CN203820730U - 一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，承压外壳的内腔从上向下依次设有气化室、激冷室和除渣室，承压外壳顶部中心设置有喷嘴，喷嘴从承压外壳外部向下插入到气化室内腔的顶部，喷嘴为复合喷嘴和多个干粉喷嘴组合而成的组合式多喷嘴结构，复合喷嘴为双层复合管道喷嘴，内层管道为助燃气通道，外层管道为氧化剂通道，多个干粉喷嘴围绕在复合喷嘴外侧均匀设置。本实用新型所述的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，通过对组合式喷嘴的特殊设计，有利于氧化剂和干粉进入气化室时，扩散更均匀，相互之间混合更充分，极大的提高了反应器的燃烧效率，能够在不增加反应器体积的条件下处理更大的煤量，有效的提高了气化规模。

Description

一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器

技术领域

本实用新型涉及煤炭清洁利用相关领域，广泛应用于发电、燃料气、化工原料气、燃料电池的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器。

背景技术

目前，煤气化的工艺是非常多的，这是由于世界各国对于煤气化的研究进行得比较深入，成果也各不相同。在学术上，按煤在气化炉中的流体力学行为，可分为固定床气化、流化床气化、气流床气化、熔融床气化。

前三种是比较成熟的工业技术，相比较而言，气流床气化具有气化温度高、强度大、混合充分、煤种适应性强、气化指标好、有效成分高的优点，目前已成为国内外大规模、高效率煤气化技术的首选技术。

气流床气化是采用极细的煤粉为原料，被氧气和水蒸气组成的气化剂高速气流携带，喷入气化炉。在炉内，固体细颗粒分散悬浮于气流中，并被气体夹带出去，成为气流床。按煤进料方式的不同，气流床煤气化技术可分为水煤浆气化和粉煤气化技术。成熟的气流床工艺主要以GE德士古(Texaco)水煤浆加压气化技术、壳牌(Shell)干煤粉加压气化技术、GSP干煤粉加压气化技术为代表。目前国内气化技术已完全可以和国外技术在同等水平上竞争。在水煤浆气化技术方面，国外有GE水煤浆气化技术，国内有西北化工研究院的多元料浆加压气化技术、华东理工大学的多喷嘴对置式水煤浆气化技术；在粉煤气化技术方面，国外有Shell的干粉气化技术和GSP技术，国内有华东理工大学的死喷嘴干粉气化技术、西安热工研究院的两段式干粉气化技术及北京航天是一所的航天炉技术等。

水煤浆气化技术成熟、结构简单、操作方便、碳转化率和气化效率高，但需要使用挥发分较高的煤、处理量调节幅度小、冷煤气效率较低、投资高，普遍存在着亟待解决的气化炉喷嘴和耐火砖寿命短的难题。

与水煤浆气化技术相比，粉煤气流床加压气化技术具有煤种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高，设备尺寸小，结构紧凑，占地面积小等技术优势，有更强的市场竞争力。另外，粉煤气化炉多采用盘管式水冷壁结构，无耐火衬里。水冷壁优点是外层壳体内壁的温度比较低，不容易损坏，正常使用时维护量很少，运行周期长，但盘管本身同时具有维护检修复杂，以及热阻大的缺点，并且燃烧效率和气化规模也不能满足现有人们的使用需要。

发明内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，用以解决现有的粉煤气化反应器燃烧效率和气化规模不能满足现有人们的使用需要的缺点。本实用新型采用的技术手段如下：

一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，包括：喷嘴、气化室、激冷室、除渣室和承压外壳；承压外壳的内腔从上向下依次设有气化室、激冷室和除渣室，承压外壳顶部中心设置有喷嘴，喷嘴从承压外壳外部向下插入到气化室内腔的顶部，并且同气化室连通，气化室和激冷室通过隔板上下分隔开，并且仅通过下降管顶部连通，喷嘴为复合喷嘴和多个干粉喷嘴组合而成的组合式多喷嘴结构，复合喷嘴为双层复合管道喷嘴，内层管道为助燃气通道，并且内层管道的中心设有点火电极，外层管道为氧化剂通道，多个干粉喷嘴围绕在复合喷嘴外侧均匀设置。

作为优选所述喷嘴的外侧设置有喷嘴基座，所述复合喷嘴外侧安装有相互连通的冷却水进水环管Ⅰ和冷却水出水环管Ⅱ，冷却水出水环管Ⅱ设置在冷却水进水环管Ⅰ外圈，冷却水进水环管Ⅰ向外连通有冷却水进水口Ⅲ，冷却水出水环管Ⅱ向外连通有冷却水出水口Ⅲ，多个干粉喷嘴在冷却水进水环管Ⅰ和冷却水出水环管Ⅱ间形成的间隙内围绕复合喷嘴均匀设置。

作为优选助燃气通道外壁安装有冷却水通道Ⅰ，内部连通有助燃气进口，氧化剂通道外壁安装有冷却水通道Ⅱ，内部连通有氧气进口，并且氧化剂通道的末端安装有旋流叶片，多个干粉喷嘴分别对应连接一个干粉通道，干粉通道的外壁安装有冷却水通道Ⅲ，冷却水通道Ⅲ同冷却水进水环管Ⅰ和冷却水出水环管Ⅱ循环连通，冷却水通道Ⅰ连通有冷却水进口Ⅰ和冷却水出口Ⅰ，冷却水通道Ⅱ连通有冷却水进口Ⅱ和冷却水出口Ⅱ。

作为优选旋流叶片的轴线和复合喷嘴的轴线夹角为5°-45°；所述干粉通道为直管通道，多个干粉喷嘴的喷嘴中心同时穿过一个圆，每个干粉通道沿此圆的圆周切线方向倾斜一定角度α，-45°＜α＜45。

作为优选冷却水通道Ⅰ、冷却水通道Ⅱ和冷却水通道Ⅲ为冷却水盘管或冷却水夹套。

所述气化室侧面安装有侧面水冷壁，侧面水冷壁为侧面水冷壁立管组成的立式竖管水冷壁；所述气化室的顶部安装有顶部水冷壁，顶部水冷壁为水平蛇形盘管水冷壁。

与现有技术比较，本实用新型所述的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器具有以下优点：

(1)、本实用新型通过对组合式喷嘴的特殊设计，如复合喷嘴的氧化剂通道末端设置了旋流叶片，围绕复合喷嘴设置了多个干粉喷嘴，干粉喷嘴中的干粉通道倾斜设置，均有利于氧化剂和干粉进入气化室时，扩散更均匀，相互之间混合更充分，极大的提高了反应器的燃烧效率，能够在不增加反应器体积的条件下处理更大的煤量，有效的提高了气化规模。

(2)、本实用新型侧面水冷壁为侧面水冷壁立管组成的立式竖管水冷壁，维护检修方便，热阻小，能够节约冷却水耗量，并增加了气化过程的热量回收，顶部水冷壁为水平蛇形盘管水冷壁，相较于通常使用的耐火砖，加强了气化室顶部抵抗高温及熔渣的侵蚀能力，提高了耐火材料的使用寿命，更换维护简便，正常使用时维护量很少，运行周期长，气化室由侧面水冷壁和顶部水冷壁围成一个圆筒形内腔，作为气化反应区域。

本实用新型采用成熟的工艺路线，充分吸收现有煤化工工艺及粉煤锅炉成熟技术，生产工艺流程容易打通，降低投资风险和研制周期；关键设备有大量的工程业绩和专业制造厂家，Texaco炉、Shell炉、水冷壁等都已国产化和在其它类似的工业产品中使用，产品的质量可以保证；粉煤燃烧器更换维护方便；单喷嘴的点火、燃烧负荷调节、控制系统都比多喷嘴优越。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的喷嘴结构示意图。

图3是本实用新型的喷嘴的俯视图。

图4是本实用新型的复合喷嘴的结构示意图。

图5是本实用新型顶部水冷壁的结构示意图。

图6是本实用新型侧面水冷壁的结构示意图。

其中：1、顶部水冷壁，2、承压外壳，3、侧面水冷壁，4、侧面水冷壁立管，5、激冷室，6、下降管，7、液面，9、喷嘴，10、粗合成气出口，11、黑水出口，12、排渣口，13、激冷水入口，14、顶部水冷壁冷却水出口，15、顶部水冷壁冷却水入口，16、侧面水冷壁冷却水出口，17、侧面水冷壁冷却水入口，18、气化室，19、除渣室，20、破泡板，21、冷却供水管，22、上升管，23、激冷环，24、激冷喷头，25、复合喷嘴，26、干粉通道，27、喷嘴基座，28、冷却水进水口Ⅲ，29、冷却水通道Ⅲ，30、旋流叶片，31、冷却水出水口Ⅲ，32、干粉喷嘴，33、点火电极，34、助燃气通道，35、氧化剂通道，36、冷却水进水环管Ⅰ，37、冷却水出水环管Ⅱ，38、冷却水通道Ⅱ，39、冷却水通道Ⅰ，40、冷却水进口Ⅰ，41、冷却水进口Ⅱ，42、冷却水出口Ⅱ，43、氧气进口，44、冷却水出口Ⅰ，45、助燃气进口。

具体实施方式

如图1-图6所示，一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，包括：喷嘴9、气化室18、激冷室5、除渣室19和承压外壳2；承压外壳2的内腔从上向下依次设有气化室18、激冷室5和除渣室19，承压外壳2顶部中心设置有喷嘴9，喷嘴9从承压外壳2外部向下插入到气化室18内腔的顶部，并且同气化室18连通，使喷嘴9、气化室18、激冷室5、除渣室19和承压外壳2同轴设置。

喷嘴9为复合喷嘴25和多个干粉喷嘴32组合而成的组合式多喷嘴结构，复合喷嘴25为双层复合管道喷嘴，内层管道为助燃气通道34，并且内层管道的中心设有点火电极33，点火电极33延伸至助燃气通道34的末端，外层管道为氧化剂通道35，并且助燃气通道34和氧化剂通道35的末端齐平(如图3所示)。

所述喷嘴9的外侧设置有喷嘴基座27，所述复合喷嘴25外侧安装有相互连通的冷却水进水环管Ⅰ36和冷却水出水环管Ⅱ37，冷却水出水环管Ⅱ37设置在冷却水进水环管Ⅰ36外圈，冷却水进水环管Ⅰ36向外连通有冷却水进水口Ⅲ28，冷却水出水环管Ⅱ37向外连通有冷却水出水口Ⅲ31，多个干粉喷嘴32在冷却水进水环管Ⅰ36和冷却水出水环管Ⅱ37间形成的间隙内围绕复合喷嘴25均匀设置(如图2和图3所示)。

助燃气通道34外壁安装有冷却水通道Ⅰ39，内部连通有助燃气进口45，氧化剂通道35外壁安装有冷却水通道Ⅱ38，内部连通有氧气进口43，并且氧化剂通道35的末端安装有旋流叶片30，旋流叶片30用于将氧化剂通道35内的氧化剂旋转喷出，旋流叶片30的轴线和复合喷嘴25的轴线夹角为5°-45°；多个干粉喷嘴32分别对应连接一个干粉通道26，所述干粉通道26为直管通道，多个干粉喷嘴32的喷嘴中心同时穿过一个圆，每个干粉通道26沿此圆的圆周切线方向倾斜一定角度α，-45°＜α＜45，并且多个干粉喷嘴32末端与复合喷嘴25末端平齐(如图2和图4所示)。

通过对组合式喷嘴9的特殊设计，如复合喷嘴25的氧化剂通道35末端设置了旋流叶片30，围绕复合喷嘴25设置了多个干粉喷嘴32，干粉喷嘴32中的干粉通道倾斜设置，均有利于氧化剂和干粉进入气化室18时，扩散更均匀，相互之间混合更充分，极大的提高了反应器的燃烧效率，能够在不增加反应器体积的条件下处理更大的煤量，有效的提高了气化规模。

干粉通道26的外壁安装有冷却水通道Ⅲ29，冷却水通道Ⅲ29同冷却水进水环管Ⅰ36和冷却水出水环管Ⅱ37循环连通，冷却水通道Ⅰ39连通有冷却水进口Ⅰ40和冷却水出口Ⅰ44，冷却水通道Ⅱ38连通有冷却水进口Ⅱ41和冷却水出口Ⅱ42。冷却水通道Ⅰ39、冷却水通道Ⅱ38和冷却水通道Ⅲ29为冷却水盘管或冷却水夹套(如图2-图4所示)。

如图1所示，所述气化室18侧面安装有侧面水冷壁3，侧面水冷壁3为侧面水冷壁立管4组成的立式竖管水冷壁，维护检修方便，热阻小，能够节约冷却水耗量，并增加了气化过程的热量回收，侧面水冷壁3的一侧水冷壁立管4顶部连通有侧面水冷壁冷却水出口16，另一侧水冷壁立管4底部连通有侧面水冷壁冷却水入口17(如图6所示)；所述气化室18的顶部安装有顶部水冷壁1，顶部水冷壁1为水平蛇形盘管水冷壁，并且顶部水冷壁1两侧分别连通有顶部水冷壁冷却水出口14和顶部水冷壁冷却水入口15以完成冷却水循环(如图5所示)，相较于通常使用的耐火砖，加强了气化室18顶部抵抗高温及熔渣的侵蚀能力，提高了耐火材料的使用寿命，更换维护简便，正常使用时维护量很少，运行周期长，气化室18由侧面水冷壁3和顶部水冷壁1围成一个圆筒形内腔，作为气化反应区域。

气化室18和激冷室5通过一个倒圆锥形的隔板上下分隔开，并且仅通过下降管6顶部连通，所述激冷室5由下降管6和上升管22分隔为气化气体的下降、上升、分离三个空间，激冷室5的顶端下降管6的外侧设有具有激冷喷头24的激冷环23，激冷环23通过冷却供水管21连通激冷水入口13，从而向激冷环23内冲入激冷水，多个激冷喷头24在激冷环23上均匀分布，激冷喷头24伸入到下降管6的内侧，冷却供水管21同承压外壳连接，激冷室5侧壁的上部设有粗合成气出口10，粗合成气出口10设于承压外壳2上。

下降管6的末端插入洗涤水的液面7的下方，下降管6的末端为锯齿状结构，有利于粗煤气形成均匀的气泡，并可通过锯齿的大小，控制所产生的气泡的大小，下降管6外壁至承压外壳2之间的空间为上升管22，上升管22和下降管6之间安装有水平设置的破泡板20，可将合成气中夹带的泡沫和灰渣进一步出去，充分除渣冷却后的合成气。

激冷室5下部的空间为除渣室19，除渣室19是由一段直筒壁和一个圆锥形的底部组合而成的空间，在圆锥形底部中心位置设有用来排出废渣的排渣口12，圆锥形侧壁上设有洗涤水循环口，直筒壁上设有连通黑水处理系统的黑水出口11。

本实用新型的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器内发生的气化反应过程简述如下：

进行气化反应时，先在复合喷嘴25的助燃剂通道34内通入助燃气体(通常为天然气)，利用点火电极33将助燃气体点燃。然后将干粉与氧化剂分别通过干粉喷嘴32的干粉通道26与复合喷嘴25的氧化剂通道35同时喷入反应器内的气化室，进行反应器的点火操作。点火成功后，切断助燃气体，在助燃气通道34内通入保护气(通常为氮气)，保护点火电极33不被烧坏。由于倾斜设置的干粉通道26和旋流叶片30对干粉和氧化剂均有旋转加速作用，使氧化剂和干粉进入气化室18时，扩散更均匀，混合更充分。此时反应器内温度压力逐渐升高，然后在高温(1400～1600℃)、高压(2.5～4.0MPa)下发生快速气化反应，产生以CO和H2为主要成分的热合成气。气化原料中的矿物质形成熔渣，熔渣颗粒在顶部射流扩散后射向水冷壁，由于受到水冷壁的冷却作用，形成附着在水冷壁上的固态熔渣和沿水冷壁流动的液态渣膜，通过以渣抗渣实现对水冷壁的两层保护，延长反应器的使用寿命。热合成气和熔渣一起通过气化室18底部的下降管6进入下部的除渣室19。下降管6的顶端设有激冷环23，激冷水在激冷环23上的激冷喷头作用下，沿下降管管壁垂直膜状或螺旋状流下，保护下降管6不受高温气体及熔渣的损害。下降管6的末端插入到洗涤水的液面下，合成气及熔渣经过激冷水和洗涤水的极具冷却，使渣粒固化成玻璃状，然后通过排渣口排出反应器，溢流出的洗涤水通过黑水出口11送至黑水处理系统。经过洗涤后的合成气再通过上升管22和下降管6间的环隙，返回到激冷室5中，下降管6末端设置为锯齿状结构，有利于粗煤气形成均匀的气泡，并可通过锯齿的大小，控制所产生的气泡的大小。下降管6和上升管22之间设有破泡板20，可将合成气中夹带的泡沫和灰渣进一步出去，充分除渣冷却后的合成气，经反应器侧面粗合成气出口10排出反应器，完成整个气化过程。

本实用新型采用成熟的工艺路线，充分吸收现有煤化工工艺及粉煤锅炉成熟技术，生产工艺流程容易打通，降低投资风险和研制周期；关键设备有大量的工程业绩和专业制造厂家，Texaco炉、Shell炉、水冷壁等都已国产化和在其它类似的工业产品中使用，产品的质量可以保证；粉煤燃烧器更换维护方便；单喷嘴的点火、燃烧负荷调节、控制系统都比多喷嘴优越。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，包括：喷嘴(9)、气化室(18)、激冷室(5)、除渣室(19)和承压外壳(2)；承压外壳(2)的内腔从上向下依次设有气化室(18)、激冷室(5)和除渣室(19)，承压外壳(2)顶部中心设置有喷嘴(9)，喷嘴(9)从承压外壳(2)外部向下插入到气化室(18)内腔，并且同气化室(18)连通，气化室(18)和激冷室(5)通过隔板上下分隔开，并且仅通过下降管(6)顶部连通，其特征在于喷嘴(9)为复合喷嘴(25)和多个干粉喷嘴(32)组合而成的组合式多喷嘴结构，复合喷嘴(25)为双层复合管道喷嘴，内层管道为助燃气通道(34)，并且内层管道的中心设有点火电极(33)，外层管道为氧化剂通道(35)，多个干粉喷嘴(32)围绕在复合喷嘴(25)外侧设置。

2.根据权利要求1所述的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，其特征在于：所述喷嘴(9)的外侧设置有喷嘴基座(27)，所述复合喷嘴(25)外侧安装有相互连通的冷却水进水环管Ⅰ(36)和冷却水出水环管Ⅱ(37)，冷却水出水环管Ⅱ(37)设置在冷却水进水环管Ⅰ(36)外圈，冷却水进水环管Ⅰ(36)向外连通有冷却水进水口Ⅲ(28)，冷却水出水环管Ⅱ(37)向外连通有冷却水出水口Ⅲ(31)，多个干粉喷嘴(32)在冷却水进水环管Ⅰ(36)和冷却水出水环管Ⅱ(37)间形成的间隙内围绕复合喷嘴(25)均匀设置。

3.根据权利要求1或2所述的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，其特征在于：助燃气通道(34)外壁安装有冷却水通道Ⅰ(39)，内部连通有助燃气进口(45)，氧化剂通道(35)外壁安装有冷却水通道Ⅱ(38)，内部连通有氧气进口(43)，并且氧化剂通道(35)的末端安装有旋流叶片(30)，多个干粉喷嘴(32)分别对应连接一个干粉通道(26)，干粉通道(26)的外壁安装有冷却水通道Ⅲ(29)，冷却水通道Ⅲ(29)同冷却水进水环管Ⅰ(36)和冷却水出水环管Ⅱ(37)循环连通，冷却水通道Ⅰ(39)连通有冷却水进口Ⅰ(40)和冷却水出口Ⅰ(44)，冷却水通道Ⅱ(38)连通有冷却水进口Ⅱ(41)和冷却水出口Ⅱ(42)。

4.根据权利要求3所述的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，其特征在于：旋流叶片(30)的轴线和复合喷嘴(25)的轴线夹角为5°-45°；所述干粉通道(26)为直管通道，多个干粉喷嘴(32)的喷嘴中心同时穿过一个圆，每个干粉通道(26)沿此圆的圆周切线方向倾斜一定角度α，-45°＜α＜45。

5.根据权利要求3所述的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，其特征在于：冷却水通道Ⅰ(39)、冷却水通道Ⅱ(38)和冷却水通道Ⅲ(29)为冷却水盘管或冷却水夹套。

6.根据权利要求1所述的一种顶进组合喷嘴加压粉煤气化反应器，其特征在于：所述气化室(18)侧面安装有侧面水冷壁(3)，侧面水冷壁(3)为侧面水冷壁立管(4)组成的立式竖管水冷壁；所述气化室(18)的顶部安装有顶部水冷壁(1)，顶部水冷壁(1)为水平蛇形盘管水冷壁。