CN206828459U - 气化系统和监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气化反应器的监控系统和包括该监控系统的气化系统，监控系统包括：第一流量计，配置为测量汽包排出的至少部分蒸汽的量；第二流量计，配置为测量由汽包预热的含氧气体的量；气体温度计，配置为测量由汽包预热的含氧气体在加热后的温度；水温计，配置为测量进入汽包的新给水的温度；处理器，配置为：根据第一流量计和水温计的测量来计算气化反应器的第一热负荷值；根据第二流量计和气体温度计的测量来计算气化反应器的第二热负荷值；确定气化反应器的总热负荷值，作为气化反应器状态的指示，总热负荷值至少包括第一热负荷值和第二热负荷值。监控系统和气化系统因基本消除来自汽包的干扰而更准确地反映了气化反应器的运行状况。

Description

气化系统和监控系统

技术领域

本实用新型涉及含碳物质的气化，尤其涉及气化反应器的监控系统。

背景技术

碳质燃料的气化包括通过在气化反应器中用含氧气体使由气体或液体载体携带的碳质燃料部分燃烧，形成主要含H₂和CO的气态混合物，也称合成气。用于上述气化反应的含碳燃料例如煤、天然气、有机废料等。

以煤的气化系统为例，其中一般包括气化反应器(或气化炉)和汽包。气化反应器具有外壳和容纳在外壳内的燃烧室，燃烧室的壁一般是由多根水管构成的气密的水冷装置，冷却水在这些水管中流动，对气化反应器起到保护作用。熔渣形成于水冷装置位于燃烧室内侧的表面，也对水冷装置具有保护作用。

同时，燃烧室内的高温使水冷装置中的部分水变为热蒸汽，并经由管道进入汽包。

出于安全等多方面考量，对气化反应器的状态例如炉温的监控被认为是十分必要的。遗憾的是，目前尚不能对炉温进行直接测量。

中国发明专利CN102041107B中公开了一种测量和计算气化炉燃烧室温度的方法，其中，汽包的气化炉蒸汽分离室出来的蒸气管线上安装了用于测量气化炉水冷装置蒸汽产量的蒸气流量计，希望直接反映气化炉内操作状况。

实用新型内容

本实用新型的发明人经过努力，发现上述中国发明专利中的蒸汽 流量计不能很好地反映气化反应器的实际状态，原因在于该蒸汽流量计测得的蒸汽产量不仅受气化反应器的温度这一我们关心的条件的影响，也受诸多次要的、不关心的条件的影响。

为了克服这一不足，根据本实用新型的一个方面的实施例，提供了一种气化反应器的监控系统，该气化反应器具有水冷装置，该水冷装置与汽包间流体连通，该汽包向该水冷装置供给冷却水，水冷装置中的冷却水受热产生的反应器蒸汽由汽包收集，该监控系统包括：

第一流量计，其与汽包的至少一个蒸汽出口气体连接，配置为测量汽包排出的至少部分蒸汽的量；

第二流量计，配置为测量由所述汽包预热的含氧气体的量；

气体温度计，配置为测量由所述汽包预热的含氧气体在加热后的温度；

水温计，配置为测量进入汽包的新的给水的温度；

处理器，其与第一流量计、第二流量计、气体温度计和水温计可操作地连接，并配置为：

-根据第一流量计和水温计的测量来计算气化反应器的第一热负荷值；

-根据第二流量计和气体温度计的测量来计算气化反应器的第二热负荷值；

-确定气化反应器的总热负荷值，作为气化反应器状态的指示，总热负荷值至少包括第一热负荷值和第二热负荷值。

可选地，处理器还配置为，计算与汽包的排污关联的气化反应器的第三热负荷值；以及确定气化反应器的总热负荷值，其中包括第一热负荷值、第二热负荷值和第三热负荷值。

可选地，该汽包包括第一部分和第二部分，其中第一部分收集该反应器蒸汽，第一流量计与第一部分的蒸汽出口气体连接，配置为测量第一部分排出的蒸汽的量。

可选地，该处理器还配置为，获得以下各项常量中的至少一项，用于第一、第二或第三热负荷值的计算：汽包的压力；汽包的排污量； 和含氧气体在加热前的温度。

可选地，该处理器基于下式计算第一热负荷值：

Q_{sat steam}＝m_{sat steam}×(h_{sat steam}-h_BFW)，

其中Q_{sat steam}为该第一热负荷值，m_{sat steam}为第一流量计测得的蒸汽的质量，h_{sat steam}为第一流量计所测的蒸汽的焓值，h_BFW为进入汽包的新的给水的焓值。

可选地，该处理器基于下式计算第二热负荷值：

Q_gas＝m_gas×(h_gas,after-h_gas,before)×a，

其中，Q_gas为该第二热负荷值，m_gas为所述第二流量计测得的由所述汽包预热的含氧气体的质量，h_gas,after为所述含氧气体在预热后的焓值，h_gas,before为该含氧气体在预热前的焓值，a为根据汽包确定的调整值。

可选地，该处理器基于下式确定第三热负荷值：

Q_{blow down}＝m_{blow down}×(h_{boiler water}-h_BFW)，

其中，Q_{blow down}为该第三热负荷值，m_{blow down}为汽包的排污的质量，h_{boiler water}为所述汽包中沸水的焓值，h_BFW为进入汽包的新的给水的焓值，b为根据汽包确定的调整值。

Q_Gasifier＝Q_{sat steam}+Q_{blow down}+Q_gas

根据本实用新型的另一方面的实施例，提供了一种含碳燃料的气化系统，包括：气化反应器；汽包；其中，气化反应器具有水冷装置，水冷装置与汽包间流体连通，汽包向水冷装置供给冷却水，水冷装置中的冷却水受热产生的反应器蒸汽由汽包收集；该气化系统还包括：前述的监控系统。

可选地，该气化系统还包括：控制器，其与该监控系统可操作地连接，配置为根据监控系统提供的结果控制气化反应器的运行。

相比于现有技术，根据本实用新型实施例的监控系统和具有这种监控系统的气化系统的优势体现在以下方面：1)由于来自汽包的干扰被基本消除，最终获得的结果更真实、准确地反应了气化反应器的运 行状况；2)由于计算出的气化反应器的总热负荷值只取决于炉温和熔渣厚度，尺寸相同的气化反应器的总热负荷值可以直接进行比较，并可以为同尺寸的气化反应器设置均一化的热负荷报警值或联锁值，便于管理；4)计算出的总热负荷值不随补入汽包的新的给水的温度变化而变化，无须在加入汽包的新的给水的温度变化时对结果进行修正或补偿，简化了操作。

附图说明

图1为根据本实用新型的实施例的含碳燃料的气化系统的示意图；

图2为根据本实用新型的另一实施例的含碳燃料的气化系统的示意图；

图3为水冷装置所造成的气化反应器的热负荷的示意图。

其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件/特征。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。虽然这些实施例中以煤的气化作为例子，但本技术领域人员能够理解，本实用新型的应用并不限于煤的气化反应器和气化系统，还可以用于例如天然气、有机废料等其它含碳燃料的气化反应器和气化系统，且这些应用也在随附的权利要求的保护范围之内。

参看图1，其中示意性地示出了根据本实用新型实施例的气化系统。该气化系统1主要包括气化反应器2，汽包3，各种蒸汽、含氧气体或水的管路，以及监控系统。本例中，监控系统可以包括图1所示的第一流量计51、第二流量计52、水温计53、气体温度计54和处理器55。有利地，监控系统测算气化反应器2的总的热负荷，并以此作为衡量气化反应器2的运行状态的重要指标，包括但不限于，以此作为气化反应器2内的温度的反映。在上述的总热负荷值超出报警线时，气化系统1可以通过控制器(可以与处理器55集成)来对气化反应器2的运行进行干预，例如调节供给气化反应器2的煤/氧比等。

气化反应器2例如采用中国发明申请公开CN101675147A的记载，其中，燃烧室21由互相连接的平行排部的管所形成的基本气密的水冷壁22(也即，水冷装置)限定，水冷壁22保护气化反应器2的顶部、燃烧器等部位免于承受过高的温度。水冷壁22与气化反应器2的外壳之间形成环状空间23。含碳燃料部分氧化产生的产物气由排出口24排出，并经图中未示出的设备进行冷却、净化等。

结合图1并参看图3，燃烧室21内产生的热量D被水冷壁22中的冷却水92吸收，产生蒸汽920，这些蒸汽通过管道41排放至汽包3。

于是，本实用新型公开中，将气化反应器2向水冷壁22中的冷却水提供的热量D作为气化反应器2的总的热负荷，是希望监控系统和操作员关心的一个重要的随时变化的值。

与气化反应器2的水冷壁22之间流体连通汽包3的一个例子如图1所示，在可选的泵6的驱动下，汽包3中的水91经管道42再经管道426作为冷却水提供给水冷壁22(即成为图3所示的水冷壁中的冷却水92)。

另外，汽包3中的水91还经过管道42再经管道422，与来自管道48的温度较低的含氧气体(例如，空气或纯氧)进行热交换，从而对该含氧气体进行预热。如图1所示，不失一般性而且有利地，预热前的含氧气体的温度可以是恒定的，例如，15摄氏度。来自管道422的热水在与含氧气体进行热交换后，经管道424回到汽包3，并在那里被蒸汽92或汽包3中的气、液混合物重新加热到沸腾。预热后的含氧气体经管道49后提供给气化反应器2，用于燃烧室21中的反应。第二流量计52可以测量被预热的含氧气体的量(例如，质量)，气体温度计54则测量经过预热的含氧气体的温度。如图所示，第二流量计52和气体温度计54可操作地连接到处理器55，以便提供测量结果。

出于安全等因素考虑，例如CN101675147A提及的，汽包3中必须及时补入新的给水，新的给水温度一般低于汽包91中已有的水91的温度，并将在进入汽包3后被加热(例如，至沸腾)。本领域技术人 员能够理解，汽包3中的液态水91的温度将取决于汽包3中的压力。经管道43加入汽包3的新的给水的初始温度由水温计53测得，水温计53与处理器55可操作地连接，于是处理器55可以获得该测量值。

图1所示的汽包3具有一个蒸汽出口，连接管道44。第一流量计51设置在该蒸汽出口，测量流过的蒸汽流量(例如，单位时间的蒸汽质量)，其例如文丘里单元(venturi)。第一流量计51与处理器55可操作地连接以提供该测量结果。

图2所示的汽包3’与图1中的汽包3的区别在于，其具有第一部分31和第二部分32，也可以分别称为汽包小室31和汽包大室32。这两部分中的蒸汽被隔板31分隔开，并在其间提供一个阀7，这个阀主要是为了防止第一部分31中的液位太高，导致气体带水流入下游管道，损坏下游设备。在正常操作中，阀7关闭，当大小室中的液位相差较大时，阀7打开，第二部分32向第一部分31经阀7充入蒸汽，二者的液位差缩小到安全值。

图2的汽包3’中，由第一部分31来收集来自水冷壁22的反应器蒸汽，第二部分32也具有相应的蒸汽出口，连接管道47，与来自管道44的蒸汽汇集后排出提供给下游设备，例如，废热回收/能量转化部件。

由于第一部分31收集反应器蒸汽，而反应器蒸汽才是气化反应器2中水冷壁22中的冷却水92从燃烧室21吸热产生的，为了准确地表征气化反应器2的热负荷，第一部分31排出的(饱和)蒸汽是本实用新型公开中更重要的，应由第一流量计51测量其蒸汽量，并提供给处理器55。

图1和图2中的汽包3或3’还通过管道410排污。

本实用新型公开中测算的气化反应器2的总的热负荷基本只取决于以下两个关键要素：

-燃烧室内的温度(炉温)，以及

-燃烧室内(水冷壁内侧)的渣层厚度。

如前所述，这个总热负荷值考虑了以下的次要因素，于是最终测 算值不随这些次要参数的改变而改变：

-加入汽包的新的给水的温度；

-汽包给含氧气体预热所损失的热量，或者说，氧气预热器(未示出)带来的热负荷；以及

-汽包排污带来的热负荷。

以图1为例，汽包3中的水在泵6的驱动下被提供给气化反应器2内部的水冷壁22，用作冷却水。同时，热量从燃烧室21内传递给冷却水(即气化反应器2的总的热负荷)，促使一部分冷却水在水冷壁22中转化为热蒸汽920(如图3)，也称反应器蒸汽。反应器蒸汽920通过管道41被汽包3收集，而其所携带的热量被用于重新加热从管道424返回的因对含氧气体进行预热而温度有所降低的水，此外，由于汽包3的排污的需要，新的(温度一般较低)给水会不断补充进汽包3，而反应器蒸汽920所携带的热量的一部分会被加热这些新的给水至沸腾而被消耗。剩余的反应器蒸汽以饱和蒸汽的形态经管道44排出(到下游设备)，并由第一流量计51测算其蒸汽量。

本实用新型的发明人经实验发现，汽包3排出的饱和蒸汽量受前述的次要因素影响很大。例如，如果来自管道43的新的给水温度降低，将需要更多的反应器蒸汽920来加热这些新的给水，于是，测得的饱和蒸汽量会减少。这意味着，如果新的给水温度发生波动，测得的饱和蒸汽量会相应地波动。换言之，汽包3排出的饱和蒸汽量随与气化反应器2的工作状态无关的因素(例如，新的给水的温度)变化，单纯依靠它来监控气化反应器2的工作状态是不可靠的。

为了让监控系统的测算结果不随上述次要因素的变化而变化，避免波动，本实用新型的实施例中，气化反应器2的总热负荷值根据汽包3(或者汽包3’的第一部分31)中的热量与质量平衡来计算。基本上，该总热负荷值可以至少包括与第一流量计51所测的饱和蒸汽量相关的第一热负荷值，与含氧气体的预热相关的第二热负荷值。在优选的例子中，还可以进一步包括与排污相关的第三热负荷值。

表1中示出了两个气化反应器在相应条件下的热负荷情况，两个 反应器的汽包均采用如图2所示的形式，也即具有第一和第二部分。

观察表1可以看出，第一流量计所测的饱和蒸汽所反映的第一热负荷值是气化反应器的总热负荷值的最主要的部分，占比约为80％～ 90％，可由测得的饱和蒸汽量，饱和蒸汽与新的给水的焓值的差来确定，如式1：

Q_{sat steam}＝m_{sat steam}×(h_{sat steam}-h_BFW) (1)

其中Q_{sat steam}为第一热负荷值，m_{sat steam}为第一流量计51测得的蒸汽的质量，h_{sat steam}为所述第一流量计所测的蒸汽的焓，h_BFW为进入汽包的新的给水的焓值。

从表1还可以看出，与含氧气体的预热相关的第二热负荷值是气化反应器的总热负荷值的一个重要的部分，占比约为10％～20％，为了准确地监控气化反应器的状态，第二热负荷值也是不容忽视的，其具体可以根据式(2)计算：

Q_gas＝m_gas×(h_gas,after-h_gas,before)×a，

其中，Q_gas为第二热负荷值，m_gas为第二流量计测得的由汽包预热(见图1-2中的管道422、424、48和49)的含氧气体的质量，h_gas,after为含氧气体在预热后的焓值，h_gas,before为含氧气体在预热前的焓值，a为根据汽包所确定的调整值，这一调整值在图1所示的例子中可以为1，而在图2所示的例子中可以为1/2。这主要是因为考虑到了在图2的情形中，估计预热含氧气体后返回汽包3’的水通过两条管道返回，其一连接第一部分31，另一连接第二部分32，于是返回的水只有一半需要反应器蒸汽的热量重新加热到沸腾。

最后，从表1我们还可以看出，与汽包的排污所关联的第三热负荷值一般仅在总热负荷值中占据很小的比例，例如不足2％。于是在一个例子中，处理器55计算的总热负荷值中不考虑第三热负荷值，总热负荷值Q基本等于第一、第二热负荷值的和。

在另一个例子中，第三热负荷值在计算总热负荷值时被考虑进来，其可以根据式(3)计算：

Q_{blow down}＝m_{blow down}×(h_{boiler water}-h_BFW)×b，

其中，Q_{blow down}为第三热负荷值，m_{blow down}为汽包的排污的质量，h_{boiler water}为汽包中沸水的焓值，h_BFW为进入汽包的新的给水的焓值，b为根据汽包所确定的调整值。不失一般性地，表1的两个反应器的 汽包3’均有三条排污管道，其一对应第一部分31，另外两条对应第二部分32，于是b取值为1/3。

为了更便于确定各个热负荷值，下面介绍一些有效的简化方案，其中，希望尽量减少所需的输入项的数量，并在允许时用常量代替。根据一个简化实施例：

简化实施例

·基于固定的排污量(例如，0.52kg/s)，固定的汽包压力(例如，56bar)

和固定的新的给水温度(例如140℃)，第三热负荷值可以定为一个常量：105kW，式(3)得以简化。

·假定预热前的含氧气体(例中为氧气)的温度一定(例如15℃)且压力

为40bar，则预热前的含氧气体的焓值可以定为常量：3.61kJ/kg，式(2)简化为：

Q_gas＝m_gas*(h_gas,after–3.61)×a (4)

基于上述简化后的算式及实验结果，本实用新型的发明人发现，在最坏的情况下，预热前的氧气的温度的变化以及第三热负荷值的变化将导致最终计算出的总热负荷值有大约2.7％的偏差。

与单纯采用蒸汽产量衡量气化反应器的状态的现有方案相比，本实用新型公开所讨论的热负荷值的测算虽然需要使用两个额外的变量，但能够实现以下优势：与用蒸汽的方案一样，能够很快的反映出气化炉的工况；能够补偿汽包的新的给水温度及氧气预热器工况的变化；更有益于气化炉操作，因为能够真实地反映气化炉的操作状态；即便汽包的新的给水温度波动，或者氧气预热器工况波动，依然能够根据开工表的热负荷来指导操作。

Claims (9)

1.一种用于气化反应器的监控系统，所述气化反应器具有水冷装置，所述水冷装置与汽包间流体连通，所述汽包向所述水冷装置供给冷却水，所述水冷装置中的冷却水受热产生的反应器蒸汽由所述汽包收集，所述监控系统包括：

第一流量计，其与所述汽包的至少一个蒸汽出口气体连接，配置为测量所述汽包排出的至少部分蒸汽的量；

第二流量计，配置为测量由所述汽包预热的含氧气体的量；

气体温度计，配置为测量由所述汽包预热的所述含氧气体在加热后的温度；

水温计，配置为测量进入所述汽包的新的给水的温度；

处理器，其与所述第一流量计、第二流量计、气体温度计和水温计可操作地连接，并配置为：

-根据所述第一流量计和所述水温计的测量来计算所述气化反应器的第一热负荷值；

-根据所述第二流量计和所述气体温度计的测量来计算所述气化反应器的第二热负荷值；

-确定所述气化反应器的总热负荷值，作为所述气化反应器的状态的指示，所述总热负荷值至少包括所述第一热负荷值和所述第二热负荷值。

2.根据权利要求1所述的监控系统，所述处理器还配置为，计算与所述汽包的排污关联的所述气化反应器的第三热负荷值；以及

确定所述气化反应器的所述总热负荷值，所述总热负荷值包括所述第一热负荷值、所述第二热负荷值和所述第三热负荷值。

3.根据权利要求1或2所述的监控系统，其中，所述汽包包括第一部分和第二部分，所述第一部分收集反应器蒸汽，所述第一流量计与所述第一部分的蒸汽出口气体连接，配置为测量所述第一部分排出的蒸汽的量。

4.根据权利要求1或2所述的监控系统，其中，所述处理器还配置为，获得以下各项常量中的至少一项，用于所述第一热负荷值、第二热负荷值或第三热负荷值的计算：

所述汽包的压力；

所述汽包的排污量；和

所述含氧气体在加热前的温度。

5.根据权利要求1或2所述的监控系统，其中，所述处理器基于下式计算所述第一热负荷值：

Q_{sat steam}＝m_{sat steam}×(h_{sat steam}-h_BFW)，

其中Q_{sat steam}为所述第一热负荷值，m_{sat steam}为所述第一流量计测得的蒸汽的质量，h_{sat steam}为所述第一流量计所测的蒸汽的焓，h_BFW为进入所述汽包的新的给水的焓值。

6.根据权利要求1或2所述的监控系统，其中，所述处理器基于下式计算所述第二热负荷值：

Q_gas＝m_gas×(h_gas,after-h_gas,before)×a，

其中，Q_gas为所述第二热负荷值，m_gas为所述第二流量计测得的由所述汽包预热的含氧气体的质量，h_gas,after为所述含氧气体在预热后的焓值，h_gas,before为所述含氧气体在预热前的焓值，a为根据所述汽包所确定的调整值。

7.根据权利要求2所述的监控系统，其中，所述处理器基于下式确定所述第三热负荷值：

Q_{blow down}＝m_{blow down}×(h_{boiler water}-h_BFW)×b，

其中，Q_{blow down}为所述第三热负荷值，m_{blow down}为所述汽包的排污的质量，h_{boiler water}为所述汽包中沸水的焓值，h_BFW为进入所述汽包的新的给水的焓值，b为根据所述汽包所确定的调整值。

8.一种含碳燃料的气化系统，包括：

气化反应器；

汽包；

其中，所述气化反应器具有水冷装置，所述水冷装置与所述汽包 间流体连通，所述汽包向所述水冷装置供给冷却水，所述水冷装置中的冷却水受热产生的反应器蒸汽由所述汽包收集；

所述气化系统还包括：根据权利要求1至7中任一项所述的监控系统。

9.根据权利要求8所述的气化系统，其中，还包括：

控制器，其与所述监控系统可操作地连接，配置为根据所述监控系统提供的结果控制所述气化反应器的运行。