CN1775920A - 多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉及其工业应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉。气化室由壳体、工艺喷嘴室、工艺喷嘴、预热烧嘴室、预热烧嘴组成，壳体内衬耐火砖，而洗涤冷却室由激冷环、下降管、破泡条及下渣口组成。本气化炉碳转化率98％以上，投资省，特别适合日处理3000吨～5000吨的大规模煤气化生产工艺，用于甲醇、合成氨、IGCC发电等领域。

Description

多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉及其工业应用
技术领域
本发明涉及一种用于水煤浆或粉煤气化的气化炉，涉及一种多喷嘴气化炉。
背景技术
煤的洁净与高效利用是当今世界能源与环境保护领域中的重大技术课题，也是我国国民经济持续发展的关键技术之一。煤气化是将一次能源转化成洁净的二次能源的主要途径，其产品为燃料气(煤气)、合成气、还原气、氢气、一氧化碳。煤的气化技术在联合循环(IGCC)发电装置、合成氨和合成甲醇工业、羰基化法生产醋酸与醋酐工业、海绵铁的生产、纯一氧化碳的制备、纯氢气的制备等领域得到了广泛的应用，而气化炉则是煤气化的关键设备。为此，众多的科技人员研究、开发了各种类型的气化炉。目前，在采用气流床(喷流床、携带床)进行气化的技术中，有代表性的主要有两种：采用水煤浆为原料的气化炉有德士古(Texaco，现为GE公司)；采用粉煤为原料的气化炉有谢尔(Shell)。文献U.S.Pat.Nos.4,637,823、4,527,997、5,281,243分别公开了德士古气化炉，该气化炉的几何特征是喷嘴轴线与煤气及液渣出口轴线重合，两者都在气化炉主体轴线上。鉴于该气化炉为气流床，从而导致部分物料(流股)短路。申请人的实验测试表明，如果物料在该类气化炉中平均停留时间为5秒，实际上，其中部分物料停留时间不到1秒即逸出炉外，另一部分物料在炉中停留时间远远超过5秒。也就是说，物料在该气化炉中的停留时间是一个很宽的分布，有50％～60％的物料小于平均停留时间就逸出炉外。德士古气化炉的碳转化率一般不到95％，水蒸汽分解率也小于20％；文献U.S.92-960345公开了谢尔气化炉。煤气与液渣呈反向流动，即煤气向上，液渣向下。其缺点有二，其一，液渣因无热煤气伴随，极易凝固而堵塞出渣口；其二，悬浮在煤气流中的细小煤渣要经过较长的管道，且改变流动方向，才能进入下游设备进行余热回收或气固分离，管道及下游设备容易堵塞，两者都会缩短操作周期。鉴于以上两种炉型的缺陷，中国专利98110601.3公开了一种多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉，该水煤浆气化炉进行了中试装置(22吨/天)和示范装置(1150吨/天)运行，该气化炉碳转化率98％以上，比Texaco炉高3个百分点；该粉煤气化炉进行中试规模(15～45吨煤/天)运行，碳转化率98％以上，比氧耗、比煤耗等各项工艺指标表现出了非常好的气化性能。实践证明，该气化炉还有改进的余地，目前的气化炉还不能满足现代生产企业对日处理3000吨煤以上规模煤气化技术的需求，炉内的温度分布的均匀性和气化炉的处理能力还可进一步提高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉及其工业应用，以满足现代生产企业对日处理3000吨煤以上规模煤气化技术的需求。
本发明的构思是这样的：由于水煤浆和煤粉气化效果的好坏，除与煤种的物理、化学性质有关外，在一定的工艺条件下，主要与喷嘴的结构及尺寸、喷嘴配置、气化炉结构及尺寸以及三者匹配实现气化时形成的流体流动行为和流场结构有关。也就是说，在煤种和工艺条件一定时，气化效果优劣主要取决于炉内的浓度分布、温度分布以及停留时间分布。在气化炉的高温下，化学反应速率已经相当快，气化过程由传热传质过程控制，传递过程和停留时间分布主要取决于炉内的流体行为与流场结构。原料煤(水煤浆或干煤粉)或其他烃类燃料与气化剂，通过喷嘴以射流方式进入炉膛，来自不同喷嘴的射流流股在炉膛中相互撞击，因为惯性，燃料颗粒在炉膛中产生多次阻尼震荡，使燃料颗粒在炉膛中的停留时间增加，改善停留时间分布；同时湍流强度显著增加，使传热传质速率大幅度提高，从而提高了燃料的碳转化率和水蒸汽的分解率。同时，为克服破渣机允许最大管径对气化炉处理能力的限制，在洗涤冷却室底部设置多个下渣口。
本发明用于水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，包括气化室与洗涤冷却室；
所说的气化室包括内衬耐火砖的圆柱状壳体、工艺喷嘴室、工艺喷嘴、预热烧嘴室和预热烧嘴，预热烧嘴室设置在气化室顶部，预热烧嘴垂直设置在预热烧嘴室中，其轴线与气化室的轴线相重合，工艺喷嘴室沿壳体周边均布，工艺喷嘴以机械方式安装在工艺喷嘴室中，气化渣口设置在气化室底部，用于将气化渣排出气化室；
所说的洗涤冷却室设置在气化室下部，洗涤冷却室包括激冷环、下降管、破泡条和下渣口，所说的激冷环设置在气化室的气化渣口下方，下降管设置在激冷环下方，用于将气化渣排入洗涤冷却室，所说的破泡条设置在下降管周边，用于破碎煤气气泡，增加气液接触面积，煤气出口设置在洗涤冷却室的上部，下渣口设置在洗涤冷却室的底部；
所说的工艺喷嘴可以采用常规的喷嘴，如以水煤浆为原料时，可优先采用中国专利95111750.5所公开的一种“带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴”；如以粉煤为原料时，可优先采用中国专利200510025050.6所公开的一种“固态含碳物质部分氧化制备合成气喷嘴”。气化炉壳体还设有若干个热电偶孔和表面温度计。洗涤冷却室可优先采用中国专利01112880.1所发明的一种“复合床高温煤气冷却洗涤设备”。
其特征在于，工艺喷嘴向下倾斜，下渣口至少有两个。
本发明的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉可用于水煤浆或粉煤的气化，具体的应用方法如下：
将水煤浆或粉煤、气化剂通过工艺喷嘴送入气化炉，气化压力4～10MPa，气化温度1300～1500℃。当采用水煤浆为原料时，气化剂可以是氧气等，水煤浆与氧气的重量比例是1.3～2.7；当采用粉煤为原料时，气化剂可以是氧气、水蒸汽或二氧化碳等，粉煤与氧气的重量比例是0.9～1.6。
本发明的用于水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，优点是十分明显的，炉内温度分布均匀，本气化炉碳转化率98％以上，投资省，特别适合日处理3000吨～5000吨的大规模煤气化生产工艺，可用于甲醇、合成氨、IGCC发电等领域。
附图说明
图1气化炉的结构简图。
图2为以粉煤为原料时的工艺喷嘴结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的用于水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，包括气化室1与洗涤冷却室2；
所说的气化室1包括内衬耐火砖的圆柱状壳体3、工艺喷嘴室4、工艺喷嘴5、预热烧嘴室6和预热烧嘴7，预热烧嘴室6设置在气化室1顶部，预热烧嘴7垂直设置在预热烧嘴室6中，其轴线与气化室1的轴线相重合，工艺喷嘴室4沿壳体3周边均布，工艺喷嘴5以机械方式安装在工艺喷嘴室4中，气化渣口10设置在气化室1底部，耐火砖8中内设若干层间距1m的托砖架17；
所说的洗涤冷却室2设置在气化室1下部，洗涤冷却室2包括激冷环11、下降管12、破泡条13和下渣口14，所说的激冷环11设置在气化室的气化渣口10下方，下降管12设置在激冷环11下方，所说的破泡条13设置在下降管12周边，煤气出口16设置在洗涤冷却室2的上部，下渣口14设置在洗涤冷却室2的底部；其特征在于：
(1)工艺喷嘴向下倾斜，优选的工艺喷嘴5轴线与水平面夹角α为1～45°；
(2)下渣口14至少有两个，优选2～4个。
图2为以粉煤为原料时工艺喷嘴的结构示意图，已经在中国专利200510025050.6中公开，由图可见，所说的粉煤工艺喷嘴包括同轴的外环喷头18、内喷头19、喷嘴中心导管20和喷嘴外环导管21；
所说的喷嘴外环导管21与外环喷头18相连接，所说的喷嘴中心导管20与内喷头19相连接，内喷头19设置在外环喷头18内，内喷头19的内收缩半角γ为3～60°，内喷头19的外侧倾角β为30～80°，外喷头18的内收缩半角ε为30～80°，内喷头19的喷口直径d与喷口直段高度h的比例为h∶d＝1∶0.5～10，内喷头19与外喷头18的喷口端面距离S为0～20mm。
                         实施例1
一个日处理3000吨煤的多喷嘴水煤浆气化炉，气化压力为6.5MPa，气化室壳体内直径为Φ4400mm，设有3个下渣口14，水煤浆工艺喷嘴采用专利95111750.5所提出的结构，轴线与水平面夹角α为10°；
气化剂为氧气，氧气总耗量为82192Nm3/h，气化温度1350℃，水煤浆与气化剂的重量比例为1.77，出气化室气体总流量301476Nm3/h。
          煤质组成
  热值(kJ/kg)元素分析(wt％)CHNSOClAsh   2776567.594.371.222.307.550.02216.748
出气化室气体成分(vol％)
  H2COCO2H2SCOSCH4N2ArNH3HCNHCOOHHCl(ppm)O2H2O   25.9537.9013.700.630.030.020.310.100.210050.0021.15
                      实施例2
一个日处理3000吨煤的多喷嘴粉煤气化炉，气化压力为4.0MPa，气化室壳体内直径为Φ4200mm，设有3个下渣口14，喷嘴采用图2的结构，轴线与水平面夹角α为10°；
气化剂为氧气和水蒸汽，氧气总耗量为70000Nm3/h，蒸汽总耗量为22500kg/h，气化温度1350℃，粉煤与氧气的重量比例为1.25，出气化室气体总流量264175Nm3/h。
               煤质组成
  水(wt％)元素分析(dry base wt％)CHNSOAsh   269.274.561.283.68.0813.21
出气化室气体成分(vol％)
  H2(v)％   29.54
  CO(v)％   58.39
  CO2(v)％   2.36
  H2S(v)％   1.10
  COS(v)％   0.09
  CH4(v)％   0.06
  N2(v)％   4.46
  Ar(v)％   0.00
  NH3(v)％   0.01
  HCN(v)％   0.00
  HCOOH(v)％   0.00
  HCl(v)％
  O2(v)％
  H2O(v)％   3.99

Claims (9)

1.一种多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，包括气化室(1)与洗涤冷却室(2)；
所说的气化室(1)包括内衬耐火砖(8)的圆柱状壳体(3)、工艺喷嘴室(4)和工艺喷嘴(5)，工艺喷嘴室(4)沿壳体(3)周边均布，工艺喷嘴(5)以机械方式安装在工艺喷嘴室(4)中，气化渣口(10)设置在气化室(1)底部；
所说的洗涤冷却室(2)设置在气化室(1)下部，洗涤冷却室(2)包括下渣口(14)，煤气出口(16)设置在洗涤冷却室(2)的上部，其特征在于：
(1)工艺喷嘴(5)向下倾斜；
(2)下渣口(14)至少有两个；
(3)耐火砖层(8)内设托砖架(17)。
2.根据权利要求1所述的水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，其特征在于，工艺喷嘴5轴线与水平面夹角α为1～45°。
3.根据权利要求1或2所述的水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，其特征在于，下渣口(14)有2～4个。
4.根据权利要求3所述的水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，其特征在于，所说的粉煤工艺喷嘴包括同轴的外环喷头(18)、内喷头(19)、喷嘴中心导管(20)和喷嘴外环导管(21)，所说的喷嘴外环导管(21)与外环喷头(18)相连接，所说的喷嘴中心导管(20)与内喷头(19)相连接，内喷头(19)设置在外环喷头(18)内。
5.根据权利要求4所述的水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，其特征在于，所说的洗涤冷却室(2)还包括激冷环(11)，所说的激冷环(11)设置在气化室(1)的气化渣口(10)下方。
6.根据权利要求5所述的水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，其特征在于，所说的洗涤冷却室(2)还包括下降管(12)，下降管(12)设置在激冷环(11)下方。
7.根据权利要求5所述的水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，其特征在于，所说的洗涤冷却室(2)还包括破泡条(13)，所说的破泡条(13)设置在下降管(12)周边。
8.根据权利要求1所述的水煤浆或粉煤气化的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉，其特征在于，所说的耐火砖层(8)内设托砖架(17)，托砖架(17)间距1m，托砖架(17)固接在壳体(3)上。
9.根据权利要求1～8任一项所述的多喷嘴水煤浆或粉煤气化炉的应用，其特征在于，用于水煤浆或粉煤的气化。
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