CN108929720B - 一种自气化热解焦油气化炉 - Google Patents

一种自气化热解焦油气化炉 Download PDF

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Abstract

一种自气化热解焦油气化炉，其中气体分布器是在炉体内至上而下由第一加热气体分布器、第二加热气体分布器及第三加热气体分布器互通构成双夹层炉体内的三部位加热气体分布器，三部位加热气体分布器之间的距离通过阻力调节，使热解气和焦油向热解气下行通道运行，所述双夹层炉体的外夹层为水夹套，内夹层为热解煤气下行通道，双夹层炉体的中下部设有一条煤气导出管；本发明优化了气化炉内部结构，使焦油裂解和气化，缓解了焦油带来的设备腐蚀、大气污染及废水难以处理等问题，为煤气化技术发展提供有力的支撑。

Description

一种自气化热解焦油气化炉
技术领域
本发明涉及一种焦油气化炉，尤其是一种用于煤气化过程中采用的自气化热解焦油气化炉。
背景技术
煤气化技术是煤化工产业的核心和龙头技术，也是实现煤炭高效洁净利用的关键技术之一，是发展煤基化学品生产、煤基液体燃料、合成天然气、IGCC发电、制氢、工业燃气及多联产系统等过程工业的基础；目前世界正在应用和开发的煤气化方法及其设备种类很多，按其混合方式和运动状态可分为固定床、流化床和气流床等几种典型方式；每种气化方法对原料煤的粒度、黏结性、反应活性、灰熔点和操作条件等有不同的要求，同时其热效率、碳转化率、气化强度及煤气组成也有明显的区别，每种气化炉在应用中都有一定局限性；从技术可行性和经济合理性两方面综合考虑，目前世界上尚不存在适合各种原料煤、各种煤气用途以及各种生产规模的“万能”气化炉。
常压固定床煤气发生炉在实际应用中存在三个主要问题：一是由于以空气为气化剂，所以其煤气中的N2比例较高，一般在50-60%，煤气热值较低，仅为5.0-5.6MJ/m3左右，属于低热值煤气；二是生成的粗煤气在离开气化炉之前经过干馏层，使得其含有一定量的焦油和煤粉杂质，给后续的煤气净化、加工、输送和使用造成了不便；三是常压固定床技术以块煤为燃料，在炉内停留时间较长,虽然其碳的转化率较高，但反应速度较慢，炉内温度和气化强度都较低，因此单炉生产能力较差。
正是因为这些弊端在很大程度上限制了该技术在工业炉窑上的应用和进一步发展，要将适合我国中小企业的固定床气化技术很好地用于燃煤工业炉窑，产生不含焦油的燃气、提高煤气热值和气化强度成为亟待解决的问题的关键。
焦油是制取可燃气过程中人们最不希望得到的产物，它的存在对气化系统和用气设备都产生十分不利的影响，主要体现在以下几个方面|。
一是焦油为高温煤气所携带,在输运过程中逐渐冷凝下来,附着于管道内壁和有关设备的壁面上,堵塞管道腐蚀设备,对系统的安全运行造成威胁。
二是焦油为气化煤气所携带,进入下游用气设备中,会因气流夹带液滴等影响工业炉窑燃烧器、内燃机、燃气轮机、压缩机等的安全运行。
三是气化所产生的焦油约占气化用煤总能量的3-10%,在很大程度上降低了气化效率，且焦油在低温时与可燃气一起燃烧时，难以燃烧完全，易产生炭黑等，对燃气利用设备损害严重,同时浪费了能源。
四是焦油中许多物质具有致癌作用，如果这些物质被排放到大气中，就会造成严重的环境污染。
由此可见，气化过程中焦油的生成，不但浪费了一部分能量,而且还具有相当大的危害性；因此焦油含量高的可燃气在使用前，必须进行净化处理，脱除或消减可燃气中焦油的方法主要有两大类：一类是炉外脱除，另一类是炉内脱除，炉外脱除方法主要包括热裂解、催化裂解、水洗法、过滤法、电捕法和机械捕集法等，炉外脱除焦油虽能在很大程度上减少煤气中焦油含量,但存在能源浪费，系统复杂，成本高，且易造成二次污染等缺点，不适合我国多而分散的中小型气化炉。
而炉内脱除法大多集中在优化气化条件的和床料添加合适的添加剂或催化剂，从改进气化炉结构来降低气化炉焦油的原始含量的研究还鲜有报道,且大多处于实验室研究阶段。如果通过研究，采取一定的措施改进气化炉内的结构，尽可能使焦油裂解和气化，合理组织炉内的流场和温度场来抑制或减少焦油量，实现煤炭的高效清洁转化，解决煤气中焦油含量高等关键难题,这无疑会使我国固定床气化炉的性能大大提高，从而促进其在工业炉窑上的广泛应用和进一步发展。
发明内容
本发明通过改进气化炉内结构，增加三层供气加热气化剂分布器，合理组织炉内流场和温度场，形成高温区使焦油在高温区裂解和气化，解决现有气化炉在气化过程中产生的焦油问题，并提供一种自气化热解焦油气化炉，实现煤炭的高效清洁转化。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种自气化热解焦油气化炉，包括密封加煤器、双夹层炉体、气体分布器、排灰结构和供气系统；其特征在于：
所述的气体分布器是由第一加热气体分布器、第二加热气体分布器及第三加热气体分布器构成炉体内的三部位加热气体分布器；三部位加热气体分布器之间的距离通过阻力调节，保证热解气和焦油向热解气下行通道运行，各段阻力需满足：P1+P2+P3+P4+P5+P6＜P4+P7，其中P1为第一加热气体分布器上部煤料阻力，P2为第一加热气体分布器上部热浮力，P3为180o弯头损耗阻力，P4为第一加热气体分布器下部热浮力，P5为煤气导出管擦阻力，P6为煤气导出管出口阻力，P7为第一加热气体分布器下部煤料阻力；
所述的第一加热气体分布器设置在炉体的上部，是逆流加热器，其底部设有热煤焦排料口，上部设置带有供风口的风帽，并配有第一加热气体分布器供气化剂管；所述的第二加热气体分布器设置在炉体中部的炉壁内侧和煤气导出管的外侧，并配有第二加热气体分布器供气化剂管；所述的第三加热气体分布器设置在炉体底部的中央，为塔型气体分布器，并配有第三加热气体分布器供气化剂管；
所述的炉体为双夹层炉体，其外夹层为水夹套，水夹套进水口位于水夹套的上部，水夹套出水口位于水夹套的下部，并与汽包相连通；其内夹层为热解煤气下行通道，热解煤气下行通道入口紧靠水夹套且位于在第一加热气体分布器的上部，热解煤气下行通道出口紧靠水夹套且位于第二加热气体分布器和第三加热气体分布器中间；炉体的中下部设有一条煤气导出管或设置为紧靠炉壁的多条导出管，煤气导出管入口设在第二加热气体分布器和第三加热气体分布器中间；煤气导出管出口位于第一加热气体分布器的下部并延伸至炉体外；
上述本发明所提供的一种自气化热解焦油气化炉，其特征在于：所述的一种自气化热解焦油气化炉的热解焦油自气化方法是煤料由密封加煤器加入炉中，经煤料分布板在炉中径向分布，在重力作用下，煤料首先经过第一加热气体分布器，煤料进入有加热供风出口的第一加热区，与供风中的氧发生氧化反应，生成500℃-800℃的高温区，生成的热气流向上和煤料逆行，进入热解煤气返向空间，通过下行煤气通道入口进入下行煤气通道，从下行煤气通道出口进入高温氧化还原区，焦油被裂解或气化；受热分解的煤料继续热解下行，受热解的物料、部分下行的热解煤气及其中的焦油下行到第二加热气体分布器时，下行物料升温到750-1100℃并进入气化区，在气化区热解后的煤/焦以及热解产生的焦油都发生气化反应，生成气化气，由煤气导出管入口进入煤气导出管通过煤气导出管出口排出炉外；在气化区上中部没有被气化的残炭继续下行到第三加热气体分布器上部的高温氧化区（850-1200℃）被氧化燃烧，残留下的高温灰渣形成渣层，高温灰渣和输入的气化剂换热冷却后进入排灰结构，逐步被排出。
本发明通过上述技术方案的实施，优化了气化炉内部结构及气化过程，增加了气化强度，使焦油在气化炉内裂解和气化，很好地解决了现有煤气化炉气化过程中产生的焦油问题，缓解了由焦油带来的设备腐蚀、大气污染及废水难以处理等问题，进一步提高了气化炉的性能，同时减少了焦油捕集和分离装置，大幅降低了设备成本，为煤气化技术发展提供有力的支撑。
附图说明
图1是本发明设计的气化炉结构示意图。
图2是本发明设计的气化炉阻力分布图
图中：1：密封加煤器；2：双夹层炉体；3：煤料分布板；4：水夹套；5：第一加热气体分布器；6：煤气导出管；7：第二加热气体分布器；8：煤气导出管入口；9：第三加热气体分布器；10：煤气导出管出口；11：水夹套进水口；12：水夹套出水口；13：排灰结构；14：中部通道；15：第三加热气体分布器供气化剂管；16：第二加热气体分布器供气化剂管；17：第一加热气体分布器供气化剂管；18：煤气导出管支撑钢结构；19：风帽；20：供风出口；21：热煤焦排料口；22：热解区；23：气化区；24：热解气下行通道入口；25：热解气下行通道；26：热解气下行通道出口；27：清扫空气入口；28：排气口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
如附图1所示，实施本发明上述所提供的一种自气化热解焦油气化炉，该气化炉的结构及自气化热解焦油实施方案如下：
一种自气化热解焦油气化炉，包括密封加煤器、双夹层炉体、气体分布器、排灰结构和供气系统构成；
密封加煤器1是位于炉体2顶部的串联双料钟密封加煤器，并设有清扫空气入口27和排气口28；排灰结构13位于炉体2的底部，是排灰锁。
本炉体2为双夹层炉体，其外夹层为水夹套4，水夹套进水口11位于水夹套的上部，水夹套出水口12位于水夹套的下部，并与汽包相连通；其内夹层为热解煤气下行通道25，热解煤气下行通道入口24紧靠水夹套且位于在第一加热气体分布器5的上部，热解煤气下行通道出口26紧靠水夹套且位于第二加热气体分布器7和第三加热气体分布器9中间，炉体2的中下部设有一条煤气导出管6或设置为紧靠炉壁的多条导出管，煤气导出管入口8设在第二加热气体分布器7和第三加热气体分布器9中间，煤气导出管出口10位于第一加热气体分布器5的下部并延伸至炉体2外。
气体分布器是由第一加热气体分布器5、第二加热气体分布器7及第三加热气体分布器9构成炉体内的三部位加热气体分布器；三部位加热气体分布器之间的距离通过阻力调节，保证热解气和焦油向热解气下行通道25运行，各段阻力需满足：P1+P2+P3+P4+P5+P6＜P4+P7，其中P1为第一加热气体分布器上部煤料阻力，P2为第一加热气体分布器上部热浮力，P3为180o弯头损耗阻力，P4为第一加热气体分布器下部热浮力，P5为煤气导出管擦阻力，P6为煤气导出管出口阻力，P7为第一加热气体分布器下部煤料阻力。
第一加热气体分布器5是设置在炉体的上部的逆流加热器，其逆流加热器的底部设有热煤焦排料口21，上部设置带有供风口20的风帽19，并配有第一加热气体分布器供气化剂管17，第二加热气体分布器7设置在炉体中部的炉壁内侧和煤气导出管6的外侧，并配有第二加热气体分布器供气化剂管16，第三加热气体分布器9设置在炉体底部的中央，为塔型气体分布器，并配有第三加热气体分布器供气化剂管15。
上述本发明所实施的一种自气化热解焦油气化炉的具体实现方法如下：
煤料由密封加煤器1加入炉中，经煤料分布板3在炉中径向分布，在重力作用下，煤料首先经过第一加热气体分布器5，煤料进入有加热供风出口20的第一加热区，与供风中的氧发生氧化反应，生成500℃-800℃的高温区，生成的热气流向上和煤料逆行，进入热解煤气返向空间，通过下行煤气通道入口24进入下行煤气通道25，从下行煤气通道出口26进入高温氧化还原区，焦油被裂解或气化，受热分解的煤料继续热解下行，受热解的物料、部分下行的热解煤气及其中的焦油下行到第二加热气体分布器7时，下行物料升温到750-1100℃并进入气化区，在气化区热解后的煤/焦以及热解产生的焦油都发生气化反应，生成气化气，由煤气导出管入口8进入煤气导出管6通过煤气导出管出口10排出炉外，在气化区上中部没有被气化的残炭继续下行到第三加热气体分布器9上部的高温氧化区850-1200℃被氧化燃烧，残留下的高温灰渣形成渣层，高温灰渣和输入的气化剂换热冷却后进入排灰结构13，逐步被排出。
本发明通过增加三层供气加热气体分布器的方法，提高干馏段和气化段温度，可以使煤气中的焦油大部分发生裂解和气化，对降低煤气中焦油的含量作用明显，炉内气化状态良好，出炉煤气中焦油含量大大降低，煤气中焦油含量最低可达到10mg/Nm3，煤气热值高达6500KJ/Nm3，完全可满足各种燃烧器和加热工艺要求，实现了煤高温无焦油气化设想的可行性。

Claims (1)

1.一种自气化热解焦油气化炉，包括密封加煤器、双夹层炉体、气体分布器、排灰结构和供气系统；其特征在于：
所述气体分布器是在双夹层炉体（2）内至上而下由第一加热气体分布器（5）、第二加热气体分布器（7）及第三加热气体分布器（9）互通构成双夹层炉体（2）内的三部位加热气体分布器；三部位加热气体分布器之间的距离通过阻力调节，使热解气和焦油向热解气下行通道（25）运行，各段阻力应满足：P1+P2+P3+P4+P5+P6＜P4+P7，其中P1为第一加热气体分布器上部煤料阻力，P2为第一加热气体分布器上部热浮力，P3为180o弯头损耗阻力，P4为第一加热气体分布器下部热浮力，P5为煤气导出管摩擦阻力，P6为煤气导出管出口阻力，P7为第一加热气体分布器下部煤料阻力；
所述第一加热气体分布器（5）是设置在炉体上部的逆流加热器，其逆流加热器的底部设置有热煤焦排料口（21），上部设置带有供风出口（20）的风帽（19），并配有第一加热气体分布器供气化剂管（17）；所述第二加热气体分布器（7）是设置在炉体中部的炉壁内侧和煤气导出管（6）的外侧，并配有第二加热气体分布器供气化剂管（16）；所述第三加热气体分布器（9）是设置在炉体底部的中央，为塔型气体分布器，并配有第三加热气体分布器供气化剂管（15）；
所述双夹层炉体（2）的外夹层为水夹套（4），水夹套进水口（11）位于水夹套的上部，水夹套出水口（12）位于水夹套的下部，并与汽包相连通；其内夹层为热解煤气下行通道（25），热解煤气下行通道入口（24）紧靠水夹套且位于在第一加热气体分布器（5）的上部，热解煤气下行通道出口（26）紧靠水夹套且位于第二加热气体分布器（7）和第三加热气体分布器（9）中间；双夹层炉体（2）的中下部设有一条煤气导出管（6）或设置为紧靠炉壁的多条导出管，煤气导出管入口（8）设在第二加热气体分布器（7）和第三加热气体分布器（9）中间；煤气导出管出口（10）位于第一加热气体分布器（5）的下部并延伸至双夹层炉体（2）外；
所述自气化热解焦油气化炉的热解焦油自气化方法是煤料由密封加煤器（1）加入炉中，经煤料分布板（3）在炉中径向分布，在重力作用下，煤料首先经过第一加热气体分布器（5），煤料进入有加热供风出口（20）的第一加热区，与供风中的氧发生氧化反应，生成500℃-800℃的高温区，生成的热气流向上和煤料逆行，进入热解煤气返向空间，通过热解气下行通道入口（24）进入热解气下行通道（25），从热解气下行通道出口（26）进入高温氧化还原区，焦油被裂解或气化；受热分解的煤料继续热解下行，受热解的物料、部分下行的热解煤气及其中的焦油下行到第二加热气体分布器（7）时，下行物料升温到750-1100℃并进入气化区，在气化区热解后的煤/焦以及热解产生的焦油都发生气化反应，生成气化气，由煤气导出管入口（8）进入煤气导出管（6）通过煤气导出管出口（10）排出炉外；在气化区上中部没有被气化的残炭继续下行到第三加热气体分布器（9）上部的850-1200℃高温氧化区被氧化燃烧，残留下的高温灰渣形成渣层，高温灰渣和输入的气化剂换热冷却后进入排灰结构（13），逐步被排出。
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