CN109593561A - 一种水冷壁气化炉的烘炉系统及烘炉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水冷壁气化炉的烘炉系统及烘炉方法，包括燃料加热器、烟气发生器、风机、空气预热器、气化炉和温度监测装置，将燃料通过燃料加热器后进入烟气发生器，燃料加热器提高了烘炉系统燃料适应性，既可以使用气体燃料，也可以使用液体燃料，同时，燃料流量控制系统用于燃料流量的测量和控制；空气经风机增压和空气预热器加热后进入烟气发生器，空气流量由空气流量控制系统测量和控制，根据烟气分析仪测量的烟气成分来调节燃料和空气的流量配比，根据温度监测装置测量烘炉温度来调节燃料和空气流量，实现燃料和空气流量配比准确控制，可以降低燃料的不完全燃烧热损失和排烟热损失，利用空气预热器回收利用高温烟气的热量，实现能量利用。
Description
技术领域
本发明涉及煤气化技术领域，特别涉及一种水冷壁气化炉的烘炉系统及烘炉方法。
背景技术
煤气化技术是煤炭清洁高效利用的核心技术之一，其核心设备是气化炉。根据气化炉炉膛结构和材料的不同，气化炉主要可分为耐火砖气化炉和水冷壁气化炉。与耐火砖气化炉相比，水冷壁气化炉的热效率更高、煤种适应性更广。气化炉内的煤气化反应涉及高温、高压、多相条件下复杂物理和化学过程，反应生成的煤气含有少量的硫化氢、氰化氢等腐蚀性气体，还会产生高温灰渣。为了保护水冷壁气化炉运行安全，抵御炉膛内复杂的气氛和条件，水冷壁气化炉通常在水冷壁的炉膛侧壁面上敷设以碳化硅为主要成分的耐火材料，气化炉壳体内侧壁面上也会敷设一定厚度的耐火材料。耐火材料与一定比例的结合剂和水混合搅拌，以捣打或浇筑方式敷设在相应壁面上。水冷壁气化炉烘炉是为了去除耐火材料中的游离水和结晶水，固化材料与结合剂，使得耐火材料性能达到理想状态。
现有烘炉系统在工作过程中，燃料和空气的流量配比主要基于已有经验或计算值，仅根据温度测点的温度变化来调节。这种流量配比及调节方式不够准确，也无法及时响应燃料组分变化。烘炉系统产生的热烟气在烘炉后直接排至大气，造成了大量热损失和环境的热污染，当燃料燃烧不充分时，烟气中含有的一氧化碳还会引起环境污染和安全问题。
发明内容
针对现有烘炉系统存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种水冷壁气化炉的烘炉系统及烘炉方法，实现水冷壁气化炉烘炉过程的燃料和空气的流量配比准确控制和调节，以及能量充分利用和环境污染有效控制。
为解决上述问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种水冷壁气化炉的烘炉系统，包括燃料加热器、烟气发生器、风机、空气预热器、气化炉和温度监测装置，所述燃料加热器的燃料出口与烟气发生器的燃料入口连接，且燃料加热器的燃料出口与烟气发生器的燃料入口之间设置有燃料流量控制系统；所述风机的出口与空气预热器的空气入口连接，空气预热器的空气出口与烟气发生器的空气入口连接，且空气预热器的空气出口与烟气发生器的空气入口之间设置有空气流量控制系统；所述烟气发生器的烟气出口与气化炉的烟气入口连接，所述气化炉的烟气出口与空气预热器的烟气入口连接，气化炉上设置有温度监测装置。
进一步地，所述燃料流量控制系统包括燃料流量测量仪表、燃料流量控制器和燃料调节阀，所述燃料调节阀用于调节燃料加热器出口的燃料流量，所述燃料流量测量仪表用于采集燃料加热器出口的燃料流量值，所述燃料流量控制器用于接收燃料流量值，并将燃料流量值与预设的燃料流量给定值进行比较，根据比较结果控制燃料调节阀的开度。
进一步地，所述空气流量控制系统包括空气流量测量仪表、空气流量控制器和风机变频器，所述空气流量测量仪表用于采集空气预热器的空气出口的空气流量值，所述空气流量控制器用于接收空气流量值，并将空气流量值与预设的空气流量给定值进行比较，将比较结果输出给风机变频器，所述风机变频器根据比较结果调节风机的转速。
进一步地，还包括气液分离器，所述气液分离器与空气预热器的烟气出口连接。
进一步地，所述气液分离器与空气预热器的烟气出口之间设置有烟气分析仪。
进一步地，所述温度监测装置包括若干个测温热电偶，温度测量范围为0℃～1200℃。
一种水冷壁气化炉的烘炉系统的烘炉方法，向燃料加热器的燃料入口通入燃料，被加热的燃料通过燃料流量控制系统测量和控制后，送至烟气发生器内；同时，风机的入口连接大气，空气经过风机增压和空气预热器加热后，通过空气流量控制系统测量和控制后，送至烟气发生器内；燃料和空气在烟气发生器内燃烧产生高温烟气，高温烟气进入气化炉进行烘炉，同时，温度监测装置对气化炉烘炉温度进行实时监测，气化炉出口的高温烟气通过空气预热器将热量传递给空气后，再进入气液分离器进行气液分离，烟气分析仪对空气预热器烟气出口的烟气成分含量进行测量，根据测量的烟气成分含量来调整燃料和空气的流量配比。
进一步地，预先设定燃料流量控制器的燃料流量给定值和燃料调节阀开度，燃料流量控制器根据燃料流量测量值与燃料流量给定值的偏差进行控制，当燃料流量测量值大于燃料流量给定值时，燃料流量控制器控制燃料调节阀开度减小，直到燃料流量测量值等于燃料流量给定值时，燃料调节阀开度维持不变；当燃料流量测量值小于燃料流量给定值时，燃料流量控制器控制燃料调节阀开度增大，直到燃料流量测量值等于燃料流量给定值时，燃料调节阀开度维持不变；
预先设定空气流量控制器的空气流量给定值和风机转速，空气流量控制器根据空气流量测量值与空气流量给定值的偏差进行控制，当空气流量测量值大于空气流量给定值时，风机变频器控制风机转速降低，直到空气流量测量值等于空气流量给定值时，风机转速维持不变；当空气流量测量值小于空气流量给定值时，风机变频器控制风机转速增加，直到空气流量测量值等于空气流量给定值时，风机转速维持不变；
烟气分析仪测量烟气中一氧化碳和氧气的含量，当烟气中含有一氧化碳时，通过空气流量控制系统增加风机转速，直到烟气中没有一氧化碳时，风机转速维持不变；当烟气中的氧气含量高于6％时，通过空气流量控制系统降低风机转速，直到氧气含量不高于6％时，风机转速维持不变。
进一步地，所述燃料为气体燃料或液体燃料。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明的燃料加热器的燃料出口与烟气发生器的燃料入口连接，且燃料加热器的燃料出口与烟气发生器的燃料入口之间设置有燃料流量控制系统；风机的出口与空气预热器的空气入口连接，空气预热器的空气出口与烟气发生器的空气入口连接，且空气预热器的空气出口与烟气发生器的空气入口之间设置有空气流量控制系统；烟气发生器的烟气出口与气化炉的烟气入口连接，气化炉上设置有温度监测装置。通过本发明的烘炉系统，将燃料通过燃料加热器后进入烟气发生器，燃料加热器提高了烘炉系统的燃料适应性，既可以使用天然气或焦炉气等气体燃料，也可以使用液化石油气或丙烷等液体燃料，同时，燃料流量控制系统用于燃料流量的测量和控制；空气进入烟气发生器，空气的流量由空气流量控制系统测量和控制，根据测量的烟气成分含量来调整燃料和空气的流量配比，根据测量的烘炉温度来调整燃料和空气的流量，进而实现燃料和空气的流量及其配比的准确控制，确保燃料充分燃烧，降低燃料的不完全燃烧热损失。将空气预热器的空气入口与风机的出口连接，空气预热器的空气出口与烟气发生器的空气入口连接；空气预热器的烟气入口与气化炉的烟气出口连接，高温烟气经过空气预热器给空气加热。通过这样的系统设计，空气经风机增压和空气预热器加热后送至烟气发生器入口，空气的流量由空气流量控制系统测量和控制；空气预热器利用高温烟气的余热来加热空气，可以降低烟气的排烟温度和排烟热损失，同时可以改善燃料的着火和燃烧条件，降低燃料消耗量。
进一步地，燃料流量控制系统包括燃料流量测量仪表、燃料流量控制器和燃料调节阀，所述燃料调节阀用于调节燃料加热器出口的燃料流量，所述燃料流量测量仪表用于采集燃料加热器出口的燃料流量值，所述燃料流量控制器用于接收燃料流量值，并将燃料流量值与预设的燃料流量给定值进行比较，根据比较结果控制燃料调节阀的开度。根据经验或计算值预先设定燃料流量控制器燃料流量给定值和燃料调节阀开度，燃料流量控制器根据燃料流量测量值与给定值的偏差进行控制，实现燃料调节阀开度的自动调节，确保燃料流量准确。
进一步地，空气流量控制系统包括空气流量测量仪表、空气流量控制器和风机变频器，所述空气流量测量仪表用于采集空气预热器的空气出口的空气流量值，所述空气流量控制器用于接收空气流量值，并将空气流量值与预设的空气流量给定值进行比较，将比较结果输出给风机变频器，所述风机变频器根据比较结果调节风机的转速。根据燃料流量给定值和燃料与空气流量配比的经验或计算值预先设定空气流量控制器空气流量给定值和风机转速，空气流量控制器根据空气流量测量值与给定值的偏差进行控制，通过空气流量控制器和风机变频器实现风机转速的自动调节，确保空气流量准确和风机节能运行。
进一步地，在气液分离器与空气预热器的烟气出口之间设置有烟气分析仪测量烟气中一氧化碳和氧气含量，这是燃料和空气的流量配比调节的重要依据。当烟气中含有一氧化碳时，说明空气流量不足，系统的不完全燃烧热损失增加，那么可以提高空气流量给定值来减小燃料和空气的流量配比，通过空气流量控制系统自动增加风机转速提高空气流量；当烟气中的氧气含量高于6％时，说明过量空气系数偏大，系统的排烟热损失增加，那么可以降低空气流量给定值来增大燃料和空气的流量配比，通过空气流量控制系统自动降低风机转速来减小空气流量，实现燃料和空气的流量准确配比以及能量有效利用。
进一步地，温度监测装置用于烘炉温度的测量，包括若干个测温热电偶，可以根据烘炉温度测量需要布置在气化炉内部及其烟气出入口的任一位置或预埋在气化炉耐火材料里，热电偶温度测量范围为0℃～1200℃，有利于全面测量和记录烘炉温度。烘炉系统根据烘炉温度的测量值与烘炉曲线的目标温度的偏差，在保持燃料和空气的流量给定值配比不变条件下，通过燃料流量控制系统自动调节燃料流量，通过空气流量控制系统自动调节空气流量，实现烘炉温度的准确控制。
进一步地，将气液分离器与空气预热器的烟气出口连接，将空气预热器后的烟气经过气液分离器排出。烟气通过空气预热器冷却后可能会有冷凝水凝结析出，气液分离器实现烟气和冷凝水的分离，防止烟气的带水排放，也有利于对冷凝水的收集。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的气化炉烘炉系统示意图。
图中：1-燃料加热器，2-燃料流量控制系统，3-烟气发生器，4-风机，5-空气预热器，6-空气流量控制系统，7-气化炉，8-温度监测装置，9-气液分离器，10-烟气分析仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明包括燃料加热器1、燃料流量控制系统2、烟气发生器3、风机4、空气预热5、空气流量控制系统6、气化炉7、温度监测装置8、气液分离器9、烟气分析仪10，燃料加热器1的燃料出口与烟气发生器3的燃料入口通过管线连接，且在燃料加热器1的燃料出口与烟气发生器3的燃料入口之间的管线上设置有燃料流量控制系统2；燃料流量控制系统2包括燃料流量测量仪表、燃料流量控制器和燃料调节阀，根据经验或计算值，预先设定燃料流量控制器给定值和燃料调节阀开度，燃料流量测量仪表用于采集燃料加热器1出口的燃料流量值，燃料流量控制器用于接收燃料流量值，并将燃料流量值与预设的燃料流量给定值进行比较，根据比较结果控制燃料调节阀的开度，燃料调节阀用于调节燃料加热器1出口的燃料流量。具体的，当燃料流量值大于燃料流量给定值时，燃料流量控制器控制燃料调节阀减小开度，直到燃料流量测量值等于燃料流量给定值时，燃料调节阀开度维持不变；当燃料流量值小于燃料流量给定值时，燃料流量控制器控制燃料调节阀增大开度，直到燃料流量测量值等于燃料流量给定值时，燃料调节阀开度维持不变。
风机4的出口与空气预热器5的空气入口通过管线连接，空气预热器5的空气出口与烟气发生器3的空气入口通过管线连接，并且在空气预热器5的空气出口与烟气发生器3的空气入口之间的管线上设置有空气流量控制系统6；空气流量控制系统6包括空气流量测量仪表、空气流量控制器和风机变频器，根据燃料流量给定值和燃料与空气流量配比的经验或计算值，预先设定空气流量控制器给定值和风机4的转速，空气流量测量仪表用于采集空气预热器5的空气出口的空气流量值，空气流量控制器用于接收空气流量值，并将空气流量值与预设的空气流量给定值进行比较，将比较结果输出给风机变频器，风机变频器根据比较结果调节风机5的转速；具体的，当空气流量值大于空气流量给定值时，风机变频器控制风机降低转速，直到空气流量测量值等于空气流量给定值时，风机4转速维持不变；当空气流量值小于空气流量给定值时，风机变频器控制风机增加转速，直到空气流量测量值等于空气流量给定值时，风机4转速维持不变。
烟气发生器3的烟气出口与气化炉7的烟气入口通过管线连接，在气化炉7上设置有用于监测气化炉烘炉温度的温度监测装置8，温度监测装置8包括多个测温热电偶，可以根据烘炉测温需要布置在气化炉内部及其烟气出入口的任一位置或预埋在气化炉耐火材料里，热电偶温度测量范围为0℃～1200℃，有利于全面测量和记录烘炉温度；气化炉7的烟气出口与空气预热器5的烟气入口通过管线连接，高温烟气通过空气预热器5将热量传递给空气预热器5中的空气，实现热量的交换；空气预热器5的烟气出口与气液分离器9通过管线连接，气液分离器9实现烟气和冷凝水的分离，防止烟气的带水排放，也有利于对冷凝水的收集。
作为本发明的某一优选实施例，在气液分离器9与空气预热器5的烟气出口之间的管线上设置有烟气分析仪10，烟气分析仪10用于测量空气预热器后的烟气中一氧化碳和氧气含量，这是燃料和空气的流量配比调节的重要依据。当烟气中含有一氧化碳时，说明空气流量不足，系统的不完全燃烧热损失增加，那么可以提高空气流量给定值来减小燃料和空气的流量配比，通过空气流量控制系统自动增加风机转速提高空气流量，降低烟气中的一氧化碳含量，直到烟气中没有一氧化碳时，风机4转速维持不变；当烟气中的氧气含量高于6％时，说明过量空气系数偏大，系统的排烟热损失增加，那么可以降低空气流量给定值来增大燃料和空气的流量配比，通过空气流量控制系统自动降低风机转速来减小空气流量，直到氧气含量不高于6％时，风机4转速维持不变，实现燃料和空气的流量准确配比以及能量有效利用。
本发明中，燃料加热器1可以为电加热器、热水加热器或蒸汽加热器；风机4为变频风机，可以为离心式鼓风机、罗茨鼓风机、离心式压缩机或轴流式压缩机；空气预热器5可以为管式空气预热器、板式空气预热器或回转式空气预热器；气液分离器9可以为重力沉降式气液分离器、折流分离式气液分离器、离心式气液分离器或丝网气液分离器；烟气分析仪10可以为在线直接测量的烟气分析仪或抽气采样的烟气分析仪。
本发明的烘炉系统工作过程如下：燃料通过燃料加热器1加热，经过燃料流量控制系统2测量和控制后，再送至烟气发生器3的燃料入口；同时，空气通过风机4增压和空气预热器5加热，经过空气流量控制系统6测量和控制后，送至烟气发生器3的空气入口。按照一定流量配比的预热的燃料和空气在烟气发生器3内完全燃烧产生高温烟气，烟气发生器3出口的高温烟气经过烟气管线进入气化炉7进行烘炉，烘炉过程和烘炉温度严格按照预先制定的烘炉曲线进行，烘炉温度由温度监测装置8实时测量和记录。气化炉7出口的高温烟气通过空气预热器5将热量传递给空气，空气预热器5出口的烟气经烟气管线进入气液分离器9进行气液分离，该段烟气管线上设置有烟气分析仪10对空气预热器5烟气出口的烟气成分含量进行测量。在烟气冷却降温过程中可能会有冷凝水凝结析出，烟气在气液分离器9内气液分离后排至大气，冷凝水从气液分离器9底部收集。烘炉系统的高温设备和管线采用保温材料进行保温。根据耐火材料的不同，烘炉系统工作时间有所区别，以碳化硅为主要成分的耐火材料，其烘炉时间通常在60～80小时以上。
关于与温度监测装置8相关的控制，具体为，烘炉过程根据烘炉温度测量值与烘炉曲线目标温度的偏差进行控制，在保持燃料和空气的流量给定值配比不变条件下，通过燃料流量控制系统自动调节来增大或降低燃料流量，相应地，通过空气流量控制系统自动调节来增大或降低空气流量，实现烘炉温度的准确控制。
以天然气作为燃料为例，当过量空气系数取1.05时，对烘炉系统的节能效果进行计算。假定烘炉曲线的最高温度为450℃，且烘炉系统的烟气排烟温度是130℃，在忽略系统热损失的情况下，本发明的烘炉系统至少可以节约天然气用量10％～15％。可以看出，本发明的烘炉系统节能效果明显。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，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所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种水冷壁气化炉的烘炉系统，其特征在于：包括燃料加热器(1)、烟气发生器(3)、风机(4)、空气预热器(5)、气化炉(7)和温度监测装置(8)，所述燃料加热器(1)的燃料出口与烟气发生器(3)的燃料入口连接，且燃料加热器(1)的燃料出口与烟气发生器(3)的燃料入口之间设置有燃料流量控制系统(2)；所述风机(4)的出口与空气预热器(5)的空气入口连接，空气预热器(5)的空气出口与烟气发生器(3)的空气入口连接，且空气预热器(5)的空气出口与烟气发生器(3)的空气入口之间设置有空气流量控制系统(6)；所述烟气发生器(3)的烟气出口与气化炉(7)的烟气入口连接，所述气化炉(7)的烟气出口与空气预热器(5)的烟气入口连接，气化炉(7)上设置有温度监测装置(8)。
2.根据权利要求1所述的一种水冷壁气化炉的烘炉系统，其特征在于：所述燃料流量控制系统(2)包括燃料流量测量仪表、燃料流量控制器和燃料调节阀，所述燃料调节阀用于调节燃料加热器(1)出口的燃料流量，所述燃料流量测量仪表用于采集燃料加热器(1)出口的燃料流量值，所述燃料流量控制器用于接收燃料流量值，并将燃料流量值与预设的燃料流量给定值进行比较，根据比较结果控制燃料调节阀的开度。
3.根据权利要求1所述的一种水冷壁气化炉的烘炉系统，其特征在于：所述空气流量控制系统(6)包括空气流量测量仪表、空气流量控制器和风机变频器，所述空气流量测量仪表用于采集空气预热器(5)的空气出口的空气流量值，所述空气流量控制器用于接收空气流量值，并将空气流量值与预设的空气流量给定值进行比较，将比较结果输出给风机变频器，所述风机变频器根据比较结果调节风机(4)的转速。
4.根据权利要求1所述的一种水冷壁气化炉的烘炉系统，其特征在于：还包括气液分离器(9)，所述气液分离器(9)与空气预热器(5)的烟气出口连接。
5.根据权利要求4所述的一种水冷壁气化炉的烘炉系统，其特征在于：所述气液分离器(9)与空气预热器(5)的烟气出口之间设置有烟气分析仪(10)。
6.根据权利要求1所述的一种水冷壁气化炉的烘炉系统，其特征在于：所述温度监测装置(8)包括若干个测温热电偶，温度测量范围为0℃～1200℃。
7.根据权利要求1～6任一项所述的烘炉系统的烘炉方法，其特征在于：向燃料加热器(1)的燃料入口通入燃料，被加热的燃料通过燃料流量控制系统(2)测量和控制后，送至烟气发生器(3)内；同时，风机(4)的入口连接大气，空气经过风机(4)增压和空气预热器(5)加热后，通过空气流量控制系统(6)测量和控制后，送至烟气发生器(3)内；燃料和空气在烟气发生器(3)内燃烧产生高温烟气，高温烟气进入气化炉(7)进行烘炉，同时，温度监测装置(8)对气化炉(7)烘炉温度进行实时监测，气化炉(7)出口的高温烟气通过空气预热器(5)将热量传递给空气后，再进入气液分离器(9)进行气液分离，烟气分析仪(10)对空气预热器(5)烟气出口的烟气成分含量进行测量，根据测量的烟气成分含量来调整燃料和空气的流量配比。
8.根据权利要求7所述的烘炉方法，其特征在于：预先设定燃料流量控制器的燃料流量给定值和燃料调节阀开度，燃料流量控制器根据燃料流量测量值与燃料流量给定值的偏差进行控制，当燃料流量测量值大于燃料流量给定值时，燃料流量控制器控制燃料调节阀开度减小，直到燃料流量测量值等于燃料流量给定值时，燃料调节阀开度维持不变；当燃料流量测量值小于燃料流量给定值时，燃料流量控制器控制燃料调节阀开度增大，直到燃料流量测量值等于燃料流量给定值时，燃料调节阀开度维持不变；
预先设定空气流量控制器的空气流量给定值和风机转速，空气流量控制器根据空气流量测量值与空气流量给定值的偏差进行控制，当空气流量测量值大于空气流量给定值时，风机变频器控制风机(4)转速降低，直到空气流量测量值等于空气流量给定值时，风机(4)转速维持不变；当空气流量测量值小于空气流量给定值时，风机变频器控制风机(4)转速增加，直到空气流量测量值等于空气流量给定值时，风机(4)转速维持不变；
烟气分析仪(10)测量烟气中一氧化碳和氧气的含量，当烟气中含有一氧化碳时，通过空气流量控制系统增加风机(4)转速，直到烟气中没有一氧化碳时，风机(4)转速维持不变；当烟气中的氧气含量高于6％时，通过空气流量控制系统降低风机(4)转速，直到氧气含量不高于6％时，风机(4)转速维持不变。
9.根据权利要求7所述的烘炉方法，其特征在于：所述燃料为气体燃料或液体燃料。
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