CN108977231A - 一种干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置及方法，属于煤炭清洁利用领域。本发明的装置包括具有两个垂直段和一个倾斜段的壳体，壳体的一个垂直段内自下而上设有依次连接的集渣池、燃烧室、辐射废锅；壳体的另一个垂直段内上部设有喷雾激冷室，喷雾激冷室底部连接下降管，下降管外套有上升管；辐射废锅和喷雾激冷室的顶部由输气导管连接。本发明的燃烧室采用多个烧嘴水平布置，形成涡旋反应流场，碳转化率高、能效利用充分；采用辐射废锅直接对粗合成气降温，吸收高品位的热量，生产高压饱和蒸汽，简化了流程，提高了能效利用率，经济效益明显。
Description
技术领域
本发明属于煤炭清洁利用领域，尤其是涉及一种干煤粉气化耦合辐射废锅回收高温粗合成气显热的装置及方法。
背景技术
现有绝大多数干煤粉气流床气化技术（如航天炉、GSP、东方炉、神宁炉等）均采用直接激冷，即生产的高温合成气从燃烧室出来后直接被水激冷，而无废锅回收显热。直接激冷工艺中，气化炉的高温合成气与激冷水直接接触冷却，其热量只用于将激冷水加热变为水蒸气，高温合成气的显热利用很不充分，结果是大部分热量被浪费，总能效较低。
现有带废锅的干煤粉多烧嘴气流床煤气化技术以壳牌炉为代表。壳牌炉工艺是将气化炉产生的高温合成气先与下游返回的冷合成气混合激冷降温，然后再利用对流废锅、洗涤塔将合成气进一步降温。干煤粉的优势在于煤种适应性广；多烧嘴的优势在于形成涡旋流场提高碳转化率，且易于工业放大；对流废锅的优势在于可以回收合成气显热提高能效利用率。但壳牌炉技术的主要缺陷在于投资高、工艺流程复杂。
壳牌炉技术虽然采用了废锅回收显热，但是热合成气必须先与下游返回的冷合成气混合降温，激冷后的粗合成气从大约850℃降温至320℃，该温度区间热品位低，但设备投资昂贵，流程复杂。此外，壳牌炉技术中的对流废锅运行中易受煤质波动或操作波动的影响，飞灰在对流废锅入口可能未完全固化，因此很容易发生堵塞。
发明内容
本发明的目的是提供一种干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置及方法。本发明采用气化炉耦合辐射废锅回收高温粗合成气的显热，碳转化率高、能效利用充分，能够副产高压饱和蒸汽，简化了流程，降低了投资，提高了能效利用率。
本发明的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置包括壳体，所述壳体具有两个垂直段和一个倾斜段，倾斜段的两端分别连接两个垂直段的顶部；壳体的一个垂直段内自下而上设有依次连接的集渣池、燃烧室、辐射废锅；燃烧室的侧壁圆周上均布3或4或6个烧嘴；集渣池底部的壳体上设有排渣口；壳体的另一个垂直段内上部设有喷雾激冷室，喷雾激冷室底部连接下降管，下降管外套有上升管；喷雾激冷室下方的壳体侧壁上设有合成气出口；上升管底部的壳体上设有激冷水出口；输气导管置于壳体的倾斜段内，输气导管的高端连接辐射废锅顶部，输气导管的低端连接喷雾激冷室顶部；喷雾激冷室的上部侧壁设有激冷水喷头。
进一步地，所述燃烧室和输气导管为冷壁式结构，冷壁内通入循环冷却水；且燃烧室包括顶部锥形段、中间圆筒段和底部倒锥形段。
本发明的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置中，壳体不直接接触高温合成气，高温区域如燃烧室、辐射废锅、输气导管段均设置有水冷壁，使壳体受压不受热，水冷壁受热不受压。冷壁式结构的燃烧室可以吸收部分热量并维持内表面固液态渣层动态平衡，实现以渣抗渣目的。
进一步地，所述燃烧室的顶部锥形段的上下底直径比d1︰d2=1︰3～3.5，燃烧室顶部与辐射废锅底部通过粗合成气出口通道连接，所述粗合成气出口通道的高径比为2～3。
本发明的燃烧室顶部与辐射废锅直接相通，且燃烧室顶部粗合成气出口设计成小而长的通道，有利于对合成气束流、稳流，使合成气携带的灰渣不会迅速扩散到辐射段的换热屏。同时，燃烧室顶部的锥形段大小保证了燃烧室生成的合成气能够顺利进入辐射废锅，较好地阻挡液态渣和部分飞灰进入辐射废锅，保证辐射废锅顺利运行。
进一步地，所述燃烧室的中间圆筒段圆周上水平均布3个烧嘴，各烧嘴安装均同向偏离径向4-6°。
各烧嘴安装均同向偏离径向4-6°可以使喷射出来的氧气和煤粉在反应室内形成涡旋，促进传质传热，提高反应转化率。
进一步地，所述烧嘴的安装于中间圆筒段的1/4～1/3高度处。
烧嘴安装位置使反应室底部能够顺利排渣，如果安装位置太高，底部温度偏低，将导致堵渣；反之如果太低，则会由于热合成气向下旋流引起集渣池内高温。
进一步地，所述喷雾激冷室的上部侧壁设有两层激冷水喷头，各层中的激冷水喷头交错布置，每层中相邻的激冷水喷头喷出的水雾之间有20%以上的区域重合。
在喷雾激冷段，本发明的喷雾激冷室喷头布置方式可以确保无喷雾死角，增强合成气激冷效果。
进一步地，所述辐射废锅采用筒形水冷壁，筒形水冷壁内设有8～24组沿筒形水冷壁径向均布的双面水冷屏，所述双面水冷屏和筒形水冷壁内均采用循环水强制冷却。
双面水冷屏为由若干根水管组成的平面结构，内通冷却水，各组双面水冷屏长度与筒体长度相近。双面水冷屏与水冷壁共同吸收高温合成气的辐射热量，水冷屏数量依据气化炉规格设计，确保合成气从反应室出来经过辐射废锅后，携带的飞灰和渣能够完全固化。水冷屏和筒形水冷壁内均采用循环水强制冷却，将吸收的热量转化为高压蒸汽。
本发明还涉及一种干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的方法，所述方法为：将原煤破碎成粒度≤100μm的颗粒，并加热到80～100℃，干燥至水含量1～4wt%；干燥后的煤粉被密相输送系统输送，经设置于燃烧室侧壁的3或4或6个烧嘴旋流喷入冷壁式燃烧室，并迅速与烧嘴喷入的氧气混合反应，生成1400～1600℃、以CO和H2为主要成分的高温粗合成气，煤中的灰分变成液态渣和飞灰；液态渣向下流动经集渣池和排渣口排入破渣机和锁渣系统；高温粗合成气携带飞灰并流向上，经过辐射废锅温度降至≤750℃，再经过向下倾斜的冷壁式输气导管后，温度降至≤700℃；然后粗合成气和飞灰从输气导管排出向下进入喷雾激冷室，经喷雾激冷室入口处的激冷水喷头喷雾激冷降至≤400℃；降温后的粗合成气向下经过下降管进入激冷池，飞灰在激冷池沉降，合成气经合成气出口去下游工序。
进一步地，所述辐射废锅的工作压力为9.5～10.5Mpag，生成的汽水混合物在汽包内进行气液分离，生成9.5～10.5MPa的饱和蒸汽并入高压饱和蒸汽管网，或进余热锅炉进一步加热至过热，供工厂驱动透平。
进一步地，降温后的粗合成气向下经过下降管进入激冷池后，沿上升管向上导流，再经合成气出口去下游工序。
本发明具有的优点和积极效果是：
（1）本发明的装置和方法采用辐射废锅直接对粗合成气降温，吸收高品位的热量，回收显热，生产高压饱和蒸汽，这在目前化工装置普遍被限制上小锅炉的背景下，具有较大的竞争力和吸引力。同时，相比于现有激冷流程，降低了设备投资，简化了操作，实现了以最经济的方式获取最大的能效利用率的目的。此外，采用辐射废锅、摒弃对流废锅，既从热量利用上回收了高品位的热，又从操作上解决了对流废锅长周期运行后难以避免的入口积灰问题，提高了装置运行稳定性和在线率。
（2）本发明的装置和方法中，气化炉燃烧室采用多烧嘴水平布置，典型设计3烧嘴均布。与单烧嘴气化炉相比，既有利于提高碳转化率，且便于气化炉工业放大。3烧嘴水平布置形成涡旋反应流场的设计还可以使粉煤加压输送采用单系列，降低投资。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的烧嘴布置示意图。
图中：1.烧嘴；2.燃烧室；3.辐射废锅；4.激冷水喷头；5.集渣池；6.合成气出口；7.下降管；8.排渣口；9.激冷水出口；10.输气导管；11.喷雾激冷室；12.上升管；13.壳体；14.粗合成气出口通道。
具体实施方式
（一）干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置
如图1所示，本实施例的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置包括壳体13，所述壳体13具有两个垂直段和一个倾斜段，倾斜段的两端分别连接两个垂直段的顶部；壳体13的一个垂直段内自下而上设有依次连接的集渣池5、燃烧室2、辐射废锅3；集渣池5底部的壳体13上设有排渣口8；壳体13的另一个垂直段内上部设有喷雾激冷室11，喷雾激冷室11底部连接下降管7，下降管7外套有上升管12；喷雾激冷室11下方的壳体13侧壁上设有合成气出口6；上升管12底部的壳体13上设有激冷水出口9；输气导管10置于壳体13的倾斜段内，输气导管10的高端连接辐射废锅3顶部，输气导管10的低端连接喷雾激冷室11顶部；燃烧室2包括顶部锥形段、中间圆筒段和底部倒锥形段，顶部锥形段的上下底直径比d1︰d2=1︰3，粗合成气出口通道14的高径比为3；燃烧室2中间圆筒段的侧壁1/4高度的圆周上均布3个烧嘴1，各烧嘴1安装均同向偏离径向5°，如图2所示；喷雾激冷室11的上部侧壁设有两层激冷水喷头4，各层中的激冷水喷头4交错布置，每层中相邻的激冷水喷头4喷出的水雾之间有20%以上的区域重合。
燃烧室2和输气导管10为冷壁式结构，冷壁内通入循环冷却水。
所述辐射废锅3采用筒形水冷壁，筒形水冷壁内设有16组沿筒形水冷壁径向均布的双面水冷屏，双面水冷屏和筒形水冷壁内均采用循环水强制冷却。
（二）干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的方法
采用本实施例的装置进行回收显热的方法为：
自界区外的原煤首先进入煤粉制备单元，将原煤破碎成粒度100μm的颗粒，并加热到90℃，干燥至水含量2.5wt%；
干燥后的煤粉被密相输送系统输送，经设置于燃烧室2侧壁的3个烧嘴1旋流喷入冷壁式燃烧室2，并迅速与烧嘴1喷入的氧气混合反应，生成1400℃、以CO和H2为主要成分的高温粗合成气，煤中的灰分变成液态渣和飞灰；
液态渣向下流动经集渣池5被激冷破碎成3～5mm的颗粒状细渣，然后从排渣口8排入破渣机（防止大渣块出现）和锁渣系统排至界外；
高温粗合成气携带飞灰并流向上，经过辐射废锅3温度降至750℃，再经过向下倾斜的冷壁式输气导管（10）后，温度降至700℃；辐射废锅（3）的工作压力为10Mpag，生成的汽水混合物在汽包内进行气液分离，生成10MPa的饱和蒸汽并入高压饱和蒸汽管网，进一步加热至过热，供工厂驱动透平；
然后粗合成气和飞灰从输气导管10排出向下进入喷雾激冷室11，经喷雾激冷室11入口处的激冷水喷头4喷雾激冷降至400℃；
降温后的粗合成气向下经过下降管7进入激冷池，飞灰在激冷池沉降，合成气再沿上升管12向上导流，最后经合成气出口6去下游工序。
（三）本实施例装置和方法的经济效益
本实施例的技术方案与对流废锅流程气化工艺相比，以一台2000吨/天投煤量干煤粉气化炉为例，如果采用对流废锅工艺，将合成气从900℃降温至320℃，回收的热量约为115MW，仅废锅部分增加投资约为0.8亿元，合每兆瓦约70万元；但如采用本实施例的耦合辐射废锅回收显热技术将粗合成气从1400℃降温至750℃，回收的热量约为72MW，废锅投资约为0.3亿元，合每兆瓦约40万元。可见采用本发明的耦合辐射废锅回收显热技术可以明显提高能效利用经济性。
本发明的耦合辐射废锅回收显热技术可以省去激冷气压缩机、飞灰过滤器、激冷管线流程费用。仍以一台2000吨/天气化炉为例，对比目前已经应用的对流废锅干法除灰气化流程，至少节省投资1.5～2亿元。
与目前大量应用的全激冷气化工艺相比（无废锅），以一台2000吨/天投煤量干煤粉气化炉为例，采用本发明的耦合辐射废锅回收显热技术可回收高压饱和蒸汽约100t/h，按照每吨蒸汽价格100元计算，每年可增效8000万元。
虽然以上描述了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置，其特征在于：包括壳体（13），所述壳体（13）具有两个垂直段和一个倾斜段，倾斜段的两端分别连接两个垂直段的顶部；壳体（13）的一个垂直段内自下而上设有依次连接的集渣池（5）、燃烧室（2）、辐射废锅（3）；燃烧室（2）的侧壁圆周上均布3或4或6个烧嘴（1）；集渣池（5）底部的壳体（13）上设有排渣口（8）；壳体（13）的另一个垂直段内上部设有喷雾激冷室（11），喷雾激冷室（11）底部连接下降管（7），下降管（7）外套有上升管（12）；喷雾激冷室（11）下方的壳体（13）侧壁上设有合成气出口（6）；上升管（12）底部的壳体（13）上设有激冷水出口（9）；输气导管（10）置于壳体（13）的倾斜段内，输气导管（10）的高端连接辐射废锅（3）顶部，输气导管（10）的低端连接喷雾激冷室（11）顶部；喷雾激冷室（11）的上部侧壁设有激冷水喷头（4）。
2.根据权利要求1所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置，其特征在于：所述燃烧室（2）和输气导管（10）为冷壁式结构，冷壁内通入循环冷却水；且燃烧室（2）包括顶部锥形段、中间圆筒段和底部倒锥形段。
3.根据权利要求2所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置，其特征在于：所述燃烧室（2）的顶部锥形段的上下底直径比d1︰d2=1︰3～3.5，燃烧室顶部与辐射废锅底部通过粗合成气出口通道（14）连接，所述粗合成气出口通道（14）的高径比为2～3。
4.根据权利要求2所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置，其特征在于：所述燃烧室（2）的中间圆筒段圆周上水平均布3个烧嘴（1），各烧嘴（1）安装均同向偏离径向4-6°。
5.根据权利要求2所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置，其特征在于：所述烧嘴（1）安装于中间圆筒段的1/4～1/3高度处。
6.根据权利要求1所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置，其特征在于：所述喷雾激冷室（11）的上部侧壁设有两层激冷水喷头（4），各层中的激冷水喷头（4）交错布置，每层中相邻的激冷水喷头（4）喷出的水雾之间有20%以上的区域重合。
7.根据权利要求1所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的装置，其特征在于：所述辐射废锅（3）采用筒形水冷壁，筒形水冷壁内设有8～24组沿筒形水冷壁径向均布的双面水冷屏， 所述双面水冷屏和筒形水冷壁内均采用循环水强制冷却。
8.一种干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的方法，其特征在于：
将原煤破碎成粒度≤100μm的颗粒，并加热到80～100℃，干燥至水含量1～4wt%；
干燥后的煤粉被密相输送系统输送，经设置于燃烧室（2）侧壁的3或4或6个烧嘴（1）旋流喷入冷壁式燃烧室（2），并迅速与烧嘴（1）喷入的氧气混合反应，生成1400～1600℃、以CO和H2为主要成分的高温粗合成气，煤中的灰分变成液态渣和飞灰；
液态渣向下流动经集渣池（5）和排渣口（8）排入破渣机和锁渣系统；
高温粗合成气携带飞灰并流向上，经过辐射废锅（3）温度降至≤750℃，再经过向下倾斜的冷壁式输气导管（10）后，温度降至≤700℃；
然后粗合成气和飞灰从输气导管（10）排出向下进入喷雾激冷室（11），经喷雾激冷室（11）入口处的激冷水喷头（4）喷雾激冷降至≤400℃；
降温后的粗合成气向下经过下降管（7）进入激冷池，飞灰在激冷池沉降，合成气经合成气出口（6）去下游工序。
9.根据权利要求8所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的方法，其特征在于：所述辐射废锅（3）的工作压力为9.5～10.5Mpag，生成的汽水混合物在汽包内进行气液分离，生成9.5～10.5MPa的饱和蒸汽并入高压饱和蒸汽管网，或进余热锅炉进一步加热至过热，供工厂驱动透平。
10.根据权利要求8所述的干煤粉气化耦合辐射废锅回收显热的方法，其特征在于：降温后的粗合成气向下经过下降管（7）进入激冷池后，沿上升管（12）向上导流，再经合成气出口（6）去下游工序。
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