技术领域
[0001] 本
发明涉及气流床干
煤粉气化设备,尤其涉及以煤为代表的粉末固态含
碳燃料与气化剂在高温下反应生成CO、H2、半焦的气流床常压空气气化反应设备及其气化方法。
背景技术
[0002]
煤气化是煤炭清洁高效利用的核心技术,是发展煤基大宗化学品和
液体燃料合成、先进的
整体煤气化联合循环(IGCC)发电系统、多联产系统、制氢、
燃料电池、
直接还原炼
铁等过程工业的
基础,是这些行业发展的关键技术、核心技术和龙头技术。
[0003] 自19世纪中叶德国Siemens兄弟最早发明的煤气发生炉至今已有150余年的历史,已形成固定(移动)床、
流化床和气流床三种技术。固定(移动)床以传统的煤气发生炉为代表的UGI气化工艺、Lurgi气化工艺、BGL气化工艺,但这种工艺生产的
合成气出口
温度不高,含有大量的焦油和焦油污
水,污染严重,逐步被淘汰。流化床气化是利用流态化的原理和技术,使煤颗粒通过气化介质达到流态化,其代表有早期的Winkler气化工艺,到循环流化床(CFB)气化工艺、KBR输运床气化工艺、灰熔聚气化工艺,这些工艺与固定床气化工艺来比有了很大的提升,但由于煤的物理和化学性质
对流化床气化炉的操作有很显著的影响,例如在脱挥发分过程中煤有黏结的倾向,这将导致流化不良,特别是对于黏结性强的煤尤为严重,这些因素会限制流化床的最高床层温度,从而也会限制生产能
力和碳转化率,从而影响气化效果。气流床又称射流携带床,是利用
流体力学中射流卷吸的原理,将煤粉颗粒与气化介质通过
喷嘴高速喷入气化设备内的混合,有利于气化反应的充分进行。气流床气化设备其碳转化率高,合成气中不含焦油等产物,符合煤气化技术发展的主流方向,目前使用的E-Gas气化工艺、GSP气化工艺、Shell气化工艺等都是气流床气化,这些气化工艺的设备都是符合大型化工装置,已广泛应用的基本煤处理量都在1000T/D以上的气流床气化设备。目前在小型化、常压空气作为气化剂、投资小、日处理量在100T/D的气化设备在
热处理、特种
钢厂、工程施工等需要热源的行业有极大的需求,但在技术上还没有达到市场的要求。
发明内容
[0004] 本发明目的在于:提供一种在常压环境下、利用空气作为气化剂的气流床粉煤气化设备。
[0005] 本发明目的还在于:提供一种该气流床粉煤气化设备的气化方法。
[0006] 本发明目的通过以下技术方案实现:本发明包含合成煤气出口、气化设备本体、气化设备渣口及渣池,在气化设备本体底部设置底部气化剂喷入口,外壁设置周向气化剂喷入口及煤粉喷入口,气化剂分成三部分输入,分别是由煤粉喷入口、周向气化剂喷入口和底部气化剂喷入口输入。
[0007] 本发明还配置有换热装置及合成气
燃烧器,煤气出口通过管道连接至合成气燃烧器入口,换热装置底部设置合成燃烧所需空气进口,换热装置出口连通合成气燃烧器,在气化设备本体中增加换热介质管道和
循环泵,换热介质管道在换热装置中将其内的换热介质进行热交换后再循环回气化设备本体,再经气化设备本体内后通过
循环泵输入换热装置循环管中,如此一直循环下去。
[0008] 本发明在气化设备本体外面增加一层气化
风夹套。
[0009] 本发明所述周向气化剂喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为0.2:1~0.5:1;煤粉喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为0.5:1~
1:1;底部气化剂喷入口距气化设备渣口底面的垂直距离为300~500mm。
[0010] 本发明所述气化设备本体为圆柱体,其高度和直径的比例为1:1~5:1。
[0011] 本发明所述周向气化剂喷入口分一排四个两两对称布置,相对称的周向气化剂喷入口在同一水平面上,相邻周向气化剂喷入口成螺旋线上升或下降布置;煤粉喷入口分一排四个两两对称布置,相对称煤粉喷入口在同一水平面上,相邻的煤粉喷入口成螺旋线上升或下降布置,所有周向气化剂喷入口及煤粉喷入口
螺旋角度一致,角度范围为1°~20°,优选3°~10°。
[0012] 本发明周向气化剂喷入口的轴线与气化设备本体的
母线的夹角一致,角度范围为60~70°,与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为90~110°;煤粉进口的煤粉喷入口的轴线与气化设备本体的母线所成的夹角一致,角度范围为50~70°,煤粉进口的煤粉喷入口与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为120~
135°。
[0013] 本发明所述的常压空气气化的气流床干煤粉气化设备的气化方法为:煤粉在
气力输送的作用下,通过若干组煤粉喷入口进入气化设备本体内与若干组周向气化剂喷入口进行混合形成涡旋流场反应,落下来的煤粉与底部气化剂喷入口进入的气化剂相遇反应,生成合成煤气和多孔易燃半焦从合成煤气出口排出,液态渣顺着气化设备渣口进入渣池排出,其中周向气化剂喷入口任一个都可以作为煤粉点燃辅助口。
[0014] 本发明所述煤粉喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的50~59%,周向气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的30~36%,底部气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的5~20%。
[0015] 本发明所述煤粉喷入口的流速为20~45m/s,周向气化剂喷入口的流速为25~65m/s,底部气化喷入口流速为3~5m/s,气化风在气化设备本体与气化风夹套间隙处流速为5~40m/s。
[0016] 实践证明,本发明能长时间的连续工作而不会受到高温破坏,同时得到的有效气体和部分多孔易燃的半焦,为热处理、特种钢厂、工程施工等需要热源的行业提供了多样性的选择,可解决小型化、常压下、日处理量在100吨左右的粉煤气化设备中的技术问题,具备以下优越效果:1、本发明依据相关射流流场理论,通过强化相间传递过程、延长反应时间、改善
停留时间分布来提高颗粒的二次反应程度,因此采用对称式多喷嘴的布置方式,通过多股对称流体相向撞击来提高气-固两相间的传递速度,加强流体间的混合,从而提高以相间混合扩散为控制步骤的化学反应速率,延长碳颗粒在反应器中的停留时间,提高碳转化率。
[0017] 2、本发明通过控制气化风夹套和气化设备本体之间的间隙的大小,使得通过其间的高流速的气化剂(空气)带走大量的
热能,这样既起到了保护外壁作用,又可以使得气化剂(空气)温度上升,有助于提高接下去的气化效果;其次是在气化设备本体中间流动的热传导性强的
导热油、水等换热介质,通过这些介质将热能带出,通过换热装置将一部分热能换出,这样也起到了保护外壁作用,又为接下来出口煤气和半焦等合成气燃烧用的燃烧器所需的空气进行了预热,为后期充分燃烧做了准备,达到了煤资源的充分利用,避免煤在转换过程中产生的热能的浪费。
[0018] 3、本发明按照炉内多相
湍流计算和工程实践,设计了气化设备本体高度和直径的比例、周向气化剂喷入口到气化设备本体底部的高度与气化设备本体高度的比例、煤粉喷入口到气化设备本体底部的高度与气化设备本体高度的比例、以及底部气化剂喷入口到气化设备本体底部的距离,设备在运行中达到了很高的碳转化率,实现了将低廉易得的煤、空气合成出清洁、高效、昂贵的合成热煤气和多孔易燃半焦。
[0019] 4、为更进一步得到高品质的合成煤气和多孔易燃半焦,本发明通过计算机
软件模拟和工程实践,将气化剂分为三个部分输入,在其喷入的三个部分的气化剂占比有着严格要求。
附图说明
[0020] 图1 为本发明的
实施例带有周向气化剂喷入口的结构示意图;图2 为本发明实施例带有煤粉喷入口的结构示意图;
图3为本发明实施例的A-A方向的视图;
图4为本发明的实施例的气化设备本体的展开图。
具体实施方式
[0021] 下面结合实施例并对照附图对本发明进行详细说明。
[0022] 实施例1:如图1、2、3、4所示,本实施例由合成煤气出口1、气化设备本体2、气化设备渣口6、渣池
7、换热装置12及合成气燃烧器13组成。气化设备本体2底部设置底部气化剂喷入口8,外壁设置周向气化剂喷入口4及煤粉喷入口5,气化剂分成三部分输入,分别是由煤粉喷入口
5、周向气化剂喷入口4和底部气化剂喷入口8输入。煤气出口1通过管道连接至合成气燃烧器13入口,换热装置12底部设置合成燃烧所需空气进口11,换热装置12出口连通合成气燃烧器13,在气化设备本体2中增加换热介质管道9,换热介质管道9在换热装置12中将其内的换热介质进行热交换后再循环回气化设备本体2,再经气化设备本体2内后通过循环泵10输入换热装置12循环管中。在气化设备本体2外面增加一层气化风夹套3,为了保护气化设备本体2,通过气化风夹套3与气化设备本体2之间的间隙L3的大小来确定通过的气化剂的流速,本实例选择的方案范围在20~22mm范围内达到最佳状态。同时通过换热介质的时刻流动,与换热装置12进行热交换,既达到了降低换热介质(导热油、水或者空气)温度的作用,又为合成气燃烧器13燃烧所需的空气进行了预热,一举两得。考虑了小型化使用,在人员管理、安全等因素考虑情况下,本实施例对介质管道9内的换热介质一般都选用导热油。
[0023] 为提高碳的转换率和合成气的产量,本实施例中气化设备本体2为圆柱体,其高度H和直径D的比例为在1.48:1为最佳。在气化过程中,最希望得到的混合流场是煤粉从高位向下流动,与从下向上流动的气化剂相碰混合反应,因此,周向气化剂喷入口4到气化设备本体2底部的高度L11与气化设备本体2高度H的比例为0.44:1~0.49:1,煤粉喷入口5到气化设备本体2底部的高度L12与气化设备本体2高度H的比例为0.51:1~0.56:1,底部气化剂喷入口8距气化设备渣口6底面的距离L2高度为400毫米为最好的气化状态。同时为了让煤粉得到充分的反应,将气化剂分成三个部位以不同的流速进入反应区域,其中,煤粉喷入口的流速为44m/s,占总的气化剂比例为55%;周向气化剂喷入口的流速为58m/s,占总的气化剂比例为34%;底部气化喷入口流速为4m/s,占总的气化剂比例为
11%;通过这种设置,有助于提高碳转化率和减免煤粉落入渣池浪费。
[0024] 在设备需要小型化而又需要提高碳的转化率和合成气的产量的同时,最佳的方案是适当延长煤粉在气化设备本体2中的反应时间,因此,本实例对各周向气化剂喷入口4和各煤粉喷入口5的角度和它们之间的相对高度都做了一定的设置,其螺旋线升角α3均为5°,每一层两种喷入口都采用四喷嘴两两对称方式布置,同时,周向气化剂喷入口4的轴线与气化设备本体2的母线的夹角α11均为68°,与气化设备本体2的交点处切线所成的夹角α21均为103°,各煤粉喷入口5的轴线与气化设备本体2的母线的夹角α12均为
68°, 各煤粉喷入口5的轴线与气化设备本体2的交点处切线所成的夹角α22均为122°。
[0025] 实施例2:本实施例结构与实施例1相同,周向气化剂喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为0.2:1;煤粉喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为1:1;底部气化剂喷入口距气化设备渣口底面的垂直距离为300mm。气化设备本体为圆柱体,其高度和直径的比例为5:1。所有周向气化剂喷入口及煤粉喷入口螺旋角度和方向一致,角度范围为20°。周向气化剂喷入口的轴线与气化设备本体的母线的夹角一致,角度范围为60°,与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为110°;煤粉进口的煤粉喷入口的轴线与气化设备本体的母线所成的夹角一致,角度范围为50°,煤粉进口的煤粉喷入口与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为135°。煤粉喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的50%,周向气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的36%,底部气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的20%。煤粉喷入口的流速为20m/s,周向气化剂喷入口的流速为25m/s,底部气化喷入口流速为5m/s,气化风在气化设备本体与气化风夹套间隙处流速为40m/s。
[0026] 实施例3:本实施例结构与实施例1相同,周向气化剂喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为0.5:1;煤粉喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为0.5:1;
底部气化剂喷入口距气化设备渣口底面的垂直距离为500mm。气化设备本体为圆柱体,其高度和直径的比例为1:1。所有周向气化剂喷入口及煤粉喷入口螺旋角度和方向一致,角度范围为1°。周向气化剂喷入口的轴线与气化设备本体的母线的夹角一致,角度范围为70°,与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为90°;煤粉进口的煤粉喷入口的轴线与气化设备本体的母线所成的夹角一致,角度范围为70°,煤粉进口的煤粉喷入口与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为120°。煤粉喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的59%,周向气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的30%,底部气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的5%。煤粉喷入口的流速为45m/s,周向气化剂喷入口的流速为65m/s,底部气化喷入口流速为3m/s,气化风在气化设备本体与气化风夹套间隙处流速为5m/s。
[0027] 实施例4:本实施例结构与实施例1相同,周向气化剂喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为0.38:1;煤粉喷入口到气化设备底部的高度与气化设备高度的比例为
0.8:1;底部气化剂喷入口距气化设备渣口底面的垂直距离为360mm。气化设备本体为圆柱体,其高度和直径的比例为3:1。所有周向气化剂喷入口及煤粉喷入口螺旋角度和方向一致,角度范围为10°。周向气化剂喷入口的轴线与气化设备本体的母线的夹角一致,角度范围为65°,与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为98°;煤粉进口的煤粉喷入口的轴线与气化设备本体的母线所成的夹角一致,角度范围为60°,煤粉进口的煤粉喷入口与气化设备本体的交点处切线所成的夹角一致,角度范围为130°。煤粉喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的50~59%,周向气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的30~36%,底部气化剂喷入口输入的气化剂占所有气化剂总量的5~20%。煤粉喷入口的流速为20~45m/s,周向气化剂喷入口的流速为25~65m/s,底部气化喷入口流速为3~5m/s,气化风在气化设备本体与气化风夹套间隙处流速为5~40m/s。