CN102952588B - 一种气化炉高温合成气激冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气化炉高温合成气激冷装置及方法，该激冷装置包括煤气化炉、激冷室和合成气导管，激冷室为由圆形、矩形或多边形截面沿着截面的法线方向运动形成的空间；激冷室的周界上布置多层喷头单元，每一层喷头单元包括：多个沿着周向切圆布置的喷头，当煤气化炉生成的合成气经合成气导管进入激冷室进行激冷时，所述喷头逆着合成气的运动方向喷入冷却介质使得所述冷却介质与所述合成气均匀混合。本发明采用多层多个沿着周向切圆布置的喷头逆着合成气的运动方向喷入冷却介质，以降低激冷边界对气化炉温的影响；逆着合成气的运动方向喷入冷却介质增加了混合强度，削减合成气的残余旋转动量，大大缩短气化炉激冷室出口导管的长度，降低成本。
Description
技术领域
本发明属于干煤粉或水煤浆或生物质或石油焦气化激冷工艺技术领域，更具体地，涉及一种气化炉高温合成气激冷方法。
背景技术
第二代煤气化技术，如Texaco水煤浆气化、Shell干粉煤气化，具有煤种适应性广、气化压力高、生产能力大、气化效率高、污染小等众多优点，因此，它是发展现代煤化工的首选技术。
Texaco气化工艺是20世纪80年代煤气化的新工艺之一，它是由美国德士古公司开发的以水煤浆为原料，液态排渣气流床加压气化技术。Texaca气化炉是目前商业运行经验最丰富的气流床气化工艺，操作压力已达到6.5MPa，用于合成氨，甲醇或发电等。Texaco气化工艺可用气化的原料范围比较宽、工艺技术成熟、流程简单、过程控制安全可靠、操作弹性大、碳转化率高、合成气质量好、可供选择的气化压力范围宽、单炉容量大、环境友好等优点。但是也存在一些缺点：气化炉内衬耐火砖、烧嘴喷头使用寿命短，需要备炉，不适宜长时间在低负荷下运行，水煤浆含水量太高，合成冷煤气效率和有效气体成分(CO+H2)偏低，氧耗，煤耗均比干法气流床高。Texaco气化工艺，合成气与液渣同向下流动，进入激冷室激冷，达到冷却灰渣和煤气增湿的效果。
Shell气化工艺简称SCGP，是由荷兰Shell国际石油公司在20世纪70年代开始开发的新一代加压气流床粉煤气化技术，该气化技术直到上世纪末才进入商业化应用，是21世纪煤气化的主要发展途径之一。该装置气化压2～4.1MPa，气化温度1350～1650℃，属干煤粉加料，一般碳转化率在99％，冷煤气效率80～85％，热煤气效率超过95％。Shell气化工艺中，合成气上行，一般后接废热锅炉。常见的激冷工艺有利用冷却合成气冷却，混合后的冷却合成气209℃经激冷气压缩机压缩后喷入气化炉出口，将上升的合成气由1500℃激冷至850-900℃。该工艺常见的缺点是：在实际运行中，由于冷煤气中含有微粒和腐蚀性气体，且负荷变化范围大，激冷***容易出现故障。
中国专利局2007年10月17日公开，名称为：上行高温煤气激冷装置，公开号为CN101054537A的专利申请，它的激冷装置包括气化炉体以及设置在气化炉体内的耐火衬里，耐火衬里由位于下部的锥形斜坡、中部的筒体和上部的半球形穹顶组成，在锥形斜坡上布置有吹灰装置，在耐火衬里的筒体上设置至少一组的激冷水分配管。在耐火材料和水冷壁直径变化处采用锥面斜坡并通过吹灰装置进行吹扫。通过调节激冷水喷水组的量，可以达到对煤气出口温度500℃-900℃可调。上述专利在气化炉上部布置激冷室，激冷室空间很大，影响气化室炉温的稳定，使得气化炉整体空间变大，投资成本增加。
中国专利局2007年1月24日公开，名称为：一种干煤粉加压气化激冷装置及激冷工艺，公开号为CN1900234A的专利申请，它通过在煤气化炉上方出口布置一组喷淋器，通过阀门调节控制供给中压水量，使得出口煤气从1450℃-1600℃降低到900℃进行第一次激冷。经一次激冷的粗煤气进入激冷室继续进行激冷和洗涤。上述专利将激冷水直接从气化炉顶部喷入，会降低气化炉内的温度，降低气化转化效率，不能保证合成气与冷却水的混合均匀。合成气直接冲击喷水管，可能发生烧蚀。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种气化炉高温合成气激冷方法，旨在解决现有技术将激冷水直接从气化炉顶部喷入会导致降低气化炉内的温度、降低气化转化效率和不能保证合成气与冷却水的混合均匀导致喷头烧损停产的问题。
本发明提供了一种气化炉高温合成气激冷方法，基于气化炉高温合成气激冷装置，该激冷装置包括煤气化炉、激冷室和合成气导管，所述激冷室为由圆形、矩形或多边形截面沿着截面的法线方向运动形成的空间；所述激冷室的周界上布置多层喷头单元，每一层喷头单元包括：多个沿着周向切圆布置的喷头，且喷头沿轴向和径向布置；当煤气化炉生成的合成气经合成气导管进入激冷室进行激冷时，所述喷头逆着合成气的运动方向喷入冷却介质使得所述冷却介质与所述合成气均匀混合；所述多个喷头沿着周向切圆均匀布置；所述喷头包括内层和外层，所述内层用于喷射冷却水或气，所述外层用于喷射冷却水蒸气或水；包括下述步骤：
S1：沿着激冷室的周界上布置多层喷头单元，在每一层喷头单元中沿着周向切圆布置多个喷头；
S2：所述喷头将冷却介质逆着合成气的方向切圆喷入激冷室；所述激冷室的入口侧喷水层的切圆直径不小于所述激冷室的出口侧的切圆直径；
S3：采集预设的温度测点的温度；在激冷室的下游3米以后预设所述温度测点；S4：判断所述采集的温度是否等于温度阈值，若是，则结束；若否，则进入步骤S5；
S5：调整所述喷头的喷水量并返回至步骤S2。
更进一步地，在步骤S4中，所述温度阈值根据实际的工艺需求设定。
更进一步地，所述冷却介质包括冷却水、冷却蒸汽、二氧化碳或氮气。
本发明提供的激冷方法采用多个沿着周向切圆布置的喷头逆着合成气的运动方向喷入冷却介质；逆着合成气的运动方向喷入冷却介质不仅增加了冷却介质与合成气的混合强度，削减合成气的残余旋转动量，以利熔渣的凝结和沉降，也增加了冷却介质在炉内停留时间，使混合更充分，从而可大大缩短气化炉激冷室出口导管的尺寸，降低投资成本。
本发明提供的激冷方法调控方便、稳定可靠、经济性好。避免了通过压缩机利用合成气循环冷却易导致压缩机腐蚀停产问题；避免了喷煤冷却导致的煤气化效率整体下降；解决了径向直接喷水冷却导致喷头很快烧损问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的气化炉高温合成气激冷装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的气化炉高温合成气激冷装置中喷头示意图；
图3是本发明实施例提供的气化炉高温合成气激冷方法实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明采用切圆布置方式的喷雾激冷以及喷气保护方式，通过冷却水量的调节，可将气化炉出口的高温(1350～1650℃)合成气激冷，并固化炉渣。冷却负荷量大，冷却气体用量少。
如图1所示，合成气激冷装置包括煤气化炉1、激冷室2、合成气导管3，其中，激冷室2为由圆形、矩形或多边形截面沿着截面的法线方向运动形成的空间；激冷室2的周界上布置多层喷头单元，每一层喷头单元包括：多个沿着周向切圆布置的喷头，当煤气化炉1生成的合成气4经合成气导管3进入激冷室2进行激冷时，所述喷头逆着合成气的运动方向喷入冷却介质使得所述冷却介质与所述合成气均匀混合。其中，喷头用于通水、气或气水混合物；当煤气化炉1生成的合成气4经合成气导管3进入激冷室2进行激冷时，喷头逆着合成气的运动方向喷入冷却介质；逆着合成气的运动方向喷入冷却介质不仅增加了冷却介质与合成气的混合强度，削减合成气的残余旋转动量，以利熔渣的凝结和沉降，也增加了冷却介质在炉内停留时间，使混合更充分，从而可大大缩短气化炉激冷室出口导管的长度，降低投资成本。
其中，在激冷室2每一层的截面上沿着周向切圆均匀布置多个喷头，可以保证温度分布的均匀性和可控性。
在本发明实施例中，冷却介质包括冷却水7、冷却蒸汽8、二氧化碳或氮气。
在本发明实施例中，激冷装置还包括用于控制喷头的喷水量的控制装置；控制装置可以根据实际温度需求控制喷头的喷水量。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的合成气激冷装置，先以两层为例并结合图1和图2详述如下：
合成气激冷装置包括煤气化炉1、激冷室2、合成气导管3，其中，激冷室2为由圆形、矩形或多边形截面沿着截面的法线方向运动形成的空间；激冷室2被分为上、下两层，激冷室2布置在煤气化炉1的上部，激冷室2与煤气化炉1之间的合成气导管3很短；激冷室2上层沿圆周方向切圆布置一组喷头，采用切圆下向喷射，切圆方向与下组喷头切圆方向可同向也可以反向；激冷室2下层与上层一样布置有多个喷头；激冷室2内设有上部喷头6和下部喷头5，上部喷头6设置在上层，下部喷头5设置在下层；其中，喷头5和喷头6结构相同，喷头分内外两层，内层喷射冷却水7或气，外层喷射冷却水蒸气8或水。而冷却水又分为多层喷射，经过喷头雾化后形成不同直径的切圆。该层进一步降低壁面附近温度，同时调整喷射角度，减小切圆面积，可冷却中心附近温度。冷却蒸汽为保护气体，防止冷却水直接喷射到壁面上，同时冷却蒸汽也冷却上升合成气。由于喷雾切圆存在，可以强化喷雾与合成气的混合，同时延长喷雾在该区域的停留时间，使得经过两层冷却的合成气在很短距离达到整个断面温度趋于一致。冷却水量可调，冷却合成气出口温度可降到900℃以下。
煤气化炉1生成的合成气4由合成气导管3进入激冷室2进行激冷。下部喷头5向炉内切圆下向喷入冷却介质；冷却水7经下部喷头5雾化，与上升合成气4混合，降低合成气温度到一定范围，冷却蒸汽8保护激冷室2内水冷壁，避免冷却水7冲击到激冷室2内水冷壁，冷却合成气4，同时吹扫激冷室2下部积灰。
合成气4经过激冷室2下部完成一次冷却后，继续向上流动进行二次冷却。上部喷头6以切圆下向角度喷入冷却水7和冷却蒸汽8，冷却介质切圆方向与上升合成气4切圆方向相反，冷却水7经上部喷头雾化喷入激冷室，雾化水与合成气4混合受热蒸发，冷却合成气4。喷头下向角度调整在合适范围内，避免雾化水直接喷射到激冷室2内水冷壁上。冷却蒸汽8保护激冷室2内水冷壁，避免冷却水7冲击到激冷室2内水冷壁，冷却合成气4。经过二次激冷后合成气4在激冷室出口温度可降到平均900℃以下。合成气4在合成气导管3内继续向上流动，与冷却介质进一步混合，使得合成气导管3中心处合成气温度降低，从而达到整个断面温度趋于一致。
冷却水7和冷却蒸汽8的供应量可调，调整冷却水7和冷却蒸汽8比例在适当范围内可以控制激冷成本；正常情况下，水占的比例越大，成本越低。冷却蒸汽8不仅保护激冷室2内水冷壁不受冷却水7碰撞，同时下部喷头5喷射出的冷却蒸汽8可通过调整喷头5的角度来吹扫激冷室2内壁面积灰。冷却喷头5和喷头6采用切圆下向喷射，可以加强冷却介质与合成气4的混合，同时提高冷却介质在炉内停留时间，降低激冷室出口导管设计高度。同时冷却喷头5和喷头6可实现激冷室壁面处形成低温区，保护喷头安全，延长喷头使用寿命。
本发明实施例将激冷室分为上下两层，激冷室下层沿圆周方向布置一组喷头，采用切圆下向喷射，切圆方向与上升合成气旋转方向相反。来流气体与喷雾反向，会增加喷雾角度，强化雾化，增加喷雾与合成气的接触面积，同时喷雾旋流场也会增加喷雾在该区间的停留时间，使得喷雾可以迅速蒸发。喷头分内外两层，内层冷却介质为水或气，外层冷却介质为蒸汽或水。内层冷却水又分为多层喷射，经过喷头雾化后形成不同直径的切圆。主要目的为降低壁面附近温度，防止水冷壁结渣。其特点是：冷却水量可调，主要起到高温层降温作用，冷却蒸汽为保护气体，防止冷却水直接喷射到壁面上，同时冷却蒸汽也冷却上升合成气，吹扫激冷室下部积灰。冷却水与冷却蒸汽质量比控制在适当范围内。冷却水为主体冷却介质，降低激冷成本。冷却水量、冷却蒸汽量可调。
本发明冷却负荷变化量大，结构简单，维护方便，冷却迅速，冷却气体用量少，冷却成本低廉；而且可以大幅缩短激冷室之后的塔高设计尺寸，降低投资、安装和运行费用。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种气化炉高温合成气激冷方法，该方法具体包括下述步骤：
S1：沿着激冷室的周界上布置多层喷头单元，在每一层喷头单元中沿着周向切圆布置多个喷头；
S2：所述喷头将冷却介质逆着合成气的方向切圆喷入激冷室；
S3：采集预设的温度测点的温度；
S4：判断所述采集的温度是否等于温度阈值，若是，则结束；若否，则进入步骤S5；
S5：调整所述喷头的喷水量并返回至步骤S2。
在发明实施例中，在步骤S2中，激冷室的入口侧喷水层的切圆直径不小于激冷室的出口侧的切圆直径。在步骤S3中，在激冷室的下游3米以后预设所述温度测点。在步骤S4中，所述温度阈值根据实际的工艺需求设定。
在发明实施例中，利用适量的锅炉除氧水或CO2或N2；通过专门设计的喷头逆着合成气的方向切圆喷入激冷室，高温侧喷水层的切圆直径不小于低温侧的切圆直径；在激冷室的下游3米以后可设温度测点，以检测冷却效果；将温度检测数据反馈到控制器，调控给水量将合成气激冷到工艺所要求的温度。
本发明提供的激冷方法调控方便、稳定可靠、经济性好。避免了通过压缩机利用合成气循环冷却易导致压缩机腐蚀停产问题；避免了喷煤冷却导致的煤气化效率整体下降；解决了径向直接喷水冷却导致喷头很快烧损问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种气化炉高温合成气激冷方法，基于气化炉高温合成气激冷装置，该激冷装置包括煤气化炉、激冷室和合成气导管，所述激冷室为由圆形、矩形或多边形截面沿着截面的法线方向运动形成的空间；所述激冷室的周界上布置多层喷头单元，每一层喷头单元包括：多个沿着周向切圆布置的喷头，且喷头沿轴向和径向布置；当煤气化炉生成的合成气经合成气导管进入激冷室进行激冷时，所述喷头逆着合成气的运动方向喷入冷却介质使得所述冷却介质与所述合成气均匀混合；所述喷头包括内层和外层，所述内层用于喷射冷却水或气，所述外层用于喷射冷却水蒸气或水；其特征在于，包括下述步骤：
S1：沿着激冷室的周界上布置多层喷头单元，在每一层喷头单元中沿着周向切圆布置多个喷头；
S2：所述喷头将冷却介质逆着合成气的方向切圆喷入激冷室；所述激冷室的入口侧喷水层的切圆直径不小于所述激冷室的出口侧的切圆直径；
S3：采集预设的温度测点的温度；在激冷室的下游3米以后预设所述温度测点；
S4：判断所述采集的温度是否等于温度阈值，若是，则结束；若否，则进入步骤S5；
S5：调整所述喷头的喷水量并返回至步骤S2。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述温度阈值根据实际的工艺需求设定。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷却介质包括冷却水、冷却蒸汽、二氧化碳或氮气。
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