CN101772562B - 立式气化装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于气化原料的一般立式的反应器系统。所述反应器系统一般包括主体、至少二个入口突出体以及至少一个入口，其中所述入口突出体从所述主体向外延伸，其中所述至少一个入口定位在每个所述入口突出体上。每个入口可操作来将所述原料排放到反应区中。

Description

立式气化装置
发明背景
1.技术领域
本发明总地涉及用于气化原料的方法和装置。具体地，本发明的各个实施方案提供一般呈现立式(upright)结构的气化反应器。
2.相关技术描述
气化反应器通常被用来将一般为固体的原料转化为气体产物。例如，气化反应器可以气化含碳原料，例如煤和/或石油焦，以产生期望的气体产物(例如氢)。气化反应器必须被构造为耐受气化固体原料所需的高的气压和温度。不幸的是，气化反应器通常使用复杂的几何结构，并且需要加强的保养维护。
发明内容
在本发明的一个实施方案中，提供了一种用于气化原料的两级气化反应器系统。反应器系统一般包括第一级反应器段和第二级反应器段。所述第一级反应器段一般包括主体和至少二个入口，所述至少二个入口可操作来将所述原料排放到第一反应区中。所述第一级反应器段呈现协同界定所述第一反应区的多个内表面，其中所述内表面的总面积的至少约50％具有立式取向。所述第二级反应器段被设置为一般地在所述第一级反应器段之上，并且界定第二反应区。
在本发明的另一实施方案中，提供了一种用于气化原料的反应器系统。所述反应器系统一般包括竖直细长的主体、一对入口突出体，所述入口突出体从所述主体一般相对的侧向外延伸。所述主体和所述入口突出体协同界定一反应区。至少一个入口定位在每个所述入口突出体上。每个入口可操作来将所述原料排放到所述反应区中。所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少约25％。
在本发明的另一实施方案中，提供了一种用于气化原料的两级气化反应器系统。所述反应器系统一般包括第一级反应器段、第二级反应器段以及喉段。所述第一级反应器段包括协同界定第一反应区的多个内表面，其中所述内表面总面积的至少约50％具有基本上竖直取向。所述第一级反应器系统还包括呈现所述内表面本体部分的主体，从所述主体一般相对的侧向外延伸的一对入口突出体。所述入口突出体呈现所述内表面的入口部分。至少一个入口定位在每个所述入口突出体上。每个入口可操作来将所述原料排放到所述第一反应区中。所述第一反应区总体积的少于约50％被界定在所述入口突出体内，并且所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少约25％。所述第二级反应器被定位为一般地在所述第一级反应器段之上，并且界定第二反应区。所述喉段在所述第一和第二反应器段之间提供流体连通，并且界定上行通道，所述上行通道具有比所述第一和第二反应区的最大开口上行区域小至少约50％的上行区域。
在本发明的另一实施方案中，提供了一种用于气化含碳原料的方法。所述方法一般包括：(a)在第一反应区中至少部分燃烧所述原料，以由此产生第一反应产物，其中所述第一反应区由多个内表面协同界定，其中所述内表面总面积的至少约50％具有立式取向；以及(b)在第二反应区中进一步反应所述第一燃烧产物的至少部分，以由此产生第二反应产物，所述第二反应区被定位为一般地在所述第一反应区之上。
在本发明的另一实施方案中，提供了一种用于气化含碳原料的方法。所述方法一般包括：在气化反应器的反应区中至少部分燃烧所述原料，以由此产生反应产物。所述反应器包括主体和一对入口突出体，所述入口突出体从所述主体的一般相对的侧向外延伸。所述反应器还包括一对一般相对的入口，所述入口位于紧邻所述入口突出体的外端。所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少约25％。
附图说明
下面参照附图详细描述了本发明的实施方案，其中：
图1是根据本发明各个实施方案配置的两级气化反应器的环境视图；
图2是图1的气化反应器的第一级反应器段的截面视图；
图3是更详细地示出图2的第一级反应器段的部分的放大截面视图；
图4是气化反应器沿图1的参考线4-4所取的横截面；
图5是采用三个入口突出体的可替换气化反应器的横截面；以及
图6是采用四个入口突出体的可替换气化反应器的横截面。
具体实施方式
以下对本发明各个实施方案的详细描述参考了附图，所述附图图示出其中可以实践本发明的具体实施方案。所述实施方案意图以足以使本领域技术人员能够实践本发明的细节描述本发明的方面。可以使用其他实施方案，并且可以进行改变，而不偏离本发明的范围。因此，下面的详细描述不打算是限制性的。本发明的范围仅由所附权利要求书连同权利要求书所赋予的这些全部等同性范围限定。
首先参照图1，本发明的各个实施方案提供可操作来至少部分地气化原料12(例如煤或石油焦)的气化反应器系统10。在如图1所图示的一些实施方案中，反应器系统10可以包括第一级反应器段14和第二级反应器段16，以呈现两级结构。然而，在一些实施方案中，反应器系统10可以呈现仅包括第一级反应器段14的单级结构。
如可能在图2中最佳地图示出的，第一级反应器段14可以呈现多个第一内表面18，所述多个内表面18协同地界定第一反应区20，原料12可以在所述第一反应区20中被至少部分气化。第一级反应器段14可以包括主体22和一对入口突出体24，所述主体22呈现第一内表面18的本体部分18a，所述一对入口突出体24呈现第一内表面18的入口部分18b。在每一个入口突出体24上可以设置至少一个入口26，其中每个入口26可操作来将原料12排放到第一反应区20中。在一个实施方案中，入口突出体24位于基本上相同的高度上。
第一内表面18可以取向(orient)为任何结构，以界定该第一反应区20。然而，在各个实施方案中，第一内表面18总面积的至少约50％、至少约75％、至少约90％，或者至少95％具有立式取向(upright orientation)或基本上竖直取向(substantially verticalorientation)。使用在这里，“立式取向”指具有离竖直小于45度的斜率的表面取向。在一些实施方案中，第一内表面18总面积的少于约10％、少于约4％或者少于2％具有朝下取向(downwardly facing orientation)和/或朝上取向(upwardly facing orientation)。使用在这里，“朝下取向”指表面具有在水平面之下以大于45度的角度延伸的法线向量。使用在这里，“朝上取向”指表面具有在水平面之上以大于45度的角度延伸的法线向量。
如在下面更详细地讨论的，第一内表面18中至少一些的立式取向可以减少反应器系统10所需的维护。例如，使具有朝下取向的表面最小化可以降低用于各个反应器系统10组件的安装成本，而使具有朝上取向的表面最小化可以降低第一级反应器段14内炉渣和其他气化副产物的集结。
第一级反应器段14的总体形状还可以便利反应器系统10更高效的操作，并且可以减少维护和修理。例如，如图2中描绘的，在一些实施方案中，主体22的最大外径(Db，o)可以比入口突出体24的最大外径(Dp，o)大至少约25％、至少约50％或至少75％。这样的结构可以限制主体22和入口突出体24必须在其上通过焊接或紧固件联接的长度，由此增加反应器系统10可以耐受的内压强。
如图2中描绘的，在一些实施方案中，主体22的最大内径(Db，i)(测量为第一内表面18的本体部分18a之间的最大水平距离)可以比入口突出体24的一般相对的入口26之间的水平距离大至少约30％、在从约40％到约80％的范围，或者在从45％到70％的范围。在一些实施方案中，主体22被这样配置，使得第一反应区20的最大高度(Hr)与第一反应区20的最大宽度(通常被测量为相对入口26之间的水平距离)之比在从1∶1到约5∶1、约1.25∶1到约4∶1或者1.5∶1到3∶1的范围。在某些实施方案中，主体22的最大外径(Db，o)和/或主体22的最大内径(Db，i)可以在从约4到约40英尺、约8到约30英尺或者10到25英尺的范围。另外，第一反应区20的最大高度(Hr)可以在从约10到约100英尺、约20到约80英尺或40到60英尺的范围。
入口突出体24可以从主体22向外延伸，以使原料12能够通过入口26被提供给第一反应区20。在一些实施方案中，入口突出体24可以一般如图1、2和4中图示那样彼此相对。因此，入口突出体24可以从主体22的一般相对的侧向外延伸。
入口突出体24可以采取可操作来保持至少一个入口26并且将原料12引导到第一反应区20的任何形状或形式。在一些实施方案中，每个入口突出体24可以呈现一般类似的尺寸，其中每个具有耦合到主体22的近端24a和从主体22向外隔开的远端24b。入口26之一可以位于紧邻每一个入口突出体24的远端24b。在一些实施方案中，每个入口突出体24可以被配置为一般呈截头锥体的形状。在一些实施方案中，每个入口突出体24可以具有在从约2到约25英尺、约4到约15英尺或者6到12英尺的范围的最大外径(Dp，o)和/或最大内径(Dp，i)。在一些实施方案中，相对延伸的突起24的入口26之间的水平距离在从约10到约100英尺、约15到约75英尺或20到45英尺的范围。
在一些实施方案中，第一反应区20的总体积的少于约50％、少于约25％或少于10％可以被界定在入口突出体24内，而第一反应区20的总体积的多于约50％、多于约75％或多于约90％可以被界定在主体22内。
现在参照图2-4，入口26从外部源将原料12提供给反应器系统10，并且更具体地，提供给第一反应区20。入口26可以被这样定位，使得最少量的入口26设置在第一级反应器段14内部(例如，当耐火衬里是新的或新近磨光的时，入口26的仅1到2个英寸可以延伸到第一反应区20中)。这样的结构可以减少暴露给第一反应区20的潜在损伤性条件的入口26的量。入口26可以每一个包括可操作来允许原料12到第一反应区20的通路(passage)(包括管和孔)的任何部件或部件组合。然而，如图3中描绘的，在一些实施方案中，每个入口26可以包括可操作来将原料12至少部分地与氧化剂混合的嘴28。例如，每个嘴28可以可操作来在原料12被提供给第一反应区20时将原料12至少部分地与氧气混合。另外，每个嘴28可以可操作来至少部分地雾化原料12，并且将雾化的原料12与氧气混合，以使原料12能在第一反应区20内快速转化为一种或更多种气体产物。
在某些实施方案中，入口26被配置为朝第一反应区20的中心排放原料12；其中第一反应区20的中心是在一般相对的入口26之间延伸的直线的中点。在其他实施方案中，一个或两个入口26具有歪斜的取向，以便于朝从第一反应区20的中心水平和/或垂直偏移的点排放原料12。一般相对的入口26的该歪斜的取向可以便利第一反应区20中的涡流运动。当入口26从第一反应区20中心歪斜时，原料12被排放到第一反应区20所取的角度可以一般在偏心约1度到约7度的范围内。
再次参照图2-4，在一些实施方案中，反应器系统10可以包括除上面讨论的入口26之外的次入口56。次入口56可以包括甲烷燃烧器56a，该甲烷燃烧器56a可操作来将甲烷和氧气混合以引入反应器系统10，从而控制反应器系统10的温度和/或压强。甲烷燃烧器56a可以定位为远离入口26和入口突出体24，例如在主体22上，以确保均匀的混合和加热。甲烷燃烧器56a可以取向为便利第一反应区20中的涡流气体运动，以有效地延长气流路径(path)，增加气体停留时间，并且提供从气体到第一内表面18的一般一致的热传递。在一些实施方案中，由于反应器系统10的立式结构，反应器系统10可以包括单个甲烷燃烧器56a，该甲烷燃烧器56a可操作来将第一反应区20加热到期望的温度。
次入口56还可以包括注炭器56b，该注炭器56b可操作来将干燥的炭引入到第一反应区20，以便利原料12的反应，如下面详细描述地那样。注炭器56b可以可操作来将干燥的炭一般地引向第一反应区20的中心，以由此增加碳转化。至少一些注炭器56b可以被设置为朝向第一级反应器段14的顶部，以进一步增加碳转化。注炭器56b还可以取向为在将炭引入到第一反应区20时造成涡流型炭运动，以增加碳转化并提供第一反应区20内更一致的温度分布。
再次参照图1，第二级反应器段16定位为一般在第一级反应器段14之上，并且呈现界定第二反应区32的多个第二内表面30，在第一反应区20中产生的产物可以在该第二反应区32中进一步反应。第二级反应器段16可以包括次原料入口62，所述次原料入口62可操作来将原料12提供给第二反应区32，以在其中进行反应。如下面描述的，第二级反应器段16可以与第一级反应器段14成一体或分立。
在一些实施方案中，反应器系统10可以另外包括喉段34，所述喉段34提供第一级反应器段14和第二级反应器段16之间的流体连通，以允许液体从第一反应区20流到第二反应区32。喉段34界定上行通道(passageway)36，液体可以通过该上行通道36。在一些实施方案中，喉段的开口上行区域可以小于第一反应区20和第二反应区32所提供的最大开口上行区域的约50％、小于约40％或小于30％。使用在这里，“开口上行区域”指垂直于通过其中的上行液体流方向所取的横截面的开口区域。
再次参照图2-4，反应器系统10可以由任何这样的材料构成，所述材料如下面详细讨论的那样可操作来至少暂时经受当气化原料12时所遭遇的各种温度和压强。在一些实施方案中，反应器系统10可以包括金属容器40和至少部分地为金属容器40内部加衬里的耐火材料42。耐火材料42因此可以呈现第一内表面18的至少部分。
耐火材料42可以包括任何这样的材料或材料组合，所述材料或材料组合可操作来至少部分地保护金属容器40不受用于气化原料12的热的影响。在一些实施方案中，所述耐火材料42可以如图2-4所图示那样包括多块砖44，所述砖44至少部分地为金属容器40的内部加衬里。为了保护金属容器40，耐火材料42可以适于耐受高于2000°F的温度达至少30天而不会实质的变形和劣化。
如图3中描绘的，耐火材料42可以进一步包括设置在砖44至少部分和金属容器40之间的陶瓷纤维片46，以在万一砖44的完整性受威胁时为金属容器40提供额外的保护。然而，因为耐火材料42由于反应器系统10的立式结构而可以容易且部分被更换，所以在一些实施方案中该陶瓷纤维片46和其他备用衬里可以从反应器系统10消除，以降低设计复杂性并使第一反应区20的体积最大化。
在一些实施方案中，反应器系统10可以另外包括设置在耐火材料42和金属容器40之间的水冷膜式壁。该膜式壁可以包括各种水入口和出口管线，以允许水通过膜式壁重新循环至反应器系统10冷的部分。可附加或可替换地，反应器系统10可以包括多个水冷板，所述多个水冷板定位为邻近第一级反应段14中心并且在耐火材料42之后，以消除对备用材料(诸如陶瓷纤维片46)的需求，并且因此增加第一反应区20的体积。使用水冷膜和/或板可以通过增加贯穿材料42的热梯度并限制熔融炉渣侵入深度和相关材料42剥落来提升耐火材料42的寿命。
如图2中示出的，第一级反应器段14可以呈现底面48，所述底面48具有设置于其中以允许反应的或未反应的原料12(例如炉渣)从第一级反应器段14流向包围区域(例如骤冷(quench)段52)的排出口或出渣口50。骤冷段52可以被部分填充以水，以骤冷并凝住从排出口50落下的熔融炉渣。为了便利炉渣流到排出口50，底面48可以朝向排出口50倾斜。入口突出体24的下表面也可以倾斜，以便利炉渣流到底面48。反应器系统10的一般立式结构使得排出口50能够定位在第一级反应器段14的底面48上并且远离耐火材料42和/或入口突出体24的支撑。这样的结构防止所述支撑被骤冷水损伤，所述骤冷水可以从骤冷段52通过排出口50倒退。
如图2中示出的，反应器系统10还可以包括用于感测反应器系统10内和周围条件的各个传感器54。例如，反应器系统10可以包括设置在主体22、入口突出体24和/或入口26上或者内的各个温度和压强传感器54(例如可回缩热耦、差分压强传送器、光学高温计传送器、其组合等等)，以获取关于反应器系统10和气化过程的数据。所述各个传感器54还可以包括电视传送器，以使得技工能够在反应器系统10正在作用时获取反应器系统10内部的图像。传感器54可以定位在入口突出体24上，以将传感器54与第一反应区20中心隔开，以延展传感器54的寿命和功能性。
如图3中示出的，反应器系统10还可以包括各个检查道路(pathway)58，以使操作员能够检视、监控和/或感测反应器系统10内的条件。例如，如图3中图示的，一些检查道路58可以使得操作员能够使用内孔窥视仪(horoscope)或其他类似装备检视入口26和耐火材料42的条件。反应器系统10还可以包括一个或更多个进入人行巷道(accessmanway)60，以使得操作员能够容易地进入反应器系统10的内部部分，例如排出口50和耐火材料42。反应器系统10一般的立式结构使得人行巷道60能够被更容易地置于重要的反应器系统10位置，例如邻近排出口50、次入口56等，以便利维护和修理。
在一些实施方案中，反应器系统10可以包括整体式(monolithic)气化反应器，所述整体式气化反应器以整体式结构呈现第一级反应器段14和第二级反应器段16两者。因此，与由通过各种流动导管连接的多个容器形成相反，第一级反应器段14和第二级反应器段16可以由相同的材料一体形成，例如上面讨论的金属容器40和耐火材料42。
在操作中，原料12通过入口26提供给第一反应区20并且在其中被至少部分燃烧。原料12在第一反应区20中的燃烧产生第一反应产物。在其中反应器系统10包括第二级反应器段16的实施方案中，第一反应产物可以从第一反应区20传到第二反应区32，供进一步在第二反应区32内反应以提供第二反应产物。第一反应产物可以通过喉段34以从第一反应区20流到第二反应区32。额外量的原料12可以被引入第二反应区32，以供在其中至少部分燃烧。
在一些实施方案中，原料12可以包括煤和/或石油焦。原料12可以进一步包括水和其他流体来产生煤和/或石油焦浆，以进行更容易的流动和燃烧。在原料12包括煤和/或石油焦的情况下，第一反应产物可以包括蒸汽、炭和气体燃烧产物(例如氢、一氧化碳和二氧化碳)。当原料12包括煤和/或石油焦时，第二反应产物可以类似地包括蒸汽、炭和气体燃烧产物(例如氢、一氧化碳和二氧化碳)。如下面更详细地讨论的，各种反应产物还可以包括炉渣。
第一反应产物可以包括顶流部分和底流部分。例如，在第一反应产物包括蒸汽、炭和气体燃烧产物的情况下，第一反应产物的顶流部分可以包括蒸汽和气体燃烧产物，而第一反应产物的底流部分可以包括炉渣。使用在这里，“炉渣(slag)”指来自原料12的矿物，连同在第一反应区20和/或第二反应区32内发生的气化反应之后剩余的任何额外的残留熔剂。
第一反应产物的顶流部分可以例如通过喉段34而被引入第二反应区32，并且第一反应产物的底流部分可以从第一反应区20的底部被移除或者以其他方式传出。例如，包括炉渣的底流部分可以通过排出口50并且进入骤冷段52。
第一反应产物的顶流部分在喉段34中的最大表观速度(superficial velocity)可以为至少约30英尺每秒，在从约35到约75英尺每秒的范围或者从40到50英尺每秒的范围。顶流部分在第二反应区32中的最大速度可以在从约10到约20英尺每秒的范围。然而，如应该意识到的，顶流部分的表观速度可以取决于第一反应区20和第二反应区32内的条件而不同。
原料12在第一反应区20和/或第二反应区32内的反应还可以产生“炭(char)”。使用在这里，“炭”指在各种反应产物的产生之后未烧的碳和仍旧进入第一反应区20和/或第二反应区32内的灰烬颗粒。原料12反应产生的炭可以被移除和再循环，以增加碳转化。例如，炭可以通过次入口56b被再循环，以注入到第一反应区20，如上面讨论的那样。
原料12在第一反应区20内的燃烧可以在任何适于从原料12产生第一反应产物的温度进行。例如，在其中原料12包括煤和/或石油焦的实施方案中，原料12在第一反应区20内的燃烧可以在至少约2,000°F的最高温度、在从约2,200到约3,500°F的范围或者2,400到3,000°F的范围进行。在其中反应器系统10包括第二级反应器段16的实施方案中，第二反应区32内进行的反应可以为吸热反应，所述吸热反应在比第一反应区20内进行的燃烧最高温度低至少约200°F、在从约400到约1500°F的范围，或者500到1,000°F范围的平均温度进行。吸热反应的平均温度由沿第二反应区32的竖直中轴线的平均温度限定。为了便利反应以及反应产物的生成，第一反应区20和第二反应区32可以每一个被维持在至少约350psig、从约350到约1,400psig的范围或者400到800psig范围的压强。
反应器系统10的立式结构可以便利炉渣以及原料12的其他气化副产物的移除。例如，通过限制呈现朝上取向的第一内表面18的使用，由于底面48的倾斜，降落中的炉渣被轻易迫使为朝向排出口50。通过防止炉渣累积，炉渣和其他不期望的气化副产物从反应器系统10的轻易移除可以增加反应区20、32的体积以及相关联的质量吞吐率。
第一和第二反应产物可以从各个反应区20、32被收回，以供进一步由常规系统——例如美国专利No.4,872,886中公开的系统，该美国专利在上面通过引用被并入——使用和/或处理。在其中原料12包括煤的一些实施方案中，反应器系统10可以具有在约25到约200磅每小时每立方英尺范围的煤气化容量。
下面在表1中给出了反应器系统10的一个示例性实施方案的各种尺寸和特征：
  设计压强(PSIG)   800
  设计温度(°F)   650
  煤吞吐率(吨/天)   3,000
  焦煤吞吐率(吨/天)   2,400
  第一级14外部距离   33’-7”
  第一级14内径   8’-0”
  第二级16内径   16’-9”
  第一反应区20体积(立方英尺)   4,582
  定标的MW容量   250
  入口26到入口26距离   32’-5”
  入口26到垂直中线距离   16’-2 1/2”
表1
反应器系统10的结构可以使得反应器系统10能够被更容易地组装和安装。例如，由于反应器系统10的立式结构，金属容器40的壁可以比常规气化反应器提供的薄。使用更薄的容器壁允许购买更少的材料来制作金属容器40，并且需要更少的工时来制作金属容器40。由于使用更薄的容器壁，另外，需要更少的桩、支撑钢和水泥来支撑金属容器40。反应器系统10的简化的结构还可以使内容器应力能够跨金属容器40更均等地分布，并且减少可能形成在金属容器40上的热点数。
另外，耐火材料42的实施方案所呈现的各种尺寸可以给出更少用于与金属容器40耦合的形状。因此，在其中使用了砖44的实施方案中，砖44可以更容易地被排列以为金属容器40的各个部分加衬里，而无需相当数量的高架耐火拱。由于反应器系统10的简化的结构，还可以在金属容器40内更容易地支撑耐火材料42。例如，耐火支撑可以被容易地添加并重新定位，以允许选择性地更换耐火材料40的部分。另外，由于反应器系统10的立式结构，耐火材料42可以被定位为比在常规设计中更远离第一反应区20的中心，由此进一步延展耐火材料42的寿命。反应器系统10的简化的形状另外使反应器系统10能够与常规设计相比更容易以无损测试器具(例如热红外扫描)进行测试。
图5和6示意性图示根据本发明可替换的实施方案配置的两个反应器系统100和200的第一级反应器段。如图5中描绘的，反应器系统100的第一级反应器段一般包括主体102和三个入口突出体104，其中每个入口突出体104具有定位在其远端的入口106。如图6中描绘的，反应器系统200的第一级反应器段一般包括主体202和四个入口突出体204，其中每个入口突出体204具有定位在其远端的入口206。
在一个实施方案中，反应器系统100和200的入口106和206可以取向为使原料朝第一级反应区的中心排放。可替换地，反应器系统100和200的入口106和206可以具有歪斜的取向，以便于使原料朝从第一级反应区中心水平和/或垂直偏移的位置排放，由此便利第一级反应区中的涡流运动。
除了具有多于两个的入口突出体之外，图5和6的反应器系统100和200分别可以以与上面参照图2-4详细描述的反应器系统10基本相同的方式配置和起作用。
使用在这里，术语“一(″a″、″an″)”、“该”和“所述”意味着一个或更多个。
使用在这里，当使用在两个或更多项的列举中时，术语“和/或”意味着所列举项的任一可以被独自采用，或者所列举项的两项或更多项的任何组合可以被采用。例如，如果组合物被描述为包含组分A、B和/或C，则该组合物可以单独包含A；单独包含B；单独包含C；A和B组合；A和C组合；B和C组合；或A、B和C组合。
使用在这里，术语“炭”指在各种反应产物的产生之后未烧的碳和仍旧进入气化反应区内的灰烬颗粒。
使用在这里，术语“包括(″comprising″，″comprises″和″comprise″)”是开放式过渡语，用于从在该术语之前引述的主题过渡到该术语之后引述的一个或多个要素，其中在该过渡语之后列举的一个或多个要素并非必须是构成该主题的唯一要素。
使用在这里，术语“包含(″containing″，″contains″和″contain″)”具有与下面提供的“包括(″comprising″，″comprises″和″comprise″)”相同的开放式含义。
使用在这里，术语“朝下取向”指表面具有在水平面之下以大于45度的角度延伸的法线向量。
使用在这里，术语“具有(″having″，″has″和″have″)”具有与上面提供的“包括(″comprising″，″comprises″和″comprise″)”相同的开放式含义。
使用在这里，术语“包括(″including″，″includes″和″include″)”具有与下面提供的“包括(″comprising″，″comprises″和″comprise″)”相同的开放式含义。
使用在这里，术语“开口上行区域”指垂直于通过其中的上行流体流方向所取的横截面的区域。
使用在这里，术语“炉渣”指来自气化原料的矿物，连同在气化反应区内发生的气化反应之后剩余的任何额外的残留熔剂。
使用在这里，术语“立式取向”指具有离竖直面倾斜小于45度的表面取向。
使用在这里，术语“朝上取向”指表面具有在水平面之上以大于45度的角度延伸的法线向量。
使用在这里，术语“竖直细长的”指这样的结构，在所述结构中，最大的竖直尺寸大于最大的水平尺寸。

Claims (50)

1.一种用于气化原料的两级气化反应器系统，所述反应器系统包括：
第一级反应器段，所述第一级反应器段界定第一反应区，其中所述第一级反应器段包括主体，至少二个入口突出体，以及至少二个入口，其中所述入口突出体中的每个具有耦合于所述主体的近端和从所述主体向外隔开的远端，其中所述入口中的一个位于紧邻所述入口突出体中的每个的所述远端，其中所述入口中的每个可操作来将所述原料排放到所述第一反应区中，其中所述第一级反应器段呈现协同界定所述第一反应区的多个内表面，其中所述主体呈现所述内表面本体部分，其中所述入口突出体呈现所述内表面的入口部分并且形成所述第一反应区的部分，其中所述内表面的总面积的至少50％具有立式取向；以及
第二级反应器段，所述第二级反应器被设置为一般地在所述第一级反应器段之上，并且界定第二反应区。
2.如权利要求1所述的反应器系统，还包括在所述第一和第二反应器段之间提供流体连通的喉段。
3.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述内表面的总面积的至少90％具有基本上竖直取向。
4.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述内表面的总面积的少于10％具有朝上取向，和/或所述内表面的总面积的少于10％具有朝下取向。
5.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述入口突出体位于基本上相同的高度。
6.如权利要求1所述的反应器系统，其中每个所述入口突出体一般为截头锥体的形状。
7.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述第一级反应器段包括一对所述入口突出体，所述入口突出体从所述主体的一般相对的侧向外延伸。
8.如权利要求7所述的反应器系统，其中所述主体的最大内径为位于紧邻所述一对入口突出体中每一个的所述远端的所述入口之间的水平距离的至少30％。
9.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述主体和所述入口突出体协同界定所述第一反应区，其中所述第一反应区总体积的少于50％被界定在所述入口突出体内。
10.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少25％。
11.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述第一反应区的最大高度与所述第一反应区的最大宽度之比在从1:1到5:1的范围内。
12.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述反应器系统包括至少三个所述入口突出体。
13.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述反应器系统包括金属容器和至少部分地为所述金属容器内部加衬里的耐火材料，其中所述耐火材料呈现所述内表面的至少部分。
14.如权利要求1所述的反应器系统，其中所述反应器系统包括整体式气化反应器。
15.一种用于气化原料的反应器系统，所述反应器系统包括：
竖直细长的主体；
一对入口突出体，所述入口突出体从所述主体一般相对的侧向外延伸，其中所述主体和所述入口突出体协同界定一反应区，并且其中所述入口突出体形成所述反应区的部分；以及
至少一个入口，所述入口定位在每个所述入口突出体上，其中每个入口可操作来将所述原料排放到所述反应区中，
其中所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少25％。
16.如权利要求15所述的反应器系统，其中所述主体和所述入口突出体呈现协同界定所述反应区的多个内表面，其中所述内表面的总面积的至少50％具有立式取向。
17.如权利要求15所述的反应器系统，其中所述主体和所述入口突出体呈现协同界定所述反应区的多个内表面，其中所述内表面的总面积的少于10％具有朝下取向。
18.如权利要求15所述的反应器系统，其中所述主体和所述入口突出体协同界定所述反应区，其中所述反应区的总体积的少于50％被界定在所述入口突出体内。
19.如权利要求15所述的反应器系统，其中所述入口突出体中的每个具有耦合于所述主体的近端和从所述主体向外隔开的远端，其中所述入口中的一个位于紧邻所述入口突出体中的每个的所述远端。
20.如权利要求19所述的反应器系统，其中所述主体的最大内径为位于紧邻所述入口突出体中每一个的所述远端的所述入口之间的水平距离的至少30％。
21.一种用于气化原料的两级气化反应器系统，所述反应器系统包括：
第一级反应器段，所述第一级反应器段包括：
协同界定第一反应区的多个内表面，其中所述内表面的总面积的至少75％具有基本上竖直取向，
呈现所述内表面本体部分的主体，
从所述主体一般相对的侧向外延伸的一对入口突出体，其中所述入口突出体呈现所述内表面的入口部分并且形成所述第一反应区的部分，以及
至少一个定位在每个所述入口突出体上的入口，其中每个入口可操作来将所述原料排放到所述第一反应区中，
其中所述第一反应区总体积的少于50％被界定在所述入口突出体内，
其中所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少25％；
第二级反应器段，所述第二级反应器段被定位为一般地在所述第一级反应器段之上，并且界定第二反应区；以及
在所述第一和第二反应器段之间提供流体连通的喉段，其中所述喉段界定上行通道，所述上行通道具有的开口上行区域比所述第一和第二反应区的最大开口上行区域小至少50％。
22.如权利要求21所述的反应器系统，其中所述入口突出体中的每个具有耦合于所述主体的近端和从所述主体向外隔开的远端，其中所述入口中的一个位于紧邻所述入口突出体中的每个的所述远端。
23.如权利要求22所述的反应器系统，其中所述主体的最大内径为位于紧邻所述入口突出体的每一个的所述远端的所述入口之间的水平距离的至少30％。
24.如权利要求21所述的反应器系统，其中所述第一反应区的最大高度与所述第一反应区的最大宽度之比在从1:1到5:1的范围内。
25.如权利要求21所述的反应器系统，其中所述反应器系统包括整体式气化反应器。
26.一种用于气化含碳原料的方法，所述方法包括：
(a)在第一反应区中至少部分燃烧所述原料，以由此产生第一反应产物，其中所述第一反应区由多个内表面协同界定，其中所述内表面总面积的至少50％具有立式取向；其中所述第一反应区包括呈现所述内表面本体部分的主体，以及从所述主体一般相对的侧向外延伸的一对入口突出体，所述一对入口突出体呈现所述内表面的入口部分并且形成所述第一反应区的部分；以及
(b)在第二反应区中进一步反应所述第一燃烧产物的至少部分，以由此产生第二反应产物，所述第二反应区被定位为一般地在所述第一反应区之上。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述内表面的总面积的少于10％具有朝下取向。
28.如权利要求26所述的方法，其中所述第一反应区被界定在第一级反应段内，所述第一级反应段包括主体和至少二个入口突出体，所述入口突出体从所述主体向外延伸，其中所述原料通过入口被引入所述第一反应区，所述入口位于紧邻所述入口突出体的每个的外端。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少25％。
30.如权利要求28所述的方法，其中所述第一级反应段包括一对所述入口突出体，所述入口突出体从所述主体的一般相对的侧延伸，其中所述主体的最大内径为所述一对入口突出体的所述入口之间的水平距离的至少30％。
31.如权利要求26所述的方法，其中步骤(a)的所述燃烧是在至少2,000℉的最高温度进行的。
32.如权利要求31所述的方法，其中步骤(b)的所述反应是在比所述燃烧的所述最高温度低至少200℉的平均温度进行的。
33.如权利要求26所述的方法，其中所述第一和第二反应区被维持在至少250psig的压强。
34.如权利要求26所述的方法，其中步骤(b)的所述反应是吸热的。
35.如权利要求26所述的方法，其中所述原料包括煤和/或石油焦。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述原料还包括水。
37.如权利要求26所述的方法，还包括将额外量的所述原料引入所述第二反应区。
38.如权利要求26所述的方法，还包括通过一对一般相对的入口将所述原料引入所述第一反应区。
39.如权利要求26所述的方法，其中所述第一反应产物包括蒸汽、炭和气体燃烧产物。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述气体燃烧产物包括氢、一氧化碳和二氧化碳。
41.如权利要求26所述的方法，其中所述第一反应产物包括顶流部分和底流部分，其中所述顶流部分被引入所述第二反应区，其中所述底流部分从所述第一反应区的底部被移除。
42.如权利要求41所述的方法，还包括将所述顶流部分传送通过位于所述第一和第二反应区之间的喉，其中所述顶流部分在所述喉中的最大表观速度为至少30英尺每秒。
43.一种用于气化含碳原料的方法，所述方法包括：在气化反应器的反应区中至少部分燃烧所述原料，以由此产生反应产物，其中所述反应器包括主体和一对入口突出体，所述入口突出体从所述主体的一般相对的侧向外延伸，并且所述一对入口突出体形成所述反应区的部分，其中所述反应器还包括一对一般相对的入口，所述入口位于紧邻所述入口突出体的外端，其中所述主体的最大外径比所述入口突出体的最大外径大至少25％。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述反应区由所述主体的内表面和所述入口突出体协同界定，其中所述内表面总面积的至少50％具有立式取向。
45.如权利要求43所述的方法，其中所述燃烧是在至少2,000℉的最高温度进行的。
46.如权利要求43所述的方法，其中所述反应区被维持在至少250psig的压强。
47.如权利要求43所述的方法，其中所述原料包括煤和/或石油焦。
48.如权利要求43所述的方法，还包括通过所述相对的入口将所述原料的至少部分引入所述反应区。
49.如权利要求43所述的方法，其中所述反应产物包括蒸汽、炭和气体燃烧产物。
50.如权利要求43所述的方法，还包括在所述反应器的第二级中反应所述反应产物的至少部分，所述第二级一般位于所述反应区之上。
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