专利名称：整体气化联合循环发电系统和气化反应器以及方法
技术领域：
本发明涉及整体煤气化联合循环发电(Integrated Gasification CombinedCycle, IGCC)系统，特别涉及一种对IGCC系统中配置的气化反应器(gasificationreactor或者gasifier)进行冷却的系统和方法。
背景技术：
至少一些已知的IGCC系统包括一个气化系统以及至少一个与该气化系统相连接的涡轮发电系统。该气化系统可以包括一个气化反应器，以用于将燃料，空气或者氧气，蒸汽，以及固态物例如石灰岩等的混合物转换成部分燃烧的气体，通常称作“合成气”(syngas)。气化反应器内的混合物在燃烧的过程中，通常会产生大量的热量。例如，在 一些燃烧过程中，气化反应器内的温度可能超过1600-1800摄氏度。为了保护高温作用下的气化反应器的炉壁，以及延长气化反应器的使用寿命，通常在气化反应器的内壁会设置一层耐高温的内衬材料。公知的耐高温内衬材料有多种类型。其中一种内衬材料为耐火砖,其可以将气化反应器的内壁和炉内的高温环境隔绝开，从而起到保护炉壁的作用。然而，使用耐火砖的一个缺陷是耐火砖可能需要进行替换，由此会增加气化反应器的维护成本。此外，气化反应器的耐火砖一般需要预热和冷却时间以避免热冲击损坏。因此，有必要提供一种改进的系统和方法以解决上述提及的至少一个问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种气化反应器。该气化反应器包括炉体，第一冷却装置和第二冷却装置。该炉体内设有反应室，该反应室被设置成接纳含碳的燃料和含氧的物质的混合物。该混合物在该反应室内经过部分燃烧产生合成气。该炉体包括第一上部区域和第二中部区域。该第一冷却装置设置在该炉体的第一上部区域，该第一冷却装置至少部分转移该第一上部区域由于该混合物在反应室内部分燃烧所产生的热量。该第二冷却装置设置在该炉体的第二中部区域。该第二冷却装置至少部分转移该第二中部区域由于该混合物在反应室内部分燃烧所产生的热量。本发明的另一个方面在于提供另一种气化反应器。该另一种气化反应器包括炉体和热交换装置。该炉体内部设置有供含碳燃料以及含氧物质发生部分燃烧反应并产生合成气的反应室，该炉体包括内侧和外侧。该热交换装置设置在该炉体的外侧的至少一部分区域；其中，该热交换装置用于吸收该反应室由于部分燃烧反应产生的热量。本发明的再一个方面在于提供一种用于冷却气化反应器炉体的方法。该方法至少包括如下步骤使用第一冷却装置冷却该炉体的第一区域；其中，该第一冷却装置被设置成具有至少一部分与该第一区域相匹配的形状；以及使用第二冷却装置冷却该炉体的第二区域；其中，该第二冷却装置被设置成具有至少一部分与该第二区域相匹配的形状。本发明的再一个方面在于提供一种用于对气化反应器的炉体进行冷却的冷却系统。该冷却系统包括第一冷却装置和第二冷却装置。该第一冷却装置设置在该炉体的第一上部区域。该第二冷却装置设置在该炉体的第二中部区域。该第一冷却装置和该第二冷却装置均被设置成分别与该第一上部区域和该第二中部区域相匹配的形状。本发明的再一个方面在于提供一种调节气化反应器的炉体温度的方法。该方法至少包括如下步骤获取该气化反应器在进行内部燃烧过程中的炉体的温度轮廓，该温度轮廓至少包括与该炉体的第一区域相对应的第一温度区域以及与该炉体的第二区域相对应的第二温度区域；根据获取的该第一温度区域采用第一冷却策略对该炉体的第一区域进行冷却，该第一冷却策略使用与该第一区域相联系的第一冷却装置；以及根据获取的该第二温度区域采用第二冷却策略对该炉体的第二区域进行冷却，该第二冷却策略使用与该第二区域相联系的第二冷却装置。本发明的再一个方面在于提供一种整体气化联合循环发电系统。该整体气化联合循环发电系统包括气化反应器和燃气轮机。该气化反应器包括炉体和冷却系统。该炉体内设有反应室，该反应室被设置成接纳含碳的燃料和含氧的物质的混合物，该混合物在该反应室内经过部分燃烧产生合成气，该炉体包括第一上部区域和第二中部区域。该冷却系统包括第一冷却装置和第二冷却装置，该第一冷却装置设置在该第一上部区域，该第二冷却装置设置在该第二中部区域。该燃气轮机与该气化反应器进行流体连接，该燃气轮机被配置成燃烧从该气化反应器输出的合成气。 本发明提供的气化反应器，冷却系统，冷却气化反应器炉体的方法，调节气化反应器的炉体温度的方法，整体气化联合循环发电系统，通过使用分别的冷却装置冷却炉体的不同部分，可以使得炉体得到更好的散热效果，延长炉体的使用寿命。
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中图1所示为气化反应器部分切除后的一种实施方式的立体示意图。图2所示为气化反应器部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。图3所示为气化反应器部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。图4所示为气化反应器部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。图5所示为气化反应器部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。图6所示为气化反应器结合热交换装置的一种实施方式的示意图。图7所示为气化反应器结合热交换装置的另一种实施方式的示意图。图8所示为气化反应器结合热交换装置的另一种实施方式的示意图。图9所示为气化反应器结合热交换装置的另一种实施方式的示意图。图10所示整体气化联合循环发电系统的一种实施方式的模块示意图。
具体实施例方式本发明揭露的一个或者多个实施方式涉及冷却气化反应器的炉体的冷却装置。进一步，一些实施方式涉及使用冷却装置冷却气化反应器的炉体的方法。在一些实施方式中，可以使用主动冷却装置(active cooling device)来冷却气化反应器的炉体。在另外一些实施方式中，还可以在气化反应器炉体的外侧设置一个或者多个热交换装置。一方面，该热交换装置可以用来冷却气化反应器的炉体。另一个方面，该热交换装置在一些情形下还可以传递热量给该气化反应器的炉体。以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式
。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发 明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一” “第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。图I所示为气化反应器56作部分切除后的一种实施方式的立体示意图。为作示意之目的，在图I所示的实施方式中，气化反应器56以喷流床(entrained flow bed)形式作为示例。然而，应当可以思及的是，该气化反应器56还可以采用其他形式的发生器，包括但不限于，固定床(fixed bed)和流化床(fluidized bed)等形式,只要这些形式的气化反应器可以采用将在下文作详细描述的冷却装置(系统)或者相关的冷却方法的一个或者多个特征。请参阅图I,图示的喷流床气化反应器56包括一个外壳或者炉体120,该炉体120内部设置有反应室122。该反应室122被设置成用于接纳含碳的燃料和含氧的物质。该含碳的燃料和含氧的物质可以通过喷射器(injector,也称作燃烧器，burner) 124引入到反应室122内。在一种实施方式中，该喷射器124被设置在炉体120的顶部。应当可以理解的是，燃烧器124还可以呈多个角度设置在炉体120的其他位置。在燃烧的过程中，通过燃烧器124引入到反应室122内的含碳的燃料和含氧的物质在高压和高温条件下燃烧，并产生合成气。作为一种示例，根据所使用的气化反应器56的类型，反应室122内的压力可以在大约20个大气压到大约85个大气压之间；温度可以在大约700摄氏度到大约1800摄氏度之间。请进一步参阅图1，炉体120包括第一上部区域132，第二中部区域134，以及第三底部区域136。在图I的实施方式中，该第一上部区域132呈圆顶形结构，该第二中部区域134呈圆柱形结构，该第三下部区域136呈圆锥形结构。在图I的实施方式中，为了作示例作用，该第一上部区域132，第二中部区域134，以及第三底部区域136通过一体化方式形成。在其他实施方式中，可以理解的是，该三个区域132，134，136也可以分别制作，然后通过合适的方式，例如焊接或者粘接等方式连接在一起。在图I所示的实施方式中，为了给炉体120的炉壁提供适当的冷却，以保护炉体120在燃烧过程中所遭受的高温作用，第一冷却装置142和第二冷却装置被分别提供在气化反应器56中。特别低，该第一冷却装置142与该第一上部区域132相关联，以用于冷却并保护该第一上部区域132。该第二冷却装置144与该第二中部区域134相关联，以用于冷却并保护该第二中部区域134。更具体而言，该第一冷却装置142被设置成具有与该第一上部区域132相匹配的形状。例如，在图示的一种实施方式中，该第一冷却装置142使用锥形的冷却管来与该成圆顶形的第一上部区域132相匹配。由于该锥形的冷却管142的形状与第一上部区域132的形状相匹配，可以使得冷却管142有更多的面积与第一上部区域132相接触，从而可以给第一上部区域132提供较佳的散热。可以思及的是，在其他实施方式中，该第一冷却装置142也可以使用具有其他形状的冷却管，以与圆顶形的第一上部区域132相匹配。在图I的实施方式中，第一冷却装置142的冷却管可以通过合适的方式，例如，焊接或者粘接等方式， 设置在圆顶形的第一上部区域132的内侧壁，以形成薄膜壁(membrane wall)。在另外一些实施方式中，该第一冷却装置142的冷却管的全部或者一部分可以嵌入在炉体120位于第一上部区域132的炉壁中。还在一些实施方式中，虽然没有在图I中示出，该第一冷却装置142还可以通过下面的方式与第一上部区域132结合在一起在第一上部区域132的内部设置一层耐火砖，然后将该第一冷却装置142的冷却管以三明治结构夹设(sandwiched)在耐火砖和第一上部区域132的内侧壁之间。在图I所示的实施方式中，第一冷却装置142被设置成相对第二冷却装置152独立运作，以给第一上部区域132提供本地化的冷却操作。在其他实施方式中,例如,将在下文结合附图3作详细描述，该第一冷却装置142也可以与第二冷却装置152结合在一起形成一个单一的冷却系统140。通过运作该单一的冷却系统，可以同时给第一上部区域132和第二中部区域134提供冷却操作。在图I所示的实施方式中，该第一冷却装置132使用主动冷却装置。该主动冷却装置包括入口 144，出口 146，以及连接在入口 144和出口 146之间的中间管148，该中间管148在入口 144和出口 146之间的结构呈直径逐渐增大的螺旋弹簧状。在操作图I所示的第一冷却装置142时，冷却介质，例如，水，蒸汽等在外部装置的作用下，可以通过入口 144输入，并沿着中间管148流动，然后从出口 146排放出去。该被排出的冷却介质可以在冷却之后再次通过入口 144输入并沿着中间管148流动。可以理解，通过操作该第一冷却装置132，可以带走炉体120内的反应室122在燃烧过程中产生的热量。特别地，在临近该第一上部区域132的区域的热量可以较好地被冷却介质吸收，并随着冷却介质的流动而被转移到炉体120之外。因此，该第一上部区域132的炉壁可以维持在适当的温度。应当可以理解的是，通过调节与热传递过程相关联的各种参数，可以控制第一上部区域132的炉壁温度。举例言之，当第一上部区域132的炉壁温度被判定为比目标值要高时，可以增加在中间管148中流动的冷却介质的流速，以在给定的时间内，将更多的热量转移到炉体120之外，从而给第一上部区域132提供更多的冷却。在此，判定第一上部区域132的炉壁温度的方法可以通过在第一上部区域132炉壁设置一个或者多个温度传感器来实现。通过温度传感器测量到的温度可以被用来判定该第一上部区域132的炉壁是否需要加热或者冷却。在此，可以将通过调节与热传递过程中的各种参数来控制炉体温度的方式简单表述成“冷却策略”。请继续参阅图1，在图I所示的实施方式中，该第二冷却装置152也被设置成具有与圆柱形的第二中部区域134相匹配的形状。该第二冷却装置152也使用主动冷却装置对第二中部区域134进行冷却。该第二冷却装置152包括入口 154，出口 156，以及多个连接在入口 154和出口 156之间的垂直管158。在图I所示的实施方式中，该多个垂直管158沿着第二中部区域134的纵轴方向(或者图I所示的上下方向)平行延伸。该多个相互平行的垂直管158端部相互连接，形成单一的冷却管结构。该多个垂直管158可以通过合适的方式，例如，焊接或者粘接等方式固定在圆柱形的第二中部区域134的内侧壁。类似地，通过入口 154通入冷却介质，并将冷却介质沿着垂直管158流动，吸收热量后从出口 156排出，可以将该第二中部区域134维持在期望的温度。
请继续参阅图1，在图I所示的实施方式中，在第二中部区域134也可以执行适当的冷却策略，也即通过调节与第二冷却装置152的热传递过程相关联的各种参数，来控制该第二中部区域134的温度。进一步，分别在该第一上部区域142和该第二中部区域134执行的冷却策略可以相互协调，以更好地调节第一上部区域142和该第二中部区域134的温度。更具体言之，炉体120的反应室122内进行的燃烧过程，在预设的气化参数条件下，该气化反应器56的炉体120沿着纵轴方向(或者图I所示的上下方向)具有一定的温度轮廓，也即，炉体120可以划分成不同的温度区域。例如，炉体120的第一上部区域132的温度可能低于第二中部区域134的温度。基于此，在一些实施方式中，可以通过将在第一冷却装置132中的冷却管148流动的冷却介质的流速调节成小于在第二冷却装置152中的冷却管158流动的冷却介质的速率。通过这样的调节方式，该第一上部区域132的炉壁温度和该第二中部区域134的炉壁温度可以基本被维持在基本相同的温度值。因此，可以降低第一上部区域132的炉壁和第二中部区域134的炉壁之间的热应力，并进一步延长气化反应器56的炉体120的使用寿命。图2所示为气化反应器56作部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。图2所示的实施方式与上文结合图I所描述的实施方式相类似。其差别在于图2所示的实施方式为了给炉体120提供进一步的冷却操作，在炉体120的第三下部区域136还设置有第三冷却装置162。更具体而言，在图2所示的实施方式中，该第三冷却装置162被设置在该第三下部区域136的内侧壁。该第三冷却装置162也使用主动冷却装置，并包括入口 164，出口 166，以及连接在入口 164和出口 166之间的中间管168。在一种实施方式中，该中间管168呈圆锥形，以与锥形的第三下部区域136相匹配。可以理解的是，中间管168呈圆锥形仅仅是为了示例的目的，在其他实施方式中，该第三冷却装置162的冷却管还可以采用其他的形状，以使其全部或者一部与该第三下部区域136相匹配。类似地，在操作第三冷却装置162的过程中，通过入口 164通入冷却介质，并将冷却介质沿着中间管168流动，然后将携带有热量的冷却介质从出口 166排出，以此将该第三下部区域136维持在期望的温度。请继续参阅图2，在图2所示的实施方式中，在第三下部区域136也可以执行适当的冷却策略，也即通过调节与第三冷却装置162的热传递过程相关联的各种参数，来控制该第三下部区域136的温度。进一步，分别在该第三下部区域136和该第二中部区域134执行的冷却策略可以相互协调，以更好地调节第三下部区域136和该第二中部区域134的温度。通过协调执行各自的冷却策略，可以将该第三下部区域136的炉壁温度和该第二中部区域134的炉壁温度基本维持在相同的温度值。因此，可以降低第三下部区域136的炉壁和第二中部区域134的炉壁之间的热应力，并进一步延长气化反应器56的炉体120的使用寿命。图3所示为气化反应器56作部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。在图3所示的实施方式中，与在图I和图2中所示的使用分离的冷却装置142和152不同，单一的冷却系统140被提供来对第一上部区域132和第二中部区域134进行冷却。在图3所示的实施方式中，该冷却系统140可以通过将第一冷却装置142和第二冷却装置152连接在一起来形成。与上文结合图I和图2所作的描述相类似，该第一冷却装置142具有锥形的形状以与第一上部区域132相匹配，该第二冷却装置152具有整体呈圆柱形的垂直管与第二中部区域134相匹配。该冷却系统140包括入口 146，出口 156，以及连接在入口 146和 出口 156之间的锥形管148，垂直管158。在操作图3所示的冷却系统140时，通过入口 146通入冷却介质，并将冷却介质沿着中间的锥形管148和垂直管158流动，然后将携带有热量的冷却介质从出口 156排出，以此将该第一上部区域132和第二中部区域134维持在期望的温度。图4所示为气化反应器56作部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。在图4所示的实施方式中，与在图2中所示的使用分离的冷却装置152和162不同，另外一个单一的冷却系统150被提供来对第三下部区域136和第二中部区域134进行冷却。在图4所示的实施方式中，该冷却系统150可以通过将第二冷却装置152和第三冷却装置162连接在一起来形成。与上文结合图I和图2所作的描述相类似，该第二冷却装置152具有整体呈圆柱形的垂直管与第二中部区域134相匹配，该第三冷却装置162具有锥形的形状以与第三下部区域136相匹配。该冷却系统150包括入口 154，出口 166，以及连接在入口 154和出口 166之间的垂直管158和锥形管164。在操作图4所示的冷却系统150时,通过入口 154通入冷却介质，并将冷却介质沿着中间的垂直管158和锥形管164流动，然后将携带有热量的冷却介质从出口 166排出，以此将该第二中部区域134和第三下部区域136维持在期望的温度。图5所示为气化反应器56作部分切除后的另一种实施方式的立体示意图。在图5所示的实施方式中，第一冷却装置142，第二冷却装置152和第三冷却装置162被连接在一起形成再一个冷却系统160。通过入口 146通入冷却介质,并使通入的冷却介质沿着第一锥形管148，垂直管158以及第二锥形管164流动，然后通过出口 166排出携带有热量的冷却介质。通过此方式，可以将第一上部区域132，第二中部区域134和第三下部区域136维持在期望的温度。图6所不为气化反应器56结合热交换装置220的一种实施方式的不意图。在图6所示的实施方式中，热交换装置220被安装在气化反应器56的外侧。概略言之，热交换装置220可以被配置成工作在至少两种模式，也即冷却模式和加热模式。在冷却模式下，热交换装置220被操作成通过将炉体210内部的部分燃烧反应所产生的热量转移出去，以实现对炉体210之冷却。在一些实施方式中，炉体210的内表面还可以设置有一层耐高温衬底材料，例如，耐火砖。可以理解，通过使用热交换装置220对炉体210进行冷却，可以降低耐火砖材料的要求。进一步，通过使用热交换装置220冷却炉体210，可以有助于在炉体的内侧壁形成一层炉渣，该炉渣层可以作为具有保护并且自修复的功能。在一些实施方式中，正如将在下文所详细描述，该热交换装置220可以被设置成具有多个离散的结构，以根据炉体220不同区域的散热需求，进行更具体的冷却操作。在加热模式下，热交换装置220可以被操作成向炉体210的炉壁传递热量，以对炉壁进行加热。可以理解，将热交换装置220运作在加热模式下可以产生有益的技术效果。例如，在气化反应器56启动运行的过程中，通过操作该热交换装置220对炉体210进行预热，可以有效地避免炉体210在短时间经受高温冲击所遭受的损害。在一些实施方式中，该热交换装置220可以被设置成具有多个离散的结构，以根据炉体220不同区域的加热需求，进行更具体的加热操作。
在图6所示的实施方式中，热交换装置220可以使用主动型的冷却装置。该热交换装置220可以包括多个设置在炉体210外侧的圆形冷却管214。该圆形冷却管214被设置成与炉体210的纵轴(如图中虚线232所示)垂直。在图6所示的实施方式中，该多个冷却管214沿着纵轴232的方向均匀分布，例如，相邻两个冷却管214之间的预设一定的距离D。在其他实施方式中，该多个冷却管214也可以沿着纵轴232的方向非均匀地分布。在一种实施方式中，该多个冷却管214中的每一者均可以单独设置有一个入口和出口，以分别用于通入冷却介质和排出携带有热量的冷却介质。在其他实施方式中，该多个冷却管214之间也可以相互连接在一起，并设置一个整体的入口和出口分别用于通入冷却介质和排出携带有热量的冷却介质。应当注意的是，在图6所示的冷却管214的尺寸仅仅是作为一种示例，在实际的实施过程中，冷却管214的尺寸可以根据实际的应用要求加以变更。图7所示为气化反应器56结合另一个热交换装置230的一种实施方式的示意图。在图7所示的实施方式中，与图6所描述的实施方式相类似，热交换装置230也被设置在炉体210的外侧，并且热交换装置230也可以工作在加热模式和冷却模式。与图6所描述的实施方式中不同的是，该热交换装置230使用螺旋形的冷却管238。该螺旋形的冷却管238可以包括入口和出口以分别用于通入冷却介质和排出携带有热量的冷却介质。图8所示为气化反应器56结合再一个热交换装置240的一种实施方式的示意图。在图8所示的实施方式中，与图6所描述的实施方式相类似，热交换装置240也被设置在炉体210的外侧，并且热交换装置240也可以工作在加热模式和冷却模式。在图8所示的实施方式中，该热交换装置240包括第一圆形管242，第二圆形管244，以及多个垂直管246。该第一圆形管242和第二圆形管244分别被设置在靠近炉体210的两端部的位置，并且基本与炉体210的纵轴方向232垂直。每一个垂直管246的两端分别与该第一圆形管242和第二圆形管244连接。该多个垂直管246沿着炉体210圆周的方向彼此分开一定的距离。在图8所示的实施方式中，该多个垂直管246被设置成均匀地分布，但是这并非用来作限制，对于本领域具有通常知识的人员而言，在一些实施方式中，也可以将多个垂直管246设置成非均匀分布。图9所示为气化反应器56结合又一个热交换装置250的一种实施方式的示意图。在图9所示的实施方式中，与图6所描述的实施方式相类似，热交换装置250也被设置在炉体210的外侧，并且热交换装置250也可以工作在加热模式和冷却模式。在图9所示的实施方式中，该热交换装置250被示意成具有三个冷却管组件262，264，266。该三个冷却管组件262，264，266分别设置在炉体210的不同区域。该三个冷却管组件262，264，266被设置成分别独立地对该炉体210的不同区域提供单独的冷却或者加热操作。在一些实施方式中，该三个冷却组件262，264，266也可以进一步被配置成相互配合执行各自的冷却策略，以将炉体210的不同区域维持在基本相同的温度。可以理解的是，在其他实施方式中，可以根据实际的应用将冷却管组件的数量设置成少于三个或者大于三个。更具体而言，在图9所示的实施方式中，该第一冷却管组件262被设置在靠近炉体210上端区域272，第二冷却管组件264被设置在靠近炉体210的中间区域274，第三冷却管组件266被设置在靠近炉体210下端区域276。该第一冷却管组件262包括多个圆形管282以及多个与该各圆形管交叉连接以形成矩阵状或者网状结构的垂直管284。类似地，该第二冷却管组件264包括多个圆形管263以及多个与该各圆形管交叉连接以形成矩阵状或者网状结构的垂直管265。同样类似地，该第三冷却管组件266包括多个圆形管267以及多个与该各圆形管267交叉连接以形成矩阵状或者网状结构的垂直管269。
如上结合图I至图9所描述的关于各种示例性的气化反应器，可以结合在整体气化联合循环发电系统中。图10所示为整体气化联合循环发电系统50的一种实施方式的模块示意图。该整体气化联合循环发电系统50大致包括空气压缩机52，与空气压缩机52流体连接(in fluid communication with)的空气分离装置54,与空气分离装置54流体连接的气化反应器(gasification reactor, gasifier) 56,与气化反应器56流体连接的燃气轮机(gas turbine) 10,以及蒸汽轮机(steam turbine) 58。在运作的过程中，空气压缩机52压缩从外界吸入的空气，并将压缩后的空气通过管道输送到空气分离装置54。在一些实施方式中，除了使用空气压缩机54之外，或者作为空气压缩机52的一种替换方式，也可以将由燃机轮机压缩机12压缩后的气体通过管道输送到空气分离装置54。空气分离装置54从输入的压缩空气中分离出氧气，以供气化反应器56使用。更具体而言，空气分离装置54从压缩的空气中分离出氧气和气化副产品，在一些场合也称为“处理气”(process gas)。通过空气分离装置54产生的处理气中包括氮气，或者也被称为“氮处理气”。氮处理气还可以包括其他气体，例如氧气或者氩气等。举例而言，在一些实施方式中，氮处理气包括含量在95 %到100之间的氮气。氧气通过管道送入气化反应器56，以用于产生部分燃烧的气体，也被称作“合成气”。将在下面作详细描述，合成气被燃气轮机10用作燃料。在一些整体气化联合循环发电系统50中，氮处理气的至少一部分被从空气分离装置50排放到大气中。进一步而言，在一些整体气化联合循环发电系统50中，氮处理气的一部分被注入到燃气轮机燃烧器14内的燃烧室内，以用于控制从燃气轮机10排放出的气体。更具体而言，注入的氮处理气可以方便降低燃烧的温度，并降低从燃气轮机10排放出的氧化亚氮气体的含量。在图示的实施方式中，整体气化联合循环发电系统50还包括压缩机60，以用于在将氮处理气注入到燃烧区域之前对氮处理气进行压缩。气化反应器56将燃料，从空气分离装置54分离出的氧气，以及石灰岩混合物转化成供燃气轮机10作为燃料使用的合成气。虽然气化反应器56可以使用任何其他的燃料，在一些整体气化联合循环发电系统50中，气化反应器56通常使用包括，例如，煤，石油焦(petroleum coke),禮:油或残油(residual oil),油乳胶(oil emulsion),焦油砂(tarsands)，以及其他类似的燃料。在一些整体气化联合循环发电系统50中，由气化反应器56产生的合成气包括二氧化碳。在示例的实施方式中，在通过管道通入到汽轮机燃烧器14以供燃烧之前，由气化反应器56产生的合成气可以通过清洗装置62进行清洗。在清洗的过程中，可以将二氧化碳从合成气中分离出来，并且在一些整体气化联合循环发电系统50中，二氧化碳被排放到大气中。燃气轮机10驱动发电机64作动，以向电网(图未输送电能。从燃气轮机10排出的废气通过管道输入到余热锅炉(heat recovery steam generator) 66中。该余热锅炉66产生用于驱动蒸汽轮机58的蒸汽。由蒸汽轮机58产生的能量驱动发电机68作动，以向电网输出电能。在一些整体气化联合循环发电系统50中，从余热锅炉66产生的蒸汽被输送到气化反应器56中，以用于进一步生成合成气。进一步，在示例的实施方式中，系统50还包括泵70，该泵70用于将从发电装置产生的热水72输送到与气化反应器56连接的福射合成气冷却器(radiant syngas cooler,图未示出)中，以助于冷却从气化反应器56输出的合成气。热水72通过管道通入到辐射合成气冷却器时，热水72被转化成蒸汽74，该蒸汽74然后被送回到余热锅炉66中，以供蒸汽轮机58和气化反应器56使用。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
权利要求
1.ー种气化反应器，其特征在干该气化反应器包括 炉体，该炉体内设有反应室，该反应室被设置成接纳含碳的燃料和含氧的物质的混合物，该混合物在该反应室内经过部分燃烧产生合成气，该炉体包括第一上部区域和第二中部区域； 第一冷却装置，该第一冷却装置设置在该炉体的第一上部区域，该第一冷却装置至少部分转移该第一上部区域由于该混合物在反应室内部分燃烧所产生的热量；以及 第二冷却装置，该第二冷却装置设置在该炉体的第二中部区域，该第二冷却装置至少部分转移该第二中部区域由于该混合物在反应室内部分燃烧所产生的热量。
2.如权利要求I所述的气化反应器，其特征在于该第一上部区域呈圆顶形，该第一冷却装置包括呈圆锥形的冷却管，该圆锥形的冷却管设置在该圆顶形第一上部区域的内側，该圆锥形的冷却管包括用于通入冷却介质的入口和用于排出冷却介质的出口。
3.如权利要求I所述的气化反应器，其特征在于该第二冷却装置设置在该第二中部区域的内侧，该第二冷却装置包括多个冷却管，该多个冷却管相互平行设置并且沿着该第ニ中部区域的纵轴延伸。
4.如权利要求3所述的气化反应器，其特征在于该多个冷却管顺序连接形成単一的冷却管，该单ー的冷却管包括用于通入冷却介质的入口和用于排出冷却介质的出口。
5.如权利要求I中所述的气化反应器，其特征在于该炉体还包括第三底部区域，该气化反应器进一歩包括第三冷却装置，该第三冷却装置设置在该第三底部区域，该第三冷却装置至少部分转移该第三底部区域由于该混合物在反应室内部分燃烧所产生的热量。
6.如权利要求5所述的气化反应器，其特征在于该第三底部区域呈锥形，该第三冷却装置包括圆锥形的冷却管，该圆锥形的冷却管设置在该锥形第三底部区域的内側，该圆锥形的冷却管包括用于通入冷却介质的入口和用于排出冷却介质的出口。
7.如权利要求I所述的气化反应器，其特征在于该炉体还包括与该第二中部区域连接的第三底部区域，该气化反应器进一歩包括第三冷却装置，该第三冷却装置设置在该第三底部区域，其中，该第一冷却装置，第二冷却装置以及第三冷却装置顺序连接形成ー个单一冷却管，该单ー冷却管包括用于通入冷却介质的入口和用于排出冷却介质的出口。
8.ー种气化反应器，其特征在干该气化反应器包括 炉体，该炉体内部设置有供含碳燃料以及含氧介质发生部分燃烧反应并产生合成气的反应室，该炉体包括内侧和外侧；以及 热交换装置，该热交換装置设置在该炉体的外侧的至少一部分区域；其中，该热交換装置用于吸收该反应室由于部分燃烧反应产生的热量。
9.如权利要求8所述的气化反应器，其特征在于该热交換装置还被配置成用于向该炉体的至少一部分区域传递热量。
10.如权利要求8所述的气化反应器，其特征在于该热交換装置包括多个热交換管，该多个热交换管以圆形的样式环绕该炉体的外侧延伸。
11.如权利要求8所述的气化反应器，其特征在于该热交換装置包括単一的热交换管，该单ー的热交换管以螺旋的样式环绕该炉体的外侧延伸。
12.如权利要求8所述的气化反应器，其特征在于该热交換装置包括 第一热交换管，该第一热交换管以圆形的样式环绕临近该炉体的上端部的位置；第二热交换管，该第二热交换管以圆形的样式环绕临近该炉体的下端部的位置；以及多个第三热交换管，该多个第三热交换管连接在该第一圆形管和该第二圆形管之间，该多个第三热交换管相互平行并且彼此间隔一定的距离。
13.如权利要求8所述的气化反应器，其特征在于该热交換装置包括 第一热交换管组件，该第一热交换管组件包括多个以圆形的样式环绕在该炉体外侧的第一热交换管，多个垂直于该多个第一热交换管的第二热交换管，该多个第二热交换管与该多个第一热交换管彼此交叉连接； 第二热交换管组件，该第二热交换管组件包括多个以圆形的样式环绕在该炉体外侧的第一热交换管，多个垂直于该多个第一热交换管的第二热交换管，该多个第二热交换管与该多个第一热交换管彼此交叉连接； 其中，该第一热交换管组件和该第二热交换管组件彼此分隔一定的距离。
14.一种用于冷却气化反应器炉体的方法，其特征在于该方法包括如下步骤 使用第一冷却装置冷却该炉体的第一区域；该第一冷却装置被设置成具有至少一部分与该第一区域相匹配的形状；以及 使用第二冷却装置冷却该炉体的第二区域；该第二冷却装置被设置成具有至少一部分与该第二区域相匹配的形状。
15.如权利要求14所述的用于冷却气化反应器炉体的方法，其特征在于 该方法还包括如下步骤 使用第三冷却装置冷却该炉体的第三区域；该第三冷却装置被设置成具有至少一部分与该第三区域相匹配的形状。
16.—种用于对气化反应器的炉体进行冷却的冷却系统,其特征在于该冷却系统包括 第一冷却装置，该第一冷却装置设置在该炉体的第一上部区域；以及 第二冷却装置，该第二冷却装置设置在该炉体的第二中部区域； 其中，该第一冷却装置和该第二冷却装置均被设置成分别与该第一上部区域和该第二中部区域相匹配的形状。
17.ー种调节气化反应器的炉体温度的方法，其特征在于该方法包括如下步骤 获取该气化反应器在进行内部燃烧过程中的炉体的温度轮廓，该温度轮廓至少包括与该炉体的第一区域相对应的第一温度区域以及与该炉体的第二区域相对应的第二温度区域； 根据获取的该第一温度区域采用第一冷却策略对该炉体的第一区域进行冷却，该第一冷却策略使用与该第一区域相联系的第一冷却装置；以及 根据获取的该第二温度区域采用第二冷却策略对该炉体的第二区域进行冷却，该第二冷却策略使用与该第二区域相联系的第二冷却装置。
18.如权利要求17所述的调节气化反应器的炉体温度的方法，其特征在于该温度轮廓还包括与该炉体的第三区域相对应的第三温度区域，该方法包括如下步骤根据获取的该第三温度区域采用第三冷却策略对该炉体的第三区域进行冷却，该第三冷却策略使用与该第三区域相联系的第三冷却装置。
19.一种整体气化联合循环发电系统，其特征在于该整体气化联合循环发电系统包括: 气化反应器，该气化反应器包括 炉体，该炉体内设有反应室，该反应室被设置成接纳含碳的燃料和含氧的物质的混合物，该混合物在该反应室内经过部分燃烧产生合成气，该炉体包括第一上部区域和第二中部区域； 冷却系统，该冷却系统包括第一冷却装置和第二冷却装置，该第一冷却装置设置在该第一上部区域，该第二冷却装置设置在该第二中部区域；以及 燃气轮机，该燃气轮机与该气化反应器进行流体连接，该燃气轮机被配置成燃烧从该气化反应器输出的合成气。
全文摘要
本发明公开了一种气化反应器、冷却或者调节气化反应器炉体温度的系统和方法，以及整体气化联合循环发电系统。该气化反应器包括内设有反应室的炉体。反应室接纳含碳的燃料和含氧的物质的混合物，该混合物经过部分燃烧反应后产生合成气。炉体包括设置第一冷却装置的第一上部区域和设置第二冷却装置的第二中部区域。通过使用分别的冷却装置冷却炉体的不同部分，可以使得炉体得到更好的散热效果，延长炉体的使用寿命。本发明还揭示冷却或者调节气化反应器炉体温度的系统和方法，以及整体气化联合循环发电系统。
文档编号C10J3/48GK102851080SQ201110181439
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月30日 优先权日2011年6月30日
发明者胡立舜, 陈卫, 杨朝晖, 佘铭钢, 赵香龙, R.A.德普伊, J.B.科里 申请人:通用电气公司