一种气固分离设备及系统
技术领域
本实用新型涉及气体净化除尘技术领域，尤指一种气固分离设备及系统。
背景技术
在煤或石油焦气化过程中，粉煤或焦在气化炉内经过气化反应后，会生产粗合成气和固体颗粒。大尺寸固体颗粒在自身重力作用下，会落到气化炉的底部并排出气化炉，小粒径固体颗粒(简称干灰)会随着高温粗合成气一起进入后续系统，干灰会对后续设备产生磨蚀和堵塞，影响系统的正常运行，因此需要对夹带干灰的粗合成气进行气固分离。
目前壳牌气化技术采用飞灰过滤器进行气固分离，分离出的干灰采用高压氮气进行气提和冷却，整个飞灰脱除系统复杂，操作难度高。
现有技术中还有选择旋风分离器进行干灰分离，而旋风分离器往往对粒径较大的固体颗粒具有较好的分离效果，而对于微细固体颗粒分离效果不好，由于其粒径小和质量轻的特性，导致收灰困难，因此采用传统的旋风分离器很难达到较好的分离效果。
对于高温带压、易燃易爆、杂质浓度高、粉尘粒径小(小于5～10μm)且易磨损易粘附易堵塞等工况条件，单一除尘机理的设备均无法满足气体高效净化的要求，结合湿法除尘及离心除尘两者机理成为最为合理的选择。
旋风分离器是利用气态非均一系，在作高速旋转时所产生的离心力，将粉尘从气流中分离出来的一种气固(液)分离设备。由于颗粒所受的离心力远远大于重力和惯性力，所以旋风分离器能经济地分离的最小粒径可达到5～10μm。此外，旋风分离器结构比较简单，操作、维护方便，性能稳定，又不受含尘气体的浓度、温度及物性等限制，且造价较低，所以已广泛地应用于石油、化工、煤炭、电力、环保及冶金等工业生产中。
干法旋风分离器对于粒径小于5μm的细微粉尘分离效果仍然不理想，原因在于粒径很小的颗粒在离心力的作用下被甩到壁面，到达壁面后很容易因壁面粗糙而弹跳至旋风中心环流区(即旋风内旋流)，从而被气流带出旋风分离器。另外、含尘气体在带压的工况条件下，气相露点温度会提高，此时容易出现结露现象，细颗粒粉尘流动性本身就差，细粉结露致使旋风排料更加不畅，易导致旋风子出现堵塞情况，从而影响旋风分离器的连续稳定运行。
湿法旋风分离器目前在工业生产中已有少量应用，如中国专利申请公开的湿法多管旋风分离器，公告号为CN 105750100 A，该湿法多管旋风分离器，包括多个旋风子，旋风子位于分离器筒体内的上下隔板之间，旋风子的排气部件插设在上隔板中，旋风子的排污部件插设在下隔板中，旋风子的进气部件位于上下隔板之间，前置文丘里雾化器，文丘里雾化器连接安设在上下隔板之间的分离器筒体的外侧壁上并与分离器筒体的内部气路连通的气体进口并与气体进口气路连通，文丘里雾化器的喉管位置设置有加液口。
另外，如中国专利申请公开的湿式多管旋风除尘器和具有上述除尘器的除尘系统，公告号为CN103157561A，该湿法多管旋风除尘器采用在进风管内用喷头喷水，喷淋出的水雾与气体充分混合后进入旋风子分离，多管旋风除尘器的排尘管插入水箱内进行密封，排出的水和灰尘直接排到水箱，水箱作为储水容器,净化后的气体从排风口排出。上述除尘器虽然能够实现比干法操作要高的除尘效率，但是也存在诸多缺陷：(1)该除尘器内水雾是由位于进风管内固定的喷头喷出的，喷头喷出的水雾化效果不理想，水雾难以与含尘气体充分混合，同时水雾不能均匀的进入旋风子，进而影响分离效果。(2)该除尘器的结构不适用于高温带压的工况，同时对高浓度粉尘分离效果差，使用具有局限性。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本实用新型实施例提供了一种气固分离设备及系统，能有效去除气体中的粉尘颗粒和其它杂质，大大提高了分离器的分离效率，其能适用于高温带压气体的净化，且设计巧妙，结构简洁，制造及维护成本低。
为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种气固分离设备，所述气固分离设备包括：旋风室101及收灰室102，所述旋风室101设置于所述收灰室102上方；
所述旋风室101包括：第一壳体10、进气管11、隔板12、旋分子13、第一气体进出口N2及第二气体进出口N1、松动风进口N4、锥形灰斗15；所述锥形灰斗15设置于所述旋风室101底部，所述第一气体进出口N2设置于所述第一壳体10侧壁，所述第二气体进出口N1设置于所述第一壳体10上壁，所述第一气体进出口N2与所述进气管11连通，所述进气管11与所述旋分子13连通，所述下降管14设置于所述锥形灰斗15底部，所述松动风进口N4与所述锥形灰斗15连通；
所述收灰室102包括：第二壳体16、抽引气出口N5、工艺水进口N6、黑水出口N7和排净口N8，所述排净口N8设置于所述第二壳体16底部。
可选的，所述下降管14内周向设置多个喷头，和/或所述旋风室101内的旋分子13为多个，每个旋分子13与进气管11连通。
可选的，所述旋风室101内衬设隔热耐磨衬里，并且所述旋风室101还包括:烧嘴接口N3。
可选的，所述第一壳体与10所述第二壳体16一体式设置或者分开设置。
本实用新型实施例还提供了一种气固分离系统，所述气固分离系统包括一级或者两级以上气固分离设备，所述一级或者两级以上气固分离设备包括：旋风室101及收灰室102，所述旋风室101设置于所述收灰室102上方；
所述旋风室101包括：第一壳体10、进气管11、隔板12、旋分子13、下降管14、第一气体进出口N2及第二气体进出口N1、松动风进口N4、锥形灰斗15；所述锥形灰斗15设置于所述旋风室101底部，所述第一气体进出口N2设置于所述第一壳体10侧壁，所述第二气体进出口N1设置于所述第一壳体10上壁，所述第一气体进出口N2与所述进气管11连通，所述进气管11与所述旋分子13连通，所述下降管14设置于所述锥形灰斗15底部，所述松动风进口N4与所述锥形灰斗15连通；
所述收灰室102包括：第二壳体16、抽引气出口N5、工艺水进口N6、黑水出口N7和排净口N8，所述排净口N8设置于所述第二壳体16底部。
可选的，所述下降管14内周向设置多个喷头，和/或所述旋风室101内的旋分子13为多个，每个旋分子13与进气管11连通。
可选的，所述旋风室101内衬设隔热耐磨衬里，并且所述旋风室101还包括:烧嘴接口N3。
可选的，所述气固分离设备包括：第一级气固分离设备及第二级气固分离设备，所述第一级气固分离设备及第二级气固分离设备串联或者并联设置。
可选的，所述第二级气固分离设备尺寸比第一级气固分离设备尺寸更小，并且拥有比第一级气固分离设备数量更多的旋分子。
与现有技术相比，本实用新型实施例提供的气固分离设备及系统，采用旋风分离和湿法收灰相结合，能够有效地分离高温高压气体中的干灰，从而降低气体中干灰的粒径和浓度。气固分离设备和系统可适用的温度范围为500～900℃，压力范围为2～10MPa。并且本实用新型实施例的气固分离设备设计巧妙，结构简洁，制造及维护成本低。
本实用新型实施中的合体式气固分离设备简化了工艺流程，提高了设备和系统的可靠性和稳定性。设备及管道内衬耐火衬里，减少粗合成气中热量损失，热量回收效率更高。在本实用新型的实施例中，通过多级分离降低高温高压气体中干灰粒径和浓度。多级气固分离的系统设计方案，尤其是两级气固分离的系统配置对粗合成气中的干灰有很好地分离效果，可将≥5μm的固体颗粒分离出来，能满足下游设备对固体颗粒浓度及粒径的要求，保证设备长期稳定运行。
在阅读并理解了附图和详细描述后，可以明白其他方面。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。在附图中：
图1为实现本实用新型第一实施例的气固分离设备结构示意图；
图2为实现本实用新型第二实施例的气固分离系统结构示意图；
图3为实现本实用新型第三实施例的两级串联气固分离系统结构示意图；
图4为实现本实用新型第四实施例的两级串联气固分离系统结构示意图；
图5为实现本实用新型第五实施例的串联和并联气固分离系统结构示意图；
图6为实现本实用新型第六实施例的串联和并联气固分离系统结构示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参照图1所示，为本实用新型第一实施例中的气固分离设备结构示意图。所述气固分离设备包括：旋风室101及收灰室102，所述旋风室101设置于所述收灰室102上方；
所述旋风室101包括：第一壳体10、进气管11、隔板12、旋分子13、下降管14、第一气体进出口N2及第二气体进出口N1、松动风进口N4、锥形灰斗15；所述锥形灰斗15设置于所述旋风室101底部，所述第一气体进出口N2设置于所述第一壳体10侧壁，所述第二气体进出口N1设置于所述第一壳体10上壁，所述第一气体进出口N2与所述进气管11连通，所述进气管11与所述旋分子13连通，所述下降管14设置于所述锥形灰斗15底部，所述松动风进口N4与所述锥形灰斗15连通；所述隔板12与壳体连接，一种实施方式为隔板12焊接在壳体上，所述隔板12主要有两个作用：1.将旋风室隔成两个不连通腔室；2.支撑每个旋分子。
所述收灰室102包括：第二壳体16、抽引气出口N5、工艺水进口N6、黑水出口N7和排净口N8，所述排净口N8设置于所述第二壳体16底部。所述抽引气出口N5、工艺水进口N6位于液面以上；黑水出口N7位于液面以下。
在本实用新型的一个实施例中，所述旋风室101还包括:烧嘴接口N3,用于在原始开车时，为满足隔热耐磨衬里需要烘炉的要求，在气固分离系统中提供热源，一般在气固分离设备的旋风室101设置烧嘴。当采用多级气固分离设备时，一般在一级气固分离设备的旋风室101设置烧嘴。在本实用新型的一个实施例中，所述下降管14内周向设置多个喷头，所述喷头和工艺水进口N6连通。
第一气体进出口N2可以是粗合成气进口，也可以是粗合成气出口，根据工艺系统配置确定。一般情况下第一气体进出口N2是进气口，第二气体进出口N1是排气口，粗合成气从第一气体进出口N2进入，通过进气管11进入各旋分子13内，粗合成气在旋分子13内产生旋流使待分离的气体和固体在离心力的作用下发生分离，分离后的气体向上运动由第二气体进出口N1口排出，干灰通过旋分子13下方出口进入锥形灰斗15。
干灰落入锥形灰斗15后，在松动风进口N4进入的松动风和抽引气出口N5的抽引气的共同作用下，干灰进入下降管14内。干灰落入下降管内14后，被工艺水进口N6管口喷进的工艺水激冷并进行水洗润湿，干灰在降温增湿后，落入下段收灰室102的黑水中。少量的粗合成气尾气从抽引气出口N5口排出，黑水从黑水出口N7口排出，在装置停车时将设备内黑水从排净口N8口排净。
可见，在本实施例中，所述气固分离设备以锥形灰斗15为界分为上下两部分，上部为旋风室101，下部为收灰室102。
在本实施例中，松动风位于旋风室101的锥形灰斗15下方，抽引风位于收灰室102液面以上位置。
在本实用新型的一种实施方式中，所述气固分离设备上部旋风室101内衬设有隔热耐磨衬里。原始开车时，为满足隔热耐磨衬里需要烘炉的要求，在气固分离系统中需要提供热源，一般在旋风室101设置烧嘴，所述旋风室101还包括:烧嘴接口N3。
在本实用新型的一种实施方式中，所述旋风室101内设置的旋分子13为多个，每个旋分子13与进气管11连通，粗合成气通过进气管11均匀的进入每个旋分子13，分离后的气体通过上方的出口排出，干灰通过下方出口进入锥形灰斗15。
在本实用新型的一种实施方式中，在气固分离设备锥形灰斗15下方的下降管14内周向设置多个喷头，对高温干灰进行降温，同时将干灰浸润团聚进入黑水中，实现湿法收灰功能。
在本实用新型实施例中，气固分离设备的主要特点是将旋风分离和湿法收灰两种功能合二为一。在本实用新型的一种实施方式中，所述第一壳体10与所述第二壳体16一体式设置或者分别设置。这样，气固分离系统可以采用旋风分离器和收灰罐两个设备，也可以采用旋风分离和湿法收灰合体的一体式设备。旋风分离器和收灰罐两个设备简称分体式方案，旋风分离和湿法收灰合体的一体式设备简称合体式方案。在具体实施时，优先采用合体式方案。
本实用新型实施例的气固分离系统主要有以下几个特点：
(1)旋风分离：多个旋分子13设置在旋风室101内，每个旋分子13与进气管11连通，气体通过每个旋分子13，在旋分子13内部下行并发生旋流，使气体和干灰分离，分离后的气体从旋分子13上部出口排出，干灰从旋分子13下部出口落入锥形灰斗15。
(2)湿法收灰：湿法收灰比干法收灰的工艺流程短，系统配置和操作简单，设备投资少，公用工程消耗低。干灰在松动风及抽引气的推动下进入下段收灰室102，在下降管14内周向设置多个喷头，对高温干灰进行降温，同时将干灰浸润团聚进入黑水中，经底部管道排至下游处理系统。
本实用新型实施例还提供了一种气固分离方法，所述方法包括：
步骤201：粗合成气从第一气体进出口进入，通过进气管进入设置于旋风室的各旋分子内；
步骤202：粗合成气在旋分子内产生旋流使待分离的气体和固体在离心力的作用下发生分离，分离后的气体向上运动由第二气体进出口排出，干灰通过旋分子下方出口进入锥形灰斗；
步骤203：干灰落入锥形灰斗后，在松动风进口进入的松动风和抽引气出口的抽引气的共同作用下，干灰进入下降管内；
步骤204：干灰落入下降管内后，被工艺水进口管口喷进的工艺水激冷并进行水洗润湿，干灰在降温增湿后，落入下段收灰室的黑水中；
步骤205：少量的粗合成气尾气从抽引气出口排出，黑水从黑水出口排出；
步骤206：在装置停车时将设备内黑水从排净口排净。
参照图2所示，为实现本实用新型第二实施例的气固分离系统结构示意图。所述气固分离系统，包括一级或者两级以上气固分离设备，所述气固分离设备包括：旋风室101及收灰室102，所述旋风室101设置于所述收灰室102上方；
所述旋风室101包括：第一壳体10、进气管11、隔板12、旋分子13、下降管14、第一气体进出口N2及第二气体进出口N1、松动风进口N4、锥形灰斗15；所述锥形灰斗15设置于所述旋风室101底部，所述第一气体进出口N2设置于所述第一壳体10侧壁，所述第二气体进出口N1设置于所述第一壳体10上壁，所述第一气体进出口N2与所述进气管11连通，所述进气管11与所述旋分子13连通，所述下降管14设置于所述锥形灰斗15底部，所述松动风进口N4与所述锥形灰斗15连通；
所述收灰室102包括：第二壳体16、抽引气出口N5、工艺水进口N6、黑水出口N7和排净口N8，所述排净口N8设置于所述第二壳体16底部。
如图2所示，在本实施例中，所述气固分离设备为两级气固分离设备，包括第一级气固分离设备1011，及第二级气固分离设备1012，所述两级气固分离设备可以串联或者并联设置。
在本实用新型的实施例中，所述气固分离设备根据气体中固体颗粒的浓度和粒径，也可以设置为多级，多级气固分离设备可以串联使用，也可并联和串联使用。参照图3及图4所示，图3为实现本实用新型第三实施例的两级串联气固分离系统结构示意图，图4为实现本实用新型第四实施例的两级串联气固分离系统结构示意图，两个实施例的不同之处在于气体输送管道的连接方式不同。参照图5及图6所示，图5为实现本实用新型第五实施例的串联和并联气固分离系统结构示意图，图6为实现本实用新型第六实施例的串联和并联气固分离系统结构示意图。两个实施例的不同之处在于气体输送管道的连接方式不同。在实际应用中一般采用多级分离，当然，多级气固分离系统的各个气固分离设备的连接方式可以根据实际应用进行各种不同的设置。多级分离能够更有效地分离气体中的干灰，从而降低气体中干灰的浓度和粒径。一般两级气固分离设备串联就可满足下游设备对颗粒数量及粒径的要求，如果处理的粗合成气气量太大，需要并联两级气固分离设备。
在气固分离设备为两级时，第一级气固分离设备1011及第二级气固分离设备1012上部旋风室和两级气固分离设备之间的管道需要衬隔热耐磨衬里。第一级气固分离设备1011及第二级气固分离设备1012之间的管道衬里采用双层浇筑耐火料结构，要满足耐高温和耐磨两个要求。可见，为防止高温气体热量的损失，并实现整个系统的全热回收，气固分离设备之间的连接管道需要衬耐火料衬里，衬里采用双层浇筑耐火料结构，为保证施工质量，耐磨层应为刚玉自流型耐磨浇注料，隔热层为轻质低铁隔热浇注料。
如图2所示，以两级气固分离设备串联为例，工艺流程简述如下：
从气化炉来的高温高压粗合成气先进入第一级气固分离设备1011的上段旋风室101，通过进气管14进入各旋分子13内，粗合成气在旋分子13内产生旋流使待分离的气体和固体在离心力的作用下发生分离，分离其中的干灰后，粗合成气从上方出口排出，干灰落入锥形灰斗15。高温干灰在松动风以及抽引气的推动下进入下段收灰室102。高温干灰先与工艺水激冷并发生水洗，降温增湿后，落入下段收灰室102的黑水中。含灰尾气从设备中部排出，含灰黑水从设备底部排出。
从第一级气固分离设备1011上方排出的粗合成气进入第二级气固分离设备1012，分离更小粒径的干灰，第二级气固分离设备1012的分离过程与第一级气固分离设备1011相同，区别在于旋风室101内的旋分子13的尺寸和数量。第二级气固分离设备1012采用尺寸更小并且数量更多的旋分子来分离粒径更小的干灰。
由于粗合成气操作压力为4.2MPa，操作温度为700℃，第一级气固分离设备1011和第二级气固分离设备1012之间的连接管道需要衬耐火衬里，衬里采用双层浇筑耐火料结构，为保证施工质量，耐磨层应为刚玉自流型耐磨浇注料，隔热层为轻质低铁隔热浇注料。
为了原始开车或长时间停车后再次开车烘炉，一般在第一级气固分离设备1011的旋风室101设置烧嘴，烧嘴大小和数量根据烘炉所需热量来确定。
在本实用新型的一个应用实例中，采用两级合体式气固分离设备串联的工艺系统，分离来自气化炉粗合成气中的干灰，气体温度700℃，压力4.2MPa，粗合成气中固体质量(体积)浓度为0.045kg/Nm3，＜5μm的干灰占比37wt％，＜10μm的干灰占比55wt％。
经第一级气固分离设备1011后，粗合成气中所含固体颗粒的粒径≤10μm，分离效率≥55％。经第二级气固分离设备1012后，粗合成气中所含固体颗粒的粒径≤5μm，分离效率≥36％。通过两级分离，可以将粒径在5μm以上的干灰全部分离，分离效率大于90％。可见，两级气固分离的系统配置对粗合成气中的干灰有很好地分离效果，可将≥5μm的固体颗粒分离出来，能满足下游设备对固体颗粒浓度及粒径的要求，保证设备长期稳定运行。
综上所述，本实用新型实施例提供的旋风分离和湿法收灰相结合的气固分离设备和方法，湿法收灰系统简化、操作简便、设备投资低。合体式气固分离设备简化了工艺流程，提高了设备和系统的可靠性和稳定性。设备及管道内衬耐火衬里，减少粗合成气中热量损失，热量回收效率更高。在本实用新型的实施例中，通过多级分离降低高温高压气体中干灰粒径和浓度。多级气固分离的系统设计方案，尤其是两级气固分离的系统配置对粗合成气中的干灰有很好地分离效果，可将≥5μm的固体颗粒分离出来，能满足下游设备对固体颗粒浓度及粒径的要求，保证设备长期稳定运行。其中，气固分离设备适用的温度范围为500～900℃，压力范围为2～10MPa，可以适用于高温高压的环境要求。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
