CN108699456B - 气化系统及工艺 - Google Patents

气化系统及工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN108699456B
CN108699456B CN201680074271.9A CN201680074271A CN108699456B CN 108699456 B CN108699456 B CN 108699456B CN 201680074271 A CN201680074271 A CN 201680074271A CN 108699456 B CN108699456 B CN 108699456B
Authority
CN
China
Prior art keywords
section
quench
reactor chamber
reactor
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201680074271.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108699456A (zh
Inventor
刘思婧
M.H.施米茨-格布
A.沃尔弗特
U.姚雷吉
J.O.沃尔夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Products and Chemicals Inc
Original Assignee
Air Products and Chemicals Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Products and Chemicals Inc filed Critical Air Products and Chemicals Inc
Publication of CN108699456A publication Critical patent/CN108699456A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108699456B publication Critical patent/CN108699456B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72—Other features
    • C10J3/82—Gas withdrawal means
    • C10J3/84—Gas withdrawal means with means for removing dust or tar from the gas
    • C10J3/845—Quench rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0916—Biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0926—Slurries comprising bio-oil or bio-coke, i.e. charcoal, obtained, e.g. by fast pyrolysis of biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/093—Coal

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Industrial Gases (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Abstract

一种气化系统，用于部分地氧化含碳原料，以至少提供合成气体，所述系统包括反应器室和在反应器室下方的骤冷区段。将反应器室连接到骤冷区段的中介区段包括至少一层耐火砖，其布置在反应器室底板上且由反应器室底板支承，耐火砖包围反应器出口开口。隔膜壁从反应器室底板的反应器出口开口向下延伸。提供与液态冷却剂源连通的泵系统，以使液态冷却剂循环穿过隔膜壁的管。

Description

气化系统及工艺
技术领域
本发明涉及一种用于由含碳进料的部分燃烧产生合成气体的气化系统及工艺。
背景技术
例如，含碳进料可包括粉煤、煤浆、生物质、(重)油、原油残渣、生物油、烃气或任何其它类型的含碳进料或其混合物。例如，液态含碳进料可包括煤浆、(重)油、原油残渣、生物油或任何其它类型的液态含碳进料或其混合物。
如本文使用的合成气或合成气体是包括氢、一氧化碳和可能一些二氧化碳的气体混合物。例如，合成气可用作燃料，或作为产生合成天然气(SNG)和用于产生氨、甲醇、氢、蜡、合成烃燃料或油产品的中间体，或作为其它化学过程的原料。
本公开内容涉及一种系统，其包括用于产生合成气的气化反应器，以及用于从反应器接收合成气的骤冷室。反应器的合成气出口通过管状浸没管与骤冷室流体连接。例如，US482857 8和US5464592中所示类型的部分氧化气化器包括由一层或多层绝热和耐火材料(如，耐火粘土砖，也称为耐火砖或耐火衬里)包绕且由外钢壳或容器包围的高温反应室。
如W09532148A1中所述的用于液态含烃燃料的部分氧化的工艺可结合上文引用的专利中所示类型的气化器使用。如US9032623, US4443230 和US4491456中公开的焚烧器可结合前文提到的专利中所示类型的气化器使用，以使液态含烃燃料与氧且可能还有缓和剂向下或沿侧向引入气化器的反应室中。
当燃料在气化器内反应时，一种反应产物可为气态硫化氢，这是一种腐蚀剂。在气化过程期间，熔渣或未燃的碳也可能形成，作为燃料与含氧气体之间的反应的副产物。反应产物和熔渣的量可取决于使用的燃料的类型。包括煤的燃料通常将比包括液态烃的燃料(例如，包括重油残渣)产生更多熔渣。对于液态燃料，腐蚀剂的腐蚀和合成气的温度升高更为突出。
熔渣或未燃碳也是公知的腐蚀剂，且沿气化器的内侧壁逐渐向下流至水浴池。水浴池冷却从反应室流出的合成气，且还冷却落入水浴池中的任何熔渣或未燃碳。
在向下流动的合成气到达水浴池之前，其在气化反应器的底板部分处流过中介区段，且通过通向水浴池的浸没管。
如上文所述的气化器通常还具有骤冷环。骤冷环通常为由耐腐蚀和耐高温的材料形成，如，铬镍铁合金或镍基合金，如，Incoloy®，且布置成针对浸没管的内表面引入水，作为冷却剂。
US4828578和US5464592的气化器旨在用于将产生熔渣的液态燃料，其包括煤和水的浆料。骤冷环的一些部分在向下流动的熔融熔渣和合成气的流动通路中，且骤冷环因此可被熔融的熔渣和/或合成气接触。由热合成气接触的骤冷环的部分可经历约1800oF到2800oF(980℃到1540℃)的温度。因此，现有技术的骤冷环容易受到热损伤和热化学退化的影响。取决于原料，熔渣还可在骤冷环上凝固，且累积而形成可限制或最终封闭合成气开口的塞。此外，骤冷环上的任何熔渣累积都将降低骤冷环执行其冷却功能的能力。
在一个已知的气化器中，反应室的金属底板部分为倒置的圆锥形壳的截头体的形式。中介区段可包括气化器的底板中的中心合成气出口开口处的喉部结构。
金属气化器底板支承覆盖金属底板的耐火材料如陶瓷砖和/或绝热砖，且还支承覆盖气化器底板上方的气化器容器的内表面的耐火材料。气化器底板还可支承下覆的骤冷环和浸没管。
中介区段处的气化器底板的周缘(也称为前缘)可能暴露于高温、高速合成气(其可能取决于原料性质而卷吸侵蚀性灰颗粒)和未燃碳(和/或熔渣)的恶劣条件。这里，熔渣量也可取决于原料的性质。
在现有技术的气化系统中，金属底板存在沿径向方向(从气化器的中心轴线)的损耗，始于前缘处，且沿径向向外发展，直到由热合成气产生的恶劣条件与下覆的骤冷环的冷却效果平衡。因此，金属损耗动作从气化器的中心轴线沿径向向外发展，直到其到达"平衡点"或"平衡"半径。
平衡半径有时离气化器的中心轴线和底板的前缘足够远，使得存在底板不可再维持上覆的耐火材料的风险。如果耐火支承件在危险中，则气化器可能需要过早关闭以用于底板的重建工作和更换喉部耐火材料，这是很耗时且费力的程序。
现有技术的中介区段或喉部区段处的另一个问题在于，骤冷环的上方弯曲表面暴露于来自气化器的反应室的完全辐射热，以及可包括灰和未燃碳(和熔渣)的高速高温合成气的腐蚀和/或侵蚀效果。此类恶劣条件还可导致骤冷环的损耗问题，如果足够严重，则这可能迫使终止气化操作来进行所需的修理工作。如果上覆的底板显著地损耗，则该问题加剧，使更多的骤冷环暴露于热气体和未燃碳。
据报道，上述设计经历了频繁的故障，如，耐火砖、金属底板和骤冷环的磨损和侵蚀。喉部区段，即，反应器与骤冷区段之间的交接部，可能具有以下问题：
中介区段和反应器出口的底部处的金属支承结构容易受到高温和高腐蚀性热气体引起的磨损；
热干反应器与湿骤冷区域之间的交接部容易结垢；以及
骤冷环具有由热合成气过度加热的风险。
US4801307公开了一种耐火衬里，其中中心通路的下游端处的耐火衬里的平下侧的后部由骤冷环盖支承，而耐火衬里的前部悬于骤冷环面的竖向腿部和盖上。悬伸部分以大约10到30度的范围中的角向下倾斜。悬伸部分向内侧面提供相对于热气体的屏蔽。耐火保护环可固定到骤冷环的内侧面的前部上。
US7141085公开了一种气化器，其具有喉部区段和金属底板，金属底板具有在喉部区段处的喉部开口，金属底板中的喉部开口由金属气化器底板的内周缘限定。金属气化器底板具有上覆的耐火材料，以及在金属底板的内周缘处的悬置的耐火砖，耐火砖具有包括附件的底部，附件具有选择成悬伸金属气化器底板的内周缘的一部分的竖向范围。骤冷环在气化器底板的内周缘处下覆气化器底板，附件足够长而悬伸骤冷环的上表面。
US9057030公开了一种具有骤冷环保护系统的气化系统，其包括设置在骤冷环的内圆周表面内的保护隔层。骤冷环保护系统包括构造成将滴落的熔融熔渣定位成远离骤冷环的滴落边缘，且保护隔层沿大于沿骤冷环的轴线的轴向方向的轴向尺寸的一部分的大约50%与内圆周表面重叠，且保护隔层包括耐火材料。
US9127222公开了一种屏蔽气体系统来保护骤冷环和反应器与底部骤冷区段之间的过渡区域。骤冷环位于气化反应器的金属底板的水平区段下方。
根据专利文献，最常见的腐蚀点在骤冷环的前部处，骤冷环是在隔膜壁或耐火材料终止的点处将水膜喷射到浸没管的内侧上的装置。骤冷环不但直接地暴露于热气体，而且还在气体集中于顶部时可能冷却不足，且可能发生热过载和/或腐蚀。
上文所述的现有技术的设计的长期操作表现出了一些问题。例如，这些设计由耐火层保护金属底板免受热面侧，但热合成气仍可通过耐火砖的接缝进入且最终到达金属底板。耐火砖可能受侵蚀或磨损，在此情况下，将失去金属底板的保护。此外，尽管现有技术的悬伸的砖意味着保护骤冷环，但骤冷环过热的风险仍相对较高，因为砖和其悬伸区段可能受侵蚀。行业中报告了即使没有悬伸砖的骤冷环处的损坏和开裂。最后，来自反应器的合成气通常含有烟垢和灰颗粒，这可能粘附在干表面上且开始累积，例如，在骤冷环上。骤冷环处的烟垢和灰的累积可阻挡骤冷环的水分配器出口。一旦干扰骤冷环的水分配，则浸没管可能经历干点和产生的过热，又导致对浸没管的破坏。
此外，浸没管的材料以浸没管的内表面上的水膜保护，这防止了沉积物的累积，且冷却了浸没管的壁。在浸没管内，假如浸没管的壁区段不当冷却或经历交替的湿干循环，则可能发生严重腐蚀。
发明内容
本公开内容的一个目的在于提供避免至少一个上述问题的改进的气化系统和方法。
本公开提供一种气化系统，用于部分地氧化含碳原料以至少提供合成气体，所述系统包括：
反应器室，其用于接收且部分地氧化含碳原料；
在反应器室下方的骤冷区段，其用于保持由液态冷却剂形成的浴池；
中介区段，其将反应器室连接到骤冷区段，中介区段包括：
反应器室底板，其设有反应器出口开口，反应器室穿过反应器出口开口与骤冷区段连通，以将合成气体从反应器室引导到骤冷区段的浴池；
至少一层耐火砖，其布置在反应器室底板上且由反应器室底板支承，耐火砖包围反应器出口开口；
隔膜壁，其包括用于液态冷却剂的管，隔膜壁包括至少第一壁区段，其从反应器室底板的反应器出口开口向下延伸；以及
与液态冷却剂源连通的泵系统，其用于使液态冷却剂循环穿过隔膜壁的管。
在实施例中，隔膜壁的管一起形成基本上气密的壁。
在另一个实施例中，可浇铸耐火材料层覆盖第一壁区段的内表面的至少一部分。
可选地，可浇铸耐火材料层从耐火砖的下端向下延伸，直到第一壁区段的下端。
在实施例中，隔膜壁包括水平区段，其在反应器室底板的至少一部分和至少一层耐火砖之间延伸。
隔膜壁的水平区段接合反应器室底板的水平区段。
可选地，反应器出口开口的内径沿着其长度基本上恒定，所述内径的上端由耐火砖的下端限定，且所述内径的下端由隔膜壁和/或可浇铸耐火材料限定。
在实施例中，浸没管从反应器出口开口延伸到骤冷室的浴池，浸没管的上端包围隔膜壁，且浸没管的上端设有骤冷环，用于将液态冷却剂提供给浸没管的内表面。
根据另一个方面，本公开内容提供了一种部分地氧化含碳原料以至少提供合成气体的工艺，包括使用如上文所述的气化系统。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部分，在附图中：
图1示出了气化器的一个示例性实施例的截面视图；
图2示出了气化器的中介区段的一个实施例的截面视图；
图3A详细示出了图2中的一个实施例的横截面；
图3B示出了图3A中的IIIA指出的相交部的示意图；
图4示出了气化器的中介区段的另一个实施例的截面视图；
图5示出了图4中的实施例的细节；
图6示出了气化器的中介区段的又一个实施例的截面视图；以及
图7A和7B示出了气化器的中介区段的相应实施例的截面视图。
具体实施方式
下文详细论述的公开实施例适用于气化器系统，其包括构造成将原料转化成合成气体的反应室、构造成冷却合成气体的骤冷室，以及构造成将水流提供至骤冷室的骤冷环。从反应室传递至骤冷室的合成气体可能在高温下。因此，在某些实施例中，气化器包括反应器与骤冷室之间的中介区段的实施例，其构造成保护骤冷环或金属部分免受合成气体和/或可能在反应室中产生的未燃碳或熔融熔渣的影响。合成气体和未燃碳和/或熔融熔渣可共同地称为热气化产物。气化方法可包括在反应室中气化原料来生成合成气体，在骤冷室中骤冷合成气体来冷却合成气体。
图1示出了气化器10的示例性实施例的示意图。中介区段11布置在反应室12与骤冷室14之间。保护阻隔16可限定反应室12。保护阻隔16可用作物理阻隔、热阻隔、化学阻隔或它们的任何组合。可用于保护阻隔16的材料的实例包括但不限于耐火材料、耐火金属、非金属材料、粘土陶瓷、水泥，以及铝、硅、镁和钙的氧化物。此外，用于保护阻隔16的材料可为砖、可浇铸材料、涂层或它们的任何组合。这里，耐火材料是在高温下保持其强度的材料。ASTM C71将耐火材料定义为"非金属材料，其具有使其适于暴露于高于1000oF(538℃)的环境的结构或系统构件的那些化学和物理性质"。
反应器12和耐火包层16可由保护壳2包围。例如，壳由钢制成。壳2优选能够经得起反应器内的设计工作压力与大气压力之间的压差。例如，压差可至少高达70barg。
原料4连同氧6和可选的缓和剂8(如蒸汽)可通过一个或多个入口引入气化器10的反应室12中，以转化成原始或未处理的合成气体，例如，一氧化碳(CO)和氢(H2)的组合，其还可包括熔渣、未燃碳和/或其它污染物。原料、氧和缓和剂的入口可组合在一个或多个焚烧器9中。在如图所示实施例中，气化器设有在反应器的顶端处的单个焚烧器9。附加焚烧器例如可包括在反应器的一侧处。在某些实施例中，空气或增氧空气可替代氧6使用。增氧空气的氧含量可在80%到99%的范围中，例如，大约90%到95%。未燃合成气体也可描述为未处理的气体。
在气化器的操作期间，典型的反应室温度可在大约2200oF(1200℃)到3300oF(1800℃)的范围。对于液态燃料，反应室中的温度可为大约1300℃到1500℃。操作压力可在从10个大气压到200个大气压的范围。气化反应器中的压力可范围从大约20bar到100bar。对于液态燃料，压力可在30到70个大气压的范围，例如，35到55bar。例如，反应器中的温度可取决于气化器10和使用的原料的类型在大约1300℃到1450℃。因此，包括通过焚烧器喷嘴的燃料的烃一般在气化反应器内的操作温度下自动燃烧。
在这些情况下，灰和/或熔渣可在熔融状态，且称为熔融熔渣。在其它实施例中，熔融熔渣可能并非完全在熔融状态。例如，熔融熔渣可包括悬浮在熔融熔渣中的固体(非熔融)颗粒。
液态原料如来自炼油厂的重油残渣可能包括或生成包含金属氧化物的灰。与液态燃料如重油残渣相关联的具体磨损可包括以下一个或多个：
侵蚀，其由与硬颗粒如金属氧化物组合的高速度引起；
粘性灰，因为具有低熔点的元素可导致结渣；
硫化，因为原料中相对较高硫含量导致硫化腐蚀；以及
羰基形成，因为在CO存在下油渣中的镍(Ni)和铁(Fe)可形成不可溶于水的{Ni(CO)4 Fe(CO)5}，且因此可在骤冷之后传送至气体处理。
如箭头20所示，来自反应室12的高压高温未处理的合成气体可通过保护层阻隔16的底端中的合成气开口52进入骤冷室52。在其它实施例中，在进入骤冷室14之前，未处理的合成气通过合成气冷却器。大体上，骤冷室14可用于降低未处理的合成气体的温度。在某些实施例中，骤冷环22可位于保护阻隔16的底端近侧。骤冷环22构造成将骤冷水提供至骤冷室14。
如图所示，例如来自气体洗涤器单元33的骤冷水23可通过骤冷水入口24接收到骤冷室14中。大体上，骤冷水23可流过骤冷环22，且沿浸没管26向下进入骤冷室槽28。因此，如由箭头32所示，骤冷水23可冷却未处理的合成气体，其可随后在冷却之后，通过合成气体出口30离开骤冷室14。
在其它实施例中，同轴引流管36可包绕浸没管26来产生环形通路38，未处理的合成气体可通过该环形通路38上升。引流管36通常同心地置于浸没管26的下部外，且可支承在压力容器2的底部处。
合成气体出口30大体上可定位成与骤冷室槽28分离且在其上方，且例如，可用于传递未处理的合成气体和任何水至一个或多个处理单元33。处理单元可包括但不限于烟垢和灰除去单元、合成气洗涤单元、除去卤素和/或酸性气体的单元，等。例如，烟垢和灰除去单元可除去细固体颗粒和其它污染物。合成气处理单元如洗涤器可从未处理的合成气除去夹带的水和/或腐蚀性污染物，如，H2S和氨。除去的水然后可作为骤冷水再循环至气化器10的骤冷室14。例如，来自气体洗涤器单元33的经处理的合成气体可最终引导至化学过程或燃气涡轮发动机的燃烧器。
中介区段11可包括终止于底部处的反应器出口52的圆锥形区段50。圆锥形区段可相对于反应器的垂线58具有适合的角α(见图2)，例如，在25到75度的范围中，例如，大约60度。圆锥的总角度(即，2xα)可为50到150度，例如，大约120度。圆锥可包括多层耐火砖或可浇铸材料16。耐火砖可由金属圆锥支承件54支承。在圆锥的底部处，金属圆锥支承件可变为水平的，以支承耐火砖的最后部分。
图2和3示出了包括保护阻隔16的气化器的中介区段11的一个实施例。例如，保护阻隔16可包括一些耐火砖层，例如，两层或三层。下区段18可包括相同层数或更少。这三层砖的类型可与包括在反应器12的圆柱形部分中的砖相同。在圆锥的底部处，在合成气开口52附近，耐火材料16终止于出口尺寸处，意味着开口52的内径ID52。开口52的内径可沿其竖向长度大致恒定。
隔膜壁区段60的至少一部分从保护阻隔16的下端62向下延伸。隔膜壁区段还可包括顶部区段64，其可在保护阻隔16的底端62的至少一部分与金属气化器底板54的水平端86之间水平地延伸。
这里的隔膜壁区段60,64可包括填充有冷却流体或流体冷却流体和蒸发冷却流体(通常是水和蒸汽)的管。冷却流体可通过供应线(未示出)供应。管内的冷却流体由与周围的结构和/或合成气换热来加热。流体可在管内至少部分地蒸发，以便管中的混合物的温度将在管中的工作压力下大约在冷却流体的沸腾温度处恒定。管中的冷却流体可排至排放集管(未示出)，且随后在再循环至供应集管之前冷却。
管62可具有螺旋设置的互连的相邻管，且/或包括单独的相邻管。相邻和/或螺旋的所有管可通过公共集管连接到供应管线上。相邻的管62可互连，以形成大致气密性的壁结构。气密性的隔膜壁结构保护包围竖向隔膜壁区段的骤冷环免受反应产物和其中的腐蚀性物质的影响。
面对合成气开口52的隔膜壁区段60的内表面可设有保护层66，以保护隔膜壁免受由热合成气腐蚀和可能的过热的影响。例如，保护层可包括用于沿合成气开口52产生覆盖隔膜壁区段60的内表面的整体衬里的可浇铸耐火材料。
存在多种适合作为耐火可浇铸材料的原始材料，包括熟料、红柱石、铝土矿、莫来石、刚玉、片状氧化铝、碳化硅，以及珍珠岩和蛭石都可用于绝热目的。适合的致密可浇铸材料可用高氧化铝(A12O3)水泥产生，其可经得起1300℃到1800℃的温度。
可浇铸衬里66可为整体的，意味着其没有接缝，且因此防止合成气进入，保护了隔膜壁区段60。可浇铸衬里66与砖18之间的交接部68可沿合成气流的方向向下成角β倾斜，以防止热合成气进入。角β可在15到60度的范围中，例如，大约30度或45度。
竖向隔膜壁区段60可设有延伸到可浇铸衬里66中来向后者提供支承的多个锚定结构。
在使用中，隔膜壁冷却来自开口52内的热合成气侧和再循环合成气侧(即，面对骤冷室的上端的隔膜壁侧)的热通量。在操作期间，原料中的灰可转化成熔融熔渣。由隔膜壁冷却的熔融熔渣可玻璃化来形成保护层，以防止耐火衬里66的熔渣侵蚀。
浸没管26可布置在相对于隔膜壁区段60的一定水平距离70处。骤冷环22的下端可布置在隔膜壁区段的下端上方的一定竖向距离72处。在实际实施例中，骤冷环22的中线与隔膜壁区段60的下端之间的距离74超过30cm，且例如为大约40cm。例如，水平距离70超过2cm，且例如，在3到10cm的范围中。
实际上，隔膜壁60可直接面对来自反应器的热合成气，而没有包层。然而，例如由碳钢制成的管将取决于原料中的硫含量而易受H2S腐蚀。如果与隔膜壁区段60中的冷却管的寿命一致，则可考虑施加包层66。预期寿命可能限于几年，例如，对于油渣原料是2到3年。施加可浇铸衬里66是经济上优选的实施例。基于行业经验，可浇铸层的下端设有圆形边缘80，其保护隔膜壁区段60的下端免于直接接触合成气。可提供附加的加强来防止可浇铸材料的末梢80例如通过锚定结构65掉落。
在示例性实施例中，隔膜壁60的冷却能力可使用以下假定来计算：
管的冷却壁内的冷却水的压力和温度：一般74barg，195℃，至最大78barg，210℃；
来自反应器的合成气流、压力和温度：6.8kg/s、45barg、1475℃；
隔膜壁区段60的冷却区域：2.6m2；
隔膜壁的管的材料：高强度低合金钢(耐腐蚀钢)；
管尺寸可为大约38mm直径x5.6mm壁厚。管可提供两个平行流动通路，意味着隔膜壁区段60包括两个分离的螺旋缠结的螺旋管。缠结的管限制了冷却表面的压力损失；
水不允许在冷却管中蒸发(饱和蒸汽温度的出水口温度减去20°C的安全裕度，Arvos设计规则)，导致最大载荷情况下的最小冷却水流量为7394 kg/h(= 8.45 m3/h，在874.9 kg/m3下)和8522 kg/h(= 9.94 m3/h，在857.6 kg/m3下)。
以上导致隔膜壁区段60中的示例性总冷却负荷为大约720kW。
可选地，可包括密封件来防止合成气从骤冷环22与隔膜壁60之间的骤冷室的顶部泄漏或泄漏到骤冷室的顶部。一个密封选择包括L形密封板82。密封板82与金属气化器底板54或86和/或隔膜壁60之间的空间可填充适合的耐火材料84(图3)。另一个选择包括直接在骤冷环22的顶部上的水平密封板(未示出)。第一选择优选为其相对容易维护。
可包括在底板54、隔膜壁60和保护阻隔16之间的交接部处或附近的膨胀接头90。见图3。膨胀接头或移动接头为设计成安全地吸收构造材料的热引起的膨胀和收缩，以吸收底板、隔膜壁和保护阻隔之间的振动的组件。
第二密封件(未示出)可提供成防止可能通过保护阻隔18的耐火接头泄漏的热气体到达水平隔膜壁区段64与金属气化器底板86的冷却管之间的间隙。这还防止了合成气通过密封区域84朝骤冷环22进一步泄漏。可为第二密封件考虑多种选择和材料来密封冷却管与金属支承件86之间的间隙。例如，隔膜壁可直接地密封至水平底板区段86。另外，第二密封件的功能性可包括在膨胀接头90中。
图2中的实施例保护中介区段11的支承结构86，包括喉部区段54和圆锥的底部86，且通过使用水冷却的隔膜壁保持金属底板相对较冷来防止金属气化器底板和/或耐火衬里的腐蚀。在优选实施例中，隔膜壁设计成保持金属底板86的温度高于合成气的露点，因此防止金属的露点腐蚀。
图4和5中所示的实施例最大化反应器出口区段52中的耐火砖的使用。反应器出口52和浸入腿管的直径改变成适于耐火材料18的要求。例如，内径ID52具有大约60cm或更大的最低要求(人孔标准，即，优选人应能够通过)。
骤冷环22设在浸没管26的顶端处。浸没管始于骤冷环处，骤冷环位于合成气出口52的下端上方一定距离90。由骤冷环供应的骤冷水可沿浸没管26的内表面一直流至水浴池28。
在一个实施例中，可选的冷却封壳布置在浸没管的外侧上。例如，冷却封壳包括圆柱形元件92，其中封闭的上端和下端(未示出)在圆柱92与浸没管26的外径之间留下环形空间94。冷却流体如水可通过冷却流体供应线118，通过环形空间94供应和循环。环带94可具有大约1到10cm的宽度。
例如，圆锥区段18的顶部可包括三层耐火砖。砖可与反应器的圆柱部分中使用的类型相同。在圆锥底部96处，砖层的厚度可减小，例如，减小至两层砖。在合成气出口52处，耐火材料18继续竖向向下。耐火材料18向下延伸。砖18的下缘与骤冷环的顶部之间的距离98可为至少40cm。
气化器底板可包括竖向区段87，其在水平区段86与圆锥区段54之间延伸。砖18的下端100由金属底板54的水平金属支承件86支承。可选地，例如，如上文所述的可浇铸的耐火材料102层可施加到砖的下端100和水平金属底板部分86上。可浇铸的耐火层102可在砖18上省略，因为热通量主要来自再循环的合成气，其具有低于直接从反应器输出的合成气20的温度。表面越冷，则灰累积趋势就越低。对于底部水平部分86，建议可浇铸层102保护钢免受合成气腐蚀。
至少一个冷却回路布置在金属底板54,86的外表面上，即，面对骤冷环22的一侧上。至少一个冷却回路可包括冷却管110。在横截面中，如图4中所示，冷却导管110可包括直接应用于金属底板54的表面的半管。半管的开口侧面对金属底板，允许管中的冷却流体直接接合和冷却金属底板。冷却导管110可包括单独的相邻管，和/或螺旋互连管。冷却管连接到冷却流体(通常是水)的供应线112上。冷却导管110可在横截面中具有任何适合的形状，允许导管中的冷却流体接合和冷却反应器室底板。横截面中的导管的备选形状可为矩形或三角形。
对开管110相对容易连接到金属底板上，例如，通过焊接。然而，温度可能沿金属底板变化，因为半管在一个管110的中部中具有较低温度，且在两个相邻管110之间的交接部或间隙处具有较高温度。因此，可基于金属底板54的材料的温度范围和传导性设计管的冷却能力。即，管可设计成使得在相邻管之间的交接部处，使用期间的最高温度将低于预定安全阈值温度，以防止底板区段54,86的腐蚀或磨损。
由耐火砖18提供的绝热能力可能超过图2的实施例中的可浇铸层的绝热能力。该实施例中所需的冷却能力因此可能较低。在实际实施例中，720kW或更低的半管110的总冷却能力可能就足够。
骤冷环22与气化器底板54之间的可选密封件可与如上文所述或图2中所示的相同。备选地，系统可包括底板54与骤冷环之间的竖向密封板114。底板54,86可为气密性的，且将防止合成气从反应器朝骤冷环22泄漏。密封浆状体84是可选的。
在实际实施例中，反应器出口52的内径ID52可为大约60cm。骤冷环的外径可为大约170cm。压力容器2的内径ID2可为大约250到300cm，在骤冷环与容器2之间留下空间来用于管路和圆锥支承件(未示出)。至骤冷环的骤冷水的通量可各自随骤冷环直径增大或减小而增大或减小。
图6示出了组合上述实施例的特征的实施例。中介区段11包括圆锥形底板区段54，其设有面对反应器12的内部空间的保护阻隔18。阻隔18优选包括耐火砖或类似的耐火材料。
圆锥形底板区段54连接到圆柱形底板区段87上。圆柱形底板区段的下端可设有水平底板区段86。圆柱形底板区段86的内表面可设有可浇铸耐火材料66。可浇铸材料66的结构的适合材料可类似于上述图2的实施例。另外，可浇铸材料可包围底板的下端，例如，浇铸材料80可覆盖水平底板区段86的下侧。浇铸材料80可强到足以经得起气化系统的该区段中的温度范围，其已经低于反应器12内的温度。
浸没管26具有超过合成气出口52的外径OD52的内径ID26。浸没管的上端的至少一部分包围合成气开口52的外表面。骤冷环22布置在浸没管的顶端处，在合成气出口52的下端上方。
在一个实施例中，骤冷环可包括竖向壁区段210。壁区段210可连接到浸没管的上端206上。此外，骤冷环可包括包围竖向壁区段210的管状流体容器212。流体容器可包括包围竖向壁210的顶缘216的(例如，直)唇部或盖214。唇部在竖向壁的唇部与顶部之间留下足够空间，如，缝隙218，以允许冷却流体通过。
底板区段54,87,86连接，且防止合成气从反应器12到骤冷环22的潜在泄漏。
冷却管110直接地设在气化器的底板的至少一部分上，例如，在底板区段54,86和/或87的一部分上。冷却管具有面对骤冷环22的弯曲表面。冷却管的结构和材料可与参照图4的实施例所述的相似。冷却管包括直接应用于金属底板54的表面上的半管。半管的开口侧面对金属底板，允许管中的冷却流体直接接合和冷却金属底板。
可基于金属底板54的材料的温度范围和传导性设计管的冷却能力。即，管可设计成使得在相邻管之间的交接部处，使用期间的最高温度将低于预定安全阈值温度，以防止底板区段54,86,87的腐蚀或磨损。
由可浇铸的材料66提供的绝热能力可能需要类似于图2的实施例的冷却能力。例如，大约650到750kW的半管110的总冷却能力可能足够。
图7A和7B示意性地指出了中介区段11的相应元件之间的距离。
图7A示出了布置成相对于隔膜壁区段60有一定水平距离70的浸没管26。骤冷环22的下端布置在隔膜壁区段60的下端上方的一定竖向距离72处。骤冷环22的中线离隔膜壁区段60的下端有一定距离74。
图7B示出了布置成相对于竖向底板区段87有一定水平距离120的浸没管26。骤冷环22的下端布置在竖向底板区段87的下端上方的一定竖向距离90处。骤冷环22的中线离竖向底板区段87的下端有一定距离74。浸没管始于骤冷环处。骤冷环的下端位于合成气出口52下端上方一定距离90处。竖向底板区段87的下缘至骤冷环的顶部约为距离98。
参看图7A或7B，水平距离70,120可允许浸没管与合成气出口52的外表面之间有空间140。空间140由于来自骤冷环22的冷却流体而相对较冷。进一步冷却各自由半冷却管110(图7A)或隔膜壁区段60(图7B)提供。另外，空间140的气体循环有限，限制了热合成气进入。例如，有限的气体循环归因于空间140的顶端处的封闭(例如，见图3,4中的82,114)。
骤冷环位于合成气出口52的下缘上方一定距离处。因此，骤冷环在操作期间保持相对较冷，与热合成气以及与熔渣和灰屏蔽。这减小了骤冷环的磨损和腐蚀，且显著延长了寿命。暴露于热合成气的部分，如，浸没管和和合成气出口52的壁，可由冷却流体冷却，也限制了磨损和延长了寿命。
一旦干扰骤冷环水分配，则浸腿管可经历干点和过热，这可导致对浸没管的破坏。本行业也从长期运营中报告了此问题。本公开内容通过将骤冷环与反应器出口屏蔽而防止了骤冷环的干扰。骤冷环的顶部可位于合成气出口上方至少40cm处，且水平上离合成气出口20cm。该设计将极大地减少烟垢和灰累积在骤冷环处或附近，因此减小了骤冷环水流的干扰。后者确保了骤冷环和浸没管的内表面上的相关联的水膜的连续操作，防止了干点和对浸没管的破坏，延长了寿命且限制了维护。
图7A或7B中所示的距离可在优选范围内，以优化上述优点。水平距离70,120优选超过预定最低阈值，以允许来自骤冷环的未受限的冷却流体流，且/或允许容易接近来维护。另一方面，水平距离可限于上阈值，以限制循环且防止合成气进入空间140。例如，水平距离可超过1到3cm。水平距离可在5到20cm的范围中。
竖向距离72,90可超过最小阈值，以确保骤冷环与合成气和其中的腐蚀元素的屏蔽。竖向距离72,90可超过10cm，且例如为至少20cm。竖向距离98可超过30cm，且例如至少40到45cm。
例如，出口52的直径为至少60cm，且出口半径142为至少30cm。浸没管半径144等于水平距离70,120加出口半径142。
相对于与区域140中的合成气的最低循环组合的最大冷却的最佳结果可由某些相对尺寸提供。例如，相对于出口52的竖向长度143，竖向距离98可在60%到85%的优选范围中。即，竖向距离98为竖向长度143的大约0.6到0.85倍。水平距离70,120可在浸没管半径144的2%到20%的范围中。水平距离70,120优选可在竖向距离98的2%到50%的范围中。
在实际实施例中，反应室中的温度通常可在1300℃到1700℃中。当使用包括重油和/或油渣的流体含碳原料时，例如，反应器中的温度在1300℃到1400℃的范围中。反应室中的压力可在25到70barg的范围中，例如，大约50到65barg。
金属底板可由与气化器壳或容器相同的压力容器冶金术制成。金属底板还可由与气化器壳或容器不同的冶金术制成。
本公开内容的实施例允许有效限制气化器底板的温度，因此限制了其腐蚀和损耗。此外，实施例支承合成气开口处或附近的耐火材料。这里气化器底板的冷却还限制了气化器底板附近的耐火材料中的温度，因此还限制了耐火材料的侵蚀。本公开内容的实施例提供了具有延长的寿命和减小的磨损的用于液态原料的气化器的改进的中介区段。本公开内容的实施例相对简单且稳健，同时限制了用于维护的停机时间。
本公开内容不限于如上文所述的实施例，其中多个改型可在所附权利要求的范围内构想出。例如，相应实施例的特征可组合。

Claims (14)

1.一种气化系统，用于部分地氧化含碳原料以至少提供合成气体，所述系统包括：
反应器室，其用于接收且部分地氧化所述含碳原料；
在所述反应器室下方的骤冷区段，其用于保持由液态冷却剂形成的浴池；
中介区段，其将所述反应器室连接到所述骤冷区段，所述中介区段包括：
反应器室底板，其设有反应器出口开口，所述反应器室穿过所述反应器出口开口与所述骤冷区段连通，以将所述合成气体从所述反应器室引导到所述骤冷区段的浴池；
至少一层耐火砖，其布置在所述反应器室底板上且由所述反应器室底板支承，所述耐火砖包围所述反应器出口开口；
隔膜壁，其包括用于液态冷却剂的管，所述隔膜壁包括至少第一壁区段，其从所述反应器室底板的反应器出口开口向下延伸；
与液态冷却剂源连通的泵系统，其用于使所述液态冷却剂循环穿过所述隔膜壁的管；以及
浸没管，其从所述反应器出口开口延伸到所述骤冷区段的浴池，所述浸没管的上端设有骤冷环，以将液态冷却剂提供给所述浸没管的内表面，所述骤冷环包围所述隔膜壁的第一壁区段的外表面。
2.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述隔膜壁的管一起形成基本上气密的壁。
3.根据权利要求1或2所述的气化系统，其特征在于，包括可浇铸耐火材料层，其覆盖所述隔膜壁的第一壁区段的内表面的至少一部分。
4.根据权利要求3所述的气化系统，其特征在于，所述可浇铸耐火材料层从所述耐火砖的下端向下延伸，直到所述第一壁区段的下端。
5.根据权利要求1或2所述的气化系统，其特征在于，所述隔膜壁包括水平区段，其在所述反应器室底板的至少一部分和所述至少一层耐火砖之间延伸。
6.根据权利要求5所述的气化系统，其特征在于，所述隔膜壁的水平区段接合所述反应器室底板的水平区段。
7.根据权利要求1或2所述的气化系统，其特征在于，所述反应器出口开口的内径沿着其长度基本上恒定，所述内径的上端由所述至少一层耐火砖限定，且所述内径的下端由所述隔膜壁的第一壁区段和/或所述第一壁区段上的可浇铸耐火材料限定。
8.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，包括密封件，其密封所述骤冷环和所述反应器室底板之间的空间。
9.根据权利要求8所述的气化系统，其特征在于，包括密封浆状体，其填充所述密封件、所述反应器室底板和所述骤冷环之间的空间。
10.根据权利要求1或2所述的气化系统，其特征在于，从所述隔膜壁的第一壁区段的下缘到所述骤冷环的顶部的竖向距离为所述反应器室出口的竖向长度的0.6到0.85倍。
11.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，在所述隔膜壁的第一壁区段和所述浸没管之间的水平距离在所述浸没管的半径的2%到20%的范围内。
12.根据权利要求1所述的气化系统，其特征在于，所述隔膜壁的第一壁区段和所述浸没管之间的水平距离在从所述第一壁区段的下缘到所述骤冷环的顶部的竖向距离的2%到50%的范围内。
13.根据权利要求1或2所述的气化系统，其特征在于，所述含碳原料是包括油或重油残渣的液态原料。
14.一种气化工艺，用于部分地氧化含碳原料以至少提供合成气体，所述气化工艺包括使用根据权利要求1所述的气化系统。
CN201680074271.9A 2015-12-16 2016-12-15 气化系统及工艺 Active CN108699456B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP15200401 2015-12-16
EP15200401.6 2015-12-16
PCT/EP2016/081182 WO2017102940A1 (en) 2015-12-16 2016-12-15 Gasification system and process

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108699456A CN108699456A (zh) 2018-10-23
CN108699456B true CN108699456B (zh) 2021-03-30

Family

ID=54850105

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680074271.9A Active CN108699456B (zh) 2015-12-16 2016-12-15 气化系统及工艺

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10544375B2 (zh)
EP (1) EP3390587B1 (zh)
KR (1) KR102093053B1 (zh)
CN (1) CN108699456B (zh)
AU (1) AU2016369336B2 (zh)
MY (1) MY191293A (zh)
WO (1) WO2017102940A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6710618B2 (ja) * 2016-10-12 2020-06-17 三菱日立パワーシステムズ株式会社 炉壁、ガス化炉設備およびガス化複合発電設備ならびに炉壁の製造方法
NL2021739B1 (en) * 2018-10-01 2020-05-07 Milena Olga Joint Innovation Assets B V Reactor for producing a synthesis gas from a fuel
IT201800010817A1 (it) * 2018-12-05 2020-06-05 Danieli Off Mecc Recipiente per contenere ferro di riduzione diretta (dri)
CN113897223B (zh) * 2021-09-24 2022-11-25 国家能源集团宁夏煤业有限责任公司 烧嘴室的砖结构和水煤浆气化炉
US20230159328A1 (en) 2021-11-19 2023-05-25 Air Products And Chemicals, Inc. Gasification of high-ash feedstock
CN114891539B (zh) * 2022-05-07 2023-01-24 张金辉 一种煤气化设备

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4247302A (en) * 1979-07-13 1981-01-27 Texaco Inc. Process for gasification and production of by-product superheated steam
BRPI0518312A2 (pt) * 2004-11-22 2008-11-11 Shell Int Research aparelho para gaseificar um combustÍvel
US8684070B2 (en) * 2006-08-15 2014-04-01 Babcock & Wilcox Power Generation Group, Inc. Compact radial platen arrangement for radiant syngas cooler
US9051522B2 (en) 2006-12-01 2015-06-09 Shell Oil Company Gasification reactor
KR101534040B1 (ko) * 2007-03-15 2015-07-06 쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이. 내부 다중관 벽과 다수의 버너를 갖는 가스화 반응기 용기
CN101050387A (zh) * 2007-05-22 2007-10-10 西安热工研究院有限公司 干煤粉加压固态排渣气流床气化装置
CN101245263B (zh) * 2008-01-27 2011-07-20 中国石油化工集团公司 劣质原料非催化部分氧化气化炉
US8197564B2 (en) * 2008-02-13 2012-06-12 General Electric Company Method and apparatus for cooling syngas within a gasifier system
US9028569B2 (en) * 2009-06-30 2015-05-12 General Electric Company Gasification quench chamber and scrubber assembly
US8769964B2 (en) 2010-01-05 2014-07-08 General Electric Company System and method for cooling syngas produced from a gasifier
US9296964B2 (en) * 2012-01-05 2016-03-29 General Electric Company System and method for protecting a dip tube
US9127222B2 (en) * 2012-07-13 2015-09-08 General Electric Company System and method for protecting gasifier quench ring
US9109171B2 (en) * 2013-11-15 2015-08-18 General Electric Company System and method for gasification and cooling syngas

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017102940A1 (en) 2017-06-22
US10544375B2 (en) 2020-01-28
MY191293A (en) 2022-06-14
US20180371340A1 (en) 2018-12-27
KR102093053B1 (ko) 2020-03-25
EP3390587B1 (en) 2019-09-18
AU2016369336A1 (en) 2018-06-21
EP3390587A1 (en) 2018-10-24
CN108699456A (zh) 2018-10-23
AU2016369336B2 (en) 2019-07-04
KR20180091912A (ko) 2018-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108699456B (zh) 气化系统及工艺
CA2716774C (en) Gasification device with slag removal facility
CN108473895B (zh) 气化系统和工艺
CN108473896B (zh) 气化系统及工艺
US10767858B2 (en) Cooling device for a burner of a gasification reactor
PL204050B1 (pl) Gazogenerator i sposób naprawy metalowego dna gazogeneratora

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant