CN102652170B - 顶馈双旋流式气化器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种顶馈双旋流式气化器，包括：馈送管线，通过该馈送管线用氮气供给煤粉；分配器，用于分开所供给的煤粉；多个烧嘴，用于供给氧化剂以及在分配器中分开的煤粉；压力反应器，在其中使煤粉与氧化剂互相反应以产生合成气流；以及旋流发生器，其用于向馈入压力反应器的氧化剂施加旋流力。气化器进一步包括布置于压力反应器下方的渣冷却及贮存容器。各烧嘴由具有圆形横截面的三重管构成。将煤粉和载气供给至烧嘴的最中心区，并且将氧化剂供给至围绕中心区的环形区（34）。

Description

顶馈双旋流式气化器

技术领域

本发明涉及一种顶馈双旋流式气化器，特别涉及这样一种顶馈双旋流式气化器，其中通过燃料与氧化剂反应，使通过布置于圆筒气化器上部的多个烧嘴（burner nozzle）馈送的燃料（诸如煤或重质残渣油）气化，以及，如果使用煤粉作为燃料，使通过烧嘴的氧化剂流发生旋流，以促进燃料与氧化剂的混合，以及，将补充氧化剂向下馈送进入气化器中环绕烧嘴的整个上部区域，可以使该补充氧化剂发生旋流或者不发生旋流，从而促进燃料的气化。

现有技术

众所周知，虽然初期投资极大，但新能源和可再生能源仍是对化石能源耗尽问题和环境问题的解决方案。在这一方面，在发达工业国家，已经进行了新能源和可再生能源的广泛研究和开发，并且采取了对其宣传推广的政策。

根据韩国新能源和可再生能源的开发促进、使用及宣传法的第2条，新能源和可再生能源定义为：作为转化化石燃料的结果所获得的能源，或者，使可再生能源包括日光、水、地热、降水、生物油脂、煤气等转换成为的能源。此外，该法令规定了11个新能源和可再生能源领域，也就是，8个可再生能源领域，包括日光、太阳热、植物或动物的废弃物、风力、水力、海洋能、废物和地热，以及3个新能源领域，包括燃料电池、煤液化气和重质残渣油气、以及氢气。

整体煤气化联合循环（IGCC）技术是一种新技术，其中，使低级原料（诸如煤或重质残渣油）经过在高温高压下于气化器中与有限氧气连同水蒸汽一起不完全燃烧并气化，以形成含有一氧化碳和氢气作为主要成分的合成气，然后使其经过净化处理，并用来驱动燃气轮机和汽轮机，从而发电。

例如，根据美国专利公开No.20060242907（名称为“Gasifier Injector”），将煤粉通过多个置于气化器上方的分支管注入气化器，其中使各注入管穿过由多孔材料制成的板，并且通过多孔材料馈送氧化剂。在供给煤粉的分支管的侧面形成缝隙（aperture），使得大量氧化剂馈入分支管周围，并且使通过缝隙馈送的氧化剂与煤粉快速混合。少量氧化剂通过多孔材料进入气化器，并从气化器的整个上部区域向下流动。

在上述专利公开中，为了将氧化剂与通过多个分支管馈入气化器的煤粉快速混合，使煤粉馈送装置穿过多孔材料，在馈送装置侧面形成缝隙以便通过其供给氧化剂，并且氧化剂从除煤粉馈送装置以外的整个区域向下流动。然而，因为煤粉与氧化剂全部竖向地向下流动，很难发生煤粉颗粒熔融且沿气化器壁流动的所谓的结渣现象。因此，在上述专利公开中，实现排渣气化器比较困难。也就是，相对大量的煤粉颗粒作为颗粒材料排出。此外，不能控制沿煤粉馈送装置内周流动的氧化剂与围绕馈送装置流动的氧化剂二者的流速，因此，难以应对不同的操作条件，包括更换燃料以及改变煤粉和氧化剂的流速。

作为另一示例，美国专利公开No.20080141913（名称为“Dump Cooled Gasifier”）披露了具有下述结构的气化器，其中气化器的壁包括陶瓷管，并允许气态或液态冷却剂流进该陶瓷管，以在气化期间保护气化器的内壁免遭高温环境以及高温气体和高温熔渣损坏。然而，用机械强度较弱的陶瓷材料所制成的陶瓷管环绕气化区，为此，如果管之间的连接不够完善，在高温高压环境下气化器可能损坏，因此，这使得难以稳定地操作气化器。

在已开发的将燃料（诸如煤或重质残渣油）气化成清洁能源的大部分气化技术中，使用了大尺寸的气化器，以便在气化器中完成相对慢的气化反应。虽然气化器体积增大，但在使用煤粉作为燃料时，难以将碳完全转化成煤气（gas）。

发明技术问题的披露

据此，为了解决这个问题而提出本发明，以及，本发明的目的是提供一种顶馈双旋流式气化器，其中使用旋流将燃料与氧化剂快速混合，以便通过适当控制流动来促进气化，以及，如果使用煤粉作为燃料，因为旋流力使煤粉移向气化器的壁侧，使其在熔融状态下沿气化器内壁流动，同时将其中的碳转化成气态，藉此，通过快速混合促进煤粉的气化，并且在气化器的壁面上实现碳-气转化，因此，可以减小气化器的体积，同时可以获得较高的碳-气转化率。

问题的解决方案

为了达到上述目的，本发明提供了一种顶馈双旋流式气化器，包括：馈送管线，通过该馈送管线用氮气供给煤粉；分配器，用于分开通过馈送管线馈送的煤粉；多个烧嘴，用于供给氧化剂以及在分配器中分开后的煤粉；压力反应器，在其中使煤粉与氧化剂互相反应以产生合成气；以及旋流发生器，其用于向馈入压力反应器的氧化剂施加旋流力。气化器进一步包括容纳水的渣冷却及贮存容器，其置于压力反应器下方。

在本发明中，各烧嘴由具有圆形横截面的三重管构成，三重管包括中心区和环绕中心区的环形区，将煤粉和载气供给至中心区，并且将由氧气或氧气与水蒸汽的混合气构成的氧化剂供给至环形区。此外，冷却水通过位于该环绕中心区的环形区的外侧的环形区循环，以及，旋流发生器设置在将氧化剂供至的各烧嘴环形区中。

此外，将多孔材料制成的多孔板布置于压力反应器的最上部以供给补充氧化剂。各烧嘴穿过多孔板。

在本发明中，如果压力反应器的壁由膜管式壁构成，该壁的表面可以涂覆陶瓷材料或耐火材料。

发明的有益效果

现有技术中，所有流体，包括燃料、供自燃料馈送管线外周的氧化剂、以及自气化器整个上部区域馈送的氧化剂，所有流体以线状方式向下流动，与上述现有技术不同，根据本发明，旋流发生器布置于环绕燃料的环形区处，在氧化剂通过旋流发生器时，对氧化剂施加旋流力，从而，促进燃料与氧化剂的混合。此外，在根据本发明的气化器中，一部分氧化剂从气化器中围绕烧嘴的整个上部区域向下馈送，可以使其旋流或不旋流，使得可以促进并且在短时间内实现燃料的气化，因此，可以减小气化器的体积，从而降低气化器的制造成本。

此外，如果气化器采用固态煤粉，固态煤粉是最常用作气化燃料，由煤粉颗粒熔融所得到的熔融渣沿气化器的壁面流动，因此，与现有技术中随气一同流动的渣（熔渣）相比，本发明中熔融渣具有非常长的滞留时间。据此，根据本发明的气化器具有使煤粉中碳到煤气的转化率提高的效果。

另外，现有技术中所排出煤粉颗粒的处理比较昂贵，与现有技术不同，本发明中作为颗粒物质排出的煤粉颗粒可以处理成熔渣骨料并作为副产品销售。因此，根据本发明的气化器可以保证经济效率。

附图说明

根据下文结合附图进行的详细描述，本发明的这些以及其它的目的、特点和优点将更为明了，附图中：

图1是示出根据本发明的气化器结构的示意图；

图2是用于馈送煤粉和氧化剂的管嘴的方案示图；

图3是示出旋流发生器结构的方案示图，该旋流发生器设置在氧化剂所供至的环形区中；

图4是示出布置在气化器上部的多个烧嘴结构的方案示图；

图5是示出渣流动以及渣的快速冷却及贮存的方案示图；以及

图6示出现有技术与本发明之间煤粉颗粒分布的比较。

具体实施方式

下面，参照附图，进一步具体地说明本发明的实施方式。

图1示出根据本发明的气化器的结构。如图所示，本发明的气化器100包括：馈送管线10，通过该馈送管线10用氮气于箭头“a”方向供给煤粉；分配器20，用于分开通过馈送管线10供给的煤粉；多个烧嘴30，用于供给分配器20中所分开的煤粉，并在箭头“b”方向供给氧化剂；压力反应器40，煤粉与氧化剂在其中互相反应以产生合成气流（箭头“c”）；以及旋流发生器80（或图3中的50），用于向供入压力反应器40的氧化剂施加旋流力。气化器100进一步包括位于压力反应器40下方的渣冷却及贮存容器70（图5）。

用于供给煤粉和氧化剂的各烧嘴30由具有圆形横截面的三重管构成，其中，将煤粉和载气供至烧嘴30的最中心区32。氧化剂供至环绕中心区32的环形区34，氧化剂可以是氧气或氧气与水蒸汽的混合气。

如示出烧嘴三重管结构的图2中所示，冷却水通过三重管的最外层环形区36循环，以避免煤粉和氧化剂供至的部分被加热。多个烧嘴30如上所述由三重管构成，并起到供给煤粉和氧化剂的作用，烧嘴30与压力反应器40内部连通。

图3示出设置在环形区34中的旋流发生器，其用作施加旋流力的装置，氧化剂供至环形区34，并且环形区34环绕煤粉供至的中心区32。如图3所示，旋流发生器50设置于三重管环形区34的出口部，使得氧化剂在最终离开烧嘴30时具有强旋流力。

三重管向下延伸到达压力反应器40的最上部，在此处设置由多孔材料制成的多孔板60。朝置于压力反应器40顶部的多孔板60的上部，于箭头“b”方向供给补充氧化剂。在多孔板60下方，设置施加补充旋流力的补充旋流发生器80，使其向供至多孔板上部并流向压力反应器40的补充氧化剂施加旋流力。然而，取决于燃料的特性或者气化的操作条件，也可以不设置针对通过多孔板的补充氧化剂施加旋流力的旋流发生器。如上所述，多孔板60和旋流发生器80设置在压力反应器40中，以及，多个烧嘴30通过多孔板60和旋流发生器80与压力反应器40内部连通。

因此，如图4所示，通过烧嘴30的中心区32，将煤粉和载气馈入压力反应器40顶部，并将补充氧化剂馈入气化器中围绕多个烧嘴30的整个上部。因此，馈入气化器的氧化剂的流速可以独立地进行控制。

如上所述将煤粉馈入压力反应器40，并使其在反应器中与氧化剂反应，以产生含有CO和H₂作为主要成分的合成气。此时，由于双旋流效应所产生的离心力，使煤粉颗粒中所包含的灰分朝向压力反应器40的壁移动，并且所得到的熔渣沿着设置于反应器40壁面的耐火材料（图5中用斜线表示）向下流动行进。然后，熔渣流落入置于压力反应器40下方的渣冷却及贮存容器70。因为容器70容纳有冷却水72，落入容器70的熔渣快速冷却并固化。如果压力反应器（气化区）40的壁由膜管式壁（冷却剂在管中流动，并且通过膜使管互相连接）构成，取决于燃料的特性或气化器的操作条件，膜管式壁可以涂覆也可以不涂覆耐火材料。如果在壁上涂覆耐火材料，则耐火材料可以是普通耐火材料或陶瓷材料。

如上所述，根据本发明，因为通过多个烧嘴30将煤粉馈入压力反应器40，流动均匀性、煤粉颗粒的结渣特性、以及煤粉颗粒的分布均匀性都得以改善，从而，改善煤粉的气化。结果，导致了煤粉的快速气化，并因此可以减小气化器的体积，而且，可以改进气化器的性能，诸如碳-气转化率以及冷煤气效率。

通过简单的计算分析，对本发明的效果进行科学验证，并将分析结果示于下列表1和表2以及图6中。表1中的数值是表示流动均匀性的系数，以及，如果数值为零，表示流动理论上是完全均匀的。从表1中的数值可以看出，与线状方式馈送燃料和氧化剂的现有技术的情况相比，在本发明的情况下，其中以双旋流的形式使燃料与氧化剂更快速混合，流动理论上更加均匀。下表2示出煤粉颗粒对压力反应器壁的撞击（impingement），这种撞击与煤颗粒的结渣特性有直接关系。从表2可以看出，大量的煤粉颗粒撞击在本发明的气化器壁上。

表1现有技术与本发明之间流动均匀性的比较

偏差	现有技术（线状馈送）	本发明（双旋流）
			Z=0.2	86.7%	58.2%
Z=0.4	45.90%	31.30%
			Z=0.6	34.60%	24.30%

表2现有技术与本发明之间颗粒向气化器壁移动比例的比较

颗粒的移动方向	现有技术（线状馈送）	本发明（双旋流）
			气化器的壁	41.00%	62.90%

同时，图6示出煤粉颗粒的平面分布。从中可以看出，与根据现有技术气化器中煤粉颗粒的分布（示于图6的左侧）相比，在根据本发明气化器中的煤粉颗粒分布（示于图6的右侧）更为均匀。由计算分析产生的这种结果直接表明，根据本发明的气化器的效果优于现有技术气化器的效果。

虽然本发明根据其特定的优选实施例加以描述，但是对于本领域技术人员来说，可以容易地对上述实施方案进行多种修改、添加和替代，而不偏离本发明所附权利要求的目的、精神和范围。

Claims (5)

1.一种顶馈双旋流式气化器，包括：

馈送管线，通过该馈送管线用氮气供给煤粉；

分配器，用于分开通过所述馈送管线馈送的煤粉；

多个烧嘴，用于供给氧化剂以及在所述分配器中分开后的煤粉；

压力反应器，在其中使煤粉与氧化剂互相反应以产生合成气；

旋流发生器，其设置在各烧嘴的环形区中，用于向馈入所述压力反应器的氧化剂施加旋流力；

多孔材料制成的多孔板，其布置于所述压力反应器的最上部以供给补充氧化剂，以及

补充旋流发生器，其设置在所述多孔板下方，用于施加补充旋流力，

其中，所述压力反应器具有膜管式壁，所述膜管式壁的表面涂覆有耐火材料，

其中，使得所得到的熔渣沿着设置于所述反应器的壁面的耐火材料向下流动行进。

2.根据权利要求1所述的气化器，其中，所述气化器进一步包括容纳水的渣冷却及贮存容器，其置于所述压力反应器下方。

3.根据权利要求1所述的气化器，其中，各所述烧嘴由具有圆形横截面的三重管构成，所述三重管包括中心区和环绕所述中心区的环形区，其中，煤粉和载气供给至所述中心区，以及，由氧气或氧气与水蒸气 的混合气构成的氧化剂供给至所述环形区。

4.根据权利要求3所述的气化器，其中，冷却水通过位于所述环绕中心区的环形区的外侧的环形区循环。

5.根据权利要求1所述的气化器，其中，各所述烧嘴穿过所述多孔板。