CN101922722B - 连续细灰降压系统 - Google Patents

Abstract

一种用于对于其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流流体进行降压和冷却的系统。在一个方面，该系统具有冷却装置和减压装置，该冷却装置用于冷却其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流，该减压装置用于通过从其中夹带有气体的、固体微粒流的一部分中分离冷却固体微粒来进行降压，从而使固体微粒以低温低压排出以便下游设备处置或处理。

Description

连续细灰降压系统

致谢

本发明是在美国能源部授予的合作协定号DE-FC21-90MC25140之下、通过一些政府支持而作出的。美国政府享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明通常涉及从流化床燃烧或气化系统排放微粒物质，具体地说，涉及对来自流化床燃烧或气化系统的高压高温流的微粒进行冷却和降压。

背景技术

操作诸如流化床煤气化器或燃烧器的加压反应器涉及将高压和高温下的微粒排放到大气压和低温(即，低于350°F)下的储存箱。这种系统中最常用的方法是将锁定容器和螺旋冷却系统组合起来。螺旋冷却器接受高压和高温下的固体，并通过使固体与容器的螺杆和内表面相接触来冷却固体。

在该传统系统中，锁定容器通常是压力摆动容器，并且具有入口阀和出口阀。锁定容器通过常开的入口阀从螺旋冷却器接受压力下的冷却固体。当预定量的固体进入锁定容器时，入口阀关闭，容器接着降压至接近大气压。然后打开底部排放阀以将固体排放到大气压容器中。大气压容器中的固体可被配置到合适的储存容器。

然而，传统的系统有多个缺点。该系统的一个固有缺点是可动部件的数量，这些可动部件需要经常循环并以同步方式工作。第二个缺点是当轴在高压下转动时难以密封螺杆轴的两端。此外，围绕锁定容器可有多个阀，这些阀的可靠性可能小于所需，因为在每个循环中这些阀必须在多尘环境下打开和关闭。在正常的工作条件下，阀在高压下打开和关闭上百万次，其中固体微粒快速流动，由此侵蚀阀。因此，传统的商用系统可以具有平均小于70％的可用性。

需要一种冷却微粒并对微粒连续降压的系统，而没有上述的固有问题。

发明内容

本发明涉及降压系统，该降压系统与在其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流流体地连通，该固体微粒流例如是来自气化系统的飞灰流。在一个方面，该系统包括用于冷却高压高温固体微粒流的冷却装置和用于使冷却固体微粒降压的减压装置(即，分离器)。

在一个方面，减压装置具有罩壳和过滤器，罩壳限定分离器内腔且具有罩壳壁，过滤器位于分离器内腔之内。在另一方面，过滤器可具有内壁和隔开的外壁，外壁与罩壳壁隔开且在过滤器和罩壳壁之间限定封闭的环部。在该方面，内壁限定与高压低温的固体微粒流流体连通的导管。过滤器可构造成允许冷却微粒的至少一部分经过导管并经由定位在导管远端附近的固体出口排出，而在高压固体微粒流中夹带的至少一部分气体可被引向气体出口，这导致冷却微粒以较低压力排出。

附图说明

本发明较佳实施例的这些和其它特征将在其中参照附图的详细描述中变得更加显而易见，在附图中：

图1是本申请的降压系统的一个实施例的示意图。

图2是图1的降压系统的减压装置的一个方面的示意图。

图3是根据一个方面的、图2的减压装置的侧剖视图。

图4是根据一个方面的、图1的降压系统的冷却外套的多个图。

图5是图1的降压系统的粗滤器和收集系统的局部剖开的示意图。

图6是图1的降压系统的冷却容器的一个实施例的立体图。

具体实施方式

参照下面的详细描述、实例、附图和权利要求书、以及其之前和之后的描述，可更容易地理解本发明。然而，在披露和描述本装置、系统和/或方法之前，应该理解，除非另外规定，本发明并不局限于所披露的特定装置、系统和/或方法，而是当然同样可作改变。还应理解的是，这里所用的术语仅仅是为了描述特定方面，而并不想要进行限制。

本发明的下面描述设置成能以其最佳、目前已知的实施例来说明本发明。为此，熟悉相关领域的技术人员将认识和意识到，可对这里描述的本发明各方面作出许多改变，而仍然获得本发明的有利结果。还为显然的是，本发明的一些所需益处可以通过选定本发明的一些特征而不采用其它特征来获得的。因此，在本领域中工作的技术人员将认识到，可以对本发明作出许多修改和改适，这些修改和改适在某些情况下甚至是所想要的并且是本发明的一部分。因此，下面的描述设置成说明本发明的原理而并不对其进行限制。

在全文中所使用的单数形式“一”“一个”和“该”包括复数指示物，除非文中清楚地另有说明。因此，例如“一阀”可以包括两个或更多个这样的阀，除非文中另有指明。

这里表述的范围是从“约”一个特定阀和/或到“约”另一特定阀。当表述这个范围时，其它方面包括从一个特定阀和/或到另一特定阀。类似地，当阀表述为约数时，通过使用前述的“约”，应理解特定数值形成另一方面。还应理解，每个范围的端点相对于其它端点并且独立于其它端点都是重要的。

如同这里所使用的那样，术语“可供选择的”或“可供选择地”是指后述的事件或情况可能发生或可能不发生，该描述包括所述事件或情况发生和不发生的情形。

如同这里所使用的那样，术语“高压”是指约30磅/平方英寸或以上的压力。

如同这里所使用的那样，术语“高温”是指约200℃或以上的温度。

术语“微粒”是指平均直径小于或等于40微米的粒子。

现在将具体参照本发明的目前较佳的实施例，这些实施例的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中，都用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。

本发明涉及降压系统10，该降压系统10与其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流流体地连通。该系统例如用于在进一步使用或处置粒子物之前需要对粒子物进行冷却、降压和/或与固体微粒流分离的工艺中。在一个示例性实施例中，该系统想要用于气化工艺中，这是因为，例如在高压和/或高温下，将固体直接从工作系统排放到大气压储存单元中是不合需要的。

在一个方面，如图1所示，降压系统10包括容器100，该容器100限定一容器内腔114。容器100具有容器入口110，该容器入口110与其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流20和容器内腔114的上部120选择性地流体连通。可供选择的是，在一个方面，入口110包括阀，该阀构造成将系统与高压、高温固体微粒流隔离(如果需要这种作用的话)。然而应该理解，应考虑到无需在系统的入口或出口处设置阀而该系统也可工作。

根据各个方面，容器100示于图1和6中。在一个方面，容器可冷却高压高温的固体微粒流以及其中夹带的气体，从而形成其中夹带有气体的、高压低温的冷却固体微粒流30，该冷却固体微粒流30处在基本上均匀的温度下。在一个方面，容器100在容器内腔之内或基本附近设有冷却盘管，如图4所示。在另一方面，容器包括冷却外套130，该冷却外套130邻近于且基本上包围容器上部120的至少一部分。如同熟悉本领域的技术人员能意识到的那样，冷却外套130可以各种传统方式构造。例如但不想要进行限制，冷却外套可包括多个与冷却源流体连通的流体通道。在一个方面，冷却源可包括传统的液体冷却剂或其它冷却剂。在一个示例性的非限制实例中，液体冷却剂可包括水。

可供选择的是，在一个方面，容器100还包括搅拌器140，该搅拌器140定位在容器内腔114的上部120中以在气体和固体微粒位于容器内腔中时搅拌它们，从而让较多的固体微粒暴露于冷却源，无论该冷却源是冷却盘管、容器的冷却外壁、和/或其它冷却装置。在一个方面，搅拌器140可包括用于搅拌的机械装置，诸如搅动器或类似装置。在另一方面，搅拌器140可以是射流分配器，该射流分配器与加压流体源流体连通并构造成对着容器内腔分配加压流体。加压流体例如可以是氮气和/或二氧化碳，但是也可设想其它流体。在该方面，射流分配器包括多孔介质，该多孔介质构造成对着容器内腔114均匀地分配加压流体。在一个方面，射流分配器能够在容器内腔之内产生超声波，从而有助于搅拌固体微粒。在另一方面，冷却外套130和/或搅拌器可将固体微粒冷却到基本上均匀的温度。

在另一方面，容器出口160可被限定于容器100中，并且可以与容器的下部170流体连通。在再一方面，容器出口可构造成排出其中夹带有气体的、高压低温的固体微粒流30。在一个方面，冷却的固体微粒可通过重力和/或内腔与出口之间的压力差被引导通过出口。

在一个方面，如图1、2和3所示，降压系统还包括减压装置(即，分离器)200，该减压装置200构造成通过将冷却固体微粒与夹带气体分离来使其中夹带有气体的、高压低温的固体微粒流30降压。在一个方面，减压装置包括罩壳210，该罩壳210限定分离器内腔220。在另一方面，设置在分离器内腔之内的是颗粒过滤器230，该颗粒过滤器230充填有颗粒并且具有内壁240和隔开的外壁250，外壁与罩壳壁隔开并且在颗粒过滤器230和罩壳壁之间限定封闭的环部260。过滤器的内壁240限定与容器出口160流体连通的导管270。在一个方面，过滤器的内壁包括多个第一孔242，第一孔的直径大于固体微粒的平均直径。这些孔能使气体以及一些固体微粒流过。在另一方面，过滤器的外壁250包括多个第二孔252，第二孔的直径基本上等于或大于内壁240的多个第一孔242的直径。在该方面，过滤器的内壁和外壁限定封闭的过滤内腔280。在另一方面，具有基本上均匀尺寸的颗粒床可设置在过滤内腔之内。在再一方面，颗粒床的毛细直径可小于高压低温的固体微粒流30的固体微粒的平均尺寸的五分之一。在另一方面，过滤器的顶部和底部可包括固体板，这些固体板构造成封闭过滤内腔并防止气体从中逸出。

在操作中，在一个方面，高压低温的固体微粒流可流过多个第一孔242、流过颗粒床、流过多个第二孔、并被收集在过滤器外壁和罩壳壁之间的环部260中。在另一方面，来自固体微粒的一些灰尘可流过多个第一孔而穿透至颗粒床内的厚度。在该方面，灰尘可在颗粒床中形成微小材料层，这可防止高压低温的固体微粒流的固体微粒深深地穿透入颗粒床。结果，在该方面，颗粒床可能很少需要由逆向气体流动来清扫。

在减压装置200的一个方面，多个第一孔242中的每个孔的直径可以是约10至约200微米。在另一方面，多个第二孔中的每个孔的直径可以是约10至约200微米。在还有其它方面，多个第一孔242和多个第二孔的孔直径可以根据要被降压的固体微粒流的微粒尺寸和类型以及降压系统10的工作压力而被选定。在一个方面，颗粒床中的颗粒的平均直径可以大于第一孔和第二孔的直径。

一旦收集在环部260中的气体达到预定的压力水平，气体就通过气体出口290排出，如图2所示意示出的那样。冷却的固体微粒继续通过导管270而在低压下经由固体出口310退出减压装置，该固体出口310定位成邻近于导管300的远端。在一个方面，气体出口290可设有压力控制阀294，但是也可设想其它控制气体释放的方法。在另一方面，气体出口290的直径和压力控制阀294的尺寸可取决于高压低温的冷却固体微粒流30中的冷却微粒的工作压力和/或尺寸。在再一方面，气体通过气体出口290的排出流速可以是高压低温流30所夹带的气体的一部分。在该方面，气体排出流速可以取决于高压低温流的流速(对应于固体微粒的所想要排出速率)和降压程度。在另一方面，没有通过气体出口排出减压装置200的气体部分可以通过固体出口310随固体排放物一起排出减压装置。在另一方面，压力控制阀294的设定值可以是固体出口处所想要的低排放压力。

这里如上所述，在一个方面，降压系统是较大气化系统的一部分，并设计成对固体微粒进行降压、冷却并将其与夹带气体分离。在一个方面，固体微粒包括来自气化系统的飞灰。

在一示例性方面，固体微粒具有从约5微米到约40微米的平均直径。在另一方面，固体微粒具有从约10微米到约30微米的平均直径。在再一方面，固体微粒的尺寸可以是从亚微米到300微米。

可以设想，该系统可在较宽的温度范围和压力范围内工作。在一个方面，其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流20在从约30磅/平方英寸到约1000磅/平方英寸的压力下进入容器内腔114。在另一方面，其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流在从约100磅/平方英寸到约275磅/平方英寸的压力下进入容器内腔。在另一方面，在其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流行进通过降压系统10之后，固体微粒在从约0磅/平方英寸到约30磅/平方英寸的理想压力下排出固体出口310。在再一方面，固体微粒在固体出口处的压力可足够高以将固体输送至储存箱或仓。

在一个方面，其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流20在从约500°F到约1800°F的温度下进入容器内腔114以便冷却。在另一方面，其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流在从约300°F到约850°F的温度下进入容器内腔114。在另一方面，在行进通过降压系统之后，固体微粒可在约100°F到约350°F的理想温度下排出固体出口。在再另一方面，固体在固体出口310处的排出温度可设计成适于任何下游设备的处置需求和/或公差。在另一方面，可以设想，减压装置可在高达850°F温度下工作。

在一个方面，系统10的尺寸可使其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流的任何流速都被输入系统并被处理。

在一个方面，其中，固体流速相对较慢，例如但并非限制的是1000磅/小时或以下，固体微粒从固体出口310排出的速率通过调节气体出口290处的压力来进行控制。在另一方面，在正常工作过程中，减压装置200中的微小固体水平可通过对固体出口310处的排放速率进行降压和控制来保持。在再一方面，可通过调节压力控制阀294上的压力设定值来控制固体出口处的排放速率，从而将排放速率从相对较慢的速率改变到设计速率。在还一方面，固体出口310处的固体排放可通过用压力控制阀294将固体出口处的压力降低至通常小于5磅/平方英寸来完全停止。在该方面，固体出口310处最初排放所需的最小排放压力可取决于高压低温流30的微粒性质。因此，根据该方面，无需在固体出口或输送管路中设置阀以控制微小固体流的流速。在另一方面，在固体出口310处的固体排放管路尺寸可以影响固体微粒的排出速率。还可设想，可以有多个固体出口。在还一方面，输送气体可被引入固体出口附近以有助于排出固体微粒。在再一方面，微粒尺寸的排放速率可根据需要变化。例如，排放速率可低至0磅/小时。在另一方面，降压系统10可设计成：排放速率可以根据需要例如高达10,000磅/小时或以上。

此外，在另一方面，降压系统10可包括如图5所示的收集装置320，该收集装置320包括与固体出口310连通的粗滤器326。在一个方面，收集装置可防止过大尺寸的固体和/或异物从固体出口排放出来并堵塞输送管路。在另一方面，经由固体出口310排出减压装置200的固体可进入收集入口322。收集装置的粗滤器可收集过大尺寸的固体和/或异物，将它们从固体流中去除出来以便处置。剩余的固体可经由与输送管路连通的收集出口324而退出收集装置。

在一个方面，假如较大的压降上是必须的，则可以设想将多个减压装置200串联在一起，每个减压装置具有出口，该出口能够从其中夹带有气体的、固体微粒流中去除至少一部分气体。例如在一个方面，在工作压力为450磅/平方英寸且固体去除速率为1000英尺³/小时的系统中，可以串联3个或4个分离器，每个分离器是2英尺到3英尺长，这取决于微粒特性。

在另一方面，可以设想，多个减压装置可并联设置。在该方面，高压低温的固体可通过多个固体入口导管分配到多个减压装置200。在降压之后，根据该方面，固体可被收集在单个排放管中，或者固体可被排放到多个排放管。

可以设想，降压系统10可与来自气化、燃烧和/或其它工艺中的通常固体微粒一起使用。在一个方面，来自微粒收集装置的干燥细热飞灰可被收集在容器100(缓冲容器)中，飞灰在这里得到冷却。在另一方面，在冷却之后，飞灰可流过多级的减压装置200(即，多个减压装置如上所述串联设置)，并被降压至输送管路压力以便排放到飞灰仓。例如，飞灰可如上所述输入系统，并首先在容器100中冷却。然后，该实例的冷却飞灰在排放到飞灰仓之前经过多级减压装置进行降压。

降压系统10可用来处理来自工业应用场合的固体微粒。该系统已在每天处理70吨煤的高压气化设备内进行了测试，输入到容器100的处理压力高达275磅/平方英寸。微小固体温度高达850华氏度，微粒尺寸是亚微米到300微米。该系统已被完全结合在气化工艺中，并且该系统已成功地用来自褐煤、亚烟煤和烟煤的微小材料进行工作。

尽管在前述的说明书中已经披露了本发明的若干实施例，但是熟悉本领域的技术人员在得益于前述描述和相关附图中所呈现的说明之后应能理解，可以想到本发明所适合的许多修改和其它实施例。因此，应能理解，本发明不局限于上文所披露的具体实施例，许多修改和其它的实施例都将包含到附后权利要求书的范围之内。而且，尽管这里以及附后的权利要求书中采用了特定术语，但是这些特定术语仅仅用作一般描述意义，而不用来限制本发明和附后的权利要求。

Claims (21)

1.一种与其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流流体连通的降压系统，所述系统包括：

容器，所述容器限定容器内腔，所述容器内腔具有上部和相反的下部，所述容器包括：

容器入口，所述容器入口形成在所述容器中，并且通过其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流与所述容器内腔的所述上部选择性地流体连通；

搅拌器，所述搅拌器定位在所述容器内腔的所述上部中，并且构造成混合所述容器内腔之内的固体微粒；

冷却装置，所述冷却装置用于冷却其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流，从而形成其中夹带有气体的、高压低温的冷却固体微粒流，所述冷却固体微粒流处在基本上均匀的温度下；以及

容器出口，所述容器出口形成在所述容器中，并且与所述容器的所述下部流体连通，以便排出其中夹带有气体的、高压低温的冷却固体微粒流；

减压装置，所述减压装置用于从其中夹带有气体的、高压低温的冷却固体微粒流的至少一部分中分离冷却固体微粒，所述减压装置包括：

罩壳，所述罩壳限定分离器内腔并且具有罩壳壁；

过滤器，所述过滤器设置在分离器内腔内并且具有内壁和隔开的外壁，所述外壁与所述罩壳壁隔开并且在所述过滤器和所述罩壳壁之间限定封闭环部，其中，所述内壁限定与所述容器出口流体连通的导管，所述内壁包括多个第一孔，所述第一孔的直径大于所述固体微粒的平均直径，其中，所述外壁包括多个第二孔，所述第二孔的直径小于所述固体微粒的平均直径，其中，所述过滤器的所述内壁和所述外壁限定封闭的过滤内腔；

颗粒床，所述颗粒床设置在所述过滤内腔中；以及

气体出口，所述气体出口与用于排出加压气体的环部选择性地流体连通；

其中，所述冷却固体微粒的至少一部分经由固体出口排出分离器，所述固体出口定位在所述导管的远端附近。

2.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，所述第一孔的直径是10微米至200微米。

3.如权利要求2所述的降压系统，其特征在于，所述第二孔的直径是10微米至200微米。

4.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，颗粒的平均直径大于所述第一孔和第二孔的直径。

5.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，所述气体出口包括压力控制阀。

6.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，用于冷却来自其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流的固体微粒和气体的所述冷却装置包括冷却外套，所述冷却外套邻近于并且基本上围绕所述容器的所述上部的至少一部分。

7.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，所述搅拌器与加压流体源流体连通，并且构造成对着所述容器内腔分配加压流体。

8.如权利要求7所述的降压系统，其特征在于，所述搅拌器包括多孔介质，所述多孔介质构造成对着所述容器内腔均匀地分配加压流体。

9.如权利要求7所述的降压系统，其特征在于，所述搅拌器包括用来在所述容器内腔中产生至少一个超声波的装置。

10.如权利要求7所述的降压系统，其特征在于，所述加压流体包括氮气。

11.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，所述固体微粒包括来自气化系统的飞灰。

12.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，所述固体微粒具有从5微米到40微米的平均直径。

13.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流在从30磅/平方英寸到1000磅/平方英寸的压力下进入所述容器内腔。

14.如权利要求13所述的降压系统，其特征在于，所述固体微粒在从0磅/平方英寸到30磅/平方英寸的压力下排出所述固体出口。

15.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流在从100华氏度到850华氏度的温度下进入所述容器内腔。

16.如权利要求15所述的降压系统，其特征在于，所述固体微粒在从100华氏度到350华氏度的温度下排出所述固体出口。

17.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，所述减压装置包括彼此串联的多个减压装置。

18.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，固体微粒流入容器的速率是从0磅/小时到10,000磅/小时。

19.如权利要求1所述的降压系统，其特征在于，还包括收集装置，所述收集装置与所述减压装置的所述固体出口连通，并且构造成收集从所述固体出口排放的过大尺寸微粒。

20.如权利要求19所述的降压系统，其特征在于，所述收集装置包括粗滤器。

21.一种与其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流流体连通的降压系统，所述系统包括：

冷却装置，所述冷却装置用于冷却其中夹带有气体的、高压高温的固体微粒流，从而形成其中夹带有气体的、高压低温的冷却固体微粒流；以及

分离器，所述分离器用于从其中夹带有气体的、高压低温的固体微粒流的至少一部分中分离冷却固体微粒，所述分离器包括：

罩壳，所述罩壳限定分离器内腔并且具有罩壳壁；

过滤器，所述过滤器设置在分离器内腔内并且具有内壁和隔开的外壁，所述外壁与所述罩壳壁隔开并且在所述过滤器和所述罩壳壁之间限定封闭环部，其中，所述内壁限定与其中夹带有气体的、高压低温的冷却固体微粒流流体连通的导管，所述内壁包括多个第一孔，所述第一孔的直径大于所述固体微粒的平均直径，其中，所述外壁包括多个第二孔，所述第二孔的直径小于所述固体微粒的平均直径，其中，所述过滤器的所述内壁和所述外壁限定封闭的过滤内腔；

颗粒床，所述颗粒床设置在所述过滤内腔中；以及

气体出口，所述气体出口与用于排出加压气体的环部选择性地流体连通；

其中，所述冷却固体微粒的至少一部分经由固体出口排出减压装置，所述固体出口定位在所述导管的远端附近。

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