CN103492808A - 固体给料器排出端口 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了与固体流和输送流体流连通的固体给料器。该固体给料器可包括带有在其中的固体流的出口通道和与出口通道连通的排出端口。排出端口还可包括与输送流体流连通的入口和流动通道。流动通道可包括与入口相比关于出口通道的减小的截面区域。
Description
技术领域
本申请大体上涉及气动输送系统，且更特定而言涉及用于固体给料器的改进的排出端口。带有改进的排出端口的固体给料器在气动输送系统(诸如用于气化系统等中的那些)中提供稳定的固体流。
背景技术
已知的集成气化联合循环(“IGCC”)发电系统可包括气化系统，其集成有至少一个功率产生涡轮系统。例如，已知的气化器可将燃料(例如煤)与空气或氧气、蒸汽和其它添加物的混合物转化成部分燃烧气体的输出，通常称为合成气体或“合成气”。这些热的部分燃烧气体通常使用常规技术洗涤以去除污染物且然后供应到燃气涡轮发动机的燃烧器。燃气涡轮发动机继而向发电机提供功率以用于发电或用以驱动另一类型的负载。来自燃气涡轮发动机的排气可供应至热回收蒸汽发生器以便生成蒸汽涡轮用的蒸汽。由蒸汽涡轮生成的功率还可驱动发电机或另一类型的负载。类似类型的发电系统可为已知的。
这些已知的气化系统一般需要输送系统以将具有相对稳定的流率的煤递送至气化器以确保一致的性能。一种已知类型的输送系统是气动输送系统，其中，精细磨碎的煤颗粒使用气体流(例如氮气、二氧化碳或天然气)作为传输介质或载气而被输送通过管道到气化器。然而，在气动输送系统中的煤或任何其它类型的输送固体的流率一般可表现出随时间变化的波动。这些固体流率波动可为在固体和载气之间的流动分离的结果，流动分离可由气动输送系统本身的元件造成。例如，管道的截面区域的急剧弯曲或改变可导致固体移动相对于气体移动的分裂(disruption)。这可引起载气中富含固体的一些区域和缺乏固体的其它区域。在这样的情形中，沿管道经过固定点的固体的流率对时间的曲线可采取不规则波形的形状，其中波峰代表富含固体的载气区域且波谷代表缺乏固体的气体区域。流率波动还可由诸如固体加压设备的气动输送系统的其它元件造成。这种设备就其本性而言可导致颗粒的聚集或团聚，其可引起加压装置下游的固体浓度的脉动。如上所述，这种不稳定的流率可引起表现为较低碳转化等的形式的不良的气化器控制和因此不良的气化器性能。
因此，需要大体而言改进的气动输送系统和具体而言改进的固体给料器。这种改进的气动输送系统和固体给料器可提供具有相对稳定的流率的固体(例如煤)，其继而可提供改进的整体气化器性能和因此改进的功率设施性能。
发明内容
本申请因而提供了一种与固体流和输送流体流连通的固体给料器。该固体给料器可包括其中带有固体流的出口通道和与出口通道连通的排出端口。排出端口还可包括与输送流体流连通的入口和流动通道。流动通道可包括与入口相比在出口通道周围的减小的截面区域。
本申请还提供了一种使经由输送气体流离开固体给料器的固体流平稳的方法。该方法可包括以下步骤：提供输送气体流到固体给料器的排出端口；减小通过排出端口的流动通道的截面区域，以便增加输送气体流的速度；在流动通道中合并固体流和输送气体流；以及通过输送气体流的剪切作用来破碎固体流。
当结合若干附图和所附权利要求来回顾以下详细描述后，对本领域普通技术人员而言，本申请的这些和其它特征及改进将变得显而易见。
附图说明
图1是可与气化器等一起使用的气动输送系统的一部分的示意图。
图2是已知的固体给料器的透视图。
图3是可如本文中描述的带有改进的排出端口的固体给料器的顶视剖面图。
图4是图3的排出端口的侧视剖面图。
图5是排出端口的备选实施例的侧视剖面图。
图6是排出端口的备选实施例的顶视剖面图。
图7是图6的排出端口的侧视剖面图。
图8是排出端口的备选实施例的顶视剖面图。
图9是图8的排出端口的侧视剖面图。
图10是图2的出口通道密封气体分配环的一部分的侧视剖面图。
图11是图2的排出端口密封气体分配环的顶视剖面图。
具体实施方式
现在参照附图，其中，在所有若干图中相似的标号指代相似的元件，图1示出可如本文中描述的用于与气化系统105等的至少一部分一起使用的气动输送系统100的一部分。气动输送系统100可包括其中有一定量的煤120的煤源110。煤源110可具有任何期望的尺寸或形状。同样，煤源110可包含任何类型的煤、石油焦炭、固体生物质、其它固体含碳燃料或者它们的混合物(它们均称为“煤120”)。煤120可在使用之前被磨碎或以其它方式制备，包括与其它磨碎的颗粒物混合，例如不含碳的矿物质，其可被添加以增强气化器中煤的气化特性。
气动输送系统100可包括定位在煤源110下游且与其连通的固体给料器130。固体给料器130可为旋转的、会聚式通道固体加压和计量装置，例如由纽约州斯卡奈塔第的通用电气公司的GE能源部门提供的颗粒固体泵，Posimetric?给料器。其它类型的给料器、固体泵或者其它类型的输送装置可在本文中使用。在该实施例中，固体给料器130可由带有速度控制器150的马达140驱动。固体给料器130可将固体从给料器130的入口125处的大气压加压至给料器130的排出口160处的远高于1000 psig(约70 kg/cm2)的压力。可在本文中使用其他构型。
固体给料器130的排出口160可与输送气体流180连通，例如氮气、二氧化碳、天然气或者从下游过程循环的气体。还可使用其它气体。输送气体180与来自固体给料器130的排出口160的固体流170混合，并且经由管道200输送固体给料器130下游的固体170。固体给料器130还可与诸如氮气的密封气体流190连通，密封气体流190以如下方式被喷入固体给料器130中，即以便防止任何输送气体180对抗固体流170向后移动通过给料器以及经由入口125泄漏到大气中。
气动输送系统100还可包括定位在固体给料器130的下游的流量计210。流量计210可为适用于测量气动输送的固体的流率的常规设计，并且可包括流量元件220、流量传感器230和/或其它构件。其它类型的流量测量装置可在本文中使用。
流量计210的输出可传达至控制器240。控制器240可为任何类型的常规微处理器等。控制器240可与固体给料器130的速度控制器150以及一些流量控制阀250通信，流量控制阀250与输送气体流180和密封气体流190连通。控制器240如可期望地那样控制固体流170的速度。任何其它类型的控制装置可用在本文中使用。
气动输送系统100还可包括气化器260，仅仅示出其一部分。气化器260可定位在流量计210的下游。气化器260可为常规设计且可包括燃料喷射器270或其它类型的吸入装置。输送至气化器260的固体流170与氧气、水和可能地其它反应物起反应，以经由公知的、受控化学反应生成合成气产品。
图2示出可如本文中描述的固体给料器300。一般而言，固体给料器300是对上述Posimetric?给料器的改进。固体给料器300包括给料器本体310。两个或更多个圆盘320可安装在轮毂(hub)325上，轮毂325继而安装在给料器本体310内的旋转轴330上。圆盘320、轮毂325和旋转轴330可由带有如上所述的速度控制器150的马达140驱动。其它类型的驱动装置可在本文中使用。本体310的内表面、轮毂325的外柱形表面以及两个圆盘320的内表面限定流动路径340供固体流170通过。具体而言，流动路径340可从低压入口通道350围绕轮毂325的外表面延伸到高压出口通道360。一些端口可定位在出口通道360的周围。在该示例中，示出了用于泄漏气体的一个或多个泄放端口370和用于密封气体(例如氮气等)的一个或多个注入端口380。其它类型和配置的固体给料器300可在本文中使用。
固体给料器300的出口通道360可通往可如本文中所述的排出端口400。排出端口400可用螺栓固定或以其它方式附连至给料器本体310。排出端口400可与输送气体流180或其它类型的输送介质连通，如下文将更详细描述地。
图3和图4示出了排出端口400的剖视图。排出端口400可经由入口凸缘410连接至输送气体流180且在出口凸缘420处连接至气动输送管线200。排出端口400可具有流动通道430，其从入口凸缘410线性地延伸至出口凸缘420且与出口通道360相交，使得输送气体流180拾取从出口通道360出现的固体且经由气动输送管线200将它们传输到下游。
排出端口400的流动通道430可具有在入口凸缘410和出口凸缘420周围的大体上圆形截面区域，圆形入口截面区域440和圆形出口截面区域445。圆形入口截面区域440和圆形出口截面区域445可等同或可不等同。流动通道430还可具有关于出口通道360的减小的截面区域450。在该示例中，减小的截面区域450可具有带有倒圆边缘的相对较窄的矩形形状，但任何类型的减小的截面区域可在本文中使用。过渡截面区域可在矩形截面区域450的两侧上，以便连接圆形截面区域440和445与矩形截面区域450。示出了过渡入口截面区域460和过渡出口截面区域465。过渡入口截面区域460和过渡出口截面区域465可等同或可不等同。
当输送气体流180在入口凸缘410周围进入排出端口400通过圆形入口截面区域440时，输送气体180遇到过渡入口截面区域460和流动通道430的减小的截面区域450。减小的截面区域450比圆形入口截面区域440小得多，使得当输送气体180跨过出口通道360且拾取固体流170时，输送气体180的速度可显著增加。输送气体180因此输送固体流170通过出口凸缘420且进入输送管线200中。
从出口通道360出现的煤120的任何团块(agglomerate)可通过高速输送气体180与减小的截面区域450的剪切作用而破碎(解聚)，并且由也从出口通道360出现的更自由流动的固体携带出。由于流动通道430延伸通过过渡出口截面区域465且在出口凸缘420周围进入圆形出口截面区域445中，截面区域中的增加产生了紊流旋涡。这种紊流可增强固体流170内的输送气体180和夹带固体(更自由流动的固体和解聚固体两者)的混合，以便最大限度减小通过排出端口400的流率波动。
图5示出了可如本文中描述的排出端口470的又一实施例。排出端口470可类似于上述的排出端口400，但带有可变地减小的截面区域480。可移动板490可定位在流动通道430的可变地减小的截面区域480内。其它类型的结构可在本文中使用以改变流动通道430的截面区域。可移动板490可定位在轴500或其它类型的结构上，以便改变可移动板490在流动通道430的可变地减小的截面区域480内的位置。可移动板490和轴500可经由马达、其它类型的驱动装置或者人工设定而定位。
当可移动板490下降到可变地减小的截面区域480中时，通过其的输送气体流180的速度可增加。相反，提升可移动板490可降低通过其的输送气体流180的速度。可移动板490因此可维持输送气体180的相对恒定的高速，即使在通过固体给料器300的流率例如在启动期间等时候降低的情况下。其它配置可在本文中使用。
图6和图7示出了可如本文中描述的排出端口510的又一实施例。排出端口510可大体上类似于上述排出端口400，但额外地带有定位在流动通道430的减小的截面区域450内的一个或更多搅拌器(agitator)520。可使用任何数量的搅拌器520。搅拌器520可包括定位在轴540上以用于随其旋转的一些叶片530。可使用任何形状或数量的叶片530。轴540可为由马达驱动的和/或可由通过其的输送气体流180的速度驱动。搅拌器520的叶片530可连续地在流动通道430的减小的截面区域450内扫过。搅拌器520因此帮助通过其的固体流170内的任何团块的破碎。叶片530与流动通道430的减小的截面区域450的壁之间的足够间隙可确保传送气体流180可一直流过其而不被阻止。其它类型的搅拌装置可在本文中使用。
排出端口400、470或510在固体给料器300上的使用因此帮助当固体流170抵达排出通道360的端部且进入气动输送管线200时固体流170中任何团块的破碎。因此使固体流170平稳且因此提供改进的固体流率控制。
图8和图9示出了可如本文中描述的排出端口550的又一实施例。排出端口550可大体上类似于上述的排出端口400或其它排出端口。排出端口550还可包括：下游止回阀560，其定位在流动通道430的减小的截面区域450的下游和出口凸缘420的上游；以及上游止回阀570，其定位在流动通道430的减小的截面区域450的上游和入口凸缘410的下游。其它位置可在本文中使用。
下游止回阀560可为挡板阀580等。其它类型的阀可在本文中使用。在回流状况的事件中，下游止回阀560可下降以关闭流动通道430，且然后可通过回流的压力保持在合适位置。下游止回阀560因此可在尺寸上比一般定位在出口通道360周围的已知的止回阀更小，使得止回阀必须接近在其中升起的固体流170的顶部。此外，在流动通道430的减小的截面区域450的恰好(just)下游的下游止回阀560的位置确保止回阀560在稀释相流动状况下操作，而不是必须在固体在出口通道360内压紧的状况下操作。同样，给定该稀释相，下游止回阀560可更紧密地关闭，同时所有回流压力可集中在更小的区域中。
上游止回阀570可包括碟形止回阀590等。碟形止回阀590可为弹簧加载的。其它类型的阀可在本文中使用。上游止回阀590因此防止固体流170进入输送气体流180的源中。
排出端口550还可包括定位在出口凸缘420周围的下游截止阀600和定位在入口凸缘410周围的上游截止阀610。截止阀600、610可包括处于任何定向以便隔离排出端口550的球型阀、刀型闸阀和/或其它类型的阀。
再次参照图2，固体给料器300大体包括定位在出口通道360周围的一个或多个氮气注入端口380。一般而言，氮气或其它类型的惰性气体可注入其中，以便确保返回通过流动路径340的任何气体泄漏可为惰性的，而不是有毒或可燃的。一个选项是使用定位在出口通道360周围的出口通道分配环620。如图10中所示，出口通道分配环620可包括一些层，其包括带有定位于其中的一些小直径孔640的注入层630。注入孔640可沿固体流的方向成角度，以便最大限度地减小堵塞。注入孔640可通过激光烧结技术或其它类型的制造技术制得。第二层可为烧结金属多孔层650。烧结金属多孔层650可为注入层630提供支承，同时还允许氮气或其它气体穿过。第三层可为开口分配通道层660。开口分配通道层660可传输来自注入端口380的氮气或其它气体。其它配置可在本文中使用。
又一备选方案可为排出端口分配环670。排出端口分配环670可定位或合并到排出端口400的底表面中。图11示出排出端口分配环670的示例。排出端口分配环670可包括带有定位于其中的一些孔690的注入层680。注入层680可由分配通道700围绕。分配通道700可与注入端口380连通。排出端口分配环670的使用可提供与出口通道分配环620相比更容易的接近。此外，根据注入孔690的尺寸和通过其的氮气或其它气体的流率，排出端口分配环670还可帮助破碎穿过排出端口400的固体流170中的团块。其它配置可在本文中使用。
应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的某些实施例，并且，在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的一般要旨和范围的情况下，本领域的普通技术人员可在本文中做出许多改变和修改。
Claims (20)
1. 一种与固体流和输送流体流连通的固体给料器，包括：
带有在其中的固体流的出口通道；以及
与所述出口通道连通的排出端口；
所述排出端口还包括与所述输送流体流连通的入口和流动通道；以及
其中，所述流动通道包括与所述入口相比关于所述出口通道的减小的截面区域。
2. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述入口包括圆形入口截面区域，且其中，所述圆形入口截面区域比所述减小的截面区域更大。
3. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述排出端口包括与输送管线连通的出口。
4. 根据权利要求3所述的固体给料器，其特征在于，所述出口包括圆形出口截面区域，且其中，所述圆形出口截面区域比所述减小的截面区域更大。
5. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述流动通道的减小的截面区域包括矩形截面区域。
6. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述流动通道包括过渡入口截面区域和过渡出口截面区域。
7. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述流动通道包括可变地减小的截面区域。
8. 根据权利要求7所述的固体给料器，其特征在于，所述流动通道在其中包括可移动板。
9. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述流动通道在其中包括一个或多个搅拌器。
10. 根据权利要求9所述的固体给料器，其特征在于，所述一个或多个搅拌器包括多个叶片。
11. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，还包括定位在所述流动通道的下游的下游止回阀和定位在所述流动通道的上游的上游止回阀。
12. 根据权利要求11所述的固体给料器，其特征在于，所述下游止回阀包括挡板止回阀。
13. 根据权利要求11所述的固体给料器，其特征在于，所述上游止回阀包括碟形止回阀。
14. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，还包括定位在所述排出端口周围的一个或多个截止阀。
15. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述出口通道包括分配环。
16. 根据权利要求15所述的固体给料器，其特征在于，所述分配环包括注入层、多孔层和开口分配通道层。
17. 根据权利要求1所述的固体给料器，其特征在于，所述排出端口包括分配环。
18. 根据权利要求17所述的固体给料器，其特征在于，所述分配环包括注入层和分配通道。
19. 一种使经由输送气体流离开固体给料器的固体流平稳的方法，包括：
提供所述输送气体流到所述固体给料器的排出端口；
减小通过所述排出端口的流动通道的截面区域，以便增加所述输送气体流的速度；
在所述流动通道中合并所述固体流和所述输送气体流；以及
通过所述输送气体流的剪切作用而破碎所述固体流。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括增加所述流动通道下游的排出端口的截面区域以形成湍流涡旋，以增强所述固体流和所述输送气体流的进一步混合以及使所述固体流平稳。
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