CN102492486B - 双面水冷壁筒体型合成气冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双面水冷壁简体型合成气冷却器，在水冷壁的上部设有激冷气/汽入口，高温、高压气化产物经激冷气/汽激冷后再经由水冷壁冷却排出。由于在冷却器内筒的水冷壁上部设有激冷气/汽入口，因此高温高压气化产物在进入冷却器后被低温激冷气/汽激冷，温度迅速降低至900℃以下，从而使熔融态的灰渣颗粒被迅速固化，并在气流的汇聚作用下集中在中心流道，最大限度的降低了灰渣在水冷壁上沉积的概率。

Description

双面水冷壁筒体型合成气冷却器

技术领域

本发明涉及应用于煤等含碳固体燃料气化后的高温、高压产物显热回收技术，尤其是双面水冷壁筒体型合成气冷却器。

背景技术

目前正在兴起的整体联合循环发电系统(Integrated Gasification Combined Cycle，简称IGCC)被认为是世界上最清洁的高效煤基发电技术之一。为获得较高的碳转化率和冷煤气效率，IGCC气化炉通常在高温、高压条件下运行，因此，气炉出口的气化产物具有较高的温度(1200～1600℃)。由于目前技术条件下，通常采用的是湿法激冷技术，气化产物中蕴含的大量高位显热被冷却介质带走而损失掉。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十分重要的影响。通过合成气冷却器和对流废锅可最大限度地回收气化炉出口气化产物所蕴含的大量显热，并副产大量蒸汽，以提高整个系统的能源利用效率(与激冷流程相比，可使能源利用效率提高约4～5个百分点)。而且，合成气携带的大部分灰渣将被合成气冷却器底部渣池捕集后排出，合成气本身得到了初步净化。目前已有的合成气显热回收技术中具有代表性的主要有壳牌(Shell)气化工艺的合成气冷却工艺和GE(Texaco)公司的煤气化全辐射废锅技术两种。但是，壳牌气化炉合成气冷却器内无灰渣脱出技术，冷却器内壁和导向管容易形成积灰影响传热，严重时甚至形成堵渣，而且其采用低温合成气激冷无法对干煤粉气化后气体中水蒸汽含量进行调控。而GE公司气化炉采用全辐射废锅的形式回收气化产物显热，其辐射废锅内筒水冷壁壁面直接接受高温合成气和熔融态灰渣的冲击，在辐射废锅水冷壁上非常容易发生结渣、堵渣等现象，且合成气灰渣夹带严重时对后续对流废锅也产生较大的影响。专利CN200720011769公开了一种单面水冷壁辐射式废热锅炉，由于辐射废锅内水冷壁仅有一侧起到吸热降温作用，而且受辐射废锅总体尺寸的限制，其内部空间未得到合理利用。专利200910309656公开了一种双面水冷壁废热锅炉，其采用了八面体结构的水冷壁设计，且在内筒水冷壁内侧设有多个屏式水冷壁，其结构复杂，流场具有一定的不均匀性，且直接接受高温熔融灰渣颗粒流，容易在水冷壁上形成积灰结渣现象，随着积灰量的增加，传热边界条件恶化，如此形成恶性循环将可能出现堵渣等恶劣工况。因此，研制高效、可靠的高温合成气冷却技术对提高IGCC发电系统整体能源利用效率具有十分重要的意义，也是IGCC系统的关键技术之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双面水冷壁筒体型合成气冷却器，它能够避免水冷壁上积灰结渣情况的出现，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：影响合成气冷却器长期、高效、稳定运行的主要因素，除了与气化炉的运行工况存在一定的关联外，还与合成气冷却器内高温合成气与灰渣的气固两相流流动特性以及温度分布特性都有着十分密切的关系，往往因高温合成气携带的熔融-半熔融状态灰渣颗粒易冲击到水冷壁表面而发生积灰、结渣、堵渣等现象，严重影响了合成气冷却器的运行稳定性。因此，在气化炉操作工况稳定时，必须合理布置合成气冷却器内的水冷壁，在最大化利用合成气冷却器空间的基础上，优化合成气冷却器内部流场结构，避免水冷壁上积灰结渣情况的出现。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种双面水冷壁筒体型合成气冷却器，包括壳体，壳体内的上部设有水冷壁、底部设有渣池，壳体的顶部设有合成气入口，侧面设有合成气出口，水冷壁为筒体状并在筒体中形成中心流道，壳体与水冷壁之间形成内外筒间的环隙空间在水冷壁的上部设有激冷气/汽入口；高温、高压气化产物自冷却器顶部的合成气入口进入，经激冷气/汽激冷后沿中心流道向下流动，接触底部渣池时大部分灰渣颗粒被渣池捕获而脱除，合成气折返进入环隙空间向上流动，自顶部侧面的合成气出口流出。由于在冷却器内筒的水冷壁上部设有激冷气/汽入口，因此高温高压气化产物在进入冷却器后被低温激冷气/汽激冷，温度迅速降低至900℃以下，从而使熔融态的灰渣颗粒被迅速固化，并在气流的汇聚作用下集中在中心流道，最大限度的降低了灰渣在水冷壁上沉积的概率。

激冷气/汽入口在水冷壁上部设有1～3层，每层的激冷气/汽入口沿水冷壁筒体圆周呈均匀分布。这使得高温、高压气化产物在冷却器上部被激冷气/汽更为有效地迅速激冷，使得熔渣得到更迅速的固化，降低其在水冷壁上形成积灰、结渣的概率。

由于进入冷却器的合成气气流携带了大量的灰渣颗粒，为防止灰渣颗粒的射流扩散，可调整激冷气/汽的入口方向，确保灰渣颗粒从中心流道向下流动，而不直接接触水冷壁。因此对于激冷气/汽入口的入口方向与中心筒体轴线方向形成的夹角θ，可将该夹角θ的范围选择为：0＜θ＜75°，其优选范围为5＜θ＜45°。

由于气流中夹带了大量灰渣颗粒，为防止灰渣堵塞激冷气/汽入口，在激冷气/汽总量一定时保证适当的流速，在设定激冷气/汽入口个数时，为了防止激冷处形成强烈湍流，其流速不宜过高，当控制激冷气/汽入口直径不变的情况下，激冷气/汽入口的个数不少于4个，不多于80个，激冷气/汽入口直径的范围选择为10mm＜d＜150mm，其优选直径范围为50mm＜d＜100mm。

壳体内侧设有外筒耐火隔热衬里，用于保护冷却器金属外壳。

在水冷壁和外筒耐火隔热衬里壁面上设有吹灰装置。

冷却器入口整体采用圆弧型或抛物线型设计，以减小入口射流回流区。

合成气冷却器底部设有渣池，大部分灰渣通过渣池底部出口排入下部锁斗而排出。经过显热回收和初步净化的粗煤气由合成气冷却器出口进入后续工艺流程。

水冷壁沿合成气冷却器的壳体内部平行布置，采用双面水冷壁设计，水冷壁的外筒为耐火隔热衬里结构，内筒的水冷壁入口位于合成气冷却器渣池水面上部，设有集箱。水冷壁吸收气化产物热量后产生的高压饱和水蒸汽从合成气冷却器顶部水冷壁进入一汽水分离集箱，水蒸汽用于蒸汽轮机发电或预热其他工艺介质。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的双面水冷壁筒体型合成气冷却器采用激冷气/汽与水冷壁相结合的方式，有效回收了气化产物的高位显热，富产大量高压或中压蒸汽，可用于蒸汽轮机发电或化工生产，大大提高了能源利用效率。

2、本发明提供的双面水冷壁筒体型合成气冷却器内筒上部设有环形激冷气/汽入口，熔融态灰渣颗粒被迅速固化，并在气流的汇聚作用下集中于中心流道，最大限度的降低了灰渣在水冷壁上沉积的概率，激冷后物料温度大大降低，使外筒可采用耐火隔热衬里设计，整体操作稳定性明显提高，投资成本大大降低。

3、本发明提供的双面水冷壁筒体型合成气冷却器部分采用圆筒形水冷壁结构，有效缩减了合成气冷却器整体尺寸，制造、运输和安装较为方便，利于吹灰和维修。

4、本发明提供的双面水冷壁筒体型合成气冷却器底部设有渣水池，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，合成气进入合成气冷却器环隙空间，气化产物在降温的同时已在合成气冷却器内完成初步净化过程。

附图说明

图1为合成气冷却器的结构简图；

图2为合成气冷却器的头部放大图；

图3为合成气冷却器激冷气/汽入口截面图；

图4为合成气冷却器中部截面图。

附图标记说明：合成气入口1，中心流道2，渣池3，合成气冷却器内、外筒之间的环隙空间4，合成气出口5，合成气冷却器与气化炉的连接法兰6，合成气冷却器与气化炉连接直段耐火隔热衬里7，合成气冷却器顶部集箱8，激冷气/汽入口9，水冷壁出水口10，阻隔板11，吹灰装置吹扫气入口12，吹灰装置13，水冷壁14，外筒耐火隔热衬里15，壳体16，水冷壁入水口17，渣池入水口18，渣池出水口19，水冷壁管20，合成气冷却器顶部隔热填充空间21，激冷气/汽入口集箱22，激冷气/汽入口管道23，内筒水冷壁管间连接翅片24。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明不局限于以下的实施例。

参见图1，本发明是用于大型高效气化炉产物显热回收的带激冷气/汽的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，主要由壳体16和水冷壁14、激冷气/汽入口9、外侧耐火隔热衬里15和底部的渣池3所构成。水冷壁14为圆筒形膜式水冷壁，水冷壁14和外筒耐火隔热衬里15沿合成气冷却器壳体16平行布置，水冷壁14的出口与渣池液面保持一定距离。

水冷壁14由水冷壁管20组成，水冷壁管20之间采用翅片24连接。内筒水冷壁出口集箱8经水冷壁出水口10连通至汽水分离器(图中未示出)，产生高压饱和水蒸汽。圆筒形的水冷壁14和外层耐火隔热衬里15组成了一环隙空间4。

高温、高压气化产物经冷却器顶部的合成气入口1进入，在冷却器上部被较低温度(250～450℃)的激冷气/汽9激冷，熔融态灰渣颗粒被迅速激冷固化并汇聚于中心流道2，随气流沿冷却器的中心流道2向下流动，在接触底部渣池3时大部分灰渣颗粒被渣池捕获而脱除，合成气折返进入内外筒间环隙4向上流动，自顶部侧面出口5流出。

高压水从水冷壁入水口17进入，经过吸收水冷壁14的热量，被加热转换成高压饱和水蒸汽，由水冷壁出水口10排出，经过热后可用于蒸汽轮机发电或预热其他工艺气体。冷却器底部的渣池3用来收集气流携带的大部分灰渣颗粒，渣池3的水由入水口18进入，从出口19排出，通过渣水循环保持渣池液面稳定。渣池3的灰渣在打开阻隔板11后进入后续锁斗(图中未示出)后排出。经过显热回收和初步净化的粗煤气从冷却器的合成气出口5进入下游工艺流程。

如图2所示，冷却器入口整体采用圆弧型(R＝r)或抛物线型(R≠r，或者为某抛物线函数曲线)设计，以减小入口射流回流区。

合成气冷却器的合成气入口1处外侧与气化炉采用法兰连接，壳体内侧采用耐火砖砌筑。

合成气冷却器顶部隔热填充空间21可采用浇注料填充或充高压氮气。

壳体内侧设置的耐火隔热衬里15，是用于保护冷却器金属外壳。

在水冷壁14和外筒耐火隔热衬里15壁面上设置了6个吹灰装置13。

激冷气/汽入口9的个数为48个。

激冷气/汽入口的入口方向与中心筒体轴线方向形成的夹角θ，该夹角θ向下偏转5°。

用于激冷的冷却剂可选用循环回流下游低温清洁合成气或低温水蒸汽。若采用循环回流下游清洁低温合成气作为激冷气，激冷气选用的体积流量约占出口总气体量的三分之一，也可采用中低压饱和水蒸汽进行激冷，具体需求量可根据后续工艺要求进行调节。

本发明适合于常规煤气化化工生产中气化产物的余热回收利用，尤其适用于整体联合循环发电(IGCC)系统气化岛气化产物的显热回收利用。若将本发明合成气冷却器应用于IGCC系统，合成气冷却器将位于IGCC系统的主热力系统中，可为汽轮机发电提供高压蒸汽。

本发明达到的主要性能如下：

散热损失：＜0.3％

可用率：＞96％

合成气冷却器入口温度：1100～1400℃

合成气冷却器出口温度：＜700℃

运行压力(管程)：＞10.0MPa

运行压力(壳程)：＞4.0MPa。

Claims (8)

1.一种双面水冷壁筒体型合成气冷却器，包括壳体(16)，壳体（16）内的上部设有水冷壁(14)、底部设有渣池(3)，壳体（16）的顶部设有合成气入口(1)，侧面设有合成气出口(5)，水冷壁(14)为筒体状并在筒体中形成中心流道(2)，壳体（16）与水冷壁(14)之间形成内外筒间的环隙空间(4)，其特征在于：在水冷壁（14）的上部设有激冷气/汽入口（9）；高温、高压气化产物自冷却器顶部的合成气入口(1)进入，经激冷气/汽激冷后沿中心流道(2)向下流动，接触底部渣池(3)时大部分灰渣颗粒被渣池捕获而脱除，合成气折返进入环隙空间(4)向上流动，自顶部侧面的合成气出口(5)流出；壳体（16）内侧设有外筒耐火隔热衬里(15)，用于保护冷却器金属外壳。

2.按照权利要求1所述的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，其特征在于：所述激冷气/汽入口(9)在水冷壁（14）上部设有1～3层，每层的激冷气/汽入口(9)沿水冷壁筒体圆周呈均匀分布。

3.按照权利要求1所述的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，其特征在于：所述激冷气/汽入口（9）的入口方向与中心筒体轴线方向形成夹角θ，该夹角θ的范围是：0<θ<75°。

4.按照权利要求1所述的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，其特征在于：所述激冷气/汽入口（9）直径的范围选择为10mm<d<150mm；激冷气/汽入口（9）的个数不少于4个，不多于80个。

5.按照权利要求1所述的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，其特征在于：在水冷壁（14）和外筒耐火隔热衬里（15）壁面上设有吹灰装置（13）。

6.按照权利要求1所述的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，其特征在于：所述合成气入口(1)为圆弧型或者抛物线型。

7.按照权利要求3所述的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，其特征在于：所述夹角θ的范围是：5°<θ<45°。

8.按照权利要求3所述的双面水冷壁筒体型合成气冷却器，其特征在于：所述激冷气/汽入口（9）直径的范围为50mm<d<100mm。

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