CN100562558C - 顶部设有多个喷嘴的气化反应器及其工业应用 - Google Patents

顶部设有多个喷嘴的气化反应器及其工业应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种顶部设有多个喷嘴的气化反应器及其工业应用。气化反应器包括竖直式容器和设置在竖直式容器顶部的穹顶(7)，其特征在于，还包括设置在所说的穹顶(7)上的N个气化喷嘴的连接口(1)，N为大于1的整数，设置在气化喷嘴的连接口(1)中的多通道气化喷嘴(6)。本发明的反应器与目前公开的气化炉相比，具有气化效率高、煤种适应性广、耐火衬里使用寿命长等特点。采用该反应器气化浆态或干粉态的含碳化合物，其碳转化率可达99%，气化炉内温度分布均匀，不会出现局部温度过高烧蚀耐火衬里，生产的合成气可用作化工原料气、燃料气、制氢、合成液体燃料、直接还原炼铁等，用途极为广泛。

Description

顶部设有多个喷嘴的气化反应器及其工业应用
技术领域
本发明涉及一种用于气化浆态和干粉态的含碳化合物的气流床式反应器及其工业应用。
背景技术
气流床加压气化浆态和干粉态的含碳化合物，是目前国际上最先进的气化技术之一。该技术具有可处理化合物种类多、气化效率高、原料消耗低、设备生产强度大等特点，所以其应用前景十分广泛。人们在该领域中进行了大量的研发工作，形成了诸多专利，有代表性的是：Shell(ZL90103807.5)，Texaco(ZL 94193847.6)和华东理工大学(ZL 98110616.1)。但从提高煤中碳的转化率以及耐火衬里的使用寿命角度看，这些气化技术大型化后还不能满足工业要求。
中国专利申请号200410089404.9公开了一种顶部设有喷嘴的气化反应器，中国专利ZL01210097.8公开了一种顶部设有喷嘴的多喷嘴对置式水煤浆或煤粉气化炉，由于只设置一个顶部喷嘴，出顶部喷嘴的物料速度大，部分含碳化合物会在瞬时离开气化炉使碳的转化率不够高，同时由于喷嘴直径大和喷嘴速度大使火焰的长度和直径范围大，使气化炉内的耐火衬里使用寿命不够高，还需要进一步改进。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种顶部设有多个喷嘴的气化反应器及其工业应用，以克服上述不足。
本发明提出的顶部设有多个喷嘴的气化反应器，包括：
内有耐火衬里的竖直式容器；
设置在竖直式容器顶部的穹顶；
设置在所说的穹顶上的N个气化喷嘴的连接口，N为大于1的整数；
设置在气化喷嘴的连接口中的多通道气化喷嘴，多通道气化喷嘴的作用是使固态含碳化合物与气态气化剂进入反应器，并使之良好混合，进行气化反应；
所说的耐火衬里可以是水冷壁型式，也可以是耐火砖型式；
设置在竖直式容器底部的气化产物出口，气化生成的高温合成气与融熔态灰渣以并流方式通过出口，高温气体对高粘度融渣的流动具有良好的携带作用；
本发明的气化反应器，可用于气化浆态和干粉态的含碳化合物，含碳化合物优选煤、石油焦、生物质、垃圾以及其它含碳固体废弃物。
将粒径为＜200μm的浆态或干粉态的含碳化合物(例如煤)输送到工艺喷嘴，浆态的含碳化合物用高压泵输送，干粉态的含碳化合物用载气输送如氮气、CO2；气化介质和也同时进入工艺喷嘴混合，以50～140米/秒的流速，喷出工艺喷嘴，将含碳化合物雾化或者弥散后进入气化室气化为煤气。
气化温度为1100～1700℃，气化压力为1.0～10.0MPa；
含碳含灰化合物重量1份，气化介质重量0.4～1.2份，工艺蒸汽重量0～0.5份；
所说的气化介质包括氧化剂、水蒸汽和二氧化碳；
氧化剂选自氧气、空气或氧含量为60％～100％的富氧空气；
载气与含碳化合物的重量份数比例为：载气1份，含碳化合物0.02～0.8份；
该反应器与目前公开的气化炉相比，具有气化效率高、煤种适应性广、耐火衬里使用寿命长等特点。采用该反应器气化浆态或干粉态的含碳化合物，其碳转化率可达99％，气化炉内温度分布均匀，不会出现局部温度过高烧蚀耐火衬里，生产的合成气可用作化工原料气、燃料气、制氢、合成液体燃料、直接还原炼铁等，用途极为广泛。
附图说明
图1为反应器结构示意图。
图2为反应器的A-A向俯视图。
具体实施方式
参见图1，本发明提出的顶部设有多个喷嘴的气化反应器，包括：
内有耐火衬里5的上粗下细的竖直式容器，竖直式容器的上段直径D1与下段直径D2的比值，D1∶D2＝1～2，竖直式容器的上段长度H1与下段长度H2的比值H1∶H2＝0.5～2，竖直式容器的上段与下段连接处的倾角为β为0～60°；
设置在竖直式容器顶部的穹顶7；
设置在所说的穹顶7上的N个气化喷嘴的连接口1，N为大于1的整数，优选的N为2～20；
按照本发明优选的方案，所说的穹顶的形状为椭圆形、梨形或伞形；
设置在气化喷嘴的连接口1中的多通道气化喷嘴6，气化喷嘴的轴线与联接口的共轴线，气化喷嘴6的作用是使浆态或干粉态的固态含碳化合物与气态气化剂进入反应器2，并使之良好混合，进行气化反应；
所说的耐火衬里5可以是水冷壁型式，也可以是耐火砖形式；
设置在竖直式容器底部的气化产物出口3，出口锥角γ为30～60°，气化生成的高温合成气与融熔态灰渣以并流方式通过出口3，高温气体对高粘度融渣的流动具有良好的携带作用；
按照本发明进一步的方案，所说的穹顶7上的N个多通道气化喷嘴6的轴线可与竖直式容器的轴线之间有夹角α，优选的角度为0～30°；
参见图2，比较好的是，在穹顶的中部设有一个气化喷嘴的连接口1以及设置其中的多通道气化喷嘴6，其他在气化喷嘴的连接口1以及设置其中的多通道气化喷嘴6设置在其四周，最好均匀布置；
参见图1，按照本发明更优选的方案，在竖直式容器的上部四周还设有气化喷嘴的连接口1以及设置其中的多通道气化喷嘴6，一般对称设置，可以上下两层，数量为4～8个；
所说的多通道气化喷嘴6指的是具有多个通道的喷嘴，如采用浆态含碳化合物为原料时，可采用ZL95111750.5专利公开的技术，如采用干粉态含碳化合物为原料时，可采用ZL200420114032.6专利公开的技术；而采用其他的喷嘴，也能够达到本发明的目的。
实施例1(粉煤)
采用如图1所示的气化反应器，气化原料为干粉态的粉煤，粉煤处理量为100吨/小时，气化压力为4.0MPa，采用水冷壁耐火衬里，气化温度为1600℃，气化炉总高度为10.0米，上直段长度为4.0米，下直段长度为4.0米；上直段直径2.5米，下直段直径2.0米；上段与下段连接处的倾角为β为45°；
穹顶的形状为椭圆形，顶部设有5个2通道喷嘴，中间1个，周遍均匀设置4个，中间的喷嘴的轴线与气化反应器的轴线平行，周遍的喷嘴与的轴线气化反应器的轴线之间的夹角α为10°。
将20吨/小时平均颗粒直径为30～100微米的粉煤、12000Nm3/小时的氧含量为99％的纯氧、14吨/小时的温度为430的过热水蒸汽通过ZL200420114032.6所公开的两通道喷嘴进入反应器，在操作压力为4.0MPa，操作温度为1600的条件下在反应器内进行燃烧与气化反应，生成200000Nm3/小时的合成气。气化生成的高温合成气与融熔态灰渣以并流方式通过出口3排出反应器。
其组分如下：
H2 30％、CO 58％、CO2 6％、N2 6％，其它为少量H2S、Ar、COS、CH4、HCN和NH3。该合成气可用于生产化肥、甲醇、制氢、液体燃料、燃料气、直接还原炼铁、发电等，或用于先进的IGCC联合循环发电以及多联产***。
实施例2
采用如图1所示的气化反应器，气化原料为干粉态的粉煤，粉煤处理量为100吨/小时，气化压力为4.0MPa，采用水冷壁耐火衬里，气化温度为1600℃，气化炉总高度为10.0米，上直段长度为4.0米，下直段长度为4.0米；上直段直径2.5米，下直段直径2.0米；上段与下段连接处的倾角为β为45°；
穹顶的形状为椭圆形，顶部设有4个2通道喷嘴，中间1个，周遍均匀设置3个，中间的喷嘴的轴线与气化反应器的轴线平行，周遍的喷嘴与的轴线气化反应器的轴线之间的夹角α为15°。
在气化反应器上部直段周边对称设置4个喷嘴。
将12.5吨/小时平均颗粒直径为30～100微米的粉煤、7500Nm3/小时的氧含量为99％的纯氧、9吨/小时的温度为430的过热水蒸汽通过ZL200420114032.6所公开的两通道喷嘴进入反应器，在操作压力为4.0MPa，操作温度为1600℃的条件下在反应器内进行燃烧与气化反应，生成200000Nm3/小时的合成气。气化生成的高温合成气与融熔态灰渣以并流方式通过出口3排出反应器。
其组分如下：
H2 30％、CO 58％、CO2 6％、N2 6％，其它为少量H2S、Ar、COS、CH4、HCN和NH3。该合成气可用于生产化肥、甲醇、制氢、液体燃料、燃料气、直接还原炼铁、发电等，或用于先进的IGCC联合循环发电以及多联产***。
实施例3(水煤浆)
采用如图1所示的气化反应器，气化原料为浆态的水煤浆，煤处理量为125吨/小时，气化压力为4.0MPa，采用耐火砖耐火衬里，气化温度为1350℃，气化炉总高度为11.5米，上直段长度为4.5米，下直段长度为4.5米；上直段直径2.8米，下直段直径2.3米；上段与下段连接处的倾角为β为30°；
穹顶的形状为椭圆形，顶部设有5个2通道喷嘴，中间1个，周遍均匀设置4个，中间的喷嘴的轴线与气化反应器的轴线平行，周遍的喷嘴与的轴线气化反应器的轴线之间的夹角α为10°。
将42吨/小时平均固体颗粒直径为30～100微米、固体浓度为60％的煤浆、19500Nm3/小时的氧含量为99％的纯氧通过ZL95111750.5所公开的三通道喷嘴进入反应器，在操作压力为4.0MPa，操作温度为1350的条件下在反应器内进行燃烧与气化反应，生成320000Nm3/小时的合成气。气化生成的高温合成气与融熔态灰渣以并流方式通过出口3排出反应器。
其组分如下：
H2 37％、CO 47％、CO2 14％、N2 0.6％，其它为少量H2S、Ar、COS、CH4、HCN和NH3。该合成气可用于生产化肥、甲醇、制氢、液体燃料、燃料气、直接还原炼铁、发电等，或用于先进的IGCC联合循环发电以及多联产***。
实施例4(在实施例3上增加周边对置喷嘴)
采用如图1所示的气化反应器，气化原料为浆态的水煤浆，煤处理量为125吨/小时，气化压力为4.0MPa，采用耐火砖耐火衬里，气化温度为1350℃，气化炉总高度为11.5米，上直段长度为4.5米，下直段长度为4.5米；上直段直径2.8米，下直段直径2.3米；上段与下段连接处的倾角为β为30°；
穹顶的形状为椭圆形，顶部设有4个2通道喷嘴，中间1个，周遍均匀设置3个，中间的喷嘴的轴线与气化反应器的轴线平行，周遍的喷嘴与的轴线气化反应器的轴线之间的夹角α为15°。
在气化反应器上部直段周边对称设置4个喷嘴。
将26吨/小时平均固体颗粒直径为30～100微米、固体浓度为60％的煤浆、12000Nm3/小时的氧含量为99％的纯氧通过ZL95111750.5所公开的三通道喷嘴进入反应器，在操作压力为4.0MPa，操作温度为1350的条件下在反应器内进行燃烧与气化反应，生成320000Nm3/小时的合成气。气化生成的高温合成气与融熔态灰渣以并流方式通过出口3排出反应器。
其组分如下：
H2 37％、CO 47％、CO2 14％、N2 0.6％，其它为少量H2S、Ar、COS、CH4、HCN和NH3。该合成气可用于生产化肥、甲醇、制氢、液体燃料、燃料气、直接还原炼铁、发电等，或用于先进的IGCC联合循环发电以及多联产***。

Claims (7)

1.顶部设有多个喷嘴的气化反应器，包括竖直式容器和设置在竖直式容器顶部的穹顶(7)，其特征在于，还包括设置在所说的穹顶(7)上的N个气化喷嘴的连接口(1)，N为2～20的整数；
设置在气化喷嘴的连接口(1)中的多通道气化喷嘴(6)；
气化反应器的上直段长度H1与下直段长度H2的比值，H1∶H2＝0.5～2；气化反应器的上直段直径D1与下直段直径D2的比值，D1∶D2＝1～2；
多通道气化喷嘴(6)的轴线与竖直式容器的轴线之间的夹角α角度为10～30°；
竖直式容器的上直段与下直段连接处的倾角β为30～60°。
2.根据权利要求1所述的顶部设有多个喷嘴的气化反应器，其特征在于，所说的穹顶的形状为椭圆形、梨形或伞形。
3.根据权利要求1所述的顶部设有多个喷嘴的气化反应器，其特征在于，在穹顶的中部设有一个气化喷嘴的连接口(1)以及设置其中的多通道气化喷嘴(6)，其他气化喷嘴的连接口(1)以及设置其中的多通道气化喷嘴(6)设置在其四周。
4.根据权利要求1所述的顶部设有多个喷嘴的气化反应器，其特征在于，还包括耐火衬里(5)，所述耐火衬里(5)为水冷壁耐火衬里或者耐火砖衬里。
5.根据权利要求3所述的顶部设有多个喷嘴的气化反应器，其特征在于，在竖直式容器的上部四周还设有气化喷嘴的连接口(1)以及设置其中的多通道气化喷嘴(6)。
6.根据权利要求5所述的顶部设有多个喷嘴的气化反应器，其特征在于，在竖直式容器的上部四周设有气化喷嘴的连接口(1)对称设置，上下两层，数量为4～8个。
7根据权利要求1～6任一项所述的顶部设有多个喷嘴的气化反应器的应用，其特征在于，用于气化浆态或者干粉态的含碳化合物。
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