CN103725327A - 一种微正压空气气化的气流床粉煤气化炉及其气化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微正压空气气化的气流床粉煤气化炉以及气化方法。目前应用在工业燃气制备行业普遍都是常压的固定床气化炉，高效的粉煤气流床气化技术在微正压、空气作为气化剂的情况下用于制备工业燃气还存在着一些困难。本发明的特征在于所述的气化炉本体上设有至少一排壁面烧嘴，每排壁面烧嘴包括若干个壁面烧嘴且沿气化炉本体的周向间隔布置，通过全部壁面烧嘴喷入气化炉内的气化剂占全部气化剂用量的80～97%；在气化炉渣口的底面下方设有炉底喷嘴，通过炉底烧嘴喷入气化炉的气化剂占全部气化剂的3～20%。本发明气化炉单位容积气化强度高，有效减少了炉内煤粉落入渣池的数量，非常适合于在微正压、以空气作为气化剂生产工业燃气。

Description

一种微正压空气气化的气流床粉煤气化炉及其气化方法

技术领域

本发明涉及煤、生物质、石油焦等固态含碳燃料与气化剂在高温下反应生成CO、H2的气流床气化反应器领域，尤其是一种微正压空气气化的气流床粉煤气化炉及其气化方法。

背景技术

煤制低热值的人工燃气在机械、冶金、建材等行业有着广泛的用途，当前普遍使用固定床气化炉来制造人工燃气，热值最高可达1200kcal/M3，固定床气化炉需要以块煤为原料、碳转化率低、单炉产量低、操控自动化程度低、煤气中含有焦油等缺点，人们希望以更好的气化技术来替代传统的固定床气化技术。

气流床粉煤气化技术具备碳转换率高、煤气中不含焦油、煤种要求不高、全自动化操控等诸多优势，非常适应于大规模的煤气化产业，当前已经较为广泛地应用于煤化工行业，一般用纯氧作为气化剂、在高压下进行气化反应制备合成气，每小时投煤量在数十吨以上。然而这样设备***复杂，造价昂贵，无法将这类技术应用到小型的工业燃气制备行业。

小型工业燃气的制备通常采用空气作为气化剂，需要在微正压情况下进行气化。按照现有气流床气化技术理论（燃料在炉内停留3～5s时间）来设计这类气流床反应器，气化反应器的体积会相当大，炉膛壁面散热量很大，会导致气化炉出口煤气的有效气体含量很低（CO+H2<20%），影响了气流床气化技术在工业燃气制备行业的推广与应用。比如华东理工大学设计的一排壁面烧嘴和一排给氧烧嘴的气流床气化炉的空气常压气化示范装置，产能仅为72吨/天，但气化炉本体直径就为2.2米，高度更达到了11米，有效气体含量（CO+H2）仅仅为17%。

气化炉本体体积过大，直接导致设备造价大幅度提高，安装运输极不方便，炉体散热量太大，余热得不到有效的利用，因此制约了气流床气化炉在工业燃气行业的应用。

另外，现在运行的气流床气化炉都有两个通病，第一是排渣口的液态渣排放不畅，经常有堵塞现象，需要经常检查和清理，影响气化炉***连续正常运行；第二是较多的煤粉颗粒会从排渣口落入渣池，影响了燃料的利用率，造成一定程度的浪费。如果采用空气作为气化剂，炉内温度更低，排渣口不能保证长时间顺利排渣，从而影响正常的工作。

综上所述，在微正压、以空气作为气化剂的工况下，需要开发出具备很高的单位容积气化强度的气化炉，减小气化炉的体积，并能够产生高热值、低出口温度的煤气，工作时排渣顺畅，且碳转化率高，只有这样，才能将气流床气化技术应用到小型工业燃气制备行业。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种在微正压环境下、利用空气作为气化剂的气流床粉煤气化炉，其体积小，单位容积的气化强度大，其在微正压、空气气化的条件下能够产生高热值、低出口温度的煤气，渣口排渣顺畅，能够实现长时间连续工作，并且气化炉炉内的煤粉不容易通过渣口落入渣池，减小燃料的浪费。

为此，本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：一种微正压空气气化的气流床粉煤气化炉，包括气化炉本体、安装在气化炉本体下方的渣池和位于气化炉本体顶部的合成气出口，气化炉本体的底部开有气化炉排渣口，其特征在于：

所述的气化炉本体上设有至少一排壁面烧嘴，每排壁面烧嘴包括若干个壁面烧嘴且沿气化炉本体的周向间隔布置，壁面烧嘴的轴线与其和气化炉本体交点处切线所成的夹角为50～85°，壁面烧嘴的轴线与气化炉本体壁面所成的夹角为35～110°，通过全部壁面烧嘴喷入气化炉内的气化剂占全部气化剂用量的80～97%；

所述气化炉排渣口的底面下方设有至少一个以上垂直往上的炉底烧嘴，炉底烧嘴顶面与气化炉排渣口底面的距离大于100mm；通过全部炉底烧嘴喷入气化炉内的气化剂占全部气化剂的3～20%上。

本发明通过调整每排壁面烧嘴喷入气化反应器的角度和控制每排壁面烧嘴气化剂与气化燃料的喷入量，控制气化反应器内部流场也是重要的增强气化反应器的单位容积气化强度的措施。通过调整以上参数使气化反应器火焰中心往下移动，底部温度升高，最高区域温度达到1450～1600℃，为炉子上段的反应提供了热量，同时增大了高温反应的区域空间。另外要求整个炉膛由下往上，温度呈由高往低的梯度，气化反应器本体下半段区域混合要完全充分，反应最为强烈，本体上半段区域，要存在着明显的多个烧嘴射流的卷吸回流、以及多个高速的强旋流场。整体气流在强旋流的作用下，沿炉膛从底部盘旋而上，中间经过多个卷吸回流，使之得到更加充分的混合。要达到这样的气化反应流场，本发明通过调整每排壁面烧嘴达到合理的喷入角度、以及壁面烧嘴气化剂与气化燃料的喷入比例是完全可以实现的。

本发明中，设置在排渣口底部以下位置的炉底烧嘴一般情况下仅仅喷入气化剂，不喷入气化燃料，通过炉底烧嘴由下往上喷入的气化剂起到十分重要的作用。其一，炉底烧嘴喷入的射流与壁面烧嘴形成环形流场结合，增强了气化炉内流场的扰动，加强了气化燃料与气化剂的混合，有效促进了气化反应的进行；其二，由于炉底烧嘴喷入的空气导致炉膛中下部区域以及排渣口区域内形成了一个高温区域，扩大了高温气化的空间，并且在高温环境下气化反应更加趋向迅速，炉子因此提高了气化强度。其三，炉底烧嘴喷入的射流有效地改善了炉膛内的温度分布情况，气化炉内的温度从底部到顶部呈现了一个由高往低的走向，非常适合气化反应的特点，煤气出口温度低，煤气热值高。其四，气化炉底部的高温区域，保证了液态渣的流动性，排渣口不容易被堵塞，而且炉底烧嘴由下往上喷射的气流有效地减小了煤粉通过排渣口落入渣池的可能性。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明采取以下技术措施：

气化炉高度与直径的比例为1：1～4：1；所有壁面烧嘴到气化炉底部的高度与气化炉高度之比为0：1～0.5：1。

壁面烧嘴的轴线与其和气化炉本体交点处切线所成的夹角为70～78°，壁面烧嘴的轴线与气化炉本体壁面所成的夹角为70～90°。

气化反应器工作时，气化剂或/和气化燃料通过壁面烧嘴射入气化炉本体内进行气化反应，气化剂通过炉底烧嘴由下往上射入气化炉本体内进行气化反应，所得的合成气从气化炉本体顶部的出口排出，液态渣从气化炉排渣口落入渣池水中激冷。

壁面烧嘴的流速为50～300m/s，炉底烧嘴的流速为5～100m/s。

上述气流床粉煤气化炉的气化方法如下：气化反应器工作时，气化剂或/和气化燃料通过壁面烧嘴射入气化炉本体内进行气化反应，气化剂通过炉底烧嘴由下往上射入气化炉本体内进行气化反应，所得的合成气从气化炉本体顶部的出口排出，液态渣从气化炉排渣口落入渣池水中激冷。

本发明中，设置在气化炉本体上的壁面烧嘴以高速的射流喷入炉膛内，气化燃料在炉膛内以一定的假想切圆直径开始燃烧，由于高速射流在炉膛内形成了一个高速旋转的流场，加上每一支射流本身会产生的回流，使得气化燃料与气化剂充分接触，迅速得到充分的反应。

实践证明：本发明的气化炉中，增大气化炉壁面喷嘴的排数、加大壁面烧嘴的射流速度、设置了炉底烧嘴能够有效地提高气化炉单位容积的气化强度，煤粉燃料在炉内仅仅停留0.5～1s时间，设计的气化炉体积大幅度减小，碳转化率可以到达90%以上，在微正压的情况下、以空气作为气化剂能够生产高热值的煤气（有效气体含量大于30%），而且工作时渣口不会堵塞，能够实现连续工作。

本发明具有的有益效果是：能够使得气化燃料在微正压、空气作为气化剂的前提下，气化燃料在炉内仅仅只是停留0.5～1s时间，即可实现大于90%的碳转化率，出口煤气中的有效气体成分大于30%，煤气热值高。本发明的气化炉体积小，连续工作渣口不会堵塞，并且减小了煤粉通过排渣口落入渣池所引起的燃料浪费，非常适合于利用煤粉制备工业燃气的场合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明壁面烧嘴水平断面的布置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图给出本发明较佳的实施例，以详细说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1-2所示的气化炉，其由气化炉本体1、渣池5、设置在气化炉排渣口4底部的炉底喷嘴6和设置在气化炉本体上的4排壁面烧嘴2组成，气化炉的合成气出口3位于气化炉本体的顶部，气化炉的排渣口4位于气化炉本体的底部。炉底烧嘴6设置在气化炉排渣口4底面以下，气化炉本体1呈圆柱体状，每一排壁面烧嘴2中的4个壁面烧嘴2沿气化炉本体1的周向间隔布置，壁面烧嘴2的轴线与气化炉本体交点处切线的夹角β2为70～75°；壁面烧嘴2的轴线与气化炉本体壁面的夹角β1为80～90°。通过全部壁面烧嘴射入气化炉内的气化剂占全部气化剂的90%，气化燃料通过壁面烧嘴射入气化炉内，气化燃料其中一排壁面烧嘴喷入，也可以通过多排喷入。

所述的炉底烧嘴垂直往上布置，其竖部轴线与气化炉排渣口轴线位于同一位置上，炉底烧嘴6顶面与排渣口4底面的距离L2为400mm；炉底烧嘴6可以设置一个，也可以多个并联组成，优选为一个。通过全部炉底烧嘴射入气化炉内的气化剂占全部气化剂总量的10%，炉底烧嘴不喷入气化燃料。

所有壁面烧嘴2到气化炉底部的高度L1与气化炉高度H之比为0：1～0.5：1，优先方案为0.2：1～0.35：1；

气化炉的点火装置与壁面烧嘴2结合在一起布置。工作时，气流床气化反应器的点火装置首先点火为气化反应器炉内升温，待上升到一定温度后开始从壁面烧嘴2向炉体送入气化燃料和气化剂。

通过设置多排和调整每排壁面烧嘴2喷入气化炉的角度β1、β2和控制每排壁面烧嘴2气化剂与气化燃料的喷入量，在炉内形成强旋转的流场；通过炉底烧嘴喷入的气化剂对流场形成更大的扰动，扩大了高温气化空间，增强了混合速度与气化速度，炉子因此提高了气化强度。由于底部烧嘴射入的气化剂使炉膛底部呈现更高温度、炉子内存在由下往上均匀的温度梯度，有利于液态渣从渣口顺利落入渣池，保证气化炉连续正常工作，同时有利于减少煤粉颗粒落入渣池。

气化反应时，如果需要添加其他的气化剂、催化剂等则可以通过壁面烧嘴2喷入炉内。

最后，反应生成的液态渣经过排渣口4排出气化炉外的渣池。

此外上述气化剂为空气、含氧量21～90%以上的富氧、含氧量100%的纯氧、水蒸汽中的一种或者任几种的混合物；含碳燃料为煤粉、生物质颗粒、石油焦粉中的一种或任几种的混合物。

气化炉本体1部位的炉衬结构，可以采用绝热的炉衬结构，也可以采用水冷壁或导热油等其他传热介质作为炉衬，也可以采用风冷方式的炉衬结构。

实施例2

下面的实施例将结合采用本发明与传统结构在相同气化反应条件下的实验对比数据对本发明予以进一步说明：

以日处理燃料为72吨煤的规模、气化压力为0.003MPa（G）、气化剂为空气、气化燃料为煤粉、煤粉粒径为200目的气化反应为例。煤质分析如下表所示。

本发明壁面烧嘴2采用的参数为:壁面烧嘴2有4排，共16个；β1为80°～90°之间；每排壁面烧嘴β2为70°～75°之间，通过全部壁面烧嘴射入气化炉内的气化剂占全部气化剂的90%，气化燃料通过壁面烧嘴射入气化炉内，气化燃料其中一排壁面烧嘴喷入，也可以通过多排喷入。

所述的炉底烧嘴垂直往上布置，其竖部轴线与气化炉排渣口轴线位于同一位置上，炉底烧嘴6顶面与排渣口4底面的距离L2为400mm；炉底烧嘴6可以设置一个，也可以多个并联组成，优选为一个。通过全部炉底烧嘴射入气化炉内的气化剂占全部气化剂总量的10%，炉底烧嘴不喷入气化燃料。

本发明结构和传统结构的实验对比数据如下表：

根据数据对比，本发明的气化炉体积仅为传统技术的1/7左右，相比传统技术的气化炉单位容积气化强度增强了7倍。本发明的气化炉，单位容积的气化强度大，碳转换率高，炉型体积小，非常适合于利用煤粉、生物质等燃料制备工业燃气所用的气化设备。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对本实施方式做出多种变更和修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微正压空气气化的气流床粉煤气化炉，包括气化炉本体（1）、安装在气化炉本体（1）下方的渣池（5）和位于气化炉本体顶部的合成气出口（3），气化炉本体（1）的底部开有气化炉排渣口（4），其特征在于：

所述的气化炉本体（1）上设有至少一排壁面烧嘴（2），每排壁面烧嘴包括若干个壁面烧嘴且沿气化炉本体的周向间隔布置，壁面烧嘴（2）的轴线与其和气化炉本体（1）交点处切线所成的夹角（β2）为50～85°，壁面烧嘴（2）的轴线与气化炉本体（1）壁面所成的夹角（β1）为35～110°，通过全部壁面烧嘴喷入气化炉内的气化剂占全部气化剂用量的80～97%；

所述气化炉排渣口（4）的底面下方设有至少一个以上垂直往上的炉底烧嘴（6），炉底烧嘴顶面与气化炉排渣口底面的距离（L2）大于100mm；通过全部炉底烧嘴喷入气化炉内的气化剂占全部气化剂的3～20%上。

2.根据权利要求1所述的微正压空气气化的气流床粉煤气化炉，其特征在于，气化炉高度（H）与直径（D）的比例为1：1～4：1；所有壁面烧嘴（2）到气化炉底部的高度（L1）与气化炉高度（H）之比为0：1～0.5：1。

3.根据权利要求1所述的微正压空气气化的气流床粉煤气化炉，其特征在于，壁面烧嘴（2）的轴线与其和气化炉本体（1）交点处切线所成的夹角（β2）为70～78°，壁面烧嘴（2）的轴线与气化炉本体（1）壁面所成的夹角（β1）为70～90°。

4.权利要求1～3任一项所述微正压空气气化的气流床粉煤气化炉的气化方法，其特征在于，气化反应器工作时，气化剂或/和气化燃料通过壁面烧嘴射入气化炉本体内进行气化反应，气化剂通过炉底烧嘴由下往上射入气化炉本体内进行气化反应，所得的合成气从气化炉本体顶部的出口排出，液态渣从气化炉排渣口落入渣池水中激冷。

5.根据权利要求4所述的气化方法，其特征在于，所述壁面烧嘴的流速为50～300m/s，炉底烧嘴的流速为5～100m/s。

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