用于使煤气化的蒸汽发生器 【发明背景】
1．发明领域
本发明总的涉及煤气化器，特别是涉及一种用于将煤转化成有用的气体产品的新颖且实用的联合型整体式蒸汽发生器-煤气化器，同时可产生用于发电和／或供工艺过程需要的蒸汽。
2．相关技术的描述
图1-6示出了各种已知的煤气化器的构造，它们具有各种各样的结构、系统零部件和连接关系。
在1951年，巴布考克及威尔考克斯公司(B&W)向位于西弗吉尼亚州Morgantown镇的美国矿物局提供了一种大气压力的、吹氧或吹蒸汽的、排渣型、夹带流动的煤气化器。图1A示出了该装置。另外，B&W还向位于西弗吉尼亚州的Morgantown镇地美国矿物局提供了一种吹加压氧气和蒸汽的、排渣型、夹带流动的煤气化器，如图1B所示。在50年代早期，B&W为位于西弗吉尼亚州Belle城的E．I．DuPont de Nemours(杜邦)公司提供了一种半商业尺度的、大气压力的、吹氧和吹蒸汽的、排渣型、夹带流动煤气化器，如图2所示，随后在同一地方提供了一种商业尺度的煤气化器，如图3所示。在50年代中期，B&W对用于燃气轮机-蒸汽轮机联合循环的吹空气的、排渣型、夹带流动的气化进行了工程上的研究和试验工作。这导致了与通用电气公司的一个合作项目，其中一煤气化器(参见图4)在B&W的联合研究中心运行了3年以上(在60年代)。在1976年，B&W在宾夕法尼亚州的Hormer城建造了一个供双气体实验工厂用的煤气化器，该项目得到了美国能源部的赞助，如图5所示。在80年代，B&W还参与了与Koppers公司的合资项目，成立了KBW气化系统股份有限公司。KBW煤气化器及其辅助设备如图6所示。这些技术和设计是本发明的基础。
发明概要
本发明涉及一种用于将煤转化成有用的气体产品，特别是合成气体的新的、联合型整体式蒸汽发生器-煤气化器，同时产生可用于发电和／或供工艺过程需要的蒸汽。与此前任何一种设计相比，这种整体式蒸汽发生器-煤气化器都具有预料不到的、非常实用的优点。
因此，本发明的一个方面在于，提供一种整体式蒸汽发生器-煤气化器，它可以在由煤生产合成气体的同时，用煤气化过程所生成的热来产生蒸汽。这种整体式蒸汽发生器-煤气化器有一竖直细长的、全部焊接的、气密的外壳，该外壳具有由多个膜壁管面板制成的壁，这使其具有一种亚临界自然循环的设计。煤气化过程发生在外壳内，并且产生热的合成气体以及被传递给流过管板的水与蒸汽的热量。外壳将热的合成气体从其下部的燃烧器区域输送至一出口。在燃烧器区域设置有一双斜坡倾斜炉底板和一穿透底板的出渣口，以便去除煤气化过程中所产生的炉渣。在燃烧器区域的上方设置了一耐腐蚀区域，而在该耐腐蚀区域的上方设置了一个上部冷却区域。
有利的是，耐腐蚀区域的外壳壁包括双金属和／或复合膜管面板之一，而上部冷却区域的外壳壁可以只包括碳钢膜管面板。一多流道对流流道区域设置在上部冷却区域的上方，该多流道对流流道区域可限定一包含加热表面的区域，这些加热表面可以在合成气体沿其流过时从中吸取热量。较佳的是，对流流道区域包括一向上流流道和一向下流流道，用于将合成气体从上部冷却区域输送至出口。对流流道区域内的加热表面包括用于从合成气体中吸取热量的过热器表面和经济器表面。过热器表面包括位于向上流流道的副过热器表面和主过热器表面以及位于向下流流道的经济器表面。主过热器的一部分可以位于向上流流道和向下流流道两者内；具体地说，主过热器的入口列组可以位于向下流流道的顶部，而主过热器的出口列组可以位于向上流流道的顶部。最后，设置了一连接于对流流道区域之出口的除灰装置，以便将排出对流流道区域的合成气体中的灰烬分离出来，而除渣装置则连通于出渣口，以便接纳来自燃烧器区域的炉渣。
本发明的另一个方面涉及这样一种结构，即，其中燃烧区域的倾斜的炉底板和壁是由肋片管构成的，这些肋片管上具有被耐火材料所覆盖的销钉图案。较佳的是，肋片管是多向的管子。
还可以用各种已被证实的技术来对这种煤气化器进行预报和模拟，特别是对燃烧器的火焰、炉温和气化反应等。具体地说，这些模拟技术将影响燃烧器和燃烧器区域的设计结构。
因此，本发明的再一个方面涉及燃烧器相对于其穿过而进行燃烧的壁(即分别与它们相关的壁)的布置和取向。总的来说，在燃烧器区域内各偏置的燃烧器最好是设置在两个高度上，并将各燃烧器布置成穿过外壳的四壁而向内喷火燃烧。术语“偏置”是指一个壁上的一个燃烧器不直接对着相对壁上的另一燃烧器。每个偏置的燃烧器都布置成相对于外壳壁的一根垂直线成角度θ地穿过外壳的壁，角度θ在大约0度至25度的范围内。较佳的是，角度θ是大约15度至25度的非零值。
此外，在燃烧器区域内不仅各偏置的燃烧器设置在至少一个高度上，各燃烧器设置和布置成分别穿过外壳的一个壁而向内喷火燃烧，而且每个燃烧器在其相应的壁上至外壳的一个角的距离是大约相应壁之宽度的五分之一到三分之一。藉此，加上一个适当的θ值，就可以在外壳内产生能加强煤气化过程的涡流。
本发明的另一个方面在于双斜坡倾斜炉底板，它可取地包括多个K形锻件，这些锻件将形成倾斜炉底板的管子连接起来，并使它们流体连通于处在倾斜炉底板下方的总管。总的来说，每个K形锻件都将来自外壳的前后壁的两根管子机械地连接起来。
本发明的新颖特征将在构成本申请书之一部分的所附权利要求中指出。为了更好地理解本发明、它的工作优点和采用本发明可得到益处，下面将结合附图和较佳实施例来详细描述本发明。
附图简要说明
各附图中：
图1A是当年提供给美国矿物局的一种已知的大气压力煤气化器结构的侧视图；
图1B是当年提供给美国矿物局的一种已知的加压煤气化器结构的侧视图；
图2是类似于图1A和1B的视图，其示出了提供给DuPont公司的一种已知的半商业尺度的、大气压力的煤气化器结构；
图3是提供给DuPont公司的一种已知的商业尺度的、大气压力的煤气化器结构的立体图，其上一些部分被切除了。
图4是与通用电气公司共同研究和试验的、涉及燃气轮机-蒸汽轮机联合循环的另一种煤气化器结构的立体图，其上一些部分也切除了。
图5是为美国能源部在宾夕法尼亚州Homer城的双气体实验工厂研制的一种已知煤气化器结构的纵剖视图；
图6是一种已知的、更加成熟完善的煤气化器结构的立体图，其中有跨接在分开的煤气化器和热回收段之间的烟道；
图7是根据本发明的一联合型整体式蒸汽发生器-煤气化器装置的纵剖视图；
图8是图7所示型式的多个蒸汽发生器-煤气化器配置的俯视平面图，示出了两个蒸汽发生器-煤气化器并排布置的一种可能的配置；
图9是沿图7中的箭头9-9剖取的剖视图，示出了蒸汽发生器-煤气化器的另一个可选用的实施例，其中燃烧器相对于它们所穿过的外壳的壁(即与它们相关的壁)成一角度；
图10是图7中的蒸汽发生器-煤气化器的下部的放大剖视图，示出了一双斜坡倾斜炉底板结构，它采用出渣口底板“K”形锻件，将形成倾斜炉底板的各根管子机械地、流体地相互连接起来；
图11是图10所示型式的单个出渣口“K”形锻件的局部放大视图；
图12是图11所示的出渣口“K”形锻件的左视图(沿箭头12-12方向看)，示出了多个出渣“K”形锻件是怎样错位布置的以及与它们相关的炉底板管是怎样一个挨一个组装而形成双斜坡倾斜炉底板的；以及
图13是沿图12中的箭头13-13方向看的俯视平面图。
对较佳实施例的详细描述
请总的参见各附图，其中相同的标号表示功能相同或类似的部件，特别是在图7和8中，示出了根据本发明的、总的由标号10表示的整体式蒸汽发生器-煤气化器。该蒸汽发生器-煤气化器10采用了源于已有技术的各种构件，但是形成了一种与已有的任何一种单独或组合的结构相比具有出乎意料之优点的新的、有利的组合和配置。
如图7所示，该蒸汽发生器-煤气化器是一个大气压力的、吹氧(或含氧气体、或诸如蒸汽、空气、富氧空气、二氧化碳或类似物)的、为生产原始合成气体而设计的煤气化器。合成气体12可以进一步精练，并被制成例如氨气等，用于生产化肥、甲醇、CO、化学品和爆炸物等工业用原料。虽然图7仅示出了一单个的蒸汽发生器-煤气化器10，但熟悉本领域的人员应该理解，在某一特定的成套装置内可以采用两个或更多个蒸汽发生器-煤气化器10。图8示出了所述这一情况，其中有两个并列配置的蒸汽发生器-煤气化器10。这种整体式蒸汽发生器-煤气化器10的设计将各种已得到证实的技术相互结合在一个新的组合中，以满足设计的目的。
本发明的整体式蒸汽发生器-煤气化器10包括以下特征：
-全部焊接的气密外壳14；
-借助燃烧器区域16内和双斜坡倾斜炉底板18上的耐火材料覆盖层，而且可取的是利用倾斜炉底板18内的K形锻件和多肋的肋片管形成了密集间隔的销钉图案；
-位于倾斜的炉底板18上的出渣口20包括一出渣颈(slag neck)22；
-在燃烧器区域16之上的耐腐蚀区域24和采用双金属／复合膜管，具有一种向耐腐蚀区域24之上的上部冷却区域26内的较廉价的碳钢管的过渡；
-采用一标准的B&W鼓筒式锅炉RB-El PasoTM的炉壳和多流道对流流道28的设计，它具有标准的B&WRB-El PasoTM的结构支承件和适当的耐腐蚀防护，藉以将标准的副过热器(SSH)30、主过热器(PSH)32以及经济器(EC)34的加热表面定位在炉壳14的“占地面积”内，从而降低了设备的占地面积需要；
-采用了气化反应和炉温的预测；
-用于吹灰器和对流表面渗透的炉壁密封配置，有利于气密地的、可靠的运行；
-采用计算机流程图(CFD)，模拟地预报燃烧器火焰和特殊的流动图案，并预报各烧器火焰的相互作用；以及
-采用已被证实的渣箱36或浸没的拖链式输送器38来去除底部的炉灰。浸没的拖链式输送器还能作为防止炉中气体泄漏的压力密封件。
本发明的优点包括：利用的是已经被此前使用所证实的、而无需由本发明的组合或构造来证实的各种部件，为需要合成气体产品的工业提供了一种安全而可靠设备方案。本发明还利用计算机模拟来确定气化反应，用CFD模拟来确定炉焰图案、燃烧器的设计结构和安置、以及炉温曲线形状。这一技术领域内的进步过去一直没有被用于煤气化器的设计。
本发明可提供一个从燃烧器区域16到多流道对流流道区域28之出口40的完全水冷的、气密的外壳14。这种结构可以不再需要此前煤气化器设计(如图6所示)所需的跨接烟道，因而既可简化机械结构并减少维修需要又能形成一个可靠、紧凑的设计结构。
通过采用销钉／耐火材料、双金属和／或复合管、并且对对流表面的材料进行正确的选择，本发明还可产生更高的工作蒸汽温度和压力，从而取得更高的蒸汽循环效率。
如图7和8所示，直立细长、全部焊接、气密的外壳14具有四个壁，它们是由形成多个已知结构的膜壁管面板的许多管子制成的。自下而上，外壳14包括若干个区域：燃烧器区域16、耐腐蚀区域24、上部冷却区域26和多流道对流流道区域28。生产合成气体12的煤气化过程发生在外壳14内，主要发生在燃烧器区域16、耐腐蚀区域24和上部冷却区域26内，并产生可传递的热量，且产生流过形成外壳14之膜壁管面板的水与蒸汽的混合物，这种水和蒸汽的混合物与下降管中的水有一个密度差，这就使膜壁炉面板得到自然循环冷却。外壳14将合成气体12传送至多流道对流流道区域28的出口40。在燃烧器区域16的底部设置了一个双斜坡炉底板18，底板上具有一穿过它的出渣口20，该出渣口连接于一出渣颈22。出渣颈22使出渣口20连通于一出渣箱36，或者最好是连通于一浸没的拖链输送器38。
倾斜的炉底板18和燃烧器区域的各壁最好是覆盖了一个致密的销钉图案，这个销钉图案再被一层耐火材料覆盖，以保护管子免遭腐蚀环境的侵蚀。销钉图案是这样的，即，让各销钉穿过耐火层，以便进行传热。此外，倾斜的炉底板18和燃烧区域的各壁最好是用多肋的肋片管制成，以增强传热特性，并且防止这些管子上的热流使它们过热和失效。
请参见图7-9，在燃烧器区域16内，各偏置燃烧器42设置在两个高度上，至少一个(最好两个)有一射角，外壳的四个壁上都设置有穿过其喷火的燃烧器。术语“偏置”意味着一个壁上的燃烧器42不直接对着另一壁上的燃烧器42。每个燃烧器42均布置成穿过其相关的外壳14的壁进行燃烧，其与垂直于该壁的直线41所成的角度θ为大约0度至25度，最好是在大约15度至25度之间。
每个燃烧器在其相关的壁上至外壳14的一个角43的距离D是相关壁宽W的五分之一到三分之一。加上有一个恰当的θ值，就可在外壳14内形成一火焰涡流，藉以加强用来生产合成气体12的煤气化过程。
按照合成气体12从燃烧区域流向出口40的顺序，燃烧区域16的上方是：一耐腐蚀区域24，它最好具有用双金属和／或复合管制成的壳壁；一上部冷却区域26，它可以采用碳钢管；以及一多流道对流流道区域28，它限定了一包含若干个加热表面的区域，随着合成气体12流过这些加热表面，其从合成气体12吸取热量。多流道对流流道区域28包括一向上流流道44和一向下流流道46，以便将合成气体12从上部冷却区域26传送至出口40。对流流道区域28内的各个加热表面包括过热器(副过热器(SSH)30和主过热器(PSH)32)以及经济器(EC)34的表面，用以从合成气体12吸取热量。SSH 30和PSH 32的表面位于向上流流道44内，而EC 34的表面位于向下流流道46内。PSH 32的一部分可以既位于向上流流道44内，也位于向下流流道46内；特别是，PSH32的一列或多列进口可以设置在向下流流道46的顶部，而PSH 32的一列或多列出口可设在向上流流道44的顶部。
外壳14的后壁48的各个管子在标号50处分叉成两个部分向上，从而在对流流道区域28内形成多个向上流流道44和向下流流道46。这种设计特点是B&W的El PasoTM型辐射锅炉的一个方面，它消除了悬垂的对流通道，并且在锅炉外壳14的占地范围内包括了向上流流道44和向下流流道46。因此，形成后壁48的某些管子向内弯折得离开后壁48的平面而形成一个将向上流流道44和向下流流道46分开的分隔壁52。然而，由于形成壁52的某些管子进一步地弯折而在外壳14的顶部形成通道，因而合成气体12可以从向上流流道44进入向下流流道46。类似地，随着合成气体12向下流过向下流流道46，形成后壁48并且沿着后壁48的平面继续笔直延伸的某些管子也发生弯折而形成可使合成气体12从分叉部位50附近的出口40排出的通道，这一方式也类似于“B&W El PasoTM型锅炉的结构。对流表面管束由挡板壁上的凹槽支承，这样就将弯头隐藏在凹处，可以使侵蚀和腐蚀作用减至最小。
过热器30、32的所有盘管都是布置成可以将水泄放出去的，以防止蒸汽发生器-煤气化器10在启动过程中可能遭到的损坏。PSH 32是布置成相对于合成气体12的流向逆流的，以使传热所需的表面积为最小。SSH 30是布置成部分地平行于合成气体12的流向，以尽量降低金属温度和发生腐蚀的趋势。对流流道表面也布置成使气体的速度为最小，藉以降低与这种类型的类型的燃烧过程的高灰烬特性相关的、潜在的腐蚀损坏的危险。
蒸汽发生器-煤气化器10还包括一汽鼓54。导管59从汽鼓54通向蒸汽发生器-煤气化器10的外壳14的膜管面板的下联箱56(见图10)，另一些导管从外壳14的上联箱引出而回到汽鼓54。由于导管和联箱的尺寸设计得很恰当，所以可依靠自然循环来冷却炉壁而无需循环泵。
EC 34的入口连接于锅炉给水供应管(未图示)，而其出口连接于一通向汽鼓54的管道。汽鼓54还有一该技术领域已知的液位控制配置。又如锅炉技术领域还所周知，一蒸汽管从汽鼓54的顶部引向PSH 32的入口，还有一管道从PSH 32的出口引向SSH 30的入口。该管道设置有一喷水蒸汽降温器(未图示)，同时一锅炉给水管道从上述锅炉给水管道引向喷水降温器或者其它温控装置，如冷凝器。一过热蒸汽管道从SSH的出口引向这一设备的边界。因此可以从该管道抽取大约60巴的过热蒸汽。在这一管道和向喷水蒸汽降温器供应锅炉给水的管道之间可以设置温度控制装置。
由合适的供煤装置(未图示)和粉碎机(也未图示)将粉碎的煤供给至燃烧器区域16内的燃烧器42。二氧化碳构成了可将将粉煤从一供应点气动地输送至燃烧器的气动输送介质。每个燃烧器42还设置有一供氧管路。该蒸汽发生器-煤气化器10还包括供氮装置，它配备有一鼓风机，用以在系统启动／关停时吹洗这一系统。
在工作时，利用二氧化碳作为输送介质，以一种可控的速率，向每个燃烧器42气动地供应粉煤。一控制装置(未图示)可将二氧化碳的流量控制为一固定值。粉煤是被通过流动控制闸门和一流速量计量装置或配置而输送至各燃烧器42。粉煤是被送入一载送气体流(例如二氧化碳)，然后该气流将粉煤携带至各燃烧器42。同时，沿着流动管线将氧气供给至燃烧器42。各燃烧器42最好是所谓扩散型的，但也可以是预混合型的，其中氧气和粉煤的燃烧发生在蒸汽发生器-煤气化器10的外壳14的内部。温度通常为大约1400℃的炉渣由双斜坡倾斜炉底板10、出渣口20、出渣颈22和出渣箱36或拖链输送器38来激冷却硬化并拖送出去。
粉煤和氧气在外壳14内进行燃烧反应，产生含有一氧化碳和氢气的气态组份以及炉渣。更具体地说，是利用了亚理论比例的氧气。煤首先和氧气燃烧而生成高温的二氧化碳和水蒸汽。随后，这些气体与其余的煤反应而产生一氧化碳和氢气。气态组份(即合成气体12)作为一气体产品(温度典型地是大约200℃)经出口40从外壳14流出，并经过旋风除灰装置58。
现请参见图10-13，迄今为止尚未被用于气化器设计的本发明的另一个特征是双斜坡倾斜炉底板18，该炉底板最好是包括多个K形锻件60，这些锻件将形成倾斜炉底板18的许多管子连接起来，并使它们流体连通于倾斜炉底板18下面的总管或称联箱56。总的来说，每一K形锻件60都将来自外壳14的相对的前和后壁的两个管子连接起来，以形成双斜坡倾斜炉底板18。每个K形锻件60具有便于将多个出渣口“K”形锻件错位排列并将它们焊接在一起的平的侧面，以便将与它们相关的炉底板管彼此相邻地组装而形成双斜坡炉底板18。这种特殊型式的K形锻件是针对不同类型的环境即旋风炉膛环境而采用的。对于典型的旋风式锅炉而言，BW建议采用24"×36"的底板出渣口，大于原来的18"×24"的底板出渣口。增大底板出渣口尺寸是为了适应西方的高灰煤和／或具有高灰份融化温度的煤。虽然西方的煤通常具有较低的含灰百分比，但低燃烧辐射热量和灰特性会结合起来产生非常粘滞的炉渣，这可能导致底板出渣口的桥接和封闭。带有K形锻件60的双斜坡倾斜炉底板18实际上是一种用于超临界压力旋风锅炉底板的结构，而不是用于B&W El PasoTM型鼓筒式锅炉的结构。
在外壳14内燃烧生成的热量直接用来加热(也就是不受任何水激冷)沿外壳14的锅炉给水管流过的锅炉给水，而产生大约60巴的蒸汽，进而加热不断进入EC 34的锅炉给水，并且使来自汽鼓54的蒸汽在PSH 32和SSH 30中过热。
流量配置将氧气流量设定为能满足所需要的有用气体流量，有用气体的流量可借助该技术领域已知的、为气体产品中的一氧化碳和氢气设计的测量装置来测量。控制配置还能调整煤对氧的比率，以维持所生产的气体产品中所需的二氧化碳浓度。
在这种蒸汽发生器-煤气化器10中，所有废热都作为高压过热蒸汽而回收，无需外加水冷。如果需要，可以对从旋风分离器58流出的合成气体进行洗涂除尘。该蒸汽发生器-煤气化器10的压降是这样定的，即，可使合成气体12能以所需的压力送出，无需增压鼓风机。
这种蒸汽发生器-煤气化器10可以用在以一氧化碳和／或氢气或这两者作为原料的任何化学品的制造中。这类化学品包括氨气及其衍生物、甲醇及其衍生物乙酸及其衍生物等等。该蒸汽发生器-煤气化器10还可以构成一整体式发电设备的至少一部分。
可以相信，在蒸汽发生器-煤气化器10中，可以将所产生的理论废热的85％以上回收作为适于驱动蒸汽轮机的高压过热蒸汽，这里理论废热是定义为输入蒸汽发生器-煤气化器10的煤的热值小于气体、飞灰和排出气化器的炉渣的热值。
还可以相信，与已知的气化器相比，这种蒸汽发生器-煤气化器10能以更高的比例将煤转化成气体，从而减少产生的飞灰。此外，与在蒸汽发生器-煤气化器10中对产品气体进行激冷的已知生产过程相比，这种蒸汽发生器-煤气化器10可以显著降低电耗，不需要为激冷作为原料的气体而消耗水，并且生产过程的安全性也改善了。
此外，可以将在蒸汽发生器-煤气化器10中产生的、可能含有高腐蚀性组份的气体保持在一个完全水冷的外壳14中，直到合成气体12的温度降低到可能造成腐蚀的温度以下。通过选择一个适当的工作压力，可以将外壳14本身的温度保持为蒸汽发生器-煤气化器10的炉壁内的水的沸腾温度。为此，可以选择适当的材料来构造蒸汽发生器-煤气化器l0的炉壁，所述材料可以是通常用来构造现代的高压工业锅炉的材料。
虽然已经结合图示和描述的特定实施例详细阐述了本发明原理的应用，但应该理解，本发明也可以用其它方式来实施而不偏离本发明的精神。