骤冷转炉.pdf

一种骤冷转炉(1)，所述骤冷转炉在使用中为竖向细长的，并且在其上端设置有气体入口(2)，在其下端设置有冷却气体出口(3)，从而界定向下引导气流的通路，所述转炉在其上端设置有第一内部管状壁部件(5)，所述壁部件具有流体连接到气体入口上的开口，所述管状壁部件在其下端与扩径锥形部件(8)相连，所述扩径锥形部件具有沿气体通路方向向外倾斜的壁部，在由所述扩径锥形部件包围的空间内具有一个以上喷嘴(9)的布置结构，所述喷嘴用于使液体骤冷介质雾化并使其沿向下方向喷射到气流通路中。

1.  一种骤冷转炉，所述骤冷转炉在使用中为竖向细长的，并且在其上端设置有气体入口，在其下端设置有冷却气体出口，从而界定向下引导气流的通路，所述转炉在其上端设置有第一内部管状壁部件，所述壁部件具有流体连接到气体入口上的开口，所述管状壁部件在其下端与扩径锥形部件相连，所述扩径锥形部件具有沿气体通路方向向外倾斜的壁部，在由所述扩径锥形部件包围的空间内具有一个以上喷嘴的布置结构，所述喷嘴用于使液体骤冷介质雾化并使其沿向下方向喷射到气流通路中。

2.  如权利要求1所述的转炉，其中，所述第一内壁部件和/或扩径锥形部件的壁部具有水冷膜式壁设计。

3.  如权利要求1-2中任意一项所述的转炉，其中，所述扩径锥形部件的壁部表面和竖直轴线之间的角度为3°-30°。

4.  如权利要求1-3中任意一项所述的转炉，其中，在所述扩径锥形部件的下端之后为具有下部开口端的第二管状内壁，所述下部开口端与冷却气体出口流体连通。

5.  如权利要求4所述的转炉，其中，所述第二管状内壁设置有一个或多个清洁装置。

6.  如权利要求1-5中任意一项所述的转炉，其中，所述喷嘴出口孔中心和扩径锥形部件的壁部之间的最小水平距离为0.2-1m。

7.  如权利要求1-6中任意一项所述的转炉，其中，所述喷嘴包括位于通道主体中用于液体骤冷介质的中心竖直供给通道，所述通道主体在其下端具有径向向外排放开口，所述径向向外排放开口与用于雾化气体的环形通道流体连通，其中，所述环形通道流体连接到位于所述中心通道主体下端的单个出口通道上，所述出口通道由喷嘴主体的内壁界定，所述出口通道在其下端终止于用于骤冷介质和雾化气体混合物的扩径出口孔。

8.  如权利要求7所述的转炉，其中，所述出口通道的下端具有沿向下方向扩径的内壁，使得在使用中，液体骤冷介质和雾化气体的锥形喷雾在气体流动通道中排出。

9.  如权利要求1-8中任意一项所述的转炉，其中，用于喷射骤冷介质的一个以上喷嘴的布置结构包括多个径向布置的臂部，所述喷嘴用于使液体雾化并使其沿向下方向喷射，所述臂部从所述骤冷转炉的壁部穿过扩径锥形部件的壁部上的开口延伸到中心位置，并且所述臂部设置有一个或多个朝下的喷嘴。

10.  如权利要求1-9中任意一项所述的转炉，其中，所述转炉的下端具有锥形端部，所述锥形端部终止于作为冷却气体出口的中心开口。

11.  用于使温度为500℃-900℃、压力为1-10MPa的合成气体在竖直转炉中骤冷到温度为200℃-600℃的方法，其中，所述气体沿向下方向流过转炉，所述转炉具有扩径锥形部件，所述扩径锥形部件具有沿气体方向向外倾斜的壁部，当所述气体流过扩径锥形部件时，液态水滴喷雾沿向下方向喷射到所述气体中，其中，选择喷射水量，使得离开转炉的合成气体包括体积百分比占40-60％的水。

12.  在如权利要求1-10所述骤冷转炉中进行的如权利要求11所述的方法。

骤冷转炉
技术领域
本发明涉及骤冷转炉(vessel)，其在竖直方向上为细长的，并且在其上端具有高温气体入口，在其下端具有冷却气体出口。在所述入口和出口之间具有向下引导气流的通道。转炉还设置有用于将骤冷介质喷射到气流通道中的装置。
背景技术
US-A-2006/0260191公开了这种转炉。该专利文献的图4显示了一种气化反应器，该气化反应器用于使固体含碳原料气化以获得温度为1200℃-1800℃的合成气体混合物。反应器在其上端具有高温合成气体出口，在其下端具有熔渣出口。反应器本身设置有骤冷装置，以便将第一步骤中的温度降低到比存在于合成气体中的非气态成分的凝固点低的温度。通过将水雾喷射到位于单独骤冷转炉中的合成气体流中使合成气体的温度进一步降低，所述骤冷转炉通过管道连接到气化反应器上。骤冷转炉的优点在于，这种转炉设计可以比具有多个热交换器管束的废热锅炉更为简单。进一步的优点在于，可以获得含水率低于饱和程度的合成气体。这能够获得大体上冷却的合成气体，可以使用例如EP-B-1178858中所述的过滤器，或者通过使用旋风分离器使灰尘与所述合成气体分离。
JP-A-53110967描述了一种骤冷转炉，其中，骤冷介质以一定角度喷射到向下流动的气体中。
然而，申请人已经发现，如US-A-2006/0260191的图4所示的转炉设计或者JP-A-53110967的设计存在一些缺陷。这些设计的主要缺陷是，作为存在于合成气体中的非气态成分之一的灰尘可以在位于与喷水位置相关的下游位置处的管壁上形成沉积物。
发明内容
本发明的目的在于提供一种骤冷转炉，其更为耐用并且能够有效地冷却合成气体，所述合成气体含有例如灰尘的非气态成分。
本发明提供的骤冷转炉克服了现有技术中骤冷转炉的缺陷。本发明涉及一种骤冷转炉，所述骤冷转炉在使用中为竖向细长的，并且在其上端设置有气体入口，在其下端设置有冷却气体出口，从而界定向下引导气流的通路，所述转炉在其上端设置有第一内部管状壁部件，所述壁部件具有流体连接到气体入口上的开口，所述管状壁部件在其下端与扩径锥形部件相连，所述扩径锥形部件具有沿气体通路方向向外倾斜的壁部，在由所述扩径锥形部件包围的空间内具有一个以上喷嘴的布置结构，所述喷嘴用于使液体骤冷介质雾化并使其沿向下方向喷射到气流通路中。
申请人发现，通过在由扩径锥形部件包围的空间内设置朝下的喷射装置，很少或不会产生灰尘和水混合物的沉积。这对于实现长时间连续运转来说非常重要。申请人发现，因为朝下的喷射装置和锥形部件的作用，液体骤冷介质能够在与骤冷转炉本身的内壁接触之前完全蒸发。这是有利的，因为申请人通过以往经验了解到，灰尘和液体骤冷介质(尤其是液态水)的混合物如果接触骤冷转炉内表面的话会导致严重堵塞。
附图说明
图1显示了骤冷转炉的剖视图。
图1b显示了骤冷转炉的另一实施例的剖视图。
图2显示了图1或图1b的骤冷转炉的剖视图AA′。
图3显示了作为骤冷转炉一部分的用于喷射骤冷介质的装置的细节。
图4显示了图3示例性显示的喷嘴的细节。
具体实施方式
利用如上部、下部、向下、竖直的术语定义骤冷转炉。这些术语涉及骤冷转炉在使用时的方位。这些术语不用于将本发明的范围限于竖直定位的转炉。
根据本发明的骤冷转炉在其上端具有气体入口。该入口可以定位在转炉顶端或者可选地定位在转炉侧部以连接到位于所述骤冷转炉和气化反应器之间的连接管道上，如先前引用的US-A-2006/0260191的图4所示。骤冷转炉还在其上端设置有第一内部管状壁部件。该部件具有流体连接到气体入口上的开口。管状壁部件在其下端与具有壁部的扩径锥形部件连接，所述壁部沿气体通道的方向向外倾斜。第一内壁部件和/或扩径锥形部件的壁部优选地具有膜式壁设计。更优选地，这些壁部具有水冷膜式壁设计。术语膜式壁设计通常已知并且是指冷却壁结构。这种壁部是气密的，并且包括互连管道的布置结构。冷却通常通过使冷却水蒸发来实现。这些管道通过共用分配器流体连接到冷却介质的供应源上，并且另一端流体连接到共用汇管上以排出用过的冷却介质。
扩径锥形部件具有壁部，其沿气体通道的方向向外倾斜。优选地，这个壁部的表面和骤冷转炉竖直轴线之间的角度为3°-30°，更优选地为5°-10°。
适当地，扩径锥形部件在其下端之后为第二管状内壁。第二管状内壁具有下部开口端，其与冷却气体出口流体连通。″之后为″是指两个部件可选择地彼此固定到一起以形成气密连接。第二管状壁部可选择地设计为膜式壁。因为骤冷转炉的所述部件处的温度条件是更为适当、更为简单的设计，对于该部件来说优选的是，该部件由高合金钢板制成。上部圆柱形部件、锥形部件和第二管状内壁可以设置有一个或多个清洁装置，其可以为机械振动器、气动吹扫装置或声学清洁装置。第二管状内壁在其下端开口。这个开口端适当地位于转炉下端，优选地仅位于所述转炉的锥形端部之上。这一优选的锥形端部终止于中心开口，该中心开口为冷却气体出口。
选择界定气流通路的内部转炉尺寸，从而对于给定的设计流量来说，实现合成气体的最小向下气体速度。优选地，当气体通过第一内部管状壁部件时，气体速度为至少1m/s。
第二管状内壁沿气体流动路径方向的长度应当足够长，以在骤冷介质添加到上游部件中之后实现希望的冷却。优选地，第二管状内壁内径及其长度之比为1∶1到1∶6。
骤冷转炉设置有用于将骤冷介质喷射到气流通道中的装置。这些喷射装置位于由扩径锥形部件包围的空间内。人们认为(但不希望一定按照下列原理)通过在这个位置设置这些喷射装置，大大降低了灰沉积在壁部上的风险。优选地，喷射骤冷介质的装置包括一个以上喷嘴的布置结构，所述喷嘴用于使液体雾化并将其沿向下方向喷出。特别地，向下方向是指液体在其从喷嘴排出时的方向竖直向下。应当理解，骤冷介质流在其从喷嘴排出时为锥形形状，这个锥形的平均方向是所述液体在其从喷嘴喷出时的方向。喷嘴可以是液压喷嘴。液压喷嘴需要高喷射压力，典型地为合成气体压力以上至少40巴。这是因为当喷射压力和未处理合成气体压力之间的压差较小时，喷雾中的微滴会变得过大。后者至少部分地通过使用所谓的双流体喷嘴所抵消(offset)，其中，雾化气体(例如为N₂、CO₂、蒸汽或合成气体)使流体雾化成微滴。优选的雾化气体是从下游处理步骤再循环获得的合成气体。使用雾化气体具有下列好处，喷射压力和未处理合成气体压力之差减小，同时实现同样的液滴尺寸和速度。这种双流体喷嘴众所周知，并且例如可以从Spraying Systems Co购得。在US-A-5732885和US-A-2004/0222317中描述了适当喷嘴的实例。
在本发明的骤冷转炉中使用的优选喷嘴是这样一种喷嘴，其包括位于通道主体中用于液体骤冷介质的中心竖直供给通道，所述通道主体在其下端具有用于骤冷介质的径向向外排放开口，所述径向向外排放开口与用于向下流动的雾化气体的环形通道流体连通，所述环形通道由所述通道主体和外部喷嘴主体界定，其中，所述环形通道流体连接到位于所述中心通道下端的单个出口通道上，所述出口通道由所述喷嘴主体的内壁界定，并且其中，所述出口通道在其下端终止于用于骤冷介质和雾化气体混合物的出口孔。
更优选地，上述喷嘴的出口通道的下端具有扩径(沿向下方向)内壁，使得在使用中，液体骤冷介质和雾化气体的锥形喷雾在气体流动通道中排出。锥形角度优选地为10°-70°，更优选地为15°-25°(图4中的角β)。在先前引用的US-A-2004/0222317的图2中显示了这种喷嘴的实例。
一个以上喷嘴(用于使液体雾化并将其沿向下方向喷射)的布置结构可以是能够使合成气体流与液体介质接触的任何设计。申请人已经发现优选的设计，其中，所述布置结构包括多个径向布置的臂部，所述臂部从骤冷转炉壁穿过扩径锥形部件壁上的开口延伸到中心位置。所述臂部设置有一个或多个朝下的喷嘴。优选地，喷嘴出口孔中心和扩径锥形部件壁部之间的最小水平距离为0.2m-1m(图3中的距离d)。
优选地，存在4-15个臂部。每个臂部可以适当地具有3-10个喷嘴。优选地，最靠近中心位置的喷嘴具有位于向下和朝向中心位置之间的略微倾斜的主流出方向。所述臂部优选地位于一个水平面上。可选地，所述臂部可以位于不同的平面内，例如，为交错构造。
因为合成气体包含大量非气态成分，在这些条件下可以有利地提供用于在喷嘴周围供应保护气体的装置。出于同样的理由，所述臂部设置有避免沉积物积聚在臂部顶部上或将其去除的装置。这种装置可以是机械振动装置，其直接位于臂部本身上，或者位于放在所述臂部上方的金属防护罩上。这种装置还可以是声波清洗装置。这种装置还可以是鼓风装置，以便连续或间歇地吹走所有固体沉积物，或者去除所有固体沉积物。保护气体和/或鼓风气体可以是例如N₂、CO₂、蒸汽或合成气体，更优选地，具有与雾化气体相同的来源。
适当地，骤冷转炉用于通过将适当的骤冷介质以烟雾形式经由喷射装置喷射到气体流中将具有非气态成分(例如，灰尘)的气体从高温冷却到较低温度。优选地，所述气体为合成气体，即，大部分为氢气和一氧化碳的混合物，该混合物在使含有含碳原料的灰尘气化时获得。这种原料实例为煤、由煤得到的焦炭、煤液化残余物、石油焦炭、煤烟、生物燃料、以及由油页岩、含沥青砂和焦油沥青获得的粉碎固体粒子。煤可以为任何类型，包括褐煤、副烟煤(sub-bituminous)、烟煤和无烟煤。使这种原料气化以获得用于骤冷转炉的原料不是必需的。优选地，使用气化反应器构造，其中，高温合成气体与矿渣分别地排出和冷却。因此，不包括在下端具有水浴器的气化反应器，高温合成气体流过所述水浴器，其中，矿渣和合成气体的温度同时降低。
流入骤冷转炉的合成气体的温度为500-900℃，更优选地为600℃-900℃。压力适当地为1-10MPa。所述气体在骤冷步骤之后的温度优选地为200℃-600℃，更优选地为300℃-500℃，更加优选地为350℃-450℃。
所述骤冷介质可以是具有适于雾化的适当粘度的任何液体。待喷射液体的非限制实例是烃类液体、在后续步骤中获得的废液，所述后续步骤使用合成气体作为原料。优选地，所述液体包括重量百分比占至少50％的水。最优选地，所述液体大体上由水组成(即，水的体积百分比＞95％)。在优选实施例中，在可能的下游合成气体净气器中获得的废水(还称作黑水)作为所述液体使用。根据特别优选的实施例，其中，骤冷介质包括水，选择喷射水的数量，使得离开骤冷段的未处理合成气体包括体积百分比为至少40％的H₂O，优选地为体积百分比为40-60％的H₂O，更优选地为体积百分比为40-55％的H₂O。
优选地，喷射的骤冷介质在喷射点处的温度为普通压力情况下起泡点以下至多50℃，尤其是至多15℃，更优选地是起泡点以下至多10℃。为此，如果喷射骤冷介质是水，它的温度通常为90℃以上，优选地150℃以上，更优选地200℃-270℃，例如230℃。显然，所述温度取决于气化反应器的工作压力，即，未处理合成气体的压力，如下文所述。因此，实现喷射骤冷介质的迅速汽化，同时避免冷点。
另外，优选的是，所述骤冷介质以微小液滴雾的方式喷射。更优选地，烟雾包括微滴，所述微滴的直径为50-200μm，更优选地为50-150μm。优选地，体积百分比为至少60％的喷射液体为具有所示尺寸的微滴。
为了增强未处理合成气体的骤冷，骤冷介质优选地以10-60m/s，更优选地20-50m/s的平均速度进行喷射。
当喷嘴为双流体喷嘴时，优选的是，所述骤冷介质以比未处理合成气体压力高至少5巴，优选地比未处理合成气体压力高至少10巴直到比未处理合成气体压力高20巴的喷射压力进行喷射。
存在于从骤冷转炉中获得的氢气和一氧化碳混合物中的固体主要部分优选地通过旋风分离器进行分离。剩余固体在后续的气体洗涤步骤中去除。优选地，气体洗涤步骤包括后面是填料床洗涤柱的文丘里洗气器。最终气体将具有体积百分比为50-60％的高含水率，从而使所述气体适合于进行下游转换反应。在这个催化转换反应中，一氧化碳与水反应生成二氧化碳和氢气。因为供应给转换反应的物料中已经存在水，根本不必在转换段中添加补给水乃至仅需添加少量补给水。当需要纯氢或较高的氢气对一氧化碳比率时，转换反应是有利的。这种应用实例称作具有二氧化碳捕获、氢气制造和处理的IGCC方法，其中，混合物用作物料，例如供应给费-托合成法、乙酸合成法、甲醇合成法和二甲基醚合成法的物料或者作为例如直接矿石还原方法中的还原气体。
在气体洗涤步骤中获得的气体优选地进一步净化以分离CO₂、H₂S、COS和/或HCN以及其它成分。适于这种净化的方法实例是商用气体处理法，Sulfinol-D、Sulfinol-M、DIPA-X、Genosorb、Selexol和Rectisol。
本发明还涉及下列方法。用于使温度为500℃-900℃、压力为1-10MPa的合成气体在竖直转炉中骤冷到温度为200℃-600℃的方法，其中，所述气体沿向下方向流过转炉，所述转炉具有扩径锥形部件，所述扩径锥形部件具有沿气体方向向外倾斜的壁部，当所述气体流过扩径锥形部件时，液态水滴喷雾沿向下方向喷射到所述气体中，其中，选择喷射水量，使得离开转炉的合成气体包括体积百分比为40-60％的水。申请人已经发现，通过在扩径锥形部件处使水雾沿与合成气体相同的方向喷射，使液态水滴与转炉内壁接触的可能性降至最小。这是有利的，因为申请人通过以往经验了解到，存在于合成气体中的液态水和灰尘在其与工艺设备内表面接触时会造成严重堵塞。
上文描述了进一步优选的实施例。优选地，在根据本发明的骤冷转炉中执行该方法。
附图的详细说明
图1显示了竖直定位的骤冷转炉1。转炉1在其上端具有气体入口2，在其下端具有冷却气体出口3，从而限定了使气流向下引导的通道4。转炉1还设置有用于将骤冷介质喷射到气流通道4中的装置9。图1显示了第一内部管状壁部件5，所述壁部件5具有与气体入口2流体连接的开口6。管状壁部件5在其下端与具有壁部8的扩径锥形部件7连接，所述壁部8沿气体通道4的方向向外倾斜。如图所示，将骤冷介质喷射到气流通路4中的装置9位于由扩径锥形部件7包围的空间10内。
扩径锥形部件7在其下端11之后为第二管状内壁12。第二管状内壁12的下部开口端13与冷却气体出口3流体连通。
图1还显示了角度α，该角度在所示实施例中为大约7.5°。第二管状内壁12设置有一个或多个振动器15。选择性地，第一管状内壁部件5和扩径锥形部件7还可以具有一个或多个振动器。适当地，转炉1的下端具有锥形端部1a，其终止于作为冷却气体出口3的中心开口127。
图1b显示了与图1所示类似的竖直定位的骤冷转炉1b。转炉1b与转炉1不同之处在于，气体入口2b设置在转炉1b的上端侧壁上。当使用如US-A-2006/0260191中图4所示的连接管道5b时，这种构造是优选的。转炉1b的上端称作气体反转室。
图2显示了12个径向布置的臂部25，从上面观察时，所述臂部设置有朝下的喷嘴。臂部固定到转炉1的壁部上，与扩径锥形部件7的壁部8相交并延伸到中心位置。臂部25通过法兰25a连接到转炉上，并因此可以容易地拆卸以维修或维护。
图3详细显示了臂部25。一个臂部25设置有用于雾化气体的供给通道26和用于骤冷介质的供给通道27。在图示臂部25上设置四个朝下的喷嘴16和一个略微倾斜的喷嘴28。朝下喷嘴16的轴线竖直定向。因此，最终液体喷雾在从喷嘴16排出时的方向竖直向下。臂部固定在转炉1壁部上的开口中。通过扩径锥形部件7的膜式壁8和耐火材料36防止转炉1的壁部受到高温影响，所述耐火材料显示为紧贴所述壁部内侧的层。图中还显示了第二内壁12的上端和管状壁部件5的下端。供给通道26连接到雾化气体入口26a上。供给通道27连接到液体入口27a上。
图3还显示了位于臂部25上侧的鼓风装置38。鼓风装置38用于连续或间歇地吹走可能形成在臂部25上侧的所有沉积物。鼓风装置的方向与臂部25的水平方向一致。鼓风装置38设置有用于鼓风气体的供给管道39。
图4显示了臂部25和一个喷嘴16的细节。喷嘴16具有位于供给通道主体17中的中心竖直供给通道，该中心竖直供给通道用于经供给通道27供给的液体骤冷介质。通道主体17在其下端具有用于骤冷介质的径向向外排放开口19，所述骤冷介质排放到混合室37中。径向向外排放开口19与用于向下流动的雾化气体的环形通道20流体连通。环形通道20通过位于底部主体31上的通道30与雾化气体供给通道26流体连通。环形通道20由供给通道主体17、外部喷嘴主体21和插入件29界定。环形通道20流体连接到位于喷嘴16的下端23处的单个出口通道22上。出口通道22由喷嘴主体21的内壁界定。出口通道22在其下端终止于用于骤冷介质和雾化气体混合物的扩径出口孔24。
图4还显示了优选的防护罩32，所述防护罩的上端固定到臂部25上并且下端敞开。防护罩32可以具有任何形状，例如矩形。适当地，防护罩32的形状为管状。在可选实施例中，一个防护罩可以包围一个以上的喷嘴。喷嘴16设置有雾化出口孔33，其与雾化气体的供给通道26流体连通。雾化气体的一部分通过这些开口33流出到位于喷嘴16及其周围防护罩32之间的空间内。这样可以避免灰尘积聚在所述空间34中。图中还显示了位于臂部25上端的开口35。雾化气体的另一部分可以通过这些开口35排出，以便避免灰尘积聚在臂部25顶部上或将其去除。