CN109312918A - 用于均匀分配固体燃料材料的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于处理例如颗粒形式的固体材料、特别是燃料材料固体、例如含碳燃料固体的方法、设备和系统，以提供或产生固体材料的均匀分配。料斗设置有多个排出孔，每个排出孔适于使气体和固体材料的组合流过，以将固体材料气动地输送到分配歧管。分配歧管包括多个管，每个管具有多个出口孔，其中每个出口孔通过等份的气体和固体材料的组合。

Description

用于均匀分配固体燃料材料的方法和设备

技术领域

本申请一般涉及固体材料、特别是燃料材料固体（例如颗粒形式的含碳燃料固体）的加工，更具体而言，涉及在延伸区域上均匀分配这种材料固体的方法和设备。

背景技术

近年来，例如由于对全球气候变化的担忧，伴随动力生产大量CO₂的大气释放受到密切关注，并且已经寻求减少CO₂排放的新动力源。十多年来，许多国家一直在开发一种名为富氧燃烧（oxy-combustion）的有前景的技术。

这种加工技术通常采用包括例如由惰性材料或白云石或两者的组合构成的流化床的反应器。将固体含碳的、可能含硫的燃料注入反应器中，以便用氧气或空气燃烧。使用例如主要由二氧化碳和蒸汽组成的再循环废气使床流化。CO₂可以构成床的流化气体的65-99%，并且蒸汽可以构成剩余部分。常规的富氧燃烧反应器将所有再循环废气与20-30%或多达50%的氧（摩尔百分比）预混合。这是富氧燃烧系统的通用配方，富氧燃烧系统已被提出用于从煤、石油焦和生物质燃烧产生动力的优化的高碳捕获系统。

在目前最先进的富氧燃烧技术中，这种处理在大气压下进行，氧气百分比高于50%、甚至高达100%，并没有热交换器结垢迹象，但是在超过3个或者在4个大气压的更高压力下，氧分压会开始引起灰分颗粒熔化、颗粒结块和结垢。

如果该过程在高压下进行，则在废气水冷凝期间可以除去相当大量的热量，这允许用高质量蒸汽产生更多的电力，并且可以用废气冷凝物预热锅炉给水。因此，非常需要一种在高压下进行富氧燃烧的方法，以提高系统效率。

在上述常规方法中但在高压下进行富氧燃烧的一个含义是，高氧含量要求含碳燃料（例如煤，褐煤，石油焦或生物质）以大粒径注入以防止过热，因此，固体必须通过气旋在床外循环以确保完全燃烧（US2014/0065559A1）。

如专利申请US2010/0307389A1中所述将粉煤注入这样的床中将允许在非常短的时间内完全燃烧，使得固体不必在床外循环，但是这也存在如下风险：煤颗粒将燃烧得比散热快，并通过床扩散到传热器表面，这可能导致结渣造成结垢。燃料中的水分仅具有有限程度的缓解作用，并且使用湿燃料对操作成本具有其他不利影响（必须产生更多氧气，并且当固体未干燥时不能以常规方式处理固体）。

在加压的富氧燃烧中，将固体含碳燃料（例如煤）和氧气一起输送的问题要求在非常大的流化床区域内，必须均匀地分配大量的煤。

通常与在富氧燃烧处理中实现期望的燃料分配相关的问题之一是燃料的脱挥发分的固有温度。每种燃料都会在高温下释放碳氢化合物，这些碳氢化合物会使燃料变粘，并迅速堵塞管道。分配方法理想地必须允许燃料在燃烧器直径上运输达20或30英尺且不会使燃料温度升高到脱挥发温度。

此外，虽然如果仅存在一个阶段并且燃料仅被输送到床的底部或顶部，则可以相对容易地利用现有设计在流化床的非常大的区域上分配固体含碳燃料（例如，煤），但是，在用于具有细粉煤的紧凑型加压流化床燃烧器（PFBC）的设计中，燃料的均匀分配必须在连续阶段中进行，其中现有的歧管和分配器设计不起作用。煤必须分配在大表面上，其仅具有4.7-8.3 MWth/m²（优选约6 MWth/m²）。这需要每平方米约2-4个注入器，约1 "的煤进料器和直径约1/4到1/2英寸的孔。这些进料器必须与燃烧环境隔离以防止结块和堵塞。

虽然其他开发已经针对用于将煤和氧气一起注入的特定设计，但是仍然需要允许和促进固体材料（特别是诸如颗粒形式的含碳燃料固体的燃料材料固体，例如，固体含碳燃料，例如煤）通过系统特征（诸如歧管和料斗）至例如相应的或相关的注入器的期望分配的方法、设备和系统。

发明内容

本申请的一般目的是提供用于处理固体材料、特别是燃料材料固体、例如含碳燃料固体（其例如为颗粒形式）的改进的方法、设备和/或系统。

本申请的更具体的目的是克服上述一个或多个问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种用于均匀分配固体燃料材料的系统。在一个实施例中，这种系统包括设有多个排出孔（outlet orifice）的料斗。每个排出孔适于流过气体和固体燃料材料的组合，以将固体燃料材料气动地输送到分配歧管。分配歧管用于在延伸的分配区域上分配均匀的固体燃料材料流。分配歧管包括多个管，每个管具有多个出口孔（exit orifice），其中每个出口孔通过等份的气体和固体燃料材料的组合。

根据本申请的另一个方面，提供了一种处理系统，其包括分级流化床反应器和用于将含碳燃料均匀分配到分级流化床反应器的相关分配系统。

根据一个实施方式的这种处理系统包括分级流化床反应器，其中含碳燃料和含氧气体通过包含惰性材料、白云石或其组合的流化床洗脱。分级流化床反应器包括至少三个反应区，每个反应区在不同的选定压力下运转。分配系统包括至少三个料斗。每个料斗与相关的选定的反应区之一进行材料转移连通。每个料斗设有多个排出孔。每个排出孔适于使气体和含碳燃料的组合流过，以将含碳燃料气动地输送到分配歧管。每个料斗在不同的选定压力下将气体和含碳燃料的组合提供给分配歧管。分配歧管用于在相关的选定的反应区之一内的延伸分配区域上分配均匀的含碳燃料流。分配歧管包括多个管，每个管具有多个出口孔，其中每个管以相等量承载一部分的气体和含碳燃料的组合，并且其中每个出口孔通过等份的气体和含碳燃料的组合。

根据本申请的另一方面，提供了一种在分级流化床反应器内均匀分布粒状含碳燃料材料的方法。在反应器中，粒状含碳燃料和含氧气体通过含有惰性材料、白云石或其组合的流化床洗脱。分级流化床反应器包括至少三个反应区，每个反应区在不同的选定压力下运转。根据一个实施方式，该方法包括通过指定的分配歧管气动输送等量的气体和粒状含碳燃料材料。更具体地，分配歧管理想地包括多个管，每个管包括多个孔，每个孔使等量的气体和颗粒状含碳燃料材料流过。

如本文所用，对于“相等”或“均匀”量或部分的通过、分配等，应理解为指通常为彼此的±30%内、优选为彼此的±10%内的量或部分的通过、分配等。

通过以下结合所附权利要求和附图的详细描述，其他目的和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。

附图说明

图1是根据本申请的一个方面的处理系统的简化示意图。

图2是根据本申请的一个方面的材料分配料斗组件的简化示意侧视图。

图3是图2中所示的材料分配料斗的简化俯视图。

图4是例如用于根据本申请的一个实施方式的固体进料系统的简化示意图。

图5是根据本申请的一个方面的方形平面阶段中的进料器数量的图形表示。

图6是示出根据本申请的一个实施例的8×8分配系统的简化示意图。

图7是根据本申请的一个方面的、允许根据燃料流量确定进料器的尺寸的、标称流率与孔口直径的关系的图形表示。

图8是根据本申请的一个方面的材料流分配器的简化示意图。

图9是根据本申请的另一个实施例的材料流分配器的简化示意图。

图10是示出根据本申请的另一个实施例的分配系统的简化示意图。

具体实施方式

本申请提供了用于在例如特别是在加压富氧燃烧流化床反应器中或其内的延伸区域均匀分配固体材料、特别是燃料材料固体、例如颗粒形式的例如含碳燃料固体（例如，煤，石油焦，生物质等）的方法和设备。

下面具体参照富氧燃烧处理和燃煤动力设备更详细地描述根据本申请用于均匀地分配固体材料、特别是诸如颗粒形式的含碳燃料固体的燃料材料固体的方法和设备。然而，本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解并知晓，本文所述方法和设备的更广泛应用可以在各种环境和各种材料的加工中找到合适的应用，其中寻求、期望和/或有益的是在延伸区域均匀分配固体材料、特别是燃料材料固体、例如颗粒形式的例如含碳燃料固体。

为了在流化床中最好地实现加压富氧燃烧的最大益处，燃料理想地在床内以多个水平分配，以允许分级燃烧。压力在不同阶段（级）将是不同的，因此对于三级燃料注入系统，期望使用在不同相应压力下操作的三个燃料注入器系统。

注入器的理想间距通常是从单个料斗分离多种燃料的成本（基于设备和压缩气体的成本，其可能很昂贵）与由于高温、不可预测的氧气耗尽或富含硫的环境的腐蚀、或这些情况的整体对靠近燃料注入器的部件的化学损伤的可能性之间的权衡。期望的注入器密度可以基于经验数据，例如来自先前测试的加压流化床燃烧器（PFBC）的经验数据。

图1是根据本申请的一个方面的处理系统的简化示意图，该处理系统总体上由附图标记10表示。在处理系统10中，例如颗粒形式的固体材料，例如燃料材料固体、例如含碳燃料固体、例如煤，从贮存器12，以及石灰石从贮存器14，进料到诸如由三个进料斗20、22和24组成的进料斗装置16中。

如下面更详细描述的，根据本申请的一个方面，进料斗20、22和24用于将燃料材料引入到富氧燃烧反应器26中。氧也被例如通过管线28引入到富氧燃烧反应器26中。

富氧燃烧反应器26可以理想地用于产生例如由线30表示的热量，并且例如本领域已知的，例如可以用于生产或产生电力或动力。富氧燃烧反应器26还形成或产生例如由线32表示的热排气或废气，例如CO₂，H₂O（例如蒸汽）和其它，并且可以根据需要进一步处理或加工。在处理系统10中，至少一部分反应器系统废气，例如在适当的回收处理之后，例如由线34表示再循环回到富氧燃烧反应器26系统。

如本领域技术人员将理解的并且在本文提供的教导的指导下，有利地，燃料和氧气彼此紧密地注入。例如，如在2016年8月12日提交的相关且在此并入的第15/235,619号美国专利申请中所公开的，这种足够紧密的接近度通过混合理想地产生、引起或导致在氧气耗尽之前发生脱挥发分燃烧（devolatization burning）（例如，脱挥发分指的是燃料的烃成分），使得在该位置不会产生还原气氛。为此，图1描绘了氧气进料管线28分支以形成氧气进料管线40、42和44，用于分别适当靠近从进料斗20、22和24引入的燃料地将氧气引入富氧燃烧反应器26中。

虽然所示的进料斗装置被示出为包括三个进料斗20、22和24，但是本领域技术人员将理解并意识到可以适当地选择进料斗的数量以适当地优化系统处理。

转到图2，示出了根据本申请的一个方面的材料分配料斗组件的简化示意性侧视图，该材料分配料斗组件总体上由附图标记50表示。材料分配料斗组件50包括材料分配料斗52，图3示出该材料分配料斗52的顶视图。

材料分配料斗52理想地被加压至比接收燃烧器高约20-30%的压力，其中输送气体由CO₂组成，例如示出为通过管线54引入料斗中。材料分配料斗52包括多个排出孔56，排出孔56适于使气体和固体燃料材料的组合流过，以将固体燃料材料适当地气动地输送到相关的富氧燃烧反应器。

必须在料斗52的底部引入气体的唯一时间是在启动期间，使材料流化以用于初始流的建立。流化流可以切向或径向而不是轴向引入。一旦建立固体流，就可以关闭该流化流。端口60可以理想地设置在料斗52的底部处或附近，以便于或允许移除过大尺寸的材料。为防止过大尺寸材料塞住孔，喷射器62可以理想地定位或放置在每个孔56旁边。

虽然所示实施例被示出为具有或包括围绕料斗52分配的四个大致等间隔的排出孔56，但是本领域技术中的并且由本文提供的教导的引导的人员将理解并知晓本申请的更广泛实践不是必然如此有限。因此，在具体实施方式中，如特定应用所需，用于实施本申请的料斗可包括2、3、4、5或更多排出孔。

转到图4，示出了固体进料系统的简化示意图，该固体进料系统通常由附图标记110标识，例如用于根据本申请的一个实施方式。

更具体地，图4示出了固体进料系统110，其使用CO₂输送气体，该CO₂输送气体被引入煤和石灰石混合物贮存器112中，以例如经由螺旋推运器（auger）114输送到例如如上所述且例如具有多个排出孔120的材料分配料斗116。在固体进料系统110的这个实施方式中，CO₂可以理想地用于对进料贮存器112和材料分配料斗116两者进行加压，材料分配料斗116例如位于螺旋推运器的下游，并且在此煤和CO₂ 将被分成多个流。因此，如图所示，单个螺旋推运器可以理想地用于供给或产生多个流。

图5是根据本申请的一个方面的方形平面阶段（square plan stage）中的进料器数量的图形表示，并且允许确定所需数量的单独孔。

更具体地，图5中所示的图表主要基于以下内容：

每平方米的注入器数量可以是1.2至4.8，优选地是3至4。每平方米热量的兆瓦数可以是4.7至8.3，优选地是6至7。所得的最小注入器数量示于方形平面区域的图表中，其设计为具有完美的平方整数个注入器（4、9、16、25、36等）。这些尺寸参数也可用于设计具有相似密度的六边形或八边形分配系统，其更紧凑地配合到圆形压力容器中。根据本申请的一个优选方面，每个注入器的最佳燃料流量约为6.5/3.5 = 1.8MWth，但是注入器间距提供或产生1MWth/注入器时可以实现更均匀的分配。如本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解的，期望的注入器间距和优化可以成为注入器制造成本的经济决策。

转到图6，示出了根据本发明的一个方面的总体上由附图标记150表示的8×8固体进料分配系统的简化示意图。分配系统150包括多个分配管152，每个管具有多个出口孔（这里未具体示出），其中每个管以相等量承载一部分的气体和含碳燃料的组合，并且每个出口孔通过等份的该气体和含碳燃料的组合。在该特定示例性实施例中，分配管152显示为横跨方格延伸的大致平行交替布置。本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解和知晓可以采用其他合适的分配系统，并且本申请的更广泛实践不必限于特定或某一分配系统布置。

一旦确定了注入器的数量，就将总阶段MW除以注入器的数量，以确定每个歧管进料器必须输送的燃料量。确定后，可根据燃料流量确定进料器的大小，如图7所示。

图7中所示的线是基于假设添加12%重量的白云石用于脱硫时的2.4千克/小时/平方米的标称煤流量。硫捕获所需的不同硫含量和不同的Ca/S比可以改变该计算结果，但该曲线将提供有用的最小孔尺寸，其对更高流率仍然具有余量。显示的曲线基于Illinois＃6煤。正如本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解和知晓，具有不同热值的煤可能需要更多或更少的流量来补偿。

图8示出了根据本申请的一个方面的材料流分配器，其通常由附图标记210表示。所示的材料流分配器210可以使用增材制造（additive manufacturing）方法简单地制造，包括台阶和颗粒行程，然后可以使用常规管焊接方法容易地焊接成长管歧管。材料流分配器210包括中心管212，例如用于承载固体含碳燃料，并包括一系列出口孔214。在一个优选实施例中，如图所示，每个连续的歧管出口孔214后面跟着流动面积减小部216使得通过管道的材料的速度理想地保持恒定。

可以在相对的壁之前适当地放置突片（tab）以迫使一些颗粒离开管，并且可以构建角以抵抗侵蚀。这种流分配器的歧管布置可以理想地从如前所示的相对端放置，以弥补沿着长度的可能的分配不均。所示的设计可以很容易地从一端插入，因为它沿其长度具有相同的OD。

在一个优选的实施方式中，每个分配器将在流化床内对相同数量的孔进行供给。由于这样的分配器通常可以直径相对小，在一个优选实施例中，分配器被主动冷却以防止煤堵塞管线。因此，例如，在环220中具有冷却剂（例如水）的双衬管将执行该功能。如果管道和流量足够大，氧气也可用于此目的，但仍可能需要水和/或添加隔热体222。如此输送的氧气可以与燃料一起注入，以提供或导致所需的均匀分配。

图9示出了根据本申请的另一个实施例的材料流分配器，通常由附图标记310表示。类似于上述材料流分配器210，材料流分配器310包括导管或管道312，以便用于承载固体含碳燃料并包括一系列出口孔314。在一个优选实施例中，例如如图所示，导管或管道312在每个连续的出口孔314之后是锥形的或逐渐变窄，使得通过导管的材料的速度理想地保持恒定。

如果需要，这种分配器也可以类似地主动冷却以防止煤堵塞管线。因此，例如，在环320中具有冷却剂（例如水）的双衬管将执行该功能。如果管道和流量足够大，氧气也可用于此目的，但仍可能需要水和/或添加隔热体。

图10是示出根据本申请的另一个实施例的分配系统410的简化示意图。更具体地，分配系统410采用四个分配器412，每个分配器分支以形成四个容器（pod）420，每个容器具有或形成四个出口430，以便在燃烧器的水平部分内提供或导致燃料材料的相等分离和分配。

本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解和知晓可以采用用于均等且均匀地分配燃料材料的许多其他不同的分配装置，并且本申请的更广泛实践不一定受限于或不限于在此示出和描述的分配系统。

权利要求书并不意旨包括并且不应当被解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制，除非这种限制分别使用措词“用于……的装置”或“用于……的步骤”明确记载在给定的权利要求中。

在此说明性地公开的本申请可适当地在不具有本文未具体公开的任何要素、部分、步骤、组分或成分的情况下实施。

虽然在前面的详细描述中已经结合本申请的某些优选实施例描述了本申请，并且已经出于说明的目的阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，本申请易于附加实施例，且在不脱离本申请的基本原理的情况下，可以显著改变本文所述的某些细节。

Claims (18)

1.一种用于均匀分配固体燃料材料的系统，所述系统包括：

料斗，所述料斗设置有多个排出孔，每个所述排出孔适于流过气体和固体燃料材料的组合，以将固体燃料材料气动地输送到分配歧管；和

分配歧管，所述分配歧管在延伸分配区域上分配均匀的固体燃料材料流，分配歧管包括多个管，每个管具有多个出口孔，其中每个出口孔通过等份的气体和固体燃料材料的组合。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述气体和固体燃料材料的组合通过每个所述排出孔的流量相等。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述气体和固体燃料材料的组合通过每个所述管的流量相等。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述系统包括多个所述料斗，其中每个所述料斗在不同的选定压力下将气体和固体燃料材料的组合提供给分配歧管。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述系统还包括以特定体积流率对固体燃料材料进行计量的机械计量装置。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，

所述机械计量装置包括螺旋推运器，并且所述螺旋推运器机械地计量固体燃料材料以形成多个进料流。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述分配歧管包括分配器，所述分配器包括具有多个孔的双衬管，所述双衬管具有输送所述固体燃料材料所通过的中心通道、和输送冷却剂流体的氧化剂所通过的环。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

氧气通过所述环输送。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述固体燃料材料是选自煤、石油焦和生物质构成的组的含碳燃料。

10.一种处理系统，包括：

分级流化床反应器，其中含碳燃料和含氧气体通过包含惰性材料、白云石或其组合的流化床洗脱，其中分级流化床反应器包括至少三个反应区，每个反应区在不同的选定压力下运转，和

用于将含碳燃料均匀分配到分级流化床反应器的分配系统，该分配系统包括：

至少三个料斗，每个所述料斗与相关的选定的反应区之一进行材料转移连通，每个所述料斗设有多个排出孔，每个所述排出孔适于气体和含碳燃料的组合流过以气动地将含碳燃料输送到分配歧管，其中每个所述料斗在不同的选定压力下向分配歧管提供气体和含碳燃料的组合；和

分配歧管，用于在相关的选定的反应区之一内的延伸分配区域上分配均匀的含碳燃料流，分配歧管包括多个管，每个管具有多个出口孔，其中每个管以相等量承载一部分的气体和含碳燃料的组合，并且其中每个出口孔通过等份的气体和含碳燃料的组合。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，

含碳燃料选自煤、石油焦和生物质构成的组。

12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，

含碳燃料是颗粒形式。

13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，

所述系统还包括螺旋推运器，用于机械计量含碳燃料以形成多个进料流。

14.一种在分级流化床反应器内均匀分配粒状含碳燃料材料的方法，其中粒状含碳燃料和含氧气体通过包含惰性材料、白云石或其组合的流化床洗脱，其中分级流化床反应器包括至少三个反应区，每个反应区在不同的选定压力下操作，所述方法包括：

气动输送等量的气体和粒状含碳燃料材料通过包括多个管的分配歧管，每个管包括多个孔，每个所述孔使等量的气体和粒状含碳燃料材料流过。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，

粒状含碳燃料选自煤、石油焦和生物质构成的组。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，

所述粒状含碳燃料材料通过分配系统分配到分级流化床反应器，所述分配系统包括至少三个料斗，每个所述料斗与相关的选定的反应区之一进行材料转移连通，每个所述料斗设置有多个排出孔，每个所述排出孔适于流过气体和粒状含碳燃料的组合，以将粒状含碳燃料气动输送到分配歧管，其中每个所述料斗在不同的选定压力下将气体和粒状含碳燃料的组合提供至分配歧管。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，

每个料斗在相关的选定的反应区之一内的延伸分配区域上分配均匀的粒状含碳燃料流。

18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

通过螺旋推运器机械计量粒状含碳燃料以形成多个进料流。