一、技術領域
本發明涉及煤化工領域，特別地，涉及煤氣流床氣化。
二、
背景技術：
煤氣化是煤的潔凈與高效利用的龍頭和關鍵技術。氣流床氣化是最近幾十年發展起來的新型煤并流式氣化技術，氣化劑與煤粉或煤漿經噴嘴進入氣化室，煤的熱解、燃燒以及氣化反應幾乎同時進行，高溫保證了煤的完全氣化，煤中的礦物質成為熔渣后離開氣化爐。與傳統氣化技術相比，加壓氣流床氣化溫度高、處理能力大、氣體有效成分高、氣化效率高，是未來煤氣化技術發展方向。
目前氣流床煤氣化工藝按噴嘴數量和布置不同，可分為單噴嘴直噴和多噴嘴對噴兩類。如texaco水煤漿氣化和gsp粉煤氣化均采用單噴嘴直噴方式，其優點在于結構和控制簡單、造價低，但由于加壓氣化過程涉及高溫、高壓、非均相條件下的流體流動及與之相關的傳遞過程和復雜的化學反應過程，單噴嘴直噴霧化效果不理想，氣化效率相對較低；另外處理量調節幅度小、容量小，無法滿足大型化的需求。shell和多噴嘴水煤漿工藝采用了多噴嘴對噴結構，改善了氣化爐傳質傳熱效果，碳轉化率、能耗等指標有所提高，但是，shell多噴嘴結構增加了設備的復雜性，特別是需要獨立的連鎖控制系統，從而增加了設備造價、操作難度和維修率；水煤漿多噴嘴對置氣化工藝由于火焰場的分布易造成爐頂部耐火材料的燒蝕，爐頂耐火磚壽命僅有幾個月，大大提高了投資。
氣化爐出來的粗煤氣具有很高的溫度(1200～1700℃)，為了讓夾帶的熔融爐灰凝固，同時為了回收熱能，需要對其冷卻。目前，工業上采用的移熱方式有兩種：一種是上行廢鍋流程，產生高壓蒸汽；另一種是下行水激冷流程，產生飽和水粗煤氣。上行廢鍋流程熱效率高，煤氣熱值高，適合后續igcc發電；但是上行廢鍋流程僅是回收了氣體的部分熱量，對熔渣的熱量并未回收，且采用冷煤氣激冷加廢鍋回收預熱的方式設備復雜、冷煤氣能耗高。激冷流程氣化爐結構簡單，而且含水煤氣對于后續變換工序有利，非常適合作為化工生產合成氣，但水激冷流程能量回收困難，且有效氣(co+h2)含量較低，煤氣熱值低；另外激冷流程黑水量和含鹽廢水大，生化處理難度高。下行廢鍋流程盡管對回收合成氣和熔渣的熱量一次給于回收，但由于粘灰結垢堵塞通道，很少工業化應用。
專利cn101724470a提到一種新型水煤漿氣化爐利用頂噴咀和傾斜上噴的側噴嘴，在爐膛中心形成y型撞擊區，強化了熱質傳遞與混合過程，加快了反應速率并提高碳轉化率；由于頂噴嘴的作用，y型撞擊區的水煤漿停留時間延長、火焰方向向下，高達2000℃的火焰不會沖擊爐頂部耐火材料；加之耐火材料層在水(汽)冷壁管的冷卻下，內壁壁溫低于液渣的凝固溫度，在耐火層表面結一層凝固渣層，起到以渣抗渣、保護耐火層的作用，大大延長了氣化爐的使用壽命，但液體排渣，能量未能回收，黑水和含鹽廢水量大，生化處理難度高。
專利cn102994160a提到一種固相排渣的氣流床氣化爐，利用頂噴咀和側噴嘴組合形成y型撞擊區，延長水煤漿在高溫反應區停留時間、強化了熱質傳遞與混合過程、避免高溫沖擊爐頂部耐火材料，提高碳轉化率和擴大適用煤種的范圍以及處理量調節幅度，同時消除單一頂噴嘴氣化爐開工爆震造成的安全隱患和降低爐膛保護層壽命的缺陷；利用隔熱材料層、冷卻管和耐磨材料層從外向內組合的水冷壁結構實現以渣抗渣、保護冷卻管、提高氣化爐壽命；利用旋流冷卻套旋轉噴出的循環冷卻煤氣強化熔渣冷卻固化、離心旋轉實現灰渣分離，解決了水激冷流程的黑水難題，同時回收灰、渣和合成氣的余熱，簡化了冷卻室結構、降低了隔熱耐磨材料的苛刻度和成本。在實際應用中性能遠優于其他合成型的氣流床氣化爐，但是還存在水冷壁掛渣難度大、不均勻、易產生大塊掉渣，熱渣水封不可避免產生了難處理的含鹽廢水，影響長周期安全運行，煤氣循環冷卻效果差、能耗高、投資大，旋流冷卻氣帶動合成氣旋轉的離心作用弱、氣量大造成了廢熱鍋爐負荷大幅度的增加，冷卻螺旋管結構不利于側噴嘴布置、結構復雜，承壓外殼材質要求高等重大缺陷和不足，影響了固相排渣的氣流床氣化爐的推廣和應用。因此開發大容量、高效率、高調節、高熱量回收、低投資、長周期的大型氣流床氣化爐是目前煤化工亟待解決難題之一。
三、
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服現有固相排渣的氣流床氣化爐技術存在的上述重大缺陷和不足而提供一種干法粒化排渣的y型氣流床氣化爐，具有結構簡單、使用壽命長、煤種適應性廣，固體反應區停留時間長、灰渣分離、碳的轉化率高，水冷壁掛渣容易、處理量調節幅度大、熱量回收率高，能耗和投資低、消除了含鹽廢水和黑水，二次污染少等優點，可滿足產業部門對高效大型化合成型氣化爐的要求。
本發明的技術方案：
本發明提供干法粒化排渣的y型氣流床氣化爐，主要包括氣化爐、氣灰分離器、流化床換熱器等，氣化爐分為氣化室和激冷室，中間通過分段錐形封頭隔開；氣化室殼體從外向內依次是隔熱材料層、冷卻套和耐火材料層；在氣化室底部設置冷卻液進口，頂部設置冷卻液出口；氣化室頂部中心設置頂噴嘴，上部沿圓周均勻設置3個以及3個以上側噴嘴，側噴嘴與水平方向夾角為-15°～15°、與徑向夾角為2°～75°；分段錐形封頭中心設置氣化產物排出口，通入激冷室；氣化產物排出口外側設置激冷水噴頭，激冷室底部設置流化床換熱器，激冷室上部設置粗合成氣出口接入氣灰分離器，氣灰分離器的排灰口排出細灰返回原料煤粉倉循環使用。
冷卻套為冷卻夾套、冷卻環管或冷卻列管；頂噴嘴與側噴嘴的原料處理量之比為1～4:1。
氣化室的高徑比為2-5:1，側噴嘴噴口距氣化室頂部高度為500-2500mm，氣化室的耐火材料層為碳化硅或鎂鋁尖晶石材料澆注。
激冷室使用普通隔熱耐磨材料澆注，高徑比為2～8:1，煤氣出口距激冷室頂部高度為100-1000mm。
流化床換熱器的底部設有水蒸氣分布器，流化床內安裝有各自獨立的取熱套管；取熱套管的進水管分別通過閥門與進水管聯通，出水管分別通過閥門與蒸汽包聯通。
四、附圖說明
圖1是本發明的干法粒化排渣的y型氣流床氣化爐結構示意圖。
附圖的圖面設明如下：1.氣化爐殼體、2.冷卻套、3.耐火材料層、4.頂噴嘴、5.側噴嘴、6.氣化室、7.冷卻液進口、8.冷卻液出口、9.氣化產物排出口、10.隔熱材料層、11.分段錐形封頭、12.激冷室、13.旋流冷卻套、14.激冷水噴頭、15.粗煤氣出口、16.氣灰分離器、17.煤氣出口、18.流化床換熱器、19.蒸汽分布器、20.取熱套管、21.排渣口、22.排灰口。
五、具體實施方式
下面結合附圖對本發明作詳細的介紹：圖1所示，本發明所述的干法粒化排渣的y型氣流床氣化爐由氣化爐殼體(1)、冷卻套(2)、耐火材料層(3)、頂噴嘴(4)、側噴嘴(5)、反應室(6)、冷卻液進口(7)冷卻液出口(8)、氣化產物排出口(9)、保溫材料層(10)、分段錐形封頭(11)、冷卻室(12)、旋流冷卻套(13)、激冷水噴頭(14)、粗煤氣出口(15)、氣固分離器(16)、煤氣出口(17)、流化床換熱器(18)、蒸汽分布器(19)、取熱套管(20)、排渣口(21)、排灰口(22)等組成；氣化爐分為氣化室(6)和激冷室(12)，中間通過分段錐形封頭(11)隔開；氣化室(6)殼體從外向內依次是隔熱材料層(10)、冷卻套(2)和耐火材料層(3)；在氣化室(6)底部設置冷卻液進口(7)，頂部設置冷卻液出口(8)；氣化室(6)頂部中心設置頂噴嘴(4)，上部沿圓周均勻設置3個以及3個以上側噴嘴(5)，側噴嘴(5)與水平方向夾角為-15°～15°、與徑向夾角為2°～75°；分段錐形封頭(11)中心設置氣化產物排出口(9)，通入激冷室(12)；氣化產物排出口(9)外側設置激冷水噴頭(14)，激冷室(12)底部設置流化床換熱器(18)，激冷室(12)上部設置粗合成氣出口(15)接入氣灰分離器(16)，氣灰分離器(16)的排灰口(22)排出細灰返回原料煤粉倉循環使用。
利用流體力學、化工動力學、傳熱學、材料力學等多方面知識進行理論研究、數學模擬和優化以及大量的實驗研究，確定的本發明各部分的最優結構和組合方式如下：
冷卻套(2)為冷卻夾套、冷卻環管或冷卻列管；頂噴嘴(4)與側噴嘴(5)的原料處理量之比為1～4:1。
氣化室(6)的高徑比為2-5:1，側噴嘴(5)噴口距氣化室(6)頂部高度為500-2500mm，氣化室(6)的耐火材料層為碳化硅或鎂鋁尖晶石材料澆注。
激冷室(12)使用普通隔熱耐磨材料澆注，高徑比為2～8:1，粗煤氣出口距激冷室(12)頂部高度為100-1000mm，激冷室(12)底部錐形封頭的開孔率為3％-25％。
流化床換熱器(18)的底部設有水蒸氣分布器(19)，流化床內安裝有各自獨立的取熱套管(20)；取熱套管(20)的進水管分別通過閥門與進水管聯通，出水管分別通過閥門與蒸汽包聯通。
在實際操作中，干法粒化排渣的y型氣流床氣化爐工作時，水煤漿或粉煤與氣化劑經頂噴嘴和徑向傾斜的側噴嘴入爐，多股射流在爐膛中心相互碰撞形成y型旋轉撞擊區，相互點火、湍流攪拌混合、形成高溫反應區，煤粉在高溫反應區的停留時間大大延長，強化了熱質傳遞與混合過程，改善了著火穩定性，提高碳轉化率和擴大適用煤種的范圍以及處理量調節幅度；而且水冷壁掛渣容易，耐火層表面結一層凝固渣層，以渣抗渣、提高了氣化爐的壽命；同時由于頂噴嘴的作用，火焰方向向下，高達2000℃的火焰不會沖擊爐頂部耐火材料；另外頂噴嘴同時具有點火和反應功能，消除單一頂噴嘴氣化爐開工爆震造成的安全隱患和降低爐膛保護層壽命的缺陷以及點火噴嘴和反應噴嘴高溫更換的危險和繁重；生成的煤氣與熔融灰渣并流高速旋轉，經分段錐形封頭中心的氣化產物排出口進入下游的旋流冷卻室。氣化產物由原來的一次水激冷過程，變為二次水分步激冷，操作條件和對設備的要求苛刻度大大緩和。
通過旋流冷卻套上部高速噴射的水霧與進入冷卻室的粗煤氣和液渣旋流混合換熱，液渣固化，在旋流冷卻套下部出口氣固分離；固體渣從激冷室底部落入流化床換熱器；粗煤氣由于慣性小攜帶炭黑向上流動，充分利用氣化產物余熱，消除了下行氣流床氣化爐激冷渣產生的黑水難題。
通過旋流冷卻套上部，霧化水從氣化產物排出口外側的激冷水噴頭高速霧狀噴出與氣化產物排出口并流高速旋轉噴射出來的煤氣與熔融灰渣快速混合、灰渣激冷固化效果遠優于氣體激冷；由于水的相變熱大，相對用量少，冷卻能耗遠低于冷煤氣循環激冷，對廢熱鍋爐的負荷影響也較小；在離心旋轉過程固渣由于慣性大甩到旋流冷卻室壁，在流化床換熱后的蒸汽和合成氣向上流動，而殘炭含量較高的灰慣性小被向上流動的合成氣帶出旋流冷卻室，從而實現了灰渣分離，消除了氣渣并流下行氣流爐的水激冷產生的后續極難處理的黑水、后續處理管線結堵和二次污染嚴重、下降管內的激冷環極易損壞的共性難題。從激冷室上部的粗煤氣出口流出進入氣灰分離器以及下游的廢鍋換熱工序和中溫煤氣水洗脫碳黑工序。熔渣固化放出大量的相變熱、外排的粗合成氣溫度降到800℃以內，便于設置廢熱鍋爐同時回收利用灰、渣和合成氣的的熱量，余熱回收率大大提高；冷卻室溫度降到800℃以內并且為干式結構，還簡化了激冷室結構、降低了隔熱耐磨材料的苛刻度和成本。
固化渣從固渣激冷室落入流化床換熱器，800℃左右的激冷渣在流化蒸汽的作用下通過各自獨立設置換熱套管再次回收熱量，最后通過排渣口和兩級鎖斗間歇式干法排出，消除了氣流床氣化爐激冷產生的含鹽廢水難題。另外在排渣管無需使用激冷環，也就避免了目前氣渣并流下行氣流爐水激冷流程中普遍存在的激冷環極易損壞，影響長周期運行的難題。
從中試實驗結果來看，碳氣化率高達99％以上、綜合熱回收率85％以上，投資降低40％以上，處理量調節幅度60％-150％，冷卻劑用量減少80％左右，廢熱鍋爐的負荷降低50％以上，對煤種的揮發分無要求，水冷壁掛渣容易且均勻，無黑水和含鹽廢水處理難題，能滿足產業部門對高效大型化合成型氣化爐的要求。