CN108117890A - 高温气体输送的冷却管道保护装置及采用该装置的气化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于输送高温气体压力容器的冷却管道的保护装置。本发明的目的在于为高温气体冷却管道的保护装置提供了改进方案，比如，在下降管激冷器中，可以克服现有技术的不足尤其是在正常操作时在管道中热气体空间与气体管道之间的气体侧分离以及在非正常操作条件下保证气压的平衡。为实现此目的，从高温气体管道回流的上部冷却水与一个冷却水出口相连并在管道较低部位进入高温气体空间，并在冷却水回流和冷却水出口之间高于冷却水回流的外部空间设置了开放缓冲罐。

Description

高温气体输送的冷却管道保护装置及采用该装置的气化系统

技术领域

本发明涉及一种用于在压力容器内用于高温气体输送的冷却管的保护装置。本发明还涉及一种气化设备，其包括气流床气化炉和具有这种保护装置的附属激冷装置。

背景技术

在化学工艺技术中，激冷工艺用于快速冷却反应混合物，以进一步抑制不希望产生的副产物。

激冷装置的这一种应用是对含碳材料气化生成的合成气即一氧化碳和氢的混合物进行快速冷却，这种混合物可作为制备多种化学最终产物的中间物。

为反应生成合成气，需要在高温(1200-1900℃)和一定压力下(4-8MPa)进行。若缓慢的冷却会产生不期望的副反应，从而降低所需合成气的产量。

在工业生产中，合成气的生产是以经粉碎的含碳燃料为原料，尤其是煤，添加氧气和水蒸汽作为调整气，在混合烧嘴外的火焰区部分氧化。这个过程称为气化。气化炉可被设计为气流床气化炉，固定床气化炉或者渣浴气化炉。

在大量的气流床气化炉中，气化烧嘴布置在反应炉的顶部区域，通过在火焰区域的燃烧生成部分氧化的一氧化碳和氢气。

反应生成物会在离开火焰区域进入下游激冷装置时产生进一步反应，此粗合成气中的非反应物如熔渣和灰分颗粒必须与合成气分离，以获得化学最终产物。

气流床气化炉通常采用下激冷设计，用于反应物的快速冷却。

为了快速冷却，通常将带有熔融反应残余物的热气通入激冷装置与冷却剂直接接触，冷却剂通常为水。将水雾化通入热气中或将热气通入水浴是特别有效的方式。在煤气化中广泛采用的是下降管激冷。

该名称源自下降管激冷的特征，即采用下降管将热反应气体从气化炉反应室引入水浴中对热气体和炉渣进行强烈冷却。

冷却的热气体在下降管周围的空间上升，并通过侧开口离开激冷装置。下降管的内壁暴露于由反应性高温气流和通过熔渣流动产生的高应力下，使得对下降管的保护成为了使用激冷装置时的主要难题。

为解决此难题目前有许多的方法。

在专利DE 293 5 991 A1中描述了一种采用双层壁下降管的激冷装置，通过底部供水并向上流动形成水膜，对下降管内壁进行保护。

在专利DD 215 326中描述了一种气化炉使用的泄放和冷却装置，具有一个双层壁结构冷却管和一个水夹套，一个底部供水和冷却管顶部四周分布的出口至反应气流方向。

在专利WO 2012/034700 A2中描述了一种用于处理下降管急冷管含有高温带渣气流的装置和方法，其中使热气体与下降管内壁上的水膜接触，第一区域和在第二区域中与下降管横截面中的雾化水接触，热气体流过第三区域中的水浴，并在第四区域再次与雾化水接触。下降管可以任选设计为双壁，内部冷却。

在专利CN 204 097 417 U中描述了一种气化装置，由煤气化炉和附属下降管激冷装置组成，其中在正常结构中，气化炉和激冷装置容纳在同一压力外壳中。

粗合成气自气化炉进入内部冷却的双层壁下降管，合成气和固体颗粒在其中预冷至渣熔点以下。在随后的水浴中，热气再次被冷却。

已知的下降管激冷装置的一个缺点是，当上游气化过程发生扰动时导致反应区降温，造成激冷装置压力变化时，没有方法去补偿这种压力变化，导致合成气的冷却净化效率降低。

在正常工况下，下降管内与外部空间相比存在压力。这是为了使热气流进入下降管后可以通入水浴并克服水浴的阻力。

在气化反应发生扰动时，下降管内压力由于反应室降温而下降，形成与下降管外部空间相比的负压。

为了防止激冷水倒流至下降管中或反应室内，同时防止合成气由下游净化装置倒流回激冷装置，通常下降管中的热气体体积与外部空间设置永久溢流开口，以防止产生压差。

这种简单解决方案的缺点是，存在一股未经处理的合成气持续进入外部空间并进入下游合成气处理装置。

这种解决方案的另一个缺点是，无法及时发现双层壁破损导致的冷却液流失，并可能导致激冷装置严重受损。

发明内容

一种避免内部冷却下降管受损的有效方法是保证下降管的双层壁温度分布均匀。

这样可以避免局部过热和材料疲劳。之前已知的下降管内部冷却系统不包括这种方法。

因此，本发明的任务是提供热气管内部冷却的改进的解决方案，例如在激冷装置下降管中，克服了前述缺点，特别是在正常操作模式下确保了下降管内与外部空间的气体分离，并允许在流程扰动的情况下进行压力补偿。

根据本发明提供的一种用于输送高温气体压力容器的冷却管道的保护装置，管道垂直的布置在压力容器中并且具有一个上部气体入口和一个下部气体出口从而限定了热气体空间；

管道内是双层夹套的冷却水通道，其具有外壁和内壁并组成了环形间隙，环形间隙被布置在一个环形底部的端面上并由一个环形顶部封闭，在下部是冷却水入口而在上部是冷却水回路；

在正常的操作中，热气体空间会与管道和外壁之间的外部空间产生过压，

上部冷却水回路与冷却水出口相连并从管道下部进入热气体空间，同时

在冷却水回路和冷却水出口之间且在高于冷却水回路的外部空间里具有一个开放的缓冲罐。

一种气化系统，可以在生产合成气的下游激冷装置的内部冷却下降管中至少配备所述的保护装置，其中上部的高温气流入口与生产合成气的气流床气化炉的出口相连。

根据本发明的用于热气输送的内冷却管的保护装置的特征在于，下降管双层壁的顶部冷却水回水与底部冷却水泄放连接，送入管道底部热气区域，并在冷却水回水和冷却水泄放之间设置水封，水封的位置在外部冷却水回水之上。

水封将管道中的热气体与周围的外部空间隔离，通过水封的冷却热气体从激冷装置离开进入下游气体处理装置中，在正常运行模式下水封下方有一个水柱，确保正常运行模式下下降管内至外部空间无旁路。

这种分离水柱在发生故障的情况下在热气环境中以低压吸入，并且在开放水封上建立下降管内热气和外部空间之间的压力平衡连接。

安全性的进一步改进是在下降管双层壁冷却水回水和开放水封之间设置U形管。当下降管内壳受损时，高温气体在过压状态下会进入冷却系统，因此该项改进可以产生足够的背压避免双层壁排水。

作为冷却水储罐的另一个封闭水封，在反应器开车时将引发开放水封的水柱自动填充，从而增加压力，从而在开车阶段自动在下降管内高温气体和外部空间之间建立气体隔离。

随着预期的温度和流量测量装置对冷却水入水和回水的监控，下降管内冷却的冷却水系统可以保证对故障，特别是泄漏的提早探测。

在这种解决方案中，下降管双层壁中的冷却剂注入也得到了改善，从而降低了局部过热和损坏的风险。

下降管双层壁的环形间隙中上升的冷却水至少有一个流动引导元件实现环隙中冷却水更均匀的分布。通过使用流动引导元件产生冷却水层流上升，并到达环隙中的任意位置，保证环隙内流速稳定，避免下降管壳局部缺少冷却水造成的局部过热。

环形间隙内有多个垂直挡板形成单独的冷却室，防止在下降管内壁损坏的情况下整个夹套空运行造成损坏。冷却水(工艺循环水)中杂质不能沉积在垂直挡板上，直的冷却通道也易于清洗。

在冷却水入口有环形布水器与下降管整合，使冷却水沿下降管双层壁一周均匀分布。

一种节约成本的无需增加环形布水器的做法可以通过在下降管环形空间中的螺旋挡板实现。

这种对高温管道内管冷却以及保护的改进方法特别适用于下降管以及用于处理煤气化密流反应器产生的合成气的下降管激冷装置。

本发明因此也应解释为一个煤气化装置中用于下降管激冷装置的保护设备如下相关附图：

附图说明

图1：下降管激冷装置内的保护装置示意图；

图2：平行流动通道的内冷却俯视截面图。

具体实施方式

根据图1，保护装置带有一个内冷却下降管1，用于下降管激冷装置的高温气体运输，并与激冷装置垂直轴线同心布置。

根据预期的用途，下降管1具有一个顶部高温气体入口3和一个底部高温气体出口4。下降管1的内部空间受限于之前的元件，并有高温气体在内流动，被定义为高温气体空间12。

下降管1和下降管激冷装置受压外壁2之间的空间定义为外部空间13。

下降管激冷装置隶属于例如一台设计为气流床气化炉的煤气化反应器，由煤粉在高温高压环境下产生合成气。气化反应器的合成气出口与下降管1的高温气体出口3相连。

在下降管激冷装置底部是一个水浴。下降管1的下部浸入在水浴内。高温气体出口4位于下降管1中的水浴液面之下。下降管激冷装置的外部空间13通过一个或多个气孔与下游合成气净化工段连接。

下降管1设计为内冷却双层壁结构，至少上部作为高温气体保护设计如此。

内部冷却由一个双层壁结构和在内流动的冷却水构成，具有外壁5和内壁6以及一个在环隙底端8和环隙顶端9前侧封闭的环隙7，并有一个底部径向冷却水进口10和顶部冷却水回水11。

为了改善下降管内保护(未展示)，另有一套水膜生成装置安装在下降管1的高温气体入口区域，例如以分开的冷却水激冷环进行边缘溢出，或在内壁6四周均匀分布的布水孔。

在下降管内壁6向下流动的水将形成尽量闭合的水膜以保护壁面避免反应气和熔渣的损害。下降管1的内冷却作用将延缓水膜的蒸发。

顶部冷却水回水11在下降管1底部的高温气体空间12与一个冷却水自由泄放14相连。冷却水泄放14可以为下降管内壁上单独的孔，或急冷管口的一个或多个切口，通常布置在下降管双层壁内，通过额外的水膜保护激冷管口防止熔渣沉积。

根据发明，在冷却水回水11和冷却水泄放14之间有一个开放水封15设置在外部空间13内冷却水回水11之上。

开放水封15包括一个水箱16，它上端向外部空间13开放，由中心溢流管17包围，溢流17末端低于外部空间13的开口。

水箱16有一个外壁入口18与冷却水回水11相连。中心布置的溢流管17向下延伸至与冷却水泄放14相连的下游管道19。

冷却水回水11与水封15之间设置一个U形管，它有两个由水填充的分支20和21，高度足以生成一个大于高温气体空间12和外部空间13之间压差的静水压。

下游管道19的底端与水封22相连，布置在水封15和冷却水泄放14之间。它的水体积大于水封15和水封22之间的下游管道19的体积。

上述保护装置沿下降管1周围安装在下降管1与外壁2之间的外部空间13内。

在图1中，为描述的清楚起见，以并排的方式陈列。外部空间13的系统边界(外壁2)在图1中以虚线标出。

内冷却下降管1如图2描述具有多个平行流动通道27。水平环形板布置在内壁5和外壁6之间的环隙7中环形底部8以上的中下位置23。这形成了一个环形空间24和径向冷却水入口10使冷却水在下降管1的底部通过均匀分布的孔板25，通过环隙空间24上升至环隙7

或者，冷却水入口10可以由一个带径向或切向入口通道的环形布水器代替，沿四周分布。

在环隙7内，有多个垂直挡板26，数量在四至八个为优，均匀分布在四周孔板25之间。挡板26与平行纵向流动通道27共享上升水流，但不联通。

每个流动通道27有分开的冷却水回水在顶端进入共用的冷却水回水11(环形收集器)。

清洁时，在冷却水通道27的顶端开口有洗涤剂口，并在环腔底8有排水口。

孔板25可以采用可拆卸的盘片使污染的洗涤水由冷却通道27流至环形空间24。

环形底部8和顶部冷却水回水间的环隙7的内部冷却可以由其他方式取代垂直挡板26，中下部23有螺旋形挡板，使上升的冷却水在环隙7内螺旋流动上升。

下降管1安装了一个压差检测装置，控制内部冷却的泄漏。每个压力管28连接至冷却水入口10或环形空间24和冷却水回水11。两个压力管28都连接到压差测量仪器29。

压差测量仪器29配备有向安全监视装置传输信号的设备。

如果温度测量仪器30安装在冷却水入口10和冷却水出口11的区域，也可以作为备选的泄漏控制手段。并配备向安全监视装置传输信号的设备。

作为泄漏控制的第三个手段，流量控制仪器31安装在冷却水入口10和冷却水出口11的位置，并配备向安全监视装置传输信号的设备。

所述的解决方案可以用于所有垂直的内冷却高温热气运输管道。

本发明提出的装置达到的效果是：

含灰渣的高温气流由上部气化炉反应室首先通过高温气体入口3后垂直进入下降管1。

下降管1中的高温气体与灰渣颗粒一起送入下降管激冷装置底部的水浴中。

高温热气在下降管1底部边缘改变方向在水浴中形成气泡上升，进入由下降管1和外壁2形成的外部空间13。灰渣与气体靠重力根据密度与气体分离下降。

如果下降管1有激冷管口，高温气体在进入水浴前就会经过强烈冷却，通过水的分散和高温气体内水分蒸发将灰渣降温至渣熔点以下。

冷却的高温气体通过一个或多个侧方排气口离开下降管激冷装置的外部空间13，进入后续的气体处理环节。

在正常工况下，下降管1的高温气体空间与下降管1周围的外部空间13存在正压差，以保证高温气体正常通过水浴。

为降低下降管1的热负荷，冷却水在双层壁间流动。

为此，冷却水通过底部冷却水入口10注入，并在环隙空间24内围绕下降管1分布，通过孔板25来调节向通道27的流动量。

利用孔板25的流动阻力，环形空间24建立起对流动通道27的轻微过压，使冷却水更好的在下降管四周分布。

通过在平行的冷却水通道中分隔双层壁，还实现了从内壁6的均匀散热，避免冷却水无法达到某处而形成的死区内造成局域温度过高。

通过导流的方法冷却水在环隙进行层流上升并达到任意点，保证整个环隙稳定流速。

同时，挡板26作为稳定间隔件减少下降管壁5和6的热变形。

在环隙内建立了多个垂直挡板26形成独立冷却室，避免在管内壁泄漏时双层壁内排空导致损坏。

冷却水(特别是在采用净化工艺循环水时)中杂质不能沉积在垂直挡板26上，直的冷却通道27也易于清洗。

另一种无需增加环形布水器(环隙空间24)的做法可以通过在下降管环形空间7中的螺旋挡板实现，使冷却水在双层壁内螺旋上升，有助于垂直和圆周方向均匀散热。

但清洁和紧急保护措施有限。

冷却水在双层壁内慢速上升，在顶部冷却水回水口离开下降管。辅助流动通道27通过环形收集器汇集为公用冷却水回水11。

然后，冷却剂流过所述的保护装置，在下降管冷却器可能出现的不同的操作条件下保持下降管内部冷却的功能。

首先，冷却水进入U型管区域，其分支20和21具有预定的最小高度。然后冷却水进入开放水封15的水槽16，通过溢流17离开，通过管道19进入封闭水封22。

水封22的溢流引导冷却水在水封22中上升，通过一个或几个下降管双层壁上的开口进入高温热气空间12，增强内壁6上形成的水膜。

通过三个保护设备元件水封15，U型管20、21和水封22，在不同工况下可以实现不同的保护机制：

开放水封15避免当下降管1内产生真空时冷却系统排空。(气化反应器故障时)

水封15在正常工况下通过一个位于下游管道19的水柱分隔下降管1内的高温气体空间12和外部区域13，避免在正常工况下出现由下降管管内侧至管外侧形成气体旁路。

如果高温气体空间12的压力降至低于外部空间13压力，下游管道19排空。来自外部空间13的气体将通过开放水封15、下游管道19和水封22进入高温气体空间12，达到压力平衡。

在气化反应器重启以及反应产生的高温气体流量增大时，高温气体空间12内的增压速度高于外部空间13。如果水封22中的水量正常，冷却水泄放14处的超压将剩余水推出水封22至下游管道19内从而实现压力补偿。

由此，高温气体空间12和外部空间13之间的气体隔离在流程重启时自动恢复。

另一个安全特性由U型管(分支20和21)实现。

如果高温气体通过损坏的内壁6进入下降管1的双层壁，则高温气体空间12内的过压将作用于双层壁内侧并将冷却水由环隙7移出。

U型管避免该现象发生。过压的高温气体将作用于分支20并使该分支液面下降。但分支21内形成的水压对其产生反作用，避免高温气体进一步进入冷却系统，环隙7中液体不会被排出。

其前提条件是分支20和21的尺寸足够高，以产生应对高压气体空间12和外部空间13压差所需的水压。

通过压差测量仪器、温度测量仪器和流量测量仪器29、30、31多种方法可以探测下降管1区域中冷却水损失从而探测双层壁破损。

通过双层壁下端环隙空间24和双层壁顶端冷却水回水11之间的压差测量对双层壁内水柱高度进行检测。

压差降低标志着双层壁内液位降低，这可能是由于外壁5或内壁6的泄漏造成的。

下降管1的冷却水损失可通过对冷却水进水10和冷却水合流回水11的流量测量类比压差测量进行检测。

因此，下降管1的压差测量仪器和流量测量仪器29、30应按照两个等效的替代方案考虑。

在冷却水入口10和冷却水出口11位置进行的温度控制可以实现对泄漏局部位置的区分识别(在保护设备区域还是在下降管冷却区域)

热气体穿透泄漏而导致的回流温度局部升高与泄漏的冷却水量结合将表明双层壁破损。

在冷却水回水合流前将对每个流动通道27进行泄漏的良好监测并同时进行温度测量30。

通过检测可以更精准的预测流动通道27内哪一通道27发生升温代表着泄漏，以便更精确地预测损坏的原因和维修的程度。

气化装置的工艺监测和控制系统中的泄漏检测采用具有信号长距离传输装置的测量装置29、30、31。

压力，流量和温度值通过总线系统或无线传输装置传送到集中或分散的控制和调节系统，在那里进行评估和存储，并根据检测值的顺控触发显示，动作和警告信号进行故障排除。

参考符号清单

1 下降管

2 外壁

3 高温气体入口

4 高温气体出口

5 外壁

6 内壁

7 环形间隙

8 环形底部

9 环形顶部

10 冷却水入口

11 冷却水回路

12 热气流空间

13 外部空间

14 冷却水出口

15 缓冲罐

16 容器

17 溢流管

18 水流入口

19 下游管道

20 U型下降管

21 U型上升管

22 缓冲罐

23 中间板

24 环形空间

25 开口

26 导流板

27 流体通道l

28 压力线

29 压差测量装置

30 温度测量装置

31 流量测量装置

Claims (10)

1.一种用于输送高温气体压力容器的冷却管道的保护装置，其特征在于管道垂直的布置在压力容器中并且具有一个上部气体入口(3)和一个下部气体出口(4)从而限定了热气体空间(12)；

管道内是双层夹套的冷却水通道，其具有外壁(5)和内壁(6)并组成了环形间隙(7)，环形间隙被布置在一个环形底部(8)的端面上并由一个环形顶部(9)封闭，在下部是冷却水入口(10)而在上部是冷却水回路(11)；

在正常的操作中，热气体空间(12)会与管道和外壁(2)之间的外部空间(13)产生过压，

其特征在于

上部冷却水回路(11)与冷却水出口(14)相连并从管道下部进入热气体空间(12)，同时

在冷却水回路(11)和冷却水出口(14)之间且在高于冷却水回路(11)的外部空间(13)里具有一个开放的缓冲罐(15)。

2.根据权利要求1，其特征在于，开放缓冲罐(15)具有一个面向开放空间(13)顶部的开放容器(16)和一个中心溢流管(17)，其中

溢流管(17)开口向下并通向外部空间(13)的底部，

与冷却水回路(11)相连的水流入口(18)通入容器(16)，并且

中心溢流管(17)向下延伸到下游管道(19)并于冷却水出口(14)相连。

3.根据权利要求1或2，其特征在于，在冷却水回路(11)和缓冲罐(15)之间布置了一个U型管，充满水的管脚(20，21)具有一定的高度以产生足够超过热气流空间(12)相对于外部空间(13)的压力的水压。

4.根据权利要求2，其特征在于，在缓冲罐(15)和冷却水出口(14)之间，下游管道(19)的末端布置了一个封闭缓冲罐(22)，其容水量比在开放缓冲罐(15)和封闭缓冲罐(22)之间的下游管道(19)中的容水体积要大。

5.根据权利要求1到4任一项，其特征在于，在冷却管道内部有许多平行的流体通道(27)，其中

一个水平的环形板作为中间板(23)布置在外壁(5)与内壁(6)之间的环形间隙(7)中的环形底面(8)之上，其中，环形空间(24)使从冷却水入口(10)进入的冷却水均匀地在圆周分布，再通过开口(25)将从环形空间(24)上升的冷却水均匀的进入到环形间隙(7)中；

在环形间隙(7)中，多个垂直导流板(26)均匀地分布在开口(25)之间的圆周上，将上升的冷却水分成平行的流体通道(27)，并且

每个流体通道(27)在上部具有分离的冷却水回路，并进入共同的冷却水回路(11)。

6.根据权利要求1到4任一项，其特征在于，在环形底部(8)和冷却水回路(11)之间的环形间隙(7)中具有螺旋的导向片，从而使环形间隙(7)中的冷却流体能够在周向上流动。

7.根据权利要求1到6任一项，其特征在于，内部冷却的泄露控制通过安装在管道上的压差监测系统实现，其中

每条压力线(28)与冷却水入口(10)或环形空间(24)，以及冷却水回路(11)相连，

两条压力线(28)与一个压差测量装置(29)相连，并且

压差测量装置(29)通过信号发射装置将信号传输给安全监控装置。

8.根据权利要求1到7任一项，其特征在于，为测量泄露温度，泄露温度测量装置(30)安装在冷却水入口(10)的区域和冷却水回路(11)区域，并通过信号传输装置连接到安全监控装置。

9.根据权利要求1到8任一项，其特征在于，泄露控制流量测量装置(31)安装在冷却水入口(10)的区域和冷却水回路(11)区域，并通过信号传输装置连接到安全监控装置。

10.一种气化系统，其特征在于，可以在生产合成气的下游激冷装置的内部冷却下降管(1)中至少配备权利要求1到9任一项所述的保护装置，其中上部的高温气流入口(3)与生产合成气的气流床气化炉的出口相连。