一種氣化爐、其應用及含碳物質的氣化方法與流程

2023-04-29 20:48:36 2

本發明涉及一種氣化爐、其應用及含碳物質的氣化方法。

背景技術：

現代新型煤基能源轉化過程如煤制油、煤制甲醇及烯烴、煤制天然氣、整體聯合循環發電、煤基還原煉鐵等，均以高效、清潔、經濟為追求目標，需要有大規模生產能力的氣化爐技術與之配套，以減少氣化爐的使用套數，提升經濟性，降低項目投資。經過幾十年的發展，氣流床氣化技術以其高效、清潔的技術特點成為當今技術發展的主流，已經工業化的氣流床氣化技術包括以GE、OMB為代表的水煤漿氣化技術，以及以Shell、GSP、SE、HT-L為代表的粉煤加壓氣化技術，單爐處理能力從最初的日處理煤幾百噸擴大到上千噸，其中OMB水煤漿氣化爐和Shell粉煤氣化爐的單爐處理能力最大達到了3000噸規模。可見，具有大規模生產能力的氣化爐已成為發展現代大型能源產業的基本技術需求。

由於氣流床氣化爐內高溫條件下進行的氣化反應主要受傳遞過程所影響，對於大規模生產能力的氣化爐，不僅僅是一個氣化爐尺寸的簡單放大，而是關係到放大後的氣化爐能否充分利用反應空間，確保形成合理的流場結構，使其內的反應物料實現良好混合，為完成氣化反應創造必要的環境條件。事實上，對於頂置噴嘴結構氣化爐，受到其結構形式的限制，規模放大到一定程度後會出現反應空間利用不充分，碳轉化率下降等不良結果；還有些氣化爐，依靠簡單地增加氣化噴嘴數目，使噴嘴設置更為複雜，投資也相應增加。

因此，本領域亟需一種具有大規模生產能力的氣化爐，為現代大型煤基能源產業及其廢棄物資源化利用提供技術選擇。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是為了克服現有技術中的氣化爐生產能力低、碳轉化率低、適用面窄等缺陷而提供了一種氣化爐、其應用及含碳物質的氣化方法，該氣化爐啟動時間短、生產能力高、碳轉化率高、適用面廣，適於工業化生產。

本發明提供了一種氣化爐，包括一爐體和一複合式噴嘴；所述複合式噴嘴設於所述爐體的頂部，所述複合式噴嘴的軸線與所述爐體的軸線同軸；所述爐體的底部設有一出口；

所述爐體包括一耐高溫內襯和一耐高壓金屬外殼；所述爐體的側壁的中部設有至少四個工藝噴嘴，所述工藝噴嘴的軸線處於同一平面，所述工藝噴嘴的軸向偏角α和徑向偏角β均為0°，相鄰的兩個所述工藝噴嘴軸線間的夾角均相同；所述複合式噴嘴的軸線垂直於所述工藝噴嘴的軸線所在平面。

在所述氣化爐中，所述複合式噴嘴為本領域常規的複合式噴嘴，較佳地為具有點火、開工和工藝功能的複合式噴嘴。

在所述氣化爐中，所述耐高溫內襯為本領域常規的耐高溫內襯，較佳地為膜式水冷壁和/或盤管式水冷壁。

在所述氣化爐中，所述工藝噴嘴較佳地為對置式設置；當所述爐體的側壁的中部設有四個工藝噴嘴時，較佳地，相鄰的所述工藝噴嘴軸線間的夾角為90°，相對的工藝噴嘴軸線間的夾角為180°。發明人發現，對置式設置噴嘴使得幾股射流正面撞擊，在氣化爐內形成完全撞擊式的流動情況，這種撞擊流動具有最好的物流間的混合效果，有利於反應轉化率的提高。同時，在氣化爐進入正常運行時，頂部設置的複合式噴嘴的射流流股還將與側面工藝噴嘴形成的撞擊流股發生二次撞擊，進一步強化了混合效果，提高碳轉化率。

在所述氣化爐中，所述工藝噴嘴的軸線所在平面距離所述爐體的頂部的垂直高度，與所述爐體的爐膛直徑的比值為本領域常規的比值，較佳地為1～3，例如1.7、1.9。

在所述氣化爐中，所述工藝噴嘴的軸線所在平面距離所述出口的平面的垂直高度，與所述爐體的爐膛直徑的比值為本領域常規的比值，較佳地為1～3，例如1.7、1.9。

本發明還提供了一種含碳物質的氣化方法，其包括以下步驟：採用上述的氣化爐，將含碳物質、氧化劑與氣化劑進行燃燒與氣化反應，即可；所述氣化劑為水和/或二氧化碳；

所述含碳物質從所述工藝噴嘴和/或所述複合式噴嘴進入；所述氧化劑從所述工藝噴嘴和/或所述複合式噴嘴進入；所述氣化劑從所述工藝噴嘴和/或所述複合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，所述含碳物質為本領域常規的含碳物質，可以為粉態固體含碳物質，如煤粉、石油焦粉、生物質粉、固體廢棄物粉等，以及上述各粉態固體含碳物質的混合體；也可以是漿態或液態含碳物質，如水煤漿、石油焦漿、汙泥漿、生物質漿、廢棄物漿、工業廢水等，以及上述各漿態或液態含碳物質的混合體。

在所述氣化方法中，所述氧化劑為本領域常規的氧化劑，較佳地為氧氣的體積含量為21％～100％的氣體，更佳地為純氧、富氧或空氣，最佳地為純氧。

在所述氣化方法中，所述水可為液態水和/或水蒸氣。

在所述氣化方法中，當所述含碳物質有多種時，通過所述工藝噴嘴進入的所述含碳物質、通過所述複合式噴嘴進入的所述含碳物質可以相同或不同。

在所述氣化方法中，當所述氧化劑有多種時，通過所述工藝噴嘴進入的所述氧化劑、通過所述複合式噴嘴進入的所述氧化劑可以相同或不同。

在所述氣化方法中，當所述氣化劑有多種時，通過所述工藝噴嘴進入的所述氣化劑、通過所述複合式噴嘴進入的所述氣化劑可以相同或不同。

在所述氣化方法中，較佳地，通過所述工藝噴嘴進入的所述含碳物質在各個所述工藝噴嘴均勻分配。

在所述氣化方法中，較佳地，通過所述工藝噴嘴進入的所述氧化劑在各個所述工藝噴嘴均勻分配。

在所述氣化方法中，較佳地，通過所述工藝噴嘴進入的所述氣化劑在各個所述工藝噴嘴均勻分配。

在所述氣化方法中，所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑可以通過同一所述工藝噴嘴或所述複合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑可以同時通過所述工藝噴嘴和/或所述複合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，較佳地，所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑混合均勻後通過所述工藝噴嘴和/或所述複合式噴嘴進入。

在所述氣化方法中，當所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑混合均勻後、同時通過所述工藝噴嘴和所述複合式噴嘴進入時，較佳地，通過所述複合式噴嘴進入的所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑的流量，佔所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑的總流量的10％～40％，例如20％。

對於氣流床氣化技術(特別是大型氣化爐)而言，由於氣化溫度水平已經足夠高，影響氣化反應效果的決定性因素是氣化爐內物料間的混合。本技術在利用工藝噴嘴實現撞擊流強化混合的基礎上，進一步設計了工藝過程中通過複合式噴嘴進料及相應的物料流量比例，以形成了二次撞擊，從而進一步強化了混合效果，可使碳轉化率提高至99％。

在所述氣化方法中，所述爐體的內部的反應溫度為本領域常規的反應溫度，較佳地為1000℃～1700℃，例如1300℃。

在所述氣化方法中，所述爐體的內部的工作壓力為本領域常規的工作壓力，較佳地為1.0MpaG～8.7MpaG，更佳地為2.0MpaG～6.5MpaG，例如4.0MpaG。

在所述氣化方法運行前，所述氣化爐需先點火和開工(即升溫、提壓)；所述點火和所述開工為本領域常規操作，較佳地為，通過所述複合式噴嘴向氣化爐通入燃料和助燃氣體，實現所述氣化爐從冷態開始直到達到正常投料 運行條件的過程。

在所述氣化方法中，當所述耐高溫內襯為膜式列管水冷壁結構時，可以將氣化爐中取出的熱量副產中壓蒸汽；當所述耐高溫內襯為盤管式水冷壁結構時，則只能將氣化爐中取出的熱量副產低壓蒸汽。

在所述氣化方法中，所述工藝噴嘴向氣化爐內提供所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑的方式為本領域常規的方式，較佳地為射流方式。

在所述氣化方法中，所述複合式噴嘴向氣化爐內提供所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑的方式為本領域常規的方式，較佳地，當所述氣化爐點火時，為預混射流方式；當所述氣化爐開工時，為非預混射流方式。

在所述氣化方法中，當所述氣化爐遇到偶發事件時，可以只運行所述工藝噴嘴，而停運所述複合式噴嘴；也可以只運行所述複合式噴嘴，而停運所述工藝噴嘴；也可以不論所述複合式噴嘴是否運行，停運相對的兩個所述工藝噴嘴；上述各種情況均需向停運的噴嘴通入少量的保護氣體。由此可見，該氣化爐具有良好的抵禦風險能力，同時有利於實現運行負荷的靈活調整。

本發明還提供了如上所述的氣化爐在含碳物質的氣化方法中作為設備的應用。

在不違背本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本發明各較佳實例。

本發明所用試劑和原料均市售可得。

本發明中，所述工藝噴嘴的軸向偏角α是指噴嘴中心線與噴嘴安裝口的中心到氣化爐中心線(又稱軸線)的垂線所形成的夾角。所述工藝噴嘴的徑向偏角β是噴嘴中心線在噴嘴安裝口中心所在的水平截面上的垂直投影與過噴嘴安裝口的中心與氣化爐水平截面圓心的連線所形成的夾角。

本發明的積極進步效果在於：該氣化爐啟動時間短、生產能力高、碳轉化率高、適用面廣，適於工業化生產。

附圖說明

圖1為本發明一較佳實施例的氣化爐的軸向剖面圖。

圖2為本發明一較佳實施例的氣化爐的徑向剖面圖。

具體實施方式

下面通過實施例的方式進一步說明本發明，但並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。下列實施例中未註明具體條件的實驗方法，按照常規方法和條件，或按照商品說明書選擇。

實施例1一種氣化爐

如圖1所示，本發明提供一種氣化爐，包括爐體1和複合式噴嘴2；所述複合式噴嘴2設於所述爐體1的頂部，所述複合式噴嘴2的軸線與所述爐體1的軸線同軸；所述爐體的底部設有一出口13；

所述爐體包括耐高溫內襯11和耐高壓金屬外殼12；所述爐體1的側壁的中部設有至少四個工藝噴嘴3，所述工藝噴嘴3的軸線處於同一平面，所述工藝噴嘴3均勻分布；所述複合式噴嘴2的軸線垂直於所述工藝噴嘴3的軸線所在平面。

實施例2一種含碳物質的氣化方法

如實施例1所述氣化爐，氣化爐點火用燃氣為天然氣、流量為10～40Nm3/h，助燃氣體為空氣、流量為20～80Nm3/h；開工過程燃料為天然氣、流量為700～3000Nm3/h，助燃氣體為氧氣、流量為1000～4800Nm3/；以流量計，60％的所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑從所述工藝噴嘴3進入，並均勻分配至每個所述工藝噴嘴，40％的所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑從所述複合式噴嘴2進入；所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑進行燃燒與氣化反應，生成的合成氣和灰渣從出口13排出。

運用上述的氣化操作，一臺日處理煤3000噸的粉煤加壓氣化爐，氣化爐外殼體直徑4700mm，氣化爐爐膛直徑D為3200mm，對置設置的4個噴嘴的軸線所在平面離氣化爐頂部的距離H1為6000mm，氣化爐出口直徑1000mm，氣化爐出口離對置設置的4個噴嘴的軸線所在平面的距離H2為 6000mm。表1給出了氣化用煤的煤質分析數據。氣化工藝條件如下：(1)氣化溫度：1300℃；(2)氣化壓力：4.0MPaG；(3)入爐煤粉含水量：5％；(4)氧煤比：0.55Nm3/kg；(5)蒸汽煤比：0.19kg/kg；(6)煤粉輸送載氣：CO2。氣化爐出口13合成氣組成及工藝指標見表2。氣化爐的啟動僅需2-3小時即可完成。

表1 煤質分析數據

表2 氣化爐出口合成氣組成及工藝指標

實施例3一種含碳物質的氣化方法

如實施例1所述氣化爐，氣化爐點火用燃氣為天然氣、流量為10～40Nm3/h，助燃氣體為空氣、流量為別為20～80Nm3/h；開工過程燃料為天然氣、流量為500～2500Nm3/h，助燃氣體為氧氣、流量為800～4000Nm3/h；以流量計，80％的所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑從所述工藝噴嘴3進入，並均勻分配至每個所述工藝噴嘴，20％的所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑從所述複合式噴嘴2進入；所述含碳物質、所述氧化劑和所述氣化劑進行燃燒與氣化反應，生成的合成氣和灰渣從出口13排出。

運用上述的氣化操作，一臺日處理煤4000噸的水煤漿氣化爐，氣化爐外殼體直徑4000mm，氣化爐爐膛直徑D為2920mm，對置設置的4個噴嘴的軸線所在平面離氣化爐頂部的距離H1為5000mm，氣化爐出口直徑960mm，氣化爐出口離對置設置的4個噴嘴的軸線所在平面的距離H2為5000mm。表3給出了氣化用煤的煤質分析數據。氣化工藝條件如下：(1)氣化溫度：1300℃；(2)氣化壓力：6.5MPaG；(3)煤漿濃度：63％；(4)氧煤比：0.58Nm3/kg。氣化爐出口13合成氣組成及工藝指標見表4。氣化爐的啟動僅需2-3小時即可完成。

表3 煤質分析數據

表4 氣化爐出口合成氣組成及工藝指標