CN1145112A - 一种加压反应器系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种操作加压反应器系统(1)的方法和设备，以便精确地控制压力容器(3)中的温度，使发生冷凝的机会最小，并防止温度升高到有害的程度。而同时在开车过程中能迅速将其加热。使气体从内容积的一部分循环到另一部分，以便控制内容积的温度，这是通过例如使气体通过一个联有热交换器(8)，控制阀(9)，鼓风机(10)和压缩机(11)的外部管道(7)，或使循环气在一个或多个完全在燃烧容器内部通常垂直延伸的装有热交换器，流量控制阀或其它类似设备的气体通道中自然对流实现的。最好以惰性气体作为循环气体。该惰性气体也可被用于紧急停车场合，当到反应器的反应气体供给中断时将惰性气体送入反应器。

Description

一种加压反应器系统及其操作方法
发明背景和摘要
本发明涉及一种加压反应器系统及其操作方法。更确切地说本发明涉及一种在加压反应器系统内进行热导出反应(例如燃烧或气化反应)时控制加压反应器系统的压力容器内部的工艺条件，和同时控制该压力容器中的工艺条件的方法和设备。
美国专利No.5,251,343公开了一种加压流化床锅炉动力装置，在将压缩空气从压缩机输送到锅炉的管道上装有一台空气冷却器。动力装置的压力容器还有一个设在压力容器内的隔热屏。将被冷却器冷却了的压缩空气送到隔热屏和压力容器内壁之间的空间，再进一步送到隔热屏和反应器之间的空间。空气最终被送到锅炉中进行燃烧。但是这种方法不能充分有效地控制压力容器内的温度；气体流动和温度总是决定于反应器的工艺要求，即燃烧过程。
在公开文本WO/91/17389和美国专利No.4,852,345中也建议在将压缩空气送入压力容器中以前使其冷却。两个文件都提出在送入压力容器，并接着送入反应室以前将压缩空气冷却。
还建议在反应室系统的壁结构中提供一股水流，将反应壁的温度维持在一定程度。但是此温度通常很高，以致水必须在很高压力下，例如高到5bar，才能避免蒸发和保持温度的可控性。这种高压结构是昂贵和笨重的，通常是不希望采用的。
先有技术系统还有一些明显缺点，特别在有效地控制压力容器的工艺条件方面。使工艺气体流经压力容器的整个气体空间来冷却压力容器所产生的控制作用是不充分的。
根据本发明的一个方面，提供一种加压反应器系统的操作方法。该反应器系统包括一个被包围在一个压力容器内带有一个反应室的工艺容器组合体，一个将加压气体送到反应器系统的第一管道，一个在压力容器内限定在压力容器内部和工艺容器组合体外部之间的内容积，以及一个将排出气从工艺容器组合体送到压力容器外部的第二管道。该方法包括以下步骤：(a)将超大气压力气体从第一管道送入工艺容器组合体；(b)在工艺容器组合体的反应室中维持热导出反应；(c)将气体从工艺容器组合体和压力容器经第二管道排出；(d)将气体从内容积的一部分循环到另一部分以控制内容积的温度。
步骤(d)最好是通过循环一种惰性气体，例如氮气或二氧化碳，或者作为一种替代办法循环空气来进行。在实行步骤(d)的过程中最好还另外有冷却或加热循环气的步骤。在实行步骤(d)的过程中最好还有控制循环气流量(如通过控制一个自动操作阀，或通过控制一台风扇或鼓风机转速)，以及提高循环气压力(例如通过将加压气体送入循环回路)的步骤。加热步骤可在开车过程中进行，其次在完成开车后还有终止循环气加热以及随后在进行步骤(d)的过程中冷却循环气的步骤。
可以通过在一个第一位置从内容积抽取气体送出压力容器；调整压力容器外的循环气温度，并将其增压；然后在一个距第一位置很远的第二位置使循环气返回内容积来实行步骤(d)。还可通过从压力容器顶部抽出循环气，而在靠近其底部返回气体(在稳定操作过程中)，或者相反(一般在开车过程中)来实行步骤(d)。按另一种方法可以基本上完全在压力容器中的内容积里进行步骤(d)，这是通过提供一个或多个和内容积成一体的通常是垂直的内部管道，在内管道中实现步骤(d)的。在进行步骤(d)时气体一般是靠自然对流在内管道中向上或向下流动的，同时在气体在内通道中循环的过程中可以调节其温度。
步骤(c)一般是通过在一台固体物流化床，包括一个循环流化床反应器的工艺容器组合体中进行燃料的燃烧或气化实现的，而步骤(a)一般是在2-100bar压力下引入气体来进行的。为应付或预期工艺容器组合体的一次停车，还可以从内部气体容积中抽出气体送入到循环流化床反应器中以终止其中的燃烧或气化反应。
一般通过步骤(d)调节循环气温度，以避免在压力容器和工艺容器系统中发生腐蚀气体冷凝，并防止温度升高到有危害的程度。
根据本发明的另一方面，提供一个包括以下组成部分的加压反应器系统：一个压力容器；一个在压力容器内部的有一个在其中发生热导出反应的反应室的工艺容器组合体；一个限定在压力容器内部和工艺容器组合体外部之间的内部气体容积；一个在压力容器外的超大气压力气体源；一个将气体从气源输送到工艺容器组合体内反应室的第一管道；一个将反应室排出的气体送到压力容器外的第二管道；以及使气体从内容积的一部分循环到另一部分以便控制内容积温度的装置。
气体循环装置可以包括一个气体通道和加热或冷却气体通道中气体的装置。气体通道一般是或主要设置在压力容器外部，或完全设置在压力容器内。当气体通道主要设在压力容器外部时，提供从压力容器的一个第一部位引出气体，并在加热或冷却之后将引出的气体重新注入容器的一个第二部位的装置，第二部位与第一部位间略有间隔，其间隔至少应足以发挥循环装置所应有的功能。
该系统还可包括一台设置在压力容器外的通道上的风扇或风机，以便控制气体循环流量并作用于气体以实现循环。还可提供使循环气体增压的装置，例如一台压缩机。
工艺容器组合体最好包括一台循环流化床反应器。
在入口管道上最好提供一个控制阀，在紧急状态下该控制阀可以自动操作以切断到流化床反应器去的反应气体供应。
循环装置可包括一个通常垂直安放的完全设置在内容积中的气体通道，它有一个靠近内容积底部的为内容积内气体进入或排出的开口，以及一个靠近内容积顶部使气体自所说通道排出或进入的开口。气体通过循环装置的流动方向由冷却或加热循环气体产生的对流所决定。在气体通道上可以设置加热或冷却循环在气体通道中的气体的装置，该装置包括例如一台管式热交换器或板式热交换器，它构成该通道的一部分。气体通道的尺寸，走向和结构最好使气体能在自然对流作用下通过它循环。
可提供一个联到压力容器上的卸压阀，以便在紧急状况下排放压力。最好还提供一个第三管道，从内部气体空间引到压力容器外部，再返回到反应室，然后到流化床反应器，同时在压力容器外的第三管道上提供一个自动操作阀。在压力容器外的一个气体通道上最好还设置一个自动控制阀。
设在压力容器内的循环装置还包括一块通常是垂直安放的板，它完全设置在内部气体容积中，靠近压力容器的一个垂直壁面，但保持一定间隔以形成气体通道，通道的顶部和底部是敞开的。靠近该通道底部可提供一个流量控制阀。在压力容器内可提供许多内管或限定气体通道的板。
当气体被引入一个循环管道的一端，例如在压力容器的上部，同时例如当气体被冷却时它在由气体密度决定的压差作用下向下流动。作为推动力的压差产生于气体的冷却。这样甚至没有一台机械鼓风机也可以使气体循环。最低要求是在该容器的两个位置间提供一个流动通道，并连接传热装置使循环气的温度受到影响：若气体被加热，则流向向上，而若被冷却，则向下。
最好是用惰性气体作为循环气，因而可以使气流限定的表面发生腐蚀的危险降到最小。惰性气体可以是N2，CO2或其它可得到的惰性气体或气体混合物。使用惰性气体还有另外一个好处：用惰性气体作为循环气体，有可能将循环用于紧急停车。如果加压流化床反应器系统被用于例如与一套驱动发电机的气体透平--压缩机组联运的燃料的加压气化或燃烧过程，则需要能迅速终止工艺容器系统中的反应。如果需要迅速停车，例如当突然失去透平的负荷时，最重要的是从安全考虑立即终止反应器内的燃烧反应。通过将循环惰性气体注入反应室可以非常方便地完成这一点。为此目的，可以提供有一根速联管道的气体循环系统，通过联到反应器的管道可以将惰性气体送入反应器。
附图简述
图1是描述本发明加压流化床反应器的一种典型实施方案的示意侧视图；以及
图2是描述本发明加压流化床反应器另一种示范实施方案的示意侧视图。
附图详述
在图1中举例说明了根据本发明的一个优选实施方案的加压流化床反应器系统1。该系统包括一个被封闭在一个压力容器3内的工艺容器组合体2(最好是一台带有反应室的循环流化床反应器)。在容器3的内表面和组合体4的外表面之间形成一个内部气体容积6。工艺容器系统2被表示成一台循环流化床反应器，它有一个反应室4，一个固体分离器5以及一个用于将产品(或废)气送出反应室4进行进一步加工的管道15。在与燃烧反应有关时产品气体可能是烟道气，而如果在反应室中进行的是气化反应时产品气体则是一种可燃的产品气。内部气体容积6与将气体在容积6内从一个区域循环到另一个区域的装置相连。循环装置可包括一个输送循环气的管道7。管道7上装有处理循环气的装置，例如一台根据需要冷却或加热循环气的热交换器8。循环气的冷却或加热最好是通过调节热交换器8中的第二传热介质的温度来实现，例如若需要加热循环气时将较热的传热介质送入热交换器。
在系统1的开车过程中可用热交换器8来加热循环气，以减少所需的开车时间。在系统1的正常操作过程中，控制气体容积6的温度，以便将容器3的周围壁面保持在所希望的温度下，特别为避免气体中的腐蚀性气体化合物发生有害的冷凝，以及消除四周设备(3，4)达到有害高温的可能性。
管道7还另外包括用于控制循环气流量的一个自动控制阀9和一台鼓风机或风扇10。
在反应室4中发生例如燃料的气化或燃烧反应。从一个超大气压力(例如2-100bar)的反应气源13(例如一台压缩机)将反应气体经过一段管道12直接送入反应室4。在图1的实施方案中，循环气不与反应气混合。这样就可能独立于反应室4中的反应对气体的要求之外选择循环气。例如在气化过程中可用N2作为循环气(在容积6中)，而用空气/水蒸汽作为反应气(经管道12引入)。
在图1中仅表示了为理解本发明所必需的那些特点，但应该认识到如果需要的话可以采用任何已知的其它设备。此外在图中仅表示了一台热交换器，而如果需要的话可以用几台，并且可以根据每项应用的特殊要求来选择循环气的流向以及工艺设备，例如风扇，阀门等的顺序。在图1中如果使用不同的循环气和反应气，则设有一台加压设备11，例如一台压缩机，可用来根据需要调节压力容器3(容积6)中的静压力。还可以用压缩机11将新鲜气体送入气体容积6中，同时为使压力保持在所希望的水平上，还可提供一个压力释放装置(例如卸压阀)16，可通过它将气体排出容器3。
根据本发明在容积6中优先选用一种惰性气体。惰性气体，例如N2可以减低气体容积6中材料发生腐蚀的危险，并且有一种附加的作用。完全相同的循环气，例如N2在系统1的正常操作过程中被循环，用来控制气体容积6中的工艺条件，特别是温度，以避免发生露点腐蚀，它还可以很方便地被用于紧急停车。当必须迅速终止反应室中的反应时，用装置14将循环气引入反应室4。在紧急停车状态下最重要的是立即切断经过管道12的反应气供给(例如关闭自动控制阀20)，同时将气体容积6中的惰性气体送入反应室4。还可以在关闭阀20后将惰性气体送入管道7，通过管道7加入惰性气体。
最好还提供一个用于处理从各种工艺设备传送来的输入信号18的控制系统17。可以为所有上述设备配备变送(例如传感)器，以及用于接受来自控制系统17的输出信号19的接受器，这样以上结合图1的实施方案所叙述的步骤可以为一台如控制系统17的计算机控制器所控制。
还应该了解循环回路可以如图2所示基本上完全设置在压力容器3内，而不是如图1所示主要设在容器3外部。虽然图2所示的实施方案表示在压力容器3的内部气体容积30中没有单独的循环气，但是作为一种替代办法在某些情况下可以优选一个单独的惰性气体循环回路。
图2表示根据本发明的另一种优选实施方案的加压流化床反应器系统21，它包括一个封闭在压力容器23中的工艺容器组合体22。工艺容器组合体22最好是一个循环流化床反应器24，它带有一个固体分离器25和一个将尾气送出容器23进行进一步加工的产品气体出口管215。反应气从超大气压力的气源213经过管道212进入压力容器23，然后从气体容积30经过入口216进入反应室24。假定在反应室24中进行的是燃料的燃烧反应，此情况下反应气可以是空气。
在图2中在压力容器23内部安装有一个或多个气体循环装置26和26′。气体循环系统26包括一个通常直立的用于输送循环气的管道(管子)27，处理程序都在此管道中进行。优选的处理程序是通过在通道27内设置传热组件28和28′实现的。热交换器28可以包括一个管束或板式热交换器，而热交换器28′则包括一个板式传热组件，形成通道27或27′的壁结构的一部分。还可为通道27′设置一个自动操作控制阀29，以调节循环气体流量。
在通道27，27′中气体的循环靠自然对流，即事实上没有另外的循环风扇或风机。在通道27，27′中气体被冷却或加热，分别使气体密度增加或减低，因而引起自然对流流动。
循环装置26′包括一个由安设在压力容器23的一个通常垂直壁面附近的壁构件216简单形成的通路或通道27′。这仅只是一个示范说明，应该了解的是通过在壁面附近放置一个壁构件216，容器23中任何适合的结构都可被利用来形成通路27′。和通道27一样，通道27′设有传热设备28和28′。热交换器28，28′的数目，类型或确切位置的确定决定于具体的应用。
最好还设置一套用于处理从各种工艺设备传送来的输入信号218的控制系统217。上述所有设备都可装设变送器件以及接受来自控制系统217的输出信号219的接收器件。这样以上结合图2叙述的设备可由例如控制系统217的一个计算机控制器控制。
图1和2仅仅是本发明的示意说明，而且图1和2实施方案的各种部件可以互相替换。例如可以在图2所描述的有内循环的系统中使用单独的循环气和反应气，这样就要求有一个从加压气源直接连到反应室24的性质不同的反应气的输入管道，以及一个到压力容器23的气体容积30的单独的循环气供给。在这种实施方案中使用惰性气体提供了一个附加的优选作用，即如和图1设备14有关的叙述所说，在紧急事故停车时可将循环气送入反应室，以迅速终止反应室中的反应。
虽然本发明是结合目前认为是最实用和优选的实施方案介绍的，应该了解的是本发明并不局限于所公开的实施方案，相反本发明将涵容包括在所附权利要求的精神和范围中的各种变型和等同的安排。

Claims (38)

1、操作加压反应器系统的方法，该系统包括带有一个反应室的被封闭在一个压力容器内的工艺容器组合体，一个将加压气体输送到反应器系统的第一管道，一个在压力容器内被限定在压力容器内部和工艺容器组合体外部间的内容积，以及一个将工艺容器组合体的尾气排送出压力容器的第二管道，该方法包括以下步骤：
(a)将超大气压力气体从第一管道送入工艺容器组合体；
(b)维持在工艺容器组合体的反应室中的热导出反应；
(c)从工艺容器组合体和压力容器经第二管道排出气体；以及
(d)将气体从内容积的一部分循环到另一部分，以控制内容积的温度。
2、权利要求1所述的方法，其中步骤(d)是通过循环惰性气体进行的。
3、权利要求1所述的方法，其中步骤(d)是通过循环氮或二氧化碳气进行的。
4、权利要求1所述的方法，其中步骤(d)是通过循环空气进行的。
5、权利要求1所述的方法，还另外包括在进行步骤(d)的过程中冷却循环气的步骤。
6、权利要求1所述的方法，还另外包括在进行步骤(d)的过程中加热循环气的步骤。
7、权利要求1所述的方法，还另外包括在进行步骤(d)的过程中控制循环气流量的步骤。
8、权利要求1所述的方法，还另外包括在进行步骤(d)的过程中提高循环气压力的步骤。
9、权利要求6所述的方法，其中所说的加热步骤在开车过程中进行，同时还另外包括在开车完成后终止循环气加热，并随后在进行步骤(d)的过程中冷却循环气的步骤。
10、权利要求9所述的方法，还另外包括在进行步骤(d)的过程中控制循环气流量，并将其增压的步骤。
11、权利要求1所述的方法，其中步骤(d)是通过从内容积的一个第一位置抽取气体送出压力容器；调节压力容器外的循环气温度，并将其增压；以及在和第一位置相隔很远的第二位置将循环气返回内容积来进行的。
12、权利要求11所述的方法，其中步骤(d)还可通过从压力容器顶部抽取循环气，并在靠近压力容器底部返回气体来进行。
13、权利要求1所述的方法，其中步骤(d)基本上是完全在压力容器的内容积中进行的。
14、权利要求13所述的方法，其中完全在内容积内安装有一根通常直立的内管道，并且其中步骤(d)是在该通常直立的内管道中进行的。
15、权利要求14所述的方法，其中在进行步骤(d)的过程中气体通常在自然对流作用下在内管道中向上或向下流动。
16、权利要求15所述的方法，其中当气体在内管道中循环时还另外包括调节气体温度的步骤。
17、权利要求1所述的方法，其中步骤(c)是通过燃料在一个固体物流化床中的燃烧或气化反应进行的，所说工艺容器组合体包括一台循环流化床反应器，同时其中步骤(a)是通过在2-100bar压力下送入气体进行的。
18、权利要求17所述的方法，还另外包括为对付或预期一次工艺容器组合体的停车，从内容积抽出气体并将抽出的气体送入循环流化床反应器以终止那里的燃烧或气化反应的步骤。
19、权利要求18所述的方法，其中步骤(d)是通过调节循环气温度以避免腐蚀性气体冷凝，和防止压力容器和工艺容器系统中温度上升到有害程度来进行的。
20、一种加压反应器系统，包括
一个压力容器；
一个在所说压力容器内，有一个在其中发生热导出反应的反应室的工艺容器组合体；
一个限定在所说压力容器内部和所说工艺容器组合体外部之间的内部气体容积；
一个在所说压力容器外部的超大气压力气体源；
一个将气体从所说气源送到所说工艺容器组合体的所说反应室中的第一管道；
一个将所说反应室排出的气体送到所说压力容器外部的第二管道；以及
用于将气体从所说内容积的一部分循环到另一部分以控制所说内容积温度的装置。
21、权利要求20所述的加压反应器系统，其中所说用于循环的装置包括一个气体通道，以及用于加热或冷却所说气体通道中气体的装置。
22、权利要求20所述的加压反应器系统，其中所说气体通道主要设置在所说压力容器外部，包括从所说压力容器的一个第一部位抽出气体，并在加热或冷却以后将抽出的气体重新送入所说压力容器一个与所说第一部位相隔很远的第二部位的装置。
23、权利要求22所述的加压反应器系统，还另外包括一台设置在所说压力容器外的所说通道上的，用于控制气体循环流量，同时作用于气体以实现其循环的风扇或鼓风机。
24、权利要求23所述的加压反应器系统，还另外包括使循环气增压的装置。
25、权利要求23所述的加压反应器系统，其中所说工艺容器组合体包括一个循环流化床反应器。
26、权利要求25所述的加压反应器系统，在所说第一管道上还另外包括一个控制阀。
27、权利要求20所述的加压反应器系统，其中所说的循环装置包括一个通常垂直延伸的，完全设置在所说内容积中的气体通道，该通道在靠近内容积底部有一个所说内容积中气体的入口，而在靠近其顶部有一个所说通道中气体的出口；同时该循环装置还包括设置在所说通道中用于加热或冷却在所说气体通道中循环的气体的装置。
28、权利要求27所述的加压反应器系统，其中所说气体通道的尺寸，取向和结构使得气体能在自然对流作用下在其中循环。
29、权利要求28所述的加压反应器系统，其中所说用于加热或冷却所说通道中气体的装置包括一个管束热交换器或一个板式热交换器，该热交换器构成所说通道的一部分。
30、权利要求27所述的加压反应器系统，其中所说工艺容器组合体包括一个循环流化床反应器。
31、权利要求20所述的加压反应器系统，还另外包括一个与所说压力容器相连的卸压阀，和一根从所说内容积通到所说压力容器外部，然后返回到所说工艺容器组合体中的所说反应室的第三管道，以及一个在所说压力容器外的所说第三管道上的自动操作阀。
32、权利要求22所述的加压反应器系统，还另外包括一个设置在所说压力容器外的所说气体通道上的自动控制阀。
33、权利要求22所述的加压反应器系统，还另外包括一台和所说压力容器外的所说气体通道相连的压缩机，用来提高循环气的压力。
34、权利要求20所述的加压反应器系统，其中所说循环装置包括一根完全设置在所说内容积内，在顶部和底部敞开的通常垂直安放的管子。
35、权利要求20所述的加压反应器系统，其中所说的循环装置包括一块完全设置在所说内容积内，靠近所说压力容器的一个垂直壁面但保持一定间隔的通常垂直延伸的板，以形成一个气体通道，所说的通道在其顶部和底部敞开，同时其尺寸，取向和结构使得能提供一个靠自然对流的气体通道。
36、权利要求35所述的加压反应器系统，还另外包括一个在所说通道内的管束热交换器或一个构成所说通道一部分的板管热交换器，用于对在所说通道内流动的气体进行加热或冷却。
37、权利要求34所述的加压反应器系统，还另外包括一个设置在所说管子内的用于加热或冷却在其中流动的气体的管束热交换器或板管热交换器。
38、权利要求35所述的加压反应器系统，还另外包括一个在所说通道中的气体流量控制阀。
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