[0001] 本发明涉及设计一种含碳物质的气化处理系统，尤其是一种气化反应器装置。

[0002] 大型煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术，是发展煤基化学品合成(氨、甲醇、乙酸、烯烃等)、液体燃料合成(二甲醚、汽油、柴油等)、先进的IGCC发电系统、多联产系
统、制氢、燃料电池、直接还原炼铁等过程工业的基础，是这些行业的公共技术、关键技术和
龙头技术。目前，已工业化的煤气化技术可分为3类，即以Lurgi技术为代表的固定床气化技
术、以HTW技术为代表的流化床气化技术和以Texaco、Shell、多喷嘴对置气化技术为代表的
气流床气化技术。

[0003] 德国Lurgi-Spuelgas低温气化工艺中Lurgi炉是一种固定床加压气化炉。严格来说，Lurgi加压气化炉属于第一代煤气化技术，但自发明以来不断得到改进，至今在南非仍
有大规模使用。Lurgi气化工艺具有以下特点：(1)使用粒度在5～50mm之间的粒煤；(2)可能
气化从褐煤到无烟煤的各种煤，但对原料的热稳定性、机械强度、粘结剂等性能指标有一定
要求；(3)操作压力从2～3MPa；(4)气化烟煤时，粗煤气中CO：15％～25％；CO2：24％～34％；
H2：34％～40％；CH4：9％～13％；(5)炉顶煤气温度250～350℃；(6)单炉产气量30000～
50000Nm3/h；(7)冷煤气效率可达80％。从以上工艺特点可以看出，Lurgi的煤气温度较低，
煤气中CH4及焦油含量较高，粗煤气净化和焦油处理单元不可避免，由此引起的环保问题比
较突出。从煤气成份来看，Lurgi是最适合于直接还原的制气技术，只要对煤气进行脱碳处
理后就可以直接供还原竖炉使用。然而，(1)炉顶煤气温度低，煤气中甲烷及焦油含量高，煤
气净化和污水处理工艺复杂、流程长、设备多，炉渣含碳5％左右；(2)后续处理工序需增加
粗煤气净化和焦油处理单元，投资成本增加；(3)lurgi炉属于固定床气化技术，其煤种要求
高，气其他处理麻烦；(4)气化炉结构复杂，炉内设有破黏和煤分布器、炉箅等转动设备，制
造和维修费用的；(5)进料用灰锁上、下阀的使用寿命最长仅为5～6个月，而且长期依赖进
口。

[0004] TEXACO水煤浆气化炉是美国Texaco公司在重油气化基础上开发出的煤气化技术，是目前商业业绩最多的第二代气流床气化工艺，主要技术特点如下：(1)进料采用75％以
上-200目煤粉制成的水煤浆，煤浆中煤粉质量分数为65～70％。理论上Texaco可用于各种
煤的气化，但经验表明最适宜的煤种应是灰熔点为1300℃左右、灰分低于20％的煤种；(2)
气化压力从2.6～8.4MPa；(3)碳转化率在95％以上，冷煤气效率可达到70％以上；(4)干煤
气中的(CO+H2)有效气成份在80％以上，CO约占49％，H2约占31％，CO2约占18％(大同煤)；
(5)气化温度达到1300～1400℃，水激冷后的粗煤气温度为200～260℃。如果采用热能回收
式气化炉，粗煤气的温度换热后从1370℃降至400℃；(6)采用单喷嘴、热壁炉的设备形式，
喷嘴寿命平均在1500h，耐材寿命在1～2年，所以必须设有备用系统；(7)生产1000Nm3(CO+
H2)有效气的氧耗在400Nm3左右，煤耗在640kg左右；(8)单炉设计最大日处理煤量可达到
2000t。现有技术也存在较多缺点：(1)水煤浆进料，限制了原料的适用范围，增加了煤耗与
氧耗；(2)采用耐火砖热壁炉，对砖要求较高，换砖影响开工率；(3)液体排渣对煤灰流动温
度提出了限制；(4)喷嘴寿命相对较短。

[0005] 因此，现有的气化技术有待进一步改进。

[0031] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0032] 根据本发明的一个方面，本发明提出了一种气化反应器。下面参考图1详细描述本发明具体实施例的气化反应器，包括：气化剂喷管20、蓄热式辐射管30和催化剂加入组件
40。

[0033] 根据本发明的具体实施例，反应器具有进料口11、排渣口12和气化气出口13，进料口11设置在所述反应器的顶部，所述排渣口12设置在所述反应器的底部，所述气化气出口
13设置在所述反应器的侧壁上。

[0034] 根据本发明的实施例，所述反应器的高度为5～20m，所述反应器的宽度为2～8m。由此，可以实现对物料的完全气化。

[0035] 根据本发明的具体实施例，气化剂喷管20由所述反应器的顶壁伸入至所述反应器内的上部，所述气化剂喷管的出气端呈锥形且锥底朝下。由此通过该气化剂喷管20可以有
效地向反应器内喷入气化剂，进而与反应器的进料口11加入的煤粉发生气化反应，产出气
化气。

[0036] 根据本发明的具体示例，如图2所示，所述气化剂喷管的出气端呈锥形且锥形底角α与所述反应器的顶壁倾斜角度相同，所述气化剂喷管的出气端直径D为所述反应器宽度的
1/40～1/20。反应器顶壁倾斜角度是指反应器顶壁内表面与水平面的夹角。反应器宽度是
指为图1中所示的反应器竖直壁部分的宽度W。由此通过将气化剂喷管的出气端设置成锥
形，进而提高喷入气化剂的面积，有效提高其与煤粉均匀混合的效率。另外，发明人发现，具
体将锥形设置成锥形底角α与所述反应器的顶壁倾斜角度相同，且出气端直径D为所述反应
器宽度的1/40～1/20，使其能够与上方逐渐加入的煤粉充分混合，进而显著提高气化剂的
喷撒效率、喷撒的均匀度。

[0037] 根据本发明的具体实施例，蓄热式辐射管30布置在所述气化反应器内部，且沿反应器高度方向间隔分布，每层所述蓄热式辐射管30包括多个沿水平方向间隔分布的蓄热式
辐射管。采用蓄热式辐射管，热烟气与进燃烧室的燃料和空气换热，降低了排烟温度，传热
效率提高，能量利用率高。

[0038] 根据本发明的具体示例，每层所述蓄热式辐射管包括多个平行并且均匀分布的蓄热式辐射管且每个所述蓄热式辐射管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每一个蓄热式辐
射管平行。

[0039] 根据本发明的实施例，蓄热式辐射管30在反应器内沿反应器高度方向间隔分布，并且每层蓄热式辐射管包括多个沿水平方向间隔分布的蓄热式辐射管，根据本发明的具体
实施例，每层蓄热式辐射管包括多个平行并且均匀分布的蓄热式辐射管且每个蓄热式辐射
管与相邻上下两层蓄热式辐射管中的每一个蓄热式辐射管平行。根据本发明的具体示例，
蓄热式辐射管为管径200～300mm的圆形或者半圆形辐射管。由此，可以显著提高物料的气
化效率，进而提高气化气产率。

[0040] 根据本发明的实施例，相邻所述蓄热式辐射管中心之间的水平距离为300～500mm，相相邻所述蓄热式辐射管中心之间的垂直距离为500～900mm。需要解释的是，相邻
蓄热式辐射管中心之间的水平距离可以理解为在同层上蓄热式辐射管中心之间的距离，而
相邻蓄热式辐射管中心之间的垂直距离可以理解为相邻上下两层间的相邻蓄热式辐射管
中心之间的距离。

[0041] 根据本发明的实施例，蓄热式辐射管的层数可以为5-15层。发明人发现，该种结构布置可以使得气化反应区中温度场分布均匀，从而可以显著提高物料的气化效率，进而提
高气化气的收率。

[0042] 根据本发明的实施例，蓄热式辐射管可以为单向蓄热式燃气辐射管，即通过辐射管管体将燃烧燃气产生的热量以辐射的方式进行供热。根据本发明的具体实施例，蓄热式
辐射管上可以设置有燃气调节阀(未示出)。由此，通过控制进入辐射管的空气、燃气量及其
配比，来控制辐射管表面温度，控制反应所需温度场，实现对气化过程的精确控温，从而可
以显著提高物料的气化效率，进而提高气化气的收率。在辐射管内燃烧产生的高温烟气，经
与入辐射管低温控制换热，降低排烟温度，提高燃烧效率。

[0043] 具体的，可以通过调整通入蓄热式辐射管的燃气的流量等实现对气化过程的精确控温，并且蓄热式辐射管采用定期换向的燃烧方式，使得单个辐射管的温度场相差不大于
30℃，而没有局部保温区，从而保证反应器中温度场的均匀性。

[0044] 根据本发明的具体实施例，催化剂加入组件40包括：催化剂料斗41；催化剂主管42，催化剂支管43，一个或多个催化剂喷射件44，载气递送件(未示出)，其中，催化剂主管42
竖直地设置在气化反应器外；催化剂主管与催化剂料斗相连；所述催化剂支管与所述催化
剂主管相连通，所述催化剂支管穿过所述气化反应器的壁并延伸至所述气化反应器的内
部；所述催化剂喷射件设置在所述催化剂支管上，且位于所述气化反应器内部，载气递送件
与所述催化剂主管相连通。

[0045] 根据本发明的具体示例，催化剂支管43为多个，并沿催化剂主管的长度方向彼此平行布置。根据本发明的具体示例，所述催化剂支管垂直于所述催化剂主管。根据本发明的
具体示例，所述催化剂支管延伸至所述蓄热式辐射管层的整个层宽度。多个催化剂支管可
有效保证催化剂在反应器内均匀分布，并且有效保证反应原料均匀混合，从而保证良好的
催化反应效果。同时，催化剂支管与辐射管平行布置并位于辐射管下方可有效防止催化剂
支管堵塞。

[0046] 根据本发明的具体示例，所述催化剂喷射件44包括催化剂喷管441和设置在所述催化剂喷管441上的喷嘴，喷嘴上设置有调节阀。

[0047] 根据本发明的具体示例，如图3所示，催化剂喷管441可以由多个沿水平方向间隔分布且首尾依次相连的多个子催化剂喷管442组成，每个子催化剂喷管的管壁上具有多个
催化剂喷孔443。由此采用特殊形式的催化剂盘管，由催化剂支管来的催化剂在催化剂喷管
中由惰性气体携带并喷入气化反应器内。可将催化剂均匀地分布在气化反应器内，与气化
原料均匀混合，进而催化气化反应，提高气化效率。

[0048] 根据本发明的具体示例，催化剂喷射件44包括催化剂喷管441，催化剂喷管的管壁上设置有通孔。

[0049] 根据本发明的具体示例，催化剂支管的一端可拆卸地连接在催化剂主管上并与之连通，催化剂喷管的一端与催化剂支管的另一端连通，催化剂喷管的另一端固定在炉壁上，
由此，催化剂喷管在反应器的宽度方向上横跨于气化反应器内部。催化剂主管的底部与气
体储罐连通。气体储罐将惰性气体吹入催化剂主管，从而将催化剂吹入催化剂喷管。惰性气
体可以是氮气等。催化剂喷管可以是U型、S型或W型，需要解释，当子催化剂喷管个数为2个
时为U型，当子催化剂喷管个数为3个时为S型。

[0050] 根据本发明的具体实施例，催化剂支管设置在蓄热式辐射管的层间。根据本发明的具体实施例，催化剂喷射件布置在蓄热式辐射管的层间。

[0051] 催化剂支管设置于辐射管层间可有效防止粉状料堵塞催化剂喷管，同时可保证物料经辐射管均布后可与催化剂均匀接触混合，保证良好的反应效果，同时可防止催化剂支
管磨损，延长其使用寿命，减少更换次数。根据本发明的具体示例，子催化剂喷管的个数可
以根据每层蓄热式辐射管中的辐射管个数而定，进而可以使得在每根蓄热式辐射管周围配
有子催化剂喷管。进而提高催化剂加入均匀度，以及反应受热均匀度。粒径≤0.5mm的催化
剂通过子催化剂喷管均匀地喷洒于煤料层中。子催化剂喷管采用DN30-80的圆形管，催化剂
通过催化剂主管被吹入每层的子催化剂喷管中。

[0052] 根据本发明的具体示例，每个催化剂喷孔443的孔径为子催化剂喷管管径的1/6～1/3；子催化剂喷管上的相邻两个催化剂喷孔的之间的距离为催化剂喷孔孔径的2～8倍。根
据本发明的具体实施例，每个子催化剂喷管442的管壁上的多个催化剂喷孔443均匀分布且
均朝下，进而防止物料堵塞催化剂喷孔。通过控制上述子催化剂喷管的管径、催化剂喷孔孔
径、孔间距，进而对加入催化剂的量以及效率进行控制，催化气化反应，提高气化效率。

[0053] 根据本发明的具体示例，所述载气递送件连接至所述催化剂主管的末端。根据本发明的具体示例，所述载气递送件可拆卸地连接或焊接至所述催化剂主管。

[0054] 由此，采用上述催化剂加入组件供给催化剂，能够使催化剂均匀地分散于炉内，与煤均匀混合。与现有技术中在反应器顶部直接喷入催化剂的反应器相比，催化剂能够被直
接被喷入气化区，不会影响煤在反应器煤入口处的流形。

[0055] 根据本发明的具体示例，催化剂支管上与催化剂主管连接的一端上设置有调节阀，以调整催化剂的进料量。

[0056] 根据本发明的具体实施例，上述气化反应器还可以进一步包括：螺旋进料器50和螺旋排渣器60，螺旋进料器与所述进料口相连，所述螺旋排渣器与所述排渣口相连。由此可
以进一步提高进料和排渣效率。

[0057] 实施例1

[0058] 低阶烟煤粒度1～5mm

[0059]

[0060] 1)气化反应器内的辐射管为DN200mm的圆形辐射管，辐射管左右中心间距300mm。垂直中心间距为400mm。敷设管层位为18层，反应器宽度2.9m；

[0061] 2)催化剂喷管开孔直接为催化剂喷出管道的1/4，催化剂喷管上开孔间距宜为开孔直接的3倍；

[0062] 3)粒径为0.5mm的催化剂通过催化剂主管、支管和催化剂喷管，喷入气化炉内部，与含碳物料均匀混合；

[0063] 4)控制气化炉气化温度1380℃；

[0064] 5)产生的玻璃态灰渣由底部出料口的排渣螺旋经激冷后排出。

[0065] 气化气组成：

[0066]

[0067] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0068] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。

[0069] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0070] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0071] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一
个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术
人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合
和组合。

[0072] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。