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1、(10)申请公布号 CN 102796566 A (43)申请公布日 2012.11.28 CN 102796566 A *CN102796566A* (21)申请号 201210306672.6 (22)申请日 2012.08.24 C10J 3/48(2006.01) C10J 3/46(2006.01) C10J 3/50(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区 100084 信箱 82 分箱清华大学专利办公室 申请人 无锡华光锅炉股份有限公司 (72)发明人 俞伟伟 吕俊复 杨海瑞 张海 刘青 沈解忠 李俊 韦志平 (74)专利代理机构 北京鸿元知。
2、识产权代理有限 公司 11327 代理人 邸更岩 (54) 发明名称 一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方法 (57) 摘要 一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方 法， 属于煤气化设备技术领域。 本发明包括顶部喷 嘴、 炉顶、 气化室、 排气口和底部排渣口。 顶部喷嘴 为带有内外旋流叶片的环形通道结构， 在气化室 侧壁布置至少一层四角切圆 O2喷嘴。煤粉气流和 水蒸气通过顶部喷嘴旋流进料， 炉顶区域形成旋 转向下的煤粉气流 ； 纯氧通过气化室侧壁四角切 圆 O2喷嘴进气， 在近壁区域形成切向高速旋转气 流。煤粉颗粒在高速旋转气流的离心力作用下在 炉壁表面形成的液态渣膜上发生膜式气化。本发 明有。
3、效增加了喷嘴寿命 ； 增加煤粉在炉内停留时 间， 提高了碳转化率 ； 形成的液态渣停留在壁面 上， 有效地保护炉壁 ； 多层布置的四角切圆 O2喷 嘴有效分散热负荷， 提高气化炉工作可靠性。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 4 页 1/1 页 2 1. 一种干煤粉旋风气流床气化炉， 包括气化室 （3） 、 位于气化室上部的炉顶 （2） 、 位于 炉顶上部的顶部喷嘴 （1） 、 布置在气化室下部的排气口 （4） 和底部排渣口 （5） ， 其特征在于 ： 。
4、所述的顶部喷嘴 （1） 采用环形通道结构， 在内通道布置内旋流叶片 （6a） ， 在外通道布置外 旋流叶片 （6b） ； 所述气化室侧壁沿高度方向布置至少一层四角切圆 O2喷嘴 （7） 。 2.如权利要求1所述的一种干煤粉旋风气流床气化炉， 其特征在于 ： 所述的炉顶 （2） 采 用半球形。 3.如权利要求1所述的一种干煤粉旋风气流床气化炉， 其特征在于 ： 所述的气化室 （3） 采用圆柱形， 所述的底部排渣口 （5） 采用圆锥形。 4. 一种采用如权利要求 1 所述气流床气化炉的干煤粉旋风气化方法， 其特征在于该方 法包括如下步骤 ： 1） 煤粉由 N2或 CO2携带， 通过顶部喷嘴中环形通。
5、道的内旋流叶片 （6a） 进入炉顶， 水蒸 气通过外旋流叶片 （6b） 进入炉顶， 在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流 ； 2） 气化用O2通过所述的气化室 （3） 侧壁上的四角切圆O2喷嘴 （7） 切向进入气化室(3)， 在离心力作用下旋转向下的煤粉气流在近炉壁区呈螺旋线轨迹自上向下缓慢运动， 煤颗粒 在炉壁表面的生成的液态渣膜上发生膜式气化 ； 3） 气化生成的粗煤气通过所述排气口 （4） 排出气化室， 生成的灰渣通过底部排渣口 （5） 排出气化炉。 权 利 要 求 书 CN 102796566 A 2 1/3 页 3 一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方法 技术领域 0001 本发明涉及旋。
6、风气流床气化炉及其气化方法， 特别涉及一种干煤粉旋风气流床气 化炉， 属于煤气化设备技术领域。 背景技术 0002 煤炭气化技术是发展煤基化学品生产、 煤基液体燃料 （合成油品、 甲醇、 二甲醚 等） 、 合成天然气 （SNG） 、 IGCC发电、 制氢、 燃料电池、 直接还原炼铁及多联产系统等过程工业 的基础， 是这些行业的公共技术、 关键技术和龙头技术。煤气化工艺一般分为移动床 （也称 为固定床） 、 流化床和气流床三种。这其中， 气流床气化技术因具有处理量大， 碳转化率高、 冷煤气效率高等优点已成为现代煤气化技术的主要发展方向。 0003 气流床煤气化的进料方式有两种 ： 水煤浆式和干煤。
7、粉式。干煤粉气流床气化技术 的典型代表有壳牌 （Shell） 、 普伦弗洛 （Prenflo） 和日立气化炉等， 相对于水煤浆进料， 干 煤粉气化的煤种适应性更强， 炉内气化温度更高， 冷煤气效率高等优点而取得快速的发展。 典型的干煤粉气流床气化炉如图 1 所示， 主要由喷嘴、 炉顶、 气化室、 排气口和排渣口等组 成， 经过干燥和制粉处理的煤粉自气化炉上部的喷嘴由 N2（或 CO2） 携带进入气化炉， 与 O2 和水蒸气一起在气化炉中进行反应。煤粉进入气化炉后经历了热解和挥发分燃烧、 半焦燃 烧气化反应和气化还原反应等主要过程。生成的粗煤气经过冷却、 除尘、 脱硫后收集， 液态 灰渣经过冷却。
8、、 破碎后由排渣口排出。 0004 气流床气化有两个主要特点， 一是运行温度比较高， 约为 1300 1600， 在炉内 形成的灰渣为液态， 其排渣方式为液态排渣 ； 另外一个特点是在气化炉内， 为了保护炉壁材 料和减少热损失， 采用 “以渣抗渣” 技术， 即气化产生的液态渣粘附在炉壁表面形成渣膜， 利 用其导热系数小的特点作为耐火衬里。 0005 从实际运行情况来看， 气流床气化技术目前还存在以下两个方面的主要问题。一 方面， 由于喷嘴出口处干煤粉与O2发生燃烧氧化放热反应， 导致气化烧嘴使用寿命不长。 干 煤粉气化炉的烧嘴寿命一般只有 1 年左右， 远小于煤粉燃烧锅炉的燃烧器平均 4-5 。
9、年的使 用寿命。另一方面， 干煤粉气化技术采用水冷内壁结合 “以渣抗渣” 技术， 由于负荷波动易 造成在壁面上形成的渣膜出现问题， 给气化炉的工作安全带来严重威胁。 发明内容 0006 本发明的目的在于 ： 提出一种干煤粉旋风气流床气化炉及其气化方法， 在不降低 气流床气化经济性的同时， 解决现有干煤粉气化炉喷嘴使用寿命不长和液态渣膜不稳定的 问题， 提高煤气化过程的工作可靠性。 0007 本发明的技术方案如下 ： 0008 一种干煤粉旋风气流床气化炉， 包括气化室、 位于气化室上部的炉顶、 位于炉顶上 部的顶部喷嘴、 布置在气化室下部的排气口和底部排渣口， 其特征在于 ： 所述的顶部喷嘴采 。
10、用环形通道结构， 在内通道布置内旋流叶片， 在外通道布置外旋流叶片 ； 所述气化室侧壁沿 说 明 书 CN 102796566 A 3 2/3 页 4 高度方向布置至少一层四角切圆 O2喷嘴。 0009 本发明所述的炉顶采用半球形， 所述的气化室采用圆柱形， 所述的底部排渣口采 用圆锥形。 0010 本发明还提供一种干煤粉旋风气化方法， 其特征在于该方法包括如下步骤 ： 0011 1） 煤粉由 N2或 CO2携带， 通过顶部喷嘴中环形通道的内旋流叶片进入炉顶， 水蒸 气通过外旋流叶片进入炉顶， 在炉顶区域形成旋转向下的煤粉气流 ； 0012 2） 气化用 O2通过所述的气化室侧壁上的四角切圆 。
11、O2喷嘴切向进入气化室， 在离 心力作用下煤粉气流在近炉壁区呈螺旋线轨迹自上向下缓慢运动， 煤颗粒在炉壁表面的液 态渣膜上发生膜式气化 ； 0013 3） 气化生成的粗煤气通过所述排气口排出气化室， 生成的灰渣通过底部排渣口排 出气化炉。 0014 本发明具有以下突出优点及效果 ： 从顶部喷嘴喷射出的煤粉由于没有O2助燃不 能燃烧放热， 在喷嘴出口处射流温度较低， 有效保护顶部喷嘴不被烧坏。 煤粉射流和氧气射 流的混合位置和交叉射流结构可以通过流场优化确定， 实现灵活度较大 ； 煤粉沿炉壁成 螺旋线运动， 受壁面液态渣粘滞力的影响， 运动缓慢， 大大延长了在炉内的停留时间， 同时 壁面处气流线。
12、速度最高， 气固混合传热传质强烈， 有利于提高煤粉颗粒气化的碳转化率 ； 煤粉气化后形成的液态渣将直接停留在壁面上， 有效地保护炉壁不受高温酸性气体的热侵 害和化学腐蚀侵害， 提高了气化炉的工作安全性 ； 四角切圆 O2喷嘴沿高度方向分一层或 者多层布置， 能够有效分散热负荷， 形成均匀的炉内温度场， 提高了气化炉工作可靠性。旋 风气流床气化炉能够有效解决当前煤粉气化炉在运行中暴露的问题， 在维持气流床气化炉 高效率的同时提高煤气化过程的可靠性。 附图说明 0015 图 1 为现有典型干煤粉气流床气化炉结构示意图。 0016 图 2 为本发明提出的一种干煤粉旋风气流床气化炉实施例的结构示意图。。
13、 0017 图 3 为顶部旋流喷嘴示意图。 0018 图 4 为球形炉顶内煤粉气流运动轨迹示意图。 0019 图 5 为侧壁四角切圆 O2啧嘴结构和旋转射流示意图。 0020 图 6 为气化室内煤粉气流运动轨迹示意图。 0021 图中标记 ： 1- 顶部喷嘴 ； 2- 炉顶 ； 3- 气化室 ； 4- 排气口 ； 5- 底部排渣口 ； 6a- 内旋 流叶片 ； 6b- 外旋流叶片 ； 7- 四角切圆 O2喷嘴。 具体实施方式 0022 下面结合附图进一步说明本发明的原理、 结构及实施方式。 0023 如图 2 所示， 本发明提供的一种干煤粉旋风气流床气化炉， 包括气化室 3、 位于气 化室上部。
14、的炉顶 2、 位于炉顶上部的顶部喷嘴 1、 布置在气化室下部的排气口 4 和底部排渣 口5。 所述的顶部喷嘴1为一旋流喷嘴， 如图3所示， 采用环形通道结构， 在内通道布置内旋 流叶片 6a， 在外通道布置外旋流叶片 6b ； 所述气化室侧壁沿高度方向布置至少一层四角切 圆 O2喷嘴 7。 说 明 书 CN 102796566 A 4 3/3 页 5 0024 煤粉由 N2或 CO2（取决于气化炉后续流程的要求） 携带， 通过顶部喷嘴 1 中环形通 道的内旋流叶片 6a 进入炉顶 2， 水蒸气通过外旋流叶片 6b 进入炉顶 2， 煤粉气流和水蒸气 在气化炉顶部区域形成向下的煤粉气流 （如图 4。
15、 所示） 。 0025 在气化室 3 侧壁上沿高度方向安装有至少一层四角切圆 O2喷嘴 7， 在气化室横截 面上， 四角切圆 O2喷嘴沿圆周方向均布四只 （如图 5 所示） ； 气化用 O2通过所述的气化室 3 侧壁上的四角切圆O2喷嘴7切向进入气化室， 四角切圆O2喷嘴中的射流与直径方向成一定 角度进入气化室， 喷嘴的射流延长线相交成内接圆， 在气化室近壁区域形成一股强劲的旋 转气流。这个旋转流场使煤粉气流发生偏斜并被卷吸到气化室壁面附近， 依附壁面成螺旋 线轨迹自上向下缓慢运动， 如图 6 所示。气化炉热态运行时， 会在筒壁上形成一层熔渣膜。 当煤粉气流进入气化室 3 后， 粒径较大的煤粉。
16、颗粒被从高速旋转的气流中分离出来， 经过 高温区干燥和热解， 在离心力的作用下被不断抛向筒壁的熔渣膜。随着渣层的流动和迅速 加热， 以及二次风旋流的高速冲刷， 煤粉、 纯氧和水蒸汽在高温条件下发生气化还原反应， 产生合成气。最终气化生成的粗煤气通过所述排气口 4 排出气化室， 生成的灰渣通过底部 排渣口 5 排出气化炉。 0026 相对于传统气流床气化炉， 本发明提出的一种干煤粉旋风气流床气化炉， 由于采 用了煤粉通过顶部喷嘴旋流进料， 纯氧通过气化室侧壁的四角切圆 O2喷嘴切向进气的设 计， 避免了顶部喷嘴处煤粉与 O2燃烧放热反应， 有效解决了干煤粉气流床气化炉喷嘴寿命 不长的问题。 利用。
17、高速旋转射流的离心力作用将煤粉颗粒分离出来并不断抛向熔融的液态 渣膜上， 使得气化室壁面液态渣层稳定， 有效保护了炉壁不受高温酸性气体的热侵害和化 学腐蚀侵害。沿壁面成螺旋线运动的煤粉在液态渣粘滞力的作用下运动缓慢， 大大增加了 在气化炉内的停留时间， 同时壁面气固传热传质强烈， 提高了煤粉颗粒气化的碳转化率。 本 发明提出的干煤粉旋风气流床气化炉在不降低气流床气化经济性的同时， 解决现有干煤粉 气化炉的问题， 提高煤气化过程的工作可靠性。 说 明 书 CN 102796566 A 5 1/4 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102796566 A 6 2/4 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 102796566 A 7 3/4 页 8 图 3 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102796566 A 8 4/4 页 9 图 6 说 明 书 附 图 CN 102796566 A 9 。