CN204162666U - 一种干法排渣流化床气化反应装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种干法排渣流化床气化反应装置，包括反应器本体、多级旋风分离装置、布风装置和给料、回料系统组成，采用循环流化床反应器为气化反应本体，采用中高温气化实现干法排渣，采用两段式分级气化，达到提高碳转化率和冷煤气效率的目的，简化的排渣装置与布风板设计相结合，提高了操作和运行稳定性，适合于各类含碳固体燃料的气化转化，具有大规模推广应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种干法排渣流化床气化反应装置，属于煤气化多联产技术领域。
背景技术
煤基多联产技术及煤气化为基础。现有气化技术主要由气流床、流化床和固定床气化三类。气流床主要以高温液态排渣气化技术为主，固定床主要以中高温固态排渣方式为主，流化床气化技术既有干法排渣技术也有液态排渣技术，但目前工业运行的气化技术主要以熔融态半干法排渣方式为主。流化床气化反应器以其燃料适应性广泛而备受用户青睐，但其运行的不稳定性和技术成熟度问题又使之在市场上很难大规模推广应用。
流化床反应器的特点是底部进入流化风，侧面给入燃料，固态/液态反应产物从床层底部排出，气态产物从反应器顶部排出。为了实现流化床内物流的流态化，反应器底部设有布风板，布风板的方式和结构直接决定反应器的排渣方式，如采用文丘里排渣管的美国专利US4435364和US4023280等，该文丘里排渣管位于气化反应器底部布风板的中心，排出反应器的颗粒由向上流动的气体进行控制，不设阀门和给料机构。
中国专利CN102083521和CN1038846均公布了一种带有中心喷管的流化床气化反应器，由于这两种反应器的炉内均形成了超过灰熔点的高温区，故实现了熔融态灰渣团聚的效果，实现半干法排渣。
由于半干法灰融聚排渣方式的前提是在反应器内形成局部高温区，并同时形成团聚流场，使颗粒相互碰撞粘结后通过环形排渣管排出。在这样的操作条件，导致排渣管长期处于高温高压和熔融态灰渣粘附等恶劣工况下，严重影响排渣管的使用寿命，因此必须经常进行更换或维修，由于使用材料价格昂贵，维修和维护费用较高，且停车频率过高导致生产成本大幅提高。
根据现有流化床气化工业应用和运行情况发现，流化床气化技术由于其反应温度相比低于燃料灰熔点以下操作，且停留时间低于固定床，所以碳转化率一直处于较低水平，很难达到气流床和固定床气化反应器碳转化率99%的水平。
因此，有必要开发一种操作条件温和，气化效率高，维护简单，成本低廉的流化床气化反应器，在无需控制设备的前提下将气化后的固态颗粒物排出反应器，是流化床气化反应器的运行和制造成本大大降低。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种干法排渣流化床气化反应装置，同时采用两段式气化反应方法，提高流化床气化反应器的整体碳转化率。该气化反应装置包括流化床炉膛、底部布风板、直管式排渣管等主体部件组成，其中反应器膛被分为上炉膛和下炉膛两个部分。布风板采用锥形布置，锥形底部与一带扩口排渣管连接。
为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种干法排渣流化床气化反应装置，包括燃料给入、反应器本体、排渣系统、多级旋风分离和回料系统等组成等。
所述的反应器本体分为上、下两个气化室，燃料通过单侧给入，反应器底部设有锥形布风板和排渣管，排渣管为一喇叭口结构，扩口与锥形布风板相接，气化剂通过排渣管和布风板送入反应器，燃料给入口和回料口均位于布风板上方，多级旋风分离器分离下来的颗粒物全部经过回料装置送回反应器进行一步参与气化反应。
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的反应器本体中下气化室和上气化室直径不同，上气化室直径D 1大于下气化室直径D 2，两者比值范围D 1/D 2=1.1~3，优选范围D 1/D 2=1.6~2.4；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的布风板采用锥形设计，锥形口夹角α角度范围30~60°，优选值45°；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的布风板上设有气化剂喷口，气化剂喷口氧分布板圆周均匀布置，设有5~30圈喷口，每圈喷口数量相等，每圈喷口直径沿分布板径向递减，靠近排渣管的喷口直径最小，控制气化剂从分布板喷口喷出流速范围设为0.5~2m/s，优选值0.8~1.5m/s；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述排渣管上段扩口角度η，扩口角η小于范围锥形口夹角α，扩口角η角度范围10~30°，优选值15°；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的上段气化室和下段气化室采用锥形段相连，锥形段斜面与水平面夹角θ，θ角度范围30°~60°，优选值45°；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述上段气化室下方与锥形段相接上方设有二段烧嘴室，可安装烘炉燃烧器和二段气化烧嘴，烧嘴室中心轴线与水平面形成一夹角μ，夹角μ角度范围90°~150°，优选值120°；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的布置于上段气化室二段气化烧嘴室沿反应器筒体圆周同一水平面均匀布置，二段气化烧嘴室个数范围1~8个，优选2~4个；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的反应器回料装置和燃料给入装置设于布风板上方，两者对称布置于反应器圆周；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述反应器出口设有多级旋风分离器，气化产生的合成气夹带部分颗粒物从反应器顶部排出，依次进入一级旋风分离器和二级旋风分离器，一级旋风分离器和二级旋风分离器分离下来的颗粒在返料装置汇总混合，通过返料装置返回下段反应器内继续进行气化反应；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的多级旋风分离器可进行串并联设置，即对合成气进行分流形成并联，每个旁路设多级旋风分离器，优选为两级旋风分离器串联；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的燃料给入量W 1和回料量W 2的比值称为循环倍率，即W 2/W 1，其范围为20~80；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的循环倍率通过床层表观流速进行调节，表观流速反应了气流在反应器内截面流速，其范围优选为2~10m/s，优选为3~5 m/s；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的气化剂主要为水蒸汽、空气或富氧气体(O2体积浓度>21%)、二氧化碳或其混合气体；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的气化剂从中心排渣管、布风板和二段气化烧嘴室进入反应器，控制气化剂从中心排渣管进入反应器的比例为50~80%，优选值60%，剩余从布风板进入反应器和二段气化烧嘴室喷入，设定中心排渣管上端喷口气化剂流速8~25m/s，优选值12m/s；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的气化反应装置操作温度为800~1200℃，根据所使用的燃料灰熔融特性，优选范围900~1200℃；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的气化反应器和旋风分离器内衬采用耐火砖或浇注料等耐高温衬里材料；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的二段气化烧嘴室喷入的气化剂控制速度3~15m/s，优选范围4~8m/s；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的气化反应装置的操作压力为0~6.0MPa；
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的燃料可选择所有含碳固体燃料，包括生物质、煤炭、石油焦、兰炭、煤矸石及其混合物。
上述干法排渣流化床气化反应装置，其中，所述的燃料以固态颗粒形式通过高压输送给料方式进入反应器，燃料颗粒的粒径范围0~20mm，优选0~10mm。
本实用新型运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能，相比现有技术，本实用新型还具有如下有益效果：
（1）采用干法排渣两段式循环流化床作为气化反应主装置，降低了解决了液态排渣和融聚排渣过程容易发生排渣口堵塞的问题，大大提高了气化反应器的设备可用率，提高了设备的运行稳定性；
（2）采用带扩口排渣管和锥形布风板结构，可使气化反应器内流态化更加稳定，锥形布风板的聚集效应可使反应器排渣更加顺利可控，达到稳定的干法排渣效果，解决了套管式中心管容易烧蚀损坏的问题；
（3）采用两段式气化反应设计，可使流化床目前公认的碳转化率不高的问题得到明显改善，在二段反应室可使未反应颗粒继续发生气化反应，分解从一段反应室脱除的焦油和有极大分子物质，提高有效气产率，提高冷煤气效率；
（4）采用中低速流化速度，与现有灰融聚气化中常用的鼓泡床表观流速(~1m/s)相比，流速提高可使更多大颗粒参与流化，气固两相热质传递加速，提高气化反应速度，使反应器内温度分布和物料分布更加均匀，便于建立稳定的床层。
本实用新型采用两段式气化和干法排渣，解决了现有流化床气化反应装置液态排渣或半干法排渣和碳转化率低等问题，且可有效分解焦油等大分子有机物，后系统合成气净化除尘工艺大大简化，设备运行和维护成本大大降低。
附图说明
图1为一种干法排渣流化床气化反应装置示意图；
图2为一种干法排渣流化床气化反应器结构示意图；
图3为一种布风板和排渣管结构示意图；
图4为一种布风板结构示意图。
附图标记说明
1a－下段气化反应室；1b－上段气化反应室；2－一级旋风分离器；3－二级旋风分离器；4－燃料仓；5－燃料给料腿；6－回料腿；7－布风板第；8－中心排渣管；9－气化剂分布室；10－分布板气化剂入口管；11－中心排渣管气化剂入口管；12－二段气化烧嘴室；13－第二返料装置；14－返料管；15－第二返料装置；16－二旋回料腿；17－一旋回料腿；18－反应器出口；19－合成气出口管；20－一旋出口管；21－二旋出口；22－反应器外壳；23－耐火衬里；24－分布板气化剂喷口。
具体实施方式
为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
一种干法排渣流化床反应装置，包括气化炉本体、多级旋风分离器、燃料给入装置和燃料回料装置等组成。
本实用新型所述的燃料包括所有含碳固体燃料，将颗粒破碎至20mm以下用燃料仓4备料，通过燃料输送腿5送入流化床反应器，气化剂分别通过中心排渣管8和布风板7所设的气化剂喷口24送入反应器，首先在一段反应室内1a发生燃烧和气化反应，气化剂携带燃料颗粒形成流态化，气流携带部分颗粒向上流动进入二段反应室1b，在二段烧嘴室12喷入的气化剂作用下发生二次气化反应，并建立稳定的床层，合成气通过反应器顶部出口18排出，并夹带有部分未完全反应的燃料颗粒，在一级旋风分离器2和二级旋风分离器3的作用下，颗粒被分离，分别通过回料腿16和17在返料装置15处汇合，依次经下降料腿14、返料装置13和回料腿6返回气化反应器，形成循环气化，达到较高的循环倍率。
所述的气化反应装置中气化反应器1、一/二级旋风分离器2、3等设备均采用耐火材料衬里结构，向火面采用防磨耐火衬里。
所述的气化剂可选择水蒸汽、氧气、富氧空气和二氧化碳及其混合气体，氧气作为氧化剂不需达到一定的流量与燃料发生燃烧和气化反应。大部分气化剂从中心排渣管8喷入，其余气化剂通过布风板7和二段气化烧嘴室12喷入气化反应器；
所述的二段气化烧嘴室12可作为点火烘炉燃烧器的安装室，起到烘炉的作用。
实施例1
以一台日处理量720吨褐煤的流化床气化反应装置为例。燃料煤的煤质数据见表1所示。气化反应装置的设计参数如下：
操作压力：0.5MPaG；
操作温度：1000℃；
气化剂：纯氧和水蒸汽；
燃料粒径：0~10mm，平均粒径6mm；
反应器结构：下段气化室内径1.1m，高8m，上段气化室内径2.1m，高15m，锥形段缩口角度45°；
循环倍率：30；
气化剂分配：中心排渣管占65%，布风板，25%，二段烧嘴室10%；
排渣温度：900℃；
反应器内截面表观流速：3.2m/s。
表1 燃料煤煤质分析数据
气化反应出口合成气主要气体组成：
CO：52.35；H2：35.18；CH4：3.86；CO2：4.11；H2O：3.38；N2：1.22
合成气流量：2412kmol/h；
合成气温度：892℃；
水蒸汽消耗：5200kg/h;
氧气消耗：12241kg/h；
氮气消耗：150Nm3/h；
国内外同类技术代表性技术指标对比情况见表2所示。
表2 流化床气化反应技术指标对比
从表2的技术指标对中，可以得出，本实用新型专利所述的流化床气化反应装置在氧气消耗、水蒸汽消耗等消耗指标上由于国内外同类技术，碳转化率高出5个百分点以上，操作温度较低，实现两段式气化和干法排渣工艺。
综上所述，本实用新型专利具有明显的技术创新优势，适用于燃料气化等转化利用的大规模推广应用。
Claims (17)
1.一种干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，包括反应器本体、多级旋风分离装置、布风装置和给料、回料系统；
所述的反应器本体包括下段气化反应室(1a)，上段气化反应室(1b)、反应器出口(18)、布风板(7)、耐火衬里(22)、承压壳体(23)、气化剂分布室(9)、二段气化烧嘴室(12)和中心排渣管(8)主要部件组成；
所述的下段气化反应室(1a)和上段气化反应室(1b)中间通过一锥形缩口段相连，在锥形缩口段下方和布风板(7)上方设有燃料给入装置(5)和回料装置(6)；
所述的布风板(7)与气化剂分布室通过设在布风板上的气化剂喷口(24)相通，气化剂分布室连接有气化剂入口管(12)，中心排渣管(8)与布风板(7)相接，中心排渣管(8)下方接有气化剂入口管(11)；
所述的回料装置为气化反应器本体出口(18)后方设有多级旋风分离装置，多级旋风分离器分离下来的颗粒通过回料装置(13、14、15、16、17)以及回料腿(6)将燃料返回下段气化反应室(1a)。
2.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，上气化室直径D1大于下气化室直径D2，两者比值范围D1/D2＝1.1～3。
3.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，二段气化烧嘴室(12)沿反应器筒体圆周同一水平面均匀布置，二段气化烧嘴室个数范围1～8个，烧嘴室中心轴线与水平面形成一夹角μ，夹角μ角度范围90°～150°。
4.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，布风板采用锥形设计，锥形口夹角α角度范围30～60°，中心排渣管上段扩口角度η，扩口角η小于范围锥形口夹角α，扩口角η角度范围10～30°。
5.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述锥形布风板(7)，布风板(7)上设有气化剂喷口，气化剂喷口氧分布板圆周均匀布置，设有5～30圈喷口，每圈喷口数量相等，每圈喷口直径沿分布板径向递减，靠近排渣管的喷口直径最小，气化剂从分布板喷口喷出流速范围设为0.5～2m/s。
6.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述气化剂从中心排渣管、布风板和二段气化烧嘴室进入反应器，控制气化剂从中心排渣管进入反应器的比例为50～80％剩余从布风板进入反应器和二段气化烧嘴室喷入，设定中心排渣管上端喷口气化剂流速8～25m/s。
7.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述流化床气化反应器 内截面表观流速范围为2～10m/s，控制循环倍率W2/W1，其范围为20～80。
8.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述气化反应器操作温度为800℃～1200℃，根据所使用的燃料灰熔融特性，操作压力范围0～6.0MPa。
9.如权利要求8所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述气化反应器操作温度为900℃～1200℃。
10.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述的多级旋风分离器可进行串并联设置，即对合成气进行分流形成并联，每个旁路设多级旋风分离器。
11.如权利要求2所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述范围D1/D2＝1.6～2.4。
12.如权利要求3所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，二段气化烧嘴室个数范围2～4个，所述夹角μ角度为120°。
13.如权利要求4所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述锥形口夹角α角度为45°，所述扩口角η角度为15°。
14.如权利要求5所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述气化剂从分布板喷口喷出流速为0.8～1.5m/s。
15.如权利要求6所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，控制气化剂从中心排渣管进入反应器的比例为60％，剩余从布风板进入反应器和二段气化烧嘴室喷入，设定中心排渣管上端喷口气化剂流速为12m/s。
16.如权利要求1所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述流化床气化反应器内截面表观流速为3～5m/s。
17.如权利要求10所述的干法排渣流化床气化反应装置，其特征在于，所述每个旁路设两级旋风分离器。
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Ni Jianjun Inventor after: Yang Zhen Inventor after: Zhang Jianwen Inventor after: Chi Guozhen Inventor before: Ni Jianjun Inventor before: Yang Zhen Inventor before: Zhang Jianwen |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: NI JIANJUN YANG ZHEN ZHANG JIANWEN TO: NI JIANJUN YANG ZHEN ZHANG JIANWEN CHI GUOZHEN |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150218 Termination date: 20180925 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |