CN102977931B - 带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，高温合成气和熔融渣从该装置的合成气入口进入辐射换热组件，经过辐射换热后进入烟气激冷组件的气体混合室进行换气冷却，然后固态灰渣则进入渣池，合成气反折向上通过减温器组件进行喷雾降温；在进入对流换热组件内，依次流过蒸发器、过热器、省煤器并进行换热冷却，由合成气出口排出；本发明将辐射换热、烟气激冷、对流换热有效结合起来，可用于IGCC发电系统，吸收粗合成气的显热产生高压蒸汽或中压蒸汽用于发电，整体能源利用率大大提高，能量回收利用率高，有效缩减了废热锅炉整体尺寸，制造、运输和安装较为方便，可消除对流换热面的积灰问题。

Description

带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置

技术领域

本发明涉及煤气化技术的热气化炉，特别是一种带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置。

背景技术

整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）可以实现燃煤高效、清洁和多样化利用，也是未来发展煤基发电CO₂零排放——即“绿色煤电”煤炭的核心技术之一。在IGCC发电系统中，废热锅炉是显热回收利用的关键设备和气化岛中的重大设备，废热锅炉对高温煤气、熔融渣显热的回收利用将使热煤气效率达到90～95%，发电效率达到42～45%，废热锅炉的运行情况将直接影响IGCC发电系统的可用率和整体发电效率。在现有的气流床气化技术中，采用废热锅炉回收高温合成气的热量一般有两种方式：一是以Shell公司为代表的气流床粉煤加压气化技术，循环冷气返回气化炉高温合成气出口将气化炉合成气冷却至700～750℃，然后再进入对流废热锅炉换热副产中压蒸汽。另一种是以GE公司为代表的水煤浆气化工艺，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。但是，现有技术中的废热锅炉还存在结构复杂、使用寿命较短等问题，主要表现在：

（1）Shell粉煤气化技术采用1.3～1.5倍的循环冷气激冷高温合成气，增加了对流废热锅炉及其后续合成气除尘设备的尺寸，同时增加了设备的投资，合成气循环压缩机增加了气化装置的能耗；由于对流锅炉积灰，影响了对流锅炉的换热效果，需要加入比设计激冷气量更多的激冷气。

（2）GE水煤浆气化工艺中的合成气全显热回收系统由辐射废热锅炉和对流废热锅炉两个设备组成，两设备独立布置，造成设备投资大，占用空间大，系统运行的可靠性也由于设备的复杂而受到影响；同时辐射锅炉合成气温度缺乏调节手段致使对流锅炉积灰堵塞。

发明内容

本发明为克服现有气化炉废热锅炉的缺陷和不足，提供了一种带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，将辐射锅炉和对流锅炉结合为一个整体，达到充分回收高温合成气和熔融渣所带显热，降低投资和节约能源，提高热效率的目的。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，其特征在于：包括压力壳体、合成气入口、辐射换热组件、烟气激冷组件、对流换热组件、减温器组件、渣池、合成气出口，合成气入口位于压力壳体的顶部，合成气出口位于压力壳体侧壁的上端；辐射换热组件固定设于压力壳体内的上部，与带热量的气体充分换热；烟气激冷组件、对流换热组件均固定设置于压力壳体内的下部，对流换热组件在烟气激冷组件和压力壳体之间；减温器组件固定设置于对流换热组件的下方，渣池设置于压力壳体内的底部，渣池的底端与压力壳体的底端共同形成排渣口；辐射换热组件、对流换热组件、减温器组件、渣池位于压力壳体内形成一体。

所述合成气入口为一窄长通道，该合成气入口的内壁为耐火衬里。

所述辐射换热组件纵向设于压力壳体内，与带热量的气体充分换热；辐射换热组件包括辐射水冷壁和辐射屏，辐射水冷壁是由若干个纵向平行设置的立管围成的圆筒壁，相邻的两个立管通过焊接连接，圆筒壁的中间为辐射换热腔，圆筒壁向下延伸至渣池上端，辐射屏位于圆筒壁内上端；辐射换热组件还包括辐射水冷壁上集箱、辐射水冷壁下集箱、辐射水冷壁进水管、辐射水冷壁引出管和辐射水冷壁受热面，辐射水冷壁上集箱与每个立管的上端连通，辐射水冷壁下集箱与每个立管的下端连通，辐射水冷壁进水管的一端与压力壳体固接并设在压力壳体的外部、辐射水冷壁进水管的另一端与辐射水冷壁上集箱连通，辐射水冷壁引出管的一端与压力壳体的上封头固接、另一端与辐射水冷壁上集箱连通。

所述辐射屏由若干个立管排形成，立管排以热回收装置的中心向外发散分布于辐射换热腔内，每个立管排由若干立管形成，立管排的相邻两个立管紧贴设置；辐射换热组件还包括辐射屏上集箱、辐射屏下集箱、辐射屏进水管、辐射屏引出管，辐射屏受热面的下端与辐射屏下集箱连通，辐射屏受热面的上端与辐射屏上集箱连通，辐射屏进水管和辐射屏引出管分别与辐射屏下集箱和辐射屏上集箱连通，并引出到压力壳体外。

所述烟气激冷组件包括激冷气入口和气体混合室，气体混合室由辐射屏下面的辐射水冷壁与激冷气入口形成；所述激冷气入口均匀分布于辐射水冷壁上，并延伸至压力壳体外。

所述对流换热组件包括蒸发器、过热器和省煤器，蒸发器、过热器和省煤器从上往下依次布置于气体混合室和压力壳体之间。

所述蒸发器、过热器和省煤器分别由一组螺旋盘管形成，每组螺旋盘管分别包括四层螺旋环管，每两层螺旋环管之间有一定的距离，每层螺旋环管是由管子紧密环绕形成的。

所述蒸发器还包括蒸发器上集箱、蒸发器下集箱、蒸发器进水管、蒸发器引出管，形成蒸发器的螺旋盘管的上端与蒸发器上集箱连通，形成蒸发器的螺旋盘管的下端与蒸发器下集箱连通，蒸发器进水管与蒸发器下集箱连通，蒸发器引出管与蒸发器上集箱连通；所述过热器还包括过热器上集箱、过热器下集箱、过热器进水管、过热器引出管，形成过热器的螺旋盘管的上端与过热器上集箱连通，形成过热器的螺旋盘管的下端与过热器下集箱连通，过热器进水管与过热器下集箱连通，过热器引出管与过热器上集箱连通；所述省煤器还包括省煤器上集箱、省煤器下集箱、省煤器进水管、省煤器引出管，形成过热器的螺旋盘管的上端与省煤器上集箱连通，形成省煤器的螺旋盘管的下端与省煤器下集箱连通，省煤器进水管与省煤器下集箱连通，省煤器引出管与省煤器上集箱连通；蒸发器进水管、蒸发器引出管、过热器进水管、过热器引出管、省煤器进水管、省煤器引出管均延伸至压力壳体外。

所述减温器组件包括减温水进水管、减温水集箱和多个雾化喷嘴，雾化喷嘴以热回收装置的中心为圆心按圆周均匀分布，喷头向下布置；雾化喷嘴与减温水集箱连通，减温水进水总管与减温水集箱连通。

所述渣池处于减温器组件的下端，渣池的上端与对流换热水冷壁下端连接。

本发明的工作原理如下：

当高温的合成气及熔融渣出气化炉后，通过本装置顶部的窄长的合成气入口进入辐射换热组件，在辐射换热腔中，对高温合成气流和熔融渣进行辐射水冷降温；

然后，合成气及熔融渣穿过辐射换热腔后进入气体混合室，与通入的激冷气混合，在气体混合室内进一步迅速冷却；

冷却后的熔融渣直接进入渣池，在渣池中，熔融渣与水混合急剧冷却，形成高硬度的固态灰渣，固态灰渣随水排出；

合成气经过气体混合室冷却后，经过渣池水面的反折向上通过减温器组件进行喷雾降温；在进入对流换热组件内，依次流过蒸发器、过热器、省煤器并进行换热冷却，由合成气出口排出。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明提供的带烟气激冷的一体化回转状辐射锅炉预热锅炉混合式热回收装置可用于IGCC发电系统，吸收粗合成气的显热产生高压蒸汽或中压蒸汽用于发电，整体能源利用率大大提高，具有能量回收利用率高的优点。

（2）本发明提供的带烟气激冷的一体化回转状辐射锅炉预热锅炉混合式热回收装置，将辐射换热、烟气激冷、对流换热有效的结合起来，有效地缩减了废热锅炉整体尺寸，制造、运输和安装较为方便。

（3）本发明提供的带烟气激冷的一体化回转状辐射锅炉预热锅炉混合式热回收装置带有调节手段，在对流换热组件底部布置雾化喷水减温装置，喷水量可根据进入对流换热面组件的烟气的温度进行控制，使进入对流换热面的高温煤气的温度恒定，从而消除对流换热面的积灰问题。

附图说明

图1为本发明的剖视示意图；

图2为本发明图1中的A-A截面剖视示意图；

图3为本发明图1中的B-B截面剖视示意图；

图4为本发明图1中的C-C截面剖视示意图；

图5为本发明图1中的Ⅰ部的局部示意图；

其中，附图标记为：1合成气入口，1-1耐火衬里，2辐射换热组件，3烟气激冷组件，4渣池，5减温器组件，6对流换热组件，7压力壳体，8合成气出口，9辐射水冷壁，9-1辐射水冷壁上集箱，9-2辐射水冷壁下集箱，9-3辐射水冷壁引出管，9-4辐射水冷壁进水管，9-5辐射水冷壁受热面，9-6立管，10辐射屏，10-1辐射屏上集箱，10-2辐射屏下集箱，10-3辐射屏进水管，10-4辐射屏引出管，11激冷气入口，12气体混合室，13对流换热水冷壁，13-1对流换热水冷壁上集箱，13-2对流换热水冷壁下集箱，13-3对流换热水冷壁进水管，13-4对流换热水冷壁引出管，13-5对流换热水冷壁受热面，13-6立管，14蒸发器，14-1蒸发器上集箱，14-2蒸发器下集箱，14-3蒸发器进水管，14-4蒸发器引出管，14-5蒸发器螺旋盘管，15过热器，15-1过热器上集箱、15-2过热器下集箱，15-3过热器进水管，15-4过热器引出管，16省煤器，16-1省煤器上集箱，16-2省煤器下集箱，16-3省煤器进水管，16-4省煤器引出管，18螺旋盘管。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明所述的带烟气激冷的一体化回转状辐射锅炉预热锅炉混合式热回收装置，包括合成气体入口1、辐射换热组件2、烟气激冷组件3、渣池4、减温器组件5、对流换热组件6、压力壳体7。

其特征在于，该热回收装置包括辐射换热组件2、烟气激冷组件3和对流换热组件6三大部分。辐射换热在上部，烟气激冷和对流换热在下部。

所述压力壳体7侧壁的上端设有合成气出口8，压力壳体7的上封头上设置有合成气体入口通道1，与辐射换热组件2相接。

所述的热回收装置的合成气体入口1为一窄长的通道，内壁为耐火衬里1-1。

所述辐射换热组件2纵向设于压力壳体7内，与带热量的气体充分换热；所述辐射换热组件2包括辐射水冷壁9和辐射屏10，辐射水冷壁9是由若干个纵向平行设置的立管9-6围成的圆筒壁，相邻的两个立管9-6通过焊接连接，圆筒壁的中间为辐射换热腔，圆筒壁向下延伸至渣池4上端，辐射屏10位于圆筒壁内上端；辐射换热组件2还包括辐射水冷壁上集箱9-1、辐射水冷壁下集箱9-2、辐射水冷壁进水管9-3、辐射水冷壁引出管9-4，辐射水冷壁上集箱9-1与每个立管9-6的上端连通，辐射水冷壁下集箱9-2与每个立管9-6的下端连通，辐射水冷壁进水管9-3的一端与压力壳体7固接并设在压力壳体7的外部、辐射水冷壁进水管9-3的另一端与辐射水冷壁上集箱9-1连通，辐射水冷壁引出管9-4的一端与压力壳体7的上封头固接、另一端与辐射水冷壁上集箱9-1连通。

所述辐射屏10由若干个立管排形成，立管排以热回收装置的中心向外发散分布于辐射换热腔内，每个立管排由若干立管9-6形成，立管排的相邻两个立管9-6紧贴设置；辐射换热组件2还包括辐射屏上集箱10-1、辐射屏下集箱10-2、辐射屏进水管10-3、辐射屏引出管10-4，辐射屏10的下端与辐射屏下集箱10-2连通，辐射屏10的上端与辐射屏上集箱10-1连通，辐射屏进水管10-3和辐射屏引出管10-4分别与辐射屏下集箱10-2和辐射屏上集箱10-1连通，并引出到压力壳体7外。

所述烟气激冷组件3包括激冷气入口11和气体混合室12，气体混合室12由辐射屏10下面的辐射水冷壁9与激冷气入口11形成；所述激冷气入口11均匀分布于辐射水冷壁9上，并延伸至压力壳体7外。所述激冷气入口11可以根据具体情况设置两个，或者四个，或者六个，或者八个，等等，只需要均匀的分布在辐射水冷壁上，并延伸至压力壳体7外。

所述对流换热组件6位于烟气激冷组件3的外层，包括对流换热水冷壁13、蒸发器14、过热器15和省煤器16。对流换热水冷壁13由对流换热水冷壁上集箱13-1、对流换热水冷壁下集箱13-2、对流换热水冷壁进水管13-3、对流换热水冷壁引出管13-4和对流换热水冷壁受热面13-5组成。对流换热水冷壁受热面13-5由多个立管13-6构成，多个立管13-6围成圆柱形的空腔，形成辐射水冷壁。

所述蒸发器14、过热器15和省煤器16由三组螺旋盘管18组成，螺旋盘管18外层为对流换热水冷壁13，螺旋盘管内层为辐射水冷壁9。每组螺旋盘管18由四层紧密环绕的螺旋环管组成，组与组之间错列布置。蒸发器14、过热器15和省煤器16依次布置在辐射水冷壁9和对流换热水冷壁13之间的环形空间中。所述蒸发器14螺旋盘管上端、下端分别与蒸发器上集箱14-1、下集箱14-2连通，蒸发器进水管14-3与蒸发器下集箱14-2连通，蒸发器引出管14-4与蒸发器上集箱14-1连通；所述过热器15螺旋盘管上端、下端分别与过热器上集箱15-1、下集箱15-2连通，过热器进水管15-3与蒸发器下集箱15-2连通，过热器引出管15-4与过热器上集箱15-1连通；所述省煤器16螺旋盘管上端、下端分别与省煤器上集箱16-1、下集箱16-2连通，省煤器进水管16-3与省煤器下集箱16-2连通，省煤器引出管16-4与省煤器上集箱16-1连通。

所述减温器组件5位于对流换热组件6下部，由减温水进水管5-1、减温水集箱5-2和多个雾化喷嘴5-3组成，雾化喷嘴5-3按照圆周均匀分布，喷头向下布置。所述雾化喷嘴5-3与减温水集箱5-2连通，减温水进水总管5-1与减温水集箱5-2连通。

所述的渣池4处于热回收装置的底部，渣池4上端与对流换热水冷壁13下端连接，渣池4下端与压力壳体7的下端连接形成排渣口4-1。视煤灰结渣情况可加装破渣机。

本发明为带烟气激冷的一体化回转状辐射锅炉预热锅炉混合式热回收装置，其工作过程为：

   所述的热回收装置为一种回转状混合式热回收装置，辐射换热在上部，烟气激冷和对流换热在下部，对流换热位于烟气激冷部分的外层。高温合成气流与灰熔渣从合成气入口进入热回收装置，向下通过辐射换热腔将高位热量回收后，与来自外界的激冷气混合，穿过烟气激冷部分的气体混合室。温度迅速降低后，灰渣进入渣池中，气流反折向上通过减温器组件和对流换热组件，进一步降温冷却，并回收大量的显热。该热回收装置有效的将辐射换热、烟气激冷和对流换热结合起来，设备体积大大减小，并尽可能多的回收了高温合成气所带显热。

热回收装置的合成气体入口为一窄长的通道，内壁为耐火衬里。高温合成气及灰熔渣（温度约1400℃）出气化炉后，通过窄长的通道，以较高的气流速度进入辐射换热组件。

辐射换热组件由辐射换热腔及腔内的辐射换热屏组成。高温合成气及灰熔渣进入水冷壁腔中，以辐射传热的方式将热量传给四周的辐射水冷壁。由于流通面积扩大，灰熔渣在气流作用下向四周喷溅，从离开通道至到达辐射水冷壁的过程中，被充分冷却，固化失去黏结性，在重力作用下向下运动。水冷壁腔内的辐射换热屏增大了辐射换热面，减少了辐射换热组件的体积，使换热效果更好。

合成气及灰渣穿过辐射换热腔后，与激冷气混合，通过气体混合室进一步迅速冷却。灰渣凝固落入底部渣池中。

渣池处于烟气激冷部分的底部。灰渣落入渣池中，与水混合急剧冷却，形成高硬度的固态灰渣，随水排入锁渣罐中。视煤灰的结渣情况，可加装破渣机，保证排渣系统的可靠稳定运行。

减温器组件处于对流换热组件的底部，从烟气激冷部分出来的合成气中夹带部分未凝结的飞灰，在减温器组件处进行凝结。减温器组件的存在减少了对流换热组件的结渣，并可对进入对流换热面的合成气温度进行控制，保证其正常安全的运行。

对流换热组件由若干组螺旋盘管组成，螺旋盘管外层为辐射水冷壁。每组螺旋盘管由四层紧密环绕的螺旋环管组成，每组螺旋盘管错列布置。经排水降温的合成气依次流过蒸发器、过热器、省煤器并进行换热冷却，由合成气出口排出。

Claims (6)

1.带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，其特征在于：包括压力壳体、合成气入口、辐射换热组件、烟气激冷组件、对流换热组件、减温器组件、渣池、合成气出口，合成气入口位于压力壳体的顶部，合成气出口位于压力壳体侧壁的上端；辐射换热组件固定设于压力壳体内的上部，与带热量的气体充分换热；烟气激冷组件、对流换热组件均固定设置于压力壳体内的下部，对流换热组件在烟气激冷组件和压力壳体之间；减温器组件固定设置于对流换热组件的下方，渣池设置于压力壳体内的底部，渣池的底端与压力壳体的底端共同形成排渣口；辐射换热组件、对流换热组件、减温器组件、渣池位于压力壳体内形成一体；

所述辐射换热组件纵向设于压力壳体内，与带热量的气体充分换热；辐射换热组件包括辐射水冷壁和辐射屏，辐射水冷壁是由若干个纵向平行设置的立管围成的圆筒壁，相邻的两个立管通过焊接连接，圆筒壁的中间为辐射换热腔，圆筒壁向下延伸至渣池上端，辐射屏位于圆筒壁内上端；辐射换热组件还包括辐射水冷壁上集箱、辐射水冷壁下集箱、辐射水冷壁进水管、辐射水冷壁引出管和辐射水冷壁受热面，辐射水冷壁上集箱与每个立管的上端连通，辐射水冷壁下集箱与每个立管的下端连通，辐射水冷壁进水管的一端与压力壳体固接并设在压力壳体的外部、辐射水冷壁进水管的另一端与辐射水冷壁上集箱连通，辐射水冷壁引出管的一端与压力壳体的上封头固接、另一端与辐射水冷壁上集箱连通；

所述烟气激冷组件包括激冷气入口和气体混合室，气体混合室由辐射屏下面的辐射水冷壁与激冷气入口形成；所述激冷气入口均匀分布于辐射水冷壁上，并延伸至压力壳体外；

所述对流换热组件包括蒸发器、过热器和省煤器，蒸发器、过热器和省煤器从上往下依次布置于气体混合室和压力壳体之间；

所述减温器组件包括减温水进水管、减温水集箱和多个雾化喷嘴，雾化喷嘴以热回收装置的中心为圆心按圆周均匀分布，喷头向下布置；雾化喷嘴与减温水集箱连通，减温水进水总管与减温水集箱连通；

所述渣池处于减温器组件的下端，渣池的上端与对流换热水冷壁下端连接。

2.根据权利要求1所述的带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，其特征在于：所述合成气入口为一窄长通道，该合成气入口的内壁为耐火衬里。

3.根据权利要求1所述的带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，其特征在于：所述辐射屏由若干个立管排形成，立管排以热回收装置的中心向外发散分布于辐射换热腔内，每个立管排由若干立管形成，立管排的相邻两个立管紧贴设置；辐射换热组件还包括辐射屏上集箱、辐射屏下集箱、辐射屏进水管、辐射屏引出管，辐射屏受热面的下端与辐射屏下集箱连通，辐射屏受热面的上端与辐射屏上集箱连通，辐射屏进水管和辐射屏引出管分别与辐射屏下集箱和辐射屏上集箱连通，并引出到压力壳体外。

4.根据权利要求1所述的带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，其特征在于：所述蒸发器、过热器和省煤器分别由一组螺旋盘管形成，每组螺旋盘管分别包括四层螺旋环管，每两层螺旋环管之间有一定的距离，每层螺旋环管是由管子紧密环绕形成的。

5.根据权利要求1或4所述的带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，其特征在于：所述蒸发器还包括蒸发器上集箱、蒸发器下集箱、蒸发器进水管、蒸发器引出管，形成蒸发器的螺旋盘管的上端与蒸发器上集箱连通，形成蒸发器的螺旋盘管的下端与蒸发器下集箱连通，蒸发器进水管与蒸发器下集箱连通，蒸发器引出管与蒸发器上集箱连通；所述过热器还包括过热器上集箱、过热器下集箱、过热器进水管、过热器引出管，形成过热器的螺旋盘管的上端与过热器上集箱连通，形成过热器的螺旋盘管的下端与过热器下集箱连通，过热器进水管与过热器下集箱连通，过热器引出管与过热器上集箱连通；所述省煤器还包括省煤器上集箱、省煤器下集箱、省煤器进水管、省煤器引出管，形成过热器的螺旋盘管的上端与省煤器上集箱连通，形成省煤器的螺旋盘管的下端与省煤器下集箱连通，省煤器进水管与省煤器下集箱连通，省煤器引出管与省煤器上集箱连通；蒸发器进水管、蒸发器引出管、过热器进水管、过热器引出管、省煤器进水管、省煤器引出管均延伸至压力壳体外。

6.根据权利要求5所述的带烟气激冷的一体化回转状辐射预热混合式热回收装置，其特征在于具体工作原理是：

当高温的合成气及熔融渣出气化炉后，通过本装置顶部的窄长的合成气入口进入辐射换热组件，在辐射换热腔中，对高温合成气流和熔融渣进行辐射水冷降温；

然后，合成气及熔融渣穿过辐射换热腔后进入气体混合室，与通入的激冷气混合，在气体混合室内进一步迅速冷却；

冷却后的熔融渣直接进入渣池，在渣池中，熔融渣与水混合急剧冷却，形成高硬度的固态灰渣，固态灰渣随水排出；

合成气经过气体混合室冷却后，经过渣池水面的反折向上通过减温器组件进行喷雾降温；在进入对流换热组件内，依次流过蒸发器、过热器、省煤器并进行换热冷却，由合成气出口排出。