CN107586568A - 壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度实时测量装置，包括排渣口与换热冷壁，换热冷壁包覆在排渣口外部且与壳牌气流床气化炉反应器主体的水冷壁隔开，换热冷壁上设有温度传感器Ⅰ，换热冷壁下部与换热介质输入管道连接，换热介质输入管道上依次设有输送泵、控制阀、流量计Ⅰ和温度传感器Ⅱ，温度传感器Ⅱ靠近换热冷壁；换热冷壁上部与换热介质输出管道连接，换热介质输出管道与汽包连接，汽包上设有温度传感器Ⅲ、压力传感器和流量计Ⅱ。采用测量排渣口与换热冷壁之间的换热量来确定壳牌气流床气化炉排渣口的温度，解决排渣口温度的在线测量难的问题，达到安全有效控制气化过程的目的，实现气流床气化炉反应器的长周期稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种壳牌(Shell)气流床气化炉反应器排渣口温度的在线测量方法，特别是涉及高温及复杂反应环境下温度测量装置和测量方法。
背景技术
Shell气流床煤气化技术由荷兰Shell国际石油公司于20世纪50年代开始研发，目前已在德国、荷兰、意大利、中国等多个国家建成并投入使用，是已经商业化的第二代煤气化技术中最有竞争力的技术之一。
Shell煤气化技术的工艺流程主要包括磨煤干燥、加压输送、气化、除渣、除灰、湿洗等单元，煤场的原料煤首先由带式输送机送入磨煤与干燥单元中研磨和干燥，之后依次通过煤粉加压与输送单元内的常压煤粉仓、加压煤粉仓及给料仓，由高压氮气或二氧化碳将煤粉输送至气化炉烧嘴，在气化炉内与来自空分的高压氧气发生一系列反应，产生合成气、飞灰与炉渣。其中，气化产物中的炉渣从气化炉底部以熔渣的形式流入渣池，在渣池中被激冷分散后排出气化系统；气化产物中的合成气与飞灰由气化炉顶部送出，在激冷段内被激冷压缩机送来的激冷气激冷至800-900℃，然后经合成气冷却器(废锅)进一步冷却后送入干法除灰单元；合成气中夹带的熔融飞灰在之前的激冷段中由于温度的陡然降低会发生固化，这些固化的飞灰在除灰系统中大部分被高温高压过滤器分离出合成气并送入飞灰贮罐；经过干法除灰的合成气被分为两股，一股回到激冷压缩机作为激冷气，另一股进入湿洗单元，待合成气中的卤化物被除去且飞灰含量进一步降低(<1mg/m3)之后再被分为两股，一股送回激冷压缩机作激冷气，另一股作为最后的粗合成气给下游工段使用。
Shell气化炉采用“以渣抗渣”思想设计的水冷壁技术，在水冷壁内侧附着一层均匀分布的熔渣层，抵御高温熔渣对水冷壁的腐蚀。但国内许多Shell粉煤气化装置都存在气化炉出渣口堵渣的问题，不仅给装置的安全运行带来严重危害，甚至还会直接导致装置停车，特殊情况下还容易引起设备损坏。对Shell气化炉的操作人员而言排渣口的温度可作为其排渣是否正常的一个直接判据，由于Shell气化炉内部状况复杂、气固两相流动的存在以及温度高达1400-1600℃，常规的热电偶无法检测，即使使用特殊热电偶，由于气化炉内部高温烧蚀、熔渣磨蚀的作用，热电偶使用寿命急剧降低，需要经常更换，使气化炉的经济效益降低，从而导致其排渣口温度无法在线测量，故实际运行过程中排渣口操作状况难以确定。操作人员需要通过后续捞渣机排出的渣形貌对其排渣状况进行推测确定炉内及排渣口的状态。该方法有一定的滞后性，操作难度大一旦发现相关的监测点出现异常，此时出渣口的堵塞已经很严重，装置停车难以避免。鉴于此种情况，在现有的Shell气流床气化炉工艺中以低成本解决Shell气流床炉内反应器排渣口温度在线测量就成为工业过程中亟待解决的工程技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种Shell气流床气化炉反应器排渣口温度实时测量装置和测量方法，不仅具有测量简单、安全且可靠性高、成本低等特点，而且可满足复杂反应环境下高温实时测量装置及测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，包括排渣口与换热冷壁，所述换热冷壁包覆在排渣口外部且与壳牌气流床气化炉反应器主体的水冷壁隔开，换热冷壁上设有温度传感器Ⅰ，换热冷壁下部与换热介质输入管道连接，所述换热介质输入管道上依次设有输送泵、控制阀、流量计Ⅰ和温度传感器Ⅱ，所述温度传感器Ⅱ靠近换热冷壁；所述换热冷壁上部与换热介质输出管道连接，换热介质输出管道与汽包连接，所述汽包上设有温度传感器Ⅲ、压力传感器和流量计Ⅱ。
所述汽包上设有液位计。
所述换热介质输入管道上设有旁路管线，旁路管线上设有旁路阀。
一种壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，包括排渣口与换热冷壁，所述换热冷壁包覆在排渣口外部且与壳牌气流床气化炉反应器主体的水冷壁隔开，换热冷壁上设有温度传感器Ⅰ，换热冷壁下部与换热介质输入管道连接，所述换热介质输入管道上依次设有输送泵、控制阀和温度传感器Ⅱ，所述温度传感器Ⅱ靠近换热冷壁；所述换热冷壁上部与换热介质输出管道连接，换热介质输出管道上依次设有流量计Ⅱ、温度传感器Ⅲ和换热冷却器，所述换热冷却器通过管道与输送泵连接；所述换热介质输入管道上设有旁路管线，旁路管线上设有旁路阀。
利用壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的测量方法，采用测量排渣口与换热冷壁之间的换热量来确定壳牌气流床气化炉排渣口的温度，具体步骤为：
换热冷壁管中的换热介质经过排渣口段换热后进入独立的汽包进行液气分离，换热后的气相经汽包分离后通过流量计Ⅱ检测其流量，同时通过温度传感器Ⅲ或压力传感器检测所产生饱和蒸汽的温度或压力，从而根据能量衡算确定经排渣口换热冷壁后所带走的热量。
所述换热冷壁管中的换热介质换热介质采用易相变介质，所述易相变介质为水、液氨或者乙二醇的水溶液。
排渣口与换热壁之间换热时换热介质若采用水，则后续需要汽包来实现水汽分离，如果借助Shell气流床气化炉原有设计的汽包，则排渣口换热的水汽分离过程需要与原有的汽包采用隔板隔开；所述的排渣口与换热壁之间换热时换热介质若采用液氨、乙二醇的水溶液等换热介质时，后续的液气分离需要单独的汽包来实现。
假设排渣口的温度为T1，待测量变量；水冷壁的温度为Tm，可测量变量；水冷壁或者换热冷壁的导热系数为λ，根据水冷壁或者换热冷壁的材料性质可确定；假设排渣口与水冷壁或者换热冷壁的换热量为Q，可通过水冷壁或者换热冷壁换热后产生的蒸汽量确定。为此根据傅里叶导热定律可得：
Q＝AλΔT＝Aλ(T1-Tm) (1)
利用式(1)进行变换得：
若式(2)中Q、Tm可实时测量，式(2)中A为水冷壁或者换热冷壁的换热面积，为已知量，则可解决Shell气流床气化炉反应器排渣口温度的实时测量问题。
所述的排渣口与换热壁之间换热时换热介质若采用热容量大不发生相变的换热介质时，则可省去后续分离的汽包，但换热介质须在后续设置冷却装置，冷却装置可为空冷、换热器换热冷却等方式来实现。
利用壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的测量方法，采用测量排渣口与换热冷壁之间的换热量来确定壳牌气流床气化炉排渣口的温度，具体步骤为：采用不易发生相变的热容大的换热介质，换热冷壁管中的换热介质经过排渣口段换热后只有温度变化，不发生相变，该过程只需检测其换热前后温度变化，再根据参与换热的介质的流量及其热容采用Q＝mcpΔTm即可算出经排渣口换热冷壁后所带走的热量，式中m为换热介质的质量流量，cp为换热介质的热容，ΔTm为换热介质换热前后的温差。根据水冷壁的导热系数及导热方程可计算排渣口与水冷壁之间的传热温差，由于水冷壁的温度已知，为此可确定排渣口的温度。
所述的温度测量装置可配套Shell气流床气化炉使用，也可用于复杂苛刻环境下高温体系温度的实时测量。
本发明的有益效果：本发明的Shell气流床气化炉反应器排渣口温度实时测量装置和测量方法，具有测量简单、安全切可靠性高、成本低等特点，解决排渣口温度的在线测量难的问题以帮助现场操作人员能直观的判断气化炉排渣口的运行状态，达到安全有效控制气化过程的目的，实现Shell气流床气化炉反应器的长周期稳定运行。
附图说明
图1为本发明排渣口和换热冷壁的结构示意图。
图2为本发明实施例1壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的结构示意图。
图3为本发明实施例2壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的结构示意图。
图4为本发明实施例2壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，包括排渣口1与换热冷壁2，所述换热冷壁包覆在排渣口外部且与壳牌气流床气化炉反应器主体的水冷壁隔开，以便容易确定排渣口换热过程中所交换的热量，换热冷壁用于换热介质与气化炉排渣口的换热；换热冷壁上设有温度传感器Ⅰ3，用于测量换热介质的温度，换热冷壁下部与换热介质输入管道连接，所述换热介质输入管道上依次设有输送泵7、控制阀6、流量计Ⅰ5和温度传感器Ⅱ4，输送泵7用于输送换热介质，流量计Ⅰ5用于计量换热介质换热前后的流量所述温度传感器Ⅱ4靠近换热冷壁，控制阀用于控制调节换热介质的量；所述换热介质输入管道上设有旁路管线，旁路管线上设有旁路阀8。
所述换热冷壁上部与换热介质输出管道连接，换热介质输出管道与汽包10连接，汽包用于分离换热介质换热后的气液相，根据相变后的气相量确定换热所带走的热量；汽包10上设有温度传感器Ⅲ9、压力传感器13和流量计Ⅱ12，所述汽包上设有液位计11，压力传感器13用于测量汽包的压力，流量计Ⅱ12用于计量发生相变后换热介质的流量。
本实施例的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量方法如下：本发明需要通过获取与Shell气流床气化炉反应器排渣口与换热介质所交换的热量，为此需要构造排渣口与换热介质所交换的设备，并布置相应的检测手段。为此在该实施方案中的换热介质采用水，换热后的水汽分离采用与Shell气流床气化炉反应器主体共用的汽包来实现，但要求气化炉反应器主体的汽包进行隔断改造，为此汽包构造如图2所示。
图2中汽包分为三段，第一段、二段为气化炉主体及后续废热锅炉换热产生的水汽分离用，隔断出来的第三段用于排渣口换热的水汽分离，汽包安装有压力传感器用于测量蒸汽压力。第三段汽包装配有流量计用于测量第三段汽包产生的蒸汽流量；此外，第三段汽包还配备温度传感器用于测量饱和蒸汽的温度。
如图2所示，排渣口外壁周围还配备水冷壁换热管，水冷壁安装有温度传感器Ⅰ用于测量水冷壁的温度，水冷壁管内的水由泵输入，泵出口连接进水管线、控制阀及旁路管线、旁路阀等。进料管线安装有温度传感器Ⅱ用于测量进口水温，安装有流量计Ⅰ用于测量进料水的流量。根据上述特点及测点的布置可实现经过与排渣口换热后的水所带走的热量，假设进料水温为T2，水冷壁温度为Tm，第三段汽包温度为T3，水冷壁的导热系数为λ，进排渣口水冷壁水的流量为m1，产生饱和蒸气的流量为m，T3温度下水的汽化热为ΔH，水的热容为cp，H2o，排渣口的温度为T1，水冷壁的换热面积为A，根据上述信息可得经换热后水所带走的热量为：
Q＝m1cp，H2o(T3-T2)+m·ΔH (3)
根据热平衡，水换热带走的热等于排渣口通过导热传递给水冷壁的热，即有
Q＝λA(T1-Tm) (4)
结合式(3)和(4)，则有
λA(T1-Tm)＝m1cp，H2o(T3-T2)+m·ΔH (5)
即可得出：
由于式(6)中λ、cp，H2o、A及ΔH已知，m1、m、T2、T3及Tm可实时测量，故T1可实现在线测量。
实施例2
本实施例的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置采用独立汽包，其他结构同实施例1。
本实施例的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量方法如下：
本发明需要通过获取与Shell气流床气化炉反应器排渣口与换热介质所交换的热量，为此需要构造排渣口与换热介质所交换的设备，并布置相应的检测手段。为此在该实施方案中的换热介质可采用水、液氨或者乙二醇的水溶液等，换热后的水汽或液气分离采用独立汽包来实现，流程简图如图3所示。
图3中汽包安装有压力传感器用于测量蒸汽压力、流量计Ⅱ用于测量汽包产生的蒸汽或者气体流量、配备温度传感器Ⅲ用于测量饱和蒸汽或者气体的温度。如图3所示，排渣口外壁周围还配备水冷壁换热管或者换热冷壁管，水冷壁或者换热冷壁安装有温度传感器Ⅰ用于测量水冷壁或者换热冷壁的温度，水冷壁管内的水或者换热冷壁管内的液体由泵输入，泵出口连接进水或者液体管线、控制阀及旁路管线、旁路阀等。进料管线安装有温度传感器Ⅱ用于测量进口水或者液体温度，安装有流量计Ⅰ用于测量进料水或者液体的流量。根据上述特点及测点的布置可实现经过与排渣口换热后的水或者液体所带走的热量，假设进料水或者液体温为T2，水冷壁或者换热冷壁温度为Tm，汽包温度为T3，水冷壁或者换热冷壁的导热系数为λ，进排渣口水冷壁水或者换热冷壁的流量为m1，产生饱和蒸气或者气体的流量为m，T3温度下水或者液体的汽化热为ΔH，水或者液体的热容为cp，水冷壁或者换热冷壁的换热面积为A，排渣口的温度为T1，根据上述信息可得经换热后水或者液体所带走的热量为：
Q＝m1cp(T3-T2)+m·ΔH (7)
根据热平衡，水换热带走的热等于排渣口通过导热传递给水冷壁的热，即有
Q＝λA(T1-Tm) (8)
结合式(7)和(8)，则有
λA(T1-Tm)＝m1cp(T3-T2)+m·ΔH (9)
即可得出：
由于式(10)中λ、cp、A及ΔH已知，m1、m、T2、T3及Tm可实时测量，故T1可实现在线测量。
实施例3
本实施例的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，包括排渣口1与换热冷壁2，所述换热冷壁包覆在排渣口外部且与壳牌气流床气化炉反应器主体的水冷壁隔开，换热冷壁上设有温度传感器Ⅰ3，换热冷壁下部与换热介质输入管道连接，所述换热介质输入管道上依次设有输送泵7、控制阀6和温度传感器Ⅱ4，所述温度传感器Ⅱ4靠近换热冷壁；所述换热冷壁上部与换热介质输出管道连接，换热介质输出管道上依次设有流量计Ⅱ12、温度传感器Ⅲ9和换热冷却器14，所述换热冷却器14通过管道与输送泵7连接；所述换热介质输入管道上设有旁路管线，旁路管线上设有旁路阀8。
本实施例的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量方法如下：本发明需要通过获取与Shell气流床气化炉反应器排渣口与换热介质所交换的热量，为此需要构造排渣口与换热介质所交换的设备，并布置相应的检测手段。为此在该实施方案中的换热介质采用大热容不易发生相变的液体，其简单流程构造如图4所示。图4中换热后的管线配备流量计用于测换热介质的流量、温度传感器用于测换热后换热介质的温度、换热冷却器用于降低换热介质的温度以便循环利用。如图4所示，排渣口外壁周围还配备换热冷壁管，换热冷壁安装有温度传感器用于测量换热冷壁的温度，换热冷壁管内的不易相变液体有泵输入，泵出口连接进液体管线、控制阀及旁路管线、旁路阀等。进料管线安装有温度传感器用于测量进口液体温度。根据上述特点及测点的布置可实现经过与排渣口换热后的液体所带走的热量，假设进料液体温度为T2，换热冷壁温度为Tm，换热后液体温度为T3，换热冷壁的导热系数为λ，参与换热的换热介质的流量为m，换热介质的热容为cp，换热冷壁的换热面积为A，排渣口的温度为T1，根据上述信息可得经换热后水所带走的热量为：
Q＝mcp(T3-T2) (11)
根据热平衡，水换热带走的热等于排渣口通过导热传递给水冷壁的热，即有
Q＝λA(T1-Tm) (12)
结合式(11)和(12)，则有
λA(T1-Tm)＝mcp(T3-T2) (13)
即可得出：
由于式(14)中λ、cp、A已知，m、T2、T3及Tm可实时测量，故T1可实现在线测量。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，包括排渣口（1）与换热冷壁（2），其特征在于：所述换热冷壁包覆在排渣口外部且与壳牌气流床气化炉反应器主体的水冷壁隔开，换热冷壁上设有温度传感器Ⅰ（3），换热冷壁下部与换热介质输入管道连接，所述换热介质输入管道上依次设有输送泵（7）、控制阀（6）、流量计Ⅰ（5）和温度传感器Ⅱ（4），所述温度传感器Ⅱ（4）靠近换热冷壁；所述换热冷壁上部与换热介质输出管道连接，换热介质输出管道与汽包（10）连接，所述汽包（10）上设有温度传感器Ⅲ（9）、压力传感器（13）和流量计Ⅱ（12）。
2.根据权利要求1所述的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，其特征在于：所述汽包（10）上设有液位计（11）。
3.根据权利要求1所述的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，其特征在于：所述换热介质输入管道上设有旁路管线，旁路管线上设有旁路阀（8）。
4.一种壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，包括排渣口（1）与换热冷壁（2），其特征在于：所述换热冷壁包覆在排渣口外部且与壳牌气流床气化炉反应器主体的水冷壁隔开，换热冷壁上设有温度传感器Ⅰ（3），换热冷壁下部与换热介质输入管道连接，所述换热介质输入管道上依次设有输送泵（7）、控制阀（6）和温度传感器Ⅱ（4），所述温度传感器Ⅱ（4）靠近换热冷壁；所述换热冷壁上部与换热介质输出管道连接，换热介质输出管道上依次设有流量计Ⅱ（12）、温度传感器Ⅲ（9）和换热冷却器（14），所述换热冷却器通过管道与输送泵（7）连接。
5.根据权利要求4所述的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置，其特征在于：所述换热介质输入管道上设有旁路管线，旁路管线上设有旁路阀（8）。
6.根据权利要求1所述的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的测量方法，其特征在于：采用测量排渣口与换热冷壁之间的换热量来确定壳牌气流床气化炉排渣口的温度，具体步骤为：换热冷壁管中的换热介质经过排渣口段换热后进入汽包进行液气分离，换热后的气相经汽包分离后通过流量计Ⅱ检测其流量，同时通过温度传感器Ⅲ或压力传感器检测所产生饱和蒸汽的温度或压力，从而根据能量衡算确定经排渣口换热冷壁后所带走的热量。
7.根据权利要求6所述的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的测量方法，其特征在于：所述换热冷壁管中的换热介质换热介质采用易相变介质，所述易相变介质为水、液氨或者乙二醇的水溶液。
8.根据权利要求4所述的壳牌气流床气化炉反应器排渣口温度在线测量装置的测量方法，其特征在于：采用测量排渣口与换热冷壁之间的换热量来确定壳牌气流床气化炉排渣口的温度，具体步骤为：采用不易发生相变的热容大的换热介质，换热冷壁管中的换热介质经过排渣口段换热后只有温度变化，不发生相变，该过程只需检测其换热前后温度变化，再根据参与换热的介质的流量及其热容采用Q=m cpΔTm即可算出经排渣口换热冷壁后所带走的热量，式中为换热介质的质量流量，cp为换热介质的热容，ΔTm为换热介质换热前后的温差，根据水冷壁的导热系数及导热方程可计算排渣口与水冷壁之间的传热温差，由于水冷壁的温度已知，为此可确定排渣口的温度。
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