一种双切圆两段式干煤粉加压气化炉的制作方法

本实用新型属于煤气化技术领域，具体涉及一种双切圆两段式干煤粉加压气化炉。

背景技术：

煤气化技术是煤炭清洁高效利用的核心技术之一，已工业化的煤气化技术主要包括固定床气化、流化床气化和气流床气化这三类。气流床煤气化技术具有气化参数高、气化容量大、性能指标高、环保性能好、煤种适应性广等特点，代表了大型煤气化技术的发展方向。两段式干煤粉加压气化技术是气流床气化技术的代表性技术之一，已成功应用于整体煤气化联合循环(IGCC)发电系统和煤化工项目。

现有技术中，气化炉内的撞击流场存在短路气流，炉膛中的碳颗粒反应不充分，容易造成一定的碳损失，从而降低了气化炉的碳转化率。在气化炉高负荷运行时，气化炉的捕渣率约40％，飞灰残碳超过10％，在气化用煤的活性较低时，飞灰残碳会进一步增加。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本实用新型提供了一种双切圆两段式干煤粉加压气化炉，其目的是使得气化炉内的流场均匀，提高气化炉的捕渣率和碳转化率。

为解决上述技术，本实用新型通过以下方案予以解决：

一种双切圆两段式干煤粉加压气化炉，包括由水冷壁围成的第一段反应室和第二段反应室，所述第一段反应室的底部设置有排渣口，所述第二段反应室上部设置有煤气出口，所述第一段反应室的顶部与第二段反应室的底部连通；

所述第一段反应室的壁面上均匀布置有若干第一段烧嘴，所述第一段烧嘴与第一段反应室连通，在第一段反应室的中心对应有一个第一假想圆，每个第一段烧嘴的中心线与所述第一假想圆相切，且从第一段烧嘴喷射出的气流所形成的第一假想圆是沿同一方向旋转的；

所述第二段反应室的壁面上均匀布置有若干第二段烧嘴，所述第二段烧嘴与第二段反应室连通，在第二段反应室的中心对应有一个第二假想圆，每个第二段烧嘴的中心线与所述第二假想圆相切，且从第二段烧嘴喷射出的气流所形成的第二假想圆的旋转方向与第一假想圆的旋转方向相反。

进一步地，将两个中心线相互平行的第一段烧嘴的出口端面中心连接形成第一中心连接线，所述第一中心连接线经过第一假想圆的圆心，第一段烧嘴的中心线与第一中心连接线所形成的夹角α1为4°～8°；将两个中心线相互平行的第二段烧嘴的出口端面中心连接形成第二中心连接线，所述第二中心连接线经过第二假想圆的圆心，第二段烧嘴的中心线与第二中心连接线所形成的夹角α1为4°～10°。

进一步地，所述第一段反应室和第二段反应室之间通过喉口连通，所述喉口的直径小于反应室的直径。

进一步地，所述若干第一段烧嘴在同一高度面上，且第一段烧嘴设置在第一段反应室的中下段；所述若干第二段烧嘴在同一高度面上，且第二段烧嘴到喉口顶部的距离1000～1500mm；所述喉口的直径等于反应室直径的一半。

进一步地，所述水冷壁设置在气化炉壳体内，所述水冷壁与气化炉壳体之间形成气化炉环形空间。

进一步地，所述第一段烧嘴有四个，所述第二段烧嘴有两个。

进一步地，所述煤气出口开设在第二段反应室的侧壁上，煤气出口的位置接近第二段反应室的顶部。

进一步地，所述第一段烧嘴的出口周围设置有第一段烧嘴罩，所述第二段烧嘴的出口周围设置有第二段烧嘴罩。

一种双切圆两段式干煤粉加压气化炉的气化方法为，从每个第一段烧嘴向第一段反应室内投入煤粉与气化剂，煤粉与气化剂在第一段反应室内形成逆时针或顺时针的旋流，煤粉与气化剂反应生成的高温煤气旋流上升通过喉口进入第二段反应室；

从每个第二段烧嘴向第二段反应室内投入煤粉与气化剂，煤粉与气化剂在第二段反应室内形成旋流，且第二段反应室内的旋流与第一段反应室内的旋流的旋转方向相反，第二段反应室内的旋流与经喉口进入的高温煤气混合并发生反应，反应后的高温煤气上行至煤气出口。

进一步地，所述气化剂为氧气或氧气和蒸汽的混合气。

进一步地，向第二段反应室内投入的煤粉量为气化炉总投入煤粉量的5％～15％，第一段反应室内投入的氧煤比为0.8～0.95kg/kg，第二段反应室内投入的氧煤比为0.2～0.4kg/kg。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型的第一段反应室的壁面上均匀布置有若干第一段烧嘴，第一段烧嘴与第一段反应室连通，在第一段反应室的中心对应有一个第一假想圆，每个第一段烧嘴的中心线与所述第一假想圆相切，且从第一段烧嘴喷射出的气流所形成的第一假想圆是沿同一方向旋转的。因此，煤粉与气化剂经若干个第一段烧嘴进入气化炉的第一段反应室内，若干股射流形成切圆旋流流场，流场的炉膛充满度好，气固两相混合均匀，能够改善撞击流场的短路气流，同时，煤粉和反应生成的高温熔融态灰渣在旋流流场离心力作用下更多地向炉膛壁面运动，增加了煤粉和高温熔融态灰渣的停留时间，进而延长煤粉在第一段反应室内的反应时间，随着气化炉的运行，气化炉炉膛水冷壁壁面上会形成高温液态渣层，因此可以更多地捕集煤粉和高温灰渣，有利于提高捕渣率。在第二段反应室的壁面上均匀布置有若干第二段烧嘴，第二段烧嘴与第二段反应室连通，在第二段反应室的中心对应有一个第二假想圆，每个第二段烧嘴的中心线与第二假想圆相切，且从第二段烧嘴喷射出的气流所形成的第二假想圆的旋转方向与第一假想圆的旋转方向相反。同样的，煤粉与气化剂经若干个第二段烧嘴进入气化炉的第二段反应室内，若干股射流形成的反切圆旋流流场与第一段反应室出口旋流的高温煤气混合，因为第一段反应室与第二段反应室内的旋流方向相反，因此可以进一步的增强气固两相混合，第二段反应室内投入氧气能够提高第二段反应室内的反应温度和反应速率，提高碳转化率，并控制氨氮生成。综上，本实用新型可以获得更均匀的炉内流场、更高的捕渣率和碳转化率。

进一步地，将两个中心线相互平行的第一段烧嘴的出口端面中心连接形成第一中心连接线，第一中心连接线经过第一假想圆的圆心，第一段烧嘴的中心线与第一中心连接线所形成的夹角α1为4°～8°，为了在第一段反应室建立切圆流场且避免撞击短路气流的产生，第一段烧嘴的偏角至少应在3°以上。该偏角增大时，反应室的高温区会向反应室壁面靠近，水冷壁的局部热负荷增加，当反应室的四股气流不均匀时，会出现反应室偏烧的情况，影响水冷壁的安全运行，将第一段烧嘴的中心线与第一中心连接线所形成的夹角α1设置为4°～8°，既能够形成切圆的旋流流场，提高流场和温度场的均匀性和炉膛充满度，同时可以抵御可能出现的反应室偏烧情况，确保水冷壁安全运行。

进一步地，喉口的直径小于反应室的直径，可以提高喉口附近壁面的捕渣率，同时，因喉口的直径变小，喉口出口的气流流速变快，更加有利于第二段反应室内气固两相混合均匀。

进一步地，将若干第一段烧嘴设置在同一高度面上，且第一段烧嘴设置在第一段反应室的中下段，有利于提高整个炉膛的充满度，延长煤粉与气化剂在第一段反应室的反应时间，同时有利于保证排渣口顺利排渣所需的温度；将若干第二段烧嘴设置在同一高度面上，且第二段烧嘴到喉口顶部的距离1000～1500mm，因为第二段反应室内投入的煤粉与气化剂更接近第一反应室高温区，可以更多地利用第一段反应室生成的高温煤气的显热进行反应，这样有利于提高显热利用效率和反应速率；当喉口的直径等于反应室直径的一半时，喉口出口的气流流速增大，气固两相混合均匀，达到理想的状态。

进一步地，水冷壁设置在气化炉壳体内，水冷壁与气化炉壳体之间形成气化炉环形空间，气化炉环形空间既能起到保温层的作用，也为气化炉的检修维护工作提供了空间。

进一步地，气化剂为氧气或氧气和蒸汽的混合气，氧气能够提高第二段反应室内的反应温度和反应速率，提高碳转化率，并控制氨氮生成，当反应温度较高时，蒸汽可以用来降低反应室温度，还能起到调节煤气中的一氧化碳和氢气比例的作用。

进一步地，向第二段反应室内投入的煤粉量为气化炉总投入煤粉量的5％～15％，能够进一步提高气化炉对煤种的适应性，即使在气化用煤的活性降低时，也可以保证气化炉有较高的碳转化率。

进一步地，第一段反应室内投入的氧煤比为0.8～0.95kg/kg，第二段反应室内投入的氧煤比为0.2～0.4kg/kg，这样既能够保持第一段反应室的运行温度和产品煤气的组成，同时可以适当提高第二段反应室的运行温度和反应速率，促进碳的转化，避免过多地消耗煤气而导致冷煤气效率的降低，同时可以有效降低第二段反应室内的氨氮生成量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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他的附图。

图1是本实用新型气化炉结构示意图；

图2是本实用新型气化炉的第一段烧嘴布置示意图；

图3是本实用新型气化炉的第二段烧嘴布置示意图。

图中：1-水冷壁；2-气化炉壳体；3-气化炉环形空间；4-排渣口；5-喉口；6-第一段反应室；7-第二段反应室；8-煤气出口；9-第一段烧嘴；10-第一段烧嘴罩；11-第二段烧嘴；12-第二段烧嘴罩。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型主要包括水冷壁1、气化炉壳体2、第一段反应室6、第二段反应室7、第一段烧嘴9和第二段烧嘴11，该气化炉的炉膛是由水冷壁1围成的圆筒形反应空间。在第一段反应室6的水冷壁炉膛侧壁面和第二段反应室7的中下部水冷壁炉膛侧壁面上都筑有保护水冷壁安全运行的耐火材料，水冷壁1的外侧有承压的气化炉壳体2，气化炉壳体2与水冷壁1之间的腔体为气化炉环形空间3，气化炉环形空间3为后续的检修维护工作提供了空间。水冷壁1在炉膛底部收缩形成排渣口4，水冷壁1在炉膛中部收缩形成喉口5，在本实用新型的某一优选实施例中，排渣口4和喉口5的直径为气化炉炉膛直径的一半，炉膛底部以及炉膛中部的收缩坡度为45°，即排渣口4与反应室之间的过渡斜面的坡度为45°，喉口5与反应室之间的过渡斜面的坡度为45°。喉口5将炉膛分为下部的第一段反应室6和上部的第二段反应室7，第一段反应室6和第二段反应室7连通，在第二段反应室7的上部开设有煤气出口8，煤气出口8的开设位置靠近第二段反应室7的顶部。

在本实用新型的某一优选实施例中，在第一段反应室6的中下部壁面上均匀布置有四个第一段烧嘴9，且每个第一段烧嘴9的出口周围设置有第一段烧嘴罩10，在第二段反应室7的下部壁面上均匀布置有两个第二段烧嘴11，且每个第二段烧嘴11的出口周围设置有第二段烧嘴罩12，烧嘴罩内通有冷却水来吸收烧嘴出口附近的热负荷以保证烧嘴安全运行。优选地，四个第一段烧嘴9在同一高度面上，两个第二段烧嘴11在同一高度面上，且第二段烧嘴11到喉口5顶部的距离为1000～1500mm，第二段烧嘴11到喉口5顶部的距离小，这有利于提高显热利用效率和反应速率。第一段烧嘴9和第二段烧嘴11可以采用两通道或多通道的结构。

本实用新型中提到的第一段反应室6的壁面以及第二段反应室7的壁面，均是指水冷壁1的炉膛侧壁面。

在本实用新型的其他实施例中，当然，根据实际生产情况和设备规模，还可以在第一段反应室6的中下部壁面上均匀布置六个第一段烧嘴9，或者可以设置更多的偶数个第一段烧嘴9。同理，还可以在第二段反应室7的中下部壁面上均匀布置四个第二段烧嘴11。

作为本实用新型的某一实施例，如图2所示为本实用新型气化炉四个第一段烧嘴9的具体布置方式，在第一段反应室6的中心对应有一个第一假想圆，每个第一段烧嘴9的中心线与第一假想圆逆时针相切，且从第一段烧嘴9喷射出的气流所形成的第一假想圆是逆时针旋转的；将两个中心线相互平行的第一段烧嘴9的出口端面中心连接形成第一中心连接线，第一中心连接线经过第一假想圆的圆心，第一段烧嘴9的中心线与第一中心连接线所形成的夹角α1为4°～8°。即经过第一段烧嘴9进入炉膛的四股煤粉和气化剂(氧气或氧气和蒸汽的混合气)的射流形成切圆流场，气固两相强烈混合，既可以增加煤粉停留时间，也有利于炉膛壁面对煤粉和灰渣的捕集。如图3所示为本实用新型气化炉两个第二段烧嘴11的具体布置方式，在第二段反应室7的中心对应有一个第二假想圆，每个第二段烧嘴11的中心线与第二假想圆顺时针相切，且从第二段烧嘴11喷射出的气流所形成的第二假想圆是顺时针旋转的；将两个中心线相互平行的第二段烧嘴11的出口端面中心连接形成第二中心连接线，第二中心连接线经过第二假想圆的圆心，第二段烧嘴的中心线与第二中心连接线所形成的夹角α1为4°～10°。即经过第二段烧嘴11进入炉膛的两股煤粉和气化剂(氧气或氧气和蒸汽的混合气)的射流形成反切圆流场，并与经喉口5进入的在第一段反应室6内生成的高温煤气充分混合和反应，因为第一段反应室6与第二段反应室7内的旋流方向相反，因此气固两相强烈混合，流场更加均匀。

作为本实用新型的另一实施例，在第一段反应室6的中心对应有一个第一假想圆，每个第一段烧嘴9的中心线与第一假想圆顺时针相切，且从第一段烧嘴9喷射出的气流所形成的第一假想圆是顺时针旋转的；将两个中心线相互平行的第一段烧嘴9的出口端面中心连接形成第一中心连接线，第一中心连接线经过第一假想圆的圆心，第一段烧嘴9与第一中心连接线的中心线所形成的夹角α1为4°～8°。即经过第一段烧嘴9进入炉膛的四股煤粉和气化剂(氧气或氧气和蒸汽的混合气)的射流形成切圆流场，气固两相强烈混合，既可以增加煤粉停留时间，也有利于炉膛对煤粉和灰渣的捕集。在第二段反应室7的中心对应有一个第二假想圆，每个第二段烧嘴11的中心线与第二假想圆逆时针相切，且从第二段烧嘴11喷射出的气流所形成的第二假想圆是逆时针旋转的；将两个中心线相互平行的第二段烧嘴11的出口端面中心连接形成第二中心连接线，第二中心连接线经过第二假想圆的圆心，第二段烧嘴的中心线与第二中心连接线所形成的夹角α1为4°～10°。即经过第二段烧嘴11进入炉膛的两股煤粉和气化剂(氧气或氧气和蒸汽的混合气)的射流形成反切圆流场，并与经喉口5进入的在第一段反应室6内生成的高温煤气充分混合和反应，因为第一段反应室6与第二段反应室7内的旋流方向相反，因此气固两相强烈混合，流场更加均匀。

作为本实用新型的某一实施例，在气化炉点火启动时，第一段反应室6内的煤粉和气化剂的着火是通过一体化开工烧嘴点火实现，该一体化开工烧嘴采用非预混燃烧的结构，采用柴油和氧气为介质，能够提高气化炉的点火成功率和开工烧嘴的安全可靠性。

本实用新型的两段式干煤粉加压气化方法采用两段分级气化原理，向第一段反应室6投入煤粉与气化剂(氧气或氧气和蒸汽的混合气)，采用切圆方式组织流场并布置四个第一段烧嘴9，从第一段烧嘴9喷出的四股射流形成切圆流场，煤粉和反应生成的高温灰渣随气流旋转上升，增加了煤粉和高温熔融态灰渣的停留时间，煤粉和高温熔融态灰渣在旋流流场离心力的作用下更多地向水冷壁1运动，随着气化炉的运行，气化炉炉膛水冷壁1壁面上会形成高温液态渣层，因此可以更多地捕集煤粉和高温灰渣。向第二段反应室7投入煤粉与气化剂(氧气或氧气和蒸汽的混合气)，采用反切圆方式组织流场并布置两个第二段烧嘴11，反切圆方式增强了第二段反应室7内的气流与从第一段反应室6内上升气流的混合，气固两相混合均匀。另外，向第二段反应室7内投入的氧气可以提高反应温度和反应速率，有利于反应进行，提高碳转化率，并控制第二段反应室7内反应的氨氮生成。第一段反应室6和第二段反应室7的投煤量之比为9:1，能够进一步提高气化炉对煤种的适应性，即使在气化用煤的活性降低时，可以保证气化炉具有较高的碳转化率。

利用本实用新型的一种两段式干煤粉加压气化炉的气化方法为：从每个第一段烧嘴9向第一段反应室6内投入煤粉与气化剂，煤粉与气化剂在第一段反应室6内形成逆时针或顺时针的旋流，煤粉与气化剂反应生成的高温煤气旋流上升通过喉口5进入第二段反应室7；

从每个第二段烧嘴11向第二段反应室7内投入煤粉与气化剂，煤粉与气化剂在第二段反应室7内形成旋流，且第二段反应室7内的旋流与第一段反应室6内的旋流的旋转方向相反，第二段反应室7内的旋流与经喉口5进入的高温煤气混合和反应，反应后的高温煤气上行至煤气出口8。向第二段反应室7内投入的煤粉量为气化炉总投入煤粉量的5％～15％，第一段反应室6内投入的氧煤比为0.8～0.95kg/kg，第二段反应室7内投入的氧煤比为0.2～0.4kg/kg。

作为本实用新型的一种两段式干煤粉加压气化炉的气化方法的一种优选实施例为：当气化炉系统启动工作时，首先从每个第一段烧嘴9向第一段反应室6内投入煤粉与气化剂，煤粉与气化剂反应生成的高温煤气旋流上升通过喉口5进入第二段反应室7；当第一段反应室6的投煤量达到其额定负荷的50％时，开始向第二段反应室7内投入煤粉与气化剂，让煤粉与气化剂在第二段反应室7内参与反应。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。