一種三段式氣流床煤加氫氣化爐及聯(lián)合運行系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種三段式氣流床煤加氫氣化爐，包括大體呈圓柱狀的爐體，所述爐體包括燃燒室、回流室和上氣化室，所述燃燒室的上口與回流室的下口通過縮口喉部連接，所述回流室的上口與上氣化室的下口通過縮口喉部連接；所述燃燒室下部側壁上切向布置燃燒室噴嘴，所述回流室的下部內側壁上對中設置有回流室噴嘴，所述回流室噴嘴的上方設置有一圓錐狀的回流板，所述回流板位于回流室的中心軸線上并與回流室的側壁之間具有間隙。回流板能夠限制煤粉顆粒首先進入回流區(qū),回流能夠在一定程度上提高煤粉顆粒的滯留時間，從而提高煤氣化的轉化率，提高整體煤氣化效率。
【專利說明】一種三段式氣流床煤加氫氣化爐及聯(lián)合運行系統(tǒng)
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種煤氣化爐。更具體地，涉及一種三段式氣流床煤加氫汽化爐。
【背景技術】
[0002]能源危機和環(huán)境污染已經(jīng)成為阻礙社會發(fā)展的雙重壓力。要解決這兩個問題，可以從近期發(fā)展和中長期發(fā)展兩個角度分別進行。一方面，要適應我國乃至世界中長期發(fā)展，應大力發(fā)展新型清潔能源，例如生物質燃料、太陽能、水能、風能、可燃冰、核能以及地熱能等，從根本上解決能源危機和環(huán)境污染的問題。但是，這一過程相對緩慢，短時間內新型能源難成主角，因此在長期規(guī)劃的基礎上尚需短期(或過渡期)規(guī)劃。眾所周知，煤炭是我國乃至世界的主要能源之一，相對比于石油、天然氣等其它能源資源，煤炭具有儲量巨大，價格較便宜等特點。全世界煤炭資源豐富，在已探明儲量的40多個國家中，保守估計也可以再供給人類使用二百年。而相對比之下，已探明儲量的石油與天然氣則只能支持幾十年。因此可以預見，煤炭在世界能源中的地位是不可動搖的，并且在不久的將來會愈發(fā)重要。煤炭曾經(jīng)在人類工業(yè)化進程中扮演了主要的能源供給角色，進入20世紀以來，隨著石油、天然氣資源大量開采和利用，以及新興能源如風能、水能、核電等技術的發(fā)展，煤炭在世界能源消費中所占比例有所下降，但仍占據(jù)重要地位。在可以預見的未來，化石能源仍是我國乃至世界的主體能源，根據(jù)國務院能源辦公室等2007年的預測結果，到2030年化石燃料將占到中國一次能源消費的81%，其中煤炭占到52.9% ;到2050年化石燃料將占到中國一次能源消費的71.5%，其中煤炭占到43.9%?？梢姲l(fā)展低碳經(jīng)濟、減排二氧化碳首先要重視化石能源的節(jié)約使用和合理利用。因而，發(fā)展煤的高效潔凈利用技術于我國乃至世界都具有深遠的意義。 [0003]煤的氣化技術是眾多潔凈煤利用技術的基礎，至今已有200余年歷史。發(fā)展基于煤氣化的煤基能源及化工系統(tǒng)已成為能源領域科技界和企業(yè)界的共識，也正在成為世界范圍內高效、清潔、經(jīng)濟地開發(fā)和利用煤炭的熱點技術和重要發(fā)展方向。煤氣化的工藝流程有很多，按制取煤氣的熱值分類，可以將煤氣化方法分為:1)制取煤氣熱值低于8347kJ/m3的低熱值煤氣方法；2)制取煤氣熱值在16747-33494kJ/m3的中熱值煤氣方法；3)制取煤氣熱值高于33494kJ/m3的高熱值煤氣方法。按供熱方式可以分為:I)自熱式氣化法，即氣化工程中沒有外界供熱，煤氣化所需的熱量由氣化產(chǎn)生的熱量提供；2)間接供熱氣化法，即氣化反應本身為吸熱反應，因而需要外界熱量的輸入；3)煤的水蒸氣氣化和加氫氣化相結合法，這種方法是將煤加氫氣化產(chǎn)生的熱量用于提供煤水蒸氣氣化所需的熱量；4)熱載體供熱，即在一個單獨的反應器內，用煤或焦炭和空氣燃燒加熱熱載體進行供熱，熱載體可以是固體、液體熔鹽或熔渣。按氣化劑分類可以分為:1)空氣-蒸汽氣化法，即以空氣和蒸汽作為氣化劑，空氣將煤部分氧化并產(chǎn)生熱量，蒸汽則進一步和部分氧化的產(chǎn)物進行氣化反應；2)氧氣-蒸汽氣化法，即以工業(yè)氧和水蒸氣作為氣化劑，原理和空氣-蒸汽氣化法類似；3)氫氣氣化法，即以H2或富含H2的氣體作為氣化劑，可以生成富含CH4的煤氣。按固體燃料的運動狀態(tài)分類可以分為:1)移動床(固定床)氣化法；2)流化床氣化法；3)氣流床氣化法。我國煤炭氣化工藝中，使用最多的是固定床氣化工藝，如魯奇加壓氣化爐、常壓發(fā)生爐、發(fā)生爐型兩段爐、水煤氣爐、水煤氣型兩段爐等。
[0004]在眾多煤氣化技術中，煤加氫氣化技術因具很多優(yōu)點而受到國內外學者的廣泛關注。例如，煤加氫氣化是放熱反應，因而不需要額外的氧氣進行燃燒放熱；煤加氫氣化的直接產(chǎn)物為CH4，因而不需要額外的CH4生成爐；煤加氫氣化的熱效率很高，接近80% ;煤加氫氣化反應不需要催化劑。此外，煤加氫氣化還是多種潔凈煤發(fā)電系統(tǒng)的比如IGCC及煤基近零排放發(fā)電系統(tǒng)(ZEC)的燃料源頭。
[0005]現(xiàn)有技術中的氣化爐存在以下問題，氣化產(chǎn)生的氣體會在氣化爐內上升，但當氣化爐內的氣體的上升流動產(chǎn)生不均時，有時會在煤中的碳(煤焦)充分地發(fā)生氣化反應之前從氣化爐流出，使反應率(煤中的碳向氣體轉化的轉化率)降低。因此，需要提供一種能夠使煤在緊湊的反應容器內充分地發(fā)生反應、具有高效率的煤加氫氣化爐。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種煤加氫氣化爐，該氣化爐能夠使煤粉顆粒在氣化爐內的分布趨于均與，提高煤粉顆粒在爐內的滯留時間，從而提高焦炭的轉化率，提高整體煤氣化效率。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案:
[0008]一種三段式氣流床煤加氫氣化爐，包括燃燒室、回流室和上氣化室，所述燃燒室的上口與回流室的下口固定連接，所述回流室的上口與上氣化室的下口之間呈縮徑狀連接；所述回流室側壁上對中設置有回流室噴嘴，所述回流室噴嘴的上方設置有一呈倒漏斗狀的回流板；所述回流板的橫截面呈圓形結構，縱截面呈梯形結構；所述回流板的中心軸線與回流室的中心軸線重合，且回流板的板體與回流室的內側壁之間具有間隙。所述回流板能夠使上升的氣流向下并從回流板與回流室的內側壁之間的間隙處向上流動，從而在回流室中形成回流，延長煤粉顆粒在回流室中的滯留時間提高轉化效率，所述回流室的上口與上氣化室的下口之間的呈縮徑狀的部位形成整流區(qū)，所述整流區(qū)能夠使位于靠近回流室內的外側煤粉顆粒向上氣化室中心部位流動，使煤粉顆粒在上氣化室內均勻分布，從而提高了煤粉的轉化效率。
[0009]優(yōu)選地，所述回流室噴嘴為雙層結構，其包括用于向回流室內噴入氫氣的外管和設置在外管內用于向回流室內噴入二氧化碳和煤粉的內管。
[0010]優(yōu)選地，所述燃燒室的內側壁同一水平面上沿圓周均勻間隔設置有燃燒室噴嘴，以從所述燃燒室的上方觀察時所述各燃燒室噴嘴的軸線與以所述燃燒室的中心軸線為中心且直徑比燃燒室的內徑更小的假想圓圍繞同一方向相切的方式來配置所述燃燒室噴嘴。
[0011]優(yōu)選地，所述燃燒室噴嘴為雙層結構，其包括用于向燃燒室內噴入氫氣的外管和設置在外管內用于向燃燒室內噴入氧氣的內管。
[0012]優(yōu)選地，所述回流板的底部均勻設有四個支撐腿，所述支撐腿固設在所述回流室的內側壁上。
[0013]一 種包含三段式氣流床煤加氫氣化爐的聯(lián)合運行系統(tǒng)包括氣化爐、重整爐和煅燒爐，所述氣化爐的出口與重整爐之間設有第一管路，第一管路上設有第一分流閥；所述重整爐與煅燒爐之間設有用于將煅燒爐產(chǎn)生的CaO輸送到重整爐內的第二管路和用于將重整爐產(chǎn)生的CaCO3輸送到煅燒爐內的第三管路；所述重整爐與氣化爐之間設有第四管路，所述第四管路上設有第二分流閥，所述第二分流閥的兩個出口分別連接燃燒室噴嘴的外管和回流室噴嘴的外管；所述煅燒爐與氣化爐的回流室噴嘴之間設有第五管路。
[0014]本發(fā)明的有益效果如下:
[0015]回流板能夠在回流室中部區(qū)域產(chǎn)生回流，回流能夠在一定程度上提高煤粉顆粒的滯留時間，整流區(qū)的作用在于抵消旋流產(chǎn)生的離心力，使得從回流板外側向上流動的煤粉顆粒朝著氣化室中心聚集，從而使煤粉顆粒在氣化室內的分布趨于均勻。因而，采用該三段式氣流床加氫氣化爐可以進一步提高焦炭的轉化率，提高整體煤氣化效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0017]圖1示出本發(fā)明的結構示意圖。
[0018]圖2示出本發(fā)明燃燒室的橫截面示意圖。
[0019]圖3示出本發(fā)明回流板的結構示意圖。
[0020]圖4示出本發(fā)明聯(lián)合運行系統(tǒng)的結構框圖。
【具體實施方式】
[0021]為了更清楚地 說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0022]如圖1~3所示，一種三段式氣流床煤加氫氣化爐包括大體呈圓柱狀的爐體1，爐體包括燃燒室10、回流室20和氣化室30，燃燒室10的上口與回流室的下口之間呈縮徑狀連接，回流室20的上口與上氣化室30的下口呈縮徑狀連接，回流室20的上口縮徑處形成回流區(qū)21?；亓魇?0的下部內側壁上對中設有回流室噴嘴22，回流室噴嘴22的上方設有倒置漏斗狀的回流板23，回流板23的橫截面呈圓形結構，縱截面呈梯形結構，回流板23通過底部的支撐腿固定在回流室20的中心軸線上，回流板23與回流室20的內側壁之間具有間隙。燃燒室10的內側壁同一水平面上沿圓周均勻間隔設置有燃燒室噴嘴11，各燃燒室噴嘴11的軸線與以燃燒室10的中心軸線為中心且直徑比燃燒室10的內徑更小的假想圓圍繞同一方向相切的方式來設置燃燒室噴嘴U。燃燒室噴嘴11和回流室噴嘴22均為雙層結構，燃燒室噴嘴11中心噴入氧氣，外層噴入氫氣?；亓魇覈娮?2中心噴入二氧化碳和煤粉，外層噴入氫氣。
[0023]氣化爐內氣化壓力選擇為7MPa，氧氣和氫氣質量比為1.5，以較高的入口速度(15m/s)從燃燒室噴嘴11噴入并燃燒，產(chǎn)生1600°C左右的高溫混合氣化劑(氫氣和水蒸氣)旋流。燃燒后剩余的氫氣質量和總進煤質量比設定為0.3。氣化爐內進氣量可以通過進煤量進行適當調整，例如設定進煤量為5kg/s左右，以保證氣流速度能夠使氣化爐內形成氣流床。燃燒室10中的高溫混合氣化劑經(jīng)過喉口后進入回流室20內，在回流室20內與從回流室噴嘴22噴入的煤粉以及剩余的氫氣和少量的二氧化碳進行混合，其中二氧化碳的量可以根據(jù)需要的噴煤速率進行調節(jié)。煤粉在進入回流室20后，其運動軌跡首先朝著回流室20的中心運動，同時，煤粉會受到旋轉氣流的拽力作用螺旋上升并因受到離心力作用而有向外運動的趨勢。在回流室20下部上升氣流的帶動下以及回流板23的限制下，噴入的煤粉顆粒進入回流區(qū)24。在回流區(qū)24內，氣流軸向速度方向向下，同時由于顆粒受到重力作用，因此在向上運動到一定距離后會轉而向下運動，由于離心力作用，下落的顆粒會在回流板23底部外側受到較高速度氣流的帶動而從回流板外側螺旋上升，最后在整流區(qū)21的作用下又向上氣化室30中心聚集，以抵消離心力的效果。氣化爐產(chǎn)生的合成氣以及飛灰和未完全反應的焦炭顆粒從爐頂逸出。
[0024]如圖4所示，一種使用上述氣化爐的聯(lián)合運行系統(tǒng)，包括氣化爐1、重整爐200和煅燒爐300，所述氣化爐I的出口與重整爐200之間設有第一管路100，第一管路100上設有第一分流閥101 ;所述重整爐200與煅燒爐300之間設有用于將煅燒爐300產(chǎn)生的CaO輸送到重整爐200內的第二管路400和用于將重整爐200產(chǎn)生的CaCO3輸送到煅燒爐300內的第三管路500 ;所述重整爐200與氣化爐I之間設有第四管路600，所述第四管路600上設有第二分流閥601，所述第二分流閥601的兩個出口分別連接燃燒室噴嘴的外管和回流室噴嘴的外管；所述煅燒爐300與氣化爐I的回流室噴嘴22之間設有第五管路700。
[0025]氣化爐I產(chǎn)生的富CH4合成氣通過第一分流閥101分為兩部分:一部分富CH4合成氣可以作為化工原料或燃料(用于燃氣輪機或燃料電池等)使用；另一部分富CH4合成氣進入重整爐200，向重整爐200內加入H2O生成H2和CO2的混合氣，重整爐200產(chǎn)生的CO2被煅燒爐通過第二管路400輸送來的CaO捕集生成CaCO3,重整爐200產(chǎn)生的H2通過第四管路600和第二分流閥601分別輸送到燃燒室噴嘴的外管與回流室噴嘴的外管。CaCO3通過第三管路500進入煅燒爐300內進行煅燒生成CaO和CO2,未完全反應的碳可以作為煅燒爐300的部分熱源。煅燒爐300生成的CaO循環(huán)進入重整爐200內進行CO2捕集，煅燒爐300產(chǎn)生的CO2通過第五管路700從回流室噴嘴的內管進入氣化爐和H2 —起輸送煤粉。該氣化爐聯(lián)合運行系統(tǒng)可以實現(xiàn)H2和CO2的自給自足。
[0026]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【權利要求】
1.一種三段式氣流床煤加氫氣化爐，包括爐體，其特征在于:所述爐體包括燃燒室、回流室和上氣化室，所述燃燒室的上口與回流室的下口固定連接，所述回流室的上口與上氣化室的下口之間呈縮徑狀連接；所述回流室側壁上對中設置有回流室噴嘴，所述回流室噴嘴的上方設置有一呈倒漏斗狀的回流板；所述回流板的橫截面呈圓形結構，縱截面呈梯形結構；所述回流板的中心軸線與回流室的中心軸線重合，且回流板的板體與回流室的內側壁之間具有間隙。
2.根據(jù)權利要求1所述的氣化爐，其特征在于:所述回流室噴嘴為套管結構；其包括用于向回流室內噴入氫氣的外管和設置在外管內用于向回流室內噴入二氧化碳和煤粉的內管。
3.根據(jù)權利要求1所述的氣化爐，其特征在于:所述燃燒室的側壁同一水平面上沿圓周均勻間隔設置有燃燒室噴嘴，以所述燃燒室的中心軸線為中心設置一直徑小于燃燒室內徑的假想圓，所述燃燒室噴嘴的軸線圍繞同一方向與該假想圓相切設置。
4.根據(jù)權利要求3所述的氣化爐，其特征在于:所述燃燒室噴嘴為套管結構；其包括用于向燃燒室內噴入氫氣的外 管和設置在外管內用于向燃燒室內噴入氧氣的內管。
5.根據(jù)權利要求1所述的氣化爐，其特征在于:所述回流板的底部設有支撐腿，所述支撐腿固設在所述回流室的內側壁上。
6.根據(jù)權利要求5所述的氣化爐，其特征在于:所述回流板的圓錐角度為30。，回流板連同支撐腿的總高度為回流室高度的1/3，所述支撐腿的高度為回流板高度的1/3。
7.根據(jù)權利要求1所述的氣化爐，其特征在于:所述回流室噴嘴設置在回流室的下部位置。
8.一種包括如權利要求1~7所述氣化爐的聯(lián)合運行系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括氣化爐、重整爐和煅燒爐，所述氣化爐的出口與重整爐之間設有第一管路，該第一管路上設有第一分流閥； 所述重整爐與煅燒爐之間設有用于將煅燒爐產(chǎn)生的CaO輸送到重整爐內的第二管路和用于將重整爐產(chǎn)生的CaCO3輸送到煅燒爐內的第三管路； 所述重整爐與氣化爐之間還設有第四管路，所述第四管路上設有第二分流閥，所述第二分流閥的兩個出口分別連接燃燒室噴嘴的外管和回流室噴嘴的外管；所述煅燒爐與氣化爐的回流室噴嘴之間設有第五管路。
【文檔編號】C10J3/72GK103937552SQ201410110834
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權日:2014年3月24日
【發(fā)明者】何伯述, 嚴林博, 段志鵬, 裴曉輝, 王超俊 申請人:北京交通大學