干煤粉气流床气化炉及干煤粉的气化方法与流程

本发明涉及煤化工技术领域，具体而言，涉及干煤粉气流床气化炉及干煤粉的气化方法。

背景技术：

在煤的清洁、高效利用中，煤气化技术占有核心地位，干煤粉加压气流床气化技术因煤种适应性广、气化效率高、环保性能优越等优点成为工业运行主流技术。现阶段，煤气化市场上运行的干煤粉气化技术，大部分气化炉因煤粉干燥后进入气化炉水分不足4％，虽然部分气化炉通过工艺烧嘴向炉内补充蒸汽(水分)，为确保气化炉流畅反应，补入蒸汽很少，以2000吨级气化炉为例，补入蒸汽量不足3吨，此蒸汽主要用于气化反应温度场控制，其次是增加变换反应，反应后有效气中氢气含量最高不足28％，无法满足下游高氢气含量合成需求的装置(如合成氨装置)。

此外，水煤浆气化工艺，对煤的要求苛刻，内水高于8％以上的煤质、煤质变质程度高的煤质(无烟煤反应活性低，褐煤成浆性差)，制浆浓度提不高，均不使用水煤浆气化，且会降低烧嘴使用寿命。

鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种干煤粉气流床气化炉，旨在加剧变换反应的深度，显著提高反应后氢气含量。

本发明的另一目的在于提供一种干煤粉的气化方法，旨在通过下渣段结构的改进，加剧变换反应的深度，显著提高反应后的氢气含量。

本发明是这样实现的：

本发明提出一种干煤粉气流床气化炉的下渣段，包括气化炉燃烧室、激冷环和位于气化炉燃烧室和激冷环之间的下渣段，下渣段包括第一下渣段、内径大于第一下渣段的第二下渣段和用于为第一下渣段或第二下渣段补充水蒸气的蒸汽喷射组件，第一下渣段的顶部连接于气化炉燃烧室的下渣口，第一下渣段的底部连接于第二下渣段的顶部，激冷环位于第二下渣段的底部。

本发明还提出一种干煤粉的气化方法，其利用上述干煤粉气流床气化炉进行反应。

本发明具有以下有益效果：发明人通过改进气化炉燃烧室下渣口与下方激冷环之间的下渣段，将其分为内径不同的两段，通过内径更大的第二下渣段的设置一方面确保下渣口与激冷环阶梯过度连接，防止渣经下渣段的导向冲刷激冷环和下降管，另一方面提供引入的水蒸气进一步加剧变换反应的场所，显著提高反应后氢气含量，能够适应下游高氢含量需求的装置，具有非常好的工业应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的气流床气化炉的结构示意图；

图2为图1中下渣段的结构示意图；

图3为对比例1中气流床气化炉的结构示意图。

图标：100-气流床气化炉；110-气化炉燃烧室；111-气化炉烧嘴；112-下渣口；120-下渣段；121-第一下渣段；122-第二下渣段；123-蒸汽喷射组件；124-冷却盘管；130-激冷环；140-下降管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本发明实施例提供了一种干煤粉气流床气化炉100，包括自上而下设置的气化炉燃烧室110、下渣段120、激冷环130和下降管140。

具体地，气化炉燃烧室110、激冷环130和下降管140为气流床气化炉100的常规部件，其结构和现有技术相同，具体结构和工作原理不做过多赘述，在气化炉燃烧室110上设置有多个气化炉烧嘴111用于通入反应物料。气化炉燃烧室110的下渣口112的内径略小于主体内径，下渣口112上方呈锥形。

下面对本发明实施例提供的干煤粉气流床气化炉100的下渣段120进行具体介绍。

请结合图1和图2，下渣段120包括第一下渣段121、内径大于第一下渣段121的第二下渣段122和用于为第一下渣段121或第二下渣段122补充水蒸气的蒸汽喷射组件，第一下渣段121的顶部连接于气化炉燃烧室110的下渣口112，蒸汽喷射组件连接于第一下渣段的底部和第二下渣段的顶部，气流床气化炉100内的激冷环130位于第二下渣段122的底部。

需要补充的是，传统的气流床气化炉100中，在气化炉燃烧室110的下渣口112至激冷环130处仅具有一段下渣管路，直接连接至激冷环130，或通过锥形过渡至激冷环130。

发明人通过引入内径更大的第二下渣段122，并通过水蒸气，在第二下渣段122中继续发生变换反应，生成氢气，加剧变换反应的深度，显著提高反应后氢气含量，能够适应下游高氢含量需求的装置，具有非常好的工业应用前景。

第一下渣段和第二下渣段的内径之比为1:1.2-1:1.8为宜，以使停留时间控制在最佳范围内。优选地，第一下渣段121的外径与气化炉燃烧室110的下渣口112的内径相同，第二下渣段122的外径与激冷环130的内径相同。发明人发现，若在第一下渣段121和第二下渣段122之间加入过渡段，则不易产生返混现象，不利于变换反应的进行，同时过渡段对下渣段内的渣具有导向作用，易冲刷激冷环和下降管。

进一步地，第二下渣段122的沿下渣方向的长度大于150mm；优选地，第二下渣段122的长度为500-800mm。通过进一步控制第二下渣段122的高度，保证了反应时间，以控制变换反应的深度。若第二下渣段122的高度过长则会大大增大工艺成本，且不容易控制；若第二下渣段122的高度过短则反应时间不够，不能达到理想的含氢量。

进一步地，蒸汽喷射组件123包括蒸汽喷射内环和蒸汽喷射外环，蒸汽喷射组件123安装于第二下渣段122的顶部，蒸汽喷射组件外环内径与所述第二下渣段的内径相同，蒸汽喷射内环上设置有多个喷射口，每个喷射口的喷射方向均朝向第二下渣段122内且向下旋转喷射；优选地，每个喷射口的喷射方向与水平方向的夹角为10°-50°，且每个所述喷射口在蒸汽喷射内环都设旋流导向槽。蒸汽喷射内环上均匀分布有很多喷射口且旋转进入蒸汽喷射外环，沿蒸汽喷射外环与第二下渣段处环隙处向下倾斜旋转喷出，能够满足从不同角度向第二下渣段122内腔中喷射蒸汽的目的。

具体地，蒸汽喷射外环的环缝隙与第二下渣段122内边缘平齐，防止固体物料冲刷蒸汽喷射组件123。蒸汽喷射组件123的进气管处具有压差控制阀，以控制蒸汽射出的压力。蒸汽喷射外环的内径与第二下渣段122内边缘平齐，合成气经下渣段时，通道畅通，无阻挡，确保合成气及灰渣不受阻、粘结，同时确保合成气及灰渣不受蒸汽喷射组件123设置，改变方向，损坏下游下渣段、激冷环130及下降管140(或水冷壁废锅)，蒸汽沿着蒸汽喷射外环环缝隙出口均匀旋转沿着第二下渣段122向下，因蒸汽流速低且旋转，使蒸汽与合成气充分接触，也确保了反应时间，加剧了变换反应的深度，可以使氢气含量在有效气中占比高达40％。

在本发明优选的实施例中，蒸汽喷射组件还包括进气支管，进气支管的出气口与蒸汽喷射内环的进气口连通，进气支管为2-16个。进气支管的进气端连接供气设备，经进气支管到蒸汽喷射内环中，蒸汽喷射内环包裹在蒸汽喷射外环内，蒸汽喷射内环中设多个带旋流导向槽的蒸汽喷射口，再经多个带旋流导向槽的蒸汽喷射口到蒸汽喷射外环，最终沿蒸汽喷射外环环缝隙旋转出来，实现蒸汽的均匀进料。

在其他实施例中，蒸汽喷射组件的结构不限于图中的具体结构，只要满足能够向第二下渣段122中均匀地喷洒蒸汽即可。进一步地，第一下渣段121和第二下渣段122均为冷却盘管124。冷却盘管124内通有冷却水，使产生的热量得到及时分散，以便于更精确地控制反应温度。

需要补充的是，本发明实施例提供的干煤粉气流床气化炉100，通过第二下渣段122为反应提供有利的停留时间(即反应时间)，创造了最好变换反应条件。由于第二下渣段122的管径扩大配套的激冷环和下降管也随之扩大，使激冷水喷出激冷环后水汽化向上旋起，在激冷环向上150mm以上(正常在150mm-200mm范围最佳)范围内进一步增加变换反应，在干煤粉气化工艺装置在线安全、稳定、长周期运行下，有效气中氢气含量大幅提高。

此外，下渣段的整体长度增加，最小通径没有增加，整体阻力有所增加，加剧了气化反应停留时间，确保碳准化率，提高了有效气产率，且有效气中氢气含量高，整体阻力增加幅度小，不影响系统整体阻力降。第二下渣段122中补入蒸汽，并控制第二下渣段122整体温度场，即确保了第二下渣段122介质流通畅通，也确保了第二下渣段122挂渣及挂渣稳定性，确保装置安全长周期稳定运行等诸多优点，由此提高了气化炉运行的安全性、稳定性、经济性，确保装置在线运行率，降低了单位产品生产成本。

本发明实施例还提供一种干煤粉的气化方法，其利用上述干煤粉气流床气化炉100进行反应，利用第一下渣段121和第二下渣段122的设置，配合蒸汽喷射组件123，增加了变换反应的深度，提高了反应后的氢气含量。

进一步地，第二下渣段122内的温度大于或等于800℃；优选地，第二下渣段122内的温度为800-1250℃。将第二下渣段122内的温度控制在变换反应的最佳反应温度，以促进变换反应的进行，在该反应温度下无需催化剂即可发生反应。

进一步地，蒸汽喷射组件所采用的蒸汽的压力为5-10mpa；蒸汽喷射组件所采用的蒸汽为饱和蒸汽或过热蒸汽。蒸汽喷射组件123中的蒸汽经压差控制阀将压差控制在0.2mpa以上，经2-16路支管均匀分布进入蒸汽喷射组件123内环中。蒸汽补入利用蒸汽与气化炉差压控制，防止差压过大蒸汽流量过大，影响下渣口盘管挂渣或对设备造成损坏，正常采用蒸汽温度、流量与气化炉燃烧温度(依据经验公式及甲烷含量模拟温度)、气化炉负荷综合控制，确保蒸汽补入口到激冷环处混合气温度在800℃以上，为变换反应提供最佳反应温度。以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种干煤粉的气化方法，其利用图1中干煤粉气流床气化炉100进行反应，第一下渣段和第二下渣段的内径之比为1:1.3，第二下渣段的高度为550mm；包括如下步骤：

气化炉在点火前激冷环内通入激冷水，蒸汽喷射环内通入保护气，激冷水定流量控制，在投煤前，分阶段控制设定值(2000吨日投煤气化炉，激冷水控制500m³/h左右)，蒸汽喷射环的保护气按定压差控制，待气化炉投煤运行稳定后，蒸汽喷射环逐步投入压力约为5.9mpa的饱和蒸汽；在投入蒸汽同时逐步退出保护气。

蒸汽在第二下渣段通入后，使蒸汽与合成气混合后温度控制在1000℃左右。

结果显示：氢气含量最高31％。

实施例2

本实施例提供一种干煤粉的气化方法，与实施例1不同之处仅在于：第二下渣段的长度延长，气体停留空间经一步延长，第一下渣段和第二下渣段的内径之比为1:1.3，第二下渣段的高度为700mm。

结果显示：氢气含量最高35％。

实施例3

本实施例提供一种干煤粉的气化方法，与实施例1不同之处仅在于：第二下渣段与第一下渣段的内径比增加了，加剧气体返混效果，第一下渣段和第二下渣段的内径之比为1:1.7，第二下渣段的高度为550mm。

结果显示：氢气含量最高34％

实施例4

与实施例1不同之处仅在于：第二下渣段与第一下渣段的内径比增加了，第二下渣段的高度也加长了。第一下渣段和第二下渣段的内径之比为1:1.7，第二下渣段的高度为700mm。

结果显示：氢气含量最高39％

实施例5

本实施例提供一种干煤粉的气化方法，与实施例1不同之处仅在于：蒸汽在第二下渣段通入后，使蒸汽与合成气混合后温度控制在1200℃左右。

结果显示：氢气含量最高37％

对比例1

本对比例提供一种干煤粉的气化方法，其采用常规的气化炉，具体结构参照图3，下渣段未分不同直径阶梯设置，设置一段同径下渣段，下渣段的末端加锥形过渡管，直接连接到激冷环上；包括如下步骤：

气化炉在点火前激冷环内通入激冷水，激冷水定流量控制，在投煤前，分阶段控制设定值(2000吨日投煤气化炉，激冷水控制500m³/h左右)，下渣段未加蒸汽。

结果显示，氢气含量最高23％。

对比例2

本对比例提供一种干煤粉的气化方法，与实施例1不同之处仅在于：控制第二下渣段122温度为600℃。结果显示，氢气含量最高28％。

对比例3

本对比例提供一种干煤粉的气化方法，与实施例1不同之处仅在于：第二下渣段122的高度为400mm。

结果显示，氢气含量最高29％。

试验例1

测试实施例1-5和对比例1-3中反应之后的氢气含量，测试方法参照qsncc-j-05-2014-4025。

结果显示：实施例1中氢气的体积分数为31％，对比例1中氢气的体积分数为23％，实施例1相比于对比例1氢气含量显著增加。

对比例2-3中氢气的体积分数为28％和29％，实施例1相比于对比例2-3氢气含量有所增加。上述实施例数据很客观，增加气体在下渣段返混和停留空间，加剧变换反应，氢气含量至少提高5个百分点，但因干煤粉气化技术中水的含量有限，且激冷环喷出的激冷水向下渣段提供也很有限，向下渣段再提供变换反应的反应物-水蒸气，变换反应显著加剧，氢气含量提高约10个百分点。

综上所述，本发明实施例提供的干煤粉气流床气化炉，通过改进气化炉燃烧室下渣口与下方激冷环之间的下渣段，将其分为内径不同的两段，通过内径更大的第二下渣段的设置一方面确保下渣口与激冷环阶梯过度连接，防止渣经下渣段的导向冲刷激冷环和下降管，另一方面提供引入的水蒸气进一步加剧变换反应的场所，显著提高反应后氢气含量，能够适应下游高氢含量需求的装置，具有非常好的工业应用前景。

本发明实施例提供的干煤粉的气化方法，采用上述干煤粉气流床气化炉进行反应，加剧了变换反应的深度，显著提高反应后的氢气含量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。