CN104634134A - 流化床冷却器、冷却方法及煤加氢气化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流化床冷却器、冷却方法及煤加氢气化系统，涉及高温固体颗粒的冷却技术领域，能够解决高温轻质微细固体颗粒在流化床冷却器中无法正常流化、在冷却器中停留时间短、换热效果差的技术问题。该流化床冷却器包括换热室，换热室内架设分布板，换热室设有流化气进气口，分布板上方设有换热管和流化介质；换热室上部设有流化介质入口、进料口和出气口，进料口插装进料管，进料管向分布板方向延伸但不超过分布板，进料管的管口处设有流量调节阀，流化介质在换热室内处于常流化状态。本发明能够延长高温轻质微细固体颗粒在换热室内的停留时间，使其能够与换热管之间进行充分换热，具有换热效果好的优点。

Description

流化床冷却器、冷却方法及煤加氢气化系统

技术领域

本发明涉及高温固体颗粒的冷却技术领域，尤其涉及一种流化床冷却器、冷却方法及将该流化床冷却器用在煤加氢气化的气化系统。

背景技术

粉煤加氢气化是指粉煤与高温氢气在高压条件下反应生成甲烷、高附加值油品和固体半焦。该工艺能充分利用我国丰富的低阶煤资源，尤其是针对高挥发份、高活性的次烟煤或褐煤，高效清洁转化制天然气的同时副产高附加值油品，通过梯级利用、全价开发，能够真正实现煤炭资源的清洁、高效和综合利用。

在粉煤的加氢气化过程中会产生大量固体半焦，其中，固体半焦约为粉煤原料的30-50％，而且温度较高，含有大量显热，因此如何回收该部分高品质热量对提高整个工艺热效率尤为重要。

为回收上述高品质热量、提高整个工艺的热效率，现有技术中常采用流化床冷却器，使物料呈流态化，增加了固体、气体及换热管间的传热效率，是目前公认的用于固体物料冷却的先进方法。但是，由于该高温半焦颗粒的粒径较小(10-100μm)，颗粒多孔吸水，堆密度较小(90-200kg/m3)，属于A类固体颗粒，在普通的流化床冷却器中无法正常流化，且在冷却器中的停留时间极短，所以其换热效果极差。

发明内容

本发明的实施例提供一种流化床冷却器、冷却方法及利用此流化床冷却器的煤加氢气化系统，能够解决高温轻质微细固体颗粒在流化床冷却器中无法正常流化、在冷却器中停留时间短、换热效果差的技术问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种流化床冷却器，包括密闭的换热室，所述换热室内底部架设分布板，所述分布板下方设有流化气进气口；所述分布板上方设有换热管和流化介质；

所述换热室上部壁面设有流化介质入口、进料口和出气口，所述进料口插装进料管，所述进料管向所述分布板方向延伸但不超过所述分布板；所述进料管内通有待冷却固体颗粒，且其管口处设有流量调节阀；所述流化介质在所述换热室内处于常流化状态。

为了方便地对换热管进行操作、控制，将所述换热管内流通有冷却剂，并将换热管入口和换热管出口均延伸至换热室的壁面之外。

此外，为了进一步提高待冷却固体颗粒在换热室内的换热效率，将所述换热管内冷却剂的流向呈自上而下设置，使其流向与待冷却固体颗粒的流向正好相反。

为了方便地对流量调节阀进行调节，所述流量调节阀设在所述进料管的下端管口处，且所述流量调节阀向下延伸至所述换热室的底部壁面之外。

为了便于待冷却固体颗粒的正常流化，所述流量调节阀为锥形阀，其尖端指向所述进料管。

为了降低流化介质及待冷却固体颗粒直接接触进料管所产生的磨损现象，以及减少甚至避免由于高温使进料管强度降低而引起变形现象的发生，将所述进料管的外壁套设冷却夹套层，夹套层入口设在所述进料管上端管口附近，夹套层出口设在所述进料管的下端管口附近，且所述夹套层出口向外延伸至所述换热室的壁面之外，所述冷却夹套层内通有低温气体或低温冷却液。

为了将气化炉直接排出的流化气体内所包含的固体颗粒分离出来，在所述出气口处通过出气管线连接气固分离器，所述气固分离器连接气体处理系统和固体收集系统。

为了减轻工作人员的工作量，所述进料管的上端管口连接料仓。进一步的，将所述料仓设有料位计，所述料位计设有料位高报点和料位低报点；所述料位计与所述流量调节阀之间设有料位控制器。

为了方便控制流量调节阀的工作状态，将所述流量调节阀的开启/闭合由电机控制。

本发明实施例提供的流化床冷却器，在换热室中充有处于常流化状态的流化介质，通过流量调节阀控制进料管内待冷却固体颗粒流入到换热室内，待冷却固体颗粒在流化气向上吹动作用下与流化介质共同形成稳定的流化层，待冷却固体颗粒在上升过程中是在流化介质内及流化介质与换热管之间的间隙中逐渐缓慢上升的，很明显，待冷却固体颗粒在上升过程中，不仅能够正常流化，还会受到流化介质及换热管的阻挡作用，从而延长待冷却固体颗粒在换热室内的停留时间，并与换热管之间进行充分换热，具有换热效果好的优点。所以，可以采用该流化床冷却器对不易流化的高温轻质微细固体颗粒有效地进行冷却。

一种流化床冷却方法，采用上述流化床冷却器对所述待冷却固体颗粒进行冷却，具体包括：

首先，通入流化气体使所述流化介质在所述换热室内处于流化状态，并将冷却剂通入到所述换热管中；

然后，打开所述流量调节阀，将所述待冷却固体颗粒通过所述进料管通入到所述换热室内，使所述待冷却固体颗粒与所述流化介质共同流化。

具体的，所述待冷却固体颗粒为高温轻质微细固体颗粒，其粒径范围为10～100μm，堆密度范围为0～1400kg/m³；所述流化介质为易流化的大粒径固体颗粒，其粒径范围为100～600μm，堆密度范围为1400～4000kg/m³。

此外，所述待冷却固体颗粒与所述流化介质共同流化时，所述流化介质处于稳定的常流化状态，所述待冷却固体颗粒处于匀速上升状态。还可以使所述流化介质与所述待冷却固体颗粒在两者共同流化过程中处于均匀混合状态。

本发明实施例提供的流化床冷却方法，能够使待冷却固体颗粒在换热室内正常流化，尤其是对于那些不易流化的轻质微细固体颗粒，不仅能使其正常流化，还能延长其在换热室内的停留时间，并与换热管充分换热，具有上述流化床冷却器的所有优点，故在此不再赘述。

一种煤加氢气化系统，包括煤加氢气化炉和上述流化床冷却器，所述气化炉底部与所述进料管上端管口相连通。

为了时刻监控气化炉内所产生的高温微细固体颗粒(高温固体半焦)的料位高度情况，如上述所述，将所述气化炉内设有料位计，所述料位计与所述流量调节阀之间设有料位控制器，所述流量调节阀的开启/闭合由电机控制，即气化炉炉腔与上述料仓具有相同的功能。

本发明实施例提供的煤加氢气化系统，所产生的高温固体半焦(相当于上述待冷却固体颗粒)，通过进料管进入到上述流化床冷却器中，能够对固体半焦进行充分的冷却，使固体半焦在换热室内的停留时间延长，提高热利用率。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的流化床冷却器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例三所述的煤加氢气化系统示意图。

附图标记说明：

1、换热室，2、换热管，3、进料管，4、流量调节阀，5、流化介质，

6、气固分离器，7、料仓，8、待冷却固体颗粒，

7′、气化炉，8′、固体半焦；

101、进料口，102、壁面，103、流化气进气口，104、出气口，

105、流化介质入口，106、分布板；

201、换热管入口，202、换热管出口；

301、冷却夹套层，302、夹套层入口，303、夹套层出口；

401、电机，402、料位控制器，403、料位计；

601、气体处理系统，602、固体收集系统；

701′、氢气入口，702′、粉煤入口，703′、合成气出口。

具体实施方式

本发明的中心思想，是在加热室内设置分布板，在分布板的上方设置换热管和处于常流化状态的流化介质，并设置供待冷却固体颗粒流通到换热室内偏下位置的进料管，从而使待冷却固体颗粒能够在流化介质中及流化介质与换热管之间的间隙中自下而上缓慢向上流动，延长待冷却固体颗粒在换热室内的停留时间，并使其与换热管及流化介质充分接触，使其充分换热。

本发明中所述的常流化状态是指：流化介质在流化气作用下，在气化炉炉腔内处于稳定的流化状态，此流化介质称为常流化介质。

此外，本发明实施例中的待冷却固体颗粒一般为高温轻质微细固体颗粒，其粒径范围约为10～100μm，堆密度较小，不易流化，例如：A类固体颗粒。流化介质一般为易流化的大粒径固体颗粒，其粒径范围在100～600μm，该类粒子易于流化，床层稳定性好，例如：石英砂颗粒、普通砂子等B类固体颗粒。

下面结合附图对本发明实施例流化床冷却器、冷却方法及煤加氢气化系统进行详细描述。

实施例一

本实施例是一种流化床冷却器，如图1所示，包括密闭的换热室1，换热室1内底部架设分布板106，分布板106下方的换热室1的壁面102设有流化气进气口103；分布板106上方的换热室1内设有换热管2和流化介质5。

其中，换热室1上部壁面102设有流化介质入口105、进料口101和出气口104，进料口104插装进料管3，进料管3向分布板106方向延伸但不超过分布板106，进料管3的管口处设有流量调节阀4，进料管3内通有待冷却固体颗粒8，流化介质5在换热室1内处于常流化状态。

在本发明实施例中，流化介质5通过流化介质入口105通入到换热室1内，并在流化气作用下呈稳定的常流化状态。流量调节阀4控制待冷却固体颗粒8通过进料管3通入到加热室1内的偏下方位置处，当其受到流化气吹动时，将向上运动，在此上升运动过程中，将在流化介质5中以及流化介质5与换热管2之间的间隙中逐渐缓慢上升，很明显，待冷却固体颗粒8在上升过程中，不仅能够正常流化，还受到了流化介质5及换热管2的阻挡作用，从而延长待冷却固体颗粒8在换热室1内的停留时间，使其能够与换热管2之间进行充分热交换，具有换热效果好的优点。

本实施例中的流化床冷却器主要是对不易流化的高温轻质微细固体颗粒进行冷却，例如：A类固体颗粒，此类固体颗粒的粒径较小，该粒径范围约为10～100μm；其堆密度较小，该堆密度范围约为0～1400kg/m³。特别对于粒径范围约为10～100μm，堆密度范围约为90～200kg/m³的固体颗粒进行冷却。

为了保证流化介质5能够在换热室1中的流化稳定性，故将流化介质5选择易于流化、床层稳定性好的B类固体颗粒。此B类固体颗粒的粒径较大，粒径范围约为100～600μm；堆密度较大，堆密度范围约为1400～4000kg/m³。

本实施例中，将换热管2内流通有冷却剂，换热管入口201和换热管出口202均延伸至换热室1的壁面102之外。此种结构设置，当需要该冷却器对待冷却固体颗粒8进行冷却工作时，只需在该冷却器的外部接通通有冷却剂的管道系统即可，操作极其方便。

本实施例中，换热管2内的冷却剂可以是水或者其他冷却剂，冷却剂自换热管入口201流入，由换热管出口202流出，换热管2内冷却剂的流向可以是自上而下设置，与待冷却固体颗粒8的流动方向呈逆流(反向流动)，从而进一步增加其换热效率。

由于进料管3的上端管口是高温待冷却固体颗粒8的入口端，此处温度较高；此外，如果设备较大时，在上部极易超出工作人员的合适操作高度，所以为了安全、方便地对流量调节阀4进行调节，在本实施例中，可以优先将流量调节阀4设在进料管3的下端管口处，且向下延伸至换热室1的底部壁面102之外，如图1所示，将该流量调节阀4设在温度相对较低的进料管3的下端管口处，不仅使其处于较合适的工作环境中，保证其工作寿命，还能方便工作人员随时操作，其操作安全性明显得到了保证。当然，也可以将流量调节阀4设在进料管3的中间某部位或进料管3的上端管口处，只要能实现对待冷却固体颗粒8的流量进行控制的功能，则均在本发明的保护范围之内。

如图1所示，当将流量调节阀4设在进料管3的下端管口位置处时，流量调节阀4选用锥形阀，并将其尖端指向进料管3，此种结构设置，可以保证待冷却固体颗粒8流出进料管3下方管口时，使其在进料管3出口与锥形阀的间隙中流出并周向向外流入到流化床内，并在其下方流化气作用下，使其流化。另外，锥形阀还能有效控制待冷却固体颗粒8的流量，当锥形阀上移时，进料管3与锥形阀之间的间隙变小，待冷却固体颗粒8的流量降低，反之则流量将增加。由此可知，此种结构的流量调节阀4不仅具有结构简单的优点，其调整起来更加方便、有效。

当进料管3内的待冷却固体颗粒8温度较高时，会使进料管3长时间的处于高温状态，其强度明显降低，加上流化介质5对进料管3的摩擦碰撞作用，很容易使进料管3出现磨损、扭曲变形等损坏现象。所以，在进料管3的外壁套设冷却夹套层301，如图1所示，夹套层入口302设在进料管3上端管口附近，夹套层出口303设在进料管3的下端管口附近，且夹套层出口303向外延伸至换热室1的壁面102之外，冷却夹套层301内通有低温气体或低温冷却液。冷却夹套层301的设置不仅可以对待冷却固体颗粒8进行冷却，还能降低管材的材质要求，选材更加容易，降低材料成本，还能保证进料管3在流化床中的强度，减少变形发生率，延长其使用寿命。

本实施例中，可以将出气口104通过出气管线连接气固分离器6，其中，气固分离器6可以为一级旋风分离器，或由多个旋风分离器串联成的多级旋风分离器，如图1所示。气固分离器6连接气体处理系统601和固体收集系统602，气体处理系统601用来收集气固分离后的流化气体，固体收集系统602用来收集降温、气固分离后的固体颗粒，主要收集降温后的A类固体颗粒。

如图1所示，在进料管3的上端管口处可连接料仓7，料仓7内可以暂时储存待冷却固体颗粒8。料仓7设有料位计403，料位计403设有料位高报点和料位低报点；料位计403与流量调节阀4之间设有料位控制器402。当料位计403感应到料仓7内的料位高于料位高报点时，料位控制器402将发出停止向料仓7内供料的指令；当料位计403感应到料仓7内的料位低于料位低报点时，料位控制器402将发出向料仓7内供料的指令；由此保证料仓7内的待冷却固体颗粒8始终处在合适的料位高度。由于料仓7具有暂时储存高温待冷却固体颗粒8的功能，料位计403具有时刻检测料仓7内料位高度的作用，所以当设置该料仓7或/和料位计403时，工作人员无需时刻控制进料状态，只需间歇性的给料仓7进行供料即可，不仅将工作人员从高温工作环境中解救出来，还能减少工作人员的工作量，提高工作效率，此外，此种结构设置很容易实现自动化供料。

本实施例中，流量调节阀4的开启/闭合由电机401控制，其控制方式简单易行。

本实施例中，流化床冷却器的流化层实际上是由流化介质5(B类固体颗粒)与待冷却固体颗粒8共同流化形成的，流化层中的换热管2、流化介质5和待冷却固体颗粒8相接触并进行热交换。流化介质5为常流化固体颗粒，操作开始时，先使流化介质5处于流化状态，难以稳定流化的待冷却固体颗粒8再通过耐高温的进料管3通入流化床中，由于流化介质5的存在，能够增加待冷却固体颗粒8在换热室1内的停留时间，进而提高待冷却固体颗粒8与换热管2间的换热效率，同时，待冷却固体颗粒8在流化层中可起到“润滑”的作用，从而降低流化介质5流化时产生气泡、腾涌等流化不稳定现象的发生率，待冷却固体颗粒8经过换热降温后将随流化气体流通到气固分离器6中，如图1中的一级旋风分离器和二级旋风分离器，通过旋风分离器进行有效补集，补集后的固体颗粒进入到固体收集系统602中。

此外，在流化介质5与待冷却固体颗粒8的流化过程中，流化介质5由于磨损会逐渐减少，当减少到换热室1内流化层的高度不够时，可以通过流化介质入口105重新补入相应的流化介质5。

本实施例所述的流化床冷却器，不仅能够对高温A类固体颗粒进行充分换热冷却，还能对其他轻质微细固体颗粒进行充分换热冷却。

实施例二

本实施例是一种流化床冷却方法，该冷却方法采用上述实施例一中的流化床冷却器对待冷却固体颗粒8进行冷却，具体包括：

首先，通入流化气体使流化介质5在换热室1内处于流化状态，并将冷却剂通入到换热管2中；

然后，打开流量调节阀4，将待冷却固体颗粒8通过进料管3通入到换热室1内，使待冷却固体颗粒8与流化介质5共同流化。

本实施例中，待冷却固体颗粒8为高温轻质微细固体颗粒，其粒径范围为10～100μm，堆密度范围为0～1400kg/m³，特别是堆密度为90～200kg/m³的A类固体颗粒。流化介质5为易流化的B固体颗粒，其粒径范围为100～600μm，堆密度范围为1400～4000kg/m³。

此外，本实施例中，待冷却固体颗粒8与流化介质5共同流化时，流化介质5处于稳定的常流化状态，待冷却固体颗粒8处于匀速上升状态。此外，还可以使流化介质5与待冷却固体颗粒8在两者共同流化过程中处于均匀混合状态。

本实施提供的流化床冷却方法，能够使待冷却固体颗粒8在换热室1内正常流化，还能延长待冷却固体颗粒8在换热室1内的停留时间，并与换热管2充分换热，具有上述流化床冷却器的所有优点，故在此不再赘述。

实施例三

本实施例是一种煤加氢气化系统，如图2所示，包括煤加氢气化炉和上述流化床冷却器，气化炉7′的底部与流化床冷却器的进料管3上端管口相连通；出气口104通过出气管线连接气固分离器6，气固分离器6连接气体处理系统601和固体收集系统602。

原料粉煤由粉煤入口702′进入气化炉7′，氢气由氢气入口701′进入，在气化炉7′中发生加氢气化反应，气体产物由合成气出口703′进入后处理系统，反应生成的轻质微细高温固体半焦8′(相当于实施例一中的待冷却固体颗粒8)则落入到气化炉7′底部半焦层中，半焦层中设有料位计403，包括料位高报点和料位低报点，固体半焦8′通过耐高温的进料管3进入到流化床冷却器的换热室1中，该进料管3延伸至流化床层底部，浸于整个床层中，由于内部固体半焦的温度较高(700-800℃)，故在该进料管3的外部设置了冷却夹套层301，一方面对固体半焦进行预冷却，另一方面保证该进料管3在流化床中的强度，延长其使用寿命，详见实施例一中的冷却夹套层301的描述，在此不再赘述。

本实施例中，如图2所示，气化炉7′内设有料位计403，料位计403与流量调节阀4之间设有料位控制器402，流量调节阀4的开启/闭合由电机401控制，即气化炉7′炉腔与上述料仓7具有相同的功能，即暂时储存固体半焦8′。

本发明实施例提供的煤加氢气化系统，所产生的高温固体半焦8′通过进料管3进入到上述实施例一所述的流化床冷却器中，能够充分的对固体半焦8′进行冷却，使固体半焦8′在换热室内的停留时间延长，提高了热利用率。

轻质微细的固体半焦8′的最小流化速度仅为0.01m/s，在普通流化床中难于正常流化，其换热效率仅为20-30％，而在上述实施例一中的流化床冷却器中的换热效率将增加至60-80％，其换热效率增加了2-3倍。

本实施例中的煤加氢气化系统所产生的高温固体半焦8′，在上述实施例一中的流化床冷却器中的降温换热功能及有益效果详见实施一中的描述，在此不再赘述。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种流化床冷却器，其特征在于，包括密闭的换热室(1)，所述换热室(1)内底部架设分布板(106)，所述分布板(106)下方设有流化气进气口(103)，所述分布板(106)上方设有换热管(2)和流化介质(5)；

所述换热室(1)上部壁面设有流化介质入口(105)、进料口(101)和出气口(104)，所述进料口(101)插装进料管(3)，所述进料管(3)向所述分布板(106)方向延伸但不超过所述分布板(106)；所述进料管(3)内通有待冷却固体颗粒(8)，且其管口处设有流量调节阀(4)；所述流化介质(5)在所述换热室(1)内处于常流化状态。

2.根据权利要求1所述的流化床冷却器，其特征在于，所述换热管(2)内流通有冷却剂，换热管入口(201)和换热管出口(202)均延伸至所述换热室(1)的壁面之外。

3.根据权利要求1所述的流化床冷却器，其特征在于，所述换热管(2)内冷却剂的流向是自上而下设置。

4.根据权利要求1所述的流化床冷却器，其特征在于，所述流量调节阀(4)设在所述进料管(3)的下端管口处，且所述流量调节阀(4)向下延伸至所述换热室(1)的底部壁面之外。

5.根据权利要求4所述的流化床冷却器，其特征在于，所述流量调节阀(4)为锥形阀，其尖端指向所述进料管(3)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的流化床冷却器，其特征在于，所述进料管(3)的外壁套设冷却夹套层(301)，夹套层入口(302)设在所述进料管(3)上端管口附近，夹套层出口(303)设在所述进料管(3)的下端管口附近，且所述夹套层出口(303)向外延伸至所述换热室(1)的壁面之外，所述冷却夹套层(301)内通有低温气体或低温冷却液。

7.根据权利要求1所述的流化床冷却器，其特征在于，所述出气口(104)通过出气管线连接气固分离器(6)，所述气固分离器(6)连接气体处理系统(601)和固体收集系统(602)。

8.根据权利要求1所述的流化床冷却器，其特征在于，所述进料管(3)的上端管口连接料仓(7)。

9.根据权利要求8所述的流化床冷却器，其特征在于，所述料仓(7)设有料位计(403)，所述料位计(403)设有料位高报点和料位低报点；所述料位计(403)与所述流量调节阀(4)之间设有料位控制器(402)。

10.根据权利要求1所述的流化床冷却器，其特征在于，所述流量调节阀(4)的开启/闭合由电机(401)控制。

11.一种流化床冷却方法，其特征在于，采用如权利要求1-10任一项所述的流化床冷却器对所述待冷却固体颗粒(8)进行冷却，具体包括：

首先，通入流化气体使所述流化介质(5)在所述换热室(1)内处于流化状态，并将冷却剂通入到所述换热管(2)中；

然后，打开所述流量调节阀(4)，将所述待冷却固体颗粒(8)通过所述进料管(3)通入到所述换热室(1)内，使所述待冷却固体颗粒(8)与所述流化介质(5)共同流化。

12.根据权利要求11所述的流化床冷却方法，其特征在于，所述待冷却固体颗粒(8)为高温轻质微细固体颗粒，其粒径范围为10～100μm，堆密度范围为0～1400kg/m³；所述流化介质(5)为易流化的大粒径固体颗粒，其粒径范围为100～600μm，堆密度范围为1400～4000kg/m³。

13.根据权利要求11或12所述的流化床冷却方法，其特征在于，所述待冷却固体颗粒(8)与所述流化介质(5)共同流化时，所述流化介质(5)处于稳定的常流化状态，所述待冷却固体颗粒(8)处于匀速上升状态。

14.根据权利要求11或12所述的流化床冷却方法，其特征在于，所述待冷却固体颗粒(8)与所述流化介质(5)共同流化时，所述流化介质(5)与所述待冷却固体颗粒(8)处于均匀混合状态。

15.一种煤加氢气化系统，包括煤加氢气化炉(7′)，其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的流化床冷却器，所述气化炉(7′)的底部与所述进料管(3)上端管口相连通。

16.根据权利要求15所述的煤加氢气化系统，其特征在于，所述气化炉内(7′)设有料位计(403)，所述料位计(403)与所述流量调节阀(4)之间设有料位控制器(402)，所述流量调节阀(4)的开启/闭合由电机(401)控制。