包括压力吸收柔性结构的气化反应器 |
|||||||
| 申请号 | CN201280029901.2 | 申请日 | 2012-06-15 | 公开(公告)号 | CN103827618A | 公开(公告)日 | 2014-05-28 |
| 申请人 | 坎雷克股份公司; | 发明人 | R·泰格曼; I·兰达尔夫; | ||||
| 摘要 | 一种用于对 气化 原料进行气化的反应器，适于处理包括有机和无机化合物的气化原料，其中无机化合物组分的 熔化 温度 至少低于气化温度100℃，其中所述化合物在 氧 气和／或空气存在的气化过程中在气化温度下，被转 化成 高于950℃但低于1300℃并且包括CO、CO2、H2和H2O(g)的热还原气以及盐熔体，其中所述反应器(100)包括外部反应器壳体(7)和内部耐火衬里(2、3、4)，其中柔性结构(5)设置在位于所述外部反应器壳体(7)和所述内部耐火衬里(2、3、4)之间的环状同轴膨胀空间(6)中，特征在于所述柔性结构(5)具有弹性并且包括多个基本上平行布置的金属 型材 (12)，金属型材(12)布置成形成基本上为平行的压 力 吸收桥从而使得柔性结构(5)适于分担所述反应器壳体(7)和内部耐火衬里(2、3、4)之间的压缩负载，其中所述金属型材(12)在第一压缩区间(ΔY1)为弹性 变形 而在第二压缩区间(ΔY2)为塑性变形。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于对气化原料进行气化的反应器，适于处理包括有机和无机化合物的气化原料，其中无机化合物组分的熔化温度至少低于气化温度100℃，其中所述化合物在氧气和／或空气存在的气化过程中在气化温度下，被转化成高于950℃但低于1300℃并且包括CO、CO2、H2和H2O(g)的热还原气以及盐熔体，其中所述反应器(100)包括外部反应器壳体(7)和内部耐火衬里(2、3、4)，其中柔性结构(5)设置在位于所述外部反应器壳体(7)和所述内部耐火衬里(2、3、4)之间的环状同轴膨胀空间(6)中，其特征在于所述柔性结构(5)具有弹性并且包括多个基本上平行布置的金属型材(12)，所述金属型材(12)布置成形成基本上为平行的压力吸收桥从而使得柔性结构(5)适于分担所述反应器壳体(7)和内部耐火衬里(2、3、4)之间的压缩负载，其中所述金属型材(12)在第一压缩区间(ΔY1)为弹性变形而在第二压缩区间(ΔY2)为塑性变形。 |
||||||
| 说明书全文 | 包括压力吸收柔性结构的气化反应器技术领域[0001] 本发明涉及一种用于对气化原料进行气化的反应器，其适用于处理包括有机和无机化合物的气化原料，其中无机化合物组分的温度至少低于气化温度100℃，其中所述化合物在氧气和／或空气存在的气化过程中在气化温度下，被转化成高于950℃但低于1300℃并且包括CO、CO2、H2和H2O(g)的热还原气，以及盐熔体，其中所述反应器包括外部反应器壳体和内部耐火衬里，其中柔性结构件被设置在所述外部反应器壳体和所述内部耐火衬里之间的环形同轴膨胀空间中。 [0002] 本发明还涉及一种制造柔性结构并且将其设置在气化反应器中的反应器壳体和内部耐火衬里之间的方法。 [0003] 技术现状 [0004] 黑液是大型造纸厂在木材原料生产纸浆的过程中产生的有价值的产品。在由Chemrec AB开发的热化学反应器中，来自纸浆厂的黑液能够与氧气或空气-氧气混合物一道被气化，用于回收黑液的能量和化学物质。在气化反应中，腐蚀盐熔化并且产生富能气体。熔化的盐被喷射到反应器下部的水冷却，接着在这里被溶解并且形成绿液。绿液接着用于生产造纸厂中新的蒸煮化学物质。气化反应能够在环境压力下进行，或者在反应器系统中升高后相对较高的气压下进行。气化反应产生富能且热的气体，以及热的盐熔体。气化反应适宜在大约1000℃的温度下在内衬有陶瓷材料的钢反应器中进行。 [0005] 在黑液的气化过程中产生的化学物质主要由Na2CO3，Na2S和NaOH组成，在大约740℃熔化并且形成低粘性盐熔体，其对于陶瓷砖具有良好的湿润性。在反应器中产生的熔体使反应器的温度维持在大约1000℃。因此，熔体能够在砖结构较冷的外部凝固之前深入渗透到热的炉砖结构中。渗透的熔体缓慢地与炉砖结构的热部分进行反应并且在那里形成新的陶瓷相态，使得运行中炉砖结构的体积和尺寸缓慢但不可避免的增加。为此，在反应器运行时在反应器壁内部和炉砖结构外部之间需要具有足够的膨胀空间以避免在反应器壁中产生危险的高机械载荷。通常，陶瓷材料具有非常高的压缩强度，因此如果膨胀持续进行了很长的时间，尽管膨胀的陶瓷衬里具有非常高的机械强度，还是能够使反应器壳体超负载。 [0006] 在纸浆厂中用于回收能量和化学物质的气化装置预计能够连续地运行很长的时间。在现代的纸浆和造纸厂中定期维护停机仅仅是每12-18个月进行一次并且仅随后进行1-2周。因此，气化装置的非定期停机能够导致工厂的能量和化学物质回收系统受到严重的干扰。修理气化装置或者回收系统造成的较长的生产停机使纸浆和造纸生产遭受巨大的损失。为此，对这种气化装置的运行可用性具有非常高的要求。由于气化装置产生大量热的腐蚀性盐熔体，其随后在水中溶解并且形成用在化学物质回收工艺中的碱性绿液，以及大量的包含有毒物质的富能和可燃气体，因此需要气化装置具有良好的系统安全性。 [0007] 来自纸浆厂的黑液的气化反应能够通过一个化学反应方程式概括地示出，参见下面的方程式，进来的黑液BL(aq)，和氧气O2(g)混合并且反应，或者在气化器中部分燃烧，其中产生盐熔体Me2A(l)，以及富能气体Gx(g)，同时通过部分燃烧产生热量。下面的方程式还标明了在该反应中在大约1000℃的温度下进行转换的大概的摩尔质量。通过该方程式，显而易见的是当1摩尔的BL(aq)与13摩尔的氧气进行气化，产生2,7摩尔典型化合物为Me2A(l)的盐熔体，以及77摩尔的在这里被命名为Gx(g)的各种气体物质，同时产生热量。 [0008] 1BL(aq)+13O2(g)→2,7Me2A(l)+77Gx(g)+heat [0009] 黑液的组成元素的含量可以通过化学分析确定。来自Swedish Kraft造纸厂的黑液BL(aq)，也被称作稠液的构成，可以通过一个简单的包含水含量的典型黑液的化学方程式描述，参见下面的方程式。除了别的之外，来自亚硫酸盐工厂的稠液具有本质上不同的构成，在黑液中具有相对高很多的硫含量。纸浆厂从接近海的区域收集木材原料，使得黑液中氯化物含量升高。 [0010] BL(aq)=Na8,5K0,5C31,5H35，5O22,3S1,5N0,1C10,1·19，5H2O [0011] 产生的气相，Gx(g)，包括大量不同的气体物质。气相中主要的物质首先为H2,H2O,CO,CO2,H2S,CH4和N2分子，但是也形成有少量气态的钠和钾的混合物，例如NaOH(g)，NaCl(g)，KOH和KCl(g)。 [0012] 产生的盐熔体Me2A(l)，包括带正电荷和带负电荷的离子混合物。熔体可以被描述+ + 2- 2- - -为均相离子熔体，主要包括Na，K，CO3 ,S ,Cl 和OH。熔体中还包括少量的其它离子，例 2+ 2+ 4- 3- 2- 2- 如Ca ，Mg ,SiO4 ,PO4 ,SO4 ,以及S2 ，它们来自于木材原料，也有来自于在纸浆厂中添加的化学物质。 [0013] 盐熔体在下降到大约740℃时具有低粘性，大体上凝固成由Na2CO3(s)和Na2S(s)+ - -组成的固体盐。此后，还有一小部分残留的具有大量Na、OH 和Cl 离子的碱性盐熔体，直到大约400℃才发生凝固。盐熔体在大约550℃就已经对金属具有很强的腐蚀性。温度大约在750℃以上时，大多数金属如果它们与盐熔体接触就会非常快地腐蚀。反应器壳中的钢材当然必须不能经受任何严重的腐蚀或者无法接受的高温，或者经受来自陶瓷衬里的高机械负载，其在局部或者整体上都不能超出反应器设计标准精确规定的机械强度。 [0014] 为了维持高度的运行安全性并且获得良好的能量回收，以及为了避免化学物质回收中的障碍并且防止对反应器壳造成损坏，优选气化反应在最佳温度下进行，并且采用合适的大量氧气供应。反应器温度太高会使盐熔体对陶瓷衬里造成严重的腐蚀，缩短了衬里的使用寿命。反应器温度太低会使气化反应进行得非常慢，反应器产生负热平衡，其中气化反应完全停止并且盐熔体发生凝固。此外，在太低的反应器温度下运行，盐熔体会被煤烟和燃烧不良的黑液严重污染。 [0015] 因此，熔体在大约740℃凝固，在该温度下其位于陶瓷衬里的内部深处。这导致另一个机械引起的体积膨胀的发生。当反应器冷却下来，熔体和陶瓷衬里体积减少。由此由于冷却导致的“裂缝体积”通过毛细力填充有来自陶瓷衬里更热的内部熔体。这样，逐渐地越来越多的熔体被抽吸进入裂缝并且与衬里接合，直到熔体最终凝固。这种现象最后使得陶瓷衬里在尺寸上膨胀并且通过熔体和陶瓷之间的化学反应而进一步加剧了体积的增加，并且这已经在上面进行了描述。这种内部的物理膨胀是在温度明显超出熔体的凝固温度的情况下对原料进行气化的气化器所特有的。通过与所谓的结渣煤气化(高于煤渣的熔点的气化)相比，差别变得更加明显。在这种气化器中，气化温度维持在略微高于(大约50℃)煤渣的熔化温度。煤渣接着在陶瓷衬里表面层上凝固，其由此逐渐膨胀并且通过所谓的剥落而离开该表面。表面内部更深处的陶瓷材料原则上保持不受煤渣影响。为此，描述过的体积膨胀不会以相同的方式发生，因为当黑液气化时，熔体的凝固前沿位于材料的内部深处。 [0016] 为了避免反应器的外部钢制壳体经受过高的温度并且接着可能被气相的腐蚀性物质或者被所需的盐熔体损坏，一方面，内部陶瓷隔板能够长时间抵抗温度大约为1000℃的盐熔体，并且，另一方面，在反应器内部适当的热绝缘用于防止反应器壳体过热并且限制了穿过反应器壁到达外界的不必要的热损失。通常，采用几种不同类型的陶瓷材料作为反应器内部的热绝缘以及化学隔板，但是在一个或多个层中的其他的隔板材料，在某些情况下对于结构整体也具有特定的属性值。 [0017] 当具有内部陶瓷隔板的反应器从室温被加热到大约1000℃时，陶瓷的热膨胀大约为0.8％，而外部反应器钢外壳体的膨胀小很多，大约为0.25％，因为反应器壳体的温度上升相对较小，只有大约200℃。实际的热膨胀当然取决于反应器中材料和温度曲线的选择，但是标明的值通常为多数炉的设计值。对于圆筒形来说，大的反应器具有大约2m的直径，并且在反应器初始启动时，预期的陶瓷衬里的工作温度大约为1000℃，需要在反应器壳体的内部和环状的陶瓷隔板的外部之间具有一个至少为8mm的径向膨胀空间，根据反应器的高度形成同轴的膨胀空间以及相应的轴向膨胀空间，以避免反应器钢外壳体和陶瓷衬里之间产生接触。 [0018] 多种主要的高熔点陶瓷相，主要是基于Al，Cr，Ca，Mg，Si，和Zr等元素的氧化物相，例 如α-AI2O3,Cr2O3,3Al2O3·2SiO2,Na2O·11Al2O3，Na2O·7Al2O3,MgO,MgO·Al2O3,CaO和ZrO2，其已经被证明能够相对地抵抗黑液气化过程中产生的腐蚀性盐熔体或者与其进行较慢的反应。也可以采用两种或几种这样包含α-AI2O3，Na2O·11Al2O3，Na2O·7Al2O3，Na2O·MgO·5Al2O,MgAl2O4和MgO的陶瓷相混合物。同样也对由α-AI2O3和各种类型的所+谓β-氧化铝相组成的混合物进行了测试，其中β-氧化铝结构中的一些Na 离子已经被+ + 2+ 2+ Li，K，Mg 和Ca 替代。然而，在化学和热隔板上都具有良好功能的先决条件，在于陶瓷相不会长时间遭受高于约1300℃的盐熔体的腐蚀。 [0019] 组合物陶瓷的主要问题在于上面提到的化学上和机械上所引起的体积增加。此外，在高温下，陶瓷衬里能够直接与气相中存在的碱性物质发生反应，当然其也容易通过扩散而渗透进入衬里的开孔中。 [0021] 因此，如已经提到的，明显的问题是由陶瓷衬里，盐熔体和气相之间的反应而导致的，因为这些反应很多导致衬里中固相部分的增加，由此使得陶瓷在体积上缓慢增加并且需要在反应器容器内部和陶瓷衬里外部之间具有膨胀空间以供在此之后反应器容器经受来自膨胀衬里的危险的高机械负荷的缓慢消耗。 [0022] 可能看起来通过使用宽的开口间隙，或者厚的柔性陶瓷纤维垫提高膨胀陶瓷衬里和反应器容器内部之间的膨胀空间，使得陶瓷衬里能够膨胀很多而不会与反应器容器壁产生危险的接触是容易的。不幸的是，宽的气体间隙或厚的多孔纤维垫，与致密并且耐腐蚀的陶瓷衬里相比具有非常低的导热率。通常，多孔陶瓷纤维垫只有所述陶瓷的热导率的1／50-1／100。同样，相对薄的纤维垫，只允许一定但非常小的膨胀空间，结果将导致穿过陶瓷衬里的温度曲线很平缓而穿过纤维垫的温度曲线急剧下降。这种不利的温度分布一方面仅仅是陶瓷衬里的平均温度太高，另一方面，陶瓷衬里朝向熔体的内部具有较高的温度，其面对在内部黑液滴与氧气反应产生的强烈的辐射高温火焰。这导致盐熔体与陶瓷衬里之间产生更快的化学反应并且陶瓷以更快速度膨胀。最坏的情况是，盐熔体可以渗透穿过整个陶瓷衬里并且在其中凝固，并且由此快速地破坏所需的衬里的膨胀空间。 [0023] 公开的专利US3，528，647公开了一种冶金炉中钢壳体与衬里之间的绝热结构。该结构由两个部件组成：一方面，靠近衬里的硬材料形成的绝热元件，并且，另一方面，靠近钢壳体的软材料形成的应力吸收元件。绝热元件由具有结合水和石棉纤维的二氧化硅组成。该元件的目的是避免热量从衬里传递给钢壳体。应力吸收元件由弹性且能够变形的材料组成，例如由矿棉纤维或玻璃纤维形成的纤维毡。根据该公开的教导，希望绝热材料应该具有低的热导率以最小化换热。然而，在冶金炉里，膨胀仅包括热膨胀，而在气化装置中膨胀还包括由化学反应引起的膨胀。化学反应引起的膨胀远远大约由于砖正常温度升高而产生的膨胀，即热膨胀。此外，纤维毡是非常柔软的材料，这意味着其不能提供对于化学膨胀必要且受控的阻抗。此外，纤维毡过度隔热，使得其温度梯度规则不满足气化装置的需要。 [0024] US6,725,787公开了一种用于黑液气化的耐火容器。在容器的金属壳体和陶瓷衬里之间设置有可压碎的且具有预定屈服极限的衬里。所述衬里，由可压碎的金属泡沫组成，为陶瓷衬里的膨胀提供受控的阻抗。然而，在气化装置多次启动和关停之后，金属泡沫的阻抗能力在完全压碎金属泡沫之后被消耗殆尽。 [0025] 本发明的简要描述 [0026] 本发明的一个方面是消除或者至少最小化上面提到的问题。 [0028] 此外，由于柔性结构的弹性，在启动和关停类型的反复热力循环中获得一个阻抗力，基本上能在重启气化器时维持其产生一定反压的能力，致使其具有当陶瓷衬里由于热力和化学膨胀而再次发生膨胀时仍能在陶瓷衬里上获得相对不变的阻抗力的巨大优点。 [0029] 根据本发明的一个方面，所述柔性结构在正常压力优选地不高于2MPa，更优选地位于0.5-1.5MPa之间时，在反应器壳体的径向方向上，其大小被压缩和变形至少60％，同时在柔性结构中可以维持合适的高热导率。进一步，所述柔性结构在从操作压力向环境压力降压的过程中，其弹性优选地为2-4％，更优选地为3-4％，并且所述柔性结构的整体孔隙率为环状同轴膨胀体积的至少60％，优选地为至少80％，更优选地为至少90％。 [0030] 根据本发明的另一个方面，所述结构包括一个或几个中空的金属型材，其优选地具有封闭的截面，横截面具有至少一个与金属型材中心轴交叉的对称轴。由于这种对称性，金属型材能够基本上在发生变形时不会朝向它们相邻的金属型材倾斜，这种倾斜可能引起金属型材之间不期望的重叠。另一方面，反应器壳体径向方向上稳定的变形能够提供最佳的变形范围。 [0031] 根据本发明的再一个方面，所述金属型材的横截面形成多边形，也就是所述金属型材具有至少一个纵向对称轴，并且所述金属型材的中心轴在反应器的纵向方向并且基本上与反应器壳体的中心轴相平行地延伸。由于这样，直的金属型材可以容易地周向安装在圆筒形反应器容器内部，并且基本上圆筒形内表面的整个内部都可以被彼此间具有合适间隔的金属型材所覆盖。 [0032] 根据本发明的一个方面，所述柔性结构的横截面尺寸大于反应器壁的内部半径r的1，5％，并且所述金属型材在各个金属型材的外部之间设置有选定的间隔x，，当金属型材变形／压缩到最大程度时，各个金属型材之间的距离x至少为一毫米。由于金属型材在反应器壳体的径向方向上以稳定的方式变形，当型材变形到最大程度时，能够计算出型材的最大宽度，其中也能够容易地计算出它们彼此接触而不产生重叠或板弯曲时金属型材之间允许的最小间隔距离。 [0033] 根据本发明的再一个方面，所述金属型材具有镜像对称的横截面，镜像平面穿过型材的中心和中心轴并且排列成基本上垂直于反应器壳体的切线方向。由于镜像对称且垂直于型材的反应器壳体的方向，在整个变形过程中能够获得稳定的变形而不会产生金属型材发生倾斜的风险。 [0034] 根据本发明的再一个方面，在所述陶瓷衬里和所述柔性结构之间设置有隔板材料，其具有良好的热绝缘性使得柔性结构中的金属型材在反应器的正常运行中不会变得比约400℃更热。由于额外的热绝缘，能够防止任何残留的熔体到达金属型材并且在上面产生腐蚀。由于残留熔体在400℃凝固，其无法到达金属型材。 [0035] 根据本发明的再一个方面，在金属型材之间以及内部设置有多孔陶瓷层，所述层充满金属型材内部和之间的自由体积并且由此由于减少了气体对流以及热辐射从而降低了穿过柔性结构的热传递。由于具有陶瓷层，反应器容器壁的整体热导率能够得到限制。 [0036] 根据本发明的再一个方面，某些金属型材设置成中心轴垂直于反应器壳体的中心轴，位于反应器壳体内部和陶瓷衬里之间，为盘管或同心开口环的形状，并且内侧剩余部分被金属型材覆盖，其中心轴设置成与反应器壳体的中心轴基本上相平行，以使得它们一起包围了反应器壳体的整个内部。由于金属型材能够相对容易地制作成盘管或环形，实心或分离的，为了耐久性考虑，反应器顶部通常为圆顶形，这样能够相对容易地采用金属盘管或同心型材环覆盖。以相同的方式，通常为锥形的反应器出口采用同心环或盘管覆盖。 [0037] 根据本发明的再一个方面，用于气化的所述原料包括来自纸浆生产的废液，例如黑液或亚硫酸盐稠液。这些废液为富能的，并且提供了良好的运行经济性和相对较高的能量产出。 [0039] 下面，本发明将参照附图进行更详细的描述，其中： [0040] 图1示出一个扇形，其面积大约为穿过气化反应器中部的径向横截面的六分之一； [0041] 图2示出了一些不同类型的管材的横截面； [0042] 图3示出了稍大比例的图1的设计； [0043] 图4示出了当所述结构在陶瓷衬里和反应器壁内部之间变形时施加在反应器壳体上的反压P(MPa)与柔性结构的变形／压缩的函数，以及管材12-a在压缩之前和之后的横截面； [0045] 附图的详细描述 [0046] 根据本发明为了对气化反应器的可以想象的可能设计进行详细描述，其所指的是由Chemrec AB研发的气化反应器。然而，而不脱离本发明范围的其它气化器容器的设计和结构也是可以想象的。然而，为了能够获得本发明的优点，优选地在液体的盐成分形成熔体的高温下发生气化反应，形成熔体是在远高于盐的熔点(>100℃)的温度下进行的。 [0047] 图1示出一个扇形，其具有穿过圆筒形气化反应器100中部的径向横截面15的大约六分之一面积。所述反应器100对用于气化的原料进行气化，原料优选地为来自纸浆厂产生的废液，所述用于气化的原料包括有机和无机化合物，其中无机化合物组分的熔化温度至少低于气化温度100℃，其中所述化合物在存在氧气和／或空气作为氧化媒介的气化过程中在气化温度下，被转化为高于950℃但低于1300℃并且包括CO,CO2,H2和H2O的热还原气以及盐熔体，所述反应器包括具有中心轴C的反应器外壳7，其所述中心轴C与反应器100的中心轴重合，以及内部耐火的陶瓷衬里2、3、4，其优选地由一个或多个陶瓷层组成，其中柔性结构具有设置在所述反应器壳体7和所述衬里2、3、4之间的弹性体，并且其中柔性结构5设置在位于所述外部反应器壳体7和所述内部耐火衬里2、3、4之间的环状同轴膨胀空间6中。所述柔性结构具有弹性体并且包括多个基本平行布置的适于分担所述反应器壳体7与内部耐火衬里2、3、4之间的压缩载荷的金属型材12，金属型材12如此布置使得它们形成基本上平行的压力吸收桥，在所述压力吸收桥之间具有间隙区域(22)。所述金属型材12在第一压缩区间ΔY1弹性变形而在第二压缩区间ΔY2塑性变形(如图4和5所示)。 [0048] 气化温度是指反应器100外部的整体温度，即，其可以被认为是对应于气体9和熔体1在离开反应器100时所具有的平均温度。反应器100内部的反应温度在特定区域中明显高很多。 [0049] 在优选的实施例中，所述柔性结构5设置在膨胀空间6中，其中膨胀空间6反过来设置在所述反应器壳体7和所述衬里2、3、4之间。柔性结构5在经受压力时能够变形／被压缩并且接着在减压过程中部分地恢复弹性。在其内表面上，膨胀空间6可以优选地设置有隔板材料13，14，在它们中间设置有柔性结构5。隔板材料13，14优选地包括一个或多个层。图1还标明反应器壳体的径向方向15，并且柔性结构5具有沿反应器壳体的径向方向15的厚度y。 [0050] 优选的是由于隔板材料13具有良好的热绝缘性使得柔性结构5中的金属型材12不会在反应器的正常运行时变得比大约400℃更热，隔板材料13设置在所述衬里2、3、4和所述柔性结构5之间。 [0051] 在本发明的一些实施例中，还可以优选的是隔板材料14设置在反应器壳体7内部和柔性结构5之间，以使得反应器壳体7不会经受高温。 [0052] 在启动和关停类型的反复热循环中，非常期望的优点在于如果构建衬里的陶瓷衬块总是可以接受一定的从反应器壳体开始通过柔性及部分弹性的结构5向内朝向反应器中心的支撑压力，那么需要陶瓷衬里2、3、4具有物理稳定性。所述弹性的柔性结构5可以补偿形成在陶瓷衬里2、3、4和反应器壳体7之间的作用，还可以当反应器冷却下来时，使在衬里的不同陶瓷衬块之间的接头11处形成的开口收缩裂纹10或者空隙最小化。 [0053] 为了防止反应器壳体7的温度过高，优选地是以将来自反应器壳体7的热量传导给周围的冷却媒介使所述反应器壳体7冷却，该媒介通常是空气8。对于压力容器钢材，允许的温度为大约300℃，能够满足当前的强度标准而不会使反应器的壁厚过大。 [0054] 优选地，所述柔性结构5包括一个或几个薄壁型材12，优选地由金属制成。所述薄壁型材在一些实施例中可以固定在金属板19上。图1示出具有与正六边形对应的横截面的金属型材12。金属型材12反过来优选地由基本上设置成与反应器壳体7的中心轴C相平行的长管构成，即在反应器100的纵向方向上。管材12的中心轴21基本上沿垂直于反应器壳体的径向方向15延伸，并且金属型材也被称作管材12，设置成在它们各自的中心轴21之间具有选定的间隔以获得位于两个相邻的金属型材12外部最靠近的部分之间的初始间隔x’(参见图4)。当金属型材12变形／被压缩到最大程度时，距离x’降低成各个相邻的金属型材(12)的外部的最靠近部分之间的距离x(参见图4)，并且其中x优选地为0-50mm并且更优选地为0-20mm。对于优选的实施例，管材在它们被充分压缩从而彼此接触的情况下，可以对x’进行选择以使得x为0-0,5mm。另一方面，如果优选的是管件12在充分压缩的情况下彼此之间的距离大于零，也可以对距离x’进行选择以使得x为0,5-20mm。如果期望的是管材12在被充分压缩的情况下彼此重叠，可以选择距离x’使得x为-10到0mm，优选地为-0,5到0，1mm。无论如何，有利的是距离x’的选择使得在压缩过程中不仅发生弹性变形而且还发生塑性变形。 [0055] 图2示出了多个不同类型的金属型材12-a到12-k的横截面。优选地所述结构5包括一个或几个中空金属型材，优选地具有封闭的截面，其横截面具有至少一个与金属型材12的中心轴21交叉的对称轴S，并且其中对称轴S延伸与反应器壳体7的中心轴C交叉。 [0056] 对于每个横截面，对称轴S以点划线的形式示出。管材或金属型材优选地设置成使得横截面的对称轴S与反应器壳体7的径向方向15平行，而管材的中心轴21基本上垂直于所述反应器壳体的径向方向15延伸，这意味着管材在它们的纵向方向上基本上与反应器壳体7的中心轴C相平行地延伸。 [0057] 根据图2所示，金属型材12的横截面可以具有不同的形状，例如，横截面可以由不同类型的多边形构成，而在一些实施例中，优选的是柔性结构5包括多个圆形金属构件12-e，12-h。在一个实施例中，所述柔性结构5可以优选地包括多个六边形金属型材12-a，六边形的中心轴21基本上与反应器壳体7的中心轴C相平行地布置。 [0058] 在另一个实施例中，所述柔性结构5包括多个椭圆形金属型材12-c，横截面的椭圆形的主轴布置成基本上与反应器壳体7的径向方向15相平行地延伸。 [0059] 在其它实施例中，更优选的是多个五边形金属型材12-g以相同的方式使横截面的五角形的对称轴布置成与反应器壳体7的径向方向15基本上相平行地延伸。八边形12-d可以是五边形的一种替代形式。 [0060] 对所述金属型材12来说相同的是它们具有至少一个镜像对称的横截面，其中镜像平面与中心轴21相一致并且对称轴S布置成基本上与反应器壳体7的径向方向15相平行，即，使得S布置成与反应器的中心轴C相交叉。 [0061] 在图2中，示出处于未压缩状态的所述金属型材的初始高度y。金属型材的高度y被解释为包括金属型材壁并且与对称轴S相一致的高度。金属型材高度y还在图3中示出。金属型材壁的厚度t在图3中示出。所述金属型材的高度y基本上与柔性结构在径向方向上的厚度相一致，因此金属型材高度y等于或基本等于柔性结构的厚度y。 [0062] 上面描述的不同实施例的金属型材在受到一定的适度的负载水平时发生塑性变形，并且接着提供相对恒定的阻抗以在大的变形范围内变形。此外，这种类型的柔性结构5具有适用于炉结构和陶瓷衬里的热导率。 [0063] 本发明的管材优选地由市售的通常所用等级的钢材制成，其适用于本发明特定的环境。具有所选横截面的这些管材设置在反应器的轴向方向上，并且制造成长度与反应器在轴向方向上的延伸长度相适应。管的长度可以优选地适于沿着反应器的整个轴向长度延伸，但是管的长度也可以更短，其取决于安装技术并且取决于所具有的穿过反应器壁7的通道，这就必须将管分割成多个区段。 [0064] 在根据本发明的一些实施例中，一些金属型材12可以围绕陶瓷衬里2、3、4的外侧轴向设置在所述膨胀空间6中，即位于反应器壳体7和陶瓷衬里2、3、4之间，并且它们的中心轴21基本上垂直于反应器壳体7的中心轴C。这些金属型材12可以优选地为盘管或同心环的形状。在横截面视图中所述盘管呈现为多个型材。根据在开始时盘管围绕陶瓷衬里2、3、4盘绕的接近程度，在横截面视图中每个管材之间的距离x’，x会发生变化。在一些实施例中，在管材12被压缩后，距离x可以大于零，而在其它实施例中，盘管可以如此接近地盘绕以使得在横截面视图中所述管材12之间的距离x在管件被压缩后为零。剩余的部分内部被金属型材12覆盖，中心轴(21)设置成基本上与反应器壳体7的中心轴C相平行，以使得它们一起包围整个反应器壳体的内部7。 [0065] 在所述金属型材12设置成中心轴21垂直于反应器壳体7的中心轴C的实施方式中，每个金属型材，当使用分段弯曲的型材代替盘管包围陶瓷衬里时可以在其端部上进行焊接以刚性地将其端部彼此固定由此使每个金属型材布置成没有起始也没有终端的封闭形状。然而，在一些实施例中，可以优选的是金属型材在其端部开口，即金属型材的端部没有焊接到一起或者以一些其它方式彼此固定。在金属型材的端部之间存在选定的间隔，由此所述间隔可以有助于在反应器壳体的径向方向15上进一步压缩金属型材的可能性并且使型材在它们的中心轴21方向上膨胀。 [0066] 图2所示的全部型材具有至少一个穿过横截平面的镜像平面。有利的是型材设置成使得镜像平面基本上垂直于压力容器壁并且平行于反应器容器的径向方向15，同样还平行于型材的中心轴21，由此当型材在反应器壳体7和陶瓷衬里2、3、4之间被平整时减少型材12不对称向下折叠的任何风险。管材12-f，-g，-h能够通过将伸长的金属板折叠成期望的型材12后将板边缘20焊接到一起而得到。型材12-i由型材12-a和12-j构成，它们堆叠在彼此之上并且接着在凹入部分20焊接到一起。12-i类型的型材与型材12-a相比具有几乎两倍的变形能力，而不需要任何比柔性结构5中的型材12-a更大的金属型材之间的C／C距离。型材12-k由12-c类型的多个椭圆形管组成，其在18的位置焊接到金属板19并且形成一个面板。这种面板接着可以放置在反应器容器中并且焊接到一起形成位于其中连续的柔性结构5，其中管材12面向反应器壳体7并且金属板19面向陶瓷衬里。 [0067] 图3示出了柔性结构5，其中面板包括多个六边形的管12-a。可以意识到也可以以相同的方式采用具有其它横截面例如圆筒形12-e、五角形12-g的管以构建面板。当这种由焊接到板的管材构成的柔性结构5被膨胀的衬里压缩时，优选地导致板19发生伸展，其能够为衬里提供额外的阻抗力，而不需要提高施加在反应器容器7上的压力负载。 [0068] 图3还示出本发明的一个实施例，其中填充了金属型材12之间还有金属型材12内部的自由体积，并且因此，由于减少了气体对流以及热辐射而降低了穿过柔性结构5的热传递，将陶瓷毯16、17设置在金属型材12的之间以及内部。 [0069] 能够计算出柔性结构5的整体金属填充因子ε。通过图3的支持，图示实施例的体积比率可以通过如下的式子算出：VMe／Vtot=6R-t·L／3R·y.L=1.155·t／R，其中Vtot=为两个连续金属型材的两个对称轴S之间的总间隔并且VMe为位于所述空间Vtot中内所有金属型材的总体积，R为金属型材的外接圆半径，y是金属型材高 L是金属型材长度，t是金属型材壁厚以及金属型材的间隔距离，C-C的距离等于3R，这使得金属型材之间对应于R的初始距离x’(也可以参见图4)。插入的测定值t／R=0.0571，结果使得ε=0.066。这意味着当结构5由t／R=0.0571的六边形金属型材12-a构成时，仅仅包含6.6％的致密材料以及93.4％的整体孔隙率。关于这个计算例子的金属填充因子ε由此为0.066。 [0070] 可以意识到图3所示的反应器壁实际如图1所示，具有弯曲的整体形状。图3所示的部分构成整个反应器壁的一小部分，为了简化起见，反应器壁在图3仅以平面壁示出。 [0071] 图4示出施加在反应器壳体7上的反压P(MPa)(y-由)作为薄壁六边形管材12的变形／压缩s(x-轴)的函数，当它们在陶瓷衬里2、3、4和反应器壳体7内部发生变形／被压缩时。在变形范围为原金属型材高度(y)的0％到大约6％时，在第一压缩区间(ΔY1)中初始地发生弹性变形，接着在第二压缩区间(ΔY2)中发生塑性变形，在相对不变的反压P下上升到大约初始高度y的70％，即，其中ΔY2>ΔY1并且更优选地ΔY2〉〉ΔY1。优选地AY2≥3ΔY1，并且更优选地AY2≥5ΔY1。于是，在大约是金属型材初始高度70％的变形水平，压缩金属型材所需的力进一步快速提高并且最终在进一步提高压力之后，金属型材12的壁彼此挤压，致使不会发生进一步的压缩。 [0072] 在图4中可以看到压缩金属型材所需的力P(y-轴)在材料已经塑变之后相对地平稳，即间隔ΔY2的力P基本上是水平的，并且从塑变开始直到反压开始快速提高的压力间隔能够被确认为围绕P的一个间隔，即Pmin [0073] 根据金属型材12的特性(例如横截面形状，壁厚等等)，第一和第二压缩区间ΔY1，ΔY2的长度可以变化。优选地，第一压缩区间ΔY1，即发生弹性压缩的间隔，为0-15％，并且最优选地为0-8％，而第二压缩区间ΔY2，即反压相对不变的间隔，优选地为 15-85％，更优选地为8-90％。 [0074] 所述柔性结构(5)适于在反应器壳体(7)的径向方向(15)上被压缩和变形，在优选不超过2MPa，更优选位于0.5-1.5MPa之间的正常压力下，至少为所述金属型材12的初始高度(y)的60％。然而特定的情况也会具有更高的反压。 [0075] 进一步优选的是在从工作压力到环境压力进行减压的过程中所述金属型材12的弹性优选地为所述金属型材的初始高度y的至少2-5％，更优选地为3-4％，并且所述柔性结构(5)的整体孔隙率至少为环状同轴膨胀空间(6)的至少60％，优选地为80％，更优选地为90％。 [0076] 通过测量变形力和管材12的测试样品的变形，切成合适长度用于测量，并且考虑到管材12采用均匀的C／C间隔(即一个管材的中心轴21与最接近的管材对应的中心轴21之间的距离)分布，可以计算出施加在反应器壳体上的平均压力。由于管材相对于反应器壳体具有薄壁，并且优选地采用围绕整个反应器壳体分配的均匀C／C间隔，施加在反应器壳体上来自管件12的负载可以被看做均匀的内部压力，其与反应器的最大设计压力相比相对地较小。 [0077] 根据前面已经描述的，金属型材12适于设置成具有位于它们各自的中心轴21之间的所选间隔，其初始距离x’(参见图4)在两个相邻的金属型材12的外部之间获得。在图3所示的实施例中，根据上面的计算，x，大约等于R。当x’大约等于R时，压缩的金属型材12之间的距离x大约为零。 [0078] 在一些实施例中，当设置所述膨胀空间6时，可以优选地是在所述膨胀空间6中使用被预加应力至已发生塑变的金属型材。这种金属型材的预处理致使压缩曲线的水平部分被延长并且可以提高陶瓷衬里的寿命。 [0079] 图5示出了采用热梯度装置在被称作Doga1800DP的铁素体高强度钢材制成的圆筒形金属型材上进行压缩测试的结果。在x-轴上，金属型材原高度的变形百分比被示出作为钢管的接触表面y-轴上每毫米的正常负载(kN／mm)的函数。在每次测试之前对温度进行调节以使两个接触表面具有相同的温度，其被认为对整个耐火方案是普遍适用的。如果样品被放置在本发明的汽化器中，其温度因此被认为具有相同的温度梯度。 [0080] 在每次测试中，执行多个以规律间隔进行的减压循环。从曲线可以看到，在相似样品上进行的测试产生相似的结果。一般来说，就曲线形状和负载大小来说，机械测试的结果均确认了模拟的结果。 [0081] 图5的曲线示出在塑性变形间隔中即第二压缩区间ΔY2，当型材从工作压力减压到环境压力并且重新加压回到工作压力时，在卸载和重新加载过程中，金属型材维持其压缩／减压能力。金属型材的初始高度y在从0％到约7％的变形范围中，开始在第一压缩区间ΔY1发生弹性变形，接着在第二压缩区间ΔY2发生塑性变形，在相对恒定的反压下上升到大约85％，即其中ΔY2>ΔY1。因此，在85％的变形水平上，金属型材12内部的中空空间被快速而充分地消耗并且金属型材12的壁彼此挤压。 [0082] 在气化过程中产生的热盐熔体1部分地在陶瓷衬里2的表面上流动，能渗透进入衬里2,3的较热部分，并且当其与陶瓷材料发生反应时在那里形成新的固体陶瓷物质。这使得衬里的体积比其初始安装时大很多。这种在反应器正常工作过程中的体积增加反应，使得衬里2,3热的部分在体积和尺寸上缓慢但不可避免地增加。一般来说，陶瓷材料具有高的压力阻抗，这也是为什么即使反应器壳体的机械强度很高，如果反应持续进行很长时间并且如果在反应器内部没有合适的用于陶瓷衬里膨胀的空间，那么正常厚度的陶瓷衬里能够容易地使反应器壳体7超载。因此，在反应器长时间运行的情况下，优选地在反应器壳体7内部和陶瓷衬里4的外部之间具有足够大的柔性结构5以避免在反应器钢壳体7中产生危险的高机械负载。同样，陶瓷衬里中的高压力负载本身会使衬里块2从内部发生裂纹并且通过所述的剥落而丢失，其中衬里的寿命由于材料厚度的降低而减小。在最差的可能情况中，大的内部应力也会导致衬里内部发生崩塌，这可能快速地导致反应器壁7在陶瓷衬里丢失的区域发生危险的局部过热。这种损坏在圆顶形反应器顶部尤其严重，在此衬里需要从其邻近结构获得一些支撑以维持顶部的稳定性。 [0083] 为了防止盐熔体渗透穿过陶瓷衬里并且可能到达柔性结构5并且损坏反应器壁，优选的是盐熔体的温度很低使得盐熔体在陶瓷衬里的较冷部分3，4的内部基本上凝固成固体盐。如已经提到的，熔体的主要部分在大约740℃的温度下凝固，而熔体中很小的一部分体积将富含污染物(例如NaCl和NaOH)，意味着整个熔体首先在大约400℃凝固。然而，总体来说，可以明确的是盐熔体和高熔点的陶瓷衬里之间的化学反应在低于大约600℃的温度下是非常缓慢的。优选地选择不同陶瓷衬里2的厚度和材料的热导率使得陶瓷衬里／隔板的内部2很热从而盐熔体在正常工作温度下基本上持续自由流动并且容易地流出反应器，同时陶瓷衬里较冷的部分4使得盐熔体完全凝固。由此，其能够防止熔体渗透裂缝和开口深入到衬里的外部，最坏的情况，到达反应器壁。 [0084] 最里面的陶瓷衬里所选的材料主要考虑这些材料应该对碱性熔体具有良好的化学抗性并且因此应该具有高的熔化温度。在反应器的一些区域中，熔体有时温度会高于1050℃。合适的陶瓷材料对于碱性熔体具有化学抗性，并且没有或具有很小的开孔孔隙率。 此外，优选的是它们能够耐受温度的快速变化。不幸的是，这样的材料属于相对良好的热导体。 [0085] 优选的，不同耐火陶瓷衬里／隔板的厚度、化学抗性和热机械特性的组合，以及材料的热导率可能需要改变以使得熔体基本上在最里面的陶瓷衬里2的内部自由流动。此外，陶瓷隔板的内部优选地具有大约1000℃的温度以防止产生的盐熔体1被来自黑液的未完全反应产生的煤烟污染。潜在的陶瓷隔板材料3，4，13优选地选取使得这些陶瓷衬里／隔板的热导率基本上低于最里面的陶瓷衬里2其中之一的热导率。可以意识到这些中间陶瓷材料的热导率为最里面的陶瓷衬里2其中之一的1／3-1／10，部分地减少穿过隔板的热损失并且部分地防止熔体到达柔性结构5。由于中间的陶瓷衬里／隔板3，4，13具有较低的工作温度并且，此外，不需要经受经过的盐熔体的影响，对这些材料的腐蚀性需求减少，然而它们仍然需要能够抵抗由相对较深地渗透到陶瓷隔板内部的熔体产生的长时间化学侵袭。可以优选的是在与盐熔体长时间的接触的情况下，中间陶瓷衬里3，4没有明显膨胀，以使得结构5中的膨胀空间不会用尽。 [0086] 本发明还涉及一种制造柔性结构5并且将其设置在气化反应器中的反应器壳体7和内部耐火衬里2、3、4之间的方法，其中所述柔性结构5包括一个或几个中空金属型材12，其设置有与所述中空型材12的0.3-0.7倍周长，优选0.4-0.6倍所述周长相对应的C／C间隔。两个相邻的金属型材之间的初始距离x，，可以根据上面已经描述过的变形／压缩的金属型材的初始距离x’和距离x的内容进行选择。 [0087] 所述金属型材12固定到优选地由金属制成并且优选板厚度与所述金属型材12相同的延伸件19，其中金属型材通过接合优选地通过焊接形成在延伸件19上，构成连续的柔性结构5，其中所述部分具有金属型材的一侧向外指向反应器壳体7。 [0088] 在接合前，完成所述部分19以校正所述反应器的曲线半径。 [0089] 多个所述金属型材12平行地固定，通过纵向焊缝18使中心位于中间，金属型材12的中心轴基本上平行于反应器的垂直中心轴C延伸。 [0090] 本发明不受上面已经描述过的限制，但是可以在后面的权利要求的范围内变化。例如，可以意识到根据本发明的反应器能够很好地适用于不同类型的来自化学和半化学的纸浆生产的废液的气化，例如黑液和不同类型的亚硫酸盐废液，例如Na-或K-基亚硫酸盐废液。 [0091] 此外，可以意识到本发明可以应用于许多其它类型的有机材料和废物的气化，例如城市废物的气化。本发明尤其可以应用于包括盐的原料的气化，在反应器中温度必须保持远高于(>100℃)盐的熔点，反过来有时会导致熔体在凝固之前渗透深入到陶瓷衬里2、3、4的内部。 [0092] 当然，也可以在较宽的限制之内混合不同类型的废液以及混合具有不同生物油的废液，并且在本发明的反应器中气化混合物。与气化器相关，还可以在废液中混合较少数量的细颗粒粉尘，例如来自回收锅炉的电除尘器粉尘，所述粉尘包含相对低熔点的化合物，例如Na2CO3和Na2SO4。 [0093] 在本发明的范围之内，可以想到的是对于本领域技术人员来说可以不只设置一排，而是沿着反应器的径向方向设置两排或多排彼此相邻的型材以获得根据本发明的优点。此外，在一些实施例中，优选的是将金属型材设置成围绕内部耐火衬里的主要部分的盘管。这种螺旋状的柔性结构，除了别的以外，产生的差别在于金属型材的长度延伸增加了弹性力。 [0094] 进一步，并且还位于本发明的范围之内，柔性结构即金属型材可以由其它材料而不是金属制造而成，只要柔性结构的材料优选具有弹性和塑性变形的能力。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈