CN101547730A - 喷嘴总管以及利用这种布置结构的高温气体骤冷方法 - Google Patents

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Abstract

喷嘴总管(25)包括用于供应雾化气体的第一同轴通道(26)、位于所述第一通道中用于供应液体的第二同轴通道(27)、附接在所述第一通道上的一个以上横向隔开并且沿远离总管(25)纵向轴线的方向喷射液体的雾化喷嘴(16)，所述喷嘴具有与所述第二通道流体连接的液体入口、与所述第一通道(26)流体连接的雾化气体入口、使雾化气体和液体混合的混合室(3)以及用于雾化气体和液体混合物的出口(24)，其中，所述喷嘴具有用于排放雾化气体的开口(33)，所述开口与位于所述混合室(37)上游位置的第一通道流体连通，其中，一防护罩固定到围绕所述喷嘴的第一通道(20)上。

Description

喷嘴总管以及利用这种布置结构的高温气体骤冷方法
技术领域
本发明涉及喷嘴总管、这种喷嘴总管的布置结构以及利用这种布置结构使高温气体骤冷的方法。
背景技术
US-A-2006/0260191描述了一种转炉，其中，在相邻气化反应器中产生的高温合成气体通过将骤冷液喷射到所述高温合成气体流中进行冷却。特别地，该专利文献的图4显示了一种气化反应器，该气化反应器用于使固体含碳原料气化以获得温度为1200℃-1800℃的合成气体混合物。反应器在其上端具有高温合成气体出口，在其下端具有熔渣出口。反应器本身设置有骤冷装置，以便将第一步骤中的温度降低到比存在于合成气体中的非气态成分的凝固点低的温度。通过将水雾喷射到位于单独骤冷转炉中的合成气体流中使合成气体的温度进一步降低，所述骤冷转炉通过管道连接到气化反应器上。骤冷转炉的优点在于，这种转炉设计可以比具有多个热交换器管束的废热锅炉更为简单。进一步的优点在于，可以获得含水率低于饱和程度的合成气体。这能够获得大体上冷却的合成气体，可以使用例如EP-B-1178858中所述的过滤器，或者更优选地通过使用旋风分离器使灰尘与所述合成气体分离。
DE-A-102005004341描述一种喷嘴总管，其包括用于供应雾化气体的第一同轴通道、存在于所述第一通道内以供应液体的第二同轴通道。喷嘴总管还具有一个以上横向隔开的喷嘴，其用于使液体雾化并喷射。
申请人已经发现不是沿顺向将骤冷介质喷射到含有非气态成分(例如，灰尘)的高温合成气体中。例如，如果使用DE-A-102005004341的喷嘴总管，由于在高温合成气体中存在非气态成分，会使喷雾嘴发生严重堵塞。本发明提供了喷射骤冷介质的装置，其不会发生这种堵塞。
发明内容
喷嘴总管包括用于供应雾化气体的第一同轴通道，位于所述第一通道中用于供应液体的第二同轴通道，附接在所述第一通道上的一个以上横向隔开并且沿远离总管纵向轴线的方向喷射液体的雾化喷嘴，所述喷嘴具有与所述第二通道流体连接的液体入口、与所述第一通道流体连接的雾化气体入口、使雾化气体和液体混合的混合室以及用于雾化气体和液体混合物的出口，其中，所述喷嘴具有用于排放雾化气体的开口，所述开口与位于所述混合室上游位置的第一通道流体连通，其中，一防护罩固定到围绕所述喷嘴的第一通道上。
申请人已经发现，通过提供围绕喷嘴的防护罩以及吹扫所述防护罩和喷嘴之间空间的装置，可以获得喷嘴总管，其中，可以有效避免由非气态成分造成的堵塞。
附图说明
图1显示了骤冷转炉的剖视图。
图1b显示了骤冷转炉的另一实施例的剖视图。
图2显示了图1或图1b的骤冷转炉的剖视图AA′，显示了喷嘴总管的布置结构。
图3显示了喷嘴总管和骤冷转炉壁的一部分。
图4显示了图3所示喷嘴总管的细节。
具体实施方式
利用如上部、顶部、下部、向下、水平、竖直的术语定义喷嘴总管。这些术语涉及喷嘴总管在如图1-4所示使用时的优选方位。这些术语不用于将本发明的范围限于只具有这种方位的喷嘴总管。
根据本发明的喷嘴总管具有用于供应雾化气体的第一同轴通道和存在于所述第一通道内以供应液体的第二同轴通道。这些通道优选地为管状。横向隔开的喷嘴定位成使液体雾化并将其沿远离总管纵向轴线的方向喷出。优选地，喷嘴定位在与纵向轴线平行的直线上。优选地，喷嘴定位成沿与纵向轴线垂直的相同方向喷雾，与定位在通道末端的附加喷嘴隔开，所述附加喷嘴可以沿不同的方向喷雾，如下文将要描述的那样。
喷嘴附接到第一通道上。优选地，在一个喷嘴总管上设置3到10个喷嘴。喷嘴具有可与所述第二通道流体连接的液体入口和与所述第一通道流体连接的雾化气体入口。喷嘴具有混合室和出口，雾化气体和液体在所述混合室内混合，雾化气体和液体的混合物从所述出口排出。
喷嘴总管的第一和第二通道适当地流体连接到供应雾化气体的装置和供应液体的装置上，所述装置分别位于所述通道的一端。在总管通道的相对端部处，优选地具有附加喷嘴，所述附加喷嘴具有相对于其他喷嘴的喷雾方向倾斜的喷雾方向。更优选地，外端部喷嘴的喷雾方向相对于所述总管上的其他喷嘴的喷雾方向成0-45°的角度。
为了减少喷嘴外部的积灰，在喷嘴上设置有用于排放雾化气体的一个或多个开口。所述开口在混合室的上游位置与第一通道流体连通。雾化气体的一部分将流过这些开口，避免灰尘沉积在喷嘴外部上或将其去除。具有这种开口的喷嘴由防护罩包围，所述防护罩从第一通道伸出并具有开口端以允许液体喷雾在从喷嘴排出时通过。所述防护罩可以包围一个以上的喷嘴。优选地，每个单独的喷嘴设置有单独的防护罩。更优选地，防护罩是围绕喷嘴的管状部件。
优选地，喷嘴总管设置有避免沉积物积聚在喷嘴总管顶部上或将其去除的装置。这种装置可以是机械振动装置，其直接位于喷嘴总管本身上，或者位于放在所述总管上方的金属防护罩上。另一种可能的装置是声波清洗装置。另一种装置是鼓风装置，鼓风装置以连续、间歇或任意组合的方式吹走可能形成在喷嘴总管上侧的任何沉积物。这种鼓风装置适当地利用一部分雾化气体作为鼓风气体。可能的鼓风装置可以是沿着第一通道上侧的一排横向隔开的开口。当用于冷却高温合成气体时，喷雾方向朝下，合成气体的流动方向也朝下。从位于上侧的这些开口流出的气体避免了灰尘沉积。更优选地，鼓风装置安装在喷嘴总管的顶部上，该鼓风装置具有沿着喷嘴总管上侧的水平吹送方向。
适当地，多个横向隔开的开口位于第一通道的相对(顶)侧的壁部上。雾化气体流过这些开口，从而避免或去除所有灰沉积。
喷嘴适当地包括位于通道主体中与第二总管通道流体连接的用于液体的中心竖直供给通道。通道主体在其下端具有径向向外排放开口。这些径向向外排放开口在混合室中敞开。混合室包括与用于雾化气体的第一总管通道流体连接并与位于中心通道主体下端的单个出口通道流体连接的环形空间。出口通道由喷嘴主体内壁界定。出口通道在其下端终止于用于液体和雾化气体混合物的扩径出口孔。
扩径出口孔导致在使用中排放液体骤冷介质和雾化气体的锥形喷雾。锥形角度优选地为10°-70°，更优选地为15°-25°(图4中的角β)。US-A-2004/0222317的图2中显示了这种喷嘴的实例，该公开文献在此引入作为参考。
本发明还涉及一个以上的上述喷嘴总管的布置结构。优选地，在所述布置结构中，大部分喷嘴朝向大体上相同的方向，其中，所述总管径向定位在一个(适当地，水平的)圆形平面上，用于给总管供应雾化气体和液体的装置沿其圆周定位，位于圆形中心的总管端部彼此隔开。优选地，所述布置结构具有6-15个上述喷嘴总管。
上述布置结构优选地定位在竖直转炉中，所述转炉在其上端具有用于高温(合成)气体的入口，在其下端具有用于骤冷气体的出口，从而界定了用于所述气体的流动路径，所述流动路径与喷嘴总管的水平布置结构相交。优选地，单独的喷嘴总管通过法兰穿过位于转炉壁部上的多个或单独的开口固定，使得单个总管可以取出以便进行例如维护。用于雾化气体和液体的供给管道可以容易地连接到总管端部上，所述总管端部从转炉伸出。
转炉内壁在水平立面处(喷嘴总管的布置结构定位在该处)优选地为具有壁部的扩径锥形部件的形状，其沿向下方向向外倾斜。优选地，这些壁部具有膜式壁设计。术语膜式壁设计通常已知并且是指冷却壁结构。这种壁部是气密的，并且包括互连管道的布置结构。冷却通常通过使冷却水蒸发来实现。这些管道通过共用分配器流体连接到冷却介质的供应源上，并且另一端流体连接到共用汇管上以排出用过的冷却介质。
扩径锥形部件具有壁部，其沿向下方向向外倾斜。优选地，这个壁部的表面和转炉竖直轴线之间的角度(图1和1b中的α)为3°-30°，更优选地为5°-10°。优选地，喷嘴出口孔中心和扩径锥形部件的壁部之间的最小距离为0.2-1m(图3中的距离d)。所述角度和距离将确保液体在其能够接触转炉内壁(部件)之前已经蒸发。这是优选的，因为湿灰尘沉积物不易去除。
本发明还涉及通过用液滴骤冷使高温气体流冷却的方法。在这种方法中，包括液滴和雾化气体的喷雾利用如上所述的喷嘴总管布置结构喷射到高温气体流中。在所述方法中，高温气体沿与所述布置结构的圆形平面垂直的方向流动，其中，所述喷雾沿与高温气体相同的方向喷射。
所述液体可以是具有适于雾化的适当粘度的任何液体。要喷射液体的非限制实例是烃类液体、在后续步骤中获得的废液。优选地，所述液体包括重量比为至少50％的水。最优选地，所述液体大体上由水组成(即，水的体积比>95％)。在优选实施例中，在可能的下游合成气体净气器中获得的废水(还称作黑水)作为所述液体使用。
优选的是，所述液体以微小液滴雾的方式喷射。更优选地，雾包括微滴，所述微滴的直径为50-200μm，更优选地为50-150μm。优选地，至少60％体积比的喷射液体为具有所示尺寸的微滴。
为了增强高温气体的骤冷，骤冷介质优选地以10-60m/s，更优选地20-50m/s的平均速度进行喷射。
雾化气体例如为N2、CO2、蒸汽或合成气体。优选的雾化气体是从下游处理步骤再循环获得的合成气体。使用雾化气体具有下列好处，喷射压力和待骤冷/冷却高温气体压力之差减小，同时实现同样优选的液滴尺寸和速度。
优选的是，所述液体以比高温气体压力高至少5巴，优选地比高温气体压力高至少10巴直到比高温气体压力高20巴的喷射压力进行喷射。
优选地，喷射的骤冷介质在喷射点处的温度为普通压力情况下起泡点以下至多50℃，尤其是至多15℃，更优选地是起泡点以下至多10℃。为此，如果喷射骤冷介质是水，它的温度通常为90℃以上，优选地150℃以上，更优选地200℃-270℃，例如230℃。因此，实现喷射骤冷介质的迅速汽化，同时避免冷点。显然，温度取决于高温气体的压力。
高温气体优选地为包含一氧化碳和氢气的气体混合物的灰尘，其压力为2-10MPa，初始温度为500℃-900℃，更优选地为600℃-800℃。所述方法尤其涉及通过使含有含碳原料的灰尘部分氧化来获得高温气体的方法。这种含原料的灰尘实例为煤、由煤得到的焦炭、煤液化残余物、石油焦炭、煤烟、生物燃料、以及由油页岩、含沥青砂和焦油沥青获得的粉碎固体粒子。煤可以为任何类型，包括褐煤、副烟煤(sub-bituminous)、烟煤和无烟煤。所述液体优选地包括水。所述气体在骤冷步骤之后的温度优选地为200℃-600℃，更优选地为300℃-500℃，更加优选地为350℃-450℃。在第一同轴通道中供应的雾化气体优选地具有比一氧化碳和氢气的气体混合物压力高0.5-2MPa的压力。根据特别优选的实施例，选择喷射水的数量，使得所述气体在通过所述布置结构喷射液体之后包括体积比为至少40％的H2O，优选地为体积比为40-60％的H2O，更优选地为体积比为40-55％的H2O。
存在于从如上所述冷却步骤中获得的氢气和一氧化碳的冷却混合物中的固体主要部分优选地通过旋风分离器进行分离。剩余固体在后续的气体洗涤步骤中去除。优选地，气体洗涤步骤包括后面是填料床洗涤柱的文丘里洗气器。最终气体将具有体积比为50-60％的高含水率，从而使所述气体适合于进行下游转换反应。在这个催化转换反应中，一氧化碳与水反应生成二氧化碳和氢气。因为供应给转换反应的物料中已经存在水，根本不必在转换段中添加补给水或仅需添加少量补给水。当需要纯氢或较高的氢气对一氧化碳比率时，转换反应是有利的。这种应用实例称作具有二氧化碳捕获、氢气制造和处理的IGCC方法，其中，混合物用作物料，例如用作供应给费-托合成法、乙酸合成法、甲醇合成法和二甲基醚合成法的物料或者作为例如直接矿石还原方法中的还原气体。
在气体洗涤步骤中获得的气体优选地进一步净化以分离CO2、H2S、COS和/或HCN以及其它成分。适于这种净化的方法实例是商用气体处理法，Sulfinol-D、Sulfinol-M、DIPA-X、Genosorb、Selexol和Rectisol。
附图的详细说明
图1显示了竖直定位的骤冷转炉1。转炉1在其上端具有高温气体入口2，在其下端具有冷却气体出口3，从而限定了使气流向下引导的通道4。转炉1还设置有用于将骤冷介质喷射到气流通道4中的喷嘴总管9。图1显示了第一内部管状壁部件5，所述壁部件5具有与高温气体入口2流体连接的开口6。管状壁部件5在其下端与具有壁部8的扩径锥形部件7连接，所述壁部8沿气体通道4的方向向外倾斜。如图所示，将骤冷介质喷射到气流通道4中的喷嘴总管9位于由扩径锥形部件7包围的空间10内。
紧随扩径锥形部件7的下端11布置有第二管状内壁12。第二管状内壁12的下部开口端13与冷却气体出口3流体连通。
图1还显示了角度α，该角度在所示实施例中为大约7.5°。第二管状内壁12设置有一个或多个振动器15。转炉1的下端具有锥形端部1a，其终止于作为冷却气体出口3的中心开口127。
图1b显示了与图1所示类似的竖直定位的骤冷转炉1b。转炉1b与转炉1不同之处在于，高温气体入口2b设置在转炉1b的上端侧壁上。当使用如US-A-2006/0260191中图4所示的连接管道5b时，这种构造是优选的。转炉1b的上端称作气体反转室。
图2显示了12个径向布置的喷嘴总管25(图1和1b中的9)，从上面观察时，所述喷嘴总管设置有朝下的喷嘴。喷嘴总管25固定到转炉1的壁部上，与扩径锥形部件7的壁部8相交并延伸到中心位置。喷嘴总管25通过法兰25a连接到转炉上，并因此可以容易地拆卸以维修或维护。喷嘴总管25在其朝向转炉1中心的端部处设置有喷嘴28。
图3详细显示了喷嘴总管25。一个喷嘴总管25设置有用于雾化气体的供给通道26(第一同轴通道)和用于骤冷介质的供给通道27(第二同轴通道)。在图示喷嘴总管25上设置四个横向隔开且朝下的喷嘴16和一个略微倾斜的喷嘴28。喷嘴总管固定在转炉1壁部上的开口中。通过扩径锥形部件7的膜式壁8和耐火材料36防止转炉1的壁部受到高温影响，所述耐火材料显示为紧贴所述壁部内侧的层。图中还显示了第二内壁12的上端和管状壁部件5的下端。供给通道26连接到雾化气体入口26a上。供给通道27连接到液体入口27a上。
图3还显示了位于喷嘴总管25上侧的鼓风装置38。鼓风装置38用于连续或间歇地吹走可能形成在喷嘴总管25上侧的所有沉积物。鼓风装置的方向与喷嘴总管25的水平方向一致。鼓风装置38设置有用于鼓风气体的供应管道39。
图4显示了喷嘴总管25和一个喷嘴16的细节。喷嘴16具有位于供给通道主体17中的中心竖直供给通道，该中心竖直供给通道用于经供给通道27供给的液体骤冷介质。通道主体17在其下端具有用于骤冷介质的径向向外排放开口19，所述骤冷介质排放到混合室37中。混合室37与用于向下流动的雾化气体的环形通道20流体连通。环形通道20通过位于底部主体31上的通道30与雾化气体供给通道26流体连通。环形通道20由供给通道主体17、外部喷嘴主体21和插入件29界定。环形通道20通过混合室37流体连接到位于喷嘴16下端的单个出口通道22上。出口通道22由喷嘴主体21的内壁界定，其中，所述出口通道在其下端终止于用于骤冷介质和雾化气体混合物的扩径出口孔24。
图4还显示了优选的防护罩32，所述防护罩的上端固定到喷嘴总管25上并且下端敞开。防护罩32可以具有任何形状，例如矩形。适当地，防护罩32的形状为管状。在可选实施例中，一个防护罩可以包围一个以上的喷嘴。喷嘴16设置有雾化出口孔33，其与雾化气体的供给通道26流体连通。雾化气体的一部分通过这些开口33流出到位于喷嘴16及其周围防护罩32之间的空间内。这样可以避免灰尘积聚在所述空间34中。图中还显示了位于喷嘴总管25上端的开口35。雾化气体的另一部分可以通过这些开口35排出，以便避免灰尘积聚在喷嘴总管25顶部上或将其去除。

Claims (9)

1.喷嘴总管，包括用于供应雾化气体的第一同轴通道，位于所述第一通道中用于供应液体的第二同轴通道，附接在所述第一通道上的一个以上横向隔开并且沿远离总管纵向轴线的方向喷射液体的雾化喷嘴，所述喷嘴具有与所述第二通道流体连接的液体入口、与所述第一通道流体连接的雾化气体入口、使雾化气体和液体混合的混合室以及用于雾化气体和液体的混合物的出口，其中，所述喷嘴具有用于排放雾化气体的开口，所述开口与位于所述混合室上游位置的第一通道流体连通，其中，防护罩固定到围绕所述喷嘴的第一通道上。
2.如权利要求1所述的喷嘴总管，其中，所述横向隔开的喷嘴沿所述第一通道的一侧分布，多个横向隔开的开口位于第一通道相对侧的壁上。
3.如权利要求1-2中任意一项所述的喷嘴总管，其中，所述第一和第二通道与位于所述通道一端分别供应雾化气体和液体的装置流体连通，其中，一喷嘴位于所述通道的另一端，该喷嘴具有喷雾方向，并且该喷雾方向相对于其他喷嘴的喷雾方向倾斜。
4.如权利要求1-3中任意一项所述的喷嘴总管，其中，所述喷嘴包括位于通道主体中与第二同轴通道流体连通的用于液体的中心竖直供给通道，所述通道主体在其下端具有径向向外排放开口，所述径向向外排放开口在混合室中敞开，所述混合室包括与用于雾化气体的第一同轴通道流体连接和与位于喷嘴下端的单个出口通道流体连接的环形空间，所述出口通道由喷嘴主体的内壁界定，其中，所述出口通道在其下端终止于用于液体和雾化气体的混合物的扩径出口孔。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的喷嘴总管，其中，鼓风装置以连续、间歇或任意组合方式吹走可能形成在喷嘴总管上侧的所有沉积物。
6.一个以上的如权利要求1-5中任意一项所述喷嘴总管的布置结构，其中，大部分喷嘴朝向大体上相同的方向，所述总管径向定位在一个水平的圆形平面上，用于给总管供应雾化气体和液体的装置沿圆形平面的圆周定位，位于圆中心的总管端部彼此隔开。
7.通过使用如权利要求6所述的布置结构将雾化气体中的液滴喷雾喷射到高温气体流中来使高温气体流骤冷的方法，其中，所述高温气体沿与圆形平面垂直的方向流动，所述喷雾沿与所述高温气体相同的方向喷射。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述高温气体是含有一氧化碳和氢气的气体混合物的灰尘，该混合物具有2-10MPa的压力和500℃-900℃的初始温度，所述液体包括水，所述气体在骤冷步骤之后的温度为200℃-600℃，在第一同轴通道中供应的雾化气体具有比一氧化碳和氢气的气体混合物压力高0.5-2MPa的压力。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述初始温度为600℃-800℃，所述气体在骤冷步骤之后的温度为300℃-500℃。
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