[发明专利]新型两段式多喷嘴加压气化炉及其气化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种两段式多喷嘴加压气化炉及其气化方法。

背景技术

煤等含碳燃料的气化技术在联合循环(IGCC)发电装置、合成氨和合成甲醇工业、海绵铁的生产、纯氢气的制备等领域得到了广泛的应用，而气化炉则是原燃料气化的关键设备。为此，众多的科技人员研究开发了各种类型的气化炉。现有的可将煤、焦等含碳燃料气化，在采用气流床进行气化的技术中，有代表性的主要有三种：采用水煤浆为原料的气化炉有德士古(Texaco，现为GE公司)和我国华东理工大学等单位开发的多喷嘴对置式水煤浆气化炉；采用干煤粉为原料的气化炉有谢尔(Shell)，GSP气化炉和国家电力公司热工研究院的两段式干煤粉气化炉。根据文献US4637823、US4527997和US5281243公开的德士古气化工艺，该气化炉为单喷嘴顶置式，单喷嘴顶置式气化炉的炉内流场结构基本相同，包括GSP气化炉，由于顶部射流的湍流强度较高，存在部分物料短路和形成较大射流回流区的现象，炉内流场和温度场不尽合理，而且单喷嘴气化炉在大规模化的过程中也会遇到很多的困难。谢尔气化炉和两段式干煤粉气化炉均采用煤气与熔融态渣呈逆向流动，其主要存在两个缺点，一方面，熔融态渣在气流的逆向托力作用下靠重力向下排出气化炉，极易凝固堵塞渣口；另一方面，悬浮在气流中的细渣被气流带入合成气冷却器和后续冷却净化设备，在后续设备和管道中容易形成积灰堵塞，对设备的磨损也较为严重。文献CN98110616.1和200510111484.8所公开的华东理工大学等开发的多喷嘴气化炉采用侧面喷嘴对置式，由于四股较强的射流撞击燃烧后将形成明显撞击火焰，向上撞击火焰直接威胁气化炉顶部耐火材料的使用寿命，使炉内温度场和气化反应状态不尽合理。综上所述，尽管已有多种不同形式的气化炉成功实现了工业化应用，但均不同程度地存在反应物停留时间分布不合理、碳转化率不理想、炉内温度场不均匀等问题。中国专利CN101003755和CN2460865是两段式多喷嘴气化炉，都采用在顶部设置喷嘴的方法进行改进，虽然从一定程度上抑制了侧面喷嘴撞击产生的气化火焰对气化炉炉顶的冲击，但是顶部喷嘴的射流将产生较大的射流回流区，以及顶部喷嘴喷入的燃料在气化炉顶部附近发生充分的气化反应，也将产生大量热量，故气化炉顶部仍然承受高温气流的强烈冲刷，严重影响其使用寿命，因此两者的炉内流场和气化反应组织仍不尽合理。

综上所述，气化炉技术开发的关键是如何优化炉内流场，达到气化炉内近壁区域的温度均匀分布，且远离高温区。因此，开发一种大规模高效的气化技术是提高我国燃料气化技术可靠性的关键技术途径之一。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种新型两段式多喷嘴加压气化炉，该气化炉顶部不用承受高温气流的强烈冲刷，可以延长使用寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种新型两段式多喷嘴加压气化炉，包括炉壳，炉壳内设置气化室和合成气冷却室，所述气化室分为上下两段，第一段为上段气化室，第二段为下段气化室 ，上段气化室与下段气化室的直径比为0.2~0.8，高度比0.1~0.5；上段气化室顶部设有喷嘴室，喷嘴室中设置1个顶置工艺喷嘴，下段气化室侧面沿圆周方向设有至少一层工艺烧嘴室，烧嘴室中布置侧面工艺喷嘴，侧面工艺喷嘴以机械方式安装在工艺喷嘴室中，气化室锥形渣口设置在下段气化室底部。通过缩小上段气化室直径，可大大削弱顶部喷嘴射流造成的射流回流区的形成，有效控制下段气化室高温烟气向上流动量，有助于降低气化炉上段气化室的整体温度，从而有效杜绝了上段气化室炉壁材料超温和受高温气流冲刷的问题，延长了其使用寿命；由于上段气化室的气化负荷主要为顶置单喷嘴送入的燃料，因此其所需的气化空间高度比下段气化室低得多。

与专利CN101003755和CN2460865所公开的气化炉不同的是，本发明同时实现了分区和分级的气化方法，大部分燃料和气化剂通过侧面工艺喷嘴送入下段气化室，在下段气化室发生气化反应，一小部分燃料和少量气化剂则通过布置在上段气化室顶部的顶置工艺喷嘴喷入上段气化室内，它吸收下段气化室内的高温烟气进行预热、热解和部分气化反应，由于气化剂不足，且上段气化室直径较小，不会形成明显射流回流区对下段气化室高温烟气的卷吸作用，有效控制了下段气化室高温烟气向上流动通量，使上段气化室发生的气化反应主要为热解等前期反应，产生的热量大大降低，故上段气化室内的温度大大降低，有效保护了气化炉上段气化室的炉壁材料。上段气化室形成的粗煤气和半焦则在下段气化室多只侧面工艺喷嘴所行成的向下切圆射流的卷吸作用下，进入下段气化室并与主燃料一起进入下段气化室内进行二次反应。