CN109207202B - 一种气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气化炉，涉及气流床煤气化技术领域，为提高浆粉共气化效率而设计。所述气化炉包括：炉身；炉侧喷嘴，所述炉侧喷嘴至少为一组，任一组所述炉侧喷嘴由位于所述炉身同一高度上的煤浆喷嘴和粉煤喷嘴组成，任一组炉侧喷嘴中的所述煤浆喷嘴和所述粉煤喷嘴分别至少具有一对，且每对煤浆喷嘴相对布设，每对所述粉煤喷嘴相对布设；其中，任一组炉侧喷嘴中的所述粉煤喷嘴与炉身中心位置的距离小于煤浆喷嘴与炉身中心位置的距离。本发明提供的气化炉用于粉煤物料和煤浆物料的混合均匀、分布均匀，提高浆粉共气化效率和碳转化率。

Description

一种气化炉

技术领域

本发明涉及气流床煤气化技术领域，尤其涉及一种气化炉。

背景技术

煤的高效、清洁利用，是我国经济和社会可持续发展的战略选择，是保证我国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要科技基础。以煤气化为基础的能源及化工系统正在成为世界范围内高效、清洁、经济地开发和利用煤炭的热点技术和重要发展方向。煤的气化是使煤与气化剂作用，进行各种化学反应，把煤炭转变为燃料用煤气或合成用煤气。

浆粉耦合气化技术是在气化炉内同时喷入浆态含碳有机物和粉态含碳有机物，减少水量带入间接提高整体含碳有机物浓度，实现浆态含碳有机物和粉态含碳有机物的高效共气化。

申请号201310559500.4的中国专利，公开了一种“含碳有机物气化方法、及气化炉”，该气化炉包括：供浆态含碳有机物喷入气化炉的对置的2个炉侧喷嘴、供粉态含碳有机物喷入气化炉中的对置的2个炉侧喷嘴；该4个炉侧喷嘴均匀分布在气化炉筒体的侧壁上、并在同一水平面上布置，且该水平面垂直于气化炉的中轴线。该专利所提供的气化炉存在的问题是：未对4个炉侧喷嘴的安装位置进行限定，进料时由于浆态含碳有机物与粉态含碳有机物在物料粘度和分散特性上存在差异，导致浆粉两股物流在气化炉中心汇聚混合时，存在浆粉物料分布不均，从而使反应不充分，浆粉共气化效率和碳转化率较低的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种气化炉，主要目的是使粉煤物料和煤浆物料混合均匀、分布均匀，提高浆粉共气化效率和碳转化率。

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，包括：

炉身；

炉侧喷嘴，所述炉侧喷嘴至少为一组，任一组所述炉侧喷嘴由位于所述炉身同一高度上的煤浆喷嘴和粉煤喷嘴组成，任一组所述炉侧喷嘴中的所述煤浆喷嘴和所述粉煤喷嘴分别至少具有一对，且每对所述煤浆喷嘴相对布设，每对所述粉煤喷嘴相对布设；

其中，任一组所述炉侧喷嘴中的所述粉煤喷嘴与所述炉身中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴与所述炉身中心位置的距离。

本发明实施例提供的气化炉中，每对煤浆喷嘴相对布设，每对粉煤喷嘴相对布设，以及所述粉煤喷嘴与所述炉身中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴与所述炉身中心位置的距离，这样可使喷入的粉煤物料靠近甚至处于气化炉反应中心区域，粉煤物料就可在煤浆物料的撞击流和折返流的作用下，被煤浆物料流携带一起进入反应区，实现粉煤物料和煤浆物料的高效混合，从而使气化炉内整体物料分布均匀、反应均匀，提高共气化效率和碳的转化率。

可选的，所述煤浆喷嘴的喷射方向朝所述炉身的底部方向和/或所述粉煤喷嘴的喷射方向朝所述炉身的顶部方向。

进一步的，所述煤浆喷嘴的喷射方向与所述炉身的中心轴线的夹角为60°～90°。

进一步的，所述粉煤喷嘴的喷射方向与所述炉身的中心轴线的夹角为90°～120°。

可选的，所述煤浆喷嘴的喷射方向与所述粉煤喷嘴的喷射方向相交，且相交点位于所述炉身中心位置处。

可选的，所述炉身的横截面为椭圆形结构。

进一步的，所述椭圆形结构的长轴半径与所述短轴半径的比值大于等于1.1，小于等于1.5。

可选的，所述炉身的高度与所述椭圆形结构的长轴半径的比值大于等于7，小于等于10。

可选的，任一组所述炉侧喷嘴由一对所述煤浆喷嘴和一对所述粉煤喷嘴组成，其中，所述煤浆喷嘴设置在所述椭圆形结构的长半轴的端点上，所述粉煤喷嘴设置在所述椭圆形结构的短半轴的端点上。

进一步的，所述炉侧喷嘴具有多组，所述多组炉侧喷嘴沿着所述炉身的高度方向布设。

进一步的，所述多组炉侧喷嘴中位于顶层的所述炉侧喷嘴与所述炉身顶部的距离与所述椭圆形结构的长轴半径的比值大于等于2，小于等于4。

可选的，所述多组炉侧喷嘴中相邻两组所述炉侧喷嘴之间的距离与所述椭圆形结构的长轴半径的比值大于等于2，小于等于4。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种气化炉的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种气化炉的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种气化炉的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种气化炉的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种煤浆喷嘴和粉煤喷嘴的安装位置示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种煤浆喷嘴和粉煤喷嘴的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例气化炉进行详细描述。

在本发明的描述中，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内段的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明实施例提供了一种气化炉，参照图1至图4，所述气化炉包括：炉身2、安装在炉身2侧面的炉侧喷嘴；所述炉侧喷嘴至少为一组，任一组所述炉侧喷嘴由位于所述炉身2同一高度上的煤浆喷嘴101和粉煤喷嘴102组成，任一组所述炉侧喷嘴中的所述煤浆喷嘴101和所述粉煤喷嘴102分别至少具有一对，且每对煤浆喷嘴101相对布设，每对粉煤喷嘴102相对布设；其中，任一组所述炉侧喷嘴中的所述粉煤喷嘴102与所述炉身2中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴101与所述炉身2中心位置的距离。

具体的，所述煤浆喷嘴101是供浆态煤喷入的喷嘴，所述粉煤喷嘴102是供粉态煤喷入的喷嘴。所述煤浆喷嘴101和/或所述粉煤喷嘴102可以是多通道喷嘴，其中，多通道的煤浆喷嘴101供浆态煤和氧气喷入，多通道的粉煤喷嘴102供粉态煤和输送气喷入，或供粉态煤、输送气和氧气喷入，其中，输送气可以为二氧化碳、合成气、氮气、氢气等其他气体。

本实施例提供的气化炉，在位于炉身2同一高度上的一对煤浆喷嘴101相对设置，即两个煤浆喷嘴101中的一个煤浆喷嘴101恰好朝向另外一个煤浆喷嘴101喷射，这样就可使两个煤浆喷嘴101所喷出的煤浆发生撞击形成撞击流，进而形成折返流，最终能够使煤浆均匀的分散在反应区内；同时，与煤浆喷嘴101位于同一高度上的一对粉煤喷嘴102也相对布设，粉煤喷嘴102所喷出的粉状煤容易被均匀分散的煤浆携带进入反应区，相对布设的粉煤喷嘴102与相对布设的煤浆喷嘴101相配合，有效提高煤在气化炉内的均匀分布性。

本实施例提供的气化炉，任一组所述炉侧喷嘴中的所述粉煤喷嘴102与所述炉身2中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴101与所述炉身2中心位置的距离。此处所述的炉身2中心位置是指炉身2的竖向中轴线位置，通常所述炉身2内的反应区就在所述炉身2的竖向中轴线位置附近的区域，将粉煤喷嘴102与所述炉身2中心位置的距离较小，就减少了粉煤喷嘴102所喷射的粉煤到炉身2中心位置的路径，容易使粉煤喷射至炉身2的反应区，或靠近所述炉身2的反应区；煤浆喷嘴101与所述炉身2中心位置的距离较大，由于通过煤浆喷嘴101喷入的煤浆在氧气的切割下已经呈雾化状态，雾化状态的煤浆的粘度较大，在喷射方向的较大范围内分散，以形成撞击流和折返流，粉煤可在煤浆形成的撞击流和折返流的作用下，被煤浆物料流携带一起进入反应区，实现粉煤与煤浆的高效混合，提高了粉煤与煤浆的共气化效率和碳的转化效率，成为一种多喷嘴浆粉耦合气化炉，避免粉煤仅分布在粉煤喷嘴102附近区域的现象。

在一些实施例中，所述煤浆喷嘴101的喷射方向与所述粉煤喷嘴102的喷射方向相交，且相交点位于所述炉身2中心位置处，这样能够使粉态物料和浆态物料在炉身2内的中心位置处相遇并混合，有效提高煤在气化炉内的均匀分布性，进而提高浆粉共气化效率。

示例的，如图2所示，所述炉侧喷嘴具有多组，所述多组炉侧喷嘴沿着所述炉身2的高度方向布设。通过设置的多组炉侧喷嘴进一步提高了物料在炉身2内的分布均匀性。其中，一组炉侧喷嘴中的煤浆喷嘴101数量可以和另外一组炉侧喷嘴中的煤浆喷嘴101数量相等或者不相等，同理，一组炉侧喷嘴中的粉煤喷嘴102数量可以和另外一组炉侧喷嘴中的粉煤喷嘴102数量相等或者不相等。具体数量可根据实际需求决定，在此对数量不做限定。

在一些实施例中，所述煤浆喷嘴101的喷射方向朝所述炉身1的底部方向，所述粉煤喷嘴102的喷射方向朝所述炉身2的顶部方向，即煤浆喷嘴101朝下倾斜，粉煤喷嘴102朝上倾斜，这样设计所达到的技术效果为：促使粉煤物料和煤浆物料的均匀混合，煤浆烧嘴101向下倾斜可将煤浆物料撞击区下移，撞击流在向上运动过程中会向外产生分散，与来自炉身2顶部的折返流混合产生湍流，粉煤被煤浆湍流卷入其中实现浆粉高效混合和耦合气化。粉煤烧嘴102向上倾斜可有效避开煤浆在水平方向产生的强大的撞击流，与煤浆向上的撞击流相遇，且被煤浆湍混气流卷入其中，实现浆粉高效混合和耦合气化。反之，如果煤浆烧嘴向上倾斜的话，撞击区域会相应上移，在气化炉高径比一定的情况下，撞击气流会以较高的速度冲击拱顶炉身2的壁面，会对壁面造成极大的伤害，影响气化炉安全运行；另一方面煤浆撞击区上移，粉煤进入气化炉后，受煤浆向下的撞击流影响，粉煤将随向下的撞击流一起在气化炉中下部参与气化反应，会降低粉煤在气化炉内的停留时间，影响气化效率；同理，粉煤烧嘴向下倾斜的话，粉煤进入气化炉后，受向下的煤浆撞击流影响，粉煤将随向下的撞击流一起在气化炉中下部参与气化反应，会降低粉煤在气化炉内的停留时间，影响气化效率。

为了进一步提高煤的气化效果，示例的，参照图3，所述煤浆喷嘴101的喷射方向与所述炉身2的中心轴线的夹角α为60°～90°。例如，可选择：60°、70°、80°或90°。若α大于90°，煤浆的喷射方向将由微向下改为向上喷射，不利于浆粉耦合气化；若α小于60°，则煤浆喷嘴101向下倾斜角度过大，不仅破坏了撞击区，两股煤浆并不能实现高速撞击，失去了撞击区内各种物质的反应过程，破坏了气化炉流场，导致反应区域主要在气化炉中下部空间，碳转化率和气化效率较低，上部气化空间浪费。另外，太小的喷射角容易使炉身2的壁面受到较大的冲击，这种情况是实际过程中应当严格防止的。

示例的，参照图4，所述粉煤喷嘴102的喷射方向与所述炉身2的中心轴线的夹角β为90°～120°。例如，可选择90°、100°、110°、120°。若β大于120°，则粉煤喷嘴102向上倾斜角度过大，使粉煤沿入射角度向上运行，由于粉煤的气流速度较慢，同时煤浆撞击流力度较大，粉煤进入气化炉后难以到达气化炉中心区域与煤浆混合，仅在气化炉边侧参与反应，炉内浆粉混合不均匀；若β小于90°，则粉煤的入射方向将由微向上改为向下喷射，不利于浆粉耦合气化。

本公开实施例中，参照图5和图6，所述炉身2的横截面为椭圆形结构。椭圆形结构便于气化炉铸造，另外，所述炉身2的横截面还可以是其他形状，例如，平行四边形。

参照图5，所述煤浆喷嘴101具有一对，两个所述煤浆喷嘴101分别位于所述椭圆形结构的长半轴的端点上，粉煤喷嘴102具有一对，两个所述粉煤喷嘴102分别位于所述椭圆形结构的短半轴的端点上，这样就保证了所述粉煤喷嘴102与所述炉身2中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴101与所述炉身2中心位置的距离。

为了使粉态物料和浆态物料在炉身2内的中心位置处相遇混合，示例的，所述椭圆形结构的长轴半径a与所述短轴半径b的比值大于等于1.1，小于等于1.5。a/b小于1.1时，长轴半径与短轴半径相差不大，粉煤烧嘴102的间距较远，浆粉物料的混合效果不佳；a/b大于1.5时，一方面造成气化炉高度过高，设备的稳固性和强度下降，不利于长周期稳定运行，另一方面煤浆烧嘴101的距离增加，撞击强度下降，不利于撞击流的上升和炉内的湍混效果，炉内反应不均匀，气化效率较低。

参照图6，所述煤浆喷嘴101具有两对，两对所述煤浆喷嘴101均设置在靠近所述长半轴方向上，且每对所述煤浆喷嘴101相对布设，粉煤喷嘴102具有一对，两个所述粉煤喷嘴102分别位于所述椭圆形结构的短半轴上，采用此种设计在保证所述粉煤喷嘴102与所述炉身2中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴101与所述炉身2中心位置的距离的基础上，依然能够使粉煤与煤浆两种状态的物料在反应区内混合均匀，保障反应效率。

示例的，所述炉身的高度H与所述椭圆形结构的长轴半径a的比值大于等于7，小于等于10。H/a过小时，气化炉内竖直方向流场分布不均，物料停留时间短，反应不充分，碳转化率和气化效率较低；H/a过大时，气化炉呈竖高结构，在径向上反应不充分，流场分布不均且气化炉整体结构不稳固。

在一些实施例中，所述多组炉侧喷嘴中位于顶层的所述炉侧喷嘴与所述炉身2顶部的距离H1与所述椭圆形结构的长轴半径a的比值大于等于2，小于等于4。H1/a过小时，炉侧喷嘴距离炉身2顶部的距离较短，对撞物料很容易触碰炉身2顶部，造成炉顶超温，影响稳定运行；H1/a过大时，在炉身2顶部存在空间浪费，气化炉总高度增加，结构的整体稳定性下降。

在另外一些实施例中，所述多组炉侧喷嘴中相邻两组所述炉侧喷嘴之间的距离H2与所述椭圆形结构的长轴半径a的比值大于等于2，小于等于4。若H2/a大于4时，相邻两组炉侧喷嘴间距离过大，一方面在保证炉身2顶部空间的前提下，炉身高度将增加，不利于椭圆气化炉结构的稳定性；另一方面，相邻两组炉侧喷嘴距离过大，下层炉侧烧嘴物料在上升过程中不断反应，大部分转化为合成气，合成气在上升过程与上层炉侧烧嘴进料的氧气在炉侧烧嘴入口空间附近相遇，合成气将在上层炉侧烧嘴附近发生燃烧反应而非气化反应，影响气化效率；若H2/a小于2时，炉侧烧嘴布置过于集中，一方面由于气化炉在高压下运行，较小的空间内开孔数量较多会影响气化炉的强度；另一方面炉侧烧嘴布置紧密，该区域反应空间较小，下层炉侧烧嘴撞击流向上运行过程中会与上层炉侧烧嘴向下的撞击流对流，物料停留时间长，可能会产生局部温度过高的现场，影响气化炉稳定运行。

在炉身体积相同、横截面周长相同的椭圆形结构的椭圆气化炉和圆形结构的圆形气化炉内进行煤气化反应，下述通过实验数据对比表进行技术效果说明，具体实验数据对比表为下述表一：其中，气化炉的气化压力为：6.5MPa，煤浆的投放量为：1000t/d，粉煤的投放量为：500t/d，圆形气化炉的任一组炉侧喷嘴具有两个煤浆喷嘴和两个粉煤喷嘴，两个煤浆喷嘴和两个粉煤喷嘴对称设置在圆周面上；椭圆气化炉的任一组炉侧喷嘴也具有两个煤浆喷嘴和两个粉煤喷嘴，两个煤浆喷嘴设置在长半轴上，两个粉煤喷嘴设置在短半轴上：

表一

上述表一可明显得到：

通过第①组和第②组实验数据得到：在相同的气化条件下，当所述粉煤喷嘴与所述炉身中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴与所述炉身中心位置的距离时，椭圆气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率均明显高于圆形气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率。

通过第②组和第③组实验数据得到：当所述粉煤喷嘴的喷射方向朝所述炉身的顶部，椭圆气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率均高于圆形气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率。

通过第②组和第④组实验数据得到：当所述煤浆喷嘴的喷射方向朝所述炉身的底部时，椭圆气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率均高于圆形气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率。

通过第②组和第⑤组实验数据得到：当所述粉煤喷嘴的喷射方向朝所述炉身的顶部，当所述煤浆喷嘴的喷射方向朝所述炉身的底部时，椭圆气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率均明显高于圆形气化炉的煤气有效组分的含量、停留时间、碳转化率和冷煤气效率。

上述表一中，停留时间指物料在气化炉内停留的时间。

示例的，参照图1和图4，所述气化炉还包括：设置在炉身1顶部的点火喷嘴103，和开设在所述炉身2底部的气化炉出口4。

再示例的，所述炉身2内设置有耐火衬里3，以防止炉身2被烧坏，进而提高整个气化炉的耐火性能。

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，其特征在于，包括：

炉身；

炉侧喷嘴，所述炉侧喷嘴至少为一组，任一组所述炉侧喷嘴由位于所述炉身同一高度上的煤浆喷嘴和粉煤喷嘴组成，任一组所述炉侧喷嘴中的所述煤浆喷嘴和所述粉煤喷嘴分别至少具有一对，且每对所述煤浆喷嘴相对布设，每对所述粉煤喷嘴相对布设；

其中，任一组所述炉侧喷嘴中的所述粉煤喷嘴与所述炉身中心位置的距离小于所述煤浆喷嘴与所述炉身中心位置的距离。

2.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述煤浆喷嘴的喷射方向朝所述炉身的底部方向和/或所述粉煤喷嘴的喷射方向朝所述炉身的顶部方向。

3.根据权利要求2所述的气化炉，其特征在于，所述煤浆喷嘴的喷射方向与所述炉身的中心轴线的夹角为60°～90°。

4.根据权利要求2所述的气化炉，其特征在于，所述粉煤喷嘴的喷射方向与所述炉身的中心轴线的夹角为90°～120°。

5.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述煤浆喷嘴的喷射方向与所述粉煤喷嘴的喷射方向相交，且相交点位于所述炉身中心位置处。

6.根据权利要求1所述的气化炉，其特征在于，所述炉身的横截面为椭圆形结构。

7.根据权利要求6所述的气化炉，其特征在于，所述椭圆形结构的长轴半径与短轴半径的比值大于等于1.1，小于等于1.5。

8.根据权利要求6所述的气化炉，其特征在于，所述炉身的高度与所述椭圆形结构的长轴半径的比值大于等于7，小于等于10。

9.根据权利要求6、7或8所述的气化炉，其特征在于，任一组所述炉侧喷嘴由一对所述煤浆喷嘴和一对所述粉煤喷嘴组成，其中，所述煤浆喷嘴设置在所述椭圆形结构的长半轴的端点上，所述粉煤喷嘴设置在所述椭圆形结构的短半轴的端点上。

10.根据权利要求9所述的气化炉，其特征在于：所述炉侧喷嘴具有多组，所述多组炉侧喷嘴沿着所述炉身的高度方向布设。

11.根据权利要求10所述的气化炉，其特征在于，所述多组炉侧喷嘴中位于顶层的所述炉侧喷嘴与所述炉身顶部的距离与所述椭圆形结构的长轴半径的比值大于等于2，小于等于4。

12.根据权利要求10所述的气化炉，其特征在于，所述多组炉侧喷嘴中相邻两组所述炉侧喷嘴之间的距离与所述椭圆形结构的长轴半径的比值大于等于2，小于等于4。