專利名稱：一種固體含碳原料的高溫氣化裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉一種固體含碳原料的高溫氣化裝置，特別是用于由可再生燃料、礦物燃料、生物質或垃圾等制造可燃氣體、合成氣體和還原氣體的高溫氣化設備。本發(fā)明可使用在動力設施、化學工業(yè)和冶金行業(yè)中，以高效的制造可燃氣體、合成氣體和還原氣體，用于發(fā)動機、合成過程、礦石還原和生鐵生產(chǎn)等。
背景技術：
目前存在相當多的氣化方法，他們基本上可分為固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化三大類。
在移動床氣化爐里，氧化劑被吹入氣化爐底部，產(chǎn)生的粗燃料氣通過固定燃料床向上移動，隨著床底部的供料消耗，固體燃料逐漸下移。移動床的限定特性是逆向流動，在粗燃料氣流經(jīng)床層時，被進來的給料冷卻，而給料被干燥和脫去揮發(fā)分。因此在氣化爐內上下溫度顯著不同，底部溫度為1000℃或更高，頂部溫度大約500℃。燃料在氣化過程中脫除揮發(fā)分意味著輸出的燃料氣含大量焦油成分和甲烷，使得后續(xù)的處理工序復雜。
流化床氣化爐的重要特點是不能讓原料灰過熱，以防灰熔化黏結在一起導致流化床的流態(tài)化作用停滯，一般用空氣作為氧化劑，保持溫度低于1000℃，適用于灰熔點高的原料氣化。
氣流床氣化爐的主要特性是溫度非常高，且均勻，氣化爐內的燃料滯留時間非常短，由于這一原因，給進氣化爐的固體必須被細分并均化，所以在原料進入反應器之前一般進行低溫干餾分離，氣流床氣化爐內的高溫使燃料中的灰溶解，并作為熔溶渣排出。
綜合所述，移動床氣化爐和流化床氣化爐的工作環(huán)境相對溫和，對材料的性能要求也較低，相應的投資也就低，但生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質量較差，氣流床氣化爐具有燃料適用范圍寬、單爐生產(chǎn)能力大和合成氣品質高等特點，但對材料的要求高，投資高。如果克服了氣流床氣化爐的這個缺點，將是氣化工藝的首選。
無論是含碳顆粒的燃燒還是氣化還原反應，隨著反應的進行，灰越來越多，反應速率越來越低，但在相同的溫度下，燃燒速度要比氣化還原速度高的多，要提高碳的轉化率，有幾個途徑可選一是提高反應溫度，二是提高原料在爐內的停留時間，三是將未完全氣化的含碳灰渣回收進入燃燒室將剩余碳燃燒掉。如果提高反應的溫度，將極大的縮短耐火材料的壽命，不僅增加了維修費用，還使生產(chǎn)不能長周期連續(xù)運行，如果采用水冷管掛渣保護的方法，可以提高設備壽命，維持長周期運行，但不得不在能量方面和氣化劑需求方面作出許多妥協(xié)，因為要保持一定厚度的固態(tài)渣層，水冷管要帶走很多有效熱能，同時必須借助附加的熱保持渣的流動和排出，這些措施導致需要大量的氧氣、降低氣化氣體的熱值，并因而導致整個氣化過程放熱效率低，對于灰熔點低的原料，這種妥協(xié)是可以接受的，對于高灰熔點原料是很難接受的。我國目前的高硫、高灰分、高灰熔點煤之所以難以氣化，原因就在于此。
在上述各氣化設備中的一個共同特點就是氧化和還原反應均在同一個空間內進行，所以，對于采用耐火材料砌襯的氣化爐，燃燒區(qū)和還原區(qū)的耐火材料承受幾乎同樣的高溫，每次維修幾乎要更換所有的耐火材料；對于采用水冷壁掛渣保護的氣化爐，爐內溫度要保證每一部分水冷壁上固態(tài)渣的一定厚度和外層渣的流動性，浪費很多的有效能，降低了合成氣的熱值；同時也很難在這樣的氣化爐上采取增加原料行程、在整個空間內使含碳顆粒與氣化劑充分混合的有效措施。即使有的氣化爐將燃燒室和還原室分開設計，但并沒有完全分立，并沒有避免上述缺陷，如中國專利98810657.4，該專利與目前的氣流床汽化爐一樣還不能真正做到將氧化反應和還原反應分別控溫，特別是燃燒室產(chǎn)生的液態(tài)渣要經(jīng)過還原室排出，高速氣流必然使部分液態(tài)渣彌漫在還原室，噴入還原室的固體含碳粉狀原料不可避免與彌漫在還原室中的液態(tài)渣滴混合團聚掉入下面渣池，降低碳轉化率。因此，尋找一種既不增加維修費用、又能維持長周期運行，同時又能提高碳轉化率的方法和設備，使這個方法和設備有寬的原料適用范圍和溫度范圍成為當務之急。

發(fā)明內容
本發(fā)明的固體含碳原料的高溫氣化裝置的目的之一是利用氣流床氣化爐具有燃料適用范圍寬、單爐生產(chǎn)能力大和合成氣品質高的優(yōu)點，克服其對材料的要求高，投資高的缺點，并解決燃燒產(chǎn)生的液態(tài)渣對還原反應的影響，提高碳轉化率；目的之二是增加原料反應行程、在整個空間內使含碳顆粒與氣化劑充分混合的有效反應，提高碳轉化率；目的之三是將燃燒室和還原室完全分開設計，真正作到對燃燒和還原的溫度分別控制，降低有效能損失，提高原料適用范圍和溫度范圍。
本發(fā)明的技術方案本發(fā)明的固體含碳原料的高溫氣化裝置包括燃燒室及與其結合的組合式燃燒器、凝渣降溫連通通道、還原室，還原室壁上有粉狀含碳原料噴射管，本高溫氣化裝置采用分體式結構，將還原室與燃燒室分為兩個獨立的爐體，燃燒室底部布置有液態(tài)排渣池和出渣口，還原室底部布置有事故渣池和出渣口，燃燒室與還原室之間布置有凝渣降溫連通通道。
所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，還原室內布置有提高含碳顆粒反應行程以及增強湍流反應強度的導流結構。
所述的導流結構采用迂回式導流結構包括與連通通道氣化劑入口連通的中央豎直開口管，直徑大于豎直開口管的鐘罩狀殼體與豎直開口管開口有一定距離對口倒罩在開口上方，將還原室分隔成內外多層迂回通道。
所述的導流結構采用切向旋轉導流結構，即在還原室的氣化劑入口處布置切向導流板或將連通通道出口布置為與還原室內壁相切的入口，同時將粉狀燃料噴射管噴射方向與還原室氣體旋轉方向逆向布置。
所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，還原室壁上的粉狀燃料噴射管分布在壁周圍，噴射管可以布置在還原室壁的上下不同位置。
所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，還原室壁上的粉狀燃料噴射管出口分布在還原室內外多層迂回通道。
所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，還原室出口處設有聚冷裝置。
所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，一個還原室配置兩個燃燒室。
所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，燃燒室與還原室之間的連通通道與水平方向成5～20°角，即燃燒室出口低于還原室入口。
本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明本著不增加維修費用、維持長周期運行、提高碳轉化率、提高原料適用范圍和溫度范圍的原則，提出一種簡化的方法和設備，克服上述氣化爐的缺陷，尤其對高灰熔點含碳原料的氣化具有重要意義1.本發(fā)明將燃燒室和還原室完全分開，通過組織強漩流場使燃燒室產(chǎn)生的大部分液態(tài)渣被甩到燃燒室壁上流入燃燒室下面的渣池不再經(jīng)過還原室而直接排出，連通通道上設置的凝渣管進一步將未被燃燒室完全捕集的液態(tài)渣捕集，避免了燃燒室產(chǎn)生的液態(tài)渣對還原室內還原反應的影響，提高了碳轉化率。
2.本發(fā)明將燃燒室和還原室完全分開，可根據(jù)兩個反應各自的需要分別設定溫度范圍，分別制造燃燒室和還原室，還原室的溫度通過設置在連通同通道上的降溫控制裝置調節(jié)，使還原室的環(huán)境相對溫和，可采用相對廉價的材料制造，有利于在滿足工質要求的前提下降低設備造價，并使有效能損失大大降低；3.本發(fā)明利用燃燒速率比氣化速率高很多的原理，設計燃燒和還原的溫度環(huán)境，保證燃燒室溫度高于含碳原料灰熔點溫度100℃～200℃，能夠將還原室回收的剩余碳全部燒掉；4.灰熔點低的原料氣化，燃燒室采用水冷壁掛渣保護，如果原料種類不穩(wěn)定，灰熔點有高有低，則采用耐火砌襯，燃燒室一備一用的設計思想保證了系統(tǒng)長周期運行，且能夠使用相對廉價的耐火材料；5.單獨設立還原室，可以設計迂回式結構或旋流結構，提高含碳顆粒反應行程以及增強湍流反應強度，提高了碳轉化率；6.本發(fā)明繼承了傳統(tǒng)氣流床氣化器燃料適用范圍寬、生產(chǎn)能力大和合成氣品質高的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的分體式反應裝置結構圖。
圖2是還原室導流結構暨圖1的A-A剖視圖。
圖3是還原室旋流結構示意圖一。
圖4是還原室旋流結構示意圖二。
圖5是燃燒室一用一備設計示意圖。
圖6是連通通道凝渣降溫功能的其它實現(xiàn)形式。
圖7是本發(fā)明的應用流程圖。
具體實施例方式
如圖1本發(fā)明的分體式反應裝置包括燃燒室9及與其結合的組合式燃燒器1，還原室13與燃燒室9分離，還原室13的壁周圍分布上下多層粉狀燃料的噴射管17、18、19。燃燒室與還原室之間有將氣化劑送入還原室的連通通道25，連通通道25上有凝渣降溫控制裝置11，燃燒室的底部有渣池10及出渣口22、給水口23和溢水口24，還原室的底部有事故渣池12及除渣口22.1、給水口23.1和溢水口24.1。還原室出口16處設有聚冷裝置15。這里使用組合式燃燒器1，燃料通過口4進入燃燒室，燃燒用氧化劑可通過空氣口3或氧氣口7進入燃燒室，含碳灰渣和添加物等從口8進入，點火用燃料和空氣分別從口2、5進入，6為火焰監(jiān)測器。組合燃燒器頭部采用耐熱鋼，并用流動介質如空氣等冷卻保護。為了減少熱損失，燃燒室壁設有耐火砌襯21，也可設水冷管20，調節(jié)燃燒室溫度，同時制造水蒸氣。燃燒室與還原室之間的連通通道25與水平方向成角a＝5～20°，即燃燒室出口低于還原室入口。
還原室內有引導氣體迂回的導流結構。
如圖1、圖2導流結構包括與連通通道氣化劑入口連通的中央豎直開口管26和直徑大于豎直開口管的鐘罩狀殼體14與豎直開口管26的開口有一定距離對著開口，同軸罩著豎直開口管26的開口，將還原室分隔成內外多層。還原室壁上的粉狀燃料噴射管出口分布在還原室內外多層空間。圖2中黑點表示氣流向上升，圈中加十字表示氣流向下迂回。
圖3、圖4是還原室旋流結構的實施例圖3的旋流結構是通過入口25切向進入還原室13造成旋流，含碳粉狀原料噴管17噴射方向與氣化劑旋流方向逆向布置。圖4的旋流結構是通過在氣化劑入口加導流板30，使氣化劑切向進入還原室13造成旋流，含碳粉狀原料噴管17噴射方向與氣化劑旋流方向逆向布置。
還原室內設置導流結構或旋流結構的目的是提高含碳顆粒反應行程以及增強湍流反應強度，提高碳轉化率。因此，為達到上述目的導流結構或旋流結構可以有很多形式，不限于上述實施例。
圖5是燃燒室一用一備設計示意圖一個還原室13配置兩個燃燒室9、9.1，25是連通通道，31是切換閥。
圖6是連通通道降溫冷凝功能的其它實現(xiàn)形式示意圖。
圖7是本發(fā)明的應用流程圖燃料與氧化劑分別從口4、7通過燃燒器1進入燃燒室9內燃燒生成主要成分為CO2和H2O的氣化劑，并形成液態(tài)渣，掉入下部渣池10，氣化劑進入凝渣降溫連通通道25，進一步捕集未被燃燒室完全捕捉的液態(tài)渣并進行降溫處理，冷凝捕集的灰渣送回燃燒室渣池10，除渣降溫的氣化劑進入還原室13與噴射管17噴入還原室13的含碳粉狀原料進行還原反應，CO2還原為CO，水蒸氣還原為H2，合成氣攜帶未完全轉化的灰渣離開反應器還原室的出口16經(jīng)過換熱器29降溫，在后續(xù)除塵設備27中捕集，凈化的含CO、H2的合成氣體除塵設備27的出口輸出。
除塵器分離出的未完全反應的含碳灰渣由管道8送回燃燒室9將剩余碳燒掉，相同溫度和同樣的灰含量下，燃燒速度比氣化速度大的多，使在燃燒室內快速燒掉剩余碳成為可能。
燃燒室內溫度控制在1300℃～1800℃，高于灰熔點溫度100℃～200℃，要保證能夠將還原室回收的剩余碳充分燃燒并使灰熔化，正因為含碳顆粒在相同溫度和相同的灰含量下，燃燒速度比氣化速度大的多，才使我們有機會將還原室的剩余碳全部燒掉，燃燒室是采用耐火砌襯還是采用水冷壁掛渣保護，則根據(jù)所要求的溫度以及經(jīng)濟分析來決定，采用水冷壁掛渣保護，保證長周期運行，但要浪費很多有效能，溫度太高時，會使冷氣效率變的很低，但相對燃燒和還原在同一空間進行的氣化爐來說，浪費掉的有效能要少的多。如選用耐火砌襯，可設計兩個燃燒室，一備一用，可在保證整個系統(tǒng)的長周期運行的前提下，選用較經(jīng)濟的耐火材料，但也要考慮維修費用。
在氣化劑送入還原室前由凝渣降溫度控制裝置11進行除渣降溫，降溫到1100～1400℃。
還原室選擇較低的溫度范圍，還原室平均溫度控制在1000℃～1300℃，可保證一定的碳轉化率前提下，使還原室能夠采用相對廉價的材料，以節(jié)約投資。還原室采用抗侵蝕耐熱不粘渣材料進行迂回式結構設計或旋流結構設計，含碳粉狀原料可分級供入，充分利用還原室空間，使每部分反應物都是充分混合的，使反應更加充分，也使溫度分布更加緩和，在反應器出口下部可設置驟冷裝置15，調節(jié)合成氣出口溫度，也可在外層適當位置噴入含碳粉狀原料來冷卻合成氣，并進一步產(chǎn)生部分合成氣。
本發(fā)明的設計思想使燃料的適用范圍和溫度范圍極大擴充，燃燒室的溫度可控制在1300℃～1800℃，還原室的平均溫度可控制在1000℃～1300℃，灰熔點在1000℃～1650℃的含碳原料均適用。
本發(fā)明針對高溫氣化反應器提出了一種分體式反應裝置，提高了原料適用范圍和溫度范圍，尤其對高灰熔點含碳原料的氣化具有重要意義。以下列舉實施例具體說明本發(fā)明。
本實施例采用灰熔點為1650℃的可再生燃料和礦物燃料、生物質或垃圾等制作的含碳原料。它的具體實施方式
如圖5所示燃氣與氧化劑分別經(jīng)過4、7口進入單獨的燃燒室內，在低于化學計量比的情況下燃燒，同時也燃燒從除塵設備27回收的含碳粉狀燃料，將剩余碳燃燒完全，燃燒溫度控制在1750℃～1800℃，確保將灰熔化形成液態(tài)渣即可，如果使用更高的燃燒溫度，將浪費更多有效能，降低設備壽命。燃燒器要求帶有強旋流裝置，將液態(tài)渣甩到器壁上，并流入下部的渣池10，燃燒生成的主要成分為CO2和H2O的氣化劑，氣化劑經(jīng)過凝渣連通通道25，凝渣降溫控制裝置11將未被燃燒室完全捕集的液態(tài)渣冷凝捕捉送回燃燒室渣池10，同時將氣化劑溫度調節(jié)到1300℃左右。將除渣降溫的氣化劑送入還原室13，與分級噴入還原室含碳粉狀原料在1100℃～1200℃的平均溫度下進行還原反應，還原生成含CO、H2的合成氣體。在這一溫度范圍內，CO、H2的總生成速率變化不大，但還原溫度的高低影響CO和H2的比例，所以選擇哪一個具體的還原溫度，要根據(jù)合成氣的用途來定，當然溫度越低，設備壽命越長。對于連通通道的凝渣降溫功能，也可以采用其他實現(xiàn)方式，如圖6，連通通道前部設置冷凝器11，捕集的渣進入燃燒室的渣池10，后面設置水蒸氣噴射裝置32，進一步調節(jié)氣化劑溫度?？傊?，連通通道的凝渣降溫功能有多種實現(xiàn)形式，不限于上述實施例。
還原室13采用特殊的結構設計采用抗侵蝕、耐熱不粘渣材料，將還原室制成迂回式結構，燃料可分級供入，充分利用反應空間并加大粉狀燃料的行程提高碳轉化率，合成氣攜帶灰渣一起流動，在還原室出口16處設置驟冷裝置15，將出口溫度調節(jié)到700℃～900℃，驟冷劑可以是水蒸汽、冷的合成氣，甚至是含碳粉狀燃料(可生成部分合成氣)。然后，合成氣帶著未完全轉化的灰渣離開還原室13，被送入高溫除塵器27，凈化的合成氣從出口28進入下一流程，收集的灰渣由管道8送入燃燒室9，將剩余碳完部燒掉，形成液態(tài)渣進入燃燒室9下部的渣池10。
本發(fā)明的核心是將還原室與燃燒室完全分立，燃燒室與還原室之間用連通通道連通，將燃燒室內形成的液態(tài)渣不經(jīng)過還原室而直接從燃燒室的渣池排出，并根據(jù)燃燒和還原兩個反應各自的需要分別設定溫度范圍。因此，凡是將還原室與燃燒室分立，將燃燒室內形成的液態(tài)渣不經(jīng)過還原室而直接從燃燒室的渣池排出，并根據(jù)燃燒和還原兩個反應各自的需要分別設定溫度范圍。均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種固體含碳原料的高溫氣化裝置，包括燃燒室及與其結合的組合式燃燒器、凝渣降溫連通通道、還原室，還原室壁上有粉狀含碳原料噴射管，其特征在于本高溫氣化裝置采用分體式結構，將還原室與燃燒室分為兩個獨立的爐體，燃燒室底部布置有液態(tài)排渣池和出渣口，還原室底部布置有事故渣池和出渣口，燃燒室與還原室之間布置有凝渣降溫連通通道。
2.根據(jù)權利要求1所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于還原室內布置有提高含碳顆粒反應行程以及增強湍流反應強度的導流結構。
3.根據(jù)權利要求2所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于導流結構采用迂回式導流結構包括與連通通道氣化劑入口連通的中央豎直開口管，直徑大于豎直開口管的鐘罩狀殼體與豎直開口管開口有一定距離對口倒罩在開口上方，將還原室分隔成內外多層迂回通道。
4.根據(jù)權利要求2所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于導流結構采用切向旋轉導流結構，即在還原室的氣化劑入口處布置切向導流板或將連通通道出口布置為與還原室內壁相切的入口，同時將粉狀燃料噴射管噴射方向與還原室氣體旋轉方向逆向布置。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于還原室壁上的粉狀燃料噴射管分布在壁周圍，噴射管可以布置在還原室壁的上下不同位置。
6.根據(jù)權利要求3所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于還原室壁上的粉狀燃料噴射管出口分布在還原室內外多層迂回通道。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于還原室出口處設有聚冷裝置。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于一個還原室配置兩個燃燒室。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的固體含碳原料的高溫氣化裝置，其特征在于燃燒室與還原室之間的連通通道與水平方向成5～20°角，即燃燒室出口低于還原室入口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體含碳原料的高溫氣化裝置，包括燃燒室及與其結合的組合式燃燒器、還原室，還原室壁上有粉狀含碳原料噴射管，本高溫氣化裝置采用分體式結構，將還原室與燃燒室分離，燃燒室底部布置有液態(tài)排渣池和出渣口，還原室底部布置有事故渣池和出渣口，燃燒室與還原室之間布置有將高溫氣化劑送入還原室的連通通道。連通通道上布置有凝渣降溫控制裝置。還原室內布置有提高含碳顆粒反應行程以及增強湍流反應強度的導流結構。導流結構采用迂回式導流結構包括與連通通道氣化劑入口連通的中央豎直開口管，和直徑大于豎直開口管的鐘罩狀殼體與豎直開口管開口有一定距離對口罩在開口上方，將還原室分隔成內外多層迂回通道。
文檔編號C10J3/00GK1935951SQ20061012457
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月21日 優(yōu)先權日2006年9月21日
發(fā)明者楊占春, 張澤, 林沖, 張超, 呂鋒杰, 金沙楊, 宋侃, 李宏 申請人:武漢凱迪科技發(fā)展研究院有限公司