CN208635079U

CN208635079U - 合成气冷却组件

Info

Publication number: CN208635079U
Application number: CN201590001146.6U
Authority: CN
Inventors: M·贝扎德
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: KR20170002516U; WO2016102622A1

Abstract

本实用新型涉及一种合成气冷却组件。用于冷却由煤、重质石油渣油和/或其它气化反应器（1）产生的热合成气的合成气冷却器（SGC）组件（10）包括蒸汽过热器（SSH，16），所述蒸汽过热器在另一热交换器（15）的下游布置在合成气冷却通道（11）中以通过减少SSH结垢和合成气通量（F）湍流来优化和稳定SSH性能。

Description

合成气冷却组件

技术领域

本实用新型涉及合成气冷却组件。

背景技术

合成气是术语合成气体的常用缩写，并且通常包括至少氢(H₂) 和一氧化碳(CO)的混合物。可以通过在气化反应器中在高温下部分地氧化煤、重质石油渣油、生物质和/或另一种碳质原料生产合成气。

当离开气化反应器时，合成气可以具有1300至1600℃之间的温度。

随后合成气可以被骤冷到700至1000℃之间的温度并且然后在合成气冷却器(SGC)中进一步冷却到典型地低于350℃的温度，所述合成气冷却器包括蒸汽过热器和若干水蒸发器热交换器。

例如从国际专利申请WO2011/089140，WO2011/003889， WO2012/028550和WO2013/041543已知这样的合成气冷却器(SGC)，或合成气冷却组件。

已知的合成气冷却器(SGC)包括也称为SSH的蒸汽过热器热交换器，并且当在合成气的流动方向上看时，称为蒸发器的、水在其中被蒸发的一个或多个热交换器(H₂O-EVAP)位于蒸汽过热器(SSH) 热交换器的下游。

在从现有技术参考文献已知的常规合成气冷却器(SGC)设计中，当在合成气流动方向上看时，过热器(SSH)直接放置在SGC的入口处。

在大多数常规煤炭和其它碳质原料气化厂中，由于SGC入口处的流动分布不均和结垢，SSH表现不佳。

蒸汽过热器(SSH)通常由饱和蒸汽进给。饱和温度取决于汽包压力水平并且典型地为275℃左右。饱和蒸汽在SSH中过热达到典型地约为400℃的特定温度。高压高温蒸汽可以用于不同的应用，如蒸汽涡轮机发电和/或处理应用。

在一些应用中，可以有安装在蒸发器下游的称为节能器的另一组热交换器。节能器具有与其它热交换器类似的加热表面构造，但是它由过冷水进给。来自高压泵的给水在节能器中被预热，并且然后它被进给到冷却水和蒸汽供应和再循环汽包，冷却水和饱和(蒸汽)经由所述冷却水和蒸汽供应和再循环汽包供应到SSH和其它热交换器。通过安装节能器，可以显著提高热效率。然而，由于合成气中的高酸露点，在合成气冷却器(SGC)中安装节能器可能不可行。

所以，在大多数常规SGC中，给水直接进给到冷却水和蒸汽供应和再循环汽包。一般而言，取决于气化厂配置，SGC和汽包可以具有一个以上的水/蒸汽压力水平。在这样的情况下，SGC和汽包设计和加热表面布置基本上类似于单压力水平布置。由于一个以上的水/蒸汽压力水平在煤气化商业中不太常见，因此在本说明书中将仅参考单压力水平布置。

由SSH排出的过热蒸汽可以供应到蒸汽涡轮机以产生电功率。在这样的情况下，离开过热器(SSH)的过热蒸汽的质量流量、压力和温度需要由设计者可预测和保证。该保证大部分时间是合同义务的一部分，并且受到取决于蒸汽质量流量和温度的不足的清算损失。该不足的主要原因是蒸汽功率输出通过减小蒸汽质量流量和温度而下降。如果蒸汽温度下降到低于某一水平，则蒸汽涡轮机必须被绕过并且因此它将跳闸。这意味着蒸汽涡轮机的可靠性取决于SSH性能，使得意外的SSH性能不佳可能会导致显著的运行损耗。对于现有的合成气冷却组件，最困难的挑战是在SSH出口处达到预定的蒸汽温度，这通常由SSH设计者保证。

关于SSH的设计有下面描述的三个问题：

I)在由不同煤气化厂生产的合成气流中的煤飞灰组合物的结垢行为是不同的，并且取决于气化煤的组成和气化厂操作条件。

II)与较低的合成气温度相比，飞灰在高温下非常粘。常规的SSH 位于最高合成气温度区，并且因此容易产生显著的飞灰沉积。

III)合成气流动分布不均在SSH入口处是最差的，原因是它刚好位于向上倾斜的热合成气转移管和竖直向下定向的SGC通道之间的接合部的急弯的下游。

US2009/0151250公开了一种用于从合成气回收热并且从其产生功率的系统。该系统包括冷却器，所述冷却器包括串联布置的三个或更多个热交换器或热交换区域。通过第一热交换器中的间接热交换冷却经由管线的原始合成气。通过第二热交换器中的间接热交换可以进一步冷却经由另一管线离开第一热交换器的经冷却的原始合成气。通过第三热交换器(“第三区域”)中的间接热交换可以进一步冷却经由又一管线离开第二热交换器的经冷却的原始合成气。

US2009/0151250的系统涉及相对较小规模的气化系统。该系统设计成处理废物。原料包括两种或更多种聚合物、生物质衍生的材料，或来自制造操作的副产物的混合物或组合。原料可以包括与一种或多种废弃的消费品组合的一种或多种碳质材料。小规模使得能够使用经由管线连接的独立热交换器单元。第三热交换器是“节能器”。热交换器中的任何一个或全部可以是壳管式热交换器。过热蒸汽的至少一部分可以直接供应到一个或多个蒸汽涡轮机以产生功率。

然而，上述特征使US2009/0151250的系统不适合于处理和冷却大得多的规模、更高吞吐量的煤气化系统。更高吞吐量在本文中表示例如约80至90kg/s的合成气吞吐量。小规模约为10kg/s的合成气或更少的量级。US2009/0151250系统的原料典型地产生从气化反应器去除的焦油，而合成气的灰相对较低。在另一方面，煤气化具有与灰相关的问题，如上所述。由于与煤气化相关的粘性灰问题，壳管式热交换器以及连接单独的热交换器的管线将堵塞。

需要一种具有蒸汽过热器(SSH)的改进的合成气冷却组件，其不容易通过沉积飞灰颗粒而结垢并且获得更均匀的合成气流动分布，由此改善和稳定SSH性能。

实用新型内容

本公开提供了一种用于冷却由气化反应器产生的包括灰的热合成气的合成气冷却组件，所述组件包括：

合成气冷却通道；

布置在所述合成气冷却通道的内部的第一热交换器；以及

布置在所述合成气冷却通道的内部、在所述第一热交换器的下游的蒸汽过热器(SSH)热交换器。

根据另一方面，本公开提供了一种用于冷却包括灰并且由气化反应器产生的热合成气的方法，所述方法包括以下步骤：

提供合成气冷却通道；

在所述合成气冷却通道的内部布置第一热交换器；

在所述合成气冷却通道的内部、在所述第一热交换器的下游布置蒸汽过热器(SSH)热交换器；以及

使热合成气流动通过所述合成气冷却通道。

可以通过在气化反应器中部分地燃烧煤，重质石油渣油和/或包括碳质原料的生物质而产生热合成气。热合成气可以从反应器经由向上倾斜的热合成气转移管流动到基本上竖直定向的管状合成气冷却通道的上端。SHS和其它热交换器将合成气从典型地高于700℃的温度冷却到典型地低于350℃的温度。在本文中蒸汽过热器(SSH)热交换器可以通过使饱和蒸汽进入过热状态来冷却合成气并且其它热交换器中的至少一个可以通过水蒸发来冷却合成气。

在另一热交换器的下游布置蒸汽过热器(SSH)的优点是：

I)由SSH产生的过热蒸汽的温度更稳定并且可以以更高的精度被预测。

II)通过将蒸汽过热器(SSH)重新定位到也被称为H₂O-EVAP 束的小型蒸发器热交换器的下游位置，进入SSH的合成气流将明显更均匀。该重新定位对于刚好在气体反向室(GRC)的接合部的下游的强涡流是至关重要的。在热传递相关和热设计软件中，假定在蒸汽过热器(SSH)的上游的合成气流是均匀的。所以在其它热交换器的上游的SSH的常规位置在理论计算中带来不确定性。

III)导致SSH表现不佳的主要因素之一是结垢。在目前的配置中 SSH是第一加热元件，具有面对热合成气流的水平管。所以，也考虑到局部再循环/回流，它是飞灰开始沉淀的第一位置。由于H₂O-EVAP 热交换器束与SSH相比对于结垢和部分阻塞不太敏感，因此在进入 SSH之前使合成气首先流动通过H₂O-EVAP热交换器束将风险较小。第一H₂O-EVAP热交换器束的任何性能不佳由在SSH的下游的(一个或多个)其它H₂O-EVAP热交换器束来补偿。

IV)合成气冷却器入口处的合成气温度非常高，典型地高于 700℃。所以，飞灰处于其最粘的状态。因此导致该位置处的部分堵塞的高结垢的风险高。通过将SSH重新定位到第一H₂O-EVAP热交换器的下游，SSH结垢的风险将较小，原因是合成气温度较低。

除了上述之外，本公开的组件和方法允许有效地冷却在80至 90kg/s量级的合成气吞吐量或更高的高吞吐量合成气。减少的结垢限制用于维护的停机时间，因此也减小运营成本。

当阅读附图中所示的实施例的以下详细描述以及附带的权利要求和摘要时，根据本实用新型的方法和系统的这些和其它特征和优点将是显而易见的。

附图说明

现在将仅通过示例参考所附的示意图来描述实施例，其中相应的附图标记表示相应的部分，并且其中：

图1示出了配备有根据本实用新型的合成气冷却器组件的气化反应器；以及

图2示出了现有技术的合成气冷却器组件。

具体实施方式

图1示出了用于碳质原料(如煤，重质石油渣油和/或生物质)的部分燃烧以产生合成气体(也称为合成气)的气化反应器1。

气化反应器1包括具有冷却膜壁的反应室。热粘性熔渣经由反应器1的下端滴入熔渣收集槽(未示出)中。包括氢(H₂)和一氧化碳 (CO)的热合成气经由反应器1的上端排出到热合成气骤冷管2中。反应器1、熔渣收集槽4和热合成气骤冷管5封闭在压力容器(未示出)中。

骤冷管2连接到倾斜的热合成气转移管5，其通过再循环在合成气冷却器出口下游的被冷却合成气的一部分来冷却合成气。骤冷合成气通过未在图中示出的再循环压缩器引入到骤冷管。通过混合再循环的合成气和从气化器出来的合成气，合成气温度从例如1600℃下降到900℃。骤冷的合成气然后流动到基本上竖直定向的管状合成气冷却器通道11的上部分中，所述通道具有包含气体反向室(GRC)40 的闭合圆顶形盖12和漏斗形下端13，所述下端将被冷却的合成气排出到被冷却合成气排出管路14。倾斜的热合成气转移管5相对于合成气冷却器通道11的垂直取向以锐角布置，锐角小于90度。锐角可以在约30至60度的范围内，例如在45度量级。

合成气冷却器(SGC)通道11配备有包括若干热交换器15-18的合成气冷却组件15-18。每个热交换器包括一系列嵌套的基本上同轴的热交换器管路，所述管路由相应的支撑框架(未示出)支撑在合成气冷却通道11内。例如，热交换器可以包括若干盘绕加热表面，包括盘绕管路。盘绕管路或盘绕加热表面可以被称为盘绕加热表面元件。

热交换器包括蒸汽过热器热交换器16，其也被称为SSH。热交换器也可以包括多个(例如三个)其它热交换器15、17和18。该组件包括第一热交换器15。第一热交换器之后是SSH 16。SSH之后是至少一个第二热交换器17、18。可选地，该系统也可以包括一个或多个节能器(未示出)，其布置在最下面的热交换器18的下方，即下游。

在蒸汽过热器(SSH)16中，通过将SSH热交换器管路中的饱和蒸汽加热到典型地约400℃的温度由此使蒸汽进入过热状态来冷却合成气。在例如三个其它热交换器15、17和18中，通过蒸发热交换器管路中的水来冷却合成气。因此其它热交换器也被称为蒸发器或H₂O-EVAP1，H₂O-EVAP2和H₂O-EVAP3。

SSH 16的热交换器管路由饱和蒸汽进给，饱和蒸汽经由蒸汽供应管路23从蒸汽和水供应和再循环汽包20进入，并且在过热之后经由管路24输送到蒸汽涡轮机或处理设备。热交换器管路蒸发器15、17 和18经由下降管路21、25和27进给饱和水，并且在热交换器管中部分蒸发之后，由升管22、26和28再循环到汽包20上。在汽包20中，蒸汽与水分离，并且水通过再循环泵组件30再循环回到蒸发器15、 17和18。

来自高压泵的给水在节能器中预热，并且然后它到达汽包20。水通过蒸发器系统中的(一个或多个)再循环泵在汽包中再循环以产生水-蒸气混合物。水和蒸汽的混合物在汽包中分离。饱和蒸汽通过分离器和蒸汽干燥器变干，并且然后干蒸汽到达SSH。

附加的冷却水经由给水泵和给水供应管路31供应到汽包20。

根据本公开，当在合成气通量F的方向上看时，SSH 16位于其它热交换器15中的一个的下游。这具有的优点是合成气通量F在其到达SSH时湍流较少并且至少已失去一些飞灰或其它结垢生成组分，使得SSH性能得到优化和稳定。

图2示出了常规的合成气冷却器组件111，其中蒸汽过热器(SSH) 116位于水在其中被蒸发并且因此也被称为H₂O-EVAP1和2的两个其它热交换器115和117的上方和上游。该常规的现有技术的合成气冷却器组件111的缺点是热合成气具有由箭头120示出的湍流状态，并且包含沉积在SSH的管表面上的飞灰。

应当理解，通过将常规的合成气冷却器组件111转换成图1中所示的改进的合成气冷却器(SGC)组件11，如图2中的箭头122所示，合成气通量F在其到达SSH 16时已经失去一些湍流和飞灰，原因是至少一些湍流和飞灰由上游热交换器15去除，由此优化和稳定蒸汽过热器(SSH)16的性能。

本公开不限于本实用新型的上述实施例，其中在附带的权利要求的范围内可以想到许多修改。相应的实施例的特征可以例如被组合。

Claims

1.一种合成气冷却组件，用于冷却包括灰并且由气化反应器产生的热合成气，所述组件包括：

合成气冷却通道（11）；

布置在所述合成气冷却通道的内部的第一热交换器（15）；和

布置在所述合成气冷却通道的内部的蒸汽过热器（SSH）热交换器（16），

其特征在于，

所述蒸汽过热器（SSH）热交换器（16）在所述第一热交换器的下游，

所述合成气冷却通道具有基本上竖直的取向，并且在上端处连接到倾斜的热合成气供应管路，所述倾斜的热合成气供应管路连接到所述气化反应器的出口，并且所述合成气冷却通道在下端处连接到被冷却合成气排出管路，且

所述合成气冷却通道的上端设有闭合圆顶形盖，其包括用于从所述合成气供应管路接收合成气的气体反向室（GRC）。

2.根据权利要求1 所述的合成气冷却组件，其特征在于，

- 所述合成气冷却通道具有竖直取向，当在合成气流动路径的方向上看时向下取向；

- 所述第一热交换器位于所述蒸汽过热器（SSH）热交换器的上方；并且

- 至少一个第二热交换器（17、18）位于所述蒸汽过热器（SSH）热交换器（16）的下方。

3.根据权利要求2 所述的合成气冷却组件，其特征在于，所述蒸汽过热器（SSH）热交换器配置成通过使饱和蒸汽进入过热状态来冷却合成气，并且所述第一热交换器和所述至少一个第二热交换器(17, 18)配置成通过水蒸发来冷却合成气。

4.根据权利要求3 所述的合成气冷却组件，其特征在于，其包括蒸汽和水供应和再循环汽包（20），所述第一热交换器和所述至少一个第二热交换器经由用于进给饱和水的下降管路（21、25、27）并且通过升管（22、26、28）连接到所述蒸汽和水供应和再循环汽包；并且所述蒸汽过热器经由用于进给饱和蒸汽的蒸汽供应管路（23）连接到所述蒸汽和水供应和再循环汽包，并且经由用于输送过热蒸汽的管路（24）连接到蒸汽涡轮机或处理设备。

5.根据权利要求4 所述的合成气冷却组件，其特征在于，其包括节能器热交换器，所述节能器热交换器位于在所述至少一个第二热交换器的下游的所述合成气冷却通道中。

6.根据权利要求4 所述的合成气冷却组件，其特征在于，其中连接到所述第一热交换器和所述至少一个第二热交换器的所述下降管路是连接到所述蒸汽和水供应和再循环汽包的下部分的进水管路。

7.根据权利要求1所述的合成气冷却组件，其特征在于，其中当在合成气流动路径的方向上看时，所述热合成气供应管路具有倾斜向上取向，并且以锐角连接到所述合成气冷却通道。

8.根据权利要求7所述的合成气冷却组件，其特征在于，所述锐角在30 至60度的范围内。

9.根据权利要求2-8中的任一项所述的合成气冷却组件，其特征在于，所述第一热交换器和所述至少一个第二热交换器包括一系列嵌套的基本上同轴的热交换器管路，所述管路由相应的支撑框架支撑在所述合成气冷却通道内。

10.根据权利要求9所述的合成气冷却组件，其特征在于，所述支撑框架包括用于使用水或饱和蒸汽冷却所述框架的冷却装置。

11.根据权利要求9所述的合成气冷却组件，其特征在于，所述蒸汽过热器（SSH）热交换器（16）包括一系列嵌套的基本上同轴的热交换器管路，所述管路由相应的支撑框架支撑在所述合成气冷却通道内。

12.根据权利要求1-8中的任一项所述的合成气冷却组件，其特征在于，其中所述气化反应器配置成用于部分地氧化煤，重质石油渣油，生物质和/或另一碳质原料。

13.根据权利要求1-8中的任一项所述的合成气冷却组件，其特征在于，所述气化反应器是产生至少80kg/s 的合成气的高吞吐量煤气化系统。

14.根据权利要求2-8中的任一项所述的合成气冷却组件，其特征在于，所述第一热交换器、所述蒸汽过热器（SSH）热交换器和所述至少一个第二热交换器包括用于交换热的盘绕加热表面元件。