CN109355104B - 一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉及气化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉及气化方法，该气化炉包括金属承压壳体及其内部设置的气化室、排渣管、废锅和洗涤冷却室。该气化炉可有效分离熔渣与高温合成气，避免高温熔渣进入废锅，极大地提升了废锅的可靠性。本发明的气化方法采用废锅和激冷联合流程，即出气化炉的高温合成气经废锅冷却到600℃左右，然后用水激冷到所需要的温度，回收了高温煤气中的大部分显热。相比单纯激冷型气化炉，本发明提供的气化炉及气化方法提升了约10％的能源利用效率，使气化工艺的节能降耗优势更加明显。

Description

一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉及气化方法
技术领域
本发明涉及煤气化技术领域，具体涉及一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉及气化方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，我国面临的利用煤炭等化石能源所带来的能源利用率问题和环境问题日益严峻，急需研究开发高效、清洁的煤炭利用技术。开发高效、清洁的气流床煤气化技术，对推进煤炭高效清洁利用具有重要意义。
煤气化过程是在高温下进行的，合理回收合成气高温显热是提高煤气化整体效率的重要环节。基于气化后续不同产品的需求，以及回收高温煤气显热工艺方案的差异，目前的气化工艺主要包括：激冷流程和废锅流程。前者特别适合于煤基化学品的生产，后者更适合于IGCC发电。
在目前的现有技术中，激冷流程和废锅流程往往都是单独使用的，激冷工艺最为常用，可以将气化室出来的高温煤气从1200～1600℃左右激冷至200℃左右，设备简单，投资省，但能量回收效率低。废热锅炉可以将出气化室高温煤气由1200～1600℃左右冷却至300℃左右，其中的热量得以回收，且回收效率高，但缺陷在于，设备庞大，投资高，而且出废热锅炉的合成气中的水气比偏低，较难达到直接进入变换工序的工艺要求。
因此，开发新的热量回收技术，是本领域技术人员急需解决的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种同时具备激冷流程和废锅流程二者的优点，且克服二者的缺点的水冷壁气化炉及气化方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：包括金属承压壳体及其内部同轴设置的气化室、排渣管、废锅和洗涤冷却室；气化室设于废锅上方，且气化室的底部与废锅外部设置的废锅外部水冷壁的顶部连接；
排渣管设于废锅内部，排渣管的内径大于气化室的排渣口外径且排渣管上部最高点高于等于气化室的排渣口的最低点，排渣管的中上部设置渣激冷环且所述渣激冷环低于等于气化室的排渣口的最低点；
洗涤冷却室设于废锅下方，排渣管向下延伸至洗涤冷却室底部；洗涤冷却室上部设有合成气激冷环，洗涤冷却室内部设有下降管，所述下降管顶部与所述合成气激冷环连接，且所述下降管的最低点高于所述排渣管的最低点；洗涤冷却室上部设有合成气出口、底部设有排渣口。
优选地，所述气化室为水冷壁结构，所述气化室的顶部设置一个顶部烧嘴和/或所述气化室的筒体侧壁上同一水平面设置多个侧面烧嘴，所述气化室的高径比h0/D0为2.5～4.5。
优选地，所述废锅外部水冷壁为列管式水冷壁；所述废锅为盘管式水冷壁结构，多圈盘管水冷壁同轴布置。
优选地，所述排渣管为水冷壁结构，且水冷壁外表面附属隔热材料；所述的隔热材料为碳化硅或陶瓷纤维；所述的水冷壁结构为列管式水冷壁，并且所有列管上部向内部弯曲，弯曲半径大于等于单根列管的直径，所述渣激冷环与列管上部末端连通。
优选地，所述排渣管的内径D1为所述气化室的排渣口外径d的1.2～2.8倍；
所述排渣管与气化室的排渣口高度差h1为0～2m；所述渣激冷环与气化室的排渣口高度差h2为0～3m；
所述下降管与排渣管的高度差h3为1～5m，所述下降管内径为排渣管外径的1.1～1.5倍。
优选地，所述气化室、废锅外部水冷壁与金属承压壳体之间形成腔体，所述腔体的金属承压壳体内侧敷设有绝热材料，气化炉操作时在所述腔体内充满与气化室操作压力相当的惰性气体；
所述废锅外部水冷壁与气化室连接处设有用于平衡气化室与所述腔体之间的压力的平衡孔。
优选地，所述气化室操作压力为0～15MPaG。
本发明提供了一种废锅激冷一体式水冷壁气化方法，其特征在于：采用上述的废锅激冷一体式水冷壁气化炉，步骤为：将含碳燃料和气化剂进料至气化室内，气化生成的合成气和熔渣并流向下进入排渣管，大部分合成气通过气化室的排渣口与排渣管之间的环隙进入废锅，融渣与少部分合成气进入排渣管后被渣激冷环激冷，激冷后的融渣在重力作用下落入洗涤冷却室底部，激冷后的少部分合成气沿排渣管往下到达洗涤冷却室的液面后向上折返，与未激冷的大部分合成气混合使合成气初步降温后进入废锅，所有合成气经过废锅继续降温回收热量后进一步被合成气激冷环冷却，然后由下降管进入洗涤冷却室，合成气经初步洗涤后由洗涤冷却室上部的合成气出口排出，激冷后的固体灰渣经洗涤冷却室底部的水浴后由洗涤冷却室底部的排渣口排出。
优选地，所述含碳燃料为固体粉末状或液体浆态状，所述气化剂为氧气或富氧空气或氧气与富氧空气中的任一种与过热蒸汽的混合物。
优选地，从气化室导出的合成气的温度为1200～1600℃；所述合成气进入废锅前的温度为900～1100℃，所述合成气经过废锅冷却后的温度为500～700℃；从洗涤冷却室的合成气出口排出的合成气的温度为150～250℃。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的废锅激冷一体式水冷壁气化炉适用于以含碳燃料为原料的合成气制备工艺，水冷壁及废锅可以副产高压蒸汽，经激冷后的合成气水气比接近CO变换对水气比的要求。该气化炉回收了高温合成气大部分热能、能源利用率高，适用于现代煤化工工艺和IGCC发电系统。
(2)本发明提供的废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其排渣管可以实现合成气与融渣的分离，避免废锅结渣，同时一定程度上降低入废锅的合成气温度，大幅度地提升了废锅的可靠性。
附图说明
图1为实施例1提供的废锅激冷一体式水冷壁气化炉结构示意图；
图2为废锅俯视图；
附图标记说明：
1-金属承压壳体，2-气化室，3-废锅外部水冷壁，4-排渣管，5-废锅，6-洗涤冷却室，21-顶部烧嘴，22-侧面烧嘴，23-气化室水冷壁进水口，24-气化室水冷壁下部联箱，25-气化室水冷壁上部联箱，26-气化室水冷壁出水口，31-废锅外部水冷壁进水口，32-废锅外部水冷壁联箱，33-废锅外部水冷壁出水口，41-排渣管激冷水进口，42-排渣管激冷水联箱，43-排渣管水冷壁弯头，44-渣激冷环，51-废锅进水口，52-废锅下部联箱，53-废锅上部联箱，54-废锅出水口，61-下降管，62-合成气激冷水进口，63-合成气激冷环，64-合成气出口，65-黑水出口，66-渣出口，67-限位条。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
图1为本实施例提供的废锅激冷一体式水冷壁气化炉结构示意图，所述的废锅激冷一体式水冷壁气化炉包括金属承压壳体1及其内部设置的气化室2、排渣管4、废锅5和洗涤冷却室6，金属承压壳体1、气化室2、排渣管4、废锅5及洗涤冷却室6同轴设置。
气化室2为水冷壁结构，水冷壁单独设置，通过其进水管及气化室水冷壁下部联箱24固定在金属承压壳体1内部，气化室2高温操作时可向上自由膨胀。
气化室2的顶部设置一个顶部烧嘴21和/或气化室2筒体侧壁上同一水平面设置多个侧面烧嘴22，气化室水冷壁进水口23通过水管与气化室水冷壁下部联箱24连接，气化室水冷壁上部联箱25通过水管与气化室水冷壁出水口26连接。
气化室2底部与废锅外部水冷壁3顶部连接，该连接体与金属承压壳体1之间形成腔体，腔体的金属承压壳体1内侧敷设有绝热材料，气化炉操作时在该腔体内充满与气化室2操作压力相当的惰性气体。为平衡气化室2与腔体之间的压力，在腔体与气化室2及废锅5内部设置平衡孔，位置在废锅外部水冷壁3与气化室2连接处。
废锅5及废锅外部水冷壁3通过废锅上部联箱53固定，废锅5高温操作时可向下自由膨胀。废锅进水口51通过水管连接废锅下部联箱52，废锅上部联箱53通过水管连接废锅出水口54。废锅外部水冷壁进水口31通过水管连接废锅外部水冷壁联箱32，废锅外部水冷壁出水口33也连接废锅外部水冷壁联箱32。
排渣管4由下部的排渣管激冷水进口41及排渣管激冷水联箱42支撑，排渣管4上部设于废锅5内且径向通过废锅5固定，排渣管4高温操作时可向上自由膨胀。
排渣管4为水冷壁结构，且水冷壁外表面附属隔热材料；所述的隔热材料为碳化硅或陶瓷纤维；所述的水冷壁结构为列管式水冷壁，并且所有列管上部向内部弯曲，形成排渣管水冷壁弯头43，弯曲半径大于等于单根列管的直径。渣激冷环44与列管上部末端连通。排渣管激冷水进口41连接排渣管激冷水联箱42。
排渣管4的内径大于气化室2的排渣口27外径，使合成气通过排渣管4与气化室的排渣口27之间的环隙时具有约10m/s的流速。排渣管4上部最高点高于等于气化室2的排渣口27的最低点，保证融渣不会被合成气带入废锅5。排渣管4向下延伸至洗涤冷却室6底部，使排渣管4插入洗涤冷却室6液面的深度大于下降管61插入洗涤冷却室6液面的深度，从而使进入排渣管4的合成气在到达液面后向上折返从而进入废锅5。
排渣管4的中上部设置渣激冷环44，渣激冷环44与排渣管4水冷壁连通，激冷水从排渣管4下部的排渣管激冷水进口41进入，经排渣管激冷水联箱42、排渣管4水冷壁、最后从渣激冷环44流出。渣激冷环44低于等于气化室2的排渣口27的最低点，设置渣激冷环44可在排渣管4内避免形成水膜，从而保护排渣管4，同时使熔渣激冷破碎成玻璃渣，渣激冷环44还能部分激冷进入排渣管4的合成气，当部分被激冷的合成气折返进入废锅5与未激冷的合成气混合时，可降低合成气的整体温度，从而降低废锅5上部的操作环境恶劣程度，提升废锅5的可靠性。
洗涤冷却室6连接在废锅5下部，洗涤冷却室6上部设置有合成气激冷环63且内部设置有下降管61，下降管61与合成气激冷环63连接，且下降管61的最低点必须高于排渣管4的最低点，避免合成气直接通过排渣管4排出气化炉，从而造成废锅5被旁路。
洗涤冷却室6包括下降管61，下降管61与合成气激冷环63一体化设置，通过进水管道柔性支撑，与废锅外部水冷壁3底部连接，高温操作时可向下自由膨胀。为防止下降管61径向震动，在下降管61中下部设置限位条67。洗涤冷却室6上部设有合成气出口64、底部设有排渣口66。洗涤冷却室6上部还设有合成气激冷水进口62、底部还设有黑水出口65。
气化室2的内径为1.8～3.8m。气化室2的高径比h0/D0为2.5～4.5，较佳地为2.8～3.8。
排渣管4为列管水冷壁结构，且外表面附属隔热材料渣激冷环44与列管水冷壁上部末端连通。排渣管4的内径D1为气化室2的排渣口27外径d的1.2～1.8倍，较佳地为1.5～1.6倍；气化室2的排渣口27外径d为气化室2内径的0.25～0.5倍。
排渣管4与气化室2的排渣口27高度差h1为0～2m，较佳地为0.1～0.8m。渣激冷环44与气化室2的排渣口27高度差h2为0～3m，较佳地为0.2～1.2m。
废锅5为盘管式水冷壁结构，由1～4根无缝钢管盘旋组成圆筒状，单个圆筒为一圈，布置3～7圈盘管水冷壁，废锅外部水冷壁3为列管式水冷壁。
下降管61与排渣管4的高度差h3为1～5m，较佳地为2.5～4m；下降管61内径为排渣管4外径的1.1～1.5倍，较佳地为1.2～1.4倍。
气化室操作压力为0～15MPaG，较佳地为4～9MPaG。
气化炉需要配套一个或两个汽包共同工作，当配套两个汽包时，气化室与废锅分别用一个汽包。所述气化炉的气化室仅产饱和蒸汽，废锅既可产饱和蒸汽亦可产过热蒸汽。饱和蒸汽的压力或过热蒸汽的温度根据需要而定。为了避免合成气泄漏进入蒸汽系统，蒸汽系统的压力高于气化室操作压力。
实施例2
本实施例采用实施例1所示的废锅激冷一体式水冷壁气化炉进行干煤粉气化处理，其日处理量为日处理煤3000吨级，具体对气化炉的参数设计如下：
气化室2部分外部的金属承压壳体1的内径4.75m，废锅5与洗涤冷却室6部分外部的金属承压壳体1的内径4.75m，气化室2的内径为3.1m，排渣管4内径为1.9m，气化室2直筒段高度为8.7m，废锅5直段高度为10.0m，气化炉总高度为38m。
具体气化方法如下：
干煤粉、氧气与过热蒸汽的混合物经喷嘴进入气化炉，在气化室2内进行部分氧化反应，气化压力4.0MPaG，气化温度为1460℃，有效气CO+H2产量为230000Nm3/h。干煤粉采用CO2输送，气化室与承压壳体之间的腔体内充入约200℃的CO2气体。
气化室及废锅的水冷壁共用一个汽包，汽包的压力为5.5MPaG，对应的饱和温度为271℃。气化室的水冷壁及废锅的水冷壁进水来自汽包，即温度为271℃的饱和水，在气化室水冷壁及废锅水冷壁内吸收热量后变成汽水混合物返回汽包，在汽包内经过水汽分离后，饱和蒸汽从汽包上部引出去用户，饱和水从汽包下部引出经过强制循环泵增压后重新返回水冷壁。在强制循环泵事故状态时，水冷壁的设计能够实现自然循环。汽包的液位由锅炉给水来维持，锅炉给水温度为200℃，压力6.0MPaG。汽包产出的饱和蒸汽温度为271℃、压力为5.5MPaG、产量为156t/h。
气化产生的约1460℃高温合成气与灰渣进入排渣管4，由于排渣管插入洗涤冷却室液面内的深度大于下降管插入洗涤冷却室液面内的深度，因此合成气无法通过排渣管进入洗涤冷却室，大部分合成气从下降管上部折返进入废锅，在废锅中回收大部分热量后进入下降管，由下降管进入洗涤冷却室洗涤后从洗涤冷却室上部的合成气出口排出气化炉。融渣则被渣激冷环激冷后依靠重力落入洗涤冷却室底部，从底部的排渣口排出气化炉。仍有少部分合成气到达液面后再往上折返，这部分合成气随着渣一起被激冷，温度为200～250℃，往上折返后与未被激冷的大部分合成气混合，使进入废锅的合成气温度降低到900～1100℃左右，合成气中夹带的熔融飞灰被固化，避免了熔融飞灰带入废锅造成结渣。
经废锅冷却后进洗涤冷却室的合成气温度为500～700℃，合成气出洗涤冷却室的温度150～250℃。合成气经过洗涤后进入变换工段，进变换工段的粗合成气中水气比为0.6～0.8，接近CO变换的工艺要求。
本实施例的总体气化性能测试结果具体如下：
气化反应温度：1460℃
废锅出口合成气温度：650℃
出口合成气水气比：0.78
副产蒸汽：156t/h
比氧耗：303Nm3O2/1000Nm3(CO+H2)
比煤耗：545kg煤(干基)/1000Nm3(CO+H2)
有效气成分(CO+H2)：95％(干基)
冷煤气效率：82.5％
气化炉热效率：92.8％
可见，本发明的工艺采用废锅和激冷联合流程，即出气化炉的高温煤气经废锅冷却到600℃左右，然后用水激冷到所需要的温度，回收了高温煤气中的大部分显热。相比单纯激冷型气化炉，本发明提供的气化炉及气化方法提升了约10％的能源利用效率，使气化工艺的节能降耗优势更加明显。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：包括金属承压壳体(1)及其内部同轴设置的气化室(2)、排渣管(4)、废锅(5)和洗涤冷却室(6)；气化室(2)设于废锅(5)上方，且气化室(2)的底部与废锅(5)外部设置的废锅外部水冷壁(3)的顶部连接；
排渣管(4)设于废锅(5)内部，排渣管(4)的内径大于气化室(2)的排渣口(27)外径且排渣管(4)上部最高点高于等于气化室(2)的排渣口(27)的最低点，排渣管(4)的中上部设置渣激冷环(44)且所述渣激冷环(44)低于等于气化室(2)的排渣口(27)的最低点；
洗涤冷却室(6)设于废锅(5)下方，排渣管(4)向下延伸至洗涤冷却室(6)底部；洗涤冷却室(6)上部设有合成气激冷环(63)，洗涤冷却室(6)内部设有下降管(61)，所述下降管(61)顶部与所述合成气激冷环(63)连接，且所述下降管(61)的最低点高于所述排渣管(4)的最低点；洗涤冷却室(6)上部设有合成气出口(64)、底部设有排渣口(66)。
2.如权利要求1所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：所述气化室(2)为水冷壁结构，所述气化室(2)的顶部设置一个顶部烧嘴(21)和/或所述气化室(2)的筒体侧壁上同一水平面设置多个侧面烧嘴(22)，所述气化室(2)的高径比h0/D0为2.5～4.5。
3.如权利要求1所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：所述废锅外部水冷壁(3)为列管式水冷壁；所述废锅(5)为盘管式水冷壁结构，多圈盘管水冷壁同轴布置。
4.如权利要求1所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：所述排渣管(4)为水冷壁结构，且水冷壁外表面附属隔热材料；所述的隔热材料为碳化硅或陶瓷纤维；所述的水冷壁结构为列管式水冷壁，并且所有列管上部向内部弯曲，弯曲半径大于等于单根列管的直径，所述渣激冷环(44)与列管上部末端连通。
5.如权利要求1所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：所述排渣管(4)的内径D1为所述气化室(2)的排渣口(27)外径d的1.2～2.8倍；
所述排渣管(4)与气化室(2)的排渣口(27)高度差h1为0～2m；所述渣激冷环(44)与气化室(2)的排渣口(27)高度差h2为0～3m；
所述下降管(61)与排渣管(4)的高度差h3为1～5m，所述下降管(61)内径为排渣管(4)外径的1.1～1.5倍。
6.如权利要求1所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：所述气化室(2)、废锅外部水冷壁(3)与金属承压壳体(1)之间形成腔体，所述腔体的金属承压壳体(1)内侧敷设有绝热材料，气化炉操作时在所述腔体内充满与气化室(2)操作压力相当的惰性气体；
所述废锅外部水冷壁(3)与气化室(2)连接处设有用于平衡气化室(2)与所述腔体之间的压力的平衡孔。
7.如权利要求1或6所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化炉，其特征在于：所述气化室(2)操作压力为0～15MPaG。
8.一种废锅激冷一体式水冷壁气化方法，其特征在于：采用如权利要求1～7任一项所述的废锅激冷一体式水冷壁气化炉，步骤为：将含碳燃料和气化剂进料至气化室(2)内，气化生成的合成气和熔渣并流向下进入排渣管(4)，大部分合成气通过气化室(2)的排渣口(27)与排渣管(4)之间的环隙进入废锅(5)，融渣与少部分合成气进入排渣管(4)后被渣激冷环(44)激冷，激冷后的融渣在重力作用下落入洗涤冷却室(6)底部，激冷后的少部分合成气沿排渣管(4)往下到达洗涤冷却室(6)的液面后向上折返，与未激冷的大部分合成气混合使合成气初步降温后进入废锅(5)，所有合成气经过废锅(5)继续降温回收热量后进一步被合成气激冷环(63)冷却，然后由下降管(61)进入洗涤冷却室(6)，合成气经初步洗涤后由洗涤冷却室(6)上部的合成气出口(64)排出，激冷后的固体灰渣经洗涤冷却室(6)底部的水浴后由洗涤冷却室(6)底部的排渣口(66)排出。
9.如权利要求8所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化方法，其特征在于：所述含碳燃料为固体粉末状或液体浆态状，所述气化剂为氧气或富氧空气或氧气与富氧空气中的任一种与过热蒸汽的混合物。
10.如权利要求8所述的一种废锅激冷一体式水冷壁气化方法，其特征在于：从气化室(2)导出的合成气的温度为1200～1600℃；所述合成气进入废锅(5)前的温度为900～1100℃，所述合成气经过废锅(5)冷却后的温度为500～700℃；从洗涤冷却室(6)的合成气出口(64)排出的合成气的温度为150～250℃。
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