專利名稱：雙級等離子體高溫氣化設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及對可燃物料進(jìn)行高溫氣化處理的設(shè)備，具體地指一種雙級等離子
體高溫氣化設(shè)備。
技術(shù)背景隨著人口的自然增長和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，作為主要能源來源的常規(guī)優(yōu)質(zhì)化石燃料 卻在迅速地減少，導(dǎo)致我國乃至世界都存在長期而巨大的能源需求和供應(yīng)壓力。面對全球 一體化的大趨勢，我國高耗能、低能效的經(jīng)濟(jì)將面臨如何在國際競爭中求得生存和發(fā)展的 嚴(yán)峻考驗。在燃煤、生物質(zhì)、城市固體廢物(MSW)等可燃原料的利用問題上，節(jié)能降耗已成 為促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)、社會可持續(xù)發(fā)展的最重要和最有效的手段之一。 與可燃物料燃燒獲取能源這種相對落后的低級利用形態(tài)相比，可燃物料氣化所獲 得的合成氣具有更高的價值，其用途也更為廣泛。在可燃物料氣化技術(shù)中，高熱值的燃煤氣 化技術(shù)早在二十世紀(jì)五十年代就在國外實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，至今已成功開發(fā)出了對煤種適 用性廣、氣化壓力高、氣化效率高、污染少的各種煤氣化工藝，其中具有代表性的有固定床 氣化工藝、流化床氣化工藝和氣流床氣化工藝等。固定床氣化工藝采用氣_固逆流接觸方 式，燃料從氣化爐頂部加入，氣化劑從氣化爐底部進(jìn)入，產(chǎn)生的煤氣從爐頂引出，固態(tài)或液 態(tài)灰渣則從爐底排出。流化床氣化工藝采用氣-固混流接觸方式，燃料從氣化爐下部給入， 氣化劑從氣化爐底部和下部加入，產(chǎn)生的初煤氣由氣化爐上部引入氣_固分離器分離，產(chǎn) 生的灰渣則由爐底排渣管排出。氣流床氣化工藝采用氣_固順流接觸方式，氣化劑和燃料 同時送入氣化爐進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生的初合成氣與灰渣同時排出氣化爐。多年的實踐證實這些 氣化工藝對燃煤的氣化具有良好的效果，但由于其對燃料的水份、灰份、揮發(fā)份以及灰熔點(diǎn) 很敏感，同一種氣化工藝大都只能適應(yīng)一種燃料或物理化學(xué)性質(zhì)很相近的燃料，故其應(yīng)用 受到了很大的限制。 生物質(zhì)和城市固體廢物(MSW)等低熱值燃料的氣化技術(shù)則是本世紀(jì)出現(xiàn)的一種 新能源技術(shù)，至今也有了較快的發(fā)展，尤其是歐洲和美洲對生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了大 量的研究，并取得了相當(dāng)?shù)某晒＝陙恚瑖鴥?nèi)很多高等院校和科研院對此也投入了大量的 精力，并采用固定床或流化床氣化工藝對生物質(zhì)等低熱值燃料進(jìn)行了大量的氣化試驗。然 而試驗結(jié)果并不理想，其碳轉(zhuǎn)化率低、氣化效率低、合成氣有效成份(C0+H2)的比例低、合成 氣熱值低且不穩(wěn)定、焦油含量高等的缺陷十分突出。 究其緣由，一方面是因為如前所述的現(xiàn)有固定床或流化床氣化爐對燃料的適應(yīng)性 較差、一種氣化爐只能適應(yīng)一種燃料，導(dǎo)致其運(yùn)行的穩(wěn)定性較差，碳轉(zhuǎn)化率較低。另一方面 是因為生物質(zhì)和城市固體廢物(MSW)等的成份和熱值隨著收集渠道、季節(jié)、氣候等自然因 素的變化極不穩(wěn)定，對氣化工藝中各項參數(shù)的控制要求也很高，而現(xiàn)有固定床或流化床氣 化爐的氣化溫度一般在800 120(TC之間，合成氣的出口溫度一般在500 80(TC之間，最 高的出口溫度也不會超過IOO(TC ，而在該溫度區(qū)間內(nèi)的低熱值燃料將大量產(chǎn)生焦油，這是 氣化工藝最難凈化的產(chǎn)物之一，焦油過多可造成管道堵塞和設(shè)備污染，導(dǎo)致設(shè)備難以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，給合成氣的后續(xù)工業(yè)利用帶來極大的困難。同時，由于排渣溫度低，只能采用固 態(tài)排渣，氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率也較低。故對于生物質(zhì)和城市固體廢物(MSW)、市政污泥、劣質(zhì)煤 等的氣化，目前國內(nèi)外尚沒有成功商業(yè)利用的業(yè)績，特別是生物質(zhì)燃料的氣化利用尚處于 研究試驗階段。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的就是要提供一種燃料適應(yīng)性好、氣化效率高、合成氣中焦油成 份少、有效成份高的雙級等離子體高溫氣化設(shè)備。 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所設(shè)計的雙級等離子體高溫氣化設(shè)備，主要由氣化 爐、氣固分離器和除焦油器三部分構(gòu)成。其中 所述氣化爐具有一個氣化爐殼體，氣化爐殼體的頂部或上部側(cè)壁上設(shè)置有給料裝
置，通過給料裝置可在氣化爐殼體的底部鋪設(shè)焦炭床層、在焦炭床層的上面鋪設(shè)燃料床層；
氣化爐殼體的下部側(cè)壁上設(shè)置有一級等離子炬和一次氧化劑噴嘴，一級等離子炬位于焦炭
床層與燃料床層的結(jié)合處， 一次氧化劑噴嘴位于一級等離子炬的上方；氣化爐殼體的頂部
或上部側(cè)壁上還設(shè)置有合成氣輸出通道；氣化爐殼體的底部設(shè)有熔渣排出裝置。 所述氣固分離器具有一個旋風(fēng)分離筒體，旋風(fēng)分離筒體的上部氣體進(jìn)口與合成氣
輸出通道相連，旋風(fēng)分離筒體的下部顆粒料出口通過回料管與氣化爐殼體的下部返料口相連。 所述除焦油器具有一個裂解反應(yīng)殼體，裂解反應(yīng)殼體的殼壁上設(shè)置有二級等離子
炬和二次氧化劑噴嘴，裂解反應(yīng)殼體的進(jìn)氣端與旋風(fēng)分離筒體的上部氣體出口相連。 進(jìn)一步地，所述一級等離子炬設(shè)置有2 6個，沿周向均布在氣化爐殼體的下部側(cè)壁上。 更進(jìn)一步地，所述一次氧化劑噴嘴設(shè)置有2 4層，每層多個噴嘴沿周向均布在氣 化爐殼體的下部側(cè)壁上。 本實用新型的雙級等離子體高溫氣化設(shè)備，可用于對各種燃煤、生物質(zhì)、城市固體 廢物、市政污泥或其他可燃物料進(jìn)行高溫加熱處理、將其中的有機(jī)物氣化轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣蓺狻?所產(chǎn)生的灰份熔化后排出。其指導(dǎo)思想是先將這些可燃物料投入到氣化爐中，進(jìn)行一級等 離子炬加熱氣化，生成粗合成氣和高溫液態(tài)灰渣。所生成的粗合成氣通過氣固分離器的處 理，獲得凈合成氣；所產(chǎn)生的高溫液態(tài)灰渣則由氣化爐底部排出。再將凈合成氣送入除焦油 器中，進(jìn)行二級等離子炬加熱裂解，最終獲得精合成氣。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點(diǎn) 其一，本實用新型在氣化爐和除焦油器內(nèi)采用等離子炬提供氣化所需的高溫，使 得氣化效率和碳轉(zhuǎn)化率顯著提高，合成氣有效氣體(C0+H2)成份比例明顯提高，從而使得合 成氣適合于發(fā)電和化工合成應(yīng)用； 其二，本實用新型采用的氣化爐為常壓操作，給料裝置和排渣裝置結(jié)構(gòu)簡單，容易 實現(xiàn)； 其三，本實用新型對燃料的適應(yīng)性好，燃料預(yù)處理簡單，寬篩分的給料，可氣化各
類燃煤、生物質(zhì)、MSW和污泥等可燃物料，并且能同時氣化上述多種混合燃料； 其四，本實用新型的氣化工藝采用高溫氣化，經(jīng)氣-固分離和除去焦油處理后，制備的精合成氣中灰份含量低，其灰份含量小于3 5g/Nm3，精合成氣不含焦油類有害雜質(zhì)。 其五，本實用新型采用高溫氣化，經(jīng)氣-固分離和除去焦油處理后，碳轉(zhuǎn)化率高， 一般能達(dá)到99. 5%以上。 其六，本實用新型采用高溫液態(tài)排渣，灰渣可玻璃化處理，實現(xiàn)灰渣的無害綜合利 用。 其七，本實用新型在氣化爐內(nèi)設(shè)置焦炭床層，在焦炭床層與燃料床層結(jié)合處施加 功率可調(diào)的等離子電弧，從而使得氣化爐對燃料成份、水份、灰份和熱值等特性變化的適應(yīng) 性好，當(dāng)燃料的特性發(fā)生變化影響氣化效果時，可以通過調(diào)整等離子炬的輸入能量、以及添 加或減少補(bǔ)充焦炭的數(shù)量來保證氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。 綜上所述，本實用新型具有投資小、工藝簡單、碳轉(zhuǎn)化率高、合成氣有效氣體成份 比例高、設(shè)備運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn)，本實用新型能適應(yīng)各種不同類型的生物質(zhì)燃料，并且實 現(xiàn)了灰渣的無害化處理，經(jīng)氣_固分離后生成的凈合成氣中的焦油類雜質(zhì)被進(jìn)一步裂解成 有效氣體，極大地提高了可燃物料的轉(zhuǎn)化率，從而有效防止了由于焦油粘污堵塞管道和設(shè) 備造成的氣化工藝不能連續(xù)進(jìn)行的技術(shù)問題，提高了電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖為一種雙級等離子體高溫氣化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明 圖中所示的雙級等離子體高溫氣化設(shè)備，主要由氣化爐、氣固分離器和除焦油器
三部分構(gòu)成。其中，氣化爐具有一個氣化爐殼體3，氣化爐殼體3的頂部設(shè)置有給料裝置4，
給料裝置4伸入氣化爐內(nèi)的長度可以根據(jù)實際氣化爐的容量進(jìn)行調(diào)整。通過給料裝置4可
在氣化爐殼體3的底部鋪設(shè)焦炭床層12，在焦炭床層12的上面鋪設(shè)燃料床層13。 氣化爐殼體3的下部側(cè)壁上設(shè)置有一級等離子炬1和一次氧化劑噴嘴2。為了保
證溫度場的均勻，該一級等離子炬1設(shè)置有2 6個，通過法蘭沿周向均布在氣化爐殼體3
的下部側(cè)壁上，該一級等離子炬1的工作面對應(yīng)于焦炭床層12與燃料床層13的結(jié)合處。氣
化爐在使用過程中，可以根據(jù)可燃物料的特性變化來調(diào)整一級等離子炬1的輸入電功率。
一般來說，等離子炬的總能量為可燃物料總能量的0. 8 5%，對于低水份、低灰份、高熱值
的可燃物料，等離子炬的設(shè)計功率可以較小，反之可以較大。 —次氧化劑噴嘴2位于一級等離子炬1的上方。該一次氧化劑噴嘴2可以設(shè)置 2 4層，每層多個噴嘴沿周向均布在氣化爐殼體3的下部側(cè)壁上，以確保噴射均勻。氣化 爐在使用過程中，可以通過調(diào)整一次氧化劑噴嘴2中氧化劑的給入量來控制氣化爐出口的 粗合成氣溫度。氧化劑的成份可根據(jù)下游工業(yè)應(yīng)用對合成氣成份的要求來進(jìn)行配制，一般 采用氧氣、富氧空氣、空氣和水蒸汽等，也可以是幾種配合使用。氣化爐殼體3的頂部設(shè)置 有合成氣輸出通道5。氣化爐殼體3的底部設(shè)有熔渣排出裝置11。 氣固分離器具有一個旋風(fēng)分離筒體9，旋風(fēng)分離筒體9的上部氣體進(jìn)口與合成氣 輸出通道5相連，旋風(fēng)分離筒體9的下部顆粒料出口通過回料管10與氣化爐殼體3的下部 返料口相連。[0029] 除焦油器具有一個裂解反應(yīng)殼體6，裂解反應(yīng)殼體6的殼壁上設(shè)置有二級等離子 炬7和二次氧化劑噴嘴8，裂解反應(yīng)殼體6的進(jìn)氣端與旋風(fēng)分離筒體9的上部氣體出口相 連。通過二級等離子炬7提供的高溫和二次氧化劑噴嘴8提供的氧化劑，可以對從旋風(fēng)分 離筒體9出來的凈合成氣進(jìn)一步處理，使得其中的焦油類物質(zhì)裂解轉(zhuǎn)化為有效氣體，從而 獲得精合成氣。 上述雙級等離子體高溫氣化設(shè)備的工作過程是這樣的 首先，將粒徑為120 180mm的工業(yè)焦炭或冶金焦炭顆粒鋪設(shè)到氣化爐的底部，形 成厚度為800 1500mm的焦炭床層12。在氣化爐運(yùn)行時，應(yīng)根據(jù)可燃物料的特性來確定焦 炭床層12的厚度，同時還應(yīng)根據(jù)合成氣的品質(zhì)等因數(shù)隨時對焦炭床層12的厚度進(jìn)行調(diào)整。 然后，將可燃物料、助熔劑和補(bǔ)充焦炭的混合物連續(xù)投入到焦炭床層12上，形成 厚度為2500 3000mm的燃料床層13。該燃料床層13的厚度在氣化爐運(yùn)行時，應(yīng)根據(jù)可燃 物料的特性來調(diào)整，同時還應(yīng)根據(jù)合成氣的品質(zhì)等因數(shù)隨時對燃料床層13的厚度進(jìn)行調(diào) 整。上述可燃物料、助熔劑和補(bǔ)充焦炭的粒徑應(yīng)小于或等于150mm，助溶劑的添加量占可燃 物料重量的1 3%，具體添加量根據(jù)可燃物料的灰份特性和灰份量進(jìn)行調(diào)整，以保證熔渣 能順利的排出氣化爐，補(bǔ)充焦炭的添加量占可燃物料重量的3 5%。在具體的給料操作 中，可以選擇爐頂給料(如本實施例)，也可以采用在氣化爐上部側(cè)面給入的方式，但是無 論何種給料方式均應(yīng)保證給料的連續(xù)性與爐內(nèi)可燃物料分布的均勻性，并減少因給料對爐 內(nèi)煙氣流場的擾動。氣化爐運(yùn)行時，通過給料裝置4連續(xù)不斷地加入可燃物料，助熔劑和補(bǔ) 充焦炭的混合物，維持燃料床層13高度的穩(wěn)定。加入的可燃物料可以是單一的燃料，也可 以是多種物料性質(zhì)不同的混合燃料，如可以是單一的煤、農(nóng)作物秸稈、城市垃圾，也可以是 這些燃料的混合物。 其次，將由氧氣、富氧空氣、空氣、水蒸汽或其組合組成的一次氧化劑噴射到氣化 爐內(nèi)，啟動氣化爐上的一級等離子炬1產(chǎn)生高溫等離子電弧，使部分焦炭和可燃物料燃燒， 在焦炭床層12與燃料床層13的結(jié)合處形成溫度為3000 500(TC的熔融區(qū)，燃燒所生成 的高溫?zé)煔馍闲校谌廴趨^(qū)上部溫度為1700 200(TC的氣化區(qū)對燃料床層13進(jìn)行高溫氣 化，使其中的有機(jī)物高溫裂解為CO和H2，所獲得的粗合成氣從氣化爐上部出口輸出，其出口 處溫度為1000 1250°C。該粗合成氣中灰份含量為30 50g/Nm 焦油含量也較高。可 燃物料中的無機(jī)物灰份則被高溫熔化形成熔渣，并通過焦炭床層12的孔隙流到氣化爐底 部排出，其排渣溫度為1650 1700°C。對于灰熔點(diǎn)比較高的可燃物料，通過在可燃物料中 加入助溶劑(一般為石灰石)來降低灰渣的熔化溫度，調(diào)整熔渣的流動性。排出氣化爐的 熔渣經(jīng)水淬玻璃化，實現(xiàn)無害化并進(jìn)行綜合利用。本實施例中，選用氧氣、富氧空氣、空氣的 噴射壓力控制在33000 36000Pa ;選用水蒸汽時采用250 350°C的過熱水蒸汽，噴射壓 力控制在0. 4 0. 5Mpa，以確保進(jìn)入氣化爐殼體3的氧化劑分布均勻。為了使可燃物料充 分氣化，粗合成氣的上升速度控制在0. 8 1. Om/s之間，粗合成氣在氣化爐中的停留時間 控制在10 15s之間。 再次，將所獲得的粗合成氣導(dǎo)入氣固分離器的旋風(fēng)分離筒體9中，使其中的大顆 粒灰份和焦炭顆粒分離出來，并送回氣化爐殼體3的氣化區(qū)重新循環(huán)，同時獲得凈合成氣， 該凈合成氣中的氣灰份含量為3 5g/Nm3。 最后，將所獲得的凈合成氣引入除焦油器的裂解反應(yīng)殼體6內(nèi)，并通過二次氧化劑噴嘴8向其內(nèi)噴射二次氧化劑，二次氧化劑最好是35(TC的過熱水蒸汽，噴射壓力為 0. 5MPa。同時啟動二級等離子炬7產(chǎn)生高溫等離子電弧，將凈合成氣加熱到1200 1400°C， 并控制凈合成氣的速度使其在高溫區(qū)停留2 15秒，使凈合成氣中殘留的少量焦炭顆粒和 焦油類物質(zhì)高溫裂解轉(zhuǎn)化為C0、 H2、 CH2和C02，最終獲得精合成氣。
權(quán)利要求一種雙級等離子體高溫氣化設(shè)備，主要由氣化爐、氣固分離器和除焦油器三部分構(gòu)成，其特征在于所述氣化爐具有一個氣化爐殼體(3)，氣化爐殼體(3)的頂部或上部側(cè)壁上設(shè)置有給料裝置(4)，通過給料裝置(4)可在氣化爐殼體(3)的底部鋪設(shè)焦炭床層(12)、在焦炭床層(12)的上面鋪設(shè)燃料床層(13)；氣化爐殼體(3)的下部側(cè)壁上設(shè)置有一級等離子炬(1)和一次氧化劑噴嘴(2)，一級等離子炬(1)位于焦炭床層(12)與燃料床層(13)的結(jié)合處，一次氧化劑噴嘴(2)位于一級等離子炬(1)的上方；氣化爐殼體(3)的頂部或上部側(cè)壁上還設(shè)置有合成氣輸出通道(5)；氣化爐殼體(3)的底部設(shè)有熔渣排出裝置(11)；所述氣固分離器具有一個旋風(fēng)分離筒體(9)，旋風(fēng)分離筒體(9)的上部氣體進(jìn)口與合成氣輸出通道(5)相連，旋風(fēng)分離筒體(9)的下部顆粒料出口通過回料管(10)與氣化爐殼體(3)的下部返料口相連；所述除焦油器具有一個裂解反應(yīng)殼體(6)，裂解反應(yīng)殼體(6)的殼壁上設(shè)置有二級等離子炬(7)和二次氧化劑噴嘴(8)，裂解反應(yīng)殼體(6)的進(jìn)氣端與旋風(fēng)分離筒體(9)的上部氣體出口相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙級等離子體高溫氣化設(shè)備，其特征在于所說的一級等離 子炬(1)設(shè)置有2 6個，沿周向均布在氣化爐殼體(3)的下部側(cè)壁上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙級等離子體高溫氣化設(shè)備，其特征在于所說的一次 氧化劑噴嘴(2)設(shè)置有2 4層，每層多個噴嘴沿周向均布在氣化爐殼體(3)的下部側(cè)壁 上。
專利摘要一種雙級等離子體高溫氣化設(shè)備。包括氣化爐、氣固分離器和除焦油器，氣化爐上部設(shè)置有給料裝置和合成氣輸出通道，氣化爐下部設(shè)置有一級等離子炬、一次氧化劑噴嘴和熔渣排出裝置，氣化爐內(nèi)鋪設(shè)有焦炭床層和燃料床層；氣固分離器的上部氣體進(jìn)口與合成氣輸出通道相連，氣固分離器的下部顆粒料出口通過回料管與氣化爐下部的返料口相連；除焦油器的殼壁上設(shè)置有二級等離子炬和二次氧化劑噴嘴，除焦油器的進(jìn)氣端與氣固分離器的上部氣體出口相連。該設(shè)備對燃料的適應(yīng)性好、氣化效率高、合成氣中焦油成份少、有效成份高，適于對各種燃煤、生物質(zhì)、城市固體廢物、市政污泥或其他可燃物料進(jìn)行高溫氣化處理。
文檔編號C10J3/58GK201530809SQ20092022832
公開日2010年7月21日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者夏明貴, 張亮, 張巖豐, 林文 申請人:武漢凱迪控股投資有限公司