CN102213409A - 一种带有调节手段的双筒体水冷壁型辐射废锅及其工业应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气流床煤气化高温、高压气化产物所含显热的回收技术，尤其适用于整体煤气化联合循环发电系统(IGCC)气化岛的废锅流程气化炉或半废锅流程气化炉，为一种带有调节手段的双水冷壁筒体型辐射废锅。由与气化炉连接的法兰、承受高温和高压的壳体、内层水冷壁、外层水冷壁、屏式水冷壁、吹灰装置以及位于底部的渣池构成，并包括具有调节作用的喷水降温装置。大部分气流携带的灰渣被底部渣池捕集，合成气从辐射废锅单侧出口流出。进辐射废锅的高压水，回收高温、高压气化产物的显热后，转换成饱和高压蒸汽由水冷壁出口排出。本发明可有效回收气化产物的高位显热，提高整体能源利用效率，具有运行安全、可靠、可控的特点，是一种清洁、高效的能源回收技术。

Description

一种带有调节手段的双筒体水冷壁型辐射废锅及其工业应用

技术领域

本发明涉及应用于煤等含碳固体燃料气化生成的高温、高压产物显热的回收技术。

背景技术

气流床气化炉通常在高温、条件下运行，气化产物具有较高的温度。基于气化后续加工不同产品的要求，根据回收高温煤气显热工艺方案的不同，气化有三种工艺流程，即激冷流程、废锅流程和废锅激冷联合流程。

对于合成氨生产及制氢多采用激冷流程。气化过程产生的高温煤气和熔渣进入激冷室，在激冷室中与激冷水接触，煤气降温、熔渣固化，被激冷后的粗煤气含有较多水蒸汽，可直接送入变换系统而不需再补加蒸汽。该工艺过程中热量主要进入水循环系统，热损失较大。激冷流程的工艺、设备及操作均较简单。但从能量利用角度出发，激冷式气化炉主要存在热效率低、资源浪费大、能源利用不合理等缺点。与废锅流程相比，热煤气效率下降5～8％。因此，气化产物的显热能否充分回收利用，对整个系统的能源利用效率具有较大影响。

废锅流程通过辐射废锅和对流废锅将气化过程中产生的～1400℃的高温煤气、熔渣等的热量回收，可回收相当于原料煤低位发热量15～18％的能量，副产饱和蒸汽，在整体煤气化联合循环发电系统(Integrated Gasification Combined Cycle，简称IGCC)中用于蒸汽轮机发电，或预热其他工艺介质(如预热进入燃气轮机的合成气等)，实现热量回收利用，使得热煤气效率达到90～95％。从能量利用效率角度而言，废锅流程是IGCC的最佳选择。利用辐射废锅和对流废锅的显热回收技术，能对气化产物显热得到最大限度的回收利用，可使整体能源利用效率提高4～5个百分点。进入辐射废锅的合成气携带的大部分灰渣将被辐射废锅底部渣池捕集，合成气本身也得到初步净化。

采用废锅激冷联合流程，亦称半废锅流程，即出气化炉的高温煤气经辐射废锅冷却到700℃左右，然后采用水激冷到所需要的温度，使依靠煤气显热产生的蒸汽能满足后工序部分变换的要求。辐射废锅产生高压蒸汽，作动力蒸汽或驱动透平，可以大大降低动力煤消耗，从而明显降低系统的能耗。特别是水煤浆气化采用较差煤种(灰份含量高、煤浆浓度低)时，半废锅流程优势更加明显。半废锅流程气化工艺是甲醇及烃类合成的节能高效的关键，将有力促进以煤气化为基础的新型煤化工(煤制甲醇、煤制烯烃、煤间接液化等)能耗的降低。

综上所述，辐射废锅是废锅流程、半废锅流程的核心设备，是清洁、高效煤气化技术的关键单元。因此，研制先进的辐射废锅是提高我国煤炭转化效率的关键技术之一。

现有辐射废锅换热面无法密集布置，导致其体积庞大，并且有易结渣及水冷壁间环隙易积灰等缺陷，使操作方面存在安全隐患。因此，基于降低辐射废锅造价和实现辐射废锅安全操作的考虑，亟需带有调节手段的辐射废锅。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是公开一种带有调节手段的双筒体水冷壁型辐射废锅及其工业应用，以满足现代生产企业和IGCC发电系统对大规模高效气流床气化产物显热回收技术的需求。

本发明的构思是这样的：由于影响辐射废锅高效、稳定、长周期运行的主要因素，除了与气化炉的运行工况存在一定的关联外，辐射废锅内水冷壁上的积灰、结渣甚至最终产生的堵渣现象是影响辐射废锅运行的关键问题。而辐射废锅内的灰渣为被气流从气化炉携带的熔融态灰渣颗粒，能否在辐射废锅水冷壁上形成积灰、结渣与辐射废锅内的水冷壁布置和流体流场结构有关。也就是说，在气化炉操作工况稳定时，必须合理布置辐射废锅内的水冷壁，在最大化利用辐射废锅空间的基础上，优化辐射废锅内部流场结构，避免水冷壁上积灰结渣情况的出现。

本发明为双筒体水冷壁型辐射废锅，是由与气化炉相连的法兰、承受高温高压的壳体、内置两个圆筒形膜式水冷壁(内层水冷壁、外层水冷壁)、屏式水冷壁和位于辐射废锅底部的渣池等部件构成，并包括具有调节作用的喷水降温装置。

辐射废锅入口处外侧与气化炉壳体采用法兰连接。辐射废锅壳体内侧采用耐火砖砌筑，进入辐射废锅处设计有一滴水檐，利于熔渣脱落进入辐射废锅，防止直接沉积在水冷壁壁面。入口整体采用抛物线型设计，减小入口射流回流区。

辐射废锅壳体的内径2.5～6.8m，高径比3～10，具体尺寸与连接的气流床气化炉的处理规模相对应。

圆筒形膜式水冷壁沿辐射废锅的壳体内部平行布置，内层水冷壁采用双面水冷壁设计，外层水冷壁为单面水冷壁结构。内层水冷壁入口位于辐射废锅渣池液面上部，设有集箱。进入水冷壁的高压水吸收气化产物热量后，产生高压饱和蒸汽/水，从辐射废锅顶部进入汽水分离设备，蒸汽用于蒸汽轮机发电或预热其他工艺介质。

在内层水冷壁的内侧布置屏式水冷壁，以实现在避免结渣的前提下，充分利用辐射废锅的空间，强化传热。屏式水冷壁紧邻内层水冷壁，沿内层水冷壁顶部向下垂直布置。屏式水冷壁的数量、高度及宽度与辐射废锅处理负荷、流场和高温煤气所含熔渣的状态等有关：高度不大于内层水冷壁高度的1/2；宽度不大于内层水冷壁所构成空间的半径的1/2；数量为2～32个。屏式水冷壁沿圆周方向均匀布置。

在内层水冷壁内侧传热恶化时，离开内层水冷壁的高温煤气的温度偏高，可能会导致内层水冷壁与外层水冷壁构成的水冷壁环隙产生积灰，将导致传热进一步恶化，并可能产生操作安全性问题。在水冷壁环隙底部布置具有调节性能的喷水减温装置，喷水减温装置的喷水孔沿环隙圆周方向均匀布置，喷水量可根据离开内层水冷壁的高温煤气的温度进行控制，以实现不高于200℃的降温幅度，使进入环隙的高温煤气的温度恒定，从而彻底消除水冷壁环隙的积灰问题。

在内层水冷壁的内侧下部及水冷壁环隙设有吹灰装置，以清除细灰，保持水冷壁传热面清洁。

辐射废锅底部设有收集落渣的渣池，大部分灰渣依靠重力直接进入渣池的水浴，通过渣池底部出口进入下部的锁斗排出。经过显热回收的粗煤气由辐射废锅出口进入后续工艺流程。

本发明的优点

1.本发明提供的双筒体水冷壁型辐射废锅可用于IGCC发电系统，回收高温高压气化产物的显热，以产生高压饱和蒸汽用于发电，整体能源利用效率大大提高。

2.本发明提供的双筒体水冷壁型辐射废锅可用于化工生产系统中气流床煤气化生产的粗煤气的显热回收，产生的高压饱和蒸汽可用于化工生产中所需的工艺蒸汽和辅助蒸汽。

3.本发明提供的双筒体水冷壁型辐射废锅采用圆筒形水冷壁结构，采用双筒体结构设计并设置屏式水冷壁，在无结渣隐患的前提下，有效地缩减辐射废锅整体尺寸，制造、运输和安装较为方便，利于吹灰和维修。

4.本发明提供的双筒体水冷壁型辐射废锅带有调节手段，在水冷壁环隙底部布置喷水减温装置，喷水量可根据离开内层水冷壁的高温煤气的温度进行控制，使进入环隙的高温煤气的温度恒定，从而彻底消除水冷壁环隙的积灰问题。

5.本发明提供的双筒体水冷壁型辐射废锅底部设有渣池，合成气携带灰渣颗粒流经底部渣池后，大部分灰渣落入渣池，合成气进入辐射废锅环隙，气化产物在降温的同时已在辐射废锅内完成初步净化过程。

附图说明

图1为双筒体水冷壁型辐射废锅的结构简图。

图2为辐射废锅的剖视简图。

图3为喷水减温装置的结构简图。

图中，1-辐射废锅入口法兰，2-辐射废锅与气化炉接口，3-内层水冷壁出口集箱，4-辐射废锅出口，5-内层水冷壁，6-外层水冷壁，7-辐射废锅壳体，8-阻隔板，9-渣池出水口，10-渣池进水口，11-渣池出渣口，12-内水冷壁出口，13-外水冷壁出口，14-辐射废锅渣池，15-内层水冷壁入口，16-外层水冷壁入口，17-吹灰装置，18-水冷壁环隙，19-水冷壁连接翅片，20-外层水冷壁出口集箱；21-外层水冷壁与壳体环隙；22-屏式水冷壁；23-喷水减温装置；24-屏式水冷壁入口；25-屏式水冷壁出口；26-喷水孔。

具体实施方式

参见图1，本发明为用于大型高效气化炉高温产物的显热回收的双筒体水冷壁型辐射废锅，主要由与气化炉相连的法兰1和接口2，承受高压的壳体7，回收产物高温显热的内层水冷壁5、屏式水冷壁22和外层水冷壁6，喷水减温装置23以及位于辐射废锅底部的渣池14等部件构成。圆筒形膜式水冷壁5和6沿辐射废锅壳体平行布置，内层水冷壁出口与渣池液面保持一定距离。水冷壁入口15、16的高压水分别经过水冷壁5、6及屏式水冷壁22回收高温气化产物的热量，并加热转换成高压饱和蒸汽/水，可用于蒸汽轮机发电或预热其他工艺气体。辐射废锅底部渣池14将收集气流携带的大部分灰渣颗粒。渣池水由入口10进入，从出口9排出，从而实现渣水循环并保持渣池水温稳定。渣池的灰渣从出口11进入下部的锁斗后排出。经过显热回收和初步净化的粗煤气从辐射废锅出口4进入下游工艺单元。

水冷壁出口12、13分别与内层水冷壁出口集箱3及外层水冷壁出口集箱20连通。圆筒形内层水冷壁5和外层水冷壁6组成一个环形空间18。内、外层水冷壁的水冷管管间采用鳍片19连接。辐射废锅外层水冷壁与金属外壳间的空隙可注入氮气，以达到压力平衡。

内层水冷壁5与外层水冷壁6构成的水冷壁环隙18底部布置具有调节作用的喷水减温装置23，喷水减温装置23的喷水孔26沿环隙圆周方向均匀布置，喷水孔开孔方向为垂直向下。喷水量可根据离开内层双面水冷壁的高温煤气的温度进行控制，使进入环隙的高温煤气的温度恒定。

在内层水冷壁5的内侧下部及水冷壁环隙18设有吹灰装置17。吹灰装置17定期运行，以清除附于水冷壁的细灰，保持水冷壁传热面清洁。

若将辐射废锅应用于IGCC系统，辐射废锅将处于IGCC系统的主热力系统中，为汽轮机发电提供高压蒸汽。

实施例1

某多喷嘴对置式水煤浆气化炉日处理煤1650吨(干基)/天，出气化炉进入辐射废锅的高温煤气流量176500Nm³/h，温度1310℃，压力35atm(G)。辐射废锅壳体内径5000mm，直段高径比4.8，直段高度24m；内层水冷壁中心直径2300mm，高度21m；外层水冷壁中心直径3700mm，高度20m。沿内层水冷壁顶部向下垂直布置16个屏式水冷壁；屏式水冷壁的高度为8m，宽度为0.4m，管子规格为Φ48×6；屏式水冷壁沿圆周方向均匀布置。采用屏式水冷壁使辐射废锅的高度相对于不设置屏式水冷壁时缩短约5m。进入内、外层水冷壁及屏式水冷壁的高压水的温度为312℃，压力112atm，蒸发量为185t/h。离开辐射废锅的煤气温度为约600℃。

在内层水冷壁与外层水冷壁构成的水冷壁环隙布置喷水减温装置(喷水环)，喷水孔沿环隙圆周方向均匀布置，喷水量最高25t/h，以达到不高于200℃的降温幅度，从而实现在内层水冷壁及屏式水冷壁传热恶化时，也不会导致进入环隙的高温煤气的温度升高。该调节手段对于保证水冷壁环隙不产生积灰、结渣问题起到关键作用。

该设备达到的性能如下：

散热损失：＜0.4％

可用率：＞95％

辐射废锅入口温度：1200～1400℃

辐射废锅出口温度：500～700℃

操作压力(管程)：112atm

操作压力(壳程)：35atm

该辐射废锅可用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)及新型煤化工装置中煤等含碳固体燃料气化生成产物的高温显热回收。

Claims (10)

1.一种带有调节手段的双筒体水冷壁型辐射废锅，其特征在于：利用水冷壁通过辐射传热方式回收气流床气化产生的高温煤气的显热，包括壳体(7)、与气化炉接口(2)、内层水冷壁(5)、外层水冷壁(6)、渣池(14)、吹灰装置(17)、屏式水冷壁(22)和喷水减温装置(23)。

2.按照权利要求1所述的辐射废锅，其特征在于：辐射废锅入口采用抛物线形设计结构，与气化炉采用法兰连接。

3.按照权利要求1所述的辐射废锅，其特征在于：壳体(7)内径2.5～6.8m，高径比3～10，具体尺寸与连接的气流床气化炉的处理规模相对应。。

4.按照权利要求1所述的辐射废锅，其特征在于：内层水冷壁(5)和外层水冷壁(6)沿辐射废锅的壳体内部呈圆筒形平行布置；水冷壁的高压水入口位于辐射废锅渣池(14)液面的上部；进入水冷壁的高压水经水冷壁回收气化产物的辐射热量，产生的高压饱和蒸汽/水从辐射废锅的上部引出。

5.按照权利要求1所述的辐射废锅，其特征在于：在内层水冷壁(5)的内侧布置屏式水冷壁(22)。

6.按照权利要求5所述的辐射废锅，其特征在于：屏式水冷壁(22)紧邻内层双面水冷壁(5)，沿内层水冷壁(5)顶部向下垂直布置；屏式水冷壁(22)的高度不大于内层水冷壁(5)高度的1/2；屏式水冷壁(22)的宽度不大于内层水冷壁(5)所构成空间的半径的1/2；屏式水冷壁(22)的数量为2～32个；沿圆周方向均匀布置。

7.按照权利要求1所述的辐射废锅，其特征在于：在内层水冷壁(5)与外层水冷壁(6)构成的水冷壁环隙(18)布置喷水减温装置(23)。

8.按照权利要求7所述的辐射废锅，其特征在于：喷水减温装置(23)布置在水冷壁环隙(18)的底部；喷水减温装置的喷水孔26沿环隙圆周方向均匀布置；喷水量可根据出内层水冷壁(5)高温煤气的温度进行控制。

9.按照权利要求1所述的辐射废锅，其特征在于：吹灰装置(17)设置在内层水冷壁(5)的内侧下部及水冷壁环隙(18)。

10.按照权利要求1～9任一所述的双筒体水冷壁型辐射废锅的应用，其特征在于可用于整体煤气化联合循环发电(IGCC)及新型煤化工装置中煤等含碳固体燃料气化生成产物的高温显热回收。

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