CN104285102B - 用于气化反应器的抽气口 - Google Patents

Abstract

当碳质固体在反应器(100)中被氧气和/或蒸汽气化，该气体必须由反应器通过抽气口(1)排出，所述的抽气口含有气体入口开口(2)和气体出口开口(3)和在其间的气体排放管(4)。所述的气体排放管(4)包括内夹套(12)和外夹套(11)，从而形成含有至少一个冷却液体的入口和出口(105，17)的冷却间隙(13)。

Description

用于气化反应器的抽气口

本发明涉及一种用于以氧气和/或蒸汽气化碳质固体的反应器的抽气口，其具有气体入口开口和气体出口开口，以及设在其间的气体排放管；且涉及一种具有此种抽气口的反应器，及操作此种反应器的方法。

气化被认为是碳质的、固体或液体物质(例如煤、生物质或石油焦)通过气化介质(氧气/空气、蒸汽)转化为所谓“合成气”的过程。该合成气的主要组分包括氢气(H₂)、水(H₂O)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)。CO和H₂是一系列化学合成的起始物质，通过这些反应，可合成长链产物。

合成气中也含有硫化氢(H₂S)、羰基硫(COS)、氢氯酸(HCl)、氨气(NH₃)、氢氰酸(HCN)、部分氟化氢(HF)且可能还有高级烃和焦油。所述气体的组成取决于原料的组成、所用气化介质的种类和量、反应条件及所选气化方法中具体发生的反应的动力学边界条件。

原则上，已知三种不同类型的固体气化方法：在流化床中气化、在由固体形成的固定床中气化、以及在夹带床反应器中气化。不同的气化技术对燃料有不同要求，所以当选择燃料，或构思燃料的加工时须给予相应考虑。

当实际的反应器被设计为固定床反应器时，它包含具有外部水夹套的基本柱体立式反应器，其在至多60barg的压力下操作。所述碳质燃料(一般为煤或生物质)从上方通过闸引入位于反应器内部的固体分配器中。在设于反应器下部的旋转炉蓖上形成固定床。氧气和蒸汽从该下部吹入固定床中。

这些热气体由底部向顶部通过固定床，固体则由上方通过闸系统再填充。因此，还参考了逆流式固定床气化法。由于再填充的固体的温度为约40℃，因此整个固定床的温度分布情况为：其中最热部分位于旋转炉蓖附近，并且向着固体供应口，温度随着上行而降低。对应该温度分布情况，固定床内发生不同反应。因此，还通常参考了反应区，其未被清晰分为各个区域，但各个区之间彼此融合。在气化炉的上部，在再填充的固体的附近，进行物理吸附气体的干燥和脱附。在干燥区下方设置所谓的反应区，在其上部发生固体的脱气。脱气后依据Boudouard反应及水气和水-气变换反应进行实际上的固体气化。在之后的区中，进行固体的燃烧。

在尤其是燃烧过程中得到的灰通过旋转炉蓖掉落，并进一步由此处排放。反应物中未被转化的气体部分(主要为蒸汽、氮气和氩气)同产生的合成气一起，由固定床上方设置的抽气口移取。

这种固定床煤气化炉在DE 11 2005 002 983 T5中被描述。从闸系统，煤通过柱形或向内渐缩的裙板被引入反应器中。此裙板用作固体蓄集器。尽管煤通过闸系统批量供应，该裙板保证固定床的恒定高度。裙板的下端通常位于固定床的内部。在裙板与壁之间形成环形气体收集区，由此粗气体通过气体出口移取。此气体出口为反应器中的开口，其连接管道，管道又通过法兰与反应器连接。通过此气体出口，取得的粗合成气供给于进一步的加工。总体说来，第一后续步骤为通过用水骤冷来使气体冷却。

直到目前为止，只有煤在固定床气化方法中被转化为合成气，其中反应温度低得致使从反应器中移取的所获得的合成气的温度在200至600℃之间，用湿褐煤时常在200至300℃之间。由于化石原材料的日渐短缺，未来的固体气化炉必须设计用于不仅例如湿褐煤，而且用于更低反应性的煤，其会在更高的“反应终端温度”下被气化。除此之外，可再生原材料的固定床气化的重要性也在逐渐增加。但是，该目的所需的温度致使气体出口温度高达700℃，部分甚至高达800℃，部分甚至高达1000℃。在这些温度下，气体出口被暴露在显著更大的材料应力下。

另外，具有高硫或卤素含量的煤的气化程度增加。这导致所得粗合成气中产生化合物例如H₂S、COS、HCl和HF。与超出目前所用的典型温度(例如湿褐煤约250℃、硬煤约450℃，相比于陈年硬煤450-550℃、无烟煤550-600℃)的温度一起，它导致气体出口处的强烈腐蚀。为了更换气体出口管线，工厂必须停工，导致产量损失。另一方面，使用耐高温材料会导致投资成本的显著升高，因为气体出口是设备的承压部分(最高60barg)，且必须提供相应的壁厚度。

因此，本发明的目的是提供一种不受所用碳质固体的影响，将有长期使用寿命，并可在高达800℃或更高温度下使用的气体出口。

依据本发明，此问题通过一种抽气口解决，其具有根据权利要求1所述的特征。该管状气体排放管被内夹套和外夹套围绕，在其间形成具有用于冷却液的至少一个入口和出口的冷却间隙。在这个优选为旋转对称体的边缘，内和外夹套以液体不可透的方式连接。

气体排放管的一个开口设计成使得它可以以气密式与反应器连接。另一开口设计为与其它气体处理系统连接。优选地，气体出口向用于热粗合成气的冷却装置内开口。其通常用水骤冷。这种快速冷却可在例如文丘里冷却器中实现。

直线结构的气体排放管防止弯曲处的沉积。但成角度的结构可使设备的构造更为紧凑。

在本发明的优选实施方案中，本抽气口包括用于冷却剂的至少一个入口和一个出口。如此可确保冷却剂在内夹套与外夹套之间的冷却间隙中由入口流向出口。为达到冷却剂的最佳流动，入口和出口尽可能彼此远离。

优选地，抽气口形成为T型件，其中气体出口开口与气体入口开口基本垂直，气体入口开口与反应器联用。在本发明中，“基本垂直”指的是开口轴线间为85°至95°，优选为90°角。

一个尤其优选的实施方案还提供了在所述内夹套的内部安装一个插入件，其包括弯曲内管。插入件被设计为使该插入件的入口开口平行于气体入口开口终止，其出口开口平行于气体出口开口终止。当气体现在被引入抽气口时，它流经所述插入件，然后被弯曲内管偏斜，使它流出偏移约90°放置的气体出口开口。

在此发明的一种优选改进方案中，抽气口的内部和内夹套之间形成填充绝缘材料的空间。优选地，所述绝缘材料为玻璃棉，因为其对于排放的气体为惰性。原则上，也可考虑其它惰性绝缘材料。

因为该排放的气体几乎只流经被绝缘材料围绕的插入件，气体与界定冷却间隙的气体排放管夹套表面之间无直接接触表面。由于冷却获得的温度分布情况形成在绝缘材料的厚度上，且在气体温度和冷却剂温度之间延伸。当水作为冷却剂时，在60bara的操作压力下的最高冷却剂温度为275℃。通过省略直接接触表面，长远看来，几乎可被排除的情况是气体料流中含的焦油会冷凝出，并因此堵塞抽气口。在另一方面，通过冷却所述抽气口，材料应力被明显降低，且热气体腐蚀被避免。当水被用作冷却剂时，由最大冷却剂温度275℃(在60bara时的沸点)出发，内夹套处获得的温度为约300℃，且因此显著低于700℃或甚至800℃的气体温度。当在30bara的操作压力下使用冷却水时，其沸点约为234℃。

此外，由高达60bara的反应器压力产生的压力载荷作用于装置的内和外夹套上，但非插入件上。结果为，可设计显著较小的插入件壁厚。这允许制作耐热气体腐蚀的材料(如因科镍合金)的插入件，且并不因而导致显著提高的投资成本。然而，如果这被省略，或热气体腐蚀仍然发生，则插入件可被快速且简单地更换，因为它在远离反应器一侧上的气体排放管中被拉出，并被替换或维修。

依照本发明，因此在气体入口开口对面的气体排放管开口上设置可移去的盖子，插入件优选地与之连接，尤其通过螺接或焊接。

在维修的情况下，反应器不能使用的时间可因此最小化。尤其容易的情况是当盖子被螺接到远离反应器的一侧时。因为抽气口的外夹套并不暴露在反应气体中，它的使用寿命很长。因此，它可被焊接到反应器上，由此在这一点上可省略复杂和昂贵的、须在现有高达60barg的高压下保持气密的法兰连接。

根据本发明的一个改进方案，刮刀位于抽气口的内部，其由气体入口开口延伸至相对而设的气体排放管开口，并移除沉积物。使用刮刀是必要的，尤其当固体被气化，其中副反应导致焦油的形成，焦油通过与冷却的内夹套接触而冷凝出。如果需要，刮刀可被移除，并被清洗或更换。在只用于清洁目的时，其也可插入气体排放管而不是插入件。

根据本发明，所述抽气口还包括补偿器，用于补偿温度相关的膨胀。因此，因热应力而导致的组分负荷可被减小。

本发明的主题亦为用氧气和/或蒸汽气化碳质固体的反应器，其具有根据权利要求9所述的特征。在此反应器中，气体出口与上述抽气口以气密方式连接。

发现当冷却间隙的入口和/或出口与反应器的冷却系统连接时，将非常有利。尤其有利的是当反应器本身包括了用内反应器夹套和外反应器夹套冷却的夹套，以及冷却剂(优选为水)被引入反应器夹套间形成的反应器冷却间隙中。当所述抽气口与反应器的冷却系统连接时，独立的冷却剂回路可被省略，且该装置的设计被简化。

最后，根据本发明的构想还延伸到根据权利要求10所述的，用氧气和/或蒸汽，在固定床中气化碳质固体的方法。冷却介质以液体形式被引入抽气口，且至少部分地以蒸气形式被移取。

使用蒸汽的结果是相当尤其有利的，当水用作冷却液，且本身以蒸气形式移取的冷却水可用作离析物，即在固定床中气化固体所需的蒸汽料流用冷却过程中产生的蒸汽部分供入。此方法的蒸汽需求可因此减少，从而降低运行成本。当反应器本身还包括水冷夹套，且蒸汽也在此形成时，可通过蒸汽的回收再循环从而节省所需蒸汽量的约20 vol-％。

从下面的示例性实施方案和附图的描述，也可发现本发明的其它特征、优点和可能的应用。所描述或示例的所有特征，其本身或以任何组合形成了本发明的主题，独立地包含在权利要求书或这些特征的反向引用中。

在附图中：

图1示意性地示出了在固定床中气化碳质固体的反应器的建造，

图2示出了根据本发明所述的抽气口的截面，未包含插入件，

图3示出了根据本发明所述的插入件的截面，

图4示出了根据本发明所述的抽气口的截面，包含插入件。

图1示意性地示出了反应器100。这是逆流操作的固定床反应器，其包括位于底部附近的旋转炉篦101。在该旋转炉篦101上，建成运行固定床102。经由给料机103，蒸汽和/或含氧介质，如空气、富氧空气或以及纯氧被引入并由下方均匀分布注射入床中。在固定床中反应形成的灰通过旋转炉篦101掉落，并通过排灰口104移除。反应器100为水冷，且包括外夹套106和内夹套107之间的冷却间隙105(参见图2)。

在反应器100的上方，提供闸108，通过其供应煤或其它碳质固体。闸108与设置在其下的裙板109邻接，其用作固体蓄集器，使在反应器100中的固定床102具有均匀的填充水平，尽管煤的加料通过闸108不连续地进行。在固定床102上方，围绕着裙板109，提供了一个自由空间，其中收集了反应气体以及未使用的蒸汽和氧气或含氧气体。在此气体收集空间110收集的气体通过气体出口111排放。

图2示出了根据本发明的抽气口1的截面。其形成为T型件，包括气体入口开口2，布置为与其基本垂直的气体出口开口3，以及处于其间的气体排放管4。气体入口开口2对面，气体排放管4的另一端设置移取开口5。气体出口开口3与出口端口6邻接。

抽气口1为双壁，且包括外夹套11和内夹套12，在其之间形成冷却间隙13。优选地在移取开口5的区域中，冷却间隙13由位于内夹套12和外夹套11间的液密连接14封闭。此外，冷却间隙13也延伸至出口端口6，且相似地通过连接15以液密形式封闭。优选地，冷却间隙13也与反应器100的冷却间隙105连接。

为达到冷却间隙13内的自然对流，当冷却间隙13具有冷却剂的另外入口和出口17时，被发现是有利的，所述入口和出口设置于气体排放管4背离反应器100的一侧，且优选地与反应器100的冷却系统连接。原则上，也有可能在抽气口的一侧上，或还通过共同的连接开口，进行冷却剂的供给和排放。由于其较低的密度，蒸发的冷却介质自动上升到顶部，并可被移取。

在背离反应器100的一侧，抽气口1还包括法兰16，用于连接盖子51(图4)，用该盖子可将移取开口5以气密方式封闭。然而，在气体入口开口2，设置设施18，以将抽气口1焊接至反应器100。

围绕在气体出口开口3周围的出口端口6与未图示的气体冷却连接接，气体冷却优选为文丘里冷却。这种连接可为法兰连接或焊接。

图3示出了根据本发明所述形成的插入件50的截面。在一个优选实施方案中，插入件50与盖子51连接，当它被压入其中时，可通过其连接至抽气口1的法兰18。插入件50本身具有两个优选的管状部分，其中第一部分62包括入口53，其通过弯曲内管54，与出口55以约90°的偏移连接。第二部分56为插入件50的剩余部分，位于弯曲内管54和盖子51之间。

图4最后示出了根据本发明所述，具有插入的插入件50的抽气口。插入件50大致与抽气口1长度相同，致使插入件50的入口53终止于基本齐平气体入口开口2。然而，出口55终止于基本齐平气体出口开口3。入口53与气体入口开口2的直径，或出口55与气体出口开口3的直径各自彼此相应调整。可能地，为防止漏气，提供适当的密封件。

插入件50的外径略小于气体排放管4的外径，从而在抽气口1的内夹套12与插入物50之间形成空间60，其以绝缘材料填充。结果是，流出的热气体不会直接与被冷却剂横穿的表面接触，从而避免包含在气体料流中的焦油的冷凝。

优选地，插入物50由镍基合金制造，因为这种合金大部分具耐热蚀性。因为内部件是无承压组件，且因此只需小的壁厚，这使使用此种昂贵的合金成为可能。

在与插入件50相同的尺寸下，可形成未图示的刮刀，其被压入气体排放管4，而非插入件，以去除在内夹套11的内壁上形成的沉积物。当更换插入件50时，可方便地进行。

在操作中，插入件50以图4所示的方式压入抽气口1。从反应器100中，热气体(高达800℃或更高)进入抽气口1的气体出口开口3。为保护抽气口1的承压部件，其通过入口17，向抽气口的内夹套12和外夹套11之间的冷却间隙13中引入冷却水，以进行冷却。当冷却水向反应器方向流经冷却间隙13时，该冷却水被加热至其沸点温度(在60bara的操作压力下约为265℃)，蒸发，从而从系统中取出热量。蒸汽然后进入反应器100的冷却间隙105，并可作为离析物再循环至气化。热气体不直接接触抽气口1的承压部件，但流经插入件50，并通过其送至随后的气体洗涤。

本发明允许在气体出口温度最高达700℃，优选地甚至最高达800℃，部分甚至最高达1000℃下工作，由此，有较低反应性的燃料也可被使用。同时，反应器的使用寿命可被延长。根据本发明，由于冷却，抽气口的热腐蚀可被完全避免，或只发生在所述插入物上，因此不再必须将气体出口与反应器之间的连接设计为法兰连接。焊接连接的采用增加了反应器的可靠性。此外，反应器和抽气口之间的热传递被改进。

附图标记列表

1 抽气口

2 气体入口开口

3 气体出口开口

4 气体排放管

5 移取开口

6 出口端口

11 抽气口的外夹套

12 抽气口的内夹套

13 冷却间隙

14 液密连接

15 液密连接

16 法兰

17 冷却剂的入口或出口

18 与反应器焊接

50 插入件

51 盖子

52 插入件的第一部分

53 入口

54 弯曲内管

55 出口

56 插入件的第二部分

60 空间

100 反应器

101 旋转炉篦

102 固定床

103 进料蒸汽和/或氧气

104 排灰口

105 冷却间隙

106 反应器的外夹套

107 反应器的内夹套

108 闸

109 裙板

110 气体收集空间

111 气体出口

Claims (12)

1.一种用氧气和/或蒸汽气化碳质固体的反应器的抽气口，其具有气体入口开口(2)和气体出口开口(3)及设在其间的气体排放管(4)，其特征在于所述的气体排放管(4)被内夹套(12)与外夹套(13)围绕，在其间形成具有用于冷却液的至少一个入口和出口(105，17)的冷却间隙(13)，其特征在于在所述的内夹套(12)的内部提供插入件(50)，其包括弯曲内管(54)，其中所述的弯曲内管(54)的入口(53)与所述的气体入口开口(2)连接，且其中所述的弯曲内管(51)的出口(55)与所述的气体出口开口(3)连接。

2.根据权利要求1所述的抽气口，其特征在于它形成为T型件，且所述的气体出口开口(3)设置为基本垂直于所述的气体入口开口(2)。

3.根据权利要求1所述的抽气口，其特征在于在所述的插入件(50)与所述的内夹套(12)之间，提供填充了绝缘材料的空间(60)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的抽气口，其特征在于在气体入口开口(2)对面的气体排放管(4)的移取开口(5)上，提供可移去的盖子(51)。

5.根据权利要求4所述的抽气口，其特征在于所述的插入件(50)与所述的盖子(51)连接。

6.根据权利要求1-3任一项或权利要求5所述的抽气口，其特征在于其包含刮刀，其由所述的气体入口开口(2)延伸至位于其对面的所述气体排放管(4)的移取开口(5)。

7.根据权利要求4所述的抽气口，其特征在于其包含刮刀，其由所述的气体入口开口(2)延伸至位于其对面的所述气体排放管(4)的移取开口(5)。

8.根据权利要求1-3任一项或权利要求5或权利要求7所述的抽气口，其特征在于其包含至少一个补偿器，用于补偿温度相关的膨胀。

9.根据权利要求4所述的抽气口，其特征在于其包含至少一个补偿器，用于补偿温度相关的膨胀。

10.根据权利要求6所述的抽气口，其特征在于其包含至少一个补偿器，用于补偿温度相关的膨胀。

11.一种用氧气和/或蒸汽气化碳质固体的反应器，其具有根据前述任一权利要求所述的抽气口(1)，其中所述的反应器(100)的气体出口(111)与所述的抽气口(1)以气密方式连接。

12.一种用氧气和/或蒸汽气化碳质固体的方法，其中所述气化在固定床上进行，且气体经由根据权利要求1至10任一项所述的抽气口移取，其中冷却介质以液体形式引入抽气口中，且至少部分以蒸气形式移取。