一种气化炉用水冷系统的制作方法

本发明涉及燃料气化用设备技术领域，尤其涉及一种气化炉用水冷系统。

背景技术：

目前，气化炉用水冷装置主要为盘管式水冷壁和膜式水冷壁，且均为单段结构，其中，对于盘管式水冷壁应用时，在热水气化为水蒸气过程中，容易在局部积气，从而造成水冷管烧损；由于气化炉不同部位温差较大，膜式水冷壁的直上直下单管设计易造成单管局部热应力集中，从而导致水冷管爆裂；另外，现有水冷壁普遍采用全圆形水冷管，虽副产蒸汽较多，但由于气化炉内表面与水冷壁的接触面有多个触点或者凸起，接触面积较大，使换热量相应降低，从而造成了气化热效率的降低；此外，现有水冷壁的内表面一般都比较粗糙，不利于物料的平滑下移，容易卡料，从而出现结渣、堵渣，严重影响传热效果，也易造成管道损坏。

因此，亟需开发出更加高效、安全、稳定的气化炉用水冷装置和冷却方法，充分提高气化炉的气化效率，节约运行和维护成本。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种气化炉用水冷系统及其水冷工艺，能够有效避免结渣堵渣，充分保障安全稳定运行，同时，大幅提高气化热效率。

本发明解决问题的技术方案是：一种气化炉用水冷系统，包括筒体，其中，在所述筒体上间隔设有两组以上水冷装置，所述每组水冷装置均包括若干个等距离平行设置的水冷管，所述水冷管沿与所述筒体的纵轴相平行的方向设置在所述筒体的外壁上，所述水冷管的两端分别与热水输入管和蒸汽输出管连通，所述热水输入管位于所述蒸汽输出管的下方，所述热水输入管和所述蒸汽输出管均沿与所述筒体的横轴相平行的方向环绕设置在所述筒体的外壁上；所述水冷管的横截面为弧形。

进一步地，在本发明所述的气化炉用水冷系统中，在所述热水输入管上对称设置有偶数个热水输入口，在所述蒸汽输出管上对称设置有偶数个蒸汽输出口。

进一步地，在本发明所述的气化炉用水冷系统中，所述水冷装置有两组，分别为高温段水冷装置和低温段水冷装置，所述高温段水冷装置位于所述低温段水冷装置的下方；在所述高温段水冷装置中的水冷管为高压水冷管；在所述低温段水冷装置中的水冷管为低压水冷管；所述高压水冷管的间距与所述低压水冷管的间距相同。

进一步地，在本发明所述的气化炉用水冷系统中，所述水冷管的横截面为半圆形。

优选地，在本发明所述的气化炉用水冷系统中，所述水冷管和所述筒体的材料为碳素钢或合金钢。

本发明还提供了应用上述气化炉用水冷系统的水冷工艺，包括如下步骤：

(1)在筒体内进行气化反应；

(2)热水从不同温度梯度范围的气化层下部进入所述筒体外部的不同水冷装置中，在所述各水冷装置中，热水由下到上运行经换热后产生蒸汽；

(3)蒸汽从不同的水冷装置中输出。

进一步地，在本发明所述的水冷工艺中，在所述步骤(2)中，热水从2n个热水输入口进入所述水冷装置，所述2n个热水输入口环绕所述筒体呈对称设置；在所述步骤(3)中，蒸汽从2n个蒸汽输出口自所述水冷装置输出，所述2n个蒸汽输出口环绕所述筒体呈对称设置。

进一步地，在本发明所述的水冷工艺中，所述水冷装置有两组，分别为高温段水冷装置和低温段水冷装置，所述高温段水冷装置位于所述低温段水冷装置的下方；高压热水自所述高温段水冷装置的下部进入，经换热产生蒸汽，蒸汽自所述高温段水冷装置的上部输出；低压热水自所述低温段水冷装置的下部进入，经换热产生蒸汽，蒸汽自所述低温段水冷装置的上部输出。

优选地，在本发明所述的水冷工艺中，所述高压热水的压力大于1.1MPa，所述低压热水的压力为1.1MPa以下。

优选地，在本发明所述的水冷工艺中，所述高温段水冷装置对应的气化层温度为700℃以上，所述低温段水冷装置对应的气化层温度为700℃以下。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的创新设计有效地解决了现有气化炉用水冷壁等水冷装置存在的安全性、稳定性及热效率低等问题，尤其是系统中多个水冷装置的整合设计形成多段水冷壁的一体化结构，联合进行作用，增强安全性和稳定性的同时，有效消除了单段水冷壁存在的热应力问题，从而消除水冷壁爆裂的安全隐患；气化用物料与筒体的无凸起的平面设计的内壁无障碍接触，使物料平滑下移，充分防止卡料、结渣及堵渣现象发生，筒体内壁的无凸起的平面设计保障与物料全面无障碍接触的同时，由于接触面积减小，换热量也相应降低，从而利于提高气化热效率；此外，本发明的水冷系统的操作压力不受气化压力的影响，操作压力能提至3.8MPa；本发明提供的水冷工艺，充分利用本发明水冷系统，能够实现依据气化层的温度区域进行分段独立运行，从而提高对副产蒸汽及气化整体运行的控制和调整能力，利于维修维护，也利于提高经济效益；总体上，本发明能够满足全厂蒸汽管网的压力等级需求，适于在相关气化炉应用领域推广。

附图说明

图1为本发明气化炉用水冷系统的结构示意图；

图2为图1的A-A剖面结构示意图。

图中所示：

1-筒体；2-水冷装置，201-水冷管，202-热水输入管，203-热水输入口，204-蒸汽输出管，205-蒸汽输出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围不受实施例的任何限制且不限于此。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的一种气化炉用水冷系统，包括筒体1，其中，在筒体1上间隔设有两组以上水冷装置2，所述每组水冷装置2均包括若干个等距离平行设置的水冷管201，所述水冷管201沿与筒体1的纵轴相平行的方向设置在筒体1的外壁上，所述水冷管201的两端分别与热水输入管202和蒸汽输出管204连通，所述热水输入管202位于蒸汽输出管204的下方，所述热水输入管202和蒸汽输出管204均沿与筒体1的横轴相平行的方向环绕设置在筒体1的外壁上；所述水冷管201的横截面为弧形。

在上述实施例中，通过在筒体1上设置多个水冷装置2形成相当于多段水冷壁的一体化设计，使其能够以单个水冷装置2独立运行也能以多个水冷装置2同时运行，从而使整个水冷系统运行的安全稳定性增强，且灵活性可控性大幅提高；通过等距离平行设置水冷管201，利于节约制作成本，并便于对副产蒸汽的量进行有效控制；使水冷管201沿筒体1的纵向轴向设置在筒体1的外壁上，形成纵向阵列式设计，并使水冷管201的两端分别与横向设置的热水输入管202和蒸汽输出管204连通，使各水冷装置2中的水冷管201都相互连通，利于热水经热水输入管202迅速进入各水冷管201中，便于各水冷管201产生的蒸汽迅速进入蒸汽输出管204输出，以及通过所述热水输入管202位于蒸汽输出管204的下方的设置，大幅提高热水流体的运行效率，并利于有效控制蒸汽的产生、输出及收集；通过水冷管201的弧形横截面设置，保障了筒体1内壁为无凸起的弧面或者平面，从而使筒体1内壁无凸起及触点等阻碍气化物料运行的接触，保障气化物料全面无障碍运行，充分避免卡料、结渣及堵渣等现象发生，同时，由于相对传统水冷壁的全圆形水冷管设计气化反应的接触面积减小，换热量也相应降低，使气化热效率得到提高。

在上述实施例中，所述水冷管201的横截面的弧度优选为180度，即水冷管201的横截面优选为半圆形，从而利于保障筒体1内壁以平面与气化物料相接触，充分降低接触面面积，从而进一步提高气化热效率。

在上述实施例中，所述水冷管201和所述筒体1的材料及规格根据具体气化炉适用的燃料种类及运行工况进行设计，为增强系统整体运行的安全性和稳定性，优选地，所述水冷管201和筒体1的材料为碳素钢或合金钢，较佳地，所述筒体1的壁厚为15mm～60mm，所述水冷管201的管壁厚度为4mm以上，所述水冷管201的横截面直径为15mm～60mm。

在上述实施例中，为保障系统整体结构的稳定性，具有长使用寿命，所述各水冷管201、热水输入管202和蒸汽输出管204与筒体1外壁优选通过焊接连接，较佳地，通过超声焊接固定连接。

应用本发明上述气化炉用水冷系统进行换热产出蒸汽的水冷工艺包括如下步骤：

(1)在筒体1内进行气化反应；

(2)热水从不同温度梯度范围的气化层下部进入筒体1外部的不同水冷装置2中，在各水冷装置2中，热水由下到上运行经换热后产生蒸汽；

(3)蒸汽从不同的水冷装置2中输出。

在上述实施例的所述步骤(1)中，在筒体1内，气化用物料和筒体1内壁无障碍接触，下料的速度更快，气化反应更均匀，更利于提高气化热效率；在所述步骤(2)中，因气化反应床层随其高度不同而对应的反应温度不同，热水从不同温度梯度范围的气化层下部通过热水输入管202进入筒体1外部的不同水冷装置2中，在各水冷装置2中，热水由水冷装置2的各水冷管201的下部开始逐渐升温运行到各水冷管201的上部，运行过程中经与列装的水冷管201换热后产生蒸汽，相较于传统的水平环绕筒体1的水冷管201设置，此种方式效率更高，且可控性强；在所述步骤(3)中，经不同水冷装置2换热后产生的蒸汽由各自的蒸汽输出管204输出，在各水冷装置2中的各水冷管201所产生的蒸汽基于各水冷管201的连通，使蒸汽的输出效率得到大幅提高；从而整体上提高气化炉的气化热效率。

实施例2

如图1和图2所示，本发明的一种气化炉用水冷系统，其基本结构设置及应用同实施例1，为保障换热过程均匀，具体地，在所述热水输入管202上对称设置有偶数个热水输入口203，在所述蒸汽输出管204上对称设置有偶数个蒸汽输出口205。

在上述实施例中，所述热水输入口203和蒸汽输出口205的具体数量能够根据具体气化炉的运行工况进行设计，为节约耗材和制作成本，优选地，所述热水输入口203的数量为2～6个，所述蒸汽输出口205的数量为2～6个；为增强水冷系统整体运行的安全稳定性，并充分保障换热均匀、以及热水进入和蒸汽输出的高效，较佳地，所述热水输入口203和蒸汽输出口205的数量相等。

应用本发明上述气化炉用水冷系统进行的水冷工艺基本同实施例1，具体地，在所述步骤(2)中，热水从2n个热水输入口203进入水冷装置2，所述2n个热水输入口203环绕筒体1呈对称设置；在所述步骤(3)中，蒸汽从2n个蒸汽输出口205自水冷装置2输出，所述2n个蒸汽输出口205环绕筒体1呈对称设置。

在上述实施例中，2n个即偶数个，n为≥1的整数，优选为1～3；在各水冷装置2中，通过在热水输入管202上对称设置的2n个热水输入口203输入热水，通过热水输入管202和蒸汽输出管204相连通的各水冷管201内迅速且均匀地充入热水，随着热水量的增加及换热的进行，产生的蒸汽逐渐上行，并在各水冷管201的顶端汇合并通过对称设置的蒸汽输出口205向外输出，有效避免热应力过度集中造成管道爆裂和损坏，整体上，增强了换热的均匀性，有效避免了热水输入和蒸汽输出过度集中造成的损害，从而利于提高气化热效率。

实施例3

如图1和图2所示，本发明的一种气化炉用水冷系统，其基本结构设置及应用同实施例1或实施例2，为提高气化热效率，增强系统整体运行的安全性和稳定性，并保障系统整体的制造及运行的低成本，具体地，所述水冷装置2有两组，分别为高温段水冷装置和低温段水冷装置，所述高温段水冷装置位于所述低温段水冷装置的下方；在所述高温段水冷装置中的水冷管201为高压水冷管；在所述低温段水冷装置中的水冷管201为低压水冷管；所述高压水冷管的间距与所述低压水冷管的间距相同。

在上述实施例中，根据气化层温度梯度范围，进行高温段水冷装置和低温段水冷装置的设置，形成双段式水冷壁的一体化设计，利于有效避免现有单段式水冷壁存在的局部积气、局部热应力集中等易造成水冷管损坏的缺陷，从而增强系统整体运行的安全性和稳定性，并节约维修维护成本，利于提高气化热效率。

在上述实施例中，根据具体气化炉的规格不同，水冷管的间距能够进行不同设计，通过使各所述高压水冷管间的距离与各所述低压水冷管间的距离相同，便于统一调控热水的输入以及蒸汽的输出，从而利于保障系统整体运行的安全性和稳定性，也便于制作，节约成本。

在上述实施例中，为充分保障系统整体运行的安全性和稳定性，优选地，所述高压水冷管为能够承受4.0MPa以上压力的水冷管，所述低压水冷管为能够承受1.0MPa以上压力的水冷管；优选以碳素钢或合金钢为材料制备所述高压水冷管和低压水冷管，所述高压水冷管的管壁厚度优选为10mm以上，所述低压水冷管的管壁厚度优选为4mm以上。

应用本发明上述气化炉用水冷系统进行的水冷工艺基本同实施例1或实施例2，具体地，高压热水自所述高温段水冷装置的下部进入，即进入高温段水冷装置下部的热水输入管202中，由下向上运行，经列装的各高压水冷管换热产生蒸汽，蒸汽自所述高温段水冷装置的上部的蒸汽输出管204输出；同时，低压热水自所述低温段水冷装置的下部进入，即进入低温段水冷装置下部的热水输入管202中，由下向上运行，经列装的各低压水冷管换热产生蒸汽，蒸汽自所述低温段水冷装置的上部的蒸汽输出管204输出；在此运行过程中，在系统的统一协调控制下，高温段水冷装置和低温段水冷装置各自独立运行并共同完成对气化反应热的全部换热，实现一体化和系统化。

在上述实施例中，为充分提高气化热效率，优选地，将所述高温段水冷装置位于所述低温段水冷装置的下方，所述高温段水冷装置对应的气化层温度为700℃以上，所述低温段水冷装置对应的气化层温度为700℃以下；所述高压热水的压力大于1.1MPa，所述低压热水的压力为1.1MPa以下。

下面以具体应用例来进一步说明本发明气化炉用水冷系统及其水冷工艺，煤炭或燃气或生物质燃料或液体燃料无障碍进入筒体1并在筒体1的内部进行气化反应，产生高温工业气，高温工业气从下而上离开气化炉，根据气化炉内温度的高低，从下而上依次设置不同温度梯度范围的水冷装置，以高温段水冷装置和低温段水冷装置的组合设置为例，热水均从高温段水冷装置或低温段水冷装置的下部进入，换热后产生的蒸汽分别从高温段水冷装置或低温段水冷装置的上部引出，实现与气化炉内高温工业燃气或合成气的逆向接触，在高温段和低温段分别副产不同压力等级的饱和蒸汽。具体地：

应用例1

在汽化剂作用下，煤炭或燃气或生物质燃料或液体燃料在水冷系统的筒体1内发生气化反应，产生大量的热量，气化层温度达700-1300℃，将2.0MPa、100℃的热水从高温段水冷装置的热水输入口203经热水输入管202进入水冷管201中，由下向上与高温段水冷装置对应的筒体1内炽热的工业气及物料换热后从高温段水冷装置上部的蒸汽输出管204的蒸汽输出口205引出1.6MPa的饱和蒸汽；随着气化产生的热工业气上升，在水冷系统的筒体1内的上部床层温度为300-700℃，将0.9MPa、100℃的热水从低温段水冷装置的热水输入口203经热水输入管202进入水冷管201中，由下向上与水冷系统的筒体1内的热煤气及物料换热后从低温段水冷装置上部蒸汽输出管204的蒸汽输出口205引出0.6MPa的饱和蒸汽，在气化炉中经换热降温后所得的400-500℃热工业气从气化炉上部引出，经测算气化热效率为87％。

应用例2

在汽化剂作用下，煤炭或燃气或生物质燃料或液体燃料在水冷系统的筒体1内发生气化反应，产生大量的热量，气化层温度达700-1300℃，将4.0MPa、100℃的热水从高温段水冷装置的热水输入口203经热水输入管202进入水冷管201中，由下向上与高温段水冷装置对应的筒体1内炽热的工业气及物料换热后从高温段水冷装置上部的蒸汽输出管204的蒸汽输出口205引出3.8MPa的饱和蒸汽；随着气化产生的热工业气上升，在水冷系统的筒体1内的上部床层温度为300-700℃，将1.1MPa、100℃的热水从低温段水冷装置的热水输入口203经热水输入管202进入水冷管201中，由下向上与水冷系统的筒体1内的热工业气及物料换热后从低温段水冷装置上部蒸汽输出管204的蒸汽输出口205引出1.0MPa的饱和蒸汽，在气化炉中经换热降温后所得的400-500℃热工业气从气化炉上部引出，经测算气化热效率为87％。

总体上，通过本发明气化炉用水冷系统及其水冷工艺的应用，能够有效地解决现有气化炉用水冷壁等水冷装置存在的安全性、稳定性及热效率低等问题，尤其是系统中多个水冷装置的整合设计形成多段水冷壁的一体化结构，联合进行作用，增强安全性和稳定性的同时，能够有效消除单段水冷壁存在的局部积气及热应力过度集中等问题，从而消除水冷装置爆裂的安全隐患；气化用物料与筒体1的无凸起的平面设计的内壁无障碍接触，使物料平滑下移，能够充分防止卡料、结渣及堵渣现象发生，降低换热量，利于提高气化热效率，气化热效率达85％以上；此外，本发明的水冷系统的操作压力不受气化压力的影响，操作压力能提高至3.8MPa；本发明提供的水冷工艺，充分利用本发明水冷系统，能够实现依据气化层的温度区域进行分段独立运行和统一协调运行并举，从而提高对副产蒸汽及气化整体运行的控制和调整能力，利于维修维护，利于节约成本和提高经济效益；总之，本发明能够满足全厂蒸汽管网的压力等级需求，适于在相关气化炉应用领域推广。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。