CN107099339B - 一种热解与气化解耦气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热解与气化解耦气化炉，上封头的顶部设有热解气出口，上直筒段上均匀环设有至少2个热解氧气与粉煤喷嘴，热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为3～10D，热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为6°～10°；下直筒段上均匀环设有至少2个气化氧气喷嘴，下封头的底部设有合成气与熔渣出口，气化氧气喷嘴距离热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为1～3D，气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2～3D，气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°或4.5°，热解气出口与合成气与熔渣出口的直径之比为1/2.5～1/4。本发明的气化炉能同时制备高浓度甲烷热解气和低浓度甲烷合成气。

Description

一种热解与气化解耦气化炉

技术领域

本发明涉及一种热解与气化解耦气化炉。

背景技术

煤气化技术是将煤炭等固态一次能源转化为气态清洁二次能源的主要途径，该技术主要运用于合成氨、合成甲醇、炼厂制氢、高炉还原炼铁化工冶金行业、联合循环发电装置以及工业和民用燃气领域中。

气化炉是煤气化技术的关键装备，其内反应流动特点直接影响到整个气化工艺的配置与性能。现有的煤气化炉按气化原料尺寸和温度可分为固定床气化炉、流化床气化炉和气流床气化炉。固定床气化炉因煤尺寸大、气化反应温度低，气化生成合成气与煤热解气一同流出气化炉，产物富含一定浓度的甲烷和焦油，其后续净化单元和废水处理较为复杂。流化床为中等尺度煤颗粒进料，气化温度中等，合成气内含有一定量的甲烷，但其对原料尺寸和结焦性有较高的要求。气流床气化炉采用粉煤进料，气化温度高，出口气体不含甲烷和焦油，气化负荷大，易于大型化。

煤是一种富含C-H键结构的复杂有机质，常规低温气化的产物中含有大分子键的C-H化合物(如焦油)；高温气化则将C-H键全部打破，使得产物中只含有小分子气体组分。而对于以煤制天然气为主要产品的煤化工行业，产物为含C-H键的甲烷气化，因此开发一种富含甲烷、不含焦油、处理负荷大的煤气化技术变得越来越迫切。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的缺乏一种同时制备富含甲烷的热解气和含低浓度甲烷的合成气的清洁高效气流床气化炉的缺陷，而提供了一种热解与气化解耦气化炉。本发明提供的气化炉特别适用于以含碳物质为原料，同时制备高浓度甲烷热解气和低浓度甲烷合成气的工艺。

本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供了一种热解与气化解耦气化炉，所述气化炉包括一金属壳体，其分为一上壳体和一下壳体，所述上壳体包括一上封头和一上直筒段，所述下壳体包括一下直筒段和一下封头，所述上直筒段和所述下直筒段等径设置，其特点在于，所述上封头的顶部设有一热解气出口，在所述上直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个热解氧气与粉煤喷嘴，所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为3～10D，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为6°～10°；在所述下直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个气化氧气喷嘴，所述下封头的底部还设有一合成气与熔渣出口，所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为1～3D，所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2～3D，所述气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角β为0°或4.5°，所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/2.5～1/4。

较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴的个数为2～4个，更佳地为4个。具体数量可以根据气化炉处理负荷进行确定。

较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为5D。

较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为8°。该夹角的设置是为了降低顶部的热解气出口处煤焦飞灰颗粒含量。

较佳地，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°，更佳地为6°。

较佳地，所述气化氧气喷嘴的个数为2～6个，更佳地为4个。

较佳地，所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为2D。

较佳地，所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2.5D。

本发明中，对于气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角β的选择，对于高灰熔点煤，夹角β较佳地为0°；对于低灰熔点煤，夹角β较佳地为4.5°。按照常规理解，高灰熔点煤的流动温度FT≥1400°，低灰熔点煤的流动温度FT＜1400°。

较佳地，所述气化氧气喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°。

较佳地，所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/3。按照本领域常规，所述合成气与熔渣出口的直径按出口气体速度进行设置，一般控制在出口气速10～20m/s进行设置，较佳地为15m/s。

较佳地，所述合成气与熔渣出口为下锥收缩口，其下锥收缩角为20～70°。

本发明中，按照本领域常规，所述热解氧气与粉煤喷嘴设于一第一喷嘴室内，其为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入含碳物质，外通道用于通入热解氧气；所述气化氧气喷嘴设于一第二喷嘴室内，其为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入氧气，外通道用于通入气化用蒸汽。

较佳地，所述第一喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第一喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°，更佳地为6°。所述第二喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第二喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°，更佳地为6°。

本发明中，按照本领域常规，至少2个热解氧气与粉煤喷嘴是设置在气化炉的同一高度的炉体上的，至少2个气化氧气喷嘴的设置方式也是如此。上壳体和下壳体的分界线是以上下两层喷嘴(即热解氧气与粉煤喷嘴、气化氧气喷嘴)的中线进行分割的。

本发明中，D是指气化炉中的上直筒段和下直筒段的内径；另外，如无特殊说明，提及的直径均指内径。

本发明的气化炉的工作原理：不同于现有气化炉具有的“顶部空间和下部空间的作用基本相同，气化炉整体发生以气化为主的化学反应，下部空间和上部空间产生的富含CO和H₂及极少量CH₄的合成气要么均从气化炉顶部出口、要么均从底部出口流出气化炉，熔渣从底部出口排出”的结构，本发明的气化炉的上壳体内主要发生热解反应，生成富含CH₄的热解气从上封头顶部的热解气出口流出气化炉，下壳体主要发生热解后焦炭与CO₂和H₂O的气化反应，生成富含CO和H₂及极少量CH₄的合成气与熔渣从下封头底部的合成气与熔渣出口流出气化炉。可见，整个气化炉中的物料走向是有较大差异的。

本发明的气化炉中，所述上壳体为热解段，所述下壳体为气化段，所述热解段与所述气化段位于同一金属壳体内。本发明的气化炉适用于处理浆态含碳物质或粉状含碳物质，尤其是褐煤等高挥发分煤。

采用本发明的气化炉进行气化反应时，通过上直筒段设置的热解氧气与粉煤喷嘴通入热解氧气与煤粉。热解氧气进入系统后，与射流卷吸的热解气和合成气反应，消耗其中的H₂，并为热解提供热量，煤粉在热解段内主要发生热解反应；通过下直筒段设置的气化氧气喷嘴，通入气化氧气，用于转化上壳体热解产生的煤焦颗粒，在气化段内，煤焦在气化段内发生气化反应。其中，热解氧气的量占总氧量的5％～20％，较佳地为12％；气化氧气的量占总氧量的80～95％，较佳地为88％，所述百分比为体积百分比。

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。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够实现煤的热解与气化解耦，即不含焦油、富含甲烷的热解气经过热解段后从热解气出口流出气化炉；甲烷含量很低的合成气与液态熔渣从底部合成气与熔渣出口排出气化炉；通过这种煤的热解与气化分离，提高煤中C-H化学键的利用率，为以生产天然气或燃气为产品的工艺提供装备支持。

附图说明

图1为实施例1中气化炉的结构示意图。

图2为实施例1中热解氧气与粉煤喷嘴的剖面示意图。

图3为实施例1中气化氧气喷嘴的剖面示意图。

附图标记说明如下：

气化炉1

热解氧气与粉煤喷嘴2

第一喷嘴室3

气化氧气喷嘴4

第二喷嘴室5

热解气出口6

合成气与熔渣出口7

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

本实施例中，气化炉的结构如图1～3所示，其中，气化炉1包括一金属壳体，其分为一上壳体和一下壳体，上壳体包括一上封头和一上直筒段，下壳体包括一下直筒段和一下封头，上直筒段和所述下直筒段等径设置，上封头的顶部还设有一热解气出口6，在上直筒段的同一高度上还均匀环设有4个热解氧气与粉煤喷嘴2，热解氧气与粉煤喷嘴2设于第一喷嘴室3内，在下直筒段的同一高度上还均匀环还设有4个气化氧气喷嘴4，气化氧气喷嘴4设于第二喷嘴室5内，所述下封头的底部还设有一合成气与熔渣出口7。

一个日处理1100吨煤的热解与气化解耦气化炉，以神府煤为原料，采用干粉进料，气化压力为4.0MPa；进入系统总氧量为23800Nm³/h，上部热解氧气流量为总氧量的10％，下部热解氧气流量为总氧量的90％。气化室直径D为2400mm，表1给出本实施例气化炉数据。煤质数据如表2-4所示，气化试验结果见表5。

表1实施例1的气化炉数据

表2工业分析表

参数	数值
		空干基水分Mar	1.4％(wt)
干燥基固定碳Md	63.08％(wt)
		干燥基挥发分Vd	24.31(wt)
干燥基灰分Ad	12.61％(wt)

表3元素分析表

参数	数值
		干燥基碳Cd	67.13％(wt)
干燥基氢Hd	2.92％(wt)
		干燥基氧Od	2.19％(wt)
干燥基氮Nd	0.99％(wt)
		干燥基全硫St,d	0.369％(wt)

表4热值、灰熔点及熔渣物性

表5实施例1气化炉性能

实施例2

一个日处理3000吨煤的粉煤气化炉，气化压力4.0MPa，壁面为水冷壁结构，气化炉的结构与实施例1相同，不同的参数如表6所示，其中热解氧气与粉煤喷嘴为4个，气化氧气喷嘴为4个。气化剂为纯氧气，其中，上部热解氧气流量为总氧量的7％，下部气化氧气流量为总氧量的93％，所用煤为高灰熔点煤(外加石灰石助融剂)，煤质数据如表7所示，液态排渣温度为1400℃。气化试验结果见表8。

表6实施例2的气化炉数据

表7煤质数据

对比实施例1

按照申请号CN201110074557.6的专利申请(公开号：CN102433162A)实施例1公开的气化炉结构处理实施例2的高灰熔点煤，得到的结果见表8。

表8实施例2和对比实施例1的气化试验结果

从上述分析可以看出，本申请的气化炉既适用于高灰熔点煤，也适用于低灰熔点煤，另外，表8的结果还表明，在选用现有技术公开的气化炉处理相同的煤时，在其他气化条件都相同的前提下，冷煤气效率差于本发明。

Claims (10)

1.一种热解与气化解耦气化炉，所述气化炉包括一金属壳体，其分为一上壳体和一下壳体，所述上壳体包括一上封头和一上直筒段，所述下壳体包括一下直筒段和一下封头，所述上直筒段和所述下直筒段等径设置，其特征在于，所述上封头的顶部设有一热解气出口，在所述上直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个热解氧气与粉煤喷嘴，所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为3～10D，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为6°～10°；在所述下直筒段的同一高度上均匀环设有至少2个气化氧气喷嘴，所述下封头的底部还设有一合成气与熔渣出口，所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为1～3D，所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2～3D，所述气化氧气喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角β为0°或4.5°，所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/2.5～1/4。

2.如权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述热解氧气与粉煤喷嘴的个数为2～4个。

3.如权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述热解氧气与粉煤喷嘴上方的直筒段高度为5D。

4.如权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角α为8°；所述热解氧气与粉煤喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°。

5.如权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述气化氧气喷嘴的个数为2～6个。

6.如权利要求5所述的气化炉，其特征在于，所述气化氧气喷嘴的个数为4个；所述气化氧气喷嘴距离所述热解氧气与粉煤喷嘴的直筒段高度为2D。

7.如权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述气化氧气喷嘴下方的直筒段高度为2.5D；所述气化氧气喷嘴的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°。

8.如权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述热解气出口与所述合成气与熔渣出口的直径之比为1/3；所述合成气与熔渣出口为下锥收缩口，其下锥收缩角为20～70°。

9.如权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述热解氧气与粉煤喷嘴设于一第一喷嘴室内，所述第一喷嘴室为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入含碳物质，外通道用于通入热解氧气；所述气化氧气喷嘴设于一第二喷嘴室内，所述第二喷嘴室为双通道喷嘴结构，其中内通道用于通入氧气，外通道用于通入气化用蒸汽。

10.如权利要求9所述的气化炉，其特征在于，所述第一喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第一喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°；所述第二喷嘴室的轴线在水平面上与气化炉径向之间的夹角为0°；所述第二喷嘴室的轴线在竖直面上与气化炉径向之间的夹角为3～9°。

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