CN108949243B - 一种气化炉的含碳物料气化方法及气化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种气化炉的含碳物料气化方法及气化炉，涉及气化炉技术领域，为提高含碳物料的气化效果而发明。所述气化炉的含碳物料气化方法包括朝所述锥形分布板上的多个气孔内通入气化剂，其中，通入每个气孔内的气化剂流速随时间呈简谐振动变化，且通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，k为奇数。本发明气化炉的含碳物料气化方法及气化炉用于提高气固混合及反应效果。

Description

一种气化炉的含碳物料气化方法及气化炉
技术领域
本发明涉及气化炉技术领域，尤其涉及一种气化炉的含碳物料气化方法及气化炉。
背景技术
煤气化技术是洁净高效利用煤的一种重要方式。我国煤炭资源丰富，油气资源相对匮乏，将丰富的煤炭转化成清洁的气体，近年来受到众多关注及应用。流化床气化炉因炉内温度均匀，气固混合均匀、气化效率高等原因广泛应用于煤气化工艺中。
流化床气化炉工作质量性能取决于流态化质量及气固接触效果，而气体分布器的结构设计及运行稳定性影响了炉内流态化质量、气化反应程度及气化炉运行稳定性。
目前，工业规模的流化床所应用的气体分布器多为多孔板分布器，形式可为平板或锥形板，平板或锥形板上布满小孔。其中，平板分布器存在漏料、易造成床层沟流、短路等的技术问题，因此在工业中较少应用，锥形板分布器是目前流化床常用的分布器。
现有锥形板分布器均为在锥形板面上开设小孔，气化剂先进入布气室后再经小孔进入气化炉内，且布气室仅有一个，板面上的所有小孔与该布气室相连通，这种开孔及布气方式，容易造成气化炉内小孔进气区域附近气速大，固相浓度低，其他区域固相浓度高、可能存在气体死区，气固分布不均匀、气固接触效果差的现象，且经各小孔进入的气流容易直接接触，产生对冲，引起动量及能量消耗，从而使气流对固相颗粒的扰动作用减弱，导致固相颗粒循环返混变差，影响气固反应的进行，另外，各小孔进入的气流保持同一流速，容易产生气封，影响该区域灰渣颗粒的正常下落，进而对中心区域排渣造成不利影响。
发明内容
本发明的实施例提供了一种气化炉的含碳物料气化方法及气化炉，主要目的是使气固两相混合时浓度、温度分布均匀，气固两相接触效果好，降低气流对撞消耗的能量，以提高气固混合及反应效果。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种气化炉的含碳物料气化方法，所述气化炉内锥形分布板上设有多个气孔，所述气化方法包括：
朝所述锥形分布板上的多个气孔内通入气化剂，其中，通入每个所述气孔内的气化剂流速随时间呈简谐振动变化，且通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，k为奇数。
本发明实施例提供的气化炉的含碳物料气化方法，通过在每个气孔内通入流速随时间呈简谐振动变化的气化剂，同时要保证通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，这样就能够使炉内气固两相混合时，浓度及温度分布均匀，反应充分，有效防止局部颗粒浓度较大而造成温度过高的现象，同时，还可以降低气孔射流的气化剂发生对撞引起能量的消耗，以便将更多的能量高效的传递于固相颗粒，进而强化气固混合及反应效果。
可选的，通入相邻和/或相对称布设的两个气孔中其中一个气孔通入的气化剂流速随时间变化的简谐振动方程为：
Figure BDA0001730137270000021
另一个气孔通入的气化剂流速随时间变化的简谐振动方程为：
Figure BDA0001730137270000022
其中，T—振动周期；t—时间；V1、V2—气化剂流速。
可选的，V1取值范围为5-15m/s，V2取值范围为30-45m/s。
可选的，在向所述气孔通入所述气化剂后还包括：
从进料管线向所述气化炉内加入含碳物料，所述含碳物料与所述气化剂发生气化反应，生成的可燃气体通过出气管线排出气化炉外，生成的废渣通过排渣口排出。
本发明另一方面实施例还提供了一种气化炉，包括：
气化炉壳体；
底部设有排渣口的锥形分布板，所述锥形分布板上设有多个气孔，所述锥形分布板设于所述气化炉壳体内，所述锥形分布板与所述气化炉壳体之间的空腔形成有至少两个布气室，相邻和/或相对称布设的两个气孔与不同的所述布气室连通；
流速控制件，所述流速控制件用于控制通入不同的所述布气室的气化剂流速，且通入不同的所述布气室的气化剂流速随时间呈简谐振动变化，以使通入每个气孔内的气化剂流速也随时间呈简谐振动变化，同时通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，其中，k为奇数。
本发明实施例提供的气化炉，能够使气化炉内气固两相浓度及温度分布均匀，反应充分，防止局部颗粒浓度较大而造成温度过高的现象，同时，还可以降低气孔射流的气化剂发生对撞引起能量的消耗，以便将更多的能量高效的传递于固相颗粒，进而强化气固混合及反应效果，提高整个气化炉的气化质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种气化炉的局部结构示意图；
图2为图1的A处放大图；
图3为本发明实施例提供的一种锥形分布板上气孔的分布示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种气化炉的局部结构示意图；
图5为本发明实施例提供的气孔组中气孔的分布示意图；
图6为本发明实施例提供的一种通入第一布气室和第二布气室中气化剂的流速随时间的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例气化炉的含碳物料气化方法及气化炉进行详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明实施例提供了一种气化炉的含碳物料气化方法，其中，所述气化炉内锥形分布板上设有多个气孔，具体的所述气化方法包括：
朝所述锥形分布板上的多个气孔内通入气化剂，其中，通入每个所述气孔内的气化剂流速随时间呈简谐振动变化，且通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，k为奇数。
具体的，当通入每个气孔内的气化剂流速随时间呈简谐振动变化时，有助于增强靠近锥形分布板区域内的气固两相混合，使得该区域内颗粒浓度分布均匀，进而使均匀分布的固相颗粒与气化剂燃烧所释放的能量分布均匀，从而使该区域内温度分布均匀，避免出现局部温度过高的现象，保障了反应效果；同时，当通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，k为奇数的情况下，就可使一个气孔内气化剂的流速达到最大值时，与之相邻和/或相对称布设的另一个气孔内气化剂的流速达到最小值，避免射流的气化剂流速同时达到最大时，导致气流对撞，增加能量的损耗，将气化剂携带的能量更高效的传递给固相颗粒，以强化气固混合及反应程度，也可避免射流的气化剂流速同时达到最小时，造成炉内固相颗粒浓度过大，气固不能充分反应的现象。
具体实施时，通入相邻和/或相对称布设的两个气孔中其中一个气孔通入的气化剂流速随时间变化的简谐振动方程为：
Figure BDA0001730137270000051
另一个气孔通入的气化剂流速随时间变化的简谐振动方程为：
Figure BDA0001730137270000052
其中，T—振动周期；t—时间；V1、V2—气化剂流速；则相邻和/或相对称布设的两个气孔均以正弦函数规律变化，且周相角相差π，下述通过具体实施例描述：
当振动周期T为4时，V正随时间的变化曲线和V反随时间的变化曲线如图6所示，其中，
Figure BDA0001730137270000053
如图5所示，若通入气孔a中的气化剂以V反图像曲线执行，通入气孔b(气孔c或气d)的气化剂以V正图像曲线执行，这样相对布设的气孔a与气孔b二者通入的气化剂流速相差周相角π，即通入气孔a的气化剂流速达到最大值时，通入气孔b的气化剂流速达到最小值，反之亦然，同理，相邻布设的气孔a与气孔c或气孔a与气孔d二者通入的气化剂流速也相差相位角π，即通入气孔a的气化剂流速达到最大值时，通入气孔c或气孔d的气化剂流速速度达到最小值，这样就可有效避免相对布设的气孔a与气孔b或相邻布设的气孔a与气孔c所射流的气化剂发生对撞，降低能耗的现象，同时，也可避免因为每个气孔流速相同而产生的气封现象。
当通入气孔a中的气化剂流速以V反执行，通入气孔c中的气化剂流速以V正执行时，气化剂的振荡周期为4s，在预设时间t∈[0，1)时，通入气孔a中的气化剂流速逐渐变小，通入气孔c中的气化剂流速逐渐变大，当t＝1时，通入气孔a中的气化剂流速与通入气孔c中的气化剂流速相等，当预设时间t∈(1，2)时，通入气孔a中的气化剂流速继续逐渐变小，通入气孔c中的气化剂流速继续逐渐变大，当t＝2时，通入气孔a中的气化剂流速最小，通入气孔c中的气化剂流速最大，当预设时间t∈(2，3)时，通入气孔a中的气化剂流速逐渐变大，通入气孔c中的气化剂流速逐渐变小，当t＝3时，通入气孔a中的气化剂流速与通入气孔c中的气化剂流速相等，当预设时间t∈(3，4)时，通入气孔a中的气化剂流速继续逐渐变大，通入气孔c中的气化剂流速继续逐渐变小，当t＝4时，通入气孔a中的气化剂流速最大，通入气孔c中的气化剂流速最小，通入气孔a和气孔c中的气化剂流速按照上述规律以振荡周期为4s进行。
示例的，振动周期T的取值范围为2～20s，优选的，振动周期T的取值范围为4～10s，具体的振动周期T的取值根据气化炉的运行参数确定。
示例的，V1取值范围为5-15m/s，V2取值范围为30-45m/s。
在上述实施例中，含碳物料具体可以为颗粒状的煤或煤焦等含碳的化石燃料，气化剂具体可以为过热蒸汽或氢气。
示例的，所述气化方法中在向炉内空间通入所述气化剂后还包括：从所述进料管线向所述气化炉内加入含碳物料，所述含碳物料与所述气化剂发生气化反应，生成的可燃气体通过所述出气管线排出所述气化炉壳体外，生成的废渣通过所述排渣口排出。
本发明另一方面实施例还提供了一种气化炉，参照图1至图5，所述气化炉包括：气化炉壳体4；底部设有排渣口的锥形分布板1，所述锥形分布板1上设有多个气孔101，所述锥形分布板1设于所述气化炉壳体4内，所述锥形分布板1与所述气化炉壳体4之间的空腔形成有至少两个布气室，相邻和/或相对称布设的两个气孔与不同的所述布气室连通；流速控制件，所述流速控制件用于控制通入不同的所述布气室的气化剂流速，且通入不同的所述布气室的气化剂流速随时间呈简谐振动变化，以使通入每个气孔内的气化剂流速也随时间呈简谐振动变化，同时通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，其中，k为奇数。
通过设置的至少两个布气室，以及将不同位置上的气孔与不同的布气室相连通，实现对各布气室通入流速随时间呈简谐振动变化的气化剂，进而对每个气孔通入流速随时间呈简谐振动变化的气化剂，同时通过流速控制件也控制通入的气化剂随时间变化的振幅相同、振动周期相同、周相角，这样可使进入气化炉内的气化剂与固相颗粒混合时，固相颗粒浓度分布均匀，从而使气固两相反应时散发的热量分布均匀，导致气化炉内温度分布均匀，防止在反应的时候局部颗粒浓度较高引起的反应温度过高的现象，同时，也能够防止射入气化炉内的气化剂发生对撞引起能量的消耗，就可将气流携带的能量更高效的传递给固相颗粒，强化气固混合及反应程度。
示例的，所述布气室为两个所述布气室，参照图1和图4，分别为第一布气室5和第二布气室6，所述第一布气室5与第一进气管线7连通，流速控制件通过控制第一进气管线7向第一布气室5通入流速随时间呈简谐振动变化的气化剂，第二布气室6与第二进气管线8连通，流速控制件通过控制第二进气管线8向第二布气室6通入流速也随时间呈简谐振动变化的气化剂。
具体的，参照图3，多个所述气孔101分成沿着所述锥形分布板1轴向高度方向布设的多层气孔组，每层所述气孔组由多个位于同一高度上的所述气孔101组成，通过多层气孔组能够向气化炉内的多个位置通入气化剂，以使固相颗粒能够充分反应。
示例的，每层所述气孔组的气孔为2n个，其中，n为正整数，且n为奇数，2n个所述气孔中每相邻两个气孔之间的距离相等，其中，相邻及对称布设的两个所述气孔分别对应连通于两个不同的所述布气室，例如，参照图5，该气孔组具有10个气孔，10个气孔中每相邻两个气孔之间的距离相等，通常所述气化炉内为圆柱状，气孔组所在的平面为圆周面，即10个气孔均匀布设在该气孔组所在的平面圆上，若气孔a与第一布气室5连通，与气孔a相对布设的气孔b与第二布气室6连通，且与气孔a相邻的气孔c和气孔d分别与第二布气室6连通，这样设计所达到的技术效果是：当通入第一布气室5的气化剂流速随时间变化时，则通过气孔a的气化剂流速也随时间变化，通入第二布气室6的气化剂流速随时间变化时，则通过气孔b、气孔c和气孔d的气化剂流速也随时间变化，若在同一时刻，通入第一布气室5和第二布气室6的气化剂流速不相同，则最终使在同一时刻，通入气孔a与气孔b(气孔c和气孔d)的气化剂流速也不相同，避免通入气孔a与气孔b的气化剂进入气化炉内后发生对撞，消耗气流能量，影响气化剂与固相颗粒的混合与反应，同理，也避免气孔a与之相邻的气孔c或气孔d发生对撞。
具体的，相邻两个所述气孔组之间的距离H是所述气孔直径d的8-15倍，优选的，所述气孔为水平孔或者与锥形分布板具有夹角的斜孔，且气孔的直径为1mm-6mm。
示例的，相邻两层所述气孔组中位于上层的所述气孔组比位于下层的所述气孔组气孔的数量多4m个，其中，m为正整数，且1≤m≤3，参照图3，靠近锥形分布板1排渣口的为第一气孔组11，与之相邻且位于上层的为第二气孔组12，第二气孔组12比第一气孔组11气孔的数量多4m个，优选的，相邻两层气孔组相差4个气孔，是为了保证各气孔组布气的均匀性，上一层比下层圆周长度大，同时为了保证上一层中相邻两个气孔距离与下层相邻两个气孔距离接近，则上一层需要开设较多的气孔，同时又避免气孔间距太大，气孔间无气体分布区域(死区)面积大，导致气体分布不均的现象，相差4个气孔就可保证各气孔流速分配均匀。如果增加的气孔数太多，则气孔流速会降低，对气体均匀分布也不利。
示例的，所述布气室内设有用于连通所述布气室与所述气孔的连通管线，参照图4，所述第一布气室5内设置有第一连通管线21，所述第一连通管线21与各气孔组中需与第一连通管线21相连通的气孔连接，进而通过第一连通管线21将第一布气室5中的气化剂通入各气孔组中需与第一布气室5连通的气孔内，参照图5，所述第一连接管线21与气孔a连通；另外，第二布气室6内设置有第二连通管线22，所述第二连通管线22与各气孔组中需与第二连通管线22相连通的气孔连接，进而通过第二连通管线22将第一布气室6中的气化剂通入各气孔组中需与第二布气室6连通的气孔内，参照图5，所述第二连接管线22与气孔b、气孔c和气孔d连通。
示例的，参照图1，所述气化炉还包括：与所述排渣口连通的排渣管2，为了保证排渣的顺畅、避免排渣管上部出现气封、灰渣无法下落的问题，所述排渣管2包括相连通的变径段201和直筒段202，所述变径段201与所述排渣口连通，变径段201与水平面之间的倾斜角度为75-85°，且直筒段202一直向下延伸，穿出气化炉壳体4底部与排渣系统连接。
参照图1和图4，所述锥形布气板1为倒锥形结构，所述倒锥形结构的锥角取值范围为60-120°。
为了强化气化炉内气化剂运动所占据的空间，在所述排渣管2内设置中心进气管3，即通过中心进气管3也向气化炉内通入气化剂，加强气化炉内的流场范围，增强气固两相反应。
具体的，所述流速控制件包括控制器和与所述控制器连接的控制阀，所述控制阀安装在进气管线上。当所述布气室包括第一布气室5和第二布气室6时，所述第一进气管线7上安装有第一控制阀，第二进气管线8上安装有第二控制阀，所述第一控制阀和第二控制阀均与控制器连接。
示例的，所述气化炉还包括与所述气化炉壳体连通的进料管线和出气管线。
当采用上述气化炉进行含碳物料气化时，气化剂经由进气管线进入各布气室，再将气孔进入气化炉中位于锥形分布板1上方的炉内，使气化炉内气固两相浓度及温度分布均匀，反应充分，同时，还可以降低气孔射流的气化剂发生对撞引起能量的消耗，以便将更多的能量高效的传递于固相颗粒，进而强化气固混合及反应效果。
在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种气化炉的含碳物料气化方法，所述气化炉内锥形分布板上设有多个气孔，其特征在于，所述气化方法包括：
朝所述锥形分布板上的多个气孔内通入气化剂，其中，通入每个所述气孔内的气化剂流速随时间呈简谐振动变化，且通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，k为奇数。
2.根据权利要求1所述的气化方法，其特征在于，通入相邻和/或相对称布设的两个气孔中其中一个气孔通入的气化剂流速随时间变化的简谐振动方程为：
Figure FDA0002266231710000011
另一个气孔通入的气化剂流速随时间变化的简谐振动方程为：
Figure FDA0002266231710000012
其中，T—振动周期；t—时间；V1、V2—气化剂流速。
3.根据权利要求2所述的气化方法，其特征在于，V1取值范围为5-15m/s，V2取值范围为30-45m/s。
4.根据权利要求1或2所述的气化方法，其特征在于，在向多个所述气孔内通入所述气化剂后还包括：
从进料管线向所述气化炉内加入含碳物料，所述含碳物料与所述气化剂发生气化反应，生成的可燃气体通过出气管线排出所述气化炉外，生成的废渣通过排渣口排出。
5.一种气化炉，其特征在于，包括：
气化炉壳体；
底部设有排渣口的锥形分布板，所述锥形分布板上设有多个气孔，所述锥形分布板设于所述气化炉壳体内，所述锥形分布板与所述气化炉壳体之间的空腔至少形成有两个布气室，相邻和/或相对称布设的两个气孔与不同的所述布气室连通，所述气孔为水平孔；
流速控制件，所述流速控制件用于控制通入不同的所述布气室的气化剂流速，且通入不同的所述布气室的气化剂流速随时间呈简谐振动变化，以使通入每个气孔内的气化剂流速也随时间呈简谐振动变化，同时通入相邻和/或相对称布设的两个气孔内的气化剂流速随时间变化的简谐振动的振幅相同、振动周期相同、周相角相差kπ，其中，k为奇数。
6.根据权利要求5所述的气化炉，其特征在于，所述布气室为两个所述布气室。
7.根据权利要求5或6所述的气化炉，其特征在于，多个所述气孔分成沿着所述锥形分布板轴向高度方向布设的多层气孔组，每层所述气孔组由多个位于同一高度上的所述气孔组成。
8.根据权利要求7所述的气化炉，其特征在于，每层所述气孔组的气孔为2n个，其中，n为奇数，其中，2n个所述气孔中每相邻两个气孔之间的距离相等，相邻和/或相对称布设的两个所述气孔分别对应连通于两个不同的所述布气室。
9.根据权利要求7所述的气化炉，其特征在于，相邻两层所述气孔组中位于上层的所述气孔组比位于下层的所述气孔组气孔的数量多4m个，其中，m为正整数，且1≤m≤3。
10.根据权利要求7所述的气化炉，其特征在于，相邻两层所述气孔组之间的距离H是所述气孔直径d的8-15倍。
11.根据权利要求7所述的气化炉，其特征在于，所述布气室内设有用于连通所述布气室与所述气孔的连通管线。
12.根据权利要求5或6所述的气化炉，其特征在于，所述气化炉还包括：排渣管，所述排渣管包括相连通的变径段和直筒段，所述变径段与所述排渣口连通。
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