CN103672848B

CN103672848B - 给辐射废锅除垢的方法

Info

Publication number: CN103672848B
Application number: CN201210352612.8A
Authority: CN
Inventors: 佘铭钢
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: CN103672848A

Abstract

本发明涉及一种给辐射废锅除垢的方法，该方法包括：往辐射式合成气辐射废锅中加入除垢添加剂，该除垢添加剂中包括耐火材料、铜化合物和蛭石中的至少一种；使得可形成积垢的成分的气相沉积到所述耐火材料，所述铜化合物与至少部分可形成积垢的成分反应，和（或）所述蛭石在积垢中发生膨胀。

Description

给辐射废锅除垢的方法

技术领域

本发明涉及一种给整体气化联合循环发电厂所用的辐射废锅除垢的方法。

背景技术

在整体气化联合循环发电厂（integratedgasificationcombined-cycle，IGCC）中，如图1所示，通过气化装置将含碳原料，如煤、重质炼制残油和生物质等转化成合成气，气化装置中获得的合成气粗产品被通往辐射废锅（辐射式合成气换热器，radiantsyngascooler，RSC）进行换热冷却。辐射废锅通常是一个位于气化装置下方的圆柱状水冷壁，其可吸收来自合成气粗产品的热量，以使合成气的温度降下来。所述辐射废锅所吸收的热量被回收用来产生蒸汽，用于蒸汽轮机发电。这样可以提高整体气化联合循环发电厂的能量利用效率。从辐射废锅出来的合成气被进一步处理后用于燃气轮机中燃烧发电。

在辐射废锅的使用过程中，其表面将会形成并堆积积垢，而积垢的形成将阻碍热量从合成气向辐射废锅传输，因此，往往需要增加辐射废锅的长度以增加换热面积，弥补由于结垢产生的不利影响，否则辐射废锅所回收的热量会由于其表面积垢的影响而减少，导致产生的蒸汽变少。由于从气化装置中出来的合成气往往温度很高且具有腐蚀性，因此辐射废锅一般需要用昂贵的因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金（Inconelalloy）来制作，每英尺的辐射废锅的成本可能高达1百万美元。所以，通过加长辐射废锅来弥补由于结垢导致的换热效率损失的方法并不经济合理。目前，试图解决辐射废锅结垢问题的方法主要集中于合成气流量的控制和辐射废锅的设计。然而这些方法都不能有效地解决辐射废锅的结垢问题。

因此，需要提供一种新的低成本的方法来减轻或消除辐射废锅的结垢问题。

发明内容

本发明涉及一种给辐射废锅除垢的方法，该方法包括：往辐射废锅中加入除垢添加剂，该除垢添加剂中包括耐火材料、铜化合物和蛭石中的至少一种；以及使得可形成积垢的成分的气相沉积到所述耐火材料，所述铜化合物与至少部分可形成积垢的成分反应，和（或）所述蛭石在积垢中发生膨胀。

本发明还涉及一种给使用中的辐射废锅除垢的方法，该方法包括：使来自气化装置的合成气流经辐射废锅；向所述合成气中加入除垢添加剂，该除垢添加剂中包括耐火材料、铜化合物和蛭石中的至少一种；随着所述合成气和除垢添加剂流经所述辐射废锅，给所述辐射废锅除垢。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1显示了一种具有辐射废锅的整体气化联合循环发电厂。

图2中的示意图举例说明了辐射废锅的积垢形成机理。

图3显示了一种辐射废锅的积垢层的厚度变化。

图4显示了循环一部分的合成气作为载气将除垢添加剂输送到辐射废锅中的一种除垢方法。

图5显示了以氮气作为载气将除垢添加剂输送到辐射废锅中的一种除垢方法。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”表示允许其修正的数值在正负百分之十（10%）的范围内变化，比如，“大约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001,0.001,0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述例子仅作举例说明之用，实际上，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

除有定义外，本文中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、数量或重要性，而只是用于区别一种元件和另一种元件。并且，“一”或“一个”不表示数量的限定，而是表示存在一个的相关项目。

本发明的实施例涉及针对辐射废锅的一种化学除垢方法。该方法是在对辐射废锅的积垢形成机理和积垢组成进行分析的基础上提出的，基于所述分析发现合成气中通常包括金属蒸汽和小渣粒，正因为如此，辐射废锅内的积垢主要由气相沉积和粒子嵌入引发。积垢中的主要成分包括但不限于锌、铅、铁和硫，这些成分以气相形态存在，在流经辐射废锅的过程中发生沉积形成结垢，并通过捕获和粘结飞灰形成固块加剧结垢的过程，这些固块的导热系数很低，一旦形成后将阻碍热量传输。例如，如图2所示，硫化锌（ZnS）和碱金属的气相沉积到辐射废锅表面，形成积垢，在此过程中，飞灰等小渣粒被捕获、粘结并嵌入到所述积垢中。此外，辐射废锅中的湍流还会加速所述积垢的形成。

在一个实施例中，利用平衡法建模对合成气中的蒸汽沉积到辐射废锅表面的过程进行研究。其中气化装置中获得的合成气的温度约为1634K，压力约为45atm，经过辐射废锅后，其温度逐渐降低到900K左右，在这个过程中，各组分的平衡蒸汽压逐渐变小，并逐渐沉积固结到温度更低的辐射废锅壁管表面，形成积垢。

微量的气相组分有不同的沉积温度。在辐射废锅表面的不同位置，蒸汽是否沉积取决于其沉积温度和辐射废锅表面的温度。一般来说，辐射废锅的洁净金属表面的温度约为650K，但积垢表面的温度会高于金属表面，积垢逐渐堆积后，其表面的温度会越来越高，但仍低于其上合成气的温度。因此，在辐射废锅表面的各个位置，沉积温度在辐射废锅表面温度和其上的合成气的温度范围之间的组分可能会沉积。例如，对于一个辐射废锅的洁净金属表面，在其约为650K的表面温度至其上的合成气的温度之间发生气相沉积，沉积温度在这个温度范围的组分可能会沉积形成积垢。由于合成气中的热量被辐射废锅吸收，合成气的温度沿其流动方向逐渐降低，因此，气相沉积的温度范围沿合成气的流动方向逐渐减小，这使得在合成气的流动方向上，辐射废锅纵向的不同位置的积垢成分存在差异。

开始时，形成的积垢包含多种不同组分的化合物，如硅酸钠或硅酸钾（如NaAlSi₃O₈）、氧化铬（Cr₂O₃）、硫化铁（FeS）、硫化锌、硫化铅（PbS）、六方铝酸铅（(PbO)(Al₂O₃)₆）等。随着合成气温度的降低，只有沉积温度更低的蒸汽，如硫、锌、铅等继续存在从而发生沉积，生成硫化锌、硫化铅和六方铝酸铅等。因此积垢沿合成气的流动方向逐渐减少。如图3所示，一个辐射废锅沿其纵向被分为10个截段，从其下游端开始至其上游端，沿一个与合成气流向大致相反的方向，分别标为第1级、第2级……第10级截段。气相沉积主要集中于第8级和第9级截段，位于进入辐射废锅的合成气接触辐射废锅表面的位置的下游（沿合成气流向的下游）靠近该位置处。从上述建模分析可以看出，气相沉积主要发生于靠近辐射废锅的合成气入口的位置，比如，在辐射废锅的第8级和第9级截段。

可用一种化学添加剂来对所述辐射废锅进行除垢。所述化学添加剂可加入到正在整体气化联合循环发电厂中使用的辐射废锅内，以减少铁、锌、铅、锡、硫等的沉积，从而减少积垢的产生。此外，即便形成了积垢，所述添加剂也可让积垢脆化松动，使其易于通过一定装置，如组装于辐射废锅中的吹灰装置除去。

所述除垢添加剂可包括耐火材料、铜化合物和蛭石中的至少一种，其中，所述耐火材料可作为晶核，让合成气中的一些可能会沉积产生积垢的蒸汽沉积其上；所述铜化合物可与硫化物反应生成气体产物和可作晶核的物质，如铜颗粒等；所述蛭石具有大的膨胀率，可作用于积垢使其变疏松。在一个具体的实施例中，所述除垢添加剂可能同时包括耐火材料、铜化合物和蛭石，以获得很好的除垢能力。

所述耐火材料可以是在高温环境中使用的，且可在整个辐射废锅内的温度范围内保持稳定的材料。在一些实施例中，所述耐火材料选自氧化镁（MgO）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化锆（ZrO₂）、金刚砂（SiC）、碳酸镁（MgCO₃）以及它们的组合。所述铜化合物可以是任何能与硫化物反应生成气体产物和可作为晶核让蒸汽沉积其上的固体产物的化合物。在一些实施例中，所述铜化合物选自氧化铜（CuO）、氧化亚铜（Cu₂O）、氯氧化铜（CuO_xCl_y）以及它们的组合。以氧化铜和氧化亚铜为例来说，它们可与硫或硫化物反应生成气体产物（如二氧化硫SO₂）和耐火材料，如铜（Cu）、氧化物和硫酸盐等，这些耐火材料可作为晶核蒸汽让蒸汽沉积其上。所述反应的部分反应式如下：

蛭石是一种可因热量而产生膨胀的天然矿石。

如前所述，金属蒸汽的沉积主要发生于辐射废锅的合成气入口附近，比如，在辐射废锅的第8级和第9级纵向截段内。因此，在一些实施例中，所述除垢添加剂是从辐射废锅的合成气入口或合成气入口的附近进入辐射废锅的，以在气相大量沉积到辐射废锅表面之前进入辐射废锅。

所述除垢添加剂可通过载气添加到所述辐射废锅内。其中所述载气可以是合成气，也可以是其它可将除垢添加剂带入辐射废锅却不会对合成气的冷却和燃烧产生不利影响的气体。可对所述载气，无论是合成气还是其它气体，进行加压，使其压力与其进入辐射废锅之处的辐射废锅内压力大致相等或者更高。此外，可将所述载气的温度控制为比其进入辐射废锅之处的辐射废锅内合成气温度至少低200K或300K或700K。

可循环来自辐射废锅本身的合成气或来自整体气化联合循环发电厂中的其他步骤或过程的合成气作为载气。在一些实施例中，如图4所示，辐射废锅中的至少部分合成气被循环用来当载气，其可从辐射废锅的第一部分循环至位于第一部分上游的第二部分。由于辐射废锅内的合成气的温度是随其流向逐渐降低的，所述来自第一部分的合成气的温度比第二部分的合成气的温度更高，因此，以所述循环的合成气为载气带进辐射废锅的除垢添加剂的温度比其进入辐射废锅指之处的合成气的要高，添加剂中所含的耐火材料可作为“冷”晶核，让含铅、锌、铁等的气相沉积其上。在图示的实施例中，一部分合成气从辐射废锅的合成气出口402循环至靠近辐射废锅的合成气入口406的，更适宜地，是设置于辐射废锅的第10级截段上的一个开口404，以将除垢添加剂送入辐射废锅。

除合成气之外的其它可用作载气的气体包括但不限于氮气、二氧化碳和惰性气体。这些气体可以来自整体气化联合循环发电厂内部或外部。来自整体气化联合循环发电厂外部的载气可在室温下使用，这样，其携带的除垢添加剂便可以常温状态进入辐射废锅。在一些实施例中，如图5所示，来自整体气化联合循环发电厂外部的氮气被用作载气将除垢添加剂带入辐射废锅。在图示的实施例中，所述载气将除垢添加剂从靠近辐射废锅的合成气入口504的，更适宜地，是在辐射废锅的第10截段上的一个开口502送入辐射废锅。

所述除垢添加剂被加入到所述辐射废锅内后，除垢添加剂中的不同组分可以不同的除垢机理进行作用，以减少积垢的形成。添加剂中的耐火材料，在其温度低于其进入辐射废锅之处的合成气的温度的情况下，可作为“冷”点（晶核），让气相沉积其上。这样，这些金属蒸汽就不会再沉积到辐射废锅表面形成积垢，同时也避免了飞灰被捕捉粘结形成积垢。添加剂中的铜化合物与硫和硫化物反应生成气体产物和固体颗粒，该固体颗粒可作为晶核让气相沉积其上。所述铜化合物可与合成气中的硫或硫化物蒸汽反应，也可与已经附着到辐射废锅表面形成于积垢中的硫或硫化物发生反应，生成的气体产物可使积垢变脆。添加剂中的蛭石，被加入到温度比其温度更高的合成气中，随着热的作用发生自膨胀，导致积垢变疏松。所述变得脆而疏松的积垢可通过辐射废锅底端附近的吹灰装置吹走。

所述耐火材料、铜化合物和（或）蛭石可以各种不同的颗粒尺寸使用。在一些实施例中，耐火材料的平均颗粒尺寸大于铜化合物和蛭石的平均颗粒尺寸，这样，颗粒尺寸较大的耐火材料可提供较好的气相沉积表面，减小辐射废锅表面形成积垢的趋势，而颗粒尺寸较小的铜化合物和蛭石可更好的附着到辐射废锅表面，通过让积垢变脆或变疏松的方式影响辐射废锅表面已经形成的积垢的性能。

所述除垢添加剂的使用使得本发明实施例的方法可有效减少辐射废锅表面的积垢，从而增加辐射废锅的可靠性和可维护性。此外，还可适当缩短辐射废锅的长度，从而降低辐射废锅的成本。

本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，无论从哪一点来看，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims

1.一种给辐射废锅除垢的方法，该方法包括：

往辐射废锅中加入除垢添加剂，该除垢添加剂中包括耐火材料、铜化合物和蛭石中的至少一种；以及

使得可形成积垢的成分的气相沉积到所述耐火材料，所述铜化合物与至少部分可形成积垢的成分反应，和（或）所述蛭石在积垢中发生膨胀。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述除垢添加剂中包括耐火材料、铜化合物和蛭石。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述耐火材料的平均颗粒尺寸比所述铜化合物和蛭石的大。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述除垢添加剂包括一种选自氧化镁、氧化铝、氧化锆、金刚砂、碳酸镁以及它们的组合中的耐火材料。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述除垢添加剂包括一种选自氧化铜、氧化亚铜、氯氧化铜以及它们的组合中的铜化合物。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述除垢添加剂是从合成气进入所述辐射废锅的入口或靠近该入口的位置进入所述辐射废锅的。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述除垢添加剂是通过载气加入到所述辐射废锅的。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述载气包括至少一部分从所述辐射废锅出来的合成气。

9.如权利要求7所述的方法，其中所述载气包括氮气、二氧化碳和（或）惰性气体。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述载气被加压到大致等于或高于所述辐射废锅中的压力。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述载气的温度比其进入所述辐射废锅之处的合成气的温度至少低200K。

12.一种给使用中的辐射废锅除垢的方法，该方法包括：

使来自气化装置的合成气流经辐射废锅；

往所述合成气中加入除垢添加剂，该除垢添加剂中包括耐火材料、铜化合物和蛭石中的至少一种；

在所述合成气和除垢添加剂流经所述辐射废锅的过程中给所述辐射废锅除垢。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述除垢添加剂中包括耐火材料、铜化合物和蛭石。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述耐火材料的平均颗粒尺寸比所述铜化合物和蛭石的大。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述除垢添加剂是从合成气进入所述辐射废锅的入口或靠近该入口的位置被加入所述合成气中的。

16.如权利要求12所述的方法，其中所述除垢添加剂是通过载气加入到所述合成气中的。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述载气包括至少一部分从所述辐射废锅出来的合成气。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述载气包括氮气、二氧化碳和（或）惰性气体。

19.如权利要求16所述的方法，其中所述载气被加压到大致等于或高于所述辐射废锅中的压力。

20.如权利要求16所述的方法，其中所述载气的温度比其被加入到合成气之处的温度至少低200K。