CN117089371A - 干法排渣的y型气流床高温分区气化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，Y型气流床气化炉分为气化室和激冷室两部分，中间通过分段锥形封头隔开；气化室顶部设置主喷嘴、上部侧壁沿圆周均匀设置3个以上辅助旋流喷嘴，气化室底部出口与激冷室的下行床雾化激冷器连通；在激冷室的中心部位设置与气化室底部连通的下行床雾化激冷器，下行床雾化激冷器截面积为激冷室的40％‑80％、高度为激冷室高度的50％‑80％，下行床雾化激冷器锥形顶部沿圆周均匀布置2个以上的激冷雾化喷头；在激冷室上部设置粗合成气出口接入抗磨损型的火管式对流废锅，激冷室底部设置锥形流化床换热排渣器，排渣管与锁斗连接变压排渣；火管式对流废锅的出口与气固分离器和碳洗塔相连，碳洗黑水返回到激冷雾化喷头。
Description
一、技术领域
本发明涉及煤化工领域，特别地，涉及煤气流床气化技术。
二、背景技术
煤气化是煤的洁净与高效利用的龙头和关键技术。气流床气化是最近几十年发展起来的新型煤粉高温高压气化技术，气化剂与煤粉或煤浆经喷嘴进入气化室，煤的热解、燃烧以及气化反应几乎同时进行，高温有效提高了煤的转化率，煤中的矿物质成为熔渣后离开气化炉。与传统气化技术相比，加压气流床气化温度高、处理能力大、气体有效成分高、气化效率高，是未来高压煤气化技术的发展方向。
目前气流床煤气化工艺按喷嘴数量和布置不同，可分为单喷嘴直喷和多喷嘴对喷两类。如Texaco水煤浆气化和GSP粉煤气化均采用单喷嘴直喷方式，其优点在于结构和控制简单、造价低，但由于加压气化过程涉及高温、高压、非均相条件下的流体流动及与之相关的传递过程和复杂的化学反应过程，单喷嘴直喷雾化效果不理想，气化效率相对较低；另外处理量调节幅度小、容量小，无法满足大型化的需求。Shell和多喷嘴水煤浆工艺采用了多喷嘴对喷结构，改善了气化炉传质传热效果，碳转化率、能耗等指标有所提高，但是，Shell多喷嘴结构增加了设备的复杂性，特别是需要独立的连锁控制系统，从而增加了设备造价、操作难度和维修率；水煤浆多喷嘴对置气化工艺由于火焰场的分布易造成炉顶部耐火材料的烧蚀，炉顶耐火砖寿命仅有几个月，大大提高了投资。
气化炉出来的粗煤气具有很高的温度(1200～1700℃)，为了让夹带的熔融炉灰凝固，同时为了回收热能，需要对其冷却。目前，工业上采用的移热方式有两种：一种是上行废锅流程，产生高压蒸汽；另一种是下行水激冷流程，产生饱和水粗煤气。上行废锅流程热效率高，煤气热值高，适合后续IGCC发电；但是上行废锅流程仅是回收了气体的部分热量，对熔渣的热量并未回收，且采用冷煤气激冷加废锅回收预热的方式设备复杂、冷煤气能耗高。激冷流程气化炉结构简单，而且含水煤气对于后续变换工序有利，非常适合作为化工生产合成气，但水激冷流程能量回收困难，且有效气(CO+H2)含量较低，煤气热值低；另外激冷流程黑水和含盐废水量大，生化处理难度高。下行废锅流程尽管对回收合成气和熔渣的热量一次给于回收，但由于高温腐蚀和粘灰结垢堵塞通道，目前工业应用很少。
专利CN101724470A提到一种新型水煤浆气化炉利用顶喷咀和倾斜上喷的侧喷嘴，在炉膛中心形成Y型撞击区，强化了热质传递与混合过程，加快了反应速率并提高碳转化率；由于顶喷嘴的作用，Y型撞击区的水煤浆停留时间延长、火焰方向向下，高达2000℃的火焰不会冲击炉顶部耐火材料；加之耐火材料层在水(汽)冷壁管的冷却下，内壁壁温低于液渣的凝固温度，在耐火层表面结一层凝固渣层，起到以渣抗渣、保护耐火层的作用，大大延长了气化炉的使用寿命，但液体排渣，能量未能回收，黑水和含盐废水量大，生化处理难度高。
专利CN102994160A提到一种固相排渣的气流床气化炉，利用顶喷咀和侧喷嘴组合形成Y型撞击区，延长水煤浆在高温反应区停留时间、强化了热质传递与混合过程、避免高温冲击炉顶部耐火材料，提高碳转化率和扩大适用煤种的范围以及处理量调节幅度，同时消除单一顶喷嘴气化炉开工爆震造成的安全隐患和降低炉膛保护层寿命的缺陷；利用隔热材料层、冷却管和耐磨材料层从外向内组合的水冷壁结构实现以渣抗渣、保护冷却管、提高气化炉寿命；利用旋流冷却套旋转喷出的循环冷却煤气强化熔渣冷却固化、离心旋转实现灰渣分离，解决了水激冷流程的黑水难题，同时回收灰、渣和合成气的余热，简化了冷却室结构、降低了隔热耐磨材料的苛刻度和成本。在实际应用中性能远优于其他合成型的气流床气化炉，但是还存在水冷壁挂渣难度大、不均匀、易产生大块掉渣，热渣水封不可避免产生难处理的含盐废水，影响长周期安全运行，煤气循环冷却效果差、能耗高、投资大，旋流冷却气带动合成气旋转的离心作用弱、气量大造成了废热锅炉负荷大幅度的增加，冷却螺旋管结构不利于侧喷嘴布置、结构复杂，承压外壳材质要求高等重大缺陷和不足，影响了固相排渣的气流床气化炉的推广和应用。因此开发大容量、高效率、高调节、高热量回收、低投资、长周期的大型气流床气化炉是目前煤化工亟待解决难题之一。
三、发明内容
本发明的目的就是为了克服现有固相排渣的气流床气化炉技术存在的上述重大缺陷和不足而提供一种干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，具有结构简单、使用寿命长、煤种适应性广，焦渣反应停留时间长、灰渣比低、碳转化率高，水冷壁挂渣容易、以渣抗渣，处理量调节幅度大；熔渣雾化激冷后干法流化排渣，直接换热降温的同时消除了含盐废水，灰渣分离、结构简单，确保排渣顺畅；利用含灰合成气消减了火管式废锅的内壁换热边界层从而强化对流换热效果，换热面积和设备投资低；碳洗塔黑水循环使用，消除了气化黑水外排等优点，可满足产业部门对大型清洁高效合成型气化炉的要求。
本发明的技术方案：
本发明提供干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，主要由Y型气流床气化炉、下行床雾化激冷器、流化床换热排渣器、火管式对流废锅、气固分离器、碳洗塔等组成，Y型气流床气化炉分为气化室和激冷室，中间通过分段锥形封头隔开；气化室顶部设置主喷嘴、上部侧壁沿圆周均匀设置3个以上辅助旋流喷嘴，气化室底部的分段锥形封头出口与激冷室的下行床雾化激冷器连通；在激冷室的中心部位设置锥形顶部与气化室底部的分段锥形封头封闭连接的下行床雾化激冷器，下行床雾化激冷器截面积为激冷室的40％-80％、高度为激冷室高度的50％-80％，下行床雾化激冷器锥形顶部沿圆周均匀布置2个以上的激冷雾化喷头；在激冷室上部设置粗合成气出口接入抗磨损型的火管式对流废锅，激冷室底部设置锥形流化床换热排渣器，其排渣管与锁斗连接变压排渣；激冷室高径比为2～8:1，粗合成气出口距激冷室顶部高度为100-1000mm，中心部位的下行床雾化激冷器与底部的锥形流化床换热排渣器之间的距离为300-1500mm，锥形流化床换热排渣器的锥角为30°-80°底部连接流化气喷嘴；火管式对流废锅的出口与气固分离器和碳洗塔相连，气固分离器的排灰口排出细灰返回原料仓循环使用，碳洗塔底的黑水返回到激冷雾化喷头循环使用，碳洗塔顶含饱和水蒸气的合成气去耐硫变换工序。
气化室的高径比为2-5:1，侧喷嘴喷口距气化室顶部高度为500-2500mm，顶喷嘴与侧喷嘴原料处理量之比为1～4:1，侧喷嘴与水平方向夹角为-15°～15°、与径向夹角为0°～35°。
流化气喷嘴所用的流化气为水蒸气或合成气。
火管式对流废锅入口段的换热管伸出换热端板30-200mm，形成沉积灰层后以灰抗灰磨损；火管式对流废锅可以设为一级到三级余热回收。
四、附图说明
图1是本发明的干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置结构示意图。
附图的图面设明如下：1.顶喷嘴、2.侧喷嘴、3.气化室、4.激冷室、5.下行床雾化激冷器、6.流化床换热排渣器、7.激冷雾化喷嘴、8.流化气喷嘴、9.粗合成气出口、10.火管式对流废锅、11.气固分离器、12.碳洗塔、13.合成气出口、14.黑水排出口。
五、具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的介绍：图1所示，本发明所述的干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，主要由Y型气流床气化炉、下行床雾化激冷器(5)、流化床换热排渣器(6)、火管式对流废锅(10)、气固分离器(11)、碳洗塔(12)等组成，Y型气流床气化炉分为气化室(3)和激冷室(4)，中间通过分段锥形封头隔开；气化室(3)顶部设置主喷嘴(1)、上部侧壁沿圆周均匀设置3个以上辅助旋流喷嘴(2)，气化室(3)底部的分段锥形封头出口与激冷室(4)的下行床雾化激冷器(5)连通；在激冷室(4)的中心部位设置锥形顶部与气化室(3)底部的分段锥形封头封闭连接的下行床雾化激冷器(5)，下行床雾化激冷器(5)截面积为激冷室的40％-80％、高度为激冷室(4)高度的50％-80％，下行床雾化激冷器(5)锥形顶部沿圆周均匀布置2个以上的激冷雾化喷头(7)；在激冷室(4)上部设置粗合成气出口(9)接入抗磨损型的火管式对流废锅(10)，激冷室(4)底部设置锥形流化床换热排渣器(6)，其排渣管与锁斗连接变压排渣；激冷室(4)高径比为2～8:1，粗合成气出口(9)距激冷室(4)顶部高度为100-1000mm，中心部位的下行床雾化激冷器(5)与底部的锥形流化床换热排渣器(6)之间的距离为300-1500mm，锥形流化床换热排渣器(6)的锥角为30°-80°底部连接流化气喷嘴(8)；火管式对流废锅(10)的出口与气固分离器(11)和碳洗塔(12)相连，气固分离器(11)的排灰口排出细灰返回原料仓循环使用，碳洗塔(12)底的黑水通过黑水出口(14)返回到激冷雾化喷头(7)循环使用，碳洗塔(12)顶含饱和水蒸气的合成气通过合成气出口(13)去耐硫变换工序。
气化室(3)的高径比为2-5:1，侧喷嘴(2)喷口距气化室(3)顶部高度为500-2500mm，顶喷嘴(1)与侧喷嘴(2)原料处理量之比为1～4:1，侧喷嘴(2)与水平方向夹角为-15°～15°、与径向夹角为2°～35°。
流化气喷嘴(8)所用的流化气为水蒸气或合成气。
火管式对流废锅(10)入口段的换热管伸出换热端板30-200mm，形成沉积灰层后以灰抗灰磨损；火管式对流废锅(10)可以设为一级到三级余热回收。
在实际操作中，干法排渣的Y型气流床高温分区气化工作时，水煤浆或粉煤与气化剂经顶喷嘴和侧喷嘴入炉，多股射流在炉膛中心相互碰撞形成Y型旋转撞击区，相互点火、湍流搅拌混合、形成高温反应区，焦渣在高温反应区的停留时间延长20倍以上，强化了热质传递与混合过程，改善了着火稳定性，提高碳转化率和扩大适用煤种的范围以及处理量调节幅度；而且水冷壁挂渣容易，耐火层表面结一层凝固渣层，以渣抗渣、提高了气化炉的寿命；同时由于顶喷嘴的作用，火焰方向向下，高达2000℃的火焰不会冲击炉顶部耐火材料；另外顶喷嘴同时具有点火和反应功能，消除单一顶喷嘴气化炉开工爆震造成的安全隐患和降低炉膛保护层寿命的缺陷以及点火喷嘴和反应喷嘴高温更换的危险和繁重；1300℃以上的合成气与熔融灰渣并流高速旋转，经分段锥形封头中心的气化产物排出口进入下游的下行床雾化激冷器。由于气化产物由原来的一次水激冷过程，变为雾化水激冷与流化床直接换热排渣，操作条件和对设备的要求苛刻度大大缓和。
通过下行床雾化激冷器上部的激冷雾化喷嘴高速喷射的黑水雾与进入下行床雾化激冷器的粗合成气和液渣快速混合换热，熔渣固化放出大量的相变热、外排的粗合成气温度降到800℃左右，液渣变成固体渣颗粒，在下行床雾化激冷器下部出口气固分离；固体渣颗粒落入锥形流化床换热排渣器通过流化气换热到200℃左右后排出，消除了气渣并流下行气流炉的水激冷产生的后续极难处理的黑水、后续处理管线结堵和二次污染严重、下降管内的激冷环极易损坏的共性难题；由于残炭含量较高的灰惯性小，被拐弯向上的800℃左右粗合成气携带并与加热后的流化气混合，通过激冷室壁与下行床雾化激冷器形成的环形空间流出气化炉，进入抗磨性火管式对流废锅，充分回收气化产物余热，降温到200℃左右。气化产物在激冷室温度降到800℃左右，并且为气化渣为干式流化排渣结构，还简化了激冷室结构、降低了隔热耐磨材料的苛刻度和成本。另外在排渣管无需使用激冷环，也就避免了目前气渣并流下行气流炉水激冷流程中普遍存在的激冷环极易损坏，影响长周期运行的难题。
换热后的含灰合成气再通过气固分离器分出细灰，200℃左右的细灰被送回原料仓循环使用，净化后的合成气流入碳洗塔；碳洗塔顶含饱和水蒸气的合成气去耐硫变换工序，碳洗塔底的黑水返回到激冷雾化喷头，消除了黑水外排的难题，同时黑水中的炭黑又可被高效气固分离器分离循环回原料仓重新利用。
从200吨/天干法排渣的Y型气流床高温分区气化工业示范结果来看，碳气化率高达99％以上、节水90％以上，综合热回收率85％以上，投资降低30％以上；气化渣含碳量低于0.1％，为其高值资源化利用奠定了基础；对煤种的挥发分无要求，水冷壁挂渣容易且均匀，无黑水和含盐废水处理难题，能满足产业部门对高效大型化合成型气化炉的要求。
Claims (4)
1.干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，其特征在于Y型气流床气化炉分为气化室和激冷室，中间通过分段锥形封头隔开；气化室顶部设置主喷嘴、上部侧壁沿圆周均匀设置3个以上辅助旋流喷嘴，气化室底部的分段锥形封头出口与激冷室的下行床雾化激冷器连通；在激冷室的中心部位设置锥形顶部与气化室底部的分段锥形封头封闭连接的下行床雾化激冷器，下行床雾化激冷器截面积为激冷室的40％-80％、高度为激冷室高度的50％-80％，下行床雾化激冷器锥形顶部沿圆周均匀布置2个以上的激冷雾化喷头；在激冷室上部设置粗合成气出口接入抗磨损型的火管式对流废锅，激冷室底部设置锥形流化床换热排渣器，其排渣管与锁斗连接变压排渣；火管式对流废锅入口段的换热管伸出换热端板30-200mm，形成沉积灰层后，以灰抗灰提高抗磨损性能；激冷室高径比为2～8:1，粗合成气出口距激冷室顶部高度为100-1000mm，中心部位的下行床雾化激冷器与底部的锥形流化床换热排渣器之间的距离为300-1500mm，锥形流化床换热排渣器的锥角为30°-80°底部连接流化气喷嘴；火管式对流废锅的出口与气固分离器和碳洗塔相连，气固分离器的排灰口排出细灰返回原料仓循环使用，碳洗塔底的黑水返回到激冷雾化喷头循环使用，碳洗塔顶含饱和水蒸气的合成气去耐硫变换工序。
2.根据权利要求1所述的干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，其特征在于气化室的高径比为2-5:1，侧喷嘴喷口距气化室顶部高度为500-2500mm，顶喷嘴与侧喷嘴原料处理量之比为1～4:1，侧喷嘴与水平方向夹角为-15°～15°、与径向夹角为2°～35°。
3.根据权利要求1所述的干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，其特征在于流化气喷嘴所用的流化气为水蒸气或合成气。
4.根据权利要求1所述的干法排渣的Y型气流床高温分区气化装置，其特征在于火管式对流废锅可以设为一级到三级余热回收。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311212528.0A CN117089371A (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 干法排渣的y型气流床高温分区气化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311212528.0A CN117089371A (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 干法排渣的y型气流床高温分区气化装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117089371A true CN117089371A (zh) | 2023-11-21 |
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ID=88775199
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311212528.0A Pending CN117089371A (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 干法排渣的y型气流床高温分区气化装置 |
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2023
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