CN105324466A - 用于去除熔渣的气流床气化炉及方法 - Google Patents

Abstract

气流床气化炉反应器包括容器和在容器内的第一衬套。第一衬套围绕容器中的反应区延伸并且具有相对于反应区的入口端和出口端。第一衬套包括在出口端处的滴嘴。隔离器设置在滴嘴附近。隔离器是可操作的，以使所述滴嘴与所述反应区下游的急冷区热隔离，使得滴嘴处的熔渣保持熔融。

Description

用于去除熔渣的气流床气化炉及方法

相关申请的交叉引用

本公开要求于2013年6月12日提交的序列号为61/834,072的临时申请的权益。

背景

本公开涉及产生熔融副产品的反应器容器。

碳质燃料气化炉用于使氧气、水蒸气和碳质材料反应以产生合成气体(主要地一氧化碳和氢气)的气态反应产品。该反应也从碳质燃料中的惰性成分中产生渣副产品。该渣通常与气态反应产品一起从反应器中排出。

概述

根据本公开的示例的气流床气化炉反应器(entrained-flowgasifierreactor)包括容器和在容器内的第一衬套。第一衬套围绕容器中的反应区延伸并且具有相对于反应区的入口端和出口端。滴嘴位于第一衬套的出口端处，以及隔离器设置于滴嘴附近。隔离器是可操作的，以使滴嘴与反应区下游的急冷区(quenchzone)热隔离，使得滴嘴处的熔渣保持熔融。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，隔离器从第一衬套的出口端偏离。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，隔离器为内冷型衬套。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，隔离器围绕滴嘴周向地延伸。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，在隔离器和滴嘴之间具有径向间隙。

前述实施方式中的任一个的进一步实施方式包括第二衬套，其设置于第一衬套的下游，第二衬套围绕容器中的急冷区延伸。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，第一衬套和第二衬套均为内冷型的。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，第一衬套具有最大直径并且第二衬套具有最小直径，该最小直径大于该最大直径。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，容器包括急冷喷嘴，该急冷喷嘴相对于容器的纵向轴线轴向地设置在隔离器下方。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，反应区具有沿着容器纵向轴线的恒定的横截面面积。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，该滴嘴包括面向反应区的竖直内表面、相对的竖直外表面和相对于容器的纵向轴线的轴向端表面，并且轴向端表面包括倒退的部分。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，第一衬套与容器径向隔开以提供在其间的间隙，并且包括在容器和第一衬套之间延伸的环形挡板，该环形挡板是可操作的，以将气流从第一衬套与容器之间的间隙引导到隔离器和第一衬套之间的径向间隙中。

根据本公开的示例的气流床气化炉反应器包括长形的容器，其具有顶端和底端。该长形的容器在竖直方向是可操作的，并且具有在顶端处的喷射器。第一内冷型衬套位于所述长形的容器内。第一内冷型衬套围绕长形的容器中的反应区延伸，并且具有相对于反应区的入口端和出口端。滴嘴在第一内冷型衬套的出口端处。集渣器位于所述滴嘴下方，并且围绕所述滴嘴设置有隔离器。该隔离器是可操作的，以使滴嘴与反应区下游的急冷区热隔离，使得滴嘴处的熔渣保持熔融。

前述实施方式中的任一个的进一步实施方式包括第二内冷型衬套，其设置于长形的容器内在第一内冷型衬套的下游，第二内冷型衬套围绕长形的容器中的急冷区延伸，且隔离器是第三内冷型衬套。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，第一内冷型衬套、第二内冷型衬套和第三内冷型在彼此分离的冷却回路上。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，长形的容器包括分别排出渣和产品气体(productgas)的在底端处和靠近底端的容器排放口。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，隔离器从第一内冷型衬套的出口端偏离。

根据本公开的示例的用于在气流床气化炉反应器中管理熔渣的方法包括：将反应物引入容器中的反应区中。反应物发生反应并且产生气体反应产品和熔渣。通过允许熔渣从滴嘴流出并且经过冷却急冷区自由下落且进入集渣器中来从反应区去除熔渣。冷却急冷区处于比反应区低的温度。滴嘴与冷却急冷区热隔离，使得滴嘴处的熔渣保持熔融。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，反应物中的至少一种是固态的碳质材料。

前述实施方式中的任一个的进一步实施方式包括将滴嘴周围的环境保持在大于1500°F(815℃)的温度处。

在前述实施方式中的任一个的进一步实施方式中，滴嘴的热隔离包括使用围绕滴嘴布置的内冷型衬套。

根据权利要求18所述的方法，还包括注射围绕滴嘴的气帘以限制当熔渣从滴嘴自由下落时熔渣的沉积。

附图简述

从下面详细的描述中，本公开的各种特点和优点将对于本领域技术人员变得明显。伴随详细描述的附图可以简要说明如下。

图1示出了示例性气流床气化炉反应器。

图2示出了另一示例性气流床气化炉反应器。

图3示出了根据图2中所示的剖面的气流床气化炉反应器的一部分。

图4示出具有倒退部分的示例性滴嘴。

图5示出另一示例性滴嘴。

图6示出另一示例性滴嘴。

图7示出具有在第一衬套和隔离器之间的径向间隙的另一示例性气流床气化炉反应器。

图8示意性地示出图5的气流床气化炉反应器。

详细描述

图1示出了气流床气化炉反应器20(此后称为“反应器”20)。从本公开中应了解，反应器20是可操作的以使氧气、水蒸气和碳质材料反应以形成合成气体，该合成气体通常包括一氧化碳和氢气。虽然这些示例可存在于碳质燃料气化的情形下，但是应了解，本公开也可以应用于其他类型的气流床反应器，其产生渣副产品。如本文用来描述反应器的，术语“气流床”指的是一种反应器，该反应器适合于接收反应物输入并管理由固态材料反应生成的渣，该反应物输入包括在运载气体(例如：氮气、二氧化碳等等)中夹带的固态的、通常为颗粒的材料。术语“渣”是指固态或液态的反应副产品，如果不管理，其可能积聚在反应器中。因此，反应器20适合于垂直的操作，以促进重力清除渣。将进一步详细地描述，反应器20包括增强熔渣管理的特征。举例来说，如果不适当管理熔渣，其可在反应器内部部件上沉积和固化，并且随着时间的推移需要维护，这可降低耐久性并增加成本。

参考图1，为了描述目的，示意性地示出了反应器20。然而，应了解，反应器20可以包括排除在示出的视图之外的附加部件，例如但不限于控制器、阀门、端口、仪表、传感器等等。反应器20包括容器22和在容器22内的第一衬套24。第一衬套24通常围绕反应区26延伸，反应物被注射到该反应区26内以产生反应并生成气态的反应产物和熔渣。举例来说，第一衬套24可以是管状的，使得反应区26是圆柱形的且沿着容器22的纵向轴线A具有恒定的横截面，尽管该横截面可以可选择地汇聚。第一衬套24包括相对于反应区26的入口端24a和出口端24b。在该示例中，反应器20包括在容器22的顶端处靠近入口端24a的喷射器28，其用于将反应物引入反应区26中。还可以包括点火器。

滴嘴30位于第一衬套24的出口端24b处，其功能将进一步在下面详细描述。举例来说，以简单的形式，滴嘴30是熔渣从其滴落成经过容器22自由下落的区域。在这方面，滴嘴30可以简单地是第一衬套24的末端，在该处第一衬套24的内表面向外并向上转弯(相对于流经容器22的表示为F的流)。如下面还在另外的示例中描述的(例如，见图4和图6)，滴嘴30也可以设计成具有用于滴落功能的进一步促进熔渣分离的几何形状。滴嘴30可以是第一衬套24的一部分，或可以是区别于第一衬套24的单独部件。集渣器32位于滴嘴30下方。集渣器32可以包括一池水或适合于接收并固化渣的其他冷却床。第二衬套34相对于流经容器22的流设置在第一衬套24的下游。第二衬套34一般围绕容器22中的急冷区36延伸。隔离器38设置在滴嘴30附近，并围绕滴嘴30延伸。隔离器38是可操作的，以使滴嘴30与急冷区36热隔离，使得滴嘴30处的熔渣保持熔融。

反应物通过喷射器28引入到反应区26中。反应物在通常高于1500°F(815℃)且名义上在2200-3500°F(1204-1927℃)的范围内的高温下反应，以产生产品气体和熔渣。该产品气体从容器22的底端附近的排放口39排出。熔渣沉积在第一衬套24的内表面上。容器22竖直定向，且因此熔渣在重力作用下朝向滴嘴30向下流动。然后熔渣从滴嘴30滴落且自由下落到集渣器32内。容器22及其部件被设置成使得熔渣在落入集渣器32内之前不接触任何部件可靠地下落。否则，渣可能积聚在容器22中。如图1所描绘的，作为示例，第一衬套24具有最大直径D₁且第二衬套34具有最小直径D₂，该最小直径D₂大于该最大直径D₁，使得避免落渣和第二衬套34之间的接触。同样，隔离器38可以具有最小直径D₂，其也大于该最大直径D₁以避免与落渣的接触。

从滴嘴30滴落的熔渣下落经过急冷区36。急冷区36在低于反应区26的温度下，以在副产品气体通过容器22的底端处的排放口22a离开之前冷却副产品气体。如果没有管理，在急冷区36中的相对较冷的温度加上急冷区36与反应区24的接近可将第一衬套24的出口端24b冷却到可以致使熔渣粘(例如，部分或全部固化该渣)到第一衬套24而不是离开滴嘴30而流动并滴落的温度。隔离器38用来使滴嘴30与急冷区36的较冷的温度热隔离，使得滴嘴30处的熔渣保持熔融，并且从而可以从滴嘴30滴落到集渣器32内。

图2示出了另一个示例性气流床气化炉反应器120(此后称为“反应器120”)，并且图3示出了根据图2中所示的截面的反应器120的部分。在本发明中，在合适的情况下，相似的参考标号指定相似的元件，并且增加一百或一百的多倍的参考标号指定修改的元件，该修改的元件被理解为包含相应的元件的相同特征和益处。类似于反应器20，反应器120包括容器122，在容器122内并围绕反应区126延伸的第一衬套124。第一衬套124具有相对于反应区126的入口端124a和出口端124b。第一衬套124还具有在出口端124b处的滴嘴130。集渣器132位于滴嘴130下方，并且容器排放口122a在容器122的底端处，以用于排出渣。第二衬套134设置在第一衬套124的下游。第二衬套134围绕容器122中的急冷区136延伸。

隔离器138设置在滴嘴130附近并且围绕滴嘴130周向地延伸。急冷喷嘴136a周向地围绕容器122在轴向上隔开在第二衬套134和隔离器138之间。急冷喷嘴136a适合于允许冷却流体(例如水)注射或喷洒到急冷区136内。举个例子，充足的水被注射来将产品流冷却到500-1500°F(260-815℃)的温度范围，这避免了用水浸透产品流，但将渣冷却在其“粘附”温度之下。类似于隔离器38，隔离器138也是可操作的，以使滴嘴130与急冷区136热隔离，使得滴嘴130处的熔渣保持熔融。

在该示例中，第一衬套124和第二衬套134中的每一个都是内冷型衬套，并且在以C₁和C₂表示的分离的冷却回路上。衬套124/134通过在分离回路C₁和C₂上的内部通道循环冷却流体，比如水，使得冷却流体流经第一衬套124，而将流经第二衬套134的冷却流体除外，反之亦然。因此，反应区126和急冷区136可以保持在不同温度下。

在该示例中，隔离器138也是内冷型衬套，即第三内冷型衬套。隔离器138的内冷型衬套在冷却回路C₃上，其与冷却回路C₁和C₂分离。可选择地，在另外的示例中，隔离器138可以在与冷却回路C₁或C₂中的任一个成一体的冷却回路上。如本文所使用的，术语“内冷型衬套”是指具有内部流体通道的结构，例如管状结构。在示出的示例中，第一衬套124包括竖直定向的管，并且第二衬套134和隔离器138分别包括螺旋的、水平定向的管。隔离器138的管围绕第一衬套124的出口端124b螺旋缠绕。选择分离的冷却回路C₃实现了隔离器138独立地将滴嘴130保持在需要的温度，而将分别由冷却回路C₁和C₂提供的反应区126和急冷区136的温度控制除外。为了气化具有水蒸气和氧气的含碳燃料，生成的渣保持高于1500°F(815℃)的熔融状态。

隔离器138从第一衬套124的出口端124b偏离。举例来说，隔离器138相对于容器122的纵向轴线A偏离10°或更大的半角。隔离器138的偏离促进减少或消除由于在离开衬套的气体膨胀期间细小的渣沉积在表面上而使渣沉积在隔离器138的内壁上。换句话说，当熔渣从滴嘴130滴落且朝向集渣器132自由下落时，隔离器138的偏离避免了与落下的熔渣接触。可选择地，隔离器138可以是圆柱形的，并且与第一衬套124相比具有较大的直径，以避免与熔渣接触。

图4示意地示出了气流床气化炉反应器220的另一个示例的一部分。在该示例中，第一衬套224的部分和隔离器238被显示。其余部分可以与之前的示例相似。第一衬套224包括竖直内表面225，相对的竖直外表面227和包括滴嘴230的轴向端表面229(相对于容器的纵向轴线A)。轴向端表面229的滴嘴230包括倒退的部分231，其从竖直内表面225向上倾斜到竖直外表面227。

以S表示的熔渣可以沉积在竖直内表面225上。当熔渣流至滴嘴230并围绕滴嘴230流动时，该倒退的部分231阻止熔渣向上并径向向外地朝向隔离器238流动。这确保了熔渣从滴嘴230滴落，而不是流至在隔离器238的内表面并且沉积在隔离器238的内表面上。

图5和图6分别显示了可选择的几何形状的滴嘴230’/230”。应了解，滴嘴230’/230”关于轴线A对称。滴嘴230’包括截头圆锥形表面230’a，其从内表面225倾斜到外表面227。滴嘴230”包括轴向端部230”a，其关于内表面225和外表面227是“正方形化”的。

图7示出另一个示例性气流床气化炉反应器320，其也在图8中示意性表示。在该示例中，在第一衬套324和隔离器338之间有径向间隙，G。径向间隙G用来允许沿着隔离器338的侧面向下注射气体以形成气帘333来保护隔离器338，防止隔离器338接触到从滴嘴330滴落的熔渣，或防止隔离器338受到在离开衬套的气体中夹带的细小的熔渣的冲击。举例来说，气体可以是外部供应的水蒸气、二氧化碳、氮气、合成气体(主要是一氧化碳和氢气)或其混合物。为此，容器322可以包括用于连接气源337以将气体输送至容器322的喷嘴335。在容器322和隔离器338之间还设置了环形挡板339。气体通过喷嘴335喷射到第一衬套324和容器322之间的空间或间隙341中。环形挡板339用来将气流IG引导到间隙G中并且沿着隔离器338的侧面向下以形成气帘333。

虽然，在示出的示例中显示了特征的组合，但不是其中的所有都需要组合以实现本公开的各种实施方案的益处。换句话说，根据本公开的实施方案设计的系统将不一定包括在任一附图中示出的特征中的全部或在附图中示意性所示的部分中的全部。此外，一个示例性实施方案的选择的特征可以与其他示例的实施方式的选择的特征组合。

前述的描述本质上是示范性的而不是限制性的。所公开的示例的变化和修改可对于本领域技术人员变得明显，其不必背离本发明的本质。给予该公开的合法保护的范围可只通过研究以下权利要求确定。

Claims (22)

1.一种气流床气化炉反应器，包括：

容器；

第一衬套，其在所述容器内，所述第一衬套围绕所述容器中的反应区延伸并且具有相对于所述反应区的入口端和出口端；

滴嘴，其在所述第一衬套的所述出口端处；

隔离器，其设置于所述滴嘴附近，所述隔离器是可操作的，以使所述滴嘴与所述反应区下游的急冷区热隔离，使得所述滴嘴处的熔渣保持熔融。

2.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，其中所述隔离器从所述第一衬套的所述出口端偏离。

3.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，其中所述隔离器为内冷型衬套。

4.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，其中所述隔离器围绕所述滴嘴周向地延伸。

5.根据权利要求4所述的气流床气化炉反应器，其中在所述隔离器和所述滴嘴之间具有径向间隙。

6.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，还包括第二衬套，所述第二衬套设置于所述第一衬套的下游，所述第二衬套围绕所述容器中的所述急冷区延伸。

7.根据权利要求6所述的气流床气化炉反应器，其中所述第一衬套和所述第二衬套均为内冷型的。

8.根据权利要求6所述的气流床气化炉反应器，其中所述第一衬套具有最大直径并且所述第二衬套具有最小直径，所述最小直径大于所述最大直径。

9.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，其中所述容器包括急冷喷嘴，所述急冷喷嘴相对于所述容器的纵向轴线轴向地设置在所述隔离器下方。

10.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，其中所述反应区具有沿着所述容器的纵向轴线的恒定的横截面面积。

11.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，其中所述滴嘴包括面向所述反应区的竖直内表面、相对的竖直外表面和相对于所述容器的纵向轴线的轴向端表面，并且所述轴向端表面包括倒退的部分。

12.根据权利要求1所述的气流床气化炉反应器，其中所述第一衬套与所述容器径向隔开以提供在其间的间隙，并且包括在所述容器和所述第一衬套之间延伸的环形挡板，所述环形挡板是可操作的以将气流从所述第一衬套与所述容器之间的所述间隙引导到所述隔离器和所述第一衬套之间的径向间隙中。

13.一种气流床气化炉反应器，包括：

长形的容器，其包括顶端和底端，所述长形的容器在竖直方向是可操作的并且具有在所述顶端处的喷射器；

第一内冷型衬套，其在所述长形的容器内，所述第一内冷型衬套围绕所述长形的容器中的反应区延伸，并且具有相对于所述反应区的入口端和出口端；

滴嘴，其在所述第一内冷型衬套的所述出口端处；

集渣器，其位于所述滴嘴下方；以及

隔离器，其围绕所述滴嘴设置，所述隔离器是可操作的，以使所述滴嘴与所述反应区下游的急冷区热隔离，使得所述滴嘴处的熔渣保持熔融。

14.根据权利要求13所述的气流床气化炉反应器，还包括第二内冷型衬套，所述第二内冷型衬套设置于所述长形的容器内在所述第一内冷型衬套的下游，所述第二内冷型衬套围绕所述长形的容器中的所述急冷区延伸，且所述隔离器是第三内冷型衬套。

15.根据权利要求14所述的气流床气化炉反应器，其中所述第一内冷型衬套、所述第二内冷型衬套和所述第三内冷型在彼此分离的冷却回路上。

16.根据权利要求13所述的气流床气化炉反应器，其中所述长形的容器包括分别排出渣和产品气体的在所述底端处的容器排放口和靠近所述底端的容器排放口。

17.根据权利要求13所述的气流床气化炉反应器，其中所述隔离器从所述第一内冷型衬套的所述出口端偏离。

18.一种用于在气流床气化炉反应器中管理熔渣的方法，所述方法包括：

将反应物引入容器中的反应区中，所述反应物发生反应并且产生气体反应产品和熔渣；

通过允许所述熔渣从滴嘴流出并且经过冷却急冷区自由下落并且进入集渣器中来从所述反应区去除所述熔渣，所述冷却急冷区处于比所述反应区低的温度；以及

使所述滴嘴与所述冷却急冷区热隔离，使得所述滴嘴处的所述熔渣保持熔融。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述反应物中的至少一种是固态的碳质材料。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括将所述滴嘴周围的环境保持在大于1500°F(815℃)的温度。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述滴嘴的所述热隔离包括使用围绕所述滴嘴布置的内冷型衬套。

22.根据权利要求18所述的方法，还包括注射围绕所述滴嘴的气帘以限制当熔渣从所述滴嘴自由下落时所述熔渣的沉积。