專利名稱：高溫和高壓環(huán)境中冷卻灰粉和固體顆粒的制作方法
局溫和局壓環(huán)境中冷卻灰粉和固體顆粒
相關(guān)申請的交叉引用
本申請要求于2010年8月9日提交的第61/372，008號美國臨時(shí)申請的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容和實(shí)質(zhì)通過引用結(jié)合在此。
發(fā)明背景1、發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及對來自相對高的溫度和壓力下運(yùn)行的應(yīng)用中的固體粒子的冷卻。具體涉及對來自在約1500° F至2200° F的溫度范圍、以及約30至1000磅/平方英寸絕對壓力(psia)的壓力范圍內(nèi)運(yùn)行的煤氣化器中的高溫灰粉的冷卻。
2、相關(guān)技術(shù)的說明
在約1500° F至2200° F的溫度范圍、以及約30至IOOOpsia的壓力范圍內(nèi)運(yùn)行的氣化器或反應(yīng)器中的熱固體顆粒的冷卻呈現(xiàn)多種挑戰(zhàn)，通過常規(guī)系統(tǒng)還不能完全克服它們中的任何一個(gè)。
第一個(gè)挑戰(zhàn)是對將熱量從固體顆粒交換到冷卻介質(zhì)的多個(gè)熱交換器管道進(jìn)行支撐。此問題中的難點(diǎn)是必須將支架錨定到外壁上，從而需要貫通穿過耐火材料層，而該耐火材料層對于反抗由于固體粒子(從約50微米至400微米尺寸范圍的質(zhì)量平均直徑)運(yùn)動(dòng)而引起的侵蝕、以及對外壁進(jìn)行隔離而防止其過熱而言是必要的。
用來協(xié)助熱粒子運(yùn)動(dòng)以及粒子在冷卻表面上的流動(dòng)的通風(fēng)氣體在冷卻管道和支架中會(huì)引起振動(dòng)。支架的這種振動(dòng)會(huì)損害耐火材料并使容器壁局部過熱。經(jīng)過該支架的熱傳導(dǎo)還會(huì)使容器壁過熱，從而使容器損壞和變形。這在容器形成壓力邊界時(shí)是一個(gè)重大的隱患。
在高壓、高溫?zé)峤粨Q器的發(fā)展中的第二個(gè)挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)到熱交換器的固體顆粒流的適當(dāng)控制而不會(huì)干擾氣化器或反應(yīng)器的操作，而固體顆粒則正是從氣化器或反應(yīng)器中被取出和/或冷卻后的固體顆粒正是會(huì)被送回到氣化器或反應(yīng)器中。同樣，對于該循環(huán)流化床氣化器而言，當(dāng)這些固體顆粒從豎管中被取出時(shí)，吹風(fēng)氣體由于受壓力限制而不會(huì)返回到儲(chǔ)水塔或氣化器中。吹風(fēng)氣體經(jīng)過該移送點(diǎn)的返回防礙了固體顆粒流動(dòng)到冷卻器。由于氣體在高的加工溫度下會(huì)帶走微粒，處理排氣是困難的。在這些情況下，挑戰(zhàn)變成如何將吹風(fēng)氣體以及被這些固體顆粒所帶走的氣體的一部分排出。
第三個(gè)挑戰(zhàn)是優(yōu)化冷卻器的設(shè)計(jì)，以使得當(dāng)冷卻器中的固體顆粒與這些熱傳導(dǎo)表面接觸時(shí)，具有從約800° F至1000° F的溫度范圍。這樣的考慮改善了冷卻器的熱傳導(dǎo)表面的可靠性和耐久性，并且便于將低成本的鋼用于該冷卻表面。盡管在該冷卻器的入口處的固體顆粒從氣化器中被取出時(shí)，這些固體顆粒具有從約1500° F至2200° F的溫度范圍，堅(jiān)固耐用的冷卻器設(shè)計(jì)迫使與熱傳導(dǎo)區(qū)域接觸的這些固體顆粒具有約于小1000° F的溫度。已知的交換器設(shè)計(jì)具有支持這些熱交換器管道的一個(gè)或兩個(gè)管板。管板直徑在商業(yè)冷卻器中傾向于大直徑。明智的是將該冷卻器設(shè)計(jì)為不會(huì)使管板暴露給熱固體顆粒。
冷卻器設(shè)備設(shè)計(jì)中的第四個(gè)挑戰(zhàn)涉及適當(dāng)處理起源于或者穿過氣化器的外來材料和無關(guān)材料。該過程中的外來及無關(guān)材料可以例如是由:被污染的送料、碎裂的耐火材料、斷裂的氣化器內(nèi)部零件及渣塊，以及在加工過程中由于送入燃料(例如，煤)中的變異性或非法操作而形成的爐渣所導(dǎo)致的。這些材料通常是尺寸過大并且需要在達(dá)到這些熱交換器表面之前將其從過程中去除以便限制或防止熱的固體顆粒的流動(dòng)路徑被堵塞。對來自反應(yīng)器的熱的固體顆粒進(jìn)行冷卻的常規(guī)系統(tǒng)主要分成兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域:對來自流體催化裂化(FCC)過程的、以及對來自循環(huán)流化床(CFB燃燒室)鍋爐的熱固體顆粒(催化粒子)進(jìn)行冷卻。在FCC領(lǐng)域中，實(shí)例包括授予洛馬斯(Lomas)等人的美國第4，424，192號專利、授予維克(Vickers)等人的美國第4，425，301號專利、授予沃而特(Walters)等人的美國第4，822，761號專利、以及授予詹森(Johnson)等人的美國第5，209，287號專利。這些教導(dǎo)可適用于相對低的壓力過程，如通常在約50磅/平方英寸(psi)以下操作的FCC過程。在這些實(shí)例中，詹森(Johnson)等人披露了使用一種屏蔽件來防止無關(guān)材料進(jìn)入和干擾冷卻器操作。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)的是，通過氣化器操作，高度渴望的是可將無關(guān)材料從氣化器中排出，因?yàn)榉e聚在氣化器中的無關(guān)材料可以引起各種各樣的運(yùn)行問題，包括在氣化器中形成洛塊。FCC設(shè)計(jì)包括:熱固體顆粒從頂部進(jìn)入冷卻器以及冷卻的固體顆粒從底部或者從容器在底部附近的一側(cè)離開。因而，這些參考披露了多種系統(tǒng)，這些系統(tǒng)要求氣體速度足夠高以便使床上粒子完全流化以便保證該床達(dá)到均勻溫度。這在FCC過程中不是問題，因?yàn)榇呋瘎┝Ｗ拥拇笮∈窍鄬鶆虻?，并且在氣體速度的窄的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻流化是相對容易的。如本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，該情形在氣化和燃燒過程中是相當(dāng)不同的，其中粒子大小可以在近似30微米至10，000微米的范圍內(nèi)，并且在冷卻器中的完全流化速度必須接近冷卻器中的最大粒子尺寸的最小流化速度。對于10，000微米粒子而言，最小流化速度可以高至約10ft/s，并且在這種高速度下的操作要求大量氣流經(jīng)過冷卻器。困難的是將這樣的大量的氣體流動(dòng)經(jīng)過冷卻器返回氣化器或燃燒室而不干擾其正常的操作。具有FCC參考的另一個(gè)問題是如果在氣化和燃燒過程中常見的無關(guān)材料穿過該冷卻束，則它們會(huì)分離并且積聚在冷卻器底部，由于FCC設(shè)計(jì)是使固體顆粒向下流動(dòng)并且在底部附近側(cè)面取出的，這些物管材料最終會(huì)干擾該冷卻器的正常運(yùn)行。困難的是應(yīng)用這些教導(dǎo)內(nèi)容來冷卻具有寬大粒子尺寸分布的氣化器固體顆粒，例如來自流化床或循環(huán)流化床氣化器的固體顆粒。在CFB領(lǐng)域中，實(shí)例包括授予阿伯達(dá)利(Abdulally)的美國專利號5，510,085和5，463, 968、授予艾利森(Allison)等人的美國專利號5，184, 671、以及授予科庫(Kokko)的美國專利號7，194，983。在這些教導(dǎo)內(nèi)容中，固體顆粒和流化氣體均返回燃燒室以維持燃燒溫度。當(dāng)這些參考披露了進(jìn)行中的冷卻器時(shí)，這些冷卻管道的外部表面實(shí)質(zhì)上與這些固體顆粒接觸，固體顆粒具有的溫度接近約1600° F的燃燒室運(yùn)行溫度。盡管這樣的運(yùn)行溫度使之必需為熱交換器使用昂貴的合金材料，總體環(huán)境對于大多數(shù)合金工程材料是可容許的。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，對于氣化器操作，其運(yùn)行溫度可以高達(dá)約2000° F，從而，當(dāng)熱的固體顆粒在這樣的高溫下直接接觸該熱傳導(dǎo)表面時(shí)，材料選擇會(huì)是一種挑戰(zhàn)或者材料成本會(huì)很高。
此外，除了科庫(Kokko)，所引用的其他CFB實(shí)例忽視了進(jìn)入熱交換器中的無關(guān)材料的有害作用?？茙?Kokko)認(rèn)識(shí)到，避免固體顆粒通過熱傳導(dǎo)表面某些部分的重要性，并且設(shè)計(jì)了一種確保固體顆粒流動(dòng)經(jīng)過整個(gè)熱傳導(dǎo)表面的方式。然而，在科庫(Kokko)的設(shè)計(jì)中，必須使固體顆粒在三個(gè)室中轉(zhuǎn)彎，這自然使固體顆粒的流動(dòng)更加復(fù)雜并且更難于處理無關(guān)材料。
授予Maryamchik等人的美國專利號7，464, 669披露了一種灰粉冷卻器,該冷卻器具有兩個(gè)室，一個(gè)用于粗灰粉的排放而另一個(gè)用于精細(xì)粒子的排放。然而，大粒子的灰粉室不具有冷卻表面，并且因此從該室被取出的灰粉實(shí)質(zhì)上與燃燒室中的灰粉具有相同的溫度。同樣困難的是在流化床中實(shí)現(xiàn)粗糙粒子與精細(xì)粒子的良好分離。在Maryamchik等人的專利中，流化氣體會(huì)返回到燃燒室，這種實(shí)踐對于某些應(yīng)用可能是不適宜的。
此外，Maryamchik等人披露了用于冷卻這些固體顆粒的管道束貫穿耐火材料壁。對于CFB鍋爐而言，這種實(shí)踐不是主要問題，因?yàn)槿紵覍?shí)質(zhì)上是接近大氣壓運(yùn)行的。由于這種低壓力運(yùn)行，即使存在對于耐火材料的損害，也不會(huì)而使容器壁發(fā)生災(zāi)難性失效。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，對于高壓下的氣化器操作，貫通該壁的冷卻表面會(huì)變成嚴(yán)重的安全問題，并且除了完全避免這種設(shè)置之外，不存在其他任何已知方案。此外，熱交換器中的冷卻表面將仍與實(shí)質(zhì)上與燃燒室相同的約1600° F的高溫的精細(xì)粒子相接觸，從而不得不為熱傳導(dǎo)表面使用昂貴的工程合金材料用。
劉(Liu)等人發(fā)明的美國專利公布第2009/0300986號披露了對來自流化床氣化器的氣化灰粉進(jìn)行冷卻。在劉(Liu)的披露中，無關(guān)材料在冷卻器的入口處被屏蔽出并且被收集在一個(gè)分離的容器中。在這種配置中，必須使用實(shí)質(zhì)性的再循環(huán)氣體將小粒子吹離無關(guān)材料。必須使用實(shí)質(zhì)性再循環(huán)氣體來防止小粒子進(jìn)入固體顆粒冷卻器，并且還用于連續(xù)地吹掃該屏蔽件以便確保它保持沒有堵塞物。這種大量吹掃氣體流與處理高溫粒子的結(jié)合增加了材料成本、制造成本和操作成本。
在劉(Liu)的披露中，所有吹掃及流化氣體流動(dòng)返回該氣化器，如果這種流動(dòng)過度則防礙運(yùn)行。此外，劉(Liu)的冷卻表面貫通冷卻器的耐火材料及容器壁，這使得冷卻壁設(shè)計(jì)具有潛在的困難。即便氣化器的操作壓力小于50磅/平方英寸。在運(yùn)行過程中，該冷卻表面接觸固體粒子，其中固體粒子接近氣化器的運(yùn)行溫度，這導(dǎo)致挑戰(zhàn)性及昂貴的設(shè)計(jì)。
所需要的是對于冷卻來自氣化器的高溫、高壓灰粉、以及其他類似應(yīng)用是成本有效的且可靠的方案。本發(fā)明即主要指向這類系統(tǒng)和方法。本發(fā)明克服了先前所討論的各種挑戰(zhàn)，并且提供了用于對來自一運(yùn)行在約1500° F至2200° F的溫度范圍內(nèi)、以及約30至IOOOpisa的壓力范圍內(nèi)的煤氣化器的高溫灰粉進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)。
發(fā)明簡要概述
本發(fā)明通過優(yōu)選的形式簡要描述了對于之前所討論的從高壓運(yùn)行的氣化器中取出和冷卻高溫灰粉的多種問題的有效方案。描述了本發(fā)明對于氣化處理的適用性，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的對于需要冷卻和取出或返回該處理的高溫、高壓固體顆粒的許多處理的總體適用性。
在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，出于過程和安全性二者的原因，在灰粉冷卻器中使用的流化氣體不會(huì)返回氣化器。并且，在本發(fā)明中，這些固體顆粒從氣化器被取出進(jìn)入襯有耐火材料的且在管道底部具有U形形狀的溢流管中。在這種構(gòu)形中，這些固體顆粒從底部中心進(jìn)入初級冷卻器并且向上流動(dòng)進(jìn)入流化床中。流化氣體與這些固體顆粒向上流動(dòng)并且從冷卻器頂部離開。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，由于冷卻器的物理布置，流化床中的較涼的固體顆粒將旨在沿該壁向下流動(dòng)并且與正在從氣化器進(jìn)入的新的熱固體顆?；旌?，從而在這些固體顆粒達(dá)到冷卻表面之前降低這些固體顆粒溫度。在流化床內(nèi)的這些固體顆粒逆向混合并且在內(nèi)部整體循環(huán)，從而產(chǎn)生豎直流。如Zenz, F.A以及Othmer, D.F.等人的文獻(xiàn)(1960,流化和流體粒子系統(tǒng)，290-300頁)教導(dǎo)了如何計(jì)算以及呈現(xiàn)流化床內(nèi)的內(nèi)部固體顆粒循環(huán)速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在流化床內(nèi)部的內(nèi)循環(huán)的較涼的固體顆粒與來自氣化器的熱固體顆?；旌?，并且混合物溫度將低于1000° F。在流化床中的內(nèi)部固體顆粒循環(huán)速率以及來自混合的熱和冷固體顆粒導(dǎo)致的混合物溫度取決于在冷卻器中用來流化這些固體顆粒的表面氣體速度、床密度、固體粒子特性以及其他因素。通過將表面氣體速度調(diào)節(jié)至0.1與3ft/s之間，可以在混合物的固體顆粒接觸這些熱傳遞管道之前將內(nèi)部較涼的固體顆粒循環(huán)速率以及固體顆粒混合物溫度控制到所希望的溫度。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，冷卻器底部的形狀是錐形。沿著該錐形部的邊緣，安裝了多個(gè)噴嘴以便將吹風(fēng)氣體噴射到冷卻器中以便使這些固體粒子流化。流化速度主要是由這些固體粒子的大小和大小分布以及來自氣化器的這些固體顆粒的溫度確定的。所要求的最小氣體速度與由氣體-固體顆粒流化現(xiàn)象領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算或確定的最小流化速度相比大了約0.lft/so在優(yōu)選的實(shí)施方案中，用于熱固體顆粒的在冷卻器底部的入口與流化床內(nèi)的這些冷卻管道底部尖端之間的空間或容積應(yīng)為能夠使得進(jìn)入冷卻器的這些熱固體顆粒具有足夠的時(shí)間與來自上方的相對較涼的回流(內(nèi)部循環(huán)的)固體顆粒相混合。正常地，對于在0.1至IOmm范圍內(nèi)的固體粒子大小而言，這些固體粒子在這個(gè)優(yōu)選空間中的駐留時(shí)間應(yīng)是在10至200秒的范圍之內(nèi)。熱傳遞表面可以是許多種管道束。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，這種管道布置是刺刀管道(bayonet tube)形式。在這種類型的熱傳遞表面中，每個(gè)熱傳遞管道布置實(shí)際上包括兩個(gè)同心管，即內(nèi)部管和外部管。內(nèi)部管被用作導(dǎo)管，該導(dǎo)管用于在重力下來自汽鼓的水的流動(dòng)。水在內(nèi)部管與外部管之間的環(huán)形區(qū)域中被升溫。汽和水的兩相混合物通過浮力流動(dòng)經(jīng)過該環(huán)形空間并且在流回汽鼓之前在冷卻器頂部附近聚集在管板上方空間。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在400至600° F溫度范圍內(nèi)的較涼的固體顆粒經(jīng)過位于管板正下方的出口噴嘴溢出。在這個(gè)布置中，較涼的固體顆粒很少與位于冷卻器頂部附近的管板接觸。管板需要僅被設(shè)計(jì)用于這些較涼的固體顆粒的離開溫度，該離開溫度將在600° F以下。并且，這些外部卡口管道僅接觸1000° F以下的固體顆粒。因此不要求昂貴的合金用于管和管板的構(gòu)造材料。與這些冷卻管道接觸的這些固體顆粒被進(jìn)一步冷卻，并且當(dāng)該床被流化時(shí)，冷卻器上部部分中的這些固體顆粒典型地被冷卻到400至600 ° F范圍之內(nèi)的離開溫度。由于這些管是通過冷卻器管板支持，所以消除了與支持冷卻管相關(guān)聯(lián)的問題。在固體顆粒冷卻器中還可以使用其他類型的管道束。當(dāng)冷卻器處理高溫固體顆粒時(shí)，其實(shí)質(zhì)上是襯有耐火材料的容器。優(yōu)選的是可被預(yù)想到的不同形式的管道束被固定在冷卻器頂部附近從而使得管束的固定或支持不會(huì)經(jīng)受高溫。由于冷卻器頂部是在低溫區(qū)域中，在干舷區(qū)域(freeboard region)中使用耐火襯層來保護(hù)容器壁就不必要了。在這樣的優(yōu)選實(shí)施方案中，管道支架對耐火材料的潛在損害可以通過在干舷區(qū)域中完全消除用于其他類型管束和支架的耐火材料來防止。
為了進(jìn)一步減少容器尺寸和冷卻費(fèi)用，冷卻表面處理正常的固體顆粒流速。在熱固體顆粒最高流速在短時(shí)間段大大高于正常速率的應(yīng)用中，在本實(shí)施方案中所做的布置是通過在容器的錐形部中噴射霧化水滴以及吹風(fēng)氣體來提供額外的冷卻。
具有熱固體顆粒和冷固體顆?；旌衔锏牧骰才c管道束接觸并且被冷卻到所希望的設(shè)計(jì)溫度。這些固體顆粒具有總體向上的流動(dòng)方向并且經(jīng)過冷卻器容器上部部分中的一個(gè)噴嘴或多個(gè)噴嘴被取出。如果安裝了刺刀管道，則如

圖1所示，這些固體顆粒從容器的側(cè)壁并且在管板正下方被取出。側(cè)向取出保持了管板的強(qiáng)度和完整性。如果使用其他類型的管道束，不論是從側(cè)壁或者從冷卻器容器頂部將這些固體顆粒取出都是無關(guān)緊要的。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，從高溫初級固體顆粒冷卻器中取出的固體顆粒流動(dòng)進(jìn)入次級冷卻器中以便用于進(jìn)一步冷卻。次級冷卻器提供額外的冷卻表面以便將這些固體顆粒冷卻到所希望的離開溫度。來自氣化器的灰粉在次級冷卻器中典型地被冷卻到200至350° F范圍之內(nèi)的離開溫度。由于次級冷卻器接收了典型地在400至600° F范圍之內(nèi)用于進(jìn)一步冷卻的低溫固體顆粒，該次級冷卻器是襯有便宜的非耐火材料具有常規(guī)冷卻表面的容器，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可以推測適當(dāng)?shù)蜏氐睦鋮s設(shè)計(jì)。
用于第一冷卻器的流化的氣體從次級冷卻器頂部經(jīng)過防止夾帶的精細(xì)粒子釋放進(jìn)入吹風(fēng)氣體流中的過濾器區(qū)段而被排出。無塵通風(fēng)氣體的流動(dòng)是通過通風(fēng)管線中的壓力調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)的，該壓力調(diào)節(jié)器使次級冷卻器以及初級冷卻器的干舷區(qū)域維持在所希望的壓力。通過這個(gè)實(shí)施方案中的對氣化器與次級冷卻器之間的壓力差的調(diào)節(jié)，可以控制從氣化器到初級固體顆粒冷卻器底部入口的熱固體顆粒的流速。
這些冷卻的固體顆粒從次級冷卻器底部被取出。連續(xù)降壓系統(tǒng)使這些固體顆粒壓力從30至IOOOpsi范圍之內(nèi)的操作壓力減小到離開壓力，該離開壓力足夠?qū)⑦@些固體顆粒運(yùn)送到筒倉用于處置或其他下游處理。通過引起被并入本文的美國專利公布第2010/0266460號描述了具有壓力減低裝置的連續(xù)降壓系統(tǒng)，這些壓力減低裝置便于這些固體顆粒流壓力從操作系統(tǒng)壓力減低至下游處理需要的壓力。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)這些管道束不是刺刀型時(shí)，可將過濾器區(qū)段安裝在初級固體顆粒冷卻器的頂部。如果在滿足處理需要的初級冷卻器中可以實(shí)現(xiàn)充分的冷卻，可以將這些固體顆粒直接排放到連續(xù)降壓系統(tǒng)。在這樣的實(shí)施方案中，次級冷卻器變得不必要。
在本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，在此提供了對來自高溫和高壓煤氣化環(huán)境的灰粉和固體顆粒進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:下導(dǎo)管，該下導(dǎo)管連接該氣化器和初級固體顆粒冷卻器并將這些固體顆粒引導(dǎo)到錐形冷卻器容器底部；在初級固體顆粒冷卻容器內(nèi)部用來在固體顆粒與冷卻介質(zhì)之間交換熱量的冷卻表面；在容器頂部附近用于冷卻表面或冷卻束的支架；在初級固體顆粒冷卻器容器的頂部區(qū)段附近的固體顆粒出口 ；在次級冷卻器入口處的氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)；在次級冷卻器頂部附近用來防止夾帶的精細(xì)固體顆粒進(jìn)入通風(fēng)管線的通風(fēng)過濾器區(qū)段；用來控制固體顆粒冷卻器與氣化器之間壓力差的壓力控制通風(fēng)閥；用來進(jìn)一步冷卻這些固體顆粒或者用作連續(xù)降壓系統(tǒng)的緩沖罐的次級冷卻器(或接納容器)；以及用來將運(yùn)行固體顆粒壓力減小到用于排放所要求的水平的連接壓力減低系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)碜约s1500° F至2200° F溫度范圍、以及約30至IOOOpsia的壓力范圍內(nèi)運(yùn)行的氣化器或反應(yīng)器的灰粉或固體顆粒進(jìn)行冷卻和降壓。相連接的下導(dǎo)管和初級固體顆粒冷卻器可以襯有耐火材料以便耐受腐蝕和高溫。在冷卻表面之下的錐形區(qū)域和容積可以被設(shè)計(jì)成足夠大從而回流的冷的固體顆粒具有充分的時(shí)間與正在進(jìn)入的熱固體顆粒混合。初級冷卻器的冷卻表面可以是刺刀式冷卻管道，其外部管道暴露給流化床的約1000° F以下的固體顆粒。Ω形的彈簧可以附接到這些內(nèi)部刺刀管上以便使管的振動(dòng)最小化。冷卻表面的支架可以位于冷卻器上部部分的低溫區(qū)段中，在此支持材料所經(jīng)受的最大溫度低于600° F。離開氣化器的熱固體顆粒相對于離開初級冷卻器的較涼的固體顆粒而言可以處于更高的高度。由于高度差異所引起的流體靜壓頭，來自氣化器的過量的熱固體顆?？梢员蝗〕觥⒗鋮s和降壓以便于處置?？梢詫υ撨B接下導(dǎo)管的管道增加吹風(fēng)以便控制由于高度差異產(chǎn)生的流體靜壓頭引起的固體顆粒流動(dòng)。吹風(fēng)速率可以被調(diào)節(jié)成使吹風(fēng)氣體連同這些固體顆粒一起向下流動(dòng)從而避免干擾氣化器或反應(yīng)器的運(yùn)行。固體顆粒流動(dòng)的控制還可以通過通風(fēng)壓力控制閥對氣化器與冷卻器容器之間的壓力差進(jìn)行平衡來調(diào)節(jié)。通過在初級固體顆粒冷卻器的底部錐形部分中的充分的通風(fēng)，可以使來自氣化器的無關(guān)材料與熱固體粒子分離。在這些固體顆?；旌衔锝佑|該冷卻表面之前，正在進(jìn)入的熱固體顆?？梢栽诔跫壚鋮s器內(nèi)部與來自上面的冷的回流固體顆?；旌希员闶惯@些固體顆?；旌衔餃囟染S持低于約 1000° F?？梢詫εc這些冷卻的固體顆粒一起從初級冷卻器容器中離開的流化氣體進(jìn)行過濾，并且潔凈的氣體被排到下游處理。次級容器可以接納來自初級冷卻器的固體顆粒以作進(jìn)一步的冷卻，并且這些固體顆?？梢酝ㄟ^重力而向下流動(dòng)并且經(jīng)過容器底部離開。冷卻的固體顆?？梢越?jīng)過將固體顆粒流壓力減小至用于運(yùn)送的希望水平的連續(xù)降壓系統(tǒng)而從次級容器中被取出。在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，用于對以約1500° F以上平均溫度進(jìn)入該冷卻系統(tǒng)的固體顆粒進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)包括:冷卻器，該冷卻器具有用于接受約1500° F以上平均溫度的固體顆粒的入口；該冷卻器具有用于使這些固體顆粒的約600° F以下平均溫度的至少一部分離開的出口 ；該冷卻器中的熱傳遞系統(tǒng)；以及冷卻器中的流化床回流冷卻材料(接近離開溫度的較涼的固體顆粒)，其中這些約1500° F以上平均溫度的固體顆粒經(jīng)過該入口進(jìn)入該冷卻器，其中這些固體顆粒的至少一部分在該冷卻器中與流化床回流冷卻材料的至少一部分混合直到這些固體顆粒的至少一部分的平均溫度被冷卻到小于約1000° F，其中這些固體顆粒的小于約1000° F平均溫度的至少一部分與冷卻器中的熱傳遞系統(tǒng)接觸，該熱傳遞系統(tǒng)使這些固體顆粒的至少一部分進(jìn)一步冷卻到小于約600° F的平均溫度，并且其中這些固體顆粒的約600° F以下的平均溫度的至少一部分經(jīng)過該出口離開。固體顆?？梢砸约s30psia以上的平均壓力經(jīng)過冷卻器底部的入口進(jìn)入該冷卻器。這些固體顆粒可以具有約50微米至400微米范圍之內(nèi)的質(zhì)量平均直徑。該冷卻器可以是具有底部和頂部的垂直容器，并且該冷卻器的入口可以位于該冷卻器的底部。該冷卻系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括:將固體顆粒在約1500° F以上平均溫度下引導(dǎo)至冷卻器底部的下導(dǎo)管、在冷卻器頂部附近在低溫區(qū)段中用于支持該熱傳遞系統(tǒng)的支架、第二冷卻器、以及氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)，其中這些固體顆粒的在約600° F以下的平均溫度的至少一部分經(jīng)過該出口離開冷卻器并且進(jìn)入氣體固體顆粒分離系統(tǒng)并且然后再進(jìn)入第二冷卻器，以對這些固體顆粒作進(jìn)一步冷卻。下導(dǎo)管和初級固體顆粒冷卻器可以襯有耐火材料。該冷卻系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括:在第二冷卻器頂部的限制夾帶的微粒進(jìn)入這些通風(fēng)管線的通風(fēng)過濾器區(qū)段，以及用來調(diào)節(jié)冷卻器與氣化器之間壓力差的壓力控制系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括連續(xù)壓力減低系統(tǒng)，其中冷卻的固體顆粒經(jīng)過使固體顆粒流壓力減小至用于從第二冷卻器運(yùn)送的希望的壓力的連接壓力減低系統(tǒng)而從第二冷卻器中被取出。初級冷卻器的底部可以是錐形的從而提供錐形區(qū)段并結(jié)合該入口，并且下導(dǎo)管可以將這些固體顆粒提供到冷卻器底部中的入口。初級固體顆粒冷卻器在熱傳遞系統(tǒng)之下的錐形區(qū)域和容積的大小可以被確定為使得回流的冷的固體顆粒有充分的時(shí)間與來自下導(dǎo)管的正在進(jìn)入的熱固體顆?；旌稀Ｔ摾鋮s系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括用來調(diào)節(jié)冷卻器與氣化器之間壓力差的壓力控制系統(tǒng)。在本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方案中，將約1500° F以上平均溫度的固體顆粒冷卻到小于約600° F平均溫度的冷卻方法包括:提供月1500° F以上平均溫度的固體顆粒，將這些固體顆粒與流化床回流冷卻材料混合以便形成具有小于約1000° F平均溫度的一部分固體顆粒，并且使具有小于約1000° F平均溫度的一部分固體顆粒與熱傳遞系統(tǒng)相接觸以便形成具有小于約600° F平均溫度的一部分固體顆粒。這種冷卻方法可以進(jìn)一步包括提供處于約1500° F以上平均溫度且約30psia以上平均壓力的固體顆粒。該冷卻方法可以進(jìn)一步包括提供約1500° F以上平均溫度且約50微米至400微米范圍內(nèi)的質(zhì)量平均直徑的固體顆粒。該冷卻方法可以進(jìn)一步包括提供其中發(fā)生這些冷卻步驟的初級冷卻器，在冷卻器頂部附近支持熱傳遞系統(tǒng)，提供次級冷卻器，其中這些固體顆粒的約600° F以下平均溫度的至少一部分離開該初級冷卻器，在氣體和固體顆粒進(jìn)入次級冷卻器之前將它們分離，并且在次級冷卻器中進(jìn)一步冷卻這些固體顆粒。該冷卻方法可以進(jìn)一步包括:進(jìn)行過濾以便用來限制超過預(yù)定尺寸的精細(xì)固體顆粒進(jìn)入通風(fēng)管線，并且對在初級冷卻器以及在約1500° F以上平均溫度操作的氣化器之間的壓力差進(jìn)行控制。
該冷卻方法可以進(jìn)一步包括連續(xù)降低從次級冷卻器取出的冷卻的固體顆粒的壓力，以便將固體顆粒流壓力減小至用于從次級冷卻器運(yùn)送的希望的水平。
該冷卻方法可以進(jìn)一步包括對來自氣化器的約1500° F以上平均溫度的過量固體顆粒進(jìn)行取出、冷卻和降壓操作，以便于對它們的處置。
該冷卻方法可以進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)下導(dǎo)管中這些固體顆粒的吹風(fēng)速率，以便控制由高度差所產(chǎn)生的流體靜壓頭引起的固體顆粒流動(dòng)。
該冷卻方法可以進(jìn)一步包括通過通風(fēng)壓力控制器來調(diào)節(jié)氣化器與冷卻器之間的壓力差以便進(jìn)一步控制熱固體顆粒向冷卻器入口的流動(dòng)。
本發(fā)明的這些和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)當(dāng)通過結(jié)合附圖并閱讀以下說明書而變得更加清楚。
附圖簡要說明
通過參見以下詳細(xì)說明并結(jié)合附圖可以更易于理解本發(fā)明的不同特征和優(yōu)點(diǎn)，其中相似的參考號指示相似的結(jié)構(gòu)元件，并且在附圖中:
圖1展示了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案用來處理來自高溫、高壓源的熱固體顆粒的固體顆粒熱交換器。
圖2展示了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案初級固體顆粒冷卻器的底部錐形區(qū)段。
圖3展示了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方案卡口式熱交換器管道的夾具布置。
發(fā)明詳細(xì)說明
為便于理解本發(fā)明不同實(shí)施方案的原理和特征，以下解釋了不同的說明性實(shí)施方案。盡管詳細(xì)解釋了本發(fā)明多個(gè)示例性實(shí)施方案，應(yīng)該理解可以考慮其他實(shí)施方案。因此，并非旨在將本發(fā)明的范圍限制成通過以下說明所闡述或通過附圖所展示的部件結(jié)構(gòu)及布置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠用于其他實(shí)施方案并且能夠以不同方式來實(shí)踐或執(zhí)行。同樣，在描述這些示例性實(shí)施方案中，為了簡明起見將求助特殊術(shù)語。
還必須指出，除非上下文清楚地另有說明，如在說明書和所附權(quán)利要求中使用時(shí)，單數(shù)形式“一個(gè)”、“一種”以及“該”包括復(fù)數(shù)個(gè)參考物。例如，參考部件還旨在包括多個(gè)部件的組合物。參考包含“一種”成分的組合物旨在包括除了所命名的一種組合物之外的其他組合物。
同樣，在描述這些示例性實(shí)施方案中，為簡明起見將求助術(shù)語。旨在每個(gè)術(shù)語考慮了其如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的最廣泛的意義并且包括以類似的方式操作來完成類似目的的所有技術(shù)等效物。
范圍在此可以表述為從“大約”或“約”或“實(shí)質(zhì)上” 一個(gè)特殊值和/或到“大約”或“約”或“實(shí)質(zhì)上”另一個(gè)特殊值。當(dāng)表述這樣的范圍時(shí)，其他示例性實(shí)施方案包括從該一個(gè)特殊值和/或到該另一個(gè)特殊值。
類似的，如在此使用的，“基本上沒有”某物、或者“基本上純的”、以及相似的特征描述可以包括:是“至少基本上沒有”某物或“至少基本上純的”、以及是“完全沒有”某物或者“完全純的” 二者。
“包括”或“含有”或“包含”意味著在該組合物或物品或方法中存在至少這種命名的組合物、元素、物品或者方法步驟，但不排除存在其他組合物、材料、物品、方法步驟，即使其他這樣的組合物、材料、物品、方法步驟與所命名的具有相同的功能。
還應(yīng)該理解，提及的一個(gè)或多個(gè)方法步驟不排除存在額外的方法步驟或者介于那些確切鑒定的步驟之間的方法步驟。類似地，還應(yīng)該理解，在組合物中提及的一種或多種成分不排除存在著那些明確鑒定的以外的額外成分。
如在制作本發(fā)明不同元件所描述的這些材料旨在是說明性的而非限制性的。將與在此描述的這些材料執(zhí)行相同或類似功能的許多適合材料旨在包含于本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如未在此描述的其他這樣的材料可以包括但不限于在發(fā)展本發(fā)明的時(shí)間之后所開發(fā)的材料。
本發(fā)明具有冷卻和處理熱固體粒子的廣闊應(yīng)用，如來自不同化學(xué)反應(yīng)器的催化劑和產(chǎn)物，以及來自燃燒室的灰粉和耗用的吸著劑粒子以及來自氣化器的非利用的炭混合物。本發(fā)明的詳細(xì)說明是針對來自加壓氣化器的熱固體顆粒進(jìn)行冷卻然后降壓的具體實(shí)例提供的，但同樣可應(yīng)用于需要對來自高溫和高壓環(huán)境的固體粒子進(jìn)行冷卻的其他情形。
如圖1展示的，在反應(yīng)器、燃燒室或氣化器100中產(chǎn)生的固體顆粒(術(shù)語“固體顆?！痹诖送ǔＳ脕砻枋鼍哂性?0至400微米范圍內(nèi)的質(zhì)量平均直徑的分布顆粒，常見地是來自煤氣化器的主要包括具有極少炭的灰粉的固體顆粒)經(jīng)過噴嘴110經(jīng)過連接的下導(dǎo)管管道200被取出。連接的下導(dǎo)管管道以及初級冷卻器容器被襯有耐火材料以保護(hù)其免受腐蝕和高壓環(huán)境。流化床氣化器的操作溫度通常是在約1700° F至2000° F的范圍之內(nèi)并且操作壓力是在約30至IOOOpsia的范圍之內(nèi)。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，固體顆粒流動(dòng)方向在噴嘴110處是總體向下的。為了便于設(shè)備布局和管道布置連接，可以使噴嘴與水平面所成角度在約10與90度之間，具有總體向下方向的流動(dòng)。如果管道長度大于管道直徑的20倍則增加多個(gè)吹風(fēng)噴嘴250。吹風(fēng)氣體流動(dòng)可以被調(diào)節(jié)為與熱固體顆粒一起流動(dòng)到固體顆粒冷卻器。
如圖1所展示的，來自氣化器的固體顆粒在底部中心開口 260處進(jìn)入初級冷卻器300。在一個(gè)實(shí)施方案中，連接初級冷卻器300的管道200可以具有進(jìn)入初級冷卻器空間300中的延伸部分210。襯有耐火材料的初級冷卻器容器300的錐形區(qū)段320以及入口的延伸部分210形成了環(huán)形腔310，該環(huán)形腔實(shí)質(zhì)上是具有最小吹風(fēng)的不流動(dòng)帶。這個(gè)不流動(dòng)帶的目的是充分的收集進(jìn)入初級冷卻器的大片無關(guān)材料和外來材料并使冷卻器的這些材料安全排出(通過排出噴嘴330)以便限制或防止它們干擾固體顆粒的冷卻操作。該管道的延伸部分和不流動(dòng)帶對于進(jìn)入冷卻器的固體顆粒免于無關(guān)材料的應(yīng)用是不必要的。
通過最小吹風(fēng)，環(huán)形腔310可以被流化以便使無關(guān)材料與標(biāo)準(zhǔn)灰粉粒子分離。這種構(gòu)形的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)延長的中心管道以及錐形部的大小、形狀和角度可以按需要來設(shè)計(jì)環(huán)形腔310的截面面積，從而可使流化這些小粒子以及使這些較大粒子與這些較小粒子分離的吹風(fēng)氣體的消耗量最小。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)基于尺寸分離的不同方式來使無關(guān)材料與正常運(yùn)行的固體粒子，如來自氣化器的灰粉與炭的混合物分離。
圖2展示了用來使無關(guān)材料與標(biāo)準(zhǔn)灰粉混合物分離的錐形區(qū)段和延長中心管道的設(shè)計(jì)實(shí)例。中心管道210可以具有另一個(gè)錐形區(qū)段215，可以調(diào)節(jié)該錐形區(qū)的角度以便在該容器與錐形部215之間實(shí)現(xiàn)所希望的截面面積以便使對于流化氣的需求最小。吹風(fēng)氣體335被加到錐形部周圍的不同噴嘴。吹風(fēng)氣體使初級冷卻器上部區(qū)段中的固體顆粒流化用于較好的熱傳遞。通常是大片的碎裂耐火材料和渣塊的無關(guān)材料下沉到初級冷卻器底部并且通過排放管330被排出。根據(jù)該過程，在中心管215與容器錐形部360之間形成的環(huán)形腔空間340可以用來在正常運(yùn)行過程中存儲(chǔ)無關(guān)材料并且在此處理結(jié)束時(shí)被去除。參見圖2中的實(shí)施方案，在大片無關(guān)材料已經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)灰粉分離之后，進(jìn)入初級冷卻器的熱的灰粉流260與具有約400° F至600° F范圍之內(nèi)的溫度的內(nèi)部循環(huán)冷卻器灰粉流345相混合。由于這兩個(gè)流的混合，這些固體顆粒的混合物溫度是在約800° F至1000° F的范圍之內(nèi)。因此，與流化的固體粒子接觸的冷卻表面(例如，圖1中的刺刀管布置的外部管道400)的溫度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于來自氣化器的的入口的約1500° F至2200° F的溫度。與灰粉冷卻表面接觸的約800° F至1000° F的低溫固體顆粒使對于作為用于構(gòu)造該冷卻表面材料的昂貴合金材料的需要最小化，即便不是完全消除的話。在第一階段中初級冷卻器中的整個(gè)冷卻表面可以通過使用普通的碳鋼來構(gòu)造。固體顆粒混合物由于氣體拖動(dòng)以及由于冷卻固體顆粒入口 260與固體顆粒出口370之間的壓力差而在初級冷卻器中向上流動(dòng)。氣體-固體顆粒混合物接觸初級冷卻器中的冷卻表面400。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，這個(gè)冷卻表面是由刺刀式冷卻管道制成，這些冷卻管道包括兩個(gè)同心管:如圖1展示的外管400和內(nèi)管410。冷卻劑流體(水)優(yōu)選在重力下而向下流動(dòng)而從汽鼓500進(jìn)入由初級冷卻器的容器壁380和管板430形成的空間420中。水被分配進(jìn)入附接于管板430上的復(fù)數(shù)個(gè)管道(內(nèi)管410)之中。如圖3展示的，水在內(nèi)管410中向下流動(dòng)，當(dāng)它吸收熱量時(shí)形成水-蒸汽混合物，然后兩相的蒸汽泡和飽和的水在由內(nèi)管410和外管400形成的環(huán)形空間中向上流動(dòng)。用于在環(huán)形空間中的部分水蒸發(fā)成蒸汽泡的熱源是圍繞外管的具有約800° F至1000° F的熱灰粉的流化床。蒸汽泡與汽鼓中的水分離并且通過鼓室壓力控制閥對蒸汽進(jìn)行通風(fēng)，使汽鼓壓力典型地維持在約50psi。初級固體顆粒冷卻器的尺寸大小以及所需要的熱傳遞區(qū)域的范圍取決于這些固體顆粒的令人希望的離開溫度。從性能和經(jīng)濟(jì)學(xué)觀點(diǎn)二者出發(fā)，可取的是使灰粉冷卻到約400° F至600° F的初級冷卻器離開溫度。令更低溫度的冷卻水流過冷卻管道束900的可在次級冷卻器700 (圖1)中完成更低溫度的進(jìn)一步冷卻。如圖1展示的，冷卻到約400° F至600° F的灰粉經(jīng)過出口 370從初級固體顆粒冷卻器頂部附近溢出。流化氣體也與這些固體顆粒一起離開初級冷卻器并且經(jīng)過導(dǎo)管600流動(dòng)進(jìn)入嵌在次級冷卻器700中的氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)800。氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)一般包括旋流器，該旋流器具有浸入管和用于浸入管的密封件(例如，環(huán)式密封件800)。氣體-固體顆粒分離器的目的是防止氣體將大量的固體粒子攜帶到隔板式過濾器710。在這些固體顆粒的大部分與流入旋流器中的氣體-固體顆粒流發(fā)生分離之后，離開旋流器的夾帶著精細(xì)粒子的氣體經(jīng)過分配導(dǎo)管810向上流動(dòng)。810出口處的分配器將氣體平均分配到這些隔板式過濾器710。這些隔板式過濾器一般由復(fù)數(shù)的燒結(jié)金屬過濾器制成以阻止精細(xì)粒子并允許更潔凈的氣體滲透穿過過濾器。經(jīng)過濾的氣體流經(jīng)壓力控制閥750并且被排放到適合位置，優(yōu)選到處于較低壓力的處理流的下游。來自初級固體顆粒冷卻器的流化氣體因此被清潔并且不是被排回氣化器，而是被排到下游處理。這樣，可以優(yōu)化初級冷卻器中的流化氣體的數(shù)量以便實(shí)現(xiàn)所希望的內(nèi)部固體顆粒循環(huán)并使來自流化床的熱傳遞最大化。來自次級冷卻器旋流器以及環(huán)式密封件800的釋放的固體顆粒與來自這些隔板式過濾器710的精細(xì)固體顆粒一起流經(jīng)一組冷卻表面900的而被冷卻到希望的離開溫度。來自次級冷卻器的吹風(fēng)氣體335也被過濾并且經(jīng)過壓力控制閥750排出。冷卻的固體顆粒于是經(jīng)過次級冷卻器底部的離開噴嘴950被排放。離開950的冷卻的固體顆粒仍處于高的氣化器運(yùn)行壓力。優(yōu)選的是灰粉經(jīng)過連續(xù)灰粉減壓系統(tǒng)被減壓，例如在美國專利公布號2010/0266460中披露的，其傳授內(nèi)容通過應(yīng)用被并入本文。2010/0266460披露了具有壓力下降裝置的連續(xù)減壓系統(tǒng)，這些壓力下降裝置便于來自高操作系統(tǒng)壓力的固體顆粒流的壓力下降至下游處理所需要的較低壓力。
圖3提供了限制或防止刺刀管布置的內(nèi)管410振動(dòng)的方法。Ω形夾具440在該Ω件的一個(gè)腿上被焊接到內(nèi)管410上。該Ω件的頂部與外管400相接觸。該Ω夾具典型地是以三英尺間隔以及120度取向來定位的。通過這個(gè)實(shí)施方案，該內(nèi)管是由Ω夾具約束的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)用來抑制外部管道振動(dòng)效應(yīng)而同時(shí)允許軸向膨脹的幾種方法。關(guān)鍵是自初級冷卻器的上部區(qū)段支持該約束機(jī)構(gòu)，例如取決于這些管道長度的一個(gè)或多個(gè)約束柵，該上部區(qū)段溫度通常在600° F以下。
來自鼓室流經(jīng)內(nèi)管410的水以約5至15ft/s范圍內(nèi)的速度經(jīng)過限定區(qū)段450離開內(nèi)管。這種速度限制或者防止污物積聚在水系統(tǒng)中或附著在刺刀管中的低點(diǎn)處。外部管道的較低部分包覆有厚的金屬帽460以限制或防止腐蝕。
在氣化器操作過程中，煤灰積聚在氣化器中。氣化器中的循環(huán)固體顆粒存量是經(jīng)過固體顆粒冷卻器系統(tǒng)將積聚的煤灰取出而維持的。高溫灰粉被冷卻和減壓以便運(yùn)送到用于處置的灰粉筒中。如圖1展示的，在氣化器上的固體顆粒移送噴嘴110位于初級冷卻器溢流出口噴嘴370上方大約五英尺處。每當(dāng)該連接的J形下導(dǎo)管管道被流化時(shí)，這種布置產(chǎn)生了流體靜壓頭以便用于固體顆粒自然地從氣化器流動(dòng)到初級固體顆粒冷卻器而被流化。除流體靜壓頭外，還通過排壓控制閥750來控制固體顆粒流動(dòng)。在運(yùn)行中，在移送點(diǎn)與由750引起的排壓之間的壓力差用于粗糙控制，在連接的J形下導(dǎo)管管道中的流化氣體的流動(dòng)被用于到初級固體顆粒冷卻器的熱固體顆粒的精細(xì)控制。
在以上說明中與結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)節(jié)一起闡述了大量特征和優(yōu)點(diǎn)。雖然本發(fā)明已經(jīng)通過幾種形式進(jìn)行了披露，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員清楚的是尤其是與零件的形狀、大小和布置相關(guān)可以做出許多修改、增加、和刪除，而無需脫離如在以下權(quán)利要求中闡述的本發(fā)明及其等效物的精神和范圍。因此，當(dāng)可以通過在此的傳授內(nèi)容建議的其他改變或?qū)嵤┓桨嘎淙朐诖怂綑?quán)利要求的寬度和范圍之內(nèi)時(shí)，可以特別予以保留。
權(quán)利要求
1.一種冷卻系統(tǒng)用于對進(jìn)入該冷卻系統(tǒng)中的約1500° F以上平均溫度的固體顆粒進(jìn)行冷卻，該冷卻系統(tǒng)包括: 冷卻器，該冷卻器具有在底部用于接受約1500° F以上平均溫度的固體顆粒的入口，該冷卻器具有在上部區(qū)段中用于使約600° F以下平均溫度的固體顆粒的至少一部分離開的出口 ； 該冷卻器中的熱傳遞系統(tǒng)；以及 該冷卻器中的流化床回流冷卻材料； 其中，這些固體顆粒經(jīng)過該入口以約1500° F以上的平均溫度進(jìn)入該冷卻器； 其中，這些固體顆粒中的至少一部分在該冷卻器的下部分區(qū)段中與流化床回流冷卻材料的至少一部分混合，直到這些固體顆粒的至少一部分的平均溫度被冷卻至小于約1000。F ； 其中，這些固體顆粒的小于約1000° F平均溫度的至少一部分接觸該冷卻器中的熱傳遞系統(tǒng)，該熱傳遞系統(tǒng)使這些固體顆粒的至少一部分進(jìn)一步冷卻到小于約600° F平均溫度；并且 其中，這些固體顆粒的小于約600° F平均溫度的至少一部分經(jīng)過該出口離開該冷卻器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其中這些固體顆粒經(jīng)過該入口以約30pisa以上的平均壓力進(jìn)入該冷卻器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其中固體顆粒具有在約50微米至400微米范圍之內(nèi)的質(zhì)量平均直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 下導(dǎo)管，該下導(dǎo)管將約1500° F以上平均溫度的這些固體顆粒引入到該冷卻器底部； 接近該冷卻器頂部用于支持該熱傳遞系統(tǒng)的支架； 第二冷卻器；以及 氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)； 其中，這些固體顆粒的約600° F以下平均溫度的至少一部分經(jīng)過該出口離開該冷卻器并且進(jìn)入該氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)中并且然后進(jìn)入該第二冷卻器，以進(jìn)一步冷卻這些固體顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 在該第二冷卻器頂部用來限制超過預(yù)定大小的固體顆粒進(jìn)入通風(fēng)管線的通風(fēng)過濾器 區(qū)段；以及 用來調(diào)節(jié)該冷卻器與該氣化器之間壓力差的壓力控制系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連續(xù)壓力減低系統(tǒng)，其中這些冷卻的固體顆粒經(jīng)過該連續(xù)壓力減低系統(tǒng)而從該第二冷卻器中被取出，該連續(xù)壓力減低系統(tǒng)使固體顆粒流的壓力減小到用于從該第二冷卻器運(yùn)送的希望水平。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其中這些固體顆粒經(jīng)過該入口以在約1500°F與2200° F之間的平均溫度進(jìn)入該冷卻器； 其中這些固體顆粒經(jīng)過該入口以在約30psia與IOOOpsia之間的平均壓力進(jìn)入該冷卻器；并且其中這些固體顆粒具有在約50微米與400微米之間的質(zhì)量平均直徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括下導(dǎo)管，其中該冷卻器是豎直容器，其中該冷卻器底部是錐狀的并且并入該入口，并且其中該下導(dǎo)管將這些固體顆粒提供到該冷卻器底部中的入口。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括: 第二冷卻器；以及 氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)； 其中，這些固體顆粒的約600° F以下平均溫度的至少一部分經(jīng)過該出口離開該冷卻器并且進(jìn)入該氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)并且然后進(jìn)入該第二冷卻器，以進(jìn)一步冷卻這些固體顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷卻系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用來調(diào)節(jié)該冷卻器與該氣化器之間壓力差的壓力控制系統(tǒng)。
11.一種對來自高溫和高壓的煤氣化環(huán)境的灰粉和固體顆粒進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括: 氣化器； 初級固體顆粒冷卻器； 下導(dǎo)管，該下導(dǎo)管連接該氣化器以及該初級固體顆粒冷卻器，并將這些固體顆粒引入到該初級固體顆粒冷卻器底部； 該初級固體顆粒冷卻器中的熱傳遞系統(tǒng)，該熱傳遞系統(tǒng)用來在這些固體顆粒與冷卻介質(zhì)之間交換熱量； 在該冷卻器頂部附近用于支持該熱傳遞系統(tǒng)的支架； 在該初級固體顆粒冷卻器頂 部附近的固體顆粒出口； 次級冷卻器； 在該次級冷卻器入口處的氣體-固體顆粒分離系統(tǒng)； 在該次級冷卻器頂部附近用來限制超過預(yù)定大小的固體顆粒進(jìn)入通風(fēng)管線的通風(fēng)過濾器區(qū)段； 用來控制該初級固體顆粒冷卻器與該氣化器之間壓力差的壓力控制通風(fēng)閥；以及連續(xù)壓力減低系統(tǒng)，其中這些冷卻的固體顆粒經(jīng)過該連續(xù)壓力減低系統(tǒng)從該次級冷卻器中被取出，該連續(xù)壓力減低系統(tǒng)使固體顆粒流的壓力減小至用于從該次級冷卻器運(yùn)送的希望水平。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)對來自在約1500°F與2200° F之間平均溫度以及在約30psia與IOOOpsia之間平均壓力運(yùn)行的氣化器的灰粉或固體顆粒進(jìn)行冷卻和降壓； 其中，該灰粉和固體顆粒具有在約50微米與400微米之間的質(zhì)量平均直徑； 其中，在該初級固體顆粒冷卻器頂部附近的固體顆粒出口提供了用于這些固體顆粒的約600° F以下平均溫度的至少一部分的出口 ； 其中，這些固體顆粒的至少一部分在該初級固體顆粒冷卻器中與流化床回流冷卻材料相混合直到這些固體顆粒的至少一部分的平均溫度被冷卻至小于約1000° F ； 其中，這些固體顆粒的約小于1000° F的平均溫度的至少一部分與該初級固體顆粒冷卻器中的熱傳遞系統(tǒng)相接觸，這個(gè)熱傳遞系統(tǒng)使這些固體顆粒的至少一部分進(jìn)一步冷卻至約小于600° F的平均溫度；并且 其中，這些固體顆粒的約600° F以下平均溫度的至少一部分經(jīng)過固體顆粒出口離開該初級固體顆粒冷卻器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中該次級冷卻器包括襯有非耐火材料的容器。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中該初級固體顆粒冷卻器的底部是錐形的從而提供錐形區(qū)域，并有其中該初級固體顆粒冷卻器在該熱傳遞系統(tǒng)下方的錐形區(qū)域和容積被確定大小為使得回流的冷固體顆粒具有足夠的時(shí)間與來自該下導(dǎo)管的這些正在進(jìn)入的固體顆?；旌?。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中該熱傳遞系統(tǒng)包括多個(gè)刺刀式冷卻管道。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括附接到這些刺刀式冷卻管道上的以減小振動(dòng)的多個(gè)Ω形彈簧。
17.根據(jù)權(quán)利 要求11所述的系統(tǒng)，其中這些固體顆粒離開該氣化器的位置高于在該初級固體顆粒冷卻器頂部附近的固體顆粒出口的位置。
18.—種對約1500° F以上平均溫度固體顆粒冷卻至小于約600° F平均溫度的方法，該方法包括: 提供約1500° F以上平均溫度的固體顆粒； 將這些固體顆粒與流化床回流冷卻材料混合來形成具有小于約1000° F平均溫度的一部分固體顆粒；并且 將具有小于約1000° F平均溫度的一部分固體顆粒與熱傳遞系統(tǒng)接觸以形成具有小于約600° F平均溫度的一部分固體顆粒。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的冷卻的方法，進(jìn)一步包括提供約1500°F以上平均溫度、約30psia以上平均壓力的這些固體顆粒。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的冷卻的方法進(jìn)一步包括提供約1500°F以上平均溫度、約50微米至400微米范圍之內(nèi)的質(zhì)量平均直徑的這些固體顆粒。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的冷卻的方法，進(jìn)一步包括: 提供其中發(fā)生這些冷卻步驟的初級冷卻器； 在該冷卻器頂部附近將該熱傳遞系統(tǒng)支持在較低溫度區(qū)段中； 提供次級冷卻器，其中這些固體顆粒的約600° F以下平均溫度的至少一部分離開該初級冷卻器； 在該氣體和固體顆粒進(jìn)入該次級冷卻器中之前將兩者分離；并且 在該次級冷卻器中對這些固體顆粒進(jìn)行冷卻。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的冷卻的方法，進(jìn)一步包括: 進(jìn)行過濾以便限制超過預(yù)定大小的固體顆粒進(jìn)入通風(fēng)管線；并且 對提供約1500° F以上平均溫度的這些固體顆粒的氣化器與該初級冷卻器之間的壓力差進(jìn)行控制。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的冷卻的方法，進(jìn)一步包括連續(xù)降低從該次級冷卻器中取出的這些冷卻的固體顆粒的壓力，以便將固體顆粒流的壓力減小到用于從該次級冷卻器運(yùn)送的希望水平。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的冷卻的方法，進(jìn)一步包括對來自該氣化器的約1500°F以上平均溫度的過量固體顆粒進(jìn)行取出、冷卻和降壓，以便于它們的處置。
25.根據(jù)權(quán)利要求18所述的冷卻的方法，進(jìn)一步包括在將這些固體顆粒與該流化床回流冷卻材料混合之前在下導(dǎo)管中對這些固體顆粒進(jìn)行吹風(fēng)，并且調(diào)節(jié)該吹風(fēng)速度以便控制由高度差產(chǎn)生的流體靜壓頭所引起的這些固體顆粒的流動(dòng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的冷卻的方法，進(jìn)一步包括調(diào)節(jié)該氣化器與初級冷卻器之間的壓力差，以便控制熱固體顆粒至初級冷卻器的流動(dòng)。
全文摘要
在此披露了對來自高溫和高壓下運(yùn)行的煤氣化器的固體粒子進(jìn)行冷卻的冷卻及降壓系統(tǒng)設(shè)備、安排和方法。必須從循環(huán)流化床氣化器中將來自煤的灰粉連續(xù)取出，以維持氣化器中固體顆粒存量。披露的系統(tǒng)能夠使常規(guī)材料用于構(gòu)造熱傳遞表面。用于這些冷卻表面的支架位于初級冷卻器的較低溫度上部區(qū)段上。這些冷卻的固體顆粒連同流化氣體一起離開該初級冷卻器到達(dá)次級接收容器，在該次級接收容器中這些固體顆?？梢酝ㄟ^常規(guī)手段被進(jìn)一步冷卻。進(jìn)入次級容器中的流化的及帶走的氣體經(jīng)過通風(fēng)壓力控制閥被過濾和排出。次級容器中的冷卻的固體顆粒吸附塔是由連續(xù)降壓系統(tǒng)被降壓至低壓力，這些低壓力足夠用于運(yùn)送這些固體顆粒到用于處置的筒倉。所建議的系統(tǒng)和方法同樣適用于要求對處理固體顆粒進(jìn)行冷卻和降壓的許多高溫、高壓處理。
文檔編號C10J3/56GK103153450SQ201180038825
公開日2013年6月12日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者帕納拉爾·維摩乾德, 劉國海, 彭萬旺 申請人:南方公司