ES2197235T3 - Quemador mejorado para un proceso de oxidacion parcial que esta provisto de una extremidad rebajada y de una alimentacion de gas a presion. - Google Patents

Abstract

SE PRESENTA UN QUEMADOR MEJORADO (10) PARA UN LOS GENERADORES UTILIZADOS EN PROCESOS DE OXIDACION PARCIAL QUE TIENE UNOS PASADIZOS ANULARES (26) FORMADOS ENTRE UNOS CONDUCTOS ALINEADOS COAXIALMENTE (13, 14) QUE SE EXTIENDEN DESDE LAS FUENTES DE LA PARTE DE ARRIBA HASTA LA ZONA DE REACCION DE LA PARTE DE ABAJO. UNA CAMISA REFRIGERANTE EXTERIOR (21) CON UN DEFLECTOR EN EL INTERIOR (22) PARA EL FLUJO OPTIMO DEL REFRIGERANTE Y DE UN TAMAÑO COMO PARA QUE QUEDE UNA ZONA MINIMA EN LA PARTE DE ABAJO, RODEA A UN CONDUCTO RANURADO Y DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE/OXIDANTE (13) QUE TERMINA EN UNA BOQUILLA. EL CONDUCTO DE SUMINISTRO CENTRAL (13) NO QUEDA ACOPLADO A LA CAMISA REFRIGERANTE Y EL ESPACIO ANULAR ENTRE ELLOS (26) SE CONECTA A UNA FUENTE DE SUMINISTRO DE ALTA PRESION DE UN GAS RELATIVAMENTE INERTE AL QUE SE PUEDE DAR SALIDA PERIODICAMENTE A TRAVES DEL ESPACIO ANULAR PARA EVITAR QUE SE ACUMULEN ESCORIAS EN LA BOQUILLA (20) O EN LA CAMISA REFRIGERANTE (21).

Description

Quemador mejorado para un proceso de oxidación parcial que esta provisto de una extremidad rebajada y de una alimentación de gas a presión.

Antecedentes de la invención

Esta invención se relaciona con una mejora en el diseño y comportamiento de un quemador de utilidad en la producción de mezclas gaseosas que comprenden H_{2} y CO, tales como gas de síntesis, gas combustible y gas reductor, mediante la oxidación parcial de suspensiones espesas bombeables de combustibles hidrocarbonados sólidos en un vehículo líquido o de combustibles hidrocarbonados líquidos.

Se han utilizado quemadores de tipo anular para introducir corrientes de alimentación en un generador de gas de oxidación parcial. En EP-A-0 481 955 se describe dicho quemador anular. Además, en la patente US co-cedida 5.261.602, en dicho sistema se emplea un quemador mejorado que presenta un diseño de ``extremidad caliente'' y en donde se utiliza una extremidad de material cerámico poroso. Dichos quemadores se emplean para introducir simultáneamente las diversas corrientes de alimentación en el reactor de oxidación parcial. Quemadores de simple, doble y triple corona anular se muestran, por ejemplo, en las Patentes US co-cedidas 3.528.930; 3.758.037; y 4.443.230, respectivamente, para la introducción de varias corrientes de alimentación en dichos sistemas.

Cuando dichos quemadores se emplean con mezclas en forma de suspensiones espesas bombeables de combustibles hidrocarbonados en un vehículo líquido o cuando se emplean con ciertos combustibles hidrocarbonados líquidos, un problema que surge muy frecuentemente al trabajar con materiales de alimentación de alto contenido en cenizas es el de la formación de depósitos de escoria en el cuerpo del quemador. Dichos depósitos dan lugar a un funcionamiento inestable del gasificador. Se forma un depósito de escoria en el cuerpo del quemador el cual crece hasta que el mismo interfiere con el diseño del quemador para la pulverización de combustible y de gas que contiene oxígeno libre. Esto se traduce en niveles mayores y variables de dióxido de carbono y metano en el gas producido y hace que la temperatura del gasificador suba hasta el punto en donde el gasificador ha de ser parado por motivos de seguridad. Ciertos materiales de alimentación particularmente ``sucios'' pueden tener un efecto particularmente exacerbante sobre dicho problema. Uno de tales materiales de alimentación comprende carbón y suciedad con 30 a 40% de los sólidos como cenizas (es decir, compuestos inorgánicos) en una suspensión acuosa espesa.

Dichos quemadores llegan a entrar en contacto con gases en recirculación en la zona de interacción que contacta con las superficies exteriores del quemador. Estos gases pueden tener una temperatura del orden de 926,67ºC (1.700ºF) a 1926,67ºC (3.500º F). Los quemadores son enfriados para soportar estas temperaturas por medio de canales de refrigeración a través de los cuales se pasa un refrigerante líquido tal como agua. Se enrollan serpentines de refrigeración sobre las superficies exteriores del quemador a lo largo de su longitud. Igualmente, se ha hecho uso de una cámara de refrigeración de configuración anular para proporcionar un enfriamiento adicional en la cara del quemador. Como consecuencia del flujo térmico desde el gasificador radiante a la cara del quemador, así como a través de la cámara del quemador hasta el líquido de enfriamiento, pueden desarrollarse fisuras por cargas térmicas en el metal próximo a la extremidad del quemador. Estas fisuras pueden conducir a modificaciones del flujo de los diversos materiales de alimentación, cuyas modificaciones pueden incapacitar al quemador por completo.

Resumen de la invención

De forma breve, la presente invención proporciona un cuerpo de quemador mejorado diseñado para reducir el potencial de la formación de depósitos en el quemador que afectan al comportamiento del gasificador, así como para reducir la fisuración por fatiga del metal, térmicamente inducida, mediante el desacoplamiento mecánico de anillos del quemador anular, coaxialmente alineados. Esto se lleva a cabo en la presente invención desacoplando la camisa de agua de refrigeración respecto de la tobera pulverizadora y retrocediendo la tobera o el conjunto de la tobera del quemador axialmente al interior de la camisa de agua de refrigeración para reducir el flujo de calor radiante hacia la tobera, modificando el modelo de flujo de gas alrededor de la tobera del quemador para reducir el impacto de material en partículas, mejorando el modelo de flujo de agua de refrigeración en la camisa de agua de refrigeración para reducir la temperatura de la camisa y evitar la adhesión de las partículas de escoria fundida, y creando un conducto de purga de gas y de alimentación de depósitos a presión entre la tobera del quemador y la camisa de agua de refrigeración. La camisa de refrigeración exterior presenta también un área frontal reducida para reducir al mínimo el área superficial para la formación de depósitos de escoria fundida y para reducir la transferencia de calor radiante, lo cual, junto con el conducto de alimentación de gas a presión, dificulta que pueda formarse cualquier depósito que puentee el espacio de separación entre la camisa de refrigerante y la propia tobera del quemador.

Las anteriores características y ventajas de la invención podrán entenderse mejor haciendo referencia a la siguiente descripción detallada de la invención considerada en combinación con los dibujos adjuntos. Ha de entenderse que los dibujos se ofrecen solo con fines ilustrativos y de ningún modo limitativos de la invención.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista transversal o lateral esquemática de un conjunto de quemador de oxidación parcial de acuerdo con los conceptos de la presente invención.

La figura 2 es un detalle a mayor escala de la punta o extremidad del quemador del conjunto de la figura 1, mostrado según una vista esquemática en sección transversal longitudinal.

Descripción detallada de la invención

Con referencia en primer lugar a la figura 1, en la misma se muestra esquemáticamente un conjunto de quemador para utilizarse en un reactor de oxidación parcial de acuerdo con los conceptos de la presente invención. El detalle de la forma del tubo de suministro 13 del conjunto de quemador no es importante con respecto a la presente invención. Se entenderá que el tubo de suministro de material de alimentación 13 puede tener, si se desea, un diseño de simple, doble o triple corona anular como se muestra en las Patentes US co-cedidas 3.528.930; 3.758.037 y 4.443.230 o incluso más coronas anulares múltiples, si así se desea. Para los fines de la descripción de la presente invención, la línea o tubo de material de alimentación 13 se considerará genéricamente para representar cualquier tubo de alimentación de dicho diseño para el suministro de la alimentación a un reactor de oxidación parcial no catalítica para la producción de gas de síntesis, gas combustible o gas reductor. El material de alimentación puede comprender habitualmente una suspensión espesa bombeable de combustible hidrocarbonado sólido molido en un vehículo líquido tal como agua, o bien de sólidos hidrocarbonados o inorgánicos líquidos en un hidrocarburo líquido y un gas que contiene oxígeno libre, tal como aire con o sin mezcla con un moderador de la temperatura. El extremo de suministro del conjunto del quemador de la figura 1 se refiere como el extremo aguas arriba y el extremo de la zona de reacción o el extremo de la tobera del conjunto del quemador se refiere como el extremo aguas abajo.

El conjunto de quemador de la figura 1 se muestra generalmente en 10. El gas que contiene oxígeno libre, a la presión operativa deseada, se suministra por vía de un conducto tubular 12A unido a un conector embridado 12. De manera similar, el material de alimentación en forma de suspensión espesa bombeable se suministra al conjunto de quemador 10 por vía del conjunto tubular 11A unido a una conexión embridada 11 para el mismo. Los tubos de alimentación de hidrocarburo y de oxígeno se pueden intercambiar en un quemador de dos corrientes sin que ello afecte a la invención. La mezcla de estos componentes tiene lugar internamente de acuerdo con el diseño de los tubos de alimentación y el material de alimentación resultante de los mismos entra en el tubo de suministro genérico de material de alimentación 13 en su extremo aguas arriba que se extiende a través de un conector embridado 17 al interior del recipiente del reactor (no mostrado). Igualmente, en el exterior del recipiente del reactor, un conector de suministro de refrigerante 15 acoplado a un tubo de suministro de refrigerante 19, pasa a través del conector embridado de obturación 17. Un conector de suministro de gas a presión 16 está conectado a una fuente a alta presión (no mostrada) de un gas inerte (tal como N_{2}) para los fines que se describirán con mayor detalle a continuación y que se suministra al conducto tubular 24 para dicha finalidad. Un tubo de retorno de refrigerante 18 pasa también a través del conector embridado de obturación 17 y termina en un conector exterior 14 para el retorno del refrigerante calentado desde el interior del recipiente del reactor.

En el lado interior del conector embridado 17 (con respecto al recipiente del reactor), la línea de suministro de refrigerante 19 está enrollada helicoidalmente alrededor del exterior del tubo de suministro de material de alimentación 13 a lo largo de su longitud, para suministrar refrigerante a la extremidad aguas abajo del quemador, lo cual se muestra con mayor detalle en la vista esquemática en sección transversal de la figura 2. Ha de observarse que en el interior del recipiente del reactor existen gases calientes que se encuentran a una temperatura del orden de 926,67ºC (1.700ºF) a 1926,67ºC (3.500ºF). Con el fin de proteger las líneas de alimentación 13, 18, 19 y 24 del ataque por parte del gas ácido de condensación, tal como HCl, en esta región, dichas líneas se empotran en un material refractario o cerámico especial.

En la proximidad del conjunto de la extremidad del quemador, mostrado en la figura 2, la temperatura es del orden de 1.260ºC (2.300ºF) a 1.648,89ºC (3.000º F). Dependiendo del combustible y de las condiciones operativas de la unidad, se puede producir cenizas volantes, escoria u hollín de carbón en partículas, junto con los productos deseados, tales como H_{2} y CO. También pueden estar presentes uno o más de CO_{2}, H_{2}O, N_{2}, A, CH_{4}, H_{2}S y COS. Dado que la extremidad del quemador se enfría por el flujo de refrigerante de la camisa de refrigerante 21 que rodea a la tobera rebajada 20 que suministra la corriente de alimentación en la zona de reacción, se pueden condensar en la misma depósitos de escoria o de cenizas volantes. Dichos depósitos se pueden acumular y pueden perturbar el modelo de flujo de gases en el extremo aguas abajo del quemador incapacitando con ello al quemador. Para que la extremidad 20 del quemador se encuentre por debajo de la temperatura a la cual se adhiere la escoria, la tobera existente en la extremidad 20 está rebajada axialmente hacia el interior en una distancia 23 desde el extremo exterior 21A de la camisa de refrigerante 21, como se muestra en la figura 2. Además, la profundidad del canal de refrigerante (agua) 19 que fluye a través de la camisa 21 se ha reducido al mínimo mediante el uso de una pared deflector anular interna 22 dispuesta en la forma ilustrada. El refrigerante procedente de la línea 19 entra en la camisa 21 y fluye a lo largo de la superficie exterior de la camisa 21, debido al deflector 22, hasta que llega a la extremidad 21A de la camisa de refrigeración 21. Entonces retorna por vía de la corona anular 22A entre la pared interior de la camisa 21 hacia el conducto de retorno de refrigerante 18.

La tobera 20 del quemador está provista de una porción de pared o pestaña de mayor espesor 25 que tiende a mantener el conducto de suministro de material de alimentación 13 y la tobera 20 en posición centrada en la camisa de refrigerante 21. De forma periódica, se suministra gas inerte a elevada presión, tal como N_{2}, por vía del conducto 24 al conducto de alimentación de gas a presión 26 en donde puede fluir de forma brusca axialmente a lo largo del conducto 26 para salir hacia la zona de reacción próxima a la tobera 20. Estas alimentaciones o chorros de gas a elevada presión pueden separar por soplado cualquier escoria fundida que tienda a acumularse cerca de la extremidad de la tobera 20 o en el conducto 26 o que se dirija a la zona de la extremidad 21A. Para este fin, se emplean velocidades de gas de purga (dependiendo del tamaño del quemador) de 0-56,63 metros cúbicos normales por hora (SCMH) (0-2000 pies cúbicos normales por hora (SCFH)) a temperatura y presión normales, preferentemente del orden de 7,08 SCMH (250 SCFH). Se puede emplear una frecuencia de alimentación a presión del gas de 0,6 segundos desde cada 10 minutos a cada minuto.

Por otro lado, el conducto de alimentación a presión de gas 26 entre la extremidad del quemador en la tobera 20 y la camisa de agua de refrigeración 21 reduce al mínimo la carga térmica sobre la tobera 20 y sobre la camisa de refrigerante 21. Esto conduce a una menor expansión y contracción térmicas de la tobera 20 y de la camisa 21 y, de este modo, a una menor fatiga del metal. Igualmente, al retraer la tobera 20, se reduce la carga de calor radiante procedente de la zona de reacción dado que la propia pulverización de la alimentación forma una pantalla. Esto disminuye la temperatura de la tobera 20 y también reduce el impacto de material en partículas procedente de la zona de reacción sobre la tobera 20, conduciendo ello a una menor posibilidad de acumulación de escoria sobre la boquilla 20 o sobre la camisa 21. La distancia de retracción 23 de la tobera 20 es, como es lógico, una función del diseño de la tobera, diámetros tubulares, velocidades de flujo del material de alimentación, tipos de material de alimentación, etc., hasta justo antes de que la pulverización de material de alimentación impacte sobre la camisa de refrigeración 21. La distancia 23 podría variar, por ejemplo, desde 2,54 mm (0,1 pulgadas) a 21,6 mm (0,85 pulgadas) con un intervalo preferible de 7,62 mm (0,3 pulgadas) a 10,16 mm (0,4 pulgadas) para las velocidades de flujo habituales de material de alimentación, tipos de material de alimentación, diseños de las toberas y diámetros tubulares que normalmente se utilizan.

Un quemador de este diseño ha sido ensayado con un material de alimentación particularmente sucio consistente en carbón y suciedad con 30 a 40% de los sólidos del material de alimentación como cenizas. De manera sorprendente, se obtuvieron buenos resultados ya que la prueba del quemador durante 101 horas y varias pruebas más cortas dieron como resultado depósitos de escoria despreciables en el quemador. Los anteriores diseños de quemadores ensayados con este material de alimentación nunca superaron una duración de 6 horas sin que surgiera un problema debido a la acumulación de escoria en el quemador.

Además del conducto de alimentación de gas a presión relativamente limpio 26 y de la retracción de la tobera 20 en la distancia 23, el diseño de quemador preferido de la presente invención utiliza un quemador que tiene una extremidad de área superficial mínima 21A expuesta a la zona de reacción junto con las características superiores de flujo de agua anteriormente descritas de la extremidad del quemador. La curvatura de la extremidad de enfriamiento en forma de corona anular 21A da lugar a la máxima relación de superficie enfriada con respecto a la radiación incidente y, de este modo, disminuye la temperatura del área de la extremidad de enfriamiento. La distribución uniforme de refrigerante dentro de la camisa 21, producida por el deflector anular 22, permite también utilizar metal más fino en la camisa que en el caso de los diseños anteriores. Ello aumenta también el efecto de enfriamiento del agua de refrigeración en movimiento. Todas estas características actúan conjuntamente para reducir la temperatura en la superficie exterior de la camisa de refrigeración de manera importante y, de este modo, se reduce la probabilidad de que se adhieran partículas de escoria fundida en la camisa 21 y formen un depósito. En particular, las áreas 20, 21A, que están orientadas hacia la zona en cuestión y que normalmente serán las más calientes debido al calentamiento por radiación incidente, se enfrían en la mayor medida posible. Esto asegura que la superficie permanezca por debajo de la temperatura de adhesión de las partículas de escoria que pudieran impactar sobre estas superficies. Igualmente, una pequeña purga continua de nitrógeno a través del canal 26 reduce la difusión de partículas hacia estas superficies. Para este fin solo se necesita un flujo de nitrógeno minúsculo que presenta un impacto despreciable sobre el funcionamiento del quemador.

Claims (7)

1. Un quemador (10) para la oxidación parcial de una corriente de combustible reactante que comprende un combustible hidrocarbonado o una suspensión espesa bombeable de un combustible hidrocarbonado sólido en un vehículo líquido, del tipo que comprende un conducto central (13) y una pluralidad de conductos coaxiales separados con conductos anulares de flujo descendente (26) en donde dichos conductos desembocan en una zona de reacción de un reactor de oxidación parcial en sus extremos aguas abajo y en donde dicho conducto central (13) termina en una tobera de menor diámetro (20) que desemboca en la zona de reacción, estando dicha tobera (20) axialmente rebajada (23) desde dicha zona de reacción al interior de una camisa de refrigerante circundante (21), consistiendo dicha camisa (21) en un elemento coaxialmente alineado y completamente cerrado en los extremos y que tiene una línea de suministro de refrigerante (19) y una línea de retorno de refrigerante (18) ambas unidas a su extremo aguas abajo, y un deflector interno anular coaxialmente alineado (22) que divide el interior de dicha camisa (21) en un conducto de flujo de entrada de refrigerante y en un conducto de flujo de salida de refrigerante, estando dichos conductos coaxialmente alineados entre sí y con dicho conducto central (13), y extendiéndose dicho deflector (22) casi hasta el extremo cerrado aguas abajo (21A) de dicha camisa (21) y formando, dentro de dicha camisa (21), dichos conductos de flujo de entrada y de salida de refrigerante, y teniendo dicho extremo cerrado aguas abajo (21A) de dicha camisa (21) un área superficial lo más pequeña posible de acuerdo con el entorno circundante y estando separado de dicho conducto central (13), estando rebajada (23) la tobera (20) de dicho conducto central (13) en el extremo aguas debajo de dicha camisa (21) con el fin de evitar en la mayor medida posible que la pulverización de material desde dicha tobera (20) entre en contacto con la pared interior de dicha camisa (21), y formando la corona anular entre la pared interior de dicha camisa (21) y dicho conducto central (13) un conducto de alimentación de gas a presión de configuración anular y coaxialmente alineado (26) suministrado, en su extremo aguas arriba, con una fuente de gas relativamente inerte a elevada presión que puede ser ventilado a lo largo de dicha tobera (20) al interior de la zona de reacción.

2. Un quemador (10) según la reivindicación 1, en donde dicho conducto central (13) tiene un hombro coaxialmente alineado aguas arriba de dicho extremo de la tobera (20) para mantenerlo centrado dentro de dicho conducto de alimentación de gas a presión de dicha tobera (20).

3. Un quemador (10) según la reivindicación 2, en donde la configuración de dicha camisa de refrigerante (21) y de dicho deflector interior (22) es tal que el refrigerante de dicha línea de suministro de refrigerante (19) es enviado primeramente a lo largo de la pared exterior de dicha camisa (21) hacia su extremo aguas abajo y luego a lo largo de su pared interior hacia dicha línea de retorno de refrigerante (18).

4. Un quemador (10) según la reivindicación 3, en donde dicha tobera (20) de dicho conducto central (13) está rebajada en 2,54 mm (0,1 pulgadas) a 21,6 mm (0,85 pulgadas) desde el extremo aguas abajo de dicha camisa de refrigerante (21).

5. Un quemador (10) según la reivindicación 4, en donde dicha tobera de dicho conducto central (13) está rebajada en 7,62 mm (0,3 pulgadas) a 10,16 mm (0,4 pulgadas) desde el extremo aguas abajo de dicha camisa de refrigerante (21).

6. Un quemador (10) según la reivindicación 4, en donde se mantiene un flujo continuo de gas nitrógeno en dicho conducto de alimentación de gas a presión (26) para limitar la difusión de dichas partículas hacia la superficie del quemador (10).

7. Un quemador (10) según la reivindicación 6, en donde también se introduce, periódicamente, una alimentación a velocidad sónica y a presión de gas nitrógeno en dicho conducto de alimentación de gas a presión (26) para eliminar cualquier depósito que pueda formarse sobre la superficie del quemador (10).