專利名稱：混合反應(yīng)器進(jìn)料的方法和系統(tǒng)的制作方法
混合反應(yīng)器進(jìn)料的方法和系統(tǒng)
背景技術(shù)：
總體而言，本發(fā)明涉及氣化系統(tǒng)，具體而言，涉及用于將進(jìn)料注入氣化器的先 進(jìn)方法和設(shè)備。至少一些已知的氣化器將燃料、空氣或氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽和/或熔渣的混 合物轉(zhuǎn)化成部分氧化氣體的產(chǎn)出物，有時(shí)稱為“合成氣”。在整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC) 發(fā)電系統(tǒng)中，將合成氣供應(yīng)到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器，所述燃燒器為發(fā)電機(jī)提供動(dòng) 力，發(fā)電機(jī)將電力供應(yīng)給電力網(wǎng)絡(luò)。可將來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣供應(yīng)到產(chǎn)生蒸汽以 驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)的熱回收蒸汽發(fā)生器。由蒸汽渦輪機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力還驅(qū)動(dòng)為電力網(wǎng)絡(luò)提供 電力的發(fā)電機(jī)。通過將進(jìn)料源連接到進(jìn)料噴嘴的進(jìn)料注入器將燃料、空氣或氧氣、液態(tài)水和/ 或蒸汽和/或熔渣添加物自不同來源注入氣化器中。各進(jìn)料源單獨(dú)穿過進(jìn)料注入器并在 噴嘴下游的反應(yīng)區(qū)中連接在一起。為了使反應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成，使進(jìn)料駐留在反應(yīng)區(qū) 中，需要進(jìn)行進(jìn)料各組分的緊密混合。至少一些已知的氣化進(jìn)料注入器包括以高速噴射 進(jìn)料組分以促使霧化，然而，這類方法減少可用的反應(yīng)時(shí)間并趨于抑制完全反應(yīng)。發(fā)明概述在一個(gè)實(shí)施方案中，進(jìn)料注入器系統(tǒng)包括圍繞縱軸基本同心的多個(gè)環(huán)形通道和 旋流構(gòu)件，所述環(huán)形通道引導(dǎo)流體從各自的源經(jīng)其基本軸向地流到反應(yīng)區(qū)，所述旋流構(gòu) 件延伸入限定在所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)中的流體流動(dòng)路徑，所述旋流構(gòu)件經(jīng)構(gòu) 造以對流過所述至少一個(gè)環(huán)形通道的流體賦予圓周流向。在另一實(shí)施方案中，組裝氣化器進(jìn)料注入器的方法包括提供圍繞縱軸具有第一 外徑的第一進(jìn)料管道，所述第一管道包括供料端、出料端和在其間延伸的長度，和提供 具有第一內(nèi)徑的第二進(jìn)料管道，所述第二管道包括供料端、出料端和在其間延伸的長 度。所述方法還包括在沿第一管道的長度的某位置處將具有槳葉狀體的旋流構(gòu)件與第一 管道的外表面連接，所述旋流構(gòu)件相對于縱軸以斜角沿第一管道的外表面延伸并將第一 管道插入第二管道，以使得第一管道與第二管道基本同心對準(zhǔn)。在又一實(shí)施方案中，氣化系統(tǒng)包括用于使燃料部分氧化的壓力容器和經(jīng)構(gòu)造以 將燃料注入所述壓力容器的進(jìn)料注入器，其中所述進(jìn)料注入器還包括引導(dǎo)流體從各自的 源經(jīng)其基本軸向地流到反應(yīng)區(qū)的多個(gè)環(huán)形流道和延伸入限定在所述多個(gè)環(huán)形通道中的至 少一個(gè)中的流體流動(dòng)路徑的旋流構(gòu)件，所述旋流構(gòu)件經(jīng)構(gòu)造以對流過所述至少一個(gè)環(huán)形 通道的流體賦予圓周流向。附圖簡述

圖1為示例性已知整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖；圖2為可與圖1所示的系統(tǒng)一起使用的先進(jìn)固體去除氣化器的示例性實(shí)施方案的 示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案圖2所示的進(jìn)料注入器的放大橫截面圖；圖4為沿視線4-4得到的圖3所示的進(jìn)料注入器的橫截面圖5A、5B和5C為可與圖2中所示的進(jìn)料注入器208 —起使用的示例性旋流構(gòu) 件的側(cè)視圖；圖6為利用發(fā)散尖端(diverging tip)構(gòu)造的注入器出口部分的橫截面圖；和圖7為改進(jìn)之后圖6中的注入器出口部分的橫截面圖。發(fā)明詳述以下詳細(xì)說明舉例但并非限制地說明了本發(fā)明。該描述清楚地能夠使本領(lǐng)域 的技術(shù)人員明白并使用本發(fā)明，描述了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方案、改進(jìn)、變化、替代和用 途，包括當(dāng)前認(rèn)為是實(shí)施本發(fā)明的最佳方式者。將本發(fā)明描述為以優(yōu)選的實(shí)施方案實(shí) 施，即，將進(jìn)料注入反應(yīng)器的系統(tǒng)和方法。然而，預(yù)期本發(fā)明對于工業(yè)、商業(yè)和住宅應(yīng) 用中的管線系統(tǒng)具有通用應(yīng)用。圖1為示例性整體氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電系統(tǒng)50的示意圖。IGCC系統(tǒng)50 通常包括主要空氣壓縮機(jī)52、與壓縮機(jī)52流體連通連接的空氣分離單元54、與空氣分離 單元54流體連通連接的氣化器56、與氣化器56流體連通連接的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10和蒸 汽渦輪機(jī)58。操作中，壓縮機(jī)52壓縮環(huán)境空氣。將壓縮空氣導(dǎo)引到空氣分離單元54。 在一些實(shí)施方案中，除了壓縮機(jī)52以外或者作為壓縮機(jī)52的替代，可將來自燃?xì)鉁u輪發(fā) 動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)12的壓縮空氣供應(yīng)到空氣分離單元54?？諝夥蛛x單元54使用壓縮空氣產(chǎn)生 供氣化器56使用的氧氣。更具體地講，空氣分離單元54將壓縮空氣分成單獨(dú)的氧氣流 和氣體副產(chǎn)物(有時(shí)稱為“工藝氣體”)流?？諝夥蛛x單元54產(chǎn)生的工藝氣體包含氮?dú)?且在本文中將被稱為“氮?dú)夤に嚉怏w”。所述氮?dú)夤に嚉怏w還可包含其他氣體，例如但 不限于氧氣和/或氬氣。例如，在一些實(shí)施方案中，所述氮?dú)夤に嚉怏w包含約95%-約 100%的氮?dú)狻⒀鯕饬鲗?dǎo)引到氣化器56中以用于產(chǎn)生本文中稱為“合成氣”的部分燃 燒的氣體，如下文更詳細(xì)地描述，所述合成氣作為燃料供燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10使用。在一 些已知的IGCC系統(tǒng)50中，至少一些氮?dú)夤に嚉饬?空氣分離單元54的副產(chǎn)物)排放到 大氣中。此外，在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，將一些氮?dú)夤に嚉饬髯⑷肴細(xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)燃燒器14內(nèi)的燃燒區(qū)(未示出)中以有利于控制發(fā)動(dòng)機(jī)10的排放，且更具體地說，有 利于降低燃燒溫度并降低來自發(fā)動(dòng)機(jī)10的一氧化氮排放。IGCC系統(tǒng)50可包括在將氮?dú)?工藝氣流注入燃燒區(qū)之前將其壓縮的壓縮機(jī)60。氣化器56將燃料、由空氣分離單元54供應(yīng)的氧氣、液態(tài)水和/或蒸汽和/或熔 渣添加物的混合物轉(zhuǎn)化成合成氣輸出物以作為燃料供燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10使用。雖然氣化 器56可使用任何燃料，但在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，氣化器56使用煤、石油焦炭、 殘油、油乳液、焦油砂和/或其他類似燃料。在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，由氣化器 56產(chǎn)生的合成氣包含二氧化碳。由氣化器56產(chǎn)生的合成氣可以在導(dǎo)引到用于使其燃燒的 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器14之前在凈化設(shè)備62中清潔。二氧化碳可在凈化期間從合成氣 中分離，且在一些已知的IGCC系統(tǒng)50中，二氧化碳排放到大氣中。來自燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)10的動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)為電力網(wǎng)絡(luò)(未示出)供應(yīng)電力的發(fā)電機(jī)64。將來自燃?xì)鉁u輪發(fā) 動(dòng)機(jī)10的排氣供應(yīng)到產(chǎn)生蒸汽以驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)58的熱回收蒸汽發(fā)生器66。由蒸汽渦 輪機(jī)58產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為電力網(wǎng)絡(luò)提供電力的發(fā)電機(jī)68。在一些已知的IGCC系統(tǒng)50 中，將來自熱回收蒸汽發(fā)生器66的蒸汽供應(yīng)到氣化器56以產(chǎn)生合成氣。在其他已知的 IGCC系統(tǒng)50中，使用由合成氣產(chǎn)生而生成的熱能以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)58的額外蒸汽。圖2為可與系統(tǒng)50 (圖1中示出)一起使用的先進(jìn)固體去除氣化器200的示例性 實(shí)施方案的示意圖。在所述示例性實(shí)施方案中，氣化器200包括上殼體202、下殼體204 和在其間延伸的基本圓筒形容器體206。進(jìn)料注入器208穿透上殼體202或容器體206以 導(dǎo)引燃料流進(jìn)入氣化器200。燃料經(jīng)進(jìn)料注入器208中的一個(gè)或多個(gè)通路傳輸并離開以 預(yù)定模式212將燃料引導(dǎo)到氣化器200中的燃燒區(qū)214中的噴嘴210。燃料可在進(jìn)入噴 嘴210之前與其他物質(zhì)混合，或可在自噴嘴210離開時(shí)與其他物質(zhì)混合。例如，燃料可 在進(jìn)入噴嘴210之前與自系統(tǒng)50的工藝回收的細(xì)屑混合以增加燃料的總轉(zhuǎn)化率和/或與 熔渣添加物混合以改善所有燃料灰分的熔融行為，并且燃料可在噴嘴210處或噴嘴210的 下游與氧化劑(如空氣或氧氣)混合。在所述示例性實(shí)施方案中，燃燒區(qū)214為與噴嘴210共同對準(zhǔn)且串聯(lián)流體連通的 垂直取向的基本圓筒形空間。燃燒區(qū)214的外部周邊由包含結(jié)構(gòu)底材如耐熱鎳鉻鐵合金 (Incoloy)管道218和經(jīng)構(gòu)造以耐受燃燒區(qū)214內(nèi)相對高溫和高壓內(nèi)含物的影響的耐火涂 層220的耐火壁216限定。耐火壁216的出口端222包括經(jīng)構(gòu)造以保持燃燒區(qū)214中的 預(yù)定背壓同時(shí)允許燃燒區(qū)214中產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物和合成氣離開燃燒區(qū)214的會(huì)聚出口噴嘴 224。燃燒產(chǎn)物包括氣態(tài)副產(chǎn)物、耐火涂層220上通常形成的熔渣和氣態(tài)副產(chǎn)物懸浮攜帶 的細(xì)小微粒。在離開燃燒區(qū)214之后，可流動(dòng)的熔渣和固體熔渣受重力影響而落入下殼體204 中的固體驟冷池226。固體驟冷池226保持有將可流動(dòng)熔渣驟冷成可在從氣化器200中 除去時(shí)破碎成小塊的脆性固體材料的水量。固體驟冷池226還截留離開燃燒區(qū)214的約 90%的細(xì)小微粒。在所述示例性實(shí)施方案中，環(huán)形第一通路228至少部分環(huán)繞燃燒區(qū)214。第一 通路228的內(nèi)部周邊由耐火壁216限定且在第一通路228的徑向外部周邊由與燃燒區(qū)214 同軸對準(zhǔn)的圓筒形殼體230限定。第一通路228的頂端由上法蘭232封閉。氣態(tài)副產(chǎn)物 和剩余10%的細(xì)小微粒從燃燒區(qū)214中的向下方向234導(dǎo)引到第一通路228中的向上方向 236。在出口噴嘴224處迅速改變方向有利于細(xì)小微粒和熔渣從氣態(tài)副產(chǎn)物中分離。氣態(tài)副產(chǎn)物和剩余10%的細(xì)小微粒向上經(jīng)第一通路228傳輸?shù)降谝煌烦隹?238。在經(jīng)第一通路228傳輸氣態(tài)副產(chǎn)物期間，可從氣態(tài)副產(chǎn)物和細(xì)小微粒回收熱。例 如，氣態(tài)副產(chǎn)物在約2500° F的溫度下進(jìn)入第一通路228，在離開第一通路228時(shí)，氣態(tài) 副產(chǎn)物的溫度為約1800° F。氣態(tài)副產(chǎn)物和細(xì)小微粒經(jīng)第一通路出口 238離開第一通路 228進(jìn)入第二環(huán)形通路240，在其中將氣態(tài)副產(chǎn)物和細(xì)小微粒重新定向?yàn)橄蛳铝鲃?dòng)方向。 隨著氣態(tài)副產(chǎn)物流和細(xì)小微粒經(jīng)第二通路240傳輸，可使用例如過熱管242從氣態(tài)副產(chǎn)物 流和細(xì)小微?；厥諢幔鲞^熱管242從氣態(tài)副產(chǎn)物流和細(xì)小微粒移出熱并將所述熱轉(zhuǎn) 移到流經(jīng)熱管242的內(nèi)部通路的蒸汽。例如，氣態(tài)副產(chǎn)物在約1800° F的溫度下進(jìn)入第 二通路240且在約1500° F的溫度下離開第二通路240。當(dāng)氣態(tài)副產(chǎn)物流和細(xì)小微粒到 達(dá)緊鄰下殼體204的第二通路240的底端244時(shí)，第二通路240向固體驟冷池226會(huì)聚。 在底端244，氣態(tài)副產(chǎn)物流和細(xì)小微粒以向上方向?qū)б┻^冷卻氣態(tài)副產(chǎn)物流和細(xì)小微粒 的水霧246。從氣態(tài)副產(chǎn)物流和細(xì)小微粒移出的熱會(huì)使水霧246蒸發(fā)并使細(xì)小微粒結(jié)塊， 使得細(xì)小微粒形成相對較大的灰分塊落入下殼體204。氣態(tài)副產(chǎn)物流和剩余細(xì)小微粒以相反方向?qū)б⒁龑?dǎo)到多孔板248下側(cè)，該板形成限制底端244的環(huán)形塔板。在多孔板248 之上保持水量以提供用于從氣態(tài)副產(chǎn)物流除去額外細(xì)小微粒的接觸介質(zhì)。隨著氣態(tài)副產(chǎn) 物流和剩余細(xì)小微粒向上滲流穿過多孔板248中的孔眼，細(xì)小微粒與水接觸，俘獲在水 浴中并向下攜帶穿過孔眼進(jìn)入下殼體204中的水坑中。固體驟冷池226底部和下殼體204 之間的間隙250允許細(xì)小微粒流過固體驟冷池226，在其中將細(xì)小微粒從氣化器200中除 去。夾帶物分離器254環(huán)繞多孔板248之上的下殼體204的上端和多孔板248之上的 水量。夾帶物分離器254例如可為旋風(fēng)分離器或離心分離器，其包括對氣態(tài)副產(chǎn)物和剩 余細(xì)小微粒賦予旋流運(yùn)動(dòng)的切向入口或旋轉(zhuǎn)葉片。微粒因離心力而向外甩到分離器壁， 其中細(xì)小微粒聚結(jié)并且沿分離器下殼體204的壁落下。另外，使用線網(wǎng)形成篩墊，其中 剩余細(xì)小微粒撞擊在篩墊表面上，借助于水霧與其他浙干的微粒結(jié)塊，由于重力降到下 殼體204。此外，夾帶物分離器可為槳葉型，例如波浪形分離器或撞擊分離器。在波浪 形分離器中，氣態(tài)副產(chǎn)物在槳葉之間經(jīng)過并迫使以Z形模式前進(jìn)。夾帶微粒和任何液滴 不能跟隨氣體流線，因此它們撞擊在槳葉表面上，結(jié)塊并回落到下殼體204中?？蓪⑻?定特征如“鉤”和“袋”加到槳葉側(cè)面上以有利于改善微粒和液滴捕獲。波浪形柵板 可彼此層疊或傾斜以提供一系列分離級聯(lián)。當(dāng)氣態(tài)副產(chǎn)物和細(xì)小微粒通過彎曲槳葉時(shí)撞 擊分離器產(chǎn)生氣旋運(yùn)動(dòng)，賦予旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將夾帶微粒和任何液滴引導(dǎo)到容器壁，在其中 收集夾帶微粒和任何液滴并將它們引導(dǎo)到下殼體204。氣態(tài)副產(chǎn)物流和任何剩余的細(xì)小微粒進(jìn)入分離器254，在其中基本所有的剩余夾 帶微粒和任何液滴都從氣態(tài)副產(chǎn)物流中除去。氣態(tài)副產(chǎn)物流經(jīng)出口 256離開氣化器以便 進(jìn)一步處理。圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案進(jìn)料注入器208(圖2中示出)的放大橫截面 圖。在所述示例性實(shí)施方案中，進(jìn)料注入器208包括具有縱軸303的中心進(jìn)料流管路302 和通常圍繞縱軸303同心的環(huán)形進(jìn)料流管路304和306，所述環(huán)形進(jìn)料流管路304和306 在噴嘴210的出口端308會(huì)集以形成出口孔310。在操作期間，燃料注入器208經(jīng)管路304提供含碳燃料的進(jìn)料流且經(jīng)由管路302 和306提供第一氧化劑流和第二氧化劑流。在一個(gè)供選的實(shí)施方案中，管路304提供固 體含碳燃料的可泵送液相漿料如煤_水漿料。含氧氣體和含碳漿料流在距通常緊鄰于噴 嘴出口端308的燃料注入器噴嘴210的出口孔310預(yù)定距離處合并以形成反應(yīng)區(qū)(未圖 示)，其中形成的燃料流自燃。燃料流的自燃通過合并燃料流在自噴嘴出口孔310離開 時(shí)分解或霧化而增強(qiáng)。這種霧化促進(jìn)產(chǎn)物反應(yīng)和放熱，這是氣化過程所需要的。因此， 非常接近于燃料注入器噴嘴210的出口端308的反應(yīng)區(qū)的特點(diǎn)在于強(qiáng)熱，溫度范圍為約 2100° F-3000。F。為了充分推動(dòng)反應(yīng)區(qū)的物流以形成遠(yuǎn)離噴嘴出口孔310的距離，使 物流以相對高的速度從管路302、304和306排出。使用燃料、氧化劑和任何其他進(jìn)料流 的有力混合來進(jìn)一步增強(qiáng)霧化。將旋流構(gòu)件312安置在分別限定在管路302內(nèi)、管路304 和302之間和管路304和306之間的流體流動(dòng)通道314、316、318中的至少一些中。旋流構(gòu)件312包括在流體流動(dòng)方向319上的長度317和寬度320。在所述示例性 實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312與管路302或304中的一個(gè)或多個(gè)的外表面連接。另外，旋流 構(gòu)件312可與可插入中心進(jìn)料流管路302中的中心體321連接，使得中心體321與軸303基本對準(zhǔn)。旋流構(gòu)件312相對于軸303傾斜對準(zhǔn)，使得軸向319的流體流動(dòng)圍繞遇到旋 流構(gòu)件312的各自的通道在圓周上引導(dǎo)。流體流動(dòng)中的旋流有助于在孔310和孔310的 下游使流體霧化。所述霧化幫助自燃且通過例如但不限于增加緊鄰氧化劑的顆粒駐留時(shí) 間以改善碳轉(zhuǎn)化而促進(jìn)燃料的更完全氧化。在一個(gè)供選的實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312連 接或形成在一個(gè)或多個(gè)管路302、304或306的內(nèi)表面上。在又一實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件 312作為通過任何合適方式內(nèi)部固定就位至管路302、304和306中或外部固定就位至管路 302和304的可替換或部分可替換的插入件而制造或形成。在又一實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件 312還可設(shè)計(jì)用來限制兩個(gè)或更多個(gè)管路的相對運(yùn)動(dòng)，因此幫助確保注入器的適當(dāng)內(nèi)部對 準(zhǔn)和操作，例如可能受到在組裝期間結(jié)合沿與旋流構(gòu)件312接合的管路內(nèi)徑或外徑的突 出表面或平臺影響，以使得所述突出表面或平臺的相應(yīng)內(nèi)徑或外徑分別比組裝和拆卸期 間旋流構(gòu)件312所越過管路的表面的直徑更小或更大。在所述示例性實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312在流動(dòng)方向319上作為相對短的槳葉形 成。在一個(gè)供選的實(shí)施方案，旋流構(gòu)件312形成為基本等于管路302、304和306的相關(guān) 者的長度。在另一供選的實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312形成為具有預(yù)定中間長度，以對流 過各自的通道的流體賦予所要圓周速度分量。在一個(gè)實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312的前邊 緣和/或后邊緣彎曲以有利于流體流動(dòng)經(jīng)過旋流構(gòu)件312。在所述示例性實(shí)施方案中，多 個(gè)旋流構(gòu)件312的組322沿相關(guān)通道的長度以單一軸向位置在圓周上間隔。在其他實(shí)施 方案中，多組旋流構(gòu)件312可沿管路302的長度圍繞軸向間隔的相關(guān)通道在圓周上間隔。 旋流構(gòu)件312或旋流構(gòu)件312的組322可沿相關(guān)通道的長度等距安置或可在預(yù)定位置處間 隔以有利于對流過各自的通道的流體賦予所要圓周速度分量。在另一實(shí)施方案中，中心 體321包括連桿324，連桿324與中心線303重合對準(zhǔn)且使用例如但不限于位于管路302 的供料端326且與管路302的供料端326可移動(dòng)式連接的管件或盲法蘭328從進(jìn)料注入器 208的管路302的供料端326懸垂。連桿324還可包括中心體321的伸出部。連桿324 可手動(dòng)或使用致動(dòng)器330、位置傳感器332和控制器334軸向控制，使得中心體321和旋 流器312的軸向位置可在操作氣化器56期間改變。為了有利于使旋流構(gòu)件312的表面與 管路302、304和306的結(jié)合減至最小，可將適當(dāng)?shù)臍怏w或液體導(dǎo)引到旋流構(gòu)件312和/或 管路302、304和306或通道314、316和318的所選表面以充當(dāng)潤滑劑。在一個(gè)供選的 實(shí)施方案中，可用一種或多種適當(dāng)?shù)淖詽櫥虻湍ゲ敛牧贤扛埠?或制造旋流構(gòu)件312、 管路302、304或306和/或通道314、316和318的表面中的一個(gè)或多個(gè)。圖4為沿視線4_4(圖3中示出)得到的進(jìn)料注入器208的橫截面圖。在所述示 例性實(shí)施方案中，進(jìn)料注入器208包括同心對準(zhǔn)的所示管路302、304和306。管路302、 304和306限定燃料和/或氧化劑流經(jīng)其的流動(dòng)通道314、316和318。通道314包括與 中心體321連接的多個(gè)旋流構(gòu)件312。在所述示例性實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312不與管路 302連接，而是與管路302的表面摩擦接合以保持在通道314中的穩(wěn)定位置，同時(shí)便于制 造注入器208。通道318包括與管路304的外表面徑向連接的多個(gè)旋流構(gòu)件312。在所述示例性 實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312不與管路306連接，而是與管路306的表面摩擦接合以保持在 通道318中的穩(wěn)定位置，同時(shí)便于制造注入器208。在制造期間，預(yù)定數(shù)量的旋流構(gòu)件 312可圍繞中心體321在圓周上間隔地與中心體321連接。中心體321插入通道314中并固定在預(yù)定位置。類似地，預(yù)定數(shù)量的旋流構(gòu)件312可圍繞管路304在圓周上間隔地與 管路304連接。管路304插入通道318中并固定在預(yù)定位置。通道314和通道318中的旋流構(gòu)件312引起各自的通道中流動(dòng)的流體如氧氣的 切向速度。在所述示例性實(shí)施方案中，通道314和通道318中的旋流方向?yàn)槟嫦嗖⒘?(counter-cocurrent)，例如通道314中的第一旋流方向402可處于逆時(shí)針方向，通道318 中的第二旋流方向可取向?yàn)轫槙r(shí)針方向404。交替流動(dòng)流形式的流體逆相并流有利于增 加氧氣流與煤漿膜之間的剪切應(yīng)力以形成較小液滴尺寸。因?yàn)轭w粒軌道按照螺旋狀路徑 而不是直線路徑，所以增加了有效駐留時(shí)間。在各種其他實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)旋流 器致動(dòng)器402與旋流構(gòu)件312連接，使得可從氣化器56外部控制旋流構(gòu)件312的節(jié)距或 位置。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)旋流構(gòu)件312與各自的旋流器致動(dòng)器406連接。 在另一實(shí)施方案中，旋流構(gòu)件312與單個(gè)旋流器致動(dòng)器406接合，所述單個(gè)旋流器致動(dòng)器 406經(jīng)構(gòu)造以控制與單個(gè)旋流器致動(dòng)器406連接的旋流構(gòu)件312的節(jié)距或位置。旋流器致 動(dòng)器406與可基本類似于連桿324的致動(dòng)器桿(未圖示)連接。所述致動(dòng)器桿可貫穿上 殼體202以允許使用例如但不限于位于管路302的供料端326且與管路302的供料端326 可移動(dòng)式連接的管件或盲法蘭328從氣化器56外部控制旋流器致動(dòng)器406。圖5A、5B和5C為可與進(jìn)料注入器208 (圖2中示出)一起使用的示例性旋流構(gòu) 件的側(cè)視圖。在所述示例性實(shí)施方案中，中心體502通常以圓筒形管路(conduit)、管道 (pipe)或?qū)Ч?duct)(圖5A-C中未示出)延伸距離504。中心體502可包括不導(dǎo)引流動(dòng) 的實(shí)心或空心構(gòu)件或可為導(dǎo)引其中流動(dòng)的管路。細(xì)長槳葉506圍繞中心體502的外表面 沿弓形路徑508與中心體502連接。弓形路徑508相對于中心體502的縱軸510傾斜對 準(zhǔn)。如圖5B中所圖示，旋流構(gòu)件可包括沿中心體502間隔的多個(gè)相對較短的槳葉512。 在所述示例性實(shí)施方案中，槳葉512圍繞中心體502沿螺旋狀路徑間隔。在一個(gè)供選的 實(shí)施方案中，所述槳葉根據(jù)預(yù)定模式安置，所述預(yù)定模式有利于使進(jìn)料旋流穿越各自的 管路。槳葉512可僅部分延伸入相應(yīng)管路或可延伸到鄰近管路的內(nèi)表面。在另一供選的 實(shí)施方案中，多個(gè)槳葉可組織成在圍繞中心體502基本類似軸向位置處圍繞中心體502在 圓周上間隔的槳葉組514。組514可在預(yù)定位置處軸向間隔，這對流經(jīng)相應(yīng)管路的進(jìn)料賦 予預(yù)定量的旋流或圓周流動(dòng)分量。圖6為包括可與氣化器200 (圖2中示出)一起使用的發(fā)散尖端602的注入器600 的側(cè)視圖。在所述示例性實(shí)施方案中，注入器600包括在徑向內(nèi)部管路606與徑向外部 管路608之間形成的發(fā)散環(huán)形通道604。為了實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)穿過通道604的流體流動(dòng)動(dòng)量的所 需向外徑向分量，緊鄰尖端602的管路606和徑向外部管路608的曲度和程度可使得注入 器600可能難以制造和維修，因?yàn)樾纬晒苈?06的內(nèi)部尖端不能插入管路608的內(nèi)徑610 中或從管路608的內(nèi)徑610除去。圖7為包括可與氣化器200 (圖2中示出)一起使用的發(fā)散尖端702的注入器700 的側(cè)視圖。在所述示例性實(shí)施方案中，注入器700包括在徑向內(nèi)部管路706與徑向外部 管路708之間形成的發(fā)散環(huán)形通道704。為了實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)穿過通道704的流體流動(dòng)動(dòng)量的 所需向外徑向分量，可沿管路706的徑向外表面安置旋流構(gòu)件710。或者，可沿管路708 的徑向內(nèi)表面安置旋流構(gòu)件712。流體流動(dòng)的額外圓周分量足以實(shí)現(xiàn)流體流動(dòng)動(dòng)量的所需 向外徑向分量，而不必充分延長內(nèi)部管路706以影響管路708的內(nèi)徑714。在安裝或維修期間，管路706能夠從管路708的入口端除去。在包括發(fā)散尖端的注入器中，當(dāng)形成流體流動(dòng)通道的內(nèi)部管路的外徑和/或來 自所述內(nèi)部管路的外表面的突出部大于形成這種流體流動(dòng)通道的下一較大管路的內(nèi)表面 的相應(yīng)內(nèi)徑時(shí)，可能難以組裝和檢修進(jìn)料注入器。在這種情況下可使用旋流構(gòu)件以引發(fā) 相應(yīng)流體流動(dòng)動(dòng)量的徑向分量，允許在發(fā)散尖端使用改進(jìn)和/或不太尖銳的角，由此克 服組裝和檢修中的困難。旋流構(gòu)件可進(jìn)一步經(jīng)構(gòu)造以使得在流經(jīng)各通道的相對流體方面 沒有改變或有有限的改變。另外，旋流構(gòu)件可用于鄰近流動(dòng)通道中以幫助降低或增大混 合期間相應(yīng)流體的凈角動(dòng)量。本文所用的“流體”是指可流動(dòng)的任何組合物，例如但不限于半固體、糊劑、 溶液、水性混合物、凝膠、洗液、乳膏、分散體、乳液、泡沫體、懸浮液、微乳液、氣 體、蒸氣及其他此類組合物。將進(jìn)料注入反應(yīng)器的上述方法和系統(tǒng)是成本有效且高度可靠的。所述方法和系 統(tǒng)有利于使進(jìn)料霧化，引起顆粒駐留時(shí)間增加以改善碳轉(zhuǎn)化，促進(jìn)燃料自燃和更完全氧 化。因此，所述方法和系統(tǒng)有利于以成本有效且可靠的方式來操作部分氧化系統(tǒng)。雖然已關(guān)于各種具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)該認(rèn)識到，本發(fā)明可用在權(quán) 利要求書的精神和范圍內(nèi)的變體來實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種進(jìn)料注入器系統(tǒng)，其包括圍繞縱軸基本同心的多個(gè)環(huán)形通道，所述環(huán)形通道限定引導(dǎo)流體從各自的源經(jīng)其基 本軸向地流到反應(yīng)區(qū)的相應(yīng)流體流動(dòng)路徑；和延伸入限定在所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)中的流體流動(dòng)路徑的旋流構(gòu)件，所述 旋流構(gòu)件經(jīng)構(gòu)造以對流過所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)的流體賦予圓周流向。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述旋流構(gòu)件包括相對于所述縱軸傾斜地延伸入所述多個(gè) 環(huán)形通道中的至少一個(gè)的體。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)基本同心的環(huán)形通道包括圍繞縱軸基本為圓筒狀的第一管路，所述第一管路包括徑向外表面和徑向內(nèi)表面， 所述第一管路還包括供料端、出料端和在其間延伸的長度；至少部分在所述第一管路內(nèi)并與所述第一管路基本同心對準(zhǔn)的第二管路，所述第二 管路圍繞所述縱軸基本為圓筒狀，所述第二管路包括徑向外表面和徑向內(nèi)表面，所述第 二管路還包括供料端、出料端和在其間延伸的長度。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述旋流構(gòu)件包括自所述第一管路的所述內(nèi)表面向內(nèi)徑 向延伸入所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)的體，所述旋流構(gòu)件相對于所述縱軸螺旋形延 伸。
5.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述旋流構(gòu)件包括自所述第二管路的所述外表面向外徑 向延伸入所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)的體，所述旋流構(gòu)件相對于所述縱軸螺旋形延伸。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括圍繞所述多個(gè)通道中的至少一個(gè)在圓周上間 隔的多個(gè)旋流構(gòu)件，所述旋流構(gòu)件相對于所述縱軸傾斜對準(zhǔn)。
7.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)包括圍繞所述多個(gè)通道中的兩個(gè)在圓周上間隔的 多個(gè)旋流構(gòu)件，第一通道中的所述旋流構(gòu)件相對于所述縱軸傾斜對準(zhǔn)，第二通道中的所 述旋流構(gòu)件在與所述第一通道中的旋流構(gòu)件相反的方向上傾斜對準(zhǔn)。
8.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述旋流構(gòu)件包括與所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)形成 整體且向外延伸入所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)有所述至少一個(gè)通道的相當(dāng)長度的細(xì) 長槳葉。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述旋流構(gòu)件沿螺旋狀路徑和具有可變節(jié)距的螺旋狀路徑 中的至少一者排列。
10.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述旋流構(gòu)件包括向外延伸入所述多個(gè)環(huán)形通道中的至 少一個(gè)的多個(gè)槳葉，所述槳葉中的至少一些在螺旋狀路徑中排列，相對于所述螺旋狀路 徑中的鄰近旋流構(gòu)件軸向且圓周上間隔。
11.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其還包括與所述旋流構(gòu)件連接的致動(dòng)器，所述致動(dòng)器經(jīng)構(gòu)造 以在所述多個(gè)環(huán)形通道中的相應(yīng)者中軸向移動(dòng)所述旋流構(gòu)件。
12.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其還包括與一個(gè)或多個(gè)所述旋流構(gòu)件連接的致動(dòng)器，所述致 動(dòng)器經(jīng)構(gòu)造以旋轉(zhuǎn)所述一個(gè)或多個(gè)旋流構(gòu)件，以便改變所述旋流構(gòu)件相對于所述縱軸的 節(jié)距。
13.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其還包括具有第一徑向向外發(fā)散尖端的第一管路；和圍繞所述第一管路的縱軸同心對準(zhǔn)且自所述第一管路徑向向外形成所述多個(gè)環(huán)形通 道中的至少一個(gè)的第二管路；其中緊鄰所述尖端的所述第一管路的徑向外徑小于第二管路的內(nèi)徑，使得所述尖端 可軸向移動(dòng)通過所述第二管路。
14.權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中第二發(fā)散尖端具有所述第一管路緊鄰所述尖端的徑向外 徑，所述徑向外徑大于所述第二管路的內(nèi)徑，使得在軸向穿過所述第二管路除去所述第 一管路期間所述第一管路的所述尖端受所述第二管路內(nèi)徑影響，所述第二發(fā)散尖端賦予 離開所述尖端的流體第一有角軌道，且其中所述第一發(fā)散尖端賦予使用旋流器離開所述 第一發(fā)散尖端的流體有角軌道，所述有角軌道基本等于離開所述第二發(fā)散尖端的流體的 有角軌道。
15.一種組裝氣化器進(jìn)料注入器的方法，所述方法包括提供圍繞縱軸的具有第一外徑的第一進(jìn)料管道，所述第一管道包括供料端、出料端 和在其間延伸的長度；提供具有第一內(nèi)徑的第二進(jìn)料管道，所述第二管道包括供料端、出料端和在其間延 伸的長度；在沿所述第一管道和所述第二管道中的至少一個(gè)的長度的某位置處提供旋流構(gòu)件， 所述旋流構(gòu)件相對于所述縱軸以斜角沿所述第一管道和第二管道中的至少一個(gè)的表面延 伸；和使所述第一管道插入所述第二管道中，使得所述第一管道與所述第二管道基本同心 對準(zhǔn)。
16.權(quán)利要求15的方法，其中提供旋流構(gòu)件包括連接具有與所述第二管道的內(nèi)表面連 接的槳葉狀體的旋流構(gòu)件和連接具有與所述第一管道的外表面連接的槳葉狀體的旋流構(gòu) 件中的至少一者。
17.權(quán)利要求15的方法，其中提供旋流構(gòu)件包括提供在所述第一管道的外表面中整體 形成的具有槳葉狀體的旋流構(gòu)件。
18.權(quán)利要求15的方法，其中提供旋流構(gòu)件包括提供在所述第二管道的內(nèi)表面中整體 形成的具有槳葉狀體的旋流構(gòu)件。
19.權(quán)利要求15的方法，其中提供旋流構(gòu)件包括連接沿圍繞所述第一管道和所述第二 管道中的至少一者的螺旋狀路徑的旋流構(gòu)件。
20.權(quán)利要求19的方法，其中連接沿圍繞所述第一管道和所述第二管道中的至少一者 的螺旋狀路徑的旋流構(gòu)件包括連接沿圍繞所述第一管道和所述第二管道中的至少一者具 有可變節(jié)距的螺旋狀路徑的旋流構(gòu)件。
21.權(quán)利要求15的方法，其中提供旋流構(gòu)件包括連接沿圍繞所述第一管道和所述第二 管道中的至少一者的螺旋狀路徑鄰近排列的多個(gè)旋流構(gòu)件。
22.權(quán)利要求15的方法，其中連接沿圍繞所述第一管道和所述第二管道中的至少一者 的螺旋狀路徑鄰近排列的多個(gè)旋流構(gòu)件包括連接沿圍繞所述第一管道和所述第二管道中 的至少一者具有可變節(jié)距的螺旋狀路徑的旋流構(gòu)件。
23.權(quán)利要求15的方法，其還包括使用與所述一個(gè)或多個(gè)旋流構(gòu)件連接的致動(dòng)器改變 一個(gè)或多個(gè)旋流構(gòu)件的軸向位置。
24. —種氣化系統(tǒng)，其包括用于使燃料部分氧化的壓力容器；經(jīng)構(gòu)造以將燃料注入所述壓力容器的進(jìn)料注入器；其中所述進(jìn)料注入器還包括限定引導(dǎo)流體從各自的源經(jīng)其基本軸向地流到反應(yīng)區(qū)的相應(yīng)流體流動(dòng)路徑的多個(gè)環(huán) 形通道；和延伸入限定在所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)中的所述流體流動(dòng)路徑的旋流構(gòu)件， 所述旋流構(gòu)件經(jīng)構(gòu)造以對流過所述至少一個(gè)環(huán)形通道的流體賦予圓周流向。
全文摘要
本發(fā)明提供關(guān)于進(jìn)料注入器的方法和系統(tǒng)。所述進(jìn)料注入器系統(tǒng)包括圍繞縱軸基本同心的多個(gè)環(huán)形通道。所述多個(gè)環(huán)形通道引導(dǎo)流體自各自的源經(jīng)其基本軸向地流到反應(yīng)區(qū)。所述進(jìn)料注入器系統(tǒng)還包括延伸入限定在所述多個(gè)環(huán)形通道中的至少一個(gè)中的流體流動(dòng)路徑的旋流構(gòu)件，其中所述旋流構(gòu)件經(jīng)構(gòu)造以對流過所述至少一個(gè)環(huán)形通道的流體賦予圓周流向。
文檔編號F01K23/06GK102015972SQ200980116056
公開日2011年4月13日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月30日
發(fā)明者A·J·阿瓦格里亞諾, C·Y·郭, D·W·戴維斯, J·S·斯蒂芬森 申請人:通用電氣公司