專利名稱：浮動壓力氣化器供給噴嘴的冷卻水系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及合成氣體生成中使用的供給噴嘴。更具體地說，本發(fā)明涉及防止供給噴嘴過熱的方法。
實(shí)質(zhì)上含有一氧化碳和氫的合成氣體混合物在商業(yè)上作為重要的用于氫化反應(yīng)的氫源，以及作為由其他環(huán)境不允許燃料源產(chǎn)生動力的方法，以及作為碳?xì)浠衔?、含氧有機(jī)化合物或氨水合成用的供給氣體源。
碳?xì)浠衔锱c富氧的空氣或較純的氧氣的局部燃燒產(chǎn)生一氧化碳和氫氣存在著通常在供給噴嘴技術(shù)中未遇到過的獨(dú)特的問題。這樣就需要，例如，使反應(yīng)劑進(jìn)行非常迅速和完全的混合，或者使反應(yīng)劑的大部分氧化成二氧化碳和水。還必須采取措施防止供給噴嘴過熱，因?yàn)檠跖c適宜制造供給噴嘴的金屬反應(yīng)，非常重要的是防止供應(yīng)噴嘴元件達(dá)到可能產(chǎn)生故障的溫度。在這方面希望碳?xì)浠衔锱c氧之間的反應(yīng)在供給噴嘴之外進(jìn)行。盡管這種反應(yīng)通常在供給噴嘴的釋放點(diǎn)之外進(jìn)行，噴嘴元件仍經(jīng)受碳?xì)浠衔锱c氧反應(yīng)的輻射加熱。
可以采用任何有效的供給噴嘴設(shè)計(jì)來促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)原料和氣體的添加或反應(yīng)，例如環(huán)形燃料噴嘴，見美國專利No.2,928,460，No.4,328,006，No.4,328,008，這些文件結(jié)合作為本發(fā)明的參考。代替的方案是，原料可以通過艙口進(jìn)入反應(yīng)器的上端。含游離氧的氣體典型地以高速通過燃料噴嘴進(jìn)入反應(yīng)器。根據(jù)這種布局，加入的材料開始在反應(yīng)區(qū)內(nèi)混合以及氧氣流不會直接碰撞反應(yīng)器壁和使其損壞。在正常操作中供給噴嘴暴露于高溫，它超過了大多數(shù)金屬的熔點(diǎn)。在預(yù)熱時也會遇到過熱問題。反應(yīng)器必須預(yù)熱至接近正常的工作溫度以開始?xì)饣磻?yīng)。
鑒于以上所列一種或多種原因，現(xiàn)有技術(shù)的供給噴嘴的特點(diǎn)是供給噴嘴元件易損壞，即使這些元件采用水冷，供給噴嘴末端的金屬也特別易于磨蝕。供給噴嘴故障預(yù)計(jì)會發(fā)生。希望供給噴嘴采用水冷。還希望供給噴嘴故障易于探測。希望供給噴嘴的泄漏不會導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)損壞和隨后供給噴嘴災(zāi)難性的故障。希望泄漏不會使冷卻水突然進(jìn)入反應(yīng)器。與此類似，希望泄漏不會使反應(yīng)器的內(nèi)容物進(jìn)入冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)災(zāi)難性的故障。
本發(fā)明提供了產(chǎn)生合成氣體的氣化反應(yīng)器的供給噴嘴的冷卻方法及實(shí)施該方法所需的設(shè)備。本發(fā)明提供了噴射冷卻液進(jìn)入供給噴嘴內(nèi)冷卻液循環(huán)用的通道的方法。噴射壓力保持接近超過氣化反應(yīng)器的壓力。冷卻液通過一個出口由通道排出時的排出壓力在低于氣化反應(yīng)器壓力約1030KPa(150psi)和高于氣化反應(yīng)器壓力約515KPa(75psi)之間。
這里使用的術(shù)語“帶有通道的供給噴嘴”系指帶有一條或多條通道的供給噴嘴，而上述通道可以是連通的或單獨(dú)的，以及這些通道可以埋入供給噴嘴的內(nèi)部或者包覆在供給噴嘴的內(nèi)表面或外表面上。
這里使用的術(shù)語“通道”系指具有大的長度/直徑比的密閉管路，它具有能保持流動的冷卻液的入口和出口。
這里使用的術(shù)語“冷卻液”系指能響應(yīng)施加的壓力梯度通過管路流動的液體、氣體或蒸汽，它們能消除供給噴嘴的熱量。噴射冷卻液的溫度必須比反應(yīng)器的溫度低。噴射冷卻液的溫度越低，冷卻供給噴嘴所需的流量越小。冷卻液可以是水，置換的或非置換的碳?xì)浠衔?，硅油或任何其他液體。優(yōu)選的冷卻液為水。
這里使用的術(shù)語“在接近或超過氣化反應(yīng)器的壓力”系指由高于氣化反應(yīng)器壓力約515KPa(75psi)至低于氣化反應(yīng)器壓力約1030KPa(150psi)的壓力。如果噴射泵為正排量泵，則噴射壓力可以低于氣化反應(yīng)器壓力。如果泄漏產(chǎn)生導(dǎo)致氣體進(jìn)入冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)壓力增高，則正排量泵的噴射壓力將會增加以補(bǔ)償增高的反饋壓力。如果噴射泵為增壓型的泵，例如離心泵，則噴射壓力必須超過氣化反應(yīng)器的壓力以保證冷卻液的流動不會因?yàn)榱魅霘怏w和泄漏情況下反饋壓力增高而停止。優(yōu)選地使用增壓類型的泵。
這里使用的術(shù)語“排出液脫氣”系指使排出液與氣體液體分離器中的氣體接觸。在某種情況下在排出液中可能有單獨(dú)的氣體相和液體相，這種條件存在于氣體液體分離器中，脫氣可由液體相內(nèi)分離出游離的氣體相。在排出液具有溶解氣體的情況下，氣體液體分離器可使各種氣體接觸和在氣體液體分離器內(nèi)排出液與氣相之間部分轉(zhuǎn)換。
這里使用的術(shù)語“通道內(nèi)的泄漏”系指供給噴嘴的故障轉(zhuǎn)移使冷卻液直接與氣化反應(yīng)器的氣體內(nèi)容物接觸。
這里使用的術(shù)語“并聯(lián)排列”系指供給噴嘴內(nèi)兩條或多條通道可以(但不是必須)在接近入口和出口處合并，類似于電路中使用的并聯(lián)術(shù)語。這個術(shù)語意味裝入的供給噴嘴可以具有由獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)供給的單獨(dú)的通道，以及最佳實(shí)施例為混合式，其冷卻和脫氣系統(tǒng)是共同的，但每個通道由一個噴射泵獨(dú)立地供給。
這里使用的術(shù)語“排出液由通道的出口”系指噴射入液體通道的末端開口，上述開口與管子等連接裝置連接使液體由氣化反應(yīng)器流出和流至冷卻、脫氣和泵送裝置。
本發(fā)明提供了產(chǎn)生合成氣體的氣化反應(yīng)器的供給噴嘴的冷卻方法以及實(shí)現(xiàn)該過程所需的設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明提供了冷卻液的噴射、循環(huán)以及由供給噴嘴內(nèi)通道排出的方法。
冷卻液是在壓力下噴射進(jìn)入通道內(nèi)。噴射壓力保持在接近或超過氣化反應(yīng)器壓力，最好超過氣化反應(yīng)器壓力。這樣做的目的是在供給噴嘴末端損壞的情況下保持冷卻液流動。如果供給噴嘴末端損壞，則冷卻液將與反應(yīng)器內(nèi)部接觸。如果反應(yīng)器的壓力高于噴射壓力，則冷卻液的流動有停止的危險，因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)必須突然克服較高的噴射壓力。如果噴射泵為正排量泵，隨后噴射壓力增加至該泵能產(chǎn)生壓力的所需值。
優(yōu)選地使用增壓泵取代正排量泵，由于增壓泵使用冷卻液出口壓力。因此增壓泵所需功率比正排量泵低許多。但是，使用增壓泵系統(tǒng)內(nèi)的噴射壓力必須高于氣化反應(yīng)器壓力。噴射壓力和出口壓力最好調(diào)節(jié)成這樣，在通道泄漏的情況下液體噴射率的下降最多為10％。
冷卻液通過出口由通道排出時的出口壓力在高于氣化反應(yīng)器壓力約515KPa(75psi)至低于氣化反應(yīng)器壓力約1030KPa(150psi)之間。出口壓力最好在高于氣化反應(yīng)器壓力約345KPa(50psi)和低于氣化反應(yīng)器壓力約690KPa(100psi)之間，更優(yōu)選地它在低于氣化反應(yīng)器壓力約345KPa(50psi)和690KPa(100psi)之間。
最好使冷卻液循環(huán)。在將冷卻液返回再噴射入通道之前必須冷卻。將供給噴嘴末端通道排出的水冷卻用的優(yōu)選設(shè)備為熱交換器。熱交換器的型號并不重要。熱交換器的尺寸應(yīng)適當(dāng)足以充分冷卻液體，冷卻劑的型號也不重要。
希望冷卻液在再噴射入通道之前進(jìn)行脫氣。存在氣體和液體兩相可能嚴(yán)重地降低系統(tǒng)的熱交換能力和導(dǎo)致出現(xiàn)死區(qū)，使液體流動不暢。氣體也能降低泵效率。在供給噴嘴末端苛刻的環(huán)境條件下，冷卻系統(tǒng)的局部損壞可能導(dǎo)致供給噴嘴的末端損壞。氣體液體分離器中的液體在泵入之前應(yīng)脫氣。氣體液體分離器優(yōu)選地在較高的壓力下工作以降低將液體泵回至噴射壓力所需的功率。氣體液體分離器的工作壓力應(yīng)為出口壓力的約50％至約120％，更優(yōu)選地為約80％至約100％，以及最優(yōu)選地為約95％至約100％。
通道內(nèi)的液體的壓力略高于或略低于反應(yīng)器壓力。因此在泄漏的情況下，氣體常常進(jìn)入通道。希望有探測此氣體的裝置。一種裝置為氣化反應(yīng)器內(nèi)的氣體探測器。該探測器最好位于氣體液體分離器內(nèi)或氣體液體分離器的連續(xù)排氣流中。一種優(yōu)選的探測器為一氧化碳探測器。其他優(yōu)選的探測器為氫探測器、碳?xì)浠衔锾綔y器及二氧化碳探測器。在供給噴嘴末端泄漏的情況下，探測器將探測到冷卻系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)器氣體，以提供供給噴嘴末端損壞的早期警報。
由于液體在脫氣前已冷卻，在脫氣時蒸汽損失很小或無損失。因此，正常工作時液體損失降低和通?？梢灶A(yù)計(jì)。如果形成泄漏使冷卻液損失，使用探測器可提供泄漏的早期指示。一種優(yōu)選的液體損失探測器為液面探測器，位于氣體液體分離器內(nèi)。
優(yōu)選的冷卻液為水。也可以使用其他的冷卻液。然而，使用硅油可能是有利的。也可以使用碳?xì)浠衔锖鸵掖肌?br> 優(yōu)選地用改變氣體液體分離器內(nèi)壓力的方法控制出口壓力。在氣體液體分離器內(nèi)添加一種惰性氣體，例如氮?dú)庖栽鰤阂约坝蓺怏w液體分離器排出氣體以減壓是有利的。當(dāng)然，存在許多改變出口壓力的方法，例如采用控制活門或收縮出口管路。必須有裝置來測量氣化反應(yīng)器壓力或控制出口壓力這樣使通道內(nèi)的壓力低于氣化反應(yīng)器壓力。
在供給噴嘴內(nèi)具有兩個或多個獨(dú)立的通道常常是優(yōu)選的。這些通道可以由一個或多個冷卻系統(tǒng)來供給。


圖1為本發(fā)明一個實(shí)施例的示意圖，它具有氣化器10，帶有通道14的供給噴嘴12，熱交換器16，帶有液面?zhèn)鞲衅?0的氣體液體分離器18以及合成氣體探測器22。本發(fā)明的實(shí)施例還具有增壓裝置，在此處為氮源和控制活門24以及減壓裝置26，氣化反應(yīng)器測壓裝置28，以及噴射泵30。
實(shí)例1產(chǎn)生合成氣體的氣化反應(yīng)器10的供給噴嘴12具有可供冷卻液循環(huán)的通道14。氣化反應(yīng)器內(nèi)的壓力為6900KPa(1000psi)。冷卻液為水。離心泵30提供了噴射冷卻液進(jìn)入通道的壓力。入口壓力，即通道入口處的壓力為約7000KPa。冷卻液通過通道14流動和由通道排出時的壓力約為6500KPa和溫度約為400℃。冷卻液由反應(yīng)器轉(zhuǎn)入液體-液體熱交換器16，在其中冷卻至約70℃。隨后冷卻液通過連接管子流動至氣體液體分離器18。氣體液體分離器內(nèi)的壓力可以借助通過控制活門24或排氣活門26通入或排出惰性氣體(例如氮)來改變。已脫氣的冷卻液通過氣體液體分離器18進(jìn)入管子之類的連接裝置使冷卻液流動到噴射泵30。通常出口管、熱交換器、連接管子、氣體液體分離器以及通過連接管子至泵入口處的壓力降小于約70KPa(10psi)。噴射泵30提供功率使冷卻液增壓約600KPa(87psi)，該壓力為噴射冷卻液進(jìn)入通道14所必須。這里有測量氣化反應(yīng)器壓力的裝置28以及測量噴射壓力的裝置。
在氣體液體分離器內(nèi)安裝有一氧化碳探測器22以探測氣體段內(nèi)的一氧化碳。在氣體液體分離器內(nèi)安裝有水面?zhèn)鞲衅?0以測量氣體液體分離器內(nèi)的水面。在氣體液體分離器內(nèi)還安裝有液體和/或氣體加入或排出裝置24或26以改變氣體液體分離器壓力。
實(shí)例2在本發(fā)明的該實(shí)施例中，借助氣體液體分離器增壓法和由氣體液體分離器反饋一小股清洗氮?dú)饬髦翚饣鞯姆椒ㄊ箛娮炖鋮s系統(tǒng)保持大致與氣化器相同的壓力。返回管路典型地通過開始清洗管路進(jìn)入氣化器，這樣就不需要單獨(dú)的氣化器噴口。采用這種方式，當(dāng)氣化器壓力變化時，清洗的反饋壓力將自動地改變冷卻水系統(tǒng)的壓力，使冷卻水箱頂部保持壓力與氣化器壓力相同或接近。由于氣體液體分離器的位置低于氣化器，氣化器與氣體液體分離器入口之間的高度差保證了壓力差使冷卻液由通道出口流向氣體液體分離器。
實(shí)例3在本發(fā)明的該實(shí)施例中，氣體液體分離器為一大直徑(20至30cm)的管子，它由坡度連至供給噴嘴的高度(約15至33m)。該管子的尺寸可保證滯留時間在約2至約5min之間，優(yōu)選地為約5min。管子中正常的開始液面可以用加入或泄出的方法改變，但是一旦系統(tǒng)關(guān)閉和開始工作，液面應(yīng)保持恒定，但由于燃燒器故障引起的小的改變除外，如果這時系統(tǒng)在冷卻液壓略高于氣化器壓力位置產(chǎn)生泄漏的條件下工作。貯箱管子的液面這樣選擇，使供給噴嘴通道入口處的壓力略低于或高于氣化器艙壓力。該壓力為氣體液體分離器液面的壓力，增加液柱排出的壓力，增加噴射泵排出的壓力，減去水管系統(tǒng)中的壓力降。如果燃燒器產(chǎn)生故障，人們可以用改變貯箱液面的方法使氣體流入燃燒器水冷卻系統(tǒng)或使水小量泄漏進(jìn)入氣化器。
如果貯箱的液面是這樣選擇的，在供給噴嘴冷卻通道泄漏處的壓力略高于氣化器壓力，則任何燃燒器故障會引起水小量泄漏進(jìn)入氣化器。由于冷卻水系統(tǒng)接近于氣化器壓力，壓差引起的泄漏很小，使泄漏率降至無害水平。最終，氣體液體分離器的液面降低，將燃燒器的壓力降低至壓力平衡點(diǎn)，防止了冷卻液繼續(xù)損失。如果希望，氣體液體分離器的頂部可由較小直徑的管子制造，因此在壓力平衡制止進(jìn)一步泄漏前水的損失量極小，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是液面對泄漏更敏感和更易于裝設(shè)。
如果貯箱的液面是這樣選擇的，在供給噴嘴冷卻通道泄漏處的壓力略低于氣化器壓力，則任何燃燒器故障會引起微量氣體吸入水中。在氣體液體分離器內(nèi)這些氣體由水中分離，以及被探測出，如一氧化碳被氣體液體分離器的惰性氣體清洗流中的一氧化碳探測器探測出。這樣可使早期探測出小的故障。
返回管路進(jìn)入氣體液體分離器接近液面的頂部。如果在略低壓力的系統(tǒng)內(nèi)，產(chǎn)生大的燃燒器故障，則燃燒器水返回管路中吸收的氣體將減少返回管路壓頭至燃燒器中壓力增加的程度，限制氣體流入燃燒器冷卻水系統(tǒng)至低量，不足以蒸發(fā)冷卻水和使管路過熱。
過去擔(dān)心高壓冷卻水系統(tǒng)是氣體器中的水泄漏會損壞耐火材料，這種擔(dān)心已被消除，因?yàn)楣┙o噴嘴內(nèi)的冷卻水系統(tǒng)的壓力保持較低，或者用正確調(diào)節(jié)貯箱液面方法使其略高于氣化器壓力。由于系統(tǒng)固有的安全性不需要復(fù)雜的控制控制，而又保持了用一氧化碳探測器探測小泄漏(裂紋)的能力。
由于氣體液體分離器具有如此大的表面面積/體積比，希望使用液體的空氣冷卻，這樣就消除了對能污染冷卻水系統(tǒng)的熱交換器管子損壞的全部擔(dān)心。因?yàn)槿紵骼鋮s水的溫度可升高超過100℃，而不產(chǎn)生任何有害作用，同時空氣冷卻具有價格優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生合成氣體的氣化反應(yīng)器的供給噴嘴的冷卻方法，上述供給噴嘴具有可供冷卻液循環(huán)的通道，上述方法包括a.在壓力接近或超過氣化反應(yīng)器壓力下通過通道噴射冷卻液，壓力足以保證冷卻液的噴射率使供給噴嘴冷卻；以及b.在出口壓力為高于氣化反應(yīng)器壓力515KPa到低于氣化反應(yīng)器壓力約1030KPa之間通過出口由通道排出液體。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于它還包括冷卻排出液和隨后通過通道再噴射該冷卻液的步驟。
3.按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于它還包括在再噴射液體前排出液的脫氣步驟。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于噴射壓力和出口壓力是這樣調(diào)節(jié)的，使在通道泄漏的情況下液體噴射率的下降最多為10％。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于液體噴射入兩條或多條并聯(lián)排列的通道。
6.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于它還包括在排出液脫氣時探測合成氣體的步驟。
7.按照權(quán)利要求3所述的方法，它還包括排出液脫氣時探測一氧化碳。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于出口壓力在高于氣化反應(yīng)器壓力345KPa、但低于氣化反應(yīng)器壓力約690KPa之間。
9.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于出口壓力為低于氣化反應(yīng)器壓力約245KPa和約690KPa之間。
10.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在冷卻階段和脫氣階段液體的壓力為出口壓力的約50％至約120％。
11.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在冷卻階段和脫氣階段液體的壓力為出口壓力的約80％至約100％。
12.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在冷卻階段和脫氣階段液體的壓力為出口壓力的約95％至約100％。
13.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于該方法還包括探測液體損失。
14.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該液體為水。
15.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該液體為碳?xì)浠衔铩?br> 16.一種產(chǎn)生合成氣體的氣化反應(yīng)器的供給噴嘴的冷卻設(shè)備，它具有a.帶有可供冷卻液循環(huán)用通道的供給噴嘴，b.冷卻液，c.在超過氣化反應(yīng)器壓力的壓力下通過通道噴射冷卻液的裝置，d.由通道排出液體的出口裝置，e.將出口保持在壓力高于氣化反應(yīng)器壓力515KPa及低于氣化反應(yīng)器壓力約1030KPa之間的裝置，f.測量氣化反應(yīng)器壓力的裝置。
17.按照權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于它還具有冷卻排出液的裝置以及通過通道再噴射液體的裝置。
18.按照權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于它還具有在再噴射液體前使排出液脫氣的裝置。
19.按照權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于它還具有探測合成氣體的裝置。
20.按照權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于它還具有探測水損失的裝置。
21.一種產(chǎn)生合成氣體的氣化反應(yīng)器的供給噴嘴的冷卻設(shè)備，它具有a.帶有可供冷卻液循環(huán)用通道的供給噴嘴，b.冷卻液，c.液體噴射泵，d.熱交換器，e.氣體液體分離器，f.一氧化碳?xì)怏w探測器，g.水面?zhèn)鞲衅?，h.在氣化反應(yīng)器內(nèi)的壓力傳感器，i.加入液體或氣體以控制壓力的裝置，以及j.連接管子，該系統(tǒng)的全部元件能夠在氣化反應(yīng)器壓力下或超過此壓力工作，以及這些元件這樣排列，使冷卻液在接近或超過此氣化反應(yīng)器壓力進(jìn)入和排出液體噴射泵，以及隨后冷卻液進(jìn)入供給噴嘴的通道，通過通道循環(huán)，以及隨后冷卻液由供給噴嘴通道排出和進(jìn)入熱交換器，以及隨后冷卻液在再次進(jìn)入噴射泵之前通過氣體液體分離器，在氣體液體分離器內(nèi)安裝氣體探測器以探測氣體段內(nèi)的一氧化碳，以及安裝水面?zhèn)鞲衅饕詼y量氣體液體分離器內(nèi)的水面。以及加入液體或氣體以保持出口壓力在高于氣化反應(yīng)器壓力515KPa至低于氣化反應(yīng)器壓力約1030KPa之間的裝置位于氣體液體分離器內(nèi)。
全文摘要
一種產(chǎn)生合成氣體用的氣化反應(yīng)器(10)的供給噴嘴(12)的冷卻設(shè)備和方法。冷卻液噴射進(jìn)入供給噴嘴(12)內(nèi)供液體循環(huán)的通道(14)。噴射壓力保持在接近或高于氣化反應(yīng)器壓力。液體通過出口由通道排出時的壓力高于氣化反應(yīng)器壓力約515KPa至低于氣化反應(yīng)器壓力約1030KPa。液體經(jīng)冷卻、脫氣后再噴射返回進(jìn)入供給噴嘴內(nèi)的通道。冷卻系統(tǒng)的壓力是可變的和跟蹤氣化反應(yīng)器壓力。
文檔編號C10J3/50GK1264419SQ98807308
公開日2000年8月23日 申請日期1998年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月6日
發(fā)明者保羅·S·華萊士, 凱·安德森·約翰遜, 德龍姆·D·費(fèi)爾, 弗雷德·C·揚(yáng)克 申請人:德士古發(fā)展公司