CN101675146A - 具有内部多管壁和数个燃烧器的气化反应容器 - Google Patents

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Abstract

气化反应容器(1)，所述气化反应容器(1)含有在容器上半部的燃烧室(6)和位置使得使用中向燃烧室(6)内点火的燃烧器(2)，其中燃烧室(6)的底端配有产物气体出口(7)，所述燃烧器(2)至少配有用于氧化剂气体和碳质进料的供应导管，其中燃烧室(6)的壁(8)和容器(1)的壁之间提供环状空间(9)，和其中燃烧室(6)的壁(8)含有互相连接的管的布置(垂直排布或是螺旋状盘管)，和其中在燃烧室壁中存在两个燃烧器(2)开孔，所述燃烧器开孔位于相同的水平高度和互相对径的位置上，和其中在所述燃烧器开孔中存在燃烧器(2)。

Description

具有内部多管壁和数个燃烧器的气化反应容器
技术领域
本发明涉及改进的气化反应容器，所述气化反应容器含有在容器上半部的燃烧室和位置使得使用中向燃烧室内点火的燃烧器，其中燃烧室的底端配有产物气体出口。
背景技术
在夹带流气化的领域中已经开发了两种类型的气化反应器，即例如US-A-4202672、US-B-6312482和DE-A-2425962中描述的类型和例如US-A-5968212和US-A-2001/0020346中描述的类型。这两种类型的反应器都具有燃烧室，燃烧器向燃烧室中排入含氢和一氧化碳的产物气体。第一种类型的气化反应器具有使用中在燃烧室上端的产物气体出口和在燃烧室的相对下端用于排放炉渣的开孔。第二种类型的反应器具有使用中在燃烧室下端的同时用于产物气体和炉渣的组合出口。本发明涉及第二种类型的改进气化反应器。
US-A-5968212描述的气化反应器的上端配有向下导引的燃烧器。所述反应器也配有燃烧室。燃烧室的壁由耐火级衬里组成。离开燃烧室下端的开孔的产物气体可以进入反应器的下部，该部分配有废热锅炉。
US-A-2001/0020346公开的气化反应器的上端配有向下导引的燃烧器。所述反应器也配有燃烧室。燃烧室壁包含放置在反应器壁内部上的垂直和平行排列的管的布置。根据其公开内容，当使用含灰分的进料作为气化反应器的进料时，在燃烧室壁上将形成炉渣的保护层。结块的炉渣层将作为燃烧室和所述管之间的保温层。根据其公开内容，如果使用低灰分进料，将不会形成这样的炉渣层。根据US-A-2001/0020346，在这样的情况下将使用耐火砌砖的衬里。
当向所述气化反应器中加入低灰分进料时必须使用耐火砌砖的缺点是所述耐火砌砖的寿命较低。似乎这种类型的耐火层的操作温度窗是非常有限的。临时的高气体温度(例如在不正常操作中出现的情况)将损坏和分解耐火材料。即使当进料中的灰分含量非常低时，也可能发生这种情况。
本发明的目的是提供即使当灰分含量非常低时也可在延长的时长内处理任意进料的气化反应器。
发明内容
下面的气化反应器实现了这个目的。气化反应容器，其含有在容器上半部的燃烧室和位置使得使用中向燃烧室内点火的燃烧器，其中使用中燃烧室的底端配有产物气体出口，所述燃烧器至少配有用于氧化剂气体和碳质进料的供应导管，
其中燃烧室壁和容器壁之间提供环状空间，和
其中燃烧室壁含有互相连接的管的布置，和
其中在燃烧室壁中存在两个燃烧器开孔，所述燃烧器开孔位于相同的水平高度和互相对径的位置上，和其中在所述燃烧器开孔中存在燃烧器。
申请人已经发现通过将燃烧室壁穿过燃烧器导引，在燃烧室中产生了螺旋形的气流，这将炉渣推向壁。因此，在这样的反应器中可以使用低灰分进料，同时仍然可以形成炉渣的保温层。这可以避免使用耐火砌砖。因此，这样的反应器的运行时间延长。该反应器的另一优点是其生产能力大于仅具有一个燃烧器的现有技术反应器。通过下文对反应器及其优选实施方案的详细描述，将更清楚的了解另外的优点。
附图说明
图1图示了根据本发明的反应器，同时也是图2的反应器沿BB′的截面图。
图2是图1的反应器的沿AA′的截面图。
图3是燃烧器套筒(burner muffle)的详细图示。
图4是燃烧器套筒的详细图示。
具体实施方式
应使用所附附图说明本发明。
图1显示了容器(1)，其含有在容器(1)的上半部中的燃烧室(6)。容器(1)配有在燃烧室(6)底端的产物气体出口(7)和两对对径放置的燃烧器(2)。使用中，容器(1)垂直取向。词语“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“垂直”和“水平”涉及容器(1)的说明的方位。如图1中所示，因此使用中燃烧室(6)仅在底端有一个气体出口(7)。除去在燃烧室的壁(8)的内部上永久炉渣层之外，通过该出口(7)从该燃烧室排出形成的所有产物气体和所有炉渣。每个燃烧器(2)配有用于氧化剂气体(3)和碳质进料(4)的供应导管。也可向燃烧器(2)供应任选的减速剂气体和所谓的稀释剂(fluxant)以降低炉渣的熔点和减小炉渣层的厚度。图1中显示了具有4个燃烧器(2)的反应容器(1)。优选在燃烧室(6)壁中的相同水平高度上存在4个或6个燃烧器开孔，所述开孔沿着燃烧室管状壁的圆周均匀分布。按照这种方式，获得数对对径放置的燃烧器。作为替代，数对燃烧器(2)可以位于不同的水平面上。可以按照相对另一高度的一对燃烧器成交错的构形设计所述数对燃烧器。在这样的实施方案中，可以在两个或更多个不同的水平面上存在至多和包括8个燃烧器(2)。
使用中燃烧器(2)通过燃烧室(6)的壁(8)中存在的燃烧器开孔(5)向燃烧室(6)内燃烧。用于每对对径放置的燃烧器(2)的燃烧器开孔(5)位于相同的水平高度上和互相对径放置。壁(8)中的燃烧器开孔(5)优选设计成如图3中更详细所示。在US-A-4887962、US-A-4523529和US-A-4510874中描述了用于固体碳质进料的适合的燃烧器(2)的实例。可用于液体进料的燃烧器是已熟知用于这些进料的多环状燃烧器。
图1也显示在燃烧室(6)的壁(8)和容器(1)的壁之间提供有环状空间(9)。燃烧室(6)的壁(8)包括互相连接的管(10)的布置。壁(8)的管状部件可包括如图1中所示的垂直布置的管(10)，或者是由螺旋状盘管构成。在壁(8)的管状部件中，优选所述管是垂直排布的。管(10)中流动的冷却介质可以是通过蒸发而冷却壁的水或在管(10)中不蒸发的过冷水。
包括互相连接的平行排布的管(10)的布置的燃烧室(6)的壁(8)产生基本不漏气的壁。这样的壁也称为膜式壁。管(10)从共用的较低位置的分布器(12)延伸至较高位置的共用总管(11)。分布器(12)配有冷却水供应导管(14)。总管(11)配有蒸汽排放导管(13)。蒸汽排放导管(13)和水供应导管(14)与蒸汽包(29)流体连通。蒸汽包(29)配有用于新鲜水的供应导管(32)和用于产出的蒸汽的出口导管(30)。如图所示，蒸汽包(29)的位置高于共用总管(11)。如图所示，存在优选的水泵(31)以增强水从蒸汽包(29)至分布器(12)的流动。
申请人发现如图1中所示，通过在管(10)中蒸发蒸汽来冷却壁(8)，甚至当没有经(32)向蒸汽包(29)加入新鲜冷却水时，提供的反应器也能维持它的冷却能力。因为蒸汽包(29)的位置高于共用总管(11)，所以蒸汽包(29)中存在的水将因为重力而流向气化反应器的共用分布器(12)。另一优点是产出的蒸汽可有利地用于结合了气化反应器的过程的其它用途中。这些用途是用于任选的下游变换反应的工艺蒸汽、用于任选的液体碳质进料的加热介质或在外部过热之后作为燃烧器中的减速剂气体。通过使用该反应器，获得了一种更能量有效的方法。具有低灰分含量的可能液体进料是例如焦油砂源的液体渣油馏分。另一实例是闪热解油或从生物质源获得的闪热解油和闪热解炭的浆液。可用的生物质源可以是木材或在农业产业中获得的剩余物质，例如麦杆和草质材料。实例是棕榈油产业、玉米产业、生物柴油产业中产生的物流。可能的固体进料是低灰分煤和生物质。通过烘烤上述生物质源预处理优选的生物质衍生的固体进料。烘烤是有利的，这是因为获得了类似煤颗粒的固体进料，和可通过已知的煤进料方法将其加入所述反应器中进行使用。因为根据本发明的反应器的大生产能力与例如水急冷的组合使用，所以所述反应器对于所有的含灰分进料例如所有种类的煤也可以是有利的。
管(10)优选涂覆有耐火材料，以保护所述管抗熔态炉渣的侵蚀。
燃烧室(6)的产物气体出口(7)流体连通容器(1)的顶部与气化反应器的下部(23)。燃烧室(6)的下部优选具有斜面以使炉渣层流向产物气体出口(7)，所述产物气体出口(7)的直径小于燃烧室(6)本身的直径。如图1中所示，该燃烧室(6)的斜面部分由互相连接的管(24)的布置组成，使用中冷却介质如在管(10)中一样流过所述互相连接的管(24)。下部(23)配有用于产物气体的出口(26)。该下部(23)优选配有用于冷却当离开燃烧室(6)时具有高温的产物气体的措施。如之前提及的US-A-5968212中所示，该冷却措施可以是通过在废热锅炉中间接冷却。作为替代，可以如DE-A-19952754中所述通过将冷却介质注入热产物气体中实现冷却。更优选通过在水急冷区(19)中的水浴(20)中进行急冷而实现冷却。为实现在所述水浴(20)中急冷，燃烧室(6)的出口开孔(7)优选与汲取管(16)流体连通。汲取管(16)部分浸入位于反应器(1)下端的水浴(20)中。优选在汲取管(16)的上端存在注入设备(18)以在使用中将急冷介质加入向下流动的热产物气体(即氢和一氧化碳的混合物)中。汲取管(16)优选与燃烧室(6)垂直对齐并具有管状外形。
水急冷区(19)存在于热产物气体的路径上，热产物气体在出口(17)处偏转为向上的方向(参见箭头)，并向上流动通过在容器(1)的壁和汲取管(16)之间形成的环状空间(21)。在环状空间(21)中，热产物气体与水以急冷操作模式密切接触。环状空间(21)中将存在水位(25)。在所述水位(25)之上，在反应容器(1)的壁中存在一个或多个产物气体出口(26)以排放急冷后的产物气体。在空间(21)和环状空间(9)之间，可任选存在分离壁(27)。产物气体将主要由氢和一氧化碳组成。这样的气体也称为合成气。
在气化反应器(1)的下端，适合地存在炉渣排放开孔(28)。通过熟知的炉渣排放设备例如US-A-4852997和US-A-67559802中所述的闸门系统以通过该排放开孔(28)从容器中排出炉渣与部分水。
操作时，根据本发明的气化反应器优选使得当从出口(7)排出热产物气体时，热产物气体的温度为1000-1800℃和更优选1300-1800℃。燃烧室中的压力和由此产物气体的压力优选是0.3-12MPa和优选2-8MPa。选定温度条件使得炉渣形成层。炉渣层将流向反应器中较低位置的炉渣出口设备。
经注入设备(18)提供的急冷介质优选是水、合成气或蒸汽或它们的组合。水可以是新鲜水。任选地，所述水可以是任选的下游水煤气变换装置的工艺冷凝物。在优选的实施方案中，可用含水的固体部分或完全替代新鲜水。优选在水急冷区(19)中获得含水的固体。作为替代，含水的固体可以是任选的下游水洗装置(未显示)的排放物流。本文描述的使用含水的固体的优点是可以免去或至少有限地使用水处理步骤。
在水急冷区(19)中与气体接触之后，在出口(26)处从反应器(1)排出的产物气体的温度优选是130-330℃。
图1a显示了图1的反应器，其中增加了引流管(16a)。引流管(16a)包住汲取管(16)，并优选使用中在水急冷区(19)中向下延伸至低于汲取管(16)下部极点终止的高度。热产物气体在出口(17)处偏转向上(参见箭头)以向上流动通过引流管(16a)和汲取管(16)之间形成的环状空间(21a)。通过使用引流管(16a)获得了更好的水循环，其中水经环状空间(21a)向上流动和经容器壁和引流管(16a)之间存在的环状空间(21b)向下流动。这对于冷却热气体和汲取管(16)的壁都是有利的。例如在US-A-4605423中描述了这样的引流管。
图2是图1的反应器沿AA′的截面图。图2中的相应附图标记与图1中的具有相同的含义。为了更好的图示，仅显示了管(24)的一部分。优选燃烧器相对连接燃烧器开孔(5)与容器轴(15)的水平线(22)的点火角(α)是1°-8°。燃烧器的燃烧线(22′)的方向是燃烧器本身的纵轴。已发现这样的所谓切线燃烧进一步提升了产物气体螺旋运动的流动和因此进一步将炉渣推向壁。
图2也显示了启动燃烧器(34)的壁(8)中的优选开孔(33)。
图3显示了所谓的燃烧器套筒(114)，它是壁(8)中的优选燃烧器开孔(5)。图3中的相应附图标记与图1中的具有相同的含义。申请人已发现通过向图3中所示的燃烧器套筒(114)的表面提供适当的冷却，获得了耐用的设计，其寿命延长和可在不同的气化条件下进行操作。燃烧器套筒(114)包括数个垂直取向的互相连接的同中心的环(115)。优选至少1个或多个和更优选所有的环(115)是具有用于经管线(120)的冷却介质的单独入口和用于经管线(122)的使用过的冷却介质的单独出口的导管。导管壁的厚度优选尽可能小以实现良好的传热和限制壁的温度。将通过局部所需的机械强度确定最小壁厚度。本领域技术人员可以很容易确定该导管的正确尺寸。导管的直径优选是0.02-0.08m。所述环优选由Cr含量至多5wt％的低合金钢或Cr含量大于15wt％的高合金钢制得。
管线(120)和管线(122)分别与冷却介质(通常是水)分布器(119)和共用(通常是水/蒸汽混合物)总管(121)流体连通。经管线(120)供应的冷却水可与供应至壁(8)的管(10)的冷却水具有相同来源。它也可来自不同的来源，它可以具有更低的水温度和/或不同的压力。所述环优选焊接在一起。
环(115)的直径相对其附近的环(115)增大，使得燃烧器套筒(114)的一端具有用于燃烧器头(117)的套筒开孔(116)和另一(火焰)排放端(123)具有更大的开孔(118)。开孔(118)与图1和图2的开孔(5)相同。套筒开孔(116)离更大的开孔(118)具有一定的水平距离。这导致连接的环具有圆锥体状外形。
优选水平线(126)和在用于燃烧器头(117)在套筒开孔(116)处的靠内放置的环(129)与邻近内环(129)的下一个环(129a)之间的直线(125a)之间的角度α1是15-60°。优选水平线(126)和在套筒开孔(116)处用于燃烧器头(117)的靠内放置的环(129)与在火焰排放端(123)的开孔(118)处的靠外放置的环(130)之间的直线(125)之间的角度α2是20-70°。如图3中所示，从环(129)的中心至环(130)的中心画出直线(125)。优选α1大于α2。靠外放置的环(130)是形成用于燃烧器头(117)的套筒开孔(116)的环。
优选环(115)的数目是6-10。环(115)可以沿如图所示的直线(125)形成S-曲线。优选在燃烧器的轴(113)和燃烧器轴套(136)之间存在密封(128)。如图所示，密封(128)可延伸至燃烧器头(117)。这样的密封(128)避免了反应区中存在的气体和任意的飞灰和/或炉渣进入容器(1)的壁和壁(8)之间的空间中存在的燃烧器轴套(136)。通过避免这样的气体流动，进一步减少了局部的热通量。密封(128)优选是灵活密封的，它可以适应局部的热膨胀。适合的密封材料的实例是织造纤维和/或针织金属丝网类密封。
图3也显示了壁(8)和管(10)的一部分。壁(8)包括数根垂直和互相连接的管(10)。如图所示，管(10)配有供应和排放管线(131)。管(10)涂覆有耐火材料(124)。使用中耐火材料(124)将被炉渣层(132)覆盖。
图3也显示了围绕燃烧器套筒(114)安装的耐火体(127)，它防止炉渣进入套筒(114)的背面并因此可能形成至燃烧器头(117)的捷径。
也可设计图3的燃烧器套筒(114)使得它伸入燃烧室(6)中。申请人已发现该突起可有利于避免炉渣(132)进入燃烧器套筒(114)。优选燃烧器套筒(114)的至少一个环(115)伸入燃烧室(6)。

Claims (12)

1.气化反应容器，所述气化反应容器含有在容器上半部的燃烧室和位置使得使用中向燃烧室内点火的燃烧器，其中使用中燃烧室的底端配有产物气体出口，所述燃烧器至少配有用于氧化剂气体和碳质进料的供应导管，
其中燃烧室壁和容器壁之间提供环状空间，和
其中燃烧室壁含有互相连接的管的布置，和
其中在燃烧室壁中存在两个燃烧器开孔，所述燃烧器开孔位于相同的水平高度和互相对径的位置上，和其中在所述燃烧器开孔中存在燃烧器。
2.权利要求1的反应器，其中在燃烧室壁中的相同水平高度上存在4个或6个燃烧器开孔，所述开孔沿着燃烧室管状壁的圆周均匀分布。
3.权利要求1-2的反应器，其中在两个或更多个不同的水平面上存在至多和包括8个燃烧器开孔。
4.权利要求1-3任一项的反应器，其中相对于连接燃烧器开孔与容器轴的水平线的所述燃烧器的点火角是1°-8°。
5.权利要求1-4任一项的反应器，其中除去燃烧器开孔之外，所述壁中还存在用于启动燃烧器的开孔，所述开孔提供在水冷壁中，和其中启动燃烧器位于所述开孔中。
6.权利要求1-5任一项的反应器，其中所述燃烧室壁涂覆有耐火材料。
7.权利要求1-6任一项的反应器，其中燃烧室底端的产物气体出口与汲取管流体连通，所述汲取管部分浸入位于反应容器下端的水浴中。
8.权利要求7的反应器，其中在汲取管的顶端存在在使用中将急冷介质加入氢和一氧化碳的向下流动混合物中的设备。
9.权利要求1-8任一项的反应器，其中在反应容器的下端存在炉渣排放开孔以从反应容器排出炉渣。
10.权利要求1-9任一项的反应器，其中所述燃烧器开孔是燃烧器套筒，所述燃烧器套筒包括数个垂直取向的互相连接的同中心的环，其中所述环的直径相对其附近的环增大，导致燃烧器套筒的一端具有用于燃烧器的套筒开孔和另一火焰排放端具有更大的开孔，所述环是具有用于冷却介质的入口端和用于使用过的冷却介质的出口的导管，和其中用于燃烧器的套筒开孔位于容器壁和燃烧室壁之间。
11.权利要求10的反应器，其中所述燃烧器套筒伸入燃烧室中。
12.权利要求11的反应器，其中所述燃烧器套筒的至少一个环伸入燃烧室。
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