專利名稱：高灰熔點煤種氣化方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于固態(tài)含碳化合物氣化技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及高灰熔點粉煤加壓氣流床氣化方 法及其裝置。
背景技術(shù)：
潔凈煤技術(shù)已成為我國煤化工、工業(yè)燃氣及電力工業(yè)技術(shù)升級的重大關(guān)鍵性技術(shù)， 而煤炭氣化技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的重要方向之一，是以煤基為能源的化工系統(tǒng)中最重要的核心技術(shù)。我國煤炭的特點是，灰熔點高，流動溫度大于1500°0的煤占總儲量的50%左 右；另外，煤灰含量平均較高，平均23%，動力煤的平均灰含量達到25%,商業(yè)動力煤 的平均灰含量甚至達到27~28%。這種高灰分高灰熔點("雙高")煤在氣化領(lǐng)域被稱之為 最難氣化的煤種。到目前為主，世界上已經(jīng)工業(yè)化的煤氣化工藝有幾十種，可歸納為三類以Lurgi .為代表的固定床氣化工藝；以HTW (高溫溫克勒)、灰熔聚為代表的流化床氣化工藝； 以Texaco、 Shell、 GSP為代表的氣流床氣化工藝。當前大型工廠的煤制合成氣(或H" 氣化技術(shù)普遍認同的是氣流床氣化工藝，具有處理化合物種類多、氣化效率高、原料消 耗低、設(shè)備生產(chǎn)強度大等優(yōu)點。其中，干煤粉加壓氣流床氣化技術(shù)，如Prenflo、 Shell和 GSP等技術(shù)，具有煤種的適應(yīng)性廣、比氧耗和比煤耗低、有效氣成分高、冷煤氣效率、 碳的轉(zhuǎn)化率高、單爐容量大等優(yōu)點，是煤氣化工藝技術(shù)的發(fā)展方向，有很強的市場競爭 力。Prenflo氣化爐和Shell氣化爐是在K-T(Koppers-Totzek)常壓氣化爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的加壓氣化爐型。它們的共同特點是，干煤粉進料、以氧氣為氣化劑、氣流上行、液 態(tài)排渣和水冷壁結(jié)構(gòu)。如果將這些爐型應(yīng)用于高灰熔點粉煤氣化并形成液態(tài)排渣，必須 使液渣溫度保持在該煤種灰渣流動溫度以上；而該爐型由于沒有高溫熱煤氣對液渣和排 渣口的加熱并攜帶液渣的順利排出，液渣溫度必然極容易降低從而凝固并堵塞排渣口 。與Prenflo和Shell氣化爐相比較，GSP干煤粉氣流床加壓氣化爐也采用加壓氣化、 干煤粉進料、以氧氣為氣化劑、液態(tài)排渣和水冷壁結(jié)構(gòu)，不同的是，其采用煤粉和氣化 劑由爐頂下噴式，氣流下行的流動方式?！吨袊蟆?2005.09.05)和《大氮肥》(2005， 28 (5)，第317頁)均報道了利用德國GSP技術(shù)破'解了"雙高"煤利用難題。但是，由于爐內(nèi)存在由上而下的高溫火舌——激烈的粉煤燃燒和氣化區(qū)域，其溫度最高可達2200C (參見《大規(guī)模煤氣化技術(shù)》，許世森、張東亮、任永強編著，化學工業(yè)出版社，2006.1), 該溫度比高灰熔點煤種平均流動溫度高出近700'C，這對氣化爐內(nèi)壁提出了嚴格的要求,直接導(dǎo)致了內(nèi)壁材料成本的提高。由輻射斯蒂芬-波耳茲曼定律——黑體的輻射能力與其 絕對溫度的四次方成正比——可知，如果能將爐內(nèi)最高溫度降低200'C,則高溫火舌對氣 化爐內(nèi)壁的輻射熱降低28.6%;如果將爐內(nèi)最高溫度降低40(TC，則高溫火舌對氣化爐內(nèi) 壁的輻射熱降低53.9%。輻射熱量的降低必然降低氣化爐內(nèi)壁的溫度，使內(nèi)壁的材料成 本降低，并提高內(nèi)壁的使用壽命。另外，該爐型采用頂端豎直向下并流進料，合成氣和 液渣則由底端出口豎直向下排出，這種直進直出型流線減少了粉煤和氣化劑在爐內(nèi)的接 觸與反應(yīng)時間，在一定程度上限制了氣化效率的進一步提高。針對這種在燃燒器出口形成的火舌或火炬，《鍋爐原理與計算》(馮俊凱、沈幼庭主 編，科學出版社，1992，第60-64頁)和《燃油燃氣鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計及圖冊》(趙欽新等編 著，西安交通大學出版社，2002,第54-56頁)均有提及。這種火舌或火炬的存在，使 燃燒反應(yīng)發(fā)生在較小的區(qū)域，形成局部超高溫區(qū)，爐內(nèi)溫度梯度大，燃燒不夠充分，熱 效率較低；另一方面也增加了大氣污染物氮氧化物(NOx)的排放。為了克服爐膛內(nèi)局部高溫火舌或火炬造成的燃燒效率下降、污染物排放上升和對爐 體內(nèi)壁材料高要求等問題，中國專利CN 18620卯A"—種燃氣或燃油鍋爐"和CN 1987286 A "采用稀薄-無焰燃燒方式的燃氣或燃油鍋爐"均公開了一種無焰燃燒方式的鍋爐，這 種燃燒沒有前面所述鍋爐中的火舌或火苗，是一種空間燃燒方式，燃燒反應(yīng)發(fā)生在整個 .爐膛空間，具有高效節(jié)能、低污染等優(yōu)點。但這兩種鍋爐均應(yīng)用于氣體和液體燃料的燃 燒，并不涉及固體燃料燃燒，特別是髙灰熔點碳氫燃料的燃燒，更不涉及固體燃料的氣 化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種高灰熔點煤種氣化方法及其裝置，克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，使高 灰熔點的煤渣順利呈液態(tài)排出，同時降低爐內(nèi)的最高溫度和整體溫度梯度，使氣化爐爐 內(nèi)溫度均勻，提高高灰熔點煤種氣化效率。本發(fā)明的實現(xiàn)思想是這樣的采用立式氣化爐；采用氧化劑和水蒸氣為氣化劑；采 用合成氣和液渣向下并流方式，使排渣口的溫度保持在灰渣流動溫度以上，并利用高溫 合成氣對高粘度熔渣的良好攜帶作用，以實現(xiàn)高灰熔點粉煤的順利液態(tài)排渣；改變傳統(tǒng)的粉煤和氣化劑通過同一噴嘴噴入爐內(nèi)的方式，將粉煤和氣化劑分別由位于爐壁上不同 高度的噴嘴以不同入爐方式噴入爐內(nèi)，粉煤在載氣的輸送下由位于爐體上部的某一位置 徑向噴入，氧化劑由位于爐體上部的另一不同位置沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方 向高速射入，氣化劑水蒸氣則由位于爐體中下部的某一位置沿著平行于爐體圓形橫截面 切線的方向高速射入，上下兩部分氣化劑的旋轉(zhuǎn)方向相同。這樣，在氣化爐的上段粉煤 與氧化劑發(fā)生氧化燃燒反應(yīng)。粉煤在高速切向進入的氧化劑射流的驅(qū)動下呈分散狀在爐 內(nèi)高速向下旋轉(zhuǎn)， 一方面，高速噴入的氧化劑被其自身巻吸的大量煙氣稀釋，大大降低 旋轉(zhuǎn)氣流中的氧濃度；另一方面，在與燃料接觸反應(yīng)之前，被稀釋的氧化劑分子還受到 高溫煙氣的巻吸混合加熱，同時還受到高溫爐壁的熱輻射，使其溫度在瞬間上升到粉煤 著火點以上。當噴入的氧化劑旋轉(zhuǎn)至粉煤噴入位置的時候，粉煤被迅速擴散到高溫低氧 的氧化性氣氛中，迅速升溫。溫度升高導(dǎo)致在粉煤顆粒表面溢出大量的揮發(fā)分，該揮發(fā) 分一旦與旋轉(zhuǎn)氣流中的高溫氧氣分子接觸，立即著火燃燒，生成CO、 C02和焦炭，并放 出大量反應(yīng)熱。由于粉煤和氧化劑的接觸發(fā)生在整個旋轉(zhuǎn)氣流中，而不是在某一個峰面 上，所以該燃燒反應(yīng)屬于空間反應(yīng)，燃燒熱量彌散到整個反應(yīng)空間中，這使得爐內(nèi)溫度 均勻，避免了傳統(tǒng)的燃燒反應(yīng)局部溫度過高，從而顯著地降低了燃燒氧化反應(yīng)的最髙溫 度水平。在爐體的中下段沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向高速噴入水蒸氣，其迅速擴 散到旋轉(zhuǎn)氣流中并與上部生成的焦炭和CO發(fā)生反應(yīng)。最終生成的合成氣(H2+C0)旋 轉(zhuǎn)帶動液渣一道沿著出渣口向下流出?；谝陨蠈崿F(xiàn)思想，本發(fā)明提出一種適用于高灰熔點粉煤、粉煤和氣化劑(包括氧 化劑與水蒸氣)分開由爐壁上不同高度不同位置的噴嘴噴入爐內(nèi)、液態(tài)排渣、合成氣和 液渣并流向下流出出渣口的立式加壓氣流床氣化方法及其裝置，包括氣化爐的金屬外殼 2、絕熱保溫層3、耐火內(nèi)膽4、氧化劑噴嘴6、粉煤噴嘴7、水蒸氣噴嘴5和8;其特征 在于將粉煤和氣化劑分別由位于爐壁上不同高度的噴嘴以不同入爐方式噴入氣化爐內(nèi)， 粉煤在載氣的輸送下由位于爐體上部的噴嘴7徑向噴入，氧化劑由位于爐體上部另一不 同位置的噴嘴6沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入，水蒸氣則由位于爐體 中下部的的噴嘴7和8沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入，上下兩部分氣 化劑的旋轉(zhuǎn)方向相同。所述的氣化爐由金屬外殼2、絕熱保溫層3和耐火內(nèi)膽4組成，金屬外殼2在20匸 400。C下能承受0.1~4MPa,氣化爐的高度與內(nèi)徑比例D:H=1:1~4;所述粉煤噴嘴7以徑向方向噴射煤粉，氧化劑噴嘴6和水蒸氣噴嘴5與8以沿著平 行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入氣化劑，氧化劑和水蒸氣在爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)方向相 同；所述粉煤噴嘴7的高度H產(chǎn)(0.K25)H,氧化劑噴嘴6的高度112=(0.1~0.2)11,水蒸 氣噴嘴5與8的高度H3=(0.3~0.6)H;所述氧化劑選取氧氣或氧含量超過60%的富氧空氣； 所述的氧化劑和水蒸氣的射速范圍在30m/s ~ 80m/s;與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點是使粉煤在整個爐膛空間爐內(nèi)實現(xiàn)燃燒 和氣化，避免出現(xiàn)超高溫火舌，降低了爐內(nèi)最高溫度和溫度梯度，從而可以進一步提高 爐內(nèi)平均溫度水平，使液態(tài)排渣溫度高于其流動溫度以上，適用于高灰熔點粉煤的高效 加壓氣化，為我國高灰熔點煤種的高效潔凈利用提供了一種新穎的氣化方法。該氣化反 應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、操作方便、投資成本低等特點，而且，該氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率、 .冷煤氣效率和合成氣有效氣成分(CO+H2)含量均比現(xiàn)有的高灰熔點粉煤氣化爐高，所 得產(chǎn)品可用于化工合成、煤氣化發(fā)電、制氫、合成液體燃料，或作為燃料氣等。


圖1為本發(fā)明高灰熔點煤種氣化方法及其裝置實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明實施例1結(jié)構(gòu)示意圖的J-」剖視圖。 圖3為本發(fā)明實施例1結(jié)構(gòu)示意圖的5-5剖視圖。 圖4為本發(fā)明實施例2結(jié)構(gòu)示意圖的B-5剖視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明高灰熔點煤種氣化方法及其裝置的具體實施方式
。 實施例l:圖1為本發(fā)明高灰熔點煤種氣化方法及其裝置實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施 例1結(jié)構(gòu)示意圖的^"剖視圖；圖3為實施例1結(jié)構(gòu)示意圖的B-B剖視圖。在本實施例 中，氣化爐由金屬外殼2、絕熱保溫層3、耐火內(nèi)膽4、氧化劑噴嘴6、粉煤噴嘴7、水蒸 氣噴嘴5和8組成。金屬外殼2在20'C 400'C下能承受0.1^4Mpa;氣化爐的高度與內(nèi) 徑比例D:HN1:1.5,粉煤噴嘴7的高度H1-0.2H,氧化劑噴嘴6的高度H2=0.2H，水蒸氣 噴嘴5與8的高度H3=0.5H;氧化劑噴嘴6和水蒸氣噴嘴5在同一個垂直面上，水蒸氣噴嘴5與8在水平圓周上位置相對。氧化劑選取工業(yè)純氧氣；所述的氧化劑和水蒸氣的射速范圍在30m/s 80m/s。運行時，首先啟動空氣泵對爐內(nèi)實施吹掃，再送入粉煤和氧化劑，并使用點火器對粉 煤進行點火。純氧由氧化劑噴嘴6沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向由a點高速射 '入爐內(nèi)，如圖2所示，并迅速巻吸射流四周的高溫煙氣，同時受到高溫爐壁的熱輻射， 這使得高速射入純氧得到迅速稀釋和急劇升溫，形成高溫低氧的氧化性旋轉(zhuǎn)氣流；在c 點，高灰熔點粉煤經(jīng)粉煤噴嘴7徑向噴入旋轉(zhuǎn)氣流中，迅速升溫。溫度升高導(dǎo)致在粉煤 顆粒表面溢出大量的揮發(fā)分，該揮發(fā)分一旦與旋轉(zhuǎn)氣流中的高溫氧氣分子接觸，立即著 火燃燒，生成CO、 C02和焦炭，并放出大量反應(yīng)熱。待粉煤和純氧的燃燒過程及其反應(yīng) 物旋轉(zhuǎn)至爐體中段，如圖3所示，即Hf0.5H的時候，將水蒸氣則由噴嘴7和8沿著平 行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入，旋轉(zhuǎn)方向與上部氣流的旋轉(zhuǎn)方向相同。高速 噴入的水蒸氣迅速擴散到旋轉(zhuǎn)氣流中并與上部生成的焦炭和CO發(fā)生反應(yīng)。最終生成的 合成氣(H2+CO)旋轉(zhuǎn)帶動液渣一道沿著出渣口向下流出。由于本發(fā)明所公開的方法改變傳統(tǒng)的將粉煤和氣化劑通過同一噴嘴噴入爐內(nèi)的方式， 取而代之的是將粉煤噴入到高速旋轉(zhuǎn)的高溫低氧的氧化性氣流中。所以粉煤和氧化劑的 接觸與反應(yīng)發(fā)生在整個旋轉(zhuǎn)氣流中，而不是在某一個峰面上，避免產(chǎn)生火舌或火炬，因 此，該燃燒反應(yīng)屬于空間反應(yīng)，燃燒熱量彌散到整個反應(yīng)空間中，這使得爐內(nèi)溫度均勻， 避免了傳統(tǒng)的燃燒反應(yīng)局部溫度過高，從而顯著地降低了燃燒氧化反應(yīng)的最高溫度水平。 同時，這種入料方式使得粉煤和氣化劑在爐內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，增加了粉煤和氣化劑在爐內(nèi)的 接觸與反應(yīng)時間，使得氣化反應(yīng)更完全，從而有助于進一步提高氣化效率。另外，采用 合成氣和液渣向下并流方式，使排渣口的溫度保持在灰渣流動溫度以上，并利用高溫合 成氣對高粘度熔渣的良好攜帶作用，順利實現(xiàn)了高灰熔點粉煤的液態(tài)排渣。實施例2:在本實施例中，氣化爐整體結(jié)構(gòu)與實施例1相同，不同的是，改變粉煤噴嘴7的位置， 如圖2所示，將其在圖1的A-A視圖平面上的bed圓弧段移動，或者將粉煤噴嘴7的位 置下移使其高度低于氧化劑噴嘴6;或同時將爐體中下段的兩個水蒸氣噴嘴5和8刪去一 個，如僅留水蒸氣噴嘴5，如圖4所示；或者將爐體中下段的水蒸氣噴嘴增加到三至四個， 形成同一方向的切向漩流噴射。除此以外，別的爐體結(jié)構(gòu)和參數(shù)均不改變。本實施例也 能達到實施例1的優(yōu)點。
權(quán)利要求
1、一種適用于高灰熔點粉煤、粉煤和氣化劑(包括氧化劑與水蒸氣)分開由爐壁上不同高度不同位置的噴嘴噴入爐內(nèi)、液態(tài)排渣、合成氣和液渣并流向下流出出渣口的立式加壓氣流床氣化方法及其裝置，包括氣化爐的金屬外殼2、絕熱保溫層3、耐火內(nèi)膽4、氧化劑噴嘴6、粉煤噴嘴7、水蒸氣噴嘴5和8；其特征在于將粉煤和氣化劑分別由位于爐壁上不同高度的噴嘴以不同入爐方式噴入氣化爐內(nèi)，粉煤在載氣的輸送下由位于爐體上部的噴嘴7徑向噴入，氧化劑由位于爐體上部另一不同位置的噴嘴6沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入，水蒸氣則由位于爐體中下部的的噴嘴7和8沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入，上下兩部分氣化劑的旋轉(zhuǎn)方向相同。
2、 如權(quán)利要求1所述的高灰熔點煤種氣化方法及其裝置，特征在于所述的氣化爐由金 屬外殼2、絕熱保溫層3和耐火內(nèi)膽4組成，金屬外殼2在2(TC 400'C下能承受0.1~4MPa， 氣化爐的高度與內(nèi)徑比例D:H=1:1~4。
3、 如權(quán)利要求1所述的高灰熔點煤種氣化方法及其裝置，特征在于所述粉煤噴嘴7 以徑向方向噴射煤粉，氧化劑噴嘴6和水蒸氣噴嘴5與8以沿著平行于爐體圓形橫截面切 線的方向高速射入氣化劑，氧化劑和水蒸氣在爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)方向相同。
4、 如權(quán)利要求1所述的高灰熔點煤種氣化方法及其裝置，特征在于所述粉煤噴嘴7 的高度H1=(0.1~0.25)H，氧化劑噴嘴6的高度H2=(0.M).2)H，水蒸氣噴嘴5與8的高度 H3=(0.3~0.6)H。
5、 如權(quán)利要求1所述的高灰熔點煤種氣化方法及其裝置，特征在于所述水蒸氣噴嘴5 與8可以使用一個水蒸氣噴嘴，也可以使用三個或四個水蒸氣噴嘴。
6、如權(quán)利要求1所述的高灰熔點煤種氣化方法及其裝置，特征在于所述氧化劑選取氧 氣或氧含量超過60%的富氧空氣。
7、如權(quán)利要求1所述的高灰熔點煤種氣化方法及其裝置，特征在于所述的氧化劑和水 蒸氣的射速范圍在30m/s ~ 80m/s。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于高灰熔點粉煤、液態(tài)排渣、合成氣和液渣并流向下流出出渣口的立式加壓氣流床氣化方法及其裝置，包括氣化爐的金屬外殼2、絕熱保溫層3、耐火內(nèi)膽4、氧化劑噴嘴6、粉煤噴嘴7、水蒸氣噴嘴5和8；特征是將粉煤和氣化劑分別由位于爐壁上不同高度的噴嘴以不同入爐方式噴入氣化爐內(nèi)，粉煤在載氣的輸送下由位于爐體上部的噴嘴7徑向噴入，氧化劑由位于爐體上部另一不同位置的噴嘴6沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入，水蒸氣則由位于爐體中下部的噴嘴7和8沿著平行于爐體圓形橫截面切線的方向高速射入，上下兩部分氣化劑的旋轉(zhuǎn)方向相同。由于本發(fā)明的進料方式使得氣化燃燒反應(yīng)空間化，爐內(nèi)溫度均勻；增加了粉煤和氣化劑在爐內(nèi)的接觸與反應(yīng)時間，使得氣化反應(yīng)更完全，有助于進一步提高氣化效率；并且采用合成氣和液渣向下并流方式，順利實現(xiàn)了高灰熔點粉煤的液態(tài)排渣。
文檔編號C10J3/46GK101235320SQ20081001955
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者唐志國, 唐超君, 林其釗, 邢獻軍 申請人:中國科學技術(shù)大學