CN201232055Y

CN201232055Y - 高灰熔点煤种加压气流床气化装置

Info

Publication number: CN201232055Y
Application number: CN 200820031378
Authority: CN
Inventors: 唐志国; 唐超君; 邢献军; 林其钊
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2018-01-23

Abstract

本实用新型公开了一种高灰熔点煤种加压气流床气化装置，炉体为直立圆筒结构；特征是在炉体的上段位置，沿径向水平布置煤粉喷嘴，沿切向水平布置氧化剂喷嘴；在炉体的中段位置，沿切向水平对称布置水蒸气喷嘴；在炉体的底部设有合成气和煤渣排出口。由于本实用新型的进料方式使得气化燃烧反应空间化，炉内温度均匀；增加了煤粉和气化剂在炉内的接触与反应时间，使得气化反应更完全，有助于进一步提高气化效率；并且采用合成气和液渣向下并流方式，顺利实现了高灰熔点煤粉的液态排渣。

Description

高灰熔点煤种加压气流床气化装置

技术领域：

本实用新型属于固态含碳化合物气化技术领域，特别涉及高灰熔点煤种加压气流床气化装置。

背景技术：

洁净煤技术已成为我国煤化工、工业燃气及电力工业技术升级的重大关键性技术，而煤炭气化技术是洁净煤技术的重要方向之一，是以煤基为能源的化工系统中最重要的核心技术。我国煤炭的特点是，灰熔点高，流动温度大于1500℃)的煤占总储量的50％左右；另外，煤灰含量平均较高，平均23％，动力煤的平均灰含量达到25％，商业动力煤的平均灰含量甚至达到27～28％。这种高灰分高灰熔点(“双高”)煤在气化领域被称之为最难气化的煤种。

到目前为主，世界上已经工业化的煤气化工艺有几十种，可归纳为三类：以Lurgi为代表的固定床气化工艺；以HTW(高温温克勒)、灰熔聚为代表的流化床气化工艺；以Texaco、Shell、GSP为代表的气流床气化工艺。当前大型工厂的煤制合成气(或H₂)气化技术普遍认同的是气流床气化工艺，具有处理化合物种类多、气化效率高、原料消耗低、设备生产强度大等优点。其中，干煤粉加压气流床气化技术，如Prenflo、Shell和GSP等技术，具有煤种的适应性广、比氧耗和比煤耗低、有效气成分高、冷煤气效率、碳的转化率高、单炉容量大等优点，是煤气化工艺技术的发展方向，有很强的市场竞争力。

Prenflo气化炉和Shell气化炉是在K-T(Koppers-Totzek)常压气化炉的基础上发展起来的加压气化炉型。它们的共同特点是，干煤粉进料、以氧气为气化剂、气流上行、液态排渣和水冷壁结构。如果将这些炉型应用于高灰熔点煤粉气化并形成液态排渣，必须使液渣温度保持在该煤种灰渣流动温度以上；而该炉型由于没有高温热煤气对液渣和排渣口的加热并携带液渣的顺利排出，液渣温度必然极容易降低从而凝固并堵塞排渣口。

与Prenflo和Shell气化炉相比较，GSP干煤粉气流床加压气化炉也采用加压气化、干煤粉进料、以氧气为气化剂、液态排渣和水冷壁结构，不同的是，其采用煤粉和气化剂由炉顶下喷式，气流下行的流动方式。《中国化工报》(2005.09.05)和《大氮肥》(2005，28(5)，第317页)均报道了利用德国GSP技术破解了“双高”煤利用难题。但是，由于炉内存在由上而下的高温火舌——激烈的煤粉燃烧和气化区域，其温度最高可达2200℃(参见《大规模煤气化技术》，许世森、张东亮、任永强编著，化学工业出版社，2006.1)，该温度比高灰熔点煤种平均流动温度高出近700℃，这对气化炉内壁提出了严格的要求，直接导致了内壁材料成本的提高。由辐射斯蒂芬-波耳兹曼定律——黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比——可知，如果能将炉内最高温度降低200℃，则高温火舌对气化炉内壁的辐射热降低28.6％；如果将炉内最高温度降低400℃，则高温火舌对气化炉内壁的辐射热降低53.9％。辐射热量的降低必然降低气化炉内壁的温度，使内壁的材料成本降低，并提高内壁的使用寿命。另外，该炉型采用顶端竖直向下并流进料，合成气和液渣则由底端出口竖直向下排出，这种直进直出型流线减少了煤粉和气化剂在炉内的接触与反应时间，在一定程度上限制了气化效率的进一步提高。

针对这种在燃烧器出口形成的火舌或火炬，《锅炉原理与计算》(冯俊凯、沈幼庭主编，科学出版社，1992，第60-64页)和《燃油燃气锅炉结构设计及图册》(赵钦新等编著，西安交通大学出版社，2002，第54-56页)均有提及。这种火舌或火炬的存在，使燃烧反应发生在较小的区域，形成局部超高温区，炉内温度梯度大，燃烧不够充分，热效率较低；另一方面也增加了大气污染物氮氧化物(NOx)的排放。

为了克服炉膛内局部高温火舌或火炬造成的燃烧效率下降、污染物排放上升和对炉体内壁材料高要求等问题，中国专利CN 1862090A“一种燃气或燃油锅炉”和CN 1987286A“采用稀薄-无焰燃烧方式的燃气或燃油锅炉”均公开了一种无焰燃烧方式的锅炉，这种燃烧没有前面所述锅炉中的火舌或火苗，是一种空间燃烧方式，燃烧反应发生在整个炉膛空间，具有高效节能、低污染等优点。但这两种锅炉均应用于气体和液体燃料的燃烧，并不涉及固体燃料燃烧，特别是高灰熔点碳氢燃料的燃烧，更不涉及固体燃料的气化。

实用新型内容：

本实用新型公开一种高灰熔点煤种加压气流床气化装置，克服现有技术的上述缺陷，使高灰熔点的煤渣顺利呈液态排出，同时降低炉内的最高温度和整体温度梯度，使气化炉炉内温度均匀，提高高灰熔点煤种气化效率。

本实用新型的实现思想是这样的：采用立式气化炉；采用氧化剂和水蒸气为气化剂；采用合成气和液渣向下并流方式，使排渣口的温度保持在灰渣流动温度以上，并利用高温合成气对高粘度熔渣的良好携带作用，以实现高灰熔点煤粉的顺利液态排渣；改变传统的煤粉和气化剂通过同一喷嘴喷入炉内的方式，将煤粉和气化剂分别由位于炉壁上不同高度的喷嘴以不同入炉方式喷入炉内，煤粉在载气的输送下由位于炉体上部的某一位置径向喷入，氧化剂由位于炉体上部的另一不同位置沿着平行于炉体圆形横截面切线的方向高速射入，气化剂水蒸气则由位于炉体中下部的某一位置沿着平行于炉体圆形横截面切线的方向高速射入，上下两部分气化剂的旋转方向相同。这样，在气化炉的上段煤粉与氧化剂发生氧化燃烧反应。煤粉在高速切向进入的氧化剂射流的驱动下呈分散状在炉内高速向下旋转，一方面，高速喷入的氧化剂被其自身卷吸的大量烟气稀释，大大降低旋转气流中的氧浓度；另一方面，在与燃料接触反应之前，被稀释的氧化剂分子还受到高温烟气的卷吸混合加热，同时还受到高温炉壁的热辐射，使其温度在瞬间上升到煤粉着火点以上。当喷入的氧化剂旋转至煤粉喷入位置的时候，煤粉被迅速扩散到高温低氧的氧化性气氛中，迅速升温。温度升高导致在煤粉颗粒表面溢出大量的挥发分，该挥发分一旦与旋转气流中的高温氧气分子接触，立即着火燃烧，生成CO、CO₂和焦炭，并放出大量反应热。由于煤粉和氧化剂的接触发生在整个旋转气流中，而不是在某一个峰面上，所以该燃烧反应属于空间反应，燃烧热量弥散到整个反应空间中，这使得炉内温度均匀，避免了传统的燃烧反应局部温度过高，从而显著地降低了燃烧氧化反应的最高温度水平。

在炉体的中下段沿着平行于炉体圆形横截面切线的方向高速喷入水蒸气，其迅速扩散到旋转气流中并与上部生成的焦炭和CO发生反应。最终生成的合成气(H₂+CO)旋转带动液渣一道沿着出渣口向下流出。

基于以上实现思想，本实用新型提出一种高灰熔点煤种加压气流床气化装置，炉体为直立圆筒结构；其特征是在炉体的上段位置，沿径向水平布置煤粉喷嘴，沿切向水平布置氧化剂喷嘴；在炉体的中段位置，沿切向水平对称布置水蒸气喷嘴；在炉体的底部设有合成气和煤渣排出口。

所述的炉体由金属外壳、绝热保温层和耐火内胆组成，其高度与内径比例D:H＝1:1～4。

所述氧化剂喷嘴和水蒸气喷嘴的沿水平圆周切向旋转方向相同。

所述煤粉喷嘴的高度H1＝(0.1～0.25)H，氧化剂喷嘴的高度H2＝(0.1～0.2)H，水蒸气喷嘴的高度H3＝(0.3～0.6)H。

所述水蒸气喷嘴的个数可以为2，也可以为1或3或4。

与现有技术方案相比，本实用新型的显著优点是：使煤粉在整个炉膛空间炉内实现燃烧和气化，避免出现超高温火舌，降低了炉内最高温度和温度梯度，从而可以进一步提高炉内平均温度水平，使液态排渣温度高于其流动温度以上，适用于高灰熔点煤粉的高效加压气化，为我国高灰熔点煤种的高效洁净利用提供了一种新颖的气化装置。该气化反应器结构简单、加工容易、操作方便、投资成本低等特点，而且，该气化炉的碳转化率、冷煤气效率和合成气有效气成分(CO+H₂)含量均比现有的高灰熔点煤粉气化炉高，所得产品可用于化工合成、煤气化发电、制氢、合成液体燃料，或作为燃料气等。

附图说明：

图1为本实用新型高灰熔点煤种加压气流床气化装置实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1结构示意图的A-A剖视图。

图3为本实用新型实施例1结构示意图的B-B剖视图。

图4为本实用新型实施例2结构示意图的B-B剖视图。

具体实施方式：

下面结合附图进一步说明本实用新型高灰熔点煤种加压气流床气化装置的具体实施方式。

实施例1：

图1为本实用新型高灰熔点煤种加压气流床气化装置实施例1的结构示意图；图2为实施例1结构示意图的A-A剖视图；图3为实施例1结构示意图的B-B剖视图。在本实施例中，炉体为直立圆筒结构；炉体由金属外壳2、绝热保温层3、耐火内胆4组成，金属外壳2在20℃～400℃下能承受0.1～4Mpa，炉体高度与内径比例D:H＝1:1.5；在炉体的上段位置，沿径向水平布置煤粉喷嘴7，沿切向水平布置氧化剂喷嘴6，在炉体的中段位置，沿切向水平对称布置两个水蒸气喷嘴5，且氧化剂喷嘴6和水蒸气喷嘴5的沿水平圆周切向旋转方向相同；在炉体的底部设有合成气和煤渣排出口1。煤粉喷嘴7的高度H1＝0.2H，氧化剂喷嘴6的高度H2＝0.2H，水蒸气喷嘴5的高度H3＝0.5H；氧化剂喷嘴6和水蒸气喷嘴5在同一个垂直面上，水蒸气喷嘴5在水平圆周上位置相对。氧化剂选取工业纯氧气。

运行时，首先启动空气泵对炉内实施吹扫，再送入煤粉和氧化剂，并使用点火器对煤粉进行点火。纯氧由氧化剂喷嘴6沿着平行于炉体圆形横截面切线的方向由a点高速射入炉内，如图2所示，并迅速卷吸射流四周的高温烟气，同时受到高温炉壁的热辐射，这使得高速射入纯氧得到迅速稀释和急剧升温，形成高温低氧的氧化性旋转气流；在c点，高灰熔点煤粉经煤粉喷嘴7径向喷入旋转气流中，迅速升温。温度升高导致在煤粉颗粒表面溢出大量的挥发分，该挥发分一旦与旋转气流中的高温氧气分子接触，立即着火燃烧，生成CO、CO₂和焦炭，并放出大量反应热。待煤粉和纯氧的燃烧过程及其反应物旋转至炉体中段，如图3所示，即H3＝0.5H的时候，将水蒸气则由喷嘴5沿着平行于炉体圆形横截面切线的方向高速射入，旋转方向与上部气流的旋转方向相同。高速喷入的水蒸气迅速扩散到旋转气流中并与上部生成的焦炭和CO发生反应。最终生成的合成气(H₂+CO)旋转带动液渣一道沿着出渣口向下流出。

由于本实用新型所公开的装置改变传统的将煤粉和气化剂通过同一喷嘴喷入炉内的方式，取而代之的是将煤粉喷入到高速旋转的高温低氧的氧化性气流中。所以煤粉和氧化剂的接触与反应发生在整个旋转气流中，而不是在某一个峰面上，避免产生火舌或火炬，因此，该燃烧反应属于空间反应，燃烧热量弥散到整个反应空间中，这使得炉内温度均匀，避免了传统的燃烧反应局部温度过高，从而显著地降低了燃烧氧化反应的最高温度水平。同时，这种入料方式使得煤粉和气化剂在炉内高速旋转，增加了煤粉和气化剂在炉内的接触与反应时间，使得气化反应更完全，从而有助于进一步提高气化效率。另外，采用合成气和液渣向下并流方式，使排渣口的温度保持在灰渣流动温度以上，并利用高温合成气对高粘度熔渣的良好携带作用，顺利实现了高灰熔点煤粉的液态排渣。

实施例2：

在本实施例中，气化炉整体结构与实施例1相同，不同的是，改变煤粉喷嘴7的位置，如图2所示，将其在图1的A-A视图平面上的bcd圆弧段移动，或者将煤粉喷嘴7的位置下移使其高度低于氧化剂喷嘴6；或同时将炉体中下段的两个水蒸气喷嘴5删去一个，如图4所示；或者将炉体中下段的水蒸气喷嘴5的个数增加为3或4。本实施例也能达到实施例1的优点。

Claims

1、一种高灰熔点煤种加压气流床气化装置，炉体为直立圆筒结构；其特征是在炉体的上段位置，沿径向水平布置煤粉喷嘴(7)，沿切向水平布置氧化剂喷嘴(6)；在炉体的中段位置，沿切向水平对称布置水蒸气喷嘴(5)；在炉体的底部设有合成气和煤渣排出口(1)。

2、如权利要求1所述的高灰熔点煤种加压气流床气化装置，特征在于所述的炉体由金属外壳(2)、绝热保温层(3)和耐火内胆(4)组成，其高度与内径比例D:H＝1:1～4。

3、如权利要求1所述的高灰熔点煤种加压气流床气化装置，特征在于所述氧化剂喷嘴(6)和水蒸气喷嘴(5)的沿水平圆周切向旋转方向相同。

4、如权利要求1所述的高灰熔点煤种加压气流床气化装置，特征在于所述煤粉喷嘴(7)的高度H1＝(0.1～0.25)H，氧化剂喷嘴(6)的高度H2＝(0.1～0.2)H，水蒸气喷嘴(5)的高度H3＝(0.3～0.6)H。

5、如权利要求1所述的高灰熔点煤种加压气流床气化装置，特征在于所述水蒸气喷嘴(5)的个数可以为2，也可以为1或3或4。