常壓空氣氣化的氣流床干煤粉氣化設備及其氣化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及氣流床干煤粉氣化設備，尤其涉及以煤為代表的粉末固態含碳燃料與氣化劑在高溫下反應生成CO、H2、半焦的氣流床常壓空氣氣化反應設備及其氣化方法。
【背景技術】
[0002]煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術，是發展煤基大宗化學品和液體燃料合成、先進的整體煤氣化聯合循環(IGCC)發電系統、多聯產系統、制氫、燃料電池、直接還原煉鐵等過程工業的基礎，是這些行業發展的關鍵技術、核心技術和龍頭技術。
[0003]自19世紀中葉德國Siemens兄弟最早發明的煤氣發生爐至今已有150余年的歷史，已形成固定(移動)床、流化床和氣流床三種技術。固定(移動)床以傳統的煤氣發生爐為代表的UGI氣化工藝、Lurgi氣化工藝、BGL氣化工藝，但這種工藝生產的合成氣出口溫度不高，含有大量的焦油和焦油污水，污染嚴重，逐步被淘汰。流化床氣化是利用流態化的原理和技術，使煤顆粒通過氣化介質達到流態化，其代表有早期的Winkler氣化工藝，到循環流化床(CFB)氣化工藝、KBR輸運床氣化工藝、灰熔聚氣化工藝，這些工藝與固定床氣化工藝來比有了很大的提升，但由于煤的物理和化學性質對流化床氣化爐的操作有很顯著的影響，例如在脫揮發分過程中煤有黏結的傾向，這將導致流化不良，特別是對于黏結性強的煤尤為嚴重，這些因素會限制流化床的最高床層溫度，從而也會限制生產能力和碳轉化率，從而影響氣化效果。氣流床又稱射流攜帶床，是利用流體力學中射流卷吸的原理，將煤粉顆粒與氣化介質通過噴嘴高速噴入氣化設備內的混合，有利于氣化反應的充分進行。氣流床氣化設備其碳轉化率高，合成氣中不含焦油等產物，符合煤氣化技術發展的主流方向，目前使用的E-Gas氣化工藝、GSP氣化工藝、Shell氣化工藝等都是氣流床氣化，這些氣化工藝的設備都是符合大型化工裝置，已廣泛應用的基本煤處理量都在1000T/D以上的氣流床氣化設備。目前在小型化、常壓空氣作為氣化劑、投資小、日處理量在100T/D的氣化設備在熱處理、特種鋼廠、工程施工等需要熱源的行業有極大的需求，但在技術上還沒有達到市場的要求。

【發明內容】

[0004]本發明目的在于:提供一種在常壓環境下、利用空氣作為氣化劑的氣流床粉煤氣化設備。
[0005]本發明目的還在于:提供一種該氣流床粉煤氣化設備的氣化方法。
[0006]本發明目的通過以下技術方案實現:本發明包含合成煤氣出口、氣化設備本體、氣化設備渣口及渣池，在氣化設備本體底部設置底部氣化劑噴入口，外壁設置周向氣化劑噴入口及煤粉噴入口，氣化劑分成三部分輸入，分別是由煤粉噴入口、周向氣化劑噴入口和底部氣化劑噴入口輸入。
[0007]本發明還配置有換熱裝置及合成氣燃燒器，煤氣出口通過管道連接至合成氣燃燒器入口，換熱裝置底部設置合成燃燒所需空氣進口，換熱裝置出口連通合成氣燃燒器，在氣化設備本體中增加換熱介質管道和循環栗，換熱介質管道在換熱裝置中將其內的換熱介質進行熱交換后再循環回氣化設備本體，再經氣化設備本體內后通過循環栗輸入換熱裝置循環管中，如此一直循環下去。
[0008]本發明在氣化設備本體外面增加一層氣化風夾套。
[0009]本發明所述周向氣化劑噴入口到氣化設備底部的高度與氣化設備高度的比例為0.2:1?0.5:1 ;煤粉噴入口到氣化設備底部的高度與氣化設備高度的比例為0.5:1?1:1 ;底部氣化劑噴入口距氣化設備渣口底面的垂直距離為300?500mm。
[0010]本發明所述氣化設備本體為圓柱體，其高度和直徑的比例為1:1?5:1。
[0011]本發明所述周向氣化劑噴入口分一排四個兩兩對稱布置，相對稱的周向氣化劑噴入口在同一水平面上，相鄰周向氣化劑噴入口成螺旋線上升或下降布置；煤粉噴入口分一排四個兩兩對稱布置，相對稱煤粉噴入口在同一水平面上，相鄰的煤粉噴入口成螺旋線上升或下降布置，所有周向氣化劑噴入口及煤粉噴入口螺旋角度一致，角度范圍為1°?20°，優選 3° ?10°。
[0012]本發明周向氣化劑噴入口的軸線與氣化設備本體的母線的夾角一致，角度范圍為60?70°，與氣化設備本體的交點處切線所成的夾角一致，角度范圍為90?110° ;煤粉進口的煤粉噴入口的軸線與氣化設備本體的母線所成的夾角一致，角度范圍為50?70°，煤粉進口的煤粉噴入口與氣化設備本體的交點處切線所成的夾角一致，角度范圍為120?135。。
[0013]本發明所述的常壓空氣氣化的氣流床干煤粉氣化設備的氣化方法為:煤粉在氣力輸送的作用下，通過若干組煤粉噴入口進入氣化設備本體內與若干組周向氣化劑噴入口進行混合形成渦旋流場反應，落下來的煤粉與底部氣化劑噴入口進入的氣化劑相遇反應，生成合成煤氣和多孔易燃半焦從合成煤氣出口排出，液態渣順著氣化設備渣口進入渣池排出，其中周向氣化劑噴入口任一個都可以作為煤粉點燃輔助口。
[0014]本發明所述煤粉噴入口輸入的氣化劑占所有氣化劑總量的50?59%，周向氣化劑噴入口輸入的氣化劑占所有氣化劑總量的30?36%，底部氣化劑噴入口輸入的氣化劑占所有氣化劑總量的5?20%。
[0015]本發明所述煤粉噴入口的流速為20?45m/s，周向氣化劑噴入口的流速為25?65m/s，底部氣化噴入口流速為3?5m/s，氣化風在氣化設備本體與氣化風夾套間隙處流速為 5 ?40m/ s ο
[0016]實踐證明，本發明能長時間的連續工作而不會受到高溫破壞，同時得到的有效氣體和部分多孔易燃的半焦，為熱處理、特種鋼廠、工程施工等需要熱源的行業提供了多樣性的選擇，可解決小型化、常壓下、日處理量在100噸左右的粉煤氣化設備中的技術問題，具備以下優越效果:
1、本發明依據相關射流流場理論，通過強化相間傳遞過程、延長反應時間、改善停留時間分布來提高顆粒的二次反應程度，因此采用對稱式多噴嘴的布置方式，通過多股對稱流體相向撞擊來提高氣-固兩相間的傳遞速度，加強流體間的混合，從而提高以相間混合擴散為控制步驟的化學反應速率，延長碳顆粒在反應器中的停留時間，提高碳轉化率。
[0017]2、本發明通過控制氣化風夾套和氣化設備本體之間的間隙的大小，使得通過其間的高流速的氣化劑(空氣)帶走大量的熱能，這樣既起到了保護外壁作用，又可以使得氣化劑(空氣)溫度上升，有助于提高接下去的氣化效果；其次是在氣化設備本體中間流動的熱傳導性強的導熱油、水等換熱介質，通過這些介質將熱能帶出，通過換熱裝置將一部分熱能換出，這樣也起到了保護外壁作用，又為接下來出口煤氣和半焦等合成氣燃燒用的燃燒器所需的空氣進行了預熱，為后期充分燃燒做了準備，達到了煤資源的充分利用，避免煤在轉換過程中產生的熱能的浪費。
[0018]3、本發明按照爐內多相湍流計算和工程實踐，設計了氣化設備本體高度和直徑的比例、周向氣化劑噴入口到氣化設備本體底部的高度與氣化設備本體高度的比例、煤粉噴入口到氣化設備本體底部的高度與氣化設備本體高度的比例、以及底部氣化劑噴入口到氣化設備本體底部的距離，設備在運行中達到了很高的碳轉化率，實現了將低廉易得的煤、空氣合成出清潔、高效、昂貴的合成熱煤氣和多孔易燃半焦。
[0019]4、為更進一步得到高品質的合成煤氣和多孔易燃半焦，本發明通過計算機軟件模擬和工程實踐，將氣化劑分為三個部分輸入，在其噴入的三個部分的氣化劑占比有著嚴格要求。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的實施例帶有周向氣化劑噴入口的結構示意圖；
圖2為本發明實施例帶有煤粉噴入口的結構示意圖；
圖3為本發明實施例的A-A方向的視圖；
圖4為本發明的實施例的氣化設備本體的展開圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合實施例并對照附圖對本發明進行詳細說明。
[0022]實施例1:
如圖1、2、3、4所示，本實施例由合成煤氣出口 1、氣化設備本體2、氣化設備渣口 6、渣池7、換熱裝置12及合成氣燃燒器13組成。氣化設備本體2底部設置底部氣化劑噴入口 8，外壁設置周向氣化劑噴入口 4及煤粉噴入口 5，氣化劑分成三部分輸入，分別是由煤粉噴入口5、周向氣化劑噴入口 4和底部氣化劑噴入口 8輸入。煤氣出口 I通過管道連接至合成氣燃燒器13入口，換熱裝置12底部設置合成燃燒所需空氣進口 11，換熱裝置12出口連通合成氣燃燒器13，在氣化設備本體2中增加換熱介質管道9，換熱介質管道9在換熱裝置12中將其內的換熱介質進行熱交換后再循環回氣化設備本體2，再經氣化設備本體2內后通過循環栗10輸入換熱裝置12循環管中。在氣化設備本體2外面增加一層氣化風夾套3，為了保護氣化設備本體2，通過氣化風夾套3與氣化設備本體2之間的間隙L3的大小來確定通過的氣化劑的流速，本實例選擇的方案范圍在20?22_范圍內達到最佳狀態。同時通過換熱介質的時刻流動，與換熱裝置12進行熱交換，既達到了降低換熱介質(導熱油、水或者空氣)溫度的作用，又為合成氣燃燒器13燃燒所需的空氣進行了預熱，一舉兩得。考慮了小型化使用，在人員管理、安全等因素考慮情況下，本實施例對介質管道9內的換熱介質一般都選用導熱油。
[0023]為提高碳的轉換率和合成氣的產量，本實施例中氣化設備本體2為圓柱體，其高度H和直徑D的比例為在1.48:1為最佳。在氣化過程中，最希望得到的混合流場是煤粉從高位向下流動，與從下向上流動的氣