專利名稱：一種帶有調(diào)節(jié)手段的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋及其工業(yè)應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應用于煤等含碳固體燃料氣化生成的高溫、高壓產(chǎn)物顯熱的回收技術(shù)。
背景技術(shù)：
氣流床氣化爐通常在高溫、條件下運行，氣化產(chǎn)物具有較高的溫度?；跉饣罄m(xù)加工不同產(chǎn)品的要求，根據(jù)回收高溫煤氣顯熱工藝方案的不同，氣化有三種工藝流程，即激冷流程、廢鍋流程和廢鍋激冷聯(lián)合流程。對于合成氨生產(chǎn)及制氫多采用激冷流程。氣化過程產(chǎn)生的高溫煤氣和熔渣進入激冷室，在激冷室中與激冷水接觸，煤氣降溫、熔渣固化，被激冷后的粗煤氣含有較多水蒸汽， 可直接送入變換系統(tǒng)而不需再補加蒸汽。該工藝過程中熱量主要進入水循環(huán)系統(tǒng)，熱損失較大。激冷流程的工藝、設備及操作均較簡單。但從能量利用角度出發(fā)，激冷式氣化爐主要存在熱效率低、資源浪費大、能源利用不合理等缺點。與廢鍋流程相比，熱煤氣效率下降 5 8%。因此，氣化產(chǎn)物的顯熱能否充分回收利用，對整個系統(tǒng)的能源利用效率具有較大影響。廢鍋流程通過輻射廢鍋和對流廢鍋將氣化過程中產(chǎn)生的 1400°C的高溫煤氣、熔渣等的熱量回收，可回收相當于原料煤低位發(fā)熱量15 18%的能量，副產(chǎn)飽和蒸汽，在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)integrated Gasification Combined Cycle，簡稱IGCC)中用于蒸汽輪機發(fā)電，或預熱其他工藝介質(zhì)(如預熱進入燃氣輪機的合成氣等)，實現(xiàn)熱量回收利用，使得熱煤氣效率達到90 95 %。從能量利用效率角度而言，廢鍋流程是IGCC的最佳選擇。利用輻射廢鍋和對流廢鍋的顯熱回收技術(shù)，能對氣化產(chǎn)物顯熱得到最大限度的回收利用，可使整體能源利用效率提高4 5個百分點。進入輻射廢鍋的合成氣攜帶的大部分灰渣將被輻射廢鍋底部渣池捕集，合成氣本身也得到初步凈化。采用廢鍋激冷聯(lián)合流程，亦稱半廢鍋流程，即出氣化爐的高溫煤氣經(jīng)輻射廢鍋冷卻到700°C左右，然后采用水激冷到所需要的溫度，使依靠煤氣顯熱產(chǎn)生的蒸汽能滿足后工序部分變換的要求。輻射廢鍋產(chǎn)生高壓蒸汽，作動力蒸汽或驅(qū)動透平，可以大大降低動力煤消耗，從而明顯降低系統(tǒng)的能耗。特別是水煤漿氣化采用較差煤種(灰份含量高、煤漿濃度低)時，半廢鍋流程優(yōu)勢更加明顯。半廢鍋流程氣化工藝是甲醇及烴類合成的節(jié)能高效的關(guān)鍵，將有力促進以煤氣化為基礎(chǔ)的新型煤化工(煤制甲醇、煤制烯烴、煤間接液化等)能耗的降低。綜上所述，輻射廢鍋是廢鍋流程、半廢鍋流程的核心設備，是清潔、高效煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵單元。因此，研制先進的輻射廢鍋是提高我國煤炭轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)有輻射廢鍋換熱面無法密集布置，導致其體積龐大，并且有易結(jié)渣及水冷壁間環(huán)隙易積灰等缺陷，使操作方面存在安全隱患。因此，基于降低輻射廢鍋造價和實現(xiàn)輻射廢鍋安全操作的考慮，亟需帶有調(diào)節(jié)手段的輻射廢鍋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是公開一種帶有調(diào)節(jié)手段的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋及其工業(yè)應用，以滿足現(xiàn)代生產(chǎn)企業(yè)和IGCC發(fā)電系統(tǒng)對大規(guī)模高效氣流床氣化產(chǎn)物顯熱回收技術(shù)的需求。本發(fā)明的構(gòu)思是這樣的由于影響輻射廢鍋高效、穩(wěn)定、長周期運行的主要因素， 除了與氣化爐的運行工況存在一定的關(guān)聯(lián)外，輻射廢鍋內(nèi)水冷壁上的積灰、結(jié)渣甚至最終產(chǎn)生的堵渣現(xiàn)象是影響輻射廢鍋運行的關(guān)鍵問題。而輻射廢鍋內(nèi)的灰渣為被氣流從氣化爐攜帶的熔融態(tài)灰渣顆粒，能否在輻射廢鍋水冷壁上形成積灰、結(jié)渣與輻射廢鍋內(nèi)的水冷壁布置和流體流場結(jié)構(gòu)有關(guān)。也就是說，在氣化爐操作工況穩(wěn)定時，必須合理布置輻射廢鍋內(nèi)的水冷壁，在最大化利用輻射廢鍋空間的基礎(chǔ)上，優(yōu)化輻射廢鍋內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，避免水冷壁上積灰結(jié)渣情況的出現(xiàn)。本發(fā)明為雙筒體水冷壁型輻射廢鍋，是由與氣化爐相連的法蘭、承受高溫高壓的殼體、內(nèi)置兩個圓筒形膜式水冷壁(內(nèi)層水冷壁、外層水冷壁)、屏式水冷壁和位于輻射廢鍋底部的渣池等部件構(gòu)成，并包括具有調(diào)節(jié)作用的噴水降溫裝置。輻射廢鍋入口處外側(cè)與氣化爐殼體采用法蘭連接。輻射廢鍋殼體內(nèi)側(cè)采用耐火磚砌筑，進入輻射廢鍋處設計有一滴水檐，利于熔渣脫落進入輻射廢鍋，防止直接沉積在水冷壁壁面。入口整體采用拋物線型設計，減小入口射流回流區(qū)。輻射廢鍋殼體的內(nèi)徑2. 5 6. 8m,高徑比3 10，具體尺寸與連接的氣流床氣化爐的處理規(guī)模相對應。圓筒形膜式水冷壁沿輻射廢鍋的殼體內(nèi)部平行布置，內(nèi)層水冷壁采用雙面水冷壁設計，外層水冷壁為單面水冷壁結(jié)構(gòu)。內(nèi)層水冷壁入口位于輻射廢鍋渣池液面上部，設有集箱。進入水冷壁的高壓水吸收氣化產(chǎn)物熱量后，產(chǎn)生高壓飽和蒸汽/水，從輻射廢鍋頂部進入汽水分離設備，蒸汽用于蒸汽輪機發(fā)電或預熱其他工藝介質(zhì)。在內(nèi)層水冷壁的內(nèi)側(cè)布置屏式水冷壁，以實現(xiàn)在避免結(jié)渣的前提下，充分利用輻射廢鍋的空間，強化傳熱。屏式水冷壁緊鄰內(nèi)層水冷壁，沿內(nèi)層水冷壁頂部向下垂直布置。屏式水冷壁的數(shù)量、高度及寬度與輻射廢鍋處理負荷、流場和高溫煤氣所含熔渣的狀態(tài)等有關(guān)高度不大于內(nèi)層水冷壁高度的1/2 ；寬度不大于內(nèi)層水冷壁所構(gòu)成空間的半徑的 1/2;數(shù)量為2 32個。屏式水冷壁沿圓周方向均勻布置。在內(nèi)層水冷壁內(nèi)側(cè)傳熱惡化時，離開內(nèi)層水冷壁的高溫煤氣的溫度偏高，可能會導致內(nèi)層水冷壁與外層水冷壁構(gòu)成的水冷壁環(huán)隙產(chǎn)生積灰，將導致傳熱進一步惡化，并可能產(chǎn)生操作安全性問題。在水冷壁環(huán)隙底部布置具有調(diào)節(jié)性能的噴水減溫裝置，噴水減溫裝置的噴水孔沿環(huán)隙圓周方向均勻布置，噴水量可根據(jù)離開內(nèi)層水冷壁的高溫煤氣的溫度進行控制，以實現(xiàn)不高于200°C的降溫幅度，使進入環(huán)隙的高溫煤氣的溫度恒定，從而徹底消除水冷壁環(huán)隙的積灰問題。在內(nèi)層水冷壁的內(nèi)側(cè)下部及水冷壁環(huán)隙設有吹灰裝置，以清除細灰，保持水冷壁傳熱面清潔。輻射廢鍋底部設有收集落渣的渣池，大部分灰渣依靠重力直接進入渣池的水浴， 通過渣池底部出口進入下部的鎖斗排出。經(jīng)過顯熱回收的粗煤氣由輻射廢鍋出口進入后續(xù)工藝流程。本發(fā)明的優(yōu)點1.本發(fā)明提供的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋可用于IGCC發(fā)電系統(tǒng)，回收高溫高壓氣化產(chǎn)物的顯熱，以產(chǎn)生高壓飽和蒸汽用于發(fā)電，整體能源利用效率大大提高。2.本發(fā)明提供的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋可用于化工生產(chǎn)系統(tǒng)中氣流床煤氣化生產(chǎn)的粗煤氣的顯熱回收，產(chǎn)生的高壓飽和蒸汽可用于化工生產(chǎn)中所需的工藝蒸汽和輔助蒸汽。3.本發(fā)明提供的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋采用圓筒形水冷壁結(jié)構(gòu)，采用雙筒體結(jié)構(gòu)設計并設置屏式水冷壁，在無結(jié)渣隱患的前提下，有效地縮減輻射廢鍋整體尺寸，制造、 運輸和安裝較為方便，利于吹灰和維修。4.本發(fā)明提供的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋帶有調(diào)節(jié)手段，在水冷壁環(huán)隙底部布置噴水減溫裝置，噴水量可根據(jù)離開內(nèi)層水冷壁的高溫煤氣的溫度進行控制，使進入環(huán)隙的高溫煤氣的溫度恒定，從而徹底消除水冷壁環(huán)隙的積灰問題。5.本發(fā)明提供的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋底部設有渣池，合成氣攜帶灰渣顆粒流經(jīng)底部渣池后，大部分灰渣落入渣池，合成氣進入輻射廢鍋環(huán)隙，氣化產(chǎn)物在降溫的同時已在輻射廢鍋內(nèi)完成初步凈化過程。


圖1為雙筒體水冷壁型輻射廢鍋的結(jié)構(gòu)簡圖。圖2為輻射廢鍋的剖視簡圖。圖3為噴水減溫裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。圖中，1-輻射廢鍋入口法蘭，2-輻射廢鍋與氣化爐接口，3-內(nèi)層水冷壁出口集箱， 4-輻射廢鍋出口，5-內(nèi)層水冷壁，6-外層水冷壁，7-輻射廢鍋殼體，8-阻隔板，9-渣池出水口，10-渣池進水口，11-渣池出渣口，12-內(nèi)水冷壁出口，13-外水冷壁出口，14-輻射廢鍋渣池，15-內(nèi)層水冷壁入口，16-外層水冷壁入口，17-吹灰裝置，18-水冷壁環(huán)隙，19-水冷壁連接翅片，20-外層水冷壁出口集箱；21-外層水冷壁與殼體環(huán)隙；22-屏式水冷壁；23-噴水減溫裝置；24-屏式水冷壁入口 ；25-屏式水冷壁出口 ；26-噴水孔。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明為用于大型高效氣化爐高溫產(chǎn)物的顯熱回收的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋，主要由與氣化爐相連的法蘭1和接口 2，承受高壓的殼體7，回收產(chǎn)物高溫顯熱的內(nèi)層水冷壁5、屏式水冷壁22和外層水冷壁6，噴水減溫裝置23以及位于輻射廢鍋底部的渣池14等部件構(gòu)成。圓筒形膜式水冷壁5和6沿輻射廢鍋殼體平行布置，內(nèi)層水冷壁出口與渣池液面保持一定距離。水冷壁入口 15、16的高壓水分別經(jīng)過水冷壁5、6及屏式水冷壁 22回收高溫氣化產(chǎn)物的熱量，并加熱轉(zhuǎn)換成高壓飽和蒸汽/水，可用于蒸汽輪機發(fā)電或預熱其他工藝氣體。輻射廢鍋底部渣池14將收集氣流攜帶的大部分灰渣顆粒。渣池水由入口 10進入，從出口 9排出，從而實現(xiàn)渣水循環(huán)并保持渣池水溫穩(wěn)定。渣池的灰渣從出口 11 進入下部的鎖斗后排出。經(jīng)過顯熱回收和初步凈化的粗煤氣從輻射廢鍋出口 4進入下游工藝單元。
水冷壁出口 12、13分別與內(nèi)層水冷壁出口集箱3及外層水冷壁出口集箱20連通。 圓筒形內(nèi)層水冷壁5和外層水冷壁6組成一個環(huán)形空間18。內(nèi)、外層水冷壁的水冷管管間采用鰭片19連接。輻射廢鍋外層水冷壁與金屬外殼間的空隙可注入氮氣，以達到壓力平內(nèi)層水冷壁5與外層水冷壁6構(gòu)成的水冷壁環(huán)隙18底部布置具有調(diào)節(jié)作用的噴水減溫裝置23，噴水減溫裝置23的噴水孔沈沿環(huán)隙圓周方向均勻布置，噴水孔開孔方向為垂直向下。噴水量可根據(jù)離開內(nèi)層雙面水冷壁的高溫煤氣的溫度進行控制，使進入環(huán)隙的高溫煤氣的溫度恒定。在內(nèi)層水冷壁5的內(nèi)側(cè)下部及水冷壁環(huán)隙18設有吹灰裝置17。吹灰裝置17定期運行，以清除附于水冷壁的細灰，保持水冷壁傳熱面清潔。若將輻射廢鍋應用于IGCC系統(tǒng)，輻射廢鍋將處于IGCC系統(tǒng)的主熱力系統(tǒng)中，為汽輪機發(fā)電提供高壓蒸汽。實施例1某多噴嘴對置式水煤漿氣化爐日處理煤1650噸(干基)/天，出氣化爐進入輻射廢鍋的高溫煤氣流量176500Nm3/h，溫度1310°C，壓力35atm(G)。輻射廢鍋殼體內(nèi)徑 5000mm，直段高徑比4. 8，直段高度2 !；內(nèi)層水冷壁中心直徑2300mm，高度21m ；外層水冷壁中心直徑3700mm，高度20m。沿內(nèi)層水冷壁頂部向下垂直布置16個屏式水冷壁；屏式水冷壁的高度為8m，寬度為0.細，管子規(guī)格為Φ48Χ6 ；屏式水冷壁沿圓周方向均勻布置。采用屏式水冷壁使輻射廢鍋的高度相對于不設置屏式水冷壁時縮短約5m。進入內(nèi)、外層水冷壁及屏式水冷壁的高壓水的溫度為312°C，壓力112atm，蒸發(fā)量為185t/h。離開輻射廢鍋的煤氣溫度為約600°C。在內(nèi)層水冷壁與外層水冷壁構(gòu)成的水冷壁環(huán)隙布置噴水減溫裝置(噴水環(huán))，噴水孔沿環(huán)隙圓周方向均勻布置，噴水量最高25t/h，以達到不高于200°C的降溫幅度，從而實現(xiàn)在內(nèi)層水冷壁及屏式水冷壁傳熱惡化時，也不會導致進入環(huán)隙的高溫煤氣的溫度升高。該調(diào)節(jié)手段對于保證水冷壁環(huán)隙不產(chǎn)生積灰、結(jié)渣問題起到關(guān)鍵作用。該設備達到的性能如下散熱損失<0.4%可用率>95%輻射廢鍋入口溫度1200 1400°C輻射廢鍋出口溫度500 700°C操作壓力(管程)112atm操作壓力(殼程)=3^itm該輻射廢鍋可用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)及新型煤化工裝置中煤等含碳固體燃料氣化生成產(chǎn)物的高溫顯熱回收。
權(quán)利要求
1.一種帶有調(diào)節(jié)手段的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋，其特征在于利用水冷壁通過輻射傳熱方式回收氣流床氣化產(chǎn)生的高溫煤氣的顯熱，包括殼體(7)、與氣化爐接口 O)、內(nèi)層水冷壁(5)、外層水冷壁(6)、渣池(14)、吹灰裝置(17)、屏式水冷壁0 和噴水減溫裝置 (23)。
2.按照權(quán)利要求1所述的輻射廢鍋，其特征在于輻射廢鍋入口采用拋物線形設計結(jié)構(gòu)，與氣化爐采用法蘭連接。
3.按照權(quán)利要求1所述的輻射廢鍋，其特征在于殼體(7)內(nèi)徑2.5 6. 8m，高徑比 3 10，具體尺寸與連接的氣流床氣化爐的處理規(guī)模相對應。。
4.按照權(quán)利要求1所述的輻射廢鍋，其特征在于內(nèi)層水冷壁( 和外層水冷壁(6)沿輻射廢鍋的殼體內(nèi)部呈圓筒形平行布置；水冷壁的高壓水入口位于輻射廢鍋渣池(14)液面的上部；進入水冷壁的高壓水經(jīng)水冷壁回收氣化產(chǎn)物的輻射熱量，產(chǎn)生的高壓飽和蒸汽 /水從輻射廢鍋的上部引出。
5.按照權(quán)利要求1所述的輻射廢鍋，其特征在于在內(nèi)層水冷壁(5)的內(nèi)側(cè)布置屏式水冷壁(22)。
6.按照權(quán)利要求5所述的輻射廢鍋，其特征在于屏式水冷壁02)緊鄰內(nèi)層雙面水冷壁(5)，沿內(nèi)層水冷壁( 頂部向下垂直布置；屏式水冷壁0 的高度不大于內(nèi)層水冷壁 (5)高度的1/2 ；屏式水冷壁02)的寬度不大于內(nèi)層水冷壁(5)所構(gòu)成空間的半徑的1/2 ； 屏式水冷壁02)的數(shù)量為2 32個；沿圓周方向均勻布置。
7.按照權(quán)利要求1所述的輻射廢鍋，其特征在于在內(nèi)層水冷壁(5)與外層水冷壁(6) 構(gòu)成的水冷壁環(huán)隙(18)布置噴水減溫裝置03)。
8.按照權(quán)利要求7所述的輻射廢鍋，其特征在于噴水減溫裝置布置在水冷壁環(huán)隙(18)的底部；噴水減溫裝置的噴水孔沈沿環(huán)隙圓周方向均勻布置；噴水量可根據(jù)出內(nèi)層水冷壁( 高溫煤氣的溫度進行控制。
9.按照權(quán)利要求1所述的輻射廢鍋，其特征在于吹灰裝置(17)設置在內(nèi)層水冷壁 (5)的內(nèi)側(cè)下部及水冷壁環(huán)隙(18)。
10.按照權(quán)利要求1 9任一所述的雙筒體水冷壁型輻射廢鍋的應用，其特征在于可用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)及新型煤化工裝置中煤等含碳固體燃料氣化生成產(chǎn)物的高溫顯熱回收。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣流床煤氣化高溫、高壓氣化產(chǎn)物所含顯熱的回收技術(shù)，尤其適用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(IGCC)氣化島的廢鍋流程氣化爐或半廢鍋流程氣化爐，為一種帶有調(diào)節(jié)手段的雙水冷壁筒體型輻射廢鍋。由與氣化爐連接的法蘭、承受高溫和高壓的殼體、內(nèi)層水冷壁、外層水冷壁、屏式水冷壁、吹灰裝置以及位于底部的渣池構(gòu)成，并包括具有調(diào)節(jié)作用的噴水降溫裝置。大部分氣流攜帶的灰渣被底部渣池捕集，合成氣從輻射廢鍋單側(cè)出口流出。進輻射廢鍋的高壓水，回收高溫、高壓氣化產(chǎn)物的顯熱后，轉(zhuǎn)換成飽和高壓蒸汽由水冷壁出口排出。本發(fā)明可有效回收氣化產(chǎn)物的高位顯熱，提高整體能源利用效率，具有運行安全、可靠、可控的特點，是一種清潔、高效的能源回收技術(shù)。
文檔編號F22B37/00GK102213409SQ20111008394
公開日2011年10月12日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者于廣鎖, 代正華, 倪建軍, 劉海峰, 周志杰, 李偉鋒, 梁欽鋒, 王亦飛, 王興軍, 王輔臣, 許建良, 郭慶華, 郭曉鐳, 陳雪莉, 龔欣 申請人:華東理工大學