CN103534021A - 旋风反应器及利用旋风反应器生产可使用的副产物的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产可使用的副产物的旋风反应器，所述副产物作为可回收炉渣层的一部分，该反应器包括具有界定燃烧室的外壁的外壳；被构造成将反应物引入该反应器中的入口；被构造成使所述反应物在靠近该室的中心轴线的火焰区中燃烧的燃烧器；以及被构造成将所述可使用的副产物移出所述外壳的出口；其中，所述反应器被构造成使所述反应物的第一部分以放热反应方式在所述火焰区中燃烧；并且其中所述反应器被构造成使所述反应物的第二部分以吸热反应方式在靠近外壁处发生转化以生产作为炉渣层的一部分的副产物。

Description

旋风反应器及利用旋风反应器生产可使用的副产物的方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2011年2月21日提交的美国临时专利申请第61/444,944号的权益和优先权，该临时专利申请的全部公开内容在此通过引用的方式引入。
技术领域
本申请基本上涉及使用经其他方式构造以产生热量和电能的反应器生产化学物质或材料。更具体而言，本申请涉及一种用于产生热量以及用于生产可用于不同用途（例如，用于碳化钙（CaC2）或其他化学物质的生产）的可使用的副产物的经改进的旋风反应器。
背景技术
CaC2是可用于制造其他有用的化合物（例如乙炔（C2H2））的基础化学物质，而乙炔通常用于工业有机化学中以生产其他化合物，例如氯乙烯或聚氯乙烯。例如，CaC2可以与水按照下式反应形成乙炔：
CaC2+2(H2O)→C2H2+Ca(OH)2
存在许多不同的方式生产CaC2。例如，可通过加热石灰（例如氧化钙或CaO）和碳的混合物生产CaC2。CaC2也可以通过在电弧炉中当焦炭与氧化钙加热至1600至2100℃时发生的反应产生，其中一氧化碳为另一副产物，表示成如下反应：
CaO+3C→CaC2+CO
CaC2也可以通过焦炭与氧化钙和氧气的直接反应产生，其中一氧化碳为副产物。通过下式从化学上说明该反应：
Figure BDA0000399138880000021
需要研究生产CaC2的新方法，尤其是在石油储存有限但煤资源丰富的区域。生产CaC2的方法（例如利用电弧炉）的能效低，并且还可能产生潜在的危害环境的作用。例如，使用依赖于已有的煤炭储存的更高效以及对环境更友好的方法来生产CaC2或其他碳基化学物质是有益的。采用较廉价的相对低品质煤（即，具有低比热值的煤）作为反应物的方法是特别有益的。
发明内容
本发明的一个实施方式涉及用于生产可使用的副产物的旋风反应器，所述副产物作为可回收的炉渣层的一部分。所述反应器可以包括具有界定燃烧室的外壁的外壳、被构造成将反应物引入该反应器中的入口、被构造成使所述反应物在靠近该室的中心轴线的火焰区中燃烧的燃烧器、以及被构造成将所述可使用副产物移出所述外壳的出口。所述反应器被构造成使所述反应物的第一部分以放热反应方式在所述火焰区中燃烧，并且所述反应器被构造成使所述反应物的第二部分以吸热反应方式在靠近外壁处发生转化以生产作为炉渣层的一部分的副产物。
本发明的另一个实施方式涉及在旋风反应器中生产可使用的副产物的方法。所述方法可以包括：将反应物经由入口引入所述反应器的外壳中，利用燃烧器使所述反应物的第一部分以靠近所述外壳的中心处的火焰区中发生的放热反应方式燃烧，使所述反应物的第二部分以吸热反应方式在靠近所述外壳的外壁处消耗以生产作为炉渣层的一部分的副产物；以及将包含所述副产物的炉渣层经由所述外壳中的出口移出。所述吸热反应在至少1600℃的温度下发生。
附图说明
图1是包括根据一个示例性实施方式的反应器的系统的示意图。
图2是含有根据另一个示例性实施方式的反应器的系统的示意图。
图3是沿线3-3穿过图2的系统中的反应器的横截面视图。
图4是图2的系统的侧视图。
图5是用于根据一个示例性实施方式的系统中的反应器的示例性实施方式的立体图。
图6是图5中所示的反应器的侧视图。
图7是反应器（例如图5中所示的反应器）的示例性实施方式的横截面视图。
图8是图7中所示的反应器壁的部分横截面视图。
图9是示出了炉渣材料的各个层沿靠近入口端的第一位置处的反应器壁流动的示意图。
图10是示出了炉渣材料的各个层沿靠近出口端的第二位置处的反应器壁流动的示意图。
图11是反应器的另一个示例性实施方式的侧视图。
图12是示出了计算流体力学计算机模型结果评估反应器的示例性计算机模拟实施方式的图。
图13是示出了计算机预测模型结果评价在计算机模拟反应器的总长上在炉渣层中CaO转化为CaC2的图。
具体实施方式
根据一个示例性实施方式，可使用经改进及经改造的反应器（例如，旋风燃烧器或反应器）来生产诸如碳基化学物质的化学物质或材料，该碳基化学物质包括但不限于碳化钙（CaC2）、碳化锂（Li2C2）、碳化钠（Na2C2）、碳化钾（K2C2）、碳化镁（Mg2C3或MgC2）。该经改进的反应器可以有益地允许利用已有技术的改造方式，使用易获得的原料来生产这样的化学物质或材料，进而生产具有广泛应用性的化学物质。
传统的旋风燃烧器常用在燃煤发电厂中，在该发电厂中使具有低的灰分熔融温度的煤炭燃烧以产生热量及电能。然而，这样的旋风燃烧器典型地在介于大约1200℃和1600℃之间的温度下操作。相对地，为了实现在高于1600℃的温度下发生的氧化钙（CaO）被还原至CaC2的碳热还原，热空气和1600-2500℃的火焰温度是必需的，这使得用在燃煤发电厂中的传统旋风燃烧器变得特别不合适。
根据一个示例性实施方式，使用部分氧化方案来生产所述化学物质，以将反应物（例如石灰和煤炭）以固体形式引入系统中以及利用一个或多个处于合适的放置和入口条件下的入口将反应物输送至反应器中。所述反应器可以被构造成在气体分级操作模式下操作，在该模式中，使所述反应物（例如碳）的第一部分以放热反应燃烧（例如与额外引入的氧气（或空气）一起燃烧）以产生一氧化碳和二氧化碳（引发高反应温度）。然后使所述反应物（例如碳）的第二部分（例如剩余部分）以与CaO的吸热反应方式消耗或转化，吸收来自所述反应物的第一部分的燃烧的所需能量输入（例如通过辐射传热），以产生CaC2和CO。在反应器中的两种反应（例如放热、吸热）基本上可以同时发生或者可以在时间上独立地发生，并且可以在反应器的两个不同的区域或位置进行。引发高反应温度的前一放热反应可以在氧化氛围中、在靠近反应器的中心纵轴线处的反应器中心发生，例如在火焰区区域中。由CaO生产可使用的副产物（例如CaC2）的后一吸热反应可以在至少部分液态的（或熔融态的）炉渣相中发生，以使所述炉渣在还原氛围中沿反应器壁的内表面形成层。然后，可以从反应器中回收含有CaC2的液态炉渣层以作后续使用，例如，用于生产乙炔或任何其他所需的用途。
根据一个示例性实施方式，经改进的旋风燃烧器可以用于生产可使用的副产物以及热量和电能。这样的经改进的旋风燃烧器在多个方面不同于目前使用的传统旋风燃烧器。第一，该反应器被构造成在气体分级操作模式下操作，在该模式中，在操作期间，在改反应器内存在两个隔开的气体区。第一气体区为燃烧区或火焰区，其可以基本沿反应器轴线设置，在该区中，具有使反应物（例如碳）的第一部分完全（或基本完全）燃烧生成二氧化碳（CO2）的氧化条件，以充分利用煤炭热含量以在该区中实现高温。第二气体区远离所述第一区，例如靠近反应器的外壁处，并且第二气体区为形成作为炉渣层的一部分的碳化钙（CaC2）的还原区。从所述第一区（即燃烧区）至壁炉渣层的传热主要通过辐射传热方式进行，提供促进反应物（例如碳）的第二部分的消耗以及产生所述副产物（例如CaC2）的吸热反应的高温。优选尽可能地减少所述两个气体区之间的混合以确保稳定的气体层化（例如分层的流动）。因此，可以通过调整反应器内的涡流和轴向气体流动特性（例如速度）来控制（例如减少、尽可能地减少）所述两个气体区之间的混合。
第二，所述反应器的纵横比（即长度与直径的比）大于传统旋风燃烧器的纵横比以提供较长的中心线火焰区，从而实现足够的反应物（例如CaO、C）停留时间以达到高的壁温及完全反应以生成可使用的副产物（例如CaC2）。
第三，可以将优选含有富CO馏分的回收废气流例如经由入口引入所述反应器中，以给反应器壁处的还原条件提供支援以促进形成碳化物的反应。
第四，可使被构造在反应器（例如沿反应器轴线）内的粉化煤燃烧器最优化，以当用于碳化物反应的反应物并非分别供料时可实现燃料（例如C或CaO）和氧气（和/或空气）的更高效混合，以促使热量释放得更快以及获得更高的火焰温度以提供例如尽可能接近一（1）的中心线火焰区的化学计量比。例如，可以先减小粉化煤的粒径，然后供至反应器中。较小的煤颗粒尺寸可以延长颗粒在气相中的悬浮，这可以使得颗粒更高效地沉积在反应器中的下游处。
除了前述内容之外，本发明人还发现，使用本文中披露的相比传统旋风燃烧器使用的颗粒而言尺寸更小的反应物颗粒是有益的。使用尺寸更小的反应物颗粒用于燃烧器有助于促使热量释放得更快以获得生产可使用的副产物所需的高的壁温。
或者，可以利用反应物和油同时供至反应器中的燃烧器内（例如沿反应器轴线或火焰区供料）来促进副产物的形成。另一替代方式是仅使用油作为反应物输入反应器中。可以制造小油滴（例如直径小于100μm的油滴）并将其供至燃烧器的火焰区中以向该反应提供燃料。使用标准雾化喷嘴可以轻松地制得小油滴，相对而言，制造相同尺寸的煤颗粒可能涉及需要消耗大量能量的粉碎过程。相对较小的液滴或颗粒尺寸致使热量释放得更快，这进而导致热量更有效地传递至壁，由此产生对于进行生成碳化物的反应而言所必需的较高的壁温。由于气体停留时间和进而的传热效率对于小规模（或试验装置）的过程而言是尤为关键的，因此油在其中的共同燃烧是尤为有益的，但相反地，在该技术的大规模应用中，油的共同燃烧并不是有益的。
此外，在供至反应器之前，可以对煤进行处理以减少煤中的水分含量，例如通过煤-干燥处理以增加煤的有效热含量。作为另一个替代方式，可以使用较高品质（较高热含量）的煤。
图1-4示出了被构造成利用输入的反应物（例如煤、石灰和氧气或空气）来产生热量（其可以用于产生热能）以及有用的副产物（例如CaC2）的系统的示例性实施方式。可以将煤和石灰（例如CaO）反应物以大块体或细颗粒的方式供入所述系统中，可以使所述反应物通过由一个或多个研磨或破碎装置以减小反应物的尺寸。然后将粉化的反应物（例如煤或焦炭或C，以及CaO）与空气（或氧气或它们的混合物）一起供入反应器中进行氧化钙（CaO）还原至CaC2的碳热还原，该碳热还原在1600℃以上的温度下发生。
如图1所示，一示例性实施方式的系统1包括输入组装件2、输出组装件3和反应器4。所述输入组装件2被构造成将一种或多种反应物引入反应器4中，并且所述输出组装件3被构造成从反应器4回收一种或多种副产物。所述输入组装件2可以包括一个或多于一个被构造成将反应物（例如经由输送器22）引入反应器4中的进料器21。所述输入组装件2还可以包括被构造成减小自进料器21接收的一种或多种反应物颗粒尺寸的粉化或破碎装置23。因此，所述输入组装件2可以包括与用于将每种反应物输入反应器4中的进料器21串联布置的粉化装置23。然后可以将一种或多种反应物直接从粉化装置23、从任选的中间进料器24（其可以被构造成混合多种反应物（例如反应物、共反应物））、或直接从进料器21供入反应器中。
该系统可以进一步包括其他的装置或部件，其中的一些示于图1和图2中。例如，该系统可以进一步包括用于由反应器内的反应产生的热量产生电能的发电机15，其中发电机15可以与蒸汽涡轮机组合配置。又例如，该系统可以包括一个或多于一个的用于产生诱使空气和/或氧气流动的力的风扇组装件16，例如用于将一级或二级流体（例如空气、氧气、它们的混合物）供至反应器以辅助其中的反应。更进一步地，可以使用产生用于电能生产过程中的蒸汽的下游容器或装置17，以用于使任何因不完全燃烧（例如在可能需要具有较小（例如约1）的化学计量比的反应器中）而产生的残留燃料组分或一氧化碳（CO）的燃烧。
如图2-4中所示，另一示例性实施方式的系统101包括输入组装件102和反应器104。输入组装件102包括两个进料器121和123，其中每个进料器121、123被构造成将一种反应物（或多种反应物）经由输送器122引入（例如输入）反应器104中。可以将第一输入反应物（例如煤）供入第一进料器121中，以及可以将第二输入反应物供入第二进料器123中。所述第一反应物和第二反应物可以不同或类似。例如，煤可以被供入第一进料器121中，以及石灰可以被供入第二进料器123中。如图所示，输送器122被构造成采用重力协助将输入反应物供入反应器104中。然而，应注意，输送器122可以采取任何合适的方法（例如强制空气）或方法的组合（例如重力和强制空气）以将反应物从输入组装件102转移至反应器104。例如，鼓风机或风扇组装件可以提供强制空气以协助将反应物转移至反应器104。如图3所示，系统101可以进一步包括温度调节装置以控制反应器104的外壳105的操作温度，在下文中将更详细地讨论。
反应器104可以包括被构造成将反应物或其他物料引入反应器104中的多个入口。如图2和图4所示，反应器104包括被构造成引入第一反应物（例如煤、石灰）的第一入口106、被构造成引入空气的第二入口107以及被构造成引入回收废气的第三入口109。然而，应注意，该反应器可以有不同构造。
图5-10示出了另一示例性实施方式的反应器204，其被构造成产生热量以及生产由一种或多于一种的输入反应物生成的一种或多种副产物（例如CaC2）。例如，所述输入反应物可以包括氧化钙（CaO）、碳酸钙（CaCO3）、煤、焦炭、石灰、它们的混合物或任何其他合适的材料。进一步地，还可以将一种或多于一种的共反应物与一种或多于一种的输入反应物一起使用。例如，所述共反应物可以包括氧化物、氢氧化物、碳酸盐（例如钙、锂、钠、钾、镁等）或任何其他合适的元素或化合物。作为其他实施例而言，所述反应物和/或共反应物可以包括甲烷、由生物质或任何可再生资源制得的化合物、城市固体废弃物、和/或碳质材料。
反应器204包括基本为圆柱形的外壳205，该外壳具有第一末端251（例如输入端）和第二末端252（例如输出端）、第一入口206（例如一级入口）、第二入口207（例如二级入口）和燃烧器208。根据一个示例性实施方案，将第一入口206和燃烧器208设置在反应器204的第一末端251处。第一入口206被构造成连接（例如联结）至燃烧器208，以及被构造成向燃烧器208提供反应物和/或共反应物。可以将联结的第一入口206和燃烧器208连接至外壳205的第一末端251，并且燃烧器208可以与外壳205的中心纵轴线253对齐。这样的布置可以形成沿中心纵轴线253从燃烧器208贯穿外壳205的中心部分延伸的火焰区。如图所示，第二入口207被构造成连接至位于外壳205的第一末端251和第二末端252之间的外壳205的外壁250。第二入口207被构造成将反应物和/或共反应物引入外壳205中。
反应器204的外壳205可以为基本的圆柱状或桶状且具有外壁250和中心纵轴线（例如中轴线）253，其中外壁250从第一末端251延伸至第二末端252。外壳205界定出室254（例如燃烧室），在该室中配置气体分级条件或操作以在其中进行气体分级。外壳205的第一末端251和第二末端252可以被构造成具有任何合适的形状。例如，第一末端251可以为锥形。
外壳205可以被构造成水平延伸，和/或被构造成是渐变的（例如，从第一末端向内或向外地朝第二末端渐变）。外壳205还可以被构造成相对于水平方向呈一倾斜角度，且下部末端位于炉渣出口（第二末端252）处以影响炉渣流动。根据其他的实施方式，外壳可以被构造成呈一倾斜角度，且具有位于第一末端252的较低的末端，或被构造成沿竖直的方向延伸。当外壳205具有渐变壁、倾斜壁时，或者被构造成呈一倾斜角度，外壳可以例如通过使用重力来影响炉渣层213的流动速度和/或停留时间。另外，外壳205可以被构造成是固定的，例如固定于中心纵轴线253上，或者可以被构造成可以活动。例如，外壳205可以被构造成绕中心纵轴线253转动。另外，例如，外壳205可以被构造成可摆动或可振动的，这有助于例如通过影响外壳205中的炉渣层213来影响外壳中的反应。
外壳205的外壁250可以包括一层或多于一层的材料。例如，外壳205的外壁250可以包括被构造成对外壳205提供强度和耐久性的外层和被构造成抵挡在反应器204中出现的极高温度（例如1600-2500℃）的内层。外壳205的外壁250的外层可以由钢（或其他合适的高强度材料）制成，并且外壳205的外壁250的内层可以由有益地表现出耐相对高温性能的耐火材料或金属制成，例如铌（Nb）、钼（Mo）、钽（Ta）、钨（W）、锆（Zr）或铼（Re）和/或它们的合金或混合物。所述内耐火层还可以由其他绝缘材料制成，例如硅或硅基化合物，或者由陶瓷（例如二氧化锆、氧化铝、氧化镁、氧化钇、碳化硅、氮化硅、氮化硼、莫来石、钛酸铝、碳化钨）制成。所述内耐火层可被构造成作为覆层或衬垫覆盖所述外层的内表面，可以形成为独立的管子，然后被置入所述外层的内部而与所述外层邻接，或者可以被构造成为任何合适的形式。应注意，所述外层和内层可以由其他合适的材料或通过其他合适的方法制成，且不意欲受限于本文中所披露的那些材料和方法。
除了耐火材料之外，反应器204还可以利用炉渣层213的形成作为用以保护外壳205的外壁250在操作期间免遭反应器204中的高温的另一途径。当沿外壁250的内表面形成炉渣沉积时，将形成内熔融层213b（例如熔体膜层）以及外固化层213a，此时，会因固化层213a而产生自隔绝作用。固化层213a可以使靠近外壁250处的有效温度相对于反应器204中心处的高温有所降低。这样的自隔绝作用可以保护构成外壁250的材料。
外壳205可以进一步包括一根或多根被构造成外接外壳205的外壁250的至少一部分的管子256。管子256可以被构造成运载可用于在反应器204的操作期间调节外壁250的温度的流体（例如水、油、空气），以用于例如冷却外壁250。根据一个示例性实施方式，多根管子256可以具有环形的形状以绕外壳的圆形形状包覆外壳。在这样的布置中，多根管子256可以绕外壳并列排布。根据另一个示例性实施方式，管子256可以具有螺旋形状并可以被构造成绕外壳205的外壁250包覆并缠绕外壳。图7为穿过反应器204切得的横截面图，其能够说明所述管子256的螺旋状布置或多根环形管子256的并列布置。
如图7中所示，一根或多根管子256具有半圆形横截面，其中所述半圆形横截面的两个末端256a直接毗邻外壁250，在管子256与外壁250之间形成允许流体通过的空腔257（例如通道）。因此，所述流体可以直接与外壳205的外壁250的外表面接触，以更高效地调节外壳205的壁250的温度。
可以将所述流体从温度调节装置（例如换热器）导入管子256中。进一步地，所述流体可以离开管子256并流回至温度调节装置中以形成热力学循环。因此，例如，当所述流体流过壁250时，所述流体可以吸收来自外壳205的外壁250的热量，将热量的一部分传导至每根管子256的壁。然后，壁中所含的热量可以经由对流被流过每根管子256的第二流体（例如空气）吸收，同时，残留在第一流体中的热量可以被温度调节装置吸收。
如图3中所示，反应器104的多根管子156可以沿外壳105延伸，并且还可以远离外壳105延伸至被构造为调节流过多根管子156的流体的温度的装置119。因此，温度调节装置119可以被构造为系统101的一部分并且将该装置靠近反应器104设置。系统101可以包括多于一个的温度调节装置119。
外壳205可以包括开口258或多个开口以引入反应物（以及共反应物（当使用时））和移出在操作期间形成的可使用的副产物和其他物料。如图6中所示，外壳205包括呈第一入口开口258a和第二入口开口258b形式的两个入口开口。将第一入口开口258a设置在外壳205的第一末端251中，并且将所述第一入口开口构造为与燃烧器208和/或第一入口206流体连通。换言之，构造外壳205的第一入口开口258a以使得流过第一入口206的反应物可经由燃烧器208点燃以形成穿过第一入口开口258a并沿中心纵轴线253延伸的火焰区。将第二开口258b设置在外壳205的外壁250中，并且将所述第二入口开口构造为与来自第二入口207的反应物和/或共反应物流体连通。
如图6中所示，外壳205包括呈第一出口开口258c和第二出口开口258d形式的两个出口开口。第一出口开口258c被构造成允许作为炉渣层213的一部分产生的副产物（例如CaC2）从反应器204中移出。可以将第一出口开口258c沿外壳205的外壁250的底部设置在第二末端252中，以例如通过允许炉渣层213和副产物穿过第一出口开口258c直接流出来协助促进炉渣层213和副产物的回收。第二出口开口258d被构造成允许反应生成的废气（例如CO）经由该出口开口从室254移出。可以将第二出口开口258d设置在外壳205的第二末端252的中心处，或者可以设置在沿外壳205的任意位置处。应注意，第一出口开口258c和第二出口开口258d可以合并成一个单独的出口开口，该单独的出口开口被构造成既允许移出（例如回收）炉渣层213和伴随的副产物又能排出（例如逸出）来自反应的废气。
根据一个示例性实施方式，第一入口206被构造成将一级反应物（例如粉化煤、粉化石灰、空气、氧气）输送或转移至某处，在该处燃烧器208能够引燃外壳205的燃烧室中的反应物。第一入口206可以以管子或空心管构件的形式提供，所述管子或空心管构件界定出使反应物（例如从所述系统的输入组装件）在其中流动的通道。第一入口206可以沿基本为直线的方向（例如垂直）、非直线的方向（例如弯曲状）、或能够将反应物转移至反应器204的任何合适的方向延伸以促进外壳205中的反应。
第一入口206可以由强度和耐久性足以反复地将物料（例如反应物）经由所述入口输送（或转移）至反应器204中的任何合适的材料制成。第一入口206可以包括连接至反应器204的燃烧器（或直接连接至与燃烧器相邻的外壳205）的第一末端以及连接至将一级反应物供入第一入口206中的装置（例如输入组装件）。第一入口206可以包括被构造成调节或可调节地控制反应物流入外壳205中的流速的缓冲器或其他装置。因此，第一入口206可以以受控的（以及可调节的）流速将一级反应物引入燃烧器中，从而以受控的方式对反应器204中的反应提供燃料。第一入口206可以被构造成具有可调节的压力来产生推进反应物通过所述入口并流入反应器204中的可调节的速度。
燃烧器208可以为圆柱形并被构造成连接至外壳205的第一末端251，从而使燃烧器208基本与外壳205和反应器204的中心纵轴线253对齐。为了使反应物的第一部分（例如一级反应物）以放热反应方式在反应器204中燃烧，将燃烧器208构造成产生火焰区211。如图7中所示，由燃烧器208产生的火焰区被构造成沿中心纵轴线253从燃烧器208穿过外壳205中的燃烧室254延伸。换言之，燃烧器208可以被构造成促进反应物的第一部分以放热反应方式在靠近室254的中心处燃烧。燃烧器208可以包括任何用于产生火焰以使火焰区211中的反应物燃烧的现在已知的或未来被发明的装置。燃烧器208可以接收来自第一入口206的一级反应物并再次引导所述一级反应物以形成沿外壳205的中心纵轴线253从外壳205的第一末端251朝第二末端252延伸的火焰区211。
根据一个示例性实施方案，第二入口207被构造成将流体（例如二级空气、氧气）从一源（例如输入组装件）引入（例如输送、转移等）反应器204中。换言之，第二入口207可以将一种或更多种另外的（或二级）反应物引入反应器204中。第二入口207可以以管子或空心管构件的形式提供，所述管子或空心管构件界定出使反应物在其中流动的通道。
第二入口207可以连接至位于外壳205的第一末端和第二末端之间的外壳205的外壁250，或者可以而被构造成连接至外壳205上的任何位置。如图5和图6中所示，第二入口207被构造成将含有二级空气的流体以相对于所述火焰区211（即一级反应物发生燃烧的区域）和/或中心纵轴线253的方向的切向方向引入以在反应器204中产生涡流。由来自第二入口207的流体引起的涡流产生将反应物（例如碳和CaO）分布至外壳205的外壁250的力（例如离心力），其中被分布的反应物在还原氛围下反应以生成炉渣层213并产生副产物（例如CaC2）。所述第二入口207可以包括被构造成调节或可调节地控制经由第二入口207流入外壳205中的流体（或反应物）的流速的缓冲器或其他装置。另外，第二入口207可以将空气引入反应器204中，该空气的温度不同于经由第一入口206引入的一级空气的温度。例如，二级空气的温度可以被提升至介于大约100-1100℃之间的温度。
可以严格控制第二入口207的氧气供给或气体进料以避免碳在发生碳化物反应之前被消耗。如果不严格控制，则在碳化物反应条件下碳可以燃烧生成一氧化碳，从而使得用于碳化物反应的碳可能在生成碳化物之前被消耗。因此，在沉积区或在经由第二入口207引入的反应物中可以存在超化学计量之量的碳，以使得可以产生部分一氧化碳。然后，当由不完全燃烧产生的一氧化碳以及由碳化物反应产生的一氧化碳在反应器204的内部或外部区域（例如在放热反应区域中）与氧气混合时，所述一氧化碳可以完全燃烧或至少部分燃烧产生二氧化碳。
为了进一步控制和/或影响反应器204中的综合需求和反应条件，可以设置第三入口（例如供给）。如图5和图6中所示，反应器204包括与反应器204的第一末端251相邻设置的第三入口209（例如三级入口），该第三入口被构造成将流体（例如第二流体）引入燃烧器208中以协助促进反应物沿火焰区211的燃烧。第三入口209可以以管子或空心管构件的形式提供，所述管子或空心管构件被构造成以可调节的速度引入第二流体（例如空气、氧气）以辅助反应物在火焰区211中的燃烧。第三入口209可以被构造成基本沿外壳205的中心纵轴线253的方向注入第二流体，或者可以被构造成相对于中心纵轴线253呈倾斜角度的方向注入流体以在反应器204中产生涡流。第三入口209（或另外的入口）可以包括被构造成调节或可调节地控制经由所述入口流入外壳205中的流体（或反应物）的流速的缓冲器或其他装置。应注意，本文中披露的反应器（例如反应器204）可以包括任意数量的被构造成影响或调节反应物的流动的入口。例如，另外的入口可以被构造成沿反应器204的外壳205的壁用于改善涡流，并且不意欲受限于本文中所披露的入口。
反应器204可以进一步包括被构造成促进炉渣材料或炉渣层213与一种或多于一种的副产物（例如CaC2）一起从反应器204（例如从外壳205）中移出的出口210（例如炉渣出口）。如图6所示，出口210与外壳205的第二末端252中的第一出口开口258c对齐并相邻。出口210可以靠近反应器204的外壁250的底部设置，以轻松地回收在操作（例如气体分级操作）期间形成于反应器204的外壳205的外壁250的内表面上的炉渣层213（例如液态炉渣层）。出口210可以包括允许选择性及可调节地回收含有所需副产物的炉渣层213的接头或阀门。出口210可以被构造成在例如不妨碍经由出口210的流动的情况下允许对炉渣层213进行惰性处理和/或冷却该炉渣材料直至固化。例如，液体（例如油、液氮）淬冷剂可以在出口210中添加或者在经由出口210移出炉渣层213之后添加，以加快炉渣材料的冷却和固化。
入口（例如第一、第二、第三入口）中使用的流体（例如一级、二级、三级流体）可以为空气、氧气或它们的混合物，或者可以包括从反应器204中回收的废气，例如富CO馏分的废气，该废气有助于沿反应器204的外壳205的外壁250建立碳化物生成反应所需的还原氛围。例如，可以将回收的废气冷却、压缩，然后在被再次引入反应器204中之前再加热。另外，所述回收的废气可以经由另外的气体出口（例如外壳205中的第二出口开口258d）从反应器204中抽出。或者，所述另外的气体出口可以被构造成靠近外壳205的外壁250处或者可以被构造成位于外壳205上的任何位置。更进一步地，第二出口207和/或第三出口209可以用于供入反应物（例如CaO、C、煤）中的一部分以影响颗粒沿外壳205的外壁250沉积的位置和均匀性或沉积速率。计算机模拟（例如CFD分析）说明如果沉积过早地发生在过程中，则在反应器204的下游段处的沉积速率可能降低。在极端情况中，沉积减缓可以使得反应器204的一部分未被炉渣覆盖，这可以证明未被覆盖的耐火材料的耐久性（例如寿命）降低对壁的经时耐火性是有害的。下游沉积速率还可能受第三入口209的影响。例如，第三入口209可以被构造成支援或提供沉积层的切向分布和/或轴向输送以促进沿外壁250的下游沉积。
以受控的流速将一级反应物（例如空气、氧气、粉化煤和粉化石灰）经由第一入口206转移至反应器204中，其中燃烧器208引发了部分一级反应物的燃烧，产生贯穿空心反应器204的中心区域（例如沿外壳205的中心纵轴线253）的火焰区211。反应物（例如来自煤中的碳）的第一部分（例如部分颗粒）以放热反应方式在火焰区211的氧化氛围下与氧气反应，该反应产生极高的温度以及诸如一氧化碳和二氧化碳的副产物。所述流体和/或第二流体（例如空气、氧气、回收废气、它们的混合物）例如沿外壁250以与燃烧反应物的火焰区211基本相切的方向进入反应器204，且具有使反应器204中产生涡流的速度，从而产生使碳和CaO的颗粒沿反应器204的外壳205的外壁250的内表面分布的离心力。沿外壁250沉积的反应物（例如来自煤中的碳）的第二部分（例如部分颗粒）以产生可使用的副产物（例如CaC2）的吸热反应的方式在还原氛围下（例如在炉渣层213中）反应。由来自第二入口207的流体产生的切向速度和由火焰区211和/或来自第三入口209产生的第二流体产生的轴向速度并结合重力使得液态炉渣层能够沿反应器204的外壁250的内表面流动。然后将含有所述可使用的副产物（例如CaC2）的炉渣层213（例如液态炉渣层）例如经由反应器204的出口210移出，以通过处理来从炉渣材料中回收可使用的副产物（例如CaC2）。
需要将辅助材料供入反应器204中以影响或控制炉渣熔融温度。过高的熔融温度可能抑制液态炉渣层的形成，而过低的熔融温度可能抑制生成碳化物的反应以及导致生成过薄的液态层，这进而使得液体速度高以及停留时间短。CaO和CaC2的熔融温度是相对高的（例如分别为约2600℃和约2300℃）。因此，CaO和CaC2的质量比为1:1的共熔混合物是优选的，原因是该混合物可以提供约1810℃的最低熔体温度，该温度在理想的温度范围内（例如1600-2500℃）。
如图7-10中所示，反应器204被构造成使沉积的反应物沿外壳205的外壁250的内表面形成炉渣层213。炉渣层213可以包含多个层。炉渣层可以包括因接触反应器204的经温度调节的外壁250而部分冷却的固化熔体层213a。毗邻于反应器204的外壳205的外壁250的内表面的所述固化熔体层可以在反应器204启动后由固化炉渣形成。固化熔体层213a辅助保护外壳205的外壁250，原因是在反应器204中产生的高温可以高至足以破坏壁250的耐火层。反应器204可以被构造成例如通过入口的位置和定向或通过反应器的倾斜来产生涡流以确保炉渣沿外壳205的外壁250的整个内表面沉积，或冷却壁250的一部分以确保高温下的稳定性。固化熔体层213a可以不具有速度，并且可以协助保护反应器204的外壳205的外壁250免遭存在于反应器204的中心区域或氧化氛围区域中的极高温度。固化熔体层213a可以包括与固化熔体层213a相邻设置且包括用于产生CaC2的还原氛围的熔体膜层213b。所述熔体膜层213b可以为液态的，并且可以具有将液态炉渣推向反应器204的外壳205的第二末端252的速度（可以由反应器204中的速度产生），以使可使用的副产物（例如CaC2）经由出口210回收。炉渣层213还可以包括设置在炉渣层213的液态熔体膜层213b和室254之间的固体反应物层213c。
例如，可以通过引入影响炉渣层的特性（例如熔体、流动等）的材料（例如添加剂）来影响或调节炉渣层213的形成。例如，可以将熔体促进添加剂引入反应器204中以在反应器204的操作期间促进炉渣层213在反应器204中的形成，从而使得碳热反应可以在较低的温度下于熔体中进行。作为另一个实施例，所述添加剂可以用作熔剂，该熔剂被配置成减少灰分的熔融以及降低CaO溶解在熔体中的温度。所述熔剂添加剂可以被配置成促进熔体的流动，例如通过影响（例如降低）炉渣层213（例如液态熔体膜层213b）的粘度以使得碳在液态层中活动更自由，这可以加快碳和CaO之间的反应，从而促进CaC2的形成。作为另一个实施例，可以将催化添加剂引入反应器204中以促进副产物（例如CaC2）在熔体中作为熔渣层213的一部分的形成。CaC2在炉渣层213（例如液态熔体膜层213b）中的存在可以用来促进形成其他化合物的CaC2的化学反应。在这种情形下，被供入反应器204中的输入反应物可以用CaC2掺杂以作为在吸热反应期间在靠近外壳205的外壁250处的炉渣层213中生成CaC2的催化剂。最初存在于反应器204中的CaC2还可以形成共熔混合物，从而降低熔体温度以促进CaC2的生成。可以将添加剂（例如熔体促进剂、熔剂、催化剂）作为反应物或共反应物例如经由反应器的入口（例如第一、第二、第三入口）供入反应器中。所述添加剂可以包括矿物质、元素或任何合适的化合物（例如氧化硅、氧化铝）。催化添加剂的实例可以包括碳化物（例如CaC2）、氧化物（例如氧化锰）、和/或特定金属（例如铜）。促进添加剂的实例可以包括尤其是非挥发性碱金属和碱土金属氧化物、氢氧化物和/或碳酸盐（例如钾、钠、锶、钡）。
图11示出了反应器的另一个示例性实施方式，该反应器被构造成接收反应物（例如煤和石灰）以通过反应器中的反应产生热量以及生成副产物（例如CaC2）。如图所示，反应器304的外壳205的整体直径A为约140.97cm（55.5英寸）,外壳的直径B为约52.07cm（20.5英寸）,外壳305的第二出口358d的直径C为约71.44cm（28.125英寸）,外壳305的直径D为约90.17cm（35.5英寸）,外壁350的长度E为约214.63cm（84.5英寸）,外壳305的长度F为约19.05cm（7.5英寸）,外壳305的长度G为约40.32cm（15.875英寸）,第二入口307的长度H为约111.13cm（43.75英寸）,第二入口307的高度I为约16.19cm（6.375英寸）,长度J为约38.1cm（15英寸）,长度K为约21.59cm（8.5英寸）,长度L为约27.94cm（11英寸）,直径M为约22.23cm（8.75英寸）,并且直径N为约45.09cm（17.75英寸）。为反应器304的不同特征提供的这些尺寸是针对示例性实施方式而言的，并且应注意，该实施方式仅仅是一种反应器的实例，并且所述尺寸并不意味着是对本文中披露的其他实施方式的反应器的结构的限制。进一步地，该反应器的尺寸构造可以调节以适应于不同的参数。例如，不同尺寸的反应器可以被构造成适应不同尺寸的系统（例如煤炉系统或燃烧器208型系统）。例如，反应器长度与反应器直径的纵横比可以被增大至获得较长的中心线火焰区以及充分的反应物停留时间，以沿外壳的壁达到高温，从而使基本所有的反应物转化为可使用的副产物（例如CaC2）。
使用计算机建模来模拟并使用计算流体力学（CFD）的计算机软件作为反应器输出的预测手段来评价图11的反应器304。注意，此分析并非在工作模型上进行，而是通过计算机模拟模型实施。表1（如下提供）列出了被输入计算机模拟软件中以通过电脑分析评价实施例1的参数（以及各参数的相应值）。
Figure BDA0000399138880000181
对于反应器304的实施例1的CFD模型而言，煤、氧化钙（CaO）以及一级燃烧空气从邻近外壳305的第一末端351的涡流燃烧器308的位置处的第一入口306进入外壳305的第一入口开口358a。含有二级空气的流体经由邻近外壳305的外壁350的切向构造的第二入口307进入外壳305。含有三级空气的第二流体沿中心纵轴线353经由第一入口开口358a进入外壳305。在反应器304的计算机分析运行期间，煤颗粒的第一部分燃烧，同时该第一部分以悬浮在火焰区中的方式沿中心纵轴线353运动，并且部分地因为由反应器304中的涡流运动所产生的离心加速作用，导致煤颗粒的第二部分开始与CaO一起沉积于外壁350的内表面上。反应器304装配有靠近第二入口307的销钉（水冷）壁，并且壁350的其余部分衬有耐火材料。
应注意，CFD模型只考虑煤的燃烧并且建模是为了主要建立适合于沿外壳的外壁生成作为炉渣层的一部分的碳化钙（CaC2）的反应条件。综合的流体力学、质量传递和在炉渣层中调节生成碳化物的反应现象并不由CFD模型获得，因此在下文所讨论的独立的实施例（多量级建模方法）中独立地考虑所述综合的流体力学、质量传递和在炉渣层中调节生成碳化物的反应现象。因此，实施例1的CFD模型的主要输出是壁温度分布，该温度分布作为用于实施例2的一维模型的膜计算中的输入。实施例1的CFD模型的结果（即输出）提供于下表2中。
为了评价沿外壁产生的作为炉渣层的一部分的碳化钙，在实施例1的CFD模型中评价整个反应器长度上的局部壁温分布。图12示出了实施例1的CFD模型中沿反应器轴线的平均壁温的结果，然后将该结果用在如下文所讨论的反应器304的实施例的一维模型中。如图12中所示，实施例1的CFD模型预测了沿反应器的平均壁温超过1600℃。据信，超过1600℃的温度可以产生碳化钙（CaC2）。因此，基于计算机模型，据信，用于由煤、氧化钙（CaO）和空气的反应生产CaC2的条件可存在于如本文中所披露的那样构建的反应器的燃烧室中。进一步地，实施例1的CFD模型还预测出沿外壁的CO含量（即浓度）超过150,000ppm，并且沿被模拟的反应器的中心轴线的CO含量接近于0ppm。因此，在实施例1的CFD模型中，存在沿反应器的中心轴线的促进放热反应的氧化条件，以及存在沿反应器的外壁的促进吸热反应的还原条件。因此，在实施例1的CFD模型中，获得了用于生成可使用的副产物CaC2所需的气体分级，正如该模型预测的那样，沿所述轴线碳完全转化（例如氧化）为CO2。
建立实施例2的一维模型以评价与在炉渣层中生成CaC2的反应器中的流体力学、热传递、质量传递和反应动力学有关的预测结果。为了简化建模，在图8至图10中所示出的反应器以实施例2的一维反应模型评价。图9示出了靠近反应器入口（例如第一末端）的气体214以及熔渣层213的流动分布，其中的煤还未完全燃烧。因此，气体214速度是相对低的，并且最大的液态熔体膜（或熔融炉渣）213b速度也是相对低的。在模型中，壁层由耐火材料上的固化炉渣213a、熔融炉渣213b和漂浮在熔融炉渣213b顶部的预熔融固体反应物213c（例如煤和CaO颗粒）构成。图10示出了气体214和炉渣层213向反应器出口（例如第二末端）流动的流动分布，其中的煤几乎完全燃烧。因此，气体214速度是相对高的，并且最大的液态熔体膜（或熔融炉渣）213b速度也是相应地高。假设漂浮在熔融炉渣213b顶部的固体反应物213c自身以最大的熔融炉渣213b速度在熔融炉渣层中运动。发现熔融炉渣213b的速度随着外壁250的接近而线性下降。进一步地，假定颗粒沉积在接近入口或第一末端处的反应器204的指定长度上发生。假设生成CaC2的反应在漂浮在熔融炉渣213b顶部的固体相213c中发生。在模型中，在反应器入口处添加部分CaC2以降低混合物熔融温度，例如形成CaO与CaC2之间的共熔作用。表3（如下提供的）列出了输入至计算机模拟软件中以采用一维反应模型评价实施例2的参数和假定（以及关于各个参数或假定的值）。
Figure BDA0000399138880000211
图13示出了在炉渣层中沿反应器外壁的长度CaO转化为CaC2的计算机预测的转化。如上文中提到的那样，经由反应器的入口引入部分CaC2，并且经由所述入口在对应于颗粒沉积区的反应器的总长上引入CaO。计算机模型预测当添加CaO并达到充分高的温度时发生形成CaC2的反应。计算机模型还预测在约1m（39.37英寸）之后，反应器中将达到平衡条件，其中几乎97%的CaO已经被转化为CaC2。
还应注意，该反应器可以被构造成生产不含碳化钙（CaC2）或除碳化钙（CaC2）以外的其他可使用的副产物，包括但不限于由周期表中的第一和第二族元素形成的其他碳化物，例如碳化锂（Li2C2）、碳化钠（Na2C2）、碳化钾（K2C2）和碳化镁（Mg2C3或MgC2）。例如，反应器可以被构造成由氧化钠（或碳酸钠）和碳生产碳化钠（Na2C2）和一氧化碳。碳化钠可以与水反应生成乙炔和氢氧化钠。还据信，可以在反应器中由过渡金属元素（例如元素周期表中的第11族元素）、金属元素（例如元素周期表中的第12族元素）、镧系元素（例如镧（La）、铯（Ce）、镨（Pr）、铽（Tb））、钢、金属硅、铝或其他碳化物生成其他的乙炔化物。例如，可以在反应器中由碳化铜（Cu2C2）或碳化锌（ZnC2）生成。另外，可以将生物衍生碳质材料（例如生物质、生物煤、生物碳或他们的混合物）供入反应器中以产生生物衍生化学物质，例如生物衍生碳化物。根据其他示例性实施方案，本文中讨论的系统和技术可用于促进其他还原反应，例如将铁的氧化物还原成元素铁。
如本文中所使用的那样，术语“大约”、“基本”及类似术语被认为是具有本发明揭示内容的主题所涉及的常规和被本领域的普通技术人员接受的用途的广泛含义。阅读过本发明揭示内容的那些本领域技术人员应当了解这些术语被认为是用于说明所描述及所主张的特定特征，但是此特征的范围并不受限于所提供的这些确切的数值范围。因此，这些术语应当被解释成表示所描述及所主张的主题的非实质性或不重要的变型或改变被视为落在所附的权利要求书中所述的本发明的范围内。
应注意，本文中所使用的用于描述不同的实施例的术语“示例性的”被认为用以表示这样的实施方式为可行的实施方式的可行实施例、代表和/或说明（并且这样的术语无意表示这样的实施例是必然独一无二或最佳的实施例）。
本文中使用的术语“联结的”、“连接的”等意味着两个构件的直接或间接地彼此连接。这样的接合可以为固定的（例如永久性的）或可移动的（例如可拆除或可释放）接合。这样的接合可以借由使两构件或使两构件与任何其他中间构件彼此形成单一整体或借由使两构件或使两构件与任何其他中间构件彼此接合而获得。
本文中关于元件位置的引用（例如“上部”、“底部”、“之上”、“之下”等）仅用于描述附图中各个元件的定向。应注意，各个元件的位置可以根据其他的示例性实施方式而有所不同，并且这样的变型被认为包含在本发明的揭示内容中。
值得注意的是，如各个示例性实施方案中所示的反应器的构建和布置仅仅是说明性的。虽然在本发明揭示内容中已经详细地描述了多个实施例，但是那些阅读完本发明的揭示内容的本领域技术人员容易理解可以进行许多变型（例如各个元件的尺寸、维度、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、位置的变化等）而不实质性地偏离本文中所描述的主题的新教导和优点。例如，以整合的方式显示的元件可由多个零件或元件构成，元件的位置可以相反或进行其他变型。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据其他实施方式而作出变化或再排序。还可以再不脱离本发明范围的前提下对各个示例性实施方式的设计、操作条件及布置上进行其他的替代、变型、变化及删减。

Claims (15)

1.一种用于生产可使用的副产物的旋风反应器，所述副产物作为可回收的炉渣层的一部分，所述反应器包括：
外壳，其具有界定燃烧室的外壁；
入口，其被构造成将反应物引入所述反应器中；
燃烧器，其被构造成使所述反应物在靠近所述室的中心轴线的火焰区中燃烧；以及
出口，其被构造成将所述可使用的副产物移出所述外壳；
其中，所述反应器被构造成使所述反应物的第一部分以放热反应方式在所述火焰区中燃烧；并且
其中，所述反应器被构造成使所述反应物的第二部分以吸热反应方式在靠近所述外壁处发生转化以生产作为炉渣层的一部分的所述副产物。
2.如权利要求1所述的旋风反应器，其进一步包括第二入口，所述第二入口被构造成将流体引入所述室内以促进靠近所述外壳的外壁处的还原氛围以影响所述吸热反应。
3.如权利要求2所述的旋风反应器，其特征在于，所述第二入口将所述流体以相对于所述火焰区的方向的切向方向引入以在所述室中产生涡流。
4.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述外壳具有基本为圆柱形的形状，并且所述燃烧器靠近所述外壳的纵轴线设置以使所述火焰区基本沿所述纵轴线延伸。
5.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述反应器是针对气体分级而构造的，以使所述反应物的第一部分在氧化氛围中燃烧，所述氧化氛围与所述还原氛围隔开，所述反应物的第二部分在所述还原氛围中消耗。
6.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述副产物选自由碳化物、乙炔化物和镧系元素构成的组。
7.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述副产物选自由碳化钙、碳化锂、碳化钠、碳化钾、碳化铷、碳化铯、碳化鍅、碳化铍、碳化锶、碳化镁、碳化钡和碳化镭组成的组。
8.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述吸热反应在至少1600℃的温度下发生。
9.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述外壳的外壁包含耐火材料。
10.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其进一步包括管子，所述管子被构造成在其中运载流体以调节所述外壁的温度。
11.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其进一步包括第三入口，所述第三入口被构造成以可调节的速度将第二流体引入所述火焰区中。
12.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述炉渣层包括液态层和邻接该液态层设置的固体层。
13.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其进一步包括第二出口，所述第二出口被构造成将在所述室内产生的废气排放至所述室外。
14.如前述权利要求的任一项所述的旋风反应器，其特征在于，所述炉渣层包括促进添加剂、助熔剂添加剂和催化添加剂中的至少一种。
15.一种使用前述权利要求的任一项所述的旋风反应器生产可使用的副产物的方法，其中，所述方法包括：
将反应物经由入口引入所述反应器的外壳中；
使用燃烧器使所述反应物的第一部分以在火焰区中发生的放热反应方式燃烧；
使所述反应物的第二部分以吸热反应方式在靠近所述外壳的外壁处消耗，以生产作为炉渣层的一部分的副产物；以及
将包含所述副产物的炉渣层经由所述外壳中的出口移出；
其中，所述吸热反应在至少1600℃的温度下发生。
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