气体冷却装置、气化炉和气体冷却方法与流程

本发明涉及气体冷却领域，具体地，涉及一种气体冷却装置、气化炉和气体冷却方法。

背景技术：

在工业生产中，经常需要对气体进行冷却，例如煤气化工艺中必须对气化炉内产生的高温合成气进行冷却和洗涤，才能使后续工艺能正常运行。传统的冷却装置主要由激冷环、下降管、上升管和液池构成。

cn103497787a公开了一种复合冷却装置，包括洗涤冷却管、用于产生激冷水膜的洗涤冷却环，还包括冷却水夹套，所述冷却水夹套套设于所述洗涤冷却管靠近所述洗涤冷却环的一端。

cn103232863a公开了一种高温气体洗涤冷却装置，其包括一壳体，该壳体的顶部设有一用于接纳待洗涤冷却气体的开口，在该壳体的中部设有一导气管，该导气管的入口与该开口对接，并在对接的位置设有一洗涤冷却水分布环，该壳体的下方设有静态破渣器，其中，在该壳体的四周设有若干用于向该壳体内部喷射水雾以降低待洗涤冷却气体温度的压力雾化器，该压力雾化器包括一本体，该本体上设有与洗涤冷却水的水源连通的接口；该本体中设有一环形的导流片，该导流片的前端设有一喷头，该喷头指向该导气管的出口。cn103232863a的高温气体洗涤冷却装置中含用于形成垂直降膜喷淋和中心射流喷淋的洗涤冷却水分布环和用于形成喷雾的压力雾化器，通过所述喷淋流动与压力雾化过程相耦合，提高了热质传递效果。但是，在实际生产过程中，压力雾化器经常发生堵塞，增加了维修成本并且影响了生产效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种气体冷却装置，该气体冷却装置能够改善冷却效果并且能够避免维修成本高和生产效率低的问题。

本发明的发明人对压力雾化器经常发生堵塞的原因进行了深入的研究，发现：压力雾化喷嘴的结构较为复杂，其内置旋流板、螺旋槽、环隙进液等结构造成冷却介质在喷嘴内部的流动方向和流道直径经常突然变化，对冷却介质的洁净程度要求较高，一般喷嘴对水质中悬浮物的浓度要求为低于30mg/l；但是，一般气化炉合成气激冷过程中的冷却水来自于系统内水处理单元循环使用的灰水，不可避免含有一定固体颗粒，悬浮物浓度在20～200mg/l的范围内，因此很容易造成压力雾化喷嘴内部堵塞。为此，本发明的发明人设计了一种结构简单并且能够适应于灰水的喷嘴。

为了实现上述目的，本发明提供一种气体冷却装置，包括用于供待冷却气体通过的气体通道；

所述气体通道的气体入口端设置有冷却介质分布环，以形成能够与所述待冷却气体直接接触的冷却介质薄膜；

所述气体冷却装置还包括一个或多个喷嘴，每个所述喷嘴包括多个喷管，所述多个喷管用于向所述气体通道内部导入冷却介质流，所述多个喷管的设置方式使得从至少两个喷管导入所述气体通道内部的冷却介质流对撞雾化。

本发明提供的气体冷却装置通过使用至少两个喷管将至少两股冷却介质流在气体通道内部对撞，从而雾化，使用结构简单的喷管即可实现将冷却介质流在喷管外部对撞雾化，与现有技术的在结构复杂的雾化器内部形成雾化的方法完全不同，因此，在提高冷却效果的同时，避免了喷嘴堵塞的问题。

本发明还提供了一种气化炉，包括气化室和本发明的气体冷却装置，气化室的气体出口与所述气体通道的气体入口端连通。本发明提供的气化炉可以用于煤气化，作为原料的煤在气化室中形成高温合成气，然后在气体冷却装置中冷却，同时还能达到洗涤的效果。

优选地，同一个喷嘴的至少两个喷管的中心线的延长线在所述气体通道内部相交，使得冷却介质流在相交处对撞雾化。

优选地，所述气体冷却装置还包括冷却介质流供应器，所述多个喷管的一端分别与冷却介质流供应器连通，另一端与所述气体通道内部连通。

优选地，所述冷却介质流供应器为冷却水环管。

优选地，所述冷却水环管在所述气体通道外部并且与所述气体通道同轴地设置；

喷管的冷却水入口与冷却水环管采用螺纹连接或焊接；

喷管的冷却水出口安装在气体通道的内壁的环形凹槽内，并且喷管的冷却水出口与气体通道的内壁面齐平；

喷管的冷却水出口横截面形状为圆形或椭圆形。

优选地，所述多个喷嘴分为多层，每层包括一个或多个喷嘴，多层喷嘴在所述气体通道的内壁上沿气体的流动方向间隔排列。

优选地，所述多个喷嘴分为多层，每层喷嘴包括一个或多个喷嘴；喷嘴的层数与所述环形凹槽的个数相同，每层喷嘴位于一个环形凹槽中。

优选地，每个喷嘴包括的喷管数量为2-20个，优选为2-12个；

同一喷嘴中的相邻两个喷管的中心线的延长线之间的夹角为20°～90°，优选为20°～60°。

优选地，每个喷管的内径为1-10毫米，优选为2-6毫米；冷却介质流在喷管中的流速为1-10米/秒，优选为2-6米/秒；每个喷管的冷却介质流的流量为0.1-2立方米/小时，优选为0.2-1立方米/小时。

优选地，所述喷管为单通道的直管。

优选地，所述气体通道为下降管。

优选地，所述下降管的气体出口为锯齿形；

所述气体冷却装置还包括液池，所述下降管的气体出口位于所述液池中。

优选地，该气体冷却装置还包括冷却介质夹套，所述冷却介质夹套套设在所述下降管的外周，位于所述下降管的中上部。

本发明还提供了一种气体冷却方法，包括以下步骤：(1)使待冷却气体与冷却介质分布环形成的冷却介质薄膜直接接触；(2)向所述待冷却气体导入多个冷却介质流，至少两个冷却介质流对撞雾化，形成雾化液滴。

本发明提供的气体冷却方法通过将至少两股冷却介质流在待冷却气体中对撞，从而雾化，使用结构简单的喷管即可实现将冷却介质流在喷管外部对撞雾化，与现有技术的在结构复杂的雾化器内部形成雾化的方法完全不同，因此，在提高冷却效果的同时，避免了喷嘴堵塞的问题。

所述多个冷却介质流可以被分为多组冷却介质流，每组冷却介质流包括至少两个对撞雾化的冷却介质流。

所述冷却介质流可以分为1-10组，优选为2-6组。优选地，所述多组冷却介质流的对撞点沿待冷却气体的流动方向间隔排列。按照该优选实施方式，可以进一步提高冷却效果。

同一组冷却介质流的所有冷却介质流可以在同一个位置对撞，也可以在不同位置对撞；优选地，同一组冷却介质流中的相邻两个冷却介质流对撞，并且两两之间的对撞点在不同的位置。同一组冷却介质流中的相邻两个冷却介质流之间的夹角可以为20°～90°，优选为20°～60°。

对冷却介质流的流速和流量没有特别限定，只要适于对撞雾化即可。按照一种优选实施方式，冷却介质流的流速可以为1-10米/秒，优选为2-6米/秒；每个冷却介质流的流量可以为0.1-2立方米/小时，优选为0.2-1立方米/小时。

所述冷却介质流优选为冷却水流。冷却水流的水源可以为新鲜水或者气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。为了节约成本和有利于环保，优选为气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。

所述雾化液滴的粒径范围可以为20-500微米，优选为50-400微米。

按照本发明的一个优选实施方式，根据本发明提供的气体冷却方法，步骤(2)可以在气体通道中进行，气体冷却方法还可以包括对气体通道管壁进行换热。所述气体通道优选为适于设置在气化炉中的下降管。根据该优选实施方式，通过对气体通道管壁进行换热，可以降低高温待冷却气体对气体通道管壁的冲击，从而可以降低对气体通道的材质要求。例如不对气体通道管壁进行换热时，对下降管的金属材质等级要求较高，一般选用incoloy825/800；对气体通道管壁进行换热后，对下降管的金属材质等级要求可以适当降低，金属材质可选用316l。

通过在所述下降管的外周套设冷却介质夹套而实现所述换热。冷却介质夹套中的冷却介质优选为为冷却水，冷却水的流速可以为1-10米/秒，优选为2-6米/秒。冷却水的水源可以为新鲜水或者气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。为了节约成本和有利于环保，优选为气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。灰水的悬浮物浓度一般为20～200mg/l。悬浮物的定义是指颗粒粒径1μm以上的杂质。

在所述换热之后，本发明的气体冷却方法还可以包括将所述待冷却气体通入到液池内鼓泡。

本发明提供的气体冷却方法可以用于各种需要将气体冷却的场合，尤其适用于对来自气化炉的高温粗合成气进行冷却。来自气化炉的高温粗合成气，即所述待冷却气体的温度一般在1300℃以上，本发明提供的冷却方法可以使高温粗合成气的温度降至400℃以下。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一种实施方式的气体冷却装置的轴向剖面示意图。

图2是图1的a-a的局部剖面放大示意图，显示了气体冷却装置的喷嘴。

图3是图2的局部放大示意图。

图4为显示本发明气体冷却装置的冷却效果的曲线图。

附图标记说明

1冷却介质分布环2气体通道

3气体出口4冷却介质夹套

5环形凹槽6喷嘴

6a喷管7进水口

8液池9冷却水环管

10液膜水进水口11喷雾水进水口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1至图3是根据本发明的一种实施方式的气体冷却装置的轴向剖面示意图及局部放大图。如图1至图3所示，本发明提供的气体冷却装置包括用于供待冷却气体通过的气体通道2；所述气体通道2的气体入口端设置有冷却介质分布环1；所述气体冷却装置还包括一个或多个喷嘴6，每个所述喷嘴6包括多个喷管6a，所述多个喷管6a用于向所述气体通道2内部导入冷却介质流，所述多个喷管6a的设置方式使得从至少两个喷管6a导入所述气体通道2内部的冷却介质流对撞雾化。

可以使用多种实施方式来设置所述多个喷管6a，使得从至少两个喷管导入所述气体通道2内部的冷却介质流对撞雾化。按照一种优选实施方式，如图3所示，同一个喷嘴的至少两个喷管6a的中心线的延长线在所述气体通道内部相交，使得冷却介质流在相交处p对撞雾化。所述中心线是指喷管的轴线。更优选地，同一个喷嘴的所有喷管的中心线的延长线在所述气体通道内部的同一位置相交。优选地，相交处p不在气体通道2的中心线上。

对每个喷嘴的喷管数量没有特别限定。每个喷嘴包括的喷管数量可以为2-20个，优选为2-12个。为了更有利于同一个喷嘴6的所有喷管6a的中心线的延长线在所述气体通道内部的同一位置相交，同一喷嘴中的相邻两个喷管的中心线的延长线之间的夹角α可以为20°～90°，优选为20°～60°。

所述气体冷却装置还可以包括冷却介质流供应器，用于向喷嘴6供应冷却介质流。所述多个喷管6a的一端分别与冷却介质流供应器连通，另一端与所述气体通道2内部连通。优选地，所述冷却介质流供应器为冷却水环管9。冷却水环管9的水源可以为新鲜水或者气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。为了节约成本和有利于环保，优选为气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。

优选地，所述冷却水环管9在所述气体通道2外部并且与所述气体通道2同轴地设置。

喷管6a的冷却水入口与冷却水环管9可以采用各种方式密封连接，优选采用螺纹连接或焊接。

喷管6a的冷却水出口与气体通道的内部连通。优选地，所述气体通道2的内壁上设置有环形凹槽5，同一喷嘴6的所有喷管6a的冷却水出口安装在同一环形凹槽5内。优选地，喷管的冷却水出口与气体通道的内壁面齐平。喷管的冷却水出口横截面形状可以为各种形状，优选为圆形或椭圆形。

所述多个喷嘴6在所述气体通道2的内壁上沿气体的流动方向间隔排列为多层。每层喷嘴的数量可以为1-10个，优选为2-6个。优选地，所述环形凹槽的数量与喷嘴的层数相对应。

由于本发明不需要利用喷雾器内的压力差即可在喷嘴外部形成雾化，因此本发明的喷管可以为结构简单的管子，优选为单通道的直管。在本发明中，直管是指管道没有弯曲或者基本没有弯曲。对喷管的材质没有特别限定，例如可以为不锈钢管。喷管内的压力只要能使冷却介质流喷出对撞雾化即可，也就是说喷管内的压力大于气体通道内部待冷却气体的压力。

对喷管6a的规格没有特别限定，只要适于使喷出的冷却介质流对撞雾化即可。按照一种优选实施方式，每个喷管6a的内径可以为1-10毫米，优选为2-6毫米；冷却介质流在喷管6a中的流速可以为1-10米/秒，优选为2-6米/秒；每个喷管6a的冷却介质流的流量可以为0.1-2立方米/小时，优选为0.2-1立方米/小时。

所述气体通道2可以为常规的气体冷却装置中的气体通道，例如，可以为下降管。下降管的长度可以根据待冷却气体的初始温度和冷却温度来确定，可以为0.5-10米，优选为1.5-8米。下降管的内径可以根据工艺的要求来确定，优选地，使待冷却气体在下降管中的流速为0.5-6.5m/s，优选为2.5-5.5m/s。

优选地，所述下降管的气体出口为锯齿形；所述气体冷却装置还包括液池，所述下降管的气体出口位于所述液池中。按照该优选实施方式，可以将冷却的气体更顺利地导出，进入下一个工艺。

按照本发明的一个优选实施方式，该气体冷却装置还可以包括冷却介质夹套4，所述冷却介质夹套4套设在所述气体通道2的外周，优选位于所述气体通道2的中上部。所述冷却介质夹套4的内部为流动的冷却介质，可以对下降管管壁进行换热冷却。所述冷却介质夹套4优选为圆筒结构，长度可以为0.5-7.5米，优选为0.5-6米。冷却介质夹套4的内部与下降管的外壁之间的间距可以为5-100毫米。对冷却介质套的材质没有特别限定，例如可以为不锈钢。冷却介质的流速可以为1-8米/秒，优选为2-5米/秒。所述冷却介质夹套内部的冷却介质可以为新鲜水或者气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。为了节约成本和有利于环保，优选为气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。根据该优选实施方式，通过所述冷却介质夹套4对气体通道管壁进行换热，可以降低高温待冷却气体对气体通道管壁的冲击，从而可以降低对气体通道的材质要求。例如不对气体通道管壁进行换热时，对下降管的金属材质等级要求较高，一般选用incoloy825/800；对气体通道管壁进行换热后，对下降管的金属材质等级要求可以适当降低，金属材质可选用316l。

本发明提供的气体冷却方法，包括以下步骤：(1)使待冷却气体与冷却介质分布环形成的冷却介质薄膜直接接触；(2)向所述待冷却气体导入多个冷却介质流，至少两个冷却介质流对撞雾化，形成雾化液滴。

本发明提供的气体冷却方法通过将至少两股冷却介质流在待冷却气体中对撞，从而雾化，使用结构简单的喷管即可实现将冷却介质流在喷管外部对撞雾化，与现有技术的在结构复杂的雾化器内部形成雾化的方法完全不同，因此，在提高冷却效果的同时，避免了喷嘴堵塞的问题。

所述多个冷却介质流可以被分为多组冷却介质流，每组冷却介质流包括至少两个对撞雾化的冷却介质流。

所述冷却介质流可以分为1-10组，优选为2-6组。优选地，所述多组冷却介质流的对撞点沿待冷却气体的流动方向间隔排列。按照该优选实施方式，可以进一步提高冷却效果。

对每组冷却介质流包括的冷却介质流数量没有特别限定，可以为2-20个，优选为2-12个。同一组冷却介质流的所有冷却介质流可以在同一个位置对撞，也可以在不同位置对撞；优选地，同一组冷却介质流中的相邻两个冷却介质流对撞，并且两两之间的对撞点在不同的位置。同一组冷却介质流中的相邻两个冷却介质流之间的夹角可以为20°～90°，优选为20°～60°。优选地，每组冷却介质流可对应于前述的一层喷嘴，同一组的冷却介质流可以在同一位置对撞，也可以不在同一位置对撞，优选相邻的两个介质流对撞，且对撞点不在同一个位置。

对冷却介质流的流速和流量没有特别限定，只要适于对撞雾化即可。按照一种优选实施方式，冷却介质流的流速可以为1-10米/秒，优选为2-6米/秒；每个冷却介质流的流量可以为0.1-2立方米/小时，优选为0.2-1立方米/小时。

所述冷却介质流优选为冷却水流。冷却水流的水源可以为新鲜水或者气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。为了节约成本和有利于环保，优选为气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。

所述雾化液滴的粒径范围可以为20-500微米，优选为50-400微米。

按照本发明的一个优选实施方式，根据本发明提供的气体冷却方法，步骤(2)可以在气体通道2中进行，气体冷却方法还可以包括对气体通道2管壁进行换热。所述气体通道2优选为所述气体通道优选为适于设置在气化炉中的下降管。根据该优选实施方式，通过对气体通道管壁进行换热，可以降低高温待冷却气体对气体通道管壁的冲击，从而可以降低对气体通道的材质要求。例如不对气体通道管壁进行换热时，对下降管的金属材质等级要求较高，一般选用incoloy825/800；对气体通道管壁进行换热后，对下降管的金属材质等级要求可以适当降低，金属材质可选用316l。

通过在所述下降管的外周套设冷却介质夹套4而实现所述换热。冷却介质夹套中的冷却介质优选为为冷却水，冷却水的流速可以为1-10米/秒，优选为2-6米/秒。冷却水的水源可以为新鲜水或者气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。为了节约成本和有利于环保，优选为气化炉系统内水处理单元循环使用的灰水。

在所述换热之后，本发明的气体冷却方法还可以包括将所述待冷却气体通入到液池内鼓泡。

本发明提供的气体冷却方法可以用于各种需要将气体冷却的场合，尤其适用于对来自气化炉的高温粗合成气进行冷却。来自气化炉的高温粗合成气，即所述待冷却气体的温度一般在1300℃以上，本发明提供的冷却方法可以使高温粗合成气的温度降至400℃以下。

以下结合图1至图3描述本发明的气体冷却装置的一种具体实施方式。如图1所示，该气体冷却装置包括冷却介质分布环1(具体为冷却水分布环)，接收高温气体的气体通道2(具体为下降管)和锯齿形的气体出口3，冷却介质夹套4(具体为冷却水夹套)位于气体通道2的高热负荷区域(中上部)外侧，气体通道2内侧的一系列环形凹槽5，每个环形凹槽5分别装有一层喷嘴6，喷嘴6均匀的对称布置于气体通道2四周，用于通入冷却水。

出气化室的高温、高压、含液态残渣和飞灰的粗合成气以5～30m/s的速度通过渣口，途径冷却水分布环，与冷却水分布环形成的激冷水膜一起并流下行，进入气体通道2进行粗合成气的激冷。

冷却水分布环1与下降管相接。下降管的长度为0.5～10m，优选的长度为1.5～8m，其内径可以由操作复合优化确定。

冷却介质夹套4位于气体通道2的中上部高热负荷区域外侧，为一圆筒结构，长度为0.5～7.5m，优选长度0.5～6m。冷却介质夹套4的内壁与气体通道2的外壁之间的间距为5～100mm。在冷却介质夹套4底部设置一进水口7，离开冷却介质夹套4的冷却液态水进入冷却水分布环或直接流入下降管下部的液池8内。冷却介质夹套4内冷却水流速为1～8m/s，优选的速度为2～5m/s。冷却介质夹套4采用普通不锈钢管材。

冷却介质分布环1、下降管和锯齿形的气体出口3之间相互采用焊接连接或法兰连接。冷却介质夹套4和下降管之间采用焊接连接或法兰连接。

根据本发明的一个实施方式，在下降管内侧自上而下设置有一系列环形凹槽5，每个环形凹槽5内设有若干个用于向下降管内部喷射水雾以降低待冷却洗涤高温气体温度的喷嘴6。最下层的喷嘴6应当高于液池8的液面设置。如图2和图3所示，每个喷嘴6由两个以上的喷管6a组成，冷却水由斜向喷管导入，在下降管内部，距离喷嘴6前端一定距离的交汇处p撞击产生大量雾化液滴，与下降管内部尚处于较高温度的粗合成气直接接触，进一步发生热质同时传递过程。此外，通过该喷嘴6形成的雾化液滴对下降管内高温合成气中的飞灰有进一步的润湿和洗涤作用。喷管6a的数量可以是2个、4个等偶数个。相邻两个喷管6a间的夹角α视具体安装情况而定，以两个喷管6a组成的喷嘴6为例，两根喷管6a间的角度α通常为20°～90°。选择性地，喷管6a也可向上或向下倾斜设置，即相邻喷管6a的中心线所定义的平面与水平面呈一定角度设置，优选地，该角度为0°～60°。

每根喷管6a的接口与下降管2外的同轴设置的冷却水环管9采用螺纹连接或焊接，在安装喷管6a的时候，喷管6a的冷却水出口应与环形凹槽5内壁面齐平，喷管6a的冷却水出口形状可以是圆形或椭圆形。

激冷后的合成气通过下降管下部的锯齿形的气体出口3的均布，进入激冷室液池内鼓泡，然后经气液分离后出激冷室。冷却介质分布环1和冷却水环管9的冷却水分别来自液膜水进水口10和喷雾水进水口11。

实施例1

该实施例使用图1所示的气体冷却装置进行冷却。

待冷却气体的来源：来自一台日处理量500吨煤的激冷流程单喷嘴水煤浆加压气流床气化炉，出气化室的高温粗合成气的压力为3mpa，温度为1400℃，流量约为8000m³/h。

气体冷却装置的规格：下降管的内径为860mm，长度为4.5m，材质选用316l不锈钢。冷却水夹套长度为2m，材质采用304不锈钢。通过冷却水夹套的冷却水为加压的脱氧水，流量约为5～15m³/h，离开冷却水夹套后流入脱氧水循环系统。下降管自上而下设有4个环形凹槽5，相互间距约1.5m，每个环形凹槽5内四周均匀布置6个撞击流雾化喷嘴，每个撞击流雾化喷嘴由2个斜向喷管组成，斜向喷管间夹角为30°，斜向喷管的内径在2～5mm左右，冷却水流速在3～6m/s左右。每个撞击流雾化喷嘴的流量约为0.3～0.8m³/h，雾化液滴的粒径主要分布在50～400μm。撞击流雾化喷嘴的水源来自于冷却水环管，冷却水环管的冷却水为加压的灰水。灰水的悬浮物浓度为100mg/l。

通过下降管2下部的锯齿形的气体出口3离开的粗合成气温度约为320℃。连续使用6个月没有发生撞击流雾化喷嘴堵塞，仍然正常运行。

图4显示了实施例1的冷却效果。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。