[发明专利]气体脉冲发生器、气体脉冲在线除垢方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体脉冲发生器、气体脉冲在线除垢方法和系统，具体涉及利用压缩气体形成气体冲击波在线清除气化塔、工业炉、料斗等工业设备内部污垢的方法和系统。

技术背景

结垢是工业生产的普遍现象，生产设备内部产生的灰(烟)垢，化学反应污垢，微粒型污垢对生产影响很大：污垢首先降低了热交换效率，降低了装置的生产能力，增加能耗；其次，污垢的堆积减少了换热管的截面，导致输送压力增加；再有，污垢缩短了生产装置的运行周期，并常常成为装置非计划停车的原因，使生产成本大幅增加。结垢的处理一般只能停车清洗，至今尚无合适的在线(即生产装置运行中)处理方法，在线处理可以大大地延长生产装置的运行周期，并能相当大幅度地降低生产成本，是节能降耗的关键，有极大的现实意义。

鉴于结垢样式和结垢设备的复杂多样，以下结合生产中有代表性的设备和结垢类型进行分析。

气化塔是煤化工重要的生产装置，用于将煤气化产生所需的工艺气体。

以甲醇的煤化工生产装置为例说明：

原料煤在气化塔气化转化成煤气，反应温度高达900℃，原料煤含有灰分，工艺气夹带煤灰，含灰量与原料煤的灰分高低相关。气化塔中，产生的900℃工艺气进入冷却段通过汽化冷却器组冷却到380℃，方可进入下道工序。

气化塔冷却段的汽化冷却器组由多组盘管组成，管内通入去离子水，水汽化带走热量。但实际运行中，工艺气夹带的煤灰附着在盘管上，并且堆积、固化和板结，工艺气体不能充分接触冷却盘管而得不到完全冷却，致使工艺气出口温度超标，不得不停车清除灰垢，运行周期甚至缩短到只有一个月，极大增加了生产成本，成为节能降耗的最大难题。

工艺气体的主要成分是H₂，CO，CO₂，压力4MPa，煤灰中含有金属氧化物M_xO，如CaO，MgO等，是高温下分解产物：

M_xCO₃→M_xO+CO₂

但是，由于工艺气中富含CO₂，温度大幅降低之后，灰分里的金属氧化物重新生成碳酸盐：

M_xO+CO₂→M_xCO₃

这是一个固化、板结、老化的化学反应过程，加上煤灰的附着、堆积，使冷却盘管大面积堵塞，气流只能由某些通道通过，冷却器换热效率急剧下降，装置很快不得不停车。

气化塔装备有振打器系统，由压缩空气驱动，通过连杆延伸至气化塔里进行周期性敲打，将振动传递至冷却盘管及其它部件，工作周期最短只有几秒。振打器连杆延伸至温度达上千度，压力达4MPa的气化炉中，材料要求很高，振打器连杆高温高压下的软密封也不容易，工艺气中富含易燃易爆的氢气和一氧化碳，后者是致命的毒性气体。因此，振打器是一套相当昂贵的系统，使用几个兆帕的压缩空气驱动，几秒钟发射一次，耗气量很大，运行成本非常高。遗憾的是，如此高强度和高频率的敲打依然除灰效果不佳！主要原因是煤灰是疏松的，在工艺气的含灰量比较高的情况下，振荡便很难将盘管上的煤灰抖落干净，而表层煤灰开始固化、板结之后，积灰——固化——积灰的进程便不可逆转了。

使用低灰分原料煤可以延长生产装置的运行周期，但是问题并未得到根本性解决，且使用低灰分原料煤不可避免的带来供应、运输和原料成本增加等问题。通过技术改造解决问题乃是上上之策。

中国专利CN 94237781.8报导了一种“冲击波除垢器”，该专利使用火药作为气体脉冲的发生源，并不适应于气化塔这类有严格防爆要求的工艺装置。其次，该法与振打器系统相同，工作方式都是将振动传递于管壁、器壁之上以抖落烟灰，且有运行成本高，气体脉冲能量不能随意调整，不易安全使用等方面缺陷。

导入气体冲击波作用于煤灰进行直接清除是最佳选择。周期性发射的，参数特征与气体爆破冲击波十分相近的定向气体脉冲对冷却盘管附着的轻质浮灰有非常高的清除效果和清除效率，在浮灰未完全板结、固化之前予以一定频率的在线清除是解决之道。使用氮气等化学惰性较大的气体作为工作气体，气体脉冲长度＜0.1秒，数十到数百分钟发射一次，视工艺气体含灰量而加以调整，这样，气体脉冲除灰系统对工艺体系的扰动可以减低到可忽略程度，气化塔冷却盘管组因此能够长时间保持高换热效率，而无需停车除灰。相对于振打除灰系统，其运行气体耗量、运行能耗都要低两个数量级以上，装备成本也比较低。