專利名稱：多噴嘴對(duì)置式水煤漿或煤粉氣化爐及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤氣化領(lǐng)域，涉及一種水煤漿或煤粉氣化爐及其應(yīng)用。
煤的潔凈與高效利用是當(dāng)今我國(guó)能源與環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的重大技術(shù)課題，也是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。煤氣化是將一次能源轉(zhuǎn)化為潔凈的二次能源的主要途徑，其產(chǎn)品為燃料氣(煤氣)、合成氣、還原氣、氫氣、一氧化碳。煤的氣化技術(shù)在聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電裝置、合成氨和合成甲醇工業(yè)、羰基化法生產(chǎn)醋酸與醋干工業(yè)、海綿鐵的生產(chǎn)、純一氧化碳的制備、純氫的制備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而氣化爐則是煤氣化的關(guān)鍵設(shè)備。為此，眾多的科技人員研究、開發(fā)了各種類型的氣化爐。目前，在采用氣流床(噴流床、攜帶床)進(jìn)行氣化的技術(shù)中，有代表性的主要有兩種采用水煤漿為原料的氣化爐有德士古(Texaco)；采用干煤粉為原料的氣化爐有謝爾(Shell)，文獻(xiàn)U.S.Pat.Nos.4,637,823、4,527,997、5,281,243分別公開了德士古氣化爐，該氣化爐的幾何特征是噴嘴軸線與煤氣及液渣出口軸線重合，兩者都在氣化爐主體軸線上。鑒于該氣化爐為氣流床，從而導(dǎo)致部分物料(流股)短路。我們的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，如果物料在該類型氣化爐中平均停留時(shí)間為5秒，實(shí)際上，其中部分物料停留時(shí)間不到1秒即逸出爐外，而另一部分物料在爐中停留時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)5秒。也就是說(shuō)，物料在該氣化爐中的停留時(shí)間是一個(gè)很寬的分布，有50％-60％的物料小于平均停留時(shí)間就逸出爐外。另外，其混合效果并不理想。由于上述原因。德士古氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率一般不到95％，水蒸氣分解率也小于20％；文獻(xiàn)U.S.92-960345公開了謝爾氣化爐。煤氣與液渣呈反向流動(dòng)，即煤氣向上，液渣向下。其缺點(diǎn)有二，其一，液渣因無(wú)熱煤氣伴隨，極易凝固而堵塞出渣口；其二，懸浮在煤氣流中的細(xì)小煤渣要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的管道，且改變流動(dòng)方向，才能進(jìn)入下游設(shè)備進(jìn)行余熱回收或氣固分離，管道及下游設(shè)備容易堵塞，兩者都會(huì)縮短操作周期。
鑒于上兩種爐型的缺陷，產(chǎn)業(yè)部門迫切希望有關(guān)技術(shù)人員開發(fā)一種高碳轉(zhuǎn)化率、高發(fā)氣量、長(zhǎng)周期穩(wěn)定生產(chǎn)的氣化爐以滿足生產(chǎn)的需要。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，公開一種多噴嘴對(duì)置、豎式、液態(tài)排渣、煤氣與液渣并流且呈向下流動(dòng)的氣流床水煤漿或干煤粉氣化爐及其工業(yè)應(yīng)用，使碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到98％以上，水蒸氣分解率達(dá)到25％以上。
本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的由于水煤漿和煤粉氣化效果的好壞，除與煤利的物理、化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，在一定的工藝條件下，主要與噴嘴結(jié)構(gòu)及尺寸、噴嘴配置、氣化爐結(jié)構(gòu)及尺寸以及三者匹配實(shí)現(xiàn)氣化時(shí)形成的流體流動(dòng)行為和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。也就是說(shuō)，在煤種和工藝條件一定時(shí)，氣化效果優(yōu)劣主要取決于爐內(nèi)的濃度分布、溫度分布以及停留時(shí)間分布。在氣化爐的高溫下，化學(xué)反應(yīng)速率已經(jīng)相當(dāng)快，氣化過(guò)程由傳熱傳質(zhì)過(guò)程控制，傳遞過(guò)程和停留時(shí)間分布主要取決于爐內(nèi)的流體行為與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。因此本發(fā)明在豎式的氣化爐的殼體周邊對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)以上的噴嘴，原料煤(水煤漿或干煤粉)或其他烴類燃料與氣化劑，通過(guò)噴嘴以射流方式進(jìn)入爐膛，來(lái)自不同噴嘴的射流流股在爐膛中相互撞擊，因?yàn)閼T性，燃料顆粒在爐膛中產(chǎn)生多次阻尼震蕩，使燃料顆粒在爐膛中的停留時(shí)間增加；同時(shí)湍流強(qiáng)度顯著增加，使傳熱傳質(zhì)速率大幅度提高，從而提高了燃料的碳轉(zhuǎn)化率和水蒸汽的分解率。
根據(jù)上述的構(gòu)思，發(fā)明人進(jìn)行了大型冷模試驗(yàn)，并考慮了工業(yè)應(yīng)用時(shí)的工作環(huán)境、排渣、除塵等因素，提出了一種多噴嘴對(duì)置、豎式、液態(tài)排渣、煤氣與液渣并流且呈向下流動(dòng)的氣流床水煤漿或干煤粉氣化爐。
所說(shuō)的多噴嘴對(duì)置是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的噴嘴在一個(gè)或多個(gè)水平面上，沿氣化爐殼體周邊對(duì)稱設(shè)置。
所說(shuō)的豎式，是指氣化爐主體軸線與水平面垂直。
所說(shuō)的液態(tài)排渣，是指在氣化條件下，原料(燃料)中的金屬氧化物已經(jīng)熔融，呈液態(tài)排出氣化爐。
所說(shuō)的煤氣與液渣并流且呈向下流動(dòng)，是指在宏觀上煤氣與液渣同向流動(dòng)，且沿氣化爐主體軸線自上而下流動(dòng)。
下面將通過(guò)附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的闡述。

圖1為氣化爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖2為圖1中的A-A向示圖。
圖中1------金屬殼體2----耐火襯里3----噴嘴室4----人孔5----人孔法蘭6----噴嘴7----液渣和煤氣出口L----兩層噴嘴室的間距H----第一層噴嘴室與爐頂?shù)拈g距D----爐膛內(nèi)直徑本發(fā)明所說(shuō)的氣化爐的爐體是一個(gè)組合體，它由金屬殼體1和耐火襯里2組成。金屬殼體1在0℃～350℃下能承受工藝要求的壓力(0.1～12Mpa)；氣化爐殼體上同一個(gè)水平面或多個(gè)水平面上沿爐體周邊對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的噴嘴室3，噴嘴室3也由金屬殼體1和耐火襯里2所組成，中間為空腔，以放置噴嘴6，噴嘴以機(jī)械方法固定于噴嘴室中。噴嘴室軸線與噴嘴軸線重合，且與氣化爐主體軸線垂直。同一水平面上兩個(gè)噴嘴如呈180℃設(shè)置，則兩噴嘴軸線應(yīng)重合，第一層噴嘴室3與爐頂?shù)拈g距H為爐膛內(nèi)直徑D的0.5～2倍，兩層噴嘴室3的間距亦為爐膛內(nèi)直徑D的0.5～2倍；耐火襯里2或?yàn)椴煌阅苣突鸫u的組合體，或?yàn)樵鼘雍湍突饾茶T料遮蔽的冷卻管組合體，也可以是上述兩種方式的組合；氣化爐上部為人孔4，運(yùn)行時(shí)，用設(shè)有耐火襯里2的法蘭5封閉；氣化爐下部為出口7，出口7以機(jī)械方法與下游設(shè)備相聯(lián)接，煤氣和液渣從出口7排出爐外，進(jìn)入激冷室或余熱鍋爐。
所說(shuō)的氣化爐可以采用常規(guī)的噴嘴，如以水煤漿為原料時(shí)，則可優(yōu)先采用中國(guó)專利CN 1125163 A所公開的一種“帶有旋流器的三通道組合式水煤漿氣化噴嘴”；氣化爐殼體還設(shè)有若干個(gè)熱電偶孔和表面溫度計(jì)，附圖省略。
所說(shuō)的氣化爐以水煤漿、于煤粉或烴類物質(zhì)為原料，水煤漿的含固量為50～70％；以干煤粉為原料時(shí)還需加入水蒸汽，蒸汽與燃料碳之比為0.05～0.65kg/kg，上述各種原料氣化時(shí)均以氧含量為93％～99.8％的純氧、空氣或富氧中的一種為氧化劑(也稱氣化劑)，氧與燃料碳之比為0.4～1.6M3(標(biāo)準(zhǔn)態(tài))/kg，操作壓力為0.1～12Mpa，操作溫度為1250℃～1550℃。
所說(shuō)的氣化爐可用于聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電裝置，也可用于制備合成氨、合成甲醇、羰基化法生產(chǎn)醋酸與醋干所需的原料氣，海綿鐵的生產(chǎn)、一氧化碳的生產(chǎn)、純氫的生產(chǎn)或可燃垃圾的氣化處理。
對(duì)于上述領(lǐng)域的應(yīng)用，可用下述化學(xué)反應(yīng)方程進(jìn)行描述
若n＝0，則為碳的燃燒；若m＝0，則為氫的燃燒，此外還可以進(jìn)行其它可燃組份的燃燒，如CO的燃燒反應(yīng)。燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為煤的氣化創(chuàng)造了條件，同時(shí)還會(huì)進(jìn)行逆變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)，如下所示(B)(C)(D)(E)以及生成H2S、COS、NH3、HCN、HCOOH等反應(yīng)。
本發(fā)明所說(shuō)的氣化爐具有十分顯著的優(yōu)點(diǎn)(1)采用多噴嘴對(duì)置，在氣化爐內(nèi)形成撞擊流，其流體行為和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有利于霧化和彌散，強(qiáng)化了混合，提高了熱質(zhì)傳遞速率，延長(zhǎng)了原料顆粒的平均停留時(shí)間，它們都將顯著提高氣化效果，即提高碳轉(zhuǎn)化率，降低灰渣中可燃物含量，增加單位質(zhì)量原料的發(fā)氣量、有效期成分和水蒸氣的分解率。碳的轉(zhuǎn)化率可達(dá)98％％，水蒸氣的分解率可達(dá)25％；(2)采用豎爐，為合理設(shè)置氣化爐耐火襯里結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了前提，從而有利于延長(zhǎng)耐火襯里的使用壽命，比臥式的氣化爐的使用壽命提高一倍以上；
(3)宏觀上煤氣與液渣沿氣化爐主體軸線自上而下流動(dòng)，有效地抑制了結(jié)渣，方便了除塵；(4)本發(fā)明采用氣化床(噴流床、攜帶床)和液態(tài)排渣，為使原料呈粉霧狀和高溫氣化創(chuàng)造了條件，也易于提高氣化壓力，從而使氣化爐生產(chǎn)強(qiáng)度顯著高于固定(移動(dòng))床、硫化床。
實(shí)施例聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電裝置的煤氣化爐，爐高16米，爐膛內(nèi)直徑3米，一層4噴嘴對(duì)置，日處理神府煤2000噸，以水煤漿為原料，含固量為63％，以98％的純氧為氧化劑，氧碳比為0.75M3(標(biāo)準(zhǔn)態(tài))/kg，操作溫度為1380℃，操作壓力為4.0Mpa，碳的轉(zhuǎn)化率為98％，水蒸汽的分解率為25％。
權(quán)利要求
1.一種多噴嘴對(duì)置式水煤漿或煤粉氣化爐，主要由爐體和噴嘴(6)所構(gòu)成，其特征是在氣化爐殼體上同一個(gè)水平面或多個(gè)水平面上沿爐體周邊對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的噴嘴室(3)，噴嘴室(3)由金屬殼體(1)和耐火襯里(2)所組成，中間為空腔，以放置噴嘴(6)，噴嘴(6)以機(jī)械方法固定于噴嘴室(3)中，第一層噴嘴室(3)與爐頂?shù)拈g距(H)為爐膛內(nèi)直徑(D)的0.5～2倍，兩層噴嘴室的間距(L)為爐膛內(nèi)直徑(D)的0.5～2倍；人孔(4)設(shè)置于氣化爐上部；煤氣和液渣出口(7)設(shè)置于氣化爐下部，煤氣和液渣從出口(7)排出爐外。
2.如權(quán)利要求1所述的氣化爐，其特征是噴嘴室(3)的軸線與噴嘴(6)的軸線重合，且與氣化爐主體軸線垂直，同一水平面上兩個(gè)噴嘴如呈180℃設(shè)置，則兩噴嘴軸線應(yīng)重合。
3.如權(quán)利要求1、2、所述的氣化爐，其特征是所說(shuō)的噴嘴為一種帶有旋流器的三通道組合式水煤漿氣化噴嘴。
4.一種多噴嘴對(duì)置式水煤漿或煤粉氣化爐的應(yīng)用，其特征是可用于聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電裝置、制備合成氨、合成甲醇、羰基化法生產(chǎn)醋酸與醋干所需的原料氣、海綿鐵的生產(chǎn)、一氧化碳的生產(chǎn)、純氫的生產(chǎn)或可燃垃圾的氣化處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水煤漿或煤粉氣化爐,所說(shuō)的氣化爐是一個(gè)多噴嘴對(duì)置的豎式氣流床,在爐體周邊同一水平面或多個(gè)水平面對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的噴嘴,煤氣與液渣并流且呈向下流動(dòng),由氣化爐下部的出口排出爐外,所說(shuō)的氣化爐碳轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%,水蒸汽分解率可達(dá)25%,操作周期長(zhǎng),可用于聯(lián)合循環(huán)(1GCC)發(fā)電裝置,也可用于制備合成氨、合成甲醇、羰基化法生產(chǎn)醋酸與醋干所需的原料氣,海綿鐵的生產(chǎn)、一氧化碳的生產(chǎn)、純氫的生產(chǎn)或可燃垃圾的氣化處理。
文檔編號(hào)C10J3/56GK1186840SQ9811061
公開日1998年7月8日 申請(qǐng)日期1998年1月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月19日
發(fā)明者于遵宏, 龔欣, 吳韜, 王輔臣, 于廣鎖, 潭群釗 申請(qǐng)人:華東理工大學(xué), 水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心