专利名称：一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，属于含碳固体燃料气化后的高温高压产物显热回收技术领域。
背景技术：
目前正在兴起的整体联合循环发电 系统(Integrated Gasification CombinedCycle，简称IGCC)被认为是世界上最清洁的高效煤基发电技术之一。为获得较高的碳转化率和冷煤气效率，IGCC气化炉通常在高温、高压条件下运行，气炉出口的气化产物具有较高的温度(1200 1600°C )。气化产物的显热能否充分回收利用，对整个系统的能源利用效率具有十分重要的影响。目前技术条件下，通常采用的是湿法激冷技术，气化产物中蕴含的大量高位显热被冷却介质带走而损失。通过合成气冷却器和对流废锅可最大限度地回收气化炉出口气化产物所蕴含的大量显热，并副产大量蒸汽，以提高整个系统的能源利用效率，与湿法激冷技术相比，可使能源利用效率提高约4 5个百分点。而且，合成气携带的大部分灰渣将被合成气冷却器底部渣池捕集后排出，合成气本身得到了初步净化。目前已有的具有代表性的合成气显热回收技术主要有壳牌(Shell)气化工艺的合成气冷却工艺和GE (Texaco)公司的煤气化全辐射废锅技术两种，与此相似的国内有华能集团的两段式干煤粉气化系统、华东理工大学和上海锅炉厂有限公司等联合开发的显热回收系统(中国专利CN201010114129. 7)。中国专利CN201010114129. 7公开的一种显热回收装置主要包括辐射废锅系统和对流废锅两个系统。该系统总体布局较为复杂，特别是辐射废锅和对流废锅内水冷壁壁面容易结渣、堵渣，而且整体占地面积大、投资高。中国专利CN200720011769公开了一种单面水冷壁辐射式废热锅炉，由于辐射废锅内水冷壁仅有一侧起吸热降温作用，而且受辐射废锅总体尺寸的限制，其内部空间未得到合理利用。中国专利CN200910309656公开了一种双面水冷壁废热锅炉，其采用了八面体结构的水冷壁设计，且在内筒水冷壁内侧设有多个屏式水冷壁，其结构复杂，流场具有一定的不均匀性，且直接接受高温熔融灰渣颗粒流，容易在水冷壁上形成积灰结渣现象，随着积灰量的增加，传热边界条件恶化，如此形成恶性循环将可能出现堵渣等恶劣工况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种将辐射废锅和对流废锅整合到一个合成气冷却器中，且能够最大限度地降低膜式水冷壁上积灰结渣的概率的占地面积小、成本低的辐射和对流换热一体式合成气冷却器。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于包括壳体，壳体中心设有中心流道，合成气入口和渣池分别设于中心流道的上部和下部；中心流道四周设有膜式水冷壁，其特征在于所述膜式水冷壁和壳体之间有环隙空间，与所述膜式水冷壁连接的顶部集箱通过水冷壁出水口与汽水分离器连接；所述膜式水冷壁的上部设有激冷气/汽入口，激冷气/汽入口管道通过激冷气/汽入口集箱与激冷气/汽入口连接，合成气出口设于所述壳体顶部侧面，水冷壁入水口设于所述壳体下部侧面并与所述膜式水冷壁连接。优选地，所述合成气入口为圆弧型或抛物线型。优选地，所述环隙空间中同轴设有对流屏式水冷壁，对流屏式水冷壁的顶部的对流屏式水冷壁集箱连接所述顶部集箱，对流屏式水冷壁的底部的对流屏式水冷壁集箱连接所述水冷壁入水口，对流屏式水冷壁的宽度为所述环隙空间宽度的50% 80%。优选地，所述对流屏式水冷壁为I 5段，每段对流屏式水冷壁设有4 40组对流换热屏。优选地，所述膜式水冷壁内侧均匀设有吹灰装置。优选地，所述吹灰装置为4个。 优选地，所述激冷气/汽入口为I 3层，所述激冷气/汽入口为4 80个，所述激冷气/汽入口直径为10 150mm，所述激冷气/汽入口的方向与所述中心流道轴线方向形成夹角θ，0 < Θ < 75°。优选地，所述激冷气/汽入口直径为50 100mm。优选地，所述激冷气/汽入口的方向与所述中心流道轴线方向的夹角Θ的范围为5 < Θ < 45°。本发明提供的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器使用时，高温、高压气化产物自冷却器顶部的合成气入口进入，经激冷气/汽入口处的激冷气/汽激冷后，熔融态灰渣颗粒被迅速激冷固化并汇聚于中心流道，随气流沿冷却器的中心流道向下流动，接触底部渣池时大部分灰渣颗粒被渣池捕获而脱除，合成气折返进入环隙空间向上流动，经对流屏式水冷壁的进一步降温后，自顶部侧面的合成气出口流出。高压水从水冷壁入水口进入，经过吸收膜式水冷壁的热量，被加热转换成高压饱和水蒸汽，由水冷壁出水口排出，经过热后可用于蒸汽轮机发电或预热其他工艺气体。相比现有技术，本发明提供的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器具有如下有益效果(I)有效回收了气化产物的高位显热，富产大量高压或中压蒸汽，可用于蒸汽轮机发电或化工生产，大大提高了能源利用效率；(2)膜式水冷壁的上部设置环形激冷气/汽入口，且激冷气/汽入口方向可调节，熔融态灰渣颗粒被迅速固化，并在气流的汇聚作用下集中于中心流道，最大限度的降低了灰渣在水冷壁上沉积的概率，激冷后物料温度大大降低，缩小了合成气冷却器的结构尺寸，整体操作稳定性明显提高，投资成本大大降低；(3)将辐射换热膜式水冷壁与对流换热屏式水冷壁布置于同一容器内，大大缩减了换热器的占地面积，节省了制造成本。本发明提供的装置克服了现有技术的不足，将辐射废锅和对流废锅整合到一个合成气冷却器中，最大限度地降低膜式水冷壁上积灰结渣的概率，占地面积小，大大提高了能源利用效率且降低了制造成本。
图I为本发明提供的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器示意图；图2为本实施例中对流屏式水冷壁为多段时示意图；图3为本实施例中合成气冷却器的上部放大图；图4为本实施例中合成气冷却器激冷气/汽入口截面图；图5为本实施例合成气冷却器中部截面图；附图标记说明I-合成气入口 ；2_中心流道；3-渣池；4_环隙空间；5_合成气出口 ；6-法兰；7-耐火砖；8_顶部集箱；9_激冷气/汽入口 ； 10-水冷壁出水口 ； 11-对流屏式水冷壁集箱；12-吹扫气入口 ；13_吹灰装置；14_膜式水冷壁；15_对流屏式水冷壁；16_壳体；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_顶部隔热填充空间；22_激 冷气/汽入口集箱；23_激冷气/汽入口管道；24_第一翅片；25_对流屏式水冷壁管；26_第二翅片；27_阻隔板。
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以两个优选实施例，并配合附图作详细说明如下。影响合成气冷却器长期、高效、稳定运行的主要因素，除了与气化炉的运行工况存在一定的关联外，还与合成气冷却器内高温合成气与灰渣的气固两相流流动特性以及温度分布特性都有着十分密切的关系，往往因高温合成气携带的熔融、半熔融状态灰渣颗粒易冲击到膜式水冷壁表面而发生积灰、结渣、堵渣等现象，严重影响了合成气冷却器的运行稳定性。因此，在气化炉操作工况稳定时，必须合理布置合成气冷却器内的水冷壁，在最大化利用合成气冷却器空间的基础上，优化合成气冷却器内部流场结构，避免水冷壁上积灰结渣情况的出现。图I为本发明提供的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器示意图，所述的一种福射和对流换热一体式合成气冷却器包括壳体16,壳体16内部装有膜式水冷壁14,壳体16底部有渣池3，壳体16顶部开有合成气入口 1，上部侧面开有合成气出口 5。膜式水冷壁14为筒体状并在筒体中形成中心流道2，壳体16与膜式水冷壁14之间形成环隙空间4，该环隙空间4内布置对流屏式水冷壁15，在膜式水冷壁14的上部设置激冷气/汽入口 9。膜式水冷壁14沿合成气冷却器的壳体16内部平行布置，采用双面水冷壁设计，内筒的水冷壁入水口 17位于合成气冷却器渣池3水面上部，设有集箱。膜式水冷壁14吸收气化产物热量后产生的高压饱和水蒸汽从合成气冷却器顶部集箱8通过水冷壁出水口 10与进入汽水分尚器。高温、高压气化产物自冷却器顶部的合成气入口 I进入，经激冷气/汽入口 9处的激冷气/汽激冷后，熔融态灰渣颗粒被迅速激冷固化并汇聚于中心流道2，随气流沿冷却器的中心流道2向下流动，接触底部渣池3时大部分灰渣颗粒被渣池3捕获而脱除，合成气折返进入环隙空间4向上流动，经对流屏式水冷壁15的进一步降温后，自顶部侧面的合成气出口 5流出。高压水从水冷壁入水口 17进入，经过吸收膜式水冷壁14的热量，被加热转换成高压饱和水蒸汽，由水冷壁出水口 10排出，经过热后可用于蒸汽轮机发电或预热其他工艺气体。冷却器底部的渣池3用来收集气流携带的大部分灰渣颗粒，渣池3的水由渣池入水口18进入，从渣池出水口 19排出，通过渣水循环保持渣池液面稳定。渣池3的灰渣在打开阻隔板27后进入后续锁斗后排出。经过显热回收和初步净化的粗煤气从冷却器的合成气出口 5进入下游工艺流程。膜式水冷壁14主要由水冷壁管20组成，水冷壁管20之间采用第一翅片24连接。对流屏式水冷壁15主要由对流屏式水冷壁管25组成，对流屏式水冷壁管25间连接第二翅片26。对流屏式水冷壁15可设置成图I所示的一段式或图2所示的多段式组合，每段的顶部和底部均设有对流屏式水冷壁集箱11，当采用图2所示的多段式组合设计时，对流屏式水冷壁15可分为I 5段，每段的对流换热屏可设置为4 40组。对流屏式水冷壁15的宽度为环隙空间4宽度的50% 80%。 由于在冷却器内筒的膜式水冷壁14上部设有激冷气/汽入口 9，因此高温高压气化产物在进入冷却器后被低温激冷气/汽激冷，温度迅速降低至900°C以下，从而使熔融态的灰渣颗粒被迅速固化，并在气流的汇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上沉积的概率。此外，由于在环隙空间4设置了对流屏式水冷壁15，使合成气显热得到进一步回收，合成气温度进一步下降，节省了对流换热器占地面积的同时提高了废锅系统的运行可靠性。激冷气/汽入口管道23通过激冷气/汽入口集箱22连接激冷气/汽入口 9。激冷气/汽入口 9在膜式水冷壁上部设有I 3层，每层的激冷气/汽入口 9沿膜式水冷壁14筒体圆周呈均匀分布。这使得高温、高压气化产物在冷却器上部被激冷气/汽更为有效地迅速激冷，使得熔渣得到更迅速的固化，降低其在水冷壁上形成积灰、结渣的概率。结合图3，由于进入冷却器的合成气气流携带了大量的灰渣颗粒，为防止灰渣颗粒的射流扩散，可调整激冷气/汽入口 9方向，确保灰渣颗粒从中心流道向下流动，而不直接接触膜式水冷壁14。因此，激冷气/汽入口 9的入口方向与中心流道2轴线方向形成夹角Θ，该夹角Θ的范围为0< Θ <75°，优选范围为5 < Θ <45°。由于气流中夹带了大量灰渣颗粒，为防止灰渣堵塞激冷气/汽入口 9，在激冷气/汽总量一定时保证适当的流速，在设定激冷气/汽入口 9个数时，为了防止激冷处形成强烈湍流，其流速不宜过高，当控制激冷气/汽入口 9直径不变的情况下，激冷气/汽入口 9的个数为4 80个，激冷气/汽入口直径的范围为10 150mm，直径优选范围为50 100mm。用于激冷的冷却剂可选用循环回流下游低温清洁合成气或低温水蒸汽。若采用循环回流下游清洁低温合成气作为激冷气，激冷气选用的体积流量约占出口总气体量的三分之一，也可采用中低压饱和水蒸汽进行激冷，具体需求量可根据后续工艺要求进行调节。为了进一步对合成气进行余热回收，进入辐射废锅环隙空间4后，所布置对流屏式水冷壁15将发挥作用，由于大部分灰渣已经在底部渣池3被捕集脱除，进入环隙空间4的合成气所夹带的灰渣颗粒体积浓度较低，且由于温度已低于700°C，沾污粘结性大大降低，故提高了冷却器的内部空间利用率。此外，在内筒膜式水冷壁14内侧设置了 4个吹灰装置13，吹扫气从吹扫气入口 12吹入，可有效防止灰渣沉积。结合图3，R为内筒膜式水冷壁14与中心流道2中心轴线的距离，r为内筒膜式水冷壁14垂直部分最上端映射到中心流道2中心轴线上的点与内筒膜式水冷壁14弯曲部分上一点的连线，合成气入口 I整体采用圆弧型(R = r)或抛物线型(R^r)设计，以减小入口射流回流区。合成气冷却器的合成气入口 I处外侧与气化炉采用法兰6连接，壳体16内侧采用耐火砖7砌筑。合成气冷却器顶部隔热填充空间21可采用浇注料填充或充高压氮气。本发明适合于常规煤气化化工生产中气化产物的余热回收利用，尤其适用于整体联合循环发电(IGCC)系统气化岛气化产物的显热回收利用。若将本发明合成气冷却器应用于IGCC系统,合成气冷却器将位于IGCC系统的主热力系统中，可为汽轮机发电提供高压蒸汽。实施例I将本发明提供的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器应用于大型(原煤处理量为1000t/d 3000t/d)水煤浆气流床气化系统或干煤粉气流床气化系统中时，设置对流屏式水冷壁15时，可达到的主要性能指标如下散热损失<0.3%; 可用率>96%;合成气冷却器入口温度1100 1400°C ；合成气冷却器出口温度200 300°C ；运行压力(管程)> 10. OMPa ；运行压力(壳程)> 4. OMPa ；内筒膜式水冷壁14副产高温、高压蒸汽，对流屏式水冷壁15副产中温、中压蒸汽。实施例2将本发明提供的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器应用于大型(原煤处理量为1000t/d 3000t/d)水煤浆气流床气化系统或干煤粉气流床气化系统中时，去除对流屏式水冷壁15时，可达到的主要性能指标如下散热损失<0. 4% ；可用率>96%;合成气冷却器入口温度1100 1400°C ；合成气冷却器出口温度250 350°C ；运行压力(管程)> 10. OMPa ；运行压力(壳程)> 4. OMPa ；内筒膜式水冷壁14副产高温、高压蒸汽。
权利要求
1.一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，包括壳体(16)，壳体(16)中心设有中心流道(2)，合成气入口(I)和渣池(3)分别设于中心流道(2)的上部和下部；中心流道(2)四周设有膜式水冷壁(14)，其特征在于所述膜式水冷壁(14)和壳体(16)之间有环隙空间(4)，与所述膜式水冷壁(14)连接的顶部集箱(8)通过水冷壁出水口(10)与汽水分离器连接；所述膜式水冷壁(14)的上部设有激冷气/汽入口(9)，激冷气/汽入口管道(23)通过激冷气/汽入口集箱(22)与激冷气/汽入口(9)连接，合成气出口(5)设于所述壳体(16)顶部侧面，水冷壁入水口(17)设于所述壳体(16)下部侧面并与所述膜式水冷壁(14)连接。
2.如权利要求I所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述合成气入口(I)为圆弧型或抛物线型。
3.如权利要求I所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述环隙空间(4)中同轴设有对流屏式水冷壁(15)，对流屏式水冷壁(15)的顶部的对流屏式水冷壁集箱(11)连接所述顶部集箱(8)，对流屏式水冷壁(15)的底部的对流屏式水冷壁集箱(11)连接所述水冷壁入水口(17)，对流屏式水冷壁(15)的宽度为所述环隙空间(4)宽度的 50% 80%。
4.如权利要求3所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述对流屏式水冷壁(15)为I 5段，每段对流屏式水冷壁(15)设有4 40组对流换热屏。
5.如权利要求I所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述膜式水冷壁(14)内侧均匀设有吹灰装置(13)。
6.如权利要求5所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述吹灰装置(13)为4个。
7.如权利要求I所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述激冷气/汽入口(9)为I 3层，所述激冷气/汽入口(9)为4 80个，所述激冷气/汽入口(9)直径为10 150mm，所述激冷气/汽入口(9)的方向与所述中心流道⑵轴线方向形成夹角θ，0 < Θ < 75°。
8.如权利要求I所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述激冷气/汽入口(9)直径为50 100mm。
9.如权利要求7所述的一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于所述激冷气/汽入口(9)的方向与所述中心流道(2)轴线方向的夹角Θ的范围为5 < Θ< 45°。
全文摘要
本发明提供了一种辐射和对流换热一体式合成气冷却器，其特征在于包括壳体，壳体的中心流道四周设有膜式水冷壁，其特征在于所述膜式水冷壁和壳体之间有环隙空间，与膜式水冷壁连接的顶部集箱通过水冷壁出水口与汽水分离器连接；膜式水冷壁的上部设有激冷气/汽入口，激冷气/汽入口管道通过激冷气/汽入口集箱与激冷气/汽入口连接，合成气出口设于壳体顶部侧面，水冷壁入水口设于壳体下部侧面并与膜式水冷壁连接。本发明提供的装置克服了现有技术的不足，将辐射废锅和对流废锅整合到一个合成气冷却器中，最大限度地降低膜式水冷壁上积灰结渣的概率，占地面积小，大大提高了能源利用效率且降低了制造成本。
文档编号C10J3/80GK102786992SQ20121031633
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者乌晓江, 倪建军, 张建文, 熊杰 申请人:上海锅炉厂有限公司