干煤粉气化炉及干煤粉分级加氧气化方法与流程

本发明涉及干煤气化领域，具体地，涉及一种干煤粉气化炉及干煤粉分级加氧气化方法。

背景技术：

众所周知中国是个煤炭大国，以煤为原料的生产装置甚多。但优质煤资源的减少和原料成本的考虑，不少企业需以“三高”煤这样的劣质煤代替优质煤进行气化生产。

现如今以煤为原料生产化工产品首先是将原料煤进行气化，目前国内外已工业化的煤气化技术主要是固定床、流化床及气流床技术。固定床技术因对煤质的要求高、消耗高、环保差等劣势将陆续退出市场，流化床技术因其技术的局限性始终没有大规模工业化，只有气流床技术不断改进，已成为煤气化的主流技术，而煤气化装置的规模大型化更将气流床技术推向主导地位。

大部分气流床气化对煤种的适应性强，且气化温度高、气化强度大、气化指标好。现已成熟的干粉煤气流床气化技术，中国外的专利主要以壳牌的干煤粉加压气化、gsp干煤粉加压气化为代表，国内的专利主要以航天炉干煤粉加压气化、宁煤炉干煤粉加压气化技术为代表。

对于干粉煤气化来讲，其气化炉结构主要包括烧嘴、燃烧室及气化炉受压壳体。烧嘴的配置为气化炉的核心设置，烧嘴的数量、形式及安装方式影响了燃烧室内的流场，而流场的分布不仅对气化炉的气化强度影响较大，对于气化炉能够安全稳定的运行更为关键。

对于灰分低、灰熔点低的优质煤种，因其灰渣的粘温特性对气化操作温度极其敏感，即挂渣相对困难，因此为确保气化炉稳定运行、炉壁面能够形成稳定的渣层，都会采取降低气化操作温度的方法，但降低气化操作温度会使得气流床气化的强度降低，没有发挥出其应有的生产强度。

对于优质煤种，在气化操作时可以根据原料煤的进行操作条件微调，这样虽然气化操作能够相对可控，但随着该类煤的价格上涨，好多企业面临生产成本大幅度提高的局面，因此不得不考虑优质煤种与较差煤种的配煤等方式。但对于气化炉来讲，如何能够配煤到合适的气化原料煤是一道相对困难的问题，需要长时间的摸索。

对于“三高”劣质煤种，由于灰量大，需保证气化炉形成可靠渣层，以降低后续水处理系统的负荷。对于高灰熔点的煤种，往往需提高气化炉的操作温度，此时很容易出现燃烧室内局部区域超温的现象。此外，高灰分对于碳的反应也起了很大的阻碍作用。因此，在燃烧室内有限的空间内气化强度得不到提高。另一方面，为了降低煤的灰熔点，需在煤中加入石灰石等助熔剂，助熔剂的加入也相应阻碍了燃烧室有效空间内的煤气化强度。

“三高”劣质煤与气化剂(氧气)采用一次投入的方式，在空间有限的气化炉燃烧室内的温度和气流状态分布不尽合理，部分分流或旋流导致局域区域温度低、碳转化率低，例如气化炉靠近炉顶的“回流区”及下部“管流区”等因流体速度的原因，原料煤与气化剂(氧气)的传热和传热尚不完全，因此出现了碳转化率低或炉内温度不均匀的现象。

因此有必要研发一种能够均衡炉内温度提高碳转化率的干煤粉气化炉及干煤粉分级加氧气化方法。

技术实现要素：

本发明提出了一种干煤粉气化炉及干煤粉分级加氧气化方法，干煤粉气化炉能够均衡炉内温度，同时提高碳转化率。

为了实现上述目的，本发明提出了一种干煤粉气化炉，包括：

承压壳体，构成所述干煤粉气化炉的炉体；

气化燃烧室，所述气化燃烧室设置于所述承压壳体内，位于所述承压壳体上部，所述气化燃烧室的顶部和/或两侧设置有至少一个粉煤主烧嘴及至少一个辅助补氧烧嘴，所述粉煤主烧嘴及所述辅助补氧烧嘴一端伸入所述气化燃烧室，另一端穿出所述承压壳体，所述气化燃烧室通过下降管连通于激冷室；

激冷室，所述激冷室设置于所述承压壳体内，位于所述承压壳体下部；

排渣室，所述排渣室设置于所述激冷室下部，连通于所述激冷室，所述激冷室内的渣水能够通过所述排渣室排出。

优选地，所述辅助补氧烧嘴与承压壳体形成的安装角度为45°-135°。

优选地，所述辅助补氧烧嘴为单通道辅助补氧烧嘴或多通道辅助补氧烧嘴。

优选地，所述气化燃烧室的顶部设置有1-4个所述粉煤主烧嘴或所述气化燃烧室的两侧对称设置有2-4个所述粉煤主烧嘴，距所述气化燃烧室底部五分之一至三分之一处对称设置有2-4个所述辅助补氧烧嘴。

优选地，所述辅助补氧烧嘴的外壁上设置有水冷装置，所述水冷装置为冷却水盘管或冷却水夹套。

优选地，所述激冷室包括黑水排出口，所述黑水排出口设置于所述激冷室底部一侧。

优选地，所述排渣室包括：破渣器、补水口及渣水出口，所述破渣器设置于所述排渣室顶部，所述补水口设置于所述排渣室一侧，所述渣水出口设置于所述排渣室底部。

优选地，所述下降管底部为锯齿型，所述下降管底部侧面设置有旋流分布器。

根据本发明的另一方面提供了一种干煤粉分级加氧气化方法，包括通过上述任意一项所述的干煤粉气化炉进行干煤粉气化，其中，通过辅助补氧烧嘴喷入氧气或氧气与蒸汽的混合介质。

优选地，通过所述辅助补氧烧嘴喷入的氧气量为煤粉燃烧耗氧总量的5-10％。

本发明的有益效果在于：通过在气化燃烧室的顶部和/或两侧设置有至少一个粉煤主烧嘴及至少一个辅助补氧烧嘴调节气化炉内氧气的分布进而调整炉内的流体分布、优化反应条件，辅助补氧可设置在气化燃烧室内的上部回流区或下部管流区，结合粉煤主烧嘴流场，通过辅助补氧来调整“盲区”的气体流动，强化在此区域内原料煤和气化剂(氧气)的传质与传热，使原本低能低效区转变成为高能高效区，在有效的气化炉燃烧室空间内实现最大的受热能力。

本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。

图1示出了根据本发明的一个实施例的干煤粉气化炉示意图。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的干煤粉气化炉示意图。

图3示出了根据本发明的再一个实施例的干煤粉气化炉示意图。

附图标记说明：

1、粉煤主烧嘴；2、水冷壁；3、承压外壳；4、气化燃烧室；5、辅助补氧烧嘴；6、渣口；7、激冷水加入点；8、粗煤气出口；9、下降管；10、破泡器；11、激冷室；12、黑水排出口；13、破渣器；14、补水口；15、渣水出口。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

实施方式1

根据本发明的一方面提供了一种干煤粉气化炉，包括：

承压壳体，构成干煤粉气化炉的炉体；

气化燃烧室，气化燃烧室设置于承压壳体内，位于承压壳体上部，气化燃烧室的顶部和/或两侧设置有至少一个粉煤主烧嘴及至少一个辅助补氧烧嘴，粉煤主烧嘴及辅助补氧烧嘴一端伸入气化燃烧室，另一端穿出承压壳体，气化燃烧室通过下降管连通于激冷室；

激冷室，激冷室设置于承压壳体内，位于承压壳体下部；

排渣室，排渣室设置于激冷室下部，连通于激冷室，激冷室内的渣水能够通过排渣室排出。

通过在气化燃烧室的顶部和/或两侧设置有至少一个粉煤主烧嘴及至少一个辅助补氧烧嘴调节气化炉内氧气的分布进而调整炉内的流体分布，优化反应条件，辅助补氧可设置在气化燃烧室内的上部回流区或下部管流区，结合粉煤主烧嘴流场，通过辅助补氧来调整“盲区”的气体流动，强化在此区域内原料煤和气化剂(氧气)的传质与传热，使原本低能低效区转变成为高能高效区，在有效的气化炉燃烧室空间内实现最大的受热能力。

具体地，辅助补氧烧嘴工作介质可以为氧气或氧气与蒸汽的混合气，辅助补氧烧嘴的氧气用量为为煤粉燃烧耗氧总用量的5％～10％(以体积百分数计)。

具体地，粉煤主烧嘴与辅助氧气烧嘴可同时运行，亦可间歇运行。

更优选地，辅助补氧烧嘴端部的结构可为圆形或扁型，亦可为不规则型，根据不同气化炉内流场形式可进行调整设计。

本发明适用于多种类煤种，特别是针对“三高”劣质煤进行了优化设计。通过增加辅助补氧烧嘴，通过主、辅烧嘴联合调节，优化气化炉内的流场。

更优选地，气化燃烧室壁可为耐火材料构成的内壁或水冷壁或耐火材料与水冷壁构成的复合型炉壁。水冷壁可采用蛇形盘管、竖管或其它能够达到能却保护效果的结构形式，在其炉壁增加碳化硅涂层，配合相应的耐火材料，用来增强气化燃烧室的抗高温的能力，同时确保熔渣挂渣的可靠性，减少因为高温对气化炉寿命的影响。其内部冷却水选择为温度较高的除氧水，高温除氧水有助于水冷壁及气化炉的使用寿命，增强气化的热量回收。

作为优选方案，辅助补氧烧嘴与承压壳体形成的安装角度为45°-135°。

具体地，辅助补氧烧嘴安装方式及安装角可在垂直于轴向45°-135°调整，根据气化炉燃烧室的受热面积及粉煤烧嘴的设计进行合理设计。

作为优选方案，辅助补氧烧嘴为单通道辅助补氧烧嘴或多通道辅助补氧烧嘴。辅助补氧烧嘴为具有单个通道结构的单通道辅助补氧烧嘴或多个通道结构的，多通道辅助补氧烧嘴，其烧嘴头部伸入气化燃烧室内部。

作为优选方案，气化燃烧室的顶部设置有1-4个粉煤主烧嘴或气化燃烧室的两侧对称设置有2-4个粉煤主烧嘴，距气化燃烧室底部五分之一至三分之一处对称设置有2-4个辅助补氧烧嘴。

更优选地，在气化炉燃烧室高径比相对合理的前提下，其辅助补氧烧嘴可安装在气化燃烧室底部四分之一处。

作为优选方案，其中，辅助补氧烧嘴的外壁上设置有水冷装置，水冷装置为冷却水盘管或冷却水夹套。

具体地，辅助补氧烧嘴设置有独立的水冷装置确保辅助补氧烧嘴的长周期使用。

作为优选方案，激冷室包括黑水排出口，黑水排出口设置于激冷室底部一侧。

作为优选方案，排渣室包括：破渣器、补水口及渣水出口，破渣器设置于排渣室顶部，补水口设置于排渣室一侧，渣水出口设置于排渣室底部。

具体地，灰渣通过水浴后则落入气化炉底部，破渣器，用来将结块的渣子进行初步破碎，以减轻破渣机的工作负荷。

作为优选方案，下降管底部为锯齿型，下降管底部侧面设置有旋流分布器。

更优选地，在下降管底部设置有密集的锯齿形结构，用于破碎气泡等功能。下降管下部的侧面可以设置有旋流分布器，分布器数量优选3组，分布器与下降管呈30°～45°安装，更优选为30°。

具体地，经过气化燃烧室反应后的经下降管送至激冷室。在气化燃烧室与下降管的接触处设置了激冷水起到冷却降温保护的作用，下降管外壁则设置了冷却盘管(冷却盘管保护下降管的长度可为50～2000mm)，也起到了保护的作用，下降管底部伸入至激冷室水浴下，对于气化燃烧室产生的灰渣气则通过水浴降温冷却与除尘。

具体地，下降管表面设置有涂层确保耐高温及腐蚀，其下部设置有分布器，有利于下降管中的灰渣等物质的分布，同时下降管端采用锯齿或不规则结构伸入水浴下，对于粗煤气能够均匀的产生气泡。

更优选地，所述炉体还包括破泡器，激冷室内部填充有激冷液，破泡器设置在激冷液表面，通过托板支撑破泡器，其结构可为多样，优选锯齿形结构。粗煤气经过水浴后通过破泡器达到设置在激冷室中上部的粗煤气出口导出。

更优选地，在粗煤气出口的出口处设置了折流板(亦可为多板拼合而成的流通通道)等结构，目的在于使得粗煤气在送出去前能够进一步降低其含尘量，减轻去渣水处理单元的工作负荷。

实施例1：

如图1所示，该实施例1为采用顶部单个粉煤主烧嘴1形式的干煤粉气化炉，干煤粉气化炉主要由气化燃烧室4、激冷室11与承压外壳3组成。顶部设置有1台粉煤主烧嘴1，其粉煤主烧嘴1头部穿过气化炉顶部大盖的耐火层，插入气化燃烧室4。

气化燃烧室4顶部及侧面的水冷壁2采用蛇形盘管，用来增强气化燃烧室4的抗高温的能力，同时确保熔渣挂渣的可靠性，减少因为高温对气化炉寿命的影响。其内部冷却水选择为温度较高的除氧水，高温除氧水有助于水冷壁及气化炉的使用寿命，增强气化的热量回收。

粉煤主烧嘴1采用多流道形式，设置为输送煤粉、氧气蒸汽混合气、开工用燃料气等独立通道模式，同时对相应的流动介质设置独立的冷却水，增加粉煤主烧嘴1的使用寿命。

在气化燃烧室4下部对称设置辅助补氧烧嘴5，辅助补氧烧嘴5数量为两个，该辅助补氧烧嘴5的安装位置相对气化燃烧室4来讲位于其下缘部分管流区域，安装角度为垂直于气化燃烧室的炉壁。在此区域设置辅助氧气烧嘴5不但能够实现氧气的分级加入，同时能够加强在该区域对“三高煤”的再次燃烧继而实现传质与传热，使得该区域能够变成高效率的反应区，在不改变气化炉燃烧室4结构的条件下提高了气化燃烧室4的容积利用率，对于减小气化炉外形尺寸、增加气化强度极为有利。

该辅助补氧烧嘴5主要输送介质可为氧气，亦可为氧气与蒸汽的混合气，输入量则为单台气化炉用氧量的5％(以体积百分数计)。

辅助氧气烧嘴5与粉煤主烧嘴1同时运行，其喷口内部为圆形。

经过气化燃烧室4反应后的灰渣气经渣口6、在渣口6处设置激冷水加入点7输入激冷水为灰渣气进行冷却降温起到保护作用，灰渣气经下降管9送至激冷室11。在渣口处设置了激冷液，激冷液为水起到冷却降温保护的作用，下降管9外壁则设置了冷却盘管，也起到了保护的作用，其下降管9底部伸入至激冷室11水浴下，对于气化燃烧室4产生的灰渣气则需要通过水浴降温冷却与除尘。激冷室包括黑水排出口12，黑水排出口12设置于激冷室11底部一侧用来排出激冷液。

下降管9设计有涂层确保耐高温及腐蚀，其下部设置有分布器(未示出)，有利于下降管中的灰渣等物质的分布，同时下降管9端采用锯齿结构伸入水浴下，对于粗煤气能够均匀的产生气泡。

灰渣通过水浴后则落入气化炉底部，在炉下部排渣室内设置有破渣器13，用来将结块的渣子进行初步破碎，以减轻破渣机的工作负荷，排渣室底部设置有补水口14，补水口为干煤粉气化炉补水，排渣室底部设置有渣水出口15，灰渣通过渣水出口15排出。

下降管9经过水浴后的粗煤气则布满整个激冷室11，经过破泡器10及粗煤气出口8将粗煤气送出，在激冷室11的粗煤气出口8处设置了折流板(未示出)结构，目的在于使得粗煤气在送出去前能够进一步降低其含尘量，减轻去渣水处理单元的工作负荷。

利用上述装置进行干煤粉气化时，通过辅助补氧烧嘴喷入氧气或氧气与蒸汽的混合介质，其中，通过辅助补氧烧嘴喷入的氧气量为煤粉燃烧耗氧总量的5-10％。

实施例2

如图2所示，实施例2为在气化燃烧室顶部设置三个粉煤主烧嘴1辅助补氧烧嘴5数量为两个，该辅助补氧烧嘴5的安装位置相对气化燃烧室4来讲位于其下缘部分管流区域，安装角度为垂直于气化燃烧室的炉壁。当气化炉投煤量相对不大时，即每台粉煤主烧嘴1的运行负荷不大时，辅助补氧烧嘴5可开亦可不开，但对于投煤量较大的气化炉且以“三高煤”为主要原料时，为配合顶部粉煤烧嘴1的燃烧、保证气化炉的气化强度，此时的三个辅助补氧烧嘴5需同步运行，氧气或氧气蒸汽混合气的流量为总氧气量的10％(以体积百分数计)。

实施例3

如图3所示，实施例3为采用侧置四个粉煤主烧嘴1形式的干煤气炉，在气化燃烧室4下部对称设置辅助补氧烧嘴5，辅助补氧烧嘴5数量为两个，该辅助补氧烧嘴5的安装位置相对气化燃烧室4来讲位于其下缘部分管流区域，安装角度为垂直于气化燃烧室的炉壁。在此区域设置辅助氧气烧嘴5不但能够实现氧气的分级加入，同时能够加强在该区域对“三高煤”的再次燃烧继而实现传质与传热，使得该区域能够变成高效率的反应区，在不改变气化炉燃烧室4结构的条件下提高了气化燃烧室4的容积利用率，对于减小气化炉外形尺寸、增加气化强度极为有利。该辅助补氧烧嘴5主要输送介质可为氧气，输入量则为单台气化炉用氧量的10％(以体积百分数计)。辅助氧气烧嘴5与粉煤主烧嘴1同时运行，其喷口内部为圆形。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。