专利名称：气化器冷却系统的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及气化器，并且更具体而言，涉及用于冷却气化器的系统。
背景技术：
整体化联合气化循环(IGCC)发电设备能够相对清洁和高效地从各种烃进料(例如煤)产生能量。IGCC技术可使烃进料通过在气化器中与氧和蒸气反应而转化成一氧化碳 (CO)和氢(H2)的气体混合物，即，合成气。在传统的联合循环发电设备中，可对这些气体进行清洁、处理，并将其用作燃料。气化器内发生的气化过程的温度可高达3500华氏度。因此，冷却系统可被用来冷却气化器。令人遗憾的是，现有冷却系统可导致大量能量浪费(例如热)和/或降低IGCC发电设备的效率。
发明内容
下面概述了与初始要求保护的发明的范围相当的某些实施例。这些实施例并非意图限制本发明要求保护的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可包括与下面所述的实施例类似或不同的多种形式。在第一实施例中，一种系统包括气化器，该气化器具有气化区，围绕气化区的内壁，以及沿内壁延伸的第一燃料通道。第一燃料通道设置为用以使第一燃料流过以冷却气化器。该气化器设置为用以将第一燃料从第一燃料通道喷射到气化区中。在第二实施例中，一种装置包括气化器，该气化器具有气化区，围绕气化区的内壁，围绕内壁的外壁，以及在内壁和外壁之间延伸的第一燃料通道。第一燃料通道设置为用以使第一燃料流过以冷却气化器。该装置还包括换热器，该换热器设置为用以从第一燃料通道的第一燃料传热给外部通道的流体。在第三实施例中，一种系统包括气化器，该气化器具有气化区，围绕气化区的壁， 以及沿壁延伸的非水流体通道。该非水流体通道设置为用以使非水流体流过以冷却气化器。该系统还包括设置为用以接收来自非水流体通道的非水流体的设备构件。
当参照相关附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些与其他特征、方式和优点将变得更好理解，附图中相同的标号在所有图中表示相同的部件，其中图1是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统(active cooling system) 的气化系统的一个实施例的框图；图2是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的整体化联合气化循环 (IGCC)发电设备的一个实施例的框图；图3是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的气化器的一个实施例的框图；图4是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的气化器的一个实施例的框图；图5是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的气化器的一个实施例的框图；图6是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的气化器的一个实施例的框图；图7是沿图4至图6中的线7-7所得到的气化器的一个实施例的截面图，其显示了使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的冷却剂管；图8是在图7中的线8-8内所得到的使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的一个实施例的局部示意性侧视图，其显示了上冷却剂集管与下冷却剂集管以及中间冷却剂管；图9是在图7中的线8-8内所得到的使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的一个实施例的局部示意性侧视图，其显示了向上和向下弯曲的冷却剂管；以及图10是在图7中的线8-8内所得到的使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的一个实施例的局部示意性侧视图，其显示了螺旋形的冷却剂管。项目清单100 系统102燃料进料104 氧106燃料通道108燃料通道110气化器112动力生产单元114动力生产单元116脱盐系统118工业化学物处理系统200动力设备系统202燃料进料203气化器204燃料通道206燃料通道210ASU (空气分离单元)211RSC(辐射式合成气冷却器)212 S213处理单元215HRSG(热回收蒸汽发生器)216洗涤器217 硫218硫处理器220可分离的盐
22ILTGC (低温气体冷却)单元222水处理单元224 燃烧器(CC)226燃气涡轮发动机228化学处理系统230变换反应器232化工设备234 涡轮(T)236传动轴238 压缩机(C)240 负载242脱盐单元244蒸汽涡轮发动机(ST)246 第二负载248脱盐系统250冷凝器252冷却塔260燃料进料冷却的气化器262控制器264 阀266燃料进料268燃料通道270燃料进料272燃料通道274 氧源280燃料进料冷却的气化器284控制器290 阀292燃料进料294两个燃料通道296两个燃料通道298燃料进料源300燃料通道302混合室304燃料通道306 氧源310燃料进料冷却的气化器314控制器316燃料进料0082]318 氧源
0083]320非水流体
0084]322 阀
0085]328燃料通道
0086]330燃料通道
0087]334设备构件
0088]336设备构件
0089]338换热器
0090]340换热器
0091]342 工作流体(working fuid)
0092]344工作流体
0093]350燃料进料冷却的气化器
0094]354控制器
0095]356燃料进料
0096]358 氧源
0097]360非水流体
0098]362 阀
0099]368燃料通道
0100]370燃料通道
0101]374设备构件
0102]376设备构件
0103]378换热器
0104]380换热器
0105]400气化器
0106]406最外层
0107]408耐热层/内壁
0108]410气化区
0109]412 管
0110]414 管
0111]420 第一集管(header)
0112]422第二集管
0113]似4流体通道
0114]426 出口
0115]428 入口
0116]440流体通道
0117]448 入口
0118]450流体通道
0119]454气化器
具体实施例方式下面将对本发明的一个或多个特定实施例进行描述。为了致力于提供这些实施例的简要描述，该说明书可能并未描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实施方式的研发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多实施方式特定的决定以实现开发者的特定目标，例如遵循系统相关与商业相关的约束，该特定目标可根据不同的实施方式而有所不同。此外，应当理解，这种开发工作可能很复杂和耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员而言仍然是设计、生产和制造的常规事项。在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的，并且意指可存在除所列元件之外的其他元件。公开的实施例涉及使用燃料进料作为冷却剂来主动地冷却气化器的系统和方法。 主动冷却气化器的能力对于所有类型的气化器均是可能的，例如带有或不带有多进给喷射的拽流式气化器(entrained flow gasifier)、固定床气化器、下流式气化器、上流式气化器和流化床气化器。燃料进料可包括含碳燃料，例如生物燃料(例如生物质)或化石燃料 (例如烃或石油)。燃料可以是液体燃料、浆体燃料(例如煤浆)或能在流过冷却剂通道同时还能在气化器中气化的任何其他燃料。在下面详细论述的那样，主动冷却系统的实施例包括一个或多个通过气化器的冷却剂通道，以使燃料进料在燃烧前从气化器中吸热。在某些实施例中，燃料进料在从气化器吸热后被喷射到气化器中，并且在气化器内经历气化过程。在其他实施方式中，燃料进料在从气化器吸热后可经过换热器，以使燃料进料将所吸收的热量的至少一部分传递给另一种介质和/或设备的构件。例如，在从气化器吸热后，燃料进料可以传热给流体(例如气体或液体)，例如水、空气、溶剂、蒸汽或设备中的其他工艺流体。使热添加至流体可提高设备中其他构件的效率，并且因此整体地提高设备效率。所公开的主动冷却系统的实施例可减少对其他冷却剂的依赖、减少能量浪费的量(例如热)、减少用在气化器中的耐热材料的量(例如绝热砖或衬套)和提高了气化器的效率。例如，使热添加至燃料进料可通过直接利用燃料进料添加能量至气化反应区而提高气化器的效率。 在主动冷却系统中，燃料进料还可产生渣层以在可自我修复的方式下缓和不稳定传热带来的影响。图1是具有使用燃料进料102作为冷却剂的主动冷却系统101的气化系统100的一个实施例的框图。可向气化器110提供燃料进料102和氧104以生产合成气。燃料进料 102可沿多个不同的通道(包括燃料通道106和108)进入气化器110。例如，燃料通道106 可表示燃料进料102进入气化器110中的直接燃料喷射通道，燃料进料102在喷射前不从气化器110吸热。燃料通道108可表示燃料进料102进入气化器110中的间接燃料喷射通道，在喷射前能够从气化器110吸热。因此，燃料通道108包括冷却剂通道部分107和燃料喷射部分109。冷却剂通道部分107引导燃料进料102通过气化器110的一部分，从而使得燃料进料102能从气化器110吸热用以主动冷却气化器110。随后，燃料喷射部分109将加热的燃料进料102连同氧104 —起喷射到气化器110中，以便为气化反应提供燃料。应当理解，使热量添加至燃料进料102提高气化器的效率。虽然所示的实施例包括两个燃料通道108和106，但是其他实施方式可除去燃料通道106和/或增加额外的燃料通道108。通过气化系统100生产的合成气和蒸汽可用于发电和/或工业化学物加工。例如，从气化器110、合成气冷却器、气体处理单元、热回收蒸汽发生器(HRSG)和/或系统100中的其他单元产生的蒸汽可被提供给动力生产单元112，例如蒸汽涡轮发动机。一些或全部的合成气可被提供给动力生产单元114，例如燃气涡轮发动机。可将动力生产单元112和114 的功率输出提供给脱盐系统116，脱盐系统116从盐水中去除盐(或者盐和其他矿物质)以生产淡水。在某些实施例中，一些或全部的合成气可被提供给工业化学物处理系统118以便从合成气和其他输入中生产工业化学物。这样的工业化学物可包括胺、甲醇或任何其他可生产的工业化学物。图2是具有使用燃料进料202作为冷却剂的主动冷却系统201的整体化联合气化循环(IGCC)发电设备200的一个实施例的框图。如上所述，燃料进料202可被用来沿着主动冷却系统201的燃料通道204主动冷却气化器203。例如，燃料通道204可包括一个或多个沿着气化器203的壁延伸的冷却剂管205，其在气化器203的内部或外部。再例如，冷却剂管205可在气化器203的壁与围绕气化器203内的气化反应区的耐热材料(例如衬套、 砖等)之间延伸。而燃料进料202可从冷却剂管205流入气化器203，以便至少部分地或完全地给气化器203内的气化反应提供燃料。这样，燃料进料202用作冷却剂以对气化器203 进行热保护，同时还通过流入气化器203的燃料进料202将热直接补回给气化反应。在所示的实施例中，气化器203还接收沿着燃料通道206进入气化器203的燃料进料202的流， 以便进一步给气化器203内的气化反应提供燃料。燃料进料202可以是任意数量的燃料，例如液体、固体或浆体燃料。燃料可包括各种含碳燃料，例如生物燃料(例如生物质)或化石燃料(例如烃或石油)。如果燃料是固体 (例如煤)，则燃料可通过粉碎、粉化、压块或粒化来制备。固体燃料还可与合适的液体(例如水)混合以产生浆体进料。在一个实施例中，可将燃料进料202研磨并与水混合来制备焦浆。通过使干燃料与液体混合，浆体在被用来进给气化器203之前能够主动地冷却气化器 203 ο气化器203可将燃料进料202转变为一氧化碳和氢的组合物，例如合成气。取决于所使用的气化器的类型，这种转变可通过使燃料进料202经受受控量的蒸汽和高压氧(例如从大约20巴至85巴)以及温度(例如大约700摄氏度至1600摄氏度)而实现。气化过程还可包括使燃料进料202经历热解过程，由此加热燃料进料202。在热解过程期间，取决于燃料进料202，气化器203内的气化子系统的温度可从大约150摄氏度至700摄氏度的范围。在热解过程期间对进料加热可产生固体(例如炭)和残余气体(例如一氧化碳、氢和氮)。来自热解过程的残留于进料的炭可只重达原进料重量的大约40-20%。随后可气化器203中发生燃烧过程。在所示的实施例中，空气分离单元(ASU)210 给气化器203供给氧以促进燃烧过程。例如，ASU 210接收来自压缩机209的空气，然后将空气分离成组分气体，例如氧和氮。ASU 210可采用蒸馏技术(例如低温蒸馏)、变压吸附 (PSA)或其他合适工艺。在一些实施例中，设备200可在涡轮发动机2 的燃烧器2M中使用一部分氮，而氧被用于气化器203中。因此，通过气化器203从ASU 210接收氧以用于燃烧目的。燃烧可包括将氧引导至炭和残余气体，从而使得炭和残余气体可与氧反应而形成二氧化碳和一氧化碳，因而为随后的气化反应提供热量。燃烧过程期间的温度可为从大约700摄氏度至1600摄氏度的范围。在某些实施例中，在气化步骤期间可将蒸汽引导到气化器203中。在范围从大约800摄氏度至1100摄氏度的温度下，炭可与二氧化碳和蒸汽反应以产生一氧化碳和氢。这样，通过气化器203制造了产生的合成气。这种产生的气体可包括大约80-90% 的一氧化碳和氢，以及CH4、C02、H20、HCl、HF、COS, NH3, HCN和H2S (基于进料的硫含量)。这种产生的气体可被称为粗合成气。气化器203还可产生废料，例如渣212，其可为湿灰材料。 该渣212可从气化器203中除去，例如通过一个或多个闭锁式料斗(locldiopper)，并被处理为例如作为路基或其他建筑材料。来自气化器203的灰水可被送至水处理单元214以除去氨和固体。处理过的灰水可送至深井灌注、生物处理或零工艺用水排放单元。在一些实施例中，气化器203可联接至冷却单元208，例如辐射式合成气冷却器 (RSC) 211和/或骤冷单元213，以便冷却由气化器203产生的合成气。当从合成气传热至冷却单元208时，冷却单元可产生蒸汽供设备200使用。例如，可将部分或全部的蒸汽提供给热回收蒸汽发生器(HRSG) 215，如下文进一步描述的那样。设备200还可包括气体处理系统(例如洗涤器216)以处理由气化器203产生的合成气。洗涤器216可洗涤粗合成气以从粗合成气中去除HCl、HF、COS、HCN和H2S，这可包括在硫处理器218中分离硫217，例如通过硫处理器218中的酸性气体去除工艺。此外，气体处理系统可经由水处理单元222从合成气中分离盐220，该水处理单元222可利用水净化技术从合成气中产生可用的盐220。这样，气体处理系统生产处理过的或干净的合成气供设备200使用。一些干净的合成气可被提供至低温气体冷却(LTGC)单元221，其回收热以及冷却合成气。由LTGC单元221产生的蒸汽可被提供至HRSG 215，如下文进一步描述的那样。干净和冷却的合成气可作为可燃的燃料传送至燃气涡轮发动机226的燃烧器224(例如燃烧室)中。一些干净的合成气可被提供至化学处理系统228。化学处理系统2 可包括变换反应器(shift reactor) 230。变换反应器230可处理干净的合成气以产生适当比例的一氧化碳和氢用于化学生产。合成气在变换和热回收后可被传送至化工设备232，例如甲醇或氨转化器。如上所述，一些或全部的干净的合成气可从洗涤器216传输至燃气涡轮发动机 226的燃烧器224。燃气涡轮发动机2 可包括涡轮234、传动轴236和压缩机238，以及燃烧器224。燃烧器2M可接收燃料(例如合成气)，该燃料可在压力下从燃料喷嘴喷射。该燃料可与压缩空气以及压缩的氮混合并在燃烧器224内燃烧。该燃烧过程可产生热的加压的燃烧气体。燃烧器2M可朝涡轮234的入口引导燃烧气体。当来自燃烧器2M的燃烧气体通过涡轮234时，该燃烧气体可促使涡轮234中的涡轮叶片使传动轴236沿燃气涡轮发动机 226的轴线旋转。如图所示，传动轴236连接到燃气涡轮发动机226的各种构件上，包括压缩机238。传动轴236可将涡轮234连接到压缩机238上以形成转子。压缩机238可包括连接到传动轴236上的叶片。因此，涡轮234中的涡轮叶片的旋转引起传动轴236 (其将涡轮 234连接到压缩机238上)使压缩机238内的叶片旋转。压缩机238中的叶片的这种旋转可引起压缩机238在压缩机238中压缩经由进气口接收的空气。压缩空气然后可被进给到燃烧器224，并且与燃料和压缩氮混合以允许更高效的燃烧。传动轴236还可连接至负载 M0，负载240可为固定负载，例如用于发电的发电机(例如在发电设备中)。实际上，负载
9240可为由燃气涡轮发动机234的旋转输出供以动力的任何合适的装置。在一个实施例中，负载240可连接至脱盐系统242并给脱盐系统242提供动力。脱盐系统242可使用由涡轮发动机2 提供的动力处理盐水，以便从盐水中去除盐和其他溶解的固体和矿物质。脱盐系统242可输出淡水用于人类消费(例如饮用水)、灌溉和/或任何其他合适用途。因此，脱盐系统M2由提供至涡轮发动机226的合成气(并且从燃料进料202产生)供以动力。IGCC系统200还可包括蒸汽涡轮发动机244和热回收蒸汽发生器(HRSG)系统 215。蒸汽涡轮发动机244可驱动第二负载对6。第二负载246也可为用于发电的发电机。 然而，第一负载240和第二负载246均可为能够由燃气涡轮发动机2 和蒸汽涡轮发动机 244驱动的其他类型的负载。另外，如所述实施例所示的那样，尽管燃气涡轮发动机2 和蒸汽涡轮发动机244可驱动单独的负载240和M6，但燃气涡轮发动机2 和蒸汽涡轮发动机244也可串联使用，以便经由单个轴驱动单个负载。蒸汽涡轮发动机226以及燃气涡轮发动机对4的特定构造可为实施方式特定的，并且可包括区段的任何组合。在一个实施例中，负载240可为脱盐系统242提供动力。如上所述，脱盐系统242可使用由蒸汽发动机 244提供的动力来处理盐水和从盐水中分离淡水和盐。在诸如IGCC系统200这样的联合循环系统中，热排气可从燃气涡轮发动机2 中流出并传送至HRSG 215，热排气可在那里被用来产生高压、高温的蒸汽。由HRSG 215产生的蒸汽然后可经过蒸汽涡轮发动机M4以用于产生动力。另外，所产生的蒸汽还可被供给至其中可使用蒸汽的任何其他过程，例如供给至气化器203。燃气涡轮发动机2 的产生循环通常被称为“顶循环”，而蒸汽涡轮发动机M4的产生循环则通常称为“底循环”。通过如图2所示的那样将这两个循环结合，IGCC系统200可在两个循环中引起更高的效率。特别地，可从顶循环捕获排出热并用来产生蒸汽以用于底循环中。如上所述，HRSG 215可从冷却单元208、LTGC 221和/或从来自燃气涡轮发动机226的热排气中接收蒸汽。这些输出的任何一项均可传送至HRSG 215，并且用来加热水以及产生蒸汽以便给蒸汽涡轮发动机244提供动力。或者，在某些实施例中，可省略HRSG 215，并且可将来自冷却单元208、LTGC 221和/或燃气涡轮发动机226的蒸汽直接提供至蒸汽涡轮对4。来自例如蒸汽涡轮M4的低压区段的排气可被引导到冷凝器250中。冷凝器250可利用冷却塔252来使热水转换为冷水。冷却塔252用于向冷凝器250提供冷却水， 以便有助于使从蒸汽涡轮244转移到冷凝器250的蒸汽冷凝。来自冷凝器250的冷凝物又可被引导到HRSG 215中。此外，来自燃气涡轮发动机226的排气也可被引导到HRSG 215 中以加热来自冷凝器250的水并产生蒸汽。图3是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统的气化系统260的一个实施例的框图。控制器262通过多个阀264控制燃料和氧喷射到气化器沈3中。在所示的实施例中，气化系统260包括第一燃料源沈6、第二燃料源270和氧源274，第一燃料源266 联接至引导通过并随后进入气化器263的第一燃料管线或通道沈8，第二燃料源270联接至导入气化器263的与第一燃料通道268分开的第二燃料管线或通道272，氧源274联接至导入气化器沈3的氧管线或通道276。第一燃料通道268有助于从气化器263传热至沿通道268流动的第一燃料沈6， 从而冷却气化器263和加热第一燃料沈6。因此，第一燃料通道268可被描述为使用燃料266作为冷却剂的第一冷却剂通道。如图所示，第一燃料通道268包括换热器部分沈7，其后是燃料喷射部分269。换热器部分267可包括沿气化器沈3的壁延伸的一个或多个冷却剂管，其在气化器263的内部或外部。燃料喷射部分269设置为用以在吸收换热器部分267 中的热量后，将第一燃料266喷射到气化器沈3中。在第一燃料266被喷射到气化器263 中之后，燃料266与氧274混合以便为气化反应提供燃料。相反，第二燃料通道272不使第二燃料270通过气化器263用于主动冷却，而是，通道272直接将第二燃料270喷射到气化器沈3中以便结合第一燃料266和氧274而为气化反应提供燃料。控制器262设置为用以控制气化反应以及由第一燃料266提供的主动冷却。例如， 控制器262设置为用以调节阀沈4以控制进入气化器263的第一燃料沈6、第二燃料270和氧274的流，从而改变气化器沈3中的燃料/氧的比率。再例如，控制器262设置为用以调节沿第一燃料通道268的阀沈4以控制通过换热器部分267的燃料流率，并且因此控制通过第一燃料266对气化器沈3的主动冷却的量。对沿着第一燃料通道沈8的阀沈4的控制还控制由通过燃料喷射部分269进入气化器沈3的第一燃料266所携带的热量，因而改变输入气化反应的热量。因此，控制器262可增加沿第一燃料通道沈8的阀沈4的开度以增加对气化器263的主动冷却，并且增加输入气化反应中的热量，而控制器262可减少沿第一燃料通道沈8的阀沈4的开度以降低对气化器沈3的主动冷却，并且减少输入气化反应中的热量。另外，控制器262可调节沿第二燃料通道270的阀沈4的开度，这取决于沿第一燃料通道268流动的第一燃料沈6的量。因此，控制器262可在第一构造与第二构造之间提供调节，其中第一构造设置为仅第一燃料266通过第一燃料通道268而没有任何第二燃料 270通过第二燃料通道272，并且第二构造设置为仅第二燃料270通过第二燃料通道272而没有任何第一燃料266通过第一燃料通道沈8。尽管被显示为两个分开的燃料源266和270，但是第一燃料266和第二燃料270可以相同或彼此不同。在带有相同燃料的实施例中，燃料源266和270可被组合为单个燃料源。第一燃料266和第二燃料270可包括各种含碳燃料，例如生物燃料(例如生物质)或化石燃料(例如烃或石油)。第一燃料266和第二燃料270也可为不同形式，例如液体、气体、浆体、固体或其组合。例如，第一燃料266可以是液体或浆体燃料，而第二燃料270可以是液体、气体、浆体或固体燃料。图4是具有使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统观2的气化系统280的一个实施例的框图。控制器284通过多个阀290控制燃料和氧喷射到气化器观6中。在所示的实施例中，气化系统280包括联接至第一燃料管线或通道294和第二燃料管线或通道296 的第一燃料源四2，其中，第一和第二燃料管线或通道294和四6引导燃料通过气化器286 并随后进入气化器286中。气化系统280还包括第二燃料源四8，第二燃料源298联接至导入气化器286的第三燃料管线或通道300，其与来自第一和第二燃料通道294和296的第一燃料结合。第一、第二和第三燃料通道四4、296和300在混合室302汇合，这可在使燃料沿混合燃料管线或通道304喷射到气化器286中之前促进燃料混合。气化系统280还包括氧源306，氧源306联接至导入气化器观6的氧管线或通道306。第一燃料通道294和第二燃料通道296有助于从气化器286传热给沿通道294和 296流动的第一燃料四2，从而冷却气化器286和加热第一燃料四2。因此，第一燃料通道 294和第二燃料通道296可被描述为使用燃料292作为冷却剂的第一冷却剂通道和第二冷
11却剂通道。如所示的那样，第一燃料通道294包括第一换热器部分四3，并且第二燃料通道 296包括第二换热器部分四5。换热器部分293和295可包括沿气化器286的壁延伸的一个或多个冷却剂管，其在气化器观6的内部或外部。在所示的实施例中，第一换热器部分四3 可布置在气化器观6的第一直径处，第二换热器部分295可布置在气化器观6的第二直径处。第一直径和第二直径可以相同或彼此不同。所示的第一直径大于第二直径，从而使得第一换热器部分293围绕第二换热器部分295 (例如同心或同轴布置)。在吸收第一换热器部分293和第二换热器部分四5中的热量后，第一燃料292继续沿第一燃料通道294和第二燃料通道296进入混合室302。混合室302能使第一燃料292和第二燃料298混合，从而混合燃料组份以及不同温度的燃料292和四8。在将燃料混合物304喷射到气化器观6中之后，燃料混合物304进一步与氧306混合以便为气化反应提供燃料。控制器284设置为用以控制气化反应和由第一燃料292提供的主动冷却。例如， 控制器284设置为用以调节阀四0以控制进入气化器观6的第一燃料四2、第二燃料298 和氧306的流，从而改变气化器观6中的燃料/氧的比率。再例如，控制器284设置为用以调节沿第一和第二燃料通道294和四6的阀四0以控制通过换热器部分293和四5的燃料流率，并且因此控制通过第一燃料292对气化器观6的主动冷却的量。对沿第一燃料通道 294和第二燃料通道四6的阀四0的控制还控制由进入气化器观6的第一燃料292携带的热量，因而改变输入气化反应的热量。因此，控制器284可增加沿第一燃料通道294和第二燃料通道296的阀290的开度以增加对气化器286的主动冷却并且增加输入气化反应中的热量，而控制器284可减少沿第一燃料通道294和第二燃料通道四6的阀四0的开度以降低对气化器观6的主动冷却并且减少输入气化反应中的热量。另外，控制器284可调节沿第三燃料通道300的阀四0的开度，这取决于沿第一燃料通道294和第二燃料通道296流动的第一燃料四2的量。因此，控制器284可在第一构造与第二构造之间提供调节，其中第一构造设置为仅第一燃料292通过第一燃料通道294和/或第二燃料通道296而没有任何第二燃料298通过第三燃料通道300，第二构造设置为仅第二燃料298通过第三燃料通道 300而没有任何第一燃料292通过第一燃料通道294和第二燃料通道四6。控制器284还可在第一主动冷却构造、第二主动冷却构造和第三主动冷却构造之间提供调节，其中第一主动冷却构造设置为第一燃料292在第一燃料通道294和第二燃料通道296之间通过，第二主动冷却构造设置为第一燃料292仅通过第一燃料通道294而没有任何燃料通过第二燃料通道四6，第三主动冷却构造设置为第一燃料292仅通过第二燃料通道296而没有任何燃料通过第一燃料通道四4。应当理解，第一换热器部分293和第二换热器部分295可布置在气化器观6内的不同区域，并且因此可得到不同冷却量以用于气化器观6的高效操作。控制器284能够调节流过这些不同区域的燃料以便为气化器286提供恰当的冷却。尽管被显示为两个分开的燃料源292和四8，但是第一燃料292和第二燃料298可以相同或彼此不同。在带有相同燃料的实施例中，燃料源292和298可组合为单个燃料源。 第一燃料292和第二燃料298可包括各种含碳燃料，例如生物燃料(如生物质)或化石燃料(如烃或石油)。第一燃料292和第二燃料四8也可为不同形式，例如液体、气体、浆体、 固体或其组合。例如，第一燃料292可以是液体或浆体燃料，而第二燃料298可以是液体、 气体、浆体或固体燃料。在一些实施例中，第一燃料292可以是液体或浆体燃料，第二燃料 298可以是固体或干燃料(例如煤)，并且燃料四2和四8在混合室302中相互混合以形成浆体燃料。图5是具有使用燃料进料和非水流体作为冷却剂的主动冷却系统312的系统310 的实施例的框图。控制器314通过多个阀322控制燃料316、氧318和非水流体320的流。 例如，控制器314控制燃料316和氧318喷射进入气化器324以便为气化器324内的气化反应提供燃料。在所示的实施例中，系统310包括第一燃料源316，第一燃料源316联接至第一燃料管线或通道3 和第二燃料管线或通道328，其中，第一燃料管线或通道326引导燃料通过并随后进入气化器3M中，并且第二燃料管线或通道3 直接导入气化器324。系统310还包括氧源318，氧源318联接至导入气化器324的氧管线或通道330。系统310还包括非水流体源320，非水流体源320联接至引导通过并随后离开气化器3M的非水流体管线或通道332。如下文所述，燃料通道3 和非水流体通道332设置为用以响应控制器314 的控制而提供气化器324的主动冷却，同时还分别经由换热器338和340将热量从气化器 324转移至外部设备构件334和336以及相关联的冷却剂(例如流体)342和344。在所示的实施例中，燃料通道3 和非水流体通道332沿相同的方向(例如向上的方向)流动通过气化器324。其他实施例可使燃料316和非水流体320沿向下的方向(或者相对于彼此沿相反的方向)流动。燃料通道3 和非水流体通道332有助于从气化器3 传热至沿通道3 和332 流动的燃料316和流体320，从而冷却气化器3M并且加热燃料316和流体320。因此，燃料通道3 可被描述为使用燃料316作为冷却剂的第一冷却剂通道，而非水流体通道332可被描述为使用非水流体320作为冷却剂的第二冷却剂通道。如图所示，燃料通道3 包括第一换热器部分346，并且非水流体通道332包括第二换热器部分348。换热器部分346和 348可包括沿气化器324的壁延伸的一个或多个冷却剂管，其在气化器324的内部或外部。 在所示的实施例中，第一换热器部分346可布置在气化器3M的第一直径处，并且第二换热器部分348可布置在气化器3M的第二直径处。第一直径和第二直径可以相同或彼此不同。 所示的第一直径大于第二直径，从而使得第一换热器部分346围绕第二换热器348 (例如同心或同轴布置)。然而，其他实施例可使第二换热器部分348设置为围绕第一换热器部分 346。在吸收第一换热器部分346和第二换热器部分348中的热量后，燃料316流至换热器338而非水流体320流至换热器340。在所示的实施例中，换热器338从燃料316传热至流体342和/或设备构件334，而换热器340从非水流体320传热至流体344和/或设备构件336。例如，流体342和344可以是工作流体，例如水、蒸汽或溶剂，其循环通过相应的设备构件334和336。在某些实施例中，设备构件334和336可包括不同的IGCC构件，例如气体处理构件、气体冷却构件、HRSG构件、碳捕集构件、燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮、锅炉、蒸馏器、汽提塔(stripper)、吸收器、蒸汽发生器或其组合。控制器314设置为用以控制气化反应以及由燃料316和非水流体320提供的主动冷却。例如，控制器314设置为用以调节阀322以控制进入气化器324的燃料316和氧 318的流，从而改变气化器324中的燃料/氧的比率。再例如，控制器314设置为用以调节沿第一燃料通道326的阀322，以便控制通过换热器部分346的燃料流率，并且因此控制通过第一燃料316对气化器324的主动冷却的量。对沿第一燃料通道326的阀322的控制还控制由燃料3 朝换热器338传送的热量，因而改变输入设备构件334的热量。同样，控制器314设置为用以调节沿非水流体通道332的阀322以便控制通过换热器部分348的非水流体的流率，并且因此控制通过非水流体320对气化器324的主动冷却的量。对沿非水流体通道332的阀322的控制还控制由流体320朝换热器340传送的热量，因而改变输入设备构件336的热量。因此，控制器314可增加沿通道3 和332的阀322的开度以增加对气化器3M 的主动冷却以及增加输入设备构件334和336的热量，反之，控制器314可减少沿通道3 和332的阀322的开度以降低对气化器324的主动冷却以及减少输入设备构件334和336 的热量。在一些实施例中，控制器314可使用燃料316用于对气化器3M主动冷却而不使用非水流体320用于主动冷却，控制器314可使用非水流体320来对气化器3M主动冷却而不使用燃料316来主动冷却，或者控制器314可使用一定比率的燃料316和非水流体320 来对气化器3M主动冷却。燃料316和非水流体320可包括各种适合用于冷却气化器324的介质。例如，燃料316可包括各种含碳燃料，例如生物燃料(例如生物质)或化石燃料(例如烃或石油)。 燃料316也可为不同形式，例如液体、气体、浆体、固体或其组合。非水流体320可包括各种工作流体或基本上不含水的冷却介质。例如，非水流体320可包括液体、气体、浆体、固体或多相流。在一些实施例中，非水流体320可包括与燃料316相同或不同的第二燃料。然而， 非水流体320可以是非易燃流体、不可气化的流体，或其组合。非水流体320的示例包括但不限于塑料、液态金属等，或其组合。图6是具有使用燃料进料和非水流体作为冷却剂的主动冷却系统352的系统350 的一个实施例的框图。控制器3M通过多个阀362控制燃料356、氧358和非水流体360的流。例如，控制器3M控制燃料356和氧358喷射进入气化器364以便为气化器364内的气化反应提供燃料。在所示的实施例中，系统350包括第一燃料源356，第一燃料源356联接至第一燃料管线或通道366和第二燃料管线或通道368，其中，第一燃料管线或通道366 弓I导燃料通过并随后进入气化器364中，并且第二燃料管线或通道368直接导入气化器364 中。系统350还包括氧源358，氧源358联接至导入气化器364中的氧管线或通道370。系统350还包括非水流体源360，非水流体源360联接至引导通过并随后离开气化器364的非水流体管线或通道372。如下文所述，燃料通道366和非水流体通道372设置为用以响应由控制器354的控制而对气化器364主动冷却，同时还分别经由换热器378和380从气化器364传热至外部设备构件374和376。在所示的实施例中，燃料通道366和非水流体通道 372沿相反的方向(例如，向上和向下)流动通过气化器364。燃料通道366和非水流体通道372有助于从气化器364传热给沿通道366和372 流动的燃料356和流体360，从而冷却气化器364并加热燃料356和流体360。因此，燃料通道366可被描述为使用燃料356作为冷却剂的第一冷却剂通道，而非水流体通道372可被描述为使用非水流体360作为冷却剂的第二冷却剂通道。如图所示，燃料通道366包括第一换热器部分386，并且非水流体通道372包括第二换热器部分388。换热器部分386和 388可包括沿气化器364的壁延伸的一个或多个冷却剂管，其在气化器364的内部或外部。 在所示的实施例中，第一换热器部分386可布置在气化器364的第一直径处，并且第二换热器部分388可布置在气化器364的第二直径处。第一直径和第二直径可以相同或彼此不同。 所示的第一直径大于第二直径，从而使得第一换热器部分386围绕第二换热器388 (例如同
14心或同轴布置)。然而，其他实施例可设置为使第二换热器部分388围绕第一换热器部分 386。在吸收第一换热器部分386和第二换热器部分388中的热量后，燃料356流向换热器378，同时非水流体360流向换热器380。在所示的实施例中，换热器378从燃料356传热给设备构件374，而换热器380从非水流体360传热给设备构件376。在一些实施例中，设备构件374和376可包括不同的IGCC构件，例如气体处理构件、气体冷却构件、HRSG构件、 碳捕集构件、燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮、锅炉、蒸馏器、汽提塔、吸收器、蒸汽发生器或其组合。例如，设备构件374和376可以是锅炉，其煮沸流体、蒸发溶剂，或者是可包括蒸汽发生器以用于将水汽化成蒸汽的锅炉。控制器3M设置为用以控制气化反应以及由燃料356和非水流体360提供的主动冷却。例如，控制器3M设置为用以调节阀362以控制进入气化器364的燃料356和氧358 的流体，从而改变气化器364中的燃料/氧的比率。再例如，控制器3M设置为用以调节沿第一燃料通道366的阀362以控制通过换热器部分386的燃料的流率，并且因此控制通过第一燃料356对气化器364的主动冷却的量。对沿第一燃料通道366的阀362的控制还控制由燃料366朝换热器378传送的热量，因而改变输入设备构件374的热量。同样，控制器 354设置为用以调节沿非水流体通道372的阀362以控制通过换热器部分388的非水流体的流率，并且因此控制通过非水流体通道360对气化器364的主动冷却的量。对沿非水流体通道372的阀362的控制还控制由流体360朝换热器380传送的热量，因而改变输入设备构件376的热量。图7是沿图4至图6中的线7-7得到的气化器400的一个实施例的截面图，其显示了使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统404的冷却剂管402。在所示的实施例中，气化器400包括布置在第一直径处的外壁406，布置在小于第一直径的第二直径处的内壁408， 以及布置在内壁408内的气化区410。外壁406可具有金属结构，而内壁408可包括耐热材料(例如陶瓷)，该耐热材料耐热或耐化学腐蚀。例如，内壁408可包括围绕气化区410以环形方式设置的多个耐火砖、耐火材料的环状层，或其组合。在所示的实施例中，主动冷却系统404将冷却剂管402设置在内壁408和外壁406之间。例如，所示的冷却剂管402包括第一冷却剂管排/层412和第二冷却剂管排/层414，其中，第一冷却剂管排/层412以大体上同心或同轴的定向围绕第二冷却剂管排/层414。在一些实施例中，第一冷却剂管排/层412可包括单个冷却剂管或多个冷却剂管，其与外壁406热接触以促进对外壁406 的主动冷却。同样，第二冷却剂管排/层414可包括单个冷却剂管或多个冷却剂管，其与内壁408热接触以促进对内壁408的主动冷却。如上面关于图4至图6详细论述的那样，第一和第二冷却剂管排/层412和414的冷却剂管402设置为用以使一种或多种燃料、非水流体或其组合流过。虽然所示的实施例仅包括两个处于同心或同轴定向的冷却剂管排/层412和414， 但是，其他实施例可包括3、4、5、6、7、8、9、10或更多个处于同心或同轴定向的冷却剂管排/ 层。冷却剂管402还可从一个排/层412到另一个排/层414在直径、材料结构和其他特征方面改变。例如，排/层412可具有比排/层414更小的管直径，或者相反。如上面详细论述的那样，控制器也可被用来提供对通过不同的排/层412和414中的冷却剂管402的流体流率的独立控制。
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图8是在图7中的线8-8内得到的使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统418 的一个实施例的局部示意性侧视图，其显示了上冷却剂集管420和下冷却剂集管422 (或歧管)以及中间冷却剂管424。在所示的实施例中，流体(例如燃料进料或非水流体)流过冷却剂集管420和422以及中间冷却剂管424以便为气化器提供主动冷却。上冷却剂集管 420包括端口 426，其可以是入口端口或出口端口，这取决于主动冷却系统418的流构造。同样，下冷却剂集管422包括端口 428，其可以是入口或出口，这取决于主动冷却系统418的流构造。所示的系统418提供沿向上的方向的流体流，但其他实施例可提供沿向下的方向的流体流。例如，如由箭头430所示的那样，流体可以通过端口 4 进入，流动通过下冷却剂集管422，分布到多个冷却剂管似4中，流动通过上冷却剂集管420，以及通过端口似6离开。沿着这条流体流路径，流体从气化器吸热以便为气化器提供主动冷却。集管420和422以及中间冷却剂管424的布置、形状和数量可随着主动冷却系统 418的不同实现方式而变化。在所示的实施例中，冷却剂管4M具有相等的直径、相等的长度、相等的间隔，以及相对于集管420和422的垂直定向。在其他实施例中，主动冷却系统 418可包括具有不相等的直径、不相等的长度、不相等的间隔和/或相对于集管420和422 的其他定向的冷却剂管424。例如，冷却剂管4 可相对于集管420和422成角度倾斜，例如介于大约0到90度、20到70度或30到60度之间。图9是在图7的线8-8内得到的使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统440的一个实施例的局部示意性侧视图，其显示了向上和向下弯曲的冷却剂管442。在所示的实施例中，单个冷却剂管442围绕气化器的外围(例如内部和/或外部)向上和向下连续弯曲。换言之，单个冷却剂管442包括多个向上弯曲的管部分444以及多个向下弯曲的管部分446，它们围绕气化器的外围彼此交替。虽然所示的实施例仅包括单个冷却剂管442，但其他实施例可包括围绕气化器的外围的任意数量的(例如1到100)向上和向下弯曲的冷却剂管442。每个冷却剂管442包括联接至流体源(例如燃料进料、非水流体或其组合)的入口端口 448和出口端口 449。如由箭头447所示，流体流动通过入口端口 448、通过冷却剂管442的向上和向下弯曲的管部分444和446，以及通过出口 449流出。沿着这条流体流路径，流体从气化器吸热以便为气化器提供主动冷却。图10是在图7的线8-8内得到的使用燃料进料作为冷却剂的主动冷却系统450 的一个实施例的局部示意性侧视图，其显示了螺旋形的冷却剂管452。在所示的实施例中， 单个冷却剂管452围绕气化器454的外围(例如内部和/或外部)沿着螺纹形或螺旋形的流体流通道连续弯曲。换言之，单个冷却剂管452以角度456(例如大于0度并小于90度) 连续环绕气化器454。例如，角度456可在大约1到60度、5到45度或10到30度之间的范围中。虽然所示的实施例仅包括单个冷却剂管452，但其他实施例可包括围绕气化器454 的外围盘旋的任意数量(例如1到100)的冷却剂管452。每个冷却剂管452都包括联接至流体源(例如燃料进料、非水流体或其组合)的入口端口 458和出口端口 460。如由箭头 462所示的那样，流体通过入口端口 458进入，沿着管452的螺旋路径流动，并通过出口端口 460离开。沿着这条流体流路径，流体从气化器妨4吸热以便为气化器妨4提供主动冷却。本发明的技术效果包括使用燃料和/或非水流体作为冷却剂来对气化器主动冷却。例如，燃料可沿在气化器内部和/或外部的一个或多个通道(例如冷却剂管)流动以吸热，并且随后可喷射到气化器中以便为气化反应提供燃料。在一些实施例中，燃料在从气化器吸热后可从气化器流出，并传热给外部设备构件和/或换热器。同样，非水流体可沿在气化器内部和/或外部的一个或多个通道(例如冷却剂管)流动以吸热，并且随后可将热量带给外部设备构件和/或换热器。该主动冷却允许气化器内的耐热材料(例如砖)的减小的厚度，同时还利用热以用于多种工艺(例如气化反应、外部设备构件等)。使用燃料作为冷却剂还可产生渣层而以可自我修复的方式缓和不稳定传热的影响。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种系统，包括 气化器(400)，包括: 气化区G10)；围绕所述气化区G10)的内壁008)；以及沿所述内壁(408)延伸的第一燃料通道G14)，其中，所述第一燃料通道(414)设置为用以使第一燃料流过以冷却所述气化器G00)，并且所述气化器(400)设置为用以将所述第一燃料从所述第一燃料通道(414)喷射到所述气化区010)中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一燃料通道(414)包括含碳燃料通道。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一燃料包括液体燃料、浆体燃料或其组合。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气化器(400)包括设置为用以使第二燃料流入所述气化区G10)的第二燃料通道(412)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一燃料通道和所述第二燃料通道 (414，412)彼此结合以混合所述第一燃料和所述第二燃料。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一燃料和所述第二燃料彼此不同。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一燃料包括液体燃料或浆体燃料， 并且所述第二燃料包括固体燃料。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括换热器(338)，所述换热器(338)设置为用以从所述第一燃料通道(3 )的所述第一燃料传热给外部通道的流体 (332)。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括围绕所述内壁和所述第一燃料通道(414)的外壁(406)。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统包括延伸于所述内壁(408)与所述外壁G06)之间的冷却剂通道G12)，其中，所述冷却剂通道012)和所述第一燃料通道(414)均设置为用以冷却所述气化器000)。
全文摘要
本发明涉及一种气化器冷却系统。具体而言，一种系统包括气化器(400)，该气化器(400)包括气化区(410)；围绕气化区(410)的内壁(408)；以及，沿内壁(408)延伸的第一燃料通道(414)，其中，第一燃料通道(414)设置为用以使第一燃料流过以冷却气化器(400)，并且气化器(400)设置为用以将第一燃料从第一燃料通道(414)喷射到气化区(410)中。
文档编号C10J3/72GK102329657SQ20111025546
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月6日 优先权日2010年7月6日
发明者B·C·施泰因豪斯, J·B·科里, R·A·德普伊, 陈伟 申请人:通用电气公司