本發(fā)明涉及一種通過含碳燃料的部分氧化生產(chǎn)合成氣的反應器。本發(fā)明的特別之處在于改進了反應器中合成氣的直接冷卻。

背景技術：

1、含碳的氣體、液體或固體燃料特別是烴的部分氧化是一種通常在工業(yè)上大規(guī)模應用以生產(chǎn)氫氣/一氧化碳混合物(合成氣)的方法。在所謂的氣流床氣化中，含碳燃料與含氧氧化劑和在適當情況下的緩和劑(例如蒸汽和/或二氧化碳)一起在反應空間中轉化為合成氣。這里，反應器中，特別是反應空間中的典型條件是高溫(1300℃至1500℃)和高壓(高達100巴)。

2、在合成氣中的熱量不能在廢熱鍋爐中使用的工藝中，熱的合成氣必須在進一步洗滌和使用之前冷卻，通常冷卻到低于300℃的溫度。這通常通過與冷卻劑直接接觸即直接冷卻來實現(xiàn)。在這種情況下，冷卻劑通常被稱為淬火介質(zhì)。淬火介質(zhì)通常是水，或者在某些情況下是有機液體(例如在煤氣化或生物質(zhì)氣化的情況下)。

3、也稱為淬火冷卻的這種類型的冷卻在相關文獻中有所描述，并且為本領域技術人員所熟知。原則上，這種類型的冷卻的三種實施方式之間存在區(qū)別，所述三種實施方式即浸入淬火、自由淬火和淬火管。

4、在浸入淬火的情況下，反應空間的出口通常與浸在冷卻劑中的氣體引導管直接鄰接，氣體引導管將熱氣體從反應空間攜帶出而進入水儲器，熱氣體在其流過水儲器時在水儲器中被冷卻。例如，在us2010/0325957?a1、us2013/0189165a1和wo?2017/102945a1中描述了這樣的系統(tǒng)。

5、在自由淬火的情況下，熱氣體直接流出反應空間、經(jīng)由引導管直接進入冷卻空間(淬火空間)，水經(jīng)由一個或多個噴嘴注入該冷卻空間中。例如在us2007/0051043?a1和us2009/0007487?a1中描述了這種系統(tǒng)。

6、在淬火管的情況下，在管中所引導的氣流流入加寬的淬火空間以借助冷卻劑直接冷卻之前，經(jīng)由噴嘴系統(tǒng)以高速將冷卻液引入到管中所引導的氣流中。dd?215?326中描述了這樣一種系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)思路

1、當使用浸入淬火時，缺點是急冷水/淬火水在反應器的待冷卻的氣體通過其中的冷卻空間內(nèi)的液位/填充水平必須控制在一個狹窄的范圍內(nèi)。液位過高會容易導致反應器系統(tǒng)中壓力波動增大。如果液位太低，則存在未冷卻的合成氣將穿透的風險，結果可能會損壞部件。

2、使用自由淬火布置結構會有這樣的風險，即如果一些噴嘴被堵塞，則氣流的部分區(qū)域將不能被充分冷卻，并且這可能帶來將形成熱氣流的風險，并因此導致部件過熱和損壞。

3、盡管在單獨的多個噴嘴的情況下，使用未被浸入的簡單氣體引導管聯(lián)同水注射降低了在堵塞或射流偏轉的情況下形成熱氣流的風險，但在較高的操作壓力下其具有以下缺點：合成氣的高密度和粘度要求冷卻介質(zhì)具有高動量以使其能夠滲透到氣流的核心。這需要高壓差和足夠大的冷卻劑射流直徑，這與形成盡可能小的冷卻劑液滴以快速有效冷卻的要求相違背。冷卻介質(zhì)不充分霧化或不充分滲透到待冷卻的氣體射流中意味著不能保證氣體的可靠冷卻，特別是在高壓和瞬態(tài)操作狀態(tài)下(反應器從低壓逐步升至正常負荷)。

4、因此，總體而言，本發(fā)明的目的是至少部分克服現(xiàn)有技術的上述缺點。這尤其適用于結合關于未浸入的氣體引導管(淬火管)所述的缺點。

5、特別地，本發(fā)明的一個目的是通過以下方式來實現(xiàn)熱合成氣的冷卻：用冷卻劑直接冷卻，使得能包含全部待冷卻氣流，從而確保不會形成熱合成氣流，熱合成氣流的形成可能導致冷卻空間或下游部件的承載壁過熱和損壞。

6、此外，本發(fā)明的一個目的是以這樣一種方式配置合成氣的冷卻，即在從環(huán)境條件下的反應器升溫到高壓下的滿負荷的寬操作范圍內(nèi)，在介質(zhì)的流速、密度和粘度發(fā)生劇烈變化的情況下，合成氣的冷卻可靠且安全地進行。

7、獨立權利要求有助于至少部分實現(xiàn)至少一個上述目的。從屬權利要求提供了有助于至少部分實現(xiàn)至少一個目的的優(yōu)選實施例。

8、術語“具有”、“包括”或“包含”等不排除其他元素/元件、成分等的可能存在。不定冠詞“一”不排除可能存在多個。

9、本發(fā)明的目的至少部分通過一種用于通過含碳燃料的部分氧化生產(chǎn)合成氣的反應器來實現(xiàn)，該反應器包括：

10、(a)反應空間，該反應空間具有燃燒器、燃料進料部和氧化劑進料部，該反應空間用于在所述反應空間中由燃料和氧化劑生產(chǎn)合成氣；

11、(b)冷卻空間，該冷卻空間具有冷卻劑進料部、合成氣出口和冷卻劑出口，該冷卻空間用于通過冷卻劑的直接冷卻來冷卻合成氣；

12、(c)氣體引導管，其將反應空間和冷卻空間彼此連接，其中

13、氣體引導管具有鄰接反應空間的氣體入口區(qū)域和鄰接冷卻空間的氣體出口區(qū)域，

14、其中，根據(jù)本發(fā)明，設想氣體引導管具有內(nèi)管和外管，使得在內(nèi)管和外管之間形成有環(huán)形間隙，其中環(huán)形間隙流體連接到冷卻劑進料部，從而使得冷卻劑能夠流過所述間隙，以及

15、所述內(nèi)管在氣體引導管的氣體入口區(qū)域中具有通向所述環(huán)形間隙的開口，并且擋板布置在該開口的區(qū)域中，從而使得能夠在內(nèi)管的內(nèi)側面上產(chǎn)生冷卻劑的液膜，以及

16、孔口布置在氣體引導管的氣體出口區(qū)域中，從而使得能夠在冷卻空間內(nèi)產(chǎn)生冷卻劑噴霧。

17、根據(jù)本發(fā)明，熱合成氣流在離開反應空間后首先全部被進料通過被冷卻的氣體引導管。氣體引導管也可稱為淬火管。氣體引導管實施為具有內(nèi)管和外管的雙壁系統(tǒng)，由此形成環(huán)形間隙。環(huán)形間隙流體連接至冷卻劑進料部，使得合成氣所流過的氣體引導管的體積被冷卻。內(nèi)管在氣體引導管的氣體入口區(qū)域中具有通向環(huán)形間隙的開口，使得在環(huán)形間隙和內(nèi)管之間形成流體連接，特別是在環(huán)形間隙和內(nèi)管的內(nèi)部和/或內(nèi)管的內(nèi)側面之間形成流體連接。也可存在多個這樣的開口。

18、擋板布置在環(huán)形間隙通向內(nèi)管內(nèi)側/內(nèi)側面的開口的區(qū)域中。借助于擋板，從開口流出的冷卻劑被轉向，使得能夠在內(nèi)管的內(nèi)側面上形成液膜。結果，氣體引導管在其內(nèi)側被額外冷卻，從而防止過熱。此外，通過在內(nèi)管內(nèi)側面上的連續(xù)流而在氣體引導管內(nèi)側面上形成水膜提供了防止可能的沉積物的有效保護。

19、此外，孔口布置在氣體引導管的氣體出口區(qū)域中。在氣體出口區(qū)域的區(qū)域中，孔口減小了氣體引導管的流動的橫截面積，即氣體引導管的流動橫截面積。這導致氣體引導管的氣體出口區(qū)域中的湍流，特別是在孔口區(qū)域中的湍流，使得冷卻劑被流動的合成氣體霧化，從而在冷卻空間內(nèi)形成冷卻劑噴霧。這種冷卻劑噴霧的形成導致熱氣流與冷卻劑的徹底混合。這確保了包含并冷卻全部合成氣流。

20、根據(jù)本發(fā)明的反應器冷卻系統(tǒng)還提供了對于冷卻劑不需要高壓注射的優(yōu)點。由于該系統(tǒng)原則上可在沒有噴嘴的情況下實施，冷卻劑進料部的(部分)堵塞和由此導致的冷卻減少而形成熱合成氣流的風險大大降低。

21、根據(jù)本發(fā)明的反應器配置用于通過含碳燃料的部分氧化來生產(chǎn)合成氣。含碳燃料可以是任何適于通過部分氧化生產(chǎn)合成氣的氣體、液體或固體燃料。根據(jù)一個實施例，反應器配置用于氣流床氣化。含碳燃料優(yōu)選是含烴燃料。氧化劑優(yōu)選包含氧氣。合適的氧化劑的例子是空氣、富氧空氣或純氧。產(chǎn)生的合成氣至少包含氫氣和一氧化碳，并且通常還包含作為合成氣形成反應的另外的產(chǎn)物的二氧化碳。

22、反應器的反應空間配置用于實際的部分氧化。發(fā)生部分氧化的典型溫度為1300℃至1500℃。反應空間中的壓力可高達100巴。

23、因此，反應空間具有至少一個燃燒器。反應空間還具有燃料進料部，其配置成將燃料進料到反應器的反應空間中和/或至少一個燃燒器中。反應空間還具有氧化劑進料部，其配置成將氧化劑進料到反應器的反應空間中和/或至少一個燃燒器中。

24、反應器的冷卻空間配置用于冷卻在反應空間中生產(chǎn)的熱合成氣。在這種情況下，熱合成氣的冷卻是通過合成氣的直接冷卻來實現(xiàn)的，即通過經(jīng)由混合合成氣和冷卻劑兩種介質(zhì)而將熱量從合成氣直接傳遞到冷卻劑并使冷卻介質(zhì)至少部分氣化來實現(xiàn)的。這種直接冷卻應區(qū)別于間接冷卻，例如在熱交換器中的間接冷卻。

25、冷卻空間具有冷卻劑進料部。冷卻劑進料部配置成將冷卻劑進料到反應器的冷卻空間。在冷卻劑進入反應器的冷卻空間之前，它首先流過氣體引導管的環(huán)形間隙和氣體引導管的內(nèi)管的內(nèi)側面。冷卻劑進料部優(yōu)選至少部分地布置在冷卻空間內(nèi)，因此至少部分地延伸穿過冷卻空間。冷卻劑進料部優(yōu)選為管狀進料部。

26、冷卻空間還具有合成氣出口。合成氣出口配置成從反應器的冷卻空間排出冷卻的合成氣/冷卻劑混合物。在本文中，合成氣/冷卻劑混合物是指冷卻的合成氣和氣化的冷卻劑的混合物。上述混合物還可包含一定比例的緩和劑蒸汽，其已經(jīng)被引入反應空間用于反應的熱控制。合成氣出口優(yōu)選為管狀排放口。合成氣出口也可稱為冷氣體出口。

27、冷卻空間還具有冷卻劑出口。冷卻劑出口配置成從反應器的冷卻空間排出過剩冷卻劑。因此，伴隨著冷卻的合成氣經(jīng)由合成氣出口被排出反應器，以非氣態(tài)形式離開反應器的過剩液體冷卻劑經(jīng)由冷卻劑出口從反應器中排出。冷卻劑出口優(yōu)選為管狀排放口。冷卻劑出口優(yōu)選布置在冷卻空間的貯槽區(qū)域中。過剩冷卻劑會聚集在冷卻空間的貯槽區(qū)域中?？赏ㄟ^液位控制系統(tǒng)來監(jiān)控過剩冷卻劑的液位，反應器的冷卻空間優(yōu)選裝備有該液位控制系統(tǒng)。

28、反應器的反應空間和冷卻空間通過氣體引導管相互連接。因此，氣體引導管形成了供待冷卻的合成氣從反應空間到冷卻空間的通道。

29、氣體引導管具有鄰接反應空間的氣體入口區(qū)域。氣體引導管的氣體入口區(qū)域也可稱為氣體引導管的第一端。該第一端直接鄰接反應空間，因此氣體引導管在其第一端或氣體入口區(qū)域首先“看到”熱的、尚未冷卻的合成氣。

30、氣體引導管還具有鄰接冷卻空間的氣體出口區(qū)域。氣體引導管的氣體出口區(qū)域也可稱為氣體引導管的第二端。該第二端直接鄰接冷卻空間。在通過該氣體出口區(qū)域或第二端之后，預冷卻的合成氣因此進入反應器的冷卻空間。

31、孔口布置在氣體出口區(qū)域或氣體引導管的第二端的區(qū)域中。孔口構造成使得它限定了關于氣體引導管的流動橫截面/面積的收縮部分，因此氣體引導管的流動橫截面在孔口區(qū)域減小。該孔口優(yōu)選將氣體引導管的流動橫截面/面積減小到2/3倍至1/16倍、優(yōu)選減小到1/2倍至1/7倍。

32、該反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于，在反應空間和冷卻空間之間布置有中間分隔壁，該中間分隔壁將反應空間和冷卻空間在空間上彼此分開，并且氣體引導管作為穿過中間分隔壁的通道延伸。

33、特別地，中間分隔壁是承載/受荷中間分隔壁，其限定了反應空間和冷卻空間之間的空間和流體密封/不漏流體的分隔。氣體引導管從反應空間延伸穿過中間分隔壁進入冷卻空間，從而限定了流體從反應空間進入冷卻空間的通道。

34、反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于反應空間形成為反應器的上部區(qū)域，冷卻空間形成為反應器的下部區(qū)域。

35、特別地，反應器豎直地布置，使得反應介質(zhì)和冷卻介質(zhì)可從頂部向下流動。特別地，所述至少一個燃燒器以及燃料進料部和氧化劑進料部布置在反應器的頂部區(qū)域中，特別是反應空間的頂部區(qū)域中。這種布置結構也被稱為頂燃式。

36、反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于氣體引導管豎直地布置。

37、氣體引導管優(yōu)選豎直地布置或者至少基本豎直地布置。這允許合成氣和冷卻劑在重力作用下自然流動通過氣體引導管。

38、反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于：

39、氣體引導管在下部區(qū)域流體連接至冷卻劑進料部，從而使冷卻劑能夠從底部向上流過環(huán)形間隙。

40、氣體引導管的環(huán)形間隙優(yōu)選在氣體出口區(qū)域中流體連接至冷卻劑進料部。這確保了冷卻劑在環(huán)形間隙中流過氣體引導管的整個長度。因此，通過穿過環(huán)形間隙的流動可冷卻氣體引導管。

41、特別是在氣體引導管豎直地布置的情況下，環(huán)形間隙因此優(yōu)選地在氣體引導管的下部區(qū)域中流體連接至冷卻劑進料部，從而使得冷卻劑能夠在氣體引導管的最大長度上從底部向上流過環(huán)形間隙。

42、反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于，擋板具有平行于內(nèi)管延伸的區(qū)域。

43、擋板的平行于內(nèi)管延伸的區(qū)域優(yōu)選經(jīng)由該區(qū)域的一端、特別是該區(qū)域的上端在內(nèi)管的通向環(huán)形間隙的開口的上方連接到內(nèi)管的內(nèi)側面。這種連接可借助于擋板的附加元件實現(xiàn)，該附加元件例如為基本上水平地延伸的連接元件。

44、已知的連接優(yōu)選為材料集成式連接，例如焊接接合。

45、在氣體引導管豎直地布置的情況下，擋板原則上固定在內(nèi)管的通向環(huán)形間隙的開口的上方，以便以這種方式使冷卻劑從頂部沿著內(nèi)管的內(nèi)側面向下流動。

46、反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于合成氣出口橫向地/側向地布置在反應器的冷卻空間上。

47、如前所述，合成氣出口也可稱為冷氣體出口。該冷氣體出口用于從反應器的冷卻空間排出合成氣和氣態(tài)冷卻劑的冷卻混合物，特別是合成氣和蒸汽的冷卻混合物。合成氣出口優(yōu)選布置成水平地延伸的管或基本上水平地延伸的管。作為進一步的優(yōu)選，該管在冷卻空間的區(qū)域中布置得盡可能高，從而確保盡可能少的合成氣/冷卻劑混合物能夠積聚在合成氣出口上方幾乎沒有流動的死空間中。

48、冷卻劑進料部優(yōu)選也作為水平地延伸的管或作為基本上水平地延伸的管橫向地/側向地布置在反應器的冷卻空間上。根據(jù)一個實施例，冷卻劑進料部具有斜度，特別是從冷卻空間的邊緣區(qū)域沿朝著冷卻空間的中央?yún)^(qū)域的方向的梯度。在這種情況下，特別地，冷卻劑進料部延伸穿過反應器的冷卻空間的側壁。

49、作為進一步的優(yōu)選，冷卻劑出口布置在反應器的冷卻空間的下部區(qū)域中。

50、冷卻劑出口優(yōu)選布置在反應器的冷卻空間的下部區(qū)域或貯槽區(qū)域中。特別地，冷卻劑出口延伸穿過冷卻空間的下壁，通常是底部。在這種情況下，冷卻劑出口可布置在底部的中央?yún)^(qū)域中，或者可橫向偏移。在中央布置的情況下，冷卻劑出口優(yōu)選地構造成豎直管。在橫向偏移布置的情況下，冷卻劑出口可傾斜布置。

51、過剩冷卻劑可在冷卻劑出口上方聚集在冷卻空間內(nèi)。這種過剩冷卻劑的量通過液位來調(diào)節(jié)。這里優(yōu)選的是，液位總是以這樣的方式被控制，即使得液位、換言之靜止的冷卻液體的上邊界永遠不會在氣體引導管的氣體出口區(qū)域以上。

52、根據(jù)一個實施例，反應器因此配置成使得冷卻空間具有用于冷卻劑、特別是用于過剩冷卻劑的液位控制系統(tǒng)，其中液位控制系統(tǒng)配置成使得在反應器操作期間所述液位低于氣體引導管的氣體出口區(qū)域。

53、因此，反應器優(yōu)選配置成使得氣體引導管的氣體出口區(qū)域布置成使得其在操作條件下不浸入液體中，特別是不浸入冷卻劑液體中。因此，反應器優(yōu)選配置為具有淬火管作為冷卻系統(tǒng)的反應器，而不是具有浸入管(浸入淬火)作為冷卻系統(tǒng)的反應器。

54、根據(jù)一個實施例，反應器的冷卻空間可包含額外的噴嘴或用于將冷卻劑注入到冷卻空間中的其他合適的裝置，由此反應器將另外具有可被稱為自由淬火的冷卻系統(tǒng)。

55、反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于冷卻劑包含水，優(yōu)選由水組成。

56、該反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于，在環(huán)形間隙內(nèi)布置有阻力元件，該阻力元件導致環(huán)形間隙內(nèi)的冷卻劑流的壓力損失。

57、根據(jù)一個示例，阻力元件是周向環(huán)，優(yōu)選地是具有腹板/網(wǎng)(web)的環(huán)。

58、環(huán)形間隙內(nèi)的阻力元件的布置改善了環(huán)形間隙內(nèi)冷卻劑流的均勻分布。換言之，冷卻劑在環(huán)形間隙內(nèi)的流動由此變得更加均勻。

59、反應器的一個優(yōu)選實施例的特征在于，內(nèi)管在氣體引導管的氣體出口區(qū)域中具有通向環(huán)形間隙的開口，由此使得能夠形成進入氣體引導管內(nèi)部的冷卻劑旁通流。也可存在多個這樣的開口。

60、借助于內(nèi)管在位于氣體出口區(qū)域的區(qū)域中的另外的開口，能夠產(chǎn)生冷卻劑旁通流，這防止了在環(huán)形間隙的氣體出口區(qū)域內(nèi)、特別是在環(huán)形間隙的下部區(qū)域內(nèi)的沉積。尤其是在冷卻劑供應不均勻或該區(qū)域冷卻不均勻或冷卻不良的情況下，可能會形成這種沉積物。