專利名稱：輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，屬于含碳固體燃料氣化后的高溫高壓產(chǎn)物顯熱回收技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前正在興起的整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(Integrated Gasification CombinedCycle，簡稱IGCC)被認為是世界上最清潔的高效煤基發(fā)電技術(shù)之一。為獲得較高的碳轉(zhuǎn)化率和冷煤氣效率，IGCC氣化爐通常在高溫、高壓條件下運行，氣爐出口的氣化產(chǎn)物具有較高的溫度(1200 1600°C )。氣化產(chǎn)物的顯熱能否充分回收利用，對整個系統(tǒng)的能源利用效率具有十分重要的影響。目前技術(shù)條件下，通常采用的是濕法激冷技術(shù)，氣化產(chǎn)物中蘊含的大量高位顯熱被冷卻介質(zhì)帶走而損失。通過合成氣冷卻器和對流廢鍋可最大限度地回收氣化爐出口氣化產(chǎn)物所蘊含的大量顯熱，并副產(chǎn)大量蒸汽，以提高整個系統(tǒng)的能源利用效率，與濕法激冷技術(shù)相比，可使能源利用效率提高約4 5個百分點。而且，合成氣攜帶的大部分灰渣將被合成氣冷卻器底部渣池捕集后排出，合成氣本身得到了初步凈化。目前已有的具有代表性的合成氣顯熱回收技術(shù)主要有殼牌(Shell)氣化工藝的合成氣冷卻工藝和GE (Texaco)公司的煤氣化全輻射廢鍋技術(shù)兩種，與此相似的國內(nèi)有華能集團的兩段式干煤粉氣化系統(tǒng)、華東理工大學(xué)和上海鍋爐廠有限公司等聯(lián)合開發(fā)的顯熱回收系統(tǒng)(中國專利CN201010114129.7)。中國專利CN201010114129.7公開的一種顯熱回收裝置主要包括輻射廢鍋系統(tǒng)和對流廢鍋兩個系統(tǒng)。該系統(tǒng)總體布局較為復(fù)雜，特別是輻射廢鍋和對流廢鍋內(nèi)水冷壁壁面容易結(jié)渣、堵渣，而且整體占地面積大、投資高。中國專利CN200720011769公開了一種單面水冷壁輻射式廢熱鍋爐，由于輻射廢鍋內(nèi)水冷壁僅有一側(cè)起吸熱降溫作用，而且受輻射廢鍋總體尺寸的限制，其內(nèi)部空間未得到合理利用。中國專利CN200910309656公開了一種雙面水冷壁廢熱鍋爐，其采用了八面體結(jié)構(gòu)的水冷壁設(shè)計，且在內(nèi)筒水冷壁內(nèi)側(cè)設(shè)有多個屏式水冷壁，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流場具有一定的不均勻性，且直接接受高溫熔融灰渣顆粒流，容易在水冷壁上形成積灰結(jié)渣現(xiàn)象，隨著積灰量的增加，傳熱邊界條件惡化，如此形成惡性循環(huán)將可能出現(xiàn)堵渣等惡劣工況。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種將輻射廢鍋和對流廢鍋整合到一個合成氣冷卻器中，且能夠最大限度地降低膜式水冷壁上積灰結(jié)渣的概率的占地面積小、成本低的輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器。為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型的技術(shù)方案是提供一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:包括殼體，殼體中心設(shè)有中心流道，合成氣入口和渣池分別設(shè)于中心流道的上部和下部；中心流道四周設(shè)有膜式水冷壁，其特征在于:所述膜式水冷壁和殼體之間有環(huán)隙空間，與所述膜式水冷壁連接的頂部集箱通過水冷壁出水口與汽水分離器連接；所述膜式水冷壁的上部設(shè)有激冷氣/汽入口，激冷氣/汽入口管道通過激冷氣/汽入口集箱與激冷氣/汽入口連接，合成氣出口設(shè)于所述殼體頂部側(cè)面，水冷壁入水口設(shè)于所述殼體下部側(cè)面并與所述膜式水冷壁連接。優(yōu)選地，所述合成氣入口為圓弧型或拋物線型。優(yōu)選地，所述環(huán)隙空間中同軸設(shè)有對流屏式水冷壁，對流屏式水冷壁的頂部的對流屏式水冷壁集箱連接所述頂部集箱，對流屏式水冷壁的底部的對流屏式水冷壁集箱連接所述水冷壁入水口，對流屏式水冷壁的寬度為所述環(huán)隙空間寬度的50% 80%。優(yōu)選地，所述對流屏式水冷壁為I 5段，每段對流屏式水冷壁設(shè)有4 40組對流換熱屏。優(yōu)選地，所述膜式水冷壁內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有吹灰裝置。優(yōu)選地，所述吹灰裝置為4個。優(yōu)選地，所述激冷氣/汽入口為I 3層，所述激冷氣/汽入口為4 80個，所述激冷氣/汽入口直徑為10 150mm，所述激冷氣/汽入口的方向與所述中心流道軸線方向形成夾角θ，0 < Θ < 75°。優(yōu)選地，所述激冷氣/汽入口直徑為50 100mm。優(yōu)選地，所述激冷氣/汽入口的方向與所述中心流道軸線方向的夾角Θ的范圍為5 < Θ < 45°。本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器使用時，高溫、高壓氣化產(chǎn)物自冷卻器頂部的合成氣入口進入，經(jīng)激冷氣/汽入口處的激冷氣/汽激冷后，熔融態(tài)灰渣顆粒被迅速激冷固化并匯聚于中心流道，隨氣流沿冷卻器的中心流道向下流動，接觸底部渣池時大部分灰渣顆粒被渣池捕獲而脫除，合成氣折返進入環(huán)隙空間向上流動，經(jīng)對流屏式水冷壁的進一步降溫后，自頂部側(cè)面的合成氣出口流出。高壓水從水冷壁入水口進入，經(jīng)過吸收膜式水冷壁的熱量，被加熱轉(zhuǎn)換成高壓飽和水蒸汽，由水冷壁出水口排出，經(jīng)過熱后可用于蒸汽輪機發(fā)電或預(yù)熱其他工藝氣體。相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器具有如下有益效果:(I)有效回收了氣化產(chǎn)物的高位顯熱，富產(chǎn)大量高壓或中壓蒸汽，可用于蒸汽輪機發(fā)電或化工生產(chǎn)，大大提高了能源利用效率；(2)膜式水冷壁的上部設(shè)置環(huán)形激冷氣/汽入口，且激冷氣/汽入口方向可調(diào)節(jié)，熔融態(tài)灰渣顆粒被迅速固化，并在氣流的匯聚作用下集中于中心流道，最大限度的降低了灰渣在水冷壁上沉積的概率，激冷后物料溫度大大降低，縮小了合成氣冷卻器的結(jié)構(gòu)尺寸，整體操作穩(wěn)定性明顯提高，投資成本大大降低；(3)將輻射換熱膜式水冷壁與對流換熱屏式水冷壁布置于同一容器內(nèi)，大大縮減了換熱器的占地面積，節(jié)省了制造成本。本實用新型提供的裝置克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，將輻射廢鍋和對流廢鍋整合到一個合成氣冷卻器中，最大限度地降低膜式水冷壁上積灰結(jié)渣的概率，占地面積小，大大提高了能源利用效率且降低了制造成本。

[0022]圖1為本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器示意圖；圖2為本實施例中對流屏式水冷壁為多段時示意圖；圖3為本實施例中合成氣冷卻器的上部放大圖；圖4為本實施例中合成氣冷卻器激冷氣/汽入口截面圖；圖5為本實施例合成氣冷卻器中部截面圖；附圖標記說明1-合成氣入口 ；2_中心流道；3-渣池；4_環(huán)隙空間；5_合成氣出口 ；6-法蘭；7-耐火磚；8_頂部集箱；9_激冷氣/汽入口 ； 10-水冷壁出水口 ； 11-對流屏式水冷壁集箱；12-吹掃氣入口 ；13_吹灰裝置；14_膜式水冷壁；15_對流屏式水冷壁；16_殼體；17_水冷壁入水口 ； 18-渣池入水口 ； 19-渣池出水口 ；20_水冷壁管；21_頂部隔熱填充空間；22_激冷氣/汽入口集箱；23_激冷氣/汽入口管道；24_第一翅片；25_對流屏式水冷壁管；26_第二翅片；27_阻隔板。
具體實施方式
為使本實用新型更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。影響合成氣冷卻器長期、高效、穩(wěn)定運行的主要因素，除了與氣化爐的運行工況存在一定的關(guān)聯(lián)外，還與合成氣冷卻器內(nèi)高溫合成氣與灰渣的氣固兩相流流動特性以及溫度分布特性都有著十分密切的關(guān)系，往往因高溫合成氣攜帶的熔融、半熔融狀態(tài)灰渣顆粒易沖擊到膜式水冷壁表面而發(fā)生積灰、結(jié)渣、堵渣等現(xiàn)象，嚴重影響了合成氣冷卻器的運行穩(wěn)定性。因此，在氣化爐操作工況穩(wěn)定時，必須合理布置合成氣冷卻器內(nèi)的水冷壁，在最大化利用合成氣冷卻器空間的基礎(chǔ)上，優(yōu)化合成氣冷卻器內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，避免水冷壁上積灰結(jié)渣情況的出現(xiàn)。圖1為本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器示意圖，所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器包括殼體16，殼體16內(nèi)部裝有膜式水冷壁14，殼體16底部有渣池3，殼體16頂部開有合成氣入口 1，上部側(cè)面開有合成氣出口 5。膜式水冷壁14為筒體狀并在筒體中形成中心流道2，殼體16與膜式水冷壁14之間形成環(huán)隙空間4，該環(huán)隙空間4內(nèi)布置對流屏式水冷壁15，在膜式水冷壁14的上部設(shè)置激冷氣/汽入Π 9。膜式水冷壁14沿合成氣冷卻器的殼體16內(nèi)部平行布置，采用雙面水冷壁設(shè)計，內(nèi)筒的水冷壁入水口 17位于合成氣冷卻器渣池3水面上部，設(shè)有集箱。膜式水冷壁14吸收氣化產(chǎn)物熱量后產(chǎn)生的高壓飽和水蒸汽從合成氣冷卻器頂部集箱8通過水冷壁出水口 10與進入汽水分尚器。高溫、高壓氣化產(chǎn)物自冷卻器頂部的合成氣入口 I進入，經(jīng)激冷氣/汽入口 9處的激冷氣/汽激冷后，熔融態(tài)灰渣顆粒被迅速激冷固化并匯聚于中心流道2，隨氣流沿冷卻器的中心流道2向下流動，接觸底部渣池3時大部分灰渣顆粒被渣池3捕獲而脫除，合成氣折返進入環(huán)隙空間4向上流動，經(jīng)對流屏式水冷壁15的進一步降溫后，自頂部側(cè)面的合成氣出口 5流出。高壓水從水冷壁入水口 17進入，經(jīng)過吸收膜式水冷壁14的熱量，被加熱轉(zhuǎn)換成高壓飽和水蒸汽，由水冷壁出水口 10排出，經(jīng)過熱后可用于蒸汽輪機發(fā)電或預(yù)熱其他工藝氣體。冷卻器底部的渣池3用來收集氣流攜帶的大部分灰渣顆粒，渣池3的水由渣池入水口18進入，從渣池出水口 19排出，通過渣水循環(huán)保持渣池液面穩(wěn)定。渣池3的灰渣在打開阻隔板27后進入后續(xù)鎖斗后排出。經(jīng)過顯熱回收和初步凈化的粗煤氣從冷卻器的合成氣出口 5進入下游工藝流程。膜式水冷壁14主要由水冷壁管20組成，水冷壁管20之間采用第一翅片24連接。對流屏式水冷壁15主要由對流屏式水冷壁管25組成，對流屏式水冷壁管25間連接第二翅片26。對流屏式水冷壁15可設(shè)置成圖1所示的一段式或圖2所示的多段式組合，每段的頂部和底部均設(shè)有對流屏式水冷壁集箱11，當(dāng)采用圖2所示的多段式組合設(shè)計時，對流屏式水冷壁15可分為I 5段，每段的對流換熱屏可設(shè)置為4 40組。對流屏式水冷壁15的寬度為環(huán)隙空間4寬度的50% 80%。由于在冷卻器內(nèi)筒的膜式水冷壁14上部設(shè)有激冷氣/汽入口 9，因此高溫高壓氣化產(chǎn)物在進入冷卻器后被低溫激冷氣/汽激冷，溫度迅速降低至900°C以下，從而使熔融態(tài)的灰渣顆粒被迅速固化，并在氣流的匯聚作用下集中在中心流道，最大限度的降低了灰渣在膜式水冷壁14上沉積的概率。此外，由于在環(huán)隙空間4設(shè)置了對流屏式水冷壁15，使合成氣顯熱得到進一步回收，合成氣溫度進一步下降，節(jié)省了對流換熱器占地面積的同時提高了廢鍋系統(tǒng)的運行可靠性。激冷氣/汽入口管道23通過激冷氣/汽入口集箱22連接激冷氣/汽入口 9。激冷氣/汽入口 9在膜式水冷壁上部設(shè)有I 3層，每層的激冷氣/汽入口 9沿膜式水冷壁14筒體圓周呈均勻分布。這使得高溫、高壓氣化產(chǎn)物在冷卻器上部被激冷氣/汽更為有效地迅速激冷，使得熔渣得到更迅速的固化，降低其在水冷壁上形成積灰、結(jié)渣的概率。結(jié)合圖3，由于進入冷卻器的合成氣氣流攜帶了大量的灰渣顆粒，為防止灰渣顆粒的射流擴散，可調(diào)整激冷氣/汽入口 9方向，確?；以w粒從中心流道向下流動，而不直接接觸膜式水冷壁14。因此，激冷氣/汽入口 9的入口方向與中心流道2軸線方向形成夾角Θ，該夾角Θ的范圍為:0< Θ <75°，優(yōu)選范圍為5 < Θ <45°。由于氣流中夾帶了大量灰渣顆粒，為防止灰渣堵塞激冷氣/汽入口 9，在激冷氣/汽總量一定時保證適當(dāng)?shù)牧魉?，在設(shè)定激冷氣/汽入口 9個數(shù)時，為了防止激冷處形成強烈湍流，其流速不宜過高，當(dāng)控制激冷氣/汽入口 9直徑不變的情況下，激冷氣/汽入口 9的個數(shù)為4 80個，激冷氣/汽入口直徑的范圍為10 150mm，直徑優(yōu)選范圍為50 100mm。用于激冷的冷卻劑可選用循環(huán)回流下游低溫清潔合成氣或低溫水蒸汽。若采用循環(huán)回流下游清潔低溫合成氣作為激冷氣，激冷氣選用的體積流量約占出口總氣體量的三分之一，也可采用中低壓飽和水蒸汽進行激冷，具體需求量可根據(jù)后續(xù)工藝要求進行調(diào)節(jié)。為了進一步對合成氣進行余熱回收，進入輻射廢鍋環(huán)隙空間4后，所布置對流屏式水冷壁15將發(fā)揮作用，由于大部分灰渣已經(jīng)在底部渣池3被捕集脫除，進入環(huán)隙空間4的合成氣所夾帶的灰渣顆粒體積濃度較低，且由于溫度已低于700°C，沾污粘結(jié)性大大降低，故提高了冷卻器的內(nèi)部空間利用率。此外，在內(nèi)筒膜式水冷壁14內(nèi)側(cè)設(shè)置了 4個吹灰裝置13，吹掃氣從吹掃氣入口 12吹入，可有效防止灰渣沉積。結(jié)合圖3，R為內(nèi)筒膜式水冷壁14與中心流道2中心軸線的距離，r為內(nèi)筒膜式水冷壁14垂直部分最上端映射到中心流道2中心軸線上的點與內(nèi)筒膜式水冷壁14彎曲部分上一點的連線，合成氣入口 I整體采用圓弧型(R = r)或拋物線型(R^r)設(shè)計，以減小入口射流回流區(qū)。合成氣冷卻器的合成氣入口 I處外側(cè)與氣化爐采用法蘭6連接，殼體16內(nèi)側(cè)采用耐火磚7砌筑。合成氣冷卻器頂部隔熱填充空間21可采用澆注料填充或充高壓氮氣。本實用新型適合于常規(guī)煤氣化化工生產(chǎn)中氣化產(chǎn)物的余熱回收利用，尤其適用于整體聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)系統(tǒng)氣化島氣化產(chǎn)物的顯熱回收利用。若將本實用新型合成氣冷卻器應(yīng)用于IGCC系統(tǒng),合成氣冷卻器將位于IGCC系統(tǒng)的主熱力系統(tǒng)中，可為汽輪機發(fā)電提供高壓蒸汽。實施例1將本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器應(yīng)用于大型(原煤處理量為1000t/d 3000t/d)水煤漿氣流床氣化系統(tǒng)或干煤粉氣流床氣化系統(tǒng)中時，設(shè)置對流屏式水冷壁15時，可達到的主要性能指標如下:散熱損失:<0.3%;可用率:>96%; 合成氣冷卻器入口溫度:1100 1400°C ；合成氣冷卻器出口溫度:200 300°C ；運行壓力(管程):> 10.0MPa ；運行壓力(殼程):> 4.0MPa ；內(nèi)筒膜式水冷壁14副產(chǎn)高溫、高壓蒸汽，對流屏式水冷壁15副產(chǎn)中溫、中壓蒸汽。實施例2將本實用新型提供的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器應(yīng)用于大型(原煤處理量為1000t/d 3000t/d)水煤漿氣流床氣化系統(tǒng)或干煤粉氣流床氣化系統(tǒng)中時，去除對流屏式水冷壁15時，可達到的主要性能指標如下:散熱損失:<0.4% ；可用率:>96%;合成氣冷卻器入口溫度:1100 1400°C ；合成氣冷卻器出口溫度:250 350°C ；運行壓力(管程):> 10.0MPa ；運行壓力(殼程):> 4.0MPa ；內(nèi)筒膜式水冷壁14副產(chǎn)高溫、高壓蒸汽。
權(quán)利要求1.一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，包括殼體(16)，殼體(16)中心設(shè)有中心流道(2)，合成氣入口(I)和渣池(3)分別設(shè)于中心流道(2)的上部和下部；中心流道(2)四周設(shè)有膜式水冷壁(14)，其特征在于:所述膜式水冷壁(14)和殼體(16)之間有環(huán)隙空間(4)，與所述膜式水冷壁(14)連接的頂部集箱(8)通過水冷壁出水口( 10)與汽水分離器連接；所述膜式水冷壁(14)的上部設(shè)有激冷氣/汽入口(9)，激冷氣/汽入口管道(23)通過激冷氣/汽入口集箱(22 )與激冷氣/汽入口( 9 )連接，合成氣出口( 5 )設(shè)于所述殼體(16 )頂部側(cè)面，水冷壁入水口( 17)設(shè)于所述殼體(16)下部側(cè)面并與所述膜式水冷壁(14)連接； 所述環(huán)隙空間(4)中同軸設(shè)有對流屏式水冷壁(15)，對流屏式水冷壁(15)的頂部的對流屏式水冷壁集箱(11)連接所述頂部集箱(8)，對流屏式水冷壁(15)的底部的對流屏式水冷壁集箱(11)連接所述水冷壁入水口(17)，對流屏式水冷壁(15)的寬度為所述環(huán)隙空間(4)寬度的50% 80%。
2.如權(quán)利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:所述合成氣入口(I)為圓弧型或拋物線型。
3.如權(quán)利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:所述對流屏式水冷壁(15)為f 5段，每段對流屏式水冷壁(15)設(shè)有Γ40組對流換熱屏。
4.如權(quán)利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:所述膜式水冷壁(14)內(nèi)側(cè)均勻設(shè)有吹灰裝置(13)。
5.如權(quán)利要求4所述的一種輻射 和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:所述吹灰裝置(13)為4個。
6.如權(quán)利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:所述激冷氣/汽入口(9)為f 3層，所述激冷氣/汽入口(9)為Γ80個，所述激冷氣/汽入口(9)直徑為l(Tl50mm，所述激冷氣/汽入口(9)的方向與所述中心流道(2)軸線方向形成夾角 Θ，0〈 Θ〈75。。
7.如權(quán)利要求1所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:所述激冷氣/汽入口(9)直徑為5(Tl00mm。
8.如權(quán)利要求6所述的一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于:所述激冷氣/汽入口(9)的方向與所述中心流道(2)軸線方向的夾角Θ的范圍為5〈θ〈45°。
專利摘要本實用新型提供了一種輻射和對流換熱一體式合成氣冷卻器，其特征在于包括殼體，殼體的中心流道四周設(shè)有膜式水冷壁，其特征在于所述膜式水冷壁和殼體之間有環(huán)隙空間，與膜式水冷壁連接的頂部集箱通過水冷壁出水口與汽水分離器連接；膜式水冷壁的上部設(shè)有激冷氣/汽入口，激冷氣/汽入口管道通過激冷氣/汽入口集箱與激冷氣/汽入口連接，合成氣出口設(shè)于殼體頂部側(cè)面，水冷壁入水口設(shè)于殼體下部側(cè)面并與膜式水冷壁連接。本實用新型提供的裝置克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，將輻射廢鍋和對流廢鍋整合到一個合成氣冷卻器中，最大限度地降低膜式水冷壁上積灰結(jié)渣的概率，占地面積小，大大提高了能源利用效率且降低了制造成本。
文檔編號C10K1/04GK202936392SQ20122043880
公開日2013年5月15日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者倪建軍, 烏曉江, 張建文, 熊杰 申請人:上海鍋爐廠有限公司