一種氣化劑強旋轉(zhuǎn)煤粉氣化裝置及氣化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種煤粉氣化裝置及氣化方法，具體涉及一種氣化劑強旋轉(zhuǎn)煤粉氣化裝置及氣化方法，屬于煤氣化領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煤氣化技術(shù)是高效清潔的潔凈煤技術(shù)。當前的煤氣化技術(shù)主要分為移動床氣化、流化床氣化、氣流床氣化和熔融床氣化四類。其中，氣流床氣化技術(shù)因其氣化強度高、生產(chǎn)能力大、碳轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點已成為現(xiàn)在煤氣化技術(shù)的主要發(fā)展方向。氣流床氣化有兩個主要特點，一是運行溫度高，約為1300?1600°C，煤粉進入爐內(nèi)后形成液態(tài)渣，排渣方式為液態(tài)排渣；另外一個特點是采用“以渣抗渣”技術(shù)來保護爐壁和減少熱損失。氣流床氣化爐存在主要問題是:第一、燒嘴壽命短。煤粉氣化爐的燒嘴壽命一般只有一年左右。第二、氣化爐內(nèi)壁面易燒損。以上問題導(dǎo)致氣化爐經(jīng)常停車，而氣化爐作為化工企業(yè)的生產(chǎn)源頭，一旦停車，導(dǎo)致整個生產(chǎn)線全部停運，整個生產(chǎn)線停運一次給企業(yè)造成巨額經(jīng)濟損失。例如:一套造氣量80000Nm3/h的煤氣化生產(chǎn)線停運一次經(jīng)濟損失達4000萬元以上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中氣化爐壁面掛渣不均勻，造成氣化爐內(nèi)壁面燒損、腐蝕的問題，進而提出一種氣化劑強旋轉(zhuǎn)煤粉氣化裝置及氣化方法。
[0004]本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明所述裝置包括煤粉燒嘴、氣化爐體、水冷壁、合成氣通道和氣化劑噴口，氣化爐體由半球體和圓柱體組合而成，水冷壁安裝在氣化爐體內(nèi)，水冷壁由多根豎直圓管組成，水冷壁圍成回轉(zhuǎn)體氣化爐膛，氣化爐體的底部設(shè)有渣池，合成氣通道插裝在氣化爐體的下部，氣化劑噴口設(shè)置在氣化爐體的上部，且氣化劑噴口沿氣化爐膛的切線方向插入氣化爐膛內(nèi)，煤粉燒嘴安裝在氣化爐體的頂部，且煤粉燒嘴的軸線與氣化爐膛的軸線重合，煤粉燒嘴內(nèi)設(shè)有橫截面為環(huán)形的煤粉通道。
[0005]本發(fā)明所述氣化方法的具體步驟如下:步驟一、設(shè)定氣化爐膛內(nèi)部壓力為0.1?4MPa，氣化爐膛的運行溫度為1250?1600°C ；
[0006]步驟二、溫度為25?100°C的干煤粉由氮氣或二氧化碳攜帶以旋流方式經(jīng)煤粉燒嘴上的煤粉通道送入爐膛內(nèi)部，煤粉所占的體積分數(shù)為1%?25%，在爐頂區(qū)域形成旋轉(zhuǎn)向下的煤粉氣流；
[0007]步驟三、煤粉氣流接觸到中心回流區(qū)卷吸回來的高溫合成氣后，被其點燃，在爐膛頂部燃燒形成熔渣；
[0008]步驟四、溫度為20?400 °C的氣化劑通過所述氣化劑噴口以100?200m/s的速度切向噴入爐膛，高速的氣化劑氣流沖入爐膛后形成強烈旋轉(zhuǎn)氣流，在離心力的作用下，約80 %的熔渣被甩在爐壁面形成較厚的渣層，渣層均勻，旋轉(zhuǎn)氣流不斷沖刷爐膛壁面上的渣層，并與其發(fā)生強烈氣化反應(yīng)；
[0009]步驟五、化生成的粗煤氣通過所述合成氣通道流出爐膛，生成的液態(tài)渣沿壁面流入渣池，冷卻后通過底部排渣口排出氣化爐。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]1、本發(fā)明中渣層由離心力作用形成:現(xiàn)有技術(shù)中，煤粉與氣化劑均從氣化爐頂部噴入爐膛，煤粉進入爐膛后在高溫下形成熔渣，熔渣與氣化劑氣流一起同向一般以直流的方式流向爐膛底部。在流動過程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于氣流脈動粘到壁面上形成渣膜；而本發(fā)明中，煤粉從氣化爐頂部噴入，煤粉進入爐膛后在高溫下形成熔渣，以100?200m/s的速度切向噴入爐膛的氣化劑在爐內(nèi)形成強烈的旋轉(zhuǎn)氣流，熔渣與氣化劑一起在近壁面區(qū)高速旋轉(zhuǎn)向下流動，約80%的熔渣受強旋產(chǎn)生的離心力作用不斷地被甩到壁面上形成渣層；
[0012]2、本發(fā)明中粘附在爐壁上的渣量多，渣層厚度大:現(xiàn)有技術(shù)中，煤粉與氣化劑均從氣化爐頂部噴入爐膛，煤粉進入爐膛后在高溫下形成熔渣，熔渣與氣化劑氣流一起同向一般以直流的方式流向爐膛底部。在流動過程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于氣流脈動粘到壁面上形成渣膜，離壁面較遠處的熔渣無法粘到壁面上，因此只有約10%左右的熔渣能夠粘到壁面形成渣膜，由于粘附在爐壁上的渣量小，導(dǎo)致壁面渣膜較薄，一般渣膜厚度為2?3_ ;本發(fā)明依靠離心力將熔渣甩到壁面形成渣層，氣化劑以100?200m/s的速度切向噴入爐膛，形成強烈的旋轉(zhuǎn)氣流，產(chǎn)生的離心力足以將熔渣甩在壁面上形成渣層，氣化過程中約占80%左右的熔渣都被甩在壁面上形成渣層，由于粘附在爐壁上的渣量多，因此壁面渣層較厚，渣層厚度可達5?6_ ；
[0013]3、本發(fā)明中壁面渣層厚度比較均勻:現(xiàn)有技術(shù)中，煤粉與氣化劑均從氣化爐頂部噴入爐膛，煤粉進入爐膛后在高溫下形成熔渣，熔渣與氣化劑氣流一起同向一般以直流的方式流向爐膛底部。在流動過程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于氣流脈動粘到壁面上形成渣膜，離壁面較遠處的熔渣無法粘到壁面上，因此只有約10%左右的熔渣能夠粘到壁面形成渣膜，由于粘附在爐壁上的渣量小，當沿氣化爐圓周方向的氣量分布不均時，沿圓周方向壁面熔渣粘附情況不均，導(dǎo)致圓周方向壁面渣膜厚度不均勻。而本發(fā)明中，煤粉從氣化爐頂部噴入，煤粉進入爐膛后在高溫下形成熔渣，以100?200m/s的切向速度噴入的氣化劑在爐內(nèi)形成強烈的旋轉(zhuǎn)氣流，熔渣與氣化劑一起在近壁面區(qū)高速旋轉(zhuǎn)向下流動。本發(fā)明中氣流速度高，湍流強度大，有利于氣化劑與熔渣的混合。熔渣與氣化劑沿圓周方向混合均勻后在強旋產(chǎn)生的離心力作用下甩到壁面形成渣層，壁面渣層厚度比較均勻；
[0014]4、本發(fā)明能更有效保護氣化爐內(nèi)壁面:壁面渣層主要成分為S12, 3102導(dǎo)熱系數(shù)約為7.6W/mk，常用耐火磚的導(dǎo)熱系數(shù)約為20?28W/mk，渣層導(dǎo)熱系數(shù)比耐火磚小很多，因此渣層的隔熱效果好?，F(xiàn)有技術(shù)中壁面渣膜較薄，渣膜厚度一般為2?3mm，而且沿圓周方向渣膜厚度不均勻，易導(dǎo)致部分內(nèi)壁面沒有渣膜覆蓋，氣化爐內(nèi)壁面裸露于高溫煙氣環(huán)境中，容易出現(xiàn)超溫而被燒損。氣化爐內(nèi)氣體中含有60%?70%的一氧化碳，高溫的一氧化碳為腐蝕性氣體，氣化爐內(nèi)壁面裸露于高溫且富含一氧化碳的環(huán)境下，容易發(fā)生化學腐蝕。本發(fā)明中壁面渣層厚，渣層厚度高達5?6_，是現(xiàn)有技術(shù)的2?3倍，同時渣層厚度比較均勻，避免氣化爐內(nèi)壁面裸露于高溫煙氣中，更能有效保護氣化爐內(nèi)壁面不被高溫氣體燒損；而且較厚的渣層將氣化爐內(nèi)壁面與爐內(nèi)氣體含有60%?70%的一氧化碳隔開，能保護氣化爐內(nèi)壁面不受一氧化碳氣體的化學腐蝕；
[0015]5、本發(fā)明氧氣消耗量少:現(xiàn)有技術(shù)中壁面掛渣薄而且不均勻，渣膜厚度一般為2?3_ ;本發(fā)明中壁面掛渣厚且均勾，渣層厚度高達5?6_，是現(xiàn)有技術(shù)的2?3倍，而渣層導(dǎo)熱系數(shù)小，隔熱性好，因此本發(fā)明能夠減小壁面熱損失。碳與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳放熱112.lkj/mol，碳與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳放熱395kJ/mol，顯然碳與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳放熱是生成一氧化碳放出的熱量的3.52倍。煤粉氣化需要在較高溫度(1250?1600°C )下才能迅速反應(yīng)，雖然期望得到的煤氣化產(chǎn)物是一氧化碳，但為了維持較高爐內(nèi)溫度，必須通入過量的氧氣生成二氧化碳來提高溫度?，F(xiàn)有技術(shù)中壁面熱損失較大，實際運行時調(diào)整氧與碳的當量比為1.05?1.1時，也就是說多通入5%?10%的氧氣生成二氧化碳維持爐溫。而本發(fā)明中渣層厚，壁面熱損失小，調(diào)整氧與碳的當量比為1.01?1.05即可維持同樣的爐內(nèi)高溫，與現(xiàn)有技術(shù)相比氧的消耗量降低約5%。氧氣是從空氣中分離出來的，分離過程耗電量大，本發(fā)明降低大量氧的消耗量，相應(yīng)節(jié)省大量電能；
[0016]6、本發(fā)明的煤種適用性強:熔渣氣化爐想要達到“以渣抗渣”的技術(shù)路線保護水冷壁，則必須保證水冷壁面處存在較厚的渣層。現(xiàn)有技術(shù)中，水冷壁面處熔渣膜的形成僅僅依靠粘附靠近壁面處的熔渣，其粘附在壁面上的渣量極少。在粘附在壁面上的渣量極少的條件下，為達到一定厚度的渣層，則必須對煤灰的粘溫特性提出苛刻的要求:在氣化溫度范圍內(nèi)，煤灰粘度不能過低或者過高。煤灰粘度過低則熔渣流動性好，渣膜較薄，不能起到保護水冷壁的作用；煤灰粘度過高則熔渣流動性減弱，在出渣口流動緩慢，排渣不暢。對煤灰的粘溫特性要求苛刻，則意味著現(xiàn)有氣化爐煤種適用性較差，必須選擇合適的煤種才能正常運行。本發(fā)明中，80 %的熔渣被甩至壁面處，水冷壁面形成一定厚度的渣層，渣層厚度對煤灰的粘溫特性不敏感，因此本發(fā)明煤種適用性極強。在市場煤價波動的時期，氣化爐對煤種的“不挑剔性”，能夠為生產(chǎn)企業(yè)提供多重選擇，大大提高企業(yè)的盈利能力；
[0017]7、相同容積、壓力下，本發(fā)明中煤粉爐內(nèi)停留時間長，氣化時間長，氣化速率高:
(I)相同爐膛容積、壓力下，相比現(xiàn)有技術(shù)的氣化爐，本發(fā)明中煤粉在爐內(nèi)停留時間長，氣化時間長?，F(xiàn)有技術(shù)中，氣化劑攜帶著煤粉從氣化爐頂端直接流向底端，由于煤粉顆粒一般小于75微米，氣流對煤粉的攜帶能力極強，煤粉在爐內(nèi)停留時間即攜帶著煤粉的氣化劑從氣化爐頂端直接流至底端的時間，停留時間很短，約4?6s ;本發(fā)明中熔渣在離心力的作用下，大部分約占80%左右的熔渣甩到壁面上形成渣層，煤粉在爐內(nèi)的停留時間為液態(tài)熔渣從氣化爐頂部沿壁面緩慢流動至底部的時間。由于氣化劑沿切向噴入爐內(nèi)，在爐內(nèi)做旋轉(zhuǎn)流動，氣化劑對沿壁面向下流動的液態(tài)熔渣攜帶能力較弱，并且液態(tài)熔渣粘度較大，沿著壁面緩慢向下流動，這就大大延長了煤粉在氣化爐內(nèi)停留時間，停留時間約為12?16s，相同爐膛容積、壓力下煤粉停留時間是現(xiàn)有技術(shù)的2?4倍。2本發(fā)明氣化反應(yīng)速率高。氣化爐內(nèi)溫度較高，氣化反應(yīng)屬于擴散控制區(qū)，所述擴散控制區(qū)是指在較高溫度下，反應(yīng)速率極快，以致任何氣體一到達煤焦顆粒表面，就立即與碳元素反應(yīng)而迅速耗盡。這時穿過邊界層的擴散就成為控制因素，而穿過邊界層的擴散是由煤粉與氣化劑的相對速度決定的，因此氣化爐中煤粉與氣化劑的相對速度決定著氣化反應(yīng)的速率。現(xiàn)有技術(shù)中煤粉與氣化劑由燒嘴噴出后，約占總量10%的熔渣粘附在壁面處形成渣膜，剩余熔渣與氣化劑一起同向流動。約占總量90%的熔渣與氣化劑一起以較低速度同向流動，流動速度約為0.4?0.6m/s，兩者相對速度更低，約為0.08?0.12m/