一种气化炉、其应用及含碳物质的气化方法与流程

本发明涉及一种气化炉、其应用及含碳物质的气化方法。

背景技术：

现代新型煤基能源转化过程如煤制油、煤制甲醇及烯烃、煤制天然气、整体联合循环发电、煤基还原炼铁等，均以高效、清洁、经济为追求目标，需要有大规模生产能力的气化炉技术与之配套，以减少气化炉的使用套数，提升经济性，降低项目投资。经过几十年的发展，气流床气化技术以其高效、清洁的技术特点成为当今技术发展的主流，已经工业化的气流床气化技术包括以GE、OMB为代表的水煤浆气化技术，以及以Shell、GSP、SE、HT-L为代表的粉煤加压气化技术，单炉处理能力从最初的日处理煤几百吨扩大到上千吨，其中OMB水煤浆气化炉和Shell粉煤气化炉的单炉处理能力最大达到了3000吨规模。可见，具有大规模生产能力的气化炉已成为发展现代大型能源产业的基本技术需求。

由于气流床气化炉内高温条件下进行的气化反应主要受传递过程所影响，对于大规模生产能力的气化炉，不仅仅是一个气化炉尺寸的简单放大，而是关系到放大后的气化炉能否充分利用反应空间，确保形成合理的流场结构，使其内的反应物料实现良好混合，为完成气化反应创造必要的环境条件。事实上，对于顶置喷嘴结构气化炉，受到其结构形式的限制，规模放大到一定程度后会出现反应空间利用不充分，碳转化率下降等不良结果；还有些气化炉，依靠简单地增加气化喷嘴数目，使喷嘴设置更为复杂，投资也相应增加。

因此，本领域亟需一种具有大规模生产能力的气化炉，为现代大型煤基能源产业及其废弃物资源化利用提供技术选择。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的气化炉生产能力低、碳转化率低、适用面窄等缺陷而提供了一种气化炉、其应用及含碳物质的气化方法，该气化炉启动时间短、生产能力高、碳转化率高、适用面广，适于工业化生产。

本发明提供了一种气化炉，包括一炉体和一复合式喷嘴；所述复合式喷嘴设于所述炉体的顶部，所述复合式喷嘴的轴线与所述炉体的轴线同轴；所述炉体的底部设有一出口；

所述炉体包括一耐高温内衬和一耐高压金属外壳；所述炉体的侧壁的中部设有至少四个工艺喷嘴，所述工艺喷嘴的轴线处于同一平面，所述工艺喷嘴的轴向偏角α和径向偏角β均为0°，相邻的两个所述工艺喷嘴轴线间的夹角均相同；所述复合式喷嘴的轴线垂直于所述工艺喷嘴的轴线所在平面。

在所述气化炉中，所述复合式喷嘴为本领域常规的复合式喷嘴，较佳地为具有点火、开工和工艺功能的复合式喷嘴。

在所述气化炉中，所述耐高温内衬为本领域常规的耐高温内衬，较佳地为膜式水冷壁和/或盘管式水冷壁。

在所述气化炉中，所述工艺喷嘴较佳地为对置式设置；当所述炉体的侧壁的中部设有四个工艺喷嘴时，较佳地，相邻的所述工艺喷嘴轴线间的夹角为90°，相对的工艺喷嘴轴线间的夹角为180°。发明人发现，对置式设置喷嘴使得几股射流正面撞击，在气化炉内形成完全撞击式的流动情况，这种撞击流动具有最好的物流间的混合效果，有利于反应转化率的提高。同时，在气化炉进入正常运行时，顶部设置的复合式喷嘴的射流流股还将与侧面工艺喷嘴形成的撞击流股发生二次撞击，进一步强化了混合效果，提高碳转化率。

在所述气化炉中，所述工艺喷嘴的轴线所在平面距离所述炉体的顶部的垂直高度，与所述炉体的炉膛直径的比值为本领域常规的比值，较佳地为1～3，例如1.7、1.9。

在所述气化炉中，所述工艺喷嘴的轴线所在平面距离所述出口的平面的垂直高度，与所述炉体的炉膛直径的比值为本领域常规的比值，较佳地为1～3，例如1.7、1.9。

本发明还提供了一种含碳物质的气化方法，其包括以下步骤：采用上述的气化炉，将含碳物质、氧化剂与气化剂进行燃烧与气化反应，即可；所述气化剂为水和/或二氧化碳；

所述含碳物质从所述工艺喷嘴和/或所述复合式喷嘴进入；所述氧化剂从所述工艺喷嘴和/或所述复合式喷嘴进入；所述气化剂从所述工艺喷嘴和/或所述复合式喷嘴进入。

在所述气化方法中，所述含碳物质为本领域常规的含碳物质，可以为粉态固体含碳物质，如煤粉、石油焦粉、生物质粉、固体废弃物粉等，以及上述各粉态固体含碳物质的混合体；也可以是浆态或液态含碳物质，如水煤浆、石油焦浆、污泥浆、生物质浆、废弃物浆、工业废水等，以及上述各浆态或液态含碳物质的混合体。

在所述气化方法中，所述氧化剂为本领域常规的氧化剂，较佳地为氧气的体积含量为21％～100％的气体，更佳地为纯氧、富氧或空气，最佳地为纯氧。

在所述气化方法中，所述水可为液态水和/或水蒸气。

在所述气化方法中，当所述含碳物质有多种时，通过所述工艺喷嘴进入的所述含碳物质、通过所述复合式喷嘴进入的所述含碳物质可以相同或不同。

在所述气化方法中，当所述氧化剂有多种时，通过所述工艺喷嘴进入的所述氧化剂、通过所述复合式喷嘴进入的所述氧化剂可以相同或不同。

在所述气化方法中，当所述气化剂有多种时，通过所述工艺喷嘴进入的所述气化剂、通过所述复合式喷嘴进入的所述气化剂可以相同或不同。

在所述气化方法中，较佳地，通过所述工艺喷嘴进入的所述含碳物质在各个所述工艺喷嘴均匀分配。

在所述气化方法中，较佳地，通过所述工艺喷嘴进入的所述氧化剂在各个所述工艺喷嘴均匀分配。

在所述气化方法中，较佳地，通过所述工艺喷嘴进入的所述气化剂在各个所述工艺喷嘴均匀分配。

在所述气化方法中，所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂可以通过同一所述工艺喷嘴或所述复合式喷嘴进入。

在所述气化方法中，所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂可以同时通过所述工艺喷嘴和/或所述复合式喷嘴进入。

在所述气化方法中，较佳地，所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂混合均匀后通过所述工艺喷嘴和/或所述复合式喷嘴进入。

在所述气化方法中，当所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂混合均匀后、同时通过所述工艺喷嘴和所述复合式喷嘴进入时，较佳地，通过所述复合式喷嘴进入的所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂的流量，占所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂的总流量的10％～40％，例如20％。

对于气流床气化技术(特别是大型气化炉)而言，由于气化温度水平已经足够高，影响气化反应效果的决定性因素是气化炉内物料间的混合。本技术在利用工艺喷嘴实现撞击流强化混合的基础上，进一步设计了工艺过程中通过复合式喷嘴进料及相应的物料流量比例，以形成了二次撞击，从而进一步强化了混合效果，可使碳转化率提高至99％。

在所述气化方法中，所述炉体的内部的反应温度为本领域常规的反应温度，较佳地为1000℃～1700℃，例如1300℃。

在所述气化方法中，所述炉体的内部的工作压力为本领域常规的工作压力，较佳地为1.0MpaG～8.7MpaG，更佳地为2.0MpaG～6.5MpaG，例如4.0MpaG。

在所述气化方法运行前，所述气化炉需先点火和开工(即升温、提压)；所述点火和所述开工为本领域常规操作，较佳地为，通过所述复合式喷嘴向气化炉通入燃料和助燃气体，实现所述气化炉从冷态开始直到达到正常投料 运行条件的过程。

在所述气化方法中，当所述耐高温内衬为膜式列管水冷壁结构时，可以将气化炉中取出的热量副产中压蒸汽；当所述耐高温内衬为盘管式水冷壁结构时，则只能将气化炉中取出的热量副产低压蒸汽。

在所述气化方法中，所述工艺喷嘴向气化炉内提供所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂的方式为本领域常规的方式，较佳地为射流方式。

在所述气化方法中，所述复合式喷嘴向气化炉内提供所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂的方式为本领域常规的方式，较佳地，当所述气化炉点火时，为预混射流方式；当所述气化炉开工时，为非预混射流方式。

在所述气化方法中，当所述气化炉遇到偶发事件时，可以只运行所述工艺喷嘴，而停运所述复合式喷嘴；也可以只运行所述复合式喷嘴，而停运所述工艺喷嘴；也可以不论所述复合式喷嘴是否运行，停运相对的两个所述工艺喷嘴；上述各种情况均需向停运的喷嘴通入少量的保护气体。由此可见，该气化炉具有良好的抵御风险能力，同时有利于实现运行负荷的灵活调整。

本发明还提供了如上所述的气化炉在含碳物质的气化方法中作为设备的应用。

在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明中，所述工艺喷嘴的轴向偏角α是指喷嘴中心线与喷嘴安装口的中心到气化炉中心线(又称轴线)的垂线所形成的夹角。所述工艺喷嘴的径向偏角β是喷嘴中心线在喷嘴安装口中心所在的水平截面上的垂直投影与过喷嘴安装口的中心与气化炉水平截面圆心的连线所形成的夹角。

本发明的积极进步效果在于：该气化炉启动时间短、生产能力高、碳转化率高、适用面广，适于工业化生产。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的气化炉的轴向剖面图。

图2为本发明一较佳实施例的气化炉的径向剖面图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1一种气化炉

如图1所示，本发明提供一种气化炉，包括炉体1和复合式喷嘴2；所述复合式喷嘴2设于所述炉体1的顶部，所述复合式喷嘴2的轴线与所述炉体1的轴线同轴；所述炉体的底部设有一出口13；

所述炉体包括耐高温内衬11和耐高压金属外壳12；所述炉体1的侧壁的中部设有至少四个工艺喷嘴3，所述工艺喷嘴3的轴线处于同一平面，所述工艺喷嘴3均匀分布；所述复合式喷嘴2的轴线垂直于所述工艺喷嘴3的轴线所在平面。

实施例2一种含碳物质的气化方法

如实施例1所述气化炉，气化炉点火用燃气为天然气、流量为10～40Nm³/h，助燃气体为空气、流量为20～80Nm³/h；开工过程燃料为天然气、流量为700～3000Nm³/h，助燃气体为氧气、流量为1000～4800Nm³/；以流量计，60％的所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂从所述工艺喷嘴3进入，并均匀分配至每个所述工艺喷嘴，40％的所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂从所述复合式喷嘴2进入；所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂进行燃烧与气化反应，生成的合成气和灰渣从出口13排出。

运用上述的气化操作，一台日处理煤3000吨的粉煤加压气化炉，气化炉外壳体直径4700mm，气化炉炉膛直径D为3200mm，对置设置的4个喷嘴的轴线所在平面离气化炉顶部的距离H1为6000mm，气化炉出口直径1000mm，气化炉出口离对置设置的4个喷嘴的轴线所在平面的距离H2为 6000mm。表1给出了气化用煤的煤质分析数据。气化工艺条件如下：(1)气化温度：1300℃；(2)气化压力：4.0MPaG；(3)入炉煤粉含水量：5％；(4)氧煤比：0.55Nm³/kg；(5)蒸汽煤比：0.19kg/kg；(6)煤粉输送载气：CO₂。气化炉出口13合成气组成及工艺指标见表2。气化炉的启动仅需2-3小时即可完成。

表1 煤质分析数据

表2 气化炉出口合成气组成及工艺指标

实施例3一种含碳物质的气化方法

如实施例1所述气化炉，气化炉点火用燃气为天然气、流量为10～40Nm³/h，助燃气体为空气、流量为别为20～80Nm³/h；开工过程燃料为天然气、流量为500～2500Nm³/h，助燃气体为氧气、流量为800～4000Nm³/h；以流量计，80％的所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂从所述工艺喷嘴3进入，并均匀分配至每个所述工艺喷嘴，20％的所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂从所述复合式喷嘴2进入；所述含碳物质、所述氧化剂和所述气化剂进行燃烧与气化反应，生成的合成气和灰渣从出口13排出。

运用上述的气化操作，一台日处理煤4000吨的水煤浆气化炉，气化炉外壳体直径4000mm，气化炉炉膛直径D为2920mm，对置设置的4个喷嘴的轴线所在平面离气化炉顶部的距离H1为5000mm，气化炉出口直径960mm，气化炉出口离对置设置的4个喷嘴的轴线所在平面的距离H2为5000mm。表3给出了气化用煤的煤质分析数据。气化工艺条件如下：(1)气化温度：1300℃；(2)气化压力：6.5MPaG；(3)煤浆浓度：63％；(4)氧煤比：0.58Nm³/kg。气化炉出口13合成气组成及工艺指标见表4。气化炉的启动仅需2-3小时即可完成。

表3 煤质分析数据

表4 气化炉出口合成气组成及工艺指标