一种冷热壁相结合的流化床气化自循环系统的制作方法

本发明涉及煤、生物质、垃圾等含碳物质的气化。

背景技术：

1、目前国内在运行的流化床气化技术中的反应核心设备全部为热壁式的结构，热壁式结构为钢壳内内衬耐火隔热层，从而来保证承压金属外壳不超温来保证设备安全，但此类结构存在如下缺点：第一，炉壁热损失较大，不节能，因为要保证一定压力下的气体对炉壁不产生露点腐蚀，就必须提高承压金属外壳的工作壁温，以4.0mpa气化压力为例，其所需的最低金属工作壁温达到200℃以上；第二，不经济，承压金属壁的设计温度越高，金属材料的强度性能下降，同等压力、同直径及同材料情况下，所需的金属厚度越厚；第三，维护成本高，设备服役一段时间后，耐火材料化学成分及组织结构改变，耐火材料导热系数升高，隔热性能下降后，就必须进行整体更换耐火材料，通常筑炉的成本与设备金属的制造成本相当，甚至还会略高。第四，存在不确定的安全风险，耐火衬里的可靠性太过依赖于施工质量，内衬结构的施工不可避免的会受空间原因而无法做到质量均一，即在运行过程可能会出现设备某处耐火衬里突然开裂，严重的时候出现大面积掉落，造成设备局部过热发生强度失效破坏，难以预见。

2、中国专利授权公告号cn 218058906 u，授权公告日2022年12月16日，发明专利的名称为水冷壁加压流化床气化炉，此专利公开了一种水冷壁加压流化床气化炉，其气化炉下部即密相反应段采用了水冷壁的冷壁结构，反应段采用此结构存在一定的安全风险。反应段内大量的物料颗粒呈现流化沸腾状态，同时中心管会喷射出大量的高速气体，气体在克服反应段床层的阻力的情况下，在上升的过程中会不断积聚——长大——破裂，如此反复一股一股，形成振动，这将会引起反应段的膜式水冷壁一起振动，而水冷壁是通过悬挂，或者几点支撑来固定于气化炉内部，产生的振动产生的力无法传递至外部，由水冷壁结构承担，最终会导致水冷壁的金属局部薄弱处的结构承受疲劳而开裂失效。

技术实现思路

1、本发明针对目前技术存在的缺点，减少炉壁热损失、减少设备总吨位、降低后期设备维护成本、降低风险发生概率，提供一种更加节能、低投资、低维护、更加安全可靠的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，包括：半水冷壁气化炉、前段输气管、绝热高温旋风分离器、后段输气管、余热回收锅炉、绝热返料管、料封阀。所述半水冷壁气化炉产生高温含尘粗煤气的经过前段输气管后，经绝热高温旋风分离器除去大颗粒粉尘后再通过后段输气管进入余热回收锅炉进行进一步热量回收并降温，旋风分离器捕集的粉尘颗粒通过绝热返料管进入料封阀后，依靠料位高度差产生的压强送入气化炉再次进行反应。

4、进一步改进为，半水冷壁气化炉，包括：密相绝热反应段、稀相辐射热回收段、汽室。所述密相绝热反应段由承压钢壳内设耐火材料衬里组成，反应物料堆积一定高度后在此段内进行流化沸腾态反应；所述稀相辐射热回收段由承压钢壳圆筒和钢管围成的水冷壁筒体同心安装组成，密相绝热反应段产生高温含尘粗煤气将在此段内进行初步的热量回收和粉尘沉降分离；所述汽室位于气化炉底部，提供反应所需的气化剂。

5、进一步改进为，所述的密相绝热反应段，包括：热壁筒体、反应物料的进料口，旋风分离器捕集粉尘的回料口。所述热壁筒体由承压钢壳内设耐火材料衬里组成；所述进料口轴线与水平面呈35°至75°夹角，且位于密相绝热反应段中下部靠近底部；所述回料口轴线与水平面呈30-60°夹角，且位于密相绝热反应段中下部靠近底部。

6、进一步改进为，所述的稀相辐射热回收段，包括：位于过渡段水冷壁上部的扩大段水冷壁、将过渡段水冷壁与扩大段水冷壁连接并密封的膨胀节、用于支撑扩大段水冷壁的中间固定支座、沿不同高度且周向均匀布置的位移导向架、设置于水冷壁与承压钢壳环腔内的保护气环管、用于隔绝高温粗煤气进入环腔的且起支撑过渡段水冷壁作用的密封环、沿不同高度且周向均匀布置的水冷壁除灰振打器。

7、进一步改进为，所述的汽室，包括：用于支撑反应物料的气体分布板、气化剂入口、由提供氧气通道的中心管和排渣管同心安装形成的落渣环腔。

8、进一步改进为，所述的前段输气管由承压钢壳圆筒和钢管围成的水冷壁筒体同心安装组成，包括：通过膨胀节连接的下段竖直输气管水冷壁和上段竖直输气管水冷壁，下段竖直输气管水冷壁底端内插于气化炉扩大段水冷壁上部的锥形或圆形收口内，通过控制两者形成的间隙环大小来调整通过的保护气量的大小，保持环腔与水冷壁围成内腔的压差的稳定，下段和上段竖直输气管水冷壁通过与钢壳连接的固定支座进行支撑；用于限制水冷壁位移方向的导向架；用于隔绝高温粗煤气进入环腔，同时具有位移补偿作用的密封膨胀节；用于吹扫水平输气管水冷壁下部积灰的吹灰器；用于隔绝半水冷气化炉水冷壁与气化炉钢壳的环腔内保护气的柔性密封隔板，限制环腔保护气容积，有利于压差控制；在靠近柔性密封隔板处设置环腔的保护气入口。

9、进一步改进为，所述的绝热高温旋风分离器由承压钢壳内设高温耐磨衬里和水冷壁中心筒组成，所述水冷壁中心筒由1～4组钢管螺旋盘绕而成，也可由钢管并列弯曲通过扁钢连接而成，与含尘粗煤气接触侧表面均涂覆一层厚度为10-50mm耐高温、高导热系数的耐磨层，水冷壁中心筒底端低于旋风分离器气体入口下沿50-150mm。

10、进一步改进为，后段输气管由承压钢壳圆筒和钢管围成的水冷壁筒体同心安装组成，包括：上行竖直输气管水冷壁、通过膨胀节连接的水平前段输气管水冷壁和水平后段输气管水冷壁、下行竖直输气管水冷壁及保护气入口；所述上行竖直输气管水冷壁可与水冷壁中心管为一体，也可进行分段通过膨胀节连接；所述上行竖直输气管水冷壁底端，设置具有位移补偿作用的密封膨胀节，实现隔绝高温粗煤气进入环腔内的作用；所述水平段输气管底部设置用于吹扫水水冷壁下部积灰的吹灰器；所述保护气入口设置于靠近密封膨胀节处。

11、进一步改进为，所述的余热回收锅炉，粗煤气出口设置于余热回收锅炉下部锥体侧部靠上，锥体底部设置排灰口。

12、进一步改进为，所述的绝热返料管，承压钢壳内设高温耐磨衬里，为旋风补集的颗粒物提供输送通道，同时不降低颗粒物入炉反应初始的温度。

13、进一步改进为，所述的料封阀，承压钢壳内设高温耐磨衬里，由一个竖直段和两个相平行的斜段组成。所述斜段的轴线与水平夹角为30-60°；斜段两侧分别与返料管下端和气化炉回料口相连。

14、本发明的有益效果是：

15、气化炉稀相段及输气管段采用水冷壁辐射吸热结构，可代替余热回收锅炉蒸发段，虽然一定程度上增加了气化炉的投资造价，但从系统整体投资来说，大大降低余热锅炉的投资成本，也大大减少了耐火材料的后期维护成本。在工艺性能方面，进入旋风分离器的高温含尘气温度降低显著的可提高旋风分离效率，也减小了旋风分离器设备结构尺寸，为后续除尘系统降低负荷，减少投资。本发明为一种节能、低投资、低维护、低风险的流化床气化系统。

1.一种冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，包括：半水冷壁气化炉、前段输气管、绝热高温旋风分离器、后段输气管、余热回收锅炉、绝热返料管、料封阀。所述半水冷壁气化炉产生高温含尘粗煤气经过前段输气管后，经绝热高温旋风分离器除去大颗粒粉尘后再通过后段输气管进入余热回收锅炉进行进一步热量回收并降温，旋风分离器捕集的粉尘颗粒通过绝热返料管进入料封阀后，依靠料位高度差产生的压强送入气化炉再次进行反应。

2.根据权利要求1所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述半水冷壁气化炉、前段输气管和后段输气管包含水冷壁。

3.根据权利要求2所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述水冷壁由1-8组钢管螺旋盘绕而成，或者由钢管并列弯曲通过扁钢连接而成，或者两者组合而成。

4.根据权利要求2所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述半水冷壁气化炉包括：密相绝热反应段、稀相辐射热回收段、汽室；所述密相绝热反应段由承压钢壳内设耐火材料衬里组成；所述稀相辐射热回收段由承压钢壳圆筒和钢管围成的水冷壁筒体同心安装组成；所述汽室位于气化炉底部。

5.根据权利要求4所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述密相绝热反应段包括热壁筒体、反应物料的进料口，旋风分离器捕集粉尘的回料口。所述热壁筒体由承压钢壳内设耐火材料衬里组成；所述进料口轴线与水平面呈35°-75°夹角，且位于密相绝热反应段中下部靠近底部；所述回料口轴线与水平面呈30-60°夹角，且位于密相绝热反应段中下部靠近底部。

6.根据权利要求4所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述稀相辐射热回收段包括：位于过渡段水冷壁上部的扩大段水冷壁、将过渡段水冷壁与扩大段水冷壁连接并密封的膨胀节、用于支撑扩大段水冷壁的中间固定支座、沿不同高度且周向均匀布置的位移导向架、设置于水冷壁与承压钢壳环腔内的保护气环管、用于隔绝高温粗煤气进入环腔的且起支撑过渡段水冷壁作用的密封环、沿不同高度且周向均匀布置的水冷壁除灰振打器。

7.根据权利要求6所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述过渡段水冷壁围成的大端筒体直径是小端筒体直径的1.2至1.6倍，锥形夹角为30°-60°。

8.根据权利要求6所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述保护气环管由半圆形环形钢管与承压钢壳筒体连接，环管沿周向等距开设保护气分配孔，环管位置靠近隔绝高温粗煤气进入环腔的密封环；环腔保护气为惰性气体，或者为经过净化后的合成气体，保护气环管的压力高于稀相辐射热回收段内部压力。

9.根据权利要求4所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述汽室包括用于支撑反应物料的气体分布板、气化剂入口、由提供氧气通道的中心管和排渣管同心安装形成的落渣环腔。

10.根据权利要求1所述的冷热壁相结合的流化床气化自循环系统，其特征在于，所述料封阀的承压钢壳内设高温耐磨衬里，由一个竖直段和两个相平行的斜段组成。所述斜段的轴线与水平夹角为30-60度；斜段两侧分别与返料管下端和气化炉回料口相连。