輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器的製作方法

2023-10-31 03:17:07

專利名稱：輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，屬於含碳固體燃料氣化後的高溫高壓產物顯熱回收技術領域。
背景技術：
目前正在興起的整體聯合循環發電系統(Integrated Gasification CombinedCycle，簡稱IGCC)被認為是世界上最清潔的高效煤基發電技術之一。為獲得較高的碳轉化率和冷煤氣效率，IGCC氣化爐通常在高溫、高壓條件下運行，氣爐出口的氣化產物具有較高的溫度(1200 1600°C )。氣化產物的顯熱能否充分回收利用，對整個系統的能源利用效率具有十分重要的影響。目前技術條件下，通常採用的是溼法激冷技術，氣化產物中蘊含的大量高位顯熱被冷卻介質帶走而損失。通過合成氣冷卻器和對流廢鍋可最大限度地回收氣化爐出口氣化產物所蘊含的大量顯熱，並副產大量蒸汽，以提高整個系統的能源利用效率，與溼法激冷技術相比，可使能源利用效率提高約4 5個百分點。而且，合成氣攜帶的大部分灰渣將被合成氣冷卻器底部渣池捕集後排出，合成氣本身得到了初步淨化。目前已有的具有代表性的合成氣顯熱回收技術主要有殼牌(Shell)氣化工藝的合成氣冷卻工藝和GE (Texaco)公司的煤氣化全輻射廢鍋技術兩種，與此相似的國內有華能集團的兩段式幹煤粉氣化系統、華東理工大學和上海鍋爐廠有限公司等聯合開發的顯熱回收系統(中國專利CN201010114129.7)。中國專利CN201010114129.7公開的一種顯熱回收裝置主要包括輻射廢鍋系統和對流廢鍋兩個系統。該系統總體布局較為複雜，特別是輻射廢鍋和對流廢鍋內水冷壁壁面容易結渣、堵渣，而且整體佔地面積大、投資高。中國專利CN200720011769公開了一種單面水冷壁輻射式廢熱鍋爐，由於輻射廢鍋內水冷壁僅有一側起吸熱降溫作用，而且受輻射廢鍋總體尺寸的限制，其內部空間未得到合理利用。中國專利CN200910309656公開了一種雙面水冷壁廢熱鍋爐，其採用了八面體結構的水冷壁設計，且在內筒水冷壁內側設有多個屏式水冷壁，其結構複雜，流場具有一定的不均勻性，且直接接受高溫熔融灰渣顆粒流，容易在水冷壁上形成積灰結渣現象，隨著積灰量的增加，傳熱邊界條件惡化，如此形成惡性循環將可能出現堵渣等惡劣工況。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種將輻射廢鍋和對流廢鍋整合到一個合成氣冷卻器中，且能夠最大限度地降低膜式水冷壁上積灰結渣的概率的佔地面積小、成本低的輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器。為了解決上述技術問題，本實用新型的技術方案是提供一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:包括殼體，殼體中心設有中心流道，合成氣入口和渣池分別設於中心流道的上部和下部；中心流道四周設有膜式水冷壁，其特徵在於:所述膜式水冷壁和殼體之間有環隙空間，與所述膜式水冷壁連接的頂部集箱通過水冷壁出水口與汽水分離器連接；所述膜式水冷壁的上部設有激冷氣/汽入口，激冷氣/汽入口管道通過激冷氣/汽入口集箱與激冷氣/汽入口連接，合成氣出口設於所述殼體頂部側面，水冷壁入水口設於所述殼體下部側面並與所述膜式水冷壁連接。優選地，所述合成氣入口為圓弧型或拋物線型。優選地，所述環隙空間中同軸設有對流屏式水冷壁，對流屏式水冷壁的頂部的對流屏式水冷壁集箱連接所述頂部集箱，對流屏式水冷壁的底部的對流屏式水冷壁集箱連接所述水冷壁入水口，對流屏式水冷壁的寬度為所述環隙空間寬度的50% 80%。優選地，所述對流屏式水冷壁為I 5段，每段對流屏式水冷壁設有4 40組對流換熱屏。優選地，所述膜式水冷壁內側均勻設有吹灰裝置。優選地，所述吹灰裝置為4個。優選地，所述激冷氣/汽入口為I 3層，所述激冷氣/汽入口為4 80個，所述激冷氣/汽入口直徑為10 150mm，所述激冷氣/汽入口的方向與所述中心流道軸線方向形成夾角θ，0 < Θ < 75°。優選地，所述激冷氣/汽入口直徑為50 100mm。優選地，所述激冷氣/汽入口的方向與所述中心流道軸線方向的夾角Θ的範圍為5 < Θ < 45°。本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器使用時，高溫、高壓氣化產物自冷卻器頂部的合成氣入口進入，經激冷氣/汽入口處的激冷氣/汽激冷後，熔融態灰渣顆粒被迅速激冷固化並匯聚於中心流道，隨氣流沿冷卻器的中心流道向下流動，接觸底部渣池時大部分灰渣顆粒被渣池捕獲而脫除，合成氣折返進入環隙空間向上流動，經對流屏式水冷壁的進一步降溫後，自頂部側面的合成氣出口流出。高壓水從水冷壁入水口進入，經過吸收膜式水冷壁的熱量，被加熱轉換成高壓飽和水蒸汽，由水冷壁出水口排出，經過熱後可用於蒸汽輪機發電或預熱其他工藝氣體。相比現有技術，本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器具有如下有益效果:(I)有效回收了氣化產物的高位顯熱，富產大量高壓或中壓蒸汽，可用於蒸汽輪機發電或化工生產，大大提高了能源利用效率；(2)膜式水冷壁的上部設置環形激冷氣/汽入口，且激冷氣/汽入口方向可調節，熔融態灰渣顆粒被迅速固化，並在氣流的匯聚作用下集中於中心流道，最大限度的降低了灰渣在水冷壁上沉積的概率，激冷後物料溫度大大降低，縮小了合成氣冷卻器的結構尺寸，整體操作穩定性明顯提高，投資成本大大降低；(3)將輻射換熱膜式水冷壁與對流換熱屏式水冷壁布置於同一容器內，大大縮減了換熱器的佔地面積，節省了製造成本。本實用新型提供的裝置克服了現有技術的不足，將輻射廢鍋和對流廢鍋整合到一個合成氣冷卻器中，最大限度地降低膜式水冷壁上積灰結渣的概率，佔地面積小，大大提高了能源利用效率且降低了製造成本。

[0022]圖1為本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器示意圖；圖2為本實施例中對流屏式水冷壁為多段時示意圖；圖3為本實施例中合成氣冷卻器的上部放大圖；圖4為本實施例中合成氣冷卻器激冷氣/汽入口截面圖；圖5為本實施例合成氣冷卻器中部截面圖；附圖標記說明1-合成氣入口 ；2_中心流道；3-渣池；4_環隙空間；5_合成氣出口 ；6-法蘭；7-耐火磚；8_頂部集箱；9_激冷氣/汽入口 ； 10-水冷壁出水口 ； 11-對流屏式水冷壁集箱；12-吹掃氣入口 ；13_吹灰裝置；14_膜式水冷壁；15_對流屏式水冷壁；16_殼體；17_水冷壁入水口 ； 18-渣池入水口 ； 19-渣池出水口 ；20_水冷壁管；21_頂部隔熱填充空間；22_激冷氣/汽入口集箱；23_激冷氣/汽入口管道；24_第一翅片；25_對流屏式水冷壁管；26_第二翅片；27_阻隔板。
具體實施方式
為使本實用新型更明顯易懂，茲以一優選實施例，並配合附圖作詳細說明如下。影響合成氣冷卻器長期、高效、穩定運行的主要因素，除了與氣化爐的運行工況存在一定的關聯外，還與合成氣冷卻器內高溫合成氣與灰渣的氣固兩相流流動特性以及溫度分布特性都有著十分密切的關係，往往因高溫合成氣攜帶的熔融、半熔融狀態灰渣顆粒易衝擊到膜式水冷壁表面而發生積灰、結渣、堵渣等現象，嚴重影響了合成氣冷卻器的運行穩定性。因此，在氣化爐操作工況穩定時，必須合理布置合成氣冷卻器內的水冷壁，在最大化利用合成氣冷卻器空間的基礎上，優化合成氣冷卻器內部流場結構，避免水冷壁上積灰結渣情況的出現。圖1為本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器示意圖，所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器包括殼體16，殼體16內部裝有膜式水冷壁14，殼體16底部有渣池3，殼體16頂部開有合成氣入口 1，上部側面開有合成氣出口 5。膜式水冷壁14為筒體狀並在筒體中形成中心流道2，殼體16與膜式水冷壁14之間形成環隙空間4，該環隙空間4內布置對流屏式水冷壁15，在膜式水冷壁14的上部設置激冷氣/汽入Π 9。膜式水冷壁14沿合成氣冷卻器的殼體16內部平行布置，採用雙面水冷壁設計，內筒的水冷壁入水口 17位於合成氣冷卻器渣池3水面上部，設有集箱。膜式水冷壁14吸收氣化產物熱量後產生的高壓飽和水蒸汽從合成氣冷卻器頂部集箱8通過水冷壁出水口 10與進入汽水分尚器。高溫、高壓氣化產物自冷卻器頂部的合成氣入口 I進入，經激冷氣/汽入口 9處的激冷氣/汽激冷後，熔融態灰渣顆粒被迅速激冷固化並匯聚於中心流道2，隨氣流沿冷卻器的中心流道2向下流動，接觸底部渣池3時大部分灰渣顆粒被渣池3捕獲而脫除，合成氣折返進入環隙空間4向上流動，經對流屏式水冷壁15的進一步降溫後，自頂部側面的合成氣出口 5流出。高壓水從水冷壁入水口 17進入，經過吸收膜式水冷壁14的熱量，被加熱轉換成高壓飽和水蒸汽，由水冷壁出水口 10排出，經過熱後可用於蒸汽輪機發電或預熱其他工藝氣體。冷卻器底部的渣池3用來收集氣流攜帶的大部分灰渣顆粒，渣池3的水由渣池入水口18進入，從渣池出水口 19排出，通過渣水循環保持渣池液面穩定。渣池3的灰渣在打開阻隔板27後進入後續鎖鬥後排出。經過顯熱回收和初步淨化的粗煤氣從冷卻器的合成氣出口 5進入下遊工藝流程。膜式水冷壁14主要由水冷壁管20組成，水冷壁管20之間採用第一翅片24連接。對流屏式水冷壁15主要由對流屏式水冷壁管25組成，對流屏式水冷壁管25間連接第二翅片26。對流屏式水冷壁15可設置成圖1所示的一段式或圖2所示的多段式組合，每段的頂部和底部均設有對流屏式水冷壁集箱11，當採用圖2所示的多段式組合設計時，對流屏式水冷壁15可分為I 5段，每段的對流換熱屏可設置為4 40組。對流屏式水冷壁15的寬度為環隙空間4寬度的50% 80%。由於在冷卻器內筒的膜式水冷壁14上部設有激冷氣/汽入口 9，因此高溫高壓氣化產物在進入冷卻器後被低溫激冷氣/汽激冷，溫度迅速降低至900°C以下，從而使熔融態的灰渣顆粒被迅速固化，並在氣流的匯聚作用下集中在中心流道，最大限度的降低了灰渣在膜式水冷壁14上沉積的概率。此外，由於在環隙空間4設置了對流屏式水冷壁15，使合成氣顯熱得到進一步回收，合成氣溫度進一步下降，節省了對流換熱器佔地面積的同時提高了廢鍋系統的運行可靠性。激冷氣/汽入口管道23通過激冷氣/汽入口集箱22連接激冷氣/汽入口 9。激冷氣/汽入口 9在膜式水冷壁上部設有I 3層，每層的激冷氣/汽入口 9沿膜式水冷壁14筒體圓周呈均勻分布。這使得高溫、高壓氣化產物在冷卻器上部被激冷氣/汽更為有效地迅速激冷，使得熔渣得到更迅速的固化，降低其在水冷壁上形成積灰、結渣的概率。結合圖3，由於進入冷卻器的合成氣氣流攜帶了大量的灰渣顆粒，為防止灰渣顆粒的射流擴散，可調整激冷氣/汽入口 9方向，確保灰渣顆粒從中心流道向下流動，而不直接接觸膜式水冷壁14。因此，激冷氣/汽入口 9的入口方向與中心流道2軸線方向形成夾角Θ，該夾角Θ的範圍為:0< Θ <75°，優選範圍為5 < Θ <45°。由於氣流中夾帶了大量灰渣顆粒，為防止灰渣堵塞激冷氣/汽入口 9，在激冷氣/汽總量一定時保證適當的流速，在設定激冷氣/汽入口 9個數時，為了防止激冷處形成強烈湍流，其流速不宜過高，當控制激冷氣/汽入口 9直徑不變的情況下，激冷氣/汽入口 9的個數為4 80個，激冷氣/汽入口直徑的範圍為10 150mm，直徑優選範圍為50 100mm。用於激冷的冷卻劑可選用循環回流下遊低溫清潔合成氣或低溫水蒸汽。若採用循環回流下遊清潔低溫合成氣作為激冷氣，激冷氣選用的體積流量約佔出口總氣體量的三分之一，也可採用中低壓飽和水蒸汽進行激冷，具體需求量可根據後續工藝要求進行調節。為了進一步對合成氣進行餘熱回收，進入輻射廢鍋環隙空間4後，所布置對流屏式水冷壁15將發揮作用，由於大部分灰渣已經在底部渣池3被捕集脫除，進入環隙空間4的合成氣所夾帶的灰渣顆粒體積濃度較低，且由於溫度已低於700°C，沾汙粘結性大大降低，故提高了冷卻器的內部空間利用率。此外，在內筒膜式水冷壁14內側設置了 4個吹灰裝置13，吹掃氣從吹掃氣入口 12吹入，可有效防止灰渣沉積。結合圖3，R為內筒膜式水冷壁14與中心流道2中心軸線的距離，r為內筒膜式水冷壁14垂直部分最上端映射到中心流道2中心軸線上的點與內筒膜式水冷壁14彎曲部分上一點的連線，合成氣入口 I整體採用圓弧型(R = r)或拋物線型(R^r)設計，以減小入口射流回流區。合成氣冷卻器的合成氣入口 I處外側與氣化爐採用法蘭6連接，殼體16內側採用耐火磚7砌築。合成氣冷卻器頂部隔熱填充空間21可採用澆注料填充或充高壓氮氣。本實用新型適合於常規煤氣化化工生產中氣化產物的餘熱回收利用，尤其適用於整體聯合循環發電(IGCC)系統氣化島氣化產物的顯熱回收利用。若將本實用新型合成氣冷卻器應用於IGCC系統,合成氣冷卻器將位於IGCC系統的主熱力系統中，可為汽輪機發電提供高壓蒸汽。實施例1將本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器應用於大型(原煤處理量為1000t/d 3000t/d)水煤漿氣流床氣化系統或幹煤粉氣流床氣化系統中時，設置對流屏式水冷壁15時，可達到的主要性能指標如下:散熱損失:96%; 合成氣冷卻器入口溫度:1100 1400°C ；合成氣冷卻器出口溫度:200 300°C ；運行壓力(管程):> 10.0MPa ；運行壓力(殼程):> 4.0MPa ；內筒膜式水冷壁14副產高溫、高壓蒸汽，對流屏式水冷壁15副產中溫、中壓蒸汽。實施例2將本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器應用於大型(原煤處理量為1000t/d 3000t/d)水煤漿氣流床氣化系統或幹煤粉氣流床氣化系統中時，去除對流屏式水冷壁15時，可達到的主要性能指標如下:散熱損失:96%;合成氣冷卻器入口溫度:1100 1400°C ；合成氣冷卻器出口溫度:250 350°C ；運行壓力(管程):> 10.0MPa ；運行壓力(殼程):> 4.0MPa ；內筒膜式水冷壁14副產高溫、高壓蒸汽。
權利要求1.一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，包括殼體(16)，殼體(16)中心設有中心流道(2)，合成氣入口(I)和渣池(3)分別設於中心流道(2)的上部和下部；中心流道(2)四周設有膜式水冷壁(14)，其特徵在於:所述膜式水冷壁(14)和殼體(16)之間有環隙空間(4)，與所述膜式水冷壁(14)連接的頂部集箱(8)通過水冷壁出水口( 10)與汽水分離器連接；所述膜式水冷壁(14)的上部設有激冷氣/汽入口(9)，激冷氣/汽入口管道(23)通過激冷氣/汽入口集箱(22 )與激冷氣/汽入口( 9 )連接，合成氣出口( 5 )設於所述殼體(16 )頂部側面，水冷壁入水口( 17)設於所述殼體(16)下部側面並與所述膜式水冷壁(14)連接； 所述環隙空間(4)中同軸設有對流屏式水冷壁(15)，對流屏式水冷壁(15)的頂部的對流屏式水冷壁集箱(11)連接所述頂部集箱(8)，對流屏式水冷壁(15)的底部的對流屏式水冷壁集箱(11)連接所述水冷壁入水口(17)，對流屏式水冷壁(15)的寬度為所述環隙空間(4)寬度的50% 80%。
2.如權利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:所述合成氣入口(I)為圓弧型或拋物線型。
3.如權利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:所述對流屏式水冷壁(15)為f 5段，每段對流屏式水冷壁(15)設有Γ40組對流換熱屏。
4.如權利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:所述膜式水冷壁(14)內側均勻設有吹灰裝置(13)。
5.如權利要求4所述的一種輻射 和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:所述吹灰裝置(13)為4個。
6.如權利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:所述激冷氣/汽入口(9)為f 3層，所述激冷氣/汽入口(9)為Γ80個，所述激冷氣/汽入口(9)直徑為l(Tl50mm，所述激冷氣/汽入口(9)的方向與所述中心流道(2)軸線方向形成夾角 Θ，0〈 Θ〈75。。
7.如權利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:所述激冷氣/汽入口(9)直徑為5(Tl00mm。
8.如權利要求6所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於:所述激冷氣/汽入口(9)的方向與所述中心流道(2)軸線方向的夾角Θ的範圍為5〈θ〈45°。
專利摘要本實用新型提供了一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特徵在於包括殼體，殼體的中心流道四周設有膜式水冷壁，其特徵在於所述膜式水冷壁和殼體之間有環隙空間，與膜式水冷壁連接的頂部集箱通過水冷壁出水口與汽水分離器連接；膜式水冷壁的上部設有激冷氣/汽入口，激冷氣/汽入口管道通過激冷氣/汽入口集箱與激冷氣/汽入口連接，合成氣出口設於殼體頂部側面，水冷壁入水口設於殼體下部側面並與膜式水冷壁連接。本實用新型提供的裝置克服了現有技術的不足，將輻射廢鍋和對流廢鍋整合到一個合成氣冷卻器中，最大限度地降低膜式水冷壁上積灰結渣的概率，佔地面積小，大大提高了能源利用效率且降低了製造成本。
文檔編號C10K1/04GK202936392SQ20122043880
公開日2013年5月15日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者倪建軍, 烏曉江, 張建文, 熊杰 申請人:上海鍋爐廠有限公司