CN204752639U - 一种二段式气流床气化炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种二段式气流床气化炉。在以干煤粉气流床气化的工况下，需要开发出更加清洁、更长使用寿命、更高碳转化率和气化反应强度的气化炉。本实用新型的特征在于，所述预气化室的出口斜插入主气化室内，预气化室出口的中心至主气化室底部的高度与主气化室直径之比为0.3～2：1；在垂直剖面上，预气化室的轴线与主气化室轴线形成的夹角α为30～90°；在水平剖面上，预气化室的轴线与主气化室切线形成的夹角β为30～90°；所述预气化室的顶部设有煤气化烧嘴，所述的主气化室上设有气化剂喷嘴。本实用新型提高了炉衬的使用寿命，并且减小了煤粉通过排渣口落入渣池所引起的燃料浪费，非常适合于利用煤粉制备工业燃气的场合。

Description

一种二段式气流床气化炉

技术领域

本实用新型涉及煤、生物质、石油焦等固态含碳燃料与气化剂在高温下反应生成CO、H₂的气化反应器领域，尤其是一种二段式气流床气化炉。

背景技术

粉煤气流床气化技术具有清洁、高效的特点，是煤炭气化技术的发展方向。气流床气化技术采用煤粉为原料，对煤种没有特殊要求，几乎任何煤种都可以气化，在富氧、纯氧环境下计划，煤转化效率高，可以达到98～99%以上，生产的煤气中没有焦油，其他小分子的污染物很容易去除，煤气热值高，完全可以替代天然气成为工业企业的首选燃料。

干煤粉气流床气化技术在生产过程无需额外的水源，生产过程中污染小，可以接近零污染，生产规模可大可小，适应于各种生产规模的需要。因此，利用干煤粉气流床气化技术生产洁净的煤气，是工业企业自备煤气厂的首选方式。

传统的气流床气化技术主要来自于煤化工行业的应用，最早引入中国的技术是壳牌干煤粉气化技术，该技术主要应用于大规模的煤粉气化行业经过多年的生产使用，逐步发现了一些问题；另外大规模干煤粉气化技术应用在小规模的工业燃气制备上，也出现了与大规模煤气化所不同的问题。

一、工艺烧嘴附近存在局部高温区域，在高温的冲蚀下，炉衬容易被烧损，影响气化炉连续长周期工作。设置在气化炉周向的多个工艺烧嘴，先炉膛内高速喷入氧气与煤粉，在烧嘴附近可以产生近2000℃的高温，在炉内高速旋转的煤粉气流的带动下，对炉衬形成冲蚀。炉衬破坏后将很快冲蚀水冷壁，导致水冷壁破损，直至停车。

二、工业燃气制备行业上的煤粉气化炉的投煤量通常比较小，一般在20～200吨/天居多，与大规模粉煤气化的1000～3000吨相差很远，实际运行当中发现炉膛内炉衬表面内挂渣厚度不足，利用渣膜保护炉衬的效果差，炉衬使用寿命短。

三、炉膛内旋转的气流会将一部分未完全气化的半焦颗粒通过排渣口带入到渣池。生产实践中发现，气化炉底部的渣池会有大量的煤粉或者半焦颗粒，连同熔渣颗粒排出气化炉。这些黑色的煤粉颗粒即造成了煤粉的浪费，又污染了渣池循环水，造成环境污染。

四、气化炉内反应强度不均匀。烧嘴附近处受烧嘴射流的影响大，动能大、且气化反应强度大，远离烧嘴位置的反应区域气化强度逐渐减弱，到气化炉出口位置时强度最弱。气化炉内的气流旋转动能主要是靠烧嘴射流形成的，煤粉从烧嘴进入炉膛内，开始阶段混合的动能大，温度高，煤炭颗粒内活性部分很容易得到气化，而随着气化反应的深入，半焦颗粒进入到远离烧嘴的低混合动能区域，这些半焦颗粒的活性最低，是最难以气化的煤焦颗粒，因此很容易导致煤炭颗粒中的残碳得不到彻底的气化，气化炉出口飞灰中残碳含量较高，影响了煤碳转化效率。

综上所述，在以干煤粉气流床气化的工况下，需要开发出更加清洁、更长使用寿命、更高碳转化率和气化反应强度的气化炉，才能更广泛的推广干煤粉气流床气化技术应用到小型工业燃气制备行业。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种在干煤粉气流床气化的工况下，具备更加清洁、更长使用寿命、更高碳转化率和气化反应强度的气化炉。

为此，本实用新型通过以下技术方案来解决上述技术问题：一种二段式气流床气化炉，包括一个或多个预气化室和一个主气化室，其特征在于，

所述预气化室的出口斜插入主气化室内，预气化室出口的中心至主气化室底部的高度与主气化室直径之比为0.3～2：1；

在垂直剖面上，预气化室的轴线与主气化室轴线形成的夹角α为30～90°；在水平剖面上，预气化室的轴线与主气化室切线形成的夹角β为30～90°；

所述预气化室的顶部设有煤气化烧嘴，所述的主气化室上设有气化剂喷嘴。

二段式气流床气化炉保证了预气化室、主气化室不受高温冲蚀。预气化室体积小，在气化剂气流的带动下，炉内气流扰动强度非常大，燃料中活性较高的部分首先气化，煤气射流进入主气化室后，煤气射流因为还原反应已经避开了极端高温，通常情况下温度降到了800～1400℃，这样避免对主气化室造成局部高温的冲蚀，使得气化炉能够长期有效工作。燃料与气化剂从预气化室的端部喷入，高温区域集中在预气化室的中心位置，预气化室炉衬也不会受到高温的冲蚀；另外，预气化室结构上与主气化室独立，可以更换，万一预气化室因为热冲蚀导致不能正常工作，也可以迅速得到更换。

在结构设计上，由于预气化室体积小，预气化室可以设计为一个可以拆卸的部件，与主气化室分开；预气化室相对于主气化室，工作条件相对恶劣，这样的结构设计充分考虑了设备维护的方便性：当预气化室损坏时，可以马上更换新的预气化室部件，立刻恢复生产。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本实用新型采取以下技术措施：

所述的气化剂喷嘴有多个，其设置在预气化室以下并沿着主气化室四周均布；或所述的气化剂喷嘴设置在主气化室的排渣口以下，垂直向上往主气化室内喷入气化剂。

所述的预气化室采用可拆卸结构与主气化室连接，方便预气化室与主气化室分开，设备维护方便。

所述的预气化室大体呈圆柱形，其头部呈圆锥状，提高气流的喷射速度，加快反应。

所述的煤气化烧嘴包括主烧嘴和设置在主烧嘴外壁上的至少一个煤粉喷嘴，一火焰探测管的头部置于所述主烧嘴内的中心位置，火焰探测管的外层设有燃气通道，该燃气通道的头部设有燃气喷嘴；所述燃气通道的外层设有助燃风通道，该助燃风通道的头部设有旋流结构，所述的燃气喷嘴和旋流结构均置于主烧嘴内；

所述火焰探测管头部到主烧嘴头部之间形成的空间为预燃室，该预燃室的长度与主烧嘴内径之比为0.2～3：1；

所述的燃风通道内设有点火枪，该点火枪的出火口位于预燃室内，火焰探测管的尾部设有火焰检测装置。

煤气化烧嘴工作时，助燃风经过助燃风通道头部的旋流结构后，与从燃气喷嘴喷射出来的燃气混合，在预燃室产生旋转的流场进行初步燃烧，然后以旋流形状往主烧嘴外部的炉膛内喷射火焰；当炉膛内达到规定的温度后，从煤粉喷嘴喷射出来的煤粉与从预燃室喷射出来的火焰混合，引燃煤粉，在炉膛内开始燃烧；当炉膛内煤粉着火稳定后，关闭燃气供应，预燃室断火，从预燃室出来的助燃风在主烧嘴出口与从煤粉喷嘴出来的煤粉混合，在炉膛内高温回流烟气的引燃下，在炉膛内实现稳定的燃烧或者气化。所述的助燃风为空气、富氧、纯氧的一种或者几种的混合物。

所述主烧嘴呈圆柱形，其出口为缩口，有效保证向炉膛内喷射的火焰呈旋流形状；所述的煤粉喷嘴设置在主烧嘴出口处，使从煤粉喷嘴喷射出来的煤粉与从预燃室喷射出来的火焰混合后在炉膛内进行燃烧，而不在预燃室燃烧。

所述主烧嘴的外壁上连接至少一个用于主烧嘴降温的水冷通道，对主烧嘴进行保护。

所述的旋流结构由多个周向均布在燃气通道外侧壁与助燃风通道内侧壁之间的旋流叶片组成。

本实用新型具有的有益效果是：炉衬使用寿命是常规气化炉的3～5倍，碳转化率可以到达99.5%以上，煤气中飞灰成分可减少40～70%，并且减小了煤粉通过排渣口落入渣池所引起的燃料浪费，非常适合于利用煤粉制备工业燃气的场合；煤气化烧嘴集点火启动、煤粉气化及炉膛内气化状态检测功能于一体，智能化程度高，有效保证了气化炉正常、稳定工作，同时结构简单，操作方便。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本实用新型主气化室气流流动示意图。

图4为本实用新型煤气化烧嘴的结构示意图。

图5为本实用新型煤粉喷嘴处的截面示意图。

图6为本实用新型旋流结构的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图给出本实用新型较佳的实施例，以详细说明本实用新型的技术方案。

如图1-2所示的二段式气流床气化炉，由多个预气化室1和一个主气化室2组成，所述多个预气化室1的出口斜插入主气化室内，其出口的中心至主气化室2底部的高度H与主气化室直径D之比为0.3～2：1。在垂直剖面上，预气化室1的轴线与主气化室2轴线的夹角α为30～90°。在水平剖面上，预气化室1的轴线及其主气化室2切线形成的夹角β为30～90°。

预气化室1的顶部设有煤气化烧嘴4，燃料与气化剂通过煤气化烧嘴4喷入预气化室1的炉膛，预气化室1负责完成30～90%的气化率；余下的气化反应在主气化室2内完成，预气化室1出口的粗煤气射流的流速为5～50m/s。

如图1所示，气化室2设置气化剂喷嘴3，气化剂喷嘴3设置在预气化室1出口以下，并沿着主气化室四周均布；也可以设置在主气化室排渣口以下，垂直向下往主气化室2内喷入气化剂；主气化室2不设置燃料喷嘴。

如图3所示工作时煤粉与气化剂在预气化室1首先进行部分气化，所产生的高温粗煤气和未气化完全的半焦颗粒从预气化室1出口以高速射流状喷入主气化室2，气流沿主气化室2四周旋转而下，到达底部后再沿主气化室中心位置盘旋往上流动。从主气化室2顶部的出口排出。其间，高温粗煤气和未气化的半焦颗粒与主气化室气化剂烧嘴3喷入的气化剂混合，并进一步充分反应，使碳转化率在99.5%以上。大部分的燃料灰分形成了熔渣并且沿着主气化室2的壁面落入渣池激冷，所含的残碳几乎为零，少量进入渣池内的气流中所携带的飞灰残碳含量很低，渣池排出的熔渣颗粒清洁干净。

根据测试结果，本实用新型的气化炉中，炉衬使用寿命是常规气化炉的4.5倍，碳转化率可以到达99.8%，煤气中飞灰成分可减少53%，并且减小了煤粉通过排渣口落入渣池所引起的燃料浪费32%，且预气化室可以单独更换，非常适合于利用煤粉制备工业燃气的场合。

此外，上述气化剂为空气、含氧量21～90%以上的富氧、含氧量100%的纯氧中的一种或者任几种的混合物；燃料为煤粉、生物质颗粒、石油焦粉中的一种或任几种的混合物。

气化炉的炉衬结构，可以采用绝热的炉衬结构，也可以采用水冷壁或导热油等其他传热介质作为炉衬，还可以采用风冷方式的炉衬结构。

如图4-6所示的煤气化烧嘴，由主烧嘴11以及设置在主烧嘴出口处的多个煤粉喷嘴12组成。

所述的主烧嘴11呈圆柱形结构，主烧嘴的出口为缩口，火焰探测管15的头部置于所述主烧嘴内的中心位置，火焰探测管15的外层设有燃气通道16，该燃气通道16的头部设有燃气喷嘴。所述燃气通道16的外层设有助燃风通道17，该助燃风通道17的头部设有旋流结构6，所述的燃气喷嘴和旋流结构6均置于主烧嘴11内。所述的旋流结构6由多个周向均布在燃气通道16的外侧壁与助燃风通道17的内侧壁之间的旋流叶片13组成，如图6所示。

火焰探测管15头部到主烧嘴11头部之间形成的空间为预燃室7(即预气化室)，预燃室7长度L与主烧嘴11内径D之比为0.2～3：1。

煤粉喷嘴12的头部轴线与主烧嘴11轴线的夹角α为10～90゜，煤粉喷嘴12的头部轴线与主烧嘴11出口截面中心线的夹角β为0～60゜。

助燃风通道17内设点火枪8引燃燃气，该点火枪8的出火口位于预燃室7内。主烧嘴11的外壁设有水冷通道5，对主烧嘴11进行降温保护。

火焰探测管15的尾部设置有火焰检测装置14，火焰探测管15内一直通有冷却风，避免高温辐射热损害火焰检测装置。

煤气化烧嘴工作时，助燃风经过助燃风通道17头部的旋流结构6后，与从燃气喷嘴喷射出来的燃气混合，在预燃室7产生旋转的流场进行初步燃烧，然后以旋流形状往主烧嘴11外部的炉膛内喷射火焰；当炉膛内达到规定的温度后，从煤粉喷嘴12喷射出来的煤粉与从预燃室7喷射出来的火焰混合，引燃煤粉，在炉膛内开始燃烧。当炉膛内煤粉着火已经相对稳定后，关闭燃气供应，预燃室7断火，从预燃室7出来的助燃风在主烧嘴11出口与从煤粉喷嘴12出来的煤粉混合，在炉膛内高温回流烟气的引燃下，在炉膛内实现稳定的燃烧或者气化。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的结构作任何形式上的限制。凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种二段式气流床气化炉，包括一个或多个预气化室(1)和一个主气化室(2)，其特征在于，

所述预气化室(1)的出口斜插入主气化室内，预气化室(1)出口的中心至主气化室(2)底部的高度与主气化室直径之比为0.3～2：1；

在垂直剖面上，预气化室(1)的轴线与主气化室(2)轴线形成的夹角α为30～90??；在水平剖面上，预气化室(1)的轴线与主气化室(2)切线形成的夹角β为30～90°；

所述预气化室(1)的顶部设有煤气化烧嘴(4)，所述的主气化室(2)上设有气化剂喷嘴(3)。

2.根据权利要求1所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述的气化剂喷嘴(3)有多个，其设置在预气化室(1)以下并沿着主气化室四周均布。

3.根据权利要求1所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述的气化剂喷嘴(3)设置在主气化室的排渣口以下，垂直向上往主气化室(2)内喷入气化剂。

4.根据权利要求1所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述的预气化室(1)采用可拆卸结构与主气化室(2)连接。

5.根据权利要求1所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述的预气化室(1)大体呈圆柱形，其头部呈圆锥状。

6.根据权利要求1所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述的煤气化烧嘴(4)包括主烧嘴(11)和设置在主烧嘴外壁上的至少一个煤粉喷嘴(12)，

一火焰探测管(15)的头部置于所述主烧嘴内的中心位置，火焰探测管(15)的外层设有燃气通道(16)，该燃气通道(16)的头部设有燃气喷嘴；所述燃气通道(16)的外层设有助燃风通道(17)，该助燃风通道(17)的头部设有旋流结构(6)，所述的燃气喷嘴和旋流结构(6)均置于主烧嘴(11)内；

所述火焰探测管(15)头部到主烧嘴(11)头部之间形成的空间为预燃室(7)，该预燃室(7)的长度与主烧嘴(11)内径之比为0.2～3：1；

所述的燃风通道(16)内设有点火枪(8)，该点火枪(8)的出火口位于预燃室(7)内，火焰探测管(15)的尾部设有火焰检测装置(14)。

7.根据权利要求6所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述主烧嘴(11)呈圆柱形，其出口为缩口；所述的煤粉喷嘴(12)设置在主烧嘴(11)出口处。

8.根据权利要求6所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述主烧嘴(11)的外壁上连接至少一个用于主烧嘴降温的水冷通道(5)。

9.根据权利要求6所述的二段式气流床气化炉，其特征在于，所述的旋流结构(6)由多个周向均布在燃气通道(16)外侧壁与助燃风通道(17)内侧壁之间的旋流叶片(13)组成。