CN109135836B - 一种气化炉装置及水煤浆气化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气化炉装置及水煤浆气化系统，所述气化炉装置包括燃烧室、与所述燃烧室直接相连的激冷室，以及固定设置在激冷室顶部上的合成气挡板，所述合成气挡板上均设置有若干开孔，所述合成气挡板开孔旁均设置有侧向开口板，所述侧向开口板与其相近的所述合成气挡板开孔面形成锐角。本发明通过对所述合成气挡板的结构改进以保证自上升管与下降管之间的环隙出来的低温合成气能够对激冷室顶部折流板外部区域进行有效降温，避免了激冷室顶部金属壳体的超温现象以及高温腐蚀，从而延长了气化炉运行寿命和降低可观的检修和维护费用。

Description

一种气化炉装置及水煤浆气化系统

技术领域

本发明涉及水煤浆气化领域，尤其涉及一种气化炉装置及水煤浆气化系统。

背景技术

煤炭在未来相当长一段时期内仍将是我国的主要基础能源，煤炭的利用相比天然气和石油而言更加困难，污染也更大。实际上，目前我国的煤炭资源不仅利用率低，且开采和利用过程中，对环境产生了难以忽视的污染。为了维护国家能源安全和应对环境保护，节能减排、清洁高效是对煤炭资源利用的必然要求。为实现煤炭工业可持续发展，作为煤炭清洁利用的重要手段，煤气化技术得到了极大的重视和发展。

传统的煤气化工艺中，根据气化炉所使用的原料的不同，分为干法煤气化工艺和水煤浆煤气化工艺，前者直接以压缩气体携带干燥煤粉进入气化炉中进行气化，后者则通常将煤粉与水混合成水煤浆后进入气化炉进行气化。由于湿法煤气化工艺在供料连续性、稳定性、成本方面优于干法煤气化工艺，因此前者在工业上更具有应用前景。实际上水煤浆气化已得到比较广泛的应用。当前的商业湿法煤气化炉对原料水煤浆具有严格的要求，例如要求在确保水煤浆流动稳定性的情况下其固体含量尽可能高以便确保高热值和高气化效率；同时还要求水煤浆中的灰分尽可能低，以便降低气化炉内高温气流夹带的灰渣对构成气化炉炉壁的耐火砖的冲刷侵蚀，因为灰分中的铁、钙、镁等金属的氧化物会渗入耐火砖内部并发生化学反应，导致耐火砖内部疏松，强度下降，造成耐火砖蚀损。

在水煤浆气化过程中，灰分虽然不直接参加气化反应，但却要消耗煤中可燃物在氧化反应中所产生的反应热，用于灰分的升温、熔化及转化，从而降低冷煤气效率。此外，灰分含量的增高，不仅使得煤的发热量越低，而且会增大灰渣的外运量，增加灰渣对耐火砖的侵蚀和磨损，同时也会使黑水中的固含量增高，加重黑水对管道、阀门、设备的磨损。因此，气化用煤的灰含量对水煤浆气化炉有非常大的影响。

目前，已有相关发明技术将气化用煤中的矿物质杂质颗粒（即灰分）在进入气化炉燃烧氧化之前脱除（发明专利CN201710502714-一种利用煤或煤矸石生产高热值水煤浆的工艺及采用该工艺的煤气化工艺），使得进入气流床气化炉水煤浆的干基灰含量远低于当前工业水平（典型的水煤浆气化炉对气化用煤灰分要求低于16wt.%）。传统意义上的气化用煤，以及不能用于气化过程的劣质煤（例如洗选中煤、煤泥或煤矸石等），经发明专利CN201710502714所披露的煤灰分脱除技术处理后，灰分得到大幅降低（使传统的原料水煤浆中的灰分降低30-90%）），所制得的气化水煤浆在热值、粒度分布与传统意义的水煤浆亦有所区别（新型水煤浆热值更高、平均粒径更小）。同时，该技术通过将不同来源、不同特性、不同质量的煤种经必要的提纯处理，其中的含碳-氢的可燃物与矿物质充分分离后制取优质水煤浆，从而拓宽了水煤浆制备用煤来源，并实现了水煤浆制备过程的标准化，即将不同来源及品质的用煤原料做相似工艺过程加工，制得统一规格的低灰、高热值、细粒径的新型优质水煤浆。

同时，由于气流床气化炉装置所处理水煤浆中灰分杂质含量降低，气化炉单位时间内处理外排的灰渣量大幅度下降，灰渣在高温条件下对构成气化炉热面炉壁的耐火砖的物理冲刷、化学侵蚀程度下降，并降低了灰渣外排系统的操作负荷（即排渣周期延长），因此预期大大延长气流床气化炉装置的运行周期，进而能够实现气化炉没有备用炉的配置，极大降低新建气化装置初始投资和操作维护费用。此外，基于实际生产数据的氧耗、能耗（以煤耗计）分析知，水煤浆中的灰分含量每降低1%，氧耗约降低0.7-0.8%，煤耗约降低1.3-1.5%，该技术对气化装置的氧耗和煤耗降低也有重大意义，即可有效降低气化装置的操作运行费用。

如图1所示，传统气流床气化炉装置的激冷室在燃烧室的下面，与燃烧室筒体直接相连。燃烧室与激冷室之间由燃烧室的锥底（锅底）相互隔开，燃烧室（操作温度1200-1400℃）内衬耐火砖以隔绝燃烧室金属壳体与燃烧室内高温燃烧区域，避免燃烧室壳体高温腐蚀破坏。燃烧室与激冷室之间通道是合成气与灰渣下排口，下排口的下面是激冷环，激冷环下面连接着下降管，下降管的下端深入到激冷室的黑水正常液位以下。下降管的外面是升气管，升气管与下降管同心，升气管的上部有一个起合成气折流作用的合成气挡板，合成气挡板固定在燃烧室的锥底上。高温（1200-1400℃）合成气与灰渣混合物经下排口、激冷环、下降管进入激冷室下部黑水（操作温度150-280℃）中，温度迅速大幅度降低至接近黑水温度，经上升管与下降管之间的环隙至其出口，并经合成气挡板折流脱除部分夹带水后，继续绕过合成气挡板，在合成气挡板外侧经气化炉粗合成气出口出气化炉装置。

合成气挡板将激冷室顶部分为内外两个区域，自上升管与下降管环隙来的相对低温合成气充分冷却激冷室顶部折流板内部区域后，继续绕过合成气挡板，直接经气化炉的粗合成气出口出气化炉装置，使得激冷室顶部折流板外部区域成为流动换热“死区”，此处激冷室顶部金属壳体极易发生顶部积灰、超温现象，进而造成此处金属壳体的高温腐蚀，缩短气化炉运行寿命。同时，由于支撑合成气挡板的多块支撑板的存在，将激冷室顶部合成气挡板外部区域划分为独立的小区域，这更加限制了低温合成气在激冷室顶部折流板外部区域的自由流动，进一步恶化了激冷室顶部折流板外部区域的“死区”运行条件。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种气化炉装置及水煤浆气化系统，旨在解决现有气化炉激冷室顶部折流板外部区域易成为流动换热“死区”，导致此处激冷室顶部金属壳体极易发生顶部积灰以及超温现象，从而造成此处金属壳体的高温腐蚀，缩短气化炉运行寿命的问题。

本发明的技术方案如下：

一种气化炉装置，包括燃烧室、与所述燃烧室直接相连的激冷室，以及固定设置在激冷室顶部上的合成气挡板，其中，所述合成气挡板上均设置有若干开孔，所述合成气挡板开孔一侧均设置有侧向开口板，所述侧向开口板与其相近的所述合成气挡板开孔面形成锐角。

所述的气化炉装置，其中，所述激冷室顶部上还设置有用于支撑所述合成气挡板的支撑板，所述支撑板上均设置有若干个通气孔。

所述的气化炉装置，其中，所述燃烧室的长径比为3.0-6.0。

所述的气化炉装置，其中，所述合成气挡板为多面伞形折流板，所述多面伞形折流板的每一个面均设置有若干开孔。

所述的气化炉装置，其中，所述多面伞形折流板包含6-10个面。

所述的气化炉装置，其中，所述侧向开口板与其相近的所述合成气挡板开孔面形成30-60°夹角。

所述的气化炉装置，其中，所述合成气挡板上设置的开孔形状为矩形。

一种水煤浆气化系统，其中，包括所述的气化炉装置。

有益效果：本发明通过对设置在激冷室顶部的合成气挡板进行开孔设置，并在所述合成气挡板开孔旁均设置有侧向开口板，所述侧向开口板与其相近的所述合成气挡板开孔面形成锐角；通过对所述合成气挡板的结构改进以保证自上升管与下降管之间的环隙出来的低温合成气能够对激冷室顶部折流板外部区域进行有效降温，避免了激冷室顶部金属壳体的超温现象以及高温腐蚀，从而延长了气化炉运行寿命和降低可观的检修和维护费用。

附图说明

图1为现有气化炉装置较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明气化炉装置较佳实施例的结构示意图。

图3为本发明图2中A部位的放大图。

图4为本发明图2中B-B面的剖视图。

具体实施方式

本发明提供一种气化炉装置及水煤浆气化系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

从图1中可以看出，现有气化炉装置中，合成气挡板将激冷室的顶部分为内外两个区域，气化炉燃烧室的操作温度高达1300-1400℃，在如此高温条件下，虽然内衬耐火砖的热量隔绝，但是激冷室的顶部金属壳体依然会受到高温热传导的作用，使得该区域的运行温度升高，从而造成该区域金属材料的高温腐蚀，严重减少气化炉装置的长周期运行寿命，故而自上升管与下降管之间的环隙来的低温合成气对激冷室顶部内外两个区域的冷却降温效果进而非常重要。特别是，当气流床气化炉装置处理前述新型气化水煤浆时，由于新型气化水煤浆的低灰、高热值、细粒径物化特性更加有利于其燃烧化学反应，气化炉装置燃烧室的操作温度（1200-1600℃）进一步提高，这将使得合成气对激冷室的顶部金属壳体（即燃烧室的锥底）的冷却降温作用更加重要。

基于此，本发明提供一种气化炉装置，如图2-图4所示，所述气化炉装置包括燃烧室10、与所述燃烧室10直接相连的激冷室20，以及固定设置在激冷室顶部上的合成气挡板30，其中，所述合成气挡板30上均设置有若干开孔31，所述合成气挡板开孔一侧均设置有侧向开口板40，所述侧向开口板40与其相近的所述合成气挡板开孔面形成锐角。

具体来讲，如图2所示，所述激冷室20位于燃烧室10的下游并与所述燃烧室10直接相连，所述燃烧室10与激冷室20之间的通道作为合成气与灰渣下排口，所述下排口的下面设置有激冷环21，所述激冷环21下面连接着下降管22，所述下降管22的下端深入到激冷室的黑水正常液位以下，所述下降管的外面设置有升气管23，所述升气管与下降管同心设置并且两者之间设置有用于释放低温合成气的环隙，所述用于对合成气起折流作用的合成气挡板30则位于所述升气管23的上端。所述高温（1200-1400℃）合成气与灰渣混合物经下排口、激冷环、下降管进入激冷室下部黑水液位（操作温度150-280℃）中，所述合成气温度迅速大幅度降低至接近黑水温度，经上升管与下降管之间的环隙至其出口，并经合成气挡板30折流脱除部分夹带水，最后通过合成气出口排出气化炉装置。

进一步地，如图3-图4所示，在本发明中，所述合成气挡板为多面伞形折流板，所述多面伞形折流板的每一个面的中上部均同向设置有若干开孔，所述若干开孔一侧均设置有侧向开口板40，所述侧向开口板分别与其所在的多面伞形折流板的每一个面成30-60°夹角。通过上述结构改进可使得从上升管与下降管之间环隙出来的低温合成气能够快速进入到激冷室顶部的折流板外部区域，所述低温合成气通过所述多面伞形折流板上的开孔进入到激冷室顶部折流板外部区域，并在所述侧向开口板的限制作用下形成旋转流型气流，从而避免激冷室顶部折流板外部区域成为流动换热死区。

优选地，所述多面伞形折流板每一个面上的开孔形状均为矩形。

优选地，所述多面伞形折流板包括6-10个面。

更进一步地，让如图4所示，所述激冷室顶部上还设置有用于支撑所述合成气挡板的支撑板50，在保证所述支撑板应力以及强度的前提条件下，在所述支撑板上尽可能多地设置均匀的通气孔51；通过该结构改进可避免支撑板阻隔低温合成气在激冷室顶部折流板外部区域的流动限制，使激冷室顶部的金属壳得到强制有效的冷却，从而避免了激冷室顶部金属壳体的超温现象以及高温腐蚀，延长了气化炉运行寿命和降低可观的检修和维护费用。

在所述气化炉装置中，经过灰分脱除处理后的低灰分高热值水煤浆在燃烧室发生氧化反应时，需要将燃烧室的热点温度进一步提高至1300-1600℃，因此低温合成气对激冷室的顶部金属壳体的冷却降温作用显得更加重要。

较之传统气化水煤浆而言，此种新型气化水煤浆（低灰、高热值、细粒径）对传统气流床气化炉装置的燃烧室结构提出了新的挑战。传统气流床气化炉装置燃烧室的长径比（H/D）约为2.6-2.9之间，在此条件下，煤颗粒在其中的部分氧化反应更接近于全混流状态，而新型气化水煤浆的燃烧条件则要求燃烧室的长径比增加、煤颗粒的停留时间更短、轴向返混更低，进而提高煤颗粒的反应均一性，而现有的传统气流床气化炉装置燃烧室显然不能达到此项要求。

基于此，如图2所示，本发明将所述燃烧室的长径比增加至3.0-6.0，通过这一改进可使得水煤浆中的煤颗粒在燃烧室内的停留时间更短、轴向返混更低，并提高燃烧反应均一性。

基于上述提供的气化炉装置，本发明还提供一种水煤浆气化系统，其中，包括如上所述的气化炉装置。

综上所述，本发明提供的气化炉装置保留了多面伞形折流板，能够有效对自上升管与下降管之间的环隙来的合成气进行液相分离，避免合成气夹带水中灰积存在激冷室顶部；进一步通过对固定设置在激冷室顶部的多面伞形折流板和支撑板进行结构改进，在多面伞形折流板的每个面上设置多个开孔并在所述开孔一侧设置侧向开口板，以及在所述支撑板上设置多个通气孔，使得从上升管与下降管之间环隙出来的低温合成气能够快速进入到激冷室顶部的折流板外部区域，所述低温合成气通过所述多面伞形折流板上的开孔进入到激冷室顶部折流板外部区域，并在所述侧向开口板的限制作用下形成旋转流型气体，从而避免激冷室顶部折流板外部区域成为流动换热死区，所述低温合成气对激冷室顶部有效降温，避免了激冷室顶部金属壳体的超温现象以及高温腐蚀，延长了气化炉运行寿命和降低可观的检修和维护费用。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种气化炉装置，包括燃烧室、与所述燃烧室直接相连的激冷室，以及固定设置在激冷室顶部上的合成气挡板，其特征在于，所述合成气挡板上均设置有若干开孔，所述合成气挡板开孔旁均设置有侧向开口板，所述侧向开口板与其所在的所述合成气挡板开孔面形成30-60°的锐角，合成气在所述侧向开口板的限定下可形成旋转流型气流，其中，所述激冷室顶部上还设置有用于支撑所述合成气挡板的支撑板，所述支撑板上均设置有若干个通气孔，所述合成气挡板为多面伞形折流板，所述多面伞形折流板的每一个面均设置有若干开孔。

2.根据权利要求1所述的气化炉装置，其特征在于，所述燃烧室的长径比为3.0-6.0。

3.根据权利要求1所述的气化炉装置，其特征在于，所述多面伞形折流板包含6-10个面。

4.根据权利要求1所述的气化炉装置，其特征在于，所述合成气挡板上设置的开孔形状为矩形。

5.一种水煤浆气化系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的气化炉装置。

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