CN104629807A - 一种带高温热回收装置的激冷流程气化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带高温热回收装置的激冷流程气化炉，包括上部的气化/燃烧室、中部的具有高温热回收功能的辐射废锅和底部的洗涤冷却室。在气化/燃烧室的炉体顶部或者炉体周边某个平面或者多个平面上设置一个或多个喷嘴。辐射废锅由与气化/燃烧室连接的法兰、接口水冷盘管、单通道水冷壁、与洗涤冷却室连接的水冷盘管等组成。洗涤冷却室主要由激冷水环和下降管组成，并在洗涤冷却室侧面上方设置有合成气出口。本发明可提高煤种的适应性，有效回收气化产物的高位显热，适用于制备合成气的工艺装置以及整体煤气化联合循环发电系统。相对于传统的废锅流程气化炉，其结构较简单，制作与维护方便，具有较高的推广和应用价值。

Description

一种带高温热回收装置的激冷流程气化炉
技术领域
本发明属于煤气化领域，涉及一种带有辐射废锅和洗涤冷却室的气流床气化炉，是一种能够对气化后高温合成气的显热进行回收并用于制备合成气(CO+H2)的气化装置。
背景技术
煤炭作为基础能源和重要原料，在国民经济和社会发展中具有重要的战略地位。煤化工产业是煤炭清洁高效转化的重要行业，经过近几十年的发展，我国煤化工总体技术水平发展很快，但仍存在能耗高、污染较严重、资源利用率低等问题。高效节能的煤气化技术是煤化工行业发展的核心技术和龙头技术。开发适于甲醇、乙二醇及烃类合成(F-T合成)的高效节能的煤气化技术，对促进资源可持续高效利用、实现污染物近零排放、保护环境，保障国家能源安全，促进国民经济可持续科学发展具有重大的战略意义。
高温高压下气流床煤气化过程中传递过程起着重要作用，不同的强化传递过程的技术手段以及显热回收方式产生了不同形式的气流床气化炉，主要有以水煤浆为原料的多喷嘴对置式水煤浆气化技术、GE(Texaco)、Global E-gas技术，以干粉煤为原料的Shell、GSP技术。基于气化后续加工不同产品的需求，以及回收高温煤气显热工艺方案的不同，气化工艺主要包括：激冷流程、废锅流程和废锅激冷联合流程。气流床水煤浆气化技术的冷煤气效率约72～76％，煤中20％以上的热值以煤气的显热存在。气流床干煤粉气化技术的冷煤气效率约83％，煤中约14％的热值以煤气的显热存在。充分、有效地利用高温煤气的显热，对于气流床气化，特别是水煤浆气化的节能降耗具有重要意义。
激冷流程的工艺、设备及操作均较简单，主要用于煤化工项目，已日趋成熟和完善。但从能量利用角度出发，激冷式气化炉主要存在热效率低、资源浪费大、能源利用不合理等缺点。与废锅流程相比，热煤气效率下降5～8％。废锅流程通过辐射废锅和对流废锅将气化过程中产生的约1400℃的高温煤气、熔渣等的热量回收，可回收相当于原料煤低位发热量15～18％的能量，副产饱和蒸汽，在IGCC中用于蒸汽轮机发电，实现热量回收利用，使得热煤气效率达到90～95％。但由于废锅流程的设备复杂、操作麻烦、投资很大，以致无法大范围推广。因此，开发一种同时实现高温显热回收和激冷的气化装置，使两种方式有机地结合起来可兼顾两者的优点，最终达到稳定操作和降低设备投资等目的。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于基于在现代生产企业中日益完善并广泛使用的多喷嘴对置式水煤浆气化炉，提供一种带有辐射废锅和激冷联合流程以回收高温煤气显热的气化炉，以满足甲醇、乙二醇及烃类合成(F-T合成)技术领域，IGCC发电领域的高效节能煤气化技术需求。
本发明的设计思路如下：带有高温热回收装置的气化炉，在炉体顶部或者炉体周边某个平面或者多个平面上设置具有一个或多个该喷嘴的气化/燃烧室，采用辐射废锅回收高温煤气显热，具有采用水喷淋冷却的粗煤气洗涤冷却装置。出气化/燃烧室的粗合成气温度为1100～1500℃，经辐射废锅冷却到约600～950℃，再经洗涤冷却室冷却到约150～250℃。依靠煤气显热产生的蒸汽能满足后工序部分变换的要求。辐射废锅产生高压蒸汽，作动力蒸汽或驱动透平，可以降低动力煤消耗，从而明显降低系统的能耗；
气化炉的金属壳体可以承受高温高压，上部的气化/燃烧室内衬耐火砖，可以提高操作温度，为辐射废锅提供热量以提升蒸汽品质。因此，该气化炉可以处理灰熔点高的煤种；
上部的气化/燃烧室的气化出渣口采用耐火衬里缩口设计，气化出渣口与辐射废锅入口采用法兰连接，便于设备分体式制造、安装与运输。气化出渣口底部设置金属支撑板，用于支撑气化炉渣口耐火砖。在该支撑板下方，采用水平盘管式水冷壁结构并在内圈的外侧涂碳化硅，一方面可以降低出气化室的高温合成气和灰渣对设备的影响，另一方面可以维持渣口砖支撑板温度，避免超温；
辐射废锅入口为抛物线或锥型扩口结构，采用水冷壁结构并涂碳化硅保护水冷壁盘管。该设计有利于熔渣落入辐射废锅，并降低入口射流回流区对熔渣等颗粒沉积在辐射废锅入口水冷壁壁面的影响；
辐射废锅的水冷壁采用单筒体结构设计，水冷壁筒体内设置了鳍片式水冷壁，该鳍片式水冷壁设置于辐射废锅直筒段；
辐射废锅出渣口与洗涤冷却室入口的连接为锥型缩口的盘管水冷壁结构，水冷壁内圈焊接锥面的金属挡板，在上锥口圆周方向设置一圈喷水环，通过调节喷水量放止辐射废锅出渣口堵塞；
洗涤冷却室设置于辐射废锅底部，并设置有下降管。气体和经过辐射废锅冷却后的灰渣经下降管进入洗涤冷却室，完成气体的初步净化，灰渣通过进入洗涤冷却室底部的水浴，并经锁斗排出。合成气经由设置在洗涤冷却室侧面上方的合成气出口进入下一工序。
具体技术方案如下：
一种带高温热回收装置的激冷流程气化炉，包括金属壳体1、置于金属壳体1内部的气化/燃烧室11以及依次处于所述金属壳体1下方的辐射废锅2和洗涤冷却室3；
所述气化/燃烧室11与辐射废锅2之间具有气化出渣口14，所述气化出渣口14下方连接辐射废锅接口21，所述辐射废锅接口21的下方连接水冷壁24；所述辐射废锅接口21与水冷壁24均置于所述辐射废锅2内部；
所述辐射废锅2与洗涤冷却室3之间具有辐射废锅出渣口27；利用气化炉中部的辐射废锅2回收上部气流床水煤浆气化炉产生的高温合成气的显热；
所述辐射废锅出渣口27的下方具有置于所述洗涤冷却室3内的下降管31，所述辐射废锅出渣口27和所述下降管31之间水平设置有激冷水环35。
所述气化/燃烧室11为气流床形式，其内衬是为耐火砖结构或水冷壁结构。
所述金属壳体1可承受不高于10.0MPa的高压，所述气化/燃烧室11的内径为2.5～6.0m；所述辐射废锅2的内径为3.0～8.0m，高径比为3～10，采用单通道水冷壁结构。
所述气化出渣口14与所述辐射废锅接口21的连接为法兰连接，所述气化出渣口14底部设有金属材质的渣口支撑板15，所述渣口支撑板15用于支撑气化炉出渣口14的耐火内衬。
所述辐射废锅接口21是抛物线型或锥型向下扩口的水冷壁结构并涂有碳化硅，向下扩口的水冷壁采用盘管形式，位于所述渣口支撑板15的正下方。
所述辐射废锅出渣口27是向所述洗涤冷却室3入口方向逐渐收缩的锥型水冷壁结构，所述锥形水冷壁采用盘管形式。
所述辐射废锅出渣口27的内衬具有锥面金属挡板，所述锥面金属挡板的上锥口圆周方向设有一圈喷水环26，所述喷水环26上开设有若干用于冲洗沉积在底部的灰渣的喷水孔28。
所述金属壳体1外部开设有对置的烧嘴口12。
所述水冷壁24的上部具有水冷壁入口22和水冷壁出口23，所述水冷壁入口22和水冷壁出口23延伸至所述辐射废锅2的外部。
所述洗涤冷却室3外部具有激冷水入口32、合成气出口33以及黑水出口34，所述黑水出口34位于所述激冷水入口32和合成气出口33的下方。
所述激冷流程气化炉，可用于以水煤浆等含碳类物质为原料制备合成气的煤化工装置，可应用于生产甲醇、乙二醇、烃类合成以及联合循环发电领域。
本发明具有以下技术优点：
(1)适用于以水煤浆等含碳燃料为原料的合成气制备工艺，应用于生产甲醇、乙二醇、烃类合成以及联合循环发电领域，同时可获得副产蒸汽，满足变换的要求，对煤化工特别是对于煤制甲醇、F-T合成油等工艺具有适用性；
(2)该气化炉的尺寸较传统辐射废锅整体偏小，降低了设备投资，采用单通道水冷壁结构方便制造和安装，可适用于IGCC多联产系统；
(3)煤种适应性广，可以对操作温度要求高的高灰熔点煤进行热量有效回收，提高能源的利用效率；
(4)气化出渣口与辐射废锅入口结构可以保证高温灰渣的顺利通过，同时在辐射废锅出渣口设置喷水环可以避免辐射废锅出口积灰；
(5)合成气在经过辐射废锅后进入其底部洗涤冷却室温度已明显降低，此时进洗涤冷却室的冷却水量较传统激冷型气化炉将大幅降低，可节约循环水量，降低操作成本。
附图说明
图1是实施例1的带高温热回收装置的激冷流程气化炉主体结构示意图；
图2是辐射废锅出渣口喷水环的结构示意图。
符号说明
1金属壳体；2辐射废锅；3洗涤冷却室；11气化/燃烧室；
12烧嘴口；13水冷壁或耐火砖衬里；14气化出渣口；
15渣口支撑板；16法兰；21辐射废锅接口；22水冷壁入口；
23水冷壁出口；24水冷壁；25喷水环入口；26喷水环；
27辐射废锅出渣口；28喷水孔；31下降管；32激冷水入口；
33合成气出口；34黑水出口；35激冷水环；36气化炉排渣口。
具体实施方式
实施例1
图1是带高温热回收装置的激冷流程气化炉的结构示意图，图2是辐射废锅出渣口喷水环的结构示意图，主要由上部的气化/燃烧室11、中部的具有高温热回收功能的辐射废锅2和底部的洗涤冷却室3构成。气化/燃烧室11置于金属壳体1内部；气化/燃烧室11与辐射废锅2之间具有气化出渣口14，气化出渣口14下方连接辐射废锅接口21，辐射废锅接口21的下方连接水冷壁24；辐射废锅接口21与水冷壁24均置于辐射废锅2内部；辐射废锅2与洗涤冷却室3之间具有辐射废锅出渣口27；辐射废锅出渣口27的下方具有置于洗涤冷却室3内的下降管31，辐射废锅出渣口27和下降管31之间水平设置有激冷水环35。气化/燃烧室11为气流床形式，其内衬是为水冷壁或耐火砖衬里13。金属壳体1能耐不大于10.0MPa的高压，气化/燃烧室11的内径为2.5～6.0m；辐射废锅2的内径为3.0～8.0m，高径比3～10，采用单通道水冷壁结构。气化出渣口14与辐射废锅接口21的连接为法兰16连接，气化出渣口14底部设有金属材质的渣口支撑板15，渣口支撑板15用于支撑气化炉出渣口14的耐火内衬。辐射废锅接口21是抛物线型或锥型向下扩口的水冷壁结构并涂有碳化硅，向下扩口的水冷壁采用盘管形式，位于渣口支撑板15的正下方。辐射废锅出渣口27是朝洗涤冷却室3入口方向逐渐收缩的锥型水冷壁结构，锥形水冷壁采用盘管形式。辐射废锅出渣口27的内衬具有锥面金属挡板，锥面金属挡板的上锥口圆周方向设有一圈喷水环26，喷水环26上开设有若干用于冲洗沉积在底部的灰渣的喷水孔28。金属壳体1外部开设有对置的烧嘴口12。水冷壁24的上部具有水冷壁入口22和水冷壁出口23，水冷壁入口22和水冷壁出口23延伸至辐射废锅2的外部。洗涤冷却室3外部具有激冷水入口32、合成气出口33以及黑水出口34，黑水出口34位于激冷水入口32和合成气出口33的下方。
高压水由水冷壁入口22经过单通道的水冷壁入口24回收气化/燃烧室产生的高温合成气及灰渣的热量，所产生的高品质蒸汽可用于动力蒸汽。灰渣和合成气在进入洗涤冷却室3之前，经由辐射废锅2内设置的喷水环26除去可能沉积在辐射废锅出渣口27的灰渣，使之顺畅地进入洗涤冷却室3的下降管31。在下降管31内完成进一步激冷，高温灰渣颗粒落入洗涤冷却室3底部的气化炉排渣口36，合成气经过洗涤后经合成气出口33出气化炉。
某单炉日处理煤约1500吨带有高温热回收装置的激冷流程水煤浆气化炉，氧气和煤浆经工艺烧嘴进入气化炉，在内衬有耐火砖的气化/燃烧内进行部分氧化反应，气化压力6.5MPa，气化温度约1300℃，有效气(CO+H2)产量约100000Nm3/h。气化/燃烧室金属壳内径3.4m，辐射废锅金属壳体4.4m，辐射废锅高度25.0m，水冷壁直径3.0m，鳍片式水冷壁沿圆周方向均匀布置。进水冷壁的高温水温度为319℃，压力11.6MPa，所产生的蒸汽压力11.1MPa，蒸汽量约81t/h。
气化/燃烧室产生的约1300℃高温合成气与灰渣进入辐射废锅，经辐射废锅冷却后进洗涤冷却室合成气温度约920℃，合成气出洗涤冷却室的温度约237℃，进洗涤冷却室激冷水量约227m3/h。合成气经过洗涤后进入变换工段，此时合成气温度约226℃，出气化界区进变换工段的粗合成气中水气比约0.8，满足CO部分变换的工艺要求。
本发明的总体气化性能如下：
气化反应温度：1300℃；
辐射废锅出口合成气温度：920℃；
进变换前合成气温度：226℃；
副产蒸汽：81t/h；
比氧耗：374Nm3O2/1000Nm3(CO+H2)；
比煤耗：573kg煤(干基)/1000Nm3(CO+H2)；
有效气成分(CO+H2)：82.3％(干基)。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带高温热回收装置的激冷流程气化炉，其特征在于，所述激冷流程气化炉包括金属壳体(1)、置于金属壳体(1)内部的气化/燃烧室(11)以及依次处于所述金属壳体(1)下方的辐射废锅(2)和洗涤冷却室(3)；
所述气化/燃烧室(11)与辐射废锅(2)之间具有气化出渣口(14)，所述气化出渣口(14)下方连接辐射废锅接口(21)，所述辐射废锅接口(21)的下方连接水冷壁(24)；所述辐射废锅接口(21)与水冷壁(24)均置于所述辐射废锅(2)内部；
所述辐射废锅(2)与洗涤冷却室(3)之间具有辐射废锅出渣口(27)；
所述辐射废锅出渣口(27)的下方具有置于所述洗涤冷却室(3)内的下降管(31)，所述辐射废锅出渣口(27)和所述下降管(31)之间水平设置有激冷水环(35)。
2.根据权利要求1所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述气化/燃烧室(11)为气流床形式，其内衬是为耐火砖结构或水冷壁结构。
3.根据权利要求1所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述金属壳体(1)可承受不高于10.0MPa的高压，所述气化/燃烧室(11)的内径为2.5～6.0m；所述辐射废锅(2)的内径为3.0～8.0m，高径比3～10，采用单通道水冷壁结构。
4.根据权利要求1所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述气化出渣口(14)与所述辐射废锅接口(21)的连接为法兰连接，所述气化出渣口(14)底部设有金属材质的渣口支撑板(15)，所述渣口支撑板(15)用于支撑气化炉出渣口(14)的耐火内衬。
5.根据权利要求1所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述辐射废锅接口(21)是抛物线型或锥型向下扩口的水冷壁结构并涂有碳化硅，向下扩口的水冷壁采用盘管形式，位于所述渣口支撑板(15)的正下方。
6.根据权利要求1至5任一所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述辐射废锅出渣口(27)是向所述洗涤冷却室(3)入口方向逐渐收缩的锥型水冷壁结构，所述锥形水冷壁采用盘管形式。
7.根据权利要求6所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述辐射废锅出渣口(27)的内衬具有锥面金属挡板，所述锥面金属挡板的上锥口圆周方向设有一圈喷水环(26)，所述喷水环(26)上开设有若干用于冲洗沉积在底部的灰渣的喷水孔(28)。
8.根据权利要求1所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述金属壳体(1)外部开设有一个或多个烧嘴口(12)。
9.根据权利要求1所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述水冷壁(24)的上部具有水冷壁入口(22)和水冷壁出口(23)，所述水冷壁入口(22)和水冷壁出口(23)延伸至所述辐射废锅(2)的外部。
10.根据权利要求1所述的激冷流程气化炉，其特征在于，所述洗涤冷却室(3)外部具有激冷水入口(32)、合成气出口(33)以及黑水出口(34)，所述黑水出口(34)位于所述激冷水入口(32)和合成气出口(33)的下方。
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