本發(fā)明涉及一種氣化爐、其應(yīng)用及含碳物質(zhì)的氣化方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代新型煤基能源轉(zhuǎn)化過程如煤制油、煤制甲醇及烯烴、煤制天然氣、整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、煤基還原煉鐵等，均以高效、清潔、經(jīng)濟為追求目標(biāo)，需要有大規(guī)模生產(chǎn)能力的氣化爐技術(shù)與之配套，以減少氣化爐的使用套數(shù)，提升經(jīng)濟性，降低項目投資。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，氣流床氣化技術(shù)以其高效、清潔的技術(shù)特點成為當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的主流，已經(jīng)工業(yè)化的氣流床氣化技術(shù)包括以GE、OMB為代表的水煤漿氣化技術(shù)，以及以Shell、GSP、SE、HT-L為代表的粉煤加壓氣化技術(shù)，單爐處理能力從最初的日處理煤幾百噸擴大到上千噸，其中OMB水煤漿氣化爐和Shell粉煤氣化爐的單爐處理能力最大達到了3000噸規(guī)模?？梢?，具有大規(guī)模生產(chǎn)能力的氣化爐已成為發(fā)展現(xiàn)代大型能源產(chǎn)業(yè)的基本技術(shù)需求。

由于氣流床氣化爐內(nèi)高溫條件下進行的氣化反應(yīng)主要受傳遞過程所影響，對于大規(guī)模生產(chǎn)能力的氣化爐，不僅僅是一個氣化爐尺寸的簡單放大，而是關(guān)系到放大后的氣化爐能否充分利用反應(yīng)空間，確保形成合理的流場結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)的反應(yīng)物料實現(xiàn)良好混合，為完成氣化反應(yīng)創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。事實上，對于頂置噴嘴結(jié)構(gòu)氣化爐，受到其結(jié)構(gòu)形式的限制，規(guī)模放大到一定程度后會出現(xiàn)反應(yīng)空間利用不充分，碳轉(zhuǎn)化率下降等不良結(jié)果；還有些氣化爐，依靠簡單地增加氣化噴嘴數(shù)目，使噴嘴設(shè)置更為復(fù)雜，投資也相應(yīng)增加。

因此，本領(lǐng)域亟需一種具有大規(guī)模生產(chǎn)能力的氣化爐，為現(xiàn)代大型煤基能源產(chǎn)業(yè)及其廢棄物資源化利用提供技術(shù)選擇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的氣化爐生產(chǎn)能力低、碳轉(zhuǎn)化率低、適用面窄等缺陷而提供了一種氣化爐、其應(yīng)用及含碳物質(zhì)的氣化方法，該氣化爐啟動時間短、生產(chǎn)能力高、碳轉(zhuǎn)化率高、適用面廣，適于工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明提供了一種氣化爐，包括一爐體和一復(fù)合式噴嘴；所述復(fù)合式噴嘴設(shè)于所述爐體的頂部，所述復(fù)合式噴嘴的軸線與所述爐體的軸線同軸；所述爐體的底部設(shè)有一出口；

所述爐體包括一耐高溫內(nèi)襯和一耐高壓金屬外殼；所述爐體的側(cè)壁的中部設(shè)有至少四個工藝噴嘴，所述工藝噴嘴的軸線處于同一平面，所述工藝噴嘴的軸向偏角α和徑向偏角β均為0°，相鄰的兩個所述工藝噴嘴軸線間的夾角均相同；所述復(fù)合式噴嘴的軸線垂直于所述工藝噴嘴的軸線所在平面。

在所述氣化爐中，所述復(fù)合式噴嘴為本領(lǐng)域常規(guī)的復(fù)合式噴嘴，較佳地為具有點火、開工和工藝功能的復(fù)合式噴嘴。

在所述氣化爐中，所述耐高溫內(nèi)襯為本領(lǐng)域常規(guī)的耐高溫內(nèi)襯，較佳地為膜式水冷壁和/或盤管式水冷壁。

在所述氣化爐中，所述工藝噴嘴較佳地為對置式設(shè)置；當(dāng)所述爐體的側(cè)壁的中部設(shè)有四個工藝噴嘴時，較佳地，相鄰的所述工藝噴嘴軸線間的夾角為90°，相對的工藝噴嘴軸線間的夾角為180°。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對置式設(shè)置噴嘴使得幾股射流正面撞擊，在氣化爐內(nèi)形成完全撞擊式的流動情況，這種撞擊流動具有最好的物流間的混合效果，有利于反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的提高。同時，在氣化爐進入正常運行時，頂部設(shè)置的復(fù)合式噴嘴的射流流股還將與側(cè)面工藝噴嘴形成的撞擊流股發(fā)生二次撞擊，進一步強化了混合效果，提高碳轉(zhuǎn)化率。

在所述氣化爐中，所述工藝噴嘴的軸線所在平面距離所述爐體的頂部的垂直高度，與所述爐體的爐膛直徑的比值為本領(lǐng)域常規(guī)的比值，較佳地為1～3，例如1.7、1.9。

在所述氣化爐中，所述工藝噴嘴的軸線所在平面距離所述出口的平面的垂直高度，與所述爐體的爐膛直徑的比值為本領(lǐng)域常規(guī)的比值，較佳地為1～3，例如1.7、1.9。

本發(fā)明還提供了一種含碳物質(zhì)的氣化方法，其包括以下步驟：采用上述的氣化爐，將含碳物質(zhì)、氧化劑與氣化劑進行燃燒與氣化反應(yīng)，即可；所述氣化劑為水和/或二氧化碳；

所述含碳物質(zhì)從所述工藝噴嘴和/或所述復(fù)合式噴嘴進入；所述氧化劑從所述工藝噴嘴和/或所述復(fù)合式噴嘴進入；所述氣化劑從所述工藝噴嘴和/或所述復(fù)合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，所述含碳物質(zhì)為本領(lǐng)域常規(guī)的含碳物質(zhì)，可以為粉態(tài)固體含碳物質(zhì)，如煤粉、石油焦粉、生物質(zhì)粉、固體廢棄物粉等，以及上述各粉態(tài)固體含碳物質(zhì)的混合體；也可以是漿態(tài)或液態(tài)含碳物質(zhì)，如水煤漿、石油焦?jié){、污泥漿、生物質(zhì)漿、廢棄物漿、工業(yè)廢水等，以及上述各漿態(tài)或液態(tài)含碳物質(zhì)的混合體。

在所述氣化方法中，所述氧化劑為本領(lǐng)域常規(guī)的氧化劑，較佳地為氧氣的體積含量為21％～100％的氣體，更佳地為純氧、富氧或空氣，最佳地為純氧。

在所述氣化方法中，所述水可為液態(tài)水和/或水蒸氣。

在所述氣化方法中，當(dāng)所述含碳物質(zhì)有多種時，通過所述工藝噴嘴進入的所述含碳物質(zhì)、通過所述復(fù)合式噴嘴進入的所述含碳物質(zhì)可以相同或不同。

在所述氣化方法中，當(dāng)所述氧化劑有多種時，通過所述工藝噴嘴進入的所述氧化劑、通過所述復(fù)合式噴嘴進入的所述氧化劑可以相同或不同。

在所述氣化方法中，當(dāng)所述氣化劑有多種時，通過所述工藝噴嘴進入的所述氣化劑、通過所述復(fù)合式噴嘴進入的所述氣化劑可以相同或不同。

在所述氣化方法中，較佳地，通過所述工藝噴嘴進入的所述含碳物質(zhì)在各個所述工藝噴嘴均勻分配。

在所述氣化方法中，較佳地，通過所述工藝噴嘴進入的所述氧化劑在各個所述工藝噴嘴均勻分配。

在所述氣化方法中，較佳地，通過所述工藝噴嘴進入的所述氣化劑在各個所述工藝噴嘴均勻分配。

在所述氣化方法中，所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑可以通過同一所述工藝噴嘴或所述復(fù)合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑可以同時通過所述工藝噴嘴和/或所述復(fù)合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，較佳地，所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑混合均勻后通過所述工藝噴嘴和/或所述復(fù)合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，當(dāng)所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑混合均勻后、同時通過所述工藝噴嘴和所述復(fù)合式噴嘴進入時，較佳地，通過所述復(fù)合式噴嘴進入的所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑的流量，占所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑的總流量的10％～40％，例如20％。

對于氣流床氣化技術(shù)(特別是大型氣化爐)而言，由于氣化溫度水平已經(jīng)足夠高，影響氣化反應(yīng)效果的決定性因素是氣化爐內(nèi)物料間的混合。本技術(shù)在利用工藝噴嘴實現(xiàn)撞擊流強化混合的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計了工藝過程中通過復(fù)合式噴嘴進料及相應(yīng)的物料流量比例，以形成了二次撞擊，從而進一步強化了混合效果，可使碳轉(zhuǎn)化率提高至99％。

在所述氣化方法中，所述爐體的內(nèi)部的反應(yīng)溫度為本領(lǐng)域常規(guī)的反應(yīng)溫度，較佳地為1000℃～1700℃，例如1300℃。

在所述氣化方法中，所述爐體的內(nèi)部的工作壓力為本領(lǐng)域常規(guī)的工作壓力，較佳地為1.0MpaG～8.7MpaG，更佳地為2.0MpaG～6.5MpaG，例如4.0MpaG。

在所述氣化方法運行前，所述氣化爐需先點火和開工(即升溫、提壓)；所述點火和所述開工為本領(lǐng)域常規(guī)操作，較佳地為，通過所述復(fù)合式噴嘴向氣化爐通入燃料和助燃氣體，實現(xiàn)所述氣化爐從冷態(tài)開始直到達到正常投料 運行條件的過程。

在所述氣化方法中，當(dāng)所述耐高溫內(nèi)襯為膜式列管水冷壁結(jié)構(gòu)時，可以將氣化爐中取出的熱量副產(chǎn)中壓蒸汽；當(dāng)所述耐高溫內(nèi)襯為盤管式水冷壁結(jié)構(gòu)時，則只能將氣化爐中取出的熱量副產(chǎn)低壓蒸汽。

在所述氣化方法中，所述工藝噴嘴向氣化爐內(nèi)提供所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑的方式為本領(lǐng)域常規(guī)的方式，較佳地為射流方式。

在所述氣化方法中，所述復(fù)合式噴嘴向氣化爐內(nèi)提供所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑的方式為本領(lǐng)域常規(guī)的方式，較佳地，當(dāng)所述氣化爐點火時，為預(yù)混射流方式；當(dāng)所述氣化爐開工時，為非預(yù)混射流方式。

在所述氣化方法中，當(dāng)所述氣化爐遇到偶發(fā)事件時，可以只運行所述工藝噴嘴，而停運所述復(fù)合式噴嘴；也可以只運行所述復(fù)合式噴嘴，而停運所述工藝噴嘴；也可以不論所述復(fù)合式噴嘴是否運行，停運相對的兩個所述工藝噴嘴；上述各種情況均需向停運的噴嘴通入少量的保護氣體。由此可見，該氣化爐具有良好的抵御風(fēng)險能力，同時有利于實現(xiàn)運行負荷的靈活調(diào)整。

本發(fā)明還提供了如上所述的氣化爐在含碳物質(zhì)的氣化方法中作為設(shè)備的應(yīng)用。

在不違背本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實例。

本發(fā)明所用試劑和原料均市售可得。

本發(fā)明中，所述工藝噴嘴的軸向偏角α是指噴嘴中心線與噴嘴安裝口的中心到氣化爐中心線(又稱軸線)的垂線所形成的夾角。所述工藝噴嘴的徑向偏角β是噴嘴中心線在噴嘴安裝口中心所在的水平截面上的垂直投影與過噴嘴安裝口的中心與氣化爐水平截面圓心的連線所形成的夾角。

本發(fā)明的積極進步效果在于：該氣化爐啟動時間短、生產(chǎn)能力高、碳轉(zhuǎn)化率高、適用面廣，適于工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一較佳實施例的氣化爐的軸向剖面圖。

圖2為本發(fā)明一較佳實施例的氣化爐的徑向剖面圖。

具體實施方式

下面通過實施例的方式進一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。

實施例1一種氣化爐

如圖1所示，本發(fā)明提供一種氣化爐，包括爐體1和復(fù)合式噴嘴2；所述復(fù)合式噴嘴2設(shè)于所述爐體1的頂部，所述復(fù)合式噴嘴2的軸線與所述爐體1的軸線同軸；所述爐體的底部設(shè)有一出口13；

所述爐體包括耐高溫內(nèi)襯11和耐高壓金屬外殼12；所述爐體1的側(cè)壁的中部設(shè)有至少四個工藝噴嘴3，所述工藝噴嘴3的軸線處于同一平面，所述工藝噴嘴3均勻分布；所述復(fù)合式噴嘴2的軸線垂直于所述工藝噴嘴3的軸線所在平面。

實施例2一種含碳物質(zhì)的氣化方法

如實施例1所述氣化爐，氣化爐點火用燃氣為天然氣、流量為10～40Nm³/h，助燃氣體為空氣、流量為20～80Nm³/h；開工過程燃料為天然氣、流量為700～3000Nm³/h，助燃氣體為氧氣、流量為1000～4800Nm³/；以流量計，60％的所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑從所述工藝噴嘴3進入，并均勻分配至每個所述工藝噴嘴，40％的所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑從所述復(fù)合式噴嘴2進入；所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑進行燃燒與氣化反應(yīng)，生成的合成氣和灰渣從出口13排出。

運用上述的氣化操作，一臺日處理煤3000噸的粉煤加壓氣化爐，氣化爐外殼體直徑4700mm，氣化爐爐膛直徑D為3200mm，對置設(shè)置的4個噴嘴的軸線所在平面離氣化爐頂部的距離H1為6000mm，氣化爐出口直徑1000mm，氣化爐出口離對置設(shè)置的4個噴嘴的軸線所在平面的距離H2為 6000mm。表1給出了氣化用煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)。氣化工藝條件如下：(1)氣化溫度：1300℃；(2)氣化壓力：4.0MPaG；(3)入爐煤粉含水量：5％；(4)氧煤比：0.55Nm³/kg；(5)蒸汽煤比：0.19kg/kg；(6)煤粉輸送載氣：CO₂。氣化爐出口13合成氣組成及工藝指標(biāo)見表2。氣化爐的啟動僅需2-3小時即可完成。

表1 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

表2 氣化爐出口合成氣組成及工藝指標(biāo)

實施例3一種含碳物質(zhì)的氣化方法

如實施例1所述氣化爐，氣化爐點火用燃氣為天然氣、流量為10～40Nm³/h，助燃氣體為空氣、流量為別為20～80Nm³/h；開工過程燃料為天然氣、流量為500～2500Nm³/h，助燃氣體為氧氣、流量為800～4000Nm³/h；以流量計，80％的所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑從所述工藝噴嘴3進入，并均勻分配至每個所述工藝噴嘴，20％的所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑從所述復(fù)合式噴嘴2進入；所述含碳物質(zhì)、所述氧化劑和所述氣化劑進行燃燒與氣化反應(yīng)，生成的合成氣和灰渣從出口13排出。

運用上述的氣化操作，一臺日處理煤4000噸的水煤漿氣化爐，氣化爐外殼體直徑4000mm，氣化爐爐膛直徑D為2920mm，對置設(shè)置的4個噴嘴的軸線所在平面離氣化爐頂部的距離H1為5000mm，氣化爐出口直徑960mm，氣化爐出口離對置設(shè)置的4個噴嘴的軸線所在平面的距離H2為5000mm。表3給出了氣化用煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)。氣化工藝條件如下：(1)氣化溫度：1300℃；(2)氣化壓力：6.5MPaG；(3)煤漿濃度：63％；(4)氧煤比：0.58Nm³/kg。氣化爐出口13合成氣組成及工藝指標(biāo)見表4。氣化爐的啟動僅需2-3小時即可完成。

表3 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

表4 氣化爐出口合成氣組成及工藝指標(biāo)