TWI546500B - 於高溫及高壓環境之灰燼及固體冷卻 - Google Patents

Description

於高溫及高壓環境之灰燼及固體冷卻

本發明大體而言係關於來自在相對高溫及高壓下操作之應用(application)的固體粒子的冷卻。特定言之，本發明係關於冷卻來自在自約1500℉至2200℉之溫度範圍中及在自約30至1000 psia(絕對磅/平方英吋)之壓力範圍中操作之煤氣化器的高溫灰燼。

本申請案主張2011年8月9日申請之美國臨時申請案第61/372,008號之權利，該案之全部內容及主旨特此以引用之方式併入本文中。

來自在自約1500℉至2200℉之溫度範圍及自約30至1000 psia之壓力範圍中操作之氣化器或反應器的熱固體之冷卻呈現眾多挑戰，該等挑戰皆沒有被習知系統完全克服。

第一挑戰為支撐將使熱自固體交換至冷卻媒體之熱交換器管。此問題之困難在於支撐件必須錨定至外壁，穿過對於抵抗歸因於固體粒子(在自約50微米至400微米之質量平均直徑大小範圍中)之移動的腐蝕及隔離該壁以防過熱所必需的耐火材料層。

用以促進熱粒子之移動及粒子之流動經過冷卻表面的通氣氣體誘發冷卻管及支撐件中之振動。支撐件之振動可損壞耐火材料，且使容器壁局部過熱。經由支撐件之熱傳導亦可使容器壁過熱，從而損壞容器及使容器變形。當容器形成壓力邊界時，此係一嚴重問題。

高壓高溫熱交換器之發展中的第二挑戰為在不干擾氣化器或反應器(正在自該氣化器或反應器提取固體及/或正在將冷卻之固體傳回至該氣化器或反應器)之操作的情況下達成對至熱交換器之固體流動之適當控制。又，對於循環流體化床氣化器，當自立管提取固體時，通氣氣體歸因於壓力限制而不能返回至立管或氣化器。通氣氣體經由脫離點之返回阻礙固體流動至冷卻器。當氣體夾帶在高製程溫度下之細粉粒時，排出氣體之處置係困難的。在此等情況下，挑戰變為如何排出通氣氣體及由固體夾帶之氣體的一部分。

第三挑戰為最佳化冷卻器之設計，使得冷卻器中之固體在與熱傳送表面接觸時具有自約800℉至1000℉的溫度範圍。此考慮改良了冷卻器熱傳送表面之可靠性及耐久性，並促進將低成本鋼用於冷卻表面。雖然在自氣化器中提取固體時在冷卻器之入口處的固體具有自約1500℉至2200℉之溫度範圍，但穩固的冷卻器設計需要接觸熱傳送區域之固體具有一低於約1000℉之溫度。已知交換器設計具有支撐熱交換器管之一或兩個管板。管板直徑在商用冷卻器中趨於較大。謹慎的做法為設計冷卻器而不將管板暴露至熱固體。

冷卻器設備設計中之第四挑戰涉及發源於或通過氣化器之外來及外部材料的適當處置。製程中之外來及外部材料由(例如)被污染之進料、碎裂之耐火材料、破碎之氣化器內部構件及歸因於進料燃料(例如，煤)之可變性或不適當操作的在製程期間形成之熔塊及熔渣引起。此等材料大體而言尺寸過大且需要在到達熱交換器表面之前自製程中移除以限制或防止熱固體之流動路徑中之堵塞。

冷卻來自反應器之熱固體的習知系統主要屬於兩個應用區域：冷卻來自流體催化裂煉(FCC)製程之熱固體(催化劑粒子)及冷卻來自循環流體化床(CFB燃燒器)鍋爐之熱固體(催化劑粒子)。

在FCC區域中，實例包括Lomas等人之美國專利第4,424,192號、Vickers等人之美國專利第4,425,301號、Walters等人之美國專利第4,822,761號及Johnson等人之美國專利第5,209,287號。此等教示適用於相對較低壓力的製程，因為FCC製程通常操作於約50 psi之下。在此等實例中，Johnson等人揭示使用一篩濾網來防止外部材料進入並干擾冷卻器操作。然而，如熟習此項技術者瞭解，在氣化器操作之情況下，十分需要自氣化器排放外部材料，因為氣化器中之外部材料的累積可引起包括在氣化器中形成熔塊的各種操作問題。

FCC設計包括熱固體自頂部進入冷卻器及冷卻之固體自底部或靠近底部之容器之側面退出。因此，此等參考文獻揭示需要氣體速度充分高以使床粒子完全流體化以便保證床達到均勻溫度的系統。在FCC製程中此並非問題，因為催化劑粒徑相對均勻，且相對易於在氣體速度之窄範圍內達成均勻流體化。

如熟習此項技術者所瞭解，情形在氣化及燃燒製程中非常不同(在氣化及燃燒製程中粒徑可在約30微米至10,000微米之範圍中)，且冷卻器中之完全流體化速度必須接近冷卻器中之最大粒徑的最小流體化速度。對於10,000微米的粒子，最小流體化速度可高達約10英尺/s，且在此等高速度下操作需要大量氣體流動經過冷卻器。難以使此種經過冷卻器之大量氣體流動返回至氣化器或燃燒器而不干擾其正常操作。

FCC參考文獻之另一問題在於若外部材料(其在氣化及燃燒製程中係常見的)通過冷卻束，則其可隔離並累積於冷卻器之底部中，最終干擾冷卻器之正常操作，因為FCC設計使固體向下流動並靠近底部自側面提取。難以應用此等教示來冷卻諸如來自流體化床或循環流體化床氣化器的具有廣泛粒徑分佈之氣化器固體。

在CFB區域中，實例包括Abdulally之美國專利第5,510,085號及第5,463,968號、Allison等人之美國專利第5,184,671號及Kokko之美國專利第7,194,983號。在此等教示中，固體及流體化氣體皆返回至燃燒器以維持燃燒溫度。因為此等參考文獻揭示製程中之冷卻器，所以冷卻管之外表面基本上與固體接觸，該等固體具有接近約1600℉之操作燃燒器溫度的溫度。雖然此等操作溫度使得必需將昂貴的合金材料用於熱交換器，但整個環境對於多數合金工程材料係可容許的。然而，如熟習此項技術者瞭解，在汽化器操作之情況下，操作溫度可達到高達約2000℉；因此，當在此等高溫下之熱固體直接接觸熱傳送表面時，材料選擇可為一挑戰或材料成本將令人望而卻步。

此外，除Kokko外，所引用之其他CFB實例忽視進入熱交換器的外部材料之有害效應。Kokko認識到避免固體繞過某一熱傳送表面的重要性，且設計一用以確保固體將流經整個熱傳送表面的方式。然而，在Kokko之設計中，固體必須在三個腔室中轉向，此自然使得固體流動更複雜且更難以處置外部材料。

Maryamchik等人之美國專利第7,464,669號揭示一具有兩個腔室(一者用於排放較粗灰燼且另一者用於較精細粒子)之灰燼冷卻器。然而，大粒子灰燼腔室不具有冷卻表面，且因此自腔室提取之灰燼溫度基本上與燃燒器中之溫度相同。亦難以達成流體化床中之較粗粒子與較精細粒子的良好分離。在Maryamchik等人中，流體化氣體返回至燃燒器，此係一可能對於一些應用而言不可行的做法。

此外，Maryamchik等人揭示用於冷卻固體之管束穿過耐火材料壁。對於CFB鍋爐，此做法並非一主要問題，因為燃燒器基本上接近大氣壓而操作。即使對耐火材料有損害，仍將歸因於此低壓操作而不會導致災難性的容器壁破壞。然而，如熟習此項技術者瞭解，在高壓下之氣化器操作之情況下，穿透壁之冷卻表面可變為一嚴重的安全問題，且除完全避免其之外，不存在已知解決方案。此外，熱交換器中之冷卻表面將仍與基本上在與燃燒器中之溫度同樣高的約1600℉之溫度下的較精細粒子接觸，從而需要將昂貴的工程合金材料用於熱傳送表面。

Liu之美國專利公開案第2009/0300986號揭示冷卻來自流體化床氣化器之氣化灰燼。在Liu中，外部材料在冷卻器之入口處被篩出並被收集在獨立容器中。在此配置中，必須將相當大量的再循環氣體用以吹洗來自外部材料之小粒子。必須將相當大量的再循環氣體用以防止小粒子進入固體冷卻器，且亦用於不斷地吹洗篩濾網以確保其無堵塞(plug-free)。大吹洗氣體流動及處置高溫粒子之此組合增加材料、製造及操作成本。

在Liu中，所有吹洗及流體化氣體流回至氣化器，若流動過多則阻礙操作。此外，Liu之冷卻表面穿透冷卻器之耐火材料及容器壁，從而甚至在氣化器操作壓力小於約50 psi之情況下引起冷卻器壁設計的潛在困難。在操作期間，冷卻表面接觸接近高氣化器操作溫度之固體粒子，其引起有挑戰性且昂貴之設計。

需要用以冷卻來自氣化器及其他類似應用之高溫、高壓灰燼的具成本效益且可靠之解決方案。本發明主要針對此等系統及方法。本發明克服先前論述之各種挑戰，並提供一種用於冷卻來自一操作於自約1500℉至2200℉之溫度範圍及自約30至1000 psia之壓力範圍中的煤氣化器之高溫灰燼的系統。

以一較佳形式簡要描述，本發明提供早先論述之各種問題的有效解決方案以提取並冷卻來自操作於高壓下之氣化器的高溫灰燼。本發明係關於其對於氣化製程之適用性來描述，但熟悉此項技術者將瞭解本發明之對於許多製程的一般適用性，在該等製程中高溫高壓固體需要被冷卻及提取或傳回至製程。

在本發明之例示性實施例中，用於灰燼冷卻器中之流體化氣體因製程及安全原因而並不返回至氣化器。又，在本發明中，固體係自氣化器提取至一向下流動耐火材料襯裡管中，其中在管之底部具有U形。在此組態中，固體自底部中心進入主要冷卻器並向上流動至一流體化床中。流體化氣體連同該等固體一起向上流動並自冷卻器之頂部退出。

在本發明之一實施例中，歸因於冷卻器之實體配置，在流體化床中之較冷固體將趨於沿壁向下流動並與來自氣化器之新鮮傳入之熱固體混合，從而在其到達冷卻表面之前降低固體溫度。在流體化床內部之固體逆混且全域地在內部循環，從而建立垂直流。諸如Zenz,F. A及Othmer,D. F.之文獻(1960年，流體化及流體質點系統(Fluidization and Fluid-Particle Systems)，290頁至300頁)教示如何計算流體化床內部的內部固體循環速率之試驗資料以及呈現了流體化床內部的內部固體循環速率之試驗資料。

在流體化床內部內部地循環之較冷固體與來自氣化器之熱固體混合且混合物溫度將在1000℉之下。流體化床中之內部固體循環速率及因熱固體及冷固體之混合所得的混合物溫度取決於用以流體化冷卻器中之固體的表觀氣體速度、床密度、固體粒子特性及其他因素。藉由將表觀氣體速度調整至0.1英尺/s與3英尺/s之間，可在固體混合物接觸熱傳送管之前控制內部較冷固體循環速率及固體混合物溫度至所要的溫度。

在較佳實施例中，冷卻器之底部形狀為一圓錐形。沿圓錐之邊緣，安裝複數個噴嘴以將通氣氣體噴射至冷卻器中以使固體粒子流體化。流體化速度主要由固體粒徑及來自氣化器之固體的大小分佈及溫度判定。所需之最小氣體速度為比最小流體化速度大大約0.1英尺/s，該最小流體化速度可由熟習氣體-固體流體化現象之技術者以實驗方法計算或判定。

在較佳實施例中，在冷卻器底部用於熱固體之入口與流體化床內部之冷卻管的底部尖端之間的空間或體積應使得進入冷卻器之熱固體具有充分時間來與來自上方的相對較冷之回流(在內部循環)固體混合。通常，對於在0.1至10 mm之範圍中的固體粒徑，在此較佳空間中的固體滯留時間應在10至200秒之範圍內。

熱傳送表面可為許多種類之管束。在一較佳實施例中，管配置呈插接式管之形式。在此類型之熱傳送表面中，每一熱傳送管配置實際上包含兩個同心管：一內部管及一外部管。內部管用作在重力作用下的來自蒸汽鼓之水流之管道。水在內部管與外部管之間的環形區域中被加熱。兩相的蒸汽及水混合物藉由浮力流經環形空間，並在流回至蒸汽鼓之前收集於靠近冷卻器頂部之管板空間上方。

在較佳配置中，在400℉至600℉之溫度範圍中的較冷固體經由正好位於管板下方之退出噴嘴溢出。在此配置中，較冷固體很少與靠近冷卻器頂部定位的管板接觸。管板僅需要經設計用於應在600℉之下的較冷固體退出溫度。再者，外插接式管僅接觸在1000℉之下的固體。因此，無需將昂貴合金用於管及管板之建構材料。與冷卻管接觸之固體經進一步冷卻，且當床經流體化時，在冷卻器上部部分中之固體通常經冷卻至在400℉至600℉之範圍中的退出溫度。因為管係以冷卻器管板來支撐，所以消除了與冷卻管之支撐件相關聯的問題。

其他類型之管束亦可用於固體冷卻器中。由於冷卻器處置高溫固體，所以其基本上為一耐火材料襯裡之容器。所設想的各種形式之管束最好固定於冷卻器頂部附近，使得管束夾具或支撐件不經受高溫。由於冷卻器之頂部在低溫區中，所以不需在出水高度(freeboard)區中使用耐火材料襯裡來保護容器壁。在此較佳實施例中，可藉由完全消除針對其他類型之管束及支撐件的出水高度區中之耐火材料而避免了管支撐件對耐火材料之潛在損害。

為了進一步減少容器之大小及冷卻成本，冷卻表面處置正常固體流動速率。在峰值熱固體流動速率在短時段內比正常速率高得多的應用中，在本實施例中藉由在容器之圓錐體中與通氣氣體一起噴射霧化小水滴而供應額外冷卻。

熱固體及冷固體之混合物的流體化床接觸管束，且經冷卻至所要的設計溫度。固體具有一總的向上流動方向並被經由冷卻器容器之上部部分中的一噴嘴或複數個噴嘴而提取。若安裝插接式管，則自容器之側壁且正好在如圖1中所示之管板下方提取固體。側面提取維持管板之強度及完整性。若使用其他類型之管束，則自冷卻器容器之側壁或是自頂部提取固體係不重要的。

在較佳實施例中，自高溫主要固體冷卻器提取之固體流動至次要冷卻器中以用於進一步冷卻。次要冷卻器提供額外冷卻表面以進一步將固體冷卻至所要的退出溫度。來自氣化器之灰燼在次要冷卻器中通常經冷卻至一在200℉至350℉之範圍中的退出溫度。由於次要冷卻器接收處於低溫(通常在400℉至600℉之範圍中)的用於進一步冷卻之固體，所以其為一具有習知冷卻表面之便宜的非耐火材料襯裡之容器且熟習此項技術者可推測一適當的低溫冷卻設計。

用於第一冷卻器之流體化的氣體係自次要冷卻器之頂部經由一防止細夾帶粒子釋放至排出氣體流中的過濾器區段而排出。無塵排出氣體之流動係經由排出管路中之一維持次要冷卻器中及主要冷卻器之出水高度區中之所要壓力的壓力調節器來調節的。藉由使用此實施例調整氣化器與次要冷卻器之間的壓力差，吾人可控制自氣化器至主要固體冷卻器之底部入口的熱固體流動速率。

自次要冷卻器之底部提取冷卻之固體。一連續降壓系統將固體壓力自在30至1000 psi之範圍中之操作壓力減少至一足以將固體輸送至儲倉以用於棄置或其他下游製程的退出壓力。以引用之方式併入本文中的美國專利公開案第2010/0266460號描述具有壓力降低器件之連續降壓系統，該等壓力降低器件促進固體流壓力自操作系統壓力降低至滿足下游製程需要之壓力。

在本發明之另一實施例中，當管束並非插接式類型時，過濾器區段可能安裝於主要固體冷卻器之頂部上。若可在滿足製程需求之主要冷卻器中達成充分冷卻，則可將固體直接排放至連續降壓系統。在此實施例中，次要冷卻器變得不必要。

在本發明之例示性實施例中，提供冷卻來自高溫及高壓煤氣化環境的灰燼及固體之系統，其包含一連接氣化器與主要固體冷卻器並將固體引入至圓錐形冷卻器容器之底部的下導管、在主要固體冷卻容器內部以在固體與冷卻媒體之間交換熱的冷卻表面、靠近容器之頂部的用於冷卻表面或冷卻束之支撐件、靠近主要固體冷卻器容器之頂部區段的固體出口、在次要冷卻器之入口處的氣體-固體分離系統、在次要冷卻器之頂部以防止細的夾帶之固體進入排出管路的一排出過濾器區段、一用以控制固體冷卻器與氣化器之間的壓力差之壓力控制排出閥、一用以進一步冷卻固體或充當連續降壓系統之緩衝槽(surge tank)的次要冷卻器(或接收容器)，及一將操作固體壓力減少至排放所需之位準的連續壓力降低系統。

系統可能夠冷卻並降壓來自在自約1500℉至2200℉之溫度範圍及自約30至1000 psia之壓力範圍下操作的氣化器或反應器之灰燼或固體。連接下導管及主要固體冷卻器可為耐火材料襯裡的以耐受腐蝕及高溫。

在冷卻表面下方之圓錐形區及體積可經設計為足夠大，以使得回流的冷固體具有足夠時間來與傳入之熱固體混合。主要冷卻器之冷卻表面可為插接式類型的冷卻管，其外部管經暴露至在約1000℉之下的固體之流體化床。Ω(Omega)形彈簧可附接至內部插接式管以最小化管振動之影響。

冷卻表面之支撐件可位於冷卻器之上部部分的低溫區段中，其中支撐件材料經受之最大溫度係在600℉之下。

退出氣化器之熱固體可相對於退出主要冷卻器之較冷固體而處於一較高高度。藉由歸因於高度差之靜水頭，來自氣化器之多餘熱固體可被提取、冷卻及降壓以促進棄置。

可添加通氣至連接下導管以控制歸因於由高度差產生的靜水頭之固體流動。可調整通氣速率以使所有通氣氣體連同固體一起向下流動，從而避免干擾氣化器或反應器操作。亦可藉由用一排出壓力控制閥平衡氣化器與冷卻器容器之間的壓力差來調整固體流動控制。

可藉由在主要固體冷卻器之底部圓錐形部分中的充分通氣而使來自氣化器之外部材料與熱固體粒子分離。

熱傳入固體可在主要冷卻器內部與來自上方之冷回流固體混合以在固體混合物接觸冷卻表面之前將固體混合物溫度維持在約1000℉之下。

連同來自主要冷卻器容器之冷卻固體一起退出的流體化氣體可經過濾，且潔淨氣體經排出至下游製程。

次要容器可接收來自主要冷卻器之固體以用於進一步冷卻且固體可藉由重力而向下流動，並經由容器之底部而退出。

可經由一將固體流壓力減少至用於輸送之所要位準的連續降壓系統而自次要容器提取冷卻之固體。

在本發明之另一例示性實施例中，用於冷卻進入冷卻系統的在約1500℉以上的平均溫度下之固體之冷卻系統包含一具有一用於接受在約1500℉以上的平均溫度下之固體的入口之冷卻器(該冷卻器具有一用於使在約600℉以下的平均溫度下之固體之至少一部分退出的出口)、一在冷卻器中之熱傳送系統，及在冷卻器中之回流冷材料(接近退出溫度之較冷固體)之一流體化床，其中該等固體經由入口在約1500℉以上的平均溫度下進入冷卻器，其中固體之至少一部分在冷卻器中與回流冷材料之流體化床之至少一部分混合直至固體之至少一部分的平均溫度經冷卻至小於約1000℉，其中在小於約1000℉之平均溫度下的固體之至少一部分接觸冷卻器中之熱傳送系統，該熱傳送系統進一步將固體之至少一部分冷卻至小於約600℉之平均溫度，且其中在低於約600℉之平均溫度下的固體之至少一部分經由出口退出冷卻器。

固體可經由在冷卻器之底部處的入口在約30 psia以上之平均壓力下進入冷卻器。固體可具有一在約50微米至400微米之範圍內的質量平均直徑。

冷卻器可為一具有底部及頂部之垂直容器，且冷卻器之入口可位於冷卻器之底部處。

冷卻系統可進一步包含一將在約1500℉以上之平均溫度下的固體引入至冷卻器之底部的下導管、一在冷卻器頂部附近之一低溫區段中之用於支撐熱傳送系統的支撐件、一第二冷卻器及一氣體-固體分離系統，其中在約600℉以下之平均溫度下的固體之至少一部分經由出口退出冷卻器並進入氣體-固體分離系統中且接著進入第二冷卻器中，以進一步冷卻固體。

下導管及主要固體冷卻器可為耐火材料襯裡的。

冷卻系統可進一步包含一在第二冷卻器之頂部的用以限制夾帶之細粉末進入排出管路的排放過濾器區段，及一用以調節冷卻器與氣化器之間的壓力差之壓力控制系統。

冷卻系統可進一步包含一連續壓力降低系統，其中經由將固體流壓力減少至用於自第二冷卻器輸送之所要位準的該連續壓力降低系統自第二冷卻器提取冷卻之固體。

主要冷卻器底部可為提供一圓錐形區之圓錐形且併入有入口，且下導管可將固體提供至在冷卻器之底部中的入口。圓錐形區及在熱傳送系統下方之主要固體冷卻器之體積可經設定大小，使得回流冷固體具有充分時間來與來自下導管的傳入之熱固體混合。

冷卻系統可進一步包含一用以調節冷卻器與氣化器之間的壓力差之壓力控制系統。

在本發明之另一例示性實施例中，將在約1500℉以上之平均溫度下的固體冷卻至小於約600℉之平均溫度的方法包含提供在約1500℉以上之平均溫度下的固體、將固體與回流冷材料之流體化床混合以形成具有小於約1000℉之平均溫度的固體之一部分，及將具有小於約1000℉之平均溫度的固體之一部分與一熱傳送系統接觸以形成具有小於約600℉之平均溫度的固體之一部分。

冷卻之方法可進一步包含提供在約1500℉以上之平均溫度下在約30 psia之平均壓力下的固體。

冷卻之方法可進一步包含提供在約1500℉以上之平均溫度下在約50微米至400微米之範圍中的質量平均直徑下的固體。

冷卻之方法可進一步包含提供一發生冷卻步驟之主要冷卻器、支撐在冷卻器頂部附近之熱傳送系統、提供一次要冷卻器(其中在約600℉以下之平均溫度下的固體之該至少一部分退出主要冷卻器)、在進入次要冷卻器之前分離氣體與固體，及進一步在次要冷卻器中冷卻固體。

冷卻之方法可進一步包含過濾以限制超過預定大小之細固體進入排出管路，及控制主要冷卻器與操作於約1500℉以上之平均溫度下的氣化器之間的壓力差。

冷卻之方法可進一步包含連續降低自次要冷卻器提取的冷卻之固體的壓力以將固體流壓力減少至用於自次要冷卻器輸送的一所要位準。

冷卻之方法可進一步包含提取、冷卻及降壓來自氣化器之在約1500℉以上之平均溫度下的多餘固體以促進其棄置。

冷卻之方法可進一步包含調整下導管中之固體通氣速率以控制歸因於由高度差產生的靜水頭之固體流動。

冷卻之方法可進一步包含藉由一排出壓力控制器來調整氣化器與冷卻器之間的壓力差以進一步控制至冷卻器之入口的熱固體流動。

在結合隨附圖式審閱以下說明書後，本發明之此等及其他目標、特徵及優點將變得更顯而易見。

結合隨附圖式參考以下詳細描述，本發明之各種特徵及優點可更易於理解，其中相同參考數字指示相同結構元件。

為了促進對本發明之各種實施例的原理及特徵的理解，以下解釋各種說明性實施例。儘管詳細解釋本發明之例示性實施例，但應理解涵蓋其他實施例。因此，不意欲本發明之範疇限於以下描述中闡述或圖式中說明的組件之建構及配置的細節。本發明能夠具有其他實施例並能夠以各種方式來實行或執行。又，在描述例示性實施例時，為清楚起見將採用特定術語。

亦必須注意，於說明書及附加申請專利範圍中使用時，單數形式「一」及「該」包括複數個參考物除非上下文另有明確指定。舉例而言，對於一組件之參考亦意欲包括複數個組件之組合物。對於含有「一」組分之組合物的參考意欲除指定之組分外還包括其他組分。

又，在描述例示性實施例時，為清楚起見將採用術語。意欲每一術語涵蓋如熟習此項技術者所理解的其最廣泛意義且包括以類似方式操作以實現類似目的之所有技術均等物。

範圍可在本文中表達為自「大約」或「約」或「實質上」一特定值及/或至「大約」或「約」或「實質上」另一特定值。當表達此範圍時，其他例示性實施例包括自一特定值及/或至另一特定值。

類似地，於本文中使用時，「實質上不含」某物或「實質上純淨」及類似特性化可包括「至少實質上不含」某物或「至少實質上純淨」與「完全不含」某物或「完全純淨」兩種情況。

「包含」或「含有」或「包括」意謂至少指定之化合物、元件、粒子或方法步驟係存在於組合物或物品或方法中，但不排除其他化合物、材料、粒子、方法步驟的存在，即使其他此類化合物、材料、粒子、方法步驟與所指定之物具有相同功能。

亦應理解對一或多個方法步驟之提及不排除額外方法步驟或在彼等明確識別之步驟之間的介入方法步驟之存在。類似地，亦應理解對一組合物中之一或多個組件的提及並不排除不同於彼等明確識別之組件的額外組件之存在。

經描述為組成本發明之各種元件的材料意欲為說明性的且非限制性的。將執行與本文中描述之材料相同或類似功能的許多合適之材料意欲涵蓋於本發明之範疇中。本文中未描述之此等其他材料可包括(但不限於)例如在本發明之開發時間之後開發的材料。

本發明具有用以冷卻及處置熱固體粒子的廣泛應用，該等熱固體粒子諸如來自各種化學反應器之催化劑及產物以及來自燃燒器之灰燼及廢吸附劑粒子及來自氣化器的灰燼及未利用之炭混合物。本發明之詳細描述係關於冷卻及接著降壓來自加壓氣化器的熱固體之特定實例而提供，但同樣適用於需要冷卻來自高溫及高壓環境之固體粒子的其他情形。

如圖1中所說明，經由噴嘴110經由連接下導管200提取反應器、燃燒器或氣化器100中產生之固體(術語「固體」在本文中大體用於描述具有在50微米至400微米之範圍中之質量平均直徑的粒子分佈，通常為來自煤氣化器之主要包含灰燼、具有很少炭之固體)。連接下導管及主要冷卻器容器為耐火材料襯裡的以防腐蝕及高溫環境。流體化床氣化器操作溫度大體上在約1700℉至2000℉之範圍內且操作壓力在約30至1000 psia之範圍內。在較佳實施例中，在噴嘴110處固體流動方向大體上向下。為了設備佈局及配管連接方便起見，噴嘴可與水平方向成約10度與90度之間的角度，同時流動大體上在向下方向上。若管長度大於二十倍之管直徑，則添加通氣噴嘴250。可調整通氣氣體流動以與熱固體一起流至固體冷卻器。

來自氣化器之固體在如圖1中所說明之底部中央開口260處進入主要冷卻器300。在一實施例中，連接主要冷卻器300之管200可具有一至主要冷卻器空間300中之延長段210。耐火材料襯裡的主要冷卻器容器300之圓錐形區段320之部分及延長的入口210形成一基本上為一具有最小通氣之停滯區的環狀空腔310。此停滯區之目的為收集進入主要冷卻器的足夠大塊之外部及外來材料並安全地將此等材料排出冷卻器(藉由退出噴嘴330)以限制或防止干擾固體冷卻操作。管延長段及停滯區對於進入冷卻器之固體不含外部材料的應用係不必要的。

在最小通氣之情況下，環狀空腔310可經流體化以將外部材料與正常灰燼粒子隔離。此組態之一優點在於可根據需要藉由調整延長的中心管及圓錐形兩者之大小、形狀及角度而設計環狀空腔310之橫截面積以最小化對流體化小粒子並將較大粒子與較小粒子隔離的通氣氣體之消耗。熟習此項技術者可基於大小隔離設計各種方式以將外部材料與正常操作固體粒子(諸如來自氣化器之灰燼與炭之混合物)分離。

圖2說明用以將外部材料與正常灰燼混合物分離的圓錐形區段及延長的中心管之設計的實例。中心管210可具有另一圓錐形區段215，其角度可經調整以達成在容器與圓錐形215之間的所要橫截面積以便最小化對流體化氣體之要求。將通氣氣體335添加至在圓錐形周圍之各種噴嘴。通氣氣體流體化主要冷卻器之上部區段中的固體以用於更好的熱傳送。通常為大塊碎裂之耐火材料及熔塊的外部材料沉至主要冷卻器之底部並經由排出管330排放。視製程而定，形成於中心管215與容器圓錐形360之間的環狀空腔空間340可用以在正常操作期間儲存外部材料且只要製程停止便可被移除。

參看圖2中之實施例，在已將大塊外部材料與正常灰燼分離後，進入主要冷卻器之熱灰燼流260與內部循環之冷卻器灰燼流345混合，內部循環之冷卻器灰燼流345具有在約400℉至600℉之範圍中的溫度。歸因於兩個流之混合，固體之混合物溫度係在約800℉至1000℉之範圍中。因此，與流體化固體粒子接觸之冷卻表面(例如，圖1中之插接式管配置之外管400)遠低於來自氣化器之約1500℉至2200℉之入口溫度。與灰燼冷卻表面接觸之約800℉至1000℉之低固體溫度最小化(若未消除)對於作為冷卻表面之建構材料之昂貴合金材料的需要。可使用常見碳鋼來建構第一級主要冷卻器中之整個冷卻表面。

固體混合物歸因於氣體之拉力及歸因於冷卻器固體入口260與固體出口370之間的壓力差而在主要冷卻器中向上流動。氣體-固體混合物接觸主要冷卻器中之冷卻表面400。在較佳實施例中，冷卻表面係由包括兩個同心管(如圖1中所說明之外部管400及內部管410)的插接式類型之冷卻管製成。

冷卻劑流體(水)較佳地在重力作用下自蒸汽鼓500向下流動至由主要冷卻器之容器壁380及管板430形成之空間420中。水分配至附接至管板430之複數個管(內部管410)中。水在內部管410中向下流動，當其吸收熱時形成蒸汽-水混合物，且接著蒸汽泡及飽和水之兩相在如圖3中所說明之由內部管410及外部管400形成的環形空間中向上流動。用於使部分水在環狀空間中蒸發為蒸汽泡的熱源為環繞外部管之約800℉至1000℉的熱灰燼之流體化床。在蒸汽鼓中蒸汽泡與水分離，且通常藉由經由鼓壓力控制閥排出蒸汽而將蒸汽鼓壓力維持在約50psi。

主要固體冷卻器之設定大小及需要的熱傳送區域之範圍視所要的固體退出溫度而定。自效能及經濟觀點而言，最好將灰燼冷卻至約400℉至600℉的主要冷卻器退出溫度。進一步冷卻至低得多的溫度可在次要冷卻器700(圖1)中實現，其中低得多的溫度之冷卻水流動經過冷卻管束900。

冷卻至約400℉至600℉之灰燼自主要固體冷卻器之頂部附近經由如圖1中所說明之固體出口370溢出。流體化氣體亦連同固體一起退出主要冷卻器並經由一管道600流至一嵌入於次要冷卻器700中的氣體-固體分離器系統800。氣體-固體分離器系統通常包含一具有一浸入管及用於該浸入管之密封件(例如，環形密封件800)之旋風分離器。氣體-固體分離器之目的為防止氣體載運大量固體粒子至障壁過濾器710。在將多數固體自流至旋風分離器中的氣體-固體流分離後，退出旋風分離器之具有夾帶之較精細粒子的氣體經由分配管道810向上流動。

在810之退出口處的分配器均勻地分配氣體至障壁過濾器710。障壁過濾器通常由複數個燒結金屬過濾器製成以阻擋較精細粒子並允許較潔淨氣體滲透穿過過濾器。經 過濾之氣體流經壓力控制閥750並排出至適當位置，其較佳處於較低壓力之製程流之下游。來自主要固體冷卻器之流體化氣體因此被清潔且不排回至氣化器，而是排出至下游製程。因此，在主要冷卻器中的流體化氣體之數量可經最佳化以達成所要內部固體循環並最大化自流體化床之熱傳送。

來自次要冷卻器旋風分離器及環形密封件800之脫離的固體連同來自障壁過濾器710之較精細固體一起流經一組冷卻表面900以被冷卻至所要退出溫度。來自次要冷卻器之通氣氣體335亦經過濾並經由壓力控制閥750排出。冷卻之固體接著經由在次要冷卻器之底部處的退出噴嘴950排放。退出的冷卻固體950仍處於高的操作氣化器壓力下。較佳經由一如(例如)美國專利公開案第2010/0266460號中所揭示的連續灰燼降壓系統使灰燼降壓，該案之教示以引用之方式併入本文中。2010/0266460揭示一具有促進將固體流壓力自一高操作系統壓力降低至一下游製程需要之較低壓力的壓力降低器件之連續降壓系統。

圖3提供限制或防止插接式管配置之內部管410之振動的方法。將Ω形夾具440之一腿焊接於內部管410上。Ω之頂部與外部管400接觸。Ω夾具通常以三英尺間隔並以120度之定向定位。在此實施例之情況下，內部管由Ω夾具約束。熟習此項技術者可設計若干方式來約束外管之振動效應同時允許軸向擴展。關鍵係自主要冷卻器之上部區段(其通常在600℉之下)支撐約束機構(例如，視管之長度而定的一或多個約束柵格)。

來自鼓之流經內部管410的水經由受限區段450以在約5至15英尺/s之範圍中的速度退出內部管。此等速度限制或防止水系統中之雜質或在插接式管中之低點處之水垢的累積。外管之下部部分包覆有厚金屬覆蓋層460以限制或防止腐蝕。

在氣化器操作期間，煤灰燼累積於氣化器中。藉由經由固體冷卻器系統提取累積之煤灰燼而維持氣化器中之循環固體存量。高溫灰燼經冷卻並經降壓以用於輸送至灰燼儲倉以供棄置。如圖1中所說明，氣化器上之固體脫離噴嘴110位於主要冷卻器溢出固體出口370上方大約五英尺處。只要連接J形下導管經流體化，此配置便產生一靜水頭以使固體自然地自氣化器流動至主要固體冷卻器。除靜水頭外，亦經由排出壓力控制閥750來控制固體流動。在操作中，將在脫離點與由750誘發的排出壓力之間的壓力差用於粗略控制，且將連接J形下導管中之流體化氣體流動用於對至主要固體冷卻器之熱固體流動的較精細控制。

已在前文描述中闡述眾多特性及優點以及結構及功能之細節。雖然以若干形式揭示本發明，但熟習此項技術者應瞭解在不脫離本發明之精神及範疇以及如以下申請專利範圍中闡述之其均等物的情況下可在其中進行許多修改、添加及刪除(尤其在部件之形狀、大小及配置方面)。因此，特別保留如可由本文中之教示建議的其他修改或實施例， 因為其屬於此處附加之申請專利範圍的外延及範疇。

100‧‧‧氣化器

110‧‧‧噴嘴

200‧‧‧連接下導管

210‧‧‧延長段/延長的入口/中心管

215‧‧‧中心管/圓錐形/圓錐形區段

250‧‧‧通氣噴嘴

260‧‧‧底部中央開口/冷卻器固體入口

300‧‧‧主要冷卻器/主要冷卻器容器/主要冷卻器空間

310‧‧‧環狀空腔

320‧‧‧圓錐形區段

330‧‧‧退出噴嘴/排出管

335‧‧‧通氣氣體

340‧‧‧環狀空腔空間

345‧‧‧內部循環之冷卻器灰燼流

360‧‧‧容器圓錐形

370．．．固體出口

380．．．容器壁

400．．．外管/冷卻表面/外部管

410．．．內部管

420．．．空間

430．．．管板

440．．．Ω形夾具

450．．．受限區段

460．．．厚金屬覆蓋層

500．．．蒸汽鼓

600．．．管道

700．．．次要冷卻器

710．．．障壁過濾器

750．．．壓力控制閥

800．．．氣體-固體分離器系統/環形密封件

810．．．分配管道

900．．．冷卻管束/冷卻表面

950．．．退出噴嘴/退出的冷卻固體

PCV．．．壓力控制閥

圖1說明根據本發明之例示性實施例的用以處置來自一高溫高壓源之熱固體的固體熱交換器。

圖2說明根據本發明之例示性實施例的主要固體冷卻器之底部圓錐形區段。

圖3說明根據本發明之例示性實施例的插接式熱交換器管之夾具配置。

100．．．氣化器

110．．．噴嘴

200．．．連接下導管

210．．．延長段/延長的入口/中心管

250．．．通氣噴嘴

260．．．底部中央開口/冷卻器固體入口

300．．．主要冷卻器/主要冷卻器容器/主要冷卻器空間

310．．．環狀空腔

320．．．圓錐形區段

330．．．退出噴嘴/排出管

335．．．通氣氣體

370．．．固體出口

380．．．容器壁

400．．．外管/冷卻表面/外部管

410．．．內部管

420．．．空間

430．．．管板

500．．．蒸汽鼓

600．．．管道

700．．．次要冷卻器

710．．．障壁過濾器

750．．．壓力控制閥

800．．．氣體-固體分離器系統/環形密封件

810．．．分配管道

900．．．冷卻管束/冷卻表面

950．．．退出噴嘴/退出的冷卻固體

PCV．．．壓力控制閥

Claims (23)

1. 一種冷卻來自高溫及高壓煤氣化環境之灰燼及固體的系統，該冷卻系統包含：一氣化器；一主要固體冷卻器；一下導管，其連接該氣化器與該主要固體冷卻器，且將該等固體引入至該主要固體冷卻器之底部；一熱傳送系統，其在該主要固體冷卻器中，用以在該等固體與一冷卻媒體之間交換熱；一支撐件，其在該冷卻器之頂部附近，用於支撐該熱傳送系統；一固體出口，其在該主要固體冷卻器之頂部附近；一次要冷卻器；一氣體-固體分離系統，其在該次要冷卻器之一入口處；一排出過濾器區段，其在該次要冷卻器之頂部附近，用以限制超過一預定大小之固體進入一排出管路；一壓力控制排出閥，其用以控制該主要固體冷卻器與該氣化器之間的壓力差；及一連續壓力降低系統，其中經由將固體流壓力減少至用於自該次要冷卻器輸送之一所要位準的該連續壓力降低系統而自該次要冷卻器提取該等冷卻之固體。其中該等固體具有在約50微米與400微米之間的一質量平均直徑。
2. 如請求項1之系統，其中：該主要固體冷卻器，其具有一在該底部處之用於接受在約1500℉以上之一平均溫度下的該固體的入口，該主要固體冷卻器具有一在一上部區段中之用於使在約600℉以下之一平均溫度下的該等固體之至少一部分退出的該固體出口；該冷卻媒體包含在該主要固體冷卻器中的回流冷材料之一流體化床；該等固體在約1500℉以上之一平均溫度下經由該入口進入該主要固體冷卻器；該等固體之至少一部分在該主要固體冷卻器之一下部區段中與回流冷材料之流體化床之至少一部分混合直至該等固體之至少一部分的該平均溫度經冷卻至小於約1000℉；在小於約1000℉之一平均溫度下的該等固體之至少一部分接觸該主要固體冷卻器中之該熱傳送系統，該熱傳送系統進一步將該等固體之至少一部分冷卻至小於約600℉之一平均溫度；且其中在約600℉以下之一平均溫度下的該等固體之至少一部分經由該固體出口退出該主要固體冷卻器。
3. 如請求項2之系統，其中該等固體在約50psia以上之一平均壓力下經由該入口進入該主要固體冷卻器。
4. 如請求項2之系統，其中該等固體具有在約50微米至400微米之範圍中的一質量平均直徑。
5. 如請求項2之系統，其中：該下導管將在約1500℉以上之一平均溫度下的該等固體引入至該主要固體冷卻器之該底部；及其中在約600℉以下之一平均溫度下的該等固體之該至少一部分經由該固體出口退出該主要固體冷卻器並進入該氣體-固體分離系統中且接著進入該第二冷卻器中，以進一步冷卻該等固體。
6. 如請求項2之系統，其中該等固體在介於約1500℉與2200℉之間的一平均溫度下經由該入口進入該主要固體冷卻器；其中該等固體在介於約30與1000psia之間的一平均壓力下經由該入口進入該主要固體冷卻器；且其中該等固體具有在約50微米與400微米之間的一質量平均直徑。
7. 如請求項6之系統，其中該主要固體冷卻器為一垂直容器，其中該主要固體冷卻器之該底部為圓錐形的且併入有該入口，且其中該下導管將該等固體提供至在該主要固體冷卻器之該底部中的該入口。
8. 如請求項6之系統，其中在約600℉以下之一平均溫度下的該等固體之該至少一部分經由該固體出口退出該主要固體冷卻器並進入該氣體-固體分離系統中且接著進入該第二冷卻器中，以進一步冷卻該等固體。
9. 如請求項1之系統，其中該系統冷卻並降壓來自在 約1500℉與2200℉之間的一平均溫度下及在約50與1000psia之間的一平均壓力下操作的該氣化器之灰燼或固體；其中在該主要固體冷卻器之頂部附近的該固體出口為在約600℉以下之一平均溫度下的該等固體之至少一部分提供一出口；其中該等固體之至少一部分在該主要固體冷卻器中與回流冷材料之一流體化床混合直至該等固體之至少一部分的該平均溫度經冷卻至小於約1000℉；其中在小於約1000℉之一平均溫度下的該等固體之至少一部分接觸該主要固體冷卻器中之該熱傳送系統，該熱傳送系統進一步將該等固體之至少一部分冷卻至小於約600℉之一平均溫度；且其中在約600℉以下之一平均溫度下的該等固體之至少一部分經由該固體出口退出該主要固體冷卻器。
10. 如請求項1之系統，其中該次要冷卻器包含一非耐火材料襯裡之容器。
11. 如請求項1之系統，其中該主要固體冷卻器之該底部為提供一圓錐形區之圓錐形形狀，且其中該圓錐形區及在該熱傳送系統下方之該主要固體冷卻器之體積經設定大小，使得回流冷固體具有充分時間來與來自該下導管之傳入固體混合。
12. 如請求項1之系統，其中該熱傳送系統包含插接式類型的冷卻管。
13. 如請求項12之系統，其進一步包含附接至該等插接式類型冷卻管以阻抑振動之Ω形彈簧。
14. 如請求項1之系統，其中該等固體退出該氣化器之處係在高於在該主要固體冷卻器之頂部附近的該固體出口之一高度處。
15. 一種將在約1500℉以上之一平均溫度下的固體冷卻至小於約600℉之一平均溫度的方法，該方法包含：提供在約1500℉以上之一平均溫度下的固體；將該等固體與回流冷材料之一流體化床混合以形成具有小於約1000℉之一平均溫度的固體之一部分；及將具有小於約1000℉之一平均溫度的固體之一部分與一熱傳送系統接觸以形成具有小於約600℉之一平均溫度的固體之一部分。
16. 如請求項15之冷卻方法，其進一步包含提供在約50psia以上之一平均壓力下在約1500℉以上之一平均溫度下的該等固體。
17. 如請求項15之冷卻方法，其進一步包含提供在約50微米至400微米之範圍中之一質量平均直徑下在約1500℉以上之一平均溫度下的該等固體。
18. 如請求項15之冷卻方法，其進一步包含：提供其中發生該等冷卻步驟之一主要冷卻器；在該冷卻器之頂部附近的一較低溫度區段中支撐該熱傳送系統；提供一次要冷卻器，其中在約600℉以下之一平均溫 度下的該等固體之至少一部分退出該主要冷卻器；在進入該次要冷卻器之前分離氣體與固體；及在該次要冷卻器中冷卻該等固體。
19. 如請求項18之冷卻方法，其進一步包含：過濾以限制超過一預定大小之固體進入一排出管路；及控制在一提供在約1500℉以上之一平均溫度下的該等固體之氣化器與該主要冷卻器之間的壓力差。
20. 如請求項18之冷卻方法，其進一步包含連續地降低自該次要冷卻器提取之該等冷卻固體的壓力以將固體流壓力減少至用於自該次要冷卻器輸送的一所要位準。
21. 如請求項19之冷卻方法，其進一步包含提取、冷卻及降壓來自該氣化器之在約1500℉以上之一平均溫度下的多餘固體以促進其棄置。
22. 如請求項15之冷卻方法，其進一步包含在將該等固體與回流冷材料之該流體化床混合之前在一下導管中對該等固體通氣，及調整通氣速率以控制歸因於由高度差產生之靜水頭的固體流動。
23. 如請求項19之冷卻方法，其進一步包含調整該氣化器與主要冷卻器之間的壓力差以控制熱固體至主要冷卻器之流動。