专利名称：一种水煤浆旋风气流床气化炉及其气化方法
技术领域：
本发明涉及旋风气流床气化炉及其气化方法，特别涉及一种水煤浆旋风气流床气化炉，属于煤气化设备技术领域。
背景技术：
煤气化技术广泛应用于工业燃气、民用煤气生产、化工合成、燃料油合成原料气、冶金还原、联合循环发电、燃料电池、制氢等诸多领域，得到了普遍关注并取得了较大进展。煤气化工艺一般分为移动床(也称为固定床)、流化床和气流床三种。其中气流床气化技术因具有处理量大，碳转化率高、冷煤气效率高等优点已成为现代煤气化技术的主要发展方向。气流床煤气化的进料方式有两种水煤浆式和干煤粉式。水煤浆气化炉由于其工艺简单、煤种范围宽、单台出力大等技术优点而得到广泛关注。德士古(Texaco)水煤浆气 化炉是水煤浆气化技术的典型代表，如图I所示，气化炉主要由顶部喷嘴、炉顶、气化室、排气口和排渣口等组成。水煤浆经过气流破碎雾化后进入气化炉，与O2和水蒸气一起在气化炉中进行反应。水煤浆进入气化炉后经历了水分蒸发、热解挥发、半焦燃烧气化反应和气化还原反应等主要过程。生成的粗煤气经过冷却、除尘、脱硫后由排气口收集，液态灰渣经过冷却、破碎后由排渣口排出。从实际运行情况来看，水煤浆气流床气化技术目前还存在以下两个方面的主要问题。一方面，由于气化炉温度极高，喷嘴出口处O2和水煤浆发生氧化反应放热，造成水煤浆喷嘴使用寿命很短，平均每2-6个月就需更换。另一方面，目前的水煤浆气化炉内传热特性和流动特性不均匀，在负荷波动时易造成壁面上形成的渣膜出现问题，导致水煤浆气化炉的耐火材料或者水冷壁结构损坏而不得不定期更换。
发明内容
本发明的目的是提供一种水煤浆旋风气流床气化炉及其气化方法，在不降低气流床气化经济性的同时，解决现有水煤浆气化炉喷嘴使用寿命不长和液态渣膜不稳定的问题，提高煤气化过程的工作可靠性。本发明的技术方案如下—种水煤浆旋风气流床气化炉，包括气化室、位于气化室上部的炉顶、位于炉顶上部的顶部喷嘴、布置在气化室下部的排气口和底部排渣口，其特征在于所述的顶部喷嘴内设有旋流叶片，在气化室侧壁沿高度方向设有至少一层四角切圆O2喷嘴。本发明所述的炉顶采用半球形；所述的气化室采用圆柱形，所述的底部排渣口采用圆锥形。本发明还提供了一种水煤浆旋风气化方法，其特征在于该方法包括如下步骤I)水煤浆通过N2或CO2破碎雾化后通过顶部喷嘴内的旋流叶片进入炉顶，在炉顶区域形成旋转向下的水煤浆雾化气流；2)气化用O2通过气化室侧壁上的四角切圆O2喷嘴切向进入气化室，在离心力作用下，水煤浆雾化气流在近炉壁区呈螺旋线轨迹自上向下缓慢运动，煤颗粒在炉壁表面形成的液态渣膜上发生膜式气化；3)气化生成的粗煤气通过所述排气口排出气化室，生成的灰渣通过底部排渣口排出气化炉。本发明具有以下突出优点及效果①从顶部喷嘴喷射出的水煤浆雾化气流由于没有O2助燃不能燃烧放热，在喷嘴出口处射流温度较低，有效保护顶部喷嘴不被烧坏；喷嘴射流和氧气射流的混合位置和交叉射流结构可以通过流场优化确定，实现灵活度较大；②水煤浆雾化气流沿炉壁成螺旋线运动，受壁面液态渣粘滞力的影响，运动缓慢，大大延长了在炉内的停留时间，同时壁面处气流线速度最高，气固混合传热传质强烈，有利于提高煤气化的碳转化率；③煤气化后形成的液态渣将直接停留在壁面上，有效地保护炉壁不受高温酸性气体的热侵害和化学腐蚀侵害，提高了气化炉的工作安全性；④四角切圆O2喷嘴沿高度方向分一层或者多层布置，能够有效分散热负荷，形成均匀的炉内温度场，提高了气化炉工作可靠性。水煤浆旋风气流床气化炉能够有效解决当前水煤浆气化炉运行中暴露的问题，在维持气流床气化炉高效率的同时提高煤气化过程的可靠性。
图I为现有典型水煤浆气流床气化炉结构示意图。图2为本发明提出的一种水煤浆旋风气流床气化炉实施例的结构示意图。图3为顶部旋流喷嘴示意图。图4为球形炉顶内水煤浆雾化气流运动轨迹示意图。图5为侧壁四角切圆喷嘴结构和旋转射流示意图。图6为气化室内水煤浆气流运动轨迹示意图。图中标记1_顶部喷嘴；2_炉顶；3_气化室；4_排气口 ；5_底部排渣口 ；6_旋流叶片四角切圆O2喷嘴。
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的原理、结构及实施方式。如图2所示，本发明提供的一种水煤浆旋风气流床气化炉，包括气化室3、位于气化室上部的炉顶2、位于炉顶上部的顶部喷嘴I、布置在气化室下部的排气口 4和底部排渣口 5。所述的顶部喷嘴I内设有旋流叶片6，在气化室3侧壁沿高度方向设有至少一层四角切圆O2喷嘴7。本发明所述的炉顶采用半球形，气化室优选采用圆柱形，底部排渣口采用圆锥形。水煤浆通过N2或CO2 (取决于气化炉后续流程的要求)破碎雾化后通过顶部喷嘴I内的旋流叶片6进入炉顶2，水煤浆雾化气流和水蒸气在气化炉顶部形成向下的旋转射流，在炉顶区域形成旋转向下的水煤浆雾化气流(如图4所示)；顶部喷嘴I为一出口带旋流叶片6的旋流喷嘴(如图3所示)。在气化室3侧壁上沿高度方向安装有至少一层四角切圆O2喷嘴7，在气化室横截面上，四角切圆O2喷嘴沿圆周方向均布四只(如图5所示)；气化用O2通过气化室侧壁上的四角切圆O2喷嘴7切向进入气化室，四角切圆O2喷嘴中的射流与直径方向成一定角度进入气化室，喷嘴的射流延长线相交成内接圆，在气化室近壁区域形成一股强劲的旋转气流。这个旋转流场使水煤浆雾化气流发生偏斜并被卷吸到气化室壁面附近，在离心力作用下，水煤浆雾化气流在近炉壁区呈螺旋线轨迹自上向下缓慢运动，煤颗粒在炉壁表面形成的液态渣膜上发生膜式气化，如图6所示。气化炉热态运行时，会在筒壁上形成一层熔渣膜。当水煤浆气流进入旋风气化炉，粒径较大的水煤浆颗粒被从高速旋转的气流中分离出来，经过高温区蒸发、干燥和热解，在离心力的作用下被不断抛向筒壁的熔渣膜。随着渣层的流动和迅速加热，以及二次风旋流的高速冲刷，煤、纯氧和水蒸汽在高温条件下发生气化还原反应，产生合成气。最终气化生成的粗煤气通过所述排气口 4排出气化室，生成的灰渣通过底部排渣口 5排出气化炉。相对于传统气流床气化炉，本发明提出的一种水煤浆旋风气流床气化炉，由于采用了水煤浆通过顶部喷嘴旋流进料，纯氧通过气化室侧壁的四角切圆O2喷嘴切向进气的设计，避免了顶部喷嘴处水煤浆雾化气流与O2燃烧放热反应，有效解决了水煤浆气流床气化 炉喷嘴寿命不长的问题。利用高速旋转射流的离心力作用将水煤浆颗粒分离出来并不断抛向熔融的液态渣膜上，使得气化室壁面液态渣层稳定，有效保护了炉壁不受高温酸性气体的热侵害和化学腐蚀侵害。沿壁面成螺旋线运动的水煤浆气流在液态渣粘滞力的作用下运动缓慢，大大增加了在气化炉内停留时间，同时壁面气固传热传质强烈，提高了煤气化的碳转化率；四角切圆O2喷嘴沿气化室高度方向分多层布置，使得气化室内温度场均匀，提高气化炉工作稳定性。本发明提出的水煤浆旋风气流床气化炉在不降低气流床气化经济性的同时，解决现有水煤浆气化炉的问题，提高煤气化过程的工作可靠性。
权利要求
1.一种水煤浆旋风气流床气化炉，包括气化室(3)、位于气化室上部的炉顶(2)、位于炉顶上部的顶部喷嘴(I)、布置在气化室下部的排气口(4)和底部排渣口(5)，其特征在于所述的顶部喷嘴(I)内设有旋流叶片(6)，在气化室(3)侧壁沿高度方向设有至少一层四角切圆O2喷嘴(7)。
2.如权利要求I所述的一种水煤浆旋风气流床气化炉，其特征在于所述的炉顶(2)采用半球形。
3.如权利要求I所述的一种水煤浆旋风气流床气化炉，其特征在于所述的气化室(3)采用圆柱形，所述的底部排渣口(5)采用圆锥形。
4.一种采用如权利要求I所述气流床气化炉的水煤浆旋风气化方法，其特征在于该方法包括如下步骤 1)水煤浆通过N2或CO2破碎雾化后通过顶部喷嘴内的旋流叶片(6)进入炉顶，在炉顶区域形成旋转向下的水煤浆雾化气流； 2)气化用O2通过气化室侧壁上的四角切圆O2喷嘴(7)切向进入气化室，在离心力作用下，水煤浆雾化气流在近炉壁区呈螺旋线轨迹自上向下缓慢运动，煤颗粒在炉壁表面形成的液态渣膜上发生膜式气化； 3)气化生成的粗煤气通过所述排气口(4)排出气化室，生成的灰渣通过底部排渣口(5)排出气化炉。
全文摘要
一种水煤浆旋风气流床气化炉及其气化方法，属于煤气化设备技术领域。本发明包括顶部喷嘴、炉顶、气化室、排气口和底部排渣口；顶部喷嘴内设有旋流叶片，气化室侧壁布置有至少一层四角切圆O2喷嘴。水煤浆通过顶部喷嘴旋流进料，在炉顶区域形成旋转的水煤浆雾化气流；纯氧通过气化室侧壁四角切圆O2喷嘴进气，在近壁区形成切向高速旋转气流；在高速旋转气流的离心力作用下，水煤浆颗粒在炉壁表面形成的液态渣膜上发生膜式气化。本发明有效增加了气化炉喷嘴寿命；增加了水煤浆在炉内停留时间，提高煤气化碳转化率；形成的液态渣停留在壁面上，有效保护炉壁不受热侵害和化学腐蚀侵害；四角切圆O2喷嘴沿气化室高度方向多层布置，炉内温度场均匀。
文档编号C10J3/48GK102796567SQ20121030715
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者俞伟伟, 吕俊复, 杨海瑞, 张海, 刘青, 沈解忠, 李俊, 韦志平 申请人:清华大学, 无锡华光锅炉股份有限公司