專利名稱：在高溫高壓下燃燒燃料的設(shè)備和方法及相關(guān)系統(tǒng)和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在高溫高壓下將碳質(zhì)燃料和氧氣一起燃燒，以產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的設(shè)備和方法，該燃燒產(chǎn)物或者用過量的氧氣被氧化，或者其包含還原的組份并具有零氧含量。 一種特定的應(yīng)用是，通過使用工作流體使通過高效燃燒燃料生成的能量轉(zhuǎn)化，用于生成諸如電的能量。尤其是，這樣的設(shè)備和方法可使用二氧化碳或蒸汽作為工作流體。另一方面， 這些設(shè)備和方法可用于生成包含氫氣和/或一氧化碳的氣體。
背景技術(shù)：
據(jù)估計，化石燃料還能繼續(xù)提供全世界大部分的電力需求一百年，同時無碳能源被開發(fā)出來并被采用。但是，已知的通過對化石燃料和/或適宜的生物體(biomass)進行燃燒產(chǎn)生能源的方法受到能源成本的上升以及產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)和其它排放物的增加的困擾。全球變暖日益被視為潛在的災(zāi)害，這是由于發(fā)達國家和發(fā)展中國家碳排放的增加導(dǎo)致的。太陽能和風(fēng)能看來不能在近期替代化石燃料，而核能具有與擴散和核廢料處理相關(guān)的危險性。從化石燃料或適宜的生物燃料產(chǎn)生能量的常規(guī)布置現(xiàn)在日益為在高壓下捕獲CO2 以便運送到隔離場的需求所累。但是，滿足這種需求較困難，因為即使對于捕獲(X)2的最佳設(shè)計，現(xiàn)有技術(shù)也僅提供了很低的熱效率。而且，實現(xiàn)捕獲(X)2的投資成本很高，并且可因此導(dǎo)致與將CO2排放到大氣中的系統(tǒng)相比高很多的電力成本。據(jù)此，在本領(lǐng)域中對于能減少(X)2排放和/或改進捕捉難度以及所產(chǎn)生的(X)2的隔離的高效能量產(chǎn)生的設(shè)備和方法具有日益增長的需求。對碳質(zhì)燃料的氧燃料燃燒包括從空氣中分離出足夠純的氧(或以其他方式提供用于燃燒處理的這樣足夠純的氧)，并且使用這種氧作為燃燒介質(zhì)，以產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，該燃燒產(chǎn)物基本上不含氮，而包括二氧化碳和水蒸氣。當(dāng)前的技術(shù)中，空氣和氧燃料燃燒器在有限的溫度和壓力下工作，以防止過高的溫度損害燃燒器的壁和/或其它系統(tǒng)部件，例如渦輪機葉片。限制工作溫度和/或壓力，在某些情況下，不合乎要求地延長了燃燒處理和/ 或需要相對大的燃燒體積。此外，燃燒處理、燃燒設(shè)計和/或下游排出的氣體的處理規(guī)定還可能不期望地取決于為該處理所利用的燃料類型。而且，由于在當(dāng)前的工藝中應(yīng)用于常規(guī)鍋爐系統(tǒng)的燃燒氣體的體積較大，并且這些氣體被排到大氣中，當(dāng)前從排氣煙囪氣體去除污染物質(zhì)的方法和所推薦的氧燃料燃燒系統(tǒng)高度取決于反應(yīng)爐(Plant)的具體設(shè)計和在該反應(yīng)爐內(nèi)燃燒的燃料的確切類型。每種燃料都具有對比化合物(contrasting chemical composition)和大量污染物。因此，當(dāng)前工藝不期望地需要每個反應(yīng)爐的排出氣體滌氣 (scrubber)系統(tǒng)或者氧燃料燃燒變形，均為客戶特別設(shè)計以適應(yīng)具有特定化合物的特定類型的燃料。例如，用于煤的當(dāng)前技術(shù)通常應(yīng)用了裝備有垂直的管壁或成螺旋形配置的管壁的單個非常大的燃燒器，其中在高壓下生成蒸汽，并將蒸汽在分離的過熱器部分中過度加熱。 大尺寸的燃燒器可遭受明顯的熱損失，并且通常會受到損壞，還會由于煤灰、熔渣和諸如取決于所使用的特定的煤的燃燒氣體中的S0X、HCL、NOx等腐蝕性成分，使燃燒爐、發(fā)熱和對流換熱表面和其它部件積灰、結(jié)渣。這樣的示例性的缺陷可能需要周期性地關(guān)閉整個反應(yīng)爐，以維修或者更換受損的或者被腐蝕的部件和/或其它組件，并且可因此導(dǎo)致反應(yīng)爐的可利用率較低，并且很難補償反應(yīng)爐在停機期間所損失的產(chǎn)出，這是不期望的。

發(fā)明內(nèi)容
通過本申請的各方面解決了以上的和其它的需求，依據(jù)一個特定的方面，本申請?zhí)峁┝税ū慌渲贸蓪⑻假|(zhì)燃料與富氧和工作流體進行混合以形成燃料混合物的混合裝置的燃燒設(shè)備。燃燒室至少部分地由蒸發(fā)構(gòu)件定義出，其中蒸發(fā)構(gòu)件至少部分地由耐壓構(gòu)件包圍。蒸發(fā)構(gòu)件具有入口部和相對的出口部，其中燃燒室的入口部被配置成接收燃料混合物，用于使燃料混合物在燃燒室中以燃燒溫度燃燒，以形成燃燒產(chǎn)物。該燃燒室進一步被配置成將燃燒產(chǎn)物引導(dǎo)向出口部。該蒸發(fā)構(gòu)件被配置成朝向燃燒室引導(dǎo)蒸發(fā)物質(zhì)從其中穿過，用于緩沖燃燒產(chǎn)物和蒸發(fā)構(gòu)件之間的相互作用。此外，蒸發(fā)物質(zhì)可被弓I導(dǎo)進入燃燒室以獲得燃燒產(chǎn)物的期望的出口溫度。另一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N燃燒方法，初始包括使用混合裝置使碳質(zhì)燃料與富氧和工作流體混合，以形成燃料混合物。該燃料混合物被接收在由蒸發(fā)構(gòu)件定義出的燃燒室的入口部中，其中蒸發(fā)構(gòu)件至少部分地由耐壓構(gòu)件包圍。燃料混合物在燃燒室內(nèi)以燃燒溫度燃燒形成燃燒產(chǎn)物，并且燃燒產(chǎn)物然后被引向燃燒室的出口部。蒸發(fā)物質(zhì)被朝向燃燒室引導(dǎo)通過蒸發(fā)構(gòu)件，使得蒸發(fā)物質(zhì)對燃燒產(chǎn)物和蒸發(fā)構(gòu)件之間的相互作用進行緩沖。蒸發(fā)物質(zhì)可被引入燃燒室以獲得燃燒產(chǎn)物的期望出口溫度。在又另一方面，本申請?zhí)峁┝四芰可上到y(tǒng)。這樣的系統(tǒng)包括燃燒設(shè)備，其包括混合裝置，該混合裝置被配置成將碳質(zhì)燃料與富氧和工作流體進行混合，以形成燃料混合物。 燃燒室至少部分地由蒸發(fā)構(gòu)件定義出，其中蒸發(fā)構(gòu)件至少部分地被耐壓構(gòu)件包圍。該燃燒室具有入口部和相對的出口部。燃燒室的入口部被配置成接收燃料混合物，使該燃料混合物在燃燒室中以燃燒溫度燃燒而形成燃燒產(chǎn)物。該燃燒室進一步被配置成將燃燒產(chǎn)物引向出口部。蒸發(fā)構(gòu)件被配置成朝向燃燒室引導(dǎo)蒸發(fā)物質(zhì)從蒸發(fā)構(gòu)件中經(jīng)過，以便對燃燒產(chǎn)物和蒸發(fā)構(gòu)件之間的相互作用進行緩沖。此外，蒸發(fā)物質(zhì)可被引入燃燒室，以獲得燃燒產(chǎn)物的期望出口溫度。變換設(shè)備被配置成接收燃燒產(chǎn)物，其中該變換設(shè)備響應(yīng)于燃燒產(chǎn)物，而將與其相關(guān)聯(lián)的熱能轉(zhuǎn)換成動能。在再另一方面，本申請?zhí)峁┝朔蛛x設(shè)備，其適用于使用燃燒設(shè)備實現(xiàn)，燃燒設(shè)備被配置成燃燒固體碳質(zhì)燃料以形成燃燒產(chǎn)物，使得在固體碳質(zhì)燃料中的任何非易燃成分在燃燒產(chǎn)物中液化。這樣的分離設(shè)備包括多個串行布置的離心分離裝置，其包括入口離心分離裝置和出口離心分離裝置，入口離心分離裝置被配置成接收燃燒產(chǎn)物和與其相關(guān)的液化非易燃成分，而出口離心分離裝置被配置成排出其中的液化非易燃成分已基本被去除的燃燒產(chǎn)物。每個離心分離裝置具有多個以并行的方式可操作地布置的離心分離元件，其中每個離心分離元件被配置成從燃燒產(chǎn)物中去除被液化的非易燃成分的至少一部分，并將被液化的非易燃成分的至少一部分引導(dǎo)到積垢器(sump)。耐壓外殼被配置成容納離心分離裝置和禾只柜器。
另一方面，碳質(zhì)燃料的氧燃料燃燒(和/或碳氫質(zhì)燃料)還可涉及將足夠純的氧從空氣中分離出來(或以其他方式提供這樣充分純的氧氣)，以及在燃燒處理中應(yīng)用該氧氣以產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物，該燃燒產(chǎn)物基本不含氮，而包括二氧化碳和水蒸氣。富含二氧化碳的燃燒產(chǎn)物(隨后冷卻并且水分冷凝)則可能可在后續(xù)的商業(yè)應(yīng)用中利用，諸如用于提高油的還原或者提高天然氣產(chǎn)量或者在合適的地質(zhì)收集場中處理(后續(xù)壓縮和提純)。氧燃料動力生成系統(tǒng)的在高壓下的操作還可允許從燃料中產(chǎn)生的二氧化碳處于高壓下，導(dǎo)致通過減少或者消除對二氧化碳增壓的需要而節(jié)省動力。而且，高壓操作可允許被提純的燃燒產(chǎn)物被直接用于動力循環(huán)，當(dāng)與諸如CO2或者流束的適當(dāng)?shù)募訜峁ぷ髁黧w混合時。動力系統(tǒng)的在高壓下的操作還可導(dǎo)致在動力循環(huán)中流體流通率體積的減少，導(dǎo)致裝備更小且投資成本更低。具有溫度控制裝置的高壓氧燃料燃燒器是另一個重要方面。諸如燃燒產(chǎn)生的氣體或二氧化碳或液體水或流束(諸如來自循環(huán)流束)的適宜流體的通過蒸發(fā)冷卻和燃燒室/ 空間的保護壁的循環(huán)，還可起到控制燃燒溫度的作用。通過燃燒室壁的蒸發(fā)流體的流通還可起到消除由于熱量，或灰分或液體熔渣沖擊的影響在燃燒室壁上產(chǎn)生和/或?qū)κ冶诘膿p壞。因此，提供了高效的高壓、高溫燃燒器，其可適用于燃燒不同氣體、液體或者固體燃料或者燃料混合物以滿足作為動力系統(tǒng)的部件的不同需求，該動力系統(tǒng)可以比現(xiàn)有技術(shù)高很多的效率且低很多的投資成本來操作。在某些情況下，可對燃燒器進行操作以產(chǎn)生除動力產(chǎn)物以外的包括氫和一氧化碳的燃燒產(chǎn)物，以便能夠適應(yīng)下游的要求。在再進一步的方面，本申請大體上提供了與高壓、高溫、高效、蒸發(fā)流體保護的氧燃料燃燒器相關(guān)聯(lián)的方法和設(shè)備，用于在例如動力發(fā)生中應(yīng)用，諸如與使用將CO2和/或H2O 作為工作流體的動力循環(huán)相結(jié)合。在這樣的應(yīng)用中，燃燒器可在氧化的模式下操作，從而所產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物因此包含在大約500ppm和大約3%摩爾之間范圍內(nèi)的氧聚集物，以及在大約50ppm以下，優(yōu)選地在IOppm摩爾以下的一氧化碳聚集物。另一方面，燃燒器可在還原模式下操作，從而所產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物因此具有接近零的氧聚集物，并且該燃燒產(chǎn)物包括CO和 H2的聚集物。以還原模式操作可被配置成使H2和CO的產(chǎn)物最大化，并且可使&燃燒最小化。操作的還原模式不僅對動力產(chǎn)生有益，而且對于H2或者H2+C0合成氣體的產(chǎn)物是有益的。在特定的方面，操作壓力可在大約40巴(bar)和大約500巴之間的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地至少為80巴，并且燃燒產(chǎn)物溫度大體上可在約1300°C到約3500°C之間的范圍內(nèi)。在涉及動力產(chǎn)生的方面，工作流體的一部分與燃料和氧化劑(即，富氧)一起被引入燃燒器用于燃燒，使得產(chǎn)生為包括工作流體和燃燒產(chǎn)物的高壓、高溫流體束(燃燒產(chǎn)品)。工作流體可被引入通過燃燒室的蒸發(fā)保護壁和/或通過該燃燒室附件的附加注入點。 在燃燒處理之后和通過蒸發(fā)與燃燒產(chǎn)物混合的工作流體可具有在適于直接引入諸如渦輪機的動力生成裝置的范圍內(nèi)(即，足夠低)的溫度。在這樣的情況下，被引入燃燒器的工作流體的總量，例如對燃燒產(chǎn)物的稀釋，可被調(diào)整成提供用于離開適宜于動力渦輪機的操作入口溫度和壓力的燃燒器的總工作流體束的離開溫度。有利地，在渦輪機中的膨脹過程中， 流體束可被維持在相對高的壓力下，使得縱貫渦輪機的壓力比(即，渦輪機入口處的壓力與出口處的壓力的比率)小于約12。流體束還可進一步被處理以分離流體束的組份，其中這樣的處理可包括使流體束經(jīng)過熱交換器。尤其是，膨脹的工作流體(其至少一部分可回收自流體束)可經(jīng)過相同的熱交換器以在工作流體被引入燃燒器之前加熱高壓工作流體。 在某些方面，本申請?zhí)峁┝烁邏貉跞剂先紵?，用于動力產(chǎn)生系統(tǒng)，其可用較低投資成本產(chǎn)生動力，并可在管線壓力下產(chǎn)生足夠純的CO2,以便用于商用或收集。該(X)2還可被回收進入動力產(chǎn)生系統(tǒng)。在其它方面，所揭示的燃燒系統(tǒng)和方法可被配置成使用廣泛不同的燃料源。例如， 依據(jù)本申請的高效燃燒器可使用氣體(例如，天然氣或者煤的衍生氣體)、液體(例如，碳氫化合物、浙青)和/或固體(例如，煤、褐煤(lignite)、石油焦(pet-coke))燃料。正如在此另外描述的，甚至可使用諸如藻類、生物體，或者任何其它適宜的可燃燒有機材料的其它燃料。在其它方面，當(dāng)與使用在管線壓力下捕捉的CO2的動力系統(tǒng)合并時，本申請的燃燒的方法和系統(tǒng)可能是有用的，因為該合并系統(tǒng)可超過不提供對(X)2進行捕捉的燃煤蒸汽循環(huán)動力站的當(dāng)前最佳效率。這樣的當(dāng)前動力站可使用含浙青的煤在最佳狀態(tài)下提供例如具有1. 7英寸汞柱(mercury)冷凝壓力的大約45%的效率(L. H. V)。本系統(tǒng)的各方面可超越例如這樣的效率，同時以200巴的壓力運送C02。在再另一方面，本申請可使用類似的燃料提供與現(xiàn)有技術(shù)相比減少動力生成系統(tǒng)的物理尺寸和投資成本的能力。因此，本申請的方法和系統(tǒng)可貢獻于或以其他方式有利于降低與動力產(chǎn)生系統(tǒng)相關(guān)的建造成本，并且一定系統(tǒng)的相對高效的燃燒可導(dǎo)致降低電力成本或能量產(chǎn)生，并減少礦石燃料的應(yīng)用。在一個特定的方面，本申請涉及動力生成的方法，其結(jié)合了對諸如(X)2和/或H2O 的工作流體的應(yīng)用。在某些方面，本方法可包括將加熱的壓縮(X)2和/或過熱的蒸汽引入燃料燃燒器。優(yōu)選地，該CO2和/或蒸汽可被引入以至少大約80巴的壓力操作的燃燒器中。 CO2和/或H2O可在兩個或更多分離的位置處被引入燃燒器。(X)2和/或H2O的一部分可與 O2和固體、液體、氣體或超臨界燃料混合，使得可基于燃燒室的期望設(shè)計值確定燃燒室內(nèi)的燃燒溫度。剩余的經(jīng)加熱的(X)2和/或過熱蒸汽然后被引入燃燒室以通過與燃燒產(chǎn)物直接混合來冷卻燃燒產(chǎn)物，以實現(xiàn)大約500°C的期望總輸出流體束溫度，這可能是動力產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的。在這樣的條件下，0)2和/或吐0可與由燃料燃燒產(chǎn)生的燃燒氣體、與諸如純度高于85%摩爾的氧的氧化劑混合，以產(chǎn)生包括CO2和/或H2O的期望溫度的流體束。在特定的方面，輸出流體束溫度可在大約1000°C到大約1600°C之間的范圍內(nèi)。在其它方面，輸出流體束可在渦輪機中膨脹以生成動力(即，經(jīng)由與該渦輪機撞擊的能量生成電)。在一定的方面，在工作流體被引入燃燒器之前將其加熱到甚至更高的溫度可能是有用的。例如，在(X)2和/或H2O被引入燃燒器中之前可被加熱到至少大約700°C的溫度。 在其它方面，在(X)2和/或H2O被引入燃燒器中之前可被加熱到大約700°C到大約1000°C之間的溫度。在某些方面，這樣的加熱可使用熱交換器裝置進行。正如在此進一步揭示的，相同的熱交換器可被用于冷卻離開動力生成渦輪機的流體束。類似地，燃燒器可在較高的壓力下有效地操作以產(chǎn)生能夠在動力產(chǎn)生循環(huán)中實現(xiàn)非常高的效率的工作流體。例如，燃燒器和工作流體(X)2和/或H2O的引入部分可壓縮到至少200巴。在其它方面，壓力可在大約200巴到大約500巴之間。在一定的方面，被引入燃燒器的工作流體的一部分可以是足夠純的(X)2的循環(huán)流束，使得在工作流體中的任何水含量均來自燃料。當(dāng)然，來自外部源的CO2可被用作工作流體。 從燃燒器離開的流體束可包括(X)2和/或H2O工作流體，以及一種或更多種其它組分，諸如由燃料或者燃燒處理衍生出的燃燒產(chǎn)物。離開的流體束可包含在大約300ppm和大約3%摩爾之間的范圍內(nèi)的諸如H20、SO2, S03、NO、NO2, Hg、HCL的組分加上過量的氧。在其它方面，輸出流體束可至少包含不同比例的H2和⑶，并且&含量基本上為零。燃燒器可包括入口噴嘴裝置，燃料加氧加一部分工作流體通過該入口噴嘴裝置被引入燃燒器，并在此處燃燒被發(fā)起并在氧化或還原模式下，在設(shè)計容量典型地在大約50% 到大約100%之間的期望的燃料流通量范圍上，以穩(wěn)定方式進行。在一定的方面，操作壓力可在大約150巴以上，且在這個壓力下，氧可與CO2和諸如天然氣的燃料的混合物，或者諸如碳氫蒸餾物的液體一起作為單相混合物被引入，以獲得需要的隔熱阻燃(flame)溫度。如果在此高壓下的CO2為低于約100°C的溫度，則(X)2的密度高到足以支持充足份額的粉狀煤以形成漿料，其中漿料可通過高壓泵被抽吸形成管內(nèi)所需的燃料壓力和流，并達到混合點，在此處添加(X)2和氧的超臨界混合物以在燃燒器中獲得所需的隔熱阻燃溫度。預(yù)混合的燃料、稀釋(X)2和氧應(yīng)該可期望地處于合成溫度下，該溫度在系統(tǒng)的自動點火 (auto-ignition)溫度以下。CO2流束的溫度可被調(diào)整成符合這個標(biāo)準。入口噴嘴可包括在注入器板上的孔陣列，該孔陣列中的每一個孔將產(chǎn)生微小的流體噴口，這些微小的流體噴口導(dǎo)致迅速的熱傳遞和燃燒，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的燃燒區(qū)。孔的大小可為直徑在大約0. 5mm到大約3mm之間的范圍內(nèi)。燃燒室的壁可與多孔材料層排列成一排，(X)2和/或H2O稀釋流束的第二部分被引導(dǎo)并流經(jīng)多孔材料層。通過該多孔蒸騰層，并視情況通過附加裝置的流體流被配置以獲得所需的總輸出流體束出口溫度，該溫度在大約500°C到大約2000°C之間。該流還可起到將蒸發(fā)構(gòu)件冷卻到形成該蒸發(fā)構(gòu)件材料的最大可允許操作溫度以下的溫度。諸如(X)2和/或 H2O稀釋流束的蒸發(fā)物質(zhì)還可起到阻止可能腐蝕、淤塞或以其他方式損壞壁的燃料中的任意液體或固體灰分材料或其它致污物的侵害。在這樣的情況下，可期望為蒸發(fā)構(gòu)件使用具有合理(較低)的熱傳導(dǎo)性的材料，使得易于產(chǎn)生的輻射熱可徑向向外傳導(dǎo)，通過多孔蒸發(fā)構(gòu)件，并然后被從多孔層結(jié)構(gòu)的表面到徑向向內(nèi)通過蒸發(fā)層的流體的對流熱傳遞所截斷。 這樣的配置可允許被引導(dǎo)穿過蒸發(fā)構(gòu)件的稀釋流束的后續(xù)部分被加熱成在大約500°C到大約1000°C之間的范圍內(nèi)的溫度，同時將多孔蒸發(fā)構(gòu)件的溫度維持在為其所使用的材料的設(shè)計范圍之內(nèi)。用于多孔蒸發(fā)構(gòu)件的適宜材料可包括，例如，多孔陶瓷、難溶金屬纖維墊，鉆孔圓柱體部，和/或燒結(jié)(sintered)的金屬層或燒結(jié)的金屬粉末。蒸發(fā)構(gòu)件的第二個功能是可確保稀釋的蒸發(fā)流體徑向向內(nèi)，且縱向沿著燃燒器基本均勻地流動，以獲得稀釋流體的第二部分與燃燒產(chǎn)物之間良好的混合，同時引起沿著燃燒室的長度的均勻軸向流量。蒸發(fā)構(gòu)件的第三個功能是達到稀釋流體徑向向內(nèi)的速率以便提供緩沖，或以其他方式中途截流在燃燒產(chǎn)物中的灰分或其它致污物的固體和/或液體顆粒，以免沖擊蒸發(fā)層表面，和引起阻塞或其它損害。這樣的因素可能僅在例如燃燒諸如煤的具有殘留惰性非易燃殘留物的燃料時很重要。環(huán)繞蒸發(fā)構(gòu)件的燃燒器壓力容器內(nèi)壁也可被絕熱，以隔離在燃燒器內(nèi)的高溫的第二稀釋流束。具有非易燃殘留物的煤或其它燃料可作為水中的漿料或優(yōu)選地作為液體(X)2中的漿料被引入燃燒器。漿料的液體部分以接近環(huán)境的溫度并在動力循環(huán)中的最低壓力下離開動力系統(tǒng)。在這樣的情況下，在漿料入口條件和氣體出口條件之間每摩爾的焓(enthalpy) 差異對于H2O可為大約lOkcal/gm-mol，對于(X)2大約為2. 78kcal/gm-mol，假設(shè)(X)2漿料流的效率明顯更高。在使用(X)2作為工作流體的較高壓力動力循環(huán)中，需要較少的附加能量， 以產(chǎn)生在大約-30°C到大約10°C之間的范圍內(nèi)的溫度的液體C02。產(chǎn)生非易燃殘留物的諸如煤的通常為固體的燃料的燃燒溫度優(yōu)選地在大約 1800°C到大約3000°C之間的范圍內(nèi)。在這樣的條件下，灰分或其它致污物將是在漿料燃料進給中的從燃料顆粒衍生的液體熔渣小滴的形式。這些液體熔渣小滴必須被有效地去除， 以便抵御動力渦輪機或其它下游處理的污染。去除可通過使用例如旋流分離器、沖擊分離器，或以環(huán)形配置布置的梯度耐火顆粒過濾器的底板或它們的組合來完成。在特定的方面， 可通過一系列旋流分離器來從高溫工作流體束中去除小滴。為實現(xiàn)高效的去除，在系列中優(yōu)選地具有至少兩個旋流分離器，并且優(yōu)選地具有3個旋流分離器?？赏ㄟ^許多因素增強去除效率。例如，可調(diào)整去除溫度，以確保熔渣粘稠度低到足以從分離器去除自流排出液體小滴。有時可能必須在燃燒溫度和最終的輸出流體束溫度之間的中間溫度下執(zhí)行熔渣去除。在這樣的情況下，最終的輸出流體束排出溫度可通過使回收工作流體(蒸發(fā)物質(zhì))的一部分直接與離開熔渣去除系統(tǒng)的流體束混合來實現(xiàn)。期望旋流分離器的直徑應(yīng)該相對較低(即，直徑在大約20cm和大約50cm之間的范圍內(nèi))，同時熔渣小滴的直徑應(yīng)該足夠高以提供良好的分離效果。這樣的條件可通過例如研磨煤燃料達到，以獲得> 50微米顆粒直徑的高份額來實現(xiàn)。優(yōu)選地，煤形成平均顆粒直徑在大約50微米到大約100微米之間的顆粒， 這可導(dǎo)致在輸出工作流體流中存在的直徑為10微米以下的熔渣顆粒的份額最小化。在某些情況下，在旋流分離器之后可跟隨有直接部署在渦輪機上游的環(huán)形過濾器。在特定的方面，在系統(tǒng)中燃燒產(chǎn)物的滯留時間為，對于天然氣在0. 2秒到2秒的范圍內(nèi)，而對于含浙青的煤在0. 4秒到4秒的范圍內(nèi)。離開燃燒器的流體束可展現(xiàn)出各種不同的特征，例如，流體束可包括氧化流體。這樣，流體束可包括可迅速地被附加氧化劑(例如，氧氣)氧化(例如，燃燒)的一種或更多種組分。在某些方面，流體束可以是包括選自于包括H2、CO、CH4, 和其組合物的組中的一種或更多種組分的還原流體。除次級稀釋的比例將逐漸減小而轉(zhuǎn)變成H2+C0的燃料份額增加外，在還原模式下系統(tǒng)的操作將大體上與氧化模式類似。還可能需要將燃燒產(chǎn)物的平均滯留時間逐漸增加，對于天然氣來說，隨著轉(zhuǎn)變成的壓+CO增加到最大，平均滯留時間增加到大約2. 5秒到大約4. 5秒之間，而對于含浙青的煤來說增加到大約6秒到大約10秒之間。以上所述的和其它的方面因此解決了所指出的需求，并且提供了有益效果，正如在此詳細說明的那樣。


已經(jīng)概括地描述了申請后，現(xiàn)在可參考附圖，這些附圖并不需要依比例描繪，并且其中圖1是依據(jù)本申請的一定方面對蒸發(fā)冷卻燃燒設(shè)備的示意性說明；圖2是依據(jù)本申請的一定方面對燃燒設(shè)備中的蒸發(fā)構(gòu)件壁的示范性橫截面的示意性說明；圖3A和圖:3B依據(jù)本申請的一定方面示意性地說明了用于燃燒設(shè)備的蒸發(fā)構(gòu)件組裝的熱裝配處理；
圖4依據(jù)本申請的一定方面示意性地說明了燃燒產(chǎn)生的致污物的消除設(shè)備；圖5是依據(jù)本申請的一定方面，示出了灰分顆粒作為平均顆粒尺寸和蒸發(fā)流體流動率的函數(shù)的軌跡示意圖；以及圖6是依據(jù)本申請的一定方面的可用的動力發(fā)生系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式此后將參考附圖更完整地描述本申請，其中示出了其中的一些方面，但并非所有的方面。實際上，本申請可以許多不同的形式實現(xiàn)，而不應(yīng)被解釋成被限制于在此所闡述的各方面；而是，提供這些方面是為了使本申請滿足可適用的法律要求。在全文中，相同的數(shù)字指示相同的元件。在圖1中示范性地說明了依據(jù)本申請，能夠使用固體燃料工作的燃燒設(shè)備的一個方面，該燃燒設(shè)備總體用數(shù)字220。在該示例中，燃燒設(shè)備220可被配置成燃燒諸如煤的特定固體，以形成燃燒產(chǎn)物，但是如在此所揭示的任意其它適宜的可燃有機材料也可用作燃料。燃燒室222可由蒸發(fā)構(gòu)件230限定出，該蒸發(fā)構(gòu)件230被配置成引導(dǎo)蒸發(fā)流體從此通過進入燃燒室222(即促進蒸發(fā)冷卻和/或緩沖燃燒產(chǎn)物與蒸發(fā)構(gòu)件230之間的相互作用)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將體會到，蒸發(fā)構(gòu)件230可基本為圓柱形，以便限定出基本成圓柱形的燃燒室222，該燃燒室222具有入口部222A和對面的出口部222B。該蒸發(fā)構(gòu)件230可至少部分地被耐壓構(gòu)件338包圍。燃燒室222的入口部222A可被配置成從總體由數(shù)字250指示的混合裝置接收燃料混合物。依據(jù)特定的方面，所述燃料混合物在燃燒室222內(nèi)以特定的燃燒溫度燃燒，以形成燃燒產(chǎn)物，其中燃燒室222被進一步配置成將燃燒產(chǎn)物向出口部222B 引導(dǎo)。熱排除裝置350(見例如圖幻可與耐壓構(gòu)件338相關(guān)聯(lián)，并被配置成控制其溫度。在特定的情況下，熱排除裝置350可包括至少部分由在耐壓構(gòu)件338對面的壁336限定的傳熱套件(jacket)，其中液體可在其間定義的水循環(huán)套件337中循環(huán)。在一方面，循環(huán)的液體可為水?；旌涎b置250被配置成將具有富氧(enriched oxygen) 242的碳質(zhì)燃料2M和工作流體236混合，以形成燃料混合物200。碳質(zhì)燃料2M可以固體碳質(zhì)燃料、液體碳質(zhì)燃料和/或氣體碳質(zhì)燃料的形式提供。富氧242可以是摩爾純度大于約85%的氧。富氧242可通過例如本領(lǐng)域已知的任意的空氣分離系統(tǒng)/技術(shù)供應(yīng)，例如，可實施低溫空氣分離處理， 或高溫離子運轉(zhuǎn)薄膜氧分離處理(從空氣)。工作流體236可以是二氧化碳和/或水。在碳質(zhì)燃料2M為微粒固體，諸如粉狀煤254A的情況下，混合裝置250可被進一步布置成將微粒固體碳質(zhì)燃料254A與流態(tài)物質(zhì)255混合。依據(jù)一方面，微粒固體碳質(zhì)燃料254A的平均顆粒尺寸可在約50微米與約200微米之間。依據(jù)再另一方面，流態(tài)物質(zhì)255可包括水和 /或密度在約450kg/m3與約lOOkg/w3之間的液態(tài)C02。更具體地，流態(tài)物質(zhì)255可與微粒固體碳質(zhì)燃料254A共同形成微粒固體碳質(zhì)燃料254A例如占重量的約25%至約55%之間的漿料250A。雖然在圖2中氧242被示出為在被引入燃燒室222之前與燃料2M和工作流體236混合，本領(lǐng)域技術(shù)人員將體會到，在某些情況下，氧242可被單獨地引入燃燒室222， 正如所需要的或者期望的。在某些方面，混合裝置250可包括，例如，被布置成在蒸發(fā)構(gòu)件230的端壁223周圍的間隔開的噴嘴陣列(未示出)，該噴嘴陣列與圓柱形燃燒室222的入口部222A相關(guān)聯(lián)。以這種方式將燃料/燃料混合物注入燃燒室222可提供例如所注入燃料混合物入口流束的較大的表面面積，這繼而可以促進通過輻射將熱量快速傳遞給注入燃料混合物入口流束。 注入燃料混合物的溫度可因此迅速升高到燃料(即，煤顆粒)的燃點溫度，并且可因此導(dǎo)致壓縮燃燒。燃料混合物的注入速度可以在例如約lOm/sec與約40m/sec之間的范圍內(nèi)，但是這些值可取決于許多因素，諸如特定噴嘴的配置。這樣的注入裝置可采用許多不同的形式。例如，注入裝置可包括直徑在例如約0. 5mm到約3mm之間的孔陣列，其中所注入的燃料將以在約lOm/s到約40m/s之間的速度從此通過而被注入。正如在圖2中更詳細地示出的，燃燒室222由蒸發(fā)構(gòu)件230定義，該蒸發(fā)構(gòu)件可至少部分被耐壓構(gòu)件338包圍。在某些情況下，耐壓構(gòu)件338可進一步至少部分地被傳熱套件 336包圍，其中傳熱套件336與耐壓構(gòu)件338共同在它們之間限定出一個或多個通道337， 較低壓力的水流束可通過該通道337循環(huán)。通過揮發(fā)(evaporation)機構(gòu)，循環(huán)的水可因此被用于控制和/或保持所選擇的耐壓構(gòu)件338的溫度(例如，在約100°C到約250°C范圍內(nèi))。在某些方面，保溫層339可被設(shè)置在蒸發(fā)構(gòu)件230與耐壓構(gòu)件338之間。在某些情況下，蒸發(fā)構(gòu)件230可包括，例如，外蒸發(fā)構(gòu)件331和內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332，內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332被設(shè)置在與耐壓構(gòu)件338相反的外蒸發(fā)構(gòu)件331側(cè)面，并且限定出了燃燒室 222。外蒸發(fā)構(gòu)件331可包括諸如鋼和鋼合金，包括不銹鋼和鎳合金的任意適宜的耐高溫材料。在某些情況下，外蒸發(fā)構(gòu)件331可被配置成定義出了第一蒸發(fā)流體供應(yīng)通路333A，該第一蒸發(fā)流體供應(yīng)通路333A從外蒸發(fā)構(gòu)件331與絕緣層339相鄰的表面延伸穿過外蒸發(fā)構(gòu)件331到達外蒸發(fā)構(gòu)件331與內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332相鄰的表面。在某些情況下，該第一蒸發(fā)流體供應(yīng)通路333A可對應(yīng)于由耐壓構(gòu)件338、傳熱套件336和/或絕緣層339定義的第二蒸發(fā)流體供應(yīng)通路333B。該第一和第二蒸發(fā)流體供應(yīng)通路333A、33!3B可因此被配置成協(xié)同引導(dǎo)蒸發(fā)流體210從此穿過到達內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332。在某些情況下，正如例如在圖1中所示出的，蒸發(fā)流體210可包括工作流體236，并可從與其相關(guān)聯(lián)的相同的源獲得。如果需要，該第一和第二蒸發(fā)流體供應(yīng)通路333A、33!3B可以是保溫的，以便以足夠的供給量和以足夠的壓力輸送蒸發(fā)流體210(即CO2)，使得蒸發(fā)流體210被引導(dǎo)穿過內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332，進入燃燒室 222。如在此揭示的這樣的措施涉及蒸發(fā)構(gòu)件230和相關(guān)的蒸發(fā)流體210，可允許燃燒設(shè)備 220在相對高的壓力和相對高的溫度下操作，如本文其他部分所揭示的。出于這種考慮，內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332可包括例如多孔陶瓷材料、穿孔材料、層壓材料、 包括二維隨機定向且第三維規(guī)則排列的纖維的多孔襯墊，或者任意其它的適宜材料或其組合，其展示出在此所揭示的需要的特征，即，多個流通通路或小孔，或其它適宜的開口 335， 用于接收和引導(dǎo)蒸發(fā)流體穿過內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332。多孔陶瓷和適宜用于這種蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的其它材料的非限制性示例包括氧化鋁、氧化鋯、相變增韌鋯(transformation-toughened zirconium)、銅、鉬、鎢、滲銅的鎢(copper-infiltrated tungsten)、鎢敷涂鉬、鎢敷涂銅、 各種高溫鎳合金，以及包裹或敷涂錸的材料。適宜的材料來源包括例如CoorsTek，Inc., (Golden,CO) (^) ；UltraMet Advanced Materials Solutions(PacoimaXA) ( Xtit^Mi^ 層)；Orsam Sylvania(Danvers,MA) (1 /；以及MarkeTech International, Inc. (Port Townsend, WA)(鎢)。適宜用于這種蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的穿孔材料的示例包括以上所有材料和供應(yīng)商(在此可通過例如對初始未穿孔的結(jié)構(gòu)使用本制造領(lǐng)域內(nèi)已知的方法進行穿孔，以獲得穿孔的端部結(jié)構(gòu))。適宜的層壓材料的示例包括以上所有材料和供應(yīng)商(此處可通過例如以使用本制造領(lǐng)域內(nèi)已知的方法獲得期望的端部多孔性這樣的方式對非多孔或部分多孔的結(jié)構(gòu)進行層壓獲得層壓端部結(jié)構(gòu))。圖3A和圖;3B說明了在燃燒設(shè)備220的一方面，定義燃燒室222的結(jié)構(gòu)可通過在蒸發(fā)構(gòu)件230和包圍結(jié)構(gòu)(諸如耐壓構(gòu)件338或者布置在蒸發(fā)構(gòu)件230和耐壓構(gòu)件338之間的絕緣層339)之間的“熱”干涉配合(interference fit)形成。例如，當(dāng)相對較“冷” 時，可使蒸發(fā)構(gòu)件230維度在相對于周圍的耐壓構(gòu)件338的輻射和/或軸向方向上較小。 同樣地，當(dāng)被插入耐壓構(gòu)件338中時，在其之間可能出現(xiàn)放射狀和/或軸向空隙(見，例如圖3A)。當(dāng)然，這樣的尺度差異可便于將蒸發(fā)構(gòu)件230插入耐壓構(gòu)件338中。但是，當(dāng)被加熱以例如期望達到操作溫度時，蒸發(fā)構(gòu)件230可被配置成放射狀和/或軸向擴展，以減少或者消除可注意到的空隙(見例如圖3B)。這樣，干涉軸和/或放射狀配合可在蒸發(fā)構(gòu)件230 和耐壓構(gòu)件338之間形成。在涉及具有外蒸發(fā)構(gòu)件331和內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332的蒸發(fā)構(gòu)件230 的示例中，這樣的干涉配合可將內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332置于壓縮狀態(tài)下。這樣，適宜的耐高溫的易碎材料，諸如多孔陶瓷，可被用于形成內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332。對于這樣配置的內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332，蒸發(fā)物質(zhì)210可包括，例如，二氧化碳(即，來自和工作流體236相同的源)，其被引導(dǎo)穿過內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332使得該蒸發(fā)物質(zhì)210形成緩沖層231 (即，“蒸汽壁”)，在燃燒室222中該緩沖層與內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332直接相鄰，其中緩沖層 231可被配置成緩沖在內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332和液化的非易燃成分以及與燃燒產(chǎn)物相關(guān)聯(lián)的熱量之間的相互作用。也就是說，在某些情況下，蒸發(fā)流體210可例如至少在燃燒室222內(nèi)的壓力下，被運送穿過內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332，其中蒸發(fā)流體210(即，CO2流束)進入燃燒室222的流速足以用于使蒸發(fā)流體210與燃燒產(chǎn)物混合并使燃燒產(chǎn)物冷卻，以在滿足后續(xù)下游處理的入口要求的適當(dāng)溫度(即，渦輪機可能需要例如約1225°C的入口溫度)下形成輸出流體混合物，但是其中，輸出流體混合物保持足夠高的溫度，以將燃料中的熔渣滴或其它致污物維持成流態(tài)或液態(tài)。燃料的非易燃成分的液體狀態(tài)可促進，例如，這樣的致污物以液體形式， 優(yōu)選地以自由流通、低粘稠度的形式，從燃燒產(chǎn)物中分離出來，這很有可能減少了對用于實施這種分離的任意的可去除系統(tǒng)的阻塞或其他方式的損壞。實踐中，這樣的要求可取決于各種因素，諸如所采用的固體含碳燃料(即，煤)的類型以及在燃燒處理中形成的熔渣的具體特征。也就是說，在燃料室222內(nèi)的燃燒溫度優(yōu)選地使得在該含碳燃料中的任何非易燃成分在燃燒產(chǎn)物中被液化。在特定的方面，多孔的內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332因此被配置成引導(dǎo)蒸發(fā)流體以徑向向內(nèi)的方式進入燃燒室222，以便在定義出燃燒室222的內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332的表面周圍形成流體障壁 (barrier wall)或者緩沖層231 (例如見圖2)。內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332的表面也被燃燒產(chǎn)物加熱。 這樣，多孔內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332可被配置成具有適宜的熱傳導(dǎo)性，使得經(jīng)過內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332的蒸發(fā)流體210被加熱，同時多孔內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332被同步冷卻，導(dǎo)致定義出燃燒室222的內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332的表面溫度為在最高燃燒溫度范圍內(nèi)例如約1000°C。因此通過蒸發(fā)流體210形成的流體障壁或緩沖層231與內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332共同對內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332與高溫燃燒產(chǎn)物以及熔渣或其它致污物顆粒之間的相互作用進行緩沖，并且這樣，緩沖了內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332的觸碰、 污損或其它損壞。進一步地，蒸發(fā)流體210經(jīng)由內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332被引入燃燒室222，以這樣一種方式以便在約500°C到約2000°C之間的溫度下在燃燒室222的出口部222B附近調(diào)節(jié)所述蒸發(fā)流體210和燃燒產(chǎn)物的輸出混合物。
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依據(jù)某些方面，正如在此所揭示的適宜在燃燒設(shè)備220中應(yīng)用的蒸發(fā)流體210可包括任何適當(dāng)?shù)牧黧w，其應(yīng)被提供成能夠以充足的量和壓力流過內(nèi)蒸發(fā)構(gòu)件332，以形成流體障壁/緩沖層231，并能夠稀釋燃燒產(chǎn)物以產(chǎn)生工作流體/燃燒產(chǎn)物輸出流體束的適宜的最終出口溫度。在某些方面，CO2可以是適宜的蒸發(fā)流體210，因為由此形成的流體障壁 /緩沖層可顯示出良好的絕熱性質(zhì)和可期望的可見光和UV光線吸收的性質(zhì)。如果被應(yīng)用， CO2被用作超臨界流體。適宜的蒸發(fā)流體的其它示例包括例如H2O或從下游處理回收到的經(jīng)冷卻的燃燒產(chǎn)物氣體。一些燃料可在燃燒設(shè)備啟動過程中被用作蒸發(fā)流體，以在注入操作過程中使用的燃料源之前，在燃燒室222中獲得，例如，適當(dāng)?shù)牟僮鳒囟群蛪毫ΑＲ恍┤剂线€可被用作蒸發(fā)流體以在燃料源之間的轉(zhuǎn)換過程中(諸如，當(dāng)從煤轉(zhuǎn)換到作為燃料源的生物體時)調(diào)整或維持所述燃燒設(shè)備220的操作溫度和壓力。在某些方面，可使用兩種或更多種蒸發(fā)流體。蒸發(fā)流體210可針對的溫度和壓力條件被優(yōu)化，在燃燒室222處蒸發(fā)流體210形成了流體障壁/緩沖層231。本申請的各方面因此提供了用于通過應(yīng)用高效燃料燃燒設(shè)備220和相關(guān)聯(lián)的工作流體236，產(chǎn)生動力(諸如電動力)的設(shè)備和方法。工作流體236與適當(dāng)?shù)娜剂闲?和氧化劑M2，以及也可用于有效燃燒的任意的相關(guān)材料一起被引入燃燒設(shè)備220。在特定的方面，實現(xiàn)被配置成以相對高的溫度(例如，在約1300°C到約3500°C之間的范圍內(nèi))操作的燃燒設(shè)備220，工作流體236可促進對離開燃燒設(shè)備220的流體束的溫度的調(diào)整，使得流體束可被用于從中提取能量，以便達到產(chǎn)生動力的目的。在一定的方面，蒸發(fā)冷卻燃燒設(shè)備220可使用循環(huán)工作流體236，在動力發(fā)生系統(tǒng)中實現(xiàn)，循環(huán)工作流體236包括例如占主要部分的(X)2和/或H20。在一個特定的方面，進入燃燒設(shè)備220的工作流體236優(yōu)選地基本上僅包括C02。在燃燒設(shè)備220中，在氧化條件下操作，CO2工作流體236可混同燃料254、氧化劑M2，和燃料燃燒處理的任意產(chǎn)物中的一種或更多種組分。因此，正如圖1所示，被引導(dǎo)向出口部222B并離開燃燒設(shè)備220的工作流體 236 (在此也可被稱為輸出流體束)可包括占主要部分的(X)2 (在工作流體的主要部分為(X)2 的情況下)，以及較小量的其它材料，諸如H20、02、N2、氬、SO2, SO3> NO, NO2, HCL、Hg和可能是燃燒處理的產(chǎn)物的微量的其它成分(例如，顆?；蛑挛畚?，諸如灰分或者液化的灰分)。見圖1中的成分150。在還原條件下燃燒設(shè)備220的操作可導(dǎo)致輸出流體束具有不同的可能的成分列表，包括CO2, H2O, H2, CO、NH3> H2S, COS、HCL、N2,和氬，正如在圖1中成分175所示出的。正如在此進一步詳細討論的，與燃燒設(shè)備220相關(guān)聯(lián)的燃燒處理可受到控制，使得排除流體束的屬性可以是還原的或者氧化的，其中每種情況可提供特定的優(yōu)點。在特定的方面，燃燒設(shè)備220可被配置成高效、蒸發(fā)冷卻的燃燒設(shè)備，其能夠在相對高的操作溫度下(例如，在約1300°C到約3500°C之間的范圍內(nèi))提供對燃料邪4相對完全的燃燒。在某些情況下，這樣的燃燒設(shè)備220可應(yīng)用一種或者更多種的冷卻流體，和/或一種或更多種蒸發(fā)流體210。與蒸發(fā)設(shè)備220相關(guān)聯(lián)，也可應(yīng)用額外的部件。例如，可提供空氣分離單元，用于分離N2和O2，并且可提供燃料注入裝置，用于從空氣分離單元接收02， 并將這些A與(X)2和/或H2O,以及包括氣體、液體、超臨界流體，或者在高密度CO2流體中漿料化的固體顆粒燃料的燃料流束相結(jié)合。在另一方面，蒸發(fā)冷卻燃燒設(shè)備220可包括燃料注入器，用于將加壓的燃料流束注入燃燒設(shè)備220的燃燒室222，其中該燃料流束可包括經(jīng)處理的含碳燃料254、流體化的介質(zhì)255 (其可包括工作流體236，正如在此所討論的)，以及氧M2。(富)氧242和(X)2工作流體236可被組合成勻相的鄰界混合物。存在的氧含量可足以燃燒燃料并產(chǎn)生具有期望成分的燃燒產(chǎn)物。燃燒設(shè)備220還可包括被配置成高壓、高溫燃燒容積的燃燒室222，用于接收燃料流束，以及穿過定義出燃燒室222的多孔蒸發(fā)構(gòu)件230的壁進入該燃燒體積的蒸發(fā)流體210。蒸發(fā)流體210的進給率可被用于將燃燒設(shè)備出口部/渦輪機入口部溫度控制到期望的值和/或?qū)⒄舭l(fā)構(gòu)件230冷卻到可與形成蒸發(fā)構(gòu)件230的材料相適宜的溫度。被引導(dǎo)穿過蒸發(fā)構(gòu)件230的蒸發(fā)流體210在定義出燃燒室222的蒸發(fā)構(gòu)件230的表面上提供了流體/緩沖層，其中流體/緩沖層可防止由一定的燃料燃燒導(dǎo)致的灰分顆?；蛘咭后w熔渣與蒸發(fā)構(gòu)件230的暴露出來的壁相互作用。高效燃燒設(shè)備的方面還可被配置成使用各種燃料源進行操作，這些燃料源包括例如各種等級和類型的煤、木頭、油、燃油、天然氣、基于煤的燃氣、焦油或者焦油砂(tar sands)、浙青、生物燃油、生物體、藻類(algae)，以及劣化的易燃固體垃圾廢料。尤其可使用煤粉或顆粒固體。雖然在此揭示了示范性的燃煤燃燒設(shè)備220，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將體會到在燃燒設(shè)備220中使用的燃料并不限于具體的煤的等級。此外，由于在此揭示的通過含氧燃料的燃燒設(shè)備維持了高壓和高溫，可實現(xiàn)燃料類型的廣泛多樣性，包括煤、浙青 (包括從焦油砂衍生出的浙青)、焦油、柏油(asphalt)、舊輪胎、燃油、柴油、汽油、噴氣燃料 (JP-5、JP-4)、天然氣、由碳氫化材料汽化或高溫分解衍生的氣體、乙醇、固體和液體生物燃料、生物體、藻類，以及經(jīng)處理的固體垃圾和廢料。所有這樣的燃料被適當(dāng)?shù)靥幚硪栽试S用于以充足的速率和以高于燃燒室222內(nèi)壓力的壓力下注入燃燒室222。這樣的燃料可以在環(huán)境溫度或提高的溫度下(例如，在約38°C到約425°C之間)呈液態(tài)、漿料狀、凝膠狀，或具有適當(dāng)?shù)牧鲃有院驼承缘暮隣钚问?。任意固體燃料被渣滓化或切碎，或以其他方式處理將顆粒尺寸減小成適宜的那樣。如果需要，可添加流體化或漿料介質(zhì)以獲得適宜的形式并滿足高壓抽吸的流通需求。當(dāng)然，依據(jù)燃料的形式(即，液體或氣體)可能不需要流體化介質(zhì)。 同樣地，在某些方面，循環(huán)的工作流體可被用作流體化介質(zhì)。在某些方面，燃燒室222被配置成維持在約1300°C到約3500°C之間的燃燒溫度。 燃燒室222可進一步被配置成使得燃料流束(以及工作流體236)在比燃燒產(chǎn)生的壓力更高的壓力下可被噴注或以其他方式被引導(dǎo)進入燃料室222。此處煤顆粒為碳質(zhì)燃料，煤顆?？杀粷{料化成臨界CO2流體，由混合的液體(X)2或者水與渣滓化固體燃油形成可抽吸的漿料。在這種情況下，液體(X)2可具有在大約450kg/m3到大約100kg/m3范圍內(nèi)的密度，并且固體燃料的質(zhì)量百分比可以在約25%到約55%的范圍內(nèi)。視情況，O2的量可與煤/0)2漿料混合，足以燃燒煤以產(chǎn)生期望的燃燒產(chǎn)物組分。視情況，O2可被單獨地注入燃燒室222。 燃燒設(shè)備220可包括耐壓構(gòu)件338，其至少部分地包圍定義出燃燒室230的蒸發(fā)構(gòu)件230， 其中保溫構(gòu)件339可被布置在耐壓構(gòu)件338和蒸發(fā)構(gòu)件230之間。在某些情況下，熱排除裝置350，諸如定義出水循環(huán)套件337的套件水冷卻系統(tǒng)，可與耐壓構(gòu)件338接合(S卩，在耐壓構(gòu)件338外部形成燃燒設(shè)備220的“殼”)。關(guān)聯(lián)燃燒設(shè)備220的蒸發(fā)構(gòu)件230實現(xiàn)的蒸發(fā)流體210可以是，例如，與較少量的H2O和/或諸如N2或氬的惰性氣體混合的C02。蒸發(fā)構(gòu)件230可包括，例如，多孔材料、陶瓷、復(fù)合機體、層狀歧管(layered manifold)，任意其它適宜的結(jié)構(gòu)，或者其組合物。在某些方面在燃燒室222內(nèi)的燃燒可產(chǎn)生高壓、高溫輸出流體束，其可足以被引導(dǎo)到諸如渦輪機的動力產(chǎn)生設(shè)備，用于相關(guān)膨脹。
關(guān)于在圖1中說明的設(shè)備方面，燃燒設(shè)備220可被配置成在大約355巴(bar)的壓力下接收氧M2。而且，顆粒狀固體燃料(例如粉狀煤)2 ，以及流態(tài)化流體(例如，液體CO2) 255也可在約355巴的壓強下被接收。類似地，工作流體(例如，加熱的、高壓、能夠回收的、CO2流體)236可在約355巴的壓力以及約835°C的溫度下被提供。依據(jù)本申請的方面，然而，燃料混合物(燃料、流態(tài)化的流體、氧，和工作流體)可在約40巴到約500巴之間的壓力下在燃燒室222的入口部222A處被接收。正如在此揭示的，通過燃燒設(shè)備220的方面實施的相對高的壓力可起到將其產(chǎn)生的能量在最小化的體積中集中成相對高的密度的作用，這基本上導(dǎo)致了相對高的能量密度。相對高的能量密度允許對該能量的下游處理以比在較低壓力下更高效的方式執(zhí)行，并且因此提供了技術(shù)上的可用因素。本申請的方面可因此提供了比現(xiàn)有動力反應(yīng)爐更大的數(shù)量級的能量密度(即，10-100 fold)。較高的能量密度提高了處理效率，但是也減少了實現(xiàn)從熱能到電能的能量變換的裝備需要的成本， 通過減少裝備的尺寸和質(zhì)量，因此減少裝備的成本。當(dāng)被實現(xiàn)時，(X)2流態(tài)化流體255 (其在CO2三相點壓力和CO2臨界壓力之間的任意壓力下為液態(tài))與粉狀煤燃料邪4相混合以形成質(zhì)量百分比為約55%的CO2和約45%或者其它質(zhì)量比例的粉狀煤混合物，使得所得到的漿料可通過適宜的泵(作為流體漿料)在已知為約355巴的壓力下被抽吸到燃燒室222。在某些方面，(X)2和粉狀的煤可在進行抽吸之前以約13巴的壓力被混合。&流束242與循環(huán)(X)2工作流體束236混合，且組合物然后與粉狀煤/(D2漿料混合以形成一種流體混合物?？蓪⒒c煤的比例選擇成足以使煤與額外
的過量A完全燃燒。另一方面，可對A量進行選擇以便允許煤的一部分充分地完全氧化，同時另一部分僅部分氧化，導(dǎo)致流體混合物減少，并且其包括一些&+C0+CH4。以這樣的方式，可實現(xiàn)燃燒產(chǎn)物的兩個階段的膨脹，正如所需要的或者所期望的，使用一些O2注入并在第一和第二階段之間再加熱。在進一步的方面，經(jīng)由燃料混合在燃燒室222中存在的(X)2 的量被選擇成足以實現(xiàn)燃燒溫度(隔熱或以其他方式)約在M00°C，但是燃燒溫度也可在大約1300°C到大約3500°C之間的范圍內(nèi)。在一方面以在燃料混合物的自動點火溫度以下的最終溫度提供O2+煤漿+加熱的回收(X)2的燃料混合物。為了獲得所指定的條件，通過例如在煤輥壓機中將固體煤磨碎，固體碳質(zhì)燃料(例如，煤)優(yōu)選地以在大約50微米到大約 200微米之間的平均顆粒尺寸被提供。這樣的磨碎處理可在配置成提供顆粒在約50微米以下的最小化質(zhì)量比例的輥磨機中執(zhí)行。以這種方式，其中在燃燒處理中被液化成液體熔渣小滴的任意非易燃的成分，其直徑可以大于約10微米。在某些方面，包括C02+02+粉狀煤漿料的燃料混合物可在大約400°C的溫度下以大約355巴的壓力被引導(dǎo)進入燃燒室222，其中在燃燒室222內(nèi)燃燒時純壓力可為大約354巴。該燃燒室222內(nèi)的溫度可在從大約1300°C 到大約3500°C之間的范圍內(nèi)，并且在一些優(yōu)選的方面，僅實現(xiàn)了一個燃燒階段。在燃燒設(shè)備220的一個示例中，正如在此所揭示的，500MW純電力系統(tǒng)可被配置成使用CH4燃料以大約58%的效率(較低的加熱值基準)在以下條件下工作燃燒壓力=35Oatm；燃料輸入862MW；燃料流17.^ig/秒；氧氣流69.5kg/ 秒；CH4和&可與秒的(X)2工作流體混合并燃燒以在M00°C的絕熱溫度下產(chǎn)生包括C02、H20和一些過量的&輸出流體束。燃燒室可具有大約Im的內(nèi)直徑和大約5m的長度。3%kg/秒的(X)2流以大約600°C的溫度被引導(dǎo)向大約2. 5cm厚的蒸發(fā)構(gòu)件，并且被引導(dǎo)穿過該蒸發(fā)構(gòu)件。這些(X)2由通過蒸發(fā)構(gòu)件傳導(dǎo)的熱量以對流的方式被加熱，該熱量源于燃燒室內(nèi)的燃燒發(fā)熱到達蒸發(fā)構(gòu)件。定義出燃燒室的內(nèi)表面周圍，蒸發(fā)構(gòu)件表面溫度可為大約1000°C，而636. 7公斤/ 秒的輸出流體束可處于大約1350°C的溫度下。在某些情況下，燃燒和稀釋燃燒產(chǎn)物的平均滯留時間為大約1. 25秒。而且，通過蒸發(fā)構(gòu)件進入燃燒室的蒸發(fā)流體平均徑向向內(nèi)速率為大致 0. 15m/s。對煤燃料燃燒設(shè)備的示例進行修改，導(dǎo)致在燃燒室中用于燃燒和對燃燒產(chǎn)物進行稀釋的平均滯留時間的配置為大約2. 0秒，并且燃燒室長度約8m，具有大約Im的內(nèi)直徑。 使用CO2作為稀釋(蒸發(fā))流體的系統(tǒng)的凈效率因此大約(較低加熱值基準)。在這樣的情況下，蒸發(fā)流體徑向向內(nèi)速率可為大約0. 07m/s。在這樣的條件下，圖5示出了以大約50m/s的速度從距蒸發(fā)構(gòu)件Imm的距離處徑向向外投射向蒸發(fā)構(gòu)件的直徑為50微米的液體熔渣顆粒的假想軌跡。正如所示出的，在通過流經(jīng)蒸發(fā)構(gòu)件的蒸發(fā)流體被承載返回輸出流體束之前，顆粒將達到距蒸發(fā)構(gòu)件最小0. 19mm。在某些情況下，蒸發(fā)流體流經(jīng)蒸發(fā)構(gòu)件，有效緩沖了蒸發(fā)構(gòu)件和由燃燒處理產(chǎn)生的液體熔渣顆粒之間的相互作用。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能體會到的，所揭示的燃燒設(shè)備的各方面可使用適當(dāng)?shù)姆椒▽崿F(xiàn)成適宜的動力產(chǎn)生系統(tǒng)。例如，這樣的動力產(chǎn)生系統(tǒng)可包括一個或更多個注入器，用于提供燃料(并視情況提供流態(tài)化介質(zhì))、氧化劑，和(X)2工作流體；正如在此所揭示的，蒸發(fā)冷卻燃燒設(shè)備具有至少一個用于燃燒燃料混合物的燃燒階段，并提供了輸出流體束。變換設(shè)備(見，例如，圖6中的元件500)可被配置成接收輸出流體束(燃燒產(chǎn)物和工作流體)， 并響應(yīng)于輸出流體束將與其相關(guān)的能量轉(zhuǎn)換成動能，其中轉(zhuǎn)換設(shè)備可以是例如具有入口和出口的動力產(chǎn)生渦輪機，并且其中由于輸出流體束膨脹而產(chǎn)生動力。更特定地，渦輪機可被配置成在入口與出口之間將輸出流體束維持成期望的壓力比。還可提供發(fā)電裝置(見，例如，在圖6中的元件550)以將渦輪機的動能變換成電能。也就是說，輸出流體束可由高壓膨脹到低壓，以產(chǎn)生軸動力，然后該軸動力能夠轉(zhuǎn)變成電力?？商峁峤粨Q器，用于冷卻來自渦輪機出口的輸出流體束，和用于加熱進入燃燒設(shè)備的(X)2工作流體。還可被提供一個或更多個裝置，用于將離開熱交換器的輸出流體束分離成純CO2,以及一種或更多種其他組分，用于回收或丟棄。這樣的系統(tǒng)還可包括一個或更多個裝置，這些裝置用于壓縮經(jīng)提純的 CO2，并用于將從輸出流體束分離的(X)2的至少一部分運送進入加壓管道，同時剩余部分作為通過熱交換器加熱的工作流體被回收。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員將體會到，雖然本申請涉及對輸出流體束的直接應(yīng)用，但是在某些情況下，也可間接地應(yīng)用相對高溫的輸出流體束。也就是說，輸出流體束可被引導(dǎo)到熱交換器，其中與輸出流體束關(guān)聯(lián)的熱能被用于加熱第二工作流體束，且然后將經(jīng)加熱的第二流體工作束引導(dǎo)到變換裝置(例如，渦輪機)以生成動力。而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員將體會到許多其它這樣的裝置也可落入本申請的范圍內(nèi)。在本申請的特定的方面，碳質(zhì)燃料的組份使得在其內(nèi)可包括不可燃成分(即，致污物)，并保持存在于燃燒處理后的燃燒產(chǎn)物/輸出流體束中。在碳質(zhì)燃料為例如煤的固體的情況下可以這樣做。在那些方面，如果輸出流體束被直接引導(dǎo)到轉(zhuǎn)換設(shè)備，對輸出流體束的直接應(yīng)用可導(dǎo)致這樣的非易燃的成分堵塞，或其它的對隨后的變換設(shè)備(渦輪機)的損壞。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將能夠體會到，當(dāng)應(yīng)用諸如液體或氣體(即，天然氣)的其它形式的含碳燃料時，這樣的非易燃成分可能不需要存在。因此，在實現(xiàn)固體碳質(zhì)燃料源和在輸出流體束與轉(zhuǎn)換設(shè)備之間的直接相互作用的各方面，動力系統(tǒng)(燃燒設(shè)備和變換設(shè)備)可進一步包括被布置在燃燒設(shè)備和變換設(shè)備之間的分離設(shè)備。在某些情況下，分離設(shè)備可被配置成在燃燒產(chǎn)物/輸出流體束被引導(dǎo)到變換設(shè)備之前，從燃燒產(chǎn)物/由此接收的輸出流體束中基本上去除液化的非易燃成分。此外，在實現(xiàn)分離設(shè)備的各方面，所揭示的蒸發(fā)物質(zhì)可被引入分離設(shè)備的上游或者下游。更特定地，蒸發(fā)物質(zhì)可被首先引入燃燒室，經(jīng)由蒸發(fā)構(gòu)件和分離設(shè)備上游，以便將蒸發(fā)物質(zhì)以及進入分離設(shè)備的燃燒產(chǎn)物的混合物調(diào)節(jié)到非易燃成分的液化溫度以上。在分離設(shè)備之后，蒸發(fā)物質(zhì)運送裝置(見例如，圖6中的元件47 可被配置成將蒸發(fā)物質(zhì)運送到離開分離設(shè)備的燃燒產(chǎn)物中，并將液化的非易燃成分從燃燒產(chǎn)物中基本上清除，以便將蒸發(fā)物質(zhì)和進入變換設(shè)備的燃燒產(chǎn)物的混合物調(diào)節(jié)在大約500°C到大約2000°C之間的溫度。正如前面所述，燃燒設(shè)備的各方面可包括能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒溫度的能力，該燃燒溫度導(dǎo)致在固體碳質(zhì)燃料中的非易燃成分在燃燒處理過程中被液化。在這樣的情況下，可使用用于去除液化的非易燃成分的裝置，例如，在圖4中示出的諸如氣旋分離器的分離設(shè)備 340。通常，通過本申請實現(xiàn)的這樣的氣旋分離器的各方面可包括多個串行布置的離心分離裝置100，包括被配置成接收燃燒產(chǎn)物/輸出流體束和與其相關(guān)聯(lián)的液化非易燃成分的入口離心分離裝置100A，和被配置成排出燃燒產(chǎn)物/輸出流體束的出口離心分離裝置100B， 該輸出流體束的液化的非易燃的成分被基本從中去除。每個離心分離裝置100包括多個離心分離元件或旋流器(cyclone) 1，其并行地可操作地布置在中心收集管2附近，其中每個離心分離元件/旋流器2被配置成從燃燒產(chǎn)物/輸出流體束中去除液化的非易燃成分的至少一部分，并將所去除的液化非易燃成分的部分引導(dǎo)到積垢器20。這樣的分離設(shè)備340可被配置成以被提高的壓力進行操作，并且諸如可進一步包括被配置成容納離心分離裝置和積垢器的耐壓外殼125。依據(jù)這樣的方面，耐壓外殼125可以是還包圍燃燒設(shè)備220的耐壓構(gòu)件338的延伸部，或者耐壓外殼125可以是能夠接合與燃燒裝置220相關(guān)聯(lián)的耐壓構(gòu)件 338的分離構(gòu)件。在任一種情況下，由于分離設(shè)備340經(jīng)由輸出流體束經(jīng)歷的被提高的溫度，耐壓外殼125還可包括散熱系統(tǒng)，諸如具有在其中循環(huán)的液體(未示出)的傳熱套件， 可操作地與其接合用于從其上去除熱量。在某些方面，熱量回收裝置(未示出)可操作地與傳熱套件接合，其中熱量回收裝置可被配置成接收在傳熱套件中循環(huán)的液體并從該液體中回收熱能。更特定地，在圖4中示出的(熔渣去除)分離設(shè)備340被配置成關(guān)于出口部222B 與燃燒設(shè)備220串行部署，用于從其中接收輸出流體束/燃燒產(chǎn)物。來自燃燒設(shè)備220的蒸發(fā)冷卻輸出流體束，其中具有液體熔渣(非易燃成分)小滴，被引導(dǎo)以經(jīng)由錐形減壓器10 進入入口離心分離裝置100A的中心收集裝置2A。一方面，分離裝置340可包括三個離心分離裝置100A、100B、100C(但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將體會到這樣的分離設(shè)備可包括一個、兩個、三個或更多個離心分離裝置，正如所需要或期望的)。在這樣的情況下，以串行的方式可操作地布置的三個離心分離裝置110A、100B、100C，提供了 3階段旋流分離單元。每個離心分離裝置包括，例如，布置在相應(yīng)的中心收集管2的周邊附近的多個離心分離器元件(旋流器1)。入口離心分離裝置100A的中心收集裝置2A和中心收集管2，以及中間的離心分離裝置100C各自在其出口端部被密封起來。在那些情況下，輸出流體束被引導(dǎo)進入與相應(yīng)的離心分離裝置100的離心分離器元件(旋流器1)中的每一個相對應(yīng)的支路通道11。這些支路通道11被配置成接合各自的旋流器1的入口端部，以因此形成切向入口(這導(dǎo)致了例如進入旋流器1的輸出流體束與旋流器1的壁相互作用形成螺旋流)。于是來自旋流器 1的出口通道3形成進入相應(yīng)的離心分離裝置100的中心收集管2入口部的路線。在出口離心分離裝置100B，輸出流體束(非易燃的成分已基本從其中分離)從出口離心分離裝置 100B的中心收集管引導(dǎo)并經(jīng)由收集管12和出口噴嘴5，使得“干凈的”輸出流體束可于是被引導(dǎo)到諸如與變換設(shè)備相關(guān)聯(lián)的后續(xù)處理中。示范性的三階段旋流分離裝置因此允許輸出流體束中的熔渣質(zhì)量被去除到例如5ppm以下。在分離設(shè)備340的每個階段，分離的液體熔渣從每一個旋流器1被引導(dǎo)通過向積垢器20延伸的出口管4。分離的液體熔渣然后被引導(dǎo)進入由積垢器20延伸出的出口噴嘴或管道14，以及耐壓外殼125，以便去除和/或回收其中的組分。在完成去除熔渣的過程中，液體熔渣可被指引通過水冷卻部分6或以其他方式通過具有高壓、冷水連接的部分，其中與水的相互作用導(dǎo)致液體熔渣固化和/或成為粒狀。固化熔渣和水的混合物然后可在容器(收集裝置)7中被分離成熔渣/水流體混合物，其可通過適宜的閥門9被去除，同時任何殘留氣體可經(jīng)由分離線路8去除。由于分離設(shè)備340與相對高溫的輸出流體束(即，在足以將非易燃成分保持為具有相對低的粘稠度的液體形式的溫度下)一起實現(xiàn)，在某些情況下，分離設(shè)備340的暴露于燃燒產(chǎn)品/輸出流體束和與其相關(guān)聯(lián)的液化非易燃成分中的一種的表面由被配置成具備耐高溫、耐高腐蝕，和低熱傳導(dǎo)性中至少一種的材料構(gòu)成。這樣的材料的示例可包括氧化鋯和氧化鋁，但是這樣的示例并不意圖被限制在任何的方式下。這樣做，在一定的方面，分離設(shè)備340被配置成基本上將液化非易燃成分從燃燒產(chǎn)物/排出流體束中去除，并將非易燃成分維持在低粘稠度液體形式，至少直到將其從積垢器20中去除。正如在此所揭示的，因為這樣做，在固體碳質(zhì)燃料的情況下，熔渣分離可在單個單元(分離設(shè)備340)中完成，在某些情況下，該單元可以很容易地從系統(tǒng)中取出，以便于維護和檢查。但是，這樣的方面可提供進一步的優(yōu)點，正如在圖6中所示出的，從而該系統(tǒng)可易于被配置成實現(xiàn)“撓性燃料”，獲得關(guān)于顆粒燃料源的有效操作。例如，當(dāng)燃燒設(shè)備220將固體碳質(zhì)燃料用作燃料源時，單個單元分離設(shè)備340可被安裝在該系統(tǒng)中，在燃燒設(shè)備220 與變換設(shè)備(渦輪機)500之間?？善谕氖菍⑵涓淖?yōu)橐后w或氣體碳質(zhì)燃料源，分離單元 340可從該系統(tǒng)中被移除(即，正如前面所討論的，并非必須)使得來自燃燒設(shè)備220的輸出流體束可直接被引導(dǎo)到變換設(shè)備500。該系統(tǒng)可因此易于變回應(yīng)用分離器單元340，使燃料可用性在以后可包括固體碳質(zhì)燃料源。本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到在此闡述的本申請的許多的變形和其它方面，對于這些， 本申請在前面的說明書和附圖中存在啟示。因此，應(yīng)該理解，本申請并不被限制在所揭示的具體的方面中，而變形和其他方面也意圖被包括在隨附的權(quán)利要求書的范圍中。雖然在此采用了具體的術(shù)語，但是它們僅被用作一般性和描述性的意義，而并不是為了限制的目的。
2權(quán)利要求
1.一種燃燒設(shè)備，包括混合裝置，配置成將碳質(zhì)燃料與富氧和工作流體相混合，以形成燃料混合物；以及燃燒室，其至少部分地由蒸發(fā)構(gòu)件定義出，該蒸發(fā)構(gòu)件進一步至少部分地被耐壓構(gòu)件包圍，該燃燒室具有入口部和相對的出口部，該燃燒室的入口部配置成接收燃料混合物，以便在所述燃燒室內(nèi)在燃燒溫度下燃燒所述燃料混合物，以形成燃燒產(chǎn)物，所述燃燒室進一步配置成將所述燃燒產(chǎn)物向所述出口部引導(dǎo)，所述蒸發(fā)構(gòu)件被配置成朝向所述燃燒室引導(dǎo)蒸發(fā)物質(zhì)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件，以便緩沖所述燃燒產(chǎn)物和所述蒸發(fā)構(gòu)件之間的相互作用。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述混合裝置進一步配置成將固體碳質(zhì)燃料、液體碳質(zhì)燃料和氣體碳質(zhì)燃料中的一種與所述富氧和所述工作流體相混合。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述工作流體包括二氧化碳和水中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述富氧包含摩爾純度約大于85%的氧。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述碳質(zhì)燃料為顆粒固體，并且所述混合裝置進一步配置成將所述顆粒固體碳質(zhì)燃料與流態(tài)化物質(zhì)相混合。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述顆粒固體碳質(zhì)燃料的平均顆粒尺寸在約50微米到約200微米之間。
7.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述流態(tài)化物質(zhì)包括水和密度在約450kg/m3到約 1100kg/m3之間的液體CO2中的一種，所述流態(tài)化物質(zhì)與所述顆粒固體碳質(zhì)燃料共同形成所述顆粒固體碳質(zhì)燃料占重量的約25%到約55%之間的漿料。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述燃燒室進一步配置成在其入口部在約40巴到約 500巴之間的壓力下接收所述燃料混合物。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述蒸發(fā)物質(zhì)配置成經(jīng)由所述蒸發(fā)構(gòu)件被引入所述燃燒室，以便在所述燃燒室的出口部附近將所述蒸發(fā)物質(zhì)和所述燃燒產(chǎn)物的輸出混合物調(diào)整到約500V到約2000°C之間的溫度。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述燃燒溫度被配置成使得在所述燃燒產(chǎn)物中所述碳質(zhì)燃料的任何非易燃成分被液化。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述蒸發(fā)物質(zhì)包括二氧化碳，其被引導(dǎo)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件，使得所述蒸發(fā)物質(zhì)在所述燃燒室內(nèi)形成與所述蒸發(fā)構(gòu)件直接相鄰的緩沖層，所述緩沖層被配置成緩沖所述蒸發(fā)構(gòu)件與所述液化非易燃成分和所述燃燒產(chǎn)物相關(guān)熱量之間的相互作用。
12.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述燃燒溫度在約1300°C到約3500°C之間。
13.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進一步包括與所述耐壓構(gòu)件相關(guān)聯(lián)，并被配置成控制其溫度的熱排除裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述熱排除裝置包括具有在其中循環(huán)的液體的傳熱套件。
15.一種燃燒方法，包括使用混合裝置將碳質(zhì)燃料與富氧和工作流體混合，以形成燃料混合物；在蒸發(fā)構(gòu)件定義出的燃燒室的入口部接收所述燃料混合物，該蒸發(fā)構(gòu)件進一步至少部分地被耐壓構(gòu)件包圍；在所述燃燒室內(nèi)以燃燒溫度燃燒所述燃料混合物，以形成燃燒產(chǎn)物；將所述燃燒產(chǎn)物引導(dǎo)向所述燃燒室的出口部；以及朝向所述燃燒室引導(dǎo)蒸發(fā)物質(zhì)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件，使得所述蒸發(fā)物質(zhì)緩沖所述燃燒產(chǎn)物與所述蒸發(fā)構(gòu)件之間的相互作用。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中將碳質(zhì)燃料與富氧以及工作流體混合，包括將固體碳質(zhì)燃料、液體碳質(zhì)燃料和氣體碳質(zhì)燃料中的一種與富氧以及所述工作流體混合。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中將碳質(zhì)燃料與富氧以及工作流體進行混合進一步包括將碳質(zhì)燃料與富氧以及包括二氧化碳和水中的一種的工作流體進行混合。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中將碳質(zhì)燃料與富氧以及工作流體進行混合進一步包括將碳質(zhì)燃料與摩爾純度大于約85%的富氧以及所述工作流體進行混合。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述碳質(zhì)燃料為顆粒固體，并且所述方法進一步包括經(jīng)由所述混合裝置將所述顆粒固體碳質(zhì)燃料與流態(tài)化物質(zhì)進行混合。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中將所述顆粒固體碳質(zhì)燃料與流態(tài)化物質(zhì)進行混合進一步包括將平均顆粒尺寸在約50微米到約200微米之間的所述顆粒固體碳質(zhì)燃料與流態(tài)化物質(zhì)進行混合。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中將所述顆粒固體碳質(zhì)燃料與流態(tài)化物質(zhì)進行混合進一步包括將所述顆粒固體碳質(zhì)燃料與包括水和密度在約450kg/m3到約1100kg/m3之間的液體(X)2中的一種的流態(tài)化物質(zhì)進行混合，以形成所述顆粒固體碳質(zhì)燃料占重量的約25% 至約55%的漿料。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其中接收所述燃料混合物進一步包括在約40巴到約 500巴之間的壓力下在所述燃燒室的入口部接收所述燃料混合物。
23.如權(quán)利要求15所述的方法，其中對所述蒸發(fā)物質(zhì)進行引導(dǎo)進一步包括朝向所述燃燒室引導(dǎo)蒸發(fā)物質(zhì)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件，使得經(jīng)由所述蒸發(fā)構(gòu)件被引入所述燃燒室的蒸發(fā)物質(zhì)在所述蒸發(fā)室的所述出口部附近將所述蒸發(fā)物質(zhì)和所述燃燒產(chǎn)物的輸出混合物調(diào)整到約500°C到約2000°C之間的溫度。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，其中以燃燒溫度在所述燃燒室內(nèi)對所述燃料混合物進行燃燒進一步包括以燃燒溫度在所述燃燒室中對所述燃料混合物進行燃燒，所述燃燒溫度被配置成使得所述碳質(zhì)燃料中的任意非易燃成分在所述燃燒產(chǎn)物中被液化。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，其中將蒸發(fā)物質(zhì)引導(dǎo)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件進一步包括將包括二氧化碳的蒸發(fā)物質(zhì)引導(dǎo)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件，使得所述蒸發(fā)物質(zhì)在所述燃燒室內(nèi)形成與所述蒸發(fā)構(gòu)件直接相鄰的緩沖層，該緩沖層被配置成對所述蒸發(fā)構(gòu)件與所述液化非易燃成分和與所述燃燒產(chǎn)物相關(guān)聯(lián)的熱量之間的相互作用進行緩沖。
26.如權(quán)利要求15所述的方法，其中在所述燃燒室中以燃燒溫度對所述燃料混合物進行燃燒進一步包括在所述燃燒室中以約1300°C到約3500°C之間的燃燒溫度對所述燃料混合物進行燃燒。
27.如權(quán)利要求15所述的方法，進一步包括使用與所述耐壓構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的熱排除裝置來控制所述耐壓構(gòu)件的溫度。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中控制所述耐壓構(gòu)件的溫度包括使用包括與所述耐壓構(gòu)件相關(guān)聯(lián)并具有在其中循環(huán)的液體的傳熱套件的熱排除裝置對所述耐壓構(gòu)件的溫度進行控制。
29.一種能量生成系統(tǒng)，包括燃燒設(shè)備，其包括混合裝置，配置成將碳質(zhì)燃料與富氧和工作流體相混合以形成燃料混合物；以及至少部分由蒸發(fā)構(gòu)件定義出的燃燒室，所述蒸發(fā)構(gòu)件進一步至少部分地被耐壓構(gòu)件包圍，所述燃燒室具有入口部和相對的出口部，所述燃燒室的入口部被配置成接收所述燃燒混合物，以便在所述燃燒室內(nèi)以燃燒溫度燃燒所述燃燒混合物，以形成燃燒產(chǎn)物，所述燃燒室進一步配置成將所述燃燒產(chǎn)物向所述出口部引導(dǎo)，所述蒸發(fā)構(gòu)件配置成朝向所述燃燒室引導(dǎo)蒸發(fā)物質(zhì)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件，以對所述燃燒產(chǎn)物和所述蒸發(fā)構(gòu)件之間的相互作用進行緩沖；以及變換設(shè)備，其被配置成接收所述燃燒產(chǎn)物，該變換設(shè)備響應(yīng)于所述燃燒產(chǎn)物以將與其相關(guān)聯(lián)的能量變換成動能。
30.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述混合裝置進一步被配置成將固體碳質(zhì)燃料、 液體碳質(zhì)燃料和氣體碳質(zhì)燃料中的一種與富氧以及所述工作流體進行混合。
31.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述工作流體包括二氧化碳和水中的一種。
32.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述富氧包括摩爾純度大于約85%的氧。
33.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述碳質(zhì)燃料為平均顆粒尺寸在約50微米到200 微米之間的顆粒固體，并且所述混合裝置進一步被配置成將所述顆粒固體碳質(zhì)燃料與包括水和密度在450kg/m3和1100kg/m3之間的液體(X)2中的一種的流態(tài)化物質(zhì)進行混合，所述流態(tài)化物質(zhì)與所述顆粒固體碳質(zhì)燃料共同形成所述顆粒固體碳質(zhì)燃料占重量的約25%到約55%的漿料。
34.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述燃料室進一步配置成在其所述入口部在約40 巴到約500巴之間的壓力下接收所述燃料混合物。
35.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)物質(zhì)被配置成經(jīng)由所述蒸發(fā)構(gòu)件被引入所述燃燒室，以便在所述燃燒室的出口部附近將所述蒸發(fā)物質(zhì)和所述燃燒產(chǎn)物的輸出混合物調(diào)整到約500°C到約2000°C之間的溫度。
36.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒溫度被配置成使得在所述碳質(zhì)燃料中的任何非易燃燒成分在所述燃燒產(chǎn)物中被液化。
37.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒溫度在約1300°C到約3500°C之間。
38.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述碳質(zhì)燃料為固體，并且所述系統(tǒng)進一步包括被布置在所述燃燒設(shè)備與所述變換設(shè)備之間的分離設(shè)備，該分離設(shè)備被配置成在所述燃燒產(chǎn)物被引導(dǎo)到所述變換設(shè)備之前，從所接收的所述燃燒產(chǎn)物中基本上去除液化非易燃成分。
39.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)物質(zhì)被配置成經(jīng)由所述蒸發(fā)構(gòu)件被引入所述燃燒室，以便將進入所述分離設(shè)備的所述蒸發(fā)物質(zhì)和所述燃燒產(chǎn)物的混合物調(diào)整到所述非易燃成分的液化溫度以上。
40.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，進一步包括被布置在所述分離設(shè)備之后的蒸發(fā)物質(zhì)傳送裝置，其被配置成將所述蒸發(fā)物質(zhì)運送到其中的液化非易燃成分已基本被去除的所述燃燒產(chǎn)物，以便將進入所述變換設(shè)備的所述蒸發(fā)物質(zhì)和所述燃燒產(chǎn)物的混合物調(diào)整到500°C 到2000°C之間的溫度。
41.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述分離設(shè)備進一步包括多個串行布置的離心分離裝置，每個離心分離裝置具有多個以并行的方式可操作地布置的離心分離器元件。
42.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中通過所述分離設(shè)備從所述燃燒產(chǎn)物中去除的所述液化的非易燃成分被可去除地收集到與所述分離設(shè)備相關(guān)聯(lián)的積垢器中。
43.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述分離設(shè)備被配置成為由所述耐壓構(gòu)件容納和由耐壓外殼定義中的一種。
44.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其中所述分離設(shè)備進一步包括散熱系統(tǒng)，該散熱系統(tǒng)可操作地與所述耐壓構(gòu)件和所述耐壓外殼中的一個相接合，以便從其中去除熱量。
45.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中所述散熱系統(tǒng)包括具有在其中循環(huán)的液體的傳熱套件。
46.如權(quán)利要求38所述的系統(tǒng)，其中所述分離設(shè)備的暴露于所述燃燒產(chǎn)物和與其相關(guān)聯(lián)的所述液化非易燃成分中的一種的表面由被配置成具有耐高溫、耐高腐蝕，和低熱傳導(dǎo)性中至少一種的材料構(gòu)成。
47.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述蒸發(fā)物質(zhì)包括二氧化碳，其被引導(dǎo)穿過所述蒸發(fā)構(gòu)件，使得所述蒸發(fā)物質(zhì)在所述燃燒室中形成與所述蒸發(fā)構(gòu)件直接相鄰的緩沖層，該緩沖層被配置成對所述蒸發(fā)構(gòu)件與所述液化非易燃成分以及與所述燃燒產(chǎn)物相關(guān)聯(lián)的熱量之間的相互作用進行緩沖。
48.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒設(shè)備進一步包括與所述耐壓構(gòu)件相關(guān)聯(lián)并被配置成控制其溫度的熱排除裝置，該熱排除裝置包括具有在其中循環(huán)的液體的傳熱套件。
49.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒設(shè)備被配置成使得所述燃燒產(chǎn)物包括大于500ppm的O2和小于50ppm的CO。
50.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述燃燒設(shè)備被配置成使得所述燃燒產(chǎn)物包括組合濃度大于約1%的H2和C0，以及小于約IOppm的02。
51.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述變換設(shè)備包括渦輪機裝置，所述渦輪機裝置響應(yīng)于所述燃燒產(chǎn)物以便將與其相關(guān)聯(lián)的能量變換成動能。
52.如權(quán)利要求四所述的系統(tǒng)，其中所述變換設(shè)備進一步包括被配置成將所述動能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。
53.一種分離設(shè)備，適于使用被配置成燃燒固體碳質(zhì)燃料以形成燃燒產(chǎn)物使得在所述固體碳質(zhì)燃料中的任意非易燃成分在所述燃燒產(chǎn)物中被液化的燃燒設(shè)備實現(xiàn)，所述分離設(shè)備包括多個串行布置的離心分離設(shè)備，包括被配置成接收所述燃燒產(chǎn)物和與之相關(guān)聯(lián)的液化非易燃成分的入口離心分離裝置，和被配置成排出所述燃燒產(chǎn)物的出口離心分離裝置，所述燃燒產(chǎn)物的所述液化非易燃成分被從其中基本去除，每個離心分離裝置具有多個以并行的方式可操作地布置的離心分離元件，每個離心分離元件被配置成從所述燃燒產(chǎn)物中去除所述液化非易燃成分的至少一部分，并將所述液化非易燃成分中的至少一部分引導(dǎo)到積垢器；以及耐壓外殼，被配置成容納所述離心分離裝置和所述積垢器。
54.如權(quán)利要求53所述的分離設(shè)備，進一步包括散熱系統(tǒng)，其與所述耐壓外殼可操作地接合，以便從其中去除熱量。
55.如權(quán)利要求M所述的分離設(shè)備，其中所述散熱系統(tǒng)包括具有在其中循環(huán)的液體的傳熱套件。
56.如權(quán)利要求55所述的分離設(shè)備，進一步包括熱量回收裝置，其與所述傳熱套件可操作地接合，所述熱量回收裝置被配置成接收在所述傳熱套件中循環(huán)的液體并從該液體中回收熱能。
57.如權(quán)利要求53所述的分離設(shè)備，其中所述分離設(shè)備的暴露于所述燃燒產(chǎn)物和與其相關(guān)聯(lián)的所述液化非易燃成分中的一種的表面由被配置成具有耐高溫、耐高腐蝕，和低熱傳導(dǎo)性中的至少一種的材料構(gòu)成。
58.如權(quán)利要求53所述的分離設(shè)備，其中所述分離設(shè)備被配置成從所述燃燒產(chǎn)物中基本上去除所述液化非易燃成分，并將所述非易燃成分維持成粘稠度低的液體的形式，至少直到從所述積垢器中將其去除。
全文摘要
提供了一種燃燒設(shè)備，包括用于使碳質(zhì)燃料與富氧和工作流體相混合以形成燃料混合物的混合裝置。燃燒室至少部分地由蒸發(fā)構(gòu)件定義出。蒸發(fā)構(gòu)件至少部分地由耐壓構(gòu)件包圍。燃燒室具有相對的入口和出口部。燃燒室的入口部被配置成接收燃料混合物，以便在燃燒溫度下燃燒所述燃料混合物。燃燒室進一步被配置成將所產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物引導(dǎo)向出口部。蒸發(fā)構(gòu)件朝向燃燒室引導(dǎo)蒸發(fā)物質(zhì)穿過蒸發(fā)構(gòu)件，以對燃燒產(chǎn)物和蒸發(fā)構(gòu)件之間的相互作用進行緩沖。還提供了相關(guān)的系統(tǒng)、設(shè)備和方法。
文檔編號F23J15/02GK102414511SQ201080018377
公開日2012年4月11日 申請日期2010年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者G.小布朗, M.帕爾默, R.阿拉姆 申請人:八河流資產(chǎn)有限責(zé)任公司, 帕爾默實驗室有限責(zé)任公司