РЕАКТОР ГАЗИФИКАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК C10J3/48 

Изобретение относится к реактору газификации для производства СО- или Н₂-содержащего неочищенного газа, указанного в ограничительной части п.1 формулы изобретения вида.

Подобный реактор газификации известен, например, из WO 2009/036985 А1 заявителя, при этом в этом литературном источнике приводится значительное число дополнительных примеров уровня техники, как, например, US 4474584, в котором рассматривается, прежде всего, охлаждение горячего синтез-газа. К уровню техники также относятся решения по публикациям DE 3530918 С3, DE 69102878 N2 и ЕР 046600 В1.

Изобретение посвящено, прежде всего, проблемам, которые возникают в реакторах подобного типа, при этом изобретение не ограничено особо описанным здесь реактором газификации, оно относится также к аппаратам, у которых могут возникать подобные, описанные ниже более подробно проблемы.

Подобный аппарат должен быть пригоден для того, чтобы делать возможным способ газификации под давлением/сжигания тонко распыленного топлива, для чего частичное окисление видов топлива - угольной пыли, тонко размельченной биомассы, масла, смолы и т.п. - должно происходить в реакторе. К этому относится также раздельный или совместный отвод шлака или летучей золы и произведенного синтез-газа или дымового газа. Должно быть сделано возможным охлаждение продуктов реакции (газ и шлак/летучая зола), например посредством охлаждения распылением, охлаждения газом, охлаждения за счет излучения, конвективных поверхностей нагрева и т.п., при этом в заключение следует уделять внимание выводу через шлюз продуктов реакции из находящегося под давлением резервуара.

Задача настоящего изобретения заключается, прежде всего, в том, чтобы создать внутри находящегося под давлением резервуара охлаждающий экран с коническими участками для выхода газа или же шлака, при этом подвеска или же соединение между охлаждающим экраном и находящимся под давлением резервуаром (снятие нагрузки) оптимизируется с предотвращением разностных относительных удлинений.

Эта задача решена согласно изобретению в реакторе газификации для производства СО- или Н₂-содержащего неочищенного газа путем газификации содержащего золу топлива с кислородсодержащим газом при температурах выше температуры плавления золы, содержащем находящийся под давлением резервуар и реакционную камеру, образованную мембранной стенкой из охлаждающих труб, причем между внутренней стенкой находящегося под давлением резервуара и мембранной стенкой образовано кольцевое пространство и предусмотрены элементы, такие как горелки, которые горизонтально проходят через стенку находящегося под давлением резервуара и мембранную стенку по существу в одной и той же плоскости, за счет того, что для восприятия нагрузки от мембранной стенки последняя опирается непосредственно или опосредованно на входные трубопроводы охлаждающего средства или выходные трубопроводы смеси (охлаждающего средства и пара, образующегося при его нагреве). При этом целесообразно, чтобы входные трубопроводы охлаждающего средства и/или выходные трубопроводы смеси находились в заданной, например горелками, нейтральной плоскости и там проходили через находящийся под давлением резервуар.

Благодаря изобретению решена, среди прочего, проблема создания опорной плоскости в перпендикулярном к плоскости резервуара направлении между находящимся под давлением резервуаром и внутренними конструкциями, так что компенсируются возникающие вследствие экстремальных разностей температуры относительные удлинения, так как в опорной плоскости отсутствуют или существуют лишь незначительные разностные относительные удлинения. Мембранная стенка герметична относительно стенки находящегося под давлением резервуара. Дно или крышка подобного короба с мембранными стенками, напротив, в зависимости от конструкции имеют выходные отверстия для того, чтобы давать возможность втекать или вытекать газу, шлаку, воде и т.д.

Очевидно, что с помощью изобретения можно, например, вводить горелки при газификации, сжигании под давлением угольной пыли и т.п. через находящийся под давлением резервуар и охлаждающий экран, без необходимости принимать при этом в расчет относительные удлинения.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в конструктивно простом и рациональном уменьшении напряжений в элементах реактора и обусловлен тем, что для опирания мембранной стенки используются входные и выходные трубопроводы, которые по определению проходят через корпус реактора для подачи внутрь него охлаждающего средства и отвода из него смеси охлаждающего средства и пара, образующегося при нагреве охлаждающей среды. При этом мембранная стенка опирается на корпус в области наименьших тепловых удлинений трубопровода, что уменьшает напряжения в материале соответствующих элементов, проходящих через корпус.

Решение описанной в начале проблематики частично изложено в ЕР 0616022 В1. Здесь описывается применение на реакторе газификации, а также непосредственно следующей конвективной нагревательной поверхности. Также и здесь показана конструкция с мембранной стенкой, которая снаружи окружена находящимся под давлением резервуаром. Нагрузка в данном случае отводится через отдельные детали от мембранных стенок к находящемуся под давлением резервуару. Эти детали оснащены собственными циркуляционными контурами, которые подогревают детали. Однако эта конструкция имеет недостаток, что должны быть использованы дополнительные циркуляционные контуры в добавок к имеющимся для мембранной стенки, что влечет за собой необходимость в дополнительном пространстве и является чрезвычайно дорогостоящим.

В варианте осуществления изобретения предусмотрено, что трубы мембранной стенки закреплены на расположенном ниже и/или выше нагревательной поверхности кольцевом распределителе, при этом кольцевой распределитель связан с входными трубопроводами охлаждающего средства или выходными трубопроводами смеси.

В принципе, конструкции реакционной камеры могут быть выполнены по-разному, так, изобретение предусматривает реактор газификации с коробом мембранной стенки и образованными охлаждающими трубами верхним и нижним конусными участками, отличающийся тем, что конические участки мембранного короба оснащены раздельными подводами и отводами охлаждающей воды, при этом часть образующих вертикальную мембранную стенку труб выполнена в виде несущих элементов для образующих нижний или верхний конус труб.

Особенность этого варианта осуществления очевидным образом заключается в том, что по меньшей мере часть образующих по существу цилиндрическую мембранную стенку труб с протекающим охлаждающим средством одновременно несут нижний участок мембранного короба путем опоры на них или верхний участок мембранного короба путем подвешивания.

При этом в конструктивном варианте этого решения может быть предусмотрено, что образующие несущие элементы трубы могут выходить отдельно из соответствующего кольцевого распределителя ниже или выше соответствующего конуса и возвращаться назад в мембранную стенку, при этом благодаря тому, что образующие несущие элементы трубы выводятся из различной плоскости (уровня) кольцевого распределителя, они всегда имеют оптимальную установку угла для приема нагрузки опирающегося или подвешенного участка короба с мембранными стенками.

В еще одном варианте осуществления изобретения предусмотрено, прежде всего тогда, когда мембрана образована из проходящих труб, которые образуют как верхний, так и нижний конический участок, что в кольцевом пространстве на трубах мембранных стенок предусмотрены консоли, которые опираются на входные трубопроводы охлаждающего средства или выходные трубопроводы смеси, при этом может быть также предусмотрено, что мембранная стенка и верхний и нижний конические участки образованы одними и теми же подводящими охлаждающее средство трубами, при этом для образования конусов соответствующие отрезки труб на отдельных участках расположены смещенными или сдвинутыми относительно друг друга, за счет чего простыми средствами может быть оптимизировано образование конусов.

Другие детали, признаки и преимущества изобретения вытекают из нижеследующего описания, а также из чертежа, на котором показаны:

Фиг.1 - принципиальное изображение в разрезе реактора газификации согласно изобретению,

Фиг.2 и 3 - принципиальное изображение реактора газификации с различно выполненными реакционными камерами, а также

Фиг.4-7 - принципиальное изображение реакционной камеры в половинном разрезе с различными системами труб.

Показанный на фиг.1 обозначенный в целом ссылочным обозначением 1 реактор газификации имеет находящийся под давлением резервуар 2, в котором сверху вниз на расстоянии от находящегося под давлением резервуара 2 расположена окруженная мембранной стенкой 3 реакционная камера 4. Питающая мембранную стенку подводящая линия охлаждающего средства обозначена ссылочным обозначением 5. При этом мембранная стенка 3 через нижний конус 6 переходит в суженный канал как часть обозначенной позицией 8 переходной зоны, при этом в суженном переходном канале 7 обозначены гасители завихрений 9. Ссылочным обозначением 10а обозначена кромка для стекания капель в переходной зоне 8 для жидкой золы в переходной зоне на некотором расстоянии от первой кромки 10 для стекания капель на конце переходного канала 7.

К переходной зоне 8 примыкает охлаждающая камера или охлаждающий канал 11, за которым следует контейнер 12 для сбора шлака в водяной бане 13.

Ниже будет описано, прежде всего, выполнение окружающей реакционную камеру 4 мембранной стенки 3.

В примере осуществления согласно фиг.2 мембранная стенка 3 образована обозначенными лишь пунктиром трубами с протекающей охлаждающей средой, которые одновременно образуют верхний и нижний конические участки 3a и 3b, при этом подвод охлаждающего средства происходит через входные трубопроводы 5 охлаждающего средства, выходные трубопроводы смеси обозначены ссылочным обозначением 14, при этом эти трубопроводы питаются от верхнего или нижнего кольцевого распределителя 15 или 16.

Некоторые проходящие через стенку находящегося под давлением резервуара 2, а также мембранную стенку элементы, такие как горелки и т.п., на фиг.2 лишь намечены и обозначены ссылочным обозначением 17. Заданная этими встроенными элементами горизонтальная плоскость намечена штриховой линией и обозначена ссылочным обозначением 18.

Входы или выходы входных трубопроводов 5 охлаждающего средства или выходных трубопроводов 14 смеси проходят в этой плоскости 18 или как можно ближе к плоскости 18 через стенку находящегося под давлением резервуара 2, геометрическое местоположение на фиг.2 обозначено значком «x».

Пример осуществления согласно фиг.3 выполнен слегка иначе. Здесь верхний и нижний конусы, обозначенные на фиг.3 позициями 3′ и 3′′, образованы раздельными системами охлаждающих труб, которые газонепроницаемо связаны с мембранной стенкой 3 и оснащены собственным подводом и отводом охлаждающего средства, что более подробно не показано.

На фиг.3 приведено решение, в котором нижний конус 3' подпирается несколькими охлаждающими трубами, которые, например, с изменяющейся последовательностью углообразно изогнуто направлены из мембранной стенки под нижним конусом 3′ для его поддержки назад в нижний кольцевой распределитель 15, эти отрезки труб обозначены на фиг.3 ссылочным обозначением 3а.

Конструкция может соответственно иметь место и для верхнего конуса 3′′, что на фигурах подробнее не показано.

Существенная особенность изобретения заключается в том, что для восприятия нагрузки от мембранной стенки 3 непосредственно используются входные трубопроводы 5 охлаждающего средства или выходные трубопроводы 14 смеси, что представлено на фиг.1-7 в различных вариантах.

На фиг.4 показан состоящий из трех частей короб с мембранными стенками с цилиндрическим участком 3, нижним конусом 3′ и верхним конусом 3′′ с собственной системой труб, при этом конусные участки газонепроницаемо соединены с цилиндрической стенкой.

Для поддержания нижнего конического участка 3′ часть образующих цилиндрическую мембранную стенку 3 труб направлена с углообразным изгибом из плоскости в нижний кольцевой распределитель 15, при этом большая часть труб вертикальной мембранной стенки 3 входит в этот кольцевой распределитель без изгиба. Сам кольцевой распределитель 15 поддерживается большим числом входных трубопроводов 5 охлаждающего средства, за счет чего, соответственно, удерживается вся конструкция.

Вход или выход соответствующих трубопроводов 5 или 14 должен располагаться в или вблизи показанной заштрихованной нейтральной плоскости 18 для того, чтобы предотвращать или же компенсировать разностные относительные удлинения.

На фиг.5 показан измененный пример. Здесь мембранный короб с верхним и нижним конусом изготовлен из проточных охлаждающих труб. В примере на фиг.5 мембранный короб, прежде всего цилиндрическая мембранная стенка 3, в верхней части имеет опорную консоль 19, при этом выходные трубопроводы 14 имеют соответствующие опоры 20, на которые опираются опорные консоли 19 для того, чтобы таким образом поддерживать весь мембранный короб.

На фиг.6 показан измененный пример осуществления. Здесь консоли 19а поддерживаются опорами 20а, которые, впрочем, здесь расположены на соответствующих входных трубопроводах 5 охлаждающего средства для того, чтобы также поддерживать весь мембранный короб.

Наконец, на фиг.7 показан еще один пример, в котором на нижнем кольцевом распределителе 5 расположены опорные элементы 21 с протекающим охлаждающим средством, на которые опираются соответствующие опоры 22 на мембранном коробе 3.

Конечно, описанные примеры осуществления изобретения могут быть изменены во многих отношениях, не выходя за пределы основной идеи. Так, чтобы назвать лишь один возможный пример, могут быть предусмотрены смешанные формы опор, например с одной стороны опоры нижнего участка короба 3′ с мембранными стенками на выгнутых трубопроводах для охлаждающего средства и, при необходимости, с другой стороны дополнительные опоры 19 и 20 как комбинация вариантов осуществления на фиг.4 и фиг.6.

Реактор газификации для производства СО- или H₂-содержащего неочищенного газа путем газификации содержащего золу топлива с кислородсодержащим газом при температурах выше температуры плавления золы содержит находящийся под давлением резервуар и реакционную камеру, образованную мембранной стенкой из охлаждающих труб, причем между внутренней стенкой находящегося под давлением резервуара и мембранной стенкой образовано кольцевое пространство и предусмотрены элементы, такие как горелки, которые горизонтально проходят через стенку находящегося под давлением резервуара и мембранную стенку по существу в одной и той же плоскости. Для восприятия нагрузки от мембранной стенки последняя опирается непосредственно или опосредованно на входные трубопроводы охлаждающего средства или выходные трубопроводы смеси. Технический результат изобретения заключается в конструктивно простом и рациональном уменьшении напряжений в элементах реактора. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Реактор (1) газификации для производства СО- или H₂-содержащего неочищенного газа путем газификации содержащего золу топлива с кислородсодержащим газом при температурах выше температуры плавления золы, содержащий находящийся под давлением резервуар (2) и реакционную камеру (4), образованную мембранной стенкой (3) из охлаждающих труб, причем между внутренней стенкой находящегося под давлением резервуара (2) и мембранной стенкой (3) образовано кольцевое пространство и предусмотрены элементы, такие как горелки (17), которые горизонтально проходят через стенку находящегося под давлением резервуара и мембранную стенку по существу в одной и той же плоскости (18), отличающийся тем, что для восприятия нагрузки от мембранной стенки (3) последняя опирается непосредственно или опосредованно на входные трубопроводы (5) охлаждающего средства или выходные трубопроводы (14) смеси.

2. Реактор газификации по п.1, отличающийся тем, что трубы мембранной стенки (3) закреплены на расположенном под и/или над поверхностями нагрева кольцевом распределителе (15, 16), при этом кольцевой распределитель (15, 16) соединен с входными трубопроводами (5) охлаждающего средства или же выходными трубопроводами (14) смеси.

3. Реактор газификации по п.1 или 2, отличающийся тем, что мембранная стенка выполнена в виде короба с образованными охлаждающими трубами верхним и нижним коническими участками, причем конические участки (3′, 3′′) мембранного короба оснащены раздельными подводами и отводами охлаждающей воды, при этом часть (3а) образующих вертикальную мембранную стенку (3) труб выполнена в виде несущих элементов образующих нижний или верхний конус конусов (3′, 3′′) труб.

4. Реактор газификации по п.3, отличающийся тем, что образующие несущие элементы трубы (3, 3а) проходят раздельно из соответствующего кольцевого распределителя (15, 16) ниже или выше соответствующего конуса назад в мембранную стенку.

5. Реактор газификации по одному из пп.1, 2 или 4, отличающийся тем, что в кольцевом пространстве на трубах (3) мембранной стенки предусмотрены консоли (19), которые опираются на опоры (20) на входных трубопроводах (5) охлаждающего средства или выходных трубопроводах (14) смеси.

6. Реактор газификации по п.3, отличающийся тем, что в кольцевом пространстве на трубах (3) мембранной стенки предусмотрены консоли (19), которые опираются на опоры (20) на входных трубопроводах (5) охлаждающего средства или выходных трубопроводах (14) смеси.

7. Реактор газификации по одному из пп.1, 2, 4 или 6, отличающийся тем, что мембранная стенка (3) и нижний и верхний конические участки (3a, 3b) образованы одними и теми же подводящими охлаждающее средство трубами, при этом для соответствующего образования конусов соответствующие отрезки труб на отдельных участках расположены смещенными или же сдвинутыми относительно друг друга.