專利名稱：新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐及其氣化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兩段式多噴嘴加壓氣化爐及其氣化方法。
背景技術(shù)：
煤等含碳燃料的氣化技術(shù)在聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電裝置、合成氨和合成甲醇工業(yè)、 海綿鐵的生產(chǎn)、純氫氣的制備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而氣化爐則是原燃料氣化的關(guān)鍵設(shè)備。為此，眾多的科技人員研究開發(fā)了各種類型的氣化爐。現(xiàn)有的可將煤、焦等含碳燃料氣化，在采用氣流床進行氣化的技術(shù)中，有代表性的主要有三種采用水煤漿為原料的氣化爐有德士古(Texaco，現(xiàn)為GE公司)和我國華東理工大學等單位開發(fā)的多噴嘴對置式水煤漿氣化爐；采用干煤粉為原料的氣化爐有謝爾(Siell)，GSP氣化爐和國家電力公司熱工研究院的兩段式干煤粉氣化爐。根據(jù)文獻US4637823、US4527997和US5^1243公開的德士古氣化工藝，該氣化爐為單噴嘴頂置式，單噴嘴頂置式氣化爐的爐內(nèi)流場結(jié)構(gòu)基本相同，包括 GSP氣化爐，由于頂部射流的湍流強度較高，存在部分物料短路和形成較大射流回流區(qū)的現(xiàn)象，爐內(nèi)流場和溫度場不盡合理，而且單噴嘴氣化爐在大規(guī)?；倪^程中也會遇到很多的困難。謝爾氣化爐和兩段式干煤粉氣化爐均采用煤氣與熔融態(tài)渣呈逆向流動，其主要存在兩個缺點，一方面，熔融態(tài)渣在氣流的逆向托力作用下靠重力向下排出氣化爐，極易凝固堵塞渣口 ；另一方面，懸浮在氣流中的細渣被氣流帶入合成氣冷卻器和后續(xù)冷卻凈化設(shè)備，在后續(xù)設(shè)備和管道中容易形成積灰堵塞，對設(shè)備的磨損也較為嚴重。文獻CN98110616. 1和 200510111484. 8所公開的華東理工大學等開發(fā)的多噴嘴氣化爐采用側(cè)面噴嘴對置式，由于四股較強的射流撞擊燃燒后將形成明顯撞擊火焰，向上撞擊火焰直接威脅氣化爐頂部耐火材料的使用壽命，使爐內(nèi)溫度場和氣化反應(yīng)狀態(tài)不盡合理。綜上所述，盡管已有多種不同形式的氣化爐成功實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，但均不同程度地存在反應(yīng)物停留時間分布不合理、碳轉(zhuǎn)化率不理想、爐內(nèi)溫度場不均勻等問題。中國專利CN101003755和CNM60865是兩段式多噴嘴氣化爐，都采用在頂部設(shè)置噴嘴的方法進行改進，雖然從一定程度上抑制了側(cè)面噴嘴撞擊產(chǎn)生的氣化火焰對氣化爐爐頂?shù)臎_擊，但是頂部噴嘴的射流將產(chǎn)生較大的射流回流區(qū)，以及頂部噴嘴噴入的燃料在氣化爐頂部附近發(fā)生充分的氣化反應(yīng)，也將產(chǎn)生大量熱量， 故氣化爐頂部仍然承受高溫氣流的強烈沖刷，嚴重影響其使用壽命，因此兩者的爐內(nèi)流場和氣化反應(yīng)組織仍不盡合理。綜上所述，氣化爐技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵是如何優(yōu)化爐內(nèi)流場，達到氣化爐內(nèi)近壁區(qū)域的溫度均勻分布，且遠離高溫區(qū)。因此，開發(fā)一種大規(guī)模高效的氣化技術(shù)是提高我國燃料氣化技術(shù)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐，該氣化爐頂部不用承受高溫氣流的強烈沖刷，可以延長使用壽命。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐，包括爐殼，爐殼內(nèi)設(shè)置氣化室和合成氣冷卻室，所述氣化室分為上下兩段，第一段為上段氣化室，第二段為下段氣化室，上段氣化室與下段氣化室的直徑比為0. 2^0. 8，高度比 0. Γ0. 5 ；上段氣化室頂部設(shè)有噴嘴室，噴嘴室中設(shè)置1個頂置工藝噴嘴，下段氣化室側(cè)面沿圓周方向設(shè)有至少一層工藝燒嘴室，燒嘴室中布置側(cè)面工藝噴嘴，側(cè)面工藝噴嘴以機械方式安裝在工藝噴嘴室中，氣化室錐形渣口設(shè)置在下段氣化室底部。通過縮小上段氣化室直徑，可大大削弱頂部噴嘴射流造成的射流回流區(qū)的形成，有效控制下段氣化室高溫煙氣向上流動量，有助于降低氣化爐上段氣化室的整體溫度，從而有效杜絕了上段氣化室爐壁材料超溫和受高溫氣流沖刷的問題，延長了其使用壽命；由于上段氣化室的氣化負荷主要為頂置單噴嘴送入的燃料，因此其所需的氣化空間高度比下段氣化室低得多。與專利CN101003755和CNM60865所公開的氣化爐不同的是，本發(fā)明同時實現(xiàn)了分區(qū)和分級的氣化方法，大部分燃料和氣化劑通過側(cè)面工藝噴嘴送入下段氣化室，在下段氣化室發(fā)生氣化反應(yīng)，一小部分燃料和少量氣化劑則通過布置在上段氣化室頂部的頂置工藝噴嘴噴入上段氣化室內(nèi)，它吸收下段氣化室內(nèi)的高溫煙氣進行預(yù)熱、熱解和部分氣化反應(yīng)，由于氣化劑不足，且上段氣化室直徑較小，不會形成明顯射流回流區(qū)對下段氣化室高溫煙氣的卷吸作用，有效控制了下段氣化室高溫煙氣向上流動通量，使上段氣化室發(fā)生的氣化反應(yīng)主要為熱解等前期反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量大大降低，故上段氣化室內(nèi)的溫度大大降低，有效保護了氣化爐上段氣化室的爐壁材料。上段氣化室形成的粗煤氣和半焦則在下段氣化室多只側(cè)面工藝噴嘴所行成的向下切圓射流的卷吸作用下，進入下段氣化室并與主燃料一起進入下段氣化室內(nèi)進行二次反應(yīng)。所述下段氣化室側(cè)面的燒嘴室設(shè)置廣3層，每層燒嘴室對稱布置4飛個側(cè)面工藝噴嘴。氣化爐的氣化室為盤管式或懸壁式水冷壁型，或者是采用耐火材料襯里的熱壁型。氣化室和合成氣冷卻室自上而下豎直并同軸連接在壓力殼體中。本發(fā)明所述的側(cè)面工藝噴嘴的軸線相切于同一假想圓，偏斜方向和偏斜角度是一致的，徑向偏斜角度要求為廣8°，軸向下偏斜角度廣10°。側(cè)面工藝噴嘴送入原燃料和部分過量的氣化劑，在下段氣化室發(fā)生的氣化和燃燒反應(yīng)，為上段氣化室的熱解和氣化過程提供熱量。本發(fā)明所提供的氣化爐中下段氣化室所設(shè)的側(cè)面工藝噴嘴采用小角度切圓布置， 切圓角度為廣8°。通過研究發(fā)現(xiàn)，該切圓角度不宜過大，當超過8°后，切圓旋流強度大大增加，使氣化火焰旋轉(zhuǎn)角度過大，出現(xiàn)氣化火焰碰壁或與爐壁過分接近，將使該區(qū)域爐壁材料的使用壽命大大降低。而且本發(fā)明所提供的氣化爐中下段氣化室熱負荷較高，故合適的切圓角度為廣8°。本發(fā)明所提供的氣化爐中下段氣化室所設(shè)側(cè)面工藝噴嘴采用軸向下偏角布置，偏斜角度為廣10°。研究發(fā)現(xiàn)，若該偏斜角度過大將使物料停留時間縮短，可能導致氣化反應(yīng)不徹底或氣化爐底部出口超溫等情況出現(xiàn)。通過對側(cè)面工藝噴嘴角度布置方式的優(yōu)化布置，使氣化爐內(nèi)流場更加合理，一方面增加了煤焦顆粒在氣化室內(nèi)的停留時間；另一方面有效的增強了煤焦與氣化劑的混合， 從而進一步提高了碳轉(zhuǎn)化率，也有效提高了氣化爐的運行穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一個目的是公開一種采用本發(fā)明所述的新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐的氣化方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的氣化方法是燃料和氣化劑由頂置工藝噴嘴和側(cè)面工藝噴嘴噴入氣化室進行氣化反應(yīng)，頂部噴嘴噴入的少量氣化劑僅為頂部噴嘴噴入燃料所需氣化劑的259Γ75%，剩余氣化劑由側(cè)面噴嘴等分補充送入氣化爐。如此將形成上段氣化室氣化劑不足，且由于上、下段氣化室的直徑差和無明顯頂部射流回流區(qū)，向上流動高溫煙氣量非常有限，因此上段氣化室僅發(fā)生熱解等吸熱反應(yīng)，而下段氣化室由于噴入氣化劑過量，將發(fā)生部分燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的二氧化碳和水蒸汽將與來自上段氣化室的碳或煤焦顆粒進行二次氣化反應(yīng)，最終生成合成氣，如此將有效地提高了整體碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的氣化爐及其氣化方法具有十分明顯的優(yōu)勢。本發(fā)明具有以下主要創(chuàng)新點
組織優(yōu)化了爐內(nèi)流場，使爐內(nèi)溫度分布更加合理。本氣化爐采用兩段式氣化工藝，其大部分燃料和氣化劑通過側(cè)面工藝噴嘴送入，在下段氣化室發(fā)生氣化反應(yīng)，一小部分燃料和少量氣化劑則通過布置在上段氣化室頂部的頂置工藝噴嘴噴入上段氣化室內(nèi)，并吸收下段氣化室內(nèi)的高溫煙氣進行預(yù)熱、熱解和部分氣化反應(yīng)，形成的粗煤氣和半焦則在下段氣化室多只側(cè)面工藝噴嘴所行成的向下切圓射流的卷吸作用下，進入下段氣化室并與主燃料一起送入下段氣化室內(nèi)進行二次反應(yīng)，由于下段多只側(cè)面工藝噴嘴采用切圓射流，一方面增加了煤焦顆粒在氣化室內(nèi)的停留時間；另一方面有效的增強了煤焦與氣化劑的混合，從而進一步提高了碳轉(zhuǎn)化率。使煤氣的可燃成分增加，熱值提高，同時使爐內(nèi)溫度分布更加均勻合理。氣化所需氣化劑主要通過側(cè)面噴嘴送入氣化爐，大大降低了氣化爐頂部氧化強度，且降低了氣化爐頂部給料噴嘴區(qū)域溫度，延長了該給料噴嘴的使用壽命。而且通過縮減上段氣化室的直徑和高度，可有效避免頂部噴嘴射流回流區(qū)的形成，控制了下段氣化室高溫煙氣的向上流通量，從而使上段氣化室的氣化反應(yīng)處于前期階段，降低了上段氣化室的溫度， 延長了其壁面材料的使用壽命。該氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率及總熱效率均比現(xiàn)有各類氣化爐高，采用多噴嘴設(shè)計特別適合處理2000噸以上的大規(guī)模氣化生產(chǎn)工藝。本發(fā)明的氣化爐燃料使用范圍廣，其產(chǎn)品可適用于各種化工生產(chǎn)和IGCC發(fā)電系統(tǒng)。


圖1是氣化爐的結(jié)構(gòu)簡圖； 圖2是側(cè)面工藝噴嘴布置截面圖。附圖標記說明頂置工藝噴嘴1、噴嘴室2、上段氣化室3、下段氣化室4、燒嘴室5、 側(cè)面工藝噴嘴6、氣化室7、爐殼8、激冷水入水口 9、激冷環(huán)10、合成出氣口 11、下降管12、折流管13、渣池14、下渣口 15、耐火保溫材料16、氣化室錐形渣口 17。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明，但本發(fā)明不局限于以下的實施例。參見附圖1，該氣化爐為一直立圓筒，包括氣化室和合成氣冷卻室兩個部分，氣化室和合成氣冷卻室外殼8為一承壓殼體。氣化室分上段氣化室3 (第一反應(yīng)區(qū))和下段氣化室4 (第二反應(yīng)區(qū))兩個部分，上段氣化室頂部設(shè)有噴嘴室2和頂置工藝噴嘴1，而下段氣化室側(cè)面至少布置一層側(cè)面工藝噴嘴6以及燒嘴室5，側(cè)面工藝噴嘴6對稱布置，各側(cè)面工藝噴嘴6以機械方式安裝在工藝噴嘴室2和5中，氣化爐渣口設(shè)在下段氣化室底部，采用錐形下渣口。氣化爐爐體由爐殼8和氣化室7組成，氣化室7可采用盤管式或懸壁式水冷壁型，或采用耐火材料襯里的熱壁型結(jié)構(gòu)設(shè)計。氣化室7與殼體8之間可填充耐火保溫材料 16，使殼體溫度維持在合理的水平范圍。氣化室內(nèi)主要完成以下氣化過程大部分燃料和氣化劑通過側(cè)面工藝噴嘴送入， 在下段氣化室發(fā)生氣化反應(yīng)，通過頂置工藝噴嘴噴入小部分燃料，其與下爐膛生成的高溫煙氣進行熱解和氣化反應(yīng)，所剩余未反應(yīng)物料將繼續(xù)向下流動或直接被側(cè)面工藝燒嘴射流形成的旋流流場卷吸進行二次氣化反應(yīng)，從而使整體氣化過程的碳轉(zhuǎn)化率得到提高。合成氣冷卻室設(shè)置在下段氣化室4的下部，合成氣冷卻室包括激冷環(huán)10、下降管 12、折流管13和合成氣出口 11。氣化過程產(chǎn)生的渣料通過合成氣冷卻室底部的渣池14的下渣口 15排出。側(cè)面工藝噴嘴向下傾斜，優(yōu)選為，軸向下偏斜角度廣10°。圖2為下段氣化室4側(cè)面工藝噴嘴層的俯視圖，優(yōu)選為水平徑向偏斜角度要求為 Γ8°，各個側(cè)面工藝噴嘴6的軸線相切于同一假想圓。為方便安裝、檢修和維護，整體氣化爐爐殼上可以設(shè)置一個或多個人孔，例如可以在合成氣冷卻室中上部或中下部附近設(shè)置人孔。實施例1
一個日處理3000噸煤的兩段式多噴嘴干煤粉氣化爐，氣化壓力4. OMPa，上段氣化室殼體內(nèi)徑Φ3000mm，下段氣化室內(nèi)徑Φ4000πιπι。氣化爐總共設(shè)置五個工藝噴嘴，每個工藝噴嘴的原煤處理負荷基本一致，頂部布置1個工藝噴嘴，該噴嘴噴入20%煤粉、20%水蒸汽和 10%氧氣，側(cè)面均勻布置一層4個側(cè)面工藝噴嘴，側(cè)面工藝噴嘴平面向下偏斜角度5°，徑向偏斜5°，四個側(cè)面工藝噴嘴共噴入80%的煤粉、80%的水蒸汽以及90%氧氣。氣化劑為氧氣和水蒸汽，氧氣總消耗量70000Nm7h，蒸汽總消耗量為22500kg/h， 氣化溫度1400°C，煤粉與氧氣的重量比例為1. 25，出氣化室氣體總流量沈4175 Nm3/h。表1煤質(zhì)組成
權(quán)利要求
1.一種新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐，包括爐殼(8)，爐殼(8)內(nèi)設(shè)置氣化室(7)和合成氣冷卻室，其特征在于氣化室(7)分為上下兩段，第一段為上段氣化室(3)，第二段為下段氣化室，上段氣化室(3)與下段氣化室(4)的直徑比為0. 2^0. 8，高度比0. Γ0. 5 ； 上段氣化室(3 )頂部設(shè)有噴嘴室(2 )，噴嘴室(2 )中設(shè)置1個頂置工藝噴嘴(1)，下段氣化室 (4)側(cè)面沿圓周方向設(shè)有至少一層工藝燒嘴室(5)，燒嘴室(5)中布置側(cè)面工藝噴嘴(6)，側(cè)面工藝噴嘴(6)以機械方式安裝在工藝噴嘴室( 中，氣化室錐形渣口(17)設(shè)置在下段氣化室⑷底部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐，其特征在于所述下段氣化室(4)側(cè)面的燒嘴室(5)設(shè)置廣3層，每層燒嘴室(5)對稱布置4飛個側(cè)面工藝噴嘴(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐，其特征在于每個側(cè)面工藝噴嘴(6)的軸線相切于同一假想圓，水平徑向偏斜角度要求為廣8°，軸向下偏斜角度廣 10°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐，其特征在于所述氣化室(7) 為盤管式或懸壁式的水冷壁型，或者是采用耐火材料襯里的熱壁型。
5.一種用于權(quán)利要求1所述的新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐的氣化方法，其特征在于燃料和氣化劑由頂置工藝噴嘴和側(cè)面工藝噴嘴噴入氣化室進行氣化反應(yīng)，頂部工藝噴嘴噴入的少量氣化劑僅為頂部工藝噴嘴噴入燃料所需氣化劑的259Γ75%，不足的氣化劑由側(cè)面工藝噴嘴等分補充送入氣化室。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣化方法，其特征在于所述燃料可為干煤粉或水煤漿。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型兩段式多噴嘴加壓氣化爐及其氣化方法，該氣化爐的氣化室分為上下兩段，上、下段氣化室的直徑比為0.2~0.8，高度比0.1~0.5。通過縮小上段氣化室直徑，可削弱頂部噴嘴射流造成的射流回流區(qū)的形成，控制下段氣化室高溫煙氣向上流動量，降低了氣化爐上段氣化室的整體溫度，延長了使用壽命。該氣化方法是從頂部噴嘴噴入的少量氣化劑僅為頂部噴嘴噴入燃料所需氣化劑的25%~75%，剩余氣化劑由側(cè)面噴嘴補充送入氣化爐。如此上段氣化室僅發(fā)生熱解等吸熱反應(yīng)，下段氣化室由于噴入氣化劑過量，發(fā)生部分燃燒反應(yīng)，與來自上段氣化室的碳或煤焦顆粒進行二次氣化反應(yīng)，最終生成合成氣，提高了碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率。
文檔編號C10J3/50GK102492478SQ20111043695
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者烏曉江, 倪建軍, 張建文, 張翔, 葛學利 申請人:上海鍋爐廠有限公司