本发明涉及煤气化技术领域，具体涉及一种废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉及气化方法。
背景技术：
随着国民经济的快速发展，我国面临利用煤炭等化石能源所带来的能源利用率问题和环境问题日益严峻，急需研究开发高效、清洁的煤利用技术。气流床煤气化技术在整个煤清洁利用技术中处于核心地位，进一步提高气化能效，拓展原料的适用性是该技术的发展方向。开发高效、清洁的气流床煤气化技术对推进煤炭高效清洁利用、保护生态环境、保障国家能源安全等具有重要意义。
煤气化过程是在高温、高压下进行的，合理回收合成气高温显热是提高煤气化整体效率的重要环节，合理高效的能量回收可显著提高整体效率，降低成本。煤气化技术从固定(移动)床，到流化床，再到气流床，一方面是适应大型化的要求，更重要的是为了拓展气化技术对煤种的适应性。原料煤的性质会影响气化结果，特别是原料煤的灰熔点，其直接关系到气化炉的反应温度，因此应开发适用于高灰熔点煤的气化技术，这也是煤气化技术发展过程中必须解决的问题。基于气化后续加工不同产品的需求，以及回收高温煤气显热工艺方案的不同，气化工艺主要包括：激冷流程和废锅流程，前者特别适合于煤基化学品的生产，后者更适合于IGCC发电。
在目前的现有技术中，激冷流程和废锅流程往往都是单独使用的，激冷工艺最为常用，可以将气化室出来的高温煤气从1300℃左右激冷至200℃左右，设备简单，投资省，但能量回收效率低。废热锅炉可以将出气化室高温煤气由1300℃左右冷却至600℃左右，其中的热量得以回收，且回收效率高，但缺陷在于，设备庞大，投资高，而且出辐射废锅的合成气中的水气比偏低，较难达到直接进入变换工序的工艺要求，因此有必要开发新的热量回收技术。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的气化炉中激冷流程和废锅流程都是单独设置的，激冷流程存在能量回收效率低的缺点，而废锅流程存在设备投资大、出辐射废锅合成气中的水气比不能直接满足后续变换工序要求的缺点，而提供了一种废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉及气化方法。本发明提供的气化炉是一种能够对气化高温显热进行回收并用于制备合成气(CO+H2)的气化装置。
本发明提供了一种废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉，所述气化炉为一体化结构，包括一金属承压壳体，所述金属承压壳体内从上至下同轴设有依次连通的一气化/燃烧室、一辐射废锅和一洗涤冷却室，所述气化/燃烧室的筒体、底部渣口处分别环设有一气化/燃烧室筒体水冷壁和一气化/燃烧室渣口水冷壁，所述辐射废锅的上部入口处、直筒段和下部出口处分别环设有一辐射废锅入口水冷壁、一辐射废锅筒体水冷壁和一辐射废锅出口水冷壁，所述洗涤冷却室包括与所述辐射废锅的下部出口处轴线延伸连接的一下降管，所述下降管的上方还设有一激冷环，所述激冷环的上方、在所述洗涤冷却室的侧壁上还设有一合成气出口。
较佳地，所述金属承压壳体在所述气化/燃烧室处的内径为2.0～5.0m。
较佳地，所述金属承压壳体在所述辐射废锅处，与在所述洗涤冷却室处等径设置。更佳地，所述金属承压壳体在所述辐射废锅处、与在所述洗涤冷却室处的内径均设为3.0～7.0m。
较佳地，所述金属承压壳体的内壁上涂有隔热材料，可进一步保护气化炉。所述隔热材料较佳地为碳化硅或陶瓷纤维。
较佳地，所述金属承压壳体的承压能力为耐高压10.0MPa以下。
较佳地，所述气化/燃烧室的炉体顶部和/或炉体侧壁上沿至少一水平面设置一个或多个喷嘴。
较佳地，所述气化/燃烧室筒体水冷壁为一列管式水冷壁或盘管水冷壁，内壁涂有碳化硅。该水冷壁的选用，可提高操作温度，拓展煤种的适用性。所述气化/燃烧室筒体水冷壁的内径较佳地为1.0～4.0m。
较佳地，所述气化/燃烧室渣口水冷壁为锥形缩口结构的盘管式水冷壁，内壁涂有碳化硅，降低颗粒对水冷壁的磨损。所述气化/燃烧室渣口水冷壁较佳地还垂直延伸至所述辐射废锅的上部入口处，与所述辐射废锅入口水冷壁配合形成锥形扩口结构的辐射废锅入口。该设计有利于气化炉熔渣落入辐射废锅，并降低辐射废锅入口气固两相回流导致的水冷壁壁面熔渣沉积现象。
较佳地，所述气化/燃烧室的底部、在所述气化/燃烧室渣口水冷壁的外壁还垂直环设有一金属支撑板，用于支撑所述气化/燃烧室渣口水冷壁和所述辐射废锅筒体水冷壁。所述辐射废锅筒体水冷壁较佳地采用吊挂的方式与金属支撑板底部连接。从而使辐射废锅筒体水冷壁可自由向下膨胀。更佳地，所述金属支撑板上还均匀设有若干开孔，保证气化炉上部夹层空间和中部夹层空间密封氮气的连通。
较佳地，所述辐射废锅的下部出口处还环设有一辐射废锅锅底。
其中，较佳地，所述金属承压壳体与所述气化/燃烧室筒体水冷壁、所述辐射废锅筒体水冷壁以及所述辐射废锅锅底之间均构成夹层空间，操作时所述夹层空间内还充满与气化操作压力等压的氮气，避免因合成气泄露导致的气化炉超温。
较佳地，所述辐射废锅筒体水冷壁为列管式单面水冷壁，更佳地还均匀分布有若干组鳍片。所述鳍片的数量较佳地为4～32组。
较佳地，所述辐射废锅出口水冷壁为锥形缩口结构的盘管式水冷壁，并向下垂直延伸至所述洗涤冷却室中所述激冷环的位置处，起到保护所述激冷环和所述下降管的作用。更佳地，还在所述辐射废锅出口水冷壁的内壁进行镍基合金材料的堆焊并涂抹碳化硅，从而减少因高温合成气携带灰渣等固体颗粒对水冷壁的磨损。
较佳地，所述气化/燃烧室筒体水冷壁和所述辐射废锅筒体水冷壁采用自然循环，所述气化/燃烧室渣口水冷壁和所述辐射废锅出口水冷壁采用强制循环。气化/燃烧室渣口水冷壁与辐射废锅入口一体化设计可降低强制循环的循环水用量。
本发明还提供了一种气化方法，所述气化方法采用上述废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉进行，其包括如下步骤：将含碳燃料和氧化剂进料至所述气化/燃烧室内，气化生成的高温合成气和熔渣并流向下进入所述辐射废锅，再经所述下降管进入所述洗涤冷却室，合成气经初步洗涤后，经所述合成气出口排出气化炉，固体灰渣颗粒经所述洗涤冷却室的底部的水浴后由所述洗涤冷却室的底部出口排出气化炉。
其中，所述含碳燃料为本领域常规物质，例如水煤浆。所述氧化剂为本领域常规物质，例如氧气。
较佳地，从所述气化/燃烧室导出的高温合成气的温度为1100～1600℃。
较佳地，所述高温合成气经所述辐射废锅冷却至700～1000℃。由含碳燃料和氧气经气化/燃烧反应产生的热量与高温合成气所携带的热量可部分通过气化/燃烧室筒体水冷壁和辐射废锅筒体水冷壁副产高压饱和蒸汽，有效提高气化系统的热效率。依靠气化/燃烧室筒体水冷壁和辐射废锅筒体水冷壁回收热量产生的蒸汽的压力等级和品质可以满足动力蒸汽发电的要求。
较佳地，从所述洗涤冷却室的所述合成气出口排出的合成气的温度为150～250℃。
较佳地，所述合成气出口排出的粗合成气的水气比为0.7以上。合成气经激冷后的水气比能够满足后工序变换工段的工艺要求，有效地提升了气化效率，降低了原料的消耗。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
(1)本发明提供的废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉适用于以水煤浆等含碳燃料为原料的合成气制备工艺，水冷壁可以副产高压蒸汽用于动力蒸汽，经激冷后的合成气水气比可以满足变换对蒸汽的要求。该气化炉节能环保、能源利用率高，适用于现代煤化工工艺和IGCC发电系统。本发明不仅可以满足现代煤化工产业对高灰熔点等劣质煤的气化需求，还可以有效提高气化系统的热效率。
(2)本发明提供的废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉，其气化/燃烧室衬里结构由水冷壁替代耐火砖可以提高气化操作温度，满足对高灰熔点煤进行气化的操作温度要求，拓展煤种的适用性。
(3)在本发明的一优选方案中，金属承压壳体可在辐射废锅和洗涤冷却室部分等径设置，便于加工和制造。辐射废锅采用列管式单面水冷壁结构方便制造和安装，内置鳍片提高了换热能力，降低了设备高度，减少了设备投资。
(4)在本发明的一优选方案中，气化/燃烧室水冷壁和辐射废锅水冷壁采用自然循环，气化/燃烧室渣口水冷壁和辐射废锅出口水冷壁采用强制循环，气化/燃烧室渣口水冷壁与辐射废锅入口一体化设计可降低强制循环的循环水用量。
附图说明
图1为本发明实施例1中废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉的结构示意图。
图1中的附图标记说明如下：
图中，1-金属承压壳体，2-辐射废锅，3-洗涤冷却室，11-气化/燃烧室，12-喷嘴，13-气化/燃烧室筒体水冷壁，14-金属支撑板，15-气化/燃烧室渣口水冷壁，21-辐射废锅入口水冷壁，22-辐射废锅筒体水冷壁，23-鳍片，24-辐射废锅出口水冷壁，25-辐射废锅锅底，31-下降管，32-激冷环，33-合成气出口。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
本实施例提供了一种废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉，其结构如图1所示。
所述气化炉为一体化结构，包括一金属承压壳体1，所述金属承压壳体1的内部从上至下同轴设有依次连通的一气化/燃烧室11、一辐射废锅2和一洗涤冷却室3，所述气化/燃烧室11的筒体、底部渣口处分别环设有一气化/燃烧室筒体水冷壁13和一气化/燃烧室渣口水冷壁15，所述辐射废锅2的上部入口处、直筒段和下部出口处分别环设有一辐射废锅入口水冷壁21、一辐射废锅筒体水冷壁22和一辐射废锅出口水冷壁24，所述洗涤冷却室3包括与所述辐射废锅2的下部出口处轴线延伸连接的一下降管31，所述下降管31的上方还设有一激冷环32，所述激冷环32的上方、在所述洗涤冷却室3的侧壁上还设有一合成气出口33。
所述金属承压壳体1在所述气化/燃烧室11处的内径为2.0～5.0m；所述金属承压壳体1在所述辐射废锅2处，与在所述洗涤冷却室3处等径设置；所述金属承压壳体1在所述辐射废锅2处、与在所述洗涤冷却室3处的内径均设为3.0～7.0m。所述金属承压壳体1的内壁上涂有隔热材料碳化硅；所述金属承压壳体1的承压能力为耐高压10.0MPa以下。
所述气化/燃烧室11的炉体顶部和/或炉体侧壁上沿至少一水平面设置一个或多个喷嘴12；所述气化/燃烧室筒体水冷壁13为一列管式水冷壁或盘管水冷壁，内壁涂有碳化硅；所述气化/燃烧室筒体水冷壁13的内径为1.0～4.0m；所述气化/燃烧室渣口水冷壁15为锥形缩口结构的盘管式水冷壁，内壁涂有碳化硅；所述气化/燃烧室渣口水冷壁15还垂直延伸至所述辐射废锅2的上部入口处，与所述辐射废锅入口水冷壁21配合形成锥形扩口结构的辐射废锅2入口。
所述气化/燃烧室11的底部、在所述气化/燃烧室渣口水冷壁15的外壁还垂直环设有一金属支撑板14，用于支撑所述气化/燃烧室渣口水冷壁15和所述辐射废锅筒体水冷壁22；所述辐射废锅筒体水冷壁22采用吊挂的方式与所述金属支撑板14的底部连接；所述金属支撑板14上还均匀设有若干开孔。
所述辐射废锅2的下部出口处还环设有一辐射废锅锅底25；所述金属承压壳体1与所述气化/燃烧室筒体水冷壁13、所述辐射废锅筒体水冷壁22以及所述辐射废锅锅底25之间均构成夹层空间，采用所述气化炉操作时所述夹层空间内还充满与气化操作压力等压的氮气。
所述辐射废锅筒体水冷壁22为列管式单面水冷壁，还均匀分布有若干组鳍片23；所述鳍片23的数量为4～32组；所述辐射废锅出口水冷壁24为锥形缩口结构的盘管式水冷壁，并向下垂直延伸至所述洗涤冷却室3中所述激冷环32的位置处；还在所述辐射废锅出口水冷壁24的内壁进行镍基合金材料的堆焊并涂抹碳化硅。
所述气化/燃烧室筒体水冷壁13和所述辐射废锅筒体水冷壁22采用自然循环，所述气化/燃烧室渣口水冷壁15和所述辐射废锅出口水冷壁24采用强制循环。
实施例2
本实施例采用实施例1所示的废锅激冷一体式水煤浆水冷壁气化炉进行气化处理，其日处理量为日处理煤2000吨级，具体对气化炉的参数设计如下：
气化/燃烧室11部分的金属承压壳体1的内径3.88m，辐射废锅2与洗涤冷却室3的金属承压壳体1的内径4.5m，辐射废锅2直段高度～20.0m，所述气化/燃烧室筒体水冷壁13的内径为2.8m。辐射废锅筒体水冷壁22内径～3.5m，16组鳍片23沿辐射废锅筒体水冷壁22圆周方向均匀布置。
具体气化方法如下：
水煤浆和氧气经喷嘴12进入气化炉，在内衬有水冷壁的气化/燃烧室11内进行部分氧化反应，气化压力4.0MPa，气化温度～1300℃，有效气(CO+H2)产量135000Nm3/h。
进气化/燃烧室筒体水冷壁13和辐射废锅筒体水冷壁22的锅炉给水温度218℃，压力11.6MPa。出气化/燃烧室筒体水冷壁13的蒸汽温度为319℃，压力11.1MPa，蒸汽量11t/h；出辐射废锅筒体水冷壁22的蒸汽温度319℃，压力11.1MPa，蒸汽量112t/h。
气化/燃烧室11产生的～1300℃高温合成气与灰渣进入辐射废锅2，经辐射废锅2冷却后进洗涤冷却室3的合成气温度约850℃，合成气出洗涤冷却室3的温度约210℃。合成气经过洗涤后进入变换工段，进变换工段的粗合成气中水气比约0.8，满足CO部分变换的工艺要求。
本实施例的总体气化性能测试结果具体如下：
气化反应温度：1350℃
辐射废锅2出口合成气温度：870℃
进变换前合成气水气比：0.8
副产蒸汽：123t/h
比氧耗：400Nm3O2/1000Nm3(CO+H2)
比煤耗：590kg煤(干基)/1000Nm3(CO+H2)
有效气成分(CO+H2)：81％(干基)
可见，本发明的工艺采用废锅和激冷联合流程，即出气化炉的高温煤气经辐射废锅2冷却到800℃左右，然后用水激冷到所需要的温度，使依靠煤气显热产生的蒸汽能满足后工序部分变换的要求。辐射废锅2可回收相当于原料煤低位发热量～10％的能量，用于产生高压蒸汽，作动力蒸汽或驱动透平，可以大大降低动力煤消耗，从而明显降低系统的能耗。气化炉的气化/燃烧室11若同时采用水冷壁结构，则不仅可以气化较差煤种(灰份含量高、煤浆浓度低)亦可以副产一定量的蒸汽，使气化工艺的节能降耗优势更加明显。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。