一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，氣化爐分為耐壓外套和氣化爐內(nèi)膽；氣化室、旋流冷卻室和固渣冷卻室組成氣化爐內(nèi)膽，中間通過分段錐形封頭隔開；氣化室殼體從外向內(nèi)依次是隔熱材料層、冷卻夾套和耐磨材料層；氣化室底部設(shè)置冷卻水進口，頂部側(cè)面設(shè)置飽和蒸汽出口；氣化室頂部中心設(shè)置頂噴嘴，上部沿圓周均勻設(shè)置3個以上的側(cè)噴嘴；氣化室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置氣化產(chǎn)物排出口；在旋流冷卻室內(nèi)的氣化產(chǎn)物排出口外側(cè)設(shè)置霧化水冷卻套，旋流冷卻室上部設(shè)置煤氣出口；冷卻室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置固化排渣口與固渣冷卻室相連并通入到中部，固渣冷卻室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置水冷渣排渣口，充分利用余熱，消除黑水難題。
【專利說明】一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤化工領(lǐng)域，特別地，涉及煤氣流床氣化。
二、【背景技術(shù)】
[0002]煤氣化是煤的潔凈與高效利用的龍頭和關(guān)鍵技術(shù)。氣流床氣化是最近幾十年發(fā)展起來的新型煤并流式氣化技術(shù)，氣化劑與煤粉或煤漿經(jīng)噴嘴進入氣化室，煤的熱解、燃燒以及氣化反應(yīng)幾乎同時進行，高溫保證了煤高效氣化，煤中的礦物質(zhì)成為熔渣后離開氣化爐。與其他氣化技術(shù)相比，加壓氣流床氣化溫度高、處理能力大、氣體有效成分高、氣化效率高，是未來煤合成型氣化技術(shù)的發(fā)展方向。
[0003]目前氣流床煤氣化工藝按噴嘴數(shù)量和布置不同，可分為單噴嘴直噴和多噴嘴對噴兩類。如Texaco水煤漿氣化和GSP粉煤氣化均采用單噴嘴直噴方式，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)和控制簡單、造價低，但由于加壓氣化過程涉及高溫、高壓、非均相條件下的流體流動及與之相關(guān)的傳遞過程和復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，單噴嘴直噴霧化效果不理想，氣化效率相對較低；另外處理量調(diào)節(jié)幅度小、容量小，無法滿足大型化的需求。Shell和多噴嘴水煤漿工藝采用了多噴嘴對噴結(jié)構(gòu)，改善了氣化爐傳質(zhì)傳熱效果，碳轉(zhuǎn)化率、能耗等指標有所提高，但是，Shell多噴嘴結(jié)構(gòu)增加了設(shè)備的復(fù)雜性，特別是需要獨立的連鎖控制系統(tǒng)，從而增加了設(shè)備造價、操作難度和維修率；水煤漿多噴嘴對置氣化工藝由于火焰場的分布易造成爐頂部耐火材料的燒蝕，爐頂耐火磚壽命僅有幾個月，大大提高了投資。
[0004]氣化爐出來的粗煤氣具有很高的溫度(1200?1700°C)，為了讓夾帶的熔融灰渣凝固，回收余能，需要對其冷卻。目前，工業(yè)上采用的移熱方式有兩種:一種是煤氣上行廢鍋流程，產(chǎn)生高壓蒸汽；另一種是煤氣下行水激冷流程，產(chǎn)生飽和水粗煤氣。煤氣上行廢鍋流程熱效率高，避免了激冷水的黑水難題，但是上行廢鍋流程僅是回收了氣體的部分熱量，對熔渣的熱量并未回收，且采用冷煤氣加壓循環(huán)激冷、廢鍋回收余熱的方式設(shè)備復(fù)雜、能耗高。激冷流程氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，但水激冷流程大量余熱浪費，而且激冷流程黑水量大，后續(xù)處理管線結(jié)堵嚴重。煤氣下行采用廢鍋流程盡管可以同時回收合成氣和熔渣的余熱量，但由于粘灰結(jié)垢堵塞廢鍋通道，很少工業(yè)化應(yīng)用。
[0005]專利CN102994160A提到一種固相排渣的氣流床氣化爐，利用頂噴咀和側(cè)噴嘴組合形成Y型撞擊區(qū)，延長水煤漿在高溫反應(yīng)區(qū)停留時間、強化了熱質(zhì)傳遞與混合過程、避免高溫沖擊爐頂部耐火材料，提高碳轉(zhuǎn)化率和擴大適用煤種的范圍以及處理量調(diào)節(jié)幅度，同時消除單一頂噴嘴氣化爐開工爆震造成的安全隱患和降低爐膛保護層壽命的缺陷；利用隔熱材料層、冷卻管和耐磨材料層從外向內(nèi)組合的水冷壁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)以渣抗渣、保護冷卻管、提高氣化爐壽命；利用旋流冷卻套旋轉(zhuǎn)噴出的循環(huán)冷卻煤氣強化熔渣冷卻固化、離心旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)灰渣分離，解決了水激冷流程的黑水難題，同時回收灰、渣和合成氣的余熱，簡化了冷卻室結(jié)構(gòu)、降低了隔熱耐磨材料的苛刻度和成本。在實際應(yīng)用中性能遠優(yōu)于其他合成型的氣流床氣化爐，但是還存在水冷壁掛渣難度大、不均勻、易產(chǎn)生大塊掉渣，影響長周期安全運行，煤氣循環(huán)冷卻效果差、能耗高、投資大，旋流冷卻氣帶動合成氣旋轉(zhuǎn)的離心作用弱、氣量大造成了廢熱鍋爐負荷大幅度的增加，冷卻螺旋管結(jié)構(gòu)不利于側(cè)噴嘴布置、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，承壓外殼材質(zhì)要求高等重大缺陷和不足，影響了固相排渣的氣流床氣化爐的推廣和應(yīng)用。因此開發(fā)大容量、高效率、高調(diào)節(jié)、高熱量回收、低投資、長周期的大型氣流床氣化爐是目前煤化工亟待解決難題之一。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有固相排渣的氣流床氣化爐技術(shù)存在的上述重大缺陷和不足而提供一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，具有結(jié)構(gòu)簡單、承壓外殼材質(zhì)要求低、使用壽命長、煤種適應(yīng)性廣、碳的轉(zhuǎn)化率高、水冷壁掛渣容易、處理量調(diào)節(jié)幅度大、熱量回收率高、冷卻效果好、能耗和投資低、二次污染少等優(yōu)點，可滿足產(chǎn)業(yè)部門對高效大型化合成型氣化爐的要求。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明提供一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，由氣化爐耐壓外套、高壓惰性氣體充氣孔、隔熱材料層、冷卻夾套、耐磨材料層、頂噴嘴、側(cè)噴嘴、氣化室、冷卻水進口、飽和蒸汽出口、分段錐形封頭、氣化產(chǎn)物排出口、旋流冷卻室、霧化水冷卻套、霧化水進口、煤氣出口、固化渣排渣口、固渣冷卻室、防沖板、水冷渣排渣口組成，其特征在于氣化爐分為耐壓外套和氣化爐內(nèi)膽，耐壓外套和氣化爐內(nèi)膽中間保持50-500_的間隙，中間設(shè)置隔熱材料層，耐壓外套頂部設(shè)置高壓惰性氣體充氣孔，氣化室、旋流冷卻室和固渣冷卻室組成氣化爐內(nèi)膽；氣化室、旋流冷卻室和固渣冷卻室分別通過分段錐形封頭隔開；氣化室殼體由外部冷卻夾套和內(nèi)部耐磨材料層組成，氣化室的冷卻夾套底部設(shè)置冷卻水進口、頂部側(cè)面設(shè)置飽和蒸汽出口 ；氣化室頂部中心設(shè)置頂噴嘴，上部沿圓周均勻設(shè)置3個以上的側(cè)噴嘴、側(cè)噴嘴與水平方向夾角為0°?15°，與徑向方向夾角為5°?90° ;氣化室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置氣化產(chǎn)物排出口通入旋流冷卻室；在旋流冷卻室內(nèi)的氣化產(chǎn)物排出口外側(cè)設(shè)置霧化水冷卻套并與霧化水進口相連，旋流冷卻室上部設(shè)置煤氣出口，旋流冷卻室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置固化排渣口并通入到固渣冷卻室中部；固渣冷卻室中的固化排渣口下方設(shè)置有防沖板，間隙為30-500mm，固渣冷卻室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置水冷渣排渣□。
[0009]頂噴嘴與側(cè)噴嘴的原料處理量之比為I?4:1。
[0010]氣化室的高徑比為2?5:1，側(cè)噴嘴噴口距氣化室頂部高度為400-3000mm。
[0011]氣化室的耐磨材料層為碳化硅或鎂鋁尖晶石材料澆注。
[0012]旋流冷卻室使用普通隔熱耐磨材料澆注，高徑比為4?8:1，煤氣出口距旋流冷卻室頂部高度為IOO-1OOOmm.四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的新型水煤漿氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]附圖的圖面設(shè)明如下:1.氣化爐耐壓外套、2.冷卻夾套、3.隔熱材料層、4.頂噴嘴、5.側(cè)噴嘴、6.高壓惰性氣體充氣孔、7.耐磨材料層、8.氣化室、9.冷卻水進口、10.飽和蒸汽出口、11.分段錐形封頭、12.氣化產(chǎn)物排出口、13.旋流冷卻室、14.霧化水冷卻套、15.霧化水進口、16.煤氣出口、17.固化渣排渣口、18.固渣冷卻室、19.防沖板、20.水冷渣排渣口
五、【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的介紹:圖1所示，本發(fā)明所述的一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐由氣化爐耐壓外套(I )、高壓惰性氣體充氣孔(6)、隔熱材料層(3)、冷卻夾套(2)、耐磨材料層(7)、頂噴嘴(4)、側(cè)噴嘴(5)、氣化室(8)、冷卻水進口(9)、飽和蒸汽出口(10)、分段錐形封頭(11)、氣化產(chǎn)物排出口(12)、旋流冷卻室(13)、霧化水冷卻套(14)、霧化水進口(15)、煤氣出口(16)、固化渣排渣口(17)、固渣冷卻室(18)、防沖板(19)、水冷渣排渣口(20)組成，其特征在于氣化爐分為耐壓外套(I)和氣化爐內(nèi)膽，耐壓外套(I)和氣化爐內(nèi)膽中間保持50-500_的間隙，中間設(shè)置隔熱材料層(3)，耐壓外套(I)頂部設(shè)置高壓惰性氣體充氣孔(6 )，氣化室(8 )、旋流冷卻室(13 )和固渣冷卻室(17 )組成氣化爐內(nèi)膽；氣化室(8)、旋流冷卻室(13)和固渣冷卻室(17)分別通過分段錐形封頭(11)隔開；氣化室(8 )殼體由外部冷卻夾套(2 )和內(nèi)部耐磨材料層(7 )組成，氣化室(8 )的冷卻夾套(2 )底部設(shè)置冷卻水進口(9)、頂部側(cè)面設(shè)置飽和蒸汽出口(10);氣化室(8)頂部中心設(shè)置頂噴嘴(4)，上部沿圓周均勻設(shè)置3個以上的側(cè)噴嘴(5)、側(cè)噴嘴(5)與水平方向夾角為0°?15°，與徑向方向夾角為5°?90° ;氣化室(8)底部的分段錐形封頭(11)中心設(shè)置氣化產(chǎn)物排出口( 12)通入旋流冷卻室(13);在旋流冷卻室(13)內(nèi)的氣化產(chǎn)物排出口( 12)外側(cè)設(shè)置霧化水冷卻套(14)并與霧化水進口(15)相連，旋流冷卻室(13)上部設(shè)置煤氣出口
(16)，旋流冷卻室(13)底部的分段錐形封頭(11)中心設(shè)置固化排渣口(17)并通入到固渣冷卻室(18)中部；固渣冷卻室(18)中的固化排渣口(17)下方設(shè)置有防沖板(19)，間隙為30-500mm,固渣冷卻室(18)底部的分段錐形封頭(11)中心設(shè)置水冷渣排渣口(20)。
[0016]利用流體力學(xué)、化工動力學(xué)、傳熱學(xué)、材料力學(xué)等多方面知識進行理論研究、數(shù)學(xué)模擬和優(yōu)化以及大量的實驗研究，確定的本發(fā)明各部分的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和組合方式如下:
[0017]頂噴嘴(4)與側(cè)噴嘴(5)的原料處理量之比為I?4:1。
[0018]氣化室(8)的高徑比為2?5:1，側(cè)噴嘴(5)噴口距氣化室(8)頂部高度為400-3000mmo
[0019]氣化室(8)的耐磨材料層為碳化硅或鎂鋁尖晶石材料澆注。
[0020]旋流冷卻室(13)使用普通隔熱耐磨材料澆注，高徑比為4?8:1，煤氣出口(16)距旋流冷卻室(13)頂部高度為IOO-1OOOmm.[0021]在實際操作中，旋流液渣固化的氣流床氣化爐工作時，水煤漿或粉煤與氣化劑經(jīng)頂噴嘴和徑向傾斜的側(cè)噴嘴入爐，多股射流在爐膛中心相互碰撞形成Y型旋轉(zhuǎn)撞擊區(qū)，相互點火、湍流攪拌混合、形成高溫反應(yīng)區(qū)，煤粉在高溫反應(yīng)區(qū)的停留時間大大延長，強化了熱質(zhì)傳遞與混合過程，改善了著火穩(wěn)定性，提高碳轉(zhuǎn)化率和擴大適用煤種的范圍以及處理量調(diào)節(jié)幅度；而且水冷壁掛渣容易，耐火層表面結(jié)一層凝固渣層，以渣抗渣、提高了氣化爐的壽命；同時由于頂噴嘴的作用，火焰方向向下，高達2 O O (TC的火焰不會沖擊爐頂部耐火材料；另外頂噴嘴同時具有點火和反應(yīng)功能，消除單一頂噴嘴氣化爐開工爆震造成的安全隱患和降低爐膛保護層壽命的缺陷以及點火噴嘴和反應(yīng)噴嘴高溫更換的危險和繁重；生成的煤氣與熔融灰渣并流高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)分段錐形封頭中心的氣化產(chǎn)物排出口進入下游的旋流冷卻室。氣化產(chǎn)物由原來的一次水激冷過程，變?yōu)槎嗡植郊だ?，操作條件和對設(shè)備的要求苛刻度大大緩和。
[0022]霧化水從氣化產(chǎn)物排出口外側(cè)的霧化水冷卻套高速霧狀噴出與氣化產(chǎn)物排出口并流高速旋轉(zhuǎn)噴射出來的煤氣與熔融灰渣快速混合、灰渣激冷固化效果遠優(yōu)于氣體激冷；由于水的相變熱大，相對用量少，冷卻能耗遠低于冷煤氣循環(huán)激冷，對廢熱鍋爐的負荷影響也較?。辉陔x心旋轉(zhuǎn)過程固渣由于慣性大甩到旋流冷卻室壁、下行到固化排渣口，而殘?zhí)亢枯^高的灰慣性小被向上流動的合成氣帶出旋流冷卻室，從而實現(xiàn)了灰渣分離，消除了氣渣并流下行氣流爐的水激冷產(chǎn)生的后續(xù)極難處理的黑水、后續(xù)處理管線結(jié)堵和二次污染嚴重、下降管內(nèi)的激冷環(huán)極易損壞的共性難題；熔渣固化放出大量的相變熱、外排的合成氣溫度降到800°C以內(nèi)，便于設(shè)置廢熱鍋爐同時回收利用灰、渣和合成氣的的熱量，余熱回收率大大提高；冷卻室溫度降到800°C以內(nèi)并且為干式結(jié)構(gòu)，還簡化了冷卻室結(jié)構(gòu)、降低了隔熱耐磨材料的苛刻度和成本。
[0023]固化渣從固渣冷卻室中的固化排渣口排入水中，由于下方設(shè)置有防沖板，保證了固化渣從旋流冷卻室平緩流出；另外在排渣管無需使用激冷環(huán)，也就避免了目前氣渣并流下行氣流爐水激冷流程中普遍存在的激冷環(huán)極易損壞，影響長周期運行的難題。
[0024]水冷渣從固渣冷卻室底部的水冷渣排渣口通過高壓鎖斗間歇式排出，由于在旋流冷卻室中實現(xiàn)了廢渣分離，消除了下行氣流床氣化爐激冷渣產(chǎn)生的黑水難題，后續(xù)處理過程大大簡化，成本和能耗大幅度降低。
[0025]高壓惰性氣體(如氮氣)從耐壓外套頂部的高壓惰性氣體充氣孔注入,使氣化爐內(nèi)膽在很小的壓差下運行，從而保證了耐壓外套可以使用普通碳鋼材料，氣化爐內(nèi)膽壁厚大大降低了，耐溫耐壓抗氫脆的高鎳合金材料的使用量和氣化爐設(shè)備投資大幅度減少。
[0026]冷取水從氣化室的冷卻夾套底部冷卻水進口流入，最后從頂部側(cè)面的飽和蒸汽出口流出，很簡單低成本地實現(xiàn)了夾套內(nèi)側(cè)耐磨材料層的均勻冷卻，壁面掛渣均勻，避免了螺旋管冷卻掛渣不勻出現(xiàn)大塊渣突然脫落、堵塞排出口的危險。
[0027]從中試實驗結(jié)果來看，碳氣化率高達99%以上、綜合熱回收率提高15%以上，投資降低30%以上，處理量調(diào)節(jié)幅度60%-150%，冷卻劑用量減少80%左右，廢熱鍋爐的負荷降低30%以上，對煤種的揮發(fā)分無要求，水冷壁掛渣容易且均勻，無黑水處理難題，能滿足產(chǎn)業(yè)部門對高效大型化合成型氣化爐的要求。
【權(quán)利要求】
1.一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，由氣化爐耐壓外套、高壓惰性氣體充氣孔、隔熱材料層、冷卻夾套、耐磨材料層、頂噴嘴、側(cè)噴嘴、氣化室、冷卻水進口、飽和蒸汽出口、分段錐形封頭、氣化產(chǎn)物排出口、旋流冷卻室、霧化水冷卻套、霧化水進口、煤氣出口、固化渣排渣口、固渣冷卻室、防沖板、水冷渣排渣口組成，其特征在于氣化爐分為耐壓外套和氣化爐內(nèi)膽，耐壓外套和氣化爐內(nèi)膽之間的間隙為50-1000_，耐壓外套內(nèi)壁設(shè)置隔熱材料層，耐壓外套頂部設(shè)置高壓惰性氣體充氣孔；氣化室、旋流冷卻室和固渣冷卻室組成氣化爐內(nèi)膽，氣化室、旋流冷卻室和固渣冷卻室分別通過分段錐形封頭隔開；氣化室殼體由外部冷卻夾套和內(nèi)部耐磨材料層組成，氣化室的冷卻夾套底部設(shè)置冷卻水進口、頂部側(cè)面設(shè)置飽和蒸汽出口 ；氣化室頂部中心設(shè)置頂噴嘴，上部沿圓周均勻設(shè)置3個以上的側(cè)噴嘴、側(cè)噴嘴與水平方向夾角為0°?15°，與徑向方向夾角為5°?80° ;氣化室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置氣化產(chǎn)物排出口通入旋流冷卻室；在旋流冷卻室內(nèi)的氣化產(chǎn)物排出口外側(cè)設(shè)置霧化水冷卻套并與霧化水進口相連，旋流冷卻室上部設(shè)置煤氣出口，旋流冷卻室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置固化渣排渣口并通入到固渣冷卻室中部；固渣冷卻室中的固化渣排渣口下方設(shè)置有防沖板，間隙為30-500mm，固渣冷卻室底部的分段錐形封頭中心設(shè)置水冷渣排渣□。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，其特征在于所說的頂噴嘴與側(cè)噴嘴的原料處理量之比為I?4:1。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，其特征在于所說的氣化室的高徑比為2-5:1，側(cè)噴嘴噴口距氣化室頂部高度為400-3000mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，其特征在于所說的氣化室的耐磨材料層為碳化硅或鎂鋁尖晶石材料澆注。
5.根據(jù)權(quán)利要求書(I)所述的一種旋流液渣固化的氣流床氣化爐，其特征在于所說的旋流冷卻室使用普通隔熱耐磨材料澆注，高徑比為4?8:1，煤氣出口距旋流冷卻室頂部高度為 lOO-lOOOmm。
【文檔編號】C10J3/48GK203582819SQ201320612438
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】田原宇, 喬英云, 田斌, 安曉熙 申請人:中國石油大學(xué)(華東)