专利名称：分级给氧两段式多喷嘴气化炉及其气化方法
技术领域：
本发明涉及一种含碳物质气化装置，尤其涉及一种分级给氧两段式多喷嘴气流床气化炉及其气化方法。
背景技术：
现有的气流床气化技术将煤、焦等含碳物质气化的过程，一般将燃料和氧气采用同一烧嘴同时投入的方式，如美国专利US4707163、US4637823、US4527997和中国专利CN200980132394. 3。由于无法控制气化炉内的反应状态，使得气化炉内的温度分布不尽合理。气流床气化炉内存在高温、高压的多相流动、传热和复杂的气化反应过程，因此炉内壁面特殊保护材料将直接决定气化炉的安全运行。为了解决气流床气化炉顶部壁面材料的局部高温问题，申请号为CN201110436956. 2的发明专利公开了一种两段式多喷嘴气化炉，如 图I所示，包括气化炉主体I、侧面工艺烧嘴室2、侧面工艺烧嘴3、顶部工艺烧嘴6、顶部工艺烧嘴室7以及位于气化炉主体I底部的排渣口 8。上述两段式多喷嘴气化炉由于采用顶喷嘴气化剂分流至下段喷嘴，而气流床气化炉内的火焰分布与氧气分布直接相关，使该气化炉下段气化和燃烧产生局部高温，导致气化炉下段气化室高温区炉壁衬里材料的使用寿命偏短。从目前国内外气流床气化炉的运行情况可以发现，气化炉内局部区域壁面材料的使用寿命偏短是影响气化炉长周期稳定运行的主要因素之一，如何使气化炉内温度分布更加均匀合理，避免出现气化炉内的局部高温是解决气化炉炉内壁面材料使用寿命偏短的主要途径之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是使气化炉内温度分布更加均匀合理，避免出现气化炉内的局部高温。为了达到上述目的，本发明的构思是将气化炉设计为合成气和气化产生的灰渣一同从气化炉底部出口排出进入后续工艺，在气化炉顶部设有一个与气化炉同轴布置的工艺烧嘴，在气化炉侧面设有工艺烧嘴层和二次给氧喷枪层，二次给氧喷枪设置在侧面工艺烧嘴层和气化炉出口之间。本发明的一个具体技术方案是提供了一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，包括气化炉主体，在气化炉主体顶部设有内设顶部工艺烧嘴的顶部工艺烧嘴室，在气化炉主体的侧面设有至少两个内设侧面工艺烧嘴的侧面工艺烧嘴室，在气化炉主体底部设有排渣口，在气化炉主体位于侧面工艺烧嘴室与排渣口之间的直段上设有至少两个二次给氧喷枪室，其特征在于所述侧面工艺烧嘴室及所述二次给氧喷枪室分别对称布置于所述气化炉主体的四周，二次给氧喷枪安装在所述二次给氧喷枪室内，由顶部工艺烧嘴及所述侧面工艺烧嘴向所述气化炉主体喷入燃料，且仅由所述侧面工艺烧嘴及所述二次给氧喷枪共同为燃料提供所需氧气。
优选地，所述顶部工艺烧嘴和所述顶部工艺烧嘴室与所述气化炉主体同轴布置。优选地，所述侧面工艺烧嘴室轴线与所述气化炉主体径向的夹角α为O 30° ;所述侧面工艺烧嘴室轴线与所述气化炉主体轴线的夹角β为60 120°。优选地，所述侧面工艺烧嘴轴线与所述侧面工艺烧嘴室在水平面上的夹角ξ为O 30°，在垂直面上夹角δ为O 15°。优选地，所述二次给氧喷枪室轴线与所述气化炉主体径向的夹角ε为O 30° ;所述二次给氧喷枪室轴线与所述气化炉主体轴线的夹角λ为60 120°。优选地，所述二次给氧喷枪轴线与所述二次给氧喷枪室在水平面上的夹角η为O 30°，在垂直面上夹角Θ为O 15°。优选地，所述排渣口的内直径为O. 05 O. 其中，D为所述气化炉主体的内直 径。优选地，所述侧面工艺烧嘴室上部空间高度为I. 5 3. 5D，所述侧面工艺烧嘴室与所述二次给氧喷枪室间的直段高度为I 3D，所述二次给氧喷枪室下部直段高度为I 7D，其中，D为所述气化炉主体的内直径。优选地，所述排渣口的内缩角度Ψ为25 65°。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的分级给氧两段式多喷嘴气化炉的气化方法，其特征在于，将含碳燃料和含碳燃料所需的部分气化剂一同分别从顶部工艺烧嘴和侧面工艺烧嘴送入气化炉主体内，含碳燃料所需的剩余部分气化剂由二次给氧喷枪同时送入气化炉主体内，其中，由顶部工艺烧嘴所送入的气化剂中不包含氧气，侧面工艺烧嘴送入的气化剂中的氧气量与二次给氧喷枪送入的气化剂中的氧气量的总和为含碳燃料所需的总氧气量。优选地，从所述顶部工艺烧嘴和所述侧面工艺烧嘴的气化剂量占总操作气化剂量的 75% 95%。优选地，从所述二次给氧喷枪送入的气化剂量占总操作气化剂量的5% 25%。优选地，所述含碳燃料的输送形态为浆态含碳燃料或粉态含碳燃料。本发明采用燃料两段式给入和氧气分级主要是从以下几个方面考虑首先，现有工业运行气化炉如美国专利US4707163、US4527997和中国专利CN98110616. I两种上进料式气化炉在实际运行中均存在气化炉内耐火衬里使用寿命局部偏短的问题，特别是炉顶内衬壁面材料寿命较短，因此本发明在炉顶设有一工艺烧嘴，但本发明所述的顶部工艺烧嘴喷入燃料时不同时喷入氧气，使炉顶内部空间减少燃烧等放热反应，以降低炉顶内衬材料的温度；另一方在侧面工艺烧嘴层喷入燃料和气化剂时发生大量的放热反应，为了防止侧面工艺烧嘴层附近的局部高温，因此采用分级给氧技术，将总进入燃料所需气化氧气的一部分分流，由气化炉侧面工艺烧嘴下方的二次给氧喷枪给入，如此使炉内温度分布更加均匀，气化反应更加彻底，提高了碳转化率和冷煤气效率。此外，二次给氧喷枪设置在气化炉中下部，有助于提高气化炉中下部温度，促进气化炉中下部气化反应的同时，确保实现液态排渣。本发明相比于现有技术的显著优点在于I)本发明所述的气流床气化炉分两段式通入含碳燃料，且顶部工艺烧嘴不通入氧气，使气化炉顶部空间的温度大大降低，顶部工艺烧嘴通入的燃料也避免了下方侧面工艺烧嘴通入燃料后高速撞击混合形成的火焰和高温物流冲刷气化炉顶部内衬材料，极大地提高了气化炉顶部耐火衬里的寿命；2)本发明所述的气流床气化炉采用分级给氧的方式通入气化所需气化剂，将部分氧气分流至侧面工艺烧嘴层和气化炉出口间的二次给氧喷枪进入气化炉，改善了气化炉的温度分布，由于二次给氧喷枪设置在气化炉中下部，因此提高了气化炉中下部温度，促进了气化炉中下部气化反应，并确保了液态排渣的顺利实现，避免了出口堵渣；3)本发明所述的气化炉和气化方法适用于煤、石油焦、渣油、浙青生物质和污泥等含碳物质的气化，可采用干粉或浆体燃料进料方式，燃料适应性广，采用多喷嘴形式布置，适用于大规模气化，并便于气化负荷的调整。
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图I是现有气流床气化炉技术的轴向剖面示意图；图2是本发明分级给氧两段式多喷嘴气化炉轴向剖面示意图；图3是图2中A部分的局部放大图；图4是图2中B部分的局部放大图；图5是本发明分级给氧两段式多喷嘴气化炉的侧面工艺烧嘴层剖面示意图；图6是本发明分级给氧两段式多喷嘴气化炉的二次给氧喷枪层剖面示意图。
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。如图2所示，本发明提供的分级给氧两段式多喷嘴气化炉包括气化炉主体I、至少两个侧面工艺烧嘴3和侧面工艺烧嘴室2、至少两个二次给氧喷枪5和二次给氧喷枪室4、位于气化炉顶部的顶部工艺烧嘴6和顶部工艺烧嘴室7以及底部的排渣口 8。侧面工艺烧嘴3安装在侧面工艺烧嘴室2内，且侧面工艺烧嘴室2设置在气化炉主体I中上部，均匀地对称布置于气化炉主体I四周，用于输入燃料及部分气化剂。顶部工艺烧嘴6安装于顶部工艺烧嘴室7内，且位于气化炉主体I顶部与气化炉主体I同轴设置，用于通入含碳燃料和不含氧的气化剂。上述气化剂为含氧量为21% 100%的气体。气化剂可以采用空气、水蒸汽、C02、纯氧及其混合气体，在针对干粉进料时，可选用氧气、水蒸汽、二氧化碳等气体及其混合物。本发明所述气化剂在通入顶部工艺烧嘴室7时不包含氧气，可以为水蒸汽、CO2等及其混合气体，主要促进顶部工艺烧嘴室7通入燃料的脱挥发份和热解反应，不产生燃烧等放热反应，而侧面工艺烧嘴3通入的气化剂包含氧气,主要利用氧气的助燃性,使氧气与含碳燃料进行气化和燃烧反应；较佳地，通入侧面工艺烧嘴3的气化剂量占操作总气化剂量的75% 95%，通入二次给氧喷枪5的气化剂量占总操作气化剂量的5% 25%。二次给氧喷枪5安装在二次给氧喷枪室4内。二次给氧喷嘴室4设置于侧面工艺烧嘴室2和排渣口 8之间，并均匀低对称布置于气化炉主体I的四周。二次给氧喷枪5和二次给氧喷枪室4的设置可以调整进入气化炉的氧气分布，而气化炉顶部工艺烧嘴6和顶部工艺烧嘴室7的设置可以调整进入气化炉主体I的燃料分布，达到合理调节炉内温度的目的。如此气化炉主体I顶部区域空间内的温度明显降低，这样也避免了侧面工艺烧嘴室2 —次给氧造成的炉内温度分布不均造成的均布超温，从而提高炉内耐火衬里的寿命。此外，二次给氧喷枪5设置在气化炉主体I的中下部，有助于提高气化炉主体I中下部的温度，促进中下部的气化反应，同时确保气化炉液态排渣。另外，气化炉主体I为具有壁面耐火衬里的圆柱形壳体。通常壁面耐火衬里采用耐火砖衬里结构和水冷壁衬里结构。如图3 图6所示，侧面工艺烧嘴室2轴线与气化炉主体I径向的夹角α为O 30° ;侧面工艺烧嘴室2轴线与气化炉主体I轴线的夹角β为60 120°。侧面工艺烧嘴3轴线与侧面工艺烧嘴室2在水平面上的夹角ξ为O 30°，在垂直面上的夹角δ为O 15° ;二次给氧喷枪室4轴线与气化炉主体I径向的夹角ε为O 30°，二次给氧喷 枪室4轴线与气化炉主体I轴线的夹角λ为60 120° ;二次给氧喷枪5轴线与二次给氧喷枪室4在水平面上的夹角η为O 30°，在垂直面上的夹角Θ为O 15°。通过侧面工艺烧嘴3和侧面工艺烧嘴室2、二次给氧喷枪5和二次给氧喷枪室4角度的设置与匹配，可以在炉内形成撞击流或旋转流来强化混合过程和提高燃料颗粒在炉内的停留时间，从而达到良好的工艺与工程效果，实现有效气体成分高、碳转化率高且炉壁耐火衬里寿命长。排渣口 8内直径为O. 05 O. 侧面工艺烧嘴室2上部空间高度为I. 5 3. 5D,侧面工艺烧嘴室2与二次给氧喷枪室4间的直段高度为I 3D，二次给氧喷枪室下部直段高度为I 7D，其中，D为气化炉主体I的内直径为。排渣口 8的内缩角度Ψ为25 65°。针对上述分级给氧两段式多喷嘴气化炉，本发明采用以下气化方法以单喷嘴顶置四喷嘴侧置式分级给氧两段式多喷嘴气流床气化炉为例，含碳燃料经输送系统，部分燃料与不含氧气的气化剂从顶部工艺烧嘴6送入气化炉主体1，剩余燃料通过四个对称布置在气化炉主体I上部统一水平面的侧面工艺烧嘴3与含氧量21% 100%的气化剂一同通入气化炉主体I。从顶部工艺烧嘴6及侧面工艺烧嘴3送入的气化剂量约占操作气化剂总量的75% 95%，剩余氧化剂由二次给氧喷枪5送入气化炉主体I内。含碳物质在气化炉主体I内的反应过程主要分为三个部分顶部工艺烧嘴6送入的燃料和不含氧气化剂(如二氧化碳、水蒸汽等)在气化炉主体I顶部空间，受下部空间高温气化反应的火焰、炉内壁、高温气体、固体颗粒等的热辐射作用，以及撞击或旋流流股的热量影响，发生热裂解并释放出挥发份，形成第一反应区；热裂解产物与挥发份向下流动，在下方与侧面工艺烧嘴3喷入的燃料和气化剂再一次混合，在高温和氧气作用下发生部分燃烧和气化反应，由于到该区域的燃料已全部送入气化炉主体I内，而所需操作氧量不足，故控制了该区域的放热反应，相比于一次给氧气化炉，该区域的空间温度明显下降，形成了第二反应区；剩余未燃尽碳和其他易燃组分继续与热烟气一同向下流动，在下方与侧面布置的二次给氧喷枪5喷入的气化剂再次混合，在高温、高浓度氧作用下完全燃烧和气化，形成第三反应区；同时由于第三反应区所送入气化剂虽总量不高，但提高了气化炉主体I中下段温度，保证了熔渣以液态渣膜形式沿炉壁向下排出，避免了堵渣现象；随后，气化炉主体I内燃烧后的混合物继续向下流动，组分中的炭黑粒子、甲烷等于水蒸汽、二氧化碳发生可逆气化反应，生成了有效气体成分CO和H2,该区域为第四反应区。由于发生在第四反应区的反应以吸热反应为主，可以在一定程度上降低反应区温度，是气化炉内温度得到合理控制，相对起到保护炉内壁耐火衬里的作用。最后，反应生成的合成气与液态熔渣并流向下，由排渣口 8排出。下面的实施例将对本发明予以进一步说明实施例本实施例说明采用本发明的分级给氧两段式多喷嘴气化炉进行气化试验得到的结果。一台日处理3000吨煤的分级给氧两段式多喷嘴干煤粉气化炉，气化压力4. OMPa,壁面为水冷壁结构，气化炉顶部设置一个与气化炉同轴的工艺烧嘴，侧面工艺烧嘴3有4个，二次给氧喷枪5有4个。气化炉主要尺寸参数见表I所示
权利要求
1.一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，包括气化炉主体(I)，在气化炉主体(I)顶部设有内设顶部工艺烧嘴(6)的顶部工艺烧嘴室(7)，在气化炉主体(I)的侧面设有至少两个内设侧面工艺烧嘴(3)的侧面工艺烧嘴室(2)，在气化炉主体(I)底部设有排渣口(8)，在气化炉主体(I)位于侧面工艺烧嘴室(2)与排渣口(8)之间的直段上设有至少两个二次给氧喷枪室(4)，其特征在于所述侧面工艺烧嘴室(2)及所述二次给氧喷枪室(4)分别对称布置于所述气化炉主体(I)的四周，二次给氧喷枪(5)安装在所述二次给氧喷枪室(4)内，由顶部工艺烧嘴(6)及所述侧面工艺烧嘴(3)向所述气化炉主体(I)喷入燃料，且仅由所述侧面工艺烧嘴(3)及所述二次给氧喷枪(5)共同为燃料提供所需氧气。
2.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述顶部工艺烧嘴(6)和所述顶部工艺烧嘴室(7)与所述气化炉主体(I)同轴布置。
3.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述侧面工艺烧嘴室(2)轴线与所述气化炉主体(I)径向的夹角α为O 30° ;所述侧面工艺烧嘴室(2)轴线与所述气化炉主体(I)轴线的夹角β为60 120°。
4.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述侧面工艺烧嘴(3)轴线与所述侧面工艺烧嘴室(2)在水平面上的夹角ξ为O 30°，在垂直面上夹角δ为O 15°。
5.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述二次给氧喷枪室(4)轴线与所述气化炉主体(I)径向的夹角ε为O 30° ;所述二次给氧喷枪室(4)轴线与所述气化炉主体(I)轴线的夹角λ为60 120°。
6.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述二次给氧喷枪(5)轴线与所述二次给氧喷枪室(4)在水平面上的夹角η为O 30°，在垂直面上夹角Θ为O 15°。
7.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述排渣口(8)的内直径为O. 05 O. 5D，其中，D为所述气化炉主体(I)的内直径。
8.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述侧面工艺烧嘴室(2)上部空间高度为I. 5 3. 5D，所述侧面工艺烧嘴室(2)与所述二次给氧喷枪室(4)间的直段高度为I 3D，所述二次给氧喷枪室(4)下部直段高度为I 7D，其中，D为所述气化炉主体(I)的内直径。
9.如权利要求I所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，其特征在于所述排渣口(8)的内缩角度Ψ为25 65°。
10.一种采用如权利要求I所述的分级给氧两段式多喷嘴气化炉的气化方法，其特征在于，将含碳燃料和含碳燃料所需的部分气化剂一同分别从顶部工艺烧嘴(6)和侧面工艺烧嘴(3)送入气化炉主体(I)内，含碳燃料所需的剩余部分气化剂由二次给氧喷枪(5)同时送入气化炉主体(I)内，其中，由顶部工艺烧嘴(6)所送入的气化剂中不包含氧气，侧面工艺烧嘴(3)送入的气化剂中的氧气量与二次给氧喷枪(5)送入的气化剂中的氧气量的总和为含碳燃料所需的总氧气量。
11.如权利要求10所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉的气化方法，其特征在于从所述顶部工艺烧嘴(6)和所述侧面工艺烧嘴(3)的气化剂量占总操作气化剂量的75% 95%。
12.如权利要求10所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉的气化方法，其特征在于从所述二次给氧喷枪(5)送入的气化剂量占总操作气化剂量的5% 25%。
13.如权利要求10所述的一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉的气化方法，其特征在于所述含碳燃料的输送形态为浆态含碳燃料或粉态含碳燃料。
全文摘要
本发明涉及一种分级给氧两段式多喷嘴气化炉，包括气化炉主体，在气化炉主体顶部设有内设顶部工艺烧嘴的顶部工艺烧嘴室，在气化炉主体的侧面设有至少两个内设侧面工艺烧嘴的侧面工艺烧嘴室在气化炉主体底部设有排渣口，在气化炉主体位于侧面工艺烧嘴室与排渣口之间的直段上设有至少两个二次给氧喷枪室，其特征在于所述侧面工艺烧嘴室及所述二次给氧喷枪室分别对称布置于所述气化炉主体的四周，二次给氧喷枪安装在所述二次给氧喷枪室内。本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的分级给氧两段式多喷嘴气化炉的气化方法。本发明使气化炉内温度分布更加均匀合理，避免出现气化炉内的局部高温。
文档编号C10J3/48GK102816605SQ201210315978
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者倪建军, 乌晓江, 张建文 申请人:上海锅炉厂有限公司