余热回收方法和系统

1.本发明涉及煤气化技术领域，具体涉及一种余热回收方法和系统。


背景技术：

2.煤气化是一个热化学过程。以煤或煤焦为原料，以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。高碱煤是指煤灰分中碱金属氧化物(na2o或k2o)含量大于2％的煤。此煤种反应活性好，极易燃尽且开发成本低，经常用在煤气化中。
3.在实现本发明的过程中发现：高碱煤在气化过程中，会产生含碱热煤气，对换热器受热面产生严重的沾污腐蚀问题，影响装置的安全、稳定运行。另外，煤气化中，用作气化剂的空气通常没有经过预热，影响了气化炉中气化效果。


技术实现要素：

4.(一)要解决的技术问题
5.有鉴于此，本发明提供了一种余热回收方法和系统，以至少部分解决上述技术问题。
6.(二)技术方案
7.本发明的一方面提供了一种余热回收方法，用于回收煤气化装置的产物余热，上述方法包括：
8.将第一温度的煤气和预热前空气通入空气换热器，以便第一温度的煤气和预热前空气在空气换热器中进行换热后，形成第二温度的煤气和预热后空气，预热后空气用于返回煤气化装置用作第一气化剂；
9.其中，第一温度的煤气为煤气化装置的产物，第一温度的数值范围为700℃～1200℃，第二温度的数值范围为500℃～850℃，预热前空气的温度范围为：20℃～100℃，预热后空气的温度范围为：300℃～750℃，空气换热器的壁温处于第一预设温度区间。
10.根据本发明的实施例，其中：空气换热器中，煤气的走向和空气换热器的换热管的延伸方向一致；
11.其中，空气换热器中，空气的压力大于煤气的压力。
12.根据本发明的实施例，还包括：
13.将第二温度的煤气和预热前水通入蒸发器，以便第二温度的煤气和预热前水在蒸发器中进行换热后，形成第三温度的煤气和预热后汽水混合物；
14.其中，第三温度的数值范围为300℃～650℃，预热前水的温度范围为：20℃～160℃，预热后饱和蒸汽的温度范围为：200℃～300℃，蒸发器的壁温处于第二预设温度区间。
15.根据本发明的实施例，其中：蒸发器中，煤气的走向和蒸发器的换热管的延伸方向一致。
16.根据本发明的实施例，还包括：
17.将第三温度的煤气和预热前蒸汽通入过热器，以便第三温度的煤气和预热前蒸汽在过热器中进行换热后，形成第四温度的煤气和预热后蒸汽；
18.其中，第四温度的数值范围为250℃～400℃，预热前蒸汽的温度范围为：100℃～200℃，预热后蒸汽的温度范围为：300℃～400℃，过热器的壁温处于第二预设温度区间，预热后蒸汽用于返回煤气化装置用作第二气化剂；预热前蒸汽来源于蒸发器。
19.根据本发明的实施例，其中：过热器中，煤气的走向和过热器的换热管的延伸方向垂直。
20.根据本发明的实施例，还包括：
21.将第四温度的煤气和预热前水通入省煤器，以便第四温度的煤气和预热前水在省煤器中进行换热后，生成第五温度的煤气和预热后水；
22.其中，第五温度的数值范围为150℃～250℃，预热前水的温度范围为：20℃～160℃，预热后水的温度范围为：100℃～200℃，省煤器的壁温处于第三预设温度区间；蒸发器中，预热前水来源于省煤器。
23.根据本发明的实施例，其中：省煤器中，煤气的走向和省煤器的换热管的延伸方向垂直。
24.一种用于实现上述余热回收方法的余热回收系统，用于回收煤气化装置的产物余热，上述系统包括：空气换热器、蒸发器、过热器、省煤器；
25.其中，空气换热器的热介质进口和煤气化装置的产物出口连通，空气换热器的热介质出口和蒸发器的热介质进口连通，蒸发器的热介质出口和过热器的热介质进口连通，过热器的热介质出口和省煤器的热介质进口连通；
26.空气换热器的冷介质出口和煤气化装置的气化剂入口连通，过热器的冷介质出口和煤气化装置的气化剂入口连通。
27.根据本发明的实施例，其中：
28.空气换热器中，煤气的走向和空气换热器的换热管的延伸方向一致；
29.蒸发器中，煤气的走向和蒸发器的换热管的延伸方向一致；
30.过热器中，煤气的走向和过热器的换热管的延伸方向垂直；
31.省煤器中，煤气的走向和省煤器的换热管的延伸方向垂直。
32.(三)有益效果
33.根据本公开的实施例，通过在煤气化装置出口设置空气换热器，利用高温煤气的热量预热空气，预热后的空气作为气化剂返回煤气化装置，空气作为气化反应物进入气化系统，携带的热量越高，能源利用率越高，因此利用煤气余热预热空气气化剂，一方面对于气化反应的进行有利，另一方面可回收热量，节约能源。
34.根据本公开的实施例，将气化装置的产物高温煤气直接用作加热空气气化剂，空气换热器设置在高温区，便于及时发现煤气漏点，可保证系统运行安全性。
附图说明
35.图1是用于实现本发明一实施例的余热回收方法的余热回收系统的示意图；
36.图2是用于实现本发明另一实施例的余热回收方法的余热回收系统的示意图。
37.附图标记说明：
38.11、空气换热器；12、蒸发器；13、过热器；14、省煤器；2、煤气化装置；
39.g、煤气；a、空气；b、汽水混合物；c、蒸汽；d、水。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
41.煤气化是一个热化学过程。以煤或煤焦为原料，以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的过程。高碱煤是指煤灰分中碱金属氧化物(na2o或k2o)含量大于2％的煤。此煤种反应活性好，极易燃尽且开发成本低，经常用在煤气化中。
42.流化床气化炉产生的高温煤气，在送到下游用气单元之前，需要经过一系列的换热设备所组成的余热回收系统进行冷却，回收热量，降低煤气温度。
43.大部分流化床煤气化技术配置的余热回收系统都是余热锅炉，通过水、蒸汽等与煤气进行换热吸收煤气的显热。余热锅炉一般由过热器(可选项)、蒸发器和省煤器(可选项)三部分组成。
44.过热器，采用饱和或者过热蒸汽作为换热介质与煤气进行换热。蒸发器，工质进入换热器时为不饱和水，在加热过程中，逐渐发生相变，产生饱和水蒸气。省煤器，采用水作为换热介质与煤气进行换热。这三部分换热器，在烟气侧为串联关系，其中蒸发器与过热器之间的顺序可以调整。
45.在实现本发明的过程中发现：
46.1、煤气化过程中，用作气化剂的空气通常没有经过预热，仅以蒸汽回收煤气的显热，影响了气化炉中气化效果，且热量回收效率低，气化反应所需蒸汽量不到余热锅炉产汽量的一半，过剩的蒸汽的热量无法回到气化系统。
47.2、高碱煤在气化过程中，会产生含碱热煤气，换热器管沾污积灰严重，碱金属腐蚀情况严重，流化床气化技术产生的煤气携带有大量的飞灰，气化系统出口处，飞灰携带量约为100g/nm3。余热回收系统的受热面的金属壁面上，积灰严重，难以清理，碱金属腐蚀情况严重时，影响气化系统的安全、稳定运行。
48.有鉴于此，本发明的实施例提供了一种余热回收方法，用于回收煤气化装置的产物余热，并降低对换热面的腐蚀。
49.图1是用于实现本发明一实施例的余热回收方法的余热回收系统的示意图。以下结合图1的余热回收系统，对本发明一实施例的余热回收方法进行说明。
50.如图1所示，该方法包括：
51.将第一温度的煤气g和预热前空气a通入空气换热器11，以便第一温度的煤气g和预热前空气a在空气换热器11中进行换热后，形成第二温度的煤气g和预热后空气a，预热后空气a用于返回煤气化装置2用作第一气化剂；
52.其中，第一温度的煤气g为煤气化装置2的产物，第一温度t1的数值范围为700℃～1200℃，第二温度t2的数值范围为500℃～850℃，预热前空气a的温度t11范围为：20℃～100℃，预热后空气a的温度t12范围为：300℃～750℃，空气换热器11的壁温处于第一预设温度区间。
53.其中，空气换热器中，空气的压力大于煤气的压力，两者差值为5-100kpa。
54.在实现本公开的过程中，经过大量的实验验证发现：碱金属腐蚀速率与金属温度有关，根据金属壁温，将煤气余热回收系统中换热器所属温度区间分为：第一预设温度区间-高温区(＞700℃)，第二预设温度区间-中温区(700～400℃)、和第三预设温度区间-低温区(400～150℃)。
55.研究发现，碱金属腐蚀速率随金属温度升高而升高，且在中温区域，碱金属腐蚀速率与金属壁面积灰情况正相关，在该温度范围内，金属壁面积灰越严重，碱金属腐蚀速率越大。
56.换热器金属壁温由换热介质、煤气的换热性质以及换热介质、煤气的温度等因素决定。换热介质的传热系数比煤气的换热系数大、热阻小，金属壁温更接近于换热介质温度；换热介质的传热系数和煤气的传热系数差不多、两侧的热阻差不多，金属壁温接近于两者的平均值。举例来讲，水的换热系数远远高于煤气的换热系数，则省煤器的金属壁温接近水的温度，一般比水温高30～100℃。空气和煤气都属于气体，两者的换热系数差不多，空气换热器的金属壁温可以按照两者温度的平均值估算。
57.根据本公开的实施例，由于换热器金属壁温，与冷侧换热介质和热侧换热介质的介质种类和介质温度有关，当换热器为空气换热器，热侧介质为煤气、冷侧介质为空气，且介质温度在本公开实施例限定的温度范围，即：第一温度t1的数值范围为700℃～1200℃，第二温度t2的数值范围为500℃～850℃，预热前空气a的温度t11范围为：20℃～100℃，预热后空气a的温度t12范围为：300℃～750℃；在冷热介质温度的共同作用下，空气换热器11的壁温在150～850℃范围内，且空气换热器11的绝大部分壁温处于大于700℃的温度区间，可认为空气换热器11处于第一预设温度区间-高温区。
58.根据本公开的实施例，换热器一般为金属焊接加工工艺生产，在使用过程中换热器金属壁面容易发生泄漏。换热器采用正压运行，一旦出现漏点，煤气泄漏进入空气空间，高温下，煤气即发生燃烧。因此，本公开的实施例，充分考虑到了这种安全问题，将空气换热器布置在煤气高温区域，可保证系统运行安全性。原因如下：
59.煤气是可燃气体，根据煤气的燃烧条件分析，当煤气与较高温度的空气(高于400℃)接触时，煤气即可燃烧。如果空气换热器出现泄漏点，煤气和空气接触，煤气立即燃烧，火苗会被立即发现。反之，当煤气遇到较低温度的空气时，煤气不会立即燃烧，泄露不易被发现，煤气一旦遇有火源，聚集的煤气存在爆炸的危险。据此，将空气换热器设置在煤气高温区，且空气换热器11的出口煤气温度高于400℃，在使用安全性方面是有保障的。
60.根据本公开的实施例，通过在煤气化装置出口设置空气换热器，利用高温煤气的热量预热空气，预热后的空气作为气化剂返回煤气化装置，空气作为气化反应物进入气化系统，携带的热量越高，能源利用率越高，因此利用煤气余热预热空气气化剂，一方面对于气化反应的进行有利，另一方面可回收热量，节约能源。
61.根据本公开的实施例，将气化装置的产物高温煤气直接用作加热空气气化剂，空气换热器设置在高温区，便于及时发现煤气漏点，可保证系统运行安全性。
62.在实现本公开的过程中，还研究发现，由于高碱煤在气化过程中，会产生含碱热煤气，对换热器受热面产生严重的沾污积灰腐蚀问题，金属腐蚀速率除了与金属壁温有关，还与换热器表面积灰程度有关。具体地：
63.在上述第三预设温度区间-低温区(400～150℃)，碱金属腐蚀速率非常低，在此温度区间换热器可不考虑碱金属腐蚀问题。
64.在上述第一预设温度区间-高温区(＞700℃)，碱金属腐蚀速率受积灰的影响较小，在此温度区间换热器积灰多少对换热器腐蚀存在较小程度的影响。
65.在上述第二预设温度区间-中温区(700～400℃)，碱金属腐蚀速率受积灰的影响较大，在积灰较多的情况下，碱金属腐蚀速率显著提高，且远高于高温区的腐蚀速率。
66.根据本发明的实施例，换热器按积灰难易程度不同，分为纵排管换热器和横排管换热器。纵排管换热器，管束与煤气流动方向一致，煤气由上到下流动，管束上下布置，煤气携带的灰，很难附着在金属管壁上。横排管换热器，管束与煤气流动方向垂直，煤气由上到下流动，管束左右布置，煤气中的灰容易在管子表面沉积。
67.根据本发明的实施例，空气换热器布置在上述高温区，虽然在该温度区间，碱金属腐蚀速率受积灰的影响较小，但是在积灰较少的情况下，可适当降低腐蚀，因此，为了降低碱金属腐蚀的速率，空气换热器，设置为采用纵排管换热器，即：煤气的走向和空气换热器的换热管的延伸方向一致。
68.根据本发明的实施例，将空气换热器煤气的走向和空气换热器的换热管的延伸方向设置一致，则可有效减少空气换热器表面的积灰，因此，可适当降低金属被腐蚀的程度，提高了系统的安全性和可靠性。
69.图2是用于实现本发明另一实施例的余热回收方法的余热回收系统的示意图。
70.以下结合图2的余热回收系统，对本发明另一实施例的余热回收方法进行说明。
71.如图2所示，该方法包括：
72.操作1、将第一温度的煤气g和预热前空气a通入空气换热器11，以便第一温度的煤气g和预热前空气a在空气换热器11中进行换热后，形成第二温度的煤气g和预热后空气a，预热后空气a用于返回煤气化装置2用作第一气化剂；其中，第一温度的煤气g为煤气化装置2的产物，第一温度t1的数值范围为700℃～1200℃，第二温度t2的数值范围为500℃～850℃，预热前空气a的温度t11范围为：20℃～100℃，预热后空气a的温度t12范围为：300℃～750℃，空气换热器11的壁温处于第一预设温度区间。
73.操作2、将第二温度t2的煤气g和预热前水通入蒸发器12，以便第二温度t2的煤气g和预热前水在蒸发器12中进行换热后，形成第三温度t3的煤气g和预热后饱和蒸汽；其中，第三温度t3的数值范围为300℃～650℃，预热前水的温度t21范围为：20℃～160℃，预热后饱和蒸汽的温度t22范围为：200℃～300℃，蒸发器12的壁温处于第二预设温度区间。其中，在蒸发器入口处介质状态为水，出口处介质状态为饱和蒸汽，在蒸发器中进行换热的过程中，介质状态为汽水混合物b。
74.操作3、将第三温度t3的煤气g和预热前蒸汽c通入过热器13，以便第三温度t3的煤气g和预热前蒸汽c在过热器13中进行换热后，形成第四温度t4的煤气g和预热后蒸汽c；其中，第四温度t4的数值范围为250℃～400℃，预热前蒸汽c的温度t31范围为：100℃～200℃，预热后蒸汽c的温度t32范围为：300℃～400℃，过热器13的壁温处于第二预设温度区间，预热后蒸汽c用于返回煤气化装置2用作第二气化剂；预热前蒸汽c来源于蒸发器12。
75.操作4、将第四温度t4的煤气g和预热前水d通入省煤器14，以便第四温度的煤气g和预热前水d在省煤器14中进行换热后，生成第五温度t5的煤气g和预热后水d；其中，第五
温度t5的数值范围为150℃～250℃，预热前水d的温度t41范围为：20℃～160℃，预热后水d的温度t42范围为：100℃～200℃，省煤器14的壁温处于第三预设温度区间；蒸发器12中，预热前汽水混合物b来源于省煤器14。
76.根据本发明的实施例，换热器金属壁温处于低温区时，换热器的结构不必考虑管壁积灰问题，换热器金属壁温处于中温区时，换热器的设计应着重考虑换热器的防积灰效果，为了尽量减少碱金属腐蚀问题，换热器应采用不易积灰的结构。换热器金属壁温处于中温区，换热器因为某些原因无法采用不易积灰的结构时，应调整换热介质的温度，通过控制换热介质的温度，控制换热器金属壁温尽量低，以减小碱金属对金属管壁的腐蚀程度。
77.基于上述考虑，根据本发明的实施例，蒸发器中，煤气的走向和蒸发器的换热管的延伸方向一致。过热器中，煤气的走向和过热器的换热管的延伸方向垂直。省煤器中，煤气的走向和省煤器的换热管的延伸方向垂直。
78.下表1所示为依据煤气温度由高到低依次布置的情况下，各换热器所采用的换热介质和介质的基本性质。
79.表1
[0080][0081]
此余热回收系统方案，采用气化剂(空气、蒸汽)作为换热介质，回收煤气余热。
[0082]
根据本发明的实施例，如表1所示，首先在煤气的高温区，布置了空气换热器，空气换热器可设置为采用纵排管换热器，即：煤气的走向和空气换热器的换热管的延伸方向一致。空气的最高温度设置300～750℃，纵排管束的布置方式，避免金属壁面产生积灰，最大程度限制了空气换热器出现碱金属腐蚀。
[0083]
根据本发明的实施例，换热器金属壁温处于中温区时，换热器的设计着重考虑换热器的防积灰效果，为了尽量减少碱金属腐蚀问题，换热器应采用不易积灰的结构。如表1所示，蒸发器中，可设置为采用纵排管换热器，控制最高金属壁温在150～400℃。在此温度区间，碱金属腐蚀速率低。
[0084]
根据本发明的实施例，虽然换热器金属壁温处于中温区时，换热器的设计应着重
考虑换热器的防积灰效果，但是当换热器因为某些原因无法采用不易积灰的结构时，应调整换热介质的温度，通过控制换热介质的温度，控制换热器金属壁温尽量低，以减小碱金属对金属管壁的腐蚀程度。
[0085]
如表1所示，过热器中，因过热器安装使用的要求，必须采用横排管换热器，即煤气的走向和过热器的换热管的延伸方向垂直。因此，为了降低碱金属的腐蚀，需要尽量控制金属的温度较低，本公开实施例采用了降低蒸汽参数(温度)的方式，采用较低温度参数的蒸汽，即，预热前蒸汽c的温度t31设置为：100℃～200℃，这样，使得预热后蒸汽c的温度t32范围为：300℃～400℃，如此可使得换热器金属壁温在200℃～500℃，属于中温区间中较低的温度范围，以减小碱金属对金属管壁的腐蚀程度。
[0086]
此外，横排布置也可在有限的空间内获得更多的换热面积，节省空间。横排换热器存在积灰问题，为了兼顾节省空间和减轻碱金属腐蚀两方面的需求，换热介质选取了较低的温度参数(最高温度不超过450℃)，最高金属壁温控制在200～500℃。在此温度区间，碱金属腐蚀的速率不高，再通过合理的煤气流速设计和吹灰设计，最大限度减少管壁的积灰问题，碱金属腐蚀的问题可进一步减弱。
[0087]
根据本发明的实施例，省煤器金属壁温处于低温区，换热器的结构不必考虑管壁积灰问题，省煤器中，换热介质选择了中低压力的水，控制最高金属壁温在250℃以下，在此温度区间，碱金属腐蚀速率最低。原则上，省煤器采用横排管换热器或纵排管换热器均可，在此，考虑到横排管换热器经济型较好，在有限的空间内可布置更多的换热面积，因此，省煤器采用横排管换热器。
[0088]
此外，因煤气温度小于150℃会存在结露问题，余热回收系统出口温度(省煤器出口温度)按不低于150℃设计。
[0089]
根据本发明的实施例，为了强化换热效果，上述空气换热器、蒸发器、过热器和省煤器可采用逆流换热的形式。
[0090]
另外，根据本发明的实施例，为了保护换热器的材质，上述空气换热器、蒸发器、过热器和省煤器也可选用顺流换热的形式。
[0091]
根据本发明的实施例，上述空气换热器在结构设计允许的情况下，可以分段设计，高温段采用横排管结构，中温和低温段采用纵排管结构。
[0092]
根据本发明的实施例，上述余热回收方法以气化剂(空气、蒸汽)作为换热介质，与气化产物高温煤气间接换热，回收煤气的余热，提高了系统的能源利用率和碳转化率。根据本发明的实施例，上述余热回收方法根据不同壁温下碱金属对金属腐蚀的特点，设计不同结构特点的换热设备和不同的换热介质，控制金属壁温，降低碱金属腐蚀对余热回收系统影响，使得余热回收系统能够安全稳定的运行。
[0093]
本发明的另一方面提供了一种用于实现上述余热回收方法的余热回收系统，用于回收煤气化装置的产物余热。
[0094]
如图2所示，上述系统包括：空气换热器11、蒸发器12、过热器13、省煤器14。
[0095]
其中，空气换热器11的热介质进口和煤气化装置2的产物出口连通，空气换热器11的热介质出口和蒸发器12的热介质进口连通，蒸发器12的热介质出口和过热器13的热介质进口连通，过热器13的热介质出口和省煤器14的热介质进口连通；
[0096]
空气换热器11的冷介质出口和煤气化装置2的气化剂入口连通，过热器13的冷介
质出口和煤气化装置2的气化剂入口连通。
[0097]
根据本发明的实施例，空气换热器11和蒸发器12采用纵排管换热器，过热器13、省煤器14采用横排管换热器，即空气换热器中，煤气的走向和空气换热器的换热管的延伸方向一致；蒸发器中，煤气的走向和蒸发器的换热管的延伸方向一致；过热器中，煤气的走向和过热器的换热管的延伸方向垂直；省煤器中，煤气的走向和省煤器的换热管的延伸方向垂直。
[0098]
根据本发明的实施例，通过上述余热回收装置可实现以气化剂(空气、蒸汽)作为换热介质，与气化产物高温煤气间接换热，回收煤气的余热，提高了系统的能源利用率和碳转化率。上述余热回收装置根据不同壁温下碱金属对金属腐蚀的特点，设计不同结构特点的换热设备和不同的换热介质，控制金属壁温，降低碱金属腐蚀对余热回收系统影响，使的余热回收系统能够安全稳定的运行。
[0099]
根据本发明的实施例，为了强化换热效果，上述空气换热器、蒸发器、过热器和省煤器可采用逆流换热的形式。
[0100]
另外，根据本发明的实施例，为了保护换热器的材质，上述空气换热器、蒸发器、过热器和省煤器也可选用顺流换热的形式。
[0101]
根据本发明的实施例，上述空气换热器在结构设计允许的情况下，可以分段设计，高温段采用横排管结构，中温和低温段采用纵排管结构。
[0102]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。