CN201530809U - 双级等离子体高温气化设备 - Google Patents

Abstract

一种双级等离子体高温气化设备。包括气化炉、气固分离器和除焦油器，气化炉上部设置有给料装置和合成气输出通道，气化炉下部设置有一级等离子炬、一次氧化剂喷嘴和熔渣排出装置，气化炉内铺设有焦炭床层和燃料床层；气固分离器的上部气体进口与合成气输出通道相连，气固分离器的下部颗粒料出口通过回料管与气化炉下部的返料口相连；除焦油器的壳壁上设置有二级等离子炬和二次氧化剂喷嘴，除焦油器的进气端与气固分离器的上部气体出口相连。该设备对燃料的适应性好、气化效率高、合成气中焦油成份少、有效成份高，适于对各种燃煤、生物质、城市固体废物、市政污泥或其他可燃物料进行高温气化处理。

Description

双级等离子体高温气化设备

技术领域

本实用新型涉及对可燃物料进行高温气化处理的设备，具体地指一种双级等离子体高温气化设备。

技术背景

随着人口的自然增长和经济的持续发展，作为主要能源来源的常规优质化石燃料却在迅速地减少，导致我国乃至世界都存在长期而巨大的能源需求和供应压力。面对全球一体化的大趋势，我国高耗能、低能效的经济将面临如何在国际竞争中求得生存和发展的严峻考验。在燃煤、生物质、城市固体废物(MSW)等可燃原料的利用问题上，节能降耗已成为促进国家经济、社会可持续发展的最重要和最有效的手段之一。

与可燃物料燃烧获取能源这种相对落后的低级利用形态相比，可燃物料气化所获得的合成气具有更高的价值，其用途也更为广泛。在可燃物料气化技术中，高热值的燃煤气化技术早在二十世纪五十年代就在国外实现了工业化生产，至今已成功开发出了对煤种适用性广、气化压力高、气化效率高、污染少的各种煤气化工艺，其中具有代表性的有固定床气化工艺、流化床气化工艺和气流床气化工艺等。固定床气化工艺采用气-固逆流接触方式，燃料从气化炉顶部加入，气化剂从气化炉底部进入，产生的煤气从炉顶引出，固态或液态灰渣则从炉底排出。流化床气化工艺采用气-固混流接触方式，燃料从气化炉下部给入，气化剂从气化炉底部和下部加入，产生的初煤气由气化炉上部引入气-固分离器分离，产生的灰渣则由炉底排渣管排出。气流床气化工艺采用气-固顺流接触方式，气化剂和燃料同时送入气化炉进行反应，产生的初合成气与灰渣同时排出气化炉。多年的实践证实这些气化工艺对燃煤的气化具有良好的效果，但由于其对燃料的水份、灰份、挥发份以及灰熔点很敏感，同一种气化工艺大都只能适应一种燃料或物理化学性质很相近的燃料，故其应用受到了很大的限制。

生物质和城市固体废物(MSW)等低热值燃料的气化技术则是本世纪出现的一种新能源技术，至今也有了较快的发展，尤其是欧洲和美洲对生物质气化发电技术进行了大量的研究，并取得了相当的成果。近年来，国内很多高等院校和科研院对此也投入了大量的精力，并采用固定床或流化床气化工艺对生物质等低热值燃料进行了大量的气化试验。然而试验结果并不理想，其碳转化率低、气化效率低、合成气有效成份(CO+H₂)的比例低、合成气热值低且不稳定、焦油含量高等的缺陷十分突出。

究其缘由，一方面是因为如前所述的现有固定床或流化床气化炉对燃料的适应性较差、一种气化炉只能适应一种燃料，导致其运行的稳定性较差，碳转化率较低。另一方面是因为生物质和城市固体废物(MSW)等的成份和热值随着收集渠道、季节、气候等自然因素的变化极不稳定，对气化工艺中各项参数的控制要求也很高，而现有固定床或流化床气化炉的气化温度一般在800～1200℃之间，合成气的出口温度一般在500～800℃之间，最高的出口温度也不会超过1000℃，而在该温度区间内的低热值燃料将大量产生焦油，这是气化工艺最难净化的产物之一，焦油过多可造成管道堵塞和设备污染，导致设备难以连续稳定运行，给合成气的后续工业利用带来极大的困难。同时，由于排渣温度低，只能采用固态排渣，气化炉的碳转化率也较低。故对于生物质和城市固体废物(MSW)、市政污泥、劣质煤等的气化，目前国内外尚没有成功商业利用的业绩，特别是生物质燃料的气化利用尚处于研究试验阶段。

发明内容

本实用新型的目的就是要提供一种燃料适应性好、气化效率高、合成气中焦油成份少、有效成份高的双级等离子体高温气化设备。

为实现上述目的，本实用新型所设计的双级等离子体高温气化设备，主要由气化炉、气固分离器和除焦油器三部分构成。其中：

所述气化炉具有一个气化炉壳体，气化炉壳体的顶部或上部侧壁上设置有给料装置，通过给料装置可在气化炉壳体的底部铺设焦炭床层、在焦炭床层的上面铺设燃料床层；气化炉壳体的下部侧壁上设置有一级等离子炬和一次氧化剂喷嘴，一级等离子炬位于焦炭床层与燃料床层的结合处，一次氧化剂喷嘴位于一级等离子炬的上方；气化炉壳体的顶部或上部侧壁上还设置有合成气输出通道；气化炉壳体的底部设有熔渣排出装置。

所述气固分离器具有一个旋风分离筒体，旋风分离筒体的上部气体进口与合成气输出通道相连，旋风分离筒体的下部颗粒料出口通过回料管与气化炉壳体的下部返料口相连。

所述除焦油器具有一个裂解反应壳体，裂解反应壳体的壳壁上设置有二级等离子炬和二次氧化剂喷嘴，裂解反应壳体的进气端与旋风分离筒体的上部气体出口相连。

进一步地，所述一级等离子炬设置有2～6个，沿周向均布在气化炉壳体的下部侧壁上。

更进一步地，所述一次氧化剂喷嘴设置有2～4层，每层多个喷嘴沿周向均布在气化炉壳体的下部侧壁上。

本实用新型的双级等离子体高温气化设备，可用于对各种燃煤、生物质、城市固体废物、市政污泥或其他可燃物料进行高温加热处理、将其中的有机物气化转变为合成气、将所产生的灰份熔化后排出。其指导思想是先将这些可燃物料投入到气化炉中，进行一级等离子炬加热气化，生成粗合成气和高温液态灰渣。所生成的粗合成气通过气固分离器的处理，获得净合成气；所产生的高温液态灰渣则由气化炉底部排出。再将净合成气送入除焦油器中，进行二级等离子炬加热裂解，最终获得精合成气。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

其一，本实用新型在气化炉和除焦油器内采用等离子炬提供气化所需的高温，使得气化效率和碳转化率显著提高，合成气有效气体(CO+H₂)成份比例明显提高，从而使得合成气适合于发电和化工合成应用；

其二，本实用新型采用的气化炉为常压操作，给料装置和排渣装置结构简单，容易实现；

其三，本实用新型对燃料的适应性好，燃料预处理简单，宽筛分的给料，可气化各类燃煤、生物质、MSW和污泥等可燃物料，并且能同时气化上述多种混合燃料；

其四，本实用新型的气化工艺采用高温气化，经气-固分离和除去焦油处理后，制备的精合成气中灰份含量低，其灰份含量小于3～5g/Nm³，精合成气不含焦油类有害杂质。

其五，本实用新型采用高温气化，经气-固分离和除去焦油处理后，碳转化率高，一般能达到99.5％以上。

其六，本实用新型采用高温液态排渣，灰渣可玻璃化处理，实现灰渣的无害综合利用。

其七，本实用新型在气化炉内设置焦炭床层，在焦炭床层与燃料床层结合处施加功率可调的等离子电弧，从而使得气化炉对燃料成份、水份、灰份和热值等特性变化的适应性好，当燃料的特性发生变化影响气化效果时，可以通过调整等离子炬的输入能量、以及添加或减少补充焦炭的数量来保证气化炉的稳定运行。

综上所述，本实用新型具有投资小、工艺简单、碳转化率高、合成气有效气体成份比例高、设备运行可靠性高等特点，本实用新型能适应各种不同类型的生物质燃料，并且实现了灰渣的无害化处理，经气-固分离后生成的净合成气中的焦油类杂质被进一步裂解成有效气体，极大地提高了可燃物料的转化率，从而有效防止了由于焦油粘污堵塞管道和设备造成的气化工艺不能连续进行的技术问题，提高了电厂的经济效益。

附图说明

附图为一种双级等离子体高温气化设备的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

图中所示的双级等离子体高温气化设备，主要由气化炉、气固分离器和除焦油器三部分构成。其中，气化炉具有一个气化炉壳体3，气化炉壳体3的顶部设置有给料装置4，给料装置4伸入气化炉内的长度可以根据实际气化炉的容量进行调整。通过给料装置4可在气化炉壳体3的底部铺设焦炭床层12，在焦炭床层12的上面铺设燃料床层13。

气化炉壳体3的下部侧壁上设置有一级等离子炬1和一次氧化剂喷嘴2。为了保证温度场的均匀，该一级等离子炬1设置有2～6个，通过法兰沿周向均布在气化炉壳体3的下部侧壁上，该一级等离子炬1的工作面对应于焦炭床层12与燃料床层13的结合处。气化炉在使用过程中，可以根据可燃物料的特性变化来调整一级等离子炬1的输入电功率。一般来说，等离子炬的总能量为可燃物料总能量的0.8～5％，对于低水份、低灰份、高热值的可燃物料，等离子炬的设计功率可以较小，反之可以较大。

一次氧化剂喷嘴2位于一级等离子炬1的上方。该一次氧化剂喷嘴2可以设置2～4层，每层多个喷嘴沿周向均布在气化炉壳体3的下部侧壁上，以确保喷射均匀。气化炉在使用过程中，可以通过调整一次氧化剂喷嘴2中氧化剂的给入量来控制气化炉出口的粗合成气温度。氧化剂的成份可根据下游工业应用对合成气成份的要求来进行配制，一般采用氧气、富氧空气、空气和水蒸汽等，也可以是几种配合使用。气化炉壳体3的顶部设置有合成气输出通道5。气化炉壳体3的底部设有熔渣排出装置11。

气固分离器具有一个旋风分离筒体9，旋风分离筒体9的上部气体进口与合成气输出通道5相连，旋风分离筒体9的下部颗粒料出口通过回料管10与气化炉壳体3的下部返料口相连。

除焦油器具有一个裂解反应壳体6，裂解反应壳体6的壳壁上设置有二级等离子炬7和二次氧化剂喷嘴8，裂解反应壳体6的进气端与旋风分离筒体9的上部气体出口相连。通过二级等离子炬7提供的高温和二次氧化剂喷嘴8提供的氧化剂，可以对从旋风分离筒体9出来的净合成气进一步处理，使得其中的焦油类物质裂解转化为有效气体，从而获得精合成气。

上述双级等离子体高温气化设备的工作过程是这样的：

首先，将粒径为120～180mm的工业焦炭或冶金焦炭颗粒铺设到气化炉的底部，形成厚度为800～1500mm的焦炭床层12。在气化炉运行时，应根据可燃物料的特性来确定焦炭床层12的厚度，同时还应根据合成气的品质等因数随时对焦炭床层12的厚度进行调整。

然后，将可燃物料、助熔剂和补充焦炭的混合物连续投入到焦炭床层12上，形成厚度为2500～3000mm的燃料床层13。该燃料床层13的厚度在气化炉运行时，应根据可燃物料的特性来调整，同时还应根据合成气的品质等因数随时对燃料床层13的厚度进行调整。上述可燃物料、助熔剂和补充焦炭的粒径应小于或等于150mm，助溶剂的添加量占可燃物料重量的1～3％，具体添加量根据可燃物料的灰份特性和灰份量进行调整，以保证熔渣能顺利的排出气化炉，补充焦炭的添加量占可燃物料重量的3～5％。在具体的给料操作中，可以选择炉顶给料(如本实施例)，也可以采用在气化炉上部侧面给入的方式，但是无论何种给料方式均应保证给料的连续性与炉内可燃物料分布的均匀性，并减少因给料对炉内烟气流场的扰动。气化炉运行时，通过给料装置4连续不断地加入可燃物料，助熔剂和补充焦炭的混合物，维持燃料床层13高度的稳定。加入的可燃物料可以是单一的燃料，也可以是多种物料性质不同的混合燃料，如可以是单一的煤、农作物秸秆、城市垃圾，也可以是这些燃料的混合物。

其次，将由氧气、富氧空气、空气、水蒸汽或其组合组成的一次氧化剂喷射到气化炉内，启动气化炉上的一级等离子炬1产生高温等离子电弧，使部分焦炭和可燃物料燃烧，在焦炭床层12与燃料床层13的结合处形成温度为3000～5000℃的熔融区，燃烧所生成的高温烟气上行，在熔融区上部温度为1700～2000℃的气化区对燃料床层13进行高温气化，使其中的有机物高温裂解为CO和H₂，所获得的粗合成气从气化炉上部出口输出，其出口处温度为1000～1250℃。该粗合成气中灰份含量为30～50g/Nm³，焦油含量也较高。可燃物料中的无机物灰份则被高温熔化形成熔渣，并通过焦炭床层12的孔隙流到气化炉底部排出，其排渣温度为1650～1700℃。对于灰熔点比较高的可燃物料，通过在可燃物料中加入助溶剂(一般为石灰石)来降低灰渣的熔化温度，调整熔渣的流动性。排出气化炉的熔渣经水淬玻璃化，实现无害化并进行综合利用。本实施例中，选用氧气、富氧空气、空气的喷射压力控制在33000～36000Pa；选用水蒸汽时采用250～350℃的过热水蒸汽，喷射压力控制在0.4～0.5Mpa，以确保进入气化炉壳体3的氧化剂分布均匀。为了使可燃物料充分气化，粗合成气的上升速度控制在0.8～1.0m/s之间，粗合成气在气化炉中的停留时间控制在10～15s之间。

再次，将所获得的粗合成气导入气固分离器的旋风分离筒体9中，使其中的大颗粒灰份和焦炭颗粒分离出来，并送回气化炉壳体3的气化区重新循环，同时获得净合成气，该净合成气中的气灰份含量为3～5g/Nm³。

最后，将所获得的净合成气引入除焦油器的裂解反应壳体6内，并通过二次氧化剂喷嘴8向其内喷射二次氧化剂，二次氧化剂最好是350℃的过热水蒸汽，喷射压力为0.5MPa。同时启动二级等离子炬7产生高温等离子电弧，将净合成气加热到1200～1400℃，并控制净合成气的速度使其在高温区停留2～15秒，使净合成气中残留的少量焦炭颗粒和焦油类物质高温裂解转化为CO、H₂、CH₂和CO₂，最终获得精合成气。

Claims (3)

1.一种双级等离子体高温气化设备，主要由气化炉、气固分离器和除焦油器三部分构成，其特征在于：

所述气化炉具有一个气化炉壳体(3)，气化炉壳体(3)的顶部或上部侧壁上设置有给料装置(4)，通过给料装置(4)可在气化炉壳体(3)的底部铺设焦炭床层(12)、在焦炭床层(12)的上面铺设燃料床层(13)；气化炉壳体(3)的下部侧壁上设置有一级等离子炬(1)和一次氧化剂喷嘴(2)，一级等离子炬(1)位于焦炭床层(12)与燃料床层(13)的结合处，一次氧化剂喷嘴(2)位于一级等离子炬(1)的上方；气化炉壳体(3)的顶部或上部侧壁上还设置有合成气输出通道(5)；气化炉壳体(3)的底部设有熔渣排出装置(11)；

所述气固分离器具有一个旋风分离筒体(9)，旋风分离筒体(9)的上部气体进口与合成气输出通道(5)相连，旋风分离筒体(9)的下部颗粒料出口通过回料管(10)与气化炉壳体(3)的下部返料口相连；

所述除焦油器具有一个裂解反应壳体(6)，裂解反应壳体(6)的壳壁上设置有二级等离子炬(7)和二次氧化剂喷嘴(8)，裂解反应壳体(6)的进气端与旋风分离筒体(9)的上部气体出口相连。

2.根据权利要求1所述的双级等离子体高温气化设备，其特征在于：所说的一级等离子炬(1)设置有2～6个，沿周向均布在气化炉壳体(3)的下部侧壁上。

3.根据权利要求1或2所述的双级等离子体高温气化设备，其特征在于：所说的一次氧化剂喷嘴(2)设置有2～4层，每层多个喷嘴沿周向均布在气化炉壳体(3)的下部侧壁上。

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