多喷嘴气流床气化炉

摘要

本发明公开了一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，包括气化炉本体，所述的气化炉本体的下面设有激冷变换室，激冷变换室的下面设有洗涤除渣室，所述气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置，所述的气化炉本体内设有烧嘴室和工艺烧嘴室，所述的激冷变换室内设有激冷环。本发明具有运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能等特点。

权利要求

1.一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，包括气化炉本体，所述的气化炉本体的下面设有激冷变换室，激冷变换室的下面设有洗涤除渣室，所述气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置，所述的气化炉本体内设有烧嘴室(11b)和工艺烧嘴室(11a)，所述的激冷变换室内设有激冷环(14)，所述的气化炉本体包括气化炉壳体(1)，气化炉壳体(1)内的上部设有气化炉炉壁(2)，气化炉炉壁(2)的顶部设有烧嘴室(11b)，气化炉炉壁(2)的中上部设有工艺烧嘴室(11a)，气化炉炉壁(2)的内部为气化炉炉膛(3)，气化炉炉膛(3)的底部设有气化炉下渣口(4)，气化炉下渣口(4)穿过气化炉本体出口(5)；

所述的激冷变换室包括与气化炉本体出口(5)相连的导引管(12)，导引管(12)的外侧与激冷环(14)连接，激冷环(14)上设有激冷喷头(13)，激冷环(14)的下方设有激冷变换室锥形底部(18)，激冷变换室锥形底部(18)与激冷变换室锥形出口(6)连接；

所述的洗涤除渣室包括与激冷变换室锥形出口(6)相连的下降管(7)，下降管(7)的下方设有渣池(9)，下降管(7)与气化炉壳体(1)之间设有破泡板(8)，破泡板(8)上方的气化炉壳体(1)上设有合成气出口(15)，渣池(9)内设有破渣器，破渣器包括破渣格栅(17)，破渣格栅(17)上方设有锥心破渣锥(19)，破渣器下方设有排渣口(10)。

2.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的工艺烧嘴室(11a)至少设有一层，每层至少设有两个工艺烧嘴(16)。

3.如权利要求2所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述工艺烧嘴(16)的烧嘴轴线与气化炉径向形成的夹角(θ)为0～30°。

4.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的气化炉下渣口(4)为锥形状，其锥形角度(δ)为15～75°。

5.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的导引管(12)的外侧设有至少一圈激冷环(14)，每圈激冷环(14)上均设有64～200个沿环形布置的激冷喷头(13)。

6.如权利要求5所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述激冷喷头(13)的喷头与气化炉轴向和径向分别形成的第一夹角角度(λ)和第二夹角角度(α)，第一夹角角度(λ)为0～60°，第二夹角角度(α)为-60～60°，第二夹角角度(α)与工艺烧嘴(16)所形成切向角度(θ)的方向相反。

7.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的激冷变换室锥形底部(18)的锥形角度(ω)15～75°。

8.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的导引管(12)的形状为喇叭口状，其扩口角度(ε)为5～45°。

9.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的烧嘴室(11b)贯穿气化炉壳体(1)的顶部且与气化炉本体同轴设置，烧嘴室(11b)内可设有工艺烧嘴、点火烧嘴或烘炉烧嘴。

10.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的破泡板(8)至少设有一层，每层破泡板(8)包括骨架破泡条(8b)和外围破泡条(8a)，骨架破泡条(8b)和外围破泡条(8a)的下面均设有向下的锥形破泡齿。

11.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的破渣格栅(17)为圆拱形，且至少设有一层，破渣格栅(17)的格栅孔径20×20～200×200mm。

12.如权利要求1所述的一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，所述的下降管(7)为圆筒状，且与激冷变换室同轴，下降管(7)直径与气化炉本体内径的比值为0.1～0.6。

说明书

多喷嘴气流床气化炉

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多喷嘴气流床气化炉，属于能源清洁利用技术领域。

背景技术

[0002] 气化过程是含碳物质的一个热化学过程。气化技术通常以煤等含碳固体燃料的粉术或其配置的液体燃料为原料，以含氧气、水蒸汽作为气化剂，通过烧嘴喷入气化炉后，在高温高压条件下发生气化反应，产生高温高压合成气(或称为煤气)和炉渣。合成气在投入使用前需经降温、净化等工序处理。所投入燃料经气化后产生的灰渣同样需要降温处理才能排出气化炉。

[0003] 所述的气化技术，其中气流床气化技术是一种高效洁净煤气化方法。从气化原料分可分为浆体燃料气化技术和粉体燃料气化技术两类；从气化炉炉壁材料分，可分为水冷壁型气化炉(冷壁型)和耐火砖型气化炉(热壁型)；从合成气冷却净化方案分可分为余热回收型和洗涤冷却型；从气化炉烧嘴个数分可分为单喷嘴型和多喷嘴型；上述所说的合成气冷却器中，余热回收式通常需要采用废热锅炉，而废热锅炉主要存在投资成本高、运行不可靠、容易结渣等问题，现有气流床气化技术大多采用洗涤冷却技术处理高温高压合成气和熔融态灰渣，如中国专利CN1322795所公开的一种复合床高温煤气冷却洗涤设备，其由于高温合成气夹带有大量灰渣，直接进入洗涤冷却室与其下降管接触，由于下降管的保护主要靠挂壁液膜来保证，容易出现下降管烧穿等恶性事故，导致气化系统停车等问题。而单喷嘴系列技术，主要存在受单喷嘴负荷限制，大型化和运行稳定性不如多喷嘴设计可靠的问题。

[0004] 因此，开发一种易于执行大型化放大、运行稳定可靠的大规模高效气化技术，是提高我国煤炭等含碳物质气化技术可靠性的关键技术途径之一。

发明内容

[0005] 本发明的目的是解决废热锅炉存在的投资成本高、运行不可靠、容易结渣以及由于高温合成气夹带有大量灰渣，导致下降管烧穿等问题，提供一种运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能的多喷嘴气流床气化炉。

[0006] 为了达到上述目的，本发明提供了一种多喷嘴气流床气化炉，其特征在于，包括气化炉本体，所述的气化炉本体的下面设有激冷变换室，激冷变换室的下面设有洗涤除渣室，所述气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置，所述的气化炉本体内设有烧嘴室和工艺烧嘴室，所述的激冷变换室内设有激冷环。

[0007] 优选地，所述的气化炉本体包括气化炉壳体，气化炉壳体内的上部设有气化炉炉壁，气化炉炉壁的顶部设有烧嘴室，气化炉炉壁的中上部设有工艺烧嘴室，气化炉炉壁的内部为气化炉炉膛，气化炉炉膛的底部设有气化炉下渣口，气化炉下渣口穿过气化炉本体出口；

[0008] 所述的激冷变换室包括与气化炉本体出口相连的导引管，导引管的外侧与激冷环连接，激冷环上设有激冷喷头，激冷环的下方设有激冷变换室锥形底部，激冷变换室锥形底部与激冷变换室锥形出口连接；

[0009] 所述的洗涤除渣室包括与激冷变换室锥形出口相连的下降管，下降管的下方设有渣池，下降管与气化炉壳体之间设有破泡板，破泡板上方的气化炉壳体上设有合成气出口，渣池内设有破渣器，破渣器包括破渣格栅，破渣格栅上方设有锥心破渣锥，破渣器下方设有排渣口。

[0010] 优选地，所述的工艺烧嘴室至少设有一层，每层至少设有两个工艺烧嘴。

[0011] 优选地，所述工艺烧嘴的烧嘴轴线与气化炉径向形成的夹角为0～30°。

[0012] 优选地，所述的气化炉下渣口为锥形状，其锥形角度为15～75°。

[0013] 优选地，所述的导引管的外侧设有至少一圈激冷环，每圈激冷环上均设有64～200个沿环形布置的激冷喷头。

[0014] 优选地，所述激冷喷头的喷头与气化炉轴向和径向分别形成的第一夹角角度和第二夹角角度，第一夹角角度为0～60°，第二夹角角度为-60～60°，第二夹角角度与工艺烧嘴所形成切向角度的方向相反。

[0015] 优选地，所述的激冷变换室锥形底部的锥形角度15～75°。

[0016] 优选地，所述的导引管的形状为喇叭口状，其扩口角度为5～45°。

[0017] 优选地，所述的烧嘴室贯穿气化炉壳体的顶部且与气化炉本体同轴设置，烧嘴室内可设有工艺烧嘴、点火烧嘴或烘炉烧嘴。

[0018] 优选地，所述的破泡板至少设有一层，每层破泡板包括骨架破泡条和外围破泡条，骨架破泡条和外围破泡条的下面均设有向下的锥形破泡齿。

[0019] 优选地，所述的破渣格栅为圆拱形，且至少设有一层，破渣格栅的格栅孔径20×20～200×200mm。

[0020] 优选地，所述的下降管为圆筒状，且与激冷变换室同轴，下降管直径与气化炉本体内径的比值为0.1～0.6。

[0021] 相比现有技术，本发明置具有如下有益效果：

[0022] (1)采用激冷变换室和洗涤除渣室分离联用系统，大大提高了气化产物降温、洗涤净化的效率，并可使设备运行稳定性和可靠性大大提高，既解决了合成气出口带灰问题，也解决了下降管高温腐蚀和烧蚀等问题，还可为水蒸汽、CO变换反应提供物流条件和反应空间，且可使气化炉下部合成气冷却处理系统结渣、堵渣概率大大降低；

[0023] (2)采用了气化炉上置式，使合成气与灰渣同向向下流动，并在下渣口位置进行大空间喷淋激冷，可有效清除合成气中灰渣，并迅速使其固化，与气、渣逆向分流式气化炉相比，大大简化了设备结构，降低了设备投资，既环保又节能；

[0024] (3)采用的气化炉本体设有侧面切向多喷嘴，避免了撞击式产生强撞击火焰烧蚀气化炉顶部耐火砖，同时提高了燃料在气化炉内的停留时间，从而提高了碳转化率和冷煤气效率，并易于大型化放大。

附图说明

[0025] 图1为一种多喷嘴气流床气化炉的结构示意图；

[0026] 图2为图1的A-A剖视图；

[0027] 图3为图1的B-B剖视图；

[0028] 图4为破泡板的截面示意图。

[0029] 附图标记说明

[0030] 1-气化炉壳体；2-气化炉炉壁；3-气化炉炉膛；4-气化炉下渣口；5-气化炉本体出口；6-激冷变换室锥形出口；7-下降管；8-破泡板；8a-外围破泡条；8b-骨架破泡条；9-渣池；10-排渣口；11a-工艺烧嘴室；11b-烧嘴室；12-导引管；13-激冷喷头；14-激冷环；15-合成气出口；16-工艺烧嘴；17-破渣格栅；18-激冷变换室锥形底部；19-锥心破渣锥，20-洗涤水入口，21-洗涤水出口。

具体实施方式

[0031] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

[0032] 本发明为一种多喷嘴气流床气化炉，包括三个主要组成部分，分别为气化炉本体(气化区域I)、激冷变换室(冷却区域II)和洗涤除渣室(洗涤除渣区域III)。如图1所示，为一种多喷嘴气流床气化炉的结构示意图。气化炉本体的下面安置有激冷变换室，激冷变换室的下面安置有洗涤除渣室，气化炉本体、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置。气化炉顶部采用圆拱形设计，其直径与气化炉筒体直径一致，气化炉下部采用直段式设计。

[0033] 气化炉本体包括气化炉壳体1、炉内胆耐火衬里(可为水冷壁衬里或耐火材料衬里)、气化炉炉膛3、气化炉顶部的烧嘴室11b和侧面的工艺烧嘴室11a，以及气化炉下渣口4等组成。气化炉壳体1内的上部安装有气化炉炉壁2，气化炉炉壁2的顶部安装有烧嘴室
11b，烧嘴室11b贯穿气化炉壳体1的顶部且与气化炉本体同轴设置。烧嘴室11b可作为工艺烧嘴室，也可作为点火烧嘴室或烘炉烧嘴室等辅助烧嘴室，或作为人孔。气化炉炉壁2的中上部安装有工艺烧嘴室11a，工艺烧嘴室11a至少设置一层，每层至少设置两个工艺烧嘴
16，工艺烧嘴16采用机械方式固定于工艺烧嘴室11a内。侧面同一层平面上的工艺烧嘴16采用切圆设计，沿气化炉圆周均匀布置，工艺烧嘴16的烧嘴轴线与气化炉径向形成的夹角θ为0～30°，如图2所示。气化炉炉壁2的内部为气化炉炉膛3，气化炉炉膛3的底部为气化炉下渣口4，气化炉下渣口4为锥形状，其锥形角度δ为15～75°。气化炉下渣口4穿过气化炉本体出口5。

[0034] 激冷变换室包括与气化炉本体出口5相连的导引管12、环形的激冷环14、沿环形布置安装在激冷环14上的激冷喷头13和激冷变换室锥形底部18等组成。在激冷变换室入口处安装有激冷环14和导引管12，激冷环14与导引管12的外侧连接，导引管12的形状为喇叭口状，其扩口角度ε为5～45°。导引管12外侧安装有至少一圈激冷环14，每圈激冷环14上均安装有64～200个沿激冷环14圆周布置的激冷喷头13，如图3所示。激冷喷头13的喷头与气化炉轴向形成的第一夹角角度λ为0～60°，且每一圈喷头的轴向喷射角度可不一致。激冷喷头13的喷头与气化炉径向形成的第二夹角角度α为-60～60°，且与工艺烧嘴16所形成切向角度θ的方向相反，形成逆向消旋。激冷环14的下方为激冷变换室锥形底部18，激冷变换室锥形底部18的锥形角度ω15～75°，锥形设计可确保喷淋水/蒸汽夹带部分灰渣向下流动。激冷变换室锥形底部18与激冷变换室锥形出口6连接。

[0035] 洗涤除渣室包括与激冷变换室锥形出口6相连的下降管7、渣池9、破渣格栅17、破泡板8、排渣口10和合成气出口15等组成。在洗涤除渣室的中心安装有下降管7，其底部为渣池9，下降管7与激冷变换室同轴设置，均采用圆筒形结构设计。下降管7直径与气化炉本体内径的比值为0.1～0.6。下降管7与气化炉壳体1之间安装有破泡板8，破泡板8采用骨架式设计，破泡板8至少安装有一层，每层破泡板8由骨架破泡条8b和外围破泡条8a组成，如图4所示。骨架破泡条8b和外围破泡条8a的下面均安装有向下的锥形破泡齿。
破泡板8上方的气化炉壳体1上(即在洗涤除渣室侧面中上部)开有合成气出口15，合成气出口15口径根据气化炉装置设计产量确定，控制气化炉合成气出口15流速为3～15m/s。渣池9内安装有破渣器，破渣器包括破渣格栅17和锥心破渣锥19，锥心破渣锥19安装在破渣格栅17的上方，破渣格栅17采用圆拱形格栅设计，且至少设有一层，破渣格栅17的格栅孔径20×20～200×200mm，破渣器下方为排渣口10。洗涤水可从洗涤水入口20进入渣池9，经处理后，将其从洗涤水出口21排出。

[0036] 多喷嘴气流床气化炉的工艺过程主要分三个子过程，分别描述如下：

[0037] 过程一：气化燃料和气化剂同时通过工艺烧嘴16从气化炉侧面工艺烧嘴室11a或同时联合顶部烧嘴室11b喷入气化炉，在气化炉炉膛3内发生高温、高压复杂气化反应，采用切圆布置的多喷嘴将在气化炉炉膛3内形成旋流，将使熔融态灰渣颗粒在惯性力的作用下甩向气化炉炉壁2，形成稳定的液态渣膜，以利于液态排渣，同时大大提高停留时间和碳转化率。气化后的产物经气化炉下渣口4进入激冷变换室，气化炉下渣口4物流温度根据煤种灰熔融特性差异，一般保持在1200℃以上。

[0038] 过程二：高温高压合成气夹带着气化过程中产生的液态灰渣通过导引管12进入激冷变换室，在导引管12的导引下，气渣混合物在导引管12下方在来自激冷环14上激冷喷头13的喷淋作用下，合成气迅速降温，熔融态灰渣迅速凝固，固化后向下汇聚流动，并在激冷喷头13侧面偏向中心的喷淋作用下，合成气夹带灰渣流向中心聚集，最终流向洗涤除渣室，此时的合成气及灰渣物流温度通常为250～500℃之间，同时在激冷变换室内还发生一定的水蒸汽、CO的变换反应，为下游化工合成或制氢做好准备。

[0039] 过程三：喷淋水/蒸汽在激冷变换室下方的激冷变换室锥形出口6处汇集，向下流动，并在洗涤除渣室的下降管7内壁形成液膜，以进一步保护下降管7免受合成气和灰渣流的冲蚀。经激冷固化的灰渣在合成气的夹带下沿下降管7自上而下流动，在向下流动过程中，合成气夹带的灰渣颗粒被底部渣池9捕集，并经破渣格栅17破渣过滤处理后向下经排渣口10排出气化炉，合成气则经渣池9鼓泡洗涤后进入下降管7与气化炉壳体1之间形成的环隙，并沿环隙向上流动，夹带的泡沫和灰渣颗粒通过破泡板8进一步除去，充分除渣冷却后经气化炉侧面合成气出口15排出气化炉，此时合成气温度通常保持在200℃左右。

[0040] 经以上三个过程，即完成了本发明的完整工艺过程。

[0041] 本发明所采用的燃料适应性广，可选为煤等含碳固体燃料或其配制而成的浆体液态燃料，即其燃料形态可为固体粉末或液态浆体；采用的气化剂可选为水蒸汽、空气、纯氧或氧气浓度大于21％的富氧空气。气化炉炉壁2的材料可采用水冷壁结构或耐火砖结构设计，水冷壁结构可选用列管式、盘管式或其组合形式。

[0042] 下面结合采用本发明提供的多喷嘴气流床气化炉进行相应试验得到的结果对本发明作进一步说明：

[0043] 实施例1

[0044] 一套日处理3000吨煤的干煤粉加压多喷嘴气流床气化炉，气化反应室壳体(即气化炉炉壁2)的内直径为3850mm，气化炉下渣口4内径1100mm。气化炉本体中上部侧面均匀布置一层四个侧面工艺烧嘴16，侧面工艺烧嘴平面与气化反应室轴线垂直，径向偏斜角度θ为4.5°，由四个侧面工艺烧嘴16共喷入100％的煤粉、100％的水蒸汽以及100％纯氧气，顶部烧嘴室11b作为点火/开工烧嘴。

[0045] 合成气激冷变换室的筒体直径为4800mm，激冷环14设置一层，激冷喷头13沿激冷环14均匀布置128个，喷淋液态水，共设有一层，激冷喷头13轴向喷射的第一夹角角度λ为15°，径向喷射的第二夹角角度α为-3°，喷射速度约5m/s。

[0046] 激冷变换室导引管12扩口角度ε设为15°。

[0047] 洗涤除渣室下降管7直径1500mm，设有3层破泡板8和一层破渣格栅17，格栅孔径150×150mm。

[0048] 气化炉本体合成气出口15直径650mm。

[0049] 气化炉炉壁2采用水冷壁设计。

[0050] 洗涤除渣室内采用4.0Mpa下的120℃的液态水进行喷淋。

[0051] 由上述气化反应装置可以得到煤质分析(如表1所示)及气化反应装置出口合成气的分析数据(如表2所示)：

[0052] 表1煤质分析表

[0053]

[0054]

[0055] 其他主要操作条件：

[0056] 操作温度：1623K；

[0057] 操作压力：4.0MPa；

[0058] 煤粉输送载气介质：氮气；

[0059] 氧煤比：0.48kg/kg；

[0060] 蒸汽煤比：0.03kg/kg；

[0061] 蒸汽入口温度：623K；

[0062] 氧气入口温度：298K；

[0063] 氧气纯度：99.6％。

[0064] 气化反应装置出口合成气分析数据为：

[0065] 表2气化炉本体出口合成气成分(Vol％)与下渣口处温度(K)数据[0066]H2 CO CO2 H2O CH4 H2S COS N2 T
29.95 59.67 2.28 3.87 0.31 0.50 0.01 3.41 1732

[0067] 气化反应装置出口合成气温度：478K；

[0068] 碳转化率：99.5％；

[0069] 气化反应装置出口煤气中有效成分含量(H2+CO)：93.23％(干基)；

[0070] 整体冷煤气效率：83.5％。

[0071] 与现有技术相比，本发明提供的气化技术比：碳转化率提高≥2％，冷煤气效率提3 3
高≥5％，合成气有效气成分比例提高≥5％，比氧耗(Nm/kNm(H2+CO))降低≥12，比煤耗
3
(kg/kNm(H2+CO))降低≥55，运行费用降低≥10％，投资费用降低≥10％。

[0072] 实施例2

[0073] 一套日处理3000吨煤的水煤浆加压多喷嘴气流床气化炉，气化炉本体内径(即气化炉炉壁2)为4000mm，气化炉下渣口4内径1000mm。气化炉本体中上部侧面均匀布置一层四个侧面工艺烧嘴16，侧面工艺烧嘴平面与气化反应室轴线垂直，径向偏斜角度θ为1.8°，由四个侧面工艺烧嘴16和顶部烧嘴室11b内的工艺烧嘴共喷入100％的水煤浆和
100％纯氧气。

[0074] 合成气激冷变换室的筒体直径为4800mm，激冷环14设置一层，激冷喷头13沿激冷环14均匀布置128个，共设有一层，激冷喷头13轴向喷射的第一夹角角度λ为30°，径向喷射的第二夹角角度α为-0.5°，喷射速度约8m/s。

[0075] 激冷变换室导引管12扩口角度ε设为30°。

[0076] 洗涤除渣室下降管7直径1400mm，设有3层破泡板8和一层破渣格栅17，格栅孔径180×180mm。

[0077] 气化炉本体合成气出口15直径680mm。

[0078] 气化炉炉壁2采用耐火砖设计。

[0079] 所用的水煤浆浓度64％。

[0080] 洗涤除渣室内采用6.5Mpa下的130℃的水蒸汽进行喷淋。

[0081] 由上述气化反应装置可以得到煤质分析(如表3所示)及气化反应装置出口合成气的分析数据(如表4所示)：

[0082] 表3煤质分析表

[0083]

[0084]

[0085] 其他主要工艺操作条件：

[0086] 操作温度：1573K；

[0087] 操作压力：6.5MPa；

[0088] 水煤浆配置介质：工业水和化学添加剂；

[0089] 氧碳原子比：0.95g；

[0090] 氧气入口温度：298K；

[0091] 氧气纯度：99.6％。

[0092] 气化反应装置出口合成气分析数据为：

[0093] 表2气化装置出口合成气成分(Vol％)与下渣口处温度(K)数据

[0094]H2 CO CO2 H2O CH4 H2S COS N2 7
16.16 17.23 4.62 61.98 0.003 0.001 0.001 0.003 471

[0095] 气化反应装置出口合成气温度：471K；

[0096] 碳转化率：98.5％；

[0097] 煤气中有效成分含量(H2+CO)：87.82％(干基)；

[0098] 整体冷煤气效率：80.6％。

[0099] 与现有技术相比，本发明提供的气化技术比：碳转化率提高≥1％，冷煤气效率提3 3
高≥2％，合成气有效气成分比例提高≥4％，比氧耗(Nm/kNm(H2+CO))降低≥10，比煤耗
3
(kg/kNm(H2+CO))降低≥50，运行费用降低≥15％，投资费用降低≥15％。