CN109642170A - 具有可变管直径的用于高气化炉功率的冷却罩 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气流床气化炉，用于在环境压力至8MPa之间的压力以及1200℃至1900℃的气化温度下，使用含有游离氧的气化剂来气化粉尘状或液态的燃料，该气流床气化炉在中央的柱形冷却罩部分中的冷却管具有比在下部和上部的锥形部分中的冷却管更小的壁厚。本发明提供：冷却罩设计，具有在冷却罩上的高压差下足够的强度；管壁厚度，确保冷却罩的安全操作和高传热；以及在所有操作条件下冷却罩间隙和反应室之间的压力平衡。

Description

具有可变管直径的用于高气化炉功率的冷却罩

技术领域

本发明涉及一种用于在1200℃至1900℃的温度和在环境压力至10MPa(100巴)之间的压力下、使固体和液体燃料气化的气流床气化炉，其中固体燃料可以是不同等级并且被研磨成细粉状的煤、石油焦或其他含碳固体材料，并且液体燃料可以是油-固体悬浮液或水-固体悬浮液，该气流床气化炉使用含游离氧的氧化剂，其中布置在压力壳15中的冷却罩8限定反应室9。

背景技术

在气流床气化炉中，热负荷高的反应室9由冷却管结构形成。这样的结构(所谓的冷却罩8)作为一个整体而仅在有限的程度上是压力稳定的，其中管本身被构造成耐压的。冷却罩8位于压力容器15中。出于压力容器的热稳定性的原因，压力容器和冷却罩之间需要一定的距离。由此产生的后排空间10(也称为冷却罩间隙)用惰性气体冲洗，并且相对于反应室具有压力平衡，因此在正常操作中，在反应室中和在后排空间中存在相同的压力。

由于压力变化部分地表示为高动态过程，因此必须确保在每个操作状态下可以实现压力平衡，并且通过流入反应室的流动，限制气体和灰尘渗透到冷却罩间隙10中。附加地，冷却罩作为整体必须对其壁上的压力差具有一定的最小阻力。这样的对压力差的最小阻力随着冷却罩直径和冷却罩高度的增加而降低，使得随着气化炉功率的增加，问题变得更严重。此外，冷却罩暴露于高热负荷，并且为了避免损坏，需要从反应室到冷却水的良好热传递。这个要求可以通过小的管壁厚度来实现，而这又削减了冷却罩的耐压差性。

已有的技术提出了500MW的气化炉值，例如在DE 197 181 31 A1中所述。在其中描述的方案中，在压力容器内具有由以气密方式焊接的冷却管组成的冷却罩。该冷却罩支撑在中间基座上，并且可以自由地向上延展。这确保了在出现由于启动和关闭过程导致的不同温度并由不同温度导致的长度变化时，不会发生可能导致损坏的机械应力。为了实现这一点，在冷却罩的上端没有固定连接，而是具有冷却罩套环与燃烧器支架凸缘之间的环形间隙，该环形间隙确保自由移动性，并且填充有弹性的耐热纤维垫。这些垫子没有配置成气密的，因此允许干燥、无冷凝物和无氧气体在冷却罩间隙后面流动。通过冲洗旨在防止热气化气体在压力波动时流回冷却罩间隙。这种结构的缺点在于，这些垫仅以形状配合的方式定位在环形间隙中，并且可能在较高压差下被压出引导件。因此，这些垫不再能够执行限制从反应室到后排空间的灰尘传递的功能，这最终导致尽管进行反向冲洗，反应气体和灰尘仍会进入冷却罩间隙10。一方面，灰尘和气化气体转移到后排空间，导致冷却罩的后侧或压力壳的后侧发生腐蚀，这可能导致长期破坏，另一方面，在关闭气化炉之后，灰尘进入冷却罩间隙10也导致在反应室和气体引导的下游系统内的CO浓度增加。因此，出于安全原因，检查和可能的修理被大大延迟。

备选地，如DE10 2007 045 321和DE10 2009 005 856中所述，间隙可以通过波纹管补偿器被封闭。在这种实施方式中，冲洗气体通过连接到组合燃烧器的附加压力平衡管而从冷却罩间隙10引导到反应室中，从而确保冷却罩间隙和反应室之间的必要压力平衡。该解决方案的缺点是，具有较大直径的补偿器具有高价格，以及压力平衡管需要额外的管道支出。

为了在高气化温度下保护冷却罩并限制热负荷，DE 197 181 31中描述的冷却罩方案需要在冷却罩上由液体和固体炉渣构成的足够的层。在实践中已经发现，该炉渣层可以根据所用的煤或煤灰而形成不同的厚度。结果，向冷却罩中输入并需从中导出的热量总量可能大大增加，并且导致壁温高于允许的材料值以及导致相对多的热磨损。

为了避免在这些情况下损坏冷却罩，需要较小的管壁厚度，但另一方面，这将导致在冷却罩壁上仅允许较小的压力差。随着气化炉功率的增加，允许的压力差进一步降低，这是因为反应室直径和与之相关的冷却罩面积将增加，并且造成较低的强度值。通过较大的管壁厚度能够减少热传递并减少可导出的热量，但是这抵消了较低壁厚的目标。管壁厚度增加导致管内侧和管外侧之间的温差更大，结果在管壁中引起额外的应力。两个方面(即，更大的应力和更多的热磨损)都导致冷却罩的使用时间可能更短。因此，由于改变的管壁厚度的反效果，冷却罩的应用范围和性能受限于冷却罩的强度与可导出的热量。

发明内容

基于该问题，本发明提出一种技术解决方案，以用于上述相互冲突的需求。

该问题通过具有权利要求1的特征的技术方案解决。

本发明利用了这样的发现：通过相应的燃烧器构造，可以调节温度释放，使得可以在冷却罩的锥形区域中实现较低的热负荷。

根据本发明的解决该问题的方案在于冷却罩构造，该冷却罩构造在冷却罩壁上的高压差下具有足够的强度，并且具有确保冷却罩的可靠操作和高传热的管壁厚度，此外还提供了在所有操作状态下在冷却罩间隙10和反应室9之间的压力平衡。

在从属权利要求中给出了本发明的有利改进。

附图说明

以下以易于理解的方式结合附图更详细地解释本发明的实施例。其中：

图1示出了根据本发明的8管道的冷却罩，具有在周向上均匀分布的4个支脚；

图2示出了根据本发明的构造，具有8个支承板和分布在这些支承板上的32个冲洗和压力平衡管。

在图中，相同的标记表示相同的元件。

具体实施方式

根据本发明，薄壁管5被应用在最高温度负载的区域中，即冷却罩的柱形部分，并且为了确保在冷却罩的锥形区域中(在上部和下部)的机械强度，特别是为了吸收由固有载荷和出现的压差下产生的弯矩，使用厚壁管3。

此外，这些管被选择为使得管外径在整个冷却罩高度8上保持恒定，并且管壁厚度仅在管内径上变化。在此，从较小的管内径到较大的管内径的过渡通过逐渐增加的直径增加4而构造成平滑的，从而避免产生“尾流区域”，在该尾流区域中由于不连续的流动特性而无法确保足够的冷却。保持冷却罩管的外径一致实现冷却罩的均匀构造。除了与生产相关的优点(例如自动焊接)之外，特别有利的是确保耐火材料的均匀夯实。

为了进一步提高冷却罩的机械强度，冷却罩的机械载荷通过支脚1传导到封闭的压力壳15中，从而进一步减小了整体的弯矩，并且从根本上增加了允许的压力差。然而，所提供的支脚1同时会引起局部应力峰值。出于这个原因，所描述的壁厚过渡部4尽可能地定位在支脚的干扰区域之外(即，在存在机械负载的情况下，通过支脚可能造成局部应力峰值的区域)。在保持壁厚较薄的区域5尽可能大的同时，壁厚过渡部4垂直地布置在支脚上方，并且从切向上看中间地布置在支脚1之间。

在支脚的对称数量的情况下，为了在下部的柱形区域中定位壁厚过渡部4，可以应用以下用于水平布置壁厚过渡部的公式：

其中，

γ＝支脚的中心与壁厚过渡部(7)之间的角度，

n_R＝支脚的数量，并且

其中n_R＝冷却罩管的数量。

对称构造意味着在支脚之间总是布置相同数量的壁厚过渡部，也就是说k是整数。

支脚与第一壁厚过渡部之间的垂直距离x被选择为，使得至少一个具有较大壁厚的另外的管位于连接到支脚的最上方的管与具有壁厚过渡部的管之间。在此，支脚有利地被构造为使得锥形区域中的至少三个管和柱形部分中的三个管固定地连接到每个支脚。通过将支脚附加地固定到下部锥形构造的冷却罩部分的上管，冷却罩的负载吸收可以被构造为特别有利。

在冷却罩的上部区域中，厚壁管被应用在锥形部分中，并且继续进入柱形部分，直到使得至少一个冷却罩管在柱中达到半圈。通过优化上部和下部锥形冷却罩部分以及仰角16的增加，可以进一步提高冷却罩幕强度。但是，另一方面，由于仰角的增加导致随着冷却罩间隙10的增加，在反应器9紧急减压时要导出的气体量增加。在冲洗和压力平衡管13保持相同的情况下，增加的气体量又增加了冷却罩上的压力差，并且抵消了由较大仰角产生的强度增加。因此，在有利的构造中，选择35°和60°之间的角度16。在图2的实施例中，将该角度16选择为45°。

图1表示具有八个冷却罩管(8管道的冷却罩)和均匀分布在周向上的4个支脚的实施例。垂直距离被选择为四个管直径，水平距离被选择为22.5°。

尽管所描述的有效措施用于增加冷却罩壁上的允许压差，但是在相对大的输出功率(由此相对大的体积)的气化炉中的允许压差小于在相对小的气化炉功率(例如500MW)的情况，从而需要进一步的措施，以确保安全操作而不会在冷却罩间隙中积聚煤灰或者不会导致压力容器15或冷却罩8的后侧腐蚀。结构上确保了在每个操作状态下都有足够大的流动面积以用于压力平衡，但不会允许无阻碍的灰尘和反应气体进入冷却罩的后排空间。为此目的，金属冲洗和压力平衡管12定位在冷却罩的膨胀间隙中，使得一方面不超过冷却罩壁上的允许压力差，并且在另一方面，冷却罩的垂直热膨胀仍然得到保证。为了防止灰尘传递，对于膨胀所需的间隙填充有柔性的、热稳定的陶瓷纤维垫11。对于金属管在周向上的布置，支承板13被定位在冷却罩的上端部处，其中这些支承板的数量被选择为，使得支承板的数量对应于冷却罩管的数量。金属管12均匀地分布在这些支承板上，并且冷却罩末端和压力容器之间的剩余环形空间通过纤维垫11密封，纤维垫11有利地布置在管上方。为了确保定向流动或避免回流，将干燥、无冷凝物和无氧气体作为冲洗气体经由喷嘴14以及冲洗和压力平衡管12引入到反应室9中。

图2示出了具有八个支承板和分布在这些支承板上的32个冲洗和压力平衡管的实施例。

本发明还提供了一种反应器，用于在1200℃至1900℃之间的温度和在环境压力至10MPa(100巴)之间的压力下，使夹带气流中的固体和液体的燃料气化，其中固体燃料是不同等级并被研磨成细粉状的煤、石油焦或其他含碳固体材料，并且液体燃料可以是油-固体悬浮液或水-固体悬浮液，该反应器使用含游离氧的氧化剂，其中反应器具有冷却罩8和压力壳15，其中冷却罩8在压力壳15中限定反应室9，冷却罩被构造具有多个管，这些管平行缠绕，并且冷却液流过这些管，冷却罩管具有壁厚变化，在下部和上部区域具有较厚的壁厚，并且在中央的柱形区域中具有较薄的壁厚，并且锥形冷却罩区域的仰角16具有35°到60°的角度。

出于说明的目的而基于特定实施例详细地解释了本发明。这里，各个实施例的元素也可以彼此组合。因此，本发明不限于各个实施例，而是仅由所附权利要求来限定。

附图标记列表

1 支脚

2 与支脚连接的厚壁冷却罩管

3 厚壁冷却管

4 冷却罩管的壁厚过渡部

5 薄壁冷却管

6 支脚与壁厚过渡部之间的垂直距离

7 支脚与壁厚过渡部之间的水平距离

8 冷却罩

9 反应室

10 冷却罩间隙

11 纤维垫

12 冲洗和压力平衡管

13 用于冲洗和压力平衡管的支承板

14 压力容器中的冲洗连接

15 压力容器

16 锥形冷却罩部分的仰角

17 冷却罩下端处的锥形冷却罩部分

18 柱形冷却罩部分

Claims (10)

1.一种气流床气化炉，用于在环境压力至8MPa之间的压力以及1200℃至1900℃的气化温度下，使用含有游离氧的气化剂来气化粉尘状或液体的燃料，其中

-在一个压力壳(15)中，一个反应室(9)通过一个导管与布置在该反应室下方的一个淬火室连接，

-所述反应室由一个冷却罩(8)界定，

-可布置在所述反应室的上端的一个气化燃烧器，

-冷却罩和压力壳之间的以惰性气体冲洗的冷却罩间隙(10)，

-冷却罩被构造为多个冷却罩管的缠绕，所述冷却罩管被冷却液流过，

-所述冷却罩在上端具有逐渐变细的锥形冷却罩部分，在下端具有逐渐变细的锥形冷却罩部分(17)，并且在中间具有中央的柱形冷却罩部分(18)，

其特征在于，

所述冷却罩管在下部冷却罩部分和上部冷却罩部分的区域中被构造为厚壁冷却罩管(3)，并且在中央冷却罩部分的区域中被构造为薄壁冷却罩管(5)。

2.根据权利要求1所述的气流床气化炉，

其特征在于，

所述锥形冷却罩部分的仰角具有35°至60°的角度(16)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的气流床气化炉，

其特征在于，

所述冷却罩由多个支脚(1)支撑，所述支脚(1)分别与位于下端的所述锥形冷却罩部分(17)的至少三个管圈和位于该锥形冷却罩部分上方的所述柱形冷却罩部分(18)中的三个管圈固定地连接。

4.根据前述权利要求中任一项所述的气流床气化炉，

其特征在于，

所述冷却罩管的外径是恒定的，并且从所述厚壁冷却罩管(3)到所述薄壁冷却罩管(5)的过渡部(7)被构造为所述冷却罩管的内部中的平滑部(4)。

5.根据权利要求3和4所述的气流床气化炉，

其特征在于，

从所述厚壁冷却罩管(3)到所述薄壁冷却罩管(5)的过渡部(7)在水平方向上布置在所述多个支脚(1)之间，并且至少一个厚壁冷却罩管在垂直方向上布置在所述多个支脚的上方。

6.根据前述权利要求中任一项所述的气流床气化炉，

其特征在于，

所述厚壁冷却罩管(3)继续进入所述柱形冷却罩部分，直到使得至少一个冷却罩管在所述柱形冷却罩部分中达到半圈。

7.根据前述权利要求中任一项所述的气流床气化炉，

其特征在于，

所述冷却罩被构造为多个平行缠绕的管，特别是八个平行缠绕的管。

8.根据前述权利要求中任一项所述的气流床气化炉，

其特征在于，

多个冲洗和压力平衡管(12)被布置在所述冷却罩的上端。

9.根据权利要求8所述的气流床气化炉，

其特征在于，

所述冲洗和压力平衡管(12)支承在多个支承板(13)上，剩余的间隙用多个纤维垫(11)密封。

10.根据权利要求9所述的气流床气化炉，

其特征在于，

每个支承板(13)与一个冷却罩管连接。