CN202849351U - 一种两段式气流床气化装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种两段式气流床气化装置，包括气化炉上段气化室和气化炉下段气化室，所述气化炉上段气化室四周设有至少一层侧面工艺烧嘴室，至少两个侧面工艺烧嘴对称设于侧面工艺烧嘴室内；所述气化炉下段气化室两侧同轴设有对置式工艺烧嘴室，两个对置式工艺烧嘴同轴设于对置式工艺烧嘴室内。本实用新型提供的装置克服了现有技术的不足，运行稳定可靠，合成气冷却工艺高效，提高了碳转化率，燃料适应性广，使用寿命长，适合于大规模化应用。

Description

一种两段式气流床气化装置
技术领域
本实用新型涉及一种两段式气流床气化装置，属于气化反应装置技术领域。
背景技术
煤气化技术是发展煤基化学品、煤基液态燃料、联合循环发电、制氢等过程工业的基础，是这些行业的关键技术和龙头技术。
现有的可将煤、焦等含碳燃料气化，在采用气流床进行气化的技术中，有代表性的干煤粉气化技术主要有：我国华东理工大学等单位开发的多烧嘴对置式干煤粉气化炉、Shell气化炉，E-Gas气化炉以及GSP气化炉和国家电力公司热工研究院的两段式干煤粉气化炉。
目前气流床气化装置设计存在几个主要难题：一是最优化炉内温度分布和提高燃料利用效率；二是气化产物的冷却和高温净化过程；三是提高气化装置设备的整体使用寿命；四是提高气化装置运行稳定性，提高整体开工率。
从气流床气化炉烧嘴个数角度看，多烧嘴气化炉易于大型化和大规模化推广应用，单烧嘴气化炉受烧嘴本身的限制，在气化负荷上受较大限制；从气流床气化炉本体设计角度看，两段式或多段式气化由于采用燃料分级燃烧或氧气分级燃烧技术，相比单段式气化炉，炉内温度分布更加合理，碳转化率高，气化炉出口温度相对略低；从气流床气化产物流向角度看，合成气上行式较适合于IGCC发电、煤制天然气等产业，而合成气下行较适合于化工生产，如合成氨、合成甲醇等产业；从气流床气化炉炉壁材料设计角度看，水冷壁设计相对造价较高，但相比于耐火砖等耐火衬里式设计，水冷壁结构气化炉运行稳定，使用寿命长，能够承受较高温度的气化运行，故提高了气化炉的煤种适应性。
现有的合成气上行式气化炉主要缺陷是炉内温度分布和流场不合理，易造成液态排渣堵渣和碳转化率低等问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种适合于大规模化应用、运行稳定可靠、煤种适应性广泛、合成气冷却工艺高效的两段式多烧嘴进料、分段式气化的气流床气化装置。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种两段式气流床气化装置，其特征在于：包括气化炉上段气化室，气化炉上段气化室上部设有合成气出口；气化炉下段气化室通过气化炉中部喉口段与气化炉上段气化室连接，气化炉上段气化室轴线和气化炉下段气化室轴线垂直相交；底部渣池通过气化炉下部渣口与气化炉下段气化室连接，底部渣池下部设有渣池排渣口，其特征在于：所述气化炉上段气化室四周设有至少一层侧面工艺烧嘴室，至少两个侧面工艺烧嘴对称设于侧面工艺烧嘴室内；所述气化炉下段气化室两侧同轴设有对置式工艺烧嘴室，两个对置式工艺烧嘴同轴设于对置式工艺烧嘴室内。
优选地，所述气化炉上段气化室主体为内壁面设有耐火衬里的垂直圆柱形壳体，所述气化炉下段气化室主体为内壁面设有耐火衬里的水平圆柱形壳体。
优选地，所述耐火衬里为耐火砖衬里结构或水冷壁衬里结构。
优选地，所述侧面工艺烧嘴室轴线与所述气化炉上段气化室径向的夹角α为0～30°；所述侧面工艺烧嘴室轴线与所述气化炉上段气化室轴向的夹角β为60～120°。
优选地，所述侧面工艺烧嘴轴线与所述侧面工艺烧嘴室在水平面上的夹角ξ为0～30°，所述侧面工艺烧嘴轴线与所述侧面工艺烧嘴室在垂直面上夹角δ为0～15°。
优选地，所述合成气出口内直径为所述气化炉上段气化室主体内直径的5％～50％。
优选地，所述侧面工艺烧嘴室与合成气出口的距离为1.5～5倍气化炉上段气化室主体内直径，所述侧面工艺烧嘴室与对置式工艺烧嘴室垂直中心距为0.5～3倍气化炉上段气化室主体内直径。
优选地，所述气化炉上段气化室主体高度为1.5～8倍气化炉上段气化室主体内直径，所述气化炉下段气化室主体内直径为0.3～2倍气化炉上段气化室主体内直径，所述气化炉下段气化室主体单侧长度为1～3倍气化炉下段气化室主体内直径。
本实用新型提供的一种两段式气流床气化装置通过气化炉下段气化室对置式工艺烧嘴喷入燃料的气化，在气化炉下段气化室发生气化和燃烧反应，产生的高温熔融态灰渣向下进入渣池，通过渣池排出；气化和燃烧产生的高温烟气夹带着少量细灰渣颗粒向上流动进入气化炉上段气化室，与从气化炉上段气化室侧面工艺烧嘴喷入的燃料相遇，气化炉上段气化室喷入的燃料通过吸收来自气化炉下段气化室的高温烟气显热迅速发生热解和脱挥发份，并与烟气中的二氧化碳、残留氧气以及水蒸汽发生二次气化反应，且在向上流动过程中温度略有下降，即利用化学法吸收了气化和燃烧产生的显热，使炉内流场和温度场更加合理，达到了部分显热回收和提高碳转化率的效果。
相比现有技术，本实用新型提供的一种两段式气流床气化装置具有如下有益效果：
(1)分两段式通入含碳燃料，气化炉下段气化室主要为燃烧和气化反应区，气化炉上段气化室为气化反应区，实现燃料气化分区，使炉内温度场分布更加合理，大大提高了气化炉内衬材料的使用寿命；
(2)采用多级多烧嘴设计，在气化炉大规模放大上具有明显优势，气化炉上段气化室侧面工艺烧嘴层数和烧嘴数量更具可调性，气化炉的整体气化负荷的可控性较强；
(3)适用于煤、石油焦、渣油、沥青生物质和污泥等含碳物质的气化，可采用干粉或浆体燃料进料方式，燃料适应性广；
(4)采用下排渣式液态排渣方法，在气化炉下段气化室设计较高的操作温度，有助于顺利实现液态排渣，合成气上行式设计减少了灰渣夹带量，有助于后续合成气净化除尘。
本实用新型提供的装置克服了现有技术的不足，运行稳定可靠，合成气冷却工艺高效，提高了碳转化率，燃料适应性广，使用寿命长，适合于大规模化应用。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种两段式气流床气化装置的轴向剖面示意图；
图2为图1中的局部放大图；
图3为图1中的A-A剖视图；
附图标记说明
1-气化炉上段气化室；2a-侧面工艺烧嘴室；2b-对置式工艺烧嘴室；3a-侧面工艺烧嘴；3b-对置式工艺烧嘴；4-气化炉下段气化室；5-合成气出口；6-气化炉中部喉口段；7-气化炉下部渣口；8-渣池；9-排渣口；α-侧面工艺烧嘴室轴线与气化炉上段气化室径向的夹角；β-侧面工艺烧嘴室轴线与气化炉上段气化室轴向的夹角；ξ-侧面工艺烧嘴轴线与侧面工艺烧嘴室在水平面上的夹角；δ-侧面工艺烧嘴轴线与侧面工艺烧嘴室在垂直面上夹角；D1-气化炉上段气化室1主体内直径；D2-气化炉下段气化室主体内直径；H1-气化炉上段气化室1主体高度；H2-气化炉下段气化室主体单侧长度。
具体实施方式
为使本实用新型更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1为本实用新型提供的一种两段式气流床气化装置的轴向剖面示意图，所述的一种两段式气流床气化装置包括气化炉上段气化室1，气化炉上段气化室1上部开有合成气出口5；气化炉下段气化室4通过气化炉中部喉口段6与气化炉上段气化室1连接，底部渣池8通过气化炉下部渣口7与气化炉下段气化室4连接，底部渣池8下部装有渣池排渣口9。
气化炉上段气化室1主体为内壁面装有耐火砖衬里结构或水冷壁衬里结构的垂直圆柱形壳体，气化炉下段气化室4主体为内壁面装有耐火砖衬里结构或水冷壁衬里结构的水平圆柱形壳体。气化炉上段气化室1轴线和气化炉下段气化室4轴线垂直相交。
气化炉上段气化室1四周装有至少一层侧面工艺烧嘴室2a，至少两个侧面工艺烧嘴3a对称装在侧面工艺烧嘴室2a内。侧面工艺烧嘴室2a均匀地对称布置于气化炉上段气化室1主体四周，用于输入燃料及输送载气或雾化气体。
气化炉下段气化室4两侧同轴装有对置式工艺烧嘴室2b，两个对置式工艺烧嘴3b同轴装在对置式工艺烧嘴室2b内，用于通入含碳燃料和气化剂。
结合图2和图3，侧面工艺烧嘴室2a轴线与气化炉上段气化室1径向的夹角α为0～30°；侧面工艺烧嘴室2a轴线与气化炉上段气化室1轴向的夹角β为60～120°。侧面工艺烧嘴3a轴线与侧面工艺烧嘴室2a在水平面上的夹角ξ为0～30°，侧面工艺烧嘴3a轴线与侧面工艺烧嘴室2a在垂直面上夹角δ为0～15°。
通过气化炉上段气化室侧面工艺烧嘴3a和侧面工艺烧嘴室2a、气化炉下段气化室对置式工艺烧嘴室2b和对置式工艺烧嘴3b角度的设置与匹配，可以在炉内形成撞击流或旋转流来强化混合过程和提高燃料颗粒在炉内的停留时间，从而达到良好的工艺与工程效果，实现有效气体成分高、碳转化率高且炉壁耐火衬里寿命长。
设气化炉上段气化室1主体内直径为D1，则合成气出口5内直径为0.05～0.5D1；侧面工艺烧嘴室2a与气化炉合成气出口5的距离为1.5～5D1，侧面工艺烧嘴室2a与对置式工艺烧嘴室2b垂直中心距离为0.5～3D1。气化炉上段气化室1主体高度H1为1.5～8D1；气化炉下段气化室4主体内直径为D2为0.3～2D1；气化炉下段气化室4主体单侧长度为H2为1～3D2。
上述两段式气流床气化装置的气化方法如下：
以气化炉上段气化室1设置一层四个工艺烧嘴的气流床气化炉为例，含碳燃料经输送系统，部分燃料与气化剂从气化炉下段气化室4的两个对置式工艺烧嘴3b送入气化炉，剩余燃料利用输送气通过气化炉上段气化室1的四个对称布置在同一水平面的侧面工艺烧嘴3a喷入气化炉。气化炉上段气化室的侧面工艺烧嘴3a采用同水平面小切圆布置。
从气化炉下段气化室4对置式工艺烧嘴3b送入的气化剂占含碳燃料和气化剂总氧量的80～100％，部分剩余气体，包括剩余的0～20％氧气和辅助气化剂，如水蒸汽、二氧化碳等气体可随气化炉上段气化室4的输送气及含碳燃料一起送入气化炉。根据工艺要求和燃料性质的不同，可选用干粉进料或液态浆体进料。
在干粉进料时，气化剂可选用氧气、水蒸汽、二氧化碳等气体及其混合物，输送气可选用氮气、二氧化碳、水蒸汽或氩气等一种或其混合物。
当采用湿法进料时，可选用含氧气量大于21％的富氧空气和二氧化碳等一种气体或其混合物作为气化剂，可选用水蒸汽、二氧化碳、氮气或氩气等一种或其混合气体作为液态燃料雾化的雾化气体。
气化炉上段气化室4的给料量可根据气化炉上段气化室4的炉内温度进行调控，以达到合理的下渣口温度范围，确保实现液态排渣的顺利实施。
根据操作温度对燃料的适应性要求，可选择水冷壁结构或耐火砖结构，当要求处理灰熔点较高的燃料时，可选用水冷壁结构，水冷壁形式可以为列管式、盘管式或其组合形式的膜式水冷壁；当处理灰熔点较低的燃料时，可选用耐火衬里结构。
含碳物质在气化炉内的反应过程主要分为以下几个部分：
(1)部分燃料与大部分氧气在气化炉下段气化室4发生以燃烧为主并伴随有气化的高温反应，反应温度达到1400℃及以上，确保了渣口温度高于灰熔点并形成流动态液态渣向底部渣池8排入，反应产生高温烟气向上流动进入气化炉上段气化室1。
(2)剩余燃料和剩余氧气，辅助气化剂以及输送气由气化炉上段气化室1的四个侧面工艺烧嘴3a送入气化炉，并形成旋流流场，燃料颗粒随气流在炉内形成旋流流场，提高了其颗粒停留时间，燃料颗粒在气化炉上段气化室1发生以气化为主的部分燃烧反应后，未反应彻底的大颗粒由于重力等的作用向下进入气化炉下段气化室4进行燃烧为主的气化反应，并将其所含残炭彻底燃尽。控制操作温度在1300℃左右。
(3)由气化炉下段气化室4产生的高温烟气与气化炉上段气化室1的燃料充分混合反应后，夹带着少量细小飞灰颗粒的混合气体继续向上流动，同时在气化炉上部相对温度较低空间发生少量气化反应和变换反应，最终将是所有含碳颗粒基本燃尽，合成气由上部合成气出口5流出。
由于采用两段式进料和气化分区，并在气化炉内组合理组织了高温燃烧和气化两种反应，使气化炉的整体碳转化率、冷煤气效率等大大提高，炉内温度分布得到合理优化，并易于大型化放大设计。
下面结合采用本实用新型提供的一种两段式气流床气化装置进行气化试验得到的结果对本实用新型作进一步说明：
实施例1
一台日处理3000吨煤的两段式气流床干煤粉气化炉，气化压力4.0MPa，内壁面为水冷壁结构，气化炉上段气化室1侧面设置四个同平面小切圆侧面工艺烧嘴3a，切圆角度为4.5°，气化炉下段气化室4设置二个对置式工艺烧嘴3b。设气化炉上段气化室1主体内直径为D1，气化炉主要尺寸参数见表1所示：
表1气化炉主要尺寸参数
  参数   数值   参数   数值
  合成气出口5内直径   0.32D1(m)   α   4.5(°)
  侧面工艺烧嘴室2a内直径   0.4D1(m)   ξ   0(°)
  侧面工艺烧嘴室2a与合成气出口5间距   2.5D1(m)   β   0(°)
  侧面工艺烧嘴室2a与对置式工艺烧嘴室2b中心距   1.2D1(m)   δ   0(°)
  气化炉下段气化室4主体内径   1.2D1(m)
  气化炉下段气化室4主体单侧长度   2D1(m)
  排渣口9内径   0.4D1(m)
采用纯氧气体为气化剂，气化炉上段气化室的侧面工艺烧嘴3a喷入适量水蒸汽，水蒸汽与总煤粉进料量的比值控制为0.15kg/kg，以N2为载气加压密相输送煤粉，侧面工艺烧嘴3a喷入氧气占总量的10％，所用煤种的煤质分析数据如下表2～表5所示：
表2工业分析表
Figure BDA00002206399500071
表3元素分析表
Figure BDA00002206399500072
表4热值与灰熔点表
Figure BDA00002206399500073
Figure BDA00002206399500081
表5煤灰成分分析与煤粉哈氏可磨性指数表
Figure BDA00002206399500082
表6气化炉工艺指标表
上述试验结果表明，本实用新型提供的一种两段式气流床气化装置由于采用两段式进料和气化分区，并在气化炉内组合理组织了高温燃烧和气化两种反应，使气化炉的整体碳转化率、冷煤气效率等大大提高，炉内温度分布得到合理优化，并易于大型化放大设计。

Claims (8)

1.一种两段式气流床气化装置，包括气化炉上段气化室(1)，气化炉上段气化室(1)上部设有合成气出口(5)；气化炉下段气化室(4)通过气化炉中部喉口段(6)与气化炉上段气化室(1)连接，气化炉上段气化室(1)轴线和气化炉下段气化室(4)轴线垂直相交；底部渣池(8)通过气化炉下部渣口(7)与气化炉下段气化室(4)连接，底部渣池(8)下部设有渣池排渣口(9)，其特征在于：所述气化炉上段气化室(1)四周设有至少一层侧面工艺烧嘴室(2a)，至少两个侧面工艺烧嘴(3a)对称设于侧面工艺烧嘴室(2a)内；所述气化炉下段气化室(4)两侧同轴设有对置式工艺烧嘴室(2b)，两个对置式工艺烧嘴(3b)同轴设于对置式工艺烧嘴室(2b)内。
2.如权利要求1所述的一种两段式气流床气化装置，其特征在于：所述气化炉上段气化室(1)主体为内壁面设有耐火衬里的垂直圆柱形壳体，所述气化炉下段气化室(4)主体为内壁面设有耐火衬里的水平圆柱形壳体。
3.如权利要求2所述的一种两段式气流床气化装置，其特征在于：所述耐火衬里为耐火砖衬里结构或水冷壁衬里结构。
4.如权利要求2所述的一种两段式气流床气化装置，其特征在于：所述侧面工艺烧嘴室(2a)轴线与所述气化炉上段气化室(1)径向的夹角α为0～30°；所述侧面工艺烧嘴室(2a)轴线与所述气化炉上段气化室(1)轴向的夹角β为60～120°。
5.如权利要求2所述的一种两段式气流床气化装置，其特征在于：所述侧面工艺烧嘴(3a)轴线与所述侧面工艺烧嘴室(2a)在水平面上的夹角ξ为0～30°，
所述侧面工艺烧嘴(3a)轴线与所述侧面工艺烧嘴室(2a)在垂直面上夹角δ为0～15°。
6.如权利要求1所述的一种两段式气流床气化装置，其特征在于：所述合成气出口(5)内直径为所述气化炉上段气化室(1)主体内直径(D1)的5％～50％。
7.如权利要求1所述的一种两段式气流床气化装置，其特征在于：所述侧面工艺烧嘴室(2a)与合成气出口(5)的距离为1.5～5倍气化炉上段气化室(1)主体内直径(D1)，所述侧面工艺烧嘴室(2a)与对置式工艺烧嘴室(2b)垂直中心距为0.5～3倍气化炉上段气化室(1)主体内直径(D1)。
8.如权利要求1所述的一种两段式气流床气化装置，其特征在于：所述气化炉上段气化室(1)主体高度(H1)为1.5～8倍气化炉上段气化室(1)主体内直径(D1)，所述气化炉下段气化室(4)主体内直径(D2)为0.3～2倍气化炉上段气化室(1)主体内直径(D1)，所述气化炉下段气化室(4)主体单侧长度(H2)为1～3倍气化炉下段气化室(4)主体内直径(D2)。
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