加氢气化炉的制作方法

1.本实用新型涉及煤加氢气化技术领域，具体而言，涉及一种加氢气化炉。


背景技术：

2.粉煤加氢气化是煤粉和氢气在中温(800～1000℃)、高压(5～10ma)条件下反应，生成富甲烷合成气、高附加值芳烃油品和高热值半焦的过程。该过程包括：煤快速受热后热解挥发分快速析出的快速加氢热解及挥发分二次加氢裂解和活性半焦加氢过程。其中，氢气以自由基的形式参与反应，减少了挥发分自由基间的缩聚反应，进而增加轻质油、气产率。煤加氢气化过程最大限度利用低阶煤自身组成与结构，定向分级分质梯级转化，全价开发利用。此过程主要控制因素包括两个方面：第一，初始阶段提供足够高热量实现煤粉一次热解程度，这要保证煤粉与高温氢的快速均匀混合；第二，控制颗粒停留时间分布，防止中间产品过度加氢裂解。
3.因此，对于加氢气化而言，较为理想的是高温氢高速射流与煤粉充分混合，并能快速升温，优化中间产品停留时间分布，防止其过度加氢裂解。然而，现有技术中采用单个喷嘴垂直布置在气化炉炉顶，此种喷嘴形式依靠气相射流的一次对撞来实现气固混合过程，随着加氢气化规模的放大，单个喷嘴投煤量增加，依靠单个喷嘴撞击很难实现气固混合和煤粉快速升温的目的。


技术实现要素：

4.鉴于此，本实用新型提出了一种加氢气化炉，旨在解决现有技术中依靠单个喷嘴射流不易实现气固混合和煤粉快速升温的问题。
5.本实用新型提出了一种加氢气化炉，该加氢气化炉包括：炉体和至少两个喷嘴；其中，各喷嘴均匀地设置于炉体的顶部封头处，每个喷嘴均用于向炉体内喷射具有预设速度的氢气和煤粉，以使氢气与煤粉在炉体内撞击混合进而进行气化反应；其中，氢气具有预设温度。
6.进一步地，上述加氢气化炉中，当喷嘴为两个或者三个时，各喷嘴以炉体的竖向中心轴线为中心沿圆周方向均匀分布；当喷嘴为四个时，各喷嘴以炉体的竖向中心轴线为中心沿圆周方向均匀分布，或者，其中一个喷嘴设置于炉体的竖向中心轴线处，其余三个喷嘴以炉体的竖向中心轴线为中心沿圆周方向均匀分布；当喷嘴为至少五个时，其中一个喷嘴设置于炉体的竖向中心轴线处，其余各喷嘴以炉体的竖向中心轴线为中心沿圆周方向均匀分布。
7.进一步地，上述加氢气化炉中，每个喷嘴的中心轴线均与炉体的竖向中心轴线相平行；或者，每个喷嘴的中心轴线与炉体的竖向中心轴线之间具有第一预设夹角，第一预设夹角为锐角。
8.进一步地，上述加氢气化炉中，当每个喷嘴的中心轴线与炉体的竖向中心轴线之间具有第一预设夹角时，当喷嘴为三个时，10
°
＜第一预设夹角＜40
°
；当喷嘴大于四个时，
60
°
＜第一预设夹角＜90
°
。
9.进一步地，上述加氢气化炉中，炉体为直筒状。
10.进一步地，上述加氢气化炉中，炉体包括：依次连接的顶部封头段、收缩段、扩展段和直筒段；其中，炉体在收缩段处的直径逐渐缩小；炉体在扩展段处的直径逐渐增大。
11.进一步地，上述加氢气化炉中，炉体在收缩段处的外壁与炉体的横向中心线之间具有第二预设夹角，其中，炉体的横向中心线与炉体的竖向中心轴线相垂直；并且，炉体在对应于顶部封头段与收缩段的连接处的内径与炉体在对应于收缩段与扩展段的连接处的内径之间具有预设比例。
12.进一步地，上述加氢气化炉中，30
°
＜第二预设夹角＜60
°
；0.3倍的炉体在对应于顶部封头段与收缩段的连接处的内径＜炉体在对应于收缩段与扩展段的连接处的内径＜0.5倍的炉体在对应于顶部封头段与收缩段的连接处的内径。
13.进一步地，上述加氢气化炉中，炉体在扩展段处的内壁与炉体的横向中心线之间具有第三预设夹角，其中，炉体的横向中心线与炉体的竖向中心轴线相垂直。
14.进一步地，上述加氢气化炉中，70
°
＜第三预设夹角＜85
°
。
15.本实用新型中，每个喷嘴均以预设速度向炉体内喷射氢气和煤粉，使得氢气与煤粉发生碰撞而混合，并将氢气的温度传递给煤粉，实现了氢气与煤粉充分混合和快速升温，解决了现有技术中依靠单个喷嘴射流不易实现气固混合和煤粉快速升温的问题，结构简单，便于实施，并且，氢气与煤粉在炉体内运动恢复为平推流，优化中间产品停留时间分布，有利于加氢气化中间产品的控制和生成，防止中间产品的过度加氢裂解，进而提高了中间高附加值产品的产率。
附图说明
16.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
17.图1为本实用新型实施例提供的加氢气化炉的结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例提供的加氢气化炉中，喷嘴为三个时的俯视结构示意图；
19.图3为本实用新型实施例提供的加氢气化炉中，喷嘴为四个时的俯视结构示意图；
20.图4为本实用新型实施例提供的加氢气化炉中，喷嘴为四个时的又一俯视结构示意图；
21.图5为本实用新型实施例提供的加氢气化炉中，喷嘴为五个时的俯视结构示意图；
22.图6为本实用新型实施例提供的加氢气化炉的又一结构示意图；
23.图7为本实用新型实施例提供的加氢气化炉的再一结构示意图。
具体实施方式
24.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施
例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
25.参见图1，图1为本实用新型实施例提供的加氢气化炉的结构示意图。如图所述，加氢气化炉包括：炉体1和至少两个喷嘴2。其中，各喷嘴2均匀地设置于炉体1的顶部封头(图1所示的上部)处，每个喷嘴2均用于向炉体1内喷射具有预设速度的氢气和煤粉，则氢气和煤粉具有相同的预设速度，并且同时从同一个喷嘴2内喷射至炉体1内。在炉体1内，氢气与煤粉进行撞击混合，进而进行气化反应。氢气具有预设温度，其中，预设速度和预设温度均可以根据实际情况来确定，本实施例对此不做任何限制。
26.使用时，每个喷嘴2均向炉体1内喷射煤粉和高温的氢气，由于氢气与煤粉具有一定的速度，所以，氢气与煤粉在炉体1内向底部运动的过程中氢气与煤粉会发生碰撞而发生混合，这样各喷嘴2喷射出的多股射流在炉体1顶部封头的空间内以接近全混流的状态撞击混合，以实现煤粉快速升温。氢气与煤粉在尽可能短的时间和有限的空间内恢复为平推流，有利于加氢气化中间产品的控制，与此同时，氢气与煤粉进行煤加氢气化反应，产生甲烷、轻质芳烃油品和半焦。
27.可以看出，本实施例中，每个喷嘴2均以预设速度向炉体1内喷射氢气和煤粉，使得氢气与煤粉发生碰撞而混合，并将氢气的温度传递给煤粉，实现了氢气与煤粉充分混合和快速升温，解决了现有技术中依靠单个喷嘴射流不易实现气固混合和煤粉快速升温的问题，结构简单，便于实施，并且，氢气与煤粉在炉体1内运动恢复为平推流，优化中间产品停留时间分布，有利于加氢气化中间产品的控制和生成，防止中间产品的过度加氢裂解，进而提高了中间高附加值产品的产率。
28.参见图1和图2，上述实施例中，当喷嘴2为两个或者三个时，各喷嘴2以炉体1的竖向中心轴线l为中心沿圆周方向均匀分布。具体地，三个喷嘴2以120
°
夹角均匀分布于炉体1的顶部封头处。
29.参见图3，当喷嘴2为四个时，各喷嘴2以炉体1的竖向中心轴线l为中心沿圆周方向均匀分布。具体地，四个喷嘴2以90
°
夹角均匀分布于炉体1的顶部封头处。或者，参见图4，其中一个喷嘴2设置于炉体1的竖向中心轴线处，其余三个喷嘴2以炉体1的竖向中心轴线l为中心沿圆周方向均匀分布。具体地，其中一个喷嘴2设置在炉体1竖向中心轴线l所对应的顶部封头处，其余三个喷嘴2以120
°
夹角均匀分布于炉体1的顶部封头处。
30.参见图5，当喷嘴2为至少五个时，其中一个喷嘴2设置于炉体1的竖向中心轴线处，其余各喷嘴2以炉体1的竖向中心轴线l为中心沿圆周方向均匀分布。具体地，其中一个喷嘴2设置在炉体1竖向中心轴线l所对应的顶部封头处，其余各个喷嘴2为环向均匀分布。
31.喷嘴2的数量记为n，优选的，3≤n≤5。
32.可以看出，本实施例中，在相同处理规模下，将一大流股切割成多个小流股，有利于气固两相的分散，即由现有技术中的单个喷嘴2进料分割成多个喷嘴2进料，可以降低单个喷嘴2的投煤量，更有利于气相射流对固体颗粒的分散。
33.参见图6，图中示出了各喷嘴的一种优选实施方式。如图所示，每个喷嘴2的中心轴线均与炉体1的竖向中心轴线相平行，具体地，各喷嘴2垂直均布于炉体1的顶部封头处。
34.参见图1和图7，图中示出了各喷嘴的另一种优选实施方式。如图所示，每个喷嘴2的中心轴线与炉体1的竖向中心轴线l之间具有第一预设夹角α，第一预设夹角α为锐角。具
体地，各喷嘴2为以α夹角斜喷设置，0
°
＜α＜90
°
。这样，每个喷嘴2喷射出的高温氢气和煤粉在喷嘴自身结构的作用下进行一次撞击混合，实现煤粉与高温氢气的混合及快速升温。由于各喷嘴2斜喷布置，所以，一次撞击后气相射流携带煤粉向下运动过程中在多个喷嘴2的碰撞点位置发生二次撞击混合，则通过两次撞击混合来强化气固混合过程，高温氢气与煤粉在碰撞后可以以全混流状态存在，能够最大限度地实现煤粉与高温氢气的均匀混合并快速升温，有利于煤粉一次热解程度，增加整体碳转率。
35.当喷嘴2为三个时，10
°
＜第一预设夹角α＜40
°
。优选的，α＝30
°
，三个喷嘴2在竖直方向(图1所示的由上至下的方向)上以30
°
夹角斜向下喷射，首先依靠氢气射流动量实现一次气固混合，然后氢气携带煤粉在多股射流碰撞点实现二次碰撞，进而强化气固混合的目的。
36.当喷嘴2大于四个时，60
°
＜第一预设夹角α＜90
°
。优选的，α＝80
°
，这样，强化多股射流在水平方向的速度分量，强化二次撞击混合。
37.多股射流在水平方向上对撞于一点后，会有一较大流股向上反顶，虽然增强了混合效果，但对炉体1顶部封头产生冲刷，所以，优选的，在炉体1顶部封头对应于炉体1的竖向中心轴线l处设置一个垂直向下喷射的喷嘴2，通过此喷嘴2向下喷射的射流动量，一方面压制反顶的气流，另一方面借助此反顶气流实现上部喷嘴2的二次撞击的目的，进而强化气固混合过程。因此，喷嘴2大于四个时，其中一个喷嘴2设置于炉体1顶部封头对应于炉体1的竖向中心轴线l处，其余喷嘴2呈环形均匀分布，各喷嘴2均向下喷射，α＝80
°
。更为优选的，喷嘴2为四个和五个。
38.参见图7，图中示出了炉体的一种优选结构。上述各实施例中，炉体1为直筒状，具体地，炉体1的内部空间为向下延伸的圆筒状结构。这样，直筒状结构能够为反应提供所需的时间，在直筒状的空间内完成煤脱挥发分的产物焦油，以及烷烃等与氢气会进一步发生二次裂解反应生成甲烷。
39.本领域技术人员应该理解，煤加氢气化的过程首先是煤粉与高温氢气混合升温，促进煤粉脱挥发分反应(脱出的挥发分是焦油、轻烃等)，然后在气化炉反应空间内随着气流向下运动，一次脱挥发分出的产物在氢气的氛围下与氢气结合将一次较重的油品产物反应生成较轻较优的轻质芳烃油品和甲烷，即二次加氢气化反应。
40.各喷嘴2对撞布置后，炉体1顶部封头处的空间内以全混流状态存在，同时多股射流撞击后在向下(相对于图1而言)发展、扩大过程中，会产生较大卷吸回流，整个反应空间射流占主导，这样会加剧中间产品的返混，延长了轻质芳烃裂解的程度，故降低中间产品的产率。因此，参见图1，图中示出了炉体的另一种优选结构，如图所示，炉体1包括：顶部封头段11、收缩段12、扩展段13和直筒段14。其中，顶部封头段11、收缩段12、扩展段13和直筒段14依次连接，炉体1在收缩段12处的直径逐渐缩小，炉体1在扩展段13处的直径逐渐增大。具体地，顶部封头段11可以为顶部圆柱状，收缩段12处炉体1的外壁逐渐向内收缩，扩展段13处炉体1的外壁逐渐向外扩张。收缩段12和扩展段13将全混流流态收拢成向下的平推流流态，则炉体1的收缩段12和扩展段13形成类似于文丘里结构，能够在最短时间和空间内将顶部封头段11处的撞击全混流恢复为平推流，有利于形成加氢气化中间产品控制的平推流，优化中间产品停留时间分布，防止其过度加氢裂解，有利于控制中间高附加值产品的产率。
41.参见图1，炉体1在收缩段12处的外壁与炉体1的横向中心线之间具有第二预设夹
角β，其中，炉体1的横向中心线与炉体1的竖向中心轴线l相垂直。优选的，30
°
＜第二预设夹角β＜60
°
。第二预设夹角β的大小直接影响上部全混流向下发展的回流卷吸量，以及煤加氢气化反应产生的半焦在一段夹角上的堆积等，因此，优选的β＝50
°
。
42.同时，炉体1在对应于顶部封头段11与收缩段12的连接处的内径与炉体1在对应于收缩段12与扩展段13的连接处的内径之间具有预设比例。优选的，0.3倍的炉体1在对应于顶部封头段11与收缩段12的连接处的内径＜炉体1在对应于收缩段12与扩展段13的连接处的内径＜0.5倍的炉体1在对应于顶部封头段11与收缩段12的连接处的内径，即更为优选的
43.炉体1在扩展段13处的内壁与炉体1的横向中心线之间具有第三预设夹角γ，其中，炉体1的横向中心线与炉体1的竖向中心轴线l相垂直。优选的，70
°
＜第三预设夹角γ＜85
°
。具体地，扩展段13的主要作用是将收缩段12形成的收拢射流逐步发展成平推流，当其夹角β较小时，需要延长扩展段13的长度才能使射流充分发展成平推流，此时对应的扩展段13的内径很大，使得气化炉整体反应空间较大。因此，第三预设夹角γ为70
°
＜γ＜85
°
，更为优选的γ＝80
°
。
44.综上所述，本实施例中，每个喷嘴2均以预设速度向炉体1内喷射氢气和煤粉，使得氢气与煤粉发生碰撞而混合，并将氢气的温度传递给煤粉，实现了氢气与煤粉充分混合和快速升温，结构简单，便于实施，并且，氢气与煤粉在炉体1内运动恢复为平推流，优化中间产品停留时间分布，有利于加氢气化中间产品的控制和生成，防止中间产品的过度加氢裂解，进而提高了中间高附加值产品的产率。
45.需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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实用新型的限制。
46.此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
47.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。