反應容器和襯裡的製作方法

2023-09-19 20:52:35

專利名稱：反應容器和襯裡的製作方法
技術領域：
本公開涉及一種反應容器和經冷卻的襯裡。
背景技術：
反應容器(諸如，用於產生合成氣的含碳燃料氣體發生器)通常工作於高溫。例 如，含碳燃料氣體發生器中的溫度可超過3000° F(1649°C )。反應容器可包括內部襯裡，該 內部襯裡保護反應容器免受高溫的影響，在襯裡處高溫可能大於1200° F(649°C )。已知各種不同類型的襯裡。例如，一種類型的襯裡包括使反應容器與高溫隔離的 耐火磚。然而，使用耐火磚的一個缺點在於耐火磚可能在相對較短的時間內損壞並且需要 替換，這增加了反應容器的運行費用。另外，運用耐火磚的反應容器可能需要相對較長的預 熱或冷卻時間以避免熱衝擊損壞。氣體發生器反應容器中的另一類型的襯裡稱為薄膜壁，包括塗覆著陶瓷複合物 (典型地，基於金剛砂的搪爐料(ramming mix))的管的夾套；並且其利用經低溫冷卻或過 冷(sub-cool)的水、或者沸騰的水而得以被冷卻。這種經冷卻的薄膜壁襯裡方法提供了一 種用以保護襯裡的凍結的爐渣層，據稱導致了相對較長的襯裡壽命。然而，這種襯裡方法是 複雜的，並且成本顯著高於耐火磚襯裡的氣體發生器。第三種類型的襯裡是經冷卻的陶瓷基體複合材料(CMC)襯裡，該襯裡包括單個 CMC管/通道、或組合在一起的CMC通道。陶瓷板接合到金屬反應容器、或接合到與反應容 器一起使用的其它金屬部件，諸如冷卻劑入口和返回通路。雖然可以有效冷卻並且比耐火 磚更耐用，但在CMC部件與所附連的反應容器或部件的金屬之間的熱膨脹失配可能妨礙實 現長使用壽命的反應容器襯裡設計的能力。

發明內容
所披露的例子在提供與薄膜壁襯裡相關聯的長使用壽命和耐火磚襯裡式反應器 的低成本的同時，提供了一種相對簡單的便於減小熱應力的反應容器系統和襯裡系統布置。—種示例性反應容器襯裡系統包括襯裡，具有用於傳送冷卻劑的多個第一導管 和多個第二導管。所述多個第二導管至少部分地位於所述多個第一導管中的相應第一導管 中。例如，所述多個第一導管和所述多個第二導管對反應容器系統的容器壁加襯，並使冷卻 劑循環以由此冷卻反應容器。一種用於冷卻反應容器系統的示例性方法包括通過襯裡的所述多個第一導管和 第二導管來傳輸冷卻劑。


根據下面對當前優選實施例的詳細描述，本發明的各種特徵和優點對於本領域技 術人員而言將會變得顯而易見。伴隨詳細描述的附圖能夠簡要描述如下
圖1示出示例性反應容器系統；圖2示出第一導管和第二導管的示例性布置；圖3示出裝配到各相應模塊中的示例性第一導管和第二導管；圖4示出示例性反應容器系統的剖面圖；圖5示出安放在每個單獨第一導管周圍的示例陶瓷外殼或護套。
具體實施例方式圖1示出示例性反應容器系統10的所選擇的部分，諸如用於產生合成氣的含碳燃料氣體發生器。應該理解，示出的示例性反應容器系統10可以包括另外的部件，諸如那些 與供給含碳燃料和反應氣體相關的部件。反應容器系統10包括反應容器12，反應容器12 具有包含在容器壁14中的氣體發生器噴射器13(圖4)。例如，反應容器12可用於包含產 生超過3000° F(1649°C )的溫度和在容器壁14的內表面附近的1200° F(649°C )或更高 溫度的反應。在這個方面，反應容器系統10包括襯裡16，襯裡16用於保護容器壁14免受 反應容器12內的高溫的影響。如將要進行的描述所述，襯裡16提供了用於在反應容器12的容器壁14處維持住 所希望的溫度的一種相對簡單的組件，並便於減小襯裡16與反應容器系統10的其它部件 之間的熱應力。可以理解，根據本公開的襯裡16是示例性的，並且根據這種描述，變型和修 改可以對於本領域技術人員而言是顯而易見的。襯裡16包括多個第一導管18和多個第二導管20，所述多個第一導管18和多個第 二導管20互相協作地經襯裡16傳送冷卻劑(諸如，水或水混合物)以控制溫度。入口歧管22和出口歧管24圍繞反應容器系統10的周界而延伸。入口歧管把冷 卻劑輸送給襯裡16，出口歧管24從襯裡16收集冷卻劑。例如，泵26可用於經供應管線28 把冷卻劑傳送給入口歧管22，並使冷卻劑經導管18和20循環。冷卻劑從出口歧管24排出 到出口管線30，並且可以隨後被冷卻並經襯裡16重新循環，或者例如可以用作輸入到反應 容器12內的反應物。圖2示出第一導管18中的一個導管和第二導管20中的相應一個導管的示例性布 置。可以理解，其它第一導管18和第二導管20可以同樣地布置。第一導管18包括外管 32，第二導管20包括在外管32內部延伸的內管34。環形通路35a在外管32與內管34之 間延伸，並且內通路35b延伸通過內管34。雖然所示例子的管32和34是同軸的，但在其 它例子中管32和34可以軸向偏移。另外，根據特定應用的需要，管32和34可以是非圓形 的。為了提高冷卻效率和為了在中心管內維持住內管的適當對齊，則可以使用定心裝置。在 圖2示出的例子中，線35按螺旋形纏繞每個內管34以用作介於內管34和外管32之間的 分隔件。外管32包括第一末端部段36a和第二末端部段36b。第一末端部段36a是敞開的、 並與入口歧管22成流體連通，從而使得入口歧管22平行地把冷卻劑供應到每個外管32。 平行供應冷卻劑便於均勻地冷卻襯裡16。第二末端部段36b包括封閉住第二末端部段36b 的一種端蓋38。端蓋38可與外管32 —體地形成，或者可以是固定到第二末端部段36b的
單獨零件。內管34包括對輸出歧管24打開的第一末端部分40a、和也是打開的第二末端部段40b。冷卻劑從入口歧管22經外管32的環形通路35a朝著末端部段36b流動，如箭頭42所 示。如箭頭44所示，端蓋38使冷卻劑轉而流入內管34的末端部段40b的內通路35b。冷 卻劑經內管34向上流入出口歧管24。當冷卻劑流經介於外管32和內管34之間的環形通路35a時，冷卻劑從反應容器 12吸收熱量以在容器壁14處維持住所希望的溫度，並且維持第一導管18處於有助於長使 用壽命的溫度。通過對於給定的冷卻劑流率提供相對較高的冷卻劑速度，環形通路35a便 於有效的熱量吸收。因此，效率由冷卻劑速度而非熱吸收來限制，並且與現有的放流式或敞 噴式(open flow)襯裡相比，流率要求能夠有所降低。可以理解，泵26可用於控制冷卻劑的流率以由此控制向襯裡16提供的冷卻的程 度。另外，可以在設計階段選擇管32和34以及通路35a和35b的直徑和長度以提供所希 望的流率和相應的冷卻程度。例如，管32和34的長度近似為3ft.至15ft. (0. 9m至46m)。 另外，能夠選擇冷卻劑溫度在 最佳水平以使熱量集成到周圍過程，這受到由第一導管18的 機械性質帶來的約束、並且應該避免在從氣體發生器進入到第一導管18的給定熱通量的 沸騰(boil out)。雖然關於冷卻劑流動的方向顯示了反應容器系統10的特定布置，但應該理解，這 裡的例子不限於任何特定流動方向。因此，另一方面，能夠以相反的流動方向供應冷卻劑。 然而，在一個例子中，在冷卻劑從不直接暴露的襯裡16的其它部分(S卩，內管34)吸收熱量 之前，通過首先使來自入口歧管22的冷卻劑暴露於直接暴露在反應容器12內的高溫下的 襯裡16的最高溫度部分(即，外管32)，如圖2中所示提供冷卻劑會便利溫度控制。參照圖3，外管32和內管34可以裝配到那些便於裝配於反應容器系統10內的各 相應模塊48a和48b中。例如，支撐構件50可用於把外管32布置成環形構造52。支撐構 件50可以是焊接、釺接/釺焊或以其它方式結合到至少一些外管32處的結構外殼、帶、環 形板等。支撐構件50還便於在反應容器系統10的工作期間防止外管32的彎曲。每個外 管32在每一側上接觸著相鄰的外管32以限制外管32之間的氣流。以下將要討論，支撐構 件50可以由與外管32相同的材料製作。內管34也使用另一支撐構件56布置成環形構造54。在這個例子中，支撐構件56 是與內管34的末端40a固定在一起的環形板。可以理解，內管34的末端40a不需要與支 撐構件56的頂表面相平齊、並且可以根據特定應用的需要延伸至頂表面上方。通過使管32和34沿預定方位對齊並提供較少的用於裝配的零件，模塊48a和48b 便於裝配到反應容器系統10中。例如，在模塊48a和48b中對管32和34確定方位，從而 使得它們的縱向方向58近似平行。模塊48a和48b可隨後設置於反應容器12中，從而使 得內管34在外管32中的相應外管內延伸。應該理解，所披露的布置不限於將管32和34 作為模塊而裝配，並且可以使用其它布置和裝配方法。參照圖4，外管32和內管34固定在反應容器12內。在這個例子中，支撐構件50 和56用於固定住管32和34。然而，應該理解，可以使用支撐和固定所述管32和34的其它 方法，並且管32和34的布置不限於所披露的附連方法。例如，使用夾緊系統60來在反應 容器12中固定住管32和34。夾緊系統60包括夾緊著支撐構件50和56的第一夾緊構件 62和第二夾緊構件64，夾緊系統60還形成入口歧管22和出口歧管24的一部分。在這個 例子中，支撐構件50固定在夾緊系統60內。然而，在其它例子中，支撐構件50可改為諸如通過焊接或釺接而固定到容器壁14。在支撐構件50和56之間可使用分隔件66以防止塌陷和形成入口歧管22的一部分。另外，在出口歧管24的頂壁72處可使用密封件68和密封件託架70以便於實現無洩 漏連接。襯裡16便於消除或減小熱應力。外管32的第一末端部段36a經由支撐構件50 而固定到反應容器14，並且內管34的第一末端部段40a經由支撐構件56而固定到反應容 器14。各管32和34的第二末端部段36b和40b為非固定的，從而使得管32和34的任何 熱生長不受約束以由此避免引起熱應力。因此，任何熱應力限於襯裡16的被夾緊在夾緊系 統60中的部分。在示出的例子中，外管32、內管34或者它們二者可以由相對比較抗腐蝕的金屬材 料形成。例如，該金屬材料可以包括鈷合金。在其它例子中，外管32可以由陶瓷基體複合 材料形成。例如，陶瓷基體複合材料可以包括金剛砂、或其它類型的陶瓷基體材料。任選地，至少外管32還可以包括塗層80 (圖2)用以保護外管32免受侵蝕和腐蝕， 和/或用於便利在外管32上形成爐渣層。雖然一層爐渣可能形成在外管32上，但塗層80 指的是外管32上的預先沉積層，而非爐渣。例如，塗層80可包括金屬合金。在另一例子中， 塗層80可包括MCrAlY，其中M包括鎳、鈷、鐵中的至少一種或它們的組合，Cr是鉻，Al是鋁， Y是釔。在另一例子中，塗層80可以是STELLITE 、多鋁紅柱石、金剛砂、矽酸釔或它 們的組合。另外，塗層80可以是不同塗層材料的一個或多個塗層的複合物。塗層80可以 使用用於所選擇的塗層材料類型的任何適合工藝(諸如，熱噴塗或注漿成型)而沉積在外 管32上。另外，塗層80可包括施用或塗覆在外管32上的搗打混合物(ramming compund) (即，耐火材料)以便於在外管32的外表面處形成保護爐渣層，其具有或不具有固定裝置 (諸如突起90或其它突出部分)。根據這種描述，本領域技術人員將會認識到滿足他們特 定需要的適合的沉積工藝。至少一些外管32還可以包括從外管32的外表面向外延伸的突起90 (圖2)或類 似的突出部分(諸如，樁、片、螺紋或其它固定裝置)。例如，突起90用作使爐渣粘附於外管 32的固定裝置。爐渣可在外管32上方形成另外的保護層。參照圖5，在每個外管32周圍可另外使用陶瓷外殼100。例如，陶瓷外殼100可由 滑動配合到外管32、或釺接到外管32的一種單片陶瓷或陶瓷基體複合材料形成。陶瓷外殼 100進一步限制到容器壁14的氣流，如果不進行限制，所述氣流原本可能導致容器壁14的 侵蝕或腐蝕。本說明書中可能相對於幾何形狀、距離、溫度、位置等使用近似的術語(諸如，「大 約」或「近似」)，其指的是給定值的可能變化，諸如本領域中通常接受的變化或公差。雖然在示出的例子中顯示了特徵的組合，但不需要組合所有特徵來實現本公開的 各實施例的益處。換句話說，根據本公開的實施例設計的系統將不必包括在任何一個附圖 中示出的所有特徵、或者在附圖中示意性地示出的所有部分。此外，所選擇的一個示例性實 施例的特徵可以與所選擇的其它示例性實施例的特徵相組合。前面的描述是示例性的而非限制性的。在不必脫離本公開的本質的情況下，對所 披露的例子的變型和修改對於本領域技術人員而言可以變得顯而易見。通過研究下面的實 施例能夠確定給予本公開的法律保護範圍。
權利要求
一種反應容器襯裡系統，包括襯裡，具有用於傳送冷卻劑的多個第一導管和多個第二導管，其中所述多個第二導管至少部分地位於所述多個第一導管中的相應第一導管中。
2.根據權利要求1所述的反應容器襯裡系統，其中所述多個第一導管包括外管，且所 述多個第二導管包括至少部分地在外管中的相應外管內延伸的內管。
3.根據權利要求2所述的反應容器襯裡系統，其中每個外管各自包括介於外管與相應 內管之間的環形通路，且每個內管包括內通路。
4.根據權利要求3所述的反應容器襯裡系統，其中每個外管的環形通路與相應內管的 內通路成流體連接。
5.根據權利要求2所述的反應容器襯裡系統，其中每個外管包括端蓋。
6.根據權利要求2所述的反應容器襯裡系統，其中外管布置為環形構造，從而使得外 管的縱向方向近似平行。
7.根據權利要求6所述的反應容器襯裡系統，還包括支撐構件，其圍繞所述環形構造 而沿圓周延伸，並結合到外管的至少一部分。
8.根據權利要求2所述的反應容器襯裡系統，還包括定心裝置，其位於所述多個第一 導管和所述多個第二導管之間，用於在所述多個第一導管內維持住所述多個第二導管的所 希望的對齊。
9.根據權利要求1所述的反應容器襯裡系統，其中所述多個第一導管、所述多個第二 導管或它們二者包括金屬。
10.根據權利要求9所述的反應容器襯裡系統，其中所述金屬包括鈷合金。
11.根據權利要求1所述的反應容器襯裡系統，其中所述多個第一導管、所述多個第二 導管或它們二者包括陶瓷基體複合材料。
12.根據權利要求11所述的反應容器襯裡系統，其中所述陶瓷基體複合材料包括金剛砂。
13.根據權利要求1所述的反應容器襯裡系統，其中所述多個第一導管包括非爐渣塗層。
14.根據權利要求13所述的反應容器襯裡系統，其中所述塗層包括金屬合金或陶瓷材 料中的至少一種。
15.根據權利要求14所述的反應容器襯裡系統，其中所述塗層是陶瓷材料，並且陶瓷 材料包括搗打混合物。
16.根據權利要求1所述的反應容器襯裡系統，其中所述多個第一導管中的至少一部 分包括從它們延伸的突起。
17.根據權利要求1所述的反應容器襯裡系統，還包括陶瓷外殼，其至少部分地在所 述多個第一導管周圍延伸。
18.一種反應容器系統，包括 反應容器，包括容器壁；襯裡，其對容器壁加襯，該襯裡具有用於傳送冷卻劑的多個第一導管和多個第二導管， 其中所述多個第一導管至少部分地位於所述多個第一導管中的相應第一導管中。
19.根據權利要求18所述的反應容器系統，還包括入口歧管和出口歧管，與所述多個2第一導管和所述多個第二導管成流體連接。
20.根據權利要求19所述的反應容器系統，其中所述入口歧管平行地與所述多個第一 導管相連接，所述出口歧管平行地與所述多個第二導管相連接。
21.根據權利要求19所述的反應容器系統，其中所述入口歧管和所述出口歧管完全地 圍繞著反應容器的周界而延伸。
22.根據權利要求18所述的反應容器系統，其中所述多個第一導管和所述多個第二導 管中的每一個包括與反應容器固定在一起的第一末端和自由的第二末端。
23.一種用於冷卻反應容器系統的襯裡的方法，該方法包括 通過襯裡的多個第一導管傳輸冷卻劑以冷卻襯裡；和通過襯裡的多個第二導管傳輸冷卻劑，其中所述多個第二導管至少部分地位於所述多 個第一導管中的相應第一導管內。
24.根據權利要求23所述的方法，包括平行地把冷卻劑供應給所述多個第一導管。
全文摘要
一種反應容器襯裡系統包括襯裡，具有用於傳送冷卻劑的多個第一導管和多個第二導管。所述多個第二導管至少部分地位於所述多個第一導管中的相應第一導管中。
文檔編號C01B3/36GK101959593SQ200980107628
公開日2011年1月26日 申請日期2009年1月8日 優先權日2008年3月4日
發明者B·W·麥克納尼, K·M·斯普勞斯, S·A·尤斯, S·P·富塞爾曼 申請人:普拉特及惠特尼火箭達因公司