CN108977232A - 用于气流床气化的辐射废锅及冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于气流床气化的辐射废锅及冷却方法。该辐射废锅内设有筒体水冷壁；辐射废锅的高径比为3‑8；筒体水冷壁的内周面均布有交错设置的长鳍片水冷壁和短鳍片水冷壁；筒体水冷壁内还设有隔热屏，长鳍片水冷壁远离筒体水冷壁的一端连接在隔热屏的外壁上，且筒体水冷壁的上顶面及鳍片水冷壁的上顶面均不低于隔热屏的上顶面，隔热屏设于辐射废锅入口的下方，隔热屏的上顶面与辐射废锅的上顶面之间的距离为辐射废锅的内径的0.5‑1.5倍；隔热屏的高度为鳍片水冷壁的高度的0.05‑0.2倍，隔热屏的直径为辐射废锅的内径的0.5‑0.8倍。该隔热屏的设置能够防止固体颗粒在鳍片水冷壁易结渣区域的沉积，减少熔渣和颗粒对鳍片水冷壁的冲刷磨损。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于气流床气化的辐射废锅及冷却方法。
背景技术
高效节能的煤气化技术是煤化工行业发展的核心技术和龙头技术。开发高效节能的煤气化技术，对促进资源可持续高效利用，保障国家能源安全等具有重要意义。气流床气化炉以处理量大、操作压力高、环保效益好占据了煤气化技术发展的主流地位。气流床气化炉经由气化/燃烧室产生高温粗合成气，为了回收高温粗合成气中的热量，一般以激冷的方式进行洗涤冷却，但这种方式存在的问题是能量回收效率较低。
随着行业的发展，企业对气化技术特别是气流床气化炉的能量利用效率的要求越来越高。而辐射废锅因其可以高效回收化工装置中的能量，故其在化工装置中的应用日益广泛。
尽管带辐射废锅的气化技术在IGCC发电等技术领域的应用非常广泛，辐射废锅整体结构庞大、设备投资高，故其不适宜直接应用到以生产合成氨、甲醇等为主要目的煤化工技术领域。
辐射废锅的结构设计对整个气化装置的操作、框架高度等具有重要影响。传统单面水冷壁辐射废锅的设备尺寸大、投资高。然而，为了降低辐射废锅高度，现有技术中，通常采用增加鳍片水冷壁的方式来增加传热面积，从而有效降低设备投资。
然而，由于辐射废锅内的工作环境恶劣，出气化炉气化/燃烧室的待冷却的合成气在进入辐射废锅时温度约1300℃，且携带有大量熔渣及固体颗粒物，待冷却的合成气及其中的熔渣与水冷壁管直接接触易导致鳍片水冷壁水冷竖管的烧蚀和磨损，熔渣及固体颗粒物在辐射废锅内冷却时易沉积在水冷壁表面。现有技术中采用的鳍片水冷壁的设置方式不合理，运行过程中会导致颗粒的大量沉积、并会影响传热效果，严重时会导致辐射废锅的堵塞。
因此，开发一种新型的辐射废锅使之可以在实现有效回收待冷却的合成气显热的同时、尽量减少水冷壁壁面的熔渣沉积和磨损、进而延长设备的使用周期是目前急需解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的辐射废锅的鳍片水冷壁的设置不合理、运行过程中会导致颗粒的大量沉积、并会影响传热效果、严重时会导致辐射废锅的堵塞的缺陷，从而提供一种新型的用于气流床气化的辐射废锅及冷却方法。该辐射废锅中隔热屏的设置方式，能够防止固体颗粒在鳍片水冷壁易结渣区域的大量沉积，能够减少熔渣和颗粒对鳍片水冷壁的冲刷和磨损。通过鳍片水冷壁及隔热屏的设置，能够很好的优化辐射废锅入口区域的流场结构，并有效降低熔渣与待冷却的合成气对该区域的鳍片水冷壁及筒体水冷壁的影响。同时，隔热屏的设置还能够进一步改善鳍片水冷壁的局部传热效果，可适应开停车等极端工况下的操作，进而提高辐射废锅的安全、稳定、长周期运行。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
本发明提供一种用于气流床气化的辐射废锅，所述辐射废锅内设有筒体水冷壁；所述辐射废锅的高径比为3-8；
所述筒体水冷壁的内周面还均布有若干组鳍片水冷壁；所述鳍片水冷壁分为长鳍片水冷壁和短鳍片水冷壁两类，所述长鳍片水冷壁和所述短鳍片水冷壁交错分布；
所述筒体水冷壁内还设有隔热屏，所述长鳍片水冷壁远离所述筒体水冷壁的一端连接在所述隔热屏的外壁上，且所述筒体水冷壁的上顶面及所述鳍片水冷壁的上顶面均不低于所述隔热屏的上顶面，所述隔热屏设于所述辐射废锅入口的下方，所述隔热屏的上顶面与所述辐射废锅的上顶面之间的距离为所述辐射废锅的内径的0.5-1.5倍；所述隔热屏的高度为所述鳍片水冷壁的高度的0.05-0.2倍，所述隔热屏的直径为所述辐射废锅的内径的0.5-0.8倍。
本发明中，所述高径比指的是所述辐射废锅的高度与所述辐射废锅的内径的比值，所述高径比例如可为5。
发明人在研究过程中发现，待冷却的合成气经辐射废锅入口进入辐射废锅后，会在辐射废锅的顶部区域形成回流区，且颗粒沉积较为严重的位置位于距辐射废锅的上顶面的距离为辐射废锅的内径的0.5-1.5倍的区域。而上述鳍片水冷壁的设置方式可以增加有效换热面积，降低辐射废锅的总体高度，进而节约装置投资。上述隔热屏的设置方式，能够防止固体颗粒在鳍片水冷壁易结渣区域的大量沉积，能够减少熔渣和颗粒对鳍片水冷壁的冲刷和磨损。而通过上述鳍片水冷壁及隔热屏的设置，能够很好的优化辐射废锅入口区域的流场结构，并有效降低熔渣与待冷却的合成气对该区域的鳍片水冷壁及筒体水冷壁的影响。同时，隔热屏的设置还能够进一步改善鳍片水冷壁的局部传热效果，可适应开停车等极端工况下的操作，进而提高辐射废锅的安全、稳定、长周期运行。
本发明中，所述辐射废锅尤其适用于煤化工领域中出气化炉的待冷却的合成气的热量回收。
本发明中，较佳地，所述辐射废锅的内径为3-6m，例如可为4m。
本发明中，所述辐射废锅入口按本领域常规设于所述辐射废锅的顶部，所述辐射废锅入口的直径例如可为1.5m。
本发明中，所述辐射废锅还设有辐射废锅出渣口，且所述辐射废锅出渣口按本领域常规设于所述辐射废锅的底部，且所述辐射废锅出渣口用于将冷却后的合成气及废渣排出。
本发明中，所述筒体水冷壁的设置方式可为本领域常规的筒体水冷壁的设置方式，所述筒体水冷壁通常是由一圈列管式水冷管及其中间的鳍片共同围成的筒体结构。
本发明中，所述筒体水冷壁的给水入口按本领域常规设于所述筒体水冷壁的底部。
本发明中，所述筒体水冷壁的汽水混合物出口按本领域常规设于所述筒体水冷壁的顶部。
本发明中，较佳地，所述筒体水冷壁的直径为2-5m，所述筒体水冷壁的直径为3.2m。
本发明中，较佳地，所述筒体水冷壁的内周面均布的所述鳍片水冷壁的组数为4-32组，例如可为16组。
本发明中，每组所述鳍片水冷壁中的各水冷竖管的设置方式为本领域常规的设置方式，一般来说，每组所述鳍片水冷壁中的各水冷竖管的轴线与所述辐射废锅的轴线在同一平面内。
本发明中，所述长鳍片水冷壁中的水冷竖管的数量大于所述短鳍片水冷壁中的水冷竖管的数量。
本发明中，较佳地，每组所述长鳍片水冷壁包括4-10根水冷竖管，例如可为6根。
本发明中，较佳地，每组所述短鳍片水冷壁包括2-6根水冷竖管，例如可为3根。
本发明中，较佳地，所述鳍片水冷壁的水冷竖管的直径为40-80mm，例如可为57mm。更佳地，所述筒体水冷壁的水冷竖管与所述鳍片水冷壁的水冷竖管的直径相等。
此处需要说明的是，根据隔热屏的直径尺寸，可调整所述长鳍片水冷壁中的水冷竖管的数量。
本发明中，较佳地，所述鳍片水冷壁的高度为所述筒体水冷壁的高度的0.7-1.0倍。
本发明中，所述隔热屏的材质可能够承受1500℃以上温度的材质，例如可为钼或钨。
本发明中，较佳地，所述隔热屏的内表面设有耐磨涂层。更佳地，所述耐磨涂层为碳化硅涂层。耐磨涂层的设置，能够进一步改善水冷壁的局部传热效果，更能适应开停车等极端工况下的操作。
本发明中，所述隔热屏的上顶面与所述辐射废锅的上顶面之间的距离例如可为所述辐射废锅的内径的0.75倍。
本发明中，所述隔热屏的高度例如可为所述鳍片水冷壁的高度的0.1倍。
本发明中，所述隔热屏的直径例如可为所述辐射废锅的内径的0.625倍。
本发明中，较佳地，所述隔热屏的厚度为2-10mm，例如可为3mm。
在本发明一较佳实施方式中，所述辐射废锅的内径为4.0m及高径比为5.0，所述筒体水冷壁的直径为3.2m，所述筒体水冷壁的内周面还均布有16组鳍片水冷壁；每组所述长鳍片水冷壁包括6根水冷竖管，每组短鳍片水冷壁包括3根水冷竖管，且所述长鳍片水冷壁及所述短鳍片水冷壁的水冷管直径均为57mm，每组所述鳍片水冷壁中的各水冷竖管的轴线与所述辐射废锅的轴线在同一平面内；所述隔热屏的上顶面与所述辐射废锅的上顶面之间的距离为所述辐射废锅的内径的0.75倍；所述隔热屏的高度为所述鳍片水冷壁的高度的0.1倍；所述隔热屏的直径为所述辐射废锅的内径的0.625倍，所述隔热屏的厚度为3mm。
本发明中，较佳地，与所述隔热屏固接的长鳍片水冷壁的数量不少于4组。
本发明中，所述辐射废锅按本领域常规具有金属壳体，所述金属壳体按本领域常规设于所述筒体水冷壁的外侧，所述辐射废锅还按本领域常规具有辐射废锅接口、辐射废锅缩口及辐射废锅出渣口，且依次连接的所述辐射废锅入口、所述辐射废锅接口、所述筒体水冷壁、所述辐射废锅缩口及所述辐射废锅出渣口围合形成供待冷却的合成气向下流动的空间，且所述金属壳体与依次连接的所述辐射废锅入口、所述辐射废锅接口、所述筒体水冷壁、所述辐射废锅缩口及所述辐射废锅出渣口共同围合形成夹层，所述夹层用于充入保护气所述保护气为压力略高于气化压力的氮气或二氧化碳或合成气，且所述保护气的压力应使得所述筒体水冷壁内外压差尽量小。
本发明还提供一种冷却方法，所述冷却方法采用前述的辐射废锅，所述冷却方法包括如下步骤：
待冷却的合成气与所述筒体水冷壁及所述鳍片水冷壁中的冷却水逆流接触换热即可。
本发明中，所述的“待冷却的合成气”指的是从气化炉中排出的高温合成气。
在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：本发明提供一种用于气流床气化的辐射废锅及冷却方法。该辐射废锅中的鳍片水冷壁的设置方式可以增加有效换热面积，降低辐射废锅的总体高度，进而节约装置投资。该辐射废锅中隔热屏的设置方式，能够防止固体颗粒在鳍片水冷壁易结渣区域的大量沉积，能够减少熔渣和颗粒对鳍片水冷壁的冲刷和磨损。通过鳍片水冷壁及隔热屏的设置，能够很好的优化辐射废锅入口区域的流场结构，并有效降低熔渣与待冷却的合成气对该区域的鳍片水冷壁及筒体水冷壁的影响。同时，隔热屏的设置还能够进一步改善鳍片水冷壁的局部传热效果，可适应开停车等极端工况下的操作，进而提高辐射废锅的安全、稳定、长周期运行。
附图说明
图1为实施例1的辐射废锅沿其轴线的剖视图。
图2为实施例1中A-A截面视图。
图3为实施例1中B-B截面视图。
附图标记说明：
金属壳体10
筒体水冷壁20 给水入口21 汽水混合物出口22
辐射废锅入口30
辐射废锅接口40
辐射废锅缩口50
辐射废锅出渣口60
长鳍片水冷壁70
短鳍片水冷壁80
隔热屏90
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述实施例中，“鳍片水冷壁”指的是长鳍片水冷壁及短鳍片水冷壁。
下述实施例中，“待冷却的合成气”指的是从气化炉中排出的高温合成气。
实施例1
(1)辐射废锅
如图1所示的辐射废锅，该辐射废锅具有金属壳体10，该金属壳体10可承受不超过10MPa的高压，且其内设有筒体水冷壁20。辐射废锅入口30设于顶部，且其直径为1.5m，且其与气化炉的高温合成气出口相连通，辐射废锅入口30下方为扩口结构的辐射废锅接口40。筒体水冷壁20是由一圈列管式水冷管及其中间的鳍片围成的筒体结构，筒体水冷壁20的给水入口21设于筒体水冷壁20的底部，筒体水冷壁20的汽水混合物出口22设于筒体水冷壁20的顶部，筒体水冷壁20的直径为3.2m。
该辐射废锅的内径为4.0m，高度为20.0m，高径比5.0，如图3所示，筒体水冷壁20的内周面还均布有16组鳍片水冷壁；鳍片水冷壁分为长鳍片水冷壁70和短鳍片水冷壁80两类，且长鳍片水冷壁70和短鳍片水冷壁80交错分布；每组长鳍片水冷壁70包括6根水冷竖管，每组短鳍片水冷壁80包括3根水冷竖管，且长鳍片水冷壁70及短鳍片水冷壁80的水冷管直径均为57mm，每组鳍片水冷壁中的各水冷竖管的轴线与辐射废锅的轴线在同一平面内。
如图2所示，筒体水冷壁20内还设有隔热屏90，长鳍片水冷壁70远离筒体水冷壁20的一端连接在隔热屏90的外壁上，且筒体水冷壁20的上顶面及鳍片水冷壁的上顶面均高于隔热屏90的上顶面，隔热屏90设于辐射废锅入口30的下方，且隔热屏90的上顶面与辐射废锅的上顶面之间的距离为3.0m，也即隔热屏90的上顶面与辐射废锅的上顶面之间的距离为辐射废锅的内径的0.75倍；隔热屏90的高度为鳍片水冷壁的高度的0.1倍。其中，筒体水冷壁20的水冷竖管与鳍片水冷壁的水冷竖管的直径相等。
其中，鳍片水冷壁的高度为筒体水冷壁20的高度的相等，均为20m。
其中，隔热屏90的材质为钼，隔热屏90的内表面设有碳化硅涂层，隔热屏90的直径为2.5m，也即隔热屏90的直径为辐射废锅的内径的0.625倍，隔热屏90的厚度为3mm，且该隔热屏90固接于长鳍片水冷壁70上。
其中，辐射废锅的底部为缩口结构的出渣口；
其中，辐射废锅按本领域常规具有金属壳体10，且金属壳体10与依次相连接的辐射废锅入口30、辐射废锅接口40、筒体水冷壁20、辐射废锅缩口50及辐射废锅出渣口60共同围合形成夹层，夹层用于充入保护气，保护气为压力略高于气化压力的氮气，且保护气的压力应使得筒体水冷壁20内外压差尽量小；且金属壳体10设于筒体水冷壁20的外侧，且依次连接的辐射废锅入口30、辐射废锅接口40、筒体水冷壁20、辐射废锅缩口50及辐射废锅出渣口60围合形成供待冷却的合成气向下流动的空间，冷却后的合成气及废渣经辐射废锅出渣口60排出。
(2)冷却方法
将上述辐射废锅应用于单炉日处理煤2000吨的气化炉，从气化炉排出的待冷却的合成气的温度为1300℃，待冷却的合成气进入该辐射废锅内与筒体水冷壁20及鳍片水冷壁中的冷却水逆流接触换热，冷却后的合成气及废渣经辐射废锅出渣口排出。
效果数据：从辐射废锅出渣口排出的合成气温度为820℃，该辐射废锅可副产319℃、11.0MPa的高压蒸汽95.0t/h，合成气中的水气比为0.85，能够满足后系统变换工艺的要求。
由于隔热屏及鳍片水冷壁的设置，该辐射废锅在运行过程中，固体颗粒没有在鳍片水冷壁易结渣区域的大量沉积，该辐射废锅也未发生阻塞、且一直安全稳定运行，且鳍片水冷壁也未发生冲刷和磨损。
Claims (10)
1.一种用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，所述辐射废锅内设有筒体水冷壁；所述辐射废锅的高径比为3-8；
所述筒体水冷壁的内周面还均布有若干组鳍片水冷壁；所述鳍片水冷壁分为长鳍片水冷壁和短鳍片水冷壁两类，所述长鳍片水冷壁和所述短鳍片水冷壁交错分布；
所述筒体水冷壁内还设有隔热屏，所述长鳍片水冷壁远离所述筒体水冷壁的一端连接在所述隔热屏的外壁上，且所述筒体水冷壁的上顶面及所述鳍片水冷壁的上顶面均不低于所述隔热屏的上顶面，所述隔热屏设于辐射废锅入口的下方，所述隔热屏的上顶面与所述辐射废锅的上顶面之间的距离为所述辐射废锅的内径的0.5-1.5倍；所述隔热屏的高度为所述鳍片水冷壁的高度的0.05-0.2倍，所述隔热屏的直径为所述辐射废锅的内径的0.5-0.8倍。
2.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，所述高径比为5；
和/或，所述辐射废锅的内径为3-6m，较佳地为4m；
和/或，所述辐射废锅入口设于所述辐射废锅的顶部，所述辐射废锅入口的直径为1.5m；
和/或，所述辐射废锅还设有辐射废锅出渣口，且所述辐射废锅出渣口设于所述辐射废锅的底部。
3.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，所述筒体水冷壁的给水入口设于所述筒体水冷壁的底部；
和/或，所述筒体水冷壁的汽水混合物出口设于所述筒体水冷壁的顶部；
和/或，所述筒体水冷壁的直径为2-5m，较佳地为3.2m。
4.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，所述筒体水冷壁的内周面均布的所述鳍片水冷壁的组数为4-32组，较佳地为16组。
5.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，每组所述鳍片水冷壁中的各水冷竖管的轴线与所述辐射废锅的轴线在同一平面内。
6.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，每组所述长鳍片水冷壁包括4-10根水冷竖管，较佳地为6根；
和/或，每组所述短鳍片水冷壁包括2-6根水冷竖管，较佳地为3根；
和/或，所述鳍片水冷壁的水冷竖管的直径为40-80mm；较佳地，所述鳍片水冷壁的水冷竖管的直径为57mm；更佳地，所述筒体水冷壁的水冷竖管与所述鳍片水冷壁的水冷竖管的直径相等；
和/或，所述鳍片水冷壁的高度为所述筒体水冷壁的高度的0.7-1.0倍。
7.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，所述隔热屏的材质为能够承受1500℃以上温度的材质，较佳地为钼或钨；
和/或，所述隔热屏的内表面设有耐磨涂层；较佳地，所述耐磨涂层为碳化硅涂层；
和/或，所述隔热屏的上顶面与所述辐射废锅的上顶面之间的距离为所述辐射废锅的内径的0.75倍；
和/或，所述隔热屏的高度为所述鳍片水冷壁的高度的0.1倍；
和/或，所述隔热屏的直径为所述辐射废锅的内径的0.625倍；
和/或，所述隔热屏的厚度为2-10mm，较佳地为3mm。
8.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，所述辐射废锅的内径为4.0m及高径比为5.0，所述筒体水冷壁的直径为3.2m，所述筒体水冷壁的内周面还均布有16组鳍片水冷壁；每组所述长鳍片水冷壁包括6根水冷竖管，每组短鳍片水冷壁包括3根水冷竖管，且所述长鳍片水冷壁及所述短鳍片水冷壁的水冷管直径均为57mm，每组所述鳍片水冷壁中的各水冷竖管的轴线与所述辐射废锅的轴线在同一平面内；所述隔热屏的上顶面与所述辐射废锅的上顶面之间的距离为所述辐射废锅的内径的0.75倍；所述隔热屏的高度为所述鳍片水冷壁的高度的0.1倍；所述隔热屏的直径为所述辐射废锅的内径的0.625倍，所述隔热屏的厚度为3mm。
9.如权利要求1所述的用于气流床气化的辐射废锅，其特征在于，所述辐射废锅具有金属壳体，且所述金属壳体设于所述筒体水冷壁的外侧，所述辐射废锅还具有辐射废锅接口、辐射废锅缩口及辐射废锅出渣口，依次连接的所述辐射废锅入口、所述辐射废锅接口、所述筒体水冷壁、所述辐射废锅缩口及所述辐射废锅出渣口围合形成供待冷却的合成气向下流动的空间，且所述金属壳体与依次连接的所述辐射废锅入口、所述辐射废锅接口、所述筒体水冷壁、所述辐射废锅缩口及所述辐射废锅出渣口共同围合形成夹层，所述夹层用于充入保护气。
10.一种采用如权利要求1-9任一项所述的用于气流床气化的辐射废锅的冷却方法，其特征在于，所述冷却方法包括如下步骤：
待冷却的合成气与所述筒体水冷壁及所述鳍片水冷壁中的冷却水逆流接触换热即可。
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