CN103528055B - 加压灰渣处理工艺及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加压灰渣处理工艺及其系统，解决了现有气化炉的灰渣无法带压操作、管道磨蚀严重、热能回收效率低的问题。所述工艺方法包括高温灰渣以气力式输送的方式依次经一级流化床冷却器和二级冷却器两级冷却，然后再经灰渣降压装置进一步降压后排出，采用水冷换热，经由汽包以回收蒸汽，本发明方法工艺简单、系统运行成本和投资成本低、热量回收效率高、水冷管不易磨蚀、灰渣粒径适用范围广。

Description

加压灰渣处理工艺及系统

技术领域

本发明涉及一种灰渣处理工艺及系统，具体说一种加压灰渣处理工艺及系统。

背景技术

目前，循环流化床由于较高的原料循环倍率，较高的传热、传质速率，已广泛应用于煤气化和锅炉领域，特别适合于我国劣质煤的利用。但目前大型加压循环流化床工艺并不成熟，技术问题之一是如何实现循环流化床的连续稳定排渣。连续稳定排渣是控制床层厚度，保证流化质量进而保障炉膛稳定反应的重要手段，排渣系统不稳定会导致流化床床层高度波动，直接影响流化床操作。而且煤气化及锅炉的炉渣温度达到800—1000℃，灰渣需冷却降温后才能进行后续处理。因此，灰渣热量回收系统对流化床排渣及床层稳定操作十分重要。

目前较为常用的冷渣器有流化床式冷渣器和滚筒式冷渣器。风水联合式的流化床冷渣器采用流化床原理用冷风和水冷埋管与炉渣进行换热，如重庆大学申请的专利号为ZL200710092413.7的复合式流化床冷渣器，其单台处理量大，在大容量循环流化床锅炉上应用较多，但它存在以下不足:（1）对流化床进料粒径分布要求较高，一般要求径粒控制在1mm以下，若大颗粒或瞬时大流量灰渣进入流化床冷渣器，当流化风不足时易在冷渣器内沉积，造成结焦，堵塞；（2）冷渣器水冷埋管在水冷器的下段，极易磨损；（3）风冷比例偏高，风冷换热后的气体热量几乎不能有效回收，直接外排后对环境易造成影响，若回用则又存在需要对其降温处理，增加能耗的问题；（4）灰渣由上级系统排出时，均为带压状态，而进入冷渣系统降温时，由于需要同步进行风冷，因此操作压力又为常压，这种压力变换下，存在难以维持上级系统操作压力的问题；（5）换热的管束集中在冷渣器的下段，灰渣在换热管束间的停留时间短，灰渣在重力的作用下易停留在冷却器内的管束间堵塞系统；（6）冷渣器内有多个隔墙，影响流化及换热效果，可能存在部分隔墙间的换热室内结焦的问题。这都影响了流化床式冷渣器连续安全经济运行。目前，主要运用的流化床式冷渣器形式为多仓式选择性排灰冷渣器。

滚筒式冷渣器对进料粒径要求不高，但是随着循环流化床锅炉等设备大型化的推进，滚筒式冷渣器处理灰渣能力有限，运行易受煤种灰分波动影响，难以放大的缺陷也愈显突出。相对于流化床式冷渣器，滚筒式冷渣器主要运行问题在于：（1）灰渣磨损严重，特别是渣的入口部位更是需要经常修理，且旋转水接头易漏水；（2）电耗高；（3）高温加压操作密封困难。同时，滚筒冷渣器通常采用工业水或电厂冷凝水作为灰渣的冷却介质，灰渣从炉膛带走的显量不能被有效利用。

综上所述，加压流化床由于冷渣机密封问题，更适合采用流化床式冷渣器。而流化床式冷渣器目前存在埋管磨损，风冷比例过大，易结焦、堵渣等问题，因此有必要开发性能更好的流化床式冷渣器，降低冷渣器运行风量，提高其对进料粒径分布的适应性及其水冷比例，提高冷渣器的运行安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、系统运行成本和投资成本低、热量回收效率高、水冷管不易磨蚀的、灰渣粒径适用范围广、可适用于带压降温的加压灰渣处理工艺。

本发明还提供一种用于上述工艺的灰渣处理系统。

本发明工艺包括：将压力为3-4Mpag、温度为900-1000℃、粒径为30-2000微米的高温灰渣以气力式输送的方式由底部的灰渣入口进入一级流化床冷却器中，在流化气的作用下以流化的方式与顶部的刺刀式水冷管中的冷却水间接换热降温至300-330℃，然后由一级流化床冷却器上段的灰渣出口经水冷夹套管进入二级冷却器中，通过灰渣入口处的旋风分离器沉降后与下段的冷却盘管中的冷却水换热降温至80-170℃，降温后的灰渣及小部分气体由底部排出，经降压后送入下游系统，其余经旋风分离器分离的大部分气体经顶部的过滤器过滤后，再经压力调节阀排出作为循环气回用；所述刺刀式水冷管及水冷夹套内换热后的汽液混合物送入汽包分离出低压蒸汽和水，分离出的水与新鲜的冷却水一起回送入刺刀式水冷管及水冷夹套内与高温带压灰渣进行换热。

进一步的，控制二级冷却器灰渣出口的背压小于一级流化床冷却器灰渣入口的压力1-3bar，控制一级流化床冷却器内灰渣的输送速度为3-5m/s。

所述流化气和灰渣重量比为0.8-1.5，所述刺刀式水冷管的管束间距100mm-200mm。

所述高温带压灰渣经J型料腿送入一级流化床冷却器的底部进口，同时向J型料腿及一级流化床冷却器下段补入松动气以保证高温带压灰渣输送入一级流化床冷却器。

所述降温后的灰渣及小部分气体的降压过程为：所述降温后的灰渣及小部分气体由底部排出二级冷却器后先送入灰收集罐进行收集，然后通过给灰锁斗充压，当灰锁斗的压力与灰收集罐相同时，打开灰收集罐与灰锁斗间的阀门，将灰收集罐内的灰渣依重力排入灰锁斗中，然后关闭灰收集罐与灰锁斗间的阀门，给灰锁斗泄压，泄压的气体经布袋过滤器过滤后排出，灰锁斗压力与灰给料罐平衡后，打开灰锁斗与灰给料罐之间的阀门，灰渣依重力流入灰给料罐中。

所述循环气经加压后可作为输送气、松动气和/或充压气回用。

用于上述工艺的灰渣处理系统，包括一级流化床冷却器、二级冷却器以及汽包，其中，所述一级流化床冷却器上段的灰渣出口经水冷夹套管与二级冷却器中段的灰渣入口相连，所述一级流化床冷却器的顶部设有刺刀式水冷管，所述刺刀式水冷管及水冷夹套管均与汽包连接；所述二级冷却器的灰渣入口处设有旋风分离器，下段设有冷却盘管，顶部设气体出口，底部设灰渣出口，所述气体出口处装有过滤器；所述灰渣出口经灰渣降压装置与下游系统连接，所述刺刀式水冷管的管束间距100mm-200mm。

所述一级流化床冷却器的灰渣入口与J型料腿连接，所述J型料腿的弯曲半径为3～5D，所述J型料腿及一级流化床冷却器的下段设有多个松动气管口；所述一级流化床冷却器下段还设有水激冷管口。

所述冷却盘管由多根垂直管依次连通而成，且在同一个平面上围绕同一圆心缠绕成多个不同半径的管圆。

所述灰渣降压装置包括与二级冷却器的灰渣出口依次连接的灰收集罐、灰锁斗以及灰给料罐，所述灰锁斗上设有充压口和泄压口，所述泄压口与布袋过滤器连接。

本发明采用一级流化床冷却器加二级冷却器的形式对高温带压灰渣进行冷却，在一级流化床冷却器内，在顶部采用刺刀式水冷管，对底部送入的灰渣采用流化的形式进行间接接触式冷却，其优点是1）采用流化气由下向上鼓泡涌出，带动灰渣以流态的形式与顶部的刺刀式水冷管换热，换热方式直接有效，流动性好，流化的灰渣在一级流化床冷却器内能维持换热所需的停留时间，由于在一级流化床冷却器中不需要进行灰渣分离，因此无需设置隔墙，不影响流化气的作用力，能够获得最大的流化换热效果；2）由于刺刀式水冷管位于冷却器的顶部，且灰渣为流态，因重力而不易积留灰渣，也不存在灰渣停留在水冷管的管束间造成堵塞的问题，水冷管的磨蚀问题也能降到最轻，这种结构特别适用于对灰渣的换热；3）输送气进入一级流化床冷却器后形成流化气，这部分气体仅作为输送和流化的目的，不承担换热降温的作用，灰渣换热的所有热能全部被刺刀式水冷管吸收，即在一级流化床冷却器内全部使用水冷回收热能，从而使该部分高温热能能够得到有效回收，可通过汽包副产更为有益的中低压蒸汽。

为获得有效的中低压蒸汽，一级流化床冷却器能对灰渣的冷却温度不可过低，降温至300-330℃为好，进一步的降温可通过与一级流化床冷却器连接的二级冷却器进行，在二级冷却器内下段设置冷却盘管，经过一级流化床冷却器初步冷却后的灰渣进入二级冷却器中，通过灰渣入口处的旋风分离器进行气渣分离，同时利用冷却盘管对灰渣进一步进行降温，以满足后续灰渣处理系统的要求，二级冷却器对灰渣降温至80-170℃，降温温度不可太低，以避免冷态灰渣的板结，堵塞系统，温度过高会使得排渣罐的材料费用增加且排入灰仓的灰渣在进一步装车过程中出现人员烫伤等情况。

进一步的，控制二级冷却器灰渣出口的背压小于一级流化床冷却器灰渣入口的压力1-3bar是为了控制灰渣和流化气的合理流速，压力差过大会使灰渣流速过快，过小会易造成二级冷却器堵塞；控制一级流化床冷却器内灰渣的输送速度为3-5m/s，在一级流化床内灰渣的输送速度的控制是使灰渣有合适的停留时间，输送速度过高会使停留时间缩短，灰渣得不到充分冷却；过低会使灰渣得不到充分流化。在二级冷却器灰渣入口处的旋风分离器内使灰渣和气体分离后，灰渣依重力沉降进一步通过盘管冷却。

所述刺刀式水冷管的管束间距控制在100mm-200mm是为了使灰渣得到良好的冷却，这种管束间距是特别针对流化态灰渣换热的，间距过大会降低冷却效果，过小会因气速过快容易造成灰渣对水冷管的磨蚀，所述刺刀式水冷管采用外管套接内管的形式，所述内、外管之间通过Ω管连接，以增加其强度。控制所述流化气和灰渣重量比为0.8-1.5，在一级流化床冷却器内的流化气其实是气力输送时的输送气与松动气进入一级流化床冷却器鼓泡涌出后形成，流化气和灰渣比值过小，会使灰渣因重力的作用输送不起来，或停留在换热器内的管束间堵塞系统，过大会使处于流化态的灰渣得不到换热所需的停留时间。

在一级流化床冷却器中设计J型料腿，一方面是为了改变物料的输送方向，使其由一级流化床冷却器的底部向上进入冷却器内，另一方面，J形料腿也可以保证一级流化床冷却器内的压力大于J型料腿前输送管道的压力，使灰渣能顺利的送入一级流化床冷却器内，所述J型料腿的弯曲半径优选大于3D，最好为3～5D，这样可以使减少灰渣对弯管的磨损和局部阻力；所述一级流化床冷却器下段还设有水激冷管口，当灰渣热负荷较大时使用，通过向一级流化床冷却器喷入激冷水以防止一级流化床冷却器底部结焦。

进一步的，可向J型料腿及一级流化床冷却器下段补入松动气，以调节送入压力，避免灰渣的蓄积和结焦。所述松动气补入位置可根据实际需要进行合理设计，在此不作详述。

本系统中，冷却盘管的缭绕方式也进行了改进，即依次连通多根垂直管的基础上，从水平截面上看，多根垂直管在同一个平面上围绕同一圆心缠绕形成多个不同半径的管圆。这种缭绕形式一方面可很好的为下落的灰渣导向，使其均匀下落并与冷却盘管的管束进行换热，另一方面这种盘管的结构形式也能很好的避免灰渣对管束的磨蚀，延长设备的使用寿命。

有益效果：

1.本发明对灰渣采用气力式输送配合流化态水冷换热，采用两级水冷回收灰渣的热能，在一级流化床冷却器中回收热量用于副产经济价值更高的中低压蒸汽，较单纯的水冷或风水联合冷却，降温效果更好、热量回收利用效率更高；并且由于不进行风冷，仅为水冷，流化气也采用加压循环气，因此可以很好的实现系统的带压操作，从而可以减小设备体积，降低设备投资成本、提高灰渣处理量。

2.虽然采用了二级冷却，但设备的结构极为简单，省去隔墙、灰渣的分级等相关结构、大大简化了工艺过程、降低了设备制造和运行成本。

3.一级流化床冷却器中，采用顶部的刺刀式水冷管对顶部流化态的灰渣进行冷却，其换热效果好、灰渣的流动性好、有效避免了灰渣在管束间的结焦、沉积和对管束的磨蚀问题。在二级冷却器中采用冷却盘管对灰渣进一步降温，可以为灰渣下落导向，更为均匀换热，并有效减少灰渣对管束的磨蚀。

4.利用喷出的松动气对灰渣进行吹扫，松动气和进入一级流化床冷却器的输送气一起形成流化气，在3-4Mpag的操作压力下，向上鼓泡涌出，使灰渣流化并随流化气上升与刺刀式水冷管进行换热，灰渣的流态好、对输送灰渣的粒径的适用范围广，可适用于30-2000微米粒径范围的灰渣，经流化降温后的灰渣其流化状态更好，颗粒分布更均匀，不易粘结、更适用于后续回收，可作为加压反应器灰渣热量回收设备使用。

5.本发明系统可在高压高温下运行，由于无机械转动设备，不容易出现故障。采用流化介质廉价易得，可以采用二级冷却器分离出的循环气作为输送气、松动气和/或充压气，大大降低了运行成本。设备使用寿命长、可靠性高。

6.降压工艺过程简单、充压及泄压过程可靠性高、密封效果好，操作简便。

7.采用本系统，以气化炉1700t/d投煤量、灰渣流量为3.3t/h，灰渣进入一级流化床冷却器中的温度从970℃降温到315℃为例，仅此项即可回收蒸汽760kg/h，以蒸汽120元/t计算，年回收蒸汽价值73万。

附图说明

图1为本发明工艺流程图暨系统图。

图2为为刺刀式水冷管的管束布置图（截面状态）。

图3为刺刀式水冷管单根管束的截面图。

图4为二级冷却器冷却盘管立面图。

图5为二级灰冷却器冷却盘管的截面图；

图6为一级流化床冷却器下段锥部松动气管口的布置图（截面状态）。。

其中，1-J型料腿、1.1-松动气管口、2-一级流化床冷却器、2.1-刺刀式水冷管、2.11-管束、2.12-内管、2.13-外管、2.14-加强管、2.2-水激冷管口、2.3-松动气管口、2.4-灰渣入口、2.5-灰渣出口、3-水冷夹套管、4-二级冷却器、4.1-冷却盘管、4.11-垂直管、4.2-烧结金属过滤器、4.3-灰渣入口、4.4-灰渣出口、4.5-气体出口、4.6-旋风分离器、5-汽包、6-灰收集罐、7-灰锁斗、7.1-充压口、7.2-泄压口、8-灰给料罐、9-布袋过滤器、10-压力调节阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明系统作进一步解释说明。

参见图1，本发明系统包括依次连接的J型料腿1、一级流化床冷却器2、二级冷却器4，其中，所述一级流化床冷却器1上段的灰渣出口2.5经水冷夹套管3与二级冷却器4中段的灰渣入口4.3相连，所述一级流化床冷却器2的顶部设有刺刀式水冷管2.1，所述刺刀式水冷管2.1及水冷夹套管3均与汽包5连通，形成密封的冷却水循环路线，并由汽包5分离出中低压蒸汽；所述二级冷却器4的灰渣入口4.3处设有旋风分离器4.6，下段设有冷却盘管4.1，顶部设气体出口4.5，底部设灰渣出口4.4，所述气体出口4.5处装有烧结金属过滤器4.2；所述灰渣出口4.4经灰渣降压装置与下游系统连接，参见图2，所述刺刀式水冷管2.1的管束2.11间距100mm-200mm，参见图3，每根管束2.11包括内管2.12和外管2.13，内管2.12内流通冷却水（如锅炉给水），外管2.13内流通换热后的蒸汽，内、外管间用用Ω形的加强管2.14补强。所述J型料腿1的弯曲半径为3～5D，所述J型料腿1上设有多个松动气管口1.1，参见图6，一级流化床冷却器2的下段（包括锥部）设有水激冷管口2.2以及多个松动气管口2.3；参见图4及图5，所述冷却盘管4.1由多根垂直管4.11依次连通而成，在同一个平面上围绕同一圆心缠绕成多个不同半径的管圆（本发明中共形成6个管圆）。所述灰渣降压装置包括与二级冷却器4的灰渣出口4.4依次连接的灰收集罐6、灰锁斗7以及灰给料罐8，所述灰锁斗7上设有充压口7.1和泄压口7.2，所述泄压口7.2与布袋过滤器9连接。

工艺过程：

以1700t/d投煤量的循环流化床气化炉为例，从气化炉的炉膛排出3.1MPag，970℃的灰渣（灰渣粒径为30-2000微米），灰渣流量为3320kg/h，经3-4Mpag、150℃的输送气（采用循环气作为输送气）气力输送至J型料腿1，循环气作为松动气经J型料腿1的多个松动气管口1.1吹入，防止灰渣在J型料腿1底部积灰；接着灰渣被输送气及松动气由一级流化床冷却器2底部的灰渣入口2.4送入一级流化床冷却器2（操作压力为3.15MPag）中，同时引入循环气（3.7MPag，150℃）作为松动气经一级流化床冷却器2下段锥部的松动气管口2.3喷出，输送气和松动气组成流化气鼓泡涌出（流化气和灰渣重量比为0.8-1.5），带动灰渣克服自身重力流化上升（灰渣的输送速度为3～5m/s），流化态的灰渣与顶部的刺刀式冷却水管2.1中2.1内冷却水（本实施例使用锅炉给水）换热冷却；低压蒸汽汽包5中的锅炉给水通过管道送入刺刀式冷却水管2.1的内管2.12中，锅炉给水向下流至内管2.12底端后通过内、外管间的环隙向上流出，同时与管外的灰渣进行换热汽化，锅炉给水气化后的汽水混合物经上升管进汽包5分离，产0.4MPag低压蒸汽（757kg/h）；当灰渣热负荷突然增大导致刺刀式冷却水管2.1不能使冷却灰渣时，通过锅炉给水激冷管口2.2喷入冷却器中直接冷却灰渣，保证灰渣在一级流化床冷却器2内冷却至300-330℃。

经一级流化床冷却器2降温后的灰渣通过灰渣出口2.5经水冷夹套管3（所述水冷夹管套也可引入锅炉给水作为冷却水，换热后的水汽混合物也送入汽包5）、二级冷却器4的灰渣入口4.3进入二级粗灰冷却器4，通过二级粗灰冷却器4（操作压力为3MPag）入口处的旋风分离器4.6，大部分粗灰依重力沉降至下部，经冷却盘管4.1降温至80-170℃后由底部的灰渣出口4.4排出，一部分细颗粒被旋风分离器4.6分离的气体夹带向上通过顶部的烧结金属过滤器4.2过滤后，由气体出口4.5经压力调压阀10排出，这部分气体可加压后作为所述循环气使用。所述冷却盘管4.1中通入除盐水作为冷却水为灰渣降温。利用压力调节阀10来调节灰渣出口背压，即二级冷却器灰渣出口4.4的背压小于一级流化床冷却器的灰渣入口2.4的压力1-3bar。

从二级粗灰冷却器4的灰渣出口4.4排出的灰渣进入灰收集罐6收集，用循环气作为充压气按设定的顺控程序经充压口7.1给灰锁斗7充压，当压力与灰收集罐6平衡时，打开灰收集罐6下部球阀，灰渣靠重力流入灰锁斗7中，进灰程序结束；然后关闭灰收集罐6下部球阀，灰锁斗7进入泄压程序，减压气经泄压口7.2通过布袋过滤器9过滤后排入火炬或安全位置；当灰锁斗7内的压力与灰给料罐8平衡后，打开灰锁斗7下部球阀，粗灰靠重力流入灰给料罐8中。通过灰锁斗系统，实现冷却后灰渣由高压系统向低压系统的排放。灰给料罐8中的粗灰再经输送气（例如N₂）连续送至灰仓。

采用本系统，以气化炉1700t/d投煤量、灰渣流量为3.3t/h，灰渣进入一级流化床冷却器中的温度从970℃降温到315℃为例，仅此项即可回收蒸汽760kg/h，以蒸汽120元/t计算，年回收蒸汽价值73万。

Claims (4)

1.一种加压灰渣处理工艺，其特征在于，将压力为3-4Mpag、温度为900-1000℃、粒径为30-2000微米的高温灰渣以气力式输送的方式由底部的灰渣入口进入一级流化床冷却器中，在流化气的作用下以流化的方式与顶部的刺刀式水冷管中的冷却水间接换热降温至300-330℃，然后由一级流化床冷却器上段的灰渣出口经水冷夹套管进入二级冷却器中，通过灰渣入口处的旋风分离器气固分离后依靠重力沉降，经下段的冷却盘管中的冷却水换热降温至80-170℃，降温后的灰渣及小部分气体由底部排出，经降压后送入下游系统，其余经旋风分离器分离的大部分气体经顶部的过滤器过滤后，再经压力调节阀排出作为循环气回用；所述刺刀式水冷管及水冷夹套内换热后的汽液混合物送入汽包分离出低压蒸汽和水，分离出的水与新鲜的冷却水一起回送入刺刀式水冷管及水冷夹套内与高温带压灰渣进行换热,控制二级冷却器灰渣出口的背压小于一级流化床冷却器灰渣入口的压力1-3bar，控制一级流化床冷却器内灰渣的输送速度为3-5m/s；所述流化气和灰渣重量比为0.8-1.5，所述刺刀式水冷管的管束间距100mm-200mm。

2.如权利要求1所述的加压灰渣处理工艺，其特征在于，所述高温带压灰渣经J型料腿送入一级流化床冷却器的底部进口，同时向J型料腿及一级流化床冷却器下段补入松动气以保证高温带压灰渣输送入一级流化床冷却器。

3.如权利要求1或2任一项所述的加压灰渣处理工艺，其特征在于，所述降温后的灰渣及小部分气体的降压过程为：所述降温后的灰渣及小部分气体由底部排出二级冷却器后先送入灰收集罐进行收集，然后通过给灰锁斗充压，当灰锁斗的压力与灰收集罐相同时，打开灰收集罐与灰锁斗间的阀门，将灰收集罐内的灰渣依重力排入灰锁斗中，然后关闭灰收集罐与灰锁斗间的阀门，给灰锁斗泄压，泄压的气体经布袋过滤器过滤后排出，灰锁斗压力与灰给料罐平衡后，打开灰锁斗与灰给料罐之间的阀门，灰渣依重力流入灰给料罐中。

4.如权利要求3所述的加压灰渣处理工艺，其特征在于，所述循环气经加压后可作为输送气、松动气和/或充压气回用。