塔盤式閃蒸-換熱一體化設備的制作方法

本發明涉及一種塔盤式閃蒸-換熱一體化設備。

背景技術：

以碳氫化合物為原料的氣流床生產煤氣過程中(如華東理工大學開發的多噴嘴對置式煤氣化技術,專利號US7862632B2，ZL98110616.1，ZL01210097.8，ZL200510111484.8，ZL200810039551.3)，從氣化爐出來的合成氣經過冷卻水分級冷卻和洗滌后，合成氣中所夾帶的灰渣幾乎全部轉移到液相中，該含渣水也被稱為黑水；這些近乎飽和的渣水溫度為220～250℃，固體濃度約1wt％，壓力為2.0～10.0MPa。為了節約水資源和減少排放，含渣水應循環使用。但由于水處理技術中絮凝劑耐溫性能的限制，含渣水只有降溫后才能實現凈化。因此，需要對含渣水進行熱量回收和固渣分離，以實現能量的有效利用，節省水資源。

含渣水熱量回收技術中，德士古發展公司申請的中國專利CN94117093.4(授權公告號CN1037503C)公開了一種多級閃蒸(高壓閃蒸，中壓閃蒸，低壓閃蒸和真空閃蒸)和多級換熱器結合氣液分離罐來回收工藝含渣廢水熱量的工藝方法；整個渣水系統工藝流程較為復雜，且由于閃蒸出來的蒸汽必然會夾帶部分細渣，在間壁式換熱器回收熱量時，細渣定會停滯和積留在換熱器表面上，直接影響換熱效果，故必須及時清理，由此帶來很大的維護工作量。

華東理工大學所申請的中國專利CN01239007.0(授權公告號CN2474538Y)公開了一種回收含渣廢水熱量的熱水塔，將旋流閃蒸室和直接接觸換熱的熱水室耦合在一個塔器內；該技術選擇填料作為強化傳熱的塔內部構件，雖然其熱質傳遞效果理想，但長期使用會導致填料表面積累細渣而堵塞，從而使氣液接觸面積減小，影響熱質傳遞效率，因此工作人員需要 在3～4個噴嘴的使用周期(一年左右)之后進行停車清理和更換填料。填料的清洗不但需要高壓水，而且填料的裝卸工作量較大，耗費大量人力，另外填料還會對現場環境造成一定的影響。

技術實現要素：

本發明要解決的是現有技術難以同時滿足含渣廢水熱量回收、灰水利用、廢渣分離等三方面的工藝要求，以及換熱器堵塞、填料更換的問題，提供了一種用于高壓帶溫含固廢水能量回用的閃蒸-換熱一體化設備。

本發明主要通過以下技術方案解決上述技術問題：

一種塔盤式閃蒸-換熱一體化設備，包括一塔體(1)，所述塔體(1)通過塔體隔板(2)分為下部的蒸發室(3)和上部的熱水室(4)，所述塔體(1)上還設有含固廢水進口管(11)、蒸汽出口(12)、進水口(13)、熱水出口(14)、廢水排放口(15)和廢渣出口(17)，所述塔體(1)的內部設有升氣管(31)；所述塔盤式閃蒸-換熱一體化設備的內部還設有塔盤(5)，所述塔盤(5)位于所述熱水室(4)的換熱段(41)內，所述塔盤(5)位于進水口分布器(42)的下方，所述塔盤(5)還包括降液管(51)和罩帽(52)。

本發明中，塔盤作為汽液接觸元件，采用常規的機械方法安裝在隔板上部的熱水室內，其主要作用是使上升的蒸汽與下降的液體在塔板上充分接觸，提高傳熱傳質效率，大部分蒸汽被液體冷凝，少量蒸汽及不凝性氣體從塔頂排出，液體大部分從溢流堰流向下一塊塔盤，最后由熱水出口排出，進入系統循環使用。

較佳地，所述塔盤(5)是固閥塔盤、篩板塔盤、浮閥塔盤或噴射塔盤中的一種。

較佳地，所述塔盤(5)的塔板數為1-10，優選地為2-5。

較佳地，所述塔盤(5)的堰高為30-120mm，優選地為40-80mm。

較佳地，所述塔盤(5)的堰長與塔徑比l_w/D為0.40-0.90，優選地為0.65-0.75。

較佳地，所述塔盤(5)的孔徑d₀為10-100mm，優選地為30-60mm。

較佳地，所述塔盤(5)的孔中心距與孔徑比t/d₀為2.0-6.0，優選地為2.5-3.5。

較佳地，所述塔盤(5)的開孔高度為2-20mm，優選地為6-15mm。

較佳地，所述塔盤(5)的氣相動能因子F為6-15，優選地為7-12；所述氣相動能因子的計算方法本領域技術人員均知其為本領域常規方法，如下所示：F＝W₀×(ρV)^1/2，其中F為氣相動能因子，W₀為氣相表觀速度，ρV為氣相密度。

所述塔盤(5)的孔數為本領域常規使用，一般是基于所述的氣相動能因子和根據實際生產目標所定的流量范圍，按本領域常規方法計算得到；首先確定一氣相動能因子F，根據所述氣相動能因子的計算方法得到氣相表觀速度W₀，再根據生產目標所定的總流量除以氣相表觀速度W₀與孔徑的乘積得到孔數；在實際生產過程中根據具體流體情況的不同及所采用的擬合公式的不同，可在上述方法的基礎上采用常規試差法確定所述孔數。

較佳地，所述降液管(51)的寬度與塔徑比W_d/D為0.04-0.3，優選地為0.12-0.18。

較佳地，所述降液管(51)的面積與塔面積比A_f/A_T為0.015-0.25，優選地為0.075-0.095。

較佳地，所述降液管(51)的底隙高度為20-150mm，優選地為30-70mm。

本發明中，所述蒸發室(3)的上部設有含固廢水進口管(11)，按本領域常規用于通入經減壓閥減壓后的高壓帶溫含固廢水；所述含固廢水進口管(11)按本領域常規方式設置，既可以兩個進口管按塔體徑向對稱形式分布，也可僅設置單個進口管，以實際情況為準。

本發明中，所述升氣管(31)按常規方法設置，用于將蒸發室(3)減壓閃蒸產生的蒸汽導流送入上部熱水室(4)內。

較佳地，所述升氣管(31)的下部位于所述蒸發室(3)內，所述升氣管(31)的上部位于所述熱水室(4)內、所述塔盤(5)的下方，所述升氣 管(31)的上部設有布汽帽(32)；更佳地，所述升氣管(31)的數量為1-5，因為上升蒸汽還有部分灰渣，升氣管(31)的數量不宜多；更佳地，所述塔體隔板(2)的上方設有固定所述升氣管(31)的筋條(33)；更佳地，所述布汽帽(32)的形狀為方形或錐形，優選地為錐形。

本發明中，所述進水口分布器(42)按本領域常規一般設于所述進水口(13)的下方，用于使進入塔體的較干凈的低溫水能均勻分布。

較佳地，所述進水口分布器(42)是管式液體分布器、槽式液體分布器、盤式液體分布器或噴射式液體分布器中的一種。

本發明中，所述熱水室(4)的內部較佳地設有除沫器(43)，所述除沫器(43)位于所述進水口(13)和所述蒸汽出口(12)之間，用于除去排出設備的未凝酸性蒸汽中夾帶的霧沫，減輕后系統負擔；更佳地，所述除沫器(43)是絲網除沫器或旋流板除沫器中的一種。

本發明中，較佳地，所述蒸發室(3)的直徑和所述熱水室(4)的直徑為等徑或異徑。

本發明中，所述蒸汽出口(12)按本領域常規一般設于塔體(1)的頂部，用于排出廢水能量回用過程中產生的不凝性蒸汽。

本發明中，所述進水口(13)按本領域常規一般設于塔體(1)的熱水室(4)上部，用于向塔體中通入低溫水。

本發明中，所述熱水出口(14)按本領域常規一般設于熱水室(4)的換熱段(41)下方，用于吸收了幾乎全部蒸汽熱量的清潔熱水離開本設備，實現凈水的工藝系統的循環回用。

本發明中，所述廢水排放口(15)按本領域常規一般設于蒸發室(3)的下部，用于排放廢水。

較佳地，所述蒸發室(3)的錐段側面設有一備用廢水排放口(16)，用于輔助排放廢水。

本發明中，所述廢渣出口(17)按本領域常規一般設于蒸發室(3)的錐段底部，用于排放廢水能量回用過程中產生的廢渣。

在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本發明各較佳實例。

本發明的積極進步效果在于：

(1)本發明將蒸發室與熱水室耦合，采用旋流導向式閃蒸汽入口和結構簡單、具有自清潔功能的塔盤型式，在單一塔內同時實現了含固廢水的閃蒸、固相分離和潔凈水的升溫等過程，各過程相互關聯，設備集成度高，大大簡化了含固廢水回用的工藝流程；

(2)本發明還有效提高了塔內的傳熱面積和熱傳遞效率，還克服了間壁式換熱器易結垢、堵塞的缺點，極大程度減輕了更換、清洗填料的維護工作和費用，具有優良的適應性、可靠性和較大的操作彈性，提升了系統回用水的品質，進一步提高了系統的能量利用率，減少系統水循環量，節約能源、降低消耗、無環境污染等問題；

綜上，本發明為以煤、石油焦、生物質、工業廢棄物等含碳氫物質為原料的氣流床生產煤氣過程中含渣廢水或其他工業領域中高壓帶溫含固廢水的綜合回用提供了一種長周期、安全、穩定運行的工藝保障，具有良好的技術經濟效益和環保效益。

附圖說明

圖1為本發明塔盤式閃蒸-換熱一體化設備較佳實施例的結構示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例的方式進一步說明本發明，但并不因此將本發明限制在所述的實施例范圍之中。

如圖1所示，一種塔盤式閃蒸-換熱一體化設備，包括一塔體1，所述塔體1通過塔體隔板2分為下部的蒸發室3和上部的熱水室4，所述塔體1上還設有含固廢水進口管11、蒸汽出口12、進水口13、熱水出口14、廢水排放口15、備用廢水排放口16和廢渣出口17，所述塔體1的內部設有升氣管 31；所述塔盤式閃蒸-換熱一體化設備的內部還設有塔盤5，所述塔盤5位于所述熱水室4的換熱段41內，所述塔盤5位于進水口分布器42的下方，所述塔盤5還包括降液管51和罩帽52；所述塔體1的內部設有一升氣管31，所述升氣管31的下部位于所述蒸發室3內，所述升氣管31的上部位于所述熱水室4內、所述塔盤5的下方，所述升氣管31的上部設有布汽帽32；所述塔體隔板2的上方設有固定所述升氣管31的筋條33；所述布汽帽32的形狀為錐形；所述熱水室4的內部設有除沫器43，所述除沫器43位于所述進水口13和所述蒸汽出口12之間。

上述塔盤式閃蒸-換熱一體化設備運行方法如下：

高壓帶溫的含固廢水經安裝在含固廢水進口管11前減壓閥減壓后，旋流進入蒸發室3，由于壓力突降并在旋流作用下，含固廢水中大量液相水瞬時閃蒸為較為干凈的蒸汽，該閃蒸蒸汽還會帶有小部分細灰，而含固廢水的顯熱亦同時轉化為蒸汽潛熱；在密度作用下，蒸汽通過升氣管31及其上段的布汽帽32導流后均勻進入位于蒸發室3上部的熱水室4，濃縮后的含渣廢水進入蒸發室3下方的液相主體儲槽，由廢水排放口15或16排出，進入后續工段；

蒸汽進入熱水室4中的換熱段41并通過塔盤5，與從上部經進水口13以及進水口分布器42流下的溫度較低的潔凈水在塔板上進行直接的接觸，發生同時的傳質傳熱過程，蒸汽中含有的飛灰大部分被潔凈水洗滌下來，潔凈水吸收蒸汽的潛熱熱量后通過降液管51向塔盤下方流動，較高溫度的潔凈水由熱水出口14流出設備，作為系統回用水循環使用，少量不凝性氣體由塔頂經除沫器43從蒸汽出口12排出。

實施例1

本實施例的塔盤式閃蒸-換熱一體化設備的具體結構設置如圖1所示；除此之外，塔體直徑為3400mm，下部的蒸發室和上部的熱水室采用同徑，蒸發室高度7300mm，熱水室高度13200mm；同一周向上設置2個含固廢水進口管內徑600mm，含固廢水進口管插入筒體深度450mm，半圓柱體導向 開口夾角70°；升氣管直徑700mm，長度約8000mm，共1根；熱水室換熱段內設置7層固閥塔盤，板間距700mm，每層塔盤上有420-600個開孔高度為8-12mm、孔徑為38-50mm的固閥，孔中心距與孔徑比t/d₀為4.0；每層塔盤的堰高90mm，底隙高度70mm，堰長2157mm；降液管寬度387mm，降液管面積0.45m²；塔盤與氣體出口間設置一旋流板除沫器。

以日處理2000噸水煤漿氣化系統為例，用單一的上述塔盤來處理系統內全部高壓含固黑水。來自前系統的含固黑水總流量230t/h、含固量～0.9％，壓力4.08-3.96MPa、溫度220-225℃；所述含固黑水分二股，經安裝在含固廢水進口管前端的減壓角閥減壓至0.45MPa后，從含固廢水進口管進入閃蒸室，蒸汽攜帶黑水沿蒸發室筒壁產生旋轉，在離心力的作用下，含灰渣的黑水與筒壁接觸形成液膜，邊蒸發邊向下流動；旋轉的氣流同時進行蒸發過程。蒸發量最大值由蒸發壓力、溫度、進口水流量決定，閃蒸出的蒸汽流量約為40220Nm³/h(32.5t/h)，溫度155℃；黑水中的灰渣絕大部分進入濃縮后的液相，該黑水流股的流量198t/h，溫度155℃，壓力0.45MPa，含固量1.1％，從廢水排放口進入后序的真空閃蒸器進行進一步的閃蒸分離處理。

含有較高潛熱的閃蒸蒸汽經升氣管從布汽帽出來進入熱水室；而待加熱的冷水流量為156t/h，溫度為～78℃，則從熱水室上部進水口經槽式液體分布器分布后進入熱水室的換熱段。在設置在換熱段的7層塔盤上，上行的蒸汽與下行的冷水進行直接接觸，發生熱量、質量的同時傳遞過程，吸收了蒸汽潛熱的冷水成為熱水，流量增加為179t/h，溫度則上升至153℃，這股含一定溫位、潔凈的熱水從熱水出口離開熱水室，供前序系統循環使用，而含有不凝性氣體的少量蒸汽(9.5t/h)則從塔頂蒸汽出口離開，經后系統處理后進酸性氣火炬放空。

實施例2

本實施例的塔盤式閃蒸-換熱一體化設備的具體結構設置如圖1所示；除此之外，塔體直徑為2500mm，下部的蒸發室和上部的熱水室采用同徑，蒸發室高度6300mm，熱水室高度9200mm；同一周向上設置2個含固廢水 進口管內徑300mm，含固廢水進口管插入筒體深度330mm，半圓柱體導向開口夾角30°；升氣管直徑350mm，長度4000mm，共4根，成環形均布于塔內；熱水室換熱段內設置1層篩板塔盤，板間距500mm，每層塔盤上有220-300個開孔高度為2-6mm、孔徑為10mm的篩孔，孔中心距孔徑比t/d₀為2.0；每層塔盤的堰高30mm，底隙高度20mm，堰長1000mm；降液管寬度100mm，降液管面積0.073m²；塔盤與氣體出口間設置一絲網除沫器。

以日處理600噸水煤漿氣化系統為例，用單一的上述塔盤來處理系統內全部高壓含固黑水。來自前系統的含固黑水總流量156t/h、含固量～0.6％，壓力3.95MPa、溫度214℃；所述含固黑水分二股，經安裝在含固廢水進口管前端的減壓角閥減壓至0.50MPa后，從含固廢水進口管進入閃蒸室，蒸汽攜帶黑水沿蒸發室筒壁產生旋轉，在離心力的作用下，含灰渣的黑水與筒壁接觸形成液膜，邊蒸發邊向下流動；旋轉的氣流同時進行蒸發過程。蒸發量最大值由蒸發壓力、溫度、進口水流量決定，閃蒸出的蒸汽流量約為24700Nm³/h(20.0t/h)，溫度158℃；黑水中的灰渣絕大部分進入濃縮后的液相，該黑水流股的流量144t/h，溫度158℃，壓力0.50MPa，含固量0.8％，從廢水排放口進入后序的真空閃蒸器進行進一步的閃蒸分離處理。

含有較高潛熱的閃蒸蒸汽經升氣管從布汽帽出來進入熱水室；而待加熱的冷水流量為109t/h，溫度為～75℃，則從熱水室上部進水口經管式液體分布器分布后進入熱水室的換熱段。在設置在換熱段的5層塔盤上，上行的蒸汽與下行的冷水進行直接接觸，發生熱量、質量的同時傳遞過程，吸收了蒸汽潛熱的冷水成為熱水，流量增加為127t/h，溫度則上升至156℃，這股含一定溫位、潔凈的熱水從熱水出口離開熱水室，供前序系統循環使用，而含有不凝性氣體的少量蒸汽(2.0t/h)則從塔頂蒸汽出口離開，經后系統處理后進酸性氣火炬放空。

實施例3

本實施例的塔盤式閃蒸-換熱一體化設備的具體結構設置如圖1所示；除此之外，塔體直徑為3800mm，下部的蒸發室和上部的熱水室采用同徑， 蒸發室高度7800mm，熱水室高度9800mm；同一周向上設置2個含固廢水進口管內徑600mm，含固廢水進口管插入筒體深度400mm，半圓柱體導向開口夾角45°；升氣管直徑550mm，長度約7500mm，共5根；熱水室換熱段內設置10層浮閥塔盤，板間距700mm，每層塔盤上有250-520個開孔高度為15-20mm、孔徑為100mm的浮閥，孔中心距與孔徑比t/d₀為6.0；每層塔盤的堰高120mm，底隙高度150mm，堰長3420mm；降液管寬度1140mm，降液管面積2.83m²；塔盤與氣體出口間設置一旋流板除沫器。

以日處理3100噸水煤漿氣化系統為例，用單一的上述塔盤來處理系統內全部高壓含固黑水。來自前系統的含固黑水總流量318t/h、含固量～1.6％，壓力3.90MPa、溫度222℃；所述含固黑水分二股，經安裝在含固廢水進口管前端的減壓角閥減壓至0.50MPa后，從含固廢水進口管進入閃蒸室，蒸汽攜帶黑水沿蒸發室筒壁產生旋轉，在離心力的作用下，含灰渣的黑水與筒壁接觸形成液膜，邊蒸發邊向下流動；旋轉的氣流同時進行蒸發過程。蒸發量最大值由蒸發壓力、溫度、進口水流量決定，閃蒸出的蒸汽流量約為53700Nm³/h(43.5t/h)，溫度158℃；黑水中的灰渣絕大部分進入濃縮后的液相，該黑水流股的流量272.4t/h，溫度158.8℃，壓力0.50MPa，含固量1.8％，從廢水排放口進入后序的真空閃蒸器進行進一步的閃蒸分離處理。

含有較高潛熱的閃蒸蒸汽經升氣管從布汽帽出來進入熱水室；而待加熱的冷水流量為248t/h，溫度為～74℃，則從熱水室上部進水口經盤式液體分布器分布后進入熱水室的換熱段。在設置在換熱段的7層塔盤上，上行的蒸汽與下行的冷水進行直接接觸，發生熱量、質量的同時傳遞過程，吸收了蒸汽潛熱的冷水成為熱水，流量增加為288t/h，溫度則上升至156℃，這股含一定溫位、潔凈的熱水從熱水出口離開熱水室，供前序系統循環使用，而含有不凝性氣體的少量蒸汽(5.6t/h)則從塔頂蒸汽出口離開，經后系統處理后進酸性氣火炬放空。

效果實施例1

以單系列6.5MPa水煤漿氣化裝置為例，將實施例1與中國專利 CN01239007.0中應用了閃蒸-直接換熱技術的填料式熱水塔(現有技術1)、及中國專利CN94117093.4中應用了閃蒸-間接換熱技術的工業裝置(現有技術2)的運行主要數據比較結果如表1所示。

表1 6.5MPa水煤漿氣化裝置渣水處理系統主要操作數據比較

由表1可見，相比現有技術1中應用閃蒸-直接換熱技術的填料式熱水 塔，實施例1的塔盤式閃蒸-換熱一體化設備回收的灰水的懸浮物濃度低、水質較好，且實施例1中換熱得到的灰水溫度稍高于現有技術1，考慮到現有技術1中填料式熱水塔的維護成本，實施例1的塔盤式設備結構運行與維護成本均較低，且能達到甚至略超過現有技術1的技術效果，因此比之現有技術1更具實際應用的意義。

而相比現有技術2的閃蒸-間接換熱工藝流程，實施例1閃蒸蒸汽量大，雖待加熱的灰水溫度為77℃，比現有技術2通過間接換熱得到的灰水溫度109℃要低，但經過熱量回收后，實施例1產出灰水的飽和溫度為172℃，而現有技術2回收得到的灰水飽和溫度僅為123℃，氣化系統運行一段時間后，該溫度會進一步降低至約50℃；現有技術2的氣化規模較小，但反而效果不如實施例1；此外，實施例1出氣化界區的合成氣水氣比為1.50，而現有技術2為1.31，實施例1相比現有技術2提高了15％，氣化界區節能折合標煤約1.4萬噸/年；綜上，實施例1相比現有技術2更節能減耗。

如上所述，高壓帶溫的含固廢水經過實施例1的閃蒸-換熱一體化設備后，同時實現了熱量回收、凈水回用和廢固分離，該過程流程簡單、投資省，是一項節能減耗、具有良好環保效益的技術。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的保護范圍。