本发明提供了一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,包括热回收单元,热回收单元包括壳体,在壳体内沿着高温气体的气流方向依次设有高温段辐射换热单元及低温段对流换热单元,其特征在于:还包括集渣室,由集渣室对高温气体中的熔融灰渣进行有效捕捉,集渣室通过过渡段与设于壳体上的进气口相连,在高温段辐射换热单元与低温段对流换热单元之间设有激冷段,由激冷段对进入低温段对流换热单元的气体进行降温,从而使得气体内含有的气态碱金属无法在低温段对流换热单元内冷凝。本发明是一种能够有效防止受热面结渣、沾污的显热回收装置,特别适合于易沾污、结渣煤种燃烧或气化后产生的高温含灰气体显热的回收。
1.一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,包括热回收单元(15),热回收单元(15)包括壳体(9),在壳体(9)内沿着高温气体的气流方向依次设有高温段辐射换热单元及低温段对流换热单元,其特征在于:还包括集渣室(1),由集渣室(1)对高温气体中的熔融灰渣进行有效捕捉,集渣室(1)通过过渡段(6)与设于壳体(9)上的进气口相连,在高温段辐射换热单元与低温段对流换热单元之间设有激冷段(10),由激冷段(10)对进入低温段对流换热单元的气体进行降温,从而使得气体内含有的气态碱金属无法在低温段对流换热单元内冷凝;所述集渣室(1)包括压力壳体(2),在压力壳体(2)上设有集渣室入口(4),在压力壳体(2)内设有设有捕渣器(3),捕渣器(3)位于集渣室入口(4)的下方,高温气体由集渣室入口(4)进入压力壳体(2)内经由捕渣器(3)捕渣后通过所述过渡段(6)进入所述热回收单元(15),在捕渣器(3)的下方设有置于压力壳体(2)内的渣池(5);所述捕渣器(3)包括由耐高温合金材料或陶瓷制材料制得的筒体,筒体的中部形成容许所述高温气体通过的中心通道,在筒体的外侧面及内壁上分别设有一层耐热涂层;所述捕渣器(3)的下端高于所述渣池(5)的液位的高度;所述高温段辐射换热单元包括气体导向室(7),气体导向室(7)位于所述进气口处,在气体导向室(7)的下方设有辐射受热面(8);所述辐射受热面(8)为多层水冷壁结构,水冷壁采用直管和/或盘管;所述激冷段(10)包括位于所述高温段辐射换热单元与所述低温段对流换热单元之间的缩腰结构(12),在缩腰结构(12)的侧壁上设有激冷喷口(11)。
2.如权利要求1所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述低温段对流换热单元包括对流受热面(14),在对流受热面(14)的下方设有出气室(13),气体通过出气室(13)经由设置在所述壳体(9)上的气体出口(16)排出。
3.如权利要求2所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述对流受热面(14)为采用单段或多段布置的多层的盘管或蛇形管水冷壁。
4.如权利要求3所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述压力壳体(2)、所述捕渣器(3)及所述集渣室入口(4)同轴布置。
5.如权利要求3所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述压力壳体(2)的内衬为耐火材料(17),在所述渣池(5)的侧壁上设有溢流口(19),耐火材料(17)布置在溢流口(19)的上方并由位于溢流口(19)上方的支撑板(18)支撑。
6.如权利要求3所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述捕渣器(3)由耐高温合金或者陶瓷材料制成。
7.如权利要求1所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述过渡段(6)通过水冷技术将所述高温段辐射换热单元的出口气体温度控制在750°C以上。
8.如权利要求1所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述过渡段(6)包括圆筒形压力壳体,在圆筒形压力壳体的内壁上布置有水冷壁,圆筒形压力壳体的轴线与水平线之间呈夹角α,-60°≤α≤60°。
9.如权利要求1所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:所述激冷段(10)将进入所述低温段对流换热单元的气体降温至550°C以下。
10.如权利要求1所述的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,其特征在于:每个所述激冷喷口(11)的中心线与所述高温段辐射换热单元轴线之间形成夹角β,30°≤β≤60°。技术领域
本发明涉及一种用于对含碳燃料气化或燃烧后产生高温含灰气体进行显热回收的装置。
背景技术
整体煤气化联合循环(英文全称为:Integratedxa0Coalxa0Gasificationxa0Combinedxa0Cycle,以下简称IGCC)是当今全球清洁能源利用的前沿技术之一,其与普通燃煤发电技术相比,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IGCC系统中,能量回收装置是必不可少的设备。与激冷流程相比,采用显热回收装置可大幅度提高系统效率,可回收相当于原煤低位发热量的15~25%的能量,使热煤气效率达到90~95%,IGCC净效率提高4~5%(与废锅流程相比)。目前工业上所使用的能量回收装置主要是以德士古气化炉中使用的废热锅炉形式(辐射+对流废热锅炉)和Shell气化炉的激冷流程(激冷+对流废热锅炉)为主。德士古气化技术的受热面为单层或多层水冷壁结构,工业运行表现出的问题为受热面结渣、积灰严重,严重影响运行的安全性。主要原因为气体中携带的熔融态灰渣在受热面上粘结,降低受热面的换热能力,并形成堵渣,严重时引发运行事故。Shell气化技术运行安全性较好,但是激冷过程会很大程度上降低合成气的能量品质,降低整体效率,提高系统的运行成本。为此,对于易沾污、结渣煤种,迫切需要开发一种能够有效防止受热面结渣、沾污,且具有结构简单、操作方便的能量回收装置,对提高IGCC系统发电效率、可用率以及煤种适用性具有十分重要的现实意义和工业应用价值,进一步推动IGCC、煤化工等行业在我国的大面积应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够防止受热面结渣、积灰的用于IGCC系统的能量回收装置。为了达到上述目的,本发明的技术方案是提供了一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置,包括热回收单元,热回收单元包括壳体,在壳体内沿着高温气体的气流方向依次设有高温段辐射换热单元及低温段对流换热单元,其特征在于:还包括集渣室,由集渣室对高温气体中的熔融灰渣进行有效捕捉,集渣室通过过渡段与设于壳体上的进气口相连,在高温段辐射换热单元与低温段对流换热单元之间设有激冷段,由激冷段对进入低温段对流换热单元的气体进行降温,从而使得气体内含有的气态碱金属无法在低温段对流换热单元内冷凝。优选地,所述高温段辐射换热单元包括气体导向室,气体导向室位于所述进气口处,在气体导向室的下方设有辐射受热面;所述低温段对流换热单元包括对流受热面,在对流受热面的下方设有出气室,气体通过出气室经由设置在所述壳体上的气体出口排出。优选地,所述辐射受热面为多层水冷壁结构,水冷壁采用直管和/或盘管;所述对流受热面为采用单段或多段布置的多层的盘管或蛇形管水冷壁。优选地,所述集渣室包括压力壳体,在压力壳体上设有集渣室入口,在压力壳体内设有设有捕渣器,捕渣器位于集渣室入口的下方,高温气体由集渣室入口进入压力壳体内经由捕渣器捕渣后通过所述过渡段进入所述热回收单元,在捕渣器的下方设有置于压力壳体内的渣池。优选地,所述压力壳体、所述捕渣器及所述集渣室入口同轴布置。优选地,所述压力壳体的内衬为耐火材料,在所述渣池的侧壁上设有溢流口,耐火材料布置在溢流口的上方并由位于溢流口上方的支撑板支撑。优选地,所述捕渣器的下端高于所述渣池的液位的高度,所述捕渣器由耐高温合金或者陶瓷材料制成。优选地,所述捕渣器包括由耐高温合金材料或陶瓷制材料制得的筒体,筒体的中部形成容许高温气体通过的中心通道,在筒体的外侧面及内壁上分别设有一层耐热涂层。优选地,所述过渡段通过水冷技术将所述高温段辐射换热单元的出口气体温度控制在750°C以上。优选地,所述过渡段包括圆筒形压力壳体,在圆筒形压力壳体的内壁上布置有水冷壁,圆筒形压力壳体的轴线与水平线之间呈夹角α,-60°≤α≤60°。优选地,所述激冷段将进入所述低温段对流换热单元的气体降温至550°C以下。优选地,所述激冷段包括位于所述高温段辐射换热单元与所述低温段对流换热单元之间的缩腰结构,在缩腰结构的侧壁上设有激冷喷口,每个激冷喷口的中心线与所述高温段辐射换热单元轴线之间形成夹角β,30°≤β≤60°。本发明的设计思路为:高温气体能量的回收根据温度的高低分为高温段和低温段两个部分。高温段换热以辐射为主,低温段换热以对流为主。目前工业上高温段显热回收遇到的主要问题是高温气体中熔融灰渣在冷却过程中极易在受热面表面上形成结渣,从而降低换热效果、影响设备的安全运行;低温段显热回收遇到的问题是对于高碱煤燃烧或气化后所产生的气体中含有较多的Na、K等气态碱金属,这些气态碱金属及碱金属氧化物在550-750°C温度范围内发生冷凝,并呈现较高的粘性,极易在受热面表面上凝结形成沾污底层,在还原性气氛下,通过和酸性物质发生化学反应形成复合盐等物质,该物质在此温度下具有较强的粘性,可以捕捉大量飞灰,从而使得受热面发生大面积沾污,极大的影响了换热效率和设备可用率。本发明采用高温捕渣技术和低温激冷技术等措施,通过设计集渣室将进入热回收单元前高温气体中的大部分灰渣进行有效捕捉,最大限度地降低热回收单元内受热面上发生结渣、沾污的可能性,同时,在易发生受热面沾污的对流受热面入口设计激冷段,有效控制低温换热部件内气体的温度在550°C以下,避开气态碱金属氧化物易粘结的温度区间,从而有效防止热回收单元受热面结渣、沾污的发生,具体描述如下:(1)高温捕渣技术:采用高温捕渣技术,通过在热回收单元前设置集渣室,将高温气体中的熔融灰渣进行有效捕捉,从而大幅度降低进入热回收单元中高温气体的灰渣浓度,最大限度降低了在热回收单位内受热面的结渣、沾污倾向,从根本上解决了受热面发生结渣、沾污的可能性;(2)热回收单元入口气体控温技术:在集渣室与热回收单元之间布置有过渡段,该段采用水冷技术,可以在装置负荷变化的情况下调节热回收单元进口的气温,以调节辐射受热面的出口温度高于750°C,防止因碱金属冷凝而发生的受热面大面积的沾污;(3)低温激冷技术:对于易发生碱金属飞灰沾污的温度区间550-750°C,本发明采用激冷技术在短时间和空间内迅速的将气体温度降到550°C以下,以保护受热面。同时由于激冷气的存在会增加进入对流段的气体量和气体流速,有效地增加对流受热面的换热系数和受热面表面的积灰,提高换热器的换热效果。本发明的优点是:1、采用特有的集渣室结构,可以捕捉90%以上的熔融态灰渣,并收集到渣池内,使得本发明具有其他能量回收装置所不具有的防结渣能力;2、本发明煤种适用性广,对灰熔点和钠钾盐含量的要求低;3、本发明所需激冷气的量少,运行成本低。在低温段采用激冷降温,由于降温幅度小,较高温段激冷的方法用气量少,气体品质较其他方法高;4、本发明结构简单,维护方便,降低运行成本。由于集渣室对灰渣的高捕捉率,可以降低后续除尘设备的运行成本。5、本发明换热效率高。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。本发明能够在保证高温换热区受热面不结渣的情况下,采用多层受热面增加换热面积。在对流换热区采用盘管或蛇形管膜式壁进行横向冲刷,提高表面化热系数,进而提高换热效率。
附图说明
图1为实施例中的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置的总体结构示意图;图2为图1中的集渣室结构示意图。
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。以下实施例1及实施例2皆采用了如图1所示的一种带有灰渣捕捉的防结渣及沾污的显热回收装置包括集渣室1及热回收单元15,集渣室1通过过渡段6与热回收单元15的进气口相连。其中,结合图2,集渣室1包括压力壳体2,在压力壳体2的顶端布置集渣室入口4,在压力壳体2内悬挂捕渣器3,捕渣器3位于集渣室入口4的下方。捕渣器3由耐高温合金或者陶瓷材料制成。捕渣器3包括由耐高温合金材料或陶瓷制材料制得的筒体,筒体的中部形成容许高温气体通过的中心通道,在筒体的外侧面及内壁上分别设有一层耐热涂层。高温气体由中心通道通过时,在筒体上沿径向方向由内向外依次形成液态灰渣层及固态灰渣层。压力壳体2、捕渣器3及集渣室入口4同轴布置。在捕渣器3的下方设有置于压力壳体2内的渣池5。捕渣器3的下端高于所述渣池5的液位的高度。捕渣器3主要用来捕捉由集渣室入口4进入的液态灰渣,在渣池5内收集并冷却。压力壳体2的内衬为耐火材料17,在渣池5的侧壁上设有溢流口19,耐火材料17布置在溢流口19的上方并由位于溢流口19上方的支撑板18支撑,以此防止耐火材料17因热应力的变化出现损坏。外部水通过冷却水进口注入渣池5内。高温气体通过集渣室入口4进入捕渣器3捕渣,由于在捕渣器3的下方存在渣池5,捕渣后的高温气体转向,从而进入位于捕渣器3侧边的环形通道,再经过集渣室出气口进入过渡段6。过渡段6包括圆筒形压力壳体,在圆筒形压力壳体的内壁上布置有水冷壁。过渡段6通过水冷技术调控进入热回收单元高温含灰气体的温度,使得热回收单元15中高温段辐射换热单元的出口气体温度控制在750°C以上。圆筒形压力壳体的轴线与水平线之间呈夹角α,-60°≤α≤60°。热回收单元15包括壳体9,在壳体9内沿着高温气体的气流方向依次设有高温段辐射换热单元、激冷段10及低温段对流换热单元。其中,高温段辐射换热单元包括气体导向室7,气体导向室7位于壳体9的进气口处,在气体导向室7的下方设有辐射受热面8。气体导向室7起到缓冲气体和调节气体流向的作用。辐射受热面8为多层水冷壁结构,水冷壁采用直管或盘管或两者的组合,起到调整气体方向和小幅调节气温的作用。由激冷段10将进入低温段对流换热单元的气体降温至550°C以下,其中,激冷段10包括位于所述高温段辐射换热单元与所述低温段对流换热单元之间的缩腰结构12,在缩腰结构12的侧壁上均匀布置有激冷喷口11,每个激冷喷口11的中心线与所述高温段辐射换热单元轴线之间形成夹角β,30°≤β≤60°。低温段对流换热单元包括对流受热面14,在对流受热面14的下方设有出气室13,气体通过出气室13经由设置在壳体9上的气体出口16排出。对流受热面14为采用单段或多段布置的多层的盘管或蛇形管水冷壁。实施例1一个日处理能力为3000吨煤的干粉气化炉,气化压力为4.0MPa,气化合成气后集渣室入口温度为1300°C,出气化室气体总流量为26706Nm3/h。集渣室内径为3.6m,捕渣器3内径为2.5m,捕渣器采用耐高温合金钢,表面设有耐热涂层材料,合成气经过渡段6冷却温度将为1250°C后进入气体导向室7,辐射受热面8采用三层膜式水冷壁结构,气体出口温度为780°C,经激冷段10冷却后气体温度为530°C,对流受热面14采用膜式盘管水冷壁结构,气体出口260°C。其煤质分析如下表所示:xa0xa0名称
xa0xa0单位
xa0xa0数值
xa0xa0低位发热量
xa0xa0MJ/kg
xa0xa022.76
xa0xa0收到基灰分
xa0xa0%
xa0xa011
xa0xa0Car
xa0xa0%
xa0xa060.33
xa0xa0Har
xa0xa0%
xa0xa03.62
xa0xa0Oar
xa0xa0%
xa0xa09.95
xa0xa0Nar
xa0xa0%
xa0xa00.69
xa0xa0Sar
xa0xa0%
xa0xa00.41
xa0xa0SiO2
xa0xa0%
xa0xa036.71
xa0xa0Al2O3
xa0xa0%
xa0xa013.99
xa0xa0Fe2O3
xa0xa0%
xa0xa013.85
xa0xa0CaO
xa0xa0%
xa0xa022.92
xa0xa0K2O
xa0xa0%
xa0xa00.72
xa0xa0Na2O
xa0xa0%
xa0xa01.23
xa0xa0DT
xa0xa0°C
xa0xa01130
xa0xa0ST
xa0xa0°C
xa0xa01160
xa0xa0FT
xa0xa0°C
xa0xa01210
实施例2一个日处理能力为3000吨煤的干粉气化炉,气化压力为4.0MPa,气化合成气后集渣室入口温度为1400°C,气化合成气总量为27402Nm3/h。集渣室内径为3.7m,捕渣器3内径为2.5m,捕渣器采用耐高温合金钢,表面设有耐热涂层材料,合成气经过渡段6冷却温度将为1360°C后进入气体导向室7,辐射受热面8采用单层膜式水冷壁结构,气体出口温度为730°C,激冷段不采用激冷气体,直接进入对流受热面14,对流受热面14采用膜式盘管水冷壁结构,气体出口260°C。