CN103080281B - 气化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气化反应器（1），该气化反应器具有：热交换单元（4），所述热交换单元包括气体流道（7）和布置在所述气体流道内的一个或多个热交换器（9），所述热交换器包括一个或多个热交换表面（10）；和一种或多种相关联结构（6、11、12、13），诸如支撑结构或者导流板。相关联结构设置有防结垢装置（19、20、31、36、40），诸如鼓风机或者导流表面。

Description

气化反应器
技术领域
本发明涉及一种气化反应器，所述气化反应器具有热交换单元，所述热交换单元包括从入口区域行进至出口区域的气体流道和布置在气体流道内的一个或多个热交换器，所述热交换器包括热交换表面和将气流引向热交换表面的相关联结构，所述相关联结构诸如是支撑结构和导流装置或者盖板。
背景技术
这样的气化反应器可用于生产合成气体或合成气。在这种工艺中，诸如煤、生物质或者石油的含碳进料在气化反应器的气化器单元中部分氧化。随后，合成气流到热交换单元以进行冷却。
US5,482,110公开了一种用于冷却来自部分燃烧反应器的合成气的热交换器，所述部分燃烧反应器包括嵌套的热交换表面和位于由外通道壁所限定的通道中的相关联结构。热交换表面由互相连接以形成气密壁的蜿蜒曲折、螺旋盘绕或竖直的管形成。相关联结构包括：支撑结构，所述支撑结构承载热交换表面；和板，所述板阻塞通过中心热交换表面的中心通路，以为了尽可能地沿着热交换表面引导热气体。
当热合成气离开气化器单元时，所述热合成气携带在气化处理期间产生为副产品的飞尘。飞尘趋于导致污垢和熔渣沉积，尤其是当飞尘仍然热并且粘时。沉积在热交换表面上的污垢和熔渣的沉积物降低了热交换表面的冷却效率。通常，间歇地使用敲击器撞击热交换表面以移除污垢和飞尘沉积物。
发明内容
本发明的目的是进一步防止由于飞尘污垢和熔渣沉积物而降低气化反应器的热交换部段中的热交换器的效率。
通过提供一种气化反应器来实现本发明的目的，该气化反应器具有包括热交换表面和相关联结构的热交换单元，其中，所述相关联结构设置有一个或多个防结垢装置。
尽管相关联结构对气体冷却的贡献受到限制，但是仍惊奇地发现防止熔渣累积在这些部件上大大地有助于整体提高热交换器的总效率。
一个或多个防结垢装置例如可包括一个或多个在致动时主动移除熔渣的吹风机或者鼓风枪(lance)。利用鼓风机沿着垂直于主气流的径向方向鼓风获得良好的结果。鼓风机例如可具有在具有上部入口和下部出口的竖直气体流道中水平定向的喷嘴。
另外，一个或多个防结垢装置可以包括导流表面，从而引导含有飞尘的气体流动远离要保护的部件。这样的导流表面可例如被冷却，例如，所述导流表面可由一根或多根互相连接的冷却介质管道(例如互相连接的平行的或者螺旋盘绕的管道)形成，或者所述导流表面由成型板所形成的表面形成，成型板的一个侧部形成导流表面，可选地，使相对的侧部热传导地连接到冷却介质通道。
注意的是，WO2010/023306公开了一种骤冷容器，所述骤冷容器通过使用设置有自清洁设备的喷淋管道来冷却热合成气。没有使用热交换表面以及相关联结构。
热交换器包括热交换表面和相关联结构。热交换表面可例如由竖直、蜿蜒曲折或螺旋盘绕的冷却介质管道构造而成，所述冷却介质管道可例如互相连接以形成气密壁。热交换表面可例如共轴地嵌套在管状表面中。
热交换器的相关联结构可例如包括一种或多种承载一个种或多个热交换器的支撑结构。所述支撑结构可例如位于热交换通道的入口侧处，例如，其中，被支撑的热交换表面从支撑结构上悬垂下来。支撑结构可设置有防结垢装置，诸如，一个或多个定向成在支撑结构的上游表面上方鼓风的鼓风机。在气化反应器的热交换部段中的气流通常竖直向下流动的情况中，支撑结构的上游表面将大体为其顶部表面。该种支撑结构可例如包括多条径向臂，例如，所述径向臂从中心点延伸出，其中，臂的至少一部分位于一个或多个鼓风机的范围内。鼓风机可例如包括在臂的上游表面上方延伸的鼓风气供应管路，鼓风气供应管路的一个纵向侧部连接到臂，而相对的纵向侧部设置有至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴定向成平行于鼓风气供应管路的纵向方向的方向。可选地，鼓风机可具有一对或多对相对定向的喷嘴。
相关联结构还可包括一个或多个导流装置，以将气流引向热交换表面。例如，如果热交换表面包括一组共轴嵌套的管状表面，则盖板用于阻塞中心通路，以为了防止气体在距热交换表面一距离处流动，所述距离太大以致不能有效冷却经过的气体。用于该种结构的适当的防结垢装置可例如是导流表面，所述导流表面覆盖盖板的上游表面以在盖板的旁边引导进入的气体。这种导流表面可例如是指向上游方向的圆锥或者圆锥形的导流件。这种圆锥形的导流件可例如由一根或多根圆锥形地螺旋的冷却介质管道形成，所述冷却介质管道操作地连接到冷却介质源。
可替代地或者另外地，盖板可布置在一个或多个鼓风机的鼓风范围内。鼓风机可例如具有一个或多个定向成沿着平行于盖板的上游表面的方向鼓风的喷嘴。以这种方式，一个或多个鼓风机在表面上方鼓风，以便以有效方式保持所述表面清洁。一个或多个鼓风机可例如具有一个或多个径向延伸的喷嘴，所述喷嘴从喷枪或者中心鼓风气供应管道以直角分支出。管道或者喷枪可定位成与盖板的上游表面成直角。
可选地，相关联结构还可包括管状内壁，所述管状内壁限定了围绕热交换表面的通道，所述内壁被外壁包围。这种内壁可例如由一根或多根竖直的或者螺旋盘绕的冷却介质管道形成，所述冷却介质管道互相连接以形成气密壁结构或气密膜。这种管状内壁典型地为圆筒形壁，但是也可以具有不同类型的管状构造。内壁与外壁之间的环形空间可与由内壁所包封的流动通道的下端部开口连通，以或多或少地平衡内壁两侧的压力。这样，内壁主要承受热应力，而外壁主要承受因气体压力所导致的应力。由于由热力和压力所诱发的载荷的分离，因此可以以更加经济的方式构造内通道壁和外通道壁。
这样的内壁或膜可设置有防结垢装置，优选地在气体流道的入口区域处设有防结垢装置。例如，一个或多个径向延伸的鼓风枪可延伸通过内壁，使喷嘴位于气体流道内。喷嘴例如可由一根或多根定位在内壁和外壁之间的共用鼓风气供应管路互相连接起来。通常，热气体入口与热交换通道的中心线未对准。已经发现的是，鼓风枪仅仅设置在热气体入口下方的横截面区域(例如横截面区域的180度半圆形截面)中即可。例如，可使用延伸超过90度的两根共用供应管路来提供布置在热气体入口下方的管状内壁的横截面区域的半圆形180度截面上的鼓风枪。如需要的话，例如还可使用跨度为270度、300度或者360度或者任意其它角度的其它构造。通过仅仅对特别暴露于熔渣形成物中的部件吹风，可节省鼓风气消耗。
通常，所使用的冷却介质是水。这样，热交换器可用作蒸汽发生器。所产生的蒸汽可用于其它有用的目的，从而有助于整体提高气化过程的经济效率。
鼓风气可例如是氮气。可替代地或另外地，如果需要的话，可以使用其它类型的鼓风气。
附图说明
现在将参照附图更加详细地以举例的方式描述本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的气化反应器的示例性实施例的截面；
图2详细示出了图1的实施例的具有鼓风机构造的相关联结构；
图3A以纵向横截面示出了图1的实施例的鼓风机的喷嘴；
图3B以横截面示出了图3A的喷嘴；
图4以平面视图示出了用于图1的实施例中的内管壁的鼓风机构造；
图5示出了图1的反应器中的鼓风机的构造而没有示出反应器的其余部分；
图6示意性示出了用于根据本发明的反应器的可替代实施例的导流装置的防结垢装置；
图7以横截面示意性示出了根据本发明的气化反应器的热交换部段的又一个示例性实施例。
具体实施方式
图1以横截面示出了用于部分燃烧含碳进料以形成合成气的气化反应器1的顶部部段。反应器1包括气化器单元2，所述气化器单元2具有向上倾斜的排放部段3，在冷却所产生的合成气的情况下，所述排放部段3通向热交换单元4的顶部部段。热交换单元4包括封闭的外壁5，所述外壁5形成压力容器并且包封圆筒形内壁6，所述圆筒形内壁6在附图中用点划线示意性表示。内壁6由平行竖直的冷却液体管道形成，所述冷却液体管道互相连接以形成气密管状膜，从而限定了气体流道7。气化器单元2的排放装置3通向气体流道7的入口区域8中。合成气沿着箭头A的方向流动，从气化器单元2的排放装置3向上进入到热交换单元4，通过气体流道7到达下部出口区域(未示出)。
热交换器9布置在气体流道7内。热交换器9包括一组(例如六个)嵌套的圆筒形热交换表面10，所述热交换表面10在附图中用点划线示意性表示。在替代性实施例中，如果需要的话，热交换表面的数量可小于六个或大于六个。热交换表面10由螺旋盘绕的冷却介质管道形成，所述冷却介质管道互相连接以形成气密性结构。嵌套的热交换表面10与内壁6和外壁5共轴。热交换器9还包括相关联结构11，所述相关联结构11包括支撑结构12和盖板13，所述盖板13阻塞通过内热交换表面10的中心通路14。热交换表面10从支撑结构12上悬垂下来，所述支撑结构12继而由内壁6支撑。
在图2中更详细地示出了相关联结构11，所述相关联结构11包括支撑结构12和盖板13。支撑结构12是对称的支撑横梁，所述横梁具有从中心点16延伸出的四条径向臂15。
相关联结构6、12、13设置有防结垢装置19。这些防结垢装置19包括位于支撑结构12的每一条臂15的顶部边缘上的鼓风机20。每个鼓风机20均包括管道21，所述管道21具有封闭端22和连接到对应臂15的下侧部，而相对的顶侧部承载沿着平行于管道21的方向定向的喷嘴23、24。最靠近内壁6的喷嘴23是具有定向成远离内壁6的单个孔口的喷嘴。如图3A和3B更加详细所示，其它喷嘴24具有两个相反定向的孔口25。喷嘴24具有圆筒形本体26，其中，中心孔27在其外端部处变窄为文丘里管，所述文丘里管渐缩形成孔口25。中心孔27经由通道29与管道21的内空间28开口连通。
如图2所示，氮气供应管路30在支撑结构12的其中一条臂15上从鼓风机20的管道21分支出。该供应管路30通向第一鼓风枪31，所述第一鼓风枪31布置在中心处、在穿过内部热交换表面10的中心通路14内。如图4的平面视图所示，在多个径向定向的第一鼓风枪喷嘴32从第一鼓风枪31分支出的情况中，第一鼓风枪31延伸到盖板13。这样，第一鼓风枪喷嘴32可向盖板13鼓风，使其无熔渣沉积物。
另一鼓风气供应管路35通向径向延伸的水平第二鼓风枪36，如在图4中以平面视图示出的那样，第二鼓风枪36穿过内壁6。第二鼓风枪36具有位于气体流道7内的第二鼓风枪喷嘴37。第二鼓风枪36由两条鼓风气供应管路38互相连接，所述鼓风气供应管路38定位在内壁6与外壁5之间。两条供应管路38是90度环形分段且布置在气体流道7的横截面区域的半圆形180度部段上的给料鼓风枪。这样，对位于热气体入口区域8下方(见图1)的气体流道7的仅仅一半(产生大部分污垢的位置)吹风。通过仅仅对暴露于熔渣形成物中的部件鼓风可节省氮气的消耗。
图5示出了所有鼓风机的完整构造的透视图，而没有示出气化反应器1的热交换区域的其余部分。
图6示出了用于根据本发明的气化反应器的热交换单元的盖板13的替代性防结垢装置40。防结垢装置40包括遮盖盖板13的圆锥形导流表面41，其中，圆锥形导流表面的顶部远离盖板13指向上游方向。圆锥形导流表面41由螺旋盘绕的冷却介质管道42形成，所述冷却介质管道操作地连接到冷却介质供应管路43和冷却介质排放管路44。圆锥形表面41将在盖板13周围流动的热气流引导至沿着热交换表面10的流动路径，以防止或者至少减少沉积在盖板13上的熔渣沉积物。
图7示出了与图6所示的实施例相似的替代性实施例。相同的附图标记用于相同的部件。除了导流表面41之外，其包括另外的防结垢装置46，所述另外的防结垢装置46包括通向靠近支撑横梁12的中心点16的位置的鼓风气供应管路48，在所述位置处，所述鼓风气供应管路48继而向下进入到由圆锥形表面41包封的空间49，在所述空间中，所述鼓风气供应管路48通向环形管路50中。多个鼓风机51从环形管路50分支出并且从竖直方向转向成径向方向。鼓风机51的端部包括水平定向成朝向内部热交换表面10的喷嘴52。

Claims (11)

1.一种气化反应器(1)，所述气化反应器具有热交换单元(4)，所述热交换单元包括气体流道(7)和布置在所述气体流道内的一个或多个热交换器(9)，所述热交换器包括：一个或多个热交换表面(10)；承载至少一个热交换器(9)的一个或多个支撑结构(12)；和将气流引向所述热交换表面(10)的至少一个导流装置，其中，所述支撑结构(12)设置有一个或多个鼓风机(20)，所述一个或多个鼓风机定向成在所述支撑结构(12)的上游表面上方鼓风，并且其中，所述导流装置包括盖板(13)，所述盖板具有设置有一第一鼓风枪(31)的上游表面，该第一鼓风枪具有定向成沿着平行于盖板的上游表面的方向鼓风的一个或多个第一鼓风枪喷嘴(32)，其中，所述支撑结构包括多条从中心点(16)延伸出的径向臂(15)，所述径向臂的至少一部分处于所述一个或多个鼓风机(20)的范围内。
2.根据权利要求1所述的气化反应器，其中，所述支撑结构的径向臂(15)中的一条或多条承载所述一个或多个鼓风机(20)，该鼓风机包括在所述臂的上游表面上方延伸的鼓风气供应管路(21)，所述鼓风气供应管路的一个纵向侧部连接到所述径向臂，而相对的纵向侧部设置有沿着平行于所述径向臂的方向定向的多个鼓风机喷嘴。
3.根据权利要求2所述的气化反应器，其中，所述径向臂上的所述鼓风机喷嘴至少部分地布置成成对的相对定向的喷嘴。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的气化反应器，其中，第一鼓风枪喷嘴(32)从第一鼓风枪(31)以直角分支出。
5.根据权利要求1-3中的任意一项所述的气化反应器，其中，所述盖板(13)阻塞通过管状的热交换表面(10)的中心通道(14)，所述管状的热交换表面设置有圆锥形导流件(41)，所述圆锥形导流件指向上游方向并且遮盖所述盖板的所述上游表面。
6.根据权利要求5所述的气化反应器，其中，所述圆锥形导流件(41)由一根或多根圆锥形螺旋的冷却介质管道(42)形成。
7.根据权利要求1-3中的任意一项所述的气化反应器，其中，气化反应器包括相关联结构，所述相关联结构包括由外壁(5)共轴包围的管状内壁(6)，所述管状内壁限定了气体流道(7)，所述管状内壁由互相连接以形成气密膜的冷却介质管道形成，其中，一个或多个径向延伸的第二鼓风枪(36)延伸穿过所述气密膜，使第二鼓风枪喷嘴(37)位于所述气体流道(7)内。
8.根据权利要求7所述的气化反应器，其中，所述一个或多个径向延伸的第二鼓风枪(36)与位于所述内壁(5)与所述外壁(6)之间的一根或多根共用鼓风气供应管路(38)互相连接。
9.根据权利要求8所述的气化反应器，其中，气化器单元(2)的热气体排放装置(3)偏心地通向所述气体流道(7)的入口区域(8)中，横穿内壁(6)的所述一个或多个径向延伸的第二鼓风枪(36)位于所述热气体排放装置(3)下方的区域中。
10.根据权利要求9所述的气化反应器，其中，由所述一个或多个径向延伸的第二鼓风枪(36)占据的区域跨越所述气体流道横截面区域的半圆形部段。
11.根据权利要求7所述的气化反应器，其中，所述气体流道(7)竖直向下行进，防结垢装置(19)的至少一部分包括分别具有水平定向的喷嘴的鼓风机(20)、第一鼓风枪(31)和第二鼓风枪(36)。
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