CN101135432A

CN101135432A - 用于容纳和冷却合成气体的蒸汽发生器

Info

Publication number: CN101135432A
Application number: CNA2006101375113A
Authority: CN
Inventors: 基普林·C·亚历山大
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: CN101135432B

Abstract

一种用于容纳并冷却由煤气化工艺所产生的合成气体的蒸汽发生器，它采用辐射和对流表面，以及一个整体气化器，它以一种特殊的设置来实现低成本且紧凑的设计。

Description

用于容纳和冷却合成气体的蒸汽发生器

技术领域

本发明主要涉及煤的气化领域，特别地涉及用于容纳和冷却煤气化工艺所产生的合成气体的蒸汽发生器。

背景技术

燃烧固体燃料的整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂比起有竞争力的固体煤燃烧技术如粉煤燃烧兰金循环通常耗资巨大并且操作可行性和可靠性低。为使IGCC更具竞争力，有待改进的主要部件包括非冷却气化器以及辐射和对流合成气体冷却器。由于压力容器可容度及将其航运至大多数发电厂所在地的尺寸限制的经济性，辐射合成气体冷却器的设计具有一个整体外部尺寸的实际限度。在对容器直径的限制中，需要将用于冷却气体的辐射热交换蒸汽发生表面最大限度地紧缩，从而使辐射合成气体冷却器的整体高度最小。

授予Ziegler的美国专利No.4,768,470采用由蒸汽发生壁面构成的同轴烟道来缩短整体冷却器高度。这种设计为分离的烟道提供了独立的水回路从而提供独立的内部及外部烟道的提升、清理和检查。另一种由Babcock & Wilcox Company ca.于1992年提出的改进方法采用蒸汽发生壁面的一个单独烟道和悬挂于烟道内侧的附加蒸汽发生表面(“翼墙”)从而使表面面积最大同时缩短冷却器高度。其他的公司，如GHH Mann采用相同的设计。

现有的解决方案仍未将这一部件的成本降到具有竞争力的水平。采用最大商用燃气轮机的发电厂用来冷却合成气体的单个辐射冷却器的高度可超过150英尺高。一些发电厂的设计采用了两个冷却器，这样降低了整体高度却进一步增加了成本。另外，过多的气化器、辐射冷却器和对流冷却器已经以相当高的成本包括在发电厂设计中以改进发电厂的操作可行性。

现有用于对流合成气体冷却器的解决方案需要一个独立于辐射冷却器的部件，并用一个冷却烟道连接该两个部件。对流冷却器设计包括水和蒸汽管的设计(水或蒸汽在管内，气体在管外)(壳牌石油公司)以及火管的设计(气体在管内，水在管外)(Steinmueller和其他公司)。这两种设计都需要独立于辐射冷却器的压力容器外壳和水/蒸汽系统。依次在气体烟道内和对流冷却器入口处产生的湍流造成了难以处理的燃料灰污损源。

现有用于气化器的解决方案包括非冷却和冷却的耐火外壳。非冷却外壳(通用电气、Conoco和其他公司)已经经历了早期的失败和不断的替代。要使这些设计具有高可行性通常需要一个备用气化器系列，和/或在气化器维修过程中以很高的成本用油或气点燃燃气轮机。厚耐火材料非冷却设计的缓慢加热和冷却的次数延长了为维修或更换耐火材料而停机的时间。现有的冷却气化器设计(壳牌石油公司、未来能源公司)采用分离的具有耐火涂层的水或蒸汽发生回路以装入和储存气化气体。这些系统中的某些系统采用低压、强制循环冷却水系统，该系统隔绝发电厂蒸汽/水系统之外的热量，从而降低了效率。用于在与这种采用与下游冷却回路成一体的蒸汽发生表面的环境相同的燃烧环境中储存带有熔融炉渣的热固态燃料气体的现有技术包括Cyclone^TM点火锅炉(Babcock & Wilcox公司)。

因此很显然，开发一种经济、紧凑、可靠且结实的合成气体冷却器对具有商业规模的IGCC系统的未来是至关重要的。

发明内容

因此，本发明的一方面涉及一种用于从气化过程产生的合成气体中提取热量的合成气体冷却器。该合成气体冷却器包括具有入口和出口的壳体；容纳在壳体内用于接收合成气体的流体冷却内烟道；容纳在壳体内用于接收来自内烟道的合成气体的流体冷却外烟道；位于内烟道内用于冷却合成气体的辐射热交换表面；和将合成气体从外烟道向出口处输送的装置。

本发明的另一方面涉及一种配置了对流加热表面的如上所述的合成气体冷却器，其位于外烟道内，用于进一步冷却合成气体。

本发明的还一方面涉及一种不仅在同一外壳内采用辐射和对流加热表面而且组合为整体气化器的合成气体冷却器。

本发明所具有的各种新颖性特征在所附权利要求书中详细地指出并形成该公开内容的一部分。为了更好的理解本发明、它的操作优点和使用中得到的特殊好处，将参照附图并对本发明优选实施例进行详细说明。

附图说明

在附图中：

图1是本发明辐射合成气体冷却器的第一实施例的侧剖面示意图；

图2是沿图1的箭头2-2的方向得到的的剖视图；

图3是本发明辐射合成气体冷却器的第二实施例的侧剖面示意图，其中图示了对流加热表面的布置；和

图4是本发明辐射合成气体冷却器的第三实施例的侧剖面示意图，其中图示了整体气化器的布置。

具体实施方式

总的参见附图，其中在所有附图中相同的符号表示相同或功能相似的部件，特别参见图1，其中示出了本发明第一实施例的侧剖面示意图，它涉及一个辐射合成气体冷却器，通常用10表示。该合成气体冷却器10典型地是一个圆柱形容器，其纵轴垂直定向。在该实施例中，从位于冷却器10顶部的入口14为冷却器10供给来自气化器(未图示)的热合成气体12。气体12进入位于冷却器10内部的内烟道或围护区域16。内烟道由内围护墙18界定，优选为圆柱形，并典型地包括流体冷却管。管内工作流体可以是水、蒸汽或其混合物。除了形成内围护墙18的流体冷却管外，内烟道16还具有大量流体冷却的翼墙表面20，这些表面呈一体地悬挂于冷却器10内部使得翼墙20的相当大一部分暴露于引入的合成气体12，从而加热流经翼墙20的工作流体(还是水、蒸汽或其混合物)。翼墙20通常构造成相互邻接的平面管组结构，并具有用于分布或聚集流经翼墙20的工作流体的入口和出口总管或集管22。所设置的翼墙20的数量和布置将由热交换和其他因素决定。因此，尽管图2示出了围绕冷却器10的垂直纵轴布置六个(6)翼墙20的结构，也可以采用更多或更少数量的翼墙20以适应具体的热交换和冷却需求。当热的合成气体12向下流经内烟道16时，它被内围护墙18和翼墙20触口，同时在内烟道16的底部区域24合成气体12向上拐弯大致180度通过位于内围护墙18上的一个或多个开口26，并接着进入由内围护墙18和相同结构的外围护墙30界定的外烟道或围护区域28。这样外烟道28就具有大致环形的形状。如果需要，可以设置总管或集管32以使开口26的形成更容易。随后，通过外烟道28向上输送合成气体12，通过一个或多个开口34，然后通过合成气体出口36离开冷却器10。

内围护墙18和外围护墙30之间的距离，以及外围护墙30和形成冷却器10的外壳38之间的距离都将足够大，从而当冷却器10不工作时可以进入和检查。形成内和外烟道16、28的围护墙18、30各自都将优选被设置为具有独立的流路以提供个别的提升、清理和检查。所有的水/蒸汽发生表面将被布置成进行自然循环，避免对具有循环泵的强制循环系统的需求。沿内烟道16向下流动的热合成气体12中夹带的固体物往往会在底部区域24离开合成气体12，在这里合成气体12向上拐弯大致180度进入外烟道28。固体物落入位于冷却器10下部的水浴部38，从而使固体物冷却并通过固体物排出口40排出。如果需要避免由积聚的固体物造成的堵塞，可在底部区域24的开口26处设置吹灰器42，其中合成气体12在该区域拐弯180度进入外烟道30。

内和外烟道16、28与位于内烟道16内的翼墙20的组合使得冷却器10的整体高度显著低于任何一种单独的结构。在内烟道16内容纳翼墙总管22和另外的连接装置(未图示)的同时，为独立的内和外烟道16、28提供用于提升和清理的空间，将需要一种新的内烟道16设计，特别是在内烟道16的底部。

基于供给冷却器10的合成气体12的热量，也许需要另外的加热表面，用于实现这个目标的本发明的第二实施例在图3中示出。如本领域技术人员可以想到的，第二实施例与图1所示的第一实施例部分技术特征相同，并且其特殊之处在于具有如图所示位于外烟道28内的对流加热表面50的布置。该对流加热表面50可以水冷或蒸汽冷却，并且由布置成使合成气体12流经其外部的一个或多个管组组成。对流加热表面50的组可以环绕冷却器10的周边设置在外烟道28内的任何位置。在该实施例中一个特殊的特征是，对流加热表面50可以与具有内和外围护墙18、30的蒸汽发生表面各自采用同一个流路(一种整体的冷却方式)，从而消除对分离的冷却系统的需求。或者，对流加热表面50也可以采用分离的流路。在流过对流加热表面50之后，合成气体12经由开口34离开外烟道28，再经由气体出口36离开冷却器。可以设置吹灰器52来清理对流加热表面50以避免堵塞。

对流加热表面50消除了对独立于辐射冷却器10并与辐射冷却器10分离的对流冷却器部件的需求，以及对另外的具有弯折点的附加连接管、相同的压力容器可容度、以及在前述整体冷却方式的情况下一个独立的冷却系统的需求。从辐射冷却部分(内烟道16)向上穿过位于外烟道28内的对流加热表面50的合成气体12基本沿直线前进，从而使外烟道28的入口处气体湍流度最小。这就使不受控制的灰渣堵塞的可能性降到最低，并容许在对流加热表面50附近设置吹灰器52以对其进行清洁。这种设计与湍流和附随的不受控制的堵塞问题相比特别有益，上述堵塞问题典型地会在火管冷却器设计的入口管板处管子的突然入口遇到。

如果需要，应用于气化系统的结构和设备的进一步简化可以通过本发明的第三实施例来实现，如图4所示。如图所示，这种布置将组成界定出内烟道16的围护墙18的管组向上延伸，以便在冷却器10的上部区域形成一个整体的、流体冷却气化器围护区域60。这样整体气化器60就位于冷却器10内部，为内烟道16提供合成气体12。形成气化器围护区域60的围护墙62的管组具有耐火涂层64，以保护管组表面不被熔渣破坏并将气化器围护区域60的环境温度维持在足够发生适当的气化反应的温度。

按照本发明的气化器围护区域60克服了非冷却、耐火气化器以及现有技术中冷却气化器会遇到的问题。本发明通过将气化器围护区域60的冷却回路并入辐射冷却器10具有的同一流体冷却回路以改进先前的冷却气化器设计，消除了对分离的冷却系统的需求。这种设计也回收了从气化器围护区域60放出的热量，并将其传入气化装置的蒸汽/水系统，从而提高效率并在装置的寿命周期内适度的节约燃料成本。

对上述三种实施例中每一个的讨论都列出了其相对现有技术的技术优势。从商业的角度看，将内/外烟道和翼墙结合的设计理念通过显著地将低辐射合成气体冷却器的总体高度而显著地降低了成本。成本的降低不仅源于外部容器的成本降低，而且来自运输成本、燃料管道成本、钢结构成本以及现场构建部件的成本的降低。提供可分离的内和外烟道使维护成本最小。这对气化工艺冷却器非常重要，这种冷却器比传统粉煤装置中所使用的燃烧气体冷却器经受更恶劣的腐蚀环境并需要更多的维护时间。

对流加热表面和辐射冷却围护区域结合为一体减少了分离部件的成本。在此节约的成本非常显著，因为除节约了额外压力容器成本之外，还有简化的气体烟道和蒸汽/水管成本、钢结构成本以及建造成本的降低。由于减少或消除了对流冷却器堵塞，从燃烧固体燃料的高可行性而节约来的成本会比装置寿命周期内的所有对流冷却器的资金成本更多。

整体的、冷却气化器组合通过消除对分离的压力容器和一些冷却管路的需求而比分离的冷却气化器适度节约了成本。尽管它的资金成本可能比非冷却气化器略高一些，可以相信，采用固体燃料的高可行性将会显著地、大大地超越任何资金成本的差异。

从几个或所有这三种容许取消备用零件系列的设计理念的组合所获得的成本节约是显著的。此外，这样的节约超出了额外部件的范围，扩展到所有的支持设备和这些部件周围的钢结构以及建造它的建造成本。这样可以得出，由本发明带来的一个重要的、基本的改进涉及将独立的部件合并成一个整体的部件以使其紧凑、低成本、更可靠以及更易于维修。

尽管为了举例说明本发明原理的应用，已经说明并详细描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员可以想到本发明可在不脱离这些原理的基础上以权利要求所覆盖的本发明的形式进行改变。在本发明的某些实施例中，本发明的某些技术特征有时会在不相应使用其他技术特征时被用来获得好处。因此，所有这些改变和实施例都完全落入权利要求的范围之内。

Claims

1.一种用于从气化工艺所产生的合成气体中提取热量的合成气体冷却器，它包括：

具有入口和出口的壳体；

容纳在壳体内用于接收合成气体的流体冷却内烟道；

容纳在壳体内用于接收来自内烟道的合成气体的流体冷却外烟道；

位于内烟道内用于冷却合成气体的辐射热交换表面；和

将合成气体从外烟道向出口处输送的装置。

2.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，该合成气体冷却器包括位于合成气体冷却器的底部用于接收和冷却夹带在合成气体中的固体物的水浴部和用于从合成气体冷却器排出固体物的固体物排出口。

3.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，流体冷却内烟道由流体冷却管组所构成的围护墙组成。

4.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，流体冷却外烟道由流体冷却管组所构成的围护墙组成。

5.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，辐射热交换表面由流体冷却的翼墙表面组成，所述翼墙表面呈一体地悬挂于合成气体冷却器内部使得翼墙表面的相当大一部分暴露于引入的合成气体中。

6.如权利要求5所述的合成气体冷却器，其特征在于，翼墙表面由相互邻接的平面管组组成。

7.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，合成气体在从内烟道被输送到外烟道时在合成气体冷却器的底部区域拐弯大致180度。

8.如权利要求7所述的合成气体冷却器，其特征在于，合成气体被输送通过形成内烟道的围护墙上的一个或多个开口。

9.如权利要求8所述的合成气体冷却器，其特征在于，该合成气体冷却器包括设置在形成内烟道的围护墙上的一个或多个开口附近的吹灰器装置。

10.如权利要求4所述的合成气体冷却器，其特征在于，用于从外烟道向出口输送合成气体的装置包括形成外烟道的围护墙上的一个或多个开口。

11.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，外烟道基本上环绕内烟道。

12.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，该合成气体冷却器包括位于外烟道内用于冷却合成气体的对流加热表面。

13.如权利要求12所述的合成气体冷却器，其特征在于，对流加热表面包括一个或多个被设置成使合成气体流经管外侧的管组。

14.如权利要求12所述的合成气体冷却器，其特征在于，该合成气体冷却器包括设置在对流加热表面附近用于清理对流加热表面的吹灰器装置。

15.如权利要求1所述的合成气体冷却器，其特征在于，该合成气体冷却器还包括一个容纳在壳体内部用于产生合成气体的流体冷却整体气化器，所述整体气化器为内烟道供给合成气体。

16.如权利要求15所述的合成气体冷却器，其特征在于，整体气化器位于合成气体冷却器的上部区域并由流体冷却管组构成的围护墙组成。

17.如权利要求16所述的合成气体冷却器，其特征在于，流体冷却内烟道由流体冷却管构成的围护墙组成，形成内烟道的所述流体冷却管向上延伸以形成整体气化器的围护墙。

18.如权利要求16所述的合成气体冷却器，其特征在于，形成整体气化器的围护墙的流体冷却管涂覆有耐火涂层。