CN108342227B - 一种合成气显热回收装置和回收方法及气化炉 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种合成气显热回收装置及方法，并提供了包括该显热回收装置的气化炉，所述显热回收装置通过设置多级喷射装置，通过其中的第一喷射装置，从而在辐射换热室的上游形成贴近换热面的低温区和位于低温区中间的核心高温区，核心高温区与换热面之间通过辐射方式换热，有效提高了换热的效率。同时本发明所述显热回收装置通过设置多级喷射装置，从而在气化合成气的流动路径上形成多个区域，实现了分区控制；此外，本发明还设置有导流除灰结构，通过引导流动的方式改善气流中不同粒径灰渣颗粒的运动轨迹，减少大颗粒灰渣向内筒壁面运动的可能，减少小颗粒灰渣在合成气中的夹带量。

Description

一种合成气显热回收装置和回收方法及气化炉

技术领域

本发明涉及煤气化技术领域，具体涉及一种合成气显热回收装置及方法，以及一种包括该回收装置的气化炉。

背景技术

以煤、石油焦等矿物燃料、植物秸秆等生物质燃料或生活垃圾等含碳原料的气化技术，主要目的是使含碳原料中的化学能部分地转化为所产生气体(一般称为合成气)的化学能，以作为燃料进行使用；或者将含碳原料制成CO和H₂，作为后续工艺的原料。如，使含碳燃料与气化剂在高温下发生不完全燃烧反应，燃料中碳、氢元素大部分转化为以CO、H₂为主的合成气，在此过程中含碳原料中的化学能约有80％转为了合成气的化学能，约20％转化为了合成气和灰渣的显热。将这约20％的显热进行回收的技术即为气化合成气显热回收技术，一般是采用换热器的方法将其转化为水蒸气的显热或潜热，进一步用于动力发电、介质加热等。

气化产生的合成气具有温度高、含灰渣量大的特点。尤其是随着煤炭资源的广泛使用，对于目前气化技术适合的煤种变得供不应求，具有更高灰熔点的无烟煤与气化活性低的石油焦等高含碳资源的利用迫在眉睫，而这类含碳原料的气化条件更为苛刻，如气化温度更高，因此对显热回收装置提出了更为严苛。以高压干粉煤气流床气化技术为例，气化产生的合成气温度一般为1200-1600℃，含灰渣量为20-200g/Nm³，高温下灰渣为熔融状态，极易粘结在换热壁面从而大幅降低换热效率，因此对气化合成气显热回收装置的最迫切要求体现为减少受热面的积灰结渣和提高换热效率两方面。

比如现有技术中，美国专利文件US4377132(德士古发展公司，《Synthesis gascooler and waste heat boiler》)公开了一种内外双筒型的合成气冷却器，高温气化合成气和灰渣直接进入冷却器内筒，并在内筒下部折返进入内筒与外筒间的环形空间，与水冷壁进行热量交换。但是高温气化合成气直接接触水冷壁会导致灰渣在环形空间的壁面上粘结。

为了缓解灰渣粘结的问题，现有技术中有利用喷水对高温合成气进行降温的方式。如中国专利文献CN1923975B中公开了一种生产合成气的方法，该方法中的合成气与灰渣的混合物先进入骤冷区，在喷嘴喷水的作用下骤冷到700-1100℃，然后再进入余热釜进行换热，从而使得冷却的灰渣不会粘附于换热面。中国专利文献CN101161792A公开的合成气热量回收工艺中，则是在气化区出口喷入一级激冷水，使合成气与熔渣均匀快速地冷却至灰熔点T1以下，然后再进入火管式蒸汽发生器进行热量回收。中国专利文献CN102213409A公开了一种显热的回收，其是在内层水冷壁与外层水冷壁的环隙布置喷水减温装置，当内层水冷壁传热恶化时喷水降低合成气和灰渣温度以减少环隙的积灰。

上述现有技术中的通过对高温合成气进行水冷降温，使得灰渣冷却失去粘性，从而不易粘附在受热面上，有效解决了壁面结渣的问题。但这种方式所带来的问题是，因合成气的温度被降低，因而合成气的辐射换热能力也会随之大幅下降。已知辐射换热的热流密度与气体温度的四次方成正比，那么粗略地估计，气体温度从1500℃降低到1100℃，辐射换热的热流密度会下降为原来的35％。可见，这种方法为了冷却灰渣，在辐射换热室的换热效率方面做出了较大的牺牲。

因此，如何能在尽可能降低换热效率损失的前提下解决壁面结渣的问题，这是本领域的一个技术难点。现有技术中，中国专利文献CN101821365A公开了一种气化冷却系统，该系统通过向换热通道内切向喷入气体，使得高温合成气在环形换热壁内呈环形地流动，并通过控制喷口流体的流率、振动频率等参数，使合成气在热管道内更均匀地分布从而提高换热效率；同时其还采用声学振动的方式增加扰动以增强换热。该专利中的冷却系统通过强化合成气在换热面上的流动以达到强化换热的目的，增强换热面上的对流换热。但事实上，在高温下，辐射换热的强度远高于对流换热，因此这种换热系统对换热效率的提升十分有限。而如何进一步提高合成气换热效率，这是本领域尚未解决的难题。

发明内容

本发明解决的是现有的气化合成气显热回收技术存在的换热效率尤其是辐射换热效率较低的问题，进而提供一种能够有效提升辐射换热效率且同时可解决壁面结渣问题的合成气显热回收装置及方法，本发明还提供了包括该合成气显热回收装置的气化炉。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种合成气显热回收装置，包括：辐射换热室，所述辐射换热室内设置有换热面；在所述辐射换热室上设置有辐射换热室入口；在所述辐射换热室内的所述换热面位于上游的部分上设置有第一喷射装置，形成贴近所述换热面的低温区和位于所述低温区远离所述换热面一侧的核心高温区；在所述辐射换热室的下游设置有辐射换热室出口。

所述第一喷射装置为第一喷嘴组，所述第一喷嘴组中的每个喷嘴的喷射半径大于0且小于喷嘴所在位置处由所述换热面所围成的筒体的当量半径；所述第一喷嘴组中的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面第一垂直距离处与相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述第一垂直距离小于所述第一喷嘴组中的每个喷嘴的所述喷射半径。

在所述辐射换热室的入口处或入口的上游设置有第二喷射装置。

所述辐射换热室包括壳体和设置在所述壳体内的内筒，所述内筒的内壁面和外壁面均为换热面，所述内筒的一侧开口与辐射换热室入口连通，所述内筒的外壁面与壳体之间形成流体通道，所述辐射换热室内的流体由所述内筒的下游进入所述流体通道。

所述辐射换热室包括内筒和设置在所述内筒与壳体之间的外筒，所述内筒的内壁面和外壁面以及所述外筒的内壁面均为换热面，所述内筒的一侧与辐射换热室入口连通；所述内筒与外筒之间形成流体通道，所述内筒内的流体由所述内筒的下游进入所述流体通道。

所述第一喷嘴组设置在所述内筒的上游的内壁面上；在所述内筒的下游的内壁面上还设置有第三喷射装置，所述第三喷射装置为第三喷嘴组，所述第三喷嘴组中每个喷嘴的喷射半径为喷嘴所在位置处的内筒的当量半径的50％～90％。

在所述流体通道上设置有第四喷射装置。

所述内筒的上游区域与所述流体通道的下游区域通过回流口连通设置，合成气由所述辐射换热室入口进入所述内筒时，在所述回流口附近形成低压回流区，所述流体通道的部分气流通过所述回流口被引射回流至所述内筒的上游。

所述辐射换热室入口设置在所述内筒的顶端，在所述辐射换热室的内筒底部侧壁面上设置有多个气流出口，所述多个气流出口的气流方向均朝向顺时针或逆时针方向倾斜且与切向方向间的夹角相一致。

在所述辐射换热室的内筒底端的外侧设置有多级环形挡板，所述多级环形挡板沿由内向外的方向依次设置，且环形挡板的底端在竖直方向上依次降低。

一种包括所述的合成气显热回收装置的气化炉，还设置有气化室，在所述气化室的上游设置有气化剂与氧化剂入口，在所述气化室的下游设置有气化室出口；所述辐射换热室入口与所述气化室出口连通设置。

基于所述的合成气显热回收装置的显热回收方法，所述合成气进入所述辐射换热室进行换热，所述辐射换热室的所述低温区的温度低于900℃，核心高温区的温度在900℃以上；其中所述核心高温区的当量半径占其所在位置处的辐射换热室的当量半径的30％～95％。

所述合成气在进入所述辐射换热室进行换热之前，先进行预降温处理，使进入所述辐射换热室的合成气温度不高于1500℃。

本发明中所述的合成气显热回收装置，在所述辐射换热室的上游的换热面上设置有第一喷射装置，形成贴近所述换热面的低温区和位于低温区中间的核心高温区；所述第一喷射装置优选设置为第一喷嘴组，所述第一喷嘴组中的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面位置第一垂直距离d₁处与相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述第一垂直距离d₁大于0且小于喷嘴所在位置处的换热面所围成的筒体的当量半径R₁，优选地第一垂直距离d₁大于0且小于当量半径R₁的60％，进一步优选地第一垂直距离d₁大于0且小于当量半径R₁的30％；这种设置下，分散式的喷嘴喷出的流体形成一个有效隔离，从而在贴近换热面处形成低温区。进入低温区的灰渣颗粒经冷却后失去粘性，不会在壁面形成难以清除的硬渣；同时，核心高温区仍保持900℃以上的高温，从而保持较高的辐射换热能力。因为核心高温区的辐射换热量占辐射换热室总换热量的大部分，相对于合成气整体降温方法，本发明中的边区降温、核心高温的方法可以有效地提高射换热量。

本发明中所述的合成气显热回收装置，在所述辐射换热室的入口处或入口的上游设置第二喷射装置。所述第二喷射装置向合成气喷入流体介质，对高温合成气和灰渣进行预降温处理，使得进入所述辐射换热室的气化合成气温度不高于1500℃，避免温度过高带来的辐射换热室材质超温的问题，所述第二喷射装置优选为第二喷嘴组。所述第二喷嘴组可以设置在所述辐射换热室的入口处，也可以设置在所述入口的上游，即所述气化室与所述辐射换热室入口之间的喉部通道上。

本发明还优选所述辐射换热室包括设置在壳体内的内筒，在所述内筒上设置有辐射换热室入口，所述内筒的外壁面与壳体或者外筒之间形成流体通道，所述辐射换热室内的流体由所述内筒的下游进入所述流体通道。这种设置方式下，在内筒底部内侧还设置有第三喷射装置。所述第三喷射装置优选为第三喷嘴组，所述第三喷嘴组中每个喷嘴的喷射半径为50％R～90％R，其中R为喷嘴所在位置处的内筒的当量半径，这种设置方式下，第三喷射装置具有较大的穿透深度，能使合成气中心温度有效降低，高效实现合成气和灰渣在截面上的整体降温，因为在该位置内筒换热已完成大部分，合成气即将转向流入环形空间，因此降低气流核心区的温度，可有效避免核心高温区的熔融灰渣颗粒在转向时粘结在壁面。

本发明中所述的合成气显热回收装置，在所述流体通道上还设置有第四喷射装置，外筒下部内侧是气体折流后灰渣颗粒碰撞较集中的位置，对该区域降温，使未充分冷却的灰渣颗粒在碰撞壁面之前进一步冷却，以减少或阻止粘附。

上述第一喷嘴组、第二喷嘴组、第三喷嘴组和第四喷嘴组，每个喷嘴组可采用多层或单层设置，每一层中喷嘴均匀布置也可不均匀布置；每层中的多个喷嘴、各层喷嘴间可呈交错或非交错排布，各喷嘴的喷射方向适宜为中心水平喷射、周向喷、或倾斜角度喷射等。除了喷嘴组，所述第一喷射装置、第二喷射装置、第三喷射装置和第四喷射装置也可采用其它喷射装置，如具有连续的环形喷射口的环形喷射装置。

本发明所述的合成气显热回收装置和方法，优点在于：

(1)本发明所述的合成气显热回收装置，通过设置所述第一喷射装置，从而在辐射换热室的上游形成贴近换热面的低温区和位于低温区中间的核心高温区，核心高温区与换热面之间通过辐射方式换热方式，有效提高了换热的效率。同时本发明所述显热回收装置通过设置多级喷射装置，从而在气化合成气的流动路径上形成多个区域，实现了分区控制。

(2)本发明所述的合成气显热回收装置，设置有气流出口和多级环形挡板，其中多个所述气流出口环绕设置在所述辐射换热室的内筒底部侧壁面上，流体到达底部后，其中夹杂的颗粒在惯性的作用下继续下移，而部分气流则通过所述气流出口向外侧扩散，并在所述多级环形挡板的作用下进一步分流从而实现气固两相流动，通过采用导流除灰技术减少大颗粒向内筒壁面的运动，减少气流转向区气流中夹带的小颗粒。

(3)本发明所述的合成气显热回收装置，在所述辐射换热室入口附件设置有回流口，在所述回流口附近形成低压回流区，所述流体通道的部分气流被引射回流至所述辐射换热室，从而优化了辐射换热室入口气流再循环，增加了气流在换热室内的换热时间，增强了换热效果。

为了使本发明所述的合成气显热回收装置和回收方法及气化炉的技术方案更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述。

附图说明

图1所示为本发明所述的内筒顶端设置有回流通道的换热装置的结构示意图；

图2所示为本发明所述的辐射换热室的内筒处的截面的结构示意图；

图3所示为本发明所述的换热装置的喉部通道处的截面的结构示意图；

图4所示为本发明所述的换热装置的可变换方式的结构示意图；

图5所示为本发明所述的多级环形挡板的结构示意图；

图6所示为本发明所述的设置有多个气流出口的内筒底部的结构示意图；

图7所示为本发明所述的多个气流出口的剖面俯视图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

下述实施方式中，涉及描述方位时候的“上游”和“下游”是相对于流体的流动方向而言的；其中涉及的“顶端”和“底端”则是相对于装置竖直放置时而言的，竖直放置状态下的上端为顶端，反之为底端；所述“内”和“外”是相对于装置的内外而言，由所述装置的内部中间位置指向气化炉外部的方向为外，反之为内；文中涉及到的喷嘴的“喷射半径”指从所述喷嘴喷出的流体的流速衰减为喷出流速的90％或流体发生相变的比例占喷出流体流量的90％的位置距离喷射口的垂直距离。需要说明的是，本发明中的所述气化炉或者显热回收装置也可采用非竖直方式放置，其采用横向或者倾斜设置时，本发明仍可实现其技术效果。

实施例1

本实施方式中所述的气化炉如图1所示，包括：壳体1，在所述壳体1中设置有气化室，在所述气化室的顶端即上游设置有气化剂与氧化剂入口21，在所述气化室的底端即下游设置有气化室出口22。

辐射换热室3，所述辐射换热室3包括设置在壳体内的内筒32与外筒33；本实施方式中所述的辐射换热室3设置在所述气化室2的下方，所述内筒32的内侧和外侧壁面与外筒33的内侧壁面均为换热面。本实施方式中的所述内筒32与外筒33均为圆柱形筒体，作为可选择的实施方式，所述内筒32与外筒33也可设置为截面为方形或其它任意形状的筒体。在所述内筒32的顶端设置有辐射换热室入口31，所述辐射换热室入口31与所述气化室2出口连通设置；在所述内筒32的上游的换热面上设置有第一喷射装置，形成贴近所述换热面的低温区和位于低温区远离所述换热面一侧即内侧的核心高温区，由于本实施方式中所述内筒的换热面为筒体，因此形成的核心高温区位于筒体内的中间位置。所述第一喷射装置61优选为第一喷嘴组，所述第一喷嘴组环绕所述内筒32的上游的换热面的一周设置，且可沿流体流动方向设置多层或者单层，本实施方式中的流体流动方向为由上向下。本实施方式中述第一喷嘴组设置有3层，相邻2层喷嘴采用交错排列，如图2所示，每层喷嘴中的多个喷嘴均匀设置，每层喷嘴中的每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径，作为优选的实施方式，所述每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径的60％，更优选地，所述每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径的30％，从而有利于提高核心高温区的体积；每层喷嘴中的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面位置第一垂直距离d₁处与位于同一层的相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述第一垂直距离d₁大于0且小于喷嘴的喷射半径rs₁。作为可选择的实施方式，层与层之间的所述喷嘴也可采用非交错排列方式；每层喷嘴中的多个喷嘴也可采用非均匀设置，层与层之间的所述喷嘴喷射出的流体流可汇聚，也可相互不汇聚。

本实施方式中的所述辐射换热室入口31与所述气化室2的气化室出口22通过喉部通道连接，在所述辐射换热室的入口处或入口上游的喉部通道上设置有第二喷射装置，所述第二喷射装置优选为第二喷嘴组，如图2所示，所述第二喷嘴组中喷嘴的喷射半径rs₂大于所述喉部通道处的半径的50％(即50％R₂)小于所述喉部通道处的半径R₂，所述第二喷嘴组可设置单层或者多层，每一层喷嘴的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面第二垂直距离d₂处与位于同一层的相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述距离d₂小于喷嘴的喷射半径。从而实现整体截面的降温所述第二喷嘴组沿所述喉部通道的周向均匀设置。

本实施方式中所述内筒32与外筒33之间形成流体通道，所述流体由所述内筒32的下游即所述内筒32的底部进入所述流体通道。在所述内筒32位于所述第一喷射装置61的下游的内壁面上还设置有第三喷射装置，所述第三喷射装置为第三喷嘴组，所述第三喷嘴组中每个喷嘴的喷射半径为50％R～90％R，其中R为喷嘴所在位置处的内筒32的当量半径。在所述流体通道上还设置有第四喷射装置，所述第四喷射装置优选为第四喷嘴组，所述第四喷嘴组分布在所述内筒32的外壁面或对应的所述外筒33的内壁面上，所述第四喷嘴组靠近所述内筒32和外筒33的底端设置；在位于所述第四喷嘴组下游的外筒33上设置有辐射换热室出口5。

作为优选的实施方式，在辐射换热室的下部设置有渣池4，外筒的底端延伸至所述渣池4的液面下方，内筒的底端则位于渣池4的上方。

本实施方式中，位于所述第一喷射装置61上游的所述内筒32的区域与所述流体通道位于所述第四喷射装置组下游的区域通过回流口71连通设置，如图1所示，本实施方式中，所述内筒32的直径大于所述喉部通道，从而在内筒32与喉部通道之间形成所述回流口71。合成气由所述辐射换热室入口31进入所述辐射换热室3时，在所述回流口71附近形成低压回流区，所述流体通道的部分气流被引射回流至所述辐射换热室3。作为可选择的实施方式，也可不设置所述回流口71，进入流体通道的流体全部通过辐射换热室出口排出，如图4所示。

除了喷嘴组，所述第一喷射装置61、第二喷射装置62、第三喷射装置和第四喷射装置也可采用其它喷射装置，例如具有连续的环形喷射口的环形喷射装置。

基于本实施方式中合成气显热回收装置的回收方法包括：将气化剂与氧化剂由所述气化剂与氧化剂入口21送入气化室2进行气化反应生成合成气，其中气化剂为含碳燃料，所述氧化剂为含氧气体与蒸汽；合成气由所述喉部通道进入所述辐射换热室3的内筒32，在进入过程中利用所述第二喷嘴组喷射流体进行预降温，控制进入辐射换热室3的内筒32内的流体的温度不高于1500℃；合成气进入所述内筒32，利用第一喷射装置61喷射流体，保持所述辐射换热室3的所述低温区的温度低于900℃，核心高温区的温度在900℃以上，从而保证高效的换热效率。其中所述核心高温区的当量半径占其所在位置处的辐射换热室的当量半径的30％～95％，并进一步优选为30～60％。由所述低温区和核心高温区继续下行的流体在第三喷射装置的进一步喷射作用下进行降温，从而使得流体截面温度整体降低，进而降低粘性，防止颗粒在由内筒32转弯进入外筒33时与壁面发生碰撞粘结，进入所述内筒32与外筒33之间后，再由所述第四喷嘴组进一步喷射降温，使未充分冷却的灰渣颗粒在碰撞壁面之前进一步冷却，以减少或阻止粘附。

本实施方式中的第一喷嘴组、第二喷嘴组、第三喷嘴组和第四喷嘴组喷出的流体适宜为氮气、二氧化碳、冷却后的合成气、水蒸气、水中的任意一种或多种的组合。

实施例2

本实施方式中所述的气化炉，包括壳体1，在所述壳体1中设置有气化室2，在所述气化室2的顶端即上游设置有气化剂与氧化剂入口，在所述气化室2的底端即下游设置有气化室出口22。

在壳体1内设置有合成气显热回收装置，所述合成气显热回收装置包括：辐射换热室3，所述辐射换热室3包括壳体1和设置在壳体1内的内筒32，所述内筒32的内壁面与外壁面均为换热面；本实施方式中所述的辐射换热室3设置在所述气化室2的下方，本实施方式中所述的换热面为水冷管组成的换热面，作为可选择的实施方式，也可采用其它形式的换热面。本实施方式中的所述辐射换热室3的内筒32和壳体1均为圆柱形筒体，作为可选择的实施方式，所述辐射换热室3也可设置为截面为方形或其它任意形状的筒体。在所述内筒的顶端设置有辐射换热室入口31，所述辐射换热室入口31与所述气化室出口22连通设置；在所述内筒的上游的换热面上设置有第一喷射装置61，形成贴近所述换热面的低温区和位于低温区中间的核心高温区。所述第一喷射装置61优选为第一喷嘴组，所述第一喷嘴组环绕所述内筒32的上游的换热面的一周设置，且可沿流体流动方向设置多层或者单层，本实施方式中的流体流动方向为由上向下。本实施方式中述第一喷嘴组设置有3层，相邻2层喷嘴采用交错排列，每层喷嘴中的多个喷嘴均匀设置，每层喷嘴中的每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径，作为优选的实施方式，所述每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径的60％，更优选地，所述每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径的30％；每层喷嘴中的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面位置第一垂直距离d₁处与位于同一层的相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述第一垂直距离d₁大于0且小于喷嘴的喷射半径rs₁。

本实施方式中的所述辐射换热室入口31与所述气化室2的气化室出口22通过喉部通道连接，在所述辐射换热室的入口处或入口上游的喉部通道上设置有第二喷射装置62，所述第二喷射装置62优选为第二喷嘴组，所述第二喷嘴组中喷嘴的喷射半径rs₂大于所述喉部通道处的半径的50％(即50％R₂)小于所述喉部通道处的半径R₂，所述第二喷嘴组可设置单层或者多层，每一层喷嘴的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面第二垂直距离d₂处与位于同一层的相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述距离d₂小于喷嘴的喷射半径

本实施方式中所述内筒32的外壁面与壳体1之间形成流体通道，所述流体由所述内筒32的下游即所述内筒32的底部进入所述流体通道。在所述内筒32位于所述第一喷射装置61的下游的内壁面上还设置有第三喷射装置，所述第三喷射装置为第三喷嘴组，所述第三喷嘴组中每个喷嘴的喷射半径为50％R～90％R，其中R为喷嘴所在位置处的内筒的当量半径。在所述流体通道上还设置有第四喷射装置，所述第四喷射装置优选为第四喷嘴组，所述第四喷嘴组分布在所述内筒的外壁面和对应的所述壳体1的内壁面上，且靠近所述辐射换热室3的底端设置；在位于所述第四喷嘴组下游的壳体1上设置有辐射换热室出口5。

在辐射换热室的下部设置有渣池4，所述内筒32的底端位于渣池4的上方，作为可选择的实施方式，所述内筒32的底端也可延伸至所述渣池的液面下方。

最为优选的实施方式，位于所述第一喷射装置61上游的所述内筒32的区域与所述流体通道位于所述第四喷射装置组下游的区域通过回流口71连通设置，合成气由所述辐射换热室入口31进入所述辐射换热室时，在所述回流口71附近形成低压回流区，所述流体通道的部分气流通过回流口被引射回流至所述内筒32。

除了喷嘴组，所述第一喷射装置61、第二喷射装置62、第三喷射装置和第四喷射装置也可采用其它喷射装置，例如具有连续的环形喷射口的环形喷射装置。

基于本实施方式中合成气显热回收装置的回收方法包括：将气化剂与氧化剂由所述气化剂与氧化剂入口21送入气化室2进行气化反应生成合成气，其中气化剂为含碳燃料，所述氧化剂为含氧气体与蒸汽；合成气由所述喉部通道进入所述辐射换热室3，在这一过程中利用所述第二喷嘴组喷射流体进行预降温，控制进入辐射换热室3内的流体的温度不高于1500℃；合成气进入所述辐射换热室3，利用第一喷射装置61喷射流体，保持所述辐射换热室3的所述低温区的温度低于900℃，核心高温区的温度在900℃以上。其中所述核心高温区的当量半径占其所在位置处的辐射换热室的当量半径的30％～95％，并进一步优选为30～60％。本实施方式中的第一喷嘴组、第二喷嘴组、第三喷嘴组和第四喷嘴组喷出的流体适宜为氮气、二氧化碳、冷却后的合成气、水蒸气、水中的任意一种或多种的组合。

实施例3

本实施方式中所述的气化炉包括壳体1，在所述壳体1中设置有气化室2，在所述气化室2的上游设置有气化剂与氧化剂入口21，在所述气化室2的下游设置有气化室出口22。

在壳体1内设置有合成气显热回收装置，所述合成气显热回收装置包括：辐射换热室3，所述辐射换热室3包括壳体1和设置在壳体1内的内筒32，所述内筒32的内壁面和外壁面均为换热面；本实施方式中所述的辐射换热室3设置在所述气化室2的下方，本实施方式中的所述辐射换热室3的内筒32和壳体均为圆柱形筒体，作为可选择的实施方式，所述内筒32也可设置为截面为方形或其它任意形状的筒体。在所述内筒32的顶端设置有辐射换热室入口31，所述辐射换热室入口31与所述气化室出口22连通设置；在所述内筒32内部的上游的换热面上设置有第一喷射装置61，形成贴近所述换热面的低温区和位于低温区中间的核心高温区。所述第一喷射装置61优选为第一喷嘴组，所述第一喷嘴组环绕所述内筒32的上游的换热面的一周设置，且可沿流体流动方向设置多层或者单层，本实施方式中的流体流动方向为由上向下。本实施方式中述第一喷嘴组设置有3层，相邻2层喷嘴采用交错排列，每层喷嘴中的多个喷嘴均匀设置，每层喷嘴中的每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径，作为优选的实施方式，所述每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径的60％，更优选地，所述每个喷嘴的喷射半径d₁大于0且小于喷嘴所在处内筒32的当量半径的30％；每层喷嘴中的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面位置第一垂直距离d₁处与位于同一层的相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述第一垂直距离d₁大于0且小于喷嘴的喷射半径rs₁。

本实施方式中的所述辐射换热室入口31与所述气化室的气化室出口22通过喉部通道连接，在所述辐射换热室3的入口处或入口上游的喉部通道上设置有第二喷射装置62，所述第二喷射装置62优选为第二喷嘴组，所述第二喷嘴组中喷嘴的喷射半径rs₂大于所述喉部通道处的半径的50％(即50％R₂)小于所述喉部通道处的半径R₂，所述第二喷嘴组可设置单层或者多层，每一层喷嘴的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面第二垂直距离d₂处与位于同一层的相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述距离d₂小于喷嘴的喷射半径

本实施方式中所述内筒32的外壁面与壳体1之间形成流体通道，所述流体由所述内筒32的下游即所述内筒32的底部进入所述流体通道。在所述内筒32位于所述第一喷射装置61的下游的内壁面上还设置有第三喷射装置，所述第三喷射装置为第三喷嘴组，所述第三喷嘴组中每个喷嘴的喷射半径为50％R～90％R，其中R为喷嘴所在位置处的内筒的当量半径。

本实施方式中的第一喷嘴组、第二喷嘴组、第三喷嘴组喷出的流体适宜为氮气、二氧化碳、冷却后的合成气、水蒸气、水中的任意一种或多种的组合。

本实施方式中，位于所述第一喷射装置61上游的所述内筒32的区域与所述流体通道通过回流口71连通设置，合成气由所述辐射换热室入口31进入所述辐射换热室时，在所述回流口71附近形成低压回流区，所述流体通道的部分气流被引射回流至所述内筒32。

本实施方式在所述内筒底部侧壁面上设置有多个气流出口82，如图6和7所示，所述多个气流出口82的气流方向均朝向顺时针方向倾斜且与切向方向间的夹角相一致，所述夹角可在0°到90°之间任意选择，优选为10-60°。在所述辐射换热室的内筒底端的外侧设置有多级71环形挡板81，如图5所示，所述多级环形挡板81沿由内向外的方向依次设置，且环形挡板81的底端在竖直方向上依次降低。

基于本实施方式中合成气显热回收装置的回收方法包括：将气化剂与氧化剂由所述气化剂与氧化剂入口21送入气化室进行气化反应生成合成气；合成气由所述喉部通道进入所述辐射换热室，在这一过程中利用所述第二喷嘴组喷射流体进行预降温，控制进入辐射换热室内的流体的温度不高于1500℃；合成气进入所述辐射换热室，利用第一喷射装置61喷射流体，保持所述辐射换热室的所述低温区的温度低于900℃，核心高温区的温度在900℃以上。其中所述核心高温区的当量半径占其所在位置处的辐射换热室的当量半径的30％～95％。由所述低温区和核心高温区继续下行的流体在第三喷射装置的进一步喷射作用下进行降温，从而使得流体截面温度整体降低，进而降低粘性，防止颗粒在由内筒转弯进入外侧时与壁面发生碰撞粘结，流体到达底部后，其中夹杂的颗粒在惯性的作用下继续下移，而部分气流则通过所述气流出口向外侧扩散，并在所述多级环形挡板的作用下进一步分流从而实现气固两相流动，通过采用导流除灰技术减少大颗粒向内筒壁面的运动，减少气流转向区气流中夹带的小颗粒，有效缓解了流体通道对应的换热面结垢的问题。

在换热面布置完全相同的情况下，上述实施例1-3中所述的合成气显热回收装置，相比于采用整体喷水降温方式的热回收装置，热回收率可提高10-50％。

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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种合成气显热回收装置，其特征在于，包括：辐射换热室，所述辐射换热室内设置有换热面；在所述辐射换热室上设置有辐射换热室入口；在所述辐射换热室内的所述换热面位于上游的部分上设置有第一喷射装置，形成贴近所述换热面的低温区和位于所述低温区远离所述换热面一侧的核心高温区；在所述辐射换热室的下游设置有辐射换热室出口；所述第一喷射装置为第一喷嘴组，所述第一喷嘴组中的每个喷嘴的喷射半径大于0且小于喷嘴所在位置处由所述换热面所围成的筒体的当量半径的30%；

所述第一喷嘴组中的每个喷嘴喷出的流体流在距离其所在换热面第一垂直距离处与相邻喷嘴喷出的流体流汇聚，所述第一垂直距离小于所述第一喷嘴组中的每个喷嘴的所述喷射半径。

2.根据权利要求1所述的合成气显热回收装置，其特征在于，在所述辐射换热室的入口处或入口的上游设置有第二喷射装置。

3.根据权利要求1或2所述的合成气显热回收装置，其特征在于，所述辐射换热室包括壳体和设置在所述壳体内的内筒，所述内筒的内壁面和外壁面均为换热面，所述内筒的一侧开口与辐射换热室入口连通，所述内筒的外壁面与壳体之间形成流体通道，所述辐射换热室内的流体由所述内筒的下游进入所述流体通道。

4.根据权利要求1或2所述的合成气显热回收装置，其特征在于，所述辐射换热室包括内筒和设置在所述内筒与壳体之间的外筒，所述内筒的内壁面和外壁面以及所述外筒的内壁面均为换热面，所述内筒的一侧与辐射换热室入口连通；所述内筒与外筒之间形成流体通道，所述内筒内的流体由所述内筒的下游进入所述流体通道。

5.根据权利要求1或2所述的合成气显热回收装置，其特征在于，所述第一喷嘴组设置在所述内筒的上游的内壁面上；在所述内筒的下游的内壁面上还设置有第三喷射装置，所述第三喷射装置为第三喷嘴组，所述第三喷嘴组中每个喷嘴的喷射半径为喷嘴所在位置处的内筒的当量半径的50% ~90%。

6.根据权利要求5所述的合成气显热回收装置，其特征在于，在所述流体通道上设置有第四喷射装置。

7.根据权利要求5所述的合成气显热回收装置，其特征在于，所述内筒的上游区域与所述流体通道的下游区域通过回流口连通设置，合成气由所述辐射换热室入口进入所述内筒时，在所述回流口附近形成低压回流区，所述流体通道的部分气流通过所述回流口被引射回流至所述内筒的上游。

8.根据权利要求1所述的合成气显热回收装置，其特征在于，所述辐射换热室入口设置在所述内筒的顶端，在所述辐射换热室的内筒底部侧壁面上设置有多个气流出口，所述多个气流出口的气流方向均朝向顺时针或逆时针方向倾斜且与切向方向间的夹角相一致。

9.根据权利要求8所述的合成气显热回收装置，其特征在于，在所述辐射换热室的内筒底端的外侧设置有多级环形挡板，所述多级环形挡板沿由内向外的方向依次设置，且环形挡板的底端在竖直方向上依次降低。

10.一种包括权利要求1-9任意一项所述的合成气显热回收装置的气化炉，其特征在于，还设置有气化室，在所述气化室的上游设置有气化剂与氧化剂入口，在所述气化室的下游设置有气化室出口；所述辐射换热室入口与所述气化室出口连通设置。

11.基于权利要求1-9任意一项所述的合成气显热回收装置的显热回收方法，其特征在于，所述合成气进入所述辐射换热室进行换热，所述辐射换热室的所述低温区的温度低于900℃，核心高温区的温度在900℃以上；其中所述核心高温区的当量半径占其所在位置处的辐射换热室的当量半径的30%~95%。

12.根据权利要求11所述的显热回收方法，其特征在于，所述合成气在进入所述辐射换热室进行换热之前，先进行预降温处理，使进入所述辐射换热室的合成气温度不高于1500℃。