一种高效热回收及废浓盐水处理集成系统及方法与流程

本发明涉及一种含碳物料高效清洁转化利用煤化工、煤气化技术升级、合成气净化技术，具体涉及一种高效热回收及废浓盐水处理集成系统及方法。

背景技术：

煤、重油、石油焦、油砂、沥青等富碳物料的气化技术既是劣质富碳原料清洁、高效转化利用的重要途径，也是上述富碳物料气化制取合成气，合成气再向下游延伸规模化制氢及合成低碳烯烃、乙二醇、经f-t路线制取高端能化产品等合成气高附加值转化产业链的龙头装置。气化原料和气化剂在高温、高压环境中反应生成高温粗合成气，粗合成气还需进行降温、除尘、净化、变化等工序处理后才能进入下游合成气基化工合成工段。而组成复杂的高温粗合成气显热的高效回收利用技术就成为提高系统综合能效的关键。以煤气化为例，合成气与熔渣热回收方式分为废锅流程和激冷流程。采用废锅流程的代表性技术有shell气化配套的废锅热回收技术、ge气化半辐射废锅、e-gas的火管式废锅等；激冷流程代表性技术有西门子gsp炉、科林炉、多元料浆炉、对置四喷嘴、清华炉以及航天炉、宁煤炉、东方炉、五环炉、二段炉等。这其中，激冷流程应用最为广泛，然而合成气激冷流程存在系统热效率低、所产蒸汽品位低，同时还需配套建设复杂的黑灰水处理系统、碳洗塔、浓盐废水处理系统等，存在流程长、综合能效较低且会产生大量固体危废杂盐等缺点。虽然常规废锅流程部分的解决了激冷流程所遇到的问题，但由于高温粗合成气通常都会携带大量具有不规则表面的未转化含碳颗粒及飞灰、熔渣等细颗粒，同时含有大量的高温腐蚀性气体如h2s、hcn等，这些组分对粗煤气的辐射、对流传热特性以及灰渣的沾污特性均会产生重要影响，由此带来的冲刷磨损、高温腐蚀、挂渣、结疤、堵塞、传热效率恶化等问题，成为常规废锅流程实现安全、稳定长周期运行所面临的最大技术瓶颈。因此，亟待开发一种综合能效水平高、流程短、结构简单、运行苛刻度低、可实现安全稳定运行且不产生杂盐等固体危废的高效热回收系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种同步实现高温粗合成气、熔渣显热高效利用及杂盐危废无害化处理、废水资源化回用的高效热回收及废浓盐水处理集成系统及方法。

为达到上述目的，本发明高效热回收及废浓盐水处理集成系统包括多效流化床转化子系统、床层颗粒循环子系统和细颗粒分离器；

所述的多效流化床转化子系统包括自下而上依次设置在多效流化床内的高温裂解区/裂解转化区、颗粒团聚区、密相输送区和内置气-固分流器；

所述的高温裂解区/裂解转化区下端物料入口与粗合成气物流及裂解气相连通；

所述的密相输送区下端侧壁上开设有通过雾化喷嘴与高浓废盐水相连通的喷射口；

所述的床层颗粒循环子系统包括自上而下相连通的循环颗粒旋流分离器和直立料腿，其中循环颗粒旋流分离器上端入口与内置气-固分流器的出口相连，直立料腿上端侧壁上开设有惰性颗粒入口，直立料腿下端通过返料管密封器及提升管密封器与多效流化床转化子系统的颗粒团聚区相连通，且返料管密封器底部及颗粒团聚区的底部还分别与粗颗粒冷却排放装置相连接，循环颗粒旋流分离器顶部出口与细颗粒分离器入口相连接，细颗粒分离器顶部出口与净化合成气后处理系统相连，细颗粒分离器底部与细颗粒冷却排放装置相连。

所述的密相输送区包括自下而上依次设置的水热转化区、一级蒸汽过热器、二级蒸汽过热器、三级蒸汽过热器和预热器中，所述的雾化喷嘴与高浓废盐水相连通的喷射口开设在水热转化区的侧壁上。

所述的裂解气中氧气体积分数为20-50vol％，裂解气中co2、n2、h2o及惰性组分组成的稀释气体积分数为50-80vol％；

所述的粗合成气物流的温度为850-1600℃，压力为0.5-6.5mpag，表观速度为0.5-10m/s，体积流量为20-100nm³/s。

所述的高浓废盐水中tds浓度为10000-100000mg/l，高浓废盐水与粗合成气物流的质量流量比为0.2-0.95：1，高浓废盐水由雾化喷嘴处喷射进入水热转化区的高浓废盐水负荷为40-160t/h。

所述的三级蒸汽过热器产生的饱和蒸汽焓值为2500-2800kj/kg，温度为210-250℃，压力为1.0-5.0mpag，蒸汽产生量为30-140t/h。

所述的三级蒸汽过热器产生的过热蒸汽焓值为3300-4000kj/kg，温度为400-500℃，压力为5.0-15.0mpag，蒸汽产生量为30-100t/h。

所述的直立料腿下端侧壁上还开设有2-50个松动气入口。

所述的惰性颗粒具有高度水-热稳定性、莫氏硬度为5-8，粒径为75-800μm。

所述的高温裂解区/裂解转化区下端物料入口与粗合成气物流、裂解气通过耐高温耐磨衬里管道相连，直立料腿下端通过耐高温耐磨衬里管道与返料管密封器相连，循环颗粒旋流分离器上端入口通过耐高温耐磨衬里管道与内置气-固分流器的出口相连，循环颗粒旋流分离器顶部出口通过耐高温耐磨衬里管道与细颗粒分离器入口相连，细颗粒分离器顶部出口通过耐高温耐磨衬里管道与净化合成气后处理系统相连。

本发明的高效热回收及废浓盐水处理方法包括以下步骤：

1)温度为850-1600℃、压力0.5-6.5mpag的粗合成气物流通过耐高温耐磨衬里管道与裂解气混合后进入多效流化床转化子系统下部的高温裂解区/裂解转化区，粗合成气中的富碳颗粒、cxhy、焦油等组分与裂解气中的氧气、水蒸汽、二氧化碳发生热化学转化反应转变为co、h2；

2)高温裂解区/裂解转化区中产生的温度900-1700℃、熔融态颗粒的高温气-固混合流体上行进入颗粒团聚区，与自床层颗粒循环子系统经返料管密封器、提升管密封器以50-200倍循环倍率返回的200-400℃低温惰性颗粒实现充分混合后形成密相床层，在密相床层内熔融态颗粒在低温惰性颗粒表面通过膜状浸润包覆团聚为粒径为800-1500μm的粗颗粒，其中粒径为1000-1500μm的团聚大颗粒经颗粒团聚区的粗颗粒排放口直接进入粗颗粒冷却排放装置进行显热回收利用；

3)高温热流体与低温循环惰性颗粒经充分混合传热后形成的密相床层混合流体温度为700-1100℃，密相床层颗粒由颗粒团聚区上行进入密相输送区，高浓废盐水由雾化喷嘴处喷射进入水热转化区，与由团聚粗颗粒与粗合成气组成的700-1100℃混合流体直接接触产生水-热转化反应，水吸收显热后被转化为温度400-500℃、压力5.0-10.0mpa的合成气变换用高品质蒸汽后依次经过一级蒸汽过热器、二级蒸汽过热器、三级蒸汽过热器和预热器产生不同规格的蒸汽；

4)经过辐射传热、对流传热后，合成气所含的热能被工质充分吸收，由合成气、水蒸汽、惰性颗粒组成的混合流体降温至200-400℃，随后继续上行进入内置气-固分流器，此处粒径200-800μm的中间粒径颗粒被捕获后返回密相输送区；

5)气-固混合流体经过内置气-固分流器后，通过耐磨衬里管道进入床层颗粒循环子系统，循环颗粒旋流分离器将气-固混合流体中粒径为50-200μm的介尺度颗粒、亚微米颗粒、少部分中间粒径颗粒捕获后依次通过直立料腿、返料管密封器、提升管密封器循环返回多效流化床转化子系统的颗粒团聚区；

6)循环颗粒旋流分离器顶部输出的气-固混合流体进入细颗粒分离器，混合流体中粒径小于50μm的亚微米尺度细颗粒从气相中分离后进入细颗粒冷却排放装置，深度净化后的合成气物流将进入净化合成气后处理系统。

与现有合成气激冷流程、废锅流程相比，本发明具有如下的优势：

1)系统设计理念先进。省去了常规合成气激冷流程配套建设的碳洗塔，复杂的黑、灰水处理系统，废浓盐水浓缩、蒸发结晶等处理系统，流程更短、集成化程度更高、能耗更低、费效比显著降低；

2)综合能效水平高。采用流化床废过热回收集成系统可将常规激冷流程合成气、熔渣显热利用效率由60％提高至90％；

3)技术可靠、运行稳定性高。突破了现有废锅系统易挂渣、堵塞、结疤而无法长周期运行且热效率较低的技术瓶颈，内构件结构设计简单易于运行维护，无磨损，可实现安全、长周期、高效率运行；

4)技术经济竞争性强。可同时副产高品质过热蒸汽及变换反应用蒸汽，突破了常规废锅须配套建设备用炉而导致投资偏高的问题，节省了杂盐固体危废与废浓盐水处理运行成本，技术经济竞争力显著增强；

5)环保效益好。可安全、环保、高效、低成本地同步实现废浓盐水中重金属组分无害化处理及有毒有害有机物、废水的高效转化与资源化回用，干法排灰，系统无黑水、灰水产生，无杂盐类危险固体废弃物外排；

6)节能减排效果明显。合成气、熔渣显热利用效率大幅提高，热耗率及动力消耗明显降低，回收热量折算为标煤后可等效大幅削减co2、高浓废盐水、杂盐危废、so2、nox等污染物排放。

本发明高浓废盐水由雾化喷嘴处喷射进入水热转化区，与由团聚粗颗粒与粗合成气组成的700-1100℃混合流体直接接触产生水-热转化反应，高浓废盐水中的重金属及可溶性盐如氯化钠、硫酸钠等杂盐成分与粗合成气中的熔渣、飞灰颗粒在高温条件下反应转化为固化为无浸出环境风险的锥灰石、霞石、方钠石、钠钙型硅铝长石、钠硅灰石中的两种及以上的物化性质稳定、自然条件下无溶出风险且不会对环境尤其地下水造成二次污染的矿物物种；高浓废盐水中有机碳被转化为co、h2，水吸收显热后被转化为温度400-500℃、压力5.0-10.0mpa的合成气变换用高品质蒸汽；

进一步的在直立料腿下端侧壁上还开设2-50个松动气入口，通过调控松动气的流量控制惰性颗粒料位；

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

具体实施例

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明晰，下面结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

参见图1，本发明的系统包括多效流化床转化子系统1、床层颗粒循环子系统2和细颗粒分离器18；

所述的多效流化床转化子系统1包括自下而上依次设置在多效流化床内的高温裂解区/裂解转化区201-1、颗粒团聚区201-2、密相输送区201-3和内置气-固分流器201-5；

所述的高温裂解区/裂解转化区201-1下端物料入口通过耐高温耐磨衬里管道10与粗合成气物流1-0及裂解气101相连通；

所述的密相输送区201-3包括自下而上依次设置的水热转化区202-1、一级蒸汽过热器202-2、二级蒸汽过热器202-3、三级蒸汽过热器202-4和预热器202-5中，在水热转化区202-1的侧壁上开设有通过雾化喷嘴103与高浓废盐水1-1相连通的喷射口，

所述的床层颗粒循环子系统2包括自上而下相连通的循环颗粒旋流分离器203-1和直立料腿203-2，其中循环颗粒旋流分离器203-1上端入口通过耐高温耐磨衬里管道11与内置气-固分流器201-5的出口相连，直立料腿203-2上端侧壁上开设有惰性颗粒入口104，所采用的惰性颗粒具有高度水-热稳定性、莫氏硬度为5-8，粒径为75-800μm，下端侧壁上还开设有2-50个松动气入口109，直立料腿203-2下端依次通过耐高温耐磨衬里管道14、返料管密封器15及提升管密封器16与多效流化床转化子系统1的颗粒团聚区201-2相连通，且返料管密封器15底部及颗粒团聚区201-2的底部还分别与粗颗粒冷却排放装置106相连接，循环颗粒旋流分离器203-1顶部出口通过耐高温耐磨衬里管道17与细颗粒分离器18入口相连接，细颗粒分离器18顶部出口通过耐高温耐磨衬里管道19与净化合成气后处理系统108相连，细颗粒分离器18底部与细颗粒冷却排放装置107相连。

本发明中的裂解气101中氧气体积分数为20-50vol％，裂解气中co2、n2、h2o及惰性组分组成的稀释气体积分数为50-80vol％；

粗合成气物流1-0的温度为850-1600℃，压力为0.5-6.5mpag，表观速度为0.5-10m/s，体积流量为20-100nm³/s；

高浓废盐水1-1中tds浓度为10000-100000mg/l，高浓废盐水1-1与粗合成气物流的质量流量比为0.2-0.95：1，高浓废盐水由雾化喷嘴103处喷射进入水热转化区202-1的高浓废盐水负荷为40-160t/h；

根据系统热平衡及预热器202-5的给水初焓不同，本发明的三级蒸汽过热器202-4若产饱和蒸汽，则蒸汽焓值为2200-2800kj/kg，温度为100-372℃，压力为0.1-21.6mpag，蒸汽产生量为100-300t/h；三级蒸汽过热器202-4若产过热蒸汽，则蒸汽焓值为3200-3700kj/kg，温度为400-500℃，压力为1.0-21.6mpag，蒸汽产生量为30-100t/h。

本发明的高效热回收及废浓盐水处理方法如下：

1)温度为850-1600℃、压力0.5-6.5mpag的粗合成气物流1-0通过耐高温耐磨衬里管道10与裂解气101混合后进入多效流化床转化子系统1下部的高温裂解区/裂解转化区201-1，粗合成气中的富碳颗粒、cxhy、焦油等组分与裂解气中的氧气、水蒸汽、二氧化碳发生热化学转化反应转变为co、h2；

2)高温裂解区/裂解转化区201-1中产生的温度900-1700℃、熔融态颗粒的高温气-固混合流体上行进入颗粒团聚区201-2，与自床层颗粒循环子系统2经返料管密封器15、提升管密封器16以50-200倍循环倍率返回的200-400℃低温惰性颗粒实现充分混合后形成密相床层，在密相床层内熔融态颗粒在低温惰性颗粒表面通过膜状浸润包覆团聚为粒径为800-1500μm的粗颗粒，其中粒径为1000-1500μm的团聚大颗粒经颗粒团聚区201-2的粗颗粒排放口直接进入粗颗粒冷却排放装置106进行显热回收利用；

3)高温热流体与低温循环惰性颗粒经充分混合传热后形成的密相床层混合流体温度为700-1100℃，密相床层颗粒由颗粒团聚区201-2上行进入密相输送区201-3，高浓废盐水1-1由雾化喷嘴103处喷射进入水热转化区202-1，与由团聚粗颗粒与粗合成气组成的700-1100℃混合流体直接接触产生水-热转化反应，水吸收显热后被转化为温度400-500℃、压力5.0-10.0mpa的合成气变换用高品质蒸汽后依次经过一级蒸汽过热器202-2、二级蒸汽过热器202-3、三级蒸汽过热器202-4和预热器202-5产生不同规格的蒸汽；

4)经过辐射传热、对流传热后，合成气所含的热能被工质充分吸收，由合成气、水蒸汽、惰性颗粒组成的混合流体降温至200-400℃，随后继续上行进入内置气-固分流器201-5，此处粒径200-800μm的中间粒径颗粒被捕获后返回密相输送区201-3；

5)气-固混合流体经过内置气-固分流器201-5后，通过耐磨衬里管道11进入床层颗粒循环子系统2，循环颗粒旋流分离器203-1将气-固混合流体中粒径为50-200μm的介尺度颗粒、亚微米颗粒、少部分中间粒径颗粒捕获后依次通过直立料腿203-2、返料管密封器15、提升管密封器16循环返回多效流化床转化子系统1的颗粒团聚区201-2；

6)循环颗粒旋流分离器203-1顶部输出的气-固混合流体进入细颗粒分离器18，混合流体中粒径小于50μm的亚微米尺度细颗粒从气相中分离后进入细颗粒冷却排放装置107，深度净化后的合成气物流将进入净化合成气后处理系统108。