CN103361124B - 具有对流合成气冷却器和骤冷室的气化器冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有对流合成气冷却器和骤冷室的气化器冷却系统。本申请因而提供用于冷却来自气化器的热合成气流的气化器冷却系统。气化器冷却系统可包括辐射合成气冷却器、骤冷室、和对流合成气冷却器，使得合成气流流动通过骤冷室或对流合成气冷却器。

Description

具有对流合成气冷却器和骤冷室的气化器冷却系统
技术领域
本申请和所得的专利大致涉及整体气化联合循环发电设备并且更具体地涉及气化器冷却系统，其具有对流合成气冷却器和骤冷室二者的结合，以便改善总体的气化器和发电设备可靠性和性能。
背景技术
整体气化联合循环(“IGCC”)发电设备能够以相对清洁和有效的方式从各种类型的烃原料产生能量。IGCC技术可通过与气化器中的氧和蒸汽的反应将烃原料转换成一氧化碳和氢的气态混合物，即合成的气体或合成气。这些气体接着可被清洁、处理、并且作为燃料在常规的联合循环发电设备等中的燃气涡轮发动机中利用。
在处理离开气化器的热、脏的合成气流时，流首先可被冷却。例如，对流合成气冷却器可用在气化器的下游。对流合成气冷却器具有如下优点，即能够使冷却介质循环以与热合成气交换热，使得冷却介质可被用于在蒸汽涡轮等中提供有用功。然而，脏的合成气流中携带的固体具有堵塞对流合成气冷却器的倾向，使得效率可受损并且可需要停机时间。冷却合成气的另一备选方案是使用直接骤冷室代替对流合成气冷却器。直接骤冷冷却器的使用避免堵塞问题并且因而可增大总体的设备可用性。然而，由在对流合成气冷却器中的冷却介质产生的有用功损失，使得总体的设备性能可降低。
因而存在对于在IGCC发电设备等中使用的改进的气化器和冷却系统的要求。优选地，此种改进的气化器冷却系统可充分地冷却热、脏的合成气流，而不存在由堵塞对流合成气冷却器的固体引起的效率损失和停机时间，并且同时保持总体的设备性能和效率。
发明内容
本申请和所得的专利因而提供气化器冷却系统用于冷却来自气化器的热合成气流。气化器冷却系统可包括：辐射合成气冷却器；骤冷室；和对流合成气冷却器，使得合成气流流动通过骤冷室或对流合成气冷却器。
本申请和所得的专利还提供冷却来自气化器的合成气流的方法。方法可包括下列步骤：使合成气流动通过辐射合成气冷却器；使合成气流动通过对流合成气冷却器；感测对流合成气冷却器中的阻塞；并且输送合成气通过骤冷室。
本申请和所得的专利还提供气化器冷却系统用于冷却来自气化器的热合成气流。气化器冷却系统可包括：辐射合成气冷却器；骤冷室，其位于辐射合成气冷却器附近；一个或更多个对流合成气冷却器；和一个或更多个对流合成气冷却器导管，其连接辐射合成气冷却器与一个或更多个对流合成气冷却器，使得合成气流流动通过骤冷室或对流合成气冷却器。
当结合若干附图和所附权利要求，在阅读后述详细描述之后，本申请和所得的专利的这些和其他特征和优点将对本领域技术人员变得显而易见。
附图说明
图1是整体气化联合循环发电设备的示例的示意图。
图2是用于与整体气化联合循环发电设备一起使用的气化器的示意图，该气化器具有辐射合成气冷却器和对流合成气冷却器。
图3示出如在可在本文中说明的气化器冷却系统的示意图，该气化器冷却系统具有辐射合成气冷却器、骤冷室、和若干对流合成气冷却器。
图4是如可与图3的气化器冷却系统一起使用的辐射合成气冷却器的部分的示意图。
部件列表
10 整体气化联合循环发电设备
15 燃气涡轮发动机
20 压缩器
25 燃烧器
30 涡轮
35 载荷
40 气化器
45 合成气
50 原料
55 空气分离单元
60 气体清洁单元
65 热回收蒸汽发生器
70 蒸汽涡轮
75 载荷
80 冷却单元
85 辐射合成气冷却器
90 对流合成气冷却器
95 冷却介质
100 气化器冷却系统
110 气化器
120 合成气
130 辐射合成气冷却器
140 骤冷室
150 对流合成气冷却器
160 对流合成气冷却器导管
170 骤冷导管
180 排气口
185 倾斜位置
190 外壳
200 热传递区段
210 管笼(tube cage)
220 板(platen)
230 收缩锥体(converging cone)
240 集管
250 对流出口
260 过渡区段
270 骤冷锥体
280 骤冷环
300 浸入管(dip tube)
310 吸出管(draft tube)
320 水槽
330 骤冷出口
340 排渣部(slag discharge)
350 外环部
360 流表面
370 耐热材料隔离部。
具体实施方式
现在参考附图，其中遍及若干视图，相似的数字表示相似的元件，图1示出整体气化联合循环(“IGCC”)发电设备10的示例的示意图。出于简化的目的，仅示出涉及在本文中说明的本主题的IGCC发电设备10的构件的高层次说明。本领域技术人员将理解总体的IGCC发电设备10可具有许多其他构造并且可使用许多其他类型的构件。其他类型的发电设备可在本文中使用。
IGCC发电设备10可包括一个或更多个燃气涡轮发动机15。大体而言，燃气涡轮发动机15可包括压缩器20。压缩器20压缩进入的空气流。压缩器20将压缩的空气流送至燃烧器25。燃烧器25混合压缩的空气流与加压的燃料流，并且点燃混合物以产生热燃烧气体流。尽管仅示出单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机15可包括任意数量的燃烧器25。热燃烧气体流又被送至涡轮30。热燃烧气体流驱动涡轮30，以便产生机械功。在涡轮30中产生的机械功驱动压缩器20和诸如发电机等的外部载荷35。
燃气涡轮发动机15可使用天然气、各种类型的合成气、它们的结合、和其他类型的燃料。如果使用合成气，则IGCC发电设备10可使用气化器40以从各种类型的原料材料50产生合成气流45。原料材料50可包括煤、石油焦、生物质(biomass)、木质材料、农业废料、焦油、焦炉气、沥青、和其他类型的含碳材料。如前所述，气化器40可混合原料材料50与氧气流。气化器40可经由热解工艺、燃烧工艺、和类似类型的技术产生合成气45。气化器40可从空气分离单元55或类似类型的装置接收氧气流。空气分离单元55可从压缩器20或其他来源接收空气抽取物。其他类型的气化技术和原料材料50的其他来源可用于本文中。
来自气化器40的热、脏的合成气45可被送至气体清洁单元60等。气体清洁单元60可经由若干技术清洁合成气流45中的杂质。合成气45接着可被运至燃气涡轮发动机15的燃烧器25用于以类似于上文所述方式的方式或其他方式燃烧。在燃气涡轮发动机15中产生的热燃烧气体可被运至热回收蒸汽发生器65。热回收蒸汽发生器65可与燃烧气体流交换热，以产生蒸汽以驱动蒸汽涡轮等。蒸汽涡轮70可驱动载荷35或任何类型的第二载荷75。其他构件和其他构造可用于本文中。
IGCC发电设备10还可包括合成气冷却单元80。合成气冷却单元80作用以冷却与气体清洁单元60连接的热、脏的合成气流45。合成气冷却单元80可具有辐射合成气冷却器85以接收在气化器40中产生的合成气流45。合成气流45接着可在对流合成气冷却器90中被进一步冷却。对流合成气冷却器90可为对流换热器，诸如管式和壳式换热器等。对流合成气冷却器90可与合成气流45和冷却介质95交换热。传递至冷却介质95的热接着可诸如在热回收蒸汽发生器65、蒸汽涡轮70等中产生有用功。对流合成气冷却器90大体垂直于辐射合成气冷却器85定位。如前所述，由合成气流45内的固体引起的对流合成气冷却器90的堵塞可需要总体的IGCC发电设备10的停机。还可使用其他构件和其他构造。
图3示出如可在本文中使用的气化器冷却系统100的示意图。气化器冷却系统100可用在IGCC发电设备10或别处中。气化器冷却系统100包括气化器110。气化器110以如前所述的任何方法等将任何类型的原料材料转换成合成气流120。任何类型的气化器110可与任何类型的合成气转换工艺用在本文中。多个气化器110也可用在本文中。
气化器冷却系统100还可包括辐射合成气冷却器130用于从气化器110接收热、脏的合成气流120。如之后将被更详细地描述的，辐射合成气冷却器130可包括骤冷室140。任何类型的辐射合成气冷却器130和任何类型的骤冷室140可以以任何大小、形状或构造用在本文中。气化器冷却系统100还可包括一个或更多个对流合成气冷却器150。任何类型的对流合成气冷却器150可以以任何大小、形状或构造用于本文中。对流合成气冷却器150可经由对流合成气冷却器导管160连接至辐射合成气冷却器130。同样地，一个或更多个骤冷导管170可用于本文中。导管160、170可在其上包括若干排气口180。对流合成气冷却器150可由于骤冷室140的使用而在倾斜位置185处。其他构件和其他构造也可用于本文中。
图4示出辐射合成气冷却器130的底部的示例的示意图。大体而言，辐射合成气冷却器130包括外壳190。辐射合成气冷却器130还包括热传递区段200。热传递区段200从气化器110接收合成气流120。热传递区段200可包括板和具有示出的若干板的管笼210。板220可与合成气流120交换热。第一收缩锥体230可位于热传递区段200的底处。第一收缩锥体230防止热传递区段200中的不均匀的气体流分布。集管240可围绕第一收缩锥体230的底。对流出口250同样地可位于第一收缩锥体230的底附近。对流出口250可延伸通过壳190并且可与对流合成气冷却器导管160连通。其他构件和其他构造也可用于本文中。
过渡区段260可在热传递区段200的下面延伸。过渡区段260可通过第一收缩锥体230和对流出口250限定。过渡区段260可使用与热传递区段200相同的冷却介质冷却。备选地，也可使用单独的冷却介质。过渡区段260可延续至第二收缩锥体或骤冷锥体270。骤冷环280可在骤冷锥体270的底的周围延伸。骤冷环280可为大致圆形的水分布通道。其他构件和其他构造可用于本文中。
骤冷室140可位于过渡区段260的下面。骤冷室140可包括浸入管300，其被吸出管310围绕并且位于水槽320内。浸入管300可浸在水槽320中，同时外吸出管310形成同心环部。骤冷出口330可位于吸出管310附近。骤冷出口330可与骤冷导管170连通。排渣部340可位于骤冷室140的下面。其他构件和其他构造可用于本文中。
外环部350可位于壳190与管笼210之间。若干密封件也可用于本文中以防止合成气流120的进入。与合成气流120接触的流表面360在本文中可包括耐热材料隔离部370以保护表面不受热的影响。其他构件和其他构造可用于本文中。
在使用中，来自气化器110的热、脏的合成气流120在热传递区段200附近进入辐射合成气冷却器130。合成气120经由与板220的相互作用而冷却，并且流动通过第一收缩锥体230，并且经由对流出口250朝向对流合成气冷却器导管160和对流合成气冷却器150流出。合成气流120接着可经由与冷却介质90的热传递在对流合成气冷却器150内进一步被冷却，如上所述。该操作被称为对流模式。在该对流模式中，骤冷出口330可关闭。骤冷环280可将水膜展开至浸入管300上用于冷却。来自合成气流120的渣通过过渡区段260和骤冷室140延续至排渣部340。
当检测到对流合成气冷却器150的堵塞时，气化器冷却系统100可切换至骤冷模式。检测可依据合成气120的流率或压力或任何其他参数。常规传感器等可用于本文中。在骤冷模式中，骤冷出口330可打开，同时对流出口250关闭。在模式之间的过渡时期期间，合成气120可被排至大气。水流率可通过骤冷环280而提高以补偿蒸发的增长的量和在骤冷模式期间骤冷室140中的构件所需的冷却。合成气流120流入浸入管300中并且可在水槽320内被冷却。合成气流120接着反转方向通过吸出管310并且可在骤冷出口330附近离开。骤冷导管170因此绕过对流合成气冷却器150。骤冷导管170和对流合成气冷却器导管160可在对流合成气冷却器150的下游合并。在任一模式中，外环部350可利用氮连续吹扫，以便防止合成气进入其中。一旦堵塞被纠正，气化器冷却系统100可返回至对流模式。
本文中说明的气化器冷却系统100因而避免大体与仅仅对流合成气冷却器的使用有关的总体的设备停机时间。同样地，通过当可能时继续使用对流合成气冷却器，其中产生的热和蒸汽可产生有用功，以便将总体的设备性能维持在高水平上。而且，用于本文中的辐射合成气冷却器130的大小可较小，因为对流合成气冷却器150可容纳来自合成气流120的热中的更多。
应显然的是，前述内容仅涉及本申请和所得的专利的某些实施例。本领域技术人员可在本文中进行许多变更和更改，而不脱离由后述权利要求和它们的等同物所限定的本发明的大致精神和范围。

Claims (16)

1.一种用于冷却来自气化器的热合成气流的气化器冷却系统，其包括：
辐射合成气冷却器，其构造为接收来自所述气化器的所述热合成气流；
骤冷室，其与所述辐射合成气冷却器流体连通；和
对流合成气冷却器，其与所述辐射合成气冷却器流体连通以使得所述热合成气流流动通过所述对流合成气冷却器，其中，所述对流合成气冷却器设置在相对于所述辐射合成气冷却器倾斜的位置，并且所述对流合成气冷却器构造成使用冷却剂来冷却所述热合成气流；
其中，当所述系统在正常运行期间工作于对流模式时，所述热合成气流从所述气化器进入到所述辐射合成气冷却器、然后通过对流出口流出到所述对流合成气冷却器，在所述对流合成气冷却器中所述热合成气流通过与所述冷却剂的热传递来被进一步冷却，同时所述系统的骤冷出口关闭；当检测到所述对流合成气冷却器发生堵塞时，所述系统切换到骤冷模式，在所述骤冷模式，所述骤冷出口打开、同时所述对流出口关闭，使得所述热合成气流在所述骤冷室被进一步冷却。
2.根据权利要求1所述的气化器冷却系统，其特征在于，还包括多个对流合成气冷却器。
3.根据权利要求1所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述对流合成气冷却器经由对流合成气冷却器导管与所述辐射合成气冷却器连通。
4.根据权利要求1所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述辐射合成气冷却器包括在其中具有多个板的热传递区段。
5.根据权利要求4所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述辐射合成气冷却器包括位于所述多个板的下面的收缩锥体。
6.根据权利要求5所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述辐射合成气冷却器包括位于所述收缩锥体附近的对流出口。
7.根据权利要求5所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述辐射合成气冷却器包括位于所述收缩锥体附近的集管。
8.根据权利要求1所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述辐射合成气冷却器包括具有第二收缩锥体的过渡区段。
9.根据权利要求8所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述辐射合成气冷却器包括位于所述第二收缩锥体附近的骤冷环。
10.根据权利要求1所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述骤冷室包括浸入管、吸出管、和水槽。
11.根据权利要求1所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述骤冷出口与骤冷导管连通。
12.根据权利要求1所述的气化器冷却系统，其特征在于，还包括排渣部。
13.一种冷却来自气化器的合成气流的方法，其包括：
使所述合成气流通过辐射合成气冷却器；
使所述合成气流通过对流合成气冷却器，所述对流合成气冷却器与所述辐射合成气冷却器流体连通，每个对流合成气冷却器设置在相对所述辐射合成气冷却器倾斜的位置，所述对流合成气冷却器构造成使用冷却剂冷却所述合成气流；
感测所述对流合成气冷却器中的阻塞；并且
输送所述合成气流通过骤冷室；
其中，当在正常运行期间工作于对流模式时，所述合成气流从所述气化器进入到所述辐射合成气冷却器、然后通过对流出口流出到所述对流合成气冷却器，在所述对流合成气冷却器中所述合成气流通过与所述冷却剂的热传递来被进一步冷却，同时关闭骤冷出口；当检测到所述对流合成气冷却器发生堵塞时，切换到骤冷模式，在所述骤冷模式，所述骤冷出口打开、同时所述对流出口关闭，使得所述合成气流在所述骤冷室被进一步冷却。
14.一种用于冷却来自气化器的热合成气流的气化器冷却系统，其包括：
辐射合成气冷却器，其构造成接收来自所述气化器的所述热合成气流；
骤冷室，其位于所述辐射合成气冷却器附近、并且与所述辐射合成气冷却器流体连通；
对流合成气冷却器，其与所述辐射合成气冷却器流体连通，每个对流合成气冷却器设置在相对所述辐射合成气冷却器倾斜的位置，所述对流合成气冷却器构造成使用冷却剂冷却所述热合成气流；和
对流合成气冷却器导管，其连接所述辐射合成气冷却器与所述一个或更多个对流合成气冷却器，使得所述合成气流流动通过所述骤冷室或所述一个或更多个对流合成气冷却器；
其中，当所述系统在正常运行期间工作于对流模式时，所述热合成气流从所述气化器进入到所述辐射合成气冷却器、然后通过对流出口流出到所述对流合成气冷却器，在所述对流合成气冷却器中所述热合成气流通过与所述冷却剂的热传递来被进一步冷却，同时所述系统的骤冷出口关闭；当检测到所述对流合成气冷却器发生堵塞时，所述系统切换到骤冷模式，在所述骤冷模式，所述骤冷出口打开、同时所述对流出口关闭，使得所述热合成气流在所述骤冷室被进一步冷却。
15.根据权利要求14所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述辐射合成气冷却器包括与所述一个或更多个对流合成气冷却器导管连通的一个或更多个对流出口。
16.根据权利要求14所述的气化器冷却系统，其特征在于，所述骤冷出口与骤冷导管连通。
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