气的化学能与合成气显热利用系统中蒸汽的焓值增量之和与气化用煤的化学能之比)低。本发明采用废锅流程冷却高温合成气，同时利用废锅吸收的热量生产高温蒸汽、预热锅炉给水，废锅流程可以回收相当于原料煤低位发热量中15～18％的能量，使得热煤气效率可达90～95％，同激冷流程相比热煤气效率提高了5～8％；此外，蒸汽的价格为每吨100～200元，对于一台造气量为30000Nm3/h的气化炉所配套的废锅，每小时可产生蒸汽约30吨，蒸汽的年利润约为3000万元，由此可见，本发明能够有效回收合成气显热，提高能源有效利用率，给企业带来巨大的经济效益。
五、本发明的气化反应装置可以气化低反应活性煤种，煤种适应性强。
煤的化学反应活性代表着该煤种用于气化的难易程度，气化反应活性较低的煤种，反应速率慢，完全气化反应所需要的时间长。现有的煤气化技术煤粉只在气化炉膛内发生反应，并且由于采用激冷流程，强制去除熔渣在900～1250℃的有效反应温度区间内的停留过程，其停留时间较短，如果选定活性较低的煤种为原料，煤的利用效率将大幅降低，生产相同量的合成气，煤的需求量增加，运行成本也将显著提高，因此现有煤气化技术对于煤种的反应活性有严格要求，其煤种适应性较差。本发明中在废锅的入口处设置二次气化室，显著增大了煤粉的有效气化空间，延长其停留时间，能够使低反应活性煤种充分反应。因此，本发明可以使用低反应活性煤种，煤种适应性强。
附图说明
图1为具体实施方式二～四所述的一种U形煤气化反应装置的结构示意图；
图2为具体实施方式五所述的一种U形煤气化反应装置的结构示意图；
图3为图2中E-E方向的剖视图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式一种U形煤气化反应装置由气化炉体4、水平烟道8和废锅1组成；所述气化炉体4由气化炉烧嘴3、气化炉膛5、水冷壁管6和渣池9组成；所述废锅1由辐射换热室、对流换热室、中间炉墙和合成气出口10 组成；所述气化炉体4内设置有气化炉膛5，所述气化炉膛5由水冷壁管6围成，所述气化炉体4的上部设置有气化炉烧嘴3，所述气化炉烧嘴3与气化炉膛5相连通，所述气化炉体4 的底部设置有渣池9，所述渣池9与气化炉膛5相连通；所述废锅1由中间炉墙分隔为辐射换热室和对流换热室，所述废锅1的上部设置有烟气通道用以连通辐射换热室和对流换热室，所述辐射换热室的下部为二次气化室2，所述二次气化室2的底部设置有废锅入口，所述二次气化室2内设置有反C形气流转向装置12，所述反C形气流转向装置12设置在废锅入口相对的中间炉墙上，所述对流换热室内设置有若干组对流受热面11，所述对流换热室的底部设置有合成气出口10；所述气化炉体4与废锅1通过水平烟道8相连通，所述水平烟道8的两端分别与气化炉膛5和二次气化室2相连通，所述气化炉体3、水平烟道8和二次气化室2 组成U形的煤气化反应区；所述U形的煤气化反应区的内壁均敷设有一层耐火保温材料层7。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述气化炉烧嘴3为单个烧嘴。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述气化炉烧嘴3竖直设置在气化炉体4的上部。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述气化炉烧嘴3 的轴线与气化炉膛5的轴线相重合。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述气化炉烧嘴3为设置在气化炉体4上部侧面的4个烧嘴，且4个烧嘴的中心线在气化炉膛5中央形成切圆。其他与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式利用具体实施方式一所述的装置进行煤气化的工艺是按以下步骤进行：
一、设定气化炉膛5内部压力为0.1～4MPa，气化炉膛5的运行温度为1250℃～1600℃；
二、将煤粉与气化剂由气化炉烧嘴3送入气化炉膛5内，在气化炉膛5内发生气化反应；当煤粉颗粒内的灰分在高温状态下迅速熔融，形成液态熔渣；所述液态熔渣一部分液态熔渣沉积在气化炉膛5的内壁面上，并沿气化炉膛5的内壁面流入渣池9，在渣池9中冷却后排出；剩余液态熔渣、反应生成的合成气和未反应气化剂组成混合气流；混合气流经过水平烟道8进入二次气化室2，在二次气化室2内受到反C形气流转向装置12的阻挡，气流快速转向，夹带的液态熔渣从气流中分离出来，沉积到二次气化室2的底部，然后流入渣池9，同时，反应生成的合成气和未反应气化剂在二次气化室2内发生二次气化反应，得到最终生成的合成气；
三、最终生成的合成气经过废锅1上部的气孔进入对流受热区，在对流受热区内通过对流受热面11传递热量，然后由由合成气出口10流出。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述二次气化区2内的温度为900℃。其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：所述煤粉为低活性煤种。其他与具体实施方式六或七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：所述气化剂为氧气或者氧气与水蒸气组成的混合气体。其他与具体实施方式六至八之一相同。
采用以下实施例验证本发明有益效果：
实施例：结合图1说明本实施例，本实施例利用具体实施方式一所述的装置进行煤气化的工艺是按以下步骤进行：
一、设定气化炉膛5内部压力为0.1～4MPa，气化炉膛5的运行温度为1250℃～1600℃；
二、将煤粉与气化剂由气化炉烧嘴3送入气化炉膛5内，在气化炉膛5内发生气化反应；当煤粉颗粒内的灰分在高温状态下迅速熔融，形成液态熔渣；所述液态熔渣一部分液态熔渣沉积在气化炉膛5的内壁面上，并沿气化炉膛5的内壁面流入渣池9，在渣池9中冷却后排出；剩余液态熔渣、反应生成的合成气和未反应气化剂组成混合气流；混合气流经过水平烟道8进入二次气化室2，在二次气化室2内受到反C形气流转向装置12的阻挡，气流快速转向，夹带的液态熔渣从气流中分离出来，沉积到二次气化室2的底部，然后流入渣池9，同时，反应生成的合成气和未反应气化剂在二次气化室2内发生二次气化反应，得到最终生成的合成气；
三、最终生成的合成气经过废锅1上部的气孔进入对流受热区，在对流受热区内通过对流受热面11传递热量，然后由由合成气出口10流出。
经本发明处理灰渣比达到1:9，飞灰含碳量7％，可见其飞灰量低，飞灰残碳低，碳转化率高。数值计算验证得知：煤粉在炉内停留时间约为12s，为一般技术气化炉停留时间(4～8s) 的1.5～3倍，气化反应完全。此外经过试烧，发现该气化炉可适用低活性煤种，可以有效降低生产成本。
实施例二：采用现有技术在操作压力为4MPa的条件下，耗煤量为1000t/d的气化炉，运行过程中灰渣比达到5:5，飞灰含碳量约30％，可见其飞灰量大，飞灰残碳高，碳转化率低。数值计算验证得知：煤粉在炉内停留时间约为4s，煤粉未能完全进行气化反应。此外经过试烧，发现该气化炉不适用低活性煤种，只能应用价格昂贵的高活性煤种，气化炉运行成本高。

Claims (9)

1.一种U形煤气化反应装置，其特征在于U形煤气化反应装置由气化炉体(4)、水平烟道(8)和废锅(1)组成；所述气化炉体(4)由气化炉烧嘴(3)、气化炉膛(5)、水冷壁管(6)和渣池(9)组成；所述废锅(1)由辐射换热室、对流换热室、中间炉墙和合成气出口(10)组成；所述气化炉体(4)内设置有气化炉膛(5)，所述气化炉膛(5)由水冷壁管(6)围成，所述气化炉体(4)的上部设置有气化炉烧嘴(3)，所述气化炉烧嘴(3)与气化炉膛(5)相连通，所述气化炉体(4)的底部设置有渣池(9)，所述渣池(9)与气化炉膛(5)相连通；所述废锅(1)由中间炉墙分隔为辐射换热室和对流换热室，所述废锅(1)的上部设置有烟气通道用以连通辐射换热室和对流换热室，所述辐射换热室的下部为二次气化室(2)，所述二次气化室(2)的底部设置有废锅入口，所述二次气化室(2)内设置有反C形气流转向装置(12)，所述反C形气流转向装置(12)设置在废锅入口相对的中间炉墙上，所述对流换热室内设置有若干组对流受热面(11)，所述对流换热室的底部设置有合成气出口(10)；所述气化炉体(4)与废锅(1)通过水平烟道(8)相连通，所述水平烟道(8)的两端分别与气化炉膛(5)和二次气化室(2)相连通，所述气化炉体(3)、水平烟道(8)和二次气化室(2)组成U形的煤气化反应区；所述U形的煤气化反应区的内壁均敷设有一层耐火保温材料层(7)。
2.根据权利要求1所述的一种U形煤气化反应装置，其特征在于所述气化炉烧嘴(3)为单个烧嘴。
3.根据权利要求2所述的一种U形煤气化反应装置，其特征在于所述气化炉烧嘴(3)竖直设置在气化炉体(4)的上部。
4.根据权利要求2所述的一种U形煤气化反应装置，其特征在于所述气化炉烧嘴(3)的轴线与气化炉膛(5)的轴线相重合。
5.根据权利要求1所述的一种U形煤气化反应装置，其特征在于所述气化炉烧嘴(3)为设置在气化炉体(4)上部侧面的4个烧嘴，且4个烧嘴的中心线在气化炉膛(5)中央形成切圆。
6.利用权利要求1所述的装置进行煤气化的工艺，其特征在于进行煤气化的工艺是按以下步骤进行：
一、设定气化炉膛(5)内部压力为0.1～4MPa，气化炉膛(5)的运行温度为1250℃～1600℃；
二、将煤粉与气化剂由气化炉烧嘴(3)送入气化炉膛(5)内，在气化炉膛(5)内发生气化反应；当煤粉颗粒内的灰分在高温状态下迅速熔融，形成液态熔渣；所述液态熔渣一部分液态熔渣沉积在气化炉膛(5)的内壁面上，并沿气化炉膛(5)的内壁面流入渣池(9)，在渣池(9)中冷却后排出；剩余液态熔渣、反应生成的合成气和未反应气化剂组成混合气流；混合气流经过水平烟道(8)进入二次气化室(2)，在二次气化室(2)内受到反C形气流转向装置(12)的阻挡，气流快速转向，夹带的液态熔渣从气流中分离出来，沉积到二次气化室(2)的底部，然后流入渣池(9)，同时，反应生成的合成气和未反应气化剂在二次气化室(2)内发生二次气化反应，得到最终生成的合成气；
三、最终生成的合成气经过废锅(1)上部的气孔进入对流受热区，在对流受热区内通过对流受热面(11)传递热量，然后由由合成气出口(10)流出。
7.根据权利要求6所述的利用U形煤气化反应装置进行煤气化的工艺，其特征在于所述二次气化室(2)出口烟气温度为900℃。
8.根据权利要求6所述的利用U形煤气化反应装置进行煤气化的工艺，其特征在于所述煤粉为低活性煤种。
9.根据权利要求6所述的利用U形煤气化反应装置进行煤气化的工艺，其特征在于所述气化剂为氧气或者氧气与水蒸气组成的混合气体。
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