CN107541299B - 一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴 - Google Patents

一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，由中心煤粉通道、围绕着中心煤粉通道环形的氧气通道、外层煤粉通道、保护气通道，最外层为冷却水进出口通道，所有通道以烧嘴中心为轴同轴布置；由内环喷头内构成中心煤粉通道，内环喷头和第一中环喷头构成氧气通道，第一中环喷头和第二中环喷头构成外层煤粉通道，第二中环喷头和外环喷头构成保护气通道，外环喷头和内侧水冷夹套构成冷却水进水通道，内侧水冷夹套和外侧水冷夹套构成冷却水导出通道；本发明增强煤粉及氧气的混合，改善了煤粉及氧气进入气化炉流场，气化炉高温区更为集中，同时烧嘴最外层保护气的投用，降低了烧嘴向火面温度，在提高了煤粉转化率同时大大延长了烧嘴使用寿命。

Description

一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴
技术领域
本发明属于煤粉气化及化工设备领域，特别涉及一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴。
背景技术
气流床气化是利用流体力学中射流卷吸原理，将煤粉或者煤浆与气化剂(O2和水蒸气)通过喷嘴高速喷入气化炉内，射流引起高度卷吸并引起高强度湍流，从而强化了气化炉内气固两相的混合及反应过程，因此有利于气化过程的充分进行。Shell及华能煤等气化工艺是目前应用最为广泛的一种粉煤气化技术，气化工艺以氧气为气化剂，干粉进料，液态排渣，由于水冷壁技术的应用，其操作温度高(可达1400～1700℃)，由于气流床气化炉的煤种适应性强、碳转化率高、低比氧耗、合成气净化简单等优点，代表了大型煤气化技术的发展方向。
两段式气化炉的炉膛采用水冷壁结构，炉膛分为上炉膛和下炉膛两段，下炉膛是第一反应区，用于输入煤粉、水蒸气和氧气的喷嘴设在下炉膛的两侧壁上。渣口设在下炉膛底部高温段，采用液态排渣。上炉膛为第二反应区，其内径较下炉膛的内径小，高度较长，在上炉膛的侧壁上开有两个对称的二次粉煤和水蒸汽进口。运行时，由气化炉下段喷入干煤粉，氧气(纯氧或富氧)以及蒸汽，所喷入的煤粉量占总煤量的85～90％，在上炉膛进口处喷入过热蒸汽和粉煤，所喷入量占总煤量的10～15％。该装置中上段炉的作用主要有二：其一则是利用下段炉煤气显热进行热裂解和部分气化，提高总的冷煤气效率和热效率，其二是在进行二段热裂解和部分气化的同时降低煤气温度，以减少循环激冷煤气量。
两段式干煤粉加压气化技术，其碳转化率主要由停留时间和反应温度决定，反应温度越高，碳转化率越高，反应温度主要与氧煤比相关，反应温度过高会导致冷煤气效率降低；停留时间越长，转化率也越高，停留时间主要与反应区体积相关，为降低制造成本，可通过增加反应压力及改善炉内流动的方式。
发明内容
为充分利用反应器体积，提升两段式干煤粉加压气化炉碳转化率，本发明提出了一种适用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，通过优化烧嘴结构，增强了煤粉及氧气喷入炉膛过程中的颗粒扰动，使煤粉与氧气混合更加均匀，炉内高温区更加集中，在反应区体积及压力一定的情况下，大大增加了煤粉转化率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，由中心煤粉通道8、围绕着中心煤粉通道8环形的氧气通道9、外层煤粉通道10和保护气通道11，最外层设置的环形的烧嘴冷却水进水通道14及冷却水导出通道13，所有通道以烧嘴中心为轴采用同轴布置。
所述中心煤粉通道8位于烧嘴中心轴，由内环喷头1组成的通道构成，工艺工况下中心煤量为总投煤量的70％～80％。
所述中心煤粉通道8，其输送介质采用N2或CO2。
所述氧气通道9由内环喷头1和第一中环喷头2构成。
所述外层煤粉通道10由第一中环喷头2及第二中环喷头3组成，外层煤量为总煤量的20％～30％。
所述保护气通道11由第二中环喷头3和外环喷头4构成，烧嘴保护气采用过热蒸汽作为保护介质，提高碳转化率，或根据下游对气体组分要求采用N2或CO2。
所述冷却水进水通道14由外环喷头4和内侧水冷夹套6构成，所述冷却水导出通道13由内侧水冷夹套6和外侧水冷夹套7构成，烧嘴前段冷却室12位于烧嘴冷却水导出通道13。
煤粉进入烧嘴时采用N2或CO2进行输送，或通过合成气类还原性气体输送；氧化剂采用纯氧或氧气摩尔分数超过80％富氧，并根据煤种的不同加入过热蒸汽与氧化剂预混作为反应介质。
所述中心煤粉通道8、氧气通道9、外层煤粉通道10及保护气通道11均采用Inconel600高温镍基合金；冷却水通道采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。
烧嘴的向火端面喷涂高温镍基合金耐火层，耐火层厚度＜5mm，有效减少烧嘴处热应力及开裂现象。
和现有技术相比，本发明具备如下优点：
1、本发明通过改变烧嘴结构增加增加外层煤粉通道，使煤粉在混合腔内进行初步预混，提升煤粉出烧嘴处流速，同时外层煤粉进行充分雾化，火焰外推，使反应区更加集中，同时由于最外层保护气的投入，降低了烧嘴向火面温度即减少了烧嘴处热负荷，不仅可以提高碳转化率，同时可以大大延长烧嘴使用寿命。
2、本发明烧嘴设置了内层及外层煤粉通道，通过煤粉比例调节，大大增强煤粉及氧气的混合，改善了煤粉及氧气进入气化炉流场，气化炉高温区更为集中。
附图说明
图1是本发明四通道工艺烧嘴示意图。
图中：
1-内环喷头；2-第一中环喷头；3-第二中环喷头；4-外环喷头；5-薄壁支撑；6-内侧水冷夹套；7-外侧水冷夹套；8-中心煤粉通道；9-氧气通道；10-外层煤粉通道；11-保护气通道；12-烧嘴前段水冷室；13-冷却水导出通道；14-冷却水进水通道。
具体实施方式
为进一步了解本发明内容、特点及工作过程，结合附图做进一步说明：
本烧嘴由中心煤粉通道8、围绕着中心煤粉通道的环形的氧气通道9、外层煤粉通道10、保护气通道11构成，最外层设置为环形的烧嘴冷却水进水通道14及冷却水导出通道13，所有通道以烧嘴中心为轴采用同轴布置。
中心煤粉通道8位于烧嘴中心轴，由内环喷头1组成的通道构成，工艺工况下中心煤量约为总投煤量的75％；氧气通道9由内环喷头1和第一中环喷头2构成；外层煤粉通道10由第一中环喷头2及第二中环喷头3组成，外层煤量约为总煤量的25％；烧嘴的保护气通道11由第二中环喷头3和外环喷头4构成，烧嘴保护气采用过热蒸汽作为保护介质；外环喷头4和内侧水冷套管6构成烧嘴的冷却水进水通道14，内侧水冷夹套6和外侧水冷夹套7构成烧嘴冷却水导出通道13，烧嘴迎火面为烧嘴前段冷却室12；
以华能天津IGCC电站为例，其气化装置采用投煤量2000t/d级两段式干煤粉加压气化工艺，其气化压力为3.0MPag，煤粉采用中压N2作为输送介质，中心煤粉投煤量为50.47t/h，外层煤粉投煤量为16.82t/h，其输送气固质量比约为1:10，氧气采用99.5％纯氧，最外层保护气通道采用过热蒸汽作为保护气，其投入量为6t/h，烧嘴冷却水压力为4.0MPag，210℃，单个烧嘴循环量为15m3/h，
其中心氧气通道、煤粉通道及外层氧气通道均采用Inconel 600等高温镍基合金；冷却水通道采用1Cr18Ni9Ti等不锈钢。烧嘴的向火端面喷涂高温镍基合金耐火层，耐火层厚度为3mm，烧嘴冷却室内冷却水流速＞6m/s，大大减少了烧嘴头部的热应力。
中心流速约8～12m/s的煤粉在烧嘴前段与流速约20-40m/s的高速氧气预混后，利用较大的动能对外层低速煤粉6-10m/s进行雾化，最外层采用蒸汽保护，其烧嘴喷出后从中心向外依次为：氧化区、氧化-还原区及还原区，氧化区主要发生碳颗粒的燃烧反应，氧化-还原区主要以二次反应为主，主要发生一氧化碳的燃烧、碳颗粒与二氧化碳和水蒸气的还原反应、水煤气变换反应等，还原区主要发生水煤气变换反应等还原反应。
与常规工艺烧嘴相比较，本新型四通道烧嘴使火焰外推，因此高温区集中，因此其碳转化率可达99.5％，同时由于流场的合理布置，大大降低了烧嘴端面的热负荷，其连续使用寿命超过8000h，具有良好的经济效益。

Claims (7)

1.一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，其特征在于：由中心煤粉通道（8）、围绕着中心煤粉通道（8）环形的氧气通道（9）、外层煤粉通道（10）和保护气通道（11），最外层设置的环形的烧嘴冷却水进水通道（14）及冷却水导出通道（13），所有通道以烧嘴中心为轴采用同轴布置；烧嘴喷出后从中心向外依次为：氧化区、氧化-还原区及还原区；
所述外层煤粉通道（10）由第一中环喷头（2）及第二中环喷头（3）组成，外层煤量为总煤量的20%~30%；
所述保护气通道（11）由第二中环喷头（3）和外环喷头（4）构成，烧嘴保护气采用过热蒸汽作为保护介质，提高碳转化率，或根据下游对气体组分要求采用N2或CO2；
煤粉进入烧嘴时采用N2或CO2进行输送，或通过合成气类还原性气体输送；氧化剂采用纯氧或氧气摩尔分数超过80%富氧，并根据煤种的不同加入过热蒸汽与氧化剂预混作为反应介质。
2.根据权利要求1所述的一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，其特征在于：中心煤粉通道（8）位于烧嘴中心轴，由内环喷头（1）组成的通道构成，工艺工况下中心煤量为总投煤量的70%~80%。
3.根据权利要求2所述的一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，其特征在于：所述中心煤粉通道（8），其输送介质采用N2或CO2。
4.根据权利要求1所述的一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，其特征在于：所述氧气通道（9）由内环喷头（1）和第一中环喷头（2）构成。
5.根据权利要求1所述的一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，其特征在于：所述冷却水进水通道（14）由外环喷头（4）和内侧水冷夹套（6）构成，所述冷却水导出通道（13）由内侧水冷夹套（6）和外侧水冷夹套（7）构成，烧嘴前段冷却室（12）位于烧嘴冷却水导出通道（13）。
6.根据权利要求1所述的一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，其特征在于：所述中心煤粉通道（8）、氧气通道（9）、外层煤粉通道（10）及保护气通道（11）均采用Inconel 600 高温镍基合金；冷却水通道采用1Cr18Ni9Ti不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种用于两段式干煤粉加压气化技术的四通道工艺烧嘴，其特征在于：烧嘴的向火端面喷涂高温镍基合金耐火层，耐火层厚度＜5mm，有效减少烧嘴处热应力及开裂现象。
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