СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ СЫРЬЯ В РЕАКТОРЕ Российский патент 2014 года по МПК C10J3/50 B05B7/04 B01F5/04 F23D14/24 

[0001] Предлагаемое изобретение относится к системам газификации, в частности к усовершенствованным способам и устройству для подачи сырья в газификатор.

[0002] По меньшей мере некоторые известные газогенераторы преобразуют смесь топлива, воздуха или кислорода, воды и/или пара, и/или шлака в частично окисленный газ, называемый иногда "сингаз". В комбинированном цикле с внутренней газификацией (IGCC) системы генерации мощности сингаз поступает в камеру сгорания газотурбинного двигателя, который приводит в действие генератор, питающий энергосистему. Выброс от газотурбинных двигателей может поступать в парогенератор, который вырабатывает пар для приведения в движение паровой турбины. Выработанная паровой турбиной электроэнергия приводит в действие электрогенератор, питающий энергосистему.

[0003] Топливо, воздух или кислород, вода, и/или пар, и/или шлак подаются в газификатор из отдельных источников с помощью инжектора сырья, соединяющего источники питания с сырьевой насадкой. Источники сырья проходят через инжектор сырья по отдельности и соединяются в зоне реакции ниже насадки. Чтобы завершить реакцию в короткий промежуток времени, тщательно перемешанное сырье должно находиться в зоне реакции. Известно, что газогенераторные инжекторы сырья содержат распылители состава сырья с высокой скоростью распыления, чтобы способствовать размельчению сырья, однако такие способы сокращают продолжительность реакции и препятствуют ее завершению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В одном варианте выполнения инжектор сырья содержит несколько кольцевых каналов, размещенных главным образом в концентрической конфигурации относительно продольной оси, по которым поток текучей среды направляется главным образом в осевом направлении из соответствующего источника в зону реакции, а также спиральный элемент, проходящий в тракт для прохода текучей среды, ограниченный по меньшей мере одним из нескольких кольцевых каналов, причем спиральный элемент выполнен с возможностью придания кругового вращения потоку текучей среды, протекающей через по меньшей мере один кольцевой канал.

В дополнительном варианте выполнения спиральные элементы отстоят друг от друга по периферии вокруг двух из указанных нескольких каналов, причем в первом из каналов спиральные элементы расположены под непрямым углом относительно продольной оси, а во втором из каналов спиральные элементы расположены под непрямым углом в противоположном направлении относительно спиральных элементов первого канала.

В еще одном варианте выполнения спиральный элемент содержит удлиненную лопасть, выполненную за одно целое с указанным элементом и проходящую наружу в по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов.

В еще одном варианте выполнения спиральный элемент содержит несколько лопастей, которые проходят наружу в по меньшей мере один из указанных кольцевых каналов.

В еще одном варианте выполнения система дополнительно содержит привод, соединенный с по меньшей мере одним из указанных спиральных элементов и выполненный с возможностью вращения спирального элемента так, что его наклон относительно продольной оси меняется.

В еще одном варианте выполнения система дополнительно содержит первый трубопровод, который имеет первый радиально расходящийся конец, и второй трубопровод, совмещенный в концентрической конфигурации относительно продольной оси указанного первого трубопровода так, что он находится снаружи указанного первого трубопровода, образуя по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов; причем радиальный наружный диаметр указанного первого трубопровода на указанном первом конце меньше внутреннего диаметра второго трубопровода, так что указанный конец может быть удален в осевом направлении через указанный второй трубопровод. В еще одном варианте выполнения второй трубопровод имеет второй радиально расходящийся конец, внутренний диаметр которого превышает внутренний диаметр указанного второго трубопровода, при этом радиальный наружный диаметр указанного первого трубопровода у указанного второго конца превышает внутренний диаметр указанного второго трубопровода, так что указанный второй конец указанного первого трубопровода взаимодействует с внутренним диаметром указанного второго трубопровода при удалении первого трубопровода в осевом направлении через второй трубопровод, при этом указанный первый расходящийся конец сообщает угловую траекторию выходящей из него текучей среде.

[0005] В другом варианте выполнения способ сборки инжектора сырья газификатора включает обеспечение первой трубы для сырья, имеющей первый наружный диаметр относительно продольной оси, причем первая труба содержит конец подачи, разгрузочный конец и отрезок трубы между ними, и обеспечение второй питающей трубы, имеющей первый внутренний диаметр, причем вторая труба содержит конец подачи, разгрузочный конец и отрезок трубы между ними. Способ дополнительно включает соединение спирального элемента в форме лопасти с наружной поверхностью первой трубы в некотором месте вдоль первой трубы, причем спиральный элемент проходит вдоль наружной поверхности первой трубы под непрямым углом относительно продольной оси, и вставку первой трубы во вторую трубу так, что первая труба и вторая труба совмещаются практически в концентрической конфигурациии.

В дополнительном варианте выполнения при соединении по меньшей мере одного спирального элемента вдоль винтовой траектории вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы соединяют спиральный элемент вдоль винтовой траектории, имеющей различный наклон вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы.

В еще одном варианте выполнения дополнительно изменяют осевое положение по меньшей мере одного спирального элемента с использованием привода, соединенного с одним или несколькими спиральными элементами.

[0006] Еще в одном варианте выполнения система газогенератора содержит контейнер высокого давления для частичного окисления топлива и инжектор сырья, обеспечивающий инжекцию топлива в сосуд высокого давления, причем инжектор сырья дополнительно содержит несколько кольцевых каналов, которые направляют поток текучей среды главным образом в осевом направлении из соответствующего источника в зону реакции, а также спиральный элемент, проходящий в тракт для прохода текучей среды, ограниченный по меньшей мере одним из нескольких кольцевых каналов, при этом спиральный элемент выполнен с возможностью придания кругового вращения потоку текучей среды, протекающей по меньшей мере через один кольцевой канал.

Краткое описание чертежей

[0007] Фиг.1 представляет собой схематическое изображение иллюстративного варианта известного комбинированного цикла с внутренней газификацией (IGCC) системы генерации мощности;и

[0008] Фиг.2 представляет собой схематическое изображение известного варианта выполнения усовершенствованного газификатора с системой удаления твердой фракции (в буровом растворе), который можно применять с устройством, представленным на Фиг.1;

[0009] Фиг.3 представляет собой вид в поперечном сечении инжектора сырья, представленного на Фиг.2, выполненного в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;

[0010] Фиг.4 представляет собой вид в поперечном сечении инжектора сырья, показанного на Фиг.3, взятого вдоль линии 4-4; и

[0011] Фиг.5A, 5B и 5C представляют собой вертикальные виды сбоку иллюстративных спиральных элементов, которые можно использовать в инжекторе 208 сырья, представленном на Фиг.2;

[0012] Фиг.6 представляет собой вид в поперечном сечении выпускной части инжектора, в котором используется расходящийся конец; и

[0013]Фиг.7 представляет собой вид в поперечном сечении выпускной части инжектора, показанной на Фиг.6 после модификации.

Подробное описание изобретения

[0014] Приведенное ниже подробное описание изобретения представляет изобретение посредством примера и ни в коем случае посредством ограничения. Очевидно, что описание изобретения позволяет специалисту выполнять и использовать изобретение; в описании приведены несколько вариантов выполнения изобретения, описаны варианты, модификации и альтернативные решения, приведены примеры применения изобретения, в том числе предполагаемый лучший вариант использования изобретения. Изобретение описано как приложение к предпочтительному варианту выполнения, а именно к устройствам и способам подачи сырья в реактор. Кроме того, настоящее изобретение может использоваться в системах трубопроводов в помещениях промышленного, торгового назначения или в жилых помещениях.

[0015] Фиг.1 представляет собой схематическое изображение примерного варианта комбинированного цикла с внутренней газификацией (IGCC) системы 50 генерации мощности. IGCC система 50 в целом содержит основной воздушный компрессор 52, сепаратор 54 воздуха, соединенный в проточном сообщении с компрессором 52, газификатор 56, соединенный в проточном сообщении с сепаратором 54 воздуха, газотурбинный двигатель 10, соединенный в проточном сообщении с газификатором 56, и паровую турбину 58. При эксплуатации компрессор 52 сжимает атмосферный воздух. Сжатый воздух направляется в сепаратор 54 воздуха. В некоторых вариантах выполнения, в дополнение или альтернативно к компрессору 52, сжатый воздух из компрессора 12 газотурбинного двигателя подается к сепаратору 54 воздуха. Сепаратор 54 воздуха использует сжатый воздух для выработки кислорода с целью его последующего использования газификатором 56. Более конкретно, в сепараторе 54 воздуха сжатый воздух разделяется на отдельные потоки кислорода и побочного газа, называемого иногда "технологическим газом". Технологический газ, вырабатываемый сепаратором 54 воздуха, содержит азот и будет в дальнейшем называться "технологическим газообразным азотом". Технологический газообразный азот может содержать также другие газы, в том числе кислород и/или аргон, но не ограничиваясь ими. К примеру, в некоторых вариантах выполнения технологический газообразный азот содержит приблизительно от 95% до 100% азота. Как следует из нижеприведенного описания, поток кислорода направляется в газификатор 56 для выработки частично сжигаемого газа, именуемого в дальнейшем "сингаз" и используемого в качестве топлива в газотурбинном двигателе 10. В некоторых известных IGCC системах 50 по меньшей мере часть потока технологического газообразного азота, являющегося побочным продуктом сепаратора 54 воздуха, выбрасывается в атмосферу. Кроме того, для регулирования выбросов газотурбинного двигателя 10, в частности для снижения температуры горения и уменьшения выбросов закиси азота газотурбинным двигателем 10, в некоторых известных IGCC системах 50 часть потока технологического газообразного азота закачивается в зону сгорания (не показана) внутри камеры 14 сгорания газотурбинного двигателя. Для сжатия потока технологического азота перед его закачкой в зону сгорания IGCC система 50 может содержать компрессор 60.

[0016] Подаваемую сепаратором воздуха 54 смесь топлива, кислорода, воды в жидком состоянии, и/или пара, и/или добавки шлака газификатор 56 преобразует в сингаз, используемый в качестве топлива для газотурбинного двигателя 10. Несмотря на то, что в газификаторе 56 может использоваться любое топливо, в некоторых известных IGCC системах 50 в качестве топлива в газогенераторе 56 используется уголь, нефтяной кокс, топочный мазут, водонефтяные эмульсии, битуминозные пески и/или другие виды топлива. В некоторых известных IGCC 50 системах вырабатываемый газификатором 56 сингаз содержит углекислый газ. Перед поступлением для сгорания в камеру 14 сгорания газотурбинного двигателя вырабатываемый газификатором 56 сингаз очищается в устройстве 62 очистки. При очистке углекислый газ может отделяться от сингаза, а в некоторых известных IGCC 50 системах он выбрасывается в атмосферу. Выходная мощность газотурбинного двигателя 10 приводит в действие генератор 64, который подает электроэнергию в энергосистему (не показана). Из газотурбинного двигателя 10 отработанный газ поступает в теплоутилизационный парогенератор 66, который вырабатывает пар, вращающий паровую турбину 58. Вырабатываемая паровой турбиной 58 энергия приводит в движение электрогенератор 68, который подает электроэнергию в энергосистему. В некоторых известных IGCC системах 50 производимый теплоутилизационным парогенератором 66 пар поступает в газификатор 56 для выработки сингаза. В других известных IGCC системах 50 тепловая энергия, получаемая в результате преобразования сингаза, используется для выработки дополнительного пара, вращающего паровую турбину 58.

[0017] Фиг.2 представляет собой схематический вид иллюстративного варианта выполнения усовершенствованного газификатора 200 с системой удаления твердой фракции, который может быть использован с устройством 50 (Фиг.1). В иллюстративном варианте выполнения газификатор 200 содержит верхний кожух 202, нижний кожух 204 и распложенный между ними по существу цилиндрический контейнер 206. Инжектор 208 сырья проходит через верхний кожух 202 или через цилиндрический контейнер 206 для направления потока топлива в газификатор 200. Топливо проходит через один или большее количество каналов в инжекторе 208 сырья и выходит через насадку 210, которая направляет его в соответствии с заранее заданной схемой 212 в зону 214 горения газификатора 200. До поступления в насадку 210 или же после выхода из насадки 210 топливо может быть смешано с другими веществами. Например, для более полной переработки топлива и/или при смешивании с добавками шлака, для улучшения плавления любого необогащенного угля до поступления в насадку 210, топливо может быть смешано с мелкими частицами, полученными при работе устройства 50, а также топливо может быть смешано с окислителем, например воздухом или кислородом в насадке 210 или ниже по потоку от насадки 210.

[0018] В иллюстративном варианте выполнения изобретения зона 214 горения представляет собой вертикально ориентированное, по существу цилиндрическое пространство, расположенное соосно и последовательно с насадкой 210 на тракте для прохода текучей среды. Наружная периферия зоны 214 горения ограничена стенкой 216 из огнеупорного материала с конструкционной подложкой, такой как труба 218 из сплава Инколлой, и огнеупорным покрытием 220, обеспечивающими стойкость к высоким температурам и давлениям внутри зоны 214 горения. Разгрузочный конец 222 стенки 216 из огнеупорного материала содержит суживающееся выпускное отверстие насадки 224, выполненное с возможностью поддержания заранее заданного противодавления в зоне 214 горения, давая возможность продуктам сгорания и произведенному в зоне 214 сгорания сингазу выйти из зоны 214 горения. Продукты сгорания содержат побочные газообразные продукты, шлак, образующийся, как правило, на огнеупорном покрытии 220, и мелкодисперсные частицы, содержащиеся во взвешенном состоянии в побочных газообразных продуктах.

[0019] После выхода из зоны 214 горения под влиянием силы тяжести жидкотекучий шлак и твердый шлак падают в накопительный бункер 226 в нижнем кожухе 204. Накопительный бункер 226 содержит воду, охлаждающую жидкотекучий шлак и превращающую его в хрупкие твердые материалы, которые после удаления их из газификатора 200 могут быть измельчены на более мелкие частицы. Кроме того, накопительный бункер 226 задерживает приблизительно девяносто процентов выходящих из зоны 214 горения мелкодисперсных частиц.

[0020] В иллюстративном варианте выполнения первый кольцевой канал 228 по меньшей мере частично ограничивает зону 214 горения. По внутренней периферии первый канал 228 ограничен стенкой 216 из огнеупорного материала и цилиндрическим корпусом 230, установленным соосно зоне 214 горения на радиальной наружной периферии первого канала 228. Сверху первый канал 228 закрыт верхним фланцем 232. В первом канале 228 побочные газообразные продукты и оставшиеся десять процентов мелкодисперсных частиц направляются снизу 234 зоны 214 горения в направлении вверх 236 первого канала 228. Быстрое перенаправление в выпускное отверстие насадки 224 способствует отделению мелкодисперсных частиц и шлака от побочных газообразных продуктов.

[0021] Побочные газообразные продукты и оставшиеся десять процентов мелкодисперсных частиц перемещаются вверх через первый канал 228 к выходу 238 первого канала. При перемещении через первый канал 228 из побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц выделяется тепло. Например, побочные газообразные продукты при поступлении в первый канал 228 имеют температуру приблизительно 2500 градусов по Фаренгейту (1370 градусов Цельсия), а при выходе из первого канала 228 температура побочных газообразных продуктов достигает приблизительно 1800 градусов по Фаренгейту (980 градусов Цельсия). Побочные газообразные продукты и мелкодисперсные частицы покидают первый канал 228 через выход 238 первого канала и попадают во второй кольцевой канал 240, в котором побочные газообразные продукты и мелкодисперсные частицы перенаправляются вниз. По мере того как поток побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц проходит через второй канал 240, из побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц может быть выделено тепло с помощью, например, трубок 242 перегрева, которые отводят тепло из потока побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц и отдают его пару, проходящему внутри трубок 242 перегрева. Например, поступающие во второй канал 240 побочные газообразные продукты имеют температуру приблизительно 1800 градусов по Фаренгейту (980 градусов Цельсия), а при выходе из второго канала 240 их температура достигает приблизительно 1500 градусов по Фаренгейту (815 градусов Цельсия). Когда поток побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц достигает нижнего конца 244 второго канала 240, расположенного смежно с нижним кожухом 204, второй канал 240 сужается в направлении к накопительному бункеру 226. В нижнем конце 244 поток побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц направляется вверх в виде водяной пыли 246,образуя охлаждающийся поток побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц. Тепло, отводимое от потока побочных газообразных продуктов и мелкодисперсных частиц, пытается испарить водяную пыль 246 и агломерировать мелкодисперсные частицы в относительно крупные комки шлака, которые падают в нижний кожух 204. Поток побочных газообразных продуктов и оставшихся мелкодисперсных частиц направляется в противоположном направлении к нижней стороне перфорированной пластины 248, формирующей кольцевой поднос, ограничивающий нижний конец 244. С целью формирования контактной среды для дополнительного удаления мелкодисперсных частиц из потока побочных газообразных продуктов уровень воды поддерживается выше перфорированной пластины 248. При просачивании вверх побочных газообразных продуктов и оставшихся мелкодисперсных частиц через отверстия в перфорированной пластине 248 мелкодисперсные частицы контактируют с водой, задерживаются в водяной ванне и перемещаются вниз через отверстия в отстойник, расположенный в нижнем кожухе 204. Зазор 250 между днищем накопительного бункера 226 и нижним кожухом 204 позволяет удалять из газификатора 200 мелкодисперсные частицы, прошедшие через накопительный бункер 226.

[0022] Сепарирующая ловушка 254 ограничивает верхний конец нижнего кожуха 204 и уровень воды выше перфорированной пластины 248. Сепарирующая ловушка 254 может представлять собой циклонный или центробежный сепаратор с тангенциальным подводом или с вращающимися лопастями для сообщения вихревого движения побочным газообразным продуктам и оставшимся мелкодисперсным частицам. Под действием центробежной силы частицы выбрасываются наружу к стенкам сепаратора, где мелкодисперсные частицы коалесцируют и падают вдоль стенки нижнего кожуха 204 сепаратора. Кроме того, используется проволока для формирования проволочного полотна, причем оставшиеся мелкодисперсные частицы соударяются с поверхностью проволочного полотна, агломерируются с другими твердыми частицами и под действием силы тяжести с помощью струй воды падают в нижний кожух 204. Сепарирующая ловушка может иметь пластинчатый тип, такой как жалюзийный сепаратор или отражающий сепаратор. В жалюзийном сепараторе побочные газообразные продукты проходят между лопастями и вынуждены двигаться зигзагообразно. Увлекаемые потоком твердые частицы и любые капли жидкости не могут следовать линиям потока газа, так что они соударяются с лопастями, коалесцируют и падают обратно в нижний кожух 204. Для содействия улавливанию твердых частиц и капель жидкости к краям лопастей могут быть добавлены некоторые элементы, например крючки и карманы. Для обеспечения этапов сепарации жалюзийные сепараторы могут быть расположены друг над другом или под углом друг к другу. Отражающие сепараторы порождают циклонное движение, когда побочные газообразные продукты и мелкодисперсные частицы перемещаются над изогнутыми лопастями, которые придают вращательное движение, в результате чего увлекаемые потоком твердые частицы и любые капли жидкости направляются на стенки контейнера, на которых упомянутые твердые частицы и любые капли жидкости собираются и стекают в нижний кожух 204.

[0023] Поток побочных газообразных продуктов и оставшихся любых мелкодисперсных частиц поступает в сепаратор 254, в котором из потока побочных газообразных продуктов удаляются по существу все оставшиеся мелкодисперсные частицы и любые капли жидкости. Для дальнейшей переработки поток побочных газообразных продуктов выходит из газификатора через выпускное отверстие 256.

[0024] Фиг.3 представляет собой вид в разрезе инжектора 208 сырья, представленного на Фиг.2 в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. В иллюстративном варианте выполнения изобретения инжектор 208 сырья содержит центральный трубопровод 302 потока сырья с продольной осью 303 и кольцевые трубопроводы 304 и 306 потока сырья, размещенные в основном в концентрической конфигурации относительно продольной оси 303, которые сходятся у разгрузочного конца 308 насадки 210 для формирования выпускного отверстия 310.

[0025] При работе инжектор 208 сырья обеспечивает проход потока углеродосодержащего сырья через трубопровод 304 потока сырья и поток первичного и вторичного окислителей по трубопроводам 302 и 306 потока сырья. В альтернативном варианте выполнения трубопровод 304 потока сырья обеспечивает проход поддающегося насосной перекачке жидкофазного шлама твердого углеродосодержащего сырья, например водоугольной суспензии. Кислородосодержащий газ и поток углеродосодержащего сырья соединяются на заранее заданном расстоянии от выпускного отверстия 310 инжекторной насадки 210, в целом вблизи разгрузочного конца 308 насадки для формирования зоны реакции (не показана), в которой выходящий поток топлива самовозгорается. Самовозгоранию потока топлива способствует распад или измельчение соединяющихся потоков топлива по мере их выхода из выпускного отверстия 310 насадки. Такое измельчение улучшает реакцию сырья и способствует получению необходимого для процесса газификации тепла. В результате, зона реакции, находящаяся в непосредственной близости к разгрузочному концу 308 топливной насадки 210, отличается значительным теплом, при этом температура находится в пределах от 2100 градусов по Фаренгейту (1150 градусов Цельсия) до 3000 градусов по Фаренгейту (1650 градусов Цельсия). Для продвижения потоков топлива с целью формирования зоны реакции на некотором расстоянии от выпускного отверстия насадки 310, потоки топлива выходят из трубопроводов 302, 304 и 306 с достаточно высокой скоростью. Для дальнейшего измельчения используется интенсивное смешивание топлива, окислителей и других потоков сырья. Внутри по меньшей мере некоторых из каналов 314, 316, 318, размещенных внутри трубопровода 302 и между трубопроводами 304, 302, а также соответственно между трубопроводами 304 и 306 размещен спиральный элемент 312.

[0026] Спиральные элементы 312 имеют длину 317 в направлении 319 потока текучей среды и ширину 320. В иллюстративном варианте выполнения спиральные элементы 312 соединены с наружной поверхностью одного или большего количества трубопроводов 302 или 304. Кроме того, спиральные элементы 312 могут быть соединены с центральной частью 321 корпуса, который может быть вставлен в центральный трубопровод 302 потока сырья таким образом, чтобы центральная часть 321 корпуса была по существу расположена соосно оси 303. Спиральные элементы 312 установлены под наклоном относительно оси 303 так, чтобы поток текучей среды в осевом направлении 319 был направлен по окружности соответствующего канала, в котором он (поток) соударяется со спиральными элементами 312. В потоке текучей среды спираль способствует измельчению текучей среды в выпускном отверстии 310 и ниже выпускного отверстия 310. Измельчение способствует самовозгоранию и обеспечивает более полное окисление топлива, в том числе увеличивает время реакции частиц с окислителем для улучшения конверсии углерода. В альтернативном варианте выполнения спиральные элементы 312 прикреплены или установлены на внутренней поверхности одного или большего количества трубопроводов 302, 304 или 306. В другом варианте выполнения спиральные элементы 312 изготовлены с возможностью замены или частичной замены элементов на месте любыми подходящими средствами внутри трубопроводов 302, 304 и 306 или снаружи трубопроводов 302 и 304. Кроме того, еще в одном варианте выполнения изобретения спиральные элементы 312 предназначены для ограничения относительного перемещения двух или большего количества каналов, способствуя, тем самым, надлежащей внутренней юстировке и работе инжектора, что может осуществляться с помощью рельефной или посадочной поверхности вдоль внутреннего или наружного диаметра трубопровода, взаимодействующего со спиральными элементами 312 при сборке, так чтобы соответствующий внутренний или наружный диаметр рельефной или посадочной поверхности был, соответственно, меньше или больше, чем диаметр поверхности трубопровода, поверх которого проходят спиральные элементы 312 во время сборки и разборки устройства.

[0027] В иллюстративном варианте выполнения спиральные элементы 312 выполнены как относительно короткие лопасти в направлении потока 319. В альтернативном варианте выполнения спиральные элементы 312 имеют длину, по существу равную длине одного из соответствующих трубопроводов 302, 304 и 306. В другом альтернативном варианте выполнения спиральные элементы 312 имеют промежуточную заранее заданную длину для сообщения проходящему через соответствующий канал потоку текучей среды необходимого периферического компонента скорости. Еще в одном варианте выполнения для облегчения продвижения потока текучей среды к спиральным элементам 312 передние и/или задние края спиральных элементов 312 изогнуты. В иллюстративном варианте выполнения группа 322 из нескольких спиральных элементов 312 отстоит по периферии в одном осевом положении вдоль соответствующего канала. В других вариантах выполнения несколько групп спиральных элементов 312 могут отстоять друг от друга по периферии вокруг соответствующего канала, расположенного по оси вдоль длины трубопровода 302. Спиральные элементы 312 или группы 322 спиральных элементов 312 могут быть размещены равноудаленно вдоль соответствующего канала или же быть расположены в положении, способствующем лучшей передаче протекающему через соответствующий канал потоку текучей среды необходимых периферических компонентов скорости. В другом варианте выполнения центральная часть 321 корпуса содержит соединительный шток 324, который совпадает по оси с осевой линией 303 и подвешен с конца 326 подачи трубопровода 302 инжектора 208 сырья, с использованием, например, фланцевого соединения или заглушки 328, расположенной выше и присоединенной с возможностью замены к концу 326 подачи трубопровода 302. Соединительный шток 324 может также содержать продолжение центральной части 321 корпуса. Соединительным штоком 324 можно управлять в осевом направлении вручную или с помощью привода 330, датчика 332 положения и контроллера 334 таким образом, что во время работы газификатора 56 можно изменять осевое положение центральной части 321 корпуса и спиральных элементов 312. Чтобы свести к минимуму заклинивание поверхностей спирального элемента 312 с трубопроводами 302, 304 и 306, на выбранные поверхности спиральных элементов 312 и/или в трубопроводы 302, 304 и 306 или каналы 314, 316 и 318 могут, в качестве смазки, быть направлены соответствующий газ или текучая среда. В альтернативном варианте выполнения одна или несколько поверхностей спирального элемента 312, трубопроводы 302, 304 или 306 и/или каналы 314, 316 и 318 могут быть покрыты и/или изготовлены из одного или большего количества соответствующих самосмазывающихся материалов или из материалов, обладающих низким коэффициентом трения.

[0028] Фиг.4 представляет собой вид в поперечном сечении инжектора 208 сырья вдоль линии 4-4 (показана на Фиг.3). В иллюстративном варианте выполнения инжектор 208 сырья содержит трубопроводы 302, 304 и 306, которые показаны установленными в концентрической конфигурации. Трубопроводы 302, 304 и 306 ограничивают каналы 314, 316 и 318, через которые протекает топливо и/или окислитель. Канал 314 содержит несколько спиральных элементов 312, соединенных с центральной частью 321 корпуса. В иллюстративном варианте выполнения спиральные элементы 312 не соединены с трубопроводом 302, но посредством трения связаны с поверхностью трубопровода 302 для поддержания устойчивого положения в канале 314, облегчая одновременно изготовление инжектора 208.

[0029] Канал 318 содержит несколько спиральных элементов 312, соединенных радиально с наружной поверхностью трубопровода 304. В иллюстративном варианте выполнения спиральные элементы 312 не соединены с трубопроводом 306, но посредством трения связаны с поверхностью трубопровода 306 для поддержания устойчивого положения в канале 318, облегчая одновременно изготовление инжектора 208. При изготовлении заранее заданное количество спиральных элементов 312 может быть соединено с центральной частью 321 корпуса 321, располагаясь по периферии вокруг центральной части 321 корпуса. Центральная часть 321 корпуса вставлена в канал 314 и закреплена в заранее заданном положении. Аналогичным образом, заранее заданное количество спиральных элементов 312 может быть соединено с трубопроводом 304, размещаясь по периферии вокруг трубопровода 304. Трубопровод 304 вставляют в канал 318 и закрепляют в заранее заданном положении.

[0030] Спиральные элементы 312 в канале 314 и канале 318 сообщают тангенциальную скорость текущей в соответствующих каналах текучей среды, например кислороду. В иллюстративном варианте выполнения направление вихревого движения в канале 314 и канале 318 являются противоточным, например, первое вихревое движение 402 в канале 314 может осуществляться в направлении против часовой стрелки, а второе вихревое движение в канале 318 может осуществляться в направлении по часовой стрелке 404. Противоточность потоков в чередующихся потоках способствует увеличению напряжения сдвига между потоком кислорода и пленками угольной суспензии для формирования капли меньшего размера. Поскольку частицы следуют по спиральной траектории, а не по прямолинейной траектории, то увеличивается эффективное время пребывания. В различных других вариантах выполнения один или большее количество приводов 402 спирального элемента соединено со спиральными элементами 312 с возможностью регулирования наклона или положения спиральных элементов 312 снаружи газификатора 56. В одном варианте выполнения один или несколько спиральных элементов 312 присоединены к соответствующему приводу 406 спирального элемента. В другом варианте выполнения спиральные элементы 312 спарены с одним приводом 406 спирального элемента, выполненным с возможностью управления наклоном или положением спиральных элементов 312, соединенных с отдельным приводом 406 спирального элемента. Привод 406 спирального элемента соединен с приводным штоком (не показан), по существу аналогичным соединительному штоку 324. Приводной шток может проходить через верхний кожух 202, обеспечивая возможность манипуляции приводом 406 спирального элемента снаружи газификатора 56, используя, например, но не ограничиваясь этим, фланцевое соединение или заглушку 328, расположенную выше и соединенную с возможностью снятия с концом 326 подачи трубопровода 302.

[0031] Фиг.5A, 5B и 5C представляют собой вертикальные виды сбоку иллюстративных спиральных элементов, которые можно использовать в инжекторе 208 сырья (показан на Фиг.2). В иллюстративном варианте выполнения центральная часть 502 корпуса имеет протяженность 504 и, как правило, цилиндрический канал, трубу или трубку (не показаны на Фиг.5A-C). Центральная часть 502 корпуса может содержать цельный или полый элемент, который не направляет поток, или же может служить каналом для направления потока. Удлиненная лопасть 506 соединена с центральной частью 502 вдоль дугообразной траектории 508 относительно наружной поверхности центральной части 502. Дугообразная траектория 508 установлена наклонно с продольной осью 510 центральной части 502 корпуса. Как проиллюстрировано на Фиг.5B, спиральные элементы могут содержать несколько более коротких лопастей 512, отстоящих друг от друга вдоль винтовой траектории вокруг центральной части 502 корпуса. В иллюстративном варианте выполнения изобретения лопасти 512 размещены в соответствии с заранее заданной схемой, способствующей приданию вихревого движения сырью, проходящего по соответствующему трубопроводу. Лопасти 512 могут лишь частично выходить в соответствующий трубопровод или могут выступать во внутреннюю поверхность смежного трубопровода. В другом альтернативном варианте выполнения изобретения несколько лопастей могут формировать группы 514 лопастей, отстоящих друг от друга по окружности вокруг центральной части 502 корпуса, по существу в одном и том же осевом положении относительно центральной части 502 корпуса. Группы 514 могут отстоять друг от друга в осевом направлении в заранее заданных положениях для сообщения заранее заданной величины вихревого или периферического компонента потока сырью, проходящему через соответствующий трубопровод

[0032] Фиг.6 представляет собой вид сбоку инжектора 600, который имеет расходящийся конец 602 и может применяться с газификатором 200 (показан на Фиг.2). В иллюстративном варианте выполнения изобретения инжектор 600 содержит расходящийся кольцевой канал 604, выполненный между радиальным внутренним трубопроводом 606 и радиальным наружным трубопроводом 608. Для достижения требуемого наружного радиального компонента импульса потока текучей среды, проходящей через канал 604, кривизна и протяженность трубопровода 606 и радиального наружного трубопровода 608 вблизи конца 602 могут быть такими, что сборка и обслуживание инжектора 600 будет представлять сложность, так как внутренний конец трубопровода 606 нельзя вставить или удалить за пределами внутреннего диаметра 610 трубопровода 608.

[0033] Фиг.7 представляет собой вид сбоку инжектора 700, который имеет расходящийся конец 702 и может применяться с газификатором 200 (показан на Фиг.2). В иллюстративном варианте выполнения изобретения инжектор 700 содержит расходящийся кольцевой канал 704, выполненный между радиальным внутренним трубопроводом 706 и радиальным наружным трубопроводом 708. Для достижения требуемого наружного радиального компонента импульса потока текучей среды, проходящей через канал 704, вдоль радиальной наружной поверхности трубопровода 706 могут быть расположены спиральные элементы 710. В качестве альтернативы, спиральные элементы 712 могут быть расположены вдоль радиальной внутренней поверхности трубопровода 708. Дополнительный периферический компонент потока текучей среды достаточен для достижения необходимого наружного радиального компонента импульса потока текучей среды, без необходимости размещения внутренний трубопровод 706 достаточно далеко, чтобы он пересекался с внутренним диаметром 714 трубопровода 708. При сборке или обслуживании трубопровод 706 можно удалить с входного конца трубопровода 708.

[0034] В инжекторе с расходящимся концом сборка и обслуживание инжектора сырья может вызвать затруднение в случае, если наружный диаметр и/или выступы на наружной поверхности внутреннего трубопровода, образующего канал потока текучей среды, больше соответствующего внутреннего диаметра внутренней поверхности следующего большего трубопровода, образующего такой канал потока текучей среды. В этом случае для сообщения радиальной составляющей импульса соответствующему потоку текучей среды используются спиральные элементы, что позволяет использовать модифицированные и/или меньшие углы в расходящемся конце, преодолевая трудности в сборке и обслуживании. Кроме того, спиральные элементы могут быть выполнены таким образом, что соответствующий поток текучей среды, проходящей по каждому каналу, остается без изменений или претерпевает минимальные изменения. Помимо этого, спиральные элементы могут применяться в смежном канале потока для снижения или увеличения при смешивании результирующего вращательного момента соответствующих текучих сред.

[0035] Используемый в этом документе термин "текучая среда" относится к любому составу, обладающему текучестью, в том числе, но не ограничиваясь этим, к полутвердым веществам, пастам, растворам, водосодержащим смесям, веществам с гелеобразной структурой, лосьонам, сливкам, дисперсиям, эмульсиям, пенообразующим материалам, суспензиям, микроэмульсиям, газам, парам и другим подобным составам.

[0036] Вышеописанные способы и устройства подачи сырья в реактор высокорентабельны и очень надежны. Способы и устройства способствуют измельчению сырья, что приводит к увеличению времени пребывания с целью улучшения конверсии углерода, а также способствует самовоспламенению и более полному окислению топлива. Таким образом, способы и устройство улучшают эксплуатацию устройства частичного окисления экономически эффективным и надежным способом,

[0037] Хотя изобретение было описано в отношении различных конкретных вариантов выполнения, следует понимать, что его применение может осуществляться с некоторыми изменениями в пределах сущности и объема формулы изобретения.

Изобретение относится к системам газификации и может быть использовано в химических реакторах и системах трубопроводов для инжекции сырья. Инжекторная система подачи сырья содержит несколько кольцевых каналов 314, 316, 318, размещенных в концентрической конфигурации вокруг продольной оси, и несколько спиральных элементов 312, проходящих в тракт для прохода текучей среды. Спиральные элементы 312 выполняют с возможностью перемещения в осевом направлении в кольцевом канале. По меньшей мере один спиральный элемент 312 содержит несколько лопастей, установленных по винтовой траектории и отстоящих друг от друга. При этом один из спиральных элементов 312 выполняют с возможностью сообщения первого кругового вращения потоку текучей среды, а другой из спиральных элементов 312 выполняют с возможностью сообщения противоточного кругового вращения. Изобретение позволяет измельчить и перемешать сырье, увеличить время его пребывания в устройстве и повысить эффективность проведения процесса. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Инжекторная система подачи сырья, содержащая:
несколько кольцевых каналов, которые размещены по существу в концентрической конфигурации вокруг продольной оси и по которым поток текучей среды направляется по существу в осевом направлении из соответствующего источника в зону реакции; и
несколько спиральных элементов, проходящих в тракт для прохода текучей среды, ограниченный по меньшей мере одним из указанных нескольких кольцевых каналов, причем по меньшей мере один спиральный элемент выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении в указанном по меньшем мере одном кольцевом канале, при этом по меньшей мере один спиральный элемент содержит несколько лопастей, установленных по винтовой траектории и отстоящих друг от друга по оси и по окружности относительно смежного спирального элемента на этой винтовой траектории, причем по меньшей мере один спиральный элемент выполнен с возможностью сообщения первого кругового вращения потоку текучей среды, протекающей через по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов, и по меньшей мере один спиральный элемент выполнен с возможностью сообщения второго кругового вращения потоку текучей среды, протекающей через по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов, причем направление указанного второго кругового вращения является противоточным по отношению к направлению указанного первого вращения, при этом окружная скорость текучей среды задается наклоном и/или положением спиральных элементов.

2. Система по п.1, в которой по меньшей мере один спиральный элемент имеет часть, выступающую в по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов под непрямым углом относительно продольной оси.

3. Система по п.1, в которой указанные несколько по существу концентрических кольцевых каналов содержат:
первый трубопровод, имеющий по существу цилиндрическую форму относительно продольной оси, причем указанный трубопровод имеет радиальную наружную поверхность и радиальную внутреннюю поверхность, при этом указанный трубопровод дополнительно имеет конец подачи, разгрузочный конец и отрезок трубопровода между ними;
второй трубопровод, по меньшей мере частично и по существу в концентрической конфигурации совмещенный с указанным первым трубопроводом, при этом указанный второй трубопровод имеет по существу цилиндрическую форму относительно продольной оси и имеет радиальную наружную поверхность и радиальную внутреннюю поверхность, при этом указанный трубопровод также имеет конец подачи, разгрузочный конец и отрезок трубопровода между ними.

4. Система по п.3, в которой по меньшей мере один спиральный элемент содержит часть, проходящую радиально внутрь указанной внутренней поверхности указанного первого трубопровода в по меньшей мере один из нескольких кольцевых каналов, и проходит по спирали относительно продольной оси.

5. Система по п.3, в которой по меньшей мере один спиральный элемент содержит часть, проходящую радиально наружу из указанной наружной поверхности указанного второго трубопровода в по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов, причем указанный спиральный элемент проходит по спирали относительно продольной оси.

6. Система по п.1, в которой указанные несколько спиральных элементов отстоят друг от друга по периферии вокруг по меньшей мере одного из указанных нескольких каналов и расположены вдоль линии, проходящей под непрямым углом относительно продольной оси.

7. Система по п.1, в которой указанные несколько спиральных элементов отстоят друг от друга по периферии вокруг двух из указанных нескольких каналов, причем в первом из каналов спиральные элементы расположены вдоль линии, проходящей под непрямым углом относительно продольной оси, а во втором из каналов спиральные элементы расположены вдоль линии, проходящей под непрямым углом в противоположном направлении относительно спиральных элементов первого канала.

8. Система по п.1, в которой по меньшей мере один спиральный элемент содержит удлиненную лопасть, выполненную за одно целое с указанным элементом и проходящую наружу в по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов.

9. Система по п.1, в которой по меньшей мере один спиральный элемент установлен вдоль спиральной траектории и/или спиральной траектории с регулируемым наклоном.

10. Система по п.1, в которой указанные несколько лопастей проходят наружу в по меньшей мере один из указанных кольцевых каналов.

11. Система по п.1, дополнительно содержащая привод, соединенный с по меньшей мере одним спиральным элементом, причем указанный привод выполнен с возможностью перемещения указанного спирального элемента в осевом направлении относительно одного из нескольких указанных кольцевых каналов.

12. Система по п.1, дополнительно содержащая привод, соединенный с по меньшей мере одним из указанных спиральных элементов, причем указанный привод выполнен с возможностью вращения указанного по меньшей мере одного спирального элемента так, что наклон спирального элемента относительно продольной оси меняется.

13. Система по п.1, дополнительно содержащая:
первый трубопровод, который имеет первый радиально расходящийся конец, и
второй трубопровод, совмещенный в концентрической конфигурации относительно продольной оси указанного первого трубопровода так, что он находится снаружи указанного первого трубопровода, образуя по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов;
причем радиальный наружный диаметр указанного первого трубопровода на указанном первом конце меньше внутреннего диаметра второго трубопровода, так что указанный конец может быть удален в осевом направлении через указанный второй трубопровод.

14. Система по п.1, дополнительно содержащая:
первый трубопровод, который имеет первый радиально расходящийся конец, и
второй трубопровод, совмещенный в концентрической конфигурации относительно указанного первого трубопровода так, что он находится снаружи указанного первого трубопровода, образуя по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов,
причем второй трубопровод имеет второй радиально расходящийся конец, внутренний диаметр которого превышает внутренний диаметр указанного второго трубопровода,
при этом радиальный наружный диаметр указанного первого конца указанного первого трубопровода превышает внутренний диаметр указанного второго трубопровода, так что указанный первый конец указанного первого трубопровода взаимодействует с внутренним диаметром указанного второго трубопровода при удалении первого трубопровода в осевом направлении через второй трубопровод, при этом указанный первый расходящийся конец сообщает угловую траекторию выходящей из него текучей среде.

15. Способ сборки инжектора сырья газификатора, включающий:
использование первой трубы для сырья, имеющей первый наружный диаметр относительно продольной оси, причем первая труба содержит конец подачи, разгрузочный конец и отрезок трубы между ними;
использование второй трубы для сырья, имеющей первый внутренний диаметр, причем вторая труба содержит конец подачи, разгрузочный конец и отрезок трубы между ними;
размещение нескольких спиральных элементов вдоль по меньшей мере одной из первой трубы и второй трубы, причем по меньшей мере один спиральный элемент проходит вдоль поверхности первой трубы под непрямым углом относительно продольной оси с обеспечением сообщения первого кругового вращения потоку текучей среды, протекающей через указанную трубу, и по меньшей мере один спиральный элемент проходит вдоль поверхности второй трубы под непрямым углом относительно продольной оси с обеспечением сообщения второго кругового вращения потоку текучей среды, протекающей через указанную трубу, в противоточном направлении по отношению к направлению указанного первого вращения, при этом по меньшей мере один спиральный элемент имеет форму лопасти и выполнен за одно целое на наружной поверхности первой трубы, а окружная скорость текучей среды задается наклоном и/или положением спиральных элементов; и
вставку первой трубы во вторую трубу таким образом, что первая труба и вторая труба совмещены по существу в концентрической конфигурации.

16. Способ по п.15, в котором при размещении нескольких спиральных элементов осуществляют по меньшей мере либо соединение по меньшей мере одного спирального элемента, имеющего форму лопасти, с внутренней поверхностью второй трубы, либо соединение по меньшей мере одного спирального элемента, имеющего форму лопасти, с наружной поверхностью первой трубы.

17. Способ по п.15, в котором при размещении нескольких спиральных элементов используют по меньшей мере один спиральный элемент, имеющий форму лопасти, выполненный за одно целое на внутренней поверхности второй трубы.

18. Способ по п.15, в котором при размещении нескольких спиральных элементов соединяют по меньшей мере один спиральный элемент вдоль винтовой траектории вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы.

19. Способ по п.18, в котором при соединении по меньшей мере одного спирального элемента вдоль винтовой траектории вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы соединяют спиральный элемент вдоль винтовой траектории, имеющей различный наклон вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы.

20. Способ по п.15, в котором при размещении нескольких спиральных элементов соединяют несколько спиральных элементов, установленных друг рядом с другом вдоль винтовой траектории вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы.

21. Способ по п.15, в котором при соединении нескольких спиральных элементов, установленных друг рядом с другом вдоль винтовой траектории вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы, соединяют по меньшей мере один спиральный элемент вдоль винтовой траектории, имеющей различный наклон вокруг по меньшей мере либо первой трубы, либо второй трубы.

22. Способ по п.15, в котором дополнительно изменяют осевое положение по меньшей мере одного спирального элемента с использованием привода, соединенного с одним или несколькими спиральными элементами.

23. Система газификации, содержащая:
контейнер высокого давления для частичного окисления топлива;
инжектор сырья, выполненный для подачи топлива в контейнер высокого давления;
при этом инжектор сырья дополнительно содержит:
несколько кольцевых каналов, ограничивающих соответствующий тракт для прохода текучей среды, направляющий поток текучей среды по существу в осевом направлении от соответствующего источника в зону реакции; и
несколько спиральных элементов, проходящих в тракт для прохода текучей среды, ограниченный в по меньшей мере одном из указанных нескольких кольцевых каналов, причем по меньшей мере один спиральный элемент содержит несколько лопастей, проходящих наружу в по меньшей мере один из указанных несколько кольцевых каналов, при этом по меньшей мере один спиральный элемент выполнен с возможностью сообщения первого кругового вращения потоку текучей среды, протекающей через по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов, и по меньшей мере один спиральный элемент выполнен с возможностью сообщения второго кругового вращения потоку текучей среды, протекающей через по меньшей мере один из указанных нескольких кольцевых каналов, в направлении, противоточном по отношению к направлению указанного первого вращения, при этом окружная скорость текучей среды задается наклоном и/или положением спиральных элементов.