CN102492478B - 两段式多喷嘴加压气化炉及其气化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两段式多喷嘴加压气化炉及其气化方法，该气化炉的气化室分为上下两段，上、下段气化室的直径比为0.2～0.8，高度比0.1～0.5。通过缩小上段气化室直径，可削弱顶部喷嘴射流造成的射流回流区的形成，控制下段气化室高温烟气向上流动量，降低了气化炉上段气化室的整体温度，延长了使用寿命。该气化方法是：从顶部喷嘴喷入的少量气化剂仅为顶部喷嘴喷入燃料所需气化剂的25％～75％，剩余气化剂由侧面喷嘴补充送入气化炉。如此上段气化室仅发生热解等吸热反应，下段气化室由于喷入气化剂过量，发生部分燃烧反应，与来自上段气化室的碳或煤焦颗粒进行二次气化反应，最终生成合成气，提高了碳转化率和冷煤气效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种两段式多喷嘴加压气化炉及其气化方法。
背景技术
煤等含碳燃料的气化技术在联合循环(IGCC)发电装置、合成氨和合成甲醇工业、海绵铁的生产、纯氢气的制备等领域得到了广泛的应用，而气化炉则是原燃料气化的关键设备。为此，众多的科技人员研究开发了各种类型的气化炉。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，有代表性的主要有三种：采用水煤浆为原料的气化炉有德士古(Texaco，现为GE公司)和我国华东理工大学等单位开发的多喷嘴对置式水煤浆气化炉；采用干煤粉为原料的气化炉有谢尔(Shell)，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。根据文献US4637823、US4527997和US5281243公开的德士古气化工艺，该气化炉为单喷嘴顶置式，单喷嘴顶置式气化炉的炉内流场结构基本相同，包括GSP气化炉，由于顶部射流的湍流强度较高，存在部分物料短路和形成较大射流回流区的现象，炉内流场和温度场不尽合理，而且单喷嘴气化炉在大规模化的过程中也会遇到很多的困难。谢尔气化炉和两段式干煤粉气化炉均采用煤气与熔融态渣呈逆向流动，其主要存在两个缺点，一方面，熔融态渣在气流的逆向托力作用下靠重力向下排出气化炉，极易凝固堵塞渣口；另一方面，悬浮在气流中的细渣被气流带入合成气冷却器和后续冷却净化设备，在后续设备和管道中容易形成积灰堵塞，对设备的磨损也较为严重。文献CN98110616.1和200510111484.8所公开的华东理工大学等开发的多喷嘴气化炉采用侧面喷嘴对置式，由于四股较强的射流撞击燃烧后将形成明显撞击火焰，向上撞击火焰直接威胁气化炉顶部耐火材料的使用寿命，使炉内温度场和气化反应状态不尽合理。综上所述，尽管已有多种不同形式的气化炉成功实现了工业化应用，但均不同程度地存在反应物停留时间分布不合理、碳转化率不理想、炉内温度场不均匀等问题。中国专利CN101003755和CN2460865是两段式多喷嘴气化炉，都采用在顶部设置喷嘴的方法进行改进，虽然从一定程度上抑制了侧面喷嘴撞击产生的气化火焰对气化炉炉顶的冲击，但是顶部喷嘴的射流将产生较大的射流回流区，以及顶部喷嘴喷入的燃料在气化炉顶部附近发生充分的气化反应，也将产生大量热量，故气化炉顶部仍然承受高温气流的强烈冲刷，严重影响其使用寿命，因此两者的炉内流场和气化反应组织仍不尽合理。
综上所述，气化炉技术开发的关键是如何优化炉内流场，达到气化炉内近壁区域的温度均匀分布，且远离高温区。因此，开发一种大规模高效的气化技术是提高我国燃料气化技术 可靠性的关键技术途径之一。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种新型两段式多喷嘴加压气化炉，该气化炉顶部不用承受高温气流的强烈冲刷，可以延长使用寿命。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种新型两段式多喷嘴加压气化炉，包括炉壳，炉壳内设置气化室和合成气冷却室，所述气化室分为上下两段，第一段为上段气化室，第二段为下段气化室，上段气化室与下段气化室的直径比为0.2～0.8，高度比0.1～0.5；上段气化室顶部设有喷嘴室，喷嘴室中设置1个顶置工艺喷嘴，下段气化室侧面沿圆周方向设有至少一层工艺烧嘴室，工艺烧嘴室中布置侧面工艺喷嘴，侧面工艺喷嘴以机械方式安装在工艺喷嘴室中，气化室锥形渣口设置在下段气化室底部。通过缩小上段气化室直径，可大大削弱顶部喷嘴射流造成的射流回流区的形成，有效控制下段气化室高温烟气向上流动量，有助于降低气化炉上段气化室的整体温度，从而有效杜绝了上段气化室炉壁材料超温和受高温气流冲刷的问题，延长了其使用寿命；由于上段气化室的气化负荷主要为顶置单喷嘴送入的燃料，因此其所需的气化空间高度比下段气化室低得多。
与专利CN101003755和CN2460865所公开的气化炉不同的是，本发明同时实现了分区和分级的气化方法，大部分燃料和气化剂通过侧面工艺喷嘴送入下段气化室，在下段气化室发生气化反应，一小部分燃料和少量气化剂则通过布置在上段气化室顶部的顶置工艺喷嘴喷入上段气化室内，它吸收下段气化室内的高温烟气进行预热、热解和部分气化反应，由于气化剂不足，且上段气化室直径较小，不会形成明显射流回流区对下段气化室高温烟气的卷吸作用，有效控制了下段气化室高温烟气向上流动通量，使上段气化室发生的气化反应主要为热解等前期反应，产生的热量大大降低，故上段气化室内的温度大大降低，有效保护了气化炉上段气化室的炉壁材料。上段气化室形成的粗煤气和半焦则在下段气化室多只侧面工艺喷嘴所行成的向下切圆射流的卷吸作用下，进入下段气化室并与主燃料一起进入下段气化室内进行二次反应。
所述下段气化室侧面的烧嘴室设置1～3层，每层工艺烧嘴室对称布置4～6个侧面工艺喷嘴。
气化炉的气化室为盘管式或悬壁式水冷壁型，或者是采用耐火材料衬里的热壁型。
气化室和合成气冷却室自上而下竖直并同轴连接在压力壳体中。
本发明所述的侧面工艺喷嘴的轴线相切于同一假想圆，偏斜方向和偏斜角度是一致的，径向偏斜角度要求为1～8°，轴向下偏斜角度1～10°。侧面工艺喷嘴送入原燃料和部分过量的气化剂，在下段气化室发生的气化和燃烧反应，为上段气化室的热解和气化过程提供热量。
本发明所提供的气化炉中下段气化室所设的侧面工艺喷嘴采用小角度切圆布置，切圆角度为1～8°。通过研究发现，该切圆角度不宜过大，当超过8°后，切圆旋流强度大大增加，使气化火焰旋转角度过大，出现气化火焰碰壁或与炉壁过分接近，将使该区域炉壁材料的使用寿命大大降低。而且本发明所提供的气化炉中下段气化室热负荷较高，故合适的切圆角度为1～8°。
本发明所提供的气化炉中下段气化室所设侧面工艺喷嘴采用轴向下偏角布置，偏斜角度为1～10°。研究发现，若该偏斜角度过大将使物料停留时间缩短，可能导致气化反应不彻底或气化炉底部出口超温等情况出现。
通过对侧面工艺喷嘴角度布置方式的优化布置，使气化炉内流场更加合理，一方面增加了煤焦颗粒在气化室内的停留时间；另一方面有效的增强了煤焦与气化剂的混合，从而进一步提高了碳转化率，也有效提高了气化炉的运行稳定性。
本发明的另一个目的是公开一种采用本发明所述的新型两段式多喷嘴加压气化炉的气化方法。
为实现上述目的，本发明的气化方法是：燃料和气化剂由顶置工艺喷嘴和侧面工艺喷嘴喷入气化室进行气化反应，顶部喷嘴喷入的少量气化剂仅为顶部喷嘴喷入燃料所需气化剂的25%～75%，剩余气化剂由侧面喷嘴等分补充送入气化炉。如此将形成上段气化室气化剂不足，且由于上、下段气化室的直径差和无明显顶部射流回流区，向上流动高温烟气量非常有限，因此上段气化室仅发生热解等吸热反应，而下段气化室由于喷入气化剂过量，将发生部分燃烧反应，产生的二氧化碳和水蒸汽将与来自上段气化室的碳或煤焦颗粒进行二次气化反应，最终生成合成气，如此将有效地提高了整体碳转化率和冷煤气效率。
与现有技术相比，本发明所提供的气化炉及其气化方法具有十分明显的优势。本发明具有以下主要创新点：
组织优化了炉内流场，使炉内温度分布更加合理。本气化炉采用两段式气化工艺，其大部分燃料和气化剂通过侧面工艺喷嘴送入，在下段气化室发生气化反应，一小部分燃料和少量气化剂则通过布置在上段气化室顶部的顶置工艺喷嘴喷入上段气化室内，并吸收下段气化室内的高温烟气进行预热、热解和部分气化反应，形成的粗煤气和半焦则在下段气化室多只侧面工艺喷嘴所行成的向下切圆射流的卷吸作用下，进入下段气化室并与主燃料一起送入下段气化室内进行二次反应，由于下段多只侧面工艺喷嘴采用切圆射流，一方面增加了煤焦颗粒在气化室内的停留时间；另一方面有效的增强了煤焦与气化剂的混合，从而进一步提高了碳转化率。使煤气的可燃成分增加，热值提高，同时使炉内温度分布更加均匀合理。气化所需气化剂主要通过侧面喷嘴送入气化炉，大大降低了气化炉顶部氧化强度，且降低了气化炉 顶部给料喷嘴区域温度，延长了该给料喷嘴的使用寿命。而且通过缩减上段气化室的直径和高度，可有效避免顶部喷嘴射流回流区的形成，控制了下段气化室高温烟气的向上流通量，从而使上段气化室的气化反应处于前期阶段，降低了上段气化室的温度，延长了其壁面材料的使用寿命。该气化炉的碳转化率、冷煤气效率及总热效率均比现有各类气化炉高，采用多喷嘴设计特别适合处理2000吨以上的大规模气化生产工艺。本发明的气化炉燃料使用范围广，其产品可适用于各种化工生产和IGCC发电系统。
附图说明
图1是气化炉的结构简图；
图2是侧面工艺喷嘴布置截面图。
附图标记说明：顶置工艺喷嘴1、喷嘴室2、上段气化室3、下段气化室4、工艺烧嘴室5、侧面工艺喷嘴6、气化室7、炉壳8、激冷水入水口9、激冷环10、合成出气口11、下降管12、折流管13、渣池14、下渣口15、耐火保温材料16、气化室锥形渣口17 。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明不局限于以下的实施例。
参见附图1，该气化炉为一直立圆筒，包括气化室和合成气冷却室两个部分，气化室和合成气冷却室外壳8为一承压壳体。气化室分上段气化室3(第一反应区)和下段气化室4(第二反应区)两个部分，上段气化室顶部设有喷嘴室2和顶置工艺喷嘴1，而下段气化室侧面至少布置一层侧面工艺喷嘴6以及工艺烧嘴室5，侧面工艺喷嘴6对称布置，各侧面工艺喷嘴6以机械方式安装在工艺喷嘴室2和5中，气化炉渣口设在下段气化室底部，采用锥形下渣口。气化炉炉体由炉壳8和气化室7组成，气化室7可采用盘管式或悬壁式水冷壁型，或采用耐火材料衬里的热壁型结构设计。气化室7与壳体8之间可填充耐火保温材料16，使壳体温度维持在合理的水平范围。
气化室内主要完成以下气化过程：大部分燃料和气化剂通过侧面工艺喷嘴送入，在下段气化室发生气化反应，通过顶置工艺喷嘴喷入小部分燃料，其与下炉膛生成的高温烟气进行热解和气化反应，所剩余未反应物料将继续向下流动或直接被侧面工艺烧嘴射流形成的旋流流场卷吸进行二次气化反应，从而使整体气化过程的碳转化率得到提高。
合成气冷却室设置在下段气化室4的下部，合成气冷却室包括激冷环10、下降管12、折流管13和合成气出口11。气化过程产生的渣料通过合成气冷却室底部的渣池14的下渣口15排出。
侧面工艺喷嘴向下倾斜，优选为，轴向下偏斜角度1～10°。
图2为下段气化室4侧面工艺喷嘴层的俯视图，优选为水平径向偏斜角度要求为1～8°，各个侧面工艺喷嘴6的轴线相切于同一假想圆。
为方便安装、检修和维护，整体气化炉炉壳上可以设置一个或多个人孔，例如可以在合成气冷却室中上部或中下部附近设置人孔。
实施例1
一个日处理3000吨煤的两段式多喷嘴干煤粉气化炉，气化压力4.0MPa，上段气化室壳体内径Φ3000mm，下段气化室内径Φ4000mm。气化炉总共设置五个工艺喷嘴，每个工艺喷嘴的原煤处理负荷基本一致，顶部布置1个工艺喷嘴，该喷嘴喷入20%煤粉、20%水蒸汽和10%氧气，侧面均匀布置一层4个侧面工艺喷嘴，侧面工艺喷嘴平面向下偏斜角度5°，径向偏斜5°，四个侧面工艺喷嘴共喷入80%的煤粉、80%的水蒸汽以及90%氧气。
气化剂为氧气和水蒸汽，氧气总消耗量70000Nm3/h，蒸汽总消耗量为22500kg/h，气化温度1400℃，煤粉与氧气的重量比例为1.25，出气化室气体总流量264175Nm3/h。
表1煤质组成
| 水(wt%) | 2 |
| 灰(wt%) | 13.21 |
| 元素分析(dry base wt%) | |
| C | 69.27 |
| H | 4.56 |
| O | 8.08 |
| N | 1.28 |
| S | 3.60 |
表2出气化室气体成分(vol%)
| 气体组分 | 数值 |
| H2 | 29.44 |
| CO | 58.49 |
| CO2 | 2.86 |
| H2S | 1.10 |
| COS | 0.09 |
| CH4 | 4.42 |
| N2 | 0.00 |
| NH3 | 0.05 |
| H2O | 3.49 |
| O2 | 0.00 |
实施例2
一个日处理3000吨煤的两段式多喷嘴水煤浆气化炉，气化压力6.5MPa，上段气化室壳体内径Φ2800mm，下段气化室内径Φ3800mm。气化炉总共5个工艺喷嘴的原煤处理负荷一致，顶置工艺喷嘴喷入20%水煤浆并采用空气雾化，侧面均匀布置一层4个侧面工艺喷嘴，侧面工艺喷嘴平面向下偏斜角度4.5°，径向偏斜3.5°，喷入80%的水煤浆和92%氧气。
表3煤质组成
| 热值(kJ/kg) | 27765 |
| 灰(wt%) | 16.748 |
| 元素分析(dry base wt%) | |
| C | 67.59 |
| H | 4.37 |
| O | 7.55 |
| N | 1.22 |
| S | 2.30 |
气化剂为氧气和空气，氧气总消耗量75616Nm3/h，从顶置工艺喷嘴喷入用于雾化顶部喷嘴水煤浆的空气总消耗量31311Nm3/h，气化温度1350℃，水煤浆与总进入氧气的重量比例为1.77，出气化室气体总流量326212Nm3/h。
表4出气化室气体成分(vol%)
| 气体组分 | 数值 |
| H2 | 25.95 |
| CO | 37.96 |
| CO2 | 11.70 |
| H2S | 0.63 |
| COS | 0.03 |
| CH4 | 0.02 |
| N2 | 6.34 |
| NH3 | 0.21 |
| H2O | 17.15 |
| O2 | 0.00 |
| HCl(ppm) | 50.0 |
实施例1说明了本发明适用于大型干煤粉气化生产，可使同煤种气化条件下的气化炉出口有效气组分提高1-2个百分点，碳转化率达99.9%，渣中残炭含量降低约50%，可对大部分高灰熔点煤进行气化。
实施例2说明了本发明适用于大型水煤浆气化生产，同样可使同煤种气化条件下的气化炉出口有效气组分提高1-2个百分点，碳转化率达99.9%，渣中残炭含量下降到<5%，与同类气化炉相比，渣中残炭含量降低了约50%，相当于每天比相同规模水煤浆气化技术节省了数十吨标准煤。
Claims (6)
1.一种两段式多喷嘴加压气化炉，包括炉壳(8)，炉壳(8)内设置气化室(7)和合成气冷却室，其特征在于：气化室(7)分为上下两段，第一段为上段气化室(3)，第二段为下段气化室(4)，上段气化室(3)与下段气化室(4)的直径比为0.2～0.8，高度比0.1～0.5；上段气化室(3)顶部设有喷嘴室(2)，喷嘴室(2)中设置1个顶置工艺喷嘴(1)，下段气化室(4)侧面沿圆周方向设有至少一层工艺烧嘴室(5)，工艺烧嘴室(5)中布置侧面工艺喷嘴(6)，侧面工艺喷嘴(6)以机械方式安装在工艺喷嘴室(5)中，气化室锥形渣口(17)设置在下段气化室(4)底部；
所述下段气化室(4)侧面的工艺烧嘴室(5)设置1～3层，每层工艺烧嘴室(5)对称布置4～6个侧面工艺喷嘴(6)；
每个侧面工艺喷嘴(6)的轴线相切于同一假想圆，水平径向偏斜角度要求为1～8°，轴向下偏斜角度1～10°。
2.根据权利要求1所述的两段式多喷嘴加压气化炉，其特征在于：所述合成气冷却室设置在下段气化室(4)的下部，合成气冷却室包括激冷环(10)、下降管(12)、折流管(13)和合成气出口(11)。
3.根据权利要求1所述的两段式多喷嘴加压气化炉，其特征在于：气化过程产生的渣料通过合成气冷却室底部的渣池(14)的下渣口(15)排出。
4.根据权利要求1所述的两段式多喷嘴加压气化炉，其特征在于：所述气化室(7)为盘管式或悬壁式的水冷壁型，或者是采用耐火材料衬里的热壁型。
5.一种用于权利要求1所述的两段式多喷嘴加压气化炉的气化方法，其特征在于：燃料和气化剂由顶置工艺喷嘴和侧面工艺喷嘴喷入气化室进行气化反应，顶部工艺喷嘴喷入的少量气化剂仅为顶部工艺喷嘴喷入燃料所需气化剂的25％～75％，不足的气化剂由侧面工艺喷嘴等分补充送入气化室。
6.根据权利要求5所述的气化方法，其特征在于：所述燃料为干煤粉或水煤浆。
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