等离子体点火进料喷嘴的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于气化炉、熔炉或其他反应器容器的等离子体进料喷嘴。
【背景技术】
[0002]等离子体气化反应器(有时被称作PGR)是一种已知的热解反应器，其被用来处理各种材料，包括例如，金属废料、具有危险性的废料、其他城市废料或工业废料和填埋废料、以及植物废料或生物质材料，以得到有用的材料例如金属或合成气体(合成气)或玻璃化不合乎需要的废料从而更易于处置。在本说明书中，“等离子体气化反应器”和“PGR”用来指应用于气化或玻璃化或者应用于气化和玻璃化的基本类型相同的反应器。除非另有内容指示，否则本文所使用的术语例如“气化炉”或“气化”可以理解为可选地或附加地适用于“玻璃化炉”或“玻璃化”，反之亦然。
[0003]在例如Dighe等的于2009年12月15日授权、发明名称为“System and Processfor Upgrading Heavy Hydrocarbons” 的美国专利 US7632394 ；Dighe 等的发明名称为“System and Process for Reduct1n of Greenhouse Gas and Convers1n ofB1mass”的公开号为US2009/0307974的美国专利申请；和Dighe等的发明名称为“PlasmaGasificat1n Reactor”的公开号为US2010/0199557的美国专利申请中介绍了 PGR及其各种用途，所有这些有关PGR及其实施方法的介绍通过引用而并入本文。
[0004]来自电弧的热量可以输送到冲天炉、熔炉或其他反应器容器中，以通过提供非常高温的气流来增强其运行，所述气流可以是氧化性或还原性的，并且还可以与颗粒状材料混合。电弧可以在等离子体焰炬中产生，其中电弧将从等离子体焰炬的端部吹出的气体电离，产生通常在例如10，000 °?或5，538°C的范围内运行的高温气流。
[0005]来自电弧的热量能够借助于过热气体(等离子体)而传送至气化炉或熔炉。如美国专利US4761793所述的进料喷嘴可用于将大量的热能引导至冲天炉或其他熔炉。美国专利US4530101中介绍的进料喷嘴是行之有效的，但是其在功能长度上受到限制(即，等离子体焰炬与气化炉或熔炉中的焦床(coke bed)之间的距离受到限制)。为了传送来自等离子体焰炬的热能，带有管状或锥形腔室的进料喷嘴可与保护气体结合使用，所述保护气体将过热气流与腔室的壁隔离。希望确保过热气流相对于腔室长度保持在轴向上，否则过热气流对腔室壁的冲击可能导致腔室壁的机械故障。腔室壁典型地为水冷并且用耐火材料铸造。该腔室的长度越长，从过热气流到水冷的腔室壁损失的能量就越多。水冷的这种热损失降低了整个过程的效率。
【发明内容】
[0006]在一个方面，本发明提供一种设备，所述设备包括:风嘴腔室；等离子体焰炬，其构造成用以产生过热气体并将过热气体沿轴向方向引导到所述风嘴腔室中；和保护气体入口组件，所述保护气体入口组件构造成用以将保护气体引导到所述风嘴腔室中，其中，保护气体的第一部分与过热气体同轴地喷射，保护气体的第二部分喷射作为保护风嘴壁的旋流。
[0007]在另一个方面，本发明提供一种设备，所述设备包括:风嘴腔室；等离子体焰炬，其构造成用以产生过热气体并将过热气体沿轴向方向引导到所述风嘴腔室中；和保护气体入口组件，所述保护气体入口组件包括环绕所述等离子体焰炬的通道和在所述等离子体焰炬周围的用于在过热气体周围喷射保护气体的开口。
[0008]在另一个方面，本发明提供一种设备，所述设备包括:风嘴腔室；等离子体焰炬，其构造成用以产生过热气体并将过热气体沿轴向方向引导到所述风嘴腔室中；和保护气体入口组件，所述保护气体入口组件包括环绕所述等离子体焰炬的通道和在所述等离子体焰炬周围的用于在过热气体周围喷射保护气体的多个叶片。
[0009]在另一个方面，本发明提供一种设备，所述设备包括:风嘴腔室，所述风嘴腔室构造成定位在等离子体焰炬附近；多个气体喷嘴，所述多个气体喷嘴定位在所述风嘴腔室的壁附近以用于喷射保护气体，其中，所述气体喷嘴沿切线方向引导保护气体以使保护气体沿着所述风嘴腔室的壁螺旋运动。
【附图说明】
[0010]图1是等离子体气化反应器的示例的局部剖视的正视图。
[0011]图2是等离子体焰炬及相关联的风嘴的示意性截面图。
[0012]图3是风嘴和保护气体入口组件的局部剖视的示意性分解图。
[0013]图4是风嘴和保护气体入口组件的一部分的示意性截面图。
[0014]图5是图4中的保护气体入口组件的示意性截面图。
[0015]图6是风嘴和保护气体入口组件的一部分的示意性截面图。
[0016]图7是图6中的保护气体螺旋入口组件沿线7-7截取的示意性截面图。
[0017]图8至图15是各种风嘴和保护气体入口组件的示意性截面图。
[0018]图16是风嘴和保护气体入口组件的局部剖视的示意性分解图。
[0019]图17是带有多个保护气体喷嘴的风嘴的一部分的截面图。
[0020]图18是图17中的风嘴沿线18-18截取的截面图。
【具体实施方式】
[0021]在一个方面，本发明涉及等离子体焰炬组件，所述等离子体焰炬组件能与反应器容器例如气化反应器或玻璃化反应器组合使用。
[0022]在各种实施例中，等离子体焰炬构造成用以向腔室输送高温气流的射流或羽流(也被称作过热气流)，等离子体焰炬与在过热气流周围输送相对低温的气体(即保护气体)的结构(即保护入口组件)组合使用。保护入口组件可以输送围绕过热气流的两种或更多种低温气流的组合。保护入口组件可以连接至风嘴的管状或锥形腔室(在任一端部都带有开口)，所述风嘴将所有气流传输到气化炉或熔炉的工艺中。该腔室可以衬有耐火材料，并且可以由流体冷却，潜在地可以利用能够嵌入在耐火材料中的水套或管状冷却盘管进行冷却。风嘴腔室内的气流可以被引导成使得过热气体保持在中心并沿着中心轴线流动，并且保护气体在过热气体和腔室壁之间流动。
[0023]图1是可用于气化和/或玻璃化各种工艺材料的等离子体气化反应器(PGR)的示例。操作这样的PGR的一种方式是用于使材料气化以从进给材料生成合成气体。作为示例，进给材料可以包括一种或多种材料例如生物质材料、城市固体废物(MSW)、煤炭、工业废料、医用废料、具有危险性的废料、轮胎和焚烧炉灰。在有些设施中，PGR能够产生包含有效量的氢和一氧化碳的合成气，以便后续用作燃料。
[0024]图1的反应器在其右半部分以剖面示出，所述反应器包括反应器容器、熔炉或冲天炉10，其中通常包括衬有耐火材料14的钢壳12。一个或多个端口 16设置用于工艺材料送入到反应器容器中。底部部分18包含碳床(carbonaceous bed)，在碳床上方是用于工艺材料的料床(charge bed)的部分，所述工艺材料例如是生物质材料、城市固体废物(MSW)、煤炭、工业废料、医用废料、具有危险性的废料、轮胎和焚烧炉灰，料床上方具有稀相区20，稀相区向上延伸至炉顶22。一个或多个出口例如管道24可用于从容器抽取合成气。容器可以包括位于顶部部分附近的局部水淬区域，所述局部水淬区域在上升气体离开容器前对其进行冷却。
[0025]反应器容器10的围起碳床的部分18具有一个或多个(通常是两个到八个)喷嘴
26(有时可选地被称作端口或风嘴)以及用于将高温等离子体加热气体喷射到碳床和/或料床中的等离子体焰炬(未示出)。风嘴26也可以设置成引入另外的可能需要的工艺材料以用于在碳床和料床的材料当中进行反应，另外的工艺材料例如是气体、液体、蒸气或微细的固体颗粒物。反应器容器10还在底部容纳熔渣，并包括熔渣出口 28，也叫做出渣口。
[0026]反应器容器10的在料床周围并且在碳床上方的一部分还可以包括一些附加的喷嘴或风嘴30、32、34、36，这些喷嘴或风嘴30、32、34、36通常不包含等离子体焰炬，而是设置用于根据需要将另外的工艺材料例如气体、液体、蒸气或固体颗粒形式的材料引入到料床中。喷嘴36和附加的喷嘴38可用于引燃燃烧器。实际的反应器容器可以包括其他的与本发明无关的元件。但是，本发明并不局限于具有这样的构造的反应器。
[0027]图2是包括等离子体焰炬40的实施例的示意性截面图，所述等离子体焰炬40定位在风嘴44的入口 42附近。风嘴安装在反应器容器10的壁中并限定腔室46。在各种实施例中，所述腔室可以具有圆柱形或截