CN105542871B - 一种气化炉激冷环 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气化炉激冷环，包括焊接连接的下降管(1)、导流外环(4)及导流内环(8)，导流内环(8)内设有蜗壳导流室(6)，在导流内环(8)的底部设置激冷水进口(10)，下降管(1)与导流外环(4)形成激冷水出口(3)，蜗壳导流室(6)与激冷水出口(4)通过环间导流孔(5)相连，激冷水通过激冷水进口(10)进入蜗壳导流室(6)，经蜗壳导流室(6)导流均匀地从激冷水出口(4)流出进入下降管(1)。与现有技术相比，本发明有效解决传统液态排渣激冷环壁面侵蚀，下降管壁面结渣等问题，提出的蜗壳式流机构对激冷水出流的均匀分布有很大的改进作用。

Description

一种气化炉激冷环

技术领域

本发明涉及一种气化炉组件，尤其是涉及一种气化炉激冷环，带有蜗壳式导流结构，尤其适合我国高灰(25～27％)、高灰熔点(FT>1400℃)“双高”煤种的两段供氧干排渣加压气流床气化炉中使用。

背景技术

煤炭气化技术是大规模加压气流床煤气化技术是我国洁净煤技术的重要组成部分，是高效、洁净利用煤炭的主要途径之一。气化炉是大规模加压气流床煤气化技术的关键设备，而激冷环则是决定气化炉运行性能和寿命的核心部件。气化炉激冷环的作用在于将激冷水均匀分布在下降管的内表面上，并形成一层水薄膜与合成气并流而下，隔绝高温合成气与下降管直接接触，保护下降管免受高温而变形。

现有加压气流床气化技术大部分采用液态排渣方式，对入炉煤的灰熔融温度有严格的要求。液态排渣工艺要求参与反应的煤具有的较高化学活性(用CO2还原率表示)，一般要求煤灰熔融温度FT低于1400℃以下，通常只有高活性的褐煤才能适用。而我国动力用煤具有高灰(平均灰含量达25～27％)、高灰熔点的“双高”特点，无法满足现有以Shell和Texaco为代表的液态排渣型加压气流床气化技术的排渣工艺要求。因此，有必要开发针对我国高灰熔点煤的气流床气化气化炉固态排渣激冷技术。

因液态排渣工艺还会造成的激冷环壁面侵蚀，下降管壁面结渣等问题，液态排渣激冷技术在运行过程存在激冷水量下降，激冷环泄漏挂渣等失效状况，对气化炉系统的激冷性能及使用寿命产生极大的影响。采用固态排渣技术能够有效避免这样一些问题，但国内外的气化炉激冷环工艺中，针对固态排渣技术的激冷环工艺的非常匮乏，需要针对气化炉固态排渣技术的激冷环装置进行针对性设计。

由于固态排渣过程会对激冷环和下降管产生物理冲击，对下降管中水膜的稳定性的要求更高。而传统的气化炉激冷环装置的设计思路局大都限于等截面结构，只是对等截面结构内部进行小幅的修改，并未从根本上把握住激冷水在导流机构中因等截面流场布置而产生的失效机理，使得激冷环出水在下降管成膜的效果不佳。而且等截面面积流场不仅很难保证激冷水出口水流量均匀形成水膜对下降管进行保护，对激冷环自身也会因环内流场的空化空蚀，冲刷腐蚀等现象造成失效，减少激冷环使用寿命。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适合我国高灰(25～27％)、高灰熔点(FT>1400℃)“双高”煤种的两段供氧干排渣加压气流床气化炉的激冷环。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种气化炉激冷环，包括焊接连接的下降管、导流外环及导流内环，

所述的导流内环内设有蜗壳导流室，在导流内环的底部设置激冷水进口，导流内环外侧设置安装法兰与气化炉体固定，

所述的下降管与导流外环形成激冷水出口，蜗壳导流室与激冷水出口通过环间导流孔相连，

激冷水通过激冷水进口进入蜗壳导流室，经蜗壳导流室导流均匀地从激冷水出口流出进入下降管。

所述的蜗壳导流室为内径由内向外逐渐增大的螺旋状蜗壳结构，蜗壳的包角为270°-360°。

所述的下降管的内壁焊有出口导流槽。

所述的出口导流槽为锯齿形结构，与竖直方向上的偏角为20°-70°。

所述的导流外环外壁焊有挡渣环。

所述的挡渣环设有3-30排，每排可以设置20-50个，均匀布置在导流外环的侧壁上。

所述的挡渣环内置有耐火材料。

所述的该环间导流孔与蜗壳导流室径向之间的偏角为20°-70°。

所述的激冷水进口焊接连接在导流内环的底部。

所述的激冷水进口处连接有进口管道，该管道倾斜段与垂直方向的夹角为20°-70°。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)由于在导流外环外壁布置有挡渣环槽，可有效防止从排渣口掉落的固态灰渣对激冷环造成直接冲击力，降低激冷环因壁面变形、龟裂产生失效的可能性。且挡渣环内嵌有耐火材料，可有效降低因激冷环内外壁面温差而产生的热应力。挡渣环起到对高温腐蚀的缓冲作用，形成的缓冲带可避免燃烧产生的硫化物与壁面直接接触，还可以大大减小气化炉开路停车时附着在激冷环表面的硫化物与空气和水产生的多硫酸腐蚀。

(2)采用的蜗壳式导流机构，蜗壳的断面逐渐减小，可以保证向激冷水出口均匀供水。蜗壳式导流机构能够减少激冷环导流装置因水量分布不均造成的负压区面积，规避传统激冷环工艺中因断面不变而产生的空化空蚀现象。蜗壳式导流结构可以在环间导流孔前形成一个必要的环量，避免激冷水直接冲击激冷环壁面，减小因金属表面与腐蚀流体之间的冲刷腐蚀。

(3)激冷环采用单个入口设计方案，相较传统的气化炉激冷环多个入口的结构而言，单个入口的设计不仅方便激冷水系统的布置，节约气化炉空间，而且大大降低了激冷环因入口处因局部堵塞和高速水流冲蚀而失效的概率，从而节约了安装及检修成本，延长了激冷环的使用寿命。而单入口节约出的空间也为将来炉内设备的添加和改造留下余地。

(4)激冷水出口的锯齿形出口导流槽设计对下降管水膜分布具有积极作用。传统激冷环失效的一个重大原因在于下降管水膜分布不均匀，从而导致下降管出现局部过热的情况，形成热应力导致下降管失效。而经过出口导流槽形成的均匀水膜还可以有效地将炉内酸性气体与下降管隔离，避免因酸性气体与水分结合生成的酸对下降管造成腐蚀的激冷环失效情况。

附图说明

图1为加压气流床气化炉的结构示意图；

图2为本发明的纵切剖视结构示意图；

图3为本发明的横切俯视结构示意图；

图4为本发明的俯视结构示意图；

图5为激冷水进口处的剖视结构示意图；

图6为挡渣环的结构示意图；

图7为出口导流槽的示意图。

图中，1-1气化炉给煤入口，1-2气化反应室，1-3排渣口，1-4激冷环，1-5激冷室，1-6锁渣罐，1下降管，2出口导流槽，3激冷水出口，4导流外环，5环间导流孔，6蜗壳导流室，7挡渣环，8导流内环，9安装法兰，10激冷水进口，11进口法兰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

加压气流床气化炉的结构如图1所示，主要部件包含原料进口1-1、反应室1-2、排渣口1-3、激冷环1-4、激冷水室1-5、排渣口1-6等。针对我国煤具有高灰(平均灰含量达25～27％)、高灰熔点的“双高”的特点，进行固态排渣技术的设计。其中参与反应的煤粉或煤浆从顶部原料进口1-1给入进入反应室1-2，在反应室1-2中含碳物质发生部分氧化作用，生成有效产物合成气通过下降管进入激冷水室1-5，而反应过程中生成的灰渣则通过排渣口1-3，从激冷环进入激冷水室，最终从排渣口排出。激冷环在此过程中为下降管提供激冷水，在降低下降管温度的同时为其表面提供稳定的水膜，保证其物理化学性质的平稳。

本实施例公开的就是气化炉使用的激冷环1-4，其主要结构如图2所示，其结构主要为中空环体结构，采用气化炉整体相同的中轴线，通过法兰连接与气化炉体固定。其中下降管1、导流外环4、内导流环8、激冷水进口10通过焊接连接，导流内环8外侧设置安装法兰9与气化炉体固定。导流内环8包含蜗壳导流室6，在导流内环8底部设置激冷水进口，下降管1与导流外环4形成激冷水出口3，蜗壳导流室6与激冷水出口3通过激冷水环间导流孔5相连。激冷水通过激冷水进口进入蜗壳导流室6，经蜗壳导流室6蜗壳结构的导流作用均匀地从激冷水出口流出进入下降管。激冷水在环内的流速为0.5m/s-50m/s。

为保证激冷水对下降管形成均匀水膜，采用的蜗壳导流室6的包角β变化范围为270°-360°，作为优选的技术方案，本实施例中该角度为320°，如图4所示。为配合蜗壳导流装置对激冷水形成的环量作用，实现蜗壳导水室6与激冷水出口3的均匀导水过程，在蜗壳导流室6与激冷水出口3之间设置环间导流孔5，如图3所示，环间导流孔5与蜗壳径向之间偏角γ为20°-70°，作为优选的技术方案，本实施例中该角度为30°。

本装置采用单个入口设计工艺，激冷水进口10通过焊接连接在导流内环8底部，管道通入蜗壳导流室6形成联通，如图4所示。激冷水进口10设置进口法兰11与管件连接，入口处管壁厚1mm-4mm。入口管道与竖直方向上的偏斜段的偏角δ为20°-70°，如图5所示。

在导流外环4的外壁布置挡渣环7，从而可以防止从排渣口掉落的固态灰渣对激冷环造成直接冲击，并减小激冷环装置的热应力和酸性腐蚀。挡渣环的几何尺寸如图6所示，每个挡渣单元由环形槽构成，内部嵌入耐火材料，在导流外环壁面等距布置3-30排。

本发明在激冷环出口布置有锯齿形的出口导流槽2，锯齿与竖直方向上的偏角α为20°-70°，作为优选的技术方案，本实施例中该角度为20°，如图7所示，配合蜗壳导流室使得激冷水能够更加均匀地从激冷水出口流出，从而提升激冷水在下降管中的成膜性能。

实施例2

本申请所公开的是适合我国高灰(25～27％)、高灰熔点(FT>1400℃)“双高”煤种的两段供氧干排渣加压气流床气化炉的激冷环。加压气流床气化炉固态排渣的优势和蜗壳式引水机构结构的信息及优势如下所示。

1、加压气流床气化炉固态排渣：

液态排渣型气化炉的灰渣均以熔融液态状态进入激冷室，因此，无法安装带有膜式壁辐射废锅对合成气及灰渣中的热量进行回收利用。一方面，从气化室中带出的大部分热量均分布在大块的熔渣内，这部分热量难于在短暂的时间内有效吸收而直接排放。另一方面，如果下降管直径太大，辐射废锅的换热效果将大大降低且投资成本大大提高；如果为了保证换热效果，相应减小下降管直径，不仅将面临壁面严重沾污结渣的问题，而且合成器换热效率将因大量结渣行为而大大降低。而排渣加压气流床技术不存在这一问题，灰渣颗粒均以干灰形态进入激冷室，膜式壁面不会存在结渣沾污问题。因此，气化室尾部高温粗煤气及细小灰渣颗粒(约1300℃)直接由合成气冷却室入口进入冷却室(不进行激冷冷却)，与第二洗涤冷却器圆柱形膜式水冷壁稳定发生辐射传热、对流传热及热传导行为，在辐射传热基本占主导地位的作用下，对高温粗煤气及细小灰渣颗粒蕴含的显热进行大量回收利用。这也是两段供氧干排渣加压气流床气化炉的一个显著特点和优点。

目前，国内外大规模气流床气化技术采用的燃料均为低灰熔点化工用煤(要求煤灰熔融温度FT低于1400℃)。我国适于大规模气流床气化的低灰熔点化工用煤存储量不足35％，在目前化工用煤紧缺的时期，煤化工企业年消耗化工用煤约2亿吨左右，因此，随着社会经济的发展，化工用煤的需求量随之不断增加，供需矛盾将不断加剧，影响企业发展。我单位针对我国煤储备量65％以上高灰熔点煤发明的两端供氧干排渣加压气流床气化炉可有效解决煤化工企业面临的化工用煤紧缺的问题，实现我国煤化工行业的健康发展。

以贵州鑫晟煤化工有限公司为例：我国贵州省保有资源储量排列全国第五，是南方12个省(市、自治区)的资源储量总和，是中国南方煤炭资源最丰富的省区，含煤面积占总面积40％以上，86个县(市)中有74个产煤，素有“江南煤海”之称。煤质情况较好，但由于煤灰熔点普遍较高(高灰熔点煤所占比例大于90％以上)，无法满足现有高效液态排渣型加压气流床气化工艺对煤种灰熔点的要求，贵州地区大量以煤气化为基础的化工企业为了运营，只能通过添加助熔剂、提高气化温度或花费高昂的代价从云南、陕西等地购运低灰熔点化工用煤进行气流床气化，或者采用气化效率较低的固定床、流化床气化工艺，极大地降低了企业的竞争性及经济性，也失去了产煤地区的优势。通过两段供氧干排渣加压气流床气化技术改造，鑫晟煤化工有限公司采用六盘水本地煤炭资源进行两段供氧干排渣加压气流床气化，可从根本上解决煤炭供应及现有液态排渣型加压气流床气化技术在燃用高灰熔点煤时所面临的排渣困难等难题，在很大程度上降低气化运行成本(按照现有年产30万吨甲醇规模的3套750t/d规模气化装置，保守估算年节约煤炭及运输成本2亿元)，极大地提高企业的经济性。此外，可进一步在贵州地区乃至全国范围进行推广，将能源资源优势转为经济优势、发展优势，对推动我国经济发展具有十分重要的工业应用意义。

2、蜗壳式导水机构

蜗壳引水室的外形很像蜗牛壳，固通称蜗壳，为保证导水机构均匀供水，并对流体工质形成必要环量而形成自进口逐渐减小的结构。其原理为蜗壳内的水流具有明显的切向分速度，设谋点的且放分速度为V_u,，该点与水轮机中心的距离为半径r，则速度矩为V_ur。由于蜗壳内的流动理想上是轴对称有势流动，固速度矩为常数，即

V_ur＝k＝const

经过对蜗壳中的水流运动情况进行分析，假定断面高度相等，运用流函数推导得出流线方程为

其中，Δ为涡流强度，Q为工质流量，B为蜗壳常数。

简言之，蜗壳结构是依据水流切向分速度，按照速度矩为常数进行假定，结合蜗壳中流动中心处的涡、汇共同诱导的平面流动方式。其几何表现为阿基米德螺线方程，及等角螺线方程。

蜗壳引水室外形很像蜗牛壳，固通称蜗壳。引起保证向导水机构均匀供水，，可在流场内形成必要的环量已减轻导水机构的工作强度等优势，被广泛应用于水利、水泵及叶轮机械等领域。而在气化炉激冷环工艺中，还尚查出未有此类机构应用。

蜗壳的材质可以为多种多样，有金属蜗壳，混凝土蜗壳等机构。而在工业装置中，主要采用的还是金属蜗壳，其制造方式主要有焊接、铸焊以及铸造三种类型。而金属蜗壳的尺寸主要与水头及尺寸(在气化炉激冷环工艺中，水头主要为激冷水泵提供)关系密切。金属蜗壳的工作水头较高，承受较大的内水压力。

水流在蜗壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转,愈接近蜗壳出口,通道截面积愈大。液体从导流装置中以高速流出后,流过蜗壳通道时流速将逐渐降低,减少了能量损失,使部分动能有效地转变为静压能。

Claims (9)

1.一种气化炉激冷环，其特征在于，该激冷环包括焊接连接的下降管(1)、导流外环(4)及导流内环(8)，

所述的导流内环(8)内设有蜗壳导流室(6)，在导流内环(8)的底部设置激冷水进口(10)，

所述的下降管(1)与导流外环(4)形成激冷水出口(3)，蜗壳导流室(6)与激冷水出口(3)通过环间导流孔(5)相连，

激冷水通过激冷水进口(10)进入蜗壳导流室(6)，经蜗壳导流室(6)导流均匀地从激冷水出口(3 )流出进入下降管(1)，所述的蜗壳导流室(6)为内径由内向外逐渐增大的螺旋状蜗壳结构，蜗壳的包角为270°-360°。

2.根据权利要求1所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的下降管(1)的内壁焊有出口导流槽(2)。

3.根据权利要求2所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的出口导流槽(2)为锯齿形结构，与竖直方向上的偏角为20°-70°。

4.根据权利要求1所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的导流外环(4)外壁焊有挡渣环(7)。

5.根据权利要求4所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的挡渣环(7)设有3-30排，均匀布置在导流外环(4)的侧壁上。

6.根据权利要求5所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的挡渣环(7)内置有耐火材料。

7.根据权利要求1所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的环间导流孔(5)与蜗壳导流室(6)径向之间的偏角为20°-70°。

8.根据权利要求1所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的激冷水进口(10)焊接连接在导流内环(8)的底部。

9.根据权利要求8所述的一种气化炉激冷环，其特征在于，所述的激冷水进口(10)处连接有进口管道，该管道倾斜段与垂直方向的夹角为20°-70°。