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CN105586093B - 一种带部分余热回收装置的气化反应器及其气化方法 - Google Patents

一种带部分余热回收装置的气化反应器及其气化方法 Download PDF

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CN105586093B CN201610118854.9A CN201610118854A CN105586093B CN 105586093 B CN105586093 B CN 105586093B CN 201610118854 A CN201610118854 A CN 201610118854A CN 105586093 B CN105586093 B CN 105586093B
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Abstract

本发明公开了一种带部分余热回收装置的气化反应器及其气化方法，其特征在于，包括气化炉本体和对流废锅，所述的气化炉本体的内从上而下依次设有气化反应室、激冷变换室和冷却除渣室。所述气化炉本体气化反应室、激冷变换室和洗涤除渣室为同轴设置，所述的气化炉本体内设有顶部烧嘴室和侧面烧嘴室，冷却除渣室侧面与对流废锅采用导管段联通，对流废锅内从上而下依次设有返向室、过热器、对流废锅和合成气出口。本发明具有运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能等特点。

Description

一种带部分余热回收装置的气化反应器及其气化方法
技术领域
本发明涉及一种带部分余热回收装置的气化反应器及其气化方法，属于能源清洁利用技术领域。
背景技术
气化过程是固体化石燃料转化为气态可燃物的必经之路。气化过程根据不同的气化温度可划分为高温气化、中高温气化以及中低温热解气化等过程。高温气化因其反应速度快、效率高以及环境友好等特征被广泛应用。高温气化的主流技术为气流床气化技术。在近20年里，气流床气化技术得到了大规模推广应用，随着各种气流床气化技术的不断升级和工业示范应用，技术成熟度已经被市场所认可。但是，随着全球范围的节能降耗和环保大趋势下，高水耗、高能耗的化工过程备受诟病，包括碳排放、水污染、大气污染等问题日渐显现。
现有气流床气化技术主要有干法进料和湿法进料两种，干法进料的主要特点是相比于湿法进料能量利用效率高，合成气中有效气含量高，合成气中一氧化碳体积浓度约为氢气的3倍。湿法进料的主要特点是系统投资低于干法进料，系统效率低于干法进料约10个百分点，合成气中氢气体积浓度提高。由于气流床气化过程操作温度达到1300℃以上，气化产物含有大量的高位显热，具有较高的回收价值，该部分显热的回收可使系统效率提高4-5个百分点。但是由于气化产物中含有液态熔渣和熔融态飞灰，显热回收过程存在大规模结渣的技术风险，因此气化产物的显热回收很少在气流床气化过程中得到推广应用。尤其是针对下行式气流床气化炉，所有气化后炉渣伴随合成气并流进入下游冷却系统，熔融态灰渣具有较强的粘结性，很容易直接在水冷壁上形成沾污粘结，甚至结渣堵渣，现有技术还未对下行式气流床气化过程的余热回收系统实现有效突破，国内已运行装置也发生过严重的结渣堵渣事故。且干法气化后的H2与CO体积比仅为0.3左右，远远低于湿法进料0.8左右的比值，因此干法进料气化技术虽然能源利用效率高、系统维护成本低，但是在技术上还无法完全替代相对高能耗的湿法进料气化技术。
发明内容
本发明的目的是解决下行式干法进料气化反应器气化产物的H2/CO调整和高温显热回收问题。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，包括相连通的气化炉和对流废锅，其中：
气化炉包括承压壳体一，承压壳体一内由上至下依次设置有同轴布置的气化反应室、激冷变换室和冷却除渣室；
气化反应室包括炉内胆水冷壁，炉内胆水冷壁的顶部设有同轴的顶部烧嘴室，在炉内胆水冷壁的中上部沿轴向设有至少一层侧面烧嘴室，每层侧面烧嘴室包括沿周向布置的至少两个侧面烧嘴室，炉内胆水冷壁底部为与激冷变换室相通的下渣口；
带有激冷装置的激冷变换室的出口与冷却除渣室相通，冷却除渣室的出口与对流废锅的进口相通。
优选地，所述激冷变换室包括与所述下渣口相通的导引管，在导引管的外侧设有至少一圈激冷环，每圈激冷环上设有沿周向布置的激冷喷头，激冷环的下方设有沿轴向设有至少一层二次激冷喷枪，每层二次激冷喷枪包括至少两个沿周向布置的二次激冷喷枪，二次激冷喷枪下方设有锥形底部，锥形底部与所述冷却除渣室相通。
优选地，每圈所述激冷环上的所述激冷喷头的数量为16～200个。
优选地，所述冷却除渣室包括与所述锥形底部相通的圆筒形水冷壁，圆筒形水冷壁与所述承压壳体一的内壁之间形成环形通道，环形通道下方设有渣池，渣池底部设有排渣口，环形通道的出口与所述对流废锅的进口相通。
优选地，所述内壁采用隔热耐火材料。
优选地，所述气化炉经由导管段与所述对流废锅相通，所述对流废锅包括承压壳体二，在承压壳体二内由上至下依次设置有返向室、过热器、对流换热器和合成气出口。
优选地，所述导管段内侧采用隔热耐火材料设计，所述导管段与所述承压壳体一间形成角度为30°～60°的夹角。
优选地，所述过热器、所述对流换热器采用火管式设计或采用水管式设计。
优选地，所述侧面烧嘴室的中心轴线与所述气化炉径向形成的0～30°夹角。
本发明的另一个技术方案是提供了一种带部分余热回收装置的气化反应器的气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、气化燃料和气化剂通过侧面烧嘴室及顶部烧嘴室喷入气化炉，在气化反应室内发生高温、高压复杂气化反应，侧面烧嘴室将在气化反应室内形成撞击流或旋流，将使熔融态灰渣颗粒在惯性力的作用下甩向炉内胆水冷壁，形成稳定的液态渣膜，气化后的产物经下渣口进入激冷变换室；
第二步、高温高压合成气夹带着气化过程中产生的液态灰渣通过导引管进入激冷变换室，在导引管的导引下，气渣混合物在激冷环上激冷喷头的喷淋水雾/蒸汽作用下，合成气迅速降温，熔融态灰渣迅速凝固，固化后向下汇聚流动，并在二次激冷喷枪作用下进一步降温固化，合成气物流在多重喷淋作用下，合成气夹带灰渣流向中心聚集，最终流向冷却除渣室；
第三步、初步降温后的合成气夹带已固化灰渣颗粒进入冷却除渣室的圆筒形水冷壁，合成气热量通过圆筒形水冷壁回收，温度进一步下降，灰渣颗粒在重力和惯性力的作用下落入底部渣池，合成气折返进入环形通道，在环形通道内合成气温度继续下降，进入导管段；
第四步、合成气经由导管段进入对流废锅的返向室，折返向下进入过热器，在过热器内产生将5MPa等级的饱和蒸汽过热，再进入对流换热器，合成气温度降至250℃～350℃，同时产生5MPa等级饱和蒸汽，合成气从合成气出口流出。
在上述方法中：
1)煤等含碳固体燃料经气化室高温气化后形成1400℃左右气化产物，气化产物主要为含H2、CO的合成气和熔融态灰渣；
2)高温气化产物经气化室出口进入激冷变换室，在激冷环170℃雾化激冷水激冷和侧面激冷喷枪的激冷下，熔融态灰渣瞬间固化，合成气中水蒸汽含量骤升，发生如下变换反应：
H2O(g)+CO→CO2+H2
经过变换反应调整后，合成气中H2/CO值由0.3升高至0.8。
3)经过激冷变换后气化产物温度由1400℃将至900℃以下，进入冷却除渣室，在重力作用下，灰渣颗粒惯性下落，大部分直接进入渣池，合成气在圆筒形水冷壁作用下继续降温至750℃进入导管段；
4)合成气经由导管段进入对流废锅返向室，返向进入过热器，在过热器内继续降温至500℃，继续进入对流换热器，最终降温至200℃～350℃，从对流废锅底部或侧面出口流出；
5)气化炉水冷壁、圆筒形水冷壁和对流换热器产生饱和蒸汽，所产生的饱和蒸汽到对流废锅内进行过热，产生过热蒸汽，该过热蒸汽的小部分作为气化剂喷入气化炉，大部分用于其他。
相比现有技术，本发明置具有如下有益效果：
(1)采用激冷变换室、冷却除渣室和对流废锅组合形式进行，大大提高了气化产物显热利用和回收效率，并可使设备运行稳定性和可靠性大大提高，既解决了合成气出口带灰问题，也解决了辐射废锅结渣堵渣等问题，还可极大程度上调整合成气中H2/CO比率；
(2)采用π型结构气化炉布置，结构紧凑，相比塔式布置可有效降低框架高度节省投资，另外，气化室水冷壁、圆筒形水冷壁和对流换热段产生的饱和水蒸汽在内部过热，系统效率大大提高；
(3)气化室出口激冷至900℃以下可有效避免圆筒形水冷壁内的结渣，并通过对流传热和辐射传热可在圆筒形水冷壁内进行一步降温至750℃以下，可大大降低灰颗粒的粘结性，避免在对流废锅内形成积灰。
附图说明
图1为一种带部分余热回收装置的气化反应器示意图；
附图标记说明
1-气化室；2-激冷变换室；3-圆筒形水冷壁；4-渣池；5-导管段；6-返向室；7-过热器；8a，8b-对流换热器；9a，9b-合成气出口；10-承压壳体二；11-环形通道；12-激冷环；13-激冷喷头；14-激冷变换室壁面；15-内壁；16-侧面工艺烧嘴室；17-顶部工艺烧嘴室；18-下渣口；19-导引管，20-锥形底部，21-炉内胆水冷壁，22-二次激冷喷枪，23-承压壳体一，24-冷却除渣室，25-排渣口。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
结合图1，本发明提供了一种带部分余热回收装置的气化反应器，包括相连通的气化炉和对流废锅。
气化炉包括承压壳体一23，在承压壳体一23内由上至下依次同轴设置有气化室1、激冷变换室2、冷却除渣室24。合成气从侧面流出冷却除渣室24后进入对流废锅。
气化室1包括炉内胆水冷壁21、位于顶部的顶部烧嘴室17和位于侧面的侧面烧嘴室16以及下渣口18等。炉内胆水冷壁21安装在承压壳体一23内的上部。炉内胆水冷壁21的顶部安装有顶部烧嘴室17，顶部烧嘴室17贯穿承压壳体一23的顶部且与炉内胆水冷壁21同轴设置。顶部烧嘴室17可安装工艺烧嘴、点火烧嘴和烘炉烧嘴，或作为人孔。炉内胆水冷壁21的中上部安装有侧面烧嘴室16，侧面烧嘴室16至少沿轴向设置一层，每层至少沿周向设置两个侧面烧嘴室16。同一层的侧面烧嘴室16之间可形成切圆布置或对撞式布置。炉内胆水冷壁21的内部为气化炉炉膛，气化炉炉膛的底部为下渣口18，经由导引管19进入激冷变换室2，导引管19的锥形角度为5～45°。
激冷变换室2包括与下渣口18相连的导引管19、环形的激冷环12、沿环形布置安装在激冷环12上的激冷喷头13、侧下方沿圆周均匀布置的二次激冷喷枪22和锥形底部20等。在激冷变换室2的入口处安装有激冷环12和导引管19。导引管19外侧安装有至少一圈激冷环12，每圈激冷环12上均安装有16～200个沿激冷环12圆周布置的激冷喷头13。激冷喷头13的喷头与气化炉轴向形成角度为0～60°的夹角，且每一圈激冷环12上的激冷喷头13的喷头轴向喷射角度可不一致。激冷喷头13的喷头与气化炉径向形成角度为-60～60°的夹角，且与侧面烧嘴室16所形成切向角度的方向相反，形成逆向消旋。激冷环12的下方设有二次激冷喷枪22，沿激冷变换室壁面14圆周均匀布置，与气化炉轴向形成角度为0～30°的夹角。二次激冷喷枪22下方为锥形底部20，锥形底部20的锥形角度为15～75°，锥形设计可确保喷淋雾化水/蒸汽夹带部分灰渣向下流动。锥形底部20与圆筒形水冷壁3相连。为了保护激冷变换室壁面14，激冷变换室壁面14采用水夹套结构设计或水冷壁结构设计。
冷却除渣室24包括与锥形底部20相连的圆筒形水冷壁3、渣池4、环形通道11、内壁15和导管段5等。在冷却除渣室24的中心安装有圆筒形水冷壁3，其底部为渣池4，圆筒形水冷壁3与激冷变换室2同轴设置，均采用圆筒形结构设计。渣池4底部设有排渣口25。圆筒形水冷壁3直径与气化炉内径的比值为0.25～0.75。圆筒形水冷壁3与内壁15之间形成环形通道11。环形通道11上方的承压壳体一23上(即在冷却除渣室24侧面中上部)设有导管段5。导管段5口径根据气化炉设计产量确定，控制导管段5内流速为5～15m/s，进入对流废锅。为了防止内壁15超温，内壁15采用耐火隔热材料设计。
对流废锅包括承压壳体二10、承压壳体二10内由上至下依次设置有返向室6，过热器7，对流换热器8a、8b，合成气出口9a、9b等。返向室6设在对流废锅顶部，内壁采用水冷壁或者耐火隔热材料设计。返向室6下方设有1个过热器7，过热器7采用火管式或水管式设计。过热器7下方设有2-3组对流换热器8a、8b。对流换热器8a、8b下方设有合成气出口9a、9b。
本发明提供的一种带部分余热回收装置的气化反应器的工艺过程主要分四个子过程，分别描述如下：
过程一：气化燃料和气化剂通过侧面烧嘴室16、顶部烧嘴室17喷入气化炉，在气化室1内发生高温、高压复杂气化反应，侧面布置的多个侧面烧嘴室16将在气化反应室1内形成撞击流或旋流，将使熔融态灰渣颗粒在惯性力的作用下甩向炉内胆水冷壁21，形成稳定的液态渣膜，以利于液态排渣，同时大大提高停留时间和碳转化率。气化后的产物经下渣口18进入激冷变换室2，下渣口18物流温度根据煤种灰熔融特性差异，一般保持在1300℃以上。
过程二：高温高压合成气夹带着气化过程中产生的液态灰渣通过导引管19进入激冷变换室2，在导引管19的导引下，气渣混合物在在激冷环12上激冷喷头13的喷淋水雾/蒸汽作用下，合成气迅速降温，熔融态灰渣迅速凝固，固化后向下汇聚流动，并在二次激冷喷枪22作用下进一步降温固化，合成气物流在多重喷淋作用下，合成气夹带灰渣流向中心聚集，最终流向冷却除渣室24。此时的合成气及灰渣物流温度通常为750～900℃之间，同时在激冷变换室内还发生大量的水蒸汽、CO的变换反应，使合成气中H2/CO比率值由0.3升高至0.8，为下游变换反应系统降低了设计和运行负荷。
过程三：初步降温后的合成气夹带已固化灰渣颗粒进入冷却除渣室24的圆筒形水冷壁3，合成气热量通过圆筒形水冷壁3回收，温度进一步下降，灰渣颗粒在重力和惯性力的作用下落入底部渣池4，合成气折返进入环形通道11，在环形通道内11合成气温度继续下降，进入导管段5，此时合成气温度通常保持在700℃左右。
过程四：合成气经由导管段5进入对流废锅的返向室6，折返向下进入过热器7，在过热器7内产生将5MPa等级的饱和蒸汽过热，合成气温度降至500℃左右，再进入多组对流换热器8a、8b，合成气温度降至250℃～350℃，同时产生5MPa等级饱和蒸汽，合成气从合成气出口9a、9b流出。
经以上四个过程，即完成了本发明的完整工艺过程。
本发明所采用的燃料适应性广，可选为煤等含碳固体粉体燃料；采用的气化剂可选为水蒸汽、空气、纯氧或氧气浓度大于21％的富氧空气。气化炉炉壁21的材料可采用水冷壁结构或耐火砖结构设计，水冷壁结构可选用列管式、盘管式或其组合形式。
下面结合采用本发明提供的带部分余热回收装置的气化反应器进行相应试验得到的结果对本发明作进一步说明：
实施例1
一套日处理3000吨煤的干煤粉加压带部分余热回收装置的气化反应器，气化反应室壳体(即炉内胆水冷壁21)的内直径为3230mm，排渣口25内径1100mm。气化炉中上部侧面均匀布置一层四个侧面烧嘴室16，侧面烧嘴平面与气化反应室，轴线垂直，径向偏斜角度为4.0°，由四个侧面烧嘴室16共喷入100％的煤粉、100％的水蒸汽以及100％纯氧气，顶部烧嘴室17作为点火/开工烘炉烧嘴。
激冷变换室2的筒体直径为4150mm，激冷环12设置一层，激冷喷头13沿激冷环12均匀布置88个，喷淋170℃雾化水蒸汽，共设有一层，激冷喷头13轴向向内侧喷射角度为15°，径向逆时针喷射角度为-3°喷射速度约5m/s。
激冷变换室2的二次激冷喷枪22设一层，6个喷枪，喷淋170℃雾化水蒸汽，喷射速度4.5m/s；
导引管19扩口角度设为15°。
导管段5内径650mm，表观流速约9.5m/s。
炉内胆水冷壁21采用列管式水冷壁设计。
炉内胆水冷壁21、圆筒形水冷壁3、对流换热器8a、8b均产生5.4MPa等级饱和蒸汽，过热器7对系统产生的饱和蒸汽进行过热，达到380℃。
由上述气化反应装置可以得到煤质分析(如表1所示)及气化反应室出口合成气的分析数据(如表2所示)：
表1煤质分析表
其他主要操作条件：
操作温度：1470℃；
操作压力：4.0MPa；
煤粉输送载气介质：氮气；
助溶剂CaCO3消耗：～1.5Wt％；
氧气消耗：64047kg/h；
蒸汽消耗：14402kg/h；
蒸汽入口温度：623K；
氧气入口温度：298K；
氧气纯度：99.6％。
气化反应装置出口合成气分析数据为：
表2气化室出口合成气成分(Vol％)与下渣口处温度(℃)数据
H2 CO CO2 H2O CH4 H2S COS N2 T
22.98 66.85 2.18 2.78 0.03 0.03 0.02 5.11 1472
气化室出口H2/CO体积比：0.34；
碳转化率：99.8％；
冷煤气效率：87.1％；
气化反应装置出口煤气中有效成分含量(H2+CO)：89.83％(湿基)；
有效气产量：133730Nm3/h；
经过激冷变换室、冷却除渣室和对流废锅后的合成气参数见表3所示：
表3对流废锅出口合成气成分(干基Vol％)与下渣口处温度(℃)数据
H2 CO CO2 CH4 H2S COS N2 T
35.57 42.78 17.20 0.02 0.02 0.01 4.45 302
对流废锅出口参数：
合成气温度：302℃；
夹带细灰：2281kg/h；
出口H2/CO体积比：0.83；
有效气总流量不变。
与现有技术相比，本发明专利提供的气化技术比：碳转化率提高≥1％，冷煤气效率提高≥2％，合成气有效气成分比例提高≥3％，比氧耗(Nm3/kNm3(H2+CO))降低≥10，比煤耗(kg/kNm3(H2+CO))降低≥40，运行费用降低≥10％，投资费用降低≥10％。气化反应器出口H2/CO体积比提高≥60％。

Claims (10)

1.一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，包括相连通的气化炉和对流废锅，其中：
气化炉包括承压壳体一(23)，承压壳体一(23)内由上至下依次设置有同轴布置的气化反应室(1)、激冷变换室(2)和冷却除渣室(24)；
气化反应室(1)包括炉内胆水冷壁(21)，炉内胆水冷壁(21)的顶部设有同轴的顶部烧嘴室(17)，在炉内胆水冷壁(21)的中上部沿轴向设有至少一层侧面烧嘴室(16)，每层侧面烧嘴室(16)包括沿周向布置的至少两个侧面烧嘴室(16)，炉内胆水冷壁(21)底部为与激冷变换室(2)相通的下渣口(18)；
带有激冷装置的激冷变换室(2)的出口与冷却除渣室(24)相通，冷却除渣室(24)的出口与对流废锅的进口相通。
2.如权利要求1所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，所述激冷变换室(2)包括与所述下渣口(18)相通的导引管(19)，在导引管(19)的外侧设有至少一圈激冷环(12)，每圈激冷环(12)上设有沿周向布置的激冷喷头(13)，激冷环(12)的下方沿轴向设有至少一层二次激冷喷枪(22)，每层二次激冷喷枪(22)包括至少两个沿周向布置的二次激冷喷枪(22)，二次激冷喷枪(22)下方设有锥形底部(20)，锥形底部(20)与所述冷却除渣室(24)相通。
3.如权利要求2所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，每圈所述激冷环(12)上的所述激冷喷头(13)的数量为16～200个。
4.如权利要求2所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，所述冷却除渣室(24)包括与所述锥形底部(20)相通的圆筒形水冷壁(3)，圆筒形水冷壁(3)与所述承压壳体一(23)的内壁(15)之间形成环形通道(11)，环形通道(11)下方设有渣池(4)，渣池(4)底部设有排渣口(25)，环形通道(11)的出口与所述对流废锅的进口相通。
5.如权利要求4所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，所述内壁(15)采用隔热耐火材料。
6.如权利要求1所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，所述气化炉经由导管段(5)与所述对流废锅相通，所述对流废锅包括承压壳体 二(10)，在承压壳体二(10)内由上至下依次设置有返向室(6)、过热器(7)、对流换热器(8a、8b)和合成气出口(9a、9b)。
7.如权利要求6所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，所述导管段(5)内侧采用隔热耐火材料设计，所述导管段(5)与所述承压壳体一(23)间形成角度为30°～60°的夹角。
8.如权利要求6所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，所述过热器(7)、所述对流换热器(8a、8b)采用火管式设计或采用水管式设计。
9.如权利要求1所述的一种带部分余热回收装置的气化反应器，其特征在于，所述侧面烧嘴室(16)的中心轴线与所述气化炉径向形成的0～30°夹角。
10.一种带部分余热回收装置的气化反应器的气化方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、气化燃料和气化剂通过侧面烧嘴室(16)及顶部烧嘴室(17)喷入气化炉，在气化反应室(1)内发生高温、高压复杂气化反应，侧面烧嘴室(16)将在气化反应室(1)内形成撞击流或旋流，将使熔融态灰渣颗粒在惯性力的作用下甩向炉内胆水冷壁(21)，形成稳定的液态渣膜，气化后的产物经下渣口(18)进入激冷变换室(2)；
第二步、高温高压合成气夹带着气化过程中产生的液态灰渣通过导引管(19)进入激冷变换室(2)，在导引管(19)的导引下，气渣混合物在激冷环(12)上激冷喷头(13)的喷淋水雾/蒸汽作用下，合成气迅速降温，熔融态灰渣迅速凝固，固化后向下汇聚流动，并在二次激冷喷枪(22)作用下进一步降温固化，合成气物流在多重喷淋作用下，合成气夹带灰渣流向中心聚集，最终流向冷却除渣室(24)；
第三步、初步降温后的合成气夹带已固化灰渣颗粒进入冷却除渣室(24)的圆筒形水冷壁(3)，合成气热量通过圆筒形水冷壁(3)回收，温度进一步下降，灰渣颗粒在重力和惯性力的作用下落入底部渣池(4)，合成气折返进入环形通道(11)，在环形通道(11)内合成气温度继续下降，进入导管段(5)；
第四步、合成气经由导管段(5)进入对流废锅的返向室(6)，折返向下进入过热器(7)，在过热器(7)内产生将5MPa等级的饱和蒸汽过热，再进入对流换热器(8a、8b)，合成气温度降至250℃～350℃，同时产生5MPa等级饱和蒸 汽，合成气从合成气出口(9a、9b)流出。
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