高溫閃速氣化裝置和工藝的製作方法

2023-06-10 18:32:26

專利名稱：高溫閃速氣化裝置和工藝的製作方法
專利說明高溫閃速氣化裝置和工藝 本發明涉及一種固體燃料氣化裝置和工藝，用於氣化處理工業垃圾、生活垃圾、造紙廠汙泥、生物質、低熱值煤和煤。我國固定床、流化床和氣流床煤氣化研究，已取得引人注目的成效，但對低熱值劣質煤等原料，目前的裝置還難以取得較好的氣化效果。
垃圾焚燒，是減量化處理的有效方法。第一代垃圾焚燒爐以爐排層燃方式為主，少量採用迴轉窯和流化床方式。上世紀末，出現了垃圾焚燒後，再將飛灰和爐渣進行熔融處理，分解其中的二惡英的新技術。隨後，出現了將垃圾先在450～600℃時氣化，形成燃氣和易於鐵、鋁等金屬回收的殘留物，再在另一熔融爐中進行焚燒和抑制二惡英產生的技術，或將垃圾氣化和殘留物熔融處理置於一臺爐子中的垃圾直接氣化熔融焚燒技術。這兩種處理方法均屬於第二代垃圾焚燒技術，共同特徵是「低溫氣化+熔融焚燒」。第二代移動床氣化爐，要在爐底部形成1700～1800℃的高溫區，需要焦碳等助燃，運行費用較高，氣體上升中產生偏流，不利於穩定運行；採用傳熱效率較差的外部加熱法，爐子尺寸大，需要較大投資；沒有脫除酸性氣體裝置，造成餘熱鍋爐高溫腐蝕，影響氣化效率。
傳統生物質氣化處理，採用中低溫氣化、固定床氣化工藝，如《農村能源》2000第4期介紹的下吸或上吸式固定床氣化爐。該方法的氣化燃料範圍小，不適用於含水量高的生物質，氣化反應強度弱；氣固接觸時間有限，氣化反應不完全，CO2含量大。《燃料化學學報》2000第4期介紹的流化床氣化解決了氣固接觸有限的問題，但需要氣化劑氣流速度較快，導致燃氣中氣化劑過剩，而且是採用空氣為氣化劑，降低了燃氣熱值。固定床和流化床生物質空氣中低溫氣化燃氣熱值較低，而且燃氣中低溫焦油含量多，都需龐大的燃氣淨化系統。
《煤氣與熱力》2000第4期介紹了日本和美國某些公司研製出了一種高溫空氣氣化爐，如附圖2所示。它與中低溫固定床氣化相比，高溫使氣化反應速度有所改善，但因氣化劑仍為普通空氣(含氧體積濃度21％)，用於氣化城市生活垃圾時，獲得的燃氣熱值只有3.697MJ/Nm3，其結構也為上吸式或下吸式固定床氣化爐，氣固接觸時間仍然有限。另外，氣渣混合物須穿過卵石間隙，工業應用時氣流通道易發生堵塞。為克服中低溫氣化的氣化強度弱，固定床氣化氣固接觸有限和流化床氣化燃氣熱值低的缺點，本發明提出一種高溫閃速氣化的裝置和工藝。
本發明採用有色冶金和生物化工領域中成熟的閃速傳熱傳質技術，結合能源領域中高溫燃燒技術和強化氣化反應技術，採用高溫閃速氣化。本發明裝置主要包括閃速氣化塔和集渣池。氣化塔內為高溫氣化區，塔頂設置有小流量的輔助高溫氣化劑通道。輔助氣化劑，沿垂直於燃料注入的方向，以超過100m/s的速度水平噴向燃料。燃料在輔助氣化劑作用下，速度方向由垂直改變為水平，與垂直噴入的主氣化劑混合，這樣不僅實現了燃料較均勻地懸浮分散於高溫氣化區，而且實現了燃料和氣化劑充分接觸。燃料顆粒懸浮於高溫氣化區，延長了燃料在高溫氣化區裡的行程和停留時間。集渣池中部設有具有穩定氣化區溫度、捕獲未反應的固體碳並使其繼續氣化等功能的熱穩定器。熱穩定器內設有供熔渣流過的空隙通道。熱穩定器上下氣相空間連通，上部空間為合成燃氣通道，連接著高溫氣化區和合成燃氣引出口。高溫加快了氣化反應的進行，使得原料在懸浮下落到熱穩定器前能充分反應，並且使得CO2在離開高溫氣化器內能最大限度地轉變為CO。從高溫氣化區流出的合成燃氣，經過至少二次改變速度方向分離混於其中的熔渣後，離開高溫閃速氣化器。離開高溫閃速氣化器的燃氣CO2體積濃度極低、熱值接近或達到中熱值水平。氣化劑為含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣，或含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣和體積濃度為5～40％的高溫水蒸汽。控制輔助氣化劑和主氣化劑流量，達到總空氣係數在0.1～0.5範圍內。氣化劑和氣化區溫度為800～1600℃，高於灰渣熔點。
本發明可實現低品位、低密度和低熱值燃料能源有效地集中利用，氣固兩相接觸時間充分，氣化反應快，氣化效果好。氣化器具有較大的表面積和蓄熱能力，能起到延長氣化時間和穩定氣化溫度的作用，對燃料的熱值、成分和種類，均有較強的適應能力，同時可減少燃氣焦油含量和二惡英排放。
本發明裝置規模可大可小，可有效地氣化處理煤和各種低熱值燃料(如低熱值煤、生物質燃料和生活垃圾、造紙廠黑色廢渣、農業廢渣穀殼、蔗渣，以及可更新的植物-樹木)，也可用於中小型企業就地氣化處理低熱值工業廢料。
本發明針對松木屑，採用高溫富氧空氣/水蒸汽氣化，可獲得接近於中熱值(6～10MJ/Nm3)的合成燃氣。採用高溫純氧氣化，可獲得中熱值(13.1MJ/Nm3)燃氣。

圖1為本發明所設及的裝置原理示意圖；圖2為高溫空氣氣化爐結構。下面結合附圖對本發明裝置和工藝作進一步的詳細說明。
如圖1所示，本發明裝置由閃速氣化塔1和集渣池2組成。集渣池2上層為合成燃氣通道11，連接著高溫氣化區和合成燃氣引出口13；中間設有熱穩定器8，它的上下氣相空間連通，用來穩定氣化塔1溫度；下層為液渣區10。
閃速氣化塔1上設置圓形輔助氣化劑噴入通道3、圓環形燃料粉末或顆粒注入通道4、圓環形主氣化劑噴入通道5。輔助氣流可起到分散燃料的作用。輔助氣化劑3沿垂直於燃料注入方向以超過100m/s的水平高速噴向垂直下落的燃料。燃料在輔助氣化劑3作用下，速度方向由垂直改變為水平，再與垂直噴入的含氧體積濃度為21～100％的主氣化劑5混合，這樣不僅實現了燃料較均勻地分散於高溫氣化區，而且實現了燃料和氣化劑充分接觸。高溫閃速氣化塔1耐火材料內襯6設置水冷套7，以延長氣化塔1內襯6的使用壽命。氣化器內氣化操作溫度為800～1600℃，高於灰渣熔點溫度，操作壓力為常壓。
集渣池2分三層。上層為合成燃氣通道11，連接著氣化區和合成燃氣引出口13。中層為蓄熱體熱穩定器8，高效地集渣，穩定氣化塔1溫度，還可以阻碳。本發明正常工作時，熱穩定器8上下氣相空間連通。生成的灰渣落至液渣室10，極少數未完全反應的含碳固體物質被熱穩定器8捕獲，和合成燃氣中的H2O、CO2等成分接觸，進一步完成氣化反應，提高碳轉化率。夾帶液態熔渣的合成燃氣，從高溫氣化區流至熱穩定器8上部的空間11，再流至呈上升狀的圓形通道引出口13，發生二次速度方向改變90°，加上重力作用，能將少數混在合成燃氣中的液渣分離。
灰渣以熔融態排出裝置。熱穩定器8，為耐高溫的顆粒狀物質，或耐高溫的整體狀蓄熱板物質。顆粒間空隙便是排放灰熔渣的通道9。整體狀蓄熱板內有蜂窩狀孔道，孔道形狀為直線型或折線型。灰渣落至集渣池2時，極少數未反應的含碳物質被熱穩定器8捕獲，進一步和H2O、CO2等接觸進行反應。
本發明所用氣化劑為含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣，或含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣和體積濃度5～40％的高溫水蒸汽。氣化劑溫度800～1600℃，高於灰渣熔點。控制輔助氣化劑和主氣化劑流量，達到總空氣係數在0.1～0.5範圍內。
粉末或顆粒狀低熱值固體燃料，從閃速氣化塔1頂部圓環形通道4注入高溫氣化區。在沿垂直於燃料下落方向噴入的輔助(分散)氣化劑作用下，燃料均勻地懸浮充滿於高溫氣化反應區，在溫度高於灰渣熔點條件下以懸浮狀態和主氣化劑充分接觸。高溫氣化區在不同高度處有不同的溫度和不同的還原氣氛濃度。高溫，促使氣化區內發生快速氣化反應，使燃料在下落到集渣池2中部的熱穩定器8前，有足夠長時間發生充分的碳燃燒反應、布多爾反應、水煤氣合成反應和甲烷合成反應，從燃氣引出口13排出的燃氣中CO2濃度極低。高溫氣化區內複雜的氣化反應，可歸結為吸熱和放熱反應兩大類
根據原料成分優化操作參數後，實現吸熱量和放熱量大致相等，維持氣化塔1操作溫度基本恆定。得到的中熱值燃氣由氣化器燃氣引出口13排出。液渣區10內熔渣到一定高度時或定期從放渣口12排放。
權利要求
1.一種固體燃料氣化裝置，包括閃速氣化塔和集渣池，其特徵在於氣化塔頂部設置有輔助氣化劑噴入通道，集渣池設置有熱穩定器。
2.根據權利要求1所述的氣化裝置，其特徵在於所述的熱穩定器為耐高溫的球狀物質，或耐高溫的整體狀蓄熱板物質，整體狀蓄熱板內有蜂窩狀孔道，孔道形狀為直線型或折線型。
3.根據權利要求2所述的氣化裝置，其特徵在於所述的耐高溫的整體狀蓄熱板內有蜂窩狀孔道，孔道形狀為直線型或折線型。
4.一種用於權利要求1所述的氣化裝置的氣化工藝，其特徵在於高溫氣化劑分輔助氣化劑和主氣化劑兩部分供入氣化區，粉末或顆粒狀固體燃料，從圓環形通道注入氣化區，輔助氣化劑沿水平方向高速噴向下落的燃料，燃料速度方向由垂直改為水平，再與主氣化劑混合，燃料均勻地懸浮分散於氣化區，塔內發生高溫快速氣化反應，使得燃料在下落到集渣池前能充分反應，最大限度將CO2轉變為CO，將燃氣熱值提高到接近或者中熱值水平。
5.根據權利要求4所述的氣化工藝，其特徵在於氣化劑為含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣，或含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣和體積濃度5～40％的高溫水蒸汽，氣化劑溫度800～1600℃，高於灰渣熔點，控制輔助氣化劑和主氣化劑流量，達到總空氣係數在0.1～0.5範圍內。
6.根據權利要求4所述的氣化工藝，其特徵在於氣化溫度為800～1600℃。
全文摘要
本發明是一種固體燃料氣化裝置和工藝，用於氣化各種熱值的煤，工業、醫療及生活垃圾和生物質。溫度高於渣熔點的富氧空氣或富氧空氣與水蒸汽混合物氣化劑，分輔助氣化劑和主氣化劑供入高溫氣化區。粉末或顆粒狀燃料，在高速噴入的輔助氣化劑作用下由自由下落改為水平分散。燃料在氣化區呈懸浮狀發生高溫快速氣化反應，並在離開氣化區前充分反應，最大限度將CO
文檔編號F23G5/027GK1673623SQ20051003131
公開日2005年9月28日 申請日期2005年3月10日 優先權日2005年3月10日
發明者蔣紹堅, 艾元方, 蔣受寶 申請人:中南大學