專利名稱：一種固體燃料的氣化反應裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種固體燃料的氣化反應裝置。
背景技術：
煤氣化工藝已有二百多年的發展歷史，被廣泛地應用于工業和民用領域，在傳統的應用領域已經發展到非常成熟的水平。近二十年來，對環境保護的要求越來越高，將煤在鍋爐中直接燃燒產生蒸汽發電的傳統工藝受到了極大的挑戰，出現了各種煤氣化聯合循環的新型發電工藝，將煤先氣化，然后在燃氣輪機中燃燒做功直接帶動發電機。由于這類新型發電工藝對煤氣化的要求與傳統的煤氣化應用領域不同，一系列新的煤氣化工藝應運而生，主要有煤粉氣化、鼓泡流化床氣化和循環流化床氣化等。煤粉氣化一般采用純氧在煤灰熔點以上的高溫狀態下進行，氣化效率非常高，但是工藝成本也非常高；鼓泡流化床的氣化一般在高壓狀態下進行，由于工藝的限制，容量和爐膛的空間利用率有限；循環流化床氣化工藝是近十幾年發展起來的，目前的氣化效率還比較低，由于要求固相物料循環流動，氣化溫度必須限制在煤灰的熔點以下，研究工作主要集中在提高氣化效率方面。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術中成本高或氣化效率低的主要缺點，從而提供了一種固體燃料的氣化反應裝置。
本發明提供的一種固體燃料的氣化反應裝置，包括旋風爐1；所述旋風爐1包括上段部分2和下段部分3，上段部分2基本上呈圓筒形，下段部分3基本上呈上大下小的圓錐筒形；上段部分2的下端與下段部分3的上端成一體的無縫連接；上段部分2的頂端有一頂蓋4，所述頂蓋4的中心位置設有一排氣管5；所述旋風爐上段部分2的高度與其筒直徑的比值在1-20之間；所述旋風爐1靠近頂蓋4的側壁上設一沿側壁正切方向的固氣進入通道6；所述旋風爐上段部分2的側壁上設有一個或多個沿側壁正切方向的第一補氣通道7，第一補氣通道7位于所述固氣進入通道6下方；所述固氣進入通道6與第一補氣通道7的方向相對于側壁成一致的左旋或右旋；所述旋風爐下段部分3的底端設有一排灰口8。
在進行氣化反應時，先將固體燃料或氣化劑加熱到反應溫度。參與反應的顆粒狀固體燃料和氣化劑從固氣進入通道6沿切向進入旋風爐1，所述固體燃料可以為煤、污泥或生物質等固體廢料，所述氣化劑可以為空氣、富氧空氣、水蒸氣或其混合氣體。根據已知的流體力學原理，固氣混合物在旋風爐1內沿側壁向下呈螺旋狀流動。到達旋風爐1的下段部分3后，氣相折返成直徑較小的向上的螺旋流動，旋轉方向不變，最后從設置于旋風爐頂蓋4中心位置的排氣管5排出旋風爐1；固相繼續向下流動，從位于下段部分3圓錐底部地排灰口8排出旋風爐1。為了避免氣相在未達到旋風爐1的底部前因動量損失而失去旋轉能力，通過旋風爐1側壁上的第一補氣通道7在不同高度上沿水平切向加入補充氣體，補充氣體在旋風爐1中的旋轉方向與旋風爐1內已有氣相的旋轉方向相同，增強旋風爐內氣相的旋轉動量，維持氣相的切向速度，這也是本發明的特點所在。
作為本發明的進一步改進，本發明提供的一種固體燃料的氣化反應裝置，還包括一個設有頂蓋的提升管9，用于降低固體燃料進入口的高度，并進一步延長了氣相和固相的反應時間。所述提升管9最上部側壁上設有與旋風爐1固氣進入通道6相連通的連接管；所述提升管9底端側壁上開有一進氣通道10；所述提升管9側壁上開有一固體燃料的進料口11，且靠近提升管9底部。
本發明提供的一種固體燃料的氣化反應裝置，還可進一步包括一個返料口12，位于所述提升管9側壁上且靠近提升管9的底部；所述返料口12與旋風爐的排灰口8之間設有一返料通道13；所述返料通道13上設有一個閥14。所述提升管側壁上進料口的11上方設有一個或者多個第二補氣通道15。所述提升管9底端設有排渣口16。所述的閥14為機械閥或非機械閥；所述的機械閥為螺旋給料機或旋轉葉輪，所述的非機械閥為U型閥、L型閥或虹吸閥。
所述旋風爐1和提升管9的材料為高溫不銹鋼、耐火磚、耐火澆筑料和水冷壁。
使用改進后的這種固體燃料的氣化反應裝置，固體燃料的入口進料口11位于提升管9的下部。通過在進氣通道10和第二補氣通道15加入氣化劑將顆粒狀固體燃料帶動到提升管9的頂部，并進入旋風爐1。旋風爐1底部排出的未反應的固相通過機械或非機械閥送回到提升管9的底部，繼續參與氣化反應。根據本發明提供的固體燃料的氣化反應裝置的結構特點，可將氣化劑分成三部分，分別從進氣通道10，第一補氣通道7和第二補氣通道15中加入。比較容易進行的氣化反應主要在提升管中完成，因此氣化劑中大部分的氧氣從提升管的進氣通道10和第二補氣通道15中加入；比較難于進行的氣化反應主要在旋風爐1中完成，氣化劑中大部分水蒸氣在旋風爐加入，充分利用旋風爐中非常好的氣相與固相、氣相與氣相之間的摻混條件和比較長的停留時間，在一定程度上彌補了反應溫度比較低對氣化反應的不利影響。
本發明提供的固體燃料的氣化反應裝置并不局限于只是使用一個旋風爐。在本發明提供的技術方案基礎之上，本領域的一般技術人員可以很容易地將此技術方案應用到多個旋風爐同時使用的實施方式中。
本發明提供的一種固體燃料的氣化反應裝置具有的有益效果為1、旋風爐的上段部分可具有較大的高度直徑比，并通過補充氣體延長旋風爐內氣相和固相的反應路徑和反應時間，提高了氣化效率。
2、氣化反應中的氣相和固相在旋風爐中呈螺旋狀流動，氣相和與固相以及氣相之間的摻混強度比單向流動強烈，從而提高了氣化反應速度。
3、整個裝置可以在反應溫度相對比較低的條件下運行，降低了氣化工藝成本，可用于煤、污泥或生物質等固體廢料的氣化反應。
圖1是本發明的一種固體燃料的氣化反應裝置的側視圖。
圖2是圖1所示固體燃料的氣化反應裝置沿E-E線的俯視拋面圖。
圖3是具有提升管的固體燃料的氣化反應裝置的側視圖。
圖4是具有兩個旋風爐的固體燃料的氣化反應裝置的俯視示意圖。
圖5是兩種非機械閥的結構示意圖。
圖面說明旋風爐1 上段部分2 下段部分3頂蓋4排氣管5 固氣進入通道6 第一補氣通道7排灰口8提升管9 進氣通道10進料口11 返料口12返料通道13閥14 第二補氣通道15 排渣口16第二旋風爐1’ 第二固氣進入通道6’U型閥17 虹吸閥18
具體實施例方式
下面結合附圖與具體實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例1如圖1所示的本發明的一種固體燃料的氣化反應裝置，包括高溫不銹鋼材料的旋風爐1；旋風爐1上段部分2呈圓筒形，高度為2000毫米、直徑為100毫米，高徑比為20∶1；下段部分3為的圓錐筒形，其上端直徑為100毫米，與上段部分2的圓筒下端成一體的無縫連接，其底端設有一排灰口8；上段部分2的頂端有一頂蓋4，頂蓋4的中心位置設有一排氣管5；旋風爐1靠近頂蓋4的側壁上設一沿側壁正切方向的固氣進入通道6；旋風爐上段部分2的側壁上設有4個沿側壁正切方向的第一補氣通道7(圖中未全部標出)，位于固氣進入通道6下方。
在這里，旋風爐1上段部分2的高徑比可以在1∶1～20∶1之間選取，比值越大，氣化反應的路徑和時間越長，但是為了維持氣相的切向速度，也就需要從第一補氣通道7注入更多、速度更快的補充氣體。
固氣進入通道6與第一補氣通道7的方向相對于側壁成一致右旋，如圖2所示。圖中箭頭所示為第一補氣通道7的進氣方向。這樣的方向關系可以保證進入第一補氣通道7的氣體方向與旋風爐1內的氣流方向一致，用以維持氣相的切向速度。相應地，也可以為一致的左旋關系。
實施例2如圖3所示的本發明的一種固體燃料的氣化反應裝置，包括旋風爐1和提升管9；旋風爐1的結構與實施例1中的結構相同。提升管9包括一頂蓋；提升管9最上部側壁通過連接管于與旋風爐的固氣進入通道6相連通；提升管9底端側壁上開有一進氣通道10；進氣通道10上方的提升管側壁上開有一固體燃料的進料口11，且靠近提升管9的底部。提升管9側壁上進氣通道10的上方開有一個返料口12，返料口12與旋風爐的排灰口8之間設有一返料通道13；返料通道13上設有一個L型閥14，也可使用其它類型非機械閥，如如圖5所示的U型閥17或虹吸閥18，或者使用螺旋給料機、旋轉葉輪等機械閥。進料口的11上方設有4個第二補氣通道15(圖中未全部標出)。提升管9底端設有排渣口16。
使用本裝置用于煤的氣化時，用于氣化的煤全部從進料口11連續地加入提升管9，這些煤是顆粒狀，大部分顆粒的粒徑在0-10毫米之間。用于氣化的氣化劑主要是空氣或富氧空氣、水蒸氣。將氣化劑分成三部分，第一部分氣化劑大部分是空氣或富氧空氣，從進氣通道10加入。為了以防止煤在提升管的下部發生高溫粘結，將提升管9下部的溫度控制在煤的灰熔點以下，在實際運行時將溫度控制在850-900℃之間，為此在進氣通道10還同時加入部分水蒸氣。在位于提升管9的中下部的第二補氣通道15中加入第二部分氣化劑，是富氧空氣，提高提升管中上部的溫度，以提高氣化速率，在實際運行時將溫度控制在1000℃左右，雖然這個溫度接近煤的灰熔點，但是因為固相在氣相中是處于彌散的流動狀態，不會產生粘結問題。在旋風爐上段部分2的不同高度上通過第一補氣通道7沿水平切向加入第三部分氣化劑，主要是水蒸氣，目的是維持旋風爐1中氣相的旋轉動量，將旋風爐1的溫度降低到900℃左右，利用旋風爐1內強旋流的有利條件，進一步強化水蒸氣與固相中的碳和氣相中的一氧化碳的反應，提高煤氣的熱值。生成的煤氣最終從旋風爐頂部的排氣管5排出，煤中的灰一部分隨煤氣一起從排氣管5排出，另一部分可以從旋風爐排灰口8排出，并通過閥14送回到提升管9的下部，繼續參與反應。
實施例3本實施例中的固體燃料的氣化反應裝置與實施例2相似，不同之處在于本實施例中使用了兩個并聯的旋風爐。如圖4所示，包括提升管9，旋風爐1和第二旋風爐1’；提升管9分別于旋風爐1的固氣進入通道6和第二旋風爐1’的第二固氣進入通道6’相連通。
權利要求
1.一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，它包括旋風爐(1)；所述旋風爐(1)包括上段部分(2)和下段部分(3)，上段部分(2)基本上呈圓筒形，下段部分(3)基本上呈上大下小的圓錐筒形；上段部分(2)的下端與下段部分(3)的上端成一體的無縫連接；上段部分(2)的頂端有一頂蓋(4)，所述頂蓋(4)的中心位置設有一排氣管(5)；所述旋風爐(1)靠近頂蓋(4)的側壁上設一沿側壁正切方向的固氣進入通道(6)；所述旋風爐上段部分(2)的側壁上設有沿側壁正切方向的第一補氣通道(7)，第一補氣通道(7)位于所述固氣進入通道(6)下方；所述固氣進入通道(6)與第一補氣通道(7)的方向相對于側壁成一致的左旋或右旋；所述旋風爐下段部分(3)的底端設有一排灰口(8)。
2.根據權利要求1所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，還包括一個設有頂蓋的提升管(9)；所述提升管(9)最上部側壁上設有與旋風爐固氣進入通道(6)相連通的連接管；所述提升管(9)底端側壁上開有一進氣通道(10)；所述提升管(9)側壁上開有一固體燃料的進料口(11)，且靠近提升管(9)底部。
3.根據權利要求1所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述提升管(9)側壁上開有一個返料口(12)，且靠近所述提升管(9)底部；所述返料口(12)與旋風爐的排灰口(8)之間設有一返料通道(13)；所述返料通道(13)上設有一個閥(14)。
4.根據權利要求2所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述提升管側壁上進料口的(11)上方設有第二補氣通道(15)。
5.根據權利要求2所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述提升管(9)底端設有排渣口(16)。
6.根據權利要求3所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述的閥(14)為機械閥或非機械閥。
7.根據權利要求6所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述的機械閥為螺旋給料機或旋轉葉輪。
8.根據權利要求6所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述的非機械閥為U型閥、L型閥或虹吸閥。
9.根據權利要求1或2所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述旋風爐上段部分(2)的高度與其筒直徑的比值在1-20之間；
10.根據權利要求1或2所述的一種固體燃料的氣化反應裝置，其特征在于，所述旋風爐(1)和提升管(9)的材料為高溫不銹鋼、耐火磚、耐火澆筑料和水冷壁。
全文摘要
本發明公開了一種固體燃料的氣化反應裝置。該裝置包括旋風爐，旋風爐包括呈圓筒形的上段部分和呈圓錐筒形的下段部分；上段部分的下端與下段部分的上端成一體的無縫連接；上段部分的頂端有一頂蓋，所述頂蓋的中心位置設有一排氣管；所述旋風爐上段部分的高度與其筒直徑的比值在1～20之間；所述旋風爐靠近頂蓋的側壁上設一沿側壁正切方向的固氣進入通道；所述旋風爐上段部分的側壁上設有沿側壁正切方向的第一補氣通道，第一補氣通道位于所述固氣進入通道下方；所述固氣進入通道與第一補氣通道的方向相對于側壁成一致的左旋或右旋；所述旋風爐下段部分的底端設有一排灰口。本裝置氣化工藝成本低，可以在比較低的溫度下連續運行，較高效率地產生氣體燃料。本裝置可用于煤、污泥或生物質等固體廢料的氣化反應。
文檔編號C10J3/20GK1519298SQ0310073
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月22日 優先權日2003年1月22日
發明者呂清剛, 那永潔, 包紹麟, 孫運凱, 賀軍, 王東宇, 高鳴, 張榮光 申請人:中國科學院工程熱物理研究所