旋風熔渣煤氣爐及其制氣工藝的製作方法

2023-12-04 07:47:16 1

專利名稱：旋風熔渣煤氣爐及其制氣工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種旋風熔渣煤氣爐及其制氣工藝。
目前，國內絕大多數中小合成氨廠用的是經過改進的UGI型固定床間歇氣化爐。這種爐由於是間歇固定床操作，其氣化效率、碳轉化率、熱效率都低，氣化強度小，熱損失十分嚴重。此外，若沒有符合要求的塊煤，這種爐的發氣量、氣質都不穩定，往往影響到整個合成氨裝置的水平發揮。這種爐還向大氣排放大量含有H2S和有機物的廢氣，同時，汙水處理量大，對環境汙染嚴重。
國外在開發煤氣化技術方面頗有成就。煤氣爐的設計也較為合理。如美國的德士古爐(TeXaco)，其特點是結構簡單，煤在高溫、高壓下氣化，氣化壓力高，可做壓縮功，連續氣化，氣化強度高，液態排渣，煤的有效利用率在95%以上。但這種爐只適應於較大型的合成氨裝置，投資大，不適應於我國中、小合成氨裝置。
本發明的目的在於提供一種投資少，消耗低，氣體成分好，氣量穩定，減少環境汙染，適用於中、小合成氨裝置的煤氣爐及其制氣工藝。
本煤氣爐系統主要包括旋風熔渣煤氣爐、熔渣分離器、冷調爐、混合氣體反應爐，蒸汽過熱器、氮氣加熱器、廢熱鍋爐、蒸汽包、軟水加熱器和煤磨碎系統等。旋風熔渣煤氣爐下端連接熔渣分離器，分離器與冷調爐相連，冷調爐上端連接混合氣體反應爐，混合氣體反應爐上部依次連接蒸汽過熱器、氮氣加熱器及廢熱鍋爐，蒸汽包置於廢熱鍋爐上方，軟水加熱器通過鋼管連接於蒸汽包上部。
本發明旋風熔渣煤氣爐的特徵為在旋風熔渣煤氣爐的頂部進口設置有旋流器噴嘴;熔渣分離器中設有一圓筒型中心管，該管與旋風熔渣分離器底部之間留有間距;在熔渣分離器上部側面設置有高溫氣體出口管與冷調爐下部封頭入口管相連通;在冷調爐爐壁上設置有四周均布的冷激氣噴嘴。
本發明的制氣工藝為以氧氣和蒸汽(或過熱蒸汽)為氣化劑，利用旋流器噴嘴將氧氣和蒸汽及其攜帶的粉煤從旋風熔渣煤氣爐頂部噴入爐內，在1500-1600℃的高溫及約0.1MPa壓力下進行氣化，旋風熔渣煤氣爐產生的高溫氣體和煤的熔渣通過熔渣分離器中心管進入熔渣分離器進行分離，熔渣落至分離器底部，氣體則從中心管下部折流到中心管外進入冷調爐內;高溫氣體進入冷調爐後，通過冷激氣噴嘴用70-100℃氣體進行冷激，使溫度降至700-800℃;從冷調爐出來的工藝產品氣在混合氣體反應爐繼續反應，再利用蒸汽過熱器，氮氣加熱器、廢熱鍋爐和軟水加熱器進一步回收氣體顯熱，最後經文丘裡洗滌塔成產品煤氣。
本發明的特點為①投資省，其設計合理，所需一切裝備全部國產化，而其技術水平，氣體成份，消耗指標均可與國際上現有煤氣化技術媲美。②適應性廣，可廣泛適用於中小合成氨廠和工業、民用煤氣工業。③消耗低，氣體成分好，節能效果顯著。以湖南省94年1-7月小合成氨造氣煤耗為例，制氣系統噸氨消耗標煤1600公斤，比本發明高出500公斤，按湖南省中小合成氨產量100萬噸計，每年節約標煤50萬噸，並且做到蒸汽自給。本發明氣體中CH4含量低，僅為0.32%，而湖南省用的清水煤棒制氣，氣體中CH4量平均在2.5%以上。CH4對於合成氨來說是不起反應的「惰氣」，最終要在氨合成工段放空。本發明由於氣體中CH4含量低，故每噸合成氨可減少放空量85%。即整個裝置節約動力和實物消耗10%。④氣量穩定，裝置均衡生產。本發明實行自動控制，氣量氣質穩定，可使中小合成氨廠均衡生產，提高裝置效率。⑤本發明制氣系統不向外排廢氣，廢水排放量亦減少50%以上，熔渣為建材的極好原料，減輕了環境汙染。
附

圖1為本發明旋風熔渣煤氣爐結構及制氣工藝流程圖;
附圖2為旋流器噴嘴結構示意圖;
附圖3為熔渣分離器結構示意圖;
附圖4為圖3的A-A剖視圖;
附圖5為圖4的E向視圖;
附圖6為圖3的B-B剖視圖;
附圖7為圖3的C-C剖視圖;
附圖8為冷調爐結構示意圖;
附圖9為圖8的A-A剖視圖;
下面結合附圖對本發明作詳細說明。
本發明的旋風熔渣煤氣爐如圖1所示，旋風熔渣煤氣爐2是一種讓旋流的氣化劑及粉煤在其內高溫條件下進行氣化反應並產生熔渣的裝置。它是一直立圓筒形鋼製受壓容器，內壁襯有高溫耐火保溫材料，爐上封頭頂部裝有旋流器噴嘴1。
旋流器噴嘴1是使氣化劑帶著粉煤在旋風熔渣煤氣爐2內產生旋風的一種燃燒器裝置。它的中心部位是「一次氣化劑」噴嘴，噴嘴外部的環形圓筒形管為「二次氣化劑」噴嘴，兩噴嘴的尾端有使氣體產生旋流的裝置。噴嘴的截面積及旋流器噴嘴擴口錐體和一、二次氣化劑噴口擴展角系根據旋風熔渣煤氣爐的負荷和煤種確定。旋流器的結構可分為蝸殼型，切向葉片型和軸向葉片型三種。圖2給出直流蝸殼式旋流器結構簡圖，圖中17為一次氣化劑入口，18為二次氣化劑蝸殼，19為擴散錐體。
旋風熔渣煤氣爐2下部封頭收縮後與熔渣分離器3相連，兩者形成一個整體。熔渣分離器3是一種使氣體中熔渣進行初步分離的裝置，它是一個直立的圓筒形鋼製受壓容器，內壁襯有高溫耐火保溫材料。中心設有一圓筒形中心管4與旋風熔渣煤氣爐2下出口相連。
中心管4(圖3-圖7)為一「膜」壁中心管，它是由上下環形水連箱及垂直水管組成的鼠籠狀換熱裝置。垂直水管23的上部為上連箱22，下部為下連箱25，上連箱有汽水出口管21(20汽水上環形管)，其焊結在分離器上封頭上，下連箱有進水管26、28(27為進水環形管)，其各為半圈防熱膨脹的蛇形盤管，其下直管部分焊結在分離器下封頭上，同時用於支撐中心管4。垂直水管23之間由金屬膜接條29連接，環形水連箱及進出水管、垂直水管的外部都有高溫耐火保溫磚24，並由金屬螺栓30固定於水管上。此種結構能保證熔渣能流動的溫度。中心管下連箱及蛇形盤管與熔渣分離器底部之間留有間距，以使中心管外壁與分離器內壁的熔渣從此流出，中心管來的工藝產品氣體也從此折入中心管外。
熔渣分離器上部側面設有高溫氣體出口管14與冷調爐6下部封頭底部的高溫氣體入口管相連。
冷調爐6是一個用冷激氣使高溫工藝產品氣冷卻固化熔渣小滴，調節工藝產品氣中H2/N2，利用高溫顯熱繼續進行氣化反應的裝置(圖8)。它是一個直立圓筒形鋼製受壓容器，內壁襯有高溫耐火材料31，下封頭用耐火材料鋪成一個向設置於下部的灰渣鬥32傾斜的爐底，在高溫氣體入口上部的爐壁上設置有四周均布的冷激氣噴嘴5。
冷激氣噴嘴5(見圖9)，由合金鋼製成，外有水夾套，其截面為狹長矩形，噴嘴中心線向上傾角為15，該中心線是與冷調爐截面同心的、假想的一個小圓34的切線。噴嘴在冷調爐圓周均布，每層不少於四個，其層數為1-2層。
冷調爐上封頭收縮後與混合氣體反應爐7相連。混合氣體反應爐是一個使反應氣體和冷激氣混合後繼續進行反應的裝置。它是一直立圓筒形鋼製受壓容器，內襯耐火材料，截面積大於冷調爐，其下部設有灰渣鬥33。
混合氣體反應爐的上部為蒸汽過熱器8和氮氣加熱器9。蒸汽過熱器8是一個利用產品氣餘熱加熱旋風熔渣煤氣爐氣化劑之一-蒸汽的裝置，是氣體餘熱回收段的第一級熱回收器。氮氣加熱器9是用來加熱作為煤磨碎系統乾燥劑-氮氣的一種換熱裝置。兩者的外殼均為鋼製圓筒形受壓容器，內部由耐火材料砌成截面為方形的通道，蒸汽過熱器由耐高溫合金管材料製成蒸汽過熱器管簇，裝在方形通道中，氮氣加熱器由耐溫合金鋼管制成管簇，裝在蒸汽過熱器上部的方形通道中。
氮氣加熱器9的上部為廢熱鍋爐10，廢熱鍋爐是利用產品氣體餘熱產生飽和蒸汽的一種換熱器。它是一種單程的列管換熱器，其外殼與下部氮氣加熱器9外殼焊結為一個整體。廢熱鍋爐的材質為20＃鍋爐鋼板和20＃無縫管材，管內走熱氣，管外為被加熱汽化的軟水。
蒸汽包11是用來維持汽水循環和使汽水分離的裝置，其為一臥式受壓容器，採用20＃鍋爐鋼板，置於廢熱鍋爐10的上方。汽包有兩根下降管，一根是與熔渣分離器3「膜」壁內鼠籠式水管下聯箱水進口管相連，供給「膜」壁循環水;一是與廢熱鍋爐下部列管外殼相聯，為鍋爐給水。汽包上部有兩根汽水上升管，一根是與熔渣分離器3的「膜」壁內鼠籠式水管上聯箱相連，構成「膜」壁內水循環系統，一根是與廢熱鍋爐10列管外殼上部相連，構成廢熱鍋爐水循環系統。蒸汽包頂部有飽和蒸汽出口管。汽包內飽和蒸汽在內部汽水分離後送往蒸汽過熱器。同時，在蒸汽出口管上還有一支管，其接在冷激噴嘴5的冷激氣入口管上，作為控制冷調爐爐溫用。
汽包上部有一軟水加熱器來的軟水加入管。
軟水加熱器是用來回收產品氣中餘熱鍋爐用的軟水設備。其為一單程列管換熱器，材質為20＃無逢管，管內走熱氣，管外為軟水。它通過襯有耐火材料的鋼管與廢熱鍋爐上部相連，產品氣由此管進入軟水加熱器管內。
煤磨碎系統是用來製備供氣化用的粉煤的裝置，其為鋼球滾筒磨煤粉系統。其利用氮氣作乾燥劑和送粉氣流，並用分離粉煤後的部分乾燥劑氮氣(含有一定量未分離的超細粉煤及在煤乾燥過程中吸收的少量水汽)作冷調爐的冷激氣。
本發明的制氣工藝用部份氣化劑(氧氣)作「一次氣化劑」，將煤磨碎系統來的粉煤(小於0.1mm，含有一定量助熔劑，其量與煤渣熔點有關。)通過旋流器噴嘴1的中心噴嘴，以超過火焰擴散速度(16米/秒)從旋風熔渣爐頂部噴入爐內。用餘下的氣化劑(氧氣+蒸汽)以「二次氣化劑」的形式通過旋流器噴嘴1的外環嘴噴入旋風熔渣煤氣爐2內，與粉煤形成較高速度的旋轉，較細的粉煤就在旋風熔渣煤氣爐中懸浮燃燒，而較大顆粒會由於離心力的作用被甩向爐壁，落在爐壁上熔化的灰渣層上。由於「二次氣化劑」切向地吹入，這些粉煤顆粒能在灰渣層上很快地反應完畢，爐內溫度在1500℃以上，液態渣則與反應產品氣一起從爐下部排渣口進入熔渣分離器3內。
熔渣爐出口產品氣以較高的速度與熔渣一起沿熔渣分離器3的中心管4直線向下，由於重力和慣性作用，熔渣落入分離器的底部，產品氣則從中心管下部與分離器底部之間間隙處折流到中心管外，由於氣體速度的減慢及慣性作用，氣體中熔渣在分離器中心管及分離器內壁間得到進一步分離，分離熔渣後的氣體，從分離器上部側面熔渣分離器氣體出口管14導出而入冷調爐6中。
從熔渣分離器3底部的熔渣靠重力作用流入水冷激集渣槽15內，用水冷激固化。集渣槽中的水溫必須嚴格控制在水沸點以下，防止水溫度高，使過多的閃蒸蒸汽上升到分離器出口，可能使下流的渣固化，破壞正常生產條件。
高溫氣體進入冷調爐後，用冷激氣噴嘴將約70-100℃的冷氣進行冷激。這種冷激氣來自煤磨碎系統的乾燥劑氣體。它是利用氣體餘熱將空分系統的氮氣加熱，作為煤磨碎系統的乾燥劑。其中主要的成分是氮氣，還含有5%左右煤乾燥過程中的水汽和少量的氧氣(若利用變壓吸附制氧，則氧含量為10%左右)並帶有5-10%的超細粉煤。上述氣體中的水汽、氧和粉煤在冷調爐內與高溫氣體充分混合，進行反應，從而增加氣體中有效成份(CO+H2)並使氣體中H2/N2達到合成氨原料氣的要求，同時，由於反應的吸熱和氣體冷激，使高溫氣體溫度降低至700-800℃，高溫氣體中夾帶的熔渣小滴全部固化，部份固體灰渣從冷調爐下部入灰鬥，灰鬥灰渣通過水封排至冷調爐外。為後段產品氣的顯熱利用和灰渣分離創造了條件。
為了控制入餘熱回收段的氣體溫度，有飽和蒸汽管與氮氣冷激氣相接，用於調節氣體溫度時使用。
產品氣從冷調爐出來後，進入氣體反應爐7，產品氣的速度減慢，在該爐中，氣體將進一步反應完全，同時，從調冷爐帶來的固體熔渣及灰渣，將由於重力作用進一步分離下來，入混合氣反應爐下部灰鬥，灰鬥中灰渣將通過水封排出。
混合氣反應爐7的產品氣進入餘熱回收段的第一級蒸汽過熱器8，熱氣從過熱器管外將蒸汽包11來的飽和蒸汽加熱到500-600℃，送往旋流器噴嘴1，作為氣化劑使用。
通過蒸汽過熱器8管簇的產品氣，給出部份熱量後，進入氮氣加熱器9的管簇間，加熱從空分系統來的氮氣。氮氣被加熱到300℃後送往煤磨碎系統，作為粉煤乾燥劑使用。
產品氣從氮氣加熱器9管簇間出來後，進入廢熱鍋爐10的列管管內，產品氣的餘熱加熱列管外軟水，並使之產生蒸汽，廢熱鍋爐與蒸汽包形成鍋爐水循環系統。
從廢熱鍋爐出來的產品氣，送往軟水加熱器12，氣體走管內，軟水走管外。被加熱的軟水，加入蒸汽包11。產品氣體溫度降低到200℃以下，入文丘裡洗滌塔喉管13，由涼水系統送來的冷卻水進行除塵冷卻，氣體從文丘裡塔出來後經冷卻塔進一步冷卻除塵後作為合成氨的原料氣使用。
權利要求
1.一種旋風熔渣煤氣爐，主要包括旋風熔渣煤氣爐、熔渣分離器、冷調爐、混合氣體反應爐、蒸汽過熱器、氮氣加熱器、廢熱鍋爐、蒸汽包、軟水加熱器和煤磨碎系統，旋風熔渣煤氣爐下端連接熔渣分離器，熔渣分離器與冷調爐相連，冷調爐上端連接混合氣體反應爐，混合氣體反應爐上部依次連接蒸汽過熱器、氮氣加器及廢熱鍋爐，蒸汽包置於廢熱鍋爐上部，其特徵在於旋風熔渣煤氣爐的頂部進口設置有旋流器噴嘴；熔渣分離器的中心設有一圓筒形中心管，該管與旋風熔渣煤氣爐的出口相連，中心管下部與熔渣分離器之間留有間隙；在熔渣分離器上部側面設置有高溫氣體出口管與冷調爐下部封頭入口管相連，在冷調爐爐壁上設置有四周均布的冷激氣噴嘴。
2.根據權利要求1所述的旋風熔渣煤氣爐，其特徵在於所述旋流器噴嘴的中心部位有「一次氣化劑」噴嘴，該噴嘴外部有環形圓筒形管為「二次氣化劑」噴嘴;所述熔渣分離的中心管是由上下環形水連箱及垂直水管組成的鼠籠狀換熱裝置;所述冷激氣噴嘴外有水夾套，噴嘴截面為狹長矩形。
3.根據權利要求2所述的旋風熔渣煤氣爐，其特徵在於所述熔渣分離器的中心管由其作為垂直水管之進水管的蛇形盤管支撐;所述冷激氣噴嘴中心線向上傾角為15°，該中心線是與冷調爐截面同心的，假想的一個小圓的切線。
4.根據權利要求3所述的旋風熔渣煤氣爐，其特徵在於所述熔渣分離器的中心管之垂直水管之間由金屬膜接條連接，垂直水管外部有高溫耐火保溫磚，並由金屬螺栓固定於水管上;所述冷激氣噴嘴為1-2層，每層不少於四個。
5.一種利用權利要求1所述設備製造煤氣的工藝，其特徵在於以氧氣和蒸汽(過熱蒸汽)為氣化劑，利用旋流器噴嘴，將氧氣和蒸汽及其攜帶的粉煤從旋風熔渣煤氣爐頂部噴入爐內，在1500℃以上的高溫及0.1MPa壓力下進行氣化;旋風熔渣爐產生的高溫氣體和煤的熔渣通過熔渣分離器中心管進入熔渣分離器進行分離，熔渣落至分離器底部，氣體則從中心管下部折流到中心管外進入冷調爐內;高溫氣體進入冷調爐後，通過冷激噴嘴用70-100℃氣體行冷激，使溫度降至700-800℃;從冷調爐出來的產品氣進入混合氣體反應爐繼續反應，再利用蒸汽過熱器、氮氣加熱器，廢熱鍋爐和軟水加熱器進一步回收氣體顯熱，使溫度降低到200℃以下;最後經文丘裡洗滌塔成產品氣煤氣。
6.根據權利要求5所述的制氣工藝，其特徵在於所述氣化劑分兩部分噴入，一部分是以氧氣作為氣化劑，將煤粉碎系統來的粉煤通過旋流器噴嘴的中心噴嘴噴入旋風熔渣煤氣爐內;第二部分以氧氣+蒸汽為氣化劑，通過旋流器外環噴嘴噴入爐內。
7.根據權利要求5所述的制氣工藝，其特徵在於所述通過冷激氣噴嘴入冷調爐的冷氣來自煤磨碎系統的乾燥劑氣體，其主要成份是氮氣，還有5%的水汽和少量氧氣(若利用變壓吸附制氧，則氧含量為10%)，並帶有5-10%的超細粉煤。
8.根據權利要求7所述的制氣工藝，其特徵在於有飽和蒸汽管與氮氣冷激氣相接，用於調節冷調爐出口溫度。
9.根據權利要求5所述的制氣工藝，其特徵在於熔渣靠重力作用流入水冷激集渣槽內，此槽中水溫需控制在水沸點溫度以下。
全文摘要
本發明涉及一種旋風熔渣煤氣爐及其制煤氣工藝。其主要特徵是使氣化劑——氧氣、蒸氣通旋流器噴嘴，將粉煤從旋風熔渣煤氣爐頂部噴入爐內，由於氣化劑以較高速度旋轉，氣化劑和粉煤充分混合，在高溫下進行煤的氣化反應，反應生成的產品氣和熔渣在分離器內分離大部分熔渣後進入冷調爐內，用70—100℃氮氣進行冷激，調整氣體中H
文檔編號C10J3/46GK1106056SQ94113129
公開日1995年8月2日 申請日期1994年11月12日 優先權日1994年11月12日
發明者程培勝 申請人:程培勝