CN104449869B

CN104449869B - 用于气流床气化反应器的组合式急冷及清洗系统

Info

Publication number: CN104449869B
Application number: CN201410480548.0A
Authority: CN
Inventors: F.汉内曼; A.赫克洛茨; H.霍佩; T.尤斯特; M.兴尼茨; D.施毛赫
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: DE102013218830A1; US20150075072A1; CN104449869A; US9434897B2

Abstract

本发明涉及一种用于气流床气化反应器的组合式急冷及清洗系统的分部型中央管道。本发明示出用于在气流床气化之后处理热的粗制气和流态的熔渣的三级清洗系统的装置。在此粗制气和熔渣在分成两个部分的中央管道内向下导入到水池中。中央管道的上部由双通路的气密焊接的管棚构成，在该管棚的内部空间中直接作为第一清洗及冷却级喷入水。在水池中形成吹气柱，该吹气柱同时是第二清洗及冷却级。分三层布置的表面体在此提升清洗效果。在离开吹气柱之后，粗制气又被喷入到开放空间中，其中布置有一个或者多个喷嘴环。所述喷嘴环形成第三冲洗级。然后粗制气在200至220℃的温度下水蒸汽饱和地离开急冷及清洗装置并且被输送进行接下来的处理。

Description

用于气流床气化反应器的组合式急冷及清洗系统

技术领域

本发明涉及一种用于冷却和清洁气流床气化设备的粗制气的组合式急冷及清洗系统，在所述气流床气化设备中含有氧气和像水蒸汽或二氧化碳这样的缓和剂的燃烧粉尘在1200到1900℃之间的温度和高达10MPa的压力下转化为富含一氧化碳和氢气的粗制气，所述组合式急冷及清洗系统具有本申请的基本方案所述的特征。

背景技术

燃烧粉尘要理解为精细研磨的不同煤化程度的煤、由生物质构成的粉尘、像焦炭这样的热预处理的产物、通过“烘焙”得到的干燥物以及来自公共的及工商业的余料及废料的富含热量的馏分。所述燃烧粉尘能够作为气体-固体-悬浮物或作为液体-固体-悬浮物被输送给气化系统。气化反应器能够配有冷却棚或者耐火的内衬，正如专利文献DE 4446803和EP 0677567示出的那样。根据在这项技术中引入的不同系统，在此能够将粗制气和熔流的熔渣分开地或共同地从气化装置的反应室中排出，正如例如在DE 19718131中所描述的那样。

气流床气化由于气化室中短的反应时间和研磨成细密粉尘的燃料颗粒导致粗制气中的粉尘含量增大。这种飞尘根据燃料的反应能力由炭黑、未转换的燃料颗粒以及细小的熔渣颗粒和灰烬颗粒构成。大小在直径大于0.5mm的粗颗粒和直径不大于0.1μm的细颗粒之间变化。颗粒与粗制气的可分离性与直径有关，但是也与其组成有关。原则上能够区分炭黑和灰烬或者说熔渣颗粒，其中炭黑颗粒一般来说更小并且更难以与粗制气分离开。熔渣颗粒具有更大的密度并且因此具有更好的可分离性，但是与之相对地具有更高的硬度并且因此具有腐蚀作用。这导致分离器和引导粗制气的管路中的更严重的磨损并且可能造成影响安全的泄漏和使用寿命受限的后果。为了去除由燃烧材料产生的粉尘使用不同的清洗系统。

迄今为止的现有技术在专利文献DE 102005041930以及“Die Veredlung vonKohle”（精炼煤）DGMK，汉堡，2008年12月，Schignitz，章节“GSP-Verfahren”中得以描述。据此，气化粗制气连同由燃烧材料灰烬形成的熔渣一起在温度为1200到1900℃时离开气化室并且在后面的急冷室中通过喷入过剩水得以冷却并且与熔渣分开并且在小的程度上与携带的粉尘分开，其中急冷室能够构造成开放空间急冷器或者装备有引导粗制气的中央管道。例如在DE 102007042543中公开了一种开放空间急冷系统，其中用水喷洒正在离开气化室的粗制气并且在一种屋顶结构之下在下部将所述粗制气抽走。DE 102006031816示出了一种完全没有装入件的开放的急冷室，其中在一个或者多个平面内喷入一定量的急冷水，使得粗制气能够被冷却并且饱含水蒸汽，并且过剩的急冷水在下部单独地或者连同分离的熔渣一起被抽走。专利DE 19952754、DD 145860和DD 265051示出了具有中央管道的变化方案，其中在DE 19952754中中央管道构造成文丘里管的形式，在DD 145860中粗制气在中央管道的末端上以大型泵的形式经受额外的清洗，在DD 265051中在中央管道的末端上用于分配流出的粗制气的元件要负责均匀的出流。CN 101003754 B描述了一种具有中央管道的浸入式急冷装置，其中来自气化反应器的热的粗制气连同同样热的熔渣一起向下被导入到水浸池中并且作为气体-水-悬浮物在构造成双管道的引导管道的环形间隙中向上流动。气体-水-分离在引导管道的上端部处进行。在环形间隙中向上流动的气体-水-悬浮物应该保护内部的中央管道不过热。

根据专利文献DE 102007042543的解决方案具有以下缺点：开放空间（Freiraum）通过为了粗制气导出和屋顶结构具有较大直径的管道导管为携带的熔渣和粉尘提供沉积面，这根据本发明会导致堵塞。DE 102006031816要求热的粗制气从气化室中均匀地流出，因为否则可能存在承压的容器壁热过载的危险。按照DE 19952754的文丘里管的布置方案可能导致气化室中发生不希望出现的压力波动，由于压力波动的作用时间短，所以几乎无法用调节技术平衡这种压力波动。急冷及清洗室中的装入件，正如在专利DD 265051和DD224045中那样，可能因为尤其特定煤和灰烬类型中的精细粉尘成分的火山灰特性，导致产生水泥一样坚固的增长物，这同样会导致堵塞和压力损耗的增加。在按照CN 101003754 B所述的解决方案中同样也存在这样的危险。如果在中央管道的内管和外管之间添加间隙，那么热的粗制气在未冷却的内管道中向下流动，这可能导致其热损坏并且因为过热额外地危及急冷室的压力罩。

发明内容

本发明的任务是提供一种急冷及清洗系统，其中一方面入口侧所输送的热的气化气体和所携带的液态熔渣经历冷却，与此同时像熔渣和粉尘这样的颗粒被分离，并且另一方面从出口侧离开急冷及清洗系统的粗制气具有提高的氢气含量。

该任务通过一种具有本申请的基本方案所述的特征的粗制气清洗系统得以解决。本申请的优选方案体现了本发明的有利的构造方案。

根据本发明的组合式急冷及清洗系统用于通过其对粗制气的多级冷却并且让粗制气与急冷水接触来冷却热的气化气体和所携带的液态熔渣，在这种急冷及清洗系统中，所进行的一氧化碳和水蒸汽之间的转换反应引起粗制气中的氢气含量增高连带着尽可能地从粗制气中分离颗粒。

根据本发明，除了喷入急冷水和清洗水，还额外地将中央管道分部，其中上部得到一个管壁形式的特别结构，其使得能够额外地冷却管道材料。中央管道在面向气体侧的部分中具有包层，所述包层保护管壁不被腐蚀并且通过平滑的表面防止熔渣粘在上面。通过所述管壁同样在一种特别结构中集成了喷嘴，所述喷嘴使得上述急冷水和清洗水能够被输送到内部空间中。中央管道的下部由平滑的管道构成。在这里，粗制气和熔渣被冷却到不存在热学方面过热的危险的程度。在下部的端部处设置有额外的尤其用于改善清洗过程的装置。

附图说明

下面借助四个附图用一实施例阐述了本发明。图中：

图1示出根据本发明的急冷及清洗系统，

图2示出中央管道的上部，

图3示出中央管道的上部中的喷嘴穿通部，

图4示出用于强化清洗效果的装置。

附图标记列表：

1 气化反应器

2 冷却棚

3 气体及熔渣排出机构

4 中央管道

5 急冷及清洗装置，急冷器

6 喷嘴

7 水池

8 吹气柱

9 环形间隙

10 熔渣排出机构

11 中央管道上部

12 中央管道下部

13 桥接件

14 第一熔渣滴落檐

15 过渡段

16 第二熔渣滴落檐

17 喷嘴穿通部的结构

18、19 接到具有冷却水入口和出口的管棚上的接头

20 环形插件、用于喷嘴6的柱形支座

21 下面的引导管道

22 法兰连接部

23 分三层的表面体、网格栅板

24 交错的棱边板

25 开放空间

26 开放空间中的喷嘴

27 粗制气出口

28 过剩水的导出机构

29 冷却水入口

30 冷却水出口

31 桥接件

32 环形件。

在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

在按照图1所示的气化反应器1中，由冷却棚2限定反应室，在总功率为500MW68t/h时，煤粉在添加含氧的气化介质和蒸汽的情况下借助自动放热的部分氧化反应在运行压力为4.2MPa时转化为粗制气和液态熔渣。产生的量为145000m³i.N./h的潮湿的粗制气和从燃料灰烬中形成的4.7Mg/h的液态熔渣连同粗制气一起在1700℃的温度下穿过气体及熔渣排出机构3流入到急冷及清洗装置5的中央管道4中。在中央管道4的起始处布置有第一初级冷却及清洗级，用喷水喷嘴6表示。如此设计喷入的水量，使得粗制气和液态熔渣被冷却到熔渣的软化温度800到1000℃以下。该温度范围与灰烬的催化作用同时在一起使得转化反应的反应速度能够足够高，从而使得粗制气中的氢气含量在所述条件下提升直至6.4Vol%（体积百分比）。中央管道4引导部分冷却的粗制气和已经固化的熔渣进入水池7，其中粗制气以吹气柱8的形式向上抬升并且到达环形间隙9。熔渣和粗粉尘在水池7的下部聚集并且经由熔渣排出机构10从系统中排出。

正如图2中所示的那样，中央管道4由两个部分组成，其中只包含中央管道上部11及其与气体及熔渣排出机构3的连接部。中央管道上部11和中央管道下部12相互旋拧连接，由此使得安装和拆卸更轻松。为了保护中央管道上部11抵抗流入的粗制气和熔渣的高温，对所述中央管道上部进行水冷却。所述中央管道上部由水穿流的双股式管棚构成，其中单管道相互之间利用桥接件13靠焊接技术连接并且内侧具有包层。29和30表示冷却水入口和出口。也就是说，能够利用双股缠绕的管道构成大约占据总中央管道的长度的三分之一的中央管道上部11。中央管道上部11首先具有与气体及熔渣排出机构3连接的、柱体成形的延长部（Ansatz），与所述气体及熔渣排出机构一起构成第一熔渣滴落檐14并且然后扩大到下面的柱体部分。在过渡段15上有第二熔渣滴落檐16，该第二熔渣滴落檐让仍在流走的熔渣滴入到开放空间中。也就是说，中央管道上部11基本上具有向下扩大的钟式造型，其中在直径的至少一个阶跃形式的拓宽部上形成熔渣滴落檐。在中央管道上部11的直径的连续扩大部的区域内设置了喷嘴，用于向管棚的中央并且因此向粗制气和熔渣流中喷入水6。优选倾斜朝下的喷嘴6布置在熔渣滴落檐之外，这对添加喷嘴起反作用。

用于喷入水6的喷嘴通过按照图3所示的构造上特别设置的喷嘴穿通部17被引导穿过中央管道上部11的焊接的管棚。喷嘴穿通部17利用其四个接头位置18和19接合到盘绕的管棚的两个相邻的盘绕部（Windung）的中断部中。

喷嘴穿通部17在其宽度上如此构造，从而使它能够被装配到盘绕的管棚的一个盘绕部和与之第三个相邻的盘绕部之间的间距中。喷嘴穿通部17具有用于喷嘴6的中央的柱形的支座20。盘绕的管棚的两个相邻的盘绕部的、两个平行的用于分开引导冷却水的管道区段如此围绕用于喷嘴的支座被引导，从而基本上避免了这些管道区段的横截面变窄。通过以下方式避免横截面变窄，即该管道区段构造得在其围绕喷嘴的支座被引导的区域内在一个平面内更窄而在与之垂直的平面内相应地更宽。喷嘴穿通部17在位置18和19处接入到管棚内，由此能够实现冷却水穿流。喷嘴6被插入到水冷的环形体20中并且经由法兰连接部22密封地进行连接。

为了能够热膨胀，桥接结构用作中央管道下部12沿轴向的引导件。为此，八个桥接件31与急冷器5的压力罩的内壁和环形体32焊接在一起，所述环形体引导中央管道下部并且能够承受径向力。

在中央管道下部12和急冷器5的压力罩之间，下面的引导管道21如此与桥接结构连接，从而使得向外溢出的粗制气在所形成的环形间隙9中作为吹气柱8向上流动并且构成次级的冷却及清洗级。下面的引导管道21的下端部布置得比中央管道下部12的下端部更深，使得粗制气在环形间隙9中作为吹气柱8上升。下面的引导管道21的上端部布置得比水池7的表面更深。由吹气柱8携带到环形间隙9中的水在下面的引导管道21和急冷器5的压力罩之间的环形间隙中向下流动，由此形成回路。由向下流动的水携带的颗粒朝向熔渣排出机构10被分离出。

为了改善清洗效果，在环形间隙9中以多个分层的形式交叉地装入表面体23。表面体23能够构造有节段，所述阶段被装配到固定连接在压力罩上的桥接结构之间。表面体23能够由交错的棱边板24构成，正如图4所示的那样。为了简化装配，棱边板构造成90°节段并且经由人孔或者经由粗制气出口27进入到压力容器中。棱边板经由螺纹连接部或夹持连接部固定在与压力容器焊接在一起的桥接结构中。

在环形间隙9中形成的吹气柱8是第二冷却及清洗级。布置在环形间隙中的表面体利用其棱边板限定吹气多少，由此改善抬升的粗制气和水池7之间的接触，这提高了粗制气中携带的颗粒进入水池的分离度。当棱边板相互交错地布置在不同的平面内，就进一步提高了分离度。为了强化清洗效果，表面体23能够布置在三个不同的水平平面内。

为了继续清洁并且去除更多的粉尘成分，在环形间隙9之后在开放空间25内向上流动的粗制气通过一个或者多个喷嘴环26继续作为第三冷却及清洗级加载水。在图1中所示的喷嘴环26布置在粗制气出口27的上方。为了进一步处理，水蒸汽饱和的、200-220℃热的粗制气经由粗制气出口27离开急冷及清洗装置5。过剩的急冷清洗水受调节地从水池7经由导出机构28被导出，从而能够保证需要的水位。所述过剩水经清洁并且再次被输入回路。

本发明还包括一种用于冷却和清洁气流床气化设备的粗制气的组合式急冷及清洗系统的装置，其中热的粗制气和液态熔渣从加载水的中央管道4中的气体及熔渣排出机构3被导入水池7中，其中所述中央管道4由两个部分组成，其中所述中央管道上部11构造成管棚并且经历直接冷却，并且中央管道下部12将经过了预冷却的气体以及经过了预冷却的熔渣转移到水池7中，在此形成吹气柱8。

Claims

1.粗制气清洗系统，具有对气流床气化装置中的颗粒的高分离度，所述气流床气化装置用于将含灰的燃料借助含游离氧的气化介质转化为氢气含量高的粗制气，其中

- 气化反应器（1）中的燃料在温度为1200至1900℃并且过程压力高达10MPa的情况下转换成粗制气和流态的熔渣，

- 所述粗制气和流态的熔渣经由气体及熔渣排出机构（3）转移到布置在所述气化反应器（1）下方的急冷器（5）中，

- 在所述急冷器（5）中，与所述气体及熔渣排出机构（3）连接的中央管道（11、12）浸入到位于所述急冷器的下端部处的水池（7）中，

- 所述中央管道的上区段构造为被急冷水穿流的管棚（11），并且所述中央管道的下区段构造为平滑的管道（12），

- 在所述管棚（11）的区域内，将急冷水喷入到粗制气体及熔渣流中，如此设计喷入的水量，使得粗制气和液态熔渣被冷却到熔渣的软化温度800℃以下，

- 在所述中央管道（12）的下端部处，所述熔渣被分离到所述水池（7）中，并且所述粗制气在所述中央管道（12）之外的吹气柱（8）中向上抬升，

- 所述粗制气经由布置在所述急冷器的压力罩中的粗制气出口（27）离开所述急冷器，

- 所述粗制气在所述水池（7）的表面和所述粗制气出口（27）之间的路径上被至少一个喷嘴环（26）喷急冷水。

2.按照权利要求1所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述管棚（11）基本上钟形地构造为被急冷水穿流的管道的盘绕体，其中所述盘绕部相互之间气密地焊接起来。

3.按照权利要求1所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述管棚（11）构造成被急冷水穿流的管道的多通路的盘绕体。

4.按照上述权利要求中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述管棚（11）在其内侧上具有包层。

5.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述管棚（11）具有柱体成形的延长部，所述延长部与所述气体及熔渣排出机构（3）重合并且在重合部位的内直径上形成第一熔渣滴落檐（14）。

6.按照权利要求5所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述管棚（11）在过渡段（15）内锥形地扩大并且在所述过渡段（15）的小直径处形成第二熔渣滴落檐（16）。

7.按照权利要求6所述的粗制气清洗系统，其特征在于，在所述管棚（11）中布置了喷嘴穿通部（17）用于容纳穿透所述管棚的喷嘴，所述喷嘴用于将急冷水注入到所述粗制气及熔渣流中。

8.按照权利要求7所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述喷嘴穿通部（17）布置在所述第一熔渣滴落檐（14）和第二熔渣滴落檐（16）之外。

9.按照权利要求7所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述喷嘴穿通部（17）经由两个分别具有接头（18）和（19）的管道区段接入到所述管棚（11）的两个相邻的盘绕部中，并且所述管棚的急冷水围绕着环形的插件（20）流动，在所述插件的支座上借助法兰连接部（22）固定着喷嘴（6）。

10.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述管棚（11）与所述平滑的管道（12）的长度比为1比2。

11.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述中央管道（11、12）的下端部被引导管道（21）同心地包围住。

12.按照权利要求11所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述引导管道（21）的下端部布置得比所述中央管道（12）的下端部更深并且与所述熔渣排出机构（10）保持间隙。

13.按照权利要求11所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述引导管道（21）的上端部布置得比所述水池（7）的表面更深。

14.按照权利要求11所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述吹气柱在所述中央管道（12）和所述引导管道（21）之间的环形空间内形成。

15.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述中央管道在下端部的附近具有分布在周边上的缺口。

16.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述中央管道在下端部处具有分布在周边上的锯齿。

17.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述平滑的管道（12）在经由桥接件（31）与所述急冷器（5）的内壁连接的环形件（32）中滑动地得以引导。

18.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，在所述下方的中央管道（12）和引导管道（21）之间的环形间隙（9）中网格栅板（23）布置在至少一个水平平面内。

19.按照权利要求18所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述网格栅板（23）构造有粗网眼的网格，在其留空部中装入棱边板（24），所述棱边板形成细网眼的网格。

20.按照权利要求18所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述网格栅板（23）具有棱边板（24），所述棱边板以交叉的方式叠加地布置。

21.按照权利要求18所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述网格栅板（23）集成到所述桥接件（31）之间。

22.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述粗制气出口（27）布置在所述管棚（11）和所述平滑的管道（12）之间的分隔位置的高度上。

23.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，在所述粗制气出口（27）上方布置有喷嘴环（26）。

24.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，在所述喷嘴环（26）中不断交替地在向上喷的喷嘴后面跟着向下喷的喷嘴。

25.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述中央管道（11、12）中的粗制气的速度低于20m/s。

26.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述粗制气在构造成开放空间的环形空间（25）内具有小于0.5m/s的平均流速。

27.按照上述权利要求1至3中任一项所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述急冷器中的粗制气被冷却到由过程压力决定的、水蒸汽饱和的温度。

28.按照权利要求3所述的粗制气清洗系统，其特征在于，所述多通路的盘绕体是双路盘绕体。