本發(fā)明涉及一種熱解與氣化解耦氣化爐。
背景技術(shù)：
：煤氣化技術(shù)是將煤炭等固態(tài)一次能源轉(zhuǎn)化為氣態(tài)清潔二次能源的主要途徑，該技術(shù)主要運用于合成氨、合成甲醇、煉廠制氫、高爐還原煉鐵化工冶金行業(yè)、聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置以及工業(yè)和民用燃?xì)忸I(lǐng)域中。氣化爐是煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵裝備，其內(nèi)反應(yīng)流動特點直接影響到整個氣化工藝的配置與性能?，F(xiàn)有的煤氣化爐按氣化原料尺寸和溫度可分為固定床氣化爐、流化床氣化爐和氣流床氣化爐。固定床氣化爐因煤尺寸大、氣化反應(yīng)溫度低，氣化生成合成氣與煤熱解氣一同流出氣化爐，產(chǎn)物富含一定濃度的甲烷和焦油，其后續(xù)凈化單元和廢水處理較為復(fù)雜。流化床為中等尺度煤顆粒進料，氣化溫度中等，合成氣內(nèi)含有一定量的甲烷，但其對原料尺寸和結(jié)焦性有較高的要求。氣流床氣化爐采用粉煤進料，氣化溫度高，出口氣體不含甲烷和焦油，氣化負(fù)荷大，易于大型化。煤是一種富含c-h鍵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜有機質(zhì)，常規(guī)低溫氣化的產(chǎn)物中含有大分子鍵的c-h化合物(如焦油)；高溫氣化則將c-h鍵全部打破，使得產(chǎn)物中只含有小分子氣體組分。而對于以煤制天然氣為主要產(chǎn)品的煤化工行業(yè)，產(chǎn)物為含c-h鍵的甲烷氣化，因此開發(fā)一種富含甲烷、不含焦油、處理負(fù)荷大的煤氣化技術(shù)變得越來越迫切。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺乏一種同時制備富含甲烷的熱解氣和含低濃度甲烷的合成氣的清潔高效氣流床氣化爐的缺陷，而提供了一種熱解與氣化解耦氣化爐。本發(fā)明提供的氣化爐特別適用于以含碳物質(zhì)為原料，同時制備高濃度甲烷熱解氣和低濃度甲烷合成氣的工藝。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：本發(fā)明提供了一種熱解與氣化解耦氣化爐，所述氣化爐包括一金屬殼體，其分為一上殼體和一下殼體，所述上殼體包括一上封頭和一上直筒段，所述下殼體包括一下直筒段和一下封頭，所述上直筒段和所述下直筒段等徑設(shè)置，其特點在于，所述上封頭的頂部設(shè)有一熱解氣出口，在所述上直筒段的同一高度上均勻環(huán)設(shè)有至少2個熱解氧氣與粉煤噴嘴，所述熱解氧氣與粉煤噴嘴上方的直筒段高度為3～10d，所述熱解氧氣與粉煤噴嘴的軸線在水平面上與氣化爐徑向之間的夾角α為6°～10°；在所述下直筒段的同一高度上均勻環(huán)設(shè)有至少2個氣化氧氣噴嘴，所述下封頭的底部還設(shè)有一合成氣與熔渣出口，所述氣化氧氣噴嘴距離所述熱解氧氣與粉煤噴嘴的直筒段高度為1～3d，所述氣化氧氣噴嘴下方的直筒段高度為2～3d，所述氣化氧氣噴嘴的軸線在水平面上與氣化爐徑向之間的夾角β為0°或4.5°，所述熱解氣出口與所述合成氣與熔渣出口的直徑之比為1/2.5～1/4。較佳地，所述熱解氧氣與粉煤噴嘴的個數(shù)為2～4個，更佳地為4個。具體數(shù)量可以根據(jù)氣化爐處理負(fù)荷進行確定。較佳地，所述熱解氧氣與粉煤噴嘴上方的直筒段高度為5d。較佳地，所述熱解氧氣與粉煤噴嘴的軸線在水平面上與氣化爐徑向之間的夾角α為8°。該夾角的設(shè)置是為了降低頂部的熱解氣出口處煤焦飛灰顆粒含量。較佳地，所述熱解氧氣與粉煤噴嘴的軸線在豎直面上與氣化爐徑向之間的夾角為3～9°，更佳地為6°。較佳地，所述氣化氧氣噴嘴的個數(shù)為2～6個，更佳地為4個。較佳地，所述氣化氧氣噴嘴距離所述熱解氧氣與粉煤噴嘴的直筒段高度為2d。較佳地，所述氣化氧氣噴嘴下方的直筒段高度為2.5d。本發(fā)明中，對于氣化氧氣噴嘴的軸線在水平面上與氣化爐徑向之間的夾角β的選擇，對于高灰熔點煤，夾角β較佳地為0°；對于低灰熔點煤，夾角β較佳地為4.5°。按照常規(guī)理解，高灰熔點煤的流動溫度ft≥1400°，低灰熔點煤的流動溫度ft＜1400°。較佳地，所述氣化氧氣噴嘴的軸線在豎直面上與氣化爐徑向之間的夾角為3～9°。較佳地，所述熱解氣出口與所述合成氣與熔渣出口的直徑之比為1/3。按照本領(lǐng)域常規(guī)，所述合成氣與熔渣出口的直徑按出口氣體速度進行設(shè)置，一般控制在出口氣速10～20m/s進行設(shè)置，較佳地為15m/s。較佳地，所述合成氣與熔渣出口為下錐收縮口，其下錐收縮角為20～70°。本發(fā)明中，按照本領(lǐng)域常規(guī)，所述熱解氧氣與粉煤噴嘴設(shè)于一第一噴嘴室內(nèi)，其為雙通道噴嘴結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)通道用于通入含碳物質(zhì)，外通道用于通入熱解氧氣；所述氣化氧氣噴嘴設(shè)于一第二噴嘴室內(nèi)，其為雙通道噴嘴結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)通道用于通入氧氣，外通道用于通入氣化用蒸汽。較佳地，所述第一噴嘴室的軸線在水平面上與氣化爐徑向之間的夾角為0°；所述第一噴嘴室的軸線在豎直面上與氣化爐徑向之間的夾角為3～9°，更佳地為6°。所述第二噴嘴室的軸線在水平面上與氣化爐徑向之間的夾角為0°；所述第二噴嘴室的軸線在豎直面上與氣化爐徑向之間的夾角為3～9°，更佳地為6°。本發(fā)明中，按照本領(lǐng)域常規(guī)，至少2個熱解氧氣與粉煤噴嘴是設(shè)置在氣化爐的同一高度的爐體上的，至少2個氣化氧氣噴嘴的設(shè)置方式也是如此。上殼體和下殼體的分界線是以上下兩層噴嘴(即熱解氧氣與粉煤噴嘴、氣化氧氣噴嘴)的中線進行分割的。本發(fā)明中，d是指氣化爐中的上直筒段和下直筒段的內(nèi)徑；另外，如無特殊說明，提及的直徑均指內(nèi)徑。本發(fā)明的氣化爐的工作原理：不同于現(xiàn)有氣化爐具有的“頂部空間和下部空間的作用基本相同，氣化爐整體發(fā)生以氣化為主的化學(xué)反應(yīng)，下部空間和上部空間產(chǎn)生的富含co和h2及極少量ch4的合成氣要么均從氣化爐頂部出口、要么均從底部出口流出氣化爐，熔渣從底部出口排出”的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的氣化爐的上殼體內(nèi)主要發(fā)生熱解反應(yīng)，生成富含ch4的熱解氣從上封頭頂部的熱解氣出口流出氣化爐，下殼體主要發(fā)生熱解后焦炭與co2和h2o的氣化反應(yīng)，生成富含co和h2及極少量ch4的合成氣與熔渣從下封頭底部的合成氣與熔渣出口流出氣化爐?？梢?，整個氣化爐中的物料走向是有較大差異的。本發(fā)明的氣化爐中，所述上殼體為熱解段，所述下殼體為氣化段，所述熱解段與所述氣化段位于同一金屬殼體內(nèi)。本發(fā)明的氣化爐適用于處理漿態(tài)含碳物質(zhì)或粉狀含碳物質(zhì)，尤其是褐煤等高揮發(fā)分煤。采用本發(fā)明的氣化爐進行氣化反應(yīng)時，通過上直筒段設(shè)置的熱解氧氣與粉煤噴嘴通入熱解氧氣與煤粉。熱解氧氣進入系統(tǒng)后，與射流卷吸的熱解氣和合成氣反應(yīng)，消耗其中的h2，并為熱解提供熱量，煤粉在熱解段內(nèi)主要發(fā)生熱解反應(yīng)；通過下直筒段設(shè)置的氣化氧氣噴嘴，通入氣化氧氣，用于轉(zhuǎn)化上殼體熱解產(chǎn)生的煤焦顆粒，在氣化段內(nèi)，煤焦在氣化段內(nèi)發(fā)生氣化反應(yīng)。其中，熱解氧氣的量占總氧量的5％～20％，較佳地為12％；氣化氧氣的量占總氧量的80～95％，較佳地為88％，所述百分比為體積百分比。在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實例。本發(fā)明所用試劑和原料均市售可得。本發(fā)明的積極進步效果在于：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)煤的熱解與氣化解耦，即不含焦油、富含甲烷的熱解氣經(jīng)過熱解段后從熱解氣出口流出氣化爐；甲烷含量很低的合成氣與液態(tài)熔渣從底部合成氣與熔渣出口排出氣化爐；通過這種煤的熱解與氣化分離，提高煤中c-h化學(xué)鍵的利用率，為以生產(chǎn)天然氣或燃?xì)鉃楫a(chǎn)品的工藝提供裝備支持。附圖說明圖1為實施例1中氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施例1中熱解氧氣與粉煤噴嘴的剖面示意圖。圖3為實施例1中氣化氧氣噴嘴的剖面示意圖。附圖標(biāo)記說明如下：氣化爐1熱解氧氣與粉煤噴嘴2第一噴嘴室3氣化氧氣噴嘴4第二噴嘴室5熱解氣出口6合成氣與熔渣出口7具體實施方式下面通過實施例的方式進一步說明本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。實施例1本實施例中，氣化爐的結(jié)構(gòu)如圖1～3所示，其中，氣化爐1包括一金屬殼體，其分為一上殼體和一下殼體，上殼體包括一上封頭和一上直筒段，下殼體包括一下直筒段和一下封頭，上直筒段和所述下直筒段等徑設(shè)置，上封頭的頂部還設(shè)有一熱解氣出口6，在上直筒段的同一高度上還均勻環(huán)設(shè)有4個熱解氧氣與粉煤噴嘴2，熱解氧氣與粉煤噴嘴2設(shè)于第一噴嘴室3內(nèi)，在下直筒段的同一高度上還均勻環(huán)還設(shè)有4個氣化氧氣噴嘴4，氣化氧氣噴嘴4設(shè)于第二噴嘴室5內(nèi)，所述下封頭的底部還設(shè)有一合成氣與熔渣出口7。一個日處理1100噸煤的熱解與氣化解耦氣化爐，以神府煤為原料，采用干粉進料，氣化壓力為4.0mpa；進入系統(tǒng)總氧量為23800nm3/h，上部熱解氧氣流量為總氧量的10％，下部熱解氧氣流量為總氧量的90％。氣化室直徑d為2400mm，表1給出本實施例氣化爐數(shù)據(jù)。煤質(zhì)數(shù)據(jù)如表2-4所示，氣化試驗結(jié)果見表5。表1實施例1的氣化爐數(shù)據(jù)表2工業(yè)分析表參數(shù)數(shù)值空干基水分mar1.4％(wt)干燥基固定碳md63.08％(wt)干燥基揮發(fā)分vd24.31(wt)干燥基灰分ad12.61％(wt)表3元素分析表參數(shù)數(shù)值干燥基碳cd67.13％(wt)干燥基氫hd2.92％(wt)干燥基氧od2.19％(wt)干燥基氮nd0.99％(wt)干燥基全硫st,d0.369％(wt)表4熱值、灰熔點及熔渣物性表5實施例1氣化爐性能實施例2一個日處理3000噸煤的粉煤氣化爐，氣化壓力4.0mpa，壁面為水冷壁結(jié)構(gòu)，氣化爐的結(jié)構(gòu)與實施例1相同，不同的參數(shù)如表6所示，其中熱解氧氣與粉煤噴嘴為4個，氣化氧氣噴嘴為4個。氣化劑為純氧氣，其中，上部熱解氧氣流量為總氧量的7％，下部氣化氧氣流量為總氧量的93％，所用煤為高灰熔點煤(外加石灰石助融劑)，煤質(zhì)數(shù)據(jù)如表7所示，液態(tài)排渣溫度為1400℃。氣化試驗結(jié)果見表8。表6實施例2的氣化爐數(shù)據(jù)表7煤質(zhì)數(shù)據(jù)對比實施例1按照申請?zhí)朿n201110074557.6的專利申請(公開號：cn102433162a)實施例1公開的氣化爐結(jié)構(gòu)處理實施例2的高灰熔點煤，得到的結(jié)果見表8。表8實施例2和對比實施例1的氣化試驗結(jié)果從上述分析可以看出，本申請的氣化爐既適用于高灰熔點煤，也適用于低灰熔點煤，另外，表8的結(jié)果還表明，在選用現(xiàn)有技術(shù)公開的氣化爐處理相同的煤時，在其他氣化條件都相同的前提下，冷煤氣效率差于本發(fā)明。當(dāng)前第1頁12