CN108027139A - 高温高压固体处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种流化床气化系统，包含流化床气化反应器，该反应器在其下方具有底灰排放出口，其中使用L‑阀来控制底灰排放速率。L‑阀使用位于L‑阀垂直管的远侧、在水平管的中心线上方处的充气口。还提供用于控制系统底灰排放的方法以及流化反应床高度的方法。

Description

高温高压固体处理系统
背景技术
处理高温高压固体流，例如从流化床煤气化器排放的底灰，通常具有挑战性，这些高温高压固体流需要冷却并减压。当前的系统通常使用机械设备例如高温和/或高压阀和螺旋状构件以及其他计量设备。然而，这些设备在高温高压的不利环境中均受到严重的磨损。这些设备也缺乏操作可靠性。例如，综合能源Synthetic Energy(SES)煤气化器常常使用螺旋冷却件，其需要同时起到热灰颗粒冷却设备以及控制固体流量的计量设备的作用。除高温高压环境造成的螺旋冷却件的快速劣化外，螺旋冷却件的冷却和计量功能常常是互斥的。
其他的例子包括机械滑阀和机械旋塞阀，其在流化的固体流上操作并通过改变流的截面积来控制流量。它们用于在850℃以下温度操作的流化床催化裂化工序，以控制在多个管道之间的流通(Gauthier,IFSA2008,Industrial Fluidization South Africa,pp.35-87.Edited by T.Hadley and P.Smit Johannesburg:South Africa Institute ofMining and Metallurgy,2008)。这些阀特别适用于Geldart分类下A组颗粒的操作(即，粒径为30-125μm，密度在约1,500kg/m3的数量级)。然而，无法将Geldart B组颗粒保持(粒径为约150-1,000μm)为流化状态而又不形成干扰颗粒流的大气泡。此外，这些阀的移动部件无法暴露于高于900℃的温度，使得它们无法适用于SES气化器的底灰排放。
非机械阀如L-阀或J-阀已知在领域内广泛使用。L-阀或J-阀由配备有水平管或角度为45-135°的出口臂的垂直管或竖管或下落管构成。如果角度为90°，则阀采用类似字母“L”的外型并从而称为L-阀。参见例如美国专利第8,771,549号(Gauthier et al.)。在L-阀中，固体通过重力作用或由于压力差而进入垂直管。如果垂直管道填充有颗粒，在接近方向改变的弯道的上游注入充气(aeration)或动力流，以促进管道中颗粒的流通。动力流入口通常位于与出口臂相对的会合处、或与临近“L”会合处的垂直腿交叉，以提供将固体携带出出口臂的能量。L-阀的控制是通过控制动力流的流量，将固体带出出口臂。固体流包括与固体一起经垂直管向下传输的流体，其中水平管中的流体提供的动力促使所有流体将固体带出L-阀的第二臂或出口。通常而言，固体流量可以通过调整在会合处引入的流体的速率来加以控制。
然而，L-阀具有由某些流动条件下的流动不稳定性引起的控制问题。因此，L-阀已知仅适用于Geldart B组颗粒，其具有足够高的最小流化速度，从而使高颗粒流量成为可能(参见Geldart,D.(1973)."Types of gas Fluidization".Powder Technology 7(5):285–292)。一种使用L-阀将细灰颗粒从旋风分离器运送回循环床的循环床系统记载于Knowlton,T.M.,(2003)"Standpipes and Non-mechanical Valves",Handbook ofFluidization and Fluid-Particle Systems,Wen-Ching Yang,editor,pp.571-597.Marcel Dekker,Inc.,New York。Greenwood et al的美国专利8,753,044也公开了一种设计成使用动力流传输固体的L-阀。该阀包括用于携带固体的入口管道，其中固体通过重力作用导入。固体经流体携带而传输到出口外，其中出口管道的直径比入口管道细。第二入口提供动力流源来驱使固体的传输。
之前，L-阀没有被用于处理在SES煤气化器或类似流化床反应器正下方排出的底灰，很可能是因为底灰包含有对于L-阀而言太大的颗粒(基本上直径大于1mm，被认为属于Geldart D组或更高的组，甚至为非结块的煤)。L-阀的充气需求随着粒径、颗粒密度和垂直截面直径的增加而增加(参见，例如Knowlton,T.M.；Hirsan,I.,(会议发言)Syntheticpipeline gas symposium,Chicago,IL,USA,31Oct 1977Solids flow control using anon-mechanical L-valve)。在给定的固体流量情况下，相对于Geldart A或B颗粒，针对Geldart D组颗粒操作L-阀需要充入显著更多的气体(参见Wang and Fan,L-ValveBehavior in Circulating Fluidized Beds at High Temperatures for Group DParticles,Ind.Eng.Chem.Res.,2015,54(16),pp 4468–4473)。对于这类大颗粒，对颗粒充气使其在L-阀中流动，需要非常大的气体量，从而干扰到流化床内的气压控制(参见，Knowlton et al.,同上)。
因而，需要能够克服现有技术中问题的改进的方法和相关设备。
发明内容
本发明利用非机械设备来管理流化床反应器，例如流化床煤气化器，的底灰的固体流量、冷却和减压。
在一个实施方式中，本发明提供一种流化床气化系统，其包含流化床气化反应器，该气化反应器具有在反应器下方的底灰排放出口，其中L-阀用于控制底灰排放的速率，该流化床气化系统包含
i.L-阀，其位于底灰排放出口的下游并与底灰排放出口连接，用于控制固体流量，其中该L-阀包含：入口管，其具有第一直径DI且具有入口管端；出口管，其具有第二直径DO且朝向相对入口管呈45-135°的阀转角，DO为DI的50％-75％，其中出口管具有出口管端，入口管具有位于出口管端同一侧的近侧和与出口管端相对的远侧，其中出口管端与上述近侧对准；以及
ii.充气流体入口管道，用于将充气流体带进入口管，其中充气流体入口管道的开口位于入口管远侧的在出口管中线上方H距离处，其中H/DI比在约1-3的范围内。在一个实施方式中，H/DI比为约1.5-2.5。在另一实施方式中，H/DI比为约2.5。充气流体为蒸汽、CO2或N2、或其适当的混合物。
在一个实施方式中，本发明上述的系统还包含冷却设备，固体从出口管排入该冷却设备中。
在一个实施方式中，本发明上述的系统还包含灰分冷却容器，其位于流化床气体反应器的灰分排放出口和L-阀的入口管之间。
在一个实施方式中，本发明上述的系统还包含使流化床气体反应器的底灰排放出口排放的灰分颗粒流化的构件，其中来自反应器的气体使用吹脱气从灰分颗粒中吹脱出去。在一个实施方式中，使灰分颗粒流化的构件包含转变区或锥形区，其中较宽的底灰排放出口下落管转变为较窄的L-阀入口管。在一个实施方式中，上述系统还包含差压控制构件(DP-3)，其用于测量并控制在转变区或锥形区与底灰排放出口的靠近使文氏管蒸汽进入排放出口处的点之间的压差，其中监控对L-阀入口管上方的流化床进行吹脱的操作。
在优选的实施方式中，本发明系统的阀转角为约90°。
本发明的系统还可以包含第一差压控制构件(DPT1)，用于测量充气流体入口管道与转变区或锥形区中加入吹脱气的位点之间的压差。该系统还可以包含第二差压控制构件(DPT2)，用来测量在充气流体入口管与L-阀出口管的点之间的压降。
该系统还包含差压控制构件，来测量并控制横贯水平区的压力。
本发明还提供用于管理流化床气化反应器的底灰排放速率的方法，其中使用权利要求1的系统，其中底灰排放速率通过控制输入L-阀的充气流体的量而加以控制。
在另一实施方式中，本发明提供用于控制权利要求1系统的流化床反应器内的流化床的高度的方法，其中当床的高度降到期望值以下时，控制器向L-阀充气控制阀发送信号来稍稍关上阀门，以减少流经L-阀的排放速率；其中当床的高度增加到高于期望的床高度时，控制器将向L-阀发动信号来打开阀门，以增加通往L-阀的充气，从而排出更多的固体。
附图说明
图1示出本发明系统的实施方式的示意图，其中灰分冷却容器设置在底灰排放管道和L-阀垂直管之间。
图2示出本发明系统的实施方式的示意图，其中示出吹脱的位置和其他情况。
图3示出用于本发明系统的实施方式的L-阀的详细示意图。
图4是本发明系统的文氏管排放区的详细示意图。
图5示出直的排放喷嘴的集气室嵌入的示意图。
图6示出L-阀测试构造。
图7示出在不同充气值下的L-阀排放速率。
图8示出L-阀结块排放测试设置。
图9示出位于L-阀水平区域端部的已经通过L-阀的大混凝土块。
具体实施方式
已经令人惊讶地发现了，底灰颗粒，尽管含有直径大小大于1000μm的颗粒，在高温高压下的情况出人预料，且它们的排放速率可以用L-阀控制。
在一些实施方式中，底灰包含直径大小高于6,000μm的颗粒。合适的底灰样本的粒径分布的例子示于以下表1。
表1.从SES气化器排放的底灰的粒径分布
粒径(μm) Wt％
>6,000 1.37
2,000/6,000 9.29
900/2,000 21.65
125/900 49.66
<125 18.04
总的Wt％ 100.0
固体的平均体积密度为约1150kg/m3(71.8lb/ft3)。
从而，在一个实施方式中，本发明提供一种煤气化系统，其包含流化床煤气化器，该气化器使用非机械性L-阀设备来替换传统机械阀，以对高温高压底灰固体颗粒流进行计量。
流化床煤气化器是领域内所知的且容易得到的。参见，例如，8,968,431(用于冷却高温高压下固体颗粒的方法和设备)、8,920,736(用于从旋风分离器循环固体的流动密封阀以及使用该阀的流化床反应器和方法)、和7,879,294(细固体颗粒循环的方法和设备)，以上全部通过引用的方式全部并入本文。
通常而言，在SES气化器中，煤颗粒的尺寸为约1,000μm-约5,000μm，通常最大尺寸为约6,350μm，且少于10％的颗粒具有小于149微米的最小尺寸。这些颗粒在温度为约840℃-约1,100℃且压力为约50psig(约446kPa)-约450psig(约3,204kPa)的流化床气化器中，与蒸汽及空气或氧反应。
为冷却经计量排出L-阀之外的固体，本发明的系统还可以包含替换冷却螺旋状构件的可以直接或间接冷却的流体床冷却设备。
对于减压而言，本发明的系统还可以包含限制管流设备来完成压力降低。这些设备可以单独使用或组合使用。
与现有技术相比，本发明的系统对于需要固体排放、冷却或减压的加压流化床或其他反应器的固体排放、冷却和减压而言，由于密封件和移动部件所需的常规保养被最小化或消除，操作可靠性大大改善。
图1示出本发明一个实施方式的示意图。
在包含位于容器中的流化床区域、和底灰排放设备例如具有中央管和下落管的文氏管的SES流化床气化系统中，本发明提供的改进包括：1)控制流经文氏管下落管的固体流量的L-阀，其中L-阀位于SES流化床气化器的底部并与气化器流体连接，并包含垂直管和水平管，2)可选的闭锁料斗或另一使固体减压的设备，以及3)冷却螺旋状构件或另一冷却设备，从L-阀排放的固体进入该冷却螺旋状构件或冷却设备。
上述系统使得冷却螺旋状构件可以以其最佳的旋转速度进行操作。
一个实施方式中的L-阀管道配置与气化器文氏管下方的分类器区域直接连接，即没有闭锁料斗。
在另一实施方式中，L-阀管道与灰分冷却闭锁料斗系统连接。
图1示出L-阀如何结合到本发明的排放系统中的示意图。
气化器中指示出流化床高度的差压发送器向控制器提供信号。当床的高度降到期望值以下时，控制器将向L-阀充气控制阀发送信号来稍稍关上控制阀以减少通过L-阀的排放速率。如果床的高度增加到期望的床高度以上，控制器将向L-阀充气控制阀发送信号来打开控制阀，以增加对L-阀的充气，从而排出更多的固体。相反，如果床的高度降到期望的床高度以下时，控制器将向L-阀充气控制阀发送信号来关上控制阀，从而降低固体排放速率。
充气口用来促进并控制固体流的流速。在一个实施方式中，如图3(a)所示，L-阀具有内径D mm的垂直管，在一个实施方式中，充气口位于L-阀的在L-阀水平区的中心线之上的H mm处，其中H/D比应当高于1，而不高于2。优选地，该比率应当为约1.5。已经发现，当H/D比在该范围内时，充气是最有效率的。充气管路应当位于L-阀排放开口的相对侧(成180°)
用于L-阀的充气气体可以是CO2、蒸汽或氮。氮和CO2的体积值几乎是一样的。尽管不希望被任何对机制的推断所束缚，申请人相信，这是由于气体-固体流处于仅有气体粘性造成颗粒拖曳的粘性环境中。氮和CO2的气体粘性值在650℃时基本相同。因此，这两种气体的体积流量也几乎相同。
为监控L-阀的操作，差压传送器(ΔP1)应当连接在与L-阀充气同一轴向位置(且与L-阀充气呈90°)的压力计接口与灰分冷却容器的自由空域(freeboard)之间(图1)。此外，第二差压发送器(ΔP2)应当测量在L-阀充气点与延伸到L-阀排放管之上的管区中的点之间的压降。后面提到的这个点与用于压力平衡管路的喷嘴几乎在同一带位置上。
L-阀的一个特征是流经L-阀的固体流可以停止，而朝向L-阀的充气不需要停止。这是因为L-阀需要一定阈值量的气体来起动在其中流动的固体。如果流经L-阀的充气流在该最小阈值量之下，固体将不在L-阀中流动。
图2是示出本发明系统的另一实施方式的示意图。更加详细的L-阀设计图在图3示出。
L-阀位于流化床气化器的在文氏管下方的分类器区域底部的凸缘下方，配置在该凸缘底部与紧接在通往冷却螺旋状构件的入口上方的高温分离阀的顶部凸缘之间。在L-阀上方的垂直竖管的尺寸大小将取决于期望流经L-阀的固体流量、以及灰分颗粒的平均体积密度。例如，对于特定的SES气化器规格，排放固体流量通常可以为0-9000kg/h(0-19,800lb/h)，其中固体的平均体积密度为约1g/cm3(62.4lb/ft3)。在该情况下，固体的体积流量为约0-320ft3/h(9.1m3/h)或0.089ft3/s。L-阀中固体的表观速度根据L-阀的直径不同而不同。对于不同的管径，竖管中的最大速度示于如下表2中。最大速度是气化器最大固体排放速率时竖管中的直线固体速度。在表3中示出最小流化速度，其为粒径的函数。
系统可以任选地包含两个L-阀，使得L-阀可以供给到两个冷却螺旋状构件中的每一个。在任一时间仅能使用一个L-阀。
相似地，L-阀可以用来控制床的高度。指示出流化床高度的差压发送器将向控制器发送信号。当床高降到其期望值之下时，控制器将向L-阀充气控制阀发送信号来稍稍关闭阀门，以减少流经L-阀的排放速率。如果床高增加到所期望的床高之上时，控制器将向L-阀充气阀发送信号，来增加通往L-阀的充气，从而将排放更多的固体。
表2.不同L-阀直径的L-阀中的固体速度
*基于最大排放速率19,800计算
表3.最小流化速度，其为粒径的函数
**使用1832°F和53.5psig的蒸汽计算
希望能够防止气化器的系统气体向下流经L-阀。这可以通过在移动填充床模式下以L-阀空气进行吹脱来达成，如果固体的速度低于最小流化速度。这是否会发生将取决于所排放材料的尺寸大小。如果材料的平均粒径是250微米，该材料的最小流化速度为0.057ft/s。在10-英寸-直径管中，处于最大排放速率时的固体速度为0.163ft/s。因此，速度要高于颗粒的最小流化速度，且固体不会吹脱(除非在非常低的固体排放速率)。在10-英寸-直径L-阀竖管之上的17.5-英寸-直径管中，在最大固体排放速率时的固体速度将为0.053ft/s。因此，平均尺寸大小的固体可以在该管道直径中吹脱。然而，如果固体的平均尺寸大小为200微米，这些固体不能在移动填充床模式下以最大排放速度进行吹脱。这是因为最小流化速度(0.037ft/s)低于在17.5-英寸-直径管(0.053ft/s)中在最大排放速率下的固体速度。
为防止气化器的气体从气化器中排放出来，固体可以在其进入L-阀的垂直管或入口管之前以低速流化。流化气体将气化器气体从固体中吹脱出来。在一个实施方式中，文氏管中的下落管区比L-阀的垂直管要宽，通过锥形区的方式而转变(参见图2)，并在锥形区中加入流化气体。
L-阀所需的充气气体的量取决于用于充气的气体的类型。除氮和二氧化碳外，蒸汽也可以用于L-阀充气。使排放固体以19,800lb/h的最大预期固体排放速率流经L-阀所需的充气量(针对蒸汽和CO2)在表3中示出。将固体经L-阀以最大排放速率排放而所需的预计蒸汽量被确定为2.5lb/h。使用CO2时的对应充气速率为5.9lb/h。
之前，认为L-阀的最佳充气接口位置要尽可能地接近L-阀弯曲处，因为认为该位置呈现流经L-阀的最大固体流量。参见Knowlton and Hirsan，同上。然而，本发明的发明人意外地发现，向L-阀添加充气的更加优选的位置在L-阀水平区域中心线上方约2H/D处，其中H是充气口相对于水平管中心线的高度，而D是L-阀垂直管的直径。
为监控L-阀的操作，差压发送器(DPT1)可以连接在与L-阀充气同一轴向位置(且与L-阀充气成90°)的压力计接口与圆锥体中添加用于吹脱区的气体的同一轴向位置之间(图2)。此外，第二差压发送器(DPT2)应当测量在L-阀充气点与L-阀水平区域的位于水平管顶部且在连接高温隔离阀的垂直管的中心线上的点之间的压降。各个L-阀应当具有测量横贯水平区域的压力的差压发送器。
此外，差压发送器(DPT3)应当连接在10-英寸-直径L-阀竖管与文氏管下方17.5-英寸-直径管之间的转变区中使流化气体进入的点、与排放管的在使文氏管蒸汽进入排放管的点上方的某些点之间(图2)。DPT3将用于监控在L-阀竖管上方吹脱流化床的操作。
对于好的L-阀操作，DPT1的值将控制在固定的压差。猜测该压差在1psi的量级。该压差将通过向(高压)上闭锁料斗容器的顶部稀相区域加入或移除气体来加以控制。该压力将通过两个附着于闭锁料斗容器的控制阀来控制，如图1所示。如果DPT1的值下降，将向闭锁料斗的顶部加入气体，以增加闭锁料斗中的压力。这将增加在L-阀竖管的底部的压力。因为在竖管顶部的压力将保持大致恒定，跨越L-阀的压降将增加。相似地，如果DPT1的值增加，将从闭锁料斗中排出气体，以减少跨越L-阀竖管的压降。
本发明通过以下实施例进行说明，但实施例不论如何都是非限制性的。
实施例
气化器冷模态排放系统测试
气化器冷模态排放测试在伊利诺斯州芝加哥的颗粒固体研究公司(ParticulateSolid Research,Inc.,PSRI)的研究实验室中进行。
a)仪器的描述
冷流测试在美国伊利诺斯州芝加哥PSRI的研究实验室中进行。将现有的冷流测试设备改造成可以进行所期望的测试。冷模态下的主要容器是3-英尺(0.9-m)-直径流化柱，其容纳有模拟的气化器床。容器大约20英尺(6m)高，使得在床上方的大的分离高度成为可能。容器在接近底部处突出，且底部突出的头部包含锥形气体分布栅和文氏管排放测试区。10-英寸(25-cm)-直径文氏管区域的图示出在图2中。8-英寸(20-cm)和6-英寸(15-cm)-直径文氏管的示意图分别示于图3和图4中。文氏管排放配置是SES气化器的文氏管排放区域的成比例的模拟。16-英寸(40-cm)-直径喷嘴附着于底部的头部。头部的底部容纳有在装置中测试的不同直径的文氏管区域。之后，所测试的所有各种文氏管缩小到6-英寸(15-cm)-直径管。该管附着于将固体供应到6-英寸(15-cm)-直径上升管的底部区域的封闭环路。
来自上升管的固体穿过90度弯道并进入旋风分离器。管道运输到第一旋风分离器的气体和任何不受控制的固体在之后运输到第二旋风分离器中。在第一旋风分离器底下的封闭环路将固体传输到第二旋风分离器的料腿中。第一旋风分离器和第二旋风分离器而来的固体流入封闭环路中并进入流化床。旋风分离器/料腿设置与建议用于Yima气化器的相同。该旋风分离器设置被称为上升管旋风分离器系统或上升管旋风分离器。
来自流化床的气体在3-英尺(0.9-m)-直径流化床的顶部溢出并发送到第一旋风分离器中，然后到第二旋风分离器中。由于上述上升管旋风分离器系统的存在，来自第一旋风分离器的固体通过封闭环路并排放到直的二级料腿中。来自第一旋风分离器和第二旋风分离器的固体流进自动L-阀并进入流化床。这种旋风分离器设置称为夹带旋风分离器系统或夹带旋风分离器。
用在测试装置中的两个旋风分离器组加入了新的料腿配置，其中来自一级旋风分离器的固体通过封闭环路添加到二级料腿中，这使得固体从一级旋风分离器的高压出口传送到低压二级出口。在冷模态下的料腿、封闭环路和自动L-阀由6-英寸(15-cm)-直径管构建成。
当需要从装置中除去固体以改变配置或粒径时，使用储料器来存储从流化床排放的固体。系统固体从上升管第一旋风分离器下方的封闭环路的底部排出。在固体要供应回装置的起动期间，固体从储料器供应到上升管的底部。
气体可以以三种方式供应到流化床中：1)通过中央喷射管，2)通过文氏管，以及3)通过成一定角度设置的气体分布器，如图2所示。来自流化床的气体和来自上升管的气体通过上述的两个旋风分离器系统进行运送，并在之后进行袋式滤器进行最终清理。
测试装置设计成在其底部加入不同尺寸大小的文氏管排放机构。设计、建造并测试文氏管直径为10、8和6英寸(25、20和15cm)的装置。10-英寸(25-cm)-直径文氏管排放机构的示意图示于图4。
除上述的文氏管/分类器装配外，设计并测试直的管道排放装置(图5)。直的管道排放装置用于测试L-阀类型的密相排放配置(图6)。
测试装置能够以最高15psig(103kPag)的压力操作。这使得工作气体密度为约0.08-0.15lb/ft3(1.3-2.4kg/m3)。以1850℉(1010℃)的温度和10barg(145psig)的压力运行的热气化器的气体密度为约0.135lb/ft3(2.16kg/m3)。因此，用在冷模态中的气体密度排除了该密度。为设置装置中的压力，将背压控制阀放置在旋风分离器的下游，以控制系统压力。
b)测试材料
两种测试材料用在测试项目中。一种材料是A组Flexicoke，第二种材料是B组Flexicoke。两种材料均是宽泛的PSD材料。Flexicoke材料用于模拟在SES气化器中使用的煤材料。最初供应到测试装置中的A组材料的粒径分布示于表4。初始材料的中位数粒径为约98微米。然而，测试用这种材料进行，一些细微颗粒逐渐地从流化床上淘选出来。该材料的最终中位数粒径是约139微米，在表5中示出。所测试的Geldart B组材料的中位数粒径为约182微米，且其粒径示于表6。小一些的Flexicoke具有51lb/ft3(816kg/m3)的松散体积密度，以及66.4lb/ft3(1062kg/m3)的堆积体积密度。较大的Flexicoke材料具有51lb/ft3(816kg/m3)的松散体积密度，以及60.8lb/ft3(973kg/m3)的堆积体积密度。
c)L-阀排放测试
L-阀也作为固体排放控制设备进行测试(图6)。该装置与文氏管排放的区别点在于，固体在L-阀上方时为密相填充床流，而在文氏管和直管排放机构中，固体以稀相流体排放。与文氏管或直管机构相比，控制流经L-阀的固体流量只需要少得多的气体。为控制固体排放，向弯管上方的阀添加充气。增加流向L-阀的充气能够增加流经L-阀的固体流量，且固体流量通过减少充气量而降低。
表4.初始的A组颗粒大小分布
表5.最终的A组颗粒大小分布
测试的L-阀在其上方有一个8-英寸(20-cm)-直径竖管，在L-阀快要转弯处减小到6-英寸(15-cm)-直径管。在L-阀中的充气添加到8-英寸(20-cm)-直径区域中的L-阀水平区域中心线上方约16英寸(40cm)。L-阀的水平区域为24英寸(0.6m)长且在其进入6-英寸(15-cm)-直径上升管前向下弯约45°(图6)。
表3.B组颗粒大小分布
对于非结块型的气化器，不必要(且很可能不建议)使用稀相文氏管排放技术来控制固体排放。因为在气化器床中的固体是B组固体(平均粒径大于约120微米的材料)，使用非机械L-阀来控制排出气化器的固体流量是可行的。
为示出L-阀可以控制从流化床排出的固体，通过使用L-阀充气来改变流经L-阀的固体流量来进行测试。以6英尺(1.8m)的床高、5psig(34.5kPag)的系统压力以及B组Flexicoke进行测试。空气用作充气气体。测试的结果示于图7。
如图7所示，随着对L-阀的充气的增加，流经L-阀的固体流量随加到L-阀的充气量线性增加。可以流经6-英寸(15-cm)-直径L-阀的固体流的量要远大于通过文氏管或直管排放机构获得的固体流量。作为一个例子，流经L-阀的固体流量是54,000lb/h(24,545kg/h，或约900lb/min(409kg/min))。经文氏管或直管机构获得的最大固体速率为约328lb/min(149kg/min)(文氏管为10-英寸(25-cm)直径时)。在此固体排放速率下，流经文氏管的气体流量为约218scfm(6.2Nm3/min)。然而，为使固体流量达到为流经10-英寸(25-cm)-直径文氏管机构的速率的约2.7倍，6-英寸(15-cm)-直径L-阀使用仅5scfm(0.14Nm3/min)。
从测试的结果来看，结论为，L-阀可以用于可靠地控制流出气化器的固体流量。
图7还示出一个曲线，该曲线显示出在通过L-阀的固体流量下流经6-英寸(15-cm)-直径封闭环路的固体流。流经封闭环路的最大流为约75lb/s-ft2(375kg/s-m2)。该测试显示出，封闭环路可以使固体以高速流在其中流过。之前在PSRI的测试显示出，流经封闭环路的固体流能够超过140lb/s-ft2(700kg/s-m2)。
通常从气化器排出的固体可能包含大的结块。所产生的问题是，L-阀可以排放这些大的结块吗？为了解答这个问题，设置了一个测试来确定L-阀是否可能使大的结块材料通过。用在该测试中的仪器的示意图示于图8。4-英寸(10-cm)-直径L-阀附着于测试装置焦炭供应储料器的底部。将Y字形构件加到L-阀竖管的顶部，从而结块可以加到竖管中来看它们是否可以通过L-阀。L-阀的水平区域的长度为24英寸(0.6m)。在L-阀水平区域末端的90°弯管处使固体可以排放到球罐中。在球罐的顶部放置筛子来接住通过L-阀的任何结块。B组Flexicoke材料用在测试中。
为测试L-阀传送大物块的能力，将3个高尔夫球加到L-阀。高尔夫球轻松地以相对低的固体流量通过L-阀。因为高尔夫球相对容易地通过L-阀，在L-阀竖管的顶部加入混凝土块，来看它们是否可以通过L-阀。两种混凝土块中较大的那种为3英寸×2.75英寸×2英寸(7.6cm×7cm×5.1cm)。两种混凝土块均通过了L-阀，但是固体流量要稍微高些，以使混凝土块从L-阀排出。需要约0.33ft/s(0.1m/s)的固体速度来使混凝土块通过L-阀。这对应于18lb/s-ft2(90kg/s-m2)的固体流量。其中一种混凝土块在通过L-阀后处于L-阀水平区域末端的图片示于图10中。测试的结果显示出，大的重的结块可以通过L-阀。
L-阀在排放非结块固体方面具有以下超越稀相文氏管机构的优势：
1)L-阀的尺寸大小可以针对特定的固体流量而准确设计。文氏管机构在现在还无法可靠地设计出，因为缺少设计相关性。
2)几乎不需要调整喷射管和分布器的气体流量。在有文氏管配置时，改变固体排放速率必须要对应地改变喷射管气流流量和/或分布器流量。这配置L-阀时是不需要的，因为不需要改变“文氏管”气体流来改变固体排放速率。
3)“文氏管”或底部气体可以处于低速状态来防止喷射管和文氏管表面的过度磨损。
4)使用L-阀可以使得固体中的填隙气体被吹脱-防止流化床的气体与固体一起排放。这无法用稀相排放系统完成。
因此，L-阀可以替代文氏管使用，以控制SES气化器的排放。
在以上说明书上提到的所有公开物和专利通过引用的方式全部并入本文，以用于所有目的。尽管已经结合具体的示例性实施方式描述了技术，应当理解的是，要求保护的本发明不应当过度地限制于这些具体的实施方式。上述用于实施本发明的实施方式的多种修改，对于相关领域的技术人员是明晰的，都落在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种流化床气化系统，其包含流化床气化反应器，该流化床气化反应器具有在反应器下方的底灰排放出口，其中L-阀用于控制底灰排放的速率，所述流化床气化系统包含：
i.L-阀，其位于所述底灰排放出口的下游并与所述底灰排放出口连接，用于控制固体流量，其中所述L-阀包含：入口管，其具有第一直径DI且具有入口管端；出口管，其具有第二直径DO且朝向相对所述入口管呈45-135°的阀转角，DO为DI的50％-75％，其中所述出口管具有出口管端，所述入口管具有位于与所述出口管端同一侧的近侧和与所述出口管端相对的远侧，其中所述出口管端与所述近侧对准；以及
ii.充气流体入口管道，用于将充气流体带进所述入口管，其中所述充气流体入口管道的开口位于所述入口管的远侧且在所述出口管的中线上方H距离处，其中H/DI比在约1-3的范围内。
2.如权利要求1所述的系统，还包含冷却设备，固体从所述出口管排入所述冷却设备中。
3.如权利要求1所述的系统，还包含灰分冷却容器，其位于所述流化床气体反应器的灰分排放出口与所述L-阀的入口管之间。
4.如权利要求1所述的系统，还包含使从所述流化床气体反应器的底灰排放出口排放的灰分颗粒流化的构件，其中来自所述反应器的气体使用吹脱气从所述灰分颗粒中吹脱出去。
5.如权利要求4所述的系统，所述用于使灰分颗粒流化的构件包含转变区或锥形区，其中所述底灰排放出口的较宽的下落管转变为所述L-阀的较窄的入口管。
6.如权利要求4所述的系统，还包含差压控制构件(DP-3)，其用于测量并控制在所述转变区或所述锥形区与所述底灰排放出口的靠近使文氏管蒸汽进入所述底灰排放出口处的点之间的压差，其中监控对所述L-阀的入口管上方的流化床进行吹脱的操作。
7.如权利要求1所述的系统，其中H/DI比为约1.5-2.5。
8.如权利要求7所述的系统，其中H/DI比为约1.5-2。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述充气流体为蒸汽、CO2或N2、或其适当的混合物。
10.如权利要求1所述的系统，其中所述阀转角为约90°。
11.如权利要求5所述的系统，还包含第一差压控制构件(DPT1)，用于测量所述充气流体入口管道与所述转变区或所述锥形区中加入吹脱气的位点之间的压差。
12.如权利要求10所述的系统，还包含第二差压控制构件(DPT2)，用来测量在所述充气流体入口管与所述L-阀的出口管中的位点之间的压降。
13.如权利要求1所述的系统，还包含差压控制构件，来测量并控制横贯水平区的压力。
14.一种用于管理流化床气化反应器的底灰排放速率的方法，其中使用权利要求1所述的系统，其中底灰排放速率通过控制输入到L-阀中的充气流体的量而加以控制。
15.一种用于控制权利要求1所述系统的流化床反应器内的流化床的高度的方法，其中当床的高度降到期望值以下时，控制器向L-阀充气控制阀发送信号来稍稍关上所述L-阀充气控制阀，以减少流经L-阀的排放速率；其中当床的高度增加到高于期望的床高度时，所述控制器将向所述L-阀充气控制阀发送信号来打开所述L-阀充气控制阀，以增加通往所述L-阀的充气，从而排出更多的固体。
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