中温反应装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种中温反应装置，其特征在于：包括初步冷却器、中温反应室和可选择性的再冷却器，所述的初步冷却器、中温反应室和再冷却器沿气流的方向依次排布。也公开了一种中温反应方法，其特征是，包括以下步骤：含有熔渣颗粒及未燃尽碳的高温粗合成气，首先经过初步冷却器，通过初步冷却器的喷嘴向粗合成气中注入冷却剂，使粗合成气冷却到600～1100℃，优选地，900～1000℃；冷却后的粗合成气进入中温反应室内发生未燃尽碳的气化反应及一氧化碳向氢气转化的变换反应；反应后的粗合成气可选择性地经过再冷却器进一步降温后进入后续流程，也可直接排出进入后续流程。
【专利说明】中温反应装置
所属【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种在中温条件下(600~1100°C)进行碳的气化反应及任选的
一氧化碳向氢气转化的变换反应的装置。
【背景技术】
[0002]随着现代煤气化技术的大型化和规模化，对于提高碳转化率、降低能耗的要求日益提高，如何将原料中的碳充分利用成为气化技术设计的关键问题。长期的试验研究与理论分析发现，具有一定粒度分布的碳在中温条件下(600~1100°0与!120、0)2具有很高的反应速率。对于气流床气化技术，如壳牌技术、德士古技术以及国内的航天粉煤加压气化技术，由于采用了高温、高压以及粒度很小的煤作为原料，碳转化率达到了较高的程度，一般为95%~98%，但是仍有一部分煤中的碳，尤其是使用高灰份或高灰熔点煤时，由于流场组织不合理或气化剂配比失调等原因，反应不完全，出炉的灰分中残碳含量在5%以上，极端恶劣的情况下可能会达到30~50%。因此提高气流床的碳转化率仍然是煤气化领域的重要问题。[0003]另外，在煤制甲醇、煤制合成氨等工艺中，气化产物中H2的比例不够，需要经过变换工段通过变换反应提高氢碳比(即H2和CO的比例)，变换反应即C0+H20 — C02+H2的反应。在气化炉气化室的出口，合成气温度很高，变换反应具有很高的反应速度，但在一般气化工艺中，由于高温合成气经快速激冷温度下降到约200~300°C，这部分化学反应能力就被浪费了。本实用新型充分利用高温合成气的变换反应能力，使合成气的氢碳比提高，有利于减少变换工段的投入。
[0004]在高温的合成气和熔渣中注入冷却剂或气化剂时，最容易引起的问题是在喷嘴附近形成灰渣聚集，影响装置运行效果，甚至导致装置不能正常运行。本装置针对这一问题提出相应的结构设计。
实用新型内容
[0005]本实用新型的一个目的是提供一种中温反应装置，其可用于煤气化反应炉中，使未燃尽碳发生气化反应，提高碳转化率；同时还可以促进CO向H2转化的变换反应，提高合成气中的氢碳比，进而提高气化装置的整体效率。该装置也是实现合成气冷却的装置，可以达到合成气及熔渣降温的目的，通过结构设计达到减少或避免壁面结渣的效果。
[0006]本实用新型的另一目的是提供一种中温反应方案，使煤气化反应炉中未燃尽碳发生气化反应，提高碳转化率；同时还可以促进CO向H2转化的变换反应，提高合成气中的氢碳比，进而提高气化装置的整体效率。该方法同时也是实现合成气冷却的装置，可以达到合成气及熔渣降温的目的，并达到减少或避免壁面结渣的效果。
[0007]本实用新型的技术方案是:
[0008]本实用新型提供了一种中温反应装置，包括初步冷却器、中温反应室和可选择的再冷却器，所述的初步冷却器、中温反应室、再冷却器沿气流的方向依次排布。可根据上行流程气化装置或下行流程的气化装置调节所述的初步冷却器、中温反应室、再冷却器的上下顺序。
[0009]对于合成气上行流程的中温反应装置，本实用新型的中温反应装置位于气化炉气化室的上部；对于合成气下行流程的中温反应装置，本实用新型的中温反应装置位于气化炉气化室的下部；对于合成气上行和下行流程的中温反应装置，本实用新型的中温反应装置位于气化炉气化室的上部和下部。
[0010]含有熔渣及未燃尽碳的高温粗合成气，主要成分为CO和H2，并含有少量H20和C02，首先经过初步冷却器冷却至600?1100°C，随后进入中温反应室，大部分未燃尽碳与气化剂充分接触完成二次气化反应，提高碳转化率，同时发生变换反应，使CO向H2转化，提高氢碳比。反应后的粗合成气可选择性地经过再冷却器进一步降温至600°C以下后进入后续流程，也可直接排出进入后续流程。
[0011]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的中温反应室具有两端缩口形式。所述的中温反应室为带有两端缩口的筒形结构，为残碳气化反应及变换反应提供足够的反应空间，提高气化炉碳转化效率并提高合成气中的氢碳比。气流主要从筒形反应器的中心通过以减少筒形壁面上的结渣。中温反应室两端采用缩口形式的另一个作用是，使合成气的流通面积减小、流速增加，有利于达到均匀的冷却效果，减少壁面结渣的风险，优选地，缩口的最小直径Im?2m。
[0012]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的中温反应室的下锥盘设有吹灰装置，即采用高压气体对锥盘进行吹扫，清除该处的积灰。优选地，采用环形切壁吹灰喷嘴。
[0013]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的初步冷却器上下开口均采用缩口结构，使气流主要从初步冷却器的中心通过，以减少气流的径向迁移，减少筒形壁面上的结渣。
[0014]所述的初步冷却器，目的是向粗合成气中注入冷却剂，使粗合成气温度冷却到600?1100°C，优选900?1000°C;冷却剂同时也是气化剂，为碳的进一步转化提供反应物。冷却剂可为水蒸气或雾化水或水激冷后的粗合成气或C02，优选雾化水或水激冷后的粗合成气。冷却剂的主要作用是将粗合成气中的熔渣颗粒温度降低至灰熔点变形温度以下，使其形成固态的颗粒，从而不会粘结在装置内壁面。冷却剂的附加作用是向粗合成气中注入了气化剂，增加了气化剂的浓度，有利于残碳气化反应和变换反应的进行，提高碳转化率，并提高氢碳比。初步冷却器的直径由合成气的流速确定，合成气的流速为5?15m/s，优选8?12m/s，以达到充分冷却、减少或避免壁面结渣的目的。
[0015]按照本实用新型的一种优选初步冷却器，一方面满足冷却剂的布置需求，使冷却剂在周向上均布且具有足够的径向穿透力，从而保证含渣气流的均匀降温，另外一方面减少或避免表面结渣。
[0016]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的初步冷却器为筒形金属水冷壁结构，优选表面为光滑的金属。
[0017]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的初步冷却器内壁有冷却剂喷嘴，可单层布置，也可多层布置，优选I?3层，每层可布置喷嘴2个至多个，例如6个、8个、12个、20个。[0018]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的每层喷嘴可水平布置，也可倾斜布置，优选上层喷嘴向下倾斜15°布置，中层喷嘴水平布置，下层喷嘴向上倾斜15°布置。
[0019]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的初步冷却器设有温度测量装置及冷却剂流量调节装置，根据合成气的温度调节冷却剂流量，使合成气温度控制在 600 ?1100°C，优选地，900 ?IOOO0Co
[0020]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的中温反应室的入口与初步冷却器出口相连，可以固定连接，也可以活动连接。
[0021]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的中温反应室为筒形结构，为残碳气化反应及变换反应提供反应空间，提高气化炉碳转化效率，并提高合成气中的氢碳比。
[0022]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的中温反应室内壁为耐高温材料。
[0023]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的中温反应室内设有测温装置，所测的温度为如上所述的冷却剂流量调节装置提供依据。
[0024]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的再冷却器为筒形水冷壁结构，内壁有冷却剂喷嘴，可单层布置，也可多层布置，优选I?3层，每层可选用2个至多个，例如8个、12个、20个，喷嘴与竖直方向的夹角10°至30°，优选向气体来流方向偏移20°，通过二次喷入冷却剂使粗合成气温度进一步降低，同时逆向对冲喷射促进混合，为残碳气化反应及变换反应提供充足的气化剂。
[0025]按照本实用新型，粗合成气中的未燃尽碳与气化剂反应生成CO和H2，提高气化炉碳转化率，同时CO与H20发生变换反应生成C02和H2，提高合成气中H2与CO的比例，即氢碳比。
[0026]实验研究表明，在900?1000°C条件下，碳与H20、C02的二次反应以及CO与H20
的变换反应均具有很高的反应速率，这为添加中温反应室、实现残炭回收、提高合成气氢碳比提供了理论基础。
[0027]所述的再冷却器，目的是向中温反应室补充冷却剂，是进一步降低粗合成气的温度，达到粗合成气进入下一工序的温度，可根据后续流程温度要求决定是否使用再冷却器。冷却剂从中温反应室出口逆向喷入，与中温反应室喷出的粗合成气形成对冲效果，一方面起到降温的作用，另一方面增加出口处的局部流阻，增强反应室内的返混效果，增加粗合成气在中温反应室内的停留时间，促使残碳气化反应及变换反应充分进行。
[0028]本实用新型还提供了一种中温反应方案，其特征是，包括以下步骤:
[0029]含有熔渣颗粒及未燃尽碳的高温粗合成气，首先经过带有两端缩口的筒形初步冷却器，通过初步冷却器的喷嘴向粗合成气中注入冷却剂，使粗合成气冷却到600?1100°C，优选地，900?1000°C ;冷却后的粗合成气进入中温反应室内发生残碳气化反应及变换反应；反应后的粗合成气可选择性地经过再冷却器进一步降温后进入后续流程，也可直接排出进入后续流程。
[0030]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的初步冷却器设有流量调节装置，可根据中温反应室的温度调节初步冷却器喷入的冷却剂的流量，从而控制反应温度在一定范围内。
[0031]按照本实用新型的一种具体实施方案，其特征在于，所述的初步冷却器所喷入的冷却剂为雾化水、水蒸气、水激冷的粗合成气或C02，优选雾化水或水激冷的粗合成气。
[0032]含有熔渣颗粒及未燃尽碳的高温粗合成气，进入初步冷却器，初步冷却器通过喷嘴向粗合成气中注入冷却剂，使粗合成气冷却到600?1100°C，优选地，900?1000°C。冷却剂同时也是一种气化剂，优选雾化水或水激冷的粗合成气。冷却后的粗合成气进入中温反应室发生残碳气化反应及变换反应。优选根据中温反应室的温度调节初步冷却器喷入的冷却剂的流量，从而控制反应温度在一定范围内。所述的初步冷却器所喷入的冷却剂为雾化水、水蒸气、水激冷的粗合成气或C02，优选雾化水或水激冷的粗合成气。根据后续流程需要可选择性地设置再冷却器，向中温反应室逆向喷入二次冷却剂，与中温反应室喷出的粗合成气形成对冲效果，进一步降低粗合成气温度，并增强气化室内的返混效果。粗合成气经过再冷却器送入后续流程。
[0033]本实用新型由于采用了以上的技术方案，其产生的技术效果是明显的:
[0034]中温反应装置的设计为残碳气化反应及变换反应提供了条件，不仅能提高碳转化率，还能提高氢气和一氧化碳的比例，即氢碳比；
[0035]本实用新型另一个优势在于，对于如何实现均匀降低合成气温度，提出控制速度，给出了速度范围；
[0036]本实用新型还有一个优势是，考虑到减少或避免壁面结渣，提出两端收口结构，用于初步冷却器和中温反应装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1-1是初步冷却器结构示意图。
[0038]图1-2是初步冷却器周向截面示意图
[0039]图2是中温反应室结构示意图。
[0040]图3-1是再冷却器结构示意图。
[0041]图3-2是再冷却器周向截面示意图
[0042]图4-1是合成气上行流程的中温反应装置布置示意图。
[0043]图4-2是带有中温反应装置合成气上行气化流程图
[0044]图5-1是本合成气下行流程的中温反应装置布置示意图。
[0045]图5-2是带有中温反应装置的合成气下行气化流程图
[0046]图6-1是合成气上行和下行流程的中温反应装置布置示意图。
[0047]图6-2是带有中温反应装置的合成气上行和下行气化流程图
【具体实施方式】
[0048]参阅附图1，按照本实用新型的一种优选具体实施方案，初步冷却器为筒形结构，表面为光滑的不锈钢金属，防止粘结渣，金属壁采用水冷结构，防止高温烧蚀。初步冷却器的入口和出口均采用缩口结构，目的是使气流主要从初步冷却器的中心通过，减少气流的径向迁移，减少筒形壁面上的结渣。筒壁表面有冷却剂喷嘴，3层布置。每层选用8个喷嘴。上层喷嘴向下倾斜15°布置，中层喷嘴水平布置，下层喷嘴向上倾斜15°布置，这种布置方式可以保证冷却剂与粗合成气充分混合，达到很好的降温效果。在初步冷却器设有冷却剂流量调节装置，通过中温反应室温度反馈信号调节各个冷却剂喷嘴的流量，保证粗合成气温度冷却到600?1100°C，优选900?1000°C，低于煤灰熔点变形温度，使粗合成气中夹带的液相和气相熔渣充分冷凝。冷却剂同时也是参与残碳气化反应及变换反应的气化剂，可使用水蒸气或雾化水或水激冷的粗合成气或C02，优选雾化水或水激冷的粗合成气。
[0049]参阅附图2，按照本实用新型的一种优选具体实施方案，中温反应室是具有两端收缩开口的筒形结构，筒形表面嵌有渣钉，用于抓固耐高温材料，耐高温材料最大使用温度1300°C，主要成分为碳化硅。
[0050]参阅附图3，按照本实用新型的一种具体实施方案，再冷却器为筒形结构，表面为光滑金属。筒壁表面有冷却剂喷嘴，3层布置。每层可选用4个。喷嘴与竖直方向的夹角为20°，即向气流来流方向偏移20°。
[0051]参阅附图4-1，对于上行流程气化装置，可以将中温反应装置加在气化室上端。粉煤和雾化水蒸气通过烧嘴喷入气化室，在高温(1200°C?200(TC)高压(0.1MPa?IlMPa)条件下发生不完全燃烧反应，生成以CO和H2为主要成分的粗合成气及以无机物为主要成分的灰渣，灰渣下行经淬冷后通过排渣口排出装置，粗合成气上行进入初步冷却器，初步冷却器通过喷嘴向粗合成气中注入冷却剂，使粗合成气冷却到900?1000°C。冷却剂同时也是一种气化剂，此时为雾化水。冷却后的粗合成气夹带着气化剂继续上行进入中温反应室发生残碳气化反应及变换反应，反应过程中，再冷却器会向中温反应室逆向喷入二次冷却剂雾化水蒸气，与中温反应室喷出的粗合成气形成对冲效果，促进混合的同时为残碳气化反应及变换反应提供了充足的气化剂，使残碳气化反应及变换反应充分进行。反应后的粗合成气继续上行经过再冷却器送入后续流程。
[0052]参阅附图5-1，对于下行流程气化装置，可以将中温反应装置加在气化室下端。粉煤和气化剂通过烧嘴喷入气化室，在高温(1200°C?2000°C)高压(0.1MPa?IlMPa)条件下发生不完全燃烧反应，生成以CO和H2为主要成分的粗合成气及以无机物为主要成分的灰渣，粗合成气夹带着灰渣同时下行进入初步冷却器，初步冷却器通过喷嘴向粗合成气中注入冷却剂，使粗合成气冷却到900?100(TC。冷却剂同时也是一种气化剂，此时为雾化水。冷却后的粗合成气夹带着气化剂继续下行进入中温反应室发生残碳气化反应及变换反应，反应过程中，再冷却器会向中温反应室逆向喷入二次冷却剂雾化水蒸气，与中温反应室喷出的粗合成气形成对冲效果，促进混合的同时为残碳气化反应及变换反应提供了充足的气化剂，使残碳气化反应及变换反应充分进行。反应后的粗合成气继续下行经过再冷却器送入激冷室，灰渣经淬冷后通过排渣口排出，粗合成气经激冷后通过合成气出口排出。
[0053]参阅附图6-1，对于上下同时出气的气化装置，可以在气化室上端和下端设计两个对称的中温反应装置。粉煤和气化剂通过烧嘴喷入气化室，在高温(1200°C?2000°C)高压(0.1MPa?IlMPa)条件下发生不完全燃烧反应，生成以CO和H2为主要成分的粗合成气及以无机物为主要成分的灰渣，一部分粗合成气上行，一部分粗合成气夹带着灰渣下行，优选分配方式如下:大约70%粗合成气上行，大约30%粗合成气夹带着灰渣下行。上行粗合成气进入初步冷却器，被冷却剂冷却到900?100(TC。冷却剂同时也是一种气化剂，优选水激冷的粗合成气。冷却后的粗合成气夹带着气化剂继续上行进入中温反应室发生残碳气化反应及变换反应，反应过程中，再冷却器会向中温反应室逆向喷入二次冷却剂，与中温反应室喷出的粗合成气形成对冲效果，促进混合的同时为残碳气化反应及变换反应提供了充足的气化剂，使残碳气化反应及变换反应充分进行。反应后的粗合成气继续上行经过再冷却器送入后续流程。下行粗合成气夹带着灰渣进入气化室下端的初步冷却器，被冷却剂冷却到900?1000°C。冷却剂同时也是一种气化剂，优选雾化水。冷却后的粗合成气夹带着气化剂继续下行进入中温反应室发生残碳气化反应及变换反应，反应过程中，再冷却器会向中温反应室逆向喷入二次冷却剂，与中温反应室喷出的粗合成气形成对冲效果，促进混合的同时为残碳气化反应及变换反应提供了充足的气化剂，使残碳气化反应及变换反应充分进行。反应后的粗合成气继续下行经过再冷却器送入激冷室，灰渣经淬冷后通过排渣口排出，粗合成气经激冷后通过合成气出口排出。
[0054]以上所述的仅是本实用新型的一些【具体实施方式】。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种中温反应装置，其特征在于:包括初步冷却器、中温反应室和可选择性的再冷却器，所述的初步冷却器、中温反应室和再冷却器沿气流的方向依次排布；其中所述的中温反应室为筒形结构，为残碳气化反应及变换反应提供反应空间，提高气化炉碳转化效率，并提闻氢!碳比。
2.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的中温反应室具有两端缩口形式，气流主要从筒形反应器的中心通过以减少筒形壁面上的结渣。
3.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的初步冷却器上下开口均采用缩口结构，使气流主要从初步冷却器的中心通过，以减少气流的径向迁移，减少筒形壁面上的结渣。
4.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的中温反应室的下锥盘设有吹灰装置。
5.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的初步冷却器的直径由合成气的流速确定，合成气的流速为5~15m/s。
6.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的初步冷却器设有温度测量装置及冷却剂流量调节装置，根据合成气的温度调节冷却剂流量，使合成气温度控制在600~1100°C。
7.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的初步冷却器为筒形金属水冷壁结构。
8.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的初步冷却器内壁有冷却剂喷嘴，布置1~3层，每层布置喷嘴2个至20个。
9.按照权利要求8的中温反应装置，其中所述的冷却剂喷嘴布置3层，上层喷嘴向下倾斜15°布置，中层喷嘴水平布置，下层喷嘴向上倾斜15°布置。
10.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的中温反应装置设置在气化室上端和/或下端。
11.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的中温反应室的入口与初步冷却器出口相连。
12.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的中温反应室内壁为耐高温材料。
13.按照权利要求1的中温反应装置，其中所述的再冷却器为筒形水冷壁结构，内壁有冷却剂喷嘴，布置I~3层，每层选用2个至20个喷嘴，喷嘴与竖直方向的夹角10°至30°，通过二次喷入冷却剂使粗合成气温度进一步降低，同时逆向对冲喷射促进混合，为残碳气化反应及变换反应提供充足的气化剂。
【文档编号】C01B3/12GK203741280SQ201320797404
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】信伟, 李永旺, 李红海, 张燕, 魏兆福, 葛志红, 张礼, 刘荫朋 申请人:航天长征化学工程股份有限公司