等離子體點火進料噴嘴的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于氣化爐、熔爐或其他反應器容器的等離子體進料噴嘴。
【背景技術】
[0002]等離子體氣化反應器(有時被稱作PGR)是一種已知的熱解反應器，其被用來處理各種材料，包括例如，金屬廢料、具有危險性的廢料、其他城市廢料或工業廢料和填埋廢料、以及植物廢料或生物質材料，以得到有用的材料例如金屬或合成氣體(合成氣)或玻璃化不合乎需要的廢料從而更易于處置。在本說明書中，“等離子體氣化反應器”和“PGR”用來指應用于氣化或玻璃化或者應用于氣化和玻璃化的基本類型相同的反應器。除非另有內容指示，否則本文所使用的術語例如“氣化爐”或“氣化”可以理解為可選地或附加地適用于“玻璃化爐”或“玻璃化”，反之亦然。
[0003]在例如Dighe等的于2009年12月15日授權、發明名稱為“System and Processfor Upgrading Heavy Hydrocarbons” 的美國專利 US7632394 ；Dighe 等的發明名稱為“System and Process for Reduct1n of Greenhouse Gas and Convers1n ofB1mass”的公開號為US2009/0307974的美國專利申請；和Dighe等的發明名稱為“PlasmaGasificat1n Reactor”的公開號為US2010/0199557的美國專利申請中介紹了 PGR及其各種用途，所有這些有關PGR及其實施方法的介紹通過引用而并入本文。
[0004]來自電弧的熱量可以輸送到沖天爐、熔爐或其他反應器容器中，以通過提供非常高溫的氣流來增強其運行，所述氣流可以是氧化性或還原性的，并且還可以與顆粒狀材料混合。電弧可以在等離子體焰炬中產生，其中電弧將從等離子體焰炬的端部吹出的氣體電離，產生通常在例如10，000 °?或5，538°C的范圍內運行的高溫氣流。
[0005]來自電弧的熱量能夠借助于過熱氣體(等離子體)而傳送至氣化爐或熔爐。如美國專利US4761793所述的進料噴嘴可用于將大量的熱能引導至沖天爐或其他熔爐。美國專利US4530101中介紹的進料噴嘴是行之有效的，但是其在功能長度上受到限制(即，等離子體焰炬與氣化爐或熔爐中的焦床(coke bed)之間的距離受到限制)。為了傳送來自等離子體焰炬的熱能，帶有管狀或錐形腔室的進料噴嘴可與保護氣體結合使用，所述保護氣體將過熱氣流與腔室的壁隔離。希望確保過熱氣流相對于腔室長度保持在軸向上，否則過熱氣流對腔室壁的沖擊可能導致腔室壁的機械故障。腔室壁典型地為水冷并且用耐火材料鑄造。該腔室的長度越長，從過熱氣流到水冷的腔室壁損失的能量就越多。水冷的這種熱損失降低了整個過程的效率。

【發明內容】

[0006]在一個方面，本發明提供一種設備，所述設備包括:風嘴腔室；等離子體焰炬，其構造成用以產生過熱氣體并將過熱氣體沿軸向方向引導到所述風嘴腔室中；和保護氣體入口組件，所述保護氣體入口組件構造成用以將保護氣體引導到所述風嘴腔室中，其中，保護氣體的第一部分與過熱氣體同軸地噴射，保護氣體的第二部分噴射作為保護風嘴壁的旋流。
[0007]在另一個方面，本發明提供一種設備，所述設備包括:風嘴腔室；等離子體焰炬，其構造成用以產生過熱氣體并將過熱氣體沿軸向方向引導到所述風嘴腔室中；和保護氣體入口組件，所述保護氣體入口組件包括環繞所述等離子體焰炬的通道和在所述等離子體焰炬周圍的用于在過熱氣體周圍噴射保護氣體的開口。
[0008]在另一個方面，本發明提供一種設備，所述設備包括:風嘴腔室；等離子體焰炬，其構造成用以產生過熱氣體并將過熱氣體沿軸向方向引導到所述風嘴腔室中；和保護氣體入口組件，所述保護氣體入口組件包括環繞所述等離子體焰炬的通道和在所述等離子體焰炬周圍的用于在過熱氣體周圍噴射保護氣體的多個葉片。
[0009]在另一個方面，本發明提供一種設備，所述設備包括:風嘴腔室，所述風嘴腔室構造成定位在等離子體焰炬附近；多個氣體噴嘴，所述多個氣體噴嘴定位在所述風嘴腔室的壁附近以用于噴射保護氣體，其中，所述氣體噴嘴沿切線方向引導保護氣體以使保護氣體沿著所述風嘴腔室的壁螺旋運動。
【附圖說明】
[0010]圖1是等離子體氣化反應器的示例的局部剖視的正視圖。
[0011]圖2是等離子體焰炬及相關聯的風嘴的示意性截面圖。
[0012]圖3是風嘴和保護氣體入口組件的局部剖視的示意性分解圖。
[0013]圖4是風嘴和保護氣體入口組件的一部分的示意性截面圖。
[0014]圖5是圖4中的保護氣體入口組件的示意性截面圖。
[0015]圖6是風嘴和保護氣體入口組件的一部分的示意性截面圖。
[0016]圖7是圖6中的保護氣體螺旋入口組件沿線7-7截取的示意性截面圖。
[0017]圖8至圖15是各種風嘴和保護氣體入口組件的示意性截面圖。
[0018]圖16是風嘴和保護氣體入口組件的局部剖視的示意性分解圖。
[0019]圖17是帶有多個保護氣體噴嘴的風嘴的一部分的截面圖。
[0020]圖18是圖17中的風嘴沿線18-18截取的截面圖。
【具體實施方式】
[0021]在一個方面，本發明涉及等離子體焰炬組件，所述等離子體焰炬組件能與反應器容器例如氣化反應器或玻璃化反應器組合使用。
[0022]在各種實施例中，等離子體焰炬構造成用以向腔室輸送高溫氣流的射流或羽流(也被稱作過熱氣流)，等離子體焰炬與在過熱氣流周圍輸送相對低溫的氣體(即保護氣體)的結構(即保護入口組件)組合使用。保護入口組件可以輸送圍繞過熱氣流的兩種或更多種低溫氣流的組合。保護入口組件可以連接至風嘴的管狀或錐形腔室(在任一端部都帶有開口)，所述風嘴將所有氣流傳輸到氣化爐或熔爐的工藝中。該腔室可以襯有耐火材料，并且可以由流體冷卻，潛在地可以利用能夠嵌入在耐火材料中的水套或管狀冷卻盤管進行冷卻。風嘴腔室內的氣流可以被引導成使得過熱氣體保持在中心并沿著中心軸線流動，并且保護氣體在過熱氣體和腔室壁之間流動。
[0023]圖1是可用于氣化和/或玻璃化各種工藝材料的等離子體氣化反應器(PGR)的示例。操作這樣的PGR的一種方式是用于使材料氣化以從進給材料生成合成氣體。作為示例，進給材料可以包括一種或多種材料例如生物質材料、城市固體廢物(MSW)、煤炭、工業廢料、醫用廢料、具有危險性的廢料、輪胎和焚燒爐灰。在有些設施中，PGR能夠產生包含有效量的氫和一氧化碳的合成氣，以便后續用作燃料。
[0024]圖1的反應器在其右半部分以剖面示出，所述反應器包括反應器容器、熔爐或沖天爐10，其中通常包括襯有耐火材料14的鋼殼12。一個或多個端口 16設置用于工藝材料送入到反應器容器中。底部部分18包含碳床(carbonaceous bed)，在碳床上方是用于工藝材料的料床(charge bed)的部分，所述工藝材料例如是生物質材料、城市固體廢物(MSW)、煤炭、工業廢料、醫用廢料、具有危險性的廢料、輪胎和焚燒爐灰，料床上方具有稀相區20，稀相區向上延伸至爐頂22。一個或多個出口例如管道24可用于從容器抽取合成氣。容器可以包括位于頂部部分附近的局部水淬區域，所述局部水淬區域在上升氣體離開容器前對其進行冷卻。
[0025]反應器容器10的圍起碳床的部分18具有一個或多個(通常是兩個到八個)噴嘴
26(有時可選地被稱作端口或風嘴)以及用于將高溫等離子體加熱氣體噴射到碳床和/或料床中的等離子體焰炬(未示出)。風嘴26也可以設置成引入另外的可能需要的工藝材料以用于在碳床和料床的材料當中進行反應，另外的工藝材料例如是氣體、液體、蒸氣或微細的固體顆粒物。反應器容器10還在底部容納熔渣，并包括熔渣出口 28，也叫做出渣口。
[0026]反應器容器10的在料床周圍并且在碳床上方的一部分還可以包括一些附加的噴嘴或風嘴30、32、34、36，這些噴嘴或風嘴30、32、34、36通常不包含等離子體焰炬，而是設置用于根據需要將另外的工藝材料例如氣體、液體、蒸氣或固體顆粒形式的材料引入到料床中。噴嘴36和附加的噴嘴38可用于引燃燃燒器。實際的反應器容器可以包括其他的與本發明無關的元件。但是，本發明并不局限于具有這樣的構造的反應器。
[0027]圖2是包括等離子體焰炬40的實施例的示意性截面圖，所述等離子體焰炬40定位在風嘴44的入口 42附近。風嘴安裝在反應器容器10的壁中并限定腔室46。在各種實施例中，所述腔室可以具有圓柱形或截