水冷壁加压流化床气化炉及气化方法与流程

1.本发明涉及气化技术领域，具体涉及一种水冷壁加压流化床气化炉及气化方法。

背景技术：

2.流化床气化炉是指用气化剂将0~10mm的小颗粒气化原料吹起至具有流体的表观特征的流化状态进行气化反应的场所；在反应炉膛内，气化原料剧烈的搅动和返混与气化剂充分接触，进行着化学反应和热量传递；现有技术的流化床气化炉是壳体内衬耐火砖形式，炉内灰渣会对耐火砖侵蚀并且煤气化中的气固介质会渗透到耐火砖的缝隙中造成耐火砖开裂、损毁甚至大片脱落的现象，气化炉壳体局部超温造成巨大安全隐患。常压流化床气化炉炉内气流密度低，气流速度较高、出炉合成气带出固体颗粒较多；常压下气化反应所占气化空间大，以容积计的气化强度比加压工况要小得多；常压气化生成合成气压力等级低，不利于后续直接连接合成气的变换和净化等工艺；综上，对于流化床气化工艺有必要设计一种水冷壁加压流化床气化炉来解决上述问题。

技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种水冷壁加压流化床气化炉及气化方法，该结构及方法在运行过程中克服了炉内灰渣对耐火砖侵蚀、开裂、损毁等问题，采用水冷壁的管内充满饱和水维持水冷壁温度恒定，有效避免了壳体运行超温的行业难点，保证设备长周期安全可靠的连续运行。
4.上述的目的通过以下的技术方案实现：一种水冷壁加压流化床气化炉，其组成包括：承压壳体，所述的承压壳体顶部安装有合成气出口，其底部具有灰渣出口，所述的承压壳体左侧安装有返料口，其右侧分别安装有进料口、补料口，所述的承压壳体内部安装有膜式水冷壁，所述的膜式水冷壁顶部安装有汇聚集箱，其底部安装有分布集箱，膜式壁管屏由换热管和鳍片焊接而成，并在膜式壁管屏内侧即向火面侧安装有耐火衬里，所述的膜式水冷壁上部和下部均为圆形截面，其上部截面直径与下部截面直径比值为1~2。所述的膜式水冷壁中间为锥形过渡，锥形夹角为20度~60度。
5.所述的水冷壁加压流化床气化炉，所述的膜式水冷壁上部收窄与所述的合成气出口密封配合，并且轴向相对滑动，所述的膜式水冷壁下部与气体分布器密封配合，所述的返料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度，所述的进料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度，所述的进料口数量为一组，所述的承压壳体与所述的膜式水冷壁之间安装有一组抗振装置。
6.一种水冷壁加压流化床气化炉及气化方法，该方法包括如下步骤：首先是将粒径小于10mm的气化原料、气化剂和合成气分离出的含灰原料颗粒送入气化腔底部，在气化腔内进行原料热解和气化反应，反应温度为700℃~1100℃，反应压力为
0.1~5mpa；气化剂通过气体分布器从底部进入通过气化原料层将原料流化气化，随着气化反应进行，原料颗粒直径不断减小，其自由沉降速度减小，当自由沉降速度减小到气流速度时，含灰原料颗粒随着合成气一起离开气化炉进入分离器；膜式水冷壁所围区域是气化腔，下部直径较小区域为密相区，上部直径较大区域为稀相区，气化原料和气化剂送去密相区反应，同时稀相区可以适当补料来控制气化腔各处温度均匀；膜式水冷壁的换热管内由底部通入饱和水，饱和水吸热在换热管内向上运动后变为饱和汽进入汇聚集箱引出气化炉，膜式水冷壁的换热管内介质吸热发生相变，膜式水冷壁温度保持不变；在气化腔轴向沿程设置若干个温度测点，监控炉膛内温度场均匀，通过局部补料或调解水冷壁内饱和水流速的方式保证炉膛内温差不大于20℃；在气化腔和惰性气体环腔内分别布置若干压力测点，监控炉膛内沿轴向压降与床层厚度匹配，通过调节惰性气体进出量来控制气化腔和惰性气体强压差范围在10kpa~80kpa。
7.有益效果：1.本发明是一种水冷壁加压流化床气化炉及气化方法，该结构及方法解决了现有技术中的常压耐火砖流化床气化炉气化强度较低、耐火砖易腐蚀损坏的问题，同时流化床气化炉内置水冷壁可以维持炉内温度稳定，避免气化炉故障时壳体超温超压运行造成损坏危害物资和人员安全的问题。
8.2.本发明的水冷壁加压流化床气化炉为加压运行，气化压力的提高有助于使气化强度提升、降低能耗损失、优化后续工艺配置，气化炉内部设置水冷壁腔体结构，水冷壁可以保证炉内温度恒定，避免以往流化床气化炉耐火砖失效造成局部超温而被迫停机的情况，有利于流化床设备安全稳定运行。
9.3.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，气化炉加压运行有利于增加反应气体的浓度，在相同的流量下减小气流速度，增加气化剂与气化原料的接触时间，提高合成气生产能力，减少原材料带灰。
10.4.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，在同等气化需求下可以减小气化炉的尺寸，节约一次性的投资。
11.5.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，若需要气化原料生产甲烷，压力提高有利于甲烷的生成，生成合成气的热值提高。
12.6.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，相比现有技术使用耐火砖隔热的气化炉安全性高，采用耐火砖隔热的流化床气化炉砖与砖之间为相互拉钩自锁结构，运行过程中若局部损坏容易造成大块脱落情况，并且砌筑时砖块之间会存在或大或小的间隙，以上因素都会导致气化炉运行过程中壳体超温，气化反应生成物是易燃易爆气体，耐火砖失效会带来巨大安全隐患，本设备气化腔采用水冷壁围成，水冷壁的管内充满饱和水维持水冷壁温度恒定，壳体工作温度低，从而可以降低壳体厚度减少设备金属重量；同时水冷壁结构有效避免了壳体运行超温的行业难点，保证设备长周期安全可靠的连续运行。
13.7.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，水冷壁温度恒定有助于保持气化腔内温度
均匀，气化反应稳定。
14.8.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，水冷壁温度可以位置恒定，温度设定高于合成气露点温度可以避免水冷壁和耐火材料受酸性气体腐蚀。
15.9.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，在稀相区设置补料口，可以多进口灵活进料，便于气化温度和气化强度的调节。
16.10.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，在惰性气体腔内布置若干组抗振导向装置，水冷壁相对壳体距离恒定并且不易发生扭转，保证水冷壁自由有序向上膨胀。
17.11.本发明的水冷壁加压流化床气化炉，在气化腔和惰性气体夹层布置温度测点和压力测点，通过调节惰性气体和水冷壁内工质进出量来控制各腔室的工作参数，保持设备平稳运行。
18.附图说明：附图1是本发明的结构示意图。
19.其中：1、承压壳体，2、膜式水冷壁，3、抗振装置，4、气体分布器，5、灰渣出口，6、返料口，7、进料口，8、补料口，9、合成气出口，10、汇聚集箱，11、分布集箱，12、膜式壁管屏，13、耐火衬里；区域a为：稀相区，区域b为：密相区，区域c为：气室，区域d为：惰性气体环腔。
20.具体实施方式：实施例1：一种水冷壁加压流化床气化炉，其组成包括：承压壳体1，所述的承压壳体顶部安装有合成气出口9，其底部具有灰渣出口5，所述的承压壳体左侧安装有返料口6，其右侧分别安装有进料口7、补料口8，所述的承压壳体内部安装有膜式水冷壁2，所述的膜式水冷壁顶部安装有汇聚集箱10，其底部安装有分布集箱11，膜式壁管屏12由换热管和鳍片焊接而成，并在膜式壁管屏内侧即向火面侧安装有耐火衬里13，所述的膜式水冷壁上部和下部均为圆形截面，其上部截面直径与下部截面直径比值为1~2，所述的膜式水冷壁中间为锥形过渡，锥形夹角为20度~60度；所述的膜式水冷壁布置在承压壳体内部，所述的膜式水冷壁上部收窄与所述的合成气出口密封配合，并且轴向相对滑动，所述的膜式水冷壁下部与气体分布器4密封配合，所述的返料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度，所述的进料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度，所述的进料口数量为一组，所述的承压壳体与所述的膜式水冷壁之间安装有一组抗振装置3；饱和水从膜式水冷壁底部分布集箱引入到各换热管内，饱和水在换热管内吸热并向上流动进入汇聚集箱后引出气化炉，膜式水冷壁维持温度恒定，保证承压壳体温度恒定，膜式水冷壁内壁敷设耐火料，减少膜式水冷壁从气化反应区带走热量；由于流化床气化炉合成气带灰量大，合成气通过分离器分离未反应完全的煤灰或灰渣，将分离出的物料通过返料口送入气化炉下部，返料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度；其物料通过气化炉下部的进料口进入膜式水冷壁腔内进行气化反应，进料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度，进料口可布置多个，数量为2~8个，气化物料可为煤或煤与其他碳载体的混合物；
其气体分布板以下区域为气室，气化剂通入气室通过气体分布板向上吹入气化反应区，气体分布板为锥形结构，气化剂分若干股，各股气化剂可从气体分布板中心孔和锥形板开孔处吹入，所述气室无膜式水冷壁，此区域壳体内部敷设耐火砖避免壳体超温；其气化压力即水冷壁环腔内反应压力为0.1~5mpa；其气化炉壳体和膜式水冷壁之间所围区域为惰性气体环腔，其内部充满氮气、二氧化碳等不易反应气体，环腔内压力比气化反应腔压力略高，压力差为10kpa~80kpa；其惰性气体环腔沿轴线方向布置若干组抗振装置，抗振装置使壳体与水冷壁轴向可以自由相对运动，但径向只能小间隙移动，抗振装置可避免水冷壁剧烈振动或发生扭转。抗振装置可设置若干组，轴向距离一般为2m~5m一组，每组包括圆周方向均布的若干个组件，一般一个截面布置3~8个抗振组件；煤或煤与其他碳载体的混合物在水冷壁腔内发生流化气化，腔内含固体颗粒量大，水冷壁局部无形状突变点，形状过渡处应均为弧形缓慢过渡；为保证气化完全，气化区域温度稳定，在气化炉中上部位置可设置补料口，补料口可补充含碳原料或气化剂，确保蒸汽与碳反应完全，提高碳的转化率，有利于控制气化腔内温度；其气化腔和惰性气体环腔分别设置压差监控系统和温度监控系统，气化炉运行时随时监测两个区域内的压力和温度，确保水冷壁和气化炉壳体运行环境安全。
21.实施例2：根据实施例1所述的水冷壁加压流化床气化炉的气化方法，该方法包括如下步骤：首先是将粒径小于10mm的气化原料、气化剂和合成气分离出的含灰原料颗粒送入气化腔底部，在气化腔内进行原料热解和气化反应，反应温度为700℃~1100℃，反应压力为0.1~5mpa；气化剂通过气体分布器从底部进入通过气化原料层将原料流化气化，随着气化反应进行，原料颗粒直径不断减小，其自由沉降速度减小，当自由沉降速度减小到气流速度时，含灰原料颗粒随着合成气一起离开气化炉进入分离器；膜式水冷壁所围区域是气化腔，下部直径较小区域为密相区，上部直径较大区域为稀相区，气化原料和气化剂送去密相区反应，同时稀相区可以适当补料来控制气化腔各处温度均匀；膜式水冷壁的换热管内由底部通入饱和水，饱和水吸热在换热管内向上运动后变为饱和汽进入汇聚集箱引出气化炉，膜式水冷壁的换热管内介质吸热发生相变，膜式水冷壁温度保持不变；在气化腔轴向沿程设置若干个温度测点，监控炉膛内温度场均匀，通过局部补料或调解水冷壁内饱和水流速的方式保证炉膛内温差不大于20℃；在气化腔和惰性气体环腔内分别布置若干压力测点，监控炉膛内沿轴向压降与床层厚度匹配，通过调节惰性气体进出量来控制气化腔和惰性气体强压差范围在10kpa~80kpa。
22.本技术采用的承压壳体由封头、筒体、过渡锥段等组成，承压壳体上开有气化物料进口，灰渣出口、水冷壁工质引入/出口，保护气引入/出口、排污口、卸料口、补料口、压力监测、温度监测等必要的管口；
膜式水冷壁布置在承压壳体内部，其某点可以与承压壳体固定连接，其余配合接口处与承压外壳密封连接，管屏由管热管焊接而成或绕制而成，管屏所围区域为气化反应腔，其上部为稀相区、下部为密相区，稀相区与密相区截面均为圆形，直径之比为1~2，管屏所围区域向火侧均为圆滑过渡；管屏所围区域向火侧均匀布置渣钉或铆钉以便敷设耐火料，敷设耐火料可以减少水冷壁内介质吸收过多的反应热；水冷壁工质通过汇聚集箱和分布集箱引出/入气化炉，引入/出管可设置2~10个，引入/出管为“之”字形、“几”字形或螺旋盘绕形可以吸收膜式水冷壁与外壳的膨胀差；气化原料通过进料口、返料口和补料口进入反应腔，进料方向斜向下，管口轴向与气化炉轴线夹角30~70度。可在不同位置设置若干个进料口、返料口，气化反应时可以通过调节各入口的进料比例与进料量来控制流场与温度场稳定；膜式水冷壁与壳体所围区域为惰性气体夹层腔，惰性气体夹层内充入不易参与反应的气体，维持夹层腔工作压力略大于气化腔，这可以避免管屏强度失效并防止合成气泄漏；气体分布器为锥形漏斗结构，其边缘密封连接在膜式水冷壁底部，气体分布器与壳体所围区域为气室，气化剂从气室侧吹入气化反应腔将气化原料和返料流化并与之充分混合、反应；沿气化炉轴向在气化腔和夹层腔设置压力测点和温度测点。根据温度反馈调节气化剂和物料的通入比例，使气化腔温度均匀；根据压力反馈调节惰性气体压力，气化腔和夹层腔压差在10kpa~80kpa ；本实施方式的水冷壁加压流化床气化炉可用于0~10mm的小颗粒气化原料的气化反应，本技术的气化压力高，以致气流密度高，气流速度较低，气化效率高、反应完全；气化流速低使得出炉合成气带出固体颗粒较少，加压气化反应，以容积计的气化强度比现有的常压工况要大得多加压气化也有利于后续直接连接合成气的变换和净化等工艺，壳体内衬水冷壁结构避免了现有介质常窜过耐火砖缝隙造成壳体超温以致强度失效的危险情况；同时采用耐火砖内衬的气化炉若耐火砖过厚壳体温度过低到合成气露点温度，合成气的冷凝液会造成气化炉壳体腐蚀；这一发明，取消了热壁气化炉的耐火砖，降低了装置的总重量，减少了每年维修耐火的费用；同时水冷壁结构可以有效避免壳体超温情况，提高装置长周期连续运行的安全性、可靠性。

技术特征：

1.一种水冷壁加压流化床气化炉，其组成包括：承压壳体，其特征是：所述的承压壳体顶部安装有合成气出口，其底部具有灰渣出口，所述的承压壳体左侧安装有返料口，其右侧分别安装有进料口、补料口，所述的承压壳体内部安装有膜式水冷壁，所述的膜式水冷壁顶部安装有汇聚集箱，其底部安装有分布集箱，膜式壁管屏由换热管和鳍片焊接而成，并在膜式壁管屏内侧即向火面侧安装有耐火衬里，所述的膜式水冷壁上部和下部均为圆形截面，其上部截面直径与下部截面直径比值为1~2。所述的膜式水冷壁中间为锥形过渡，锥形夹角为20度~60度。2.根据权利要求1所述水冷壁加压流化床气化炉，其特征是：所述的膜式水冷壁上部收窄与所述的合成气出口密封配合，并且轴向相对滑动，所述的膜式水冷壁下部与气体分布器密封配合，所述的返料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度，所述的进料口斜向下布置其轴线与气化炉轴线夹角为30度~70度，所述的进料口数量为一组，所述的承压壳体与所述的膜式水冷壁之间安装有一组抗振装置。3.一种权利要求1或2之一所述水冷壁加压流化床气化炉的气化方法，其特征是：该方法包括如下步骤：首先是将粒径小于10mm的气化原料、气化剂和合成气分离出的含灰原料颗粒送入气化腔底部，在气化腔内进行原料热解和气化反应，反应温度为700℃~1100℃，反应压力为0.1~5mpa；气化剂通过气体分布器从底部进入通过气化原料层将原料流化气化，随着气化反应进行，原料颗粒直径不断减小，其自由沉降速度减小，当自由沉降速度减小到气流速度时，含灰原料颗粒随着合成气一起离开气化炉进入分离器；膜式水冷壁所围区域是气化腔，下部直径较小区域为密相区，上部直径较大区域为稀相区，气化原料和气化剂送去密相区反应，同时稀相区可以适当补料来控制气化腔各处温度均匀；膜式水冷壁的换热管内由底部通入饱和水，饱和水吸热在换热管内向上运动后变为饱和汽进入汇聚集箱引出气化炉，膜式水冷壁的换热管内介质吸热发生相变，膜式水冷壁温度保持不变；在气化腔轴向沿程设置若干个温度测点，监控炉膛内温度场均匀，通过局部补料或调解水冷壁内饱和水流速的方式保证炉膛内温差不大于20℃；在气化腔和惰性气体环腔内分别布置若干压力测点，监控炉膛内沿轴向压降与床层厚度匹配，通过调节惰性气体进出量来控制气化腔和惰性气体强压差范围在10kpa~80kpa。

技术总结

一种水冷壁加压流化床气化炉及气化方法。现有技术是壳体内衬耐火砖形式，炉内灰渣对耐火砖侵蚀造成耐火砖开裂、损毁、脱落，气化炉壳体局部超温造成巨大安全隐患。本发明组成包括：该方法组成包括：承压壳体（1），承压壳体顶部安装有合成气出口（9），其底部具有灰渣出口（5），承压壳体左侧安装有返料口（6），其右侧分别安装有进料口（7）、补料口（8），承压壳体内部安装有膜式水冷壁（2），膜式水冷壁顶部安装有汇聚集箱（10），其底部安装有分布集箱（11），膜式壁管屏（12）由换热管和鳍片焊接而成，并在膜式壁管屏内侧即向火面侧安装有耐火衬里（13），膜式水冷壁上部和下部均为圆形截面，其上部截面直径与下部截面直径比值为1~2。膜式水冷壁中间为锥形过渡，锥形夹角为20度~60度。本发明用于水冷壁加压流化床气化炉。用于水冷壁加压流化床气化炉。用于水冷壁加压流化床气化炉。