用于气化的系统和方法
【专利摘要】一种系统，包括气化器，所述气化器构造为气化进料，从而产生合成气。所述气化器包含第一轴线。所述系统还包括设置在气化器内的第一气化反应区域。所述第一气化反应区域至少部分地由基本上垂直于第一轴线的第一壁来限定。所述系统还包括连接至气化器的第一进料喷射器。第一进料喷射器构造为在相对于第一轴线的第一方向上将进料喷射至第一壁下方的第一气化反应区域内。
【专利说明】
用于气化的系统和方法
技术领域
[0001]在本文中公开的主题涉及气化器，并且更特别地涉及用于设计气化器的反应区域的系统和方法。
【背景技术】
[0002]气化器将含碳材料转化为一氧化碳和氢气的混合物，其称为合成气体或合成气。例如，整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂包括一个或更多个气化器，其在高温下使原料与氧气和温度缓和剂进行反应以产生合成气，所述温度缓和剂例如为蒸汽或水。不幸的是，在气化器中，由气化获得的合成气可能会包括较不期望的组分，例如熔渣和/或细灰。合成气中的熔渣和/或灰分会影响气化器下游设备的运行。
【发明内容】
[0003]下文概括与本发明范围相当的特定的实施例。这些实施例并不意图限定权利要求的范围，与之相反的是，这些实施例仅意图提供本发明可能形式的主要概括。确实地，本发明的实施例可以涵盖与在下文阐述的实施例相似或不同的多种不同的形式。
[0004]在第一实施例中，系统包括气化器，所述气化器构造为气化进料，从而产生合成气。所述气化器包含第一轴线。所述系统还包括在气化器内设置的第一气化反应区域。第一气化反应区域至少部分地通过基本上垂直于第一轴线的第一壁来限定。所述系统还包括连接至气化器的第一进料喷射器。第一进料喷射器构造为在相对于第一轴线的第一方向上将进料喷射至第一壁下方的第一气化反应区内。
[0005]在第二实施例中，方法包括在设置于气化器内的气化反应区域中气化进料以产生合成气。所述气化器包含第一轴线。所述方法还包括使用连接至气化器的进料喷射器将进料喷射至气化反应区域内，使用第一壁在基本上垂直于第一轴线的第一方向上使合成气流经气化反应区域，并在基本上平行于第一轴线的第二方向上由气化反应区域排出合成气。
[0006]在第三实施例中，系统包括气化器，构造为气化进料从而产生合成气。所述气化器包含第一轴线。所述系统还包括设置于气化器内的气化反应区域。气化反应区域通过第一管道限定，所述管道具有基本上垂直于第一轴线的第二轴线。所述系统还包括设置于第一管道内的第一出口。第一出口基本上以第一轴线为中心，并构造为在基本上平行于第一轴线的第一方向上导向合成气。所述系统还包括第一进料喷射器，其连接至第一管道的第一端部。第一进料喷射器构造为在基本上垂直于第一轴线的第二方向上将进料喷射至气化反应区域中。
[0007]本发明的第一技术方案提供了一种系统，包含:气化器，构造为气化进料以产生合成气，其中，气化器包含第一轴线;第一气化反应区域，设置在气化器中，其中，第一气化反应区域至少部分地由大体垂直于第一轴线的第一壁限定;和第一进料喷射器，连接至气化器，其中，第一进料喷射器构造为在相对于第一轴线的第一方向上将进料喷射入在第一壁下方的第一气化反应区域。
[0008]本发明的第二技术方案在于，在第一技术方案中，第一壁为凹入的，并且构造为在第一方向上导向合成气。
[0009]本发明的第三技术方案在于，在第一技术方案中，包含设置在第二壁中的反应区域出口，第二壁设置为与第一壁相对，其中，反应区域出口构造为在大体平行于第一轴线的第一方向上导向合成气。
[0010]本发明的第四技术方案在于，在第一技术方案中，气化器包含气化器出口，其构造为在大体与第一方向相反的第二方向上运输来自气化器的合成气，第一方向大体平行于第一轴线。
[0011]本发明的第五技术方案在于，在第一技术方案中，包含连接至气化器的第二进料喷射器，其中，第二进料喷射器与第一进料喷射器大体相对地设置。
[0012]本发明的第六技术方案在于，在第一技术方案中，第一壁包含混合室，构造为增强进料、合成气中的至少一者或二者的混合或膨胀中的至少一者或两者。
[0013]本发明的第七技术方案在于，在第一技术方案中，第二壁朝向反应区域出口倾斜，以允许在气化期间产生的熔渣流向反应区域出口。
[0014]本发明的第八技术方案在于，在第一技术方案中，包含连接至反应区域出口的出口管道，其中，出口管道构造为在第一方向上导向合成气。
[0015]本发明的第九技术方案提供一种方法，包含:在设置于气化器中的气化反应区域中气化进料以产生合成气，其中，气化器包含第一轴线;使用连接至气化器的进料喷射器将进料喷射入气化反应区域;使用第一壁在大体垂直于第一轴线的第一方向上使合成气流经气化反应区域;和在大体平行于第一轴线的第二方向上由气化反应区域排出合成气。
[0016]本发明的第十技术方案在于，在第九技术方案中，由气化反应区域排出合成气包含使合成气穿过第一反应区域出口排出，第一反应区域出口设置在第二壁中，第二壁设置成与第一壁相对。
[0017]本发明的第十一技术方案在于，在第九技术方案中，包含在急冷室、局部淬火器、合成气冷却器或反应器或其任意组合中的至少一者中，接收在气化反应区域中产生的合成
Ho
[0018]本发明的第十二技术方案在于，在第九技术方案中，包含使用基本上平行于第一轴线的第三壁在与第一方向基本上相反的第三方向上使合成气流经气化反应区域。
[0019]本发明的第十三技术方案在于，在第九技术方案中，包含通过第二反应区域出口，在与第二方向大体相反的第四方向上从气化反应区域排出合成气的一部分。
[0020]本发明的第十四技术方案提供了一种系统，包含:气化器，构造为气化进料以产生合成气，其中气化器包含第一轴线;在气化器中设置的气化反应区域，其中气化反应区域通过具有第二轴线的第一管道限定，第二轴线大体垂直于第一轴线;第一出口，设置在第一管道中，其中第一出口基本上绕第一轴线居中，并且构造为在基本平行于第一轴线的第一方向上导向合成气;和第一进料喷射器，连接至第一管道的第一端部，其中第一进料喷射器构造为在基本垂直于第一轴线的第二方向上将进料喷射入气化反应区域。
[0021 ]本发明的第十五技术方案在于，在第十四技术方案中，包含第二进料喷射器，其连接至第一管道的第二端部，其中第二进料喷射器构造为在第三方向上将进料喷射入气化反应区域，第三方向基本上与第二方向相反。
[0022]本发明的第十六技术方案在于，在第十四技术方案中，第一管道包含通道，其构造为将在气化期间产生的熔渣导向第一出口。
[0023]本发明的第十七技术方案在于，在第十四技术方案中，气化器包含上出口，构造为从第四方向接收合成气的至少一部分，第四方向基本与第一方向相反。
[0024]本发明的第十八技术方案在于，在第十四技术方案中，包含第二管道，第二管道至少部分地围绕第一管道。
[0025]本发明的第十九技术方案在于，在第十八技术方案中，包含在第二管道中设置的第二出口，其中第二出口构造为在第四方向上导向合成气的一部分，第四方向基本上与第一方向相反。
[0026]本发明的第二十技术方案在于，在第十四技术方案中，包含出口管道，其连接至第一出口，其中出口管道构造为在第一方向上导向合成气。
【附图说明】
[0027]当参考附图阅读下文的详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它的技术特征、方面和优点，在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中:
[0028]图1为根据本公开的具有反应装置的气化器的实施例的示意图；
[0029]图2为根据本公开的具有反应装置的气化器的实施例的截面图；
[0030]图3为图2的气化器的实施例的另一截面图；
[0031 ]图4为根据本公开的反应装置的实施例的截面图；
[0032]图5为根据本公开的反应装置的实施例的截面图；
[0033]图6为根据本公开的反应装置的实施例的截面图；
[0034]图7为根据本公开的具有反应装置的气化器的实施例的截面图；
[0035]图8为根据本公开的具有反应装置的气化器的实施例的截面图；
[0036]图9为根据本公开的包括至少两个进料喷射器的反应装置的实施例的截面图；
[0037]图10为根据本公开的包括三个进料喷射器的反应装置的实施例的俯视图；
[0038]图11为根据本公开的具有包括至少两个进料喷射器的反应装置的气化器的实施例的截面图；
[0039]图12为根据本公开的具有包括至少两个进料喷射器的反应装置的气化器的实施例的截面图；
[0040]图13为根据本公开的具有包括至少两个进料喷射器的反应装置的气化器的实施例的截面图；并且
[0041]图14为根据本公开的具有包括至少两个进料喷射器的反应装置的气化器的实施例的截面图。
具体实施例
[0042 ]本公开的一种或多种特别的实施例将在下文描述。在试图提供这些实施例的简要说明时，在说明书中可以不描述实际实施的所有技术特征。应当理解的是，在任何这样的实际实施的改进中，正如在任何工程或设计项目中的，必须要做出大量特殊的实施决策来实现开发人员特定的目标，例如与系统相关的和商业相关的限制相适应的，其在不同的实施例之间可以是不同的。此外，应当理解的是，这样的改进尝试可能是复杂的和耗时的，但是对于得益于本公开的本领域技术人员所进行的设计、制造和制备将会是常规的。
[0043]当介绍本发明不同实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或更多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意图包括并表示除了所列出的元件之外可以存在其它的元件。
[0044]本发明提供了在气化器内设置的反应装置，用以促进燃料进料的碳转化以及在气化器中产生的合成气和熔渣的分离。根据本公开，反应装置可以至少包括第一壁，其可在气化器中基本上水平地布置(例如垂直于气化器的纵轴线)。第一气化反应区域包括气化器的通常位于第一壁下方的内部区域。一个或更多个进料喷射器可流体连接于第一气化反应区域，并构造为在基本上水平的方向上将进料喷射至第一气化反应区域中。所注射的进料在第一气化反应区域中进行部分氧化反应以产生合成气以及熔渣和粉末(例如，未转化的或者部分转化的进料和细灰)。因为第一壁为包括未转化的或部分转化的碳的熔渣和粉末提供额外的表面，因而在排出第一气化反应区域之前接触或冲击，进料的反应区域和有效的反应停留时间会增加。同样地，反应装置(例如第一壁)会提高进料的碳转化。
[0045]因为第一气化反应区域通常位于第一壁的下方，所以所产生的合成气、熔渣和粉末可以在基本向下的方向上排出第一气化区域。在合成气、熔渣和粉末排出反应区域出口时，合成气的至少一部分以及粉末的一部分会在气化器内大体向上地运动，并且熔渣以及合成气和粉末的其它部分在气化器内大体向下运动。粉末与熔渣的分离至少部分地由于粉末和熔渣性质上的不同而起作用，例如尺寸分布和密度。同样地，反应装置可以促进合成气与恪渣在气化器内的分离，以及粉末与恪渣在气化器内的分离。
[0046]根据本公开，除了第一壁，反应装置可以包括其它结构组件。在一些实施例中，反应装置可以包括第一壁和第二壁，二者可以基本上水平地设置在气化器内，其中，第二壁相对于第一壁向下地设置。由此，第一气化反应区域包括气化器的内部区域，其通常设置在第一壁和第二壁之间，或者至少部分地由第一壁和第二壁包围。一个或更多个进料喷射器可以流体连接于第一气化反应区域，并构造为将进料喷射至第一气化反应区域中。第二壁可以包括开口或出口(例如反应区域出口)，以用于导向所产生的合成气以及熔渣和粉末在大体向下的方向上排出第一气化区域。第一壁和第二壁二者可以对熔渣和粉末、包括未转化的或部分转化的碳提供额外的表面来进行接触或冲击，由此提高进料的碳转化。此外，由于合成气的一部分(以及粉末的一部分)可以大体向上地运动以排出反应区域出口，并由于合成气的其它部分(以及熔渣和粉末的其它部分)可以大体向下地运动以排出反应区域出口，所以反应装置可以促进合成气与熔渣在气化器内的分离，以及粉末与熔渣在气化器内的分离。
[0047]参考上文，图1描述了根据本公开的具有反应装置11的气化器10的实施例。公开的实施例可以相对于轴向轴线或方向12、径向轴线或方向14和周向轴线或方向16来描述。此夕卜，气化器10可以具有第一轴线18，其大体平行于轴向轴线12。在描述的实施例中，反应装置11包括进料喷射器22和第一壁26。进料喷射器22将进料20喷射至气化器10中。进料20可以包括任何合适的燃料，例如煤、石油焦炭、生物质、木质材料、农业废弃物、焦油、沥青、残渣、天然气、燃料气或含碳材料，或其任意组合。
[0048]如所述的，进料喷射器22将进料20导向至第一气化反应区域28。第一气化反应区域28可以是在气化器10内的区域，通常位于第一壁26下方及其附近。如在图1中所示的，第一壁26可以基本上垂直于(例如约90° ±10°)第一轴线18。因此，第一壁26在第一气化反应区域28中在大体径向方向14上导向进料20，该径向方向14基本上垂直于第一轴线18。第一壁26可以是大体平面的或曲面的(例如向下凹入)。
[0049]在第一气化反应区域28内，进料20可被加热经历不同的过程，包括部分氧化反应。作为部分氧化反应的结果，会产生合成气24(例如一氧化碳和氢气)。此外，源自进料20的非可气化灰材料、未转化的燃料和/或未完全转化的燃料可以作为该过程的副产物产生。这些副产物可存在更大颗粒的熔渣(例如非可气化灰材料)，通常称为熔渣29，以及更小的颗粒(例如未转化燃料或部分转化燃料，和细灰)，通常称为粉末31。
[0050]在气化器10内，合成气24、熔渣29和粉末31可以在不同的方向上运动。如所示的，合成气24的一部分以及粉末31的一部分在排出第一气化反应区域28后，可在平行于第一轴线18的大体向上方向上运动，以排出气化器10(例如在气化器10的顶部33处或附近)。合成气24和粉末31的其它部分以及熔渣29在排出第一气化反应区域28后，可在平行于第一轴线18的大体向下方向上运动，从而排出气化器10(例如在气化器10的底部35处或其附近)。如在下文更加详细地讨论的，在特定的实施例中，在气化器10内可以设置额外的气化反应区域(例如，第二气化反应区域34)，从而能够在气化器10内使进料20进行额外的部分氧化，和/或允许提高进料20的碳转化。
[0051]根据本公开，在排出第一气化反应区域28之前，第一壁26可用于对熔渣29和粉末31、包括未转化的或部分转化的碳提供额外的表面来接触或冲击，由此提高进料20的碳转化。换句话说，与第一壁26接触的粉末31的部分(例如，未转化或部分转化的部分)可进一步转化为合成气24。在排出第一气化反应区域28后，合成气24和粉末31 (或者至少其一部分)可以沿着第一轴线18大体向上地运动。在排出第一气化反应区域28后，熔渣29可以沿着第一轴线18大体向下地运动，由此与合成气24和粉末31分离。
[0052]根据本公开，除了第一壁26，反应装置11可以包括其它的结构部件(例如壁、护罩、壳体)，以用于在排出第一气化反应区域28之前，为熔渣29和粉末31、包括未转化的或部分转化的碳提供额外的表面来接触或冲击，由此提高进料20的碳转化。作为例子，反应装置11可以包括第二壁32，其基本上垂直于(例如约90° ±10°)第一轴线18设置并位于第一壁26下方。同样地，第一气化反应区域28可以是气化器10内的区域，其通常由第一壁26和第二壁32来限定(由其包围或者部分包围)。在某些实施例中，第一壁26和第二壁32可相互分离。例如，第一壁26和第二壁32为通常是相互平行的两个单独的板。在其它实施例中，第一壁26和第二壁32可以是整合在一起的。例如，第一壁和第二壁32可以是管道侧壁的部分。
[0053]在具有第二壁32的实施例中，反应区域出口30(例如开口、管道或流路)可被设置在第二壁32上(例如绕第二壁32的中间部分)。反应区域出口 30构造为导向合成气24、熔渣29和粉末31，从而在平行于第一轴线18的大体向下的方向上从第一气化反应区域28排出。在特定实施例中，第二壁32朝向反应区域出口 30倾斜，从而促使合成气24、熔渣29和粉末31朝向反应区域出口 30的流动。例如，第二壁32可以是基本上V形的(例如截头圆锥形的)，反应区域出口 30绕V形第二壁32的顶点设置。与如上所讨论的类似的，在排出反应区域出口 30的熔渣29沿着第一轴线18大体向下地运动，并且排出反应区域出口 30的合成气24和粉末31(或至少其一部分)沿着第一轴线18大体向上地运动时，可增加熔渣29与合成气24的分离，以及熔渣29与粉末31的分离。
[0054]除了第二壁32，或者作为备选，反应装置11可以包括第三壁37，其大体与进料喷射器22相对地设置。第三壁37构造为在进料喷射器22的相对端部处完全地或者部分地密封第一气化反应区域28。同样地，第三壁37可以帮助导向合成气24、恪渣29和粉末31，以沿着第一轴线18大体向下地排出第一气化反应区域28。在特定实施例中，第一壁32和第二壁32中的一者或二者可以在气化器10的内表面39(例如壁、壳体或护罩)邻接，来与具有第三壁37的实施例具有类似的构型，由此帮助导向合成气24、熔渣29和粉末31，从而沿着第一轴线18大体向下地排出第一气化反应区域28。
[0055]反应装置11的第一壁26、第二壁32和第三壁37可以由适用于气化器10运行条件的任何材料来制造，包括任何合适的耐火材料。在某些实施例中，第一壁26、第二壁32或第三壁37、或其任意组合可以包括主动冷却系统，来改善一个或更多个壁的完整性或温度性能。主动冷却系统可以是一个或更多个冷却管道，冷却剂(例如水、蒸汽、氮气、氩气、二氧化碳、有机溶剂或热稳定盐)可以在其中流动，从而传递热以用于在别处利用，或排放至大气(例如，通过冷却水或空气冷却系统)，其独立于气化器10或与之整合。
[0056]图2和3描述了根据本公开的具有反应装置11(例如第一反应装置40)的气化器10的实施例。图2和3为气化器10和第一反应装置40的实施例的剖视图，其中，图3沿着图2的线3-3作出。如所示的，第一反应装置40包括第一管道42和第二管道44，二者均可具有基本上圆柱形的形状。第一管道42具有基本上垂直于第一轴线18的纵轴线，并且第二管道44具有基本上平行于第一轴线18的纵轴线。在所示出的实施例中，第一管道42和第二管道44中的每一者具有基本上圆形的横截面。然而，应当注意到，第一管道42和第二管道44中的每一者均可以带有例如可以是正方形、矩形、三角形或椭圆形的横截面的具有任何其它合适的形状(垂直于它们各自的纵轴线)。而且，应当注意到，第二管道44的内部体积可以大于、等于或小于第一管道42的内部体积。
[0057]如所述的，进料喷射器22绕第一管道42的第一端部45流体连接于第一管道42，使得进料20由进料喷射器22导向至第一管道42内。第一管道42的第二端部48与第一端部45相对，并且第二端部48可以是对气化器10的内部开启的或者闭合的。在示出的实施例中，第二端部48对气化器10的内部开启，并允许第一管道42(例如第一壁26和第二壁32)在气化器10内的不同的热膨胀，从而避免压力在气化器10或第一反应装置40内的过量的应力发展。在某些实施例中，第一管道42的第二端部48例如通过内部壁39或第三壁37部分地或者基本上完全地密封，从而使得所产生的合成气24和熔渣29可以冲击内部壁39或第三壁37，并在排出第一气化反应区域28之前，在相对于进料喷射方向的基本上相反的方向上返回。第一气化反应区域28可涉及由第一管道42所覆盖的气化器10中的区域。第一壁26和第二壁32通常可称为第一管道42的上半壁和下半壁(相对于轴线46)。第二管道44流体连接于第一管道42(例如绕第一管道42的中间部分)，并通过反应区域出口 30大体向下地对气化器10的内部开启。由第二管道44所覆盖的区域可被称为第二气化反应区域34，因为进料20 (例如源自第一气化反应区域28的粉末31的一部分)可以在该区域进行额外的气化反应。也就是说，从第一气化反应区域28至第二气化反应区域34，未转化燃料在粉末31中的含量可以降低。
[0058]如上所述的，在排出反应区域出口 30后，合成气24的至少一部分(例如第一部分)和粉末31的至少一部分(例如第一部分)可在大体向上的方向上运动，从而在气化器10的顶部33附近排出气化器10(例如经过上端口 108)。在合成气24和粉末31的第一部分向上运动经过第一反应装置40周围时，粉末31的第一部分的未转化的或部分转化燃料可经受进一步的气化反应。同样地，气化器10的通常围绕第一反应装置40的内部区域可被称为第三气化反应区域53。从第二气化反应区域34至第三气化反应区域53，粉末31中的未转化燃料的量可以进一步降低。在顶部33附近排出气化器10之后，合成气24和粉末31的第一部分可被用于产生高压蒸汽，或被用作在第二级气化器中的反应物。同样地，气化器10的顶端108可被连接至气化装置(例如IGCC发电装置)的一个或更多个其它部件，包括合成气冷却器、局部淬火器、反应器、洗涤器、酸气去除(AGR)单元、变换反应器或低温气体冷却(LTGC)序列和/或热循环单元。在排出反应区域出口 30后，熔渣29可以在平行于第一轴线18的大体向下的方向上运动。在某些实施例中，合成气24的另一部分(例如第二部分)和粉末31的另一部分(例如第二部分)以及熔渣29可以在平行于第一轴线18的大体向下的方向上运动。气化器10可以包括淬火区域50，其相对于第一反应装置40(例如沿着第一轴线18)向下地设置。淬火区域50能够冷却并还能够分离熔渣29和粉末31与合成气24(例如合成气24的第二部分)。
[0059]如所述的，气化器10的淬火区域50可以包括封液管52，其延伸至具有液体冷却剂(例如水)的浴槽5 6。但是可使用用于淬火合成气16的任何合适的液体(例如非反应性液体)。在某些实施例中，封液管52的下端延伸至液体冷却剂，从而帮助合成气24的第二部分流至液体冷却剂中。合成气24的第二部分和粉末31的第二部分以及熔渣29可以通过在浴槽56中与液体冷却剂接触而被冷却。经冷却的合成气24的第二部分(和未由液体冷却剂捕集的任何粉末31和熔渣29)可以在径向方向14和轴向方向12上脱离液体冷却剂，并随后可以通过在淬火区域50附近的合成气出口 60排出气化器10。剩余的粉末31和熔渣29的第二部分可以作为颗粒在液体冷却剂中的悬浮液而被导向至下出口62(或端口)，从而绕气化器10的底部35排出气化器10。在某些实施例中，使用两个或更多个下出口62，并且在液体冷却剂中捕集的粉末31和熔渣29可以基于浴槽56和下出口 62内的构造和条件而进一步分离(例如，液体冷却剂经过下出口 62的相对位置和流速，液体冷却剂的温度、比重和粘度，以及所捕集的粉末31和熔渣29的尺寸、形状和密度)。在某些实施例中，作为淬火区域50的备选，合成气冷却器、局部淬火或者反应器可以相对于第一反应装置40(例如沿着第一轴线18)向下设置。气化器10可被进一步连接至气化装置的各种其它部件(例如，通过合成气出口 60)，包括洗涤器、酸气去除(AGR)单元、变换反应器、和/或低温气体冷却(LTGC)序列。
[0060]图4描述了根据本公开的反应装置11的另一种实施例(例如第二反应装置70)。第二反应装置70包括第一气化反应区域28，第二气化反应区域34，第三气化反应区域53(例如第二反应装置70周围)和第四气化反应区域55。如在图4中所述的，第二反应装置70包括与如在图2中所述的第一反应装置40相同的第一管道42。在第二反应装置70中，第一管道42的第二端部48流体连接至第三管道72。第三管道72通过反应区域出口 30进一步流体连接至第二管道44，该第二管道44对气化器10的内部开启。
[0061]第三管道72可以是部分圆筒，其提供排出第一气化反应区域28的合成气24、粉末
31和熔渣29的非对称流动。例如，第三管道72和第一管道42通常处于共轴或同心的配置。第三管道72的直径74可以大于第一管道42的直径76。第三管道72至少部分地覆盖第一管道42的第一轴向部分77。第三管道72可以包括非对称环形部分73和端部部分75(例如穹顶形)。环形部分73的上部78可以相邻于第一管道42的第二端部48密封。环形部分73的下部80可以覆盖第一管道42的至少第二轴向部分79。例如，沿着管线84的横截面为基本上圆形的，并且沿着管线86的横截面为基本上半圆形的。第四气化反应区域55可被限定为在第三管道72内的在第三管道72的端部部分75附近的区域。同样地，在第一气化反应区域28内产生的合成气24、粉末31和熔渣29可以基本上沿着径向轴线14运动至第四气化反应区域55，冲击端部部分75的侧壁81(例如与喷射器22相对的)，并在环形部分73的下部80以基本上相反的径向方向14返回。所返回的合成气24、粉末31和熔渣29随后可在第二管道44中运动至第二气化反应区域34，并通过反应区域出口 30排出至气化器10的内部。
[0062]如在图4中所述的，第四气化反应区域55可允许额外地部分氧化进料20。例如，未反应的或者部分反应的进料20(例如排出第一气化反应区域28的粉末31)可以在第四气化反应区域55内进行进一步的部分氧化反应以产生额外的合成气24。在通过反应区域出口 30排出之前，除了第一壁26和第二壁32，覆盖第二气化反应区域34的第三管道72的侧壁，例如侧壁81可以对粉末31和熔渣29、包括未转化的或部分转化的碳提供额外的表面来接触。由此，第二气化反应区域34和第四气化反应区域55的额外的表面区域可以提高进料20在气化器10内的碳转化。从第一气化反应区域28经过第四气化反应区域55和第二气化反应区域34至第三气化反应区域53，粉末31中的未转化燃料的含量可以下降。尽管在所述的实施例中，第三管道72为部分圆筒，但是应当注意到，与第一管道42和第二管道44类似的，第三管道72可以具有任意合适的形状。例如，第三管道72沿着管线84的横截面可以是正方形、矩形、三角形或椭圆形。
[0063]图5描述了根据本公开的反应装置11(例如第三反应装置90)的另一实施例。第三反应装置90还包括第一气化反应区域28(例如大体由第一管道42限定)，第二气化反应区域34(例如通常由第二管道44限定)，第三气化反应区域53 (例如在第三反应装置90周围)，和第四气化反应区域55(例如通常由第三管道72限定)。如在图5中所述的，第三反应装置90与如在图4中所述的第二反应装置70类似，除了第三管道72能够使源自第一气化反应区域28的合成气24、粉末31和熔渣29对称地流动。
[0064]如所述的，第三管道72围绕第一管道42的至少一部分，环形部分73的上部78和下部80 二者提供排出第一气化反应区域28的合成气24、粉末31和熔渣29的返回通路(例如在冲击端部部分75的侧壁81之后)。同样地，在第一气化反应区域28中产生的合成气24、粉末31和熔渣29在径向方向14上运动至第四气化反应区域55，冲击与喷射器22相对的侧壁81，并在第三通道72的环形部分73的上部78和下部80二者以基本上相反的径向方向14返回。所返回的合成气24、粉末31和熔渣29随后可由第四气化反应区域55流至第二管道44(例如第二气化反应区域34)，随后通过反应区域出口 30排出至气化器10的内部。
[0065]图6描述了根据本发明的反应装置11的另一种实施例(例如第四反应装置100)。第四反应装置100还包括第一气化反应区域28(例如通常由第一管道42限定)，第二气化反应区域34(例如通常由第二管道44限定)，第三气化反应区域53(例如第四反应装置100周围)，和第四气化反应区域55(例如通常由第三管道72限定)。如在图6中所述的，第四反应装置100与如在图5中所述的第三反应装置90类似，除了第三管道72通过轴向位于第一管道42上方的第二反应区域出口 104流体连接于第四管道102，所述第四管道102对气化器10的内部开启。
[0066]如所述的，第四管道102流体连接至第三管道72的环形部分73的上部78，并且第二管道44流体连接至第三管道72的环形部分73的下部80。同样地，在第一气化反应区域28中产生的合成气24、粉末31和熔渣29在径向方向14上运动至第四气化反应区域55，冲击与喷射器22相对的侧壁81，并在第三管道72的环形部分73的上部78和下部80 二者中在基本上相反的径向方向14上返回。所返回的合成气24、粉末31和熔渣29的第一部分可以由第四气化反应区域55流至第二管道44(例如第二气化反应区域34)，并通过轴向位于第一管道42下方的反应区域出口 30排出至气化器10的内部。所返回的合成气24、粉末31和熔渣29的第二部分可以由第四气化反应区域55流至第四管道102，并通过第二反应区域出口 104大体向上地沿着第一轴线18排出至气化器10的内部。
[0067]图7和8为气化器10的实施例的截面图，分别描述了将反应装置11(例如反应装置40、70、90、100之一)设置在气化器10中的两种方式。图7描述了反应装置11设置在气化器10的上端口 108和淬火区域50之间。图8描述了反应装置11设置在气化器1的上端口 108上。
[0068]更特别地，如在图7中所示的，反应装置11(例如图2、4、5、6分别的反应装置40、70、90、100之一)设置在气化器10的上端口 108和淬火区域50之间。反应装置11包括基本上径向设置的第一管道42(例如垂直于第一轴线18)，并且第二管道44基本上平行于第一轴线18设置。进料喷射器22连接至气化器10的侧壁110，从而使得进料20通过进料喷射器22从气化器10的一侧(例如平行于第一轴线14)喷射至气化器10中(例如第一气化反应区域28)。合成气24、粉末31和熔渣29由第一气化反应区域28经过第二管道44内的第二气化反应区域34、通过反应区域出口 30排出至气化器10的内部。合成气24和粉末31的至少一部分(例如在上文参见图2和3所描述的第一部分)大体向上地运动并通过上端口 108排出气化器10，其中，合成气24和粉末31例如可被用于产生高压蒸汽或者作为在第二级气化器中的反应物。合成气24和粉末31的另一部分(例如在上文参见图2和3所描述的第二部分)以及熔渣29大体向下地运动至淬火区域50。如上所述的，淬火区域50可以构造为冷却并进一步分离合成气24和粉末31 (例如第二部分)与熔渣29，并导向经分离的合成气24和减少量的粉末31，从而通过合成气出口 60排出气化器10。经分离的熔渣29和剩余的粉末10可以通过气化器10的下出口62排出气化器10。
[0069]如在图8中所述的，反应装置11(例如图2、4、5分别的反应装置40、70、90之一)设置在气化器10的上端口 108上。反应装置11包括基本上径向设置的第一管道42(例如垂直于第一轴线18)，并且第二管道44基本上平行于第一轴线18设置，并流体连接于气化器10的上端口 108。进料喷射器22构造为从第一管道42的一个端部将进料20喷射至第一管道42内(例如第一气化反应区域28)。合成气24、粉末31和熔渣29通过反应区域出口 30由第一气化反应区域28排出至气化器10的内部。合成气24、粉末31和熔渣29流向淬火区域50。淬火区域50可以构造为冷却并作用于合成气24的第二部分与粉末31的第二部分以及熔渣29的进一步分离，并导向经分离的合成气24和减少量的粉末31，通过合成气出口 60排出气化器10。经分离的熔渣29和剩余的粉末31可以通过气化器10的下出口 62排出气化器10。
[0070]如上所述的，一个进料喷射器(例如进料喷射器22)连接至反应装置11(例如第一管道42的第一端部45)。根据本发明，多于一个(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个)的进料喷射器可被连接至反应装置11。例如，图9为根据本发明的具有反应装置11 (例如第五反应装置120)的气化器10的一种实施例的截面图，所述反应装置11连接至两个进料喷射器22、122。如所述的，第一管道42基本上径向地设置(例如垂直于第一轴线18)，并包括两个端部45、48。第一端部45流体连接至进料喷射器22，并且第二端部48流体连接至进料喷射器122。如所述的，进料喷射器22和122处于基本上相反的径向方向上，从而使得通过进料喷射器22和122喷射的进料流20可以在基本上相反的方向上沿着第一管道42朝向第一管道42的中间区域124运动。第一气化反应区域28可涉及为在第一管道内的两个端部45、48之间的区域。通过进料喷射器22、122喷射的两个燃料流20可以在第一气化反应区域28内混合，由此提高进料20的碳转化。此外，第一气化反应区域28内的每个进料流20的粉末31和熔渣29还可以与其它的进料流20冲击和/或混合，由此提高进料20在气化器10内的碳转化。
[0071]第二管道44流体连接至第一管道42。例如，第二管道44连接至第一管道42的中间区域124。第二管道44通过反应区域出口 30大体向下地开向气化器10的内部。与如上所述的类似地，所产生的合成气24和粉末31的第一部分大体向上地运动以排出气化器10(例如通过上端口 108)，并且所产生的合成气24和粉末31的第二部分以及所产生的熔渣29大体向下地朝向淬火区域50运动，用于进一步分离(例如分离合成气24和熔渣29，分离粉末和熔渣29)。与如上所讨论的类似地，第一管道42和第二管道44中的每一者均具有基本上圆形的横截面。然而，可以理解的是，第一管道42和第二管道44中的每一者可以具有任何其它合适的横截面形状，例如正方形、矩形、三角形或椭圆形。
[0072]尽管在图9中示出一对进料喷射器(例如进料喷射器22和122)，但是在某些实施例中，在气化器10中可以包括数对相对的进料喷射器。例如，反应装置11可以包括多于一个(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个)的径向管道，其类似于所描述的第一管道42。多个径向管道中的每一个可以在各个径向管道的两个端部包括一对进料喷射器，并且进料流可以在共同的中间区域(例如第一管道42的中间区域124)相互交叉。所述共同的中间区域可以进一步流体连接至第二管道44，从而向下地导向所产生的合成气24和熔渣29，以通过反应区域出口 30排出至气化器10的内部。此外，在另一种实施例中，如在图9中所述的第五反应装置120可以与图2的反应装置40、70、90和100中的任意一个或更多个相结合，分别为4、5和6个。例如，如在图10中所述的，第五反应装置120可以与第一反应装置40相结合，从而使得第五反应装置120的第一管道42基本上垂直于第一反应装置40的第一管道42在由径向轴14和周向轴16限定的平面上设置。图10为具有反应装置11(例如第六反应装置125)的气化器10的俯视图，所述反应装置11结合有第五反应装置120和第一反应装置40。第五反应装置120的第一管道42与第一反应装置40的第一管道42在第五反应装置120的第一管道42的中间区域124周围的共同区域相互交叉。所述共同区域可以进一步流体连接至具有反应区域出口30的第二管道44。同样地，三个进料20流可被喷射至所结合的反应装置中，并在其中混合。所产生的合成气24、粉末31和熔渣29可以通过反应区域出口 30由反应区域排出至气化器10的内部。应当注意到，反应装置40、70、90和100中的一个或更多个可以采用与如在图9中所描述的相类似地设置的多个径向管道。
[0073]图11-14为具有不同实施例的反应装置11的气化器10的截面图，所述反应装置11包括两个进料喷射器。更特别地，图11描述了设置在气化器10的上端口 180和淬火区域50之间的反应装置11 (例如第七反应装置130)，第一管道42的端部45、48由气化器10的侧壁110延伸出。图12描述了设置在气化器10的上端口 108和淬火区域50之间的反应区域11(例如第八反应装置140)，第一管道42基本上包括在气化器10的内部中。进料喷射器22、122延伸至气化器10内。图13描述了设置在气化器10的上端口 108和淬火区域50之间的反应装置11(例如第九反应装置150)，盖帽部分152(例如穹顶形)连接至第一管道42。图14描述了连接至气化器10(例如开口顶部气化器162)的反应装置11(例如第十反应装置160)，设置在气化器162的顶部164和淬火区域50之间，冲击壁166设置在第一管道42的端部45、48周围。
[0074I如在图11中所述的，第七反应装置130包括第一管道24，其在两个端部45、48周围延伸出气化器10的侧壁110。进料喷射器22和122分别流体连接至两个端部45和48，并构造为在相反的径向方向上将进料20喷射至第一气化反应区域28中。如在图11中所述的反应装置11的实施例(例如第七反应装置130)还可涉及为具有延伸的径向(例如水平)室。如在图12中所述的第八反应装置140与如在图11中所述的第七反应装置130类似，除了第八反应装置140的第一管道42不会延伸出气化器10的侧壁110。此外，如在图11中所述的第七反应装置130的第一管道42的直径132与第七反应装置130的第二管道44的直径134相近或大致相同，同时如在图12中所述的第八反应装置140的第一管道42的直径142小于第八反应装置140的第二管道44的直径134。如在图12中所述的反应装置11的实施例(例如第八反应装置140)还可涉及为具有最小水平室，其与第七反应装置130相比为结构更加紧密的。
[0075]如在图13中所述的第九反应装置150也是与如在图11中所述的第七反应装置130类似的，除了第九反应装置150包括连接至第一管道42(例如第一管道42的第一壁26)的额外管道(例如盖帽部分152)。盖帽部分152设置在第一管道42相对于第二管道44和反应区域出口30的相对侧上附近。在某些实施例中，盖帽部分152可以相对于第二管道44设置在其它方向上(例如基本上垂直于第二管道44，并基本上位于由径向轴14和周向轴16限定的平面上)。在特定实施例中，盖帽部分152可以具有扩大部分，设置在沿着第一管道42的中间附近。这种盖帽部分152可以在第一气化反应区域28中提供增加停留时间和/或降低火焰冲刷作用的膨胀区域。应当注意到，盖帽部分152可以是任意合适的形状，例如具有圆形、正方形、矩形、三角形或椭圆形的横截面。
[0076]盖帽部分152可以在第一管道42上方提供凸出区域154(例如混合室)。所述凸出区域154可以允许进料20在加热时的膨胀，并朝向第一管道42的中间区域124反应。相对于第七反应装置130，凸出区域154还可以提高第一气化反应区域28的表面积。同样地，凸出区域154可以提供额外的表面区域和体积，用于混合和/或膨胀由进料喷射器22、122喷射的燃料流。另外地，或者在替换形式中，凸出区域154可以增强粉末31和熔渣29与凸出区域154的侧壁之间的冲击。此外，凸出区域154可以增强粉末31和熔渣29与进料20的混合，和/或所产生的合成气24、粉末31和熔渣29的膨胀。据此，凸出区域154可进一步促使进料20的碳转化。在所述的实施例中，所产生的合成气24、粉末31和熔渣29可以通过第二管道44(例如通过反应区域出口 30)排出第一气化反应区域28。在某些实施例中，盖帽部分152可以在盖帽部分152的上壁156上包括开口，从而使得所产生的合成气24、粉末31和熔渣29除了反应区域出口30，可以通过所述开口排出第一气化反应区域28。
[0077]如在图14中所述的第十反应装置160也与如在图11中所述的第七反应装置130类似，除了第十反应装置160包括在第一管道42的端部45、48周围设置的冲击壁166。此外，第十反应装置160设置在可被用于气化或IGCC系统中的开口顶部气化器162内，其中气化器162直接连接至下游的系统，例如合成气冷却器、第二反应器或局部淬火。冲击壁166可与气化器162的侧壁110对齐，从而使得至少由第一壁26、第二壁32和冲击壁166限定的第一气化反应区域28基本上位于气化器162内。除了第一壁26和第二壁32，冲击壁166可以为所产生的粉末31和熔渣29提供额外的区域，以在第一气化反应区域28内冲击，由此提高进料20的碳转化。冲击壁166可以由适用于气化器162的内壁39的任何材料制造，例如耐火材料。冲击壁166可以包括一个或更多个开口，构造为使所喷射的进料20由喷射器22、122喷射至第一气化反应区域28ο在某些实施例中，反应装置可以在第一管道42的任一端部45、48周围包括个冲击壁166。
[0078]如所述的，第十反应装置160设置在开口顶部气化器162内。然而，应当注意到第十反应装置160可以类似地设置在任何合适的气化器10内，例如在图11-13中所描述的那些。同时，反应装置130、140、150可以类似地设置在开口顶部气化器162内。此外，应当注意到包括两个进料喷射器22、122的反应装置130、140、150、160还可以设置在气化器10的顶部上，例如设置在如在图8中所述的上端口 108上。此外，应当注意到气化器10可以包括根据本发明的反应装置11的实施例的任意组合(例如反应装置40、70、90、100、120、130、140、150、160)。
[0079]本说明书使用实施例来描述实施例，包括最佳形式，并且还能够使本领域技术人员实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统，并执行任何所结合的方法。本发明可授予专利权的范围由权利要求来限定，并且可以包括本领域技术人员所认识到的其它实施例。如果它们具有并不会与权利要求的文字表述不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字表述不存在本质不同的等价的结构元件，那么这样的其它实施例就意图处于权利要求的范围内。
【主权项】
1.一种系统，包含: 气化器，构造为气化进料以产生合成气，其中，所述气化器包含第一轴线； 第一气化反应区域，设置在所述气化器中，其中，所述第一气化反应区域至少部分地由大体垂直于所述第一轴线的第一壁限定;和 第一进料喷射器，连接至所述气化器，其中，所述第一进料喷射器构造为在相对于所述第一轴线的第一方向上将所述进料喷射入在所述第一壁下方的所述第一气化反应区域。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一壁为凹入的，并且构造为在所述第一方向上导向所述合成气。3.根据权利要求1所述的系统，包含设置在第二壁中的反应区域出口，所述第二壁设置为与所述第一壁相对，其中，所述反应区域出口构造为在大体平行于所述第一轴线的所述第一方向上导向所述合成气。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气化器包含气化器出口，其构造为在大体与所述第一方向相反的第二方向上运输来自所述气化器的所述合成气，所述第一方向大体平行于所述第一轴线。5.根据权利要求1所述的系统，包含连接至所述气化器的第二进料喷射器，其中，所述第二进料喷射器与所述第一进料喷射器大体相对地设置。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一壁包含混合室，构造为增强所述进料、所述合成气中的至少一者或二者的混合或膨胀中的至少一者或两者。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二壁朝向所述反应区域出口倾斜，以允许在气化期间产生的熔渣流向所述反应区域出口。8.根据权利要求1所述的系统，包含连接至所述反应区域出口的出口管道，其中，所述出口管道构造为在所述第一方向上导向所述合成气。9.一种方法，包含: 在设置于气化器中的气化反应区域中气化进料以产生合成气，其中，所述气化器包含第一轴线； 使用连接至所述气化器的进料喷射器将所述进料喷射入所述气化反应区域； 使用第一壁在大体垂直于所述第一轴线的第一方向上使所述合成气流经所述气化反应区域;和 在大体平行于所述第一轴线的第二方向上由所述气化反应区域排出所述合成气。10.根据权利要求9所述的方法，其中，由所述气化反应区域排出所述合成气包含使所述合成气穿过第一反应区域出口排出，所述第一反应区域出口设置在第二壁中，所述第二壁设置成与所述第一壁相对。
【文档编号】C10J3/00GK105838443SQ201511036303
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年12月16日
【发明人】J·S·斯特文森
【申请人】通用电气公司