Реактор для получения синтез-газа из топлива
Изобретение относится к реакторам получения синтез-газа. Описан реактор для получения синтез-газа из топлива, содержащий кожух с частью для обеспечения сжигания, включающей первый флюидизированный слой при работе, стояк, проходящий вдоль продольного направления реактора и включающий второй флюидизированный слой при работе, опускную трубу, расположенную параллельно стояку и проходящую в первый флюидизированный слой, и один или более подающих каналов для предоставления топлива в реактор, при этом реактор содержит секцию воздушной камеры стояка, соединенную с нижней частью стояка, причем секция воздушной камеры стояка содержит цилиндрическую стенку с множеством расположенных по окружности сквозных отверстий. Технический результат - эксплуатация реактора без образования засоров и блокировки нижнего выпускного отверстия реактора. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к реактору для получения синтез-газа из топлива, содержащему кожух с частью для обеспечения сжигания, включающей первый флюидизированный слой при работе, стояк, проходящий вдоль продольного направления реактора и включающий второй флюидизированный слой при работе, опускную трубу, расположенную параллельно стояку и проходящую в первый флюидизированный слой, и один или более подающих каналов для предоставления топлива в реактор.
Предшествующий уровень техники
В известных реакторах типа с внутренней системой сжигания в циркулирующем флюидизированном слое, обычно проблемы возникают при масштабировании реактора от размера блока для совершенствования технологического процесса до заводского рабочего блока. Дополнительно, заявленная гибкость по запасам сырья, которые могут использоваться в известных реакторах, не может гарантироваться, преимущественно в силу недостатков в отборе золы, в случае постоянной необходимости (к примеру, при использовании запасов отходов сырья или запасов сырья с высоким потенциалом агломерации или с высокоинертным содержанием).
Международная публикация патента WO2014/070001 описывает реактор для получения получаемого газа из топлива (биомассы), имеющий кожух с частью для обеспечения сжигания, включающей флюидизированный слой при работе, стояк, проходящий вдоль продольного направления реактора, и опускную трубу, расположенную коаксиально вокруг стояка и проходящую во флюидизированный слой.
Публикация патента (США) US3776150 раскрывает систему сжигания во флюидизированном слое для пиролиза или сжигания твердых отходов. Твердое сырье принудительно подается в оборудование для сжигания во флюидизированном слое, имеющее распределительную пластину конической формы и первую внутреннюю камеру выше распределительной пластины и меньшую вторую внутреннюю камеру, соединенную с первой камерой и расположенную непосредственно ниже первой камеры.
Международная публикация патента WO2007/061301 описывает устройство для получения получаемого газа из биомассы, содержащее, по меньшей мере, один стояк для переработки биомассы в получаемый газ и твердое вещество. Твердое вещество осаждается в вершине реактора и попадает во внешнюю камеру сжигания через одну или более опускных труб. Поскольку, по меньшей мере, одного сопла для нагнетания флюидизирующего газа присоединяется в стояке, в результате стояк на дне имеет преграды.
Международная публикация патента WO2008/108644 описывает улучшение устройства, раскрытого в WO2007/061301, хотя по-прежнему раскрывает наличие, по меньшей мере, одного сопла, нагнетающего флюидизирующую текучую среду в или под стояком, в силу этого частично блокируя отбор материала слоя из стояка.
Публикации патента (Европа) EP-A-0 844 021 описывает реактор для каталитического преобразования органических веществ с использованием внутреннего реактора с циркулирующим флюидным слоем, при этом также описывается распределитель выше центрального флюидизированного слоя. Тем не менее, здесь, распределитель упоминается как перегородка, обуславливающая только разделение частиц катализатора из газа.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение нацелено на предоставление улучшенного реактора для получения синтез-газа из топлива, который является надежным и долговечным, даже при работе на топливах, ассоциированных с высоким числом загрязнителей, в итоге появляющихся в реакторе. Загрязнители, которые либо связаны с топливом, такие как камни, металлы и стекло, либо представляют собой результат химических реакций, такие как агломераты, требуют более высокого темпа отбора от реактора. Другими словами, настоящее изобретение нацелено на предоставление решения для того, чтобы предотвращать загрязнение и/или закупорку газификатора вследствие осаждения и/или образования засоров из инертных материалов и агломератов. Кроме того, настоящее изобретение нацелено на предоставление улучшенного реактора для получения синтез-газа из топлива, который является масштабируемым, даже в случае размеров согласно подаче нескольких десятков тонн топлива в час.
Согласно настоящему изобретению, предоставляется реактор согласно преамбуле, заданной выше, при этом реактор дополнительно содержит секцию воздушной камеры стояка, соединенную с нижней частью стояка, причем секция воздушной камеры стояка содержит цилиндрическую стенку с множеством расположенных по окружности сквозных отверстий. Эта конструкция позволяет использовать расположенные по окружности/периферически расположенные сквозные отверстия в качестве флюидизирующих сопел, реализующих второй флюидизированный слой в ходе работы, и обеспечивает неограниченное перемещение материала слоя (песка) во втором флюидизированном слое, значительно повышая эффективность эксплуатации настоящего реактора. Поскольку флюидизирующая среда (например, воздух) подается сбоку в стояк, эта конструкция, по сути, не блокирует или частично блокирует отбор золы из стояка. Кроме того, она гарантирует то, что в ходе работы зола и ассоциированные более тяжелые инертные материалы могут отбираться из реактора без риска образования засоров и блокировки нижнего выпускного отверстия реактора.
Следует отметить, что в вариантах осуществления реактора настоящего изобретения, могут присутствовать несколько стояков, в комбинации с одной или более опускных труб. Кроме того, опускная труба может предоставляться коаксиально по отношению к ассоциированному стояку либо в качестве отдельного (совмещенного по длине) опускного трубного канала. Это дополнительно улучшает масштабируемость вариантов осуществления реактора настоящего изобретения.
Дополнительные преимущественные варианты осуществления реактора настоящего изобретения описываются посредством прилагаемых зависимых пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Ниже подробнее поясняется настоящее изобретение со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает вид в поперечном сечении реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2A показывает вид в поперечном сечении секции воздушной камеры стояка варианта осуществления реактора, показанного на фиг. 1;
Фиг. 2B подробно показывает вид верхнего угла секции воздушной камеры стояка, показанной на фиг. 2A;
Фиг. 3A показывает вид в перспективе в частичном поперечном сечении части варианта осуществления реактора, показанного на фиг. 1;
Фиг. 3B показывает вид сверху в поперечном сечении варианта осуществления реактора, показанного на фиг. 1 вдоль линий IIIB-IIIB; и
Фиг. 3C показывает вид в частичном поперечном сечении стояка и части секции воздушной камеры стояка варианта осуществления реактора, показанного на фиг. 1.
Подробное описание вариантов осуществления
Ниже описывается настоящее изобретение со ссылкой на примерный вариант осуществления реактора для получения синтез-газа из топлива, как показано на чертежах. Тем не менее, следует отметить, что части реактора могут реализовываться с использованием дополнительных альтернатив и модификаций, как также указывается в нижеприведенном описании. Реактор 1 согласно настоящему изобретению используется для того, чтобы преобразовывать топливо в синтез-газ, который дополнительно может использоваться. Топливо может представлять собой продукт-биомассу или отходы с различным составом, и синтез-газ, выводимый из реактора 1, дополнительно может синтезироваться в другие продукты или непосредственно использоваться, например, в работающем на газе электрическом генераторе либо в вариантах применения для нагрева.
Фиг. 1 показывает вид в поперечном сечении реактора 1 согласно примерному варианту осуществления настоящего изобретения, имеющего различные секции. С помощью римской цифры I указывается основная секция реактора 1, в которой процессы пиролиза и сжигания возникают в ходе работы в первом и втором флюидизированном слое. Эта основная секция A содержит кожух 2 с частью для обеспечения сжигания, включающей первый флюидизированный слой при работе, стояк 3, проходящий вдоль продольного направления реактора 1 и включающий работающий второй флюидизированный слой, и опускную трубу 4, расположенную параллельно стояку 3 и проходящую в первый флюидизированный слой. На дне кожуха 2, указывается нижняя секция C, которая содержит конструктивные и функциональные элементы для того, чтобы предоставлять первый и второй флюидизированный слой в ходе работы, и которая подробнее поясняется ниже. В этой нижней секции C, например, один или более подающих каналов 33 присутствуют для предоставления топлива в реактор 1, например, в стояк 3. Дымовой газ, сформированный в первом флюидизированном слое, может выходить из реактора через выпускное отверстие 6 для дымового горючего газа, расположенное в верхней части реактора 1, как показано в варианте осуществления по фиг. 1.
Ниже основной секции A, расположена воздушная камера II стояка, которая выполнена с возможностью предоставлять управление вторым флюидизированным слоем внутри стояка 3. Ниже поясняются подробности воздушной камеры II стояка со ссылкой на фиг. 2A и 2B. Ниже воздушной камеры II стояка, расположена секция E трубного узла стояка, которая работает с возможностью обеспечивать отбор золы и материала слоя из дна реактора 1 (например, с использованием нижеприведенной крупной винтовой или сверлильной установки, не показанной на фиг. 1).
Выше основной секции A, предоставляется секция D распределителя выпускного отверстия для газа, которая обеспечивает надлежащий отбор сформированного синтез-газа из реактора 1 через выпускное отверстие 8 для синтез-газа. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 1, выпускное отверстие 7 для сброса давления присутствует в верхней части реактора 1 чуть ниже секции D распределителя выпускного отверстия для газа. В нормальном режиме работы, выпускное отверстие 7 для сброса давления закрывается, например, с использованием предохранительного клапана. Ниже поясняются подробности секции D распределителя выпускного отверстия для газа.
В ходе работы (достаточно похожей с более ранними версиями реактора 1, как описано в PCT-публикациях WO2007/061301 и WO2008/108644, которые содержатся в данном документе по ссылке), топливо в форме запасов сырья подается в стояк 3 через ввод 33 топлива, так что оно поступает во второй флюидизированный слой внутри стояка 3. Запасы сырья газифицируются во втором флюидизированном слое, увлекая материал слоя из стояка 3 в верхнюю секцию реактора 1, в которой макрочастицы осаждаются в силу меньшей скорости потока газа и сбрасываются в опускную трубу 4 (например, через воронкообразную часть 5, показанную в варианте осуществления по фиг. 1), и в итоге оказываются в первом флюидизированном слое в секции сжигания во флюидизированном слое внутри кожуха 2, как указано посредством стрелок на фиг. 1. Синтез-газ, производимый посредством процесса газификации, выходит из реактора 1 через секцию D распределителя выпускного отверстия для газа (например, через выпускное отверстие 8 для синтез-газа, показанное в варианте осуществления по фиг. 1).
Следует отметить, что примерный вариант осуществления реактора 1 имеет один расположенный по центру стояк 3 и одну опускную трубу 4, расположенную коаксиально (или концентрически) по отношению к стояку 3. Для более крупномасштабных реакторов 1, предусмотрено, что присутствует более одного стояка 3, а также более одной опускной трубы 4 (даже независимо от числа стояков 3). Кроме того, стояки 3 и опускные трубы 4 могут располагаться коаксиально, но также могут располагаться рядом друг с другом. Кроме того, в варианте осуществления по фиг. 1 показывается только один подающий канал 33, направленный, в общем, перпендикулярно направлению по длине стояка 3. В дополнительных альтернативных вариантах осуществления, могут присутствовать несколько подающих каналов 33, например, чтобы вводить запасы сырья из двух или более сторон или на различных высотах в стояке 3.
Горячий материал слоя, присутствующий в зоне сжигания (т.е. в первом флюидизированном слое), (частично) транспортируется через две зоны сбрасывания в нижней части зоны сжигания, например, при вращении на 90° по сравнению с подающим каналом 33, в нижнюю часть стояка 3. В дополнительных примерных вариантах осуществления, присутствуют одна или более зон сбрасывания. Горячий материал слоя, рециркулирующий таким способом, обеспечивает газификацию запасов сырья в стояке 3.
В существующих газифицирующих реакторах, такие компоненты, как флюидизирующие сопла, присутствуют в стояке 3. Как результат, непрерывный отбор золы невозможен или, по меньшей мере, затруднен. При использовании чистой биомассы в качестве топлива, это не обязательно представляет собой проблему, поскольку большая часть золы должна выходить из реактора 1 через выпускное отверстие 6 для дымового газа, и не должны создаваться большие количества инертных материалов или агломератов. В таком случае, также можно использовать одно флюидизирующее сопло в нижней части стояка 3 как в нормальном режиме работы (при небольшом потоке газа, необходимом только для флюидизации второго флюидизированного слоя в стояке 3), так и в ходе операции запуска (при интенсивном потоке газа, чтобы резко активизировать внутреннюю циркуляцию материала слоя в реакторе 1).
Тем не менее, при использовании запасов сырья с высоким содержанием инертных материалов, таких как породы, металлы и стекло (к примеру, в отходах), либо при обработке запасов сырья с высокими рисками плавления, приводящего к образованию агломератов (таких как трава), это традиционное расположение флюидизирующего сопла внутри стояка 3 ограничивает и усложняет требуемый отбор золы.
Кроме того, одно флюидизирующее сопло, работающее при различных потоках газа, приводит к нарушению конструктивного решения, поскольку в нормальном режиме работы с низким потоком газа, скорости через сопло могут быть слишком низкими, что вызывает противоток материала слоя в воздушной камере, соединенной с флюидизирующим соплом. В ходе запуска с интенсивным потоком, скорости через флюидизирующее сопло являются (слишком) высокими, что вызывает высокие падения давления и эрозию.
Обнаружено, что также требуется более непрерывный отбор золы из нижней части реактора 1. Тем не менее, это приводит к исчезновению статического слоя на дне реактора 1 (ниже флюидизирующих сопел), что, в свою очередь, требует другого конструктивного решения по изоляции, а также использования других материалов в зоне отбора золы.
Кроме того, обнаружено, что более частое использование этих более сложных запасов сырья приводит к большому числу проблем при техобслуживании, требующих значительных времен простоя, поскольку удаление инертных материалов и агломератов является сложным вследствие недостаточной достижимости реактора 1 в удобных местоположениях.
Чтобы разрешать эти проблемы, созданы варианты осуществления настоящего изобретения, причем первый вариант осуществления относится к реактору для получения синтез-газа из топлива, содержащему кожух 2 с частью для обеспечения сжигания, включающей первый флюидизированный слой при работе, стояк 3, проходящий вдоль продольного направления реактора 1 и включающий второй флюидизированный слой при работе, опускную трубу 4, расположенную параллельно стояку и проходящую в первый флюидизированный слой, и один или более подающих каналов 33 для предоставления топлива в стояк 3. Реактор 1 дополнительно содержит секцию B воздушной камеры стояка, соединенную с нижней частью стояка 3, причем секция B воздушной камеры стояка содержит цилиндрическую стенку 28 с множеством расположенных по окружности сквозных отверстий 24, 25.
В этом варианте осуществления, зона отбора золы реактора 1 (т.е. из стояка 3 через секцию B воздушной камеры стояка и секцию E трубного узла стояка) не имеет ограничений, обусловленных внутренними соплами, поскольку флюидизирующая среда (например, воздух в нормальном режиме работы реактора 1) и пусковая среда (например, более интенсивный поток воздуха) подаются через стенку 28 сопловой части трубы воздушной камеры II стояка. Дополнительные признаки, присутствующие для того, чтобы доставлять среду в расположенные по окружности сквозные отверстия 24, 25, могут интегрироваться в секции B воздушной камеры стояка без ограничения отбора золы. Следует отметить, что цилиндрическая стенка 28 является конгруэнтной с поперечным сечением нижней части стояка 3.
Примерный вариант осуществления секции B воздушной камеры стояка, которая фактически представляет собой отдельный компонент, обеспечивающий его более эффективное изготовление и установку, показывается в виде в поперечном сечении по фиг. 2A и в виде в поперечном сечении подробности по фиг. 2B. Воздушная камера II стояка содержит верхний фланец 22, позволяющий монтировать секцию B воздушной камеры стояка на нижнем фланце реактора 1 в его нижней секции C. При установке, вершина цилиндрической стенки 28 затем совмещается с нижней частью стояка 3, оставляя небольшой зазор, который обеспечивает допуск для возможных различий в тепловом расширении нижней части стояка 3 и вершины цилиндрической стенки 28. Нижний фланец 23 присутствует с возможностью протягивать зону отбора золы до верхнего фланца секции E трубного узла стояка.
В этом варианте осуществления, секция B воздушной камеры стояка содержит две секции сквозных сопловых отверстий, верхнюю секцию с первым множеством сквозных отверстий 25 и нижнюю секцию со вторым множеством сквозных отверстий 24, при этом полная площадь отверстий второго множества сквозных отверстий 24 больше полной площади отверстий первого множества сквозных отверстий 25. Это обеспечивает операцию запуска реактора 1 с интенсивным потоком воздуха и работу в регулярном режиме с достаточным потоком воздуха, при этом без ограничения перемещения песка во втором флюидизированном слое. Другими словами, флюидизирующее сопло для второго флюидизированного слоя в стояке 3 имеет две секции сквозных сопловых отверстий 24, 25, причем верхняя секция (первое множество сквозных отверстий 25) работает в нормальном режиме работы, когда количество требуемого флюидизирующего газа является минимальным, тогда как нижняя секция (второе множество сквозных отверстий 24) применяется только в ходе запуска, когда количество требуемого флюидизирующего газа должно увеличиваться для того, чтобы начинать внутреннюю циркуляцию материала слоя в реакторе 1. В ходе запуска, первое множество сквозных отверстий 25 также работает с возможностью предотвращать его засорение, когда второе множество сквозных отверстий 24 работает. Это также обеспечивает такое преимущество, что в ходе запуска падение давления в соплах 24, 25 не становится слишком высоким, и в нормальном режиме работы скорости через сопла 24, 25 не становятся слишком низкими. Сквозные сопловые отверстия 24, 25 для флюидизирующего воздуха (в нормальным режиме работы) и пускового воздуха (при операции запуска) разделяются друг от друга, при этом флюидизирующие воздушные сопла (первое множество сквозных отверстий 25) расположены выше пусковых воздушных сопел (второго множества сквозных отверстий 24). В связи с этим, сквозные сопловые отверстия 24, 25 могут конструироваться согласно типичной скорости потока газа в 5-20 м/с, при этом размер и количество флюидизирующих воздушных сквозных сопловых отверстий 25 становятся независимыми от размера и количества пусковых воздушных сквозных сопловых отверстий 24.
Как показано в видах в поперечном сечении по фиг. 2A и 2B, флюидизирующая воздушная камера 27 предоставляется с возможностью сообщаться с первым множеством сквозных отверстий 25, и кроме того, пусковая воздушная камера 26 предоставляется с возможностью сообщаться со вторым множеством сквозных отверстий 24. Следует отметить, что флюидизирующая воздушная камера 27 осуществляется с использованием стенки 27a флюидизирующей воздушной камеры, расположенной коаксиально по отношению к стенке 28 воздушной камеры стояка в верхней части II секции воздушной камеры стояка (т.е. в и выше верхнего фланца 22). Аналогично, пусковая воздушная камера 26 осуществляется с использованием стенки 26a пусковой воздушной камеры, расположенной коаксиально по отношению к стенке 28 воздушной камеры стояка в верхней части секции B воздушной камеры стояка. Ниже верхнего фланца в таком случае можно делать флюидизирующую воздушную камеру 27 и пусковую воздушную камеру 26 шире, обеспечивая возможность добавления дополнительных конструктивных признаков, таких как воздушные соединения (под давлением) и/или люки для осмотра и техобслуживания (поскольку все воздушные камеры 26, 27 возможно подвергаются риску противотока материала слоя). Кроме того, такое увеличение диаметра обеспечивает разность температур и/или различное тепловое расширение между стенкой 28 воздушной камеры стояка, стенкой 26a пусковой воздушной камеры и стенкой 27a флюидизирующей воздушной камеры.
В нормальном режиме работы, только флюидизирующий воздух добавляется в реактор 1, и материал слоя ниже флюидизирующих воздушных сквозных сопловых отверстий (первого множества сквозных отверстий 25) не флюидизируется. В связи с этим, материал слоя не может протекать обратно в пусковую воздушную камеру 26 через второе множество сквозных отверстий 24. В ходе запуска, как флюидизирующий воздух, так и пусковой воздух добавляются в стояк 3. Присутствие флюидизирующего воздуха также в ходе запуска исключает то, что материал слоя протекает обратно во флюидизирующую воздушную камеру 27 через первое множество сквозных отверстий 25.
Количество и размер сопел (первого и второго множества сквозных отверстий 24, 25) основаны на потоке или воздухе, проходящем через сопла, а также на углу естественного откоса материала слоя. Это позволяет достигать такого преимущества, что в случае отсутствия флюидизации, статический слой не протекает обратно в воздушные камеры 26, 27. Угол α естественного откоса нормально используемого материала слоя (песка), например, составляет приблизительно 35°, и в силу этого диаметр d сквозных сопловых отверстий ограничивается этим углом естественного откоса и толщиной t материала цилиндрической стенки 28, т.е. d<t tan α.
В еще одном дополнительном варианте осуществления, реактор 1 дополнительно содержит секцию E трубного узла стояка, соединенную с нижней частью секции B воздушной камеры стояка, как описано выше со ссылкой на вариант осуществления, показанный на фиг. 1. Эта секция трубного узла стояка позволяет осматривать материал слоя ниже второго флюидизированного слоя, а также извлекать обломки. Кроме того, безопасное техобслуживание сопел 24, 25 может осуществляться в случае возможной блокировки зоны отбора золы.
Как показано на фиг. 1, секция E трубного узла стояка содержит нижний соединительный фланец 53, а также длинную трубу 51 и короткую трубу 52. Длинная труба 51 устанавливается с возможностью разрешать доступ к этой секции E без свободного вытекания материала слоя из реактора 1 (что снова связано с углом естественного откоса), короткая труба 52 должна иметь результатом свободный поток материала слоя из реактора 1 (например, при необходимости для техобслуживания).
Помимо этого, в силу включения секции E трубного узла стояка, можно вынимать эту секцию E (посредством простого отсоединения соответствующего верхнего и нижнего фланца), что в таком случае позволяет опускать секцию B воздушной камеры стояка таким образом, что она более не расположена в нижней секции C реактора 1. В связи с этим, достижимость стояка 3 увеличивается, поскольку более необязательно вынимать (крупный) винт для охлаждения золы, установленный на дне всего реактора 1 для отбора материала слоя. В конкретном варианте осуществления, секция B воздушной камеры стояка содержит верхний монтажный фланец 22 для соединения с кожухом 2 и нижний монтажный фланец 23 для соединения с соответствующим монтажным фланцем секции E трубного узла стояка, при этом высота h2 цилиндрической стенки 28, проходящей выше верхнего монтажного фланца 22, равна или меньше высоты h1 секции E трубного узла стояка (см. фиг. 1).
Дополнительный фактор, учитываемый в дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения, заключается в то, что поскольку сопла (или лучше часть цилиндрической стенки 28, окружающей первое и второе множество сквозных отверстий 24, 25) становятся горячими в ходе работы, необходимо учитывать тепловое расширение. По этой причине, изоляционные шпильки 21 показаны в видах в поперечном сечении по фиг. 2A и 2B, на которых, например, может устанавливаться волокнистый материал, который обеспечивает расширение при заполнении зазоров другими конструктивными частями реактора 1 (например, нижней части кожуха 2, в которой секция B воздушной камеры стояка монтируется с использованием верхнего фланца 22). Если обобщить, секция B воздушной камеры стояка дополнительно содержит сжимаемый материал, присоединенный к ее наружной поверхности.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя модификации и признаки, связанные с первым флюидизированным слоем (в нижней секции C реактора 1), которые описываются со ссылкой на вид в перспективе в частичном поперечном сечении по фиг. 3A, вид сверху в поперечном сечении вдоль линии IIIB-IIIB на фиг. 1 по фиг. 3B и вид в частичном поперечном сечении по фиг. 3C.
Следует отметить, что некоторые газифицирующие реакторы предшествующего уровня техники типа флюидизированного слоя имеют плоскую нижнюю часть флюидизированного слоя как в зоне сжигания, так и в транспортировочной зоне песка. Дно, например, полностью подвергнуто огнеупорной внутренней облицовке с помощью сбросных трубок, чтобы удалять материал слоя, либо статический слой присутствует ниже флюидизированного слоя, с некоторыми отбирающими воронками, чтобы удалять материал слоя. Сопла, если не имеют конкретную направленность, предназначаются только для того, чтобы флюидизировать материала слоя. Следующие проблемы обнаружены для этих реакторов предшествующего уровня техники. Вследствие горизонтального дна флюидизированного слоя, инертные материалы и агломераты не могут легко удаляться из реактора в ходе работы, и в частности, при использовании запасов отходов сырья в качестве топлива со временем инертные материалы должны накапливаться в реакторе. Также вследствие горизонтального дна и отсутствия направляющих средств (например, сопел) в транспортировочной зоне, агломераты по-прежнему растут без отбора из реактора. Следовательно, в какой-то момент агломераты должны блокировать всю транспортировочную зону, в результате внезапно прекращая циркуляцию песка и препятствуя операции газификации реактора.
Чтобы разрешать эти недостатки, дополнительные признаки предоставляются в нижней секции C реактора. В общем, в дополнительной группе вариантов осуществления, предоставляется реактор для получения синтез-газа из топлива, содержащий кожух 2 с частью для обеспечения сжигания, включающей первый флюидизированный слой при работе, стояк 3, проходящий вдоль продольного направления реактора 1 и включающий второй флюидизированный слой при работе, опускную трубу 4, расположенную параллельно стояку и проходящую в первый флюидизированный слой, и один или более подающих каналов 33 для предоставления топлива в стояк 3. Кожух 2 содержит первое наклоненное дно 31, например, с огнеупорной внутренней облицовкой первого флюидизированного слоя, и второе наклоненное дно 32, например, с огнеупорной внутренней облицовкой в транспортировочной зоне, соединяющей первый флюидизированный слой и второй флюидизированный слой через транспортировочное отверстие 39 в стояке 3. Реактор дополнительно содержит множество групп воздушных сопел 36, 37, 38 на первом наклоненном дне 31 и втором наклоненном дне 32, причем множество групп воздушных сопел 36, 37, 38 выполнены с возможностью направлять воздух вдоль соответствующего первого и второго наклоненного дна 31, 32. Альтернативно или дополнительно, воздух, направленный вдоль наклоненного дна 31, 32, может представлять собой пар. Эти варианты осуществления предоставляют возможность управляемого перемещения песка и обломков в нижней секции C, например, чтобы обеспечивать рециркуляцию материала слоя из первого флюидизированного слоя во второй флюидизированный слой в стояке 3 или отбирать золу и обломки (через секцию B воздушной камеры стояка и секцию E трубного узла стояка). Дополнительное преимущество заключается в том, что можно направлять несколько групп воздушных сопел 36, 37, 38 в направлении от чувствительных частей реактора 1 (например, от стенки стояка 3 или конкретных отверстий в этой стенке), предотвращая эрозию металлической конструкции стояка 3.
В дополнительном варианте осуществления, первое и второе наклоненное дно 31, 32 имеют угол наклона в 5°-35°, например, в 15° относительно плоскости поперечного сечения реактора 1. В примерном варианте осуществления (см. фиг. 3A-C), как первое дно 31 первого флюидизированного слоя, так и второе дно 32 в транспортировочных зонах по направлению к транспортировочному отверстию 39 в стояке 3 имеют наклон в 15°, упрощая поток инертного материала и агломератов к зоне отбора золы в/ниже стояке 3. Наклон ограничен таким образом, что он меньше угла естественного откоса материала слоя, поскольку иначе в результате возникает слишком большая разность уровня слоя вдоль первого флюидизированного слоя.
Дно 31 первого флюидизированного слоя, например, оснащается соплами 36, 37, воздуховыпускное отверстие которых направлено к конкретной части реактора 1, которая показывается в виде сверху по фиг. 3B. Несколько групп воздушных сопел 36, 37, 38 могут содержать первую группу воздушных сопел 36 на первом наклоненном дне 31, потоки через сопло которых направлены в центр реактора 1. Первая группа воздушных сопел 36 или внешних первичных воздушных сопел может быть радиально ориентирована, например, с использованием показанной коленчатой конфигурации труб. Кроме того, несколько групп воздушных сопел 36, 37, 38 содержат вторую группу воздушных сопел 37 на первом наклоненном дне 31, потоки через сопло которых направлены в транспортировочную зону. Вторая группа воздушных сопел 37 или внутренних первичных воздушных сопел имеет направленную ориентацию (в средней плоскости) к внутреннему краю первого наклоненного дна 31, т.е. к транспортировочным зонам, ведущим к транспортировочному отверстию 39. Это должно обеспечивать выдувание инертных материалов и агломератов к транспортировочной зоне. Во всех случаях, отдельные сопла выполнены с возможностью иметь выпускной поток, который непосредственно не соприкасается с какими-либо частями реактора (например, с металлическими поверхностями стояка 3, с огнеупорным материалом на первом наклоненном дне 31 или с другими соплами в передней части).
В дополнительном варианте осуществления, несколько групп воздушных сопел 36, 37, 38 содержат третью группу воздушных сопел 38 на втором наклоненном дне 32, потоки через сопло которых направлены в транспортировочное отверстие 39 в стояке 3. Сопла третьей группы сопел 38 имеют выпускной воздушный поток, не соприкасающийся непосредственно с какими-либо частями реактора (например, с металлическими поверхностями стояка 3, с огнеупорными материалом на втором наклоненном дне 32 или с другими соплами в передней части).
В еще одном дополнительном варианте осуществления, транспортировочное отверстие 39 в стояке 3 содержит накладную пластину. Такая накладная пластина может иметь несколько функций и, например, не только обеспечивает возможность модификации размера транспортировочного отверстия 39 в случае прекращения техобслуживания посредством замены накладной пластины, но также и обеспечивает возможность защиты металла стояка 3 от сильной эрозии при присутствии инертных материалов и агломератов. С этой целью, накладная пластина может содержать отверстие накладной пластины, например, меньшее транспортировочного отверстия 39 в стояке 3.
Транспортировочное отверстие 39 может иметь размер на основе требуемого перепада давлений между стояком 3 и первым флюидизированным слоем, который определяет скорость транспортируемого материала слоя. Например, транспортировочное отверстие 39 (в накладной пластине) может иметь такие размеры, что количество транспортируемого материала слоя превышает в 40 раз объем запасов сырья, подаваемых в реактор 1. Это должно создавать перепад температур между экзотермическим сжиганием в первом флюидизированном слое и эндотермическим пиролизом во втором флюидизированном слое ~ в 70°C. За счет увеличения размеров транспортировочного отверстия 39 (которая ограничена посредством размера стояка 3), транспортировка материала слоя может ~ в 60 раз превышать объем запасов сырья, и разность температур в таком случае должна уменьшаться ~ до 50°C. За счет уменьшения размеров транспортировочного отверстия 39, транспортировка материала слоя может уменьшаться. При уменьшении ~ в 20 раз объема запасов сырья, разность температур должна превышать 100°C. Следовательно, накладная пластина не только защищает металл стояка 3 от нежелательной эрозии, но также и предоставляет возможность модификаций и в силу этого других рабочих условий без необходимости замены всего стояка 3.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя модификации и признаки, связанные с секцией D распределителя выпускного отверстия для газа, которые описываются ниже со ссылкой на вид в поперечном сечении по фиг. 1. В общем, в дополнительной группе вариантов осуществления, предоставляется реактор 1 для получения синтез-газа из топлива, содержащий кожух 2 с частью для обеспечения сжигания, включающей первый флюидизированный слой при работе, стояк 3, проходящий вдоль продольного направления реактора 1 и включающий второй флюидизированный слой при работе, опускную трубу 4, расположенную параллельно стояку и проходящую в первый флюидизированный слой, и один или более подающих каналов 33 для предоставления топлива в стояк 3. Реактор 1 дополнительно содержит секцию D распределителя выпускного отверстия для газа, причем секция D распределителя выпускного отверстия для газа содержит внутренний конус 41 и внешний конус 42 (которые могут иметь идентичный материал, например, металл), при этом внутренний и внешний конус имеют различный угол раскрытия вершины и выполнены с возможностью формирования выпускного канала с постоянным поперечным сечением в зависимости от высоты секции D распределителя выпускного отверстия для газа. Различный угол раскрытия вершины обеспечивает постоянную скорость потока газа по всему выпускному каналу, сформированному между внутренним и внешним конусом 41, 42. Кроме того, форма внутреннего конуса 41 обеспечивает преимущество улучшенного осаждения материала слоя и золы, при том, что внутренний и внешний конус 41, 42 имеют требуемое расстояние между конусами 41, 42 при всех рабочих температурах (в том числе, например в ходе запуска и выключения), что обеспечивает достаточную скорость потока газа в ходе запуска, а также в нормальном режиме работы.
Секция D распределителя выпускного отверстия для газа создает выпускной газовый канал с узким зазором, начинающийся около вершины реактора 1. Узкий зазор конструируется с возможностью создавать скорость потока газа, например, в 20 м/с. Поскольку внутренний конус 41 и внешний конус 42 становятся меньшими к выпускному отверстию 8 для синтетического газа, но при этом имеют различный угол раскрытия вершины, зазор увеличивается, чтобы поддерживать высокую скорость потока газа. Наклон внутреннего конуса 41 снова учитывает угол естественного откоса материала слоя, так что в случае отсутствия потока газа, частицы должны иметь тенденцию протекать обратно в реакторную внутреннюю часть.
Эта группа вариантов осуществления разрешает ряд проблем, которые идентифицированы для существующих конструкций реактора. В предшествующих конструктивных решениях, перегородка расположена выше стояка 3, которая функционирует по-другому по сравнению с секцией D распределителя выпускного отверстия для газа настоящего изобретения, создавая высокие скорости непосредственно в выпускном отверстии для газа. Как результат, скорости в реакторе 1 являются слишком низкими, и выпускное отверстие для газа подвержено закупорке в силу осаждения пыли и дегтя. В некоторых реакторах предшествующего уровня техники, распределитель на выпускном отверстии для газа помещен ближе к огнеупорной внутренней облицовки в верхней части кожуха 2; тем не менее, поскольку огнеупорный внутренний облицовочный материал и (металлический) распределитель на выпускном отверстии для газа имеют различное поведение при тепловом расширении, усложняется достижение корректного конструктивного решения, и производительность зависит от рабочей температуры реактора, поскольку зазор варьируется в зависимости от температуры.
В дополнительном варианте осуществления, кожух 2 содержит проходящий внутрь выступ 43, например, из огнеупорного внутреннего облицовочного материала, поддерживающий нижний край секции D распределителя выпускного отверстия для газа. Проходящий внутрь выступ 43 может иметь надлежащие размеры для того, чтобы поддерживать нижний конец внешнего конуса 42, что предоставляет необязательную альтернативу подвешиванию всей секции D распределителя выпускного отверстия для газа на верхней части кожуха 2. Как результат, тепловое расширение компонентов секции D распределителя выпускного отверстия для газа должно возникать только вверх, что представляет собой управляемую ситуацию в ходе работы реактора 1. Кроме того, выпускное отверстие 8 для синтез-газа вообще не должно содержать создающие помехи элементы, такие как подвесная конструкция с треногой. Этот вариант осуществления также значительно улучшает масштабируемость реактора 1.
В еще одном дополнительном варианте осуществления, расширительный материал 45 предоставляется на поверхности внешнего конуса 42, направленным в верхнюю часть кожуха 2. Поскольку тепловое расширение возникает в одном направлении, этот вариант осуществления обеспечивает простое и эффективное решение этой проблемы теплового расширения.
В качестве необязательного элемента, внутренний конус 41 содержит подъемную проушину 46 в главной вершине внутреннего конуса 41. Если диаметр нижнего конца внутреннего конуса выбирается надлежащим образом, это позволяет опускать внутренний конус 41 отдельно от внешнего конуса 42, например, для очистки как внешнего конуса 42, так и внутреннего конуса 41, например, чтобы удалять чрезмерное загрязнение, агрегированное со временем в ходе работы реактора 1. Как результат, секция D распределителя выпускного отверстия для газа может поддерживаться при необходимости в случае прекращения техобслуживания без необходимости удалять законченную верхнюю секцию кожуха 2 реактора 1.
Дополнительная проблема, важная для этого типа газифицирующих реакторов 1, заключается в вероятности того, что внутренний конус 41 (который закрывается в вершине) может быть подвержен эрозии посредством материала слоя и золы, выдуваемых из верхнего конца стояка 3. Чтобы разрешать эту проблему, в дополнительном варианте осуществления, внутренний конус 41 секции D распределителя выпускного отверстия для газа расположен в реакторе на предварительно заданном расстоянии от верхнего края стояка 3. Предварительно определенное расстояние, например, вычисляется на основе высоты разделения при транспортировке (TDH) для реактора конкретных размеров и на основе других рабочих параметров, таких как тип запасов сырья, тип материала слоя и т.д. TDH представляет собой точку, в которое более крупные увлеченные частицы, которые вызывают эрозию распределителя выпускного отверстия для газа, опускаются вниз под действием силы тяжести, в то время как меньшие безвредные частицы остаются увлеченными и вместе с газом выходят из реактора через распределитель на выпускном отверстии для газа.
Следует отметить, что в вышеприведенном описании примерного варианта осуществления реактора, описываются несколько признаков, которые предоставляют преимущества в работе реактора. Каждый из этих признаков может применяться изолированно или в комбинации, с тем чтобы предоставлять усовершенствованную работу реактора 1. Важная цель настоящего изобретения заключается в предотвращении загрязнения/закупорки существующей конструкции газификатора посредством осаждения и/или образования засоров из инертных материалов и агломератов. Посредством реализации признаков, связанных с секцией B воздушной камеры стояка, достигается преимущество отсутствия преград при отборе золы, и кроме того разделенные сопла для флюидизирующего воздуха и пускового воздуха могут предоставляться, чтобы повышать эффективность в течение всех фаз работы реактора 1. Посредством реализации признаков, связанных с секцией E трубного узла стояка, простое вынимание секции B воздушной камеры стояка становится возможным, например, для целей техобслуживания и/или очистки. Эффективность и надлежащая работа обеспечиваются за счет признаков, поясненных относительно наклоненного дна в реакторе 1 и воздушных соплах 36-38, чтобы получать первый флюидизированный слой, поскольку все эти признаки увеличивают направление инертных материалов и агломератов в секцию B воздушной камеры стояка. В завершение, также признаки, связанные с секцией D распределителя выпускного отверстия для газа, повышают эффективность и обеспечивают надлежащую работу реактора 1, поскольку наклоненный зазор с высокими скоростями потока газа исключает осаждение инертных материалов и агломератов, и кроме того, простое извлечение может выполняться для целей техобслуживания и/или очистки.
Выше описывается настоящее изобретение со ссылкой на ряд примерных вариантов осуществления, как показано на чертежах. Модификации и альтернативные реализации некоторых частей или элементов являются возможными и включаются в объем охраны, заданный в прилагаемой формуле изобретения.
1. Реактор для получения синтез-газа из топлива, содержащий:
- кожух (2) с частью для обеспечения сжигания, включающей первый флюидизированный слой при работе,
- стояк (3), проходящий вдоль продольного направления реактора (1) и включающий второй флюидизированный слой при работе,
- опускную трубу (4), расположенную параллельно стояку и проходящую в первый флюидизированный слой, и
- один или более подающих каналов (33) для предоставления топлива в реактор (1),
- при этом реактор (1) дополнительно содержит:
- секцию (B) воздушной камеры стояка, соединенную с нижней частью стояка (3), причем секция (B) воздушной камеры стояка содержит цилиндрическую стенку (28) с множеством расположенных по окружности сквозных отверстий (24, 25).
2. Реактор по п.1, в котором секция (B) воздушной камеры стояка содержит две секции сквозных сопловых отверстий, верхнюю секцию с первым множеством сквозных отверстий (25) и нижнюю секцию со вторым множеством сквозных отверстий (24), при этом полная площадь отверстий второго множества сквозных отверстий (24) больше полной площади отверстий первого множества сквозных отверстий (25).
3. Реактор по п.2, в котором флюидизирующая воздушная камера (27) выполнена с возможностью сообщения с первым множеством сквозных отверстий (25).
4. Реактор по п.2 или 3, в котором пусковая воздушная камера (26) выполнена с возможностью сообщения со вторым множеством сквозных отверстий (24).
5. Реактор по любому из пп.1-4, в котором секция (B) воздушной камеры стояка дополнительно содержит сжимаемый материал, присоединенный к ее наружной поверхности.
6. Реактор по любому из пп.1-5, при этом реактор (1) дополнительно содержит секцию (E) трубного узла стояка, соединенную с нижней частью секции (B) воздушной камеры стояка.
7. Реактор по п.6, в котором:
- секция (B) воздушной камеры стояка содержит верхний монтажный фланец (22) для соединения с кожухом (2) и нижний монтажный фланец (23) для соединения с соответствующим монтажным фланцем секции (E) трубного узла стояка,
- при этом высота (h2) цилиндрической стенки (28), проходящей выше верхнего монтажного фланца (22), равна или меньше высоты (h1) секции (E) трубного узла стояка.
8. Реактор по любому из пп.1-7,
- в котором кожух (2) содержит первое наклоненное дно (31) первого флюидизированного слоя и второе наклоненное дно (32) в транспортировочной зоне, соединяющей первый флюидизированный слой и второй флюидизированный слой через транспортировочное отверстие (39) в стояке (3),
- дополнительно содержащий множество групп воздушных сопел (36, 37, 38) на первом наклоненном дне (31) и втором наклоненном дне (32), причем множество групп воздушных сопел (36, 37, 38) выполнены с возможностью направления воздуха вдоль соответствующего первого и второго наклоненного дна (31, 32).
9. Реактор по п.8, в котором первое и второе наклоненное дно (31, 32) имеют угол наклона в 5°-35°, в частности в 15°, относительно плоскости поперечного сечения реактора (1).
10. Реактор по любому из пп.1-9,
- дополнительно содержащий секцию (D) распределителя выпускного отверстия для газа, причем секция (D) распределителя выпускного отверстия для газа содержит внутренний конус (41) и внешний конус (42), при этом внутренний и внешний конус имеют различный угол раскрытия вершины и выполнены с возможностью формирования выпускного канала с постоянным поперечным сечением в зависимости от высоты секции (D) распределителя выпускного отверстия для газа.
