CN107488470B - 一种等离子体液态排渣的气化炉及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种等离子体液态排渣的气化炉及方法，炉体内设置有三段式炉膛，三段式炉膛包括从下到上的灰熔融室、燃烧室和气化室；灰熔融室的下部连接冷渣水槽，冷渣水槽与炉体的排渣口经管道连通，灰熔融室上部经渐扩段与燃烧室连通，燃烧室上部经渐缩、渐扩段后与气化室连通；本发明所述煤气化方法无需提高氧煤比和气化温度，也无需添加助溶剂就可以使灰渣以液态或固态的形式排出，利用高温等离子体火焰将碳灰颗粒温度提升至其完全熔融温度，熔融态碳灰落入灰熔融室下部的灰熔融区，灰熔融区内的熔融态灰流入冷渣水槽，实现液态排渣；熔融态灰在冷渣水槽内经过冷却水的充分冷却，形成固态灰渣即实现固态排渣。
Description
技术领域
本发明属于煤气化技术领域，涉及一种等离子体液态排渣的气化炉及方法。
背景技术
煤气化技术是煤炭资源清洁、低碳、高效利用的一种有效途径，是煤基化学品转化、煤基液体燃料制备、IGCC发电系统、燃料电池发电系统等的基础和核心。该技术是把经处理后的煤炭送入一定温度、压力的气化炉，在气化反应器内煤炭与气化剂（主要为O2、CO2和H2O）发生反应，生成以CO和H2为主的合成气。
现有的气化炉为保障煤气化系统的稳定运行，均采用液态排渣的方式。然而，我国煤炭资源具有灰分含量高的特点，据本申请人统计，灰熔点高于1400℃的煤种占我国煤炭储量的57%以上。提高氧煤比和气化温度，虽然可以达到灰熔融温度，但导致合成气热值和冷煤气效率降低，同时气化炉炉体持续在超高温下运行，大大增加了气化炉的整体造价，缩短了气化炉的使用寿命。通过配煤或混煤的方式，将高灰熔点煤与助溶剂或低灰熔点煤种混合气化，也可以降低混合物的灰熔点，实现液态排渣，例如公开号为CN 1970698A的发明专利通过添加以CaCO3为主的助溶剂，可以降低煤灰熔点，使灰渣以液态的形式排出。然而申请人研究发现，使用该方法对于流动温度高于1500℃的高灰熔点煤种效果不明显，并在一定程度上增加了耗氧量、气化炉易积灰、热损失增加、气化炉运行难度增加导致气化效率大大降低。上述不足严重制约了气流床煤气化技术在我国的发展，不利于国家煤炭清洁、低碳、高效目标的实现。
发明专利（公开号CN 104449853A）公开了一种新型三段式等离子气化炉，通过在气化炉炉膛下部设置等离子体炬，形成灰颗粒的高温熔融区，实现液态排渣。该发明专利为解决气化炉液态排渣提供了一种有效的方案，然而，该发明所公开的新型三段式等离子气化炉的构造针对于城市垃圾的气化，目的是实现垃圾的无害化和减量化处理，而不适用于高灰熔点煤种的气化。例如，气化炉炉体采用从上到下尺寸缩小的三段式炉膛结构，分别用于城市垃圾干燥、热解和熔融，适用于大粒径、高含水率的城市垃圾，而煤气化所用煤的粒径小、含水率低，煤颗粒的干燥、热解和气化并无显著的界限；再者，该气化炉每两段之间采用锥形结构连接，在煤粉气化条件下易形成流动死区，降低气化效率；此外，该方案中所述的“气化”是垃圾的热解，与煤粉的气化非同一概念；最后，煤气化炉需要加压，而该方案的装置不适用于高压反应。
综上，以实现高灰熔点煤气流床煤气化液态排渣为目的的常规手段难以保证煤气化的效率和有效气体份额，将先进的等离子体手段运用于煤气化炉液态排渣，需解决等离子体与气化炉的高效耦合。
发明内容
本发明目的在于提供一种等离子体液态排渣的气化炉及方法，气化炉采用等离子体手段，具有经济性高、煤气化效率高、结构简单、燃料适用性广的优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种等离子体液态排渣的气化炉包括炉体，炉体内设置有三段式炉膛，三段式炉膛包括从下到上的灰熔融室、燃烧室和气化室，灰熔融室的内径小于燃烧室的内径，燃烧室与灰熔融室的内径相等；灰熔融室的下部连接冷渣水槽，冷渣水槽与炉体的排渣口经管道连通，灰熔融室上部经渐扩段与燃烧室连通，燃烧室上部经渐缩、渐扩段后与气化室连通，避免形成气固流动的死区；
所述的三段式炉膛、气固分离设备、等离子体发生器和冷渣水槽均位于炉体内。
灰熔融室设置有第一燃烧喷嘴和等离子体发生器，第一燃烧喷嘴内置含碳飞灰输送通道和氧气输送通道，等离子体发生器的出口与第一燃烧喷嘴的出口均指向灰熔融室的中心，且等离子体发生器的中心线与第一燃烧喷嘴的中心线的夹角α小于30°，用于强化燃烧，形成高温熔融区域；燃烧室设置有第二燃烧喷嘴，第二燃烧喷嘴内置煤粉输送通道和氧气输送通道；气化室设置有气化喷嘴，气化喷嘴内置煤粉输送通道和气化剂输送通道；
三段式炉膛内产生的含碳飞灰合成气体从气化室的顶部进入气固分离设备，气固分离设备将合成气与含碳灰颗粒进行分离，分离后的合成气经气体出口离开气化炉，分离后的含碳灰颗粒进入碳灰颗粒出口，经下降管和返料阀进入第一燃烧喷嘴，大幅提高燃料利用效率。
进一步地，所述等离子体发生器和第一燃烧喷嘴配套装配，且均匀分布于所述灰熔融室的同一横截面上。
再进一步地，所述气化喷嘴至少为两个，且均匀分布于所述气化室的同一横截面上。
本发明所述第一燃烧喷嘴的设置位置靠近灰熔融室与燃烧室的连接处。
一种等离子体液态排渣的煤气化方法，包括步骤：
依据煤气化最佳反应压力调节所述三段式炉膛内的压力，使三段式炉膛内的压力和所述炉体的冲压大小一致；煤气化所用的一部分煤粉采用气力输送方式在第一燃烧喷嘴内，经煤粉输送通道进入燃烧室，氧气经氧气输送通道同样进入燃烧室内，在燃烧室内氧气与煤粉充分混合并发生剧烈的燃烧反应生成以二氧化碳为主的气体和碳灰颗粒，燃烧释放的热量经辐射传热及二氧化碳气流携带至气化室，为煤粉气化反应提供热量和气化剂；燃烧室内燃烧产生的小径灰颗粒经二氧化碳气流被携带至气化室内，大径灰颗粒在氧气和高温等离子体火焰下发生完全燃烧反应释放热量，高温等离子体火焰将碳灰颗粒温度提升至其完全熔融温度，熔融态碳灰落入灰熔融室下部的灰熔融区，灰熔融区内的熔融态灰流入冷渣水槽，实现液态排渣；在冷渣水槽内熔融态灰被水冷却，形成固态灰渣；
气化所用的另一部分煤粉采用气力输送方式在气化喷嘴内，经煤粉输送通道进入气化室，气化剂经气化剂输送通道进入气化室，在气化室内，煤粉与气化剂在高温和高压下发生气化反应，生成以一氧化碳和氢气为主的合成气，该合成气中含有碳灰颗粒，该合成气经管道进入气固分离设备中，在气固分离设备内实现合成气与碳灰颗粒的分离，分离后的合成气经气体出口离开气化炉，分离后的碳灰颗粒进入碳灰颗粒出口，再经下降管和返料阀经气力输送进入第一燃烧喷嘴，碳灰颗粒落入燃烧室内进行二次反应。
以上所述气化剂为二氧化碳或水蒸气，气力输送的气体为氮气或二氧化碳。
本发明的技术方案相对于现有技术而言，具有以下技术效果：
本发明煤气化炉能耗低、冷煤气效率高、运行成本低，本发明系统结构紧凑，能源利用效率高，既可用于改造现有的气流床煤气化系统又可用于新型气流床煤气化系统的设计，应用前景广阔。本发明所述煤气化方法无需提高氧煤比和气化温度，也无需添加助溶剂就可以使灰渣以液态或固态的形式排出，利用高温等离子体火焰将碳灰颗粒温度提升至其完全熔融温度，熔融态碳灰落入灰熔融室下部的灰熔融区，灰熔融区内的熔融态灰流入冷渣水槽，实现液态排渣；熔融态灰在冷渣水槽内经过冷却水的充分冷却，形成固态灰渣即实现固态排渣。
附图说明
图1是本发明的等离子体液态排渣的新型气流床煤气化系统的结构示意图；
图2是图1中的a-a截面剖视示意图；
其中，1-炉体；2-三段式炉膛；3-气固分离设备；4-返料阀；5-冷渣水槽；6-等离子体发生器；7-第二燃烧喷嘴；8-气化喷嘴；9-气体出口；10-第一燃烧喷嘴；12-排渣口；13-含碳飞灰出口；2-1：气化室；2-2：燃烧室；2-3：灰熔融室。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清晰，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的基本思想和目的是：基于等离子体可产生超高温区域，将煤气化后生成的飞灰颗粒迅速熔融，实现高灰熔点煤种气流床煤气化液态排渣的同时大幅提高了系统的效率和经济性，对推动气流床煤气化技术的发展具有极为重要的现实意义。
如图1所示，等离子体液态排渣的气化炉包括：炉体1，炉体1为煤气化系统提供平衡压力，炉体的最大冲压为4.5 MPa。炉体内设置有三段式炉膛2，三段式炉膛包括从下到上的灰熔融室2-3、燃烧室2-2和气化室2-1，灰熔融室的内径小于燃烧室的内径，燃烧室与灰熔融室的内径相等；灰熔融室的下部连接冷渣水槽5，冷渣水槽与炉体的排渣口12经管道连通，灰熔融室上部经渐扩段与燃烧室连通，燃烧室上部经渐缩、渐扩段后与气化室连通；
灰熔融室设置有第一燃烧喷嘴10和等离子体发生器6，第一燃烧喷嘴内置含碳飞灰输送通道和氧气输送通道，等离子体发生器的出口与第一燃烧喷嘴的出口均指向灰熔融室的中心，且等离子体发生器的中心线与第一燃烧喷嘴的中心线的夹角α小于30°；燃烧室设置有第二燃烧喷嘴7，第二燃烧喷嘴内置煤粉输送通道和氧气输送通道；气化室设置有气化喷嘴8，气化喷嘴内置煤粉输送通道和气化剂输送通道；如图1所述，第一燃烧喷嘴的设置位置靠近灰熔融室与燃烧室的连接处，位于灰熔融室的上部，气化喷嘴位于气化室的下部。
三段式炉膛内产生的含碳飞灰合成气体从气化室的顶部进入气固分离设备3，气固分离设备将合成气与含碳灰颗粒进行分离，分离后的合成气经气体出口9离开气化炉，分离后的含碳灰颗粒进入含碳飞灰出口13，经下降管和返料阀4进入第一燃烧喷嘴。
等离子体发生器6和第一燃烧喷嘴10配套装配，配套装配至少为两套，且均匀分布于所述灰熔融室的同一横截面，图2显示为四套的布置方式。灰熔融室下部经弧形渐缩段形成熔融态灰排出口。
利用此结构的气化炉实现等离子体液态排渣的煤气化方法如下：
依据煤气化最佳反应压力调节所述三段式炉膛2内的压力，使三段式炉膛内的压力和所述炉体的冲压大小一致；煤气化所用的一部分煤粉采用气力输送方式在第一燃烧喷嘴内，经煤粉输送通道进入燃烧室，氧气经氧气输送通道同样进入燃烧室内，在燃烧室内氧气与煤粉充分混合并发生剧烈的燃烧反应生成以二氧化碳为主的气体和碳灰颗粒，燃烧释放的热量经辐射传热及二氧化碳气流携带至气化室，为煤粉气化反应提供热量和气化剂；燃烧室内燃烧产生的小径灰颗粒经二氧化碳气流被携带至气化室内，大径灰颗粒在氧气和高温等离子体火焰下发生完全燃烧反应释放热量，高温等离子体火焰将碳灰颗粒温度提升至其完全熔融温度，熔融态碳灰落入灰熔融室下部的灰熔融区，灰熔融区内的熔融态灰流入冷渣水槽，实现液态排渣；在冷渣水槽内熔融态灰被水冷却，形成固态灰渣；
气化所用的另一部分煤粉采用气力输送方式在气化喷嘴内，经煤粉输送通道进入气化室，气化剂经气化剂输送通道进入气化室，在气化室内，煤粉与气化剂在高温和高压下发生气化反应，生成以一氧化碳和氢气为主的合成气，该合成气中含有碳灰颗粒，该合成气经管道进入气固分离设备中，在气固分离设备内实现合成气与碳灰颗粒的分离，分离后的合成气经气体出口离开气化炉，分离后的碳灰颗粒进入碳灰颗粒出口，再经下降管和返料阀进入第一燃烧喷嘴，碳灰颗粒落入燃烧室内进行二次反应。
此处气固分离设备可设计多级保证气固分离效率。根据灰熔融温度可调节等离子体发生器的功率，可适用于高灰熔点煤种和底灰熔点煤种及生物质等碳基固体资源。
通过上式实施方法可有效克服我国大量高灰熔点煤种气流床液态排渣难的技术障碍，同时本方法具有能效高、能耗低、系统简单、技术成本低的优势。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (6)
1.一种等离子体液态排渣的气化炉的煤气化方法，该气化炉包括炉体，炉体内设置有三段式炉膛，三段式炉膛包括从下到上的灰熔融室、燃烧室和气化室，灰熔融室的内径小于燃烧室的内径，燃烧室与气化室的内径相等；灰熔融室的下部连接冷渣水槽，冷渣水槽与炉体的排渣口经管道连通，灰熔融室上部经渐扩段与燃烧室连通，燃烧室上部经渐缩、渐扩段后与气化室连通；灰熔融室设置有第一燃烧喷嘴和等离子体发生器，第一燃烧喷嘴内置含碳飞灰输送通道和氧气输送通道，等离子体发生器的出口与第一燃烧喷嘴的出口均指向灰熔融室的中心，且等离子体发生器的中心线与第一燃烧喷嘴的中心线的夹角α小于30°；燃烧室设置有第二燃烧喷嘴，第二燃烧喷嘴内置煤粉输送通道和氧气输送通道；气化室设置有气化喷嘴，气化喷嘴内置煤粉输送通道和气化剂输送通道；三段式炉膛内产生的含碳飞灰及合成气体从气化室的顶部进入气固分离设备，气固分离设备将合成气与含碳灰颗粒进行分离，分离后的合成气经气体出口离开气化炉，分离后的含碳灰颗粒进入碳灰颗粒出口，经下降管和返料阀进入第一燃烧喷嘴；其特征在于，该气化方法如下：
依据煤气化最佳反应压力调节所述三段式炉膛内的压力，使三段式炉膛内的压力和所述炉体的冲压大小一致；煤气化所用的一部分煤粉采用气力输送方式在第一燃烧喷嘴内，经煤粉输送通道进入燃烧室，氧气经氧气输送通道同样进入燃烧室内，在燃烧室内氧气与煤粉充分混合并发生剧烈的燃烧反应生成以二氧化碳为主的气体和碳灰颗粒，燃烧释放的热量经辐射传热及二氧化碳气流携带至气化室，为煤粉气化反应提供热量和气化剂；燃烧室内燃烧产生的小径灰颗粒经二氧化碳气流被携带至气化室内，大径灰颗粒在氧气和高温等离子体火焰下发生完全燃烧反应释放热量，高温等离子体火焰将碳灰颗粒温度提升至其完全熔融温度，熔融态碳灰落入灰熔融室下部的灰熔融区，灰熔融区内的熔融态灰流入冷渣水槽，实现液态排渣；在冷渣水槽内熔融态灰被水冷却，形成固态灰渣；气化所用的另一部分煤粉采用气力输送方式在气化喷嘴内，经煤粉输送通道进入气化室，气化剂经气化剂输送通道进入气化室，在气化室内，煤粉与气化剂在高温和高压下发生气化反应，生成以一氧化碳和氢气为主的合成气，该合成气中含有碳灰颗粒，该合成气经管道进入气固分离设备中，在气固分离设备内实现合成气与碳灰颗粒的分离，分离后的合成气经气体出口离开气化炉，分离后的碳灰颗粒进入碳灰颗粒出口，再经下降管和返料阀进入第一燃烧喷嘴，碳灰颗粒落入燃烧室内进行二次反应。
2.如权利要求1所述的一种等离子体液态排渣的气化炉的煤气化方法，其特征在于，所述等离子体发生器和第一燃烧喷嘴配套装配，且均匀分布于所述灰熔融室的同一横截面上。
3.如权利要求1所述的一种等离子体液态排渣的气化炉的煤气化方法，其特征在于，所述气化喷嘴至少为两个，且均匀分布于所述气化室的同一横截面上。
4.如权利要求1所述的一种等离子体液态排渣的气化炉的煤气化方法，其特征在于，第一燃烧喷嘴的设置位置靠近灰熔融室与燃烧室的连接处。
5.根据权利要求1所述的等离子体液态排渣的煤气化方法，其特征在于，所述气化剂为二氧化碳或水蒸气。
6.根据权利要求1所述的等离子体液态排渣的煤气化方法，其特征在于，大径灰颗粒经气力输送进入灰熔融室内，气力输送的气体为氮气或二氧化碳。
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