一種粉煤摻燒可燃物的氣化系統和方法與流程

2023-04-29 13:02:31 5

本發明涉及煤化工技術領域，尤其涉及一種粉煤摻燒可燃物的氣化系統和方法。

背景技術：

現在煤化工正走向園區化和煉化一體化，煤氣化的原料煤呈現多元化趨勢，特別是煉化企業的石油焦需要就地消化，實現資源利用的最大化。在園區化和煉化一體化項目中石油焦最佳的利用方式就是作為煤氣化裝置的原料進行摻燒，而石油焦的揮發分性低、活性差、反應溫度高，如果還利用傳統的方法與原料混合後摻燒的方式，則會出現合成氣中有效氣體低、碳轉化率低和灰渣中殘炭高等問題。

大型化是煤化工的發展方向，也是煤氣化的方向。2013年2月14日，工信部、科技部、財政部、國務院國資委聯合制定發布《重大技術裝備自主創新指導目錄》(2012版)，大型氣流床氣化爐成套設備也被列入。在這種情況下，在國內推廣使用的煤氣化爐也越來越大。眾多公司向3000噸級超大型煤氣化爐吹響號角，各大集團劍鋒指向大型化，並向其全面進軍的態勢，將把我國煤化工發展帶進一個新時代。隨著超大型氣化爐項目的推進，氣化效率相差幾個百分點，一年的運行費用就會相差幾個億，這幾個億的效益就可能是一個項目從盈利到虧損的反轉。

高壓粉煤加壓氣化燃燒器(燒嘴)是粉煤加壓氣化裝置的核心設備。氣化燃燒器都有一個共同點，即：工藝適應性單一。每一種煤氣化技術必須自行研發設計只適用於自身技術的燃燒器。氣化燒嘴的設計和生產質量決定了氣化裝置性能高低和壽命長短，最終影響到裝置運行的經濟指標。傳統的粉煤燒嘴，已經無法適應新形勢的發展。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種進行粉煤摻燒可燃物的氣化系統和方法，本發明使用新型的多通道氣化燒嘴，可以分別調節各層的氧煤配比，達到分別控溫的效果，提高碳轉化率。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種粉煤摻燒可燃物的氣化系統，所述系統包括進料系統、多通道氣化燒嘴和粉煤氣化爐，其中所述多通道氣化燒嘴具有同心布置的八個通道，由外至內分別為第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道、第六通道、第七通道、第八通道。

進一步地，所述第一通道、第三通道、第五通道和第七通道為燒嘴冷卻水通道；第四通道為主氧路通道；第六通道為中心氧路通道。

在本發明的一個可選實施方案中，第二通道為粉煤通道，第八通道為摻燒可燃物通道。

在本發明的一個可選實施方案中，第二通道為摻燒可燃物通道；第八通道為粉煤通道。

在本發明的優選實施方案中，所述摻燒可燃物為石油焦、焦炭或其組合；

在本發明的具體實施方案中，所述摻燒可燃物可以是與粉煤特性不同的任何可燃物，例如蘭炭或半焦等。

進一步地，所述粉煤通道和摻燒可燃物通道呈螺旋結構。

進一步地，所述進料系統包括粉煤管線、摻燒可燃物管線、主氧路管線、中心氧路管線、兩條過熱蒸汽管線和燒嘴冷卻水管線。

其中，所述粉煤管線用於將粉煤輸送至多通道氣化燒嘴(21)的粉煤通道，其依次包括粉煤貯倉(1)、磨煤機(2)、粉煤貯罐(3)、粉煤鎖鬥(4)、粉煤給料罐(5)、粉煤流量調節閥(23)和粉煤切斷閥(22)；

所述摻燒可燃物管線用於將摻燒的可燃物輸送至多通道氣化燒嘴(21)的摻燒可燃物通道，其依次包括摻燒可燃物貯倉(9)、磨煤機(10)、摻燒可燃物貯罐(6)、摻燒可燃物鎖鬥(7)、摻燒可燃物給料罐(8)、摻燒可燃物流量調節閥(25)和摻燒可燃物切斷閥(24)；

所述主氧路管線經過主氧路氧氣流量調節閥(14)和氧氣切斷閥(18)將高壓氧氣輸送到多通道氣化燒嘴(21)的主氧路通道；

所述中心氧路管線經過中心氧路氧氣流量調節閥(17)和氧氣切斷閥(18)將氧氣輸送到多通道氣化燒嘴(21)的中心氧路通道；

在本發明的具體實施方案中，主氧路和中心氧路分別與過熱蒸汽混合後進入多通道氣化燒嘴；在本發明的另一具體實施方案中，僅僅主氧路與過熱蒸汽混合然後進入多通道氣化燒嘴；在本發明的另一具體實施方案中，僅有中心氧路與過熱蒸汽混合然後進入多通道氣化燒嘴；在本發明的另一具體實施方案中，主氧路和中心氧路均不與過熱蒸汽混合，直接進入多通道氣化燒嘴。

同時，本發明還提供了一種粉煤摻燒可燃物的氣化方法，該方法包括以下步驟：

1)將摻燒可燃物磨碎後，經過摻燒可燃物鎖鬥(7)加壓和氣體輸送進入具有同心布置的多通道氣化燒嘴的摻燒可燃物通道；

2)粉煤經過粉煤鎖鬥(4)加壓和氣體輸送進入氣化燒嘴的粉煤通道；

3)高壓氧氣經過預熱後分為主氧路和中心氧路，主氧路進入燒嘴的主氧路通道，中心氧路進入燒嘴的中心氧路通道；

4)通過控制氧氣的流量，分別調解燒嘴的氧煤比例，並分別控溫，使得粉煤和摻燒可燃物充分反應。

優選地，所述主氧路氧氣和中心氧路氧氣分別與過熱蒸汽混合之後進入氣化燒嘴。

本發明對混合燃料(即粉煤和摻燒可燃物)共同氣化，尤其是當兩種燃料的反應活性相差較大時，存在所謂的「搶風」問題，即反應活性好的燃料與更多的氧化劑反應，反應活性差的燃料因為反應速度慢，僅能與較少的氧化劑反應，而後期的氣化反應也遠不足以使其全部轉化，因此造成一方面活性好的燃料過氧、而活性差的燃料轉化率低。本發明的多層燒嘴分別控制氧煤比的方法則能更好的解決該問題，避免了搶風問題。

本發明的新型氣化燒嘴通過多層物料配比調節實現對流場、溫度場分布的調節。氣化爐上段燃燒反應速度主要受制於固定碳的燃燒速率，而氣流與固體碳顆粒的混合速率對其有很大影響，新型燒嘴的流場調節機理即為通過調節多層物料配比改變物料間的混合狀態，從而影響燃燒的速度，改變火焰形狀。

對於類似石油焦或石油焦等低揮發份難燃物質，加強頭部混合，可使燃燒加快，縮短著火距離及火焰長度，同時氣化反應區加長，氣化反應時間加長，使碳與co2等氣化劑的反應更加充分。

本發明的有益效果如下：

本發明提供一種粉煤摻燒可燃物的氣化系統及方法,其具有更高的煤種適應性(例如，能夠摻燒石油焦和石油焦等揮發分低、反應活性低和反應溫度高的物質)；可以實現分別調節各層的氧煤配比，達到分別控溫的效果；能夠提高碳轉化率；能夠實現氧氣管線和粉煤管線的在線檢修；能夠實現煤炭潔淨化利用(能夠摻燒菌渣等有機固態廢棄物)；也可以實現了粉煤氣化的大型化。

附圖說明

圖1為粉煤摻燒可燃物氣化的工藝流程圖；其中1為粉煤貯倉，2為磨煤機，3為粉煤貯罐，4為粉煤鎖鬥，5為粉煤給料罐，6為摻燒可燃物貯罐，7為摻燒可燃物鎖鬥，8為摻燒可燃物給料罐，9為摻燒可燃物貯倉，10為磨焦機，11為氣化爐，12為主蒸汽流量調節閥，13為氧氣加熱器，14為主氧路氧氣流量調節閥，15為主氧路氧氣切斷閥，16為主蒸汽切斷閥，17為中心氧路氧氣流量調節閥，18為中心氧路氧氣切斷閥，19為中心蒸汽流量調節閥，20為中心蒸汽切斷閥，21為氣化燒嘴，22為粉煤切斷閥，23為粉煤流量調節閥，24為摻燒可燃物切斷閥，25為摻燒可燃物流量調節閥；

圖2為本發明多通道氣化燒嘴的頭部結構示意圖；

圖3為本發明多通道氣化燒嘴的頭部結構俯視圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明，下面結合實施例對本發明做進一步的說明。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。

實施例1

本實施例提供了一種粉煤摻燒可燃物的氣化系統，所述系統包括進料系統、多通道氣化燒嘴和粉煤氣化爐，其中所述多通道氣化燒嘴具有同心布置的八個通道，由外至內分別為第一通道、第二通道、第三通道、第四通道、第五通道、第六通道、第七通道、第八通道。

其中，所述第一通道、第三通道、第五通道和第七通道為燒嘴冷卻水通道；第四通道為主氧路通道；第六通道為中心氧路通道；第二通道為粉煤通道，第八通道為石油焦通道或焦炭通道。

所述粉煤通道和摻燒可燃物通道呈螺旋結構，保證粉煤和石油焦或焦炭進入粉煤和石油焦或焦炭混合腔分布均勻後從噴口噴出。

進一步地，所述進料系統包括粉煤管線、摻燒可燃物管線、主氧路管線、中心氧路管線、兩條過熱蒸汽管線和燒嘴冷卻水管線。

其中，所述粉煤管線用於將粉煤輸送至多通道氣化燒嘴的粉煤通道，其依次包括粉煤貯倉(1)、磨煤機(2)、粉煤貯罐(3)、粉煤鎖鬥(4)、粉煤給料罐(5)、粉煤流量調節閥(23)和粉煤切斷閥(22)；

所述摻燒可燃物管線用於將摻燒的可燃物輸送至多通道氣化燒嘴的摻燒可燃物通道，其依次包括摻燒可燃物貯倉(9)、磨煤機(10)、摻燒可燃物貯罐(6)、摻燒可燃物鎖鬥(7)、摻燒可燃物給料罐(8)、摻燒可燃物流量調節閥(25)和摻燒可燃物切斷閥(24)；

所述主氧路管線經過主氧路氧氣流量調節閥(14)和氧氣切斷閥(18)將高壓氧氣輸送到多通道氣化燒嘴(21)的主氧路通道；

所述中心氧路管線經過中心氧路氧氣流量調節閥(17)和氧氣切斷閥(18)將氧氣輸送到多通道氣化燒嘴(21)的中心氧路通道；

兩路過熱蒸汽都經過流量調節閥和切斷閥，分別與主氧路管線和中心氧路管線的氧氣混合，然後與氧氣一起進入多通道氣化燒嘴。

實施例2

本發明提供的粉煤摻燒可燃物氣化系統，包括進料系統、新型多通道氣化燒嘴和高壓粉煤氣化爐。

其中，在本實施例中，所摻燒的可燃物為石油焦。

本實施例中，粉煤的煤質參數如下所示：

表1粉煤煤質數據

石油焦的數據如下所示：

表2石油焦特徵參數

本發明的進料系統包括粉煤管線、石油焦管線、主氧路管線、中心氧路管線、兩條過熱蒸汽管線和燒嘴冷卻水管線。

進料的工藝流程參見圖1所示。

原料煤經過皮帶輸送至原料煤貯倉1，來自原料煤貯倉1的碎煤加入到磨煤機2內磨成粉狀，直至顆粒尺寸≤90μm佔90％。粉煤通過管道送至常壓粉煤貯罐3，常壓粉煤貯罐3內的粉煤通過重力作用進入粉煤鎖鬥4，粉煤經過鎖鬥4加壓至4.5～5.5mpa，然後與粉煤給料罐5連通，粉煤通過重力作用進入粉煤給料罐5，利用高壓二氧化碳或者氮氣經過粉煤流量調節閥23和粉煤切斷閥22，將粉煤輸送至多通道氣化燒嘴21的外層粉煤通道。粉煤管線包括例如二至四路粉煤管道。

石油焦經過皮帶輸送至石油焦貯倉9，來自石油焦貯倉9的石油焦加入到磨煤機10內磨成粉狀，石油焦通過管道送至常壓石油焦貯罐6，常壓石油焦貯罐6內的石油焦通過重力作用進入鎖鬥7，石油焦過鎖鬥7加壓至4.5～5.5mpa，然後與石油焦給料罐8連通，石油焦通過重力作用進入石油焦給料罐8，利用高壓二氧化碳或者氮氣經過流量調節閥25和切斷閥24，將石油焦輸送至多通道氣化燒嘴21的第八通道，即石油焦通道。石油焦管線包括一至三路石油焦管道。

其中，粉煤和石油焦進入氣化爐的壓力為4.3～5.0mpa，溫度為70～90℃。石油焦的加入量為4.57～20.10t/h，粉煤加入量為14.70～64.68t/h，石油焦與粉煤的比例為1/5～1/2。

來自空分單元的高壓氧氣經過加熱器13加熱至180℃後，分為兩路，一路為主氧路，經過氧氣流量調節閥14和氧氣切斷閥15與過熱蒸汽混合後進入多通道氣化燒嘴21的外層主氧路通道；另一路為中心氧路，經過氧氣流量調節閥17和氧氣切斷閥18與過熱蒸汽混合後進入多通道氣化燒嘴21的中心氧路通道。

其中，氧氣的壓力為4.3～5.0mpa，溫度為150～200℃。進入氣化爐的氧氣總量為10855～47760nm3，中心氧路氧氣與主氧路氧氣比例為1/5～1/2。

兩路過熱蒸汽都分別經過流量調節閥和切斷閥，分別與主氧路管線和中心氧路管線混合，然後與氧氣一起進入多通道氣化燒嘴。

本實施例採用新型粉煤氣化燒嘴，為有同心布置的八個通道，其中第一通道、第三通道、第五通道和第七通道為燒嘴冷卻水通道；第二通道為粉煤通道；第四通道為主氧路通道；第六通道為中心氧路通道，第八通道為石油焦通道。

控制主氧路和中心氧路的氧氣流量，分別調解氣化燒嘴的氧煤比例，並分別控溫，使得粉煤和石油焦充分反應。

具體地，將石油焦的內層燒嘴控制在較高的氧煤比水平，可使核心區保持高反應溫度，石油焦的反應速度隨溫度增長呈級數增長的趨勢，因此可大幅提高反應溫度，實現高轉化率；內層核心區產生的過量的co2，可作為外層高反應性粉煤的氣化劑；將粉煤的外層燒嘴控制在較低的氧煤比水平，加之與核心區提供的co2的氣化反應，使外層保持較低的反應溫度，可適當降低近壁區溫度，保護氣化爐爐壁。

本實施例氣化爐產生的合成氣組分如下：

本發明所採用的新型氣化燒嘴的粉煤通道和石油焦通道呈螺旋結構，保證粉煤和石油焦進入粉煤和石油焦混合腔分布均勻後從噴口噴出。在爐內與帶有旋流的氧氣充分混合，完成反應。

為保護燒嘴頭部不受損壞，煤粉管貫穿外層水冷夾套，對燒嘴頭部進行冷卻，並且可以利用冷卻水溫度對煤粉加熱。

整個工作過程冷卻水充滿燃燒器，尤以對燃燒器頭部的冷卻保護為重點，因此必須保證冷卻水連續供應，流量和壓力達到設計值。

本發明為了適應石油焦反應活性差的要求，爐膛設計容積增加從而增加粉煤的停留時間，並優化渣口設計提高氣流返混比例進一步增長反應時間。

本發明為了適應石油焦適應反應溫度高的要求，增加了爐膛直徑，從而降低壁面超溫的風險。

實施例3

本發明提供的粉煤摻燒可燃物氣化系統，包括進料系統、新型多通道氣化燒嘴和高壓粉煤氣化爐。

其中，在本實施例中，所摻燒的可燃物為焦炭。

本發明的進料系統包括粉煤管線、焦炭管線、主氧路管線、中心氧路管線、兩條過熱蒸汽管線和燒嘴冷卻水管線。

進料的工藝流程參見圖1所示。

原料煤經過皮帶輸送至原料煤貯倉1，來自原料煤貯倉1的碎煤加入到磨煤機2內磨成粉狀，直至顆粒尺寸≤90μm佔90％。粉煤通過管道送至常壓粉煤貯罐3，常壓粉煤貯罐3內的粉煤通過重力作用進入粉煤鎖鬥4，粉煤經過鎖鬥4加壓至4.5～5.5mpa，然後與粉煤給料罐5連通，粉煤通過重力作用進入粉煤給料罐5，利用高壓二氧化碳或者氮氣經過粉煤流量調節閥23和粉煤切斷閥22，將粉煤輸送至多通道氣化燒嘴21的外層粉煤通道。粉煤管線包括例如二至四路粉煤管道。

焦炭經過皮帶輸送至焦炭貯倉9，來自焦炭貯倉9的焦炭加入到磨煤機10內磨成粉狀，焦炭通過管道送至常壓焦炭貯罐6，常壓焦炭貯罐6內的焦炭通過重力作用進入鎖鬥7，焦炭經過鎖鬥7加壓至4.5～5.5mpa，然後與焦炭給料罐8連通，焦炭通過重力作用進入焦炭給料罐8，利用高壓二氧化碳或者氮氣經過流量調節閥25和切斷閥24，將焦炭輸送至多通道氣化燒嘴21內層的第八通道，即焦炭通道。焦炭管線包括一至三路焦炭管道。

來自空分單元的高壓氧氣經過加熱器13加熱至160℃-220℃後，分為兩路，一路為主氧路，經過氧氣流量調節閥14和氧氣切斷閥15與過熱蒸汽混合後進入多通道氣化燒嘴21的外層主氧路通道；另一路為中心氧路，經過氧氣流量調節閥17和氧氣切斷閥18與過熱蒸汽混合後進入多通道氣化燒嘴21的中心氧路通道。

兩路過熱蒸汽都分別經過流量調節閥和切斷閥，分別與主氧路管線和中心氧路管線混合，然後與氧氣一起進入多通道氣化燒嘴21。

本實施例採用新型粉煤氣化燒嘴，為有同心布置的八個通道，其中第一通道、第三通道、第五通道和第七通道為燒嘴冷卻水通道；第二通道為粉煤通道；第四通道為主氧路通道；第六通道為中心氧路通道，第八通道為焦炭通道。

控制主氧路和中心氧路的氧氣流量，分別調解氣化燒嘴的氧煤比例，並分別控溫，使得粉煤和焦炭充分反應。

具體地，將焦炭的內層燒嘴控制在較高的氧煤比水平，可使核心區保持高反應溫度，石油焦的反應速度隨溫度增長呈級數增長的趨勢，因此可大幅提高反應溫度，實現高轉化率；內層核心區產生的過量的co2，可作為外層高反應性粉煤的氣化劑；將粉煤的外層燒嘴控制在較低的氧煤比水平，加之與核心區提供的co2的氣化反應，使外層保持較低的反應溫度，可適當降低近壁區溫度，保護氣化爐爐壁。

本發明所採用的新型氣化燒嘴的粉煤和焦炭通道呈螺旋結構，保證粉煤和焦炭進入粉煤和焦炭混合腔分布均勻後從噴口噴出。在爐內與帶有旋流的氧氣充分混合，完成反應。

為保護燒嘴頭部不受損壞，煤粉管貫穿外層水冷夾套，對燒嘴頭部進行冷卻，並且可以利用冷卻水溫度對煤粉加熱。

整個工作過程冷卻水充滿燃燒器，尤以對燃燒器頭部的冷卻保護為重點，因此必須保證冷卻水連續供應，流量和壓力達到設計值。

本發明為了適應焦炭反應活性差的要求，爐膛設計容積增加從而增加粉煤的停留時間，並優化渣口設計提高氣流返混比例進一步增長反應時間。

本發明為了適應石油焦或焦炭適應反應溫度高的要求，增加爐膛直徑，從而降低壁面超溫的風險。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。