CN112430478B - 一种带有喷淋降温装置的u形煤气化余热锅炉及降温方法 - Google Patents

Abstract

一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉及降温方法，本发明涉及一种U形煤气化余热锅炉，本发明是要解决现有煤气化系统二次气化室内熔渣易附着在水冷壁上，形成大的渣块，渣块掉落时堵塞水平烟道，影响气化炉安全运行；同时现有煤气化系统余热换热室入口合成气温度高导致余热换热室内受热面烧损和排烟温度高的问题，气化炉体与二次气化室连通，气化炉出渣口设置在渣池内，余热换热室靠近二次气化室设置，气化炉体与二次气化室通过水平烟道连通，余热换热室内设置有对流受热面，对流受热面底部为合成气出口，对流受热面顶部设有合成气入口，喷淋系统安装在二次气化室水冷壁的外侧壁上，喷淋系统、供水系统均与控制系统连接。本发明属于锅炉领域。

Description

一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉及降温方法

技术领域

本发明涉及一种U形煤气化余热锅炉，具体涉及一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉及降温方法，属于锅炉领域。

背景技术

煤炭是世界上储量最多，分布最广的常规能源，也是重要的战略资源。在世界范围内，煤炭储量约占各种能源总储量的90％，广泛应用于钢铁、电力、化工等工业生产领域及居民生活领域。随着低碳经济发展和环境治理力度的加大，煤炭作为化石能源面临的环境压力越来越大，因此，高效、清洁的煤气化技术是我国经济和社会可持续发展必然的战略选择，是保证我国能源稳定可靠供应以及可持续发展的重要基础。

现阶段国内在运行煤气化工艺，按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有固定床气化技术、流化床气化技术、气流床气化技术及熔融床气化技术等。在采用气流床煤气化技术的基础上，哈尔滨工业大学公开的专利CN106987279A，CN107099337A所述的一种U形煤气化反应装置，通过水平烟道连接气化炉与余热锅炉，以构成U形煤气化反应区。采用U形煤气化的方式具有增大气化反应的空间，延长气化反应时间，提高反应效率的优点。但同时也存在余热换热室入口合成气温度过高的问题，将导致余热换热室内受热面烧损，熔渣易附着在二次气化室水冷壁上，渣块掉落堵塞水平烟道，最终造成煤气化设备损坏及煤气化效率低下的问题。

发明内容

本发明是要解决现有煤气化系统二次气化室内熔渣易附着在水冷壁上，形成大的渣块，渣块掉落时堵塞水平烟道，影响气化炉安全运行；同时现有煤气化系统余热换热室入口合成气温度高导致余热换热室内受热面烧损和排烟温度高的问题，进而提出一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉及降温方法。

本发明未解决以上为题而采用的技术方案是：

它包括余热锅炉体、气化炉体、水平烟道、气化炉出渣口和渣池；余热锅炉体包括二次气化室和余热换热室，二次气化室包括喷淋系统、供水系统和控制系统；气化炉体与二次气化室连通，气化炉出渣口设置在渣池内，余热换热室靠近二次气化室设置，气化炉体与二次气化室通过水平烟道连通，余热换热室内设置有对流受热面，对流受热面底部为合成气出口，对流受热面顶部设有合成气入口，喷淋系统安装在二次气化室水冷壁的外侧壁上，供水系统与喷淋系统连通，喷淋系统、供水系统均与控制系统连接。

本发明所述方法是按照以下步骤实现的：

所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：进行喷淋时，DCS控制器控制喷嘴的喷头延长，喷嘴的喷头伸入二次气化室炉膛，对合成气及熔渣进行喷水降温，喷淋结束时，DCS控制器控制喷嘴的喷头缩短，退出二次气化室炉膛，以避免高温损坏喷嘴；

步骤二：经气化炉生成的合成气与液态熔渣混合气流进入余热锅炉内二次气化室时，一部分熔渣附着在二次气化室水冷壁上，另一部分熔渣变成飞灰，然后随合成气一起由合成气出口流出；

步骤三：二次气化室内合成气与液态熔渣混合气流经喷水降温后，液态熔渣分成了三部分，第一部分少量熔渣随合成气混合流动，并随合成气进入余热换热室；第二部分熔渣凝固成小渣块掉落至二次气化室底部；第三部分熔渣粘到二次气化室水冷壁上，有的被冲刷下落至底部，有的受冷后炸裂成小渣块掉落到底部，二次气化室底部掉落的小渣块被水平烟道来流的高温的合成气与液态熔渣加热，小渣块融化形成新熔渣，来自气化炉的液态熔渣和小渣块融化的新熔渣混合，沿倾斜的水平烟道返回气化炉，从气化炉出渣口流出，进入渣池。

本发明的有益效果是：

一、本发明可保证U形煤气化系统运行过程的安全性：

在U型煤气化系统运行过程中，防止其结渣的喷淋装置可采用空气、氮气等作为工质降温，若采用空气作为工质，由于空气中含有氧气，则当温度达到点燃条件，二次气化室内极易发生爆炸，严重影响了煤气化生产运行进程与人员及设备的安全性；若采用氮气作为工质，则将会在合成气中混入氮气，降低了有效气氢气与氮气在混合气体中的比例。本发明采用水作为工质，水可作为气化剂与碳进一步发生反应生成一氧化碳及氢气，避免了采用空气作为降温工质二次气化室内因温度及压力过高而发生爆炸的可能。且通过对二次气化室内进行喷淋，有效降低了二次气化室内温度至熔渣熔融温度以下，有效减少了熔渣形成，降低了合成气入口因熔渣过多结成大的渣块堵塞造成煤气化设备损坏的风险。实际生产中常发生合成气入口20处温度过高，远超过设计值900℃，经余热换热室21吸收余热后，合成气出口14处的合成气温度仍达300℃左右，远超过设计出口温度180℃与布袋除尘器运行温度250°，将造成布袋除尘器的损坏。本发明通过对二次气化室2内合成气及熔渣进行喷淋，使合成气快速降温，合成气入口20处温度可以达到设计值900℃，经热换热室21吸收余热后，合成气出口14处的合成气温度可达到设计出口温度180℃，可保证布袋除尘器的安全运行。有效提高了煤气化系统运行过程的稳定性与安全性。

二、本发明可有效增加对流换热面的余热回收效率

本发明通过对二次气化室内进行喷淋，水与飞灰中的碳进一步反应，生成一氧化碳与氢气，有效实现了二次气化，提高了合成气的产量；同时，因水在高温下汽化产生大量水蒸气，也增加了二次气化室内气体体积，提高了混合气流从二次气化室到余热换热室的流动速度，因此提高了余热换热室内对流受热面的对流换热系数，提高了对流换热室的余热回收效率。

三、本发明可减少煤气化装置运行及维护成本

在U型煤气化装置运行过程中，二次气化室2内易积灰结渣，渣块掉落会砸漏煤气化设备及堵塞水平烟道10；二次气化室2合成气入口处20温度过高将使余热换热室21受热面烧损，这些都将导致煤气化设备的频繁启停。经余热换热室21吸收余热后，合成气出口14处的合成气温度仍达300℃左右，超过布袋除尘器运行温度250°，将造成布袋除尘器的损坏。也将造成煤气化系统的频繁启停。

气化炉7启停过程、清理水平烟道10堵塞的渣块、更换水平烟道水冷壁、余热换热室21受热面与布袋除尘器，都将产生大量的材料费、安装费、人工费及燃料费用，极大降低了煤气化生产过程的经济效益；同时煤气化系统停炉和维修，影响正常生产，对企业经济及信誉带来较大影响。本发明通过在二次气化室2内以水作为工质对合成气及熔渣进行喷淋，通过将二次气化室内温度降低至熔融温度以下，有效减少了熔渣形成，防止水平烟道10出口处堵塞，并且降低了二次气化室2合成气入口处20与合成气出口14处温度，使其达到设计值，避免了余热换热室21受热面及布袋除尘器受损，大大降低了煤气化系统的停炉隐患，延长了煤气化系统运行周期，减少了频繁启停炉对煤气化生产过程的影响，节省了煤气化系统运行及维护所需费用。从而保证了煤气化系统的稳定运行，为煤化工生产打下良好的基础。

附图说明

图1是本申请的整体结构示意图；

图2是图1中A-A向视图；

图3是图1中B处放大图；

图4是图1中喷嘴射流端面形状示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，它包括余热锅炉体1、气化炉体7、水平烟道10、气化炉出渣口12和渣池13；余热锅炉体1包括二次气化室2和余热换热室21，其特征在于：二次气化室2包括喷淋系统、供水系统和控制系统；气化炉体7与二次气化室2连通，气化炉出渣口12设置在渣池13内，余热换热室21靠近二次气化室2设置，气化炉体7与二次气化室2通过水平烟道10连通，余热换热室21内设置有对流受热面16，对流受热面16 底部为合成气出口14，对流受热面16顶部设有合成气入口20，喷淋系统安装在二次气化室2水冷壁的外侧壁上，供水系统与喷淋系统连通，喷淋系统、供水系统均与控制系统连接。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，喷淋系统包括多个连接法兰3、多个支架17、多个喷嘴 18和多个喷淋水管19，喷淋水管19的两端分别安装有一个连接法兰3，多个喷淋水管19 由上至下安装在二次气化室2上，喷淋水管19沿四周方向安装有多个喷嘴18，喷淋水管 19通过多个支架17安装在二次气化室2水冷壁外墙上。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

本实施方式中由上至下设置喷淋水管19的个数为一个至八个。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，供水系统包括水泵11、入水管5和出水管6，水泵11安装在入水管5上，入水管5与喷淋水管19的入口端连通，喷淋水管19的出口端与出水管6连通。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，控制系统包括DCS控制器15、流量计4、多个高温热电偶 9、多个中温热电偶22和多个电动阀门8，每个喷淋水管19上安装有一个流量计4和一个电动阀门8，多个高温热电偶9安装在二次气化室2水冷壁上，多个中温热电偶22设置在合成气入口20周围，DCS控制器15与流量计4、高温热电偶9、水泵11、中温热电偶22和电动阀门8连接。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，喷淋水管19为矩形框体，连接法兰3的个数为三个，三个喷淋水管19等间距由上至下设置在次气化室2水冷壁的外侧壁上，位于顶部喷淋水管 19上喷嘴18至合成气入口20的距离为L1，相邻两个喷淋水管19之间的距离为L2,位于底部喷淋水管19上喷嘴18至二次气化室2底部的距离为L3，每个喷淋水管19的边框上相邻两个喷嘴18中心线的距离为M,喷嘴18的喷嘴射流收缩断面直径为a，M、L1、L2 和L3的数值均小于等于a的二分之一。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，二次气化室2横截面为矩形，二次气化室2炉膛边长为I,喷淋水管19每个边上喷嘴18的数量与喷嘴18喷嘴射流收缩断面直径数值的乘积大于等于二次气化室2炉膛的每个边长I，喷嘴18喷嘴射程为b，b大于等于I的二分之一，喷淋水管19上位于边缘喷嘴18至喷淋水管19边框边缘的距离为N,N小于等于a 的二分之一。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，喷嘴18为雾化喷嘴，每个喷嘴18的中心线与水平面方向所成角度为0-15°，喷嘴18向上倾斜0-15°或向下倾斜0-15°。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉的降温方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：进行喷淋时，DCS控制器15控制喷嘴18的喷头延长，喷嘴18的喷头伸入二次气化室2炉膛，对合成气及熔渣进行喷水降温，喷淋结束时，DCS控制器15控制喷嘴 18的喷头缩短，退出二次气化2室炉膛，以避免高温损坏喷嘴18；

步骤二：经气化炉生成的合成气与液态熔渣混合气流进入余热锅炉1内二次气化室2 时，一部分熔渣附着在二次气化室2水冷壁上，另一部分熔渣变成飞灰，然后随合成气一起由合成气出口14流出；

步骤三：二次气化室内2合成气与液态熔渣混合气流经喷水降温后，液态熔渣分成了三部分，第一部分少量熔渣随合成气混合流动，并随合成气进入余热换热室21；第二部分熔渣凝固成小渣块掉落至二次气化室2底部；第三部分熔渣粘到二次气化室2水冷壁上，有的被冲刷下落至底部，有的受冷后炸裂成小渣块掉落到底部，二次气化室2底部掉落的小渣块被水平烟道10来流的高温的合成气与液态熔渣加热，小渣块融化形成新熔渣，来自气化炉的液态熔渣和小渣块融化的新熔渣混合，沿倾斜的水平烟道10返回气化炉7，从气化炉出渣口12流出，进入渣池13。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉的降温方法，步骤一中当二次气化室2内高温热电偶9检测到合成气温度高于1300°时，或中温热电偶22检测到温度高于900°时，高温热电偶9或中温热电偶22将信号传递给DSC控制器15，DCS控制器15控制水泵11及电动阀门8开启，喷淋水进入入水管5，控制器15控制喷嘴18喷头延长，喷嘴18的喷头伸入二次气化室2 炉膛进行喷水降温，当二次气化室2内高温热电偶9检测到合成气温度小于等于1300°时，或中温热电偶22检测到温度小于等于900°时，高温热电偶9或中温热电偶22将信号传递给DSC控制器15，DCS控制器15控制喷嘴18缩短，退出二次气化室2炉膛，水泵 11及电动阀门8逐渐关闭，剩余水流由出水管6流出。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉的降温方法，步骤二中二次气化室2内合成气与少量熔渣经过二次气化室2上部的合成气入口20进入余热换热室21，在余热换热室21内通过对流受热面传递能量，熔渣转变成飞灰，随合成气由合成气出口14流出。其它结构和方法与具体实施方式一相同。

Claims (7)

1.一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，它包括余热锅炉体(1)、气化炉体(7)、水平烟道(10)、气化炉出渣口(12)和渣池(13)；余热锅炉体(1)包括二次气化室(2)和余热换热室(21)，其特征在于：二次气化室(2)包括喷淋系统、供水系统和控制系统；喷淋系统包括多个连接法兰(3)、多个支架(17)、多个喷嘴(18)和多个喷淋水管(19)，供水系统包括水泵(11)、入水管(5)和出水管(6)，控制系统包括DCS控制器(15)、流量计(4)、多个高温热电偶(9)、多个中温热电偶(22)和多个电动阀门(8)，气化炉体(7)与二次气化室(2)连通，气化炉出渣口(12)设置在渣池(13)内，余热换热室(21)靠近二次气化室(2)设置，气化炉体(7)与二次气化室(2)通过水平烟道(10)连通，余热换热室(21)内设置有对流受热面(16)，对流受热面(16)底部为合成气出口(14)，对流受热面(16)顶部设有合成气入口(20)，喷淋系统安装在二次气化室(2)水冷壁的外侧壁上，供水系统与喷淋系统连通，喷淋系统、供水系统均与控制系统连接，喷淋水管(19)的两端分别安装有一个连接法兰(3)，多个喷淋水管(19)由上至下安装在二次气化室(2)上，喷淋水管(19)沿四周方向安装有多个喷嘴(18)，喷淋水管(19)通过多个支架(17)安装在二次气化室(2)水冷壁外墙上，水泵(11)安装在入水管(5)上，入水管(5)与喷淋水管(19)的入口端连通，喷淋水管(19)的出口端与出水管(6)连通，每个喷淋水管(19)上安装有一个流量计(4)和一个电动阀门(8)，多个高温热电偶(9)安装在二次气化室(2)水冷壁上，多个中温热电偶(22)设置在合成气入口(20)周围，DCS控制器(15)与流量计(4)、高温热电偶(9)、水泵(11)、中温热电偶(22)和电动阀门(8)连接。

2.根据权利要求1所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，其特征在于：喷淋水管(19)为矩形框体，连接法兰(3)的个数为三个，三个喷淋水管(19)等间距由上至下设置在次气化室(2)水冷壁的外侧壁上，位于顶部喷淋水管(19)上喷嘴(18)至合成气入口(20)的距离为L1，相邻两个喷淋水管(19)之间的距离为L2,位于底部喷淋水管(19)上喷嘴(18)至二次气化室(2)底部的距离为L3，每个喷淋水管(19)的边框上相邻两个喷嘴(18)中心线的距离为M,喷嘴(18)的喷嘴射流收缩断面直径为a，M、L1、L2和L3的数值均小于等于a的二分之一。

3.根据权利要求2所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，其特征在于：二次气化室(2)横截面为矩形，二次气化室(2)炉膛边长为I,喷淋水管(19)每个边上喷嘴(18)的数量与喷嘴(18)喷嘴射流收缩断面直径数值的乘积大于等于二次气化室(2)炉膛的每个边长I，喷嘴(18)喷嘴射程为b，b大于等于I的二分之一，喷淋水管(19)上位于边缘喷嘴(18)至喷淋水管(19)边框边缘的距离为N,N小于等于a的二分之一。

4.根据权利要求1所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉，其特征在于：喷嘴(18)为雾化喷嘴，每个喷嘴(18)的中心线与水平面方向所成角度为0-15°，喷嘴(18)向上倾斜0-15°或向下倾斜0-15°。

5.利用权利要求1-4中任一所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉的降温方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一：进行喷淋时，DCS控制器(15)控制喷嘴(18)的喷头延长，喷嘴(18)的喷头伸入二次气化室(2)炉膛，对合成气及熔渣进行喷水降温，喷淋结束时，DCS控制器(15)控制喷嘴(18)的喷头缩短，退出二次气化(2)室炉膛，以避免高温损坏喷嘴(18)；

步骤二：经气化炉生成的合成气与液态熔渣混合气流进入余热锅炉(1)内二次气化室(2)时，一部分熔渣附着在二次气化室(2)水冷壁上，另一部分熔渣变成飞灰，然后随合成气一起由合成气出口(14)流出；

步骤三：二次气化室内(2)合成气与液态熔渣混合气流经喷水降温后，液态熔渣分成了三部分，第一部分少量熔渣随合成气混合流动，并随合成气进入余热换热室(21)；第二部分熔渣凝固成小渣块掉落至二次气化室(2)底部；第三部分熔渣粘到二次气化室(2)水冷壁上，有的被冲刷下落至底部，有的受冷后炸裂成小渣块掉落到底部，二次气化室(2)底部掉落的小渣块被水平烟道(10)来流的高温的合成气与液态熔渣加热，小渣块融化形成新熔渣，来自气化炉的液态熔渣和小渣块融化的新熔渣混合，沿倾斜的水平烟道(10)返回气化炉(7)，从气化炉出渣口(12)流出，进入渣池(13)。

6.利用权利要求5所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉的降温方法，其特征在于：

步骤一中当二次气化室(2)内高温热电偶(9)检测到合成气温度高于1300°时，或中温热电偶(22)检测到温度高于900°时，高温热电偶(9)或中温热电偶(22)将信号传递给DSC控制器(15)，DCS控制器(15)控制水泵(11)及电动阀门(8)开启，喷淋水进入入水管(5)，控制器(15)控制喷嘴(18)喷头延长，喷嘴(18)的喷头伸入二次气化室(2)炉膛进行喷水降温，当二次气化室(2)内高温热电偶(9)检测到合成气温度小于等于1300°时，或中温热电偶(22)检测到温度小于等于900°时，高温热电偶(9)或中温热电偶(22)将信号传递给DSC控制器(15)，DCS控制器(15)控制喷嘴(18)缩短，退出二次气化室(2)炉膛，避免高温损坏喷嘴(18)，水泵(11)及电动阀门(8)逐渐关闭，剩余水流由出水管(6)流出。

7.利用权利要求5所述一种带有喷淋降温装置的U形煤气化余热锅炉的降温方法，其特征在于：

步骤二中二次气化室(2)内合成气与少量熔渣经过二次气化室(2)上部的合成气入口(20)进入余热换热室(21)，在余热换热室(21)内通过对流受热面传递能量，熔渣转变成飞灰，随合成气由合成气出口(14)流出。

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