CN105408263B - 利用流体包绕减少反应器系统中的腐蚀 - Google Patents

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Abstract

本申请描述了用于减少或消除包括超临界水气化系统的反应器系统的各组件的腐蚀的系统和方法。反应器系统可以包括反应器容器，该反应器容器构造成通过反应器流体入口来接收反应器流体以及通过产物源流体入口来接收对反应器系统的部分具有腐蚀性的产物源流体。产物源流体可以与反应器流体反应以生产出一种或多种反应产物，诸如燃料气体。产物源流体入口可以布置在反应器流体入口内，使得进入反应器容器的产物源流体由通过进入反应器容器的反应器流体流形成的流体导管封闭。该层可以通过在产物源流体与反应器流体入口的表面和/或反应器容器的表面之间形成屏障来起到减少腐蚀的作用。

Description

利用流体包绕减少反应器系统中的腐蚀
背景技术
反应器系统能够由通常视为废物的诸如液态生物质或包含煤和其他化石燃料在内的非清洁燃料源的材料来生成燃料。例如，通过使得煤浆料与超临界水反应，超临界水气化系统可以生产出富氢合成气体，超临界水是在高压(例如，约22兆帕斯卡)下被加热到极高温度(例如，超过约400℃)的水。超临界水反应性极强并且能够将浆料分解以生成富氢燃料。燃料可用于不同用途，例如为发动机提供动力，发电以及产生热。
由于在反应过程中出现的严苛的条件，系统组件易于腐蚀以及损坏。因此，反应器系统的效率和成本效益受制于系统组件的腐蚀率，系统组件诸如为与反应器材料相接触的加热器和反应器容器。腐蚀的管理典型地涉及到腐蚀部件的不断更换或者由耐腐蚀材料构造组件，其中耐腐蚀性材料昂贵且大多无效。因此，期望的是通过使用被构造为消除了系统组件与破坏反应器过程成分之间的接触的组件来减少反应器系统中的腐蚀。
概述
本公开不限于所描述的特定的系统、设备和方法，因为这些可以进行改动。在说明书中使用的术语仅为描述特定的变化形式或实施例的目的，不意在限制范围。
如在该文献中使用的，除非上下文明确做出规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数指代物。除非进行限定，否则本文所使用的全部技术和科学术语具有与本领域普通技术人员所惯常理解的相同的含义。本公开中的任何内容不应解释为承认在本公开中描述的实施例未被赋予根据在先发明而先于本公开的权利。如在该文献中使用的，术语“包括”意思是“包括，但不限于”。
在实施例中，构造为减少其部分的腐蚀的反应器系统可以包括至少一个反应器容器、至少一个反应器流体入口、至少一个产物源流体入口以及至少一个产物出口。反应器容器可以包括内表面，并且可以构造为通过至少一个反应器流体入口来接收反应器流体、并且通过至少一个产物源流体入口来接收对内表面的至少一部分具有腐蚀性的产物源流体。至少一个产物出口可构造成为反应器流体和反应产物物质提供排放路径，其中所述反应产物物质是通过产物源流体与反应器流体在至少一个反应器容器内反应而产生的。至少一个产物源流体入口可布置在至少一个反应器流体入口的至少一部分内，以使至少一个反应器容器内的产物源流体的流基本上由反应器流体的流环绕，反应器流体因此通过在产物源流体与内表面的至少一部分之间形成屏障来起到减少腐蚀的作用。
在实施例中，一种减少反应器系统中的腐蚀的方法可以包括：提供至少一个反应器容器，该反应器容器包括内表面，并且构造为通过至少一个反应器流体入口接收反应器流体、并且通过至少一个产物源流体入口接收对内表面的至少一部分具有腐蚀性的产物源流体。至少一个产物源流体入口的至少一部分可以布置在至少一个反应器流体入口的至少一部分内，以使至少一个反应器容器内的产物源流体的流基本上由反应器流体环绕。反应器容器可以通过至少一个反应器流体入口来接收反应器流体，并且可以通过至少一个产物源流体入口来接收产物源流体，以使产物源流体与反应器流体反应而生成反应产物物质。通过使反应器流体形成产物源流体与内表面的至少一部分之间的屏障可以减少腐蚀。反应器流体和反应产物物质可以通过与反应器容器流体连通的至少一个产物出口排出。
在实施例中，一种制造被构造为减少其腐蚀的反应器系统的方法，可以包括提供包括内表面的至少一个反应器容器。至少一个反应器容器可构造成通过至少一个反应器流体入口来接收反应器流体，并且通过至少一个产物源流体入口来接收对内表面的至少一部分具有腐蚀性的产物源流体。至少一个产物源流体入口可以位于至少一个反应器流体入口的至少一部分内，以使至少一个反应器容器内的产物源流体的流基本上由反应器流体的流环绕，反应器流体因此通过在产物源流体与内表面的至少一部分之间形成屏障而起到减少腐蚀的作用。至少一个产物出口可以构造成排放反应器流体以及反应产物物质，其中所述反应产物物质是通过产物源流体与至少一个反应器容器内的反应器流体的反应而生成的。
附图说明
图1描绘了根据一些实施例的示例性的反应器系统。
图2A描绘了根据一些实施例的示例性的反应器容器。
图2B描绘了布置在反应器流体入口内的产物源流体入口的仰视图。
图2C描绘了根据一些实施例构造的反应器容器内的示例性的产物源流体转换过程。
图3描绘了根据一些实施例的用于反应器系统的示例性的腐蚀减少方法的流程图。
发明详述
在说明书中使用的术语仅为了描述特定的变化形式或实施例的目的，而不意在限制范围。
所描述的技术一般涉及用于减少或消除反应器系统中的腐蚀的系统和方法。该反应器系统可以包括超临界水反应器系统，例如超临界水气化系统。特别地，实施例提供了用于减少诸如产物源流体和/或反应器流体的腐蚀性反应器系统流体与反应器系统组件的表面之间的接触的系统和方法。一些实施例包括被构造成接收包绕(encase)在反应器流体内的产物源流体的反应器容器。例如，产物源流体可以通过至少部分地布置在反应器流体入口内的产物源流体入口而进入反应器容器。进入反应器容器的反应器流体的压力可足以封闭在其中流动的产物源流体。反应器流体可以形成防止或者基本上防止产物源流体接触反应器容器的表面的屏障，从而减少或消除反应器容器的腐蚀。
产物源流体的非限制示例包括煤浆料、煤尘、液态生物质、粉状有毒废物、粉状电子废物(“e-waste”)、或类似物。反应器流体的非限制示例包括水，诸如超临界水和/或亚临界水。超临界水可以包括处于约22兆帕斯卡至约35兆帕斯卡的压力下以及处于约375℃至约900℃的温度下的水。亚临界水通常包括温度低于超临界水的温度的处于增压下的水。例如，亚临界水可以包括处于约22兆帕斯卡至约30兆帕斯卡的压力、且处于约275℃至约375℃的温度下的水。没有或者基本上没有腐蚀性离子(例如，杂原子)的超临界水对于由本领域普通技术人员已知的材料形成的反应器系统组件不具有腐蚀性。
根据一些实施例，产物源流体和反应器流体可以在对于反应器容器及其组件的表面不具有腐蚀性或者基本上不具有腐蚀性的温度和压力下进入反应器容器。例如，反应器流体可以包括无腐蚀性离子的超临界水，并且产物源流体可以包括温度和压力处于浆料的高腐蚀水平之外的浆料。
产物源流体可以与反应器流体反应以生成反应产物物质，诸如燃料产物。产物源流体和反应器流体的反应可以在由反应器流体入口和/或反应器容器内的反应器流体的流形成的屏障内发生。实施例提供了，反应器容器可以包括捕集器，该捕集器构造为接收由于产物源流体转换成包括但不限于盐、炭、钍和汞的燃料产物而产生的废物产物。超临界水和燃料产物可以通过产物出口从反应器容器排出。
使用所描述的技术可以使得相对于不使用所描述的方法和材料的相同或相似的反应器系统组件的操作减少或消除反应器系统组件中的腐蚀。腐蚀度通常可以减少任意量。例如，腐蚀度可以减少至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％，至少约90％，至少约95％，至少约96％，至少约97％，至少约98％，至少约99％，甚至在理想情况下，约100％减少(完全消除腐蚀)。
图1描绘了根据一些实施例的示例性的反应器系统。如同1所示，反应器系统100可构造为超临界水气化系统。浆料155形式的产物源流体可以通过浆料入口130被引入反应器系统100中，可以包括例如高压浆料进给。浆料155可以包括能够经过超临界水气化的任意类型的材料，包括但不限于生物质流体(例如，微藻类流体、生物残渣、生物废物或类似物)、煤以及其它化石燃料的浆料(例如，粉状煤与水)、固体材料(例如，煤尘)以及可氧化废物(例如，有毒废物和e-waste)。因此，超临界水反应器系统100可构造为作为包括但不限于煤气化系统、生物质气化系统、有毒废物气化系统、e-waste气化系统和废物氧化系统的各种气化系统中的任一种来运行。浆料155连同空气150和水135一起可以进给到加热器105中，或者预加热器中，诸如气体点火的加热器。虽然在图1中仅描绘了一个加热器105，但是根据一些实施例构造的反应器系统100可以包括多个加热器，诸如但不限于用于水135的一个或多个加热器以及用于浆料155的一个或多个加热器。水135和浆料155可以在加热器105中进行加热。诸如蒸汽140和燃料气体145的一些气体可以从加热器105排出，例如，保持压力。
浆料155和水135可以进给到反应器容器110中。在反应器容器110内，浆料155可以与处于超临界温度和压力下的水135(“超临界水”)相接触。在超临界条件下，浆料155可以包括腐蚀性离子，诸如各种无机盐的离子。腐蚀性离子可能对反应器系统100的各组件具有极大的腐蚀性，诸如反应器容器110的内表面。根据一些实施例，浆料155的温度可以低于超临界温度，使得浆料155不包括或者基本上不包括腐蚀性离子。
超临界水135可以与反应器容器110内的浆料155的成分反应而生成可溶解于水135中的一种或多种反应产物物质。在实施例中，浆料155可以包括被构造为利于反应的一种或多种催化剂，诸如氯、硫酸盐、硝酸盐以及磷酸盐。在水135内的一种或多种反应产物物质可以移动通过一个或多个换热器，诸如热回收换热器115以及冷却换热器125。气体/液体分离器120可以设置成将一种或多种反应产物物质分离成期望的反应产物165，例如燃料气体产物，以及废物产物170，例如液态流出物、灰和炭。在实施例中，所有或一些废物产物170可以收集在捕集器(未示出，参见图2A和图2B)，该捕集器布置在反应器容器110内。在该实施例中，废物产物170的至少一部分可以通过废物出口(下面将参考图2A和图2B进行更详细地描述)而离开反应器容器。反应产物165可以包括能够响应与超临界水135反应而由浆料155生成的任何燃料，反应产物包括气态、固态和/或液态的材料。示例性的反应产物165包括但不限于CO、CO2以及诸如H2和/或CH4的富氢燃料。
在超临界水气化过程中，浆料155可以在反应器系统100内在不同压力下被加热到各种温度。除了超临界条件之外，浆料155可以处于亚临界条件，其中浆料内的流体处于增压下且处于超临界温度以下的温度。在浆料155内的流体包括水的实施例中，亚临界温度可以为约275℃至约375℃。例如，亚临界温度可以为约275℃，约300℃，约325℃，约350℃，约375℃，或者在这些值中的任意值之间的范围内(包含端点)。在浆料155内的流体包含水的实施例中，处于亚临界温度下的流体的压力可以为约20兆帕斯卡至约35兆帕斯卡。例如，处于亚临界温度的流体的压力可以为约20兆帕斯卡、约22兆帕斯卡、约25兆帕斯卡、约28兆帕斯卡、约30兆帕斯卡、约35兆帕斯卡或在这些值中的任意值之间的范围内(包含端点)。处于亚临界条件下的浆料155通常包括对于反应器系统100的各组件具有极大腐蚀性的腐蚀性离子。腐蚀性离子的非限制示例包括氯、硫(例如，硫酸盐离子)和/或磷等各种离子。
图1所描绘的反应器系统100仅为示例的目的而提供，并且可以包括以一种或多种构造、顺序、连接等布置的更多或更少的组件，诸如一个或多个阀门、预加热器、反应器容器、用于泵送浆料155通过系统的泵以及本领域普通技术人员已知的其它组件。
超临界水气化系统，诸如图1所示的示例性的反应器系统100，可构造为由各种等级的煤或生物质快速地生成具有最少污染性污物的相对清洁的能源。另外，超临界水气化系统可以比诸如粉状煤气化系统的常规气化系统更高效地生成燃料。然而，在气化过程中反应器容器内的高压和高温形成了严苛的、腐蚀性的环境，这种环境对反应器设计施加了严格的约束。例如，常规的系统组件，诸如反应器容器，由于腐蚀而遭到反应器组件的降级，需要频繁的、耗时且昂贵的维护。维护要求可能大幅地影响反应器成本动力学，阻碍了超临界水气化技术的大规模商业实施。
超临界水气化系统中的腐蚀受到多种因素影响，包括独属于超临界水环境的一些因素。例如，燃料源可以包括腐蚀性离子，诸如氯、硫、磷与氮等的离子，这些腐蚀性离子在超临界温度和压力下会变成自由离子。另外，在约8兆帕斯卡以上的压力下以及约300℃以上的温度下，水的离子积从约1×10-45mol2/l2增加到约1×10-12mol2/l2。如本领域普通技术人员所公知的，离子积Ki通常是在以下的反应中两性溶剂XH吸收或失去海昌(hydron,一种亲水性高分子化合物)的趋势的度量：XH+XH＝XH2 ++X-。在该反应中，Ki＝aXH2+×aX -，其中aXH2 ++和aX -分布是XH2 +和X-的活度。水的离子积Kw是由以下给出的：KW＝aH3O+×aOH -；25℃下，KW≈1×10-14mol2dm-6。在超临界条件下水的离子积增加使得无机化合物在水和/或包含水的燃料产物内离解，以及其它方面。自由的无机化合物可以起作用以使与其相接触的组件表面腐蚀。
此外，在水的临界点以上(例如，在约374℃以及约23兆帕斯卡以上)，无机盐的溶解率快速下降，导致反应器流体和/或产物源流体中的无机盐析出且附着到反应器壁面上。析出的无机盐会堵塞管和/或聚集在反应器壁上且形成腐蚀部位。恰是超临界水气化环境中该相对高的离子积以及自由的杂离子的存在使得超临界水气化环境对于系统组件具有如此腐蚀性。
虽然许多材料已经被设计成承受远超过超临界水气化反应器中所要求的高温和高压，但是在超临界条件下添加反应性的自由离子导致这些材料的腐蚀。示例性的且非限制性的材料包括但不限于Special Metals Corporation(Huntington，WV，USA)的Haynes International，Inc.(Kokomo，IN，USA)的N，不锈钢以及各种金属和金属合金(诸如镍、铁和钛)，以及本领域普通技术人员所知的任何其它类型的材料，诸如在常规的超临界发电锅炉中所使用的那些材料。因此，本领域普通技术人员已知的材料在超临界条件下暴露于反应性离子时展现出各种形式的腐蚀。因此，实施例可构造成通过防止或缩减腐蚀性反应器系统流体与系统组件之间的接触来减少或消除反应器系统内的腐蚀。
图2A描绘了根据一些实施例的示例性的反应器容器。反应器容器200可布置在反应器系统205内，诸如图1所示的超临界水气化反应器系统100。根据本文描述的实施例，反应器容器200可以包括压力容器220，该压力容器220构造为用于容纳将产物源流体转换成诸如燃料产物的一种或多种反应产物物质的反应的外壳。在实施例中，压力容器和/或其组件可以绝缘，例如最小化热损失。反应器流体可以通过反应器流体入口215进入压力容器220。在实施例中，反应器流体可以包括超临界水，例如，处于约22兆帕斯卡至约35兆帕斯卡的压力下且处于约450℃至约900℃的温度下的水。在实施例中，超临界水的温度可以为约600℃至约900℃。在实施例中，超临界水的温度可以为约650℃+/-50℃。
产物源流体可以通过产物源流体入口210进入压力容器220。产物源流体入口210可以布置在反应器流体入口215内。在实施例中，产物源流体入口210和反应器流体入口215可布置成各种构造。例如，产物源流体入口210和反应器流体入口215可以布置为半径弯头(如图2A所示)，布置为加速或文丘里管弯头装置，或其组合。对于包括加速弯头的实施例，剖面区域中的比率变化可以为约1.3：1至约3：1。例如，在剖面区域中的比率变化可以为约1.3：1、约1.5：1、约2：1、约3：1，以及这些值中的任意两个值之间的范围(包含端点)。
反应器流体入口210可以延伸超过产物源流体入口215而进入至少一个反应器容器200一定的距离。在实施例中，该距离可以为约0.1米至约5米。例如，该距离可以为约0.1米、约0.25米、约0.5米、约1米、约2米、约3米、约4米、约5米、以及这些值中的任意两个值之间的范围(包含端点)。在实施例中，该距离可以为约0.25米至约2米。产物源流体通过产物源流体入口210中的开口260被释放到压力容器220中，开口260可以定位在反应器流体入口215内、反应器流体入口中的开口265上方。因此，产物源流体可以接触反应器流体且至少部分地在反应器流体入口215内与其反应，例如在阴影区域270内与其反应。在反应器流体入口215内的区域270的尺寸可以基于各种因素，包括反应器流体和/或产物源流体的流速、转换所需的时间或其组合。
压力容器220可以具有基于各种因素的尺寸(例如，高度、宽度、直径等)以及形状(例如，圆柱形、基于文丘里管的形状、或类似形状)。例如，压力容器220的尺寸和形状可以取决于产物源流体和/或反应器流体的通过量，其中更大的通过量会要求更多的反应时间，并且因此要求更大的压力容器。根据一些实施例，压力容器220可以构造为接收基于煤的反应器流体，诸如粉状煤浆料，通过量为每约24小时约2000吨。在另一示例中，压力容器220的尺寸和形状可构造为使得反应器流体和/或与其相关联的任何反应区不接触压力容器的侧部。
图2B描绘了布置在反应器流体入口215内的产物源流体入口210的仰视图。如同2B所示，反应器流体入口215可以构造为环绕产物源流体入口210。因此，流入反应器容器200的反应器流体可以封闭正在流入反应器容器的产物源流体。
返回参考图2A，产物源流体可以受到进入反应器容器的反应器流体封闭，通过反应器流体入口215进入反应器容器200。例如，离开反应器流体入口215的反应器流体的流可以形成流体导管，通过该流体导管，产物源流体可以流入压力容器220。因此，反应器流体提供了产物源流体与反应器流体入口215的和压力容器220的内表面之间的物理屏障。通过这种方式，产物源流体与反应器流体入口215的和反应器容器220的表面之间的接触被减少或消除，缩减了产物源流体的腐蚀效应。屏障的厚度可以取决于各种因素，诸如反应器流体和/或产物源流体的类型、流体速度、反应温度或类似因素。在实施例中，屏障的厚度可为约0.5厘米至约15厘米。例如，屏障的厚度可以为约0.5厘米、约1厘米、约5厘米、约10厘米、约15厘米以及在这些值中的任意两个值之间的范围内(包含端点)。在实施例中，屏障的厚度可以为约1厘米至约5厘米。
根据一些实施例，在产物源流体入口210内流动的产物源流体可以由在反应器流体入口215内流动的、与产物源流体入口相接触的反应器流体来加热。随着产物源流体接触反应器容器220内的反应器流体，产物源流体可以由较高温度的反应器流体加热，与反应器流体反应而生成一种或多种反应器产物。产物源流体转换成一种或多种反应器产物的转换，可以产生废物，诸如汞、污物(effluent)、盐和炭。反应器容器200可以包括捕集器230，该捕集器构造成收集废物以允许反应器流体在反应器系统205和/或外部系统(例如，汽轮机)内再次使用，以及其它方面。根据本文所描述的一些实施例，反应器产物和反应器流体可以通过出口225从压力容器220离开而进入反应器系统205，以便进一步使用和/或处理。
在实施例中，产物源流体可以包括能够在根据本文所描述的一些实施例构造的反应器系统内产生产物的任意类型的流体。例如，产物源流体可以包括生物质、有毒废物、e-waste或化石燃料浆料。在实施例中，产物源流体可以包括煤浆料。在实施例中，煤浆料可以包括具有按煤重量计约2％至约25％的浓度的粉状煤浆料。例如，按浆料中煤重量计的浓度可以为约2％、约5％、约10％、约15％、约20％、约25％以及在这些值中的任意两个值之间的范围内(包含端点)。煤的浓度可以取决于各种因素，诸如反应器容器内的表面积与体积比，例如最大化其中的反应动力学。
产物源流体可以在各种压力下，例如在各种超临界压力下进入压力容器220。例如，产物源流体可以在约20兆帕斯卡至约35兆帕斯卡的压力下进入压力容器220。在另外的示例中，压力可以为约20兆帕斯卡、约22兆帕斯卡、约25兆帕斯卡、约28兆帕斯卡、约30兆帕斯卡、约35兆帕斯卡、约40兆帕斯卡、或者这些值中的任意两个值之间的范围内(包含端点)。在实施例中，产物源流体可以在约22兆帕斯卡至约35兆帕斯卡的压力下进入压力容器220。
产物源流体可以在各种温度下进入压力容器220，例如在各种亚临界温度下。例如，产物源流体可以在等于或低于约300℃的温度下进入压力容器220。在实施例中，温度可以为约200℃至约300℃。在另外的示例中，温度可以为约200℃、约250℃、约300℃、或者这些值中的任意两个值之间的范围内(包含端点)。产物源流体可以在低腐蚀状态下，例如在超临界压力下以及在亚临界温度下，进入压力容器220。
产物源流体可以在各种速率或流速下，例如相对于反应器流体的流速，进入压力容器220。根据一些实施例，反应器流体可以在约0.05米/秒至约10米/秒的流速下进入压力容器220。例如，流速可以为约0.05米/秒、约0.5米/秒、约1米/秒、约2.5米/秒、约5米/秒、约10米/秒以及这些值中的任意两个值之间的范围内(包含端点)。在实施例中，反应器流体的流速可以为约0.5米/秒至约5米/秒。根据一些实施例，产物源流体可以具有比反应器流体的流速低约5％至约25％的流速。例如，产物源流体的流速可以比反应器流体的流速低约5％、约10％、约15％、约20％、约25％以及这些值中的任意两个值之间的范围内(包含端点)。
在实施例中，产物源流体可以具有比环绕的反应器流体的流速大大约5％至大约25％的流速，例如最大化径向混合，并且因此实现产物源流体到产物气体的更高效转换。在该实施例中，产物源流体的流速可以比反应器流体的流速大大约5％、大约10％、大约15％、大约20％、大约25％、以及这些值中的任意两个值之间的范围内(包含端点)。在实施例中，产物源流体的流速可以比环绕的反应器流体的流速大大约20％。
在实施例中，反应器系统可以包括一个或多个泵、一个或多个加热器、和/或一个或多个换热器，其中换热器与反应器容器200流体连通以控制进入反应器容器的产物源流体和/或反应器流体的温度、压力和/或流速。
反应器容器200的压力容器220以及其它组件如产物源流体入口210、反应器流体入口215和出口225，可以由各种材料制成。这些材料的示例性的且非限制性的示例包括常见的耐腐蚀金属及其合金，包括但不限于镍、铬-钼、非磁性铁、各种陶瓷材料、 N、不锈钢、钛及其组合物。
图2C描绘了根据一些实施例构造的反应器容器内的示例性产物源流体转换过程。如同2C所示，产物源流体可以通过产物源流体入口210进入压力容器220。根据一些实施例，产物源流体可以在超临界压力下以及在低于腐蚀性温度(例如，在溶液中的腐蚀性离子处于阈值水平的温度以下)的温度下进入压力容器220。例如，产物源流体可以包括处于约20兆帕斯卡至约30兆帕斯卡的超临界压力下以及处于等于或小于大约300℃的亚临界温度下的粉状煤浆料。在实施例中，产物源流体可以包括处于约22兆帕斯卡至约30兆帕斯卡的超临界压力下的粉状煤。在实施例中，产物源流体可以包括处于约200℃至约300℃的亚临界温度下的粉状煤。反应器流体可以在超临界压力和超临界温度下通过反应器流体入口215进入压力容器220。例如，反应器流体可以包括处于约22兆帕斯卡至约35兆帕斯卡的压力下以及约650℃的超临界温度下的水。根据一些实施例，压力容器220内的反应器流体220的温度在超临界温度以上，例如，从约375℃至约900℃。在实施例中，反应器流体的温度可以为约600℃至约900℃。
在反应器过程期间，一个或多个温度区235-255可以存在于反应器容器200及其组件内。例如，产物源流体入口210可以包括产物源流体温度区255，该区中包含处于亚临界温度下的产物源流体。根据一些实施例，产物源流体入口210内的产物源流体可以由反应器流体入口215内流动的、与产物源流体入口相接触的反应器流体来加热。超临界温度区245可以包括处于超临界温度下的反应器流体，诸如处于约650℃至约900℃温度下的超临界水。
产物源流体可以由反应器流体封闭地进入压力容器220。通过与反应区240内的反应器流体反应，产物源流体可以转换成反应产物物质，诸如一种或多种气体产物。反应区240内的温度可以是允许产物源流体与反应器流体反应所要求的温度，例如约650℃。因此，产物源流体的温度可以在进入压力容器220且接触到反应器流体之后快速地升高到反应温度。在整个或者基本上整个转换过程中，产物源流体可以保持封闭在反应器流体内。通过这种方式，处于超临界温度下的产物源流体可以不接触反应器容器200的任何表面，诸如产物源流体入口210，压力容器220和/或出口225的内表面。
产物源流体的气化基本上发生在反应器流体入口215的低于产物源流体入口210中的开口260的部分(“反应区”)内。例如，在产物源流体接触到反应器流体入口215内的反应器流体之后，在大约30秒(“气化反应时间”)内会发生气化。气化反应时间会受各种因素影响，诸如产物源流体的粒度级和/或浓度，产物源流体内的固态颗粒的尺寸和形状、流体流动的速率、压力容器220内的温度和/或压力、和/或压力容器的几何结构。根据一些实施例，在大约1秒至大约60秒内会发生气化。例如，在大约15秒、大约20秒、大约25秒、大约30秒、大约45秒、大约60秒以及这些值中的任意两个值之间的范围(包含端点)内会发生气化。根据一些实施例，反应器流体入口215的长度可以基于从开口260离开的产物源流体的流速以及产物源流体的转换速率以及其它方面来确定。
由于产物源流体的转换而得到的一个或多个反应产物，诸如气体产物，可以溶解于反应器流体内。根据一些实施例，压力容器220内的压力可以为约22兆帕斯卡至约35兆帕斯卡，温度可以为约650℃+/-50℃。在实施例中，压力容器220内的压力可以保持在超临界压力或以上。因此，反应器流体可以在图2C所述的整个过程中都处于超临界状态，并且任何气体产物可以在通过出口225离开时保持溶解于流体中。
外反应区250可以包括比反应区240的温度略低的流体。例如，如果反应区240的温度为约650℃，则外反应区250的温度可以为约640℃。压力容器220的其余部分可以包括子反应区235，该子反应区包含处于比反应区240、250内的温度和/或压力低的超临界温度和超临界压力下的流体(例如，反应器流体)。例如，如果进入压力容器220的反应器流体的温度为约650℃，则子反应区235的温度可以低于约650℃但高于约375℃。反应器流体和产物可以通过出口225从反应区240离开反应器。
产物源流体可以包括一些无机盐，诸如钍、氯盐、硫酸盐和磷酸盐。这些无机盐可以是在子反应区235、反应区240和/或外反应区250内的温度下不可溶。因此，无机盐可以脱离溶液并且在它们在压力容器220落到捕集器230中时保持处于固态。压力容器220内的流体的流动可构造为利于捕集器230内溶解的无机盐以及炭和其它转换废物产物的沉淀。例如，一种或多种流体(例如，包含一种或多种溶解的产物气体的反应器流体)的流速可以降低或相反。另外，盐和废物的沉淀可以通过快速的转换时间以及与反应器流体相比而言更大密度的盐和废物来实现。
图3描绘了根据一些实施例的反应器系统的示例性腐蚀减少方法的流程图。反应器容器可以设置在诸如超临界水反应器系统的反应器系统305内。示例性的系统容器是图1所示的反应器容器110。根据一些实施例，反应器容器可以构造成容纳将产物源流体转换成一种或多种反应产物的反应。
反应器容器可构造成通过反应器流体入口来接收反应器流体，310。反应器流体的非限制示例包含水，诸如超临界水。反应器容器还可以构造成通过产物源流体入口来接收产物源流体，315。产物源流体的非限制示例包含煤浆料、粉状煤、废物浆料、有毒废物浆料、e-waste浆料、生物质浆料以及包含一种或多种化石燃料的流体。产物源流体可以随着温度升高而变得对于反应器容器的内表面具有腐蚀性。产物源流体可以布置在反应器流体入口内，320，使得产物源流体进入反应器容器的流基本上被反应器流体环绕。反应器容器可以接收反应器流体和产物源流体，325，使得产物源流体与反应器流体反应而生成反应产物物质。屏障可以通过基本上环绕进入反应器容器的产物源流体的反应器流体而设置在产物源流体与内表面之间，330。反应器流体和反应产物物质可以通过产物出口从反应器容器排出，335。在实施例中，排出的反应器流体可以在反应器系统内再次使用，用于反应过程的另一循环。
示例
示例1：超临界水生物质气化系统
超临界水生物质气化系统(“系统”)将构造成，从由有机植物废物形成的生物质浆料来生成包含按体积计至少约50％的H2的合成气体。
反应器容器将由镍合金材料形成，并且将具有高度约为3.5米且直径约为2米的大致圆柱形形状。水入口管将允许超临界水在约22兆帕斯卡的压力下以及约700℃的温度下进入反应器容器。水入口管将定位在反应器的顶部处。水入口管将具有约0.6米的直径且将延伸进入反应器容器大约1.5米。浆料入口管将布置在水入口管内，以使生物质浆料在大约25兆帕斯卡的压力以及约250℃的温度下进入反应器容器。浆料入口管将大体安置在水入口管的中央，并且将具有大约0.4米的直径且延伸进入反应器容器大约0.75米。因此，(反应器流体)水入口管的0.75米将延伸超过浆料入口管而进入反应器容器，从而利于恰当的且受管控的混合。
超临界水将以大约5米/秒的流速流入反应器容器，并且浆料将以大约1米/秒的流速流入反应器容器。超临界水流入反应器容器将形成具有大约2厘米的厚度的流体层，该流体层环绕生物质浆料并且防止生物质浆料接触到水入口管的内表面和反应器容器的内表面。浆料将与超临界水反应而在反应区内形成包含H2的气体产物，该反应区至少部分地定位在水入口管的延伸超过浆料入口管的部分内。
包含炭和析出的无机盐的废物产物将从反应区掉落且将收集在捕集器中。气体产物将溶解于反应容器内的超临界水内，并且将通过出口管流出反应器容器，并且将由与反应器容器流体连通的液体/气体分离器来收集。超临界水将流经系统以便用于另外的气化循环。
在水入口管和反应器容器内环绕生物质浆料的超临界水的流动，将提供阻止生物质浆料接触其内表面的屏障。因此，生物质浆料中的腐蚀性离子将不与水入口管或反应器容器的内表面反应或者不导致其腐蚀，相对于缺乏稠密流体屏障的类似系统，延长了超临界水生物质气化系统内的这些组件的使用寿命。
示例2：超临界水煤反应器系统
制造商将使用超临界水煤气化系统(“系统”)来由粉状煤的浆料生产包含H2和CH4的气体产物。煤浆料将包含(Charlotte，North Carolina，USA的)Babcock&Wilcox的RollWheelerTM煤粉化器所粉化的按重量计15％的煤。气体产物将用来产生电以为制造商的一些设施供电，超过制造商需要的过量的电将在区域电市场内出售。
系统将包括反应器容器，该反应器容器构造成提供煤浆料与超临界水反应而产生气体产物的容器。水加热器和水泵将与反应器容器流体连通而通过在水进入反应器容器之前将水加热到约650℃的温度以及将水增压到约28兆帕斯卡而产生超临界水。煤浆料加热器和煤浆料泵也将与反应器容器流体连通。煤浆料加热器将构造成将煤浆料加热到约300℃，煤浆料泵将构造成在煤浆料进入反应器容器之前将煤浆料增压到约28兆帕斯卡。
反应器容器将基本上由N形成并且将具有高度约为5米且直径约为3米的圆柱形形状。反应器容器将包含水入口管和布置在其顶部上的浆料入口管，该浆料入口管基本上由钛形成。水入口管将延伸进入反应器容器大约3米并且将具有大约1米的直径。浆料入口管将布置在水入口管内而形成截面积比率变化约为2：1的加速弯头。浆料入口管将在水入口管内延伸进入反应器容器大约1.5米。
在煤浆料离开浆料入口管之前，接触到布置于其中的浆料入口管的超临界水将煤浆料加热到大约300℃。煤浆料将离开浆料入口管并且将由超临界水封闭在水入口管内。煤浆料将被加热到大约650℃，并且将在煤浆料入口管的端部与水管的端部之间的1.5米的水入口管内、与超临界水反应而形成气体产物。气体产物将溶解在反应器容器的主体内的超临界水内并且将通过出口管离开反应器容器。
超临界水将从反应器容器流经换热器，在换热器中来自超临界水的热将被捕获而产生用于发电的蒸汽。气体产物通过将超临界水通过液体/气体分离器来回收，并且通过管道系统泵送到发电厂以生产电。
在煤浆料流经浆料入口时煤浆料的压力和温度将在高度腐蚀性水平以下。煤浆料将进入水入口管和反应器容器，封闭在超临界水中。因此，较高温度的、更具腐蚀性的煤浆料将不接触水入口管或反应器容器的内表面。在水入口管和反应器容器中环绕煤浆料的超临界水，将提供防止煤浆料接触到其内表面的屏障，与缺少稠密流体屏障的类似系统相比，延长了反应器容器的使用寿命。
在下面的详细说明中，将参考附图，附图构成了详细说明的一部分。在附图中，除非上下文指出，否则相似的符号通常表示相似的部件。在详细说明、附图和权利要求中所描述的示例性实施例不意在限制。可以使用其它实施例，并且可以做出其它改变，而不偏离本文呈现的主题的精神或范围。将易于理解的是，如本文大致描述且如图中所图示的，本公开的方案能够以各种不同配置来布置、替代、组合、分离和设计，所有这些都在本文中明确地构思出。
本公开不受在本申请中所描述的特定实施例限制，这些特定实施例意在为各个方案的示例。本领域技术人员显而易见的是，能够进行各种改进和变型，而不偏离其精神和范围。根据前面的说明，除了本文列举的那些之外，在本公开范围内的功能上等同的方法和装置对于本领域技术人员而言将是显而易见的。旨在这些改进方案和变型例落在随附权利要求书的范围内。连同这些权利要求书所给予权利的等同方案的整个范围内，本公开仅受随附权利要求书限制。将理解的是，本公开不限于特定的方法、试剂、化合物、组成物或生物系统，当然这些可以变化。还应理解的是，本文所使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，而不意在限制。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员能够根据上下文和/或应用适当地从复数变换成单数和/或从单数变换成复数。为了清晰的目的，本文中明确地阐明了各单数/复数的置换。
本领域技术人员将理解，一般地，本文所使用的术语，尤其是随附权利要求(例如，随附权利要求的主体)中所使用的术语，通常意在为“开放式”术语(例如，术语“包括”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，等等)。虽然根据“包括”各组件或步骤(解释为意指“包括，但不限于”)描述了各组成物、方法和设备，所述组成物、方法和设备还可以“主要由各组件和步骤构成”或者“由各组件和步骤构成”，并且这些术语应当解释为限定了实质上闭合成员组。本领域技术人员还理解，如果意图表达引导性权利要求记述项的具体数量，该意图将明确地记述在权利要求中，并且在不存在这种记述的情况下，不存在这样的意图。例如，为辅助理解，下面的随附权利要求可能包含了引导性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引导权利要求记述项。然而，这种短语的使用不应解释为暗示不定冠词“一”或“一个”引导权利要求记述项将包含该所引导的权利要求记述项的任何特定权利要求局限于仅包含一个该记述项的实施例，即使当同一权利要求包括了引导性短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如不定冠词“一”或“一个”的(例如，“一”和/或“一个”应当解释为表示“至少一个”或“一个或多个”)；这同样适用于对于用于引导权利要求记述项的定冠词的使用。另外，即使明确地记述了被引导的权利要求记述项的具体数量，本领域技术人员将理解到这些记述项应当解释为至少表示所记述的数量(例如，没有其它修饰语的裸记述“两个记述项”表示至少两个记述项或两个以上的记述项)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯用法的那些实例中，通常这样的构造旨在表达本领域技术人员理解该惯用法的含义(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系统)。在使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯用法的那些实例中，通常这样的构造旨在表达本领域技术人员理解该惯用法的含义(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于仅具有A、仅具有B、仅具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B和C等等的系统)。本领域技术人员将进一步理解，呈现两个以上可选项的几乎任何分离词和/或短语，无论是在说明书、权利要求或附图中，都应理解为设想包括一项、任一项或两项的可能性。例如，术语“A或B”将理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
另外，在根据马库什组(Markush group)描述本公开的特征或方案的情况下，本领域技术人员将理解的是本公开也因此以马库什组的任何独立成员或成员的子组来描述。
本领域技术人员将理解的是，为了任何以及全部的目的，诸如在提供所撰写的说明书方面，本文所公开的全部范围也涵盖了任何和全部的可能的子范围及其子范围的组合。能够容易地认识到任何所列范围都充分地描述了同一范围并且使同一范围分解成至少均等的一半、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等等。作为非限制示例，本文所论述的每个范围能够容易地分解成下三分之一、中三分之一和上三分之一，等等。本领域技术人员还将理解的是，诸如“多达”、“至少”等所有的语言包括所记述的数量并且是指如上文所论述的随后能够分解成子范围的范围。最后，本领域技术人员将理解的是，范围包括每个独立的成员。因此，例如，具有1-3个单元的组是指具有1个、2个或3个单元的组。类似地，具有1-5个单元的组是指具有1个、2个、3个、4个、或5个单元的组，等等。
上述公开的以及其他各特征和功能或其可选方案可以组合到许多其他不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可以做出各种在本文中当前未预见的或未预期的可选方案、改进方案、变型例或改进，其中每个也旨在由公开的实施例所涵盖。

Claims (21)

1.一种构造为减少其各部分的腐蚀的反应器系统，所述系统包括：
至少一个反应器容器，其包括内表面，所述至少一个反应器容器构造为通过至少一个反应器流体入口来接收反应器流体，并且通过至少一个产物源流体入口来接收对所述内表面的至少一部分具有腐蚀性的产物源流体；以及
至少一个产物出口，其构造成为反应器流体和反应产物物质提供排放路径，其中所述反应产物物质是通过所述产物源流体与所述反应器流体在所述至少一个反应器容器内的反应产生的，
其中所述至少一个产物源流体入口布置在所述至少一个反应器流体入口的至少一部分内，并且所述至少一个反应器流体入口延伸超过所述至少一个产物源流体入口而进入所述至少一个反应器容器，使得所述至少一个反应器容器内的产物源流体的流由所述反应器流体的流环绕，并且所述至少一个反应器容器内的产物源流体的流能够由所述反应器流体的流形成的流体导管封闭，所述反应器流体因此通过在所述产物源流体与所述内表面的所述至少一部分之间形成屏障而起到减少腐蚀的作用。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述反应器流体包括超临界水，并且所述产物源流体包括浆料。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述反应器流体和所述产物源流体布置在所述至少一个反应器容器的至少一部分内。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述反应器系统构造为如下之一：煤气化系统、生物质气化系统、有毒废物气化系统以及废物氧化系统。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述反应器系统构造为电子废物氧化系统。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述屏障具有1厘米至5厘米的厚度。
7.如权利要求1所述的系统，进一步包括被构造为接收反应废物物质的捕集器。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述反应废物物质包括盐、炭或其组合。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个反应器流体入口和所述至少一个产物源流体入口构造为文丘里管弯头装置。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述至少一个反应器流入入口延伸超过所述至少一个产物源流体入口、而进入所述至少一个反应器容器0.25米至2米。
11.如权利要求1所述的系统，进一步包括反应区，该反应区包括所述至少一个反应器流体入口的一个区域，在所述至少一个反应器流体入口的所述一个区域内，所述至少一个产物源流体入口不在所述至少一个反应器流体入口内延伸，
其中所述产物源流体的第一部分与所述反应器流体的第一部分在所述反应区内反应，
其中所述产物源流体的第二部分不与所述反应器流体在所述反应区内反应，并且
其中所述反应器流体的第二部分不与所述产物源流体在所述反应区内反应。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述屏障包括所述反应器流体的第二部分。
13.如权利要求11所述的系统，其中所述屏障包括通过所述产物源流体的所述第一部分与所述反应器流体的所述第一部分反应而形成的至少一种反应产物。
14.一种减少反应器系统内的腐蚀的方法，所述方法包括：
提供至少一个反应器容器，所述至少一个反应器容器包括内表面，所述至少一个反应器容器构造为通过至少一个反应器流体入口来接收反应器流体，且通过至少一个产物源流体入口接收对所述内表面的至少一部分具有腐蚀性的产物源流体，其中所述至少一个产物源流体的至少一部分布置在所述至少一个反应器流体入口的至少一部分内，并且其中所述至少一个反应器流体入口延伸超过所述至少一个产物源流体入口而进入所述至少一个反应器容器，使得所述至少一个反应器容器内的产物源流体的流由所述反应器流体环绕，并且所述至少一个反应器容器内的产物源流体的流能够由所述反应器流体的流形成的流体导管封闭；
通过所述至少一个反应器流体入口在所述至少一个反应器容器处接收所述反应器流体；
通过所述至少一个产物源流体入口在所述至少一个反应器容器处接收所述产物源流体，使得所述产物源流体与所述反应器流体反应而生成反应产物物质，其中通过反应器流体形成所述产物源流体与所述内表面的所述至少一部分之间的屏障来减少腐蚀；以及
通过至少一个产物出口来排放所述反应器流体和所述反应产物物质。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述反应器流体的流速为0.5米/秒至5米/秒。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述产物源流体的流速为0.5米/秒至5米/秒。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述至少一个反应器容器内的所述产物源流体的流速比至少在所述至少一个反应器容器的反应区内的环绕的反应器流体的流速大20％。
18.如权利要求14所述的方法，进一步包括将所述至少一个反应器流体入口和所述至少一个产物源流体入口构造为文丘里管弯头装置。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述产物源流体的至少一部分与所述反应器流体的至少一部分在所述至少一个反应器流体入口内反应。
20.一种制造反应器系统的方法，所述反应器系统构造为减少其腐蚀，所述方法包括：
提供包含内表面的至少一个反应器容器；
构造所述至少一个反应器容器为通过至少一个反应器流体入口接收反应器流体；
构造所述至少一个反应器容器为通过至少一个产物源流体入口来接收对所述内表面的至少一部分具有腐蚀性的产物源流体；
将所述至少一个产物源流体入口布置在所述至少一个反应器流体入口的至少一部分内，其中所述至少一个反应器流体入口延伸超过所述至少一个产物源流体入口而进入所述至少一个反应器容器，使得所述至少一个反应器容器内的产物源流体的流由所述反应器流体的流环绕，并且所述至少一个反应器容器内的产物源流体的流能够由所述反应器流体的流形成的流体导管封闭，所述反应器流体因此通过在所述产物源流体与所述内表面的所述至少一部分之间形成屏障而起到减少腐蚀的作用；以及
构造至少一个产物出口来排放所述反应器流体和反应产物物质，其中所述反应产物物质是由所述产物源流体与所述反应器流体在所述至少一个反应器容器内的反应生成的。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括提供反应区，该反应区包含所述至少一个反应器流体入口的一个区域，在所述至少一个反应器流体入口的所述一个区域内，所述至少一个产物源流体入口不在所述至少一个反应器流体入口内延伸，
其中所述产物源流体的第一部分与所述反应器流体的第一部分在所述反应区内反应，
其中所述产物源流体的第二部分不与所述反应器流体在所述反应区内反应，并且
其中所述反应器流体的第二部分不与所述产物源流体在所述反应区内反应。
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