форсунка для газогенератора

Формула изобретения

1. Модуль форсунки для газогенератора, содержащий двухступенчатый разделитель потока двухкомпонентной смеси; трубы подачи двухкомпонентной смеси, проходящие от

двухступенчатого разделителя потока двухкомпонентной смеси;

лицевая пластина форсунки, сквозь которую проходят трубы подачи двухкомпонентной смеси, и которая содержит систему охлаждения, предназначенную для охлаждения пластины;

кольцевые сопла, встроенные в лицевую пластину форсунки, причем каждое кольцевое сопло окружает соответствующую трубу подачи двухкомпонентной смеси.

2. Модуль форсунки по п.1, в котором двухступенчатый разделитель потока двухкомпонентной смеси содержит

основную полость, содержащую рассекатели потока первой ступени, и

вторичные полости, отходящие от основной полости на дальних концах рассекателей первой ступени, причем каждая вторичная полость содержит рассекатели потока второй ступени, и трубы подачи двухкомпонентной смеси проходят от каждой вторичной полости на дальних концах рассекателей потока второй ступени.

3. Модуль форсунки по п.1, в котором лицевая пластина форсунки содержит пористую металлическую перегородку, в которой имеются проходящие сквозь нее сопла, и охлаждающая система содержит пористую металлическую перегородку, которая охлаждается в результате просачивания реагентов сквозь пористую металлическую лицевую пластину.

4. Модуль форсунки по п.1, в котором лицевая пластина форсунки содержит заднюю пластину, переднюю пластину и канал охлаждающей среды между задней и передней пластинами, и охлаждающая система содержит канал охлаждающей среды, через которую охлаждающая среда пропускается для охлаждения передней пластины.

5. Модуль форсунки по п.4, в котором передняя пластина содержит переходный металл.

6. Модуль форсунки по п.4, который дополнительно содержит конические элементы, проходящие сквозь заднюю пластину и переднюю пластину, причем каждый конический элемент установлен на конце каждой трубы подачи двухкомпонентной смеси.

7. Модуль форсунки по п.6, в котором каждый конический элемент содержит кольцевое сопло.

8. Установка для газификации, содержащая

камеру газификации, в которой на поток сухой двухкомпонентной смеси, подаваемой под высоким давлением, направляется реагент под высоким давлением для возникновения реакции газификации, которая преобразует сухую двухкомпонентную смесь в синтез-газ, и

модуль форсунки, соединенный с камерой газификации для подачи в нее под высоким давлением потока сухой двухкомпонентной смеси и направления реагента под высоким давлением на поток сухой двухкомпонентной смеси, при этом модуль форсунки содержит

двухступенчатый разделитель потока двухкомпонентной смеси;

трубы подачи двухкомпонентной смеси, проходящие от двухступенчатого разделителя потока двухкомпонентной смеси и предназначенные для подачи сухой двухкомпонентной смеси в камеру газификации;

лицевую пластину форсунки, содержащую трубы подачи двухкомпонентной смеси, которые проходят сквозь пластину, и систему охлаждения для охлаждения лицевой пластины таким образом, чтобы она могла противостоять высоким температурам и истиранию абразивными частицами, которые возникают в результате реакции газификации;

кольцевые сопла, встроенные в лицевую пластину форсунки, при этом каждое сопло охватывает по окружности соответствующую трубу подачи двухкомпонентной смеси и предназначено для того, чтобы направлять реагент на поток двухкомпонентной смеси, подаваемый по соответствующей трубе подачи смеси, для получения реакции газообразования.

9. Установка для газификации по п.8, в которой двухступенчатый разделитель двухкомпонентной смеси содержит основную полость, содержащую рассекатели потока первой ступени, предназначенные для рассечения основного потока на вторичные потоки, которые направляются во вторичные полости, проходящие от основной полости на дальних концах рассекателей потока первой ступени.

10. Установка для газификации по п.9, в которой вторичные полости двухступенчатого разделителя потока двухкомпонентной смеси содержат рассекатели потока второй ступени, предназначенные для рассечения вторичных потоков на третичные потоки, которые подаются в трубы подачи двухкомпонентной смеси, отходящие от вторичных полостей на дальних концах рассекателей потока второй ступени.

11. Установка для газификации по п.8, в которой лицевая пластина форсунки содержит пористую металлическую перегородку, в которой имеются проходящие сквозь нее сопла, и охлаждающая система содержит лицевую пластину форсунки, представляющую собой пористую металлическую перегородку, которая охлаждается в результате просачивания сквозь нее реагентов.

12. Установка для газификации по п.8, в которой лицевая пластина форсунки содержит заднюю пластину, переднюю пластину и канал охлаждающей среды между ними, и охлаждающая система содержит канал охлаждающей среды, через которую протекает охлаждающая среда для охлаждения передней пластины.

13. Установка для газификации по п.12, в которой передняя пластина содержит переходный металл.

14. Установка для газификации по п.12, в которой модуль форсунки дополнительно содержит конические элементы, проходящие сквозь заднюю пластину, канал охлаждающей среды и переднюю пластину, причем каждый конический элемент установлен на конце каждой трубы подачи двухкомпонентной смеси.

15. Установка для газификации по п.14, в которой каждый конический элемент содержит кольцевое сопло.

16. Способ газификации углеродсодержащего материала, содержащий следующие этапы:

подача основного потока двухкомпонентной смеси в основную полость двухступенчатого разделителя модуля форсунки;

разделение основного потока двухкомпонентной смеси на вторичные потоки, которые поступают во вторичные полости, проходящие от основной полости на дальних концах рассекателей потока первой ступени;

разделение каждого вторичного потока двухкомпонентной смеси на третичные потоки, которые поступают в трубы подачи двухкомпонентной смеси, проходящие от каждой вторичной полости на дальних концах рассекателей потока второй ступени;

подача третичных потоков двухкомпонентной смеси по трубам подачи смеси в камеру газификации, соединенную с модулем форсунки;

направление кольцевых потоков реагента на соответствующие третичные потоки двухкомпонентной смеси внутри камеры газификации через кольцевые сопла, встроенные в лицевую пластину модуля форсунки, причем каждое кольцевое сопло окружает соответствующую трубу подачи двухкомпонентной смеси, и

охлаждение лицевой пластины таким образом, что она будет противостоять действию высоких температур и абразивному истиранию, вызываемым реакцией газификации, возникающей при столкновении потока реагента с третичными потоками двухкомпонентной смеси.

17. Способ по п.16, в котором осуществляют пропускание реагента сквозь пористую металлическую лицевую пластину, которая изготовлена из пористого металла.

18. Способ по п.17, в котором направление кольцевых потоков реагента содержит следующие операции:

формирование кольцевых сопел внутри пористой металлической лицевой пластины, и

ввод реагента через кольцевые сопла.

19. Способ по п.16, в котором охлаждение лицевой пластины форсунки содержит следующие операции:

изготовление лицевой пластины, содержащей заднюю пластину, переднюю пластину и канал охлаждающей среды между ними, и

пропускание охлаждающей среды через канал охлаждающей среды для охлаждения передней пластины.

20. Способ по п.19, в котором направление кольцевого потока реагента содержит следующие операции:

установка конических элементов внутри лицевой пластины модуля форсунки таким образом, что каждый конический элемент проходит сквозь заднюю пластину, канал охлаждения и переднюю пластину и содержит кольцевое сопло; и

ввод реагента через кольцевые сопла.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение, в общем, относится к газификации углеродсодержащих материалов, например угля или нефтяного кокса. Более конкретно изобретение относится к устройству форсунки и способу, которые используются для получения высокого коэффициента полезного действия установки газификации таких углеродсодержащих материалов.

Предпосылки создания изобретения

Электричество и системы, работающие на электрической энергии, распространяются повсеместно, и обеспечение источников энергии является крайне насущной задачей. Например, различные системы могут преобразовывать нефтехимические продукты, например углеродсодержащие материалы, такие как уголь и нефтяной кокс, в электрическую энергию. Далее такие нефтехимические продукты используются для получения различных других энергетических носителей, например пара, который может использоваться для привода паровых турбин.

Преобразование углеродсодержащих материалов, таких как уголь и нефтяной кокс, в синтез-газ, являющийся смесями водорода и монооксида углерода, является хорошо известным промышленным процессом, используемым в нефтехимической промышленности и в технике газовых турбин. За последние 20 лет на первый план в производстве синтез-газа вышла технология газогенераторов с подачей потока угля. Однако в этих газогенераторах с загружаемым потоком не может использоваться технология форсунок, обеспечивающих быстрое смесеобразование. Неспособность использовать такие технологии приводит к тому, что объемы газогенераторов и капитальные затраты на их создание существенно превышают приемлемые величины. Ожидается, что технология форсунок, обеспечивающих быстрое смесеобразование, позволит уменьшить объемы газогенераторов с загружаемым потоком на порядок величины, то есть примерно в 10 раз. Уменьшение общих капитальных затрат на создание таких установок газификации угля за счет существенного уменьшения их объема является крайне необходимым.

Начиная с 1975, компания Rocketdyne разработала и испытала ряд конструкций форсунок, обеспечивающих быстрое смесеобразование, для газификации угля. Большая часть этих разработок и программ испытаний была проведена по контрактам с Министерством энергетики США в период 1975-1985 гг. Основной схемой конструкций форсунок, которые проходили испытания по указанным программам, была пятиканальная головка. В каждой пятиканальной головке (4 вокруг 1) использовались четыре высокоскоростные газовые струи, которые направлялись на центральный поток двухкомпонентной угольной смеси. Четыре сопла газовых потоков были разнесены на 90 градусов относительно друг друга по окружности, образованной вокруг центрального сопла двухкомпонентной угольной смеси. Угол между газовым потоком и центральной струей двухкомпонентной угольной смеси обычно составлял 30 градусов. Каждая пятиканальная головка была рассчитана на подачу примерно 4 т/ч (100 т/день) сухого угля так, что в коммерческой установке газогенератора, перерабатывающей 3600 т/день, должно было бы использоваться примерно 36 таких пятиканальных головок.

Вообще говоря, известные форсунки, обеспечивающие быстрое смесеобразование для газификации угля, в которых поток кислорода или смеси кислорода и пара направляется на струю двухкомпонентной смеси, достаточно эффективны, однако их характеристики быстро ухудшаются из-за того, что высокие температуры горения угля в атмосфере кислорода возникают в непосредственной близости от поверхности форсунки в условиях местных окислительных процессов. Эти температуры горения во многих случаях могут превышать 5000°F (2760°C). Кроме того, известные конструкции таких форсунок, обеспечивающих быстрое смесеобразование, подвержены засорению в условиях струи двухкомпонентной угольной смеси.

Сущность изобретения

Предлагается газогенератор, содержащий камеру газификации и модуль форсунки, который, в свою очередь, содержит двухступенчатый разделитель потока двухкомпонентной смеси и лицевую пластину форсунки с встроенной в нее системой охлаждения, в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения. Модуль форсунки используется для подачи струи двухкомпонентной смеси под высоким давлением в камеру газификации и направления на струю двухкомпонентной смеси потока реагента под высоким давлением для получения реакции газификации внутри реакционной камеры, в результате которой двухкомпонентная смесь преобразуется в синтез-газ.

Двухступенчатый разделитель потока двухкомпонентной смеси содержит основную полость, в которую подается основной поток двухкомпонентной смеси. Основная полость содержит рассекатели потока первой ступени, рассекающие основной поток двухкомпонентной смеси на вторичные потоки, которые подаются во вторичные полости, отходящие от основной полости на дальних концах рассекателей потока первой ступени. Каждая вторичная полость содержит рассекатели потока второй ступени, рассекающие каждый вторичный поток двухкомпонентной смеси на третичные потоки, которые подаются в трубы подачи двухкомпонентной смеси, отходящие от вторичных полостей на дальних концах рассекателей потока второй ступени. Третичные потоки вводятся под высоким давлением в камеру газификации по трубам подачи двухкомпонентной смеси. Реагент вводится под высоким давлением через кольцевые сопла, встроенные в лицевую пластину форсунки, таким образом, что он ударяется в поток двухкомпонентной смеси высокого давления. Каждое кольцевое сопло окружает соответствующую трубу подачи двухкомпонентной смеси, которая проходит сквозь лицевую пластину форсунки. В частности, каждое кольцевое сопло создает кольцевой поток высокого давления, который ударяет со всех сторон в соответствующий поток двухкомпонентной смеси. То есть поток двухкомпонентной смеси полностью охвачен по окружности реагентом, который ударяется в поток двухкомпонентной смеси.

Возникающая реакция газификации создает очень высокие температуры и абразивный материал, например шлак, на поверхности лицевой пластины форсунки или в непосредственной близости от нее. Однако система охлаждения, встроенная в лицевую пластину форсунки, поддерживает такую ее температуру, которая достаточна для того, чтобы существенно снизить или полностью предотвратить повреждение лицевой пластины форсунки высокой температурой и/или абразивным материалом.

Особенности, функции и достоинства настоящего изобретения могут обеспечиваться независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут достигаться совместно в других вариантах.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение станет понятным во всей его полноте из нижеприведенного описания и прилагаемых чертежей.

Фигура 1 - изометрическое изображение газогенератора, содержащего модуль форсунки и камеру газификации, в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид в разрезе двухступенчатого разделителя потока двухкомпонентной смеси в составе модуля форсунки, представленного на фиг.1.

Фиг.3 - вид в разрезе модуля форсунок, представленного на фиг.1, иллюстрирующий один вариант реализации системы охлаждения для лицевой пластины форсунки.

Фиг.4 - изометрическое изображение части лицевой пластины форсунки, представленной на фиг.3.

Фигура 5 - вид в разрезе модуля форсунок, представленного на фиг.1, иллюстрирующий другой вариант реализации системы охлаждения для лицевой пластины форсунки.

Фиг.6 - изометрическое изображение задней стороны части лицевой пластины форсунки, представленной на фиг.5.

Фиг.7 - изометрическое изображение передней стороны части лицевой пластины форсунки, представленной на фиг.5.

Фиг.8 - блок-схема, иллюстрирующая способ газификации углеродсодержащих материалов, в котором используется газогенератор, представленный на фиг.1.

Соответствующие ссылочные номера указывают соответствующие части на различных чертежах.

Подробное описание изобретения

В нижеприведенном описании предпочтительные варианты реализации изобретения являются всего лишь примерами, и предполагается, что они никоим образом не ограничивают объема изобретения и его использования. Кроме того, достоинства предпочтительных вариантов реализации изобретения, описанных ниже, являются примерами, и не все из предпочтительных вариантов обладают такими же достоинствами или достоинствами в той же степени.

На фиг.1 представлен газогенератор 10, содержащий модуль 14 форсунки, соединенный с камерой 18 газификации. Модуль 14 форсунки предназначен для подачи струи двухкомпонентной смеси под высоким давлением в камеру 18 газификации и направления на указанную струю двухкомпонентной смеси потока реагента под высоким давлением для получения реакции газификации внутри камеры 18 газификации, в результате которой двухкомпонентная смесь преобразуется в синтез-газ. Более конкретно, модуль 14 форсунки смешивает углеродсодержащий материал, такой как уголь или нефтяной кокс, с транспортной средой двухкомпонентной смеси, например азотом N₂, диоксидом углерода СО ₂ или синтез-газом, например, смесью водорода и СО, для образования двухкомпонентной смеси. Затем модуль 14 форсунки подает двухкомпонентную смесь под давлением в камеру 18 газификации и практически одновременно вводит другие реагенты, такие как кислород и пар, в камеру 18 газификации. Модуль 14 форсунки направляет потоки других реагентов на струю двухкомпонентной смеси, что приводит к реакции газификации, которая обеспечивает получение высокоэнергетического синтез-газа, например, водорода и монооксида углерода.

Модуль 14 форсунки, раскрытый в данном описании, и камера 18 газификации являются подсистемами полной установки газификации, способной производить синтез-газ из углеродсодержащих материалов, таких как уголь или нефтяной кокс. Например, модуль 14 форсунки и камера 18 газификации могут быть подсистемами, то есть компонентами, компактной высокоэффективной одноступенчатой установки газификации, описанной в заявке США № 11/081144 (подана 16.03.2005, имеет название Компактный газогенератор с высоким кпд , права на заявку уступлены компании The Boeing Company).

Модуль 14 форсунки содержит двухступенчатый разделитель 22 и трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси, проходящие от двухступенчатого разделителя 22 сквозь лицевую пластину 30 форсунки. В описанном варианте реализации изобретения модуль 14 форсунки содержит 36 труб 26 подачи двухкомпонентной смеси. По трубам 26 поток двухкомпонентной смеси подается под высоким давлением от модуля 14 форсунки и вводится в камеру 18 газификации. Трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси представляют собой, по существу, полые трубы, открытые на обоих концах для обеспечения свободного прохождения потока двухкомпонентной смеси. То есть при прохождении двухкомпонентной смеси через трубы 26 дозирование не производится. Кроме того, поток двухкомпонентной смеси, проходящий по трубам 26, представляет собой плотнофазный поток. Лицевая пластина 30 форсунки содержит систему охлаждения для охлаждения лицевой пластины 30 таким образом, чтобы она могла противостоять высоким температурам и истиранию абразивными частицами, которые возникают в результате реакции газификации. Модуль 14 форсунки дополнительно содержит в лицевой пластине 30 форсунки кольцевые сопла 34. Кольцевые сопла 34 более подробно показаны на фиг.4 и 5. Кольцевые сопла 34 охватывают по окружности соответствующие трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси и предназначены для направления реагента на потоки двухкомпонентной смеси, подаваемые по трубам 26, в результате чего происходит реакция газификации.

Двухступенчатый разделитель 22 потока двухкомпонентной смеси, представленный на фиг.2, содержит основную полость 38, содержащую множество рассекателей 42 потока первой ступени, и вторичные полости 46, проходящие от основной полости 38 на дальних концах рассекателей 42 потока первой ступени. Рассекатели 42 потока первой ступени рассекают основной поток двухкомпонентной смеси на множество вторичных потоков и направляют их во вторичные полости 46. Так как поток двухкомпонентной смеси является плотнофазным, то важно не допустить резких изменений в направлении его скорости. Резкие изменения в направлении скорости потока двухкомпонентной смеси вызывают засорение каналов, по которым протекает поток внутри модуля 14 форсунки, например во вторичных полостях 46.

В частности, правильная конфигурация рассекателей 42 потока первой ступени (и рассекателей 50 потока второй ступени, как описано ниже) и оптимизация размеров труб 26 подачи двухкомпонентной смеси важны в связи с тем, что двухкомпонентные смеси (газ/твердые частицы или жидкость/твердые частицы) обладают характеристиками, типичными для пластических жидкостей Бингама (Bingham). Двухкомпонентные смеси углеродсодержащих материалов не являются ньютоновскими жидкостями, скорее их можно отнести к пластическим жидкостям Бингама. Двухкомпонентные смеси углеродсодержащих материалов в большей степени характеризуются напряжением течения и коэффициентом жесткости, нежели вязкостью. Поэтому в случае, если напряжение сдвига на внутренней стенке двухступенчатого разделителя 22 потока двухкомпонентной смеси будет меньше, чем напряжение течения двухкомпонентной смеси, поток будет забивать разделитель 22. Это обстоятельство усложняется тем, что для минимизации эрозии стенки абразивными твердыми частицами двухкомпонентной смеси скорости потока должны поддерживаться ниже определенной величины, например ниже 50 фут/с (15,2 м/с), которая, в свою очередь, приводит к низким напряжениям сдвига стенки на уровне напряжения течения пластической жидкости.

Поэтому рассекатели 42 потока первой ступени сконструированы таким образом, чтобы направление скорости потока двухкомпонентной смеси изменялось не более чем, примерно, на 10°, когда поток двухкомпонентной смеси разделяется на вторичные потоки. Соответственно, каждый из рассекателей 42 потока первой ступени образует угол с центральной линией C₁ главной полости, значение которого находится в диапазоне, примерно, 5°-20°. Далее рассекатели 42 потока первой ступени соединяются в точке 48 таким образом, что каналы потоков не содержат никаких закругленных или тупых тел, о которые могли бы ударяться частицы двухкомпонентной смеси и вызывать засорение каналов потоков внутри модуля 14 форсунки, например во вторичных полостях 46. Таким образом, при разделении потока двухкомпонентной смеси в каналах прохождения потоков отсутствуют резкие сужения или расширения.

Далее размеры труб 26 подачи двухкомпонентной смеси выбираются таким образом, чтобы поддерживать нужную скорость потока двухкомпонентной смеси внутри труб 26, например, около 30 фут/с (9,1 м/с). Для того чтобы обеспечить хорошее перемешивание потоков двухкомпонентной смеси и реагента, выходящего из сопел 34, трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси должны иметь подходящий внутренний диаметр, например, меньше 0,5 дюйма (1,27 см). Однако в связи с проблемами, связанными с возможностью засорения, внутренний диаметр труб 26 подачи двухкомпонентной смеси должен быть не меньше определенной величины, например не менее 0,2 дюйма (0,5 см). Если в двухкомпонентной смеси в качестве транспортной среды используется газ, например СО₂, N₂ или H₂, то кольцевые сопла 34 должны только обеспечивать хорошее перемешивание реагентов, направляемых на поток двухкомпонентной смеси, и поэтому трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси могут иметь больший диаметр, например около 0,5 дюйма (1,27 см). Однако, если в качестве транспортной среды в двухкомпонентной смеси используется вода, то струи реагентов, выходящие из кольцевых сопел 34, должны, ударяясь в струю двухкомпонентной смеси, разбивать ее на мельчайшие капельки. Поэтому трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси должны в этом случае иметь меньший диаметр, например около 0,2 дюйма (0,5 см) или меньше. Таким образом, для обеспечения подачи одинакового количества двухкомпонентной смеси в камеру 18 газификации, в случае если в качестве транспортной среды используется вода, в модуле 14 форсунки должно использоваться большее число труб 26 подачи двухкомпонентной смеси, и, соответственно, большее число кольцевых сопел 34 по сравнению со схемой, в которой в качестве транспортной среды используется газ.

Каждая вторичная полость 46 содержит рассекатели 50 потока второй ступени, которые рассекают вторичные потоки на третичные и направляют последние в трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси. Трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси отходят от вторичных полостей 46 на дальних концах рассекателей 50 потока второй ступени и подают поток двухкомпонентной смеси под высоким давлением в камеру 18 газификации. Так же, как и в случае рассекателей 42 потока первой ступени важно, чтобы рассекатели 50 потока второй ступени не вызывали резких изменений направления скорости потока двухкомпонентной смеси. Поэтому рассекатели 50 потока второй ступени сконструированы таким образом, чтобы направление скорости потока двухкомпонентной смеси изменялось не более чем на 10°, примерно, когда поток двухкомпонентной смеси разделяется на третичные потоки. Соответственно, каждый из рассекателей 50 потока второй ступени образует угол с центральной линией С₂ вторичных полостей 46, значение которого находится, примерно, в диапазоне 5°-20°. Далее рассекатели 50 потока второй ступени соединяются в точке 52 таким образом, что каналы потоков не содержат никаких закругленных или тупых тел, о которые могли бы ударяться частицы двухкомпонентной смеси и вызывать засорение каналов прохождения потоков внутри модуля 14 форсунки, например во вторичных полостях 46.

В иллюстративном варианте реализации изобретения рассекатели 42 потока первой ступени рассекают основной поток двухкомпонентной смеси на шесть вторичных потоков, которые направляются в шесть вторичных полостей 46 из основной полости 38. Аналогично, каждый рассекатель 50 потока второй ступени рассекает соответствующий вторичный поток двухкомпонентной смеси на шесть третичных потоков и направляет их в шесть соответствующих труб 26 подачи двухкомпонентной смеси, отходящих от соответствующих вторичных полостей 46. Таким образом, в данном иллюстративном варианте реализации изобретения модуль 14 форсунки представляет собой разделитель потока двухкомпонентной смеси, в котором основной поток двухкомпонентной смеси разделяется на тридцать шесть третичных потоков, которые направляются в тридцать шесть труб 26 подачи двухкомпонентной смеси.

На фиг.3 и 4, относящихся к разным вариантам реализации изобретения, показано, что лицевая пластина 30 форсунки изготовлена из пористой металлической перегородки, сквозь которую проходят кольцевые сопла 34. В таких вариантах лицевая пластина 30 форсунки может иметь любую толщину и конструкцию, подходящую для охлаждения лицевой пластины 30 форсунки за счет просачивания реагентов так, чтобы лицевая пластина 30 могла противостоять высоким температурам газа, например температурам около 5000°F (2760°C) и выше, и абразивному воздействию, возникающему при реакции газификации. Например, лицевая пластина 30 форсунки может иметь толщину от, примерно, 3/8 дюйма (0,95 см) до, примерно, 3/4 дюйма (1,9 см) и быть изготовленной из материала rigimesh^®.

Как это лучше всего показано на фиг.4, кольцевые сопла 34 проходят сквозь лицевую пластину 30 форсунки от ее задней стороны 54 и содержат ряд проходов 34А. Проходы 34А заметно сходятся в направлении передней стороны 58 (обращенной в камеру 18 газификации) лицевой пластины 30 форсунки и формируют кольцевое отверстие на передней стороне 58. Реагенты, направляемые на поток двухкомпонентной смеси, выходящий из труб 26, подаются под давлением, например, около 1200 psi (8,3 МПа) в камеру 62 коллектора реагента модуля 14 форсунки через входной коллектор 66 реагента. Давление внутри камеры 62 коллектора реагента заставляет реагенты поступать в кольцевые сопла 34, через которые струи реагента направляются в камере 18 газификации на двухкомпонентную смесь, поступающую в камеру 18 по трубам 26 подачи двухкомпонентной смеси.

Охлаждение обеспечивается за счет просачивания реагентов сквозь пористую металлическую лицевую пластину 30 форсунки. То есть реагенты просачиваются через поры металлической лицевой пластины 30 форсунки, в результате чего происходит ее охлаждение. Однако пористость лицевой пластины 30 форсунки такова, что прохождение сквозь нее реагентов затруднено, или ограничено, так что в камеру 18 газификации поступает гораздо меньшее количество реагентов на малой скорости, например 20 фут/с (6 м/с), чем на большой скорости, например 500 фут/с (152 м/с), с которой реагенты поступают в камеру 18 газификации через кольцевые сопла 34. Например, от, примерно, 5% до 20% реагента, поданного в камеру 62 коллектора реагента, проходит сквозь пористую лицевую пластину 30 форсунки, а остальной реагент, то есть, примерно, 80-95%, беспрепятственно поступает через кольцевые сопла 34. Поэтому лицевая пластина 30 форсунки охлаждается в результате просачивания реагентов сквозь ее поры до температур, которые достаточно низки, например, ниже, примерно, 1000°F (537,8°С) так, что предотвращается повреждение лицевой пластины 30 форсунки. Поскольку пористая лицевая пластина 30 форсунки охлаждается реагентами, просачивающимися сквозь ее поры, например паром или кислородом, то необходимо, чтобы материал пластины 30 был прежде всего совместим с реагентами; в этом случае совместимость с другими газами, получаемыми в результате реакции газификации, не имеет существенного значения. Таким образом, поток реагентов, проходящий сквозь пористую лицевую пластину 30 форсунки, предотвращает взаимодействие более агрессивных и/или абразивных газов и частиц, образующихся в результате реакции газификации, с поверхностью пластины 30. Кроме того, поток реагентов сквозь пористую лицевую пластину 30 форсунки предотвращает шлаковую коррозию поверхности пластины 30, поскольку поток просачивающихся реагентов подавляет все зоны рециркуляции внутри камеры 18 газификации, которые в противном случае приводили бы к взаимодействию расплавленного шлака с поверхностью пластины 30.

Лицевая пластина 30 форсунки, представленная на фиг.5, 6 и 7 для других вариантов реализации изобретения, содержит заднюю пластину 70, переднюю пластину 74 (обращенную в камеру 18 газификации) и канал 78 охлаждающей среды, образованный между этими пластинами. Система охлаждения содержит канал 78 охлаждающей среды, по которому с умеренной скоростью проходит охлаждающая среда, находящаяся под высоким давлением, например, около 1200 psi (8,3 МПа) при скорости 50 ft/sec (15,2 м/с), для охлаждения передней пластины 74. Более конкретно, охлаждающая среда, например пар или вода, подается во входную часть 82А кольцевого канала через входной трубопровод 86. Охлаждающая среда протекает из входной части 82А кольцевого канала в канал 78 охлаждающей среды через соединяющий их проход 90. Затем охлаждающая среда протекает через канал 78 к выходной части 82В кольцевого канала через соединяющий их проход 94, где охлаждающая среда покидает модуль 14 форсунки через выходной трубопровод охладителя (не показано). В целом входная часть 82А и выходная часть 82В кольцевого канала охлаждающей среды образуют тороидальный канал 82, который разделяется надвое так, что охлаждающая среда принудительно подается в канал 78 через проход 90 и покидает этот канал через проход 94.

В иллюстративном варианте реализации изобретения в качестве охладителя используется вода. Вода подается под давлением, примерно, 1200 psi (8,3 МПа) при температуре в диапазоне, примерно, 90°F (32,2°C)-120°F (48,9°C). Охлаждающая вода проходит в канале 78, охлаждая переднюю пластину 74, и выходит из модуля 14 форсунки при температуре в диапазоне 250°F (121,1°С)-300°F (148,9°C).

В одном варианте реализации изобретения просвет канала 78 охлаждающей среды, представляющий собой щель между задней пластиной 70 и передней пластиной 74, может быть в диапазоне, примерно, 3/8 дюйма (0,95 см) - 1/2 дюйма (1,27 см). Передняя пластина 74 может быть изготовлена из любого металла, сплава или композитного материала, способного противостоять агрессивному воздействию кислотных газов, содержащих шлак, и абразивному воздействию при температурах ниже, примерно, 600°F (315,6°C), возникающих в результате реакции газификации на передней пластине 74. Например, передняя пластина 74 может быть изготовлена из переходного металла, такого как медь или сплав меди, разработанный компанией North American Rock-well Company и известный как NARIoy-Z. Кроме того, передняя пластина 74 может иметь любую толщину, которая обеспечивает низкую величину сопротивления теплопередачи, например, между, примерно, 0,025 дюймов (0,06 см) и 0,250 дюймов (0,6 см).

Далее, как показано на фиг.5, 6 и 7, модуль 14 форсунок дополнительно содержит ряд конических элементов 98, которые проходят сквозь заднюю пластину 70, канал 78 охлаждающей среды и переднюю пластину 74. Конические элементы 98 проходят сквозь заднюю пластину 70 и переднюю пластину 74, соединены с ними и уплотнены таким образом, что охлаждающая среда, протекающая в канале 78, не может проникать из него ни в камеру 62 коллектора, ни в камеру 18 газификации. Каждый конический элемент 98 охватывает конец одной из соответствующих труб 26 подачи двухкомпонентной смеси и содержит кольцевые сопла 34. В иллюстративном варианте реализации изобретения трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси встроены в конические элементы 98 и уплотнены металлическими уплотнительными кольцами (не показано). Поскольку любая утечка между трубами 26 подачи двухкомпонентной смеси и коническими элементами 98 будет приводить только к увеличению потока реагента, например, пара и кислорода, из камеры 62 коллектора реагента в камеру 18 газификации, то совершенно необязательно, чтобы уплотнение между трубами 26 подачи двухкомпонентной смеси и коническими элементами 98 было идеальным, то есть обеспечивало бы полную герметизацию.

Как это лучше всего показано на фиг.6 и 7, кольцевые сопла 34 содержат ряд проходов 34В, которые, заметно сходясь, тянутся сквозь конические элементы 98 от их задних сторон 102 к их передним сторонам 106, на которых формируются кольцевые отверстия. Реагенты, направляемые на поток двухкомпонентной смеси, выходящий из труб 26, подаются под давлением в камеру 62 коллектора реагента модуля 14 форсунки через входной коллектор 66 реагента (показано на фиг.3). Давление внутри камеры 62 коллектора реагента заставляет реагенты поступать в кольцевые сопла 34, через которые струи реагента направляются в камере 18 газификации на двухкомпонентную смесь, поступающую в камеру по трубам 26 подачи двухкомпонентной смеси.

На фиг.8 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ газификации углеродсодержащих материалов, использующий установку газификации 10, в соответствии с различными вариантами настоящего изобретения. Сначала основной поток двухкомпонентной смеси подается в основную полость 38 двухступенчатого разделителя 22 потока двухкомпонентной смеси (ссылочный номер 202). Затем основной поток двухкомпонентной смеси разделяется рассекателем 42 потока первой ступени на вторичные потоки, которые поступают во вторичные полости 46 (ссылочный номер 204). Затем каждый вторичный поток разделяется рассекателями 50 на третичные потоки двухкомпонентной смеси, которые поступают в трубы 26 подачи двухкомпонентной смеси (ссылочный номер 206). Затем третичные потоки двухкомпонентной смеси вводятся в камеру 18 газификации, и на них направляются кольцевые потоки реагента, вводимого через кольцевые сопла 34 (ссылочный номер 208). При столкновении потоков реагентов и двухкомпонентной смеси возникает реакция газификации, в результате которой образуется высокоэнергетический синтез-газ, например водород и монооксид углерода (ссылочный номер 210). И, наконец, лицевая пластина 30 форсунки охлаждается так, что она будет противостоять действию высоких температур и абразивному истиранию в результате реакцией газификации, возникающей при столкновении потока реагента с третичными потоками двухкомпонентной смеси (ссылочный номер 212).

В различных вариантах реализации изобретения лицевая пластина 30 форсунки охлаждается путем ее изготовления из пористого материала и в результате пропускания реагента сквозь поры материала лицевой пластины 30 форсунки. В таких вариантах реализации внутри лицевой пластины 30 форсунки формируются кольцевые сопла 34, и реагент подается через каждое из кольцевых сопел 34.

В других вариантах реализации изобретения лицевая пластина 30 форсунки содержит заднюю пластину 70, переднюю пластину 74 и канал 78 охлаждающей среды между ними. Затем лицевая пластина 30 форсунки охлаждается путем пропускания охлаждающей среды через канал 78 для охлаждения передней пластины 74. В таких вариантах реализации кольцевые сопла встроены в лицевую пластину 30 форсунки таким образом, что каждый конический элемент 98 проходит сквозь заднюю пластину 70, канал 78 охлаждающей среды и переднюю пластину 74. Каждый конический элемент 98 содержит кольцевое сопло 34, которое направляет кольцевой поток реагента на поток двухкомпонентной смеси, вводимый через соответствующую трубу 26 подачи двухкомпонентной смеси.

Специалисты в данной области техники могут понять из приведенного описания, что сущность настоящего изобретения может быть реализована в различных формах. Поэтому, хотя изобретение описано в связи с конкретными примерами, реальный объем изобретения не ограничивается ими, так как специалистам станут очевидны другие модификации в соответствии с существом изобретения, содержащимся в описании, чертежах и прилагаемой формуле изобретения.