用于氣化的系統和方法
【專利摘要】一種系統，包括氣化器，所述氣化器構造為氣化進料，從而產生合成氣。所述氣化器包含第一軸線。所述系統還包括設置在氣化器內的第一氣化反應區(qū)域。所述第一氣化反應區(qū)域至少部分地由基本上垂直于第一軸線的第一壁來限定。所述系統還包括連接至氣化器的第一進料噴射器。第一進料噴射器構造為在相對于第一軸線的第一方向上將進料噴射至第一壁下方的第一氣化反應區(qū)域內。
【專利說明】
用于氣化的系統和方法
技術領域
[0001]在本文中公開的主題涉及氣化器，并且更特別地涉及用于設計氣化器的反應區(qū)域的系統和方法。
【背景技術】
[0002]氣化器將含碳材料轉化為一氧化碳和氫氣的混合物，其稱為合成氣體或合成氣。例如，整體煤氣化聯合循環(huán)(IGCC)發(fā)電廠包括一個或更多個氣化器，其在高溫下使原料與氧氣和溫度緩和劑進行反應以產生合成氣，所述溫度緩和劑例如為蒸汽或水。不幸的是，在氣化器中，由氣化獲得的合成氣可能會包括較不期望的組分，例如熔渣和/或細灰。合成氣中的熔渣和/或灰分會影響氣化器下游設備的運行。

【發(fā)明內容】

[0003]下文概括與本發(fā)明范圍相當的特定的實施例。這些實施例并不意圖限定權利要求的范圍，與之相反的是，這些實施例僅意圖提供本發(fā)明可能形式的主要概括。確實地，本發(fā)明的實施例可以涵蓋與在下文闡述的實施例相似或不同的多種不同的形式。
[0004]在第一實施例中，系統包括氣化器，所述氣化器構造為氣化進料，從而產生合成氣。所述氣化器包含第一軸線。所述系統還包括在氣化器內設置的第一氣化反應區(qū)域。第一氣化反應區(qū)域至少部分地通過基本上垂直于第一軸線的第一壁來限定。所述系統還包括連接至氣化器的第一進料噴射器。第一進料噴射器構造為在相對于第一軸線的第一方向上將進料噴射至第一壁下方的第一氣化反應區(qū)內。
[0005]在第二實施例中，方法包括在設置于氣化器內的氣化反應區(qū)域中氣化進料以產生合成氣。所述氣化器包含第一軸線。所述方法還包括使用連接至氣化器的進料噴射器將進料噴射至氣化反應區(qū)域內，使用第一壁在基本上垂直于第一軸線的第一方向上使合成氣流經氣化反應區(qū)域，并在基本上平行于第一軸線的第二方向上由氣化反應區(qū)域排出合成氣。
[0006]在第三實施例中，系統包括氣化器，構造為氣化進料從而產生合成氣。所述氣化器包含第一軸線。所述系統還包括設置于氣化器內的氣化反應區(qū)域。氣化反應區(qū)域通過第一管道限定，所述管道具有基本上垂直于第一軸線的第二軸線。所述系統還包括設置于第一管道內的第一出口。第一出口基本上以第一軸線為中心，并構造為在基本上平行于第一軸線的第一方向上導向合成氣。所述系統還包括第一進料噴射器，其連接至第一管道的第一端部。第一進料噴射器構造為在基本上垂直于第一軸線的第二方向上將進料噴射至氣化反應區(qū)域中。
[0007]本發(fā)明的第一技術方案提供了一種系統，包含:氣化器，構造為氣化進料以產生合成氣，其中，氣化器包含第一軸線;第一氣化反應區(qū)域，設置在氣化器中，其中，第一氣化反應區(qū)域至少部分地由大體垂直于第一軸線的第一壁限定;和第一進料噴射器，連接至氣化器，其中，第一進料噴射器構造為在相對于第一軸線的第一方向上將進料噴射入在第一壁下方的第一氣化反應區(qū)域。
[0008]本發(fā)明的第二技術方案在于，在第一技術方案中，第一壁為凹入的，并且構造為在第一方向上導向合成氣。
[0009]本發(fā)明的第三技術方案在于，在第一技術方案中，包含設置在第二壁中的反應區(qū)域出口，第二壁設置為與第一壁相對，其中，反應區(qū)域出口構造為在大體平行于第一軸線的第一方向上導向合成氣。
[0010]本發(fā)明的第四技術方案在于，在第一技術方案中，氣化器包含氣化器出口，其構造為在大體與第一方向相反的第二方向上運輸來自氣化器的合成氣，第一方向大體平行于第一軸線。
[0011]本發(fā)明的第五技術方案在于，在第一技術方案中，包含連接至氣化器的第二進料噴射器，其中，第二進料噴射器與第一進料噴射器大體相對地設置。
[0012]本發(fā)明的第六技術方案在于，在第一技術方案中，第一壁包含混合室，構造為增強進料、合成氣中的至少一者或二者的混合或膨脹中的至少一者或兩者。
[0013]本發(fā)明的第七技術方案在于，在第一技術方案中，第二壁朝向反應區(qū)域出口傾斜，以允許在氣化期間產生的熔渣流向反應區(qū)域出口。
[0014]本發(fā)明的第八技術方案在于，在第一技術方案中，包含連接至反應區(qū)域出口的出口管道，其中，出口管道構造為在第一方向上導向合成氣。
[0015]本發(fā)明的第九技術方案提供一種方法，包含:在設置于氣化器中的氣化反應區(qū)域中氣化進料以產生合成氣，其中，氣化器包含第一軸線;使用連接至氣化器的進料噴射器將進料噴射入氣化反應區(qū)域;使用第一壁在大體垂直于第一軸線的第一方向上使合成氣流經氣化反應區(qū)域;和在大體平行于第一軸線的第二方向上由氣化反應區(qū)域排出合成氣。
[0016]本發(fā)明的第十技術方案在于，在第九技術方案中，由氣化反應區(qū)域排出合成氣包含使合成氣穿過第一反應區(qū)域出口排出，第一反應區(qū)域出口設置在第二壁中，第二壁設置成與第一壁相對。
[0017]本發(fā)明的第十一技術方案在于，在第九技術方案中，包含在急冷室、局部淬火器、合成氣冷卻器或反應器或其任意組合中的至少一者中，接收在氣化反應區(qū)域中產生的合成
Ho
[0018]本發(fā)明的第十二技術方案在于，在第九技術方案中，包含使用基本上平行于第一軸線的第三壁在與第一方向基本上相反的第三方向上使合成氣流經氣化反應區(qū)域。
[0019]本發(fā)明的第十三技術方案在于，在第九技術方案中，包含通過第二反應區(qū)域出口，在與第二方向大體相反的第四方向上從氣化反應區(qū)域排出合成氣的一部分。
[0020]本發(fā)明的第十四技術方案提供了一種系統，包含:氣化器，構造為氣化進料以產生合成氣，其中氣化器包含第一軸線;在氣化器中設置的氣化反應區(qū)域，其中氣化反應區(qū)域通過具有第二軸線的第一管道限定，第二軸線大體垂直于第一軸線;第一出口，設置在第一管道中，其中第一出口基本上繞第一軸線居中，并且構造為在基本平行于第一軸線的第一方向上導向合成氣;和第一進料噴射器，連接至第一管道的第一端部，其中第一進料噴射器構造為在基本垂直于第一軸線的第二方向上將進料噴射入氣化反應區(qū)域。
[0021 ]本發(fā)明的第十五技術方案在于，在第十四技術方案中，包含第二進料噴射器，其連接至第一管道的第二端部，其中第二進料噴射器構造為在第三方向上將進料噴射入氣化反應區(qū)域，第三方向基本上與第二方向相反。
[0022]本發(fā)明的第十六技術方案在于，在第十四技術方案中，第一管道包含通道，其構造為將在氣化期間產生的熔渣導向第一出口。
[0023]本發(fā)明的第十七技術方案在于，在第十四技術方案中，氣化器包含上出口，構造為從第四方向接收合成氣的至少一部分，第四方向基本與第一方向相反。
[0024]本發(fā)明的第十八技術方案在于，在第十四技術方案中，包含第二管道，第二管道至少部分地圍繞第一管道。
[0025]本發(fā)明的第十九技術方案在于，在第十八技術方案中，包含在第二管道中設置的第二出口，其中第二出口構造為在第四方向上導向合成氣的一部分，第四方向基本上與第一方向相反。
[0026]本發(fā)明的第二十技術方案在于，在第十四技術方案中，包含出口管道，其連接至第一出口，其中出口管道構造為在第一方向上導向合成氣。
【附圖說明】
[0027]當參考附圖閱讀下文的詳細說明時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它的技術特征、方面和優(yōu)點，在所有附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件，其中:
[0028]圖1為根據本公開的具有反應裝置的氣化器的實施例的示意圖；
[0029]圖2為根據本公開的具有反應裝置的氣化器的實施例的截面圖；
[0030]圖3為圖2的氣化器的實施例的另一截面圖；
[0031 ]圖4為根據本公開的反應裝置的實施例的截面圖；
[0032]圖5為根據本公開的反應裝置的實施例的截面圖；
[0033]圖6為根據本公開的反應裝置的實施例的截面圖；
[0034]圖7為根據本公開的具有反應裝置的氣化器的實施例的截面圖；
[0035]圖8為根據本公開的具有反應裝置的氣化器的實施例的截面圖；
[0036]圖9為根據本公開的包括至少兩個進料噴射器的反應裝置的實施例的截面圖；
[0037]圖10為根據本公開的包括三個進料噴射器的反應裝置的實施例的俯視圖；
[0038]圖11為根據本公開的具有包括至少兩個進料噴射器的反應裝置的氣化器的實施例的截面圖；
[0039]圖12為根據本公開的具有包括至少兩個進料噴射器的反應裝置的氣化器的實施例的截面圖；
[0040]圖13為根據本公開的具有包括至少兩個進料噴射器的反應裝置的氣化器的實施例的截面圖；并且
[0041]圖14為根據本公開的具有包括至少兩個進料噴射器的反應裝置的氣化器的實施例的截面圖。
具體實施例
[0042 ]本公開的一種或多種特別的實施例將在下文描述。在試圖提供這些實施例的簡要說明時，在說明書中可以不描述實際實施的所有技術特征。應當理解的是，在任何這樣的實際實施的改進中，正如在任何工程或設計項目中的，必須要做出大量特殊的實施決策來實現開發(fā)人員特定的目標，例如與系統相關的和商業(yè)相關的限制相適應的，其在不同的實施例之間可以是不同的。此外，應當理解的是，這樣的改進嘗試可能是復雜的和耗時的，但是對于得益于本公開的本領域技術人員所進行的設計、制造和制備將會是常規(guī)的。
[0043]當介紹本發(fā)明不同實施例的元件時，冠詞“一”、“一個”、“該”和“所述”意圖表示存在一個或更多個元件。術語“包含”、“包括”和“具有”意圖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]本發(fā)明提供了在氣化器內設置的反應裝置，用以促進燃料進料的碳轉化以及在氣化器中產生的合成氣和熔渣的分離。根據本公開，反應裝置可以至少包括第一壁，其可在氣化器中基本上水平地布置(例如垂直于氣化器的縱軸線)。第一氣化反應區(qū)域包括氣化器的通常位于第一壁下方的內部區(qū)域。一個或更多個進料噴射器可流體連接于第一氣化反應區(qū)域，并構造為在基本上水平的方向上將進料噴射至第一氣化反應區(qū)域中。所注射的進料在第一氣化反應區(qū)域中進行部分氧化反應以產生合成氣以及熔渣和粉末(例如，未轉化的或者部分轉化的進料和細灰)。因為第一壁為包括未轉化的或部分轉化的碳的熔渣和粉末提供額外的表面，因而在排出第一氣化反應區(qū)域之前接觸或沖擊，進料的反應區(qū)域和有效的反應停留時間會增加。同樣地，反應裝置(例如第一壁)會提高進料的碳轉化。
[0045]因為第一氣化反應區(qū)域通常位于第一壁的下方，所以所產生的合成氣、熔渣和粉末可以在基本向下的方向上排出第一氣化區(qū)域。在合成氣、熔渣和粉末排出反應區(qū)域出口時，合成氣的至少一部分以及粉末的一部分會在氣化器內大體向上地運動，并且熔渣以及合成氣和粉末的其它部分在氣化器內大體向下運動。粉末與熔渣的分離至少部分地由于粉末和熔渣性質上的不同而起作用，例如尺寸分布和密度。同樣地，反應裝置可以促進合成氣與恪渣在氣化器內的分離，以及粉末與恪渣在氣化器內的分離。
[0046]根據本公開，除了第一壁，反應裝置可以包括其它結構組件。在一些實施例中，反應裝置可以包括第一壁和第二壁，二者可以基本上水平地設置在氣化器內，其中，第二壁相對于第一壁向下地設置。由此，第一氣化反應區(qū)域包括氣化器的內部區(qū)域，其通常設置在第一壁和第二壁之間，或者至少部分地由第一壁和第二壁包圍。一個或更多個進料噴射器可以流體連接于第一氣化反應區(qū)域，并構造為將進料噴射至第一氣化反應區(qū)域中。第二壁可以包括開口或出口(例如反應區(qū)域出口)，以用于導向所產生的合成氣以及熔渣和粉末在大體向下的方向上排出第一氣化區(qū)域。第一壁和第二壁二者可以對熔渣和粉末、包括未轉化的或部分轉化的碳提供額外的表面來進行接觸或沖擊，由此提高進料的碳轉化。此外，由于合成氣的一部分(以及粉末的一部分)可以大體向上地運動以排出反應區(qū)域出口，并由于合成氣的其它部分(以及熔渣和粉末的其它部分)可以大體向下地運動以排出反應區(qū)域出口，所以反應裝置可以促進合成氣與熔渣在氣化器內的分離，以及粉末與熔渣在氣化器內的分離。
[0047]參考上文，圖1描述了根據本公開的具有反應裝置11的氣化器10的實施例。公開的實施例可以相對于軸向軸線或方向12、徑向軸線或方向14和周向軸線或方向16來描述。此夕卜，氣化器10可以具有第一軸線18，其大體平行于軸向軸線12。在描述的實施例中，反應裝置11包括進料噴射器22和第一壁26。進料噴射器22將進料20噴射至氣化器10中。進料20可以包括任何合適的燃料，例如煤、石油焦炭、生物質、木質材料、農業(yè)廢棄物、焦油、瀝青、殘渣、天然氣、燃料氣或含碳材料，或其任意組合。
[0048]如所述的，進料噴射器22將進料20導向至第一氣化反應區(qū)域28。第一氣化反應區(qū)域28可以是在氣化器10內的區(qū)域，通常位于第一壁26下方及其附近。如在圖1中所示的，第一壁26可以基本上垂直于(例如約90° ±10°)第一軸線18。因此，第一壁26在第一氣化反應區(qū)域28中在大體徑向方向14上導向進料20，該徑向方向14基本上垂直于第一軸線18。第一壁26可以是大體平面的或曲面的(例如向下凹入)。
[0049]在第一氣化反應區(qū)域28內，進料20可被加熱經歷不同的過程，包括部分氧化反應。作為部分氧化反應的結果，會產生合成氣24(例如一氧化碳和氫氣)。此外，源自進料20的非可氣化灰材料、未轉化的燃料和/或未完全轉化的燃料可以作為該過程的副產物產生。這些副產物可存在更大顆粒的熔渣(例如非可氣化灰材料)，通常稱為熔渣29，以及更小的顆粒(例如未轉化燃料或部分轉化燃料，和細灰)，通常稱為粉末31。
[0050]在氣化器10內，合成氣24、熔渣29和粉末31可以在不同的方向上運動。如所示的，合成氣24的一部分以及粉末31的一部分在排出第一氣化反應區(qū)域28后，可在平行于第一軸線18的大體向上方向上運動，以排出氣化器10(例如在氣化器10的頂部33處或附近)。合成氣24和粉末31的其它部分以及熔渣29在排出第一氣化反應區(qū)域28后，可在平行于第一軸線18的大體向下方向上運動，從而排出氣化器10(例如在氣化器10的底部35處或其附近)。如在下文更加詳細地討論的，在特定的實施例中，在氣化器10內可以設置額外的氣化反應區(qū)域(例如，第二氣化反應區(qū)域34)，從而能夠在氣化器10內使進料20進行額外的部分氧化，和/或允許提高進料20的碳轉化。
[0051]根據本公開，在排出第一氣化反應區(qū)域28之前，第一壁26可用于對熔渣29和粉末31、包括未轉化的或部分轉化的碳提供額外的表面來接觸或沖擊，由此提高進料20的碳轉化。換句話說，與第一壁26接觸的粉末31的部分(例如，未轉化或部分轉化的部分)可進一步轉化為合成氣24。在排出第一氣化反應區(qū)域28后，合成氣24和粉末31 (或者至少其一部分)可以沿著第一軸線18大體向上地運動。在排出第一氣化反應區(qū)域28后，熔渣29可以沿著第一軸線18大體向下地運動，由此與合成氣24和粉末31分離。
[0052]根據本公開，除了第一壁26，反應裝置11可以包括其它的結構部件(例如壁、護罩、殼體)，以用于在排出第一氣化反應區(qū)域28之前，為熔渣29和粉末31、包括未轉化的或部分轉化的碳提供額外的表面來接觸或沖擊，由此提高進料20的碳轉化。作為例子，反應裝置11可以包括第二壁32，其基本上垂直于(例如約90° ±10°)第一軸線18設置并位于第一壁26下方。同樣地，第一氣化反應區(qū)域28可以是氣化器10內的區(qū)域，其通常由第一壁26和第二壁32來限定(由其包圍或者部分包圍)。在某些實施例中，第一壁26和第二壁32可相互分離。例如，第一壁26和第二壁32為通常是相互平行的兩個單獨的板。在其它實施例中，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可以是管道側壁的部分。
[0053]在具有第二壁32的實施例中，反應區(qū)域出口30(例如開口、管道或流路)可被設置在第二壁32上(例如繞第二壁32的中間部分)。反應區(qū)域出口 30構造為導向合成氣24、熔渣29和粉末31，從而在平行于第一軸線18的大體向下的方向上從第一氣化反應區(qū)域28排出。在特定實施例中，第二壁32朝向反應區(qū)域出口 30傾斜，從而促使合成氣24、熔渣29和粉末31朝向反應區(qū)域出口 30的流動。例如，第二壁32可以是基本上V形的(例如截頭圓錐形的)，反應區(qū)域出口 30繞V形第二壁32的頂點設置。與如上所討論的類似的，在排出反應區(qū)域出口 30的熔渣29沿著第一軸線18大體向下地運動，并且排出反應區(qū)域出口 30的合成氣24和粉末31(或至少其一部分)沿著第一軸線18大體向上地運動時，可增加熔渣29與合成氣24的分離，以及熔渣29與粉末31的分離。
[0054]除了第二壁32，或者作為備選，反應裝置11可以包括第三壁37，其大體與進料噴射器22相對地設置。第三壁37構造為在進料噴射器22的相對端部處完全地或者部分地密封第一氣化反應區(qū)域28。同樣地，第三壁37可以幫助導向合成氣24、恪渣29和粉末31，以沿著第一軸線18大體向下地排出第一氣化反應區(qū)域28。在特定實施例中，第一壁32和第二壁32中的一者或二者可以在氣化器10的內表面39(例如壁、殼體或護罩)鄰接，來與具有第三壁37的實施例具有類似的構型，由此幫助導向合成氣24、熔渣29和粉末31，從而沿著第一軸線18大體向下地排出第一氣化反應區(qū)域28。
[0055]反應裝置11的第一壁26、第二壁32和第三壁37可以由適用于氣化器10運行條件的任何材料來制造，包括任何合適的耐火材料。在某些實施例中，第一壁26、第二壁32或第三壁37、或其任意組合可以包括主動冷卻系統，來改善一個或更多個壁的完整性或溫度性能。主動冷卻系統可以是一個或更多個冷卻管道，冷卻劑(例如水、蒸汽、氮氣、氬氣、二氧化碳、有機溶劑或熱穩(wěn)定鹽)可以在其中流動，從而傳遞熱以用于在別處利用，或排放至大氣(例如，通過冷卻水或空氣冷卻系統)，其獨立于氣化器10或與之整合。
[0056]圖2和3描述了根據本公開的具有反應裝置11(例如第一反應裝置40)的氣化器10的實施例。圖2和3為氣化器10和第一反應裝置40的實施例的剖視圖，其中，圖3沿著圖2的線3-3作出。如所示的，第一反應裝置40包括第一管道42和第二管道44，二者均可具有基本上圓柱形的形狀。第一管道42具有基本上垂直于第一軸線18的縱軸線，并且第二管道44具有基本上平行于第一軸線18的縱軸線。在所示出的實施例中，第一管道42和第二管道44中的每一者具有基本上圓形的橫截面。然而，應當注意到，第一管道42和第二管道44中的每一者均可以帶有例如可以是正方形、矩形、三角形或橢圓形的橫截面的具有任何其它合適的形狀(垂直于它們各自的縱軸線)。而且，應當注意到，第二管道44的內部體積可以大于、等于或小于第一管道42的內部體積。
[0057]如所述的，進料噴射器22繞第一管道42的第一端部45流體連接于第一管道42，使得進料20由進料噴射器22導向至第一管道42內。第一管道42的第二端部48與第一端部45相對，并且第二端部48可以是對氣化器10的內部開啟的或者閉合的。在示出的實施例中，第二端部48對氣化器10的內部開啟，并允許第一管道42(例如第一壁26和第二壁32)在氣化器10內的不同的熱膨脹，從而避免壓力在氣化器10或第一反應裝置40內的過量的應力發(fā)展。在某些實施例中，第一管道42的第二端部48例如通過內部壁39或第三壁37部分地或者基本上完全地密封，從而使得所產生的合成氣24和熔渣29可以沖擊內部壁39或第三壁37，并在排出第一氣化反應區(qū)域28之前，在相對于進料噴射方向的基本上相反的方向上返回。第一氣化反應區(qū)域28可涉及由第一管道42所覆蓋的氣化器10中的區(qū)域。第一壁26和第二壁32通?？煞Q為第一管道42的上半壁和下半壁(相對于軸線46)。第二管道44流體連接于第一管道42(例如繞第一管道42的中間部分)，并通過反應區(qū)域出口 30大體向下地對氣化器10的內部開啟。由第二管道44所覆蓋的區(qū)域可被稱為第二氣化反應區(qū)域34，因為進料20 (例如源自第一氣化反應區(qū)域28的粉末31的一部分)可以在該區(qū)域進行額外的氣化反應。也就是說，從第一氣化反應區(qū)域28至第二氣化反應區(qū)域34，未轉化燃料在粉末31中的含量可以降低。
[0058]如上所述的，在排出反應區(qū)域出口 30后，合成氣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)可在大體向上的方向上運動，從而在氣化器10的頂部33附近排出氣化器10(例如經過上端口 108)。在合成氣24和粉末31的第一部分向上運動經過第一反應裝置40周圍時，粉末31的第一部分的未轉化的或部分轉化燃料可經受進一步的氣化反應。同樣地，氣化器10的通常圍繞第一反應裝置40的內部區(qū)域可被稱為第三氣化反應區(qū)域53。從第二氣化反應區(qū)域34至第三氣化反應區(qū)域53，粉末31中的未轉化燃料的量可以進一步降低。在頂部33附近排出氣化器10之后，合成氣24和粉末31的第一部分可被用于產生高壓蒸汽，或被用作在第二級氣化器中的反應物。同樣地，氣化器10的頂端108可被連接至氣化裝置(例如IGCC發(fā)電裝置)的一個或更多個其它部件，包括合成氣冷卻器、局部淬火器、反應器、洗滌器、酸氣去除(AGR)單元、變換反應器或低溫氣體冷卻(LTGC)序列和/或熱循環(huán)單元。在排出反應區(qū)域出口 30后，熔渣29可以在平行于第一軸線18的大體向下的方向上運動。在某些實施例中，合成氣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可以在平行于第一軸線18的大體向下的方向上運動。氣化器10可以包括淬火區(qū)域50，其相對于第一反應裝置40(例如沿著第一軸線18)向下地設置。淬火區(qū)域50能夠冷卻并還能夠分離熔渣29和粉末31與合成氣24(例如合成氣24的第二部分)。
[0059]如所述的，氣化器10的淬火區(qū)域50可以包括封液管52，其延伸至具有液體冷卻劑(例如水)的浴槽5 6。但是可使用用于淬火合成氣16的任何合適的液體(例如非反應性液體)。在某些實施例中，封液管52的下端延伸至液體冷卻劑，從而幫助合成氣24的第二部分流至液體冷卻劑中。合成氣24的第二部分和粉末31的第二部分以及熔渣29可以通過在浴槽56中與液體冷卻劑接觸而被冷卻。經冷卻的合成氣24的第二部分(和未由液體冷卻劑捕集的任何粉末31和熔渣29)可以在徑向方向14和軸向方向12上脫離液體冷卻劑，并隨后可以通過在淬火區(qū)域50附近的合成氣出口 60排出氣化器10。剩余的粉末31和熔渣29的第二部分可以作為顆粒在液體冷卻劑中的懸浮液而被導向至下出口62(或端口)，從而繞氣化器10的底部35排出氣化器10。在某些實施例中，使用兩個或更多個下出口62，并且在液體冷卻劑中捕集的粉末31和熔渣29可以基于浴槽56和下出口 62內的構造和條件而進一步分離(例如，液體冷卻劑經過下出口 62的相對位置和流速，液體冷卻劑的溫度、比重和粘度，以及所捕集的粉末31和熔渣29的尺寸、形狀和密度)。在某些實施例中，作為淬火區(qū)域50的備選，合成氣冷卻器、局部淬火或者反應器可以相對于第一反應裝置40(例如沿著第一軸線18)向下設置。氣化器10可被進一步連接至氣化裝置的各種其它部件(例如，通過合成氣出口 60)，包括洗滌器、酸氣去除(AGR)單元、變換反應器、和/或低溫氣體冷卻(LTGC)序列。
[0060]圖4描述了根據本公開的反應裝置11的另一種實施例(例如第二反應裝置70)。第二反應裝置70包括第一氣化反應區(qū)域28，第二氣化反應區(qū)域34，第三氣化反應區(qū)域53(例如第二反應裝置70周圍)和第四氣化反應區(qū)域55。如在圖4中所述的，第二反應裝置70包括與如在圖2中所述的第一反應裝置40相同的第一管道42。在第二反應裝置70中，第一管道42的第二端部48流體連接至第三管道72。第三管道72通過反應區(qū)域出口 30進一步流體連接至第二管道44，該第二管道44對氣化器10的內部開啟。
[0061]第三管道72可以是部分圓筒，其提供排出第一氣化反應區(qū)域28的合成氣24、粉末
31和熔渣29的非對稱流動。例如，第三管道72和第一管道42通常處于共軸或同心的配置。第三管道72的直徑74可以大于第一管道42的直徑76。第三管道72至少部分地覆蓋第一管道42的第一軸向部分77。第三管道72可以包括非對稱環(huán)形部分73和端部部分75(例如穹頂形)。環(huán)形部分73的上部78可以相鄰于第一管道42的第二端部48密封。環(huán)形部分73的下部80可以覆蓋第一管道42的至少第二軸向部分79。例如，沿著管線84的橫截面為基本上圓形的，并且沿著管線86的橫截面為基本上半圓形的。第四氣化反應區(qū)域55可被限定為在第三管道72內的在第三管道72的端部部分75附近的區(qū)域。同樣地，在第一氣化反應區(qū)域28內產生的合成氣24、粉末31和熔渣29可以基本上沿著徑向軸線14運動至第四氣化反應區(qū)域55，沖擊端部部分75的側壁81(例如與噴射器22相對的)，并在環(huán)形部分73的下部80以基本上相反的徑向方向14返回。所返回的合成氣24、粉末31和熔渣29隨后可在第二管道44中運動至第二氣化反應區(qū)域34，并通過反應區(qū)域出口 30排出至氣化器10的內部。
[0062]如在圖4中所述的，第四氣化反應區(qū)域55可允許額外地部分氧化進料20。例如，未反應的或者部分反應的進料20(例如排出第一氣化反應區(qū)域28的粉末31)可以在第四氣化反應區(qū)域55內進行進一步的部分氧化反應以產生額外的合成氣24。在通過反應區(qū)域出口 30排出之前，除了第一壁26和第二壁32，覆蓋第二氣化反應區(qū)域34的第三管道72的側壁，例如側壁81可以對粉末31和熔渣29、包括未轉化的或部分轉化的碳提供額外的表面來接觸。由此，第二氣化反應區(qū)域34和第四氣化反應區(qū)域55的額外的表面區(qū)域可以提高進料20在氣化器10內的碳轉化。從第一氣化反應區(qū)域28經過第四氣化反應區(qū)域55和第二氣化反應區(qū)域34至第三氣化反應區(qū)域53，粉末31中的未轉化燃料的含量可以下降。盡管在所述的實施例中，第三管道72為部分圓筒，但是應當注意到，與第一管道42和第二管道44類似的，第三管道72可以具有任意合適的形狀。例如，第三管道72沿著管線84的橫截面可以是正方形、矩形、三角形或橢圓形。
[0063]圖5描述了根據本公開的反應裝置11(例如第三反應裝置90)的另一實施例。第三反應裝置90還包括第一氣化反應區(qū)域28(例如大體由第一管道42限定)，第二氣化反應區(qū)域34(例如通常由第二管道44限定)，第三氣化反應區(qū)域53 (例如在第三反應裝置90周圍)，和第四氣化反應區(qū)域55(例如通常由第三管道72限定)。如在圖5中所述的，第三反應裝置90與如在圖4中所述的第二反應裝置70類似，除了第三管道72能夠使源自第一氣化反應區(qū)域28的合成氣24、粉末31和熔渣29對稱地流動。
[0064]如所述的，第三管道72圍繞第一管道42的至少一部分，環(huán)形部分73的上部78和下部80 二者提供排出第一氣化反應區(qū)域28的合成氣24、粉末31和熔渣29的返回通路(例如在沖擊端部部分75的側壁81之后)。同樣地，在第一氣化反應區(qū)域28中產生的合成氣24、粉末31和熔渣29在徑向方向14上運動至第四氣化反應區(qū)域55，沖擊與噴射器22相對的側壁81，并在第三通道72的環(huán)形部分73的上部78和下部80二者以基本上相反的徑向方向14返回。所返回的合成氣24、粉末31和熔渣29隨后可由第四氣化反應區(qū)域55流至第二管道44(例如第二氣化反應區(qū)域34)，隨后通過反應區(qū)域出口 30排出至氣化器10的內部。
[0065]圖6描述了根據本發(fā)明的反應裝置11的另一種實施例(例如第四反應裝置100)。第四反應裝置100還包括第一氣化反應區(qū)域28(例如通常由第一管道42限定)，第二氣化反應區(qū)域34(例如通常由第二管道44限定)，第三氣化反應區(qū)域53(例如第四反應裝置100周圍)，和第四氣化反應區(qū)域55(例如通常由第三管道72限定)。如在圖6中所述的，第四反應裝置100與如在圖5中所述的第三反應裝置90類似，除了第三管道72通過軸向位于第一管道42上方的第二反應區(qū)域出口 104流體連接于第四管道102，所述第四管道102對氣化器10的內部開啟。
[0066]如所述的，第四管道102流體連接至第三管道72的環(huán)形部分73的上部78，并且第二管道44流體連接至第三管道72的環(huán)形部分73的下部80。同樣地，在第一氣化反應區(qū)域28中產生的合成氣24、粉末31和熔渣29在徑向方向14上運動至第四氣化反應區(qū)域55，沖擊與噴射器22相對的側壁81，并在第三管道72的環(huán)形部分73的上部78和下部80 二者中在基本上相反的徑向方向14上返回。所返回的合成氣24、粉末31和熔渣29的第一部分可以由第四氣化反應區(qū)域55流至第二管道44(例如第二氣化反應區(qū)域34)，并通過軸向位于第一管道42下方的反應區(qū)域出口 30排出至氣化器10的內部。所返回的合成氣24、粉末31和熔渣29的第二部分可以由第四氣化反應區(qū)域55流至第四管道102，并通過第二反應區(qū)域出口 104大體向上地沿著第一軸線18排出至氣化器10的內部。
[0067]圖7和8為氣化器10的實施例的截面圖，分別描述了將反應裝置11(例如反應裝置40、70、90、100之一)設置在氣化器10中的兩種方式。圖7描述了反應裝置11設置在氣化器10的上端口 108和淬火區(qū)域50之間。圖8描述了反應裝置11設置在氣化器1的上端口 108上。
[0068]更特別地，如在圖7中所示的，反應裝置11(例如圖2、4、5、6分別的反應裝置40、70、90、100之一)設置在氣化器10的上端口 108和淬火區(qū)域50之間。反應裝置11包括基本上徑向設置的第一管道42(例如垂直于第一軸線18)，并且第二管道44基本上平行于第一軸線18設置。進料噴射器22連接至氣化器10的側壁110，從而使得進料20通過進料噴射器22從氣化器10的一側(例如平行于第一軸線14)噴射至氣化器10中(例如第一氣化反應區(qū)域28)。合成氣24、粉末31和熔渣29由第一氣化反應區(qū)域28經過第二管道44內的第二氣化反應區(qū)域34、通過反應區(qū)域出口 30排出至氣化器10的內部。合成氣24和粉末31的至少一部分(例如在上文參見圖2和3所描述的第一部分)大體向上地運動并通過上端口 108排出氣化器10，其中，合成氣24和粉末31例如可被用于產生高壓蒸汽或者作為在第二級氣化器中的反應物。合成氣24和粉末31的另一部分(例如在上文參見圖2和3所描述的第二部分)以及熔渣29大體向下地運動至淬火區(qū)域50。如上所述的，淬火區(qū)域50可以構造為冷卻并進一步分離合成氣24和粉末31 (例如第二部分)與熔渣29，并導向經分離的合成氣24和減少量的粉末31，從而通過合成氣出口 60排出氣化器10。經分離的熔渣29和剩余的粉末10可以通過氣化器10的下出口62排出氣化器10。
[0069]如在圖8中所述的，反應裝置11(例如圖2、4、5分別的反應裝置40、70、90之一)設置在氣化器10的上端口 108上。反應裝置11包括基本上徑向設置的第一管道42(例如垂直于第一軸線18)，并且第二管道44基本上平行于第一軸線18設置，并流體連接于氣化器10的上端口 108。進料噴射器22構造為從第一管道42的一個端部將進料20噴射至第一管道42內(例如第一氣化反應區(qū)域28)。合成氣24、粉末31和熔渣29通過反應區(qū)域出口 30由第一氣化反應區(qū)域28排出至氣化器10的內部。合成氣24、粉末31和熔渣29流向淬火區(qū)域50。淬火區(qū)域50可以構造為冷卻并作用于合成氣24的第二部分與粉末31的第二部分以及熔渣29的進一步分離，并導向經分離的合成氣24和減少量的粉末31，通過合成氣出口 60排出氣化器10。經分離的熔渣29和剩余的粉末31可以通過氣化器10的下出口 62排出氣化器10。
[0070]如上所述的，一個進料噴射器(例如進料噴射器22)連接至反應裝置11(例如第一管道42的第一端部45)。根據本發(fā)明，多于一個(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多個)的進料噴射器可被連接至反應裝置11。例如，圖9為根據本發(fā)明的具有反應裝置11 (例如第五反應裝置120)的氣化器10的一種實施例的截面圖，所述反應裝置11連接至兩個進料噴射器22、122。如所述的，第一管道42基本上徑向地設置(例如垂直于第一軸線18)，并包括兩個端部45、48。第一端部45流體連接至進料噴射器22，并且第二端部48流體連接至進料噴射器122。如所述的，進料噴射器22和122處于基本上相反的徑向方向上，從而使得通過進料噴射器22和122噴射的進料流20可以在基本上相反的方向上沿著第一管道42朝向第一管道42的中間區(qū)域124運動。第一氣化反應區(qū)域28可涉及為在第一管道內的兩個端部45、48之間的區(qū)域。通過進料噴射器22、122噴射的兩個燃料流20可以在第一氣化反應區(qū)域28內混合，由此提高進料20的碳轉化。此外，第一氣化反應區(qū)域28內的每個進料流20的粉末31和熔渣29還可以與其它的進料流20沖擊和/或混合，由此提高進料20在氣化器10內的碳轉化。
[0071]第二管道44流體連接至第一管道42。例如，第二管道44連接至第一管道42的中間區(qū)域124。第二管道44通過反應區(qū)域出口 30大體向下地開向氣化器10的內部。與如上所述的類似地，所產生的合成氣24和粉末31的第一部分大體向上地運動以排出氣化器10(例如通過上端口 108)，并且所產生的合成氣24和粉末31的第二部分以及所產生的熔渣29大體向下地朝向淬火區(qū)域50運動，用于進一步分離(例如分離合成氣24和熔渣29，分離粉末和熔渣29)。與如上所討論的類似地，第一管道42和第二管道44中的每一者均具有基本上圓形的橫截面。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適的橫截面形狀，例如正方形、矩形、三角形或橢圓形。
[0072]盡管在圖9中示出一對進料噴射器(例如進料噴射器22和122)，但是在某些實施例中，在氣化器10中可以包括數對相對的進料噴射器。例如，反應裝置11可以包括多于一個(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多個)的徑向管道，其類似于所描述的第一管道42。多個徑向管道中的每一個可以在各個徑向管道的兩個端部包括一對進料噴射器，并且進料流可以在共同的中間區(qū)域(例如第一管道42的中間區(qū)域124)相互交叉。所述共同的中間區(qū)域可以進一步流體連接至第二管道44，從而向下地導向所產生的合成氣24和熔渣29，以通過反應區(qū)域出口 30排出至氣化器10的內部。此外，在另一種實施例中，如在圖9中所述的第五反應裝置120可以與圖2的反應裝置40、70、90和100中的任意一個或更多個相結合，分別為4、5和6個。例如，如在圖10中所述的，第五反應裝置120可以與第一反應裝置40相結合，從而使得第五反應裝置120的第一管道42基本上垂直于第一反應裝置40的第一管道42在由徑向軸14和周向軸16限定的平面上設置。圖10為具有反應裝置11(例如第六反應裝置125)的氣化器10的俯視圖，所述反應裝置11結合有第五反應裝置120和第一反應裝置40。第五反應裝置120的第一管道42與第一反應裝置40的第一管道42在第五反應裝置120的第一管道42的中間區(qū)域124周圍的共同區(qū)域相互交叉。所述共同區(qū)域可以進一步流體連接至具有反應區(qū)域出口30的第二管道44。同樣地，三個進料20流可被噴射至所結合的反應裝置中，并在其中混合。所產生的合成氣24、粉末31和熔渣29可以通過反應區(qū)域出口 30由反應區(qū)域排出至氣化器10的內部。應當注意到，反應裝置40、70、90和100中的一個或更多個可以采用與如在圖9中所描述的相類似地設置的多個徑向管道。
[0073]圖11-14為具有不同實施例的反應裝置11的氣化器10的截面圖，所述反應裝置11包括兩個進料噴射器。更特別地，圖11描述了設置在氣化器10的上端口 180和淬火區(qū)域50之間的反應裝置11 (例如第七反應裝置130)，第一管道42的端部45、48由氣化器10的側壁110延伸出。圖12描述了設置在氣化器10的上端口 108和淬火區(qū)域50之間的反應區(qū)域11(例如第八反應裝置140)，第一管道42基本上包括在氣化器10的內部中。進料噴射器22、122延伸至氣化器10內。圖13描述了設置在氣化器10的上端口 108和淬火區(qū)域50之間的反應裝置11(例如第九反應裝置150)，蓋帽部分152(例如穹頂形)連接至第一管道42。圖14描述了連接至氣化器10(例如開口頂部氣化器162)的反應裝置11(例如第十反應裝置160)，設置在氣化器162的頂部164和淬火區(qū)域50之間，沖擊壁166設置在第一管道42的端部45、48周圍。
[0074I如在圖11中所述的，第七反應裝置130包括第一管道24，其在兩個端部45、48周圍延伸出氣化器10的側壁110。進料噴射器22和122分別流體連接至兩個端部45和48，并構造為在相反的徑向方向上將進料20噴射至第一氣化反應區(qū)域28中。如在圖11中所述的反應裝置11的實施例(例如第七反應裝置130)還可涉及為具有延伸的徑向(例如水平)室。如在圖12中所述的第八反應裝置140與如在圖11中所述的第七反應裝置130類似，除了第八反應裝置140的第一管道42不會延伸出氣化器10的側壁110。此外，如在圖11中所述的第七反應裝置130的第一管道42的直徑132與第七反應裝置130的第二管道44的直徑134相近或大致相同，同時如在圖12中所述的第八反應裝置140的第一管道42的直徑142小于第八反應裝置140的第二管道44的直徑134。如在圖12中所述的反應裝置11的實施例(例如第八反應裝置140)還可涉及為具有最小水平室，其與第七反應裝置130相比為結構更加緊密的。
[0075]如在圖13中所述的第九反應裝置150也是與如在圖11中所述的第七反應裝置130類似的，除了第九反應裝置150包括連接至第一管道42(例如第一管道42的第一壁26)的額外管道(例如蓋帽部分152)。蓋帽部分152設置在第一管道42相對于第二管道44和反應區(qū)域出口30的相對側上附近。在某些實施例中，蓋帽部分152可以相對于第二管道44設置在其它方向上(例如基本上垂直于第二管道44，并基本上位于由徑向軸14和周向軸16限定的平面上)。在特定實施例中，蓋帽部分152可以具有擴大部分，設置在沿著第一管道42的中間附近。這種蓋帽部分152可以在第一氣化反應區(qū)域28中提供增加停留時間和/或降低火焰沖刷作用的膨脹區(qū)域。應當注意到，蓋帽部分152可以是任意合適的形狀，例如具有圓形、正方形、矩形、三角形或橢圓形的橫截面。
[0076]蓋帽部分152可以在第一管道42上方提供凸出區(qū)域154(例如混合室)。所述凸出區(qū)域154可以允許進料20在加熱時的膨脹，并朝向第一管道42的中間區(qū)域124反應。相對于第七反應裝置130，凸出區(qū)域154還可以提高第一氣化反應區(qū)域28的表面積。同樣地，凸出區(qū)域154可以提供額外的表面區(qū)域和體積，用于混合和/或膨脹由進料噴射器22、122噴射的燃料流。另外地，或者在替換形式中，凸出區(qū)域154可以增強粉末31和熔渣29與凸出區(qū)域154的側壁之間的沖擊。此外，凸出區(qū)域154可以增強粉末31和熔渣29與進料20的混合，和/或所產生的合成氣24、粉末31和熔渣29的膨脹。據此，凸出區(qū)域154可進一步促使進料20的碳轉化。在所述的實施例中，所產生的合成氣24、粉末31和熔渣29可以通過第二管道44(例如通過反應區(qū)域出口 30)排出第一氣化反應區(qū)域28。在某些實施例中，蓋帽部分152可以在蓋帽部分152的上壁156上包括開口，從而使得所產生的合成氣24、粉末31和熔渣29除了反應區(qū)域出口30，可以通過所述開口排出第一氣化反應區(qū)域28。
[0077]如在圖14中所述的第十反應裝置160也與如在圖11中所述的第七反應裝置130類似，除了第十反應裝置160包括在第一管道42的端部45、48周圍設置的沖擊壁166。此外，第十反應裝置160設置在可被用于氣化或IGCC系統中的開口頂部氣化器162內，其中氣化器162直接連接至下游的系統，例如合成氣冷卻器、第二反應器或局部淬火。沖擊壁166可與氣化器162的側壁110對齊，從而使得至少由第一壁26、第二壁32和沖擊壁166限定的第一氣化反應區(qū)域28基本上位于氣化器162內。除了第一壁26和第二壁32，沖擊壁166可以為所產生的粉末31和熔渣29提供額外的區(qū)域，以在第一氣化反應區(qū)域28內沖擊，由此提高進料20的碳轉化。沖擊壁166可以由適用于氣化器162的內壁39的任何材料制造，例如耐火材料。沖擊壁166可以包括一個或更多個開口，構造為使所噴射的進料20由噴射器22、122噴射至第一氣化反應區(qū)域28ο在某些實施例中，反應裝置可以在第一管道42的任一端部45、48周圍包括個沖擊壁166。
[0078]如所述的，第十反應裝置160設置在開口頂部氣化器162內。然而，應當注意到第十反應裝置160可以類似地設置在任何合適的氣化器10內，例如在圖11-13中所描述的那些。同時，反應裝置130、140、150可以類似地設置在開口頂部氣化器162內。此外，應當注意到包括兩個進料噴射器22、122的反應裝置130、140、150、160還可以設置在氣化器10的頂部上，例如設置在如在圖8中所述的上端口 108上。此外，應當注意到氣化器10可以包括根據本發(fā)明的反應裝置11的實施例的任意組合(例如反應裝置40、70、90、100、120、130、140、150、160)。
[0079]本說明書使用實施例來描述實施例，包括最佳形式，并且還能夠使本領域技術人員實施本發(fā)明，包括制造和使用任何設備或系統，并執(zhí)行任何所結合的方法。本發(fā)明可授予專利權的范圍由權利要求來限定，并且可以包括本領域技術人員所認識到的其它實施例。如果它們具有并不會與權利要求的文字表述不同的結構元件，或者如果它們包括與權利要求的文字表述不存在本質不同的等價的結構元件，那么這樣的其它實施例就意圖處于權利要求的范圍內。
【主權項】
1.一種系統，包含: 氣化器，構造為氣化進料以產生合成氣，其中，所述氣化器包含第一軸線； 第一氣化反應區(qū)域，設置在所述氣化器中，其中，所述第一氣化反應區(qū)域至少部分地由大體垂直于所述第一軸線的第一壁限定;和 第一進料噴射器，連接至所述氣化器，其中，所述第一進料噴射器構造為在相對于所述第一軸線的第一方向上將所述進料噴射入在所述第一壁下方的所述第一氣化反應區(qū)域。2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一壁為凹入的，并且構造為在所述第一方向上導向所述合成氣。3.根據權利要求1所述的系統，包含設置在第二壁中的反應區(qū)域出口，所述第二壁設置為與所述第一壁相對，其中，所述反應區(qū)域出口構造為在大體平行于所述第一軸線的所述第一方向上導向所述合成氣。4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述氣化器包含氣化器出口，其構造為在大體與所述第一方向相反的第二方向上運輸來自所述氣化器的所述合成氣，所述第一方向大體平行于所述第一軸線。5.根據權利要求1所述的系統，包含連接至所述氣化器的第二進料噴射器，其中，所述第二進料噴射器與所述第一進料噴射器大體相對地設置。6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一壁包含混合室，構造為增強所述進料、所述合成氣中的至少一者或二者的混合或膨脹中的至少一者或兩者。7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第二壁朝向所述反應區(qū)域出口傾斜，以允許在氣化期間產生的熔渣流向所述反應區(qū)域出口。8.根據權利要求1所述的系統，包含連接至所述反應區(qū)域出口的出口管道，其中，所述出口管道構造為在所述第一方向上導向所述合成氣。9.一種方法，包含: 在設置于氣化器中的氣化反應區(qū)域中氣化進料以產生合成氣，其中，所述氣化器包含第一軸線； 使用連接至所述氣化器的進料噴射器將所述進料噴射入所述氣化反應區(qū)域； 使用第一壁在大體垂直于所述第一軸線的第一方向上使所述合成氣流經所述氣化反應區(qū)域;和 在大體平行于所述第一軸線的第二方向上由所述氣化反應區(qū)域排出所述合成氣。10.根據權利要求9所述的方法，其中，由所述氣化反應區(qū)域排出所述合成氣包含使所述合成氣穿過第一反應區(qū)域出口排出，所述第一反應區(qū)域出口設置在第二壁中，所述第二壁設置成與所述第一壁相對。
【文檔編號】C10J3/00GK105838443SQ201511036303
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年12月16日
【發(fā)明人】J·S·斯特文森
【申請人】通用電氣公司