CN109082305A - 无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水煤浆气化系统，包括依次布置并由管道相连的气化炉、洗涤塔、沉降槽、灰水槽，水煤浆/黑水换热器、灰水/黑水换热器；水煤浆/黑水换热器的黑水输入端与气化炉和洗涤塔的黑水输出端相连；灰水/黑水换热器的黑水输入端与水煤浆/黑水换热器的黑水输出端相连；灰水/黑水换热器的黑水输出端与沉降槽的黑水输入端相连；灰水/黑水换热器的灰水输入端与灰水槽的灰水输出端相连；灰水/黑水换热器的灰水输出端与洗涤塔设置的灰水输入端相连。高温黑水经历两次换热器换热，加热水煤浆和灰水，无相变，可回收低品位热能，提高能量回收效率；无需复杂的闪蒸系统，降低了设备投资成本。

Description

无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统及工艺

技术领域

本发明涉及煤气化工艺过程，具体涉及一种无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统及工艺。

背景技术

煤气化工艺是工业生产以氢气及/或一氧化碳为主的合成气产品的主要途径之一，可以通过气化过程将固态的煤转化成气态的合成气，被广泛地应用于生产合成氨、尿素、甲醇、醋酸、石油炼化、煤制油、合成天然气等众多的基础化工品和炼化领域，在国民经济中起着重要的作用。其中，气流床气化技术以其环保高效的技术先进性占据着行业的主导地位。而气流床气化技术中，水煤浆气化工艺应用得更为广泛。通常水煤浆气化工艺都会包括制浆、气化、气体洗涤、渣水处理等若干工段和装置，在气体洗涤和渣水处理的同时通过各种热交换进行热量回收。气化炉燃烧时产生的粗合成气经过气化炉的激冷室冷却、洗涤和粗渣分离，夹带着少量固体颗粒的合成气被送到下游(包括洗涤塔等)洗涤装置进行合成气精洗，精洗后送到下游装置做进一步处理；而来自激冷室的黑水，以及来自洗涤塔冷却和洗涤合成气后的产生的热的黑水都是通过若干级闪蒸，闪蒸汽再加热返回的灰水进行热量回收再利用。一方面许多低温蒸汽无法得到利用而浪费，而另一方面水煤浆却在未经加热状态下直接打到气化炉中燃烧，在能源利用效率上不充分。

中国发明专利CN101161792(一种煤气化制合成气过程的热量回收工艺方法)公开了一种回收高品位的高温热能的热量回收工艺方法，结合了激冷流程和废锅流程的优点，在煤气化炉气化室中产生的高温合成气与熔渣，在其出口处通过一级激冷器喷入激冷水，将合成气与熔渣激冷至灰熔点T1以下，激冷后的合成气与灰渣进入第一蒸汽发生器、蒸汽过热器和第二蒸汽发生器回收合成气的余热，并经除尘分离器除去部分细灰渣，再经锅炉给水预热器进一步回收热量后，进入二级激冷器除去剩余的细灰渣，同时，使合成气增湿，经本方法处理后的合成气进入后续工艺单元。气化室的高温合成气显热直接进行回收并转化为高温高压的蒸汽，提高了回收的合成气显热的利用价值，扩大了回收热能的应用范围。这种方法中，合成气经过激冷，由气态转化为液态，部分显热被释放而无法回收利用，二次激冷，显热释放更多；废锅又将液态的水转化为低压蒸汽，回收热量有限，并且多次相变过程消耗了大量潜热，导致热量的回收效率较低。

中国实用新型专利CN205856407(一种余热回收加热水煤浆用于煤气化装置)公开了一种用余热加热水煤浆的煤气化装置，包括水煤浆储槽、高压煤浆泵、套管式换热器、气化炉工艺烧嘴、自低压闪蒸塔和除氧器，水煤浆储槽通过管道连接至高压煤浆泵的输入端，高压煤浆泵的输出端通过软管连接至套管式换热器上，各段套管式换热器之间均采用软管连接。利用闪蒸塔的低品位蒸汽热与水煤浆进行热交换，余热回收利用；同时蒸汽液化成冷凝水，用于系统补水，减少环保排放，并降低能耗。中国发明专利CN106946394(一种高热量回收效率的煤气化黑水和灰水处理系统及方法)公开了一种处理系统，将来自气化工段的灰/黑水经高压闪蒸、低压闪蒸、真空闪蒸等三级闪蒸处理，并通过热水塔进行直接换热，通过增加一台直接换热设备，减少了间接换热设备，整体上简化了设备数量和工作流程，提高了热量回收效率，和能量利用率。这两种方法均采用了若干级闪蒸的方法，将高压液体迅速汽化，实现液气分离，回收了低品位的蒸汽热，加热灰水进行热量回收，但是渣水和闪蒸热量回收系统投资巨大，操作可靠性低，并且由于热黑水在闪蒸过程中由液相蒸发变为气相，有部分潜热无法回收而浪费，导致能源利用效率低下；并且其灰水换热器的加热介质是蒸汽，被加热介质是灰水，加热介质来自黑水闪蒸罐，位于这台黑/灰水换热器的上游，由黑水闪蒸而来，高温黑水当进入闪蒸罐时温度较高，被闪蒸成蒸汽后温度变低，热量在水液变汽态时有一个相变过程，需要消耗潜热。随后蒸汽经过黑/灰水加热器时，蒸汽冷凝，又发生一次相变，整个过程有两次相变，浪费两次相变潜热，多级闪蒸就有多次相变，浪费更多潜热，因此整体热量回收效率也不高；此外，现有的灰水换热器易结垢堵塞，降低装置的可利用性和可靠性，影响长周期运行。

因此，迫切需要改进现有的煤气化工艺，摒弃闪蒸系统，运用较低的投资成本，实现无相变的热量回收，并充分利用低品位的蒸汽热，提高能源的利用效率；以及换热器结垢堵塞的问题，提高系统的可靠性。

发明内容

本发明欲解决的是现有的煤气化工艺中，闪蒸设备投资高，热量回收利用时发生多次相变导致潜热被浪费而无法回收利用，低品位蒸汽热无法利用；以及换热器易结垢堵塞的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，包括依次布置并经过管道相连的气化炉、洗涤塔、沉降槽、灰水槽，还包括水煤浆/黑水换热器、灰水/黑水换热器；

所述水煤浆/黑水换热器的黑水输入端与气化炉和洗涤塔设置的的黑水输出端相连；

所述灰水/黑水换热器的黑水输入端与水煤浆/黑水换热器的黑水输出端相连；

所述灰水/黑水换热器的黑水输出端与沉降槽设置的黑水输入端相连；

所述灰水/黑水换热器的灰水输入端与灰水槽设置的灰水输出端相连；

所述灰水/黑水换热器的灰水输出端与洗涤塔设置的灰水输入端相连。

进一步地，所述水煤浆/黑水换热器和灰水/黑水换热器为一级或多级不结垢换热器。此处，本领域技术人员可以知晓，水煤浆/黑水换热器不止一台，具体数目应当为≧1，当数目大于1时，多个水煤浆/黑水换热器之间为串联设置，具体为前一个换热器的黑水输出端连接后一个换热器的黑水输入端；同样的，灰水/黑水换热器也不止一台，具体数目应当为≧1，当数目大于1时，多个灰水/黑水换热器之间为串联设置，具体为前一个换热器的黑水输出端连接后一个换热器的黑水输入端。现有技术中常用的换热器易结垢发生堵塞，导致系统的可靠性降低，不结垢换热器可解决堵塞问题，确保系统长期稳定运行。

进一步地，所述水煤浆/黑水换热器与灰水/黑水换热器的黑水进入端设有可拆卸式陶瓷过滤网，这是因为来自气化炉和洗涤塔的高温黑水中含有较高比例的煤燃烧后残渣，这些残渣固含量高，若不过滤直接进入换热器中易造成堵塞，降低黑水的流动速度，降低传热效果。根据具体情况，由于灰水中也含有一定量的残渣，也可在灰水/黑水换热器的灰水进入端设置可拆卸式陶瓷过滤网；选用可拆卸式的陶瓷过滤网是因为：陶瓷过滤网具有一定的吸附性，可将大量的残渣吸附并阻挡在换热器外；并且在使用一段时间后可将已经受到一定程度堵塞的陶瓷过滤网拆除以更换新的陶瓷过滤网，无需增加清理滤网步骤，省时省力、更换方便、可操作性强；同时陶瓷过滤网成本低，不会增加整个系统的设置成本。

所述换热器的换热组件为波纹状；所述波纹状换热组件的内外表面均涂有抗冲陶瓷涂层。将换热组件设置为波纹状，例如对于热管式换热器，将并行排列的直管改进为并行排列的波纹状弯曲管，可以增加换热器内高温黑水与水煤浆的接触面积，提高传热效果，将高温黑水的热量尽可能多地传递给水煤浆，减少热量的损失，进一步提高能源利用率。

换热组件内外表面涂覆抗冲陶瓷涂层是因为：陶瓷材料具有优异的耐腐蚀和耐磨性，稳定性强，能长期稳定使用，延长系统的寿命；同时又由于不结垢换热器内设有大量的固体颗粒，会在换热器内随水流动摩擦和冲击换热组件，选用抗冲的陶瓷涂层可承受固体颗粒的流动冲击作用而不会脱落，配和其光滑表面可进一步防止不结垢换热器出现结垢，极大地提高了不结垢换热器的不结垢性能。对于抗冲陶瓷涂层的抗冲击强度、与换热组件内外表面的结合力等可结合具体的系统设备及工艺条件进行设计。

进一步地，所述水煤浆/黑水换热器和灰水/黑水换热器选自管壳式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器、热管式换热器、夹套式换热器、螺旋管式换热器和降膜式换热器等各种不同结构类型的换热器中的一种或几种，具体应用中根据需要选取最合适结构的换热器类型。

进一步地，所述气化炉和洗涤塔之间连接有合成气泵，用于导出气化炉中产生的合成气进入洗涤塔中进行洗涤，洗涤完成后的气体可经收集、纯化、分离等工序，将所需的气体，例如H₂、CO、分类收集保存。

进一步地，所述水煤浆/黑水换热器连接有水煤浆给料泵；

进一步地，通过调整所述水煤浆给料泵的转速，控制所述水煤浆/黑水换热器中的水煤浆流速为0.5～3m/s。

进一步地，所述灰水槽与灰水/黑水换热器之间连接有灰水泵。

进一步地，通过调整所述灰水泵的转速，控制所述灰水/黑水换热器中的灰水流速为0.5～3m/s。

同时，还可以在气化炉和洗涤塔中黑水合流之后的位置设置黑水泵，通过调整所述黑水泵的转速，控制水煤浆/黑水换热器和灰水/黑水换热器中黑水的流速为0.5～3m/s。

通过控制水煤浆、灰水、黑水的流速一方面避免速度过慢而导致固体颗粒沉降，另一方面能够避免因速度过快而对不结垢换热器内部产生冲蚀效应而损坏。

进一步地，经过换热后的灰水温度为90～280℃；水煤浆的温度为60～200℃。

本发明还保护了一种无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统进行煤气化工艺的生产过程，其特征在于，包括如下步骤：

(1)打开水煤浆给料泵，水煤浆进入水煤浆/黑水换热器，与来自气化炉和洗涤塔并经过黑水泵的高温黑水进行水煤浆/黑水换热，称为一次换热；被加热的水煤浆进入气化炉进行气化反应；一次换热后的黑水进入灰水/黑水换热器；

(2)打开灰水泵，灰水槽中的灰水进入灰水/黑水换热器，一次换热后的黑水与灰水进行换热，称为二次换热；被加热的灰水进入洗涤塔用于高温合成气的洗涤；二次换热后的黑水进入沉降槽，沉降后的上层清液进入灰水槽，称为灰水。

本发明中，来自气化炉和洗涤塔的高温黑水进入水煤浆/黑水换热器的黑水管道，此时高温黑水对水煤浆/黑水换热器中的水煤浆进行加热，水煤浆被加热后进入气化炉，将能量带入了气化炉，降低了气化炉的单位原料能耗，提高了产出；来自灰水槽的灰水通过灰水泵进入灰水/黑水换热器中，与已经经过一次换热的黑水进行二次换热，加热后的灰水被加热后再进入洗涤塔对高温合成气进行洗涤，将能量带入了洗涤塔，降低了能量的损失；经过了两次换热的黑水已将大量热量交换给水煤浆和灰水，自身带有的热量也大大降低，进入沉降槽中，沉降后除去残渣的上层清液则成为灰水进入灰水槽，用于高温合成气的洗涤，既回收了高温黑水的热量，提高了能源的利用效率；又回收了废水，减少了污水的排放，有利于保护环境。

与现有技术相比，本发明的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统及工艺具有以下优点：

(1)摒弃了传统的闪蒸汽换热，解决了闪蒸汽换热过程中相变导致的潜热无法被回收利用的问题，可以充分利用低品位的热能，提高合成气的热值，减少了能量的损耗，提高能源利用效率。

(2)废除了闪蒸系统，包括一系列闪蒸罐、闪蒸汽冷凝器、对应的管道和框架，大大降低了工程造价。

(3)高温黑水直接加热水煤浆和灰水，将能量带回了气化炉和洗涤塔，降低了气化炉和洗涤塔的能量消耗，提高了产出。

(4)选用新型的不结垢换热器，解决了换热器的结构堵塞问题，显著提高了系统可靠性和在线率。

(5)本发明的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统设置简单，操作难度也大大降低。

附图说明：

图1：无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统的结构示意图。

附图标记说明：1-气化炉；2-洗涤塔；3-沉降槽；4-灰水槽；5-水煤浆/黑水换热器；6-灰水/黑水换热器；11-合成气泵；21-黑水泵；51-水煤浆给料泵；61-灰水泵。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细阐述。

如图1所示，为无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统的结构示意图，气化炉1、洗涤塔2、水煤浆/黑水换热器5、灰水/黑水换热器6、沉降槽3、灰水槽4依次排列并通过管道相连接。其中，水煤浆/黑水换热器5和灰水/黑水换热器6均为新型的不结垢换热器，且均选择管壳式的不结垢换热器，且内部换热管为并行排列的波纹状弯管，弯管的内外表面均涂有高抗冲的氧化铝陶瓷涂层，在水煤浆/黑水换热器5和灰水/黑水换热器6的黑水进入端均卡接设有可拆卸式陶瓷过滤网，在灰水/黑水换热器6的灰水输入端也卡接设有可拆卸式陶瓷过滤网。水煤浆/黑水换热器5的水煤浆输入端连接有水煤浆给料泵51，通过调整水煤浆给料泵51的转速，控制水煤浆/黑水换热器5中的水煤浆流速为0.5～3m/s。

水煤浆/黑水换热器5的水煤浆输出端与气化炉1的输入端相连，水煤浆/黑水换热器5的黑水输入端与气化炉1和洗涤塔2的黑水输出端相连，水煤浆/黑水换热器5的黑水输出端与灰水/黑水换热器6的黑水输入端相连，灰水/黑水换热器6的黑水输出端与沉降槽3相连，灰水/黑水换热器6的灰水输入端连接灰水槽4，灰水/黑水换热器6的灰水输出端连接洗涤塔2的洗涤液(即灰水)输入端。气化炉1和洗涤塔2之间连接有合成气泵11，气化炉1和洗涤塔2中黑水合流之后的位置设置黑水泵21，灰水槽4和灰水/黑水换热器6之间连接有灰水泵61，

调整所述黑水泵21的转速，控制所述水煤浆/黑水换热器5和灰水/黑水换热器6中的黑水流速为0.5～3m/s；通过调整灰水泵61的转速，控制灰水/黑水换热器6中的灰水流速为0.5～3m/s。经过换热后，灰水温度为90～280℃，水煤浆温度为60～200℃。

采用该无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统进行煤气化工艺的生产过程，包括如下步骤：

(1)水煤浆经过水煤浆泵51进入到水煤浆/黑水换热器5的水煤浆管道，在水煤浆/黑水换热器5的黑水管道中的高温黑水对水煤浆进行热交换，加热水煤浆，此为一次换热；

(2)加热后的水煤浆被输入到气化炉1中进行气化反应，反应后的残渣直接排出，高温黑水经过黑水泵21进入水煤浆/黑水换热器5的黑水管道中，合成气通过合成气泵11进入到洗涤塔2中，合成气在洗涤塔2中经过洗涤液洗涤后的高温黑水也经过黑水泵21进入水煤浆/黑水换热器5的黑水管道中；

(3)水煤浆/黑水换热器5中的高温黑水经过一次换热后的黑水进入灰水/黑水换热器6的黑水管道中，灰水槽4的灰水经过灰水泵61进入灰水/黑水换热器6的灰水管道中，由经过了一次换热后的高温黑水对灰水进行加热，此为二次换热；

(4)加热后的灰水进入洗涤塔2的洗涤液输入端，用于对合成气进行洗涤，二次换热后的黑水进入沉降槽3中进行残渣沉淀，上层清液进入灰水槽4中，即为灰水。

采用本发明的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统进行煤气化工艺的生产过程，以1500吨/天投煤量的一个气化系列为例，相对于现有的闪蒸回收热量技术，节省热量约相当于1.44万吨标准煤，黑水热量回收效率提高25％，整厂能效提高约2.9％，视煤种情况的不同，可节省5％-15％的气化岛投资。

上述实施例中水煤浆/黑水换热器5和灰水/黑水换热器6的均为一台，实际使用中，可根据具体情况选用多台，即进行多级换热，将热量尽可能完全回收利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制发明，凡在本发明的设计构思之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，包括依次布置并经过管道相连的气化炉、洗涤塔、沉降槽、灰水槽，其特征在于：还包括水煤浆/黑水换热器、灰水/黑水换热器；

所述水煤浆/黑水换热器的黑水输入端与气化炉和洗涤塔设置的黑水输出端相连；

所述灰水/黑水换热器的黑水输入端与水煤浆/黑水换热器的黑水输出端相连；

所述灰水/黑水换热器的黑水输出端与沉降槽设置的黑水输入端相连；

所述灰水/黑水换热器的灰水输入端与灰水槽设置的灰水输出端相连；

所述灰水/黑水换热器的灰水输出端与洗涤塔设置的灰水输入端相连。

2.如权利要求1所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：所述水煤浆/黑水换热器和灰水/黑水换热器为一级或多级不结垢换热器。

3.如权利要求2所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：所述水煤浆/黑水换热器和灰水/黑水换热器的黑水进入端均设有可拆卸式陶瓷过滤网。

4.如权利要求1所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：所述水煤浆/黑水换热器和灰水/黑水换热器选自管壳式换热器、板式换热器、螺旋板式换热器、板翅式换热器、热管式换热器、夹套式换热器、螺旋管式换热器和降膜式换热器中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：所述气化炉和洗涤塔之间连接有合成气泵。

6.如权利要求1所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：所述水煤浆/黑水换热器连接有水煤浆给料泵；通过调整所述水煤浆给料泵的转速，控制所述水煤浆/黑水换热器中的水煤浆流速为0.5～3m/s。

7.如权利要求1所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：所述灰水槽与灰水/黑水换热器之间连接有灰水泵；通过调整所述灰水泵的转速，控制所述灰水/黑水换热器中的灰水流速为0.5～3m/s。

8.如权利要求1所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：所述气化炉和洗涤塔中黑水合流之后的位置设置黑水泵；调整所述黑水泵的转速，控制所述水煤浆/黑水换热器和灰水/黑水换热器中的黑水流速为0.5～3m/s。

9.如权利要求1所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统，其特征在于：经过所述换热后的灰水温度为90～280℃；经过所述换热后水煤浆的温度为60～200℃。

10.一种利用如权利要求1至9中任一项所述的无相变热交换的一体化加热原料水煤浆气化系统进行煤气化工艺的生产过程，其特征在于，包括如下步骤：

(1)打开水煤浆给料泵，水煤浆进入水煤浆/黑水换热器，与来自气化炉和洗涤塔并经过黑水泵的高温黑水进行水煤浆/黑水换热，称为一次换热；被加热的水煤浆进入气化炉进行气化反应；一次换热后的黑水进入灰水/黑水换热器；

(2)打开灰水泵，灰水槽中的灰水进入灰水/黑水换热器，一次换热后的黑水与灰水进行换热，称为二次换热；被加热的灰水进入洗涤塔用于高温合成气的洗涤；二次换热后的黑水进入沉降槽，沉降后的上层清液进入灰水槽，称为灰水。