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CN104498103A - 一种复合式循环流化床气化反应装置 - Google Patents

一种复合式循环流化床气化反应装置 Download PDF

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CN104498103A CN201410853127.8A CN201410853127A CN104498103A CN 104498103 A CN104498103 A CN 104498103A CN 201410853127 A CN201410853127 A CN 201410853127A CN 104498103 A CN104498103 A CN 104498103A
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Shanghai Boiler Works Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种复合式循环流化床气化反应装置，由反应器本体、多级旋风分离器、颗粒燃料给入系统、粉体燃料给入系统、中心射流气化烧嘴和回料系统组成；反应器出口与一级旋风分离器连接，一、二级旋风分离器连接，经一级旋风分离器分离下来的粗颗粒通过回料系统返回气化炉本体，经二级旋风分离器分离下来的细颗粒通过粉体燃料给入系统进入中心射流气化烧嘴，最终喷入气化炉本体。本发明采用循环流化床反应器为气化反应本体，采用中高温气化实现连续排渣，采用高温射流两段式分级气化，提高碳转化率和冷煤气效率，简化的排渣装置与布风板设计相结合，提高了操作和运行稳定性，适合于各类含碳固体燃料的气化转化，具有大规模推广应用前景。

Description

一种复合式循环流化床气化反应装置
技术领域
本发明涉及一种复合式循环流化床气化反应装置，属于煤气化多联产技术领域。
背景技术
用于生产清洁能源和产品的气化技术由来已久，最早可追溯至18世纪后期的英国。早期的气化形式是利用当地煤炭资源生产“民用燃气(Town Gas)”。现代气化技术始于第二次世界大战前期，并在二战期间得以发展。当时德国的石油供应被切断，亟需另辟蹊径来自行生产运输燃料，因此，越来越多的先进气化技术在此期间得以研发。此后，南非的沙索(Sasol)公司率先利用气化技术大规模地生产商业化、有价格竞争优势的气化衍生产品，从而奠定了现代气化产业的基础。
而今，先进的气化技术在早期的基础上取得了重大突破。燃料灵活性提高、气化能力和规模增大、新型技术的应用促使气化技术获得了更大的突破。先进气化技术的应用和推广有助于解决社会经济、能源安全以及环境保护等方面的问题。同时，由于研发重点不同，气化技术也分化出了不同类型，一部分旨在通过整合降低成本，而另一部分则致力于发展小型化、模块化的气化炉。尽管气化技术的推广应用仍面临诸多困难，但这一境况近期已经有所改善，特别是在中国的示范实践，充分展示了气化技术在利用国内能源转换成商业产品中所具有的巨大优势。
我国褐煤等低阶煤资源丰富，约占全国已探明煤炭储量的50％，褐煤等低阶煤具有高灰、高水和高硫(“三高”)，以及部分高灰熔点等特点，现有煤气化技术主要为气流床水煤浆气化、气流床干煤粉气化以及固定床碎煤气化，从气化技术的角度分析，气流床水煤浆气化对煤的成浆特性要求较高，褐煤的高水分特性无法满足制浆条件，气流床干煤粉气化技术需要将煤制成煤粉，且煤粉总含水量要求＜2％，高水褐煤脱水成本和能耗巨大，且气流床气化总体要求灰熔点不宜过高，否则液态排渣氧耗等运行成本大增。固定床气化技术采用碎煤或型煤气化技术，现代化大型机械采煤使原本低强度易碎褐煤的颗粒煤产率大大下降，产出大量粉煤不适合固定床气化，需要加工成型，能耗巨大，产出原煤可直接用于气化的颗粒比例约为10％，且固定床气化技术后处理系统负责，煤焦油提取分离困难，环保问题突出。根据目前气化技术现状，循环流化床气化技术目前尚无长周期稳定运行的可靠技术可供选择，部分技术瓶颈有待进一步研发突破。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种操作条件温和、气化效率高、维护简单、成本低廉的适合于低阶煤的气化反应器，从而填补气流床和固定床无法气化“三高煤”的技术空白。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：由反应器本体、多级旋风分离器、颗粒燃料给入系统、粉体燃料给入系统、中心射流气化烧嘴和回料系统组成；
反应器本体包括气化炉本体，反应器出口设于气化炉本体顶部，气化炉本体底部设有中心排渣管，布风板同轴设于中心排渣管上方，布风板下方为气化剂分布室；中心排渣管内设有中心射流气化烧嘴，中心排渣管下方设有气化剂入口；气化炉本体分为上、下两段气化室，上、下两段气化室通过锥形缩口段连接，上段气化室下端设有二段气化烧嘴室，锥形缩口段下方、布风板上方连接颗粒燃料给入系统和回料系统；
多级旋风分离器为至少两级旋风分离器串联，反应器出口与一级旋风分离器连接，一级旋风分离器出口与二级旋风分离器连接；经一级旋风分离器分离下来的粗颗粒通过回料系统返回气化炉本体下段气化室，经二级旋风分离器分离下来的细颗粒通过粉体燃料给入系统进入中心射流气化烧嘴，最终喷入气化炉本体。
优选地，所述中心排渣管顶部为喇叭口结构，所述布风板为锥形结构，中心排渣管扩口端与布风板缩口端相连接；中心射流气化烧嘴、布风板以及中心排渣管同轴设置。
优选地，所述颗粒燃料的粒径范围0～10mm，占燃料总量的60％～90％；粉体燃料粒径范围10～200μm，占燃料总量的10％～40％。
优选地，所述上段气化室直径D1大于下段气化室直径D2，两者比值范围D1/D2＝1.1～3。
优选地，所述颗粒燃料给入系统包括燃料仓和燃料给料腿，燃料仓通过燃料给料腿与气化炉本体的下段气化室连接。
优选地，所述回料系统包括第一返料装置，所述一级旋风分离器通过一旋回料腿与第一返料装置连接，第一返料装置通过返料管与第二返料装置连接，第二返料装置通过回料腿连接所述气化炉本体的下段气化室。
优选地，所述粉体燃料给入系统包括粉体燃料仓，所述二级旋风分离器底部设有二旋下料腿，二旋下料腿连接粉体燃料仓，除尘系统与粉体燃料仓连接，粉体燃料给料罐通过粉体燃料锁斗连接粉体燃料仓，粉体燃料给料罐通过粉体燃料入口与所述中心射流气化烧嘴连接。
优选地，所述中心射流气化烧嘴包括由内到外同轴设置的粉体燃料通道、气化剂通道、冷却剂进入通道和冷却剂出口通道，所述粉体燃料给料罐通过粉体燃料入口与粉体燃料通道连接；所述中心射流气化烧嘴中部设有一折角α，α范围90°～150°。
优选地，所述布风板与气化剂分布室通过设于布风板上的布风板气化剂喷口相通，所述气化剂分布室连接气化剂入口管；所述布风板带冷却系统；所述布风板上均匀设有5～30圈筛孔喷口，每圈筛孔喷口数量相等，每圈筛孔喷口直径沿布风板径向递减，靠近中心排渣管的筛孔喷口直径最小，筛孔喷口下方设有筛孔挡板。
优选地，所述气化剂从所述中心射流气化烧嘴、中心排渣管、布风板和二段气化烧嘴室进入反应器本体，从中心射流气化烧嘴进入反应器本体的气化剂占所有气化剂比例为20％～80％，中心射流气化烧嘴上端喷口气化剂流速8～30m/s。
本发明运行稳定可靠、易于大型化放大、环保节能，相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)采用两段式循环流化床作为气化反应主装置，中心射流气化烧嘴的引入彻底改变了传统循环流化床气化的基本理念，将燃料拓展到粉体燃料，整体循环流化床气化燃料适应性大大提高；
(2)采用中心射流气化烧嘴设计，将循环流化床气化炉内一段中心射流区温度提高，充分发挥燃烧热量提供周边气化所需，气化速率提高，整体气化反应速度提高，碳转化率提高，冷煤气效率提高；
(3)采用飞灰和细灰再循环燃烧，且通过中心射流气化烧嘴进行再燃，保证了细颗粒燃料的高效燃烧与气化，使循环流化床气化过程中产生的飞灰含碳量大大下降，并在高温区团聚形成粗渣颗粒，灰渣处理过程大大简化；
(4)采用中低速流化速度，与现有灰融聚气化中常用的鼓泡床表观流速～1m/s相比，流速提高可使更多大颗粒参与流化，气固两相热质传递加速，提高气化反应速度，使反应器内温度分布和物料分布更加均匀，便于建立稳定的床层。
本发明采用两段式气化和中心射流气化相结合，采用循环流化床反应器为气化反应本体，采用中高温气化实现连续排渣，采用高温射流两段式分级气化，解决了现有流化床气化反应装置碳转化率低、系统能效高以及灰渣处理成本高等问题，达到提高碳转化率和冷煤气效率的目的，简化的排渣装置与布风板设计相结合，提高了操作和运行稳定性，适合于各类含碳固体燃料的气化转化，且可有效分解焦油等大分子有机物，后系统合成气净化除尘工艺大大简化，有效气产率大大提高，设备运行和维护成本大大降低，具有大规模推广应用前景。
附图说明
图1为复合式循环流化床气化反应装置示意图；
图2为反应器本体示意图；
图3为布风板带冷却系统示意图；
图4为中心射流气化烧嘴前端结构示意图；
图5为布风板结构示意图；
图6为中心射流气化原理示意图；
附图标记说明
1-气化炉本体；2-一级旋风分离器；3-二级旋风分离器；4-燃料仓；5-燃料给料腿；6-回料腿；7-布风板；8-中心射流气化烧嘴；9-气化剂分布室；10-气化剂入口管；11-中心排渣管气化剂入口；12-二段气化烧嘴室；13-第二返料装置；14-返料管；15-第一返料装置；16-二旋下料腿；17-一旋回料腿；18-反应器出口；19-合成气出口管；20-一旋出口管；21-二旋出口；22-除尘系统；23-粉体燃料仓；24-粉体燃料锁斗；25-粉体燃料给料罐；26-粉体燃料输送气；27-灰渣缓冲冷却罐；28-粉体燃料入口；29a、29b-冷却剂进、出口；30-气化剂入口；31-气化剂通道；32-粉体燃料通道；33-冷却剂进入通道；34-冷却剂出口通道；35-布风板气化剂喷口；36-冷却夹套；37-环形通道喷头；38-中心通道喷头；39-布风板冷却剂入口；40-布风板冷却剂出口；41-中心排渣管；42-筛孔喷口；43-筛孔挡板。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1为本发明提供的复合式循环流化床气化反应装置示意图，所述的复合式循环流化床气化反应装置由反应器本体、多级旋风分离器、颗粒燃料给入系统、粉体燃料给入系统、中心射流气化烧嘴和回料系统等组成。
反应器本体由气化炉本体1、反应器出口18、布风板7、气化剂分布室9、二段气化烧嘴室12、中心排渣管41等主要部件组成。反应器出口18设于气化炉本体1顶部，气化炉本体1底部设有布风板7和中心排渣管41，中心排渣管41顶部为一喇叭口结构，布风板7为锥形结构，中心排渣管扩口端与布风板7缩口端相连接，布风板7下方为气化剂分布室9。中心排渣管内设有中心射流气化烧嘴8，中心射流气化烧嘴8、布风板7以及中心排渣管同轴设置，中心排渣管下方设有中心排渣管气化剂入口11，中心排渣管底部设有灰渣缓冲冷却罐27。
气化炉本体1分为上、下两段气化室，气化炉上段气化室直径D1大于下段气化室直径D2，两者比值范围D1/D2＝1.1～3，优选范围D1/D2＝1.6～2.4。气化炉本体1中部设有一锥形缩口段，上、下两段气化室通过锥形缩口段连接。上段气化室下端、锥形缩口段上方设有二段气化烧嘴室12，可安装点火烘炉燃烧器和二段气化烧嘴。锥形缩口段下方、布风板7上方设有颗粒燃料给入系统和回料系统，两者对称布置于气化炉本体圆周，颗粒燃料给入口和回料口均位于布风板7上方。
多级旋风分离器可进行串并联设置，即对合成气进行分流形成并联，每个旁路设多级旋风分离器，本实施例中为两级旋风分离器串联。反应器出口18通过合成气出口管19与一级旋风分离器2连接，一级旋风分离器2通过一旋出口管20与二级旋风分离器3连接，二级旋风分离器3顶部设有二旋出口21。
颗粒燃料给入系统包括燃料仓4和燃料给料腿5，燃料仓4通过燃料给料腿5与气化炉本体1的下段气化室连接。
粉体燃料给入系统包括粉体燃料仓23，除尘系统22与粉体燃料仓23连接，粉体燃料给料罐25通过粉体燃料锁斗24连接粉体燃料仓23，粉体燃料给料罐25通过粉体燃料入口28与中心射流气化烧嘴8连接。
回料系统包括第一返料装置15，一级旋风分离器2通过一旋回料腿17与第一返料装置15连接，第一返料装置15通过返料管14与第二返料装置13连接，第二返料装置13通过回料腿6连接气化炉本体1的下段气化室。
二级旋风分离器3底部设有二旋下料腿16，二旋下料腿16可连接粉体燃料仓23，二旋下料腿16也可直接通过回料腿6连接气化炉本体1的下段气化室。
结合图2～图4，中心射流气化烧嘴8采用套筒式设计，设有夹套式冷却系统，可采用水等冷却剂进行冷却。中心通道为粉体燃料通道32，其顶部设有中心通道喷头38，底部设有粉体燃料入口28；环形通道为气化剂通道31，其顶部设有环形通道喷头37，底部设有气化剂入口30；最外侧为冷却夹套36，包括冷却剂进入通道33和冷却剂出口通道34，其底部分别设有冷却剂进、出口29a、29b。气化烧嘴上端喷口物流流速8～35m/s，优选值15m/s。中心通道通入煤粉可采用氮气或者二氧化碳等惰性气体输送。
布风板7与气化剂分布室9通过设在布风板上的布风板气化剂喷口35相通，气化剂分布室9连接有气化剂入口管10。结合图3，布风板7带冷却系统，图3中39为布风板冷却剂入口，40为布风板冷却剂出口。结合图5，布风板气化剂喷口35沿布风板7圆周均匀布置，设有5～30圈筛孔喷口42，每圈筛孔喷口数量相等，每圈筛孔喷口直径沿布风板径向递减，靠近中心排渣管的筛孔喷口直径最小，控制气化剂从布风板筛孔喷口喷出流速范围为0.5～5m/s，优选值0.8～3m/s，为了防止灰渣落入布风板空腔，在筛孔喷口下方设有筛孔挡板43。
布风板为锥形结构，锥形口夹角θ角度范围30°～120°，优选值30°～60°。中心排渣管上段扩口角β角度范围10～45°，优选值15°～30°。中心射流气化烧嘴中部设有一折角α，α角度范围90°～150°，优选范围120°～135°。二段气化烧嘴室中心轴线与水平面形成一夹角μ，夹角μ角度范围90°～150°，优选值120°。二段气化烧嘴室12沿反应器简体圆周同一水平面均匀布置，二段气化烧嘴室个数范围1～8个，优选2～4个，二段气化烧嘴室中心轴线与水平面形成一夹角μ，夹角μ角度范围90°～150°，优选值120°。气化炉本体中间锥形缩口段的锥形口夹角η范围为15°～60°，优选30°～45°。
燃料给入量W1和回料量W2的比值称为循环倍率，即W2/W1，控制循环倍率范围为20～80。循环倍率通过床层表观流速进行调节，表观流速反应了气流在反应器内截面流速，其范围优选为2～10m/s，优选为3～5m/s。气化反应器操作温度为800～1200℃，根据所使用的燃料灰熔融特性，操作压力范围0～6.0MPa。二段气化烧嘴室喷入的气化剂控制速度1～15m/s，优选范围2～8m/s。
燃料以固态颗粒为主，通过高压输送给料方式进入反应器，燃料颗粒的粒径范围0～20mm，优选0～10mm，占燃料总量的60～90％，剩余10～40％采用粉体燃料形式通过粉体燃料送入系统至中心射流气化烧嘴送入气化炉，粉体燃料粒径优选为10～200μm，优选粒径范围40～100μm，可选用N2、CO2或其他一种或多种混合气体输送。
结合图6，本发明所述的燃料包括所有含碳固体燃料，包括生物质、煤炭、石油焦、兰炭、煤矸石及其混合物。将颗粒破碎至20mm以下用燃料仓4备料，通过燃料输送腿5送入流化床反应器，通过筛分的细颗粒通过粉体燃料给入系统后采用粉体燃料输送气26送入中心射流气化烧嘴8，气化剂分别通过中心排渣管41、中心射流气化烧嘴8气化剂通道31和布风板7所设的气化剂喷口35送入反应器，首先在下气化室内发生燃烧和气化反应，中心射流气化产生约1300℃高温，将粉体燃料熔融团聚，热量辐射至周边用于气化，气化剂携带燃料颗粒形成流态化，气流携带部分颗粒向上流动进入上段气化室，在二段烧嘴室12喷入的气化剂作用下发生二次气化反应，并建立稳定的床层，合成气通过反应器顶部出口18排出，并夹带有部分未完全反应的燃料颗粒，在一级旋风分离器2和二级旋风分离器3的作用下，颗粒被分离，分别通过回料腿16和17至返料装置，粗颗粒被第一旋风分离器2分离后，依次经下降料腿14、返料装置13和回料腿6直接返回气化炉1，细颗粒被第二旋风分离器3分离后返回粉体燃料仓23，形成循环气化，达到较高的循环倍率和气化效率，煤种可燃物被彻底转化。
气化反应装置中气化反应器1、一/二级旋风分离器2、3等设备均采用耐火材料衬里结构，向火面采用防磨耐火衬里。
气化剂可选择水蒸汽、氧气、富氧空气(O2体积浓度＞21％)和二氧化碳及其混合气体，氧气作为氧化剂不需达到一定的流量与燃料发生燃烧和气化反应。大部分气化剂从中心射流气化烧嘴8、布风板7和中心排渣管41送入，其余气化剂通过二段气化烧嘴室12喷入气化反应器。
以一台日处理量2000吨褐煤的复合式循环流化床气化反应装置为例。燃料煤的煤质数据见表1所示。气化反应装置的设计参数如下：
操作压力：4.0MPaG；
操作温度：1160℃；
气化剂：纯氧和水蒸汽；
碎煤燃料粒径：0～10mm，平均粒径6mm，总质量占比80％；
粉煤燃料粒径：0～200μm，平均粒径65μm，总质量占比15％，采用N2输送；
循环灰占粉体燃料给入总量5％；
反应器结构：下段气化室内径1100mm，高7500mm，上段气化室内径1750mm，高16800mm，锥形段缩口角度45°；
循环倍率：25；
气化剂分配：中心射流气化烧嘴占50％，布风板25％，二段烧嘴室15％、中心排渣管10％；
排渣温度：1000℃；
反应器内截面表观流速：～3.5m/s。
表1 燃料煤煤质分析数据
气化反应出口合成气主要气体组成：
CO：45.12；H2：38.08；CH4：4.32；CO2：4.59；H2O：5.75；N2：1.86
合成气流量：6870kmol/h；
合成气温度：1028℃；
水蒸汽消耗：11867kg/h；
氧气消耗：28534kg/h；
氮气消耗：450Nm3/h；
国内外同类技术代表性技术指标对比情况见表2所示。
表2 流化床气化反应技术指标对比
从表2的技术指标对中，可以得出，本发明专利所述的复合式循环流化床气化反应装置在氧气消耗、水蒸汽消耗等消耗指标上由于国内外同类技术，碳转化率高出约10个百分点以上，操作温度适中，实现了粉煤与碎煤同时进料气化，碳转化率达99％以上，产生煤灰可作为建材利用并无害化处理。
综上所述，本发明专利具有明显的技术创新优势，适用于燃料气化等转化利用的大规模推广应用。

Claims (10)

1.一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：由反应器本体、多级旋风分离器、颗粒燃料给入系统、粉体燃料给入系统、中心射流气化烧嘴和回料系统组成；
反应器本体包括气化炉本体(1)，反应器出口(18)设于气化炉本体(1)顶部，气化炉本体(1)底部设有中心排渣管(41)，布风板(7)同轴设于中心排渣管(41)上方，布风板(7)下方为气化剂分布室(9)；中心排渣管(41)内设有中心射流气化烧嘴(8)，中心排渣管(41)下方设有气化剂入口；气化炉本体(1)分为上、下两段气化室，上、下两段气化室通过锥形缩口段连接，上段气化室下端设有二段气化烧嘴室(12)，锥形缩口段下方、布风板(7)上方连接颗粒燃料给入系统和回料系统；
多级旋风分离器为至少两级旋风分离器串联，反应器出口(18)与一级旋风分离器(2)连接，一级旋风分离器(2)出口与二级旋风分离器(3)连接；经一级旋风分离器(2)分离下来的粗颗粒通过回料系统返回气化炉本体(1)下段气化室，经二级旋风分离器(3)分离下来的细颗粒通过粉体燃料给入系统进入中心射流气化烧嘴(8)，最终喷入气化炉本体(1)。
2.如权利要求1所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述中心排渣管(41)顶部为喇叭口结构，所述布风板(7)为锥形结构，中心排渣管(41)扩口端与布风板(7)缩口端相连接；中心射流气化烧嘴(8)、布风板(7)以及中心排渣管(41)同轴设置。
3.如权利要求1所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述颗粒燃料的粒径范围0～10mm，占燃料总量的60％～90％；粉体燃料粒径范围10～200μm，占燃料总量的10％～40％。
4.如权利要求1所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述上段气化室直径D1大于下段气化室直径D2，两者比值范围D1/D2＝1.1～3。
5.如权利要求1所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述颗粒燃料给入系统包括燃料仓(4)和燃料给料腿(5)，燃料仓(4)通过燃料给料腿(5)与气化炉本体(1)的下段气化室连接。
6.如权利要求1所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述回料系统包括第一返料装置(15)，所述一级旋风分离器(2)通过一旋回料腿(17)与第一返料装置(15)连接，第一返料装置(15)通过返料管(14)与第二返料装置(13)连接，第二返料装置(13)通过回料腿(6)连接所述气化炉本体(1)的下段气化室。
7.如权利要求1所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述粉体燃料给入系统包括粉体燃料仓(23)，所述二级旋风分离器(3)底部设有二旋下料腿(16)，二旋下料腿(16)连接粉体燃料仓(23)，除尘系统(22)与粉体燃料仓(23)连接，粉体燃料给料罐(25)通过粉体燃料锁斗(24)连接粉体燃料仓(23)，粉体燃料给料罐(25)通过粉体燃料入口(28)与所述中心射流气化烧嘴(8)连接。
8.如权利要求7所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述中心射流气化烧嘴(8)包括由内到外同轴设置的粉体燃料通道(32)、气化剂通道(31)、冷却剂进入通道(33)和冷却剂出口通道(34)，所述粉体燃料给料罐(25)通过粉体燃料入口(28)与粉体燃料通道(32)连接；所述中心射流气化烧嘴(8)中部设有一折角α，α范围90°～150°。
9.如权利要求1所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：所述布风板(7)与气化剂分布室(9)通过设于布风板上的布风板气化剂喷口(35)相通，所述气化剂分布室(9)连接气化剂入口管(10)；所述布风板(7)带冷却系统；所述布风板(7)上均匀设有5～30圈筛孔喷口(42)，每圈筛孔喷口(42)数量相等，每圈筛孔喷口(42)直径沿布风板径向递减，靠近中心排渣管(41)的筛孔喷口(42)直径最小，筛孔喷口(42)下方设有筛孔挡板(43)。
10.如权利要求8所述的一种复合式循环流化床气化反应装置，其特征在于：气化剂从所述中心射流气化烧嘴(8)、中心排渣管(41)、布风板(7)和二段气化烧嘴室(12)进入反应器本体，从中心射流气化烧嘴(8)进入反应器本体的气化剂占所有气化剂比例为20％～80％，中心射流气化烧嘴(8)上端喷口气化剂流速8～30m/s。
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