CN108138059B - 用于气化反应器的燃烧器的冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种气化反应器包括：压力外壳；反应区，部分地由所述压力外壳所围封的管状膜壁限定；至少一个燃烧器，具有燃烧器头部，所述燃烧器头部伸出所述膜壁；至少一个冷却装置，布置在所述膜壁中且围封至少一个燃烧器的所述燃烧器头部，所述至少一个冷却装置包括具有增大的直径的若干同心环，所述同心环形成具有面向所述反应区的最大直径开口和面向所述燃烧器头部的最小直径开口的截锥形形状，每一环是具有用于冷却介质的入口和出口的导管，用于所述燃烧器头部的所述最小直径开口位于所述压力外壳与所述膜壁之间；所述冷却装置包括具有中断的至少一个部分圆形外环。

Description

用于气化反应器的燃烧器的冷却装置

技术领域

本发明涉及用于气化反应器的燃烧器的冷却装置。本发明还涉及具备所述冷却装置的气化反应器。

所述冷却装置，也被称作燃烧器隔焰层，适用于冷却和以其它方式保护面向气化反应器的燃烧器端部的反应器。

背景技术

气化是通过部分地燃烧含碳进料来产生合成气体的过程。所述含碳进料可例如包括煤粉、生物质、油、原油残留、生物油、烃气或任何其它类型的含碳进料或其任何混合物。气化反应产生合成气体，所述合成气体是包括至少一氧化碳和氢气的气体。合成气体可用作例如燃料气体或用作化学过程的原料。合成气体可经过处理例如以制成预定类型的烃产物，例如但不限于甲醇、合成天然气、汽油、柴油、蜡、润滑剂等等。

US-4818252描述一种用于在增加的压力下运用具有布置成供应有冷却介质的多个管的多管壁来气化精细粉碎的尤其是固体燃料的布置，所述多管壁限制气体收集腔室且还限制形成燃烧腔室的多个凹槽。燃烧器延伸到每一凹槽中。凹槽中的每一个具有多个参数，包含外围壁的深度、宽度和倾斜角，使得参数中的至少一个可改变。为了操作气化布置，凹槽的大小可取决于作为操作参数的实例的燃料、气化速度、气化温度，或气体组合物而改变。这可通过可改变凹槽深度的凹槽插入件以有利的方式达成。多管壁结构可从气体收集腔室的多管壁结构可拆卸地固持凹槽壁且可具有独立的冷却系统。为了保护燃烧器，建议提供熔渣收集保护防护罩。此保护防护罩可由从盖板突出并且优选地涂布有防火（耐火的）材料层的管件有利地形成。

当在粘性液体熔渣的厚层形成在多管壁的内部上的条件下实行气化反应时，US-4818252的凹槽易受熔渣进入损坏。在此情形下，熔渣将在燃烧器头部的前方流动且干扰燃烧。保护防护罩不足以应对熔渣的相对厚的层。

US-8628595公开一种气化反应器，其包括压力外壳、部分地受经竖直定向的管状膜壁限定的反应区和具有燃烧器头部的经水平导向的燃烧器。所述燃烧器通过锥形燃烧器隔焰层伸出通过膜壁，所述锥形燃烧器隔焰层包括若干经竖直定向的同心和互连环。连续环的直径相对于前面的相邻环增加，使得燃烧器隔焰层在一个端部处具有用于燃烧器头部的隔焰层开口且在其其它火焰排出端部处具有较大开口。所述环包括具有用于冷却介质的入口端部和用于所使用的冷却介质的出口的导管。用于燃烧器头部的隔焰层开口位于压力外壳与膜壁之间。燃烧器隔焰层的至少一个环伸出到反应区中，以阻止熔渣进入燃烧器隔焰层且沉积在隔焰层的表面上。US-8628595的燃烧器隔焰层使得能够冷却燃烧器隔焰层的表面，从而可产生在超过例如30巴的相对高气化压力下操作的稳固设计。

本发明旨在提供一种改进的燃烧器隔焰层，其具有增加的生命期。

发明内容

本发明提供一种用于气化反应器的燃烧器的冷却装置，所述冷却装置包括：

具有增大的直径的若干同心环，其形成具有面向所述气化反应器的反应区的最大直径开口和面向所述燃烧器的燃烧器头部的最小直径开口的截锥形形状，每一同心环是具有用于冷却介质的入口和出口的导管，所述冷却装置包括具有中断的至少一个部分圆形外环。

在一实施例中，所述中断延伸预定的径向角度。

所述冷却装置可包括两个或多于两个部分圆形外环。

所述冷却装置可包括：一个或多个第一外环，其延伸第一径向角度α、中断第一角度β；和一个或多个后续外环，其延伸第二径向角度γ、中断第二角度δ，所述第二径向角度大于所述第一径向角度。所述第一径向角度可为约240°。所述第二径向角度可为约260°。

根据另一方面，本发明提供一种气化反应器，其包括：

压力外壳；

反应区，其部分地由所述压力外壳围封的管状膜壁限定；

至少一个燃烧器，其具有燃烧器头部，所述燃烧器头部伸出所述膜壁；

至少一个冷却装置，其布置在所述膜壁中且围封至少一个燃烧器的所述燃烧器头部，所述至少一个冷却装置包括具有增大的直径的若干同心环，所述同心环形成具有面向所述反应区的最大直径开口和面向所述燃烧器头部的最小直径开口的截锥形形状，每一同心环是具有用于冷却介质的入口和出口的导管，用于所述燃烧器头部的所述最小直径开口位于所述压力外壳与所述膜壁之间；且

所述冷却装置包括具有中断的至少一个部分圆形外环。

在一实施例中，至少一个部分圆形外环的中断在重力的方向上面朝下。

在另一实施例中，所述冷却装置的至少一个部分圆形外环伸出到所述反应区中。

附图说明

作为实例，下文将参考图式在本文中详细地描述本发明的实施例，其中：

图1展示气化反应器的示范性实施例的示意性横截面；

图2展示根据现有技术的燃烧器隔焰层的横截面；

图3展示根据现有技术的另一燃烧器隔焰层的横截面；

图4展示根据现有技术的燃烧器隔焰层的实际实例的正视图；

图5展示根据本发明的燃烧器隔焰层的实施例的透视图；

图6展示根据本发明的燃烧器隔焰层的实施例的正视图；且

图7展示根据本发明的燃烧器隔焰层的实施例的横截面。

具体实施方式

图1展示示范性气化反应器，其具有管状压力外壳1、膜壁3和反应区2。所述反应器和所述膜壁一般会竖直地定位。膜壁3的区段3a可具有管状形状。所述膜壁3可由用于导引例如水的冷却介质的导管构成。所述导管一般在竖直方向上延伸。替代地，可使用螺旋形导管。

水可通过供应管线4和共同分配器5供应到膜壁。通常呈水与蒸汽的混合物的形式的所使用冷却水可通过共同头部6和排出管线7从反应器排出。所述反应器可包括用于冷却所产生合成气的淬火气体供应件8。排出管线9可排出合成气——氢气与一氧化碳的混合物。可提供排出管线10以排出熔渣。

反应器通常具备用于部分地氧化原料的一个或多个燃烧器13。展示两个直径相对的燃烧器13。反应器可包括例如在同一高度或替代地在不同高度的两对或多于两对的燃烧器。举例来说，US-4523529和US-4510874中描述用于煤进料的合适燃烧器。然而，本发明可涉及用于还包括原料的任何其它类型的烃的燃烧器。所述原料可通过供应管线11提供到燃烧器。氧可通过氧供应管线12提供。

图2展示伸出膜壁3的燃烧器13。面向反应器2的燃烧器端部17具备冷却装置14，所述冷却装置具有用于燃烧器头部17的燃烧器开口16。冷却装置或燃烧器隔焰层14围封燃烧器头部。开口可位于压力外壳1与膜壁3之间。在此实例中，隔焰层14不伸出到反应区中。与燃烧器开口16相对的开口18与膜3齐平。

图3说明燃烧器13和燃烧器隔焰层14的另一现有技术实例。本文中，冷却装置14伸出到反应区2中。伸出部分阻止熔渣32进入燃烧器隔焰层14。阻止或限制熔渣沉积在燃烧器隔焰层14的表面上限制局部热通量。归因于伸出燃烧器隔焰层14，熔渣32将围绕外环30的外部向下流动，从而阻止熔渣进入由冷却装置14形成的锥形凹槽。

冷却装置或隔焰层14可伸出距离36到反应区2中。可针对距离36取决于原料中的灰属性和灰含量来预先确定最小值。距离36的最小值可约等于形成同心环15的导管的平均外部直径。在实际实施例中，距离36可设定在形成同心环15的导管的平均外部直径的约两倍与四倍之间。距离36被界定为外部定位的外环30与耐火材料24的表面之间的水平距离，如所展示。

图3展示燃烧器隔焰层或冷却装置14，其具备定位在其上部端部处或接近其上部端部定位的导管34。导管34沿着由开口18和外环30界定的圆周的上部部分形成熔渣槽35。导管34在一个端部处具有用于冷却介质的入口且在其其它端部（未示出）处具有用于所使的用冷却介质的出口。

图2和3进一步展示包括若干经竖直定向的同心环15的燃烧器隔焰层14。所述同心环通常由用于冷却介质的导管形成。所述冷却介质可通过管线20供应，且通过管线22丢弃。

管线20可流体地连接到冷却介质分配器19。管线22可分别连接到共同头部21。头部21通常丢弃水与蒸汽的混合物。通过管线20供应的通常包括水的冷却介质可与供应到膜壁3的导管33的冷却水来自同一源。其还可来自可具有较低水温和/或不同压力的不同源。所述同心环优选地焊接在一起。

同心环15的直径相对于其相邻同心环15增加，从而使得燃烧器隔焰层14在一个端部处具有用于燃烧器头部17的隔焰层开口16且在其另一火焰排出端部23处具有较大开口18。隔焰层开口16与较大开口18水平地间隔开。这产生具有锥形形状的连接环。

水平线26与在用于燃烧器头部17的隔焰层开口16处的内部定位的内环29与邻近于内环29的下一环29a之间的直线25a之间的角度α1是在15°与60°之间。优选地，水平线26与在用于燃烧器头部17的隔焰层开口16处的内部定位的内环29与火焰排出端部23处的开口18处的外部定位的外环30之间的直线25之间的角度α2是在20与70°之间。如图2所展示，线25是从内环29的中心绘制到外环30的中心。如所展示，线25a也是从环的中心绘制到环的中心。优选地，α1大于α2。外部定位的外环30是形成用于燃烧器头部17的隔焰层开口16的环。

同心环15的数目可在6个与10个之间。如所展示，同心环15可形成沿着线25的S曲线。优选地，密封件28存在于燃烧器13的轴与燃烧器套筒36之间。如所展示，密封件28可延伸到燃烧器头部17。此密封件28防止存在于反应区中的气体和飞灰和/或熔渣进入存在于压力外壳1与膜壁3之间的空间中的燃烧器套筒36。通过避免此气体流，会进一步缩减局部热通量。密封件28可包括能够适应局部热膨胀的柔性密封材料。合适密封材料的实例是纤维编织和/或织结金属丝网型密封材料。

图2和3还展示膜壁3的部分。膜壁3通常可包括冷却介质可流动通过的若干竖直导管33。冷却介质通常可包括水。如示意性地展示，导管33可具备供应管线和排出管线31。导管33可涂布有耐火材料24。

在使用中，耐火材料24将由熔渣层32覆盖，如例如US-4959080中所描述。图2和3还展示围封燃烧器隔焰层14的任选的耐火材料块27。耐火材料块27阻止熔渣进入隔焰层14的后部端部且阻止熔渣到达燃烧器头部17。

然而，在实践中，如上文所描述的燃烧器隔焰层隔焰层在相对较短的操作时间后，例如大约几个月，展示出了腐蚀。举例来说，在燃烧器隔焰层的外环上和/或在外环18的下部部分90处观测到腐蚀（图4）。在图4中指示为缩减的熔渣厚度区域92的在燃烧器隔焰层下方的熔渣层的厚度显著小于大体覆盖气化器的内壁的熔渣层94的厚度。燃烧器隔焰层14的顶部96和两侧98处的熔渣覆盖率通常类似于内部气化器壁的覆盖率。在燃烧器13下方仅发现最小熔渣覆盖率。

熔渣层94防护且保护燃烧器隔焰层和膜壁的材料免于气化器中的高温和腐蚀性环境。由缩减的熔渣层厚度区域92提供的保护相应地受到限制。所述腐蚀将缩减燃烧器隔焰层管的使用寿命。归因于由缩减的熔渣层厚度提供的缩减的保护，膜壁和/或燃烧器隔焰层可能在气化器的长时间连续操作期间受损（图4）。

图5展示根据本发明的气化反应器的燃烧器隔焰层100。燃烧器隔焰层的上部部分102相对于上文所描述的实施例未改变。上部部分102可延伸到气化反应器中以用于熔渣偏转。

燃烧器隔焰层100具有经过修改的下部部分。燃烧器隔焰层的外环110中的至少一个（例如两个或多于两个）中断预定的径向角度。所述中断116在重力的方向上面朝下。举例来说，两个中断的外环将形成子环，如图6中所说明。

同心环15中的一个或多个或所有可具有用于冷却介质的个别入口和个别出口。替代地，同心环15中的两个或更多个可互连，从而形成螺旋形环结构。

在一实施例中，一个或多个外环112可延伸第一径向角度α、中断角度β。一个或多个后续外环114可延伸大于第一径向角度的第二径向角度γ、中断角度δ。举例来说，第一中断外环112可延伸约240°、中断120°。后续中断外环114可延伸约260°、中断100°。

一个或多个中断外环110、112、114可以可替换地连接到燃烧器隔焰层100的其余部分。外环连接件120可为易破的且可替换。举例来说，连接件120可焊接、夹紧、（压接）装配、栓接，或以其它方式可替换地连接。

中断外环110可单独地替换，从而避免替换整个燃烧器隔焰层100。举例来说，这为有益的是因为：a）相较于更换整个燃烧器隔焰层，缩减了修复时间；和b）相对于替换整个冷却装置100，显著缩减了修复成本。

在使用保守估计的情况下，假设整个外环在使用中将由熔渣覆盖且必须能够承受1500 KW/m²的最大指定热通量。本文中的外环可包含至少环110，且任选地还包括图3中指示的环34。测试已指示，在实践中，可能超过1500 Kw/m²的所估计最大指定热通量。

延伸360°的完整圆环在将进行偏离核沸腾（DNB）之前可承受1800 KW/m²的最大热通量。从DNB的偏离通常将导致对冷却环的管的立即损坏。

中断外环110可承受增加的热通量。在延伸例如240°的中断外环112可在将进行偏离核沸腾之前承受2100 KW/m²的最大热通量。本文中，中断外环可由相同材料制成，以供比较。

鉴于在实践中尤其在早期过程中（例如在启动气化过程期间）的操作性挑战，高度建议用于燃烧器隔焰层管中的DNB的较高设计裕度。

另外，本发明的冷却装置的中断外环改进修复可能性。由例如合成气中的H2S产生的高温腐蚀通常将在最接近气化反应器的环处开始，所述外环最大程度地暴露于合成气。

在现有技术冷却装置中，如果例如外环归因于腐蚀展示严重的壁薄化，那么整个隔焰层14需要替换。堆焊或局部修复是可能的，但修复质量始终是一个问题。

修复的可行性可取决于隔焰层的伸出部分36。举例来说：- 超过80 mm的伸出部分可允许就地更换一个外环；- 超过100 mm的伸出部分可允许就地更换两个外环。

基于实际经验，可修改气化反应器的设计。举例来说，气化器的大小已改变成所谓的“增强”设计，其中气化反应器2的直径较小。因此，气化器壁上的熔渣负载相应地增加。

根据本发明的燃烧器隔焰层缩减外环上的腐蚀。所述隔焰层具备中断外环。并且，外环具有用于偏离核沸腾（DNB）的较大安全系数。在本发明的燃烧器隔焰层中，熔渣将不会从外环落下，而是在燃烧器隔焰层下方的膜壁上向下流动，从而用均匀的熔渣层覆盖燃烧器隔焰层下方的区域92中的膜壁且还可能覆盖燃烧器隔焰层的下部部分。熔渣层提供额外保护以免于气化器中的腐蚀性环境。因此，本发明的冷却装置阻止其外环的腐蚀，从而限制腐蚀。并且，所述装置改进膜壁上的保护性熔渣层。这增加燃烧器隔焰层和膜壁的生命期。

在实际应用中，反应器腔室中的温度通常可在1500℃到1700℃范围内。反应器腔室中的压力一般可在25巴到60巴范围内。

燃烧器隔焰层的导管的壁厚度优选地尽可能小以优化热转移且限制壁温度。将通过导管材料的机械强度视需要局部地确定最小壁厚度。导管15的直径可在约2 cm与5 cm之间。所述同心环可由Cr含量达到5 wt%的低合金钢或Cr含量超过15 wt%的高合金钢制成。

本发明不限于其上述实施例，其中可设想在所附权利要求书的范围内的各种修改。

Claims (12)

1.一种用于气化反应器的燃烧器的冷却装置，所述冷却装置包括：

具有增大的直径的若干同心环，形成具有面向所述气化反应器的反应区的最大直径开口和面向所述燃烧器的燃烧器头部的最小直径开口的截锥形形状，每一同心环是具有用于冷却介质的入口和出口的导管，

所述冷却装置包括具有中断的至少一个部分圆形外环，所述至少一个部分圆形外环的所述中断面朝下。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述中断延伸预定径向角度。

3.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述至少一个部分圆形外环包括两个或多于两个部分圆形外环。

4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，所述两个或多于两个部分圆形外环包括

一个或多个第一外环，延伸第一径向角度α、中断第一角度β，和

一个或多个后续外环，延伸第二径向角度γ、中断第二角度δ，所述第二径向角度大于所述第一径向角度。

5.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，所述第一径向角度为240°。

6.根据权利要求4或5所述的冷却装置，其特征在于，所述第二径向角度为260°。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述至少一个部分圆形外环可替换地连接到所述冷却装置的其余部分。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述同心环的数目是在6个与10个之间。

9.根据权利要求1到5中任一项所述的冷却装置，其特征在于，所述同心环由Cr含量达到5 wt%的低合金钢或Cr含量超过15 wt%的高合金钢制成。

10.一种气化反应器，包括：

压力外壳；

反应区，部分地由所述压力外壳所围封的管状膜壁限定；

至少一个燃烧器，具有燃烧器头部，所述燃烧器头部伸出所述膜壁；

至少一个冷却装置，布置在所述膜壁中且围封所述至少一个燃烧器的所述燃烧器头部，所述至少一个冷却装置包括具有增大的直径的若干同心环，所述同心环形成具有面向所述反应区的最大直径开口和面向所述燃烧器头部的最小直径开口的截锥形形状，每一同心环是具有用于冷却介质的入口和出口的导管，用于所述燃烧器头部的所述最小直径开口位于所述压力外壳与所述膜壁之间，所述冷却装置包括具有中断的至少一个部分圆形外环，其中所述至少一个部分圆形外环的所述中断面朝下。

11.根据权利要求10所述的气化反应器，其特征在于，所述冷却装置的所述至少一个部分圆形外环的所述中断在重力的方向上面向下。

12.根据权利要求10所述的气化反应器，其特征在于，所述冷却装置的至少一个部分圆形外环伸出到所述反应区中。

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