CN102202782A - 进料喷射器冷却护套 - Google Patents

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Abstract

一种用于将进料提供至整体气化联合循环系统的进料喷射器，包括：通向本体且终止于顶端的基部，该顶端包括用于将进料喷射到气化器中的出口通路；该顶端包括设置在插芯内的内壳与该插芯设置于其中的外壳的配合；设置在插芯与内壳之间从而提供内部环形空间的多个隔离件，以及设置在插芯与外壳之间从而提供外部环形空间的另外的多个隔离件；内部环形空间和外部环形空间在顶端处成流体连通，且提供冷却剂从基部至顶端并回到基部的流动。还公开了一种整体气化联合循环动力生成设备及其制造方法。

Description

进料喷射器冷却护套
技术领域
本文所述公开的发明涉及燃烧系统，并且更具体地涉及用于向进料喷射器提供冷却的技术。
背景技术
许多燃烧系统，例如煤气化设备所使用的那些，利用燃料喷嘴(也称为″进料喷射器″及其它类似用语)来向燃烧区供送燃料。
在许多这样的燃烧系统中，进料喷射器需要在操作期间冷却以防止在升高的温度下氧化、腐蚀侵蚀以及可能的机械故障。当前的冷却方法虽然实现了这些要求，但并未达到所期望的程度。此外，当前的冷却技术由于所用材料的性质而在构件制造方面存在困难。
用于冷却进料喷射器的一种当前的方法使用螺旋包绕的盘管，其覆盖喷射器的后端。该盘管产生容许与筒体一起膨胀的宽松防护。令人遗憾的是，对于此种装置而言热传递和覆盖程度是低于预期的。
因此，需要的是用于在燃烧系统操作期间冷却进料喷射器的改进方法和设备。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于向整体气化联合循环系统的气化器提供进料的进料喷射器，包括：通向本体且终止于顶端的基部，该顶端包括用于将进料喷射到气化器中的出口通路(exitway)；该顶端包括设置在插芯(或称为芯体插入件)内的内壳与该插芯设置于其中的外壳的配合；设置在插芯与内壳之间从而提供内部环形空间的多个隔离件，以及设置在插芯与外壳之间从而提供外部环形空间的另外的多个隔离件；内部环形空间和外部环形空间在顶端处成流体连通，且提供冷却剂从基部至顶端并回到基部的流动。
在本发明的另一实施例中，一种用于制造进料喷射器的方法，包括：选择外壳、内壳和插芯；将插芯设置在外壳内，从而形成外部环状区域；将内壳设置在插芯内，从而形成内部环状区域；以及使外壳与内壳配合。
在本发明的又一实施例中，一种整体气化联合循环(IGCC)动力生成(或发电)设备，包括：包括至少一个进料喷射器的气化器，该进料喷射器包括通向本体且终止于顶端的基部，该顶端包括用于将进料喷射到气化器中的出口通路，该顶端包括设置在插芯内的内壳与该插芯设置于其中的外壳的配合，设置在插芯与内壳之间从而提供内部环形空间的多个隔离件，以及设置在插芯与外壳之间从而提供外部环形空间的另外的多个隔离件，内部环形空间和外部环形空间在顶端处成流体连通且提供冷却剂从基部至顶端并回到基部的流动；以及提供至外部环形空间和内部环形空间的之一中的冷却剂源，以及用于经由外部环形空间和内部环形空间中的另一个接收经加热的冷却剂的回路(return)。通过结合附图的如下描述，这些及其它优点和特征将变得更为明显。
附图说明
在所附权利要求中具体地指出且明确地主张了认作是本发明的主题。通过结合附图的如下详细描述，本发明的前述及其它特征和优点将变得清楚，在附图中：
图1为整体气化联合循环(IGCC)动力生成设备的方面的透视图；
图2、图3和图4为在图1中的IGCC设备的气化器中使用的进料喷射器的剖面透视图；
图5绘出了图2至图4中的进料喷射器的分离的构件。
本详细说明通过举例的方式参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
所公开的是一种结合了用于加强冷却的特征的进料喷射器。通常，这些特征并非是伸出(或突出)的，且因此在机械方面是坚固的。进料喷射器用于将燃料提供至多种燃烧器，例如包括整体气化联合循环(IGCC)系统，其方面在图1中绘出。
参看图1，示出了IGCC过程的方面。称为″洁净煤″过程的IGCC过程通常排出少于常规粉煤设备一半的二氧化硫、氧化氮、汞和颗粒物质，使得利用煤来发电明显更为洁净。IGCC过程比常规燃煤设备用水更少。在一些实施例中，IGCC过程提供通过使含碳原料与氧在加压的反应室(气化器)中混合以产生热合成气体来提供较为洁净的排放物。水或蒸汽结合进料一起用来调节反应温度。进料中的碳转变成一氧化碳(CO)，而水/蒸汽转变成氢(H2)。取决于转变的程度，二氧化碳(CO2)和蒸汽(H2O)还将连同微量成分(例如，小于2％的H2S、CH4、COS等)一起存在于合成气体中。该合成气体或″合成气″然后用于多种应用，包括发电、化学品制造以及精炼。
进料喷射器的功能在于输送、雾化和混合燃料(进料)、O2以及蒸汽/水调节剂。进料喷射器混合和雾化反应物并且控制流体流动模式。因此，进料喷射器为气化技术的重要构件，并且可对总体过程性能(即，效率)以及安全和可靠操作产生重要影响。
在示例性IGCC设备1中，提供了气化器2。气化器2接收水和蒸汽3中至少一种的输入，且将水和/或蒸汽3与进料4(即，燃料)混合。通常，进料4的示例性形式包括固体燃料，例如，与水混合而形成浆料的底煤和/或石油焦；油，例如重油，包括诸如柏油和真空残余底部沉积物(bottoms)的形式；以及气体，例如天然气和燃料气体。
现在参看图2，示出了进料喷射器10的方面的概略视图。在该实例中，进料喷射器10包括本体13、基部12和顶端11。通常，顶端11将进料4分配到气化器2中。进料4经由基部12进给到进料喷射器10中。基部12可包括各种安装构件(未示出)，如凸缘和联接件，这将通过进一步阐述而变得清楚。具有长度L的本体13通常是无阻塞的，且将进料4从基部12传送至顶端11。
通常，本体12沿长度L直至顶端区段具有恒定的半径R(参看图4)。在顶端区段，本体渐缩至由顶端11描述的出口通路。在一些实施例中，本体12具有变化的半径，如本体12沿长度L略微渐缩的情形。
现在还参看图3，示出了图2的剖面透视图的分解视图。在该视图中，进料喷射器10示为包括内壳33、插芯32和外壳31。内壳33、插芯32和外壳31围绕中心轴线C同心地布置。在该实施例中，内壳33提供了用于进料4的无阻塞通路，且由插芯32所包绕。继而，插芯32又由外壳31所包绕。多个隔离件35将内壳33、插芯32和外壳31中的各个隔开。在该实施例中，隔离件35结合到插芯32的外表面和内表面中的每一个中。该多个隔离件35其尺寸形成为使得内壳33、插芯32和外壳31的同心布置提供了设置在内壳33与插芯32之间的内部环形空间36，以及设置在外壳31与插芯32之间的外部环形空间34。隔离件35可设置在互相补足的表面上，如外壳31的内表面和内壳33的外表面。各种布置的组合也可采用。
在操作中，外部环形空间34提供冷却剂(例如，预先喷射的水)的入流38和出流39中之一，而内部环形空间36则提供入流38或出流39中的另一个。即是说，在操作中，冷却剂可通过使用适合的进入端口装置从基部12进入端口到内部环形空间36和外部环形空间34的之一中。冷却剂将沿本体13的长度L传递至顶端11，且然后反向而从顶端11朝基部12往回传递。冷却剂首先引入内部环形空间36还是外部环形空间34是设计偏好问题。在该实例中，如图3中所示，入流38经由外部环形空间34朝顶端11传递。在该实施例中，冷却剂冷却外壳，且将一部分热量传递至进料4，从而对进料4预先加热。
现在参看图4，示出了进料喷射器10的剖面端视图。在该实例中，可更好地观察到多个隔离件35。如可从该图示中推测到的那样，各隔离件35均提供为确保内壳33、插芯32和外壳31沿中心轴线C对准。因此，内壳33、插芯32和外壳31中的各个均具有半径R(可从中心轴线C确定)，其确保内部环形空间36和外部环形空间34中的各个均具有足够的尺寸来提供所期望的热传递(即，将传送足量的冷却剂来提供期望的冷却效果)。
通常，各隔离件35均包括用以提高热传递的设计。更具体而言，各隔离件35的设计可在冷却剂内引入或促进湍流。例如，各隔离件35均可为大致圆形的轮廓。其它轮廓，如泪珠形、双泪珠形、三角形、矩形以及n个边的多边形等都可使用。在该实例中，各隔离件35均实现为成对的隔离件41。即是说，至少一个隔离件35出现在内部环状区域36和外部环状区域34的之一中，互相补足的隔离件35提供在内部环状区域36和外部环状区域34的另一个中。在其它实施例中，各隔离件35均独立地分配。例如，在一个实施例中，数目减少的隔离件35沿插芯32的内表面提供，使得较少隔离件35在内部环形空间36中实现。此种设计可能考虑了内壳33、插芯32和外壳31所用材料的强度。
由内壳33、插芯32和外壳31组装进料喷射器10可包括将内壳33和外壳31在顶端11处进行轨迹焊接。其它类型的焊接也可使用。例如，手工惰性气体保护钨极电弧焊、角焊以及其它焊接类型或技术也可使用。
用于制造内壳33、插芯32和外壳31中的任一种的材料可包括而不限于各种合金的多种成分。提供了多种示例性的材料和设计考虑。例如，可使用铬来给予对含硫化合物的抵抗性，以及还提供对高温下或腐蚀性溶液中的氧化状态的抵抗性。例如，可使用镍来给予对由许多有机和无机化合物的腐蚀的抵抗性，以及还限制氯化物离子应力腐蚀开裂(SCC)。具有超过40％至50％的Ni的合金经受″绿蚀″晶间侵蚀。高Ni合金，如包括15％Cr和77％Ni的一种，不具有对高于1100℉至1150℉的高温硫侵蚀的良好抵抗性，其中，富Ni合金可形成低熔点共晶Ni-Ni3S2。如果存在与Ni的至少一半那样多的Cr，则Ni将为有益的。例如，可使用少量的钼来对低铬钢增加高温强度。铁可用来提供对硫侵蚀和″绿蚀″或内部氧化的抵抗性。20％至25％的Fe抑制在高镍合金中″绿蚀″。例如，可使用钴来提供高温强度，且可提供其它益处，例如相比于镍对″绿蚀″(即，腐蚀形式)有更好的抵抗性。
可使用的示例性材料包括：镍铬铁合金，其提供对腐蚀和热的抵抗性。该合金还具有优异的机械性能，且表现出高强度和良好可加工性的期望结合；镍铬钼合金，其为适于在高强度氧化问题应用中高温(或升温)使用的材料。它还提供对许多酸的腐蚀抵抗性，以及抵抗粒间侵蚀和应力腐蚀开裂；在航空航天工业中使用的各种合金，如可用于燃烧器筒管、导管和燃烧器后构件中的发动机高温区段(或热区段)中的那些；表现出诸如高度抗腐蚀的性能特征的各种钴合金；一般用在进料喷射器内部/中间顶端上且由铸造工艺制造的合金；具有优异的热冲击强度、抗侵蚀性和对硫钒侵蚀的抵抗性的各种钴合金；具有对许多腐蚀性水介质和高温气氛的优异抵抗性的高铬镍合金，其中，高铬含量给予合金对由氧化酸和盐的水腐蚀以及对高温硫化的抵抗性；研发为用于焊接的基于镍和铬的填料金属，其中，较高的铬水平提供对应力腐蚀开裂的更强抵抗性，且还用作最低合金和不锈钢上的覆盖层；以及通常使用的钴合金，其在宽广温度范围内具有对许多形式的机械和化学降解的优异抵抗性。
简言之，多种合金和超级合金可用于制造内壳33、插芯32和外壳31。通常，选择为制造进料喷射器10的材料可通过考虑如下因素来确定，例如抗腐蚀性、限制应力开裂、抗氧化性、抗侵蚀性、抗磨损性质、高温环境中的性能、高温硬度、热传导性、机械加工性、可用性以及成本。
在如此描述进料喷射器10之后，提供了一些优点。例如，进料喷射器10提供从安装凸缘(即，基部12)至顶端11对进料喷射通路的完全包封。这提供了对热循环和通过腐蚀造成侵蚀的100％的保护。
进料喷射器10易于制造，且因此冷却构件可一致地匹配所需的规格。进料喷射器10还提供了优于现有技术设计的更为均匀的保护，从而导致操作特性改善、耐用性提高以及维护减少。因此，本文所公开的进料喷射器10提供了对制造、操作成本的降低和对效率的改善。
应当认识到的是，可具有进料喷射器10的大量变型。例如，进料喷射器10其尺寸可形成为用于确保有效喷射特定类型的进料4。这可包括考虑顶端11处的出口通路的半径R等。
进料喷射器10可包括作为IGCC设备1的气化器2的一部分。进料喷射器10可包括作为用于改装现有单元的套件中的构件，且可包括用于直接更换现有技术的进料喷射单元的安装构件。
当进料喷射器10投入操作时，引导到进料喷射器10的环状区域中的冷却剂可为多种冷却剂材料中的任何一种或多种。例如，用于进料喷射器10的冷却剂可包括而不限于水、油以及其它此类材料，且可采用诸如液体、蒸汽或气体的形式引入。
计算机模拟可结合手工计算一起来确定对于环带的适合大小和水流动所需的流速。
尽管仅结合了有限数量的实施例来详细描述本发明，但应当容易理解，本发明并不限于这些公开的实施例。相反，本发明可进行修改，以结合任意数目的此前并未描述但与本发明的精神和范围相匹配的变型、备选方案、替换方案或等效布置。此外，尽管已描述了本发明的多种实施例，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应视作为受限于上述说明，而是仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (17)

1.一种用于将进料提供至整体气化联合循环系统的气化器的进料喷射器，所述喷射器包括：
通向本体且终止于顶端的基部，所述顶端包括用于将进料喷射到所述气化器中的出口通路；
所述顶端，其包括设置在插芯内的内壳与所述插芯设置于其中的外壳的配合；
设置在所述插芯与所述内壳之间从而提供内部环形空间的多个隔离件，以及设置在所述插芯与所述外壳之间从而提供外部环形空间的另外的多个隔离件；
所述内部环形空间和所述外部环形空间在所述顶端处成流体连通，且提供冷却剂从所述基部至所述顶端并回到所述基部的流动。
2.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述插芯包括设置在外表面上的所述多个隔离件。
3.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述插芯包括设置在内表面上的所述另外的多个隔离件。
4.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述多个隔离件中的至少一部分为成对的。
5.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述顶端包括位于所述内壳与所述外壳之间的接合部。
6.根据权利要求5所述的喷射器，其特征在于，所述接合部包括由轨迹焊接、人工焊接和角焊中的至少一种所形成的焊接部。
7.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，所述外壳的内表面和所述内壳的外表面中的至少一个包括至少一个隔离件。
8.根据权利要求1所述的喷射器，其特征在于，至少一个所述隔离件包括选择为用于抗腐蚀性、限制应力开裂、抗氧化性、抗侵蚀性、抗磨损性质、高温环境中的性能、高温硬度、热传导性质、机械加工性、可用性以及成本中的至少一种的材料。
9.一种用于制造进料喷射器的方法，所述方法包括：
选择外壳、内壳和插芯；
将所述插芯设置在所述外壳内，从而形成外部环状区域；
将所述内壳设置在所述插芯内，从而形成内部环状区域；
以及使所述外壳与所述内壳配合。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述配合提供在所述外部环状区域与所述内部环状区域之间的流体连通。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将多个隔离件设置在所述外壳的内表面、所述插芯的外表面、所述插芯的内表面和所述内壳的外表面中的至少一个上。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据选择为用于抗腐蚀性、限制应力开裂、抗氧化性、抗侵蚀性、抗磨损性质、高温环境中的性能、高温硬度、热传导性质、机械加工性、可用性以及成本中的至少一种的材料来选择所述外壳、所述内壳和所述插芯中的至少一个。
13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，配合包括焊接。
14.一种整体气化联合循环(IGCC)动力生成设备，包括：
包括至少一个进料喷射器的气化器，所述进料喷射器包括通向本体且终止于顶端的基部，所述顶端包括用于将进料喷射到所述气化器中的出口通路，所述顶端包括设置在插芯内的内壳与所述插芯设置于其中的外壳的配合，设置在所述插芯与所述内壳之间从而提供内部环形空间的多个隔离件，以及设置在所述插芯与所述外壳之间从而提供外部环形空间的另外的多个隔离件，所述内部环形空间和所述外部环形空间在所述顶端处成流体连通，且提供冷却剂从所述基部至所述顶端并回到所述基部的流动；以及
提供至所述外部环形空间和所述内部环形空间的之一中的冷却剂源，以及用于经由所述外部环形空间和所述内部环形空间中的另一个接收经加热的冷却剂的回路。
15.根据权利要求14所述的整体气化联合循环(IGCC)动力生成设备，包括：
进料源，其提供含碳燃料与氧在所述气化器中混合以产生热合成气体。
16.根据权利要求15所述的整体气化联合循环(IGCC)动力生成设备，其特征在于，所述燃料包括以下中的至少一种：固体燃料，例如与水混合而产生浆料的底煤和石油焦中的至少一种；油，例如重油，包括诸如柏油和真空残余底部沉积物的形式；以及气体，例如天然气和燃料气体。
17.根据权利要求14所述的整体气化联合循环(IGCC)动力生成设备，其特征在于，所述气化器包括加压反应室。
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