一种气流床气化炉的制作方法

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

粉煤加氢气化是煤和氢气在高温高压条件下反应生成富甲烷气体、焦油及半焦(未完全反应的煤)的过程。目前，粉煤加氢气化工艺主要采用气流床反应器，选择的气化剂为氢气。加氢气化所需的热量由部分氢气燃烧提供，燃余氢气被预热到一定温度与煤粉发生加氢气化反应。

现有技术利用部分氢燃烧来预热反应氢气，这个过程浪费了大量珍贵的氢气，与此同时，加氢气化产生的粗合成气中留有大量的氢气，需要经后续系统的膜分离过程将这部分氢气分离出来，然后重新返回到气化炉中参与反应。然而反应在高温高压环境下进行，在分离和循环的过程中，返回去的氢气需要重新被升温升压，这个过程造成了大量的能耗和不必要的热量损失。另外，目前现有技术中存在利用气化炉底部的半焦气化产生热量预热氢气，以及利用富氢合成气的循环预热氢气的技术，但是实际操作中很难控制循环到反应内筒中的高温富氢合成气量，从而导致系统对氢气的预热效果不理想。

技术实现要素：

针对上述现有技术中所存在的问题，本发明的实施例提供一种气流床气化炉，可以在粉煤加氢气化过程中，实现对富氢合成气循环量的稳定控制，从而对氢气进行高效预热。

为了实现上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种气流床气化炉，包括炉体，还包括固定设置在所述炉体内上部区域的内导流筒，所述内导流筒上部与所述炉体的穹顶之间具有间隔；套设在所述内导流筒外部的外导流筒，所述外导流筒上部与所述炉体的穹顶相连接，所述外导流筒的侧壁与所述内导流筒的侧壁之间具有间隔，所述外导流筒的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隔。

在上述气流床气化炉中，在内导流筒外部套设外导流筒，外导流筒的侧壁与内导流筒的侧壁之间具有间隔，该间隔用于汇集为氢气预热的循环合成气；外导流筒与炉体之间也具有间隔，该间隔为合成气的流通通道，通过外导流筒的有效阻隔，使循环合成气和出口合成气互不干扰，进而有利于控制进入反应空间内的循环合成气量，可以实现粉煤加氢气化过程中对富氢合成气循环量的有效控制和对氢气的高效预热。

可选的，所述气流床气化炉还包括环设在所述外导流筒与所述炉体的侧壁之间的环形的折流挡板，所述折流挡板通过支撑架与所述外导流筒和所述炉体的侧壁连接。

可选的，所述折流挡板的纵截面的形状为倒“v”形、倒“w”形、向下弯曲的弧形中的至少一种。

可选的，所述气流床气化炉还包括：至少两条气体物料输送管路，所述气体物料输送管路设置在所述外导流筒外侧的筒壁上；对应设置于所述至少两条气体物料输送管路上方的端部的至少两个气体物料喷嘴，所述气体物料喷嘴穿过所述外导流筒的筒壁，并处于所述外导流筒与所述内导流筒之间的区域。

可选的，所述气体物料喷嘴沿所述外导流筒的周向均匀布置。

可选的，所述气体物料喷嘴的指向方向为倾斜向上，与水平面夹角为20～40°。

可选的，所述外导流筒的上端为倒圆台结构，下端为正圆台结构，上端与下端之间为圆柱体结构的筒身，所述外导流筒的下端延伸至所述炉体的中下部。

可选的，所述内导流筒为圆柱体结构，或为正圆台结构，或为上部圆柱与下部正圆台组合的结构。

可选的，所述外导流筒的筒身的直径为所述内导流筒的平均直径的2～3倍。

可选的，所述内导流筒的平均直径为所述炉体的直径的0.2～0.5倍。

可选的，所述内导流筒上部与所述炉体的穹顶之间间隔的距离为所述内导流筒的平均直径的0.8～1.2倍。

可选的，所述内导流筒为上部圆柱与下部正圆台组合的结构，下部正圆台的上端直径为下端直径的0.4～0.6倍。

可选的，所述气流床气化炉还包括：设置在所述外导流筒的下方的拦截挡板，所述拦截挡板为向下弯曲的半椭球形结构或伞帽形结构。

可选的，所述气流床气化炉还包括：设置在所述炉体顶部的至少一个固体物料喷嘴，所述固体物料喷嘴朝向所述内导流筒的顶端入口。

可选的，所述气流床气化炉还包括：设置在所述炉体底部的气化剂入口，设置在所述炉体侧壁上部的合成气出口，以及，设置在所述炉体侧壁下部的颗粒溢流口。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为相关技术中一种气流床气化炉的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的气流床气化炉的结构示意图。

图3为图2所示示意图的a-a剖面图。

图4为本发明实施例提供的气体物料输送管路盘管结构示意图。

图5为本发明实施例提供的一种内导流筒结构示意图。

图6为本发明实施例提供的另一种内导流筒结构示意图。

附图标记：

1-固体物料喷嘴；2-气体物料喷嘴；

21-气体物料输送管路；3-合成气出口；

4-内导流筒；5-折流挡板；

51-支撑架；6-外导流筒；

7-拦截挡板；8-炉体；

9-颗粒溢流口；10-半焦颗粒；

11-气化剂入口；12-反应内筒；

a-出口合成气流通通道；b-循环合成气流通通道。

具体实施方式

正如背景技术所述，粉煤加氢气化中，对反应氢气的预热的过程燃烧氢气浪费了大量珍贵的氢气，对出口合成气内的氢气进行分离后重新加热也造成了大量的能耗和不必要的热量损失。

为了提高能源利用率需要对现有的气流床气化炉进行改进。相关技术中公开了一种将氢气预热、富氢合成气循环和半焦气化相结合的气流床气化炉，如图1所示，气化炉底部的半焦气化(半焦汇集在气化炉底部，并在底部进行反应)产生热量预热氢气，然后预热后的氢气与反应内筒12底部出来的富氢合成气混合向上折返进入反应内筒12上部，与顶部喷入的煤粉混合，既达到了冷氢气的预热，又实现了富氢合成气的循环。

反应内筒12与炉体8穹顶之间预留一定空间，导致合成气出口3与固体物料喷嘴1之间无确定地分流界限，合成气分两股分别进入反应内筒12和合成气出口3，只有控制两者之间的压差才能有效控制合成气进入各部分的量。

一般而言由固体物料喷嘴1射流引起的压差很小，而合成气出口3压力与后系统相连接，产生的压差相对喷嘴产生的压差大的多(不同的数量级)，故合成气主要从合成气出口3流出，而只有很少的合成气进入反应内筒12参与循环预热。因此，该相关技术中的方案很难控制循环到反应内筒12中的高温合成气量，从而导致系统对氢气的预热效果不理想，进而无法保证整个工艺的甲烷产率和油品质量。

基于上述现状，本发明的技术方案提出：在内导流筒4外套设外导流筒6，外导流筒6上部与炉体8的穹顶相连接，通过外导流筒6的有效阻隔，使循环合成气和出口合成气互不干扰，进而有利于控制进入反应空间内的循环合成气量。

以上是本发明技术方案的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所述的“上部”、“下部”、“上端”、“下端”等与上下方位有关的描述，“上”是指气流床气化炉如图2所示竖直放置时，指向气流床气化炉炉体8顶部的方向，“下”是指气流床气化炉竖直放置时，指向气流床气化炉炉体8底部的方向。

另外，基于上述对“上”“下”方位的定义，本发明实施例中所述的“正圆台”是指上底面面积小于下底面面积的圆台结构，所述的“倒圆台”是指上底面面积大于下底面面积的圆台结构。

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。“粗合成气”是指，气流床气化炉底部半焦气化产生的合成气，主要成分为一氧化碳和氢气，温度在1100℃～1300℃，这部分高温合成气向上运动并为上部反应提供热量。“富氢合成气”是指，气流床气化炉顶部煤粉与氢气反应生成的合成气，富氢合成气进入不同的空间，从气化炉出口流出的为出口合成气，进入内导流筒4进行循环的为循环合成气，富氢合成气、循环合成气和出口合成气为流动方向不同的同一种物质，温度都为750℃～850℃，成分主要包括氢气、甲烷、一氧化碳等。

本发明实施例提供一种气流床气化炉，如图2所示，包括炉体8，还包括固定设置在炉体8内上部区域的内导流筒4，内导流筒4上部与炉体8的穹顶之间具有间隔；套设在内导流筒4外部的外导流筒6，外导流筒6上部与炉体8的穹顶相连接，外导流筒6的侧壁与内导流筒4的侧壁之间具有间隔，外导流筒6的侧壁与炉体8的侧壁之间具有间隔。内导流筒4、外导流筒6与炉体8之间可以通过支架固定。

上述气流床气化炉在工作时，在内导流筒4中煤粉与氢气发生煤加氢气化反应，生成富氢合成气和半焦。其中，富氢合成气从内导流筒4的下部出口流出，并分为两部分沿两种流通通道流动。其中一部分富氢合成气成为循环合成气，沿内导流筒与外导流筒之间的间隔向上运动，并与气体物料喷嘴2喷出的氢气混合后，进入内导流筒4中继续与粉煤发生煤加氢气化反应，参与氢气的预热循环；另一部分富氢合成气成为出口合成气继续向下运动，在外导流筒下端出口处向上运动，经过炉体8的侧壁与外导流筒6之间的间隔，最终从合成气出口流出。

由上述气流床气化炉的工作过程不难发现，通过设置外导流筒6，使外导流筒6的侧壁与内导流筒4的侧壁之间具有间隔，该间隔用于汇集为氢气预热的循环合成气，可以满足循环合成气量在固体物料喷嘴1所产生的负压下以一定的速度进入反应区(内导流筒4内)，从而可以保证进入反应区的气流平稳，进而有利于反应的稳定进行。外导流筒6与炉体8之间的间隔空间为出口合成气的流通通道，通过设置外导流筒6上部与炉体8的穹顶相连接，实现外导流筒6的有效阻隔，使循环合成气和出口合成气互不干扰，进而有利于控制进入反应空间内的循环合成气量，可以实现粉煤加氢气化过程中对富氢合成气循环量的有效控制和对氢气的高效预热。

由于气化炉底部的半焦颗粒10堆密度小，跟随性好，导致循环的富氢合成气中夹带着大量的半焦颗粒10，基于上述考虑，可设置挡板对半焦颗粒进行阻隔和分流。如图2和图3所示，在一些实施例中，气流床气化炉还包括环设在外导流筒6与炉体8的侧壁之间的环形的折流挡板5，折流挡板5通过支撑架51与外导流筒6和炉体8的侧壁连接。

折流挡板5的形状可以为多种样式，例如，折流挡板5的纵截面的形状为倒“v”形、倒“w”形或向下弯曲的弧形等。所述的倒“v”形为下端开口，两侧边向上延伸交汇于顶点的形状；所述的倒“w”形为两个倒“v”形并排连接的形状。折流挡板5可以通过在其自身与外导流筒6之间，和/或其自身与炉体8侧壁之间设置支撑架51进行固定安装(如图3所示)，也可以设置一段贯穿折流挡板5的支撑架51，分别将支撑架51两端固定到外导流筒6和炉体8侧壁上。支撑架51可以由多个金属棍和/或金属管组成，多个金属棍和/或金属管与折流挡板5、外导流筒6、炉体8之间，可以采用焊接的方式进行固定。当然，折流挡板5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。

在图3的a-a截面图中，折流挡板5由支撑架51支撑在外导流筒6与炉体8侧壁之间的间隔中，含尘气流在该间隔内经过折流挡板5后，会改变流动方向。由于半焦颗粒10与气体相比有相对较大的质量和惯性，当遇到折流挡板5，流动方向改变时，合成气能绕过挡板继续向上运动，而大部分半焦颗粒10会折返沿着筒壁向下流动，只有极少部分颗粒随着合成气从合成气出口3排出气化炉进入下一工段。经过外导流筒6下端和折流挡板5的多次气固分离，出口合成气中夹带的半焦颗粒10明显减少，有利于减轻后续系统的气固分离负担。

气流床气化炉内的系统整体上是耗氢反应，在一些实施例中，如图4所示，气流床气化炉还包括，至少两条气体物料输送管路21，气体物料输送管路21设置在外导流筒6外侧的筒壁上，可采用由下至上多级盘旋的设置方式，有利于延长底部半焦气化产生热量对其内部所输送的气体物料进行加热的距离，提高对冷氢气的预热效果。同时，气流床气化炉还包括对应设置于至少两条气体物料输送管路21上方的端部的至少两个气体物料喷嘴2，气体物料喷嘴2穿过外导流筒6的筒壁，并处于外导流筒6与内导流筒4之间的区域。多级盘旋的气体物料输送管路21使气体物料喷嘴2喷出的氢气有较高的温度，然后和高温的循环合成气混合一起进入内导流筒4中，这样可以高效地利用粗合成气的预热作用，降低热能损失。

在一些实施例中，气体物料喷嘴2沿外导流筒6的周向均匀布置，以便于形成均匀稳定的气流流场。为了利于喷嘴开口，同时防止对外导流筒6的结构应力产生不利影响，气体物料喷嘴2数量以偶数为宜，对称设置，通常设置2～8个。

在一些实施例中，气体物料喷嘴2的指向方向为倾斜向上，与水平面夹角为20～40°，有利于减小气体物料喷嘴2对内导流筒4外壁的冲蚀，同时氢气喷射方向与富氢合成气的循环方向一致，有利于混合气的高效混合预热并实现循环流动。

如图2所示，在一些实施例中，外导流筒6的上端为倒圆台结构，这样在外导流筒6和内导流筒4之间可以保留更多的空间以供高温循环合成气汇集，为煤加氢气化反应提供热量。外导流筒6的下端为正圆台结构，延伸至炉体8的中下部。正圆台结构使外导流筒6出口直径变大，含尘混合物沿图2中虚线所示方向运动时，在外导流筒6出口处，速度瞬间减小，半焦颗粒10在惯性力的作用下继续向下运动，而合成气折返向上沿外导流筒6与炉体8侧壁之间的间隔向上运动。

外导流筒6的上端与下端之间为圆柱状的筒身，外导流筒6的筒身的直径是内导流筒4的平均直径的2～3倍。内导流筒4与外导流筒6之间的间隔，可以让更多的富氢合成气实现内循环流动。

在一些实施例中，如图2所示，内导流筒4为圆柱形筒体结构，内导流筒4的平均直径为炉体8的直径的0.2～0.5倍。需要说明的是，由于内导流筒4存在多种不同结构，本发明实施例中的内导流筒4直径均指内导流筒4的平均直径。顶部固体物料喷嘴1以一定的射流速度向下喷入煤粉，利用高速煤粉的喷射作用，内导流筒4上部和喷嘴附近产生一定的负压作用，卷吸内导流筒4和外导流筒6之间的循环合成气进入内导流筒4的反应空间，与高速煤粉射流混合，提供反应所需的热量。

在一些实施例中，内导流筒4上部与炉体8的穹顶之间的间隔的距离为内导流筒4的平均直径的0.8～1.2倍。

在一些实施例中，内导流筒4还可以为正圆台结构，如图5所示，内导流筒4上部窄的设计可以使固体物料喷嘴1射流附近产生较强的负压，卷吸更多的高温循环合成气在此汇集，实现对氢气的高效预热。同时，下部逐渐变宽的设计具有底部分离作用，可以使底部喷出的气固混合物以较小的速度射流，在惯性分离的作用下，反应产生的半焦颗粒10与富氢合成气实现初步的分离，这样循环合成气中只会夹带较少的半焦颗粒10，更多的循环合成气进入反应空间中，为反应提供热量。

在一些实施例中，内导流筒4还可以为上部圆柱与下部正圆台组合的结构，如图6所示，从顶部固体物料喷嘴1喷出的煤粉与高温氢气在圆柱形内导流筒4中均匀混合发生加氢反应，出口设置成圆台结构，锥段的扩口形式可以使底部喷出的气固混合物以较小的速度射流，在惯性分离的作用下，反应产生的半焦颗粒10与富氢合成气实现初步分离，这样循环的合成气中只会夹带较少的半焦颗粒10，更多的合成气进入反应空间中，为反应提供热量。

下部圆台的上端直径与下端直径的直径之比越小，出口的角度越大，越有利于分离，但出口角度过大会影响进入外导流筒6与炉体8侧壁之间的间隔的气体量(极限形式圆台出口水平设置)，对合成气出口3的出气有一定阻碍作用。而出口角度过小，从气固分离角度考虑，惯性分离力较小，从而影响分离效果。

基于上述考虑，示例性的，下部圆台的上端直径为下端直径的0.4～0.6倍。上部圆柱和下部圆台的长度比例根据反应停留时间确定，例如可以设置圆柱长度在占总长(圆柱和圆台)的70％～90％。

内导流筒4的直径、外导流筒6各段的直径设置，以及各个间隔的取值，主要取决于煤气化加氢反应的停留时间和气流床气化炉的处理量，反应出现在内导流筒4中、内导流筒4和外导流筒6之间的间隔，这些空间的尺寸的设定会影响气固在气化炉内的停留时间，进而影响反应过程，一般停留时间在5～20s，不同的停留时间反应产物不同，根据实际反应中的气煤比和进煤量，以满足反应停留时间，进而使煤粉得到充分的气化，同时使氢气得到充分预热。

如图2所示，在一些实施例中，气流床气化炉还包括，设置在外导流筒6的下方的拦截挡板7，拦截挡板7为向下弯曲的半椭球形结构或伞帽形结构。拦截挡板7可以使炉体8上部掉落的固体颗粒沿拦截挡板7流入下方的半焦层，同时可以对炉体8下方半焦气化产生的气固流进行导流，使粗合成气方向改变后继续向上运动，粗合成气中携带的固体颗粒遇到拦截挡板7的阻挡，折返向下运动，落入半焦颗粒10中。

如图2所示，在一些实施例中，气流床气化炉还包括，设置在炉体8顶部的至少一个固体物料喷嘴1，固体物料喷嘴1朝向内导流筒4的顶端入口。例如，气流床气化炉体8积较小，固体物料喷嘴1只设置一个即可满足需求，该喷嘴位于炉体8顶部中心位置且出口垂直向下。

又例如，气流床气化炉较大，煤粉可以通过多束管线输送，多束管线最后汇集到气化炉炉体8顶部中心位置的一个喷嘴处，垂直向下喷射煤粉。也可以是多束管线末端连接多个固体物料喷嘴1，例如，多个固体物料喷嘴1出口全部垂直向下，如“|||”的形状；又例如，喷嘴出口指向中心设置，如“\|/”的形状。这样不仅能够保证固体物料喷嘴1喷出的所有粉煤都能够进入内导流筒4中，还能够使多个不同喷嘴喷入的粉煤在内导流筒4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。

如图2所示，在一些实施例中，气流床气化炉还包括，设置在炉体8底部的气化剂入口11，设置在炉体8侧壁上部的合成气出口3，以及，设置在炉体8侧壁下部的颗粒溢流口9。气流床气化炉内的系统整体上是吸热反应，热量来源于底部的半焦气化产热。气流床气化炉底部设置有气化剂入口11，由气化剂喷入的气化剂(水蒸气/氧气)通过气体分布板(带孔状的板)进入半焦层，实现了气化剂的均匀分布和半焦的稳定流化气化。气化炉上部产生的半焦颗粒10在底部的半焦流化床集聚，当床层高度达到颗粒溢流口9时，半焦颗粒10从颗粒溢流口9排出气化炉。

本发明实施例提供的气流床气化炉中，粉煤可以从固体物料喷嘴1进入内导流筒4，氢气可以从气体物料喷嘴2进入外导流筒6与内导流筒4之间的间隔中，并向上运动从内导流筒4的上部入口进入内导流筒4中与粉煤发生煤加氢气化反应，生成富氢合成气和半焦。

富氢合成气从内导流筒4的下部出口出来时，富氢合成气与半焦发生气固惯性预分离，一部分半焦落入炉体8下部；一部分富氢合成气向上运动，并与气体物料喷嘴2喷出的氢气混合后，进入内导流筒4中继续与粉煤发生煤加氢气化反应，参与氢气的预热循环，循环合成气的流通通道如虚线箭头b所示；另一部分富氢合成气成为出口合成气继续向下运动，遇到拦截挡板7，在拦截挡板7处再次进行气固分离，出口合成气沿外导流筒6与炉体8侧壁之间的间隔继续向上移动。

在拦截挡板7处气固分离出来的半焦颗粒10沿拦截挡板7滑落到炉体8下部，与从气化剂入口11进入的氧气或水蒸气再次发生气化反应，产生粗合成气，粗合成气向上运动与出口合成气相遇(粗合成气中含有部分高温氢气)，一起沿炉体8的侧壁与外导流筒6之间的间隔向上运动。

粗合成气与出口合成气混合后的合成气继续向上流动，在折流挡板5处再次进行气固分离，绝大部分固体颗粒下落，合成气绕过折流挡板5继续向上运动，同时对盘绕在外导流筒6侧壁的气体物料输送管路21进行预热。多级盘旋的管路使氢气在盘管内停留时间较长，热量交换较为充分，合理利用了半焦气化产生的热量，同时实现了对冷氢气的高效预热。出口合成气的流通通道如虚线箭头a所示，出口合成气由合成气出口3流出进入下一工段。

由于外导流筒6的阻隔，在炉体8上部，外导流筒6与内导流筒4之间、外导流筒6与炉体8侧壁之间气体压差互不影响，循环合成气和出口合成气互不干扰，从而有利于控制进入反应空间内的循环合成气量，提高对氢气的预热效果。

富氢合成气的循环即能有效实现氢气的预热，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合成气含有一定量的氢气，能有效预热冷氢气，同时部分混入循环合成气的粗合成气也可以为粉煤加氢气化反应提供氢气来源。

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以所述权利要求的保护范围为准。