一种气流床气化炉的制作方法与工艺

本发明涉及气化炉技术领域，尤其涉及一种气流床气化炉。

背景技术：
煤加氢的气化反应是一个热化学过程，以粉煤(通常直径小于75μm的粉煤)作为原料，以氢气作为气化剂，在高温高压条件下反应生成粗煤气和轻质焦油。其中，粗煤气经过分离等操作后可得到富甲烷气体。目前，粉煤加氢气化工艺主要采用气流床气化炉。现有技术中，气流床气化炉通常在气化炉的顶部设有煤粉喷嘴和氢气喷嘴、底部设有粗煤气出口和半焦出口；其中，氢气喷嘴外部通常连接有氢气加热炉，氢气加热炉中通入大量冷氢气和少量氧气，少量氧气与部分氢气燃烧使剩余氢气温度提升，提升温度后的氢气在气化炉喷嘴中再次部分燃烧使进入气化炉内与煤粉反应的氢气达到需要的温度。具体地，粉煤和氢气在高温、高压的气化炉中进行气化反应后，生成粗煤气、少量轻质焦油和大量半焦(未完全反应的煤)；其中，产物半焦通常直接从半焦出口排出。上述气化炉在煤加氢气化过程中，利用氢气部分燃烧进行预热会浪费大量珍贵的氢气，且半焦中主要包括碳，能够与水蒸气或氧气发生反应生成氢气，并放出大量的热，现有技术中半焦通常直接从半焦出口排出，因此半焦中的碳源、半焦反应产物中的氢源和热源并未得到有效的利用，从而导致煤加氢气化工艺中的氢气消耗量较大、碳转化效率较低。

技术实现要素：
本发明提供一种气流床气化炉，解决了利用现有技术中的气流床气化炉进行气化反应时，需要燃烧部分氢气进行预热，且半焦未得到有效利用，从而导致煤加氢气化工艺中氢气消耗量较大、碳转化效率较低的问题。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种气流床气化炉，包括气化炉外筒，所述气化炉外筒内的上部区域固定有反应内筒，所述气化炉外筒顶端设有固体物料喷嘴，所述固体物料喷嘴朝向所述反应内筒的顶端入口设置；所述反应内筒的底端出口下方设有挡板；所述气化炉外筒侧壁设有原料气喷嘴，且所述原料气喷嘴位于所述挡板上侧；所述气化炉外筒底端设有气化剂入口。其中，所述挡板为向上凸起的圆形弧状挡板。具体地，所述圆形弧状挡板的外围直径为所述反应内筒筒径的6/5-3/2；所述圆形弧状挡板的顶端与所述反应内筒的底端之间的间距为所述反应内筒筒径的4/5-6/5。实际应用时，所述固体物料喷嘴至少包括一个位于所述气化炉外筒的中心位置垂直向下设置的中心喷嘴。其中，所述固体物料喷嘴还包括至少2个外围喷嘴，所述外围喷嘴围绕所述中心喷嘴呈周向均匀倾斜设置；所述外围喷嘴的入射方向与所述中心喷嘴入射方向的夹角为30-45度。具体地，所述原料气喷嘴至少包括两个；所述原料气喷嘴均匀分布在所述气化炉外筒的侧壁上。进一步地，所述原料气喷嘴与所述反应内筒的底端出口平齐。优选地，所述原料气喷嘴的入射方向为倾斜向上，且所述入射方向与水平面的夹角为30-60度。实际应用时，所述气化炉外筒内侧壁上固定有气体分布板；所述气体分布板位于所述气化炉外筒的底部区域。其中，所述反应内筒筒径为所述气化炉外筒筒径的2/3-2/5；所述反应内筒筒长为所述气化炉外筒筒长的3/8-5/8；所述反应内筒的顶端与所述气化炉外筒的顶端之间的间隙小于所述反应内筒的筒径。具体地，所述气化炉外筒的侧壁上还设有产物气出口；所述产物气出口位于所述气化炉外筒的上部区域，且对应所述反应内筒的顶端入口区域设置。进一步地，所述气化炉外筒的侧壁上还设有排渣口；所述排渣口位于所述气化炉外筒的下部区域，且对应所述挡板的下侧区域设置。优选地，所述排渣口包括两个；两个所述排渣口倾斜向下对称设置，且与所述气化炉外筒侧壁的夹角为30-60度。本发明提供的气流床气化炉中，以煤的加氢气化反应为例进行说明，粉煤可以从固体物料喷嘴进入反应内筒，氢气可以从原料气喷嘴进入气化炉外筒与反应内筒之间的环隙中，并向上运动从反应内筒的顶端入口进入反应内筒中与粉煤发生煤加氢气化反应，生成富氢粗煤气(H2含量较多、CH4含量较少)和半焦。其中，富氢粗煤气从反应内筒的底端出口出来时遇到挡板，便发生折流现象，即循环向上运动；半焦则在气体的离心作用和自身的重力作用下，从挡板的周围掉落气化炉外筒的下部区域中，与从气化剂入口进入的氧气或水蒸气再次发生气化反应，产生粗煤气，粗煤气向上运动与富氢粗煤气相遇(粗煤气中含有部分高温氢气)，一起沿反应内筒和气化炉外筒之间的环隙向上运动，并与原料气喷嘴喷入的新鲜冷氢气混合后，进入反应内筒中继续与粉煤发生煤加氢气化反应；其中，富氢粗煤气的循环即能有效实现冷氢气的预热，也可增加氢气在气化炉内的停留时间，提高氢气的利用效率；半焦气化产生的高温粗煤气含有一定量的氢气，即能预热冷氢气，也可以为粉煤加氢气化反应提供氢气来源。由此分析可知，本发明提供的气流床气化炉中，设置有反应内筒、挡板、气化剂入口，并且气化炉外筒的下端区域可以进行半焦的气化反应，使半焦得到充分有效地利用，即生成高温粗煤气以用于煤加氢气化反应中氢气的预热，避免了现有技术中的燃烧氢气进行预热；反应内筒中可以进行煤加氢的气化反应，因此本发明提供的气流床气化炉为内循环两段式结构，能够在一个反应装置内实现粉煤的加氢气化、半焦的再气化，以及氢气的预热和富氢粗煤气的循环，从而降低了氢气的消耗量，并提高了碳转化效率，进而整体提高了煤加氢气化工艺的效率。附图说明图1为本发明实施例提供的一种煤加氢气化炉的结构示意图；图2为本发明实施例提供的另一种煤加氢气化炉的结构示意图。图中，1-气化炉外筒；2-反应内筒；3-固体物料喷嘴；31-中心喷嘴；32-外围喷嘴；4-(圆形弧状)挡板；5-原料气喷嘴；6-气化剂入口；7-气体分布板；8-产物气出口；9-排渣口；A-气化炉外筒的下部区域；a-富氢粗煤气的循环过程；b-粗煤气的循环过程。具体实施方式下面结合附图对本发明实施例提供的一种煤加氢气化炉进行详细描述。本发明实施例提供一种气流床气化炉，如图1所示，包括气化炉外筒1，气化炉外筒1内的上部区域固定有反应内筒2，气化炉外筒1顶端设有固体物料喷嘴3，固体物料喷嘴3朝向反应内筒2的顶端入口设置；反应内筒2的底端出口下方设有挡板4；气化炉外筒2侧壁设有原料气喷嘴5，且原料气喷嘴5位于挡板4上侧；气化炉外筒2底端设有气化剂入口6。本发明实施例提供的气流床气化炉中，以煤的加氢气化反应为例进行说明，粉煤可以从固体物料喷嘴进入反应内筒，氢气可以从原料气喷嘴进入气化炉外筒与反应内筒之间的环隙中，并向上运动从反应内筒的顶端入口进入反应内筒中与粉煤发生煤加氢气化反应，生成富氢粗煤气(H2含量较多、CH4含量较少)和半焦。其中，富氢粗煤气从反应内筒的底端出口出来时遇到挡板，便发生折流现象，即循环向上运动；半焦则在气体的离心作用和自身的重力作用下，从挡板的周围掉落气化炉外筒的下部区域中，与从气化剂入口进入的氧气或水蒸气再次发生气化反应，产生粗煤气，粗煤气向上运动与富氢粗煤气相遇(粗煤气中含有部分高温氢气)，一起沿反应内筒和气化炉外筒之间的环隙向上运动，并与原料气喷嘴喷入的新鲜冷氢气混合后，进入反应内筒中继续与粉煤发生煤加氢气化反应；其中，富氢粗煤气的循环即能有效实现冷氢气的预热，也可增加氢气在气化炉内的停留时间，提高氢气的利用效率；半焦气化产生的高温粗煤气含有一定量的氢气，即能预热冷氢气，也可以为粉煤加氢气化反应提供氢气来源。由此分析可知，本发明实施例提供的气流床气化炉中，设置有反应内筒、挡板、气化剂入口，并且气化炉外筒的下端区域可以进行半焦的气化反应，使半焦得到充分有效地利用，即生成高温粗煤气以用于煤加氢气化反应中氢气的预热，避免了现有技术中的燃烧氢气进行预热；反应内筒中可以进行煤加氢的气化反应，因此本发明实施例提供的气流床气化炉为内循环两段式结构，能够在一个反应装置内实现粉煤的加氢气化、半焦的再气化，以及氢气的预热和富氢粗煤气的循环，从而降低了氢气的消耗量，并提高了碳转化效率，进而整体提高了煤加氢气化工艺的效率。此处需要补充说明的是，半焦气化产生的粗煤气的温度为1000℃左右，粗煤气进行循环时能够为煤的加氢气化提供足够的热源；其中，粗煤气中含有的部分氢气，能够为煤的加氢气化提供足够的氢源。具体地，煤加氢气化产生的富氢粗煤气、半焦气化产生的粗煤气与原料气喷嘴喷入的新鲜冷氢气混合后的气体温度保持在800-900℃，符合煤加氢气化的温度要求。现有技术中的煤加氢气化，通常需要将部分氢气燃烧进行预热，以达到反应需求的温度。本发明实施例提供的气流床气化炉，只需在最初的反应时刻通入热氢气，以使其与粉煤发生气化反应，从而随着反应的进行，富氢粗煤气和半焦气化产生的粗煤气能够为煤加氢气化提供一定的热源和氢源，即实现后续粗煤气的循环时，使粗煤气中的高温氢气能够与后续通入的冷氢气混合，实现冷氢气的高效预热，以逐渐降低热氢气的需求量；同时，本发明实施例提供的气流床气化炉，能够增加氢气在气化炉内的停留时间，从而有效提高了氢气的利用效率。实际生产制造时，挡板4可以为直板结构，例如圆形挡板或矩形挡板，但本发明实施例提供的气流床气化炉中，为了提高挡板4对气体的折流效果，如图1所示，挡板4可以为向上凸起的圆形弧状挡板4，即圆形弧状挡板4的具体结构可以为椭球形。其中，圆形弧状挡板4可以通过在其自身与反应内筒2之间，和/或其自身与气化炉外筒1之间设置支架(图中未示出)进行固定安装；具体地，支架可以由多个金属棍和/或金属管组成，多个金属棍和/或金属管与圆形弧状挡板4、反应内筒2、气化炉外筒1之间，可以采用焊接的方式进行固定。当然，挡板4的具体固定方式在此不作限制，本领域技术人员可以选择其它的合理方式。具体地，圆形弧状挡板4的外围最大直径可以为反应内筒2筒径的6/5-3/2，圆形弧状挡板4的顶端与反应内筒2的底端出口之间的间距可以为反应内筒2筒径的4/5-6/5，从而圆形弧状挡板4能够保证加氢气化产生的富氢粗煤气在遇到挡板4时，能够发生良好的折流现象，并向上循环运动，同时，半焦能够在气体的离心作用和自身的重力作用下，顺利地从圆形弧状挡板4的周边进入其下侧的气化炉外筒1下部区域。其中，圆形弧状挡板4的顶端与反应内筒2的底端出口之间的间距，可以优选为与反应内筒2的筒径相等，从而既能够保证气体的循环速度，避免半焦发生堆积，又能够避免过多气体跑入挡板4的下侧，影响折流效果。此处需要补充说明的是，本发明实施例提供的气流床气化炉中向下弯曲的圆弧形结构的挡板4，不仅能够使从反应内筒2中出来的富氢粗煤气发生折流现象，而且还能够有效地降低富氢粗煤气对挡板4的冲击，从而防止半焦(颗粒)在挡板4上的堆积，影响后续半焦的气化反应。此外，半焦再气化产生的粗煤气遇到圆形弧状挡板4之后，能够与煤加氢气化产生的富氢粗煤气一起沿气化炉外筒1和反应内筒2之间的环隙向上运动，防止半焦再气化产生的粗煤气直接从反应内筒2的底部进入，与反应内筒2中的气体产生相反的流动方向，影响反应内筒2内气体的正常流动。进一步地，固体物料喷嘴3可以为一个，且位于气化炉外筒1的中心位置垂直向下设置，从而保证固体物料喷嘴3喷出的所有粉煤都能够进入反应内筒2中进行气化反应。其中，为了粉煤能够在反应内筒2的顶端入口处均匀分散，如图1所示，固体物料喷嘴3可以包括一个位于气化炉外筒1的中心位置垂直向下设置的中心喷嘴31和多个(至少2个)绕中心喷嘴31呈周向均匀倾斜设置的外围喷嘴32；具体地，中心喷嘴31可以位于气化炉外筒1的中心位置垂直向下设置，外围喷嘴32可以对称倾斜设置在中心喷嘴31的周边，且可以优选为与中心喷嘴31的夹角为30-45度，从而不仅能够保证固体物料喷嘴3喷出的所有粉煤都能够进入反应内筒2中，还能够使多个不同喷嘴(31、32)喷入的粉煤在反应内筒2的顶端入口处发生相互碰撞，进而起到均匀分散粉煤的作用，使其与氢气能够充分接触，尽量多地发生反应。优选地，为了使氢气在反应内筒2与气化炉外筒1之间的环隙中均匀分布，如图1所示，原料气喷嘴5可以至少包括两个；多个上述原料气喷嘴5可以均匀分布在气化炉外筒1的侧壁上，从而使上述环隙中的氢气可以均匀分布，进而在反应内筒2的顶端入口处从各个方向进入反应内筒2中，避免氢气集中从一个方向进入反应内筒2中，无法与粉煤充分接触。其中，原料气喷嘴5可以与反应内筒2的底端出口平齐，即原料气喷嘴5与反应内筒2的底端出口处在水平方向上高度一致，从而经原料气喷嘴5喷入的冷氢气可以在第一时间与环隙中的热气体接触，并从下至上流经整个环隙进行充分混合，以实现冷氢气的最大程度预热。具体地，原料气喷嘴5的入射方向可以为倾斜向上，即原料气喷嘴5可以为倾斜向上喷射，且该入射方向可以与水平面的夹角为30-60度，即原料气喷嘴5喷射的入射角可以为30-60度，从而减小喷入的氢气对反应内筒2侧壁的直接冲击；同时，氢气的入射方向与富氢粗煤气和半焦气化的粗煤气的循环方向一致，进而有利于气体的快速循环。实际应用时，为了使气化剂入口6进入的气体能够均匀分布，如图2所示，气化炉外筒1内侧壁上可以设有气体分布板7。具体地，气体分布板7可以位于气化炉外筒1的底部区域，且与气化剂入口6对应，同时气体分布板7上可以设有多个通孔(图中未示出)，从而经气化剂入口6进入的水蒸气、和/或氧气、和/或空气，能够穿过气体分布板7上的多个通孔，均匀扩散分布在气化炉外筒1的下部区域，与半焦进行充分地气化反应。优选地，为了避免气化炉外筒1下部区域中的部分物质落满整个气体分布板7，导致气体分布板7上的通孔堵塞，影响气化剂的分散效果，如图2所示，气体分布板7可以为向下倾斜的锥形漏斗式结构，从而落在气体分布板7上的物质，可以自行滑落至气体分布板7的中心区域，保证其它区域的通孔依然保持畅通。由于气化剂入口6可以与气体分布板7的中心区域对应垂直设置，从而经气化剂入口6喷入的气化剂也可以起到吹散气体分布板7中心区域物质的作用。其中，为了保证粉煤在反应内筒2中能够充分气化，如图1和图2所示，反应内筒2的筒径可以为气化炉外筒1的筒径的2/3-2/5，反应内筒2的筒长可以为气化炉外筒1的筒长的3/8-5/8，从而根据实际反应中的气煤比和进煤量，以满足粉煤在反应内筒2内的停留时间在10-20秒，进而能够得到充分的气化。反应内筒2的顶端入口与气化炉外筒1的顶端之间的间隙可以小于反应内筒2的筒径，以实现固体物料喷嘴3喷入的粉煤能够快速地进入反应内筒2中，与氢气发生气化反应；同时，应该考虑到要保证反应内筒2与气化炉外筒1之间环隙中气体的良好循环。具体地，可以通过在反应内筒2的顶部和底部焊接多个垂直和水平的安装架(图中未示出)，从而实现对反应内筒2的良好固定。当然，反应内筒2的具体固定方式在此不作限制，本领域技术人员可以选择其它的合理方式。实际应用时，如图2所示，气化炉外筒1的侧壁上还设有产物气出口8和排渣口9。其中，产物气出口8可以位于气化炉外筒1的上部区域，从而实现粗煤气的收集；排渣口9可以位于气化炉外筒1的下部区域，从而实现残渣的收集。具体地，如图2所示，产物气出口8可以与反应内筒2的顶端入口对齐设置，以使从产物气出口8排出的粗煤气，经过除尘和分离后得到纯的甲烷和纯的冷氢气；其中，纯的冷氢气还可以由原料气喷嘴5重新喷入煤加氢气化炉内，与粉煤进行气化反应。本发明实施例提供的气流床气化炉中，为了防止从产物气出口8排出的粗煤气的流动影响到煤加氢气化炉中从环隙进入反应内筒2中的气体的流动，优选为产物气出口8略低于反应内筒2的顶端入口设置。实际应用时，排渣口9可以位于挡板4的下侧区域设置，从而保证半焦的再气化高度，即半焦的反应时间，使半焦在气化炉外筒1的下部区域具有足够的停留时间，通常根据不同煤种半焦的反应性应保持在5-30分钟为宜。优选地，为了使反应后的残渣能够快速、顺利地排出，如图2所示，排渣口9可以包括两个。其中，两个排渣口9可以倾斜向下对称设置，且与气化炉外筒1侧壁的夹角为30-60度，从而保证半焦气化后的残渣能够顺利排出。现有技术中的气流床气化炉，通常利用氢气部分燃烧来预热反应气(每反应1千克煤需要燃烧0.5立方米左右的氢气来预热，此部分氢气不参与反应，只是燃烧提供热量)，造成氢气浪费；且粗煤气中的氢气经过分离之后返回到气化炉，热量损失较为严重；反应过程中碳转化率低，一般在45％左右，产生的大量半焦经过气化炉底部的激冷之后直接排出，半焦中的残碳并未得到有效利用。然而，本发明实施例提供的气流床气化炉，同时实现了粉煤的加氢气化、半焦的再气化、冷氢气的高效预热和富氢粗煤气的循环，提高了整个煤加氢气化工艺的效率，总体碳转化率提高到90％以上。其中，半焦的再气化不仅使半焦得到了高效的转化，以及充分的再利用，而且为煤加氢气化反应提供了氢源和大量的热源。具体地，如图1和图2所示，本发明实施例提供的气流床气化炉中，粉煤的加氢气在反应内筒2中进行，生成的富氢粗煤气的循环过程如虚线箭头a所示；半焦的再气化在气化炉外筒1的下部区域中进行，如实线箭头A所示区域，生成的粗煤气的循环过程如虚线箭头b所示。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。