專利名稱：一種新型加壓氣流床氣化爐的制作方法
一種新型加壓氣流床氣化爐技術領域
本發明屬于能源領域新的大規模加壓氣流床氣化技術，尤其涉及一種加壓氣流床氣直O背景技術
大規模加壓氣流床煤氣化技術是煤基化工(合成氨、制甲醇、二甲醚等)、煤基多聯產、IGCC發電等煤的清潔利用關鍵技術。按煤氣化過程中煤在氣化爐內的流動形式可分為固定床氣化、流化床氣化與氣流床氣化三種類型，與固定床和流化床氣化相比，氣流床氣化具有較好的煤種與粒度適應性和更易大規模化等優勢，是大規模、高效、清潔燃氣與氣化合成氣制備裝置的首選技術。為此，眾多的科技人員研究開發了各種類型的氣化爐。有代表性的主要有兩種，一種是以德士古和我國華東理工為代表的頂噴式水煤漿氣化爐，另外一種是以Shell和西安熱工院為代表的下噴式干煤粉氣化爐。采用頂噴式的德士古氣化爐由于噴嘴與煤氣及液渣出口軸線重合，且采用單噴嘴頂噴布置方式，從而容易導致部分物料(流股)短路和大射流回流區現象的發生，使得氣化爐頂部流場和溫度場分布不盡合理， 燃料噴嘴附近高溫區域易發生耐火磚脫落和燃料噴嘴燒壞等問題，大大影響了設備的可用率；華東理工大學在德士古的基礎上進行了改進，形成多噴嘴氣化爐技術，在一定程度上提高了碳轉化率和設備可用率，但由于采用側面噴嘴對置方式，由于四股較強的射流撞擊燃燒后將形成明顯撞擊火焰，向上撞擊火焰直接威脅氣化爐頂部耐火材料的使用壽命，且由于操作問題容易使得火焰中心偏離氣化爐中心軸線而發生偏移，容易導致某只燃料噴嘴由于距離中心火焰過近而發生燒壞等現象。Shell氣化爐和兩段式干煤粉氣化爐均采用煤氣與熔融態渣呈逆向流動，懸浮在氣流中的細渣易被合成氣氣流攜帶進入合成氣冷卻器和后續冷卻凈化設備，容易導致后續設備和管道中容易形成積灰和堵塞。由于上述加壓氣流床氣化爐均采用液態排渣方式，對入爐煤的灰熔融溫度有著嚴格的要求，一般要求煤灰熔融溫度FT低于1400°C以下，否則及易發生堵渣等現象的發生，煤種適應性較差。
綜上所述，盡管已有多種不同形式的氣化爐成功實現了工業化應用，但均不同程度地存在反應物停留時間分布不合理、碳轉化率不理想、爐內溫度場不均勻、易堵渣等問題。因此，有必要開發出一種爐內溫度分布可調、具有較長停留時間的新型加壓氣流床氣化爐，以擴大氣化爐對煤種的適應性和進一步提高碳轉化率的需要。發明內容
本發明所要解決的問題是，提供一種爐內煤焦顆粒具有較長停留時間的新型加壓氣流床氣化爐。
為解決上述技術問題，本發明的技術方案為一種新型加壓氣流床氣化爐，包括直徑較大的下段氣化室、直徑較小的上段氣化室，下段氣化室和上段氣化室之間連接有爐拱， 爐拱上沿氣化爐軸線中心對稱布置有燃料噴嘴，燃料噴嘴的軸線與氣化爐中軸線具有夾角。采用本技術方案，燃料(干煤粉/水煤漿)通過布置在爐拱上沿氣化爐中心軸線對稱布置的燃料噴嘴斜向下噴入下段氣化室，與同時噴入的氧氣和水蒸氣進行部分燃燒與氣化反應，煤粉氣流著火后向下伸展，在下段氣化室中下部沿圓弧轉折向上，再順中心軸線上升而形成W型火焰。這種新型W火焰氣化方式，極大地延長了煤焦顆粒在爐內的停留時間，并增強了爐內煤粉氣流的湍流強度，極大地提高了碳轉換率與冷煤氣效率。
燃料噴嘴與氣化爐中軸線的夾角為5 65°。
燃料噴嘴設置成可擺動的或者安裝時是可以調節角度的結構，因此燃料噴嘴軸線與氣化爐中軸線的夾角可調。采用本技術方案，氣化爐可根據入爐煤的煤質情況，通過調節布置在爐拱上的多只噴嘴與氣化爐中心線間的夾角，實現爐內下段氣化室內火焰中心位置以及下段氣化室出口溫度的可調，在一定程度上擴大了氣化爐對煤種的適應性。
本發明所述的上段氣化室可根據不同需要選用膜式水冷避結構或耐火襯里結構。 在上段氣化室頂部布置有錐形縮口的氣化室出口，錐形縮口錐面與上段氣化室中心線的夾角為15 25°。從下段氣化室出口出來的夾帶有未反應碳粒和飛灰的高溫粗煤氣(1300 14000C )進入上段氣化室內，在上段氣化室內粗煤氣中的未反應碳粒繼續與CO2和蒸汽等發生氣化反應，粒徑較大的碳顆粒灰渣由于重力作用重新回落至下段氣化室內繼續燃燒、 破碎，破碎后的細小顆粒被攜帶至上段氣化室內繼續氣化，從而極大程度地提高了氣化爐的碳轉換效率。
本發明的合成氣冷卻室包括膜式水冷壁(輻射受熱面)、水冷壁入口集箱、水冷壁出口集箱、合成氣導向水冷壁、合成氣出口、吹灰器。從上段氣化室出來的高溫合成氣進入合成氣冷卻室，高溫合成氣在合成氣冷卻室內被進一步冷卻，最后冷卻后的合成氣向上經合成氣導向板進入內、外膜式水冷壁間的環形通道往下至氣化爐合成氣出口排出，進入下道工序。
與現有技術相比，本發明所提供的氣化爐及其氣化方法具有十分明顯的優勢。本發明具有以下主要創新點
本氣化爐創新地采用W火焰氣化方式，燃料由布置在氣化爐底部爐拱，沿氣化爐中心線對稱布置的多只燃料噴嘴(至少2只)以W火焰的形式進入爐膛，一方面可大幅度增加碳顆粒在爐內的停留時間、進一步增強了爐內煤粉氣流的湍流強度，極大地提高了碳轉化率和冷煤氣效率；另一方面，由于可以通過調節布置在爐拱上的多只燃料噴嘴與氣化爐中心線間的夾角θ，實現下段氣化室內火焰中心標高位置與下段氣化室出口粗合成氣溫度的可調；在一定程度上擴大了氣化爐對煤種的適應性，由于本氣化爐可采用多種方式進行氣化室內火焰溫度和火焰位置的可調，有效地防止氣化室出口結渣、堵塞等現象的發生， 從而進一步擴大了煤種適應性、提高了氣化爐的可用率，是一種具有高煤種適應性、高碳轉化率、高冷煤氣效率的新型加壓氣流床氣化技術。
圖1為本發明干煤粉W火焰加壓氣流床氣化爐結構示意圖。
圖2為圖1中A-A向放大示意圖。
圖中圓柱形承壓外殼1、燃料噴嘴2、爐拱3、下段氣化室4、下段氣化室膜式水冷壁5、下段氣化室的排渣口 6、渣池7、黑水出口 8、渣水出口 9、下段氣化室出口 10、上段氣化室11、上段氣化室膜式水冷壁或耐火襯里12、上段氣化室出口 13、合成氣冷卻室水冷壁冷卻水進口集箱14、合成氣冷卻室水冷壁冷卻水出口集箱15、合成氣高壓氣體吹灰器16、合成氣冷卻室的內膜式水冷壁17、合成氣冷卻室的外膜式水冷壁18、合成氣冷卻室19、合成氣冷卻室返向室20、氣化爐頂部人孔門21、合成氣冷氣室合成氣導向水冷壁22、氣化爐合成氣出口 23。
具體實施方式
為了能更好地對本發明的技術方案進行理解，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細說明
參見附圖1，本發明的新型加壓氣流床氣化爐主要包括圓柱形承壓外殼1、以及由下至上設置在承壓外殼1內的渣池7、直徑較大的下段氣化室4、直徑較小的上段氣化室 11、合成氣冷卻室19等構成。其中，渣池7、下段氣化室4、合成氣冷卻室19采用膜式壁水冷壁結構；上段氣化室11可根據不同需要既可以采用膜式水冷壁結構也可以采用耐火襯里結構。
下段氣化室4主要由爐拱3、燃料噴嘴2、膜式水冷壁5、下段氣化室出口 10、下段氣化室排渣口6等構成，其中，布置在下段氣化室4上部的爐拱3為向上漸縮的錐形縮口結構(爐拱錐面與氣化爐中軸線的夾角為25 75° )，布置在下段氣化室4底部的排渣口 6 為向下漸縮的錐形縮口結構(排渣口錐面與氣化室中心線的夾角為45 65° )，從而形成兩端窄中間寬的腔體。燃料(干煤粉/水煤漿)通過布置在下段氣化室4上部的爐拱3上沿氣化爐中心軸線對稱布置的多只燃料噴嘴2 ( > 2只)(燃料噴嘴2與氣化爐中軸線的夾角為5 65° )斜向下噴入下段氣化室4內，與同時噴入的氧氣和水蒸氣進行部分燃燒與氣化反應，煤粉氣流著火后向下伸展，在下段氣化室4中下部沿圓弧轉折向上，再順中心軸線上升而形成W型火焰。由于采用對稱的W火焰氣化方式，可通過調節燃料噴嘴2與氣化爐中軸線間的夾角θ (5° < θ <65° )，實現下段氣化室4內火焰中心標高與下段氣化室出口 10合成氣溫度的可調，在一定程度上擴大了氣化爐對煤種的適應性，且由于采用W 火焰燃燒方式，極大程度上地提高了碳粒在爐內的停留時間，提高了氣化爐的碳轉化效率； 燃料在下段氣化室4內部分燃燒、氣化所形成的高溫灰渣經下段氣化室排渣口 6進入與之相連的渣池7，高溫灰渣經渣池冷卻、固化后沉積在渣水出口 9，經渣水出口 9底部碎渣機進一步破碎后，進入鎖渣罐，然后通過鎖渣罐的排渣口定期排出氣化爐外；從下段氣化室出口 10出來的高溫含灰粗煤氣進入位于下段氣化室4上部的上段氣化室11內，在上段氣化室 11內粗煤氣中的未反應碳粒繼續與(X)2和蒸汽等氣化劑發生氣化反應，粒徑較大的碳顆粒灰渣由于重力作用重新回落至下段氣化室4內，受W火焰氣流的沖擊繼續燃燒、破碎，破碎后的細小顆粒被攜帶至上段氣化室11內繼續氣化，從而進一步提高了整個氣化爐的碳轉換效率。
上段氣化室11為豎直型圓筒結構，可根據不同應用需要既可以采用膜式水冷壁結構也可以采用耐火襯里結構，在上段氣化室頂部布置有錐形縮口結構的上段氣化室出口 13 (合成氣出口錐面與上段氣化室中心線間的夾角為5 30° )。從下段氣化室出口 10出來的夾帶有未反應碳粒以及飛灰的高溫粗煤氣(1100 1400°C)進入上段氣化室11內，并繼續向上流動，在上段氣化室11內粗煤氣中的未反應碳粒繼續與CO2和蒸汽等氣化劑發生氣化反應，粒徑較大的碳顆粒灰渣由于重力作用重新回落至下段氣化室4內繼續燃燒、破碎，破碎后的細小顆粒被攜帶至上段氣化室11內繼續氣化，從而進一步提高了整個氣化爐的碳轉換效率。
從上段氣化室出口 13出來的高溫合成氣繼續向上進入合成氣冷卻室19，通過布置在合成氣冷卻室19內的合成氣冷卻室內膜式水冷壁17和合成氣冷卻室外膜式水冷壁 18雙層受熱面，將高溫合成氣冷卻至550 600°C，同時附產高壓/中壓蒸汽，以提高整個能源利用效率。高溫合成氣首先由下向上進入豎直圓筒型結構的合成氣冷卻室內膜式水冷壁17，由于氣流與煤灰氣流呈逆向流動，顆粒較大的煤灰在重力的作用下重新回落至上段氣化室11內，使得合成氣中的飛灰得到有效的分離，有效防止了大顆粒飛灰進入下游，避免了造成對流廢鍋受熱面堵塞現象的發生。通過合成氣冷卻室內膜式水冷壁17將合成氣冷卻至650 750°C左右，隨后高溫合成氣通過合成氣冷卻室返向室20轉向后進入由內膜式水冷壁17和外膜式水冷壁18所圍成的環形空間內繼續換熱，最終冷卻至550 600°C， 從氣化爐合成氣出口 23離開氣化爐進入下游工序。
在內膜式水冷壁17和外膜式水冷壁18之間的下部設置有吹灰器16。
本發明的新型加壓氣流床氣化爐，采用新型W火焰加壓氣化方式，有效地解決了現有氣化爐煤種適應性小、碳轉化率低等難題，具有煤種適應性廣、碳轉化率高、占地面積小等特點，日處理量可達2000t/d。該新型W火焰加壓氣流床氣化爐可根據入爐煤的煤質情況，通過調節布置在爐拱上的多只噴嘴與氣化爐中心線間的夾角，實現爐內下段氣化室內火焰中心位置以及下段氣化室出口溫度的可調，在一定程度上擴大了氣化爐對煤種的適應性；另一方面，由于采用新型W火焰氣化方式，極大地延長了煤焦顆粒在爐內的停留時間， 并增強了爐內煤粉氣流的湍流強度，極大地提高了碳轉換率與冷煤氣效率。
權利要求
1.一種新型加壓氣流床氣化爐，包括下段氣化室G)、上段氣化室(11)、合成氣冷卻室 (19)，其特征在于，下段氣化室(4)直徑較大、上段氣化室(11)直徑較小，下段氣化室(4) 和上段氣化室(11)之間連接有爐拱(3)，爐拱(3)上沿氣化爐軸線中心對稱布置有燃料噴嘴O)，燃料噴嘴O)的軸線與氣化爐中軸線具有夾角。
2.根據權利要求1所述的新型加壓氣流床氣化爐，其特征在于，所述燃料噴嘴(2)軸線與氣化爐中軸線的夾角可調。
3.根據權力要求1所述的新型加壓氣流床氣化爐，其特征在于，所述燃料噴嘴(2)與氣化爐中軸線的夾角為5 65°。
4.根據權利要求1所述的新型加壓氣流床氣化爐，其特征在于，所述爐拱(3)具有錐面，所述錐面與氣化爐中軸線的夾角為25 75°。
5.根據權利要求1所述的新型加壓氣流床氣化爐，其特征在于，所述下段氣化室(4)具有錐形排渣口(6)，錐形排渣口(6)的縮口錐面與氣化爐中軸線的夾角為45 65°。
6.根據權利要求1所述的新型加壓氣流床氣化爐，其特征在于，所述上段氣化室(11) 頂部布置有錐形縮口的氣化室出口(13)，氣化室出口(13)的縮口錐面與氣化爐中軸線的夾角為5 30°。
7.根據權利要求1所述的新型加壓氣流床氣化爐，其特征是，所述的合成氣冷卻室 (19)包括內膜式水冷壁(17)、外膜式水冷壁(18)、水冷壁入口集箱(14)、水冷壁出口集箱 (15)、合成氣冷卻室導向室(20)、合成氣導向水冷壁(22)、合成氣出口 ；從上段氣化室 (11)出來的高溫合成氣進入合成氣冷卻室(19)，經內膜式壁水冷壁(17)冷卻，冷卻后的合成氣向上經合成氣冷卻室導向室00)并被合成氣導向水冷壁0 冷卻和導向，向下進入內外膜式水冷壁(17、18)間的環形通道，最后從合成氣出口排出氣化爐，進入下道工序。
8.根據權利要求7所述的新型加壓氣流床氣化爐，其特征是，在內外模式水冷壁(17、 18)之間的下部設置有吹灰器(16)。
全文摘要
本發明公開了一種新型加壓氣流床氣化爐，包括直徑較大的下段氣化室、直徑較小的上段氣化室，下段氣化室和上段氣化室之間連接有爐拱，爐拱上沿氣化爐軸線中心對稱布置有燃料噴嘴，燃料噴嘴的軸線與氣化爐中軸線具有夾角。采用本技術方案，燃料(干煤粉/水煤漿)通過布置在爐拱上沿氣化爐中心軸線對稱布置的燃料噴嘴斜向下噴入下段氣化室，與同時噴入的氧氣和水蒸氣進行部分燃燒與氣化反應，煤粉氣流著火后向下伸展，在下段氣化室中下部沿圓弧轉折向上，再順中心軸線上升而形成W型火焰，這種新型W火焰氣化方式，極大地延長了煤焦顆粒在爐內的停留時間，并增強了爐內煤粉氣流的湍流強度，極大地提高了碳轉換率與冷煤氣效率。
文檔編號C10J3/48GK102517088SQ201110441780
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月26日 優先權日2011年12月26日
發明者烏曉江, 倪建軍, 劉煜, 張翔, 李平, 葛學利, 馬勝 申請人:上海鍋爐廠有限公司