產生無顆粒的冷卻合成氣的方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明大體上涉及整體氣化聯合循環(IGCC)發電系統，并且更具體地涉及用于減少從氣化器傳送到高溫氣化器冷卻器的固體量的方法及設備，其可用于含灰燃料給送至氣化器的IGCC系統中。
【背景技術】
[0002]至少一些已知的氣化系統包括反應室，其迫使產物合成氣中的任何顆粒(未轉換的燃料、煙煤和/或熔渣形式的灰)連同所有的氣體流出反應器。將所有顆粒卷吸在產物合成氣中，特別是在合成氣冷卻器剛好在反應器下游使用來冷卻氣體和顆粒的情況中，導致了對于合成氣冷卻器的很難的設計要求。合成氣冷卻器必須設計成最大限度減少換熱表面上的固體沉積，使得冷卻器可以以最小的變得由固體堵塞的風險來操作。此合成氣冷卻器設計需要豎直和徑向兩者顯著的空間，以使它們能夠充分地冷卻合成氣和卷吸顆粒兩者。可以以豎直向下流動構造定向在氣化器下方的已知的合成器冷卻器設計通常提供了較大執行的開放通道，其圍繞冷卻器的長流動軸線設置，以允許固體沿中心線穿過冷卻器，而不會接觸外周換熱表面的通道。此合成氣冷卻器設計較大、制造昂貴且需要昂貴的支承結構。
【發明內容】
[0003]在一個實施方式中，提供了用于氣化器系統的兩級顆粒分離器。兩級顆粒分離器包括構造為第一虛擬沖擊器的側吸連接器，第一虛擬沖擊器構造成將反應產物的大致無顆粒流與反應產物的載有顆粒的流分離。兩級顆粒分離器還包括聯接到吸出連接器下游的傳遞管線、聯接到傳遞管線下游的第二虛擬沖擊器，以及聯接到第二虛擬沖擊器下游的急冷室，使得急冷室構造成接收反應產物的至少載有顆粒的流。
[0004]在另一實施方式中，提供了一種氣化器系統。氣化器系統包括反應器，其包括反應室和聯接到反應器上的兩級顆粒分離器。兩級顆粒分離器包括構造為第一虛擬沖擊器上的側吸出連接器，第一虛擬沖擊器構造成將反應產物的大致無顆粒的流與反應產物的載有顆粒的流分離，聯接到側吸出連接器下游的傳遞管線，以及聯接到傳遞管線下游的第二虛擬沖擊器。氣化器系統還包括聯接到兩級顆粒分離器下游的合成氣冷卻器。
[0005]在又一個實施方式中，提供了一種使氣化器中的燃料反應且產生大致沒有顆粒的冷卻的反應產物的方法。方法包括部分地氧化氣化器系統中的燃料來創建反應產物，其包括顆粒成分和氣態成分，通過使反應產物的至少一部分經過兩級顆粒分離器來將顆粒成分從反應產物的氣態成分移除，分離器包括分離粗顆粒的第一虛擬沖擊器和分離細顆粒的第二虛擬沖擊器，以產生反應產物的大致無顆粒的流，將反應產物流導送至合成氣冷卻器，以及冷卻反應產物。
【附圖說明】
[0006]圖1為示例性整體氣化聯合循環(IGCC)發電系統的示意圖。
[0007]圖2為可并入兩級顆粒分離器中以用于與圖1中所示的IGCC發電系統一起使用的示例性虛擬沖擊器的示意性側視圖。
[0008]圖3為可并入兩級顆粒分離器中以用于與圖1中所示的IGCC發電系統一起使用的備選示例性虛擬沖擊器的示意性側視圖。
[0009]圖4為可在圖1中所示的IGCC發電系統中使用的示例性氣化系統的示例性側視圖。
[0010]圖5為可在圖1中所示的IGCC發電系統中使用的備選示例性氣化系統的示例性側視圖。
[0011]圖6為可在圖1中所示的IGCC發電系統中使用的備選示例性氣化系統的示例性側視圖。
[0012]圖7為可在圖1中所示的IGCC發電系統中使用的備選示例性氣化系統的示例性側視圖。
【具體實施方式】
[0013]圖1為示例性整體氣化聯合循環(IGCC)發電系統I的示意圖。在示例性實施方式中，IGCC系統I大體上包括主空氣壓縮機32、與壓縮機32流體連通聯接的空氣分尚單兀30、與空氣分離單元30流體連通聯接的氣化器50、與氣化器50流體連通聯接的燃氣渦輪發動機10、合成氣冷卻器60、合成氣凈化系統70、余熱回收蒸汽發生器22，以及汽輪機24。在運轉中，壓縮機32壓縮環境空氣47。壓縮空氣48導送至空氣分離單元30。在一些實施方式中，除壓縮機32之外或替代壓縮機32，來自燃氣渦輪發動機壓縮機12的壓縮空氣42、46供應至空氣分離單元30。空氣分離單元30使用壓縮空氣49來產生氧氣52以用于由氣化器50使用。更具體而言，在示例性實施方式中，空氣分離單元30將壓縮空氣分成單獨的氧氣流52和氣體副產物36，其有時稱為〃過程氣體〃。由空氣分離單元30生成的過程氣體36包括氮氣，且將在此稱為〃氮氣過程氣體〃。氮氣過程氣體36還可包括其它氣體，諸如但不限于氧氣和/或氬氣。例如，在一些實施方式中，氮氣過程氣體包括大約95%到大約100%之間的氮氣。
[0014]氧氣流52導送至氣化器50來用于生成原產物氣體56，其在本文中稱為〃原合成氣〃，其隨后清潔且最終由燃氣渦輪發動機10用作燃料，這在下文中更詳細描述。在一些已知的IGCC系統I中，至少一些氮氣過程氣流36 (空氣分離單元30的副產物)排放到大氣中。此外，在一些已知的IGCC系統I中，一些氮氣過程氣流36、38噴射到限定在燃氣渦輪發動機燃燒器14內的燃燒區(未顯示)中，以有助于控制發動機10的排放，且更具體是有助于降低燃燒溫度，且有助于減少來自發動機10的一氧化二氮的排放。在示例性實施方式中，IGCC系統I還包括在流38噴射到燃燒區之前用于壓縮氮氣過程氣流36的壓縮機34。
[0015]氣化器50將燃料54、由空氣分離單元30供應的氧氣，以及蒸汽55或水55的混合物轉化成熱的原合成氣56，其冷卻、清潔且然后導送來由燃氣渦輪發動機10用作燃料72。在一些實施方式中，水可結合為燃料54的一部分，諸如在煤水漿料的情況中。盡管氣化器50可在一些已知的IGCC系統I中使用任何燃料，但氣化器50使用煤、石油焦、殘油、油乳劑、瀝青砂和/或其它類似的燃料。在一個實施方式中，煤或石油焦和蒸汽或水可分別作為單獨的流54和55給送到氣化器50。作為備選，水可與磨得很細的煤或石油焦組合，且作為煤水漿料或石油焦水漿料形式的組合燃料流54給送至氣化器50。在一些已知的IGCC系統I中，熱原合成氣56經過合成氣冷卻器60，冷卻器60可設置在氣化器50下方，且構造成從氣化器50接收熱的載有固體的原合成氣56，且產生導送至合成氣清潔系統70來進一步清潔的冷卻的相對無固體的合成氣62。在一個實施方式中，合成氣冷卻器60將從冷卻合成氣62回收的能量傳遞至鍋爐給水，以產生高壓飽和蒸汽流66，其導送至余熱回收蒸汽發生器22以用于在作為過熱蒸汽80發送至汽輪機24來用于產生電力之前過熱。
[0016]在一種實施方式中，合成氣冷卻器60構造成帶有在冷卻器60的出口處的分離區(未顯示)，以將冷卻顆粒流64與合成氣62的冷卻的相對無固體的流分離。在示例性實施方式中，由合成氣冷卻器60產生的冷卻和相對無固體的合成氣62在導送至燃氣渦輪發動機燃燒器14來作為清潔燃料氣體72燃燒之前在合成氣清潔系統70中清潔。在合成氣清潔系統70中，諸如汞、含硫化合物(例如，H2S和COS)、含氮化合物(例如，NH3、HCN)和含鹵素化合物(例如，HCl)的合成氣污染物可從合成氣移除，且作為一個或更多個副產物流74被除去。此外，合成氣清潔系統70還構造成移除保留在流出合成氣冷卻器62的冷卻合成氣62中的任何細顆粒。在一種實施方式中，二氧化碳也可在清潔過程期間與合成氣62分離，且在一些已知的IGCC系統I中，可排放到大氣。作為備選，二氧化碳可捕集為副產物流74，且導送至諸如提高油回收(EOR)的現場操作者的最終用戶以用于從較老的油田增加采油量。
[0017]在示例性實施方式中，燃氣渦輪發動機的壓縮機12接收環境空氣流40，且壓縮空氣40來產生壓縮空氣流42，其一部分可導送至空氣分離單元30來用于生成用于氣化器50的氧氣。壓縮空氣流42的其余部分44導送至燃氣渦輪發動機10的燃燒器14，在該處，空氣用于燃燒清潔燃料氣體72來產生熱高壓燃燒器排氣流75。燃燒器排氣75然后膨脹穿過動力渦輪16來產生低壓動力渦輪排氣流76。氣體膨脹穿過燃氣渦輪發動機10的動力渦輪16的功率輸出驅動空氣壓縮機12和發電機18，其將電功率供應至電網(未顯示)。此外，在示例性實施方式中，低壓動力渦輪排氣76導送至余熱回收蒸汽發生器22，在該處，排氣冷卻且回收的熱用于生成過熱蒸汽80來驅動汽輪機24，且冷卻的排氣78排出至大氣。由汽輪機24生成的功率驅動發電機26，發電機26將附加的電功率提供至電網。在一些已知的IGCC系統I中，來自余熱回收蒸汽發生器22的過熱蒸汽的一部分(未顯示)供應至氣化器50來生成合成氣。
[0018]圖2為示例性虛擬沖擊器100的示例性側視圖。在示例性實施方式中，虛擬沖擊器100構造成將載有顆粒固體的氣體的入口流122分成具有集中在其內的大致所有顆粒固體的第一氣流132，以及大致沒有顆粒固體的第二氣流142。入口流122也稱為總流122，第一流132也稱為副流132，且第二流142也稱為主流142。在一種實施方式中，主流速與副流速之比為大約10:1，然而該比可為有助于產生如本文所述的無顆粒合成氣的任何比。在示例性實施方式中，副流和主流的流速由位于虛擬沖擊器100下游且未顯示的裝備(流量計、控制閥等)控制。
[0019]在一個實施方式中，虛擬沖擊器100包括用于將總流122傳導至虛擬沖擊器100的入口通道120、用于將副流132傳導出虛擬沖擊器100的第一出口通道130、用于將主流142傳導出虛擬沖擊器100的第二出口通道140，以及形成第二出口通道140的延伸部且限定圍繞入口通道120和第一出口通道130的包圍空間的本體110。在一些實施方式中，入口通道120和第一出口通道130具有圓形截面，然而，入口通道120和第一出口通道130可具有包括但不限于正方形和矩形的任何截面形狀。在一種實施方式中，入口通道120和第一出口通道130的截面為幾何上相似的，S卩，圓形對圓形，或矩形對矩形，且共用公共的軸向中心線128。流動加速噴嘴124結合到入口通道120內，噴嘴124特征為會聚角Θ和孔口直徑126，其沿第一出口通道130的中心線128的方向加速包括總流122的氣體和顆粒固體兩者。接收噴嘴134結合在出口通道130內，噴嘴134特征為擴散角Φ和孔口直徑136。在一種實施方式中，流動加速噴嘴124和接收噴嘴134分離噴嘴分離距離144。
[0020]在運轉期間，在總流122穿過加速噴嘴124加速時，總流122的氣態成分以由位于第一出口通道130和第二出口通道140兩者下游的控制裝備管理的方式分開。在總流122從流動加速噴嘴124移動至第一出口通道130時，分成副流132的氣體流動方向略微偏離直線向下的方向。因此，描述副流132的流線大體上是直的，且方向向下，如由流線