CN107118805A - 一种粉煤掺烧可燃物的气化系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种粉煤掺烧可燃物的气化系统和方法，包括进料系统、多通道气化烧嘴和粉煤气化炉。其中所述多通道气化烧嘴具有同心布置的八个通道，粉煤、掺烧可燃物以及氧气分别通过进料系统进入多通道气化烧嘴的各自通道，可以实现分别调节各层的氧煤配比，达到分别控温的效果，能够提高碳转化率、提高合成气中有效气的成分，同时还可以实现粉煤加压气化的大型化，并能实现低阶煤的气化和不同特性煤的混烧。
Description
技术领域
本发明涉及煤化工技术领域，尤其涉及一种粉煤掺烧可燃物的气化系统和方法。
背景技术
现在煤化工正走向园区化和炼化一体化，煤气化的原料煤呈现多元化趋势，特别是炼化企业的石油焦需要就地消化，实现资源利用的最大化。在园区化和炼化一体化项目中石油焦最佳的利用方式就是作为煤气化装置的原料进行掺烧，而石油焦的挥发分性低、活性差、反应温度高，如果还利用传统的方法与原料混合后掺烧的方式，则会出现合成气中有效气体低、碳转化率低和灰渣中残炭高等问题。
大型化是煤化工的发展方向，也是煤气化的方向。2013年2月14日，工信部、科技部、财政部、国务院国资委联合制定发布《重大技术装备自主创新指导目录》(2012版)，大型气流床气化炉成套设备也被列入。在这种情况下，在国内推广使用的煤气化炉也越来越大。众多公司向3000吨级超大型煤气化炉吹响号角，各大集团剑锋指向大型化，并向其全面进军的态势，将把我国煤化工发展带进一个新时代。随着超大型气化炉项目的推进，气化效率相差几个百分点，一年的运行费用就会相差几个亿，这几个亿的效益就可能是一个项目从盈利到亏损的反转。
高压粉煤加压气化燃烧器(烧嘴)是粉煤加压气化装置的核心设备。气化燃烧器都有一个共同点，即：工艺适应性单一。每一种煤气化技术必须自行研发设计只适用于自身技术的燃烧器。气化烧嘴的设计和生产质量决定了气化装置性能高低和寿命长短，最终影响到装置运行的经济指标。传统的粉煤烧嘴，已经无法适应新形势的发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种进行粉煤掺烧可燃物的气化系统和方法，本发明使用新型的多通道气化烧嘴，可以分别调节各层的氧煤配比，达到分别控温的效果，提高碳转化率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种粉煤掺烧可燃物的气化系统，所述系统包括进料系统、多通道气化烧嘴和粉煤气化炉，其中所述多通道气化烧嘴具有同心布置的八个通道，由外至内分别为第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道、第六通道、第七通道、第八通道。
进一步地，所述第一通道、第三通道、第五通道和第七通道为烧嘴冷却水通道；第四通道为主氧路通道；第六通道为中心氧路通道。
在本发明的一个可选实施方案中，第二通道为粉煤通道，第八通道为掺烧可燃物通道。
在本发明的一个可选实施方案中，第二通道为掺烧可燃物通道；第八通道为粉煤通道。
在本发明的优选实施方案中，所述掺烧可燃物为石油焦、焦炭或其组合；
在本发明的具体实施方案中，所述掺烧可燃物可以是与粉煤特性不同的任何可燃物，例如兰炭或半焦等。
进一步地，所述粉煤通道和掺烧可燃物通道呈螺旋结构。
进一步地，所述进料系统包括粉煤管线、掺烧可燃物管线、主氧路管线、中心氧路管线、两条过热蒸汽管线和烧嘴冷却水管线。
其中，所述粉煤管线用于将粉煤输送至多通道气化烧嘴(21)的粉煤通道，其依次包括粉煤贮仓(1)、磨煤机(2)、粉煤贮罐(3)、粉煤锁斗(4)、粉煤给料罐(5)、粉煤流量调节阀(23)和粉煤切断阀(22)；
所述掺烧可燃物管线用于将掺烧的可燃物输送至多通道气化烧嘴(21)的掺烧可燃物通道，其依次包括掺烧可燃物贮仓(9)、磨煤机(10)、掺烧可燃物贮罐(6)、掺烧可燃物锁斗(7)、掺烧可燃物给料罐(8)、掺烧可燃物流量调节阀(25)和掺烧可燃物切断阀(24)；
所述主氧路管线经过主氧路氧气流量调节阀(14)和氧气切断阀(18)将高压氧气输送到多通道气化烧嘴(21)的主氧路通道；
所述中心氧路管线经过中心氧路氧气流量调节阀(17)和氧气切断阀(18)将氧气输送到多通道气化烧嘴(21)的中心氧路通道；
在本发明的具体实施方案中，主氧路和中心氧路分别与过热蒸汽混合后进入多通道气化烧嘴；在本发明的另一具体实施方案中，仅仅主氧路与过热蒸汽混合然后进入多通道气化烧嘴；在本发明的另一具体实施方案中，仅有中心氧路与过热蒸汽混合然后进入多通道气化烧嘴；在本发明的另一具体实施方案中，主氧路和中心氧路均不与过热蒸汽混合，直接进入多通道气化烧嘴。
同时，本发明还提供了一种粉煤掺烧可燃物的气化方法，该方法包括以下步骤：
1)将掺烧可燃物磨碎后，经过掺烧可燃物锁斗(7)加压和气体输送进入具有同心布置的多通道气化烧嘴的掺烧可燃物通道；
2)粉煤经过粉煤锁斗(4)加压和气体输送进入气化烧嘴的粉煤通道；
3)高压氧气经过预热后分为主氧路和中心氧路，主氧路进入烧嘴的主氧路通道，中心氧路进入烧嘴的中心氧路通道；
4)通过控制氧气的流量，分别调解烧嘴的氧煤比例，并分别控温，使得粉煤和掺烧可燃物充分反应。
优选地，所述主氧路氧气和中心氧路氧气分别与过热蒸汽混合之后进入气化烧嘴。
本发明对混合燃料(即粉煤和掺烧可燃物)共同气化，尤其是当两种燃料的反应活性相差较大时，存在所谓的“抢风”问题，即反应活性好的燃料与更多的氧化剂反应，反应活性差的燃料因为反应速度慢，仅能与较少的氧化剂反应，而后期的气化反应也远不足以使其全部转化，因此造成一方面活性好的燃料过氧、而活性差的燃料转化率低。本发明的多层烧嘴分别控制氧煤比的方法则能更好的解决该问题，避免了抢风问题。
本发明的新型气化烧嘴通过多层物料配比调节实现对流场、温度场分布的调节。气化炉上段燃烧反应速度主要受制于固定碳的燃烧速率，而气流与固体碳颗粒的混合速率对其有很大影响，新型烧嘴的流场调节机理即为通过调节多层物料配比改变物料间的混合状态，从而影响燃烧的速度，改变火焰形状。
对于类似石油焦或石油焦等低挥发份难燃物质，加强头部混合，可使燃烧加快，缩短着火距离及火焰长度，同时气化反应区加长，气化反应时间加长，使碳与CO2等气化剂的反应更加充分。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种粉煤掺烧可燃物的气化系统及方法,其具有更高的煤种适应性(例如，能够掺烧石油焦和石油焦等挥发分低、反应活性低和反应温度高的物质)；可以实现分别调节各层的氧煤配比，达到分别控温的效果；能够提高碳转化率；能够实现氧气管线和粉煤管线的在线检修；能够实现煤炭洁净化利用(能够掺烧菌渣等有机固态废弃物)；也可以实现了粉煤气化的大型化。
附图说明
图1为粉煤掺烧可燃物气化的工艺流程图；其中1为粉煤贮仓，2为磨煤机，3为粉煤贮罐，4为粉煤锁斗，5为粉煤给料罐，6为掺烧可燃物贮罐，7为掺烧可燃物锁斗，8为掺烧可燃物给料罐，9为掺烧可燃物贮仓，10为磨焦机，11为气化炉，12为主蒸汽流量调节阀，13为氧气加热器，14为主氧路氧气流量调节阀，15为主氧路氧气切断阀，16为主蒸汽切断阀，17为中心氧路氧气流量调节阀，18为中心氧路氧气切断阀，19为中心蒸汽流量调节阀，20为中心蒸汽切断阀，21为气化烧嘴，22为粉煤切断阀，23为粉煤流量调节阀，24为掺烧可燃物切断阀，25为掺烧可燃物流量调节阀；
图2为本发明多通道气化烧嘴的头部结构示意图；
图3为本发明多通道气化烧嘴的头部结构俯视图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种粉煤掺烧可燃物的气化系统，所述系统包括进料系统、多通道气化烧嘴和粉煤气化炉，其中所述多通道气化烧嘴具有同心布置的八个通道，由外至内分别为第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道、第六通道、第七通道、第八通道。
其中，所述第一通道、第三通道、第五通道和第七通道为烧嘴冷却水通道；第四通道为主氧路通道；第六通道为中心氧路通道；第二通道为粉煤通道，第八通道为石油焦通道或焦炭通道。
所述粉煤通道和掺烧可燃物通道呈螺旋结构，保证粉煤和石油焦或焦炭进入粉煤和石油焦或焦炭混合腔分布均匀后从喷口喷出。
进一步地，所述进料系统包括粉煤管线、掺烧可燃物管线、主氧路管线、中心氧路管线、两条过热蒸汽管线和烧嘴冷却水管线。
其中，所述粉煤管线用于将粉煤输送至多通道气化烧嘴的粉煤通道，其依次包括粉煤贮仓(1)、磨煤机(2)、粉煤贮罐(3)、粉煤锁斗(4)、粉煤给料罐(5)、粉煤流量调节阀(23)和粉煤切断阀(22)；
所述掺烧可燃物管线用于将掺烧的可燃物输送至多通道气化烧嘴的掺烧可燃物通道，其依次包括掺烧可燃物贮仓(9)、磨煤机(10)、掺烧可燃物贮罐(6)、掺烧可燃物锁斗(7)、掺烧可燃物给料罐(8)、掺烧可燃物流量调节阀(25)和掺烧可燃物切断阀(24)；
所述主氧路管线经过主氧路氧气流量调节阀(14)和氧气切断阀(18)将高压氧气输送到多通道气化烧嘴(21)的主氧路通道；
所述中心氧路管线经过中心氧路氧气流量调节阀(17)和氧气切断阀(18)将氧气输送到多通道气化烧嘴(21)的中心氧路通道；
两路过热蒸汽都经过流量调节阀和切断阀，分别与主氧路管线和中心氧路管线的氧气混合，然后与氧气一起进入多通道气化烧嘴。
实施例2
本发明提供的粉煤掺烧可燃物气化系统，包括进料系统、新型多通道气化烧嘴和高压粉煤气化炉。
其中，在本实施例中，所掺烧的可燃物为石油焦。
本实施例中，粉煤的煤质参数如下所示：
表1粉煤煤质数据
石油焦的数据如下所示：
表2石油焦特征参数
本发明的进料系统包括粉煤管线、石油焦管线、主氧路管线、中心氧路管线、两条过热蒸汽管线和烧嘴冷却水管线。
进料的工艺流程参见图1所示。
原料煤经过皮带输送至原料煤贮仓1，来自原料煤贮仓1的碎煤加入到磨煤机2内磨成粉状，直至颗粒尺寸≤90μm占90％。粉煤通过管道送至常压粉煤贮罐3，常压粉煤贮罐3内的粉煤通过重力作用进入粉煤锁斗4，粉煤经过锁斗4加压至4.5～5.5MPa，然后与粉煤给料罐5连通，粉煤通过重力作用进入粉煤给料罐5，利用高压二氧化碳或者氮气经过粉煤流量调节阀23和粉煤切断阀22，将粉煤输送至多通道气化烧嘴21的外层粉煤通道。粉煤管线包括例如二至四路粉煤管道。
石油焦经过皮带输送至石油焦贮仓9，来自石油焦贮仓9的石油焦加入到磨煤机10内磨成粉状，石油焦通过管道送至常压石油焦贮罐6，常压石油焦贮罐6内的石油焦通过重力作用进入锁斗7，石油焦过锁斗7加压至4.5～5.5MPa，然后与石油焦给料罐8连通，石油焦通过重力作用进入石油焦给料罐8，利用高压二氧化碳或者氮气经过流量调节阀25和切断阀24，将石油焦输送至多通道气化烧嘴21的第八通道，即石油焦通道。石油焦管线包括一至三路石油焦管道。
其中，粉煤和石油焦进入气化炉的压力为4.3～5.0MPa，温度为70～90℃。石油焦的加入量为4.57～20.10t/h，粉煤加入量为14.70～64.68t/h，石油焦与粉煤的比例为1/5～1/2。
来自空分单元的高压氧气经过加热器13加热至180℃后，分为两路，一路为主氧路，经过氧气流量调节阀14和氧气切断阀15与过热蒸汽混合后进入多通道气化烧嘴21的外层主氧路通道；另一路为中心氧路，经过氧气流量调节阀17和氧气切断阀18与过热蒸汽混合后进入多通道气化烧嘴21的中心氧路通道。
其中，氧气的压力为4.3～5.0MPa，温度为150～200℃。进入气化炉的氧气总量为10855～47760Nm3，中心氧路氧气与主氧路氧气比例为1/5～1/2。
两路过热蒸汽都分别经过流量调节阀和切断阀，分别与主氧路管线和中心氧路管线混合，然后与氧气一起进入多通道气化烧嘴。
本实施例采用新型粉煤气化烧嘴，为有同心布置的八个通道，其中第一通道、第三通道、第五通道和第七通道为烧嘴冷却水通道；第二通道为粉煤通道；第四通道为主氧路通道；第六通道为中心氧路通道，第八通道为石油焦通道。
控制主氧路和中心氧路的氧气流量，分别调解气化烧嘴的氧煤比例，并分别控温，使得粉煤和石油焦充分反应。
具体地，将石油焦的内层烧嘴控制在较高的氧煤比水平，可使核心区保持高反应温度，石油焦的反应速度随温度增长呈级数增长的趋势，因此可大幅提高反应温度，实现高转化率；内层核心区产生的过量的CO2，可作为外层高反应性粉煤的气化剂；将粉煤的外层烧嘴控制在较低的氧煤比水平，加之与核心区提供的CO2的气化反应，使外层保持较低的反应温度，可适当降低近壁区温度，保护气化炉炉壁。
本实施例气化炉产生的合成气组分如下：
本发明所采用的新型气化烧嘴的粉煤通道和石油焦通道呈螺旋结构，保证粉煤和石油焦进入粉煤和石油焦混合腔分布均匀后从喷口喷出。在炉内与带有旋流的氧气充分混合，完成反应。
为保护烧嘴头部不受损坏，煤粉管贯穿外层水冷夹套，对烧嘴头部进行冷却，并且可以利用冷却水温度对煤粉加热。
整个工作过程冷却水充满燃烧器，尤以对燃烧器头部的冷却保护为重点，因此必须保证冷却水连续供应，流量和压力达到设计值。
本发明为了适应石油焦反应活性差的要求，炉膛设计容积增加从而增加粉煤的停留时间，并优化渣口设计提高气流返混比例进一步增长反应时间。
本发明为了适应石油焦适应反应温度高的要求，增加了炉膛直径，从而降低壁面超温的风险。
实施例3
本发明提供的粉煤掺烧可燃物气化系统，包括进料系统、新型多通道气化烧嘴和高压粉煤气化炉。
其中，在本实施例中，所掺烧的可燃物为焦炭。
本发明的进料系统包括粉煤管线、焦炭管线、主氧路管线、中心氧路管线、两条过热蒸汽管线和烧嘴冷却水管线。
进料的工艺流程参见图1所示。
原料煤经过皮带输送至原料煤贮仓1，来自原料煤贮仓1的碎煤加入到磨煤机2内磨成粉状，直至颗粒尺寸≤90μm占90％。粉煤通过管道送至常压粉煤贮罐3，常压粉煤贮罐3内的粉煤通过重力作用进入粉煤锁斗4，粉煤经过锁斗4加压至4.5～5.5MPa，然后与粉煤给料罐5连通，粉煤通过重力作用进入粉煤给料罐5，利用高压二氧化碳或者氮气经过粉煤流量调节阀23和粉煤切断阀22，将粉煤输送至多通道气化烧嘴21的外层粉煤通道。粉煤管线包括例如二至四路粉煤管道。
焦炭经过皮带输送至焦炭贮仓9，来自焦炭贮仓9的焦炭加入到磨煤机10内磨成粉状，焦炭通过管道送至常压焦炭贮罐6，常压焦炭贮罐6内的焦炭通过重力作用进入锁斗7，焦炭经过锁斗7加压至4.5～5.5MPa，然后与焦炭给料罐8连通，焦炭通过重力作用进入焦炭给料罐8，利用高压二氧化碳或者氮气经过流量调节阀25和切断阀24，将焦炭输送至多通道气化烧嘴21内层的第八通道，即焦炭通道。焦炭管线包括一至三路焦炭管道。
来自空分单元的高压氧气经过加热器13加热至160℃-220℃后，分为两路，一路为主氧路，经过氧气流量调节阀14和氧气切断阀15与过热蒸汽混合后进入多通道气化烧嘴21的外层主氧路通道；另一路为中心氧路，经过氧气流量调节阀17和氧气切断阀18与过热蒸汽混合后进入多通道气化烧嘴21的中心氧路通道。
两路过热蒸汽都分别经过流量调节阀和切断阀，分别与主氧路管线和中心氧路管线混合，然后与氧气一起进入多通道气化烧嘴21。
本实施例采用新型粉煤气化烧嘴，为有同心布置的八个通道，其中第一通道、第三通道、第五通道和第七通道为烧嘴冷却水通道；第二通道为粉煤通道；第四通道为主氧路通道；第六通道为中心氧路通道，第八通道为焦炭通道。
控制主氧路和中心氧路的氧气流量，分别调解气化烧嘴的氧煤比例，并分别控温，使得粉煤和焦炭充分反应。
具体地，将焦炭的内层烧嘴控制在较高的氧煤比水平，可使核心区保持高反应温度，石油焦的反应速度随温度增长呈级数增长的趋势，因此可大幅提高反应温度，实现高转化率；内层核心区产生的过量的CO2，可作为外层高反应性粉煤的气化剂；将粉煤的外层烧嘴控制在较低的氧煤比水平，加之与核心区提供的CO2的气化反应，使外层保持较低的反应温度，可适当降低近壁区温度，保护气化炉炉壁。
本发明所采用的新型气化烧嘴的粉煤和焦炭通道呈螺旋结构，保证粉煤和焦炭进入粉煤和焦炭混合腔分布均匀后从喷口喷出。在炉内与带有旋流的氧气充分混合，完成反应。
为保护烧嘴头部不受损坏，煤粉管贯穿外层水冷夹套，对烧嘴头部进行冷却，并且可以利用冷却水温度对煤粉加热。
整个工作过程冷却水充满燃烧器，尤以对燃烧器头部的冷却保护为重点，因此必须保证冷却水连续供应，流量和压力达到设计值。
本发明为了适应焦炭反应活性差的要求，炉膛设计容积增加从而增加粉煤的停留时间，并优化渣口设计提高气流返混比例进一步增长反应时间。
本发明为了适应石油焦或焦炭适应反应温度高的要求，增加炉膛直径，从而降低壁面超温的风险。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，所述系统包括进料系统、多通道气化烧嘴和粉煤气化炉，其中所述多通道气化烧嘴具有同心布置的八个通道，由外至内分别为第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道、第六通道、第七通道和第八通道。
2.根据权利要求1所述的粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，所述第一通道、第三通道、第五通道和第七通道为烧嘴冷却水通道；第四通道为主氧路通道；第六通道为中心氧路通道。
3.根据权利要求2所述的粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，第二通道为粉煤通道，第八通道为掺烧可燃物通道。
4.根据权利要求2所述的粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，第二通道为掺烧可燃物通道，第八通道为粉煤通道。
5.根据权利要求3或4所述的粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，所述掺烧可燃物为石油焦、焦炭或其组合。
6.根据权利要求3或4所述的粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，所述粉煤通道和掺烧可燃物通道呈螺旋结构。
7.根据权利要求1或2所述的粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，所述进料系统包括粉煤管线、掺烧可燃物管线、主氧路管线、中心氧路管线、两条过热蒸汽管线和烧嘴冷却水管线。
8.根据权利要求7所述的粉煤掺烧可燃物的气化系统，其特征在于，
所述粉煤管线用于将粉煤输送至多通道气化烧嘴的粉煤通道，其依次包括粉煤贮仓(1)、磨煤机(2)、粉煤贮罐(3)、粉煤锁斗(4)、粉煤给料罐(5)、粉煤流量调节阀(23)和粉煤切断阀(22)；
所述掺烧可燃物管线用于将掺烧的可燃物输送至多通道气化烧嘴的掺烧可燃物通道，其依次包括掺烧可燃物贮仓(9)、磨煤机(10)、掺烧可燃物贮罐(6)、掺烧可燃物锁斗(7)、掺烧可燃物给料罐(8)、掺烧可燃物流量调节阀(25)和掺烧可燃物切断阀(24)；
所述主氧路管线经过主氧路氧气流量调节阀(14)和氧气切断阀(15)将氧气输送到多通道气化烧嘴(21)的主氧路通道；
所述中心氧路管线经过中心氧路氧气流量调节阀(17)和氧气切断阀(18)将氧气输送到多通道气化烧嘴(21)的中心氧路通道。
9.一种粉煤掺烧可燃物的气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将掺烧可燃物磨碎后，经过掺烧可燃物锁斗(7)加压和气体输送进入具有同心布置的多通道气化烧嘴(21)的掺烧可燃物通道；
2)粉煤经过粉煤锁斗(4)加压和气体输送进入气化烧嘴(21)的粉煤通道；
3)高压氧气经过预热后分为主氧路氧气和中心氧路氧气，主氧路氧气进入气化烧嘴(21)的主氧路通道，中心氧路氧气进入气化烧嘴(21)的中心氧路通道；
4)通过控制主氧路和中心氧路的氧气流量，分别调解气化烧嘴的氧煤比例，并分别控温，使得粉煤和掺烧可燃物充分反应。
10.根据权利要求9所述的气化方法，其特征在于，主氧路氧气和中心氧路氧气分别与过热蒸汽混合之后进入气化烧嘴(21)。
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