一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法
【专利摘要】一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法，本发明涉及一种气化炉及气化方法，本发明是为了解决现有技术中气化炉内壁面容易磨损，气化炉中心回流区不稳定，容易引发偏烧的问题，导致气化炉停车，给企业造成经济损失的问题，它包括粉煤烧嘴、气化炉体、水冷壁、合成气通道管和气化剂喷口，气化炉体是由半球体和圆柱体组成，水冷壁安装在气化炉体内，水冷壁由多根竖直圆管并排设置组成，气化炉膛是由水冷壁围成的回转体，渣池位于气化炉体的底部，合成气通道插装在气化炉体的下部，气化剂喷口由上至下依次均布并排设置在气化炉体上部的侧壁上，粉煤烧嘴安装在气化炉体的顶部，本发明属于煤气化领域。
【专利说明】
一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种气化炉及气化方法，具体涉及一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法，属于煤气化领域。
【背景技术】
[0002]煤气化技术是高效清洁的洁净煤技术。气化剂强旋转粉煤气化技术是一种新型的干粉煤气化技术，具有气化强度高、生产能力大、碳转化率高、煤种适用性强等优点，在煤气化领域已经开始崭露头角。为了解决现有粉煤气化技术中存在的烧嘴寿命短、气化炉内壁面挂渣不均匀等问题，本
【申请人】前期申请了一系列与气化剂强旋转粉煤气化剂技术相关的中国发明专利如CN201510578780.2、CN105087073A、CN201510579029.4、CN201510578779.X、CN201510579028.X、CN201510579030.7、CN201510579057.6和CN201510578724.9。以上发明专利虽然解决了气化炉内壁面挂渣不均匀等问题，但是仍然存在着以下可能影响气化炉安全、经济稳定运行的隐患:I气化炉内壁面容易磨损;2气化炉中心回流区不稳定，容易引发偏烧等问题。以上问题导致气化炉经常停车，而气化炉作为化工企业的生产源头，一旦停车，导致整个生产线全部停运，整个生产线停运一次给企业造成巨额经济损失。例如:一套造气量80000Nm3/h的煤气化生产线停运一次经济损失达4000万元以上。
【发明内容】
[0003]本发明是为了解决现有技术中气化炉内壁面容易磨损，气化炉中心回流区不稳定，容易引发偏烧的问题，导致气化炉停车，给企业造成经济损失的问题，进而提供一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法。
[0004]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:它包括粉煤烧嘴、气化炉体、水冷壁、合成气通道管和气化剂喷口，气化炉体是由半球体和圆柱体组成，水冷壁安装在气化炉体内，水冷壁由多根竖直圆管并排设置组成，气化炉膛是由水冷壁围成的回转体，气化炉膛的内径为D，渣池位于气化炉体的底部，合成气通道插装在气化炉体的下部，气化剂喷口由上至下依次均布并排设置在气化炉体上部的侧壁上，且每个气化剂喷口沿气化炉膛的切线方向插入气化炉膛内，且每个气化剂喷口的喷口中心线均水平设置，粉煤烧嘴安装在气化炉体的顶部，且粉煤烧嘴的轴线与气化炉膛的轴线重合，位于上方的气化剂喷口至粉煤烧嘴出口端的距离为L，L的取值为0.2D-0.45D。
[0005]所述气化方法的具体步骤如下:
[0006]步骤一、设定气化炉膛内部压力为0.1?4MPa，气化炉膛的运行温度为1250?1600°C；
[0007]步骤二、温度为25?100°C的干粉煤由氮气或二氧化碳气体携带以旋流方式经粉煤烧嘴送入气化炉膛内部；占总量10%?40%的温度为20?400°C的气化剂以旋流的方式经粉煤烧嘴喷入气化炉膛内部，气化剂与粉煤在炉顶区域同向旋转向下混合流动；
[0008]步骤三、粉煤与气化剂混合气流接触到中心回流区卷吸回来的高温合成气后，被其点燃，在气化炉膛顶部燃烧形成熔渣；
[0009]步骤四、剩余占总量60%?90%的温度为20?400°C的气化剂通过所述气化剂喷口以100?200m/s的速度沿炉高分层切向喷入气化炉膛，高速的气化剂气流冲入炉膛后形成强烈旋转气流，在离心力的作用下，约80%的熔渣被甩在炉壁面形成较厚的渣层，渣层均匀，旋转气流不断冲刷炉膛壁面上的渣层，并与其发生强烈气化反应；
[0010]步骤五、气化生成的粗煤气通过所述合成气通道流出气化炉膛，生成的液态渣沿壁面流入渣池，冷却后通过底部排渣口排出。
[0011]本发明的有益效果是:
[0012]—、本发明的气化炉能够形成稳定、适中的中心回流区，粉煤着火稳定。如本
【申请人】前期申请的，与气化剂强旋转粉煤气化炉技术相关的中国发明专利CN201510578780.2、CN105087073A、CN2015105790 29.4、CN201510578779.X、CN2015105790 28.X、CN201510579030.7、CN201510579057.6和CN201510578724.9所述，气化剂强旋转粉煤气化炉顶部存在着三股气流，分别为外层贴壁强旋转气流，中心的高温回流，以及夹于二者之间由烧嘴喷入炉内的粉煤气化剂混合气流。在最优条件下，高温的中心回流能够回流到粉煤烧嘴根部，与粉煤气流混合，点燃粉煤，可保证粉煤稳定着火。但是上述这些中国发明专利没有限制烧嘴与炉体直径的比例，会出现下面这些问题:I当粉煤烧嘴内布置的环形粉煤通道与环形气化剂通道的中径小于气化炉炉体直径的0.3倍时，从烧嘴喷出的粉煤气化剂混合气流与中心回流气流会发生碰撞，向下挤压回流区，导致中心回流区减小，中心回流无法向上回流到粉煤烧嘴根部，无法与粉煤气流混合，不能及时点燃粉煤，燃烧不稳定;2当粉煤烧嘴内布置的环形粉煤通道与环形气化剂通道的中径大于气化炉炉体直径的0.65倍时，此时粉煤气流接近气化炉壁:容易导致未经历过燃烧的固体粉煤颗粒直接冲刷气化炉壁面，气化炉内壁面磨损，最终导致停车事故。本发明粉煤烧嘴内布置的环形粉煤通道与环形气化剂通道的外径与炉膛直径的比值取0.3-0.65，烧嘴直径适中:能够避免粉煤和气化剂从烧嘴喷出后与中心回流区碰撞，中心回流能够回流至粉煤烧嘴根部，粉煤能够稳定着火。
[0013]二、本发明的气化炉消除了炉体气化剂喷口区域气化炉内壁面容易磨损的隐患。本发明中，炉体最上层布置的气化剂喷口 7与烧嘴I之间的垂直距离为气化炉炉体直径的
0.2?0.45倍，该距离能够使粉煤与由炉体气化剂喷口 7高速喷入的气化剂相遇时尚未与炉壁接触，消除了粉煤由于未软化形成液态渣而对炉壁耐火层产生磨损的隐患。如本
【申请人】前期申请的，与气化剂强旋转粉煤气化炉技术相关的中国发明专利CN201510578780.2、CN105087073A、CN2015105790 29.4、CN201510578779.X、CN2015105790 28.X、CN201510579030.7、CN201510579057.6和CN201510578724.9所述，气化剂经炉体气化剂喷口高速喷入炉内后，使炉内形成强烈的旋转气流场，粉煤在强大的离心力作用下贴壁运动，发生强烈的燃烧气化反应。在最优条件下，粉煤气流进入炉内后在强烈的旋转流场作用下甩向壁面之前必须经历过燃烧反应，使其温度达到灰熔点以上形成液态渣，否则固体粉煤颗粒则会对气化炉内壁面产生强烈的摩擦，磨损水冷壁管最终导致停炉事故。但是如上提到的中国发明专利，并没有限制炉体最上层布置的气化剂喷口与烧嘴之间的垂直距离的关系:炉体最上层布置的气化剂喷口与烧嘴之间的垂直距离小于气化炉炉体直径的0.2倍时，由于炉体气化剂喷口区域存在的高速旋转流场，粉煤极易没有经历过充分加热软化形成液态渣即被高速旋转气流捕获，在强离心力作用下固体颗粒状的粉煤在气化炉内壁面高速运动，与气化炉内壁面的耐火材料碳化硅发生强烈摩擦，很快就将耐火材料层磨损而引起水冷壁管烧损发生停炉事故，给企业带来巨大损失；当炉体最上层布置的气化剂喷口与烧嘴之间的垂直距离大于气化炉炉体直径的0.45倍时，此时炉体气化剂喷口与烧嘴之间的距离较远，粉煤喷入炉内后因为长时间无法与约占总量80%的炉体喷入的气化剂接触混合，导致炉内形成了较长的未反应段，浪费了炉内空间，并且在这段较长的空间中，未反应的固态粉煤颗粒极易在炉内旋转流场的作用下被甩至气化炉内壁面磨损气化炉耐火层甚至其耐火层包裹的水冷壁管，最终导致停车事故。本发明中气化炉炉体插接的多个气化剂喷口中，最上层布置的气化剂喷口与烧嘴之间的垂直距离为气化炉炉体直径的0.2?0.45倍，距离适中:一方面能够避免粉煤气流从烧嘴喷出后未经历过充分软化即被甩至气化炉内壁面上，磨损气化炉内壁面;另一方面能够避免因炉体气化剂喷口与烧嘴之间的垂直距离过大，导致炉内形成未反应段，浪费炉内空间，能够确保粉煤气流接触至气化炉内壁面时，已经变为液态熔渣，不会对气化炉内壁面产生磨损，进而减少停车次数，节省时间，节约维修成本，提尚企业的经济效?。
[0014]三、本发明能够使气化剂与粉煤沿较大直径的圆形喷入炉内。由效果一可知，为了增大回流区，应该适当增大粉煤与气化剂通道外径，由于各通道的截面积不变，只能减小通道的厚度。由于较窄的通道难于加工，并且容易使粉煤携带的杂质堵塞通道，引起气化炉内偏烧，烧损气化炉水冷壁。这些因素限制了粉煤与气化剂通道的外径的增加，限制烧嘴直径的增加。现有技术中，其烧嘴直径与炉体直径的比例一般为0.1至0.2。粉煤烧嘴直径较小，烧嘴喷出的粉煤和气化剂混合气流与中心回流碰撞，挤压中心回流区，导致气化炉顶部中心回流区较小甚至没有回流，烧嘴处温度较低，不利于稳定着火。本发明粉煤与气化剂经过多根螺旋粉煤管20内的粉煤通道19与气化剂通道20喷入炉内，多根螺旋粉煤管20围成圆所在的外径为d，气化炉膛3直径为D，d的取值为0.3D-0.65D，粉煤烧嘴直径较大，粉煤和气化剂从烧嘴喷出后旋转向下流动，在离心力的作用下向外扩散，避免与中心回流区碰撞，避免挤压中心回流区，气化炉顶部中心回流区比较稳定，温度较高，有利于稳定着火。
[0015]四、本发明粉煤颗粒停留时间长。现有技术中螺旋粉煤管中心所在圆的直径与炉膛直径的比值较小时，粉煤烧嘴直径较小，从烧嘴喷出的粉煤气化剂混合气流与中心回流气流碰撞，会损失较多动量，导致气流旋转强度降低，粉煤颗粒炉内停留时间短。本发明粉煤与气化剂经过多根螺旋粉煤管20内的粉煤通道19与气化剂通道20喷入炉内，多根螺旋粉煤管20围成圆所在的外径为d，气化炉膛3所成直径为D，d的取值为0.3D-0.65D，粉煤烧嘴直径较大，粉煤和气化剂从烧嘴喷出后旋转向下流动，在离心力的作用下向外扩散，避免与中心回流区碰撞，旋转强度大，粉煤颗粒在炉内停留时间长。
[0016]五、本发明有利于粉煤与气化剂的混合，有利于气化。现有技术中采用三级水冷夹套保护烧嘴，粉煤通道与气化剂通道之间有水冷夹套，水冷夹套由外壁、进水通道、中间夹层、出水通道、外壁组成，因此水冷夹套较厚，厚度约为75mm。粉煤环腔通道与气化剂环腔通道间隙小，约为10_。烧嘴出口处粉煤气流与气化剂气流之间的距离是粉煤气流厚度的7.5倍，不利于粉煤与气化剂的迅速混合，不利于气化反应。本发明中每个螺旋粉煤管中均设有气化剂通道和粉煤通道，气化剂通道包裹在粉煤通道中间，两通道间只相隔一层壁厚，约3mm。气化剂包裹在粉煤中间以旋流的方式喷入炉膛，两者迅速混合，有利于气化反应的进行。
【附图说明】
[0017]图1是本发明整体结构的主视图，图2是图1的A-A向视图，图3是本发明粉煤烧嘴I中设有四根螺旋粉煤管20的整体结构主视图，图4是图3张C-C向视图，图5是图4张B处放大图。
【具体实施方式】
[0018]【具体实施方式】一:结合图1-图5明本实施方式，本实施方式所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法，它包括粉煤烧嘴1、气化炉体2、水冷壁4、合成气通道管5和气化剂喷口 7，气化炉体2是由半球体和圆柱体组成，水冷壁4安装在气化炉体2内，水冷壁4由多根竖直圆管并排设置组成，气化炉膛3是由水冷壁4围成的回转体，气化炉膛3的内径为D，渣池6位于气化炉体2的底部，合成气通道5插装在气化炉体2的下部，气化剂喷口 7由上至下依次均布并排设置在气化炉体2上部的侧壁上，且每个气化剂喷口 7沿气化炉膛3的切线方向插入气化炉膛3内，且每个气化剂喷口7的喷口中心线均水平设置，粉煤烧嘴I安装在气化炉体2的顶部，且粉煤烧嘴I的轴线与气化炉膛3的轴线重合，位于上方气化剂喷口 7至粉煤烧嘴I出口端的距离为L，L的取值为0.2D-0.45D。
[0019]【具体实施方式】二:结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法，粉煤烧嘴I内设有旋流叶片9、第一粉煤通道10和第一气化剂通道11，第一粉煤通道10套设在第一气化剂通道11上，第一粉煤通道10外径的取值范围为
0.3D-0.65D，第一气化剂通道11外径的取值范围为0.3D-0.65D，与【具体实施方式】一相同。
[0020]【具体实施方式】三:结合图2-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法，粉煤烧嘴I内沿圆周均布设有多根螺旋粉煤管20，每根螺旋粉煤管均旋转缠绕粉煤烧嘴I中心的圆柱上，多根螺旋粉煤管20围成圆所在的外径为d，d的取值范围为0.3D-0.65D。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0021]【具体实施方式】四:结合图3-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法，螺旋粉煤管2中设有两层通道，中心圆形通道为第二气化剂通道18，外层环形通道为第二粉煤通道19。其它组成及连接关系与【具体实施方式】三相同。
[0022]【具体实施方式】五:结合图1-图5说明本实施方式，本实施方式所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉及气化方法，所述气化方法的具体步骤如下:
[0023]步骤一、设定气化炉膛3内部压力为0.1?4MPa，气化炉膛3的运行温度为1250?1600 °C；
[0024]步骤二、温度为25?100°C的干粉煤由氮气或二氧化碳气体携带以旋流方式经粉煤烧嘴I上的第一粉煤通道10或第二粉煤通道19送入气化炉膛3内部；占总量10%?40%的温度为20?400°C的气化剂以旋流的方式经粉煤烧嘴I上的第一气化剂通道11或第二气化剂通道18喷入气化炉膛3内部，气化剂与粉煤在炉顶区域同向旋转向下混合流动；
[0025]步骤三、粉煤与气化剂混合气流接触到中心回流区卷吸回来的高温合成气后，被其点燃，在气化炉膛3顶部燃烧形成熔渣；
[0026]步骤四、剩余占总量60%?90%的温度为20?400°C的气化剂通过所述气化剂喷口 7以100?200m/s的速度沿炉高分层切向喷入气化炉膛3，高速的气化剂气流冲入炉膛后形成强烈旋转气流，在离心力的作用下，约80%的熔渣被甩在炉壁面形成较厚的渣层，渣层均匀，旋转气流不断冲刷炉膛壁面上的渣层，并与其发生强烈气化反应；
[0027]步骤五、气化生成的粗煤气通过所述合成气通道5流出气化炉膛3，生成的液态渣沿壁面流入渣池6，冷却后通过底部排渣口排出。
[0028]工作原理
[0029]气化炉内工作原理如图1所示。氮气或者二氧化碳携带着粉煤吹进粉煤烧嘴I中的螺旋粉煤管10或第二粉煤通道19内，旋转喷入炉膛3，在炉膛3顶端形成旋转向下的粉煤气流。约占10 %?40 %的气化剂氧气与水蒸气进入粉煤烧嘴I中的第一气化剂通道11或第二气化剂通道18，旋转喷入炉膛3，在炉膛3顶端形成旋转向下的气化剂气流。粉煤气流与气化剂气流一起同向旋转流动，流动过程两者不断混合。粉煤与气化剂混合气流与中心回流区卷吸回来的高温合成气混合后，被其点燃，在炉膛3顶部燃烧形成熔渣。剩下60%?90%的气化剂经气化剂喷口 7高速沿炉高分层切向喷入炉膛3，在炉膛3内受到炉壁的限制，形成强烈旋转的气化剂气流。在这股强烈旋转气化剂气流的引射下，粉煤燃烧形成的熔渣、卷吸的高温合成气与气化剂气流一起在近壁面区旋转向下流动;受到强烈旋转产生的离心力的作用，约80 %的熔渣被甩在壁面上，形成一层均匀的较厚的液态渣层。剩余的约20 %的熔渣、卷吸的高温合成气及气化剂气流混合在一起继续在近壁面区旋转向下流动。渣层沿着壁面缓慢向下流动，强烈旋转的混合气流则不断冲刷壁面渣层，在此过程中，混合气流中的气化剂不断地与壁面渣层、混合气流中的熔渣发生强烈气化反应。反应后的壁面渣层沿壁面继续向下流动，进入渣池冷却后由排渣口排出。旋转向下的混合气流不断发生气化反应，到达气化炉底端时变为高温的合成气气流。由于混合气流在近炉壁区旋转流动，炉膛中心的压力相对较低，气化炉底端的合成气受到卷吸作用，在炉膛中心向上流动，形成稳定的高温中心回流区。高温中心回流区卷吸的高温合成气回流到气化炉顶端，点燃由粉煤烧嘴I喷入的粉煤气流，然后再次进入近壁区旋转向下运动。最终，生成的合成气从合成气通道5流出。
[0030]实施例
[0031]—台应用本发明的80000Nm3/h造气量的气化炉，对其进行单相模化试验:实验研究了螺旋粉煤管10中心线所在圆的直径与炉膛直径的比值为0.45和0.2两组工况，对比发现:当比值为0.45时，中心回流区较大，回流量较大，回流区稳定；当比值为0.2时，中心回流区较小，回流量少，回流区不稳定，沿炉体径向方向来回摆动，每分钟摆动次数高达15次以上。对上述两组工况进行数值模拟研究发现:当比值为0.45时，粉煤颗粒在炉内停留时间长，约为8秒，停留时间长有利于粉煤颗粒的充分反应，碳转化率高；当比值为0.2时，粉煤颗粒在炉内停留时间短，约为2秒，不利于粉煤颗粒的充分反应，碳转化率低。
【主权项】
1.一种气化剂强旋转粉煤气化炉，其特征在于:它包括粉煤烧嘴(I)、气化炉体(2)、水冷壁(4)、合成气通道管(5)和气化剂喷口(7)，气化炉体(2)是由半球体和圆柱体组成，水冷壁(4)安装在气化炉体(2)内，水冷壁(4)由多根竖直圆管并排设置组成，气化炉膛(3)是由水冷壁(4)围成的回转体，气化炉膛(3)的内径为D，渣池(6)位于气化炉体(2)的底部，合成气通道(5)插装在气化炉体(2)的下部，气化剂喷口(7)由上至下依次均布并排设置在气化炉体(2)上部的侧壁上，且每个气化剂喷口(7)沿气化炉膛(3)的切线方向插入气化炉膛(3)内，且每个气化剂喷口(7)的喷口中心线均水平设置，粉煤烧嘴(I)安装在气化炉体(2)的顶部，且粉煤烧嘴(I)的轴线与气化炉膛(3)的轴线重合，位于上方的气化剂喷口(7)至粉煤烧嘴(I)出口端的距离为L，L的取值为0.2D-0.45D。2.根据权利要求1所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉，其特征在于:粉煤烧嘴(I)内设有内设有旋流叶片(9)、第一粉煤通道(10)和第一气化剂通道(11)，第一粉煤通道(10)套设在第一气化剂通道(11)上，第一粉煤通道(10)外径的取值范围为0.3D-0.65D，第一气化剂通道(11)外径的取值范围为0.3D-0.65D。3.根据权利要求1所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉，其特征在于:粉煤烧嘴(I)内沿圆周均布设有多根螺旋粉煤管(20)，每根螺旋粉煤管均旋转缠绕粉煤烧嘴(I)中心的圆柱上，多根螺旋粉煤管(20)围成圆所在的外径为d，d的取值范围为0.3D-0.6?。4.根据权利要求3述一种气化剂强旋转粉煤气化炉，其特征在于:螺旋粉煤管(20)中设有两层通道，中心圆形通道为第二气化剂通道(18)，外层环形通道为第二粉煤通道(19)。5.—种利用权利要求1、2、3或4所述一种气化剂强旋转粉煤气化炉的气化方法，其特征在于:所述气化方法的具体步骤如下: 步骤一、设定气化炉膛(3)内部压力为0.1?4MPa，气化炉膛(3)的运行温度为1250?.1600 °C； 步骤二、温度为25?100 0C的干粉煤由氮气或二氧化碳气体携带以旋流方式经粉煤烧嘴(I)送入气化炉膛(3)内部；占总量10%?40%的温度为20?400°C的气化剂以旋流的方式经粉煤烧嘴(I)喷入气化炉膛(3)内部，气化剂与粉煤在炉顶区域同向旋转向下混合流动； 步骤三、粉煤与气化剂混合气流接触到中心回流区卷吸回来的高温合成气后，被其点燃，在气化炉膛(3)顶部燃烧形成熔渣； 步骤四、剩余占总量60%?90%的温度为20?400°C的气化剂通过所述气化剂喷口(7)以100?200m/s的速度沿炉高分层切向喷入气化炉膛(3)，高速的气化剂气流冲入炉膛后形成强烈旋转气流，在离心力的作用下，约80%的熔渣被甩在炉壁面形成较厚的渣层，渣层均匀，旋转气流不断冲刷炉膛壁面上的渣层，并与其发生强烈气化反应； 步骤五、气化生成的粗煤气通过所述合成气通道(5)流出气化炉膛(3)，生成的液态渣沿壁面流入渣池(6)，冷却后通过底部排渣口排出。
【文档编号】C10J3/76GK105950221SQ201610555061
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】陈智超, 方能, 李晓光, 刘波, 刘一波, 王浩鹏, 曾令艳, 李争起
【申请人】哈尔滨工业大学