ITTO20000310A1

ITTO20000310A1 - COMBUSTION CHAMBER FOR A COOLING GASIFIER.

Info

Publication number: ITTO20000310A1
Application number: IT2000TO000310A
Authority: IT
Inventors: Devendra T Barot
Original assignee: Devendra T Barot
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-01
Also published as: IT1320007B1; ITTO20000310A0

Description

RIFERIMENTO AD APPENDICE A MICROSCHEDE REFERENCE TO MICROCARDS APPENDIX

"Non applicabile" "Not applicable"

SFONDO DELL'INVENZIONE BACKGROUND OF THE INVENTION

I gasificatori a raffreddamento vengono usati per gasificare ceneri contenenti prodotti di partenza idrocarburici come oli residui, oli lubrificanti di scarto, coke da petrolio e carbone. Un tipico progetto di gasificatore a raffreddamento è rappresentato in Figura 1 (riferimento: Brevetto U.S. 4.828.579). Il prodotto di partenza, l'ossidante ed un moderatore di temperatura (vapore o biossido di carbonio) vengono iniettati nella parte superiore del gasificatore attraverso un bruciatore 10 e miscelati tra di loro nella zona di reazione al disotto del bruciatore. Il vapore e l'anidride carbonica moderano le temperature nella zona di reazione ed agiscono pure come reagenti. Le azioni di ossidazione parziale che si verificano in questa parte del gasificatore, chiamata camera di combustione 12, mantengono nella camera di combustione 12 temperature nell'ordine da 2000 a 3000°F. La camera di combustione è rivestita con materiali refrattari 14 come allumina. Da circa il 90,0 al 99,5% del carbonio presente nel prodotto di partenza viene convertito in gas di sintesi (syngas). Cooled gasifiers are used to gasify ash containing hydrocarbon starting products such as residual oils, waste lubricating oils, petroleum coke and coal. A typical cooled gasifier design is shown in Figure 1 (reference: U.S. Patent 4,828,579). The starting product, the oxidizer and a temperature moderator (steam or carbon dioxide) are injected into the upper part of the gasifier through a burner 10 and mixed together in the reaction zone below the burner. The vapor and carbon dioxide moderate the temperatures in the reaction zone and also act as reactants. The partial oxidation actions that occur in this part of the gasifier, called combustion chamber 12, maintain 12 temperatures in the combustion chamber in the order of 2000 to 3000 ° F. The combustion chamber is lined with refractory materials 14 such as alumina. About 90.0 to 99.5% of the carbon present in the starting product is converted into synthesis gas (syngas).

La parte di fondo del gasificatore a raffreddamento, chiamata camera di raffreddamento 16, è separata dalla camera di combustione 12 dal pavimento della camera di combustione 18 come illustrato in Figura 1. La camera di raffreddamento 16 è parzialmente riempita di acqua e non è rivestita con refrattario. La camera di raffreddamento 16 è costituita da tre parti principali: l'anello di raffreddamento 20, il tubo di immersione 22 ed il tubo di pescaggio 24 come illustrato in Figura 1. Le funzioni principali della camera di raffreddamento 16 sono di raffreddare i gas di sintesi formati nella camera di combustione 12 miscelandoli con acqua e saturare i gas con vapore d' acqua. The bottom part of the cooled gasifier, called the cooling chamber 16, is separated from the combustion chamber 12 by the floor of the combustion chamber 18 as shown in Figure 1. The cooling chamber 16 is partially filled with water and is not lined with refractory. The cooling chamber 16 consists of three main parts: the cooling ring 20, the immersion tube 22 and the intake tube 24 as illustrated in Figure 1. The main functions of the cooling chamber 16 are to cool the gases synthesis formed in the combustion chamber 12 by mixing them with water and saturating the gases with water vapor.

La strozzatura 26 della gola del gasificatore, che dirige i gas dalla camera di combustione 12 alla camera di raffreddamento 16 è normalmente la parte più fredda della camera di combustione 12 per la sua distanza dal bruciatore di gasificazione 10 e dalla fiamma 28 del bruciatore. Il gasificatore comprende uno scarico per il gas 30 ed uno scarico per l'acqua di raffreddamento 34. L'area del fondo della camera tende ad essere più fredda del resto della camera di combustione 12 per la sua vicinanza all'anello di carburo di silicio e nitruro di silicio che possono sopportare temperature più elevate e shock termici più accentuati rispetto all'allumina. Con questo nuovo progetto, è possibile aumentare la conversione del carbonio nel gasificatore, ridurre il consumo di vapore (moderatore) e ridurre i frequenti danni che sono stati constatati nei refrattari nell'area della gola dei gasificatori esistenti. Il progetto proposto diminuisce pure il costo di capitale degli impianti di gasificazione di olio eliminando la necessità del riciclo della fuliggine a valle e riduce i costi operativi dell'impianto migliorando l'affidabilità di funzionamento del gasificatore. The throat 26 of the gasifier, which directs the gases from the combustion chamber 12 to the cooling chamber 16, is normally the coldest part of the combustion chamber 12 due to its distance from the gasification burner 10 and from the flame 28 of the burner. The gasifier comprises a gas exhaust 30 and a cooling water exhaust 34. The area of the bottom of the chamber tends to be colder than the rest of the combustion chamber 12 due to its proximity to the silicon carbide ring. and silicon nitride which can withstand higher temperatures and more pronounced thermal shocks than alumina. With this new design, it is possible to increase the carbon conversion in the gasifier, reduce the steam consumption (moderator) and reduce the frequent damage that has been observed in the refractories in the throat area of the existing gasifiers. The proposed project also decreases the capital cost of oil gasification plants by eliminating the need for downstream soot recycling and reduces the operating costs of the plant by improving the operational reliability of the gasifier.

Si propongono il riscaldamento elettrico e nuovi materiali refrattari per l'area della gola del gasificatore 40, che aumentano le temperature operative dell'area della gola 40 senza aumentare il consumo di ossigeno. Le elevate temperature migliorano il processo di gasificazione aumentando la conversione del carbonio, riducendo il consumo di vapore o C02 e eliminando i depositi di cenere e gli intasamenti. La forma preferita per la gola 40 del gasificatore dotata di riscaldamento elettrico è la forma a galleria del vento 26 proposta nel precedente Brevetto U.S. Electric heating and new refractory materials are proposed for the throat area of the gasifier 40, which increase the operating temperatures of the throat area 40 without increasing oxygen consumption. The high temperatures improve the gasification process by increasing the carbon conversion, reducing the consumption of steam or C02 and eliminating ash deposits and clogging. The preferred shape for the electrically heated gasifier throat 40 is the wind tunnel shape 26 proposed in the previous U.S. Pat.

4.574.002. L'area della gola 40 del gasificatore viene riscaldata elettricamente usando resistenze di grafite 42 per mantenere, nell'area della gola 40, temperature tra 3000 e 3500°F. A queste temperature si ottiene una conversione più elevata del carbonio ed i depositi di cenere vengono fusi ed allontanati dall'area della gola 40 dall'alta velocità del gas di sintesi ottenuta nella ristretta area della gola 40. I refrattari 44 dell'area della gola sono formati da tre strati. Lo strato più interno o superficie calda che è esposto ai gas caldi è costituito da carburo di silicio o nitruro di silicio 46 oppure una combinazione dei due materiali. Lo strato intermedio è costituito da resistenze di grafite 42 e lo strato più esterno è costituito da refrattari isolanti 48. 4,574,002. The throat area 40 of the gasifier is electrically heated using graphite resistors 42 to maintain, in the throat area 40, temperatures between 3000 and 3500 ° F. At these temperatures, a higher carbon conversion is achieved and the ash deposits are melted and removed from the throat area 40 by the high velocity of the synthesis gas obtained in the narrow area of the throat 40. The refractories 44 of the throat area they consist of three layers. The innermost layer or hot surface that is exposed to the hot gases is made from silicon carbide or silicon nitride 46 or a combination of the two. The intermediate layer is made up of graphite resistors 42 and the outermost layer is made up of insulating refractories 48.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Per.una comprensione più completa della presente invenzione, si farà ora riferimento ai disegni, in cui: For a more complete understanding of the present invention, reference will now be made to the drawings, in which:

Figura 1: Esempio 1 della tecnica precedente, tipico progetto di gasificatore a raffreddamento con gola di forma conica o ad imbuto; Figure 1: Example 1 of the prior art, typical design of a cooled gasifier with a conical or funnel-shaped throat;

Figura 2; Esempio 2.della tecnica precedente, tipico progetto di gasificatore a raffreddamento con forma della gola a galleria del vento; Figure 2; Example 2 of the prior art, typical design of a cooled gasifier with a wind tunnel throat shape;

Figura 3: presente invenzione: nuovo progetto di gasificatore a raffreddamento con riscaldamento elettrico dell'area della gola; Figure 3: present invention: new design of a cooled gasifier with electric heating of the throat area;

Figura 4: dettagli del nuovo progetto della gola; e Figure 4: details of the new groove project; And

Figura 5: nuova combinazione di gasificatore a raffreddamento . Figure 5: new combination of cooled gasifier.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA 'DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Un brevetto precedente (Brevetto U.S. 4.574.002) suggerisce il cambiamento della forma della gola del gasificatore per evitare depositi di cenere ed intasamenti in questa zona. La forma a galleria del vento 26 proposta nel Brevetto U.S. 4.574.002 è rappresentata nella Figura 2. Questa forma fornisce una migliore possibilità di evitare depositi ed intasamenti nell'area della gola 26 rispetto alla forma illustrata nella Figura 1. Tuttavia, la forma a galleria del vento 26 è ancora suscettibile di formazione di depositi ed intasamenti, particolarmente quando il prodotto di partenza contiene metalli o composti metallici che solidificano a temperature inferiori ai 3000°F, per la distanza della gola 26 dal bruciatore 10 e la sua prossimità all'anello di raffreddamento 20 del gasificatore. A previous patent (U.S. Patent 4,574,002) suggests changing the shape of the gasifier throat to avoid ash deposits and clogging in this area. The wind tunnel shape 26 proposed in U.S. Pat. No. 4,574,002 is shown in Figure 2. This shape provides a better chance of avoiding deposits and clogging in the throat area 26 than the shape shown in Figure 1. However, the wind tunnel shape 26 is still susceptible to deposit formation and clogging, particularly when the starting product contains metals or metallic compounds which solidify at temperatures below 3000 ° F, due to the distance of the throat 26 from the burner 10 and its proximity to the cooling ring 20 of the gasifier.

Per evitare depositi di cenere ed intasamenti nell'area della gola 26, particolarmente con prodotti di partenza che contengono composti metallici del tipo triossido di vanadio, è necessario mantenere temperature, nell'area della gola 26, nel campo da 3000 a 3500°F. A queste temperature più elevate, i composti tipo ossido di vanadio (triossido di vanadio e tutti gli altri composti metallici che fondono e scorrono facilmente a temperature nel campo tra 3000 e 3500°F) fonderanno e passeranno facilmente dalla gola 26 alla camera di raffreddamento 16. Il refrattario 14 della gola dovrà sopportare queste alte temperature. I refrattari di tipo allumina che sono stati usati nell'area della gola 26 in passato vengono frequentemente danneggiati dai composti tipo ossido di vanadio (vedi Brevetto U.S. 5.464.592). To avoid ash deposits and blockages in the area of the throat 26, particularly with starting products which contain metal compounds of the vanadium trioxide type, it is necessary to maintain temperatures in the area of the throat 26 in the range from 3000 to 3500 ° F. At these higher temperatures, vanadium oxide-like compounds (vanadium trioxide and all other metal compounds that melt and flow easily at temperatures in the range of 3000 to 3500 ° F) will melt and easily pass from throat 26 to cooling chamber 16 The throat refractory 14 will have to withstand these high temperatures. Alumina-type refractories that have been used in the throat area 26 in the past are frequently damaged by vanadium oxide-like compounds (see U.S. Patent 5,464,592).

Facendo ora riferimento alle Figure 3 e 4, la presente invenzione comprende un riscaldamento elettrico 45 (con resistori o con onde elettromagnetiche) dell'area della gola 40 per evitare basse temperature nell'area della gola 40. Questa domanda di brevetto propone pure che la superficie calda 46 del refrattario 44 dell'area della gola sia di carburo di silicio, nitruro di silicio o una combinazione dei due prodotti. Come si vede nella Figura 4, gli elementi di riscaldamento elettrico possono essere fabbricati in grafite ed elementi riscaldanti in grafite 42 verranno usati dietro il materiale della superficie calda. Lo strato più esterno del blocco della gola è preferibilmente costituito da un refrattario isolante 48. La forma esterna dello strato più esterno non è critica. Il refrattario isolante 48 impedirà l'esposizione alle alte temperature del pavimento 18 della camera di combustione e dell'anello di raffreddamento 20. Referring now to Figures 3 and 4, the present invention comprises electrical heating 45 (with resistors or electromagnetic waves) of the throat area 40 to avoid low temperatures in the throat area 40. This patent application also proposes that the hot surface 46 of refractory 44 of the throat area is of silicon carbide, silicon nitride, or a combination of the two. As seen in Figure 4, the electric heating elements can be fabricated from graphite and graphite heating elements 42 will be used behind the hot surface material. The outermost layer of the throat block is preferably made of an insulating refractory 48. The outermost shape of the outermost layer is not critical. The insulating refractory 48 will prevent exposure to the high temperatures of the combustion chamber floor 18 and cooling ring 20.

Il nuovo progetto rende possibile il controllo delle temperature in qualsiasi campo desiderato nell'area della gola 40 fino al limite superiore di temperatura di circa 3500°F. Il progetto proposto nella Figura 3 ha una forma approssimata a galleria del vento 40. L'interno della gola non deve essere esattamente sotto forma di galleria del vento 40. Le caratteristiche essenziali di questo progetto sono che il rapporto D1/D3 sia compreso tra 3 e 7 e che il diametro della forma della gola diminuisca con l'aumento della distanza dalla porzione DI della gola. The new design makes it possible to control temperatures in any desired range in the throat area 40 up to the upper temperature limit of approximately 3500 ° F. The design proposed in Figure 3 has an approximate shape of a wind tunnel 40. The interior of the gorge does not have to be exactly in the form of a wind tunnel 40. The essential characteristics of this design are that the ratio D1 / D3 is between 3 and 7 and that the diameter of the shape of the groove decreases with increasing distance from the portion D1 of the groove.

La Figura 3 mostra soltanto un'applicazione del concetto di riscaldamento elettrico nell'area della gola 40 di un gasìficatore a raffreddamente verticale. In effetti, questo concetto può anche valere per un reattore orizzontale come illustrato in Figura 5 o per l'intera superficie calda della camera di combustione 12. Questo concetto può anche essere applicato a qualsiasi prolungamento dell'area di uscita del gasificatore, come l'area del blocco di transizione 50 di Figura 5. Figure 3 shows only one application of the electric heating concept in the area of the throat 40 of a vertical cooled gasifier. In fact, this concept can also apply to a horizontal reactor as shown in Figure 5 or to the entire hot surface of the combustion chamber 12. This concept can also be applied to any extension of the gasifier outlet area, such as the area of the transition block 50 of Figure 5.

La Figura 5 mostra una combinazione di gasificatore a raffreddamento. Una parte del gas di sintesi generato nella camera di combustióne 12 viene raffreddato nell'acqua 52 ed il rimanente gas di sintesi viene raffreddato iniettando un gas di raffreddamento freddo 54. La combinazione di gasificatore a raffreddamento comprende un anello di raffreddamento a gas 55 ed un accesso 57 per la manutenzione. Figure 5 shows a combination of cooled gasifier. Part of the synthesis gas generated in the combustion chamber 12 is cooled in water 52 and the remaining synthesis gas is cooled by injecting a cold cooling gas 54. The cooled gasifier combination comprises a gas cooling ring 55 and a 57 access for maintenance.

Il nuovo progetto della gola della camera di combustione illustrato nella Figura 3 e nella Figura 4 sarà più vantaggioso nell'impedire l'intasamento dell'area della gola 40. Il progetto eliminerà pure i frequenti danni che si sono verificati nel refrattario della gola 44, poiché il carburo di silicio ed il nitruro di silicio 46 possono sopportare temperature più elevate e gli effetti di erosione e corrosione dei composti di tipo ossido di vanadio meglio dell'allumina. The new combustion chamber throat design shown in Figure 3 and Figure 4 will be more beneficial in preventing clogging of the throat area 40. The design will also eliminate the frequent damage that has occurred in the refractory of throat 44, since silicon carbide and silicon nitride 46 can withstand higher temperatures and the erosion and corrosion effects of vanadium oxide type compounds better than alumina.

La presente invenzione comprende pure l'eliminazione della camera di accumulo 56 illustrata nella Figura 2. L'area dell'anello di raffreddamento 20 del gasificatore a raffreddamento tradizionale ha tendenza a frequenti danneggiamenti (riferimenti: Brevetto U.S. 4.828.580 e Brevetto 4.828.579). Questo nuovo progetto (rappresentato nella Figura 3) ha un maggior successo nella prevenzione del danneggiamento all'anello di raffreddamento 20 rispetto ai progetti illustrati nelle Figure 1 e 2, poiché la distanza tra l'apertura della gola e l'anello di raffreddamento 20 è maggiore nel nuovo progetto. In generale, questo nuovo progetto migliora il tempo di impiego del gasificatore (affidabilità di funzionamento) e quindi diminuisce il costo di impiego del gasificatore. The present invention also includes the elimination of the accumulation chamber 56 illustrated in Figure 2. The area of the cooling ring 20 of the traditional cooled gasifier has a tendency to frequent damage (references: U.S. Patent 4,828,580 and Patent 4,828,579 ). This new design (shown in Figure 3) is more successful in preventing damage to the cooling ring 20 than the designs shown in Figures 1 and 2, since the distance between the throat opening and the cooling ring 20 is major in the new project. In general, this new project improves the service life of the gasifier (operational reliability) and therefore decreases the cost of using the gasifier.

Le elevate temperature ottenute mediante il riscaldamento elettrico 45 nella gola 40 aumentano pure le velocità della reazione di gasificazione e quindi aumentano la conversione del carbonio del gasificatore dallo 0,1 al 3,0%. Questo a sua volta aumenta la produzione di gas di sintesi del gasificatore senza aumentare il consumo di ossigeno o il consumo di prodotto di partenza. The elevated temperatures obtained by electrical heating 45 in throat 40 also increase the rates of the gasification reaction and thereby increase the carbon conversion of the gasifier from 0.1 to 3.0%. This in turn increases the synthesis gas production of the gasifier without increasing the oxygen consumption or the starting product consumption.

L'uso del riscaldamento elettrico 45 e dei refrattari 46 del tipo a carburo di silicio nell'area della gola 40 ridurranno pure il consumo di vapore come moderatore di temperatura, poiché non sarà necessario moderare la temperatura. Normalmente, si impiegano da 0,25 a 0,35 Ib circa di vapore per la gasificazione di 1,0 lb di residuo oleoso o coke o carbone. Con questo nuovo progetto, l'esigenza di vapore scende tra 0,15 e 0,25 lb di vapore per libbra di prodotto di partenza. The use of electrical heating 45 and silicon carbide type refractories 46 in the throat area 40 will also reduce steam consumption as a temperature moderator, since it will not be necessary to moderate the temperature. Normally, about 0.25 to 0.35 Ib of steam is used to gasify 1.0 lb of oily residue or coke or coal. With this new design, the steam requirement drops to between 0.15 and 0.25 lb of steam per pound of starting product.

Per l'aumento della conversione del carbonio ottenuta con questo progetto, può essere possibile in alcuni casi eliminare il recupero della fuliggine ed il sistema di ricircolo che viene normalmente impiegato a valle del gasificatore. Quindi, il riscaldamento elettrico 45 dell'area 40 della gola può ridurre il costo di capitale dell'impianto di gasificazione . Il concetto del riscaldamento elettrico 45 del refrattario 44 può essere esteso all'intera superficie calda del gasificatore. Se l'intera superficie calda del gasificatore (e non soltanto l'area della gola) viene riscaldata elettricamente, sarà possibile preriscaldare ed indurire elettricamente i refrattari del gasificatore. Non vi è necessità di usare un bruciatore di preriscaldamento, un refrigeratore dello scarico dei gas ed un aspiratore (eiettore di vapore) per il preriscaldamento dei refrattari. Questo ridurrà così ulteriormente il costo di capitale dell'impianto di gasificazione. Due to the increase of the carbon conversion obtained with this project, it may be possible in some cases to eliminate the recovery of the soot and the recirculation system that is normally used downstream of the gasifier. Hence, electrical heating 45 of the throat area 40 can reduce the capital cost of the gasification plant. The concept of the electric heating 45 of the refractory 44 can be extended to the entire hot surface of the gasifier. If the entire hot surface of the gasifier (and not just the throat area) is electrically heated, it will be possible to electrically preheat and harden the refractories of the gasifier. There is no need to use a preheating burner, a gas discharge cooler and an aspirator (steam ejector) for preheating the refractories. This will further reduce the capital cost of the gasification plant.

Claims

CLAIMS 1. Cooled gasifier for gasifying an ash-containing hydrocarbon starting product, comprising: a combustion chamber for partially oxidizing the carbon in said starting product and producing synthesis gas; And a cooling chamber adjacent to said combustion chamber, said combustion chamber comprising a groove for directing said gases from the combustion chamber to the cooling chamber, characterized in that said groove comprises: an entrance; an exit; an internal surface between said inlet and said outlet, said surface comprising a refractory material that can withstand temperatures up to about 3500 ° F; And an electric heating element behind said surface for heating said surface to a temperature up to about 3500 ° F, such as to substantially prevent the components of said ash having solidification temperatures up to 3500 ° F from forming plugs in said throat.

The cooled gasifier according to claim 1, wherein said heating element comprises graphite.

Cooling gasifier according to claim 1 or 2, wherein said refractory material is selected from the group consisting of silicon carbide and silicon nitride.

Cooling gasifier according to any one of claims 1-3, wherein said surface is substantially resistant to damage by metal oxides.

Cooled gasifier according to any one of claims 1-4, wherein said surface is substantially resistant to damage by vanadium oxides.

Cooling gasifier according to any one of claims 1-5, wherein said throat has an internal surface provided with a wind tunnel profile.

Cooling gasifier according to any one of claims 1-6, wherein said groove further comprises a layer of insulating refractory material behind said electrical heating element.

Cooled gasifier according to any one of claims 1-7, wherein said inlet has an inlet diameter, said outlet has an outlet diameter and the ratio between the inlet diameter and the outlet diameter is at least about 3.

9. The cooled gasifier of claim 8 wherein said ratio is from about 3 to about 7.

Cooling gasifier according to any one of claims 1-9, wherein the cooling chamber comprises a cooling ring substantially axially adjacent to said throat outlet, so that said cooling gasifier does not comprise an accumulation chamber.

11. A cooled gasifier according to claim 10, wherein said cooling ring has an internal diameter greater than the diameter of said throat outlet, said diameter of the internal cooling ring being large enough to substantially prevent damage to said cooling ring .

12. Cooled gasifier for gasifying the ash-containing hydrocarbon starting products, comprising: a combustion chamber for partially oxidizing the carbon in said starting product to produce synthesis gas; And a cooling chamber adjacent said combustion chamber; wherein said combustion chamber comprises a groove for directing said gases from the combustion chamber to the cooling chamber and said groove comprising: a surface consisting of a material selected from the group consisting of silicon carbide and silicon nitride; And an electric heating element behind said surface, said heating element being graphite, wherein said surface is substantially resistant to damage due to ash deposits which include metal oxides.