用于去除熔渣的氣流床氣化爐及方法
【專利說明】用于去除熔渣的氣流床氣化爐及方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本公開要求于2013年6月12日提交的序列號為61/834，072的臨時申請的權益。
[0003]背景
[0004]本公開涉及產生熔融副產品的反應器容器。
[0005]碳質燃料氣化爐用于使氧氣、水蒸氣和碳質材料反應以產生合成氣體(主要地一氧化碳和氫氣)的氣態(tài)反應產品。該反應也從碳質燃料中的惰性成分中產生渣副產品。該渣通常與氣態(tài)反應產品一起從反應器中排出。
[0006]概述
[0007]根據本公開的示例的氣流床氣化爐反應器(entrained-flow gasifier reactor)包括容器和在容器內的第一襯套。第一襯套圍繞容器中的反應區(qū)延伸并且具有相對于反應區(qū)的入口端和出口端。滴嘴位于第一襯套的出口端處，以及隔離器設置于滴嘴附近。隔離器是可操作的，以使滴嘴與反應區(qū)下游的急冷區(qū)(quench zone)熱隔離，使得滴嘴處的熔渣保持fe融。
[0008]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，隔離器從第一襯套的出口端偏離。
[0009]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，隔離器為內冷型襯套。
[0010]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，隔離器圍繞滴嘴周向地延伸。
[0011]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，在隔離器和滴嘴之間具有徑向間隙。
[0012]前述實施方式中的任一個的進一步實施方式包括第二襯套，其設置于第一襯套的下游，第二襯套圍繞容器中的急冷區(qū)延伸。
[0013]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，第一襯套和第二襯套均為內冷型的。
[0014]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，第一襯套具有最大直徑并且第二襯套具有最小直徑，該最小直徑大于該最大直徑。
[0015]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，容器包括急冷噴嘴，該急冷噴嘴相對于容器的縱向軸線軸向地設置在隔離器下方。
[0016]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，反應區(qū)具有沿著容器縱向軸線的恒定的橫截面面積。
[0017]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，該滴嘴包括面向反應區(qū)的豎直內表面、相對的豎直外表面和相對于容器的縱向軸線的軸向端表面，并且軸向端表面包括倒退的部分。
[0018]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，第一襯套與容器徑向隔開以提供在其間的間隙，并且包括在容器和第一襯套之間延伸的環(huán)形擋板，該環(huán)形擋板是可操作的，以將氣流從第一襯套與容器之間的間隙引導到隔離器和第一襯套之間的徑向間隙中。
[0019]根據本公開的示例的氣流床氣化爐反應器包括長形的容器，其具有頂端和底端。該長形的容器在豎直方向是可操作的，并且具有在頂端處的噴射器。第一內冷型襯套位于所述長形的容器內。第一內冷型襯套圍繞長形的容器中的反應區(qū)延伸，并且具有相對于反應區(qū)的入口端和出口端。滴嘴在第一內冷型襯套的出口端處。集渣器位于所述滴嘴下方，并且圍繞所述滴嘴設置有隔離器。該隔離器是可操作的，以使滴嘴與反應區(qū)下游的急冷區(qū)熱隔離，使得滴嘴處的熔渣保持熔融。
[0020]前述實施方式中的任一個的進一步實施方式包括第二內冷型襯套，其設置于長形的容器內在第一內冷型襯套的下游，第二內冷型襯套圍繞長形的容器中的急冷區(qū)延伸，且隔離器是第三內冷型襯套。
[0021]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，第一內冷型襯套、第二內冷型襯套和第三內冷型在彼此分離的冷卻回路上。
[0022]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，長形的容器包括分別排出渣和產品氣體(product gas)的在底端處和靠近底端的容器排放口。
[0023]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，隔離器從第一內冷型襯套的出口端偏離。
[0024]根據本公開的示例的用于在氣流床氣化爐反應器中管理熔渣的方法包括:將反應物引入容器中的反應區(qū)中。反應物發(fā)生反應并且產生氣體反應產品和熔渣。通過允許熔渣從滴嘴流出并且經過冷卻急冷區(qū)自由下落且進入集渣器中來從反應區(qū)去除熔渣。冷卻急冷區(qū)處于比反應區(qū)低的溫度。滴嘴與冷卻急冷區(qū)熱隔離，使得滴嘴處的熔渣保持熔融。
[0025]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，反應物中的至少一種是固態(tài)的碳質材料。
[0026]前述實施方式中的任一個的進一步實施方式包括將滴嘴周圍的環(huán)境保持在大于1500° F(815°C )的溫度處。
[0027]在前述實施方式中的任一個的進一步實施方式中，滴嘴的熱隔離包括使用圍繞滴嘴布置的內冷型襯套。
[0028]根據權利要求18所述的方法，還包括注射圍繞滴嘴的氣簾以限制當熔渣從滴嘴自由下落時熔渣的沉積。
[0029]附圖簡述
[0030]從下面詳細的描述中，本公開的各種特點和優(yōu)點將對于本領域技術人員變得明顯。伴隨詳細描述的附圖可以簡要說明如下。
[0031]圖1示出了示例性氣流床氣化爐反應器。
[0032]圖2示出了另一示例性氣流床氣化爐反應器。
[0033]圖3示出了根據圖2中所示的剖面的氣流床氣化爐反應器的一部分。
[0034]圖4示出具有倒退部分的示例性滴嘴。
[0035]圖5示出另一示例性滴嘴。
[0036]圖6示出另一示例性滴嘴。
[0037]圖7示出具有在第一襯套和隔離器之間的徑向間隙的另一示例性氣流床氣化爐反應器。
[0038]圖8示意性地示出圖5的氣流床氣化爐反應器。
[0039]詳細描述
[0040]圖1示出了氣流床氣化爐反應器20(此后稱為“反應器”20)。從本公開中應了解，反應器20是可操作的以使氧氣、水蒸氣和碳質材料反應以形成合成氣體，該合成氣體通常包括一氧化碳和氫氣。雖然這些示例可存在于碳質燃料氣化的情形下，但是應了解，本公開也可以應用于其他類型的氣流床反應器，其產生渣副產品。如本文用來描述反應器的，術語“氣流床”指的是一種反應器，該反應器適合于接收反應物輸入并管理由固態(tài)材料反應生成的渣，該反應物輸入包括在運載氣體(例如:氮氣、二氧化碳等等)中夾帶的固態(tài)的、通常為顆粒的材料。術語“渣”是指固態(tài)或液態(tài)的反應副產品，如果不管理，其可能積聚在反應器中。因此，反應器20適合于垂直的操作，以促進重力清除渣。將進一步詳細地描述，反應器20包括增強熔渣管理的特征。舉例來說，如果不適當管理熔渣，其可在反應器內部部件上沉積和固化，并且隨著時間的推移需要維護，這可降低耐久性并增加成本。
[0041]參考圖1，為了描述目的，示意性地示出了反應器20。然而，應了解，反應器20可以包括排除在示出的視圖之外的附加部件，例如但不限于控制器、閥門、端口、儀表、傳感器等等。反應器20包括容器22和在容器22內的第一襯套24。第一襯套24通常圍繞反應區(qū)26延伸，反應物被注射到該反應區(qū)26內以產生反應并生成氣態(tài)的反應產物和熔渣。舉例來說，第一襯套24可以是管狀的，使得反應區(qū)26是圓柱形的且沿著容器22的縱向軸線A具有恒定的橫截面，盡管該橫截面可以可選擇地匯聚。第一襯套24包括相對于反應區(qū)26的入口端24a和出口端24b。在該示例中，反應器20包括在容器22的頂端處靠近入口端24a的噴射器28，其用于將反應物引入反應區(qū)26中。還可以包括點火器。
[0042]滴嘴30位于第一襯套24的出口端24b處，其功能將進一步在下面詳細描述。舉例來說，以簡單的形式，滴嘴30是熔渣從其滴落成經過容器22自由下落的區(qū)域。在這方面，滴嘴30可以簡單地是第一襯套24的末端，在該處第一襯套24的內表面向外并向上轉彎(相對于流經容器22的表示為F的流)。如下面還在另外的示例中描述的(例如，見圖4和圖6)，滴嘴30也可以設計成具有用于滴落功能的進一步促進熔渣分離的幾何形狀。滴嘴30可以是第一襯套24的一部分，或可以是區(qū)別于第一襯套24的單獨部件。集渣器32位于滴嘴30下方。集渣器32可以包括一池水或適合于接收并固化渣的其他冷卻床。第二襯套34相對于流經容器22的流設置在第一襯套24的下游。第二襯套34 —般圍繞容器22中的急冷區(qū)36延伸。隔離器38設置在滴嘴30附近，并圍繞滴嘴30延伸。隔離器38是可操作的，以使滴嘴30與急冷區(qū)36熱隔離，使得滴嘴30處的熔渣保持熔融。
[0043]反應物通過噴射器28引入到反應區(qū)26中。反應物在通常高于1500° F(815°C )且名義上在2200-3500° F(1204-1927°C )的范圍內的高溫下反應，以產生產品氣體和熔渣。該產品氣體從容器22的底端附近的排放口 39排出。熔渣沉積在第一襯套24的內表面上。容器22豎直定向，且因此熔渣在重力作用下朝向滴嘴30向下流動。然后熔渣從滴嘴30滴落且自由下落到集渣器32內。容器22及其部件被設置成使得熔渣在落入集渣器32內之前不接觸任何部件可靠地下落。否則，渣可能積聚在容器22中。如圖1所描繪的，作為示例，第一襯套24具有最大直徑Di且第二襯套34具有最小直徑D 2，該最小直徑隊大于該最大直徑Di，使得避免落渣和第二襯套34之間的接觸。同樣，隔離器38可以具有最小直徑D2，其也大于該最大直徑DiW避免與落渣的接觸。
[0044]從滴嘴30滴落的熔渣下落經過急冷區(qū)36。急冷區(qū)36在低于反應區(qū)26的溫度下，以在副產品氣體通過容器22的底端處的排放口 22a離開之前冷卻副產品氣體。如果沒有管理，在急冷區(qū)36中的相對較冷的溫度加上急冷區(qū)36與反應區(qū)24的接近可將第一襯套24的出口端24b冷卻到可以致使熔渣粘(例如，部分或全部固化該渣)到第一襯套24而不是離開滴嘴30而流動并滴落的溫度。隔離器38用來使滴嘴30與急冷區(qū)36的較冷的溫度熱隔離，使得滴嘴30處的熔渣保持熔融，并且從而可以從滴嘴30滴落到集渣器32內。
[0045]圖2示出了另一個示例性氣流床氣化爐反應器120 (此后稱為“反應器120”)，并且圖3示出了根據圖2中所示的截面的反應器120的部分。在本發(fā)明中，在合適的情況下，相似的參考標號指定相似的元件，并且增加一百或一百的多倍的參考標號指定修改的元件，該修改的元件被理解為包含相應的元件的相同特征和益處。類似于反應器20，反應器120包括容器122，在容器122內并圍繞反應區(qū)126延伸的第一襯套124。第一