專利名稱：用于使蒸汽過熱的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域大體涉及氣化系統(tǒng)，并且更具體地，涉及用于使輻射合成氣體(合成氣)冷卻器(RSC)中產(chǎn)生的蒸汽過熱的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在驟冷氣化器(quench gasifier)中，含碳燃料在燃燒區(qū)中部分氧化以形成氣態(tài)副產(chǎn)物和典型地，灰或其他廢產(chǎn)物。部分氧化過程釋放大量的熱，其對(duì)轉(zhuǎn)化成例如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)械能是有用的。熱還傾向于縮短氣化系統(tǒng)中的構(gòu)件的壽命。被過量的熱影響的一個(gè)構(gòu)件是圍繞燃燒區(qū)的耐火壁。輻射合成氣冷卻器用于從離開燃燒區(qū)的氣態(tài)副產(chǎn)物移除熱。RSC可利用管道和/ 或凸緣聯(lián)接成與氣化器流動(dòng)連通或可與氣化器集成地形成并且與氣化器一起容納在單一容器中。RSC包括多個(gè)換熱器懸垂件(pendant)，其配置成從流動(dòng)穿過RSC的氣態(tài)副產(chǎn)物移除熱。在換熱器中形成的蒸汽/水混合物引導(dǎo)到蒸汽鼓，其中，飽和蒸汽抽出和引導(dǎo)到下游過程以做功或加熱其他流體。然而，使飽和蒸汽過熱將提高蒸汽的質(zhì)量和有用性。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，氣化器包括壓力容器，其包括大致柱形的殼體、上頭部和下頭部。氣化器還包括耐火壁，其與殼體大致同心并且從殼體徑向向內(nèi)隔開；和過熱器換熱器，其安裝在殼體和耐火壁之間。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供一種氣化器中的熱回收的方法。氣化器包括被耐火壁圍繞的燃燒區(qū)、圍繞耐火壁的壓力容器的殼體和換熱器。該方法包括將換熱器設(shè)置在耐火壁和殼體之間的環(huán)形空間中；和在換熱器的入口處接收飽和蒸汽流。該方法還包括由飽和蒸汽從燃燒區(qū)接收熱流，使得蒸汽是過熱的；和利用過熱蒸汽從換熱器傳遞熱。在又一個(gè)實(shí)施例中，氣化系統(tǒng)包括氣化器，其具有大致柱形的殼體、上頭部和下頭部。氣化系統(tǒng)還包括氣化器內(nèi)的燃燒器，其中，燃燒器構(gòu)造成將燃燒產(chǎn)物指引到氣化器的出口通路；和燃料噴射系統(tǒng)，其構(gòu)造成將燃料噴射到燃燒器中。氣化系統(tǒng)進(jìn)一步包括耐火壁，其與殼體大致同心并且從殼體徑向向內(nèi)隔開；和在殼體和耐火壁之間的過熱器換熱器。


圖I至3示出了本文中描述的方法和系統(tǒng)的示范實(shí)施例。圖I是根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)的示意 圖2是根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的圖I中示出的氣化器的側(cè)視立面圖；和 圖3是根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的圖2中示出的環(huán)形過熱器換熱器的透視圖。
具體實(shí)施例方式下列詳細(xì)描述經(jīng)由實(shí)例并且不經(jīng)由限制說明本發(fā)明的實(shí)施例。設(shè)想本發(fā)明大體應(yīng)用于從過量的區(qū)域移除熱和以可回收的方式使用熱，以提高工業(yè)、商業(yè)和住宅應(yīng)用中的系統(tǒng)的效率。如在本文中使用的，以單數(shù)敘述并且以單詞“一”或“一個(gè)”開始的元件或步驟應(yīng)當(dāng)理解為不排除多個(gè)元件或步驟，除非明確地?cái)⑹鲞@種排除。此外，涉及本發(fā)明的“一個(gè)實(shí)施例”不意圖解釋為排除也包括所敘述特征的附加實(shí)施例的存在。圖I是示范整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)10的示意圖。IGCC系統(tǒng)10大體包括主空氣壓縮機(jī)12、聯(lián)接成與壓縮機(jī)12流動(dòng)連通的空氣分離單元(43奶14、聯(lián)接成與45仍4流動(dòng)連通的氣化器16、聯(lián)接成與氣化器16流動(dòng)連通的輻射合成氣冷卻器(RSC) 18、聯(lián)接成與合成氣冷卻器18流動(dòng)連通的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)20和聯(lián)接成與合成氣冷卻器18流動(dòng)連通 的蒸汽渦輪22。在各種實(shí)施例中，氣化器16和RSC18是利用互連管道或凸緣對(duì)凸緣配合而 聯(lián)接成流動(dòng)連通的分離壓力容器。在其他實(shí)施例中，氣化器16和RSC18由具有氣化器部分和RSC部分的單一壓力容器形成。在一個(gè)實(shí)施例中，RSC部分從氣化器部分徑向向外一起定位在單一壓力容器中。在操作中，壓縮機(jī)12壓縮環(huán)境空氣，其接著引導(dǎo)到ASU14。在示范實(shí)施例中，除了來自壓縮機(jī)12的壓縮空氣之外，來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)24的壓縮空氣供應(yīng)到ASU14?？蛇x地，來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)24的壓縮空氣供應(yīng)到ASU14，而不是來自壓縮機(jī)12的壓縮空氣供應(yīng)到ASU14。在示范實(shí)施例中，ASU14使用壓縮空氣以產(chǎn)生被氣化器16使用的氧氣。更具體地，ASU14使壓縮空氣分離成氧氣(O2)和氣體副產(chǎn)物(有時(shí)被稱為“過程氣體”)的分離流。O2流引導(dǎo)到氣化器16，用于在產(chǎn)生部分氧化氣體(在本文中被稱為“合成氣”)時(shí)使用，該部分氧化氣體用于被燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)20用作燃料，如在下面更詳細(xì)地描述的。由ASU14產(chǎn)生的過程氣體包括氮并且將在本文中被稱為“氮過程氣體”(NPG)。NPG還可包括諸如但不受限于氧和/或IS的其他氣體。例如，在示范實(shí)施例中，NPG包括在大約95%到大約100%之間的氮。在示范實(shí)施例中，NPG流中的至少一些從ASU14排放到大氣，并且NPG流中的至少一些噴射到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器26內(nèi)的燃燒區(qū)(未示出)中，以便于控制發(fā)動(dòng)機(jī)20的排放物，并且更具體地，以便于降低燃燒溫度和減少來自發(fā)動(dòng)機(jī)20的一氧化二氮排放物。在示范實(shí)施例中，IGCC系統(tǒng)10包括壓縮機(jī)28，用于在氮過程氣體流噴射到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器26的燃燒區(qū)中之前壓縮氮過程氣體流。在示范實(shí)施例中，氣化器16將從燃料供應(yīng)裝置30供應(yīng)的燃料、由ASU14供應(yīng)的02、蒸汽和/或石灰石的混合物轉(zhuǎn)化成合成氣的輸出，用于被燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)20用作燃料。雖然氣化器16可使用任何燃料，但是在示范實(shí)施例中，氣化器16使用煤、石油焦炭、殘油、油乳劑、浙青砂和/或其他相似的燃料。此外，在示范實(shí)施例中，由氣化器16產(chǎn)生的合成氣包括二氧化碳。在示范實(shí)施例中，由氣化器16產(chǎn)生的合成氣引導(dǎo)到合成氣冷卻器18以便于冷卻合成氣，如在下面更詳細(xì)地描述的。冷卻的合成氣從冷卻器18引導(dǎo)到清除裝置32以用于在合成氣引導(dǎo)到燃?xì)鉂欇啺l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器26之前對(duì)合成氣進(jìn)行清潔,用于合成氣的燃燒。二氧化碳(CO2)可在清除期間從合成氣分離，并且在示范實(shí)施例中，可排放到大氣。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)20驅(qū)動(dòng)供應(yīng)電力到電力網(wǎng)(未示出)的發(fā)電機(jī)34。來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)20的廢氣引導(dǎo)到熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)36，其產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪22的蒸汽。由蒸汽渦輪22產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為電力網(wǎng)提供電力的發(fā)電機(jī)38。在示范實(shí)施例中，來自HRSG36的蒸汽供應(yīng)到氣化器16,用于產(chǎn)生合成氣。此外，在示范實(shí)施例中，系統(tǒng)10包括泵40，其將來自HRSG36的沸水供應(yīng)到合成氣冷卻器18以便于冷卻從氣化器16引導(dǎo)的合成氣。沸水引導(dǎo)穿過合成氣冷卻器18，其中，水轉(zhuǎn)化成蒸汽。沸水大體包括蒸汽/水混合物，其在蒸汽鼓37中分離成高壓蒸汽流和水。來自蒸汽鼓37的蒸汽引導(dǎo)到定位在氣化器16內(nèi)的過熱器39并且接著引導(dǎo)到HRSG36。圖2是根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的氣化器16(在圖I中示出)的側(cè)視立面圖。在示范實(shí)施例中，氣化器16包括上頭部202、下頭部204和在其間延伸的大致柱形的壓力容器本體或殼體206。供給噴射器208刺入上頭部202或容器本體206以使燃料流能夠排出到氣化器16中。燃料引導(dǎo)穿過限定在供給噴射器208中的一個(gè)或更多個(gè)通路，并且從噴嘴 210以預(yù)定噴灑方式212排出到限定在氣化器16中的燃燒區(qū)214中。燃料可在進(jìn)入噴嘴210之前與例如氧化劑的其他物質(zhì)和/或廢物混合，并且/或者可在從噴嘴210排出時(shí)與其他物質(zhì)混合。在示范實(shí)施例中，燃燒區(qū)214是豎直地定向的大致柱形的空間，其與噴嘴210大致相互對(duì)齊，并且與噴嘴210串聯(lián)地流動(dòng)連通。燃燒區(qū)214的外周215由耐火壁216限定，耐火壁216包括諸如Incoloy 管218的結(jié)構(gòu)基底和耐火覆層220，耐火覆層220包括特性，其抵抗包含在燃燒區(qū)214內(nèi)的相對(duì)高溫和高壓的作用。耐火壁216的出口端部222包括會(huì)聚噴嘴224，其定向和設(shè)計(jì)成便于保持燃燒區(qū)214中的預(yù)定背壓，同時(shí)允許在燃燒區(qū)214中產(chǎn)生的部分氧化產(chǎn)物和合成氣離開燃燒區(qū)214。燃燒的產(chǎn)物包括氣態(tài)副產(chǎn)物、通常形成在耐火覆層220上的熔渣和與氣態(tài)副產(chǎn)物一起以懸浮方式攜帶的細(xì)顆粒。在一個(gè)實(shí)施例中，在離開燃燒區(qū)214之后，可流動(dòng)熔渣和固體熔渣重力供給到包含在下頭部204中的固體驟冷池226。固體驟冷池226保持有一定水平的水，其使可流動(dòng)熔渣驟冷成易碎固體材料，其可在從氣化器16移除之后破裂成較小塊。固體驟冷池226還捕獲離開燃燒區(qū)214的大約90%的細(xì)顆粒。在各種其他的實(shí)施例中，在離開燃燒區(qū)214之后，部分氧化產(chǎn)物、可流動(dòng)熔渣和固體熔渣從氣化器16重力供給到分離容器中的輻射合成氣冷卻器(RSC)中。在示范實(shí)施例中，環(huán)形過熱器換熱器228從耐火壁216徑向向外且從殼體206徑向向內(nèi)至少部分地圍繞燃燒區(qū)214。頂部凸緣232使上頭部202下面的體積與被殼體206圍繞的體積236分離。在示范實(shí)施例中，換熱器228包括上環(huán)集管238、下環(huán)集管240和在其間延伸的多個(gè)換熱器管242。在一個(gè)實(shí)施例中，換熱器管242是包括在相鄰管之間的膜或網(wǎng)的膜管(membrane tube)，該膜或網(wǎng)防止在相鄰管之間的管的外部周圍流動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)換熱器管242全部關(guān)于穿過管的流相互并行。在各種實(shí)施例中，一些管可串聯(lián)流動(dòng)地(in series flow)配置在上環(huán)集管238和下環(huán)集管240之間。換熱器228包括入口 244和出口 246。入口 244聯(lián)接成與蒸汽鼓37的蒸汽部分248流動(dòng)連通。換熱器228構(gòu)造成從蒸汽鼓37接收飽和蒸汽流并且將熱能傳遞到接收的蒸汽，使得離開換熱器228的蒸汽流是過熱的。熱能通過耐火壁216從燃燒區(qū)214接收。過熱蒸汽指引到例如HRSG36(在圖I中示出)。
在操作期間，在燃燒區(qū)214中發(fā)生的燃燒或部分氧化過程釋放大量的熱。耐火壁216包含許多熱，用于在保持燃燒區(qū)214中的燃燒時(shí)使用和在下游過程中使用。一些熱能通過耐火壁216通過傳導(dǎo)傳遞。蒸汽鼓37中的蒸汽處于飽和狀態(tài)。為了使來自蒸汽鼓37的蒸汽更有用和從耐火壁216和殼體206之間移除不需要的熱，換熱器228接收通過耐火壁216傳遞的熱以使蒸汽過熱。圖3是根據(jù)本發(fā)明的示范實(shí)施例的環(huán)形過熱器換熱器228(在圖2中示出)的透視圖。在示范實(shí)施例中，換熱器228包括上環(huán)集管238、下環(huán)集管240和在其間延伸的多個(gè)換熱器管242。在一個(gè)實(shí)施例中，換熱器管242是包括在相鄰管之間的網(wǎng)或膜302的膜管，網(wǎng)或膜302防止在相鄰管之間的管的外部周圍流動(dòng)。換熱器228包括入口 244和出口 246。入口 244可聯(lián)接成與例如飽和蒸汽的源(未示出)流動(dòng)連通。換熱器228構(gòu)造成從源接收飽和蒸汽流并且將熱能傳遞到接收的蒸汽，使得離開換熱器228的蒸汽流是過熱的。熱能通過耐火壁216從燃燒區(qū)214接收。過熱蒸汽指引到例如諸如HRSG36(在圖I中示出)的熱回收蒸汽發(fā)生器。
使蒸汽過熱的方法和系統(tǒng)的以上描述的實(shí)施例提供成本有效且可靠的手段，用于從氣化器廢熱回收熱以使來自輻射合成氣冷卻器蒸汽鼓的飽和蒸汽過熱。更具體地，本文中描述的方法和系統(tǒng)便于從在氣化器中的燃燒區(qū)和氣化器的殼體之間的環(huán)形空間回收廢熱。另外，以上描述的方法和系統(tǒng)便于通過利用來自氣化器的回收廢熱改進(jìn)來自RSC的蒸汽的質(zhì)量而提高IGCC的效率。因此，本文中描述的方法和系統(tǒng)便于以成本有效且可靠的方式操作IGCC。該書面描述使用實(shí)例以公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制備和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何合并的方法。本發(fā)明的專利權(quán)范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所想到的其他實(shí)例。如果其他實(shí)例具有與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件或者如果其他實(shí)例包括與權(quán)利要求的字面語言并無實(shí)質(zhì)差別的等效結(jié)構(gòu)元件，則這些其他實(shí)例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氣化器，其包括 壓力容器，其包括大致柱形的殼體、上頭部和下頭部； 耐火壁，其與所述殼體大致同心并且從所述殼體徑向向內(nèi)隔開；和 過熱器換熱器，其安裝在所述殼體和所述耐火壁之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化器，其特征在于，所述換熱器包括上環(huán)集管、下環(huán)集管和在其間延伸的多個(gè)換熱器管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣化器，其特征在于，所述換熱器包括膜管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化器，其特征在于，所述換熱器包括入口和出口，所述入口聯(lián)接于蒸汽鼓的蒸汽部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化器，其特征在于，所述換熱器構(gòu)造成接收飽和蒸汽流并且將熱能傳遞到接收的蒸汽，使得離開所述換熱器的所述蒸汽流是過熱的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氣化器，其特征在于，所述換熱器構(gòu)造成將過熱蒸汽流指引到熱回收蒸汽發(fā)生器。
7.一種氣化器中的熱回收的方法，所述氣化器具有被耐火壁圍繞的燃燒區(qū)、圍繞所述耐火壁的壓力容器的殼體、和換熱器，所述方法包括 將所述換熱器設(shè)置在所述耐火壁和殼體之間的環(huán)形空間中； 在所述換熱器的入口處接收飽和蒸汽流； 由所述飽和蒸汽從所述燃燒區(qū)接收熱流，使得所述蒸汽是過熱的；和 利用所述過熱蒸汽從所述換熱器傳遞熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將所述換熱器設(shè)置在環(huán)形空間中包括將膜管換熱器設(shè)置在所述環(huán)形空間中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，將所述換熱器設(shè)置在環(huán)形空間中包括設(shè)置膜管換熱器，其包括至少部分地包圍所述耐火壁的上環(huán)集管和至少部分地包圍所述耐火壁的下環(huán)集管中的至少一個(gè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在所述換熱器的入口處接收飽和蒸汽流包括從輻射合成氣體冷卻器(RSC)的蒸汽鼓接收所述飽和蒸汽流。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述過熱蒸汽指引到熱回收蒸汽發(fā)生器。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述過熱蒸汽指引到渦輪。
13.一種氣化系統(tǒng)，其包括 氣化器，其具有大致柱形的殼體、上頭部和下頭部； 所述氣化器內(nèi)的燃燒器，所述燃燒器構(gòu)造成將燃燒產(chǎn)物指引到所述氣化器的出口通路； 燃料噴射系統(tǒng)，其構(gòu)造成將燃料噴射到所述燃燒器中； 耐火壁，其與所述殼體大致同心并且從所述殼體徑向向內(nèi)隔開；和 在所述殼體和所述耐火壁之間的過熱器換熱器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器包括上環(huán)集管、下環(huán)集管和在其間延伸的多個(gè)換熱器管。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器包括膜管。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器包括入口和出口，所述入口聯(lián)接成與輻射合成氣冷卻器(RSC)流動(dòng)連通。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器包括入口和出口，所述入口聯(lián)接成與蒸汽鼓的蒸汽部分流動(dòng)連通。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器構(gòu)造成接收飽和蒸汽流并且將熱能傳遞到接收的蒸汽，使得離開所述換熱器的所述蒸汽流是過熱的。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器構(gòu)造成將過熱蒸汽流指引到熱回收蒸汽發(fā)生器。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換熱器構(gòu)造成將過熱蒸汽流指引到渦輪。
全文摘要
提供用于回收氣化器(16)中的熱的方法和系統(tǒng)。氣化器包括壓力容器，其包括大致柱形的殼體(206)、上頭部(202)和下頭部(204)。氣化器還包括耐火壁(216)，其與殼體大致同心并且從殼體徑向向內(nèi)隔開；和過熱器換熱器(228)，其安裝在殼體和耐火壁之間。
文檔編號(hào)F22G1/06GK102822599SQ201180017906
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月5日
發(fā)明者B.C.施泰因豪斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司