專利名稱：利用合成氣返燒的輔助氣化工藝及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在可燃原料制備合成氣的過程中提高氣化爐實(shí)用 性、操作性和經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)，具體地指一種利用合成氣返燒的輔助 氣化工藝及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著人口的自然增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，作為主要能源來源的 常規(guī)優(yōu)質(zhì)化石燃料卻在迅速地減少，導(dǎo)致我國(guó)乃至世界都存在長(zhǎng)期 而巨大的能源需求和供應(yīng)壓力。面對(duì)全球一體化的大趨勢(shì)，我國(guó)高 耗能、低能效的經(jīng)濟(jì)將面臨如何在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中求得生存和發(fā)展的嚴(yán) 峻考驗(yàn)。在燃煤、生物質(zhì)材料、城市固體廢物等可燃原料的利用問 題上，節(jié)能降耗已成為促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的最重要和 最有效的手段之一。
與燃料燃燒獲取能源這種相對(duì)落后的低級(jí)利用形態(tài)相比，燃料 高溫氣化所獲得的合成氣具有更高的價(jià)值，其用途也更為廣泛。例 如，合成氣可以制備成油品，對(duì)解決液體燃料短缺、保護(hù)環(huán)境有重 要意義。同時(shí)，合成氣既是生產(chǎn)化肥(尿素)的重要原料，也是生 產(chǎn)甲醇、乙醇、醋酸等大宗化學(xué)品的重要原料。此外，合成氣還可
以應(yīng)用于整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)，其發(fā)電效率可比常規(guī)直 燃發(fā)電提升許多。目前，對(duì)可燃原料進(jìn)行高溫氣化的設(shè)備主要包括 固定床氣化爐、流化床氣化爐、噴流床氣化爐等，近年來還發(fā)展有 新興的等離子氣化爐。
對(duì)于固定床氣化爐、流化床氣化爐和噴流床氣化爐而言， 一直 存在著隨燃料特性的變化而導(dǎo)致合成氣產(chǎn)量與成份波動(dòng)的狀況，由 于此類氣化爐在運(yùn)行過程中的調(diào)節(jié)手段有限、且不容易及時(shí)調(diào)節(jié)， 故嚴(yán)重影響了合成氣的后續(xù)工藝。例如，為了達(dá)到較高的冷煤氣效
4率， 一般盡量將燃料的完全燃燒比例降低，致使氣化爐內(nèi)溫度不高。 對(duì)于燃料為生物質(zhì)或煤泥的固定床氣化爐或流化床氣化爐而言，合
成氣出口溫度一般在500 80(TC之間，特殊情況下最高的出口溫度 也不會(huì)超過IOO(TC，而在該溫度區(qū)間內(nèi)將大量產(chǎn)生焦油，這是氣化 工藝最難凈化的產(chǎn)物之一，為合成氣的后續(xù)應(yīng)用工藝帶來了極大的 困難。如果要減少焦油的生成，就必須提高合成氣出口溫度，這需 要相應(yīng)增加供氧量，提高燃料燃燒的比例。這樣對(duì)于低熱值燃料而 言，一方面會(huì)致使所生成的合成氣中C02含量升高、熱值大幅降低、 成份變差，同樣不利于合成氣的后續(xù)工業(yè)應(yīng)用；另一方面受其燃燒 條件與理論燃燒溫度的限制，氣化爐中的局部功能區(qū)域也很難保證 達(dá)到所需的高溫。
對(duì)于等離子氣化爐而言，由于其在運(yùn)行中由等離子電弧來提供 高溫高熱，它可以獨(dú)立于氣化爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)來調(diào)節(jié)合成氣的產(chǎn)量 和成份波動(dòng)狀況，具有調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)。但受等離子炬電極壽命的 限制，尤其是其陰極壽命的限制，通常一個(gè)等離子炬連續(xù)使用600h 就需要更換電極。而一臺(tái)等離子氣化爐通常配備有2~4個(gè)等離子 炬，有的甚至更多，這就導(dǎo)致等離子氣化爐的部件更換頻繁、工作 效率大為降低。同時(shí)，由于等離子炬及其相應(yīng)的冷卻水系統(tǒng)的耗電 量較大，導(dǎo)致其運(yùn)行成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要解決現(xiàn)有氣化爐對(duì)燃料特性波動(dòng)適應(yīng)性 較差的難題，提供一種負(fù)荷調(diào)節(jié)性和燃燒穩(wěn)定性好、燃料氣化溫度 高、燃料適應(yīng)性廣、產(chǎn)品品質(zhì)高的利用合成氣返燒的輔助氣化工藝 及其設(shè)備。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的利用合成氣返燒的輔助氣化 工藝，是在氣化爐處于常規(guī)運(yùn)行、所生成的合成氣連續(xù)從氣化爐上 部輸出的狀態(tài)下，將所輸出合成氣中的一部分抽取出來，重新送入 氣化爐下部的燃燒室中，與噴入的氧氣發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高 溫高熱煙氣來輔助燃燒室上方的燃料氣化的過程循環(huán)。由于是氣一氣單相混合燃燒，其反應(yīng)遠(yuǎn)較氣一固兩相混合燃燒劇烈，其燃燒中
心溫度理論上可達(dá)到2000 3000°C，因而能夠作為氣化爐中主熱源 的補(bǔ)充，輔助在氣化爐中形成穩(wěn)定的高溫?zé)煔鈪^(qū)。高溫?zé)煔庵械?C02和水蒸汽都是碳轉(zhuǎn)化的原料，lmol的水蒸汽與lmol的C02反 應(yīng)，可生成lmol的CO和lmol的H2。穩(wěn)定運(yùn)行的高溫?zé)煔夂褪Ｓ?氧氣一起能夠最大限度地氣化燃料，從而獲得高品質(zhì)(CO+H2含量 高)的合成氣。具體地說，返燒的部分合成氣其實(shí)相當(dāng)于燃燒了與 氣化效率相當(dāng)?shù)牡蜔嶂等剂?，但它卻經(jīng)濟(jì)性地實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣化爐內(nèi)氣 化溫度、負(fù)荷變化以及燃燒穩(wěn)定性的有效調(diào)節(jié)，從而提高了整個(gè)合 成氣的品質(zhì)。
進(jìn)一步地，在上述工藝中將氣化爐下部所生產(chǎn)的高溫高熱煙氣 的溫度控制在1700~2000°C。在這樣的溫度區(qū)域氣化燃料， 一方面 可以最經(jīng)濟(jì)地提高氣化爐的生產(chǎn)率和碳的轉(zhuǎn)化率，另一方面可以將 燃料氣化所產(chǎn)生的灰渣液態(tài)化，便于從氣化爐底部排出。
更進(jìn)一步地，在上述工藝中將所抽取的合成氣增壓并穩(wěn)壓在 33000 36000Pa，再送入氣化爐底部進(jìn)行燃燒反應(yīng)。在這樣的壓力 區(qū)域噴射合成氣，可以確保氣一氣快速充分混合，完全穩(wěn)定燃燒， 從而在氣化爐內(nèi)形成穩(wěn)定可靠的高溫氣化區(qū)。
再進(jìn)一步地，在上述工藝中將合成氣抽取點(diǎn)的溫度控制在合成 氣中所含灰渣的熔點(diǎn)以下。這樣可以有效避免所抽取合成氣中的灰 渣凝結(jié)而堵塞抽氣管道。
為實(shí)現(xiàn)上述工藝而設(shè)計(jì)的利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備，包 括氣化爐和后續(xù)處理設(shè)備，氣化爐的合成氣出口與后續(xù)處理設(shè)備的 合成氣進(jìn)口相連。所述后續(xù)處理設(shè)備上設(shè)置有合成氣抽取口，所述 合成氣抽取口與循環(huán)風(fēng)機(jī)的輸入端相連，所述循環(huán)風(fēng)機(jī)的輸出端與 合成氣噴嘴相連，所述合成氣噴嘴設(shè)置在氣化爐下部的燃燒室壁面 上，用于向燃燒室中噴射合成氣。所述氣化爐下部的燃燒室壁面上 還設(shè)置有氧氣噴嘴，用于向燃燒室中噴射氧氣或富氧空氣。
進(jìn)一步地，所述循環(huán)風(fēng)機(jī)的輸出端通過穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐與合成氣噴嘴相連。設(shè)置穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐的目的是確保合成氣能夠在燃燒室中穩(wěn)定 燃燒。當(dāng)燃料給料特性變化較大時(shí)，由于儲(chǔ)氣罐的緩沖作用，可以 使合成氣的流量變化相對(duì)滯后，減少波動(dòng)性，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒， 保證氣化過程連續(xù)進(jìn)行。
更進(jìn)一步地，所述氣化爐下部的燃燒室上方的爐壁上設(shè)置有二 次供氧裝置，用于向氣化爐內(nèi)的原料床處補(bǔ)充氧氣或富氧空氣。在 高溫高熱煙氣上行氣化燃料的過程中，部分燃料會(huì)與二次供氧裝置 噴入的氧氣燃燒，以確保提供穩(wěn)定的氣化熱量。
再進(jìn)一步地，所述后續(xù)處理設(shè)備上的合成氣抽取口處設(shè)置有灰 渣過濾裝置?；以^濾裝置可以將不符合要求的大尺寸顆粒截留下 來，保持合成氣管路和噴嘴的通暢。
與常規(guī)的氣化工藝及氣化設(shè)備相比，本發(fā)明具有如下幾方面的 優(yōu)點(diǎn)
其一，返燒部分合成氣是對(duì)低熱值燃料的經(jīng)濟(jì)高效利用，它能 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氣化爐內(nèi)的氣化溫度和負(fù)荷變化，維持氣化爐內(nèi)燃燒的穩(wěn) 定性，從而有效減少因燃料特性變化而導(dǎo)致的合成氣產(chǎn)量和成份波 動(dòng)。
其二，返燒部分合成氣能有效提高氣化爐內(nèi)的氣化溫度，特別 是能將低熱值燃料的氣化溫度提高到焦油裂解溫度區(qū)域，從而最大 限度地使合成氣中的焦油裂解，大幅提高合成氣的品質(zhì)，為合成氣 的后續(xù)處理工藝提供方便。
其三，氣化爐內(nèi)氣化溫度的穩(wěn)定升高，既提高了氣化爐的生產(chǎn) 效率，又提高了燃料轉(zhuǎn)化為CO+H2的比率，同時(shí)可使燃料氣化所 產(chǎn)生的灰渣以液態(tài)的形成從氣化爐底部排出。針對(duì)不同燃料設(shè)計(jì)不 同的氣化溫度，可適應(yīng)各種氣化爐的液態(tài)排渣。所排出的熔渣經(jīng)水 淬玻璃化，可無害綜合利用。
其四，返燒部分合成氣可以適當(dāng)降低氣化爐主熱源的功率或用 量，特別是對(duì)等離子氣化爐而言，能起到減少運(yùn)行等離子炬的數(shù)量、 減少等離子炬電極消耗，大幅降低運(yùn)行成本的工效。在等離子炬更換電極時(shí)，返燒部分合成氣是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的穩(wěn)定負(fù)荷和穩(wěn)定燃燒的 方法。
其五，用于返燒部分合成氣的設(shè)備結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，只需在氣化 爐和后續(xù)處理設(shè)備之間增設(shè)循環(huán)風(fēng)機(jī)和穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐、在氣化爐燃燒 室增設(shè)合成氣噴嘴和氧氣噴嘴即可，易于對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改裝或改 造，成本低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。


附圖為一種利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的設(shè)備和工藝作進(jìn)一步 的詳細(xì)說明
圖中所示的利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備，具有一臺(tái)氣化爐 1和配套的后續(xù)處理設(shè)備2。氣化爐1的頂部設(shè)置有給料器11,氣 化爐1的下部鋪設(shè)有原料床10，原料床10的下方為燃燒室，氣化 爐1的底部設(shè)有排渣口。氣化爐1的頂部合成氣出口與后續(xù)處理設(shè) 備2的合成氣進(jìn)口相連。在后續(xù)處理設(shè)備2上設(shè)置有合成氣抽取口 12，合成氣抽取口 12處安裝有灰渣過濾裝置3，灰渣過濾裝置3 通過合成氣輸送管道與循環(huán)風(fēng)機(jī)4的輸入端相連，循環(huán)風(fēng)機(jī)4的輸 出端通過合成氣輸送管道與穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐5的進(jìn)口相連，穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐 5的出口通過合成氣調(diào)節(jié)閥13與合成氣噴嘴6相連，合成氣噴嘴6 安裝在氣化爐1下部的燃燒室壁面上。在氣化爐1下部的燃燒室壁 面上布置有氧氣噴嘴7。在氣化爐1的下部對(duì)應(yīng)于原料床10的爐壁 上布置有二次供氧裝置9， 二次供氧裝置9的輸氣管道上設(shè)置有氧 氣調(diào)節(jié)閥8。
上述利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備運(yùn)行時(shí)，其工藝過程是這 樣的-
啟動(dòng)氣化爐1和配套的后續(xù)處理設(shè)備2，燃料通過給料器11 連續(xù)投入，氣化和后續(xù)處理工藝正常運(yùn)行。在合成氣從氣化爐1頂 部連續(xù)輸出的狀態(tài)下，用循環(huán)風(fēng)機(jī)4從后續(xù)處理設(shè)備2的合成氣抽取口 12處抽取一部分合成氣，注意抽取的合成氣溫度應(yīng)在灰渣熔 點(diǎn)以下，以防止合成氣輸送管道結(jié)渣堵塞。合成氣抽取口 12處設(shè) 置的過濾裝置3可以將大顆?；以亓粝聛恚乐购铣蓺鈬娮毂换?渣堵塞。增壓后的合成氣進(jìn)入穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐5，經(jīng)過合成氣調(diào)節(jié)閥13 的調(diào)節(jié)，再由合成氣噴嘴6噴射到氣化爐1下部的燃燒室中。
同時(shí)，氧氣或富氧空氣由氧氣噴嘴7也噴射到氣化爐1下部的 燃燒室中，合成氣遇氧氣劇烈燃燒，產(chǎn)生高溫高熱煙氣，在原料床 10以及上方形成氣化區(qū)。高溫高熱煙氣上行將燃料氣化，也有部分 燃料與從二次供氧裝置9噴入的氧氣或富氧空氣燃燒，補(bǔ)充維持穩(wěn) 定的氣化熱量。二次供氧裝置9的噴氧量可通過氧氣調(diào)節(jié)閥8實(shí)時(shí) 調(diào)節(jié)。
氣化生成的合成氣上行至氣化爐1的頂部空間，還可對(duì)給料器 11提供的燃料進(jìn)行干燥。由于氣化爐中氣化溫度很高、上下氣體對(duì) 流、停留時(shí)間較長(zhǎng)，因而能徹底裂解合成氣中的焦油。最后，高品 質(zhì)的合成氣從氣化爐1的頂部合成氣出口流向后續(xù)處理設(shè)備2，而 燃料氣化所形成的液態(tài)灰渣則穿過原料床IO，從氣化爐1的底部排 出，如此循環(huán)不已。
為了使本設(shè)備滿足工藝整體性能的要求，并達(dá)到最佳的工藝效 果，運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)合成氣調(diào)節(jié)閥13，控制穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐5輸出 的合成氣壓力穩(wěn)定在33000 36000Pa的范圍內(nèi)，再送入氣化爐下部 穩(wěn)定燃燒。同時(shí)，將氣化爐下部所生產(chǎn)的高溫高熱煙氣的溫度控制 在1700 200(TC的范圍內(nèi)，以確保合成氣中絕大部分的焦油都能裂 解。具體操作時(shí)，可通過合成氣的抽取量以及合成氣與氧氣供給比 例綜合控制。當(dāng)然在氣化爐1內(nèi)應(yīng)布置有溫度和壓力測(cè)點(diǎn)，在合成 氣輸送管道內(nèi)應(yīng)設(shè)有氣體成份樣本采集和檢測(cè)點(diǎn)，以滿足對(duì)上述關(guān) 鍵參數(shù)的控制。上述操作大都可通過現(xiàn)有技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)，于此不多 贅述。
本發(fā)明特別適合于對(duì)各種低熱值燃料氣化設(shè)備的改造，如固態(tài) 排渣氣化爐、低溫流化床氣化爐，等離子氣化爐等，用以提高最終合成氣的品質(zhì)。特別是對(duì)等離子氣化爐，在其穩(wěn)定運(yùn)行后，可依據(jù) 實(shí)際需要，采用返燒部分合成氣的方式來補(bǔ)充氣化所需的熱量，從 而適當(dāng)減少運(yùn)行的等離子炬數(shù)目，并可實(shí)現(xiàn)等離子炬的交替運(yùn)行、 延長(zhǎng)其使用壽命、減少其運(yùn)行成本。在等離子炬需要更換電極時(shí)， 無需停機(jī)處理，直接采用部分合成氣返燒來穩(wěn)定負(fù)荷，從而有效提 高等離子氣化爐的生產(chǎn)效率。
以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)例，并非對(duì)本發(fā)明任何形式上的限 制，凡是未脫離本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上 實(shí)例進(jìn)行的修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)的 范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用合成氣返燒的輔助氣化工藝，其特征在于該工藝是在氣化爐處于常規(guī)運(yùn)行、所生成的合成氣連續(xù)從氣化爐上部輸出的狀態(tài)下，將所輸出合成氣中的一部分抽取出來，重新送入氣化爐下部的燃燒室中，與噴入的氧氣發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高熱煙氣來輔助燃燒室上方的燃料氣化的過程循環(huán)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用合成氣返燒的輔助氣化工藝，其特征在于將氣化爐下部所生產(chǎn)的高溫高熱煙氣的溫度控制在1700~2000°C 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用合成氣返燒的輔助氣化工藝，其特征在于將所抽取的合成氣增壓并穩(wěn)壓在33000~36000Pa，再送入氣化爐下部進(jìn)行燃燒反應(yīng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用合成氣返燒的輔助氣化工藝，其特征在于將合成氣抽取點(diǎn)的溫度控制在合成氣中所含灰渣的熔點(diǎn)以下。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用合成氣返燒的輔助氣化工藝，其特征在于將合成氣抽取點(diǎn)的溫度控制在合成氣中所含灰渣的熔點(diǎn)以下。
6. —種為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述工藝而設(shè)計(jì)的利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備，包括氣化爐(1)和后續(xù)處理設(shè)備(2)，氣化爐O)的合成氣出口與后續(xù)處理設(shè)備(2)的合成氣進(jìn)口相連，其特征在于所述后續(xù)處理設(shè)備(2)上設(shè)置有合成氣抽取口 (12)，所述合成氣抽取口 (12)與循環(huán)風(fēng)機(jī)(4)的輸入端相連，所述循環(huán)風(fēng)機(jī)(4)的輸出端與合成氣噴嘴(6)相連，所述合成氣噴嘴(6)設(shè)置在氣化爐(1)下部的燃燒室壁面上，用于向燃燒室中噴射合成氣；所述氣化爐(1)下部的燃燒室壁面上還設(shè)置有氧氣噴嘴(7)，用于向燃燒室中噴射氧氣或富氧空氣。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備，其特征在于所述循環(huán)風(fēng)機(jī)(4)的輸出端通過穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐(5)與合成氣噴嘴(6)相連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備，其特征在于所述氣化爐(1)下部的燃燒室上方的爐壁上設(shè)置有二次供氧裝置(9),用于向氣化爐(1)內(nèi)的原料床(10)處補(bǔ)充氧氣或富氧空氣。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備，其特征在于所述后續(xù)處理設(shè)備(2)上的合成氣抽取口 (12)處設(shè)置有灰渣過濾裝置(3)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用合成氣返燒的輔助氣化設(shè)備，其特征在于所述后續(xù)處理設(shè)備(2)上的合成氣抽取口 (12)處設(shè)置有灰渣過濾裝置(3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用合成氣返燒的輔助氣化工藝及其設(shè)備，主要解決現(xiàn)有氣化爐對(duì)燃料特性波動(dòng)適應(yīng)性較差的難題。該工藝是在氣化爐處于常規(guī)運(yùn)行、所生成的合成氣連續(xù)從氣化爐上部輸出的狀態(tài)下，將所輸出合成氣中的一部分抽取出來，重新送入氣化爐下部的燃燒室中，與噴入的氧氣發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生高溫高熱煙氣來輔助燃燒室上方的燃料氣化的過程循環(huán)。其設(shè)備包括氣化爐和后續(xù)處理設(shè)備，后續(xù)處理設(shè)備上設(shè)置有合成氣抽取口，合成氣抽取口通過循環(huán)風(fēng)機(jī)穩(wěn)壓儲(chǔ)氣罐與合成氣噴嘴相連，合成氣噴嘴和氧氣噴嘴設(shè)置在氣化爐下部的燃燒室壁面上。本發(fā)明的工藝和設(shè)備具有負(fù)荷調(diào)節(jié)性好、燃燒穩(wěn)定性好、氣化溫度高、燃料適應(yīng)性廣、產(chǎn)品品質(zhì)高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C10J3/14GK101671576SQ20091027219
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者夏明貴, 亮 張, 張巖豐, 文 林 申請(qǐng)人:武漢凱迪控股投資有限公司