CN103102993A - 一种非激冷防结渣辐射废热锅炉及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非激冷防结渣辐射废热锅炉及其应用。所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉为一种非激冷的能够有效防止受热面结渣、高效捕集灰粒的辐射废热锅炉。该辐射废热锅炉的压力壳体的内壁采用耐火隔热材料做衬里，可以有效的简化装置的结构。在高温受热面上的易结渣区域设置气体保护装置，所述的气体保护装置为套管结构，可以在受热面上形成局部的气/汽膜保护区，冷却并防止高温气体中携带的熔融态灰粒子撞击到受热面上发生结渣。同时由于采用局部气/汽膜保护，相比激冷结构，辐射换热段长，换热效率高，水冷壁的下端为扩口结构，通过降低气体的流速来和转向结构来提高气体中灰粒子的捕集率。本发明适用于煤气化工艺中高温合成气显热的回收。

Description

一种非激冷防结渣辐射废热锅炉及其应用

技术领域

本发明涉及一种应用于含碳燃料气化或燃烧后产生的高温气体显热回收的装置及其工业应用，尤其涉及一种气化炉出口合成气显热的回收装置。 

背景技术

整体煤气化联合循环(Integrated Coal Gasification Combined Cycle，简称IGCC)是当今全球清洁能源利用的前沿技术之一，与普通燃煤发电技术相比，其优势在于可以更高效地利用煤炭资源，并大大减少燃烧污染物的排放。在荷兰和西班牙分别有250MW和300MW的IGCC电站已经投入运行。因此此项技术的完全掌握对我国的一次能源的高效洁净利用有着重要意义，IGCC***中关键技术之一是煤粉加压气化技术，采用废热锅炉对高温合成气的显热回收能使IGCC电站效率提高约4～5个百分点，有利于节能减排。废热锅炉包含辐射废热锅炉和对流废热锅炉两部分。 

为了提高碳转化率，降低制造设备的成本，气化炉一般采用高温加压的方式运行。反应温度在1000℃～1600℃的范围，压力在1.0MPa～10MPa之间。目前，工业上的高温气体的冷却方式一般采用激冷和辐射废热锅炉两种形式。但是激冷的方式要使用大量的冷气体/液体，这就增加设备的建设和运行成本。特别是使用液体进行激冷，会大大的降低合成气的品质和***效率。辐射废热锅炉是IGCC电站中高温气体冷却的最佳方式。能够在不降低合成气品质的情况下对高温气体的显热进行回收。 

现今工业上所使用的辐射废热锅炉主要存在的问题为受热面结渣、积灰严重。原因为气体中携带的熔融态灰粒在受热面上粘结，降低受热面的换热能力，严重时形成堵渣，引发运行事故。因此，设计一种能够有效防止受热面上结渣、结构简单的辐射废热锅炉，将有重大的工业应用意义，能够有效地推动IGCC等煤化工行业的发展。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是防止辐射废热锅炉在受热面上结渣的辐射废热锅炉，在不降低合成气品质的情况下有效的回收显热，以满足现代工业对余热 回收的需求，同时可以应用于其他结构形式废热锅炉受热面的保护。 

为了解决上述问题，本发明提供了一种非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，包括内壁设有衬里的压力壳体，压力壳体的顶部设有高温气气体进口，侧面设有高温气出口，底部设有渣池，渣池的一侧设有渣池疏水口，渣池的底部设有排渣口；压力壳体内顶部设有氮气保护室，氮气保护室内设有保护气集箱；压力壳体内设有水冷壁管，压力壳体与水冷壁管之间设有气体挡板，气体挡板位于保护气集箱下方、高温气出口上方，气体挡板与保护气集箱之间设有冷却水上集箱；水冷壁管的下端设有转向室；压力壳体上设有保护气进口、冷却水进口、冷却水出口及氮气充气口，保护气进口连接氮气保护室内的保护气集箱，冷却水进口连接冷却水上集箱，冷却水出口连接冷却水下集箱，氮气充气口连接氮气保护室；水冷壁管包括均匀分布的水冷管一及一个以上的水冷管二，水冷管二在水冷壁管中对称分布，水冷管一、水冷管二的上端与冷却水上集箱连接，下端与冷却水下集箱连接；水冷壁管上设有至少一层气体保护装置层，气体保护装置层包括设于每根水冷管二上的气体保护装置；水冷壁管顶部设有进气室；气体挡板、水冷壁的顶部与压力壳体内顶部形成封闭的氮气保护室。 

优选地，所述的衬里为耐火隔热内火衬里。 

优选地，所述的进气室的外形结构为向上抛起的椭圆形或下大上小的锥形结构。 

优选地，所述水冷壁管的下端设有扩口段，扩口段与所述水冷壁管竖直轴线的夹角为15°～60°。 

优选地，所述的气体保护装置包括内置气/汽管，内置气/汽管的上端从水冷管二中露出，与保护气集箱连通，内置气/汽管的下端为封闭端；内置气/汽管的一侧设有一个以上的气体保护装置单元，气体保护装置单元从水冷管二中露出，位于水冷壁管的内侧。 

进一步地，所述的水冷管二与内置气/汽管之间横截面的面积与水冷管一内横截面的面积相同。 

进一步地，所述的气体保护装置单元为凸起结构，该凸起结构上设有至少3个保护气出口。 

更进一步地，所述的保护气出口与所述内置气/汽管水平轴线的水平夹角的 范围为[0°，90°]，保护气出口与内置气/汽管竖直轴线的竖直夹角的范围为(0°，90°]。 

进一步地，所述的气体保护装置沿压力壳体周向方向上第一层气体保护单元的水平面距合成气进气室上端距离与高温气气体进口的直径的比为3～50。 

优选地，所述的水冷壁管上设有至少4个气体保护装置。 

优选地，所述的水冷壁管为双面漏光膜式水冷壁。 

优选地，所述的气体出口挡板的外侧厚度比内侧厚度大，上侧为水平面，下侧为斜面，该斜面与锅炉竖直轴线的夹角为45°～90°。 

本发明还提供了上述非激冷防结渣辐射废热锅炉的应用，其特征在于，气化后的温度为1300～1600℃的粗煤气由进气室的高温气气体进口进入，气体中含有熔融态的灰渣，在气体的携带作用下以射流的形式进入由水冷壁管中的空间内换热，经过转向室进入压力壳体和水冷壁管内的环形空间继续换热后由高温气出口进入后续的工段，在换热过程中捕捉到的灰渣掉落到渣池，经排渣口排出；氮气通过氮气充气口进入氮气保护室，保持氮气保护室的压力和炉内主气流的压力平衡，防止水冷壁管因压力产生变形；保护气由保护气进口进入，通过气体保护单元进入主气流区域，在水冷壁管上形成局部气体保护区，通过气体撞击和冷却防止熔融态灰渣触碰到水冷壁管的受热面上；冷却水通过冷却水进口进入冷却水上集箱，经水冷壁管加热后进入冷却水下集箱，汇集后进入对流废热锅炉。 

优选地，所述的保护气的压力高于炉内压力0.1～3.0MPa，温度高于工艺气露点温度值20～200℃，介质为经过降温除尘后的工艺气体，保护气所需要的量为主流气总量的1～30％。 

优选地，所述冷却水的压力为4.0～15.0MPa，状态为不饱和水。 

本发明的有益效果： 

1.具有其他辐射废热锅炉所不具有的防结渣能力。在受热面采用的气体保护装置可以有效的形成局部气/汽膜区，有效地冷却熔融态灰粒，并阻碍其撞击到受热面上，保护受热面； 

2.用气量少，运行成本低。采用局部气/汽膜保护的方法比采用激冷的方法用气量少； 

3.灰渣捕捉效率高。本发明采用双层气体通道在相同的轴向距离上增 加将近一倍的气体的行程和气体的停留时间，提高灰渣的捕捉率。水冷壁的扩口结构可以有效的降低气流的速度，减小气体对灰粒的携带能力，转向结构的设计提高气体和灰粒的分离； 

4.结构简单，维护方便。本发明在壳体内侧采用耐火材料，有效的简化辐射废锅的结构，降低设备制造、运行和维护成本； 

5.气体保护装置为模块化设计，更换维修方便； 

6.换热效率高。众所周知，辐射换热在气体成分确定的情况下，温度是影响换热能力的决定因素。本发明能够在不大幅降低气体温度的情况下，有效的防止受热面上的积灰结渣，保证气体在高温区段的换热能力。而且环形通道的双面漏光水冷壁又增加了受热面积，比单面水冷壁换热能力有很大提高。因此，所述的废热锅炉的换热能力较其他现有的形式换热能力有较大的提高。 

附图说明

图1为本发明提供的非激冷防结渣辐射废热锅炉的结构示意图； 

图2为图1中A-A面的剖视图； 

图3为图2中主气流区的剖视图； 

图4为设有气体保护装置的水冷管二竖直方向的剖视图； 

图5为设有气体保护装置的水冷管二横截面的示意图。 

图中： 

1-压力壳体；         2-衬里；             3-进气室； 

4-水冷管一；         5-水冷壁管；         6-扩口段； 

7-气体挡板；         8-渣池；             9-内置气/汽管； 

10-气体保护单元；    11-氮气保护室；      12-保护气集箱； 

13-氮气充气口；      14-冷却水下集箱；    15-保护气进口； 

16-冷却水进口；      17-冷却水上集箱；    18-冷却水出口； 

19-渣池进水口；      20-渣池疏水口；      21-排渣口； 

22-高温气气体进口；  23-转向室；          24-高温气出口； 

25-保护气出口；      26-水冷管二；        27-衬里支撑板。 

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。 

实施例 

如图1-5所示，为本发明提供的一种非激冷防结渣辐射废热锅炉，包括内壁贴有衬里2的圆柱形压力壳体1，衬里2采用耐火隔热内火衬里，底部采用固定在压力壳体1内壁的衬里支撑板27支撑。压力壳体1的顶部设有高温气气体进口22，侧面设有高温气出口24，底部设有渣池8，渣池8的一侧设有渣池疏水口20，渣池8的底部设有排渣口21。压力壳体1内顶部设有氮气保护室11，氮气保护室11内设有保护气集箱12。压力壳体1内设有水冷壁管5，压力壳体1与水冷壁管5之间设有环形气体挡板7，气体挡板7与压力壳体1同轴布置。气体挡板7位于保护气集箱12下方、高温气出口上方。气体挡板7的外侧厚度比内侧厚度大，上侧为水平面，下侧为斜面，其截面为上小下大的锥形结构，该斜面与锅炉竖直轴线的夹角δ为60°。气体挡板7与保护气集箱12之间设有冷却水上集箱17；水冷壁管5的下端设有转向室23。压力壳体1的两侧分别设有保护气进口15、冷却水进口16、冷却水出口18，保护气进口15连接氮气保护室11内的保护气集箱12，冷却水进口16连接冷却水上集箱17，冷却水出口18连接冷却水下集箱14，其中一侧的保护气进口15与冷却水进口16之间设有氮气充气口13，氮气充气口13与氮气保护室11连通。水冷壁管5采用双面漏光膜式水冷壁，由16根水冷管一4及8根水冷管二26排列成环形，通过水冷片连接组成，水冷管二26在水冷壁管5中对称分布，即每两根水冷管二26之间有两根水冷管一4。水冷管一4、水冷管二26的上端与冷却水上集箱17连接，下端与冷却水下集箱14连接。水冷管二26与内置气/汽管9之间横截面的面积与水冷管一4内横截面的面积相同。水冷壁管5上设有一层气体保护装置层，气体保护装置层包括设于每根水冷管二26上的气体保护装置。所述的气体保护装置包括内置气/汽管9，内置气/汽管9的上端从水冷管二26中露出，与保护气集箱12连通，内置气/汽管9的下端为封闭端；内置气/汽管9的一侧设有纵向排列的2个气体保护装置单元10，气体保护装置单元10从水冷管二26中露出，位于水冷壁管5的内侧。气体保护装置单元10为凸起结构，该凸起结构上开有3个保护气出口25。保护气出口25与内置气/汽管9水平轴线的水平夹角α分别为0°、45°、90°，保护气出口25与内置气/汽管9竖直轴线的竖直夹角β分别为0°、45°、90°。水冷壁管5顶部设有进气室3，进气室3为向上抛起的椭圆形结构， 采用渐扩的曲线结构，轴线与辐射废热锅炉的轴线重合。气体挡板7、水冷壁5的顶部与压力壳体1内顶部形成封闭的氮气保护室11。水冷壁管5的下端为扩口段6结构，扩口段6与水冷壁管5竖直轴线的夹角γ为30°。气体保护装置沿压力壳体1周向方向上第一层气体保护单元10的水平面距合成气进气室3上端距离H与高温气气体进口22的直径D的比为7。安装时，先将气体保护装置加工完成，即将内置气/汽管9装入水冷管二26的一段中，再焊接到水冷壁管5的水冷管二26的空缺处。 

上述非激冷防结渣辐射废热锅炉工作时，将气化后的温度为1300～1600℃的粗煤气由进气室3的高温气气体进口22进入，气体中含有熔融态的灰渣，在气体的携带作用下以射流的形式进入由水冷壁管5中的空间内换热，经过转向室23进入压力壳体1和水冷壁管5内的环形空间继续换热后由高温气出口24进入后续的工段，在换热过程中捕捉到的灰渣掉落到渣池8，经排渣口21排出；氮气通过氮气充气口13进入氮气保护室11，保持氮气保护室11的压力和炉内主气流的压力平衡，防止水冷壁管5因压力产生变形；保护气由保护气进口15进入，通过气体保护单元25进入主气流区域，在水冷壁管5上形成局部气体保护区，通过气体撞击和冷却防止熔融态灰渣触碰到水冷壁管5的受热面上；冷却水通过冷却水进口18进入冷却水上集箱17，经水冷壁管5加热后进入冷却水下集箱14，汇集后进入对流废热锅炉。保护气的压力高于炉内压力1.0MPa，温度高于工艺气露点温度值100℃，介质为经过降温除尘后的工艺气体，保护气所需要的量为主流气总量的15％。冷却水的压力为8.0MPa，状态为不饱和水。 

水冷壁管5受热面的布置形式为正多边形或圆形，和废热锅炉同轴布置，气体保护装置沿受热面周向对称布置，根据合成气量的来选择保护装置的个数，一般大于4个。在轴线上的安装位置为离进气室3的距离是受热面高度的10％-50％，在水冷壁管5的受热面形成有效地局部气膜保护区。气体保护装置单元10在受热面上开孔的个数大于2个，优选开5个孔。受热面下端的扩口段6，为渐扩结构，扩展角度γ＝45°。衬里2和水冷壁管5形成环形的气体通道，如图2所示。锅炉运作时，在气体通道内形成主气流，气体保护装置使主气流中产生局部气膜保护区，如图3所示。 

Claims (15)

1.一种非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，包括内壁设有衬里(2)的压力壳体(1)，压力壳体(1)的顶部设有高温气气体进口(22)，侧面设有高温气出口(24)，底部设有渣池(8)，渣池(8)的一侧设有渣池疏水口(20)，渣池(8)的底部设有排渣口(21)；压力壳体(1)内顶部设有氮气保护室(11)，氮气保护室(11)内设有保护气集箱(12)；压力壳体(1)内设有水冷壁管(5)，压力壳体(1)与水冷壁管(5)之间设有气体挡板(7)，气体挡板(7)位于保护气集箱(12)下方、高温气出口(24)上方，气体挡板(7)与保护气集箱(12)之间设有冷却水上集箱(17)；水冷壁管(5)的下端设有转向室(23)；压力壳体(1)上设有保护气进口(15)、冷却水进口(16)、冷却水出口(18)及氮气充气口(13)，保护气进口(15)连接氮气保护室(11)内的保护气集箱(12)，冷却水进口(16)连接冷却水上集箱(17)，冷却水出口(18)连接冷却水下集箱(14)，氮气充气口(13)连接氮气保护室(11)；水冷壁管(5)包括均匀分布的水冷管一(4)及一个以上的水冷管二(26)，水冷管二(26)在水冷壁管(5)中对称分布，水冷管一(4)、水冷管二(26)的上端与冷却水上集箱(17)连接，下端与冷却水下集箱(14)连接；水冷壁管(5)上设有至少一层气体保护装置层，气体保护装置层包括设于每根水冷管二(26)上的气体保护装置；水冷壁管(5)顶部设有进气室(3)；气体挡板(7)、水冷壁(5)的顶部与压力壳体(1)内顶部形成封闭的氮气保护室(11)。

2.根据权利要求1所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的衬里(2)为耐火隔热内火衬里。

3.根据权利要求1所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的进气室(3)的外形结构为向上抛起的椭圆形或下大上小的锥形结构。

4.根据权利要求1所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述水冷壁管(5)的下端设有扩口段(6)，扩口段(6)与所述水冷壁管(5)竖直轴线的夹角(γ)为15°～60°。

5.根据权利要求1所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的气体保护装置包括内置气/汽管(9)，内置气/汽管(9)的上端从水冷管二(26)中露出，与保护气集箱(12)连通，内置气/汽管(9)的下端为封闭端；内置气/汽管(9)的一侧设有一个以上的气体保护装置单元(10)，气体保护装置单元(10)从水冷管二(26)中露出，位于水冷壁管(5)的内侧。

6.根据权利要求5所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的水冷管二(26)与内置气/汽管(9)之间横截面的面积与水冷管一(4)内横截面的面积相同。

7.根据权利要求5所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的气体保护装置单元(10)为凸起结构，该凸起结构上设有至少3个保护气出口(25)。

8.根据权利要求7所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的保护气出口(25)与所述内置气/汽管(9)水平轴线的水平夹角(α)的范围为[0°，90°]，保护气出口(25)与内置气/汽管(9)竖直轴线的竖直夹角(β)的范围为(0°，90°]。

9.根据权利要求5所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的气体保护装置沿压力壳体(1)周向方向上第一层气体保护单元(10)的水平面距合成气进气室(3)上端距离(H)与高温气气体进口(22)的直径(D)的比为3～50。

10.根据权利要求1所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的水冷壁管(5)上设有至少4个气体保护装置(4)。

11.根据权利要求1所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的水冷壁管(5)为双面漏光膜式水冷壁。

12.根据权利要求1所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉，其特征在于，所述的气体出口挡板(7)的外侧厚度比内侧厚度大，上侧为水平面，下侧为斜面，该斜面与锅炉竖直轴线的夹角(δ)为45°～90°。

13.权利要求5-9中任意一项所述非激冷防结渣辐射废热锅炉的应用，其特征在于，气化后的温度为1300～1600℃的粗煤气由进气室(3)的高温气气体进口(22)进入，气体中含有熔融态的灰渣，在气体的携带作用下以射流的形式进入由水冷壁管(5)中的空间内换热，经过转向室(23)进入压力壳体(1)和水冷壁管(5)内的环形空间继续换热后由高温气出口(24)进入后续的工段，在换热过程中捕捉到的灰渣掉落到渣池(8)，经排渣口(21)排出；氮气通过氮气充气口(13)进入氮气保护室(11)，保持氮气保护室(11)的压力和炉内主气流的压力平衡，防止水冷壁管(5)因压力产生变形；保护气由保护气进口(15)进入，通过气体保护单元(25)进入主气流区域，在水冷壁管(5)上形成局部气体保护区，通过气体撞击和冷却防止熔融态灰渣触碰到水冷壁管(5)的受热面上；冷却水通过冷却水进口(18)进入冷却水上集箱(17)，经水冷壁管(5)加热后进入冷却水下集箱(14)，汇集后进入对流废热锅炉。

14.根据权利要求13所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉的应用，其特征在于，所述的保护气的压力高于炉内压力0.1～3.0MPa，温度高于工艺气露点温度值20～200℃，介质为经过降温除尘后的工艺气体，保护气所需要的量为主流气总量的1～30％。

15.根据权利要求13所述的非激冷防结渣辐射废热锅炉的应用，其特征在于，所述冷却水的压力为4.0～15.0MPa，状态为不饱和水。

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