一种分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉及工作方法与流程

1.本发明属于煤气化技术领域，更具体地说，涉及一种分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉及工作方法。


背景技术：

2.长期以来，我国的能源特点是富煤、贫油、少气，煤气是一种通过煤气发生炉将煤转化而成的可燃性气体，相比于煤的燃烧，煤气的燃烧更为清洁、高效，因此煤气作为一种清洁能源正受到越来越广泛的关注。而煤炭的清洁高效利用也成为目前重要的课题。循环流化床气化技术具有原料适用范围广、利用效率高、装置投资低、清洁环保等特点，在我国燃料气和中小型煤化工领域倍受青睐。对于纯氧循环流化床煤气发生炉来说，由于循环流化床气化炉采用固态排渣的方式，气化温度一般要求低于煤灰熔点软化温度150
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200℃。但由于是采用纯氧气化，煤气发生炉内反应速率大大提升，必须要重新组织炉内流场及温度场才能保证煤气炉内不结焦，煤气炉稳定运行。
3.针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号cn201710212130.5，公开日为2017年9月29日，该专利公开了一种煤气发生炉，煤气发生炉包括：壳体和设在所述壳体内的反应室，所述反应室为膜式水冷壁围成的两端开口的中空筒体，所述壳体的顶端穿设有与所述中空筒体连通的第一烧嘴套管和多个第二烧嘴套管，且所述多个第二烧嘴套管以所述第一烧嘴套管为中心环向围设在所述壳体的顶端。该专利的不足之处在于：发生炉内碳转化效率低且结构复杂，安装繁琐。
4.又如中国专利申请号cn200810126560.6，公开日为2008年11月19日，该专利公开了一种煤气发生炉，在炉体壁内从下至上依次包括炉膛、反应区和导气区，其中，反应区内布设有填充结构，该填充结构中设有多个容纳煤气生成反应进行的通道，该炉膛和该导气区通过通道导通。该专利的不足之处在于：虽然通过缩小反应空间达到提高反应效率的目的，但是整体发生炉循环性差，物质反应不充分。


技术实现要素：

5.1、要解决的问题
6.针对现有纯氧气化的煤气炉运行不稳定，煤炭转化率低的问题，本发明提供一种分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉及工作方法。本发明的分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉增强了炉体中主气化核心区内的湍流强度，使炉内传热传质更加迅速，保证了炉温均匀性；通过蒸汽对固体渣进行筛选，提高煤炭的综合转化率。同时本发明的工作方法操作简便，有效保证炉体的安全稳定运行。
7.2、技术方案
8.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
9.一种分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉，包括炉体，炉体与给煤管连接，炉体的底部设有出渣机构，炉体从上至下依次包括颗粒分离区、颗粒内循环区和主气化核心区，颗
粒分离区与循环返料机构连通，主气化核心区设置有若干个喷嘴，每个喷嘴的中心线延长线均与中心圆相切，所述中心圆即为以主气化核心区中心为圆心，直径为喷嘴安装直径的1/10～1/6所形成的虚拟圆；且出渣机构中设有蒸汽射入部件，蒸汽通过蒸汽射入部件进入到炉体内部。
10.更进一步的，所述喷嘴包括气化剂通道，气化剂通道的外侧套设有蒸汽通道，两个通道中的一端设有介质进口，另一端与主气化核心区连通。
11.更进一步的，两个通道与主气化核心区连通的一端均设有缩口。
12.更进一步的，所述出渣机构包括与炉体底部连接的出渣管，出渣管上设有若干个蒸汽分选器。
13.更进一步的，若干个蒸汽分选器沿出渣管圆周方向设置。
14.更进一步的，所述蒸汽分选器包括设置在出渣管上的蒸汽分布室，蒸汽分布室上设有进气口，且蒸汽分布室内部设有若干个出气口，出气口与出渣管连通。
15.更进一步的，所述循环返料机构为若干个，循环返料机构包括与颗粒分离区连通的旋风分离器，旋风分离器的底部通过返料管与主气化核心区连通。
16.更进一步的，颗粒内循环区为倒锥形结构，且颗粒内循环区的内壁和颗粒分离区的内壁均设有保温层。
17.更进一步的，给煤管距离喷嘴为3～5m。
18.一种利用上述任意一项所述的分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉的工作方法，包括以下步骤：
19.s1：原料煤和气化剂一同进入到主气化核心区内进行反应；
20.s2：反应后生成的煤气进入到循环返料机构中进行后续处理，同时将煤气中的原料煤进行返料至主气化核心区；
21.s3：反应后生成的固体渣通过出渣机构排出，同时出渣机构中通入蒸汽，固体渣在排出过程中受蒸汽影响，小颗粒固体渣进入主气化核心区内进行重复反应，大颗粒固体渣排出至炉体外。
22.3、有益效果
23.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
24.(1)本发明采用若干个喷嘴中心线延长与中心圆相切布置，增强了炉体中主气化核心区内的湍流强度，使炉内传热传质更加迅速，保证了炉温均匀性；因主气化核心区为氧气蒸汽与半焦反应区，高湍流强度有利于半焦气化，极大的提高了碳转化率；同时在出渣机构中设有蒸汽射入部件，起到排渣筛选作用；蒸汽进入到炉体的路径与固体渣排出路径相反，利用蒸汽抵消细小颗粒固体渣所受重力影响，带动其返回至主气化核心区继续反应避免细小颗粒的固体渣碎出渣机构排出，提高固体渣的反应效率；整体结构简单，极大提高了煤种的适应性和煤炭的综合转化率，同时炉内约1000℃时保证了炉内焦油及重质烃类的完全分解，没有焦油和酚水的产生，完全达到国家环保要求；
25.(2)本发明中的喷嘴包含气化剂通道和蒸汽通道，且两个通道呈套筒式设置，使得两个介质的通入互不干扰，彼此独立；且蒸汽通道套设在气化剂通道外，气化剂在与煤粉颗粒接触时势必要穿过环形的蒸汽层，蒸汽相当于起到一个分区的功能，以此来控制气化剂和煤粉颗粒的反应；同时将两个通道与主气化核心区连通的一端设置缩口，保证介质进入
到主气化核心区分布均匀的同时提高出口流速，进而提高主气化核心区的传热传质能力；
26.(3)本发明采用耐火材料制成的直筒型出渣管，具有较高强度的同时使用寿命高，且在出渣管上设有若干个蒸汽分选器，蒸汽分选器作为蒸汽射入部件，提高蒸汽进入炉体的效率；将若干个蒸汽分选器在出渣管圆周方向布置，保证蒸汽能从各个方向均匀进入至出渣管内，不会造成偏流现象，保证对固体渣的筛选效果，提高固体渣的反应效率；
27.(4)本发明设有若干个旋风分离器对煤气发生炉产生的煤气进行同时处理，减小了旋风分离器的直径，同时降低了旋风分离器的颗粒切割半径，提高了循环倍率；同时用返料管连接主气化核心区和旋风分离器，对逃逸出炉体的颗粒进行收集返回炉膛再次进行利用，进而提高碳转化率，减少固体废弃物排放；对给煤管与气化喷嘴之间的距离进行限定，保证原料煤和气化剂的充分反应，提高碳转化率；
28.(5)本发明炉体的工作方法解决现有的低灰熔点、活性低的煤在纯氧循环流化床气化炉上的利用问题，能够实现安全高效稳定利用，同时操作简便，保证了煤粉颗粒的停留时间以及与气化剂的接触几率，进而大大的提高了煤种的适应性和煤炭的综合转化率。
附图说明
29.图1为本发明的结构示意图；
30.图2为本发明中喷嘴结构示意图；
31.图3为本发明中出渣机构结构示意图；
32.图4为本发明中中心圆结构示意图。
33.图中：1、出渣机构；11、出渣管；12、蒸汽分选器；121、蒸汽分布室；122、进气口；2、喷嘴；21、气化剂通道；22、蒸汽通道；23、气化通道缩口；24、蒸汽通道缩口；3、主气化核心区；4、颗粒内循环区；5、给煤管；6、颗粒分离区；7、旋风分离器；8、返料管。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
35.实施例1
36.如图1和图2所示，一种分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉，包括炉体，炉体与给煤管5连接，具体的给煤管5连接至主气化核心区3，给煤管5的数量可根据具体需要设置2～4个不等，原料煤通过给煤管5等量均匀的进入到炉体主气化核心区3内部，保证炉体内部正常运行。炉体的底部设有出渣机构1，出渣机构1用于将炉内反应生成的固体渣及时排出，保证炉内反应的正常进行。炉体从上至下依次包括颗粒分离区6、颗粒内循环区4和主气化核心区3，颗粒分离区6与循环返料机构连通。具体的，主气化核心区3在900～1000℃条件下进行原料煤与气化剂的气化反应生成高温煤气和固体渣，高温煤气向炉体上部运动，通过颗粒内循环区4进入到颗粒分离区6，随后再进入到循环返料机构中进行后续处理，而高温煤气中的固体颗粒在上升过程中由于自身重力下降返回到主气化核心区3进行反应，继而在炉体内部形成一个内循环。更进一步的，颗粒内循环区4为倒锥形结构，大大提高了高温煤气中固体颗粒在颗粒内循环区4的停留时间，进而提高碳转化率和冷煤气效率；且颗粒内循环区4的内壁和颗粒分离区6的内壁均设有保温层，保温层即为有耐火材料制成，最大限度的减小散热损失的同时提高了炉内气化反应能力。主气化核心区3设置有若干个喷嘴2，喷
嘴2呈垂直主气化核心区3对应的炉体安装。喷嘴2中喷出气化剂，根据炉体产气量的不同，可设置4～10个喷嘴2。若干个喷嘴2沿主气化核心区3的圆周方向布置，使得气化剂能够均匀进入且全方面的覆盖主气化核心区3，保证原料煤与气化剂的充分接触，提高反应效率。具体的，喷嘴2在安装时如图4所示，每个喷嘴2的中心线延长线均与中心圆相切，所述中心圆即为以主气化核心区3中心为圆心，直径为喷嘴2安装直径的1/10～1/6所形成的虚拟圆。在这里值得说明的是，中心圆是一个虚拟的圆，并非是在炉内存在的，是在进行喷嘴2安装之前，根据主气化核心区3尺寸以及喷嘴2安装尺寸等数据进行计算得到的，同时喷嘴2的安装直径是指喷嘴2在进行炉体安装时，会在炉体上打孔，该孔为烧嘴安装定位圆，该孔的直径即为烧嘴2的安装直径。采用每个喷嘴2的中心线延长均分别与中心圆相切的设置是为了增强炉体内部主气化核心区3内的湍流强度，使炉内传热传质更加迅速，保证了炉温均匀性。因主气化核心区3为氧气蒸汽与半焦反应区，高湍流强度有利于半焦气化，极大的提高了碳转化率。且出渣机构1中设有蒸汽射入部件，蒸汽通过蒸汽射入部件进入到炉体内部。出渣机构1完成炉内主气化核心区3生成的固体渣排出操作，当出渣机构1中通入蒸汽时，蒸汽的运行方向与排渣方向相反，即固体渣在下落过程中遇到上升的蒸汽，蒸汽在上升过程中与高温固体渣接触，自身温度上升，流速逐步提高，利用蒸汽的向上运动抵消固体渣中细小颗粒所受到的重力影响，细小颗粒随着蒸汽一起进入到炉体内的主气化核心区3进行重复反应，避免细小颗粒的固体渣排出造成反应不完全的问题；因大颗粒固体渣随着其内部碳反应掉以后只剩余重质灰组分，没有回炉继续反应的价值，所以大颗粒的固体渣由于自身重力则随着出渣机构1排出至炉体外部。在出渣机构1中设置的蒸汽射入部件对固体渣进行排渣分级筛选，提高固体渣的反应效率，从而提高煤炭转化率。
37.本发明在提高炉体主气化核心反应区3的湍流强度，使炉内传热传质更加迅速，保证炉温均匀性的同时对反应生成的固体渣分级筛选，提高固体渣的反应效率；整体结构简单，极大的提高了煤炭转化率，保证了使用纯氧气化时炉体正常稳定运行且炉内不结焦，解决现有的低灰熔点、活性低的煤在纯氧循环流化床气化炉上的利用问题。同时更进一步的，在本实施例中控制给煤管5距离喷嘴2具体为3～5m，距离过小，煤粉颗粒中的挥发份还没有来得及析出就与气化剂进行了反应，这时碳转化率就比较小。距离过大一部分煤粉中细小颗粒来不及反应就被带出炉外，这样也会使碳转化率下降。
38.实施例2
39.基本同实施例1，为了进一步提高喷嘴2的工作效率以及工作稳定性，在本实施中喷嘴2包括气化剂通道21，气化剂通道21的外侧套设有蒸汽通道22，两个通道中的一端设有介质进口，另一端与主气化核心区3连通。气化剂通道21与蒸汽通道22呈套筒式设置，纯氧气作为气化剂通过气化剂通道21上的进口进入，蒸汽则从蒸汽通道22上的进口进入。两个介质的通入互不干扰，彼此独立，保证工作的顺利进行且减小维修次数。同时呈套筒式的结构设置使得气化剂在与煤粉颗粒接触时势必要穿过环形的蒸汽层，蒸汽相当于起到一个分区的功能，以此来控制气化剂和煤粉颗粒的反应。更进一步的，两个通道与主气化核心区3连通的一端均设有缩口，缩口即为两个通道该端的尺寸比设有进口段的尺寸小所形成的结构；具体的，气化剂通道21与主气化核心区3连通的一端设有气化通道缩口23；蒸汽通道22与主气化核心区3连通的一端设有蒸汽通道缩口24。缩口的设置在保证介质均匀分布喷出的同时提高介质喷出流速，进而提高主气化核心区3的传热传质能力。
40.实施例3
41.如图3所示，基本同实施例2，在本实施中具体的，出渣机构1包括与炉体底部连接的出渣管11，出渣管11上设有若干个蒸汽分选器12，蒸汽分选器12作为蒸汽射入部件。在本实施中出渣管11采用耐火材料制成的直筒型腔体，腔体外部设有钢壳以承受炉内压力，减小出渣管11的维修次数以及保证出渣管11自身强度。并且若干个蒸汽分选器12同时喷射蒸汽进入到炉体内部，提高蒸汽进入炉体的效率。更进一步的，若干个蒸汽分选器12沿出渣管11圆周方向设置，保证蒸汽能从各个方向均匀进入至出渣管11内，不会造成偏流现象，保证对固体渣的筛选效果，提高固体渣的反应效率。
42.在这里进行蒸汽分选器12的具体结构说明：蒸汽分选器12包括设置在出渣管11上的蒸汽分布室121，蒸汽分布室121上设有进气口122，且蒸汽分布室121内部设有若干个出气口，出气口与出渣管11连通。蒸汽通过进气口122进入到蒸汽分布室121，再经过若干个出气口同时出气至出渣管11内对固体渣进行分级筛选操作。整体结构简单，易于安装和拆卸且成本低廉。当然，只要能够起到蒸汽进入到出渣管11内的蒸汽分选器12均可使用在本发明中。
43.同时，在本实施中循环返料机构为若干个，循环返料机构包括与颗粒分离区6连通的旋风分离器7，旋风分离器7的底部通过返料管8与主气化核心区3连通。采用若干个旋风分离器7同时与颗粒分离器6进行连通，是由于在处理一定气量的情况下，如果采用多个旋风分离器7，则每个旋风分离器7处理的气量就会减小，这样旋风分离器7就可以在制造上减小尺寸，当旋风分离器7直径小时，在同样流速的情况下，带有颗粒的高温煤气进入到旋风分离器7时所产生的离心力增大，从而达到更好的分离效果，保证了循环倍率。且采用返料管8进行旋风分离器7和主气化核心区3的连接，对逃逸出炉体炉的颗粒进行收集返回炉膛再次进行利用，进而提高碳转化率，减少固体废弃物排放。
44.实施例4
45.一种利用上述实施例任意一项所述的分级气化纯氧循环流化床煤气发生炉的工作方法，包括以下步骤：
46.s1：原料煤和气化剂混一同进入到主气化核心区3内均匀混合进行反应；气化剂为纯氧和蒸汽的混合物；
47.s2：反应后生成的煤气进入到循环返料机构中进行后续处理，同时将煤气中的原料煤进行返料至主气化核心区3；在本实施中，反应生成的煤气进入到旋风分离器7中进行强旋流流动，煤气中的未反应原料煤在离心力的作用下被甩向旋风分离器7壁面，然后通过返料管8重新进入到主气化核心区3中进行气化反应，进一步提高煤颗粒的碳转化率和冷煤气效率；
48.s3：反应后生成的固体渣通过出渣机构1排出，同时出渣机构1中通入蒸汽，固体渣在排出过程中受蒸汽影响，小颗粒固体渣进入主气化核心区3内进行重复反应，大颗粒固体渣排出至炉体外。在本实施中固体渣通过出渣管11排出，同时通过蒸汽分选器12向出渣管11内通入蒸汽实现对固体渣的分级筛选，提高固体渣的反应效率同时提高煤炭转化率。
49.本发明的工作方法操作简便，保证了颗粒的停留时间以及与气化剂的接触几率，进而大大的提高了煤种的适应性和煤炭的综合转化率，同时炉内约1000℃保证了炉内焦油及重质烃类的完全分解，没有焦油和酚水的产生，完全达到国家环保要求。
50.本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。