CN202912918U - 固相排渣的气流床气化炉 - Google Patents

固相排渣的气流床气化炉 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供固相排渣的气流床气化炉，气化炉分为气化室和冷却室，中间通过分段锥形封头隔开；气化室壳体从外向内依次是隔热材料层、冷却管和耐磨材料层；在气化室底部设置冷却液进口，顶部设置冷却液出口；气化室顶部中心设置顶喷嘴，上部沿圆周均匀设置3个以上侧喷嘴；分段锥形封头中心设置气化产物排出口；气化产物排出口外侧设置旋流冷却套，旋流冷却套上部接通冷煤气返回口；冷却室上部设置煤气出口，冷却室底部设置固体排渣口，充分利用气化产物余热，消除黑水难题。

Description

固相排渣的气流床气化炉
一、技术领域
本实用新型涉及煤化工领域，特别地，涉及煤气流床气化。
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并流式气化技术，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，高温保证了煤的完全气化，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，是未来煤气化技术发展方向。
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，但由于粘灰结垢堵塞通道，很少工业化应用。
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，黑水量大，生化处理难度高。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
本实用新型的目的就是为了克服现有气流床煤气化技术存在的不足而提供一种固相排渣的气流床气化炉，具有使用寿命长、煤种适应性广、碳的转化率高、处理量调节幅度大、热量回收率高、二次污染少等优点，可满足产业部门对气化炉的要求。
本实用新型的技术方案：
本实用新型提供固相排渣的气流床气化炉，由气化炉壳体、冷却管、耐磨材料层、隔热材料层、顶喷嘴、侧喷嘴、气化室、冷却液进出口、分段锥形封头、气化产物排出口、冷却室、旋流冷却套、冷煤气返回口、煤气出口、固体排渣口组成，其特征在于气化炉分为气化室和冷却室，中间通过分段锥形封头隔开；气化室壳体从外向内依次是隔热材料层、冷却管和耐磨材料层；在气化室底部设置冷却管冷却液进口，顶部设置冷却液出口；气化室顶部中心设置顶喷嘴，上部沿圆周均匀设置3个以及3个以上的侧喷嘴，侧喷嘴与水平方向夹角为0°～15°；位于气化室底部与冷却室顶部的分段锥形封头中心设置气化产物排出口；气化产物排出口外侧设置有旋流冷却套，旋流冷却套上部与冷煤气返回口接通；冷却室上部设置煤气出口，冷却室底部中心设置固体排渣口。
顶喷嘴与侧喷嘴的原料处理量之比为1～4∶1，最佳选择为2∶1。
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。
气化室的耐磨材料层为碳化硅或镁铝尖晶石材料浇注。
冷却室使用普通隔热耐磨材料浇注，高径比为4～8∶1，煤气出口距冷却室顶部高度为100-1000mm.
旋流冷却套与气化产物排出口直径之比为1.3～2∶1，气化产物排出口长度为200～1000mm，旋流冷却套长度为气化产物排出口长度的1.5～2倍。
四、附图说明
图1是本实用新型的新型水煤浆气化炉结构示意图。
附图的图面设明如下：1.气化炉壳体、2.冷却管、3.耐火材料层、4.顶喷嘴、5.侧喷嘴、6.气化室、7.冷却液进口、8.冷却液出口、9.气化产物排出口、10.保温材料层、11.分段锥形封头、12.冷却室、13.旋流冷却套、14.冷煤气返回口、15.煤气出口、16.固体排渣口。
五、具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细的介绍：图1所示，本发明所述的固相排渣的气流床气化炉由气化炉壳体(1)、冷却管(2)、耐火材料层(3)、顶喷嘴(4)、侧喷嘴(5)、反应室(6)、冷却液进口(7)冷却液出口(8)、气化产物排出口(9)、保温材料层(10)、分段锥形封头(11)、冷却室(12)、旋流冷却套(13)、冷煤气返回口(14)、煤气出口(15)、固体排渣口(16)组成；气化炉壳体(1)内的四周装有冷却管(2)，冷却管外为保温材料层(10)，冷却管固定在耐火材料层(3)中，耐火材料层(3)内部构成反应室(6)；在气化室底部设置冷却管冷却液进口(7)，顶部设置冷却液出口(8)；气化炉顶部轴向开孔设置顶喷嘴(4)，中上部均匀设置3个以上倾斜上喷的侧喷嘴(5)，位于气化室(6)底部与冷却室(12)顶部的分段锥形封头(11)中心设置气化产物排出口(9)；倾斜上喷的侧喷嘴(5)与水平方向夹角为0°～15°；气化产物排出口(9)外侧设置有旋流冷却套(13)，旋流冷却套(13)上部与冷煤气返回口(14)接通；冷却室(12)上部设置煤气出口(15)，冷却室(12)底部中心设置固体排渣口(16)。
顶喷嘴(4)与侧喷嘴(5)的原料处理量之比为1～4∶1，最佳选择为2∶1。
气化室(6)的高径比为2-5∶1，侧喷嘴(5)喷口距气化室(6)顶部高度为500-2500mm。
气化室(6)的耐磨材料层为碳化硅或镁铝尖晶石材料浇注。
冷却室(12)使用普通隔热耐磨材料浇注，高径比为4～8∶1，煤气出口(15)距冷却室(12)顶部高度为100-1000mm.
旋流冷却套(13)与气化产物排出口(9)直径之比为1.3～2∶1，气化产物排出口长度为200～1000mm，旋流冷却套(13)长度为气化产物排出口(9)长度的1.5～2倍。
固相排渣的气流床气化炉工作时，水煤浆或粉煤与气化剂经顶喷嘴和倾斜上喷的侧喷嘴入炉，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，生成的煤气与熔渣并流，经分段锥形封头中心的气化产物排出口进入下游的冷却室。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；加之耐火材料层在冷却管的冷却下，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，气化室使用寿命大大延长；冷却水或汽从气化室底部的冷却管冷却液进口流入，最后从顶部的冷却液出口流出。
通过旋流冷却套上部高速旋转而下的冷煤气与进入冷却室的粗煤气和液渣旋流混合换热，液渣固化，在旋流冷却套下部出口气固分离；固体渣从冷却室底部中心的固体排渣口排出；粗煤气由于惯性小携带炭黑向上流动，从冷却室上部的煤气出口流出进入下游的废锅换热工序和中温煤气水洗脱碳黑工序，充分利用气化产物余热，消除了下行气流床气化炉激冷渣产生的黑水难题。
本发明所提供的固相排渣的气流床气化炉，利用顶喷咀和侧喷嘴，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，大大延长了气化室的使用寿命；由于使用旋流冷却室，热量回收率高，消除了下行气流床气化炉激冷渣产生的黑水难题；煤种适应性广、碳的转化率高、处理量调节幅度大、二次污染少等优点，可满足产业部门对气化炉的要求。

Claims (6)

1.固相排渣的气流床气化炉，由气化炉壳体、冷却管、耐磨材料层、隔热材料层、顶喷嘴、侧喷嘴、气化室、冷却液进出口、分段锥形封头、气化产物排出口、冷却室、旋流冷却套、冷煤气返回口、煤气出口、固体排渣口组成，其特征在于气化炉分为气化室和冷却室，中间通过分段锥形封头隔开；气化室壳体从外向内依次是隔热材料层、冷却管和耐磨材料层；在气化室底部设置冷却管冷却液进口，顶部设置冷却液出口；气化室顶部中心设置顶喷嘴，上部沿圆周均匀设置3个以及3个以上的侧喷嘴，侧喷嘴与水平方向夹角为0°～15°；位于气化室底部与冷却室顶部的分段锥形封头中心设置气化产物排出口；气化产物排出口外侧设置有旋流冷却套，旋流冷却套上部与冷煤气返回口接通；冷却室上部设置煤气出口，冷却室底部中心设置固体排渣口。 
2.根据权利要求1所述的固相排渣的气流床气化炉，其特征在于所说的顶喷嘴与侧喷嘴的原料处理量之比为1～4∶1，最佳选择为2∶1。 
3.根据权利要求1所述的固相排渣的气流床气化炉，其特征在于所说的气化室的高径比为2-5∶1，侧喷嘴喷口距气化室顶部高度为500-2500mm。 
4.根据权利要求1所述的固相排渣的气流床气化炉，其特征在于所说的气化室的耐磨材料层为碳化硅或镁铝尖晶石材料浇注。 
5.根据权利要求1所述的固相排渣的气流床气化炉，其特征在于所说的冷却室使用普通隔热耐磨材料浇注，高径比为4～8∶1，煤气出口距冷却室顶部高度为100-1000mm. 
6.根据权利要求1所述的固相排渣的气流床气化炉，其特征在于所说的旋流冷却套与气化产物排出口直径之比为1.3～2∶1，气化产物排出口长度为200～1000mm，旋流冷却套长度为气化产物排出口长度的1.5～2倍。 
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102994160A (zh) * 2012-10-11 2013-03-27 田原宇 固相排渣的气流床气化炉
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