CN101781586A - 一种高温合成气显热回收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，包括辐射锅炉，辐射锅炉通过合成气导管与对流锅炉相连接。本发明通过“辐射式蒸汽发生器+气体激冷+对流式蒸汽发生器”回收出气流床气化炉高温合成气显热，产生中压或者高压蒸汽，可使气流床气化热效率提高10％-15％以上。装置简洁紧凑，运行可靠，投资省，是一种高效节能的装置，可广泛用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)、甲醇与烯烃生产、煤制油、合成气直接还原炼铁生产海绵铁等领域。

Description

一种高温合成气显热回收装置
技术领域
本发明涉及一种与气流床气化炉相衔接的热量回收装置，可用于以浆态或粉态进料的多种气流床气化炉高温合成气的显热回收，副产1.0-15.0MPa蒸汽，应用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)、甲醇与烯烃生产、煤制油、合成气直接还原炼铁生产海绵铁等领域。
背景技术
目前世界各国都极为关注能源高效与洁净利用。出气流床气化炉的高温合成气焓值极高，如何有效利用，目前国际上有三大流派。第一种有代表性的是GE(前Texaco)，在美国Tampa建设的IGCC电站(Tampa Electric IntegratedGasification Combined-Cycle Project，DE-FC21-91MC27363)，采用水煤浆气流床气化生产合成气，日处理2200吨煤，发电能力250MW。高温合成气显热采用辐射锅炉+对流锅炉的方式回收，副产高压饱和蒸汽(10.4MPa)。该装置1997年4月7日投产，碳转化率仅为90％，由于设备等原因开工率不高≤90％，主要原因之一是辐射锅炉出口合成气温度缺乏调节手段致使对流锅炉积灰堵塞。辐射废锅直径5m，高40m，投资巨大，设备加工安装困难。
另一个有代表性的技术为Shell气流床粉煤气化技术，循环合成气返回气化炉高温合成气出口将出气化炉合成气冷却至700-750℃，然后进对流锅炉换热副产5.0MPa中压蒸汽，循环气∶出炉合成气＝1.31.5∶1。
自2001年以来，国内企业先后引进的23台壳牌煤气化装置，目前仅有一半的气化炉试车或开车运行，且运行状况均未达预期，主要原因有熔融灰渣在气化炉渣池结大渣块，堵塞渣池的渣出口，严重影响气化装置的长周期运行；由于对流锅炉积灰，影响对流锅炉的换热效果，需加入比设计激冷气量大约2/3的激冷气。Shell粉煤气化技术采用大量循环合成气激冷高温合成气，增加了对流锅炉及其后续合成气除尘设备的尺寸，同时增加了设备投资，合成气循环压缩增加了气化装置的能耗。
第三种技术是采用水激冷方式冷却气流床气化炉出口高温合成气，如多喷嘴对置式水煤浆气化技术的激冷流程、GE(前Texaco)水煤浆气化技术的激冷流程，产生的蒸汽含于合成气中，这种方案对气化装置后接变换工序，调节CO、H2比例者是适宜的，但对IGCC发电、海绵铁生产是不合适的。
发明内容
本发明的目的是提供一种热量回收装置，达到充分回收高温合成气所带显热，降低投资和节约能源，提高热效率的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，包括辐射锅炉，辐射锅炉通过合成气导管与对流锅炉相连接。
进一步，辐射锅炉为由第一耐火衬里层保护的竖直式圆柱状容器，在辐射锅炉内设有辐射式蒸汽发生器，在辐射式蒸汽发生器与第一耐火衬里层之间形成第一合成气通道，在辐射式蒸汽发生器的下端设有循环合成气激冷器，在循环合成气激冷器的下方设有渣池，在渣池上设有渣池水入口、渣池水出口和灰渣出口。
所述辐射式蒸汽发生器的高度与直径比值H1∶D1＝5-10，所述第一合成气通道的宽度D2为600-900mm，所述第一耐火衬里层若采用耐火砖结构时，其厚度L1为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与辐射锅炉的金属炉壁之间间隙L1为700-800mm。
所述循环合成气激冷器为具有多孔的环形圆管或由周向布置的6-80个喷管组成。
所述合成气导管倾斜向上或者倾斜向下布置，由第二耐火衬里层保护，向上倾斜的倾角α和向下倾斜的倾角β分别为30-60度，当合成气导管倾斜向上时，在所述对流锅炉内的顶部设置导向室。
所述导向室的高度H4与所述对流锅炉内的第二合成气通道直径D3比值H4∶D3＝3-6。
所述合成气导管为耐火砖结构或为膜式水冷壁结构，由第二耐火衬里层保护，所述第二耐火衬里层若采用耐火砖结构时，其厚度L2为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与合成气导管的金属管壁之间间隙L2为700-800mm。
所述对流锅炉为耐火砖结构或为膜式水冷壁结构，由第三耐火衬里层保护，在流锅炉内设置有2-6段对流式蒸汽发生器，每段对流式蒸汽发生器设置2-8个吹灰器。
所述对流锅炉的高度H3与其内的第二合成气通道直径D3比值H3∶D3＝15-35，所述第三耐火衬里层若采用耐火砖结构时，其厚度L3为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与对流锅炉的金属炉壁之间间隙L3为700-800mm。
每段对流式蒸汽发生器由2-8个蒸发换热面组成，蒸发受热面采用螺旋盘管结构，每个蒸发换热面之间间距D4为50-200mm。
本发明设置辐射式蒸汽发生器和对流式蒸汽发生器回收高温合成气及熔渣显热，并在辐射锅炉下端设置循环合成气激冷器。高温合成气显热回收的难点是合成气中带有熔渣，一旦温度降低，熔渣将变成固态，或附着于管壁上成为热阻，或堵塞气体通道，影响设备的正常运行。
为解决上述问题，本发明的构思是这样的：出气化炉合成气中含有CO、H2、CO2、H2O、熔渣等组分，温度为1300-1600℃左右。根据辐射传热原理，传热量与温度的4次方成正比，高温合成气及熔融灰渣温度越高，辐射换热越强，即辐射式蒸汽发生器内温度下降梯度越大。至此设置辐射式蒸汽发生器主要在合成气高温区间换热(高温合成气冷却至900-1100℃)，可以大大降低辐射式蒸汽发生器的高度。辐射式蒸汽发生器内置于辐射锅炉中。辐射锅炉金属炉壁采用耐火衬里保护，或为耐火砖，或为水冷壁。采用耐火砖保护辐射锅炉金属炉壁，可以做到与之衔接的气流床气化炉等直径。与GE辐射锅炉相比，降低辐射锅炉高度和直径均可大幅度降低辐射锅炉的投资。
当辐射式蒸汽发生器内的合成气温度降低到其灰渣相变温度附近时，为了避免灰渣粘壁，在辐射锅炉下端设置的循环合成气激冷器将高温合成气冷却至700-900℃。由于采用了循环合成气激冷，可以在操作过程中根据操作情况调控进入对流锅炉合成气的温度，避免GE废锅技术中出现对流锅炉积灰，有利于气化装置的长周期满负荷运行。出气化炉高温合成气在低温区间被激冷(从900-1100℃激冷至700-900℃)，循环气∶出炉合成气＝0.2-0.5∶1(质量比)，较Shell技术大大减少，同时对流锅炉及后续除尘设备的尺寸也大大减小，降低了装置的投资和合成气循环压缩功。
出辐射锅炉的合成气经合成气导管进入对流锅炉。对流锅炉内设置2-6段对流式蒸汽发生器，同时还可设置蒸汽过热器和省煤器。合成气导管和对流锅炉采用耐火衬里保护金属炉壁，或为耐火砖，或为水冷壁。对流锅炉设置吹灰器防止积灰。出对流废锅的合成气温度为200-400℃。
气流床气化炉所用原料可以是固态烃，例如煤、石油焦、生物质、工业废弃物、城市污泥等；也可以是液态烃，例如煤浆、渣油、工业废弃物等；或气态烃，例如焦炉气、炼厂气、天然气、油田气、煤层气等。高温合成气(1300-1600℃)携带熔渣从气流床气化炉下部出口排出，进入辐射式蒸汽发生器回收合成气和熔渣的高温显热，辐射式蒸汽发生器将合成气冷却至900-1100℃，然后经循环合成气激冷冷却至700-900℃。60-80％的灰渣落入辐射锅炉底部的渣池，合成气携带20-40％的灰渣在辐射式蒸汽发生器与辐射锅炉炉壁保护衬里之间的环形空间通道再被冷却至650-850℃。离开辐射废锅合成气经合成气导管进入对流废锅换热，出对流废锅的合成气温度为200-400℃。辐射锅炉、合成气导管和对流锅炉合成气侧操作压力为1.0-9.0MPa；水(或蒸汽)侧的操作压力为1.0-15.0MPa，其合成气侧的压力与气流床气化炉的操作压力匹配，水(或蒸汽)侧的操作压力与全厂蒸汽压力等级匹配，三者或为相同压力等级，或为不同压力等级。
本发明通过“辐射式蒸汽发生器+气体激冷+对流式蒸汽发生器”回收出气流床气化炉高温合成气显热，产生中压或者高压蒸汽，可使气流床气化热效率提高10％-15％以上。装置简洁紧凑，运行可靠，投资省，是一种高效节能的装置，可广泛用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)、甲醇与烯烃生产、煤制油、合成气直接还原炼铁生产海绵铁等领域。
附图说明
图1为气流床气化炉相衔接的高温合成气显热回收装置示意图；
图2为图1的A-A向示意图；
图3为合成气导管示意图；
图4为图1的B-B向示意图。
具体实施方式
以下结合附图来具体说明本发明。
参见图1，与气流床气化炉合成气和熔渣出口1相衔接的高温合成气显热回收装置包括：辐射锅炉2，合成气导管3和对流锅炉4。
辐射锅炉2为由第一耐火衬里层21保护的竖直式圆柱状容器，在辐射锅炉2内设有辐射式蒸汽发生器22，在辐射式蒸汽发生器22下方设有循环合成气激冷器23及渣池24；辐射式蒸汽发生器22采用垂直式膜式壁结构；耐火衬里层21或为耐火砖结构，或为膜式水冷壁结构。
气化炉合成气和熔渣出口1的气体温度为1300-1600℃，流速为5-20m/s，辐射式蒸汽发生器22内气体的流速为0.1-10m/s，辐射式蒸汽发生器22的高度与直径比值H1∶D1＝5-10，辐射式蒸汽发生器将高温合成气冷却至900-1100℃。
循环合成气激冷器23设置于辐射式蒸汽发生器22的下端部，从循环激冷合成气将高温合成气从900-1100℃冷却至700-900℃；
辐射式蒸汽发生器22与第一耐火衬里层21之间的第一合成气通道的宽度D2为600-900mm，该通道一方面可作为高温合成气的流出通道，另外还可作辐射式蒸汽发生器22与耐火衬里层21的检修空间，合成气携带20-40％的细灰，在环形空间通道再被冷却至650-850℃。
第一耐火衬里层21若采用耐火砖结构时，其厚度L1为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与辐射锅炉2的金属炉壁之间间隙L1为700-800mm。
渣池24收集60-80％的灰渣，渣池24设有渣池水入口25、渣池水出口26和灰渣出口27，少量灰渣从渣池水出口26排至下游装置处理，大部分灰渣从灰渣出口27排出。
合成气导管3用于连接辐射锅炉2和对流锅炉4，合成气导管3由第二耐火衬里层31保护，或为耐火砖结构，或为膜式水冷壁结构，合成气流速为0.1-10m/s，出合成气导管3的合成气温度为600-800℃。
第二耐火衬里层31若采用耐火砖结构时，其厚度L2为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与合成气导管3的金属管壁之间间隙L2为700-800mm。
对流锅炉4由第三耐火衬里层41保护，或为耐火砖结构，或为膜式水冷壁结构；对流锅炉4内设置2-6段对流式蒸汽发生器42，合成气流速为0.1-10m/s，出对流锅炉合成气的温度为200-400℃；对流锅炉4的高度H3与其内的第二合成气通道直径D3比值H3∶D3＝15-35；每段对流式蒸汽发生器42设置2-8个吹灰器43。
第三耐火衬里层41若采用耐火砖结构时，其厚度L3为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与对流锅炉4的金属炉壁之间间隙L3为700-800mm。
参见图2，循环合成气激冷器23设置在辐射式蒸汽发生器22下端部，其结构可以是具有多孔的环形圆管、或由周向布置的6-80个喷管28组成，出小孔或喷管的气流速度为0.5-10m/s。
参见图1和图3，合成气导管3的布置形式有两种，倾斜向上或者倾斜向下，倾角α和β分别为30-60度；参见图1，当合成气导管3倾斜向上时，设置导向室44，导向室44高度H4与合成气通道直径D3比值H4∶D3＝3-6。
参见图4，每段对流式蒸汽发生器42由2-8个蒸发换热面45组成，蒸发受热面采用螺旋盘管结构，每个换热面之间间距D4为50-200mm。
本发明提出的高温合成气显热回收装置可用于多种气流床气化炉高温合成气的显热回收，气化炉进料形态可为浆态或者粉态，优先采用ZL98110616.1专利公开的技术。
实施例
一个日处理2000吨煤的粉煤进料的气流床气化炉，操作压力为4.0MPa，操作温度为1500℃，所用煤的特征数据为：
工业分析：
收到基水分Mar   14％(wt)；
收到基挥发分Var 36.49％(wt)
收到基灰分Aar   12％(wt)
元素分析：
收到基碳Car 61.45％(wt)
收到基氢Har 3.61％(wt)
收到基氧Oar 7.80％(wt)
收到基氮Nar 0.71％(wt)
收到基全硫St，ar 0.43％(wt)
热值：
收到基低位发热量Qnet，ar 23420kJ/kg
灰熔点：
流动温度FT 1350℃
气化炉合成气出口及高温合成气显热回收装置工艺数据为表1：
表1气化炉合成气出口及高温合成气显热回收装置工艺数据
  S1   S2   S3   S4   S5   S6   S7
  出气化炉高温合成气   辐射换热后合成气 激冷气   激冷后合成气   出辐射锅炉合成气   出合成气导管合成气   出对流锅炉合成气
  温度℃   1500   1000   160   850   800   750   280
  压力MPag   4.00   4.00   4.20   4.00   3.94   3.90   3.85
  H2   2064   2064   487   2551   2551   2551   2551
  CO   4479   4479   996   5475   5475   5475   5475
  CO2   289   289   50   339   339   339   339
  H2S   11.7   11.7   2.5   14.3   14.3   14.3   14.3
  COS   0.9   0.9   0.2   1.1   1.1   1.1   1.1
  CH4   0.6   0.6   1.3   1.9   1.9   1.9   1.9
  N2   458   458   101   558   558   558   558
  AR   7.8   7.8   1.6   9.4   9.4   9.4   9.4
  NH3   1.0   1.0   0.1   1.1   1.1   1.1   1.1
  H2O   510   510   241   752   752   752   752
  灰渣   11878   11878   0   11878   2970   2970   2970
气化炉采用ZL98110616.1专利公开的技术，耐火衬里为水冷壁，气化炉膛直径2860mm，气化炉壁内直径4700mm。合成气及灰渣出口直径为850mm，气体流速为15m/s。
辐射锅炉辐射式蒸汽发生器内直径2600mm，高度23000mm，气体流速为1.2m/s；辐射锅炉采用耐火砖保护，耐火砖厚度约200mm。辐射锅炉金属炉壁内直径为4700mm，与气化炉等直径。
合成气导管采用倾斜向上布置方式，向上倾角40度；采用膜式水冷壁保护金属炉壁，膜式水冷壁内直径1350mm，合成气导管金属壁内直径2850mm。
对流锅炉采用膜式水冷壁保护金属炉壁，膜式水冷壁内直径1600mm，对流锅炉金属壁内直径3100mm，导向室长度7500mm；对流锅炉内设置3段对流式蒸汽发生器，每段长度10000mm，每段对流式蒸汽发生器设置3个吹灰器。每段对流式蒸汽发生器均为3组螺旋盘管结构组成，盘管从内圈到外圈的直径分别为800、1000、1200mm。
辐射锅炉、合成气导管、对流锅炉设置为副产5.0MPa饱和蒸汽，辐射锅炉蒸汽产量80t/h，合成气导管段10t/h，对流锅炉70t/h，合计合成气显热回收装置副产160t/h的5.0MPa饱和蒸汽。气流床气化炉冷煤气效率82.2％，气化炉及合成气显热回收装置的综合热煤气效率为96％。

Claims (10)

1.一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，包括辐射锅炉(2)，辐射锅炉(2)通过合成气导管(3)与对流锅炉(4)相连接。
2.如权利要求1所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，辐射锅炉(2)为由第一耐火衬里层(21)保护的竖直式圆柱状容器，在辐射锅炉(2)内设有辐射式蒸汽发生器(22)，在辐射式蒸汽发生器(22)与第一耐火衬里层(21)之间形成第一合成气通道，在辐射式蒸汽发生器(22)的下端设有循环合成气激冷器(23)，在循环合成气激冷器(23)的下方设有渣池(24)，在渣池(24)上设有渣池水入口(25)、渣池水出口(26)和灰渣出口(27)。
3.如权利要求2所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，所述辐射式蒸汽发生器(22)的高度与直径比值H1∶D1＝5-10，所述第一合成气通道的宽度D2为600-900mm，所述第一耐火衬里层(21)若采用耐火砖结构时，其厚度L1为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与辐射锅炉(2)的金属炉壁之间间隙L1为700-800mm。
4.如权利要求2所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，所述循环合成气激冷器(23)为具有多孔的环形圆管或由周向布置的6-80个喷管(28)组成。
5.如权利要求1所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，所述合成气导管(3)倾斜向上或者倾斜向下布置，向上倾斜的倾角α和向下倾斜的倾角β分别为30-60度，当合成气导管(3)倾斜向上时，在所述对流锅炉(4)内的顶部设置导向室(44)。
6.如权利要求5所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，所述导向室(44)的高度H4与所述对流锅炉(4)内的第二合成气通道直径D3比值H4∶D3＝3-6。
7.如权利要求1或5所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，所述合成气导管(3)为耐火砖结构或为膜式水冷壁结构，由第二耐火衬里层(31)保护，所述第二耐火衬里层(31)若采用耐火砖结构时，其厚度L2为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与合成气导管(3)的金属管壁之间间隙L2为700-800mm。
8.如权利要求1所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，所述对流锅炉(4)为耐火砖结构或为膜式水冷壁结构，由第三耐火衬里层(41)保护，在对流锅炉(4)内设置有2-6段对流式蒸汽发生器(42)，每段对流式蒸汽发生器(42)设置2-8个吹灰器(43)。
9.如权利要求8所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，所述对流锅炉(4)的高度H3与其内的第二合成气通道直径D3比值H3∶D3＝15-35，所述第三耐火衬里层(41)若采用耐火砖结构时，其厚度L3为100-300mm，若采用膜式水冷壁结构时，膜式水冷壁与对流锅炉(4)的金属炉壁之间间隙L3为700-800mm。
10.如权利要求8所述的一种高温合成气显热回收装置，其特征在于，每段对流式蒸汽发生器(42)由2-8个蒸发换热面(45)组成，蒸发受热面(45)采用螺旋盘管结构，每个蒸发换热面(45)之间间距D4为50-200mm。
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