CN110964571B - 一种四角切圆气化炉 - Google Patents

Abstract

一种四角切圆气化炉，在气化炉体上部的同一水平截面上设置有多组由氧气喷嘴、煤粉喷嘴和水蒸气喷嘴组成的组合体；一个组合体中水蒸气喷嘴穿过气化炉体沿靠近气化炉膛炉壁内侧的位置沿切线方向插入气化炉膛；氧气喷嘴穿过气化炉体的部分以与水蒸气喷嘴中心线平行的方式沿圆周割线方向插入气化炉膛，且氧气喷嘴与水蒸气喷嘴同向设置，煤粉喷嘴穿过气化炉体的部分同轴布置于氧气喷嘴内部；水蒸气喷嘴的外边沿线a与气化炉膛中轴线的垂直间距为L，氧气喷嘴的外边沿线b与气化炉膛中轴线的垂直间距为M，L的数值大于M。本发明解决了现有气化剂强旋转煤粉气化装置的炉体气化剂喷入区域的炉壁容易被烧损的问题。

Description

一种四角切圆气化炉

技术领域

本发明涉及一种煤粉气化装置，特别是涉及一种四角切圆气化炉。

背景技术

随着人们物质生活水平的不断提高和对清洁能源需求的持续增长，作为洁净煤技术的煤气化技术在人们生活中的应用越来越广泛。气化剂强旋转粉煤气化技术具有气化强度高、生产能力大、碳转化率高、煤种适用性强等优点，目前已经在煤气化领域崭露头角。

本发明人在前期申请并获得授权了一系列与气化剂强旋转煤粉气化技术相关的中国发明专利如ZL201510578779.X、ZL201510579028.X和ZL201510578724.9。以上发明专利虽然解决了气化炉内壁面挂渣不均匀等问题，但是出现了炉体气化剂喷入区域附近内壁面容易被烧损的问题。该问题发生后会导致气化炉停车，而气化炉作为化工企业的生产源头，一旦停车，将导致整个生产线全部停运，整个生产线停运一次给企业造成巨额经济损失。例如:一套造气量80000Nm³/h的煤气化生产线停运一次经济损失达4000万元以上。

为解决以上问题，本发明人在上述发明专利的基础上继续创新，申请并获得授权了中国发明专利ZL201610554990.2，该发明专利公开了一种防止炉壁烧损的“水包氧”强旋转煤粉气化炉，将水蒸气和氧气在炉体侧壁面分开供入，使外层的水蒸汽包裹内层的氧气在炉内强烈旋转，以降低喷嘴区域的温度，保护水冷壁面。但是在该发明中，气化炉体的上部同一水平截面上仅安装有一组“外水（蒸汽）内氧”的组合喷嘴，试验运行发现仅有当水蒸汽流量与氧流量较为接近时（质量比：水/氧≈1），此时两个喷嘴的射流长度较为接近，能够形成较为完整的“水包氧”流场，水冷壁面受到完整地保护。但是在该条件下，送入炉内的水蒸气量偏离了常用的粉煤气化炉操作用量（质量比：水/氧<0.4），相当于给水蒸气量为2.5倍以上的常规操作气化炉给水蒸气量。此时由于碳与水蒸气的反应吸热，造成了炉内平均温度降低。由于煤气化过程主要的反应均为吸热反应，因此炉内平均温度的降低会降低煤气化反应速率，最终会降低碳的转化率。同时，沿炉体侧壁面布置的气化剂喷嘴切向喷入炉膛的气化剂中氧气含量高于60%，因此在气化剂喷嘴出口附近形成了富氧区，切向喷入的气化剂冲刷喷嘴附近的液态渣层时，气化剂中的氧气与渣层中的碳在水冷壁面上强烈的富氧燃烧，会导致炉膛壁面处产生高温区，会严重烧蚀气化炉内壁面。

现有技术的气化剂强旋转煤粉气化装置存在比较明显的缺陷，如何能有效克服上述缺陷仍是本领域技术人员研究创新的目标。

发明内容

本发明为解决现有气化剂强旋转煤粉气化装置的炉体气化剂喷入区域炉壁容易被烧损的问题，提供一种四角切圆气化炉，以克服上述背景技术中强化剂强旋转煤粉气化技术的上述技术缺陷。

具体地，本发明提供一种四角切圆气化炉，包括：煤粉烧嘴、气化炉体、气化炉膛、合成气通道、渣池、氧气喷嘴、煤粉喷嘴和水蒸气喷嘴，气化炉体的顶端呈半球体、中间部分为圆柱体、底端为圆锥台结构，气化炉体的底部设有渣池；气化炉膛为多根竖直圆管并排设置组成的回转体，其安装在气化炉体内部；合成气通道插装在气化炉体的下部，且与气化炉膛连通；气化炉体顶端设置有煤粉烧嘴，且与气化炉膛连通，煤粉烧嘴的轴线与气化炉膛的轴线重合，煤粉烧嘴内设置有煤粉通道和气化剂通道，气化剂通道同轴设置在煤粉通道内部；

在气化炉体上部的同一水平截面上设置有一组或多组由氧气喷嘴、煤粉喷嘴和水蒸气喷嘴组成的组合体；

任意一个组合体中水蒸气喷嘴穿过气化炉体沿靠近气化炉膛炉壁内侧的位置沿切线方向插入气化炉膛；氧气喷嘴穿过气化炉体的部分以与水蒸气喷嘴中心线平行的方式沿圆周割线方向插入气化炉膛，且氧气喷嘴与水蒸气喷嘴同向设置，煤粉喷嘴穿过气化炉体的部分同轴布置于氧气喷嘴内部；水蒸气喷嘴的外边沿线a与气化炉膛中轴线的垂直间距为L，氧气喷嘴的外边沿线b与气化炉膛中轴线的垂直间距为M，L的数值大于M的数值。

优选地，氧气喷嘴的外边沿线b与气化炉膛中轴线的垂直间距为M，M的取值范围为0.1~0.8r，r为气化炉膛半径。

优选地，氧气喷嘴远离气化炉体的部分设置有弯头结构。

优选地，在气化炉体的上部同一水平截面上按照相同旋转方向均匀插装多组所述的组合体。

优选地，氧气喷嘴、煤粉喷嘴和水蒸气喷嘴上均设置有流量调节阀。

优选地，水蒸气喷嘴的外边沿线a与气化炉膛中轴线的垂直间距L，L的数值等于气化炉膛的半径r，以便于使气化炉膛内旋转流场强度最大。

优选地，沿气化炉体上部的竖直方向，均匀设置有多组组合体。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的气化炉水冷壁面温度低，能够有效保护水冷壁面，水冷壁面使用寿命长。多组气化剂组合体同时工作后，炉内形成了外侧为水蒸汽，内侧为氧气的 “水包氧”切圆流场结构。由于贴壁流动的为水蒸气，而水蒸气与渣层中的碳发生的化学反应为还原反应，反应强烈吸热，因此能够有效降低炉体气化剂喷入区域的壁面温度，保护水冷壁面。

2、本发明提供的气化炉在较少水蒸气用量下（质量比：水/氧<0.4）即可长周期稳定运行。本发明在炉膛同一水平面上布置了四组气化剂组合体，“水包氧”这一条件的实现仅需要水蒸气射流能够接触到下一组合体喷出的氧气射流即可，同一组合体喷出的水蒸气射流长度与氧气射流长度可以不一致，因此水蒸气射流的长度可以大大缩小，自然所需水蒸气流量也可以大大减少。试验显示，在常用的炉膛结构下，本发明在较少水蒸气用量下（质量比：水/氧<0.4），水蒸气射流即可以接触到下一组合体喷出的氧气射流；相同条件下与背景技术（ZL201610554990.2）相比，水蒸气用量减少了60%以上。

3、本发明提供的气化炉强化了煤粉气化效率，提高了碳转化率。本发明基于撞击流能够强化化学反应的基本原理，利用四角射流互相撞击，互相影响，一方面加强了气化剂和煤粉的混合，强化了煤粉气化反应；同时使反应中的煤粉颗粒外面包着的灰壳互受撞击，容易脱落，加快了煤粉颗粒内部燃烧，有利于煤粉的燃尽，提高了碳转化率。

附图说明

附图1是本发明的一种防止炉壁烧损的气化剂切圆强旋转煤粉气化炉装置的整体结构示意图。

附图2是本发明的一种防止炉壁烧损的气化剂切圆强旋转煤粉气化炉装置图1中A-A向剖视图。

附图标记：1、煤粉烧嘴，2、气化炉体，3、气化炉膛，4、水冷壁，5、合成气通道，6、渣池，7、组合体，7-1、水蒸气喷嘴，7-2、氧气喷嘴，7-3、煤粉喷嘴，8、阀门，9、旋流叶片，10、煤粉通道，11、气化剂通道，12、气化炉膛中轴线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一并参照附图1、2，对本发明的实施例进行详细说明，一种四角切圆气化炉，包括煤粉烧嘴1、气化炉体2，所述气化炉体2的顶端呈半球体、中间部分为圆柱体、底端为圆锥台结构，气化炉体2顶端设置所述煤粉烧嘴1，气化炉体2的底部设有有渣池6；在气化炉体2上部的同一水平截面上设置有多组由氧气喷嘴7-2、煤粉喷嘴7-3和水蒸气喷嘴7-1组成的组合体7。

本四角切圆气化炉还包括水冷壁4，水冷壁4为多根竖直圆管并排设置组成的回转体，其安装在气化炉体2内部；本四角切圆气化炉还包括合成气通道5，该合成气通道5插装在气化炉体2的下部，且与气化炉膛3连通；气化炉体2顶端设置有煤粉烧嘴1，且与气化炉膛3连通，煤粉烧嘴1的轴线与气化炉膛3的轴线重合，煤粉烧嘴1内设置有煤粉通道10和气化剂通道11，气化剂通道11同轴设置在煤粉通道10内部。

任意一个组合体中水蒸气喷嘴7-1穿过气化炉体2沿靠近气化炉膛3炉壁内侧的位置沿切线方向插入气化炉膛3；氧气喷嘴7-2穿过气化炉体2的部分以与水蒸气喷嘴7-1中心线平行的方式沿圆周割线方向插入气化炉膛3，且氧气喷嘴7-2与水蒸气喷嘴7-1同向设置，煤粉喷嘴7-3穿过气化炉体2的部分同轴布置于氧气喷嘴7-2内部；水蒸气喷嘴7-1的外边沿线a与气化炉膛3中轴线12的垂直间距为L，氧气喷嘴7-2的外边沿线b与气化炉膛3中轴线12的垂直间距为M，L的数值大于M的数值。

氧气喷嘴7-2的外边沿线b与气化炉膛3中轴线12的垂直间距为M，M的取值范围为0.1~0.8r，r为气化炉膛3半径。氧气喷嘴7-2远离气化炉体2的部分设置有弯头结构。在气化炉体2的上部同一水平截面上按照相同旋转方向均匀插装一组或多组所述的组合体。氧气喷嘴7-2、煤粉喷嘴7-3和水蒸气喷嘴7-1上均设置有流量调节阀8。

水蒸气喷嘴7-1的外边沿线a与气化炉膛3中轴线12的垂直间距L，L的数值等于气化炉膛3的半径r，以便于使气化炉膛3内旋转流场强度最大。

作为进一步优选地实施例，在沿气化炉体2上部的竖直方向，均匀设置有多组组合体7。该实施例实现了在竖直方向温度分布更加均匀，防止局部出现高温区而烧蚀气化炉内壁。

某化工厂采用一般技术的一台40000Nm³/h造气量的气化剂强旋转煤粉气化炉，炉体上部气化剂喷入区域最高温度为3000℃，实际运行发现内壁面易烧损，平均每年因为内壁面烧损而停车一次，每停车一次造成总经济损失2000万元左右。一台应用本发明前述具体实施例的40000Nm³/h造气量的气化炉，炉体上部气化剂喷入区域最高温度为1700℃，运行5年水冷壁不发生烧损，可保证持续运营5年不停车，相比其它技术，减少经济损失1亿元。

本发明的工作原理：

气化炉内工作原理如图1、2所示。作为本发明人前期申请并授权的，与气化剂强旋转煤粉气化炉技术相关的中国发明专利ZL201510578779.X、ZL201510579028.X和ZL201510578724.9所述的气化剂强旋转煤粉气化炉工作原理的进一步优化与补充：在同一个水平截面内按照相同旋转方向均匀布置四组由氧气喷嘴7-2、煤粉喷嘴7-3和水蒸气喷嘴7-1组成的组合体，在同一气化剂组合体中温度为150~300℃的水蒸气通过所述水蒸气喷嘴7-1以50~200m/s的速度喷入气化炉膛3，同时温度为150~300℃的氧气通过氧气喷嘴7-2以100~200m/s的速度喷入气化炉膛3，温度约为60℃的煤粉气流（煤粉与氮气或二氧化碳的组合）与氧气喷嘴同轴喷入气化炉膛3，此后：

（1）水蒸气射流经过较短的距离即可接触到下一气化剂组合体喷出的氧气射流；四组气化剂组合体同时工作后，炉内形成了“水包氧”的切圆流场结构。由于贴壁流动的为水蒸气，而水蒸气与煤粉发生的化学反应为还原反应，反应强烈吸热，因此能够有效降低喷嘴区域的温度，保护水冷壁面。

（2）煤粉气流与氧气同轴送入炉内后，煤粉与氧气接触发生剧烈燃烧。但在气化炉内，总给氧气量不足以使煤炭完全燃烧生产二氧化碳，煤炭只能发生不完全燃烧（气化）生产一氧化碳，炉内气氛中占主体地位的是一氧化碳和氢气。由化学反应放热可知，1摩尔氧气与碳反应生成一氧化碳放热221kJ，1摩尔氧气与氢气反应生成水蒸汽放热483.6kJ，1摩尔氧气与一氧化碳反应生成二氧化碳放热566kJ，可见相同质量的氧气同氢气和一氧化碳反应后的放热量分别约为与碳反应放热量的2倍与2.5倍；但是三个反应产物（一氧化碳、水及二氧化碳）的比热容相差却不多，这表明氧气进入炉内后与煤粉接触发生不完全燃烧（气化）反应温度远低于其与一氧化碳或者氢气的燃烧反应温度。这表明随着氧气伴随着煤粉送入炉内后能够有效降低炉内局部区域的温度。

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所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种四角切圆气化炉，其特征在于包括：煤粉烧嘴（1）、气化炉体（2）、气化炉膛（3）、合成气通道（5）、渣池（6）、氧气喷嘴（7-2）、煤粉喷嘴（7-3）和水蒸气喷嘴（7-1），气化炉体（2）的顶端呈半球体、中间部分为圆柱体、底端为圆锥台结构，气化炉体（2）的底部设有渣池（6）；水冷壁（4）为多根竖直圆管并排设置组成的回转体，其安装在气化炉体（2）内部；合成气通道（5）插装在气化炉体（2）的下部，且与气化炉膛（3）连通；气化炉体（2）顶端设置有煤粉烧嘴（1），且与气化炉膛（3）连通，煤粉烧嘴（1）的轴线与气化炉膛（3）的轴线重合，煤粉烧嘴（1）内设置有煤粉通道（10）和气化剂通道（11），气化剂通道（11）同轴设置在煤粉通道（10）内部；

在气化炉体（2）上部的同一水平截面上设置有多组由氧气喷嘴（7-2）、煤粉喷嘴（7-3）和水蒸气喷嘴（7-1）组成的组合体（7）；

任意一个组合体中水蒸气喷嘴（7-1）穿过气化炉体（2）沿靠近气化炉膛（3）炉壁内侧的位置沿切线方向插入气化炉膛（3）；氧气喷嘴（7-2）穿过气化炉体（2）的部分以与水蒸气喷嘴（7-1）中心线平行的方式沿圆周割线方向插入气化炉膛（3），且氧气喷嘴（7-2）与水蒸气喷嘴（7-1）同向设置，煤粉喷嘴（7-3）穿过气化炉体（2）的部分同轴布置于氧气喷嘴（7-2）内部；水蒸气喷嘴（7-1）的外边沿线a与气化炉膛（3）中轴线（12）的垂直间距为L，氧气喷嘴（7-2）的外边沿线b与气化炉膛（3）中轴线（12）的垂直间距为M，L的数值大于M的数值；M的取值范围为0.1~0.8r，r为气化炉膛（3）半径；L的数值等于气化炉膛（3）的半径r；

在气化炉体（2）的上部同一水平截面上按照相同旋转方向均匀插装4组所述的组合体；

氧气喷嘴（7-2）远离气化炉体（2）的部分设置有弯头结构；

氧气喷嘴（7-2）、煤粉喷嘴（7-3）和水蒸气喷嘴（7-1）上均设置有流量调节阀（8）；

沿气化炉体（2）上部的竖直方向，均匀设置有多组组合体（7）。

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