具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数；“多个(种)”、“几个(种)”的含义是两个(种)以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的上述发明内容并不意欲描述本发明中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。

现有的煤气化炉产生的煤气中除了有效气(CO和H₂)，还含有较多的CH₄。CH₄在诸如合成氨等采用煤气作为原料的工艺中为惰性气体，煤气中的CH₄含量过高容易导致工艺系统中的压缩机能耗增加，还会导致过多的驰放气排放，因此严重影响合成氨的经济性。

为了降低煤气中的CH₄含量，本申请人研发了一种多层气化剂喷嘴气化炉。在此基础上，本申请人进一步提供了一种用于多层气化剂喷嘴气化炉的气化剂供应系统。图1是作为一个示例的气化剂供应系统的流程图。参照图1，本发明提供的一种气化剂供应系统100包括环管110，与环管110连接的第一过热蒸气供应管道120、氧气供应管道130和蒸氧混合气供应管道140，以及第二过热蒸气供应管道150。

环管110具有第一连接口111、第二连接口112和第三连接口113。第一连接口111用于连接气化炉的多层气化剂喷嘴中的第一层气化剂喷嘴。第一过热蒸气供应管道120与环管110的第二连接口112连通。氧气供应管道130与环管110的第二连接口112连通。蒸氧混合气供应管道140包括进气端和出气端，进气端与环管110的第三连接口113连接，出气端用于连接气化炉的多层气化剂喷嘴中的第二层气化剂喷嘴。第二过热蒸气供应管道150用于连接第二层气化剂喷嘴。

第一过热蒸气供应管道120和氧气供应管道130分别向环管110提供过热水蒸气和氧气。该过热水蒸气和氧气的混合气作为气化剂，由环管110提供给气化炉的多层气化剂喷嘴中的第一层气化剂喷嘴。环管110还将一部分过热水蒸气和氧气的混合气提供给气化炉的多层气化剂喷嘴中的第二层气化剂喷嘴。第二过热蒸气供应管道150向第二层气化剂喷嘴提供过热水蒸气，用于调节提供给第二层气化剂喷嘴的气化剂的蒸氧比。

采用环管110对连接气化炉的不同层气化剂喷嘴的多路气化剂管道进行联合布置，能实现有效控制不同层气化剂喷嘴所需的气化剂组成，同时降低气化剂供应系统和控制系统的复杂性。这对气化炉的稳定高效运行具有重要意义。发明人还发现，采用过热水蒸气和氧气的混合气与过热水蒸气作为气化剂提供给第二层气化剂喷嘴，还有助于保证气化炉具有较高的运行安全性能。

对环管110的形状没有特别的限定，可以为多边形、圆环形、或者其组合。在一些实施例中，环管110为圆环形。

在一些实施例中，气化剂供应系统100还包括蒸氧混合器160。第一过热蒸气供应管道120和氧气供应管道130分别与蒸氧混合器160的进口连接，蒸氧混合器160的出口与环管110的第二连接口112连接。来自第一过热蒸气供应管道120的过热蒸气和来自氧气供应管道130的氧气经蒸氧混合器160混合后，送入环管110。这有利于稳定控制供给第一层气化剂喷嘴的气化剂组成，提高气化炉运行的稳定性。蒸氧混合器160可采用本领域已知的能用于过热蒸气和氧气均匀混合的混合器，例如SV型静态混合器、SK型静态混合器等。

在一些实施例中，气化炉的第一层气化剂喷嘴可含有多个气化剂喷嘴，例如4～6个。环管110可以彼此间隔设置有4～6个第一连接口111，以与第一层气化剂喷嘴中的4～6个气化剂喷嘴进行一一对应连接。由此，可以由环管110向第一层气化剂喷嘴的多个气化剂喷嘴提供气化剂。

在一些实施例中，气化炉的第二层气化剂喷嘴可含有多个气化剂喷嘴，例如2～6个，再例如2～4个。系统还可包括并联连接至蒸氧混合气供应管道140的出气端的2～6个蒸氧混合气支管170，以与第二层气化剂喷嘴的2～6个气化剂喷嘴一一对应连接。由此，可以由环管110通过蒸氧混合气供应管道140向第二层气化剂喷嘴的多个气化剂喷嘴提供气化剂。

在一些实施例中，系统还可包括并联连接至第二过热蒸气供应管道150的2～6个过热蒸气支管180。该2～6个过热蒸气支管180用于与第二层气化剂喷嘴的2～6个气化剂喷嘴一一对应连接。由此，可以由第二过热蒸气供应管道150向第二层气化剂喷嘴的多个气化剂喷嘴提供过热蒸气，以调节提供给第二层气化剂喷嘴中每个气化剂喷嘴的气化剂蒸氧比。

为了便于对各管道的气体流量进行控制，可以在管道上设置流量计和流量调节阀。通过流量计监测管道的气体流量。通过流量调节阀调节管道的气体流量。可由总控单元通过流量控制模块对流量计和流量调节阀进行自动化控制，起到精确控制气体流量及其配比的作用。

在一些实施例中，第一过热蒸气供应管道120上设有流量计FC和流量调节阀FR。氧气供应管道130上设有流量计FC和流量调节阀FR。第一过热蒸气供应管道120上的流量计FC和流量调节阀FR以及氧气供应管道上的流量计FC和流量调节阀FR均信号连接至第一流量控制模块FFIC，第一流量控制模块FFIC连接至总控单元(图中未示出)。总控单元可以通过第一流量控制模块FFIC，对第一过热蒸气供应管道120和氧气供应管道130的气体流量进行联合监测与控制。例如，第一流量控制模块FFIC可以根据第一层气化剂喷嘴所需的预设蒸氧比，结合氧气供应管道130上的实际流量，来确定并调控第一过热蒸气供应管道120的流量。这有利于对提供至第一层气化剂喷嘴的气化剂进行更精确的蒸氧比控制。

在一些实施例中，第一过热蒸气供应管道120上的流量调节阀FR与流量计FC之间信号连接，第一过热蒸气供应管道120上的流量计FC与第一流量控制模块FFIC之间信号连接。可选地，第一过热蒸气供应管道120上的流量计FC位于流量调节阀FR的上游。流量计FC采集第一过热蒸气供应管道120上的流量，并反馈至第一流量控制模块FFIC。第一流量控制模块FFIC根据总控单元(可以是操作人员在总控单元的调控或程序自动进行的调控)的控制，将流量调节信号发送至流量计FC，流量计FC接收信号并发送至流量调节阀FR，控制流量调节阀FR进行自动调节。

在一些实施例中，氧气供应管道130上的流量调节阀FR与流量计FC之间信号连接，氧气供应管道130上的流量计FC与第一流量控制模块FFIC之间信号连接。可选地，氧气供应管道130上的流量计FC位于流量调节阀FR的上游。流量计FC采集氧气供应管道130上的流量，并反馈至第一流量控制模块FFIC。第一流量控制模块FFIC根据总控单元(可以是操作人员在总控单元的调控或程序自动进行的调控)的控制，将流量调节信号发送至流量计FC，流量计FC接收信号并发送至流量调节阀FR，控制流量调节阀FR进行自动调节。

在一些实施例中，蒸氧混合气供应管道140上设有流量计FC和流量调节阀FR，第二过热蒸气供应管道150上设有流量计FC和流量调节阀FR，蒸氧混合气供应管道140上的流量计FC和流量调节阀FR以及第二过热蒸气供应管道150上的流量计FC和流量调节阀FR均信号连接至第二流量控制模块FFIC，第二流量控制模块FFIC连接至总控单元。总控单元可以通过第二流量控制模块FFIC，对蒸氧混合气供应管道140和第二过热蒸气供应管道150的气体流量进行联合监测与控制。例如，第二流量控制模块FFIC可以根据第二层气化剂喷嘴所需的预设蒸氧比，结合蒸氧混合气供应管道140上的实际流量，来确定并调控第二过热蒸气供应管道150的流量。这有利于对提供至第二层气化剂喷嘴的气化剂进行更精确的蒸氧比控制。

总控单元还可以通过第一流量控制模块FFIC和第二流量控制模块FFIC，对系统进行整体控制。例如可包括，根据第一层气化剂喷嘴所需的预设氧气量和第二层气化剂喷嘴所需的预设氧气量，确定氧气供应管道130的设计流量值，以调控其实际流量。还可以包括，根据第一过热蒸气管道120的实际流量值和氧气供应管道130的实际流量值之比、以及第二层气化剂喷嘴所需的预设氧气量，确定并调控蒸氧混合气供应管道140的流量。

在一些实施例中，蒸氧混合气供应管道140上的流量调节阀FR与流量计FC之间信号连接，蒸氧混合气供应管道140上的流量计FC与第二流量控制模块FFIC之间信号连接。可选地，蒸氧混合气供应管道140上的流量计FC位于流量调节阀FR的上游。流量计FC采集蒸氧混合气供应管道140上的流量，并反馈至第二流量控制模块FFIC。第二流量控制模块FFIC根据总控单元(可以是操作人员在总控单元的调控或程序自动进行的调控)的控制，将流量调节信号发送至流量计FC，流量计FC接收信号并发送至流量调节阀FR，控制流量调节阀FR进行自动调节。

在一些实施例中，第二过热蒸气供应管道150上的流量调节阀FR与流量计FC之间信号连接，第二过热蒸气供应管道150上的流量计FC与第二流量控制模块FFIC之间信号连接。可选地，第二过热蒸气供应管道150上的流量计FC位于流量调节阀FR的上游。流量计FC采集第二过热蒸气供应管道150，并反馈至第二流量控制模块FFIC。第二流量控制模块FFIC根据总控单元(可以是操作人员在总控单元的调控或程序自动进行的调控)的控制，将流量调节信号发送至流量计FC，流量计FC接收信号并发送至流量调节阀FR，控制流量调节阀FR进行自动调节。

接下来本发明提供一种煤气化系统。图2是作为一个示例的煤气化系统的示意图。图3是作为一个示例的煤气化系统的气化炉示意图。参照图2和图3，煤气化系统包括气化炉200和根据本发明的任意一种气化剂供应系统100。

气化炉200在高度方向上间隔设置有多层气化剂喷嘴，其中包括第一层气化剂喷嘴210和第二层气化剂喷嘴220。气化剂供应系统100为气化炉200的第一层气化剂喷嘴210和第二层气化剂喷嘴220提供气化剂。环管110连接于气化炉200的外壁，环管110的第一连接口111与气化炉200的第一层气化剂喷嘴210连接，蒸氧混合气供应管道140和第二过热蒸气供应管道150均与气化炉的第二层气化剂喷嘴220连接。

由于采用根据本发明的气化剂供应系统100向气化炉200不同层的气化剂喷嘴提供气化剂，能实现有效控制不同层气化剂喷嘴所需的气化剂组成，同时降低气化剂供应系统和控制系统的复杂性。这有利于气化炉的稳定高效运行。

在一些实施例中，气化炉200对第一层气化剂喷嘴210的气化剂蒸氧量和蒸氧比具有较高的要求。为了满足上述要求，可以使环管110相对靠近第一层气化剂喷嘴210设置。

在本发明中，气化炉200可采用固定床气化炉。固定床气化炉通常采用块煤作为原料，在加压下与气化剂反应制取合成气，具有原料适应性广的优点。例如，原料煤可选自无烟煤、烟煤、褐煤等煤种。气化炉100可以为固态排渣固定床气化炉或液态排渣固定床气化炉。优选地，气化炉100为液态排渣固定床气化炉。

在一些实施例中，气化炉200包括炉体，炉体设有气化腔室、位于顶部的进煤口、以及位于底部的排渣口，炉体在高度方向上依次区分为上部区域、中部区域和下部区域，其中，第一层气化剂喷嘴210设置在炉体的下部区域，用于将第一气化剂引入炉体的下部区域，与经过炉体的上部区域和中部区域的气化处理后的煤料进行燃烧反应；第二层气化剂喷嘴220设置在炉体的中部区域，用于将第二气化剂引入炉体的中部区域参与气化反应，以产生煤气。

原料煤由进煤口送入气化腔室，并且将第一气化剂由第一层气化剂喷嘴210引入气化腔室的下部区域，将第二气化剂由第二层气化剂喷嘴220引入气化腔室的中部区域。原料煤经干燥、低温干馏、加氢热解、焦炭(或半焦)的气化反应后剩余的含C固体残余在下部区域与第一气化剂接触发生燃烧反应，以产生炉内一系列反应所需的热量，同时还产生CO等还原性气体供反应所需。在气化腔室中部区域，第二气化剂与CO和H₂等反应，产生的热量创造出抑制CH₄生成和促进CH₄转化的高温环境，最终产生低CH₄含量的煤气。高温环境还可以促进煤气化过程产生的焦油发生裂解，因此能降低煤气的焦油含量，进一步提高有效气(CO和H₂)占比。

在一些实施例中，炉体的高度记为H，第二层气化剂喷嘴220的设置高度记为h，其中满足：0.3H≤h≤0.6H。可选地，0.35H≤h≤0.55H，0.4H≤h≤0.5H，0.42H≤h≤0.47H，或0.45H≤h≤0.5H。这样能控制炉内温度及反应以适于降低煤气的CH₄含量和焦油含量，获得高有效气占比的煤气。

炉体包括筒体200a以及分设于筒体两端的顶部法兰200b和底部法兰200c。炉体的高度H是指由顶部法兰200b的顶面至底部法兰200c的底面之间的距离。炉体上设有第二气化剂引入口，以设置第二层气化剂喷嘴220。第二层气化剂喷嘴220的设置高度h是指由第二气化剂引入口的中心所在水平线至底部法兰200c的底面之间的垂直距离。

在一些实施例中，第一层气化剂喷嘴210的设置高度记为g，其中可满足：0.1H≤g≤0.3H。还可选地，0.15H≤g≤0.25H，0.1H≤g≤0.2H，或0.18H≤g≤0.28H。炉体上设有第一气化剂引入口，以设置第一层气化剂喷嘴210。第一层气化剂喷嘴210的设置高度g是指由第一气化剂引入口的中心所在水平线至底部法兰的底面200c之间的垂直距离。

气化炉100的煤气出口230可设置于炉体的侧壁，并且靠近进煤口的位置，以充分利用煤气的显热。

尽管图中未示出，本发明的煤气化系统还可选地包括加煤单元、排渣单元、夹套水循环单元(炉体可设置冷却水夹套)等。加煤单元、排渣单元、夹套水循环单元分别可包括本领域已知的相关装置。作为示例，加煤单元可包括煤锁，其连接于进煤口。作为示例，排渣单元可包括连接于排渣口的激冷室与渣锁等。对于液态熔渣，可以将其在激冷室进行激冷后形成玻璃态渣，以进行资源回收利用。

本发明还提供一种用于本发明气化剂供应系统的气化剂供应控制方法。气化剂供应控制方法包括：根据第一层气化剂喷嘴所需的预设氧气量和预设蒸氧比、以及第二层气化剂喷嘴所需的预设氧气量和预设蒸氧比，确定氧气供应管道130、第一过热蒸气供应管道120、蒸氧混合气供应管道140和第二过热蒸气供应管道150的设计流量值；根据氧气供应管道130、第一过热蒸气供应管道120、蒸氧混合气供应管道140和第二过热蒸气供应管道150的设计流量值，调控实际流量值。调控实际流量值可包括流量计采集管道当前的实际流量值，根据当前的实际流量值与设计流量值之差，控制流量调节阀自动调节实际流量值。

在一些实施例中，可根据第一层气化剂喷嘴所需的预设氧气量和第二层气化剂喷嘴所需的预设氧气量，确定氧气供应管道130的设计流量值。可根据第一层气化剂喷嘴的预设蒸氧比和氧气供应管道130的实际流量值，确定第一过热蒸气管道120的设计流量值。可根据第一过热蒸气管道120的实际流量值和氧气供应管道130的实际流量值之比、以及第二层气化剂喷嘴所需的预设氧气量，确定蒸氧混合气供应管道140的设计流量值。根据蒸氧混合气供应管道140的实际流量值和第二层气化剂喷嘴所需的预设蒸氧比，确定第二过热蒸气管道150的设计流量值。由此，能够实现对第一层气化剂喷嘴的气化剂蒸氧量和蒸氧比、以及对第二气化剂喷嘴的气化剂蒸氧量和蒸氧比进行更合理、精确的控制。

在一些实施例中，气化炉可具有本文所描述的结构。例如气化炉包括炉体，炉体设有气化腔室、位于顶部的进煤口、以及位于底部的排渣口，炉体在高度方向上依次区分为上部区域、中部区域和下部区域，第一层气化剂喷嘴设置在炉体的下部区域，第二层气化剂喷嘴设置在炉体的中部区域。第一层气化剂喷嘴的设置位置以及第二层气化剂喷嘴的设置位置分别可以如本文所描述。其中，第一层气化剂喷嘴所需的预设氧气量与第二层气化剂喷嘴所需的预设氧气量的体积流量之比为9:1～5:5，优选为7:3～6:4。前述体积流量之比在适当范围内，有利于降低煤气的CH₄含量，并且使煤气具有较高的有效气占比。

可选地，第一层气化剂喷嘴所需的预设蒸氧比为0.8kg/Nm³～1.2kg/Nm³，还可选为0.9kg/Nm³～1.1kg/Nm³，或0.95kg/Nm³～1.05kg/Nm³。第一层气化剂喷嘴的蒸氧比可以促进反应后剩余的含C固态残余进行燃烧反应，产生炉内一系列反应所需的热量，同时还产生CO等还原性气体供反应所需。

可选地，第二层气化剂喷嘴所需的预设蒸氧比为2.0kg/Nm³～5.0kg/Nm³，或2.5kg/Nm³～3.5kg/Nm³。第二层气化剂喷嘴的蒸氧比可以在保证气化剂引入位置处的煤料不致于烧熔融的前提下，根据原料煤的种类来进行选择和调节。第二层气化剂喷嘴的蒸氧比越小，煤气的CH₄含量越低。

可选地，灰熔点高的煤可采用较小的二次蒸氧比。作为示例，原料煤的灰熔点＞1400℃，第二层气化剂喷嘴所需的预设蒸氧比可选为2.5kg/Nm³～3.5kg/Nm³。

可选地，灰熔点较低的煤可采用较大的二次蒸氧比。作为示例，原料煤的灰熔点≤1400℃，第二层气化剂喷嘴所需的预设蒸氧比可选为3.0kg/Nm³～5.0kg/Nm³。

煤气化通常在加压的条件下进行。在一些实施例中，气化腔室的压力可选为0.8MPa～6.0MPa，还可选为2MPa～5MPa，2.5MPa～4.5MPa，或2.5MPa～4.0MPa。

在本文中，蒸氧比是提供至气化剂喷嘴的过热水蒸气与氧气的比例。当蒸氧比以kg/Nm³计时，表示水蒸气以kg计的质量与氧气以Nm³计的体积之比，单位为kg/Nm³。Nm³是标准立方米，其表示在一个标准大气压(101.325kPa)的压力，0℃的温度，0％的相对湿度下，1立方米的气体量。

实施例

实施例1

气化炉为液态排渣固定床气化炉。在炉体的下部区域设有第一层气化剂喷嘴，第一层气化剂喷嘴包括沿炉体的周向均匀分布的4个气化剂喷嘴。第一层气化剂喷嘴的设置高度h等于0.2倍的炉体高度。在炉体的中部区域设有第二层气化剂喷嘴，第二层气化剂喷嘴包括沿炉体的周向均匀分布的2个气化剂喷嘴。第二层气化剂喷嘴的设置高度h等于0.45倍的炉体高度。

采用图1所示的气化剂供应系统。其中环管为圆环形环管。

原料煤采用无烟块煤，其灰熔点为1450℃。原料煤经煤锁从气化炉的顶部进煤口加入气化腔室。来自空分的纯氧经氧气供应管道送入蒸氧混合器，一股过热水蒸气经第一过热蒸气供应管道送入蒸氧混合器，氧气和过热水蒸气混合后，进入环管，并通过第一层气化剂喷嘴喷入气化炉内，发生一系列燃烧气化反应。环管还将一部分氧气和过热水蒸气的混合气通过第二层气化剂喷嘴喷入气化炉内，来自第二过热蒸气供应管道的另一股过热水蒸气通过第二层气化剂喷嘴喷入气化炉内，发生一系列气化反应。本实施例中，总控单元通过第一流量控制模块和第二流量控制模块，对系统中各管道的流量计和流量调节阀进行自动化联合控制，在简化控制系统的同时起到精确控制气体流量及其配比的作用，并且能获得较高的煤气化工艺安全性能。第一层气化剂喷嘴的预设氧气量与第二层气化剂喷嘴的预设氧气量的体积流量之比为6:4。第一层气化剂喷嘴的预设蒸氧比为0.96kg/Nm³。第二层气化剂喷嘴的预设蒸氧比为3.0kg/Nm³。在2.5MPa气化压力下，原料煤气化生成煤气，由煤气出口送出。煤气出口的煤气的温度约为900℃。煤气组成见表1，其中各组分的含量是体积百分含量。

表1

由以上结果可知，采用本发明的方法及系统，能获得高品质的煤气产品。煤气中的焦油和CH₄的含量较低，有效气含量较高。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。