混合反應(yīng)器進(jìn)料的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】混合反應(yīng)器進(jìn)料的方法和系統(tǒng)
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年3月6日，申請(qǐng)?zhí)枮?00980116056.0，發(fā)明名稱為“混合反應(yīng)器進(jìn)料的方法和系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]發(fā)明背景
總體而言，本發(fā)明涉及氣化系統(tǒng)，具體而言，涉及用于將進(jìn)料注入氣化器的先進(jìn)方法和設(shè)備。
[0003]至少一些已知的氣化器將燃料、空氣或氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽和/或熔渣的混合物轉(zhuǎn)化成部分氧化氣體的產(chǎn)出物，有時(shí)稱為“合成氣”。在整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)中，將合成氣供應(yīng)到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器，所述燃燒器為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)電機(jī)將電力供應(yīng)給電力網(wǎng)絡(luò)?？蓪?lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣供應(yīng)到產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)的熱回收蒸汽發(fā)生器。由蒸汽渦輪機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力還驅(qū)動(dòng)為電力網(wǎng)絡(luò)提供電力的發(fā)電機(jī)。
[0004]通過(guò)將進(jìn)料源連接到進(jìn)料噴嘴的進(jìn)料注入器將燃料、空氣或氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽和/或熔渣添加物自不同來(lái)源注入氣化器中。各進(jìn)料源單獨(dú)穿過(guò)進(jìn)料注入器并在噴嘴下游的反應(yīng)區(qū)中連接在一起。為了使反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成，使進(jìn)料駐留在反應(yīng)區(qū)中，需要進(jìn)行進(jìn)料各組分的緊密混合。至少一些已知的氣化進(jìn)料注入器包括以高速噴射進(jìn)料組分以促使霧化，然而，這類方法減少可用的反應(yīng)時(shí)間并趨于抑制完全反應(yīng)。
[0005]發(fā)明概述
在一個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料注入器系統(tǒng)包括圍繞縱軸基本同心的多個(gè)環(huán)形通道和旋流構(gòu)件，所述環(huán)形通道引導(dǎo)流體從各自的源經(jīng)其基本軸向地流到反應(yīng)區(qū)，所述旋流構(gòu)件延伸入限定在所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)中的流體流動(dòng)路徑，所述旋流構(gòu)件經(jīng)構(gòu)造以對(duì)流過(guò)所述至少一個(gè)環(huán)形通道的流體賦予圓周流向。
[0006]在另一實(shí)施方案中，組裝氣化器進(jìn)料注入器的方法包括提供圍繞縱軸具有第一外徑的第一進(jìn)料管道，所述第一管道包括供料端、出料端和在其間延伸的長(zhǎng)度，和提供具有第一內(nèi)徑的第二進(jìn)料管道，所述第二管道包括供料端、出料端和在其間延伸的長(zhǎng)度。所述方法還包括在沿第一管道的長(zhǎng)度的某位置處將具有槳葉狀體的旋流構(gòu)件與第一管道的外表面連接，所述旋流構(gòu)件相對(duì)于縱軸以斜角沿第一管道的外表面延伸并將第一管道插入第二管道，以使得第一管道與第二管道基本同心對(duì)準(zhǔn)。
[0007]在又一實(shí)施方案中，氣化系統(tǒng)包括用于使燃料部分氧化的壓力容器和經(jīng)構(gòu)造以將燃料注入所述壓力容器的進(jìn)料注入器，其中所述進(jìn)料注入器還包括引導(dǎo)流體從各自的源經(jīng)其基本軸向地流到反應(yīng)區(qū)的多個(gè)環(huán)形流道和延伸入限定在所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)中的流體流動(dòng)路徑的旋流構(gòu)件，所述旋流構(gòu)件經(jīng)構(gòu)造以對(duì)流過(guò)所述至少一個(gè)環(huán)形通道的流體賦予圓周流向。
[0008]附圖簡(jiǎn)述
圖1為示例性已知整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；
圖2為可與圖1所示的系統(tǒng)一起使用的先進(jìn)固體去除氣化器的示例性實(shí)施方案的示意圖；
圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案圖2所示的進(jìn)料注入器的放大橫截面圖； 圖4為沿視線4-4得到的圖3所示的進(jìn)料注入器的橫截面圖；
圖5A、5B和5C為可與圖2中所示的進(jìn)料注入器208 —起使用的示例性旋流構(gòu)件的側(cè)視圖；
圖6為利用發(fā)散尖端(diverging tip)構(gòu)造的注入器出口部分的橫截面圖；和圖7為改進(jìn)之后圖6中的注入器出口部分的橫截面圖。
[0009]發(fā)明詳述
以下詳細(xì)說(shuō)明舉例但并非限制地說(shuō)明了本發(fā)明。該描述清楚地能夠使本領(lǐng)域的技術(shù)人員明白并使用本發(fā)明，描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案、改進(jìn)、變化、替代和用途，包括當(dāng)前認(rèn)為是實(shí)施本發(fā)明的最佳方式者。將本發(fā)明描述為以優(yōu)選的實(shí)施方案實(shí)施，即，將進(jìn)料注入反應(yīng)器的系統(tǒng)和方法。然而，預(yù)期本發(fā)明對(duì)于工業(yè)、商業(yè)和住宅應(yīng)用中的管線系統(tǒng)具有通用應(yīng)用。
[0010]圖1為示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)50的示意圖。IGCC系統(tǒng)50通常包括主要空氣壓縮機(jī)52、與壓縮機(jī)52流體連通連接的空氣分離單元54、與空氣分離單元54流體連通連接的氣化器56、與氣化器56流體連通連接的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10和蒸汽渦輪機(jī)58。操作中，壓縮機(jī)52壓縮環(huán)境空氣。將壓縮空氣導(dǎo)引到空氣分離單元54。在一些實(shí)施方案中，除了壓縮機(jī)52以外或者作為壓縮機(jī)52的替代，可將來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)12的壓縮空氣供應(yīng)到空氣分離單元54。空氣分離單元54使用壓縮空氣產(chǎn)生供氣化器56使用的氧氣。更具體地講，空氣分離單元54將壓縮空氣分成單獨(dú)的氧氣流和氣體副產(chǎn)物(有時(shí)稱為“工藝氣體”)流。空氣分離單元54產(chǎn)生的工藝氣體包含氮?dú)馇以诒疚闹袑⒈环Q為“氮?dú)夤に嚉怏w”。所述氮?dú)夤に嚉怏w還可包含其他氣體，例如但不限于氧氣和/或氬氣。例如，在一些實(shí)施方案中，所述氮?dú)夤に嚉怏w包含約95%-約100%的氮?dú)?。將氧氣流?dǎo)引到氣化器56中以用于產(chǎn)生本文中稱為“合成氣”的部分燃燒的氣體，如下文更詳細(xì)地描述，所述合成氣作為燃料供燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10使用。在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，至少一些氮?dú)夤に嚉饬?空氣分離單元54的副產(chǎn)物)排放到大氣中。此外，在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，將一些氮?dú)夤に嚉饬髯⑷肴細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器14內(nèi)的燃燒區(qū)(未示出)中以有利于控制發(fā)動(dòng)機(jī)10的排放，且更具體地說(shuō)，有利于降低燃燒溫度并降低來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)10的一氧化氮排放。IGCC系統(tǒng)50可包括在將氮?dú)夤に嚉饬髯⑷肴紵齾^(qū)之前將其壓縮的壓縮機(jī)60。
[0011]氣化器56將燃料、由空氣分離單元54供應(yīng)的氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽和/或熔渣添加物的混合物轉(zhuǎn)化成合成氣輸出物以作為燃料供燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10使用。雖然氣化器56可使用任何燃料，但在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，氣化器56使用煤、石油焦炭、殘油、油乳液、焦油砂和/或其他類似燃料。在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，由氣化器56產(chǎn)生的合成氣包含二氧化碳。由氣化器56產(chǎn)生的合成氣可以在導(dǎo)引到用于使其燃燒的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器14之前在凈化設(shè)備62中清潔。二氧化碳可在凈化期間從合成氣中分離，且在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，二氧化碳排放到大氣中。來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)為電力網(wǎng)絡(luò)(未示出)供應(yīng)電力的發(fā)電機(jī)64。將來(lái)自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的排氣供應(yīng)到產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)58的熱回收蒸汽發(fā)生器66。由蒸汽渦輪機(jī)58產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為電力網(wǎng)絡(luò)提供電力的發(fā)電機(jī)68。在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，將來(lái)自熱回收蒸汽發(fā)生器66的蒸汽供應(yīng)到氣化器56以產(chǎn)生合成氣。在其他已知的IGCC系統(tǒng)50中，使用由合成氣產(chǎn)生而生成的熱能以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)58的額外蒸汽。
[0012]圖2為可與系統(tǒng)50(圖1中示出)一起使用的先進(jìn)固體去除氣化器200的示例性實(shí)施方案的示意圖。在所述示例性實(shí)施方案中，氣化器200包括上殼體202、下殼體204和在其間延伸的基本圓筒形容器體206。進(jìn)料注入器208穿透上殼體202或容器體206以導(dǎo)引燃料流進(jìn)入氣化器200。燃料經(jīng)進(jìn)料注入器208中的一個(gè)或多個(gè)通路傳輸并離開(kāi)以預(yù)定模式212將燃料引導(dǎo)到氣化器200中的燃燒區(qū)214中的噴嘴210。燃料可在進(jìn)入噴嘴210之前與其他物質(zhì)混合，或可在自噴嘴210離開(kāi)時(shí)與其他物質(zhì)混合。例如，燃料可在進(jìn)入噴嘴210之前與自系統(tǒng)50的工藝回收的細(xì)肩混合以增加燃料的總轉(zhuǎn)化率和/或與熔渣添加物混合以改善所有燃料灰分的熔融行為，并且燃料可在噴嘴210處或噴嘴210的下游與氧化劑(如空氣或氧氣)混合。
[0013]在所述示例性實(shí)施方案中，燃燒區(qū)214為與噴嘴210共同對(duì)準(zhǔn)且串聯(lián)流體連通的垂直取向的基本圓筒形空間。燃燒區(qū)214的外部周邊由包含結(jié)構(gòu)底材如耐熱鎳鉻鐵合金(Incoloy)管道218和經(jīng)構(gòu)造以耐受燃燒區(qū)214內(nèi)相對(duì)高溫和高壓內(nèi)含物的影響的耐火涂層220的耐火壁216限定。耐火壁216的出口端222包括經(jīng)構(gòu)造以保持燃燒區(qū)214中的預(yù)定背壓同時(shí)允許燃燒區(qū)214中產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物和合成氣離開(kāi)燃燒區(qū)214的會(huì)聚出口噴嘴224。燃燒產(chǎn)物包括氣態(tài)副產(chǎn)物、耐火涂層220上通常形成的熔渣和氣態(tài)副產(chǎn)物懸浮攜帶的細(xì)小微粒。
[0014]在離開(kāi)燃燒區(qū)214之后，可流動(dòng)的熔渣和固體熔渣受重力影響而落入下殼體204中的固體驟冷池226。固體驟冷池226保持有將可流動(dòng)熔渣驟冷成可在從氣化器200中除去時(shí)破碎成小塊的脆性固體材料的水量。固體驟冷池226還截留離開(kāi)燃燒區(qū)214的約90%的細(xì)小微粒。
[0015]在所述示例性實(shí)施方案中，