CN102112586A - 用于一体式气化器和合成气冷却器的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于一体式气化器(106)和合成气冷却器(110)的方法和系统。该系统包括：气化器，其包括反应室(116)；合成气冷却器(110)，其与气化器一体地形成，并且包括至少一个热交换器元件(126)；以及过渡部分(112)，其与反应室和合成气冷却器一体地形成，并且在反应室和合成气冷却器之间延伸，该过渡部分进一步包括在反应室和合成气冷却器之间延伸的喉部(114)，该过渡部分进一步包括围绕喉部的热交换器(126)。

Description

用于一体式气化器和合成气冷却器的方法和系统
技术领域
本发明大体涉及部分氧化气化器和气体冷却器，并且更具体而言，涉及降低一体式气化器和气体冷却器组合的内部构件上的磨损。
背景技术
至少一些已知的气化容器包括这样的区域：由于经过这些区域的原始(raw)流出气体的流动特性和这些区域所暴露于的温度、压力和化学性质的不利条件的原因，这些区域易于受到增大的量的磨损。例如但不限于气化器底部过渡部、气化器喉部和合成气冷却器喉部是耐热衬套的高磨损区，因为狭窄的流径会提高熔渣沿着衬套壁的质量流率。虽然已经试验了一些尝试来减轻影响耐热材料的不利条件的作用，但是这些尝试往往会产生其它问题。例如，主动冷却受影响的区域的一个已知尝试会在喉部衬套中、在主动冷却的以及被动冷却的区段之间产生竖直膨胀间隙。该间隙会提供合成气进入竖直管架后面的环形空间中的潜在泄漏路径。另一个尝试在喉部耐热材料后面使用具有带凸缘底部的竖直钢质圆柱形气体障壁来防止气体逸入滞止环形区中。但是，钢质柱体未被冷却，从而导致金属过热或缩短的耐热材料寿命。另外，在已知的气化容器中，喉部中的流径的内径受气化器和合成气冷却器两者的凸缘的内径的约束。在没有显著地更改钢质容器的情况下不能改变流径直径。
提供具有与气化器一体地形成的一体式冷却器的气化器消除了气化器容器上的锻造凸缘和冷却器容器上的锻造凸缘。相对于单独的气化器和冷却器构造，在一体式气化器/冷却器中消除这两个大型凸缘显著地降低了气化器/冷却器的成本。消除气化器和合成气冷却器之间的凸缘-凸缘接头容许显著地减小两个容器的组合轴向长度。减小的长度降低了组合容器的热增长，从而以最小的热增长降低了关于固定到处于环境温度的支承结构上的互连管道(喷射器、蒸汽鼓、蒸汽管道、仪器)的不对准。消除凸缘-凸缘接头还提高了容器的完整性，并且有利于去除构件(凸缘、支承件等)和减少安装操作。
发明内容
在一个实施例中，一种一体式气化器和合成气冷却器包括：气化器，其包括反应室；合成气冷却器，其与气化器一体地形成，并且包括至少一个热交换器元件；以及过渡部分，其与反应室和合成气冷却器一体地形成，并且在反应室和合成气冷却器之间延伸，该过渡部分进一步包括在反应室和合成气冷却器之间延伸的喉部，并且该过渡部分进一步包括围绕喉部的热交换器。
在另一个实施例中，一种一体式气化器和合成气冷却器系统包括包围气化器反应室的第一压力容器部分，其中，第一部分从容器头部延伸到下端。该系统还包括包围气体冷却器的第二压力容器部分，气体冷却器构造成以便冷却来自气化器反应室的热的原始流出气流。第二部分从上端竖直地向下延伸向固体移除端。该系统进一步包括在下端和上端之间延伸的过渡部分，其中，第一部分、第二部分和过渡部分中的各个沿着各个部分的中心纵向轴线基本竖直地同轴对准。该系统包括喉部，喉部与各个部分同轴地对准，并且在各个部分之间延伸，以便来自气化器反应室的热的原始流出气流自由地通到气体冷却器，喉部在径向内表面的周围衬有耐热材料。该系统进一步包括：同心同轴的竖直管架，其沿着喉部的长度的至少一部分包围喉部；以及多个环形锚定环，其联接到第一部分和管架中的至少一个上，锚定环沿径向向内延伸，并且构造成以便支承喉部耐热材料。
在又一个实施例中，一种组装一体式气化器和合成气冷却器的方法包括提供与气化容器一体地形成的合成气冷却器容器，其中，气化容器包括反应室，并且合成气冷却器容器包括热交换器。该方法还包括使用衬有耐热材料的喉部将反应室和合成气冷却器容器联接成流动连通，其中，使用一个或多个环形锚定环将耐热材料支承在喉部中。该方法进一步包括将包围喉部的冷却管架定位成使得在运行期间使用该冷却管架来冷却耐热材料。
附图说明
图1-5显示了本文描述的方法和系统的示例性实施例。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的竖直细长高温钢质压力容器的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的容器的喉部区域的示意图；
图3是根据本发明的另一个实施例的容器的喉部区域的示意图；
图4是根据本发明的又一个实施例的容器的喉部区域的示意图；以及
图5是根据本发明的另外又一个实施例的容器的喉部区域的示意图。
具体实施方式
应当注意，虽然关于一体式气化器和合成气冷却器组合来对本发明的实施例进行了描述，但是本领域普通技术人员应当理解，本发明的实施例不限于仅与一体式气化器和合成气冷却器组合一起使用。相反，本发明的实施例可与任何一体式容器一起使用。
以下详细描述以实例的方式而非限制的方式示出了本发明的实施例。构想到本发明可一般地应用于冷却容器的内部构件，以延长它们在工业、商业和住宅应用中的寿命。
如本文所用，以单数叙述的和以词语“一个”或“一种”开头的元件或步骤应当理解为不排除多个元件或步骤，除非明确叙述了这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”的参照不意图理解为排除也结合了所叙述的特征的另外的实施例的存在性。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的竖直细长高温钢质压力容器100的示意图。在该示例性实施例中，容器100包括单个整体地形成的壳体102。壳体102包括：上部壳体104，其包围用来产生合成气体、还原气体(reducing gas)或燃料气体的部分氧化气化器的气化反应区106；下部壳体108，其包围气体冷却器部分110；以及过渡部分112，其包围在反应区106和气体冷却器部分110之间延伸的喉部114。上部壳体104包括沿着容器100的中心纵向轴线118的底部离开通道116和上部头部120，上部头部120包括同轴入口开口122，以用于插入向下排放的气化燃烧器(未显示)中。喉部114包括会聚式进口。上部壳体104包括耐热衬套124，耐热衬套124包围气化反应区106，并且在上部壳体104和反应区106之间沿径向延伸。喉部114是衬有耐热砖衬套126的竖直的圆柱环形形状的细长导管。喉部114大体与上部壳体104和下部壳体108同轴，并且在它们之间延伸，以便从反应区106向下流向下部壳体108中的气体冷却器110的热的原始流出气流自由地通过。如本文所用，“轴向”方向是基本平行于轴线118的方向，“上”和“向上”方向是大体朝向入口开口122的方向，而“下”和“向下”方向是大体远离入口开口122的方向。
图2是根据本发明的一个实施例的容器200的喉部区域的示意图。在该示例性实施例中，上部壳体104包括绕着反应区106的外周沿周向堆叠的第一耐热砖层202和在第一层202的外侧沿径向堆叠的第二耐热砖层204。第一层202由第一环形锚定环208在下端206处支承，第一环形锚定环208从上部壳体104沿径向向内延伸。第二环形锚定环210对第二层204提供支承，并且也在与第一环形锚定环208沿轴向隔开的位置处从上部壳体104沿径向向内延伸。第一层202和第二层204堆叠成使得第一层202中相邻的砖之间的接缝不与第二层204中相邻的砖之间的接缝对准。这种不对准在反应区106和上部壳体104之间提供了迷宫式路径，这有利于防止来自反应区106的热的原始流出气体从反应区106泄漏出，以及进入上部壳体104附近的空间212，热的原始流出气体的腐蚀成分可在空间212中侵蚀上部壳体104。
过渡部分112包括管架，管架包括在喉部114的周围沿周向延伸的冷却管214的薄膜壁。从冷却管214沿径向向外延伸到过渡部分112的滞止环形空间216提供了用于升管和下导管(两者均未显示)的区域，升管和下导管供应水以及从冷却器110中移除水和蒸汽。喉部114衬有耐热砖制成的喉部层218，喉部层218从联接到冷却管214上的第三环形锚定环220向上延伸到底部离开通道116。锚定环220从冷却管214沿径向向内延伸，并且支承喉部层218。在喉部层218和第一层202之间，耐热砖制成的倾斜层222由第四环形锚定环224支承，第四环形锚定环224联接到冷却管214上，并且从冷却管214沿径向向内延伸。因为第一层202由联接到上部壳体104上的第一环形锚定环208支承，而且倾斜层222由在容器200的某些运行期间联接到冷却管214上的第三锚定环220支承，由于上部壳体104和冷却管214之间的差异性膨胀的原因，第一层202和倾斜层222可相对于彼此沿轴向运动。因此，第一层202和倾斜层222之间的对接接头竖直地对准，从而使得第一层202和倾斜层222可在差异性的膨胀和收缩时期期间相对自由地经过彼此而滑动。这种可滑动接合有利于避免第一层202和倾斜层222的压挤(压挤可导致第一层202和/或倾斜层222破裂)，以及避免在第一层202和倾斜层222之间形成间隙。
滞止环形空间216定位在衬有耐热材料的过渡喉部柱体114的外部和过渡部分112的内部，并且与带凸缘接头构造相比具有增大的容积。这个增大的容积容许本发明的一个实施例在环形空间216内部具有锅炉给水管道以及支承结构。该实施例通过容许有更加柔性的管路线来降低由于热膨胀不匹配而引起的关于容器的管构件和接头的热应力。该实施例还提供足够的空间来将顶部集管(未显示)的路线设置到水平管壁(未显示)上方的环形空间216中。该实施例在水平管壁下方的热气路径内部增加了额外的管面板表面积，这提高了热回收性能，或者降低了合成气冷却器组件的总轴向长度。另外，该实施例通过容许直接连接到容器壁上而简化了竖直管面板的支承结构，这空出了更多环形空间，以便有更好的接近性和设计柔性。
图3是根据本发明的另一个实施例的容器300的喉部区域的示意图。容器300基本类似于容器200(在图2中显示)，且使用了在图2中使用的相同参考标号来在图3中指示与容器200的构件相同的容器300的构件。在该示例性实施例中，冷却管214不延伸到底部离开通道116的区域中。因而，滞止环形空间216小于图2所示的滞止环形空间。支承裙缘301从上部壳体104倾斜地向内延伸。
第一耐热砖层302在反应区106的外周的周围沿周向堆叠，而第二耐热砖层304从第一层302起沿径向在外侧堆叠。第一层302由第一环形锚定环308在下端306处支承，第一环形锚定环308从支承裙缘301沿径向向内延伸。第二环形锚定环310对第二层304提供支承，并且也在与第一环形锚定环308沿轴向隔开的位置处从支承裙缘301沿径向向内延伸。第一层302和第二层304堆叠成使得第一层302中相邻的砖之间的接缝不与第二层304中相邻的砖之间的接缝对准。这种不对准在反应区106和上部壳体104之间提供了迷宫式路径，这有利于防止来自反应区106的热的原始流出气体从反应区106泄漏出，以及进入空间212，热的原始流出气体的腐蚀成分可在空间212中侵蚀上部壳体104。
过渡部分112包括管架，管架包括在喉部114的周围沿周向延伸的冷却管214的薄膜壁。滞止环形空间216从冷却管214沿径向向外延伸到过渡部分112，以提供用于升管和下导管(两者均未显示)的区域，升管和下导管供应水以及从气体冷却器110中移除水和蒸汽。喉部114衬有耐热砖制成的喉部层218，喉部层218从联接到冷却管214上的第三环形锚定环220向上延伸到底部离开通道116。锚定环220从冷却管214沿径向向内延伸，并且支承喉部层218。
第四锚定环312从支承裙缘301沿径向向内延伸到喉部层218的径向外周。锚定环312支承耐热砖和/或可铸的耐热材料制成的过渡层314。过渡层314在第一层302和过渡层314之间以及喉部层218和过渡层314之间提供滑动接合，以考虑冷却管214和上部壳体104之间的差异性膨胀和收缩。
图4是根据本发明的另一个实施例的容器400的喉部区域的示意图。容器400基本类似于容器300(在图3中显示)，且使用了在图3中使用的相同参考标号来在图4中指示与容器300的构件相同的容器400的构件。在该示例性实施例中，喉部层218包括有利于从反应区106中去除夹带颗粒和溶渣的会聚-发散式截面。在喉部进口123处的会聚式截面趋向于提高离开反应区106的热的原始流出气体蒸汽的速度，并且趋向于增大反应区106内部的背压，这也会减少气体回流到反应区106中。发散式截面为熔渣提供悬垂部以便其滴下而穿过喉部114，而非沿着喉部层218的下部的耐热砖流动。
图5是根据本发明的另一个实施例的容器500的喉部区域的示意图。容器500基本类似于容器300(在图3中显示)，且使用了在图3中使用的相同参考标号来在图5中指示与容器300的构件相同的容器500的构件。在该示例性实施例中，喉部层502包括第一层504和第二层506，其包括在第一层504和第二层506之间的接头510处的阶梯508。提供了间隙512，以在冷却管214和上部壳体104的差异性的膨胀和收缩期间，容许第一层504和第二层506之间有轴向运动。间隙512防止层506的下悬部514承载在层504的悬垂部516上，以及防止导致耐热砖(包括第一层504和第二层506)的破裂和/或移位。阶梯508还提供了额外的曲折路径，以便于热的原始流出气体蒸汽在其可到达上部壳体104、冷却管214或容器500的其它金属部分之前经过。
以上对用于一体式气化器和合成气冷却器组合的系统和方法的示例性实施例进行了详细描述。所示系统和方法不限于本文描述的具体实施例，而是相反，系统的构件可独立地以及与本文描述的其它构件分开来使用。另外，方法中描述的步骤可独立地以及与本文描述的其它步骤分开来使用。例如，图5中显示的阶梯508可与喉部层218结合，喉部层218具有图4中显示的会聚-发散式截面。还构想了本发明的各实施例的其它结合。
封闭反应器、合成气冷却器和在它们中间的过渡部的一体式容器的实施例消除了反应器、合成气冷却器和过渡部之间的带凸缘接头，从而使气体路径过渡部(喉部)114与外部容器过渡部112隔开。与包括分开的容器(在它们之间具有带凸缘过渡部)的容器构造相比，这种构造容许有更短的喉部长度，同时保持相同或更大的环形空间216。该一体式构造还容许沿着喉部耐热衬套218的整个长度冷却喉部耐热衬套218，以及/或者冷却过渡部耐热材料314。
本发明的实施例提供了：减小了整体容器长度，减小了管道长度和管应力，降低了材料和制造成本，以及以下改进概念和好处：蒸汽冷却式喉部耐热衬套、蒸汽冷却式过渡部和喉部耐热衬套、喉部流径中的“滴点”-其仅通过使用本发明的实施例所容许的长度减小的喉部才有效。本发明的实施例还容许气体流减速，以及有更长的寿命过渡点，允许更厚的砖在高磨损点处有更长的寿命的气化部分-喉部过渡砖的膨胀特征，鱼鳞板式(ship lap)膨胀接头，蒸汽冷却式耐热砖衬套，气化器侧壁的经修改的支承特征，气化器过渡部，气化器喉部和合成气冷却器喉部衬套、一体式气化器和合成气冷却器容器，以及衬有耐热材料的喉部中的柔性流径直径和形状，其中，可使用衬套的厚度的逐步增大来实现可变直径。
过渡部和/或喉部中的蒸汽冷却式耐热衬套允许有更长的运行寿命和用于更换耐热材料的更少的停机时间，这提高了气化过程的可用性，并且降低了运行成本。蒸汽冷却式耐热衬套还借助于衬有耐热材料的喉部的可变直径，增加了调节离开喉部的合成气速度和/或质量和动量通量的柔性。通过使蒸汽冷却式管从合成气冷却器延伸到气化器和/或管架中来实现耐热衬套的主动冷却。一体式容器和耐热衬套容许有改变衬有耐热材料的喉部流径直径和形状而不改变钢质容器凸缘的柔性。喉部形状可为圆柱形、锥形，或者直径随着流接近喉部的下游出口而增大的向外扩口。
用于一体式气化器和合成气冷却器系统的方法和系统的上述实施例通过改为使用不连续且一体式的容器，提供了成本有效和可靠的机制来消除气化器和合成气冷却器之间的水平凸缘-凸缘接头，该不连续且一体式的容器将衬有耐热材料的气化反应室和合成气冷却器热交换器内部(构件)共同封闭在单个容器中。备选地，本发明的实施例在气化器-合成气冷却器过渡区域中提供足够的内部容积，以使喉部管架延伸到气化器的底部过渡部，这使得能够以蒸汽的方式冷却喉部的整个长度的耐热衬套和/或整个喉部加上气化器中的45度底部过渡部的耐热衬套。蒸汽冷却式耐热衬套具有更长的寿命，而无需在喉部中进行主动的蒸汽冷却。另外，将耐热衬套支承在气化器侧壁、过渡部和喉部区段中允许气化器侧壁、过渡区域和喉部区段在温度变化的时期期间膨胀和收缩。因此，基本去除了耐热衬套中用于合成气流入过渡区域中的直接泄漏路径。因此，本文描述的方法和系统有利于以成本有效和可靠的方式来使燃料气化和冷却。
虽然关于各种具体实施例来对本公开进行了描述，但是将认可，可用在权利要求书的精神和范围内的修改来实践本公开。

Claims (20)

1.一种一体式气化器和合成气冷却器，包括：
包括反应室的气化器；
与所述气化器一体地形成并且包括至少一个热交换器元件的合成气冷却器；以及
与所述反应室和所述合成气冷却器一体地形成并且在所述反应室和所述合成气冷却器之间延伸的过渡部分，所述过渡部分进一步包括在所述反应室和所述合成气冷却器之间延伸的喉部，所述过渡部分进一步包括围绕所述喉部的热交换器。
2.根据权利要求1所述的一体式气化器和合成气冷却器，其特征在于，所述热交换器包括定位在所述喉部的径向外侧以有利于冷却所述喉部的蒸汽冷却式管架。
3.根据权利要求1所述的一体式气化器和合成气冷却器，其特征在于，所述一体式气化器和合成气冷却器进一步包括：
从所述气化器和所述过渡部分中的至少一个沿径向向内延伸的支承裙缘；以及
联接到所述支承裙缘上的至少一个锚定环，所述至少一个锚定环从所述支承裙缘沿径向向内延伸，所述至少一个锚定环至少部分地围绕所述支承裙缘的周边延伸。
4.根据权利要求3所述的一体式气化器和合成气冷却器，其特征在于，所述一体式气化器和合成气冷却器进一步包括由所述至少一个锚定环支承的耐热材料层，所述耐热材料层由所述至少一个锚定环支承，使得相邻的耐热材料层可滑动地接合，以有利于在膨胀和收缩时期期间保持耐热材料层之间的接触。
5.根据权利要求1所述的一体式气化器和合成气冷却器，其特征在于，所述喉部包括会聚/发散式截面。
6.一种一体式气化器和合成气冷却器系统，包括：
包围气化器反应室的第一压力容器部分，所述第一部分从容器头部延伸到下端；
包围气体冷却器的第二压力容器部分，所述气体冷却器构造成以便冷却来自所述反应室的热的原始流出气流，所述第二部分从上端竖直地向下延伸向固体移除端；
在所述下端和所述上端之间延伸的过渡部分，所述第一部分、所述第二部分和所述过渡部分中的各个沿着各个部分的中心纵向轴线基本竖直地同轴对准；
喉部，其与各个所述部分同轴地对准，并且在各个所述部分之间延伸，以便来自所述气化器反应室的热的原始流出气流自由地通到所述气体冷却器，所述喉部在径向内表面的周围衬有耐热材料；
沿着所述喉部的长度的至少一部分包围所述喉部的同心同轴的竖直管架；以及
联接到所述第一部分和所述管架中的至少一个上的多个环形锚定环，所述锚定环沿径向向内延伸，所述锚定环构造成以便支承所述喉部耐热材料。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括从所述第一部分和所述管架中的至少一个向内倾斜地延伸的支承裙缘。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述多个环形锚定环中的至少一个通过所述支承裙缘联接到所述第一部分和所述管架中的至少一个上。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一部分包括第一外径，而所述第二部分包括第二外径，所述过渡部分在所述第一外径和所述第二外径之间延伸。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一压力容器部分和所述第二压力容器部分包括相应的细长的竖直柱体。
11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述喉部在径向内表面的周围衬有一定形状的砖耐热材料。
12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述喉部包括竖直的基本圆柱形的侧壁。
13.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述喉部包括发散式侧壁。
14.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述喉部包括会聚式进口。
15.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述多个环形锚定环定位成使得在所述一体式气化器和合成气冷却器系统的膨胀和收缩期间，由第一环形锚定环支承的第一耐热材料层沿着由第二环形锚定环支承的第二耐热材料层滑动。
16.一种组装一体式气化器和合成气冷却器的方法，所述方法包括：
提供与气化容器一体地形成的合成气冷却器容器，所述气化容器包括反应室，所述合成气冷却器容器包括热交换器；
使用衬有耐热材料的喉部，将所述反应室和所述合成气冷却器容器联接成流动连通，使用一个或多个环形锚定环将所述耐热材料支承在所述喉部中；以及
将包围所述喉部的冷却管架定位成使得在运行期间使用所述冷却管架来冷却耐热材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述热交换器和所述冷却管架联接成流动连通。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述喉部的进口衬有耐热材料，使得所述进口从所述反应室会聚到所述喉部。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述喉部衬有耐热材料，使得所述喉部从所述喉部发散到所述合成气冷却器。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述喉部衬有耐热材料，使得所述喉部为基本圆柱形。
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