专利名称：反应容器和衬里的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种反应容器和经冷却的衬里。
背景技术：
反应容器(诸如，用于产生合成气的含碳燃料气体发生器)通常工作于高温。例 如，含碳燃料气体发生器中的温度可超过3000° F(1649°C )。反应容器可包括内部衬里，该 内部衬里保护反应容器免受高温的影响，在衬里处高温可能大于1200° F(649°C )。已知各种不同类型的衬里。例如，一种类型的衬里包括使反应容器与高温隔离的 耐火砖。然而，使用耐火砖的一个缺点在于耐火砖可能在相对较短的时间内损坏并且需要 替换，这增加了反应容器的运行费用。另外，运用耐火砖的反应容器可能需要相对较长的预 热或冷却时间以避免热冲击损坏。气体发生器反应容器中的另一类型的衬里称为薄膜壁，包括涂覆着陶瓷复合物 (典型地，基于金刚砂的搪炉料(ramming mix))的管的夹套；并且其利用经低温冷却或过 冷(sub-cool)的水、或者沸腾的水而得以被冷却。这种经冷却的薄膜壁衬里方法提供了一 种用以保护衬里的冻结的炉渣层，据称导致了相对较长的衬里寿命。然而，这种衬里方法是 复杂的，并且成本显著高于耐火砖衬里的气体发生器。第三种类型的衬里是经冷却的陶瓷基体复合材料(CMC)衬里，该衬里包括单个 CMC管/通道、或组合在一起的CMC通道。陶瓷板接合到金属反应容器、或接合到与反应容 器一起使用的其它金属部件，诸如冷却剂入口和返回通路。虽然可以有效冷却并且比耐火 砖更耐用，但在CMC部件与所附连的反应容器或部件的金属之间的热膨胀失配可能妨碍实 现长使用寿命的反应容器衬里设计的能力。
发明内容
所披露的例子在提供与薄膜壁衬里相关联的长使用寿命和耐火砖衬里式反应器 的低成本的同时，提供了一种相对简单的便于减小热应力的反应容器系统和衬里系统布置。—种示例性反应容器衬里系统包括衬里，具有用于传送冷却剂的多个第一导管 和多个第二导管。所述多个第二导管至少部分地位于所述多个第一导管中的相应第一导管 中。例如，所述多个第一导管和所述多个第二导管对反应容器系统的容器壁加衬，并使冷却 剂循环以由此冷却反应容器。一种用于冷却反应容器系统的示例性方法包括通过衬里的所述多个第一导管和 第二导管来传输冷却剂。
根据下面对当前优选实施例的详细描述，本发明的各种特征和优点对于本领域技 术人员而言将会变得显而易见。伴随详细描述的附图能够简要描述如下
图1示出示例性反应容器系统；图2示出第一导管和第二导管的示例性布置；图3示出装配到各相应模块中的示例性第一导管和第二导管；图4示出示例性反应容器系统的剖面图；图5示出安放在每个单独第一导管周围的示例陶瓷外壳或护套。
具体实施例方式图1示出示例性反应容器系统10的所选择的部分，诸如用于产生合成气的含碳燃料气体发生器。应该理解，示出的示例性反应容器系统10可以包括另外的部件，诸如那些 与供给含碳燃料和反应气体相关的部件。反应容器系统10包括反应容器12，反应容器12 具有包含在容器壁14中的气体发生器喷射器13(图4)。例如，反应容器12可用于包含产 生超过3000° F(1649°C )的温度和在容器壁14的内表面附近的1200° F(649°C )或更高 温度的反应。在这个方面，反应容器系统10包括衬里16，衬里16用于保护容器壁14免受 反应容器12内的高温的影响。如将要进行的描述所述，衬里16提供了用于在反应容器12的容器壁14处维持住 所希望的温度的一种相对简单的组件，并便于减小衬里16与反应容器系统10的其它部件 之间的热应力。可以理解，根据本公开的衬里16是示例性的，并且根据这种描述，变型和修 改可以对于本领域技术人员而言是显而易见的。衬里16包括多个第一导管18和多个第二导管20，所述多个第一导管18和多个第 二导管20互相协作地经衬里16传送冷却剂(诸如，水或水混合物)以控制温度。入口歧管22和出口歧管24围绕反应容器系统10的周界而延伸。入口歧管把冷 却剂输送给衬里16，出口歧管24从衬里16收集冷却剂。例如，泵26可用于经供应管线28 把冷却剂传送给入口歧管22，并使冷却剂经导管18和20循环。冷却剂从出口歧管24排出 到出口管线30，并且可以随后被冷却并经衬里16重新循环，或者例如可以用作输入到反应 容器12内的反应物。图2示出第一导管18中的一个导管和第二导管20中的相应一个导管的示例性布 置。可以理解，其它第一导管18和第二导管20可以同样地布置。第一导管18包括外管 32，第二导管20包括在外管32内部延伸的内管34。环形通路35a在外管32与内管34之 间延伸，并且内通路35b延伸通过内管34。虽然所示例子的管32和34是同轴的，但在其 它例子中管32和34可以轴向偏移。另外，根据特定应用的需要，管32和34可以是非圆形 的。为了提高冷却效率和为了在中心管内维持住内管的适当对齐，则可以使用定心装置。在 图2示出的例子中，线35按螺旋形缠绕每个内管34以用作介于内管34和外管32之间的 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是敞开的、 并与入口歧管22成流体连通，从而使得入口歧管22平行地把冷却剂供应到每个外管32。 平行供应冷却剂便于均勻地冷却衬里16。第二末端部段36b包括封闭住第二末端部段36b 的一种端盖38。端盖38可与外管32 —体地形成，或者可以是固定到第二末端部段36b的
单独零件。内管34包括对输出歧管24打开的第一末端部分40a、和也是打开的第二末端部段40b。冷却剂从入口歧管22经外管32的环形通路35a朝着末端部段36b流动，如箭头42所 示。如箭头44所示，端盖38使冷却剂转而流入内管34的末端部段40b的内通路35b。冷 却剂经内管34向上流入出口歧管24。当冷却剂流经介于外管32和内管34之间的环形通路35a时，冷却剂从反应容器 12吸收热量以在容器壁14处维持住所希望的温度，并且维持第一导管18处于有助于长使 用寿命的温度。通过对于给定的冷却剂流率提供相对较高的冷却剂速度，环形通路35a便 于有效的热量吸收。因此，效率由冷却剂速度而非热吸收来限制，并且与现有的放流式或敞 喷式(open flow)衬里相比，流率要求能够有所降低。可以理解，泵26可用于控制冷却剂的流率以由此控制向衬里16提供的冷却的程 度。另外，可以在设计阶段选择管32和34以及通路35a和35b的直径和长度以提供所希 望的流率和相应的冷却程度。例如，管32和34的长度近似为3ft.至15ft. (0. 9m至46m)。 另外，能够选择冷却剂温度在 最佳水平以使热量集成到周围过程，这受到由第一导管18的 机械性质带来的约束、并且应该避免在从气体发生器进入到第一导管18的给定热通量的 沸腾(boil out)。虽然关于冷却剂流动的方向显示了反应容器系统10的特定布置，但应该理解，这 里的例子不限于任何特定流动方向。因此，另一方面，能够以相反的流动方向供应冷却剂。 然而，在一个例子中，在冷却剂从不直接暴露的衬里16的其它部分(S卩，内管34)吸收热量 之前，通过首先使来自入口歧管22的冷却剂暴露于直接暴露在反应容器12内的高温下的 衬里16的最高温度部分(即，外管32)，如图2中所示提供冷却剂会便利温度控制。参照图3，外管32和内管34可以装配到那些便于装配于反应容器系统10内的各 相应模块48a和48b中。例如，支撑构件50可用于把外管32布置成环形构造52。支撑构 件50可以是焊接、钎接/钎焊或以其它方式结合到至少一些外管32处的结构外壳、带、环 形板等。支撑构件50还便于在反应容器系统10的工作期间防止外管32的弯曲。每个外 管32在每一侧上接触着相邻的外管32以限制外管32之间的气流。以下将要讨论，支撑构 件50可以由与外管32相同的材料制作。内管34也使用另一支撑构件56布置成环形构造54。在这个例子中，支撑构件56 是与内管34的末端40a固定在一起的环形板。可以理解，内管34的末端40a不需要与支 撑构件56的顶表面相平齐、并且可以根据特定应用的需要延伸至顶表面上方。通过使管32和34沿预定方位对齐并提供较少的用于装配的零件，模块48a和48b 便于装配到反应容器系统10中。例如，在模块48a和48b中对管32和34确定方位，从而 使得它们的纵向方向58近似平行。模块48a和48b可随后设置于反应容器12中，从而使 得内管34在外管32中的相应外管内延伸。应该理解，所披露的布置不限于将管32和34 作为模块而装配，并且可以使用其它布置和装配方法。参照图4，外管32和内管34固定在反应容器12内。在这个例子中，支撑构件50 和56用于固定住管32和34。然而，应该理解，可以使用支撑和固定所述管32和34的其它 方法，并且管32和34的布置不限于所披露的附连方法。例如，使用夹紧系统60来在反应 容器12中固定住管32和34。夹紧系统60包括夹紧着支撑构件50和56的第一夹紧构件 62和第二夹紧构件64，夹紧系统60还形成入口歧管22和出口歧管24的一部分。在这个 例子中，支撑构件50固定在夹紧系统60内。然而，在其它例子中，支撑构件50可改为诸如通过焊接或钎接而固定到容器壁14。在支撑构件50和56之间可使用分隔件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的顶壁72处可使用密封件68和密封件托架70以便于实现无泄 漏连接。衬里16便于消除或减小热应力。外管32的第一末端部段36a经由支撑构件50 而固定到反应容器14，并且内管34的第一末端部段40a经由支撑构件56而固定到反应容 器14。各管32和34的第二末端部段36b和40b为非固定的，从而使得管32和34的任何 热生长不受约束以由此避免引起热应力。因此，任何热应力限于衬里16的被夹紧在夹紧系 统60中的部分。在示出的例子中，外管32、内管34或者它们二者可以由相对比较抗腐蚀的金属材 料形成。例如，该金属材料可以包括钴合金。在其它例子中，外管32可以由陶瓷基体复合 材料形成。例如，陶瓷基体复合材料可以包括金刚砂、或其它类型的陶瓷基体材料。任选地，至少外管32还可以包括涂层80 (图2)用以保护外管32免受侵蚀和腐蚀， 和/或用于便利在外管32上形成炉渣层。虽然一层炉渣可能形成在外管32上，但涂层80 指的是外管32上的预先沉积层，而非炉渣。例如，涂层80可包括金属合金。在另一例子中， 涂层80可包括MCrAlY，其中M包括镍、钴、铁中的至少一种或它们的组合，Cr是铬，Al是铝， Y是钇。在另一例子中，涂层80可以是STELLITE 、多铝红柱石、金刚砂、硅酸钇或它 们的组合。另外，涂层80可以是不同涂层材料的一个或多个涂层的复合物。涂层80可以 使用用于所选择的涂层材料类型的任何适合工艺(诸如，热喷涂或注浆成型)而沉积在外 管32上。另外，涂层80可包括施用或涂覆在外管32上的捣打混合物(ramming compund) (即，耐火材料)以便于在外管32的外表面处形成保护炉渣层，其具有或不具有固定装置 (诸如突起90或其它突出部分)。根据这种描述，本领域技术人员将会认识到满足他们特 定需要的适合的沉积工艺。至少一些外管32还可以包括从外管32的外表面向外延伸的突起90 (图2)或类 似的突出部分(诸如，桩、片、螺纹或其它固定装置)。例如，突起90用作使炉渣粘附于外管 32的固定装置。炉渣可在外管32上方形成另外的保护层。参照图5，在每个外管32周围可另外使用陶瓷外壳100。例如，陶瓷外壳100可由 滑动配合到外管32、或钎接到外管32的一种单片陶瓷或陶瓷基体复合材料形成。陶瓷外壳 100进一步限制到容器壁14的气流，如果不进行限制，所述气流原本可能导致容器壁14的 侵蚀或腐蚀。本说明书中可能相对于几何形状、距离、温度、位置等使用近似的术语(诸如，“大 约”或“近似”)，其指的是给定值的可能变化，诸如本领域中通常接受的变化或公差。虽然在示出的例子中显示了特征的组合，但不需要组合所有特征来实现本公开的 各实施例的益处。换句话说，根据本公开的实施例设计的系统将不必包括在任何一个附图 中示出的所有特征、或者在附图中示意性地示出的所有部分。此外，所选择的一个示例性实 施例的特征可以与所选择的其它示例性实施例的特征相组合。前面的描述是示例性的而非限制性的。在不必脱离本公开的本质的情况下，对所 披露的例子的变型和修改对于本领域技术人员而言可以变得显而易见。通过研究下面的实 施例能够确定给予本公开的法律保护范围。
权利要求
一种反应容器衬里系统，包括衬里，具有用于传送冷却剂的多个第一导管和多个第二导管，其中所述多个第二导管至少部分地位于所述多个第一导管中的相应第一导管中。
2.根据权利要求1所述的反应容器衬里系统，其中所述多个第一导管包括外管，且所 述多个第二导管包括至少部分地在外管中的相应外管内延伸的内管。
3.根据权利要求2所述的反应容器衬里系统，其中每个外管各自包括介于外管与相应 内管之间的环形通路，且每个内管包括内通路。
4.根据权利要求3所述的反应容器衬里系统，其中每个外管的环形通路与相应内管的 内通路成流体连接。
5.根据权利要求2所述的反应容器衬里系统，其中每个外管包括端盖。
6.根据权利要求2所述的反应容器衬里系统，其中外管布置为环形构造，从而使得外 管的纵向方向近似平行。
7.根据权利要求6所述的反应容器衬里系统，还包括支撑构件，其围绕所述环形构造 而沿圆周延伸，并结合到外管的至少一部分。
8.根据权利要求2所述的反应容器衬里系统，还包括定心装置，其位于所述多个第一 导管和所述多个第二导管之间，用于在所述多个第一导管内维持住所述多个第二导管的所 希望的对齐。
9.根据权利要求1所述的反应容器衬里系统，其中所述多个第一导管、所述多个第二 导管或它们二者包括金属。
10.根据权利要求9所述的反应容器衬里系统，其中所述金属包括钴合金。
11.根据权利要求1所述的反应容器衬里系统，其中所述多个第一导管、所述多个第二 导管或它们二者包括陶瓷基体复合材料。
12.根据权利要求11所述的反应容器衬里系统，其中所述陶瓷基体复合材料包括金刚砂。
13.根据权利要求1所述的反应容器衬里系统，其中所述多个第一导管包括非炉渣涂层。
14.根据权利要求13所述的反应容器衬里系统，其中所述涂层包括金属合金或陶瓷材 料中的至少一种。
15.根据权利要求14所述的反应容器衬里系统，其中所述涂层是陶瓷材料，并且陶瓷 材料包括捣打混合物。
16.根据权利要求1所述的反应容器衬里系统，其中所述多个第一导管中的至少一部 分包括从它们延伸的突起。
17.根据权利要求1所述的反应容器衬里系统，还包括陶瓷外壳，其至少部分地在所 述多个第一导管周围延伸。
18.一种反应容器系统，包括 反应容器，包括容器壁；衬里，其对容器壁加衬，该衬里具有用于传送冷却剂的多个第一导管和多个第二导管， 其中所述多个第一导管至少部分地位于所述多个第一导管中的相应第一导管中。
19.根据权利要求18所述的反应容器系统，还包括入口歧管和出口歧管，与所述多个2第一导管和所述多个第二导管成流体连接。
20.根据权利要求19所述的反应容器系统，其中所述入口歧管平行地与所述多个第一 导管相连接，所述出口歧管平行地与所述多个第二导管相连接。
21.根据权利要求19所述的反应容器系统，其中所述入口歧管和所述出口歧管完全地 围绕着反应容器的周界而延伸。
22.根据权利要求18所述的反应容器系统，其中所述多个第一导管和所述多个第二导 管中的每一个包括与反应容器固定在一起的第一末端和自由的第二末端。
23.一种用于冷却反应容器系统的衬里的方法，该方法包括 通过衬里的多个第一导管传输冷却剂以冷却衬里；和通过衬里的多个第二导管传输冷却剂，其中所述多个第二导管至少部分地位于所述多 个第一导管中的相应第一导管内。
24.根据权利要求23所述的方法，包括平行地把冷却剂供应给所述多个第一导管。
全文摘要
一种反应容器衬里系统包括衬里，具有用于传送冷却剂的多个第一导管和多个第二导管。所述多个第二导管至少部分地位于所述多个第一导管中的相应第一导管中。
文档编号C01B3/36GK101959593SQ200980107628
公开日2011年1月26日 申请日期2009年1月8日 优先权日2008年3月4日
发明者B·W·麦克纳尼, K·M·斯普劳斯, S·A·尤斯, S·P·富塞尔曼 申请人:普拉特及惠特尼火箭达因公司