专利名称：旋流式熔融池气化炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋流式熔融池气化炉，它应用于煤炭制氢气一氧化碳气等可燃性气 体，用这些气体进一步加工为合成氨、甲醇、双氧水等产品，还可用它把煤炭转化人工天然气。
背景技术：
煤炭中的碳遇到空气(氧)，发生如下氧化(燃烧)放热反应C+02 = C02+Q ......(1)放出热量储存于炭层中，在炭层中加入水蒸汽，会发生如下还原吸热反应C+H20 = CCHH2-Q ......(2)上述反应(1)是完全氧化反应，如供氧不足，会发生不完全氧化反应2C+02 = 2C0+Q! ......(3)反应(3)放热量比反应⑴放热量少。C+C02 = 2C0-Q ......(4)反应(4)也是还原吸热反应，反应(1)生成的CO2还原为CO.CO和H2是有效气体，供热越多、温度越高，反应⑵越剧烈，生成CCHH2越多。要生成更多的C0+H2，其首要条件是供给热量多，即首先要加快反应(1)。就反应 机理而言，反应(2)属于扩散控制，即反应决定于氧是否能很快扩散到炭表面，在表面进行 化学反应，反应后生成的CCHH2是否能很快地扩散到空间(气相)中去。增加气体与煤的 接触面积，加快气体的扩散，就加快整个氧化反应，进一步为反应(2)创造了充足的热源， 使反应(2)亦能加快进行，还有一个重要条件是温度，温度越高，反应(2)越快，CCHH2就生 成更多了。简单的气化炉为圆筒形，从炉顶加炭，炉底加入空气和水蒸汽，反应生成H2、CO、 CO2(称为水煤气或粗合成气)。由炉上部出炉，反应后含碳量很少的炭渣(称炉渣)从下 部排出炉外。炭由上而下移动，气体由下上升，两者逆向流动。加空气的气化过程，是间歇进行的，即先加空气，进行氧化放热反应，生成CO2放出 热量，热气往上升，热量储存于炭层中，反应生成气体叫吹风气。吹风气主要含CO2,排到大 气中去，然后停止加空气，加入蒸汽，吸收炭层中的热量，并与碳反应，生成CO、H2，如此循环 进行，此为间歇气化，如“UGI ”炉。在空气中掺入氧称为富氧(含量50%以上的空气)或用空分装置制出的纯氧，如 果氧与蒸汽混合加入气化炉，气化与碳反应温度控制在1300°C以下，连续生成H2、C0，上升 从上部炉侧出口，炉渣以固态排出炉外，此为块煤固态排渣连续气化，如“Lurgi，，炉。连续气化的入炉煤，除了用块炭外，也可以磨成粉煤，通常把煤炭粉化至< 0. Imm, 用氧、蒸汽混合气喷入气化炉，立即进行氧化和还原反应，产生1400°C以上高温，同时生成 H2, CO、CO2，与粉煤由上而下并流运动，煤炭中碳反应气化，不能反应气化的煤渣被融化，融 熔物下降，被水碎为粒状，间歇排出；有部分融熔物被高温气体带出炉外，用水冷却气体的同时，将融熔物冷成细灰，并在分离器分离。这种气化炉称气流干粉炉，如“Shell”炉。如果把粉煤加水制成煤粉浓度为60 %的水煤浆，用泵加压和纯氧喷入气化炉内，氧与碳反应放出大量热量，温度高达1400°C以上，同时把水蒸发为蒸汽，蒸汽与碳反应生 成C0+H2，煤渣也被融化，其后过程与气流干粉炉相似；这种气化炉称为水煤浆气化炉，如 "TEXACO，，炉。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种旋流式熔融池 气化炉，在炉底部设置有一定容量的熔融池，利用高速切线喷出的氧使熔融液态煤高速旋 转，气液接触表面快速更新，大大强化氧化反应；它能利用各种粒度的煤和粒径< 3. 5mm粉 煤，可节省煤加工投资和加工成本；其气化强度大，产气量高；氧化燃料在旋流的熔融池进 行完全燃烧，炉温高，煤气有效成分含量高，甲烷含量低，煤气出炉温度较底，比氧耗和比煤 耗均低，蒸汽分解率高；还可自产中压蒸汽；气化系统设备投资少；无废气、冲渣水可循环 使用，玻璃态炉渣是很好建筑村料.环境友好。本发明的技术方案是，所述旋流式熔融池气化炉包括外周设有水冷夹套的圆筒形 炉体，水冷夹套为上部小下部大的变径圆筒形，下部大径内筒接有1 3个用以消除温度变 化所产生热应力的膨胀节，炉体顶部装有上煤锁斗和下锁煤斗，炉体的炉膛上部并于下煤 锁斗下方装有带水冷夹套的煤炭分布器，其特征是，炉体的炉膛上部内壁与所述煤炭分布 器的水冷夹套之间有环隙，炉体一侧设有与该环隙连通的煤气出口 ；炉体的下部是氧化熔 融池且该氧化熔融池设有相对氧化熔融池为切向且对称分布的至少一对氧气喷嘴；所述氧 化熔融池顶部起由下至上的炉膛依次为还原段、干燥段、干馏段，且干馏段位于所述煤炭分 布器下方；氧化熔融池上方设有蒸汽喷射器；所述炉体的出渣溢流口设在氧化熔融池中并 高于该氧化熔融池底部，出渣溢流口底部接有接有上部水碎渣销斗和下部水碎渣销斗；氧 化熔融池侧壁设有细粉煤送入口。以下做出进一步说明。参见图1，本发明的旋流式熔融池气化炉包括外周设有水冷夹套6的圆筒形炉体 4，水冷夹套6为上部小下部大的变径圆筒形，下部大径内筒接有1 3个用以消除温度变 化所产生热应力的膨胀节7，炉体4顶部装有上煤锁斗1和下锁煤斗2，炉体4的炉膛上部 并于下煤锁斗2下方装有带水冷夹套3的煤炭分布器20，其特征是，炉体4的炉膛上部内 壁与所述煤炭分布器20的水冷夹套3之间有环隙22，炉体4 一侧设有与该环隙22连通的 煤气出口 5 ；炉体4的下部是氧化熔融池11且该氧化熔融池11设有相对氧化熔融池11为 切向且对称分布的至少一对氧气喷嘴9 ；所述氧化熔融池11顶部起由下至上的炉膛依次为 还原段17、干燥段18、干馏段19，且干馏段19位于所述煤炭分布器20下方；氧化熔融池11 上方设有蒸汽喷射器8 ；所述炉体4的出渣溢流口 15设在氧化熔融池11中并高于该氧化 熔融池底部，出渣溢流口 15底部接有接有上部水碎渣销斗13和下部水碎渣销斗14 ；氧化 熔融池11侧壁设有细粉煤送入口。所述氧气喷嘴9为水平布置并使喷出物相对圆柱形氧化池腔体为切线喷出的切 向喷嘴；并在同一水平面上相对氧化池对称设置一至四对(两个至八个)所述切向喷嘴，参 见图2。所述氧气喷嘴9为水平切向布置一对至四对，能使氧气以较高的速度从氧气喷嘴9喷出而造成氧化熔融池11内熔融物形成高速旋转运动。所述氧化熔融池11侧壁的细粉煤送入口接有细粉煤下降管21，该细粉煤下降管 21上端口接有细粉煤下锁斗23和细粉煤上锁斗24 ；细粉煤下降管21中装有螺旋推进器 16。所述出渣溢流口 15设在氧化熔融池11中心并高于该氧化熔融池底部300mm 400mm,使氧化熔融池11在气化炉运行时形成液态渣高300mm 400mm的液态渣池，炉渣从 所述中心的出渣溢流口 15流下。可将氧气喷嘴9设在出渣溢流口 15高度以下位置，即设在熔融液面以下；氧气以 较高的速度从氧气喷嘴9喷出，该喷嘴内不会积存液渣。本发明的气化炉运行时，形状为彡3. 5mm的块状燃料经上煤锁斗1从炉顶加入 炉中，粒径彡3. 5mm的粒状煤和抹煤，经细粉煤上锁斗24和细粉煤下锁斗23、细粉煤下 降管21，从所述氧化熔融池11侧壁的一至两个细粉煤送入口加入氧化熔融池11 ；在粒径 <3. 5mm的粒状煤和抹煤中加入一定比例的氧化铁、氧化钙，使煤渣融熔流动温度(FT)降 低至1250°C 1350°C，形成流动性能很好的液态；所述氧化熔融池11内氧与碳反应放出 热，将固态燃料加热融熔为液态，并形成有一定液位的氧化渣融池。 所述炉体4下部氧化熔融池11运行时，熔融物遇水冷夹套6冷却而形成一层环形 固化物(即固化融渣保护层10)，粘附在水冷夹套6壁上，起到抗高温腐蚀保护水冷夹套6 的作用。本发明的旋流式熔融池气化炉中，炉体水冷夹套6的炉膛上部内壁与所述煤炭分 布器的圆筒形水冷夹套3之间的环隙22为煤气通往煤气出口 5的通道。水冷夹套6的作 用是通水冷却，使之不受高温损坏。煤炭分布器的作用是使加入的煤炭能均勻分布炉内，不 会在中间堆积很高，圆周很低，并且防止了较大块落于四周，小粒、碎块落于中间，防止了气 流通过时，各处阻力不同，气体分布不勻，使气化截面温度一边高、一边低。本发明的旋流式熔融池气化炉中，在炉体4之外设置汽包25，它与炉体4的水冷夹 套6形成水循环系统；产生中压蒸汽从汽包25上部引出，补充水加入汽包25，通入下降管 补充到水冷夹套6，蒸汽压力应大于炉内气化压力，以防止煤气漏入蒸汽中发生煤气伤害事 故。本发明的旋流式熔融池气化炉的技术原理是之一是，做为反应物之一的煤炭，分 两路或三路入炉主路从炉体顶部加入，其形状为3. 5mm至50mm的碎煤和块煤；另一路或 两路是粒径< 3. 5mm的粉煤(+助融剂)，从高位煤锁斗通过下降管直接加到氧化熔融池中 部，立即进行氧化燃烧反应。从矿山开采的煤炭，总有块状、小粒状和粉状。现有气流式干 粉气化炉、水煤浆气化炉都要将块状、粒状煤破碎，研磨成< 0. Imm粉煤，其加工系统庞大， 占地多，且对环境仍有一定的粉尘污染。气化反应生成的煤气夹带大量煤粉出炉，增加煤气 除尘难度。其它的气化炉，又只能利用块煤小粒煤，或要将粉煤制成型煤入炉。本发明的熔 融池气化炉的优点是利用混合块煤筛选出的占总煤量40% 55%的粒径< 3. 5mm抹煤，不 需研磨加工，由另一个抹煤锁斗从下部炉侧直接加入底部熔融池，把原煤的各种型状煤炭 在本发明炉内气化，“吃光用尽”，还适用于高硫煤，大大提高资源利用率，节约加工费用。本发明的旋流式熔融池气化炉的技术原理是之二是，氧气与水蒸汽分别在不同位 置加入炉内，氧气在炉体下部即喷入氧化熔融池，过热蒸汽在氧化熔融池之上喷入，使氧化段形成所生成CO2的完全燃烧反应，放出最多的热量，产生更高的温度。本发明的旋流式熔融池气化炉的技术原理是之三是，在炉体下部同水平面对称安装两个(或四个，或六个)切向喷嘴，使氧气切线进入炉内，与直接加入的粒径< 3. 5mm的 煤粉反应，放热产生 1400°C高温，将煤炭熔融为液态，形成氧化熔融池；对称设置的两个 (或四个，或六个)喷嘴切线方向喷入的氧，带动液体形成旋流运动，气液接触面快捷更新， 碳与氧的燃烧反应急剧进行，液体中的碳反应后生成的CO2迅速脱离液相表面往上升，液体 中不可气化的其它物质(炉渣)经渣口流往下，落入水碎斗中，遇水冷碎形玻璃体小粒。上升的以CO2为主的高温气体与缓缓而下的已预热的煤炭接触，使煤炭成为炽热 状态，在此CO2与碳按前述反应式(4)进行还原反应生成C0，在此之上由蒸汽喷射器8喷 入过热水蒸汽，水蒸汽立即与碳按反应式(2)进行还原反应，生成H2+C0，处于高温状态的 CO、H2、未反应的水蒸汽上升，继续与下移的已预热的碳按反应式(2)进行反应，继续生成 H2+C0 ；反应生成的较高温度H2、C0，还有约5% 10%水蒸汽继续上，将下移的炭加热，使其 中挥发物在无氧情况下挥发出来，一同与H2、CO、蒸汽上升，对上层炭进行预热，使炭中的水 蒸发，煤被干燥。含有H2、C0、C02、H20和挥发物的煤气称粗煤气，从炉上部旁侧出口，进行后 续处理。由以上可知，本发明为旋流式熔融池气化炉，它相对于现有技术的显著优点有①小粒煤及粉煤(粒径< 3. 5mm)直接加入旋流熔融池中，受热立刻膨涨气化与氧 反应；②块炭加入气化炉内，由上而下移动，气体(包括02、H20、C02、H2、C0)由下而上，气 固相逆向流动，比并向流动气固接触面更新快，有利于反应；③炉内有物理变化和化学变化，按变化情况由上而下分为干燥层、干馏层、还原 层、氧化熔融池，氧化熔融池进行碳的气液氧化反应，还原层进行气固还原反应，干馏、干燥 是物理过程；④氧气通过氧化熔融池上部两个或多个对称喷嘴以切线方向喷入，形成旋流运 行，极大加快了气液氧化反应速度；⑤加入的助溶剂，可使炉渣在1250°C 1350°C时，熔化为流动性很好的液态；更 易于形成旋转流动，形成具有一定容量、储存大量热的高温液体渣熔融池；⑥本发明由于加入一定量碱性助溶剂于高温液体渣融池，具有脱硫作用，适用于 高硫煤的气化.⑦液体高速旋流运动，反应生成的气体从中心上升，有利于气体的扩散和分离，炉 渣浮在氧化熔融池上面，经溢流口往下流至水碎斗中；⑧氧化熔融池上部为炽热碳层，过热水蒸汽喷入，立即与碳按反应式(2)行还原 反应，生成H2+CO。本发明所述旋流式熔融池气化炉能利用各种粒度的煤，节省了煤加工投资和加工 成本；气化强度大，产气量高；燃料在旋流的熔融池进行完全燃烧，炉温高达 1400°C以 上，煤气有效成分CCHH2高达90% ；煤气出炉温度< 600°C，比氧耗低，比煤耗低，蒸汽分解 率90%以上，还可自产中压蒸汽；气化系统设备投资少；无废气、冲渣水可循环使用，环境 友好。
图1是本发明的旋流式熔融池气化炉一种实施例的结构示意图；图2是图1中还原段的水平截面结构示意图。在图中 1-上煤锁斗， 2-下煤锁斗，3-水冷夹套，4-炉体， 5-煤气出口，6-水冷夹套，7-膨胀节， 8—蒸汽喷嘴，9-氧气喷嘴，10-固化融渣保护层，11-氧化熔融池，12-停炉排渣口，13-上部水碎渣销斗，14-下部水碎渣销斗，15-出渣溢流口，16-螺旋推进器，17-还原段，18-干燥段，19-干馏段，20-煤炭分布器，21-细粉煤下降管，22-环隙，23-细粉煤下锁斗，24-细粉煤上锁斗，25—汽包， 26-热水循环泵，27-渣池。
具体实施例方式如图1和图2所示，所述旋流式熔融池气化炉包括外周设有水冷夹套6的圆筒形 炉体4，水冷夹套6为上部小下部大的变径圆筒形，下部大径内筒接有1 3个用以消除温 度变化所产生热应力的膨胀节7，炉体4顶部装有上煤锁斗1和下锁煤斗2，炉体4的炉膛 上部并于下煤锁斗2下方装有带水冷夹套3的煤炭分布器20，其特征是，炉体4的炉膛上部 内壁与所述煤炭分布器20的水冷夹套3之间有环隙22，炉体4 一侧设有与该环隙22连通 的煤气出口 5 ；炉体4的下部是氧化熔融池11且该氧化熔融池11设有相对氧化熔融池11 为切向且对称分布的至少一对氧气喷嘴9 ；所述氧化熔融池11顶部起由下至上的炉膛依次 为还原段17、干燥段18、干馏段19，且干馏段19位于所述煤炭分布器20下方；氧化熔融池 11上方设有蒸汽喷射器8 ；所述炉体4的出渣溢流口 15设在氧化熔融池11中并高于该氧 化熔融池底部，出渣溢流口 15底部接有接有上部水碎渣销斗13和下部水碎渣销斗14 ；氧 化熔融池11侧壁设有细粉煤送入口。所述氧化熔融池11侧壁的细粉煤送入口接有细粉煤下降管21，该细粉煤下降管 21上端口接有细粉煤下锁斗23和细粉煤上锁斗24 ；细粉煤下降管21中装有螺旋推进器 16。所述出渣溢流口 15设在氧化熔融池11中心并高于该氧化熔融池底部300mm 400mm。所述氧气喷嘴9为水平切向布置一对。氧气喷嘴9设在出渣溢流口 15高度以下 位置。炉子运行时，形状为彡3. 5mm的块状、粒状燃料经上煤锁斗1从炉顶加入炉中，粒 径< 3. 5mm的粒状煤和抹煤，经细粉煤上锁斗24和细粉煤下锁斗23、细粉煤下降管21，从 所述氧化熔融池11侧壁的两个细粉煤送入口加入氧化熔融池11 ；在煤中加入一定比例的 氧化铁、氧化钙等助熔剂，使煤渣融熔流动温度(FT)降低至<煤渣软化温度(DT)，形成流 动性能很好的液态；所述氧化熔融池11内氧与碳反应放出热，形成一定的高温，将固态燃 料融熔为液态，并形成有一定液位的氧化渣融池。
所述煤炭分布器20为安装在支架上的椭圆体，该椭圆体外设有圆筒形水冷夹套 3 ；该椭圆体与圆筒形水冷夹套3内壁之间为煤炭下降通道；中空的支架与圆筒形水冷夹套 3相通。所述还原段17至煤气出口 5的水冷夹套6内筒设有耐火层。所述水冷夹套(6)经管道同外置的汽包25组成冷却水循环回路。在所述管道的下降管道设置热水循环泵26。所述氧化熔融池11底部有停炉排渣口 12，该排渣口有快开阀，所述快开阀的阀心接触面有一层耐1800°C以上高温的粉体；当气化炉停止运行时，开启快开阀，通过此口可 将池内全部液态渣排出。本发明集合了各种气化法的优点，使投资更省。
权利要求
一种旋流式熔融池气化炉，包括外周设有水冷夹套(6)的圆筒形炉体(4)，水冷夹套(6)为上部小下部大的变径圆筒形，下部大径内筒接有1～3个用以消除温度变化所产生热应力的膨胀节(7)，炉体(4)顶部装有上煤锁斗(1)和下锁煤斗(2)，炉体(4)的炉膛上部并于下煤锁斗(2)下方装有带水冷夹套(3)的煤炭分布器(20)，其特征是，炉体(4)的炉膛上部内壁与所述煤炭分布器(20)的水冷夹套(3)之间有环隙(22)，炉体(4)一侧设有与该环隙(22)连通的煤气出口(5)；炉体(4)的下部是氧化熔融池(11)且该氧化熔融池(11)设有相对氧化熔融池(11)为切向且对称分布的至少一对氧气喷嘴(9)；所述氧化熔融池(11)顶部起由下至上的炉膛依次为还原段(17)、干燥段(18)、干馏段(19)，且干馏段(19)位于所述煤炭分布器(20)下方；氧化熔融池(11)上方设有蒸汽喷射器(8)；所述炉体(4)的出渣溢流口(15)设在氧化熔融池(11)中并高于该氧化熔融池底部，出渣溢流口(15)底部接有接有上部水碎渣销斗(13)和下部水碎渣销斗(14)；氧化熔融池(11)侧壁设有细粉煤送入口。
2.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述氧化熔融池(11)侧壁 的细粉煤送入口接有细粉煤下降管(21)，该细粉煤下降管(21)上端口接有细粉煤下锁斗 (23)和细粉煤上锁斗(24)；细粉煤下降管(21)中装有螺旋推进器(16)。
3.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述出渣溢流口(15)设在氧 化熔融池(11)中心并高于该氧化熔融池底部300mm 400mm，使氧化熔融池(11)在气化 炉运行时形成液态渣高300mm 400mm的液态渣池，炉渣从所述中心的出渣溢流口(15)流 下。
4.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述氧气喷嘴(9)为水平切向 布置一对至四对，每对为两只，使氧气以较高的速度从氧气喷嘴(9)喷出而造成氧化熔融 池(11)内熔融物形成高速旋转运动。
5.根据权利要求1或3所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，氧气喷嘴(9)设在出渣溢 流口(15)高度以下位置，即设在熔融液面以下；氧气以较高的速度从氧气喷嘴(9)喷出，该 喷嘴内不会积存液渣。
6.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是气化炉运行时，形状为 ^ 3. 5mm的块状、粒状燃料经上煤锁斗(1)从炉顶加入炉中，粒径彡3. 5mm的粒状煤和抹 煤，经细粉煤上锁斗(24)和细粉煤下锁斗(23)、细粉煤下降管(21)，从所述氧化熔融池 (11)侧壁的一至两个细粉煤送入口加入氧化熔融池(11)；在粒径< 3. 5mm的粒状煤和抹 煤中加入一定比例的氧化铁、氧化钙，使煤渣融熔流动温度(FT)降低至<煤渣软化温度 (DT)，形成流动性能很好的液态；所述氧化熔融池(11)内氧与碳反应放出热形成1300°C高 温，将固态燃料融熔为液态，并形成有一定液位的氧化渣融池。
7.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述炉体(4)下部氧化熔融池 (11)运行时，熔融物遇水冷夹套(6)冷却而形成一层环形固化物，粘附在水冷夹套(6)壁 上，起到抗高温腐蚀保护水冷夹套(6)的作用。
8.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述煤炭分布器(20)为安装 在支架上的椭圆体，该椭圆体外设有圆筒形水冷夹套(3)；该椭圆体与圆筒形水冷夹套(3) 内壁之间为煤炭下降通道；中空的支架与圆筒形水冷夹套(3)相通。
9.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述还原段(17)至煤气出口(5)的水冷夹套(6)内筒设有耐火层。
10.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述水冷夹套(6)经管道同 外置的汽包(25)组成冷却水循环回路。
11.根据权利要求10所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，在所述管道的下降管道设 置热水循环泵(26)。
12.根据权利要求1所述旋流式熔融池气化炉，其特征是，所述氧化熔融池(11)底部有 停炉排渣口(12)，该排渣口有快开阀，所述快开阀的阀心接触面有一层耐1300°C以上高温 的粉体；当气化炉停止运行时，开启快开阀，通过此口可将池内全部液态渣排出。
全文摘要
一种旋流式熔融池气化炉，包括外周设有上小下大变径圆筒形水冷夹套的圆筒形炉体，水冷夹套下部内筒接有膨胀节，炉体顶部装有煤锁斗，炉膛上部有带水冷夹套的煤炭分布器，炉膛上部内壁与煤炭分布器之间有环隙，炉体一侧有煤气出口；炉体下部的氧化熔融池设有氧气喷嘴；炉膛设有还原段、干燥段、干馏段；氧化熔融池上方设有蒸汽喷射器；炉体的出渣溢流口设在氧化熔融池中心并高于池底部，出渣溢流口底部接有水碎渣销斗；氧化熔融池侧壁设有细粉煤送入口。它利用高速切线喷出的氧使熔融液态煤高速旋转，强化了氧化反应；能利用块煤、小粒煤、抹煤以及高硫煤，气化强度大，产气量高；氧化燃料在旋流熔融池进行完全燃烧，炉温高，煤气有效成分含量高。
文档编号C10J3/60GK101845326SQ201010001568
公开日2010年9月29日 申请日期2010年1月4日 优先权日2010年1月4日
发明者谢定中 申请人:湖南安淳高新技术有限公司