TWI445815B - 以連接有冷卻室之氣化反應器製造合成氣體之裝置 - Google Patents

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Description

以連接有冷卻室之氣化反應器製造合成氣體之裝置
本發明係一種製造含一氧化碳及氫氣的粗煤氣的裝置，此種裝置是在一個氣化反應器中以高於灰分之熔點的溫度將含灰分之燃料及含氧之氣體氣化，以製造粗煤氣，且該氣化反應器連接到一個冷卻室並具有一個從一個室到另外一個室的變窄的過渡管道。
例如專利EP 0 616 022 B1或專利EP 0 400 740 B1均有揭示這一類的裝置。此外，專利DE 10 2005 048 488 A1、專利EP 0 431 266 A1、專利DE 10 2006 029 595 A1也有提出類似構造的裝置。
傳統構造的氣化器通常會將30%至60%的燃料灰分轉換成飛灰，這種現象的缺點是在粗煤氣的流動路徑上會產生沉積，因而可能導致連接在其後之機具的腐蝕情況變得更嚴重。飛灰的分離及引出比爐渣要麻煩很多，而且費用也比較昂貴。飛灰的清除也比爐渣貴，因為飛灰可能會含有一部分的重金屬，而且飛灰通常都是不能露天存放的很細的灰塵。
前面提及的專利EP 0 400 740 B具有一根變窄之管，這根管具有可能會被堵住的構件，而且在進行檢查及維修工作時，這些構件也可能將通往下方的反應室的通道堵住。此外，對這些十字形的構件進行的必要的冷卻可能會使爐渣凝固，因而導致堵塞。
專利EP 0 431 266的氣化器出口也會排出大量的飛灰，而且氣化器的燃料產量也很低，這是因為沒有產生渦流，因此一部分正在反應且含有碳及灰分的氣體會很快的直接流過燒嘴區到達氣化器出口。如果氣化器內有產生渦流的話，從燒嘴區流出的氣體會先被轉向到氣化器內壁，因此一部分飛灰會在內壁上被分離出來，同時燃料微粒在氣化器內的停留時間也會變長。
渦流愈強，在氣化器內進行的物質交換就愈劇烈，同時就會有更多的灰分被分離出來。但是如前面所述，如果在氣化器出口有很強的渦流，可能會對連接在氣化器後面的裝置造成困難，原因是此時高溫的氣體及爐渣顆粒會以很大的切線速度被拋向內壁。基於這個原因，氣化器內最好僅產生微弱的渦流，例如爐膛角度3度。
本發明的目的是提出一種裝置，此種裝置除了能夠避免上述缺點外，還要能夠減少飛灰量及未氣化的燃料量，而且在連接於其後之機具的入口處僅會產生微弱的渦流，以避免在該處出現沉積，同時在出口處不會有爐渣凝固的危險。
為達到上述目的，本發明是在本文開頭提及之裝置的變窄的過渡管道內設置僅佔據過渡管道之部分斷面的減少渦流及/或阻止渦流的壁面。
經證實這個相對而言較窄的壁面非常適於用來減少渦流，因此無需將過渡管道的流通斷面作非必要的縮小。
附屬項申請專利範圍之內容為本發明的各種實施方式。根據本發明的一種實施方式，壁面是由冷卻管所構成。實務經驗顯示，如果冷卻管彼此有間隔一段距離，則冷卻管會因為部分範圍被黏牢而很快的形成一個封閉的內壁，這個內壁會減少渦流或一路抑制渦流直到過渡管道的尾端。
為了進一步強化這個渦流抑制功能，本發明的一種實施方式是使壁面具有一個在縱向方向上略為彎曲的造型，這些壁面很適於用來抑制氣化器內的渦流方向。
此外，根據本發明的另外一種實施方式，從重力方向看過去，在壁面的底端有一個收集爐渣的冷卻凹槽，其作用是將收集到的爐渣從冷卻室排出。
根據本發明，為了最佳化將爐渣自冷卻室排出的功能，在複數根構成壁面的冷卻管中，從重力方向看過去，在相鄰的管子的下方管子區之間彼此間隔一段由一個橋形接片跨接的距離，同時該接片匯入爐渣排出凹槽。
根據本發明的另外一種實施方式，變窄的管道的直徑相當於氣化器直徑的0.1倍至0.5倍，其中渦流抑制壁在扣除垂直側棱所佔的空間後剩下的內部斷面的內徑≧500mm。因此檢查者可以通過這個內部斷面進入本發明之裝置的內部，以進行檢查工作。
由於渦流與半徑是成比例的，因此渦流會因為在邊緣區的面積而大幅變弱。應根據希望渦流被削弱的程度調整渦流抑制面的長度(相當於連接管道直徑的0.5倍至4倍之間)。
由於本發明的“渦流抑制”設計，因此以燃燒器的割線為準，爐膛角度可以是在5度至10度之間，其他的渦流體及構件也是一樣，以提高氣化器內的流通，使氣化器內的物質更加充分的混合。
經由這個措施可以提高燃料產量，以及強化灰分微粒的燒結，使這些微粒更容易被分離出來。
此外，可以持續從冷卻介質的平衡計算熱流，以及裝置之內壁上的爐渣密度(例如以在線性計算的方式測定)，以下是一個例子：
--將裝置之管內的鍋爐用水蒸發，以達到冷卻的目的；
--測量注入裝置的水量及水溫，以及所產生的蒸汽量及壓力。根據測得的數據計算熱流及熱流密度。
--固態爐渣的平均爐渣厚度與熱流密度成反比，而且可以用下列公式計算出近似値：
爐渣厚度=λ*(TF -TK )/q
λ：爐渣的導熱率
TF ：爐渣的凝固溫度
TK ：水的沸點
--利用這種方法獲得關於固態爐渣之爐渣厚度的在線上資訊。如果發現爐渣厚度過大，例如>50mm，可以立刻增加氧氣供應量以提高氣化溫度。反之，如果發現熱流密度過大，例如>200kw/m3 ，則可以減少氧氣供應量或提高減速氣體(H2 O或CO2 )的供應量。
在氣化器內壁上被分離出來的爐渣大部分會流到裝置的外圍區域，因此該處的爐渣層會特別厚，同時熱流密度會特別低。
反之，斷面中心區域則幾乎不會被流下的爐渣蓋住，因此在這個區域只會形成一個很薄的爐渣層。分別測量變窄的過渡管道的外圍區域及中心區域的熱流密度可以得到控制氣化溫度的兩個重要資料：
--可以測量外圍區域最厚的爐渣層，以保護渦流抑制構件免於因隨著時間升高的溫度而被愈來愈多爐渣蓋住；
--測量中心區域的最大熱流密度，以掌握熱流密度的快速變化，這樣就可以快速修正氣化溫度的短暫變化。
根據本發明的另外一種實施方式，變窄的過渡管道在其位於重力方向上的底端有一個具有滴落邊緣的收縮段。
採取這個措施具有以下的優點：在混合彼此反向流動的氣流層及加速及改變氣體方向時，被攜帶在氣體中的爐渣顆粒會彼此撞碰及被燒結，因而形成可以在內壁上被分離出來的較大的顆粒，這樣就可以大幅降低氣體中的灰分含量。
根據本發明的另外一種實施方式，變窄的過渡管道的收縮段被另外一根混合管圍繞住，因而形成另外一個混合室。
根據本發明的另外一種實施方式，混合管的內壁是由(被冷卻但未搗築爐襯的)金屬構成。
根據本發明的另外一種實施方式，另外一根混合管的直徑及另外一根混合管的自由邊緣與滴落邊緣的距離都是配合爐渣的凝固特性設計。例如，如果爐渣會突然在高溫(例如1200℃)下凝固，則可以將直徑設計得比較小，以減少從冷卻區回流至混合室的冷氣體量，這樣就可以防止爐渣凝固在滴落邊緣上。爐渣的凝固溫度愈低，就可以將另外一根混合管的直徑設計得愈大。當爐渣的凝固溫度較低時，會有較多的冷氣體回流，使混合室的溫度降的比較低，這樣就不會有帶有黏性表面的飛灰微粒黏在另外一根混合管上。
一種有利的情況是滴落邊緣及混合管的自由邊緣之間的一個想像中的展開角介於10度至30度之間，其中根據本發明的一種有利的實施方式，另外一根混合管的半徑比滴落邊緣的半徑大0.1m至1m。
以下配合圖式對本發明的特徵、細節、以及優點作進一步的說明。
第1圖是以簡化的示意方式顯示高壓容器(2)內的一反應器(1)的斷面圖，其中箭頭(3)代表的是以氣流沖擊反應器(1)的燃燒器。
可以看出漏斗狀的氣化器底部(4)轉變成一個變窄的過渡管道(5)，此過渡管道(5)具有迎向氣流的構件(6)，其作用是抑制從反應器排出之混合物形成之渦流。
從流動方向看過去，變窄的過渡管道(5)在構件(6)的後面具有一個匯入氣體冷卻室(9)的第一混合區(7)，其中箭頭(8)代表的是冷卻介質。
迎向氣流的構件(6)可以是由讓冷卻介質流過的管壁構成，此部分將在本文後面配合第5圖詳細說明。此外，管壁上還可以安裝銷釘及搗築爐襯，以利攔截爐渣及降低熱流密度。
從第2a圖可以看出，第1圖的構件(6)是沿徑向伸入管道(5)的內部，但是並未進入內部斷面(5a)的範圍。內部斷面(5a)應大到能夠讓一個人通過，以便在冷卻室(9)內進行維修工作。
內部斷面(5a)幾乎不會冷卻，因此不必擔心爐渣凝固而將管道整個堵住。
第2a圖中以虛線繪出的箭頭代表所形成的渦流移動。在構件(6)之間的空間產生的渦流(6a)與第2a圖中箭頭(5b)代表的在沒有構件之內部空間內的氣流方向是相反的。如虛線繪出的箭頭(6b，6c)所示，構件(6)之間的渦流(6a)的流動方向使循環氣流在構件(6)的不同壁面上是朝彼此相反的方向流動。渦流(6a)的向內流動的子區域的方向與旋轉氣流(5b)的方向是相反的。
如果將構件取消，則從第1圖之IIb-IIb斷面可以看出，在這個區域的氣流(5b)及氣流(6b)的方向是彼此相反的，而且會彼此使對方減速，甚至在管道(5)的底端可能會彼此完全抵消。
第3圖顯示另外一實施例。在這個實施例中，冷卻室(9)本身是一個獨立的組件，不算在第1圖的實施例中只是壓力容器的一部分。
第3圖的實施例和第1圖不一樣的地方是，渦流抑制構件(6)是彎曲的及/或傾斜於氣流方向，以及混合物是從與反應器(1)的旋轉方向的反方向離開反應器。
第4圖顯示另外一實施例。在這實施例中，變窄的管道的底部也有連接一個收集爐渣的冷卻凹槽(10)，以便將液態爐渣排出去，其中冷卻凹槽(10)匯入一個獨立的爐渣池(11)。將爐渣經由冷卻凹槽(10)到爐渣池(11)可以形成不含固體顆粒的爐渣，因此不只可以用水冷卻從管道(5)流出的氣體，也可以用較冷的氣體冷卻，以產生乾燥的高溫氣體，例如可以將這種乾燥的高溫氣體作為還原氣體使用。
管壁(6)可以帶有刻槽、肋條、或是傾斜一個角度，這樣爐渣就會從管壁表面朝管道的管壁方向流動，以便從凹槽(10)排出。
第5圖顯示這種渦流抑制構件的一個例子。這種渦流抑制構件是由並排在一起的冷卻管(12，13)所構成，其中冷卻管(12，13)在重力方向上的底部是傾斜的，而且至少是部分展開的，因此可以在傾斜的底部之間接上一個接片(14)，以使爐渣易於從該處流出，並繼續朝管壁(5)的方向流動，然後再從管壁(5)流入一個未在第5圖中繪出的凹槽，並從凹槽排出。
第6圖顯示一具有一縮短的管道(也就是混合管(5))的實施例，從重力方向看過去，混合管(5)的底端有一個具有滴落邊緣(15a)的收縮段(15)。這個收縮段(15)會迫使第2b圖中彼此反向的渦流(5b)及渦流(6b)相對移動，這樣渦流之間的抵消效應就會大幅增強，因此在收縮段(15)的終端實際上就已經完全抵消。
在本發明的這個實施例中，出口及/或滴落邊緣(15a)還被另外一根混合管(16)圍繞住，因而形成另外一個混合室(7a)。這根混合管(16)也可以阻止從冷卻室(9)排出的冷氣體回流到滴落邊緣(15a)周圍，因此可以防止爐渣凝固，以免在這個區域形成鐘乳石或其他懸掛式的污染物。
第6圖中的兩個以虛線繪出的箭頭分別代表滴落邊緣(15a)的半徑(r)及另外一根混合管(16)的半徑(R)，以及顯示一個想像中的展開角(α)，也就是由滴落邊緣(15a)及另外一根混合管(16)的自由邊緣(16a)之間的連接線構成的角。爐渣的凝固溫度愈高，展開角(α)就可以愈小，因此半徑(r)及半徑(R)的差異就愈小，實務上可以將半徑(R)設計成比半徑(r)大0.1m至1m。展開角(α)最好是介於10度至30度之間。
為了形成爐渣射流或射束，可以使收縮段(15)具有波浪形的表面，但此處不擬對此作進一步的說明。
當然本發明的範圍並非僅限於以上所舉的實施例，而是可以有許多變化及改良方式均不會離開本發明的基本構想。尤其是過渡管道(5)的冷卻壁面(6)可以採用對稱設計。如果是使用氣體是向上從頂端出口排出的氣化器，則可以經由這個出口安裝變窄的過渡管道，同時在過渡管道之壁面分離出的爐渣會流入或掉落到氣化器內。在冷卻室(9)內可以利用傳導、輻射、或對流等方式將氣體冷卻。在反應室內還可以加入其他的反應物質(例如石灰石)，以去除硫化物。
1．．．反應器
2．．．高壓容器
3，6b，6c，8．．．箭頭
4．．．氣化器底部
5．．．(過渡)管道
5b，6b．．．(旋轉)氣流/渦流
5a．．．內部斷面
6．．．壁面/構件/管壁
6a．．．渦流
7．．．混合區
7a．．．混合室
9．．．氣體冷卻室/冷卻室
10．．．凹槽
11．．．爐渣池
12，13．．．冷卻管
14．．．接片
15．．．收縮段
15a．．．滴落邊緣
16．．．混合管
16a．．．自由邊緣
r，R．．．半徑
α．．．展開角
第1圖：一個具有反應器及冷卻室之高壓容器的示意圖。
第2a圖：如第1圖之II-II斷面的示意圖。
第2b圖：如第1圖之IIb-IIb斷面的示意圖。
第3圖：如第1圖之本發明的實施例的一種變化方式。
第4圖：本發明的另外一個實施例。
第5圖：面對氣流之內壁的側視圖及正視圖，該內壁位於從反應器到冷卻室之間的過渡管道內。
第6圖：如第1圖之本發明的實施例的一種變化方式。
1．．．反應器
2．．．高壓容器
3，8．．．箭頭
4．．．氣化器底部
5．．．(過渡)管道
6．．．壁面/構件/管壁
7．．．混合區
9．．．氣體冷卻室/冷卻室

Claims (7)

  1. 一種製造含一氧化碳及氫氣的粗煤氣的裝置，其係藉由含灰分之燃料氣化，在高於灰分之熔點的溫度，以含氧之氣製造粗煤氣，該裝置包括；一氣化反應器；一後續氣體冷卻空間；一過渡管道，位在該氣化反應器及該氣體冷卻空間之間，該過渡管道具有一直徑，其小於該氣化反應器及該氣體冷卻空間之直徑；以及或複數個冷卻管形式的複數個分立的組件，被設置在過渡管道內，該等分立的組件安裝成減少或防止製程氣體渦流，且僅通過該過渡管道的斷面面積中的一部分，以形成一沒有分立的組件、變窄的內部，該等分立的組件的長度為該過渡管道直徑的0.5倍至4倍之間，其中，在重力方向在過渡管道的底端設有一個具有滴落邊緣的收縮段；其中，該收縮段在過渡管道由另外一在底端具有自由邊緣的混合管圍繞住，因而形成另外一個混合空間；及其中，滴落邊緣及混合管的自由邊緣之間的一展開角介於10度至30度之間。
  2. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中該等分立的組件具有一在縱向方向上略為扭轉的構形。
  3. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中在重力方向，在相鄰的管子的下方壁面區具有彼此間隔一段由一匯流接片 橋接的距離，及其中該匯流接片通向爐渣排出凹槽。
  4. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中過渡管道的直徑係氣化器直徑的0.1倍至0.5倍，其中由於渦流抑制壁的垂直側棱致在內部剩留之淨寬≧500mm。
  5. 如申請專利範圍中第1項的裝置，其中以燃燒器陣列對應的割線為準，爐膛角度在5度至10度之間，其他的渦流體及構件也是一樣，以提高氣化器內的流通，使氣化器內的物質更加充分的混合。
  6. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中混合管的內壁是由被冷卻但未搗築爐襯的金屬構成。
  7. 如申請專利範圍第1項的裝置，其中另外一根混合管的半徑比滴落邊緣的半徑大0.1m至1m。
TW098109017A 2008-03-27 2009-03-20 以連接有冷卻室之氣化反應器製造合成氣體之裝置 TWI445815B (zh)

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