CN101547997A - 气化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气化反应器，其包括压力壳(1)，由竖直定向的管状膜式壁(3)限定的反应区(2)，具有燃烧头的水平定向的燃烧器(13)，在使用中，燃烧火焰在燃烧头处排放到所述反应器(2)中，所述燃烧器(13)经由燃烧器马弗炉(14)伸出膜式壁(3)的竖直壁部分，所述燃烧器马弗炉(14)包括几个竖直定向、同心并互连的环(15)，其中各个环具有相对于其相邻环增加的直径，致使燃烧器马弗炉(14)在一端具有燃烧头的马弗炉开口(16)和在另一火焰排出端具有较大开口(18)，该环(15)是具有冷却介质入口端(21)和用过的冷却介质出口(21)的管路，燃烧头的马弗炉开口位于压力壳(1)和膜式壁(3)之间，以及燃烧器马弗炉(14)伸到反应区(2)中。

Description

气化反应器
技术领域
本发明涉及一种气化反应器，该气化反应器包括压力壳、部分地由竖直定向的管状膜式壁限定的反应区和具有燃烧头的水平定向的燃烧器，在使用中燃烧火焰在燃烧头处排放到反应区中，所述燃烧器通过燃烧器马弗炉(burner muffle)伸出膜式壁的竖直壁部分。
背景技术
在US-A-4202672中描述了这种气化反应器。该公开文件描述了一种设有压力壳、反应区和膜式壁的煤气化反应器，该管状膜式壁部分地限定了反应区。该管状膜式壁包括其中存在蒸发冷却水的互连管路。
在US-A-4959080中描述了可在如上所述的气化反应器中进行的煤气化过程。该公开文件描述了在煤气化过程中将在膜式壁上形成熔渣层。该熔渣层将沿膜式壁的内侧向下流动。
根据Christofer Higman和Maarten van der Burgt于2003年在Burlington MA的Elsevier Science的第118-120页发表的“气化法”，壳牌煤气化工艺也使用包括压力壳和膜式壁反应区的气化反应器。根据该公开文件，壳牌煤气化工艺通常在1500℃和介于30至40巴之间的压力下进行。根据该公开文件，水平燃烧器放在小壁龛中。
申请人已经成功地在上述公开的压力范围的下端值进行了壳牌煤气化工艺。然而希望在更高压力下操作气化反应器，因为，举例来说，这样可以在获得相同生产能力的同时减少反应器的尺寸(直径和/或长度)。气化反应器的直径缩小为沿竖直膜式壁向下流的熔渣提供了更小的周向区域。因此，在相等的反应器处理量，使流体熔渣层的厚度增加。通过使用高灰给料，这种效果甚至更大。已经发现，由于气体压力增加和反应器直径缩小，熔渣进入燃烧器马弗炉中。这些熔渣使氧气/煤火焰偏向金属马弗炉壁，这造成相当高的热流量。与较高的整体表面温度相结合，蒸汽层(blanckets)可形成在水冷侧上，导致局部存在不充分冷却。这又可导致在该位置处膜式壁的金属熔化。
US-A-4818252描述了存在于气化反应器膜式壁中的燃烧器马弗炉。燃烧器马弗炉本身的设计可根据气化条件进行改变。该设计包括由围绕气化燃烧器开口的互连的同心管组成的竖直冷却罩。这种竖直同心罩可设置在不同水平位置，即靠近或远离该膜式壁的水平位置。
然而，当在厚粘性液体熔渣层形成于膜式壁内部上的情况下进行气化反应时，US-A-4818252的燃烧器马弗炉容易发生熔渣进入。在这种情况下，熔渣将在该燃烧头前面流动并干扰燃烧。US-A-4818252公开了一种如图14所示的熔渣导向装置从而避免熔渣盖住燃烧头。然而，这种设计不足以解决厚熔渣层问题。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种如上所述的气化反应器，该气化反应器可以在较高压力下操作并且可以避免大的热流量或者替代地至少使该热流量的不利结果减到最小。另一个目的是提供一种可在高结渣条件下操作的气化反应器。
这个目的利用下述气化反应器来实现。气化反应器包括压力壳、部分地由竖直定向的管状膜式壁限定的反应区和具有燃烧头的水平定向的燃烧器，所述燃烧器在该燃烧头处经由燃烧器马弗炉伸出膜式壁的竖直壁部分，所述燃烧器马弗炉包括若干竖直定向、同心并互连的环，其中这些环具有相对于其相邻环增加的直径，导致该燃烧器马弗炉在一端具有用于燃烧头的马弗炉开口且在另一端(火焰排出端)具有更大开口，这些环是具有冷却介质的入口端和用过的冷却介质的出口的管路，其中用于燃烧头的马弗炉开口位于压力壳和膜式壁之间，以及其中该燃烧器马弗炉伸到反应区中。
申请人已经发现，如请求保护的气化反应器所实现的，通过向燃烧器马弗炉表面提供足够的冷却作用获得了坚固的设计，该设计还可以在较高的气化压力下操作，优选在高于30巴的压力下操作，更优选在高于35巴且低于70巴的压力下操作。申请人还发现所述伸出有利于避免熔渣进入燃烧器马弗炉。应该相信，通过避免熔渣沉淀在马弗炉表面上，就会产生较低的局部热流量并且因而获得更坚固的设计。
另外，已经发现对于特定的含灰给料来说，可以通过使用伸出的燃烧器马弗炉来使气化反应器的操作温度范围扩大。这在两方面是有益的：a)气化反应器的操作更容易、更安全和更可靠，和b)通过在扩大的操作区间(window)中的较低范围进行操作，处理过程消耗更少的氧气，因此更有效。
该气化反应器的操作温度范围根据沿膜式壁向下流的流体熔渣的粘度确定。在高温下，粘度低并且熔渣容易在燃烧器马弗炉周围偏转。在较低温度下，粘度较大并且在燃烧器马弗炉周围偏转熔渣变得较困难。现在这可以利用存在于根据本发明的反应器中的伸出的燃烧器马弗炉来实现。
根据本发明的气化反应器至少适用于气化一种含灰的固体含碳供料(比如，例如煤)、生物质(例如木材和农业废弃物)、或者液态含碳供料(比如，例如焦油砂馏分及其他沥青油)。灰将在膜式壁上形成熔渣层。在该气化反应器中，还可以气化不一定必须包括灰的其他供料。
附图说明
将利用图1-3进一步描述本发明及其优选实施例。
图1是根据本发明的气化反应器。
图2图示了不是根据本发明的燃烧器马弗炉。
图3示出了图1所示的反应器的细节，图示了燃烧器马弗炉的优选实施例。
具体实施方式
图1显示了具有竖直定向的管状压力壳1、膜式壁3和反应区2的气化反应器。膜式壁3的部件3a是管状的。该膜式壁3由水流经的竖直管路组成。水经由连至公用分配器5的供给管线4供给到膜式壁。用过的冷却水，通常以水/蒸汽混合物的形式，经由公用集流箱6和排放管线7从反应器排出。该反应器还配有骤冷气体源8、用于排放气化反应器中制备的氢气和一氧化碳混合物的排放管线9和熔渣排放管线10。显示了两个径向相对的燃烧器13。反应器可包括例如处于相同高度或者替代地处于不同高度的两对或多对所述燃烧器。例如，在US-A-4523529和US-A-4510874中描述了用于煤供料的合适燃烧器。这些燃烧器通过煤供给管线11和氧气供给管线12进行供料。
图2显示了伸出膜式壁3的燃烧器13。如图所示，燃烧头17的马弗炉开口16位于压力壳1和膜式壁3之间。开口18与膜式壁3齐平。因此在该设计中，燃烧器马弗炉14不会伸到反应区中。因此熔渣32可能容易进入开口18并填充马弗炉14，致使火焰可能如上所述偏转到金属马弗炉壁上。
图3图示了图1所示的气化反应器的燃烧器和燃烧器马弗炉部分，其中该燃烧器马弗炉14伸到反应区2中。申请人已经发现这种伸出有利于防止熔渣32进入燃烧器马弗炉14。应该相信通过防止熔渣沉淀在马弗炉14表面上，出现较少的局部热流量，因而得到更坚固的设计。由于马弗炉14的伸出，熔渣32将在外侧定位的环30的外部处向下流动而不能进入马弗炉14本身。
优选地，马弗炉14伸入反应区2一距离36，该距离取决于供料的灰特性和灰含量。距离36至少是环15直径的一倍，更优选为至少环15直径的两倍且不大于四倍。如图所示，距离36定义为外侧定位环30和耐火材料24表面之间的水平距离。
在图3所示的更优选实施例中，使用在其上侧具有管路34的马弗炉14，管路34设置成使得沿由开口18和外侧环30限定的圆周上部形成熔渣沟槽35。管路34在一端具有冷却介质的入口且在另一端具有用过冷却介质的出口(未示出)。
图2和3还显示了燃烧器马弗炉14包括几个竖直定向、同心并互连的环15。优选至少一个或多个环15，更优选为所有环15是具有经由管线20的冷却介质的独立进口和经由管线22的用过的冷却介质的独立出口的管路。管路的壁厚优选为尽可能小以允许良好的热传递和限制壁温。最小壁厚由局部所需的机械强度决定。技术人员可以容易地确定出该管路的确切尺寸。管路的直径优选在0.02和0.05米之间。环优选由具有高达5wt％的铬含量的低合金钢或具有高于15wt％的铬含量的高合金钢制成。
管线20和管线22可分别流体连接到通常是水的冷却介质、分配器19和公用的通常是水/蒸汽混合物集流箱21。经由管线20供给的冷却水可以来自与供给到膜式壁3的管路33的冷却水相同的水源。其还可以来自具有较低水温和/或不同压力的不同水源。环优选焊接在一起。
环15具有相对于其相邻环15增加的直径，致使燃烧器马弗炉14在一端具有用于燃烧头17的马弗炉开口16而在其另一端(火焰排放端)23具有更大开口18。马弗炉开口16与更大开口18水平间隔开。这导致相连接的环具有锥形形状。
优选地，水平线26和直线25a之间的夹角α1在15°和60°之间，该直线25a连接位于用于燃烧头17的马弗炉开口16处的内侧定位环29和邻近该内侧环29的下一个环29a。优选地，水平线26和直线25之间的夹角α2在20°到70°之间，该直线25连接位于用于燃烧头17的马弗炉开口16处的内侧定位环29和位于火焰排出端23的开口18处的外侧定位环30。如图2所示，线25从环29的中心画到环30的中心。如图所示，线25a也是从环的中心画到中心的。优选α1大于α2。外侧定位环30是形成用于燃烧头17的马弗炉开口16的环。
优选地，环15的数量在6到10之间。如图所示，环15可以沿线25形成S形曲线。优选地，密封件28存在于燃烧器13的轴和燃烧器套筒36之间。如图所示，密封件28可以延伸至燃烧头17。该密封件28防止存在于反应区中的气体和飞扬的灰和/或熔渣进入存在于压力壳1和膜式壁3之间的空间中的燃烧器套筒36。通过避免该气体流动，进一步减少了局部热流量。密封件28优选为可以适应局部热膨胀的柔性密封件。合适密封件材料的实例是纤维织物和/或编织丝网型密封件。
图2和3还显示了膜式壁3的一部分。膜式壁3包括若干竖直互连的管路33，冷却介质(优选为气化水)流经该管路33。如示意性示出的，该管路33设有供给和排放管线31。管路33优选涂有耐火材料24。在使用中，耐火材料24又被例如在前面提到的US-A-4959080中描述的熔渣32层覆盖。图2和3还显示了安装在燃烧器马弗炉14周围的耐火块27，该耐火块防止熔渣利用通向燃烧头17的可能捷径进入马弗炉14后方。

Claims (9)

1.一种气化反应器，其包括压力壳、部分地由竖直定向的管状膜式壁限定的反应区和具有燃烧头的水平定向的燃烧器，所述燃烧器经由燃烧器马弗炉伸出所述膜式壁的竖直壁部分，所述燃烧器马弗炉包括若干竖直定向、同心并互连的环，其中所述环具有相对于其相邻环增加的直径，致使所述燃烧器马弗炉在一端具有用于燃烧头的马弗炉开口且在另一火焰排出端具有更大开口，所述环是具有冷却介质入口端和用过的冷却介质的出口的管路，并且其中用于燃烧头的马弗炉开口位于压力壳和膜式壁之间，而且其中所述燃烧器马弗炉伸到反应区中。
2.根据权利要求1所述的气化反应器，其中，所述燃烧器马弗炉的至少一个环伸到所述反应区中。
3.根据权利要求2的气化反应器，其中，在伸到反应区中的马弗炉部分的上侧设置一管路以形成熔渣沟槽，并且其中所述管路在一端具有冷却介质的入口且在另一端具有用过的冷却介质的出口。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的气化反应器，其中，水平线和连接位于用于燃烧头的马弗炉开口处的内侧定位环与位于火焰排放端的开口处的外部定位环的直线之间的夹角在20°到70°之间。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的气化反应器，其中，水平线和连接位于用于燃烧头的马弗炉开口处的内侧定位环与邻近所述内侧环的下一个环的直线之间的夹角在15°到60°之间。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的气化反应器，其中，环的数量在6到10个之间。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的气化反应器，其中，在燃烧头和内侧环之间存在密封件。
8.根据权利要求7所述的气化反应器，其中，所述密封件是纤维织物和/或编织丝网型密封件。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的气化反应器，其中，所述环由具有高达5wt％的铬含量的低合金钢或具有高于15wt％的铬含量的高合金钢制成。
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