CN107520073A - 一种粉煤气化用旋风分离器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉煤气化用旋风分离器，包括：承压壳体，该承压壳体的底部设有下灰口，上部设有切向入口，顶部设有出口管；旋风分离器内模流场，由内置于承压壳体的耐磨隔热衬里包围形成；出口中心管，该出口中心管顶部通向出口管，下部伸入旋风分离器内模流场上部。与现有技术相比，本发明采用旋风分离器内置的方法，用耐磨隔热衬里整体浇筑成型，形成旋风分离器内模流场，解决了粉煤气化高温、高压、高含尘条件下气固两相分离难点，同时确保了工业设备的运行稳定性。

Description

一种粉煤气化用旋风分离器

技术领域

本发明涉及一种工业气固分离装置，尤其是涉及一种粉煤气化用旋风分离器。

背景技术

煤炭清洁高效利用是解决世界能源供应问题的重要方向。我国已经将大型粉煤气化技术列入“十三五”国家科技创新规划重大工程。外置旋风分离器是粉煤气化炉反应器系统的核心部件，目前，工业上大部分旋风分离器主要用于常压或中低压工况条件下。在大型粉煤加压气化工艺中，旋风分离器不仅要面临高温工况，同时还要叠加高压条件。高温高压同时存在的工况条件对旋风分离器的设计使用提出了更加苛刻的要求。

中国专利CN103817022A公开了一种设有径向入口、内置防冲蚀导向挡板及多层螺旋导流叶片的新型旋风分离器。该旋风分离器主要用于IGCC发电系统中煤炭的气固分离。

中国专利CN103623943A公开了一种带拱形顶、双锥体、过渡灰斗和排料腿的高温高压旋风分离器。该发明主要通过结构优化降低了其在高温高压条件下的设备局部几何应力集中问题。

以上两种旋风分离器的使用场所均局限于类似煤的增压流化燃烧联合循环(PFBC-CC)和整体煤气化联合循环(IGCC)工艺。该类工艺的典型特点是，工作压力一般在1-4MPa，温度在700-750℃，关键是粉体含尘浓度较低。但在几种恶劣工况同时存在的条件下，旋风的性能和寿命会遭到严重挑战。

中国专利CN101648169A公开了一种高温高压夹套式旋风分离器，将旋风分离器置于密闭压力容器外壳内，为了提高耐磨和耐高温性能，在常规旋风分离器内壁设置隔热耐磨衬里。该专利的旋风分离器整体内置于某一个压力容器当中，要将旋风分离器非规则部分全部内置在压力容器当中，由于旋风分离器一般为切向或者蜗壳进口，该结构将会造成外部压力容器尺寸巨大，不仅占用空间巨大，而且质量大，制造成本极高。尤其是多级旋风分离器内置的时候。在高达70～100m高的气化平台上，不仅要求旋风分离器本身质量小，而且其所占据空间不宜大。该专利的夹套介质为气相或者液相(本专利为固相耐磨隔热衬里)，该工艺不仅增加了额外的操作费用，而且很难克服高温高压同时存在的工况下的危险性。常规压力容器材料在高温条件下的许用应力极低，尤其是在1000-1200℃条件下，还要满足3.0MPaG的工作压力，该材料几乎不可能。因此夹套中气相或液相介质的选用尤为关键，该材料既要能保护内置旋风分离器温度不向外传导，又要维持与旋风分离器内部压力平衡。常规的气相和液相材料都难以胜任，而且还需要外部设施辅助实现其功能。可见，该专利所述工艺成本极高。在实际工程中几乎不可能应用。

目前，在粉煤气化高温(850℃)、高压(3.5-7.1MPa)、高含尘条件下的气固两相分离用外置承压旋风分离器的应用研究，尚无相关报道。

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粉煤气化用旋风分离器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种粉煤气化用旋风分离器，包括：

承压壳体，该承压壳体的底部设有下灰口，上部设有切向入口，顶部设有出口管，

旋风分离器内模流场，由内置于承压壳体的耐磨隔热衬里包围形成，

出口中心管，该出口中心管顶部通向出口管，下部伸入旋风分离器内模流场上部。

工作时，高温带压含尘气体从切向入口进入旋风分离器，经过离心分离后，洁净气体从出口中心管流出，所收集的粉尘从旋风分离器下灰口排出。

优选地，所述的耐磨隔热衬里由衬里材料整体浇筑成型。

承压壳体主要用于内置耐磨隔热衬里包括形成的旋风分离器内模流场，以及承担强度要求。

优选地，所述的耐磨隔热衬里为双层浇筑结构，由依次设置在承压壳体内壁的隔热衬里和耐磨衬里组成，所述的隔热衬里和耐磨衬里通过Y型组合锚固钉连接。

优选地，耐磨层的厚度根据承压壳体及旋风分离器内模流场尺寸而定，隔热层的厚度根据旋风分离器内外温差而定。

优选地，所述的隔热衬里采用耐碱浇注料，所述的耐磨衬里采用六铝酸钙浇注料。

优选地，所述的出口中心管为耐高温钢结构，与承压壳体挂接连接。

优选地，所述的出口中心管通过挂接机构与出口管挂接连接，所述的挂接机构包括沿周向设置在出口管内壁的多个垫板及设置在各垫板上的定位支撑板，所述的定位支撑板一端与垫板连接，另一端挂接出口中心管。

采用本发明挂接连接的结构，不仅防止了承压壳体导热致使局部超温，而且有利于旋风分离器出口中心管的更换。

优选地，所述的切向入口和出口管上设有用于监测旋风分离器压降性能的进出口压差测量口。

通过监测旋风分离器压降性能，进而判断旋风分离器工作稳定性。

优选地，所述的承压壳体周向设置有感温带。

感温带用于实时监测旋风分离器外壳温度，进而判断旋风分离器内部衬里工作状况以及设备在使用过程中的安全性能。

优选地，所述的耐压壳体由从上到下依次连接的封头、上部筒体、上部锥体、下部筒体和下部锥体组成，出口管设置在封头顶部，切向入口设置在上部筒体上，下灰口设置在下部锥体底部。

内模流场通过实验室数值模拟及工业热态测试数据优化拟合而成，内模流场的准确性是旋风分离器分离性能的关键因素。旋风分离器内模流场一般为非规则结构，而流场的结构决定了旋风分离器的性能，为了保证旋风分离器承压下的使用性能，现有技术条件下，必须对整个旋风分离器的非规则结构按照压力容器进行承压设计。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过内置于承压壳体的耐磨隔热衬里包围形成旋风分离器内模流场，解决了高压条件下旋风分离器按照压力容器设计制造的难题。承压壳体按照常规压力容器设计，结构简单，制造工序简单，成本低。

(2)通过内模流场造型的变化(耐磨隔热衬里内壁造型变化)，适用于构造多种类型的旋风分离器，针对不同工况，灵活变化。

(3)由于该旋风分离器内模流场由衬里材料整体浇筑成型，使用过程中直接检修耐磨隔热衬里即可，避免了压力容器复杂的检修过程，节约了检修成本和时间。

(4)可更换式的出口中心管既保证了旋风分离器的内模流场完整性，又能通过及时更换保证了旋风分离器性能稳定性。

(5)本发明解决粉煤气化高温(850℃)、高压(3.5-7.1MPa)、高含尘条件下的气固两相分离难点。既保证高温高压条件下旋风分离器的使用性能，又满足强度安全及使用稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为耐磨隔热衬里的局部剖面示意图；

图3为本发明Y型组合锚固钉的分布示意图；

图4为本发明挂接机构的结构示意图；

图5为本发明的挂接机构的俯视示意图。

图中，1为入口法兰，2为厚壁圆管，3为厚壁方接圆管，4为进出口压差测量口，5为出口法兰，6出口管，7为封头，8为吊耳，9为上部筒体，10为上部锥体，11为支座，12为下部筒体，13为下部锥体，14为下灰口，15为感温带，16为耐磨隔热衬里，16-1为耐磨衬里，16-2为隔热衬里，16-3为Y型组合锚固钉，17为旋风分离器内模流场，18为出口中心管，18-1为垫板，18-2定位支撑板。

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

一种粉煤气化用旋风分离器，如图1所示，包括：

承压壳体，该承压壳体的底部设有下灰口14，上部设有切向入口，顶部设有出口管6，

旋风分离器内模流场17，由内置于承压壳体的耐磨隔热衬里16包围形成，

出口中心管18，该出口中心管18顶部通向出口管6，下部伸入旋风分离器内模流场17上部。

高温带压含尘气体从切向入口进入旋风分离器，经过离心分离后，洁净气体从出口中心管16流出，所收集的粉尘从旋风分离器的下灰口14排出。

本实施例的耐压壳体主要用来保证设备在高压状态下运行安全，同时又必须确保旋风分离器内模流场17的完整性及可塑性，由从上到下依次连接的封头7、上部筒体9、上部锥体10、下部筒体12和下部锥体13组成，出口管6设置在封头7顶部，切向入口设置在上部筒体9上，下灰口14设置在下部锥体13底部。

除此之外，承压壳体上还设置了相应的功能部件，出口管6顶端连接有出口法兰5，依次连接有厚壁方接圆管3、厚壁圆管2和入口法兰1，入口法兰1和出口法兰5分别为旋风分离器进出口连接界面，旋风分离器通过该界面与上下游工艺设备对接。上部筒体9上设置有吊耳8，作为旋风分离器的吊装附件，下部筒体12的上部连接有支座11，作为旋风分离器安装定位部件。

切向入口和出口管6上分别设有压力监测口，形成进出口压差测量口，用于监测旋风分离器压降性能，进而判断旋风分离器工作稳定性。

承压壳体周向设置有感温带，作为旋风分离器外表面测温部件，通过监测旋风分离器外表面温度可实时判断旋风分离器运行温度。

一般地，耐磨隔热衬里16由衬里材料整体浇筑成型。整体浇筑成型的旋风分离器内模流场17是旋风分离器的核心部分，该内模流场通过实验室数值模拟及工业热态测试数据优化拟合而成，一般为非规则结构，内模流场的准确性是旋风分离器分离性能的关键因素。本发明可以方便地精确调整耐磨隔热衬里16内壁造型，使内模流场造型符合要求，而承压壳体按照常规压力容器设计即可。本实施例中，耐磨隔热衬里16为双层浇筑结构，由依次设置在承压壳体内壁的隔热衬里16-2和耐磨衬里16-1组成，隔热衬里16-2和耐磨衬里16-1通过Y型组合锚固钉16-3连接，如图2所示，Y型组合锚固钉16-3的排列布置沿设备内壁周向按照H×L均匀排列，如图3所示。耐磨衬里16-1厚度根据承压壳体及旋风分离器内模流场17尺寸而定，隔热衬里16-2厚度根据旋风分离器内外温差而定，如图1所示。本实施优选隔热衬里16-2采用耐碱浇注料，耐磨衬里16-1采用六铝酸钙浇注料。

本实施例中，出口中心管18采用耐高温钢结构，由于该部件为易损件，故而采取与承压壳体挂接连接的形式。出口中心管18通过挂接机构与出口管6挂接连接，挂接机构包括沿周向设置在出口管6内壁的多个垫板18-1及设置在各垫板18-1上的定位支撑板18-2，定位支撑板18-2一端与垫板18-1连接，另一端挂接出口中心管18，挂接连接的结构不仅防止了承压壳体导热局部超温，而且有利于旋风分离器出口中心管18的更换。本实施中，垫板18-1与出口管16之间以及定位支撑板18-2与垫板18-1之间通过焊接连接，如图4～5所示。

新奥新能年产20万吨稳定轻烃项目同时采用了煤粉催化气化及加氢气化炉工艺。高效旋风分离器均采用了本发明的旋风分离器。具体工况条件分别如表1和表2所示：

表1

表2

表中所述工况同时具有高温高压的存在，而且几乎都在公斤级的浓度条件下工作，在工程实施上存在极大挑战，本专利通过衬里材料造型出压力容器内旋风分离器流场结构，用以克服上述工况，能够稳定高效运行。与常规的在沿着旋风分离器内壁均匀施加衬里的方法或者旋风分离器整体内置的方法，在设计理念上更加先进。

本发明将旋风分离器工程应用的安全性(高温高压)和运行性能(高效低阻)区分对待。通过承压外壳及相应功能部件的设计来应对高压力带来的安全性问题；通过耐磨衬里的设计来应对高含尘浓度下的耐磨问题；通过隔热衬里及感温带部件的设计来应对高温带来的安全性问题；在旋风分离器性能方面，通过耐磨隔热衬里精准造型来应对内模流场准确性。通过上述方法的实施，确保了高效旋风分离器在高温高压高含尘浓度工况下的安全可靠运行。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，包括：

承压壳体，该承压壳体的底部设有下灰口，上部设有切向入口，顶部设有出口管，

旋风分离器内模流场，由内置于承压壳体的耐磨隔热衬里包围形成，

出口中心管，该出口中心管顶部通向出口管，下部伸入旋风分离器内模流场上部。

2.根据权利要求1所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的耐磨隔热衬里由衬里材料整体浇筑成型。

3.根据权利要求2所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的耐磨隔热衬里为双层浇筑结构，由依次设置在承压壳体内壁的隔热衬里和耐磨衬里组成，所述的隔热衬里和耐磨衬里通过Y型组合锚固钉连接。

4.根据权利要求3所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的隔热衬里采用耐碱浇注料，所述的耐磨衬里采用六铝酸钙浇注料。

5.根据权利要求1所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的出口中心管为耐高温钢结构，与承压壳体挂接连接。

6.根据权利要求5所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的出口中心管通过挂接机构与出口管挂接连接，所述的挂接机构包括沿周向设置在出口管内壁的多个垫板及设置在各垫板上的定位支撑板，所述的定位支撑板一端与垫板连接，另一端挂接出口中心管。

7.根据权利要求1所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的切向入口和出口管上设有用于监测旋风分离器压降性能的进出口压差测量口。

8.根据权利要求1所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的承压壳体周向设置有感温带。

9.根据权利要求1所述的一种粉煤气化用旋风分离器，其特征在于，所述的耐压壳体由从上到下依次连接的封头、上部筒体、上部锥体、下部筒体和下部锥体组成，出口管设置在封头顶部，切向入口设置在上部筒体上，下灰口设置在下部锥体底部。