CN109563422B - 平衡接近反应器 - Google Patents

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Abstract

一种平衡接近反应器，其能够接收高度可变的气体并将其归一化为有用的质量，并且进一步利用来自气体本身的能量以稳固地提高操作温度，确保良好的混合和高转化率，同时具有多状态下固体的处理能力。

Description

平衡接近反应器
技术领域
本发明涉及平衡接近反应器，并进一步涉及用于生产可用于发电和化学合成的稳定、高质量能量化学气体产品的装置和操作方法。
背景技术
在许多技术和工业领域，存在再循环和燃料效率的驱动力。其中一个领域是针对从废物中回收高能化学载体。通过气化可以从废品中回收气体。这种气体可用于发电，通常用作可燃燃料。
一种这样的气体称为合成气体或合成气。包含氢气、一氧化碳和二氧化碳为主要成分的气体通常称为合成气。各种工业过程需要合成气作为原料。这些工艺过程包括化学合成产品，如甲醇、柴油和氨，以及利用合成气作为主要能量的发电工艺。随着生物质和基于废物的燃料气化工艺的出现，人们对后一种应用的兴趣正在变得更加广泛，这些工艺源于对更好资源利用的需求以及作为低碳技术的推动力。
已知工艺通常产生具有高度可变水平的永久性气体(如氢气)的气体，并且通常含有污染物成分。它们通常由具有广泛分子量的烃类混合物和固体，如煤烟和灰基化合物组成。
在生物质和废物气化过程中，产品气体由称为气化器或热解装置的装置产生。由于废物的组成是可变无穷的，因此气化产生的气体组成也是可变无穷的。气化还产生各种各样的、可观的碳烟和碳氢化合物污染物，作为不想要的副产品。
生物质和废物气化产生的另一种污染物是氨，使用传统的酸基洗涤技术难以去除氨。包含这些污染物的合成气以及所述污染物的可变性，会对使用合成气作为燃料的下游设备产生有害的影响。正是这些问题，至少部分影响了使用这种再循环燃料源的商业成功。
一个已知的合成过程是菲舍尔托普什过程。这种布置通常产生具有广泛分子量的不希望的组分，广泛分子量通常以所需产品的分子量为中心。不需要的产品通常通过外倾或使用后续工艺进一步转化来处理。这反过来又产生更多的残渣，这些残渣通常都向外张开，因为它们变化太大，受到污染而无法进一步使用。
更有效地生产纯净的合成气是有利的。此外，回收其他外倾的高能气体将是有利的。
本发明是为了解决上述问题而设计的。
发明内容
通常，合成气由低级碳基原料制备，例如垃圾衍生燃料(RDF)和破坏级生物质以及农业生物质和动物排泄物。
本发明涉及一种用于处理从碳质材料气化获得的材料的平衡接近反应器和利用合成气作为化学原料的化学合成方法。该反应器将输入气体转化成经过处理的合成气，该输入气体在组分方面可能是变化无穷的，在正常加工温度下可冷凝，并且负载有碳或灰烬形式的固体，该合成气是稳定的，可用作化学原料。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于处理从碳质材料气化中获得的材料的平衡接近反应器，包括：
容器；
入口，可操作以允许加工材料进入容器；
出口，可操作以允许加工材料离开容器；
其中加工材料被保持在容器内足够时间以允许加工材料接近平衡。
本布置通过将输入气体置于允许以能量有效且能够稳健地管理固体污染物的方式获得化学平衡工艺条件的方法来缓解现有工艺的问题。因此，产生稳定、未污染的合成气以供进一步使用。
因此，可以利用低质量原料生产合成气，以用于许多应用，包括稳定的发电，并且允许从工艺中回收和再利用否则会浪费的产品，从而提高工艺效率。
反应器的功能是提供一种环境，在该环境中，原始进气可以被部分氧化以将其温度提高到1050-1250℃。然而，在优选的布置中，反应器被配置为在1100℃以上操作。最优选地，合成气被加热到1150℃。优选的布置中，特别是当工艺材料包含原料灰时，反应器的操作温度保持在原料灰的熔融温度以下。
优选地，容器中的压力保持高于大气压力。更优选地，压力在50kPa(g)至1200kPa(g)(0.5至12bar(g))之间。容器中的压力可以通过以较高压力将未经处理的合成气输入容器中至少部分地达到。合成气可以通过任何常规方法在升高的压力下直接被馈送到容器中。
合成气在反应器中停留的时间称为停留时间或驻留时间。在优选布置中，加工材料被保持在反应器内至少10秒，尽管更优选的是停留时间至少15秒。反应器的设计、升高的温度和加压的原始合成气输入都有助于提高阻力时间。与常规停留时间相比，更长的停留时间允许包含在反应器内的材料达到化学平衡。
因此，在一种布置中，合成气此后在加压反应器中通过燃烧其中的一小部分而被加热到大约1150℃。其结果是提供至少10秒的停留时间，这足以使原料反应以接近平衡。
允许接近平衡的方法具有破坏加工材料中所有有机污染物和焦油以及使合成气成分标准化的效果。因此，有利的是，无论原料类型如何，气体的组成基本相似。这对于低品位(和可能高度可变的)原料特别有利。
优选地，入口包括换热器，更优选地包括由碳化硅构成的换热器。这种布置可用于使加工后的合成气从反应器排出，将热量传递到进入的原合成气。因此，未处理的合成气被预热。在优选的布置中，未处理的合成气在进入腔室之前被加热到大约700℃至900℃。使用换热器预热原始合成气需要较少的合成气被氧气注入系统点燃。
此外，平衡接近反应器可以包括氧气注入系统，用于将氧气注入容器。氧气与部分合成气反应，这提高了容器内的温度。
在优选的布置中，氧气注入系统包括多个喷嘴。在更优选布置的情况下，系统至少包括三个喷嘴。喷嘴可以位于反应器上，从而它们被布置在螺旋路径上。
通过提供高压下的输入合成气流，并使用氧气注入系统来提高容器内部的温度，可以将容器内部的压力维持在高于大气压力的水平。通过控制输入压力和/或注入的氧的水平，可以控制压力。
优选将合成气和氧气注入反应器，以便促进反应器内的湍流。
将容器保持在较高的压力下，会增加物料在容器中的停留时间(也称为驻留时间)。该布置可以在大气压力或亚大气压力下工作，但是对于相同的停留时间，需要容器比加压容器相对更大一些。然而，应当理解，这种布置也被认为在本文件的范围内。
根据本发明的第二方面，提供一种平衡接近反应器系统，包括：可操作来处理合成气的容器；将加压未加工合成气引入容器中的装置；以及可操作来将氧气注入容器中的氧气注入系统，从而使合成气的一部分自燃，从而提高容器中的温度，使得合成气在容器中保持足够长的停留时间，以使所述合成气达到化学平衡。
在容器内部使用压力和温度的组合，以确保合成气的期望停留时间。在优选实施例中，这至少是10秒，而在更优选实施例中，这至少是15秒。
优选的是，氧气被输入到容器中以与其中的合成气反应，使得容器内的温度提高到至少1100℃，更优选1150℃。特别优选的布置中，蒸汽和氧气被组合输入。
优选地，该系统包括换热器，更具体地，包括并行流动换热器。在优选的实施例中，处理过的合成气和原始合成气同时地、但独立地和分离地通过换热器，从而使得处理过的合成气用于加热原始合成气。这种布置的另一个优点是被处理的合成气由原始合成气冷却。
进一步优选的是，该系统包括将蒸汽注入容器中的装置。这可以通过使用氧气注入系统来实现。
优选地，氧气注入系统包括陶瓷喷枪或管。可替换地，喷枪或管可以包括由耐热合金构成的喷嘴。
在优选布置中，氧气注入系统包括多个注入点。更优选的是，该系统包括至少三个注入点。
在优选布置中，平衡接近反应器系统包括可操作以将研磨介质和吸附剂介质之一或两者注入容器的装置。这个装置可以分离或组合的，并且可以进一步与氧气注入系统组合。
优选地，该系统包括排放系统。在优选的布置中，该系统位于容器的底部。排放系统可包括可操作以接收固体的砂浴。该系统可以利用冷却的排放螺杆进行逐级去除。
根据本发明的第三方面，提供了一种操作平衡接近反应器的方法，包括如下步骤：提供可操作以容纳加工材料的容器；将加工材料引入所述容器；以及保持所述容器中的加工材料直到所述加工材料基本接近平衡为止。
优选的，平衡接近反应器可以采用多种操作模式。优选地，一种模式有助于去除/处理处于基本干燥状态的固体，而第二模式去除处于基本熔融状态的固体。
根据本发明的第四方面，提供一种反应器，其包括具有主轴的容器，所述反应器还包括至少一个加工气体输入点，所述加工气体输入点可操作以允许加工气体输入到反应器和至少三个氧气注入喷嘴，允许氧气被注入到容器中，其中输入点和注入喷嘴围绕容器相对于主轴布置。优选地，喷嘴沿螺旋路径布置。
优选地，加工气体输入点大致位于容器的第一端，氧气注入喷嘴沿螺旋路径朝向容器的第二端间隔开。
在优选的布置中，加工气体和氧气可操作地输入到容器中以促进湍流。加工气体和氧气一起反应，导致加工气体的部分氧化。这具有提高容器内温度的效果。升高的温度和湍流有助于使加工气体在容器内保持更长的时间。此外，螺旋布置的喷嘴之所以被如此放置，是其促进散装气体的辐射加热。
优选地，加工气体和氧气在容器内保持如此长的时间，以使它们接近化学平衡。
优选地，氧气注入喷嘴包括允许同时注入其他介质的装置。例如，蒸汽可以被注入到容器中。另外地或可替换地，固体介质可被导入到容器中。这些可以包括吸附剂或研磨介质或化学催化剂。
关于第四方面所公开的特征被设计为与第一和第二方面互补，因此应被视为与其相比的优选特征。
根据本发明的第五方面，提供一种反应器，其包括第一腔室和第二腔室，以及所述第一腔室和第二腔室之间的接口，以及向所述第一腔室注入多种流体以使所述流体混合、反应并形成湍流的装置，其中，所述接口可操作以通过允许快速膨胀进入第二腔室来脱离湍流。
这种布置特别有利于处理合成气中的固体。分离接口处的湍流会使合成气迅速膨胀，降低气体的速度。这导致固体从合成气脱离并下降到第二腔室的底部。
优选地，所述多种流体包括合成气和氧气，并且它们之间的反应引起合成气的部分氧化，导致第一腔室内的温度升高。
优选地，所述接口包括相对于第一和第二腔室截面积减小的区域。在典型的布置中，接口可被视为第一腔室和第二腔室之间的缩颈。
优选地，第二腔室包括合成气出口。在优选的布置中，当反应器使用时，合成气出口相对于第一和第二腔室向上倾斜。
优选地，反应器进一步包括可操作以接收固体污染物的第三腔室。从合成气分离的固体通常落到第二腔室的底部。通过提供另一个腔室，可以收集固体。第三腔室可以是用于可操作地去除固体污染物的排放系统的一部分。
第三腔室可以包括蒸汽注入点。这种布置特别有利，因为它允许在第三腔室中的含碳固体与蒸汽反应以产生氢、一氧化碳和二氧化碳。
应当理解，各个不同描述方面的特征可以彼此组合。例如，第一、第二、第四和第五方面的特征可以被组合，并且可以与第三方法方面一起共同或单独地使用。
因此，本发明的一个方面包括平衡接近反应器，其包括具有通过接口连接的第一和第二腔室的容器、可操作以将合成气注入第一腔室的合成气输入点和可操作地允许处理过的合成气离开第二腔室的合成气输出点，所述第一腔室包括三个氧气注入喷嘴，所述氧气注入喷嘴与合成气输入点一起限定围绕第一腔室的螺旋路径，其中，在使用中，至少第一腔室中的压力和温度使得其中包含的合成气保持足够的时间使其接近化学平衡。
为了更容易理解本发明，现在将参考附图描述其具体实施例。
附图说明
图1a示出根据一个实施例的平衡反应器的侧视图。
图1b示出图1a的平衡反应器的主视图。
图2示出一个反应器的实例、输入和输出进料以及换热器的实例。
图3a示出一个平衡接近反应器的实例，具体参考一个二级床进料系统。
图3b示出图3a的SBF系统的管道内注入点的特写。
图4示出根据一个实施例的反应器的俯视截面图。
关于附图的说明：
应当了解，为了便于理解，附图显示了根据本发明的平衡接近反应器的各个方面。一幅图中所示的特征可以以另一幅图中所示的布置呈现。
具体实施方式
本布置的实施例包括平衡接近反应器(以下称为“反应器”)，该反应器通过使输入材料经受导致输入材料趋向于化学平衡的工艺条件来解决现有工艺固有的问题。本布置特别有利，因为这是以能量有效的方式实现的，并且能够稳健地管理输入材料中的固体污染物。反应器产生稳定的、未被污染的合成气供进一步使用。因此，该反应器使得来自劣质原料的合成气能够用于稳定的发电，并且允许从工艺中回收和再利用否则会浪费的产品，从而提高工艺效率。
工业过程一般需要输入材料作为原料。以氢气、一氧化碳和二氧化碳为主要成分的气体可以称为合成气。引入反应器的合成气可称为原始合成气或未加工合成气。已经通过反应器的合成气可称为经过加工或处理的合成气。
能够将甲烷或其他烃类转化成合成气的常规反应器不能处理可变状态的固体。各种尝试这样做都毫无例外地导致固体熔化。因此，这可能导致结垢、堵塞和/或设备故障(并因此导致反应器停机)。此外，由于合成气在反应器中的停留时间太短，常见的过程导致高水平的烟灰形成。为解决已知装置的缺点，本装置以受控方式提高合成气的温度并将其保持在给定时间跨度的升温下。该系统包括：提供获得烃类裂解和固体污染物(特别是粉煤灰)脱落所需的停留时间和温度组合的容器；向容器供应氧气从而以受控方式启动氧化的装置；以及去掉容器中沉积的颗粒物质的装置。考虑如下这些元素。
参见图1a和1b，在一个实施例中，反应器10包括由耐火内衬容器组成的腔室12。腔室12可以是圆柱形的，但是任何适当的几何尺寸都足够。耐火衬里可以包括具有高碳化硅含量的氧化铝基衬里。这提供对碱渗透、剥落和热冲击的抵抗性。
对于经优化以产生一致的合成气的系统，腔室12中的操作温度太低将不能令人满意地重整烃，而温度太高将导致大的能量损失和总效率的损失。因此，反应器最好在1100℃至1200℃左右运行，更优选在1150℃运行。
还提供了合成气输入点14，以允许将原始合成气输入腔室12。所述装置还包括合成气输出点16，以允许处理过的合成气从腔室12排出。合成气输出点通常相对于腔室12向上倾斜。优选以升高的压力处理腔室12中的合成气。这通常是在50kPa和1200kPa之间。然而，根据反应器和/或系统的具体情况，可以使用多个其他压力值。为了辅助，可以在高压下将合成气输入到腔室12中。
腔室12包括上部部分20和下部部分22。合成气输入点14位于上部部分18，而合成气输出点16位于腔室12的下部部分22。
上部部分20可被视为第一腔室，下部部分22可被视为第二腔室。
上部部分18可称为部分氧化区(以下称为POX)。合成气被切向地输入到腔室12的上部。由于未经处理的合成气的高速输入和腔室12的尺寸，POX包括高度旋转的湍流。氧气可以注入腔室12中以促进湍流和涡流。这种布置提高了未经处理的合成气的混合和停留时间。下面给出有关氧气注入的细节。
上部部分和下部部分20、22可以通过接口，例如缩颈30，连接。缩颈30具有促进混合和随后降低气体速度(通过破坏旋转运动)的功能，使得固体可以从气流中掉入排放系统34。
该布置还可以包括系统40，该系统40将氧气引入腔室12以引起少量合成气的自动点火。该反应具有提高腔室12中温度的效果。通过控制氧气进入腔室12的流动，可以至少部分地达到期望的温度。图2示出包括这样一个系统的反应器10的例子。
因此，在一个实施例中，在反应器10中提供了用于与氧气注入系统40合作以注入氧气或氧气/蒸汽混合物以允许逐渐升高温度的输入点18。
氧气注入系统40可以包括一个或多个诸如喷嘴42，所述喷嘴42由一个由碳化物基材料制成的多环形装置组成。喷嘴42的构造使得由氧化剂注入产生的扩散火焰偏离喷嘴表面。
特别优选的是，氧气注入系统公开至少三个喷嘴。通过在围绕所述上部部分20(第一腔室)的螺旋或螺旋路径上提供合成气输入点14，以及多个氧气注入喷嘴42，促进POX中的湍流和涡流。
图4显示了反应器的俯视图，显示了合成气输入点14和多个氧气注入喷嘴42的示例位置。当反应器在线时，合成气输入点14基本上位于第一腔室的顶部，并且多个氧气注入喷嘴(从合成气输入点14开始顺时针取样)逐渐降低位置，使得螺旋路径由合成气输入点14和多个氧气注入喷嘴限定。
在使用中，氧气注入喷嘴42将在高温下工作。如果在输入的原始合成气中存在固体，例如灰，当灰与热喷嘴尖端接触熔化时，传统的喷射喷嘴可能会结垢。喷嘴允许蒸汽与氧气同时喷射或通过周围的环形护套。这种布置减轻了喷嘴结垢，并且进一步有利地使输入的废料更好地整体转化成经过处理的合成气。喷嘴还允许使用预热氧化剂，以便允许无焰氧化，这提高了过程的有效性。
每个氧气注入喷嘴42包括陶瓷涂层喷枪。每个喷嘴42可用氮气或蒸汽冷却，以允许延长使用寿命。每个喷嘴42可以包括围罩。在优选的布置中，喷枪由陶瓷涂层管组成，所述陶瓷涂层管终止于可更换的喷嘴部分。喷嘴由碳化物基陶瓷或耐热合金构成，为了维护目的可从喷枪上取下。
整个供氧组件40可以与反应器10脱开。这使得维修更容易。
可以在每个喷嘴中以工程模式钻入多个燃烧口，在使用中，氧气通过该燃烧口流动。
预先计算出反应器10的理想温度分布。进入腔室12的氧气流量由控制阀控制，控制阀测量流量以实现反应器10中的温度分布，该温度分布为通过布杜德反应较高转化多种污染物(如萘、苯和烟尘)提供了所需的温度和停留时间的组合。
每个喷嘴42的几何构造成允许足够的氧气出口速度和表面保护，而不允许过度的火焰发射。可能期望一些火焰剥离，因为它改善了喷嘴尖端的寿命。可以提供一个阻火器。也可以在氧气供应管线中为氧气注入系统40提供爆炸保护。
用热电偶测量喷嘴周围的温度。热电偶可以嵌入在喷嘴中。然而，热电偶可以位于靠近喷嘴的任何位置。热电偶至少部分地可操作以控制冷却介质(例如氮气或蒸汽)的流速。
氧气诸如产生的火焰是扩散火焰，因此要求在腔室12的上部具有高湍流度以确保快速混合。在正常操作下，进入腔室12的氧气流量优选为0.1-0.2kg/s。喷嘴42(有时称为火焰温度)之后的直接区域中的温度可能超过3000℃。
由于氢气与氧气的燃烧，氧气诸如喷嘴42附近多个区域内的合成气承受高温。这些区域中的热气体与较冷的气体快速混合，提高了流动的整体温度或按照体积计算的平均温度。存在于这些局部区域的灰将熔化，因此具有很高的结渣概率。这有害地影响反应器10效率，因此减轻喷嘴尖端的结渣是有利的。以下优选的特征单独地和共同地有助于提高氧气注入系统40的性能。
反应器10包括多个氧气注入点18。多个注入点容纳氧气注入系统40的喷嘴。通常有三个点，但可以提供任何数目。希望沿上腔室20上的螺旋路径提供多个喷嘴。多个注入点确保了氧气的加入，因此温度升高是渐进的，不会导致局部温度比灰熔化温度高几百度的区域。相应地，实际以绝对值熔化的灰的总量是有限的。通过将蒸汽注入与氧气一起使用来降低温升，也有助于腔室12中的温度一致性。
蒸汽和氧气的加入使得注入射流的速度得以保持在较高的速率。由于合成气与氧气在反应器中的燃烧是扩散火焰，所以高速度确保火焰总是从喷嘴42上“升起”。围绕多个喷嘴向腔室12内注入蒸汽确保喷嘴表面附近的温度比整体温度低几百度。对蒸汽注入进行调节，以确保获得的“提升”始终如一。
根据“剥离”效应，即热火焰区远离喷嘴表面，氧气注入喷嘴42被配置为避免再循环区。这样做是为了确保局部熔融的炉渣不会在这些区域积聚并导致沉积物堆积。
每个喷嘴42可以可缩回地安装在反应器10上。相应地，在维修停止期间，可以以更快和更稳健的方式维护每个喷嘴42。
图2显示了反应器10，具有合成气入口14和合成气出口16(未示出上部部分和下部部分20、22之间的接口30)。换热器50被进一步提供。该换热器可操作以从源A接收合成气并将其传递到反应器10。另外，换热器50也可用于从腔室12接收处理过的合成气，并将其传递到目的地B。这种安排是有利的，因为它允许原始合成气被出口合成气预热，并且作为必然，允许处理过的合成气由进入的合成气进行冷却。
合成气处理的一个重要方面是管理反应器10内的固体，如烟尘和灰尘。原始合成气中的固体含量可能不为人所知。相应地，希望提供一种能够处理具有不同固体水平的输入材料的装置。
在高温室中处理固体的能力在设计用于燃烧含灰合成气流的多种装置中是众所周知的，例如那些采用多种废物转化为能源的技术用于燃烧由废物产生的合成气的装置。另一种需要固体处理的装置是煤气化。这些装置依赖于足够高的温度，使得灰烬处于完全液态的炉渣状态，使得灰烬能够从腔室中除去。通常加入煤和硅砂等添加剂来改变渣的流动特性。如果没有足够的能量，可以补充天然气以提高温度。
在本装置中，如果合成气是利用气化工艺从燃料源得到的，则进入腔室12的原始合成气通常含有固体，如烟灰和灰烬。根据所用的燃料源，固体可以是未熔化的、部分熔化的或全液态的，具有可变的粘度。公知的多种处理固体的方法不适合本装置。
固体可能导致反应器10内，或者包含反应器10的系统内的设备内发生堵塞。相应地，确保输入气体通过反应器10的畅通流道是重要的。反应器的布置允许自由流动路径。此外，反应器可以以多种模式(通常称为“干模式”和“湿模式”；下面详细描述)操作，使得固体，不论其熔点如何，都可以通过气体通道或使用排放系统34而被除去。排放系统34在下面进一步描述，特别是关于图3a和3b。
本实施例可操作地管理固体含量，而不管其组成和物理状态(固体、部分熔融/软化的液体固体混合物、完全熔融的液体)。如图1a和图1b所示，反应器10被成形为在整个气体混合物的平衡接近所需的温度操作范围内以所有可能的状态有效地通过固体。
反应器的形状有助于从合成气中去除多种固体污染物。具体而言，反应器10包括第一腔室20和第二腔室22，以及介于两者之间的接口30。进一步提供了向第一腔室注入多种流体以使所述流体混合和反应并形成湍流的装置。接口30可操作以通过允许快速膨胀进入第二腔室22来脱离湍流。
接口30包括缩颈30。这通常是相对于第一和第二腔室20、22具有减小的截面积的部分。
第一腔室20包括POX。在高温下处理合成气，且速度很快。第一腔室20中的流体速度通常为6ms-1。此时固体污染物通常悬浮在高速合成气中。当合成气到达缩颈30时，湍流被中断，并且由于快速膨胀地进入第二腔室22，湍流流速显著降低到低于0.4ms-1。这个动作使得固体从合成气中滴落到第二腔室22底部的排放系统34中。
或者，换句话说，处理气体通过湍流脱离的接口30流动。这种结构允许合成气和任何含有的固体污染物解除连接。
整个固体负荷的管理要么是(1)具有低污染倾向的完全未熔化的固体灰(不是“粘性”)，要么是(2)完全熔化的灰(作为渣沿着反应器的壁流动到排放系统)是相对可控的。然而，在大多数过程中，固体将包括这两种状态的一部分。典型的工艺在这样的温度下操作，该温度使得固体可能不具有沿着反应器10壁流动的流变性，但具有足够的粘性以粘附于其上。
在引入反应器10之前，可将吸附剂介质添加到合成气中。这种吸附剂的熔点高于灰，因此提高了灰的整体熔融性能。吸附剂介质防止反应器10中的固体滞留。下面详细介绍了这一布置方式的细节。
反应器10还包括二级床进料注入系统22和温度控制系统(未示出)。二级床进料通常是进料到腔室12中的研磨介质。这种研磨介质可以经过入口管道中的输入位置或者通过氧气注入喷枪42与载体介质(例如蒸汽)一起引入到反应室中。
二级床进料(有时被称为SBF)还充当具有高表面积的吸附剂，冷凝或熔融部分可在其上成核和沉积，防止灰尘沉积在腔室12的多个内表面上。通常，从SBF获得的表面积比内部工艺表面高2000-4000％，使得在SBF上沉积的概率比在表面上沉积的概率高得多。
SBF介质可以是灰改性剂或催化剂，用于增强腔室12内的反应和/或抑制结垢。
参考图3a，反应器10包括用于引入二级床进料介质的导管或入口，以及用于排出二级床介质和收集的固体的第二导管或出口。二级床进料注入系统22包括锁料斗36，可将蒸汽进料、氮气进料和二级床介质进料输入锁料斗36。每个进料被传递到与反应器10接合的入口管道。
用于引入二级床进料介质的导管或入口可以是一个或多个合成气输入点14，以及多个氧气注入喷嘴42。然而，也考虑了专用输入。
可以提供另外的二级床介质馈送器50。
在出口管道上可以设置第三SBF系统52。
多个SBF注入点可以定位为减轻污垢倾向。
图3b示出了入口管道的放大示意图。在将二级床介质引入反应器10之前，管道可以包括静态混合器54。静态混合器54通常由碳化硅制成。混合器可操作以加强引入反应器10的介质的混合。
反应器10能够在两种模式下运行。第一种是干模式，其中固体是未熔化或部分熔化的，第二种是湿模式，当固体是充分流动的炉渣时。二级床进料注入系统22可以与反应器10一起在正常运行中或在湿循环模式中以干方式工作。
在干模式下，通常由氧化铝基介质组成的研磨介质可被注入流体中。焦油裂解的最佳温度范围是1050℃-1100℃。这与反应器10所需的操作参数有关，因此固体通常主要处于不熔状态。因此，反应器10通常在干模式下工作。
反应器排放系统34由砂浴组成，该砂浴可操作以从反应堆10接收除去的固体，并使用冷却的排放螺杆逐步去除它们。为了控制温度，用小的流态化流维持砂浴，并确保所接收的任何固体或渣被团聚并带走。可以改变流化流速以改变团聚体尺寸。
在优选的布置中，蒸汽可以注入反应器排放系统34。在反应器排放系统34中收集的固体通常富含碳，并且与蒸汽反应以产生氢、一氧化碳和二氧化碳。
注入SBF的另一个优点是至少对第一腔室20进行内部清洁。第一腔室20中的流速通常大于6ms-1。相应地，SBF介质(吸附剂介质)充当研磨介质，通过侵蚀沉积物防止固体堆积。该过程可被认为类似于喷砂过程。此外，由于SBF介质存在于结构中，因此形成的任何沉积物都更脆弱。
湿循环方法被设计成将反应器10的操作温度暂时提高到1250℃以上，以使沉积的渣熔化并流入反应器底部。预计这将需要每隔3000小时进行一次，并根据灰产品的数量和特性运行大约6小时。
湿循环需要增加的氧气需求，燃烧更多的合成气以实现更高的产量。通过向POX腔室中补充注入辅助燃料，例如天然气，可以使该工艺过程更经济。反应器淬火以这种方式与下游SBF一起操作，以控制飞渣进入腔室12。炉渣排放到砂浴中，然后从反应器中提取出来。
水冷过程相机26可以安装在反应器10中，以便能够对关键区域中的沉积物形成进行可视化。
应当理解，本发明不受上述实施例的限制，并且许多变化都在所附权利要求的范围内。
将进一步了解，本布置方式为反应器提供了接收高度可变的气体并将其正常化为有用质量的能力，并且在优选的多种布置中，利用来自气体本身的能量来稳固地提高操作温度，以确保较好的混合和较高的转化率，同时具有在多种状态下处理固体的能力。
将进一步了解，提供了一种反应器10，用于将合成气加热到大约1200℃，并将其保持在该温度下一定的驻留时间。这种组合以较高的效率使合成气中的焦油裂解。温度是通过注入氧气来获得的，氧气引起一定比例的气体局部自燃。
反应器10还被设计为从合成气中除去飞灰。腔室12的流体力学设计使得材料流与腔室壁之间接触时间变长。这种布置允许飞灰粘附到腔室12上。该系统周期性地以可控方式排放飞灰。

Claims (12)

1.一种用于处理具有不同固体含量的合成气的平衡接近反应器，所述合成气来自碳质材料的气化，并且所述平衡接近反应器被配置成操作在1100℃以上，所述平衡接近反应器包括：
容器，其具有第一腔室、第二腔室和第三腔室，所述第一腔室和所述第二腔室通过接口连接，相对于所述第一腔室和所述第二腔室所述接口具有减小的横截面面积，其中：
所述第一腔室包括：
入口，可操作地允许未经处理的合成气进入所述容器；和
至少三个氧气注入喷嘴，所述至少三个氧气注入喷嘴允许氧气被注入到所述第一腔室中，其中所述入口和所述氧气注入喷嘴相对于穿过所述第一腔室、所述第二腔室和所述第三腔室中的每一个的轴线螺旋地布置在所述容器周围，
所述第二腔室包括出口，所述出口可操作以允许经处理的合成气离开所述容器，所述布置使得所述合成气在所述容器内保持至少10秒，并且
所述第三腔室被配置为接收已经落到所述第二腔室的底部的固体污染物，并且所述第三腔室包括蒸汽注入点。
2.根据权利要求1所述的平衡接近反应器，其中所述未经处理的合成气含有灰，并且操作温度保持在所述灰的熔融温度以下。
3.根据权利要求1所述的平衡接近反应器，其中所述容器中的压力保持在高于大气压力。
4.根据权利要求1所述的平衡接近反应器，其中所述容器中的压力保持在0.5至12bar(g)之间。
5.根据权利要求1所述的平衡接近反应器，其中所述入口包括换热器。
6.根据权利要求5所述的平衡接近反应器，其中所述换热器由碳化硅构成。
7.根据权利要求1-6任一项 中所述的平衡接近反应器，其中所述入口位于所述第一腔室的第一端，所述氧气注入喷嘴沿螺旋路径朝向所述第一腔室的第二端间隔开。
8.一种操作权利要求1所述的平衡接近反应器的方法，包括以下步骤：
a.将所述未经处理的合成气通过所述入口引入所述第一腔室；和
b.保持所述容器中的合成气至少10秒。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述平衡接近反应器在高于大气压下操作。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述平衡接近反应器包括多个操作模式，包括固体未熔化或部分熔化的干模式，以及固体为完全流动的熔渣时的湿模式。
11.一种用于处理具有不同固体含量的合成气的平衡接近反应器，所述合成气来自碳质材料的气化，并且所述平衡接近反应器被配置成操作在1100℃以上，所述平衡接近反应器包括：
容器，其具有第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和所述第二腔室通过接口连接，相对于所述第一腔室和所述第二腔室所述接口具有减小的横截面面积，其中：
第一腔室具有入口，所述入口可操作以允许未经处理的合成气进入所述容器，以及
所述第二腔室具有出口，所述出口可操作以允许经处理的合成气离开所述容器，所述布置使得合成气被保留在所述容器内至少10秒，以允许所述合成气接近平衡；
氧气注入系统，其中所述氧气注入系统可操作以将氧气注入到所述容器中，从而引起一定比例的合成气的自燃，以提高所述容器内的温度，使得所述合成气在所述容器中保持至少10秒的停留时间以允许所述合成气接近化学平衡；
所述氧气注入系统包括至少三个氧气注入喷嘴，以允许氧气被注入到所述容器中，其中所述入口和所述氧气注入喷嘴相对于所述容器的主轴螺旋地布置在所述容器周围，
其中所述氧气注入喷嘴包括允许同时注入其他介质的装置。
12.根据权利要求11所述的平衡接近反应器，其中所述出口相对于所述第二腔室向上成角度。
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