Inyector de gasificador.

Un módulo inyector (14) para un gasificador (10), comprendiendo el citado módulo inyector (14):

un separador lodos de dos etapas (22);

una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) que se extiende desde el separador de lodos de dos etapas (22);

una placa de cara (30) del inyector que tiene los tubos inyectores de lodos (26) que se extienden a través de la misma e incluyendo un sistema de refrigeración para la refrigeración de la placa de cara (30) del inyector;

una pluralidad de orificios anulares para choques (34) incorporados en la placa de cara (30) del inyector, rodeando cada orificio anular para choques (34) a un tubo de inyección de lodos correspondiente (26).

Inyector de gasificador.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere en general a la gasificación de materiales carbonosos, tales como carbón o coque de petróleo. Más en particular, la invención se refiere a un dispositivo inyector y a un método utilizado para lograr una alta tasa de eficiencia en la gasificación de tales materiales carbonosos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los sistemas de electricidad y accionados eléctricamente son crecientemente más ubicuos y cada vez es más conveniente encontrar fuentes de energía. Por ejemplo, varios sistemas pueden convertir distintos compuestos petroquímicos, por ejemplo, materiales carbonosos tales como el carbón y el coque de petróleo, en energía eléctrica. Además, tales compuestos petroquímicos son utilizados para crear varios otros materiales, tal como el vapor, que se utiliza para accionar las turbinas de vapor.

La gasificación de materiales carbonosos, tales como el carbón y el coque de petróleo, en gas de síntesis (syngas) , por ejemplo, mezclas de hidrógeno y monóxido de carbono, es un proceso industrial bien conocido y utilizado en las industrias petroquímica y de turbinas de gas. En los últimos 20 años, los gasificadores de carbón de flujo en suspensión se han convertido en el proceso principal en la producción de gas de síntesis. Sin embargo, estos gasificadores de flujo en suspensión no pueden hacer uso de la tecnología de inyectores de mezcla rápida. El fallo en la utilización de estas tecnologías hace que los volúmenes del gasificador y los costos de capital del gasificador sean mucho mayores de lo necesario. Se espera que la tecnología de los inyectores de mezcla rápida reduzca los volúmenes del gasificador de flujo en suspensión en aproximadamente un orden de magnitud, es decir, un factor de 10. Conseguir reducir el costo de capital total de estos gasificadores de carbón al reducir significativamente el volumen del gasificador es muy deseable.

Desde 1975, la compañía Rocketdyne ha diseñado y probado una serie de inyectores de mezcla rápida para la gasificación del carbón. La mayor parte de estos programas de diseño y de prueba se llevaron a cabo con contratos del Departamento de Energía de los EE.UU. entre 1975 y 1985. El inyector principal primario utilizado en estos programas del DOE fue la péntada de elementos múltiples. Cada elemento de péntada (4 en1) utiliza cuatro corrientes de gas a alta velocidad que chocan contra una corriente central de lodos de carbón. Los cuatro orificios de la corriente de gas se colocaron separados 90 grados unos de los otros en un círculo que rodeaba el orificio central de lodos de carbón. El ángulo de choque entre un chorro de gas y la corriente central de lodos de carbón era normalmente de 30 grados. Cada elemento de la péntada estaba dimensionado para fluir aproximadamente con 4 ton / h (es decir, 100 toneladas / día) de carbón seco, de manera que un gasificador comercial operando con una capacidad de 3.600 ton / día utiliza aproximadamente 36 elementos de péntada.

En general, los inyectores de mezcla rápida conocidos para la gasificación del carbón que hacen chocar gas oxígeno o una mezcla de oxígeno y vapor contra una corriente de lodos son efectivos, pero se degradan rápidamente debido a las altas temperaturas de combustión del carbón / oxígeno que se producen muy cerca de la cara del inyector bajo las condiciones ambientales de oxidación local. Estas temperaturas de combustión pueden superar los 2760º C (5.000º F) en muchos casos. Además, tales inyectores de mezcla rápida conocidos son susceptibles a la obstrucción dentro de la corriente de lodos de carbón.

BREVE SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Se proporciona un gasificador que tiene una cámara de gasificación y un módulo de inyección, que incluye un separador de lodos de dos etapas y una placa de cara del inyector con un sistema de refrigeración incorporado en la misma, de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. El módulo inyector se utiliza para inyectar una corriente de lodos a alta presión en el interior de la cámara de gasificación y hacer chocar un reactivo a alta presión con la corriente de lodos a alta presión en el interior de la cámara de gasificación para generar una reacción de gasificación que convierte los lodos en un gas de síntesis.

En una realización preferida, el separador de lodos de dos etapas incluye una cavidad principal en la que se proporciona un corriente principal de lodos. La cavidad principal incluye una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa que dividen el flujo principal de lodos en una pluralidad de flujos secundarios de lodos que circulan en una pluralidad de cavidades secundarias que se extienden desde la cavidad principal en los extremos distales de los divisores de corriente de primera etapa. Cada cavidad secundaria incluye una pluralidad de divisores de flujo de segunda etapa que dividen cada flujo secundarios de lodos en una pluralidad de flujos terciarios de lodos que circulan en el interior de una pluralidad de tubos de inyección de lodos que se extienden desde las cavidades secundarias en los extremos distales de los divisores de flujo de segunda etapa. Los flujos terciarios se inyectan como corrientes de lodos a alta presión en la cámara de gasificación por medio de los tubos de inyección de lodos. El reactivo se hace chocar a alta presión contra cada corriente de lodos a alta presión por medio de una pluralidad de orificios anulares para choques incorporados en la placa de cara del inyector. Cada orificio anular para choques rodea uno de los tubos de inyección de lodos correspondiente, que se extienden a través de la placa de cara del inyector. En particular, cada orificio anular para choques produce una pulverización de forma anular a alta presión para choques que choca circunferencialmente contra la corriente de lodos correspondiente en 360º . Es decir, el reactivo choca contra la corriente de lodos en 360º completos.

La reacción de gasificación resultante genera temperaturas extremadamente altas y materia abrasiva, por ejemplo, escoria, en o cerca de la placa de cara del inyector. Sin embargo, el sistema de refrigeración incorporado en la placa de cara del inyector mantiene la placa de cara del inyector a una temperatura suficiente para reducir sustancialmente o impedir que se produzca daño en la placa de cara del inyector por alta temperatura y / o por materia abrasiva.

Las características, funciones y ventajas de la presente invención se pueden alcanzar de forma independiente en varias realizaciones de la presente invención, o se pueden combinar en todavía otras realizaciones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La presente invención se comprenderá de manera más completa a partir de la descripción detallada y de los dibujos que se acompañan, en los que:

la figura 1 es una vista isométrica de un sistema gasificador que incluye un módulo inyector y una cámara de gasificación, de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;

la figura 2 es una vista en sección de un separador de lodos de dos etapas incluido en el módulo inyector que se muestra en la figura 1;

la figura 3 es una vista en sección del módulo inyector que se muestra en la figura 1, que ilustra una realización de un sistema de refrigeración de una placa de cara del inyector del módulo inyector;

la figura 4 es una vista isométrica de una porción de la placa de cara del inyector que se muestra en la figura 3;

la figura 5 es una vista en sección del módulo inyector que se muestra en la figura 1, que ilustra otra realización de un sistema de refrigeración de la placa de cara del inyector;

la figura 6 es una vista isométrica de un lado del reactivo de una porción de la placa de cara del inyector que se muestra en la figura 5;

la figura 7 es una vista isométrica de un lado de gasificación de una porción de la placa de cara del inyector que se muestra en la figura 5, y la figura 8 es un diagrama de flujo que ilustra un método para gasificar materiales carbonosos utilizando el sistema gasificador que se muestra en la figura 1.

Los números de referencia correspondientes indican partes correspondientes en las distintas vistas de los dibujos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La descripción que sigue de las realizaciones preferidas es meramente de naturaleza ejemplar y de ninguna manera pretende limitar... [Seguir leyendo]

1. Un módulo inyector (14) para un gasificador (10) , comprendiendo el citado módulo inyector (14) :

un separador lodos de dos etapas (22) ;

una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) que se extiende desde el separador de lodos de dos etapas (22) ;

una placa de cara (30) del inyector que tiene los tubos inyectores de lodos (26) que se extienden a través de la misma e incluyendo un sistema de refrigeración para la refrigeración de la placa de cara (30) del inyector;

una pluralidad de orificios anulares para choques (34) incorporados en la placa de cara (30) del inyector, rodeando cada orificio anular para choques (34) a un tubo de inyección de lodos correspondiente (26) .

2. El módulo inyector (14) de la reivindicación 1, en el que el separador de lodos de dos etapas (22) comprende:

una cavidad principal (38) que incluye una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa (42) , y una pluralidad de cavidades secundarias (46) que se extienden desde la cavidad principal (38) en los extremos distales de los divisores de flujo de primera etapa (42) , incluyendo cada cavidad secundaria (46) una pluralidad de divisores de flujo de segunda etapa (50) , en el que una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) se extienden desde cada una de las cavidades secundarias (46) en los extremos distales de los divisores de flujo de segunda etapa (50) .

3. El módulo inyector (14) de la reivindicación 1 ó 2, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una pantalla metálica porosa que tiene los orificios anulares para choques (34) que se extiende a su través y el sistema de refrigeración comprende la pantalla metálica porosa que es enfriada por transpiración por los reactivos que circulan a través de la placa de cara (30) .de pantalla metálica porosa.

4. El módulo inyector (14) de la reivindicación 1 ó 2, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una placa del lado del reactivo (70) , una placa del lado del gasificador (74) y un pasaje de refrigerante (78) entre la placa del lado del reactivo (70) y la placa del lado del gasificador (74) y el sistema de refrigeración comprende el pasaje de refrigerante (78) a través del cual se pasa un refrigerante para enfriar la placa del lado del gasificador (74) .

5. El módulo inyector (14) de la reivindicación 4, en el que placa del lado del gasificador (74) está compuesta por un metal de transición.

6. El módulo inyector (14) de la reivindicación 4 o 5, en el que el módulo inyector (14) incluye, además, una pluralidad de elementos cónicos para choques (98) que se extienden a través de ambas placa del lado del reactivo

(70) y placa del lado del gasificador (74) , estando ajustado cada elemento cónico para choques (98) en un extremo de uno de los tubos de inyección de lodos (26)

7. El módulo inyector (14) de la reivindicación 6, en el que cada elemento cónico para choques (98) incluye uno de los orificios anulares para choques (34) .

8. Un sistema gasificador (10) , comprendiendo el citado gasificador (10) :

una cámara de gasificación (18) en la que una corriente de lodos secos a alta presión choca contra un reactivo a alta presión para generar una reacción de gasificación que convierte el lodo seco en un gas de síntesis, y un módulo inyector (14) como se ha reivindicado en la reivindicación 1, acoplado a la cámara de gasificación (18) para inyectar una corriente de lodos secos a alta presión en la cámara de gasificación (18) y el reactivo a alta presión choca contra la corriente de lodos secos a alta presión, en el que el pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) están adaptados para inyectar los lodos secos en la cámara de gasificación (18) , en el que el sistema de refrigeración es para la refrigeración de la placa de cara (30) , de manera que la placa de cara (30) pueda soportar las altas temperaturas y la abrasión generadas por la reacción de gasificación, y en el que la pluralidad de orificios anulares para choques (34) están adaptados para chocar contra el reactivo en la corriente de lodos secos inyectada por el tubo de inyección de lodos (26) correspondiente para generar la reacción de gasificación.

9. El sistema gasificador (10) de la reivindicación 8, en el que el separador de lodos de dos etapas (22) comprende una cavidad principal (38) que incluye una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa (42) adaptados para dividir y dirigir un flujo principal de lodos secos en una pluralidad flujos secundarios que circulan a una pluralidad de cavidades secundarias (46) que se extienden desde la cavidad principal (38) en los extremos distales de los divisores de flujo de primera etapa (42) .

10. El sistema gasificador (10) de la reivindicación 9, en el que las cavidades secundarias (48) del separador de lodos de dos etapas (22) incluye una pluralidad de divisores de flujo de segunda etapa (50) adaptados para dividir y dirigir los flujos secundarios en una pluralidad de flujos terciarios que circulan en los tubos de inyección de lodos (26) que se extienden desde cada una de las cavidades secundarias (46) en los extremos distales de los divisores de flujo de segunda etapa (50) .

11. El sistema gasificador (10) de la reivindicación 8, 9 o 10, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una pantalla metálica porosa que tiene orificios anulares para choques (34) que se extiende a su través y el sistema de refrigeración comprende la placa de cara (30) del inyector de pantalla metálica porosa que está enfriada por transpiración de los reactivos que circulan a su través.

12. El sistema gasificador (10) de la reivindicación 8, 9 o 10, en el que la placa de cara (30) del inyector comprende una placa del lado del reactivo (70) , una placa del lado del gasificador (74) y un pasaje de refrigerante (78) entre las mismas y el sistema de refrigeración comprende el pasaje de refrigerante (78) a través del cual circula el refrigerante para enfriar la placa del lado del gasificador (74) .

13. El sistema gasificador (10) de la reivindicación 12, en el que la placa del lado del gasificador (74) está compuesta por un metal de transición.

14. El sistema gasificador de la reivindicación 12 o 13, en el que el módulo inyector (14) incluye, además, una pluralidad de elementos cónicos para choques (98) que se extienden a través de la placa del lado del reactivo (70) , el pasaje de refrigerante (78) y la placa del lado del gasificador (74) , estando ajustado cada elemento cónico para choques (98) en un extremo de uno de los tubos de inyección de lodos (26) .

15. El sistema gasificador (10) de la reivindicación 14, en el que cada elemento cónico para choques (98) incluye uno de los orificios anulares para choques (34) .

16. Un método para gasificar un material carbonoso, comprendiendo el citado método:

suministrar un flujo principal de lodos a una cavidad principal (38) de un separador de lodos de dos etapas (22) de un módulo inyector (14) ;

dividir el flujo principal de lodos en una pluralidad de flujos secundarios de lodos que circulan a una pluralidad de cavidades secundarias (46) que se extienden desde la cavidad principal (38) en los extremos distales de una pluralidad de divisores de flujo de primera etapa (42) ;

dividir cada flujo secundario de lodos en una pluralidad de flujos terciarios de lodos que circulan hacia una pluralidad de tubos de inyección de lodos (26) que se extiende desde cada cavidad secundaria (46) en los extremos distales de una pluralidad de divisores de flujo (50) de segunda etapa;

inyectar los flujos terciarios de lodos en una cámara de gasificación (18) acoplada al módulo inyector (14) , por medio de los tubos de inyección de lodos (26) ;

hacer chocar cada una de una pluralidad de pulverizaciones de forma anular de un reactivo contra un flujo correspondiente de los flujos terciarios de lodos en el interior de la cámara de gasificación (18) , por medio de una pluralidad de orificios anulares para choques (34) incorporados en una placa de cara (30) del módulo inyector (14) , en el que cada orificio para choques (34) rodea a un tubo inyector de lodos (26) correspondiente, y enfriar la placa de cara (30) de manera que la placa de cara (30) pueda soportar las altas temperaturas y la abrasión causadas por una reacción de gasificación generada al hacer chocar el reactivo con los flujos terciarios de lodos.

17. El método de la reivindicación 16, en el que el enfriamiento de la placa de cara (30) del módulo inyector comprende:

fabricar la placa de cara (30) metálica porosa, y hacer transpirar el reactivo a través de la placa de cara metálica porosa (30) .

18. El método de la reivindicación 17, en el que hacer chocar cada pulverización de forma anular de reactivo comprende:

formar los orificios anulares para choques (34) en el interior de la placa de cara (30) metálica porosa, y forzar el reactivo a través de cada orificio anular para choques (34) .

19. El método de la reivindicación 16, en el que el enfriamiento de la placa de cara (30) del inyector comprende: construir la placa de cara (30) para que incluya una placa del lado del reactivo (70) , una placa del lado del gasificador (74) y un pasaje de refrigerante (78) entre las mismas, y hacer pasar un refrigerante a través del pasaje de refrigerante (78) para enfriar la placa del lado de gasificación (74) . 5

20. El método de la reivindicación 19, en el hacer chocar cada pulverización de forma anular de reactivo comprende:

ajustar una pluralidad de elementos cónicos para choques (98) en el interior de la placa de cara (30) del módulo inyector de tal manera que cada elemento cónico para choques (98) se extienda a través de la placa del lado reactivo (70) , del pasaje de enfriamiento (78) y de la placa del lado del gasificador (74) , en el que cada elemento cónico (98) incluye uno de los orificios anulares para choques (34) ; y forzar al reactivo a través de cada orificio anular para choques (34) .