一种流化床气化炉的制作方法

本实用新型涉及流化床气化炉领域，尤其涉及一种适用于低活性煤或生物质燃料气化的流化床气化炉。

背景技术：

现有流化床气化炉增强颗粒循环的装置主要分为以下三种：1)外部旋风分离器；2)多烧嘴或二次风旋流进气3)串联多级炉膛。

其中，通过外部旋风分离器来实现颗粒强制循环，进而增加煤粉或生物质在气化炉内的停留时间，提高气化效率。旋风分离器为静设备，其颗粒分离性能极大地依赖于操作气速、及颗粒性质、料腿设计等。一旦实际的操作气速偏离实际工况，旋风分离器的分离性能将很受影响，即旋风分离器的操作弹性较小，最终影响颗粒循环、及气化的效果。

有些流化床或气流床气化炉采用多烧嘴、或二次风旋流进气的方式，来增强颗粒内循环。烧嘴安装在气化炉中、下部，气化剂(氧气或空气)通过烧嘴喷射进入气化炉，通常二次旋流进气口安装在气化炉的底部。原则上这种强化颗粒内循环的方式将增加颗粒的停留时间，有利于提高碳转化率。对于此类气化炉，颗粒内循环效果跟烧嘴个数及安装位置关系极大，设计及安装位置不当会引起气流相互影响，反而不利于颗粒内循环。烧嘴安装在远离高温区的气化炉上部，其射流速度无助于提高颗粒内循环。通常气化剂总量受限于气化条件，烧嘴喷射气化剂产生的气体旋流流场完全依赖于喷射速度，只有烧嘴产生足够的射流速度，才能产生足够的颗粒内循环。而烧嘴安装在高温区，高速射流极易损伤烧嘴。烧嘴一旦损坏，气化炉内流场完全改变，颗粒内循环的效果将大幅降低，这样气化效率也随之降低。

而对于多级串联气化炉，则希望通过增加床层高度，来增加颗粒在气化炉内的停留时间，从而提高碳转化率。但实际气流速度很大，单纯增加床层高度增加的停留时间有限，另外增加高温区外的床层高度基本无助于提高气化效率和碳转化率。多级炉膛的气化炉造价也相当高。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型气化炉装置，提高气化炉的气固内循环性能，进而提高床料的碳转化率和气化效率。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型的气化炉装置，不改变原有气化炉的外部旋风分离器，也不增加或重新设计复杂的多烧嘴或二次旋流进气方式，仅改变流化床气化炉的密相区结构，使其颗粒内循环更加流场，颗粒在其中的停留时间得以增加，最终以进一步提高低活性煤的碳转化率和气化效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种流化床气化炉，包括进气口、炉膛和出气口和旋风分离器，由所述进气口与所述出气口限定了从所述进气口到所述出气口方向的气流通道，所述气流通道经过所述炉膛且所述炉膛具有至少一个截面尺寸减小的缩口段。

需要说明的是，由于本实用新型的一些较优实施例中，进气口不限于一个或几个同轴设置的进气口，因此，虽然由多个进气口所形成的气流通道较为复杂，但依旧可以根据进气口位置判断其大致的气流方向，只要炉膛在该气流方向上设置有缩口，均应理解为符合“所述气流通道经过所述炉膛且所述炉膛具有至少一个截面尺寸减小的缩口段”的描述。

进一步地，还包括旋风分离器，所述旋风分离器设置于所述炉膛外部，并与所述炉膛通过管道贯通连接。在本实用新型的另一些优选实施例中，可对传统的安装有外部分离器的流化床气化炉进行改进，仅仅改变流化床气化炉的密相区结构，使密相区上部出口缩口，即可完成改装。改装后的缩口设计可与外部的旋风分离器配合使用，产生强化气固内循环的协同效应。

进一步地，包括多个所述进气口，至少一部分所述进气口为进气喷嘴，其分立地设置于气化炉炉底。在本实用新型的一个优选实施例中，气化炉采用设置于炉底的双喷嘴进气。

更进一步地，还包括多根进气管，多个所述进气口与所述进气管贯通连接，多根所述进气管与由所述气流通道限定的气流方向呈一定角度倾斜安装。在本实用新型的一个较优实施例中，该进气管总体呈顺时针或逆时针方向倾斜安装，以使得从进气管喷出的气体可以产生更强的旋流。此外，需要说明的是，此处“由所述气流通道限定的气流方向”为气流通道整体的气流方向，即由进气口的整体中心位置向出气口整体位置的方向，而非某一具体位置在某一时刻的局部气流方向。

更进一步地，还包括排渣口，所述排渣口为环状管道且与所述进气口同轴设置。

优选地，所述排渣口内通有气化剂。

进一步地，所述缩口段的截面尺寸由所述缩口段处的操作气速限定，所述截面尺寸能够使所述缩口段处的操作气速为密相床层操作气速的105％～200％。进一步优选为110％～150％。

进一步地，还包括分布板，所述分布板同所述气化炉炉膛固定连接，板面设置有若干通孔，从而将所述气化炉炉膛分隔为互相贯通的第一空间和相比于所述第一空间更加靠近炉底的第二空间，所述进气口包括第一进气口和第二进气口，所述第一进气口设置于气化炉炉底，所述第二进气口与所述第二空间贯通连接。

上述流化床气化炉的一种使用方法，该方法采用一定范围内的密相床层的操作气速使装置，密相床层操作气速为床层物料平均粒径的起始流化速度的2～8倍。优选为3～6倍。对于循环流化床类型的气化炉，颗粒主要通过外部的旋风分离器实现循环，因此密相床层的操作气速优选为上限约6倍的起始流化速度；对于鼓泡流化床气化炉，密相床层的操作气速优选为下限约3～4倍的起始流化速度。

本实用新型进一步提供了上述流化床气化炉的一种使用方法，所述流化床气化炉采用生物质床料进行气化。

技术效果

1.密相区顶部缩口设计，与气体喷嘴或分布板及中心管喷射气体协同作用，形成一个强化气固内循环的涡流区。煤粉或生物质颗粒被涡流带至密相床层炉壁，并由喷射气体夹带至气化炉密相中心高温区顶部，煤粉或生物质颗粒在此过程中经历一系列气化反应，颗粒在高温区的停留时间、以及气化效率和碳转化率也随之增加。

2.通过密相区缩口设计来产生强化气固内循环的涡流与进气喷嘴密切相关，但鉴于进气喷嘴安装在气化炉底部高温区容易烧蚀、磨损的问题，本实用新型提出了另一种强化气固内循环的实施方式，即密相区缩口设计匹配分布板和中心管气体进气来形成涡流，并能协同强化分布板和中心管气体喷射所期望的循环涡流。

3.相比较气化炉外配旋风分离器所产生的颗粒外循环，密相区缩口设计并匹配进气喷射产生的颗粒内循环有更大的操作弹性。旋风分离器属于静设备，一旦操作气速偏离原始设计气速，其颗粒分离性能将大幅降低，并且煤粉或生物质颗粒有可能通过与旋风分离器的碰撞而磨损成为细颗粒，而逃逸的煤粉或生物质颗粒不能返回气化炉，造成碳转化率降低。而密相区缩口设计匹配气体喷射产生充分的涡流，以带动颗粒在密相区炉壁和中心高温区之间循环，其涡流强度及内循环的效果尽管仍与操作气速有很大关系，但进气喷嘴布置或分布板及中心管协同进气可部分抵消操作气速的影响，这是涡流产生颗粒内循环的优势之一。颗粒随涡流内循环也会碰撞磨损产生细颗粒，但这些细颗粒在密相高温区，这恰恰有利于气化反应。颗粒内循环不是取代旋风分离器产生的外循环，本实用新型可与外部的旋风分离器配合使用。

4.排渣口内通入少量气化剂，可以保持环状管道内一定的流化状态，同时可选择性地排出炉腔内下沉的大颗粒。

5.利用顺时针或逆时针倾斜安装的进气管，使得从进气管中喷射出来的气体可以产生更强的旋流。

6.根据缩口处的操作气速选择合适的缩口尺寸，避免烟囱效应将过多细颗粒拔向外部旋风。

7.生物质的活性相对较高，容易气化，当本实用新型的流化床气化炉采用生物质床料时，可大幅降低外置旋风分离器的工作负荷，提高设备整体的运转效率和使用寿命。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的一个较优实施例中气化炉密相区的结构及气流回路示意图；

图2是图1实施例中气化炉密相区结构示意图的仰视图；

图3是图1实施例中进气喷嘴的布置示意图；

图4是本实用新型的另一个较优实施例中气化炉密相区的结构及气流回路示意图。

附图标记：1-进气口，2-出气口，3-气流通道，4-缩口，5-床料进料口，6-返料进料口，7-高温区，8-排渣口，9-进气管，10-中心管，11-分布板，12-炉膛，13-第一进气口，14-第二进气口，15-涡流区，16-炉壁。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

本实施例提供了一种密相床顶部缩口设计与进气多喷嘴配合使用的流化床气化炉，其装置结构和气流回路如图1所示。该装置的进气口1均设置于气化炉炉底，顶部为气化炉出气口2，因此该装置的整体气流方向沿自下而上方向，即由进气口1的整体布局与出气口2的位置，限定了一条自下而上的气流通道3。

具体地，该气化炉底部采用双喷嘴进气口1进气，气化剂(氧气、空气或蒸汽等)通过双喷嘴喷射入密相床层，形成两股向上的旋转气流，并与密相床层顶部的缩口4形成一个局部的涡流区。由于离心力的作用涡流夹带颗粒流向炉壁，并因重力和惯性作用夹带煤粉或生物质(床料进料口5)、以及旋风分离器返料(返料进料口6)至气化炉底，在此固体物料被高速喷射的气流夹带至气化炉中心高温区7。旋风分离器通过返料口6与炉膛12贯通连接，图中省略未示出。涡流强化了颗粒内循环，增加了颗粒在高温区7的停留时间。这尤其有利于提高低活性煤的气化效率和碳转化率。对于高挥发的生物质或高活性的煤，涡流强化颗粒内循环也同样有利提高气化效率。

炉底的装置结构如图2所示，每个进气口1外围均设置有排渣口8，该排渣口8为与进气口1同轴设置的环状管道，管道内部可以通入少量气化剂，以保持环隙管道内一定的流化状态，同时可选择性地排出炉膛12内下沉的大颗粒。

在本实施例中，为了增强喷射后气体涡流，进气口1的具体结构如图3所示。该进气喷嘴设计为具有多个小孔的圆板件，每个小孔均与进气管9固定连接。以自上而下的角度观察，多根进气管9总体呈顺时针倾斜安装，以引导气体喷出时的位置和方向，采用此种设计能够使气体从进气管喷出时汇合产生更强的旋流。

本实施例中还提供了该流化床气化炉的一种优选的使用方法，即将密相床层的操作气速限定在某一数值范围内，以提高其颗粒分离性能。密相区缩口4设计匹配气体喷射产生充分的涡流，以带动颗粒在密相区炉壁和中心高温区7之间循环，其涡流强度及内循环的效果尽管仍与操作气速有很大关系，但进气喷嘴布置可部分抵消操作气速的影响。通常来说，在使用过程中密相床层的操作气速为床层物料平均粒径的起始流化速度的2～8倍，优选为3～6倍。对于循环流化床类型的气化炉，颗粒主要通过外部的旋风分离器实现循环，因此密相床层的操作气速取上限约6倍起始流化速度。对于鼓泡流化床气化炉，密相床层的操作气速取下限约3～4倍起始流化速度。

同时，密相区顶部缩口设计取决于缩口4处的操作气速，并且要兼顾密相床层的操作气速。缩口4处操作气速过高，会形成烟囱效应，将过多细颗粒拔向外部旋风。在缩口4处下沿空间，固体颗粒自然离析，部分细颗粒被上升气流夹带至流化床上部稀相区直至炉外旋风。而大颗粒及部分细颗粒则被涡流夹带至炉壁、下沉，并被喷射气流夹带至密相顶部，形成内循环。因此，密相床顶部缩口4处操作气速取为密相床层操作气速的105％～200％，优选为110％～150％，本实施例中采用120％的缩口4处操作气速，相应地，缩口4处直径约为最大截面处的85％。

生物质的活性相对较高，容易气化，因此本实施例中的气化炉可优先用于生物质气化，此时可大幅降低外置旋风分离器的工作负荷。

实施例二

本实施例提供了一种密相区缩口设计与中心管10及分布板11进气联合使用的强化气固内循环的流化床气化炉。

鉴于进气喷嘴安装在气化炉底部高温区7容易烧蚀、磨损的问题，本实施例所提供的气化炉中采用分布板11和中心管10气体进气来形成涡流，并能通过协同强化分布板11和中心管10气体喷射所期望的循环涡流。如图4所示，分布板11将气化炉的炉膛12分隔成了炉膛12上部的第一空间和炉膛12底部第二空间，其中，第二空间通过位于炉壁的第二进气口14进气，并利用分散在分布板11上的通孔向密相床层供气；而底部的中心管10，即第一进气口13，则直接与炉膛12贯通连接，向其供气。该设计使得床料可直接置于分布板11上，利用分布板11向床料均匀供气，同时解决了气化炉进气喷嘴离高温区7太近，容易烧蚀、磨损的问题。第一进气口13的外围与第一进气口13同轴设置有排渣口8，该排渣口8为与进气喷嘴同轴设置的环状管道，管道内部可以通入少量气化剂，以保持环隙管道内一定的流化状态，同时可选择性地排出炉膛12内下沉的大颗粒。

炉膛12的进气位置分别为分布板11与底部的中心管10，出口位置位于气化炉顶部。由于分布板1的进气方向在水平方向互相抵消，因此总体的气流通路沿自下而上方向，流经气化炉的炉膛12，并在气化炉中心位置附近形成密相高温区7；由于顶部缩口的存在，在边缘及炉壁位置则形成密相涡流区。因此，中心管10、分布板11、顶部缩口互相配合，可实现协同供气：中心管10喷射气体在气化炉密相床层主导形成中心涡流区，而由分布板11进入气化炉的气体则确保颗粒流化并辅助形成全密相空间的涡流，密相床顶部的缩口进一步促进形成更强的涡流。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。