CN101285006B

CN101285006B - 一种水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺及装置

Info

Publication number: CN101285006B
Application number: CN 200810047879
Authority: CN
Inventors: 吕庆元; 徐才福; 杜国庆; 何正兆; 张宗飞; 赵涛; 毕东煌; 尚韡
Original assignee: China Wuhuan Engineering Co Ltd
Current assignee: China Wuhuan Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: CN101285006A

Abstract

本发明涉及一种水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺及其专用激冷装置。解决了干粉燃料气化工艺中高温粗合成气激冷降温单用水降温效果差、喷淋器不耐受高温，喷嘴及管道易腐蚀堵塞的问题。以可燃干粉固体为原料经加压气化、激冷、除尘洗涤后，得到的180～260℃的粗合成气供下游工序使用，得到的洗涤灰水进入灰水处理***，所述激冷步骤中气化后温度为1400～1700℃的粗合成气上升至气化炉中部和/或上部时被水/气混合雾液部分激冷至400～500℃，再进入下一步骤进行除尘洗涤的同时降温，得到180～260℃粗合成气。本发明工艺简单、降温效果好，激冷装置在高温环境中抗磨蚀，喷嘴及管道中不会积灰渣，能长时间有效运行，避免安全事故的发生。

Description

一种水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种干粉燃料气化工艺，具体的说是一种水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺及其专用激冷装置。

背景技术

近年来，石油价格的飞涨，使用煤，生物质、石油焦等干粉燃料作为原料进行气化是作为煤化学品、液体燃料、联合循环发电、多联产***、制氢***等工业过程的基础和和关键技术。

随着工艺技术的发展，在以固体燃料为原料生产合成气的技术中，常见的常压固定层间歇气化技术，因为生产强度小，“三废”排放量大，原料利用率低，能耗较高而逐渐被淘汰。其他常压气化技术包括K-T炉气化技术、恩德炉气化技术等与当代先进的煤气化技术相比均存在较大的差距，已经不是气化技术发展的主流。目前比较先进的第二代气化工艺技术中，最具代表性先进气化技术为美国GE公司的水煤浆加压气化技术和荷兰壳牌公司的SCGP干粉煤加压气化工艺。

水煤浆气化工艺中气化炉主要特点是水煤浆进料、单喷嘴和下喷式，大部分是采用水激冷工艺流程。从气化炉出来的粗煤气，直接用水激冷，被激冷后的粗煤气含有较多水蒸气，可直接送入变换***而不需再补加蒸汽。水煤浆加压气化技术因为其技术成熟(气化压力高，煤浆制备、输送和控制简单、安全可靠)和投资较低等特点在世界范围内得到广泛应用。但是该技术存在的主要不足也与水煤浆有关：1、水煤浆中含有约40％的水，使它的热值降低。2、对原料的限制比较严格，如成浆性差的煤、灰分较高、灰熔点高的煤均不宜使用3、气化效率相对较低，碳转化率约为96％。4、比氧耗在各种气流床气化工艺中最高；5、必须采用热炉壁，每炉耐火砖造价较高，而且寿命不到2年。

干煤粉气化工艺中，气化炉主要特点是干煤粉进料、多喷嘴气化、水冷壁内衬，气化的煤气上行进入废锅进行冷却，冷却后的煤气经除尘，其中一部分回炉激冷热煤气，其他合成气进入下游工序。干煤粉气化技术的主要优点：1、干粉进料，对所用固体燃料适应性广；2、气化温度高，碳转化率高(可达99％左右)，产品气中甲烷含量低，有效气含量高达90％；3、能耗低、氧耗低，与水煤浆气化工艺相比，氧耗可降低15～20％；4、是单炉生产能力大，日投煤量可达3000吨以上；5、气化炉采用水冷壁，无耐火砖衬里，维护工作量小，生产连续性好；6、采用废锅流程，总的热效率高达98％；7、气化废水处理简单，可以满足环保要求也可做到零排放。由于它的这些优点，吸引了国内一些企业纷纷引进干煤粉气化技术。经研究分析以及实际运行情况证实，干粉燃料气化技术理念更为先进，代表着气化技术发展的方向。但是该工艺仍然存在下述缺点：1、设备造价高。投资高的主要因素是采用带膜式壁的废热锅炉、高温高压陶瓷过滤器以及激冷循环气压缩机；2、对于后接一氧化碳变换的工艺流程，该技术生产的产品气中蒸汽含量不足，需补加蒸汽；3、回炉激冷用合成气加压所需的功耗较大，不利于成本的节约。4、气化关键设备结构复杂，制造周期长使得项目建设周期长。

由此可见，虽然粉煤气化工艺具有一定的先进性，但是对于合成气生产化工产品的流程如何从工艺上进一步减少设备投资、降低操作成本、缩短工艺流程，得到优质的合成气供下游化工生产使用，是目前本领域技术人员一直致力于研究的方向。采用蒸汽对粗合成气激冷效果较好，但是由于单用蒸汽使用量过大，会造成运行成本过高。中国专利申请号200610043195.3公开了一种“干煤粉加压气化激冷装置及激冷工艺”，是通过喷淋器喷水降温的原理对上行的粗合成气进行激冷降温，该方案有下述技术问题尚未解决：一、单用喷水由于水滴粒径过大，与粗合成气难以均匀混合，降温效果差，无法达到期望的降温目的；二、普通喷淋器无法抵御高温，若直接置于高温高压含尘工况中，其喷嘴头部极易结渣堵塞，不能保证喷嘴长时间的连续运转，特别是气化炉运行过程中，高温含尘气体对喷嘴头部侵蚀和磨蚀使得喷嘴喷口结构尺寸发生变化出现滴流或喷水泄漏问题，将会使得水直接冲击气化炉内壁并与高温渣接触导致过大温度梯度，从而对激冷管和气化炉反应室膜式壁产生破坏性的影响并引起严重事故。因此，采用未经改造的喷淋器单喷水是无法实现对合成气安全有效激冷降温的。

发明内容

本发明提供了一种设备投资少、工艺流程简单、操作成本较低、冷激介质清洁、稳定、易得的水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺。

本发明还提供一种用于上述干粉燃料气化工艺的激冷装置。

工艺方法为以可燃干粉固体为原料经加压纯氧气化、激冷、除尘洗涤后，得到180～260℃的粗合成气供下游工序使用，得到的洗涤灰水进入灰水处理***。所述激冷步骤中先进行部分激冷，即气化后温度为1400～1700℃的粗合成气上升至气化炉中部和/或上部时被水/气混合雾液部分激冷至400～500℃；再进入下一步骤进行除尘洗涤的同时降温，得到180～260℃粗合成气，其中，所述部分激冷至400～500℃的粗合成气在除尘洗涤步骤中先经过旋风除尘器除去大部分干灰后，进入文丘里洗涤器洗涤除尘，最后进入洗涤塔内，粗合成气内剩余的大部分灰尘在洗涤塔内被去除并降温至180～260℃，所述水/气混合雾液中的气体为合成气、蒸汽、二氧化碳、氮气中的至少一种。

所述可燃干粉固体为石油焦、焦炭、生物质或煤等制成的干粉。

目前已建或在建粉煤加压气化工艺装置投资成本高的重要原因在于激冷工艺中采用了冷却后粗合成气回炉激冷高温合成气以及以废锅形式进行热交换的废热回收***，因此可以对该步骤进行改进。

针对背景技术描述中出现的问题，发明人经过大量实验和研究，认为可以采用水/气混合雾化形成的雾液对粗合成气进行激冷。由于水和气体经充分混合形成雾液，从而使气体用量少，液滴粒径极小，在气化炉内能和粗合成气充分混合，使粗合成气迅速激冷至400～500℃，并且作为冷激介质清洁、稳定、易得，操作成本低。由于本工艺未采用废热锅炉、高温高压陶瓷过滤器和循环气压缩机等大型设备，从而降低了投资且降温效果好。对生产不同产品如需蒸汽含量较高的合成气生成合成氨、要求蒸汽含量低的合成天然气、或者联合循环发电等需要不同成分要求的合成气，可通过调节水和气体的喷入量来实现，调节灵活可控，从而简化流程，节约了整个***的投资。

上述部分激冷至400～500℃的粗合成气进入除尘、洗涤步骤，可以采用本领域技术中对粗合成气除尘、洗涤的通用工艺，如采用旋风分离器、文丘里洗涤器、洗涤塔等对粗合成气除尘、洗涤。本发明中，优选400～500℃的粗合成气进入旋风分离器除尘，再进洗涤塔除灰的同时降温至180～260℃，洗涤后最终得到180～260℃的水蒸气含量约40～60％的粗合成气供下游工序使用。

由于气化炉内粗合成气温度可高达1400～1700℃，为使粗合成气充分降温，雾液的液滴粒径还需要尽可能的小，即水和气体混合喷出之前需要充分雾化，以强化雾化效果。并且，当气化炉内粗合成气压力发生变化时，雾液粒径也不会随操作压力变化发生明显波动。因此，在气化炉中部或上部安装喷淋器时，需要充分考虑上述问题。首先需要能使水和气体充分雾化并喷射的装置，如常用于农药喷洒功能的专利号96207032.7中公开的“两相流高效液体雾化器”(即普通的两相流液体/气体雾化器)，但是该类普通雾化器不适用于高温高压和合成气强腐蚀环境下冷却粗合成气。在高温下(如1400℃以上)雾化器的外壳、特别是喷嘴前端极易过烧和被高温粗合成气磨蚀及腐蚀。粗合成气中还含有高温的灰渣，极易粘附在喷嘴上造成侵蚀，导致无法使用。因此发明人针对上述问题，对现有的两相流液体/气体雾化器进行了创造性改进，设计出适用于高温粗合成气激冷的两相流雾化喷射冷却装置，其水/气混合喷雾的应用领域扩展到对高温高压粗合成气的激冷降温方面，将其安装在气化炉中作为激冷装置，喷出水/气混合的雾液粒径(SMD)小于150μm，大大强化了高温高压合成气冷激段的传热传质效果，使高温高压粗合成气快速降温。

本发明中激冷装置技术方案包括气化炉，所述气化炉中部和/或上部设有两相流雾化喷射冷却装置，所述两相流雾化喷射冷却装置包括两相流液体/气体雾化器，所述两相流液体/气体雾化器由外壳、与进水管连通的混合室、外部环形气体通道、以及喷嘴构成，所述喷嘴包括气体通道喷口和混合室喷口，所述气体通道喷口的喷射角为25～45度，气体通道喷口的扩张角与喷射角之和为90～120度；其中，所述两相流液体/气体雾化器的外壳上设置冷却水夹套，所述冷却水夹套包括依次连通的水进口、外层冷却水通道、内层冷却水通道和水出口。

所述外层冷却水通道与内层冷却水通道连接处位于两相流液体/气体雾化器的喷嘴头部，所述连接处设有螺旋流道。。

所述气化炉中部和/或上部膜式壁上设有两相流雾化喷射冷却装置，沿气化炉膜式壁多个水平环形布置，一环为一层，设有至少一层。

通过在两相流液体/气体雾化器的外壳上加设冷却水夹套，保护外壳和两相流液体/气体雾化器喷嘴前端不被高温烧损。所述冷却水夹套为双层结构，冷却水由水进口进入外层冷却水通道，再经内层冷却水通道由水出口排出并带走热量，保护喷嘴外壳。为了进一步强化喷嘴头部外壳的冷却效果，在外层冷却水通道和喷嘴头部设置有螺旋流道，所述螺旋流道为单螺旋和/或双螺旋流道，水流经该处时，形成旋流，流速明显提高，能带走更多热量，有效降低喷嘴头部及与高温气体接触区域的金属壁温，从而有效的保护喷嘴头部。

所述喷嘴包括气体通道喷口和混合室喷口。所述气体通道喷口的喷射角为25～45度。气体通道喷口的扩张角与喷射角之和为90～120度，能使气体经气体通道喷***出时，一方面能很好的与混合室喷口喷出的两相流液雾再次发生撞击、剪切雾化；另一方面能避免高温合成气在喷嘴区域回流而与喷嘴端部直接接触，从而避免合成气对喷嘴的磨蚀和腐蚀以及合成气中的高温灰渣对喷嘴的侵蚀。通过采用两相流雾化喷射冷却装置对高温含尘粗合成气安全有效激冷降温，在高温环境中喷嘴抗磨蚀，能长时间有效运行，也有效避免水直接冲击气化炉内壁并与高温渣接触导致过大温度梯度，从而避免对激冷管和气化炉反应室膜式壁产生破坏性的影响并引起严重事故。

两相流雾化喷射冷却装置设置在气化炉中部和/或上部，可以水平或垂直与气化炉配套安装，安装的数量和具***置可根据粗合成气实际温度和降温效果决定，喷嘴方向应与气化炉内高温气流旋流方向相反。本发明在现有的气化炉基础上，增加一个部件，使其具有优异的粗合成气激冷除尘效果，较现有的粉煤气化工艺中的气化炉加废热锅炉及高温高压陶瓷过滤器、循环气压缩机构成的激冷装置相比大大减少了设备投资。

附图说明

图1为本发明工艺方法流程图暨激冷装置结构示意图。

图2为本发明激冷装置中两相流雾化喷射冷却装置的结构示意图。

其中：1-进水管、1.1-进水管喉管、2-混合室、2.1-混合室喷口、2.2-混合室壁、3-气体通道、3.1-进气管、3.2-气体通道喷口、4-旋流板、5-外壳、6-气体主进口、7-气体次进口、8.1-水进口、8.2-外层冷却水通道、8.3-内层冷却水通道、8.4-水出口、8.5-螺旋流道、A为喷射角、B为扩张角、9-两相流雾化喷射冷却装置、10～气化炉、11-旋风除尘器、12-文丘里洗涤器、13-洗涤塔、14-水力旋流器、15-闪蒸罐、16-减压管、17-澄清槽、18-澄清水槽、19-冷却器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明：

参照图1，本发明工艺方法为：干煤粉与氧气以及部分蒸汽一起混和由气化炉10上的烧嘴进入气化炉10炉膛内，在炉内反应生成高温粗合成气，温度约为1400～1700℃，炉中气化压力为0-8.0MPa，粗合成气在气化炉10内撞击混和后自下向上流动，在气化炉10中部和/或上部被多个环形设置的两相流雾化喷射冷却装置9喷出的水/气混合雾液(本实施例中，所述水/气混合雾液为水和蒸汽混合的雾液)部分冷激降温至400～500℃，降温后的粗合成气再经过旋风除尘器11除去大部分干灰后，进入文丘里洗涤器12洗涤除尘，最后进入洗涤塔13内，粗合成气内剩余的大部分灰尘在洗涤塔13内被去除并降温至180～260℃，最终得到180～260℃粗合成气从塔顶进入下一工序，供下游工序使用。而得到的洗涤灰水从塔底进入灰水处理***，经旋风除尘器11分离出的干灰可以作为水泥行业的原料再利用，采用干法除灰较激冷罐除灰可以节约50％以上的水量。

灰水处理具体步骤为：洗涤塔底13的洗涤灰水再通过塔底洗涤水循环泵进行加压，加压后的含部分灰的洗涤灰水除一部分引进入文丘里洗涤器12外，其他循环回洗涤塔13顶部。而从洗涤塔13底部出来的灰水进入水力旋流器14进行分离，从其顶部出来的灰水经过冷却器19冷却后进入闪蒸罐15进行闪蒸，闪蒸气体进入火炬，分离的液体进入澄清水槽18，从水力旋流器14底部出来的灰水经过减压管16减压后进入澄清槽17准备进行再次分离，从澄清槽17底部出来的浓灰浆经过浓灰浆泵送走，而从澄清槽17溢流出来的液体进入澄清水槽18中。

参照图1中的虚线框图部分，本发明激冷装置包括气化炉10，在气化炉10中部的膜式壁上安装有一层环形布置的多个双相流雾化喷淋冷却器9，上部的膜式壁上安装有两层环形布置的多个双相流雾化喷淋冷却器9，参照图2，所述两相流雾化喷射冷却装置9具体结构为：进水管1前端的进水管喉管1.1与混合室2后端连通。混合室2前端设有混合室喷口2.1，所述混合室2与外壳5之间设有带有进气管3.1的气体通道3。气体通道喷口3.2位于混合室喷口2.1外部，与混合室喷口2.1共同构成喷嘴，所述气体通道喷口3.2的喷射角A为25～45度。所述气体通道3通过混合室壁2.2上开设多个气体主进口6和气体次进口7与混合室2连通。所述气体主进口6位于混合室壁2.2中段，气体次进口7位于混合室壁2.2后段，气体通道3内的部分气体可由气体主进口6和气体次进口7沿混合室壁2.2径向和切向高速进入混合室2内。气体通道3内还设有具有改变气流方向和加快流速作用的旋流板4。所述外壳5外还设置有冷却水夹套，所述冷却水夹套由依次连通的进水口8.1、外层冷却水通道8.2、内层冷却水通道8.3和出水口8.4组成。外层冷却水通道8.2套在内层冷却水通道8.3之外，内、外层冷却水通道8.3、8.2连接处位于喷嘴头部，该处设有增加局部流速的螺旋流道8.5，所述螺旋流道8.5可以是单螺旋流道和/或双螺旋流道。螺旋流道8.5可以通过安装螺旋板形成。安装在气化炉上时，喷嘴方向应与气化炉高温气流旋流方向相反。喷嘴宜采用耐磨蚀和耐高温材料制造，如镍基合金材料，喷嘴端面可以采用镍基合金锻件机加工而成。

两相流雾化喷射冷却装置9对高温粗合成气激冷的原理为：高压水由进水管1进入，经进水管喉管1.1向混合室2内喷出；蒸汽由进气管3.1进入，其中一部分别由气体主进口6、气体次进口7沿混合室壁2.2切向和径向进入混合室2，对混合室2内的液体进行高速剪切、雾化，使汽液界面发生剪切，汽液相互作用形成两相流，产生第一次雾化。由于蒸汽是以高速旋流状态进入混合室2，使得雾化颗粒随环境压力的波动变化不明显；混合室2内的两相流经过混合室喷口2.1向外高速喷射膨胀、雾化，形成液雾，产生第二次雾化；同时，气体通道3内的另一部分蒸汽继续前行，经旋流板4时形成高速旋流，从气体通道喷口3.2高速喷出，与混合室喷口2.1喷出的液雾再次发生高速剪切、撞击，形成细小液雾，产生第三次雾化。由于通过数值分析仿真的方法设计确定了气体通道喷口3.2的喷射角A和扩张角B，气体通道喷口3.2喷出的蒸汽能很好的使高温高压含尘粗合成气的流动方向远离喷嘴，不会与喷嘴端面接触，避免合成气对喷嘴端面的磨蚀和腐蚀以及高温灰渣对喷嘴头部的侵蚀；细小的液雾射入高温高压粗合成气时，会与粗合成气撞击、掺混，产生第四次雾化，均匀混合、充分激冷。在喷嘴不喷水时，还可以通过气体通道喷口3.2采用蒸汽进行吹扫，保护喷嘴不被高温粗合成气过烧损坏，使喷嘴在不同工况下均能在高温高压粗合成气强腐蚀环境下长期稳定运行。外壳5上的冷却水夹套8起到了保护外壳5及其内件不被高温粗合成气过烧损坏，具体为：冷却水由水进口8.1进入外层冷却水通道8.2，经内、外层冷却水通道8.3、8.2连接处的螺旋流道8.5形成旋流，使位于喷嘴头部液体的流速加快，强化传热后进入内层冷却水通道8.3，再由水出口8.4排出，同时带走喷嘴头部的更多的热量。螺旋流道8.5即内、外层冷却水通道8.3、8.2连接处设置在喷嘴头部，使得局部冷却水流速度高，降温效果佳，特别是能保护喷嘴其及头部不受合成气高温的侵害。本领域技术人员可根据气化炉的运行经验和负荷、煤种的变化调整水/气量，气体流量可在20t/h～80t/h范围内调节，激冷雾化水流量可在10t/h～40t/h调节，本发明激冷装置可在操作压力1.0～8.0MPa，温度450～1700℃的环境下正常工作。

Claims

1.一种水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺，以可燃干粉固体为原料经加压气化、激冷、除尘洗涤后，得到的180～260℃的粗合成气供下游工序使用，得到的洗涤灰水进入灰水处理***，其特征是，所述激冷步骤中先进行部分激冷，即气化后温度为1400～1700℃的粗合成气上升至气化炉中部和/或上部时被水/气混合雾液部分激冷至400～500℃；再进入下一步骤进行除尘洗涤的同时降温，得到180～260℃粗合成气，其中，所述部分激冷至400～500℃的粗合成气在除尘洗涤步骤中先经过旋风除尘器除去大部分干灰后，进入文丘里洗涤器洗涤除尘，最后进入洗涤塔内，粗合成气内剩余的大部分灰尘在洗涤塔内被去除并降温至180～260℃，所述水/气混合雾液中的气体为合成气、蒸汽、二氧化碳、氮气中的至少一种。

2.如权利要求1所述的水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺，其特征是，所述可燃干粉固体为石油焦、焦炭、生物质或煤制成的干粉。

3.一种用于如权利要求1所述的水/气混合式部分激冷的干粉燃料气化工艺的激冷装置，包括气化炉，其特征是，所述气化炉中部和/或上部设有两相流雾化喷射冷却装置，所述两相流雾化喷射冷却装置包括两相流液体/气体雾化器，所述两相流液体/气体雾化器由外壳、与进水管连通的混合室、外部环形气体通道、以及喷嘴构成，所述喷嘴包括气体通道喷口和混合室喷口，所述气体通道喷口的喷射角为25～45度，气体通道喷口的扩张角与喷射角之和为90～120度；其中，所述两相流液体/气体雾化器的外壳上设置冷却水夹套，所述冷却水夹套包括依次连通的水进口、外层冷却水通道、内层冷却水通道和水出口。

4.如权利要求3所述的激冷装置，其特征是，所述外层冷却水通道与内层冷却水通道连接处位于两相流液体/气体雾化器的喷嘴头部。

5.如权利要求3所述的激冷装置，其特征是，所述外层冷却水通道与内层冷却水通道连接处设有螺旋流道。

6.如权利要求3所述的激冷装置，其特征是，所述气化炉中部和/或上部膜式壁上设有多个水平环形布置的两相流雾化喷射冷却装置，一环为一层，设有至少一层。