气化剂沿圆周方向错列布置强旋转煤粉气化装置及气化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种强旋转煤粉气化装置及方法，具体涉及一种气化剂沿圆周方向错列布置强旋转煤粉气化装置及气化方法，属于煤气化领域。
【背景技术】
[0002]煤气化技术是高效清洁的洁净煤技术。当前的煤气化技术主要分为移动床气化、流化床气化、气流床气化和熔融床气化四类。其中，气流床气化技术因其气化强度高、生产能力大、碳转化率高等优点已成为现在煤气化技术的主要发展方向。气流床气化有两个主要特点，一是运行温度高，约为1300?1600°C，煤粉进入炉内后形成液态渣，排渣方式为液态排渣；另外一个特点是采用“以渣抗渣”技术来保护炉壁和减少热损失。气流床气化炉存在的问题是:第一、气化炉内壁面容易烧损。该问题导致气化炉经常停车，而气化炉作为化工企业的生产源头，一旦停车，导致整个生产线全部停运，整个生产线停运一次给企业造成巨额经济损失。例如:一套造气量80000Nm3/h的煤气化生产线停运一次经济损失达4000万元以上。第二、气化炉内温度分布不均，存在局部超温问题。
【发明内容】
[0003]本发明为解决现有煤粉气化装置的炉壁挂渣不均匀，炉内温度分布不均匀的问题，进而提出气化剂沿圆周方向错列布置强旋转煤粉气化装置及气化方法。
[0004]本发明为解决上述问题采用的技术方案是:本发明所述装置包括煤粉烧嘴、气化炉体、水冷壁、合成气通道和多个气化剂喷口，气化炉体由半球体和圆柱体组合而成，水冷壁安装在气化炉体内，水冷壁由多根竖直圆管组成，水冷壁围成回转体气化炉膛，气化炉体的底部设有渣池，合成气通道插装在气化炉体的下部，多个气化剂喷口由上至下依次插装在气化炉体的上部，且多个气化剂喷口沿气化炉体圆周方向错列或均匀分布，每个气化剂喷口沿气化炉膛的切线方向插入气化炉膛内，煤粉烧嘴安装在气化炉体的顶部，且煤粉烧嘴的轴线与气化炉膛的轴线重合，煤粉烧嘴内设有横截面为环形的煤粉通道。
[0005]本发明所述气化方法的具体步骤如下:步骤一、设定气化炉膛内部压力为0.1?4MPa，气化炉膛的运行温度为1250?1600°C ；
[0006]步骤二、温度为25?100°C的干煤粉由氮气或二氧化碳携带，以旋流方式经煤粉烧嘴上的煤粉通道送入炉膛内部，煤粉所占的体积分数为1%?25%，在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流；
[0007]步骤三、煤粉气流接触到中心回流区卷吸回来的高温合成气后，被其点燃，在炉膛顶部燃烧形成熔渣；
[0008]步骤四、温度为20?400°C的气化剂通过所述气化剂喷口以100?200m/s的速度沿炉高方向均匀分层，同时沿圆周方向错列或均匀分层切向喷入气化炉膛，高速的气化剂气流冲入气化炉膛后形成强烈旋转气流，在离心力的作用下，约80%的熔渣被甩在炉壁面形成较厚的渣层，渣层均匀，旋转气流不断冲刷气化炉膛壁面上的渣层，并与其发生强烈气化反应；
[0009]步骤五、气化生成的粗煤气通过所述合成气通道流出气化炉膛，生成的液态渣沿壁面流入渣池，冷却后通过底部排渣口排出气化炉。
[0010]本发明的有益效果是:
[0011]1、本发明中渣层由离心力作用形成:现有技术中，煤粉与气化剂均从气化炉顶部喷入炉膛，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，熔渣与气化剂气流一起同向一般以直流的方式流向炉膛底部。在流动过程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于气流脉动粘到壁面上形成渣膜；而本发明中，煤粉从气化炉顶部喷入，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，以100?200m/s的速度切向喷入炉膛的气化剂在炉内形成强烈的旋转气流，熔渣与气化剂一起在近壁面区高速旋转向下流动，约80%的熔渣受强旋产生的离心力作用不断地被甩在壁面上形成渣层；
[0012]2、本发明中粘附在炉壁上的渣量多，渣层厚度大:现有技术中，煤粉与气化剂均从气化炉顶部喷入炉膛，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，熔渣与气化剂气流一起同向一般以直流的方式流向炉膛底部。在流动过程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于气流脉动粘到壁面上形成渣膜，离壁面较远处的熔渣无法粘到壁面上，因此只有约10%左右的熔渣能够粘到壁面形成渣膜，由于粘附在炉壁上的渣量小，导致壁面渣膜较薄，一般渣膜厚度为2?3_ ;本发明依靠离心力将熔渣甩到壁面形成渣层，气化剂以100?200m/s的速度切向喷入炉膛，形成强烈的旋转气流，产生的离心力足以将熔渣甩在壁面上形成渣层，气化过程中约占80%左右的熔渣都被甩在壁面上形成渣层，由于粘附在炉壁上的渣量多，因此壁面渣层较厚，渣层厚度可达5?6_ ；
[0013]3、本发明中壁面渣层厚度比较均匀:现有技术中，煤粉与气化剂均从气化炉顶部喷入炉膛，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，熔渣与气化剂气流一起同向一般以直流的方式流向炉膛底部。在流动过程中，只有少量的壁面附近的熔渣由于气流脉动粘到壁面上形成渣膜，离壁面较远处的熔渣无法粘到壁面上，因此只有约10%左右的熔渣能够粘到壁面形成渣膜，由于粘附在炉壁上的渣量小，当沿气化炉圆周方向的气量分布不均时，沿圆周方向壁面熔渣粘附情况不均，导致圆周方向壁面渣膜厚度不均匀。而本发明中，煤粉从气化炉顶部喷入，煤粉进入炉膛后在高温下形成熔渣，以100?200m/s的切向速度喷入的气化剂在炉内形成强烈的旋转气流，熔渣与气化剂一起在近壁面区高速旋转向下流动。本发明中气流速度高，湍流强度大，有利于气化剂与熔渣的混合。熔渣与气化剂沿圆周方向混合均匀后在强旋产生的离心力作用下甩到壁面形成渣层，壁面渣层厚度比较均匀。
[0014]4、本发明能更有效保护气化炉内壁面。壁面渣层主要成分为二氧化硅，二氧化硅导热系数约为7.6W/mk，常用耐火砖的导热系数约为20?28W/mk，渣层导热系数比耐火砖小很多，因此渣层的隔热效果好。现有技术中壁面渣膜较薄，渣膜厚度一般为2?3_，而且沿圆周方向渣膜厚度不均匀，易导致部分内壁面没有渣膜覆盖，气化炉内壁面裸露于高温烟气环境中，容易出现超温而被烧损。气化炉内气体中含有60%?70%的一氧化碳，高温的一氧化碳为腐蚀性气体，气化炉内壁面裸露于高温且富含一氧化碳的环境下，容易发生化学腐蚀。本发明中壁面渣层厚，渣层厚度高达5?6_，是现有技术的2?3倍，同时渣层厚度比较均匀，避免气化炉内壁面裸露于高温烟气中，更能有效保护气化炉内壁面不被高温气体烧损；而且较厚的渣层将气化炉内壁面与炉内气体含有60%?70%的一氧化碳隔开，能保护气化炉内壁面不受一氧化碳气体的化学腐蚀；
[0015]5、本发明氧气消耗量少:现有技术中壁面挂渣薄而且不均匀，渣膜厚度一般为2?3_ ;本发明中壁面挂渣厚且均勾，渣层厚度高达5?6_，是现有技术的2?3倍，而渣层导热系数小，隔热性好，因此本发明能够减小壁面热损失。碳与氧气反应生成一氧化碳放热112.lkj/mol，碳与氧气反应生成二氧化碳放热395kJ/mol，显然碳与氧气反应生成二氧化碳放热是生成一氧化碳放出的热量的3.52倍。煤粉气化需要在较高温度(1250?1600°C )下才能迅速反应，虽然期望得到的煤气化产物是一氧化碳，但为了维持较高炉内温度，必须通入过量的氧气生成二氧化碳来提高温度。现有技术中壁面热损失较大，实际运行时调整氧原子与碳原子的当量比为1.05?1.1时，也就是说多通入5%?10%的氧气生成二氧化碳维持炉温。而本发明中渣层厚，壁面热损失小，调整氧原子与碳原子的当量比为
1.01?1.05即可维持同样的炉内高温，与现有技术相比氧的消耗量降低约5%。氧气是从空气中分离出来的，分离过程耗电量大，本发明降低大量氧的消耗量，相应节省大量电能；
[0016]6、本发明的煤种适用性强:熔渣气化炉想要达到“以渣抗渣”的技术路线保护水冷壁，则必须保证水冷壁面处存在较厚的渣层。现有技术中，水冷壁面处熔渣膜的形成仅仅依靠粘附靠近壁面处的熔渣，其粘附在壁面上的渣量极少。在粘附在壁面上的渣量极少的条件下，为达到一定厚度的渣层，则必须对煤灰的粘温特性提出苛刻的要求:在气化温度范围内，煤灰粘度不能过低或者过高