CN112831352B - 一种高效气化炉及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高效气化炉及其工作方法，属于气化炉技术领域。包括气化炉本体、水蒸汽流量检测及控制装置、氧气流量检测及控制装置、CO及H2质量分数在线分析仪、合成气流量检测装置、过热蒸汽流量检测及控制装置、控制***和过热蒸汽发生器。气化炉本体内部包括基础反应室和流场反应室，基础反应室与流场反应室之间设有缩口；基础反应室内设有基础反应室喷嘴，流场反应室内设有流场反应室喷嘴，缩口上设有提效喷嘴；过热蒸汽发生器设在气化炉本体内；气化炉本体上方设有激冷气喷嘴；控制***在各处设置的检测及控制装置，能够使控制***精准地控制气化炉各处的进料量，并根据反馈及时调整，保证了气化炉的高效稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于气化炉技术领域，具体涉及一种高效气化炉及其工作方法。
背景技术
煤气化技术是煤炭清洁高效利用的核心技术，是发展先进的清洁煤发电、煤化工、煤基多联产等能源***的关键技术，对各***的运行可靠性和经济性具有重要影响。在现代煤化工项目快速发展驱动下，煤气化技术正在向大型化、清洁高效、宽煤种适应性方向发展。煤气化技术发展呈现百花齐放的局面，但是现阶段高效清洁煤气化技术的发展过程中，仍然存在诸多问题亟待解决。
目前，大部分的气化炉都为一室一段，如航天炉，GSP，壳牌炉等，反应出口温度高，需要大量循环冷煤气对高温煤气进行激冷，设备庞大而昂贵，气化能耗高，效率低。
华能两室两段式干煤粉加压气化技术，一段气化产生的高温煤气与二段喷入的煤粉和水蒸汽进一步发生气化反应，将高温煤气显热更多地转化为煤气的有效成分，利用二段气化吸热反应，使煤气温度快速降低(也称“化学激冷”)，大幅度降低了设备造价。但气化炉二段反应温度较低，煤粉在二段产生残炭较高的飞灰，导致气化炉整体冷煤气效率降低，提高气化炉气化效率成为了世界难题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高效气化炉及其工作方法，能够提高气化炉的效率，保证气化炉的高效稳定运行。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种高效气化炉，包括气化炉本体、水蒸汽流量检测及控制装置、氧气流量检测及控制装置、CO及H2质量分数在线分析仪、合成气流量检测装置、过热蒸汽流量检测及控制装置、控制***和过热蒸汽发生器；
气化炉本体内部包括基础反应室和流场反应室，基础反应室设在流场反应室下方，基础反应室与流场反应室之间设有缩口；基础反应室内设有若干基础反应室喷嘴，基础反应室喷嘴连接有干煤粉、水蒸汽及氧气***；流场反应室内设有若干流场反应室喷嘴，流场反应室喷嘴连接有干煤粉***和氧气***，若干流场反应室喷嘴以相同角度斜向下偏转；缩口上设有若干提效喷嘴，提效喷嘴连接有水蒸汽***，若干提效喷嘴以相同角度在水平方向偏转；过热蒸汽发生器设在气化炉本体内，过热蒸汽发生器的入口连接有高压蒸汽***，过热蒸汽发生器的出口与流场反应室喷嘴连接；气化炉本体上方设有激冷气喷嘴；
CO及H2质量分数在线分析仪和合成气流量检测装置设在气化炉本体的废锅出口；水蒸汽流量检测及控制装置设在水蒸汽***与提效喷嘴之间的连接管道上；氧气流量检测及控制装置设在氧气***与流场反应室喷嘴之间的连接管道上；过热蒸汽流量检测及控制装置设在过热蒸汽发生器与流场反应室喷嘴之间的连接管道上；
水蒸汽流量检测及控制装置、氧气流量检测及控制装置、CO及H2质量分数在线分析仪、合成气流量检测装置和过热蒸汽流量检测及控制装置分别与控制***连接。
优选地，过热蒸汽发生器为布置在同一平面内的蛇形弯管，过热蒸汽发生器水平设置在气化炉内的流场反应室喷嘴与激冷气喷嘴之间。
优选地，流场反应室喷嘴在水平方向上的偏转角度为1°～1.5°，在竖直方向的偏转角度α符合：r×secα≤流场反应室喷嘴的最远射程。
优选地，提效喷嘴的偏转角度为1.5°～5°。
优选地，若干流场反应室喷嘴、若干提效喷嘴和若干基础反应室喷嘴均在水平方向上均布。
优选地，流场反应室喷嘴与提效喷嘴在水平方向上的偏转方向相反。
本发明公开的上述高效气化炉的工作方法，包括：
基础反应室喷嘴将干煤粉、水蒸汽及氧气喷入基础反应室进行燃烧反应，流场反应室喷嘴将过热水蒸汽和干煤粉喷入流场反应室进行化学激冷反应，当增加流场反应室喷嘴喷出的过热水蒸汽，冷煤气效率不再提高时，流场反应室喷嘴喷氧气进行调节；流场反应室喷嘴斜向下偏转，形成向下的强混动流场，提效喷嘴喷水蒸汽，促进与基础反应室来的合成气进行混合；
通过CO及H2质量分数在线分析仪和合成气流量检测装置实现冷煤气效率的实时监控并将数据反馈给控制***，控制***通过水蒸汽流量检测及控制装置、氧气流量检测及控制装置和过热蒸汽流量检测及控制装置，对各处的水蒸汽、氧气和过热蒸汽的进料量进行控制，通过对冷煤气效率的控制，提高气化炉的效率。
优选地，冷煤气效率M通过下式确定：
M＝(x·F·3044kcal/Nm3·4.184kJ/kcal+y·F·2576kcal/Nm3·4.184kJ/kcal)/Q
其中：x为CO的摩尔分数，y为H2的摩尔分数，F为合成气流量；Q为煤的入炉总热量：Q＝煤的收到基低位发热量·煤粉收到基流量。
优选地，当增加流场反应室喷嘴喷出的过热水蒸汽，3min内冷煤气效率无反馈时，流场反应室喷嘴喷氧气进行调节，氧气量M2通过下式确定：
M2＝M3×1.05×Z
其中，M2为氧气量，M3为过热水蒸汽量，修正系数Z的取值为0.6～0.8。
优选地，各处的干煤粉、氧气和水蒸汽量根据模拟工况及经验进料进行初始反应，再通过控制***来控制氧气和水蒸汽的量；其中，提效喷嘴喷水蒸汽的初始流量为流场反应室内总水蒸气量的1/5。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种高效气化炉，基础反应室设置基础反应室喷嘴，作为主反应发生室；流场反应室设置流场反应室喷嘴，通过喷过热水蒸汽和干煤粉发生化学激冷反应，一方面吸收合成气的显热，为合成气物理降温，另一方面增加流场反应室内反应k(化学反应速率常数)值，增强煤和水蒸汽的吸热反应；当增加过热水蒸汽不能再提高冷煤气效率时，通过喷氧气，一方面能和煤粉反应生成CO，提高碳转化率；另一方面氧气和煤粉的反应为放热反应，热量可以促进煤粉和水的吸热反应。基础反应室与流场反应室之间设置缩口，能够提升基础反应室的挂渣率；在基础反应室和流场反应室的缩口上设置喷水蒸汽的提效喷嘴，由于缩口处流速大，高速的合成气将水蒸汽打散并与之均匀混合。提效喷嘴一方面增加合成气中的水分含量，增强流场反应室的扰动，促进水蒸汽与煤粉的混合，一方面吸收合成气显热，为合成气物理降温。若干流场反应室喷嘴斜向下偏转，形成向下的强混动流场；提效喷嘴在水平方向偏转，促进与基础反应室来的合成气进行混合；流场反应室喷嘴和提效喷嘴的组合形式，形成强混动反应场，促进了水蒸汽和煤粉的混合，增加了反应k值，提高了气化炉的效率。通过在各处设置的检测及控制装置，能够使控制***精准地控制气化炉各处的进料量，并根据反馈及时调整，保证了气化炉的高效稳定运行。
进一步地，过热蒸汽发生器采用布置在同一平面内的蛇形弯管，换热效率高。
进一步地，流场反应室喷嘴偏转角度的设置，能够保证形成的流场可以相互干扰，形成一个向下的强混动流场。
进一步地，提效喷嘴的偏转角度设置，能够提高与基础反应室来的合成气的混合效果。
进一步地，若干流场反应室喷嘴、若干提效喷嘴和若干基础反应室喷嘴均在水平方向上均布，保证气化炉内各处的反应均匀。
进一步地，流场反应室喷嘴与提效喷嘴在水平方向上的偏转方向相反，能够提高混动效果，提高反应程度。
本发明公开的上述高效气化炉的工作方法，将冷煤气效率与水蒸汽及氧气进行联锁控制，通过加水蒸汽、调节流场反应室氧气以使冷煤气效率能达到理想值，整个过程使流场反应室水蒸汽及氧量达到了精确的控制，以使冷煤气效率得到提高，使气化效率达到精准化控制，达到节能提效的目的。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的过热蒸汽发生器的俯视示意图；
图3为本发明的流场反应室喷嘴的偏转角度示意图；
图4为本发明的提效喷嘴的设置位置俯视示意图。
图中：1-流场反应室喷嘴、2-提效喷嘴、3-基础反应室喷嘴、4-废锅入口测温装置、5-水蒸汽流量检测及控制装置、6-氧气流量检测及控制装置、7-CO及H2质量分数在线分析仪、8-合成气流量检测装置、9-过热蒸汽流量检测及控制装置、10-控制***、11-过热蒸汽发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，为本发明的高效气化炉，包括废锅入口测温装置4、水蒸汽流量检测及控制装置5、氧气流量检测及控制装置6、CO及H2质量分数在线分析仪7、合成气流量检测装置8、过热蒸汽流量检测及控制装置9、控制***10和过热蒸汽发生器11。
气化炉本体内部包括基础反应室和流场反应室，基础反应室设在流场反应室下方，基础反应室与流场反应室之间设有缩口；基础反应室内设有若干基础反应室喷嘴3，基础反应室喷嘴3连接有干煤粉、水蒸汽及氧气***；流场反应室内设有若干流场反应室喷嘴1，流场反应室喷嘴1连接有干煤粉***和氧气***，若干流场反应室喷嘴1以相同角度斜向下偏转；如图3，优选地，流场反应室喷嘴1在水平方向上的偏转角度为1°～1.5°，在竖直方向的偏转角度α符合：r×secα≤流场反应室喷嘴1的最远射程。缩口上设有若干提效喷嘴2，提效喷嘴2连接有水蒸汽***，若干提效喷嘴2以相同角度在水平方向偏转；优选地，如图4，提效喷嘴2的偏转角度为1.5°～5°。优选地，流场反应室喷嘴1与提效喷嘴2在水平方向上的偏转方向相反。优选地，若干流场反应室喷嘴1、若干提效喷嘴2和若干基础反应室喷嘴3均在水平方向上均布。
过热蒸汽发生器11设在气化炉本体内，过热蒸汽发生器11的入口连接有高压蒸汽***，过热蒸汽发生器11的出口与流场反应室喷嘴1连接；如图2，优选地，过热蒸汽发生器11为布置在同一平面内的蛇形弯管，过热蒸汽发生器11水平设置在气化炉内的流场反应室喷嘴1与激冷气喷嘴之间。气化炉本体上方设有激冷气喷嘴。
优选地，废锅入口测温装置4设在气化炉本体的废锅入口，能够监控***的正常运行。CO及H2质量分数在线分析仪7和合成气流量检测装置8设在气化炉本体的废锅出口；水蒸汽流量检测及控制装置5设在水蒸汽***与提效喷嘴2之间的连接管道上；氧气流量检测及控制装置6设在氧气***与流场反应室喷嘴1之间的连接管道上；过热蒸汽流量检测及控制装置9设在过热蒸汽发生器11与流场反应室喷嘴1之间的连接管道上；
废锅入口测温装置4、水蒸汽流量检测及控制装置5、氧气流量检测及控制装置6、CO及H2质量分数在线分析仪7、合成气流量检测装置8和过热蒸汽流量检测及控制装置9分别与控制***10连接。
上述高效气化炉的工作方法，包括：
各处的干煤粉、氧气和水蒸汽量根据模拟工况及经验进料进行初始反应，再通过控制***10来控制氧气和水蒸汽的量；提效喷嘴2喷水蒸汽的初始流量为流场反应室内总水蒸气量的1/5。
基础反应室喷嘴3将干煤粉、水蒸汽及氧气喷入基础反应室进行燃烧反应，流场反应室喷嘴1将过热水蒸汽和干煤粉喷入流场反应室进行化学激冷反应，当增加流场反应室喷嘴1喷出的过热水蒸汽，冷煤气效率不再提高时，流场反应室喷嘴1喷氧气进行调节；流场反应室喷嘴1斜向下偏转，形成向下的强混动流场，提效喷嘴2喷水蒸汽，促进与基础反应室来的合成气进行混合；
通过CO及H2质量分数在线分析仪7和合成气流量检测装置8实现冷煤气效率的实时监控并将数据反馈给控制***10，控制***10通过水蒸汽流量检测及控制装置5、氧气流量检测及控制装置6和过热蒸汽流量检测及控制装置9，对各处的水蒸汽、氧气和过热蒸汽的进料量进行控制，通过对冷煤气效率的控制，提高气化炉的效率。
冷煤气效率M通过下式确定：
M＝(x·F·3044kcal/Nm3·4.184kJ/kcal+y·F·2576kcal/Nm3·4.184kJ/kcal)/Q
其中：x为CO的摩尔分数，y为H2的摩尔分数，F为合成气流量；Q为煤的入炉总热量：Q＝煤的收到基低位发热量·煤粉收到基流量。
当增加流场反应室喷嘴1喷出的过热水蒸汽，3min内冷煤气效率无反馈时，流场反应室喷嘴1喷氧气进行调节，氧气量M2通过下式确定：
M2＝M3×1.05×Z
其中，M2为氧气量，M3为过热水蒸汽量，修正系数Z的取值为0.6～0.8，主要考虑气化炉中的副反应。
下面结合一个具体实施例对本发明的效果做进一步详细描述：
2000t/d的两段式干煤粉加压气化炉，煤粉的收到基低位发热量为14.92MJ/kg。
经过模拟和实验，气化炉的初始值为以下数据：
基础反应室设置4个基础反应室喷嘴3，每个基础反应室喷嘴3加干煤粉18854kg/h，加氧气15200kg/h，加水蒸汽1638kg/h；
流场反应室设置2个流场反应室喷嘴1，每个流场反应室喷嘴1加干煤粉5938kg/h，加过热水蒸汽1697kg/h，每个流场反应室喷嘴1顺时针水平偏转1.5°，向下偏转10°，气化炉半径1.7米，喷嘴最远射程1.73米，计算出偏转角度α为10°。
气化炉缩口处，设置2个提效喷嘴2，提效喷嘴2逆时针偏转1.5°，水蒸汽流量339.4kg/h。
初始状态下，气化炉的冷煤气效率为82％，经过CO及H2质量分数在线分析仪7、合成气流量检测装置8的数值，在控制***10中实时计算出冷煤气效率。
在初始状态下，流场反应室中每个流场反应室喷嘴1增加过热水蒸汽的量，冷煤气效率3min内无反应，控制***10开启氧气流量检测及控制装置6，经过计算为流场反应室按照比例加氧气，调整冷煤气效率至最优位置。
气化炉中涉及的主要反应有：
1.水蒸气转化反应
C+H2O＝CO+H2-131KJ/mol
2.水煤气变换反应
CO+H2O＝CO2+H2+42KJ/mol
3.部分氧化反应
C+0.5O2＝CO+111KJ/mol
4.完全氧化(燃烧)反应
C+O2＝CO2+394KJ/mol
5.甲烷化反应
CO+2H2＝CH4+74KJ/mol
6.Boudouard反应
C+CO2＝2CO+-172KJ/mol
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (10)
1.一种高效气化炉，其特征在于，包括气化炉本体、水蒸汽流量检测及控制装置(5)、氧气流量检测及控制装置(6)、CO及H2质量分数在线分析仪(7)、合成气流量检测装置(8)、过热蒸汽流量检测及控制装置(9)、控制***(10)和过热蒸汽发生器(11)；
气化炉本体内部包括基础反应室和流场反应室，基础反应室设在流场反应室下方，基础反应室与流场反应室之间设有缩口；基础反应室内设有若干基础反应室喷嘴(3)，基础反应室喷嘴(3)连接有干煤粉、水蒸汽及氧气***；流场反应室内设有若干流场反应室喷嘴(1)，流场反应室喷嘴(1)连接有干煤粉***和氧气***，若干流场反应室喷嘴(1)以相同角度斜向下偏转；缩口上设有若干提效喷嘴(2)，提效喷嘴(2)连接有水蒸汽***，若干提效喷嘴(2)以相同角度在水平方向偏转；过热蒸汽发生器(11)设在气化炉本体内，过热蒸汽发生器(11)的入口连接有高压蒸汽***，过热蒸汽发生器(11)的出口与流场反应室喷嘴(1)连接；气化炉本体上方设有激冷气喷嘴；
CO及H2质量分数在线分析仪(7)和合成气流量检测装置(8)设在气化炉本体的废锅出口；水蒸汽流量检测及控制装置(5)设在水蒸汽***与提效喷嘴(2)之间的连接管道上；氧气流量检测及控制装置(6)设在氧气***与流场反应室喷嘴(1)之间的连接管道上；过热蒸汽流量检测及控制装置(9)设在过热蒸汽发生器(11)与流场反应室喷嘴(1)之间的连接管道上；
水蒸汽流量检测及控制装置(5)、氧气流量检测及控制装置(6)、CO及H2质量分数在线分析仪(7)、合成气流量检测装置(8)和过热蒸汽流量检测及控制装置(9)分别与控制***(10)连接。
2.根据权利要求1所述的高效气化炉，其特征在于，过热蒸汽发生器(11)为布置在同一平面内的蛇形弯管，过热蒸汽发生器(11)水平设置在气化炉内的流场反应室喷嘴(1)与激冷气喷嘴之间。
3.根据权利要求1所述的高效气化炉，其特征在于，流场反应室喷嘴(1)在水平方向上的偏转角度为1°～1.5°，在竖直方向的偏转角度α符合：r×secα≤流场反应室喷嘴(1)的最远射程，r为气化炉半径。
4.根据权利要求1所述的高效气化炉，其特征在于，提效喷嘴(2)的偏转角度为1.5°～5°。
5.根据权利要求1所述的高效气化炉，其特征在于，若干流场反应室喷嘴(1)、若干提效喷嘴(2)和若干基础反应室喷嘴(3)均在水平方向上均布。
6.根据权利要求1所述的高效气化炉，其特征在于，流场反应室喷嘴(1)与提效喷嘴(2)在水平方向上的偏转方向相反。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的高效气化炉的工作方法，其特征在于，包括：
基础反应室喷嘴(3)将干煤粉、水蒸汽及氧气喷入基础反应室进行燃烧反应，流场反应室喷嘴(1)将过热水蒸汽和干煤粉喷入流场反应室进行化学激冷反应，当增加流场反应室喷嘴(1)喷出的过热水蒸汽，冷煤气效率不再提高时，流场反应室喷嘴(1)喷氧气进行调节；流场反应室喷嘴(1)斜向下偏转，形成向下的强混动流场，提效喷嘴(2)喷水蒸汽，促进与基础反应室来的合成气进行混合；
通过CO及H2质量分数在线分析仪(7)和合成气流量检测装置(8)实现冷煤气效率的实时监控并将数据反馈给控制***(10)，控制***(10)通过水蒸汽流量检测及控制装置(5)、氧气流量检测及控制装置(6)和过热蒸汽流量检测及控制装置(9)，对各处的水蒸汽、氧气和过热蒸汽的进料量进行控制，通过对冷煤气效率的控制，提高气化炉的效率。
8.根据权利要求7所述的高效气化炉的工作方法，其特征在于，冷煤气效率M通过下式确定：
M＝(x·F·3044kcal/Nm3·4.184kJ/kcal+y·F·2576kcal/Nm3·4.184kJ/kcal)/Q
其中：x为CO的摩尔分数，y为H2的摩尔分数，F为合成气流量；Q为煤的入炉总热量：Q＝煤的收到基低位发热量·煤粉收到基流量。
9.根据权利要求7所述的高效气化炉的工作方法，其特征在于，当增加流场反应室喷嘴(1)喷出的过热水蒸汽，3min内冷煤气效率无反馈时，流场反应室喷嘴(1)喷氧气进行调节，氧气量M2通过下式确定：
M2＝M3×1.05×Z
其中，M2为氧气量，M3为过热水蒸汽量，修正系数Z的取值为0.6～0.8。
10.根据权利要求7所述的高效气化炉的工作方法，其特征在于，各处的干煤粉、氧气和水蒸汽量根据模拟工况及经验进料进行初始反应，再通过控制***(10)来控制氧气和水蒸汽的量；其中，提效喷嘴(2)喷水蒸汽的初始流量为流场反应室内总水蒸气量的1/5。
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