CN104854221B - 用于从燃料中生产气体产物的反应器 - Google Patents

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Abstract

用于从燃料中生产气体产物的反应器，包括壳体(11、12、13)，该壳体具有在运行时容纳流化床(7)的燃烧部；上升管(2)，该上升管沿反应器(1)的长度方向延伸；以及下降管(3)，该下降管围绕上升管(2)同轴设置并延伸至流化床(7)内。一个或多个进给管(8)用于向上升管(2)提供燃料。所述上升管(2)在所述壳体(11、12、13)的底部(13)连接于所述反应器(1)的所述壳体(11、12、13)，并且一个或多个所述进给通道(8)上方的所述上升管(2)的一部分能够相对于所述下降管(3)在所述反应器(1)的长度方向上移动。

Description

用于从燃料中生产气体产物的反应器
技术领域
本发明涉及一种用于从燃料中生产气体产物的反应器，该反应器包括壳体、上升管以及下降管，该壳体具有在运行中容纳流化床的燃烧部，该上升管沿所述反应器的长度方向延伸，该下降管围绕所述上升管同轴设置，并延伸至所述流化床内。
背景技术
欧洲专利公布文件EP-A-0844021公开了一种反应器，用于利用流化床反应器进行有机物质的催化转化。该反应器包括居中定位的上升管，以及围绕所述上升管同轴设置的下降管。
国际专利申请WO2005/037422公开了一种循环床反应器，该循环床反应器具有上升管和分离件。该上升管居中设置在反应器壳壁中，在所述上升管与所述反应器壳壁之间形成返回通道。
国际专利申请WO2007/061301公开了一种上升管，该上升管具有相对于反应器的基部自由移动的下端。
发明内容
本发明寻求提供一种用于从燃料中生产气体产物的改进的反应器，该反应器可靠并耐用，即使在反应器多次启动和停止之后。
根据本发明，根据上面前言部分限定的一种反应器还包括一个或多个进给通道，以向上升管提供燃料，该上升管在所述壳体的底部连接于所述反应器的所述壳体，且一个或多个所述进给通道上方的所述上升管的一部分能够相对于所述下降管在所述反应器的长度方向上移动。这保证在操作期间(或更好地在反应器的启动或停止时)，所述上升管能够相对于所述下降通道热膨胀，使得所述反应器组件不会产生热疲劳。
在一种实施方式中，一个或多个所述进给通道基本垂直于所述反应器的长度方向定向。特别对于生物质进给的反应器，允许有效的操作。在另一个实施方式中，所述上升管包括为一个或多个所述进给通道中的每一个设置的进给口，所述进给口(固定于涉及的反应器的壳体上)设置为允许所述上升管相对于一个或多个所述进给通道沿所述升液器的长度方向相对移动。例如，所述进给口2a为椭圆形以允许所述的相对移动。因此在所述进给通道与所述上升管之间存在空间,该空间不会危害所述反应器的正确操作。
在另一个实施方式中，所述上升管延伸至所述反应器的所述壳体的所述底部的下方，并且反应器包括设置在所述上升管的封闭底端的清灰装置。因此，清灰装置能够有效地(基于重力作用)从所述反应器中清除材料。
所述上升管的外径与所述下降管的内径之差至少为2.5cm，例如至少5cm，例如在另一种实施方式中相差7.5cm，这保证所述下降管内足够的向下速度(大约0.1m/s)。在进一步的限定中，所述上升管的外径与所述下降管的内径之比大于0.75(例如大于0.8，例如等于0.838)。
在另一种实施方式中，所述反应器还包括设置在所述上升管与所述下降管之间的间隔件。沿所述反应器的纵轴的不同位置设置多个所述间隔件，以允许所述上升管与下降管之间的相对移动。所述间隔件可由薄的材料制成，防止全部或部分堵塞所述下降通道的可能。在间隔件破损的情况下，在反应器维修或间隔检查时易于更换。
所述下降管连接于远离所述流化床的(漏斗形)分离件，有效地提供反应器的封闭的燃烧部。在另一种实施方式中，所述下降管设有延伸部，该延伸部延伸至所述分离件的上方，其有效地防止在此位置上的热冲击效应。
在一种实施方式中，所述反应器还包括一个或更多个第二下降管，该第二下降管平行于所述下降管设置。这增加了所述下降管的容量，并且还允许更多的提供更有效地分配至所述流化床内的方式。所述第二下降管可以在所述分离件的上方设有延伸件。
在另一种实施方式中，所述反应器还包括烟气出口以及烟气出口内的压力控制件。这允许在所述反应器的上流和下流部分之间提供较小的压差，大约10mbar，反过来允许为所述反应器内部温度控制泄漏气体。
在另一方面，本发明涉及根据本发明的任意一个实施方式的反应器用于生物质气化的使用。
附图说明
下面将利用多个典型的实施方式，并参考附图更加具体地讨论本发明，其中，
图1显示了根据本发明的一种实施方式的反应器的剖视图；以及
图2显示了根据本发明的一种实施方式的另一反应器的剖视图。
具体实施方式
用于从生物质中生产气体产物(production air)的装置在现有技术中已众所周知，例如，参见与本发明具有相同申请人的国际专利申请WO2008/108644。提供至反应器中的上升管的燃料(例如生物质)通常包括80％重量的挥发性成分和20％重量的大致固体碳或木炭。在低氧(即亚化学计量(substoichiometric)的氧气或无氧环境)环境下，将提供至上升管的生物质加热至适当温度，使得生物质在上升管中热解(pyrolysis)和气化。上升管中的所述适当温度通常高于800℃，例如在850-900℃之间。
挥发性成分的热解导致气体产物的产生。例如，气体产物为混合气，其中包括CO、H2、CH4以及可选择的更高的碳氢化合物。经过进一步处理之后，所述可燃的气体产物适于当作燃料使用。由于气化速度较低，生物质中的木炭仅在上升管中气化至有限的程度。由此，木炭通常在反应器的单独区域(燃烧部)中燃烧。
在装置启动时，在相对短的时间内，温度从室温升至热解和气化的温度。上升管因此受到相当程度的热膨胀。这可能导致上升管损坏，例如裂纹的形成，尤其在反应器的多次启动和停止之后。
图1中显示了根据本发明的一种实施方式中反应器1的剖视图。反应器1形成为一种间接式或他热式气化炉，同时结合挥发性成分的气化和木炭的燃烧。由于间接气化，燃料(例如生物质)转换成气体产物，该气体产物作为终端产物或中间产物适于作为例如锅炉、燃气发动机和燃气轮机内的燃料。
反应器1包括壳体，在本实施方式中显示的壳体由基部13、底部壳体11和顶部壳体12组成。这些构件形成反应器1的外围壁或圆周壁。在反应器的顶部，气体产物出口10设置在反应器1的顶部构件16上，该顶部构件16封闭反应器的顶部。
反应器还包括上升管2，例如，以居中设置的管的形式，在反应器的内部形成上升通道。一个或多个进给管8与上升管2连通，以将供给至反应器1的燃料输送至上升管2。在燃料为生物质的情况下，一个或多个进给管8可以设有阿基米德螺旋，使得以可控的方式向上升管2输送生物质。此外，一个或多个进给管8还可以安装在反应器1的壳体的基部13内。在本发明的一种实施方式中，进给管8基本上水平地设置在反应器1内(即垂直于反应器的长度方向)，以允许反应器1有效的装配和操作。
在另一个实施方式中，上升管2包括对应于一个或多个进给通道8中的每一个的进给口2a。进给口2a设置为允许所述一个或多个进给通道8相对于上升管2沿上升管2的长度方向相对移动。例如，进给口2a为椭圆形，其有效地允许进给通道8的端部的移动。当然，这将生成朝向上升管2的内部的小口，但已证明在实际操作中，其不会影响反应器1的适当操作。
反应器1的顶部包括反应器顶壁5，该反应器顶壁5变窄(即，利用漏斗形部分或分离部件5a)并连接于下降管3。有效地，反应器顶壁5(和分离部件5a)在反应器1的燃烧部(具有流化床7)与热解部(上升管2内部的上升通道中)之间形成隔离。
在本实施方式中，沿上升管2的长度的主要部分，下降管3与上升管2同轴设置。这可以在沿上升管2的长度方向的一个或多个位置使用定位件4来实施。在图1的实施方式中，下降管3伸入流化床7(其中上升管2贯穿整个流化床7延伸)内h1的高度。
一般而言，反应器1包括壳体11、12、13，该壳体11、12、13具有在运行时容纳流化床7的燃烧部；上升管2，该上升管2沿反应器1的长度方向延伸(并且将上升管2的内部定义为上升通道)；下降管3，该下降管3围绕上升管2同轴设置(因此形成下降通道)，并延伸至流化床7内；以及一个或多个进给管8，该进给管8用于向上升管2提供燃料，上升管2在壳体11、12、13的底部13连接于反应器1的壳体11、12、13，并且上升管2的位于一个或多个进给管8上方的一部分能够相对于下降管3在反应器1的长度方向上移动。例如，上升管2通过焊接或其他方式连接于壳体13的底部的底边，在图1的实施方式中标示为2b。
正如图1的实施方式中所显示的，上升管2延伸至反应器1的壳体的底部13的下方。在上升管2(具有封闭端)的底侧，清灰装置14为反应器1的一部分，以允许从反应器1的内部清除物料(灰、沙子、碎片等)。同样，这种清灰装置14可以设有阿基米德螺旋，以有效地从上升管2清除灰尘。
正如上面讨论的多个实施方式中的反应器的结构，其有效地允许上升管2在运行时在反应器(特别是发生热解的所在)中高温的影响下沿反应器1的长度方向扩张。另外，此结构简单可靠，即使在反应器多次启动和停止之后。
定位件4可以用于保持上升管2和下降管3的相互位置，即使在运行的情况下。定位件4可以定位在反应器的长度方向的多个位置上，以提供足够的支撑。在另一个实施方式中，间隔件4连接于上升管2或下降管3的其中之一上，以允许两者能够相互运动。
定位件4可以由薄的材料制成，从而在下降管3和上升管2之间的空间内减少阻碍。另外，薄的材料不太会引起材料堆积(build up)在其周围，有效防止下降通道堵塞。即使定位件4的其中一个丢失，其他剩余的定位件4将足以支持其功能，直到损坏的定位件4被替换(例如，在维修或间隔检查期间)。
在一种实施方式中，上升管2的外径d1大约为85cm，下降管3的内径为大约100cm，导致二者相差15cm(或换言之，存在围绕上升管2的径向7.5cm的空间)。更一般来说，d2-d1之差为至少2.5cm已然为下降通道提供足够大的容量，以使材料获得向下大约0.1m/s的足够高的速度。至少10cm的差距，或如上所述的15cm将进一步增大此容量，即使在可运行的条件下。
换言之，上升管2的外径d1与下降管3的内径d2之比大于0.75。已知的是以上探讨的现有技术文件EP-A-0844021中公开的反应器的实施方式中，此比例为0.727(11cm的下降管3内是8cm的上升管2)。上面描述的实施方式中，此比例大于0.8，即等于0.838。再者，当特别地应用在生物质的气化过程时，包括待燃烧的剩余材料的沙子利用下降通道返回至流化床7，这些尺寸允许适当和可靠的操作。具有待燃烧物料的沙子在重力的作用下从下降通道向下进入流化床7。
在图1所示的实施方式中，下降管3的顶部具有延伸部6，该延伸部6在反应器顶壁5的分离件5a的上方延伸预定距离l1。此处优点在于，在使用期间，流化床7内使用的沙物料将保持在分离件5a与延伸部6之间，以形成隔离层。这将使在该位置的反应器部件更好的耐高温变化和冲击，即在启动时，物料从上升通道(在800-900℃热解温度下)冲击分离件5a(燃烧空间接近大约500℃)。
延伸部6为下降管3的管状的简单延伸(即，圆柱体)，在另一种实施方式中，延伸部6朝向反应器1的顶部变宽(例如，图1中所示的实施方式，沿分离件5a的表面跟随预定长度)。
上升管2甚至进一步延伸至分离件5a之上，图1的实施方式中标示为l2长度。
在基部13的上方，操作时存在流化床7，该流化床利用流化系统9进行流化。流化系统9设置在反应器1的基部13的下方，并且可包括位于基部13内的管和通道，以允许反应器1的底部内(基部13的上方且由下部壳体11包围)的流化床7进行流化。这些管和通道确保流化床7在操作时保持位于下降管3的下部的外部区域(在操作时，下降管3中没有流化物料)。
另外，下部壳体11设有烟气出口15，以允许反应器1的流化床7部产生的烟气向外流出。在另一种实施方式中，烟气出口15安装有压力控制件18，其有效允许在反应器1的热解部与燃烧部之间形成压力差。通过压力控制件18控制的压力差范围相对较小(大约10mbar的量级)，但仍然允许在反应器1中有效地实施控制温度。这过程的完成通过压力控制导致气体从反应器的热解部通过下降通道泄漏至燃烧部。
下部壳体11也设有附加的可关闭的出口17，其可以用于控制流化床7的水平和选区(constituency)。
因此反应器1中的过程包括热解，在运行期间热解发生在上升管2中。热解过程的残留物通过反应器顶壁5和下降管3输送至流化床7中，在流化床7中进一步发生燃烧。从此过程产生的能量用于为热解过程加热上升管2。
图2所示的实施方式的截面图提供一种具有大容量的反应器。平行于下降管3设有两个辅助下降管3a。在实施方式中显示，辅助下降管具有内径d3且设置为以径向距离间隔反应器1的纵轴。从上升管2的顶端离开的额外物料能够因此被输送至流化床7。清楚的是，可以仅用一个或多于两个辅助下降管3a，下降管3a的数量和内径d3适应于为特定应用所需的特定容量增加量。
辅助下降管3a可以在其顶部设有延伸件6a(即分离件5a的上方)，例如，以漏斗形或圆柱体的形式延伸。这将防止从待返回的物料中的沙子围绕辅助下降管3a的边缘堆积，以有效防止由于沙子的熔化或附着可能影响相关的辅助下降管3a的容量。
以上结合附图所示的多个典型实施方式描述了本发明的实施方式。一些部分或部件的修改和可选择性实现方式是可能的，并且均包括在附加的权利要求中限定的保护范围内。

Claims (11)

1.用于从燃料中生产气体产物的反应器，该反应器包括
壳体(11、12、13)，该壳体(11、12、13)具有燃烧部，该燃烧部在运行时容纳流化床(7)；
上升管(2)，该上升管(2)沿所述反应器(1)的长度方向延伸，并提供与所述流化床分离的热解部；
下降管(3)，该下降管(3)围绕所述上升管(2)同轴设置并延伸至所述流化床(7)内；以及
一个或多个进给通道(8)，该进给通道(8)用于向所述上升管(2)提供燃料，
所述上升管(2)在所述壳体(11、12、13)的底部(13)连接于所述反应器(1)的所述壳体(11、12、13)，并且一个或多个所述进给通道(8)上方的所述上升管(2)的一部分能够相对于所述下降管(3)在所述反应器(1)的长度方向上移动，
其中所述上升管(2)包括为一个或多个所述进给通道(8)中的每一个设置的进给口(2a)，所述进给口(2a)设置为允许所述上升管(2)相对于一个或多个所述进给通道(8)，沿所述上升管(2)的长度方向相对移动；
其中，所述上升管(2)的外径(d1)与所述下降管(3)的内径(d2)之差至少为2.5cm；并且，其中，所述上升管(2)的外径(d1)与所述下降管(3)的内径(d2)之比大于0.75。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中，一个或多个进给通道(8)基本垂直于所述反应器(1)的所述长度方向定向。
3.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，所述上升管(2)延伸至所述反应器(1)的所述壳体(11、12、13)的所述底部(13)的下方，并且所述反应器包括设置在所述上升管(2)的封闭底端的清灰装置(14)。
4.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述反应器(1)还包括设置在所述上升管(2)与所述下降管(3)之间的间隔件(4)。
5.根据权利要求4所述的反应器，其中，所述间隔件(4)由薄的材料制成。
6.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述下降管(3)连接于远离所述流化床(7)的分离件(5a)。
7.根据权利要求6所述的反应器，其中，所述下降管(3)设有延伸部(6)，该延伸部(6)延伸至所述分离件(5a)的上方。
8.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述反应器(1)还包括一个或更多个第二下降管(3a)，该第二下降管(3a)平行于所述下降管(3)设置。
9.根据权利要求8所述的反应器，其中，所述第二下降管(3a)设有位于所述分离件(5a)的上方的延伸件(6a)。
10.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述反应器(1)还包括烟气出口(15)以及位于所述烟气出口(15)内的压力控制件(18)。
11.一种根据权利要求1至10中任意一项所述的反应器的用于生物质气化的使用。
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