CN110591762B - 循环流化床气化装置和循环流化床气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种循环流化床气化装置以及循环流化床气化方法。所述循环流化床气化装置包括：气化炉炉膛(1)、旋风分离器(2)以及返料器，气化炉炉膛(1)下部设置有布风装置；所述布风装置包括多个气化剂喷口(3)，并且多个气化剂喷口(3)中的至少两个气化剂喷口(3)设置在不同的竖直高度上。采用本发明的循环流化床气化装置和循环流化床气化方法，布风均匀性得到提高，并且系统碳转化率高。

Description

循环流化床气化装置和循环流化床气化方法

技术领域

本发明涉及燃料气化技术领域，具体地，涉及一种循环流化床气化装置以及循环流化床气化方法。

背景技术

循环流化床煤气化技术作为一种清洁的煤炭转化技术，由于其带有高循环量的物料循环回路，固体物料在炉内停留时间延长，具有煤种适应性强、气固混合充分、气化反应速率高及反应温度均匀等优点，因而被广泛应用于工业燃气及合成氨领域中。

循环流化床的上述优点很大程度上取决于气体分布器的设计。气体分布器设置在气化炉下部，起着均匀布气和支撑固体颗粒的作用，其结构的设计合理与否极大地影响着气化炉炉膛流态化的质量，进而影响温度分布、反应速率及煤气成分。现有流化床气体分布器多采用布风板的形式，布风板上设置有小孔，气化剂通过小孔进入反应器中与固体物料进行反应，同时作为流化介质起到流化床层的作用。对于小规模的气化炉，采用这种布风方式，可使气化剂通过床层底部时具有较大的速度，能够实现床层的良好流化及气固的充分接触。当单台气化炉生产能力提高后，布风板直径变大，在气化炉热启动、运行波动及压火过程中布风板需要承受数十吨的重量，容易产生热变形而造成布风板结构损坏，影响正常运行，同时这种小孔布风方式，使得整个布风板的阻力增加。另一方面，所有含氧气化剂通过气化炉布风板进入炉内，这种集中的供氧方式容易导致炉内物料局部高温而结焦。为了确保安全运行，通常控制气化炉底部氧浓度在一个较低的范围内运行，底部温度没有达到灰渣的最佳转化温度，导致气化炉底渣含碳量较高，系统碳转化率及能源利用效率低。

此外，循环流化床在运行过程中床层剧烈返混，底部密相区含有大量细颗粒循环半焦，在排渣过程中，细颗粒半焦伴随粗颗粒一同排出，因细颗粒半焦含碳量高于粗颗粒，导致整体底渣含碳量较高。

由此可见，现有的气体分布器主要存在如下技术缺陷：

(1)当单台气化炉生产能力提高后，在气化炉热启动、运行波动及压火过程中容易产生热变形而造成布风板结构损坏，装置无法正常运行。

(2)气化炉底部温度未达到灰渣的最佳转化温度，同时，气化炉底渣中循环半焦含量大，导致底渣含碳量较高，系统碳转化率低。

(3)布风结构复杂、阻力大。

因此，有必要开发一种新型的循环流化床气化装置，在优化布风结构的同时，能够降低布风阻力及底渣含碳量，提高系统碳转化率及冷煤气效率，同时提高系统运行的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种提高布风均匀性的循环流化床气化装置以及循环流化床气化方法。

本发明的目的还在于提供一种循环流化床气化装置以及循环流化床气化方法，其能够增加底渣在气化炉底部的停留时间，降低底渣含碳量，提高系统碳转化率。

本发明的目的还在于提供一种循环流化床气化装置以及循环流化床气化方法，其布风阻力小，结构简单，并能提高气化装置的运行稳定性。

为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：

一种循环流化床气化装置，所述循环流化床气化装置包括：气化炉炉膛、旋风分离器以及返料器，气化炉炉膛下部设置有布风装置；所述布风装置包括多个气化剂喷口，并且多个气化剂喷口中的至少两个气化剂喷口设置在不同的竖直高度上。

根据本发明的一个优选实施例，所述多个气化剂喷口被分为多个气化剂喷口组，每个气化剂喷口组包括至少两个气化剂喷口，每个气化剂喷口组内的气化剂喷口设置在相同的竖直高度上，并且多个气化剂喷口组中的每个气化剂喷口组设置在不同的竖直高度上。

根据本发明的一个优选实施例，多个气化剂喷口组之间等间距或非等间距分布。

根据本发明的一个优选实施例，每个气化剂喷口组内的气化剂喷口之间等间距或非等间距分布。

根据本发明的一个优选实施例，每个气化剂喷口组内的气化剂喷口分布在一个圆周上，并且至少一气化剂喷口组内的气化剂喷口的中心线的延长线不通过该圆的圆心。

根据本发明的一个优选实施例，位于最上方的气化剂喷口组内的气化剂喷口的中心线的延长线不通过该圆的圆心。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化剂喷口的中心线与该圆交点处的切线和气化剂喷口中心线之间具有夹角，所述夹角介于10-85°之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述夹角介于20-30°之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化剂喷口与水平面之间的角度为8-20°。

根据本发明的一个优选实施例，每个气化剂喷口组内的气化剂喷口的数量为至少3个，沿圆周均匀分布。

根据本发明的一个优选实施例，所述布风装置还包括气体分布器，所述气体分布器设置在多个气化剂喷口的下方。

根据本发明的一个优选实施例，气体分布器包括一个进风总管和多个气化剂喷口，每个气化剂喷口的一端与进风总管连通，另一端设置气体出口，多个气化剂喷口成星形布置。

根据本发明的一个优选实施例，每个气化剂喷口组独立地设置有风箱及阀门。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化炉炉膛的下部设置有锥段，所述布风装置的多个气化剂喷口设置在该锥段上。

根据本发明的一个优选实施例，所述锥段的锥角为30-60°。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化剂喷口的中心线与锥段的壁面之间的角度为0-85°。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化剂喷口焊接在气化炉炉膛的壁上。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化剂喷口的一端延伸在气化炉炉膛外，另一端内凹地设置在气化炉炉膛的壁内。

根据本发明的一个优选实施例，所述另一端距离气化炉炉膛的壁的内表面20-50mm。

根据本发明的一个优选实施例，所述气化炉炉膛的底部设置有排渣口，并且在气化炉炉膛的位于排渣口上方的壁上设置有蒸汽入口。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种循环流化床气化方法，所述循环流化床气化方法使用前述实施例中任一项所述的循环流化床气化装置，各个气化剂喷口组的氧气浓度不同。

根据本发明的一个优选实施例，各个气化剂喷口组的氧气浓度从下到上逐渐增加。

根据本发明的一个优选实施例，气体经布风装置进入气化炉后形成旋流。

根据本发明的一个优选实施例，气化剂喷口出口气体速度为30-70m/s，并且不同高度气化剂喷口之间的床层速度维持在3.5m/s以上。

根据本发明的一个优选实施例，气化剂喷口出口气体速度为35-60m/s。

根据本发明的循环流化床气化装置和循环流化床气化方法，采取分级布风，在提高布风均匀性的同时，简化了布风结构，提高了装置运行稳定性。分级布风及移动床排渣增加了底渣在气化炉底部的停留时间降低了底渣含碳量，提高了系统碳转化率。此外，本发明通过风管布风，阻力小、能耗低、加工安装成本低。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的循环流化床气化装置的示意图，其中示出了布风装置的结构；

图2为根据本发明的实施例的循环流化床气化装置的示意图，其中示出了布风装置的结构；

图3为根据本发明的实施例的循环流化床气化装置的示意图，其中示出了布风装置的结构；以及

图4为沿图1中的A-A截面的截面示意图，其中示出了布风装置的俯视状态。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的发明构思，提供了一种循环流化床气化装置，所述循环流化床气化装置包括：气化炉炉膛、旋风分离器以及返料器，气化炉炉膛下部设置有布风装置；所述布风装置包括多个气化剂喷口，并且多个气化剂喷口中的至少两个气化剂喷口设置在不同的竖直高度上。

采用在气化炉不同高度分级通入气化剂的方法，一方面，使得含氧气体通过多点分散进入炉内，确保气化炉底部密相区在高温下温度场的均匀分布，不会导致炉内局部高温而发生结焦，从而降低底渣含碳量；另一方面，通过调节不同高度气化剂的通入量，能够调节气化炉密相区轴向速度，实现粗颗粒与细颗粒有效分离，降低底渣中循环半焦的含量，从而降低底渣含碳量。具体地，采用气化剂喷口布风。图1为根据本发明的实施例的循环流化床气化装置的示意图，其中示出了布风装置的结构，如图1所示，循环流化床气化装置包括：气化炉炉膛1；旋风分离器2；返料器；以及布风装置，其中气化炉炉膛1、旋风分离器2、返料器依次相连。气化炉炉膛1的下部设置有锥段，顶部设置有煤气出口，旋风分离器2与气化炉炉膛1的煤气出口连通。根据本发明，所述布风装置包括多个气化剂喷口3，所述多个气化剂喷口3设置在该锥段上，并且多个气化剂喷口3中的至少两个气化剂喷口3设置在不同的竖直高度上。如图1所示，所述多个气化剂喷口3被分为多个气化剂喷口组，每个气化剂喷口组包括至少两个气化剂喷口3，每个气化剂喷口组内的气化剂喷口3设置在相同的竖直高度上，并且多个气化剂喷口组中的每个气化剂喷口组设置在不同的竖直高度上。在图1中，布风装置包括三个气化剂喷口组。

气化炉炉膛1下部设置有锥段，锥段的锥角θ是影响气化炉流场及排渣的关键因素，锥角过大不利于形成旋流，影响气化炉流场，同时会导致灰渣在锥段部分堆积造成排渣不畅。锥角过小，使得气化炉内密相区高度增加，床层阻力增大。从优化流场及顺利排渣的角度考虑，锥角θ一般取值为30-60°，例如，当θ为40～50°时，可实现流场均匀分布及灰渣顺利下落。

气化剂喷口设置在气化炉下部密相区，沿气化炉轴向不同高度布置，用于通入气化剂。通过设置气化剂喷口，气化所需的气化剂从气化炉不同高度进入，这种进气方式能够灵活调节气化剂分配比例，一方面降低了各气化剂入口的氧含量，有效避免了高温区，从而降低了结渣的风险，另一方面，增强了床内物料的流动及返混，加快物料传质传热，有利于气化反应的快速进行。

根据工艺条件不同，气化剂喷口组可以设置2-4组，设置多组时沿气化炉轴向分布，根据工艺条件不同，多个气化剂喷口组之间可以等间距或非等间距分布。距离设置原则是，通过下部气化剂喷口进入气化炉内的氧气在相邻上部气化剂喷口处已经消耗完全，气化炉炉膛下部气化剂喷口区域，各组气化剂喷口氧气浓度从下到上逐渐增加，例如设计3组时，从下到上各组的氧浓度分布为20％、30％及50％较佳。每个气化剂喷口组内的气化剂喷口3之间也可以等间距或非等间距分布。每个气化剂喷口组内的气化剂喷口3的数量至少为3个，例如，可以为3-8个，沿圆周均匀分布，由此使得每个气化剂喷口组内的气化剂喷口3分布在一个圆上。为了使气化剂能够更好的带动床层流化，实现均匀流动，要求气体进入气化炉能够形成旋流，因此存在至少一组气化剂喷口中心线与该中心线和该圆的切线(比如该处的气化炉圆周切线)设置一定的角度β，即圆上的气化剂喷口3的中心线的延长线不通过该圆的圆心，通常β取10-85°，参见图4。β取值过小气固物料会冲刷炉壁，不仅影响流场均匀，而且会导致炉内耐火材料损坏，β取值过大，气流远离壁面，导致壁面附近的物料堆积形成死区，从流场分布均匀的角度考虑β取值优选20-30°。优选的，至少位于最上部的一组气化剂喷口中心线与气化炉径向切线设置一定的角度β。在可选的实施例中，从上到下，各组气化剂喷口中心线与气化炉径向切线设置的角度β逐渐增大。在可选的实施例中，最上面的一组气化剂喷口中心线与气化炉径向切线呈β角，其余各层气化剂喷口中心线与气化炉径向切线垂直、沿径向布置。为了气固接触更加充分，可将气化剂喷口与气化剂喷口处气化炉壁面设置一定的角度α(向上或向下)，当α向上时，取值为0-85°，从流场分布均匀的角度考虑优选5-45°，进一步优选为8-20°；当α向下时，取值为0 0-45°，优选为0-30°。为使气化剂喷口能够提供足够的动力，同时防止床内物料反窜，气化剂喷口出口气体速度要维持在30-70m/s，结合气化炉流场分布，从降低气化剂喷口阻力及延长气化剂喷口寿命的角度考虑气体速度最好在35-60m/s。为了更好的实现粗颗粒与细颗粒的有效分离，降低底渣中细颗粒的含量，炉内不同高度气化剂喷口之间的床层速度要维持在3.5m/s以上。

针对前述实施例的循环流化床气化装置，本发明还提供了一种循环流化床气化方法，在该循环流化床气化方法中，各个气化剂喷口组的氧气浓度不同。有利地，各个气化剂喷口组的氧气浓度从下到上逐渐增加，例如设计3组气化剂喷口组时，从下到上各组的氧气浓度分别在10％-30％、20％-40％和40％-60％之间，且位于下方的气化剂喷口组的氧气浓度低于更上方的。例如在某个实施例下，从下到上各组的氧浓度分布为20％、30％及50％较佳。

根据本发明的一个优选实施例，气体经布风装置进入气化炉后形成旋流，以使气化剂能够更好地带动床层流化，实现均匀流动，该形成旋流是通过如下技术手段实现的：至少一组气化剂喷口中心线与该中心线和该圆的切线(比如该处的气化炉圆周切线)设置一定的角度β，即圆上的气化剂喷口3的中心线的延长线不通过该圆的圆心，通常β取10-85°。

根据本发明的一个优选实施例，气化剂喷口出口气体速度为30-70m/s，并且不同高度气化剂喷口之间的速度维持在3.5m/s以上。上述气化剂喷口出口气体速度使气化剂喷口能够提供足够的动力，同时防止床内物料反窜，结合气化炉流场分布，从降低气化剂喷口阻力及延长气化剂喷口寿命的角度考虑气体速度最好在35-60m/s。通过使不同高度气化剂喷口之间的速度维持在3.5m/s以上，更好地实现粗颗粒与细颗粒的有效分离，降低底渣中细颗粒的含量。

单根气化剂喷口与气化炉采取焊接的方式固定，气化剂喷口3的一端延伸在气化炉炉膛1外，另一端伸向气化炉，为了避免磨损，另一端内凹地设置在气化炉炉膛1的壁(例如，气化炉耐火材料内壁)内，距气化炉耐火材料内壁内缩20-50mm。为使气化剂在每根气化剂喷口均匀分布，每组气化剂喷口独立设置有风箱及阀门，能够单独控制每根气化剂喷口气化剂的流量。

图2示出了本发明的另一个实施例的循环流化床气化装置的示意图。与图1所示的实施例的不同之处在于：气化炉炉膛1的底部设置有排渣口，并且在气化炉炉膛1的位于排渣口上方的壁上设置有蒸汽入口。在气化炉下部设置蒸汽入口，在排渣过程中，蒸汽与灰渣逆流换热，通入蒸汽的量根据气化炉灰渣量及排渣口直径确定，维持蒸汽在排渣口内的速度为0.2-0.4m/s，以达到良好的换热效果，同时确保灰渣具有良好的流动性，能够顺利排出。该方案既增加了灰渣的流动性，使得排渣更加顺畅，又回收了灰渣显热，降低了排渣温度，提高了系统能效。

图3示出了本发明的另一个实施例的循环流化床气化装置的示意图。与图1所示的实施例的不同之处在于：所述布风装置还包括气体分布器4，所述气体分布器4设置在多个气化剂喷口3的下方。在气化炉底部设置气体分布器，灰渣从气化炉下部侧面排出。一部分气化剂(蒸汽、空气/氧气)通过气体分布器进入到气化炉，另一部分气化剂(蒸汽、氧气/空气)通过气化剂喷口进入到气化炉。气体分布器及各层气化剂喷口气化剂的组成和比例，根据床层高度及气化炉温度实时调节。设置气体分布器后，在开车启动阶段，可以采取床下点火的方式启动(气体分布器下部设置点火燃烧器，点火燃烧器产生的热烟气通过气体分布器进入气化炉，加热床料)，同时气体分布器起到均匀布风的作用，能够有效改善炉内流场，利于物料的传质传热。

气体分布器位于气化炉下部，一方面用于分散从气化炉下部进入的气化剂，确保气化剂以一定的速度均匀分散进入炉内，参与气化反应及维持气化炉内物料的流化。另一方面，在气化炉启动、运行及压火过程中用于支撑床料。为了在气化炉点火启动、运行及压火过程中能够有足够的强度支撑床料，本发明采用“莲花式”气体分布器，气体分布器包括一个进风总管和多个气化剂喷口，每个气化剂喷口的一端与进风总管连通，另一端设置气体出口，多个气化剂喷口成星形布置。气体分布器4也可以包括水平板，并且在所述水平板上设置有多个气孔。

本发明的气化炉布风结构，结合了流化床气化的特性，从优化炉内整体流场的角度进行细节设计，气体流向有助于床层的混合，使流场更加均匀。进一步地，本发明所提供的方法使用上述气化炉，使煤和气化剂在反应器内发生气化反应，在气化反应过程中，通过气化剂喷口(或者气化剂喷口和气体分布器的结合，参见图3的实施例)向反应器内不同区域分别通入气化剂，如蒸汽、氧气等，通入的气体与煤发生反应产生热量，供气化反应所需，根据反应器内不同气化反应区气化反应达到最佳反应程度的热量需求不同，分别向各区域内通入含氧气体，以实现各反应区热量的耦合，保证各气化反应区按最佳反应程度进行。采用该气化炉进行气化，能够使反应器内流场均匀，不易出现局部高温，有效避免因床层局部温度过高而导致的煤灰颗粒相互粘结团聚所造成的流化状态变差，从而确保气化炉连续稳定运行。同时气化工艺采取移动床排渣形式，灰渣在气化炉下部与含氧气化剂充分接触，发生燃烧及气化反应，能够有效降低灰渣含碳量，提高系统整体碳转化率。

具体工艺实施过程为(如图1所示)，合格粒度的煤粉通过气化炉进料口进入到炉内，气化剂(蒸汽、氧气/空气)通过气化剂喷口进入到气化炉，煤与气化剂反应后产生的含尘煤气由气化炉上部出口排出，产生的灰渣通过气化炉下部排渣口排出。在整个气化过程中，各层气化剂喷口气化剂的组成和比例，根据床层高度及气化炉温度实时调节，保证炉内温度和流场均匀。采取这种布风方式，简化了布风结构，降低了布风系统阻力。

在气化炉的下部，至少位于最上的一组气化剂喷口中心线与气化炉径向切线设置一定的角度β，且β为锐角，如此，通过该组气化剂喷口进入气化炉底部的气化剂气流形成切圆，该切圆将使气化炉下部物料呈旋流状态，由于旋流内部压力较低，大颗粒在气化炉底部聚集到气化炉轴线区域，而颗粒较小的物料，则分布在相对外围的区域，被底部向上流动的气化剂托起，避免了落入气化炉底部，同时细颗粒与气化剂发生气化反应，如此，底渣中细颗粒含量降低，由于细颗粒含碳量大于粗颗粒，因此底渣中整体含碳量降低，系统整体碳转化率得到提高。

综上，根据本发明的循环流化床气化装置和循环流化床气化方法，采取分级布风，在提高布风均匀性的同时，简化了布风结构，提高了装置运行稳定性；另外，应用本发明的技术方案，大大减少了气化炉底部布风的面积，减少了风帽的数量，从而降低成本。分级布风及移动床排渣使得含氧气体通过多点分散进入炉内，确保气化炉底部密相区在高温下实现气化炉流场及温度场的均匀分布，不会导致炉内局部高温而发生结焦，同时增加了底渣在气化炉底部的停留时间，能够有效降低底渣含碳量，提高系统碳转化率。本发明通过风管布风，阻力小、能耗低、加工安装成本低。此外，本发明通过调节不同高度气化剂的通入量，能够调节气化炉密相区轴向速度，实现粗颗粒与细颗粒有效分离，降低底渣中循环半焦的含量，从而降低底渣含碳量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

附图标记列表：

1 气化炉炉膛

2 旋风分离器

3 气化剂喷口

4 气体分布器

α 气化剂喷口与水平面之间的角度

θ 锥角

β 气化剂喷口中心线与气化炉圆周切线之间的角度。

Claims (4)

1.一种循环流化床气化方法，所述循环流化床气化方法使用循环流化床气化装置，所述循环流化床气化装置包括：气化炉炉膛(1)、旋风分离器(2)以及返料器，其中：

气化炉炉膛(1)下部设置有布风装置；

所述布风装置包括多个气化剂喷口(3)，并且多个气化剂喷口(3)中的至少两个气化剂喷口(3)设置在不同的竖直高度上，

所述多个气化剂喷口(3)被分为多个气化剂喷口组，

每个气化剂喷口组内的气化剂喷口(3)分布在一个圆周上，并且位于最上层的气化剂喷口组内的气化剂喷口(3)的中心线的延长线不通过该圆的圆心，

所述气化炉炉膛(1)的下部设置有锥段，所述布风装置的多个气化剂喷口(3)设置在该锥段上；

所述循环流化床气化方法包括：

气化剂气流经所述布风装置进入气化炉后形成旋流，其中，通过位于最上层的气化剂喷口组内的气化剂喷口(3)进入气化炉底部的气化剂气流形成切圆，该切圆将使位于气化炉炉膛(1)下部的物料呈旋流状态，以使得粗颗粒物料在气化炉底部聚集到气化炉轴线区域，而细颗粒物料则分布在相对外围的区域并且同时与气化剂发生气化反应，实现粗颗粒物料与细颗粒物料的有效分离；

各个气化剂喷口组的氧气浓度不同。

2.根据权利要求1所述的循环流化床气化方法，其特征在于：

各个气化剂喷口组的氧气浓度从下到上逐渐增加。

3.根据权利要求1所述的循环流化床气化方法，其特征在于：

气化剂喷口出口气体速度为30-70m/s，并且不同高度气化剂喷口之间的床层速度维持在3.5m/s以上。

4.根据权利要求3所述的循环流化床气化方法，其特征在于：气化剂喷口出口气体速度为35-60m/s。

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