气化反应器中的温度监测 |
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| 申请号 | CN201380054916.9 | 申请日 | 2013-10-16 | 公开(公告)号 | CN104736682B | 公开(公告)日 | 2017-03-08 |
| 申请人 | 国际壳牌研究有限公司; | 发明人 | I·卡尔; M·H·施米茨-格布; | ||||
| 摘要 | 用于部分燃烧含 碳 原料的 气化 反应器(1)，所述气化反应器包括具有气化器壁(4)的气化器气化器壁包括冷却剂管线。至少一个冷却剂管线(12)为与液体冷却剂(特别是 水 )的供应相连的 温度 监测管线。所述温度监测管线包括温度测量元件，该温度测量元件用于测量其中冷却剂温度低于冷却剂沸点的至少一部分温度监测管线上的温度变化。(3)，和用来监测气化器内温度发展的方法。所述 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于部分燃烧含碳原料的气化反应器(1)，所述气化反应器包括具有膜壁的气化器(3)，所述膜壁在气化器压力容器(4)内部包封气化器工艺空间，其中所述膜壁包括冷却剂管线，至少一个冷却剂管线(12)为与液体冷却剂供应相连的温度监测管线，和包括一个或多个温度测量元件，所述温度测量元件用于测量其中冷却剂温度低于冷却剂沸点的至少一部分温度监测管线上的工艺气体温度变化。 |
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| 说明书全文 | 气化反应器中的温度监测[0001] 本发明涉及气化反应器，用于通过在气化器中部分燃烧含碳原料而生产合成气，其中所述气化反应器包括压力容器和在该压力容器中膜壁包封的工艺空间以及用于监测所述气化器工艺空间内工艺温度的设备。本发明还涉及监测气化反应器的气化器中温度的方法。 [0002] 在合成气的生产中，含碳原料如粉煤、生物质或油在气化装置的气化反应器中部分氧化。在该过程中，气化反应器中的温度可高达约1300-1600℃，而操作压力典型地为约3-6.5MPa。在已知的气化器概念中，工艺空间被水/蒸汽冷却的膜壁包封，而工艺压力独立地由不暴露于高温下的压力容器承受。 [0003] 对于每种含碳原料来说，所需的温度不同。为了实现原料至合成气所需的转化率，气化器工艺空间内的温度是一个关键参数，需要严密监控以优化工艺控制。由于气化器中非常高的温度，应用常用的热电偶或类似的测量设备不能直接测量这些温度。 [0004] 在实践中，气化反应器的气化器工艺空间内的热量通过应用包括输送作为冷却剂的水和蒸汽的混合物的通道的气化器膜壁间接监测。在紧临工艺空间的膜壁中的水和蒸汽的混合物吸收了气化器的热量，从而增加了混合物中的蒸汽含量和由此产生了有价值的工艺蒸汽。产生的蒸汽量指示气化器内部温度。但气化器壁内的冷却通道通常是较大蒸汽发生回路的一部分，所述蒸汽发生回路包括气化器上游和/或下游的蒸汽发生冷却通道，从而部分测量的蒸汽量不是由气化器的热量产生。 [0005] GB 2094955公开了一种容器，所述容器包括保持在树脂粘合剂中的碳纤维的外壳、冷却剂循环机构和控制机构以及包含耐火材料的内壳。所述控制机构可以是计算机控制和可以用于监控和调节由循环机构提供用于冷却和保护碳纤维和外壳的冷却剂。所述控制机构也可以用于定位可能由于耐火内壳的局部破碎发生的任何单独的热点。 [0006] 本发明的目的是使操作者能够以更精确的方式充分监测气化器的工艺空间内的温度，从而能够通过改变工艺变量使该温度保持在最有利的范围内而控制该温度。 [0007] 本发明的目的利用用于部分燃烧含碳原料的包括具有气化器壁的气化器的气化反应器实现。所述气化器壁包括冷却剂管线。至少一个冷却剂管线为与液体冷却剂供应相连的温度监测管线，和包括一个或多个温度测量元件，构造所述温度测量元件用来监测至少在正常工艺条件下其中冷却剂温度低于冷却剂沸点的至少一部分温度监测管线上的温度变化。 [0008] 所述目的还通过在操作条件下监测气化器中内部温度的方法实现。所述气化器具有带至少一个温度监测管线的气化器壁。液体冷却剂例如水沿流动方向流过温度监测管线。在温度监测管线的至少一部分管线上冷却剂温度低于其沸点温度。在所述管线部分的两个或更多个测量点处确定冷却剂的温度。应用连续测量点处冷却剂温度的增加计算气化器内部温度的估值。 [0009] 可以测量或者可以预先已知温度监测管线入口处的温度。在后一种情况中，只需要使用一个下游温度测量元件来确定温度的增加。但使用多个温度测量元件有助于更准确地确定冷却剂的温度。 [0010] 冷却剂为在工艺条件下温度低于其沸点的过冷液体。在这种情况下，沸点是在冷却剂管线中在工艺条件下的沸点。在实践中，这些工艺条件通常包括高的冷却剂压力，如约40-70bar的压力。如果需要，也可以应用超出该范围的压力。 [0011] 被液体冷却剂吸收的气化器热量完全转化为冷却剂温度的增加。这不同于由与水混合的蒸汽的常用冷却剂吸收的热量，后者主要将吸收的热量转化为体积膨胀。 [0012] 本发明允许测量工艺空间内气体的温度(其可以为例如1500℃)。已知气化空间的温度测量是极其困难的，并且用于商业应用的可靠和稳健的系统当前无法获得。 [0013] 在操作装置中，有时由膜壁产生的全部蒸汽被用作气化器工艺温度的指示。但这种方法不是非常精确，因为蒸汽来自不是全部与气化室直接相关的不同的加热表面。应用本发明，只在气化器壁上监测气化器中的工艺气体温度，因此在气化器下游或上游加热表面部分中产生的热量不会影响测定的温度。因此，可以计算气化器工艺温度的明显更准确的估值。 [0014] 利用液体冷却剂测量的温度增加指示气化器内容物温度。给定冷却剂的质量流量和流率以及冷却剂管线通道壁的热传导特性，测量的冷却剂温度增加可以有效地用于计算气化器温度的精确估值。 [0016] 液体冷却剂例如可以是水。气化器的冷却剂管线中的操作压力通常很高，例如40-70bar。在这些压力下，冷却剂水的沸点高于250℃。液体水例如可以在温度至多240℃或至多230℃或至多220℃下提供至温度监测管线的入口。 [0017] 为了提高其耐热性，气化器壁例如可以由相互连接形成气密性壁结构的平行管状冷却剂管道构成。所述管状管道例如可以为平行的垂直或螺旋管道。这些管状管线的一个或多个可以用作输送液体冷却剂的温度监测管线，而其它管状管线用于引导不同类型的冷却剂，后者可以部分汽化，如水和蒸汽的混合物。 [0018] 如果温度监测管线中的液体冷却剂与其它冷却剂管线中的冷却剂不同，温度差可能会诱导热应力。为了减少这些应力，应该优选限制该温度差。例如，测量的液体冷却剂的下游温度(例如在温度监测管线的出口或其附近测量)可以低于冷却剂沸点温度至少20K、或至少15K或至少10K。在温度监测管线中液体冷却剂的温度与在其它管线中部分汽化的冷却剂的温度也可能相同，但压力更高。例如温度监测管线可以包含在约70bar压力下270℃的液体水，而其它冷却剂管线包含在50bar压力下270℃的水和蒸汽的混合物。 [0019] 考虑到气化器和产生的气化器内部热量的特性，可以以一定方式构造流速和监测流程长度，使冷却剂温度增加在10-50K之间。 [0020] 冷却剂的流速例如可以为1-5米/秒，主要取决于所监测的冷却剂管线部分的长度和气化器热量。 [0021] 任选地，所监测的冷却剂管线可以包括在其出口处的至少一个温度测量元件和在其入口处的至少一个另外的温度测量元件。如果对入口处的水温和出口处的水温均进行了测量，沿通道长度的冷却剂温度增加就可以准确地确定。 [0022] 如果气化器壁包括多个如至少三个或四个沿气化器壁等间距排布的温度监测管线，则可以甚至更加精确地监测气化器温度。 [0023] 在一个具体的实施方案中，测量完全在气化器壁内的管道部分上的温度变化。在这种方式中，任何测量的温度增加均直接源于气化器热量。优选地，带有相关温度测量元件的入口和出口均是气化器壁的一部分。 [0024] 一个或多个温度监测管线例如可以螺旋状或垂直向上或向下行进，或者可以以任何合适的方向行进。 [0025] 温度测量元件例如可以是常规的热电偶，如K型热电偶。 [0027] 图1示意地给出了气化反应器的纵向剖视图； [0028] 图2示意地给出了图1反应器沿II-II线的横截面图。 [0029] 图1给出了用于通过气化含碳原料如粉煤而生产合成气的示例性气化反应器1。气化反应器1包括包封气化器3的压力容器2。气化器3具有气化器壁4、在其顶端的合成气出口5和在其底部的炉渣出口6。烧嘴7延伸通过气化器壁4。 [0030] 在一个替代实施方案中，气化器可以具有在其下端的单一出口，用于排出炉渣和所产生的合成气。 [0031] 通过烧嘴7将烃原料如粉煤与含氧气体如空气或纯氧一起进料至气化器3中。烃原料部分燃烧形成合成气，合成气通过出口5排出以进一步处理。炉渣由炉渣出口6排出，并在含水的炉渣收集浴8中收集。炉渣通过下部出口9从炉渣收集浴8中脱除。 [0032] 如图2的横截面图所示，气化器壁4由图2所示相互连接以形成气密性壁结构的平行管状冷却剂管道11形成。四个等距间隔的管状温度监测管线12分别在如图3和图4所示的下部入口13和上部出口14之间行进。如果需要，可以应用任何其它合适数量的水通道用于确定气化器温度。入口13连接到过冷水供应上。在操作压力下过冷水温度低于其沸点。在50-60bar的压力下，入口处的水温例如可为约230℃或更低，例如约220℃或更低，或约200℃或更低。出口14连接到水排出处。取决于所吸收的气化器内部热量，出口14处的水温例如可以比入口13处的温度高约10-50℃。 [0033] 图3和图4分别表示入口13和出口14的横截面图。两者都提供有热电偶16、17。由出口热电偶17测量的温度T出口与由入口热电偶16测量的温度T入口之间的差ΔΤ指示气化器内容物的温度T气化器。 |
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