專利名稱：分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐及其氣化方法
技術領域：
本發明涉及一種含碳物質氣化裝置，尤其涉及一種分級給氧兩段式多噴嘴氣流床氣化爐及其氣化方法。
背景技術：
現有的氣流床氣化技術將煤、焦等含碳物質氣化的過程，一般將燃料和氧氣采用同一燒嘴同時投入的方式，如美國專利US4707163、US4637823、US4527997和中國專利CN200980132394. 3。由于無法控制氣化爐內的反應狀態，使得氣化爐內的溫度分布不盡合理。氣流床氣化爐內存在高溫、高壓的多相流動、傳熱和復雜的氣化反應過程，因此爐內壁面特殊保護材料將直接決定氣化爐的安全運行。為了解決氣流床氣化爐頂部壁面材料的局部高溫問題，申請號為CN201110436956. 2的發明專利公開了一種兩段式多噴嘴氣化爐，如 圖I所示，包括氣化爐主體I、側面工藝燒嘴室2、側面工藝燒嘴3、頂部工藝燒嘴6、頂部工藝燒嘴室7以及位于氣化爐主體I底部的排渣口 8。上述兩段式多噴嘴氣化爐由于采用頂噴嘴氣化劑分流至下段噴嘴，而氣流床氣化爐內的火焰分布與氧氣分布直接相關，使該氣化爐下段氣化和燃燒產生局部高溫，導致氣化爐下段氣化室高溫區爐壁襯里材料的使用壽命偏短。從目前國內外氣流床氣化爐的運行情況可以發現，氣化爐內局部區域壁面材料的使用壽命偏短是影響氣化爐長周期穩定運行的主要因素之一，如何使氣化爐內溫度分布更加均勻合理，避免出現氣化爐內的局部高溫是解決氣化爐爐內壁面材料使用壽命偏短的主要途徑之一。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是使氣化爐內溫度分布更加均勻合理，避免出現氣化爐內的局部高溫。為了達到上述目的，本發明的構思是將氣化爐設計為合成氣和氣化產生的灰渣一同從氣化爐底部出口排出進入后續工藝，在氣化爐頂部設有一個與氣化爐同軸布置的工藝燒嘴，在氣化爐側面設有工藝燒嘴層和二次給氧噴槍層，二次給氧噴槍設置在側面工藝燒嘴層和氣化爐出口之間。本發明的一個具體技術方案是提供了一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，包括氣化爐主體，在氣化爐主體頂部設有內設頂部工藝燒嘴的頂部工藝燒嘴室，在氣化爐主體的側面設有至少兩個內設側面工藝燒嘴的側面工藝燒嘴室，在氣化爐主體底部設有排渣口，在氣化爐主體位于側面工藝燒嘴室與排渣口之間的直段上設有至少兩個二次給氧噴槍室，其特征在于所述側面工藝燒嘴室及所述二次給氧噴槍室分別對稱布置于所述氣化爐主體的四周，二次給氧噴槍安裝在所述二次給氧噴槍室內，由頂部工藝燒嘴及所述側面工藝燒嘴向所述氣化爐主體噴入燃料，且僅由所述側面工藝燒嘴及所述二次給氧噴槍共同為燃料提供所需氧氣。
優選地，所述頂部工藝燒嘴和所述頂部工藝燒嘴室與所述氣化爐主體同軸布置。優選地，所述側面工藝燒嘴室軸線與所述氣化爐主體徑向的夾角α為O 30° ;所述側面工藝燒嘴室軸線與所述氣化爐主體軸線的夾角β為60 120°。優選地，所述側面工藝燒嘴軸線與所述側面工藝燒嘴室在水平面上的夾角ξ為O 30°，在垂直面上夾角δ為O 15°。優選地，所述二次給氧噴槍室軸線與所述氣化爐主體徑向的夾角ε為O 30° ;所述二次給氧噴槍室軸線與所述氣化爐主體軸線的夾角λ為60 120°。優選地，所述二次給氧噴槍軸線與所述二次給氧噴槍室在水平面上的夾角η為O 30°，在垂直面上夾角Θ為O 15°。優選地，所述排渣口的內直徑為O. 05 O. 其中，D為所述氣化爐主體的內直 徑。優選地，所述側面工藝燒嘴室上部空間高度為I. 5 3. 5D，所述側面工藝燒嘴室與所述二次給氧噴槍室間的直段高度為I 3D，所述二次給氧噴槍室下部直段高度為I 7D，其中，D為所述氣化爐主體的內直徑。優選地，所述排渣口的內縮角度Ψ為25 65°。本發明的另一個技術方案是提供了一種上述的分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的氣化方法，其特征在于，將含碳燃料和含碳燃料所需的部分氣化劑一同分別從頂部工藝燒嘴和側面工藝燒嘴送入氣化爐主體內，含碳燃料所需的剩余部分氣化劑由二次給氧噴槍同時送入氣化爐主體內，其中，由頂部工藝燒嘴所送入的氣化劑中不包含氧氣，側面工藝燒嘴送入的氣化劑中的氧氣量與二次給氧噴槍送入的氣化劑中的氧氣量的總和為含碳燃料所需的總氧氣量。優選地，從所述頂部工藝燒嘴和所述側面工藝燒嘴的氣化劑量占總操作氣化劑量的 75% 95%。優選地，從所述二次給氧噴槍送入的氣化劑量占總操作氣化劑量的5% 25%。優選地，所述含碳燃料的輸送形態為漿態含碳燃料或粉態含碳燃料。本發明采用燃料兩段式給入和氧氣分級主要是從以下幾個方面考慮首先，現有工業運行氣化爐如美國專利US4707163、US4527997和中國專利CN98110616. I兩種上進料式氣化爐在實際運行中均存在氣化爐內耐火襯里使用壽命局部偏短的問題，特別是爐頂內襯壁面材料壽命較短，因此本發明在爐頂設有一工藝燒嘴，但本發明所述的頂部工藝燒嘴噴入燃料時不同時噴入氧氣，使爐頂內部空間減少燃燒等放熱反應，以降低爐頂內襯材料的溫度；另一方在側面工藝燒嘴層噴入燃料和氣化劑時發生大量的放熱反應，為了防止側面工藝燒嘴層附近的局部高溫，因此采用分級給氧技術，將總進入燃料所需氣化氧氣的一部分分流，由氣化爐側面工藝燒嘴下方的二次給氧噴槍給入，如此使爐內溫度分布更加均勻，氣化反應更加徹底，提高了碳轉化率和冷煤氣效率。此外，二次給氧噴槍設置在氣化爐中下部，有助于提高氣化爐中下部溫度，促進氣化爐中下部氣化反應的同時，確保實現液態排渣。本發明相比于現有技術的顯著優點在于I)本發明所述的氣流床氣化爐分兩段式通入含碳燃料，且頂部工藝燒嘴不通入氧氣，使氣化爐頂部空間的溫度大大降低，頂部工藝燒嘴通入的燃料也避免了下方側面工藝燒嘴通入燃料后高速撞擊混合形成的火焰和高溫物流沖刷氣化爐頂部內襯材料，極大地提高了氣化爐頂部耐火襯里的壽命；2)本發明所述的氣流床氣化爐采用分級給氧的方式通入氣化所需氣化劑，將部分氧氣分流至側面工藝燒嘴層和氣化爐出口間的二次給氧噴槍進入氣化爐，改善了氣化爐的溫度分布，由于二次給氧噴槍設置在氣化爐中下部，因此提高了氣化爐中下部溫度，促進了氣化爐中下部氣化反應，并確保了液態排渣的順利實現，避免了出口堵渣；3)本發明所述的氣化爐和氣化方法適用于煤、石油焦、渣油、浙青生物質和污泥等含碳物質的氣化，可采用干粉或漿體燃料進料方式，燃料適應性廣，采用多噴嘴形式布置，適用于大規模氣化，并便于氣化負荷的調整。
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圖I是現有氣流床氣化爐技術的軸向剖面示意圖；圖2是本發明分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐軸向剖面示意圖；圖3是圖2中A部分的局部放大圖；圖4是圖2中B部分的局部放大圖；圖5是本發明分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的側面工藝燒嘴層剖面示意圖；圖6是本發明分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的二次給氧噴槍層剖面示意圖。
具體實施例方式為使本發明更明顯易懂，茲以優選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。如圖2所示，本發明提供的分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐包括氣化爐主體I、至少兩個側面工藝燒嘴3和側面工藝燒嘴室2、至少兩個二次給氧噴槍5和二次給氧噴槍室4、位于氣化爐頂部的頂部工藝燒嘴6和頂部工藝燒嘴室7以及底部的排渣口 8。側面工藝燒嘴3安裝在側面工藝燒嘴室2內，且側面工藝燒嘴室2設置在氣化爐主體I中上部，均勻地對稱布置于氣化爐主體I四周，用于輸入燃料及部分氣化劑。頂部工藝燒嘴6安裝于頂部工藝燒嘴室7內，且位于氣化爐主體I頂部與氣化爐主體I同軸設置，用于通入含碳燃料和不含氧的氣化劑。上述氣化劑為含氧量為21% 100%的氣體。氣化劑可以采用空氣、水蒸汽、C02、純氧及其混合氣體，在針對干粉進料時，可選用氧氣、水蒸汽、二氧化碳等氣體及其混合物。本發明所述氣化劑在通入頂部工藝燒嘴室7時不包含氧氣，可以為水蒸汽、CO2等及其混合氣體，主要促進頂部工藝燒嘴室7通入燃料的脫揮發份和熱解反應，不產生燃燒等放熱反應，而側面工藝燒嘴3通入的氣化劑包含氧氣,主要利用氧氣的助燃性,使氧氣與含碳燃料進行氣化和燃燒反應；較佳地，通入側面工藝燒嘴3的氣化劑量占操作總氣化劑量的75% 95%，通入二次給氧噴槍5的氣化劑量占總操作氣化劑量的5% 25%。二次給氧噴槍5安裝在二次給氧噴槍室4內。二次給氧噴嘴室4設置于側面工藝燒嘴室2和排渣口 8之間，并均勻低對稱布置于氣化爐主體I的四周。二次給氧噴槍5和二次給氧噴槍室4的設置可以調整進入氣化爐的氧氣分布，而氣化爐頂部工藝燒嘴6和頂部工藝燒嘴室7的設置可以調整進入氣化爐主體I的燃料分布，達到合理調節爐內溫度的目的。如此氣化爐主體I頂部區域空間內的溫度明顯降低，這樣也避免了側面工藝燒嘴室2 —次給氧造成的爐內溫度分布不均造成的均布超溫，從而提高爐內耐火襯里的壽命。此外，二次給氧噴槍5設置在氣化爐主體I的中下部，有助于提高氣化爐主體I中下部的溫度，促進中下部的氣化反應，同時確保氣化爐液態排渣。另外，氣化爐主體I為具有壁面耐火襯里的圓柱形殼體。通常壁面耐火襯里采用耐火磚襯里結構和水冷壁襯里結構。如圖3 圖6所示，側面工藝燒嘴室2軸線與氣化爐主體I徑向的夾角α為O 30° ;側面工藝燒嘴室2軸線與氣化爐主體I軸線的夾角β為60 120°。側面工藝燒嘴3軸線與側面工藝燒嘴室2在水平面上的夾角ξ為O 30°，在垂直面上的夾角δ為O 15° ;二次給氧噴槍室4軸線與氣化爐主體I徑向的夾角ε為O 30°，二次給氧噴 槍室4軸線與氣化爐主體I軸線的夾角λ為60 120° ;二次給氧噴槍5軸線與二次給氧噴槍室4在水平面上的夾角η為O 30°，在垂直面上的夾角Θ為O 15°。通過側面工藝燒嘴3和側面工藝燒嘴室2、二次給氧噴槍5和二次給氧噴槍室4角度的設置與匹配，可以在爐內形成撞擊流或旋轉流來強化混合過程和提高燃料顆粒在爐內的停留時間，從而達到良好的工藝與工程效果，實現有效氣體成分高、碳轉化率高且爐壁耐火襯里壽命長。排渣口 8內直徑為O. 05 O. 側面工藝燒嘴室2上部空間高度為I. 5 3. 5D,側面工藝燒嘴室2與二次給氧噴槍室4間的直段高度為I 3D，二次給氧噴槍室下部直段高度為I 7D，其中，D為氣化爐主體I的內直徑為。排渣口 8的內縮角度Ψ為25 65°。針對上述分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，本發明采用以下氣化方法以單噴嘴頂置四噴嘴側置式分級給氧兩段式多噴嘴氣流床氣化爐為例，含碳燃料經輸送系統，部分燃料與不含氧氣的氣化劑從頂部工藝燒嘴6送入氣化爐主體1，剩余燃料通過四個對稱布置在氣化爐主體I上部統一水平面的側面工藝燒嘴3與含氧量21% 100%的氣化劑一同通入氣化爐主體I。從頂部工藝燒嘴6及側面工藝燒嘴3送入的氣化劑量約占操作氣化劑總量的75% 95%，剩余氧化劑由二次給氧噴槍5送入氣化爐主體I內。含碳物質在氣化爐主體I內的反應過程主要分為三個部分頂部工藝燒嘴6送入的燃料和不含氧氣化劑(如二氧化碳、水蒸汽等)在氣化爐主體I頂部空間，受下部空間高溫氣化反應的火焰、爐內壁、高溫氣體、固體顆粒等的熱輻射作用，以及撞擊或旋流流股的熱量影響，發生熱裂解并釋放出揮發份，形成第一反應區；熱裂解產物與揮發份向下流動，在下方與側面工藝燒嘴3噴入的燃料和氣化劑再一次混合，在高溫和氧氣作用下發生部分燃燒和氣化反應，由于到該區域的燃料已全部送入氣化爐主體I內，而所需操作氧量不足，故控制了該區域的放熱反應，相比于一次給氧氣化爐，該區域的空間溫度明顯下降，形成了第二反應區；剩余未燃盡碳和其他易燃組分繼續與熱煙氣一同向下流動，在下方與側面布置的二次給氧噴槍5噴入的氣化劑再次混合，在高溫、高濃度氧作用下完全燃燒和氣化，形成第三反應區；同時由于第三反應區所送入氣化劑雖總量不高，但提高了氣化爐主體I中下段溫度，保證了熔渣以液態渣膜形式沿爐壁向下排出，避免了堵渣現象；隨后，氣化爐主體I內燃燒后的混合物繼續向下流動，組分中的炭黑粒子、甲烷等于水蒸汽、二氧化碳發生可逆氣化反應，生成了有效氣體成分CO和H2,該區域為第四反應區。由于發生在第四反應區的反應以吸熱反應為主，可以在一定程度上降低反應區溫度，是氣化爐內溫度得到合理控制，相對起到保護爐內壁耐火襯里的作用。最后，反應生成的合成氣與液態熔渣并流向下，由排渣口 8排出。下面的實施例將對本發明予以進一步說明實施例本實施例說明采用本發明的分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐進行氣化試驗得到的結果。一臺日處理3000噸煤的分級給氧兩段式多噴嘴干煤粉氣化爐，氣化壓力4. OMPa,壁面為水冷壁結構，氣化爐頂部設置一個與氣化爐同軸的工藝燒嘴，側面工藝燒嘴3有4個，二次給氧噴槍5有4個。氣化爐主要尺寸參數見表I所示
權利要求
1.一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，包括氣化爐主體(I)，在氣化爐主體(I)頂部設有內設頂部工藝燒嘴(6)的頂部工藝燒嘴室(7)，在氣化爐主體(I)的側面設有至少兩個內設側面工藝燒嘴(3)的側面工藝燒嘴室(2)，在氣化爐主體(I)底部設有排渣口(8)，在氣化爐主體(I)位于側面工藝燒嘴室(2)與排渣口(8)之間的直段上設有至少兩個二次給氧噴槍室(4)，其特征在于所述側面工藝燒嘴室(2)及所述二次給氧噴槍室(4)分別對稱布置于所述氣化爐主體(I)的四周，二次給氧噴槍(5)安裝在所述二次給氧噴槍室(4)內，由頂部工藝燒嘴(6)及所述側面工藝燒嘴(3)向所述氣化爐主體(I)噴入燃料，且僅由所述側面工藝燒嘴(3)及所述二次給氧噴槍(5)共同為燃料提供所需氧氣。
2.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述頂部工藝燒嘴(6)和所述頂部工藝燒嘴室(7)與所述氣化爐主體(I)同軸布置。
3.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述側面工藝燒嘴室(2)軸線與所述氣化爐主體(I)徑向的夾角α為O 30° ;所述側面工藝燒嘴室(2)軸線與所述氣化爐主體(I)軸線的夾角β為60 120°。
4.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述側面工藝燒嘴(3)軸線與所述側面工藝燒嘴室(2)在水平面上的夾角ξ為O 30°，在垂直面上夾角δ為O 15°。
5.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述二次給氧噴槍室(4)軸線與所述氣化爐主體(I)徑向的夾角ε為O 30° ;所述二次給氧噴槍室(4)軸線與所述氣化爐主體(I)軸線的夾角λ為60 120°。
6.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述二次給氧噴槍(5)軸線與所述二次給氧噴槍室(4)在水平面上的夾角η為O 30°，在垂直面上夾角Θ為O 15°。
7.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述排渣口(8)的內直徑為O. 05 O. 5D，其中，D為所述氣化爐主體(I)的內直徑。
8.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述側面工藝燒嘴室(2)上部空間高度為I. 5 3. 5D，所述側面工藝燒嘴室(2)與所述二次給氧噴槍室(4)間的直段高度為I 3D，所述二次給氧噴槍室(4)下部直段高度為I 7D，其中，D為所述氣化爐主體(I)的內直徑。
9.如權利要求I所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，其特征在于所述排渣口(8)的內縮角度Ψ為25 65°。
10.一種采用如權利要求I所述的分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的氣化方法，其特征在于，將含碳燃料和含碳燃料所需的部分氣化劑一同分別從頂部工藝燒嘴(6)和側面工藝燒嘴(3)送入氣化爐主體(I)內，含碳燃料所需的剩余部分氣化劑由二次給氧噴槍(5)同時送入氣化爐主體(I)內，其中，由頂部工藝燒嘴(6)所送入的氣化劑中不包含氧氣，側面工藝燒嘴(3)送入的氣化劑中的氧氣量與二次給氧噴槍(5)送入的氣化劑中的氧氣量的總和為含碳燃料所需的總氧氣量。
11.如權利要求10所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的氣化方法，其特征在于從所述頂部工藝燒嘴(6)和所述側面工藝燒嘴(3)的氣化劑量占總操作氣化劑量的75% 95%。
12.如權利要求10所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的氣化方法，其特征在于從所述二次給氧噴槍(5)送入的氣化劑量占總操作氣化劑量的5% 25%。
13.如權利要求10所述的一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的氣化方法，其特征在于所述含碳燃料的輸送形態為漿態含碳燃料或粉態含碳燃料。
全文摘要
本發明涉及一種分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐，包括氣化爐主體，在氣化爐主體頂部設有內設頂部工藝燒嘴的頂部工藝燒嘴室，在氣化爐主體的側面設有至少兩個內設側面工藝燒嘴的側面工藝燒嘴室在氣化爐主體底部設有排渣口，在氣化爐主體位于側面工藝燒嘴室與排渣口之間的直段上設有至少兩個二次給氧噴槍室，其特征在于所述側面工藝燒嘴室及所述二次給氧噴槍室分別對稱布置于所述氣化爐主體的四周，二次給氧噴槍安裝在所述二次給氧噴槍室內。本發明的另一個技術方案是提供了一種上述的分級給氧兩段式多噴嘴氣化爐的氣化方法。本發明使氣化爐內溫度分布更加均勻合理，避免出現氣化爐內的局部高溫。
文檔編號C10J3/48GK102816605SQ201210315978
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者倪建軍, 烏曉江, 張建文 申請人:上海鍋爐廠有限公司