一種二段式氣流床氣化爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤、生物質(zhì)、石油焦等固態(tài)含碳燃料與氣化劑在高溫下反應(yīng)生成CO、H2的氣化反應(yīng)器領(lǐng)域，尤其是一種二段式氣流床氣化爐。
【背景技術(shù)】
[0002]粉煤氣流床氣化技術(shù)具有清潔、高效的特點(diǎn)，是煤炭氣化技術(shù)的發(fā)展方向。氣流床氣化技術(shù)采用煤粉為原料，對(duì)煤種沒有特殊要求，幾乎任何煤種都可以氣化，在富氧、純氧環(huán)境下計(jì)劃，煤轉(zhuǎn)化效率高，可以達(dá)到98?99%以上，生產(chǎn)的煤氣中沒有焦油，其他小分子的污染物很容易去除，煤氣熱值高，完全可以替代天然氣成為工業(yè)企業(yè)的首選燃料。
[0003]干煤粉氣流床氣化技術(shù)在生產(chǎn)過程無需額外的水源，生產(chǎn)過程中污染小，可以接近零污染，生產(chǎn)規(guī)?？纱罂尚。m應(yīng)于各種生產(chǎn)規(guī)模的需要。因此，利用干煤粉氣流床氣化技術(shù)生產(chǎn)潔凈的煤氣，是工業(yè)企業(yè)自備煤氣廠的首選方式。
[0004]傳統(tǒng)的氣流床氣化技術(shù)主要來自于煤化工行業(yè)的應(yīng)用，最早引入中國的技術(shù)是殼牌干煤粉氣化技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用于大規(guī)模的煤粉氣化行業(yè)經(jīng)過多年的生產(chǎn)使用，逐步發(fā)現(xiàn)了一些問題；另外大規(guī)模干煤粉氣化技術(shù)應(yīng)用在小規(guī)模的工業(yè)燃?xì)庵苽渖?，也出現(xiàn)了與大規(guī)模煤氣化所不同的問題。
[0005]一、工藝燒嘴附近存在局部高溫區(qū)域，在高溫的沖蝕下，爐襯容易被燒損，影響氣化爐連續(xù)長周期工作。設(shè)置在氣化爐周向的多個(gè)工藝燒嘴，先爐膛內(nèi)高速噴入氧氣與煤粉，在燒嘴附近可以產(chǎn)生近2000°C的高溫，在爐內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的煤粉氣流的帶動(dòng)下，對(duì)爐襯形成沖蝕。爐襯破壞后將很快沖蝕水冷壁，導(dǎo)致水冷壁破損，直至停車。
[0006]二、工業(yè)燃?xì)庵苽湫袠I(yè)上的煤粉氣化爐的投煤量通常比較小，一般在20?200噸/天居多，與大規(guī)模粉煤氣化的1000?3000噸相差很遠(yuǎn)，實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中發(fā)現(xiàn)爐膛內(nèi)爐襯表面內(nèi)掛渣厚度不足，利用渣膜保護(hù)爐襯的效果差，爐襯使用壽命短。
[0007]三、爐膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)的氣流會(huì)將一部分未完全氣化的半焦顆粒通過排渣口帶入到渣池。生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，氣化爐底部的渣池會(huì)有大量的煤粉或者半焦顆粒，連同熔渣顆粒排出氣化爐。這些黑色的煤粉顆粒即造成了煤粉的浪費(fèi)，又污染了渣池循環(huán)水，造成環(huán)境污染。
[0008]四、氣化爐內(nèi)反應(yīng)強(qiáng)度不均勻。燒嘴附近處受燒嘴射流的影響大，動(dòng)能大、且氣化反應(yīng)強(qiáng)度大，遠(yuǎn)離燒嘴位置的反應(yīng)區(qū)域氣化強(qiáng)度逐漸減弱，到氣化爐出口位置時(shí)強(qiáng)度最弱。氣化爐內(nèi)的氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)能主要是靠燒嘴射流形成的，煤粉從燒嘴進(jìn)入爐膛內(nèi)，開始階段混合的動(dòng)能大，溫度高，煤炭顆粒內(nèi)活性部分很容易得到氣化，而隨著氣化反應(yīng)的深入，半焦顆粒進(jìn)入到遠(yuǎn)離燒嘴的低混合動(dòng)能區(qū)域，這些半焦顆粒的活性最低，是最難以氣化的煤焦顆粒，因此很容易導(dǎo)致煤炭顆粒中的殘?zhí)嫉貌坏綇氐椎臍饣?，氣化爐出口飛灰中殘?zhí)己枯^高，影響了煤碳轉(zhuǎn)化效率。
[0009]綜上所述，在以干煤粉氣流床氣化的工況下，需要開發(fā)出更加清潔、更長使用壽命、更高碳轉(zhuǎn)化率和氣化反應(yīng)強(qiáng)度的氣化爐，才能更廣泛的推廣干煤粉氣流床氣化技術(shù)應(yīng)用到小型工業(yè)燃?xì)庵苽湫袠I(yè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種在干煤粉氣流床氣化的工況下，具備更加清潔、更長使用壽命、更高碳轉(zhuǎn)化率和氣化反應(yīng)強(qiáng)度的氣化爐。
[0011]為此，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題:一種二段式氣流床氣化爐，包括一個(gè)或多個(gè)預(yù)氣化室和一個(gè)主氣化室，其特征在于，
所述預(yù)氣化室的出口斜插入主氣化室內(nèi)，預(yù)氣化室出口的中心至主氣化室底部的高度與主氣化室直徑之比為0.3?2:1 ;
在垂直剖面上，預(yù)氣化室的軸線與主氣化室軸線的夾角α為30?90° ;在水平剖面上，預(yù)氣化室的軸線及其主氣化室切線形成的夾角β為30?90° ;
所述預(yù)氣化室的頂部設(shè)有煤氣化燒嘴，所述的主氣化室上設(shè)有氣化劑噴嘴。
[0012]二段式氣流床氣化爐保證了預(yù)氣化室、主氣化室不受高溫沖蝕。預(yù)氣化室體積小，在氣化劑氣流的帶動(dòng)下，爐內(nèi)氣流擾動(dòng)強(qiáng)度非常大，燃料中活性較高的部分首先氣化，煤氣射流進(jìn)入主氣化室后，煤氣射流因?yàn)檫€原反應(yīng)已經(jīng)避開了極端高溫，通常情況下溫度降到了 800?1400°C，這樣避免對(duì)主氣化室造成局部高溫的沖蝕，使得氣化爐能夠長期有效工作。燃料與氣化劑從預(yù)氣化室的端部噴入，高溫區(qū)域集中在預(yù)氣化室的中心位置，預(yù)氣化室爐襯也不會(huì)受到高溫的沖蝕；另外，預(yù)氣化室結(jié)構(gòu)上與主氣化室獨(dú)立，可以更換，萬一預(yù)氣化室因?yàn)闊釠_蝕導(dǎo)致不能正常工作，也可以迅速得到更換。
[0013]在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于預(yù)氣化室體積小，預(yù)氣化室可以設(shè)計(jì)為一個(gè)可以拆卸的部件，與主氣化室分開；預(yù)氣化室相對(duì)于主氣化室，工作條件相對(duì)惡劣，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了設(shè)備維護(hù)的方便性:當(dāng)預(yù)氣化室損壞時(shí)，可以馬上更換新的預(yù)氣化室部件，立刻恢復(fù)生產(chǎn)。
[0014]所述的燃料為煤粉、焦粉、生物質(zhì)燃料中的一種或多種的混合物。所述的氣化劑為空氣、富氧、純氧中的一種或者多種的混合物。
[0015]作為對(duì)上述技術(shù)方案的進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，本發(fā)明采取以下技術(shù)措施:氣化爐工作時(shí)，全部燃料與氣化用總量30-80%的氣化劑在預(yù)氣化室首先進(jìn)行部分氣化，完成30?90%的氣化率，所產(chǎn)生的高溫粗煤氣和未氣化完全的半焦顆粒從預(yù)氣化室出口以射流狀噴入主氣化室，預(yù)氣化室出口溫度控制在800?1400°C之間；氣流沿主氣化室四周旋轉(zhuǎn)而下，到達(dá)底部后再沿主氣化室中心位置盤旋往上流動(dòng)，從主氣化室頂部的出口排出；其間，高溫粗煤氣和未氣化的半焦顆粒與從氣化劑燒嘴噴入的氣化劑在主氣化室內(nèi)混合，將未氣化的半焦顆粒徹底氣化，主氣化室內(nèi)從上到下形成了一個(gè)均勻的反應(yīng)區(qū)域。
[0016]二段式氣化的氣流床氣化爐保證了具備更高的碳轉(zhuǎn)化效率。在預(yù)氣化室內(nèi)煤炭顆粒中的活性組分得到了迅速的氣化，至少完成了 30?90%的氣化反應(yīng)，相對(duì)較難以氣化的半焦顆粒隨著煤氣射流進(jìn)行主氣化室，煤氣中小粒徑的半焦顆粒，在持續(xù)、強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)氣流的作用了被迅速得到氣化，較大、未氣化的半焦顆粒及灰分同時(shí)迅速被主氣化室的壁面上熔融的渣膜所捕捉，在壁面氣流的擾動(dòng)下進(jìn)行充分的氣化反應(yīng)，大部分的燃料灰分形成了熔渣并且沿著主氣化室的壁面落入渣池激冷，所含的殘?zhí)紟缀鯙榱?，少量進(jìn)入渣池內(nèi)的氣流中所攜帶的飛灰殘?zhí)己亢艿停嘏懦龅娜墼w粒清潔干凈。另外，由于碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.5%以上，煤氣中所含飛灰也很少，大大降低了后續(xù)除塵負(fù)荷。
[0017]高溫粗煤氣進(jìn)入主氣化室內(nèi)，沿主氣化室周邊盤旋而下，由于粗煤氣溫度不高，可以大幅減少對(duì)爐襯的沖蝕，有效保護(hù)爐襯，延長使用壽命。而在預(yù)氣化室內(nèi)，由于進(jìn)入預(yù)氣化室內(nèi)的氣化劑(通常為氧氣)只占全部氣化劑的40?80%，因此，預(yù)氣化室內(nèi)屬于高度缺氧燃燒，內(nèi)部高溫區(qū)溫度明顯偏低，有利于減少對(duì)預(yù)氣化室內(nèi)爐襯的沖蝕。
[0018]二段式氣流床氣化爐保證了預(yù)氣化室以及主氣化室內(nèi)都有很高、均勻的氣化反應(yīng)強(qiáng)度。煤粉和氣化劑經(jīng)過預(yù)氣化室的初步氣化，粗煤氣進(jìn)入主氣化室，在主氣化室內(nèi)粗煤氣等形成旋流強(qiáng)度很高的旋轉(zhuǎn)流場，首先沿著主氣化室壁面盤旋往下，到達(dá)主氣化室底部后，在主氣化室中心位置再盤旋而上，其間與設(shè)置在主氣化室上的工藝燒嘴噴入的氣化劑相混合，將未氣化的半焦顆粒徹底氣化，主氣化室內(nèi)形成從上到下形成了一個(gè)均勻的反應(yīng)區(qū)域。
[0019]預(yù)氣化室出口處的高溫粗煤氣射流的流速為5?50m/s。
[0020]所述的氣化劑噴嘴有多個(gè)，其設(shè)置在預(yù)氣化室以下并沿著主氣化室四周均布；或所述的氣化劑噴嘴設(shè)置在主氣化室的排渣口以下，垂直向上往主氣化室內(nèi)噴入氣化劑。
[0021]所述的預(yù)氣化室采用可拆卸結(jié)構(gòu)與主氣化室連接，方便預(yù)氣化室與主氣化室分開，設(shè)備維護(hù)方便；所述的預(yù)氣化室大體呈圓柱形，其頭部呈圓錐狀，提高氣流的噴射速度，加快反應(yīng)。
[0022]所述的煤氣化燒嘴包括主燒嘴和設(shè)置在主燒嘴外壁上的至少一個(gè)煤粉噴嘴，
一火焰探測管的頭部置于所述主燒嘴內(nèi)的中心位置，火焰探測管的外層設(shè)有燃?xì)馔ǖ?，該燃?xì)馔ǖ赖念^部設(shè)有燃?xì)鈬娮?；所述燃?xì)馔ǖ赖耐鈱釉O(shè)有助燃風(fēng)通道，該助燃風(fēng)通道的頭部設(shè)有旋流結(jié)構(gòu)，所述的燃?xì)鈬娮旌托鹘Y(jié)構(gòu)均置于主燒嘴內(nèi)；
所述火焰探測管頭部到主燒嘴頭部之間形成的空間為預(yù)燃室，該預(yù)燃室的長度與主燒嘴內(nèi)徑之比為0.2?3:1 ;
所述的燃風(fēng)通道內(nèi)設(shè)有點(diǎn)火槍，該點(diǎn)火槍的出火口位于預(yù)燃室內(nèi)，火焰探測管的尾部設(shè)有火焰檢測裝置；
煤氣化燒嘴工作時(shí)，所述的火焰探測管內(nèi)通冷卻風(fēng)。
[0023]煤氣化燒嘴工作時(shí)，助燃風(fēng)經(jīng)過助燃風(fēng)通道頭部的旋流結(jié)構(gòu)后，與從燃?xì)鈬娮靽娚涑鰜淼娜細(xì)饣旌希陬A(yù)燃室產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的流場進(jìn)行初步燃燒，然后以旋流形狀往主燒嘴外部的爐膛內(nèi)噴射火焰；當(dāng)爐膛內(nèi)達(dá)到規(guī)定的溫度后，從煤粉噴嘴噴射出來的煤粉與從預(yù)燃室噴射出來的火焰混合，引燃煤粉，在爐膛內(nèi)開始燃燒；當(dāng)爐膛內(nèi)煤粉著火穩(wěn)定后，關(guān)閉燃?xì)夤?yīng)，預(yù)燃室斷火，從預(yù)燃室出來的助燃風(fēng)在主燒嘴出口與從煤粉噴嘴出來的煤粉混合，在爐膛內(nèi)高溫回流煙氣的引燃下，在爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒或者氣化。所述的助燃風(fēng)為空氣、富氧、純氧的一種或者幾種的混合物。
[0024]所述主燒嘴呈圓柱形，其出口為縮口，有效保證向爐膛內(nèi)噴射的火焰呈旋流形狀；所述的煤粉噴嘴設(shè)置在主燒嘴出口處，使從煤粉噴嘴噴射出來的煤粉與從預(yù)燃室噴射出來的火焰混合后在爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒，而不在預(yù)燃室燃燒。
[0025]所述主燒嘴的外壁上連接至少一個(gè)用于主燒嘴降溫的水冷通道，對(duì)主燒嘴進(jìn)行保護(hù)。
[0026]所述的旋流結(jié)構(gòu)由多個(gè)周向均布在燃?xì)馔ǖ劳鈧?cè)壁與助燃風(fēng)通道內(nèi)側(cè)壁之間的旋流葉片組成。
[0027]本發(fā)明具有的有益效果是:爐襯使用壽命是常規(guī)氣化爐的3?5倍，碳轉(zhuǎn)化率可以到達(dá)99.5%以上，煤氣中飛灰成分可減少40?70%，并且減小了煤粉通過排渣口落入渣池所引起的燃料