氣化反應器中的溫度監測的制作方法
【專利說明】氣化反應器中的溫度監測
[0001]本發明涉及氣化反應器，用于通過在氣化器中部分燃燒含碳原料而生產合成氣，其中所述氣化反應器包括壓力容器和在該壓力容器中膜壁包封的工藝空間以及用于監測所述氣化器工藝空間內工藝溫度的設備。本發明還涉及監測氣化反應器的氣化器中溫度的方法。
[0002]在合成氣的生產中，含碳原料如粉煤、生物質或油在氣化裝置的氣化反應器中部分氧化。在該過程中，氣化反應器中的溫度可高達約1300-1600°C，而操作壓力典型地為約3-6.5MPa。在已知的氣化器概念中，工藝空間被水/蒸汽冷卻的膜壁包封，而工藝壓力獨立地由不暴露于高溫下的壓力容器承受。
[0003]對于每種含碳原料來說，所需的溫度不同。為了實現原料至合成氣所需的轉化率，氣化器工藝空間內的溫度是一個關鍵參數，需要嚴密監控以優化工藝控制。由于氣化器中非常高的溫度，應用常用的熱電偶或類似的測量設備不能直接測量這些溫度。
[0004]在實踐中，氣化反應器的氣化器工藝空間內的熱量通過應用包括輸送作為冷卻劑的水和蒸汽的混合物的通道的氣化器膜壁間接監測。在緊臨工藝空間的膜壁中的水和蒸汽的混合物吸收了氣化器的熱量，從而增加了混合物中的蒸汽含量和由此產生了有價值的工藝蒸汽。產生的蒸汽量指示氣化器內部溫度。但氣化器壁內的冷卻通道通常是較大蒸汽發生回路的一部分，所述蒸汽發生回路包括氣化器上游和/或下游的蒸汽發生冷卻通道，從而部分測量的蒸汽量不是由氣化器的熱量產生。
[0005]GB 2094955公開了一種容器，所述容器包括保持在樹脂粘合劑中的碳纖維的外殼、冷卻劑循環機構和控制機構以及包含耐火材料的內殼。所述控制機構可以是計算機控制和可以用于監控和調節由循環機構提供用于冷卻和保護碳纖維和外殼的冷卻劑。所述控制機構也可以用于定位可能由于耐火內殼的局部破碎發生的任何單獨的熱點。
[0006]本發明的目的是使操作者能夠以更精確的方式充分監測氣化器的工藝空間內的溫度，從而能夠通過改變工藝變量使該溫度保持在最有利的范圍內而控制該溫度。
[0007]本發明的目的利用用于部分燃燒含碳原料的包括具有氣化器壁的氣化器的氣化反應器實現。所述氣化器壁包括冷卻劑管線。至少一個冷卻劑管線為與液體冷卻劑供應相連的溫度監測管線，和包括一個或多個溫度測量元件，構造所述溫度測量元件用來監測至少在正常工藝條件下其中冷卻劑溫度低于冷卻劑沸點的至少一部分溫度監測管線上的溫度變化。
[0008]所述目的還通過在操作條件下監測氣化器中內部溫度的方法實現。所述氣化器具有帶至少一個溫度監測管線的氣化器壁。液體冷卻劑例如水沿流動方向流過溫度監測管線。在溫度監測管線的至少一部分管線上冷卻劑溫度低于其沸點溫度。在所述管線部分的兩個或更多個測量點處確定冷卻劑的溫度。應用連續測量點處冷卻劑溫度的增加計算氣化器內部溫度的估值。
[0009]可以測量或者可以預先已知溫度監測管線入口處的溫度。在后一種情況中，只需要使用一個下游溫度測量元件來確定溫度的增加。但使用多個溫度測量元件有助于更準確地確定冷卻劑的溫度。
[0010]冷卻劑為在工藝條件下溫度低于其沸點的過冷液體。在這種情況下，沸點是在冷卻劑管線中在工藝條件下的沸點。在實踐中，這些工藝條件通常包括高的冷卻劑壓力，如約40-70bar的壓力。如果需要，也可以應用超出該范圍的壓力。
[0011]被液體冷卻劑吸收的氣化器熱量完全轉化為冷卻劑溫度的增加。這不同于由與水混合的蒸汽的常用冷卻劑吸收的熱量，后者主要將吸收的熱量轉化為體積膨脹。
[0012]本發明允許測量工藝空間內氣體的溫度(其可以為例如1500°C )。已知氣化空間的溫度測量是極其困難的，并且用于商業應用的可靠和穩健的系統當前無法獲得。
[0013]在操作裝置中，有時由膜壁產生的全部蒸汽被用作氣化器工藝溫度的指示。但這種方法不是非常精確，因為蒸汽來自不是全部與氣化室直接相關的不同的加熱表面。應用本發明，只在氣化器壁上監測氣化器中的工藝氣體溫度，因此在氣化器下游或上游加熱表面部分中產生的熱量不會影響測定的溫度。因此，可以計算氣化器工藝溫度的明顯更準確的估值。
[0014]利用液體冷卻劑測量的溫度增加指示氣化器內容物溫度。給定冷卻劑的質量流量和流率以及冷卻劑管線通道壁的熱傳導特性，測量的冷卻劑溫度增加可以有效地用于計算氣化器溫度的精確估值。
[0015]在壁氣化器內側上形成爐渣可能會對冷卻管線形成熱隔離，并且會影響氣化器內部溫度和冷卻劑溫度之間的關系。但當已知燃燒的烴燃料的類型時，爐渣形成程度高度可預測，并可以進行考慮。
[0016]液體冷卻劑例如可以是水。氣化器的冷卻劑管線中的操作壓力通常很高，例如40-70bar。在這些壓力下，冷卻劑水的沸點高于250°C。液體水例如可以在溫度至多240°C或至多230°C或至多220°C下提供至溫度監測管線的入口。
[0017]為了提高其耐熱性，氣化器壁例如可以由相互連接形成氣密性壁結構的平行管狀冷卻劑管道構成。所述管狀管道例如可以為平行的垂直或螺旋管道。這些管狀管線的一個或多個可以用作輸送液體冷卻劑的溫度監測管線，而其它管狀管線用于引導不同類型的冷卻劑，后者可以部分汽化，如水和蒸汽的混合物。
[0018]如果溫度監測管線中的液體冷卻劑與其它冷卻劑管線中的冷卻劑不同，溫度差可能會誘導熱應力。為了減少這些應力，應該優選限制該溫度差。例如，測量的液體冷卻劑的下游溫度(例如在溫度監測管線的出口或其附近測量)可以低于冷卻劑沸點溫度至少20K、或至少15K或至少10K。在溫度監測管線中液體冷卻劑的溫度與在其它管線中部分汽化的冷卻劑的溫度也可能相同，但壓力更高。例如溫度監測管線可以包含在約70bar壓力下270°C的液體水，而其它冷卻劑管線包含在50bar壓力下270°C的水和蒸汽的混合物。
[0019]考慮到氣化器和產生的氣化器內部熱量的特性，可以以一定方式構