混合反應器進料的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】混合反應器進料的方法和系統(tǒng)
[0001]本申請是申請日為2009年3月6日，申請?zhí)枮?00980116056.0，發(fā)明名稱為“混合反應器進料的方法和系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請的分案申請。
[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，涉及用于將進料注入氣化器的先進方法和設備。
[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/或熔渣的混合物轉化成部分氧化氣體的產出物，有時稱為“合成氣”。在整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)中，將合成氣供應到燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒器，所述燃燒器為發(fā)電機提供動力，發(fā)電機將電力供應給電力網絡?？蓪碜匀細鉁u輪發(fā)動機的排氣供應到產生蒸汽以驅動蒸汽渦輪機的熱回收蒸汽發(fā)生器。由蒸汽渦輪機產生的動力還驅動為電力網絡提供電力的發(fā)電機。
[0004]通過將進料源連接到進料噴嘴的進料注入器將燃料、空氣或氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽和/或熔渣添加物自不同來源注入氣化器中。各進料源單獨穿過進料注入器并在噴嘴下游的反應區(qū)中連接在一起。為了使反應在短時間內完成，使進料駐留在反應區(qū)中，需要進行進料各組分的緊密混合。至少一些已知的氣化進料注入器包括以高速噴射進料組分以促使霧化，然而，這類方法減少可用的反應時間并趨于抑制完全反應。
[0005]發(fā)明概述
在一個實施方案中，進料注入器系統(tǒng)包括圍繞縱軸基本同心的多個環(huán)形通道和旋流構件，所述環(huán)形通道引導流體從各自的源經其基本軸向地流到反應區(qū)，所述旋流構件延伸入限定在所述多個環(huán)形通道中的至少一個中的流體流動路徑，所述旋流構件經構造以對流過所述至少一個環(huán)形通道的流體賦予圓周流向。
[0006]在另一實施方案中，組裝氣化器進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度，和提供具有第一內徑的第二進料管道，所述第二管道包括供料端、出料端和在其間延伸的長度。所述方法還包括在沿第一管道的長度的某位置處將具有槳葉狀體的旋流構件與第一管道的外表面連接，所述旋流構件相對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準。
[0007]在又一實施方案中，氣化系統(tǒng)包括用于使燃料部分氧化的壓力容器和經構造以將燃料注入所述壓力容器的進料注入器，其中所述進料注入器還包括引導流體從各自的源經其基本軸向地流到反應區(qū)的多個環(huán)形流道和延伸入限定在所述多個環(huán)形通道中的至少一個中的流體流動路徑的旋流構件，所述旋流構件經構造以對流過所述至少一個環(huán)形通道的流體賦予圓周流向。
[0008]附圖簡述
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)一起使用的先進固體去除氣化器的示例性實施方案的示意圖；
圖3為根據本發(fā)明的一個實施方案圖2所示的進料注入器的放大橫截面圖； 圖4為沿視線4-4得到的圖3所示的進料注入器的橫截面圖；
圖5A、5B和5C為可與圖2中所示的進料注入器208 —起使用的示例性旋流構件的側視圖；
圖6為利用發(fā)散尖端(diverging tip)構造的注入器出口部分的橫截面圖；和圖7為改進之后圖6中的注入器出口部分的橫截面圖。
[0009]發(fā)明詳述
以下詳細說明舉例但并非限制地說明了本發(fā)明。該描述清楚地能夠使本領域的技術人員明白并使用本發(fā)明，描述了本發(fā)明的多個實施方案、改進、變化、替代和用途，包括當前認為是實施本發(fā)明的最佳方式者。將本發(fā)明描述為以優(yōu)選的實施方案實施，即，將進料注入反應器的系統(tǒng)和方法。然而，預期本發(fā)明對于工業(yè)、商業(yè)和住宅應用中的管線系統(tǒng)具有通用應用。
[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52、與壓縮機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流體連通連接的燃氣渦輪發(fā)動機10和蒸汽渦輪機58。操作中，壓縮機52壓縮環(huán)境空氣。將壓縮空氣導引到空氣分離單元54。在一些實施方案中，除了壓縮機52以外或者作為壓縮機52的替代，可將來自燃氣渦輪發(fā)動機壓縮機12的壓縮空氣供應到空氣分離單元54。空氣分離單元54使用壓縮空氣產生供氣化器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的氧氣流和氣體副產物(有時稱為“工藝氣體”)流。空氣分離單元54產生的工藝氣體包含氮氣且在本文中將被稱為“氮氣工藝氣體”。所述氮氣工藝氣體還可包含其他氣體，例如但不限于氧氣和/或氬氣。例如，在一些實施方案中，所述氮氣工藝氣體包含約95%-約100%的氮氣。將氧氣流導引到氣化器56中以用于產生本文中稱為“合成氣”的部分燃燒的氣體，如下文更詳細地描述，所述合成氣作為燃料供燃氣渦輪發(fā)動機10使用。在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，至少一些氮氣工藝氣流(空氣分離單元54的副產物)排放到大氣中。此外，在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，將一些氮氣工藝氣流注入燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器14內的燃燒區(qū)(未示出)中以有利于控制發(fā)動機10的排放，且更具體地說，有利于降低燃燒溫度并降低來自發(fā)動機10的一氧化氮排放。IGCC系統(tǒng)50可包括在將氮氣工藝氣流注入燃燒區(qū)之前將其壓縮的壓縮機60。
[0011]氣化器56將燃料、由空氣分離單元54供應的氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽和/或熔渣添加物的混合物轉化成合成氣輸出物以作為燃料供燃氣渦輪發(fā)動機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產生的合成氣包含二氧化碳。由氣化器56產生的合成氣可以在導引到用于使其燃燒的燃氣渦輪發(fā)動機燃燒器14之前在凈化設備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。來自燃氣渦輪發(fā)動機10的動力輸出驅動為電力網絡(未示出)供應電力的發(fā)電機64。將來自燃氣渦輪發(fā)動機10的排氣供應到產生蒸汽以驅動蒸汽渦輪機58的熱回收蒸汽發(fā)生器66。由蒸汽渦輪機58產生的動力驅動為電力網絡提供電力的發(fā)電機68。在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，將來自熱回收蒸汽發(fā)生器66的蒸汽供應到氣化器56以產生合成氣。在其他已知的IGCC系統(tǒng)50中，使用由合成氣產生而生成的熱能以產生用于驅動蒸汽渦輪機58的額外蒸汽。
[0012]圖2為可與系統(tǒng)50(圖1中示出)一起使用的先進固體去除氣化器200的示例性實施方案的示意圖。在所述示例性實施方案中，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。進料注入器208穿透上殼體202或容器體206以導引燃料流進入氣化器200。燃料經進料注入器208中的一個或多個通路傳輸并離開以預定模式212將燃料引導到氣化器200中的燃燒區(qū)214中的噴嘴210。燃料可在進入噴嘴210之前與其他物質混合，或可在自噴嘴210離開時與其他物質混合。例如，燃料可在進入噴嘴210之前與自系統(tǒng)50的工藝回收的細肩混合以增加燃料的總轉化率和/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]在所述示例性實施方案中，燃燒區(qū)214為與噴嘴210共同對準且串聯(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構底材如耐熱鎳鉻鐵合金(Incoloy)管道218和經構造以耐受燃燒區(qū)214內相對高溫和高壓內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包括經構造以保持燃燒區(qū)214中的預定背壓同時允許燃燒區(qū)214中產生的燃燒產物和合成氣離開燃燒區(qū)214的會聚出口噴嘴224。燃燒產物包括氣態(tài)副產物、耐火涂層220上通常形成的熔渣和氣態(tài)副產物懸浮攜帶的細小微粒。
[0014]在離開燃燒區(qū)214之后，可流動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保持有將可流動熔渣驟冷成可在從氣化器200中除去時破碎成小塊的脆性固體材料的水量。固體驟冷池226還截留離開燃燒區(qū)214的約90%的細小微粒。
[0015]在所述示例性實施方案中，