ES2380281T3

ES2380281T3 - Inyector de gasificador

Info

Publication number: ES2380281T3
Application number: ES06252279T
Authority: ES
Inventors: Kenneth M. Sprouse; Shahram Farhangi; David R. Matthews
Original assignee: Pratt and Whitney Rocketdyne Inc
Current assignee: Aerojet Rocketdyne of DE Inc
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: EP1717295A1; ZA200603364B; CA2544793C; CA2544793A1; EP1717295B1; US20060242907A1; RU2400670C2; CN1903998A; US8308829B1; AU2006201789A1; AU2006201789B2; RU2006114090A; US8196848B2; PL1717295T3; CN1903998B; US20120267576A1

Abstract

Un módulo inyector (14) para un gasificador (10), comprendiendo el citado módulo inyector (14): un separador lodos de dos etapas (22); una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) que se extiende desde el separador de lodos de dos etapas (22); una placa de cara (30) del inyector que tiene los tubos inyectores de lodos (26) que se extienden a través de la misma e incluyendo un sistema de refrigeración para la refrigeración de la placa de cara (30) del inyector; una pluralidad de orificios anulares para choques (34) incorporados en la placa de cara (30) del inyector, rodeando cada orificio anular para choques (34) a un tubo de inyección de lodos correspondiente (26).

Description

Inyector de gasificador.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere en general a la gasificación de materiales carbonosos, tales como carbón o coque de petróleo. Más en particular, la invención se refiere a un dispositivo inyector y a un método utilizado para lograr una alta tasa de eficiencia en la gasificación de tales materiales carbonosos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los sistemas de electricidad y accionados eléctricamente son crecientemente más ubicuos y cada vez es más conveniente encontrar fuentes de energía. Por ejemplo, varios sistemas pueden convertir distintos compuestos petroquímicos, por ejemplo, materiales carbonosos tales como el carbón y el coque de petróleo, en energía eléctrica. Además, tales compuestos petroquímicos son utilizados para crear varios otros materiales, tal como el vapor, que se utiliza para accionar las turbinas de vapor.

La gasificación de materiales carbonosos, tales como el carbón y el coque de petróleo, en gas de síntesis (syngas), por ejemplo, mezclas de hidrógeno y monóxido de carbono, es un proceso industrial bien conocido y utilizado en las industrias petroquímica y de turbinas de gas. En los últimos 20 años, los gasificadores de carbón de flujo en suspensión se han convertido en el proceso principal en la producción de gas de síntesis. Sin embargo, estos gasificadores de flujo en suspensión no pueden hacer uso de la tecnología de inyectores de mezcla rápida. El fallo en la utilización de estas tecnologías hace que los volúmenes del gasificador y los costos de capital del gasificador sean mucho mayores de lo necesario. Se espera que la tecnología de los inyectores de mezcla rápida reduzca los volúmenes del gasificador de flujo en suspensión en aproximadamente un orden de magnitud, es decir, un factor de

10. Conseguir reducir el costo de capital total de estos gasificadores de carbón al reducir significativamente el volumen del gasificador es muy deseable.

Desde 1975, la compañía Rocketdyne ha diseñado y probado una serie de inyectores de mezcla rápida para la gasificación del carbón. La mayor parte de estos programas de diseño y de prueba se llevaron a cabo con contratos del Departamento de Energía de los EE.UU. entre 1975 y 1985. El inyector principal primario utilizado en estos programas del DOE fue la péntada de elementos múltiples. Cada elemento de péntada (4 en1) utiliza cuatro corrientes de gas a alta velocidad que chocan contra una corriente central de lodos de carbón. Los cuatro orificios de la corriente de gas se colocaron separados 90 grados unos de los otros en un círculo que rodeaba el orificio central de lodos de carbón. El ángulo de choque entre un chorro de gas y la corriente central de lodos de carbón era normalmente de 30 grados. Cada elemento de la péntada estaba dimensionado para fluir aproximadamente con 4 ton / h (es decir, 100 toneladas / día) de carbón seco, de manera que un gasificador comercial operando con una capacidad de 3.600 ton / día utiliza aproximadamente 36 elementos de péntada.

En general, los inyectores de mezcla rápida conocidos para la gasificación del carbón que hacen chocar gas oxígeno

o una mezcla de oxígeno y vapor contra una corriente de lodos son efectivos, pero se degradan rápidamente debido a las altas temperaturas de combustión del carbón / oxígeno que se producen muy cerca de la cara del inyector bajo las condiciones ambientales de oxidación local. Estas temperaturas de combustión pueden superar los 2760°C (5.000°F) en muchos casos. Además, tales inyectores de mezcla rápida conocidos son susceptibles a la obstrucción dentro de la corriente de lodos de carbón.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Se proporciona un gasificador que tiene una cámara de gasificación y un módulo de inyección, que incluye un separador de lodos de dos etapas y una placa de cara del inyector con un sistema de refrigeración incorporado en la misma, de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. El módulo inyector se utiliza para inyectar una corriente de lodos a alta presión en el interior de la cámara de gasificación y hacer chocar un reactivo a alta presión con la corriente de lodos a alta presión en el interior de la cámara de gasificación para generar una reacción de gasificación que convierte los lodos en un gas de síntesis.

En una realización preferida, el separador de lodos de dos etapas incluye una cavidad principal en la que se proporciona un corriente principal de lodos. La cavidad principal incluye una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa que dividen el flujo principal de lodos en una pluralidad de flujos secundarios de lodos que circulan en una pluralidad de cavidades secundarias que se extienden desde la cavidad principal en los extremos distales de los divisores de corriente de primera etapa. Cada cavidad secundaria incluye una pluralidad de divisores de flujo de segunda etapa que dividen cada flujo secundarios de lodos en una pluralidad de flujos terciarios de lodos que circulan en el interior de una pluralidad de tubos de inyección de lodos que se extienden desde las cavidades secundarias en los extremos distales de los divisores de flujo de segunda etapa. Los flujos terciarios se inyectan como corrientes de lodos a alta presión en la cámara de gasificación por medio de los tubos de inyección de lodos. El reactivo se hace chocar a alta presión contra cada corriente de lodos a alta presión por medio de una pluralidad de orificios anulares para choques incorporados en la placa de cara del inyector. Cada orificio anular para choques rodea uno de los tubos de inyección de lodos correspondiente, que se extienden a través de la placa de cara del inyector. En particular, cada orificio anular para choques produce una pulverización de forma anular a alta presión para choques que choca circunferencialmente contra la corriente de lodos correspondiente en 360º. Es decir, el reactivo choca contra la corriente de lodos en 360° completos.

La reacción de gasificación resultante genera temperaturas extremadamente altas y materia abrasiva, por ejemplo, escoria, en o cerca de la placa de cara del inyector. Sin embargo, el sistema de refrigeración incorporado en la placa de cara del inyector mantiene la placa de cara del inyector a una temperatura suficiente para reducir sustancialmente

o impedir que se produzca daño en la placa de cara del inyector por alta temperatura y / o por materia abrasiva.

Las características, funciones y ventajas de la presente invención se pueden alcanzar de forma independiente en varias realizaciones de la presente invención, o se pueden combinar en todavía otras realizaciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La presente invención se comprenderá de manera más completa a partir de la descripción detallada y de los dibujos que se acompañan, en los que:

la figura 1 es una vista isométrica de un sistema gasificador que incluye un módulo inyector y una cámara de gasificación, de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

la figura 2 es una vista en sección de un separador de lodos de dos etapas incluido en el módulo inyector que se muestra en la figura 1;

la figura 3 es una vista en sección del módulo inyector que se muestra en la figura 1, que ilustra una realización de un sistema de refrigeración de una placa de cara del inyector del módulo inyector;

la figura 4 es una vista isométrica de una porción de la placa de cara del inyector que se muestra en la figura 3;

la figura 5 es una vista en sección del módulo inyector que se muestra en la figura 1, que ilustra otra realización de un sistema de refrigeración de la placa de cara del inyector;

la figura 6 es una vista isométrica de un lado del reactivo de una porción de la placa de cara del inyector que se muestra en la figura 5;

la figura 7 es una vista isométrica de un lado de gasificación de una porción de la placa de cara del inyector que se muestra en la figura 5, y

la figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un método para gasificar materiales carbonosos utilizando el sistema gasificador que se muestra en la figura 1.

Los números de referencia correspondientes indican partes correspondientes en las distintas vistas de los dibujos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La descripción que sigue de las realizaciones preferidas es meramente de naturaleza ejemplar y de ninguna manera pretende limitar la invención, su aplicación o usos. Además, las ventajas proporcionadas por las realizaciones preferidas, como se describen a continuación, son de naturaleza ejemplar y no todas las realizaciones preferidas proporcionar las mismas ventajas o el mismo grado de ventajas.

La figura 1 ilustra un sistema gasificador 10, que incluye un módulo inyector 14 acoplado a una cámara de gasificación 18. El módulo inyector 14 está adaptado para inyectar una corriente de lodos a alta presión en la cámara de gasificación 18 y hacer chocar un reactivo a alta presión contra la corriente de lodos a alta presión para generar una reacción de gasificación en el interior de la cámara de gasificación 18, que convierte los lodos en un gas de síntesis. Más específicamente, el módulo inyector 14 mezcla un material carbonoso, tal como el carbón o el coque de petróleo, con un medio de lodos, tal como nitrógeno N2, dióxido de carbono CO2 o un gas de síntesis, por ejemplo, una mezcla de hidrógeno y CO, para formar los lodos. El módulo inyector 14 inyecta entonces los lodos, a una cierta presión, en la cámara de gasificación 18 y sustancialmente de manera simultánea, inyecta otros reactivos, tales como oxígeno y vapor, en la cámara de gasificación 18. En particular, el módulo inyector 14 hace chocar a los otros reactivos sobre los lodos provocando una reacción de gasificación que produce un gas de síntesis de alto contenido de energía, por ejemplo, hidrógeno y monóxido de carbono.

Cada uno del módulo inyector 14, y de la cámara de gasificación 18, tal como se describe en la presente memoria descriptiva, pueden ser subsistemas de un sistema de gasificación completo, que puede producir un gas de síntesis a partir de un material carbonoso, tal como el carbón o el coque de petróleo. Por ejemplo, el módulo inyector 14 y la cámara de gasificación 18 pueden ser subsistemas, es decir, componentes, del sistema gasificador de una única etapa, compacto y altamente eficiente, que se describe en una solicitud de patente en tramitación junto con la presente, número de serie 11/081.144, titulada Gasificador Compacto de Alta Eficiencia, presentada el 16 de marzo de 2005 y cedida a la compañía Boeing.

El módulo inyector 14 incluye un separador de lodos de dos etapas 22 y una pluralidad de tubos de inyección de lodos 26 que se extienden desde el separador de lodos de dos etapas y a través de la placa de cara 30 del inyector. En una realización ejemplar, el módulo inyector 14 incluye treinta y seis tubos de inyección de lodos 26. Los tubos de inyección de lodos 26 transportan flujos de lodos a alta presión desde el módulo de inyección 14 e inyectan los lodos en la cámara de gasificación 18. Más específicamente, los tubos de inyección de lodos 26 son tubos sustancialmente huecos, abiertos en ambos extremos para permitir el flujo eficaz sin obstáculos de los lodos. Es decir, no hay medición de los lodos cuando circulan a través de los tubos de inyección de lodos 26. Además, la corriente de lodos a través de los tubos de inyección de lodos 26 es un flujo de lodos en fase densa. La placa de cara 30 del inyector incluye un sistema de refrigeración para la refrigeración de la placa de cara 30, de manera que la placa de cara 30 podrá soportar altas temperaturas y la abrasión generada por la reacción de gasificación. El módulo inyector 14, además, incluye una pluralidad de orificios anulares para choques 34 incorporados en la placa de cara 30 del inyector. Los orificios anulares para choques 34 se muestran más claramente en las figuras 4 y 5. Cada orificio anular para choques 34 rodea uno de los tubos de inyección de lodos 26 correspondientes y está adaptado para hacer chocar el reactivo contra la corriente de lodos inyectada por el tubo de inyección de lodos 26 correspondiente, con lo que genera la reacción de gasificación.

Haciendo referencia a continuación a la figura 2, el separador de lodos de dos etapas 22 incluye una cavidad principal 38 que incluye una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa 42 y una pluralidad de cavidades secundarias 46 que se extienden desde la cavidad principal 38 en los extremos distales de los divisores de flujo de primera etapa 42. Los divisores de flujo de primera etapa 42 dividen y dirigen un flujo principal de lodos en una pluralidad de flujos secundarios que circulan en el interior de las cavidades secundarias 46. Puesto que la corriente de lodos es una corriente de lodos en fase densa, es importante no tener cambios bruscos en la velocidad de dirección de la corriente de lodos. Los cambios bruscos en la velocidad de dirección de la corriente de lodos pueden producir un coronamiento u obstrucción de los trayectos de flujo en el interior del módulo inyector 14, por ejemplo, en las cavidades secundarias 46.

En particular, tal como se describe en la presente memoria descriptiva, la configuración adecuada de los divisores de flujo de primera etapa 42 (y de los divisores de flujo de segunda etapa 50, que se describen a continuación) y el tamaño de los tubos de inyección de lodos 26 es importante debido a la naturaleza plástica de Bingham de los lodos de gas / sólido o líquido / sólido. Los lodos carbonosos son fluidos no newtonianos, y por el contrario, están clasificados mejor como plásticos de Bingham. En lugar de tener una viscosidad, los lodos carbonáceos se caracterizan por un límite de elasticidad y un coeficiente de rigidez. Por lo tanto, cada vez que el límite elástico en una pared interior del separador de flujo de dos etapas 22 sea menor que el límite elástico de los lodos. el flujo taponará el separador de flujo de dos etapas 22. Esto se complica aún más por el hecho de que para minimizar la erosión de la pared por las partículas sólidas abrasivas en los lodos, las velocidades de flujo de los lodos se deben mantener por debajo de una velocidad predeterminada, por ejemplo, por debajo de aproximadamente 15 m/s (50 pies por segundo), lo cual, a su vez, produce un esfuerzo cortante bajo de pared en o cerca del límite elástico del plástico.

Por lo tanto, los divisores de flujo de primera etapa 42 están diseñados para que la velocidad de dirección de la corriente de lodos no cambie más de aproximadamente 10° cuando la corriente de lodos se divide y es dirigida a los flujos secundarios. Como consecuencia, cada uno de los divisores de flujo de primera etapa 42 forma un ángulo a con una línea de centros C1 de la cavidad principal, que se encuentra aproximadamente entre 5° y 20°. Además, los divisores de flujo de primera etapa 42 se juntan en un punto 48 de tal manera que los trayectos de flujo no incluyen ningún cuerpo redondeado o romo con el que las partículas de lodos puedan chocar y producir un coronamiento de los trayectos de flujo en el interior del módulo inyector 14, por ejemplo, en las cavidades secundarias 46. Por lo tanto, cuando la corriente de lodos se divide, no hay contracciones o expansiones fuertes en el interior de los trayectos de flujo.

Además, los tubos de inyección de lodos 26 están dimensionados para mantener una velocidad de flujo de lodos deseada en el interior de los tubos de inyección de lodos 26, por ejemplo, aproximadamente 9 m/s (30 pies por segundo). Para asegurar una buena mezcla entre los lodos y las corrientes de reactivo que circulan desde los orificios anulares para choques 34, los tubos de inyección de lodos 26 tendrán un diámetro interior adecuado predeterminado, por ejemplo, por debajo de aproximadamente 12,7 mm (0,500 pulgadas). Sin embargo, debido a las preocupaciones por el taponado producido por los lodos, el diámetro interior de los tubos de inyección de lodos 26 se debe mantener por encima de un diámetro mínimo predeterminado, por ejemplo, por encima de aproximadamente 5,08 mm (0,200 pulgadas). Si la suspensión utiliza gases, tales como C02, N2 o H2, como medio de transporte de los lodos, los orificios anulares para choques 34 sólo necesitan asegurar una buena mezcla entre los reactivos que chocan contra la corriente de lodos y por lo tanto, los tubos de inyección de lodos 26 pueden tener diámetros interiores mayores, por ejemplo, aproximadamente 12,7 mm (0,500 pulgadas). Sin embargo, si se usa agua como medio de transporte de los lodos, los orificios anulares para choques 34 deben chocar contra la corriente de lodos y atomizar los lodos en pequeñas gotas. Por lo tanto, los tubos de inyección de lodos 26 deben tener un diámetro interior más pequeño, por ejemplo, aproximadamente 6,35 mm (0,250 pulgadas) o menos. Por lo tanto, para las mismas velocidades de alimentación de lodos en la cámara de gasificación 18, si se usa agua como medio de transporte, el módulo inyector 14 requerirá un mayor número de tubos de inyección de lodos 26 y los correspondientes orificios anulares para choques 34 que cuando se utiliza gas como medio de transporte.

Cada cavidad secundaria 46 incluye una pluralidad de divisores de flujo de segunda etapa 50 que dividen y dirigen los flujos secundarios en una pluralidad de flujos terciarios que circulan en los tubos de inyección de lodos 26. Los tubos de inyección de lodos 26 se extienden desde cada una de las cavidades secundarias 46 en los extremos distales de los divisores de flujo de segunda etapa 50 e inyectan los lodos, a alta presión, en la cámara de gasificación 18. De manera similar que en los separadores de corriente de primera etapa 42, es importante no tener cambios bruscos en la velocidad de dirección de la corriente de lodos en los divisores de flujo de segunda etapa 50. Por lo tanto, los divisores de flujo de segunda etapa 50 están diseñados de manera que la velocidad de dirección de la corriente de lodos no cambiará más de unos 10º cuando la corriente de lodos se divida y se dirija a los flujos terciarios. Como consecuencia, cada uno de los divisores de flujo la segunda etapa 50 forma un ángulo � con la línea de centros C2 de las cavidades secundarias 46, que es aproximadamente entre 5º y 20º. Además, los divisores de flujo de segunda etapa 50 se juntan en un punto P2 de tal manera que las trayectorias de corriente no incluyen cuerpos redondeados o romos con los que las partículas de lodos puedan chocar y producir el coronamiento de los trayectos de flujo en el interior del módulo inyector 14, por ejemplo, en las cavidades secundarias 46.

En una realización ejemplar, los divisores de flujo de primera etapa 42 dividen la corriente principal de lodos en seis corrientes secundarias y dirigen las seis corrientes secundarias a seis cavidades secundarias 46 que se extiende desde la cavidad principal 38. De manera similar, cada divisor de flujo de segunda etapa 50 divide la corriente secundaria de lodos correspondiente en seis flujos terciarios y dirige los seis flujos terciarios respectivos en seis tubos de inyección de lodos correspondientes 26 que se extienden desde las cavidades secundarias 46 respectivas. De esta manera, en esta realización ejemplar, el módulo inyector 14 es un separador de lodos 36 a 1, mediante el cual la corriente principal de lodos es dividido por último en treinta y seis flujos terciarios que son dirigidos a treinta y seis tubos de inyección de lodos 26.

Haciendo referencia a las figuras 3 y 4, en diversas realizaciones la placa de cara 30 del inyector es fabricada de una pantalla metálica porosa que tiene orificios anulares para choques 34 que se extiende a su través. En tales realizaciones, la placa de cara 30 del inyector puede tener cualquier grosor y construcción apropiadas para enfriar por transpiración la placa de cara 30 del inyector, de manera que la placa de cara 30 del inyector pueda soportar las altas temperaturas del gas, por ejemplo, temperaturas de aproximadamente 2760° C (5000° F) y superiores, y la abrasión generada por la reacción de gasificación. Por ejemplo, la placa de cara 30 del inyector puede tener un grosor de entre aproximadamente 9,5 y 19,1 mm (3/8 y 3/4 pulgadas) y estar construida de rigimesh®.

Como se muestra más claramente en la figura 4, los orificios anulares para choques 34 comprenden una pluralidad de aberturas 34A que se extienden desde un lado del reactivo 54 de la placa de cara 30 del inyector a través de la placa de cara 30 del inyector. Las aberturas 34A convergen sustancialmente en un lado de gasificación 58 de la placa de cara 30 del inyector para formar una abertura anular en el lado del gasificador 58. Los reactivos que chocan contra la corriente de lodos que circula desde los tubos de inyección de lodos 26 se suministran bajo presión, por ejemplo, aproximadamente 8274 kPa (1200 psi), a una cúpula de colector de reactivos 62 del módulo inyector 14 a través de un colector de admisión de reactivos 66. La presión en el interior de la cúpula de colector de reactivos 62 fuerza a los reactivos a través de los orificios anulares para choques 34 en los que los reactivos chocan contra los lodos que circulan desde los tubos de inyección de lodos 26 en el interior de la cámara de gasificación 18.

El sistema de refrigeración comprende la transpiración de los reactivos a través de la placa de cara 30 del inyector de pantalla metálica porosa. Más en particular, la porosidad de la placa de cara del inyector permite el flujo de los reactivos a través de la placa de cara 30 del inyector de pantalla metálica porosa, enfriando de esta manera la placa de cara 30 del inyector. Sin embargo, la porosidad es tal que el flujo de los reactivos a través de la placa de cara 30 del inyector es impedido, o restringido, de forma significativa, por lo que menos reactivos entran en la cámara de gasificación 18 a una velocidad reducida en gran medida con respecto a la que los reactivos circulan a través de los orificios anulares para choques 34, por ejemplo, 6 m/s (20 ft/seg) en comparación con 152 m/s (500 ft/s). Por ejemplo, entre aproximadamente el 5% y el 20% del reactivo suministrado a la cúpula de colector de reactivos 62 pasa a través de la placa de cara porosa 30 del inyector, y el restante 80% a 95% pasa sin obstáculos a través de los orificios anulares para choques 34. Por lo tanto, la placa de cara 30 del inyector es refrigerada por transpiración por los reactivos que circulan a través de la placa de cara porosa 30 del inyector a temperaturas suficientemente bajas como para evitar daños a la placa de cara 30 del inyector, por ejemplo, una temperatura por debajo de aproximadamente 538° C (1000° F). Puesto que la placa de cara porosa 30 del inyector se enfría por transpiración, es decir, el reactivo, por ejemplo, vapor y el oxígeno, circula a través de la placa de cara porosa 30 del inyector, el material de construcción de la placa de cara 30 sólo tiene que ser compatible con los reactivos en lugar de serlo con todos los otros gases generados por la reacción de gasificación. Es decir, el flujo de los reactivos a través de la placa de cara porosa 30 del inyector impide que los gases más corrosivos y / o abrasivos y las partículas creadas durante la reacción de gasificación entren en contacto con la placa de cara porosa 30 del inyector. Además, el flujo de los reactivos a través de la placa de cara porosa 30 del inyector evita que se produzcan la corrosión por escoria en la placa de cara porosa 30 del inyector, debido a que el flujo de transpiración suprime todas las zonas de recirculación en el interior de la cámara de gasificación 18 que, de lo contrario, pondría en contacto la escoria fundida con la placa de cara porosa 30 del inyector.

Haciendo referencia a continuación a las figuras 5, 6 y 7, en varias otras realizaciones, la placa de cara 30 del inyector incluye una placa del lado del reactivo 70, una placa del lado del gasificador 74 y un pasaje de refrigeración 78 entre las mismas. El sistema de refrigeración comprende el pasaje de refrigerante 78 a través del cual pasa un refrigerante a alta presión y velocidad moderada, por ejemplo, aproximadamente 8274 kPa (1200 psi) y 15 m/s (50 ft/s) para enfriar la placa del lado del gasificador 74. Más en particular, un refrigerante, tal como vapor o agua, se suministra a una porción 82A de entrada del canal anular de refrigerante a través de un colector 86 de admisión de refrigerante. El refrigerante circula desde la porción 82A de entrada del canal anular de refrigerante al pasaje de refrigerante 78 por medio de un pasaje de transferencia 90 de entrada de refrigerante que se extiende entre las mismas. El refrigerante circula entonces a través del pasaje de refrigerante 78 a una porción 82B de salida anular del refrigerante por medio de un pasaje 94 de transferencia de salida de refrigerante, en el que el refrigerante sale del módulo inyector 14 a través de un colector de salida del refrigerante (no mostrado). En general, la porción 82A de entrada del canal anular de refrigerante y la porción 82B de salida anular del refrigerante forman un canal de refrigeración toroidal 82, que está dividido en la mitad de tal manera que el refrigerante es forzado a fluir a través del conducto de refrigeración 78. por medio de los pasajes 90 y 94 de transferencia.

En una realización ejemplar se utiliza agua como refrigerante. El agua es suministrada a aproximadamente 8274 kPa (1200 psi) a una temperatura comprendida entre aproximadamente 32° C y 49° C (90° F y 120° F). El refrigerante de agua atraviesa el pasaje de refrigerante 78 de la placa de refrigeración 74 del lado del gasificador y sale del módulo inyector 14 a una temperatura entre 121° C y 149° C (250° F y 300° F).

En una realización. el pasaje de refrigerante. 78 es decir, la separación entre la placa del lado del reactivo 70 y la placa del lado del gasificador 74 es de entre aproximadamente 9,5 y 12,7 mm (3/8 y 1/2 pulgadas) de grosor. La placa del lado del gasificador 74 se puede fabricar de cualquier metal, aleación o compuesto capaz de resistir la corrosión y la abrasión de gas ácido cargado de cenizas, a una temperatura por debajo de aproximadamente 316°C (600° F) generada en la placa del lado del gasificador 74 por la reacción de gasificación. Por ejemplo, la placa del lado del gasificador 74 puede estar fabricada de un metal de transición tal como el cobre o una aleación de cobre que se conoce como NARloy-Z desarrollada por la empresa North America Rockwell Company. Además. la placa del lado del gasificador 74 puede tener cualquier grosor adecuado para mantener las bajas resistencias térmicas de conducción de calor, por ejemplo, aproximadamente entre 0,64 y 6,4 mm (0,025 y 0,250 pulgadas).

Haciendo referencia todavía a las figuras 5, 6 y 7, el módulo inyector 14 incluye, además, una pluralidad de elementos cónicos para choques 98 que se extiende a través de la placa del lado del reactivo 70, el pasaje de refrigerante 78 y la placa del lado del gasificador 74. Los elementos cónicos para choques 98 están ajustados en el interior de, acoplados y sellados con, la placa del lado del reactivo 70 y con la placa del lado del gasificador 74, de tal manera que el refrigerante que circula a través del pasaje de refrigerante 78 no fugue en de cúpula 62 del colector de los reactivos o en la cámara de gasificación 18. Cada elemento cónico para choques 98 está ajustado alrededor de un extremo correspondiente de los tubos de inyección de lodos 26 e incluye uno de los orificios anulares para choques 34. En una realización ejemplar, los tubos de inyección de lodos 26 están integrados en los elementos cónicos para choques 98 y sellados con anillos de obturación de orificio metálico (no mostrados). Puesto que cualquier fuga entre los tubos de inyección de lodos 26 y los elementos cónicos para choques 98 solamente hará circular más reactivos adicionales, por ejemplo, vapor y oxígeno, desde la cúpula de colector de reactivos 62 en la cámara de gasificación 18, no es necesario que la junta entre los tubos de inyección de lodos 26 y los elementos cónicos para choques 98, por ejemplo, sea completamente al 100% a prueba de fugas.

Como se muestra más claramente en las figuras 6 y 7, los orificios anulares para choques 34 comprenden una pluralidad de aberturas 34B que se extienden desde un lado de reactivos 102 de los elementos cónicos para choques 98, a través del elemento cónico para choques 98 y convergen sustancialmente en un lado del gasificador 106 de los elementos cónicos para choques 98 para formar una abertura anular en el lado del gasificador 106. Los reactivos que chocan contra la corriente de lodos que circula desde los tubos de inyección de lodos 26 se suministran bajo presión a la cúpula del colector de reactivos 62 del módulo inyector 14 a través de un colector de admisión de reactivos 66 (que se muestra en la figura 3). La presión en el interior de la cúpula del colector de reactivos 62 fuerza a los reactivos a través de los orificios anulares para choques 34 en los que los reactivos chocan contra los lodos que circulan desde los tubos de inyección de lodos 26 dentro de la cámara de gasificación 18.

La figura 8 es un diagrama de flujo 200, que ilustra un método para gasificar materiales carbonosos utilizando el sistema gasificador 10, de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención. Inicialmente, se suministra un flujo principal de lodos a la cavidad principal 38 del separador de lodos de dos etapas 22, como se indica en 202. La corriente principal de lodos se divide entonces en una pluralidad de flujos secundarios de lodos, por medio del separador de flujo de primera etapa 42, que circulan en las cavidades secundarias 46, como se indica en 204. Cada flujo secundario de lodos es posteriormente dividido en una pluralidad de flujos terciarios de lodos, por medio de los separadores de flujo de segunda etapa 50, que circulan en la pluralidad de los tubos de inyección de lodos 26, como se indica en 206. Los flujos terciarios de lodos se inyectan entonces en la cámara de gasificación 18 y contra ellos chocan las pulverizaciones de forma anular del reactivo inyectado por los orificios anulares para choques 34, como se indica en 208. El choque de los reactivos sobre la corriente de lodos produce la reacción de gasificación que produce un gas de síntesis de alto contenido energético, por ejemplo, hidrógeno y monóxido carbono, como se indica en 210. Finalmente, la placa de cara 30 del inyector se enfría de manera que la cara de placa 30 soportará las altas temperaturas y la abrasión producidas por la reacción de gasificación generada por el choque del reactivo

5 sobre los flujos terciarios de lodos, como se indica en 212.

En diversas realizaciones, la placa de cara 30 del inyector es enfriada por medio de la fabricación de la placa de cara 30 del inyector de un metal poroso y el reactivo transpira a través de la placa de cara 30 metálica porosa. En tales realizaciones, los orificios anulares para choques 34 están formados en el interior de la placa de cara 30

10 porosa del inyector y el reactivo es forzado a través de cada uno de los orificios anulares para choques 34.

En varias otras realizaciones, la placa de cara 30 del inyector comprende la placa del lado del reactivo 70, la placa del lado del gasificador 74 y el pasaje de refrigerante 78 entre las mismas. La placa de cara 30 del inyector es enfriada entonces haciendo pasar un refrigerante a través del pasaje de refrigerante 78 para enfriar la placa del lado

15 del gasificador 74. En tales realizaciones, los orificios anulares para choques se ajustan en el interior de la placa de cara 30 del inyector de tal manera que cada elemento cónico para choques 98 se extiende a través de la placa del lado del reactivo 70, el pasaje de enfriamiento 78 y la placa del lado del gasificador 74. Cada elemento cónico 98 incluye uno de los orificios anulares para choques 34 contra el que choca una pulverización de reactivo de forma anular en la corriente de lodos que circula desde el tubo inyector 26 de lodos correspondiente.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un módulo inyector (14) para un gasificador (10), comprendiendo el citado módulo inyector (14):

un separador lodos de dos etapas (22);

una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) que se extiende desde el separador de lodos de dos etapas (22);

una placa de cara (30) del inyector que tiene los tubos inyectores de lodos(26) que se extienden a través de la misma e incluyendo un sistema de refrigeración para la refrigeración de la placa de cara (30) del inyector;

una pluralidad de orificios anulares para choques (34) incorporados en la placa de cara (30) del inyector, rodeando cada orificio anular para choques (34) a un tubo de inyección de lodos correspondiente (26).
2. El módulo inyector (14) de la reivindicación 1, en el que el separador de lodos de dos etapas (22) comprende:

una cavidad principal (38) que incluye una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa (42), y

una pluralidad de cavidades secundarias (46) que se extienden desde la cavidad principal (38) en los extremos distales de los divisores de flujo de primera etapa (42), incluyendo cada cavidad secundaria (46) una pluralidad de divisores de flujo de segunda etapa (50), en el que una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) se extienden desde cada una de las cavidades secundarias (46) en los extremos distales de los divisores de flujo de segunda etapa (50).
3.

El módulo inyector (14) de la reivindicación 1 ó 2, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una pantalla metálica porosa que tiene los orificios anulares para choques (34) que se extiende a su través y el sistema de refrigeración comprende la pantalla metálica porosa que es enfriada por transpiración por los reactivos que circulan a través de la placa de cara (30).de pantalla metálica porosa.
4.

El módulo inyector (14) de la reivindicación 1 ó 2, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una placa del lado del reactivo (70), una placa del lado del gasificador (74) y un pasaje de refrigerante (78) entre la placa del lado del reactivo (70)y la placa del lado del gasificador (74) y el sistema de refrigeración comprende el pasaje de refrigerante (78) a través del cual se pasa un refrigerante para enfriar la placa del lado del gasificador (74).
5.

El módulo inyector (14) de la reivindicación 4, en el que placa del lado del gasificador (74) está compuesta por un metal de transición.
6.

El módulo inyector (14) de la reivindicación 4 o 5, en el que el módulo inyector (14) incluye, además, una pluralidad de elementos cónicos para choques (98) que se extienden a través de ambas placa del lado del reactivo

(70) y placa del lado del gasificador (74), estando ajustado cada elemento cónico para choques (98) en un extremo de uno de los tubos de inyección de lodos (26)
7.

El módulo inyector (14) de la reivindicación 6, en el que cada elemento cónico para choques (98) incluye uno de los orificios anulares para choques (34).
8.

Un sistema gasificador (10), comprendiendo el citado gasificador (10):

una cámara de gasificación (18) en la que una corriente de lodos secos a alta presión choca contra un reactivo a alta presión para generar una reacción de gasificación que convierte el lodo seco en un gas de síntesis, y

un módulo inyector (14) como se ha reivindicado en la reivindicación 1, acoplado a la cámara de gasificación

(18) para inyectar una corriente de lodos secos a alta presión en la cámara de gasificación (18) y el reactivo a alta presión choca contra la corriente de lodos secos a alta presión, en el que el pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) están adaptados para inyectar los lodos secos en la cámara de gasificación (18), en el que el sistema de refrigeración es para la refrigeración de la placa de cara (30), de manera que la placa de cara (30) pueda soportar las altas temperaturas y la abrasión generadas por la reacción de gasificación, y en el que la pluralidad de orificios anulares para choques (34) están adaptados para chocar contra el reactivo en la corriente de lodos secos inyectada por el tubo de inyección de lodos (26) correspondiente para generar la reacción de gasificación.
9.

El sistema gasificador (10) de la reivindicación 8, en el que el separador de lodos de dos etapas (22) comprende una cavidad principal (38) que incluye una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa (42) adaptados para dividir y dirigir un flujo principal de lodos secos en una pluralidad flujos secundarios que circulan a una pluralidad de cavidades secundarias (46) que se extienden desde la cavidad principal (38) en los extremos distales de los divisores de flujo de primera etapa (42).
10.

El sistema gasificador (10) de la reivindicación 9, en el que las cavidades secundarias (48) del separador de lodos de dos etapas (22) incluye una pluralidad de divisores de flujo de segunda etapa (50) adaptados para dividir y dirigir los flujos secundarios en una pluralidad de flujos terciarios que circulan en los tubos de inyección de lodos (26) que se extienden desde cada una de las cavidades secundarias (46) en los extremos distales de los divisores de flujo de segunda etapa (50).
11.

El sistema gasificador (10) de la reivindicación 8, 9 o 10, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una pantalla metálica porosa que tiene orificios anulares para choques (34) que se extiende a su través y el sistema de refrigeración comprende la placa de cara (30) del inyector de pantalla metálica porosa que está enfriada por transpiración de los reactivos que circulan a su través.
12.

El sistema gasificador (10) de la reivindicación 8, 9 o 10, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una placa del lado del reactivo (70), una placa del lado del gasificador (74) y un pasaje de refrigerante (78) entre las mismas y el sistema de refrigeración comprende el pasaje de refrigerante (78) a través del cual circula el refrigerante para enfriar la placa del lado del gasificador (74).
13.

El sistema gasificador (10) de la reivindicación 12, en el que la placa del lado del gasificador (74) está compuesta por un metal de transición.
14.

El sistema gasificador de la reivindicación 12 o 13, en el que el módulo inyector (14) incluye, además, una pluralidad de elementos cónicos para choques (98) que se extienden a través de la placa del lado del reactivo (70), el pasaje de refrigerante (78) y la placa del lado del gasificador (74), estando ajustado cada elemento cónico para choques (98) en un extremo de uno de los tubos de inyección de lodos (26).
15.

El sistema gasificador (10) de la reivindicación 14, en el que cada elemento cónico para choques (98) incluye uno de los orificios anulares para choques (34).
16.

Un método para gasificar un material carbonoso, comprendiendo el citado método:

suministrar un flujo principal de lodos a una cavidad principal (38) de un separador de lodos de dos etapas

(22) de un módulo inyector (14);

dividir el flujo principal de lodos en una pluralidad de flujos secundarios de lodos que circulan a una pluralidad de cavidades secundarias (46) que se extienden desde la cavidad principal (38) en los extremos distales de una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa (42);

dividir cada flujo secundario de lodos en una pluralidad de flujos terciarios de lodos que circulan hacia una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) que se extiende desde cada cavidad secundaria (46) en los extremos distales de una pluralidad de divisores de flujo (50) de segunda etapa;

inyectar los flujos terciarios de lodos en una cámara de gasificación (18) acoplada al módulo inyector (14), por medio de los tubos de inyección de lodos (26);

hacer chocar cada una de una pluralidad de pulverizaciones de forma anular de un reactivo contra un flujo correspondiente de los flujos terciarios de lodos en el interior de la cámara de gasificación (18), por medio de una pluralidad de orificios anulares para choques (34) incorporados en una placa de cara (30) del módulo inyector (14), en el que cada orificio para choques (34) rodea a un tubo inyector de lodos (26) correspondiente, y

enfriar la placa de cara (30) de manera que la placa de cara (30) pueda soportar las altas temperaturas y la abrasión causadas por una reacción de gasificación generada al hacer chocar el reactivo con los flujos terciarios de lodos.
17. El método de la reivindicación 16, en el que el enfriamiento de la placa de cara (30) del módulo inyector comprende:

fabricar la placa de cara (30) metálica porosa, y

hacer transpirar el reactivo a través de la placa de cara metálica porosa (30).
18. El método de la reivindicación 17, en el que hacer chocar cada pulverización de forma anular de reactivo comprende:

formar los orificios anulares para choques (34) en el interior de la placa de cara (30) metálica porosa, y

forzar el reactivo a través de cada orificio anular para choques (34).
19. El método de la reivindicación 16, en el que el enfriamiento de la placa de cara (30) del inyector comprende: construir la placa de cara (30) para que incluya una placa del lado del reactivo (70), una placa del lado del gasificador (74) y un pasaje de refrigerante (78) entre las mismas, y

hacer pasar un refrigerante a través del pasaje de refrigerante (78) para enfriar la placa del lado de gasificación (74). 5
20. El método de la reivindicación 19, en el hacer chocar cada pulverización de forma anular de reactivo comprende:

ajustar una pluralidad de elementos cónicos para choques (98) en el interior de la placa de cara (30) del módulo inyector de tal manera que cada elemento cónico para choques (98)se extienda a través de la placa

10 del lado reactivo (70), del pasaje de enfriamiento (78) y de la placa del lado del gasificador (74), en el que cada elemento cónico (98) incluye uno de los orificios anulares para choques (34); y forzar al reactivo a través de cada orificio anular para choques (34).