專利名稱：脈沖氣化和熱氣凈化裝置和方法
相關(guān)申請本申請是以2002年5月22日申請的臨時專利申請60/382302為基礎(chǔ)的，并要求該申請的優(yōu)先權(quán)。
背景技術(shù)：
在直接燃燒的常規(guī)能量產(chǎn)生系統(tǒng)和其它方法中，對某些燃料利用的主要關(guān)注是燃料燃燒產(chǎn)生的微粒。這些微粒殘留在燃燒氣流中。因為運行這樣系統(tǒng)的氣流可對設(shè)備的壽命產(chǎn)生不利的影響，所以氣流中應(yīng)該基本上沒有這些微粒物質(zhì)。盡管常規(guī)微粒去除裝置(particulate removal device)可用于從燃燒氣流去除一些較大的固體微粒物質(zhì)，但是這些裝置通常不能從氣流中去除較小的微粒。類似的問題也存在于多種氣流中，這些氣流中微粒懸浮物質(zhì)并非來源于燃燒。
Mansour等人的美國專利5353721和Mansour等人的5197399描述了脈沖燃燒裝置(pulsed combustion apparatus)和方法，在此為所有目的，將其引入作為參考；該脈沖燃燒裝置和方法用于聲附集(acoustically agglomerating)燃料燃燒產(chǎn)生的微粒，以便從燃燒流出氣流中去除微粒。當從燃燒流出氣流去除顆粒后，那么氣流可用于各種工藝和系統(tǒng)中。例如，在一個實施方案中，使用流出氣流旋轉(zhuǎn)渦輪機來產(chǎn)生能量。
已經(jīng)以該方式在工藝發(fā)展單元(process development unit，PDU)中使用粉狀煙煤和用于硫俘獲(sulfur capture)的四種不同吸附劑進行了試驗，試驗結(jié)果如下(1)燃燒效率超過99％；(2)硫俘獲高至98％；(3)NOx排放在0.3-0.6lb/MMBtu范圍內(nèi)；以及(4)在旋風分離器出口廢氣處固體載量(solidsloading)(類似于渦輪機入口固體載量)低至23ppmw。固體載量結(jié)果極大地低于100-150ppmw的起初目標，以及足夠好從而滿足發(fā)電廠微粒排放的新資源性能標準(New Source Performance Standard，NSPS)(＜0.03lb/MMBtu)。
然而，盡管燃燒或貧燃方式中的操作提供了令人滿意和鼓舞人心的結(jié)果，但是該工藝在熱力學上受到限制，并且呈現(xiàn)出與排放控制相關(guān)的各種問題。具體地，下述限制變得顯而易見●在氧化或貧燃條件下，硫保持量(sulfur retention)或鈣利用隨著操作溫度升高而降低。例如，在高至約1000℃(1832°F)的溫度下，要求95％硫俘獲的Ca/S摩爾進料比是十分有利的，但是隨著進一步升高溫度而急劇上升。這限制了燃氣渦輪機入口溫度，以及反過來限制循環(huán)或電廠效率。
●盡管脈沖燃燒器是固有的低NOx裝置，但是操作的氧化方式、富燃氮氣(fuel bound nitrogen)的存在以及高溫全都有利于NOx形成。因此，需要進一步減少NOx，特別是在提高燃氣渦輪機入口溫度的要求的情況下。
●附集室中更高的溫度(＞1000℃或1832°F)有利于聲附集，但不利于硫俘獲。這易于限制旋風分離器出口廢氣中固體載量的減小程度。
因此，目前存在改進附集裝置和方法的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，描述了用于氣化原料(例如，煤、焦炭、其它固體燃料、重質(zhì)液態(tài)烴、漿料等)的裝置和方法，該裝置和方法用原地熱氣凈化產(chǎn)生清潔的中質(zhì)(medium)氣體。在一個特定的實施方案中，該方法使用結(jié)合了一個或兩個氣化階段的脈沖氣化裝置。該方法促進微粒的聲附集，從而有助于使用常規(guī)分離裝置進行的微粒收集；以及便于合適吸附劑的利用，以在聲波增強的環(huán)境中俘獲氣體污染物。該裝置可用于各種不同的構(gòu)造中，例如改變用于能量產(chǎn)生的燃料電池、燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機的組合而形成的聯(lián)合循環(huán)構(gòu)造，以及用于產(chǎn)生結(jié)合的熱和電能、用于制氫、生產(chǎn)液體燃料的或直接還原鐵的聯(lián)合生產(chǎn)構(gòu)造(cogeneration configuration)中。
在一個實施方案中，例如，氣化器(gasfier)系統(tǒng)包括用于第一階段氣化的脈沖燃燒裝置、用于除渣(slag)的U管布置、用于第二階段氣化的垂直夾帶流動部分(vertical entrained flow section)、以及用于微粒俘獲的主旋風分離器和副旋風分離器。氧氣和蒸汽可用作氣化劑，以提高產(chǎn)物氣體熱值以及反過來促進火焰穩(wěn)定性和消除(turndown)部分氧化。例如，部分氧化可發(fā)生在第一階段，而起支配作用的蒸汽重整過程可發(fā)生在第二階段。
在第二階段中，將吸附劑顆粒注入強聲場作用下的氣流中。聲場通過提高氣膜和顆粒內(nèi)的傳質(zhì)速率而起到改進吸附劑煅燒的作用。此外，吸附劑顆粒起到動態(tài)過濾中心(filter foci)的作用，從而提供了高密度的停滯附集中心，該停滯附集中心用于捕獲更細的夾帶飛灰部分。再生吸附劑可用于原地硫俘獲，以及可包括硫回收單元來產(chǎn)生含硫副產(chǎn)物。該副產(chǎn)物可為，例如硫酸銨或者硫酸。
在一個特定的實施方案，本發(fā)明的系統(tǒng)用于產(chǎn)生具有燃料或熱值(heatvalue)的氣流。該系統(tǒng)可包括流體通道(fluid channel)，該流體通道包括第一階段部分(stage section)和第二階段部分。流體通道可包括將第一階段部分過渡(transition)至第二階段部分的U形部分。脈沖燃燒裝置包括與至少一個共振管(resonance tube)連接的脈沖燃燒器，脈沖燃燒裝置可放置成與流體通道的第一階段部分相通。脈沖燃燒裝置可構(gòu)造成燃燒固體或液體燃料，以及產(chǎn)生脈動燃燒氣流(pulsating combustion stream)和聲壓波(acousticpressure wave)。流體通道可成形為將聲壓波從第一階段部分傳送至第二階段部分。
該系統(tǒng)可進一步包括硫俘獲劑注入口(sulfur capturing agent injectionport)，該硫俘獲劑注入口用于將硫俘獲劑注入流體通道的第二階段部分。硫俘獲劑可構(gòu)造成從脈動燃燒氣流中去除含硫氣體，以及與脈動燃燒氣流中含有的任何顆粒進行聲附集。微粒去除裝置，例如低速旋風分離器以及高速旋風分離器，可從流體通道中接受燃燒氣流。微粒去除裝置可用于從氣流中去除微粒。當從氣流中去除微粒后，氣流可用于各種過程中。例如，在一個實施方案中，氣流可用于給燃氣或蒸汽渦輪機提供動力或者可用于給燃料電池提供動力。
除了產(chǎn)生氣體的系統(tǒng)之外，本發(fā)明也涉及用于產(chǎn)生具有燃料或熱值的氣流的各種方法。在一個實施方案中，例如，該方法可包括在脈沖燃燒裝置內(nèi)燃燒固體或液體燃料以及產(chǎn)生脈動燃燒氣流和聲壓波的步驟?？稍趤喕瘜W計量(sub-stoichiometric)條件下操作脈沖燃燒裝置。如此處所使用的，亞化學計量條件是指氧氣的量不足以完全燃燒燃料源的燃燒條件。在本發(fā)明中，例如，脈沖燃燒裝置可操作在約30％至約60％的化學計量程度上。此外，不僅連同氧氣源而且連同蒸汽一起可將固體或液體燃料供應(yīng)至脈沖燃燒裝置。該蒸汽可用于控制化學計量程度、控制溫度以及以供蒸汽重整。
在形成脈動燃燒氣流和聲壓波后，可經(jīng)過流體通道引導(dǎo)它們。流體通道的至少一部分可在還原條件(reducing condition)下運行，以促進蒸汽氣化(steam gasification)。在蒸汽氣化過程中，發(fā)生吸熱反應(yīng)，在吸熱反應(yīng)中烴化合物裂解，并生成氫氣。氫氣和較低分子量烴氣體是有用的能源。
根據(jù)本發(fā)明的方法，可將硫俘獲劑注入流體通道中。硫俘獲劑可俘獲脈動燃燒氣流含有的硫。硫俘獲劑也與脈動燃燒氣流中含有的顆粒聲附集。
然后，使用任何合適的微粒去除裝置，從流體通道中過濾含有氫氣和附集的顆粒的燃燒氣流。例如，在一個實施方案中，可使用雙旋風分離器去除附集的顆粒。然后可以根據(jù)各種工藝的需要，使用生成的產(chǎn)物氣流。
在一個實施方案中，可將從燃燒氣流中去除的附集的顆粒供應(yīng)至加熱過的流化床。流化床中的流化介質(zhì)可含有致使流化床中發(fā)生放熱反應(yīng)的氧氣。例如，在一個實施方案中，可將附集的顆粒中含有的硫化物轉(zhuǎn)化成硫酸鹽。在可選擇的實施方案中，當硫俘獲劑是二氧化鈰時，可將附集的顆粒放置在流化床中，以再生二氧化鈰和產(chǎn)生二氧化硫。然后，可處理在流化床內(nèi)產(chǎn)生的氣流，以去除二氧化硫。
在一個實施方案中，流體通道可包括第一階段部分和第二階段部分。第一階段部分可維持在小于約4000°F的溫度，以及可包括第一出口溫度。另一方面，第二階段部分可包括第二出口溫度。該第二出口溫度可小于第一出口溫度，以及可不高于約1900°F，例如小于約1700°F。
可維持流體通道的第一階段部分內(nèi)的條件，以便允許部分氧化、蒸汽氣化和造渣。當形成渣時，可以周期性地從流體通道中去除渣。
然而，在流體通道的第二階段部分內(nèi)，可以存在還原條件，以促進蒸汽氣化(也稱為蒸汽重整)，蒸汽氣化促進氫和其它較低分子量烴的生產(chǎn)。
以下將更詳細地描述本發(fā)明其它特征和方面。


本發(fā)明完整和有效的公開包括本發(fā)明的最佳實施方式，以及旨在指導(dǎo)本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在說明書的以下部分將參考下述附圖，更加具體地說明本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明脈沖氣化系統(tǒng)的一個實施方案的示意方框圖；圖2顯示本發(fā)明脈沖氣化器的一個實施方案的正視圖；
圖3是本發(fā)明脈沖氣化器的一個實施方案的剖面圖；圖4是可在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法中使用的脈沖燃燒裝置的一個實施方案的橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，在還原條件下％硫俘獲和絕熱氣體溫度之間的關(guān)系圖；圖6根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，硫保持量(以CaS或CaSO4的形式)和溫度之間的關(guān)系圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明用于煤的脈沖氣化器聯(lián)合循環(huán)的實施方案示意圖；以及圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案，凈電廠效率(net plant efficiency)和供應(yīng)至脈沖氣化器的煤原料之間的關(guān)系圖。
在說明書和附圖中對附圖標記的重復(fù)使用旨在表示本發(fā)明中相同或相似的特征或元件。
具體實施例方式
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，該討論僅僅是對示例性實施方案的描述，而非旨在限制本發(fā)明的更寬方面，更寬的方面體現(xiàn)在示例性的解釋中。
本發(fā)明主要涉及創(chuàng)新的脈沖氣化系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有的脈沖氣化系統(tǒng)中多種限制，并可構(gòu)造成遵守規(guī)定的新排放目標，即NSPS的十分之一。例如，在一個實施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可構(gòu)造成排放小于約0.12lb/MMBtu的二氧化硫、小于約0.06lb/MMBtu的氮氧化物(NOx)，和/或小于約0.003lb/MMBtu的微粒。
在一個實施方案中，脈沖氣化器系統(tǒng)包括用于第一階段氣化的脈沖單元、用于除渣的U管布置，也可包括用于第二階段氣化的垂直夾帶流動部分和用于微粒俘獲的主旋風分離器和副旋風分離器。原料可為煤、焦炭、生物質(zhì)、重質(zhì)液態(tài)烴等，以及可為固體、重質(zhì)液體、漿料等形式。氧氣和蒸汽可用作氣化劑，以提高產(chǎn)物氣體熱值，以及促進火焰穩(wěn)定性和關(guān)閉(turndown)。在聯(lián)合循環(huán)構(gòu)造的情況下，這也有助于提高燃氣渦輪機入口溫度和電廠效率?？諝饪捎米鳉饣瘎M管在一些情況下，它也可以降低由于稀釋氮氣而產(chǎn)生的氣體的熱值。壓縮空氣可用于將固體燃料從配量箱(meteringbin)中氣動傳輸至脈沖氣化器中。過熱蒸汽也可用作傳輸/載體流體。在一些實施方案中，過熱蒸汽是優(yōu)選的干固體原料的載體。
脈沖氣化器包括一個或兩個氣化階段，以促進良好的碳轉(zhuǎn)化、用于聲附集的高聲壓程度以及良好的原地(in situ)硫俘獲。在兩階段的情況下，第一階段可以在造渣方式和在亞化學計量條件下運行。在氧氣和蒸汽存在下，除去原料中易揮發(fā)性物質(zhì)，并使其部分氧化，釋放熱量以使蒸汽/原料氣化反應(yīng)進行。高操作溫度(例如，2500°F-3400°F)可保證高的碳轉(zhuǎn)化以及幫助灰燼熔化和渣流動。
在常規(guī)的造渣氣化器中，渣區(qū)域?qū)?yīng)于氣固混合、燃燒和出渣的主動區(qū)域(active zone)，以上全部發(fā)生在爐底板(hearth plate)上。保持出渣工藝起作用的設(shè)計和能力有時是重要的。本領(lǐng)域是將固體保留在氣化器內(nèi)，以及仍然使液態(tài)渣以所需速率經(jīng)過出渣口排出。在本發(fā)明的脈沖氣化器中，渣區(qū)域可對應(yīng)于主動和被動區(qū)域。在主動區(qū)域中，可發(fā)生部分氧化、蒸汽氣化和造渣，同時從被動區(qū)域排出渣。因此，除渣工藝/硬件設(shè)計是比較簡單的，而本質(zhì)上唯一的要求是不允許出渣口凍結(jié)關(guān)閉。
在兩階段構(gòu)造中，可在第一和第二階段之間提供U管連接布置，以保證熔渣可被有效地收集，以及從U管底部的端口排出。期望渣主要沿著U形彎曲的前半部分的底部流進出渣口，然后進入渣驟冷槽中。此外，該構(gòu)造迫使從排氣管出來的退出射流(exit jets)撞擊凹陷部分并且旋轉(zhuǎn)。這增強了室內(nèi)的混合，以及提高了碳的停留時間，以最佳化碳的轉(zhuǎn)化效率?？梢圆捎没虿徊捎玫诙A段。這將取決于由原料的反應(yīng)性所確定的第一階段的操作溫度，以及灰燼的渣化溫度(例如，生物質(zhì)和褐煤是不耐火的(refractory)且具有較低的灰燼渣化溫度)。在其它實施方案中，所選擇的原料可能不能產(chǎn)生渣或者系統(tǒng)可能構(gòu)造成防止造渣。
在兩階段系統(tǒng)的情況下，第二階段可包括垂直的耐火襯底部分(refractory-lined section)，在耐火襯底部分中將附加的原料注入以和來自第一階段的熱氣反應(yīng)，以提高產(chǎn)物氣體熱值；以及將產(chǎn)物氣體冷卻至原地硫俘獲的閾值(threshold)。附加的端口可直接提供在第二階段中的立管(riser)的正下方，以俘獲沉降下來的任何吸附劑-灰燼附集物。氧氣和蒸汽可用來流態(tài)化附集物俘獲部分中的介質(zhì)。例如，可以利用氧氣來增加炭化轉(zhuǎn)化以及蒸汽可用來調(diào)節(jié)第二階段中的溫度。在可選擇的實施方案中，只將蒸汽注入第二階段中，以促進蒸汽氣化過程中發(fā)生的吸熱反應(yīng)。
第二階段中平均氣體溫度可在約1000°F至約2500°F之間。在還原條件下的平衡狀態(tài)時，檢查硫俘獲對溫度的依賴性表明，如圖5-6所示，為使用鈣類吸附劑獲得90％以上的硫俘獲效率，該氣體溫度是在適宜的溫度范圍(例如，從約1400°F至約2400°F)。在動態(tài)(非平衡)的情況下的硫俘獲效率取決于顆粒的溫度，而非氣體的溫度。
由于吸熱煅燒，石灰石或白云石吸附劑通常要求時間以到達氣體溫度。這種策略有時采用在第二階段中，以使在接近溫度最高的底部處，注入吸附劑，以輔助煅燒。如果使用可再生的吸附劑，例如二氧化鈰，則可在U形彎曲的較遠的下游或者在第二階段的中間區(qū)域注入吸附劑。如果需要，第二階段中吸附劑的停留時間可通過優(yōu)化吸附劑注入口的位置而得以控制。因此，在該實施方案中，遠在熱力學對硫俘獲施加限制之前，吸附劑顆粒流進第二階段的中間部分(溫度維持在約2000°F)。這樣的策略可保證對規(guī)定的吸附劑顆粒停留時間而言，有最大的硫俘獲。如果必要，粉狀堿吸氣物質(zhì)(gettering material)，例如酸性白土、鋰蒙脫石或高嶺土，也可注入第二階段中，以輔助堿蒸汽俘獲。
在第二階段中灰燼的附集可具有顯著的益處。例如，在一些情況下，這種附集可促進一種或多種常規(guī)微粒俘獲裝置(例如，熱旋風分離器)的利用，以將氣流中的微粒降低至可接受的程度而無需借助較昂貴的燭式過濾(candle filtration)或者有問題的渣篩。在這種情況下，第二階段有效地起到動態(tài)過濾器的作用；在動態(tài)過濾器中，由于微細顆粒和吸附劑附集中心之間的碰撞的原因，來自煤細粉的飛灰與較大的吸附劑顆粒附集在一起。
聲附集是預(yù)處理的工藝，其增加了夾帶顆粒的平均尺寸，從而使得通過使用熱旋風分離器獲得高收集效率成為可能。使用兩個旋風分離器通常是所需的，其中主旋風分離器是俘獲附集物而破裂最少的低速旋風分離器，且副旋風分離器是俘獲細粉的高速、高效的旋風分離器。從副旋風分離器出來的相對清潔的產(chǎn)物氣體可用于能量產(chǎn)生、或蒸汽生產(chǎn)、或用作工藝燃料、或用于氫氣生產(chǎn)、或者用于直接還原鐵、或用于燃料生產(chǎn)和其它合成氣體應(yīng)用。來自熱旋風分離器固體俘獲物既包含廢吸附劑，也包含一些未轉(zhuǎn)化的碳?？煽刂莆崔D(zhuǎn)化的碳程度以及該程度一般取決于工藝目標和性能要求。
在一個實施方案中，在第二階段中，將吸附劑顆粒注入強聲場作用下的氣流中。聲場通過提高氣膜和顆粒的傳質(zhì)速率而起到提高硫俘獲效率的作用。此外，吸附劑顆粒起到動態(tài)過濾中心(filter foci)的作用，從而提供了高密度的停滯附集中心，該停滯附集中心用于捕獲更細的夾帶(在振動流場中)飛灰部分。飛灰部分的粒度通常為約20微米或更小，以及在一些實施方案中，為約1-20微米。因此，通過引入主要以20-150微米的尺寸范圍為中心的吸附劑顆粒，就創(chuàng)建了雙峰式分布。雙峰式分布提供了一些優(yōu)點。首先，通過增加大停滯俘獲中心(stagnant trap center)的密度(在氣體中)，可獲得快速的附集速率。再次，與只含有更微細的飛灰部分的單峰分布相比，可以在顯著低的聲頻下有效地進行附集。
在一些情況下，低頻下粒子附集的效率可能是重要的。附集速率受到聲強程度(acoustic intensity level)的極大影響。因為低頻的衰減通常小于高頻的衰減，所以較低頻率操作通常更有效。此外，低頻不影響渦輪機葉片的性能，而在千赫茲范圍的頻率可耦合至系統(tǒng)的固有頻率，并且導(dǎo)致葉片疲勞破壞。最后，50％夾帶的截斷(cut-off)顆粒直徑隨頻率的降低而增加，因而較低頻率的操作導(dǎo)致較大部分給定顆粒物料尺寸分布的夾帶，以及對顆粒生長的上限的限制更少。
認為高溫(例如，1800°F-3400°F)第一階段內(nèi)的一些化學反應(yīng)如下燃燒部分氧化用CO2氣化用H2O氣化H2的氧化S的氧化硫的還原灰燼轉(zhuǎn)化 灰燼＝鹵化物、硫化物、氧化物對兩階段構(gòu)造而言，從第一階段出來的熱燃料氣體可與注入第二階段入口的燃料反應(yīng)(需要時)。在此，除去附加的燃料中易揮發(fā)的物質(zhì)，并氣化。進一步地，在下游煅燒注入的吸附劑，如果適用，進行硫化。第二階段內(nèi)的溫度從入口(約2500°F)至出口(約1700°F)降低。認為在該區(qū)一些化學反應(yīng)如下
燃燒部分氧化用CO2氣化用H2O氣化氣體替換氣化NH3的形成H2的氧化S的氧化S的轉(zhuǎn)化
灰燼轉(zhuǎn)化灰燼＝鹵化物、硫化物、氧化物煅燒硫化
(或)
如果燃料含有不止痕量(～10ppm)的鹵素(Cl、F、Br、I)，則可俘獲有時由鹵素形成的酸性氣體(acid gas)(HCl、HF等)和灰燼鹵化物(NaCl、KCl等)以及產(chǎn)生清潔的燃料氣體。然而，有效俘獲這些物種的溫度范圍通常較低，且可在約1000°F至約1400°F之間。通過物理吸附和化學反應(yīng)的結(jié)合，鈉類吸收劑(碳酸鈉鈣石、天然小蘇打等)優(yōu)選地用于吸收酸性氣體(HCl、HF等)，以及堿性吸氣劑(alkali getter)(高嶺土、酸性白土、硅藻土、礬土等)優(yōu)選地用于俘獲堿(NaCl、KCl等)。相應(yīng)的反應(yīng)如下鹵素轉(zhuǎn)化
酸性氣體去除
堿去除式中，括號()中的字母表示物質(zhì)的相態(tài)，即字母“s”表示固體；“g”表示氣體；“v”表示蒸汽。
如上所述，通常將燃料氣體冷卻至約1200°F的溫度，以去除酸性氣體和堿性蒸汽。如果原料中存在鹵素，第二階段出口溫度(例如，約1200°F)可低于沒有鹵素時的溫度(例如，從約1700°F至約1900°F)。這可以通過使用燃料氣體冷卻來實現(xiàn)，燃料氣體冷卻可以外部或內(nèi)部方式來進行。例如，在出口的上游處圍繞著第二階段柱部分的水套可提供外部冷卻。由于待冷卻的介質(zhì)主要是氣體或者氣固混合物，所以要求用于燃料氣體冷卻的傳熱表面積通常相當大，這可能導(dǎo)致第二階段相當高。此外，燃料氣體的腐蝕本性可能要求仔細選擇熱交換器的材料，這可能增加了單元的成本。因此，在一些實施方案中，可通過霧化噴頭(atomizer spray head)將水直接噴灑至燃料氣體中，以進行冷卻。由于顯熱和潛熱的貢獻，相對于燃料氣體質(zhì)量，水質(zhì)量的添加通常小。例如，水注入速率通常不超過燃料氣體流量的約5％(以質(zhì)量計)。生成的燃料氣體的熱值略低?？蛇x擇地，燃料氣體可在旋風分離器的下游冷卻，以及通過吸附劑顆粒床以去除酸性氣體，通過硫拋光機(sulfur polisher)以進一步減少硫含量，以及通過熱氣阻擋吸收濾片(barrier filter)以去除任何夾帶的微粒物質(zhì)。
通常，使50-100％燃料經(jīng)過第一階段氣化，以及可將剩余的(0-50％)注入第二階段的入口。在第一階段和第二階段之間的實際燃料裂解(fuel split)將取決于應(yīng)用、燃料性質(zhì)和單元大小?；瘜W計量也取決于應(yīng)用、燃料性質(zhì)和單元大小。例如，第一階段化學計量可在30-60％的范圍之間，以及整個化學計量可在25-50％界限之間。
計算機模擬顯示如果燃料中沒有鹵素，則在脈沖氣化器中產(chǎn)生的清潔燃料氣體應(yīng)當具有275Btu/scf數(shù)量級的熱值(以濕重計)。如果燃料中有鹵素，則熱值將較低，取決于燃料中鹵素的濃度，熱值在250-275Btu/scf之間。
如果需要，脈沖氣化器可以使用在改變用于產(chǎn)生能量的燃料電池、燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機的組合而形成的聯(lián)合循環(huán)構(gòu)造，以及用于產(chǎn)生結(jié)合的熱和電能的、產(chǎn)生氫氣的、產(chǎn)生液體燃料的、直接還原鐵或其它合成氣體應(yīng)用的聯(lián)合生產(chǎn)構(gòu)造中。以下將描述一個產(chǎn)生能量的實施方案。通過結(jié)合脈沖氣化器和如燃料電池、燃氣渦輪機、用于制氫的變壓吸附裝置(pressure swing absorber)、用于產(chǎn)生燃料的液化反應(yīng)器等部件，可形成不同應(yīng)用的其它實施方案。
參考圖1，圖1顯示了本發(fā)明工藝的一個實施方案的方框圖。然而，應(yīng)當理解圖1僅提供為示例性目的，并非旨在以任何方式限制本發(fā)明。
現(xiàn)在參考圖7，圖7顯示了本發(fā)明更詳細系統(tǒng)的一個實施方案。特別地，圖7描述了根據(jù)本發(fā)明制備的脈沖氣化聯(lián)合循環(huán)的一個實施方案。
如圖所示，脈沖氣化聯(lián)合循環(huán)(“PGCC”)包括下述●煤處理和供應(yīng)系統(tǒng)(CHFS)；●吸附劑處理和供應(yīng)系統(tǒng)(SHFS)；●堿性和酸性氣體吸氣劑處理和供應(yīng)系統(tǒng)(AGHFS)；●脈沖氣化器、熱旋風分離器和拔頂燃燒器(topping burner)；●燃氣渦輪機發(fā)電機組；●大氣流化床硫酸化器(sulfater)/燃燒器(AFBSC)；●熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)；●蒸汽渦輪機發(fā)電機組和蒸汽循環(huán)組件；●集塵室(Baghouse)；●灰燼、廢吸附劑和渣處理和存儲系統(tǒng)；和●空氣分離設(shè)備。
以下將介紹圖7所示的系統(tǒng)和方法的詳情。應(yīng)當理解圖7僅提供為示例性目的，并非旨在限制本發(fā)明的任何方面和特征。例如，圖7中所示的蒸汽沒有一個可以解釋為對本發(fā)明來說是必須的或關(guān)鍵的。此外，圖7中說明的和所述的特征和方面可用于本發(fā)明的其它實施方案中。
在圖7所示的實施方案中，聯(lián)合循環(huán)具有開放式氣體循環(huán)和封閉式蒸汽循環(huán)。該實施方案產(chǎn)生燃料氣體，其熱值相當于氧氣吹制(oxygen-blown)IGCC中產(chǎn)生的燃料氣體的熱值。該實施方案足夠靈活，可適應(yīng)Greenfield應(yīng)用和改造(retrofit)應(yīng)用。
如圖7所示，該系統(tǒng)包括主要的脈沖氣化器10，其實施方案也示于圖2和3中。脈沖氣化器10包括含在流體通道14內(nèi)的脈沖燃燒裝置12。參考圖4，圖4顯示了脈沖燃燒裝置12的一個實施方案。脈沖燃燒裝置12包括與共振管20相通的燃燒室18。燃燒室18可連接至單獨的共振管(如圖所示)或者入口分別與脈沖燃燒室相通的多個平行的管。通過燃料管線22和空氣輸送系統(tǒng)24，將燃料、氧氣源和/或蒸汽輸送至燃燒室18。脈沖燃燒裝置12可燃燒氣態(tài)的、液體或固體燃料。對多數(shù)應(yīng)用而言，例如，氣態(tài)燃料可用于開始啟動。一旦運行后，然后可將液體或固體燃料供應(yīng)至燃燒室。
為了調(diào)節(jié)供應(yīng)至燃燒室18的燃料和氣體的量，脈沖燃燒裝置12可包括至少一個閥26。閥26可為氣動閥，然而也可以使用機械閥等。
在操作脈沖燃燒裝置12的過程中，使合適的燃料、氧氣源和蒸汽混合物經(jīng)過閥26進入燃燒室18并引爆。在啟動過程中，可提供輔助點火設(shè)備，例如火花塞或引燃器。燃料混合物的爆炸導(dǎo)致體積急劇增加以及使燃燒室加壓的燃燒產(chǎn)物的進展。由于熱氣膨脹，以顯著動量獲得共振管20方向上的優(yōu)先流動。由于共振管20內(nèi)氣體的慣性，就在燃燒室18內(nèi)產(chǎn)生真空。然后，在逸出共振管氣體的平衡作用下，只允許一小部分廢氣返回至燃燒室。因為燃燒室18的壓力低于大氣壓力，所以更多燃料和氣體進入燃燒室18內(nèi)，以及發(fā)生自動點火。此外，閥26因而限制了反向流動，以及開始了新的一輪循環(huán)。第一次循環(huán)開始后，其后的操作是自維持的。
脈沖燃燒裝置12產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物的脈動流和聲壓波。在一個實施方案中，脈沖燃燒裝置產(chǎn)生壓力擺動或波動，其峰與峰之間的范圍在約1psi和約40psi之間，以及更具體地在約1psi至約25psi之間。這些波動基本上是正弦的。壓力波動程度在聲壓范圍或強度的水平上，從約150dB至約194dB，或更大。聲壓波的頻率可在約20Hz至約1500Hz之間。然而，對多數(shù)應(yīng)用而言，低頻是優(yōu)選的。例如，頻率可在約25Hz至約250Hz之間。
盡管可在圖7所示的實施方案的脈沖燃燒裝置12中燃燒任何合適的碳質(zhì)燃料，使用煤作為燃料來源。如圖所示，系統(tǒng)包括煤處理和供應(yīng)系統(tǒng)28。粉碎煤，并結(jié)合載氣，然后供應(yīng)至燃燒裝置12中。載氣可為圖7所示的壓縮空氣。在該特定的實施方案中，壓縮空氣是從壓縮機30中獲得的，圖示的壓縮機30通常與燃氣渦輪機32連接。
除了煤之外，氧氣源和/或蒸汽也被供應(yīng)至脈沖燃燒裝置12中。在該實施方案，例如，基本上純凈的氧氣與蒸汽結(jié)合，并供應(yīng)至脈沖燃燒裝置12中。氧氣獲自空氣分離設(shè)備34，空氣分離設(shè)備34從壓縮機30中接收壓縮空氣。
對多數(shù)應(yīng)用而言，在亞化學劑量條件下操作脈沖燃燒裝置12。特別地，將不足以完全燃燒燃料來源的量的氧氣供應(yīng)至脈沖燃燒裝置。例如，在一個實施方案中，將約30％至約60％化學計量水平(以摩爾計)的氧氣供應(yīng)至燃燒裝置中。
如上所述，可將氧氣連同蒸汽一起供應(yīng)至脈沖燃燒裝置12中。可加入足夠量的蒸汽，以調(diào)節(jié)脈動燃燒產(chǎn)物的溫度和促進流體通道14內(nèi)蒸汽重整。例如，當存在蒸汽時，經(jīng)過吸熱反應(yīng)，重整一些燃料。吸熱反應(yīng)從系統(tǒng)中帶走熱量，從而調(diào)節(jié)所得脈動燃燒氣流的溫度。通常，可存在足夠量的蒸汽，以將燃燒產(chǎn)物的溫度維持低于約4000°F，例如低于約3400°F。例如，在一個實施方案中，可將溫度維持在約1800°F至約3400°F，例如在約2500°F至約3400°F之間。
如圖所示，流體通道14具有U形部分。在一些實施方案中，流體通道14可保持為單個階段系統(tǒng)。然而，在其它實施方案中，可將流體通道分成含有脈沖燃燒裝置12的第一階段36和下游的第二階段38。通常，當在工藝中形成渣時，可需要兩階段系統(tǒng)。例如，當使用難熔的原料，如石油焦炭或圖7所示的原煤(raw coal)時，可形成渣。又例如，當使用煤作為原料時，當溫度升高至約2000°F上時，可形成渣。
因此，在本發(fā)明的一個實施方案中，多個工藝可發(fā)生在流體通道14的第一階段36內(nèi)。例如，不僅在第一階段內(nèi)形成脈動燃燒氣流和聲壓波，也在第一階段內(nèi)發(fā)生燃料來源的部分氧化、燃料來源的蒸汽氣化和造渣。在特定優(yōu)點中，因為流體通道14具有U形部分，所以一旦形成渣后，就直接將渣引入至端口，并通過渣處理系統(tǒng)40收集。U形部分也增強了從脈沖燃燒裝置12出來的脈動燃燒氣流的混合。
在流體通道14的第二階段38中，脈動燃燒氣流的溫度通常較低，并且可往氣流中加入各種添加劑。對多數(shù)應(yīng)用而言，可在第二階段38內(nèi)維持還原條件，以促進蒸汽重整和相關(guān)的吸熱反應(yīng)。
在一個任選的實施方案中，例如，將來自煤處理和供應(yīng)系統(tǒng)28的部分煤粉注入第二階段38。將燃料注入流體通道的第二階段后，燃料進行蒸汽氣化。如果必要，如圖7所示，可將更多量的蒸汽注入流體通道14的第二階段38中。第二階段中可存在較少量的氧氣。然而，對多數(shù)應(yīng)用而言，氧化不應(yīng)當是主要的驅(qū)動力。
如圖7所示，將硫俘獲劑從吸附劑處理和供應(yīng)系統(tǒng)42中注入第二階段38。硫俘獲劑起到兩個作用。第一，硫俘獲劑從脈動燃燒氣流中脫硫。第二，硫俘獲劑也有助于脈動燃燒氣流內(nèi)含有的飛灰或其它小微粒的附集。
在一個實施方案中，硫俘獲劑可為石灰石、白云石或者它們的混合物。這些硫俘獲劑通過吸熱反應(yīng)俘獲硫。因此，在所需反應(yīng)發(fā)生之前，可能需要加熱石灰石和白云石。因此，可向流體通道的U形部分中注入較多的這些試劑。
然而，在可選擇的實施方案中，二氧化鈰可用作硫俘獲劑。通?？稍诘诙A段38的長度方向上任何地方，加入二氧化鈰。
如上所述，由于存在聲壓波，硫俘獲劑與脈動燃燒氣流內(nèi)含有的微粒附集。一些附集物將繼續(xù)隨著脈動燃燒氣流前進。然而，其它的附集物可在第二階段38內(nèi)墜落。端口(未顯示)可提供在第二階段的立管的正下方，以起到俘獲任何這種附集物的作用。
當脈動燃燒氣流中存在鹵素時，在一些實施方案中，也將堿性吸氣劑注入流體通道14的第二階段38中可能是必須的。例如，也可通過堿性和酸性氣體吸氣劑處理和供應(yīng)系統(tǒng)44將堿性吸氣劑注入到第二階段中。
當除去鹵素時，可要求較低溫度。在這點上，該系統(tǒng)也可包括排水口(water port)46，其設(shè)計為將水注入或噴射至第二階段38中以及冷卻脈動燃燒氣流。
第二階段38的入口溫度可在約1800°F至約3000°F之間變化。同樣的，第二階段的出口溫度也可變化。例如，在一些實施方案中，出口溫度可為低于約1900°F，例如低于約1700°F。然而，當存在鹵素時，出口溫度可低于約1400°F，例如在約1000°F至約1200°F之間。
取決于特定的應(yīng)用，流體通道14內(nèi)的壓力可以是變化的。例如，流體通道內(nèi)的壓力可在大氣壓力至約20倍大氣壓力之間變化。例如，在一個實施方案中，該壓力可在約10倍大氣壓力至約20倍大氣壓力之間。
通常，脈沖氣化器10可轉(zhuǎn)化燃料來源中含有的約90％～約96％的碳。通過脈沖氣化器形成的氣體可含有相對大量的氫氣以及其它氣體。其它氣體可包括，例如二氧化碳、一氧化碳和較輕質(zhì)烴。
在脈沖氣化器中生成的清潔氣體的熱值在250Btu/scf的數(shù)量級上(以濕重計)。該值相當于在氧氣吹制IGCC中產(chǎn)生的氣體的熱值，但高于在空氣吹制IGCC和二次產(chǎn)生PFBC(second-generation PFBC)中產(chǎn)生的氣體的熱值。
如圖7所示，將從脈沖氣化器10出來的產(chǎn)物氣流供應(yīng)至一對級聯(lián)的(tandem)旋風分離器48和50中。在特定優(yōu)點中，由于在脈沖氣化器內(nèi)發(fā)生的有效附集，可使用低能旋風分離器48和50，以除去附集的微粒。在一個實施方案中，旋風分離器48可為除去較大微粒的低速旋風分離器。例如，旋風分離器48中的氣體流速可在約30英尺/秒至約75英尺/秒之間。
另一方面，第二旋風分離器50可為高速、高效旋風分離器，其良好地設(shè)計為除去較小的微粒，例如細粉。旋風分離器50中的氣體流速可為，例如在約50英尺/秒至約200英尺/秒之間。
當使用旋風分離器48和50從產(chǎn)物氣流中去除微粒物質(zhì)后，產(chǎn)物氣體可以用在幾乎沒有限制的各種工藝中。例如，在一個實施方案中，如圖7所示，產(chǎn)物氣流可用于發(fā)電。例如，如圖7所示，將從旋風分離器50出來的產(chǎn)物氣流供應(yīng)至拔頂燃燒器52。拔頂燃燒器52包括燃燒器，該燃燒器燃燒產(chǎn)物流以及升高氣體溫度。例如，在一個實施方案中，可將氣體溫度升高至約2300°F至約2600°F之間。為燃燒產(chǎn)物氣流，如果需要，拔頂燃燒器可結(jié)合產(chǎn)物氣流和氧氣源，例如空氣。
拔頂燃燒器內(nèi)含有的燃燒器可為任何合適的燃燒裝置。例如，在一個實施方案中，拔頂燃燒器內(nèi)含有的燃燒器可為脈沖燃燒器或低Btu燃料氣體燃燒器。低Btu燃料氣體燃燒器的實例已經(jīng)被GE Environmental Services，Inc.和Siemens Westinghouse Electric Corporation開發(fā)。
如圖7所示，拔頂燃燒器產(chǎn)生煙道氣流(flue gas stream)，然后將該煙道氣流供應(yīng)至燃氣渦輪機32中。特別地，使用煙道氣流以旋轉(zhuǎn)渦輪機54以及產(chǎn)生電能。也如圖7所示，在一個實施方案中，將自渦輪機出來的煙道氣流供應(yīng)至熱回收蒸汽發(fā)生器56，熱回收蒸汽發(fā)生器56用于從原料水中產(chǎn)生蒸汽。然后煙道氣流出熱回收蒸汽發(fā)生器56，并通過煙囪(stack)58釋放至大氣中。
在可選擇的實施方案中，并非如圖7所示將產(chǎn)物氣流供應(yīng)至燃氣渦輪機，而是可將產(chǎn)物氣流供應(yīng)至燃料電池。在該實施方案中，并不需要拔頂燃燒器52。相反，可將各種氣體調(diào)節(jié)和拋光系統(tǒng)結(jié)合到該系統(tǒng)中，以在將氣體供應(yīng)至燃料電池之氣將其凈化。特別地，氣體調(diào)節(jié)和拋光系統(tǒng)可用來濃縮產(chǎn)物氣體中含有的氫氣的量，以用于燃料電池中。
如上所述，在本發(fā)明的工藝中，從脈動燃燒氣流中俘獲硫。硫被含在硫俘獲劑中。收集流體通道14內(nèi)和旋風分離器48和50內(nèi)的硫俘獲劑。在一些實施方案中，需要進一步處理附集的顆粒。在這點上，如圖7所示，該系統(tǒng)進一步包括大氣流化床硫酸化器60。例如，在一個實施方案中，硫俘獲劑可為石灰或石灰石。在還原環(huán)境下，正如可在流體通道14中發(fā)生，通過吸附劑俘獲的硫主要是通過形成硫化物。不幸的是，硫化鈣與水反應(yīng)，釋放出硫化氫。因此，安全處理廢吸附劑要求將其轉(zhuǎn)化至更穩(wěn)定的硫酸鹽形式。在本發(fā)明的過程中，這種轉(zhuǎn)化可在硫酸化器60中容易發(fā)生。
具體地，將從圖7所示的脈沖氣化器10和旋風分離器48和50中收集的固體供應(yīng)至壓降裝置(pressure letdown)62，以及進入硫酸化器60。旋風分離器俘獲的固體中含有廢吸附劑和未轉(zhuǎn)化的碳。實際上未轉(zhuǎn)化的碳是所需的特征，這是因為它可用于產(chǎn)生能量，以將硫酸化器維持在用于硫化物轉(zhuǎn)化的所需的溫度。
通過石灰/石灰石的硫俘獲是復(fù)雜的工藝，其包括下述反應(yīng)(1)(2)取決于溫度和氣體條件，也可發(fā)生下述反應(yīng)(3)(4)(5)(6)在第二階段中有利的操作條件下，期待發(fā)生反應(yīng)(2)。然而，在AFBSC60中，可發(fā)生反應(yīng)(3-6)。反應(yīng)(6)是所需的。但是，反應(yīng)(3)和(5)經(jīng)常不是所需的，這是因為它們導(dǎo)致了釋放俘獲的硫?？紤]到Ca-O2-S相圖，表明在還原條件和較高溫度下反應(yīng)(5)最有可能發(fā)生。
因此，通常在低于約2200°F和氧化條件下操作硫酸化器，以形成CaSO4并維持其穩(wěn)定性。保持有這些要求的硫酸化器可構(gòu)造成在約1550°F溫度下操作的流化床。使用對應(yīng)于超化學計量操作的空氣來流態(tài)化該床，這可保證氧化反應(yīng)得到過量氧氣以及在流化床內(nèi)維持氧化條件。在硫酸化器60中，燃燒來自第二階段的未轉(zhuǎn)化的碳，以將流化床的溫度維持在所需的程度。檢查在碳燃燒產(chǎn)物存在下，Ca-O2-S系統(tǒng)的相平衡數(shù)據(jù)表明，CO的存在將對硫酸鹽的形成產(chǎn)生不理的影響。硫酸化器中有過量氧氣物料將確保CO2占支配地位。也可將附加的新鮮吸附劑提供至流化床，以保證可將如果形成的硫氧化物俘獲在流化床中。
如圖7所示，在一個實施方案中，也可將原煤供應(yīng)至硫酸化器中，如果碳的含量太低的話。然而，對多數(shù)系統(tǒng)而言，向硫酸化器60中進一步加入燃料來源可能是不必要的。
當將硫酸化器60結(jié)合到本發(fā)明的系統(tǒng)中時，可發(fā)生各種能量累計步驟(energy integration step)，以進一步提高整個工藝的效率。例如，如圖7所示，在一個實施方案中，可通過硫酸化器60的流化床供應(yīng)來自壓縮機30的壓縮空氣并預(yù)熱。然后，可將預(yù)熱的壓縮空氣供應(yīng)至拔頂燃燒器52中，以和產(chǎn)物氣流一起燃燒。為提高輸入至氣體循環(huán)的熱量，可完成此過程。此外，流化床也可結(jié)合設(shè)計為產(chǎn)生蒸汽的管組。此外，可將從硫酸化器60的流化床出來的所得煙道氣體供應(yīng)至熱回收蒸汽發(fā)生器64，熱回收蒸汽發(fā)生器64也可產(chǎn)生蒸汽。可將來自流化床的蒸汽、來自熱回收蒸汽發(fā)生器64的蒸汽和來自熱回收蒸汽發(fā)生器56的蒸汽全部供應(yīng)至蒸汽渦輪機66，以產(chǎn)生更多電能?？蛇x擇地，如所希望的，可將形成的蒸汽供應(yīng)至脈沖氣化器10。
如圖所示，當由硫酸化器60產(chǎn)生的煙道氣流從熱回收蒸汽發(fā)生器64出來后，將該氣體供應(yīng)至集塵室68并過濾。將集塵室俘獲的任何微粒輸送至灰燼存貯器70。另一方面，將過濾過的氣體供應(yīng)至煙囪58并釋放至大氣中。
并非如上所示使用石灰石作為硫俘獲劑，在可選擇的實施方案中，可使用二氧化鈰俘獲硫。如果使用如二氧化鈰的吸附劑來俘獲硫，則可在空氣或氧氣富有的環(huán)境中再生廢吸附劑。該反應(yīng)對應(yīng)如下
例如，可在圖7所示的更像流化床的硫酸化器60中發(fā)生上述反應(yīng)。
通過直接硫還原方法或克勞斯脫硫法(Claus process)，可減少產(chǎn)生的SO2，以產(chǎn)生元素硫或者產(chǎn)生硫酸或硫酸銨。
第一次近似法估計(first-order estimate)在脈沖氣化器和AFBSC之間的不同燃料裂解物的聯(lián)合循環(huán)(如圖7所示)的循環(huán)效率。圖8顯示了凈電廠效率(以HHV計)與至脈沖氣化器的煤原料分數(shù)的關(guān)系。對該分數(shù)而言，1對應(yīng)于供應(yīng)至脈沖氣化器中的全部煤，以及0對應(yīng)于供應(yīng)至AFBSC的全部煤。Greenfield應(yīng)用將要求煤原料分數(shù)接近1，而改造應(yīng)用將對應(yīng)于該分數(shù)的低值(一般在0.1和0.5之間)。凈電廠效率曲線顯示了兩種情況(1)2100°F燃氣渦輪機入口溫度和1450psia/1000°F/1000°F蒸汽循環(huán)，和(2)2300°F燃氣渦輪機入口溫度和2400psia/1000°F/1000°F蒸汽循環(huán)。情況1是典型的改造應(yīng)用以及情況2更適合于Greenfield應(yīng)用。凈電廠效率隨著供應(yīng)至脈沖氣化器的煤原料分數(shù)的增大而增加，如由于溫度增加的更高，氣體循環(huán)能量產(chǎn)生的效率更高所預(yù)測的。在與Greenfield應(yīng)用相關(guān)的高級循環(huán)條件下，凈電廠效率接近45％。用脈沖氣化器中產(chǎn)生的蒸汽代替壓縮空氣，可期待蒸汽冷卻的燃氣渦輪機葉片的效率進一步提高。對典型的改造應(yīng)用而言，凈電廠效率設(shè)計在33％和37％之間。當然，在所有情況中，其它益處也可以從滿足NSPS十分之一的排放目標的能力得出，更簡單的燃燒器島(combustor island)構(gòu)造而無需阻擋吸收濾片和無需外來的吸附劑。
根據(jù)初步估計，脈沖氣體聯(lián)合循環(huán)(“PGCC”)與高級能源產(chǎn)生技術(shù)之間的比較的優(yōu)勢列于表1中。在具有較少組件的情況下，PGCC提供了可比較的性能，并且顯示了顯著的資本成本節(jié)省的潛能。
表1

此外，PGCC系統(tǒng)可提供以下一些或全部益處●由于聲波增強灰燼附集的原因，消除了用于熱氣微粒凈化的一級或多級阻擋吸收濾片。這增強了可靠性、電廠有效性，減少了資本和操作和維持成本以及要求較少的不動產(chǎn)。
●在聲波增強方式中的有效原位硫俘獲以及吸附劑再生和硫回收提高了性能，減少了浪費，提高了收入和提高了經(jīng)濟效益。
●熱氣凈化提高了工藝效率和降低了凈熱耗(net heat rate)。
●可替代的燃料和/或生物質(zhì)可在系統(tǒng)中共燃燒。
●與目前的IGCC系統(tǒng)相比，資本成本節(jié)省在200美元和300美元/kW之間。
●提供了模塊性(modularity)并且適合于車間制造。
●該系統(tǒng)可提供為小尺寸(25MWe等同或者更大)以及該系統(tǒng)可用于涉及如石油焦炭、瀝青等原料的小生境應(yīng)用(niche application)。
●適合用于再產(chǎn)生能源以及Greenfield應(yīng)用。
●操作的階段性的氣化方式有助于NOx排放控制和靈活性，以在燃氣渦輪機進展的作用下逐漸增加渦輪機入口溫度(最終至2600°F)。
●燃燒器島可以以100％煤為燃料，以及需要輔助燃料，例如天然氣或燃料油僅用于起動。
●可將脈沖氣化器系統(tǒng)作為附加物或拔頂裝置而改造成AFBC，以組成聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用。
●顯示了獲得更高循環(huán)效率(～45％)、較低排放(～NSPS的1/10)和更低成本的電能的前景。
●沒有液體流出物從電廠中流出。
●提供了模塊性并且適合于車間制造。
●允許階段化或逐步構(gòu)造。
●沒有外部或未經(jīng)證實的構(gòu)造材料。
●該系統(tǒng)可構(gòu)造成結(jié)合的熱和能量(CHP)的應(yīng)用，用于制氫、用于直接還原鐵或用于生產(chǎn)液體燃料。
在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可實施本發(fā)明的這些和其它修改和變化。此外，應(yīng)當理解的是，各種實施方案的方面可整體或部分相互交換。此外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解上述描述僅為了示例，而并非旨在限制本發(fā)明，其是通過權(quán)利要求進一步描述的。
權(quán)利要求
1.用于產(chǎn)生具有燃料或熱值的氣流的系統(tǒng)，其包括包括第一階段部分和第二階段部分的流體通道，該流體通道包括將第一階段部分過渡至第二階段部分的U形部分；與流體通道的第一階段部分相通的脈沖燃燒裝置，該脈沖燃燒裝置包括與至少一個共振管連接的脈沖燃燒器，脈沖燃燒裝置構(gòu)造成燃燒固體或液體燃料以及產(chǎn)生脈動燃燒氣流和聲壓波，流體通道成形為將聲壓波從第一階段部分傳送至第二階段部分；用于將硫俘獲劑注入流體通道的第二階段部分中的硫俘獲劑注入口，硫俘獲劑構(gòu)造成從脈動燃燒氣流中去除含硫氣體，以及與脈動燃燒氣流中含有的任何顆粒進行聲附集；以及與流體通道相通的微粒去除裝置，其用于接受燃燒氣流且去除氣流中含有的微粒。
2.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，進一步包括固體或液體燃料注入口，布置該固體或液體燃料注入口，以便將固體或液體燃料注入流體通道的第二階段部分中。
3.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，其中硫俘獲劑注入口是在U形部分上或附近布置的。
4.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，其中硫俘獲劑注入口是沿著第二階段部分的中間區(qū)域布置的。
5.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，進一步包括噴嘴，該噴嘴用于將水注入流體通道的第二階段部分中。
6.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，進一步包括用于將蒸汽和氧氣注入脈沖燃燒裝置中的蒸汽端口和氧氣端口。
7.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，進一步包括除渣端口，該除渣端口是沿著流體通道的U形部分布置的。
8.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，其中脈沖燃燒裝置構(gòu)造成產(chǎn)生頻率在約20至約250赫茲的聲壓波。
9.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，其中微粒去除裝置包括第一旋風分離器和第二旋風分離器，第一旋風分離器包括用于去除附集物的低速旋風分離器，第二旋風分離器包括用于去除細粉的高效旋風分離器。
10.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，其中構(gòu)造與脈沖燃燒裝置連接的流體通道，以使流體通道的第一階段部分在第一出口溫度下運行以及第二階段部分在第二出口溫度下運行，第一出口溫度大于第二出口溫度，第二出口溫度低于約1700°F。
11.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，進一步包括拔頂燃燒器，布置該拔頂燃燒器以接受從微粒去除裝置流出的燃燒氣流，拔頂燃燒器包括用于燃燒燃燒氣流的燃燒器。
12.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，進一步包括硫酸化器，該硫酸化器接受由微粒去除裝置收集的微粒，硫酸化器包括與氣體端口相通的加熱流化床，該氣體端口構(gòu)造成將流態(tài)化氣體注入流化床中，流態(tài)化氣體包括氧氣，硫酸化器構(gòu)造成硫酸化被硫俘獲劑俘獲的任何硫。
13.權(quán)利要求12所定義的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)進一步包括拔頂燃燒器，布置該拔頂燃燒器，以接受來自微粒去除裝置的燃燒氣流，拔頂燃燒器包括構(gòu)造成燃燒燃燒氣流的燃燒器，以及其中硫酸化器預(yù)熱供應(yīng)至拔頂燃燒器的燃燒器的空氣氣流。
14.權(quán)利要求1所定義的系統(tǒng)，進一步包括用于產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置，其構(gòu)造成接受從微粒去除裝置流出的燃燒氣流。
15.權(quán)利要求14所定義的系統(tǒng)，其中發(fā)電裝置包括燃氣渦輪機或蒸汽渦輪機。
16.權(quán)利要求14所定義的系統(tǒng)，其中發(fā)電裝置包括燃料電池。
17.用于產(chǎn)生具有燃料或熱值的氣流的系統(tǒng)，其包括包括第一階段部分和第二階段部分的流體通道；與流體通道的第一階段部分相通的脈沖燃燒裝置，脈沖燃燒裝置包括與至少一個共振管相連的脈沖燃燒器，脈沖燃燒裝置構(gòu)造成燃燒固體或液體燃料以及產(chǎn)生脈動燃燒氣流和聲壓波，流體通道成形為將聲壓波從第一階段部分傳送至第二階段部分；用于將硫俘獲劑注入流體通道的第二階段部分中的硫俘獲劑注入口，硫俘獲劑構(gòu)造成從脈動燃燒氣流中去除含硫氣體，以及與脈動燃燒氣流中含有的任何顆粒進行聲附集；與流體通道相通的微粒去除裝置，其用于接受燃燒氣流且去除氣流中含有的微粒；與微粒去除裝置相通的拔頂燃燒器，其用于接受燃燒氣流，拔頂燃燒器包括構(gòu)造成燃燒燃燒氣流的燃燒器；以及硫酸化器，該硫酸化器用于接受由微粒去除裝置收集的微粒，硫酸化器包括與流化氣體端口相通的加熱流化床，通過該氣體端口將含有氧氣的流態(tài)化氣體注入流化床中，硫酸化器構(gòu)造成硫酸化被硫俘獲劑俘獲的任何硫。
18.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，進一步包括發(fā)電裝置，其用于接受來自拔頂燃燒器的加熱過的燃燒氣流以及產(chǎn)生電能。
19.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，其中發(fā)電裝置包括燃氣渦輪機或蒸汽渦輪機。
20.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，進一步包括固體或液體燃料注入口，布置該固體或液體燃料注入口，以便將固體或液體燃料注入流體通道的第二階段部分中。
21.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，進一步包括噴嘴，該噴嘴用于將水注入流體通道的第二階段部分中。
22.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，進一步包括用于將蒸汽和氧氣注入脈沖燃燒裝置的蒸汽端口和氧氣端口。
23.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，其中脈沖燃燒裝置構(gòu)造成產(chǎn)生頻率在約20至約250赫茲之間的聲壓波。
24.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，其中微粒去除裝置包括第一旋風分離器和第二旋風分離器，第一旋風分離器包括用于去除附集物的低速旋風分離器，第二旋風分離器包括用于去除細粉的高效旋風分離器。
25.權(quán)利要求17所定義的系統(tǒng)，其中構(gòu)造與脈沖燃燒裝置連接的流體通道，以使流體通道的第一階段部分在第一出口溫度下運行以及第二階段部分在第二出口溫度下運行，第一出口溫度大于第二出口溫度，第二出口溫度低于約1700°F。
26.用于產(chǎn)生具有燃料或熱值的氣流的方法，其包括在脈沖燃燒裝置中燃燒固體或液體燃料，且產(chǎn)生脈動燃燒氣流和聲壓波，脈沖燃燒裝置在亞化學計量條件下操作；通過流體通道，傳遞脈動燃燒氣流和聲壓波，流體通道含有蒸汽并且至少一部分流體通道維持在還原條件下，其中使燃燒氣流中含有的有機成分進行吸熱反應(yīng)，以形成氫氣；將硫俘獲劑注入流體通道中，硫俘獲劑俘獲脈動燃燒氣流中含有的硫，硫俘獲劑也與脈動燃燒氣流中含有的顆粒聲附集；以及過濾燃燒氣流，以去除附集的顆粒。
27.權(quán)利要求26所定義的方法，其中流體通道包括第一階段部分和第二階段部分，還原條件維持在第二階段部分中，第一階段部分具有第一出口溫度以及第二階段部分具有第二出口溫度，第一出口溫度高于第二出口溫度，第二出口溫度低于約1900°F。
28.權(quán)利要求27所定義的方法，其中第一出口溫度在約2500°F至約3400°F之間。
29.權(quán)利要求26所定義的方法，其中蒸汽是通過脈沖燃燒裝置供應(yīng)的，以產(chǎn)生亞化學計量條件，蒸汽進一步起到控制脈動燃燒氣流的溫度的作用。
30.權(quán)利要求26所定義的方法，其中將固體或液體燃料注入流體通道中，在流體通道中固體或液體燃料進行形成氫氣的吸熱反應(yīng)。
31.權(quán)利要求27所定義的方法，其中第一階段部分含有氧氣且處于足以產(chǎn)生渣的溫度下，以及其中該方法進一步包括從流體通道中周期性除渣的步驟。
32.權(quán)利要求31所定義的方法，其中部分氧化、蒸汽氣化和造渣全都發(fā)生在流體通道的第一階段部分中。
33.權(quán)利要求32所定義的方法，其中只有蒸汽氣化發(fā)生在流體通道的第二階段部分中。
34.權(quán)利要求33所定義的方法，其中該方法進一步包括將蒸汽注入流體通道的第二階段部分中的步驟。
35.權(quán)利要求26所定義的方法，其中硫俘獲劑具有至少20微米的中值粒度。
36.權(quán)利要求26所定義的方法，其中硫俘獲劑包括石灰石、白云石或它們的混合物。
37.權(quán)利要求26所定義的方法，其中硫俘獲劑包括二氧化鈰。
38.權(quán)利要求37所定義的方法，進一步包括將過濾的附集顆粒加熱到足以再生二氧化鈰的溫度的步驟。
39.權(quán)利要求26所定義的方法，進一步包括將堿性吸氣劑注入流體通道并與脈動燃燒氣流接觸的步驟。
40.權(quán)利要求26所定義的方法，其中聲壓波的頻率在約20赫茲至約250赫茲之間，聲壓波的強度至少為約150dB。
41.權(quán)利要求27所定義的方法，進一步包括將水噴射至第二階段部分中以冷卻脈動燃燒氣流的步驟。
42.權(quán)利要求41所定義的方法，其中加入至第二階段部分的水的量為燃燒氣流的質(zhì)量流量的高達約5％。
43.權(quán)利要求26所定義的方法，其中燃燒氣流是通過第一旋風分離器和第二旋風分離器過濾的，第一旋風分離器包括低速旋風分離器，第二旋風分離器包括高速旋風分離器。
44.權(quán)利要求26所定義的方法，其中從燃燒氣流中過濾出來的附集顆粒含有硫化物，并且其中該方法進一步包括硫酸化硫化物的步驟。
45.權(quán)利要求44所定義的方法，其中附集的顆粒是被供應(yīng)至氧化條件下的流化床而硫酸化的，流化床處在低于約2200°F的溫度下。
46.權(quán)利要求26所定義的方法，進一步包括將過濾的燃燒氣流供應(yīng)至拔頂燃燒器的步驟，拔頂燃燒器燃燒燃燒氣流，以形成燃料氣流，將燃料氣流供應(yīng)至產(chǎn)生電能的發(fā)電裝置中。
47.權(quán)利要求46所定義的方法，其中發(fā)電裝置包括燃氣渦輪機或蒸汽渦輪機。
48.權(quán)利要求26所定義的方法，其中將過濾的燃燒氣流供應(yīng)至產(chǎn)生電能的燃料電池中。
49.用于產(chǎn)生具有燃料或熱值的氣流的方法，其包括在脈沖燃燒裝置中燃燒固體或液體燃料，且產(chǎn)生脈動燃燒氣流和聲壓波，其中聲壓波的頻率在約25赫茲至約250赫茲之間，在亞化學計量條件下操作脈沖燃燒裝置；將脈動燃燒氣流引導(dǎo)通過流體通道，流體通道包括第一階段部分和第二階段部分，第一階段部分具有第一出口溫度以及第二階段部分具有第二出口溫度，第一出口溫度高于第二出口溫度；將蒸汽與固體或液體燃料一起供應(yīng)至脈沖燃燒裝置中，存在于脈沖燃燒裝置中的蒸汽量足以將流體通道的第一階段部分內(nèi)的溫度維持在低于約3500°F，部分氧化、蒸汽氣化和造渣全都發(fā)生在流體通道的第一階段部分中；從流體通道中周期性除渣；將硫俘獲劑注入流體通道的第二階段部分中，硫俘獲劑俘獲脈動燃燒氣流含有的硫，硫俘獲劑也與脈動燃燒氣流中含有的顆粒聲附集；維持流體通道的第二階段部分中的還原條件，蒸汽氣化發(fā)生在第二階段部分中，從而形成氫氣；以及過濾留在流體通道的第二階段部分中的燃燒氣流，以去除附集的顆粒。
50.權(quán)利要求49所定義的方法，其中將過濾的燃燒氣流供應(yīng)至產(chǎn)生電能的渦輪機中。
51.權(quán)利要求49所定義的方法，其中將過濾的燃燒氣流供應(yīng)至產(chǎn)生電能的燃料電池中。
52.權(quán)利要求49所定義的方法，其中將蒸汽供應(yīng)至流體通道的第二階段部分中，以維持還原條件。
全文摘要
氣化器系統(tǒng)和方法包括與流體通道相通的脈沖燃燒裝置，用于產(chǎn)生具有熱值或燃料值的氣流。在亞化學計量條件下操作脈沖燃燒裝置，以使燃燒和蒸汽重整全都發(fā)生在流體通道中。脈沖燃燒裝置也產(chǎn)生脈動燃燒產(chǎn)物流和聲壓波。聲壓波起到使燃燒氣流中含有的顆粒附集，以容易去除的作用。在一個實施方案中，將硫俘獲劑注入流體通道中，不僅用于從燃燒產(chǎn)物流中去除硫，也有助于粒子附集。最終，產(chǎn)生含有氫氣的氣流，該氣流可用在各種工藝中，例如產(chǎn)生電能。
文檔編號F23J11/00GK1685035SQ03817220
公開日2005年10月19日 申請日期2003年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月22日
發(fā)明者拉維·錢德蘭, 莫姆塔茲·N·曼索 申請人:制造及技術(shù)轉(zhuǎn)化國際公司