专利名称：用于通过水注入冷却热气体的方法和系统的制作方法
用于通过水注入冷却热气体的方法和系统本发明尤其涉及用于冷却和净化在热反应器中产生的热气体(例如废气)的方法 和系统，或者更确切地，涉及使用水注入以通过蒸发注入的水的一部分或全部来冷却由燃 料一例如生物质(biomass)、废弃物、煤、油、气体或这些的混合物——的热转化(气化或 燃烧)释放的气体的方法和系统。再者，本发明可用于冷却和净化从工业厂房——例如水泥窑、精炼厂、金属加工厂 等等——释放的热气体。
背景技术：
为了环境的目的，将热气体冷却和净化，因为由此可在让气体进入大气之前去除 微粒和其他污染物例如硫磺、氯化物等等。在能源厂也冷却和净化热气体，在能源厂，气体 的能量被传递到加热例如水、蒸汽或油的媒介。参考Perry Chemical Engineer's Handbook，7. Edition，特别是 17，39-40 页，WO 2007/036236 Al 禾口 Autojet SprayingSystems, Bulletin 540，rev.1，2004。还参考JP 2004061024，其描述气体冷却塔，其中热气体进入该冷却塔的直径为塔主室内 径(D)的0. 05-0. 25的窄顶部。所述塔主室装备有冷却单元，以冷却从气体供应管道提供 的气体。EP 1 325 773 Al，其描述了废气冷却装置，该装置在单个装置中冷却废气并收集 灰尘。JP 09-178367，其描述了气体冷却器，其中气体转向并向上流动。WO 2007/036236 Al，其描述了通过以下方式可以从热反应器中产生的热气体回 收热以使得气体温度由于水蒸发而降低到400°C以下的量和方式在一个或多个注入区将 水注入气体中。常常关于两种类型的冷却——即“壳管式热交换器”和“蒸发冷却”——考虑冷却， 并且将在下文中简要讨论所述两种类型的冷却。壳管式热交换器众所周知的是，通过使用在管内携带热气体的壳管式热交换器，热气体可以从高 温(400-1000°C )冷却到较低温(100-400°C)，所述管与冷却介质(水、空气、导热油等等) 外部接触。这些设施的建造尺寸通常从一百(kg/h)的热气体一直到几十万(kg/h)的容量不等。蒸发冷却也众所周知的是，可以通过利用注入前述热气体中用于冷却的水的蒸发热冷却该 气体。该冷却方法有多个优点，例如-它比壳管式热交换器更简单并且成本更低。-气体的水蒸气含量增加，这导致多个优点，例如接下来的冷凝单元可以在较高 温度下比标准冷凝单元(参考W0 2007/036236A1)产生更多的能量，并且静电除尘器具有更好的颗粒分离。-因为可以将气体净化剂——例如石灰、活性炭等等——注入气体冷却系统，所以 冷却和气体净化可以集成在一个单元中。可以使用两个主要原理A.过量水注入以产生包含残余水滴的冷却气体(参考上文的Perry)1.通过使用洗涤柱(scrubber column)，该洗涤柱可以是水平、倾斜或竖直取向 的，并且在洗涤柱中喷水被喷射与热气体逆流、交叉流或并流2.通过使用竖直柱，其中在旋转/轴向方向引导气体，并且气体受来自中心的径 向喷水的作用3.水喷射器，其中通过水的并流喷射，将气体移动通过设备这样的设施的建造尺寸通常从数百(kg/h)的热气体一直到几十万(kg/h)的容量不等。B.减少量的水注入以产生干燥的冷却气体(参考上文的Autojet)该系统的主要优势是可以在冷却器之后使用干式气体净化系统(例如旋风除尘 器、袋式除尘器和静电过滤器)。干式蒸发冷却的其他优势是-大量的材料可以用于冷却反应器，包括低成本钢-通过注入气体净化剂接着去除固体，可以从气体去除污染物例如硫磺、氯化物、
~■心犬寸寸ο干式蒸发冷却器通常以竖直塔的形式被建造。气体进入冷却塔的入口可以与冷却反应器正切(参考JP20040610M)，这会在 冷却器中产生漩涡，或者可以引导气体流，使得它在冷却部分中变得尽可能地接近塞状流 (plug flow) ο当气体到达冷却部分时，通过一个或多个置于喷枪中的喷嘴将水喷射进气体中， 所述喷枪被安装至冷却器并且向气体中喷射。水喷嘴以避免弄湿壁的方式取向。水滴优选地被雾化成具有小于100 μ m的索特尔(Sauter)直径的小滴。压缩空气 可以用作雾化剂。在冷却部分期间，水滴被完全蒸发，并且气体在干燥状态下离开冷却塔的 出口。此外，避免弄湿壁会防止水滴在壁处的蒸发以及可能的水滴中吸收的有害盐的沉积。上述干式蒸发冷却器通常将气体从400°C -1200°C冷却到100°C -400°C。这样的 设施通常被建造用于最高达几百万(kg/h)的大气体容量。已知技术的应用众所周知的是，在水泥厂、废弃物厂或能源厂——其中气体从与生物质、废弃物或 煤的热反应中释放——的情况下，未净化气体会包含碱金属盐蒸气，该碱金属盐蒸气在标 准干式冷却系统(壳管式热交换器)期间会冷凝并导致重污垢和腐蚀，并且众所周知的是， 这常常会导致由气体通道和喷嘴的一般污垢引起的部件失效和替换被腐蚀部分的高额维 护费用。就此而论，碱盐通常是钾氯化物和钾硫酸盐和钙硫酸盐。也众所周知的是，类似的问题也发生在上文提到的其他(化学厂)工艺过程中。众所周知的是，基于热交换器的技术——由于许多窄气体通道——具有形成污垢 的固有倾向，并且当待冷却的气体被焦油、盐和颗粒严重污染时一般避免该技术。在上文在段落号A下描述的蒸发冷却技术中观察到了相同的问题。也众所周知的是，污垢和腐蚀问题一般通过使用上文在段落号B下描述的蒸发冷 却技术来避免。然而，这些冷却系统的竖直塔会具有超过5的典型长度/直径比，并且这些冷却系 统通常会具有20-30m的高度，这被认为对于较小的工厂——例如区域供暖气化厂——是不 合适的，这些地方的建筑立法极其通常地将高度限制为一般在IOm以下。标准冷却器的大高度的原因是系统由三部分组成入口、干燥和出口，它们中的每 一个都代表相当大的建筑高度。ASMii 在入口区，气体会显现占据数个直径的流动剖面。它还常常需要进行直 径扩展，直到达到干燥器直径。该入口部分可以高达IOm长，或者更高。干燥器部分干燥器部分的长度取决于入口和出口温度、流动剖面和水滴尺寸，例 如在气体和水滴之间的温度差为大约250°C时100 μ m的水滴蒸发需要约0. 3 (s)，而500 μ m 的水滴完全蒸发需要约7. 0 (s)。通常干燥器部分长于5m。出口部分出口部分紧随干燥器部分。为了避免干燥器中流动剖面的干扰,出口管 道在干燥部分后适当地定位。通常，出口部分大于:3m。因此，为了净化有问题的热气体——特别是对于较小的工厂，而且对于容量大于 一百万(kg/h)气体的非常大的工厂——需要紧凑得多的技术。
发明内容
在本发明的第一方面，提供一种方法。该方法用于冷却在热反应器中产生的热气 体，并且该方法包括-在一个或多个正切气体通道入口处将所述热气体以使得在圆柱形蒸发冷却器中 执行旋转运动的速度引导进入该圆柱形蒸发冷却器，-在一个或多个注入区将水以这样的量和水滴尺寸注入所述热气体中即使得水 滴将在所述蒸发冷却器内完全蒸发。一般而言，并且优选地，气体蒸发冷却器具有小于5m的高度/直径(类似地长度 /宽度)比。所述蒸发冷却器的高度和直径优选地相对于所述蒸发冷却器的原位布局来限 定高度是所述蒸发冷却器的内部竖直长度并且直径是所述蒸发冷却器的内部水平直径。 相应地，可为所述圆柱形蒸发冷却器提供某一类型的盒形包装。此外，水的注入可以优选地由布置在所述蒸发冷却器顶部的至少一个喷嘴提供。在本发明的第二方面，提供一种用于冷却热气体的系统。该用于冷却热气体的系 统包括-一个用于所述热气体的入口管道，该入口管道被正切地置于-一个竖直布置的圆柱形蒸发冷却器，所述蒸发冷却器优选地在其顶部带有至少 一个用于将水注入所述气体中的例如喷嘴形式的水注入装置，以及-一个出口管道。在第三方面，提供一工厂，该工厂利用根据本发明第二方面的系统和根据本发明 第一方面的方法。相应地，因为气体正切地进入圆柱形干燥反应器，本发明特别提供用于在紧凑型干式蒸发冷却器中冷却热气体的方法、系统和工厂。此外，可以需要仅一个或至少仅数个水 注入喷嘴用于喷射水，所述喷嘴优选地被布置在所述蒸发冷却器的顶部，并且向下喷射到 待冷却的气体中，这大大简化了设备。如指出的，所述蒸发冷却器在高度/直径比小于5的 意义上通常被认为是紧凑的。本发明的另外的方面和实施方案在所附的权利要求中呈现。在下文中，参考附图 描述本发明以及特别地描述其优选实施方案，其中
图1示意性地示出了根据本发明的系统的第一设计，其中燃料在热反应器中燃烧 或气化，并且从反应器释放的热气体被冷却，图2示出了在系统中使用的蒸发冷却器的典型设计，图3示出了在系统中使用的蒸发冷却器的典型设计，包括在冷却器内的预期流线 谱(flow pattern),图3a示出了在系统中使用的蒸发冷却器的另一典型设计，包括在冷却器内的预 期流线谱，图4示出了在系统中使用的蒸发冷却器的典型设计，包括在蒸发冷却器的中央平 面上的预期总压强，图5示出了将本发明应用于能源厂，所述能源厂基于用于产生区域供暖的固体燃 料燃烧和冷却气体的使用，图6示出了将本发明应用于能源厂，所述能源厂基于固体燃料气化和燃气发动机 中冷却气体的使用。
具体实施例方式在图1中，1代表热反应器，其被供以燃料、空气或氧气以及水和/或蒸汽。物件2 是用于从热反应器向蒸发冷却器4输送热气体的通道。蒸发冷却器竖直取向。物件3是一个或多个水入口喷嘴。喷嘴可以使用空气/气 体辅助雾化。一些颗粒(灰尘和冷凝的碱盐)可以在蒸发冷却器中分离，并且可以从底部移除， 并且蒸发冷却器排出通道5将干燥的、相对清洁的冷却气体引导到残余颗粒过滤器——其 可以是洗涤器、袋式除尘器(bag house filter)、旋风除尘器或静电除尘器等等。风扇7处 理整个系统中的压降。置于蒸发冷却器4下游的传感器S测量离开蒸发冷却器4的气体的温度和/或湿 度。温度和/或湿度的测量由水注入系统使用，所述水注入系统控制注入蒸发冷却器4的 水的量，以使得离开蒸发冷却器4的气体的温度和/或湿度在预先选择的范围内。由于水注入，现在气体非常适合在冷凝单元8中冷却和冷凝。可以将剂——例如石灰和/或活性炭——喷射到热气体和/或冷却气体中，以吸 附污染物，例如酸和二恶英等等。在图2中，2是用于来自反应器的热气体的蒸发冷却器的入口通道。气体以足够高 的速度进入，以确保其沿着蒸发冷却器的壁以螺旋运动的方式移动。因此，接近壁的气体的 角速度比通过蒸发冷却器的轴向速度大得多，并且气体在到达正切排出通道5之前，会执 行6-12转旋转。应指出，在图2中示出的类似线圈的结构并不意在表示管，而是图解蒸发冷却器内的流体以螺旋运动的方式流动，占据蒸发冷却器4的内部。—个或多个喷嘴3位于蒸发冷却器端盖9的中心(或者在该中心周围对称布置)， 通过所述喷嘴沿着蒸发冷却器轴线喷射水滴，所述水滴优选地具有100 μ m以下的索特尔 直径，其总量由喷嘴处的阀调节，并且如上文所公开的通过传感器结合水注入系统进行控 制，所述传感器监测蒸发冷却器排出通道处的相对湿度。在离开喷嘴出口一段短距离后，由于旋转气体所引起的离心力，水滴将开始在径 向方向漂移。水滴会在进入旋转气体的同时蒸发，并因此通过使用水滴的蒸发热冷却气体。在入口是气态的成分(氯、钾、钠，并且在热反应器是气化器的情况下可能是一些 有机成分(焦油))在冷却期间会形成固体颗粒，并随同干燥状态的气体一起被传送(盐或 者在热反应器是气化器的情况下为焦油滴/固体有机物)。较重的盐颗粒和固体有机物会沉积在蒸发冷却器的底部并被移除。(颗粒移除系 统在该图中未被示出)。较小的颗粒(以及在热反应器是气化器的情况下的焦油滴)会随着干燥的冷却气 体从蒸发冷却器通过正切排出通道5。执行了对IOMW的木屑燃料输入能源厂的计算，并且下面描述该计算来自热反应器的废气在900°C的温度下以5. 9(kg/s)的质量单位流量通过蒸发冷 却器的入口通道进入。在蒸发冷却器的排出通道，由于利用通过喷嘴注入的2.1 (kg/s)的 水的蒸发进行了冷却，温度下降到200°C。由于水的蒸发，在直径为4-5 (m)、高度为6. 0 (m) 的蒸发冷却器中干燥的废气的露点从69°C增加到83°C。与没有应用本发明的冷却器相比， 高度小于50%。在图3中，流体动态计算再现了在10m/S的气体入口速度下典型设计的蒸发冷却 器内的预期流线谱。该计算是不考虑水滴蒸发(并且因此不考虑气体冷却)的意义上的 “冷计算(cold calculation) 注意到，正切速度从轴线(1至3m/s)朝壁(10-15m/s)的 方向增加。图3a示出了入口气体速度为6m/s的情况下在600°C的温度下入口流率(flow rate)为16，OOONm3的蒸发冷却器的流体动态计算。废气在湿木燃烧之后，并且因此在入 口处已经具有20%的水蒸气。仅单个喷嘴被用在该计算中FM 25喷射系统。该喷嘴导致 大多数(按重量)在100 μ m以下的小水滴。水流率是38升/分钟，随后水将气体冷却至 300°C。模拟旁边的刻度以秒为单位显示保留时间。看到，水滴在不到4s内完全蒸发。在图4中，关于蒸发冷却器的中央平面处的总压强描绘了图3的流体动态计算。 注意到，总压强从蒸发冷却器的轴线朝壁的方向些微减少。然而，如在图3中注意到的，速 度(并且因此还有动态压强)也在该方向增加，并且因此，静态压强会从轴线朝壁的方向减 小，这会导致水滴在该方向漂移进热气体层。在图5中，来自固体燃料燃烧过程的热废气在根据本发明的蒸发冷却器中被冷却 并且被初步净化。来自蒸发冷却器排出通道的废气在此处被应用于能量厂，该能量厂带有 基于燃烧空气的预热/润湿和热回收的区域供暖洗涤器系统，所述区域供暖洗涤器系统用 于基厂(bas印Iant) 8，如在PCT国际专利申请WO 2007/036236 Al中描述的。在图6中，来自固体燃料气化过程1的热气体在根据本发明的蒸发冷却器中被冷 却并且被初步净化。来自蒸发冷却器排出通道的气体进入到袋式除尘器，在该袋式除尘器中去除颗粒。被净化的气体被进一步冷却，并且水蒸气在冷凝器8中冷凝并随后进入到燃 气发动机，该燃气发动机产生电力、热水和热废气。
权利要求
1.一种用于冷却在热反应器(1)中产生的热气体的方法，所述方法包括-在一个或多个正切气体通道入口( 处将所述热气体以使得在圆柱形蒸发冷却器 (4)中执行旋转运动的速度引导进入所述圆柱形蒸发冷却器G)，所述圆柱形蒸发冷却器 ⑷具有小于5的高度/直径比，以及-在一个或多个注入区C3)优选地通过至少一个布置在所述蒸发冷却器顶部的喷嘴将 水以这样的量和水滴尺寸注入所述热气体——即使得水滴将在所述蒸发冷却器内完全蒸 发。
2.根据权利要求1的用于冷却在热反应器(1)中产生的热气体的方法，所述方法包括， 在一个或多个注入区( 将水以这样的量和水滴尺寸注入所述热气体——即使得水滴将在 所述冷却器内完全蒸发之后，随后冷却气体将通过正切地置于所述冷却器(4)上的气体通 道(5)离开所述冷却器。
3.根据权利要求1的方法，其中通过使用高压水和/或使用加压的空气和/或其他气 体将注入的水雾化成微滴。
4.根据权利要求1-3的方法，其中所述冷却气体随后通过冷凝热交换单元(8)，在所述 冷凝热交换单元(8)处至少一些水蒸气成分被冷凝。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中用于所述喷嘴(3)的水是自来水和/或生 产用水和/或在系统中其他地方形成的冷凝物。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中颗粒从所述蒸发冷却器的底部移除。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中使用过滤器(6)中的旋风除尘器、袋式除尘 器、静电过滤器或类似物移除来自所述蒸发冷却器的冷却气体中的杂质。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中化学剂在所述蒸发冷却器(4)之前和/或 之中和/或之后，并且在所述过滤器(6)之前被注入，以改善所述气体的净化。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其中所述气体在入口管道O)中的入口温度是 3000C -1500°C，并且所述气体在排出管道(5)中的出口温度是100°C _400°C。
10.根据权利要求1-9中任一项的方法，其中在所述入口和/或出口中的气体速度超过 5m/s，例如 10m/so
11.一种用于冷却热气体的系统，所述系统包括-一个用于所述热气体的入口管道(2)，该入口管道被正切地置于-一个竖直圆柱形蒸发冷却器G)，所述蒸发冷却器(4)在其顶部带有至少一个用于将 水注入所述气体中的例如喷嘴形式的水注入装置C3)，以及-一个出口管道(5)。
12.根据权利要求11的系统，还包括用于控制将水注入所述气体中以使气体温度降低 到400°C以下的装置。
13.根据权利要求11或12的系统，还包括气体净化单元(5)，该气体净化单元为袋式 除尘器、电过滤器、旋风洗涤器或类似物的形式。
14.根据权利要求11-13中任一项的系统，其中一个冷凝热交换单元(8)连接到所述气 体管道，其中水蒸气的至少一些气体成分被冷凝，并且冷凝热被用于加热一个流体流。
15.根据权利要求11-14中任一项的系统，其中所述水喷嘴被居中地置于所述蒸发冷 却器的端盖上和/或在正切气体通道入口处的电枢(armature)或在正切气体通道入口之后的电枢上。
16.根据权利要求11-15中任一项的系统，其中所述热反应器(1)是气化反应器、燃烧 反应器或工业工艺过程。
全文摘要
在热反应器(1)中产生的热气体可以通过以下所述在圆柱形冷却反应器(4)中被冷却通过入口管道(2)将所述气体正切地引导进入蒸发冷却器中，借此所述气体在所述蒸发冷却器内执行旋转运动，并且在一个或多个注入区(3)将水滴以这样的量和方式注入所述气体中——即使得气体温度由于水蒸发而降低到400℃以下。干燥的冷却气体现在可以经出口管道(5)离开所述反应器，并且在干燥过滤器(7)中被净化颗粒，并且可以在冷凝单元(8)中回收能量。借此，获得紧凑型冷却、净化和能量回收系统，该系统是便宜且简单的，并且具有低的维护费用，而且该系统具有高的效率等级和良好的环境质量。所述方法可以用于宽范围的燃料和转化技术中。
文档编号B01D47/06GK102144128SQ200980134966
公开日2011年8月3日 申请日期2009年9月7日 优先权日2008年9月7日
发明者J·D·本特森 申请人:达尔能源控股有限责任公司