реактор с псевдоожиженным слоем, имеющий импульсные модули теплопереноса типа топки

Формула изобретения

1. Реактор с псевдоожиженным слоем, выполненный для превращения углеродистого материала в получаемый газ, содержащий:

реакционный сосуд, ограничивающий пространство, выполненный для получения псевдоожиженного углеродистого материала, причем реакционный сосуд имеет, по меньшей мере, первую часть стенки и вторую часть стенки;

первый модуль теплопереноса, подсоединенный к реакционному сосуду, причем первый модуль теплопереноса содержит первую импульсную топку, подсоединенную к первой акустической камере, имеющей первый торец и второй торец, в котором первая импульсная топка включает в себя, по меньшей мере, одну выхлопную трубу, которая заканчивается в первой акустической камере между первым и вторым торцами; и

первое множество трубок теплопереноса, выдающихся в указанное пространство, причем каждая трубка из указанного первого множества трубок теплопереноса находится в жидкостном контакте с акустической камерой через указанную часть стенки, в котором:

каждая трубка из указанного множества трубок теплопереноса выполнена так, что продукты сгорания, испускаемые из указанной, по меньшей мере, одной выхлопной трубы, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса в направлении от указанной первой части стенки, а затем по второму каналу каждой указанной трубки теплопереноса в направлении к первой части стенки; и

при этом резонансная трубка первой импульсной топки не выдается в пространство реакционного сосуда.

2. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.1, в котором:

каждая трубка из указанного первого множества трубок теплопереноса содержит внутреннюю защитную трубку и внешнюю трубку;

внутренняя защитная трубка образует первый канал; а

кольцевое пространство, образованное между внутренней защитной трубкой и внешней трубкой, образует второй канал.

3. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.2 дополнительно содержит магистраль в жидкостном контакте со вторым каналом, причем

магистраль образована между первой трубной решеткой, связанной с внутренней защитной трубкой, и второй трубной решеткой, связанной с внешней трубкой.

4. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.1, в котором

указанная, по меньшей мере, одна первая выхлопная труба заканчивается примерно на половине расстояния по вертикальному размеру акустической камеры между первым и вторым торцами.

5. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.4, в котором

первая акустическая камера сконфигурирована с возможностью резонирования при включении первой импульсной топки и создания стоячей волны с пучностями давления, образованными на указанных первом и втором торцах.

6. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.1, дополнительно содержащий систему охлаждения, связанную с первым множеством трубок теплопереноса, причем указанная система охлаждения содержит насадку входного патрубка, размещенную по вертикали отдельно от насадки выходного патрубка, и множество охлаждающих трубок между насадкой входного патрубка и насадкой выходного патрубка.

7. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.1, дополнительно содержащий систему охлаждения, связанную с первым множеством трубок теплопереноса, причем указанная система охлаждения содержит пару рубашек, размещенных отдельно друг от друга, причем первая рубашка охлаждает внутренние трубки первого множества трубок теплопереноса, а вторая рубашка охлаждает внешние трубки первого множества трубок теплопереноса.

8. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.1, дополнительно содержащий:

второе множество трубок теплопереноса, выступающих в указанное пространство, причем каждая трубка из указанного второго множества трубок теплопереноса также находится в жидкостном контакте с первой акустической камерой, причем второе множество трубок теплопереноса размещено по вертикали отдельно от указанного первого множества трубок теплопереноса, в котором

каждая трубка из указанного второго множества трубок теплопереноса выполнена так, что продукты сгорания, испускаемые из выхлопной трубы, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса в направлении от указанной первой части стенки, а затем по второму каналу каждой указанной трубки теплопереноса в направлении к первой части стенки.

9. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.8, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один патрубок для ввода сырья в жидкостном контакте с указанным пространством, причем, по меньшей мере, один указанный патрубок для ввода сырья заканчивается в полости, проходящей вертикально между первым и вторым множеством трубок теплопереноса.

10. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.8, дополнительно содержащий:

второй модуль теплопереноса, подсоединенный к реакционному сосуду, причем второй модуль теплопереноса содержит вторую импульсную топку, подсоединенную ко второй акустической камере, в котором вторая импульсная топка содержит вторую выхлопную трубу, которая заканчивается во второй акустической камере, и

третье множество трубок теплопереноса, выдающихся в указанное пространство, причем каждая трубка из указанного третьего множества трубок теплопереноса находится в жидкостном контакте со второй акустической камерой через часть второй стенки, в котором

каждая трубка из указанного третьего множества трубок теплопереноса выполнена так, что продукты сгорания, испускаемые из указанной второй выхлопной трубы, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса указанного третьего множества в направлении от указанной второй части стенки, а затем по второму каналу каждой трубки теплопереноса указанного третьего множества в направлении ко второй части стенки.

11. Реактор с псевдосжиженным слоем по п.10, дополнительно содержащий:

четвертое множество трубок теплопереноса, выступающих в указанное пространство, причем каждая трубка из указанного четвертого множества трубок теплопереноса также находится в жидкостном контакте со второй акустической камерой, причем четвертое множество трубок теплопереноса размещено по вертикали отдельно от указанного третьего множества трубок теплопереноса, в котором

каждая трубка из указанного четвертого множества трубок теплопереноса выполнена так, что продукты сгорания, испускаемые из второй выхлопной трубы, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса указанного четвертого множества в направлении от указанной второй части стенки, а затем по второму каналу каждой трубки теплопереноса указанного четвертого множества в направлении ко второй части стенки.

12. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.11, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один патрубок для ввода сырья в жидкостном контакте с указанным пространством, причем, по меньшей мере, один указанный патрубок для ввода сырья заканчивается в полости, проходящей вертикально между первым и вторым множеством трубок теплопереноса, а также между третьим и четвертым множеством трубок теплопереноса.

13. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.1, дополнительно содержащий:

множество модулей теплопереноса, подсоединенных к реакционному сосуду, причем каждый модуль теплопереноса содержит импульсную топку, подсоединенную к соответствующей акустической камере, в котором каждая импульсная топка содержит, по меньшей мере, одну выхлопную трубу, которая заканчивается в соответствующей акустической камере, и

множество верхних и нижних трубок теплопереноса, выступающих в указанное пространство, причем каждая трубка из указанного множества верхних и нижних трубок теплопереноса находится в жидкостном контакте с соответствующей акустической камерой через часть стенки реакционного сосуда, в котором

каждая трубка из указанного множества верхних и нижних трубок теплопереноса выполнена так, что продукты сгорания, испускаемые из указанной, по меньшей мере, одной выхлопной трубы, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса в направлении от части стенки реакционного сосуда, а затем по второму каналу каждой трубки теплопереноса в направлении к части стенки.

14. Реактор с псевдоожиженным слоем, выполненный для термохимической и биохимической переработки реакционноспособного материала, содержащий:

реакционный сосуд, ограничивающий пространство, пригодное для получения реакционноспособного материала;

множество модулей теплопереноса, подсоединенных к реакционному сосуду, причем каждый модуль теплопереноса содержит первую импульсную топку, подсоединенную к соответствующей акустической камере, имеющей первый торец и второй торец, в котором каждая импульсная топка содержит, по меньшей мере, одну выхлопную трубу, которая заканчивается в соответствующей акустической камере между первым и вторым торцами; и

множество верхних и нижних трубок теплопереноса, выступающих в указанное пространство, причем каждая трубка из указанного множества верхних и нижних трубок теплопереноса находится в жидкостном контакте с акустической камерой через часть стенки реакционного сосуда, в котором

каждая трубка из указанного множества верхних и нижних трубок теплопереноса выполнена так, что продукты сгорания, испускаемые из указанной, по меньшей мере, одной выхлопной трубы, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса в направлении от части стенки реакционного сосуда, а затем по второму каналу каждой указанной трубки теплопереноса в направлении к части стенки.

15. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.14, в котором каждая трубка теплопереноса содержит внутреннюю защитную трубку и внешнюю трубку; внутренняя защитная трубка образует первый канал; а кольцевое пространство, образованное между внутренней защитной трубкой и внешней трубкой, образует второй канал.

16. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.15, дополнительно содержащий магистраль в жидкостном контакте со вторым каналом, в котором

магистраль образована между первой трубной решеткой, связанной с внутренней защитной трубкой, и второй трубной решеткой, связанной с внешней трубкой; и

каждая из первой и второй трубных решеток или приварена, или прикреплена болтами к части стенки реакционного сосуда.

17. Реактор с псевдоожиженчым слоем по п.14, дополнительно содержащий систему охлаждения, связанную, по меньшей мере, с одной из верхних или нижних трубок теплопереноса, причем указанная система охлаждения содержит насадку входного патрубка, размещенную по вертикали отдельно от насадки выходного патрубка, и множество охлаждающих трубок между насадкой входного патрубка и насадкой выходного патрубка.

18. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.14, дополнительно содержащий систему охлаждения, связанную с первым множеством трубок теплопереноса, причем указанная система охлаждения содержит пару рубашек, размещенных отдельно друг от друга, причем первая рубашка охлаждает внутренние трубки первого множества трубок теплопереноса, а вторая рубашка охлаждает внешние трубки первого множества трубок теплопереноса.

19. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.14, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один патрубок для ввода сырья в жидкостном контакте с указанным пространством, причем, по меньшей мере, один указанный патрубок для ввода сырья заканчивается в полости, проходящей вертикально между первым и вторым множеством трубок теплопереноса.

20. Реактор с псевдоожиженным слоем по п.14, в котором:

указанная, по меньшей мере, одна первая выхлопная труба заканчивается примерно на половине расстояния по вертикальному размеру акустической камеры между первым и вторым торцами, а

при включении первой импульсной топки первая акустическая камера резонирует и в ней создается стоячая волна с пучностями давления, образованными на указанных первом и втором торцах.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к реактору с псевдоожиженным слоем для переработки реакционно-способного материала, который может включать неорганические вещества, а также углеродистые вещества, такие как черный щелок и биомасса, для переработки и/или возвращения материалов на повторную переработку и извлечения энергии. Более конкретно это касается такого устройства, которое имеет одну или более импульсных топок, установленных в виде вертикально размещенных отдельных групп. Резонансные трубки импульсных камер сгорания могут быть установлены так, чтобы не выдаваться в пространство реакционного сосуда.

Уровень техники

Фиг.1А и 1В показывают виды, соответственно, сверху и сбоку, для реактора из предшествующего уровня техники, скомпонованного в виде цилиндрической риформинг-установки 100. Цилиндрическая риформинг-установка 100 включает цилиндрический отсек 101, образующий реакционный сосуд. Риформинг-установка 100 включает в себя один или более импульсных нагревателей 102А, 102В, каждый из которых включает в себя импульсную топку 104А, 104В, связанную с соответствующей резонансной трубкой 106А, 106В. Как видно на фиг.1А, импульсные нагреватели 102А, 102В простираются в одном направлении поперек диаметра цилиндра. Продукты взаимодействия воздуха и топлива входят в импульсные камеры топки 104А, 104В, а продукты сгорания или дымовой газ выходят из резонансных трубок 106А, 106В.

Импульсные нагреватели 102А, 102В являются нагревателями того типа, который раскрыт в патенте США № 5059404, содержание которого включено сюда в качестве ссылки в такой степени, как необходимо для понимания настоящего изобретения. Такие импульсные нагреватели скомпонованы для дополнительного подогрева жидкостей и твердых веществ, введенных в реакционный сосуд 101 риформинг-установки. Резонансные трубки 106А, 106В, связанные с импульсными нагревателями 102А, 102В, служат в качестве теплопроводов для дополнительного подогрева содержимого отсека 101.

Как видно на фиг.1А и 1В, импульсные нагреватели 108А, 108В второй пары направлены под прямыми углами по отношению к нагревателям 102А, 102В первой пары поперек диаметра отсека. Как видно на фиг.1В, это оставляет вертикально вытянутые квадранты 136 внутри отсека 101 в областях, ограниченных перекрещивающимися импульсными нагревателями.

Импульсные нагреватели погружены в плотный псевдоожиженный слой 110, который простирается от дна 112 отсека и, примерно, до верхней границы 114 слоя. Ближайший ко дну импульсный нагреватель 102В размещен на высоте Н1 метров над распределителем 122, чтобы избежать замазывания резонансных трубок щелоком 118. В некоторых системах предшествующего уровня техники высота Н1 составляет около 2-3 метров.

Отработанный щелок нагнетают через стенку отсека 101 рядом с дном плотного псевдоожиженного слоя 110. Вообще говоря, отработанный щелок подают в отсек через множество входных отверстий 103, размещенных на периферии вокруг цилиндрического отсека 101. Хотя на фиг.1В показано только 4 таких входных отверстия 103, понятно, что можно обеспечить другие количества размещенных по окружности входных отверстий. При других воплощениях предшествующего уровня техники отработанный щелок может быть введен через множество входных отверстий в дне отсека 101, более или менее равномерно распределенных по дну, возможно, расположенных в ряд или иначе.

Перегретый пар 120 или другая псевдоожиженная среда входит со стороны дна отсека 101 и проходит через распределитель 122. Распределитель 122 помогает равномерно распределить (рассеять) входящий пар 120, который затем просачивается через плотный псевдоожиженный слой 110. Продукт реакции в виде газа 124 выходит из зоны свободного пространства 126 в верхней части отсека 101 после прохождения через один или более внутренних циклонов (не показаны), используемых для того, чтобы помочь исключить занесенные твердые частицы слоя.

Фиг.1 и 2 показывают альтернативную компоновку (конструкцию) предшествующего уровня техники в виде прямоугольной риформинг-установки 200. Прямоугольная риформинг-установка 200 имеет отсек 201 с прямоугольным поперечным сечением. Как видно из вышеприведенных данных (см. фиг.2В), этот отсек 201 пронизан множеством импульсных нагревателей 202, установленных в один или более рядов.

Ряды расположены в шахматном порядке по отношению друг к другу для усиления теплопереноса. Каждый из этих импульсных нагревателей 202 включает в себя теплопровод в виде резонансной трубки для дополнительного подогрева содержимого отсека 201.

Распределитель 222 предусмотрен на дне отсека 201 почти так же, как в цилиндрической риформинг-установке 100. Ближайшие ко дну импульсные нагреватели 202 размещены на высоте Н2 над распределителем 222. В некоторых системах предшествующего уровня техники эта высота Н2, кроме того, составляет около 2-3 метров. Кроме того, как и в случае с цилиндрической риформинг-установкой, отработанный щелок 218 вводят через стенку отсека 201 рядом его с дном. Вообще говоря, отработанный щелок вводят в отсек через множество входных патрубков 203, которые установлены в стенках по периметру прямоугольного отсека 201. При других воплощениях предшествующего уровня техники отработанный щелок может быть введен через множество входных отверстий в дне отсека 201, более или менее равномерно распределенных по дну и, возможно, расположенных в ряд или иначе. В то же время газообразный продукт реакции в виде газа 224 выходит из зоны свободного пространства 226 в верхней части отсека 201. Понятно, что работа прямоугольной риформинг-установки 200 аналогична работе вышеописанной цилиндрической риформинг-устаноки 100 в весьма существенных отношениях.

Вышеуказанные приспособления, как оказывается, работают удовлетворительно при проведении процесса в агрегатах малого масштаба. Однако в случае увеличения масштаба до масштаба более крупных агрегатов можно столкнуться с определенными ограничениями.

Одним из результатов является наличие открытых квадрантов (см. фиг.1В), где нет никаких трубок или есть свободное пространство между пучками импульсных нагревателей (см. фиг.2В), оба из которых могут способствовать пропусканию по каналу пара/газа или пуску в обход пара/газа с ослаблением при этом контакта газ-твердое вещество и уменьшением скорости циркуляции. Кроме того, наличие таких больших вертикальных каналов способствует образованию больших газовых пузырьков, которые из-за быстрого увеличения в размере и скорости могут повредить трубы, трубки, соединения и другие неподвижные детали внутри риформинг-установки.

Другой результат состоит в том, что пониженная скорость циркуляции твердых веществ приводит к увеличению времени контакта частиц на поверхности резонансной трубки. Это мешает конвекции частиц, и, в свою очередь, тепло переносится от трубок. Следовательно, трубки имеют склонность к тому, чтобы стать более горячими, и это неблагоприятно влияет на скорость, при которой тепло отводится в слой и увеличивает температуру выхода дымового газа от сгорания из импульсных нагревателей 102А, 102В, 202. Помимо этого, имеет место более высокая склонность к образованию локальных горячих пятен, что может приводить к образованию расплавленной массы и/или спеканию частиц и образованию нагара или наростов вокруг нескольких или многих трубок.

Однако другое ограничение может заключаться в том, что тесное сочленение камеры сгорания с резонансными трубками делает необходимым свести к минимуму интервал «труба к трубе» или шаг и, в свою очередь, зазор между резонансными трубами. Это сделано для обеспечения разумного вида соотношения (длины к диаметру) для камеры сгорания. А поскольку импульсный нагреватель сконструирован типичным образом в виде резонатора Гельмгольца, он должен сохранять определенные геометрические пропорции (длину резонансной трубки, объем резонансной трубки и объем камеры сгорания). Экспериментальные данные и модели для теплопереноса в трубке с псевдоожиженным слоем указывают на значительное улучшение (увеличение) коэффициента теплопереноса при увеличении шага или зазора между трубками в группе из трубок. Это имеет место из-за пониженного сопротивления для перемещения твердых веществ при увеличении пространства между трубками, которое способствует более частому обновлению поверхности или конвекции частиц и, в свою очередь, более высокому коэффициенту теплопереноса. Однако приспособления, которые видно из фиг.1, ограничивают зазор между трубками до величины, которая намного ниже оптимальной с точки зрения теплопереноса в псевдоожиженном слое и работоспособности.

Кроме того, значительная часть процесса горения и выделения тепла происходит в импульсной камере сгорания. Однако горение продолжается в резонансной трубке, хотя и при более низкой скорости, из-за более низкой температуры газов в резонансной трубке. Остаточное горение и тепловыделение в резонансной трубке желательно с точки зрения теплопереноса, но оно неудовлетворительно в случае неполного сгорания и приводит к значительным концентрациям СО и несгоревших углеводородов в выхлопном дымовом газе. Вероятность такого результата возрастает по мере уменьшения скорости горения топлива в камере сгорания по отношению к расчетной ее величине.

Кроме того, при введении в псевдоожиженный слой 110 углеродистое сырье проходит сушку, удаление летучих компонентов из угля, образование и конверсию древесного угля. В окружающей среде при конверсии с водяным паром все эти процессы являются эндотермическими, т.е. требуют подвода тепла. Чем выше скорость циркуляции твердых веществ слоя и чем равномернее распределение сырья поперек слоя, тем больше скорость нагрева и выше конечная температура сырья. Это усиливает термическое разложение органического вещества, приводит к более высокому выходу летучих веществ и к пониженному смолообразованию и выходу угля. При компоновке импульсного нагревателя с псевдоожиженным слоем, которая способствует пропусканию по каналу пара/газа или пуску в обход пара/газа, скорость циркуляции твердых веществ снижена. Это замедляет теплоперенос в зону ввода сырья, снижает температуру в этой зоне и способствует образованию смолы и угля.

Однако другой результат состоит в том, что процессы сушки, выхода летучих компонентов из угля, образования и конверсии древесного угля конкурируют в отношении теплопереноса и массопереноса в полости, которая расположена выше распределителя 122, 222, но ниже дна импульсного нагревателя. Все эти процессы являются процессами теплоотвода, а вводимая среда псевдоожижения 120 может являться другим поглотителем тепла, если это пар и если ее температура ниже температуры псевдоожиженного слоя. Единственными источниками тепла являются импульсные нагреватели, и они значительно удалены от поглотителей тепла на вышеупомянутые расстояния Н1 и Н2 в вышеописанных воплощениях предшествующего уровня техники. Единственным связующим звеном является скорость циркуляции твердых веществ, и если она не соответствует нормальному состоянию, то в полости для ввода сырья недостает тепла и эксплуатационные качества реактора ухудшаются.

К тому же, как теплоперенос, так и массоперенос важны для удовлетворительной конверсии древесного угля. Чем выше температура угля и концентрация реагента или пара, тем больше скорость конверсии угля. Для полости сразу над распределителем характерна высокая концентрация пара или реагента, которая благоприятна для конверсии угля при условии, что температуру угля можно поддерживать на уровне температуры псевдоожиженного слоя. Из-за ввода сырья и пониженной скорости циркуляции твердых веществ подача тепла ограничена, что, вероятно, снижает температуру угля и, в свою очередь, скорость конверсии угля. В полости импульсных нагревателей теплоперенос хороший, но массоперенос может быть неудовлетворительный, если реагент (пар) пропускают в обход вследствие прохождения его по каналу, снова ухудшая конверсию угля.

Для промышленных агрегатов, в общем, необходимы глубокие или высокие плотные псевдоожиженные слои, чтобы вмещать большое количество трубок для теплопереноса. Функционирование этих агрегатов в режиме кипящего псевдоожижения является довольно ограниченным с точки зрения тепло- и массопереноса и контакта газ/твердое вещество из-за относительно больших пузырьков, сращивания пузырьков и склонности пара/газа к прохождению в обход.

Наоборот, функционирование в режиме турбулентного псевдоожижения обеспечивает хороший контакт газ/твердое вещество и отличные характеристики тепло- и массопереноса. Это, однако, требует значительно более высокой скорости поверхностного псевдоожижения, чем в кипящем режиме. Один осуществимый подход состоит в том, чтобы выбрать различную компоновку теплообменника и меньший средний размер частиц материала слоя.

В итоге вышеописанные компоновки из предшествующего уровня техники обеспечивают блочность и выгодны для определенных классов размера или емкости источника сырья. Однако этот подход становится громоздким для крупномасштабных агрегатов или агрегатов с высокой пропускной способностью по сырью из-за большого количества необходимых для этого импульсных нагревателей, сложности взаимосвязей, труб, каналов и т.д., а также из-за стоимости. Все эти ограничения нарастают.

Раскрытие изобретения

С одной стороны, настоящее изобретение направлено на создание риформинг-установки с псевдоожиженным слоем, выполненной для превращения углеродистого материала в получаемый газ. Риформинг-установка с псевдоожиженным слоем содержит реакционный сосуд, ограничивающий отсек, выполненный для получения псевдоожижаемого углеродистого материала, причем реакционный сосуд имеет, по меньшей мере, первую часть стенки и вторую часть стенки. Первый модуль теплопереноса связан с реакционным сосудом, причем первый модуль теплопереноса включает в себя первую импульсную топку, связанную с первой акустической камерой, в котором первая импульсная топка включает в себя, по меньшей мере, одну первую выхлопную трубку, которая заканчивается в первой акустической камере. Первое множество трубок для теплопереноса выдается в указанный отсек, причем каждая трубка из указанного множества трубок находится в жидкостном контакте с акустической камерой через указанную первую часть стенки. Каждая из первого множества трубок для теплопереноса выполнена так, что продукты горения, испускаемые, по меньшей мере, из одной выхлопной трубки, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса в направлении от указанной первой части стенки, а затем по второму каналу каждой из указанных трубок теплопереноса в направлении первой части стенки.

Многочисленные модули теплопереноса такого типа могут быть подсоединены к реакционному сосуду.

С другой стороны, настоящее изобретение направлено на создание реактора с псевдоожиженным слоем, выполненного для термохимической и биохимической переработки реакционно-способного материала. Реактор содержит реакционный сосуд, представляющий собой пространство, пригодное для получения реакционно-способного материала. Множество модулей теплопереноса подсоединено к реакционному сосуду, причем каждый модуль теплопереноса включает в себя импульсную топку, связанную с соответствующей ей акустической камерой, в котором каждая импульсная топка включает в себя, по меньшей мере, одну выхлопную трубу, которая заканчивается в соответствующей ей акустической камере. Множество верхних и нижних трубок теплопереноса выдается в пространство, причем каждая из множества верхних и нижних трубок теплопереноса находится в жидкостном контакте с соответствующей акустической камерой через часть стенки реакционного сосуда риформинг-установки. Каждая из множества верхних и нижних трубок теплопереноса скомпонована так, что продукты горения, выходящие, по меньшей мере, из одной выхлопной трубки, проходят по первому каналу каждой трубки теплопереноса в направлении от части стенки реакционного сосуда риформинг-установки, а затем по второму каналу каждой из указанных трубок теплопереноса в направлении стенки риформинг-установки.

С еще одной стороны, настоящее изобретение направлено на создание риформинг-установки с псевдоожиженным слоем для превращения углеродистого материала в получаемый газ. Риформинг-установка с псевдоожиженным слоем включает в себя реакционный сосуд, ограничивающий пространство, пригодное для получения углеродистого материала. Первая группа теплопроводов, по меньшей мере, частично занимает указанное пространство и вытянута на первый вертикальный размер внутри этого пространства. Каждый теплопровод в первой группе выполнен с возможностью теплопереноса от источника тепла в указанное пространство, причем теплопроводы первой группы имеют первую толщину. Вторая группа теплопроводов, по меньшей мере, частично занимает указанное пространство и протянута на второй вертикальный размер внутри этого пространства. Каждый теплопровод во второй группе скомпонован для теплопереноса от источника тепла в указанное пространство, причем теплопроводы второй группы имеют вторую толщину. Вторая группа теплопроводов установлена вертикально над первой группой теплопроводов и размещена отдельно на первом разделительном расстоянии, причем первое разделительно расстояние, по крайней мере, такое же, как наименьшая из первой и второй толщин. Множество патрубков для ввода сырья скомпонованы для ввода углеродистого материала в полость реакционного сосуда, которая проходит вертикально между первой и второй группой теплопроводов.

С другой стороны, настоящее изобретение направлено на разработку способа превращения углеродистого материала в получаемый газ. Способ начинается с того, что он предусматривает реакционный сосуд, имеющий первую и вторую группы теплопроводов, как описано сразу выше, введение среды псевдоожижения в пространство, введение углеродистого материала в полость пространства, которая размещена вертикально между первой и второй группой теплопроводов, а затем регулирование реакции в реакционном сосуде, так чтобы, по крайней мере, часть углеродистого материала превратилась в газообразный продукт в псевдоожиженном слое.

С еще одной стороны, изобретение направлено на создание реактора с псевдоожиженным слоем, скомпонованного для термохимической или биохимической переработки реакционно-способного материала. Реактор включает в себя реакционный сосуд, обозначающий пространство, пригодное для получения реакционно-способного материала. Первая группа теплопроводов, по крайней мере, частично занимает указанное пространство и протянута на первый вертикальный размер внутри этого пространства. Каждый теплопровод в первой группе скомпонован для теплопереноса от источника тепла в указанное пространство, причем теплопроводы первой группы имеют первую толщину. Вторая группа теплопроводов, по крайней мере, частично занимает указанное пространство и протянута на второй вертикальный размер внутри этого пространства. Каждый теплопровод во второй группе скомпонован для теплопереноса от источника тепла в указанное пространство, причем теплопроводы второй группы имеют вторую толщину, вторая группа теплопроводов установлена вертикально над первой группой теплопроводов и размещена отдельно от нее на первом разделительном расстоянии, причем первое разделительно расстояние, по крайней мере, такое же, как наименьшая из первой и второй толщин. Множество патрубков для ввода сырья скомпонованы для подачи углеродистого материала в полость реакционного сосуда, которая проходит вертикально между первой и второй группой теплопроводов.

С еще одной стороны, настоящее изобретение направлено на разработку способа термохимической или биохимической переработки реакционно-способного материала для получения продукта. Способ начинается с того, что он предусматривает реактор с псевдоожиженным слоем, представляющий собой пространство, пригодное для получения реакционно-способного материала, первую и вторую группу теплопроводов, как описано выше. Способ продолжают вводом углеродистого материала в полость пространства, которая размещена вертикально между первой и второй группой теплопроводов, а затем осуществляют регулирование реакции в реакционном сосуде, так чтобы, по крайней мере, часть реакционно-способного материала превратилась в газообразный продукт в псевдоожиженном слое.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для лучшего понимания настоящего изобретения и чтобы показать, как оно может быть осуществлено на практике, теперь будет сделана отсылка на сопутствующие чертежи, на которых:

фиг.1А и 1В показывают вид цилиндрической риформинг-установки из предшествующего уровня техники, соответственно, сбоку и сверху;

фиг.2А и 2В показывают вид прямоугольной риформинг-установки из предшествующего уровня техники, соответственно, сбоку и сверху;

фиг.3А, 3В и 3С показывают, соответственно, вид сбоку, разрез вида сбоку и разрез вида сверху устройства согласно настоящему изобретению;

фиг.4А показывает разрез частичного вида поперечного сечения первого воплощения стенки сосуда риформинг-установки фиг.3А, 3В и 3С;

фиг.4В показывает поперечное сечение фиг.4А по линиям 4В-4В;

фиг.4С показывает поперечное сечение фиг.4А по линиям 4С-4С;

фиг.4D показывает поперечное сечение фиг.4С по линиям 4D-4D;

фиг.5А показывает разрез частичного вида поперечного сечения первого воплощения стенки сосуда риформинг-установки фиг.3А, 3В и 3С;

фиг.5В показывает поперечное сечение фиг.5А по линиям 5В-5В;

фиг.5С показывает поперечное сечение фиг.5А по линиям 5С-5С;

фиг.6А показывает вид сбоку реактора согласно одному воплощению настоящего изобретения;

фиг.6В показывает вид сверху в поперечном сечении реактора на фиг.6А, взятый по линиям 6В-6В.

Осуществление изобретения

Содержания патентов США № 5059404, 5306481, 5353721, 5536488, 5637192 и 6149765 включены сюда в качестве ссылки в такой степени, как необходимо для понимания настоящего изобретения.

На фиг.6А и 6В показаны виды риформинг-установки с псевдоожиженным слоем 600, имеющей вертикально и отдельно расположенные группы теплопроводов при подаче сырья между размещенными отдельно друг от друга группами. Риформинг-установка с псевдоожиженным слоем 600 включает в себя отсек 601, служащий в качестве реакционного сосуда 602. Как лучше видно на фиг.6В, реакционный сосуд 602 имеет прямоугольную опорную поверхность (т.е. прямоугольную форму горизонтального поперечного сечения) включает в себя две длинные стороны 604А, 604В и две короткие стороны 606А, 606В. Через длинные стороны 604А, 604В сосуда риформинг-установки 600 проходит множество импульсных нагревателей 608А, 608В. При одном воплощении импульсные нагреватели 608А, 608В относятся к классу, хорошо известному специалистам по уровню техники, такому как те, которые раскрыты в вышеупомянутом патенте США № 5059404. Резонансные трубки 609, связанные с этими импульсными нагревателями 608А, 608В, служат в качестве нагревательных трубопроводов для нагреваемого дополнительно содержимого отсека 601.

Импульсные нагреватели 608А, 608В сгруппированы в виде двух размещенных вертикально и отдельно друг от друга групп: первой, или нижней, группы 610 и второй, или верхней, группы 620. В представленном воплощении каждая группа 610, 620 включает в себя один или более рядов импульсных нагревателей. Однако понятно, что не требуется устанавливать в ряды импульсные нагреватели внутри группы, чтобы это было в соответствии с настоящим изобретением.

Как видно при воплощении на фиг.6А, импульсные нагреватели 608, относящиеся к нижней группе 610, установлены в отдельный горизонтальный ряд 612. Т.к. ряд 612 является единственным рядом, то он служит как самым верхним рядом 612, так и самым нижним рядом 612 нижней группы 610. Поэтому вертикальный размер V1 нижней группы 610 соизмерим с высотой R1 ряда. В данном случае высота R1 ряда соответствует толщине Т1 импульсного нагревателя 608А, относящегося к этому ряду 612 (или, точнее говоря, толщине Т1 нагревательного трубопровода 609, связанного с импульсным нагревателем 608А). Поэтому в случае цилиндрического теплопровода, установленного горизонтально, R1 является просто диаметром теплопровода. В то время как в этом ряду 612 показаны три импульсных нагревателя, ясно, что взамен этого в ряду может быть разное количество импульсных нагревателей.

Импульсные нагреватели 608В, относящиеся к верхней группе 620, установлены в виде пары горизонтальных рядов 614А, 614В. При указанном воплощении ряды 614А, 614В верхней группы 620 расположены в шахматном порядке по отношению друг к другу и размещены вертикально и отдельно друг от друга при промежутке между рядами V4. Верхняя группа 620 имеет вертикальный размер V2, который больше вертикального размера V1 нижней группы 610 из-за наличия двух рядов 614А, 614В в верхней группе 620, а не единичного ряда 612 в нижней группе 610. Самый нижний ряд 614А второй группы 602 имеет высоту R2, которая при показанном воплощении соответствует толщине Т2 теплопровода, соединенного с ответствующими импульсными нагревателями 608В. Когда в обеих группах 610, 620 используют один и тот же тип теплопроводов/импульсных нагревателей, высота R2 самого нижнего ряда 614А верхней группы 620 та же, что и высота R1 самого верхнего ряда 612 нижней группы 610.

Как видно на фиг.6А, первая и вторая группы 610, 620 размещены отдельно на расстоянии внутригруппового вертикального промежутка S1.

При одном варианте группы 610, 620 размещены достаточно далеко друг от друга, чтобы вертикальный промежуток S1 был, по крайней мере, такой же, как наименьшие из толщин теплопровода Т1 и Т2. Когда теплопроводы в данной группе имеют разные толщины, то средняя толщина теплопровода для этой группы используется в качестве «толщины теплопровода» с целью определения минимального вертикального промежутка S1.

Еще при других вариантах вертикальный промежуток S1, по крайней мере, такой же, как наименьшие из двух вертикальных размеров V1, V2 (т.е. S1 min(V1, V2)).

Еще при других воплощениях вертикальный промежуток S1, по крайней мере, вдвое больше наименьшего из двух вертикальных размеров V1, V2 (т.е. S1 2·min(V1, V2)).

В вышеупомянутом описании групп 610, 620 импульсные нагреватели 608А, 608В в каждой группе были установлены в горизонтальные ряды и, таким образом, высоты рядов R1, R2 были теми же, что и толщины теплопроводов Т1, Т2. Однако понятно, что при других воплощениях импульсные нагреватели не могут быть установлены в горизонтальные ряды, однако могут быть наклонены или поставлены под углом друг к другу от одной стенки 604А до противоположной стенки 604В. В таком случае высоты рядов не были бы такими же, как высоты теплопроводов. Ясно, что еще при других воплощениях импульсные нагреватели даже вообще не могут быть установлены в ряды. Однако во всех этих случаях вертикальный промежуток S1 был, по крайней мере, такой же, как наименьшие из толщин теплопровода Т1 и Т2.

Также, в то время как, соответственно, первая и вторая группы 610, 620 имеют неодинаковое количество рядов, ясно, что при некоторых воплощениях эти две группы могут иметь равные количества рядов и что эти равные количества могут составлять 1, 2, 3 или даже более. Кроме того, ясно, что в то время как при воплощениях на фиг.6А-6В ряды 614А, 614В второй группы 620 имеют неодинаковое количество импульсных нагревателей 608В, смежные ряды внутри группы могут взамен этого иметь одинаковое количество импульсных нагревателей 608В. Итак, например, каждый из рядов 614А, 614В второй группы 620 может иметь три импульсных нагревателя 608В, причем ряды все еще размещены в шахматном порядке относительно друг друга.

Общее количество рядов и общее количество импульсных нагревателей 608А, 608В в каждом ряду может быть изменено в любой данной конструкции, чтобы приспособить друг к другу размер, вид сырья и пропускную способность по сырью паровой риформинг-установки 600.

На дне сосуда 602 риформинг-установки находится распределитель 622, в который вводят среду псевдоожижения 635, такую как, например, пар. Сразу над распределителем 622 и под первой группой 610 находится зона повышенной конверсии древесного угля 640. Зона 640 обеспечивает хороший тепло- и массоперенос, а также высокую концентрацию реагента (пара) и способствует повышенной конверсии древесного угля. Вертикальный размер этой зоны 640 будет зависеть от реакционной способности древесного угля и условий работы риформинг-установки, причем чем медленнее протекает реакция (реакции), тем больше вертикальный размер.

Между первой группой 610 и второй группой 620 находится зона сушки и выхода летучих компонентов из угля 642 с высотой S1, как обсуждалось ранее. Эта зона благоприятна для хорошей циркуляции твердых веществ, теплопереноса и контакта газ-твердое вещество и пригодна для доведения до максимума сушки и выхода летучих компонентов из угля, а также для сведения к минимуму образования смолы и древесного угля. При одном воплощении патрубки для ввода сырья, показанные, в общем, как 637, заканчиваются в полости, которая проходит вертикально между двумя группами 610, 620. Таким образом, при этом воплощении сырье вводится в зону 642, которая отделена от основной реакционной зоны для древесного угля 640 и находится по вертикали выше первой группы импульсных нагревателей и по вертикали ниже второй группы 620 импульсных нагревателей. Понятно, что входные патрубки для подачи сырья 637 находятся, приблизительно, на одной и той же высоте, и размещены отдельно друг от друга вдоль коротких стенок 606А, 606В сосуда 602 риформинг-установки.

Наконец, в области сразу над второй группой 620 находится полость с плотным слоем 644, которая простирается до верхней линии (границы) слоя. Надслойная полость 648 занимает самую верхнюю часть сосуда 602 риформинг-установки. Газообразный продукт 649 выходит из надслойной области 648 через циклоны и другое оборудование (не показано), известное специалистам в уровне техники.

Ясно, что импульсные нагреватели 608А, 608В жидкостной риформинг-установки 600 находятся под компьютерным регулированием (не показано) так, чтобы изменять скорость обогрева и скорость теплопереноса для их лучшего приведения в соответствие с загрузкой в жидкостную риформинг-установку 600, а также расширить диапазон изменений.

Из вышеупомянутого можно видеть, что во многих отношениях риформинг-установка с псевдоожиженным слоем 600 на фиг.6А и 6В аналогична риформинг-установке с псевдоожиженным слоем 200 предшествующего уровня техники, показанной на фиг.2. Одно принципиальное различие, однако, состоит в том, что импульсные нагреватели 608А, 608В в риформинг-установке с псевдоожиженным слоем 600 установлены в виде отдельно размещенных групп 610, 620, тогда как все импульсные нагреватели в риформинг-установке с псевдоожиженным слоем 200 предшествующего уровня техники относятся к одной группе. Второе различие состоит в том, что при некоторых воплощениях сырье вводят в полость отсека 602, которая находится над самыми нижними импульсными нагревателями, и при одном из воплощений сырье вводят в полость, которая находится между двумя группами 610, 620.

Работа риформинг-установки с псевдоожиженным слоем для получения газообразного продукта из углеродистого материала начинается с аппаратуры такого типа, как описано выше. За этим следует ввод среды псевдоожижения в отсек, ввод углеродистого материала в полость отсека, которая размещена вертикально между первой и второй группой, и регулирование реакции в реакционном сосуде так, чтобы, по меньшей мере, часть углеродистого материала превратилась в получаемый газ в псевдоожиженном слое.

Специалисты в уровне техники знакомы с различными аспектами регулирования реакции, такими как приток реагента, контроль давления и температуры, и им подобными. В этих ситуациях, когда используются импульсные нагреватели, такое регулирование определяет работу импульсных нагревателей, включая регулировку скорости обогрева, смеси воздух-топливо и другие параметры. Риформинг-установка может быть скомпонована для работы в режиме турбулентного псевдоожижения, а среда псевдоожижения может быть выбрана из группы, включающей пар, воздух, обогащенный воздух, кислород, азот, диоксид углерода, получаемый при рецикле газ и их смеси.

В то время как вышеприведенное описание риформинг-установки предполагает риформинг-установку с псевдоожиженным слоем, имеющую прямоугольную опорную поверхность, также возможно применение настоящего изобретения в риформинг-установках, имеющих другие формы. Итак, например, риформинг-установка с квадратной или цилиндрической опорной поверхностью может извлекать выгоду из настоящего изобретения, поскольку предусмотрены достаточный вертикальный промежуток между импульсными нагревателями и входные патрубки для ввода сырья в эту полость между группами импульсных нагревателей.

Кроме того, вышеприведенное описание было изложено на основании использования импульсных нагревателей в качестве источника дополнительного тепла, подводимого теплопроводами. Однако понятно, что в вышеописанном реакторе могут применяться источники помимо импульсных нагревателей для получения тепла, которое дополнительно подводится через теплопроводы 609. Примеры таких других источников включают электронагреватели внутри теплопроводов, жаровые трубы и им подобные.

Фиг.3А показывает вид сбоку реактора 300 в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения. Как следует из описания, реактор, предположительно, представляет собой риформинг-установку 300. Риформинг-установка 300 включает в себя сосуд 302 риформинг-установки и пару модулей теплопереноса на любой стороне указанного сосуда. Сосуд 302 риформинг-установки обозначает отсек 303, скомпонованный для получения псевдоожижаемого углеродистого материала. Как видно на фиг.3А, два модуля теплопереноса размещены вертикально друг напротив друга. При показанном воплощении второй модуль теплопереноса 350 находится немного выше, чем первый модуль теплопереноса 310.

Первый модуль теплопереноса 310 включает первую акустическую камеру 311 и первую импульсную топку 312. Первая импульсная топка включает импульсную камеру сгорания 313, соединенную с выхлопной трубой 314. Как видно на варианте в виде фиг.3, импульсная камера сгорания размещена над первой акустической камерой 311. Между тем выхлопная труба 314 находится, в основном, полностью внутри первой акустической камеры 311 и вытянута в ней вниз вертикально. Также, как видно при этом воплощении, выход выхлопной трубы 316 размещен, примерно, на половине расстояния по вертикальному размеру акустической камеры 311, которая имеет высоту 2×Н3. Это позволяет первой акустической камере 311 резонировать при включении первой импульсной топки 312 и дает в результате стоячую волну в акустической камере.

Над импульсной камерой сгорания 313 находится нагнетатель воздуха 318, который охватывает клапан 320. Клапан может включать в себя единичный клапан или множественный клапан 320. Клапан 320 обеспечивает вход во входной патрубок импульсной камеры сгорания 313 и, таким образом, позволяет горючим материалам 322, таким как топливо и/или получаемый газ, и воздуху 324 входить в последнюю. Воздух 324 может входить в нагнетатель 318 и смешиваться с горючими материалами вблизи выхода клапана 320 перед вводом в импульсную камеру сгорания 313.

Продукты сгорания, выходящие из конца 316 выхлопной трубы 314 в первую акустическую камеру 311, проходят через отверстия, образованные в первой стенке 332 сосуда 302 риформинг-установки, и входят во множество трубок теплопереноса 326, присоединенных к первой стенке 332. Трубки теплопереноса 326 относятся или к первой верхней группе трубок теплопереноса 328U, или к первой нижней группе трубок теплопереноса 328L. Первая верхняя и нижняя группы трубок теплопереноса 328U, 328L выдаются в сосуд 302 риформинг-установки, где тепло передается находящейся там жидкости.

Каждая группа 328U, 328L, 368U, 368L включает в себя множество трубок теплопереноса. Как видно на фиг.3В, каждая группа 328U, 328L может включать в себя множество рядов 330 трубок 326. Ряды 330, относящиеся к единичной группе, предпочтительно размещены в шахматном порядке, как показано на фиг.3В, хотя они могут быть просто выровнены вертикально друг с другом. Каждый ряд 330 может включать в себя множество трубок 326, причем точное количество ограничено диаметром трубки, межтрубным промежутком и длиной L стенки сосуда 332, к которой присоединены трубки.

Общее количество рядов и общее количество трубок теплопереноса могут быть изменены в любой данной конструкции, чтобы соответствовать размеру, виду сырья и пропускной способности по сырью паровой риформинг-установки. Раз эти параметры известны, первая импульсная топка 312 и первая акустическая камера могут быть сконструированы так, чтобы соответствовать рабочему циклу теплопереноса. Т.к. число рядов и число колонок может быть изменено, то риформинг-установка, такая как риформинг-установка 300, может быть увеличена от малых до больших размеров. Независимо от общего размера трубки теплопереноса 326 могут быть скомпонованы при установке их внутри риформинг-установки 302, чтобы помочь поддерживать контакт газ-твердое вещество и уменьшить пропускание по каналам и пропускание в обход газа/пара.

В риформинг-установке 300 первая импульсная топка, таким образом, физически отделена от трубок теплопереноса 326, но функционально связана через первую акустическую камеру 311. Первая акустическая камера 311 полностью заключает в себя выхлопную трубу 314 с выходом выхлопной трубы 316, расположенным около геометрического центра акустической камеры. С первой импульсной топкой 312, сконструированной в виде резонатора Гельмгольца и резонатора четверти волны, выход выхлопной трубы 316 соответствует пучности скорости (распространения волны) или узлу давления. Первая акустическая камера 310 скомпонована так, чтобы служить в качестве генератора стоячей волны с пучностями давления или узлами скорости на ее концах 311А, 311В.

Две группы трубок теплопереноса 328U, 328L размещены так, чтобы верхняя группа 328U находилась рядом с пучностью давления у вершины 311А первой акустической камеры 311, в то время как нижняя группа 328L находится рядом с пучностью давления у дна 311В первой акустической камеры 311. Это способствует эффективному переносу акустики от первой импульсной топки 312 к трубкам теплопереноса 326 первой верхней и нижней групп 328U, 328L. Это также обеспечивает периодическое соскребание пограничного слоя и повышение коэффициента теплопереноса.

Как видно на фиг.3А, верхние группы 328U, 368U вместе составляют верхнюю группу из этих групп 329U, в то время как нижние группы 328L, 368L составляют нижнюю группу из этих групп 329L. Самый нижний конструктивный элемент верхней группы из этих групп 329U размещен отдельно от самого верхнего конструктивного элемента нижней группы из этих групп 329L при межгрупповом вертикальном промежутке D1. Межсборочный вертикальный промежуток D1 значительно превышает вертикальный промежуток между рядами D2, который представляет собой промежуток между рядами внутри групп. При одном воплощении отношение межсборочного вертикального промежутка D1 к вертикальному промежутку между рядами D2 D1/D2 больше или равно 2. При некоторых воплощениях межсборочный вертикальный промежуток D1 также превышает максимальную высоту группы D3 или верхней группы из этих групп 329U, или нижней группы из этих групп 329L, причем понятно, что не требуется, чтобы группы имели одинаковую высоту или одинаковое количество рядов. При одном воплощении отношение межсборочного вертикального промежутка D1 к максимальной высоте группы D3 D1/D3 больше или равно 2. Нижняя и верхняя группы 329L и 329U все погружены вовнутрь плотного слоя 342.

Второй модуль теплопереноса 350 включает вторую акустическую камеру 351 и вторую импульсную топку 352. Конструкция второй импульсной топки 352 аналогична конструкции первой импульсной топки 312. Вторая импульсная топка 352, таким образом, включает в себя импульсную камеру сгорания 353, подсоединенную к выхлопной трубе 354. Также предусмотрены нагнетатель воздуха 358 и клапан 360, связанные со второй импульсной топкой 352 для ввода горючих материалов 362 и воздуха 364.

Продукты сгорания, выходящие из выхлопной трубы 354 во вторую акустическую камеру 351, проходят через отверстия, образованные во второй стенке 334 сосуда 302 риформинг-установки и входят во множество трубок теплопереноса 366, подсоединенных ко второй стенке 334. Трубки теплопереноса 366, которые предпочтительно той же конструкции, что и трубки теплопереноса 326, относятся или ко второй верхней группе 368U трубок теплопереноса, или ко второй нижней группе 368L трубок теплопереноса.

Отсек 303 сосуда 302 риформинг-установки включает ряд вертикально и отдельно размещенных полостей, имеющих различное функциональное назначение, в которых имеет место различная активность.

На дне сосуда 302 риформинг-установки находится распределитель 336, в который вводится среда псевдоожижения, такая как, например, пар. Ближайшая ко дну трубка теплопереноса 326 размещена ближе к распределителю 336 для обеспечения хорошей связи между источником тепла и теплоприемником. При одном воплощении промежуток Н4 (см. фиг.3В) между распределителем 336 и ближайшей ко дну трубкой теплопереноса 326 составляет 0,5-1,5 метра. Однако другие промежутки также возможны.

Полость над распределителем 336 и ниже верхней части нижних групп 328L, 368L называется зоной 340 повышенной конверсии древесного угля. Зона 340 обеспечивает хороший тепло- и массоперенос, а также высокую концентрацию реагента (пара) и способствует повышенной конверсии древесного угля. Вертикальный размер этой зоны будет зависеть от реакционной способности древесного угля и условий функционирования риформинг-установки, притом что чем медленнее протекает реакция (реакции), тем больше вертикальный размер.

Как обсуждалось ранее, между нижними группами 328L, 368L и верхними группами 328U, 368U находится зона сушки и выхода летучих компонентов из угля 342 с высотой D1. Эта зона благоприятна для хорошей циркуляции твердых веществ, теплопереноса и контакта газ-твердое вещество и служит для доведения до максимума сушки и выхода летучих компонентов из угля и для сведения к минимуму образования смолы и древесного угля. При одном воплощении патрубок для ввода сырья, показанный, в общем, стрелкой 337, заканчивается в полости, размещенной вертикально между нижними группами трубок теплопереноса 328L, 368L и верхними группами трубок теплопереноса 328U, 368U. Таким образом, при этом воплощении сырье вводят в зону 342, которая отделена от первоначальной реакционной зоны для древесного угля в вертикальном положении выше нижних групп трубок теплопереноса 328L, 368L и ниже верхних групп трубок теплопереноса 328U, 368U. Хотя показан только единичный патрубок для ввода сырья 337, ясно, что этот патрубок для ввода сырья предназначен для того, чтобы представлять множество таких входных патрубков. Все входные патрубки из этого множества находятся, приблизительно, на одной и той же высоте и размещены отдельно на открытых сторонах сосуда 302, которые не примыкают к акустическим камерам 311, 351, как лучше видно из фиг.3В и 3С.

Наконец, в полости сразу над верхними группами 328U, 368U находится полость для плотного слоя 344, которая тянется до верхней границы (линии) 346 плотного слоя. Свободная от слоя полость 348 занимает самую верхнюю часть сосуда 302 риформинг-установки. Газообразный продукт 349 выходит из верхней полости через циклоны и другое оборудование (не показано), известное специалистам в уровне техники.

При показанном воплощении риформинг-установка 300 имеет два модуля теплопереноса, каждый с акустической камерой 311, 351 и связанной с ней импульсной топкой 312, 352. При функционировании два модуля теплопереноса 310, 350 находятся под компьютерным регулированием, чтобы изменять скорость нагрева и скорость теплопереноса для лучшего приведения в соответствие с загрузкой в риформинг-установку 300, а также расширить диапазон изменений.

В импульсных топках 312 и 352 стехиометрию сгорания можно регулировать независимо на основании скорости сжигания топлива, чтобы обеспечить полное сгорание в выхлопных трубах 314, 354 или акустических камерах 311, 351. Кроме того, для регулирования температуры газов, входящих в трубки теплопереноса, и/или сведения к минимуму испускания загрязнителей в акустические 311, 351 могут подаваться примешанный воздух и/или дымовой газ с рецикла. Помимо этого, геометрия импульсных топок 312, 352 со связанными с ними камерами 313, 353, выхлопными трубами 314, 354 и клапанами 320, 360 может быть сконструирована для доведения до максимума сгорания и акустической характеристики, в то время как группа трубок теплопереноса (диаметр и длина экранирующей трубки, внешний диаметр и длина и промежуток трубка-трубка или промежуток в группе) может быть сконструирована для достижения характеристики максимального теплопереноса, а также удобства и простоты использования псевдоожиженного слоя. Таким образом, импульсные топки могут быть приведены в действие, чтобы подводить регулируемое количество тепла к трубкам теплопереноса для переработки реакционно-способного материала, вводимого в сосуд 302 риформинг-установки. Лица, имеющие обычный уровень подготовки в уровне техники относительно функционирования псевдоожиженного слоя, знакомы с регулированием риформинг-установки 300, импульсных топок 312, 352, подачи сырья и среды псевдоожижения. Соответственно, через такое регулирование и в зависимости от перерабатываемого материала риформинг-установка 300 может быть избирательно приведена в действие или в режиме образования кипения в слое, или в режиме турбулентного псевдоожижения.

Фиг.4А показывает вид в разрезе первого воплощения первой части 400 стенки, относящейся к стенке 332 между первой акустической камерой 311 и сосудом 302 риформинг-установки. Первая часть 400 стенки включает в себя трубную решетку 406, которая может сама по себе содержать материал 402 огнеупорного типа, обращенный к первой акустической камере 311. При этом воплощении часть 400 стенки может включать в себя пару трубных решеток 406, 408, которые вместе образуют кольцеобразную стенку 404 в виде мембраны, пронизанную выступающими вовнутрь трубками теплопереноса.

Каждая трубка теплопереноса 326, 328 имеет кольцеобразную конструкцию и включает в себя внутреннюю экранирующую трубку 410 и немного более длинную внешнюю трубку 412 («трубку теплопереноса в псевдоожиженном слое»), определяющую кольцевое пространство между ними. Внутренняя трубная решетка 406 (которая, в действительности, является самой внешней трубной решеткой по отношению к сосуду 302 риформинг-установки) поддерживает внутренние защитные трубки 410, относящиеся к группе. В то же время внешняя трубная решетка 408 (которая, в действительности, является самой внутренней трубной решеткой по отношению к сосуду 302 риформинг-установки) поддерживает внешние защитные трубки 412, относящиеся к группе. При одном воплощении внешняя трубная решетка 408 или приварена к стенке сосуда 332 в заранее намеченных местах, или прикреплена к ней болтами через фланцевое соединение. Аналогично, внутренняя трубная решетка 406 также прикреплена болтами и фланцем к части развязки, примыкающей к стенке сосуда 332.

Продукты сгорания, такие как дымовой газ, испускаемый из выхлопной трубы, вытекают из акустической камеры во внутреннюю защитную трубку 410, как показано стрелками 413. Дымовой газ сперва проходит в направлении от стенки 332 по первому каналу 409, включающему в себя полый центр внутренней защитной трубки 410, и в направлении торцевой стенки 411 трубки теплопереноса. Затем дымовой газ оборачивается и протекает по направлению к стенке 332 через второй канал 415, обозначенный кольцевым пространством, образованным между внутренней и другими защитными трубками 410, 412, как указано стрелкой 414. Второй канал 415 находится в жидкостном контакте с магистралью 416, образованным между двумя отрезками труб 406, 408. Поэтому из второго канала 415 дымовой газ входит в магистраль 416, откуда он направляется в канал для дымового газа, как указано стрелкой 418.

По мере прохождения вниз по внутренней защитной трубке 410, находящиеся в ней дымовые газы нагревают газы, идущие в противоположном направлении внутри кольцеобразной полости, соответственно, между внутренней и внешней защитными трубками 410, 412. Дымовые газы в кольцевом пространстве имеют склонность охлаждаться по мере протекания от входного патрубка кольцевого пространства вследствие теплопереноса к псевдоожиженному слою, но они отчасти повторно нагреваются за счет теплопереноса от дымовых газов во внутренней защитной трубке 410.

Эта расстановка может исключить необходимость термически расширяющихся сочленений внутри сосуда риформинг-установки и связанные с этим капитальные затраты, эксплуатационные затраты и затраты на текущий ремонт. Кроме того, конструкция защитная трубка-кольцевое пространство обеспечивает почти постоянную температуру газа на внешней поверхности внешней трубки 412, снижая, таким образом, возможность появления локальных горячих пятен на внешней трубке 412. Это также помогает усилить теплоперенос к псевдоожиженному слою внутри сосуда риформинг-установки. При одном воплощении поперечное сечение и длина трубок 410 и 412 выбраны такими, что группа для теплопереноса и соответствующая часть акустической камеры функционируют в качестве резонатора Гельмгольца и/или резонатора четверти волны.

Как видно на фиг.4В, 4С и 4D отрезки труб 406, 408 могут охлаждаться водой с применением стенки в виде мембраны. Внешний отрезок трубы 406 подкрепляет насадку входного патрубка 420А, которая размещена по вертикали отдельно от насадки выходного патрубка 422А. Вода 424А закачивается в насадку входного патрубка 420А, проходит вверх через множество охлаждающих трубок 404 и входит в насадку выходного патрубка 422А. Потом пароводяная смесь 426А выходит из этой насадки выходного патрубка 422А. Аналогично отрезок внутренней трубы 408 подкрепляет насадку входного патрубка 420В, которая размещена по вертикали отдельно от насадки выходного патрубка 422В. Вода 424В закачивается в насадку входного патрубка 420В, проходит вверх через множество охлаждающих трубок 428 и входит в насадку выходного патрубка 422В. Потом пароводяная смесь 426В выходит из этой насадки выходного патрубка 422В.

Понятно, что при некоторых воплощениях, по меньшей мере, две такие части стенки 400 были бы предусмотрены для акустической камеры 311, одна связана с нижней системой трубок теплопереноса, а другая связана с верхней системой трубок теплопереноса. Более того, ясно, что в риформинг-установке 300 такого типа, как видно на фиг.3, каждая акустическая камера 311, 351 будет иметь две такие части стенки, связанные с этим, две части связаны со стенкой 332, а две другие части связаны со стенкой 334 для общего количества из четырех таких частей стенки в целом.

Кроме того, ясно, что стенка 334 имеет такую же часть (участок) стенки и, таким образом, модули теплопереноса 310, 350 пропускают через себя дымовые газы дальше в обычный реакционный сосуд.

Фиг 5А показывает вид в разрезе второго воплощения части стенки 500, относящейся к стенке 332 между первой акустической камерой и сосудом 302 риформинг-установки. Часть стенки 500 включает в себя первую водяную рубашку 532, которая может содержать материал 502 огнеупорного типа, обращенный к акустической камере. Каждая из трубок теплопереноса включает в себя внутреннюю защитную трубку 510 и немного более длинную внешнюю трубку 512, образующую кольцевое пространство между ними.

При этом воплощении пара водяных рубашек 532, 534 охватывает трубки теплопереноса. Первая водяная рубашка 532 образована первой парой отрезков труб 542А, 542В, тогда как вторая водяная рубашка 534 образована второй парой отрезков труб 544А, 544В. Водяная рубашка 532 для внутренней защитной трубки охлаждает внутренние защитные трубки 510 группы, в то время как водяная рубашка 534 для внутренней защитной трубки охлаждает внутренние защитные трубки 512 группы. Как видно из воплощения на фиг 5В и 5С, водяные рубашки 532, 534 могут иметь кольцевую поверхность, когда их видно из сосуда риформинг-установки. Взамен этого водяные рубашки могут иметь прямоугольную поверхность, если давление пара относительно низкое или если их периферия может быть соответствующим образом укреплена, чтобы соответствовать необходимым условиям давления в сосуде риформинг-установки.

При воплощении на фиг.5А продукты сгорания, такие как дымовой газ, испускаемый из выхлопной трубы, вытекают из акустической камеры во внутреннюю защитную трубку 510, как показано стрелками 513. Дымовой газ проходит по внутренней защитной трубке 510 до ее конца, оборачивается и протекает через внешнее кольцевое пространство, как показано стрелкой 514. Затем дымовой газ входит в магистраль 516, образованную между двумя водяными рубашками 532, 534. Из магистрали дымовой газ поступает в канал 517 для дымового газа, как указано стрелкой 518, и оттуда выходит в сосуд риформинг-установки, как указано стрелкой 519.

На вышеупомянутых набросках (фигурах) импульсные топки 312, 352 показаны с единичными клапанами, соответственно, 320, 360, и единичными выхлопными трубами, соответственно, 314, 354. Однако ясно, что при необходимости каждая из импульсных топок 312, 352 может включать в себя множество таких клапанов и/или множество выхлопных труб.

Риформинг-установка может быть скомпонована для работы в режиме турбулентного псевдоожижения, а среда псевдоожижения может состоять из одного газа, выбранного из группы: пар, воздух, обогащенный воздух, кислород, азот, диоксид углерода, газообразный продукт рецикла и их смеси.

Помимо этого, тогда как описание по смыслу соответствует превращению энергии и получению синтетического газа, следует отметить, что раскрытый в нем реактор 300 может выгодно использоваться для переработки любого реакционно-способного материала при использовании термохимического и/или биохимического подхода. Рассмотренные здесь реакционно-способные материалы включают не только углеродистые материалы, но также, среди прочих, неорганические материалы. Понятно, что лица, имеющие обычную квалификацию в уровне техники относительно функционирования псевдоожиженного слоя, знакомы с регулированием реактора, импульсных топок, входных патрубков для подачи сырья и среды псевдоожижения в отношении термохимической или биохимической переработки целого множества различных реакционно-способных материалов.

Вышеприведенное описание различных воплощений изобретения предназначено для описания и иллюстрации различных аспектов изобретения и не предназначено для того, чтобы ограничить изобретение только этим. Лица обычной квалификации в уровне техники поймут, что по отношению к описанным воплощениям могут быть сделаны определенные видоизменения без отклонения от изобретения. Все такие видоизменения предназначены для того, чтобы быть в пределах объема притязаний приложенной формулы изобретения.