CN102822599A - 用于使蒸汽过热的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供用于回收气化器(16)中的热的方法和系统。气化器包括压力容器，其包括大致柱形的壳体(206)、上头部(202)和下头部(204)。气化器还包括：耐火壁(216)，其与壳体大致同心并且从壳体径向向内隔开；和过热器换热器(228)，其安装在壳体和耐火壁之间。

Description

用于使蒸汽过热的方法和设备
技术领域
本发明的领域大体涉及气化系统，并且更具体地，涉及用于使辐射合成气体(合成气)冷却器(RSC)中产生的蒸汽过热的方法和系统。
背景技术
在骤冷气化器(quench gasifier)中，含碳燃料在燃烧区中部分氧化以形成气态副产物和典型地，灰或其他废产物。部分氧化过程释放大量的热，其对转化成例如涡轮发动机中的机械能是有用的。热还倾向于缩短气化系统中的构件的寿命。被过量的热影响的一个构件是围绕燃烧区的耐火壁。
辐射合成气冷却器用于从离开燃烧区的气态副产物移除热。RSC可利用管道和/或凸缘联接成与气化器流动连通或可与气化器集成地形成并且与气化器一起容纳在单一容器中。RSC包括多个换热器悬垂件(pendant)，其配置成从流动穿过RSC的气态副产物移除热。在换热器中形成的蒸汽/水混合物引导到蒸汽鼓，其中，饱和蒸汽抽出和引导到下游过程以做功或加热其他流体。然而，使饱和蒸汽过热将提高蒸汽的质量和有用性。
发明内容
在一个实施例中，气化器包括压力容器，其包括大致柱形的壳体、上头部和下头部。气化器还包括：耐火壁，其与壳体大致同心并且从壳体径向向内隔开；和过热器换热器，其安装在壳体和耐火壁之间。
在另一个实施例中，提供一种气化器中的热回收的方法。气化器包括被耐火壁围绕的燃烧区、围绕耐火壁的压力容器的壳体和换热器。该方法包括：将换热器设置在耐火壁和壳体之间的环形空间中；和在换热器的入口处接收饱和蒸汽流。该方法还包括：由饱和蒸汽从燃烧区接收热流，使得蒸汽是过热的；和利用过热蒸汽从换热器传递热。
在又一个实施例中，气化系统包括：气化器，其具有大致柱形的壳体、上头部和下头部。气化系统还包括：气化器内的燃烧器，其中，燃烧器构造成将燃烧产物指引到气化器的出口通路；和燃料喷射系统，其构造成将燃料喷射到燃烧器中。气化系统进一步包括：耐火壁，其与壳体大致同心并且从壳体径向向内隔开；和在壳体和耐火壁之间的过热器换热器。
附图说明
图1至3示出了本文中描述的方法和系统的示范实施例。
图1是根据本发明的示范实施例的整体气化联合循环(IGCC)发电系统的示意图；
图2是根据本发明的示范实施例的图1中示出的气化器的侧视立面图；和
图3是根据本发明的示范实施例的图2中示出的环形过热器换热器的透视图。
具体实施方式
下列详细描述经由实例并且不经由限制说明本发明的实施例。设想本发明大体应用于从过量的区域移除热和以可回收的方式使用热，以提高工业、商业和住宅应用中的系统的效率。
如在本文中使用的，以单数叙述并且以单词“一”或“一个”开始的元件或步骤应当理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地叙述这种排除。此外，涉及本发明的“一个实施例”不意图解释为排除也包括所叙述特征的附加实施例的存在。
图1是示范整体气化联合循环(IGCC)发电系统10的示意图。IGCC系统10大体包括主空气压缩机12、联接成与压缩机12流动连通的空气分离单元(ASU)14、联接成与ASU14流动连通的气化器16、联接成与气化器16流动连通的辐射合成气冷却器(RSC)18、联接成与合成气冷却器18流动连通的燃气涡轮发动机20和联接成与合成气冷却器18流动连通的蒸汽涡轮22。在各种实施例中，气化器16和RSC18是利用互连管道或凸缘对凸缘配合而联接成流动连通的分离压力容器。在其他实施例中，气化器16和RSC18由具有气化器部分和RSC部分的单一压力容器形成。在一个实施例中，RSC部分从气化器部分径向向外一起定位在单一压力容器中。
在操作中，压缩机12压缩环境空气，其接着引导到ASU14。在示范实施例中，除了来自压缩机12的压缩空气之外，来自燃气涡轮发动机压缩机24的压缩空气供应到ASU14。可选地，来自燃气涡轮发动机压缩机24的压缩空气供应到ASU14，而不是来自压缩机12的压缩空气供应到ASU14。在示范实施例中，ASU14使用压缩空气以产生被气化器16使用的氧气。更具体地，ASU14使压缩空气分离成氧气(O2)和气体副产物(有时被称为“过程气体”)的分离流。O2流引导到气化器16，用于在产生部分氧化气体(在本文中被称为“合成气”)时使用，该部分氧化气体用于被燃气涡轮发动机20用作燃料，如在下面更详细地描述的。
由ASU14产生的过程气体包括氮并且将在本文中被称为“氮过程气体”(NPG)。NPG还可包括诸如但不受限于氧和/或氩的其他气体。例如，在示范实施例中，NPG包括在大约95%到大约100%之间的氮。在示范实施例中，NPG流中的至少一些从ASU14排放到大气，并且NPG流中的至少一些喷射到燃气涡轮发动机燃烧器26内的燃烧区(未示出)中，以便于控制发动机20的排放物，并且更具体地，以便于降低燃烧温度和减少来自发动机20的一氧化二氮排放物。在示范实施例中，IGCC系统10包括压缩机28，用于在氮过程气体流喷射到燃气涡轮发动机燃烧器26的燃烧区中之前压缩氮过程气体流。
在示范实施例中，气化器16将从燃料供应装置30供应的燃料、由ASU14供应的O2、蒸汽和/或石灰石的混合物转化成合成气的输出，用于被燃气涡轮发动机20用作燃料。虽然气化器16可使用任何燃料，但是在示范实施例中，气化器16使用煤、石油焦炭、残油、油乳剂、沥青砂和/或其他相似的燃料。此外，在示范实施例中，由气化器16产生的合成气包括二氧化碳。
在示范实施例中，由气化器16产生的合成气引导到合成气冷却器18以便于冷却合成气，如在下面更详细地描述的。冷却的合成气从冷却器18引导到清除装置32以用于在合成气引导到燃气涡轮发动机燃烧器26之前对合成气进行清洁，用于合成气的燃烧。二氧化碳(CO2)可在清除期间从合成气分离，并且在示范实施例中，可排放到大气。燃气涡轮发动机20驱动供应电力到电力网(未示出)的发电机34。来自燃气涡轮发动机20的废气引导到热回收蒸汽发生器(HRSG)36，其产生用于驱动蒸汽涡轮22的蒸汽。由蒸汽涡轮22产生的动力驱动为电力网提供电力的发电机38。在示范实施例中，来自HRSG36的蒸汽供应到气化器16，用于产生合成气。
此外，在示范实施例中，系统10包括泵40，其将来自HRSG36的沸水供应到合成气冷却器18以便于冷却从气化器16引导的合成气。沸水引导穿过合成气冷却器18，其中，水转化成蒸汽。沸水大体包括蒸汽/水混合物，其在蒸汽鼓37中分离成高压蒸汽流和水。来自蒸汽鼓37的蒸汽引导到定位在气化器16内的过热器39并且接着引导到HRSG36。
图2是根据本发明的示范实施例的气化器16(在图1中示出)的侧视立面图。在示范实施例中，气化器16包括上头部202、下头部204和在其间延伸的大致柱形的压力容器本体或壳体206。供给喷射器208刺入上头部202或容器本体206以使燃料流能够排出到气化器16中。燃料引导穿过限定在供给喷射器208中的一个或更多个通路，并且从喷嘴210以预定喷洒方式212排出到限定在气化器16中的燃烧区214中。燃料可在进入喷嘴210之前与例如氧化剂的其他物质和/或废物混合，并且/或者可在从喷嘴210排出时与其他物质混合。
在示范实施例中，燃烧区214是竖直地定向的大致柱形的空间，其与喷嘴210大致相互对齐，并且与喷嘴210串联地流动连通。燃烧区214的外周215由耐火壁216限定，耐火壁216包括诸如Incoloy®管218的结构基底和耐火覆层220，耐火覆层220包括特性，其抵抗包含在燃烧区214内的相对高温和高压的作用。耐火壁216的出口端部222包括会聚喷嘴224，其定向和设计成便于保持燃烧区214中的预定背压，同时允许在燃烧区214中产生的部分氧化产物和合成气离开燃烧区214。燃烧的产物包括气态副产物、通常形成在耐火覆层220上的熔渣和与气态副产物一起以悬浮方式携带的细颗粒。
在一个实施例中，在离开燃烧区214之后，可流动熔渣和固体熔渣重力供给到包含在下头部204中的固体骤冷池226。固体骤冷池226保持有一定水平的水，其使可流动熔渣骤冷成易碎固体材料，其可在从气化器16移除之后破裂成较小块。固体骤冷池226还捕获离开燃烧区214的大约90%的细颗粒。在各种其他的实施例中，在离开燃烧区214之后，部分氧化产物、可流动熔渣和固体熔渣从气化器16重力供给到分离容器中的辐射合成气冷却器(RSC)中。
在示范实施例中，环形过热器换热器228从耐火壁216径向向外且从壳体206径向向内至少部分地围绕燃烧区214。顶部凸缘232使上头部202下面的体积与被壳体206围绕的体积236分离。在示范实施例中，换热器228包括上环集管238、下环集管240和在其间延伸的多个换热器管242。在一个实施例中，换热器管242是包括在相邻管之间的膜或网的膜管(membrane tube)，该膜或网防止在相邻管之间的管的外部周围流动。在另一个实施例中，多个换热器管242全部关于穿过管的流相互并行。在各种实施例中，一些管可串联流动地(in series flow)配置在上环集管238和下环集管240之间。换热器228包括入口244和出口246。入口244联接成与蒸汽鼓37的蒸汽部分248流动连通。换热器228构造成从蒸汽鼓37接收饱和蒸汽流并且将热能传递到接收的蒸汽，使得离开换热器228的蒸汽流是过热的。热能通过耐火壁216从燃烧区214接收。过热蒸汽指引到例如HRSG36(在图1中示出)。
在操作期间，在燃烧区214中发生的燃烧或部分氧化过程释放大量的热。耐火壁216包含许多热，用于在保持燃烧区214中的燃烧时使用和在下游过程中使用。一些热能通过耐火壁216通过传导传递。蒸汽鼓37中的蒸汽处于饱和状态。为了使来自蒸汽鼓37的蒸汽更有用和从耐火壁216和壳体206之间移除不需要的热，换热器228接收通过耐火壁216传递的热以使蒸汽过热。
图3是根据本发明的示范实施例的环形过热器换热器228(在图2中示出)的透视图。在示范实施例中，换热器228包括上环集管238、下环集管240和在其间延伸的多个换热器管242。在一个实施例中，换热器管242是包括在相邻管之间的网或膜302的膜管，网或膜302防止在相邻管之间的管的外部周围流动。
换热器228包括入口244和出口246。入口244可联接成与例如饱和蒸汽的源(未示出)流动连通。换热器228构造成从源接收饱和蒸汽流并且将热能传递到接收的蒸汽，使得离开换热器228的蒸汽流是过热的。热能通过耐火壁216从燃烧区214接收。过热蒸汽指引到例如诸如HRSG36(在图1中示出)的热回收蒸汽发生器。
使蒸汽过热的方法和系统的以上描述的实施例提供成本有效且可靠的手段，用于从气化器废热回收热以使来自辐射合成气冷却器蒸汽鼓的饱和蒸汽过热。更具体地，本文中描述的方法和系统便于从在气化器中的燃烧区和气化器的壳体之间的环形空间回收废热。另外，以上描述的方法和系统便于通过利用来自气化器的回收废热改进来自RSC的蒸汽的质量而提高IGCC的效率。因此，本文中描述的方法和系统便于以成本有效且可靠的方式操作IGCC。
该书面描述使用实例以公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制备和使用任何装置或系统并且执行任何合并的方法。本发明的专利权范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其他实例。如果其他实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其他实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其他实例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种气化器，其包括：
压力容器，其包括大致柱形的壳体、上头部和下头部；
耐火壁，其与所述壳体大致同心并且从所述壳体径向向内隔开；和
过热器换热器，其安装在所述壳体和所述耐火壁之间。
2. 根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述换热器包括上环集管、下环集管和在其间延伸的多个换热器管。
3. 根据权利要求2所述的气化器，其特征在于，所述换热器包括膜管。
4. 根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述换热器包括入口和出口，所述入口联接于蒸汽鼓的蒸汽部分。
5. 根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述换热器构造成接收饱和蒸汽流并且将热能传递到接收的蒸汽，使得离开所述换热器的所述蒸汽流是过热的。
6. 根据权利要求1所述的气化器，其特征在于，所述换热器构造成将过热蒸汽流指引到热回收蒸汽发生器。
7. 一种气化器中的热回收的方法，所述气化器具有被耐火壁围绕的燃烧区、围绕所述耐火壁的压力容器的壳体、和换热器，所述方法包括：
将所述换热器设置在所述耐火壁和壳体之间的环形空间中；
在所述换热器的入口处接收饱和蒸汽流；
由所述饱和蒸汽从所述燃烧区接收热流，使得所述蒸汽是过热的；和
利用所述过热蒸汽从所述换热器传递热。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述换热器设置在环形空间中包括将膜管换热器设置在所述环形空间中。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述换热器设置在环形空间中包括设置膜管换热器，其包括至少部分地包围所述耐火壁的上环集管和至少部分地包围所述耐火壁的下环集管中的至少一个。
10. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述换热器的入口处接收饱和蒸汽流包括从辐射合成气体冷却器(RSC)的蒸汽鼓接收所述饱和蒸汽流。
11. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述过热蒸汽指引到热回收蒸汽发生器。
12. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述过热蒸汽指引到涡轮。
13. 一种气化系统，其包括：
气化器，其具有大致柱形的壳体、上头部和下头部；
所述气化器内的燃烧器，所述燃烧器构造成将燃烧产物指引到所述气化器的出口通路；
燃料喷射系统，其构造成将燃料喷射到所述燃烧器中；
耐火壁，其与所述壳体大致同心并且从所述壳体径向向内隔开；和
在所述壳体和所述耐火壁之间的过热器换热器。
14. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述换热器包括上环集管、下环集管和在其间延伸的多个换热器管。
15. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述换热器包括膜管。
16. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述换热器包括入口和出口，所述入口联接成与辐射合成气冷却器(RSC)流动连通。
17. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述换热器包括入口和出口，所述入口联接成与蒸汽鼓的蒸汽部分流动连通。
18. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述换热器构造成接收饱和蒸汽流并且将热能传递到接收的蒸汽，使得离开所述换热器的所述蒸汽流是过热的。
19. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述换热器构造成将过热蒸汽流指引到热回收蒸汽发生器。
20. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述换热器构造成将过热蒸汽流指引到涡轮。
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