ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОРЕЛКИ РЕАКТОРА ГАЗИФИКАЦИИ
COOLING DEVICE FOR GASIFICATION REACTOR BURNER

Область техники
Изобретение относится к охлаждающему устройству для горелки реактора газификации. Изобретение также относится к реактору газификации, снабженному охлаждающим устройством.
Уровень техники
Охлаждающее устройство, также называемое муфелем горелки, применяется для того, чтобы охлаждать или иным образом защищать часть реактора, обращенную к горелке для реактора газификации.
Газификация представляет собой способ получения синтетического газа путем частичного сжигания углеродсодержащего сырья. Углеродсодержащее сырье может, например, содержать: пылевидный уголь, биомассу, нефть, углеводородный остаток после перегонки неочищенной нефти, бионефть, углеводородный газ, или любое другое углеродсодержащее сырье или любую их смесь. В результате реакции газификации вырабатывается синтетический газ, который представляет собой газ, содержащий по меньшей мере монооксид углерода и водород. Синтетический газ может использоваться, например, в качестве топливного газа или в качестве сырья для химических процессов. Синтетический газ может быть обработан, например, для получения определенных типов углеводородных продуктов, таких как, но не ограничиваясь перечисленными: метанол, синтетический природный газ, бензин, дизельное топливо, твердые углеводороды, смазочный материал и т.д.
Документ US-4818252 описывает устройство для газификации мелкодисперсного, в частности твердого топлива, в условиях повышенного давления, с многотрубной стенкой, имеющей множество труб, предназначенных для подачи холодильного теплоносителя, при этом многотрубная стенка ограничивает пределы газосборной камеры, а также ограничивает пределы множества углублений, которые образуют камеры сгорания. Горелка проходит в каждое углубление. Каждое из углублений имеет множество параметров, которые включают в себя глубину, ширину и угол наклона периферийной стенки, так, что по меньшей мере один из параметров является изменяемым. Для функционирования устройства газификации размер углубления может быть изменен в зависимости от топлива, скорости газификации, температуры газификации или состава газов, которые приведены в качестве примеров рабочих параметров. Указанное может быть достигнуто выгодным способом с помощью размещения углублений, которые могут изменять свою глубину. Конструкция многотрубной стенки может содержать стенку с углублениями с возможностью отсоединения от конструкции многотрубной стенки газосборной камеры и может иметь независимую систему охлаждения. Для защиты горелок рекомендуется предусмотреть защитный экран для сбора шлака. Такой защитный экран может быть образован преимущественно из трубчатого элемента, который выступает из листа обшивки и предпочтительно покрыт слоем огнеупорного материала (огнеупора).
Углубление согласно документу US-4818252 является доступным для попадания шлака при проведении реакции газификации, в условиях, когда толстый слой вязкого жидкого шлака образуется на внутренней стороне многотрубной стенки. В такой ситуации шлак будет стекать перед головкой горелки и нарушит процесс сгорания. Защитный экран не подходит для работы с относительно толстыми слоями шлака.
В документе US-8628595 описан реактор газификации, содержащий: герметичный отсек; зону реакции, частично ограниченную вертикально ориентированной трубчатой мембранной стенкой; и горизонтально направленную горелку, имеющую головку горелки. Горелка выступает из мембранной стенки через муфель горелки в форме конуса, содержащий несколько вертикально ориентированных, соосных и взаимосвязанных колец. Последующие кольца имеют увеличивающийся диаметр относительно предшествующих соседних колец, так что муфель горелки имеет отверстие муфеля для головки горелки на одном конце и большее отверстие на другом его конце вывода пламени. Кольца содержат трубопровод, имеющий впускное отверстие для холодильного теплоносителя и выпускное отверстие для использованного холодильного теплоносителя. Отверстие муфеля для головки горелки расположено между герметичным отсеком и мембранной стенкой. По меньшей мере одно кольцо муфеля горелки выступает в зону реакции, чтобы предотвратить попадание шлака в муфель горелки и осаждение шлака на поверхности муфеля. Муфель горелки согласно документу US-8628595 позволяет охлаждать поверхности муфеля горелки, что обеспечивает надежную конструкцию, которая может работать при относительно высоком давлении газификации, превышающем, например, 30 бар (3 МПа).
Данное изобретение направлено на создание улучшенного муфеля горелки, имеющего увеличенный технический ресурс.
Данное изобретение обеспечивает охлаждающее устройство для горелки реактора газификации, при этом охлаждающее устройство содержит:
несколько соосных колец увеличивающегося диаметра, образующих форму усеченного конуса с отверстием наибольшего диаметра, которое обращено к зоне реакции реактора газификации и отверстием с наименьшим диаметром, которое обращено к головке горелки, причем каждое кольцо представляет собой трубопровод, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие для холодильного теплоносителя, а охлаждающее устройство содержит по меньшей мере одно наружное кольцо, имеющее разрыв, которое представляет собой неполный круг.
В одном варианте осуществления изобретения разрыв распространяется на заранее определенный радиальный угол.
Охлаждающее устройство может содержать два или большее количество наружных колец, которые представляют собой неполные круги.
Охлаждающее устройство может содержать одно или несколько первых наружных колец, которые распространяются на первый радиальный угол α с разрывом на первый угол β, и одно или несколько последующих наружных колец, которые распространяются на второй радиальный угол γ с разрывом на второй угол δ, причем второй радиальный угол превышает первый радиальный угол. Первый радиальный угол может составлять около 240°. Второй радиальный угол может составлять около 260°.
В соответствии с другим аспектом, данное изобретение предлагает реактор газификации, содержащий:
герметичный отсек;
зону реакции, частично ограниченную трубчатой мембранной стенкой, окруженную герметичным отсеком;
по меньшей мере одну горелку, имеющую головку горелки, причем указанная головка горелки выступает из мембранной стенки;
по меньшей мере одно охлаждающее устройство, расположенное в мембранной стенке и закрывающее головку горелки по меньшей мере одной горелки, причем по меньшей мере одно указанное охлаждающее устройство, содержит несколько соосных колец с увеличивающимся диаметром, образующих форму усеченного конуса, с отверстием с наибольшим диаметром, которое обращено к зоне реакции и отверстием с наименьшим диаметром, которое обращено к головке горелки, при этом каждое кольцо представляет собой трубопровод, имеющий впускное отверстие и выпускное отверстие для холодильного теплоносителя, причем отверстие с наименьшим диаметром для головки горелки расположено между герметичным отсеком и мембранной стенкой; и
указанное охлаждающее устройство, содержит по меньшей мере одно наружное кольцо, имеющее разрыв, которое представляет собой неполный круг.
В одном варианте осуществления изобретения разрыв по меньшей мере одного наружного кольца обращен вниз, в направлении силы тяжести.
В другом варианте осуществления изобретения по меньшей мере одно кольцо охлаждающего устройства выступает в зону реакции.
В качестве примера, ниже в данном документе будут подробно описаны варианты осуществления изобретения со ссылкой на графические материалы, на которых:
на фиг. 1 показано схематическое поперечное сечение типового варианта осуществления реактора газификации;
на фиг. 2 показано поперечное сечение муфеля горелки согласно известному уровню техники;
на фиг. 3 показано поперечное сечение еще одного муфеля горелки согласно известному уровню техники;
на фиг. 4 показан вид спереди практического примера муфеля горелки в соответствии с известным уровнем техники;
на фиг. 5 показан вид в перспективе варианта осуществления муфеля горелки в соответствии с данным изобретением;
на фиг. 6 показан вид спереди варианта осуществления муфеля горелки в соответствии с данным изобретением; и
на фиг. 7 показано поперечное сечение варианта осуществления муфеля горелки в соответствии с данным изобретением.
На фиг. 1 показан типовой реактор газификации, имеющий: трубчатый герметичный отсек 1, мембранную стенку 3 и зону 2 реакции. Реактор и мембранная стенка обычно расположены вертикально. Секция 3a мембранной стенки 3 может иметь трубчатую форму. Мембранная стенка 3 может состоять из трубопроводов для направления холодильного теплоносителя, такого как вода. Трубопроводы обычно проходят в вертикальном направлении. В качестве альтернативы могут использоваться спиральные трубопроводы.
Вода может подаваться на мембранную стенку через подводящий трубопровод 4 и общий распределитель 5. Вода, используемая для охлаждения, обычно в виде смеси воды и пара, может выводиться из реактора через общий коллектор 6 и выпускной трубопровод 7. Реактор может содержать подвод 8 охлаждающего газа для охлаждения полученного синтетического газа. Выпускной трубопровод 9 может выводить синтетический газ, смесь водорода и монооксида углерода. Для выпуска шлака может быть предусмотрен выпускной трубопровод 10.
Реактор обычно снабжен одной или несколькими горелками 13 для частичного окисления исходного сырья. Показаны две диаметрально противоположные горелки 13. Реактор может содержать, например, две или большее количество пар горелок на одном и том же уровне или, в качестве альтернативы, на разных уровнях. Подходящие горелки для угольного сырья, например, описаны в документах US-4523529 и US-4510874. Однако данное изобретение также может относиться к горелкам для любого другого типа исходное сырья, содержащего углеводород. Исходное сырье может подаваться на горелки через подводящий трубопровод 11. Кислород может быть обеспечен через подводящий кислород трубопровод 12.
На фиг. 2 показана горелка 13, выступающая из мембранной стенки 3. Конец 17 горелки, обращенный к реактору 2, снабжен охлаждающим устройством 14, имеющим отверстие 16 горелки для головки 17 горелки. Охлаждающее устройство или муфель 14 горелки закрывает головку горелки. Между герметичным отсеком 1 и мембранной стенкой 3 может быть расположено отверстие. В этом примере муфель 14 горелки не выступает в зону реакции. Отверстие 18, в отличие от отверстия 16 горелки, находится на одном уровне с мембранной стенкой 3.
На фиг. 3 проиллюстрирован еще один пример горелки 13 и муфеля 14 горелки известного уровня техники. В этом случае охлаждающее устройство 14 выступает в зону реакции 2. Выступ предотвращает попадание шлака 32 в муфель 14 горелки. Предотвращение или ограничение осаждения шлака на поверхности муфеля 14 горелки ограничивает локальные тепловые потоки. Из-за того, что муфель 14 выступает, шлак 32 будет течь вокруг наружной стороны наружного кольца 30 вниз, предотвращая попадание шлака в коническое углубление, образованное охлаждающим устройством 14.
Охлаждающее устройство или муфель 14 могут выступать в зону реакции 2 на расстояние 36. В зависимости от свойств золы и содержания золы в исходном сырье для расстояния 36 может быть заранее определено минимальное значение. Минимальное значение для расстояния 36 может быть примерно равным среднему наружному диаметру трубопроводов, которые образуют кольца 15. В практическом варианте осуществления изобретения расстояние 36 может быть установлено в пределах от двух до четырех значений среднего наружного диаметра трубопроводов, образующих кольца 15. Как показано, расстояние 36 определяется как горизонтальное расстояние между расположенным снаружи кольцом 30 и поверхностью огнеупора 24.
На фиг. 3 показан муфель горелки или охлаждающее устройство 14, снабженное трубопроводом 34, расположенным на его верхнем конце или вблизи него. Трубопровод 34 формирует шлаковый желоб 35 вдоль верхней части окружности, образованной отверстием 18 и наружным кольцом 30. Трубопровод 34 имеет впускное отверстие для холодильного теплоносителя на одном конце и выпускное отверстие для использованного холодильного теплоносителя на другом его конце (не показано).
Кроме того, на фиг. 2 и 3 показан муфель 14 горелки, содержащий несколько вертикально ориентированных соосных колец 15. Кольца обычно формируются трубопроводами для холодильного теплоносителя. Холодильный теплоноситель может подаваться по трубопроводам 20 и выпускаться по трубопроводам 22.
Трубопроводы 20 могут быть гидравлически связаны с распределителем 19 холодильного теплоносителя. Соответственно, трубопроводы 22 могут быть соединены с общим коллектором 21. Коллектор 21 обычно выпускает смесь воды и пара. Холодильный теплоноситель обычно содержит воду, так как подаваемый по трубопроводам 20 носитель может поставляться из того же источника, что и охлаждающая вода, подаваемая в трубопровод 33 мембранной стенки 3. Также холодильный теплоноситель может поставляться из другого источника, который может иметь более низкую температуру и/или другое давление воды. Кольца предпочтительно сваривают вместе.
Кольца 15 имеют увеличивающийся диаметр, каждое относительно своего соседнего кольца 15, что приводит к тому, что муфель 14 горелки имеет отверстие 16 муфеля для головки 17 горелки на одном конце и большее отверстие 18 - выпуска пламени - на своем другом конце 23. Отверстие 16 муфеля отделено по горизонтали от большего отверстия 18. Это приводит к соединению колец, имеющему конусообразную форму.
Угол α1 между горизонталью 26 и прямой линией 25a между расположенным внутри кольцом 29 в отверстии 16 муфеля для головки 17 горелки и последующим кольцом 29a, примыкающим к внутреннему кольцу 29, находится между 15° и 60°. Предпочтительно, угол α2 между горизонталью 26 и прямой линией 25 между расположенным внутри кольцом 29 в отверстии 16 муфеля для головки 17 горелки и расположенным снаружи кольцом 30 в отверстии 18 на конце 23 выпуска пламени составляет от 20° до 70°. Линия 25 проходит от центра кольца 29 к центру кольца 30, как показано на фиг. 2. Линия 25а также проходит от центра к центру кольца, как показано. Предпочтительно, α1 больше, чем α2. Расположенное снаружи кольцо 30 представляет собой кольцо, которое образует отверстие 16 муфеля для головки 17 горелки.
Количество колец 15 может составлять от 6 до 10. Как показано, кольца 15 могут образовывать S-образную кривую вдоль линии 25. Предпочтительно, между стволом горелки 13 и втулкой 36 горелки присутствует уплотнение 28. Как показано, уплотнение 28 может проходить до головки 17 горелки. Такое уплотнение 28 предотвращает попадание газа и летучей золы и/или шлака, которые присутствуют в зоне реакции, во втулку 36 горелки, так как присутствует в пространстве между герметичным отсеком 1 и мембранной стенкой 3. Из-за недопущения такого потока газа, значительно уменьшаются локальные тепловые потоки. Уплотнение 28 может содержать гибкий уплотнительный материал, который способен выдерживать локальное тепловое расширение. Примерами подходящих уплотнительных материалов являются уплотнительные материалы типа тканого волокна и/или типа спаянной проволочной сетки.
На фиг. 2 и 3 также показана часть мембранной стенки 3. Обычно мембранная стенка 3 может содержать несколько вертикальных трубопроводов 33, через которые может протекать холодильный теплоноситель. Обычно холодильный теплоноситель может содержать воду. Трубопроводы 33 могут быть снабжены подводящими трубопроводами и выпускными трубопроводами 31, как схематически показано. Трубопроводы 33 могут быть покрыты огнеупором 24.
При использовании огнеупорный материал 24 будет покрыт слоем шлака 32, как, например, описано в документе US-4959080. На фиг. 2 и 3 также показана необязательная огнеупорная масса 27, окружающая муфель 14 горелки. Огнеупорная масса 27 предотвращает попадание шлака в задний конец муфеля 14 и попадание шлака на головку 17 горелки.
Однако на практике муфели горелок, такие как описанные выше, корродируют после относительно короткого времени эксплуатации, например, в пределах нескольких месяцев. Коррозия наблюдается, например, на наружных кольцах муфеля горелки и/или в нижней части 90 наружных колец 18 (фиг. 4). Толщина слоя шлака ниже муфелей горелки, показанная на фиг. 4 как область 92 уменьшенной толщины шлака, значительно меньше толщины слоя шлака 94, покрывающего внутреннюю стенку установки для газификации в целом. Покрытие шлаком в верхней части 96 и по обеим сторонам 98 муфелей 14 горелки обычно подобно покрытию шлаком внутренней стенки установки для газификации. Минимальное покрытие шлаком было обнаружено только под горелкой 13.
Слой 94 шлака экранирует и защищает материалы муфеля горелки и мембранной стенки от высокой температуры и коррозионной среды в установке для газификации. Защита, обеспечиваемая областью 92 уменьшенной толщины слоя шлака, является соответственно ограниченной. Коррозия уменьшает срок службы труб муфеля горелки. Из-за уменьшенной защиты, которая обеспечивается уменьшенной толщиной слоя шлака, мембранная стенка и/или муфель горелки могут быть повреждены в течение длительного времени непрерывного функционирования установки для газификации (фиг. 4).
На фиг. 5 показан муфель 100 горелки для реактора газификации согласно данному изобретению. Верхняя часть 102 муфеля горелки остается неизменной относительно вариантов осуществления изобретения, описанных выше. Верхняя часть 102 может выступать в реактор газификации для отклонения шлака.
Муфель 100 горелки имеет модифицированную нижнюю часть. По меньшей мере одно, например, два или большее количество наружных колец 110 муфеля горелки разрывается на заранее определенный радиальный угол. Разрыв 116 обращен вниз, в направлении силы тяжести. Например, два наружных кольца с разрывами образуют подкольца, как проиллюстрировано на фиг. 6.
Одно или несколько, или все кольца 15 могут иметь отдельные впускные отверстия и отдельные выпускные отверстия для холодильного теплоносителя. В качестве альтернативы, два или большее количество колец 15 могут быть соединены друг с другом, образуя спиральную кольцевую конструкцию.
В одном варианте осуществления изобретения одно или несколько наружных колец 112 могут распространяться на первый радиальный угол α, с разрывом на угол β. Одно или несколько последующих наружных колец 114 могут распространяться на второй радиальный угол γ, превышающий первый радиальный угол, с разрывом на угол δ. Например, первое наружное кольцо 112 с разрывом может распространяться на угол около 240°, с разрывом на 120°. Последующее наружное кольцо 114 с разрывом может распространяться на угол около 260°, с разрывом на 100°.
Одно или несколько колец 110, 112, 114 с разрывом могут быть присоединены с возможностью заменены к остальной части муфеля 100 горелки. Соединения 120 наружного кольца могут быть выполнены с возможностью разрушения и замены. Соединения 120 могут быть, например, приварены, зажаты, смонтированы (обжимом), свинчены или иным образом присоединены с возможностью заменены.
Наружные кольца 110 с разрывом могут быть заменены отдельно, исключая необходимость замены муфеля 100 горелки целиком. Это полезно, например, потому что: а) время ремонта уменьшается по сравнению с заменой муфеля горелки целиком; и b) затраты на ремонт значительно снижаются по отношению к затратам на замену охлаждающего устройства 100 целиком.
Используя консервативный метод оценивания, предполагается, что все наружное кольцо при эксплуатации будет покрыто шлаком и должно выдерживать максимальный предусмотренный техническими условиями тепловой поток, составляющий 1500 кВт/м². В данном документе наружное кольцо может включать в себя по меньшей мере кольца 110, а также, необязательно, кольцо 34, показанное на фиг. 3. Испытания показали, что на практике может быть превышен расчетный максимальный предусмотренный техническими условиями тепловой поток, составляющий 1500 кВт/м².
Кольцо с полным кругом, которое распространяется на 360°, может выдерживать максимальный тепловой поток, составляющий 1800 кВт/м², прежде чем будет достигнут кризис теплообмена при кипении (DNB). Кризис теплообмена при кипении DNB как правило приводит к немедленному повреждению трубки охлаждающего кольца.
Кольцо 110 с частичным кругом может выдерживать повышенный тепловой поток. Кольцо 112 с частичным кругом, которое распространяется, например, на 240°, может выдерживать максимальный тепловой поток, составляющий 2100 кВт/м², прежде чем будет достигнут кризис теплообмена при кипении. В данном документе, для сравнения, кольца могут быть сделаны из одного и того же материала.
Учитывая эксплуатационные проблемы на практике, особенно на ранних этапах способа, например, во время запуска способа газификации, настоятельно рекомендуются более высокие расчетные пределы для DNB в трубах муфеля горелки.
Кроме того, кольца с разрывами для охлаждающего устройства согласно изобретению улучшают возможности ремонта. Высокотемпературная коррозия, вызванная, например, H2S в синтетическом газе, обычно начинается с колец, наиболее близких к реактору газификации, которые наиболее подвержены воздействию синтетического газа.
В устройствах охлаждения известного уровня техники муфель 14 необходимо заменить целиком, если, например, стенка наружного кольца становится значительно тоньше вследствие коррозии. Наплавка или локальные ремонты возможны, но качество ремонта всегда будет вызывать беспокойство.
Удобство подхода для ремонта может зависеть от выступа 36 муфеля. Например: - выступ, превышающий 80 мм, позволяет заменить на месте работ одно наружное кольцо; - выступ, превышающий 100 мм, позволяет заменить на месте работ два наружных кольца.
Конструкция реактора газификации может быть модифицирована на основе практического опыта. Например, размер установки для газификации был изменен на так называемую «усиленную» конструкцию, при этом диаметр реактора 2 газификации получился меньшим. В результате соответственно увеличилась нагрузка шлака на стенку установки для газификации.
Муфель горелки согласно данному изобретению уменьшает коррозию наружных колец. Муфель снабжен наружными кольцами с разрывами. Кроме того, наружные кольца имеют более высокие коэффициенты безопасности для кризиса теплообмена при кипении (DNB). В муфеле горелки согласно данному изобретению шлак не будет опускаться от наружных колец, а будет стекать вниз по мембранной стенке под муфелем горелки, покрывая мембранную стенку в области 92 под муфелем горелки и, возможно, также нижнюю секцию муфеля горелки, ровным слоем шлака. Слой шлака обеспечивает дополнительную защиту от коррозионной среды в установке для газификации. Таким образом, охлаждающее устройство согласно изобретению предотвращает коррозию наружных колец охлаждающего устройства, ограничивая коррозию. Кроме того, устройство улучшает защитный слой шлака на мембранной стенке. Это увеличивает технический ресурс муфеля горелки и мембранной стенки.
В практическом применении температура в камере реактора обычно может находиться в диапазоне от 1500°С до 1700°С. Давление в камере реактора обычно может находиться в диапазоне 25-60 бар (2,5-6 МПа).
Предпочтительно, толщина стенки трубопроводов муфеля горелки настолько мала, насколько это возможно, чтобы оптимизировать теплопередачу и ограничить температуру стенки. Минимальная толщина стенки будет определяться механической прочностью материала трубопровода, которая требуется локально. Диаметр трубопроводов 15 может составлять от около 2 до 5 см. Кольца могут быть изготовлены из низколегированной стали с содержанием Cr до 5% масс. или высоколегированной стали с содержанием Cr более 15% масс.
Данное изобретение не ограничено вышеописанными вариантами его осуществления, при этом возможны различные модификации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.