專利名稱：分級給氧氣流床氣化爐及其氣化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將含碳物質(zhì)氣化，生產(chǎn)粗煤氣的裝置及氣化方法，特別是涉及一種分級給氧氣流床氣化爐及其氣化方法。
背景技術(shù)：
煤氣化技術(shù)是當(dāng)今煤炭等含碳物質(zhì)清潔高效利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是將一次能源轉(zhuǎn)化為潔凈二次能源的主要途徑，該技術(shù)主要運用于合成氨、合成甲醇、煉廠制氫、高爐還原煉鐵化工冶金行業(yè)和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，氣流床氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率已超過95%。但目前的氣化爐技術(shù)中，無論是水煤漿氣化爐還是粉煤氣化爐都受到了熱力學(xué)平衡的限制。如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的氣化爐主體頂端為開口式，氣化反應(yīng)生成的合成氣由氣化爐頂端的合成氣出口排出，而熔渣由氣化爐主體底端的排渣口排出。在氣化反應(yīng)過程中，含碳物質(zhì)與全部的氧化劑同時由工藝噴嘴進入氣化爐。為了保證氣化爐能順利排渣，氣流床氣化爐操作溫度均在煤灰熔點(FT)以上。一般操作溫度要高于灰熔點50°C 200°C， 氣流床氣化為了實現(xiàn)高溫液態(tài)排渣，渣的溫度提高到1300°C以上。在這一過程中，因為熱力學(xué)平衡限制，同時也將大量的合成氣溫度提高到與熔渣溫度一樣高。因此，需要通過額外的氧氣和合成氣的燃燒反應(yīng)提供熱量。這樣就導(dǎo)致氣化爐的冷煤氣效率降低和原料消耗增加。同時也帶來了復(fù)雜的含熔渣合成氣高溫顯熱回收的技術(shù)難題。綜上，在合成氣與熔渣的熱力學(xué)平衡限制下，很難兼顧氣化過程中熔渣溫度為 1300°C以上，且合成氣的溫度相對較低。因此，如何實現(xiàn)兩者兼具成為了重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)氣流床氣化爐無法兼顧高溫排渣和降低合成氣溫度的缺陷，提供一種分級給氧氣流床氣化爐。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的一種分級給氧氣流床氣化爐，包括氣化爐主體、一位于所述氣化爐主體頂部的合成氣出口、一位于氣化爐主體底部的排渣口、套設(shè)于氣化爐主體底部的集渣池，以及至少兩個內(nèi)設(shè)工藝噴嘴的工藝噴嘴室，所述工藝噴嘴室對稱布置于所述氣化爐主體的四周，所述工藝噴嘴安裝在所述工藝噴嘴室內(nèi)；其特點在于，所述氣流床氣化爐還包括至少兩個內(nèi)設(shè)二次給氧噴嘴的二次給氧噴嘴室，所述二次給氧噴嘴室設(shè)置于所述工藝噴嘴室和所述集渣池之間，并對稱布置于所述氣化爐主體四周，所述二次給氧噴嘴安裝在所述二次給氧噴嘴室內(nèi)。二次給氧噴嘴和二次給氧噴嘴室的設(shè)置可以調(diào)整進入氣化爐的氧氣分布，從而降低工藝噴嘴的氧化劑量，并適當(dāng)提供二次氧化劑量來提高排渣口熔渣的溫度，保證液態(tài)熔渣的順利流出。此外，采用二次給氧噴嘴還可以降低氧化劑的消耗和原料的消耗。較佳地，所述工藝噴嘴室軸線與所述氣化爐主體徑向的夾角α為0° 45° ；所述工藝噴嘴室軸線與所述氣化爐主體軸線的夾角β為60° 120°。較佳地，所述工藝噴嘴軸線與所述工藝噴嘴室軸線在水平面上的夾角r為0° 20°，在垂直面上的夾角δ為0° 20°。較佳地，所述二次給氧噴嘴室軸線與所述氣化爐主體徑向的夾角ε為0° 45° ；所述二次給氧噴嘴室軸線與所述氣化爐主體軸線的夾角ζ為60° 120°。較佳地，所述二次給氧噴嘴軸線與所述二次給氧噴嘴室軸線在水平面上的夾角η 為0° 20°，在垂直面上的夾角θ為0° 20°。通過工藝噴嘴和工藝噴嘴室、二次給氧噴嘴和二次給氧噴嘴室角度的設(shè)置與匹配，可以在爐內(nèi)形成撞擊流來強化混合(熱質(zhì)傳遞)過程，并在爐內(nèi)形成不同強度的旋流流場，從而達到良好的工藝與工程效果，有效氣體成分高、碳轉(zhuǎn)化率高。較佳地，所述氣化爐主體的內(nèi)直徑為D，所述排渣口內(nèi)直徑為0. 05 0. 9D，所述合成氣出口內(nèi)直徑為0. 05 0. 9D。較佳地，所述工藝噴嘴室上部空間的高度為0. 5 15D，所述工藝噴嘴室與所述二次給氧噴嘴室間的直段高度為0 2D，所述工藝噴嘴室下部直段高度為0. 05 5D。工藝噴嘴室及二次給氧噴嘴室在氣化爐四周布置位置和氣化爐主體的內(nèi)直徑有關(guān)，在設(shè)計上按上述關(guān)系得到的氣化爐效率較佳，有助于溫度的調(diào)節(jié)，從而充分進行氣化反應(yīng)。較佳地，所述排渣口和所述合成氣出口分別為下錐收縮口和上錐收縮口，其下錐收縮角λ為20° 70°，上錐收縮角φ為60° 90°。較佳地，所述氣化爐主體為具有壁面耐火襯里的圓柱形殼體。較佳地，所述壁面耐火襯里為耐火磚襯里結(jié)構(gòu)和水冷壁襯里結(jié)構(gòu)。較佳地，所述集渣池的內(nèi)直徑為0. 5 2D，高度為0. 5 5D。較佳地，所述集渣池的內(nèi)壁為防腐耐高溫襯里。本發(fā)明還提供了一種采用上述氣流床氣化爐的氣化方法，其包括將含碳物質(zhì)和氧化劑通入所述工藝噴嘴中，使其進入氣化爐內(nèi)進行氣化反應(yīng)；其特點在于，該氣化方法還包括在所述氣化反應(yīng)過程中對二次給氧噴嘴通入氧化劑，促進進一步的氣化反應(yīng)，反應(yīng)生成的粗煤氣往上由合成氣出口排出，而液態(tài)渣向下由排渣口流出。較佳地，所述氧化劑為含氧量21% 100%的氣體。氧化劑可以采用空氣、純氧或其他含氧量21% 100%的含氧混合氣體。這里主要利用了氧化劑的助燃性，使氧氣與含碳物質(zhì)進行燃燒，以得到有效氣體CO和Η2。較佳地，通入所述工藝噴嘴的氧化劑占操作氧化劑的80% 100%，通入二次給氧噴嘴的氧化劑占操作氧化劑的0% 20%。將原本100%通入工藝噴嘴的氧化劑分級通入氣化爐，這樣可以降低合成氣的溫度，提高冷煤氣效率。而二次給氧噴嘴內(nèi)通入適當(dāng)?shù)难趸瘎┛梢蕴岣呷墼臏囟?，保證了熔渣以液態(tài)形式排出，避免了堵渣現(xiàn)象。較佳地，所述含碳物質(zhì)為漿態(tài)含碳物質(zhì)和粉狀含碳物質(zhì)。其中，當(dāng)含碳物質(zhì)為粉狀含碳物質(zhì)時，氧化劑需要添加水蒸氣合成氣化劑。通過氣化劑提高粉狀含碳物質(zhì)的燃燒效率，便于調(diào)整負(fù)荷，降低污染排放。
較佳地，所述含碳物質(zhì)為煤、石油焦、渣油、浙青、生物質(zhì)或污泥。本發(fā)明的積極進步效果在于本發(fā)明利用氣化爐內(nèi)氣一渣相間溫度的宏觀非平衡性，提出了氣渣分流和二次給氧方式，突破了傳統(tǒng)的氣流床排渣口合成氣和熔渣溫度相同這一熱力學(xué)限制。合成氣出口使氣渣分流，從而降低合成氣出口溫度。二次給氧噴嘴的設(shè)立可以大幅降低工藝噴嘴的氧化劑量，適當(dāng)通入二次氧化劑來提高氣化爐渣口熔渣溫度， 從而大幅降低氧化劑消耗和原料消耗。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)氣流床氣化爐的軸向剖面圖。圖2為本發(fā)明分級給氧氣流床氣化爐的軸向剖面圖。圖3為圖2中A部分的局部放大圖。圖4為圖2中B部分的局部放大圖。圖5本發(fā)明分級給氧氣流床氣化爐的工藝噴嘴的剖面示意圖。圖6本發(fā)明分級給氧氣流床氣化爐的二次給氧噴嘴的剖面示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。圖2為本發(fā)明分級給氧氣流床氣化爐的軸向剖面圖。參考圖2，分級給氧氣流床氣化爐包括氣化爐主體1、至少兩個工藝噴嘴2、至少兩個工藝噴嘴室3、至少兩個二次給氧噴嘴7、至少兩個二次給氧噴嘴室8、一位于氣化爐主體 1頂部的合成氣出口 6，以及位于氣化爐主體底部的排渣口 4、套設(shè)于氣化爐主體1底部的集渣池5，工藝噴嘴2安裝在工藝噴嘴室3內(nèi)，且工藝噴嘴室3設(shè)置于氣化爐主體1的下部， 均勻地對稱布置于氣化爐主體1的四周，用于輸入含碳物質(zhì)及部分氧化劑(對于粉狀物料為氣化劑，即氧化劑和水蒸汽)。二次給氧噴嘴7安裝在二次給氧噴嘴室8內(nèi)。二次給氧噴嘴室8設(shè)置于工藝噴嘴室3和集渣池5之間，并均勻地對稱布置于所述氣化爐主體四周。合成氣出口 6的作用在于將合成氣和熔渣分流，從而得到較低溫度的合成氣，提高冷煤氣效率。二次給氧噴嘴7和二次給氧噴嘴室8的設(shè)置可以調(diào)整進入氣化爐的氧氣分布，從而降低工藝噴嘴的氧化劑量，并適當(dāng)提供二次氧化劑來提高排渣口熔渣的溫度，保證液態(tài)熔渣的順利流出。此外，采用二次給氧噴嘴7還可以降低氧化劑的消耗和原料的消耗。其中，氣化爐主體1為具有壁面耐火襯里的圓柱形殼體。通常壁面耐火襯里為耐火磚襯里結(jié)構(gòu)和水冷壁襯里結(jié)構(gòu)。參考圖3-圖6，工藝噴嘴室3軸線與氣化爐主體1徑向的夾角α為0° 45° ； 工藝噴嘴室3軸線與氣化爐主體1軸線的夾角β為60° 120°。工藝噴嘴2軸線與工藝噴嘴室3軸線在水平面上的夾角r為0° 20°，在垂直面上的夾角δ為0° 20°。 二次給氧噴嘴室8軸線與氣化爐主體1徑向的夾角ε為0° 45° ；二次給氧噴嘴室8軸線與氣化爐主體1軸線的夾角ζ為60° 120°。二次給氧噴嘴7軸線與二次給氧噴嘴室8軸線在水平面上的夾角η為0° 20°，在垂直面上的夾角θ為0° 20°。此外，排渣口 4和合成氣出口 6分別為下錐收縮口和上錐收縮口，其下錐收縮角入為20° 70°，上錐收縮角φ為60° 90°。通過工藝噴嘴2和工藝噴嘴室3、二次給氧噴嘴7和二次給氧噴嘴室8角度的設(shè)置與匹配，可以在爐內(nèi)形成撞擊流來強化混合(熱質(zhì)傳遞)過程，并在爐內(nèi)形成不同強度的旋流流場，從而達到良好的工藝與工程效果，有效氣體成分高、碳轉(zhuǎn)化率高。其中，氣化爐主體1的內(nèi)直徑為D，排渣口 4內(nèi)直徑為0.05 0.9D，合成氣出口 6 內(nèi)直徑為0. 05 0. 9D。如圖2所示，工藝噴嘴室3上部空間的高度為0. 5 15D，工藝噴嘴室3與二次給氧噴嘴室8之間的直段高度為0 2D，工藝噴嘴室3下部直段高度為0. 05 5D。此外，集渣池的內(nèi)直徑為0. 5 2D，高度為0. 5 5D，且集渣池的內(nèi)壁為防腐耐高溫襯里。工藝噴嘴室3及二次給氧噴嘴室8在氣化爐四周布置位置和氣化爐主體1的內(nèi)直徑有關(guān)，在設(shè)計上按上述關(guān)系得到的氣化爐效率較佳，有助于溫度的調(diào)節(jié)，從而充分進行氣化反應(yīng)。本發(fā)明還提供了該氣流床氣化爐的氣化方法，其包括如下過程以4個噴嘴的分級給氧氣流床氣化爐為例，含碳物質(zhì)經(jīng)隔膜泵加壓，通過4個對稱布置在氣化爐主體上部同一水平面的工藝噴嘴，與含氧量21% 100%的氧化劑(如空氣、 純氧或其他含氧量21% 100%的含氧混合氣體)一同由工藝噴嘴通入氣化爐。含碳物質(zhì)在氣化爐內(nèi)的氣化過程主要分為一次反應(yīng)和二次反應(yīng)—次反應(yīng)發(fā)生于燃燒區(qū)。當(dāng)含碳物質(zhì)混合氧化劑/氣化劑由工藝噴嘴進入氣化爐燃燒時，含碳物質(zhì)被霧化。同時由于受到火焰、爐內(nèi)壁、高溫氣體、固體物等輻射熱，以及回流流股和折流流股的熱量影響，含碳物質(zhì)迅速蒸發(fā)，發(fā)生熱裂解并釋放出揮發(fā)分。裂解產(chǎn)物、揮發(fā)分及其他易燃組分在高溫、高氧濃度下完全燃燒，同時放出大量熱。這個過程中，本發(fā)明只投入了部分氧化劑，約占操作氧化劑的80 % 100 %，保證氣化反應(yīng)順利進行，且合成氣的溫度無需達到煤灰熔點(FT)以上。由于氣化爐內(nèi)高壓的作用，合成氣往上走，由氣化爐主體頂部的合成氣出口排出。合成氣在上走的過程中降溫，使得合成氣出口的氣體溫度較低。在上述過程中，通過二次給氧噴嘴向氣化爐內(nèi)通入剩余的氧化劑，約占操作氧化劑的0% 20%。這里的氧化劑進一步促進氣化反應(yīng)，氣流床氣化爐操作溫度上升到煤灰熔點(FT)以上，渣的溫度提高到1300°C以上，從而實現(xiàn)高溫液態(tài)排渣。接著，燃燒后的混合物進入二次反應(yīng)。其中，組分中的煤焦、CH4等與水、CO2發(fā)生氣化反應(yīng)。該氣化反應(yīng)生成有效氣體成分CO和H2。由于二次反應(yīng)以吸熱為主，可以在一定程度上降低反應(yīng)區(qū)域的溫度，相對起到保護耐火襯里的作用。最后，反應(yīng)生成的液態(tài)熔渣由排渣口排出，避免了堵渣現(xiàn)象的產(chǎn)生。此外，上述含碳物質(zhì)可以為漿態(tài)含碳物質(zhì)和粉狀含碳物質(zhì)，如煤、石油焦、渣油、浙青、生物質(zhì)或污泥。其中，當(dāng)含碳物質(zhì)為粉狀含碳物質(zhì)時，氧化劑需要添加水蒸氣合成氣化劑。通過氣化劑使粉狀含碳物質(zhì)的燃燒效率提高，便于調(diào)整負(fù)荷，降低污染排放。下面的實施例將對本發(fā)明予以進一步的說明
實施例1本實施例說明采用本發(fā)明的分級給氧氣流床氣化爐進行氣化試驗得到的結(jié)果。一個日處理3000噸煤的分級給氧氣化爐，含碳化合物為水煤漿，氣化壓力 6. 5MPa,工藝噴嘴為4個，二次給氧噴嘴為4個，壁面為耐火磚結(jié)構(gòu)。其中，氣化爐內(nèi)關(guān)鍵關(guān)鍵尺寸如下表一所示表一、氣化爐內(nèi)關(guān)鍵尺寸表
權(quán)利要求
1.一種分級給氧氣流床氣化爐，包括氣化爐主體、一位于所述氣化爐主體頂部的合成氣出口、一位于氣化爐主體底部的排渣口、套設(shè)于氣化爐主體底部的集渣池，以及至少兩個內(nèi)設(shè)工藝噴嘴的工藝噴嘴室，所述工藝噴嘴室對稱布置于所述氣化爐主體的四周，所述工藝噴嘴安裝在所述工藝噴嘴室內(nèi)；其特征在于，所述氣流床氣化爐還包括至少兩個內(nèi)設(shè)二次給氧噴嘴的二次給氧噴嘴室，所述二次給氧噴嘴室設(shè)置于所述工藝噴嘴室和所述集渣池之間，并對稱布置于所述氣化爐主體四周，所述二次給氧噴嘴安裝在所述二次給氧噴嘴室內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述工藝噴嘴室軸線與所述氣化爐主體徑向的夾角α為0° 45° ；所述工藝噴嘴室軸線與所述氣化爐主體軸線的夾角β為60° 120°。
3.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述工藝噴嘴軸線與所述工藝噴嘴室軸線在水平面上的夾角r為0° 20°，在垂直面上的夾角δ為0° 20°。
4.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述二次給氧噴嘴室軸線與所述氣化爐主體徑向的夾角ε為0° 45° ；所述二次給氧噴嘴室軸線與所述氣化爐主體軸線的夾角ζ為60° 120°。
5.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述二次給氧噴嘴軸線與所述二次給氧噴嘴室軸線在水平面上的夾角η為0° 20°，在垂直面上的夾角θ為 0° 20°。
6.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述氣化爐主體的內(nèi)直徑為D，所述排渣口內(nèi)直徑為0. 05 0. 9D，所述合成氣出口內(nèi)直徑為0. 05 0. 9D。
7.如權(quán)利要求6所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述工藝噴嘴室上部空間的高度為0. 5 15D，所述工藝噴嘴室與所述二次給氧噴嘴室間的直段高度為0 2D，所述工藝噴嘴室下部直段高度為0. 05 5D。
8.如權(quán)利要求6或7所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述排渣口和所述合成氣出口分別為下錐收縮口和上錐收縮口，其下錐收縮角λ為20° 70°，上錐收縮角φ 為 60° 90°。
9.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述氣化爐主體為具有壁面耐火襯里的圓柱形殼體。
10.如權(quán)利要求9所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述壁面耐火襯里為耐火磚襯里結(jié)構(gòu)和水冷壁襯里結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述集渣池的內(nèi)直徑為 0. 5 2D，高度為0. 5 5D。
12.如權(quán)利要求1所述的分級給氧氣流床氣化爐，其特征在于，所述集渣池的內(nèi)壁為防腐耐高溫襯里。
13.一種用權(quán)利要求1所述的氣流床氣化爐的氣化方法，其包括將含碳物質(zhì)和氧化劑通入所述工藝噴嘴中，使其進入氣化爐內(nèi)進行氣化反應(yīng)；其特征在于，該氣化方法還包括在所述氣化反應(yīng)過程中對二次給氧噴嘴通入氧化劑， 促進進一步的氣化反應(yīng)，反應(yīng)生成的粗煤氣往上由合成氣出口排出，而液態(tài)渣向下由排渣口流出。
14.如權(quán)利要求13所述的氣流床氣化爐的氣化方法，其特征在于，所述氧化劑為含氧量21% 100%的氣體。
15.如權(quán)利要求13所述的氣流床氣化爐的氣化方法，其特征在于，通入所述工藝噴嘴的氧化劑占操作氧化劑的80% 100%，通入二次給氧噴嘴的氧化劑占操作氧化劑的 0% 20%。
16.如權(quán)利要求13所述的氣流床氣化爐的氣化方法，其特征在于，所述含碳物質(zhì)為漿態(tài)含碳物質(zhì)和粉狀含碳物質(zhì)。
17.如權(quán)利要求13所述的氣流床氣化爐的氣化方法，其特征在于，所述含碳物質(zhì)為煤、 石油焦、渣油、浙青、生物質(zhì)或污泥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分級給氧氣流床氣化爐，包括氣化爐主體、合成氣出口、排渣口、集渣池，以及至少兩個內(nèi)設(shè)工藝噴嘴的工藝噴嘴室，所述氣流床氣化爐還包括至少兩個內(nèi)設(shè)二次給氧噴嘴的二次給氧噴嘴室，所述二次給氧噴嘴室設(shè)置于所述工藝噴嘴室和所述集渣池之間，并對稱布置于所述氣化爐主體四周，所述二次給氧噴嘴安裝在所述二次給氧噴嘴室內(nèi)。本法還提供了該氣流床氣化爐的氣化方法，在反應(yīng)過程中對二次給氧噴嘴通入氧化劑，反應(yīng)生成的粗煤氣和液態(tài)渣分流。本發(fā)明采用合成氣出口使氣渣分流，從而降低合成氣出口溫度。適當(dāng)通入二次氧化劑來提高氣化爐渣口熔渣溫度，從而大幅降低氧化劑消耗和原料消耗。
文檔編號C10J3/46GK102433162SQ20111007455
公開日2012年5月2日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者于廣鎖, 代正華, 劉海峰, 劉霞, 周志杰, 李偉鋒, 梁欽鋒, 王亦飛, 王興軍, 王輔臣, 許建良, 郭慶華, 郭曉鐳, 陳雪莉, 龔欣 申請人:華東理工大學(xué)