一种复合式高温粗煤气冷却净化装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，包括同轴设置的气化炉和粗煤气冷却器，粗煤气冷却器通过导管段与转向室连接，激冷室同轴设于转向室下方；粗煤气冷却器包括由外到内依次同轴设置的承压外壳、环形通道和中心通道，粗煤气冷却器的入口区域设有低温激冷气入口；激冷室顶部和上部侧面沿周向设有激冷喷枪，激冷室底部设有灰水池，合成气出口设于激冷室下部侧面，激冷室内部合成气出口前端设有折流挡板和过滤器。本发明还提供了一种复合式高温粗煤气冷却净化方法。本发明提供的装置从粗煤气降温、净化和增湿等三个方面解决现有技术存在的问题，结构设计更加合理，投资成本大大降低，同时运行稳定性得到了有效保障。
【专利说明】一种复合式高温粗煤气冷却净化装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高温粗煤气冷却装置，尤其涉及一种复合式高温粗煤气冷却净化装置及方法，属于高温高压产物显热回收净化【技术领域】。
【背景技术】
[0002]能源资源的赋存特点决定了煤是我国的主要能源，而且这种状况在今后相当长的一段时间内不会改变。煤的不合理利用和技术的相对落后，使其作为能源的主要提供者，在推进经济、社会发展的同时，也成为主要的污染源，向环境提出了严峻的挑战。解决这一矛盾的根本途径是合理、洁净、高效地利用煤炭资源，大力研发和应用洁净煤技术。
[0003]整体煤气化联合循环(IGCC)技术的诞生，为煤的洁净转化带来了新生。该技术将高效的燃气-蒸汽联合循环发电系统和洁净的煤气化技术结合起来，既有高发电效率，又有好的环保性能，是一种有发展前景的洁净煤利用技术。以气化煤气和热解煤气为基础的双气头煤基多联产技术，利用气化煤气富碳和焦炉煤气富氢的特点进行共重整、转化制取合成气，达到温室气体源头减排，并避免水煤气变换反应中的水资源消耗，以醇醚燃料和电力为最终产品，这一低碳能源技术已受到与能源相关的科技工作者以及政府管理部门的高度重视。
[0004]煤气化技术发展至今已有多种粗煤气净化技术，目前具有代表性的技术有国内技术专利CN114681和CN201010608202公开的一种高温粗煤气洗涤净化设备和净化系统，其主要通过水激冷的方式将高温粗煤气中粉尘初步脱除，同时将粗煤气热量以水蒸发和升温的方式带走，由于消耗较多的水资源，该种方案的主要弊端是不适用于富煤缺水的地区，且损失大量的热量，能源利用效率较低，不适用于IGCC发电等系统工程。中国专利201110437264.X给出了一种可用全余热回收的辐射废锅型技术方案，即可对高温煤气化产生的高温粗煤气进行余热回收，产出中压蒸汽，达到粗煤气显热回收的目的，大大提高了能源利用效率，但系统投资和维护费提高，设备运行稳定下降，对于需要对粗煤气进行加湿处理的化工生产无法满足要求，还需另设增湿器，故使用具有一定的局限性。
[0005]为了解决上述高温粗煤气冷却、净化问题，同时满足各种应用的要求和能量利用效率目标，迫切需要一种新型高温粗煤气冷却净化装置。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题是提供一种能最大限度地利用气化产物的高温显热，并对粗煤气进行有效的降温、增湿和除尘净化处理的复合式高温粗煤气冷却净化装置及方法。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:包括气化炉，粗煤气冷却器同轴设于气化炉下方；粗煤气冷却器侧上方的出口通过导管段与转向室连接，激冷室同轴设于转向室下方；
[0008]粗煤气冷却器包括由 外到内依次同轴设置的承压外壳、环形通道和中心通道，粗煤气冷却器的入口区域设有低温激冷气入口，中心通道的正下方设有渣池；
[0009]激冷室顶部和上部侧面沿周向设有激冷喷枪，激冷室底部设有灰水池，合成气出口设于激冷室下部侧面，激冷室内部合成气出口前端设有折流挡板，折流挡板与合成气出口之间还设有过滤器。
[0010]优选地，所述气化炉与粗煤气冷却器通过下渣口进行过渡连接；所述转向室内壁为水冷壁或耐火材料结构，所述转向室下方通过锥形口与所述激冷室同轴相连。
[0011 ] 优选地，所述渣池底部设有渣池排渣口，所述灰水池底部设有灰水池排灰口。
[0012]优选地，所述转向室顶部设有激冷喷头。
[0013]优选地，所述低温激冷气入口在所述粗煤气冷却器入口区域沿所述承压外壳的圆周均匀布置；所述低温激冷气入口为至少一层设置，每层设有至少两个喷口。
[0014]优选地，所述粗煤气冷却器的中心通道为列管式或盘管式水冷壁结构，所述环形通道的外壁面为水冷壁或耐火材料衬里结构。
[0015]优选地，所述导管段内壁为水冷壁夹套结构，所述导管段中心线与所述粗煤气冷却器的承压外壳形成斜向上的大小为15°~90°的夹角。
[0016]优选地，所述激冷室上部侧面的激冷喷枪为1~6层设置，每层设有2~12个激冷喷枪。
[0017]本发明还提供了一种复合式高温粗煤气冷却净化方法，采用上述复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:该方法由如下5个步骤组成:
[0018]步骤1:高温粗煤气夹带灰渣颗粒从气化炉底部的下渣口进入粗煤气冷却器:
[0019]步骤2:低温激冷气由激冷气入口从粗煤气冷却器入口区域喷入粗煤气冷却器，与高温粗煤气物流充分混合激冷至900°C ；
[0020]步骤3:被激冷至900°C的混合物流沿粗煤气冷却器的中心通道向下流动，遇粗煤气冷却器底部的渣池后大部分灰渣颗粒在渣池液面被捕集分离并从渣池排渣口排出，少量飞灰颗粒随粗煤气折返进入粗煤气冷却器的环形通道；
[0021]步骤4:粗煤气由环形通道向上流动，从粗煤气冷却器侧上方的出口流出进入导管段，沿导管段进入转向室，粗煤气在转向室折返向下进入激冷室，进入导管段的粗煤气温度控制为300~600℃ ；
[0022]步骤5:粗煤气在激冷室内被从激冷喷枪喷入的水灯冷却剂充分激冷和洗涤，产生的灰水由激冷室底部的灰水池收集并从灰水池排灰口排出，增湿净化后的粗煤气经折流板后方的过滤器过滤后，从合成气出口流出进入后续工艺，此时的粗煤气温度控制在200 ~300℃。[0023]优选地，所述步骤2中，低温激冷气为180~380°C的净化后粗煤气或惰性气体。
[0024]本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置及方法适用于大型气流床煤气化工艺的粗煤气冷却、净化和增湿等与处理过程。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0025](1)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，可用于推动蒸汽轮机发电、化工生产的辅助蒸汽和气化工艺本身所需蒸汽，大大提高了能源利用效率；
[0026](2)采用膜式水冷壁和低温激冷气激冷相组合的工艺设计，从经济上大大缩减了设备尺寸，降低了水冷壁等结构制造的投资费用，从工艺上保证了粗煤气的冷却效果，可有效方式水冷壁积灰结渣，技术经济性能大大提高；
[0027](3)将低温激冷气、余热锅炉和激冷洗涤等三种工艺手段有机结合在一起，达到了余热回收、粗煤气深度除灰净化和合成气增湿的功能，工艺更加成熟可靠。
[0028]本发明提供的装置克服了现有技术的不足，从粗煤气降温、净化和增湿等三个方面解决现有技术存在的问题，结构设计更加合理，投资成本大大降低，同时运行稳定性得到了有效保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置未设置激冷喷头时示意图；图2为本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置设置激冷喷头时示意图；
[0030]图3为激冷气入口截面示意图；
[0031]图4为激冷水喷枪入口截面示意图。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明更明显易懂，兹以几个优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0033]影响粗煤气冷却器长期、高效、稳定运行的主要因素，除了与气化系统的运行工况存在一定的关联外，还与粗煤气冷却器内高温物流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，严重影响了粗煤气冷却器的运行稳定性。因此，在气化单元操作工况稳定时，如何优化粗煤气冷却系统的激冷降温和除尘净化系统的匹配问题，成为保障气化与冷却除尘系统长周期稳定运行的关键所在。
[0034]图1为本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置示意图，所述的复合式高温粗煤气冷却净化装置包括气化炉1，气化炉1与粗煤气冷却器采用由耐火砖或者水冷壁构成的下渣口 2进行过渡连接，气化炉1与粗煤气冷却器同轴设置。粗煤气冷却器包括承压外壳15，承压外壳15内侧同轴设有环形通道壁面14，在环形通道壁面14内侧同轴设有中心通道水冷壁13，环形通道壁面14与中心通道水冷壁13之间形成环形通道9，中心通道水冷壁13内部形成中心通道3。粗煤气冷却器的中心通道3、环形通道壁面14和承压外壳15等均采用圆筒形设计，粗煤气冷却器入口区域的低温激冷气入口 12与粗煤气入口形成一定夹角，低温激冷气形成斜向下射流。中心通道3的正下方设有渣池6，渣池6底部设有渣池排渣口 17。粗煤气冷却器的承压壳体和环形通道壁面侧上方的出口直接与导管段8连通，并过渡到转向室4，导管段8采用与重力方向相反的斜向上设计，可使部分飞灰落回粗煤气冷却器底部的渣池6，避免带入后续工段。导管段8与粗煤气冷却器的承压外壳15间形成的夹角α优选取值范围为15°~90°。转向室4下方通过锥形口 20与激冷室5同轴相连，激冷室5顶部和上部侧面沿筒体圆周装有激冷喷枪16，激冷室5下部侧面设有合成气出口 11，激冷室5内部合成气出口 11前端设有折流挡板19，折流挡板19与合成气出口 11之间还设有过滤器10。激冷室5底部设有灰水池7，灰水池7底部设有灰水池排灰口 18。
[0035]结合图2，根据气化系统的运行负荷和粗煤气冷却器的运行状况等现场条件，转向室4顶部可选装激冷喷头23，以提高激冷降温和增湿效果。
[0036]结合图3，粗煤气入口区域的低温激冷气入口 12沿承压外壳15的圆周均匀布置，可设置多层低温激冷气入口 12，低温激冷气入口 12喷入的低温激冷气可为净化后的低温粗煤气、C02或氮气等惰性气体，低温激冷气入口 12喷入的低温激冷气的温度优选取值为180°C~380°C。中心通道水冷壁13由若干水冷壁管21通过水冷壁鳍片22连接构成。
[0037]结合图4，激冷室5中设置的激冷喷枪16主要通过机械和压力式将液态水雾化后形成细小液滴喷入，而每层激冷喷枪16沿激冷室5的壳体圆周均匀布置，纵向可设置I~6层，每层2~12个喷枪。激冷喷枪16喷入的激冷水温度为120°C~180°C，可采用澄清灰水和后系统循环灰水。
[0038]本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置的净化方法是:温度为1300~1500°C的高温物流从气化炉1向下流动，在粗煤气入口区域被从低温激冷气入口 12喷入的低温激冷气激冷至约900°C，经粗煤气冷却器的中心水冷壁通道3等冷却壁面的吸热作用，粗煤气在导管段8内已降至约600°C。经转向室4的粗煤气由锥形口 20向下流动进入激冷室5，在激冷室5内，低温液态水通过激冷喷枪16的高速高压雾化后形成细小的液滴喷入激冷室5，与粗煤气进行充分的热质交换，使粗煤气的温度由转向室的约600°C迅速降低到200°C左右，由于部分液态激冷水和灰渣液滴夹带在粗煤气中，在合成气出口 11前设置了两个障碍，分别是折流挡板19和过滤器10，可避免粗煤气夹带大量液态水和灰分离开激冷室5，给后续工艺带来较大的负担。
[0039]本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置适合于大规模煤气化化工生产中气化产物的余热回收利用，尤其适用于整体煤气化联合循环(IGCC)发电系统气化岛气化产物的显热回收利用和化工合成工厂中的粗煤气冷却净化单元，对提高煤气化系统的能源利用效率具有重要意义。下面以本装置分别应用于日处理量3000t煤的水煤浆气化系统和日处理量1500t煤的干煤粉气化系统的应用实例阐述本发明的有益效果。
[0040]实施例1
[0041]将本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置应用于日处理量3000t煤的水煤浆气化系统，采用后系统循环的低温粗煤气激冷时，夹角α为30°，激冷喷枪16为3层设置，每层设有4个激冷喷枪16，其操作参数和可达到的主要性能指标如下:
[0042]合成气干基体积流量:259435Nm3 / h ；
[0043]合成气进入粗煤气冷却器入口温度:1320°C ；
[0044]低温激冷气温度:278°C ；
[0045]低温激冷气流量:306133Nm3 / h ；
[0046]粗煤气进入导管段温度:350°C ；
[0047]粗煤气出激冷室温度:218 °C ;
[0048]系统散热损失:< 0.3% ;
[0049]系统可用率:> 96% ；
[0050]粗煤气冷却器水冷壁运行压力(管程):> 10.0MPa ；
[0051]粗煤气夹带的灰渣颗粒85%在粗煤气冷却器中被底部的渣池捕集，约14%的飞灰在激冷室内被洗除，剩余不足1%的飞灰被合成气夹带进入下游工艺系统。
[0052]实施例2
[0053]将本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置应用于日处理量1500t煤的干煤粉气化系统，采用后系统循环的低温粗煤气激冷时，夹角α为60。，激冷喷枪16为4层设置，每层设有6个激冷喷枪16，其操作参数和可达到的主要性能指标如下:
[0054]合成气干基体积流量:151063Nm3 / h ；
[0055]合成气进入粗煤气冷却器入口温度:1435°C ；
[0056]低温激冷气温度:255°C ；
[0057]低温激冷气流量:203935Nm3 / h ；
[0058]粗煤气进入导管段温度:588°C ；
[0059]粗煤气出激冷室温度:228°C ；
[0060]系统散热损失:< 0.3% ;
[0061]系统可用率:> 96% ；
[0062]粗煤气冷却器水冷壁运行压力(管程):> 10.0MPa ；
[0063]粗煤气夹带的灰渣颗粒75%在粗煤气冷却器中被底部渣池捕集，约24%的飞灰在激冷室内被洗除，剩余不足1%的飞灰被合成器夹带进入下游工艺系统。
[0064]与现有技术相比，本发明提供的复合式高温粗煤气冷却净化装置及方法的能量利用效率提高了 3 %~5%，灰脱除率提高了 5%~20%，设备投资费用与全废锅流程相比降低了 35%~55%，洗涤用水量与全水激冷流程相比降低了 20%~40%。
【权利要求】
1.一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:包括气化炉(I)，粗煤气冷却器同轴设于气化炉(I)下方；粗煤气冷却器侧上方的出口通过导管段(8)与转向室(4)连接，激冷室(5)同轴设于转向室⑷下方； 粗煤气冷却器包括由外到内依次同轴设置的承压外壳(15)、环形通道(9)和中心通道(3)，粗煤气冷却器的入口区域设有低温激冷气入口(12)，中心通道(3)的正下方设有渣池(6)； 激冷室(5)顶部和上部侧面沿周向设有激冷喷枪(16)，激冷室(5)底部设有灰水池(7)，合成气出口(11)设于激冷室(5)下部侧面，激冷室(5)内部合成气出口(11)前端设有折流挡板(19)，折流挡板(19)与合成气出口(11)之间还设有过滤器(10)。
2.如权利要求1所述的一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:所述气化炉(I)与粗煤气冷却器通过下渣口(2)进行过渡连接；所述转向室(4)内壁为水冷壁或耐火材料结构，所述转向室(4)下方通过锥形口(20)与所述激冷室(5)同轴相连。
3.如权利要求1所述的一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:所述渣池(6)底部设有渣池排渣口(17)，所述灰水池(7)底部设有灰水池排灰口(18)。
4.如权利要求1所述的一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:所述转向室(4)顶部设有激冷喷头(23)。
5.如权利要求1所`述的一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:所述低温激冷气入口(12)在所述粗煤气冷却器入口区域沿所述承压外壳(15)的圆周均匀布置；所述低温激冷气入口(12)为至少一层设置，每层设有至少两个喷口。
6.如权利要求1所述的一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:所述粗煤气冷却器的中心通道(3)为列管式或盘管式水冷壁结构，所述环形通道(9)的外壁面为水冷壁或耐火材料衬里结构。
7.如权利要求1所述的一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:所述导管段(8)内壁为水冷壁夹套结构，所述导管段(8)中心线与所述粗煤气冷却器的承压外壳(15)形成斜向上的大小为15°~90°的夹角(α)。
8.如权利要求1所述的一种复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:所述激冷室(5)上部侧面的激冷喷枪(16)为I~6层设置，每层设有2~12个激冷喷枪(16)。
9.一种复合式高温粗煤气冷却净化方法，采用如权利要求1所述的复合式高温粗煤气冷却净化装置，其特征在于:该方法由如下5个步骤组成: 步骤1:高温粗煤气夹带灰渣颗粒从气化炉(I)底部的下渣口(2)进入粗煤气冷却器； 步骤2:低温激冷气由激冷气入口(12)从粗煤气冷却器入口区域喷入粗煤气冷却器，与高温粗煤气物流充分混合激冷至900°C ； 步骤3:被激冷至900°C的混合物流沿粗煤气冷却器的中心通道(3)向下流动，遇粗煤气冷却器底部的渣池(6)后大部分灰渣颗粒在渣池液面被捕集分离并从渣池排渣口(17)排出，少量飞灰颗粒随粗煤气折返进入粗煤气冷却器的环形通道(9)； 步骤4:粗煤气由环形通道(9)向上流动，从粗煤气冷却器侧上方的出口流出进入导管段(8)，沿导管段(8)进入转向室(4)，粗煤气在转向室(4)折返向下进入激冷室(5)，进入导管段(8)的粗煤气温度控制为300~600°C ； 步骤5:粗煤气在激冷室(5)内被从激冷喷枪(16)喷入的水灯冷却剂充分激冷和洗涤，产生的灰水由激冷室(5)底部的灰水池(7)收集并从灰水池排灰口(18)排出，增湿净化后的粗煤气经折流板(19)后方的过滤器(10)过滤后，从合成气出口(11)流出进入后续工艺，此时的粗煤气温度控制在200~300°C。
10.如权利要 求9所述的一种复合式高温粗煤气冷却净化方法，其特征在于:所述步骤2中，低温激冷气为180~380°C的净化后粗煤气或惰性气体。
【文档编号】C10K1/00GK103820169SQ201410086465
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】倪建军, 李平, 刘煜, 朱姗 申请人:上海锅炉厂有限公司