CN101717661A - 用于煤燃烧的气化器和旋风分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于煤燃烧的气化器和旋风分离器。具体而言，一种直燃煤燃烧系统(100)包括涡流室(114)，其具有构造成用以接收水煤浆的输入件，以及致使水煤浆与来自压缩机(106)的排出空气混合，以使水煤浆气化并产生合成气。该系统还包括直接联接在涡流室的第二端上的旋风分离器(116)和联接在旋风分离器的输出端上的第二级燃烧输入件(112)。

Description

用于煤燃烧的气化器和旋风分离器
技术领域
本文所公开的主题涉及能量生成，并且具体而言，涉及燃气轮机中的直燃煤燃烧。
背景技术
整体式气化联合循环(IGCC)是一种将煤转变成气体合成气(合成气)的洁净煤技术。然后在煤气燃烧之前从煤气中去除杂质。这使得二氧化硫、颗粒物和汞的排放更低。与常规的粉煤相比还使得效率得以提高。现有的IGCC设施需要相当多的资本设备来执行气化以及对所形成的合成气进行净化，以防止将颗粒物质携带至燃气轮机。
基本问题在于IGCC设施的成本和复杂性使其难以与常规的燃煤锅炉竞争。联合循环设施中的直燃煤的性能将由于更高的联合循环(CC)效率而减少温室气体(GHG)排放。相关问题是，燃气轮机中的直燃煤导致热气体通路腐蚀或沉积以及性能下降的速度相当快。
固体煤燃料中的灰烬和不可燃物在常规IGCC设施中经由后期处理和分离设备得以解决，以及利用合成气进行热交换以将其温度降低到对分离设备而言可接受的级别。一种方法已在与燃气轮机分离的筒仓(silo)设备中用来执行分级燃烧和颗粒物分离。另一种方法已使用脱机(offboard)流化床燃烧器作为气化器，之后是机载(onboard)稀薄燃烧器。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种直燃式煤燃烧系统。此实施例的系统包括具有构造成用以接纳水煤浆的输入件的涡流室。涡流室致使水煤浆与来自压缩机的排出空气相混合，以使水煤浆气化并产生合成气。涡流室还具有构造成用以排出合成气的第二端。此实施例的系统还包括直接联接在涡流室的第二端上的旋风分离器。旋风分离器具有提取口，以及致使合成气中的颗粒物质积聚在旋风分离器的周边。旋风分离器还具有输出富集气流的输出端。该系统还包括联接在旋风分离器的输出端上的第二级燃烧输入件。
根据本发明的另一方面，提供一种整体式气化联合循环设施。此实施例的设施包括具有第二级燃烧输入件和涡流室的燃气轮机。此实施例的涡流室包括输入件，该输入件构造成用以接收水煤浆并致使水煤浆与来自压缩机的排出空气相混合，以使水煤浆气化并产生合成气。涡流室还具有构造成用以排出合成气的第二端。此实施例的设施还包括旋风分离器，该旋风分离器直接联接在涡流室的第二端上并具有提取口，并且致使合成气中的颗粒物质积聚在旋风分离器的周边。该旋风分离器还具有输出富集气体到第二级燃烧输入件的输出端。
根据以下结合附图的描述，这些及其它优点和特征将变得更加明显。
附图说明
视为本发明的主题在权利要求书中具体指出并清楚地主张权利。根据以下结合附图的详细描述，本发明的上述及其它特征和优点显而易见，在附图中：
图1示出根据本发明的一个实施例的系统的实例；
图2示出本发明的机载实施例的实例；以及
图3示出本发明的机载实施例中的富集级和稀薄级之间的连接的详图。
详细描述通过参照附图举例来说明本发明的实施例及优点和特征。
零件清单
100系统
102燃气轮机
104发电机
106压缩机
108燃烧室
110下游涡轮
112燃烧输入件
114涡流室
115输入燃料
116旋风分离器
117出口端
118气流
120提取口
122富集旋风气流
302上堆存区域
304基部堆存区域
306喉部区域
308提取歧管
310提取管
312进口喉部
314压缩机排出空气输入件
316上部
318空气输入件
320已燃气体
具体实施方式
在IGCC设施中，本发明的实施例可用来延长热气体通路的寿命，提供用以去除大部分但非全部的颗粒物的系统和方法。在一个实施例中，本发明包括煤气化器、用于去除颗粒物(灰烬、熔渣)的旋风分离器、用以燃烧合成气的第二燃烧级，以及进入容纳在燃气轮机中的热气体通路中的过渡件。在一个实施例中，第二级燃烧级可包括与常规的工业筒形燃烧器类似的结构。在一个实施例中，气化器可以是紧靠燃气轮机的单独的筒仓式单元，具有将合成气引向第二级的冷却管道，或者气化器可与筒形燃烧器结构形成为一体。在一个实施例中，该系统将一体地形成在具有热回收蒸汽发生器(HRSG)和蒸汽轮机的常规联合循环设施中。在旋风分离器中可提取一小部分来自第一级的气流以带走颗粒物质。来自此气流的热量可经由与蒸汽环路的热交换用于联合循环中。
图1示出了根据本发明的一个实施例的系统100的实例。在一个实施例中，系统100包括燃气轮机102。燃气轮机102可包括联接在压缩机106上的发电机(Gen)104。压缩机106可联接在燃烧室108上。
燃气轮机102，也称燃气涡轮，是从燃气流提取能量的旋转式发动机。它具有联接在下游涡轮110上的上游压缩机106，燃烧室108位于二者之间。能量被附加至燃烧室108中的气流，来自压缩机106的空气在该燃烧室108中与燃料混合并被点燃。燃烧增加了气流的温度、速率和体积。引导气流经过涡轮110的叶片(未示出)，使涡轮110转动，并对压缩机106供以动力。
在一个实施例中，燃烧室108可包括第二级燃烧输入件112。此第二级燃烧输入件112在本文中可称为燃气轮机102的“筒形结构”的一部分。
系统100还可包括涡流室114。涡流室114可实施为富集旋风筒仓喷燃器。涡流室114可在其第一端接收输入燃料115。输入燃料115可以是水煤浆并且可包括蒸汽。在一个实施例中，水煤浆(输入燃料115)可在涡流室114中与来自压缩机106的排出空气相混合。当以此种方式操作时，涡流室114用作空气气化器(air-blown gasifier)。发生在涡流室114中的气化(燃烧)致使产生合成气并且可以是本发明的“富集级”的一部分。在一个实施例中，涡流室114用作主要采用CO和H2作为可燃产物、利用惰性(N2)载体的空气气化器并且产生合成气。
来自合成气的涡流进入直接联接在涡流室114的第二端上的旋风分离器116。在旋风分离器116中，涡旋合成气的旋流(如箭头122所示)致使一部分或基本上全部的颗粒物质离心分离并积聚在旋风分离器116的周边，以通过提取口120进行提取。
富集级(其包括涡流室114和旋风分离器116两者)可在筒仓结构中脱机或机载并且与燃气轮机的筒形结构形成为一体。机载实施例可减小热气流的总体积和表面积。旋风分离器116的输出将称为富集气流118。
在一个实施例中，附加的燃烧空气与来自富集级的富集气流118相混合，以产生在燃烧器108中燃烧的稀薄气流。燃烧器108中的燃烧在本文中可称为“稀薄级”。操作如图1中所示系统的优点可包括但不局限于减少直燃煤燃气轮机中的热气体通路中的颗粒负载、与常规IGCC相比更低的资本成本、因气化和分离过程中的更少热损而获得的更佳燃料效率、因更少的管道系统和压力损失而获得的更佳效率，以及以比任何现有技术更佳的总体效率来利用煤的便利性。
图2示出根据本发明的系统的一个实施例。此实施例的系统为所谓的“机载”实施例，其中，富集级140直接联接在稀薄级150上。具体而言，在此实施例中，涡流室114直接联接在旋风分离器116上。旋风分离器116的出口端117移置在第二级燃烧级输入件112的一部分内。当然，提取口120(图1)可布置成使得将颗粒物质从旋风分离器116去除并且不会进入第二级燃烧级输入件112。
在此实施例中，离开旋风分离器116的出口端117的富集气流118直接进入第二级燃烧级输入件112。自该处富集气流行进到燃烧室中，其在燃烧室中与另外的燃烧空气相混合，以产生最终在燃烧器108中燃烧的稀薄气流。
图3示出所谓的“机载”实施例中的富集级140和稀薄级150之间的连接的详图。输入燃料115(通常呈水煤浆的形式)在涡流室114中与压缩机排出空气和蒸汽相混合。这样，涡流室114用作空气气化器。涡流室114直接联接在旋风分离器116上。旋风分离器116可包括上堆存区域302和基部堆存区域304。涡流室114的输出在上堆存区域302进入旋风分离器116。在上堆存区域302中，使富集的局部氧化和水转移反应稳定以将煤+氧气转化为CO+H2。
基部堆存区域304包括分离器喉部区域306，其比旋风分离器116的外壁更窄。颗粒物质由于离心分离而趋于沿旋风分离器的壁积聚在喉部区域306的外侧。在基部堆存区域304的底部，蒸汽冷却提取歧管308和提取管310去除小部分的富集产物，该富集产物载有来自离心分离的大部分颗粒物质(固体物料)。
第二级燃烧输入件112的进口喉部312直接从分离器喉部区域306接收富集混合物。在一个实施例中，例如通过压缩机排出空气进口314将另外的压缩机排出空气注入到围绕分离器喉部区域306和进口喉部312的区域中的富集混合物中。因此，围绕分离器喉部区域306和进口喉部312的区域用作直通旋风分离器116的高速文丘里管区段。在一个实施例中，混合速度很高，限制了暴露于化学计量条件。在一个实施例中，稀薄反应在现在变稀薄的气流进入第二级燃烧输入件112的上部316时在第二稳定火焰中完成。
在一个实施例中，第二级燃烧输入件112还可包括供应空气以终止NOx反应的一个或多个熄灭/稀释空气输入件318。在一个实施例中，已燃气体320离开第二级燃烧输入件112并且经由常规过渡件进入基本上没有颗粒物质的涡轮(未示出)中。
虽然仅结合有限数目的实施例详细描述了本发明，但应当容易地理解，本发明不限于此类披露的实施例。相反而言，本发明可修改成结合非此前所述但是与本发明的精神和范围相称的任意数目的变型、改型、替代或等同装置。此外，虽然已描述本发明的各种实施例，但是可以理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例的一部分。相应而言，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种煤燃烧系统(100)，所述系统包括：
涡流室(114)，其具有构造成用以接收水煤浆的输入件，所述涡流室致使所述水煤浆与来自压缩机(106)的排出空气相混合，以使所述水煤浆气化并产生合成气，所述涡流室(114)还具有构造成用以排出所述合成气的第二端；
旋风分离器(116)，其直接联接在所述涡流室(114)的第二端上，所述旋风分离器(116)具有提取口(120)并且致使所述合成气中的颗粒物质积聚在所述旋风分离器(116)的周边，所述旋风分离器(116)还具有输出富集气流(118)的输出端(117)；以及
联接在所述旋风分离器(116)的所述输出端(117)上的第二级燃烧输入件(112)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
燃气轮机(102)，其联接在所述第二级燃烧输入件(112)上。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述富集气流(118)与来自压缩机的排出空气相混合，以产生稀薄气流。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述稀薄气流在所述燃气轮机(102)的燃烧器(108)中燃烧。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
压缩机(106)，所述压缩机联接在所述燃烧器(108)、所述涡流室(114)和所述旋风分离器(116)上。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
发电机(104)，其联接在所述压缩机(106)上。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋风分离器(116)直接联接在所述第二级燃烧输入件(112)上。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述旋风分离器包括：
分离器喉部区域(306)，其比所述旋风分离器的外壁更窄；
冷却的提取歧管(308)，其位于所述分离器喉部区域的外侧；以及
提取管(310)，其联接到所述冷却的提取歧管(308)上构造成用以去除颗粒物质。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二级燃烧输入件(112)包括：
进口喉部(312)，其联接在所述分离器喉部区域(306)上。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
位于所述进口喉部中的压缩器排气进口(314)。
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