CN1300504C - 高温闪速气化装置和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是一种固体燃料气化装置和工艺，用于气化各种热值的煤，工业、医疗及生活垃圾和生物质。温度高于渣熔点的富氧空气或富氧空气与水蒸汽混合物气化剂，分辅助气化剂和主气化剂供入高温气化区。粉末或颗粒状燃料，在高速喷入的辅助气化剂作用下由自由下落改为水平分散。燃料在气化区呈悬浮状发生高温快速气化反应，并在离开气化区前充分反应，最大限度将CO₂转变为CO，生成中热值燃气。本发明可实现低品位低密度燃料能源集中利用、焦油和二恶英含量低。

Description

高温闪速气化装置和工艺

[技术领域]本发明涉及一种固体燃料气化装置和工艺，用于气化处理工业垃圾、生活垃圾、造纸厂污泥、生物质、低热值煤和煤。

[背景技术]我国固定床、流化床和气流床煤气化研究，已取得引人注目的成效，但对低热值劣质煤等原料，目前的装置还难以取得较好的气化效果。

垃圾焚烧，是减量化处理的有效方法。第一代垃圾焚烧炉以炉排层燃方式为主，少量采用回转窑和流化床方式。上世纪末，出现了垃圾焚烧后，再将飞灰和炉渣进行熔融处理，分解其中的二恶英的新技术。随后，出现了将垃圾先在450～600℃时气化，形成燃气和易于铁、铝等金属回收的残留物，再在另一熔融炉中进行焚烧和抑制二恶英产生的技术，或将垃圾气化和残留物熔融处理置于一台炉子中的垃圾直接气化熔融焚烧技术。这两种处理方法均属于第二代垃圾焚烧技术，共同特征是“低温气化+熔融焚烧”。第二代移动床气化炉，要在炉底部形成1700～1800℃的高温区，需要焦碳等助燃，运行费用较高，气体上升中产生偏流，不利于稳定运行；采用传热效率较差的外部加热法，炉子尺寸大，需要较大投资；没有脱除酸性气体装置，造成余热锅炉高温腐蚀，影响气化效率。

传统生物质气化处理，采用中低温气化、固定床气化工艺，如《农村能源》2000第4期介绍的下吸或上吸式固定床气化炉。该方法的气化燃料范围小，不适用于含水量高的生物质，气化反应强度弱；气固接触时间有限，气化反应不完全，CO₂含量大。《燃料化学学报》2000第4期介绍的流化床气化解决了气固接触有限的问题，但需要气化剂气流速度较快，导致燃气中气化剂过剩，而且是采用空气为气化剂，降低了燃气热值。固定床和流化床生物质空气中低温气化燃气热值较低，而且燃气中低温焦油含量多，都需庞大的燃气净化***。

《煤气与热力》2000第4期介绍了日本和美国某些公司研制出了一种高温空气气化炉，如附图2所示。它与中低温固定床气化相比，高温使气化反应速度有所改善，但因气化剂仍为普通空气(含氧体积浓度21％)，用于气化城市生活垃圾时，获得的燃气热值只有3.697MJ/Nm³，其结构也为上吸式或下吸式固定床气化炉，气固接触时间仍然有限。另外，气渣混合物须穿过卵石间隙，工业应用时气流通道易发生堵塞。

[发明内容]为克服中低温气化的气化强度弱，固定床气化气固接触有限和流化床气化燃气热值低的缺点，本发明提出一种高温闪速气化的装置和工艺。

本发明采用有色冶金和生物化工领域中成熟的闪速传热传质技术，结合能源领域中高温燃烧技术和强化气化反应技术，采用高温闪速气化。本发明装置主要包括闪速气化塔和集渣池。气化塔内为高温气化区，塔顶设置有小流量的辅助高温气化剂通道。辅助气化剂，沿垂直于燃料注入的方向，以超过100m/s的速度水平喷向燃料。燃料在辅助气化剂作用下，速度方向由垂直改变为水平，与垂直喷入的主气化剂混合，这样不仅实现了燃料较均匀地悬浮分散于高温气化区，而且实现了燃料和气化剂充分接触。燃料颗粒悬浮于高温气化区，延长了燃料在高温气化区里的行程和停留时间。集渣池中部设有具有稳定气化区温度、捕获未反应的固体碳并使其继续气化等功能的热稳定器。热稳定器内设有供熔渣流过的空隙通道。热稳定器上下气相空间连通，上部空间为合成燃气通道，连接着高温气化区和合成燃气引出口。高温加快了气化反应的进行，使得原料在悬浮下落到热稳定器前能充分反应，并且使得CO₂在离开高温气化器内能最大限度地转变为CO。从高温气化区流出的合成燃气，经过至少二次改变速度方向分离混于其中的熔渣后，离开高温闪速气化器。离开高温闪速气化器的燃气CO₂体积浓度极低、热值接近或达到中热值水平。气化剂为含氧体积浓度21～100％的高温富氧空气，或含氧体积浓度21～100％的高温富氧空气和体积浓度为5～40％的高温水蒸汽。控制辅助气化剂和主气化剂流量，达到总空气系数在0.1～0.5范围内。气化剂和气化区温度为800～1600℃，高于灰渣熔点。

本发明可实现低品位、低密度和低热值燃料能源有效地集中利用，气固两相接触时间充分，气化反应快，气化效果好。气化器具有较大的表面积和蓄热能力，能起到延长气化时间和稳定气化温度的作用，对燃料的热值、成分和种类，均有较强的适应能力，同时可减少燃气焦油含量和二恶英排放。

本发明装置规模可大可小，可有效地气化处理煤和各种低热值燃料(如低热值煤、生物质燃料和生活垃圾、造纸厂黑色废渣、农业废渣谷壳、蔗渣，以及可更新的植物一树木)，也可用于中小型企业就地气化处理低热值工业废料。

本发明针对松木屑，采用高温富氧空气/水蒸汽气化，可获得接近于中热值(6～10MJ/Nm³)的合成燃气。采用高温纯氧气化，可获得中热值(13.1MJ/Nm³)燃气。

[附图说明]

图1为本发明所设及的装置原理示意图；

图2为高温空气气化炉结构。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明装置和工艺作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明装置由闪速气化塔1和集渣池2组成。集渣池2上层为合成燃气通道11，连接着高温气化区和合成燃气引出口13；中间设有热稳定器8，它的上下气相空间连通，用来稳定气化塔1温度；下层为液渣区10。

闪速气化塔1上设置圆形辅助气化剂喷入通道3、圆环形燃料粉末或颗粒注入通道4、圆环形主气化剂喷入通道5。辅助气流可起到分散燃料的作用。辅助气化剂3沿垂直于燃料注入方向以超过100m/s的水平高速喷向垂直下落的燃料。燃料在辅助气化剂3作用下，速度方向由垂直改变为水平，再与垂直喷入的含氧体积浓度为21～100％的主气化剂5混合，这样不仅实现了燃料较均匀地分散于高温气化区，而且实现了燃料和气化剂充分接触。高温闪速气化塔1耐火材料内衬6设置水冷套7，以延长气化塔1内衬6的使用寿命。气化器内气化操作温度为800～1600℃，高于灰渣熔点温度，操作压力为常压。

集渣池2分三层。上层为合成燃气通道11，连接着气化区和合成燃气引出口13。中层为蓄热体热稳定器8，高效地集渣，稳定气化塔1温度，还可以阻碳。本发明正常工作时，热稳定器8上下气相空间连通。生成的灰渣落至液渣室10，极少数未完全反应的含碳固体物质被热稳定器8捕获，和合成燃气中的H₂O、CO₂等成分接触，进一步完成气化反应，提高碳转化率。夹带液态熔渣的合成燃气，从高温气化区流至热稳定器8上部的空间11，再流至呈上升状的圆形通道引出口13，发生二次速度方向改变90°，加上重力作用，能将少数混在合成燃气中的液渣分离。

灰渣以熔融态排出装置。热稳定器8，为耐高温的颗粒状物质，或耐高温的整体状蓄热板物质。颗粒间空隙便是排放灰熔渣的通道9。整体状蓄热板内有蜂窝状孔道，孔道形状为直线型或折线型。灰渣落至集渣池2时，极少数未反应的含碳物质被热稳定器8捕获，进一步和H₂O、CO₂等接触进行反应。

本发明所用气化剂为含氧体积浓度21～100％的高温富氧空气，或含氧体积浓度21～100％的高温富氧空气和体积浓度5～40％的高温水蒸汽。气化剂温度800～1600℃，高于灰渣熔点。控制辅助气化剂和主气化剂流量，达到总空气系数在0.1～0.5范围内。

粉末或颗粒状低热值固体燃料，从闪速气化塔1顶部圆环形通道4注入高温气化区。在沿垂直于燃料下落方向喷入的辅助(分散)气化剂作用下，燃料均匀地悬浮充满于高温气化反应区，在温度高于灰渣熔点条件下以悬浮状态和主气化剂充分接触。高温气化区在不同高度处有不同的温度和不同的还原气氛浓度。高温，促使气化区内发生快速气化反应，使燃料在下落到集渣池2中部的热稳定器8前，有足够长时间发生充分的碳燃烧反应、布多尔反应、水煤气合成反应和甲烷合成反应，从燃气引出口13排出的燃气中CO₂浓度极低。高温气化区内复杂的气化反应，可归结为吸热和放热反应两大类：

根据原料成分优化操作参数后，实现吸热量和放热量大致相等，维持气化塔1操作温度基本恒定。得到的中热值燃气由气化器燃气引出口13排出。液渣区10内熔渣到一定高度时或定期从放渣口12排放。

Claims (2)

1.一种固体燃料气化装置，包括闪速气化塔和集渣池，其特征在于：气化塔顶部设置有辅助气化剂喷入通道，集渣池设置有热稳定器，热稳定器为耐高温的球状物质，或耐高温的整体状蓄热板物质，整体状蓄热板内有蜂窝状孔道，孔道形状为直线型或折线型，高温气化剂分辅助气化剂和主气化剂两部分供入气化区，粉末或颗粒状固体燃料，从圆环形通道注入气化区，辅助气化剂沿水平方向高速喷向下落的燃料，使燃料速度方向由垂直改为水平，再与主气化剂混合，燃料均匀地悬浮分散于气化区，塔内发生高温快速气化反应。

2.一种用于权利要求1所述的气化装置的气化工艺，其特征在于：气化剂为含氧体积浓度21～100％的高温富氧空气，或含氧体积浓度21～100％的高温富氧空气和体积浓度5～40％的高温水蒸汽，气化剂温度800～1600℃，高于灰渣熔点，控制辅助气化剂和主气化剂流量，达到总空气系数在0.1～0.5范围内。

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