CN102559276A - 用于混合反应器进料的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于混合反应器进料的方法和系统。一种进料喷射器系统包括：包括绕着纵向轴线基本同心的多个环形槽道的第一喷射器端口组件，该多个环形槽道限定对应的流体流径，对应的流体流径通过其中而基本沿轴向将流体流从相应的源引导到反应区；以及包括被多个辅助端口包围的流端口的第二喷射器端口组件，该多个辅助端口在流端口的周边的周围间隔开，该多个辅助端口连通性地联接到扩口环形通道上，该扩口环形通道构造成接收流体流，并且将该流体流引导到辅助端口，使得该流体流从辅助端口排出而具有轴向流成分、径向向内流成分和周向流成分。

Description

用于混合反应器进料的方法和系统
技术领域
本发明的领域大体涉及气化系统，并且更具体而言，涉及用于混合进料且将该进料喷射到气化器中的方法和系统。
背景技术
至少一些已知气化器将燃料、空气或氧气、液态水和/或蒸汽以及/或者渣料的混合物转化成部分氧化的气体的输出，这有时称“合成气”。在整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统中，将合成气供应给燃气轮机发动机的燃烧器，燃气轮机发动机为发电机提供动力，发电机将电功率供应给电网。来自燃气轮机发动机的排气可供应给热回收蒸汽发生器，热回收蒸汽发生器产生蒸汽来驱动蒸汽轮机。蒸汽轮机所产生的动力也驱动将电功率提供给电网的发电机。
通过将进料源联接到进料喷嘴上的进料喷射器，从单独的源将燃料、空气或氧气、液体水和/或蒸汽以及/或者渣料添加物喷射到气化器中。进料源单独地穿过进料喷射器，并且在喷嘴下游的反应区中汇合在一起。为了在进料驻留在反应区中的短时间内完成反应，需要使进料成分发生密切混合。至少一些已知的气化进料喷射器包括以高速喷出进料成分，以促进雾化，但是这样的方法会缩短可获得的反应时间，而且往往阻碍完全反应。
一些已知的干进料喷射器设计包括与氧化剂端口结合的、用于喷射固体燃料的多个端口。喷射器尖部类似于莲蓬头的喷射器尖部，并且固体+气体燃料混合物沿着喷射器内部的各种流径分成少量。因为将固体分配到多股流中，所以较少量燃料的混合时间非常短。因此，这些喷射器在距喷射器尖部短的距离内提供几乎均匀的分配。但是，关于固体燃料在多个端口上的分配仍然存在问题和担忧。
发明内容
在一个实施例中，进料喷射器系统包括：包括绕着纵向轴线基本同心的多个环形槽道的第一喷射器端口组件，该多个环形槽道限定对应的流体流径，对应的流体流径通过其中而基本沿轴向将流体流从相应的源引导到反应区；以及包括由多个辅助端口包围的流端口的第二喷射器端口组件，该多个辅助端口在流端口的周边的周围间隔开，该多个辅助端口连通性地联接到扩口环形(toroidal)通道上，该扩口环形通道构造成接收流体流，并且将该流体流引导到辅助端口，使得该流体流从辅助端口排出而具有轴向流成分、径向向内流成分和周向流成分。
在另一个实施例中，一种将燃料供给到气化器中的方法包括：引导燃料和氧化剂中的至少一个的单独的流通过多个同轴喷射器通道中的相应的一些，该多个喷射器通道的相应的出口居中定位在喷射器喷嘴的尖部中；引导燃料流通过多个喷射器通道，该多个喷射器通道具有定位在相应的出口的径向外侧且在相应的出口周围沿周向间隔开的出口；以及引导氧化剂流通过多个辅助喷射器通道，该多个辅助喷射器通道各自定位在该多个喷射器通道中的相应的一些的径向外侧，并且在该多个喷射器通道中的相应的一些的周围沿周向间隔开。
在又一个实施例中，一种气化系统包括用于使燃料部分地氧化的压力容器和构造成将燃料喷射到压力容器中的进料喷射器。进料喷射器进一步包括：包括绕着纵向轴线基本同心的多个环形槽道的第一喷射器端口组件，该多个环形槽道限定对应的流体流径，对应的流体流径通过其中而基本沿轴向将流体流从相应的源引导到反应区；以及包括由多个辅助端口包围的流端口的第二喷射器端口组件，该多个辅助端口在流端口的周边的周围间隔开，该多个辅助端口连通性地联接到扩口环形通道上，该扩口环形通道构造成接收流体流，并且将该流体流引导到辅助端口，使得该流体流从辅助端口排出而具有轴向流成分、径向向内流成分和周向流成分。
附图说明
图1-4显示了本文描述的方法和系统的示例性实施例。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统的示意图；
图2是可用于压力容器(例如图1中显示的气化器)的示例性喷射喷嘴的示意图；
图3是可用于图1中显示的气化器的多端口同轴冲击喷射器尖部的面的轴向视图；以及
图4是可用于图1中显示的气化器的进料喷射器系统的侧面正视图。
部件列表：
10燃气轮机发动机
12燃气轮机发动机压缩机
14燃气轮机发动机燃烧器
50IGCC系统
52压缩机
54空气分离单元
56气化器
58蒸汽轮机
60压缩机
62清洁装置
64发电机
66热回收蒸汽发生器
68发电机
70喷射喷嘴
72喷嘴尖部
74远端
200喷射喷嘴
202侧壁
204头部
206喷嘴尖部
208远端
210通路
212通路
214通路
216通路
220反应区
221二次流组件
222多个流端口
224多个辅助端口
300尖部面
302喷射器尖部
304中心端口
306纵向轴线
308第一中心流道
310第二环形流道
312第三环形流道
314流端口
316圆形路径
318预定的半径
320辅助端口
322径向距离
324纵向轴线
326气室
328通道
400进料喷射器系统
401喷射器尖部组件
402第一喷射器端口组件
404环形槽道
406第二喷射器端口组件
408扩口环形通道
410流体
412轴向流成分
414向内流成分
416周向流成分
420第一管道
422径向外表面
424径向内表面
426斜切排出端
428长度
430第二管道
432径向外表面
434径向内表面
436排出端
438长度
440流径
442气室
444通道
具体实施方式
以下详细描述以实例的方式而非以限制的方式示出本发明的实施例。该描述清楚地使得本领域技术人员能够实施和使用本公开，描述了本公开的若干个实施例、修改、变型、备选方案和使用，包括目前被相信是执行本公开的最佳模式的方案。描述了将本公开应用于一个示例性实施例，即把进料喷射到反应器中的系统和方法。但是，构想本公开一般地应用于工业、商业和民用应用中的管路系统。
如本文所用，以单数叙述且前面有词语“一个”或“一种”的元件或步骤应理解为不排除多个元件或步骤，除非清楚地叙述了这种排除。另外，对本发明的“一个实施例”的参照不意图解释为排除也结合了所叙述的特征的额外的实施例的存在。
本发明的实施例描述了有助于使固体、液体和气态燃料在气化器内与氧化剂最佳地混合的气化器进料喷射器。喷射器具有多个流径，通过该多个流径将各种流体输送和喷射到气化器中。当燃料和氧化剂最佳地混合时，气化器的效率达到最高。喷射器流径对于离开喷射器的尖部的流具有高的混合效率。喷射器及其内部流径包括(但不限于)各种燃料和氧化剂流的位置、各种燃料和氧化剂流的出射角和各种流体流的出射尺寸。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的整体气化联合循环(IGCC)动力发生系统50的示意图。在该示例性实施例中，IGCC系统50包括主空气压缩机52、以流连通的方式联接到压缩机52上的空气分离单元54、以流连通的方式联接到空气分离单元54上的气化器56、以流连通的方式联接到气化器56上的燃气轮机发动机10，以及蒸汽轮机58。在运行中，压缩机52压缩环境空气。压缩空气被引导到空气分离单元54。在一些实施例中，除了压缩机52之外或者作为压缩机52的备选方案，将来自燃气轮机发动机压缩机12的压缩空气供应给空气分离单元54。空气分离单元54使用压缩空气来产生氧气，以供气化器56使用。更具体而言，空气分离单元54将压缩空气分离成单独的氧气流和气体副产物流，这有时称为“过程气体”。空气分离单元54产生的过程气体包括氮气，并且在本文中将称为“氮气过程气体”。氮气过程气体还可包括其它气体，例如(但不限于)氧气和/或氩气。例如，在一些实施例中，氮气过程气体包含介于约95％和约100％之间的氮气。氧气流被引导到气化器56，以用于产生部分地燃烧的气体(这在本文中称为“合成气”)，以由燃气轮机发动机10用作燃料，如下面更加详细地描述的那样。在一些已知的IGCC系统50中，氮气过程气体流(空气分离单元54的副产物)中的至少一些被排到大气中。此外，在一些已知的IGCC系统50中，氮气过程气体流中的一些喷射到燃气轮机发动机燃烧器14内的燃烧区(未示出)中，以帮助控制发动机10的排放，并且更具体而言，帮助降低燃烧温度和减少发动机10的氮氧化物排放。IGCC系统50可包括压缩机60，以用于在氮气过程气体流被喷射到燃烧区中之前对其进行压缩。
气化器56将燃料、空气分离单元54供应的氧气、蒸汽和/或石灰石的混合物转化成合成气的输出，以由燃气轮机发动机10用作燃料。虽然气化器56可使用任何燃料，但是在一些已知的IGCC系统50中，气化器56使用煤、石油焦、残油、油乳胶、柏油砂和/或其它类似的燃料。在一些已知的IGCC系统50中，气化器56所产生的合成气包括二氧化碳。在将气化器56所产生的合成气引导到燃气轮机发动机燃烧器14来对进行燃烧之前，可在清洁装置62中对其进行清洁。在清洁期间，二氧化碳可从合成气中分离出来，而且在一些已知的IGCC系统50中被排到大气中。来自燃气轮机发动机10的动力输出驱动发电机64，发电机64将电功率供应给电网(未示出)。来自燃气轮机发动机10的排气被供应给热回收蒸汽发生器66，热回收蒸汽发生器66产生蒸汽来驱动蒸汽轮机58。蒸汽轮机58所产生的动力驱动发电机68，发电机68将电功率提供给电网。在一些已知的IGCC系统50中，来自热回收蒸汽发生器66的蒸汽被供应给气化器56，以产生合成气。在其它已知的IGCC系统50中，使用由于产生合成气而生产的热能来产生额外的蒸汽来驱动蒸汽轮机58。
在该示例性实施例中，气化器56包括延伸通过气化器56的喷射喷嘴70。喷射喷嘴70包括在喷射喷嘴70的远端74处的喷嘴尖部72。喷射喷嘴70进一步包括端口(未在图1中示出)，该端口构造成将流体流引导到喷嘴尖部72的附近，使得该流体流有助于降低喷嘴尖部72的至少一部分的温度。在该示例性实施例中，喷射喷嘴70构造成将氨流引导到喷嘴尖部72的附近，使得该氨流有助于降低喷嘴尖部72的至少一部分的温度。
图2是可用于压力容器(例如气化器56(在图1中显示))的示例性喷射喷嘴200的示意图。喷射喷嘴200延伸通过气化器56的侧壁202或头部204。喷射喷嘴200包括在喷射喷嘴200的远端208处的喷嘴尖部206，并且进一步包括从气化器56的外部延伸到喷嘴尖部206的多个同轴环形通道210、212和214。在各种实施例中，喷射喷嘴200包括中心通路216，备选地，中心通路216被阻塞、未使用或不存在。通路210、212、214和216中的各个均构造成将含碳原料、空气、氧气、蒸汽和过程副产物中的至少一个输送到气化器56中。通路210、212、214和216中的各个大小设置成和定向成预定的参数，以帮助优化含碳原料、空气、氧气、蒸汽和副产物中的该至少一个的混合。
在该示例性实施例中，通路216构造成将燃料、空气、氧气、过程副产物和蒸汽中的至少一个输送到气化器56中。通路210定位在通路216的径向外侧，并且构造成将燃料、空气、氧气、过程副产物和蒸汽中的至少一个输送到气化器56中。通路212定位在通路210的径向外侧，并且构造成将燃料、空气、氧气、过程副产物和蒸汽中的至少一个输送到气化器56中。通路214定位在通路212的径向外侧，并且也构造成将燃料、空气、氧气、过程副产物和蒸汽输送到气化器56中。在各种其它实施例中，输送各种流体的特定通路可有所不同，而且流体组分可与该示例性实施例中描述的组分不同。例如，通路214可构造成将副产物之外的流体输送到气化器56中。
在运行中，流过通路216且离开该通路216的空气、氧气和/或蒸汽的流往往使流过通路210且离开该通路210的含碳原料的浆料雾化和充气。由于反应区220中的热能的原因，含碳原料的成分至少部分地燃烧，从而在反应区220中产生额外的热。流过通路212且离开该通路212的空气、氧气和/或蒸汽的流往往使流过通路210且离开该通路210的含碳原料的浆料进一步雾化和充气。多个二次流组件221在喷射喷嘴200的周围沿周向间隔开，而且各个二次流组件221均包括由多个辅助端口224包围的多个流端口222。
图3是可用于气化器56(在图1中显示)的多端口同轴冲击喷射器尖部302的面300的轴向视图。在该示例性实施例中，当对气化器56使用至少部分的干燃料进料时，可使用尖部302。喷射器尖部302包括与喷射器尖部302的纵向轴线306同轴地定位的中心多流端口304。在该示例性实施例中，端口304包括第一中心流道308、基本围绕第一流道308的第二环形流道310和基本围绕第二流道310的第三环形流道312。
喷射器尖部302还包括多个沿周向间隔开的流端口314。在该示例性实施例中，流端口314沿着距轴线306具有预定的半径318的基本圆形路径316等距地沿周向间隔开。在各种实施例中，流端口314沿着路径316不定地间隔开，在距轴线306不同的径向长度处间隔开，或者为它们的组合。在该示例性实施例中，各个流端口314均由多个辅助端口320包围，该多个辅助端口320可在相应的流端口314的周围沿周向等距地间隔开，或者可在流端口314的周围不等距地间隔开。此外，各个辅助端口320可处于距相应的流端口的纵向轴线324相等的径向距离322处，或者可定位在距纵向轴线324不同的径向距离322处。在该示例性实施例中，辅助端口320以流连通的方式与气室326联接，气室326可定位在尖部面300的径向外部。使用形成于尖部302中的通道328来将辅助端口320联接到气室326上。通道328可形成为从气室326到辅助端口320而沿径向向内定向的通道，或者可形成为构造成用周向流成分影响传送通过通道328和/或辅助端口320的流体的扩口环形进料路径的一部分。
喷射器尖部302包括用于各个固体、液体和/或气体燃料和氧化剂的多个流径。在运行期间，使用中心端口304、流端口314和辅助端口320来将固体燃料和输送气体喷射到气化器56中。可通过改变经过相应的流径的流率来控制分配到中心端口304和流端口314之间的流体的份额。可使用三重环形中心端口304来将固体、液体和气体的任何组合作为燃料和氧化剂来喷射。在一个实施例中，通道308和312引导氧化剂，而通道310引导固体和气体的混合物。在另一个实施例中，通道310引导液体燃料。在另外的另一个实施例中，通道308引导固体和气体的混合物，而通道312引导液体，同时通道310引导氧化剂。在又一个实施例中，通道308引导固体和气体的混合物，而通道310引导液体燃料。流端口314可用来喷射固体和/或液体燃料的任何组合。辅助端口320可用来喷射氧化剂。
辅助端口320的内部流径制成扩口环形，以沿所有三个方向轴分配流的动量，以改进混合。扩口环形布置对冲击流提供了涡旋的效果。
图4是可用于气化器56(在图1中显示)的进料喷射器系统400的侧面正视图。在该示例性实施例中，进料喷射器系统400包括喷射器尖部组件401，该喷射器尖部组件401包括第一喷射器端口组件402，该第一喷射器端口组件402包括绕着纵向轴线306基本同心的多个环形槽道404，该多个环形槽道404限定对应的流体流道308、310和312，对应的流体流道通过其中而基本沿轴向将流体流从相应的源(未在图4中示出)引导到反应区220。环形槽道404是基本同心的，并且包括第一基本圆柱形管道420，该第一基本圆柱形管道420与纵向轴线306同轴，并且具有径向外表面422和径向内表面424。第一管道420进一步包括供应端(为了清楚而未示出)、排出端426和在它们之间延伸的长度428。第一喷射器端口组件402还包括至少部分地在第一管道420内且与第一管道420基本同心地对准的第二管道430。第二管道430在纵向轴线306的周围是基本圆柱形的，并且具有径向外表面432和径向内表面434。第二管道430进一步包括供应端(为了清楚而未示出)、排出端436和在它们之间延伸的长度438。在一个实施例中，第一管道420包括斜切排出端426。第二管道430包括沿径向会聚的排出端436。流径440限定在第一管道和第二管道之间，并且在沿径向会聚的排出端436和斜切排出端426之间沿径向向内定向。流径440构造成以便引导干固体燃料和输送流体通过其中。
进料喷射器系统400进一步包括第二喷射器端口组件406，该第二喷射器端口组件406包括被辅助端口320包围的流端口314，辅助端口320在流端口314的周边的周围间隔开。辅助端口320连通性地联接到扩口环形通道408上，该扩口环形通道408构造成接收流体流，并且将该流体流引导到辅助端口320，使得该流体流410从辅助端口320排出而具有轴向流成分412、径向向内流成分414和周向流成分416。扩口环形通道408构造成对通过扩口环形通道408的流施加周向流成分416的方向。流端口314构造成引导干固体燃料和液体燃料中的至少一个，而辅助端口320构造成将氧化剂引导到反应区220。在各种实施例中，进料喷射器系统400进一步包括围绕至少喷射器尖部组件401且以流连通的方式与该多个辅助端口320中的至少一些联接的气室442。在一个实施例中，气室442通过从气室442延伸到辅助端口320的一个或多个通道444而以流连通的方式与辅助端口320联接。
以上描述的将燃料供给到气化器喷射器中的方法和系统的实施例提供了用于促进最佳混合以有较高的碳转化的成本有效且可靠的手段，较高的碳转化随后改进了总的气化器效率，并且可有助于提高整体IGCC装置效率。更具体而言，本文描述的方法和系统有助于使用喷射器提供的多个突出部(knob)来控制各种燃料和氧化剂流，以协助在宽范围的流状况下优化混合。另外，以上描述的方法和系统有助于提供较宽泛的且较均匀的混合分布，这归功于多个位置处的喷射。因此，本文描述的方法和系统有助于以成本有效且可靠的方式混合燃料和氧化剂且将它们供给到气化器中。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种进料喷射器系统(400)，包括：
包括绕着纵向轴线(324)基本同心的多个环形槽道(404)的第一喷射器端口组件(402)，所述多个环形槽道(404)限定对应的流体流径(440)，所述对应的流体流径(440)通过其中而基本沿轴向将流体(410)流从相应的源引导到反应区(220)；以及
包括被多个辅助端口(320)包围的流端口(314)的第二喷射器端口组件(406)，所述多个辅助端口(320)在所述流端口的周边的周围间隔开，所述多个辅助端口连通性地联接到扩口环形通道(408)上，所述扩口环形通道(408)构造成接收流体流，并且将所述流体流引导到所述辅助端口，使得所述流体流从所述辅助端口排出而具有轴向流成分(412)、径向向内流成分(414)和周向流成分(416)。
2.根据权利要求1所述的系统(400)，其特征在于，所述扩口环形通道(408)构造成对通过所述扩口环形通道的流施加周向流方向。
3.根据权利要求1所述的系统(400)，其特征在于，所述多个基本同心的环形槽道(404)包括：
在纵向轴线(324)的周围基本成圆柱形的第一管道(420)，所述第一管道包括径向外表面(422)和径向内表面(424)，所述第一管道进一步包括供应端、排出端(436)和在它们之间延伸的长度(438)；
至少部分地包围所述第一管道且与所述第一管道基本同心地对准的第二管道(430)，所述第二管道在所述纵向轴线的周围基本成圆柱形，所述第二管道包括径向外表面和径向内表面，所述第二管道进一步包括供应端、排出端和在它们之间延伸的长度。
4.根据权利要求3所述的系统(400)，其特征在于，所述第一管道(420)包括斜切排出端(426)。
5.根据权利要求3所述的系统(400)，其特征在于，所述第二管道(430)包括沿径向会聚的排出端(436)。
6.根据权利要求3所述的系统(400)，其特征在于，所述第一管道(420)包括斜切排出端(426)，而所述第二管道(430)包括沿径向会聚的排出端(436)，使得限定在所述第一管道和所述第二管道之间的流径(440)在所述沿径向会聚的排出端和所述斜切排出端之间沿径向向内定向。
7.根据权利要求6所述的系统(400)，其特征在于，限定在所述第一管道和所述第二管道(420，430)之间的所述流径(440)构造成引导干固体燃料和输送流体(410)。
8.根据权利要求3所述的系统(400)，其特征在于，限定在所述第一管道(420)内的流径(440)构造成引导干固体燃料和输送流体(410)。
9.根据权利要求1所述的系统(400)，其特征在于，所述流端口(314)构造成引导干固体燃料和液体燃料中的至少一个，而所述辅助端口(224)构造成将氧化剂引导到反应区(220)。
10.根据权利要求1所述的系统(400)，其特征在于，所述系统(400)进一步包括围绕所述进料喷射器端口(402)的气室。
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