專(zhuān)利名稱(chēng)：用于冷卻氣化產(chǎn)物的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中公開(kāi)的主題涉及冷卻來(lái)自氣化器的氣體的氣化冷卻系統(tǒng)，例如輻射合成氣冷卻器。
背景技術(shù)：
整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電設(shè)備能夠相對(duì)清潔且高效地從諸如煤的各種碳?xì)浠衔锝o料產(chǎn)生能量。IGCC技術(shù)可以通過(guò)與氣化器中的蒸汽反應(yīng)將碳?xì)浠衔锝o料轉(zhuǎn)化成包括一氧化碳(CO)和氫氣(H2)的氣體混合物，例如合成氣。這些氣體可以在常規(guī)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備中被冷卻、清潔并用作燃料。例如，輻射合成氣冷卻器(RSC)可以在水氣體變換反應(yīng)器和/或其它氣體清潔單元上游接收并冷卻合成氣。不幸的是，沒(méi)有熔渣從合成氣的充分分離，進(jìn)入RSC的喉部的合成氣中的熔渣的摻入能夠潛在地?fù)p壞熱交換器管道。此外，用于在合成氣到達(dá)熱交換器管道之前從合成氣分離熔渣的當(dāng)前方法，例如通過(guò)限制喉部的 直徑，可能增加流過(guò)RSC的合成氣的速度，這使通過(guò)RSC中的熱交換進(jìn)行最佳的合成氣冷卻的設(shè)計(jì)變復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，氣化冷卻系統(tǒng)包括具有入口、出口以及設(shè)置在入口和出口之間的內(nèi)部區(qū)域的外罩。該氣化冷卻系統(tǒng)還包括喉部，該喉部設(shè)置在內(nèi)部區(qū)域中，與入口相鄰，并且具有環(huán)形壁。環(huán)形壁包括環(huán)形臺(tái)階、直徑恒定的區(qū)域以及在流動(dòng)方向上從與入口相鄰的喉部的部分向著出口延伸的直徑增加的區(qū)域。在另一實(shí)施例中，氣化冷卻系統(tǒng)包括外罩和環(huán)形壁,外罩包括在縱向地沿著外罩的流動(dòng)方向上延伸的流體通路，環(huán)形壁圍繞流體通路設(shè)置并具有一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階。該氣化冷卻系統(tǒng)還包括位于一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階的下游的多個(gè)熱交換器管道，并且適于當(dāng)合成氣沿著流動(dòng)方向流動(dòng)時(shí)冷卻氣體通路中的合成氣。在另一實(shí)施例中，氣化冷卻系統(tǒng)包括具有入口、出口以及設(shè)置在入口和出口之間的流體通路的外罩。該氣化冷卻系統(tǒng)還包括與入口相鄰并具有圍繞流體通路設(shè)置的環(huán)形壁的喉部。此外，該系統(tǒng)還包括在周向上圍繞環(huán)形壁設(shè)置并且適于從沿著從入口朝向出口的流動(dòng)方向流動(dòng)的混合密度流體流分離高密度流的一個(gè)或更多冷凝點(diǎn)。


當(dāng)參照附圖閱讀下述詳細(xì)的描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它的特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相似的符號(hào)始終代表相似的部分，其中圖I是包括輻射合成氣冷卻器(RSC)的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電設(shè)備的實(shí)施例的框圖；圖2是圖I的RSC的實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖3是圖2的RSC的部分橫截面圖，顯示了如在圖2的線(xiàn)3_3內(nèi)所示的RSC的喉部區(qū)域的實(shí)施例；圖4是圖3的RSC的部分橫截面圖，顯示了如在圖3的線(xiàn)4_4內(nèi)所示的RSC喉部的環(huán)形臺(tái)階的實(shí)施例；圖5是具有弓形部分的環(huán)形臺(tái)階的實(shí)施例的橫截面圖；圖6是具有多角形部分的環(huán)形臺(tái)階的實(shí)施例的橫截面圖；圖7是圖2的RSC的橫截面頂視圖，顯示了縱向通過(guò)RSC建立的高密度流體路徑的實(shí)施例；以及圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用圖2的RSC的方法。元件列表
100 整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)102 燃料源104 給料準(zhǔn)備單元106 氣化器108 熔洛110 氣體清潔單元111 硫112 硫處理器113 鹽114 水處理單元116 氣體處理器117 殘余氣體成分118 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)120 燃燒器122 空氣分離單元(ASU)123 輔助空氣壓縮機(jī)124 氮?dú)庵料♂尩獨(dú)?DGAN)壓縮機(jī)125 軸向軸線(xiàn)126 徑向軸線(xiàn)127 周向軸線(xiàn)128 冷卻塔130 渦輪131 驅(qū)動(dòng)軸132 壓縮機(jī)134 負(fù)載136 蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)138 熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)系統(tǒng)140 第二負(fù)載142 冷凝器146 輻射合成氣冷卻器(RSC)
147上區(qū)域148容器149下區(qū)域150圓頂形部分152入口153喉部154出口155下游方向
156內(nèi)部區(qū)域158熱交換器管道160流動(dòng)方向162導(dǎo)管164向下方向166急冷錐體168向上方向170傳遞管線(xiàn)172氣體入口180外部環(huán)境182圓頂腔室184內(nèi)部腔室186內(nèi)部環(huán)形壁組件188頂部190環(huán)形臺(tái)階192直徑基本恒定的區(qū)域194直徑增加的區(qū)域196第一直徑198第二直徑200第三直徑202混合物204冷凝點(diǎn)206高密度部分208合成氣流動(dòng)路徑210擴(kuò)散的合成氣212壁部214第一角216壁部218第二角220壁部222備選的環(huán)形臺(tái)階
224弓形壁226環(huán)形臺(tái)階228第一壁部230第二壁部232環(huán)形環(huán)234區(qū)域236熱交換器區(qū)域238方法 240方法步驟242方法步驟244方法步驟246方法步驟248方法步驟250方法步驟
具體實(shí)施例方式如下所述，本文提供了包括使高密度流動(dòng)路徑(例如，熔渣流動(dòng)路徑)能夠從混合密度流動(dòng)路徑(例如，熔渣和合成氣混合物)分離和/或便于熱交換器管道的上游的合成氣流動(dòng)路徑擴(kuò)散的一個(gè)或更多特征的氣化冷卻系統(tǒng)的實(shí)施例。例如，這種特征可以包括構(gòu)造成作為從熔渣和合成氣的混合物分離熔渣流的冷凝點(diǎn)起作用的環(huán)形臺(tái)階。進(jìn)而例如，一些實(shí)施例可以包括環(huán)形臺(tái)階和直徑恒定的環(huán)形區(qū)域，它們合作而從混合物分離熔渣流，同時(shí)便于在流沿著流動(dòng)方向通過(guò)冷卻裝置被分離之后使邊界層重新附于合成氣。另外，一些實(shí)施例可以包括直徑沿流動(dòng)方向擴(kuò)大的直徑增加的環(huán)形區(qū)域。該特征可能使得分離的合成氣流能夠沿著流動(dòng)方向向著配置成冷卻擴(kuò)散的合成氣流的熱交換器管道擴(kuò)散。前述特征可便于合成氣流從熔渣流的分離，從而當(dāng)合成氣流動(dòng)通過(guò)冷卻裝置時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)從合成氣到熱交換器管道的改善的熱傳遞。前述特征可以設(shè)置在各種系統(tǒng)和裝置中，例如存在于工業(yè)設(shè)備、發(fā)電設(shè)備或者其它應(yīng)用中的那些。在本文描述的實(shí)施例中，前述特征位于配置成冷卻源自整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電設(shè)備中的氣化器的合成氣的輻射合成氣冷卻器(RSC)的喉部區(qū)域中。然而，在其它實(shí)施例中，這種特征可以位于各種氣化冷卻系統(tǒng)的任何合適的區(qū)域中。所示的RSC的特征可能易受基于諸如在整個(gè)過(guò)程中使用的氣化器的類(lèi)型的尺寸、形狀以及放置的極大變化的影響。這樣，諸如環(huán)形臺(tái)階的特征可以具有在所公開(kāi)的環(huán)形臺(tái)階的范圍內(nèi)除了顯示的那些構(gòu)造以外的構(gòu)造?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖，圖I是可以由合成的氣體(即合成氣)驅(qū)動(dòng)的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)系統(tǒng)100的實(shí)施例的圖解。IGCC系統(tǒng)100的元件可以包括可以用作用于IGCC的能量源的燃料源102，例如固體供料。燃料源102可以包括煤、石油焦、生物質(zhì)、木基材料、農(nóng)業(yè)廢物、焦油、焦?fàn)t煤氣和浙青、或者其它含碳的物品。燃料源102的固體燃料可以被傳送至給料準(zhǔn)備單元104。給料準(zhǔn)備單元104例如可以通過(guò)切斷、碾磨、撕碎、粉碎、壓塊或者堆積燃料源102而將燃料源102改變尺寸或改變形狀，以產(chǎn)生給料。另外，可以將水或其它合適的液體添加至給料準(zhǔn)備單元104中的燃料源102，以形成漿狀給料。在其它實(shí)施例中，沒(méi)有液體被添加至燃料源，從而產(chǎn)生了干的給料。給料可以被從給料準(zhǔn)備單元104傳送至氣化器106。氣化器106可以將給料轉(zhuǎn)換成合成氣，例如一氧化碳和氫氣的組合。該轉(zhuǎn)換可以通過(guò)使給料受處于升高的壓力和溫度下的受控量的蒸汽和氧氣作用而實(shí)現(xiàn)，壓力例如為從大約20bar到85bar，溫度例如為從大約700°C到1600°C，取決于所利用的氣化器106的類(lèi)型。氣化過(guò)程可以包括給料經(jīng)歷熱解過(guò)程，由此，給料被加熱。氣化器106內(nèi)的溫度在熱解過(guò)程期間可以從大約150°C到700°C而變化，取決于用于產(chǎn)生給料的燃料源102。給料在熱解過(guò)程期間的加熱可以產(chǎn)生固體(例如熔渣)和殘余氣體(例如一氧化碳、氫氣以及氮?dú)?。由熱解過(guò)程從給料剩余的燒焦物(char)的重量可直至初始給料的重量的大約30%。燃燒過(guò)程然后可以發(fā)生在氣化器106中。燃燒可以包括將氧氣引至燒焦物和殘余氣體。燒焦物和殘余氣體可以與氧氣反應(yīng)而形成二氧化碳和一氧化碳，這提供了用于后續(xù)的氣化反應(yīng)的熱。燃燒過(guò)程期間的溫度可以從大約700°C到1600°C而變化。接著，在氣化 步驟期間，蒸汽可能被引入氣化器106中。燒焦物可以與二氧化碳和蒸汽反應(yīng)而產(chǎn)生處于范圍從大約800°C到1100°C的溫度的一氧化碳和氫氣。實(shí)質(zhì)上，氣化器利用蒸汽和氧氣，以允許其中一些給料“燃燒”而產(chǎn)生一氧化碳和能量，其驅(qū)動(dòng)將更多給料轉(zhuǎn)換成氫氣和另外的二氧化碳的第二反應(yīng)。以這種方式，由氣化器106制得結(jié)果氣體。該結(jié)果氣體可以包括大約85%的一氧化碳和氫氣，以及CH4、HC1、HF、C0S、NH3、HCN和H2S (基于給料的硫含量)。該結(jié)果氣體可以稱(chēng)為臟合成氣，并且，在離開(kāi)氣化器106之后,臟合成氣典型地與諸如熔洛108的廢物混合，廢物可以是濕的灰分材料。離開(kāi)氣化器106的臟合成氣和熔渣108處于升高的溫度下，并且，為了分離并冷卻合成氣和熔渣混合物，采用了輻射合成氣冷卻器(RSC)。熔渣和臟合成氣混合物進(jìn)入RSC 146，如圖I所示，在RSC 146，熔渣108與臟合成氣分離。熔渣108然后可以被從氣化器106移除并且例如被處置為路基或另一建筑材料。另一方面，臟合成氣向著RSC 146的熱交換器管道前進(jìn)，并且流動(dòng)通過(guò)熱交換器管道的流體可以起作用，以當(dāng)臟合成氣行進(jìn)通過(guò)RSC 146時(shí)冷卻臟合成氣。因此，流動(dòng)通過(guò)RSC 146的管道的流體可能處于大大地低于流動(dòng)通過(guò)RSC的臟合成氣的溫度。本文中公開(kāi)的輻射合成氣冷卻器的實(shí)施例可以包括使得能夠在臟合成氣被導(dǎo)向用于冷卻的熱交換器管道之前將熔渣108從臟合成氣分離的一個(gè)或更多特征，例如環(huán)形臺(tái)階。此外，諸如沿著合成氣流的方向直徑增加的RSC的喉部區(qū)域的一部分的特征可以使合成氣圍繞熱交換器管道擴(kuò)散，以使熱交換器的高效運(yùn)轉(zhuǎn)成為可能。關(guān)于圖2中所示的RSC，在下面更加詳細(xì)地討論了本發(fā)明的某些實(shí)施例的這些和其它的特征。然而，應(yīng)當(dāng)注意到，這些特征可以包括在任何氣化冷卻系統(tǒng)中，并且不限于輻射合成氣冷卻器。在臟合成氣被冷卻并與熔渣108分離之后，可以利用氣體清潔單元110來(lái)清潔臟合成氣。氣體清潔單元110可以洗滌臟合成氣而從臟合成氣除去HC1、HF、COS、HCN以及H2S,這可以包括例如通過(guò)硫處理器112中的酸性氣體移除過(guò)程而在硫處理器112中進(jìn)行硫111的分離。此外，氣體清潔單元110可以利用水處理單元114從臟合成氣分離鹽113，水處理單元114可以利用水凈化技術(shù)從臟合成氣產(chǎn)生可用的鹽113。隨后，來(lái)自氣體清潔單元110的氣體可以包括清潔的合成氣。
如果期望的話(huà)，可以利用氣體處理器116從清潔的合成氣移除殘余氣體成分117。然而，從清潔的合成氣移除殘余氣體成分117是可選的，因?yàn)樯踔廉?dāng)包含殘余氣體成分117(例如尾氣)時(shí)，清潔的合成氣也可以用作燃料。此時(shí)，清潔的合成氣可以包括大約1-10 % CO (例如，3 % CO)、大約 30-60 % H2 (例如，55 % H2)以及大約 30-60 % CO2 (例如，40 %CO2)，并且基本上不含H2S。這種清潔的合成氣可以作為可燃的燃料被傳輸至燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的燃燒器120，例如燃燒腔室。IGCC系統(tǒng)100還可以包括空氣分離單元(ASU) 122。ASU 122可以運(yùn)轉(zhuǎn)而例如通過(guò)蒸餾技術(shù)將空氣分離為成分氣體。ASU 122可以從自輔助空氣壓縮機(jī)123供應(yīng)至它的空氣分離氧氣，并且ASU 122可以將分離的氧氣傳遞至氣化器106。另外，ASU 122可以將分離的氮?dú)鈧鬏斨料♂尩獨(dú)?DGAN)壓縮機(jī)124。DGAN壓縮機(jī)124可以將從ASU 122接收的氮?dú)庵辽賶嚎s到與燃燒器120中的壓力 相等的壓力水平，以便不干擾合成氣的恰當(dāng)?shù)娜紵?。因此，一旦DGAN壓縮機(jī)124已經(jīng)充分地將氮?dú)鈮嚎s至恰當(dāng)?shù)乃?，那么DGAN壓縮機(jī)124就可以將壓縮的氮?dú)鈧鬏斨寥細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的燃燒器120。壓縮的氮?dú)饪梢詮腄GAN壓縮機(jī)124被傳輸至燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的燃燒器120。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118可以包括渦輪130、驅(qū)動(dòng)軸131和壓縮機(jī)132，以及燃燒器120。燃燒器120可以接收可以在壓力下從燃料噴嘴注入的燃料，例如合成氣。該燃料可以與壓縮空氣以及來(lái)自DGAN壓縮機(jī)124的壓縮氮?dú)饣旌?，并且在燃燒?20內(nèi)燃燒。該燃燒可以形成熱的加壓的排出氣體。燃燒器120可以將排出氣體導(dǎo)向渦輪130的排出出口。當(dāng)來(lái)自壓縮機(jī)120的排出氣體經(jīng)過(guò)渦輪130時(shí)，排出氣體可以迫使渦輪130中的渦輪葉片使驅(qū)動(dòng)軸131沿著燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。如所顯示的，驅(qū)動(dòng)軸131被連接至燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的各種構(gòu)件，包括壓縮機(jī)132。驅(qū)動(dòng)軸131可以將渦輪130連接至壓縮機(jī)132而形成轉(zhuǎn)子。壓縮機(jī)132可以包括聯(lián)接至驅(qū)動(dòng)軸131的葉片。因此，渦輪130中的渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)可以導(dǎo)致將渦輪130連接至壓縮機(jī)132的驅(qū)動(dòng)軸131使壓縮機(jī)132內(nèi)的葉片旋轉(zhuǎn)。這種壓縮機(jī)132中的葉片的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致壓縮機(jī)132壓縮經(jīng)由壓縮機(jī)132中的空氣吸入而接收的空氣。壓縮空氣然后可以被供給至燃燒器120并與燃料和壓縮氮?dú)饣旌?，以允許效率更高的燃燒。驅(qū)動(dòng)軸131也可以連接至負(fù)載134，負(fù)載134可以是靜態(tài)負(fù)載，例如用于例如在發(fā)電設(shè)備中產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)。實(shí)際上,負(fù)載134可以是由燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的旋轉(zhuǎn)輸出提供動(dòng)力的任何合適的裝置。IGCC系統(tǒng)100還可以包括蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136和熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)系統(tǒng)138。來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的受熱的排出氣體可以被傳輸至HRSG 138中并且被用于加熱水并產(chǎn)生用于向蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136提供動(dòng)力的蒸汽。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136可以驅(qū)動(dòng)第二負(fù)載140。第二負(fù)載140也可以是用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)。然而,第一和第二負(fù)載134、140兩者均可以是能夠被燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136驅(qū)動(dòng)的其它類(lèi)型的負(fù)載。另外，雖然燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136可以驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的負(fù)載134和140，如所示的實(shí)施例所示，但是也可以串聯(lián)地利用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118和蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136，以經(jīng)由單個(gè)軸驅(qū)動(dòng)單個(gè)負(fù)載。蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136以及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的具體構(gòu)造可以是實(shí)施方式特定的，并且可以包括區(qū)段的任何組合。
例如來(lái)自蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136的低壓區(qū)段的排出物可以被引導(dǎo)至冷凝器142中。冷凝器142可以利用冷卻塔128來(lái)以冷卻水交換受熱水。冷卻塔128起作用而向冷凝器142提供冷卻水，以幫助冷凝從蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136傳輸?shù)嚼淠?42的蒸汽。來(lái)自冷凝器142的冷凝物繼而可以被引入HRSG 138中。同樣，來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118的排出物也可以被引入HRSG 138中，以加熱來(lái)自冷凝器142的水并產(chǎn)生蒸汽。在諸如IGCC系統(tǒng)100的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中，熱的排出物可以從燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118流動(dòng)并傳遞至HRSG 138，在此，它可以用于產(chǎn)生高壓、高溫蒸汽。由HRSG 138產(chǎn)生的蒸汽然后可以經(jīng)過(guò)蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136，以產(chǎn)生動(dòng)力。另外，所產(chǎn)生的蒸汽也可以被供應(yīng)至可以使用蒸汽的任何其它過(guò)程，例如供應(yīng)至氣化器106。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118產(chǎn)生循環(huán)常常被稱(chēng)為“至頂循環(huán)”(topping cycle)，而蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)136產(chǎn)生循環(huán)常常被稱(chēng)為“及底循環(huán)”(bottoming cycle)。通過(guò)如圖I所示結(jié)合這兩個(gè)循環(huán)，IGCC系統(tǒng)100可以導(dǎo)致兩個(gè)循環(huán)中更高的效率。特別地，來(lái)自至頂循環(huán)的排出熱可以被捕獲并被用以產(chǎn)生用于在及底循環(huán)中使用的蒸汽。 圖2是在圖I的IGCC系統(tǒng)100中利用的輻射合成氣冷卻器146的實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。RSC 146具有軸向軸線(xiàn)125、徑向軸線(xiàn)126以及周向軸線(xiàn)127。RSC 146可以包括可以由合適的材料制成的容器148，例如ASTMSA387，grade 11，class 2。容器148作為用于RSC 146的外罩或外殼起作用，封入RSC 146的上區(qū)域147以及RSC 146的下區(qū)域149。RSC 146的上區(qū)域147可以包括圓頂形部分150，其包括延伸至喉部153中的入口 152。下區(qū)域149包括出口 154。內(nèi)部區(qū)域156由入口 152和出口 154之間的空間限定。與入口 152相鄰的喉部153沿著下游方向155從入口 152向著出口 154擴(kuò)大。所示的容器148還包括熱交換器管道158，其可以位于RSC 146的上區(qū)域147中。管道158可以包括沿著RSC 146的徑向軸線(xiàn)126設(shè)置并在相對(duì)于軸向軸線(xiàn)125與容器148平行的方向上延伸的多個(gè)導(dǎo)管。諸如水的冷卻液體可以流動(dòng)通過(guò)管道158。因此，在使用期間，管道158可以擔(dān)當(dāng)RSC 146內(nèi)的熱交換器，并且可以使冷卻劑循環(huán)至用于除去熱的外部熱交換器。即，當(dāng)熱的合成氣接觸熱交換器管道158的外表面時(shí)，冷卻液體可以循環(huán)通過(guò)管道158并變熱。這樣，流動(dòng)通過(guò)熱交換器管道158的液體可以以比離開(kāi)管道158的液體更低的溫度進(jìn)入管道。因此，管道158可以由適于與熱的合成氣一起使用的抗熱材料制成。在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，在氣化器106中產(chǎn)生的合成氣作為合成氣和熔渣的混合物進(jìn)入RSC146。如下面關(guān)于圖3更加詳細(xì)地描述的，熔渣108和合成氣與RSC 146的喉部區(qū)域153中的合成氣和熔渣混合物分離，并且在分離之后，順著不同的流動(dòng)路徑通過(guò)RSC 146的長(zhǎng)度的剩余部分。合成氣，在與熔渣流動(dòng)流分離之后，通常如由箭頭160所示以向下的方式平行于管道158而流動(dòng)。即，合成氣流動(dòng)通過(guò)沿著在縱向上沿著容器148的流動(dòng)方向160延伸的RSC 146的氣體通路。因此，合成氣以與熔渣組成的混合物的方式通過(guò)入口 152進(jìn)入RSC146，與熔渣分離，在縱向上流動(dòng)通過(guò)RSC 146的內(nèi)部區(qū)域156，并且然后通過(guò)出口 154離開(kāi)RSC 146。以這種方式，合成氣可以與RSC 146的管道158接觸，并且流動(dòng)通過(guò)管道158的流體可以起作用，以當(dāng)合成氣行進(jìn)通過(guò)RSC 146時(shí)冷卻合成氣。該冷卻過(guò)程的一個(gè)結(jié)果可能是管道158中蒸汽的產(chǎn)生，例如，其可以被傳輸至用于收集并傳輸至熱回收蒸汽發(fā)生器138的高壓鼓145 (見(jiàn)圖I)。RSC 146還可以在RSC 146的下區(qū)域149中包括導(dǎo)管162，其可以幫助將冷卻的合成氣和分離的熔渣引導(dǎo)到RSC 146之外。例如，當(dāng)熔渣108離開(kāi)導(dǎo)管162時(shí)，熔渣108可以沿著總體向下的方向164流動(dòng)而經(jīng)由急冷錐體166離開(kāi)RSC 146。相反，當(dāng)合成氣離開(kāi)導(dǎo)管162時(shí)，冷卻的合成氣可以沿著總體向上方向168向著傳遞管線(xiàn)170流動(dòng)。傳遞管線(xiàn)170可以用于將合成氣傳遞至氣體清潔單元110和/或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)118 (見(jiàn)圖I)。原質(zhì)合成氣可能腐蝕RSC 146的元件，例如管道158和/或容器148的內(nèi)壁，如果這些元件與合成氣接觸的話(huà)。因此，在某些實(shí)施例中，氣體入口 172可以將諸如屏蔽氣體180(例如，氮?dú)?的非腐蝕性流體傳輸至RSC 146。此非腐蝕性流體可以在RSC 146的容器148和管道158之間總體向下流動(dòng)而形成保護(hù)性屏障，例如抵抗到管道158和容器148之間的環(huán)形空間中的合成氣遷移。如將在下面關(guān)于圖3-6更加詳細(xì)地描述的，RSC 146的上區(qū)域147的圓頂形部分150包圍喉部區(qū)域153，該喉部區(qū)域153具有一個(gè)或更多獨(dú)特的特征和/或區(qū)域，例如環(huán)形臺(tái)階、直徑恒定的區(qū)域以及直徑增加的區(qū)域。某些實(shí)施例的環(huán)形臺(tái)階配置成從進(jìn)入RSC的熔渣和合成氣混合物分離熔渣。直徑恒定的區(qū)域，當(dāng)在流體流動(dòng)方向上直接位于環(huán)形臺(tái)階之下時(shí)，配置成使得在移除熔渣之后，合成氣的邊界層能夠重新附于合成氣流動(dòng)流。再者，直徑增加的區(qū)域，當(dāng)在流動(dòng)方向上設(shè)置在位于直徑恒定的區(qū)域之下的喉部區(qū)域中時(shí)，使合 成氣流動(dòng)路徑圍繞下游熱交換器管道擴(kuò)散，以便于合成氣的高效冷卻。合成氣的這種擴(kuò)散可以降低合成氣到達(dá)熱交換器管道之前的合成氣流在下游方向上的速度，從而增加合成氣沿著熱交換器的長(zhǎng)度的行進(jìn)時(shí)間，并使改善的熱傳遞成為可能。圖3是在圖2的線(xiàn)3-3內(nèi)所取的RSC 146的部分橫截面圖，顯示了位于RSC 146的上區(qū)域147的圓頂形部分150中的熱特征和機(jī)械特征。容器外罩148將外部環(huán)境180與RSC 146的內(nèi)部分離。RSC 146的內(nèi)部的所示部分包括具有由內(nèi)部環(huán)形壁組件186分開(kāi)的圓頂腔室182和內(nèi)部腔室184 (例如，中心體積或合成氣通路)的喉部區(qū)域153。在某些實(shí)施例中，環(huán)形壁組件186可以由配置成熱學(xué)地阻止熱傳遞以防熱的合成氣通過(guò)內(nèi)部腔室184流向外部腔室182的合適的耐火系統(tǒng)制成。為此，一些實(shí)施例可以包括多個(gè)耐火磚和/或帶有諸如熱屏蔽能力、密封功能(例如，以阻止熱的合成氣從內(nèi)部腔室184泄漏至圓頂腔室182)等的合適特性的隔離層。在所示的實(shí)施例中，環(huán)形壁組件186包括頂部分188、環(huán)形臺(tái)階190、直徑基本恒定的區(qū)域192以及直徑增加的區(qū)域194。如所顯示的，環(huán)形臺(tái)階190設(shè)置在直徑恒定的區(qū)域192的上游，直徑恒定的區(qū)域192設(shè)置在漸縮的區(qū)域194的上游。環(huán)形臺(tái)階190相對(duì)于區(qū)域192和194的此類(lèi)放置可以使得能夠從熔渣和合成氣混合物分離熔渣，并且隨后，當(dāng)合成氣在由箭頭160指示的流動(dòng)方向上通過(guò)RSC 146行進(jìn)時(shí)，使合成氣的擴(kuò)散成為可能。如所顯示的，環(huán)形壁186的頂部分188由沿著頂部分188的軸向長(zhǎng)度基本恒定的第一直徑196限定。第一直徑196限定了環(huán)形壁186的周邊，直至環(huán)形臺(tái)階190上升，從而將壁直徑增加到比第一直徑196更大的第二直徑198。此直徑恒定的區(qū)域192逐漸向外張開(kāi)，從第二直徑198到喉部區(qū)域153的底部的第三直徑200。這樣，區(qū)域194形成環(huán)形壁組件186的張開(kāi)部分。在RSC 146的喉部區(qū)域153的張開(kāi)部分194的下游，布置了多個(gè)熱交換器管道158。在所示的實(shí)施例中，靠近容器周界，顯示了兩個(gè)熱交換器管道158。然而，這些熱交換器管道的數(shù)量和放置被選擇為用于說(shuō)明性的目的，并不意圖將本發(fā)明限制為此配置或數(shù)量。實(shí)際上，在當(dāng)前考慮的實(shí)施例中，很多熱交換器管道被布置在RSC 146的容器的整個(gè)周邊周?chē)Ｔ谶\(yùn)轉(zhuǎn)期間，高密度流體(例如熔渣)和低密度流體(例如臟合成氣)的混合物202進(jìn)入RSC 146的入口 152并在由箭頭160指示的流動(dòng)方向上向下游流動(dòng)?；旌衔?02順著由環(huán)形壁組件186的直徑恒定的區(qū)域188限定的路徑。當(dāng)混合物202到達(dá)環(huán)形壁組件186的環(huán)形臺(tái)階190部分的冷凝點(diǎn)204時(shí)，混合物202的高密度部分206與混合物202的低密度部分分離。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，環(huán)形臺(tái)階190的冷凝點(diǎn)204可以從熔渣和合成氣混合物分離熔渣。這樣，向下游流動(dòng)的高密度材料的高密度流動(dòng)路徑建立在基本上由直徑196限定的柱狀路徑中。因此，在一些實(shí)施例中，直徑196的尺寸可設(shè)置成優(yōu)化或最小化高密度材料(例如熔洛)的下降柱(falling column)的直徑,如對(duì)于指定的應(yīng)用所期望的那樣。例如，可以選擇直徑196，使得由熔渣柱占據(jù)的容器146的體積減小或最小化，從而使得能夠?qū)?nèi)部184的更多體積獻(xiàn)給熱交換器管道。因?yàn)楦篌w積的熱交換器管道可能便于高效的熱傳遞，所以前述特征可以提供明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)高密度流動(dòng)路徑206與混合物202分離時(shí)，低密度成分(例如合成氣)就建立了 通過(guò)喉部153的區(qū)域192的單獨(dú)的流動(dòng)路徑，如由箭頭208所示。在一些實(shí)施例中，在從混合物202分離高密度成分206期間，合成氣的邊界層(即，低密度成分)也可能與混合物分離，從而產(chǎn)生熔渣流動(dòng)路徑、邊界層以及合成氣流動(dòng)路徑。在這樣的實(shí)施例中，直徑恒定的區(qū)域192可以在通過(guò)漸縮區(qū)域194使合成氣擴(kuò)散之前使邊界層能夠重新附于合成氣，如由箭頭210所示。擴(kuò)散的合成氣210向下游朝著熱交換器管道158流動(dòng)。當(dāng)合成氣通過(guò)RSC146行進(jìn)時(shí)，熱在熱的合成氣和通過(guò)熱交換器管道行進(jìn)的冷卻的冷卻劑之間交換，從而冷卻合成氣，如上面關(guān)于圖2詳細(xì)地描述的。圖4-6顯示了圖3中所示的環(huán)形臺(tái)階和冷凝點(diǎn)的當(dāng)前考慮的實(shí)施例，但是所示的實(shí)施例并不意圖將本發(fā)明限制為所示的配置。實(shí)際上，在某些實(shí)施例中，可以采用帶有具有各種尺寸和形狀的一個(gè)或更多冷凝點(diǎn)的任何合適的環(huán)形臺(tái)階。具體而言，圖4是在圖3的線(xiàn)4-4內(nèi)所取的RSC的局部橫截面圖，顯示了環(huán)形臺(tái)階190的一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，環(huán)形壁186在冷凝點(diǎn)204處上升，使得壁部212設(shè)置成與壁部216呈第一角214且與壁部220呈第二角218。角214和218的大小可以設(shè)置為適合于指定的應(yīng)用，以從混合密度流動(dòng)流分離高密度流動(dòng)流。例如，在一些實(shí)施例中，角214可以處于大約5°和大約45°之間，盡管也可以采用其它角。還例如，角214可以處于大約5°和大約70°之間。圖5是顯示備選的環(huán)形臺(tái)階222的實(shí)施例的示意圖。在該實(shí)施例中，壁部216終止于冷凝點(diǎn)204，其上升至設(shè)置在壁部216和壁部220之間的彎曲的或弓形的壁224。圖6是顯示環(huán)形臺(tái)階222的又一實(shí)施例的另一示意圖。在該實(shí)施例中，冷凝點(diǎn)204上升至第一壁部228，第一壁部228進(jìn)而在終止于壁部220之前上升至第二壁部230。應(yīng)當(dāng)注意到，圖4-6中所示的環(huán)形臺(tái)階的實(shí)施例僅僅是示例，并不意圖約束或限制上升和/或冷凝點(diǎn)可能采取的形式。特別地，在其它實(shí)施例中，可以采用帶有各種尺寸和形狀的多種環(huán)形臺(tái)階中的任何臺(tái)階，以提供能夠從混合密度流動(dòng)路徑分離高密度流動(dòng)路徑的冷凝點(diǎn)。圖7是圖2的RSC 146的橫截面頂視圖，顯示了縱向通過(guò)RSC 146建立的高密度流體路徑的實(shí)施例。如所顯示的，高密度流體流在通過(guò)RSC 146的縱向流的中心部分中建立在基本環(huán)形的環(huán)232中。在所示的實(shí)施例中，空洞空間的區(qū)域234建立在流232的環(huán)形環(huán)和環(huán)形的熱交換器區(qū)域236之間。即，在一些實(shí)施例中，熱交換器管道所處的熱交換器區(qū)域236可以通過(guò)區(qū)域234離開(kāi)熔渣流的環(huán)形環(huán)232。以這種方式，在合成氣和熔渣通過(guò)RSC146的縱向流動(dòng)期間，熔渣流可以與熱交換器管道隔離開(kāi)。隔離區(qū)域234的尺寸可以設(shè)置成適用于給定的應(yīng)用。圖8顯示了使用圖2的RSC 146來(lái)冷卻氣化器的合成氣產(chǎn)物的方法238的實(shí)施例。方法238包括將熔渣和合成氣的混合物注入冷卻容器(方框240)中，以及將熔渣和合成氣混合物應(yīng)用至熔渣分離步驟(方框242)。熔渣分離步驟配置成產(chǎn)生分離的熔渣和合成氣流動(dòng)路徑的冷凝點(diǎn)(方框244)。在熔渣分離步驟的下游，通過(guò)增加容器的直徑，使分離的合成氣流動(dòng)路徑向著下游的熱交換器管道朝外擴(kuò)散(方框246)。方法238還包括利用輻射和/或?qū)α鱽?lái)冷卻擴(kuò)散的合成氣(方框248)，例如，利用處于升高的溫度的合成氣和處于較低溫度的流動(dòng)通過(guò)熱交換器管道的冷卻劑之間的熱交換。在合成氣的冷卻之后，分離的熔渣和冷卻合成氣各自被從RSC 146收集(方框250)并被從RSC 146引至恰當(dāng)?shù)牡诙萜鳌?
本發(fā)明的實(shí)施例的技術(shù)效果包括使得能夠在氣化冷卻系統(tǒng)中從混合密度流動(dòng)路徑(例如，熔渣和合成氣混合物)分離高密度流動(dòng)路徑(例如，熔渣流動(dòng)路徑)。某些實(shí)施例的另一技術(shù)效果可以是合成氣流動(dòng)路徑在氣化冷卻系統(tǒng)中的熱交換器管道的上游的擴(kuò)散。例如，本發(fā)明的一些實(shí)施例可以包括配置成作為從熔渣和合成氣的混合物分離熔渣流的冷凝點(diǎn)起作用的環(huán)形臺(tái)階。前述特征可能便于合成氣流與熔渣流的分離，從而當(dāng)合成氣流動(dòng)通過(guò)冷卻裝置時(shí)，使得從合成氣到熱交換器管道的改善的熱傳遞成為可能。該書(shū)面描述使用示例來(lái)公開(kāi)本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可專(zhuān)利性范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這種其它示例具有與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言并無(wú)不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言有非實(shí)質(zhì)性差異的等同結(jié)構(gòu)要素，那么這種其它示例意圖落在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣化冷卻系統(tǒng)(146)，包括 外罩(148)，其具有入口(152)、出口(154)以及設(shè)置在所述入口(152)和所述出口(154)之間的內(nèi)部區(qū)域(156);以及 喉部(153)，其設(shè)置在所述內(nèi)部區(qū)域(156)中，與所述入口(152)相鄰，并且包括環(huán)形壁(186)，其中，所述環(huán)形壁(186)包括環(huán)形臺(tái)階(190)、直徑恒定的區(qū)域(192)以及在流動(dòng)方向(160)上從與所述入口(152)相鄰的所述喉部(153)的部分向著所述出口(154)延伸的直徑增加的區(qū)域(194)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，還包括在所述外罩(148)內(nèi)沿著所述流動(dòng)方向(160)設(shè)置在所述喉部(153)下游的熱交換器管道(158)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述環(huán)形臺(tái)階(190)包括配置成在所述流動(dòng)方向(160)上從熔渣和合成氣的混合物(202)分離熔渣流(206)的冷凝點(diǎn)(204)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述直徑恒定的區(qū)域(192)配置成使得合成氣的邊界層能夠在所述流動(dòng)方向(160)上重新附于分離的合成氣流(210)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述直徑增加的區(qū)域(194)配置成使合成氣流動(dòng)流(210)沿著所述流動(dòng)方向(160)擴(kuò)散。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述環(huán)形臺(tái)階(190)包括圍繞所述環(huán)形壁(186)的周邊設(shè)置的一個(gè)或更多離散的冷凝點(diǎn)(204)，其中，熔渣(206)配置成向著所述離散的冷凝點(diǎn)(204)中的每一個(gè)流動(dòng)并從所述離散的冷凝點(diǎn)(204)中的每一個(gè)滴落。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述環(huán)形壁(186)包括配置成熱隔離所述內(nèi)部區(qū)域(156)的一層或更多層耐火磚。
8.一種氣化冷卻系統(tǒng)(146)，包括 外罩(148)，其包括在流動(dòng)方向(160)上沿著所述外罩(148)縱向地延伸的流體通路； 環(huán)形壁(186)，其圍繞所述流體通路設(shè)置，并且包括一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190);以及 多個(gè)熱交換器管道(158)，位于所述一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)的下游，并且配置成當(dāng)所述合成氣(210)沿著所述流動(dòng)方向(160)流動(dòng)時(shí)冷卻所述氣體通路中的合成氣(210)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)在所述環(huán)形壁(186)中包括成角的上升。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述成角的上升距所述環(huán)形壁(186)在大約5°到大約70°之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)被配置為一個(gè)或更多冷凝點(diǎn)(204)，從所述一個(gè)或更多冷凝點(diǎn)(204)，熔渣流(206)與熔渣和合成氣的混合物(202)分離。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)配置成接收熔渣和合成氣的混合物(202)并且引導(dǎo)來(lái)自所述混合物(202)的所述熔渣(206)沿著所述流動(dòng)方向(160)落入設(shè)置在所述流體通路的中心部分中的基本環(huán)形的環(huán)(232)中。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣化冷卻系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述環(huán)形壁(186)還包括位于所述一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)下游的直徑恒定的區(qū)域(192)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氣化系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述環(huán)形壁(186)還包括在所述流動(dòng)方向(160)上設(shè)置在所述一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)的下游且在所述熱交換器管道(158)的上游的直徑增加的漸縮區(qū)域(194)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的氣化系統(tǒng)(146)，其特征在于，所述漸縮區(qū)域(194)配置成使合成氣流動(dòng)路徑(208)基本均勻地圍繞所述熱交換器管道(158)擴(kuò)散。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于冷卻氣化產(chǎn)物的系統(tǒng)和方法。本文提供的氣化冷卻系統(tǒng)(146)可以包括外罩(148)和環(huán)形壁(186)，外罩(148)具有在流動(dòng)方向(160)上沿著該外罩(148)縱向地延伸的流體通路，環(huán)形壁(186)圍繞流體通路設(shè)置并具有一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)。這種系統(tǒng)還可以包括多個(gè)熱交換器管道(158)，其位于一個(gè)或更多環(huán)形臺(tái)階(190)的下游，并且適于當(dāng)合成氣沿著流動(dòng)方向(160)流動(dòng)時(shí)冷卻氣體通路中的合成氣(208)。
文檔編號(hào)C10K1/00GK102776032SQ20121014342
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者G·M·拉斯科夫斯基, R·布蘭查德 申請(qǐng)人:通用電氣公司