TWI454641B - 氣化方法及氣化器 - Google Patents

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Description

氣化方法及氣化器
本發明係關於一種氣化方法及氣化器。更明確地說，本發明關於一種涉及旋風氣化的氣化方法及氣化器。
一般，習知旋風反應器之運轉可能會出現多個缺點。由於旋風反應器內的溫度梯度，使溶渣傾向於該反應器內固化，大部分特別是在該熔渣離開該反應器之處附近的區域。舉例來說，習知的旋風反應器，該熔渣行經出渣口而且該熔渣藉由輻射將熱轉移至一較冷的環境例如驟冷槽。在該出渣口附近的熔渣的熱流失可能由於該反應器與該驟冷槽之間的大熱梯度而相對較高。高熱損失驟然提高該熔渣的黏度，藉以降低該熔渣的流速並且經常導致該熔渣的固化。此熔渣冷卻、黏度提高及固化的過程會導致該反應器的熱效率降低，微粒排出物增加及/或操作中斷。
習知的旋風反應器可能使該反應器壁被高速(舉例來說，超過約200 ft/s的速度)的帶粒子流侵蝕。一般而言，當反應器壁包括耐火物質作為壁絕緣材料時，該耐火材料被侵蝕的部位必須規律地予以更替以免容器損傷或破壞。該耐火壁諸多部位的更替造成替換材料花費的材料成本、處理該耐火材料的操作成本及於該耐火材料更替期間無法使用該反應器。
某些製程的功效及化學交互作用容許的範圍受到該反應器的容積所限制。一般而言，旋風反應器涉及高速噴射而且還運用相對高比例的每單位體積釋放熱量(舉例來說，超過約10 MWthermal/m3)。為了使固態燃料燃燒，該等固態燃料必須先進行加熱，緊接著揮發，接著氧化。各自製程均與時間有關而且該反應器的容積將影響該製程的持續時間(亦即，對於指定的釋放熱量，較大的容積使該製程能持續比較久)。習知反應器受限於允許於該旋風反應器中之較短的氣體滯留時間(舉例來說，約1秒)。因此，燃燒緩慢的燃料饋料，例如帶高濕度(舉例來說，超過約15重量%)或大粒徑(舉例來說，具有約吋的尺寸)的燃料饋料，可能無法被氧化至理想的程度，造成降低的燃料利用率及/或降低的燃燒及/或氣化效率。
WO 2005/106327，在此以引用的方式將其全文併入，揭示一種旋風電漿熱解/玻璃化系統，其利用電漿炬將廢棄材料熱解及玻璃化成廢氣及熔渣。此系統會減少毒性材料例如重金屬。此系統使飛灰在該電漿炬形成的離心力作用之下被吸附於反應器的內壁之後熔融。在此系統中，該電漿炬相對於該反應器的內部底表面依預定角度傾斜。此系統包括用於接收該主反應器的廢氣的輔助反應器。此輔助反應器位於該主反應器的一側。此系統需要一後燃燒器以提高廢氣的溫度。此外，此系統的兩側需要被暴露於相對高溫(舉例來說，高於約1400℃)的分隔壁而沒用熱庫，藉以使此元件冒著高溫故障的風險。此系統也會造成朝向高於該衝擊面平面約20與40度之間的高功率/速度電漿噴射引起的反應器壁的侵蝕。
美國專利第6,910,432號，在此以引用的方式將其全文併入，揭示一種使固態燃料在具有燃燒器和筒體的化渣旋風反應器燃燒的方法。該方法涉及二氧化劑流的噴入，具有約21體積%的氧濃度的第一氧化劑流及具有高於該第一流氧濃度的氧濃度的第二氧化劑流。將該二流選擇性地噴入旋風燃燒室藉以混合該二氧化劑流以致於該第一氧化劑流的部分與其於該燃燒室的筒體中的原始濃度相比仍保持不變。此方法於該旋風反應器內不包括輔助燃料並且由於高速噴射而造成該反應器的侵蝕。
美國專利第6,968,791號，在此以引用的方式將其全文併入，揭示一種操作旋風反應器的方法，該旋風反應器包括具有燃燒器端(前端或入口端)及喉部(側端或排氣端)的筒體、藉由該筒體連通之二燃燒器、主要燃料和主要氧化劑的流及輔助燃料和輔助氧化劑的流，其中該第一氧化劑的氧濃度為約21體積體積%而且第二者的氧濃度為高於約21體積%。將該輔助燃料及氧化劑的燃燒器末端。輔助燃料及氧化劑燃燒的產物於該喉部端排出，而且該輔助燃料及氧化劑產生的輔勵火焰於該旋風器內產生補償性輻射熱。附帶地，此方法也會易於發生耐火材料侵蝕。
美國專利第7,621,154號，在此以引用的方式將其全文併入，揭示一種將熱供給用於形成熔融產物的熔爐的方法。具有灰分及第一氧化劑的第一燃料連同第二燃料及第二氧化劑一同被引進渣化艙，該第二氧化劑具有介於約22體積%與100體積%之間的氧濃度。在該渣化艙內燃燒該第一燃料的至少一部分及第二燃料，同時以熔渣層的形態收集該灰分並且從該渣化艙抽出。將渣化燃燒室氣體流出物從該渣化艙通入處於介於約1000℃與約2500℃之間的溫度之熔爐的燃燒空間以供應熱使該熔渣成形。
氣化方法及旋風氣化器需要的是保持該氣化器內的熔渣溫度和黏度，實質上防止該氣化器侵蝕，氧化劑使用極少或沒用惰性氣體，保持氣體的氣體動量，緊密配置提高熱釋放量對體積比，可迅速加熱及/或點燃固態燃料粒子，及/或可延長滯留時間及溫度分佈的均勻性。
本揭示內容之一形態包括一種旋風氣化器。該旋風氣化器包括一艙、一第一燃料噴射器、一燃燒器及一氧化劑噴射器。該艙具有接近第一端的第一部位及接近第二端的第二部位。該第一燃料噴射器係設置成能將第一燃料引進該艙的第一部位。該燃燒器包括第二燃料噴射器，該第二燃料噴射器係設置成能將第二燃料引進該艙的第二部位，而且該燃燒器係建構成將火焰從該第二部位導向該第一部位。該第一氧化劑噴射器係建構成使該第一燃料的速度加速並使該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位渦旋。該第二部位包括由至少該第一燃料、該第二燃料或其組合的氣化所形成之產物氣體用的流動路徑。該第一燃料包括固態燃料。
本揭示內容之另一形態包括一種旋風氣化器。該旋風氣化器包括一艙，該艙具有在第一端近側的第一部位及在第二端近側的第二部位；一第一燃料噴射器，其係設置成能將第一燃料引進該艙的第一部位；一包括第二燃料噴射器的燃燒器，該第二燃料噴射器係設置成能將第二燃料引進該艙；一加速氧化劑噴射器，其係建構成使該第一燃料的速度加速並使該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位渦旋；及一環形氧化劑噴射器。該第二部位包括由該第一燃料、該第二燃料或其組合的氣化所形成之產物氣體用的流動路徑。該環形氧化劑噴射器係圍繞該第一燃料噴射器設置以促進至少該第一燃料的氣化。該第一燃料包括固態燃料。
本揭示內容之另一形態包括一種旋風氣化方法。該方法包括提供一艙，該艙具有在第一端近側的第一部位及在第二端近側的第二部位；將第一燃料引進該艙的第一部位；將第二燃料引進該艙並且以氧將該第二燃料氧化；將加速的氧化劑引進以使該第一燃料的速度加速並且使該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位渦旋；及下列一或多項：將火焰從該第二部位導向該第一部位，該火焰係由該第二燃料的氧化形成，及藉由環形氧化劑噴射器將環形氧化劑引進該第一燃料周圍而促進至少該第一燃料的氣化。該第二燃料與該第一燃料的組成不同。該第一燃料包括固態燃料。
本揭示內容之優點包括熔渣溫度和黏度的控制，其能降低或排除熔渣冷卻及增稠引起的操作中斷。
本揭示內容之另一優點包括利用相對於該反應器壁低的迎角將固態燃料引進，藉以降低壁耐火材料侵蝕及延長該耐火材料的壽命。
本揭示內容之另一優點包括保持旋風作用同時使用帶有低惰性氣濃度的氧化劑，藉以降低惰性氣體對於氣化製程的負面效果。
本發明的其他特徵及優點從下列較佳具體實施例的更詳細描述，聯合後附的圖式，將變得顯而易見，該等圖式藉由實例的方式舉例說明本發明的原理。
本發明提供一種氣化方法及涉及旋風氣化的氣化器。具體實施例保持該氣化器內的熔渣溫度及黏度，實質上防止該氣化器受到侵蝕，利用具有極少或沒有惰性氣體的氧化劑，維持用於氣化的氣體動量，包括帶有高熱釋放量對體積比的緊密配置，迅速加熱及點燃固態燃料粒子，及/或延長滯留時間及溫度分佈的均勻性。
圖1、2及3顯示示範性系統包括示範性旋風氣化器300。圖4至13顯示該氣化器300的多個不同視圖及/或具體實施例。適合的系統包括，但不限於，捕留生物質原料或有機副產物(例如用於林業、紙漿及紙張、食品加工-動物性及蔬菜、農業及生物精製)的能量密集系統(例如用於紙漿及紙張、玻璃、鋼、非鐵性、效用、生物精製)及系統，或其他適用於搜尋在熱及動力產生時以再生燃料置換化石燃料的系統。
對照圖1，該氣化器300可內含於系統100中，該系統100可適用於聯合熱及/或動力的應用。該系統100供應合成產物氣體給工業加熱或熔爐102，例如鋼再熱爐或製程鍋爐(其一般可以天然氣為燃料)。在進入燃料輸送頭部108及提供熱給該熔爐102的供應燃燒器106之前將該氣化器300的合成產物氣體排出物輸送至熱交換器104(舉例來說，在該工業加熱或熔爐102中用來燃燒空氣的預熱器)。依據熔爐的要件，在注入熔爐102之前還可包括其他合成產物氣體預處理。該等燃燒器106可為低NOx燃燒器(舉例來說，在工業用熔爐中產生低於20 ppmv NOx排放物的燃燒器)。該等燃燒器106的控制可透過與該熔爐102的控制系統110連結的控制閥130完成。該系統100對該熔爐需要的波動的順應性可藉由將作為氣化器300中的輔助燃料之產物氣體的一部分再循環而增大。根據指定的工業製程，離開該熔爐102的煙道氣的溫度可，舉例來說從500℉變至1500℉(260℃至816℃)。該煙道氣係輸送至調溫器112，在其中使溫度降低並且穩定化，舉例來說經由再循環扇132將冷卻氣體的一部分再循環，接著輸送至蒸發器114，在其中以工作流體例如水或有機流體例如丁烷或氨將熱交換，並且利用蘭金循環再生器(Rankine cycle generator)116產生動力。該工作流體的選擇可就該系統100的尺寸及/或排出該熔爐102的煙道氣溫度而建構。該蒸發器114的冷卻氣體被再循環至該調溫器112，或輸送至燃料乾燥器118，因此進一步提高該系統100的效率。系統100可包括任何其他適合的製程元件。舉例來說，系統100可包括微粒/酸移除系統120、生物質供應系統122、煙囪124、氧來源126及/或添加物噴射器128。
對照圖2，該氣化器300可內含於以粉煤為燃料的動力鍋爐系統200。該系統200可從生物質或其他再生燃料製造合成氣並且利用該合成氣部分地或完全地取代該鍋爐中的煤。有一個具體實施例中，該系統200可被建構成能將煤粉碎還會將生物質氣化，其中該生物質衍生的合成氣供多於約10%至20%的總能量給該鍋爐。大量生物質混燃(舉例來說，生物質混燃以產生超過輸送至該鍋爐約50%的能量)可藉由將該氣化器300中的生物質氣化，藉由使用單一生物質饋料202，及/或藉由將該產物氣體散布及注入燃燒器204中達成。有一個具體實施例中，該系統200可實質上不用硫洗滌器或選擇性催化還原單元。
該氣化器300係建構成從該合成產物氣體燃料流捕留及移除固態粒子，藉以減少或排除污染及下游淤塞的可能來源。再者，該氣化器300可將無機材料轉化為屬於環境友善材料的熔渣。該氣化器300可用以處理來自微粒收集裝置206的飛灰，該氣化器300可給飛灰的垃圾掩埋提供對環境較佳的選擇，而且該熔渣可能供作商業銷售用(舉例來說，作為噴砂研磨劑或砂粒研磨劑、屋頂板細粒及/或柏油舖設時的凝集物)。其他適合的加工元件可內含於系統200中。舉例來說，系統200可包括一煤來源208以提供煤給該熔爐102。
系統100及/或系統200的多個部位可搭配其他製程或系統一起使用。舉例來說，熱交換器可用以加熱系統100及/或系統200中沒使用的流體。再者，多個適合系統可依據製程加熱及/或動力需要合在一起。另外，頃將明白，任何具有適合熔爐的適合系統中均可使用該氣化器300。舉例來說，該氣化器300可用於圖3所示之具有由控制器305所控制的氣化器300及熔爐102的系統303中。
對照圖4，該氣化器300包括用於引進第一燃料(未顯示)的第一燃料噴射器302、用於引進第二燃料(未顯示)的第二燃料噴射器304及氧化劑噴射器(舉例來說，加速氧化劑噴射器306)，該氧化劑噴射器用於將該氣化器300內的第一燃料切線速度加速。有一個具體實施例中，該第二燃料噴射器304提供給輔助燃燒器414(顯示於圖5中)的燃料可為低於對於該氣化器300的總能量輸入的約25%(該第一燃料噴射器302提供的燃料高於該氣化器300的總能量輸入的約75%)。在另一個具體實施例中，該第二燃料噴射器304提供給該輔助燃燒器414的燃料可為低於對於該氣化器300的能量輸入的約10%(該第一燃料噴射器302提供的燃料高於該氣化器300的總能量輸入的約90%)。在又另一個具體實施例中，該第二燃料噴射器304提供給該輔助燃燒器414的燃料可為低於對於該氣化器300的能量輸入的約5%(該第一燃料噴射器302提供的燃料高於該氣化器300的總能量輸入的約95%)。
該第一燃料係經由該第一燃料噴射器302於低速(舉例來說，低於約60 ft/s)下被引進該氣化器的艙400(以下對照圖5加以描述)，並且藉由高速氧化劑流(舉例來說，具有介於約200 ft/s與400 ft/s之間的速度的流)吹入一切線軌道。作用於該第一燃料粒子的離心力將該等粒子朝該艙400的壁402加速，在其中將該等粒子實質捕留於一熔融的熔渣層中。該熔融的熔渣層係藉由固態燃料粒子的連續沉積及熔融形成。被捕留並保持於熔融相中的固態燃料粒子將增加於該氣化器300內的滯留時間。舉例來說，該等熔融相粒子相較於可具有約1秒滯留時間的氣相粒子可具有長於約1分鐘的滯留時間。該等熔融相粒子的延長滯留時間將促成該固態燃料中的固態碳的高度氣化(舉例來說，純固態燃料、包括固態燃料的漿料或任何其他適合之含固態燃料的燃料)。藉由高氣體速度所創造的擾動混合及該第一燃料噴射器302與該第二燃料噴射器304(如以下進一步描述的)之間具有逆流關係的切線流動，該等切線流動將引發三維的輔助流動，所創造的徑向壓力梯度來增進氣相反應。熔渣在重力和氣體驅動剪切力的聯合作用之下從第一端408(舉例來說，入口端)流至第二端412(舉例來說，出口端)。熔渣透過熔渣排放埠802(舉例來說，出渣口)排至適合的收集裝置。氣體也大體上從該第一端408流至該第二端412。從氣體分離出大部分固態殘料/微粒並且透過出口404(舉例來說，氣體排出埠)排放該氣體。
有一個具體實施例中，圖5中顯示的，將該輔助燃燒器414置於該艙400的第二部位410中或與其連通並且建構成將輔助火焰416導向該第一部位406。此構型可被稱作為具有逆流燃燒器。該逆流燃燒器構型中的輔助火焰416藉由該氧化劑中的高氧濃度形成一非常高溫的火焰(舉例來說，高於約5000℉)。用於文中時，除非另行指明，否則該措辭"氧"表示至少約30體積%的氧含量。該輔助火焰416釋放的熱將該熔渣的溫度保持於高於透過該熔渣排放埠802使排出該艙400的熔渣形成穩定熔渣流動條件的預定溫度。該預定溫度可為T250，其係黏度為250泊時的溫度。
該逆流燃燒器構型使該輔助火焰416能挾帶氣體和微粒並且將該氣體和微粒再導向該第一部位406，藉以增加滯留時間及改善氣化器300效率。該輔助火焰416可作為排出該氣化器300的合成產物氣體的後燃燒器。當該合成產物氣體排出該氣化器300時，該合成產物氣體行經保持於該輔助火焰416近側的路徑500，其提高該合成產物氣體的溫度並且使該合成產物氣體與化學活性物種混合。溫度的提高及混合藉由將該合成產物氣體中的精細微粒狀固態碳氣化而改善氣化效率並且，若該合成產物氣體中有焦油的話將其縮小(或裂化)。用於文中時，該措辭"焦油"表示在反應早期時，特別是在貧氧環境中，形成的高分子量有機組分。焦油易於高溫下凝結，形成黏性物質，並且已知會淤塞於製程設備例如閥及熱交換器下游。
有一個具體實施例中，該輔助燃料及氧化劑隨著與該艙400內的切線流動實質相同的取向渦旋。該渦旋會造成該輔助火焰416的徑向膨脹，其接著妨礙該火焰的正向動量。該渦旋會降低或排除輔助火焰對該艙400前壁409的衝擊。輔助火焰衝擊會導致該壁402的破損。將該火焰加寬會增加火焰表面積。增加旳火焰表面積將增加遍佈該氣化器300的輔助火焰416的加熱。特別是，該艙400的第一端408的加熱利用渦旋的逆流輔助火焰416，藉由增加該火焰的正面面積，藉以增加該火焰的前緣表面與該艙400的第一端408(如圖6所示)之間的輻射視界因子(radiant view factor)而予以改善。在該第一端408近側的改善加熱使該固態燃料及該熔渣能較早加熱，增加反應器熱釋放量，並且增加熔渣流動穩定性。該渦旋的輔助火焰416保持切線流場並且藉著迫使固態粒子朝向該壁402而更有效率地捕留該熔渣中的固態粒子。
有一個具體實施例中，以帶有氧化劑的輔助燃料為燃料的輔助燃燒器414形成從該第二端412進入該艙400的輔助火焰416並且被導向該第一端408。該輔助燃燒器414提供分散的補充加熱源以加速氣化反應，使熔渣流動穩定化，減少微粒攜入該產物流，並且增強該反應器內的旋風作用。該輔助燃燒器414促成該艙400的輔助燃料的至少部分氧化。該輔助燃料可為固態、液態及/或氣態。該輔助燃料的至少部分氧化形成一火焰416。將該火焰416朝向該艙400的中心軸301。有一個具體實施例中，該火焰416延伸越過該熔渣排放埠802的長度，提供將該第二部位410中的溫度保持於高於預定溫度(舉例來說，高於該熔渣的熔點)的熱輻射。有一個具體實施例中，該輔助燃燒器414係利用低於化學計量的氧操作，以降低或排除環繞產物氣體的氧化。若該輔助燃料為氣態，此亞化學計量操作將會增加輔助火焰輻射，其能改善該艙400內的輔助火焰416的加熱效率。
該氣化器300的外部可包括任何適合材料。舉例來說，該外部可包括鋼、任何適合材料或其組合。該氣化器300的外部可為用於收藏該艙400的任何適合幾何形狀。該艙400包括在該第一端408近側的第一部位406及在該第二端412近側的第二部位410。該艙400整個或一部分可包括耐火材料。該耐火材料可包括矽石、礬土、鐵、鉻、鋯及/或高溫材料的合金。有一個具體實施例中，該艙400(或該艙400的壁402)可包括熱電耦以供監測該第一部位406、該第二部位410及/或該艙400的任何其他適合部位的溫度。附帶地或選擇性地，該艙400整個或一部分可藉由循環水透過水套422(參見圖5)以水冷卻。
有一個具體實施例中，該艙400的外形為圓筒形而且可被稱作一筒體。在該示範性艙400中，該艙仰賴離心力及該"筒體"外形從熔渣分離產物氣體。具有灰分的燃料可以預定速度引入。有一個具體實施例中，該預定速度係低於約60 ft/s。在另一個具體實施例中，該第一燃料實質質上不用輸運氣體引進(非氣動的方式)。
該低速的第一燃料在該第一燃料觸及該艙400的壁402之前先與高速的氧化劑接觸。在該第一燃料接觸該壁402之前使該第一燃料與該氧化劑接觸防止該反應器內的粒子沉降及/或堆積，而且由於該第一氧化劑流更快許多的速度使該等燃料粒子能迅速挾帶。粒子沉降及/或粒子堆積的減少或排除將使燃料粒子能更均勻沉積於該艙400內。一般而言，拾起已沉積的粒子的速度(拾取速度)實質上高於使粒子保持懸浮狀態的速度(躍移速度；saltation velocity)。舉例來說，該拾取速度可達於該躍移速度的2.5倍。因而，藉由減少或排除初始粒子沉降及/或粒子堆積，該等燃料粒子將更均勻地沉積於該艙400內。此更均勻的分佈會提高化學反應速率及/或能藉由將更大的微粒表面積暴露於高溫及反應劑氣體而使該艙400的一定容積有較高的熱釋放速率。該氧化劑的速度可介於約200 ft/s與400 ft/s之間。此範圍可(依據該等燃料粒子的尺寸及/或外形)提供足夠動量以保持迅速粒子挾帶及離心作用。此外，此範圍可(依據該等燃料粒子的尺寸及/或外形)避免極高的供應壓力及/或使該溶渣層受到對流冷卻而固化的趨勢。
該艙400允許該氣化器300利用一或更多氧化劑(舉例來說，含氧氣體)將燃料(舉例來說，固態燃料)氣化。該艙400係經建構成從該艙400第一端408近側之艙400第一部位406中的第一燃料噴射器302接受燃料。透過該第一燃料噴射器302引進燃料的速度會被該加速氧化劑噴射器306噴射的氧化劑依切線方向加速。圖8顯示該第一燃料的粒子噴入該艙400時的初始路徑。第一組箭頭602顯示該第一燃料粒子的路徑。第二組箭頭604顯示該氧化劑的路徑。在各組箭頭602、604中，藉由箭頭長度顯示相對速度。舉例來說，較長的箭頭表示配合分別路徑的粒子/氧化劑的較大速度。在各組箭頭602、604中，藉由該箭頭的取向顯示該等粒子的相對方向/軌道。舉例來說，垂直取向的箭頭表示向下的方向/軌道。有一個具體實施例中，該氧化劑可包括大於約28體積%的氧濃度。在另一個具體實施例中，該氧化劑可包括大於約50體積%的氧濃度。在另一個具體實施例中，該氧化劑可包括大於約85體積%的氧濃度。
與該氧化劑交互作用造成的第一燃料加速將同時引起離心力及剪切力作用於該等燃料粒子。線性作用力藉由將粒子切線速度迅速提高而使該等粒子保持懸浮狀態，藉以將該等粒子分散於整個反應器容積，而該離心力(由切線流場造成)賦予該等粒子徑向向外運動，使該等粒子能沉積於該艙400的壁402上。然而，如圖9所示，由於高氧化劑速度及低燃料速度，將該等燃料粒子同時挾帶至該加速氧化劑噴射器306內使該等燃料粒子與該壁402之間的初始燃料衝擊的接觸角510保持於預定值，該預定值低到足以降低或排除該壁402的侵蝕。有一個具體實施例中，該艙400從該第一部位406彎成該第二部位410的角度，藉以利用重力進一步促成該熔渣流動朝向該熔渣排放埠802。在另一個具體實施例中，該艙400的中心軸301(圖5及7中顯示的)係於高於水平約10度的角度(舉例來說，與重力垂直算起10度)。
再對照圖4，可建構多數分段氧化劑噴射器308以促成分段氧化劑噴射。該等分段氧化劑噴射器308於沿著該艙400內的氣體流動路徑418(參見圖5)的預定部位處依切線方向引進氧化劑。該分段氧化劑噴射可在該艙400內創造一速度和溫度分佈。舉例來說，切線流場與該壁402之間的黏滯阻力將降低流動速度並且逐漸減少輸運該等燃料粒子及灰燼粒子的作用力。有一個具體實施例中，將其他高速氧化劑(舉例來說，於約200 ft/s與400 ft/s之間的速度下引進的氧化劑)分成一或更多分段氧化劑噴射器308以將該切線流動重覆加速，藉以促使該等固態粒子的持續輸送。同時，該等分段氧化劑噴射器308增加額外的氧化劑，透過燃料氧化釋放更多化學能，而提高局部溫度。該等局部溫度提高增進該艙400第一部位406近側的反應動力學。在另一個具體實施例中，該速度分佈包括透過分段氧化劑噴射器308的低速分段氧化劑(舉例來說，低於約200 ft/s下引進的氧化劑)，該等分段氧化劑噴射器308能加入氧化劑而不會實質地將該切線流場加速。
分段氧化劑速度及注入位置的希望組合可藉由溫度測量來決定(舉例來說，藉由埋於該壁402中的熱電耦監測該艙400內的溫度或藉由置於該廢氣流中的熱電耦監測廢氣溫度)。附帶地或選擇性地，最佳反應器操作條件可藉由廢氣組成的測量決定。舉例來說，該組成可藉由萃取性取樣利用氣相層析儀、質譜儀、雷曼光譜儀(Raman spectrometer)或其他適合的分析或分光儀器來測定。附帶地或選擇性地，該氣體組成可在原地利用光學裝置例如非色散紅外分析儀來測量。有一個具體實施例中，最佳的反應器操作條件係藉由測定該熔渣的稠度和碳含量而決定。在此具體實施例中，分析排出該熔渣排放埠802的固態材料。該艙400內狀況的監測使調節得以完成以達成希望的結果。該等希望的結果可包括該耐火材料內的溫度的實質均勻性(舉例來說，使該耐火材料的溫度保持於約50℃或介於約1300℃與約1350℃之間的範圍內)，達成預定廢氣溫度(舉例來說，約1400℃)，達成預定廢氣一氧化碳濃度(舉例來說，50體積%)，達成預定廢氣微粒含量(舉例來說，低於約該第一燃料總灰燼含量的10%)及/或達成該熔渣中的預定碳含量(舉例來說，低於約10重量%)。
該等分段氧化劑噴射器308係置於離出口404預定的距離(舉例來說，於該氣體流動路徑418長度的約1/3或約2/3)。該氣體流動路徑418為介於該第一燃料噴射器302的中心線與該氣體出口404的中心線之間的距離，沿著該艙400的中心軸301測量。
該第一燃料噴射器302的燃料噴射發生於低速(舉例來說，低於約60 ft/s)而且有用極少或沒用輸運氣體(舉例來說，低於約每碲固態燃料0.5 lb的輸運氣體或如在重力饋入時沒用輸運氣體)。有極少或沒用輸運氣體(例如包括空氣或氮的習用輸運氣體)能防止該反應器溫度及合成氣熱值被惰性稀釋物降低。
圖10顯示圖4中顯示的氣化器300沿著10-10的示範性具體實施例的截面圖。圖10明確地顯示該艙400的第一部位406。如圖10所示，初步氧化劑噴射器309提供初步氧化劑流給艙400。該初步氧化劑噴射器309係置於從該第一燃料噴射器302進入該艙400的燃料流的近側。有一個具體實施例中，該第一燃料噴射器302可放在能於該加速氧化劑噴射器306提供的氧化劑流與該初步氧化劑噴射器309提供的第二氧化劑流之間提供提供燃料流的位置。將該燃料流引進該二氧化劑流之間可增加氧化劑-燃料界面面積，改善點燃性，加速燃料燃燒及/或減少/排除該艙400的壁402。
有一個具體實施例中，將該初步氧化劑噴射器309提供的氧化劑流速度預選定於低於預定速度，那將會將接觸角510提高到超過預定角並且不宜地侵蝕該艙400的壁402。此氧化劑流的速度也可為高於預定速度，那將會增加黏滯阻力給離心運動而且會延遲該第一氧化劑所挾帶之燃料粒子的動量。有一個具體實施例中，此氧化劑流的速度係介於約30 ft/s與約60 ft/s之間。
另一個具體實施例包括提供燃料的第一燃料噴射器302，該燃料利用氧化劑透過環形氧化劑噴射器702吸出。用於文中時，該措辭"環形氧化劑噴射器"及其語法上的變化表示經建構以形成氧化劑環(鄰接或非鄰接)的氧化劑噴射器。圖11顯示這個氣化器300的具體實施例的截面圖。圖11明確地顯示該艙400的第一部位406之一替代性具體實施例。將環形氧化劑噴射器702放在能將氧化劑引進該第一燃料噴射器302周圍(或實質上周圍)的位置，而非僅在該第一燃料噴射器302附近。將該環形氧化劑噴射器702放在該第一燃料噴射器302周圍增加該燃料-氧化劑界面並且減少或排除環繞氣體造成的燃料-氧化劑反應稀釋。
有一個具體實施例中，將該環形氧化劑噴射器702放在能在氧化劑及燃料這些物流接觸到該艙400的壁402之前混合氧化劑及燃料的位置。舉例來說，該環形氧化劑噴射器702的燃料噴嘴可從該艙400的壁402縮回預定距離X。該預定距離X可選定為高於能於預選定期間起燃的距離及/或可選定成能形成高於預選定程度的燃料反應。提高該預定距離X將提高該燃料和氧化劑進入該氣化器300之前的混合程度並且在進入該氣化器300之前提供較早的燃料起燃及較高程度的燃料反應。附帶地或選擇性地，該預定距離X可選定為低於會對該環形氧化劑噴射器702及/或該壁402造成損害的距離。降低該預定距離X將降低或排除對該環形氧化劑噴射器702及該艙400的壁402的損害。有一個具體實施例中，該預定距離X係低於該燃料噴嘴的液壓直徑的約2倍(該液壓直徑等於截面積除以周長的4倍)。有一個具體實施例中，該預定距離X係低於該燃料噴嘴的液壓直徑的約5倍。
圖12顯示圖4所示的示範性氣化器300沿著12-12的截面圖。圖12明確地顯示艙400的第二部位410。在此具體實施例中，產物氣體和固態微粒的進一步分離係藉著於該壁402的上方區804與該氣體出口404之間形成一銳角520而達成。該銳角520造成排出氣體流的急劇彎曲。藉由該急劇彎曲實質地防止該等固態粒子/微粒進入該氣體出口404並且遵循固態粒子路徑806。明確地說，該等固態粒子在該銳角520上游的慣性迫使該等固態粒子越過該出口404(與該產物氣體路徑808大不相同)並且將該等固態粒子挾帶於該艙400的離心場內。在另一個具體實施例中，藉由將凸出組件810置於該壁402的上方區804與該氣體出口404之間(參見圖13)產生類似的效果。該銳角520、該凸出組件810及/或其他適合的特徵件都會給氣化形成的產物氣體形成一曲折的路徑。該曲折的路徑從該產物氣體分離出微粒。
在圖7所示的替代性具體實施例中，該輔助燃燒器414係置於該艙400的第一部位406中並且被建構成將輔助火焰416導向該第二部位410。此構型可被稱作為具有並流燃燒器。該並流燃燒器構型中的輔助火焰416形成最高溫在該艙的第一部位406中的溫度分佈而且，就其本身而論，形成該熔渣在該第一部位406中具有較低黏度及在該第二部位410中具有較高黏度的熔渣黏度分佈。
有一個具體實施例中，選定預定值的接觸角510以減少該艙400的壁402中的材料侵蝕。該壁402的侵蝕取決於該等燃料粒子的速度和軌道、該等燃料粒子的尺寸、該等燃料粒子的外形、該等燃料粒子的硬度及/或形成該壁402的材料的相對脆性。有一個具體實施例中，該等燃料粒子的速度和軌道響應該等燃料粒子的尺寸、該等燃料粒子的外形、該等燃料粒子的硬度及/或形成該壁402的材料的相對脆性做控制。
圖14顯示關於脆性材料和延展性材料之侵蝕速率數據對接觸角的示範圖。脆性材料包括陶瓷。延展性材料包括韌鋼。耐火材料的相對脆性會隨該耐火材料的溫度變動。一般而言，脆性隨著溫度提高而增加。在該艙400中，該第一部位406中的壁402的溫度比該艙400其他部位更冷。該第一部位406的較冷溫度造成該第一部位406中的壁402材料比該艙400其他部位更脆。該脆性材料的侵蝕速率隨著迎角(angle of attack)提高至90度而持續提高。該延展性材料的侵蝕速率於約20至約30度的接觸角時達到高峰。有一個具體實施例中，藉著使該接觸角保持於低於約20度使侵蝕速率降下來。有一個具體實施例中，使該迎角保持於低於約20度係藉著使燃料噴射速度保持於低於約60 ft/s及使第一氧化劑速度保持於介於約200 ft/s與400 ft/s之間而達成。在另一個具體實施例中，使該接觸角保持於低於約10度而且該燃料噴射速度保持於低於約30 ft/s。
有一個具體實施例中，該初步氧化劑噴射器309及/或該分段氧化劑噴射器308藉由調節該輔助燃燒器414的氣體動力學(舉例來說，反應物的速度和軌道)而調節火焰特徵。舉例來說，該艙400內的溫度、該艙400內的化學動力學及該艙400的熔渣流量可藉由來自該輔助燃燒器414的燃料的渦旋(其可能與該燃料渦旋的方向相同或不同)、來自該初步氧化劑噴射器309的氧化劑的渦旋及/或來自該分段氧化劑噴射器308的氧化劑的渦旋加以調節。這樣的調節可加寬及/或縮短該輔助火焰416。這可能會增加該輔助火焰416的面積，造成該輔助火焰416在該艙400各處的輻射放射提高。
該艙400可被建構成能促進旋風以支援強迫該氣體流動路徑418沿著該艙400的壁402渦旋的離心力。該旋風的促進可藉由該艙400的幾何形狀(舉例來說，圓筒形)、該加速氧化劑噴射器306的定位、該初步氧化劑噴射器309的定位、該分段氧化劑噴射器308、該輔助燃燒器414的位置、設置和操作條件及該燃料和第一氧化劑的速度達成(整個地或部分地)。
本揭示內容的具體實施例可將固態燃料氣化以製造帶有極少或沒有惰性組分的合成氣。舉例來說，該反應器中的一或更多氧化劑可相對於空氣富含氧濃度。這能使該惰性氣體(舉例來說，氮)的體積能被減小或排除。然而，減小該惰性氣體的體積會降低驅動該旋風作用的氣體動量。該反應器的尺寸可緊密的足以使該反應器能以高釋放熱量(Q)對體積(V)比操作(舉例來說，高於或等於約10 MW/m3 的Q/V)，而且該釋放熱量(Q)為該第一燃料和該第二燃料的較高熱值，而且體積(V)為總反應器容積。因此，該反應器可被建構成藉由增加的表面積、增進固態燃料粒子的加熱及/或點燃、增長的滯留時間及/或增加溫度分佈的均勻性來提高該反應器容積的利用率。
儘管本發明已經對照較佳具體實施例描述過，但是熟悉此技藝者將會瞭解多種不同變化可被完成或等效物可取代其元件而不會悖離本發明的範圍。此外，可完成許多修飾使特定情況或材料能順應本發明的教導而不會悖離其基本範疇。因此，吾人欲使本發明不受限於如預期能實行本發明的最佳模式所揭露的特定具體實施例，但是本發明將包括所有落在後附申請專利範圍的範疇以內的具體實施例。
X．．．預定距離
100．．．系統
102．．．熔爐
104．．．熱交換器
106．．．供應燃燒器
108．．．燃料輸送頭部
110．．．控制系統
112．．．調溫器
114．．．蒸發器
116．．．蘭金(Rankine)循環再生器
118．．．燃料乾燥器
120．．．微粒/酸移除系統
122．．．生物質供應系統
124．．．煙囪
126．．．氧來源
128．．．添加物噴射器
130．．．控制閥
132．．．再循環扇
200．．．動力鍋爐系統
202．．．單一生物質饋料
204．．．燃燒器
206．．．微粒收集裝置
208．．．煤來源
300．．．旋風氣化器
301．．．中心軸
302．．．第一燃料噴射器
303．．．系統
304．．．第二燃料噴射器
305．．．控制器
306．．．加速氧化劑噴射器
308．．．分段氧化劑噴射器
309．．．初步氧化劑噴射器
400．．．氣化器的艙
402．．．艙壁
404．．．氣體出口
406．．．第一部位
408．．．第一端
409．．．艙前壁
410．．．第二部位
412．．．第二端
414．．．輔助燃燒器
416．．．輔助火焰
418．．．氣體流動路徑
422．．．水套
500．．．輔助火焰近側的路徑
510．．．接觸角
520．．．銳角
602．．．第一燃料粒子的路徑
604．．．氧化劑的路徑
702．．．環形氧化劑噴射器
802．．．熔渣排放埠
804．．．壁的上方區
806．．．固態粒子路徑
810．．．凸出組件
圖1顯示包括根據一具體實施例的示範性旋風氣化器之系統的示意圖。
圖2顯示包括根據一具體實施例的示範性旋風氣化器之系統的示意圖。
圖3顯示包括根據一具體實施例的示範性旋風氣化器之系統的示意圖。
圖4顯示根據一具體實施例的示範性旋風氣化器。
圖5顯示根據一具體實施例沿著圖4中的線5-5之示範性旋風氣化器的截面圖。
圖6顯示根據一具體實施例的示範性旋風氣化器的截面圖。
圖7顯示根據一具體實施例的示範性旋風氣化器的截面圖。
圖8顯示根據一具體實施例的示範性旋風氣化器之艙的第一部位。
圖9顯示根據一具體實施例的示範性旋風氣化器之艙的第一部位。
圖10顯示根據一具體實施例沿著圖4中的線10-10之示範性旋風氣化器的截面圖。
圖11顯示根據一具體實施例的示範性旋風氣化器之艙的第一部位。
圖12顯示根據一具體實施例沿著圖4中的線12-12之示範性旋風氣化器的截面圖。
圖13顯示根據一具體實施例的示範性旋風氣化器之艙的第二部位。
圖14顯示關於脆性材料和延展性材料之侵蝕速率數據對接觸角的示範圖。
100．．．系統
102．．．熔爐
104．．．熱交換器
106．．．供應燃燒器
108．．．燃料輸送頭部
110．．．控制系統
112．．．調溫器
114．．．蒸發器
116．．．蘭金(Rankine)循環再生器
118．．．燃料乾燥器
120．．．微粒/酸移除系統
122．．．生物質供應系統
124．．．煙囪
126．．．氧來源
128．．．添加物噴射器
130．．．控制閥
132．．．再循環扇
300．．．旋風氣化器

Claims (20)

  1. 一種旋風氣化器，其包含：一艙，該艙具有接近第一端的第一部位及接近第二端的第二部位；一第一燃料噴射器，其係設置成能將第一燃料引進該艙的第一部位；一燃燒器，其係設置成能將第二燃料引進該艙的第二部位；及一加速氧化劑噴射器，其係建構成使該第一燃料的速度加速並使該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位渦旋；其中該燃燒器係建構成將火焰從該第二部位導向該第一部位；其中該第二部位包括由至少該第一燃料的氣化所形成之產物氣體用的流動路徑；及其中該第一燃料包括固態燃料。
  2. 如申請專利範圍第1項之氣化器，其中該第一燃料噴射器為非氣動燃料噴射器。
  3. 如申請專利範圍第2項之氣化器，其中該第一燃料噴射器係被建構成能於低於約60 ft/s下噴射該第一燃料的低速燃料噴射器。
  4. 如申請專利範圍第1項之氣化器，其另外包含一或更多被建構成能保持該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位渦旋的分段氧化劑噴射器。
  5. 如申請專利範圍第1項之氣化器，其中該燃燒器係建構成使火焰渦旋，該火焰的渦旋之取向與該第一燃料的渦旋之取向相同。
  6. 如申請專利範圍第1項之氣化器，其中該燃燒器包括第二燃料噴射器及氧噴射器。
  7. 如申請專利範圍第1項之氣化器，其中該第一燃料與該第二燃料的組成不同。
  8. 如申請專利範圍第1項之氣化器，其中該流動路徑具有至少一急劇彎曲。
  9. 如申請專利範圍第1項之氣化器，其另外包含一環形氧化劑噴射器，該環形氧化劑噴射器圍繞該第一燃料噴射器設置以促進至少該第一燃料的氣化。
  10. 一種旋風氣化器，其包含：一艙，該艙具有接近第一端的第一部位及接近第二端的第二部位； 一第一燃料噴射器，其係設置成能將第一燃料引進該艙的第一部位；一包括第二燃料噴射器的燃燒器，該第二燃料噴射器係設置成能將第二燃料引進該艙；及一加速氧化劑噴射器，其係建構成使該第一燃料的速度加速並使該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位渦旋；一環形氧化劑噴射器；及其中該第二部位包括由該第一燃料、該第二燃料或其組合的氣化所形成之產物氣體用的流動路徑；其中該環形氧化劑噴射器係圍繞該第一燃料噴射器設置以促進至少該第一燃料的氣化；及其中該第一燃料包括固態燃料。
  11. 一種旋風氣化方法，該方法包含下列步驟：提供一艙，該艙具有在第一端近側的第一部位及在第二端近側的第二部位；將第一燃料引進該艙的第一部位，其中該第一燃料包括固態燃料；將第二燃料引進該艙並且以氧將該第二燃料氧化，該第二燃料與該第一燃料的組成不同；將加速的氧化劑引進以使該第一燃料的速度加速並且使該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位渦旋；及選自下列步驟a)及b)所組成群組的一或多個步驟： a)將火焰從該第二部位導向該第一部位，該火焰係由該第二燃料的氧化形成，及b)藉由環形氧化劑噴射器將環形氧化劑引進該第一燃料周圍而促進至少該第一燃料的氣化。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第二部位包括具有至少一急劇彎曲之一曲折流動路徑以供該第一燃料的氣化所形成之產物氣體所用。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中具有至少一急劇彎曲之該曲折流動路徑從該產物氣體分離微粒。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第一燃料係於低於約60 ft/s的速度下引進。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該加速的氧化劑係於約200 ft/s至約400 ft/s的速度下引進。
  16. 如申請專利範圍第11項之方法，其另外包含藉由分段氧化劑噴射保持該第一燃料從該第一部位朝向該第二部位的渦旋。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該分段氧化劑係於約200 ft/s至約400 ft/s的速度下噴射。
  18. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該加速的氧化劑為氧。
  19. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該環形氧化劑為氧。
  20. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該第一燃料與該艙保持低於約20度的接觸角。
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