專利名稱：一種水/氣混合式部分激冷的干粉燃料氣化工藝及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種干粉燃料氣化工藝，具體的說是一種水/氣混合 式部分激冷的干^^分燃料氣化工藝及其專用激冷裝置。
背景技術：
近年來，石油價格的飛漲，使用煤，生物質、石油焦等干粉燃料 作為原料進行氣化是作為煤化學品、液體燃料、聯合循環發電、多聯 產系統、制氳系統等工業過程的基礎和和關鍵技術。
隨著工藝技術的發展，在以固體燃料為原料生產合成氣的技術 中，常見的常壓固定層間歇氣化技術，因為生產強度小，"三廢，，排 放量大，原料利用率低，能耗較高而逐漸被淘汰。其他常壓氣化技術
包括K-T爐氣化技術、恩德爐氣化技術等與當代先進的煤氣化技術相 比均存在較大的差距，已經不是氣化技術發展的主流。目前比較先進 的第二代氣化工藝技術中，最具代表性先進氣化技術為美國GE公司 的水煤漿加壓氣化技術和荷蘭殼牌公司的SCGP干粉煤加壓氣化工
藝
水煤漿氣化工藝中氣化爐主要特點是水煤漿進料、單噴嘴和下噴 式，大部分是采用水激冷工藝流程。從氣化爐出來的粗煤氣，直接用 水激冷，被激冷后的粗煤氣含有較多水蒸氣，可直接送入變換系統而 不需再補加蒸汽。水煤漿加壓氣化技術因為其技術成熟(氣化壓力高， 煤漿制備、輸送和控制簡單、安全可靠)和投資較低等特點在世界范 圍內得到廣泛應用。但是該技術存在的主要不足也與水煤漿有關1、 水煤漿中含有約40%的水，使它的熱值降低。2、對原料的限制比較 嚴格，如成漿性差的煤、灰分較高、灰熔點高的煤均不宜使用3、氣 化效率相對較低，碳轉化率約為96%。 4、比氧耗在各種氣流床氣化 工藝中最高；5、必須采用熱爐壁，每爐耐火磚造價較高，而且壽命不到2年。
干煤粉氣化工藝中，氣化爐主要特點是干煤粉進料、多噴嘴氣化、 水冷壁內襯，氣化的煤氣上行進入廢鍋進行冷卻，冷卻后的煤氣經除 塵，其中一部分回爐激冷熱煤氣，其他合成氣進入下游工序。干煤粉
氣化技術的主要優點1、干粉進料，對所用固體燃料適應性廣；2、 氣化溫度高，碳轉化率高(可達99%左右)，產品氣中曱烷含量低， 有效氣含量高達90%; 3、能耗低、氧耗低，與水煤漿氣化工藝相比， 氧耗可降低15~20%; 4、是單爐生產能力大，日投煤量可達3000噸 以上；5、氣化爐釆用水冷壁，無耐火磚襯里，維護工作量小，生產 連續性好；6、采用廢鍋流程，總的熱效率高達98%; 7、氣化廢水處 理簡單，可以滿足環保要求也可做到零排放。由于它的這些優點，吸 引了國內一些企業紛紛引進干煤粉氣化技術。經研究分析以及實際運 行情況證實，干粉燃料氣化技術理念更為先進，代表著氣化技術發展 的方向。但是該工藝仍然存在下述缺點1、設備造價高。投資高的 主要因素是釆用帶膜式壁的廢熱鍋爐、高溫高壓陶瓷過濾器以及激冷 循環氣壓縮機；2、對于后接一氧化碳變換的工藝流程，該技術生產 的產品氣中蒸汽含量不足，需補加蒸汽；3、回爐激冷用合成氣加壓 所需的功耗較大，不利于成本的節約。4、氣化關鍵設備結構復雜， 制造周期長使得項目建設周期長。
由此可見，雖然粉煤氣化工藝具有一定的先進性，但是對于合成 氣生產化工產品的流程如何從工藝上進一步減少設備投資、降低操作 成本、縮短工藝流程，得到優質的合成氣供下游化工生產使用，是目 前本領域技術人員 一直致力于研究的方向。采用蒸汽對粗合成氣激冷 效果較好，但是由于單用蒸汽使用量過大，會造成運行成本過高。中 國專利申請號200610043195. 3公開了一種"干煤粉加壓氣化激冷裝 置及激冷工藝"，是通過噴淋器噴水降溫的原理對上行的粗合成氣進 行激冷降溫，該方案有下述技術問題尚未解決 一、單用噴水由于水滴粒徑過大，與粗合成氣難以均勻混合，降溫效果差，無法達到期望
的降溫目的；二、普通噴淋器無法抵御高溫，若直接置于高溫高壓含 塵工況中，其噴嘴頭部極易結渣堵塞，不能保證噴嘴長時間的連續運 轉，特別是氣化爐運行過程中，高溫含塵氣體對噴嘴頭部侵蝕和磨蝕 使得噴嘴噴口結構尺寸發生變化出現滴流或噴水泄漏問題，將會使得 水直接沖擊氣化爐內壁并與高溫渣接觸導致過大溫度梯度，從而對激 冷管和氣化爐反應室膜式壁產生破壞性的影響并引起嚴重事故。因 此，釆用未經改造的噴淋器單噴水是無法實現對合成氣安全有效激冷 降溫的。
發明內容
本發明提供了一種設備投資少、工藝流程簡單、操作成本較低、 冷激介質清潔、穩定、易得的水/氣混合式部分激冷的干粉燃料氣化 工藝。
本發明還提供一種用于上述干粉燃料氣化工藝的激冷裝置。 工藝方法為以可燃干粉為原料經加壓純氧氣化、激冷、除塵洗滌 后，得到180 26(TC的粗合成氣供下游工序使用，得到的洗滌灰水 進入灰水處理系統。所述激冷步驟中先進行部分激冷，即氣化后溫度
混合霧液部分激冷至400 ~ 500°C;再進入下一步驟進行除塵洗滌的
同時降溫，得到180 26(TC粗合成氣。
所述可燃干^^分為石油焦、焦炭、生物質或煤等制成的干粉。 所述水/汽混合中使用的氣體可為多元氣體，如合成氣，蒸汽、
二氧化碳、氮氣中的至少一種，優選使用水蒸汽。
所述部分激冷后的溫度為400 ~ 50(TC的粗合成氣在除塵洗滌步
驟中的洗滌塔中除塵降溫至180~ 260°C。
目前已建或在建粉煤加壓氣化工藝裝置投資成本高的重要原因在于激冷工藝中采用了冷卻后粗合成氣回爐激冷高溫合成氣以及以 廢鍋形式進行熱交換的廢熱回收系統，因此可以對該步驟進行改進。 針對背景技術描述中出現的問題，發明人經過大量實驗和研究， 認為可以采用水/氣混合霧化形成的霧液對粗合成氣進行激冷。由于 水和氣體經充分混合形成霧液，從而使氣體用量少，液滴粒徑極小，
在氣化爐內能和粗合成氣充分混合,使粗合成氣迅速激冷至400 - 500 。C，并且作為冷激介質清潔、穩定、易得，操作成本低。由于本工藝 未采用廢熱鍋爐、高溫高壓陶瓷過濾器和循環氣壓縮機等大型設備， 從而降低了投資且降溫效果好。對生產不同產品如需蒸汽含量較高的 合成氣生成合成氨、要求蒸汽含量低的合成天然氣、或者聯合循環發 電等需要不同成分要求的合成氣，可通過調節水和氣體的噴入量來實 現，調節靈活可控，從而筒化流程，節約了整個系統的投資。
上述部分激冷至400 50(TC的粗合成氣進入除塵、洗滌步驟， 可以采用本領域技術中對粗合成氣除塵、洗滌的通用工藝，如采用旋 風分離器、文丘里洗滌器、洗滌塔等對粗合成氣除塵、洗滌。本發明 中，優選400 - 50(TC的粗合成氣進入旋風分離器除塵，再進洗滌塔 除灰的同時降溫至180~ 260°C，洗滌后最終得到180 26(TC的水蒸 氣含量約40 ~ 60%的粗合成氣供下游工序使用。
由于氣化爐內粗合成氣溫度可高達1400 ~ 1700°C,為使粗合成 氣充分降溫，霧液的液滴粒徑還需要盡可能的小，即水和氣體混合噴 出之前需要充分霧化，以強化霧化效果。并且，當氣化爐內粗合成氣
壓力發生變化時，霧液粒徑也不會隨操作壓力變化發生明顯波動。因 此，在氣化爐中部或上部安裝噴淋器時，需要充分考慮上述問題。首 先需要能使水和氣體充分霧化并噴射的裝置，如常用于農藥噴灑功能 的專利號96207032. 7中公開的"兩相流高效液體霧化器"(即普通的 兩相流液體/氣體霧化器)，但是該類普通霧化器不適用于高溫高壓和 合成氣強腐蝕環境下冷卻粗合成氣。在高溫下(如140(TC以上)霧化器的外殼、特別是噴嘴前端極易過燒和被高溫粗合成氣磨蝕及腐 蝕。粗合成氣中還含有高溫的灰渣，極易粘附在噴嘴上造成侵蝕，導 致無法使用。因此發明人針對上述問題，對現有的兩相流液體/氣體 霧化器進行了創造性改進，設計出適用于高溫粗合成氣激冷的兩相流 霧化噴射冷卻裝置，其水/氣混合噴霧的應用領域擴展到對高溫高壓 粗合成氣的激冷降溫方面，將其安裝在氣化爐中作為激冷裝置，噴出
水/氣混合的霧液粒徑(SMD)小于150um，大大強化了高溫高壓合 成氣冷激段的傳熱傳質效果，使高溫高壓粗合成氣快速降溫。
本發明中激冷裝置技術方案包括氣化爐，所述氣化爐中部和/或 上部設有兩相流霧化噴射冷卻裝置，所述兩相流霧化噴射冷卻裝置包 括由外殼、與進水管連通的混合室、外部環形氣體通道、以及包括氣 體通道噴口和混合室噴口的噴嘴所構成的兩相流液體/氣體霧化器， 其中，所述外殼上設置冷卻水夾套，所述冷卻水夾套包括依次連通的 水進口、外層冷卻水通道、內層冷卻水通道和水出口。
所述外層冷卻水通道與內層冷卻水通道連接處位于兩相流液體/ 氣體霧化器的噴嘴頭部，所述連接處設有螺旋流道。。
所述氣體通道噴口的噴射角為25~45度，所述氣體通道噴口的 噴射角與擴張角之和為90~120度。
所述氣化爐中部和/或上部膜式壁上設有兩相流霧化噴射冷卻 裝置，沿氣化爐膜式壁多個水平環形布置， 一環為一層，設有至少一 層。
通過在兩相流液體/氣體霧化器的外殼上加設冷卻水夾套，保護 外殼和兩相流液體/氣體霧化器噴嘴前端不被高溫燒損。所述冷卻水 夾套為雙層結構，冷卻水由水進口進入外層冷卻水通道，再經內層冷 卻水通道由水出口排出并帶走熱量，保護噴嘴外殼。為了進一步強化 噴嘴頭部外殼的冷卻效果，在外層冷卻水通道和噴嘴頭部設置有螺旋 流道，所述螺旋流道為單螺旋和/或雙螺旋流道，水流經該處時，形成旋流，流速明顯提高，能帶走更多熱量，有效降低噴嘴頭部及與高 溫氣體接觸區域的金屬壁溫，從而有效的保護噴嘴頭部。
所述噴嘴包括氣體通道噴口和混合室噴口 。所述氣體通道噴口的
噴射角為25 45度。氣體通道噴口的擴張角與噴射角之和為90 ~ 120 度，能使氣體經氣體通道噴口射出時， 一方面能很好的與混合室噴口 噴出的兩相流液霧再次發生撞擊、剪切霧化；另一方面能避免高溫合 成氣在噴嘴區域回流而與噴嘴端部直接接觸，從而避免合成氣對噴嘴 的磨蝕和腐蝕以及合成氣中的高溫灰渣對噴嘴的侵蝕。通過采用兩相 流霧化噴射冷卻裝置對高溫含塵粗合成氣安全有效激冷降溫，在高溫 環境中噴嘴抗磨蝕，能長時間有效運行，也有效避免水直接沖擊氣化 爐內壁并與高溫渣接觸導致過大溫度梯度，從而避免對激冷管和氣化 爐反應室膜式壁產生破壞性的影響并引起嚴重事故。
兩相流霧化噴射冷卻裝置設置在氣化爐中部和/或上部，可以水 平或垂直與氣化爐配套安裝，安裝的數量和具體位置可才艮據粗合成氣 實際溫度和降溫效果決定，噴嘴方向應與氣化爐內高溫氣流旋流方向 相反。本發明在現有的氣化爐基礎上，增加一個部件，使其具有優異 的粗合成氣激冷除塵效果，較現有的粉煤氣化工藝中的氣化爐加廢熱 鍋爐及高溫高壓陶瓷過濾器、循環氣壓縮機構成的激冷裝置相比大大 減少了設備投資。
圖1為本發明工藝方法流程圖暨激冷裝置結構示意圖。
圖2為本發明激冷裝置中兩相流霧化噴射冷卻裝置的結構示意圖。
其中1-進水管、1.1-進水管喉管、2-混合室、2. 1-混合室噴 口、 2. 2-混合室壁、3-氣體通道、3. l-進氣管、3. 2-氣體通道噴口、 4-旋流板、5-外殼、6-氣體主進口、 7-氣體次進口、 8-冷卻水夾套、 8. l-水進口、 8. 2-外層冷卻水通道、8. 3-內層冷卻水通道、8. 4-水出口、 8. 5-螺旋流道、A為噴射角、B為擴張角、9-兩相流霧化噴射冷 卻裝置、10-氣化爐、11-旋風除塵器、12-文丘里洗滌器、13-洗滌塔、 14-水力旋流器、15-閃蒸罐、16-減壓管、17-澄清槽、18-澄清水槽、 19-冷卻器。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步解釋說明
參照圖1，本發明工藝方法為干煤粉與氧氣以及部分蒸汽一起 混和由氣化爐10上的燒嘴進入氣化爐10爐膛內，在爐內反應生成高 溫粗合成氣，溫度約為1400 ~ 1700°C，爐中氣化壓力為0-8. OMPa, 粗合成氣在氣化爐10內撞擊混和后自下向上流動，在氣化爐10中部 和/或上部被多個環形設置的兩相流霧化噴射冷卻裝置9噴出的水/ 氣混合霧液(本實施例中，所述水/氣混合霧液為水和蒸汽混合的霧 液)部分冷激降溫至4Q0 5G(TC,降溫后的粗合成氣再經過旋風除 塵器11除去大部分干灰后，進入文丘里洗滌器12洗滌除塵，最后進 入洗滌塔13內，粗合成氣內剩余的大部分灰塵在洗滌塔13內被去除 并降溫至180 26(TC，最終得到180 260。C粗合成氣vMJ荅頂進入下 一工序，供下游工序使用。而得到的洗滌灰水從塔底進入灰水處理系 統，經旋風除塵器11分離出的干灰可以作為水泥行業的原料再利用， 采用干法除灰較激冷罐除灰可以節約50%以上的水量。
灰水處理具體步驟為洗滌塔底13的洗滌灰水再通過塔底洗滌 水循環泵進行加壓，加壓后的含部分灰的洗滌灰水除一部分引進入文 丘里洗滌器12外，其他循環回洗滌塔13頂部。而從洗滌塔13底部 出來的灰水進入水力旋流器14進行分離，從其頂部出來的灰水經過 冷卻器19冷卻后進入閃蒸罐15進行閃蒸，閃蒸氣體進入火炬，分離 的液體進入澄清水槽18，從水力旋流器14底部出來的灰水經過減壓 管16減壓后進入澄清槽17準備進行再次分離，從澄清槽17底部出 來的濃灰漿經過濃灰漿泵送走，而從澄清槽17溢流出來的液體進入澄清水槽18中。
參照圖1中的虛線框圖部分，本發明激冷裝置包括氣化爐10， 在氣化爐10中部的膜式壁上安裝有一層環形布置的多個雙相流霧化 噴淋冷卻器9,上部的膜式壁上安裝有兩層環形布置的多個雙相流霧
化噴淋冷卻器9，參照圖2，所述兩相流霧化噴射冷卻裝置9具體結 構為進水管1前端的進水管喉管1. 1與混合室2后端連通。混合室 2前端設有混合室噴口 2. 1,所述混合室2與外殼5之間設有帶有進 氣管3. 1的氣體通道3。氣體通道噴口 3. 2位于混合室噴口 2. 1外部， 與混合室噴口 2. 1共同構成噴嘴，所述氣體通道噴口 3. 2的噴射角A 為25 ~ 45度。所述氣體通道3通過混合室壁2. 2上開設多個氣體主 進口 6和氣體次進口 7與混合室2連通。所述氣體主進口 6位于混合 室壁2. 2中段，氣體次進口 7位于混合室壁2. 2后段，氣體通道3內 的部分氣體可由氣體主進口 6和氣體次進口 7沿混合室壁2. 2徑向和 切向高速進入混合室2內。氣體通道3內還設有具有改變氣流方向和 加快流速作用的旋流板4。所述外殼5外還設置有冷卻水夾套8，所 述冷卻水夾套8由依次連通的進水口 8.1、外層冷卻水通道8. 2、內 層冷卻水通道8. 3和出水口 8. 4組成。外層冷卻水通道8. 2套在內層 冷卻水通道8. 3之外，內、外層冷卻水通道8. 3、 8. 2連接處位于噴 嘴頭部，該處設有增加局部流速的螺旋流道8. 5，所述螺旋流道8. 5 可以是單螺旋流道和/或雙螺旋流道。螺旋流道8. 5可以通過安裝螺 旋板形成。安裝在氣化爐上時，噴嘴方向應與氣化爐高溫氣流旋流方 向相反。噴嘴宜采用耐磨蝕和耐高溫材料制造，如鎳基合金材料，噴 嘴端面可以采用鎳基合金鍛件機加工而成。
兩相流霧化噴射冷卻裝置9對高溫粗合成氣激冷的原理為高壓 水由進水管1進入，經進水管喉管1. 1向混合室2內噴出；蒸汽由進 氣管3. 1進入，其中一部分別由氣體主進口 6、氣體次進口 7沿混合 室壁2. 2切向和徑向進入混合室2，對混合室2內的液體進行高速剪切、霧化，使汽液界面發生剪切，汽液相互作用形成兩相流，產生第
一次霧化。由于蒸汽是以高速旋流狀態進入混合室2，使得霧化顆粒
隨環境壓力的波動變化不明顯；混合室2內的兩相流經過混合室噴口
2. l向外高速噴射膨脹、霧化，形成液霧，產生第二次霧化；同時， 氣體通道3內的另一部分蒸汽繼續前行，經旋流板4時形成高速旋流， 從氣體通道噴口 3. 2高速噴出，與混合室噴口 2. 1噴出的液霧再次發 生高速剪切、撞擊，形成細小液霧，產生第三次霧化。由于通過數值 分析仿真的方法:沒計確定了氣體通道噴口 3. 2的噴射角A和擴張角B, 氣體通道噴口 3. 2噴出的蒸汽能很好的使高溫高壓含塵粗合成氣的 流動方向遠離噴嘴，不會與噴嘴端面接觸，避免合成氣對噴嘴端面的 磨蝕和腐蝕以及高溫灰渣對噴嘴頭部的侵蝕；細小的液霧射入高溫高 壓粗合成氣時，會與粗合成氣撞擊、摻混，產生第四次霧化，均勻混 合、充分激冷。在噴嘴不噴水時，還可以通過氣體通道噴口 3. 2釆用 蒸汽進行吹掃，保護噴嘴不被高溫粗合成氣過燒損壞，使噴嘴在不同 工況下均能在高溫高壓粗合成氣強腐蝕環境下長期穩定運行。外殼5 上的冷卻水夾套8起到了保護外殼5及其內件不被高溫粗合成氣過燒 損壞，具體為冷卻水由水進口 8. 1進入外層冷卻水通道8. 2，經內、 外層冷卻水通道8. 3、 8. 2連接處的螺旋流道8. 5形成旋流，使位于 噴嘴頭部液體的流速加快，強化傳熱后進入內層冷卻水通道8. 3，再 由水出口8.4排出，同時帶走噴嘴頭部的更多的熱量。螺旋流道8.5 即內、外層冷卻水通道8. 3、 8.2連接處設置在噴嘴頭部，使得局部 冷卻水流速度高，降溫效果佳，特別是能保護噴嘴其及頭部不受合成 氣高溫的侵害。本領域技術人員可根據氣化爐的運行經驗和負荷、煤 種的變化調整水/氣量，氣體流量可在20t/h 80t/h范圍內調節，激 冷霧化水流量可在10t/h 40t/h調節，本發明激冷裝置可在操作壓 力1.0~8. 0MPa，溫度450 1700。C的環境下正常工作。
權利要求
1. 一種水/氣混合式部分激冷的干粉燃料氣化工藝，以可燃干粉固體為原料經加壓氣化、激冷、除塵洗滌后，得到的180～260℃的粗合成氣供下游工序使用，得到的洗滌灰水進入灰水處理系統，其特征是，所述激冷步驟中先進行部分激冷，即氣化后溫度為1400～1700℃的粗合成氣上升至氣化爐中部和/或上部時被水/氣混合霧液部分激冷至400～500℃；再進入下一步驟進行除塵洗滌的同時降溫，得到180～260℃粗合成氣。
2、 如權利要求1所述的水/氣混合式部分激冷的干粉燃料氣化工 藝，其特征是，所述可燃干粉為石油焦、焦炭、生物質或煤制成的干粉。
3、 如權利要求1所述的水/氣混合式部分激冷的干粉燃料氣化工 藝，其特征是，所述水/氣混合霧液中的氣體為合成氣、蒸汽、二氧 化碳、氮氣中的至少一種。
4、 如權利要求1或2或3所述的水/氣混合式部分激冷的干粉燃 料氣化工藝，其特征是，所述部分激冷后400 - 50(TC的粗合成氣在 除塵洗滌步驟中的洗滌塔中除塵降溫至180 ~ 260°C 。
5、 一種用于水/氣混合式部分激冷的干粉燃料氣化工藝的激冷裝 置，包括氣化爐，其特征是，所述氣化爐中部和/或上部設有兩相流 霧化噴射冷卻裝置，所述兩相流霧化噴射冷卻裝置包括由外殼、與進 水管連通的混合室、外部環形氣體通道、以及包括氣體通道噴口和混 合室噴口的噴嘴所構成的兩相流液體/氣體霧化器，其中，所述外殼 上設置冷卻水夾套，所述冷卻水夾套包括依次連通的水進口、外層冷 卻水通道、內層冷卻水通道和水出口 。
6、 如權利要求5所述的激冷裝置，其特征是，所述外層冷卻水 通道與內層冷卻水通道連接處位于兩相流液體/氣體霧化器的噴嘴頭 部。
7、 如權利要求5所述的激冷裝置，其特征是，所述外層冷卻水 通道與內層冷卻水通道連接處設有螺旋流道。
8、 如權利要求5~7中任一項所述的激冷裝置，其特征是，所述 氣體通道噴口的噴射角為25~45度。
9、 如權利要求7所述的激冷裝置，其特征是，所述氣體通道噴 口的擴張角與噴射角之和為90~120度。
10、 如權利要求5所述的激冷裝置，其特征是，所述氣化爐中部 和/或上部膜式壁上設有多個水平環形布置的兩相流霧化噴射冷卻裝 置， 一環為一層，設有至少一層。
全文摘要
本發明涉及一種水/氣混合式部分激冷的干粉燃料氣化工藝及其專用激冷裝置。解決了干粉燃料氣化工藝中高溫粗合成氣激冷降溫單用水降溫效果差、噴淋器不耐受高溫，噴嘴及管道易腐蝕堵塞的問題。以可燃干粉固體為原料經加壓氣化、激冷、除塵洗滌后，得到的180～260℃的粗合成氣供下游工序使用，得到的洗滌灰水進入灰水處理系統，所述激冷步驟中氣化后溫度為1400～1700℃的粗合成氣上升至氣化爐中部和/或上部時被水/氣混合霧液部分激冷至400～500℃，再進入下一步驟進行除塵洗滌的同時降溫，得到180～260℃粗合成氣。本發明工藝簡單、降溫效果好，激冷裝置在高溫環境中抗磨蝕，噴嘴及管道中不會積灰渣，能長時間有效運行，避免安全事故的發生。
文檔編號C10J3/46GK101285006SQ200810047879
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月30日 優先權日2008年5月30日
發明者何正兆, 呂慶元, 韡 尚, 張宗飛, 徐才福, 杜國慶, 畢東煌, 濤 趙 申請人:五環科技股份有限公司