高温含尘气体洗涤冷却装置、气化炉及洗涤冷却工艺
阅读说明：本技术 高温含尘气体洗涤冷却装置、气化炉及洗涤冷却工艺 (High-temperature dust-containing gas washing and cooling device, gasification furnace and washing and cooling process ) 是由 王亦飞 于广锁 陈雪莉 王辅臣 刘海峰 代正华 许建良 郭庆华 梁钦锋 李伟锋 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高温含尘气体洗涤冷却装置、气化炉和洗涤冷却工艺,该装置包括壳体、洗涤冷却管、鼓泡液池,壳体顶部开设有一气体入口,洗涤冷却管与气体入口连通并延伸至鼓泡液池内,洗涤冷却管的上端设有一洗涤冷却水分布器件,洗涤冷却水分布器件与壳体侧壁上的洗涤冷却水入口连通；壳体的上部侧壁上设有2个以上气体出口,气体出口处设有气体折流挡板,鼓泡液池中设有气泡分割器。本发明的洗涤冷却装置,能适应合成气量大、合成气带灰的超大型煤气化装置,可实现出口合成气流量在线调控,显著减轻气体出口积灰堵塞、流场分布不均、出口管线结垢、磨损等问题,对保障大型气化装置长周期、安全稳定运行作用显著。(The invention discloses a high-temperature dust-containing gas washing and cooling device, a gasification furnace and a washing and cooling process, wherein the device comprises a shell, a washing and cooling pipe and a bubbling liquid pool, the top of the shell is provided with a gas inlet, the washing and cooling pipe is communicated with the gas inlet and extends into the bubbling liquid pool, the upper end of the washing and cooling pipe is provided with a washing and cooling water distributor, and the washing and cooling water distributor is communicated with a washing and cooling water inlet on the side wall of the shell; the upper portion lateral wall of casing is equipped with gas outlet more than 2, and gas outlet is equipped with gas baffling baffle, is equipped with the bubble decollator in the tympanic bulla liquid pool. The washing and cooling device disclosed by the invention can adapt to an ultra-large coal gasification device with large synthesis gas amount and ash in the synthesis gas, can realize on-line regulation and control of the flow rate of the synthesis gas at the outlet, obviously relieves the problems of ash deposition and blockage at the gas outlet, uneven flow field distribution, scaling and abrasion of an outlet pipeline and the like, and has obvious effects on ensuring long-period, safe and stable operation of a large gasification device.)
技术领域
本发明涉及气化技术中的合成气洗涤冷却净化组件，特别涉及高温含尘气体洗涤冷却装置、气化炉及洗涤冷却工艺。
背景技术
气流床气化技术是一种煤气化技术，采用粉煤为原料，同气化剂一起喷入气化炉内，反应温度很高，灰分呈熔融状排出，在合成氨、制甲醇、整体煤气化联合循环(IGCC)发电和城市燃气等领域均展现了良好的应用前景。目前在气化领域高温气体处理应用最为广泛、技术最为成熟的为激冷式气流床煤气化技术。
在激冷式气流床煤气化技术中，洗涤冷却室作为高温合成气的洗涤冷却装置发挥着重要作用，将气化炉排出的高温气体降温并增湿，同时除去大部分灰渣以满足后续工段的需要。例如多喷嘴对置式水煤浆气化炉洗涤冷却装置，采用喷淋和环隙鼓泡相结合的复合型鼓泡床，经激冷降温的气体与固态渣沿下降管进入洗涤冷却装置液池，采用顶部浸没、环隙鼓泡的方式，气相从淹没在液相中的喷口射入静止液相介质中，并在环隙结构中呈上升运动模式，是一种在大管径中的负浮力突扩流动，在穿越液池的过程中完成气体的洗涤净化和气液固三相分离，在洗涤冷却装置中，携带熔融灰渣的粗合成气由1200～1650℃激冷至200～300℃。随着煤气化的大型化，合成气量增大、酸性气体增加、气化炉黑水夹带增多，对洗涤冷却装置的洗涤净化要求也越来越高。
由上述可知，洗涤冷却装置内工作环境涉及高温高压和气-液-固三相复杂体系的流体流动与热质传递过程。现有激冷流程煤气化装置的洗涤冷却装置均采用单出口，但随着气化室的大型化和操作负荷的提高，进入洗涤冷却装置的粗合成气气量更大，可能会携带更多的含渣液滴和细灰，这会造成合成气出口管线和混合器处积灰堵塞、冲刷等严重问题；此外，对于单出口洗涤冷却装置，由于合成气从洗涤冷却装置离开时，气速过快会对床层内气液固三相传递过程产生很大扰动，也会导致气化炉内液位不稳、压差过高和流场分布不均匀等问题。上述恶劣工况均影响洗涤冷却装置的正常运行，进而影响激冷流程气流床气化炉长周期、安全和稳定运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中气化炉大型化和高负荷操作条件下，合成气量增大、合成气带水带灰等恶劣工况带来的出口管线和混合器处气体冲刷、容易积灰堵塞，洗涤冷却装置内流场分布不均、液位不稳的缺陷，提供一种高温含尘气体洗涤冷却装置、气化炉和洗涤冷却工艺。
本发明通过在洗涤冷却装置中设置多个气体出口和多个折流挡板，实现在洗涤冷却装置负荷加大后，出口气体流量可调控，从而减少对床层内流场稳定性的影响、出口管道气体冲刷和积渣带灰造成的堵塞，同时保障激冷流程气流床气化炉长周期、安全稳定运行。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种高温含尘气体洗涤冷却装置，包括壳体、洗涤冷却管，所述洗涤冷却管位于所述壳体内，所述壳体的下部围合形成一个鼓泡液池，所述壳体的顶部开设有一气体入口，所述洗涤冷却管与所述气体入口连通并从上至下延伸至所述鼓泡液池内，所述洗涤冷却管的上端设有一洗涤冷却水分布器件，所述壳体的侧壁上设有一个或多个洗涤冷却水入口，所述洗涤冷却水分布器件与所述洗涤冷却水入口连通；所述壳体与所述洗涤冷却管之间的环隙空间内设有气泡分割器，用于分割鼓泡液池中的气泡；所述壳体的上部侧壁上设有2个以上的气体出口，所述气体出口处设有气体折流挡板，所述气体折流挡板的顶部高于所述气体出口。
较佳地，所述气体出口的数量为2-4个。
较佳地，所述气体折流挡板的下部设有条状或孔状导液通道，用于对超大通量的气体夹带的液滴和飞灰进行导流。
较佳地，所述鼓泡液池所在位置处的所述壳体的侧壁外部设置有黑水出口，所述黑水出口对应的所述壳体的内侧壁上设有一灰渣分离挡板，以减少离开洗涤冷却装置的含渣黑水中的固体灰渣颗粒，改善气化炉内水质。
较佳地，所述壳体上设置有4～8个洗涤冷却水入口。
较佳地，所述洗涤冷却水分布器件为洗涤冷却水分布环，所述洗涤冷却水分布环的下侧设有若干环形槽缝，用于在所述洗涤冷却管内形成环状液膜，且靠近所述洗涤冷却水分布环的中轴线的内壁上还设有若干中心射流孔，用于喷出中心喷淋水。
较佳地，所述洗涤冷却管的长度为0.2m～10m。
较佳地，所述洗涤冷却管的出口处还设有导流管，携带灰、渣的气体以及从洗涤冷却水分布环出来的垂直降膜的水和中心喷淋水一起由导流管和洗涤冷却管的下端出来进入鼓泡液池中，所述导流管数量为2个以上，更佳地为2-8个，最佳地为4个。
较佳地，所述鼓泡液池内、在所述洗涤冷却管的下方还设有静态破渣器，所述洗涤冷却水分布器件、所述洗涤冷却管和所述静态破渣器同轴排布；所述静态破渣器为上部设有固定栅格的圆台。
较佳地，所述气泡分割器的排列方式为层状叠放方式；所述层状叠放方式的层数较佳地为2-5层，更佳地为3-4层；所述气泡分割器的形状为尖端朝下的锯齿状或格栅型。为方便检修，所述气泡分割器的排列还可以呈组合模块形式；所述气泡分割器的下端与气泡接触的部位呈锯齿状或格栅型。
较佳地所述鼓泡液池的高径比为H/D＝0.5～5，其中D表示所述鼓泡液池的当量直径，H表示所述鼓泡液池的高度。
较佳地，所述壳体的材质选自本领域适用于高温、高压环境的常规材质，较佳地可为1 1/4Cr-1/2Mo(SA387Gr11Cl2)堆焊AISI316L(相当于国内CoCr17Ni13Mo2)或复合316L，所述洗涤冷却水分布器件的材质采用Incoloy 825，所述洗涤冷却管材质选自Incoloy 825或Incoloy 825与碳钢/不锈钢的组合。
较佳地，所述洗涤冷却水分布器件与所述洗涤冷却管用连接板连接，所述连接板的材质采用Incoloy 825；更佳地，所述连接板为法兰。
本发明还提供一种气化炉，其包含上述高温含尘气体洗涤冷却装置。
本发明还提供一种洗涤冷却工艺，其包括如下步骤：将所述高温含尘气体经所述的高温含尘气体洗涤冷却装置处理，由所述气体出口排出即可；其中，所述洗涤冷却管中高温含尘气体的流速为2m/s～12m/s，所述洗涤冷却水入口的洗涤冷却水的温度为100-300℃，所述洗涤冷却水分布器件的出口处的洗涤冷却水的流速为0.5m/s～6m/s，所述气体出口的气体流速为6-25m/s。
较佳地，所述洗涤冷却水入口的洗涤冷却水的温度为247℃。
较佳地，所述洗涤冷却管中气体的流速为2-6m/s。
较佳地，所述气体出口处的气体流速为8-15m/s。
本发明的积极进步效果在于：
1)与目前已在工业使用的洗涤冷却装置相比，本发明所述洗涤冷却装置更能适应具有合成气量大、酸性气量大、合成气带灰等特点的超大型煤气化装置，减少气体出口管线和混合器的冲刷、堵塞、磨损；具有流体在床层内流动更为均布、床层更为平稳、利于工业稳定操作的优点，可广泛应用于以含碳氢物质为原料的气流床气化激冷工艺流程。
2)本发明通过设置多个气体出口，以降低合成气出口气体流速。当气化炉处理负荷进一步提高，如日处理4000吨级及以上煤量时，气化产生的合成气量显著增加，若仍设置一个出口，合成气从洗涤冷却装置离开时，气速过快会对床层内气液固三相传递过程产生很大扰动，造成流场不稳定、管道磨损加剧、出口气体更易夹带灰渣和液滴等问题，采用本发明设置多个出口，可在线调控不同出口管线的气体流量，解决上述诸多问题，且使得洗涤冷却装置内流场分布更均匀、液池床层高度更稳定。同时通过设置气泡分割器，以减弱水浴内的气泡聚并、减少所形成的气泡尺寸，进一步增加床层内液位稳定性，提高热质传递效率。
3)超大通量的气体会夹带更多液滴和飞灰，通过在多个气体出口处设置折流挡板，用以阻挡合成气夹带的少量液滴与灰渣，改变合成气流出的路径，以进一步强化气液分离效率，减少大合成气量下合成气带液、带灰渣，以及气体所夹带的液滴和灰渣对管道的堵塞、磨损问题，降低后续的气体除尘净化工序的处理负荷；此外，还可通过变更气体折流挡板的尺寸，作为类似小的阻力部件，实现多个出口的气体流量调控，从而在线调控后续气体的洗涤负荷。
4)本发明还通过设置静态破渣器垂直撞击，破碎渣块，可降低粗渣颗粒粒度，利于排渣；
5)本发明还通过在黑水出口处设置灰渣分离挡板，以减少离开洗涤冷却装置的含渣黑水中的固体灰渣颗粒，使得洗涤效果更好，改善气化炉内水质，可显著减轻黑水管线结垢、磨损，对保障大型气化装置的长周期、安全稳定运行作用显著。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例的高温含尘气体洗涤冷却装置示意图；
图2为本发明一较佳实施例的带气体折流挡板的气体出口处俯视图和A-A面的剖视图；
图3为本发明一较佳实施例的带灰渣分离挡板的黑水出口处侧视图和俯视图；
图4为本发明一较佳实施例的静态破渣器的俯视图。
附图标记说明：
1-壳体，2-洗涤冷却管，3-洗涤冷却水分布环，4-洗涤冷却水入口，5-气体出口，6-气体折流挡板，7-气体入口，8-气泡分割器，9-导流管，10-静态破渣器11-鼓泡液池12-黑水出口13-灰渣分离挡板14-排渣出口15-立板16-环板
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。需要说明的是，术语“连接”、“相连”、“连通”，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的含义。
如图1所示，本实施例中的高温含尘气体洗涤冷却装置包括壳体1、气体入口7、洗涤冷却水分布环3、洗涤冷却管2、静态破渣器10、鼓泡液池11、黑水出口12、排渣出口14。洗涤冷却管2位于壳体1内，壳体1的下部围合形成鼓泡液池11。壳体1的内径为4200mm，有效高度为12000mm；洗涤冷却管2内径为1500mm，高度为8000mm。壳体1的顶部开设有一气体入口7，洗涤冷却管2与气体入口7连通并从上至下延伸至鼓泡液池11内。壳体1的侧壁上设有4-8个洗涤冷却水入口4，洗涤冷却水分布环3固定于气体入口7处，并与洗涤冷却水入口4连通，洗涤冷却水分布环3的下侧设有若干环形槽缝，用于在洗涤冷却管2内形成环状液膜，且靠近洗涤冷却水分布环3的中轴线的内壁上还设有若干中心射流孔，用于喷出中心喷淋水；洗涤冷却管2的上端通过法兰连接洗涤冷却水分布环3；洗涤冷却管2的出口延伸至鼓泡液池11的液面下方；洗涤冷却管2出口处还设有4个导流管9；多个(例如2-4个)气体出口5对称布置在壳体1的上部侧壁，并且如图2所示，在洗涤冷却装置内侧近气体出口5处布置多个(例如2-4个)气体折流挡板6，气体折流挡板6大致呈L形，并与壳体1相连，气体折流挡板6的顶部高于气体出口5，气体折流挡板6的下部设有条状导液通道用于对超大通量的气体夹带的液滴和飞灰进行导流；洗涤冷却装置的下部设置有静态破渣器10，鼓泡液池11的液面下方设有4层气泡分割器8(层状叠放的组合方式，气泡分割器8的形状为尖端朝下的锯齿状或格栅型)，鼓泡液池11所在位置处的壳体1的侧壁外部设置有黑水出口12，黑水出口12对应的壳体1的内侧壁上设有一灰渣分离挡板13(如图3所示)，以减少离开洗涤冷却装置的含渣黑水中的固体灰渣颗粒，改善气化炉内水质。洗涤冷却装置下部设有排渣出口14。
如图4所示，静态破渣器10为一上部设有固定栅格的圆台，包括均匀分布的立板15和环板16。从气化炉出来的熔融态灰渣，经过洗涤冷却水淬冷后，相变爆裂为一定粒度的固态灰渣。其中小粒径的灰渣穿过静态破渣器10的栅格空间进入其下部，其绝大部分或沉降或为锁斗循环水带至锁斗，少量随黑水进入下游工序。大粒径的灰渣将借助重力和水的湍动沿静态破渣器10的格栅斜面(与水面呈45°交角)向下滚动，在滚动过程中由于水的湍动将会被破碎，不被破碎者将堆积于静态破渣器10的底部，为格栅拦截，检修时将其清除。
洗涤冷却水分布环3、洗涤冷却管2和静态破渣器10同轴排布。
壳体1的材质为适用于高温、高压环境的国内CoCr17Ni13Mo2，洗涤冷却水分布环和法兰的材质采用Incoloy 825，洗涤冷却管材质采用Incoloy 825或Incoloy 825与不锈钢的组合。
本实施例中洗涤冷却装置运行方法如下：来自气化室的高温带渣合成气通过气体入口7、洗涤冷却水分布环3沿洗涤冷却管2向下流动，并在管内与洗涤冷却水接触实现合成气的初步冷却；洗涤冷却水从设置在壳体1上的4-8个洗涤冷却水入口4进入至洗涤冷却水分布环3，洗涤冷却水分布器件的出口处的洗涤冷却水的流速为0.5m/s～6m/s，出口平均水速为3m/s，经洗涤冷却水分布环3分布后以垂直降膜和喷射状进入洗涤冷却管2内，与流经的高温含尘气体进行热质同时传递过程，洗涤冷却管2浸没入鼓泡液池11中，洗涤冷却管2出口位于液面下方，出口处还设有导流管9，合成气出洗涤冷却管2后在鼓泡液池11中鼓泡，进一步冷却；熔融灰渣经冷却降温团聚形成的固化灰渣沉降在鼓泡液池11的下方或静态破渣器10上，较大灰渣经由静态破渣器10破碎，以降低灰渣的粒度，利于排渣；气泡分割器8位于液面下方，用于破碎气泡，形成进行热质传递的鼓泡床；在气体出口5处设有气体折流挡板6，气体折流挡板6固定在壳体内侧壁上，且与气体出口5之间有一间隙，气体折流挡板6的顶部高于气体出口5，用以阻挡合成气夹带的少量液滴与灰渣，防止合成气出口管线和混合器处积灰堵塞；在洗涤冷却装置上部对称布置多个气体出口5，与单一气体出口相比，室内流场更为均匀，同时也降低了室内压差与气体流出速度，减轻了合成气对出口管路的磨损；最后，合成气经对称布置的多个气体出口5流入下一处理单元。鼓泡液池11下方设有一黑水出口12，该出口前置有一灰渣分离挡板13，洗涤冷却水由上至下与高温气体充分接触后，完成了对高温含尘气体的洗涤和降温过程，自气化室出来的高温粗合成气中所含的熔融灰渣在其作用下淬冷，颗粒较小的少部分灰渣并入洗涤冷却水成含渣黑水，经灰渣分离挡板13作用后，从黑水出口12流出至后续含渣黑水处理工序，大部分灰渣则经静态破渣器10破碎后，经气化炉壳体1的排渣出口14排出气化炉。
以日处理4000吨级水煤浆气流床气化炉为例，进入本发明实施例的气体洗涤冷却装置的粗合成煤气压力为6.5MPa，温度为1300℃，煤气流量为361000Nm3/h，干煤气中含H2＝35％，CO＝44％，CO2＝20％，N2＝0.2％还有CH4、Ar、H2S、COS、NH3、HCl、HCN、HCOOH等，约占0.8％。以干煤气为基准，进入壳体1的粗合成煤气中含灰渣量为65.0g/Nm3(干气)，也即灰渣以16.8吨/小时被携带在粗合成煤气中而进入壳体1。
上述的高温粗合成煤气以6.0m/s的速度通过气体入口7经洗涤冷却水分布环3后进入洗涤冷却管2，冷却洗涤水的温度为247℃，经设置在壳体1上的4个洗涤冷却水入口4进入洗涤冷却水分布环3的洗涤冷却水流量为750m3/h，即加水量为1.4kg水/Nm3气，洗涤冷却水自洗涤冷却水分布环3中的环形槽缝和中心射流孔以平均4m/s速度喷出冷却洗涤水分布环3，在洗涤冷却管2内壁形成垂直降膜和中心射流，形成喷淋，从而使洗涤冷却管2内的煤气急剧降温、增湿，煤气中所携带的熔融态灰渣遇到一级冷却洗涤水后淬冷凝固、浸润，部分粒度较小的灰渣则被气相携带(飞灰)，其余进入水相与水混合。
经喷淋降温和增湿后的煤气其温度约500℃，携带灰、渣和喷淋水一起由导流管9和洗涤冷却管2的下端出来进入鼓泡液池11中，在组合式的气泡分割器8的作用下，粗合成气和鼓泡液池11内的水进行充分的鼓泡接触，离开鼓泡液池自由界面的上升气体温度约为255℃。气体出口5的气体流速为8-15m/s。
气体夹带少量滴液与大部分粒径>1mm的小粒度灰渣进入洗涤冷却管2和壳体1构成的上层气液分离空间，粗合成气中的部分饱和水以其中夹带的细灰为核心发生冷凝，夹带的飞灰再次被液滴群所润湿而发生团聚，在重力作用下实现与气体的分离。而粒径大于>1mm的淬冷后的灰渣被静态破渣器10的格栅空间拦截、破碎，之后落入位于壳体1下方的液固沉降区中，其中灰渣在重力作用下沉降并经接锁斗开口进入位于气化炉下方的锁斗内，定期排出气化炉。330t/h(吨/小时)洗涤冷却气体后的水(黑水)经灰渣分离挡板13自黑水出口12送至下游设备处理，以循环回用和排放。使用本实施例的洗涤冷却装置运行10个月后，气体出口5和黑水出口12处基本未见任何肉眼可见的磨损。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
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