CN102272269B - 用于制备合成气的反应器 - Google Patents

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Abstract

一种用于制备合成气的反应器容器包括管状合成气收集室、骤冷室和连接合成气收集室与骤冷室的浸入管，其中该合成气收集室通过出渣口连接到浸入管，该出渣口包括截头圆锥形部件，所述截头圆锥形部件从合成气收集室的管状壁的下端开始并且偏斜到流体连接到浸入管内部的开口，所述开口的直径小于浸入管的直径，该截头圆锥形部件包括一个或多个具有冷却介质进口和已用冷却介质出口的管道，出渣口也包括连接到截头圆锥形部件的开口并沿浸入管的方向延伸的第一管状部件，第二管状部件连接到截头圆锥形部件或者连接到管状部件并且沿着浸入管的方向延伸，具有小于浸入管的直径且大于截头圆锥形部件的开口直径的直径，并且第二管状部件与浸入管间隔开以提供环形空间，并且在所述环形空间中设有液态水的排出管道，所述排出管道具有定位成沿着浸管的内壁引导液态水的液态水排出开口，而且第一管状部件的至少一半的竖直长度在该液态水排出开口下方延伸。

Description

用于制备合成气的反应器
技术领域
本发明涉及一种用于制备合成气的反应器，其包括合成气收集室和骤冷室。合成气收集室的合成气出口通过管状浸管与骤冷室流体连接。
背景技术
在US-A-4828578中描述了这种反应器。该公开文本描述了一种包括设有燃烧器的反应室的气化反应器，其中使用氧气部分地氧化燃料和氧化剂以产生热的气体产物。热气体经过收缩喉部传送以在位于反应室下方的液浴中冷却。浸管将热气体导入液浴内。
当这种反应器用于气化含灰原料时，熔渣可能堵塞收缩喉部。为了避免这种堵塞，将不得不在比从效率角度出发理想地运行的温度更高的气化温度下连续运行该反应器。
发明内容
本发明旨在提供一种改进的反应器，其可更接近最佳气化温度运行同时最小化熔渣的堵塞风险。
这通过如下的反应器容器来实现。用于制备合成气的反应器容器包括管状的合成气收集室、骤冷室以及连接合成气收集室与骤冷室的浸入管，
其中该合成气收集室通过出渣口连接到浸入管，该出渣口包括截头圆锥形部件，所述截头圆锥形部件从合成气收集室的管状壁的下端开始并且偏斜到流体连接到浸入管内部的开口，
所述开口的直径小于浸入管的直径，
该截头圆锥形部件包括一个或多个具有冷却介质进口和已用冷却介质出口的管道，
出渣口也包括连接到截头圆锥形部件的开口并沿浸入管的方向延伸的第一管状部件，
第二管状部件连接到截头圆锥形部件或者连接到管状部件并且沿着浸入管的方向延伸，具有小于浸入管的直径且大于截头圆锥形部件的开口直径的直径，并且第二管状部件与浸入管间隔开以提供环形空间，并且在所述环形空间中设有液态水的排出管道，所述排出管道具有定位成沿着浸管的内壁引导液态水的液态水排出开口，而且
第一管状部件的至少一半的竖直长度在该液态水排出开口下方延伸。
申请人发现，通过提供所要求保护的截头圆锥形部件，可以通过测量截头圆锥形部件管道中的蒸气产生量(steam make)或已用冷却水的温度来预测熔渣的堵塞情况。通常已用冷却水温度的降低或蒸气产生量的减少表示正在产生熔渣层。因此可更接近最佳气化温度运行，同时还能够监测熔渣层的厚度。
附图说明
将通过以下附图进一步描述本发明及其优选实施例。
图1是根据本发明的反应器。
图1a示出图1的反应器的一部分的一种替代设计方案。
图2是图1中细部A的一个优选实施例的侧视图。
图3是图2中细部A的俯视图。
具体实施方式
合成气具有包括一氧化碳和氢气的混合物的含义。优选通过包括灰的含碳原料(例如煤、石油焦炭、生物质和脱沥青焦油砂残渣)的气化来制备合成气。煤可以是褐煤(lignite)、烟煤、次烟煤、无烟煤和棕色褐煤(brown coal)。存在于合成气收集室中的合成气可具有范围为从600到1500℃的温度和2到10MPa之间的压力。合成气优选在根据本发明的容器内冷却到比气体成分的饱和温度高50℃的温度以下。进一步优选地，合成气冷却到比气体成分的饱和温度高20℃的温度以下。
图1示出包括管状合成气收集室31和骤冷室3的反应器容器30。浸入管5连接合成气收集室31和骤冷室3。合成气收集室3通过出渣口9连接到浸入管5，所述出渣口包括从合成气收集室31的管状壁的下端开始并偏斜到开口36的截头圆锥形部件35。开口36将合成气收集室31的内部流体连接到浸入管5的内部。开口36的直径小于浸入管5的直径。如果浸入管5具有变化的直径，则是指最大直径。截头圆锥形部件35包括一个或多个具有冷却介质的进口8a和已用冷却介质的出口8b的管道。
管状的合成气收集室31设有4个水平点燃的燃烧器32。燃烧器的数目可适当地为1到8个燃烧器。含碳原料和含氧气体通过管道32a和32b供给所述燃烧器。合成气收集室31的壁33优选为相互连接的、平行设置的管34的布置排列，形成基本上气密的管状壁33。图1中只画出一部分管。管34从位置较低的冷却水分配器37延伸到位置较高的集管(header)38。燃烧器32如在例如W0-A-2008110592中描述的那样设置在图1中，WO-A-2008110592的公开内容在此引入以供参考。替代地，燃烧器也可向下导向，如在例如WO-A-2008065184或US-A-2007079554中描述的那样。在使用中液态熔渣层将出现在壁33的内部。该熔渣将经由出渣口9和浸管5向下流动并通过出口15从反应器排出。
在使用中，反应器容器30竖直定向，如图1所示。关于竖直、水平、顶、底、下和上都与这种定向相关。所述术语用来帮助更好地理解本发明而决非意图将权利要求的范围限制为具有所述定向的容器。
合成气收集室31和浸管5具有比反应器容器30更小的直径，产生位于所述室31和反应器容器30的壁之间的上部环形空间2a和位于浸入管5和反应器容器30的壁之间的下部环形空间2b。环形空间2a和2b优选通过密封件2c气密分隔以避免灰颗粒从空间2b进入空间2a。
优选地，出渣口9还包括管状部件35a，所述管状部件连接到截头圆锥形部件35的开口36并沿浸入管5的方向延伸。该部件35a是优选的，原因在于该部件将熔渣向下引导至浸管5内以及熔渣固化的水浴槽13内。在水浴槽13中，固化的熔渣颗粒通过倒置的截头圆锥形部件39引导到出口15。
部件35a的存在是有利的，原因在于其于是会避免熔渣颗粒淤塞排水管道19(将在下面更详细描述)。如果不存在这种管状部件35a，小的熔渣颗粒可由循环气体带至圆形开口19。由于具有足够长度的管状部分，可避免在开口19的区域的这种再循环。优选地，35a的长度使得下端终止在开口19处或其下方。更优选地，下端终止于开口19的下方，其中管状部件35a的至少一半竖直长度在开口19下方延伸。
优选地，在浸管5的最接近合成气收集室31的端部设有用于引入水的装置，更优选的是这种装置是流体连接到供水管线17的、用于引入水的圆形开口19。这种装置优选具有液态水的流出口，该流出口导向成使得在使用中沿浸管5的内壁形成水膜。
图1还示出优选的下一个管状部件6，其连接到截头圆锥形部件35或连接到可选的管状部件35a并沿浸入管5的方向延伸。下一个管状部件6在其上端具有小于浸入管5的直径的直径。部件6的该直径大于截头圆锥形部件35的开口36的直径。下一个管状部件6优选地与浸入管5间隔开以提供用于引入水的圆形开口19。
优选地，截头圆锥形部件35直接连接到冷却供给管道且直接连接到冷却排出管道。通过设有用于截头圆锥形部件35的冷却系统(其与例如用于合成气收集室31的壁的可选冷却系统是分离的)，更容易测量局部热传递和预测是否可能出现出渣口堵塞。
优选地，管状部件35a包括一个或多个具有冷却介质进口和已用冷却介质出口的管道。更优选地，管状部件35a直接连接到冷却供给管道且直接连接到冷却排出管道。通过设有用于管状部件35a的冷却系统(其与例如用于截头圆锥形部件35的冷却系统或用于合成气收集室31的壁的可选冷却系统是分离的)，更容易测量局部热传递和预测是否可能出现出渣口堵塞。
截头圆锥形部件35和可选的管状部件35a和35b包括一个或多个管道，在使用中沸腾的冷却水或过冷的冷却水流过所述管道。部件35、35a和35b的管道设计可以变化，例如可能是螺旋状形式、平行形式、包括多个U形弯或组合。
优选地，测量这些部件35和35a的蒸气产生量或已用冷却水的温度来预测这些部件上的局部熔渣层的厚度。如果气化过程在利于为特定原料(比如低灰含量的原料，如某些生物质原料和焦油砂残渣)形成足够厚的熔渣层的温度运行，这是特别有利的。或者在煤原料包括具有高熔点的成分的情况下。这种操作的危险是积聚的熔渣会堵塞开口36。通过测量冷却水或蒸气产生量的温度可预测何时出现这种熔渣积聚并且调整工艺条件以避免这种堵塞。
因此本发明还旨在通过如下步骤来避免根据本发明的反应器中的熔渣堵塞，(i)当冷却水从截头圆锥形部件的管道排出或从管状部件排出时测量其温度，或者通过测量截头圆锥形部件的管道中或来自管状部件的蒸气产生量，(ii)基于这些测量值预测是否可能出现熔渣堵塞，和(iii)如有必要调整工艺条件来避免这种堵塞。
通常已用冷却水的温度的降低或蒸气产生量的减少表示正在产生熔渣层。通常通过增加反应室内的气化温度来调整工艺，以使得熔渣将变得更有流动性并且因此导致减小部件35和35a上熔渣层的厚度。该反应器优选设有用来测量上述冷却水温度或蒸气产生量的装置、基于所述测量预测熔渣堵塞可能出现的装置和调整气化条件以避免熔渣堵塞的控制装置。冷却水的供给和排出管道未示于图1中。
浸管5在其下端10处通向反应器容器30的内部。该下端10远离合成气收集室31定位并且与存在于容器壁12中的气体出口11流体连通。浸管部分地浸在水浴槽13内。在浸管5的下端周围，设有引流管14来在形成于引流管14和浸管5之间的环形空间16内向上引导合成气。在环形空间16的上部排出端，设有导流板16a来提供夹带的水滴和骤冷的合成气间的粗略分离。导流板16a优选为从浸管5的外壁伸出。
如图1所示，浸管5的下部5b优选具有比上部5a小的直径。因为下端的水层将增加并且因为用于水浴槽13的环形区域将增加，所以这是有利的。因为它使得能够使用反应器容器30的更优化、更小的直径，所以这是有利的。上部的直径和下部的直径的比值优选为在1.25∶1和2∶1之间。
图1还示出优选的喷水喷嘴18，所述喷水喷嘴位于浸管5中以在水向下流过浸管5时将水滴喷射到合成气中。喷嘴18优选沿竖直方向与开口19充分完全间隔开，以保证所有非蒸发水滴在喷入合成气流时接触浸管5的湿润壁。申请人已经发现，如果这种水滴碰触非润湿壁，灰可能堆积，从而形成很难去除的污垢层。在如上所述的包括具有较小直径下部5b的浸管5的实施例中，优选的是，喷嘴18定位在较大直径的部分5a上。通过更大的直径来实现更多的滞留时间，从而水在喷射时有充分的时间蒸发。
在图1a中示出管状部件35a的一个优选实施例，其中管状部件35a的下端由延伸至下一个管状部件6下端的平面35b固定。因为在固体灰颗粒可能积聚的地方存在较小的停滞区，所以这种设计是有利的。
图2示出开口19的一个优选实施例的图1中的细部A。图2示出下一个管状部件6终止于由浸管5包围的空间内的一点，从而在下一个管状部件6和浸管5之间形成环形空间20。在环形空间20中，设有液态水的排出管道19′，所述排出管道具有的排出开口21设置成沿着浸管5的内壁引导液态水22。管道19′和管状部件6优选不相互固定，更优选为彼此水平地间隔开。因为允许这两个部件相对于彼此移动，所以这是有利的。由于两个部件通常将具有不同的热膨胀，因此这在使用容器时避免热应力。形成在管道19′和部件6之间的间隙19a将允许气体从合成气收集室2流到位于室2的壁和容器1的壁之间的空间2a。因为这使所述两个空间之间的压力平衡，所以这是有利的。排出管道19′优选沿着管状部件6的外围以闭合圆延伸并且具有缝隙式开口21，用作位于排出管道19′和浸管5的内壁相会点处的排出开口。在使用中，液态水22于是将沿着浸管5的壁的整个内圆周排出。如图所示，管道19′不具有将水引入合成气流的排出开口，该合成气流通过合成气出口4排出。
图2还示出排出管道19′适当地流体连接到圆形供给管道23。所述供给管道23沿着排出管道19′的外围延伸。管道19′和23通过沿着所述外围的许多开口24流体连接。替代地，未图示于图2和3的是这样的实施例，其中排出管道19′相对于闭合圆的半径成一角度直接流体连接到一个或多个液态水的供给管线17，从而在使用中导致液态水的流动出现在供给管道中。
优选地，排出管道19′或管道23连接到排气孔。该排气孔用来排除可能积聚在所述管道内的气体。排出管线优选地通过密封件2c在容器1内部布线，以流体连接到环形空间2b。所述空间2b中的低压形成排气孔的驱动力。选择排出管线的尺寸(例如通过设置所述排出管线中的孔的尺寸)，从而允许最小的所需流量，可能同时将少量的水连同排出的气体一起带进环形空间2b。优选地，如图2所示，管道19′设有排气孔，其中排出管道19′具有远离排出开口21定位的延伸部件26，该延伸部件26流体连接到排气管道27。
图3中的圆形供给管道23以角α适当地流体连接到一个或多个液态水的供给管线17，从而在使用中导致液态水的流动出现在供给管道23中。角α优选在0到45°之间，更优选在0到15°之间。供给管线17的数目可至少为2个，最大数目将取决于例如管道23的尺寸。分离的供给管线17可结合在容器1的内部和上游以限制容器1的壁中的开口数目。供给管线17的排出端优选设有喷嘴，以增加液态水进入供给管道23时的速度。这将增加水在管道23中流动时的速度和涡流，从而避免固体积聚和形成沉淀物。喷嘴本身可以是易于更换的部件，具有比供给管线17的直径更小的流出直径。
开口24优选具有相对于封闭圆的半径25成角β的定向，从而在使用中，导致液态水的流动出现在排出管道19′中，其具有与供给管道23中的流动相同的方向。角β优选为在45和90°之间。
图3还示出下一个管状部件6，所述管状部件是相互连接的平行设置的管28的布置排列，从而形成基本气密的管状壁29。

Claims (6)

1.一种用于制备合成气的反应器容器，所述反应器容器包括管状的合成气收集室、骤冷室以及连接合成气收集室与骤冷室的浸入管，
其中该合成气收集室通过出渣口连接到浸入管，该出渣口包括截头圆锥形部件，所述截头圆锥形部件从合成气收集室的管状壁的下端开始并且偏斜到流体连接到浸入管内部的开口，
所述开口的直径小于浸入管的直径，
该截头圆锥形部件包括一个或多个具有冷却介质进口和已用冷却介质出口的管道，
出渣口也包括连接到截头圆锥形部件的开口并沿浸入管的方向延伸的第一管状部件，
第二管状部件连接到截头圆锥形部件或者连接到第一管状部件并且沿着浸入管的方向延伸，具有小于浸入管的直径且大于截头圆锥形部件的开口直径的直径，并且第二管状部件与浸入管间隔开以提供环形空间，并且在所述环形空间中设有液态水的排出管道，所述排出管道具有定位成沿着浸入管的内壁引导液态水的液态水排出开口，所述第二管状部件与所述排出管道水平地间隔开以形成间隙，而且
第一管状部件的至少一半的竖直长度在该液态水排出开口下方延伸。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于该截头圆锥形部件直接连接到冷却供给管道并且直接连接到冷却排出管道。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的反应器，其特征在于该第一管状部件包括一个或多个具有冷却介质进口和已用冷却介质出口的管道。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于该第一管状部件的下端由延伸至第二管状部件的下端的平面固定。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于一个或多个喷水喷嘴位于浸入管中，所述喷水喷嘴在使用中将水滴喷入向下流过浸入管的合成气的流中。
6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于该合成气收集室包括形成从分配器到集管延伸的气密管状壁的、相互连接平行设置的管的布置排列，所述分配器设有冷却水供给管道并且所述集管设有蒸气排出管道。
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