CN103826737A - 多级循环流化床合成气冷却 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用多级循环流体床（CFB）冷却器对温度范围在800°C至1600°C的热气流进行冷却的方法和装置。本发明涉及对来自煤气化炉的热合成气进行冷却，在气化炉中该热合成气在接触常规冷却器时产生了脏污、侵蚀和腐蚀传热表面的物质。、利用惰性固体颗粒在CFB合成气冷却器中进行循环，通过提取并间接地将热量传送到传热表面，使该热合成气被冷却。这些CFB合成气冷却器是分级的，利于在多种条件下产生蒸汽和热锅炉给水，这些对于IGCC过程发电是必需的。多级合成气冷却器可以包括内部循环流体床冷却器、外部循环流体床冷却器和混合冷却器，混合冷却器结合了内部循环流体床冷却器和外部循环流体床冷却器二者的特点。因本发明可以处理来自不同类型气化炉的热合成气而无需较低效率的预冷却步骤，因此可以实现较高的处理效率。

Description

多级循环流化床合成气冷却

相关申请的交叉引用

本申请要求在2012年8月27日提交的美国临时申请号61/693,707根据35USC119(e)的权益，其通过引用以其全文结合在此。

关于联邦政府赞助的研究或发展的陈述

本发明是在美国能源部颁布的协议/合约号DE-NT0000749下通过政府支持而做出的。政府对于本发明具有某些权利。

技术领域

本发明涉及一种用于对来自反应器的热气流进行冷却同时产生饱和蒸汽和过热蒸汽二者的多级循环流体床（CFB）冷却器。更确切地说，本发明是与一种对来自处理碳质材料如煤、生物质或城市废物作为馈入的气化炉的热合成气进行冷却的冷却器相关联的，该冷却器同时产生高压饱和且过热的蒸汽用于发电。冷却器使熔融灰滴聚结，这些灰滴通常存在于造渣气化炉所产生的合成气。本多级CFB合成气冷却器还使传热表面免于与通过造渣以及其他类型气化炉生产的合成气中的脏污、侵蚀性以及腐蚀性物质进行接触。

背景技术

对于合成气冷却领域中的普通技术人员而言，使合成气直接与传热表面接触时对合成气进行冷却的困难是众所周知的，包括：由于合成气中夹带的物质而堵塞气体流动路径，由于细小熔融灰滴的沉积以及合成气中焦油成分而使这些传热表面脏污，由于气化炉中夹带的细灰和焦油而引起的侵蚀，以及由于合成气中的例如氢的硫化物和氢的氯化物成分而引起的腐蚀。

与合成气冷却有关的另一个困难是，对可兼容高温及保护相对昂贵的传热表面用于可靠操作的传热表面的构造材料进行识别和处理。

当前，试图绕过可靠冷却合成气的许多困难的选项大大牺牲了处理效率。例如，为了不超过常规对流合成气冷却器的构造材料的温度极限，气化炉离开流最初必须通过与大量相对较凉的再循环气体相混合来进行冷却。牺牲处理效率以便适应离开合成气冷却器的其他实例包括：上游淬火冷却、在气化炉的上部部分中喷射煤以便降低气化炉离开温度，以及在伴有低碳转化率的较低温度下操作气化炉。

美国专利No.8,197,564披露了对夹杂流气化炉以及辐射式合成气冷却器下游合成气进行淬火冷却的一个实例，以便限制通常与细灰和熔渣相关联的下游堵塞和脏污问题，细灰和熔渣是通过沉淀或者通过直接与水接触的表面冷却而从气流中被分离出的。这种淬火冷却系统包括用来使颗粒分离并且把水作为淬火消耗用水来对待的昂贵的辐射式合成气冷却器以及多个不太可靠的水处理系统，淬火消耗用水本质上具有高腐蚀性和侵蚀性，从而增加了用来冷却合成气的总成本。另外，实际经验表明，合成气的辐射式冷却和淬火式冷却的组合对于限制（避免）下游对流冷却器的堵塞问题不是完全有效的。

与夹杂流气化炉相比，从流化床气化炉中产生的合成气以相对较低的温度（约1000°C）离开气化炉。虽然情况如此，用来冷却离开这种气化炉的合成气的合成气冷却器，由于使用特殊合金用于这些冷却管道，从而是相对昂贵的设备。在接近1000°C在高压条件下接触合成气的常规对流式冷却器中，必须使用这种特殊且昂贵的合金。对来自流化床气化炉中的合成气进行冷却的另一个困难是其中夹带的对这些冷却管道表面具有腐蚀性倾向的细灰和焦油颗粒。沉积和脏污使冷却效率逐渐降低并且导致了不太令人希望的过热蒸汽条件，从而对整体煤气化联合循环（IGCC）电站的发电容量产生影响。为了处理这些困难以及入口合成气冷却器条件，必须使用包含特殊合金的厚壁设计以便用于冷却器传热表面构造材料。

合成气冷却器由于内部流体动力学、压降以及限制其物理尺寸的其他处理因素而使冷却能力受到限制。在一些应用中，如在300MWe额定容量的IGCC过程中，对来自单一气化炉的合成气进行冷却需要多个并行的多级合成气冷却器。工艺管线中的多个并行合成气冷却器不可避免地增加了成本以及在处理近1000°C的高压合成气的布局的复杂性。

对一些流化床气化炉中的生物质以及含沥青的煤进行处理导致合成气离开气化炉时夹带着形成的焦油。这些焦油成份沉积在合成气冷却器传热表面上以及下游设备上并且恶化的脏污条件最终导致不可操作的过程。在对含有较高碱金属百分比的煤矿中的煤进行处理时也会遇到类似的困难。即便在成本增加以及处理效率整体减小的情况下，常规合成气冷却器还是不能可靠地用于这些在上游具有已知缓解措施的工艺。

美国专利No.4,412,848披露了一种用来冷却两级流化床冷却系统中的合成气的方法。第一级流化床冷却器在450°C至500°C的温度范围内操作，试图使惰性床材料颗粒表面上的焦油浓缩物减到最少。第二级冷却器在250°C至300°C的温度范围内操作，试图允许在颗粒表面上液态凝聚。为避免固化的浓缩物积聚在颗粒表面上，氧气和蒸汽被喷射到第二级冷却器中用于使这些颗粒表面上的浓缩物或焦炭烧尽。当合成气包含可凝结的液体或焦炭时，这种两级流化床冷却系统与用于类似应用的许多其他类型热交换器相比，推进了合成气冷却技术。它还可以产生适度温度及高压蒸汽，如果使用蒸汽用于发电，就改善了整体处理效率。然而，‘848两级流化床冷却系统遇到了实际困难。

一个值得注意的缺点涉及在离开冷却器的合成气中所包含的相当量的油物质，这使得使用酸性水来擦洗合成气下游的处理变得困难和昂贵。另一个严重的问题是如所披露的安全性，第二级冷却器的操作温度实质上低于该合成气的主要成分的自燃温度，例如，一氧化碳（609°C），氢（500°C）以及甲烷（580°C）。第二级冷却器燃烧区400°C-500°C的操作温度低于合成气成分的自燃温度。本领域技术人员完全认识到，将氧气喷射到温度低于自燃温度的合成气流中时爆炸的危险或其增加的可能性。除了这类安全顾虑之外，这种低温部分氧化方法对于冷却器的燃烧区而言需要大得多的空间并且产生的CO2多于CO。

‘848冷却器的冷却容量同样是不利的。在鼓泡或喷动床冷却器中，气体表面速度总体上低于1米每秒（m/s）。结果，当需要冷却来自典型的IGCC电站的大量合成气时，需要至少两个平行的合成气冷却器来避免冷却器直径超过正常运输极限。然而，平行的冷却器安排是昂贵的，这是因为必须通过耐热衬层管道来将合成气引导到冷却器。

美国专利No.5,759,495披露了一种用于处理热气的方法和装置，热气包括循环流化床中的合成气。该发明教导的是气体在接触冷却表面之前被充分冷却，从而断言在立式管道中冷却表面的腐蚀不再是一个问题。然而这种教导对复杂的问题过于简单化。当该冷却表面是在立式管道的直线流动路径中时，气体表面速度通常是高于5m/s，甚至冷却器的冷却表面的腐蚀都是不可避免的。因此，将冷却表面安装在立式管道内部是不切实际的。甚至不难理解，在这种低温下操作冷却器来产生低等级蒸汽，而这种低等级蒸汽在发电厂环境中很少使用。此外，‘495专利没有提到如何处理积聚在冷却器以及颗粒表面上的固体和/或液体浓缩物。

在美国专利公布No.2004/0100902中披露了另一种内部循环流化床合成气冷却器。有益的是，在所披露的冷却器中的气体表面速度可以运行的范围是在5m/s至10m/s，从而一个冷却器可以处理体积达到90实际立方米每秒（m3/s），其涉及的能力大于已知的商业气化炉。尽管此公布中教导的内容对于处理合成气而言可以具有宽的应用范围，但也没有披露如何避免污染物积聚在这些颗粒表面上以及从这类污染物中再生床材料。此外，该公布披露了一种单一级冷却器，这种单一级冷却器不能给出发电必需的蒸汽条件。

为了克服以上提及的操作性问题、效率问题和成本问题，很需要一种改进的合成气冷却器。本发明旨在提供这种工业需要。

发明内容

以优选的形式简要地说明，本发明包括CFB合成气冷却器。循环传热介质从合成气中吸取热量并且基本上将热量传送到热量移除机构（传热表面），从而产生较凉的合成气。在优选的实施例中，传热介质包括循环固体，尽管可以使用其他相/添加相的介质。

冷却顺序包括：使这些循环固体与热合成气接触，并且在合成气与循环固体脱离之后，然后随着该循环固体围绕循环环路移动，该热循环固体将热量传送到热量移除机构。热量移除机构可以包括多个具有传热表面的传热管或传热线圈，在此可以产生蒸汽或者饱和蒸汽可以是过热的，当循环固体与这些传热表面接触时通过热量传递而被冷却。

在本发明的另一方面，CFB合成气冷却器包括用来在不同条件下使蒸汽上升的多级合成气冷却。合成气被送到本CFB合成气冷却器的立式管道的底部，并且这些被加热的循环固体通过重力而在立式管道的不同高度被取出。在一定高度离开立式管道的这些被加热的循环固体流入固体冷却器中，在该固体冷却器中安装的多个管束或多个传热线圈使这些循环固体经由热量传递而冷却到所希望的温度。锅炉给水或饱和蒸汽被送到这些传热表面用于产生蒸汽或用来产生过热蒸汽。

在本发明的又一方面，本CFB合成气冷却器包括向下流动级，该向下流动级用来使热的合成气冷却到所希望的温度并且使细的熔融灰滴和气相的其他脏污物质凝聚。当合成气与循环较凉固体二者同时在冷却器的向下流动级流动时，热合成气与循环较凉固体交换热量。到达流化床冷却器的合成气具有最少量的脏污物质如果有的话，由此消除了沉积问题。

在本发明的再一个方面，可以浓缩的有机混合物如焦油及其他轻的成分，在冷却器的入口处在高温区域中被破坏。冷却器入口处的温度远高于合成气成分的自动点火温度，从而缓解了主要的爆炸防护问题。并且，这种高温部分氧化有益地增加了合成气中CO百分率。

在本发明的再另一个方面，该CFB合成气冷却器可以具有多个级。例如，一级冷却器可以专门用作蒸汽发生器，另一个级用作蒸汽过热器和回热器，而又另一个级用作节约器。合成气因此通过在每一级将热量传送到循环床固体而被依次地冷却到逐渐较低的温度。

在本CFB合成气冷却器的另一方面，根据所选吸附剂的运行温度范围通过将可再生的吸附剂结合到冷却器的一个或多个适当级中可以完成暖合成气净化。暖合成净化吸附剂被开发用于除硫并且用来获取微量成分，如水银、砷、镉和铅。通过吸附剂本身、或者吸附剂与惰性循环固体的混合物可以用作循环传热介质以用于完成合成气冷却和净化。

来自流化床气化炉的合成气可以包含实体炭颗粒。因为这些炭颗粒是多孔的并且比重较轻，本发明可以进一步包括合成气冷却器气-固脱离单元并且该颗粒收集系统被最佳化使得气体冷却器中将积聚最少甚至没有炭颗粒。

在本发明的另一方面，在CFB合成气冷却器的入口处，带嵌入冷却线圈的致密流化床确保，万一在冷却器的其他下游级中运行困难阻止实体固体循环的情况下，充分低的合成气冷却器离开温度达必要时间段长度。

在示例性实施例中，本发明包括一种用来冷却高温合成气的多级循环流化床合成气冷却器，该高温合成气包含夹杂的脏污、侵蚀性、腐蚀性及可凝结的物质。入口合成气温度可以达到约1600°C并且在多级中进行冷却之后，离开的合成气温度可以大约低于300°C。

多级冷却可以通过运行达到约1000psi的冷却器、通过包含50μm至1000μm范围内的颗粒的循环床固体来实现。

该多级冷却可以通过能够处理达到90实际立方米每秒的合成气流速的单一的多级冷却器来实现。

该多级冷却可以通过达到10米每秒通过该冷却器的合成气表面速度来实现。

该多级冷却可以导致在不同蒸汽条件下的产生蒸汽，包括过热蒸汽。一级或多级还可以起到节约器的作用。

冷却器中的这些颗粒可以凝聚并且与夹杂的脏污物质变成相对较大尺寸，例如入口合成气流中的熔融灰滴，并且这种较大的凝聚颗粒从冷却器中被周期性地取出并且在200μm至400μm平均尺寸范围内的一部分破碎的凝聚灰粒被加入回到冷却器用来保持存量。

这些传热表面可以被保护免于合成气中的脏污、侵蚀性和腐蚀性物质，因为利用冷却器中的循环床固体颗粒使得热能是从热的合成气中被间接地提取并且被传送到冷却表面。

可以在冷却器入口处将50体积百分比的氧气流连同蒸汽和二氧化碳喷射到流体床固体中以便优先地部分氧化合成气中的焦油成分。

在另一个示例性实施例中，多级合成气冷却器是一种用于对来自煤气化炉的高温合成气进行冷却的外部循环流化床多级冷却器，该多级冷却器包括：致密流体床，该致密流体床带有多个与入口热合成气流处于流体接触的嵌入冷却线圈；立式管道，一部分循环床固体从该立式管道中以不同高度进入流化床冷却器并且冷却的固体在重力下在较低高度处流回该立式管道，并且来自冷却器的排出气体在较高的高度流到立式管道；旋流器，用于使合成气和固体脱离，使较凉合成气离开该合成气冷却器；下导管，使较凉的固体从旋流器回到立式管道；以及流化气体，该流化气体到达下导管下部以及致密流体床以便分离固体并且便于移除凝聚的灰。

进入冷却器的热合成气当流经冷却器的立式管道部分时可以连续逐步被冷却：首先，通过接触致密流体床中的固体，然后通过接触该立式管道底部处的循环床固体，并且最后通过接触立式管道中从连续级的流体床冷却器返回的较凉的固体。

在另一个示例性实施例中，该多级合成气冷却器是一种用于对来自煤气化炉的高温合成气进行冷却的内部循环流化床（ICFB）多级冷却器，该多级冷却器包括致密流体床，该致密流体床带有多个与入口热合成气流处于流体接触的嵌入冷却线圈；以及多级串联内部循环流体床冷却器。

通过在流化床以及内部循环床中嵌入传热表面，合成气可以在不同级被依次冷却，达到对于产生希望的蒸汽以及热锅炉送水条件合适的温度。

ICFB冷却器可以包括：立式管道，在该立式管道中合成气混合并且将热能传送到循环床固体；脱离区段，使合成气与循环床固体脱离；环形空间，用于循环固体向下流动并且将热量传送到嵌入传热表面；通风及密封机构，控制循环固体进入立式管道区段中的流动；以及锥形区段，便于内部固体循环并且用作多级冷却器之间的分隔件。锥形区段可以进一步包括蒸汽冷却线圈，这些线圈带多个小开口用于小部分合成气穿过并且对环形空间中的固体提供通风。

进入冷却器中的合成气可以被预先冷却和处理用于与上游级中的媒剂相碰撞并且形成一种带外部循环固体颗粒和内部循环固体颗粒的混合型冷却器系统。

上游级可以包括：将来自多级ICFB合成气冷却器中最后一级的相对较凉的固体喷射到下流式冷却器中的喷射器，在此热合成气入口流开始与喷射的相对较凉固体混合；作为喷射器动力流的高压再循环合成气流；以及进入多级ICFB合成气冷却器以用于进一步冷却的、来自下流式冷却器的相对较凉的合成气离开流。

上游级可以是下流式冷却器系统，该冷却器系统包括：下流导管，其中当热的入口合成气向下流动时与在不同高度喷射的相对较凉固体相混合；预盐化器旋流器（Presaltercyclone），用来使合成气与凝聚的固体分离；带嵌入传热表面的冷却器，用来通过取出尺寸超过1000μm的凝聚固体以及加入补充固体对来自旋流器的分离固体进行冷却；上升导管，用来通过高压再循环合成气使来自冷却器的冷却固体上升并且以不同高度喷射进入下流导管中；以及来自旋流器的相对较凉合成气离开流，该流进入多级ICFB合成气冷却器用于进一步冷却。

在另一个示例性实施例中，本发明是一种循环流化床合成气冷却器系统，该系统包括:合成气入口流、循环传热介质、热量移除机构、以及合成气出口流，其中该循环传热介质中的至少一部分将来自合成气入口流的热量中的至少一部分传送到热量移除机构，使得合成气出口流的温度与在大致90m3/s合成气流速操作时的合成气入口流温度相比至少低500°C。

在冷却容量的上限以高的合成气入口温度运行时，合成气入口流与合成气出口流之间的温度之差在大致90m3/s的合成气流速下可以达到1300°C。该系统可以运行达到大致1000psi。该循环传热介质可以包括具有平均颗粒尺寸在大致50μm至1000μm之间的固体。合成气表面速度可以大致为10m/s。

该热量移除机构可以包括多个传热管或传热线圈。该热量移除机构可以产生蒸汽和/或过热蒸汽。

包括离开平均颗粒尺寸或更大尺寸的循环传热介质可以从该系统中移除。这些离开颗粒包括尺寸至少为1000μm的颗粒。可以从该系统中去除的、包括离开平均颗粒尺寸或更大尺寸的传送介质中的至少一部分的尺寸被减小，并且尺寸减小的传送介质中的至少一部分被返回该系统。

本发明可以包括一种循环流化床合成气冷却器系统，该系统包括：合成气入口流、循环传热介质、至少两个流化床冷却器、热量移除机构、以及合成气出口流，其中该循环传热介质中的至少一部分将来自合成气入口流的热量中的至少一部分传送到热量移除机构，使得合成气出口流的温度与合成气入口流的温度相比至少低500°C至1300°C，其中该循环传热介质包括具有平均颗粒尺寸在大致50μm至1000μm之间的固体，其中包括平均颗粒尺寸为1000μm或者更大尺寸的该传送介质中的至少一部分从该系统中被移除，并且其中包括氧气、二氧化碳和蒸汽的气流被喷射到合成气入口流中，以便优先地部分氧化该合成气中的焦油成分。

本发明可以包括一种用于对来自煤气化炉的高温合成气进行冷却的多级合成气冷却器，该冷却器包括：致密流体床，带有嵌入冷却线圈，与热合成气入口流连通；立式管道，循环床固体中的一部分从该立式管道进入不同高度处的流化床冷却器并且冷却的固体流在重力下在较低高度回到该立式管道，并且来自冷却器的排出气体以较高的高度流到该立式管道；旋流器，使合成气和固体脱离，较凉合成气离开合成气冷却器；下导管，使来自旋流器的较凉固体返回立式管道；以及流化气体，该流化气体到达下导管下部以及致密流体床以便分离固体并且便于移除凝聚的灰。

本发明的这些和其他目的、特征和优点将通过阅读以下详细说明并结合这些附图而变得更加清楚。

附图说明

图1展示了根据本发明在立式管道底部带致密床冷却器的一种外部循环多级合成气冷却器的优选实施方式。

图2展示了根据本发明的优选实施例在入口区段带有致密床冷却器的一种多级内部循环流体床合成气冷却器。

图3展示了根据本发明的优选实施例带有下流式冷却器和多级内部循环流体床合成气冷却器的混合冷却器。在这个冷却器实施例中，下流式冷却器级经喷射器从最后一级冷却器中取出被冷却的固体并且将较凉的固体喷射到下流式冷却器中。

图4展示了一种根据本发明优选实施例的混合冷却器的另一个实施例，该混合冷却器包括作为下流式冷却器的独立外部固体循环环路以及多级内部循环流体床冷却器。

具体实施方式

为便于理解本发明的不同实施例的原理和特征，以下对不同的说明性实施例进行说明。尽管详细说明了本发明的多个示例性实施例，但应该理解可以考虑其他实施例。因此，并非旨在将本发明的范围限定在以下说明中阐述的或者在附图中展示的部件的结构及安排细节。本发明能够具有其他实施例并且能够通过不同方式来实践或执行。同样，在说明这些示例性实施例时，为简明起见将借助于特殊专用术语。

还必需指出，如在本说明书和附加权利要求书中所使用的那样，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数个指示物，除非该上下文内容清楚地另外指明。例如，参照一个部件是旨在还包括多个部件的组合物。参照包含“一个”构成物的组合物是旨在除所命名的那个构成物之外还包括其他构成物。

同样，在说明这些示例性实施例时，为简明起见将借助于专用术语。旨在每个术语考虑其如本领域普通技术人员理解的广义并且包括所有以类似方式实现类似目的的技术等效物。

范围在此可以表述为从“大约”或“大致”或“基本上”一个具体值和/或到“大约”或“大致”或“基本上”另一个具体值。当表述这样一个范围时，其他示例性实施例包括从一个具体值和/或到另一个具体值。

类似地，如在此使用的，“基本没有”某物、或者“基本纯的”以及相似的表征可以包括“至少基本上没有”某物、或者“至少基本上纯的”的、以及“完全没有”某物、或者“完全纯的”。

通过“包括”或“包含”或“含有”意味着存在于该组合物或物品或方法中的至少所命名的这个混合物、元素、粒子或方法步骤，而不排除存在其他混合物、材料、粒子、方法步骤，甚至其他这类混合物、材料、粒子、方法步骤同所命名的具有相同功能。

还应该理解，一个或多个方法步骤的陈述不预先排除存在额外的方法步骤或者介于清楚指示的那些步骤之间的方法步骤。类似地，还应该理解组合物中的一个或多个成分的叙述不预先排除存在清楚识别的那些成分以外的额外成分。

作为构成本发明不同元素所描述的这些材料是旨在说明性的而非限制性的。将与在此描述的材料执行相同或类似功能的许多适合材料是旨在包含在本发明范围之内。这类未在此描述的其他材料可以包括但不限于例如在本发明开发之后所开发的材料。

根据气化炉类型以及燃料特征，从气化炉产生的合成气总体上具有从大致800°C至1600°C的宽的温度范围。为了保持高的生产效率，必需从合成气中回收热能而同时对合成气进行冷却以用于进一步处理。除了宽的离开温度范围之外，这些气化炉类型包括使合成气从气化炉的顶部或底部离开的上流式气化炉和下流式气化炉。气化炉以及合成气冷却器通常均为高的容器，这些容器带有与气化炉紧密整合的合成气冷却器。根据气化炉类型以及合成气离开气化炉的位置和温度，多级合成气冷却器的这些部件在适当的实施例中被安排成用于限制结构高度、减小应力负荷且便于更好整合。

图1至图4展示了多级合成气冷却器系统的不同实施例。本合成气冷却器优选可以处理包含一个或多个脏污、侵蚀和腐蚀性物质的达到大致1000psi的合成气。这些优选合成气冷却器可以提供大致至少500°C至1300°C的冷却，并且更优选地处理达到大致1600°C的合成气入口温度并且能够将合成气冷却到大致低于300°C。

图1的多级合成气冷却器100的构形主要应用于从下流式夹杂流气化炉产生的合成气，在此煤灰的一部分被熔化成熔融灰滴。在通过这些类型气化炉的当前实践中，所产生的全部合成气以及这些熔融灰滴在流经水池以用来将熔融灰滴中的大部分固化成熔渣之前，通常共同地向下流经辐射式合成气冷却器。在优选的合成气冷却器100中，离开气化炉的带有夹杂的熔融灰滴的合成气流110流入第1级致密相流化床冷却器S1DBC或致密床中，该流化床冷却器或致密床在大致800°C至900°C的范围内操作、去除入口流110中的热量同时产生蒸汽。由于高的床温以及传热表面的限制，通常在第1级冷却器中产生蒸汽。

流化床包括传热介质。在优选的实施例中，传热介质包括可流化的颗粒形式的惰性固体，尽管可以使用其他相/增加相的介质。致密相流化床S1DBC与循环流化床处于流体连通。入口流110中的熔融灰滴浓缩并且凝聚到致密相床的以及循环环路的传热介质上。

在示例性实施例中，传热介质包括颗粒，并且初始颗粒尺寸是在大致200微米至400微米（μm）范围内。在操作过程中，由于该循环床将夹带来自入口气体流110中的一部分粉末并且达到稳定状态分布，床颗粒尺寸分布可以在大致50μm至1000μm范围内。继续操作，该致密床以及循环环路中的这些颗粒中的一部分由于覆着了夹杂的熔融灰滴而变成大致大于1000μm的较大尺寸。这些较大颗粒可以经过分离、经流124而从致密床中以及循环环路的下部中被选择性地移除。从冷却器中取出的颗粒/固体中的一部分可以被破碎成200μm至400μm范围内的颗粒尺寸并且经流125随入口合成气流110送回冷却器中。经由流125送到冷却器的这些颗粒担当用于进一步凝聚的媒剂，并且保持冷却器中传热介质存量。

来自致密相流化床S1DBC的合成气及夹带的固体颗粒是在大致800°C至900°C的范围内，并且与流过该环路经下导管113以及非机械阀114的相对较凉固体混合，并且还与离开第2级冷却器S2CFB经其非机械阀115的固体相混合。这些混合流在立式管道111中向上流动并且来自立式管道的固体流的一部分进入第2级冷却器S2CFB。经该冷却器的固体比率以及固体水平121是通过对非机械阀115进行通风控制来保持的，该非机械阀将第2级冷却器S2CFB的下部部分连接到立式管道111。固体流被冷却同时通常由第2级冷却器S2CFB产生过热蒸汽。第2级冷却器S2CFB以及环路中的其他冷却器包括流化床冷却器，这些流化床冷却器使流化气体经导管116排出而回到立式管道中。

尽管每级冷却器的排气口116被示出回到该立式管道111的不同高度，可行的是实际上将所有这些排气口与最后一级（第4级冷却器S4CFB）排气口组合并且排出到该循环环路中的一个位置。此外，来自较高级的固体的路径还可以被确定为至较低级从而增加固体经这些冷却器的流速以便改进所有这些冷却器的热传送效率。

合成气及固体流在立式管道111中向上流动时进一步与离开第3级冷却器S3CFB的相对较凉固体流相混合。同样，与第2级冷却器S2CFB的情况一样，相对变热的固体流的一部分进入第3级冷却器S3CFB。

该循环环路中的立式管道可以被设计成用来以立式管道速度（在4m/s至10m/s的范围内）运行，该速度沿立式管道壁引起实体固体逆流从而促使热固体流入这些冷却器。根据气化炉容量以及工艺需要，第3级冷却器S3CFB可以是过热器或节约器。第3级冷却器S3CFB的这些特征和操作可以类似于第2级冷却器S2CFB。该过程由第4级冷却器S4CFB进行重复的，该冷却器通常是节约器。因此，当合成气流过致密床并且沿立式管道流动时由于热量通过循环床固体颗粒被传送到多级合成气冷却器的每一级，该合成气被逐渐冷却。

来自该立式管道的被冷却的合成气及固体流经跨接结构112而流到旋流器117。这些固体在旋流器中与合成气流分离并且流到下导管113从而完成该循环环路。冷却器合成气经流121而离开该循环环路。来自该循环环路的较大固体颗粒可以通过使用流化气体将这些固体分开而经流124从下导管底部取出。下导管113中的固体水平121是通过补充固体流125以及经流124取出的固体来保持的。因此，通过进行分级，合成气可以从达到1600°C温度的入口温度被有效冷却到低于300°C以用于下游进一步处理，而同时在不同级冷却器的不同条件下产生蒸汽以及在最后一级冷却器中产生热锅炉给水。

图1展示的合成气冷却器还可以用来冷却包含有实体量焦油的合成气。为避免焦油在随后的多级冷却器中凝结到颗粒表面以及下游设备上，可以喷射承载气体以用来增加合成气温度。例如，可以将带有氧气浓度至直50体积百分比的氧气流119喷射到流125中作为额外的承载气体（CO2和蒸汽优选是剩余的50体积百分比气体）以便增加该合成气温度从而破坏合成气冷却器的入口区段处的焦油成分。因此被喷射的氧气是按比例的以用来实现合成气中焦油成分的完全部分氧化。

在这种构成焦油的有机碳氢化合物的部分氧化中，气体温度的必要增加是根据碳氢化合物的破坏需要，而不是取决于灰融合温度极限。

相信，在对流化床气化炉中的生物量或含沥青的煤进行气化时，最高度温度可以达到大致1150°C，将合成气中的大部分焦油完全破坏，即使不是全部焦油。甚至必需将合成气温度增加到高于灰融合温度，这些夹杂的小灰粒如果是流体将同样覆盖冷却器中的惰性循环固体颗粒表面。在这种实施例中，当氧气流119随蒸汽和CO2以及补充固体流125被喷射时，氧气被很好地分散于进入的合成气流110，使热斑出现的可能性最小。当合成气中的焦油以及一些炭粒在相对较高的温度下被优先地部分氧化时，主要的部分氧化产物是CO而不是CO2。热的合成气可以在第一级冷却器中被立即急冷到大致800°C至900°C范围内的温度。

图2的合成气冷却器200包括致密床冷却器和一系列ICFB冷却器以用于在不同条件下产生蒸汽并且加热锅炉给水同时将大致达到1600°C的合成气冷却到大致低于300°C。离开气化炉的合成气流210经导管220流入到致密相流化床冷却器S1DBC中，该冷却器在大致800°C至900°C范围内操作。带嵌入冷却线圈222的第1级致密床冷却器S1DBC由于高的床温以及热量传递表面材料的温度限制而通常产生蒸汽。如果合成气包含焦油成分，混合有蒸汽和CO2的含有达到50体积百分比氧气的氧气流219可以在第1级致密床冷却器S1DBC的入口处被喷射以便对合成气中的焦油以及一些炭粒进行优先地部分氧化。

合成气冷却器200的所有级中的初始颗粒尺寸优选是在200μm至400μm范围内。通过继续操作，致密床中的一部分颗粒由于与合成气中的脏污材料相凝结而生成较大尺寸。大致大于1000μm的颗粒可以经流224而被取出并且经流225而将补充固体加入回到冷却器。在200μm至400μm尺寸范围内的补充惰性固体颗粒优选是对经流224从冷却器中取出的较大尺寸凝聚颗粒的一部分进行破碎而得来的。通过这些大尺寸补充惰性固体颗粒，第2级ICFB冷却器S2ICFB中的脱离区段238是高效的并且几乎获取来自立式管道236的所有颗粒并且将这些颗粒返回到冷却区段234。

800°C至900°C的合成气离开第1级致密床冷却器S1DBC并且流到第2级ICFB冷却器S2ICFB，该冷却器是内部循环流化床冷却器。离开第1级致密床冷却器S1DBC的合成气与第2级冷却器S2ICFB循环固体流227相混合。当混合物在立式管道236中向上流动时，通过将热量传送到固体流而使合成气大致冷却到650°C至700°C。气体与固体在惰性选别器238的帮助下而发生脱离。沿立式管道与容器壳体之间的环形空间流动的被加热固体将热量传送到第2级冷却器S2ICFB的环形空间中嵌入的热量传送表面234。第2级冷却器S2ICFB通常是IGCC过程中的过热器。固体循环流227的速度由通风气体226以及非机械密封机构230来控制。合成气在与立式管道区域232的下部部分中的相对较凉固体相混合时非常快地传送热量。其结果是，第2级冷却器S2ICFB的高度取决于在希望条件下提高过热蒸汽所必需的热量传送表面面积。

相信的是，惰性选别器238可以具有用来影响分离效率的不同设计。这些设计之一是一种简单的中国帽（Chinese hat，斗笠），该帽完全依赖于气固分离碰撞时流动方向改变后的固体惯量。本领域普通技术人员可以想到，有效气固分离的其他设计，如使气体及固体流围绕圆柱形形状的分离器在切向方向上进行流动的顶部密封立式管道。分离器本质上是旋流器的形式并且气固分离是受离心力影响。

第2级冷却器S2ICFB及其操作是通过一个锥形分隔件228而与致密床第1级冷却器S1DBC内部分离的，该分隔件还便于固体在第2级冷却器S2ICFB中的内部循环。分隔件228被进一步制成具有蒸汽线圈，这些蒸汽线圈带多个小开口或裂缝以用于来自下面一级的合成气的小部分流过（流226）并且用作固体在环形空间中的通风。当第1级冷却器S1DBC不包含脱离区段时，固体存量是通过将第2级冷却器S2ICFB的固体经过导管229传送来保持的。第1级和第2级冷却器中的以及第3级冷却器S3ICFB和第4级冷却器S4ICFB中的全部固体总存量以及各自级中的固体水平221是通过流225将补充固体按需要加入到每一级中来保持的。

第2级冷却器S2ICFB中的脱离的合成气流到3级冷却器S3ICFB和第4级冷却器S4ICFB，在此在合成气经离开流250而离开该合成气冷却器之前被进一步冷却到希望的温度。取决于IGCC过程的容量，3级冷却器S3ICFB可以是过热器或节约器而第4级冷却器S4ICFB可以是节约器。S3ICFB和S4ICFB都是ICFB冷却器并且它们的特征和功能以及运行特性类似于第2级冷却器S2ICFB。在ICFB冷却器中，合成气不与在立式管道与容器壳体之间的环形空间中嵌入的这些传热表面发生直接接触。这减缓了由于合成气中可能存在的物质所引起的传热表面的侵蚀、腐蚀和脏污。循环固体流以大致1至1.5m/s的速度沿环形空间流动，并且以这样低的速度不会引起传热表面的侵蚀。

多级合成气冷却器的其他实施例表示在图3和图4中，他们是图1和图2的系统的实施例的混合物，并且用于与气化炉更好整合的特殊过程、气化过程的总体安排和布局需要。这些混合多级冷却器可以与具有位于气化炉顶部附近的合成气出口的气化炉一起使用以及与具有高浓度脏污物质和接近1600°C高温的合成气一起使用。

图3和图4中指示的不同参考号的最后两位具有与图1和图2的相类似的标识部件、流或功能。图3和图4的实施例的不同于图1和图2实施例的因素在以下进行说明。

图3中披露的实施例300使用来自第4级ICFB冷却器S4ICFB的较凉固体经导管312来最初接触热合成气流310。因为来自第4级ICFB冷却器S4ICFB的固体与入口合成气流相比是处于相对较低压力，喷射器340通过利用高压再循环合成气330使压力增加，利于固体喷射。如果合成气包含来自流化床的焦油，例如，热合成气及固体流最初与稀释氧气流319接触使合成气中的焦油成分优先部分氧化。相对较凉的喷射固体与热的合成气作为双流在经导管320进入第2级致密床冷却器S1DBC之前，流经第1级下流式冷却器313而混合，在该导管处固体与嵌入传热表面交换热量用来产生蒸汽。第2级致密床冷却器S1DBC和第3级及第4级ICFB冷却器的安排、功能和操作与图2所披露的实施例200的相对应的冷却器的说明类似。合成气在经流350离开之前在各级中被依次冷却。实施例300的后三级中的每一级的固体水平321是通过从第2级致密床冷却器取出过大凝聚固体流324并且经流325加入补充固体来保持的。尺寸范围大致在200μm至400μm的补充固体是对凝聚固体进行破碎而得到的。

图4所示的实施例400提供了在冷却合成气中更多的灵活性，因为它包括独立的第1级循环下流式冷却器。带脏污物质的热合成气入口流410与在不同高度喷射的较凉固体流415相混合，并且这两个流向下流动并且经倾斜导管414进入预盐化器旋流器417中，预盐化器旋流器由美国专利7,771,585披露，在此通过引用被完全结合。如图1至图3实施例中的稀释氧气流419在导管413的上部高度处与流415一起被喷射以便对合成气中可能存在的焦油成分进行优先地部分氧化。

当合成气与相对较凉固体流混合并且沿导管413向下流动时，合成气中的熔融灰滴浓缩并且与喷射的较凉固体颗粒凝聚。来自旋流器的固体流在第1级冷却器中通过与传热表面交换热量并且产生蒸汽而被冷却。以较高压力被喷射到冷却器中的再循环合成气经流430使冷却器中的固体经导管411上升以用于再喷射。过大的凝聚固体从第1级冷却器经流424被取出，并且通过对凝聚固体进行破碎而得来的补充固体，颗粒尺寸范围大致为200μm至400μm，经流425而被加入回到冷却器。

离开旋流器的合成气流420进入第2级致密床冷却器和第3级及第4级ICFB冷却器以用来在经流450离开多级流体床冷却器实施例400之前进行进一步冷却。第2级致密床冷却器和第3级及第4级ICFB冷却器的安排、功能和操作类似于图2披露的实施例200描述的相对应的冷却器。实施例400的第1级下流式冷却器以及其他级中的固体水平421是按需要经流425给每级增加固体并且经流424取出过大固体来保持的。因为第1级下流式冷却器操作独立于其他级，图4的实施例在操作以及冷却容量上提供了更多灵活性并且可以处理达到大致1600°C的高入口温度的合成气。

如同其他实施例那样，当合成气流经图3和图4披露的实施例300和400时合成气不与传热表面直接接触，因此避免与侵蚀、腐蚀和脏污相关联的那些困难。此外，这些实施例中的带固体循环床的多级冷却级便于在不同条件下产生热锅炉给水和蒸汽，包括用于IGCC工艺发电所必需的过热蒸汽。

由于传热表面被保护免于遭受高入口温度以及合成气的侵蚀、腐蚀和脏污特性，在此披露的多级合成气冷却器的不同实施例可以在大致4m/s至10m/s范围内高表面气体速度下进行操作，使单一的多级合成气冷却器便于处理达到90m3/s的合成气流速，该流速大于任何单一气化炉可以传送的流速。

在以上说明中连同结构和功能的细节已经阐述了很多特性和优点。虽然本发明以几种形式进行了披露，对于本领域普通技术人员将是很明显的，可以在其中做出许多修改、增加和删除，尤其是与零件的形状、尺寸和安排有关，而不会背离权利要求书中阐述的本发明的精神和范围以及其等效物。因此，可以受到本文教导的内容启示的其他修改或实施方式均被特别保留为落入此处附加的权利要求书的宽度和范围内。

Claims (26)

1.一种循环流化床合成气冷却器系统，该系统包括：

合成气入口流；

循环传热介质；

热量移除机构；以及

合成气出口流；

其中，该循环传热介质的至少一部分将达到1600°C合成气入口流中的热量的至少一部分传递到该热量移除机构使得在以大致90m3/s合成气流速运行时，合成气出口流的温度至少比合成气入口流的温度低500°C。

2.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该合成气入口流与该合成气出口流之间的温度差达到1300°C。

3.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该系统运行达到大致1000psi。

4.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该循环传热介质包括固体颗粒，这些固体颗粒具有在大致50μm至1000μm之间的平均颗粒尺寸。

5.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该合成气表面速度达到大致10m/s。

6.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该热量移除机构包括多个传热管。

7.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该热量移除机构包括多个传热线圈。

8.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该热量移除机构产生蒸汽。

9.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中该热量移除机构产生过热蒸汽。

10.如权利要求1所述的合成气冷却器系统，其中将包括离开平均颗粒尺寸或较大颗粒尺寸的循环传热介质从该系统中移除。

11.如权利要求10所述的合成气冷却器系统，其中该离开平均颗粒尺寸是1000μm。

12.如权利要求10所述的合成气冷却器系统，其中从该系统中移除的包括离开平均颗粒尺寸或较大颗粒尺寸的该传热介质的至少一部分被减小尺寸，并且已减小尺寸的该传热介质的至少一部分被返回该系统。

13.如权利要求12所述的合成气冷却器系统，其中该离开的平均颗粒尺寸是1000μm；并且

其中，已减小尺寸的该传热介质具有大致200μm至400μm的平均颗粒尺寸。

14.一种循环流化床合成气冷却器系统，包括：

合成气入口流；

循环传热介质；

至少两个流化床冷却器；

热量移除机构；以及

合成气出口流；

其中，该循环传热介质中的至少一部分将达到1600°C的合成气入口流中的至少一部分热量传递到该热量移除机构，使得合成气出口流的温度与合成气入口流的温度相比至少低500°C至1300°C；

其中该循环传热介质包括固体，这些固体具有大致在50μm至1000μm之间的平均颗粒尺寸；

其中该传递介质的至少一部分，包括平均颗粒尺寸1000μm或更大的，从该系统中被移除；并且

其中，包括氧气、二氧化碳和蒸汽的气流被喷射到该合成气入口流中以便优先地部分氧化该合成气中的焦油成分。

15.一种用于对来自煤气化炉的高温合成气进行冷却的多级合成气冷却器，该冷却器包括：

一个致密流体床，具有多个嵌入冷却线圈，与热合成气入口流相联通；

一个立式管道，固体循环床的一部分从该立式管道以不同高度进入流化床冷却器并且被冷却的固体在重力下以较低的高度流回该立式管道，并且来自该冷却器的排出气体以较高的高度流到该立式管道；

一个旋流器，该旋流器用来使合成气和固体脱离，较凉的合成气离开该合成气冷却器；

一个下导管，用来使来自该旋流器的较凉固体返回该立式管道；以及

流化气体，该流化气体到达该下导管下部以及该致密流体床以便分离固体并且便于移除凝聚的灰。

16.如权利要求15所述的合成气冷却器，其中进入该冷却器的热合成气在其流经该冷却器的立式管道部分时依次逐步地被冷却。

17.如权利要求16所述的合成气冷却器，其中通过使该合成气接触该致密流体床中的固体而被初始冷却。

18.如权利要求17所述的合成气冷却器，其中被冷却的合成气是通过接触该立式管道底部的固体循环床而被进一步冷却。

19.如权利要求18所述的合成气冷却器，其中该冷却的合成气通过与该立式管道中的较凉固体进行接触而被进一步冷却，该较凉固体是在连续的多级中从多个流体床冷却器返回的。

20.一种用于对来自煤气化炉的高温合成气进行冷却的多级合成气冷却器，该冷却器包括：

一个致密流体床，带有多个嵌入冷却线圈，与热合成气入口流相连通；以及

多级串联内部循环流化床冷却器。

21.如权利要求20所述的合成气冷却器，其中该合成气通过不同级而被依次冷却到用于产生希望的气流以及热锅炉给水条件适当的温度，其中多个传热表面被嵌入在多个流化且内部循环床中。

22.如权利要求20所述的合成气冷却器进一步包括一个立式管道，在该立式管道中该合成气混合并且将热能传递到固体组成的循环床；

一个脱离区段，用来使该合成气脱离该固体组成的循环床；

一个环形空间，用于使循环固体向下流动并且将热量传递到多个嵌入的传热表面；

一个通风和密封机构，用来控制循环固体到该立式管道区段的流动；以及

一个锥形区段，促进内部固体循环并且用作冷却器多级之间的一个分隔部。

23.如权利要求22所述的合成气冷却器，其中该锥形区段包括多个蒸汽冷却线圈，这些线圈带多个开口以便使一部分合成气通过并且对该环形空间中的固体提供通风。

24.如权利要求22所述的合成气冷却器，其中进入该冷却器的合成气被预冷却并且被处理成用于与上游级中的媒剂进行碰撞，从而形成一种带外部和内部循环固体颗粒的混合冷却系统。

25.如权利要求24所述的合成气冷却器，其中该上游级包括：

一个喷射器，用来将来自多级合成气冷却器中最后一级的相对较凉的固体喷射到一个下流式冷却器中，在该下流式冷却器中该热合成气入口流最初与该喷射的相对较凉的固体相混合；

一种作为该喷射器动力流体的高压再循环合成气流；以及

来自该下流式冷却器的相对较凉的合成气离开流，进入该多级合成气冷却器以用于进一步冷却。

26.如权利要求24所述的合成气冷却器，其中该上游级是一个下流式冷却器系统，该系统包括：

一个下流导管，其中该热的入口合成气当其向下流动时与在不同高度喷射的较凉固体相混合；

一个预盐化器旋流器，用于使合成气脱离凝聚的固体；

一个带嵌入传热表面的冷却器，用来通过去除尺寸超过1000μm的凝聚固体并且通过加入补充固体而使从该旋流器中脱离的固体冷却；

一个提升导管，用来通过高压再循环合成气使该冷却器中的冷却固体提升并且在不同高度喷射到该下流导管中；以及

来自该旋流器的相对较凉冷却器合成气离开流，进入该多级冷却器以用于进一步冷却。

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