一种单喷嘴气化炉及气化方法
技术领域
本发明涉及一种单喷嘴气化炉及气化方法。
背景技术
煤气化技术作为洁净煤技术的核心技术之一，是发展煤基化学品、煤基液体燃料、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础，是这些行业的共性技术、关键技术和龙头技术，其应用领域与产品极为广泛。气流床煤气化技术，尤其是高压、大容量气流床煤气化技术具有良好的经济和社会效益，是最为成熟和应用最为广泛的清洁煤利用技术。
气流床煤气化技术采用1300～1700℃的气化温度，液态排渣，使气化过程由900℃左右的化学反应控制(固定床)、1100℃左右的化学反应与传递共同控制(流化床)跃升为传递控制。作为气流床气化流程的核心设备，气化炉在高温、高压下运行，可提高碳转化率并避免焦油和酚类的产生。顶置单喷嘴结构作为气化炉最常用的结构之一，由于其结构简单，操作方便，投资成本相对较低的优点，得到了广泛地应用，但其喷嘴顶置、轴向向下射流的流场特性以及喷嘴下的高温火焰区域不易控制，而颗粒在气化炉内停留时间相对较短，导致气化炉碳转化率相对较低，气化效果在气化炉大型化时劣势明显，从而限制了该技术的发展。
现有技术对于高温火焰(2200℃以上)，例如气化炉中的火焰的控制大多是通过耐火材料将其约束在一定空间内。由于高温火焰温度较高，一方面对耐火材料的要求很高；另一方面，对耐火材料的腐蚀性也较强，从而增加了工厂的成本、浪费人力物力。
因此，亟需一种能够提高或者约束气化炉中高温区域的装置及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服耐火砖等实体材料结构无法在高温(火焰外焰温度大于2200℃)下约束气化火焰，导致高温火焰区域单位体积内的反应强度较低，从而气化强度较低的缺陷，而提供一种单喷嘴气化炉及气化方法。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
一种单喷嘴气化炉，其包括炉体和位于所述炉体的顶部的喷嘴；
所述炉体由外至内依次包括炉体外壳和炉膛，所述炉膛由上至下分为炉膛拱形段和炉膛直筒段；
所述喷嘴的出口伸入所述炉膛内；
所述气化炉还包括以所述气化炉中轴为轴心、绕设于所述炉膛直筒段的第一电磁线圈和第二电磁线圈；所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈用于产生两个同向磁场；
所述第一电磁线圈与所述喷嘴的出口的垂直间距为所述炉膛直筒段的直径的0.25～0.5倍；
所述第二电磁线圈与所述喷嘴的出口的垂直间距为所述炉膛直筒段的直径的1.5～2.5倍。
本发明中，较佳地，所述喷嘴与所述炉体的中心轴线相同。
本发明中，根据需要，所述喷嘴可为本领域常规的多通道喷嘴，例如，所述喷嘴可为双通道喷嘴、三通道喷嘴、四通道喷嘴或五通道喷嘴。
其中，较佳地，所述喷嘴为双通道喷嘴，所述双通道喷嘴包括用于输送氧化剂的通道和用于输送燃料的通道。所述用于输送氧化剂的通道的内径与所述用于输送燃料的通道的内径之比可为本领域常规，较佳地为1:2～1:6。
所述用于输送氧化剂的通道可为所述双通道喷嘴中的内通道或外通道。所述用于输送燃料的通道也可为所述双通道喷嘴中的内通道或外通道。当所述内通道和所述外通道分别用于输送燃料和氧化剂时，一般在所述喷嘴的出口处点燃后形成正扩散火焰。其中，当所述内通道和所述外通道分别用于输送氧化剂和燃料时，一般在所述喷嘴的出口处点燃后形成反扩散火焰。
当双通道喷嘴形成正扩散火焰时，氧化剂和燃料分别从所述喷嘴的外通道和所述喷嘴的内通道进入所述喷嘴，并由所述喷嘴的出口射出，出射方向沿所述喷嘴的轴心垂直向下，经过点燃后产生高温火焰。
其中，所述喷嘴的不同位置处较佳地还设有喷嘴冷却水进口和喷嘴冷却水出口。所述喷嘴中的冷却水由所述喷嘴冷却水进口进入冷却水通道，对喷嘴进行冷却后沿所述喷嘴冷却水出口流出。
本发明中，较佳地，所述喷嘴的外部还套设有喷嘴保护夹套。
其中，所述喷嘴保护夹套的不同位置处较佳地设有冷却水进口和冷却水出口。所述喷嘴保护夹套中的冷却水由所述却水进口进入冷却水通道，对夹套进行冷却后沿所述冷却水出口流出。
由于所述气化炉内部存在1300℃以上的高温环境，所述喷嘴在高温下长时间工作可能导致其表面材料被破坏而影响气化炉正常工作，因此所述喷嘴保护夹套能够提供冗余的水冷保护，即使所述喷嘴保护夹套在高温环境中损坏，依然可以在关闭其冷却水循环后继续保持所述炉体密封，大大延长所述喷嘴在所述气化炉内的工作寿命。
其中，较佳地，所述喷嘴保护夹套的出口直径为所述喷嘴的出口直径的1.2～1.5倍。
其中，所述喷嘴与所述喷嘴保护夹套的连接方式可为本领域常规，较佳地通过对夹球阀实现。所述对夹球阀可为本领域常规。
所述喷嘴与所述喷嘴保护夹套的连接方式通过对夹球阀连接时，可以在气化炉内部高温的条件下在线更换喷嘴，且只要满足喷嘴与所述喷嘴保护夹套相配合，就可在需要时取出喷嘴；关闭气密阀门，在更换不同结构的喷嘴时打开气密阀门将新喷嘴插入即可，通过交换喷嘴内外通道以形成正扩散火焰或反扩散火焰，或将双通道喷嘴更换为三通道喷嘴或多通道喷嘴以满足不同的操作需要，从而提高气化炉操作的灵活性。
本发明中，所述炉体外壳与所述炉膛之间一般设有耐火衬里。
其中，较佳地，所述喷嘴保护夹套的前端与所述耐火衬里的顶部内壁齐平。
其中，所述耐火衬里用于隔离火焰产生的高热，在耐火衬里约束火焰及流场的作用下，所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈产生的磁场能进一步提升对火焰的约束效果。所述耐火衬里可为本领域常规，例如本领域常规的耐火砖。
其中，所述炉体外壳与所述耐火衬里之间较佳地填充有耐火棉。所述耐火棉可为本领域常规。
本发明中，所述炉体外壳可为钢壳。
本发明中，利用电磁线圈产生电压的手段为本领域技术人员均知晓的。
本发明中，所述第一电磁线圈和/或所述第二电磁线圈的匝数较佳地为50～200匝。
本发明中，较佳地，所述第一电磁线圈与第一调压器的输出端连接。较佳地，所述第二电磁线圈与第二调压器的输出端连接。
其中，调压器一般设有调压器输入端子。调压器可将外部交流电转换为直流电，经过调压后输出至所述调压器的输出端子正极和所述调压器的输出端子负极。
其中，更佳地，所述第一调压器的输出端电压与所述第二调压器的输出端电压相等。
本发明还提供一种单喷嘴气化炉的气化方法，所述气化方法采用如上所述的气化炉，在所述喷嘴的出口处形成外焰温度为2200℃以上的火焰，进行气化即可。
本发明中，当所述喷嘴为双通道时，氧化剂和燃料中的氧碳比较佳地为0.6～1.5。
本发明中，所述气化时的气化反应强度通过调整所述第一电磁线圈和所述第二电磁线圈之间的磁场强度实现。
其中，所述磁场强度一般通过调压器的输出端电压进行调整。调压器的输出电压越大，磁场强度越大，对火焰的约束效果越显著，从而所述气化时的气化反应强也越大，碳转化率越高；反之，则碳转化率越低。
也就是，调压器能够改变第一电磁线圈和第二电磁线圈形成的磁场强度，从而改变磁镜的磁场强度分布，并产生不同的气化炉碳转化率提高效果，但碳转化率提高效果存在极限，即当高温火焰中的等离子体在运动至所述第二电磁线圈时，其运动速度超过磁镜所能约束等离子体的极限速度时，将发生等离子体的逃逸，该条件下的碳转化率即为所述气化炉能提高到的最大碳转化率，最大碳转化率存在极值，为99％。
所述气化方法主要通过磁镜原理实现：采用两套电磁线圈在电磁感应的作用下产生两套磁场，其中第一电磁线圈产生的磁场方向和第二电磁线圈产生的磁场方向相一致，共同形成两端强、中间弱的磁场结构—磁镜，所述喷嘴在气化过程中形成的高温火焰内产生数量可观的等离子体，其穿过所述第一电磁线圈内环时进入磁场构成的磁镜，等离子体在磁镜内受磁场约束穿梭于两组电磁线圈和炉膛构成的空间内，从而缩小了火焰高温区在轴向的长度，提高高温火焰区域单位体积内的反应强度，从而达到提高碳转化率的目的。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
1)该单喷嘴气化炉克服了耐火砖等实体材料无法在高温下约束气化火焰的缺陷，从而提高了高温火焰区域单位体积内的反应强度；提高了碳转化率。
2)相比于仅采用耐火砖的情况下，在使用磁场强化气化强度得到的碳转化率可提高0.5～2％。
3)该高碳转化率单喷嘴气化炉大大提高了本发明的实用性和灵活性。
4)采用本发明的高碳转化率单喷嘴气化炉，不需要加大气化炉内部的压力即可获得高碳转化率，从而使得喷嘴和喷嘴保护夹套之间可以采用耐压性较弱、但方便使用的对夹球阀连接。
附图说明
图1为本发明一种高碳转化率单喷嘴气化炉的结构示意图。
附图标记说明：1-炉体外壳，2-耐火衬里，3-喷嘴保护夹套，4-冷却水进口，5-冷却水出口，6-喷嘴，7-喷嘴冷却水进口，8-喷嘴冷却水出口，9-喷嘴进料外通道，10-喷嘴进料内通道，11-第一调压器，12-第一电磁线圈，13-第二调压器，14-第二电磁线圈，15-第一电磁线圈产生的磁场方向，16-第二电磁线圈产生的磁场方向，炉膛17，炉膛拱形段18，炉膛直筒段19。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1单喷嘴气化炉
如图1所示为本发明一种高碳转化率单喷嘴气化炉的实施例。
该气化炉包括炉体和位于炉体的顶部的、且与炉体同轴的喷嘴；炉体由外至内包括炉体外壳1、耐火衬里2和炉膛17；炉膛17由上至下分为炉膛拱形段18和炉膛直筒段19。
喷嘴结构包括喷嘴保护夹套3和喷嘴6，喷嘴保护夹套3上设有冷却水进口4和冷却水出口5，喷嘴6上设有喷嘴冷却水进口7、喷嘴冷却水出口8、外通道9和内通道10。喷嘴保护夹套3和喷嘴6通过对夹球阀连接。通过该对夹球阀，关闭气密阀门后，可以更换与喷嘴保护夹套3相配合的喷嘴，通过交换喷嘴内外通道以形成正扩散火焰或反扩散火焰，或将双通道喷嘴更换为三通道喷嘴或多通道喷嘴以满足不同的操作需要，从而提高气化炉操作的灵活性。
第一电磁线圈12与第一调压器11连接，第二电磁线圈14与第二调压器13连接。气化炉在常压下工作，气化温度为1350℃。
炉体外壳1为内径800mm、厚度8mm的不锈钢壳体，内层为内径为300mm、厚度为80mm的刚玉耐火衬里2，炉体外壳1和耐火衬里2之间填充陶瓷纤维保温毯。具有水冷通道的喷嘴保护夹套3伸入炉体外壳1内，插入段直径120mm、长度600mm，喷嘴保护夹套3的最前端与耐火衬里2的拱顶顶部内面基本平齐，前端开有直径为5mm的小孔，喷嘴保护夹套3的冷却水由冷却水进口4处进入，对夹套进行冷却后沿冷却水出口5流出，冷却水在气化炉正常工作状态下的进出口温差为5℃，因此喷嘴保护夹套3能够提供冗余的水冷保护，即使喷嘴保护夹套3在高温环境中损坏，依然可以在关闭其冷却水循环后继续保持炉体密封，大大延长喷嘴6在气化炉内的工作寿命。喷嘴保护夹套3和和喷嘴6均为耐高温材料加工制成。
氧化剂和燃料分别从喷嘴的外通道9和喷嘴的内通道10进入喷嘴并在喷嘴前端经喷嘴保护夹套3前端的小孔射出，出射方向沿轴心垂直向炉膛17内，喷嘴的外通道9和喷嘴的内通道10的内径比为1:4。经过点燃后产生高温火焰。在本实施例中，喷嘴的外通道9的物料为氧气，喷嘴的内通道10的物料为浓度为60％的水煤浆，氧气流量由质量流量计调节，水煤浆流量通过经标定的螺杆泵调节。两股物料进入气化炉后被点燃并形成火焰，火焰中心最高温度可达2300℃以上，并形成数量可观的等离子体。
如图1所示，第一电磁线圈12与喷嘴6的出口的垂直间距为0.25倍的炉膛直筒段19内径，第二电磁线圈14与喷嘴6的出口的垂直间距为2倍的炉膛直筒段19内径，两电磁线圈分别由第一调压器11和第二调压器13供电并在电磁感应的作用下产生两组对应的磁场，第一调压器11和第二调压器13的输入均为380V的交流电。
实施例2单喷嘴气化炉的气化方法
本实施中的高碳转化率单喷嘴气化炉的气化方法采用实施例1中的气化炉装置，所述气化方法主要通过磁镜原理实现：两电磁线圈分别由第一调压器11和第二调压器13供电并在电磁感应的作用下产生两组对应的磁场，第一调压器11和第二调压器13的输入均为380V的交流电；其中第一电磁线圈12产生的磁场方向15和第二电磁线圈14产生的磁场方向16相一致，共同形成两端强、中间弱的磁场结构—磁镜。
在此例中，在本实施例中，双通道喷嘴6伸入气化炉端的外径为45mm，外通道输入的氧气与内通道输入的燃料中O/C比为0.95。两套电磁线圈产生的磁场方向从上至下均为N极至S极，磁感应强度在靠近圆环中心处最大，约为0.08Wb/m2；在两套电磁线圈中心连接线的中点处最小，磁感应强度可通过调节第一调压器11和第二调压器13输出电压进行调节。所述喷嘴6在气化过程中形成的高温火焰内产生数量可观的等离子体，其穿过第一电磁线圈12内环时进入磁场构成的磁镜，等离子体在磁镜内受磁场约束穿梭于第一电磁线圈12、第二电磁线圈14和耐火衬里2构成的空间内，从而缩小了火焰高温区在轴向的长度，提高高温火焰区域单位体积内的反应强度，从而达到提高碳转化率的目的。
在本实施例中，通过测定入口煤的组成、测量出口合成气组分，经过理论计算，与不加电磁场约束时相比，经电磁场约束强化后的气化炉碳转化率提高1.5％。
在气化炉正常操作过程中，根据实验需要，可更换相同外径的三通道喷嘴，三通道喷嘴内通道输送占总量20％的氧气，中间通道输送60％浓度的水煤浆，外通道输送占总量80％的氧气，更换后不需对气化炉进行停车操作，三通道喷嘴在炉内射出物料后，在炉内高温下可直接点燃，并实现碳转化率的提高。
本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上作任何变化，均落在本发明的保护范围之内。
