CN101479026B - 具有脉冲燃烧器类型的传热模块的流化床反应器 - Google Patents

Abstract

具有反应容器的流化床反应器，该反应容器具有配置成处理反应材料以形成一种或多种产物的隔室。包括脉冲燃烧器和相关声腔室的至少一个传热模块连接到反应容器。脉冲燃烧器具有终止于它的相关声腔室中的至少一个尾管。从尾管出来的废气从声腔室经过，通过将声腔室与反应容器隔开的壁部并进入到伸入反应容器的隔室内的传热管内。原料进口配置成将反应材料引入到竖直地在第一和第二组传热管之间的区域。传热管具有环形结构，使得废气沿远离壁部的方向经过内保护管，转向，并且沿朝向壁部的方向上返回，在那里它们被导向到歧管。第一组加热管道至少部分地占用隔室并且在隔室内的第一竖直广度上延伸。第二组加热管道至少部分地占用隔室并且在隔室内的第二竖直广度上延伸。第一组加热管道在第二组加热管道的竖直下方并且与其隔开第一间距。

Description

具有脉冲燃烧器类型的传热模块的流化床反应器

技术领域

本发明涉及一种用于处理反应材料以处理和/或再循环材料并提取能量的流化床反应器，所述反应材料可以包括无机材料，并且也可以包括含碳材料，例如黑液和生物质(biomass)。更具体地，涉及一种具有一个或多个布置成竖直隔开的组的脉冲燃烧器的装置。脉冲燃烧器的共振管可以布置成不伸入反应容器的隔室内。

背景技术

图1A和1B分别示出了现有技术的作为圆柱形重整器(reformer)100构造的反应器的顶视图和侧视图。圆柱形重整器100包括形成反应容器的圆柱形隔室101。重整器100包括一个或多个脉冲加热器102A、102B，每个脉冲加热器包括连接到各自的共振管106A、106B的脉冲燃烧器104A、104B。如同在图1A中所见，脉冲加热器102A、102B沿一个方向延伸横过圆柱体直径。空气和燃料产物进入脉冲燃烧器104A、104B并且燃烧产物或废气离开共振管106A、106B。

脉冲加热器102A、102B如在美国专利US5059404中所披露，该美国专利的内容通过引用的方式结合于此，以能够理解本发明。这种脉冲加热器配置成间接地加热引入到重整器反应容器101内的流体和固体。共振管106A、106B与脉冲加热器102A、102B一起充当用于间接地加热隔室101的内容的加热管道。

如同在图1A和1B中看到的那样，第二对脉冲加热器108A、108B被定向成与横过隔室直径的第一对脉冲加热器102A、102B成直角。如同在图1B中看到的那样，这在隔室内的由交叉的脉冲加热器限定的区域内留下竖直延伸的四分之一136。

脉冲加热器进入到密相流化床110内，该密相流化床110从隔室底部112延伸到大约顶部床线114。最底部的脉冲加热器102B位于在分配器122以上高度H1米处以避免液体118涂抹共振管104B。在这些现有技术系统中，高度H1是大约2-3米。

废液118注入到接近密相流化床110的底部的隔室101侧面。一般而言，废液通过环绕圆柱形隔室101圆周布置的多个进口103注入到隔室内。尽管在图1B中仅仅示出了四个这样的进口102，可以理解的是可以提供其它数量的圆周布置的进口。在另一个现有技术的实施方式中，废液经过在底部上的多个进口，通过隔室101的底部注入，该多个进口或多或少地均匀分布在底部上、或者布置成排或布置成其它样式。

过热蒸汽120，或其它流化介质，从隔室101的底部进入并且经过分配器122。分配器122有助于均匀地散布进入的蒸汽120，其然后通过密相流化床110。在流过一个或多个用来帮助脱落夹带的床固体的内部旋流器(未示出)之后，产品气体124从位于隔室101的顶部处的超高区126离开。

图2A和2B示出了长方形重整器200形式的可选的现有技术结构。长方形重整器200具有当从上面看时(参见图2B)是长方形横截面的隔室201。布置成一排或多排的多个脉冲加热器102穿过这个隔室201。这些排相对彼此是交错的以增强传热。这些脉冲加热器102中的每个包括共振管形式的加热管道，用于间接地加热隔室的内容物。

分配器222设置在隔室201的底部，非常像在圆柱形重整器100中。最底部的脉冲加热器202位于在分配器222以上高度H2处。在这些现有技术系统中，高度H2也是大约2-3米。而且，正如在圆柱形重整器的情形下，废液218在接近底部处引入到隔室201侧面。一般而言，废液通过环绕长方形隔室201的沿着壁布置的多个进口203注入到隔室内。在其它现有技术的实施方式中，废液经过在底部上的多个进口，通过隔室101的底部注入，该多个进口或多或少地均匀分布在底部上、或者布置成排或布置成其它样式。。同时，产品气体224从位于隔室201的顶部的超高区226离开。可以理解的是在大部分材料方面，长方形重整器200的操作与上面描述的圆柱形重整器100的操作类似。

在小的工艺开发规模的装置中，以上配置可满意地工作。然而，当它们按比例放大成较大单元时，它们可遇到一定的局限性。

一个问题是没有管的敞开的四分之一(参见图1B)的出现，或在脉冲加热器束之间有自由空间(参见图2B)，这两个都可以助长蒸汽/气体的沟流和蒸汽/气体的旁通，这样削弱了气-固接触和固体循环率。此外，这种大的竖直通道的出现促进了大气泡的形成，由于尺寸和速度的快速增加，其可以毁坏重整器内的管道、管、接合处和其它固定设备。

另一个问题是减少了固体循环率，导致在共振管表面上的较长的颗粒接触时间。这妨碍了颗粒的转化，并且然后妨碍了从管传热。因此，管趋于较热地运行并且这不利地影响了进入床中的传热速度并且增加了来自脉冲加热器102A、102B、202的燃烧废气的排出温度。另外，有形成局部热点的较大的倾向，其可以导致熔炼形成和/或颗粒结块和污垢或环绕少数或多数管集结。

另一个局限性可以是燃烧腔室与共振管的强耦合，使得需要将管与管的间隔或间距最小化，并且然后使共振管之间的间隙最小化。这样做是为了促进燃烧腔室的合理的纵横比(长度比直径)。并且既然脉冲加热器典型地设计成亥姆霍兹共振器(Helmholtz resonator)，它必须保持确定的几何比例(共振管的长度、共振管的体积和燃烧腔室的体积)。流化的床-管热传递实验数据和模型显示随着在管束中的管之间的间隔或间距的增加传热系数显著地提高。这是由于随着管之间的间隔的增加减少了固体移动的阻力，其促进更频繁地表面更新或颗粒传送，并且然后促进更大的传热系数。然而，在图1B中看到布置将管之间的间隙限制到了比流化床传热和操作性能的最佳值要小得多的值。

此外，大部分燃烧和放热在脉冲燃烧腔室内发生。然而，由于在共振管里的较低的气体温度虽然在较低的速率燃烧，但是燃烧在共振管里继续进行。从传热的立场说在共振管里的剩余的燃烧和放热是想要的，但是如果燃烧是不完全的并且导致排出的废气中的CO和未燃尽的碳氢化合物的浓度显著地增加是令人不满意的。当在燃烧器中的燃料燃烧率从设计燃烧率减少时，这种结果出现的概率增加。

另外，在注入到流化床110时，含碳原料经历干燥、脱挥发分作用、炭形成和炭转化。在蒸汽重整环境中，所有这些过程都是吸热的也就是需要热输入。床固体循环率越大并且床上的原料的分布越均匀，加热速度就越快并且原料的最终温度就越高。这提高了有机物的热分解，导致更高的挥发性产量和更低的焦油形成和炭产量。由于流化床-脉冲加热器结构促进了气/蒸汽沟流和旁通，这妨碍了固体循环率。这阻止将热交换到原料注入区，降低了在这区的温度并且促进焦油和炭的形成。

另一个问题是干燥、脱挥发分作用、炭形成和炭转化过程都在分配器122、222之上但是在底部脉冲加热器之下的区域内争夺传热和传质。所有这些过程都是冷源，并且如果进入的流化介质120是蒸汽并且其温度在流化床的温度之下它可以是另一个冷源。仅有的热源是脉冲加热器并且这些通过在上面描述的现有技术的实施方式中的前面提到的距离H1和H2从冷源显著地移走。仅有的连接是固体循环率并且如果这个没有达到标准，原料注入区域急需热并且反应器性能遭受损害。

另外，为了实现令人满意的炭转化，传热和传质都是重要的。炭温度和反应物或蒸汽浓度越高，炭转化率就越大。仅仅在分配器之上的区域的特征是高蒸汽或反应物浓度，其有利于炭转化，使炭温度能维持在流化床温度。由于原料注入和减少的固体循环率，热供应受到限制，其很可能降低炭温度并且然后降低炭转化率。在脉冲加热器区域，传热是良好的，但是如果由于沟流导致反应物(蒸汽)旁通传质是不令人满意的，又削弱了炭转化。

商业单元通常要求深的或高的密集流化床，以容纳大量传热管。由于相对大的气泡、增加的气泡聚结和蒸汽/气的旁通倾向，从传热和传质和气/固接触的立场，在沸腾流化状态下操作这些装置受到相当的限制。相反地，在湍流流化状态下操作提供优秀的气/固接触和优秀的传热和传质特性。然而，比起沸腾状态，这需要高得多的表面流化速度。一个可行的方法是选择不同的换热结构和较小的床材料平均颗粒尺寸。

总之，上面讨论的现有技术的结构提供了模块化并且对于某些尺寸种类或原料生产量有利。但是，由于需要大量的脉冲加热器、复杂的互相连接、管道系统、管道等和成本，这个方法对于大规模的或高原料吞吐量的装置变得是不实用的。所有这些约束按比例增加。

发明内容

一方面，本发明涉及一种配置成将含碳材料转化成产品气体的流化床重整器。该流化床重整器包括限定配置成接纳可流化的含碳材料的隔室的反应容器，所述反应容器具有至少第一壁部和第二壁部。连接到反应容器的第一传热模块，所述第一传热模块包括连接到第一声腔室的第一脉冲燃烧器，其中第一脉冲燃烧器包括终止于第一声腔室中的至少一个第一尾管。第一多个传热管伸到所述隔室中，所述第一多个传热管中的每个通过所述第一壁部与声腔室流体连通。所述第一多个传热管中的每个被配置成使得从所述至少一个第一尾管排出的燃烧产物沿远离所述第一壁部的方向，沿着每个传热管的第一通道移动，并且然后沿朝向第一壁部的方向，沿着所述每个传热管的第二通道移动。

多个这种传热模块可以连接到反应容器。

另一方面，本发明涉及一种配置成热化学地或生物化学地处理反应材料的流化床反应器。该反应器包括限定适于接纳反应材料的隔室的反应容器。连接到反应容器的多个传热模块，每个传热模块包括连接到的相关声腔室的脉冲燃烧器，其中每个脉冲燃烧器包括终止于相关声腔室中的至少一个尾管。多个上部和下部传热管伸到所述隔室中，所述多个上部和下部传热管中的每个通过反应容器的重整器壁部与相关声腔室流体连通。所述多个上部和下部传热管中的每个被配置成使得从所述至少一个尾管排出的燃烧产物沿远离反应容器的重整器壁部的方向，沿着每个传热管的第一通道移动，并且然后沿朝向重整器壁部的方向，沿着所述每个传热管的第二通道移动。

再一方面，本发明涉及一种用于将含碳材料转化成产品气体的流化床重整器。该流化床重整器包括限定适于接纳碳材料的隔室的反应容器。至少部分地占用所述隔室并且在隔室内的第一竖直广度上延伸的第一组加热管道。在第一组中的每个加热管道配置成将热从热源传导到隔室，在第一组中的加热管道具有第一厚度。第二组加热管道至少部分地占用所述隔室并且在隔室内的第二竖直广度上延伸。第二组中的每个加热管道配置成将热从热源传导到隔室，第二组中的加热管道具有第二厚度。第二组加热管道放置于第一组加热管道的竖直上方并且与其隔开第一间距，第一间距至少与第一和第二厚度中较小的一个一样大。多个原料进口配置成在竖直地在第一和第二组加热管道之间的区域将含碳材料引入到反应容器内。

另一方面，本发明涉及一种将含碳材料转化成产品气体的方法。该方法首先提供如就在上面描述的那样的具有第一和第二组加热管道的反应容器，将流化介质引入到隔室内，在竖直地在第一和第二组加热管道之间的区域将含碳材料引入到隔室内，并且然后控制在反应容器内的反应使得至少一部分含碳材料在流化床里转化成产品气体。

再一方面，本发明涉及一种配置成热化学地或生物化学地处理反应材料的流化床反应器。该反应器包括限定适于接纳反应材料的隔室的反应容器。第一组加热管道至少部分地占用所述隔室并且在隔室内的第一竖直广度上延伸。第一组中的每个加热管道配置成将热从热源传导到隔室，在第一组中的加热管道具有第一厚度。第二组加热管道至少部分地占用所述隔室并且在隔室内的第二竖直广度上延伸。第二组中的每个加热管道配置成将热从热源传导到隔室，在第二组中的加热管道具有第二厚度，第二组加热管道放置于第一组加热管道的竖直上方并且与其隔开第一间距，第一间距至少与第一和第二厚度中较小的一个一样大。多个原料进口配置成在竖直地在第一和第二组加热管道之间的区域将反应材料引入到反应容器内。

再另一方面，本发明涉及一种热化学地或生物化学地处理反应材料以形成产物的方法。该方法包括首先提供流化床反应器，如上面描述的那样，该反应器包括限定适于接纳反应材料的隔室的反应容器、第一组加热管道和第二组加热管道。该方法继续将流化介质引入到隔室内，在竖直地在第一和第二组加热管道之间的区域将反应材料引入到隔室内；并且然后控制在反应容器中的反应，使得至少一部分反应材料在流化床里转化成一种或多种产物。

附图说明

为了更好的理解本发明并且为了示出实际上如何实现本发明，现在将参考附图，其中：

图1A和1B分别示出了现有技术的圆柱形重整器的侧视图和顶视图。

图2A和2B分别示出了现有技术的长方形重整器的侧视图和顶视图。

图3A、3B和3C分别示出了根据本发明的装置的侧视图、侧剖面图和顶剖面图。

图4A示出了图3A、3B和3C的重整器容器的壁的第一个实施方式的局部剖视图。

图4B示出了沿着线4B-4B截取的图4A的横截面。

图4C示出了沿着线4C-4C截取的图4A的横截面。

图4D示出了沿着线4D-4D截取的图4C的横截面。

图5A示出了图3A、3B和3C的重整器容器的壁的第二个实施方式的局部剖视图。

图5B示出了沿着线5B-5B截取的图5A的横截面。

图5C示出了沿着线5C-5C截取的图5A的横截面。

图6A示出了根据本发明的一个实施方式的反应器的侧视图。

图6B示出了沿着线6B-6B截取的图6A的反应器的顶横截面视图。

具体实施方式

专利号为5059404、5306481、5353721、5536488、5637192和6149765的美国专利的内容通过引用的方式结合于此，使得能理解本发明。

图6A和6B示出了具有竖直地隔开的加热管道组的流化床重整器600，其中原料在隔开的组之间注入。流化床重整器600包括可作为反应容器602的隔室601。如同在图6B中最佳所见，反应容器602具有包括两个长侧604A、604B和两个短侧606A、606B的长方形底部(footprint)(也就是，在水平横截面上是长方形的形状)。多个脉冲加热器608A、608B穿过重整器容器600的长侧604A、604B。在一个实施方式中，脉冲加热器608A、608B是本领域技术人员所熟知的类型，例如在上面提到的美国专利US5059404中披露的那些。与这些脉冲加热器608A、608B关联的共振管609可作为用于间接地加热隔室601内的内容物的加热管道。

脉冲加热器608A、608B组成竖直地隔开的两组，第一或下部组610和第二或上部组620。在示出的该实施方式中，每组610、620包括一排或多排脉冲加热器。然而，可以理解的是，在一组内的脉冲加热器不需要与本发明一致地成排布置。

如同在图6A的实施方式中看到的那样，属于下部组610的脉冲加热器608A布置成单一的水平排612。既然它是仅有的排，排612可作为下部组610的最上排612并且可作为下部组610的最下排612。下部组610的竖直广度(vertical extent)V1因此与排高R1相当。在这个例子中，排高R1与属于这个排612的脉冲加热器608A的厚度T1(或者，更确切地，与脉冲加热器608A结合的加热管道609的厚度T1)相应。因此，在圆柱形的加热管道水平地布置的情形下，R1就是加热管道的直径。尽管在这个排612中示出了三个脉冲加热器，可以理解的是一排可以具有不同数量的脉冲加热器。

属于上部组620的脉冲加热器608B布置成一对水平排614A、614B。在示出的该实施方式中，上部组620的排614A、614B是彼此交错的并且通过排内间隔V4彼此竖直地隔开。由于在上部组620中存在两排614A、614B，而在下部组610中存在单一排612，上部组620具有大于下部组610的竖直广度V1的竖直广度V2。在示出的该实施方式中，第二组602的最下排614A排高R2对应于与相应的脉冲加热器608B关联的加热管道的厚度T2。当在两组610、620中使用相同类型的加热管道/脉冲加热器时，上部组620的最下排614A的排高R2与下部组610的最上排612的排高R1是相同的。

如同在图6A中看到的那样，第一和第二组610、620通过组间竖直间隔S1隔开。

在一个实施方式中，组610、620隔开的足够远，使得竖直间隔S1至少与加热管道厚度T1和T2中较小的一个一样大。当在给定的组中的加热管道具有不同的厚度时，那么为了确定最小的竖直间隔S1，那组的平均加热管道厚度被用作‘加热管道厚度’。

在其它实施方式中，竖直间隔S1至少与两个竖直广度V1、V2中的较小的一个一样大(也就是，S1≥min(V1，V2))。

在其它实施方式中，竖直间隔S1至少是两个竖直广度V1、V2中的较小的一个的两倍(也就是，S1≥2*min(V1，V2))。

在组610、620的前面的描述中，在每组中的脉冲加热器608A、608B布置成水平排，并且因此排高R1、R2与加热管道厚度T1、T2是相同的。然而，可以理解的是在其它实施方式中，脉冲加热器可以不布置成水平排，而是可以从一个壁604A到相对壁604B是倾斜的或成角度的。在这种情形下，排高与加热管道厚度不相同。可以理解的是在其它实施方式中，脉冲加热器甚至可以根本不成排地布置。然而，在所有这些例子中，竖直间隔S1仍将至少与加热管道厚度T1和T2中的较小的一个一样大。

而且，尽管示出的第一和第二组610、620各自具有不同数量的排，可以理解的是在一些实施方式中两组可以具有相同数量的排，并且这个相同数量可以是1、2、3或更多。进一步可以理解的是，尽管在图6A-6B的实施方式中，第二组620的排614A、614B具有不同数量的脉冲加热器608B，在组内的相邻排可以具有相同数量的脉冲加热器608B。这样，例如，第二组620的排614A、614B可以各自具有三个脉冲加热器608B，排仍是相对彼此交错的。

排的总数和在每排中的脉冲加热器的总数608A、608B能按任何给定的设计修改以适应蒸汽重整器600的大小、原料类型和原料吞吐量。

在重整器容器602的底部是分配器622，流化介质例如蒸汽引入到该分配器622内。在分配器622正上方并且在第一组610正下方是增强的炭转化区640。区640提供良好的传热传质和高反应物(蒸汽)浓度并且促进增强的炭转化。这个区640的竖直广度将取决于炭的反应性和重整器的操作条件，反应越慢竖直广度越大。

在第一组610和第二组620之间是具有如前面所讨论的高度S1的干燥和脱挥发分作用区642。这个区有助于良好的固体循环、热传输和气-固接触，且用于使得干燥和脱挥发分作用最大化及使得焦油和炭形成最小化。在一个实施方式中，大体表示为637的原料进口终止于竖直地在两组610、620之间的区域。这样，在这个实施方式中，原料在第一组脉冲加热器竖直上方且在第二组脉冲加热器620竖直下方的位置处注入到与主炭反应区640隔开的区642内。可以理解的是，原料进口637具有大体上相同的高度并且沿着重整器容器602的短侧606A、606B隔开。

最后，在第二组620正上方的区域是密相床区域644，其延伸到顶部床线646。超高区域648占据重整器容器602的最顶部部分。产品气体649通过旋流器和本领域技术人员所已知的其它设备(未示出)从超高区域648出来。

可以理解的是，为了改变燃烧率和传热率以更好地匹配在流体重整器600内的装载量并且也增强重整器的调节，流体重整器600的脉冲加热器608A、608B是由计算机控制(未示出)的。

从前述可以看出，在多个方面图6A和6B的流体重整器600与在图2中看到的现有技术的流体重整器200是相似的。然而，一个主要不同是在流体重整器600中的脉冲加热器608A、608B布置成了隔开的组610、620，然而在现有技术的流体重整器200中的脉冲加热器都属于单一组。第二个不同是，在一些实施方式中，原料在位于最下部脉冲加热器之上的区域引入到隔室602内，在一个实施方式中，原料在两组610、620之间的区域引入。

流化床重整器的从含碳材料产生产品气体的操作从上面描述的种类的装置开始。随后将流化介质引入到隔室内，在竖直地在第一和第二组之间的区域将含碳材料引入到隔室内，并且然后控制在反应容器里的反应，使得在流化床里至少一部分含碳材料转化成产品气体。

本领域普通技术人员熟悉控制反应的多个方面，例如反应物流动，温度和压力监测等。在那些使用脉冲加热器的情形下，这种控制需要脉冲加热器的操作，包括调节它们的燃烧率，空气-燃料混合，和其它参数。重整器可以配置成在湍流流化状态下操作，并且流化介质可以选自蒸汽、空气、富氧空气、氧气、氮气、二氧化碳、再循环产品气体及其混合物。

尽管重整器600的以上描述关注具有长方形底部的流化床重整器，在具有其它形状的重整器中实现本发明同样是可能的。这样，例如，具有正方形底部或圆柱形底部的重整器也可以从本发明受益，只要在脉冲加热器之间有足够的竖直间隔并且设置进口以将原料引入到脉冲加热器组之间的区域。

另外，在上面的描述中，使用脉冲加热器作为加热管道提供的间接热源。然而，可以理解的是，上面描述的反应器可以使用不同于脉冲加热器的热源以通过加热管道609产生间接地供应的热。这种其它热源的例子包括在加热管道内的电加热器、火管等。

图3A示出了根据本发明的另一个方面的反应器300的侧视图。在接下来的描述中，反应器假定为重整器300。重整器300包括重整器容器302和一对传热模块310、350，在重整器容器302的任一侧有一个传热模块310、350。重整器容器302限定配置成接纳可流化含碳材料的隔室。如同在图3A中看到的那样，两个传热模块相对彼此地竖直偏移。在示出的该实施方式中，第二传热模块350位于比第一传热模块310稍微地高一些的位置处。

第一传热模块310包括第一声腔室311和第一脉冲燃烧器312。第一脉冲燃烧器312包括连接到尾管314的脉冲燃烧腔室313。如同在图3的实施方式中看到的那样，脉冲燃烧腔室313放置于第一声腔室311的顶部上。同时，尾管314大体上完全在第一声腔室311内，并且在其内在竖直向下的方向上延伸。也如同在这个实施方式中看到的那样，尾管出口316布置于沿着声腔室311的竖直广度的大约中间位置处，声腔室311具有2×H3的高度。这允许第一声腔室311在第一脉冲燃烧器312启动时共振并且在声腔室内产生驻波。

风室318坐落于脉冲燃烧腔室313的顶部上，其包围阀320。阀可以包括单阀，或可以包括多级阀320。阀320给脉冲燃烧腔室313的进口提供了门，并且因而允许可燃物322例如燃料和/或气体产物，和空气324进入到后者中。空气324可以进入风室318并且在注入到脉冲燃烧腔室313之前在接近阀320的出口处与可燃物混合。

从尾管314的端部316出来进入到第一声腔室311内的燃烧产物通过形成在重整器容器302的第一壁322中的开口并且进入到连接到第一壁322的多个传热管326内。传热管326属于第一上部传热管束328U或第一下部传热管束328L。第一上部和下部传热管束328U、328L伸入到重整器容器302中，在那里热传给其中的流体。

每束328U、328L、368U、368L包括多个传热管。如同在图3B中看到的那样，每束328U、328L可以包括多排330管326。属于单一束的排330优选是交错的，如同在图3B中示出的那样，尽管它们可以简单的彼此竖直地对准。每排330可以包括多个管326，准确数量受到管直径、管间隔和管326连接到的容器壁332的长度L的限制。

排的总数和传热管326的总数能按任何给定的设计修改以适合蒸汽重整器的大小、原料类型和原料吞吐量。一旦这些参数是已知的，第一脉冲燃烧器312和第一声腔室311能设计成与传热负荷相匹配。既然排的数量和列的数量是可以改变的，重整器例如重整器300可以从小尺寸按比例放大为大尺寸。不管总体尺寸，传热管326能配置成在重整器容器302内布置以帮助促进气-固接触和减少气/蒸汽沟流和旁通。

在重整器300内，第一脉冲燃烧器312与传热管326物理地隔开的，但是通过第一声腔室311功能连接。第一声腔室311完全包围尾管314，尾管出口316位于声腔室的几何中心附近。随着第一脉冲燃烧器312设计成亥姆霍兹和四分之一波长共振器，尾管出口316对应于速度反节点(velocityanti-node)，或压力波节点(pressure node)。第一声腔室配置成可作为在其端部311A、311B处具有压力反节点，或速度节点的驻波发生器。

两束传热管328U、328L被设置成使得上部束328U接近位于第一声腔室311的顶部311A处的压力反节点，同时下部束328L接近位于第一声腔室311的底部311B处的压力反节点。这促使从第一脉冲燃烧器312到第一上部和下部束328U、328L的传热管326的声音的有效地传递。它也提供周期性的边界层的涤气(scrubbing)和传热率的提高。

如在图3A中看到的那样，上部束328U、368U组成上部束组329U，同时下部束328L、368L组成下部束组329L。上部束组329U的最下部成员通过组间竖直间隔D1与下部束组329L的最上部成员隔开。组间竖直间隔D1大体上超过排间竖直间隔D2，排间竖直间隔D2是在束内的排之间的间隔。在一个实施方式中，组间竖直间隔D1与排间竖直间隔D2的比D1/D2大于或等于2。在一些实施方式中，组间竖直间隔D1也超过上部束组329U或下部束组329L的最大组高D3，可以理解的是组不需要具有相同的高度，或相同数量的排。在一个实施方式中，组间竖直间隔D1与最大组高D3的比D1/D3大于或等于2。下部和上部组329L和329U都浸入到密相床342内。

第二传热模块350包括第二声腔室351和第二脉冲燃烧器352。第二脉冲燃烧器的结构与第一脉冲燃烧器的结构相似。第二脉冲燃烧器352从而包括连接到尾管354的脉冲燃烧腔室353。也提供风室358和与第二脉冲燃烧器352结合的阀360，用于引入可燃物362。

离开尾管354进入到第二声腔室351的燃烧产物穿过形成在重整器容器302的第二壁334中的开口并且进入到连接到第二壁334的多个传热管366内。优选地与传热管326具有相同结构的传热管366属于第二上部传热管束368U或第二下部传热管束368L。

重整器容器302的隔室303包括许多竖直隔开的具有不同功能作用的区域并且在这些区域里进行不同的活动。

在重整器容器302的底部是供例如蒸汽等流化介质335引入到其内的分配器336。最底部传热管326位于靠近分配器336的位置以促进热源和冷源之间的良好交流。在一个实施方式中，在分配器336和最底部的传热管326之间的间隔H4(参见图3B)在0.5-1.5米之间。然而，其它的间隔也是可能的。

在分配器336之上并且在下部束328L、368L的顶部之下的区域被称为增强的炭转化区340。区340提供良好的传热传质和高反应物(蒸汽)浓度并且促进增强的炭转化。这个区的竖直广度取决于炭反应性和重整器操作条件，反应越慢竖直广度越大。

在下部束328L、368L和上部束328U、368U之间是具有如前面所讨论的那样的高度D1的干燥和脱挥发份作用区342。这个区有助于良好的固体循环、传热和气-固接触，用于使得干燥和脱挥发份作用最大化并且使得焦油和炭形成最小化。在一个实施方式中，总体如箭头337所示的原料进口终止于垂直地在下部传热束328L、368L和上部传热束328U、368U之间的区域。这样，在这个实施方式中，原料在竖直地在下部传热束328L、368L之上并且在上部传热束328U、368U之下的位置处被注入到与主炭反应区340隔开的区342中。尽管仅仅示出了单个的原料进口337，可以理解的是这个原料进口337用来代表多个这样的进口。多个进口都具有大体上相同的高度，并且沿着不与声腔室311、351邻接的容器302的暴露侧相隔开，如同在图3B和3C中最佳所见。

最后，在上部束328U、368U正上方的区域是延伸到顶部密相床线346的密相床区域344。超高区域348占据重整器容器302的最顶部部分。产品气体349通过旋流器和本领域技术人员所已知的其它设备(未示出)从顶板区域348出来。

在示出的该实施方式中，重整器300具有两个传热模块310、350，每个具有声腔室311、351和相关脉冲燃烧器312、352。在操作期间，两个传热模块310、350由计算机控制以改变燃烧率和传热率从而更好地匹配在重整器300内的负荷且增强重整器的极限负荷(turndown)。

在脉冲燃烧器312、352中，燃烧化学计量可以基于燃料燃烧率单独地调节以确保在尾管314、354或声腔室311、351内完全燃烧。此外，向声腔室311、351内供应调温空气和/或再循环废气以调节进入到传热管326、366中的气体温度和/或使得污染物排放最小化。此外，脉冲燃烧器312、352和它们的相关腔室313、353、尾管314、354和阀320、360的几何形状可被设计成使得燃烧和声学性能最大化，同时能传热束(在该束内的保护管的直径和长度、外管的直径和长度以及管-管间隔或缝隙)可被设计成优化传热性能和流化床操作性。在这种方式下，可以操作脉冲燃烧器以给传热管提供受控量的热，从而处理引入到重整器容器302内的反应材料。流化床操作领域的普通技术人员熟悉控制重整器300、脉冲燃烧器312、352、原料和流化介质。因此，通过这种控制，并取决于正被处理的材料，可以选择在沸腾床状态下或在湍流流化状态下操作重整器300。

图4A示出了属于在第一声腔室311和重整器容器302之间的壁332的第一壁部400的第一个实施方式的剖面图。第一壁部400包括管板406，其本身可以包括面对第一声腔室311的耐火材料402。在这个实施方式中，壁部400包括一对管板406、408，它们一起形成了被向内突出的传热管打断的环形膜式水冷壁404。

每个传热管326、328具有环形结构，并且包括内保护管410和稍微长一些的外管412(流化床传热管)，在它们之间限定了环状空间。内管板406(相对于重整器容器302，其实际上是最外面的管板)支撑属于束的内保护管410。同时，外管板408(相对于重整器容器302，其实际上是最内部的管板)支撑属于束的外管412。在一个实施方式中，外管板408在预先确定的位置处焊接到容器壁332上，或通过法兰联接螺栓连接到那里。类似地，内管板406也法兰连接到和螺栓连接到邻近容器壁332的分离器。

从尾管喷出的燃烧产物，例如废气，从声腔室流入到内保护管410内，如箭头413所示。废气首先沿远离壁332的方向、沿着包括内保护管410的空心的第一通道409并且朝向传热管的端壁411流动。废气然后转向，并且沿朝向壁332的方向，通过由形成在内保护管410和其它保护管420之间的环状空间限定的第二通道415流动，如箭头414指示的那样。第二通道415与形成在两管板406、408之间的歧管416流体连通。因此，废气从第二通道415进入歧管416，从那里它导向废气管417，如箭头418指示的那样。

当它们沿着内保护管410移动时，在其内的废气分别使得位于内和外保护管410、312之间的环形区域内的在相反方向上移动的气体变暖。由于热传导给了流化床，随着它们从环状空间的进口流出，在环状空间内的废气趋于变凉，但是被从在内保护管410内的废气传导过来的热稍微再次加热。

这种布置可以消除对在重整器容器内的热膨胀连接和相关资金、操作和维护成本的需要。此外，保护管-环状空间设计促进在外管412的外表面上的接近一致的气体温度，这样减少了位于外管412上的局部热点的可能。它也帮助增强将热传导到重整器容器内的流化床。在一个实施方式中，管410和412的横截面和长度被选择，使得传热束和声腔室的相应部分作为亥姆霍兹和/或四分之一波长共振管操作。

如图4B、4C和4D所示，管板406、408可以是水冷的，使用膜式水冷壁结构。外管板406支撑与出口集管(outlet header)422A竖直地隔开的进口集管(inlet header)420A。水424A被泵送到进口集管420A内，通过多个冷却管404向上移动并且进入出口集管422A。水/蒸汽混合物426A然后从该出口集管422A出来。类似地，内管板408支撑与出口集管422B竖直地隔开的进口集管420B。水424B被泵送到进口集管420B内，通过多个冷却管428向上移动并且进入出口集管422B。水/蒸汽混合物426B然后从该出口集管422B出来。

可以理解的是，在一些实施方式中，为声腔室311提供至少两个这种壁部400，一个用于下组的传热管，并且另一个用于上组的传热管。进一步可以理解的是，在图3中看到的种类的重整器300内，每个声腔室311、351将有两个这种与之相关的壁部、两个与壁322相关并且另外两个与壁334相关，总共有四个这样的壁部。

进一步可以理解的是壁334具有相似的壁部并且因此两个传热模块310、350都将它们的废气传递到共同的反应容器内。

图5A示出了属于在第一声腔室311和重整器容器302之间的壁332的壁部500的第二个实施方式的剖面图。壁部500包括第一水套532，其可以包括面对声腔室的耐火材料502。每个传热管包括内保护管510和稍微长一点的外管512，在两者之间限定了环状空间。

在这个实施方式中，一对水套532、534包围传热管。第一水套532由第一对管板542A、542B形成，同时第二水套534由第二对管板544A、544B形成。内保护管水套532对束的内保护管510进行冷却，同时外管水套534对束的外管512进行冷却。如同在图5B和5C的实施方式中看到的那样，当从重整器容器观看时水套532、534可以具有环形面。如果蒸汽压力相对低，或者如果它们的周边按照重整器容器的压力需要而充分地加强，水套可以具有长方形面。

在图5A的实施方式中，从尾管喷出的燃烧产物例如废气，从声腔室流入到内保护管510内，如箭头513描述的那样。废气沿着内保护管510移动到它的端部，回转，并且通过外环状空间流动，如箭头514指示的那样。废气然后进入形成在两水套532、534之间的歧管516。废气从歧管被引导到废气管517，如箭头518指示的那样，并且从那里流出重整器容器，如箭头519指示的那样。

在前面的简单描述中，所示的脉冲燃烧器312、352分别具有单个阀320、360和分别具有单个尾管314、354。然而，可以理解的是，当需要的时候脉冲燃烧器312、352可以分别包括多个这种阀和/或多个这种尾管。

重整器可以配置成在湍流流化状态下操作，并且流化介质可以由选自蒸汽、空气、富氧空气、氧气、氮气、二氧化氮、再循环产品气体及其混合物。

另外，尽管上面的描述是关于能量转化和合成气生产的，应当注意的是所披露的反应器300也可以有有益地用于使用热化学的和/或生物化学方法处理任何反应材料。这里所考虑的反应材料不但包括含碳材料，而且也包括无机物及其他。可以理解的是流化床操作领域的普通技术人员熟悉控制反应器、脉冲燃烧器、原料进口和流化介质，以热化学地或生物化学地处理多种不同反应材料。

上面描述的本发明的多个实施方式旨在描述和示例性阐明本发明的多个方面，并且不是旨在将本发明限制于这些实施方式。本领域的普通技术人员将理解在不偏离本发明的情况下可以对描述的实施方式进行一定的修改。所有这种修改都在附属权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种配置成将含碳材料转化成产品气体的流化床重整器，该重整器包括：

限定隔室的反应容器，所述隔室配置成接纳可流化的含碳材料，所述反应容器具有至少第一壁部和第二壁部；

连接到所述反应容器的第一传热模块，所述第一传热模块包括连接到具有第一端和第二端的第一声腔室的第一脉冲燃烧器，其中所述第一脉冲燃烧器包括终止于所述第一声腔室中的至少一个第一尾管；和

伸到所述隔室中的第一多个传热管，所述第一多个传热管中的每个通过所述第一壁部与所述声腔室流体连通，其中：

所述第一多个传热管中的每个被配置成使得从所述至少一个第一尾管排出的燃烧产物沿远离所述第一壁部的方向，沿着每个传热管的第一通道移动，并且然后沿朝向所述第一壁部的方向，沿着所述每个传热管的第二通道移动；且

所述第一脉冲燃烧器的共振管不伸到所述反应容器的所述隔室中。

2.如权利要求1所述的流化床重整器，其中：

所述第一多个传热管中的每个包括内保护管和外管；

所述内保护管形成所述第一通道；并且

形成在所述内保护管和所述外管之间的环状空间形成第二通道。

3.如权利要求2所述的流化床重整器，进一步包括与所述第二通道流体连通的歧管，其中：

所述歧管形成在与所述内保护管关联的第一管板和与所述外管关联的第二管板之间。

4.如权利要求1所述的流化床重整器，其中：

所述至少一个第一尾管在所述第一和第二端之间终止于沿所述声腔室的竖直广度的大约中间位置。

5.如权利要求4所述的流化床重整器，其中：

在所述第一脉冲燃烧器启动时，所述第一声腔室共振，且在其中产生驻波，并且在所述第一和第二端处形成压力波反节点。

6.如权利要求1所述的流化床重整器，进一步包括与所述第一多个传热管关联的冷却系统，所述冷却系统包括与出口集管竖直隔开的进口集管，和在所述进口集管和所述出口集管之间的多个冷却管。

7.如权利要求1所述的流化床重整器，进一步包括与所述第一多个传热管相关的冷却系统，所述冷却系统包括一对彼此隔开的套，第一套冷却所述第一多个传热管的内管，且第二套冷却所述第一多个传热管的外管。

8.如权利要求1所述的流化床重整器，进一步包括：

伸到所述隔室内的第二多个传热管，所述第二多个传热管中的每个也与所述第一声腔室流体连通，所述第二多个传热管与所述第一多个传热管竖直地隔开，其中：

所述第二多个传热管中的每个被配置成使得从尾管排出的燃烧产物沿远离所述第一壁部的方向，沿着每个传热管的第一通道移动，并且然后沿朝向所述第一壁部的方向，沿着所述每个传热管的第二通道移动。

9.如权利要求8所述的流化床重整器，进一步包括与所述隔室流体连通的至少一个原料进口，所述至少一个原料进口终止于竖直地在第一和第二多个传热管之间的区域。

10.如权利要求8所述的流化床重整器，进一步包括：

连接到所述反应容器的第二传热模块，所述第二传热模块包括连接到第二声腔室的第二脉冲燃烧器，其中所述第二脉冲燃烧器包括终止于所述第二声腔室中的第二尾管，和

伸到所述隔室中的第三多个传热管，所述第三多个传热管中的每个通过所述第二壁部与所述第二声腔室流体连通，其中：

所述第三多个传热管中的每个被配置成使得从所述第二尾管排出的燃烧产物沿远离所述第二壁部的方向，沿着所述第三多个传热管中的每个的第一通道移动，并且然后沿朝向所述第二壁部的方向，沿着所述第三多个传热管中的每个的第二通道移动。

11.如权利要求10所述的流化床重整器，进一步包括：

伸到所述隔室中的第四多个传热管，所述第四多个传热管中的每个也与所述第二声腔室流体连通，所述第四多个传热管与所述第三多个传热管竖直地隔开，其中：

所述第四多个传热管中的每个被配置成使得从所述第二尾管排出的燃烧产物沿远离所述第二壁部的方向，沿着所述第四多个传热管中的每个的第一通道移动，并且然后沿朝向所述第二壁部的方向，沿着所述第四多个传热管中的每个的第二通道移动。

12.如权利要求11所述的流化床重整器，进一步包括与所述隔室流体连通的至少一个原料进口，所述至少一个原料进口终止于竖直地在所述第一和第二多个传热管之间并且也在所述第三和第四多个传热管之间的区域。

13.如权利要求1所述的流化床重整器，包括：

连接到所述反应容器的多个传热模块，每个传热模块包括连接到相关声腔室的脉冲燃烧器，其中每个脉冲燃烧器包括终止于所述相关声腔室中的至少一个尾管；和

伸到所述隔室中的多个上部和下部传热管，所述多个上部和下部传热管中的每个通过反应容器的壁部与所述相关声腔室流体连通，其中：

所述多个上部和下部传热管中的每个被配置成使得从所述至少一个尾管排出的燃烧产物沿远离所述反应容器的壁部的方向，沿着每个传热管的第一通道移动，并且然后沿朝向所述壁部的方向，沿着所述每个传热管的第二通道移动。

14.一种配置成热化学地或生物化学地处理反应材料的流化床反应器，所述反应器包括：

限定适于接纳反应材料的隔室的反应容器；

连接到所述反应容器的多个传热模块，每个传热模块包括连接到具有第一和第二端的相关声腔室的脉冲燃烧器，其中每个脉冲燃烧器包括终止于所述相关声腔室的至少一个尾管，和

伸到所述隔室中的多个上部和下部传热管，所述多个上部和下部传热管中的每个通过反应容器的壁部与所述相关声腔室流体连通，其中：

所述多个上部和下部传热管中的每个被配置成使得从所述至少一个尾管排出的燃烧产物沿远离所述反应容器的所述壁部的方向，沿着每个传热管的第一通道移动，并且然后沿朝向所述壁部的方向，沿着所述每个传热管的第二通道移动；

所述脉冲燃烧器的共振管不伸到所述反应容器的所述隔室中。

15.如权利要求14所述的流化床反应器，其中：

每个传热管包括内保护管和外管；

所述内保护管形成所述第一通道；并且

形成在所述内保护管和所述外管之间的环状空间形成所述第二通道。

16.如权利要求15所述的流化床反应器，进一步包括与所述第二通道流体连通的歧管，其中：

所述歧管形成在与所述内保护管关联的第一管板和与所述外管关联的第二管板之间；并且

第一和第二管板中的每个焊接到或者螺栓连接到所述反应容器的所述壁部。

17.如权利要求14所述的流化床反应器，进一步包括与所述上部和下部传热管中的至少一个关联的冷却系统，所述冷却系统包括与出口集管竖直地隔开的进口集管，和在所述进口集管和所述出口集管之间的多个冷却管。

18.如权利要求14所述的流化床反应器，进一步包括与第一多个传热管关联的冷却系统，所述冷却系统包括一对彼此隔开的套，第一套冷却所述第一多个传热管的内管，且第二套冷却所述第一多个传热管的外管。

19.如权利要求14所述的流化床反应器，进一步包括与所述隔室流体连通的至少一个原料进口，所述至少一个原料进口终止于竖直地在多个上部和下部传热管之间的区域。

20.如权利要求14所述的流化床反应器，其中

至少一个第一尾管在所述第一和第二端之间终止于沿所述声腔室的竖直广度的中间位置；并且

在所述第一脉冲燃烧器启动时，所述第一声腔室共振并且在其中产生驻波，在所述第一和第二端处形成压力波反节点。

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