КОРПУС РЕАКТОРА ГАЗИФИКАЦИИ С ВНУТРЕННЕЙ СТЕНКОЙ ИЗ МНОЖЕСТВА ТРУБОК, И СОДЕРЖАЩИЙ НЕСКОЛЬКО ГОРЕЛОК
VESSEL OF GASIFICATION REACTOR WITH INNER WALL FROM MULTIPLE TUBES AND COMPRISING SEVERAL BURNERS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение направлено на улучшение корпуса реактора газификации, в верхней половине которого расположена камера сгорания, в нижней части камеры сгорания расположено выпускное отверстие для полученного газа, горелка расположена так, что при использовании ее пламя попадает в камеру сгорания.
Уровень техники
В области газификации в потоке разработано два типа реакторов газификации, устройства одного типа описаны, например, в документах US-A-4202672, US-B-6312482 и DE-A-2425962, а устройства другого типа описаны, например, в документах US-A-5968212 и US-A-2001/0020346. Реактор любого из двух типов содержит камеру сгорания, в которой в результате действия горелки формируется газ, содержащий водород и угарный газ. В реакторах газификации первого типа выпускное отверстие для полученного газа расположено в верхней части используемой камеры сгорания, а отверстие для выпуска шлака расположено в противоположной нижней части камеры сгорания. В реакторах второго типа объединенное выпускное отверстие для полученного газа и шлака расположено в нижней части камеры сгорания. Настоящее изобретение направлено на улучшение реакторов газификации второго типа.
В документе US-A-5968212 описан реактор газификации, в верхней части которого расположена направленная вниз горелка. Реактор также снабжен камерой сгорания. Стенка камеры сгорания выполнена из огнеупорной облицовки. Полученный газ, выходящий через отверстие в нижней части камеры сгорания, может попасть в нижнюю часть реактора, причем указанная часть реактора снабжена котлом-утилизатором.
В документе US-A-2001/0020346 описан реактор газификации, в верхней части которого расположена направленная вниз горелка. Реактор также снабжен камерой сгорания. Стенка камеры сгорания представляет собой конструкцию из вертикальных, расположенных параллельно трубок, находящихся внутри стенки реактора. Согласно упомянутому документу на стенке камеры сгорания формируют защитный слой из шлака, когда в качестве сырья реактора газификации используется содержащее золу сырье. Затвердевший слой шлака предназначен для термоизоляции камеры сгорания от трубок. Согласно упомянутому документу, если использовать сырье с малым содержанием золы, то такой слой шлака не будет образовываться. В такой ситуации согласно US-A-2001/0020346 необходимо использовать облицовку из огнеупорной кирпичной кладки.
Недостаток использования огнеупорной кирпичной кладки при использовании сырья с малым содержанием золы состоит в малом сроке службы огнеупорной кирпичной кладки. Оказалось, что диапазон рабочих температур такого огнеупорного слоя очень ограничен. Временные высокие температуры газа, встречающиеся при эксплуатации, повредят и разрушат огнеупорный материал. Это может случиться даже при малом содержании золы в сырье.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить реактор газификации, который может работать с любым сырьем более длительный период времени, даже при очень малом содержании золы в сырье.
Раскрытие изобретения
Эта цель достигается в следующем реакторе газификации. Корпус реактора газификации, в верхней половине которого расположена камера сгорания, в нижней части камеры сгорания расположено выпускное отверстие для полученного газа, горелка расположена так, что при использовании ее пламя попадает в камеру сгорания, указанная горелка снабжена, по меньшей мере, подающими трубопроводами для окисляющего газа и углеродсодержащего сырья, причем между стенкой камеры сгорания и стенкой корпуса предусмотрено кольцеобразное пространство, и стенка камеры сгорания представляет собой конструкцию из сообщающихся трубок, и в стенке камеры сгорания выполнены два отверстия для горелок, при этом отверстия для горелок расположены на одном уровне по горизонтали и размещены диаметрально противоположно относительно друг друга и в отверстиях для горелок находятся горелки.
Было обнаружено, что благодаря направлению горелок через стенку камеры сгорания в ней образуется спиралевидный поток газа, который прижимает шлак к стенке. Следовательно, такой реактор может работать на сырье с малым содержанием золы при одновременном сохранении способности формирования изолирующего слоя шлака. Это, в свою очередь, дает возможность избежать использования огнеупорной кирпичной кладки. Таким образом, срок эксплуатации такого реактора увеличен. Еще одно достоинство этого реактора заключается в том, что его производительность больше, чем производительность существующих реакторов, которые содержат только одну горелку. Другие достоинства будут ясны после подробного описания реактора и предпочтительных вариантов его осуществления.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематический вид реактора, соответствующего настоящему изобретению, при этом указанный вид является поперечным разрезом ВВ' реактора с фиг.3.
Фиг.1a - реактор с фиг.1, к которому добавлена отводящая трубка (16a).
Фиг.2 - поперечный разрез AA' реактора с фиг.1.
Фиг.3 - вид, подробно показывающий муфель горелки.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан корпус (1), в верхней половине которого расположена камера (6) сгорания. В нижней части камеры (6) сгорания корпуса (1) расположено выпускное отверстие (7) для полученного газа, также корпус (1) снабжен двумя парами горелок (2), размещенных диаметрально противоположно относительно друг друга. При использовании корпус (1) расположен вертикально. Слова верхний, нижний, верх, низ, вертикальный и горизонтальный относятся к показанному расположению корпуса (1). Таким образом, при использовании камера (6) сгорания, показанная на фиг.1, содержит только одно выпускное отверстие (7) для газа, расположенное в нижней части. Через это выпускное отверстие (7) из камеры сгорания выходит весь полученный газ и весь сформированный шлак, за исключением постоянного слоя шлака на внутренней стороне стенки (8) камеры сгорания. Каждая горелка (2) снабжена подающими трубопроводами для окисляющего газа (3) и углеродсодержащего сырья (4). Дополнительно в горелку (2) также могут подаваться замедляющий газ и так называемый разжижитель, предназначенные для снижения точки плавления шлака и уменьшения толщины слоя шлака. На фиг.1 показан корпус (1) реактора с четырьмя горелками (2). Предпочтительно, чтобы на одном и том же горизонтальном уровне в стенке камеры (6) сгорания находилось четыре или шесть отверстий для горелок, причем эти отверстия равномерно распределены по окружности трубчатой стенки камеры сгорания. Таким образом, достигается ситуация, когда пары горелок размещены диаметрально противоположно относительно друг друга. В качестве альтернативы пары горелок (2) могут быть расположены в различных плоскостях по горизонтали. Пары горелок могут быть расположены в шахматном порядке относительно пары, находящейся на другой высоте. В таком варианте осуществления изобретения в двух или более различных горизонтальных плоскостях могут присутствовать до 8 горелок (2).
При эксплуатации пламя горелок (2) попадает в камеру (6) сгорания через отверстие (5) для горелки, расположенное в стенке (8) камеры (6) сгорания. Отверстия (5) для горелки для каждой пары диаметрально противоположно размещенных горелок (2) расположены на одном уровне по горизонтали и размещены диаметрально противоположно относительно друг друга. Предпочтительно, чтобы отверстия (5) для горелки были выполнены так, как подробно показано на фиг.3. Примеры подходящих горелок (2) для твердого углеродсодержащего сырья описаны в US-A-4887962, US-A-4523529 и US-A-4510874. Возможные горелки для жидкого сырья представляют собой хорошо известные для такого типа сырья многопоточные горелки.
На фиг.1 также показано, что между стенкой (8) камеры (6) сгорания и стенкой корпуса (1) предусмотрено кольцеобразное пространство (9). Стенка (8) камеры (6) сгорания представляет собой конструкцию из сообщающихся трубок (10). Трубчатая часть стенки (8) может содержать вертикально расположенные трубки (10), как показано на фиг.1, или в качестве альтернативы может представлять собой спирально свернутую трубку. Предпочтительно, чтобы трубки были вертикально расположены в трубчатой части стенки (8). Охлаждающая среда, текущая в трубках (10), может представлять собой воду, которая обеспечивает охлаждение стенки с помощью испарения воды, или переохлажденную воду, которая не испаряется в трубках (10).
Стенка (8) камеры сгорания (6), представляющая собой конструкцию из сообщающихся параллельно расположенных трубок (10), по существу, является газонепроницаемой стенкой. Такая стенка также называется мембранной стенкой. Трубки (10) размещены между расположенным ниже общим распределительным устройством (12) и расположенным выше общим коллектором (11). Распределительное устройство (12) снабжено трубопроводом (14), подающим охлаждающую воду. Коллектор (11) снабжен трубопроводом (13) отвода пара. Трубопровод (13) отвода пара и трубопровод (14), подающий охлаждающую воду, сообщаются с паровым барабаном (29). Паровой барабан (29) снабжен подающим трубопроводом (32), предназначенным для подачи свежей воды, и выпускным трубопроводом (30) полученного пара. Как показано на фигуре, паровой барабан (29) расположен выше общего коллектора (11). Предпочтительно, чтобы был предусмотрен водяной насос (31), предназначенный для улучшения потока воды от парового барабана (29) до распределительного устройства (12).
Авторы настоящей заявки обнаружили, что благодаря охлаждению стенки (8) с помощью испарения пара в трубках (10), как показано на фиг.1, формируется реактор, который сохраняет свою охлаждающую способность даже в случае, когда через (32) не добавляют свежей воды в паровой барабан (29). Так как паровой барабан (29) расположен выше общего коллектора (11), то благодаря действию силы тяжести вода, присутствующая в паровом барабане (29), будет течь в общее распределительное устройство (12) реактора газификации. Дополнительное преимущество состоит в том, что получается пар, который может быть использован для других целей процесса, в котором используется реактор газификации. Такими целями являются: обработка пара для возможных реакций сдвига, проводимых далее, нагрев среды для возможного жидкого углеродсодержащего сырья или после перегрева во внешних устройствах использование в качестве замедляющего газа в горелке. Указанное использование этого реактора более эффективно с точки зрения потребления энергии. Возможным жидким сырьем с малым содержанием золы являются, например, жидкие концевые фракции, полученные из нефтеносных песков. Другим примером является нефть после мгновенного пиролиза или шлаки нефти после мгновенного пиролиза и уголь после мгновенного пиролиза, которые получены из биомассы. Допустимой биомассой может являться древесина или остатки, полученные в сельском хозяйстве, например материалы из травы и соломы. Примерами являются потоки, полученные при обработке пальмового масла, кукурузы, получении биодизельного топлива. Возможным твердым сырьем являются угли с малым содержанием золы и биомасса. Предпочтительно, чтобы твердое сырье, полученное из биомассы, предварительно обработали путем высушивания упомянутой биомассы. Высушивание целесообразно потому, что получается твердое сырье, которое напоминает частицы угля, и в указанном реакторе могут быть использованы известные способы подачи угольного сырья. Благодаря высокой производительности реактора, содержащего, например, охлаждение водой, реактор, соответствующий изобретению, также может быть полезен для любого сырья, содержащего золу, например для всех типов угля.
Предпочтительно, чтобы трубки (10) были покрыты огнеупорным материалом, предназначенным для защиты указанных трубок от воздействия расплавленного шлака.
Выпускное отверстие (7) для полученного газа камеры (6) сгорания соединяет верхнюю часть корпуса (1) с нижней частью (23) реактора газификации. Предпочтительно, чтобы нижняя часть камеры (6) сгорания была скошена, чтобы дать возможность слою шлака течь к выпускному отверстию (7) для полученного газа, диаметр которого меньше диаметра самой камеры (6) сгорания. На фиг.1 показано, что скошенная часть камеры (6) сгорания представляет собой конструкцию из сообщающихся трубок (24), по которым при эксплуатации течет охлаждающая среда, аналогично трубкам (10). Нижняя часть (23) снабжена выпускным отверстием (26) для полученного газа. Предпочтительно, чтобы нижняя часть (23) была снабжена средством охлаждения полученного газа, температура которого повышена, когда он выходит из камеры (6) сгорания. Таким средством охлаждения может быть непрямое охлаждение в котле-утилизаторе, показанном в ранее упомянутом документе US-A-5968212. В качестве альтернативы охлаждения можно добиться путем впрыска охлаждающей среды в горячий полученный газ, что описано в документе DE-A-19952754. Более предпочтительно, чтобы охлаждение достигалось путем охлаждения в водяной ванне (20) в области (19) резкого охлаждения водой. Чтобы осуществить резкое охлаждение в указанной водяной ванне (20), предпочтительно, чтобы выпускное отверстие (7) камеры (6) сгорания было соединено с погружной трубкой (16). Погружная трубка (16) частично погружена в водяную ванну (20), расположенную в нижней части реактора (1). Предпочтительно, чтобы в верхней части погружной трубки (16) были предусмотрены средства (18) впрыска, предназначенные для добавления охлаждающей среды в текущий вниз горячий полученный газ (при эксплуатации), то есть в смесь водорода и угарного газа. Предпочтительно, чтобы погружная трубка (16) была выровнена по вертикали относительно камеры (6) сгорания и имела цилиндрическую форму.
Область (19) резкого охлаждения водой расположена на пути горячего полученного газа, когда он отклоняется в выпускном отверстии (17) в верхнем направлении (смотри стрелки) и течет вверх по кольцеобразному пространству (21), расположенному между стенкой корпуса (1) и погружной трубкой (16). В кольцеобразном пространстве (21) горячий полученный газ непосредственно контактирует с водой в режиме резкого охлаждения. В кольцеобразном пространстве (21) вода расположена на некотором уровне (25). Выше указанного уровня (25) воды в стенке корпуса (1) реактора выполнены одно или несколько выпускных отверстий (26) для полученного газа, которые предназначены для выпуска резко охлажденного полученного газа. При желании между пространством (21) и кольцеобразным пространством (9) может присутствовать разделительная стенка (27). Полученный газ в основном будет состоять из водорода и угарного газа. Такой газ также называется синтез-газом.
Целесообразно, чтобы в нижней части реактора (1) газификации было расположено выпускное отверстие (28) для шлака. По этому выпускному отверстию (28) из корпуса выходит шлак вместе с частью воды, что осуществляется с помощью хорошо известных приспособлений для выгрузки шлака, таких как системы удаления, описанные, например, в US-A-4852997 и US-A-67559802.
Предпочтительно, чтобы реактор газификации, соответствующий изобретению, работал так, чтобы температура горячего полученного газа при выходе из выпускного отверстия (7) составляла от 1000 до 1800°C, а более предпочтительно от 1300 до 1800°C. Предпочтительно, чтобы давление в камере сгорания и, следовательно, давление полученного газа составляло от 0,3 до 12 МПа, а более предпочтительно от 2 до 8 МПа. Температурные условия выбраны так, чтобы шлак формировал некоторый слой. Слой шлака будет течь к расположенному ниже в реакторе выпускному устройству для шлака.
Предпочтительно, чтобы среда для резкого охлаждения, поступающая по средствам (18) впрыска, являлась водой, синтез-газом или паром или их комбинацией. Вода может представлять собой свежую воду. При желании вода может быть технологическим конденсатом необязательного, расположенного далее блока превращения воды. В предпочтительном варианте осуществления изобретения вода, содержащая твердые частицы, может частично или полностью заменить свежую воду. Предпочтительно, чтобы вода, содержащая твердые частицы, бралась из области (19) резкого охлаждения водой. В качестве альтернативы вода, содержащая твердые частицы, может представлять собой поток, вытекающий из расположенного далее необязательного блока очистки воды (не показан). Описанное здесь использование воды, содержащей твердые частицы, имеет следующее достоинство: могут быть исключены или, по меньшей мере, ограничены этапы обработки воды.
Предпочтительно, чтобы температура полученного газа после его контакта с областью (19) резкого охлаждения при выходе газа из реактора (1) через выпускное отверстие (26) составляла от 130 до 330°C.
На фиг.1a показан реактор с фиг.1, к которому добавлена отводящая трубка (16a). Отводящая трубка (16a) охватывает погружную трубку (16) и при эксплуатации предпочтительно, находясь в области (19) резкого охлаждения водой, доходит до уровня, который расположен ниже нижнего конца погружной трубки (16). Горячий полученный газ отклоняется в выпускном отверстии (17) вверх (смотри стрелки) и течет вверх по кольцеобразному пространству (21a), сформированному между отводящей трубкой (16а) и погружной трубкой (16). Благодаря отводящей трубке (16а) достигается лучшая циркуляция воды, когда вода течет вверх по кольцеобразному пространству (21a) и вниз по кольцеобразному пространству (21b), которое расположено между стенкой корпуса и отводящей трубкой (16a). Это полезно для охлаждения как горячего газа, так и стенки погружной трубки (16). Подобная отводящая трубка описана, например, в документе USA-4605423.
На фиг.2 показан поперечный разрез AA' реактора с фиг.1. Соответствующие ссылочные позиции с фиг.2 и с фиг.1 совпадают. Для ясности показана только часть трубок (24). Предпочтительно, чтобы угол (α) наклона пламени горелок относительно горизонтальной линии (22), соединяющей отверстие (5) для горелки и ось (15) корпуса, составлял от 1° до 8°. Направление линии (22') пламени горелки совпадает с продольной осью самой горелки. Было обнаружено, что так называемое тангенциальное направление пламени дополнительно усиливает спиральное направление потока полученного газа и, следовательно, прижимает шлак к стенке.
На фиг.2 также показано предпочтительно отверстие (33) в стенке (8), предназначенное для пусковой горелки (34).
На фиг.3 показан так называемый муфель (114) горелки, который представляет собой предпочтительное отверстие (5) для горелки в стенке (8). Соответствующие ссылочные позиции с фиг.3 и с фиг.1 совпадают. Авторы настоящей заявки обнаружили, что благодаря обеспечению адекватного охлаждения поверхностей муфеля (114) горелки, как показано на фиг.3, получается надежная конструкция с увеличенным сроком эксплуатации, которая может работать при различных условиях газификации. Муфель (114) горелки содержит несколько вертикально расположенных, концентрических и сообщающихся колец (115). Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одно или несколько, а более предпочтительно все кольца (115), представляли собой трубопроводы с отдельными впускными отверстиями для охлаждающей среды, поступающей по линиям (120), и отдельными выпускными отверстиями для использованной охлаждающей среды, выходящей по линиям (122). Предпочтительно, чтобы толщина стенок трубопроводов была настолько мала, насколько возможно, чтобы обеспечить хорошую теплопередачу и ограничить температуру стенки. Минимальная толщина стенок определяется требуемой локальной механической прочностью. Специалист в рассматриваемой области может легко определить правильные размеры для такого трубопровода. Предпочтительно, чтобы диаметр трубопровода составлял от 0,02 до 0,08 м. Предпочтительно, чтобы кольца были выполнены из низколегированной стали, содержание Cr в которой составляет не более 5% по весу, или высоколегированной стали, содержание Cr в которой составляет более 15% по весу.
Линии (120) и (122) сообщаются соответственно с распределителем (119) охлаждающей среды, обычно воды, и общим коллектором (121) смеси, обычно вода/пар. Охлаждающая вода, подаваемая по линиям (120), может быть взята из того же источника, что и охлаждающая вода, подаваемая по трубкам (10) стенки (8). Также этот источник может быть другим, с меньшей температурой воды и/или другим давлением. Предпочтительно, чтобы кольца были приварены друг к другу.
Диаметр колец (115) увеличивается по сравнению с соседним кольцом (115), в результате чего на одном конце муфеля (114) горелки расположено отверстие (116) муфеля для головки (117) горелки, а на другом - для выпуска пламени - конце (123) расположено большее отверстие (118). Отверстие (118) аналогично отверстию (5) с фиг.1 и 2. Отверстие (116) муфеля отстоит по горизонтали от большего отверстия (118). В результате чего соединенные кольца имеют коническую форму.
1
2
1
2
Предпочтительно, чтобы угол α между горизонтом (126) и прямой линией (125a), расположенной между находящимся внутри кольцом (129) у отверстия (116) муфеля для головки (117) горелки и следующим кольцом (129a), прилегающим к внутреннему кольцу (129), составлял от 15 до 60°. Предпочтительно, чтобы угол α между горизонтом (126) и прямой линией (125), расположенной между находящимся внутри кольцом (129) у отверстия (116) муфеля для головки (117) горелки и находящимся снаружи кольцом (130) у отверстия (118) на конце (123) для выпуска пламени, составлял от 20 до 70°. Линия (125) нарисована от центра кольца (129) до центра кольца (130), как показано на фиг.3. Предпочтительно, чтобы угол α был больше α. Находящееся снаружи кольцо (130) представляет собой кольцо, которое образует отверстие (116) муфеля для головки (117) горелки.
Предпочтительно, чтобы количество колец (115) составляло от 6 до 10. Как показано, кольца (115) могут образовывать S-образную кривую вдоль линии (125). Предпочтительно, чтобы между осью (113) горелки и рукавом (136) горелки было предусмотрено уплотнение (128). Как показано, уплотнение (128) может доходить до головки (117) горелки. Такое уплотнение (128) предотвращает попадание газа и любой летучей золы и/или шлака, присутствующих в области проведения реакции в рукав (136) горелки, который находится в пространстве между стенкой корпуса (1) и стенкой (8). Благодаря отсутствию такого потока газа дополнительно уменьшают локальный тепловой поток. Предпочтительно, чтобы уплотнение (128) представляло собой гибкое уплотнение, которое способно приспосабливаться к локальным тепловым расширениям. Примерами подходящих материалов для уплотнения являются тканые уплотнения из волокон и/или уплотнения из проволочной сетки.
На фиг.3 также показана часть стенки (8) и трубок (10). Стенка (8) содержит несколько вертикальных сообщающихся трубок (10). Как схематически показано, трубки (10) снабжены подающими и выпускными линиями (131). Трубки (10) покрыты огнеупорным материалом (124). При эксплуатации огнеупорный материал (124), в свою очередь, будет покрыт слоем (132) шлака.
На фиг.3 также показана огнеупорная масса (127), которая расположена вокруг муфеля (114) горелки и которая предотвращает попадание шлака на заднюю сторону муфеля (114) с возможным прохождением до головки (117) горелки.
Муфель (114) горелки с фиг.3 также может быть выполнен так, чтобы выступать в камеру (6) сгорания. Авторы настоящей заявки обнаружили, что выступ может быть полезен для предотвращения попадания шлака (132) в муфель (114) горелки. Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одно кольцо (115) муфеля (114) горелки выступало в камеру (6) сгорания.