[发明专利]气化炉及其进料系统

说明书

技术领域

本发明是关于一种气化炉及其进料系统，尤指一种通过不同耐火材的施作 机构与进料燃烧器结合运送粉煤与输送气体的高温气化炉及其进料系统。

背景技术

近年来由于全球同时面临环保与能源问题，以致于各国政府及工业界皆非 常重视有关于高能源效率及低污染的净煤技术(clean coal technology)的研 发。如何提升煤炭的使用效率以及降低煤炭污染为目前使用净煤技术发展的首 要课题。在各种净煤技术中，以气化技术(gasification technique)最受瞩 目，可利用将各种燃料如煤炭、石油焦、生质能及废弃物等作为进料，且生产 的合成气(syngas)可多元化应用，如产生电力、当作燃料与转化成化学品等， 因此各国均积极发展气化技术。

煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下，使煤中有机质与 氧化剂(如蒸汽/空气或氧气等)发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有 CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可燃气体的过程。煤炭气化时，必须 具备三个条件，即气化炉、氧化剂以及供给热量，三者缺一不可。气化过程发 生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、 液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型，即非均相气- 固反应和均相的气相反应，至于氧化剂的选择主要在于氧气与空气两种，氧气 将有利于合成气热值的提升，但相对需要提供制氧设备的成本，相反的空气则 不需提供制气设备，但所获得的合成气热值则相对较低。    

目前相关的气化炉可约略区分为四种型式，选择的重要考虑参数包括进料 量、操作压力、操作温度、产出合成气成份…，其中高压气化有利于节省设计 炉体的体积，降低建构成本与后端出口合成气高压输送利用，至于气化炉操作 温度则取决于后端出口合成气的成份比例，主要由所需制造的产品来决定合成 气成份，一般炉内温度在1000～1500℃之间，而为了保持气化炉的温度，气化 炉内部通常使用三层型式的耐火泥(或耐火砖)。请参阅图7，其为显示公知高 温气化炉的剖面图，三层耐火泥分别具有不同的特性与功用，最内层耐火泥为 耐高温层21，该耐高温层21的特色为可承受的温度上限是介于1600～1700℃ 左右的高温，且能够持续保持气化炉心反应区24的高温以利气化进行。最外层 与气化炉壁25相连接的耐火泥为绝热层23，最主要是要阻断热传导效应以保 护气化炉壁25的材料，一般容许温度上限是介于1000～1200℃。至于中间层 的耐火泥则为保温层22，让气化炉内的高温得以保持，一般容许的温度上限是 介于1200～1400℃。

至于进料燃烧器26主要的工作在于将燃料(粉煤、水煤浆、石油焦)、氧 气(空气)与蒸汽同时送入气化炉中进行燃烧-气化反应，是气化技术中一个相 当重要的关键技术之一，为了能够在进料前将燃料与氧气提前混合完成，一般 会采用所谓的内外管式的预混进料燃烧器26做为进料系统。进料燃烧器26的 外管27用于输送气体(通常为氧气或空气)，进料燃烧器26的内管28用于输 送燃料-粉煤，而外管27的气体与内管28的燃料-粉煤在进料燃烧器26的渐缩 段29预先混合后，再喷进到气化炉心反应区24内进行气化反应。

因为煤炭气化一般都是在高温高压的剧烈环境下进行的，故在操作上必须 相当谨慎，得避免在进料燃烧器26出口端出现因为外在因素而发生熔断及内在 发生燃料堵塞状况，进而发生高温回火现象，此时可能在同时具有燃料(煤炭)、 氧化剂(氧气)与高温环境三种条件下，直接在进料燃烧器26内部进行燃烧反 应，通过高温而直接侵蚀进料燃烧器26周围较耐低温的保温层22或是绝热层 23的耐火泥，由于燃料与氧化剂仍然持续进料，且炉温并无明显变化，所以相 当不易察觉，最后可能因气化炉壁25无法承受高温，而造成极大的危险性。故 公知的气化炉的进料系统仍存有缺失而有待改进。