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CN1114062C - 带凹形梢端和用气体吹除的经改进的部分氧化工艺的喷灯 - Google Patents

带凹形梢端和用气体吹除的经改进的部分氧化工艺的喷灯 Download PDF

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Abstract

提供了用于部分氧化工艺燃气发生器的改进了的喷灯(10)，在其从上游源延伸到下游反应区的共轴准直的导管(13，24)间形成有环形通道(26)。内设有使冷却剂流最优化且其尺寸可使下游区最小的挡板(22)的外部冷却套(21)，包围着终止于喷嘴的凹形的与燃料/氧化剂供应导管(13)。此中央供应导管(13)并不装附于冷却套(21)上，它们之间的环形空间(26)则连接到一较惰性的气体的高压源，此惰性气体可以定期地通过此环形空间，以防熔渣堆积于喷嘴(20)或冷却套(21)上。

Description

带凹形梢端和用气体吹除的 经改进的部分氧化工艺的喷灯
本发明涉及喷灯的设计与性能的改进，用于制造包括H2与CO的这样的气体混合物，例如合成气、燃料气、以及由部分氧化液体载体中的固体烃类燃料的可泵吸淤浆或液体烃类燃料而得到的还原气体。
环形喷灯已被用于将原料流引入部分氧化的燃气发生器中。例如，在共同转让的美国专利5261602号中，将采用多孔陶瓷喷嘴的“热喷嘴”结构的一种改进喷灯用于上述系统中。应用这种喷灯来同时将各种原料流引入部分氧化反应器中。为了将多种原料流引入此种系统中，例如在共同转让的美国专利3528930号、3758037号以及4443230号中分别示明了单环、双环和三环的喷灯。
在把这种喷灯用于液体载体中的烃类燃料的可泵吸淤浆混合物或用于某种液体烃类燃料时，当用高灰份的原料工作，就常会发生熔渣沉积于喷灯体上的问题。这样的沉积物将会使燃气发生器的作业不稳定。熔渣沉积物形成于喷灯体上，同时增长，直到干扰含有燃料和游离氧的燃气的喷灯的喷流型式。这样便会在产生的燃气中使二氧化碳和甲烷的水平增加与波动，并促使燃气发生器的温度升高到为安全起见必须将其闭关的程度。某些特别“脏”的原料对上述问题会有更严重的影响。这样一种原料包括碳以及具有30％至40％作为灰份的固体物质(即无机物质)的水浆形式。
上述喷灯在与其外表面接触的相互作用区中同再循环的气体接触。这类气体的温度可在1700°F～3500°F。采用例如水之类冷却剂通过的冷却槽使喷灯能经受上述温度。沿着喷灯的长度用冷却盘管绕在它的外表面上。还使用环形的冷却室使喷灯表面进一步冷却。由于有从辐射的燃气发生器到喷灯表面的热流，而且此热流通过喷灯表面进入冷却液中，就会在喷灯梢端附近的金属中发展热应力的裂纹。
这类裂纹会使各种原料的流动变形，导致喷灯完全不能工作。
简单地说，本发明提供了一种改进了的喷灯体，它设计成能减少将影响到燃气发生器性能的喷灯沉积物，并通过使共轴准直的环形喷灯圈作机械式脱开来减少热感生的金属疲劳开裂。这在本发明中是通过下述方法来实现的：使冷却水套与喷嘴脱开，同时作轴向将喷灯喷嘴或喷嘴组件回撤入冷却水套内，以减少辐射热流向喷嘴；改变喷灯喷嘴周围的气流型式以减少粒状物质的冲击；改进冷却水套中的水流型式以降低水套温度来防止熔渣粒的粘附；同时在喷灯喷嘴与冷却水套之间形成燃气排放和沉积物吹除通道。外冷却套的前部面积已减小而得以使形成熔渣沉积的表面积减至最小同时来减少辐射热传递，这同气体吹除通道相结合就能使任何沉积物不易跨接冷却水套与喷灯喷嘴本身间的空隙。
参看结合附图所作的本发明的详细说明，可以更好地理解本发明的上述特点与优点。当然应知这些附图只是用于说明而非限制本发明。
图1是根据本发明的构思的部分氧化喷灯组件的示意性横向或侧视图。
图2以示意性纵剖图表明了图1中组件的喷灯梢部或端部的放大详图。
首先参看图1，其中示意地表明了依据本发明构思的用于部分氧化反应器中的喷灯组件。此喷灯组件的供料管13的形式的细节对本发明来说并不重要。应知此种原料流供给管13可以根据需要为共同转让的美国专利3528930号；3758037号与4443230号中所示的单环、双环或三环设计，甚至在必要时取更多环的设计。为便于描述本发明，原料供应管13一般指任何设计用来供应原料给非催化部分氧化反应器以制造合成气、燃料气或还原气体这类供料管。所述原料一般可包括研磨到液体载体例如水中的固体烃类燃料的可泵吸淤浆、或液体烃、或是液体烃中的无机固体、以及含游离氧的气体例如借助温度控制器而带有或不带有混合物的空气。图1中喷灯组件的供料端称之为上游端，而喷灯组件的反应压端或喷嘴端称为下游端。
图1中的喷灯组件总体地以10标明。按照需要在工作压力下将含游离氧的气体通过接附于凸缘式连接器12上的导管12A供给。类似地，可泵吸淤浆原料流则通过装附于凸缘式连接器11上的导管11A供给于喷灯组件10。烃与氧两者的供给管可以在双流喷灯中交换而不影响本发明。根据供料管的设计，上述这些组分在内部混合，由此形成的原料进入一般的原料供应管13中，并在其上游端穿过一凸缘式连接器17进入反应器容器(未示明)中。在此反应器容器之外，有一固定于冷却器供应管19之上的冷却器供应连接器15，通过凸缘式的隔板型连接器17。清除气体供应连接器16连接到惰性气体(例如N2)的高压源(未示明)上，其目的将于以后较详细地说明，并为此目的而供应给导管24。冷却剂返回管18也通过此凸缘式的隔板型连接器17，并终止于外连接器14，用来将已加热了的冷却剂从反应器容器的内部返回。
在凸缘式连接器17(相对于反应器容器)的内侧，围绕原料供应管13的外部沿其长度螺旋式地盘绕有冷却剂供应管19，将冷却剂供应给下游喷灯梢端，这一情形将更详细地示明于图2中的示意性横剖图。应该注意到在反应器容器的内部，存在着温度范围从1700°F到3500°F的热气体。为了保护供料管道13、18、19与24免受这一区域中冷凝酸蒸汽例如HCl的侵蚀，这些管道都埋设或封装在特殊的耐火材料或陶瓷之中。
在图2所示的喷灯梢端结构的邻近，温度是在2300°F至3000°F。取决于相应设备所有燃料与作业条件，飞灰、熔渣或粒状碳黑会与所需的产物例如H2与CO一起产生出。可以存在着CO2、H2O、N2、A、CH4、H2S与COS中的一或多种。当环绕着将原料流输送给反应剂区的凹形喷嘴20流过冷却剂21中的冷却剂而使喷灯梢端冷却时，溶渣或飞灰的沉积物就会冷凝于其上。这种沉积物能够堆砌起而破坏喷灯下游端的气体流动型式，由此导致喷灯不能工作。为使喷灯喷嘴20的温度低于熔渣粘结的温度，梢端上喷嘴20沿轴向从冷却套21的外端21A内凹一段距离，如图2所示。此外，冷却剂(水)在流过套21时，由于采用了如图示所设置的内部环形挡壁22，可使其在流道中有最浅的深度。由于有挡壁22，来自管道19的冷却剂进入套21中并沿套21的外表面流动，直至达到冷却剂套21的梢端21A。此冷却剂经过套21内壁间的环道22A回到冷却剂返回管道18。
此喷灯的喷嘴20具有增厚的壁部或凸缘25，后者可用来将原料供应管13和喷嘴20保持于冷却剂套21的中心。定期地通过导管24将高压惰性气体例如H2供给于气体吹除通道26，在此通道中，此惰性气体可以沿通道26轴向地猛吹入喷嘴20附近的反应区。吹入的这种高压气体能够吹除或喷扫掉任何倾向于聚积于喷嘴20附近或通道26中或梢端区21A上的熔渣。可以采用的清除用的气体流率(与喷灯尺寸有关)在标准温度与压力下为每小时0～2000标准立方英尺(SCFH)，而最好是用约250SCFH。吹气频率可以采用每10分钟至每1分钟吹气0.6秒。
此外，喷嘴20上喷嘴梢端与冷却套21间的气体吹除通道26能使喷嘴20与冷却套21上的热应力减至最少。这样就减少了喷嘴20与套21的胀缩，从而减少了因此而导致的金属疲劳。同时，通过使喷嘴20回撤，由于雾状喷料本身形成了屏障，便减少了反应区的辐射热负荷。于是减降了喷嘴20的温度，同样也减少了反应区的粒料对喷嘴20的冲击，而使熔渣较少有可能聚积到喷嘴20或套21上。
自然，喷嘴20的回撤距离23乃是喷嘴结构、各相应管道的直径、原料流率、原料类型等的函数，用以恰好使原料的喷雾冲击不到冷却套21上。此距离23相对于原料的典型流率、原料的类型、常用的喷嘴结构与管径，可从0.1英寸变至0.85英寸，而最好是从0.3英寸至0.4英寸。
对上述结构的喷灯业已用特别脏的原料包括碳与在原料中作为灰份的30％至40％的固体脏物进行了实验。取得了令人惊奇的良好结果，一个喷灯运行了101小时，另外一些喷灯运行了较短的时间，但所有这些喷灯上形成的熔渣沉积物都可以忽视不计。先有技术设计的喷灯在上述原料下从未能在运行6小时后不出现因熔渣堆积于喷灯上而引起问题。
除了能较便利地设置气体吹除通道26和使喷嘴20回撤一段距离23外，本发明的最优喷灯设计还使暴露于反应区的梢端有最小的表面区21A，同时使喷灯的梢端具有前述的优越的水流特性。这一冷却用的环形梢端21A的曲率使得冷却了的表面对辐射热入射的表面之比最大，从而降低了冷却的梢端区的温度。由环形挡壁22造成套21内冷却剂的均匀分布允许套21采用较以前设计中所用要薄的金属。这同样加大了运动中的冷却水的冷却效果。所有这些特点在一起能显著地降低冷却套的外表面温度，从而减少了熔渣颗粒粘附到套21上而形成沉积物的可能性。特别是，区域20、21A面对反应区，要被尽可能地冷却，由于该区域被入射的辐射加热，所以常常是最热的。这样就保证了相应表面保持在可能碰撞到这些表面上的熔渣颗粒粘合的温度之下。还由于通过通道26连续地吹送有小股的氮气，就能减少熔渣颗粒扩散到这些表面上。为此目的，只需采用很小的一股氮气流，而这对喷灯作业几乎无任何影响。
内行的人显然可知，上面的描述可以有其它的改变或替代形式。后附权利要求书的目的则是用来概括符合本发明实际精神范围的所有这类变更与改动形式的。

Claims (7)

1.用于反应剂燃料流部分氧化的喷灯，这种燃料流包括烃类燃料或在液体载体中的固体烃类燃料的可泵唧淤浆，而此喷灯则包括一中央导管和一批相分开的共轴导管以及下流的环形通道，其中所说的导管通向它们下游端处一个部分氧化反应器的反应区，且其中所述的中央导管则终止于通向此反应区的一个直径递减的喷嘴，此喷嘴由所述反应区沿轴向凹入一环围的冷却套中，此冷却套是一种完全封闭的端部沿轴向对准的部件，它具有连接于其上游端的冷却剂供应管道与冷却剂返回管道这两者，还具有一环形共轴对准的内部挡板将此套的内部分成输入的冷却剂流通道与输出的冷却剂流通道，这两个通道相互共轴地与所述中央导管准直，且此挡板差不多延伸到此套的下游封闭端并相对于此套内部形成上述输入与输出的冷却剂流通道，而此套的下游封闭端则具有尽可能小的表面区与其周围相一致并与所述中央导管分开，此中央导管的喷嘴则尽可能地凹入所述套的下游端，以免原料从此喷嘴喷射到此套的内壁，同时此套的内壁与所述中央导管间的环道则形成一共轴对准的环形气体吹除通道，此通道的上游端设有一具有相当惰性的气体的高压源，此气体能通过前述喷嘴进入反应区。
2.如权利要求1所述喷灯，特征在于：所述中央导管有一相对于前述喷嘴端部上游的共轴准直的肩部，用以保持其在所述喷嘴的气体吹除通道内定中。
3.如权利要求2所述喷灯，特征在于：所述冷却套与内部挡板构型成，使得来自冷却剂供应管道的冷却剂首先沿此套的内壁流至其下游端，然内沿其内壁流至冷却剂返回管道。
4.如权利要求3所述喷灯，特征在于：所述中央导管的喷嘴从该冷却套的下游端凹入0.1～0.85英寸。
5.如权利要求4所述喷灯，特征在于：所述中央导管的喷嘴从该冷却套的下游端凹入0.3～0.4英寸。
6.如权利要求4所述喷灯，特征在于：在所述气体吹除通道内保持有氮气的连续流，以限制熔渣颗粒扩散到喷灯的表面上。
7.如权利要求6所述喷灯，特征在于：在所述气体吹除通道内也可定期地引入声速的氮气吹送流，以除去有可能形成于喷灯表面上的任何沉积物。
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