專利名稱：高溫閃速氣化裝置和工藝的制作方法
專利說(shuō)明高溫閃速氣化裝置和工藝 本發(fā)明涉及一種固體燃料氣化裝置和工藝，用于氣化處理工業(yè)垃圾、生活垃圾、造紙廠污泥、生物質(zhì)、低熱值煤和煤。我國(guó)固定床、流化床和氣流床煤氣化研究，已取得引人注目的成效，但對(duì)低熱值劣質(zhì)煤等原料，目前的裝置還難以取得較好的氣化效果。
垃圾焚燒，是減量化處理的有效方法。第一代垃圾焚燒爐以爐排層燃方式為主，少量采用回轉(zhuǎn)窯和流化床方式。上世紀(jì)末，出現(xiàn)了垃圾焚燒后，再將飛灰和爐渣進(jìn)行熔融處理，分解其中的二惡英的新技術(shù)。隨后，出現(xiàn)了將垃圾先在450～600℃時(shí)氣化，形成燃?xì)夂鸵子阼F、鋁等金屬回收的殘留物，再在另一熔融爐中進(jìn)行焚燒和抑制二惡英產(chǎn)生的技術(shù)，或?qū)⒗鴼饣蜌埩粑锶廴谔幚碇糜谝慌_(tái)爐子中的垃圾直接氣化熔融焚燒技術(shù)。這兩種處理方法均屬于第二代垃圾焚燒技術(shù)，共同特征是“低溫氣化+熔融焚燒”。第二代移動(dòng)床氣化爐，要在爐底部形成1700～1800℃的高溫區(qū)，需要焦碳等助燃，運(yùn)行費(fèi)用較高，氣體上升中產(chǎn)生偏流，不利于穩(wěn)定運(yùn)行；采用傳熱效率較差的外部加熱法，爐子尺寸大，需要較大投資；沒(méi)有脫除酸性氣體裝置，造成余熱鍋爐高溫腐蝕，影響氣化效率。
傳統(tǒng)生物質(zhì)氣化處理，采用中低溫氣化、固定床氣化工藝，如《農(nóng)村能源》2000第4期介紹的下吸或上吸式固定床氣化爐。該方法的氣化燃料范圍小，不適用于含水量高的生物質(zhì)，氣化反應(yīng)強(qiáng)度弱；氣固接觸時(shí)間有限，氣化反應(yīng)不完全，CO2含量大?！度剂匣瘜W(xué)學(xué)報(bào)》2000第4期介紹的流化床氣化解決了氣固接觸有限的問(wèn)題，但需要?dú)饣瘎饬魉俣容^快，導(dǎo)致燃?xì)庵袣饣瘎┻^(guò)剩，而且是采用空氣為氣化劑，降低了燃?xì)鉄嶂?。固定床和流化床生物質(zhì)空氣中低溫氣化燃?xì)鉄嶂递^低，而且燃?xì)庵械蜏亟褂秃慷啵夹椠嫶蟮娜細(xì)鈨艋到y(tǒng)。
《煤氣與熱力》2000第4期介紹了日本和美國(guó)某些公司研制出了一種高溫空氣氣化爐，如附圖2所示。它與中低溫固定床氣化相比，高溫使氣化反應(yīng)速度有所改善，但因氣化劑仍為普通空氣(含氧體積濃度21％)，用于氣化城市生活垃圾時(shí)，獲得的燃?xì)鉄嶂抵挥?.697MJ/Nm3，其結(jié)構(gòu)也為上吸式或下吸式固定床氣化爐，氣固接觸時(shí)間仍然有限。另外，氣渣混合物須穿過(guò)卵石間隙，工業(yè)應(yīng)用時(shí)氣流通道易發(fā)生堵塞。為克服中低溫氣化的氣化強(qiáng)度弱，固定床氣化氣固接觸有限和流化床氣化燃?xì)鉄嶂档偷娜秉c(diǎn)，本發(fā)明提出一種高溫閃速氣化的裝置和工藝。
本發(fā)明采用有色冶金和生物化工領(lǐng)域中成熟的閃速傳熱傳質(zhì)技術(shù)，結(jié)合能源領(lǐng)域中高溫燃燒技術(shù)和強(qiáng)化氣化反應(yīng)技術(shù)，采用高溫閃速氣化。本發(fā)明裝置主要包括閃速氣化塔和集渣池。氣化塔內(nèi)為高溫氣化區(qū)，塔頂設(shè)置有小流量的輔助高溫氣化劑通道。輔助氣化劑，沿垂直于燃料注入的方向，以超過(guò)100m/s的速度水平噴向燃料。燃料在輔助氣化劑作用下，速度方向由垂直改變?yōu)樗?，與垂直噴入的主氣化劑混合，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了燃料較均勻地懸浮分散于高溫氣化區(qū)，而且實(shí)現(xiàn)了燃料和氣化劑充分接觸。燃料顆粒懸浮于高溫氣化區(qū)，延長(zhǎng)了燃料在高溫氣化區(qū)里的行程和停留時(shí)間。集渣池中部設(shè)有具有穩(wěn)定氣化區(qū)溫度、捕獲未反應(yīng)的固體碳并使其繼續(xù)氣化等功能的熱穩(wěn)定器。熱穩(wěn)定器內(nèi)設(shè)有供熔渣流過(guò)的空隙通道。熱穩(wěn)定器上下氣相空間連通，上部空間為合成燃?xì)馔ǖ?，連接著高溫氣化區(qū)和合成燃?xì)庖隹?。高溫加快了氣化反?yīng)的進(jìn)行，使得原料在懸浮下落到熱穩(wěn)定器前能充分反應(yīng)，并且使得CO2在離開(kāi)高溫氣化器內(nèi)能最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)镃O。從高溫氣化區(qū)流出的合成燃?xì)?，?jīng)過(guò)至少二次改變速度方向分離混于其中的熔渣后，離開(kāi)高溫閃速氣化器。離開(kāi)高溫閃速氣化器的燃?xì)釩O2體積濃度極低、熱值接近或達(dá)到中熱值水平。氣化劑為含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣，或含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣和體積濃度為5～40％的高溫水蒸汽?？刂戚o助氣化劑和主氣化劑流量，達(dá)到總空氣系數(shù)在0.1～0.5范圍內(nèi)。氣化劑和氣化區(qū)溫度為800～1600℃，高于灰渣熔點(diǎn)。
本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)低品位、低密度和低熱值燃料能源有效地集中利用，氣固兩相接觸時(shí)間充分，氣化反應(yīng)快，氣化效果好。氣化器具有較大的表面積和蓄熱能力，能起到延長(zhǎng)氣化時(shí)間和穩(wěn)定氣化溫度的作用，對(duì)燃料的熱值、成分和種類，均有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，同時(shí)可減少燃?xì)饨褂秃亢投河⑴欧拧?br> 本發(fā)明裝置規(guī)?？纱罂尚。捎行У貧饣幚砻汉透鞣N低熱值燃料(如低熱值煤、生物質(zhì)燃料和生活垃圾、造紙廠黑色廢渣、農(nóng)業(yè)廢渣谷殼、蔗渣，以及可更新的植物-樹(shù)木)，也可用于中小型企業(yè)就地氣化處理低熱值工業(yè)廢料。
本發(fā)明針對(duì)松木屑，采用高溫富氧空氣/水蒸汽氣化，可獲得接近于中熱值(6～10MJ/Nm3)的合成燃?xì)?。采用高溫純氧氣化，可獲得中熱值(13.1MJ/Nm3)燃?xì)狻?br>
圖1為本發(fā)明所設(shè)及的裝置原理示意圖；圖2為高溫空氣氣化爐結(jié)構(gòu)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明裝置和工藝作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明裝置由閃速氣化塔1和集渣池2組成。集渣池2上層為合成燃?xì)馔ǖ?1，連接著高溫氣化區(qū)和合成燃?xì)庖隹?3；中間設(shè)有熱穩(wěn)定器8，它的上下氣相空間連通，用來(lái)穩(wěn)定氣化塔1溫度；下層為液渣區(qū)10。
閃速氣化塔1上設(shè)置圓形輔助氣化劑噴入通道3、圓環(huán)形燃料粉末或顆粒注入通道4、圓環(huán)形主氣化劑噴入通道5。輔助氣流可起到分散燃料的作用。輔助氣化劑3沿垂直于燃料注入方向以超過(guò)100m/s的水平高速噴向垂直下落的燃料。燃料在輔助氣化劑3作用下，速度方向由垂直改變?yōu)樗?，再與垂直噴入的含氧體積濃度為21～100％的主氣化劑5混合，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了燃料較均勻地分散于高溫氣化區(qū)，而且實(shí)現(xiàn)了燃料和氣化劑充分接觸。高溫閃速氣化塔1耐火材料內(nèi)襯6設(shè)置水冷套7，以延長(zhǎng)氣化塔1內(nèi)襯6的使用壽命。氣化器內(nèi)氣化操作溫度為800～1600℃，高于灰渣熔點(diǎn)溫度，操作壓力為常壓。
集渣池2分三層。上層為合成燃?xì)馔ǖ?1，連接著氣化區(qū)和合成燃?xì)庖隹?3。中層為蓄熱體熱穩(wěn)定器8，高效地集渣，穩(wěn)定氣化塔1溫度，還可以阻碳。本發(fā)明正常工作時(shí)，熱穩(wěn)定器8上下氣相空間連通。生成的灰渣落至液渣室10，極少數(shù)未完全反應(yīng)的含碳固體物質(zhì)被熱穩(wěn)定器8捕獲，和合成燃?xì)庵械腍2O、CO2等成分接觸，進(jìn)一步完成氣化反應(yīng)，提高碳轉(zhuǎn)化率。夾帶液態(tài)熔渣的合成燃?xì)?，從高溫氣化區(qū)流至熱穩(wěn)定器8上部的空間11，再流至呈上升狀的圓形通道引出口13，發(fā)生二次速度方向改變90°，加上重力作用，能將少數(shù)混在合成燃?xì)庵械囊涸蛛x。
灰渣以熔融態(tài)排出裝置。熱穩(wěn)定器8，為耐高溫的顆粒狀物質(zhì)，或耐高溫的整體狀蓄熱板物質(zhì)。顆粒間空隙便是排放灰熔渣的通道9。整體狀蓄熱板內(nèi)有蜂窩狀孔道，孔道形狀為直線型或折線型?；以渲良?時(shí)，極少數(shù)未反應(yīng)的含碳物質(zhì)被熱穩(wěn)定器8捕獲，進(jìn)一步和H2O、CO2等接觸進(jìn)行反應(yīng)。
本發(fā)明所用氣化劑為含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣，或含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣和體積濃度5～40％的高溫水蒸汽。氣化劑溫度800～1600℃，高于灰渣熔點(diǎn)?？刂戚o助氣化劑和主氣化劑流量，達(dá)到總空氣系數(shù)在0.1～0.5范圍內(nèi)。
粉末或顆粒狀低熱值固體燃料，從閃速氣化塔1頂部圓環(huán)形通道4注入高溫氣化區(qū)。在沿垂直于燃料下落方向噴入的輔助(分散)氣化劑作用下，燃料均勻地懸浮充滿于高溫氣化反應(yīng)區(qū)，在溫度高于灰渣熔點(diǎn)條件下以懸浮狀態(tài)和主氣化劑充分接觸。高溫氣化區(qū)在不同高度處有不同的溫度和不同的還原氣氛濃度。高溫，促使氣化區(qū)內(nèi)發(fā)生快速氣化反應(yīng)，使燃料在下落到集渣池2中部的熱穩(wěn)定器8前，有足夠長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生充分的碳燃燒反應(yīng)、布多爾反應(yīng)、水煤氣合成反應(yīng)和甲烷合成反應(yīng)，從燃?xì)庖隹?3排出的燃?xì)庵蠧O2濃度極低。高溫氣化區(qū)內(nèi)復(fù)雜的氣化反應(yīng)，可歸結(jié)為吸熱和放熱反應(yīng)兩大類
根據(jù)原料成分優(yōu)化操作參數(shù)后，實(shí)現(xiàn)吸熱量和放熱量大致相等，維持氣化塔1操作溫度基本恒定。得到的中熱值燃?xì)庥蓺饣魅細(xì)庖隹?3排出。液渣區(qū)10內(nèi)熔渣到一定高度時(shí)或定期從放渣口12排放。
權(quán)利要求
1.一種固體燃料氣化裝置，包括閃速氣化塔和集渣池，其特征在于氣化塔頂部設(shè)置有輔助氣化劑噴入通道，集渣池設(shè)置有熱穩(wěn)定器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣化裝置，其特征在于所述的熱穩(wěn)定器為耐高溫的球狀物質(zhì)，或耐高溫的整體狀蓄熱板物質(zhì)，整體狀蓄熱板內(nèi)有蜂窩狀孔道，孔道形狀為直線型或折線型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣化裝置，其特征在于所述的耐高溫的整體狀蓄熱板內(nèi)有蜂窩狀孔道，孔道形狀為直線型或折線型。
4.一種用于權(quán)利要求1所述的氣化裝置的氣化工藝，其特征在于高溫氣化劑分輔助氣化劑和主氣化劑兩部分供入氣化區(qū)，粉末或顆粒狀固體燃料，從圓環(huán)形通道注入氣化區(qū)，輔助氣化劑沿水平方向高速噴向下落的燃料，燃料速度方向由垂直改為水平，再與主氣化劑混合，燃料均勻地懸浮分散于氣化區(qū)，塔內(nèi)發(fā)生高溫快速氣化反應(yīng)，使得燃料在下落到集渣池前能充分反應(yīng)，最大限度將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镃O，將燃?xì)鉄嶂堤岣叩浇咏蛘咧袩嶂邓健?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣化工藝，其特征在于氣化劑為含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣，或含氧體積濃度21～100％的高溫富氧空氣和體積濃度5～40％的高溫水蒸汽，氣化劑溫度800～1600℃，高于灰渣熔點(diǎn)，控制輔助氣化劑和主氣化劑流量，達(dá)到總空氣系數(shù)在0.1～0.5范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣化工藝，其特征在于氣化溫度為800～1600℃。
全文摘要
本發(fā)明是一種固體燃料氣化裝置和工藝，用于氣化各種熱值的煤，工業(yè)、醫(yī)療及生活垃圾和生物質(zhì)。溫度高于渣熔點(diǎn)的富氧空氣或富氧空氣與水蒸汽混合物氣化劑，分輔助氣化劑和主氣化劑供入高溫氣化區(qū)。粉末或顆粒狀燃料，在高速噴入的輔助氣化劑作用下由自由下落改為水平分散。燃料在氣化區(qū)呈懸浮狀發(fā)生高溫快速氣化反應(yīng)，并在離開(kāi)氣化區(qū)前充分反應(yīng)，最大限度將CO
文檔編號(hào)F23G5/027GK1673623SQ20051003131
公開(kāi)日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者蔣紹堅(jiān), 艾元方, 蔣受寶 申請(qǐng)人:中南大學(xué)