混合反应器进料的方法和系统的制作方法
【专利说明】混合反应器进料的方法和系统
[0001]本申请是申请日为2009年3月6日，申请号为200980116056.0，发明名称为“混合反应器进料的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。
[0002]发明背景
总体而言，本发明涉及气化系统，具体而言，涉及用于将进料注入气化器的先进方法和设备。
[0003]至少一些已知的气化器将燃料、空气或氧气、液态水和/或蒸汽和/或熔渣的混合物转化成部分氧化气体的产出物，有时称为“合成气”。在整体气化联合循环(IGCC)发电系统中，将合成气供应到燃气涡轮发动机的燃烧器，所述燃烧器为发电机提供动力，发电机将电力供应给电力网络。可将来自燃气涡轮发动机的排气供应到产生蒸汽以驱动蒸汽涡轮机的热回收蒸汽发生器。由蒸汽涡轮机产生的动力还驱动为电力网络提供电力的发电机。
[0004]通过将进料源连接到进料喷嘴的进料注入器将燃料、空气或氧气、液态水和/或蒸汽和/或熔渣添加物自不同来源注入气化器中。各进料源单独穿过进料注入器并在喷嘴下游的反应区中连接在一起。为了使反应在短时间内完成，使进料驻留在反应区中，需要进行进料各组分的紧密混合。至少一些已知的气化进料注入器包括以高速喷射进料组分以促使雾化，然而，这类方法减少可用的反应时间并趋于抑制完全反应。
[0005]发明概述
在一个实施方案中，进料注入器系统包括围绕纵轴基本同心的多个环形通道和旋流构件，所述环形通道引导流体从各自的源经其基本轴向地流到反应区，所述旋流构件延伸入限定在所述多个环形通道中的至少一个中的流体流动路径，所述旋流构件经构造以对流过所述至少一个环形通道的流体赋予圆周流向。
[0006]在另一实施方案中，组装气化器进料注入器的方法包括提供围绕纵轴具有第一外径的第一进料管道，所述第一管道包括供料端、出料端和在其间延伸的长度，和提供具有第一内径的第二进料管道，所述第二管道包括供料端、出料端和在其间延伸的长度。所述方法还包括在沿第一管道的长度的某位置处将具有桨叶状体的旋流构件与第一管道的外表面连接，所述旋流构件相对于纵轴以斜角沿第一管道的外表面延伸并将第一管道插入第二管道，以使得第一管道与第二管道基本同心对准。
[0007]在又一实施方案中，气化系统包括用于使燃料部分氧化的压力容器和经构造以将燃料注入所述压力容器的进料注入器，其中所述进料注入器还包括引导流体从各自的源经其基本轴向地流到反应区的多个环形流道和延伸入限定在所述多个环形通道中的至少一个中的流体流动路径的旋流构件，所述旋流构件经构造以对流过所述至少一个环形通道的流体赋予圆周流向。
[0008]附图简述
图1为示例性已知整体气化联合循环(IGCC)发电系统的示意图；
图2为可与图1所示的系统一起使用的先进固体去除气化器的示例性实施方案的示意图；
图3为根据本发明的一个实施方案图2所示的进料注入器的放大横截面图； 图4为沿视线4-4得到的图3所示的进料注入器的横截面图；
图5A、5B和5C为可与图2中所示的进料注入器208 —起使用的示例性旋流构件的侧视图；
图6为利用发散尖端(diverging tip)构造的注入器出口部分的横截面图；和图7为改进之后图6中的注入器出口部分的横截面图。
[0009]发明详述
以下详细说明举例但并非限制地说明了本发明。该描述清楚地能够使本领域的技术人员明白并使用本发明，描述了本发明的多个实施方案、改进、变化、替代和用途，包括当前认为是实施本发明的最佳方式者。将本发明描述为以优选的实施方案实施，即，将进料注入反应器的系统和方法。然而，预期本发明对于工业、商业和住宅应用中的管线系统具有通用应用。
[0010]图1为示例性整体气化联合循环(IGCC)发电系统50的示意图。IGCC系统50通常包括主要空气压缩机52、与压缩机52流体连通连接的空气分离单元54、与空气分离单元54流体连通连接的气化器56、与气化器56流体连通连接的燃气涡轮发动机10和蒸汽涡轮机58。操作中，压缩机52压缩环境空气。将压缩空气导引到空气分离单元54。在一些实施方案中，除了压缩机52以外或者作为压缩机52的替代，可将来自燃气涡轮发动机压缩机12的压缩空气供应到空气分离单元54。空气分离单元54使用压缩空气产生供气化器56使用的氧气。更具体地讲，空气分离单元54将压缩空气分成单独的氧气流和气体副产物(有时称为“工艺气体”)流。空气分离单元54产生的工艺气体包含氮气且在本文中将被称为“氮气工艺气体”。所述氮气工艺气体还可包含其他气体，例如但不限于氧气和/或氩气。例如，在一些实施方案中，所述氮气工艺气体包含约95%-约100%的氮气。将氧气流导引到气化器56中以用于产生本文中称为“合成气”的部分燃烧的气体，如下文更详细地描述，所述合成气作为燃料供燃气涡轮发动机10使用。在一些已知的IGCC系统50中，至少一些氮气工艺气流(空气分离单元54的副产物)排放到大气中。此外，在一些已知的IGCC系统50中，将一些氮气工艺气流注入燃气涡轮发动机燃烧器14内的燃烧区(未示出)中以有利于控制发动机10的排放，且更具体地说，有利于降低燃烧温度并降低来自发动机10的一氧化氮排放。IGCC系统50可包括在将氮气工艺气流注入燃烧区之前将其压缩的压缩机60。
[0011]气化器56将燃料、由空气分离单元54供应的氧气、液态水和/或蒸汽和/或熔渣添加物的混合物转化成合成气输出物以作为燃料供燃气涡轮发动机10使用。虽然气化器56可使用任何燃料，但在一些已知的IGCC系统50中，气化器56使用煤、石油焦炭、残油、油乳液、焦油砂和/或其他类似燃料。在一些已知的IGCC系统50中，由气化器56产生的合成气包含二氧化碳。由气化器56产生的合成气可以在导引到用于使其燃烧的燃气涡轮发动机燃烧器14之前在净化设备62中清洁。二氧化碳可在净化期间从合成气中分离，且在一些已知的IGCC系统50中，二氧化碳排放到大气中。来自燃气涡轮发动机10的动力输出驱动为电力网络(未示出)供应电力的发电机64。将来自燃气涡轮发动机10的排气供应到产生蒸汽以驱动蒸汽涡轮机58的热回收蒸汽发生器66。由蒸汽涡轮机58产生的动力驱动为电力网络提供电力的发电机68。在一些已知的IGCC系统50中，将来自热回收蒸汽发生器66的蒸汽供应到气化器56以产生合成气。在其他已知的IGCC系统50中，使用由合成气产生而生成的热能以产生用于驱动蒸汽涡轮机58的额外蒸汽。
[0012]图2为可与系统50(图1中示出)一起使用的先进固体去除气化器200的示例性实施方案的示意图。在所述示例性实施方案中，气化器200包括上壳体202、下壳体204和在其间延伸的基本圆筒形容器体206。进料注入器208穿透上壳体202或容器体206以导引燃料流进入气化器200。燃料经进料注入器208中的一个或多个通路传输并离开以预定模式212将燃料引导到气化器200中的燃烧区214中的喷嘴210。燃料可在进入喷嘴210之前与其他物质混合，或可在自喷嘴210离开时与其他物质混合。例如，燃料可在进入喷嘴210之前与自系统50的工艺回收的细肩混合以增加燃料的总转化率和/或与熔渣添加物混合以改善所有燃料灰分的熔融行为，并且燃料可在喷嘴210处或喷嘴210的下游与氧化剂(如空气或氧气)混合。
[0013]在所述示例性实施方案中，燃烧区214为与喷嘴210共同对准且串联流体连通的垂直取向的基本圆筒形空间。燃烧区214的外部周边由包含结构底材如耐热镍铬铁合金(Incoloy)管道218和经构造以耐受燃烧区214内相对高温和高压内含物的影响的耐火涂层220的耐火壁216限定。耐火壁216的出口端222包括经构造以保持燃烧区214中的预定背压同时允许燃烧区214中产生的燃烧产物和合成气离开燃烧区214的会聚出口喷嘴224。燃烧产物包括气态副产物、耐火涂层220上通常形成的熔渣和气态副产物悬浮携带的细小微粒。
[0014]在离开燃烧区214之后，可流动的熔渣和固体熔渣受重力影响而落入下壳体204中的固体骤冷池226。固体骤冷池226保持有将可流动熔渣骤冷成可在从气化器200中除去时破碎成小块的脆性固体材料的水量。固体骤冷池226还截留离开燃烧区214的约90%的细小微粒。
[0015]在所述示例性实施方案中，